(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱合金製の平箔と波箔とを巻き回して該平箔と波箔との接触部を接合してなる排気ガス浄化用メタル担体において、
該平箔と波箔との接触部の接合は、該メタル担体の排気ガス流入側についてはろう付け接合であり、排気ガス流出側については拡散接合であることを特徴とするメタル担体。
【請求項２】
耐熱合金製の平箔と波箔とを巻き回して該平箔と波箔との接触部を拡散接合してなる排気ガス浄化用メタル担体において、
該波箔の波形形状は、該メタル担体の排気ガス流入側については該平箔と波箔との接触部が広い面積を有する台形形状であり、排気ガス流出側については該平箔と波箔の接触部が広い面積を有しない形状であることを特徴とするメタル担体。
【請求項３】
耐熱合金製の平箔と波箔とを巻き回して該平箔と波箔との接触部を拡散接合してなる排気ガス浄化用メタル担体において、
該平箔の箔の厚みは一定厚みではなく、該メタル担体の排気ガス流入側については該平箔の箔の厚みが厚く、排気ガス流出側については該平箔の箔の厚みが薄いことを特徴とするメタル担体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化用触媒コンバーターに使用するメタル担体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガス浄化用触媒コンバータに用いる触媒担体としては、セラミックス担体とメタル担体とが使用される。そのうち、メタル担体は、耐熱性、低圧損及び車体への搭載性が良好であるため、最近はメタル担体を使用した触媒コンバータの使用量が増大している。
【０００３】
メタル担体は、通常ハニカム体を外筒に収納した構造を有し、ハニカム体は耐熱合金製の平箔と該平箔をコルゲート加工した波箔とを交互に重ねて巻き回して製造する。巻き回した後、波箔の波の各ピッチの頂点において該平箔と波箔とが接触し、この接触部において平箔と波箔とを接合することによってハニカム体は一体化して十分な剛性を有するようになる。接合方法については、従来ろう付けが用いられていたが、最近は、拡散接合が採用されるようになった。拡散接合は、ろう材や接合治具等を用いることなく、高真空下あるいは非酸化性雰囲気下で高温加熱することにより接合でき、従来にない薄箔を用いて接合できるので、軽量で熱容量の小さいメタル担体を製造できる。更に、触媒を担持すべき箔の表面にろうが付着していないので、担体としての性能が劣化しないという利点を有する。
【０００４】
拡散接合による接合部とろう付けによる接合部を比較すると、拡散接合の場合、図５（ａ）に示すように平箔における接合部の領域の比率が小さいため、接合部と接合部との間の平箔が十分な弾性変形領域を有しており、ハニカム体に力がかかったときの柔軟性が高い。一方、ろう付けの場合は、図５（ｂ）に示すように平箔における接合部の占める領域の比率が大きく、接合部と接合部との間には十分な弾性変形領域を有しないため、ハニカム体に力かかかったときの柔軟性が低く、剛性が高い構造となる。
【０００５】
触媒コンバータを内燃機関の排気ガス経路に設置する部位としては、出口に近い下流に設置するよりも、エンジンに最も近い排気マニホールドの直後に設置する方が排気ガスの温度が高く、従って触媒が活性化温度に達するまでの時間が短くてすむため、エンジン始動時の初期浄化性能が優れるという利点を有する。そのため、最近は薄箔を用いて拡散接合で接合したメタル担体触媒コンバータを排気マニホールドの直後に設置することが多くなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
４気筒のエンジンであれば、図３に示すように、排気マニホールド７は４つのシリンダーからの排気が排気管８を経て合流する。排気マニホールドの出口においては、各シリンダーからの排気は合流後の排気管の中を均一に流れているのではなく、断面の中に局部的にガス流速が速い偏流９となって大量のガスが流れる部分が局在していることが多い。また、マニホールド内の集合配管における偏流の存在位置は各シリンダー毎に異なる。このような偏流が排気マニホールド直後のメタル担体の偏流衝突部１０に到達すると、メタル担体中の偏流の部分のみが触媒による燃焼で温度が急激に上昇する。この偏流９の部位はシリンダー毎に異なるので、エンジンの回転数と同じタイミングで偏流部は移動し、メタル担体の各部位は加熱と冷却を繰り返すこととなる。結果としてその偏流が当たる部位においてメタル担体の排気ガス流入側部分が破損にいたることがある。特にろう付けに比較すると拡散接合を採用したメタル担体において破損が激しいという問題が生じた。
