排ガス浄化触媒用メタル担体

【課題】十分な強度を有し通気抵抗も小さなハニカム体を有する排ガス浄化触媒用メタル担体を提供する。
【解決手段】金属製外筒１内に排気ガス浄化触媒を担持する金属製ハニカム体Ｈを収納したメタル担体において、外筒１内にその筒軸方向へ多数の金属製円筒チューブ２を互いに密接させて配設してハニカム体Ｈを構成する。上記多数の円筒チューブ２は、円筒形とした上記外筒１の筒内でこれの内周に接する正六角形の領域Ｚ１に収束させて配設されている。上記領域Ｚ１の正六角形の各辺に沿って仕切板３が配設され、これら仕切板３と外筒１の間に形成された円弧領域Ｚ２に、仕切板３と外筒１とに内外方向でそれぞれ接する円筒チューブ４１，４２が配設される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排ガス浄化触媒用メタル担体に関し、特にそのハニカム構造体の新規な構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
排ガス浄化触媒用メタル担体は従来、特許文献１に示すように、平板と波板とを互いに重ね合わせた状態で巻き付けてハニカム体を構成し、該ハニカム体を円筒状の外筒内に圧入して、拡散接合やロウ付け等によって平板と波板とを接合している。そして、ハニカム体を構成する各セルの表面に触媒が担持される。
【特許文献１】特開２００８−１０４９９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、平板と波板を拡散接合で接合する場合には両者が十分な接触圧で圧接されている必要があり、従来はこれを、巻き付け時の後方引張り力と外筒の縮管による締め付け力で保証している。ところが、平板と波板ではその接触圧を十分大きく保つことが難しいため、接合強度が不足して破損することがあった。なお、上記特許文献１ではこの問題を解決するために、ハニカム体を内側ハニカム体と外側ハニカム体とに分け、それぞれに後方引張り力と縮径力を付与するようにしている。
【０００４】
また、平板と波板を接合して構成されるハニカム体の各セルの断面形状は、通常、三角形あるいは台形になるため、排ガスが流通する断面積を一定にするとその周長は円形に比して長くなり、この結果、通気抵抗が大きいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、十分な強度を有し通気抵抗も小さなハニカム体を有する排ガス浄化触媒用メタル担体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本第１発明の触媒コンバータのメタル担体では、金属製外筒（１）内に排気ガス浄化触媒を担持する金属製ハニカム体（Ｈ）を収納したメタル担体において、外筒（１）内にその筒軸方向へ多数の金属製円筒チューブ（２）を互いに密接させて配設してハニカム体（Ｈ）を構成する。
【０００７】
本第１発明のメタル担体においては、ハニカム体を、多数の金属製円筒チューブを互いに密接させて配設することによって構成しているから、平板と波板でハニカム体を構成した従来のメタル担体に比して十分な強度を発揮する。また、ハニカム体の各セルの断面形状が円形となるから、排ガスが流通する断面積を一定にするとその周長は最も短くなり、通気抵抗も十分小さくなる。
【０００８】
本第２発明では、上記多数の円筒チューブ（２）を、円筒形とした上記外筒（１）の筒内でこれの内周に接する正六角形の領域（Ｚ１）に収束させて配設し、領域（Ｚ１）と外筒（１）の間に形成された円弧領域（Ｚ２）に、正六角形領域（Ｚ１）に配設された円筒チューブ（２）と外筒（１）とに内外方向でそれぞれ密接する他の円筒チューブ（４３）を配設する。本第２発明においては、多数の円筒チューブを円筒形の外筒内に収まり良く収束配置することができる。
【０００９】
本第３発明では、上記領域（Ｚ１）の正六角形の各辺に沿って仕切板（３）を配設し、これら仕切板（３）と外筒（１）の間に形成された円弧領域（Ｚ２）に、仕切板（３）と外筒（１）とに内外方向でそれぞれ密接する他の円筒チューブ（４１，４２）を配設する。本第３発明においては、特に比較的大径の外筒内で、仕切板によって多数の円筒チューブを正六角形領域に規制し収束させることができる。
