JP2915429B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、一般に自動車の排気ガスの浄化手段として
排気管の途中に介装される、排気ガス浄化用触媒を担持
させるための金属製ハニカムコア体から成る排気ガス浄
化装置に関する。

更に詳しくは、本発明は過酷な条件下で使用されるこ
の種の排気ガス浄化装置において、金属製ハニカムコア
体として、熱膨張や熱応力による変形や破損に対する耐
久性を改善した排気ガス浄化装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、この種の排気ガス浄化装置は、一般に耐熱性の
薄肉鋼板からの平板状帯材と前記薄肉鋼板を波形成形し
た波板状帯材とを、相互に当接部を有するように重積
し、これを一括渦巻状に巻回積層するか、あるいは階層
状に重積して製作した軸方向に排気ガス通路のための多
数の網目状通気孔路を有するハニカム状積層体（以下、
ハニカムコア体という）。と、前記ハニカムコア体を填
装し固着するための両端が開口した筒状の金属ケースか
ら構成されている。

そして、前記ハニカムコア体と金属ケースとは、排気
ガス自体の高温度及び排気ガスと浄化用触媒との発熱反
応などによる熱膨張や熱的応力に耐えるように、また自
動車走行時の振動などに耐え得るようにろう接や溶接な
どにより強固に固着される。なお、ハニカムコア体を構
成する平板状帯材と波板状帯材の当接部は種々の方法に
より固着されることはいうまでもないことである。

また、最近においては、従来のコーディエライト系セ
ラミック担体との価格競争面からハニカムコア体を填装
し強固に固着するための金属ケースを使用しないもの、
即ち金属製ハニカムコア体のみで排気ガス浄化装置を構
成しようとする動きがある。この場合、金属ケースを使
用しないことから、金属ケースの製作コスト，金属ケー
スと金属製ハニカムコア体の装填，固着コスト，いわゆ
るキャンニングコストなどが削減され、大幅なコストメ
リットが生じることはいうまでもないことである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前記した従来のハニカムコア体からの
み構成される排気ガス浄化装置、あるいはハニカムコア
体と金属ケースとから構成される排気ガス浄化装置は、
長期の使用に耐えるものではない。特に、ハニカムコア
体の軸方向（即ち、排気ガスの流入、通過方向）におい
て、前記した排気ガス自体の高い温度や未燃焼ガスの触
媒反応による発熱という雰囲気下で生起する熱膨張や熱
応力に基づく変形力が、ハニカムコア体の外周部近傍あ
るいはハニカムコア体の外周面と金属ケースの内壁面と
の当接面近傍に集中するため、ハニカムコア体の外周部
近傍において該ハニカムコア体を構成する平板状帯材及
び／又は波板状帯材のヒビ割れ，破損が大きく，また各
帯材間の当接部やハニカムコア体と金属ケース間の当接
部の剥離や離体が生じるという欠点がある。

これは、ハニカムコア体を構成する平板状帯材と波板
状帯材との間を、あるいはハニカムコア体の外周面と金
属ケースの内壁面とを単に強固に固着すればよいという
考え方に修正をせまるものである。

本発明者は、前記した従来の排気ガス浄化装置の欠点
を解消すべく、鋭意検討した。その結果、ハニカムコア
体を構成する平板状帯材と波板状帯材のうち、波板状帯
材として、その波形の山頂部と谷底部の少なくとも一方
に、好ましくはハニカムコア体の軸方向と平行な方向に
所望の間隔をおいて凸部を形成したものを使用すると
き、前記した熱膨張や熱応力に基づく変形力を極めて効
果的に緩和しうることを見い出し、本発明を完成するに
至った。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明を概説すれば、本発明は、薄肉金属板の平板状
帯材と波板状帯材とを相互に当接するように重積して製
作した軸方向に多数の網目状通気孔路を有する排気ガス
浄化用触媒を担持させるためのハニカムコア体からなる
排気ガス浄化装置において、前記波板状帯材が、その波
形の山頂部と谷底部の領域において、かつ前記山頂部と
谷底部の領域の少なくとも一方において、更に前記平板
状帯材に当接する側において、ハニカムコア体の軸方向
にみて所望の間隔をおいて凸部を形成したもので構成さ
れたこと、を特徴とする排気ガス浄化装置に関するもの
である。

