JP6118605B2 - 排ガス浄化装置、及び、排ガス浄化装置の製造方法 - Google Patents
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Description
図15は、従来の金属製触媒担体自身を発熱抵抗体とした排気浄化用触媒コンバータの一例を模式的に示す断面図である。
図15に示す排気浄化用触媒コンバータ1は、ケーシング(金属製シェル)22内に複数個の金属製触媒担体2〜4が排ガスの流通する方向に間隔を隔てて配置されている。金属製触媒2〜4は、触媒を担持する波状の金属板と平板とを交互に積層して長円状に巻回したものの両端をロー付して構成されている。これら金属製触媒担体2〜4には、ケーシング22を貫通する+側電極部材5〜7及び−側電極部材8〜10がそれぞれ着装されている。+側電極部材5〜7及び−側電極部材8〜10は、導電性の放熱板11、12により、それぞれ連結されている。各電極部材5〜10の突出部はナット13〜18で固定されている。金属触媒担体2〜4とケーシング22との間には電気絶縁材であって緩衝性を有する環状の保持シール材(マット部材)19〜21が介装されている。
排気浄化用触媒コンバータ1では、保持シール材19〜21には孔が形成され、この孔に電極部材5〜10が挿入されることより、金属製触媒担体2〜4と電極部材5〜10とが接続されている。
すなわち、上記排気浄化用触媒コンバータ1では、金属製触媒担体2〜4の表層に設置された電極部材5〜10からのみの電圧印加となる。一般に、電流は両電極間の最短経路で流れる傾向があるので、金属製触媒担体2〜4に流れる電流は、金属製触媒担体全体に均一に流れにくい。そのため、金属製触媒担体2〜4の昇温には部分的な斑が生じやすくなる。また、上記排気浄化用触媒コンバータでは、金属製触媒担体2〜4の表層に設置された電極部材5〜10からのみの電圧印加となるので、効率的に排ガス浄化を行うために金属製触媒担体の任意の位置を選択して発熱量を多くすることは難しいという問題がある。
また、本発明の保持シール材は、排ガス処理体を構成する各排ガス処理体ユニット同士の間を1枚で連続して介在するように排ガス処理体ユニットに巻き付けられる。この排ガス処理体ユニットを効率よく加熱するためには、例えば、保持シール材が排ガス処理体ユニットの間に1層のみ介在する場合、排ガス処理体ユニットと、保持シール材の内部に配設したヒータとの距離が均等になるように、ヒータは、保持シール材の厚さに対して15〜50%の位置となるように配設されていることが望ましい。
また、例えば、保持シール材の主面の一方のみを各排ガス処理体ユニットに接触させるように、保持シール材を各排ガス処理体ユニットに巻き付ける場合には、保持シール材の内部に配設したヒータが、排ガス処理体に近くなるように、すなわち、排ガス処理体ユニット側からのヒータが、保持シール材の厚さに対して15〜50%の位置になるように配設されていることが望ましく、15〜30%の位置になるように配設されていることがさらに望ましい。
カンタル線は、ニッケル、クロム、アルミニウム合金であり、汎用されており、耐熱性、耐久性に優れ、発熱量も大きいので、ヒータとして好適であり、上記保持シール材を用いた排ガス浄化装置では、迅速な昇温が可能で、排ガスの浄化性能に優れた排ガス浄化装置とすることができる。
上記保持シール材では、種々の金属を組み合わせることにより、要求されるヒータの特性に応じて種々の特性を有するヒータとすることができ、この保持シール材を用いることにより排ガスの浄化性能に優れた排ガス浄化装置とすることができる。
無機繊維の構成材料が、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、及び、シリカ繊維の少なくとも1種からなっていると、これら繊維は、耐熱性に優れているので、ヒータによる加熱により排ガス処理体が発熱し充分な高温になった場合であっても、変質等が発生することはなく、保持シール材としての機能を充分に維持することができる。また、無機繊維の構成材料が、生体溶解性繊維からなっていると、保持シール材を用いて排ガス浄化装置を作製する際に、飛散した無機繊維を吸入等しても、生体内で溶解するため、作業員の健康に害を及ぼすことがない。
このように保持シール材が構成されていると、この保持シール材を用いた排ガス浄化装置では、排ガス処理体ユニット同士は、ヒータが内部に配設された保持シール材により介在されるので、上記ヒータにより各排ガス処理体ユニットの全体が加熱されることになる。そのため、各排ガス処理体ユニットの温度が均一になり、排ガスの一部が浄化されないといった事態が発生するのを防止することができる。
上記保持シール材では、膨張材が含まれているので、この保持シール材が用いられた排ガス浄化装置では、上記膨張材の作用により、しっかりと排ガス処理体ユニットを保持することができ、排ガス処理体ユニットがケーシングから抜け落ちるのを防止することができる。
このような処理が施された保持シール材では、比較的平均繊維長の長い無機繊維がニードルパンチング処理により3次元的に交絡している。
このため、上記保持シール材を用いた排ガス浄化装置では、保持シール材を構成する無機繊維同士が充分に絡まり合っており、保持シール材から無機繊維が飛散したり、脱離するのを防止することができる。
上記保持シール材の製造は、抄造法を用いて行い、目的とする厚さより薄い無機繊維の積層体を作製する工程と、得られた上記無機繊維の積層体の上にヒータを載置する工程と、ヒータが載置された上記無機繊維の積層体の上に、さらに無機繊維を積層する工程とを含むことを特徴とする。
また、排ガス処理体ユニットと保持シール材との間に配設されたヒータは、保持シール材からの面圧を受けるので、ヒータは、排ガス処理体ユニットに押し付けられる。そのため、ヒータが排ガス処理体ユニットから離間するおそれが殆どない。
また、本発明の排ガス浄化装置では、保持シール材は、排ガス処理体を構成する各排ガス処理体ユニット同士の間を1枚で連続して介在するように排ガス処理体ユニットに巻き付けられる。この排ガス処理体ユニットを効率よく加熱するためには、例えば、保持シール材が排ガス処理体ユニットの間に1層のみ介在する場合、排ガス処理体ユニットと、保持シール材の内部に配設したヒータとの距離が均等になるように、すなわち、ヒータは、保持シール材の厚さに対して15〜50%の位置になるように配設されていることが望ましい。