【０００７】
本発明は、拡散接合を採用したメタル担体を触媒コンバータとして排気マニホールドの直後に設置した場合でも、メタル担体の破損が発生しないメタル担体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
その第１は、耐熱合金製の平箔と波箔とを巻き回して該平箔と波箔との接触部を接合してなる排気ガス浄化用メタル担体において、該平箔と波箔との接触部の接合は、該メタル担体の排気ガス流入側についてはろう付け接合であり、排気ガス流出側については拡散接合であることを特徴とするメタル担体である。
その第２は、耐熱合金製の平箔と波箔とを巻き回して該平箔と波箔との接触部を拡散接合してなる排気ガス浄化用メタル担体において、該波箔の波形形状は、該メタル担体の排気ガス流入側については該平箔と波箔との接触部が広い面積を有する台形形状であり、排気ガス流出側については該平箔と波箔の接触部が広い面積を有しない形状であることを特徴とするメタル担体である。
その第３は、耐熱合金製の平箔と波箔とを巻き回して該平箔と波箔との接触部を拡散接合してなる排気ガス浄化用メタル担体において、該平箔の箔の厚みは一定厚みではなく、該メタル担体の排気ガス流入側については該平箔の箔の厚みが厚く、排気ガス流出側については該平箔の箔の厚みが薄いことを特徴とするメタル担体である。
【０００９】
メタル担体の排気ガス流入側において局部的にガス流速が速い偏流が存在すると、メタル担体内の偏流が入った部分は触媒反応が進行して燃焼熱が多量に発生し、偏流部分が周辺に比較して高温になり、温度の不均一が発生する。図４には、ある瞬間のメタル担体内の温度分布を示す。排気ガス流入側に偏流が原因となって温度の高い部位１６が存在する。エンジンの回転に伴って各シリンダーからの排気が周期的に入れ替わり、偏流の存在部位もそれに伴って移動するので、偏流部のメタル担体の温度は急激に加熱と冷却を繰り返すこととなる。局部的に温度の高い部位１６はハニカム体のその部分が周辺より以上に熱膨張し、周辺に対して熱応力を及ぼす結果となる。拡散接合を採用したメタル担体においては、図５（ａ）に示すように、接合部と接合部の間の箔、特に平箔の柔軟性が高いので、偏流部の熱応力はその局部の箔の変形によって解消されることとなる。しかし、その結果として偏流部付近の平箔は大きな繰り返し変形を受け、その繰り返し変形を受けた部分が疲労破壊を起こすこととなり、これが排気マニホールドの直後に設置した拡散接合メタル担体の排気ガス流入側が破損しやすい原因であることが判明した。それに対し、ろう付けで接合したメタル担体の場合は、図５（ｂ）に示すように、ろう付け部１２があるために箔、特に平箔の剛性が高く、偏流部の熱応力は偏流部付近の局所のみでは解消せず、偏流部を含んだ広い範囲で熱応力を解消することとなるので、局所的に激しい変形の繰り返しを受けることがなく、疲労破壊に至らないのである。
【００１０】
一方、メタル担体における触媒反応による燃焼は排気ガスがメタル担体に入った直後の部分が最も激しく、メタル担体の排気ガス流入側の端部から下流側に入った部分については、燃焼熱の発生量は低減する。他方でメタル担体の金属を通じて熱は外部に放散するので、図４に示すように、メタル担体の排気ガス流出側に行く程、温度が低くなり、従って偏流部もメタル担体の排気ガス流出側に行く程、周辺との温度差は低減し、局部的高温とはならない。
【００１１】
本第１の発明においては、図１（ａ）に示すように、偏流による熱応力の影響の激しい排気ガス流入側部分のろう付け部位１４はろう付けとし、偏流による熱応力の影響が少なくなる排気ガス流出側の拡散接合部位１５は拡散接合とすることにより、メタル担体の排気ガス流入側における偏流部のメタル担体破損を防止するとともに、排気ガス流出側については拡散接合を採用することによるメリットを享受できることとなる。
【００１２】
本第２の発明においては、図１（ｂ）、図２に示すように、メタル担体の排気ガス流入側の台形形状部位１６において波箔６の波の形状を台形とすることにより、平箔５と波箔６との拡散接合部位１１の面積が増え、結果的に平箔は２枚の箔が互いに接合された部位の比率が高くなるので平箔の剛性が増大する。そのため、偏流によって局所的な熱応力が発生した場合、その局部の平箔の変形で応力を緩和するのではなく、広い範囲が少しづつ変形して応力を緩和することとなるので、偏流部のメタル担体の破損が防止できるのである。
【００１３】