以下、本発明の構成について詳しく説明する。

金属製ハニカムコア体を使用した排気ガス浄化装置に
おいて、熱膨張や熱応力（歪）に基づく変形力に対する
耐久性を十分なものにすることが極めて重要である。

即ち、この種の排気ガス浄化装置は、運転、停止と運
転再開時にみられる加熱・冷却サイクルの交番熱負荷は
勿論のこと、走行中においても過酷な熱的環境にさらさ
れるため、熱に対する耐久性の問題は極めて重要な課題
である。この点、走行中の状況を考察すると、排気ガス
浄化装置は、排気ガスの流量分布の相違（中央部と周辺
部の流量の相違）、及びハニカムコア体の表面部に担持
されたPt,Pd,Rhなどの排気ガス浄化用触媒と排気ガスの
接触反応（発熱反応）により、ハニカムコア体の中央部
は周辺部より高温にさらされる。因みに、この種の排気
ガス浄化装置内の温度は、一般には700〜800℃である
が、HC（炭化水素）が多く排出される場合には1000℃前
後にもなる。

前記したハニカムコア体内部の温度勾配をさらに詳し
くみると、ハニカムコア体の外周部とそれより少し内側
の部位間における温度勾配は、中央部近傍における温度
勾配より著しく大きなものとなる。このことは、ハニカ
ムコア体の外周面が直接外気と接したり、あるいはハニ
カムコア体が外気と接する筒状金属ケース内に固着され
るので、より一層、助長されることになる。

従って、このことが起因してハニカムコア体のみから
なる（金属ケースを使用しないタイプの）排気ガス浄化
装置、あるいはハニカムコア体と金属ケースとから構成
される排気ガス浄化装置において、ハニカムコア体の外
周面近傍、特にその軸方向にハニカムコア体の構成部材
の熱膨張や熱応力に基づく強い変形力（以下、熱による
変形力ともいう。）が集中することになる。これは、前
記したようにハニカムコア体内部において大きな温度差
が生じても、ハニカムコア体の軸方向への伸びが同一に
なろうとするためである。

即ち、ハニカムコア体の外周面近傍の構成部材（平板
状帯材と波板状帯材）の当接部が強固に固着されていて
も、前記した熱による変形力により経時的に相互に剥離
したり、各構成部材がヒビ割れしたり破損したりする。

そして、これら剥離，ヒビ割れ，破損と連動して、各
構成部材の表面に担持された高価な触媒層も剥離し、排
気ガスの浄化能力の低下を招く。また、金属ケース内に
ハニカムコア体が填装され、ハニカムコア体の最外周面
が金属ケースの内壁面に強固に固着された排気ガス浄化
装置においても、前記した状況は同じである。

従って、前記した剥離などの欠点を解消ないし抑制す
るためには、ハニカムコア体の構造において、熱膨張や
熱応力に基づく変形力を緩和させる手段を講じることが
不可欠である。

このため、本発明においては、ハニカムコア体を構成
する部材である耐熱性の薄肉金属板の波板状帯材とし
て、該波板状帯材の波形の山頂部と谷底部の少なくとも
一方に、かつ平板状帯材と当接する側に所望の間隔をお
いて凸部を形成したものを使用するという技術的構成を
採用する。即ち、本発明により前記した凸部を有する波
板状帯材と平板状帯材を巻回積層などしてハニカムコア
体を製作する場合、波板状帯材と平板状帯材は前記した
凸部で当接することになり、この部位で両帯材が固着さ
れることになる。従って、凸部以外の非固着部において
熱による変形力を吸収，緩和させることができる。

