JPH11156210A - 触媒用のハネカム構造 - Google Patents

触媒用のハネカム構造

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JPH11156210A
JPH11156210A JP10252883A JP25288398A JPH11156210A JP H11156210 A JPH11156210 A JP H11156210A JP 10252883 A JP10252883 A JP 10252883A JP 25288398 A JP25288398 A JP 25288398A JP H11156210 A JPH11156210 A JP H11156210A
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jacket
sheets
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Keijo Torkkell
トルッケル ケイジョ
Aimo Lehtimaeki
レーティマキ アイモ
Timo Avikainen
アヴィカイネン ティモ
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Kemira Metalkat Oy
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱疲労に対する良好な耐久性と、高周波疲労
に対する良好な耐久性との両者を有する触媒を提供する
こと。 【解決手段】 ハネカム(1)および周囲ジャケットを含
み、該ハネカムが少なくとも部分的に型彫りされた、金
属シートの積層体(2)として形成された構造を含み、か
つ該ハネカム構造がガス透過用の幾つかの流通チャンネ
ルを含む触媒。該金属シートの自由端が、該ハネカムの
中心とは非−対称の関係で、該ハネカム周辺部の一部(S
1)に分布されていて、該ハネカム周辺の一部(F1)は、該
金属シートの自由端をもたない。該ハネカムが直接また
は中間層を介して、少なくとも該自由端の一部を含む領
域(L1)に渡って、該ジャケットに取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハネカムおよび周
囲ジャケットを含む触媒に関連し、該ハネカムは少なく
とも部分的に型彫りされた、金属シートの積層体として
形成された構造を含み、かつ該ハネカム構造がガス透過
用の多数の流通チャンネルを含む。
【0002】本発明は、特に触媒用のハネカムおよび該
ハネカムの該周囲ジャケットへの固定に関わり、この生
成物は、典型的にはガス状不純物または粒子表面に付着
した不純物を酸化することにより、あるいは窒素酸化物
を還元することにより、燃焼機関からの排出物を精製す
るために使用する。
【0003】
【従来技術】触媒用の金属ハネカムは、典型的には薄い
金属シートからなり、該シートはガスが該ハネカムを透
過し得る、多数のチャンネルを形成する。典型的には、
このハネカムは2枚の金属シートからなり、その1枚は
波形に形成され、また他のシートは実質的により平滑で
あって、これらシートを交互層として組み合わせること
により、多数のチャンネルを形成する。セラミック支持
体が、該ハネカムの表面上に与えられ、該触媒の幾何学
的面積を増大し、また該触媒の活性を高める化合物を含
み、該化合物は、例えばガス状化合物を蓄積できる。ま
た、該支持体は貴金属用のベースとして機能し、該貴金
属は、実際に触媒的に活性な成分である。該セラミック
支持体は、該ハネカムを形成する前に、該金属シートの
表面上に付加することができ、従って該方法は「解放型
被覆(open coating)」と呼ばれ、あるいは「ハネカム被
覆(honeycomb coating)」なる表現を使用した場合に
は、該支持体は、該ハネカムを巻回し、組み立てまたは
曲げた後に付加することも可能である。
【0004】該触媒を作用させるためには、この触媒は
適当な作動温度(着火温度)に達する必要があり、該温
度は該触媒の該貴金属担持率およびエンジンの型に依存
して、250 ℃を越える可能性がある。排出限界の引下げ
(tightening)は、出来る限り迅速に、該着火温度を達成
する必要性をもたらす。以前、電力により実際の触媒の
前部に設けられた、より小さな電気触媒を加熱すること
が、迅速な着火のための一解決策であると考えられた。
即ち、これは自動車シャーシ下部の、伝統的な触媒の位
置を維持することを可能とした。しかしながら、コスト
および技術に関連する諸問題点のために、この解決策は
殆ど完全に放棄された。排気マニホルドとの関連で直接
触媒またはより小さな前置触媒を、所謂「密結合(close
coupled)」位置に設けることによって、急速着火に対す
る要求を満たすことが、確立された実務となっている
が、これは、該触媒に印加される熱的および機械的な応
力がかなりの大きさであるために、該触媒の耐久性にお
ける要求を大きくしている。
【0005】該「密結合」位置において、典型的には50
-400Hzの周波数で、大きな加速力が該触媒に印加され
る。最悪の場合、該エンジン本体から該排気マニホルド
を介して該触媒に伝播される、これらの加速値は、地球
の重力加速度の数十倍である。更に、排気ガス流動のパ
ルス状の衝撃が、該触媒のハネカムおよび特にその前部
表面に影響を与え、該衝撃は、該エンジンの燃焼頻度(f
requency)において、該ハネカムの前部表面の振動を発
生する。これと関連して、これらの現象の高周波疲労な
る表現を使用する。
【0006】該高周波疲労に加えて、熱的(thermo-ther
mal)力のかなりの循環が、該触媒ハネカムに向けられ、
該力はこの「密結合」位置においては最悪の影響を与え
