WO1990003842A1 - Metal carrier having thermal fatigue resistance for automobile exhaust gas cleaning catalysts - Google Patents

Description

明 細 書 耐熱疲労性を有する自動車排気ガス浄化触媒用金属担体 〔技術分野〕

この発明は、 N0x， HC, CO などを舍有する排 ^スと接触し、 これらを浄化する触媒を担持するための金属担体に関するも ので、 特に自動車エ ンジ ンの排気ガス系に設置し、 前記触 媒を担持して十分その機能が発揮できる構造をもっと共に、 高温の排気ガスの圧力やヱンジン振動に対して充分な強度と 激しい温度変動に対する充分な耐熱疲労性を兼ねそなえた金 属担体に係る'ものである。

〔背景技術〕

自動車の排気ガス規制が実施されて 10年以上経過するが、 現在の排気ガス対策はェンジンの改良と触媒による排気ガス の浄化によつて行われている。 排気ガス浄化用の触媒はコ一 ジォライ ト等のセラ ミ ッ クハニカムの上に P t などの貴金属 触媒を担持したァ—アルミナ粉を担持する構造のものが主流 を占めている。 さりながらこれらのセ ラ ミ ッ クハ二カ ムは排 気抵抗がやや高く 、 またハニカムの破壊を防止するために外 筒との間に挿入する緩衝用のステ ンレスメ ッ シュの耐熱性の 制約などから、 その使用温度が低めに制限される等の欠点が った

これらの欠点を改善するものとして近年ステ ンレス箔から なる金属担体が注目されている。 これら金属担体は一般に、 平坦な金属箔 （平箔） と波型加工された金属箔 （波箔） を積 層ないし巻回して形成したハニカムとこれを収納する金属外 筒から構成されているが当然反応中の高温且つ高速の排気ガ スに耐える耐熱性と激しい加熱 ·冷却に耐える耐熱疲労性が 要求される。

金属担体が高温 ·高速の排気ガスに耐えるためには耐酸化 性の良好なステ ンレス箔を用い、 相互の接合面積を増すこと が有効であるが、 それだけでは激しい加熱 ·冷却に対しては 耐えられない。 すなわち自動車ェ ンジンに装着された金属担 体では走行開始から加速時にはハニカムが外筒に先行して加 熱され、 また減速時にはェ ンジ ンブレーキの状態が持続し、 この間燃料の供給を力 ッ トするタイプのものではハニカムが 外筒に先行して冷却され、 外筒とハニカ ム間に大きな温度差 が生じ、 またハニカ ム内にも温度分布が生じる。 しかも加速 時と減速時では温度差の正負が入れ変わり、 実にハニカ ムの 材料と外筒の材料とでは一般的に熱膨張率が異なるため、 ハ 二力ム外周部付近には大きな熱応力が発生する。 そのためハ 二カ ムは外筒に近い部分で熱疲労破壊を生じ、 排気ガスの背 圧によりハニカムが風下方向にずれる等の不具合が生じるこ とがある。

このように金属担体全体を固く接合した場合の不具合を防 止する先行技術としてハニカ ムを機械的に固定する方法が米 国特許 4， 186， 172号明細書、 特公昭 60- 27807号公報等に開示 されている。 またハニカムを部分的に接合する方法が特開昭 62 - 45345号公報および特開昭 61— 199574号公報に開示されて いるが、 ハニカムと外筒の接合方法が明確に記述されておら ず、 たとえば、 特開昭 61— 199574号公報によるハニカ ム体の 両端面近傍においてのみ平箔と波箔とを接合し、 その他の中 間部分では、 平箔と波箔との接合は排除するハニカ ム体の製 造方法が示されている。 この構造ではハニカム体と外筒との 接合において極めて不安定であり、 ハニカ ムの外筒への接合 強度と耐熱疲労性の少なく とも一方で充分な特性を示すもの ではない。 またハニカム体と金属外筒との接合については実 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。

また、 実開昭 62— 194436号明細書には外筒の一横断面部に おいてのみハニカム体の外周面と外筒内面とが接合された金 属ハニ力ム担体が開示されている。 その他に熱サイ 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号などの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 の波を加えて接合点で形成されるハニカム体のセルに変形代 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 方法はいずれもハニカ ム体内部の平箔と波箔の接合が高温、 高速の排気ガスに十分耐えうる構造になっていない。 〔発明の開示〕

本発明は従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、 高温 · 高速の排気ガス流にも耐え、 且つ急速な加熱 · 冷却にも耐え る耐熱疲労性を有する金属担体を提供するものである。

