(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板の鋼板と波板の鋼板とを重ね巻回して形成した金属ハニカムコア体と、該金属ハニカムコア体の外周を囲む金属外筒とを接合して成る排気ガス浄化用メタル担体において、金属ハニカムコア体の最外周と金属外筒の内面は、軸方向に任意の幅で、且つ、周方向に全周にわたって、軸方向の任意の位置で接合されており、金属ハニカムコア体の平板と波板との接合帯は最外周から最内周まで構成されており、金属ハニカムコア体の最外周の平板と次の周を形成する波板、又は最外周の波板と次の周を形成する平板との接合帯が、上記金属外筒と金属ハニカムコア体との接合帯の軸方向の両端部とも、金属ハニカムコア体を構成する金属箔材厚さの１０倍以上内側で構成されていることを特徴とする排気ガス浄化用メタル担体。
【請求項２】
金属ハニカムコア体の平板と波板との接合帯が最外周から最内周まで金属外筒と金属ハニカムコア体との接合帯の軸方向の幅の内側で構成されていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化用メタル担体。
【請求項３】
金属ハニカムコア体の最外周が平板で構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化用メタル担体。
【請求項４】
金属外筒と金属ハニカムコア体との接合帯が、排気ガスの出側から金属ハニカムコア体の軸方向の長さの１／２以内で構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかの項記載の排気ガス浄化用メタル担体。
【請求項５】
金属ハニカムコア体内の平板と波板との接合が、平板の表裏で重複しないように構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかの項記載の排気ガス浄化用メタル担体。
【請求項６】
金属外筒と金属ハニカムコア体との接合帯又は金属ハニカムコア体の平板と波板との接合帯が、軸方向に複数個所で構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかの項記載の排気ガス浄化用メタル担体。
【請求項７】
金属ハニカムコア体の平板と波板及びコア体と金属外筒との接合帯が少なくとも片端で、コア体軸方向の長さの５％以上の非接合部を有することを特徴とする請求項１〜６の何れかの項記載の排気ガス浄化用メタル担体。
【請求項８】
金属外筒とコア体との接合帯は軸方向の長さの合計が５ｍｍ以上であって、コア体軸方向の長さの１／２以下であることを特徴とする請求項１〜７の何れかの項記載の排気ガス浄化用メタル担体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の排ガスを浄化する触媒を担持する排気ガス浄化用メタル担体に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車の排ガスを浄化する触媒を担持するメタルハニカム担体は、耐熱性を有する金属（ステンレス鋼）から成る平板と波板とを重ね、これらを巻回して断面ハニカム状の金属ハニカムコア体とし、これを金属外筒内に収納し、金属ハニカムコア体（以下、単にコア体という）の最外周と金属外筒の内周面とが接合されている。これらのメタル担体は自動車の排ガス浄化装置に利用された場合、排ガスによる冷熱サイクルを受けると共に、担体中心部と外周部では大きな温度勾配を生じ、そのため熱応力が作用するばかりでなく、エンジンの機械的振動及び排ガスの流れによる排ガス抵抗が作用するためセルの変形或いはセルを構成している箔或いはコア体と金属外筒間の接合部の破断が生じることがある。
即ち、金属担体が、加熱、冷却を受けると担体の外周と中心部では大きな温度差が生ずる。排ガスと触媒との反応により、コア体の中心部が加熱され、中心部の温度が外周の温度より高くなると、熱膨張により外周部より伸びようとする。冷却により外周部から冷やされると熱膨張により伸びた中心部は、接合部など周囲に拘束があると、十分に収縮できず軸方向に永久変形する。このような加熱、冷却の繰返しにより、コア体の中心部は、徐々に軸方向に伸びてくる。
【０００３】
このような軸方向にコア箔が伸び現象に対しては、例えば特開昭５６−４３７３公報の図８ａ，８ｂおよび特公平５−４５２９８ 公報の図１,３,４,５,６等に開示されているような、コア体の両端部を接合して固定する構造を持った金属担体では、コア体を構成する平箔と波箔が軸方向に挫屈をおこし、破壊が生じる。これを防止するには、少なくともコア体の軸方向の接合領域は、できるだけ限定することが望ましい。