また、例えば、保持シール材の主面の一方のみを各排ガス処理体ユニットに接触させるように、保持シール材を各排ガス処理体ユニットに巻き付ける場合は、保持シール材の内部に配設したヒータが、排ガス処理体に近くなるように、すなわち、排ガス処理体ユニット側からのヒータが、保持シール材の厚さに対して15〜50%の位置になるように配設されていることが望ましく、30〜50%の位置になるように配設されていることがさらに望ましい。
上記構成の排ガス浄化装置では、全ての排ガス処理体ユニット同士の間には、保持シール材が介在しているので、ヒータにより全ての排ガス処理体ユニットを加熱することができる。
上記構成の排ガス浄化装置では、ヒータが保持シール材の内部に配設されているので、排ガス処理体ユニットがヒータと接触するおそれはなく、排ガス処理体ユニットとしてコージェライト等の絶縁材料からなるもののみでなく、導電性を有する金属製のものや炭化ケイ素等の導電性セラミックからなるものも、排ガス処理体ユニットとして用いることができ、排ガス処理体ユニットの選択の範囲が拡がる。
保持シール材が膨張材を含んでいると、排ガス浄化装置に排ガスを導入する前にヒータに通電することにより、膨張材が膨らむため、保持シール材の保持力を向上させることができ、排ガス処理体ユニットの把持を確実なものにすることができる。
また、同様に、保持シール材や排ガス処理体ユニットが有機バインダ等の有機物を含んでいる場合、上記排ガス浄化装置に排ガスを導入する前にヒータに通電することにより、有機バインダ等の有機物を分解、消失させることができ、車両に取り付けられたセンサー等の誤動作を防止することができる。この場合、上記排ガス浄化装置を車両等に取り付ける前に、気体等をケーシングの内部に流通させることができる装置を用い、ヒータに通電して保持シール材や排ガス処理体を加熱する処理を行ってもよい。
以下、本発明について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の記載に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
図1(a)に示すように、本発明の排ガス浄化装置の一例である排ガス浄化装置100は、排ガス処理体130と、排ガス処理体130の外方を覆うケーシング110と、排ガス処理体130とケーシング110との間に配置された保持シール材120とから構成されており、ケーシング110の排ガスが導入される側の端部には、エンジン等の内燃機関に連結された導入管111が接続されており、ケーシング110の他端部には、外部に連結された排出管112が接続されている。保持シール材120の内部には、ヒータ161が配設されている。ヒータ161の端部には外部端子162が接続され、外部端子162を介して導電線163が外部に導出されているが、ケーシング110には、導電線導出用の貫通孔が形成され、貫通孔に絶縁性セラミックからなる外部導出部材170が配設され、この外部導出部材170を介して導電線163が外部に導出されている。また、導電線163は、断線等を防止するために、ケーシング110の内部では、コイル状となっている。なお、導電線163の形状は、断線等を防止できれば特に限定されず、コイル状の他にはジグザク状、波線状等が挙げられる。図1(a)中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で示している。
また、保持シール材120は、本発明の保持シール材の一例である。
なお、詳しくは後述するが、外方排ガス処理体ユニット142は、外方排ガス処理体ユニット141を、外方排ガス処理体ユニット141の長手方向に垂直な軸を中心に180°回転させた形状であり、外方排ガス処理体ユニット141と、外方排ガス処理体ユニット142とは、実質的に同一の形状であるが、便宜上両者を区別して記載する。
そのため、各排ガス処理体ユニットが保持シール材120から受ける面圧は均等になりやすくなる。すなわち、各排ガス処理体ユニットにかかる面圧が偏在しにくくなるので、各排ガス処理体ユニットが損傷しにくくなる。また、各排ガス処理体ユニット同士が対向する角部には、保持シール材120が2層存在しているので、各排ガス処理体ユニットの角部が損傷しにくくなる。さらに、保持シール材120が2層存在している部分からは、効率よく面圧を受けることができ、排ガス処理体130を構成する各排ガス処理体ユニットが抜け落ちることを防止しやすくなる。
なお、本発明の保持シール材120の説明において、保持シール材120の第1の主面121と、第2の主面122とは便宜上区別して説明する。しかし、本発明の保持シール材120において、両者を区別する必要はなく、保持シール材120を保持シール材120の長手方向に平行な軸を中心に反転させることにより入れ替えることができる。
内部保持シール材部125は、図1(b)に示す排ガス浄化装置100において、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設されている部分である。
外部保持シール材部126は、図1(b)に示す排ガス浄化装置100において、排ガス処理体130の周囲に配設されている部分である。
保持シール材120の厚さが20mmを超えると、保持シール材120の柔軟性が失われるので、保持シール材120を排ガス処理体ユニット間に配設する場合に扱いづらくなる。また、保持シール材120に巻きジワや割れが生じやすくなる。
保持シール材120の厚さが2.0mm未満であると、保持シール材120の面圧が排ガス処理体ユニットを保持するのに十分でなくなる。そのため、排ガス処理体130を構成する排ガス処理体ユニットが抜け落ちやすくなる。また、排ガス処理体ユニットに体積変化が生じた場合、保持シール材120は排ガス処理体ユニットの体積変化を吸収しにくくなる。そのため、排ガス処理体ユニットにクラック等が発生しやすくなる。
