(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平箔と波箔を交互に巻回あるいは積層したハニカム体を形成した後、その外側に箔と同じあるいはそれよりも厚い薄板を２回以上巻回して中間体を形成し、その中間体の内面とハニカム体外面とは連続的に一周しかも軸方向に全長接合し、中間体の外面においては外筒と一周以内しかも軸方向に全長接合し、さらに中間体内部においては一周以上の非接合層を設けたことを特徴とするメタル担体。
【請求項２】
ハニカム体内部を全体接合したことを特徴とする請求項１記載のメタル担体。
【請求項３】
中間体をコルゲート加工していない平板とすることを特徴とする請求項１あるいは２記載のメタル担体。
【請求項４】
中間体をコルゲート加工した波板とすることを特徴とする請求項１あるいは２記載のメタル担体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関から排出される排ガスを浄化するためのメタル担体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来排気ガスを浄化するための触媒コンバータにはセラミックスメタル担体が使用されたが、耐熱性、低圧損および搭載性の点より最近はメタル担体の使用が増加している。
【０００３】
メタル担体は厚さ５０μｍ程度の耐熱性のあるフェライト系ステンレス鋼等の金属よりなる平箔と、この平箔をコルゲート加工した波箔とを渦巻状に巻回してハニカム体を形成し、これを同じく耐熱性のあるフェライト系ステンレス鋼等の耐蝕、耐熱性金属で製造された外筒に収納し、ロウ付け等により相互に接合して構成されている。
【０００４】
このメタル担体は白金、パラジウム、ロジウム等の排ガス浄化用の触媒を担持された後、例えば自動車エンジンの排ガス系に搭載使用される。
そのため、本メタル担体は運転状況の変化に伴う激しい温度変化、振動を受けるが、もし損傷すると浄化性能が落ちるばかりか、排気系の閉鎖あるいはエンジン損傷を引き起こすため特に高い耐久性が要求される。
【０００５】
メタル担体に作用する熱応力は、温度差の大きい外筒とハニカム体間では特に大きく従来からその応力を緩和するため、様々な接合構造が提案されている。
例えば、特開平４−１４８０１６号公報に示されるように、ハニカム体内部の接合構造およびハニカム体と外筒の接合箇所を特定し、熱変形に対する自由度を上げ、いわゆる柔構造とし、熱応力を下げる方法、あるいは、特開平３−１５７１３９号公報、特開平２−２９８６２０号公報に示されるように、筒状の中間体をハニカム体と外筒の間に配置し、内側でハニカム体と、外側で外筒と接合するが、その両接合箇所を軸方向に一致させないことにより、同じく熱変形に対する自由度を上げる方法がある。
【０００６】
従来の方法は、ハニカム体内部および外筒とハニカム体間の接合構造を合理化したり、また中間体を設けることにより、熱変形に対する自由度を高め、良好な耐久性を確保しているが、製造が複雑で生産性が低くなり、コスト高になる問題があった。またハニカム体を拡散接合する場合は、特別な対策を講じなければ平箔と波箔の接触箇所は全て接合されるが、このようにハニカム体が全体接合された場合は、外筒とハニカム体間の変形に対する自由度をさらに高める必要があるが、従来の方法では不足し、ハニカム体支持部が破損し終わりには、ずれてしまう問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、メタル担体のハニカム体が全体接合されたり、排気ガスの温度変化が大きく、従来の方法ではハニカム体と外筒間の変形に対する自由度が不足するため、高い耐久性が得られない場合、外筒とハニカム体間に中間を設けることにより高い自由度を簡便な方法で付与したメタル担体を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、耐久性のあるメタル担体として、
（１）平箔と波箔を交互に巻回あるいは積層したハニカム体を形成した後、その外側に箔と同じあるいはそれよりも厚い薄板を２回以上巻回して中間体を形成し、その中間体の内面とハニカム体外面とは連続的に一周しかも軸方向に全長接合し、中間体の外面においては外筒と一周以内しかも軸方向に全長接合し、さらに中間体内部においては一周以上の非接合層を設けたことを特徴とするメタル担体、
（２）ハニカム体内部を全体接合したことを特徴とする前（１）項記載のメタル担体、  （３）中間体をコルゲート加工していない平板とすることを特徴とする前（１）あるいは（２）項記載のメタル担体、