すなわち本発明はハニカムと外筒との間、 さ らにハニカム 内にも温度分布が生じた場合でも熱疲労による決定的な破壊 が生じにくい担体の構造を開発したものであり、 その特徴は 平らな金属箔と波型加工した金属箔を重ねて巻き込んでなる 金属ハニカムとこれらを囲む金属外筒からなる自動車触媒用 金属担体において、 ハニカムの少なく とも一方の軸方向端部 は平箔と波箔との接合が最外周から最内周までなされ （この 部分を以下端面部という） 、 該端面部に接続する中間部の少 く とも一部分は平箔と波箔とが最外周から 1巻以上全巻数の 1/4以内において接合されており （この部分を以下外周強化 層と云う） 、 さ らに、 ハニカムの最外周の波箔または平箔と 金属外筒との接合が主として前記中間部において行なわれて いるところにある。

接合構造からみた場合、 金属担体に要求される性能は、 高 温♦ 高速の排気ガス流やエンジンの振動などの外力に持ちこ たえ高温での強度の他に、 排気ガスの加熱冷却によつて生じ るハニカム体内部の熱応力に耐えられることである。

ハニカム体内部に生じる熱応力の対応策と しては、 発生す る熱応力を小さ くするような接合構造にすることと同時に、 例え一部に熱疲労破壊が生じてもそれがズレ等の担体にとつ て決定的な破壊につながらないようにすることである。 接合 を多くすればするほど、 ハニカム体の剛性が高まり強度は高 くなるが、 ハニカム体内部に発生する熱応力は大き くなる。 例えば第 18図に示すようにハニカム体内部の全領域にわたつ て平箔と波箔を接合し、 また外筒とも全面的に接合した場合 は激しい温度変動によつてハニカム体内部及びハニカム · 外 筒間に大きな熱応力が発生し、 ハニカムの外周部付近の箔が 破断して短時間でズレが発生する。 勿論熱応力を小さ くする ためには、 接合をしないで平箔と波箔を自由な状態にしてお くのが望ま しいがそれでは担体にかかる外力に持ちこたえる ことができない。 従って外力に持ちこたえられるだけの最低 限の接合をすることが必要である。 第 19図に示す接合構造の ものは、 ハニカムの両端面部近傍は最外周から最内周まで全 層にわたって平箔と波箔とを接合し、 接合されていない部分 10の外周でかつ前記端面部の内面 8— 1 ， 9 一 1から所定距 離をへだてた W— 1 と W— 2の間でハニカムと外筒を接合し たものである。 この構造では最とも熱応力の大き く なる前記 両端面部では外筒と接合せず、 熱応力の比較的小さい接合さ れていない部分 10の外周側面で外筒と接合したものであり、 熱応力低減という見地からは合理的にみえる。 しかしながら この構造では W— 1 と 8— l ' W— 2 と 9— 1の間の最外周 の箔 1枚でハニカム全体を保持することになり、 強度的に持 ちこたえられずやはり短寿命である。 これを改善したものと して第 20図に示すようにハニカムと外筒との接合を端面部の —部外周側面にまで拡張したものが可能である。 この構造の ものでは強度的には充分であり、 熱疲労寿命もかなり伸びる が、 前記端面部と外筒との接合部に熱応力が発生してこ 、が 破壊してズレを生じる。 熱応力の発生は、 担体内部の熱によ る膨張 · 収縮により起こり最外周部で最も大き くなる。 外周 部が引張応力状態になるのは、 内部が収縮するときである。 そのときハニカム体の外周付近だけ接合して内部が接合され ていなければ、 内部が収縮しても外周部には大きな熱応力は 発生しない。

本発明は以上のような知見から、 ハニカム体の平箔と波箔 との接合はハニカム体の外周付近だけに限り内部は接合しな いような構造にしたものである。 このとき端部の平箔と波箔 とを接合しないと排気ガス流によるスコーピングと呼ばれる 平箔のずれが生じたり、 箔の一部が折れ曲がつたり切れて飛 散したりする。 従って、 両端部の内少なく とも一方は平箔と 波箔とを最外周から最内周まで接合して外力に持ちこたえら れるようにしておかなければならない。

以上により、 金属担体のハニカム体は、 両端部の内少なく とも一方は最外周から最内周までの、 およびそれ以外の中間 部分では外周部近傍だけのそれぞれ平箔と波箔とを接合して 両端面部と外周強化層を有する接合構造にした。 このような 構造にすることにより、 発生するハニカム体内部の熱応力は 小さ くなるのと同時に担体にかかる外力にも耐えられるよう な構造になる。

但し、 前記外周部近傍の接合は、 多く し過ぎるとその接合 領域内で大きな熱応力が発生することになり接合範囲に限定 がいる。 その範囲は、 最外周 /' . 以上で最大限最外周から数 えて総巻数の 4分の 1までであり、 この 4分の 1以下の範囲 の外周側で適宜設定する。 その範囲を越えて接合を増やして 行く と最外周にかかる熱応力が大きく なり、 かえってハニカ ム体を損傷することになる。