この保持シール材120では、ヒータ161として線状のヒータ161が用いられており、このヒータ161は、折り曲げる前の部分と折り曲げた後の部分とが屈曲部を介してほぼ平行になるように、一定の短い間隔で繰り返し折り曲げられている。 このように形成されたヒータ161は、長さ方向の端部側から観察すると、その輪郭は、ほぼ長方形の形状をなしており、左右に交互に形成された屈曲部分を介して幅方向に平行な直線が長手方向に繰り返された形状となっている。ヒータ161の発熱量の調整は、基本的には、ヒータ161の抵抗値を調整することにより行うことができるが、単位長さ当たりの平行線の間隔を調整することによっても、発熱量を調整することができる。また、ヒータ161は各排ガス処理体ユニットを均一な温度に加熱することができるように、保持シール材120の全体に配設されていることが望ましい。ヒータは、上記のことができる形状(パターン)であれば、図2(a)に示したパターンに限定されず、図13(a)及び(b)に示すような他の形状(パターン)であってもよい。図13(a)及び(b)に示すヒータについて、詳しくは後述することにする。
そのため、本発明の保持シール材120では、このように折り曲げられる保持シール材120の部分に、ヒータ161の屈曲部が配設されることが望ましい。また、このように折り曲げられる保持シール材120の部分に配設されるヒータ161の屈曲部は、あらかじめ保持シール材120が折り曲げられる方向に少し折り曲げられていてもよく、この部分の屈曲部が他の部分よりも太く作製されていてもよい。
このような構成であれば、ヒータ161の断線を防止することができる。
保持シール材120が折り曲げられる部分は、排ガス処理体ユニットの大きさ、及び、排ガス処理体130の大きさに応じてあらかじめ算出することができる。
ヒータ161が、保持シール材120の厚さに対して50%の位置にあると、隣り合う排ガス処理体ユニット同士の間に、保持シール材120が1層のみ介在しているので、隣り合う排ガス処理体ユニット同士の間の距離の半分の位置にヒータ161が位置することになる。そのため、ヒータ161から各排ガス処理体ユニットに熱が均等に伝わるので、各排ガス処理体ユニットを均等に加熱することができる。従って、各排ガス処理体ユニットにより構成される排ガス処理体130の全体を斑なく昇温させることができる。
無機繊維が、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、及び、シリカ繊維の少なくとも1種である場合には、耐熱性に優れているので、通電により排ガス処理体ユニットが発熱し充分な高温になった場合であっても、変質等が発生することはなく、保持シール材としての機能を充分に維持することができる。また、無機繊維が生体溶解性繊維である場合には、保持シール材を用いて排ガス浄化装置を作製する際に、飛散した無機繊維を吸入等しても、生体内で溶解するため、作業員の健康に害を及ぼすことがない。
無機繊維の平均繊維長が5mm未満であると、無機繊維の繊維長が短すぎるため、無機繊維同士の交絡が不充分となり、保持シール材のせん断強度が低くなる。また、無機繊維の平均繊維長が150mmを超えると、無機繊維の繊維長が長すぎるため、保持シール材の作製時における無機繊維の取り扱い性が低下する。その結果、排ガス処理体ユニットへの巻き付け性が低下し、保持シール材が割れやすくなる。
無機繊維の平均繊維径が1〜20μmであると、無機繊維の強度及び柔軟性が充分に高くなり、保持シール材120のせん断強度を向上させることができる。
無機繊維の平均繊維径が1μm未満であると、無機繊維が細く切れやすいので、無機繊維の引っ張り強度が不充分となる。一方、無機繊維の平均繊維径が20μmを超えると、無機繊維が曲がりにくいため、柔軟性が不充分となる。
また、保持シール材の嵩密度が0.30g/cm3を超えると、保持シール材が硬くなり、排ガス処理体ユニットへの巻き付け性が低下し、保持シール材が割れやすくなる。
また、エンジンを始動させ、排ガスを排ガス浄化装置100に到達させることにより、膨張材を膨らませようとすると、膨張材が膨らむ前に排ガスの圧力が保持シール材120にかかることになり、各排ガス処理体ユニットの脱落が発生しやすくなる。
上記排ガス浄化装置100を車両等に取り付ける前に、気体等をケーシングの内部に流通させることができる装置を用い、ヒータ161に通電して保持シール材120や各排ガス処理体ユニットを加熱する処理を行ってもよい。
膨張材の添加量は、特に限定されないが、保持シール材120の全重量に対して5〜50重量%であることが望ましく、10〜30重量%であることがより望ましい。
上記有機バインダのなかでは、ゴム系樹脂(ラテックス)等が望ましい。有機バインダを含有する有機バインダ含有液としては、例えば、カルボキシメチルセルロース又はポリビニルアルコール等の水溶性有機重合体を溶解させた溶液、アクリルゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム又はスチレン−ブタジエンゴムを水に分散させたラテックス等が挙げられる。
上記排ガス浄化装置100を車両等に取り付ける前に、気体等をケーシング110の内部に流通させることができる装置を用い、ヒータ161に通電して保持シール材120や各排ガス処理体ユニットを加熱する処理を行ってもよい。
このため、保持シール材120を用いた排ガス浄化装置100では、保持シール材120を構成する無機繊維同士が充分に絡まり合っており、保持シール材120から無機繊維が飛散したり、脱離するのを防止することができる。
内燃機関から排出された排ガスが、排ガス浄化装置100の内部の排ガス処理体130に到達すると、排ガスが排ガス処理体130を構成する内方排ガス処理体ユニット150の端面に到達することになる。内方排ガス処理体ユニット150の端面に到達した排ガス(図3(b)中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で表す)は、内方排ガス処理体ユニット(触媒担体)150の排ガス流入側の端面に開口したセル155に流入し、セル155に担持された触媒158と接しながら、セル155中を通過し、排ガス流出側の端面から排出される。この際、排ガス中のCOやHC、NOX等の有害なガス成分がセル壁156に担持された触媒158により浄化される。