【００１０】
本第４発明の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造方法では、治具（５）に形成された正六角形の開口（５２１）内に多数の円筒チューブ（２）を挿入してこれら円筒チューブ（２）を正六角形の領域（Ｚ１）に収束させ、収束させた円筒チューブ（２）を外筒（１）内に挿入した後、さらに他の円筒チューブ（４１，４２，４３）を外筒（１）内に挿入し、外筒（１）を縮管して円筒チューブ（２）および他の円筒チューブ（４１，４２，４３）を外筒（１）内に保持させる。
【００１１】
なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明の排ガス浄化触媒用メタル担体は十分な強度を有し通気抵抗も小さなハニカム体を備えるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１実施形態）
図１には本発明の排ガス浄化触媒用メタル担体の正面図を示し、図２にはその縦断面図を示す。各図において、メタル担体は金属製の外筒１を備えている。本実施形態では外筒１は円筒体としてある。一例として、外筒１はＳＵＳ３０４のステンレス鋼製で、外径が６５ｍｍ（呼び径）、肉厚が１．０ｍｍ、長さ８６ｍｍである。
【００１４】
外筒１内には多数の金属製円筒チューブ２が配設されてハニカム体Ｈを構成している。これら円筒チューブ２は外筒１の筒長よりやや短くしてあり、外筒１の両端開口１１，１２から一定寸法Ｌ（例えば５ｍｍ）の溶接代を確保して内方に位置して、筒軸方向へ配置されている。円筒チューブ２はシームレス管あるいはセミシームレス管を使用し、例えばフェライト系ステンレス鋼製とする。コスト的な面と薄肉のチューブを得ることが可能な点でセミシームレス管を使用するのが好ましい。円筒チューブ２の外径は外筒１の内径に対して整数で割り切れる値で、かつハニカムＨの必要なセル数（例えば一般的に１００セル／平方インチ）を考慮して決定する。円筒チューブ２の一例としては、外径が３ｍｍ、肉厚が０．１ｍｍである。
【００１５】
円形の外筒１内に多数の円筒チューブ２を筒軸方向へ収束配置する場合に最も自然なのは、外筒１の内周に接する正六角形の領域Ｚ１に配置するものである。そこで、本実施形態では図１に示すように、外筒１内に平板状の仕切板３が設けられている。これら仕切板３は外筒１の内周に接する正六角形の各辺よりもやや小さい幅で、上記円筒チューブ２の長さに等しい長さであり、これら仕切板３によって囲まれた正六角形領域Ｚ１内に円筒チューブ２が互いに密接して配置されている。仕切板３の一例は、板幅が２６ｍｍ、板厚が０．８ｍｍである。なお、正六角形領域Ｚ１の対角線上には仕切板３は無く、全て円筒チューブ２で満たされている。これは、隣接した仕切板３が互いに接していると、外筒１の後述する縮管がスムーズに行えないからである。したがって、外筒１および円筒チューブ２の寸法の一例として上記値を採用すると、正六角形領域Ｚ１の対角線上には図１に示すように２１個の円筒チューブ２が並ぶ。
【００１６】
各仕切板３と外筒１の間に形成される６箇所の円弧領域Ｚ２内にはそれぞれ、中央部に上記円筒チューブ２と同径の３本の他の円筒チューブ４１が、左右端部には例えば外径２．２ｍｍ、肉厚０．１ｍｍの各２本の他の円筒チューブ４２が互いに密接して配設されて、これら他の円筒チューブ４１，４２が仕切板３と外筒１に内外方向で接する。なお、外径公差を適当に設定することによって上記他の円筒チューブとして円筒チューブ２と同径のものを４本配置するようにしても良く、これによれば径の異なる円筒チューブを用意する必要が無いからコストを低減することができる。いずれにしても、上記他の円筒チューブの外径や本数は設計的に種々変更することができる。
【００１７】