例えば、特開平４−２９７５０号公報にはコア体部と金属外筒をメタル担体軸方向に１〜１５ｍｍのリング状の間隔を隔てて形成された複数の帯で接合するメタル担体が示されている。これは、冷熱サイクル時にメタル担体軸方向に発生する応力を前記リング状の間隔位置の非接合部分が変形することにより歪みを吸収し接合部と非接合部に作用する応力を分散するためである。
しかし、金属外筒とコア体間を複数の帯びで接合しても、コア体の接合状態により効率良く応力を分散することができない場合がある。例えば、コア体部と金属外筒部の接合境界がコア体内の接合境界と一致した場合、熱サイクルにより応力がその箇所に集中してしまい、その箇所から箔の破断が発生してしまう。
【０００４】
また、特開平４−１４８０１６号公報では、コア体内の挫屈およびコア体と外筒との接合部分で生ずる破壊の両者を解決するため、コア体の軸方向の接合長さを全長の５％〜２０％に限定し、一ケ所のみで平板と波板を接合するとともに、コア体の接合で、外層部分に強化領域を設け、その外層強化領域の軸方向の範囲内において外筒とコア体を接合することが開示されている。
つまりコア体と外筒との接合構造において、軸方向の接合長さは、コア体内の方がコア体最外周と外筒との接合長さより長いことが開示されている。しかしこのような接合方法では，コア体の最外周を平板とした場合、振動等によってコア体内にかかる全荷重を支える最外周を平板の、外筒との軸方向の接合端に応力集中が生じ、金属担体の耐久性を損なうことになる。
更に、本出願人は、平板と波板を巻回して形成したコア体と、該コア体の外周を囲む金属外筒とを接合してなる排ガス浄化用メタル担体において、コア体の平板と波板とを接合した最外周部の外周面と金属外筒の内周面とを軸方向の任意の位置で任意の幅でと、コア体最外周と金属外筒内壁との接合部を重複させないことを特徴とする排ガス浄化用メタル担体という特許を取得した（特許第３２５９０８１号）。コア体と外筒及びコア体の平板と波板の接合とも重複を避けて温度変化による熱歪みの吸収を重点として接合構造を考案したこの発明による金属担体では、とくに外筒とコア体最外周にも比較的大きな温度勾配が生じる場合には有効である。しかし、更に検討した結果、コア体の最外周における平板又は波板と金属外筒との接合は金属接合されているので、良好な熱伝導を有し熱歪による応力は非常に少ないが、コア体と金属外筒との接合部は、振動などの外部からコア体に加えられる全荷重を支えることになるので、これを改良することが肝要であるとの知見を得た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者は上記の知見に基づき種々検討した結果、本発明を完成したもので、本発明の目的は、平板と波板を重ね巻回して形成したコア体と、該コア体の外周を囲む金属外筒とを接合して成る排気ガス浄化用メタル担体、特に最外周が平板のコア体と金属外筒とを接合して成る排気ガス浄化用メタル担体において、上記のような加熱、冷却の苛酷な熱サイクル及び激しい機械的振動を受けた場合でも破損しないような耐久性に優れた排気ガス浄化用メタル担体を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、平板の鋼板と波板の鋼板とを重ね巻回して形成した金属ハニカムコア体と、該金属ハニカムコア体の外周を囲む金属外筒とを接合して成る排気ガス浄化用メタル担体において、金属ハニカムコア体の最外周と金属外筒の内面は、軸方向に任意の幅で、且つ、周方向に全周にわたって、軸方向の任意の位置で接合されており、金属ハニカムコア体の平板と波板との接合帯は最外周から最内周まで構成されており、金属ハニカムコア体の最外周の平板と次の周を形成する波板、又は最外周の波板と次の周を形成する平板との接合帯が、上記金属外筒と金属ハニカムコア体との接合帯の軸方向の両端部とも、金属ハニカムコア体を構成する金属箔材厚さの１０倍以上内側で構成されていることを特徴とする排気ガス浄化用メタル担体である。
【０００７】
【作用】
以下、本発明の作用について述べる。
コア体と外筒とを組み合わせた構造の排気ガス浄化用メタル担体では、振動などによりメタル担体に加えられる加速度（Ｇ）はコア体では平板と波板との接合帯によって支えられ、コア体の全荷重はコア体と外筒との接合によって支えられている。最外周の平板と波板の接合がコア体と外筒の接合帯の内側である時は、両方の接合端に応力集中が起こりにくいが、コア体と外筒の接合体の外側にずれるとコア体と外筒の接合帯でずれた方の端部に応力集中が起こる。