このように、触媒が担持された排ガス処理体ユニットにより構成される排ガス処理体130は、触媒担体として好適に使用することができる。
外方排ガス処理体ユニット140、141及び142、並びに、内方排ガス処理体ユニット150をそれぞれ4つずつ組み合わせることにより略円柱状の排ガス処理体130を形成することができる。
外方排ガス処理体ユニット142は、外方排ガス処理体ユニット141を、外方排ガス処理体ユニット141の側面141cに垂直な軸を中心に180°回転させた形状であり、曲面状の側面142aは、排ガス処理体130の外周面を構成する。
また、外方排ガス処理体ユニット141との対応関係については、曲面状の側面142a、並びに、平面状の側面142b、142c及び142dは、それぞれ、曲面状の側面141a、並びに、平面状の側面141d、141c及び141bと対応する。
これらの触媒が担持されていると、COやHC、NOX等の有毒な排ガスを好適に浄化することができる。
ケーシング110は、主にステンレス、アルミニウム、鉄等の金属からなり、その形状は、図1(a)に示すように、両端部の内径が中央部の内径よりも小さい略円筒状であってもよいし、また、内径が一定である略円筒状であってもよい。
ケーシング110の内径(排ガス処理体130を収容する部分の内径)は、排ガス処理体130の端面の直径と排ガス処理体130に巻付けられた状態の保持シール材120の厚さとを合わせた長さより若干短くなっていることが望ましい。
最初に、塩基性塩化アルミニウム水溶液に、例えばアルミナ−シリカ組成比が60〜80:40〜20となるようにシリカゾルを添加し、アルミナ繊維前駆体用の溶液を調製する。特にアルミナ−シリカ組成比は、70〜74:30〜26程度であることがより望ましい。
開繊処理は、乾式開繊処理のみの単独で、又は、乾式開繊処理および湿式開繊処理の2段階処理で実施される。乾式開繊処理では、フェザーミル等の装置が使用され、前述の焼成シート状物が開繊される。なお、乾式開繊処理の前に、焼成シート状物を予め所望の寸法に粗切断しておいても良い。例えば、200mm×200mmの寸法の焼成シート状物を開始材料とした場合、乾式開繊処理によって、直径150mm程度の綿状の乾式開繊繊維が得られる。
まず、水と、前述の開繊繊維を、その濃度が0.5〜2.0wt%程度となるように攪拌機を備えた容器に添加し、例えば1〜5分程度撹拌する。次に、この液体に、有機結合材をその濃度が4〜8wt%程度となるように添加し、1〜5分程度撹拌する。またこの液体に、無機結合材をその濃度が0.5〜1.0wt%程度となるように添加し、1〜5分程度撹拌する。さらに、この液体に、凝集剤をその濃度が0.5wt%程度となるように添加し、最大約2分間程度撹拌を行い、原料スラリを調製する。
この後、有機バインダや無機バインダを保持シール材120に添着させてもよい。
本発明の排ガス浄化装置100の製造方法では、複数個の柱状の排ガス処理体ユニット同士の間に、一枚の保持シール材120を連続して介在させ巻き付け、上記柱状の排ガス処理体ユニットを複数個集合し、排ガス処理体130を形成する排ガス処理体作製工程と、保持シール材120をさらに排ガス処理体130の周囲に巻き付ける巻き付け工程と、保持シール材120がその周囲に巻き付けられた排ガス処理体130をケーシング110内部に収容する収容工程とを含む。
図5(a)〜(e)では、保持シール材120を各排ガス処理体ユニットに巻き付ける工程を、各排ガス処理体ユニットの長手方向に垂直な方向で切断した断面図を用いて示している。
また、図6は、本発明の排ガス浄化装置を構成する排ガス処理体の一例を示す模式図である。
この際、外方排ガス処理体ユニット140の両端面140e、140fを支持棒(図示せず)等で固定しておく必要がある。また、保持シール材120の第1の端部123が移動しないように、保持シール材120の第1の端部123近傍に接着材を塗布して外方排ガス処理体ユニット140の側面140aに貼り付けるか、板状体を用いて保持シール材120を外方排ガス処理体ユニット140の側面140aに押し付け、固定してもよい。
この状態を保つためには、上記のように外方排ガス処理体ユニット141を配設するとともに、外方排ガス処理体ユニット141の側面の保持シール材120を巻き付けた後、外方排ガス処理体ユニット141の端面141e、141fを支持棒(図示せず)等で固定する必要がある。以下の工程においても、本工程と同様に、各排ガス処理体ユニットに保持シール材120を巻き付けた後、排ガス処理体ユニットの両端面を固定する必要がある。固定化に関する記載内容は、本工程と同様であるので、以下においては、その記載を省略することとする。
外方排ガス処理体ユニット1142は、外方排ガス処理体ユニット142を、外方排ガス処理体ユニット142の長手方向に平行な軸を中心に反時計方向に90°回転させた形状である。
外方排ガス処理体ユニット1141の側面1141bと、外方排ガス処理体ユニット1140の側面1140cとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1141の側面1141cと、外方排ガス処理体ユニット1140の側面1140bとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1141を配置している。
内方排ガス処理体ユニット150の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット142の側面142cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット150を配置している。
内方排ガス処理体ユニット1150の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット141の側面141cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット1150を配置している。