上記構造のメタル担体の製造過程の一例を以下に説明する。メタル担体を組み立てる場合には、例えば図３に示すような治具５を使用する。図３において、治具５は四隅に支持柱５１を備え、支持柱５１にはその長手方向へ間隔をおいて３枚の保持板５２が各コーナ部で支持されて配置されている。そして、各保持板５２には板面に、上記領域Ｚ１と同形の正六角形の開口５２１が形成されている。このような治具５を、図４に示すように横倒し状態にし、この状態で円筒チューブ２を保持板５２の開口５２１内に挿入し積層していく。開口５２１内が円筒チューブ２で満たされたら治具５を起立させて（図５）、治具の最上位置の保持板を取り去り（図６）、正六角形に集束させられて露出した円筒チューブ２に外径６５ｍｍの円筒外筒１を被せて（図７）、集束された円筒チューブ２を囲むように当該外筒１内に仕切板３を挿入する（図８）。なお、図７、図８は図６のＡ矢印方向から外筒１を被せ、当該外筒１の開口１１から内方を覗いた正面図である。
【００１８】
続いて仕切板３と外筒１の間に円筒チューブ４１，４２を挿入し（図９）、仕切板を介して内部の円筒チューブ２を押圧する。このようにして外筒１と一体化した円筒チューブ２を外筒１と共に治具５から抜き出し（図１０）、次に、適当な押込み具を使用して、外筒１の開口１２から突出している円筒チューブ２を外筒１内の所定位置へ押し込む（図１１）。そして、円筒チューブ２の抜け止めとして、外筒１の開口１１，１２の内径と同径の、グラスウール等の変形可能な円形押え板５１，５２をこれら開口１１，１２から挿入し（図１２）、この状態で公知の方法で外筒１を縮管加工する。
【００１９】
外筒１内の円筒チューブ２，４１，４２同士や仕切板３、これらと外筒１を互いに良好に拡散接合するためには縮管加工によって円筒チューブ２，４１，４２同士や仕切板３、外筒１を一定圧以上で互いに圧接させる必要がある。そこで、縮管加工の際の絞り率と、当該絞り率で縮管したものを拡散接合した後の最大荷重との関係を調べた。これを図１３に示す。図１３中の最大荷重は、上記メタル担体を２０ｍｍ幅で輪切りにし、アムスラー試験機を使用してそのφ２０のシャフトでハニカム体Ｈを押して測定したものである。図１３より明らかなように、絞り率が０．８％より小さいと最大荷重が２４ＫＮより低下して圧接力が不足することを示している。一方、絞り率を１．５％より大きくすると円筒チューブ２，４１，４２が潰れ始めるために圧接力が不足し、最大荷重はやはり２４ＫＮより小さくなってしまう。したがって、円筒チューブ２同士を十分な圧力で圧接させるには絞り率は０．８〜１．５％の範囲とするのが良く、この中でも、最大荷重が２５ＫＮを示す１．２％程度が最適である。１．２％の縮管を行った場合は、外筒１の外径は６４．２ｍｍ（呼び径６５ｍｍ）程度となる。縮管加工した後は拡散接合によって円筒チューブ２，４１，４２同士や仕切板３、これらと外筒１を互いに接合する。なお、拡散接合に代えて、又はこれに追加してロウ付け等で接合しても良い。
【００２０】
このようにして製造された本発明のメタル担体は従来のものに比して十分な強度を有する。この強度測定は上記最大荷重の測定と同様であり、メタル担体を２０ｍｍの輪切りにして、アムスラー試験機でφ２０のシャフトでハニカム体Ｈを押してこの時の最大荷重を測定する。これによると、サンプルによってある程度のバラツキはあるものの、本発明のメタル担体の最大荷重は既述のように２４〜２５ＫＮ程度の値を示すのに対して、平板と波板でハニカム体を構成した従来のメタル担体では、最大荷重は９ＫＮと半分以下である。これは、本発明のメタル担体を構成する円筒チューブが閉断面であるため、拡散接合を行う際に十分な圧接力を付与しておくことができるからである。このように、本発明のメタル担体は十分な強度を有することが知られた。
【００２１】
また、本発明のメタル担体はハニカム体の各セルの断面形状が円形であることから、排ガスが流通する断面積を一定にするとその周長は最も短くなり、この結果、通気抵抗が十分小さくなる。これを図１４に示す。図１４はメタル担体を通過する整流された圧縮空気流の流速Ｖmとこの時の損失水頭ｈ2（メタル担体の前後における空気圧の水頭差）の関係を測定したもので、本発明のメタル担体（図１４の線Ｘ）と従来のメタル担体（図１４の線Ｙ）とでは、空気流速が大きくなるほど両者の損失水頭（通気抵抗）の差が大きくなっている。したがって、一般に排ガス流速が大きい（５０ｍ／ｓ以上）高性能車両に対して本発明のメタル担体を使用するメリットは大きい。
【００２２】
（第２実施形態）
