JPH0665383B2 - 内部に前縁を有するハニカム体 - Google Patents

内部に前縁を有するハニカム体

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JPH0665383B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、層状に配列され、少なくとも部分範囲で構造
化された、気体が貫流可能の多数のチャネルの壁を形成
する薄板からなるハニカム体、特に自動車用触媒担体に
関する。この種の金属製触媒担体は多くの異なった形式
が公知であり、例えば欧州特許出願公開第0220468号、
同第0279159号、同第0245737号又は同第0245736号明細
書に記載されている。
この種のハニカム体の多くの使用例においてまた一般的
な寸法形状では、チャネル内の流れは、極めて小さいチ
ャネル横断面を使用していることからほぼ層流であるこ
とがすでに公知である。これらの条件下に、チャネル内
の中心流が壁面と接触するのを減少させる比較的厚い境
界層がチャネル壁に形成される。この措置により中心流
と境界層との間の拡散作用は確かに部分的に補償される
が、ハニカム体の特別な構造化によりこれを改良する試
みは以前からなされていた。英国特許出願公開第200154
7号公報から、一部分を折り返し部によって形成される
内部の形態結合的接続が知られている。そのわずかな大
きさ及び近隣の薄板とのかみ合わせによって、いずれに
せよ、流れ又は触媒反応に影響を及ぼす付加的な前縁は
ひとつも発生しない。
例えばドイツ連邦共和国特許第1192624号明細書から、
ハニカム体を多数の連続して配列された円板から製造
し、そのチャネルを流れ方向で互い違いに配置すること
は公知である。このように構成された担体はその内部に
繰返し流れを分割する新たな前縁を有する。この場合有
利には螺旋状に巻上げられた平坦な薄板と波形薄板とか
らなる円板が前後して直列に配置されており、この場合
巻上げ方向はそれぞれ異なっている。この措置は多数の
小さな円板によりその製造に多額の費用を要し、また互
いに配置されたチャネルは不規則に配列されることにな
り、これは被覆に際してまた後の運転時に欠点となり得
る。
欧州特許出願公開第0152560号及び同第0186801号明細書
には、ハニカム体を多数の円板から構成する必要がない
ことによって製造技術的に一層好ましい同じ技術思想を
実現するための可能性が記載されている。しかしここに
記載されている波形構造は、使用される薄板の多数の面
部分が相互に接触していることから、触媒接触に利用し
得る面が材料の使用量に比べて好ましくないという欠点
を伴う。
流れ方向で互い違いに位置をずらして配置された流れチ
ャネルの利点及び作用が記載されているノンネンマンの
論文「活性を高め内部に流れ補償を備えた廃ガス触媒用
の新規の金属単体」アーテーツェット・オートモビルテ
ヒニッシェ・ツァイトシュリフト91（1989）、４、第18
5〜192頁には、平坦な薄板層の代わりにいわゆる微小波
形バンドを使用することにより面利用率が若干有利にな
る変法も提案されている。しかしこの種の微小波形バン
ドは他の構造化された薄板バンドの平坦な設置面と共に
微細なチャネルを形成する。このチャネルは後の被覆時
に塞がれ、その結果圧力損失がかなり高められ、更にま
た活性面の損失及び被覆コンパウンドの不必要な消費が
もたらされる。それにも拘らずこの論文は、その製造技
術上の可能性によって金属製触媒担体が、その構造的な
措置によって内部における流れ状態を左右し得ることか
ら、押出し成形されたセラミック体よりも優れている。
ことを示している。その際付加的効果、すなわち個々の
チャネル内における流れに横方向の混合がチャネル壁内
の相応する結合路又は開口によって生じる可能性があ
る。
これまで述べた技術水準を考慮して、本発明の課題は、