次に本発明の構成ならびに実施の態様を図面に基づい
て詳しく説明するが、本発明は図示のものに限定されな
いことはいうまでもないことである。

本発明において、金属製ハニカムコア体自体は、第４
図、第８図〜第９図に示されるようなものであり、通常
の方法により製作される。

即ち、ハニカムコア体（１）は、第８図に示されるよ
うに、耐熱性の薄肉鋼板からなる厚さ0.03〜0.1mm程度
の平板状帯材（12）と、該平板状帯材（12）を波形加工
した波板状帯材（11）（これは、後述するようにその山
頂部と谷底部の少なくとも一方に凸部を有するものであ
る。）を相互に当接部を有するように重積し、次いで両
者を一括渦巻状に、かつ最外周面が平板状帯材（12）と
なるように巻回積層することにより製作される。この巻
回積層により、排気ガスの通路となる多数の網目状通気
孔路（13）は自動的に形成される。また、ハニカムコア
体（１）は、第９図に示されるように、平板状帯材（1
2）と波板状帯材（11）（これは、後述するようにその
山頂部と谷底部の少なくとも一方に凸部を有するもので
ある。）を相互に当接するように重積し、これを階層状
に積層成形して製作してもよい。

前記平板状帯材（12）として、例えばFe−Cr20％−Al
5％の耐熱性のステンレス鋼、あるいはこれに耐酸化性
を改善するために希土類を加えた耐熱性のステンレス鋼
などの厚さ0.04mm〜0.1mmのものが、そして波板状帯材
（11）として前記平板状帯材（12）をフォーミングギア
の間を通過させるなどして波形加工したものが使用され
る。各帯材にAlを含有したステンレス鋼を用いると、熱
処理により帯材表面にウィスカー状のγ−Al₂O₃が析出
し、これが排気ガス浄化用触媒を強固に担持するため好
ましいものである。

本発明において、前記ハニカムコア体（１）の構成部
材である波板状帯材（11）には、特にハニカムコア体
（１）の軸方向への熱膨張や熱応力に基づく変形力を吸
収，緩和させるために、該波板状帯材（11）の波形の山
頂部と谷底部の少なくとも一方において、ハニカムコア
体の軸方向に（これは排気ガスの流れ方向と一致す
る）、かつ平板状帯材（12）と当接する側に、所望の間
隔をおいて凸部（以下、周期的凸部という。）が形成さ
れる。次に、前記した周期的凸部を有する波板状帯材
（11）、ならびに該周期的凸部を有する波板状帯材（1
1）と平板状帯材（12）とから構成されるハニカムコア
体（１）について図面に基づいて説明する。

第１図は周期的凸部（２）を有する波板状帯材（11）
の一部斜視図である。

周期的凸部（２）は、波板状帯材（11）の山頂部及び
谷底部に、ハニカムコア体とされたときにハニカムコア
体の軸方向と平行な方向に、かつ平板状帯材（12）と当
接する側に、所望の間隔をおいて形成される。

第２図は、第１図の矢線Ａの方向からみた波板状帯材
（11）の正面図であり、波板状帯材（11）の山頂部及び
谷底部に形成される周期的凸部（２）が、ハニカムコア
体の軸方向と平行に延長し、かつ断続した台形の繰り返
し状の波形であることがわかる。

本発明において、前記周期的凸部（２）の形状は、任
意のものでよく、例えば第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）
に示されるようなものがある。第６図（ａ）〜（ｃ）に
は周期的凸部の断面形状が正弦波形、第６図（ｂ）には
矩形を連接した波形、第６図（ｃ）には三角形を連接し
た波形のものが示されている。また、第７図（ａ）
（ｂ）には周期的凸部の外観形状が示されており、第７
図（ａ）には球形、第７図（ｂ）には円錐形のものが示
されている。本発明において、周期的凸部の断面形状や
外観形状は前記したものに限定されず、このほかに、例
えば角錐形状のものなどがある。これら周期的凸部の形
成は、いずれの方法によってもよい。例えば平板状帯材
（12）をフォーミング間を通過させて波板状帯材（11）
を製作するときに、周期的凸部も同時に形成されるよう
にすればよい。前記周期的凸部（２）の高さは適宜設定
すればよいが、加工性などの観点から一般には波板状帯
材（11）の波の高さ（山と谷の間の高さ）に対して1/2
〜1/10でよい。