る。自動車を始動する場合、該自動車のモーターの負荷
を急速に増大する場合には、排気ガス温度が上昇し、ま
た該触媒中の酸化すべき成分の濃度が増大し、結果とし
て該触媒の加熱および温度(初めは、特に該ハネカムの
中心部分における温度)の急激な上昇をもたらす。該ハ
ネカムを包囲するより低温のジャケットに対する熱勾配
のために、該金属ハネカムの熱膨張は、該ハネカムにお
ける圧縮応力の発生に導き、このことは、約900-1000℃
の温度における高応力において、典型的にはフェライト
スチール製の該ハネカムは、例えば該熱勾配の大きさに
依存して、ある程度不可避的に変形され、該熱勾配はま
た、例えば該ジャケットで使用されている外部または内
部断熱材および流れの分布によっても影響される。該エ
ンジンの負荷が減じられ、あるいは該エンジンが停止さ
れた場合、エンジン温度は降下し、かつ該ハネカムと該
ジャケットとは収縮する。従って、該ハネカムは、新た
な、高温において利用していたよりも小さな体積をとる
傾向があり、また引張応力が、該ハネカムと該ジャケッ
トとの間に発生し、該引張応力は、最悪の場合には、ケ
ーシングからの該ハネカムの剥離に導く。温度勾配は、
該ハネカムの半径方向以外に、ハネカム内で流動方向、
即ち軸方向にも存在して、これは過度の熱応力を生ず
る。熱循環により発生した該力は、熱疲労と呼ばれる。
【0007】金属ハネカムを指向した、該高周波疲労を
制御するための確立された方法は、該ハネカム構造を強
化する工程を含み、例えばより強力な金属シートを使用
していた。該シートはより厚いもしくはより強力な材料
から作製されたものでもよい。生成物は、長きに渡り市
販品として入手でき、該製品においては、波形シートよ
りも大きな応力がかけられるより平滑なシートが、該波
形シートよりも高強度の材料から作製されるか、あるい
はその厚みが増大されていた。該チャンネルを形成する
該シートは、一緒にロウ付けまたはビーム−溶接されて
いる。また、該生成物の流れの分布を改善することによ
り、あるいは該ハネカムの断面積を大きくすることによ
って、該排気ガスにより発生する衝撃−様のパルスを制
御する試みがなされており、これらを結合する最良の方
法は、該ハネカムを、ガスの流入に対して対角線位置に
向けることであった。
【0008】熱疲労の問題は、「密結合」位置、特に該
ジャケット管に対してロウ付けされた構造との関連にお
いてのみそれ自体におよび該ハネカム内部に強力に生
じ、ここで周期的に変動する温度が、大きな残留応力を
生じた。この状況の制御は、該ジャケット管と該ハネカ
ムとの間の接合表面を、軸方向において減じることによ
り、該ハネカムの可撓性を増すことと、主として関連し
ている。接合された波形の、平滑なバンドにより形成さ
れた、該個々のシートまたはシートの対は相互に隔置さ
れており、熱疲労により発生する応力はより小さいが、
該ハネカムの緩み(slacken)を生じ、これは高周波疲労
に対するその耐久性を低下する。
【0009】特許EP-0 245 738には、曲げられかつ巻回
された構造が記載されており、該構造において、該ハネ
カムの強度は、強化壁によって高められている。該強化
壁は、該ハネカムの自然な振動に影響を与え、かくして
高周波疲労に対するその耐久性を高める目的で使用する
ことができる。しかしながら、これらの構造によって熱
疲労に対する耐久性を調節することは困難であり、該ハ
ネカムの高い剛性は該ハネカムの耐久性にとって有害で
さえある。更に、該構造における該強化壁は過大な質量
および過大なコストをもたらす。
【0010】EP-0 245 737は、金属シートの積み重ねら
れた積層体が反対方向に曲げられ、または巻回された、
触媒構造を開示している。該シートが2つの対向するセ
クターまたはセグメントにおいて、該ジャケット周辺部
と対称的に接合されていることが、この構造体の特徴で
ある。この構造体は、個々の該シートが接合されていな
い場合には可撓性であるが、該シートを相互に接合する
ことにより、該高周波疲労に対する耐久性が高められた
場合には、典型的には、刊行物WO-96/26805に記載の如
く、軸方向における該接合面積を減ずることによって、
熱疲労に対する耐久性を高める必要がある。
【0011】特許EP-0 631 815は、S字型に曲げられた
ハネカムを開示しており、該ハネカムにおいては、より
高い強度の合金で作製された、波形および平滑なシート
からなるバンドの対を使用しており、該対は強化層とし
て機能している。更に、本件特許は、非−波形のシート
が如何にして過度に湾曲させることができるか、またそ
の結果として該ハネカム用のジャケットを如何にして形
成できるかをも開示している。この構造において、該ハ
ネカムの内部構造の剛化にも注目しているが、これによ
り熱疲労に対する該ハネカムの耐久性に影響を与えるこ
とは不可能である。
【0012】刊行物SAE-910615は、エンジン近傍に設け
られた触媒に関連した問題を記載している。該触媒ジャ
ケットと該ハネカムの最外部との間の温度差は、400℃
であるとしており、これは強力な熱疲労に導く。3種の
異なる触媒構造をテストしたが、その内の、該ハネカム
の前端部並びに螺旋状巻回体の最外層がロウ付けされて
いる構造が、最良であることが立証された。出口側で該
ジャケットに固定された。該ハネカムの内部および出口
端部は、ロウ付けされないままであった。この刊行物に
よれば、該ハネカムは該ジャケットから剥離せず、また
該ロウ付けされた前部表面が破壊されかつ生成物が前進
する位置における損傷は見られなかった。該ハネカムの
内側および該出口を溶接しないままで残し、かつ該ハネ
カムを該出口端部のみで固定することによって、熱疲労
に対する該構造体の弾性を高めて、利用したテストに合
格することができた。