また、 外筒とハニカム体との接合はハニカム体の最外周か ら最内周まで接合されているところ、 すなわち端面部はでき るだけ避けて、 ハニカム体の外周部近傍のみが接合されてい るところ、 すなわち外周強化層の最外周部分で外筒とハニカ ム体とを主と して接合する。 そうすることにより、 排ガス流 やェンジン振動に対する強度を充分に確保しつつも外筒とハ 二カ ム体間に発生する熱応力を最少限にすることができるの で、 厳しい冷熱試験に対しても長寿命が保てるようになる。

〔図面の簡単な説明〕

第 1図は一般の金属担体の断面斜視図であり、

第 2図は第 1図 A部の拡大図であり、

第 3図は本発明による金属担体の断面の接合状態を示す模 式図で、 ハニカ ム両端部の平箔と波箔が接合され （端面部を 形成） 、 且つ、 ハニカ ム中間部の一部分の平箔と波箔が接合 され （外周強化層形成） 、 さ らに外筒と接合された状態を示 しており、

第 4図〜第 5図は第 3図の他の実施例を示す図であり、 第 6図は第 4図のハニカム側面と金属外筒の他の接合状態 を示し、

第 7図は本発明による金属担体の断面の接合状態を示す他 の実施例で、 ハニカ ム一端部の平箔と波箔が接合され、 且つ、 ハニカ ム中間部の一部分の平箔と波箔が接合されさらに外筒 と接合された状態を示しており、

第 8図、 第 9図、 第 10図および第 11図は第 7図の他の実施 例を示す図であり、

第 12図及び第 13図は第 3図の他の実施例を示し、

第 14図は第 7図の他の実施例を示し、

第 15図は第 4図の他の実施例を示し、

第 16図は第 4図の他の実施例でハニカ ム側面と金属外筒の 他の接合状態を示す図であり、

第 17図は第 16図の他の実施例であり、

第 18図、 第 19図、 第 20図および第 21図は本発明に対する比 較例を示した金属担体の断面の接合状態を示す図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

以下、 本発明を実施するための最良の形態について詳述す る ο

まず、 金属担体の構造について、 第 1図および第 2図に基 づいて説明する。

第 1図および第 2図に示すように一般に金属担体 1 は 50 前後のステ ンレス平箔 2 と波型加工したステ ンレス波箔 3と 重ねて円筒形又は楕円柱状に巻き込み、 これを耐熱ステ ンレ ス製の外筒 4に装入して平箔〜波箔間 5および波箔〜外筒閜 6を相互にろう付け等により接合する。 第 3図は本発明によ る金属担体の断面の接合状態を示したものであるが、 排ガス の入側および出側であるハニカム両端面 7 — 1 , 7 — 2によ り、 軸方向で 2 mm以上 30ram以下の深さまで、 該ハニカムの最 内周から最外周の全層にわたり接合 5 し （図中斜線部 8 , 9 )、 さらに、 該ハニカム両端面部 8 ， 9の中間部 10であって、 最 外周から 1巻以上全巻数の 1/4以内で、 且つ前記両端面部の 内面 8— 1 , 9 — 1 より軸方向で所定深さ、 たとえば、 担体 全長の 10〜 40%の深さまで接合して外周強化層 11 , 12を構成 し、 また、 該外周強化層 11， 12の最外周側面と外筒 4の内面 を接合 13— 1 , 13— 2する。 第 3図の接合の例では前記両端 面部 8 , 9 の側面と外筒 4の内面とは接合されず、 前記外周 強化層 1し 12の軸方向深さを越えて接合 13— 1 ， 13— 2 され ている。 本発明の範囲内において、 担体の使用条件すなわち 寸法 ·形状、 排ガス温度、 取付場所、 コ ーン形状、 主たる運 転パターン等により夫々最適の接合構造の設計が可能である。 すなわち本発明においては端部の最外周から最内周までの平 箔と波箔の接合はガスの入側と出側の両端部又はどちらか一 方の端部で行う ことを可とする。 この場合通常は両端部にお いて接合を行うが、 特にハニカムの外周部近傍において急な 温度勾配があり、 またその部分の温度が 860 t:を超える場合 には軸方向の熱応力を緩和するために片側端部のみを接合し ておくのが望ましい。 また端面部の接合の深さは最内周から 最外周までほぼ同一でよいが端面部と外周強化層の接続部に おいて、 その接合深さは軸方向のせん断応力の小さい中心部 では浅く、 また同せん断応力の大き くなる外周部に向って連 続的に深く して行く （第 14 , 15図） のが望ま しい。 この構造 のものは特殊な製造装置を要する。 すなわちろう付で接合を 行う場合は、 ろう材の付着のためのバイ ンダー液を担体を巻 回しながら特殊口一ラ一で波箔の所定部位に塗布する。 この 際、 塗布ローラーを口一ラーの軸方向にスライ ドさせながら 担体を巻回し、 内周部から外周部に向って波箔へのバイ ンダ 一の塗布幅を変えて行く必要がある。 このようにして平箔と 波箔を巻回した後ろう材をふりかけて所定位置にろう材を付 着させてから真空熱処理を行って所期の接合構造のものが得 られる。 また最外周から一巻以上全巻数の 1/4以内について のみ接合を行う外周強化層は、 前記の端面部の接合部以外の 中間の全長に及ぶものと部分のみのものが可である。 これら も担体の寸法や上下コーンの溶接部位等によって適宜その位 置や、 層数、 長さを選択すべきである。 ハニカム体と外筒と の接合は、 端面部では径方向の熱応力が大きいため通常はこ の部分を避けて行うのが望ま しいが、 特に担体がェンジンに 近接して取り付けられ、 ェンジン振動を軸方向に受ける場合 は外筒との接合強度が高いことが必要であるため、 この場合 は耐熱疲労性を若干犠牲にして端面部を一部含む形で外筒に 接合する。 （第 16 , 17図） 。 但し総巻数が 50を超える径の大 きな担体では径方向の熱応力も特に大きくなるのでこの接合 方式は避けるのが好ましい。