（４）中間体をコルゲート加工した波板とすることを特徴とする前（１）あるいは（２）項記載のメタル担体、である。
【０００９】
以下本発明を詳細に説明する。
図１は本発明のメタル担体１の外観図である。平箔２と波箔３を巻回あるいは積層して形成されたハニカム体４の外側に、２回以上巻回した中間体５が、さらにその外側に外筒６が配置されている。同構成においてハニカム体４は中間体５の内面と接合し、また中間体５の外面は、外筒６の内面と接合されている。しかし、多重に巻回されている中間体５の内部は接合されていない。
【００１０】
また中間体５の板厚は、外筒６より薄く、ハニカム体を構成している平箔２、波箔３より厚く設定されている。
中間体５は、ハニカム体４とは連続的にあるいは間欠的に一周分で接合し、外筒６とは一周分以内で、連続的あるいは間欠的に接合されている。
【００１１】
従って、本発明のメタル担体１の中間体５は、熱応力的には内周でハニカム体４を保持し、その外面で外筒６に結合しているコイルバネのような役割を有し、半径方向の変位に対して容易に追従でき、また熱伝導的には、中間体５内部の非接合層が断熱層として作用し、ハニカム体４と中間体５の温度差が小さくなり、同時に中間体５と外筒６間の温度差も小さくなり、ハニカム体４と外筒６間で発生する応力を小さくできる。
【００１２】
ハニカム体４には、触媒が塗布されているので、その反応熱が発生し軸方向に熱応力が発生する。しかし、ハニカム体４が全体接合されているため、その軸方向の変位は、強制的に拘束されるので変位量が小さくなり、良好な耐久性を確保できる。
【００１３】
図２は本発明のメタル担体１の構成を示す図である。（ａ）図には平箔２と波箔３が巻回され形成されたハニカム体４の外観を示し、（ｂ）図にそのハニカム体４を巻き込み包む中間体５の外観を示すが、２回以上カールされている。また図２では中間体は平坦な薄板で示しているが、コルゲート加工した波箔を同様に２回以上カールしても良い。（ｃ）図にはハニカム体４と中間筒５を収納する外筒６の外観を示す。これらの接触面には、例えばロウ付けする場合は相互に接合するためのロウ材、あるいは拡散接合する場合は界面接合を清浄にし接合できる準備がなされ、また逆に接合しない部位については接合防止剤等が塗布された後、必要な加圧力が付加され密着するように組み立てられる。
【００１４】
以下本発明のメタル担体における各種の接合構造を示す。
図３から図５までは、メタル担体縦断面における接合構造の実施例を示し、図６から図９は各メタル担体横断面の接合構造を示す。なお、これらの縦断面の接合構造と横断面の接合構造は、特定の組み合わせはなく、適宜、組み合わせて使用できるものである。
【００１５】
図３は、ハニカム体４は斜線で示す範囲が例えば拡散接合あるいはロウ付けにより、平箔と波箔の全ての接点が、原則的に接合されている。５は中間体であるが、その内面のハニカム体４の外面と接するの部位７（点で示している範囲の部位）は軸方向に全長接合している。同様に中間体５の外面と外筒６の内面と接する部位８（点で示している範囲の部位）は軸方向に全長接合している。しかし、中間体５の内外面以外の、中間層９は接合されない。
【００１６】
図４は、例えば中間体５のハニカム体４および外筒６との接合部を、高温の排気ガスから保護する場合に採用するが、ハニカム体４は斜線で示す範囲が例えば拡散接合あるいはロウ付けにより、平箔と波箔の全ての接点が、原則的に接合されている。中間体５の内面のハニカム体４の外面と接する部位７は軸方向に、例えば排気ガスの出側の特定範囲を接合し、外筒６の内面と接する部位８は軸方向に、例えば排気ガス出側の特定範囲を接合している。しかし、同じく中間体５の内外面以外の、中間層９は接合されない。なお中間体５の長さは、図４では接合範囲に留めているが、接合長よりも長くしても支障ない。
【００１７】
図５は、例えばハニカム体５の長さが短いため、使用中に外筒６の中で傾くのを防止する場合に採用する。同図においてハニカム体４の長さは短いが、中間体５および外筒６は、ハニカム体４より長く、使用中に変形が発生しても、その姿勢を維持できる長さを有している。ハニカム体４は、上記と同様に斜線で示す範囲が例えば拡散接合あるいはロウ付けにより、平箔と波箔の全ての接点が、原則的に接合されている。中間体５の内面のハニカム体４の外面と接する部位７は軸方向に、例えば全長接合し、外筒６の内面と接する部位８は軸方向に、例えば全長接合している。しかし、同じく中間体５の内外面以外の中間層９は接合されない。
【００１８】
