JP2006130404A - 排ガス浄化触媒用メタル担体 - Google Patents

Abstract

【課題】担体の各部分に必要な板強度を確保し、中心部における圧力損失を抑えるメタル担体を、煩雑な製造方法を使用せずに提供する。
【解決手段】排気通路に配置される排ガス浄化触媒に使用されるメタル担体１２ａであって、排気流れ方向に延設された多数の微細通路１３を備え、微細通路１３の仕切り部は、排気流れ方向と直行する断面での中心側から外周側に向けて仕切りの厚さが厚くなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車などの内燃機関の排気系に装着され、排ガス浄化触媒として用いられるメタル担体に関する。

従来、排ガス浄化触媒用メタル担体として、ともにステンレス製の平板と波板とが重ねられつつロール状に巻かれたハニカム体と、このハニカム体が収納されるステンレス製の外筒と、を有するものが知られている。一般的なメタル担体を製造する場合、まず平板と波板とを重ねてロール状に巻くことによりハニカム体を成形する。このとき、平板と波板との間にもロウ材を介在させる。次いで、このハニカム体をロウ材を介して外筒内に収納し、接合前メタル担体を成形する。この後、接合前メタル担体に熱処理を施すことにより、平板と波板とをロウ付けするとともに、ハニカム体と外筒とを部分的にロウ付けする。

こうして得られたメタル担体のハニカム細孔の表面にアルミナコート層を形成する。さらに、白金（Ｐｔ）及びロジウム（Ｒｈ）の貴金属触媒を担持させて排ガス浄化触媒とする。

ところでハニカム体を通過する排ガスは、ハニカム体の外周部に比べて中心部ほど流速が大きくなっている。このため、かかるメタル担体では、高温の排ガスとの接触及び触媒反応による発熱により、中心部ほど高温で、外周部ほど低温となる温度分布が生じる。また、外筒より外部へ熱放出があるため、外筒に接触している外周部はさらにその差を大きくしている。このため、ハニカム体の中心部ほど熱による膨張量及び冷却時の収縮量が大きく、外筒の膨張量及び収縮量が最も小さい。したがって、膨張量及び収縮量の差により発生する応力（以下「熱応力」という。）は、ハニカム体の外周域及びハニカム体と外筒との境界部分に集中する。そのため、担体最外部のロウ付け部とロウ付けしていない部分を境に剪断応力が生じ、この部分の平板か波板、もしくはその両方に亀裂が生じ、長期間の使用によって、これらの部分で亀裂や座屈を生じるおそれがあった。

そこで、ハニカム体の外周域及びハニカム体と外筒との境界部分に集中した熱応力を緩和するために、波板を厚くする若しくは波ピッチを小さくする、またはその両方の手段により形成される補強ハニカム通路群をもつメタル担体が提案されている。このメタル担体は、発生した熱応力が中心から外周側へ伝わるのを補強ハニカム通路群で受け止めることにより、最外周の波板に過度の応力がかかることを抑制できる（特許文献１参照）。
特開平６−１１４２７０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載されるメタル担体では、担体中に板厚が厚く強固な部分と板厚が薄く弱い部分が隣接して存在するので、強度の弱い部分に応力が集中してその部分が破断してしまうおそれがある。また、最外周の波板強度を上げた場合には、最外周を除く外周部に応力が集中することとなり、その部分で破断してしまうおそれがある。さらに、このメタル担体は、通常のハニカム通路群と補強ハニカム通路群を有するため、通常の製造方法よりも煩雑となる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、担体の各部分に必要な板強度を確保し、中心部における圧力損失を抑えるメタル担体を、煩雑な製造方法を使用せずに提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、排気通路（１１）に配置される排ガス浄化触媒（１２）に使用されるメタル担体（１２ａ）であって、排気流れ方向に延設された多数の微細通路（１３）を備え、前記微細通路（１３）の仕切り部は、排気流れ方向と直行する断面での中心側から外周側に向けて仕切りの厚さが厚くなる、ことを特徴とする。

本発明によれば、熱応力が大きくなる外周部の板厚を厚くすることにより、必要な板強度を確保しつつも、中心部の板厚を薄くすることで、圧力損失を抑えることができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明によるメタル担体を使用する触媒の位置を説明する図である。

エンジン１の排ガスを浄化する排ガス浄化システム１０は、排気管１１と、マニフォールド触媒１２とを有する。排ガスは、排気管１１を通じ、マニフォールド触媒１２に送られる。マニフォールド触媒１２は、エンジン１のエキゾーストマニフォールド２の直下流に配置され、エンジン１から排出される排ガスを浄化する。マニフォールド触媒１２は、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を酸化すると同時に酸化窒素（ＮＯｘ）を還元可能な三元触媒である。マニフォールド触媒１２は、内部に、図２に示すメタル担体１２ａを有する。