【0013】刊行物WO-96/26805は、ハネカム構造に属
する平滑なバンドが、軸方向において、該ハネカムの長
さを部分的に包囲している構造を開示している。かくし
て、該ハネカムと該ジャケット管との間の望ましから
ぬ、ロウ付け接合を回避することができる。この刊行物
によれば、わざわざ該ジャケットとケーシングとを一緒
に接合することを回避し、かつ該製品の熱疲労に対する
耐久性を改善することができる。この記載の方法は、該
平滑なバンドの成形、あるいはまた該ハネカムの長さを
部分的に包囲する1以上の幅の狭いバンドを使用する必
要がある。
【0014】特許刊行物EP-0 486 276は、半−長円形の
ハネカムにおける、ハネカムとジャケットとの間の接合
を記載し、この刊行物によれば、この接合によって熱疲
労に対する優れた耐久性を達成することが可能であると
している。この刊行物においては、該ハネカムの該ジャ
ケット管への固定は、湾曲した部分あるいはまた平行な
部分に限られる。
【0015】記載された製品の幾つかにとって、典型的
なことに、該ハネカムは、波形のおよび平滑なシートか
らなる連続したバンド対を巻回することにより作製さ
れ、該シートは、構造体を介してロウ付けにより一緒に
接合される。ここで、該ロウ付けは、恐らく弾性を高め
る目的で、該ハネカムの内部では減じられている。この
ハネカムを製造するための別の方法は、ショートカット
波形および平滑シートを重ね合わせ、かつこのようにし
て形成したシートの、一般的には矩形の積層体の端部
を、反対方向に折り曲げることである。形成された該ハ
ネカムの該シート端部は、典型的には等間隔で該ジャケ
ットに、あるいは相互に極近接した2枚のセクターに固
定され、また該ロウ付けは典型的には該セクター間の領
域内で実施される。該ロウ付けは、該製品を包囲し、そ
の量は多分軸方向では、弾性を増すために減じられてい
る。更に、U、V字型および交叉形状をもつ構造がある
が、これらは、該ハネカムを内側に捩じることによって
熱膨張に対する釣合いをとるために、螺旋状の巻回に関
連する能力に欠けている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、熱疲労に対する良好な耐久性と、高周波疲労に対す
る良好な耐久性との両者を有する、触媒を提供すること
にある。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明は、ハネカムおよ
び周囲ジャケットを含む触媒を提供する。ここで、該ハ
ネカムは、少なくとも部分的に型彫りされた、金属シー
トの積層体として形成された構造を含み、該ハネカム構
造はガス透過用の幾つかの流通チャンネルを含む。この
ハネカムにおいて、該金属シートの自由端は、該ハネカ
ムの中心とは非−対称の関係で、該ハネカム周辺部の一
部に分布しており、結果として該ハネカム周辺の一部
は、該金属シートの自由端をもたず、かつ該ハネカム
は、直接または中間層を介して、少なくとも該自由端の
一部を含む領域に渡り、該ジャケットに結合している。
【0018】本発明によれば、該ハネカム構造は、所謂
S字型のハネカムを形成するために、反対方向に、該金
属シート積層体の端部を曲げることにより製造する。こ
のようにして製造したハネカム構造においては、該金属
シートの自由端部は、該金属シート積層体の両端部を由
来とする。
【0019】本発明によれば、該ハネカム構造は、また
金属シートの積層物を螺旋状に巻回することによっても
製造でき、該積層物の厚みは巻回方向に大きくなる。該
巻回の出発点がカットシートを含む場合、この製造した
ハネカム構造における該金属シートの該自由端部は、該
金属シート積層体のより厚い端部を由来とする。また該
巻回の出発点が折り曲げられたシートを含む場合には、
該ハネカム構造における該金属シートの自由端部は、該
シート積層体の折り曲げられていない、より厚みのある
端部を由来とする。
【0020】該金属シートの自由端部は、該ハネカム周
辺部の一部、好ましくはその周囲の長さの約25-90%を構
成する部分に渡り分布している。
【0021】該金属シートの積層体は、有利には数対の
シートからなり、その個々の対は、実質上平滑なまたは
僅かに波形のシートと、波形のシートとを含む。本発明
によれば、各対のシートを構成する、該実質上平滑なま
たは僅かに波形のシートおよび該波形のシートは、例え
ば溶接により相互に結合することができる。
【0022】例えば、該金属シートの積層体は、約2-15
対のシートを含むことができるが、その構造に依存し
て、さらに多くのシート対を使用することも可能であ
る。
【0023】本発明の有利な実施の態様においては、該
ハネカムと該ジャケットとの間に、該ハネカムの全長ま
たはその軸方向の一部に沿って、固定領域が存在し、こ
の領域は該金属シートの自由端部が位置する、該周辺部
分の一部を含み、該ハネカムの周方向には、未固定領域
が存在し、該未固定領域は該周辺部分の少なくとも一部
を含み、該周辺部分は該金属シートの自由端部を含まな
い。本発明によれば、該ハネカムおよび該ジャケット
は、該未固定領域において、例えばロウ付けまたは溶接
によって相互に接合することができる。
【0024】本発明の触媒の該ジャケットは、円形、半
−長円(レース用トラック形)または長円形断面をもつ
ことができる。
【0025】本発明の触媒の該ハネカムは、付随的に1
または数個の強化用シートを含むことができ、該シート
の厚みは、その他の該金属シートの厚みよりも厚い。該
強化シートの長さは、強化シートが該ハネカムの周辺部
またはその一部と該ジャケットとの間に中間層を形成す
るように、他のシートの長さよりも長くてもよい。
【0026】上記のように、該金属シートの自由端部
は、該ハネカムの中心に対して非−対称に、該ハネカム
