JP2009508681A - 端面側の硬ろう付け区域を備えるハニカム体 - Google Patents

Abstract

２つの向かい合う端面（２）を備え、少なくとも１つのハウジング（３）と、通路（４）を形成する少なくとも１つの金属層（５）とを含むハニカム体（１）において、少なくとも１つの端面（２）は少なくとも１つの硬ろう付け区域（６）を有し、該区域はハウジング（３）に接する帯状のろう付けなし領域（７）を形成している。さらに、このようなハニカム体の製造方法ならびに好ましい利用分野が記載されている。

Description

本発明は、２つの向かい合う端面を備え、少なくとも１つのハウジングと、通路を形成する少なくとも１つの金属層とを含むハニカム体に関する。このハニカム体は少なくとも一方の端面において１つの区域内で硬ろう付けされている。この種のハニカム体の好ましい利用分野は移動可能な内燃機関の排ガス後処理である。

この種のハニカム体では、ハウジングは通常厚壁の外被管を備えるように製作され、金属層は通常少なくとも部分的に構造化された少なくとも１つの金属箔を含む。ハニカム体の利用分野を考えると、これらの構成要素は高熱で動的な交番負荷にさらされる。したがって、金属層とハウジングとの間で、もしくはそれぞれの層相互の間で、耐久性のある結合を確保することが重要である。この場合、ハニカム体全体をハウジングとろう付けするのでなく、その部分領域だけをろう付けし、それにより、ろう付けされていない部分領域が、異なる熱膨張挙動を補償できるようにすることが知られている。このように空間的に分散されてろう付けされた部分領域は一括してろう付けパターンとも呼ばれる。

しかしながら、特に、直径は大きいが軸方向長さは小さく製作されている比較的大型のハニカム体の場合、完成後に、金属層とハウジングとの間の縁部領域に結合不良が生じることがある。特に、ハウジングからの金属層の剥離を部分的に認めることができ、そのために該個所には一種の間隙が存在することになる。しかしこのような間隙は、ハニカム体が長期にわたる負荷を受けると、状況によっては構成部品の機能不全を引き起す。

このようなことから出発して、本発明の課題は、上述した技術的な問題点を少なくとも部分的に解決することである。特に、直径／長さの比率が好ましくない場合でもハウジングへの１つの金属層もしくは複数の金属層の良好な結合を保証するハニカム体もしくはハニカム体の製造方法を提供したい。同時にハニカム体は、ハニカム体の構成要素の異なる熱膨張挙動の優れた補償を有するとともに、熱による動的な交番負荷に対して高い強度もしくは柔軟性を有するのが望ましい。

この課題は、請求項１の構成要件を備えるハニカム体によって解決され、ならびに、請求項９に記載の各ステップを備える方法によって解決される。本発明の好ましい実施態様は従属請求項に記載され、そこに個々に列記されている構成要件は技術的に有意義な任意のかたちで相互に組み合わせることができ、それによって本発明の新たな実施態様を示唆する。

２つの向かい合う端面を備える本発明によるハニカム体は、少なくとも１つのハウジングと、通路を形成する少なくとも１つの金属層とを含み、少なくとも１つの端面は少なくとも１つの硬ろう付け区域（硬ろう付けされた区域）を有する。この区域はハウジングに接する帯状のろう付けなし領域を形成する。

「端面」とは、特に、ハニカム体の内部領域へ延びる通路の起点となるハニカム体の面を意味している。ハニカム体の形態に応じて、端面は実質的に平坦に構成され、あるいは、少なくとも部分的に隆起および／または窪みを備えるように構成されていてよい。これに加えて、端面が円形、楕円形、多角形、もしくはその他の形状を有することも可能である。両端面は、形状およびろう付け区域の設置の点で同種に製作されているのが好ましい。