図２は、本発明によるメタル担体１２ａの断面図である。

メタル担体１２ａは、ハニカム体１３と、外筒１４とを備える。ハニカム体１３は、白金（Ｐｔ）等の触媒金属を担持し、これが排ガスと接触しガス成分を浄化する。ハニカム体１３は、円筒形状であり、多数の細孔を有する。外筒１４は、ハニカム体１３の外周を覆っている。外筒１４は、耐熱性金属である。外筒１４の厚さは、一例を挙げると１．５ｍｍ程度である。外筒１４は、ハニカム体１３とロウ付け部１５において、ロウ付けされている。ただし、外筒１４とハニカム体１３の隙間は誇張して図示しており、実際にはこれらの間隔はかなり小さい。

図３は、ハニカム体１３と外筒１４のロウ付け部１５の拡大図である。

ハニカム体１３が排ガスによって加熱されると、ハニカム体１３は、Ｆ１方向に膨張する。一方、エンジンが停止し、ハニカム体１３が冷却されると、ハニカム体１３は、Ｆ２方向に収縮する。このようにして、膨張・収縮を繰り返すことにより塑性変形して、ハニカム体１３と外筒１４の間では、ロウ付け部１５を境にして金属疲労が生じ、ハニカム体１３の最外周に座屈や亀裂が生じるおそれがある。

図４は、本発明による第１実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。

ハニカム体１３は、平板１３１と、波板１３２とを備える。平板１３１は、最薄部３０μｍから最厚部５０μｍまで、長手方向に板厚が連続的に増加するように形成する。平板１３１の材質は、一例を挙げると、ステンレスである。波板１３２は、平板１３１と同様に、最薄部３０μｍから最厚部５０μｍまで、長手方向に板厚が連続的に増加するように形成する。波板１３２の材質は、一例を挙げると、ステンレスである。波板１３２は、平板１３１を波形に加工してもよい。このような波板１３２を平板１３１と重ねる（板材積層工程＃１０１）。次に、最薄部から図４の矢印Ｃの方向にロール状に巻回する（巻回工程＃１０２）。以上により、波板１３２は、平板１３１とロウ付けされ、一体的に接合される。このようにしてハニカム体１３を形成する。

図５は、平板１３１と波板１３２を巻回して得られたハニカム体１３を示す図である。平板１３１と波板１３２はそれぞれ、中心部より外周部に向かって、矢印Ａの方向に板厚が増す構造である。なお、平板１３１のみ、または波板１３２のみを変化させてもよい。ただし、担体各部において、平板１３１及び波板１３２の板厚が略等しければ、平板１３１と波板１３２に均等に応力がかかることになる。すなわち、平板１３１と波板１３２の板厚が異なると、板強度の強い部分と弱い部分が交互に存在する部分が生じることとなり、応力が板強度の弱い部分に集中する可能性があるため、この部分に亀裂が生じることも考えられる。そこで、平板１３１及び波板１３２の板厚が略等しくすれば、亀裂が生じることを防止できる。

本実施形態によれば、長手方向に板厚が連続的に増加するように形成する平板１３１と波板１３２を積層巻回することにより、外周部の板厚を厚くして十分な強度を確保しつつも、排ガス流速の速い中心部の板厚は薄くなるため、圧力損失を抑えることができる。また、平板１３１と波板１３１の１セットのみでハニカム体１３を成形するため、煩雑な製造方法を使用する必要がない。

（第２実施形態）
図６は、本発明による第２実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

ハニカム体２３は、平板２３１と、波板２３２とを備える。平板２３１は、最薄部３０μｍ、最厚部５０μｍである。平板２３１は、等厚部（区間Ｌ１）では板厚を最薄部３０μｍ一定とし、増厚部（区間Ｌ２）では最厚部５０μｍとなるまで板厚を連続的に増加させるように形成する。波板２３２は、平板２３１と同様に、最薄部３０μｍ、最厚部５０μｍであり、等厚部では板厚を最薄部３０μｍ一定とし、増厚部では最厚部５０μｍとなるまで板厚を連続的に増加させるように形成する。第１実施形態と同様に、波板２３２を平板２３１と重ねて（板材積層工程＃２０１）、最薄部から図６の矢印Ｃの方向にロール状に巻回し（巻回工程＃２０２）、円筒状のハニカム体２３を形成する。

