JPH02102744A - 耐熱疲労性を有する自動車触媒用金属基体 - 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］ 本発明は自動車触媒用の金属基体に関する。

［従来の技術］ 自動車の排気ガス規ＩｔｌＪ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エンジンの改良と触媒
による排気ガスの浄化によって行われている。排気ガス
浄化用の触媒はコージェライト等のセラミックハニカム
の上にｐｔなどの貴金属触媒を担持したγ−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
こわらのセラミックハニ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ツシュの耐熱性の制約などから
、その使用温度が低くめに制限される等の欠点があった
。

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。これら金属担体は当
然反応中の高温か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。第２
図に断面図を示すように一般に金属担体は厚み５０μ前
後のステンレス平箔と波型加工したステンレス波箔とを
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ｉ４３に装入して平箔〜波箔〜外筒間を相
互にろう付けや抵抗溶接等により接合する。第３図はこ
れを模式的に表したもので、斜線８の部分と太線９の部
分はろう付けされてることを示す。

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平箔〜波箔〜外筒相
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
動車エンジンに装着された金属担体ではエンジン始動か
ら走行開始時にハニカム部が外筒に先行して加熱され、
また長い下り坂では長時間エンジンブレーキの状態が持
続し、この間燃料の供給をカ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、外局とハニカム間
に大きな温度差が生じる。しかも加熱時と冷却時では温
度差の正負が入れ変わるためハニ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
風下方向に飛び出す等の不具合が生じる。

このように金属担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号公報、特公昭６０−２
７８０７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６１−１９９５７号公報に開示されているが
、ハニカムと外筒との接合方法は明確に記述されておら
ず、ハニカムの外筒への接合強度と耐熱疲労性のすくな
くとも一方で充分な特性を示すものではない。

［発明が解決しようとする。課題］ 本発明は上述した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、か、つ急速な加
熱・冷却にも耐える耐熱疲労性を有する金属基体を提供
するものである。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明はハニカムと外筒との間
に温度差が生じた場合でも熱疲労が生じにくい基体の構
成を考案したものであり、第１図は本発明のその一例で
ある。すなわち本発明は平らな金属箔（以下平箔と称す
る）と波型加工した金属箔（以下波箔と称する）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基体において、ハニカムの少
なくとも中心軸方向両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、且つ前記両端部では外筒とハ
ニカムとは接合されておらず、残りの部分のハニカムは
前記両端部の最外周から最内周まで接合されている部分
の中側端部から少なくとも５゛億ｍ以上離れた場所で最
外周が外筒と接合され、且つ中心軸方向断面においては
面記外筒と接合されている部分と上記両端部との間は接
合されたハニカム部分を介して接続され、ざらに外筒と
の接合面で囲まれたハニカムでは中心軸に垂直なハニカ
ム断面においては、少なくとも接合されていない部分が
半径方向に分布していることを特徴とする耐熱疲労性を
有する自動車触媒用基体である。

［発明の図面に基く詳細説明］ 次に本発明の詳細な説明する。第１図は本発明の金属基
体の中心軸方向の断面を示すものである。一般に金属基
体の排ガスの入側および出側のハニカム両端面は平箔〜
波箔間の接合をせずに使用すると、高速の排気ガスによ
って箔が振動して疲労破壊を生じる。したがってハニカ
ムの両端部付近１．２の波箔と平箔は相互に接合して個
々の振動を防止する必要がある。しかし接合を行った部
分のハニカムはひとつの剛体としてふる舞うため、この
部分の外筒に接する面を外筒３と接合すると、外筒３と
ハニカムの温度差が縁り返し変化する場合にハニカムの
外周部付近で熱疲労破壊を生じる。

このため本発明ではハニカムの最内周から最外周の全層
にわたって接合したハニカム部分（以下完全接合部）は
外筒３と接合しない構造とした。

しかしこれだけではハニカムを外筒に固定していないこ
とになるために、使用中にハニカムが排ガスの風下側に
飛び出してくる。したがってハニカムの完全接合部以外
でハニカムと外筒とを接合することが必要である。

