JP6438303B2 - ハニカム体及び触媒担体 - Google Patents

Description

本発明は、波箔によって形成される複数のガス通路を有する排ガス浄化用のハニカム体等に関するものである。

内燃機関の排気ガスを浄化する目的で、排気ガス流路に触媒を担持した触媒担体が配置される。この種の触媒担体として、特許文献１は、金属製平箔と波箔とを積層あるいは巻き回した多数のセルを有するハニカム体を開示する。

特開２００３−３３４４５６号公報

しかしながら、上述のハニカム体は、平箔と波箔とをろう付けなどの接合手段によって接合しなければならないため、複雑な工程プロセスが必要であった。具体的には、ろう付けを行うためのろう付け処理、真空熱処理などが必要となるため、工程が煩雑であった。また、ろう付けなどが不十分な場合には、触媒担体の軸方向において平箔、波箔が位置ずれを起こすおそれがあった。

そこで、本願発明は、軸方向に位置ずれしにくいハニカム体を、簡易な方法で製造することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明に係るハニカム体は、一つの観点として、（１）天面と天面の両端から延びる一対の斜辺を備えた台形状のフィンを連設部を介して連続させた波箔を、軸周りに巻き回した触媒担持用のハニカム体であって、複数の前記フィンは、第１のフィン、第２のフィン及び第３のフィンを含んでおり、前記第１のフィン及び前記第２のフィンは、該ハニカム体の軸方向において隣り合い、前記天面が互いに繋がるとともに、位相が異なるようにオフセットされており、前記第１のフィン及び前記第３のフィンは、該ハニカム体の径方向において隣り合っており、前記第１のフィンの先端部は、前記第３のフィンにおける前記天面と前記一対の斜辺とによって形成される開口部に対して嵌合しており、前記第３のフィンは前記第２のフィンに対して前記軸方向から当接していることを特徴とする。

（２）前記フィンの総数に対して、前記開口部に嵌合するフィンの比率である嵌合率は、３％以上であることを特徴とする（１）に記載のハニカム体。

（３）前記軸方向視において、前記第３のフィンの前記連設部は、少なくとも一部が前記第２のフィンの前記天面と重なる位置に設けられていることを特徴とする（１）又は（２）に記載のハニカム体。

（４）前記第１のフィンの先端部が前記開口部に嵌合する長さである喰い込み量をＴとしたときに、Ｔは前記波箔の板厚以上、かつ、前記波箔の板厚の２倍未満であることを特徴とする（３）に記載のハニカム体。

（５）（１）乃至（４）のうちいずれか一つに記載のハニカム体と、前記ハニカム体が収容される外筒と、を有することを特徴とする触媒担体。

本願発明に係るハニカム体は、別の観点として、（６）天面と天面の両端から延びる一対の斜辺を備えた台形状のフィンを連設部を介して連続させた波箔が所定方向に積層された触媒担持用のハニカム体であって、前記フィンのうち、前記積層方向に直交する軸方向において隣り合う第１のフィン及び第２のフィンは、前記天面が互いに繋がっており、かつ、位相が異なるようにオフセットされており、前記第１のフィンの先端部は、前記積層方向において隣接する第３のフィンにおける前記天面と前記一対の斜辺とによって形成される開口部に対して嵌合するとともに、前記第３のフィンが前記第２のフィンに対して前記軸方向から当接していることを特徴とする。

（７）（６）に記載のハニカム体と、前記ハニカム体が収容される外筒と、を有することを特徴とする触媒担体。

本発明によれば、第１のフィンの先端部が、第３のフィンに嵌合するとともに、第３のフィンが第２のフィンに対して軸方向から当接することで、波箔の軸方向における位置ずれを防止できる。また、平箔を省略することで、平箔と波箔とをろう付けする工程を省くことができるため、製造工程を簡素化できる。

軸方向から視たハニカム体の概略図である。 波箔を板厚方向に沿って切断した断面図である。 波箔の一部における平面図である。 図１の領域Ａの断面図である。 第１のフィンＦ１、第２のフィンＦ２及び第３のフィンＦ３の斜視図である。 波箔の一部における平面図である（変形例１） ハニカム体の断面図である（変形例２）

以下に本実施形態を図面に基づき説明する。図１は、軸方向視における触媒担体の概略図である。紙面に対する法線方向が軸方向に対応し、紙面に沿った方向が径方向に対応している。図２は波箔を板厚方向に沿って切断した断面図である。図３は波箔の一部における平面図であり、天面をハッチングで示している。

