JPH0471648A - 良好な耐久性を有する自動車排ガス触媒用金属担体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車排ガス浄化用触媒を担持するための金
属担体に関するものである。

〔従来の技術〕

自動車の排ガスを浄化するための触媒を担持する担体と
して、耐熱性のステンレス鋼からなるハニカム体の金属
担体が注目されている。これら金属担体は、高温の排気
ガスに耐える耐熱性、耐酸化性だけでなく、同時に排ガ
スによる加熱・冷却の熱サイクル及びハニカム体内の温
度差による熱応力・熱疲労にも耐えることが重要である
。

金属担体が加熱・冷却を受けると、担体の中心とその外
周側では大きな温度差が生じ熱応力が発生する。排ガス
によりハニカム体の中心部が加熱されて中心部の温度が
外周温度よりも高くなると、熱膨張により中心部が外周
部よりも伸びようとする。冷却過程で外周部から冷えて
くると伸びきった中心部の箔は元の長さまで十分に収縮
できず箔が軸方向に塑性変形する。そのような熱サイク
ルを繰り返すと徐々に箔は軸方向に伸びてくる。また、
特公平１−５４０９０号公報に開示されているように、
担体は高温にふいて作動時間の増加とともに特に長手方
向の膨張を生じるという問題がある。

排ガスの流れに偏流がある場合は、流量の多いところで
はとりわけハニカム体がその周囲よりも温度が上がり高
温に曝される。

即ち、繰り返し熱応力によるハニカム体の膨張と絶対的
に高い温度によるハニカム体の膨張の両方の要因により
高温に曝されるハニカム部分では箔の軸方向膨張現象が
起きる。このような軸方向箔伸び現象が発生すると、特
公昭６３−４４４６６号公報の実施例に図示されている
ような、金属ハニカム体の両端部を軸方向に接合して軸
方向に対称な接合構造を持つ金属担体では、排ガス入側
の金属ハニカム体の箔の一部分が破断し飛び出す現象が
起こり、飛び出した部分の先端部が排ガスにより飛散し
てしまう。

熱サイクルによる熱応力・熱疲労対策としては、特開昭
６２−２７３０５０号、特開昭６２−２７３０５１号の
各公報に開示されているような箔の端部のみを軸方向に
外筒と接合しハニカム体の平箔と波箔とは接合しないも
のや、特開昭６２−８３０４４号公報に開示されている
ように平箔にも大きな周期で変形を与え、波箔には小さ
な波長の波を付加して接合点で形成されるセルに変形化
を余分に与えて熱応力を緩和する方法などがある。これ
らの方法で前者は、箔の端部が外筒とだけしか接合され
ていないため、高温・高速の排ガスによりハニカム体の
平箔と波箔がずれてしまうことがある。また、後者で述
べた方法は箔の波付は加工が困難であると同時に巻取り
がむずかしく接点を安定して接合するのも困難である。

それ故に、ひとつひとつのセルの接合不良を招き易くハ
ニカム体の構造安定性に欠けるものである。特開昭６２
−４５３４５号公報では、軸と直角な面での半径方向と
周方向を選択的に接合することにより軸と直角な面での
応力緩和を図っているが、軸方向の応力を緩和すること
は出来ない。

また、実開昭６２−１６０７２８号公報にあるように機
械的にハニカム体を固定する方法もあるが、外筒とは切
り離されているのでハニカム体が外筒内部で振動し、担
持した触媒が脱落して浄化能力が低下する。

以上のように熱サイクルによる熱応力・熱疲労に対する
従来までの対策は、軸方向に発生する箔伸びに対する対
策には不十分であり、排ガス入側のハニカム体の一部飛
散を生じて触媒の浄化能力を低下させたりエンジンの効
率を下げるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、金属ハニカム体内の温度差により生じる熱応
力による金属箔の伸びと高温に曝されることによる金属
箔の伸びの両方の箔伸び現象による排ガス入側の金属ハ
ニカム体の飛び出し、飛散などの不具合を解決しようと
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の要旨とするところは、排ガス出側の金属ハニカ
ム体の平箔と波箔の軸方向接合強度を排ガス入側の平箔
と波箔の軸方向接合強度の５０％以下にすることにより
排ガス入側の金属ノ１ニカム体の飛び出し現象を防止す
るものである。