第２の発明において波箔の断面を台形にするのは排気ガス流入側だけであり、排気ガス流出側は台形にはしない。その理由は、メタル担体断面の温度分布は図４のようになっており、メタル担体の外周部及び下流部は温度が低いので、高温部に比較してメタル担体の強度が高く、変形しにくい。図４の温度の高い部位１６の熱膨張による熱応力は、メタル担体半径方向のみならず、メタル担体長さ方向についても緩和する必要があるが、下流部のメタル担体の剛性が高すぎると高温部の熱膨張による膨張しろは上流側に変形して緩和せざるをえず、上流部の熱応力が高くなり過ぎる。これに対し、排気ガス流出側のメタル担体の拡散接合部が台形でなく、通常の形状であれば、低温においてもハニカム体自身が柔軟性を有するので、高温部の熱膨張を排気ガス流出側の変形によっても緩和できることとなり、上流部の熱応力を小さくすることができる。また、接合部の面積が少なければそれに対応してメタル担体の重量が軽くなり、熱容量が下がることで排気ガスによる昇温時間が短くて済み、また触媒を担持できる部分の面積が増大するため、触媒担体としての能力を増大することが可能である。従って、第２の発明においては排気ガス流出側の箔形状を台形にしないことが重要である。
【００１４】
本第３の発明においては、排気ガス流入側の箔の厚みを厚くすることによって箔の剛性を高め、第１、第２の発明と同様の効果を得ることができる。第３の発明においても、箔の厚みを厚くするのは排気ガス流入側のみであり、排気ガス流出側の箔の厚みは厚くしない。これにより、第２の発明と同様の効果を得ることができ、また箔が薄い部分はメタル担体の熱容量が小さく、排気ガスによる昇温時間が短くてすむため、初期浄化性能に優れるとともに、メタル担体外周への熱伝達速度が低いので、メタル担体を高温に保って触媒反応効率を向上する上で有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
平箔と波箔にはアルミニウムを含有したステンレス鋼を用い、箔の厚みは１０〜５０μｍとすることが適切である。平箔にコルゲート加工を施して波箔６とし、該波箔６と平箔５とを交互に巻き回してハニカム体１とする。ハニカム体１を外筒１３に収納することでメタル担体２ができあがる。
【００１６】
拡散接合は、平箔と波箔を巻き回し、巻き回しの引張力を維持したままで真空処理炉に装入して高温真空処理を行い、平箔と波箔との接触部を拡散接合する。真空処理炉に装入する前に、巻き回したハニカム体を外筒に圧入することによって巻き回しの引張力を維持することができる。
【００１７】
ろう付けは、平箔と波箔を巻き回す前に平箔の両面にろうペーストを塗付する方法、巻き回す前の平箔あるいは波箔に接着剤を塗布し、巻回した後のハニカム体にろう粉末をふりかけて接着剤塗布部にろう粉末を付着させる方法等を採用することができる。
【００１８】
本第１の発明においては、ろう付け部位１４は、メタル担体の長さ方向ではメタル担体の排気ガス流入面３からメタル担体の直径の５％〜５０％の長さとすることが適切である。より好ましくは、１０％〜３０％とする。ろう付けすべき部位については、メタル担体の直径方向については全部位にろう付けすることが好ましい。ろう付け部位の長さをメタル担体の直径の５％以上、より好ましくは１０％以上とする理由は、ハニカム体の半径方向の剛性を上げて、排気ガス流入側の偏流部で生じる半径方向の熱応力に耐えるためである。また、メタル担体の直径の５０％以下、より好ましくは３０％以下とする理由は、ハニカム体に軸方向の柔軟性をもたせて、排気ガス流入側の偏流部で生じる軸方向の熱応力を排気ガス流出側で解放するためである。
【００１９】
本第２の発明においては、波箔の排気ガス流入側の波形状を台形形状とする。平箔と波箔とが接触して拡散接合される部位のメタル担体円周方向の平箔と波箔との接触部幅Ｗは、平箔の厚みＴの５倍以上とすることが好ましい。その理由は、波箔と平箔との拡散接合部の面積を増加させることで、平箔を２枚接合させた部位の比率が高くなり、平箔の剛性を増加させ、結果的にハニカム体の半径方向の剛性を高めて、排ガス流入側の偏流部で生じる半径方向の熱応力に耐えるという効果が、平箔の厚みＴの５倍未満では得られないためである。排気ガス流入側の台形形状部位１６の長さは、第１の発明と同様とする。理由は第１の発明と同様である。波形状は領域１６は台形形状、領域１５は通常形状となるが、両者の遷移領域においては円滑に形状が変化することが好ましい。
【００２０】
