JP2009011984A - 排気ガス浄化用の触媒担体 - Google Patents

Abstract

【課題】第１に、触媒効率が向上し、有害物質浄化機能に優れており、第２に、振動を伴うエンジンの排気ガス用に使用されても、振動耐久性に優れると共に、第３に、熱耐久性にも優れ、第４に、しかもこれらが簡単容易に実現される、排気ガス浄化用の触媒担体を提案する。
【解決手段】この触媒担体１は、帯状をなす金属箔製の波板２と平板３が多層に巻き付けられてロール状をなすハニカム構造体４が、外筒ケース５内に挿入，接合されると共に、波板２と平板３に触媒物質が付着せしめられている。そして、ハニカム構造体４の波板２と平板３は、少なくともその一方が金属織物９製よりなる。この金属織物９は、帯状をなす金属箔が縦横に織られた構造よりなり、ハニカム構造体４の各セル空間８を通過する排気ガスＡについて、乱流化機能そして触媒物質との接触増加機能を発揮する。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガス浄化用の触媒担体に関する。すなわち、排気ガスに含有された有害物質を除去して浄化する、触媒担体に関するものである。

《技術的背景》
例えば自動車エンジンの排気ガス中には、一酸化炭素，炭化水素，窒素酸化物，その他の有害物質が含有されており、そのまま外気へ排出すると有害である。
そこで、自動車エンジンの排気管には、排気ガス中の有害物質を除去する排気ガス浄化装置が、介装されており、この種の排気ガス浄化装置としては、ハニカム構造をなし触媒物質が付着せしめられた触媒担体が、代表的に使用されている。

《従来技術》
この種の排気ガス浄化用の触媒担体は、帯状をなす金属箔製の波板と平板とが多層にロール状に巻き付けられたハニカム構造体が、外筒ケース内に挿入，接合された構造よりなる。
そして、エンジンからの排気ガスが、その排気管に介装された触媒担体のハニカム構造体の各セル空間を、通過するが、その際、排気ガスに含有されていた有害物質が、各セル空間を形成するセル壁、つまり波板や平板に付着せしめられた触媒物質と接触して、反応，除去される。もって、排気ガスが浄化されて、外気へと排出されるようになっている。

《先行技術文献情報》
このような触媒担体の従来例としては、例えば、次の特許文献１中に示されたものが挙げられる。
特開２００１−３２１６７８号公報

ところで、このような従来例については、次の問題が指摘されていた。
《第１の問題点》
第１に、従来の触媒担体のハニカム構造体は、小さな各セル空間を形成するセル壁、つまり波板や平板の外平面が滑らかであり、レイノルズ数が小さい。
そこで、各セル空間に流入して通過する排気ガスは、層流となっており、乱流化，攪乱化されることがなく、セル壁つまり波板や平板の外表面に付着せしめられた触媒物質との接触が、不十分となっていた。つまり、かなり多くの排気ガスは、含有された有害物質が触媒物質と接触，反応することなく、通過してしまっていた。
もって、触媒反応度が低く、触媒効率が悪く、有害物質の浄化程度が低い、という問題が指摘されていた。

《第２の問題点》
第２に、そこで、この種従来例の触媒担体については、ハニカム構造体のセル壁を形成する波板や平板について、切欠き加工，孔加工，エンボス加工等を施す対策も試みられていたが、耐久性低下や効果不十分、という問題が指摘されていた。
すなわち、このような加工により、排気ガスの流れを乱流化し、もって排気ガスがムラなく一様に、触媒物質と接触するようにすることが、試みられていた。しかしながら、多数の切欠きや孔を形成する切欠き加工や孔加工については、切欠きや孔を起点として、セル壁の波板や平板に亀裂が生じ易くなる、という難点があった。
特に、この種の触媒担体は、自動車その他のエンジンの排気ガス浄化用に使用されることに鑑み、振動を伴うことが多く、振動による耐久性低下が指摘されていた。すなわち、切欠きや孔を起点として、亀裂が振動にて拡大して耐久性が低下するという問題、つまり振動耐久性に問題が指摘されていた。
又、浅い凹凸を多数付加するエンボス加工については、加工に手間取ると共に、期待通りの乱流効果，触媒効率が得られにくい、という問題が指摘されていた。

