CN110997142B - 排气净化用的金属基材和使用该金属基材的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够兼备低的压力损失和高的净化性能的排气净化用的金属基材和使用了该金属基材的排气净化装置。本发明涉及一种开孔金属基材，其是波箔和平箔层叠并成为筒状的排气净化用的开孔金属基材，具有50个/平方英寸～800个/平方英寸的孔室，所述波箔具有多个第1孔，所述第1孔具有所述孔室的平均开孔面积的2.0倍以上且50倍以下的面积，所述平箔具有多个第2孔，所述第2孔具有所述孔室的平均开孔面积的3.0倍以上且100倍以下的面积，并且，所述波箔的所述第1孔的面积的平均值小于所述平箔的所述第2孔的面积的平均值。

Description

排气净化用的金属基材和使用该金属基材的排气净化装置
技术领域
本发明涉及排气净化用的金属基材和使用该金属基材的排气净化装置。本发明尤其地涉及能够兼备低的压力损失和高的净化性能的排气净化用的金属基材和使用该金属基材的排气净化装置。
背景技术
使用了金属制的基材(金属基材)的排气净化装置，被广泛地用作为两轮车用、发电机用、农作机械用等的内燃机的排气净化装置。金属基材一般为加工成波状的金属箔与平坦的金属箔的层叠体的筒状体。例如，如图2所示那样，一般地，金属基材(10)通过将金属箔加工成波状来得到波箔(1)，然后，将波箔(1)和作为平坦的金属箔的平箔(2)一起卷绕，从而形成为筒状。这样得到的筒状体被随意地插入到外筒(4)中。
如图3所示，包含波箔和平箔的金属基材在从筒状体的轴向观看的情况下具有多个孔室。在金属基材上形成有催化剂层的排气净化装置中，排气从该孔室内通过，并与存在于孔室的壁面的催化剂层接触，由此被净化。
专利文献1和2公开了在如上述那样的波箔和平箔上具有孔的开孔金属基材以及使用了该开孔金属基材的排气净化装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2004/022937号
专利文献2：日本特开2009-178647号公报
发明内容
使用了这样的开孔金属基材的排气净化装置，因具有孔，热容量相应地较小，因此预热(暖机)时的排气净化性能变得良好。另外，使用了开孔金属基材的排气净化装置，通过存在孔而对气流给予影响，能够给予高的净化性能。但是同时存在压力损失也变高的课题。压力损失大的排气净化装置，由于使其内燃机的燃油经济性恶化，因此希望压力损失低。
因此，本发明的目的是提供能够兼备低的压力损失和高的净化性能的排气净化用的金属基材和使用了该金属基材的排气净化装置。
本发明人发现，通过具有以下的方式的本发明能够解决上述课题。
《方式1》
一种开孔金属基材，是波箔和平箔层叠并成为筒状的排气净化用的开孔金属基材，
具有50个/平方英寸～800个/平方英寸的孔室，
所述波箔具有多个第1孔，所述第1孔具有所述孔室的平均开孔面积的2.0倍以上且50倍以下的面积，
所述平箔具有多个第2孔，所述第2孔具有所述孔室的平均开孔面积的3.0倍以上且100倍以下的面积，并且，
所述波箔的所述第1孔的面积的平均值小于所述平箔的所述第2孔的面积的平均值。
《方式2》
根据方式1所述的开孔金属基材，所述波箔的所述第1孔的合计面积为所述波箔的所有的孔的合计面积的60％以上，且/或所述平箔的所述第2孔的合计面积为所述平箔的所有的孔的合计面积的60％以上。
《方式3》
根据方式1或2所述的开孔金属基材，所述波箔的所述第1孔具有3.0mm2～100mm2的面积，并且，所述平箔的所述第2孔具有5.0mm2～200mm2的面积。
《方式4》
根据方式1～3的任一项所述的开孔金属基材，所述平箔的所述第2孔的面积的平均值相对于所述波箔的所述第1孔的面积的平均值之比为1.5～10.0的范围。
《方式5》
根据方式1～4的任一项所述的开孔金属基材，平箔和波箔的开孔率分别为10％～90％的范围。
《方式6》
根据方式1～5的任一项所述的开孔金属基材，所述孔室的平均开孔面积为0.50mm2～7.0mm2。
《方式7》
根据方式1～6的任一项所述的开孔金属基材，所述波箔和所述平箔的厚度分别为20μm～500μm的范围。
《方式8》
一种排气净化装置，具有方式1～7的任一项所述的开孔金属基材和形成于所述开孔金属基材上的催化剂层。
附图说明