本発明で言う接合はろう付け、 抵抗溶接、 レーザー溶接、 電子ビーム溶接、 アーク溶接等の方法で行われる。

また本発明において波箔の波型は正弦波、 台形、 矩形等の いずれでも良い。 さらにまた、 本発明の金属担体の軸方向に 垂直な断面形状は円形以外の例えば楕円形、 レース ト ラ ッ ク 形でもよい。

第 4図から第 6図までは第 3図の他の実施例を示す。 第 4 図は外周強化層 14が両端面部 8 ， 9の内面 8— 1 , 9 一 1 に 接した状態で中間部全長にわたつて構成されており、 且つ、 該外周強化層の最外周側面全部が外筒内面と接合 15されてい 第 5図は第 3図と第 4図の組合せで構成されたもので、 両 端面部 8 , 9 に接続する外周強化層 11 , 12を他の外周強化層 14より多層に形成している。

第 6図は第 4図の他の実施例で、 外周強化層 14の最外周側 面と外筒内面との接合 16を両端面部 8 , 9の内面 8— 1 , 9 一 1 より離した位置 Wを始点として構成している。

このような間隔 （ d ) を置く ことにより、 外周強化層 14と 両端面部 8 , 9の接続面における熱応力の発生を効率よく減 少することができる。 上記間隔 dは特にハニカム体半径方向 の収縮量を考慮して、 基体に使用される材質、 構造、 サイズ 等によつて適宜選択すればよい。

第 Ί図はハニカム体の軸方向端面部の形成を片側 8に限定 したものである。 すなわち、 外周強化層 14はその上端を端面 部 8の内面 8— 1 に接し、 またその下端をハニカム体の端面 7 に達している。 この実施例の外周強化層 14と外筒 4の接合 16は端面部 8よりできるだけ離すために端面部 8の反対側で なされている。 この実施例のように端面部の形成が片側のみ であると両端面部形成のような対称性はないが、 ハニカム体 にフレキシビリティがあり、 加熱 ·冷却の熱サィ クルにも柔 軟に対応でき、 また、 前述のように間隔 dを大き く とること により、 さらに柔軟な構造とすることができる。

第 8図〜第 11図は第 7図の他の実施例である。 第 8図は一 端面部 8に接続する外周強化層 11をハニカ ム体軸方向に沿つ た所定長さにおいて構成したもので、 外筒内面との接合 17を 端面部 8の内面 ¾ — 1 より離し、 さらに外周強化層 11の長さ 以上に設けている。

第 9図は第 8図の外周強化層 11に接続して該強化層 11より 薄い層の外周強化層 18をハニカムの他端面 7— 2迄形成して おり、 外筒内面との接合 18は外周強化層 11および 18の最外周 側面全部において設けられている。 第 10図は端面部 8の内面 8—, 1 とハニカ ム端面 7— 2の双方より離れた外周強化層 20 を示しており、 さ らに第 11図は端面部 8の内面より大幅に離 れ、 ハニカム体の他端面 7— 2に達する外周強化層 22を示し ている。 外筒内面との接合を第 10図では外周強化層 20の上下 端よりそれぞれ長く構成 21し、 また第 11図では外周強化層 22 の最外周側面とほぽ同一長さ 23に構成している。