の周辺部の一部に渡り分布している。更に、該ハネカム
の中心は、該ジャケットの対称軸に関して均一ではなく
てもよい。
【0027】本発明の触媒の製造においては、「解放型
被覆」あるいは「ハネカム被覆」技術を利用することが
できる。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面を参照し
つつ、より詳細に説明する。
【0029】図1には、膨張する螺旋として巻回した、
本発明の触媒用のハネカム1が記載されている。本発明
によれば、この製品は、図2に示したように、所定サイ
ズに裁断された波形のシート3および平滑なシート4か
ら作られた、重ね合わされた金属シート5、6、7、8
の対からなり、これらのシート対(典型的には、例えば
2-15対)は、積層体2に積層され、その厚みは、流動チ
ャンネルの横方向に増大する。図2に示したように、該
積層体の厚みが最小である、該積層体の該当端部から該
螺旋状ロールの形成を開始することにより、また新たな
層7、8が連続的に金属シートの該積層体に導入される
方向に進めることによって、連続的に膨張する螺旋を構
成する構造をもつ製品を作製することができる。
【0030】図2の場合、該積層体の厚みが増大する、
該エレメント7、8は、均一な長さをもつ必要のない、
波形の1枚のシートおよび平滑な1枚のシートからな
る、少なくとも1対の金属シートで形成される。
【0031】図2を参照すると、該螺旋の膨張速度は、
所定の方法で該螺旋の起点からの距離Xi を選択するこ
とにより、また問題とする点におけるエレメントの数を
増大することにより調節できる。最終的な螺旋における
該起点に対して該膨張点を位置させる方法は、外周部に
おける該シートの終端に影響を与える可能性がある。該
積層体を形成する該シートの調節された裁断長と共に、
該手順は、該シートの裁断端部が、該ジャケットの所定
のセクターS1において、あるいは該ジャケット周辺部の
所定の長さに沿って合する、ハネカム構造を生成し得
る。この手順により、例えば該周辺部の全長に沿って、
丸い製品をロウ付けして、該シートの全端部を該ジャケ
ットに固定する必要性を排除できる。該製品の耐久性
を、軸方向の加速力に対して十分なものとするために、
該所定のセクターは、好ましくは応力の位置に依存し
て、丸い製品について90-330°の範囲である。丸い製品
以外については、該接合セクターは、該ジャケット周辺
部の%として示すことができ、従って約25-90%である。
該領域L1(これに沿って該ハネカムが該ジャケットに固
定される)は、少なくとも該接合セクターS1のサイズに
相当するが、一般的には製造技術上の理由から、幾分大
きい。大きな接合セクターは、該ハネカムの弾性を減
じ、かつその熱応力に対する耐久性を低下する。該ジャ
ケット内の該接合セクターの外部にあり、かつ該周辺部
と接合したシートを含まない該領域F1は、熱的な力によ
り生ずる変形を受け、かつ螺旋に類似する該ハネカム構
造の捩じりにより、該熱的な力により生ずる熱的な移動
を被る可能性を増大する。本発明の製品においては、該
移動およびこれに関連する変形は管理され、かつ制御さ
れるので、該ハネカムの該部分は、例えばキャンニング
との関連で、排気パルスに対して保護することができ、
従ってその壁から隔置された要素の耐久性を保証でき
る。熱的力に対する該ハネカムの耐久性は、管理された
熱的な移動および変形に基づくので、該固定は該壁の長
さまたは所望ならばその一部において、該シート端部か
ら軸方向に実施できる。種々の型のロウ付けまたは、例
えばビーム溶接技術が、この固定において利用できる。
【0032】膨張螺旋構造により特徴付けられる製品
は、半径方向において変動する諸特性をもつ製品を容易
に製造するのに使用できる。というのは、例えば該製品
の中心まで伸びるシートが異なる強度をもつ可能性があ
るか、あるいはこれらが、該螺旋の後の部分において該
積層体に導入されるシートとは、異なる開口数、触媒特
性(解放型被覆)または幾つかの他の特性をもつ可能性
があるからである。従って、例えば該製品の流動分布に
影響を与えて、該流動抵抗を減じるより大きなチャンネ
ルまたはガスの放出を容易にする形状のチャンネルを、
該製品の該周辺領域に位置させることが可能である。こ
こで、該ガスの流動は、典型的には中心におけるよりも
小さい。また、段階的に該構造を接合するシートの対ま
たはエレメント層も、種々の方法で該シートに固定でき
る。かくして、該シートの一部は、例えばレーザー法に
より一緒に溶接でき、また一部は固定せずに自由であ
る。固定により、該強化領域を、高周波疲労が最大とな
る位置に導くことができる。本発明のこの製品におい
て、該熱的運動は該螺旋のヘリックス状の運動により平
滑化され、これにより熱的な疲労に対する良好な耐久性
がもたらされる。
【0033】本発明の製品は種々の型の、例えばオース
テナイトニッケル−クロム−アルミニウム−鉄(ferrou
s) 型およびフェライト鉄−クロム−アルミニウム型の
金属シート製であり得る。該金属シートにおいて、アル
ミニウムまたはその一部は、典型的には例えばホットア
ルミナイジング、機械的被覆、蒸着またはスパッタリン
グ等を包含する被覆法により添加することができた。該
ハネカムは、典型的には該ジャケット管内にまたは深絞
りケーシング内に設けられ、あるいは直接該ケーシング
モルド内部に配置することができ、また該ジャケット
は、例えばエンジンの排気マニホルドの一部として鋳造
できる。
【0034】図3は、膨張螺旋として巻回された本発明
の触媒ハネカム9を記載している。本発明の該製品は、
図1に示された構造の改良である。この製品は、図4に
示された金属シートの積層体10で作製される。この金属
シート積層体10は、2対の重ね合わされたシート11、12