本発明者らはハニカムと外筒との接合部位について種々
検討した結果、耐熱疲労性のうえからハニカムと外筒と
の接合部６は両端部の完全接合部１．２の中側端部から
少なくとも５Ｉ１ｍ以上離す必要があり（第１図（ａ）
の１１およびり、）、これによって前記完全接合部１．
２と外筒との接合部６との間のハニカムの熱疲労破壊を
防止できること、またハニカムの外筒への接合強度のう
えからハニカムと外筒との接合部６と両端部の完全接合
部１．２との間は中心軸方向断面で見た場合に接合され
たハニカム部分く以下ハニカム接合部）４゜５゛を介し
て接続されている必要のあることを知見した。

さらにハニカムと外筒の接合面で囲まれたハニカム内部
では、耐熱疲労性のうえから、ハニカムの中心軸と垂直
な断面においては、少くともハニカム非接合部が半径方
向に分布していることが必要であることを知見した。断
面によっては、ハニカム非接合部とハニカム接合部とが
半径方向に分布することとなるが、この場合ハニカム非
接合部は、全断面積の２０％以上を占めることが望まし
い。したがって、全断面が全断面積がハニカム非接合部
となる場合も含まれる。すなわち、第１図（ｂ）は（ａ
）の八ｓ−Ａ＋’の部分における中心軸断面を示してお
り、どの半径線上にもハニカム非接合部とハニカム接合
部も存在し、この面上の半径方向の熱応力が緩和される
。また第１図（ａ）の八、−Ａ　、　ｊ断面は全断面が
ハニカム非接合部であり、この面上の半径方向の熱応力
が緩和される。この断面のほとんど大部分がハニカム接
合部となフた場合、この面上の熱応力の緩和は困難とな
る。

本発明でいう接合とは、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波箔〜平
箔〜外筒を相互に接合したものをいう。また本来接合す
べきでない部位にろう材やアーク等の一部がまわり込ん
で一部の接点を接合させている場合はここでは接合して
いるとはみなさない。さらに高真空又は低圧水素中でス
テンレス同志を接触させて加熱した場合柱々にして生じ
る拡散接合は、ハニカムの接点では接合強度が低いため
ここでいう接合には含めない。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よい。

第４図から第６図は本発明の他の例を示すものである。

ここで１〜７の各部分の意味は夫々第１図のものと同じ
である。これらの接合構造を有するもの）製造方法はろ
う付けの場合あらかじめ箔を巻き込む前に各ろう付はパ
ターンに従って展開図を画いておき、それらにしたがっ
てろう材のバインダーを塗布し、平箔と波箔を巻き込ん
だ後にろう材を塗布すれば良い。また他の接合方法はい
ずれも箔を巻き込む過程でこれらの展開図に従って接合
すれば良い。

［実施例］ 実施例−１ 第１図は本発明のひとつの実施態様を示すもので、第１
図（ａ）は内径１００＋ｎ１１１、厚さ１．５ｍｍ　、
長さ１００Ｉ！Ｉｍのステンレス外筒と、厚さ５０μの
２０Ｃｒ−５Ａ４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基体の中心軸方向
断面である。ハニカム部の両端面１．２の部分は両端部
から厚さＩ　ＯＩａｍまで波箔と平箔が最外周がら最内
周までろう付けされているか、この部分では、箔がステ
ンレス製外ＷＪ３に接する面は外筒とはろう付けされて
いない。さらにハニカムと外筒との接合部６は１，２の
中側端部からｌ０ＩＩＩＩａ内方へ離れた（Ｌｌおよび
Ｌ２）ところから中央部に位置している。該接合部６と
１．２の間はハニカム内の平箔と波箔の接合部分（ハニ
カム接合部）４．５を介して接続されている。このとき
、第１図（ａ）の６の上端部又は下端部での中心軸に垂
直な断面においては、第１図（ｂ）に示すようにハニカ
ム非接合部とハニカム接合部が半径方向に分布し、全断
面積に対するハニカム非接合部の割合は約３１９６であ
った。

第３図は比較例で、第１図のものと同材質、同一サイズ
の金属基体であるが、ハニカム内部８は全体的に波箔と
平箔がろう付けされ、また最外周９は全面にわたって外
筒３とろう付けされた。上記２種の金属基体にｐｔ触媒
を担持させたγ−アルミナ粉を焼き付けたうえ、排気３
１２０００ｃｃのエンジンに搭載しベンチテストにより
８００℃以上１分。