第 12図は第 10図のハニカ ム体端面 Ί 一 2に他の端面部 9を 設けた例を示し、 第 13図は第 3図の外周強化層 11を省き、 い づれも外筒内面との接合を外周強化層 20 . 12の最外周側面と ほぽ同一長さに構成したものである。

第 14図は軸方向端面部 8 と外周強化層 14の接続部の改良を 示すもので、 その接続部を軸方向端面部 8の内面中心部より 外周側面に向って徐々に接合深さを増していき、 その最深部 で外周強化層 14の内周側面に接するコーナー接合部 23で構成 している。 また、 第 15図は両端面部 8 ， 9を有するハニカム 体の場合の前記接続部をコーナー接続部 23 , 24で構成した例 を示したもので、 その構成の詳細は第 14図の場合と同様であ る。

このように端面部と外周強化層の接続コーナ一部の接合深 さを端面部中心から外周側面に向って連続的に深く して構成 すると、 そのコーナー接続部に応力集中が発生せず、 ハニカ ム体の強度を高く維持することができる。 なお、 図示のよう に弯曲状に変化させる他に、 直線状に変化させても同じ効果 を有する。

以上の実施例ではいずれもハニカ厶体の外周側面と金属外 筒内面とが、 軸方向端面部の内面の位置を超えない範囲で接 合されている例であるが、 担体の使用条件によっては耐熱疲 労性より高温の強度を重視する場合もある。 このような場合 には金属外筒とハニカム体との接合を外周強化層の他に軸方 向端面部の一部においても行う。

上記金属担体の一例を第 16図に示す。 第 16図では、 ハニカ ム体最外周側面と外筒内面の接合は外周強化層 14の最外周側 面全部と両端面部 8 ， 9の最外周側面の一部において構成さ れている。 また、 かかる構成が適している他の外周強化層の 構造としては、 特に第 4図、 第 10図および第 12図などのハニ 力ム体で好適である。 第 16図の他の実施例を第 17図に示す。 この実施例は外周強化層 20の接合 21以外に、 端面部 8の最外 周側面の一部と外筒 4の内面を接合 28している。 なお、 このような小さい担体の場合でも、 端面部の最外周 側面全部を接合することは熱応力発生の関係より避けなけれ ばならない。

〔実施例〕

実施例 1.

本発明の一実施態様を第 3図に示す。 第 3図は内径 100讓、 厚さ 1. 5 mm、 長さ lOOmraのステ ンレス製外筒と、 厚さ 50〃の 20 C r 一 5 A ^ のステ ンレス波箔と平箔を 36巻きして作られ たハニカムで構成された金属担体 1の軸方向断面で接合状態 のみを模式的に示してある。 ハニカ ム部の両端面部 8 . 9の 部分は外面 8— 2 , 9 - 2から 10画の深さまで波箔と平箔が ろう付けされているが、 この部分のステ ンレス製外筒 4に対 応する面はろう付けされていない。 更に 8 > 9に接続するハ 二カ ム中間部の一部 11 , 12の部分では最外周から 9巻目まで は 8および 9の内面 8— 1 , 9— 1から深さ 10讓にわたつて ろう付けされて外周強化層を構成し、 且つその最外周側面は 外筒 4ともろう付け 13， 13— 1 されている。 また、 この例で は、 前記外周強化層に接続するハニカム体軸方向中間部 10は 最外周側面の一部が外筒 4内面にろう付けされただけで、 残 りの部分 10は全く ろう付けされなかった。

第 18図は比較例で、 第 3図のものと同一サイズの金属担体 であるが、 ハニカム内部 29は全体的に波箔と平箔がろう付け され、 また最外周側面は全面にわたって外筒 4 とろう付け 30 された。 上記 2種の金属担体に P t 触媒を担持させた τ 一アルミ ナ 粉を焼き付けたうえ、 排気量 2，000ccのエンジンに搭載し、 ベンチテス トにより、 800で以上 1分、 150で以下 1分、 昇 温 · 降温を含め合計 1サイ クル 15分の冷熱試験を繰り返した。 その結果、 比較例は 80サイ クル後にハニカ厶の外周から 1〜 3巻目のいずれかのハニカムが全周にわたって破断し、 それ より内周のハニカムが排ガスの風下側に約 20画ずれていた。 一方、 本発明 （第 3図） のものは冷熱 1000サイ クル後も何等 異常は認められなかった。

実施例 2.