触媒担体１は、ハニカム体１０と、外筒２０とから構成され、排ガス浄化用の触媒コンバータとして使用される。

ハニカム体１０は、図２に図示する波箔１００を軸周りに巻き回すことで構成されている。ハニカム体１０の径方向断面は、円形に形成されている。ただし、ハニカム体１０の形状は円形に限るものではなく、他の形状（例えば、レーストラック形状）であってもよい。波箔１００は、天面１０１と、天面１０１の両端から延びる一対の左側斜辺１０２，右側斜辺１０３とを備えた台形状のフィンＦを、連設部１０４を介して連続させることにより構成されている。連設部１０４は、隣接する一方のフィンＦにおける右側斜辺１０３と他方のフィンＦにおける左側斜辺１０４との下端部を繋いでいる。なお、フィンＦは矩形、つまり、左側斜辺１０２，右側斜辺１０３を天面１０１に対して直交する方向に延びる直交辺としてもよい。矩形に形成されたフィンＦは、波板１００を巻く際に直交辺の下端側が巻き圧により拡大して、台形状に変形する。

波箔１００には、触媒担持用の金属箔を用いることができる。金属箔には、Ａｌを含んだ耐熱性の各種ステンレス鋼を用いることができる。触媒担持を行う場合には、ウォッシュコート液（γアルミナと添加剤及び貴金属触媒を成分とする溶液）をハニカム体１０の流路に供給し、高温熱処理によって焼き付けることでハニカム体１０に担持させることができる。

図３を参照して、波箔１００に形成されたフィンＦは、Ｘ方向に千鳥状に配列されており、この千鳥状に配列されたフィン群がＸ方向に対して直交する方向に複数列形成されている。つまり、一つのフィンＦを挟んで対向する二つのフィンＦは、互いに位相が同じ位置に設けられており、隣接するフィンＦは互いに位相が異なるオフセット位置に設けられている。なお、Ｘ方向は、ハニカム体１０の軸方向に対応している。

また、Ｘ方向に隣接するフィンＦの天面１０１は互いに繋がっている。これにより、千鳥状に配列されたフィンＦが一枚の板材となるため、波箔１００の剛性を高めることができる。すなわち、個々のフィンＦを独立させた場合、ハニカム体１０の径方向から外力を受けることによって、フィンＦが容易に変形するおそれがある。千鳥状に配列したフィンＦを接続しておくことで、径方向から受ける外力に対する剛性を高めることができる。上述のオフセット構造を備えた波箔１００は、オフセット予定位置に切り込みを形成したステンレス鋼などに対して、フィンＦに対応した突起部を有するロールを押しつけながら回転させることで、製造することができる。なお、オフセット予定位置に切り込みを形成することは必須条件ではない。この場合、突起部を有する一対のローラを用いてステンレス鋼を挟圧することで、波箔１００を形成してもよい。

ここで、Ｘ方向に隣接するフィンＦの繋ぎ幅Ａは、好ましくは、波箔１００の板厚の３倍以上である。フィンＦの繋ぎ幅Ａが波箔１００の板厚の３倍未満になると、剛性が弱くなり、フィンＦが位置ずれを起こすことで、オフセット形状を維持できなくなるおそれがある。

再び、図１を参照して、径方向において隣り合うフィンＦの位置関係は一定ではなく、一点鎖線で囲む領域Ａに示すように一方のフィンＦが他方のフィンＦに嵌合している場合、一点鎖線で囲む領域Ｂに示すように一方のフィンＦの一部が他方のフィンＦの中に嵌合せずに入り込んでいる場合、一点鎖線で囲む領域Ｃに示すように一方のフィンＦが他方のフィンＦに入り込まずに連設部１０４に当接している場合がある。これは、波箔１００を巻く際に径が徐々に大きくなることに起因しており、巻き圧によっても左右される。

以下の説明において、領域Ａ、つまり、他のフィンＦに嵌合するフィンＦを嵌合フィンＦという場合がある。また、領域Ｂ、つまり、フィンＦに嵌合せずに入り込んでいるフィンＦを延出フィンＦという場合がある。フィンＦが開口部に嵌合することなく入り込んだ状態とは、一方のフィンＦの斜辺１０２，１０３の下端部を結ぶ境界線を、他方のフィンＦの天面１０１の一部が越えており、かつ、当該他方のフィンＦの天面１０１が当該一方のフィンＦの斜辺１０２，１０３に挟圧されていない状態を意味する。さらに、領域Ｃ、つまり、連設部１０４に当接するフィンＦを開口部外フィンＦという場合がある。