互いに位置をずらされた内部壁の利点を完全に利用する
ことができまた各層の極く僅かな面部分のみが互いに接
しているハニカム体を提供することにある。その際この
種のハニカム体を製造する場合の経費を削減するために
製造技術的な観点も考慮されるべきである。
この課題は、少なくとも部分的に構造化された気体が貫
流可能の多数のチャネルの壁を形成する薄板からなり、
薄板の一部が波の山、波の谷及び所定の波の高さを有す
る基本波形を有し、その際波の山及び／又は波の谷が多
数の折り返し部を有し、その高さが波の高さより低いか
又はこれに等しく、有利には波の高さの１／３〜２／３
であり、その際該折り返し部が、チャネルの内部に、気
体流を分割するための付加的な前縁を形成するハニカム
体により解決される。この種のハニカム体は特に触媒担
体として、有利には内燃機関を有する自動車用に適して
いる。折り返し部はハニカム体の内部に付加的な前縁を
構成し、基本波形と共に、気体が貫流する際に境界層が
生じるのを減少させる構造を形成する。このようなハニ
カム体は同じ材料を使用した場合相応する折り返し部の
ないハニカム体よりも高い触媒変換率を有する。構造化
された薄板を層状に配列した場合、各層間の接触面も折
り返し部により少なくなる。
この種のハニカム体の流動状態を考慮して折り返し部
は、閉鎖された境界層ができる限り生じ得ないように、
約４〜20mm、有利には８〜16mmの長さを有しているべき
である。各波の山及び／又は各波の谷に流れ方向で連続
して２個又はそれ以上の折り返し部を配置することが好
ましく、その結果常に新たな付加的前縁がもたらされ
る。この場合波の山又は波の谷の上の２個の連続する折
り返し部の間隔は折り返し部の長さに等しく、従って約
４〜20mm、有利には８〜16mmであるべきである。
各折り返し部の深さに応じて折り返し部は波の山の上に
また波の谷に直接並列していてもよいが、しかし安定性
の理由から波の山の折り返し部は波の谷の折り返し部に
比べて約30mmまで、有利には折り返し部の長さよりも大
きく位置ずれして配置するのが有利である。
ハニカム体に互いに一直線にならない複数個の前縁を形
成するために、各波の山及び／又は波の谷に高さが異な
る２個又はそれ以上の折り返し部を配置することもでき
る。同じ材料は使用した場合、ハニカム体を虚構的に区
分化する複数の付加的な前縁が生じ、その結果ハニカム
体は基本波形の波の山及び波の谷の数よりも多数のチャ
ネルを有することになる。
基本波形が、隣接する層と大きな当接面を形成するおそ
れのある余りにも平坦な波の山及び波の谷を有さない限
り、基本波形の形及び折り返し部の形は問題とはならな
い。基本波形の有利な形は軽く面取りされた波の山及び
波の谷を有するジグザグ状の波形であり、その場合折り
返し部及び生じるチャネル形に関して形状的に極めて分
かりやすい状況が生じる。先に引用した先行技術からも
公知であるようにインボリュート歯形の展開図に相当す
る基本波形は製造技術的に好ましくまた一層高い柔軟性
を有する。折り返し部そのものは場合によっては面取り
された稜又は基本波形への移行部を有するほぼＶ字状又
はＵ字状であってよい。またほぼインボリュート歯形の
歯の形に相当する折り返し部の形も可能である。
折り返し部はまた本発明の特殊な実施態様では、折り返
し部の側面が流れに対して平行に走っていないことによ
り、流導性に影響を及ぼすことができる。これは例えば
各外反りがその両端面において高さを異にすることによ
ってか又はチャネルの中央線に対して僅かに傾斜するこ
とによって達成される。この実施態様は場合によっては
存在していてもよい中間層中の開口と関連づけることが
有利である。
更にハニカム体内の温度分布に関しては、折り返し部を
均一に配分するのではなしに、単位容積当りの折り返し
部の数を流れ方向で増すことが重要である。これは横断
面当りのチャネルの数が流れ方向で増加する円板からな