図６において、ハニカム体４は斜線で示す範囲の平箔と波箔の接点が全て接合され、中間体５の内面とは全周（点で示される範囲の部位）で接合され、また中間体５の外面は外筒６と全周（点で示される範囲の部位）で接合されている。しかし、中間体５の中間層９は接合されていない。
【００１９】
図７においては、中間体５と外筒６は、ハニカム体４の箔よりも厚いため全周接合する必要がない場合に採用する接合構造である。ハニカム体４内部の接合およびハニカム体４と中間体５との接合は図６の場合と同じであるが、中間体５の外面と外筒６の内面は全周でない、一部に留め、他の点で示していない範囲の部位は接合されていない。なおこの場合、中間体５の非接合部が１周以上必要ない場合は、本発明の応用として中間体５のカールする範囲を２周以下とし、中間体５を節約することができる。
【００２０】
図８は、中間体５と外筒６間の接合材を節約する場合に採用する構造を示す。すなわち中間体５と外筒６間の点で示す範囲の部位は接合し、点で示されない範囲の接合しない部位を交互に配置する。中間体５の内部の層を接合しないのは上記と同じである。
【００２１】
図９はさらにハニカム体４と中間体５間、および中間体５と外筒６間の接合材を節約する場合に採用する構造である。同図で点で示す範囲の部位は接合し、表示していない範囲の部位は接合しない。すなわちハニカム体４は全体的に接合し、ハニカム体４と中間体５とは間欠的に、また中間体５は外筒６とはその一部で接合している。
【００２２】
上記の応用として、公知の内部の特定箇所に非接合部を設けたハニカム体を、本発明のメタル担体に採用することは、耐久性をさらに向上し可能である。しかし製造コストから本発明のように、全体的に接合したハニカム体を採用した方が有利である。
【００２３】
本発明のメタル担体１は、従来の公知のメタル担体と同様に、例えば排気ガス浄化用の白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属を担持された後、例えば自動車の排気系に取り付け使用される。同箇所ではメタル担体は激しい温度変化を受けるため、半径方向の大きい温度差が発生し、外筒６はハニカム体４に強い圧縮引張り力が作用する。
【００２４】
ハニカム体４は熱膨張により、中間体５を介して外筒６に押し付けられるが、１回目の熱膨張により、ハニカム体４は外層が若干押し潰され外径が小さくなり、以降の熱膨張では圧縮応力は殆ど作用しなくなる。一方熱収縮による引張り力は、熱膨張と熱収縮が熱サイクル毎に繰り返され発生する。しかし、内部の層が接合されていない中間体５が配設されているので、変形が吸収されハニカム体４に発生する応力が大幅に低減される。さらに同中間体５の非接合層により、外筒と断熱されるため、ハニカム体に発生する温度分布が改善され、耐久性が向上する。
次に本発明の実施例について述べる。
【００２５】
【実施例】
図３に本発明の実施例のメタル担体Ａを示す。横断面の接合構造を図６に示す。外筒６は１９Ｃｒ−０．４Ｎｂを合金成分とするフェライト系ステンレス鋼で、外径は１００mm、長さは１１０mm、厚さは１．５mmである。ハニカム体４は２０Ｃｒ−５Ａを合金成分とするフェライト系ステンレス鋼で、外径は９６．４で、厚さ５０μｍの平箔４と波箔５で構成されている。ハニカム体４のセル密度は、４００セル／平方インチである。中間体５は２０Ｃｒ−５Ａｌを合金成分とするフィライト系ステンレンス鋼で、その長さは１００mmで、２回カールされ外径は９７mmで、その厚さは１５０μｍである。
【００２６】
またハニカム体４の内部の接合はロウ付けあるいは拡散接合により、ハニカム体４と中間体５の接合および中間体５と外筒６の接合は、Ｎｉを主成分とするＮｉロウ材で接合されている。
【００２７】
図４は本発明の別の実施例のメタル担体Ｃを示す。その横断面の接合構造は図６に示す。外筒６、長さが５０mmとなった以外は中間体５も、ハニカム体４の材質、寸法および接合方法はメタル担体Ａと同じである。中間体５はメタル担体の中央より出側に配置され、ハニカム体４と中間体５は軸方向に全長、中間体５と外筒６は軸方向に全長ロウ付けされている。
【００２８】
図５は本発明の別の実施例のメタル担体Ｄを示す。その横断面の接合構造は図６に示す。外筒６、中間体５、ハニカム体４も長さが５０mmとなった以外は材質、寸法および接合方法はメタル担体Ａと同じである。ハニカム体４は担体の入側に配置され、ハニカム体４と中間体５は軸方向に全長、中間体５と外筒６は軸方向に全長ロウ付けされている。
【００２９】