图1概略性地示出本发明的金属基材的一个方式。关于孔的大小、间距、个数等，没有精确地示出。
图2是表示由波箔和平箔构成的金属基材的一般性的制造工序的概略图。
图3示出从轴向观察由波箔和平箔构成的金属基材的情况下的一例的照片。
图4示出使用了300个/平方英寸的孔室的、实施例和比较例的压力损失和净化性能。
图5示出使用了100个/平方英寸的孔室的、实施例和比较例的压力损失和净化性能。
具体实施方式
本发明的排气净化用的开孔金属基材，具有被层叠并成为筒状的波箔和平箔，具有50个/平方英寸～800个/平方英寸的孔室。波箔具有多个第1孔，所述第1孔具有孔室的平均开孔面积的2.0倍以上且50倍以下的面积，平箔具有多个第2孔，所述第2孔具有孔室的平均开孔面积的3.0倍以上且100倍以下的面积。另外，波箔的第1孔的面积的平均值小于平箔的第2的面积的平均值，即，特定范围面积c的平均值小于特定范围面积s的平均值。
如图1所示，本发明的排气净化用的开孔金属基材(10)，具有被层叠并成为筒状的波箔(1)和平箔(2)，具有由波箔(1)和平箔(2)构成的孔室(3)。波箔(1)具有第1孔(1a)，平箔(2)具有第2孔(2a)。
在使用了以往的开孔金属基材的排气净化装置中，虽然通过存在孔，净化性能提高，但是存在压力损失恶化的倾向。
作为若存在孔则净化性能提高的原因，可想到以下的原因。即，若存在孔，则波箔和平箔的几何学表面积变小，排气与催化剂层的接触面积也变小，但同时地发生排气流的扩大和收缩，壁面附近的流动变得混乱。由此，排气与催化剂层的层界面的界膜变薄，在该界面的物质移动速度提高。可以认为，由于相比于接触面积的减少，物质移动速度的提高强烈地贡献，因此通过存在孔，净化性能提高。另外，通过存在孔，排气能够在相邻的孔室间扩散。可以认为，在内燃机中，排气配管截面的流速分布不均匀，因此在径向存在排气流的偏集，其结果，排气净化变得无效率，但是，通过在相邻的孔室间的气体扩散，该排气流的偏集被消除，因此排气净化性能提高。
作为若存在孔则压力损失变高的原因，可想到以下的原因。通过存在孔，波箔和平箔的几何学表面积变小，排气与催化剂层的接触面积也变小，因此压力损失变小，但是，另一方面，在净化装置内在径向上排气流进行扩大、缩小、分支、合流等，因此发生各自的压力损失。认为由于该压力损失的贡献大，因此压力损失变高。
从这样的情况出发，在使用了以往的开孔金属基材的排气净化装置中，压力损失与净化性能成为折衷的关系。
与此相对，本发明人发现，如上述那样的开孔金属基材能够出乎意料地提供能够兼备低的压力损失和高的净化性能的排气净化装置。认为虽然不被理论约束，但是这起因于通过平箔的孔和波箔的孔分别对压力损失和净化性能给予的影响不同。即，推测是因为：若增大波箔的孔，则在改善(降低)压力损失的同时净化性能也恶化，与此相对，即使增大平箔的孔，也压力损失的改善(降低)有效果且净化性能的恶化不那么大。而且认为，在特定的面积的范围，波箔的孔小、平箔的孔大的情况下，能够兼备低的压力损失和高的净化性能。
存在于波箔以及平箔的孔分别可以其全部为相同的大小，另外，也可以在能得到本发明的效果的范围为不同的大小。另外，优选存在于波箔以及平箔的孔的全部分别为上述第1孔以及上述第2孔。但是，在能得到本发明的有利的效果的范围，存在于波箔以及平箔的孔的一部分不需要分别为上述第1孔以及上述第2孔。例如，波箔的第1孔的合计面积为波箔的所有的孔的合计面积的60％以上、70％以上、80％以上、90％以上、或95％以上，且/或平箔的第2孔的合计面积为平箔的所有的孔的合计面积的60％以上、70％以上、80％以上、90％以上、或95％以上。
波箔具有多个第1孔，所述第1孔具有孔室的平均开孔面积的2.0倍以上且50倍以下的面积。例如，第1孔的面积可以为3.0mm2以上、4.0mm2以上、5.0mm2以上、10mm2以上、20mm2以上、或50mm2以上，可以为100mm2以下、80mm2以下、60mm2以下、40mm2以下、或20mm2以下。
波箔的孔，其全部或其一部分可以为圆形或椭圆形，也可以为非圆形、例如多角形。波箔的孔的等效直径和/或波箔的第1孔的等效直径可以为2.0mm以上、2.5mm以上、3.0mm以上、4.0mm以上、5.0mm以上、或7.0mm以上，可以为20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、5.0mm以下、或4.0mm以下。再者，所谓等效直径，是指具有与其面的外周长度相等的外周长度的正圆的直径。