るハニカム体の構造物と類似する作用を有する。
本発明の特殊な一実施態様は、平坦な又は僅かに構造化
された薄板と折り返し部を有する波形薄板とが交互に積
み重ねられている層からなるハニカム体であり、その際
ハニカム体は巻き上げられているか、積層されているか
又は絡み合わされていてもよい。本発明による折り返し
部を有する波形薄板は、単純な波形薄板に適用されてき
た公知のあらゆる製造法に対して実際に適している。す
なわちハニカム体は反対方向に絡み合わされた端部を有
する薄板積層体からなるか又は折り重ねられ、互いに巻
き付けられた薄板積層体から構成されていてもよい。こ
の場合僅かに構造化された薄板層とは、基本波形と比べ
て極く僅かな振幅で波うつ薄板層及び／又は流れ方向に
対して横方向に僅かな振幅で構造化された薄板層を意味
するが、これは基本波形とは異なりハニカム体中に生じ
るチャネルの大きさにそれほど決定的な作用を及ぼすも
のではない。
ハニカム体内における付加的な横方向の混合を促進する
ために、平坦な又は僅かに構造化された薄板層中に開口
を設けることも可能である。これは平坦な薄板と波形薄
板との間のほぼ直線状の接触面を更に減少させ、その結
果使用された材料を触媒活性表面用として特に有利に利
用することができる。
金属製ハニカム体において弾性、耐久性、有効性及び易
製造性を改善するための公知のあらゆる付加的措置はほ
ぼ本発明に転用することができる。従って薄板層の接触
面を少なくとも部分的に互いにろう付けすること又は薄
板層をハニカム体を囲むジャケット管と接合技術により
結合することは特に有効である。本発明を具体的に説明
するため本発明の実施例を図面に基づき詳述する。
第１図は本発明により折り返し部を備えた波形薄板の一
部の透視図、 第２図は本発明による折り返し部を備えたハニカム体の
薄板層の部分端面図、 第３図は本発明による２種の高さの異なる折り返し部を
有するハニカム体の一層の端面図、及び 第４図は本発明による基本波形及び折り返し部の別の形
を有するハニカム体の一層の一部を示す横断面図であ
る。
第１図は波の山２に折り返し部４を又波の谷３に折り返
し部５を備えている構造化された薄板１の小片を示すも
のである。このように構造化された薄板から有利には中
間層としての平坦な薄板と組み合わせて、本発明による
ハニカム体がそれ自体は公知の方法で積層し、巻き上げ
られ又は絡み合わせた薄板積層体の形に製造することが
できる。折り返し部４、５はこの種のハニカム体の内部
に付加的な前縁６をもたらし、それによりハニカム体の
効率は材料の使用量を増すことなく著しく改善される。
折り返し部４又は５は高さｈ又はｈ′を有するが、その
際波の高さＨとは異なり折り返し部４、５の高さの寸法
精度は重要ではなく、従って原則として個々の折り返し
部４、５は異なった高さを有していてもよい。基本波形
の代表的な波の高さＨは約２〜5mmである。折り返し部
の高さｈ、ｈ′は少なくとも波の高さＨよりも僅かに低
いことが有利であり、従って折り返し部は波の山２又は
波の谷３を越えることはなく、また一定の間隔で積層又
は巻き上げを阻止する。また折り返し部と隣接する層と
の間に如何なる被覆ブリッジも形成されるべきではな
い。折り返し部の長さａは４〜20mm、有利には約８〜16
mmであってよい。波の山２又は波の谷３上の多くの折り
返し部４、５は同様の間隔で、すなわち４〜20mm、有利
には８〜16mmの間隔ｂで連続して設けられている。安定
性の理由から、波の山２の折り返し部４を波の谷３の折
り返し部５と直接隣接させない（これは原則的には可能
である）ことが好ましい。流れ方向で30mmまでの位置ず
れｃが構造的に有意義である。位置ずれｃはいずれの場
合にも折り返し部４、５の長さａよりも数ミリ長いこと
が有利である。
第２図は本発明によるハニカム体からなる層の一部を概
略的に示す端面図である。２枚の隣接する平坦な又は僅
かに構造化された薄板10の間にある波形薄板１は波の山