本発明において、前記した周期的凸部（２）を有する
波板状帯材（11）は、平板状帯材（12）と当接部を有す
るように重積し、これを一括渦巻状に巻回積層するか、
あるいは階層状に積層してハニカムコア体が製作され
る。その一例を第４図に示す。

第４図は第１図に示される周期的凸部（２）を有する
波板状帯材（11）と第３図に示される平板状帯材（12）
を重積しつつ、一括渦巻状に巻回積層してハニカムコア
体（１）を製作する方法を説明する図である。なお、第
５図は、第４図のようにして製作されたハニカムコア体
（１）を、後述する金属ケース（３）内に填装し、固着
した本発明の排気ガス浄化装置の一部を省略した縦断面
である。第５図において、波板状帯材（11）の波形の山
頂部において、ハニカムコア体の軸方向に周期的凸部
（２）が形成されている状況が示されている（なお、谷
部の凸部は断面位置が相違するので図示されていな
い。）。

前記ハニカムコア体（１）は周期的凸部（２）を介し
て波板状帯材（11）と平板状帯材（12）が固着される。
なお、本発明においては両帯材の固着手段や方法には何
等の制限を受けるものでなく、当業界で知られた手段や
方法を採用すればよい。このようにして両帯材（11,1
2）は周期的凸部（２）を介して強固に固着されるが、
凸部（２）が周期的であるため波板状帯材（11）の山部
及び谷部には平板状帯材（12）と固着されない部位が形
成されることになる。従って、波板状帯材（11）の周期
的凸部（２）以外の非固着部において、特にハニカムコ
ア体（１）の軸方向に対して大きな負荷となる熱による
変形力を効果的に吸収，緩和させることができる。

本発明において、第４図に示されるような態様で巻回
タイプの排気ガス浄化装置が製作されるが、その際、周
期的凸部（２）を有する波板状帯材（11）として、次の
ようなものを使用することができる。即ち、巻回中心部
及びその近傍部位を周期的凸部（２）をもたない波板状
帯材（11）で、それ以外の領域（外周面近傍）を周期的
凸部（２）を有するもので構成してもよい。このような
波板状帯材（11）を使用して製作されるハニカムコア体
（１）は、特にハニカムコア体（１）の外周部及びその
近傍部位に集中する熱による変形力を波板状帯材（11）
の周期的凸部（２）以外の非固着部において効果的に吸
収、緩和させることができる。また前記利点のほかに、
この部位における排気ガス浄化用触媒の担持量を相対的
に多くすることができるため排気ガスとの触媒反応（発
熱反応）を促進させ、ハニカムコア体（１）の中心部と
の温度差をより均一なものとすることができる。

本発明において、平板状帯材（12）を文字通りの意味
において平板状のものとして説明してきたが、ハニカム
コア体（１）の軸方向への熱による変形力を吸収，緩和
させるためには、該平板状帯材（12）として、小さな波
付加形をしたものを用いてもよい。例えば、平板状帯材
に微小なピッチ幅と波の高さをもつ波形を、その波形の
進行方向がハニカムコア体（１）の軸方向と平行になる
ように形成させてもよい。この場合、平板状帯材に形成
された微小な波形によってもハニカムコア体の軸方向に
おける熱による大きな変形力を吸収，緩和させることが
できる。