からなり、該対は二つに折り畳まれ、かつ中間に取り付
けられた該積層体の厚みを増大するエレメントを含み、
該エレメントは二つに折り畳まれた金属シートの対から
なっている。図4において、2つのこのような金属シー
トの対は、参照番号13および14で示されている。個々の
金属シートの対は、波形および平滑な金属シートからな
る。該螺旋状の巻回は、図4に示すように、厚みが最小
の該積層体の端部から始められる。かくして、製品が得
られ、その構造は連続した膨張する螺旋を形成する。上
記方法では、該螺旋状巻回中心が該製品の少なくとも一
つの対称軸から離れて移動する、ハネカムの製造を可能
とする。この転移は図3のαで示される。L2は、ある領
域を表し、該領域に沿って該ハネカムが該ジャケットに
固定される。
【0035】図5は、膨張する螺旋として巻回された、
本発明の触媒用ハネカム15を記載する。本発明の該製品
は、図1、3に示した構造の改良に関わる。この製品
は、図6に示した金属シートの積層体16で作製される。
この金属シートの積層体16は、中間に取り付けられた該
積層体の厚みを増大するエレメントを有する、2つ折り
の金属シートの対17で形成され、該エレメントは2つ折
りの金属シートの対で形成される。2つのこのような金
属シートの対は、図6において参照番号18、19で示され
ている。該積層体の厚みを増大するエレメントはまた、
該金属シートの対17上にも固定され、これらも同様に金
属シートの2つ折りの対により形成され、その一方は参
照番号20で示されている。この螺旋の巻回は、図6に示
したように、最小の厚みをもつ該積層体の端部から開始
され、かくして製品が形成され、その構造は連続した膨
張する螺旋を形成する。上記方法においては、該螺旋状
巻回の中心が該製品の少なくとも一つの対称軸から離れ
て移動する、ハネカム15の製造を可能とする。この転移
は図5のαで示される。L3は、ある領域を表し、該領域
に沿って該ハネカムが該ジャケットに固定される。
【0036】図7では、偏心したS字型触媒用ハネカム
21を含む本発明の製品を示す。この製品は一定のサイズ
に裁断された、波形および平滑なシートにより形成され
た重ね合わされた金属シートの対からなり、該金属シー
ト対は、異なる長さ(典型的には、例えば4-35対)から
作製される。該製品は、1または2つの正確に前もって
決められた位置において、該金属シートの積層体を把持
することにより螺旋状に巻回され、該対の間の中心の位
置は、該積層体の巻回方向に対して、該中心に配置され
ないが、結合は非−対称である。この手順によって、該
螺旋状巻回の中心が該製品の対称軸の少なくとも一つか
ら離れた位置に移動したハネカムを製造することが可能
である。この転移はαで示される。該金属シートの調節
された裁断長さと共に、この手順は、該裁断した金属シ
ートの端部が、該ジャケット22の所定のセクターにおい
て、あるいは該ジャケット周辺部の所定の長さに沿って
合する、ハネカム構造を製造するために使用できる。
【0037】この手順を利用することにより、例えば該
周辺部の全長に沿って、丸い製品をロウ付けして、該金
属シートの全端部を該ジャケットに固定する必要性を排
除することができる。該製品の耐久性を、軸方向の加速
力に対して十分なものとするために、該所定のセクター
は、好ましくは応力の位置に依存して、丸い製品につい
て90-330°の範囲である。丸い製品以外については、該
接合セクターは、該ジャケット周辺部の%として示すこ
とができ、従って約25-90%である。領域L4(これに沿っ
て該ハネカムが該ジャケットに固定されている)は、最
小でも該接合セクターのサイズに相当するが、一般的に
は製造技術上の理由から、幾分大きい。大きな接合セク
ターは、該ジャケットの弾性を減じ、かつその熱応力に
対する耐久性を低下する。該ジャケット内の該接合セク
ター外にあり、かつ該周辺部と接合した金属シートを含
まない該領域F4は、熱的力により生ずる変形を受け、か
つ螺旋に類似する該ハネカム構造の捩じりによって、該
熱的力により生ずる熱的な移動を被る可能性を増大す
る。本発明の製品では、該移動および恐らくこれに関連
する変形は管理され、かつ制御されるので、該ハネカム
の該部分は、例えばキャンニングとの関連で、排気パル
スに対して保護することができ、従ってその壁から隔置
された部分の耐久性を保証できる。熱的力に対する該ハ
ネカムの耐久性は、管理された熱的な移動および変形に
基づくので、該固定は該壁の全長または所望ならばその
一部に沿って、該金属シート端部から軸方向に実施でき
る。種々の型のロウ付けまたは、例えばビーム溶接技術
が、固定技術として利用できる。
【0038】図8、9および10には、本発明の触媒の製
造で使用できる波形の金属シートが示されている。この
波形の金属シートは、参照番号23で示されている。該波
形の金属シート23の前端部24は段付け工程中に形成され
て、該波形金属シートの他の部分よりも高い準位とされ
る。該波形金属シートの該前端部24および平滑金属シー
トは、例えばレーザー溶接により一緒に接合できる。こ
の溶接は、例えば各2番目の段の頂部から実施して、中
間の段付けが、巻回により発生する曲げを、弾性により
受容可能とすることができる。
【0039】図11には、ハネカム25および周囲ジャケッ
ト管28を含む完成した触媒の構造を示す。端部錐体26
は、該ハネカム25の導入側に結合され、該錐体は、該ハ
ネカムの長手方向の軸に対して対角線状に設けられる。
図11において、ガスの流動方向は、矢印で示されてい
る。端部錐体27は、該ハネカム25の出口側に設けられて
いる。
【0040】本発明の製品を使用した場合の、最大の利
点は、円形のハネカム体により達成でき、その製造にお
いては、通常の問題は、特に金属シートの積層体から該
ハネカムを巻回する際に、十分な弾性を達成することで