この点について更に説明すると、コア体の最外周の平板は外筒との接合帯で、振動など外部からコア体に加えられる全荷重を支えているので、軸方向の外力に対してはある一定以上の接合長さを有していれば強度的には問題はないが、軸に対して垂直方向の外力に関しては、接合構造によっては、コア体最外周と外筒との接合端部に応力が集中するため、このような応力集中を伴わないような接合構造を採用することが望ましい。即ち、図６（Ａ）のようにコア体の平板と波板との接合帯を上記外筒とコア体の最外周の平板との接合帯の軸方向の内側にも設ければ、上記外部からコア体に加えられる全荷重の大半が最外周の平板と外筒との接合帯の内側に分布するため平板と波板との接合帯の端部には応力集中はほとんどなく接合端部での応力集中は僅か最外周の平板のみの振動に伴う応力だけである。しかし、例えば図６（Ｂ）のようにコア体の接合帯を外筒とコア体の最外周の平板との接合帯の軸方向の外側にずらして設けると、コア体にかかる荷重の大半をコア体の接合帯で受けることになるのでコア体と外筒との接合帯で、軸方向にずらした方の端部に応力が集中しコア体最外周の平板にクラックが発生して金属担体の寿命を損なうことになる。
この応力集中は程度の差はあるがコア体最外周の平板と波板の接合帯が一部でもコア体と外筒との接合帯の外側にずれた場合に生じ、また、コア体の最外周が波板の場合でも同様に生じるので、何れの場合でも避けなければならない。
従って、本発明においてはコア体の最外周の平板と波板との接合帯を外筒内面とコア体の最外周の接合帯の内側になるように構成する。
金属ハニカム担体は、使用中中心部では最高１０００℃以上に加熱されるのに対し、外周ではたかだか６００℃前後と、中心から外周に向かって大きな温度勾配が生じる。その一例を図５に示す。しかも使用条件により温度の変動を伴うため、特に、コア体の中心部分では大きな熱歪が生じる。
一方、コア体の最外周の平板と外筒との接合部分ではコア体の中心部分より温度が低い上、ここで想定している金属ろう付け、拡散接合、抵抗溶接、レザー溶接、電子ビーム溶接などの接合方法では外筒金属とコア体最外周の平板とが金属接合されているため、良好な熱伝導を有し、ほぼ同一の温度を示すことになる。従って、コア体最外周の平板と金属外筒の接合部では熱歪による応力は、コア体中心部に比して非常に少ない。しかし、コア体最外周の平板は、外筒の接合部で、振動など外部からコア体に加えられる全荷重を支えていることになるので、特に軸方向の接合端部で応力集中する。これを防ぐために、上述のようにコア体の平板と波板との接合部は、上記外筒とコア体の平板との接合部の軸方向に対して内側に設ける必要がある。外側にずらしてコア体の接合を設けると、コア体にかかる全荷重は、その接合部で支えることになるので、コア体最外周の平板と外筒との接合部で軸方向にずらした側の接合端部に応力が集中し、コア体最外周部の平板にクラックが発生し、金属担体の寿命を損なうことになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明について詳細に説明する。
本発明のコア体の平板と波板として使用する材質は通常のコア体に使用するものと異ならず、厚さ約３０〜１００μｍのステンレス鋼であり、これの平板及び波板を重ねて巻回して断面ハニカム状とする。巻回した最外周は平板でも波板の何れでもよいが、平板であることが好ましい。波板の場合軸方向にはその波加工により一定の剛性を有しているが、平板の場合は最外周の曲率による剛性のみであり、軸方向の曲げ応力に対する歪みが大きくなるので、コア体最外周の平板と金属外筒とを接合することが好ましい。本発明における接合は、金属ろう付け、拡散接合、抵抗溶接、レザー溶接、電子ビーム溶接等何れの手段でもよく、接合帯の軸方向については任意の幅で任意の位置で行うが、通常約１〜２０ｍｍで１〜８本の複数本で行うことが好ましい。また、接合帯の周方向については連続的または断続的にコア体の全周にわたって行うが、コア体内の平板と波板との接合が、平板の表裏で重複しないように構成されていることが好ましい。その理由としては、重複を避け平板を介して表裏で接合位置を離すと、その部分で平板が熱歪みを吸収することが出来、また、ろう材で接合する場合は接合部分での拡散によるろう材成分（例えばＮｉ，Ｓｉ等）などの濃縮が高くなり、コア体の箔がその部分で劣化するからである。また、接合帯は、図７に示したように、実質的に接合帯となるような不連続の接合状態も含まれる。