本発明の周期的凸部（２）を有する波板状帯材（11）
と平板状帯材（12）から製作したハニカムコア体（１）
は、それ自体で排気ガス浄化装置として使用することが
できる。その際、ハニカムコア体（１）の最外周に平板
状帯材（12）を所望の回数だけ巻回し、金属ケースの代
りとしてもよい。更に、別体の筒状金属ケースにハニカ
ムコア体（１）を填装し、固着して排気ガス浄化装置と
してもよい。

本発明において、前記ハニカムコア体（１）を内部に
填装し、固着するための金属ケース（３）として、両端
が開口していれば、その形状に何らの制限を受けるもの
ではない。第７図〜第８図には、断面円形状のものと、
断面レーストラック状（長円形状）のものが示されてい
るが、これに限定されない。例えば、車体下部のスペー
スに適合させるために、断面略三角形状の金属ケースを
用いて排気ガス浄化装置を構成してもよい。金属ケース
の素材として、前記ハニカムコア体と同種の耐熱鋼を用
いてもよいし、耐熱耐食性に富むものを用いてもよい。
また、外側部分の金属材料を内側部分より耐熱耐食性に
富むものとした二重構造のもの、具体的には内側部分に
フェライト系ステンレス鋼を、外側部分にオーステナイ
ト系ステンレス鋼を用いたクラッド鋼などを用いても良
い。

（実施例） Fe−20％Cr−５％ Al−0.02％Ceの耐熱鋼の厚さ0.04
mm,幅74.5mmの薄肉鋼帯からなる平板状帯材をフォーミ
ングギアの間を通過させ、山と山のピッチ4.5mm,山の高
さ1.8mmの波形に加工して波板状帯材とした。その際、
第１図に示されるように波板状帯材の山頂部及び谷底部
に凸部の高さ0.5mm,凸部の幅1.0mm,凸部の長さ5.0mm,凸
部と凸部の間隔5.0mmの周期的凸部を同時に形成するよ
うにした。

前記平板状帯材と周期的凸部波板状帯材を第４図に示
されるように巻回積層し、軸方向に多数の網目状通気孔
路を有する外径70mmのハニカムコア体を製作した。

次に、前記ハニカムコア体を内径約70mmの耐熱鋼製
（JIS G4305 SUS310）の金属ケース内に填装し、ハニ
カムコア体の両端部及びその近傍部位（端部より10mmの
領域）をニッケル系ろう材のスラリーに浸漬し、乾燥後
真空炉で熱処理してハニカムコア体と金属ケースをろう
付けにより固着した。

次に、以上のようにして製作した排気ガス浄化装置に
触媒担持層を次のようにして形成させた。即ち、ハニカ
ムコア体を構成する各帯材の表面に活性アルミナ（γ−
Al₂0₃）粉末とアルミナゾルを配合したスラリーを塗布
し、これを600℃に加熱処理して触媒担持層を形成し
た。

（性能評価） 前記した触媒担持層を有する排気ガス浄化装置を、15
0℃〜800℃間の50サイクルの急熱急冷試験、及び振動試
験を行なったところ、ハニカムコア体の構成部材ほどの
部位におても亀裂，破損がみられず、また当接部の剥離
や離体も観察されなかった。さらに、触媒担持層の落
下，剥離も観察されなかった。

〔発明の効果〕

本発明の排気ガス浄化装置において、特に過酷な熱的
条件下にさらされるハニカムコア体部は、その構成部材
である波板状帯材と平板状帯材のうち波板状帯材とし
て、その波形の山頂部と谷底部の少なくとも一方に、か
つ平板状帯材と当接する側に所望の間隔をおいて凸部
（周期的凸部）を形成したものを使用する点に特徴を有
する。そして、該周期的凸部を介して波板状帯材と平板
状帯材は固着されたハニカムコア体とされる。

このため、本発明のハニカムコア体は、熱による変形
力、特にハニカムコア体の軸方向に負荷される大きな熱
による変形力を、該周期的凸部以外の非固着部で効果的
に吸収，緩和させることができる。