また、上記発明に加えて外筒と金属／’％ニカム体を接
合する領域で金属ハニカム体の外周部近傍、即ち、最外
周から１周以上５周以内で平箔と波箔を、外筒と金属ハ
ニカム体の接合範囲よりも長く軸方向に接合することに
より外筒と接合されている金属ハニカム体最外周の箔破
断による金属ハニカム体のずれをも防止するものである
。このとき、外筒と金属ハニカム体の接合箇所は、排ガ
ス入側の金属ハニカム体の接合領域と重複しないように
する。

〔作　用〕

上記課題を解決するための手段は、金属ハニカム体の接
合強度に着目して開発されたものである。

すなわち、本発明の主旨は、ハニカム体の飛び出し現象
が排ガス入側で生じるため、それを防止するたｔにはハ
ニカム体の出側の接合強度を下げて入側が飛び出す前に
出側でハニカム体を飛び出させてハニカム体の入り側の
飛び出し現象を抑えようとするものである。入側の飛び
出し現象は飛び出した所の金属箔が排ガスに煽られ飛散
し、エンジン側に逆流する可能性がありエンジン・トラ
ブルの原因になり得る。一方、出側の飛び出した所は排
ガスがハニカム体のセルを通過することにより整流され
るため飛散することも少なく、例え飛散してもその飛散
したものがエンジン側に逆流することもないたｔエンジ
ン・トラブルの心配がない。

第１図は、エンジンが立ち上がって６０秒後の定常状態
に達する前の金属担体内の温度分布を表わしている。そ
れによると、排ガス入側の担体部分では、８００℃以上
になっている領域があるのに対して、出側では４００℃
〜５００℃である。一方、金属ハニカム体に使用されて
いるフェライト系ステンレス鋼の高温強度は、第２図に
示す特性を有している。８００℃ではハニカム体素材の
高温強度は５ｋｇ／ｍｍ２程度に低下しているが、４０
０℃〜５００℃では４０ｋｇ／ｍｍ２以上である。した
がって、金属ハニカム体の平箔と波箔の軸方向接合長さ
が排ガス入側と出側で同じ接合長さである場合、ハニカ
ム体接合部の排ガス入側は熱間強度が極度に低下してい
るのに対して出側はそれほど強度低下を来していない。

軸方向に熱応力が働き箔が伸ばされ゛るようになると熱
間強度の低くなったところで箔は伸びていく。即ち、箔
の伸びは出側よりも入側で伸びて行くことになり、ハニ
カム体は入側で飛び出してしまう。以上のことより、排
ガス入側での飛び出し現象を防止するためには、出側の
接合長さを入側より短くしてハニカム体が加熱された状
態において出側の接合強度を入側の接合強度よりも低く
することが必要である。

本発明者らは、出側の接合強度を入側に比べてどの程度
低くすれば良いのかを決めるために入側の接合長さに対
して出側を種々の比率で接合し、それらの金属担体をエ
ンジン・テストした結果、出側の接合強度を入側の５０
％以下にすれば入側の飛び出し現象を防止できることを
発見した。即ち、出側の接合長さを入側の接合長さの５
０％以下にすれば入側の飛び出しを防止することができ
た。

また、接合長さを少くする代りに、ハニカム体出側の波
箔と平箔の接合箇所を入側の接合箇所より少くすること
で接合強度の低下を達成できることが確認された。すな
わち、入側の接合箇所を出側の５０％以下にすることに
より入側の接合強度を出側の５０％以下にすることがで
きた。

金属ハニカム体の最外周１周以上かつ５周以内で、外筒
との接合範囲よりも長く軸方向に接合して外周強化する
のは、外筒と接合されている金属ハニカム体の最外周の
箔が破断を起こしても金属ハニカム体内で接合領域を有
しておれば金属ハニカム体が外筒から直ちに切り離され
てずれることがないからである。外周強化接合における
５周以下の限定は、それ以上接合すると外周強化接合範
囲内で大きな熱応力の発生原因になるからである。