コア体の断面形状は特に限定するものではなく、例えば、円形、楕円形、レーツトラック状の何れでもよい。
コア体を収納する金属外筒としては、使用する材質は通常厚さ１〜１．５ｍｍのステンレス鋼であり、その内径はほぼコア体の外形に等しく金属外筒内にコア体を圧入する。従って、金属外筒の断面形状は圧入するコア体の断面形状と同じである。
【０００９】
コア体と金属外筒との接合に際して、コア体の平板と波板との接合帯は最外周から最内周まで金属外筒とコア体との接合帯の軸方向の幅の内側で構成されていることが好ましい。その理由は、最も重要なのはコア体の最外周の外筒との接合関係であってコア体内部は温度が高くなるので軸方向の接合長さは短い方がよく、必要以上に長くしたり、短くしたりまた変化を付ける必要はない。つまり、金属外筒とコア体との接合帯の両端部の内側にコア体の平板と波板との接合帯があることが好ましい。そして、金属外筒とコア体との接合帯が、排気ガスの出側からコア体の軸方向の長さの１／２以内で構成されていることが経験的に好ましい結果を与える。これは排出側にゆくほど担体の温度は低くなるので使用条件は出側程マイルドになるからである。
【００１０】
金属外筒とコア体との接合帯は軸方向に複数個所で構成されていることは熱歪みが分散されるので好ましく、また、コア体内の平板と波板との接合帯が、金属外筒とコア体との接合帯の軸方向の両端部とも、コア体を構成する金属箔材厚さの１０倍以上内側になされていることが好ましい。外筒とコア体の接合端部からある一定量内側にコア内の接合帯を設けた方が接合端部の応力集中が少なくなる。従って、使用した箔材の厚さを１００μｍとすると、金属外筒とコア体との接合帯は１００μｍ×１０＝１０００μｍ＝１．０ｍｍ以上内側でなされていることが好ましい。更に、コア体の平板と波板及びコア体と金属外筒との接合帯が少なくとも片端で、コア体軸方向の長さの５％以上の非接合部を有することが好ましい。
【００１１】
【実施例】
次に実施例として図を参照にしつつ本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例により限定されるものではない。
実施例１
図１において、幅６０ｍｍ厚さ１００μｍのフェライト系耐熱ステンレス鋼平板を波状に曲折して形成された波板の表裏に、粉末状のろう材とバインダーを混合したスラリ−を幅方向の中心位置にスラリ幅１０ｍｍわたって塗布し、平板と重ねて巻き込み、コア体２を作製した。次に長さ７０ｍｍ厚さ１．５ｍｍの金属外筒１の内面の長手方向中心位置に、粉末状ろう材とバインダ−を混合したスラリ−を幅２０ｍｍにわたって塗布し、乾燥させた後、前記コア体２を金属外筒軸方向の中心位置に圧入した。その後ろう付け熱処理（１２００℃、２０分間加熱、１０−５Ｔｏｒｒ）を行い直径６３．５ｍｍ長さ７０ｍｍ（コア体の長さ６０ｍｍ）のメタル担体を作製した。この方法で作製したこのメタル担体の状態を図１に示す。図１において３は金属外筒１とコア体２との接合帯を示し、４はコア体の平板と波板との接合帯を示し、５は排気ガス導入方向を示す。
このメタル担体に触媒を担持し、スポーリング試験（熱サイクル：加熱×１２分→強制空冷×３分、Ｍａｘ．１，０００℃、振動：２００Ｈｚ、加速度３０Ｇ）を実施した。本発明のメタル担体は熱サイクル２００回、３０Ｇの振動３．６×１０８回の試験後コア体のずれ、ろう付部の破断などの不具合は認められなかった。
【００１２】
実施例２
図２において、幅６０ｍｍ厚さ１００μｍのフェライト系耐熱ステンレス鋼平板を波状に曲折して形成された波板の表裏に、粉末状のろう材とバインダーを混合したスラリ−を表面は排ガス導入側端面から２４〜２９ｍｍにわたって５ｍｍの幅で、裏面は同じく端面から３１〜３６ｍｍにわたって５ｍｍ幅で塗布し、平板と重ねて巻き込み、コア体２を作製した。次に長さ７０ｍｍ厚さ１．５ｍｍの金属外筒１の内面の長手方向中心位置に、粉末状ろう材とバインダ−を混合したスラリ−を幅２０ｍｍにわたって塗布し、乾燥させた後、前記コア体２を金属外筒軸方向の中心位置に圧入した。その後ろう付け熱処理（１２００℃、２０分間加熱、１０~５Ｔｏｒｒ）を行い直径６３．５ｍｍ長さ７０ｍｍ（ハニカムコア体の長さ６０ｍｍ）のメタル担体を作製した。この方法で作製したこのメタル担体の状態を図２に示す。図２において３は金属外筒とコア体との接合帯、４はコア体の平板と波板との接合帯を示し、５は排気ガス導入方向を示す。