外方排ガス処理体ユニット1142の側面1142dと、外方排ガス処理体ユニット1140の側面140bとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1142の側面1142cと、側面140cとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1142を配置している。
保持シール材120の第1の主面121を、外方排ガス処理体ユニット1141の側面1141b、及び、1141cに沿うように接触させながら、保持シール材120を外方排ガス処理体ユニット1141に巻き付けている。
そして、保持シール材120の第1の主面121と、第2の主面122とが、隣り合う内方排ガス処理体ユニット150及び1150、並びに、外方排ガス処理体ユニット1142の側面に交互に接触するように、保持シール材120を、各排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際、保持シール材120の第1の主面121と、第2の主面122とが、隣り合う排ガス処理体ユニットの側面に交互に接触するように、保持シール材120を、排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際の各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類は、上記の断面形状が略半円形の排ガス処理体ユニットの集合体を半円の中心を軸に180°回転させた各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類と一致する。
上記工程の後、本発明の排ガス浄化装置100の製造方法では、図7に示すように排ガス処理体130の周囲の反時計方向に沿って、外部保持シール材部126を排ガス処理体130に巻き付ける。
収容工程では、周囲に保持シール材120が配設された排ガス処理体130を、ケーシング110に収容する。
収容後に保持シール材120が圧縮して所定の面圧(すなわち、排ガス処理体130を保持する力)を発揮するために、ケーシング110の内径は、周囲に保持シール材120が配設された排ガス処理体130の最外径より少し小さくなっている。
収容後、導電線163をケーシング110に配設された外部導出部材170から取り出す。
また、同様に、保持シール材120や排ガス処理体130が有機バインダ等の有機物を含んでいる場合、エンジンを始動する前に内部に配設されたヒータ161に通電することにより、有機バインダ等の有機物を分解、消失させることができ、車両に取り付けられたセンサー等の誤動作を防止することができる。排ガス浄化装置100を車両等に取り付ける前に、ヒータ161に通電して加熱する処理を行ってもよい。
また、保持シール材220は、本発明の保持シール材の一例である。
すなわち、横に並んだ排ガス処理体ユニットの間には、保持シール材200を排ガス処理体ユニットの側面に沿って下降させた後に折り曲げ、2層にしており、上下の排ガス処理体ユニットの間では、上層は、連続した一つの層となっている。
また、一枚の保持シール材220を用いて、外方排ガス処理体ユニット240、241、及び、242、並びに、内方排ガス処理体ユニット250の対向する面にのみ介装することは難しいので、保持シール材220は、排ガス処理体230の周囲の一部にも配設されており、最終的には、排ガス処理体230の外周全体にもう一度保持シール材220を巻き付けるため、排ガス処理体230の外周全体にもう一度保持シール材220が巻き付けられている。そのため、排ガス処理体230の外周部分には、保持シール材220が2層となっている部分が存在している。
また、各排ガス処理体ユニットの間に存在する単位面積当たりの無機繊維の量をより多くすることができ、各排ガス処理体ユニットが破損しにくく、より保温効果に優れた排ガス処理体230を実現することができる。
さらに、上記本発明の排ガス浄化装置100の説明で述べたような各排ガス処理体ユニット同士の間にある保持シール材120が1層になるように配設された場合と同様、各排ガス処理体ユニットが保持シール材220から受ける面圧は均等になりやすくなる。すなわち、各排ガス処理体ユニットにかかる面圧が偏在しにくくなるので、各排ガス処理体ユニットが損傷しにくくなる。
また、各排ガス処理体ユニット同士の間の保持シール材220が介在しているので、各排ガス処理体ユニット同士の間の距離が均等になる。そのため、外部から衝撃を受けた場合でも、各排ガス処理体ユニットに衝撃が均等に伝わりやすくなる。さらに、各排ガス処理体ユニットに伝わる熱も均等に伝わりやすくなる。そのため、外部からの衝撃や熱衝撃を受けた場合でも、各排ガス処理体ユニットにクラック等の損傷が生じにくくなる。
一般的に、排ガス浄化装置を用いる場合、保持シール材の排ガス浄化装置の底部に配設されている部分は、重力の影響により荷重がかかるので、保持シール材に損傷が生じやすくなり、また、保持シール材の面圧も低下しやすくなる。
保持シール材220が2層になっている部分が、排ガス浄化装置200の底部に位置するように配設されていると、重力の影響により、保持シール材220に荷重がかかったとしても、保持シール材220が2層存在しているので、損傷を防ぎやすくなり、また、保持シール材220の面圧も維持しやすくなる。
なお、本発明の保持シール材220の説明において、保持シール材220の第1の主面221と、第2の主面222とは便宜上区別して説明する。しかし、本発明の保持シール材220において、両者を区別する必要はなく、保持シール材220を保持シール材220の長手方向に平行な軸を中心に反転させることにより入れ替えることができる。
内部保持シール材部225は、図8に示す排ガス浄化装置200において、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設されている部分である。
外部保持シール材部226は、図8に示す排ガス浄化装置200において、排ガス処理体230の周囲に配設されている部分である。
保持シール材220の厚さが20mmを超えると、保持シール材220の柔軟性が失われるので、保持シール材220を排ガス処理体ユニット間に配設する場合に扱いづらくなる。また、保持シール材220に巻きジワや割れが生じやすくなる。また、本発明の排ガス浄化装置200においては、各排ガス処理体ユニットの間に2層の保持シール材220を配設するので、上記望ましい厚さの上限を超えると、保持シール材220の間に隙間が出来やすくなる。