これは、ハニカムコア体の構成部材、特に熱による変
形力が集中するハニカムコア体の外周面及びその近傍部
位における構成部材の熱膨張，収縮に対する追随性を向
上させるため、当該部位における構成部材の亀裂，破
損，及び部材間の当接部の離体を防止することができ
る。

また、ハニカムコア体の壁面に形成される排気ガス浄
化用触媒を担持するための触媒担持層の落下，剥離も効
果的に防止される。

更に、周期的凸部の平板状帯材に当接する部位（固着
部位）と当接しない部位（非固着部位）の間の間隙によ
り、排気ガスの流れをハニカムコア体内部において乱す
（撹拌作用）ことができるため、排気ガスと触媒層との
触媒を増進させることができる。

従って、本発明の排気ガス浄化装置は、長期に亘り安
全に使用することができ、かつ高い浄化能力を維持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は周期的凸部を有する波板状帯材の一部斜視図で
あり、第２図は第１図の矢線Ａ方向からみた一部正面図
である。 第３図はハニカムコア体の構成部材である平板状帯材の
一部平面図である。 第４図は周期的凸部を有する波板状帯材と平板状帯材か
らハニカムコア体を製作する工程を説明する図である。 第５図は本発明の排気ガス浄化装置の一部を省略した縦
断面図である。 第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、周期的凸部の他の断
面形状を示す第２図に相当する図で、第６図（ａ）は正
弦波形を示し、第６図（ｂ）は四角形を連接した波形を
示し、第６図（ｃ）は三角形を連接した波形を示す。 第７図（ａ），（ｂ）は、波板状帯材に形成される周期
的凸部の外観形状を示すものであり、第７図（ａ）は球
形状の凸部を有する波板状帯材の一部斜視図を、第７図
（ｂ）は円錐形状の凸部を有する波板状帯材の一部斜視
図を示す。 第８図は周期的凸部を有する波板状帯材と平板状帯材を
巻回積層して製作したハニカムコア体を金属ケース内で
固着したものの一部省略の正面図である。第９図は周期
的凸部を有する波板状帯材と平板状帯材を階層状に積層
して製作したハニカムコア体を金属ケース内で固着した
ものの一部を省略した正面図である。 １……ハニカムコア体 11……平板状帯材 12……波板状帯材 13……網目状通気孔路 ２……周期的凸部 ３……金属ケース

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄肉金属板の平板状帯材と波板状帯材とを
   相互に当接するように重積して製作した軸方向に多数の
   網目状通気孔路を有する排気ガス浄化用触媒を担持させ
   るためのハニカムコア体からなる排気ガス浄化装置にお
   いて、前記波板状帯材が、その波形の山頂部と谷底部の
   領域のみにおいて、かつ前記山頂部と谷底部の領域のみ
   の少なくとも一方において、更に前記平板状帯材に当接
   する側において、ハニカムコア体の軸方向にみて所望の
   間隔をおいて凸部が形成されたもので構成されたこと、
   を特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】波板状帯材の凸部が形成された部位のハニ
   カムコア体の軸方向にみた断面形状の形状が、正弦波、
   三角形、台形、矩形を連接した波形のものから選ばれた
   ものである請求項第１項に記載の排気ガス浄化装置。
3. 【請求項３】凸部が、球形、円錐形、角錐形の突起であ
   る請求項第１項に記載の排気ガス浄化装置。
4. 【請求項４】ハニカムコア体が、平板状帯材と波板状帯
   材とを相互に当接するように重積し、これを一括渦巻状
   に巻回積層して製作したものである請求項第１項に記載
   の排気ガス浄化装置。
5. 【請求項５】ハニカムコア体を構成する波板状帯材にお
   いて、巻回中心部の近傍部位には凸部を有せず、それ以
   外の部位に凸部を有するものである請求項第４項に記載
   の排気ガス浄化装置。
6. 【請求項６】ハニカムコア体が、平板状帯材と波板状帯
   材とを相互に当接するように階層状に重積して製作した
   ものである請求項第１項に記載の排気ガス浄化装置。