このメタル担体に触媒を担持し、スポーリング試験（熱サイクル：加熱×１２分→強制空冷×３分、Ｍａｘ．１，０００℃、振動：２００Ｈｚ、加速度３０Ｇ）を実施した。本発明のメタル担体は熱サイクル２００回、３０Ｇの振動３．６×１０８回の試験後コア体のずれ、ろう付部の破断などの不具合は認められなかった。
【００１３】
比較例１
幅６０ｍｍ厚さ１００μｍのフェライト系耐熱ステンレス鋼平板を波状に曲折して形成された波板の表裏に、粉末状のろう材とバインダーを混合したスラリ−を排ガス導入側端面から１５〜２５ｍｍにわたって１０ｍｍ幅で塗布し、平板と重ねて巻き込み、コア体２を作製した。次に長さ７０ｍｍ厚さ１．５ｍｍの金属外筒１の内面の長手方向中心位置に、粉末状ろう材とバインダ−を混合したスラリ−を幅２０ｍｍにわたって塗布し、乾燥させた後、前記コア体２を金属外筒１の軸方向の中心位置に圧入した。その後ろう付け熱処理（１２００℃、２０分間加熱、１０−５Ｔｏｒｒ）を行い直径６３．５ｍｍ長さ７０ｍｍ（コア体の長さ６０ｍｍ）のメタル担体を作製した。この方法で作製したこのメタル担体の状態を図３に示す。図３において３は金属外筒とコア体との接合帯４はコア体の平板と波板との接合帯を示し、５は排気ガス導入方向を示す。
このメタル担体に触媒を担持し、スポーリング試験（熱サイクル：加熱×１２分→強制空冷×３分、Ｍａｘ．１，０００℃、振動：２００Ｈｚ、加速度３０Ｇ）を実施した。本メタル担体は熱サイクル２００回、３０Ｇの振動３．６×１０８回の試験後コア体のずれは見られなかったが、最外周平板の外筒とのろう付け部で、排気ガス入側端部にクラックが発生した。
【００１４】
比較例２
図４において、幅６０ｍｍ厚さ１００μｍのフェライト系耐熱ステンレス鋼平板を波状に曲折して形成された波板の表裏に、粉末状のろう材とバインダーを混合したスラリ−を排ガス導入側端面から５〜１５ｍｍにわたって１０ｍｍ幅で塗布し、平板と重ねて巻き込み、コア体２を作製した。次に長さ７０ｍｍ厚さ１．５ｍｍの金属外筒１の内面の長手方向中心位置に、粉末状ろう材とバインダ−を混合したスラリ−を幅２０ｍｍにわたって塗布し、乾燥させた後、前記コア体を金属外筒１の軸方向の中心位置に圧入した。その後ろう付け熱処理（１２００℃、２０分間加熱、１０−５Ｔｏｒｒ）を行い直径６３．５ｍｍ長さ７０ｍｍ（コア体の長さ６０ｍｍ）のメタル担体を作製した。この方法で作製したこのメタル担体の状態を図４に示す。図４において３は金属外筒とコア体との接合帯、４はコア体の平板と波板との接合帯を示し、５は排気ガス導入方向を示す。
このメタル担体に触媒を担持し、スポーリング試験（熱サイクル：加熱×１２分→強制空冷×３分、Ｍａｘ．１，０００℃、振動：２００Ｈｚ、加速度３０Ｇ）を実施した。本メタル担体は熱サイクル５２回、３０Ｇの振動９．４×１０６回の試験後コア体の最外周平板の外筒とのろう付け部で排ガス導入側の接合端に、亀裂が発生し、コア体が外筒から脱落した。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明よるコア体接合構造を採用することによって耐久性に優れた自動車用、自動二輪車用及び産業機器の排ガス浄化用メタル担体を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるメタル担体の説明図
【図２】実施例２におけるメタル担体の説明図
【図３】比較例１におけるメタル担体の説明図
【図４】比較例２におけるメタル担体の説明図
【図５】メタル担体内部の温度分布の１例を示した図
【図６】コア体と外筒との接合帯とコア体の最外周の平板に及ぼす応力との関係の説明図であって、
（Ａ）はコア体の接合帯が外筒とコア体（最外周平板）との接合帯の内側にある場合、
（Ｂ）はコア体の接合帯は外筒との接合帯から離れた場合を示す。
【図７】図６の（Ａ）の場合であって、コア体と外筒との接合帯が実質的に接合帯となるような不連続の接合状態を示す。
【符号の説明】
１  金属外筒      ２  コア体
３  金属外筒とコア体との接合帯
４  コア体の平板と波板との接合帯
５  排気ガスの導入方向
【図１】
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【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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