２及び波の谷３を有する高さＨの基本波形を有する。折
り返し部４、５はハニカム体の内側に付加的な前縁６を
形成する。第２図では折り返し部４、５の高さｈ、ｈ′
は波の高さＨよりも低く、従ってそれぞれ隣接する平坦
な又は僅かに構造化された薄板層10に対して間隔ｄ又は
ｄ′が残る。間隔ｄ、ｄ′は、後にハニカム体をセラミ
ックコンパウンドで被覆する際、後日崩解するおそれの
ある如何なる不所望の材料ブリッジも生じ得ない大きさ
にすべきである。それにもかかわらず前縁６は、波形薄
板が波の山２及び波の谷３で有するほぼ３倍の流れチャ
ネルをこのハニカム体が有するかのような構造を形成す
る。触媒反応の効率は相応して高まるが、この場合相当
量の材料を使用する必要はない。
第３図は連続して配置された高さの異なる折り返し部
４、４′又は５、５′がどのような作用を有するかを示
す第２図との比較図である。この場合ハニカム体にその
作用に関して、波形バンド１によって予め与えられた流
れチャネルの数に相当するよりも高い効果を与える、互
いに一直線に並ぶ前縁は生じない。
第４図は本発明によるハニカム体の一層の範囲による横
断面図で、波形及び折り返し部の他の可能な形を示すも
のである。２枚の平坦な又は僅かに構造化された薄板10
間にある波形薄板41はほぼ展開されたインボリュート歯
形を有する。また折り返し部44、45も基本波形への面取
りされた移行部を有するインボリュート歯形の歯の形を
有する。波の山42及び波の谷43は場合によっては隣接す
る平坦な薄板10とろう付けられていてもよい。平坦な薄
板10は付加的に開口11を有していてもよく、この開口は
個々の層及びチャネル間でハニカム体中を流れる気体の
横方向での混合を促進する。
第１図に基づく本発明による折り返し部を備えた波形の
薄板を製造するために、平坦な薄板条片をまず基本波形
を有する１対の波形圧延機に導き、引続き第１図に破線
で示したように一層小さな波形７の波形圧延機（これは
その都度薄板バンド１の幅の一部のみを加工する）での
第２波形処理を行う。他の製造法、例えば後の前縁６に
スリットを付けられた薄板を意図的に折り曲げることも
できる。本発明によるハニカム体を製造する際の他の作
業工程は先行技術による単純な波形薄板を有するハニカ
ム体と異なるものではない。
本発明によるハニカム体はその減少された重量、減らさ
れた材料使用量及び高い効果により特に内燃機間を有す
る自動車での触媒担体として適している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイーレス、ルートヴイツヒ ドイツ連邦共和国 Ｄ―5063 オフエラー ト １ オペルナー シュトラーセ ２ (56)参考文献 特開 昭54−25321（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−132035（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−115139（ＪＰ，Ｕ)

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも部分的に構造化され気体が貫流
    可能の多数のチャネル（８）の壁を形成する薄板（１、
    10）からなるハニカム体において、薄板の一部（１）が
    波の山（２）、波の谷（３）及び所定の波の高さ（Ｈ）
    を有する基本波形を有し、その際波の山（２）及び／又
    は波の谷（３）が多数の折り返し部（４、5;4′、５′;
    44、45）を有し、その高さ（ｈ、ｈ′）が波の高さ
    （Ｈ）より低いか又はこれに等しく、その際該折り返し
    部が、チャネル（８）の内部に、気体流を分割するため
    の付加的な前縁（６）を形成することを特徴とするハニ
    カム体。
  2. 【請求項２】折り返し部（４、5;4′、５′;44、45）の