ある。しかしながら、本発明は、この単一の幾何形状に
限定されない。というのは、該流動チャンネルの方向に
対して直交する方向の巻回中心の偏心が、例えば長円幾
何形状においても利用できるからである。従って、該ジ
ャケットの内部周辺部に、所定のセクターをもつ該金属
シートの開始点および終了点を整列させることができ、
また該ケーシングに該ハネカムの主要部分を固定するこ
となしに、該ハネカムの他の部分を残しておくことがで
きる。膨張する螺旋を使用することにより、中心に所定
のサイズの開口を含む、ハネカムを製造できる。該開口
が閉じるように該ハネカムを展伸加工することにより、
半−長円形のハネカムを形成でき、そこで該ハネカムの
中心に関する、該金属シートの接合点の非−対称性は、
該螺旋の膨張の非−対称性によって、また展伸加工によ
っても調節される。
【0041】
【実施例】本発明の製品、その製造および諸特性を以下
の実施例の助けを借りて、以下に記載する。
【0042】実施例1 膨張する螺旋として巻回された触媒ハネカム1を含み、
かつ図1に示された、本発明に従う製品Aは、波形のス
チールシートおよび平滑なスチールシートを、それらの
シートの前縁から7mm幅のストリップが未被覆のまま残
されるように予備被覆することにより作製した。支持体
と該シートとの結合は、該シートを550℃にて4時間ア
ニールして清浄化することにより改善した。この手順は
後に実施するレーザー溶接を妨害しないことが分かっ
た。該シートの表面を酸化し、あるいは窒素化する予備
処理または該予備処理の該当部分は、該シートの特定の
部分に対してのみ適用することもでき、該特定部分に
は、該支持体が第一段階において付加され、また該溶接
すべき部分は、異なる方法で清浄化される。化学的また
は電解クリーニングにおいて、該クリーニングは、例え
ば該シートの反応試薬または電解液への部分的浸漬に基
づくものであり得、また熱処理においては、該溶接すべ
き部分を抵抗加熱または火炎加熱外に置くことに基づ
き、あるいは誘導加熱を該支持体で覆うべき端部に適用
することに基づくものであり得る。
【0043】該波形のシートの前端部は、図8、9およ
び10に示された方法における段付け段階中に、波形のシ
ートおよび平滑なシートが、Nd-YAG-レーザー溶接によ
り、該未被覆端部を一緒に接合できるように成形し、か
つ膨張する螺旋に必要なエレメントを形成できた。溶接
は、各2番目の段の頂部から実施して、中間の段が、巻
回により生ずる曲げを、弾性によって受容することがで
きた。この溶接後に、該巻回を該積層体の薄い端部から
実施し、最後に該支持体を、該ハネカムを該支持体に浸
漬することにより、該ハネカムの前端部に付加した。最
終的に、該触媒のパラジウム担持量が1ft3(0.0283m3)
当たり200gのパラジウムとなるように、パラジウムを該
支持体に添加した。波形および平滑シートの長さ間の関
係は、波形のロール幾何形状を使用して、該製品の開口
数、即ち1in2(6.45cm2)当たりのチャンネル数が400と
なるように設定した。予め計算し、かつテストすること
により、起点に対する非−中心点を、該螺旋状に膨張す
る層を該構造内にもたらすように探して、該外周部にお
ける該シート対の端部を、セクター間隔90-330°内に調
節することができた。作製された製品では、セクターS1
を270°となるように選択した。該ジャケットへのロウ
付けは、誘導法を利用して、該ハネカムの中心から16mm
の距離に渡り、軸方向に、セクターのL1290°で実施し
た。端部の錐体は、図9に示された方法により、該作製
された製品と結合した。
【0044】参考製品Bは、真空ロウ付けにより作製し
たハネカムであった。このハネカムは、その全長に渡り
該ジャケットを介して、かつ該ジャケットに対してロウ
付けした。該ハネカムには支持体または貴金属を全く付
加せず、従って実施したテストでのその動作温度は、シ
ート対から作製したハネカムの温度よりも僅かに低かっ
た。というのは、酸化反応がそれ程には該ハネカム内で
生じなかったからである。従って、該テスト条件は製品
Aよりも製品Bに対して容易であると考えられる。
【0045】本発明による該製品Aおよび参考製品Bに
関するデータを、以下の表1にまとめる。
【0046】
【表1】
【0047】本発明による該触媒Aおよび該参考の触媒
Bの熱疲労ならびに高周波疲労に対する耐久性を、これ
ら2種を、エンジンの排気マニホルドに、所謂密結合位
置に一緒に配置することにより、テストした。これらテ
ストでは、排気量2lの16−バルブエンジンを使用し
た。該エンジンは、テスト用ベンチに取付けた。使用し
たテストサイクルを、以下の表2に示す。
【0048】
【表2】
【0049】このテストサイクルは、該排気ガス温度
が、該触媒の入口において、620℃と880℃の間で急激に
変動した際に、および該触媒が断熱されておらず、発生
した張力が、特に半径方向において強力であった場合
に、該触媒に対して大きな熱応力を発生した。
【0050】これら触媒を、20時間毎に検査した。その
結果、剛性ハネカムを有しかつ堅固に該ケーシングに固
定された、参考触媒Bは、該サイクルを20時間に渡り継
続した場合に完全に破壊されることが分かった。該ハネ
カムは、半径方向および軸方向の熱的力により、該ジャ
ケットから剥離解放され、かつこれらは次に該ジャケッ
ト内で振動し初め、該ハネカムの外周部は、全周囲長さ
に渡り、金属シート層を欠いていた。
【0051】本発明による触媒Aについて、該テストサ
イクルを40時間に渡って継続した後に、2度目の検査を
行った。該触媒ハネカムは依然として損傷を受けておら
ず、また該前部の錐体を取り外した後に、該熱膨張運動
が、該ジャケットに結合されていないセクター内の所定
の領域に向けられていることに気付いた。というのは、