図１５に示すように、外筒が比較的小径（例えば外径３５ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ）のものである場合には、第１実施形態で説明した仕切板３は必ずしも必要としない。正六角形領域Ｚ１の円筒チューブ２（例えば外径３ｍｍ、肉厚０．１ｍｍ）の、正六角形の各辺と外筒１の間に形成される円弧領域Ｚ２内の左右位置に、内外方向で上記円筒チューブ２と外筒１に接する円筒チューブ４３（例えば外径２．２ｍｍ、肉厚０．１ｍｍ）を配置して、これら円筒チューブ４３によって円筒チューブ２を押圧する。
【００２３】
なお、上記各実施形態において、円筒チューブ２は必ずしも正六角形領域Ｚ１に収束させる必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態におけるメタル担体の正面図である。
【図２】メタル担体の縦断面図である。
【図３】製造治具の斜視図である。
【図４】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図５】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図６】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図７】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図８】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図９】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図１０】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図１１】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図１２】メタル担体の製造過程を示す斜視図である。
【図１３】外筒縮管加工時の絞り率と最大荷重の関係を示すグラフである。
【図１４】メタル担体を通過する空気流の流速と損失水頭の関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の第２実施形態におけるメタル担体の正面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…外筒、２…円筒チューブ、３…仕切板、Ｚ２…円弧領域、４１，４２，４３…円筒チューブ（他の円筒チューブ）、５…治具、５２…保持板、５２１…開口、Ｈ…ハニカム体、Ｚ１…正六角形領域、Ｚ２…円弧領域。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製外筒内に排気ガス浄化触媒を担持する金属製ハニカム体を収納したメタル担体において、前記外筒内にその筒軸方向へ多数の金属製円筒チューブを互いに密接させて配設して前記ハニカム体を構成した触媒コンバータのメタル担体。
【請求項２】
前記多数の円筒チューブを、円筒形とした前記外筒の筒内でこれの内周に接する正六角形の領域に収束させて配設し、前記領域と外筒の間に形成された円弧領域に、前記正六角形領域に配設された前記円筒チューブと前記外筒とに内外方向でそれぞれ密接する他の円筒チューブを配設した請求項１に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
【請求項３】
前記領域の正六角形の各辺に沿って仕切板を配設し、これら仕切板と前記外筒の間に形成された円弧領域に、前記仕切板と前記外筒とに内外方向でそれぞれ密接する他の円筒チューブを配設した請求項２に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
【請求項４】
治具に形成された正六角形の開口内に多数の前記円筒チューブを挿入してこれら円筒チューブを前記正六角形領域に収束させ、収束させた前記円筒チューブを前記外筒内に挿入した後、さらに他の円筒チューブを前記外筒内に挿入し、前記外筒を縮管して前記円筒チューブおよび前記他の円筒チューブを前記外筒内に保持させた請求項２又は３に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体の製造方法。

【図１】