第 4図は本発明の別の実施態様を示すもので、 第 3図のも のと同じ材質と寸法の金属担体の軸方向の断面を示す。 8 , 9 はハニカムの全層の平箔と波箔の接点が箔を巻き込む段階 で抵抗溶接により端面 7 - 1 . 7 - 2から 15mmの深さまで接 合されている軸方向端面部（100画 Φ X 15誦 、 であり且つ、 ステンレス製外筒 4 と接合されておらず、 14は最外周から 3 巻目まで、 端面部 8 ' 9の内面 8— 1 , 9 — 1 にそれぞれ接 続する中間部の全長にわたって平箔と波箔の接点が抵抗溶接 された外周強化層であり、 該外周強化層 14の最外周側面と外 筒 4 とが全域にわたりろう付け 15されている。 10は接合され ていないハニカム部分を示す。

上記担体を実施例 1 と同じ条件でェンジンベンチによる冷 熱試験を繰り返したが、 1000サイ クル後においても何等構造 上の異常は発生しなかった。 実施例 3.

第 5図は本発明のもうひとつの実施態様を示すもので、 第 3図のものと同一の材質と寸法の金属担体の軸方向の断面を 示す。 8 , 9 はハニカ ムの全層が箔を巻き込む段階で両外面 からそれぞれ深さ 20難までレーザー溶接された軸方向端面部 (100薩 ø X 20mm i ) で、 且つ、 ステンレス製外筒 4 と接合さ れておらず、 11 , 12は最外周から 9巻目までが、 8， 9 に接 続する中間部の一部において同じく 8 , 9の内面から深さ 10 nunまでレーザー溶接された外周強化層 （77Z100 删 0 x 10 画^ )て： 14は最外周から 2巻目までが、 11 , 12に接続する中 部の全長において同じく レーザー溶接された外周強化層

(95Z100誦 ø X 40譲 £ ) であり、 前記外周強化層 11 , 12 , 14の最外周側面と外筒内面がろう付け 15されて (/、る。 10は接 合されていないハニカム部分である。

上記担体は実施例 1 と同じ条件でエンジンベンチによる冷 熱試験を繰り返したが、 1000サイ クル後においても何等構造 上の異常は発生しなかった。

実施例 4.

第 6図は本発明の金属担体の他の実施態様の縦断面を示す ものである。 厚さ 50卿の耐熱 ·耐酸化性フ ェ ラ イ ト系ステン レス鐧 （鐧成分 ： C r 24wt% , A £ 4.5 wt%の他に C e その 他 REM 0.09wt%、 残部 F e)の平箔と波箔を重ねて巻いて総巻 数 55のハニカム体 （外径 137麵） を造り、 外径 140mni、 厚さ 1.5 mm. 長さ 100誦のステンレス鋼 （SUS430系） 外筒とで構 成された金属担体を示してある。 8 , 9は平箔と波箔が外面 より 20minの深さまでろう付けにより接合されている軸方向端 面部で、 14は最外周より 5巻目まで軸方向中間部の全長が接 合されている外周強化層である。 前記外周強化層 14の最外周 側面と外筒 4の内面は接合長さ 50咖でろう付け 16されている。 この実施例では軸方向端面部 8 ， 9の内面 8— 1 , 9— 1か らろう付け部 16の端面 W— 1 , W— 2まで、 軸方向にそれぞ れ 5 mra離して接合している。 10は担体内部の接合されていな い部分である。

以上のような金属担体を実施例 1 と同じ条件でェンジンべ ンチによる冷熱試験（800 以上 1分、 100で以下 1分、 合計 1サイ クル 18分の加熱 ·冷却試験） を繰り返した。 その結果 1000サイ クル後も何等異常は認められず、 熱応力、 熱疲労や ェンジンなどによる振動にも十分耐えることが確認された。 第 19図は実施例 4 (第 6図） と同じサイ ズの金属担体にお いて外周強化層 14が軸方向端面部 8 . 9間に構成されてない 担体を示す比較例である。

この担体を実施例 4 と同じ冷熱試験を繰り返すと、 150サ ィ クル後に、 軸方向端面部 8 , 9の内面 8— 1 > 9 — 1 と、 接合部 16の端面 W _ 1 , W— 2の間で、 接合されてないハニ カム部 10の最外周の平箔が破断し、 ハニカム体が外筒 4より 排ガスの風下側に 30mmずれていた。

第 20図は第 19図の比較例の金属担体において、 ハニカムと 外筒との接合長さを 80國にし、 軸方向端面部 8 , 9の内面 8— 1 , 9 — 1 よりそれぞれ 5 誦ずつ端面方向へ超えた接合 部 31を構成した比較例である。 この担体を実施例 4と同じ冷熱試験を繰り返すと、 360サ ィ クル後に、 内面 8— 1 , 9 - 1から端面側に超えた接合部 のハニカム最外周の平箔と波箔のろう付けが破断し、 これに 伴いハニカム中間体の最外周の波箔が破断し、 ハニカム体が 外筒 4より排ガスの風下側に約 30麵ずれていた。

第 21図は実施例 4 (第 6図） と同じサイ ズの金属担体にお いて、 ハニカム体最外周より総巻数の 4分の 1以上である 20 巻目までろう付けして外周強化層 32を構成した比較例である。

この担体を実施例 4と同じ冷熱試験を繰り返すと 480サイ クル後に最外周の平箔と波箔との接合部や最外周の波箔の破 断が生じ、 ハニカム体が外筒 4より排ガスの風下側に約 25顏 ずれていた。 このようにハニカム中間部の接合巻数が総巻数 の 4分の 1以上接合されると、 外周近傍の接合部の剛性が高 まり、 最外周部で熱応力が大き くなつて、 容易に接合部の破 断が生ずることが確認された。

実施例 5.