説明のためにここで付言しておくと、「硬ろう付け」もしくは「ろう付け」とは、４５０℃を上回る温度での、硬ろうを用いた接合技術を常に意味している。原則として、１つの端面に複数のろう付け区域が存在していてよいが、この場合には１つの区域が、ろう付けのない外側の領域を形成する。例えば複数の同心的な区域が設けられていてよく、あるいは、区域の外側境界部がろう付けなし領域を規定し、一方内側境界部によって１つまたは複数の別の区域への接合が行われる。

ろう付け区域およびろう付けなし領域の明確な形状は、ハニカム体の形態もしくはハウジング自体の形態に準じて決めるのが好ましい。例えばハニカム体が円形の断面を備えるように製作されている場合、１つの区域が円形であり、ろう付けなし領域はそれに伴って環状であるのが好ましい。同様に、ハニカム体の円筒形ではない形態に区域をマッチングさせることが行われ、帯状のろう付けなし領域は実質的に一定の幅を備えるように製作される。帯状のろう付けなし領域は、ハウジングの内側円周を取り囲むように直接ハウジングに沿って延びている。帯状のろう付けなし領域は、金属層の少なくとも１つの領域を含み、もしくは、それによって形成された複数の通路を含む。ハニカム体のこのような実施態様では、冒頭に説明した問題点がもはや発生しなくなる。

このことは特に、２つの向かい合う端面がハニカム体の長さを規定し、ハニカム体が長さに対して垂直方向に最大広がり寸法を有し、長さに対するこの広がり寸法の比率が少なくとも２であるハニカム体に当てはまる。このことは特に、断面の最大広がり寸法がハニカム体の長さに比べて明らかに大きいハニカム体を意味している。例えば実質的に円筒形のハニカム体の場合の最大広がり寸法は、少なくとも１００ｍｍまたはさらに２００ｍｍもしくは約４００ｍｍである。同時にハニカム体は例えば約５０ｍｍ〜７０ｍｍの最大長さしか有していない。その意味で、長さに対する広がり寸法の比率は少なくとも３．５、またはさらに５以上であってもよい。ハニカム体のこのような実施態様において、ここで提案されたろう付けパターンは意外なものである。というのも、ハニカム体の内側にある大きい容積が、同時に、高熱による動的な負荷を受けたときに恒常的に保たれなくてはならないからである。このことは、例えば排ガスの若干低い流速において耐久性実験で証明することができている。

さらに、ろう付けなし領域は広がり寸法の１０％よりも小さい平均幅を有することが提案される。したがって、この平均幅は多くとも１０ｍｍであるのが好ましく、５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内にあるのが好ましい。しかしながら多くの場合、広がり寸法が増すにつれて、これよりも大きい平均幅を選択するのが好ましい。

ハニカム体のさらに別の実施態様では、硬ろう付け結合部は端面から出発して部分的に通路の中へ入るように構成される。少なくとも１つの硬ろう付け区域は端面の少なくとも６０％、好ましくは８０％を含む。

ハニカム体のさらに別の実施態様では、端面から間隔をおいた少なくとも１つの部分領域のみにおいて、少なくとも１つの層と少なくとも１つのハウジングとの間に硬ろう付け結合部が設けられている。すなわち、例えば少なくとも１つの層は両端面間の中央範囲に、周回する部分領域を備えるように製作されている。このような硬ろう付け結合部は少なくとも１つの層の端部とハウジングとの間に形成されるのが好ましい。この実施態様では特に、層は、両端部でそれぞれハウジングに部分領域を介して取り付けられ少なくとも部分的に構造化された複数の金属箔を含むと好ましい。しかしながら、原則的には、層を構成するために例えば金網、フリースなどの他の材料を利用するのも好ましい。

ハニカム体が、各端面におけるそれぞれ１つのろう付け区域と、端面から間隔をおいてろう付けされた部分領域とを有し、この部分領域が少なくとも１つの層と少なくとも１つのハウジングとの間に硬ろう付け結合部を備えると同様に好ましい。このようなハニカム体の実施態様では、内部領域に非常に広い「柔軟な領域」をつくることができ、同時に比較的少ない硬ろうの使用量で、金属層とハウジングとの耐久性のある固定が確保される。この点に関する詳細な情報は、特に図１についての説明からも読み取ることができる。