該ハネカムの前部表面に触れた際に、これは極めて緊密
であったからである。該金属シートの端部が限られたセ
クターに固定されている、膨張する螺旋として巻回され
たハネカムを使用した場合、該熱運動を管理して、内部
の緩みが生じないようにし、かつ熱疲労に対する耐久性
を改善し、しかも高周波疲労と関連した剛性を高める事
ができた。
【0052】実施例2 S字型に曲げられ、かつ図7に示された触媒ハネカムを
含む、本発明の製品Cは、波形のスチールシートおよび
平滑なスチールシートを、それらの前端部から、7mmの
ストリップが、未被覆のまま残されるように予備被覆す
ることにより作製した。支持体と該シートとの結合は、
該シートを550℃にて4時間アニールして清浄化するこ
とにより改善した。この手順はレーザー溶接を妨害しな
いことが分かった。該シートの表面を酸化し、あるいは
窒素化する予備処理または該予備処理の該当部分は、該
シートの該当部分に対してのみ適用することもでき、こ
の該当部分には、該支持体が第一段階において付加さ
れ、また該溶接すべき部分は、異なる方法で清浄化され
る。化学的または電解クリーニングにおいて、該クリー
ニングは、例えば該シートの反応試薬または電解液への
部分的浸漬に基づくものであり得、また熱処理において
は、該溶接すべき部分を抵抗加熱または火炎加熱外に置
くことに基づき、あるいは誘導加熱を該支持体で覆うべ
き端部に適用することに基づくものであり得る。
【0053】該波形のシートの前端部は、図8、9およ
び10に示された方法における段付け段階中に、波形のシ
ートおよび平滑なシートが、Nd-YAG-レーザー溶接によ
り、該未被覆端部において、孔が該シート内で焼付けら
れることなく、一緒に接合できるように、成形すること
ができた。溶接後、該ハネカムを該支持体に浸漬するこ
とにより、該ハネカムの前端部に該支持体を付加した。
か焼後に、吸収法によりパラジウムを、該触媒のパラジ
ウム担持量が、1ft3(0.0283m3) 当たり200gのパラジウ
ムとなるような量で、該支持体に付加した。完成された
該シート対を、図3に示された方法で一定サイズに裁断
し、積み重ねて5層のシート対からなる積層体とした。
該対で使用したシートと同じ強度の1枚の平滑なシート
を、頂部に配置して、該波形バンドが該巻回中に重なる
のを防止した。該波形および平滑なシート間の関係は、
波形のロール幾何形状の使用により、該製品の開口数、
即ち1in2(6.45cm2)当たりのチャンネル数が400となる
ように、設定した。前もって計算し、かつテストするこ
とにより、該シート積層体の中心にはない把持点を、該
外側周辺部に対する該シート対の端部を、セクター間隔
90-330°内に調節するように探した。作製された製品に
おいて、該セクターは180°となるように選択した。該
把持の偏心性を表3に示す。該ジャケットへの半田付け
は、誘導法を利用して、該ハネカムの中心から16mmの距
離に渡り、軸方向に、セクターのL4 200°で実施した。
端部の錐体は、図9に示された方法により、該作製され
た製品に結合した。
【0054】
【表3】
【0055】参考製品Dを本発明の製品Cと同様にして
製造した。但し、シート積層体の把持は対称であり、か
つシート対全体の両端部を、該ハネカムの外周部全体に
渡り均等に分布させて、ロウ付けを該周辺部全長(360
°)に渡り実施する必要があった。従って、該製品の該
外周部領域には自由な点を全く形成せず、該製品は平均
して低温で動作し、熱的運動を緩和し、かくして熱応力
を減ずる。
【0056】本発明の製品Cおよび該参考製品Dに係わ
るデータを下の表4にまとめる。
【0057】
【表4】
【0058】本発明の製品Cおよび該参考製品Dの熱疲
労および高周波疲労に対する耐久性を、実施例1と同様
なテストによって正確にテストした。これらテストは以
下のことを明らかにした。
【0059】該ハネカムがシート対により作製された弾
性構造である、参考触媒Dを、該テストを40時間継続し
て検査した。両ハネカムは依然として損傷を受けなかっ
た。前部錐体を該触媒から取り外し、また該ハネカムの
前部表面の剛性を触感で調べたところ、僅かな緩みが検
出されたが、これは該ハネカムの冷却ジャケットに向か
う半径方向の膨張が、圧縮応力および該構造に対する僅
かな変形を生ずるという事実によるものであった。この
変形は異なるシート対間に均等に分布し、従って該構造
の僅かな緩みとして感じられた。この長時間運転におけ
る、該前端部剛性のこのような変動は、高周波疲労によ
る損傷に対する危険性を増す。
【0060】本発明の触媒Cは、該テストサイクルを40
時間継続した後に検査した。かくして、該触媒ハネカム
は依然として損傷を受けていないことが観測され、また
該前部錐体を取り除いた後に、該熱膨張運動が、該ジャ
ケットに結合されていないセクター内の所定の領域に向
けられていることに気付いた。というのは、該ハネカム
の前部表面に触れた際に、これは、構造Dと比較して実
質的に緊密であったからである。該金属シートの端部が
限られたセクターに取り付けられている、非−中心的に
巻回されたハネカムを使用した場合、該熱運動を管理し
て、内部の緩みが生じないようにし、かつ熱疲労に対す
る耐久性を改善し、しかも高周波疲労と関連した剛性を
高めることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の触媒の構造を示す図である。
【図2】図1の触媒の製造において使用した、金属シー
トの積層体の構造を、部分図で示した図である。
【図3】本発明の触媒のもう一つの構造を示す図であ
る。
【図4】図3に示した触媒の製造において使用した金属
シート積層体の構造を示す部分図である。
【図5】本発明の触媒の第三の構造を示す図である。