第 7図は本発明の金属担钵の他の実施態様の縦断面を示す c この実施例はハニカム体の軸方向端面部を片側のみに構成し たものである。 担体サイズ直径 75mmで長さ 110mmであるが、 ハニカム体の巻き数は 29巻、 外周強化層は最外周から 2巻き で中間部の全長とした。 外周強化層 14の下端はハニカム体の 端面 7— 2に接しており、 該外周強化層 14の最外周側面と外 筒 4の内面の接合 16はその端面 W— 2をハニカ厶体端面 Ί 一 2に接する位置になるように、 端面部 8の反対側でなされて いる。 従って、 端面部 8の内面 8— 1 と接合部 16の端面 W— 1の間隔は 30mmであつた。

以上の金属担体を実施例 4 と同じ条件で冷熱試験を 1, 000 サイ クル繰り返したところ、 何等異常は認められなかった。 同サイズのものを第 20図の構造に作り、 同じく試験を行った ところ 85サィ クルでずれを生じた。 このようなサイズのもの は従来の構造では特に外周部付近のハニカムの軸方向の熱応 力が大きく破壊しやすいが、 本実施例は本発明担体の熱応力 に対する柔軟性の効果があることが確認された。

実施例 6.

第 11図に本発明の他の実施態様の接合状況を示す。 この実 施例は実施例 5の外周強化層 14の上端を軸方向端面部 8の内 面 8 — 1から大幅に離したものである。 担体サイズは実施例 4 と同一であるが、 外周強化層 22の上端を 60誦、 端面部内面 8 — 1 より離して構成している。 従って、 外周強化層の長さ は 20画、 外筒 4 との接合長さも 20咖であった。

上記担体をガスバ ナ一で 800でに加熱し、 空気で 100で まで冷却する冷熱サイ クルを 500サイ クル実施したところ、 ハニカム破断、 接合部剝離、 ハニカム歪みなど何れも発生し なかった。 同一サイズのものを第 18図の構造に作り、 同様に してバーナーテス ト に供したところ、 300サイ クルでハニカ ム中の座屈や隙間、 ハニカム破断等多くの破損が生じた。 実施例 7.

第 15図に本発明の他の実施例を示す。 この実施例はハニカ ム軸方向端面部と外周強化層の接続部を弯曲形のコ一ナー接 合部にしたものである。 担体サイズは実施例 4 と同一である が、 上記端面部 8 , 9の軸方向接合深さを 10誦ずっとし、 該 端面部の中心部より最外周から 6巻目までに徐々に接合深さ を深く し、 上記 6巻目のところで接合深さを 30画になるよう にしてコーナー接合部 23 , 24を構成した。 そして、 最外周か ら 5巻目迄は全長接合して外周強化層 14とした。 外周強化層 14と外筒 4の接合は 40画長さであり、 端面部側面と外筒とは 接合されていない ό

上記担体を実施例 4 と同じ冷熱試験を 1， 500サイ クル繰り 返した結果、 何等異常は認められなかった。 このように大幅 に使用寿命が延びたのは端面部と外周強化層の接続部の応力 集中を緩和した効果である。

実施例 8.

第 16図に本発明の他の実施例を示す。 · この実施例は直径 63 画、 長さ lOOfflinで総巻数を 24である。 ハニカ ム最外周側面と 外筒内面との接合長さを 80麵にして、 このうち端面部 8 , 9 の最外層側面の接合長さをそれぞれ 20麵ずっとした。 また外 周強化層は 1巻にし中間部の全長とした。

上記担体をェキゾース トマ二ホールド中に装着し実施例 4 と同じ冷熱試験を 1, 000サイ クル繰り返した結果、 何等異常 は認められなかった。

ェキゾ一ス ト マ二ホールド内装置では温度分布が小さ くな つて比較的半径方向の熱応力は小さ くなり、 従って耐熱応力 よりェ ンジ ンの振動や排気ガスの圧力などの外力に耐えるこ とが重要になるが、 上記担体はハニカムと外筒との接合面積 を大きく したことによ リ担体接合部の破壊を防止したもので ある