また、外筒と金属ハニカム体との接合は、排ガス入側の
金属ハニカム体の接合領域と重複しないようにして外筒
と金属ハニカム体との間の熱応力を緩和する。

本発明の主旨を具現化できる接合は、ロウ材、拡散接合
、抵抗溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接、アーク溶
接等の接合方法で可能である。特にロウ材だとロウ材の
付着する長さを制御することにより容易に接合長さをコ
ントロールし易い。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。

各図面は円柱状金属担体１の軸方向断面の模式図である
。該金属担体１の上部が排ガス入側を表わし、下部が排
ガス出側を表わす。図中の斜線部分が平箔と波箔が接合
されている領域である。これら実施例並びに比較例はす
べてロウ付を用いて接合した例である。第３図は本発明
に基づ〈実施例（実施例１）である。巾１００闘、５０
虜厚さのフェライト系ステンレス鋼の平箔と波箔を重ね
て巻いたハニカム体２を、外径が８０韮、厚さ１．５ｍ
ｍ、長さ１００証のステンレス鋼外筒３に納ｔである。

図中４はハニカム体２の平箔と波箔の排ガス入側のロウ
付領域を表わしておりその接合長さは、２０肛である。

５は出側のロウ付領域を表わし、その接合長さは入側の
５０％である１０−である。６は金属ハニカム体の最外
周から５周目まで軸方向に５０闘ロウ付した外周強化層
である。７はハニカム体２と外筒３を４０闘ロウ付して
いる領域である。ここで金属ハニカム体２を最外周から
５周目までロウ付して外周強化層を形成している理由は
、ハニカム体２と外筒３とは５０Ｉ！ｍ厚さの箔１枚で
つながっているため、熱応力によりその箔が前記つなが
り部分の近傍で破断してもハニカム体内部で平箔と波箔
が接合されているとハニカム体が外筒から切り離されな
いた約である。

以上のような金属担体１を実際のエンジンによる排ガス
の加熱・冷却サイクル（８００℃以上まで加熱して１０
０℃以下になるまで冷却するのを繰り返す。）にかけた
結果、排ガス入側の飛び出し現象は起きなかった。第４
図は軸方向に対称なロウ付構造を持つ金属担体１の比較
例（比較例１）である。排ガスの入側と出側のハニカム
体のロウ付領域４．５の接合長さがともに２０ｍｍで同
じ場合である。その他のロウ付領域６およびロウ材長さ
７は実施例１と同じである。この比較例１では上記加熱
・サイクルをかけると入側のハニカム体が飛び出した。

そして、飛び出した箇所が排ガスに煽られて箔が亀裂・
破断を起こして飛散した。第５図は他の比較例（比較例
２）である。出側のロウ付領域５の接合長さを排ガス入
側のロウ付領域４の接合長さの７５％、即ち、１５証に
しである。そのほかは実施例１に同じである。この場合
においても排ガス入側が飛び出して箔が飛散した。以上
の例から出側のロウ付領域５の接合長さは入側のロウ付
領域４の５０％以下にするのがよい。

第６図は他の実施例（実施例２）である。図中５は最外
周から２周目までを入側から出側まで全長ロウ付した外
周強化層８である。９は出側のロウ付領域を表わし、そ
の接合長さは入側ロウ付領域４の接合長さと同じである
。しかし、平箔と波箔のロウ付位置が第７図（ハニカム
体の出側ロウ付領域の横断面を示す。）に示すように波
箔の一部は外径側でロウ付し内径側ではロウ付をせず、
その隣りの一部は外径側ではロウ付せずに内径側でロウ
付している。出側をこのようにロウ付すると出側の接合
強度は、入側の全面ロウ付部に比べるとはるかに低くな
り入側の飛び出し現象を防止できる。第８図は他の実施
例（実施例３）を示す。

図中７はハニカム体２と外筒３のロウ付領域を表わし、
ハニカム体の出側で両者を接合している。

ハニカム体と外筒のロウ付位置は排ガス入側のハニカム
体のロウ付領域と重複しなければどの位置であってもよ
いが、排ガス入側方向は温度上昇が急速であり温度偏差
が大きくなるので、出側方向で接合した方が温度偏差が
小さくて破壊に対して有利になる。１０は出側方向での
ロウ付領域を表わしており、その接合長さは入側ロウ付
領域の接合長さと同じである。ただし、平箔と波箔のロ
ウ付位置は、第９図に示すように波箔の内径側だけで平
箔と対にしてロウ付している。このような出側のロウ付
でも入側の飛び出し現象は生じなかった。