保持シール材220の厚さが2.0mm未満であると、保持シール材220の面圧が排ガス処理体ユニットを保持するのに十分でなくなる。そのため、排ガス処理体230を構成する排ガス処理体ユニットが抜け落ちやすくなる。また、排ガス処理体ユニットに体積変化が生じた場合、保持シール材220は排ガス処理体ユニットの体積変化を吸収しにくくなる。そのため、排ガス処理体ユニットにクラック等が発生しやすくなる。
後述するように保持シール材220は、第1の主面221のみが各排ガス処理体ユニットに接触するように巻き付けられる。排ガス処理体ユニットを効率よく加熱するためには、ヒータ261と排ガス処理体ユニットとの間の距離がある程度狭いことが望ましい。従って、ヒータ261は、完成された保持シール材220の厚さに対して、15〜50%の位置が望ましく、15〜30%の位置がより望ましい。
図10(a)〜(e)では、保持シール材220を各排ガス処理体ユニットに巻き付ける工程を、各排ガス処理体ユニットの長手方向に垂直な方向で切断した断面図を用いて示している。
また、図11は、本発明の排ガス浄化装置を構成する排ガス処理体の一例を示す模式図である。
この状態を保つためには、上記のように外方排ガス処理体ユニット241を配設するとともに、外方排ガス処理体ユニット241の側面の保持シール材220を巻き付けた後、外方排ガス処理体ユニット241の端面を支持棒(図示せず)等で固定する必要がある。以下の工程においても、本工程と同様に、各排ガス処理体ユニットに保持シール材220を巻き付けた後、排ガス処理体ユニットの両端面を固定する必要がある。固定化に関する記載内容は、本工程と同様であるので、以下においては、その記載を省略することとする。
外方排ガス処理体ユニット1242は、外方排ガス処理体ユニット242を、外方排ガス処理体ユニット242の長手方向に平行な軸を中心に反時計方向に90°回転させた形状である。
外方排ガス処理体ユニット1241の側面1241bと、外方排ガス処理体ユニット1240の側面1240cとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1241の側面1241cと、外方排ガス処理体ユニット1240の側面1240bとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1241を配置している。
内方排ガス処理体ユニット250の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット242の側面242cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット250を配置している。
内方排ガス処理体ユニット1250の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット241の側面241cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット1250を配置している。
外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242dと、外方排ガス処理体ユニット1240の側面240bとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242cと、側面240cとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1242を配置している。
保持シール材220の第1の主面221を、外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242a、1242b、及び、1242cに沿うように接触させながら、保持シール材220を外方排ガス処理体ユニット1242に巻き付けている。次に、外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242bと保持シール材220の第1の主面221とが接触している終点を支点に、保持シール材220を反対に折り曲げる。
以下同様に、保持シール材220の第1の主面221のみが、内方排ガス処理体ユニット1250、250、及び、1241に接触するように、保持シール材220を排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際、保持シール材220の第1の主面221のみが排ガス処理体ユニットに接触するように、保持シール材220を、各排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際の各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類は、上記の断面形状は略半円形の排ガス処理体ユニットの集合体を半円の中心を軸に180°回転させた各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類と一致する。
収容後に保持シール材220が圧縮して所定の面圧(すなわち、排ガス処理体を保持する力)を発揮するために、ケーシング210の内径は、周囲に保持シール材220が配設された排ガス処理体230の最外径より少し小さくなっている。
以上の方法により、図8に示す排ガス浄化装置200を製造することができる。
図13(a)及び(b)に示す保持シール材320及び420は、本発明の保持シール材の一例である。
本発明の保持シール材320又は420は、保持シール材を構成するマットの内部にヒータが配設されている点で、上記本発明の保持シール材120と同様であるが、ヒータの形状(パターン)が異なる。
図13(a)に示す保持シール材320では、ヒータ361が屈曲部を介して長手方法に繰り返し進展する形状を有している。図13(a)に示すような形状のヒータ361であるとヒータがより広い部分をカバーすることができ、効率の良い加熱が可能である。また、マットを排ガス処理体に巻き付ける際の引っ張り力に対しても柔軟に伸展することが可能でありヒータの断線を防止することができる。