《第３の問題点》
第３に、更にこの種従来例の触媒担体については、熱耐久性にも問題が指摘されていた。すなわち、この種の触媒担体は、ハニカム構造体が外筒ケース内に、挿入，接合された構造よりなる。箔をロール状に巻いたハニカム構造体が、より肉厚金属製の円筒外筒ケース内に、挿入，接合された構造よりなる。
そこで、極めて高温の排気ガスが流入，通過すると、両者の熱膨張率の相違に起因して熱ひずみが発生し易かった。熱膨張，収縮するハニカム構造体が、剛性に富んだ外筒ケースにて規制されて、引張力や圧縮力を受け、もって損傷，破損することが多々あった。

《本発明について》
本発明の排気ガス浄化用の触媒担体は、このような実情に鑑み、上記従来例の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第１に、触媒効率が向上し、第２に、振動耐久性に優れると共に、第３に、熱耐久性にも優れ、第４に、しかもこれらが簡単容易に実現される、排気ガス浄化用の触媒担体を提案することを、目的とする。

《請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、次のとおりである。まず、請求項１については次のとおり。
請求項１の排気ガス浄化用の触媒担体は、帯状をなす金属箔製の波板と平板が多層に巻付けられてロール状をなすハニカム構造体が、外筒内に挿入，接合されると共に、該波板と平板に触媒物質が付着せしめられている。
そして、該波板と平板は、少なくともその一方が金属織物製よりなる。該金属織物は、帯状をなす金属箔が縦横に織られた構造よりなり、該ハニカム構造体の各セル空間を通過する排気ガスについて、乱流化機能そして該触媒物質との接触増加機能を発揮すること、を特徴とする。
請求項２については、次のとおり。請求項２の排気ガス浄化用の触媒担体では、該平板のみが該金属織物製よりなること、を特徴とする。
請求項３については、次のとおり。請求項３の排気ガス浄化用の触媒担体では、該金属織物は織隙間を備えている。そして該織隙間は、該ハニカム構造体の各セル空間を通過する排気ガスについて、隣接する該セル空間相互間での流通交換機能そして該触媒物質との接触増加機能を発揮すること、を特徴とする。

《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）有害物質を含有した排気ガスは、触媒担体に供給される。
（２）触媒担体のハニカム構造体は、波板と平板が多層ロール状に巻き付けられており、多数のセル空間が形成されると共に、触媒物質が付着せしめられている。
（３）供給された排気ガスは、ハニカム構造体を通過する際、含有されていた有害物質が、触媒物質と接触，反応，除去されて、浄化される。
（４）さて、この触媒担体では、ハニカム構造体のセル壁つまり波板と平板の少なくとも一方が、金属織物よりなる。
（５）従って、セル空間を通過する排気ガスは、金属織物の織段差により乱流化されると共に、更に金属織物の織隙間により、セル空間相互間でも流通，交換，乱流化される。
（６）排気ガスは、このように乱流化され流通交換されるので、含有された有害物質が、触媒物質と十分に接触して反応するようになる。
（７）そしてこれは、金属織物を採用する方式により実現され、セル壁に亀裂を生じ易くなる加工方式によらず、振動耐久性を維持しつつ実現される。
（８）更に、金属織物により柔軟性，自由度が向上するので、この面からも、振動耐久性に優れている。
（９）又、高温の排気ガスが通過すると、ハニカム構造体と外筒ケース間での熱膨張率の相違に起因して、熱ひずみ発生が懸念されるが、金属織物を採用したことにより、織ってある分だけ熱膨張，収縮への自由度が高く、熱ひずみは緩和される。
（１０）そして、この触媒担体は、ハニカム構造体に金属織物を採用した、簡単な構造よりなり、容易に製造可能である。
（１１）そこで、この排気ガス浄化用の触媒担体は、次の効果を発揮する。

《第１の効果》
第１に、触媒効率が向上する。すなわち、本発明の排気ガス浄化用の触媒担体では、ハニカム構造体のセル壁の波板や平板の少なくとも一方が、金属織物製よりなる。
そこで、そのハニカム構造体のセル空間を通過する排気ガスは、金属織物の織段差により乱流化され、もって触媒物質との接触が増加するようになる。更に、金属織物の織隙間によりセル空間相互間でも流通，交換，乱流化され、もって触媒物質との接触が一段と増加するようになる。
前述したこの種従来例に比し、触媒物質と接触することなく層流のまま通過してしまう排気ガスが減少し、排気ガス中の有害物質は、ムラなくセル壁の触媒物質と接触，反応するようになる。このように本発明は、触媒効率が向上し、有害物質の浄化性能に優れている。