このような本発明のハニカム体を含む、内燃機関のための排ガス処理要素が格別に好ましい。排ガス処理要素としては、特に、触媒コンバータ、フィルタ、粒子トラップ、アブソーバ、改質器または燃料電池の部品、流動混合装置、熱交換器などが考慮の対象となる。上記および下記に説明するハニカム体および排ガス処理要素の利点に基づき、特に自動車での採用が提案される。

本発明によれば、少なくとも次のステップを含むハニカム体（特に本発明に基づいて上述したハニカム体）の製造方法が提案される。
ハウジングの少なくとも１つの部分領域へ硬ろうを適用するステップ、
少なくとも金属層を巻き付けもしくは絡み合わせるステップ、
金属層をハウジング内へ少なくとも部分的に挿入するステップ、
端面を介して少なくとも１つの区域をろう付けし、ハウジングに接する帯状のろう付けなし領域を生成するステップ、
少なくとも１つの部分領域と少なくとも１つの区域とに硬ろう付け結合部を形成するためにハニカム体を加熱するステップ。

硬ろうを適用するとき、テープ状のろう材をハウジングの内面へ装着するのが好ましい。その代替として、この硬ろうは、あらかじめ巻き付けられたもしくは絡み合わされた金属層の外側円周に装着されていてもよい。複数の金属層（場合により複数の積層体を備える）が巻き付けられもしくは絡み合わされて、これらが例えばＳ字型、Ｖ字型、またはこれに類似する形態をとり、ハウジング内へ挿入すると各端部がそれぞれハウジングに接触するようにするのが好ましい。少なくとも１つの区域をろう付けするとき、スタンプを用いて接着剤を塗布し、次いで粉末状のろうを添加することができ、それにより、膠着された区域にろうが付着したまま保たれる。各端面に、ろうが施されたただ１つの区域だけが設けられるのが好ましい。引き続いてのハニカム体の加熱は高温真空炉のなかで行われるのが好ましく、硬ろうが設けられた個所に硬ろう付け結合部が形成される。このような硬ろう付け結合のほか、例えばろう付けされない領域では、例えば拡散結合のような他の結合を生成することができる。このような拡散結合は、高熱による動的な負荷が生じたときでも、ハニカム体の耐久性を支援する。

次に、本発明ならびにその技術分野について、図面を参照しながら詳しく説明する。各図は特別に好ましい実施形態を示しているが、本発明はこれに限定されない。各図は模式的なものである。

図１は、多数の通路４を備える層５を形成する波形および平形の金属箔１７を含む、螺旋状に巻き付けられたハニカム体１を断面斜視図として示している。これらの層５はハウジング３と接合技術により結合され、すなわち特に硬ろう付けされている。

ハニカム体１は、端面２にある区域６と、これらの区域の間に位置し円周に沿って延びる部分領域１２とによって構成され、これらによって所望の硬ろう付け結合部１３が生成される特徴的なろう付けパターンを有する。このろう付けパターンにおける特別な点は、硬ろう付け区域６が、ハウジング３に接する帯状のろう付けなし領域７をそれぞれ形成していることである。すなわち換言すると、硬ろう付け結合部が内部に形成されていないここでは環状の帯状部が形成されている。その意味で、硬ろう付け区域６のどの領域も、ハニカム体１の外側縁部もしくはハウジング３には直接接していない。硬ろう付け区域６は、端面２から出発してハニカム体１の深さ１１に至るまで構成される。区域６の深さ１１は、両端面２に関して数値的に等しいのが好ましい。帯状のろう付けなし領域７も均等な幅１０で周回するように製作され、この幅１０は広がり寸法９の１０％よりも小さい平均範囲にあるのが好ましい。