図１０は、本発明のメタル担体と比較するための公知のメタル担体Ｅである。メタル担体各部の寸法、材質は同じであるが、ハニカム体４の外径は、中間体がないため、９７mmである。ハニカム体１０の内部は斜線の範囲がロウ付けで接合されている。ハニカム体１０と外筒６は、メタル担体の出側近傍の点で示される範囲の部位１１でロウ付けされており、温度変化の大きい排気ガスによる半径方向および軸方向の熱膨張収縮に対して、自由に変形できるので、ハニカム体１０と外筒６の間に大きい熱応力が発生することは殆どなく、高い耐久性が確保される。しかし、ハニカム体１０内部の接合を、図のようにパターン化するには複雑な製造工程が必要で、製造コストが掛かる問題がある。
【００３０】
図１１は、本発明のメタル担体と比較するための公知のメタル担体Ｆである。外筒６、ハニカム体４、中間体１２の材質は同じである。外筒６のサイズはメタル担体Ａと同じであるが、中間体１２は厚さは１５０μｍであるが、ハニカム体４の周りを一周しているのみである。ハニカム体４の内部は同様に斜線を施している範囲を拡散接合あるいはロウ付けで全体接合されているが、ハニカム体４と中間体１２は担体の入側近傍部１３で、中間体１１と外筒６は出側近傍部１４で接合されている。排気ガスの温度変化による、メタル担体Ｆのハニカム体４の半径方向の熱膨張収縮を、中間体１２の撓みで逃げる構造となっている。
【００３１】
これらの各種メタル担体の製造コストを相対比較すると共に、耐久性を評価するため排気量２０００ccの、４サイクルエンジンの出側に取付け、図１２のような熱サイクル試験を実施した。
同図で縦軸は温度、横軸は時間を表し、測温はメタル担体の上流側端面から２０mmの位置で行い、Temp1 ＝１５０℃、Temp2 ＝９００℃、Ｔ1 ＝１０min 、Ｔ2 ＝１０min である。達成すべき試験サイクル数は、１０００サイクルであるが、耐久性を相対評価するため試験サイクル数を１５００サイクルまで延長し評価した。
【００３２】
その製造コスト比較と耐久試験結果を表１に示す。
外筒からハニカム体が外れるまでのサイクル数を示す。なお、判定は１０００サイクル耐えれば合格とした。
【００３３】
【表１】
0003667811.tif 000002
【００３４】
以上のように、本発明の各種メタル担体および比較の従来の各種メタル担体は何れも、耐久試験に合格したが、従来のメタル担体Ｆは中間体の変形自由度が不足し相対的に耐久度が低い。またメタル担体Ｅは良好な耐久性を示したが、製造プロセスが複雑なため、製造コストが高くなる短所がある。
それに比べ本発明のメタル担体Ａ，Ｃ，Ｄは、耐久性および製造コストのバランスがとれ、従来のメタル担体より総合的に優秀である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メタル担体の構造を合理化することにより、低コストで耐久性の優れたメタル担体を供給できることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のメタル担体の外観を示す斜視図。
【図２】  本発明のメタル担体の各構成要素の一例を示す外観斜視図。
【図３】  本発明の実施例（メタル担体Ａ）を示す断面図。
【図４】  本発明の実施例（メタル担体Ｃ）を示す断面図。
【図５】  本発明の実施例（メタル担体Ｄ）を示す断面図。
【図６】  本発明の実施例を示すメタル担体の横断面図。
【図７】  本発明の実施例を示すメタル担体の横断面図。
【図８】  本発明の実施例を示すメタル担体の横断面図。
【図９】  本発明の実施例を示すメタル担体の横断面図。
【図１０】  本発明のメタル担体と比較するための公知のメタル担体Ｅの縦断面図。
【図１１】  本発明のメタル担体と比較するための公知のメタル担体Ｆの縦断面図。
【図１２】  各種メタル担体の耐久性を評価するための熱サイクルパターンを示す図。
【符号の説明】
１    メタル担体
２    平箔
３    波箔
４    ハニカム体
５    中間体
６    外筒
７    ハニカム体と中間体との接合部
８    中間体と外筒の接合部
９    中間体の非接合部
１０    接合部位をパターン化したハニカム体
１１    ハニカム体と外筒の接合部
１２    中間体
１３    ハニカム体と中間体の接合部
１４    中間体と外筒の接合部
【図１】
0003667811.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003667811.tif 000010
【図９】
0003667811.tif 000011
【図１０】
0003667811.tif 000012
【図１１】
0003667811.tif 000013
【図１２】
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