《第２の効果》
第２に、振動耐久性に優れている。すなわち、本発明の排気ガス浄化用の触媒担体では、このような触媒効率向上が、金属織物の採用により実現される。
前述したこの種従来例のように、セル壁について、切欠き加工，孔加工，エンボス加工等を施す訳ではなく、耐久性低下原因が付加されるようなことはない。
特に、この種の触媒担体は、自動車その他のエンジンの排気ガス浄化用に使用されることが多い点に鑑み、振動を伴うことが多く、亀裂を生じ易い加工が施されない意義は大きい。このように本発明は、振動にて亀裂が拡大するようなことがなく、振動耐久性に優れている。
更に本発明は、金属織物箔の採用により、１枚金属箔の場合に比し柔軟性そして自由度が向上しており、この面からも振動耐久性に優れている。

《第３の効果》
第３に、熱耐久性にも優れている。すなわち、本発明の排気ガス用の触媒担体では、ハニカム構造体に金属織物が採用されている。
そこで、このハニカム構造体は、外筒ケース内に挿入，接合されて高温の排気ガスが流入，通過しても、熱ひずみが緩和されるようになる。すなわち本発明は、金属織物箔の採用により、１枚金属箔の場合に比し熱膨張，収縮に対する自由度が高く、外筒ケースにて規制されても圧縮力や引張力を受けにくいので、前述したこの種従来例のように損傷，破損することが防止される等、熱耐久性に優れている。

《第４の効果》
第４に、しかもこれらは、簡単容易に実現される。すなわち、本発明の排気ガス浄化用の触媒担体では、ハニカム構造体のセル壁の波板と平板について、金属織物を採用した簡単な構成により、前述した第１，第２，第３の効果が容易に達成される。
又、その製造も、この種従来例の製造方法に準じて可能であり、製造時の作業性やコスト面にも優れており、平板のみを金属織物製とした場合は、特に簡単容易に製造可能である。
このように、この種従来例に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

《図面について》
以下、本発明の排気ガス浄化用の触媒担体を、図面に示した発明を実施するための最良の形態に基づいて、詳細に説明する。図１〜図３は、本発明を実施するための最良の形態の説明に供する。
そして、図１の（１）図は、金属織物の１例の平面図、（２）図は、金属織物の他の例の平面図である。図２の（１）図は、波板の斜視図、（２）図は、平板の斜視図、（３）図は、巻付け時の斜視図、（４）図は、触媒担体の斜視図である。図３は、触媒担体の正断面図である。

《触媒担体１について》
まず、図２，図３を参照して、本発明の排気ガスＡ浄化用の触媒担体１について、一般的概要を説明する。
例えば、自動車のエンジンや、発電機，機関車，各種機械設備等の内燃機関のエンジンから排出される排気ガスＡ中には、一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣ，窒素酸化物ＮＯｘ，粒子状物質ＰＭ，その他の有害物質が含有されており、そのまま外気に排出されると人体や環境に有害である。
そこで、エンジンの排気管には、排気ガスＡ中の有害物質を除去する排気ガス浄化装置の一環として、排気ガスＡ浄化用の触媒担体１が、途中に介装されている。触媒担体１は、帯状をなす金属箔製の波板２と平板３が多層に巻き付けられ，ろう付けされてロール状をなすハニカム構造体４が、外筒ケース５内に挿入，接合されると共に、波板２と平板３に触媒物質が付着せしめられている。

このような触媒担体１について、更に詳述する。まず、ハニカム構造体４のセル壁６を形成する波板２と平板３とは、ステンレス箔，アルミ箔その他の金属箔製よりなり、同幅平行の帯状をなす。波板２は、波型の凹凸が、帯の長辺に対して直角の短手方向に対して直線的かつ平行、長手方向に対して繰り返し連続的に、所定ピッチと高さで折曲形成されている。
そして、１枚ずつの波板２と平板３が、中心軸から順次交互に重ね合わせられつつ多層に巻き付けられて、相互間の当接箇所の要部が接合されることにより、ハニカム構造体４が製造される。波板２と平板３間の接合用には、例えばろう材７が使用されるが、特に極細帯状のろう材７が代表的に使用されると共に、製造工程において波板２と平板３間に介装される。
ハニカム構造体４は、全体が例えば円柱ロール状をなすと共に、波板２と平板３とをセル壁６として、軸方向Ｘに沿い各々独立空間に区画形成された小さな中空柱状の各セル空間８の平面的集合体よりなり、両端面が開口されている。触媒担体１では、このようなハニカム構造体４が、外筒ケース５内に同軸に挿入され、接合されている。
そして、波板２や平板３の外表面には、触媒物質が付着されている。すなわち、単位容積当たりの表面積が大であるという特徴を備えたハニカム構造体４について、そのセル壁６を形成する波板２や平板３の外表面を利用して、触媒物質が被膜状に付着，担持せしめられ、もって触媒物質の排気ガスＡとの接触面積が広く確保されている。
触媒物質としては、例えば、酸化反応促進用の白金，パラジウム，その他の貴金属や、還元反応促進用の物質が使用される。
触媒担体１は、一般的には概略このようになっている。