本発明によるハニカム体１は、特に、長さ８が最大広がり寸法９よりも明らかに短く製作されているハニカム体である。例えば長さに対する広がり寸法の比率は少なくとも２であり、好ましくは少なくとも３．５である。長さ８は実質的に両端面２によって規定される。最大広がり寸法９は同じく端面２を基準とするのが好ましく、端面２が同じでない場合および／または端面２が多角形状である場合、その都度最大限可能な広がり寸法９が用いられる。

図２は、特にトラックやバスなどの自動車１６の内燃機関１５の排ガス処理要素１４としての、この種の大型のハニカム体１の好ましい利用分野を示している。内燃機関１５で生成された排ガスは、相応の排ガス設備１８を通過して、例えば触媒コンバータ、フィルタなどの複数の排ガス処理要素１４へ供給される。排ガス処理要素１４と接触することによって、排ガスが清浄化もしくは処理されて、最終的に周囲へ放出することができるようになる。

ハニカム体の１つの実施形態を示す図 自動車の排ガス処理要素としてのこのようなハニカム体の好ましい適用例を示す図

符号の説明

１ ハニカム体
２ 端面
３ ハウジング
４ 通路
５ 層
６ 区域
７ 領域
８ 長さ
９ 広がり寸法
１０ 幅
１１ 深さ
１２ 部分領域
１３ 硬ろう付け結合部
１４ 排ガス処理要素
１５ 内燃機関
１６ 自動車
１７ 金属箔
１８ 排ガス設備

Claims (9)

1. ２つの向かい合う端面（２）を備え、少なくとも１つのハウジング（３）と、通路（４）を形成する少なくとも１つの金属層（５）とを含むハニカム体（１）において、少なくとも１つの端面（２）は少なくとも１つの硬ろう付け区域（６）を有し、この区域（６）はハウジング（３）に接する帯状のろう付けなし領域（７）を形成しているハニカム体。
2. ２つの向かい合う端面（２）はハニカム体（１）の長さ（８）を規定し、ハニカム体（１）は長さ（８）に対して垂直方向に最大広がり寸法（９）を有し、長さ（８）に対する広がり寸法（９）の比率は少なくとも２である請求項１に記載のハニカム体。
3. 帯状のろう付けなし領域（７）は広がり寸法（９）の１０％よりも小さい平均幅（１０）を有する請求項１又は２に記載のハニカム体。
4. 少なくとも１つの硬ろう付け区域（６）は多くとも１０ミリメートルの深さ（１１）で製作されている請求項１乃至３の１つに記載のハニカム体。
5. 端面（２）から間隔をおいた少なくとも１つの部分領域（１２）のみにおいて、少なくとも１つの層（５）と少なくとも１つのハウジング（３）との間に硬ろう付け結合部（１３）が設けられている請求項１乃至４の１つに記載のハニカム体。
6. ハニカム体は、端面（２）におけるれぞれ１つのろう付け区域（６）と、端面（２）から間隔をおいてろう付けされた部分領域（１２）とを有し、部分領域（１２）は少なくとも１つの層（５）と少なくとも１つのハウジング（３）との間に硬ろう付け結合部（１３）を備える請求項１乃至５の１つに記載のハニカム体。
7. 内燃機関（１５）のための排ガス処理要素（１４）において、請求項１乃至６の１つに記載のハニカム体（１）を含む排ガス処理要素。
8. 請求項１乃至６の１つに記載のハニカム体（１）または請求項７に記載の排ガス処理要素（１４）を含む自動車。
9. ハウジング（３）の少なくとも１つの部分領域（１２）へ硬ろうを適用するステップと、
   少なくとも１つの金属層（５）を巻き付けもしくは絡み合わせるステップと、
   金属層（５）をハウジング（３）内へ少なくとも部分的に挿入するステップと、
   端面（２）を介して少なくとも１つの区域（６）をろう付けし、ハウジング（３）に接する帯状のろう付けなし領域（７）を生成するステップと、
   少なくとも１つの部分領域（１２）と少なくとも１つの区域（６）とに硬ろう付け結合部（１３）を形成するためにハニカム体（１）を加熱するステップと、
   を少なくとも含むハニカム体の製造方法。

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