実施例２と３の出側のロウ付領域の接合長さは入側と同
じであるが、第７図及び第９図に示すようにその接合箇
所が、平箔と波箔の全てが接合されている入側の接合箇
所の５０％以下の接点において接合されているので実質
の軸方向接合強度は入側よりも５０％以下になっている
。

第１０図はさらに他の実施例（実施例４）を示している
。図中５は第３図と同じ構造の出側のロウ付領域を表わ
しており、その接合長さは入側のロウ付領域接合長さの
１０分の１の２　ｍｍである。実施例４では、入側が飛
び出さなかったが、出側でハニカム体が飛び出した。し
かし、飛び出してもハニカム体の箔は端部２　ｍｍがロ
ウ付されているため、出側の飛び出し箇所は飛散しては
いなかった。出側を全くロウ付しないことも考えられる
が、その場合、平箔と波箔は接合されていないと拘束が
緩み、箔が排気ガスにより振動を起こして飛散する可能
性がある。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように本発明は、排気ガス入側のハニ
カム体の亀裂・飛び出しおよび飛散現象に対し、出側の
接合強度を入側よりも低くすることにより入側の飛び出
し、飛散現象を防止できるものである。本発明により、
ハニカム体の入側飛散はなくなり触媒の浄化能力の低下
を防ぎ、エンジン・トラブルの可能性も解消した。

なお、本発明の担体は、断面形状が円形のものに限るこ
となく、楕円形、卵形、レーストラック形などその他の
形のものにも適用しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属担体内の温度分布を示す図であり、第２図
はフェライト系ステンレス鋼の高温引張強度を表わす図
であり、第３図、第６図、第８図及び第１０図は本発明
による実施例の金属担体の軸方向断面の接合状況を示す
模式図であり、第７図及び第９図は第６図及び第８図の
金属担体出側におけるハニカム体横断面での接合状況を
示す模式図であり、第４図及び第５図は、比較例の金属
担体の軸方向断面の接合状況を示す模式図である。 １・・・金属担体、　　　　２・・・ハニカム体、３・
・・外筒、 ４・・・ハニカム体排ガス入側のロウ付領域、５．９．
１０・・・ハニカム体排ガス出側のロウ付領域、 ６．８・・・外周強化層、 ７・・・ハニカム体と外筒のロウ付領域。 金属担体湿層分布 名１　図 温度（”Ｃ） ト２　図 １・・・金属担体 ２・・・ハニカム体 ３・・・外筒 ４・・・ハニカム体排ガス入側のロウ付領域５．９．Ｉ
Ｏ・・・ハニカム体排ガス出側ロフ付領誠６．８・・・
外周強化層 ７・・・ハニカム体と外筒のロウ付領誠第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、平箔と波箔を重ねて巻き込んでなる金属ハニカム体
   とその側面を囲む金属外筒を接合してなる自動車排ガス
   触媒用金属担体において、排ガス出側の金属ハニカム体
   の平箔と波箔の軸方向接合強度を排ガス入側の平箔と波
   箔の軸方向接合強度の５０％以下にすることを特徴とす
   る自動車排ガス触媒用金属担体。 ２、排ガス出側の金属ハニカム体の平箔と波箔の軸方向
   接合長さを排ガス入側の平箔と波箔の軸方向接合長さの
   ５０％以下にする請求項１記載の金属担体。 ３、排ガス出側の金属ハニカム体の平箔と波箔の軸方向
   接合箇所を排ガス入側の平箔と波箔の軸方向接合箇所の
   ５０％以下にする請求項１記載の金属担体。 ４、金属ハニカム体の最外周から１周以上５周以内で平
   箔と波箔とを軸方向に接合した外周強化層を有する金属
   ハニカム体と外筒との接合を金属ハニカム体排ガス入側
   の平箔と波箔との接合領域と重複しない軸方向部分で行
   い、かつ前記の外周強化層の軸方向範囲内で行う請求項
   １記載の金属担体。