本実施形態によれば、中心部の板厚は第１実施形態よりも薄くなるため、圧力損失をより抑えることができ、外周部においては、十分な強度を確保することができる。

（第３実施形態）
図７は、本発明による第３実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。

ハニカム体３３は、平板３３１と、波板３３２とを備える。平板３３１は、最薄部３０μｍ、最厚部５０μｍである。平板３３１は、図７（Ｃ）に示すように板厚が３０μｍから段階的に５０μｍまで増加し、不連続な板厚を持つ。波板３３２は、平板３３１と同様に、板厚が最薄部３０μｍから最厚部５０μｍまで段階的に増加する板材をプレスして形成する（図７（Ａ）→図７（Ｂ））。このような波板３３２を平板３３１に重ね（板材積層工程＃３０１）、最薄部から図７（Ｄ）の矢印Ｃの方向にロール状に巻回し（巻回工程＃３０２）、円筒状のハニカム体３３を形成する。

本実施形態によれば、板厚を段階的に増加させるので、連続的に板厚が増加する場合と比較して平板や波板の加工が容易であり、製造コストを低減することができる。この場合において、板厚の増加が段階的で不連続であっても、担体の各部で必要な強度となるように板厚を設定することで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図７（Ａ）に示した波板３３２を形成する部材を、平板３３１と同じものにすれば、さらに製造コストを低減することができる。

（第４実施形態）
図８は、本発明による第４実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。

ハニカム体４３は、平板４３１と、波板４３２とを備える。平板４３１は、図８（Ｃ）に示すように平板４３１ａに薄い平板４３１ｂ、４３１ｃを重ねることによって、段階的に増加する不連続な板厚を持つ。例えば、厚さ３０μｍの平板４３１ａに長手方向の長さが短い厚さ５μｍの平板４３１ｂを重ね、さらに、長さの短い平板を順次重ねることにより、最薄部３０μｍ、最厚部５０μｍの階段状に不連続に板厚が増す平板４３１を形成できる。波板４３２は、平板４３１と同様に、平板に薄い平板を重ね、段階的に板厚が増加する板材をプレスして形成する（図８（Ａ）→図８（Ｂ））。このような波板４３２を平板４３１に重ね（板材積層工程＃４０１）、最薄部から図８（Ｄ）の矢印Ｃの方向にロール状に巻回し（巻回工程＃４０２）、円筒状のハニカム体４３を形成する。

本実施形態によれば、平板を重ねて段階的に板厚を増加させるため、１枚の板を部分的に薄く加工する必要がなく、さらに製造コストを低減することができる。第３実施形態と同様に、板厚の増加が段階的で不連続であっても、担体の各部で必要な強度となるように板厚を設定することで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図８（Ａ）に示した波板４３２を形成する部材を、平板４３１と同じものにすれば、さらに製造コストを低減することができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

内燃機関の排ガス浄化装置の構成を示す図である。 排ガス浄化触媒用メタル担体の断面図である。 ハニカム体と外筒の接合部の拡大図である。 本発明による第１実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。 本発明による排ガス浄化触媒用メタル担体において、板厚の増加を示す図である。 本発明による第２実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。 本発明による第３実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。 本発明による第４実施形態の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造工程を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
１１ 排気管
１２ マニフォールド触媒
１３ ハニカム体
１４ 外筒

Claims (10)

1. 排気通路に配置される排ガス浄化触媒に使用されるメタル担体であって、
   排気流れ方向に延設された多数の微細通路を備え、
   前記微細通路の仕切り部は、排気流れ方向と直行する断面での中心側から外周側に向けて仕切りの厚さが厚くなる、
   ことを特徴とする排ガス浄化触媒用メタル担体。
2. 前記多数の微細通路は、積層された平板材及び波板材が巻回されて形成され、
   前記仕切部は、前記平板材及び波板材の一部分である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
3. 前記平板材は、長手方向に沿って連続的に板厚の増加する部材であって、薄端部が中心側に位置するように巻回される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
4. 前記平板材は、長手方向に沿って、板厚が一定の等厚部と、その等厚部に連接し板厚が連続的に増加する増厚部とを有し、その等厚部が中心側に位置するように巻回される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
5. 前記平板材は、長手方向に沿って段階的に板厚が増加する部材であって、薄端部が中心側に位置するように巻回される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
6. 前記平板材は、長手方向に沿って長さの異なる薄板材が積層されて段階的に板厚が増加するように形成された部材である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
7. 前記波板材は、長手方向に沿って連続的に板厚の増加する部材であって、薄端部が中心側に位置するように巻回される、
   ことを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
8. 前記波板材は、長手方向に沿って、板厚が一定の等厚部と、その等厚部に連接し板厚が連続的に増加する増厚部とを有し、その等厚部が中心側に位置するように巻回される、
   ことを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
9. 前記波板材は、長手方向に沿って段階的に板厚が増加する部材であって、薄端部が中心側に位置するように巻回される、
   ことを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
10. 前記波板材は、長手方向に沿って長さの異なる薄板材が積層されて段階的に板厚が増加するように形成された部材である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。

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