１５０℃以下１分、合計！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ムの最外周か
ら１〜３層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２
０ｍｍ飛び出していた。一方、本発明（第１図）のもの
は冷熱＋２００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１図の
ものと同じ材質と寸法の金属基体の中心軸、および中心
軸に垂直な断面を示す。１．２は外筒と接合されておら
ず且つハニカムの全層の接点が箔を巻き込む段階で抵抗
溶接により接合されている部分で両端面より厚さ１４ｍ
ｍである。（１００φｘ１４ｆ）、３はステンレス製外
筒、４は１．２の中心部３０φの部分からハニカムとの
接合部６へ接続するハニカム内のろう付は部分、すなわ
ちハニカム接合部である。この例では６は１．２の中側
端部か６１４ｍｍ　（Ｌｌ、Ｌ２）離れたところからハ
ニカム中央部に位置している。第４図（ｂ）は同図（ａ
）のＢ−Ｂ’部分の中心軸直角断面で、全ハニカム断面
積の３０％が非接合部であった。

第５図は第４図のものと同材質、同寸法の基体で、更に
細かくハニカム接合部とハニカム非接合部をハニカム内
に分散させて耐熱疲労性を持たせたもので、両端部の完
全接合部１．２は両端面より厚さ８ｍｎ＋で（１００φ
ｘ８ｊ２）、外筒との接合部６と１．２の中側端部との
間隔り、、ｔ、２は７ｆｆＩＩＩ＋である。

第６図と第７図は第１図と同材質、同寸法の金属基体の
中心軸での断面の接合状況を示すもので、１．２は完全
接合部であり外筒と接合されていない部分で両端面より
厚さ１００１０１　（１００φＸｌ０ｆｌ）、４．５は
１，２の中心部の外径７０φ、内径３５φの部分からハ
ニカムと外筒との接合部６へ接続するハニカム接合部分
で、６は１．２の中側端部から１０ｍｍ離れたところか
ら中央部に位置している（Ｌｌ、Ｌ２＝１０Ｉ１ｍ）。

これらの場合の４，５の断面は形状は曲線である。これ
ら３種の金属基体を実施例−１と同様にしてエンジンベ
ンチによる冷熱試験に供したところ、冷熱１２００回後
も構造上の異常はみられなかった。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明においては、最外周から最内
周までの全層にわたって接合されているハニカムは外筒
の拘束を受けることなく、ハニカムの温度変化に伴って
自由に膨張収縮し得る。

方性筒に接合されている面に囲まれるハニカムは少なく
とも接合されていない部分が半径方向に分布しているた
め、ハニカム内部で熱疲労破壊を生じることなく外筒と
ハニカムの接合が維持され、エンジン排ガスの風圧によ
ってもズレを生じることなく、はげしい温度変化に対し
ても長期にわたって耐え得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による金属基体の断面の接合状況を示す
図で、第２図は従来の金属基体の断面、第３図は第２図
の金属基体の接合状況を示す模式図、第４図〜７図は本
発明による金属基体の断面の接合状況を示す図である。 １．２−・・ハニカムの両端部、３・・・外筒、４．５
・・・ハニカム接合部、６・・・接合部、７・・・非接
合部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、平らな金属箔（以下平箔）と波型加工した金属箔（
   以下波箔）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基体におい
   て、 前記ハニカムの少なくとも中心軸方向両端部は平箔と波
   箔との接合が最外周から最内周までなされ、且つ前記両
   端部では外筒とハニカムとは接合されておらず、残りの
   部分のハニカムは、前記最外周から最内周まで接合され
   ている部分の中側端部から少なくとも５ｍｍ以上離れた
   場所で外筒と接合され、且つ中心軸方向断面においては
   前記外筒と接合されている部分と前記両端部の間はハニ
   カム内の接合されている部分を介して接続され、さらに
   外筒との接合面で囲まれたハニカムでは中心軸に垂直な
   ハニカム断面においては、少なくとも接合されていない
   部分が半径方向に分布してい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基体。 ２、外筒と接合されているハニカム断面におけるハニカ
   ム非接合部の半径方向分布が全断面積の２０％以上を占
   めることを特徴とする請求項１記載の自動車触媒用金属
   基体。