【図6】図5に示した触媒の製造において使用した金属
シート積層体の構造を示す部分図である。
【図7】本発明の触媒の第四の構造を示す図である。
【図8】本発明の触媒の製造で使用した、波形シートの
構造を示す上面図である。
【図9】図8と同様の構造を示す図であるが、該構造の
側面図であり、かつ拡大図である。
【図10】図9のラインA-A における断面図である。
【図11】端部錐体を有する本発明の触媒を示す図であ
る。
【符号の説明】
1、9、15、21 ハネカム 2、10、16 金属シート積層体 3 波形シート 4 平滑または僅かに波形の金属シート 5、6、7、8 金属シート対
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティモ アヴィカイネン フィンランド国 エフアイエヌ−41340 ラウカアラウカアーンティエ 13 エーエ ス 8

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ハネカム(1,9,15,21)および周囲ジャケ
    ット(22)を含み、該ハネカムが少なくとも部分的に型彫
    りされた、金属シートの積層体(2,10,16)として形成さ
    れた構造を含み、かつ該ハネカム構造がガス透過用の幾
    つかの流通チャンネルを含む触媒であって、該金属シー
    トの自由端が、該ハネカムの中心とは非−対称の関係
    で、該ハネカム周辺部の一部(S1)に分布されていて、該
    ハネカム周辺の一部(F1,F4)は、該金属シートの自由端
    をもたず、かつ該ハネカムが直接または中間層を介し
    て、少なくとも該自由端の一部を含む領域(L1, L2, L3,
    L4)に渡り、該ジャケットに取り付けられていることを
    特徴とする触媒。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の触媒において、該ハネカ
    ム構造が、該金属シート積層体の該自由端を反対方向に
    曲げることにより形成されることを特徴とする触媒。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の触媒において、該ハネカ
    ム構造が、金属シート積層体(2,10,16)を螺旋状に巻回
    することにより形成され、その厚みが該巻回方向に増大
    することを特徴とする触媒。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の触媒に
    おいて、該金属シートの該自由端が、該ハネカムの長さ
    の25-90%を構成する一部分(S1)に分布していることを特
    徴とする触媒。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の触媒に
    おいて、該金属シート積層体(2)が、金属シートの幾つ
    かの対(5,6,7,8)を含み、該個々の対が実質的に平滑
    な、もしくは僅かに波形の金属シート(4)と波形のシー
    ト(3)とを含むことを特徴とする触媒。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の触媒において、シートの
    単一の対の、該実質的に平滑な、もしくは僅かに波形の
    シートと該波形のシートとが、溶接によって相互に結合
    されていることを特徴とする触媒。
  7. 【請求項7】 請求項5または6記載の触媒において、
    該金属シート積層体が、シート2〜15対を含むことを特
    徴とする触媒。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載の触媒に
    おいて、固定領域(L1, L2, L3, L4)が、該ハネカムの全
    長、あるいはその一部に渡り、該ハネカムの軸方向に、
    該ハネカムと該ジャケットとの間に配置されており、該
    固定領域が該周辺部の一部(S1)を含み、そこには該シー
    トの該自由端が存在し、該ハネカムの周方向において、
    未固定領域が存在し、該未固定領域は、該シートSの該
    自由端を含まない、該周辺部分(F1,F4)の少なくとも一
    部を含むことを特徴とする触媒。
  9. 【請求項9】 請求項1〜8のいずれかに記載の触媒に
    おいて、該ハネカムと該ジャケットとの間にロウ付け接
    合部または溶接接合部が存在することを特徴とする触
    媒。
  10. 【請求項10】 請求項1〜9のいずれかに記載の触媒
    において、該ジャケットが、円形、半−長円形または長
    円形断面を有することを特徴とする触媒。
  11. 【請求項11】 請求項1〜10のいずれかに記載の触
    媒において、該ハネカム構造が、更に1またはそれ以上
    の強化シートを含み、その厚みがその他のシートの厚み
    よりも厚いことを特徴とする触媒。
  12. 【請求項12】 請求項11記載の触媒において、該強
    化シートの長さが、その他のシートの長さよりも長く
    て、該強化シートが、該ハネカムの周辺部またはその一
    部と該ジャケットとの間の該中間層を形成することを特
    徴とする触媒。
  13. 【請求項13】 請求項1〜12のいずれかに記載の触
    媒において、該ハネカムの中心が、該ジャケットの対称
    軸に関して均一ではないことを特徴とする触媒。
JP10252883A 1997-09-05 1998-09-07 触媒用のハネカム構造 Withdrawn JPH11156210A (ja)

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