図４は、図１の一点鎖線で囲んだ領域Ａ、つまり、一方のフィンＦが他方のフィンＦに嵌合した状態を模式的に示す断面図である。説明の便宜上、当該一方のフィンＦを第１のフィンＦ１、当該他方のフィンＦを第３のフィンＦ３というものとする。また、第１のフィンＦ１と軸方向において隣り合う別のフィンを第２のフィンＦ２というものとする。第２のフィンＦ２は点線で図示する。図５は、第１のフィンＦ１、第２のフィンＦ２及び第３のフィンＦ３の斜視図である。なお、第１のフィンＦ１及び第２のフィンＦ２の天面１０１は互いに繋がっている。

これらの図を参照して、第１のフィンＦ１の先端部は、第３のフィンＦ３の天面１０１及び一対の斜辺１０２，１０３によって形成される開口部に嵌合している。すなわち、第１のフィンＦ１が嵌合する第３のフィンＦ３の右側斜辺１０３は、第１のフィンＦ１の右側斜辺１０３に沿って下側に延びるとともに、第３のフィンＦ３の連設部１０４は、第１のフィンＦ１の右側に形成されたスペースに向かって延びている。したがって、第３のフィンＦ３は、第２のフィンＦ２の天面１０１及び／又は右側斜辺１０３に対して軸方向から当接する。

上述の構成において、ハニカム体１０に軸方向から振動が加わると、第３のフィンＦ３の連設部１０４が第２のフィンＦ２の天面１０１及び／又は右側斜辺１０３に当接したり、第３のフィンＦ３の右側斜辺１０３が第２のフィンＦ２の天面１０１に当接することで、波箔１００の軸方向における位置ずれが抑制される。従来の平箔と波箔とを積層したハニカム体では、平箔及び波箔をろう付けしなければ、軸方向の位置ずれを防止できなかったが、本実施形態の構成では、オフセット箇所に位置する第２のフィンＦ２の天面１０１及び／又は右側斜辺１０３がストッパーの役割を果たすことで、軸方向の位置ずれを防止できる。したがって、ろう付け処理を省略できるため、製造工程を簡素化することができる。

ここで、第１のフィンＦ１の開口部に対する喰い込み量をＴ、波箔１００の箔厚をｔ１としたとき、喰い込み量Ｔは、好ましくは箔厚ｔ１以上、かつ、箔厚ｔ１の２倍（２ｔ１）未満である。喰い込み量Ｔを箔厚ｔ１と同じにすることで、第３のフィンＦ３の連設部１０４と第２のフィンＦ２の天面１０１との接触面積が最大となるため、軸方向の位置ずれをより効果的に防止できる。波箔１００の箔厚ｔ１は、例えば５０μｍであってもよい。

喰い込み量Ｔがｔ１未満になると、第３のフィンＦ３の連設部１０４と第２のフィンＦ２の天面１０１との接触面積が低下し、位置決め効果が低下する。喰い込み量Ｔが２ｔ１以上になると、第３のフィンＦ３の連設部１０４は、第２のフィンＦ２の天面１０１に当接せずに第２のフィンＦ２の右側斜辺１０３に点接触するため、軸方向に過剰な負荷が加わる。以上の理由から、喰い込み量Ｔは、箔厚ｔ１以上、かつ、箔厚ｔ１の２倍未満とするのが好ましい。

ここで、波箔１００が備えるフィンＦの総数に対して、嵌合フィンＦが占める割合Ｒ（以下、嵌合率Ｒという）は、好ましくは、３％以上である。嵌合率Ｒを３％以上に高めることで、位置ずれ抑制効果が十分に得られ、ハニカム体１０の耐久性が高められる。

（変形例１）
図６を参照しながら、波箔の変形例について説明する。図６は、波箔の一部における平面図であり、天面をハッチングで示している。波箔２００に形成された複数のフィンＦは、ヘリカル状に配列されている。ここで、ヘリカル状とは、フィンＦのオフセット方向が一方向（本変形例ではＹ方向）で、かつ、Ｘ方向に隣接するフィンＦのオフセット量が所定値（本変形例ではＹ１）に設定された配列態様のことである。

また、Ｘ方向に隣接するフィンＦの天面２０１が互いに繋がっている点は、上述の実施形態と同様である。天面２０１の両端から斜辺２０２，２０３が延びており、Ｙ方向に隣接するフィンＦが互いに連設部２０４によって接続されている点も、上述の実施形態と同様である。