《金属織物９について》
次に、図１，図２を参照して、ハニカム構造体４における金属織物９の採用について、説明する。
この触媒担体１では、そのハニカム構造体４の波板２と平板３は、少なくともその一方が金属織物９製よりなる。金属織物９は、帯状をなす金属箔が縦横に織られた構造よりなり、もってハニカム構造体４の各セル空間８を通過する排気ガスＡについて、乱流化機能そして触媒物質との接触増加機能を発揮する。
図示例では、平板３が金属織物９製よりなり、波板２は、通常の１枚金属箔製よりなるが、図示例によらず、平板３および波板２共に、金属織物９製とすることも可能であり、又、平板３を通常の１枚金属箔製とし、波板２を金属織物９製とするも可能である。
金属織物９は、帯状とされたステンレス箔，アルミ箔，その他の金属箔を、平織，綾織，しゅす織，その他の織り方により、縦横に交錯させてなる。例えば、縦はその幅が、約３ｍｍ〜２０ｍｍ程度であり、横はその幅が、約３ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。
そして金属織物９は、ａ．織り方と、ｂ．織間隔と、ｃ．使用される帯状の金属箔の箔幅と、ｄ．その箔厚等の条件設定により、織隙間１０を備えており、ハニカム構造体４の各セル空間８を通過する排気ガスＡについて、セル空間８相互間での流通交換機能そして該触媒物質との接触増加機能を発揮する。
図１の（２）図に示した金属織物９は、大き目の織隙間１０が形成されているが、織隙間１０の存在は、金属織物９にとっては大小程度の問題であり、通常は僅かながらでも織隙間１０が存在しているとも言える。
又、織隙間１０は、触媒担体１の使用状況に応じ、適切な大きさに設定される。つまり織隙間１０は、ａ．織り方，ｂ．織間隔，ｃ．箔幅，ｄ．箔厚の条件設定を、適宜変更することにより、対象となる排気ガスＡの状況等に応じ、その機能発揮に適した大きさに設定される。
金属織物９は、このようになっている。

《作用等》
本発明の排気ガスＡ浄化用の触媒担体１は、以上説明したように構成されている。そこで、以下のようになる。
（１）エンジン等からの排気ガスＡは、有害物質を含有しており、排気管にて排気ガスＡ浄化用の触媒担体１に、供給される（図３を参照）。

（２）触媒担体１は、ハニカム構造体４が外筒ケース５内に、挿入，接合された構造よりなる。ハニカム構造体４は、波板２と平板３とが多層にロール状に巻き付けられ、もって、波板２と平板３とをセル壁６として、多数のセル空間８が形成されると共に、セル壁６である波板２と平板３に、触媒物質が付着，担持せしめられている（図２，図３を参照）。

（３）排気ガスＡは、このようなハニカム構造体４の各セル空間８に、供給され、流入して、通過する。
そしてその際、含有されていた有害物質が、各セル空間８を形成するセル壁６つまり波板２や平板３に付着，担持されていた触媒物質と接触して、酸化反応や還元反応することにより、除去され無害化される。もって排気ガスＡは、浄化されて外気へと排出される（図２を参照）。

（４）さて、この触媒担体１では、そのハニカム構造体４のセル壁６、つまり波板２と平板３の少なくとも一方が、金属織物９製よりなる。

（５）そこで、このハニカム構造体４の各セル空間８を通過する排気ガスＡは、このような金属織物９の織段差に対して接触，衝突することにより、攪乱され乱流化される。更に排気ガスＡは、金属織物９の織隙間１０を介して、隣接するセル空間８相互間でも流通，交換，乱流化される。特に、織隙間１０が大き目に設定されている場合は、これが顕著化する。
このように金属織物９は、排気ガスＡの乱流化促進機能や流通交換促進機能を発揮する。