〔産業上の利用可能性〕

この発明は、 前述した構成とした結果、 自動車エンジンの 排気系における過酷な熱サイ クルを長時間繰り返して受けて も、 十分な耐熱疲労性をもち、 しかも十分な強度を有する実 用効果の大きい触媒担持用の金属担体を製造することができ た。 またろう材の使用量も少くてすみ、 製造が容易であるた め、 低コス トであり工業的価値が大きい。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 平らな金属箔 （平箔） と波付け加工した金属箔 （波箔） を重ねて巻き込んでなる金属ハニカ ム体と、 該ハニカ ム体の 側面を囲む金属外筒とを接合してなる自動車触媒用金属担体 において、 該ハニカム体の少なく とも一方の軸方向端部は、 平箔と波箔との接合が、 最外周から最内周までなされて端面 部を構成し、 前記ハニカム体の端面部に接続する軸方向の中 間部の少なく とも一部分においては、 前記平箔と波箔との接 合が、 最外周から一巻以上全巻数の 1/4以内でなされて外周 強化層を構成し、 前記ハニカム体と前記金属外筒との接合は、 主として前記外周強化層の最外周側面の少なく とも一部と前 記外筒の内面とにおいてなされることを特徴とする耐熱疲労 性を有する自動車触媒用金属担体。

2. 前記ハニカ ム体と前記金属外筒との接合は、 前記軸方 向端面部の軸方向内面の位置を超えない範囲においてなされ ている請求の範囲第 1項に記載の担体。

3. 前記外周強化層の最外周側面の少なく とも一部及び前 記接合された軸方向端面部の最外周側面の一部とにおいて前 記ハニカ ム体と金属外筒内面とが接合されている請求の範囲 第 1項に記載の担体。

4. 前記ハニカム体の両方の軸方向端部に端面部が構成さ れ、 且つ、 前記ハニカ ム体中間部の外周強化層が、 前記軸方 向両端面部の内面に接続して形成されている請求の範囲第 2 項又は 3項に記載の担体。

5. 前記ハニカム体の両方の軸方向端部に両端面部が構成 され、 且つ、 前記ハニカ ム体中間部の外周強化層が、 中間部 の全長にわたって形成されている請求の範囲第 4項に記載の 担体。

6. 前記ハニカ ム体の外周強化層は、 前記軸方向両端面部 に接続して形成した外周強化層と、 該外周強化層の間に形成 した前記外周部強化層の巻数より少ない巻数からなる外周強 化層とによって構成された請求の範囲第 5項に記載の担体。

7. 前記軸方向端面部の両端面部において、 前記ハニカ ム 体中間部の外周強化層が、 前記軸方向両端面部の内面より離 れて形成されている請求の範囲第 2項又は 3項に記載の担体。

8. 前記軸方向端面部の両端面部において、 前記中間部の 外周強化層が、 一方の軸方向端面部の内面より離れ、 且つ他 方の端面部の内面には接続して形成されている請求の範囲第 2項又は 3項に記載の担体。

9. 前記軸方向両端面部と外周強化層との接続部を、 前記 両端面部の内面中心部より外周側面に向かって徐々に深く し た接合深さの最深部で外周強化層の最内周面に接するコーナ 一接合部により構成する、 請求の範囲第 4項又は 5項に記載 の担体。

10. 前記ハニカ ム体の一方の軸方向端部に端面部が構成さ れ、 且つ、 前記ハニカ ム体中間部の外周強化層が、 前記軸方 向端面部の内面に接続して形成されている請求の範囲第 2項 又は 3項に記載の担体。

11. 前記ハニカ ム体中間部の外周強化層が、 前記軸方向端 面部の内面に接続し、 且つ前記ハニカム体中間部の全長にわ たつて形成されている 請求の範囲第 10項に記載の担体。

12. 前記ハニカ ム体の外周強化層は、 前記一方の軸端面部 に接続して形成した外周強化層と、 該外周強化層と接続し、 前記外周強化層の巻数より少ぃ巻数からなる外周強化層とに よって構成された請求の範囲第 10項又は 11項に記載の担体。

13. 一方の前記'軸方向端部に端面部が形成され、 且つ、 前 記ハニカ ム体外周強化層が前記軸方向端面部の内面より離れ て形成されている請求の範囲第 2項又は 3項に記載の担体。

14. 前記ハニカム体中間部の外周強化層が、 前記軸方向端 面部の内面より離れ、 且つ他方の端面まで連続して形成され ている請求の範囲第 13項に記載の担体。

15. 前記軸方向端面部と外周強化層との接続部を、 前記端 面部の内面中心部より外周側面に向かって徐々に深く した接 合深さの最深部で外周強化層の最内周面に接するコ一ナー接 合部により構成する、 請求の範囲第 10項又は 11項に記載 の担体。

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