本変形例の波箔２００を用いたハニカム体であっても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例２）
図７を参照しながら、ハニカム体の別の変形例について説明する。上述の実施形態では波箔１００を巻き回すことでハニカム体を構成したが、本変形例２では波箔１００を所定方向に積層することでハニカム体１０´を構成している。本変形例２のハニカム体１０´では、波箔の巻き圧、波箔を巻く際に径が徐々に大きくなるなどを要因とする嵌合率Ｒへの影響を考慮する必要がなぃ、フィンＦは積層方向に隣接する他のフィンＦに常に嵌合する。

すなわち、積層方向に直交する軸方向において隣り合う第１のフィンＦ１及び点線で示す第２のフィンＦ２は、天面（不図示）が互いに繋がっており、かつ、位相が異なるようにオフセットされている。なお、第２のフィンＦ２は、図面を簡略化するために一部のみを図示している。

第１のフィンＦ１の先端部は、積層方向において隣接する第３のフィンＦ３における天面３０１と一対の斜辺３０２とによって形成される開口部に対して嵌合するとともに、第３のフィンＦ３が第２のフィンＦ２に対して軸方向から当接している。

本変形例２の構成によれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、嵌合率Ｒを１００％にできるため、ハニカム体１０´の構造をより強化することができる。

（実施例１）
嵌合率Ｒを種々変えて、ハニカム体の耐久性を評価した。実施形態のハニカム体を直径４２ｍｍの外筒に挿入し、室温下で、ハニカム体に対して軸方向からパンチで荷重を付与した。比較例Ｎｏ.１は、オフセット構造のない波箔を用いたハニカム体とした。実施例Ｎｏ.１〜６はオフセット構造のある波箔を用いたハニカム体であり、それぞれ嵌合率を２％、３％、５％、１０％、２０％、３０％に設定した。その結果を表１に示す。波箔が外筒から２ｍｍを超えて突出した場合には、耐久性が「ｐｏｏｒ」として「×」で評価した。また、荷重を５００（Ｎ）以上、かつ、２０００（Ｎ）未満にしても、波箔が外筒から２ｍｍを超えて突出しなかった場合には、耐久性が「ｇｏｏｄ」として「○」で評価した。さらに、荷重を２０００（Ｎ）以上に高めても、波箔が外筒から２ｍｍを超えて突出しなかった場合には、耐久性が「ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ」として「◎」で評価した。比較例Ｎｏ.１は、オフセット構造がなく、軸方向から働く外力に対するストッパー機能がないため、耐久評価は×になった。

（実施例２）
喰い込み量Ｔを種々変えて、ハニカム体の耐久性を評価した。評価方法は、実施例１と同様であるから詳細な説明を省略する。嵌合率は１０％に統一した。耐久評価の基準は、実施例１と同様にした。

１ 触媒担体
１０，１０´ ハニカム体
２０ 外筒
１００，２００ 波箔
１０１，２０１ 天面
１０２，２０２ 左側斜辺
１０３，２０３ 右側斜辺
１０４，２０４ 連設部
Ｆ フィン
Ｆ１ 第１のフィン
Ｆ２ 第２のフィン
Ｆ３ 第３のフィン

Claims (5)

1. 天面と天面の両端から延びる一対の斜辺を備えた台形状のフィンを連設部を介して連続させた波箔を、軸周りに巻き回した触媒担持用のハニカム体であって、
   複数の前記フィンは、第１のフィン、第２のフィン及び第３のフィンを含んでおり、
   前記第１のフィン及び前記第２のフィンは、該ハニカム体の軸方向において隣り合い、前記天面が互いに繋がるとともに、位相が異なるようにオフセットされており、
   前記第１のフィン及び前記第３のフィンは、該ハニカム体の径方向において隣り合っており、前記第１のフィンの先端部は、前記第３のフィンにおける前記天面と前記一対の斜辺とによって形成される開口部に対して嵌合しており、前記第３のフィンは前記第２のフィンに対して前記軸方向から当接していることを特徴とするハニカム体。
2. 前記フィンの総数に対して、前記開口部に嵌合するフィンの比率である嵌合率は、３％以上であることを特徴とする請求項１に記載のハニカム体。
3. 前記軸方向視において、前記第３のフィンの前記連設部は、少なくとも一部が前記第２のフィンの前記天面と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のハニカム体。
4. 前記第１のフィンの先端部が前記開口部に嵌合する長さである喰い込み量をＴとしたときに、Ｔは前記波箔の板厚以上、かつ、前記波箔の板厚の２倍未満であることを特徴とする請求項３に記載のハニカム体。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載のハニカム体と、
   前記ハニカム体が収容される外筒と、を有することを特徴とする触媒担体。