本発明の保持シール材320又は420の作製方法では、上記本発明の保持シール材120の製造方法で説明した(B)及び(C)の方法について詳しく説明する。
上記金属粒子がリン片状物、または、球状物とリン片状物との混合物の場合は、金属粒子間に金属酸化物等を挿入しやすくなり、抵抗値を大きくすることができるため有利である。
導体ペーストに使用される樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。また、溶剤としては、例えば、イソプロピルアルコール等が挙げられる。増粘剤としては、セルロース等が挙げられる。
図14は、本発明の保持シール材の一例を模式的に示す斜視図である。
図14に示す保持シール材520は、本発明の保持シール材の一例である。
内部保持シール材部525は、本発明の排ガス浄化装置において、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設される部分である。
外部保持シール材部526は、本発明の排ガス浄化装置において、排ガス処理体の周囲に配設される部分である。
このように保持シール材520を嵌合させると、保持シール材を巻き付けた排ガス処理体を持ち運ぶ際に保持シール材520がずれにくくなり、ハンドリングが向上する。
また、本発明の排ガス浄化装置100又は200では、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設された保持シール材の層の数は同じであったが、本発明の排ガス浄化装置では、各排ガス処理体ユニット同士の間で異なっていてもよい。
そのため、単にこれら複数種類の排ガス処理体ユニットを保持シール材を介して組み合わせるのみで、簡単に排ガス処理体を構成することができる。また、予め、所定の排ガス処理体の形状が形成される組み合わせとなる種々の形状の排ガス処理体ユニットを製造しておくことにより、要求される種々の形状の排ガス処理体を容易に作製することができ、排ガス処理体の形状に関する多様な要求に比較的容易に答えることができる。
気孔率が35%未満であると、ガス処理体がすぐに目詰まりを起こすことがあり、一方、気孔率が60%を超えると、排ガス処理体ユニットの強度が低下して容易に破壊されることがあるからである。
また、上記排ガス処理体ユニットの平均気孔径は5〜30μmであることが望ましい。
平均気孔径が5μm未満であると、PMが容易に目詰まりを起こすことがあり、一方、平均気孔径が30μmを超えると、PMが気孔を通り抜けてしまい、PMを捕集することができず、フィルタとして機能することができないことがあるからである。
なお、上記気孔率及び気孔径は、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の従来公知の方法により測定することができる。
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
(1)保持シール材準備工程
(a−1)紡糸工程
Al含有量が70g/lであり、Al:Cl=1:1.8(原子比)となるように調製した塩基性塩化アルミニウム水溶液に対して、焼成後の無機繊維における組成比が、Al2O3:SiO2=72:28(重量比)となるようにシリカゾルを配合し、さらに、有機重合体(ポリビニルアルコール)を適量添加して混合液を調製した。
得られた混合液を濃縮して紡糸用混合物とし、この紡糸用混合物をブローイング法により紡糸して平均繊維長が100mm、平均繊維径が5.1μmである無機繊維前駆体を作製した。
上記工程(a−1)で得られた無機繊維前駆体を圧縮して、連続したシート状物を作製した。
上記工程(a−2)で得られたシート状物に対して、以下に示す条件を用いて連続的にニードルパンチング処理を行ってニードルパンチング処理体を作製した。
まず、ニードルが21個/cm2の密度で取り付けられたニードルボードを準備した。次に、このニードルボードをシート状物の一方の表面の上方に配設し、ニードルボードをシート状物の厚さ方向に沿って一回上下させることによりニードルパンチング処理を行い、ニードルパンチング処理体を作製した。この際、ニードルの先端部分に形成されたバーブがシート状物の反対側の表面に完全に貫出するまでニードルを貫通させた。
上記工程(a−3)で得られたニードルパンチング処理体を最高温度1250℃で連続して焼成し、アルミナとシリカとを含む無機繊維からなる焼成シート状物を作製した。無機繊維の平均繊維径は、5.1μmであり、無機繊維径の最小値は、3.2μmであった。このようにして得られたアルミナ繊維製保持シール材は、嵩密度が0.15g/cm3であり、目付量が1400g/m2である。
上記工程(a−4)で得られた焼成シート状物に対し、フェザーミルを用いて開繊処理を行い、この開繊された繊維と水とを、繊維の濃度が1.5wt%となるように攪拌機に添加し、5分間撹拌した。次に、この液体に、アクリルゴムを水に分散させたラテックス(日本ゼオン株式会社製 LX−811H)をその濃度が6wt%となるように添加し、5分間撹拌した。この液体に、シリカゾルをその濃度が0.8wt%となるように添加し、1〜5分程度撹拌した。さらに、この液体に、凝集剤としてパコール292(シバスペシャリティ(Ciba Specialty Chemicals)社製)を、その濃度が0.5wt%となるように添加し、約2分間程度撹拌を行い、原料スラリを調製した。
得られた原料スラリをマットの形状と同形状の成形器に投入し、所定形状の原料シートを形成し、さらに脱水を行った。このとき原料シートの厚さは、マットを完成させた際の半分程度の厚さであった。
次に、この原料シートの上にカンタル線からなる図1に示した形状のヒータ161を載置し、もう一度、原料スラリを成形器に投入して脱水を行い、内部にヒータが配設された原料シートを作製した。
この原料シートを成形器から取り出し、プレス器により圧縮するとともに、150℃の温度で40分間加熱、乾燥させ、ヒータ161が内部に配設された、平面視寸法が全長1500mm×幅100mmの保持シール材120の作製を完了した。
(b−1)成形体作製工程