    長さ（ａ）が流れ方向で４〜20mmであることを特徴とす
    る請求の範囲１記載のハニカム体。
  3. 【請求項３】各波の山（２）及び／又は波の谷（３）に
    流れ方向で連続した２個又はそれ以上の折り返し部
    （４、5;4′、５′;44、45）が設けられることを特徴と
    する請求の範囲１又は２記載のハニカム体。
  4. 【請求項４】波の山（２）又は波の谷（３）上の２個の
    連続する折り返し部（4;4′;44又は5;5′;45）の間隔
    （ｂ）が４〜20mmであることを特徴とする請求の範囲３
    記載のハニカム体。
  5. 【請求項５】波の山（２）の折り返し部（4;4′;44）が
    波の谷（３）の折り返し部（5;5′;45）に対して流れ方
    向で互いに０〜30mm位置ずれ（ｃ）して配置されている
    ことを特徴とする請求の範囲１ないし４の１つに記載の
    ハニカム体。
  6. 【請求項６】各波の山（２）及び／又は各波の谷（３）
    に異なる高さの２個又はそれ以上の折り返し部（４、
    ４′;5、５′）が設けられていることを特徴とする請求
    の範囲１ないし５の１つに記載のハニカム体。
  7. 【請求項７】基本波形がほぼジグザグ状に軽く面取りさ
    れた波の山（２）及び波の谷（３）を有することを特徴
    とする請求の範囲１ないし６の１つに記載のハニカム
    体。
  8. 【請求項８】基本波形がほぼインボリュート歯形の展開
    図に相当することを特徴とする請求の範囲１ないし６の
    １つに記載のハニカム体。
  9. 【請求項９】折り返し部（４、5;4′、５′;44、45）が
    面取りされた稜又は基本波形への移行部を有するほぼＶ
    字状又はＵ字状であることを特徴とする請求の範囲１な
    いし８の１つに記載のハニカム体。
  10. 【請求項１０】折り返し部（４、5;4′、５′;44、45）
    がほぼインボリュート歯形の歯の形を有していることを
    特徴とする請求の範囲１ないし８の１つに記載のハニカ
    ム体。
  11. 【請求項１１】折り返し部（４、5;4′、５′;44、45）
    がその両端で異なった高さ（ｈ又はｈ′）を有し、その
    結果折り返し部の壁面が基本波形により与えられたチャ
    ネルの方向に対して鋭角に延びていることを特徴とする
    請求の範囲１ないし10の１つに記載のハニカム体。
  12. 【請求項１２】ハニカム体の単位容積当りの折り返し部
    （４、5;4′、５′;44、45）の数が、基本波形により形
    成されるチャネルの方法で一方の端面から他の端面へと
    次第に増加していることを特徴とする請求の範囲１ない
    し11の１つに記載のハニカム体。
  13. 【請求項１３】平坦な又は僅かに構造化されている薄板
    （10）と折り返し部（４、5;4′、５′;44、45）を有す
    る波形薄板（１）とが交互に積み重ねられている層から
    なるハニカム体が巻き上げられているか、積層又は絡み
    合わされていることを特徴とする請求の範囲１ないし12
    の１つに記載のハニカム体。
  14. 【請求項１４】平坦な又は僅かに構造化された薄板（1
    0）が開口（11）を有することを特徴とする請求の範囲1
    3記載のハニカム体。
  15. 【請求項１５】波の山（２）及び波の谷（３）が平坦な
    薄板層（10）と極く狭い接触面を形成することを特徴と
    する請求の範囲13又は14記載のハニカム体。
  16. 【請求項１６】薄板層（１、10）の接触面が少なくとも
    一部の範囲で互いにろう付けされていることを特徴とす
    る請求の範囲15記載のハニカム体。
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