（６）排気ガスＡは、このように層流のまま通過することなく、乱流化され，流通交換される。もって、排気ガスＡ中に含有されついた有害物質が、セル壁６の波板２や平板３に付着，担持されていた触媒物質に対し、ムラなく一様に接触し、全体的に不足なく十分に触媒物質と反応するようになる。
このように金属織物９は、排気ガスＡの触媒物質との接触増加促進機能を発揮する。

（７）そしてこれは、触媒担体１について、そのハニカム構造体４のセル壁６、つまり波板２や平板３に金属織物９を採用したことにより、実現される。つまり、乱流化促進機能や接触増加促進機能は、セル壁６となる波板２や平板３について、１枚金属箔製のものに加工を施す方式ではなく、金属織物９を採用する方式により、獲得される。
セル壁６となる波板２や平板３について、亀裂の原因となる加工を施す方式によらず、つまり振動にて耐久性低下原因となる加工を施す方式によらず、振動耐久性を維持しつつ、乱流化促進機能そして接触増加促進機能を発揮可能となる。

（８）更に、このハニカム構造体４は、金属織物９の採用により、１枚金属箔製の場合に比し、柔軟性，弾性，自由度が向上しており、この面からも、強度つまり振動耐久性に優れている。つまり、振動による交番荷重に対する耐力に優れている。

（９）ところで、触媒担体１は、ハニカム構造体４が外筒ケース５内に、挿入，接合された構造よりなる。波板２や平板３をロール状に巻いたハニカム構造体４が、より肉厚で剛性の高い金属製の円筒外筒ケース５内に、密に挿入されると共に、両者間がろう材等にて接合された構造よりなる。
そこで使用に際し、ハニカム構造体４の各セル空間８を高温の排気ガスＡが通過すると、両者の熱膨張率の相違に起因して、熱ひずみ発生が懸念されるが、金属織物９の採用により、このような熱ひずみは大幅に緩和される。
金属織物９は、１枚金属箔の場合に比し織ってある分だけ、熱膨張，収縮に対する柔軟性，自由度が高い。従って、触媒担体１の使用時と非使用時の間で、外筒ケース５の規制により圧縮力や引張力を受ける可能性は、大幅に低減する。

（１０）そして、この触媒担体１は、そのハニカム構造体４のセル壁６を形成する波板２や平板３について、金属織物９を採用した、簡単な構造よりなる。
もって、従来より一般的な製造方法にて製造可能であり、平板３のみを金属織物９とした場合は、特に製造が簡単容易である。

本発明に係る排気ガス浄化用の触媒担体について、発明を実施するための最良の形態の説明に供し、（１）図は、金属織物の１例の平面図、（２）図は、金属織物の他の例の平面図である。 同発明を実施するための最良の形態の説明に供し、（１）図は、波板の斜視図、（２）図は、平板の斜視図、（３）図は、巻付け時の斜視図、（４）図は、触媒担体の斜視図である。 同発明を実施するための最良の形態の説明に供し、触媒担体の正断面図である。

符号の説明

１ 触媒担体
２ 波板
３ 平板
４ ハニカム構造体
５ 外筒ケース（外筒）
６ セル壁
７ ろう材
８ セル空間
９ 金属織物
１０ 織隙間
Ａ 排気ガス
Ｘ 軸方向

Claims (3)

1. 帯状をなす金属箔製の波板と平板が多層に巻付けられてロール状をなすハニカム構造体が、外筒内に挿入，接合されると共に、該波板と平板に触媒物質が付着せしめられた、排気ガス浄化用の触媒担体において、
   該波板と平板は、少なくともその一方が金属織物製よりなり、該金属織物は、帯状をなす金属箔が縦横に織られた構造よりなり、該ハニカム構造体の各セル空間を通過する排気ガスについて、乱流化機能そして該触媒物質との接触増加機能を発揮すること、を特徴とする排気ガス浄化用の触媒担体。
2. 請求項１に記載した排気ガス浄化用の触媒担体おいて、該平板のみが該金属織物製よりなること、を特徴とする排気ガス浄化用の触媒担体。
3. 請求項１に記載した排気ガス浄化用の触媒担体おいて、該金属織物は織隙間を備えており、該織隙間は、該ハニカム構造体の各セル空間を通過する排気ガスについて、隣接する該セル空間相互間での流通交換機能そして該触媒物質との接触増加機能を発揮すること、を特徴とする排気ガス浄化用の触媒担体。

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