本第３の発明においては、平箔の箔の厚みを排気ガス流入側と排気ガス流出側とで異ならせる。排気ガス流入面３の平箔５の厚みは排気ガス流出面４の箔の厚みに対し、２倍以上が好ましい。その理由は、第２の発明で台形波箔の形状を改善させることで剛性を増加させると同じく、排気ガス流入側の平箔の厚みを排気ガス流出側に対して増加させることで、ハニカム体の半径方向の剛性が高まるからである。また、箔の厚みは排気ガス流入側から排気ガス流出側に向けて一定勾配で変化してもよいが、厚みに段差をつけてもよい。
【００２１】
【実施例】
平箔及び波箔として、アルミニウム５重量％を含むステンレス鋼箔を用いた。本第１の発明（本発明例Ｎｏ．１）、第２の発明（本発明例Ｎｏ．２）及び比較例においては、箔の厚みＴは３０μｍである。本第３の発明（本発明例Ｎｏ．３）においては、平箔の厚みは排気ガス流入側が６０μｍ、排気ガス流出側は３０μｍとし、厚みは直線的に変化する。波箔については一律３０μｍの厚みとした。
【００２２】
波箔の波の形状は、本発明例Ｎｏ．１、Ｎｏ．３，比較例についてはサイン形状とし、波の高さは１．２５ｍｍ、ピッチは２．５ｍｍとした。本発明例Ｎｏ．２については排気ガス流入側は台形とし、排気ガス流出側はサイン形状とし、台形形状部位の長さは２０ｍｍとし、両者の遷移部分は漸次形状が変化するようにした。波の高さは１．２５ｍｍ、ピッチは２．５ｍｍ、台形形状部位において平箔と波箔との接触部幅Ｗは０．３ｍｍである。これら波箔の波形状については、平箔にコルゲート加工を行うための型の形状を変えることによって制御することができる。
【００２３】
このようにコルゲート加工した波箔と平箔とを巻き回し、直径８８ｍｍ、長さ１２０ｍｍのハニカム体とした。このハニカム体は更にステンレス製の内径８７ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、長さ１２５ｍｍの外筒内に挿入してメタル担体となる。本発明例Ｎｏ．１においては、平箔と波箔との巻き回しに先立って平箔の排気ガス流入側の幅２０ｍｍにわたって両面に粘着材を塗付した。その後平箔と波箔を巻き回し、外筒に圧入してメタル担体とし、粘着材が乾燥する前にメタル担体のガス通路からメタル担体内部にろう粉末をふりかけ、粘着材塗布部にろう粉末を付着させた。この状態でこのメタル担体を拡散接合のための真空処理炉に装入し、１１５０℃で６０分加熱保持することによって拡散接合を行った。この高温加熱によって、ろう粉末も当然に溶融し、真空処理終了後に凝固してろう付け部が完成する。本発明例Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、比較例については、Ｎｏ．１と同じ真空処理を行ってメタル担体の全接合部位について拡散接合を行った。
【００２４】
以上のように製造したメタル担体を４気筒のガソリンエンジンの排気マニホールドの直後に設置し、９００℃×２０分→１５０℃×３０分の冷熱繰り返しを６００サイクル繰り返し、メタル担体の破損の有無を調べた。その結果、比較例においてはメタル担体の排気ガス流入側の１箇所に欠けが発生したが、本発明例はいずれもメタル担体の破損は発生しなかった。
【００２５】
【発明の効果】
本発明はメタル担体の排気ガス流入側は箔の剛性が高いので排気ガスの偏流があってもメタル担体の破損が発生せず、排気ガス流出側については最適な箔厚み、波箔の波形状において拡散接合を採用しているために拡散接合を採用したメタル担体の利点を十分に活用できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタル担体を示す断面図であり、（ａ）は本第１の発明、（ｂ）は本第２の発明を示す。
【図２】本第２の発明のメタル担体の箔の形状を示す詳細図である。
【図３】メタル担体と排気マニホールドを示す平面図（一部断面図）である。
【図４】メタル担体内部の温度分布を示す図である。
【図５】メタル担体の平箔と波箔との接合状況を示す詳細図であり、（ａ）は拡散接合の場合、（ｂ）はろう付けの場合である。
【符号の説明】
１  ハニカム体
２  メタル担体
３  排気ガス流入面
４  排気ガス流出面
５  平箔
６  波箔
７  排気マニホールド
８  排気管
９  偏流
１０  偏流衝突部
１１  拡散接合部
１２  ろう付け部
１３  外筒
１４  ろう付け部位
１５  拡散接合部位
１６  台形形状部位
Ｔ  箔の厚み
Ｗ  平箔と波箔との接触部幅
【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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