平均粒子径22μmを有する炭化ケイ素の粗粉末52.8重量%と、平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の微粉末22.6重量%とを混合し、得られた混合物に対して、アクリル樹脂2.1重量%、有機バインダ(メチルセルロース)4.6重量%、潤滑剤(日本油脂社製 ユニルーブ)2.8重量%、グリセリン1.3重量%、及び、水13.8重量%を加えて混練して湿潤混合物を得た後、押出成形する押出成形工程を行い、図3(a)及び図4(a)〜(c)に示す排ガス処理体ユニットの形状と略同一の形状の排ガス処理体ユニットの成形体を4つずつ作製した。
上記工程(b−1)で得られた排ガス処理体ユニットの成形体を、マイクロ波乾燥機を用いて上記生の排ガス処理体ユニットの成形体を乾燥させ、排ガス処理体ユニットの乾燥体とした。
上記工程(b−2)で得られた排ガス処理体ユニットの乾燥体を400℃で脱脂し、排ガス処理体ユニットの脱脂体とした。
上記工程(b−3)で得られた排ガス処理体ユニットの脱脂体を常圧のアルゴン雰囲気下2200℃、3時間の条件で焼成工程を行い、気孔率が45%、平均気孔径が15μm、セルの数(セル密度)が300個/inch2、セル壁の厚さが0.25mm(10mil)の炭化ケイ素焼結体を製造した。
上記工程(b−4)で得られた排ガス処理体ユニットの炭化ケイ素焼結体を、硝酸白金溶液に浸漬した後、600℃で1時間保持することにより、排ガス処理体ユニットの炭化ケイ素焼結体のセル壁に白金触媒を担持させた。
このようにして作製された炭化ケイ素焼結体は、本実施例の排ガス処理体ユニットとなる。
上記排ガス処理体130を形成する方法により、保持シール材120を各排ガス処理体ユニットに巻き付け、排ガス処理体130を形成した。排ガス処理体130は全長105mmの略円柱状であり、外径は145mmであった。
(4)巻き付け工程
次に、この排ガス処理体130の外周面全体に外部保持シール材部126を巻き付けた。
この際、排ガス処理体130に巻き付けられていない、外部保持シール材部126の余剰部分を切断した。
(c−1)排ガス処理体の収容
圧入方式(スタッフィング方式)により、排ガス処理体130をケーシング110に圧入した。保持シール材120の隙間嵩密度(GBH)は0.4g/cm3とした。
ケーシング110に配設された外部導出部材170から導電線163を導出した。
このようにして得られた排ガス浄化装置100に関し、実験用の内燃機関の排気通路に設置し、ヒータ161に電圧を印加し、排気ガスを流しながら、排ガス浄化装置100を構成する触媒担体(排ガス処理体130)の温度を測定したところ、いずれも15秒以内で、触媒として機能する400℃に到達し、触媒担体が短時間に迅速に昇温することが確認された。
係る必須の構成要件に、本発明の詳細な説明で詳述した種々の構成(例えば、ヒータの形状、ヒータの構成材料、ヒータの配設位置、保持シール材の構成材料、保持シール材の排ガス浄化装置への使用方法、保持シール材の製造方法等)を適宜組み合わせることにより所望の効果を得ることができる。
110、210 ケーシング
111 導入管
112 排出管
120、220、320、420、520 保持シール材
121、221、521 第1の主面
122、222、522 第2の主面
123、223、523 第1の端部
124、224、524 第2の端部
125、225、525 内部保持シール材部
126、226、526 外部保持シール材部
130、230 排ガス処理体
140、141、142、1140、1141、1142、240、241、242、1240、1241、1242 外方排ガス処理体ユニット
150、1150、250、1250 内方排ガス処理体ユニット
155 セル
156 セル壁
157 外周壁
158 触媒
161、261、361、461、561 ヒータ
162 262 外部端子
163、263 導電線
170 外部導出部材
Claims (6)
- 柱状の排ガス処理体ユニットが複数個集合して形成される排ガス処理体と、
前記排ガス処理体の周囲に配設された保持シール材と、
前記排ガス処理体を収容するケーシングとを備える排ガス浄化装置であって、
前記保持シール材は、無機繊維を含む平面視矩形状のマットからなり、
前記保持シール材の内部にはヒータが配設されており、
前記排ガス処理体を構成する全ての前記排ガス処理体ユニット同士の間には、連続する一枚の前記保持シール材が介在されていることを特徴とする排ガス浄化装置。 - 前記ヒータは、保持シール材の厚さに対して、15〜50%の位置に配設されている請求項1に記載の排ガス浄化装置。
- 前記排ガス処理体は、複数の形状の異なる柱状の排ガス処理体ユニットを組み合わせることにより、所定の排ガス処理体の形状が形成されている請求項1又は2に記載の排ガス浄化装置。
- 前記排ガス処理体ユニットの構成材料は、コージェライト、炭化ケイ素及び金属からなる群から選択される少なくとも1種である請求項1〜3のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の排ガス浄化装置の製造方法であって、
内部にヒータが配設された無機繊維からなる保持シール材を作製する保持シール材作製工程と、
複数個の柱状の排ガス処理体ユニット同士の間に、一枚の前記保持シール材を連続して介在させ巻き付け、前記柱状の排ガス処理体ユニットを複数個集合し、排ガス処理体を形成する排ガス処理体作製工程と、
前記保持シール材をさらに前記排ガス処理体の周囲に巻き付ける巻き付け工程と、
前記保持シール材がその周囲に巻き付けられた前記排ガス処理体をケーシング内部に収容する収容工程とを含み、
前記保持シール材作製工程は、さらに、
目的とする厚さより薄い無機繊維の積層体を作製する工程と、
得られた前記無機繊維の積層体の上に前記ヒータを載置する工程と、
前記ヒータが載置された前記無機繊維の積層体の上に、さらに無機繊維を積層する工程とを含むことを特徴とする排ガス浄化装置の製造方法。 - 前記収容工程の後、前記ヒータに通電を行い、該排ガス浄化装置の内部を加熱する請求項5に記載の排ガス浄化装置の製造方法。
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