平箔具有多个第2孔，所述第2孔具有孔室的平均开孔面积的3.0倍以上且100倍以下的面积。例如，第2孔的面积可以为3.0mm2以上、4.0mm2以上、5.0mm2以上、10mm2以上、20mm2以上、或50mm2以上，可以为100mm2以下、80mm2以下、60mm2以下、40mm2以下、或20mm2以下。
平箔的孔，其全部或其一部分可以为圆形或椭圆形，也可以为非圆形、例如多角形。平箔的孔的等效直径和/或平箔的第2孔的等效直径可以为3.0mm以上、3.5mm以上、5.0mm以上、8.0mm以上、10mm以上、或12mm以上，可以为25mm以下、20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、或5.0mm以下。
平箔的第2孔的面积的平均值相对于波箔的第1孔的面积的平均值之比(第1孔的面积的平均值/第2孔的面积的平均值)超过1.0，例如可以为1.2以上、1.5以上、2.0以上、3.0以上、或5.0以上，可以为15以下、10以下、8.0以下、6.0以下、4.0以下、或3.0以下。
平箔以及波箔的孔，在筒状的金属基材的轴向上相邻的孔的间距(相邻的孔的中心间距离)，分别可以为5.0mm以上、6.0mm以上、8.0mm以上、10.0mm以上、12mm以上、或15mm以上，可以为25mm以下、20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、或5.0mm以下。再者，在该情况下，波箔的孔的间距是指将波箔拉伸成平坦的情况下的间距。
平箔以及波箔的孔，在筒状的金属基材的周向上相邻的孔的间距，分别可以为5.0mm以上、6.0mm以上、8.0mm以上、10.0mm以上、12mm以上、或15mm以上，可以为25mm以下、20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、或5.0mm以下。再者，在该情况下，波箔的孔的间距是指将波箔拉伸成平坦的情况下的间距。
平箔和波箔的开孔率(因存在孔而减少的体积的比例)分别可以为10％以上、20％以上、30％以上、40％以上、50％以上、或60％以上，可以为80％以下、70％以下、60％以下、50％以下、40％以下、或30％以下。
平箔和波箔的孔可以遍及筒状的金属基材的周向和轴向的全部来均等地存在，也可以偏集于一部分的场所。例如，平箔和波箔的孔可以不存在于其端部。另外，也可以如专利文献2中记载的那样平箔和波箔的孔不存在于轴向的中央部分。
本发明的金属基材，具有50个/平方英寸～800个/平方英寸的孔室。例如，孔室可以为80个/平方英寸以上、100个/平方英寸以上、150个/平方英寸以上、200个/平方英寸以上、或300个/平方英寸以上，可以为600个/平方英寸以下、400个/平方英寸以下、300个/平方英寸以下、或200个/平方英寸以下。
孔室的平均开孔面积能够从上述的孔室数来计算，可以为0.50mm2以上、0.80mm2以上、1.0mm2以上、1.5mm2以上、2.0mm2以上、3.0mm2以上、或5.0mm2以上，可以为13mm2以下、10mm2以下、7.0mm2以下、5.0mm2以下、3.5mm2以下、或2.0mm2以下。
在本发明的金属基材中，波箔和平箔层叠并成为筒状。在本发明的金属基材中，可以波箔与平箔的1个层叠体或多个层叠体单纯地卷起来而形成为筒状体，或者，也可以如专利文献1中记载的那样多个层叠体被卷成S字状等而形成为筒状体。
在本发明的金属基材中使用的波箔的波形形状，并不限定于如图3中记载的那样的波形形状，也可以以Ω(omega)波状或锯齿状(之字形：zigzag)的形状来形成。
波箔和平箔的厚度并无特别限定，但分别可以为20μm以上、40μm以上、80μm以上、或100μm以上，可以为500μm以下、300μm以下、200μm以下、100μm以下、或80μm以下。
冲孔能够通过使用冲孔机等以成为所期望的开孔率的方式将金属箔整体性地冲孔来设置。再者，该孔的形状并无特别限定。
本发明的金属基材可以随意地具有外筒。可以将筒状的波箔和平箔配置于外筒的内侧，并采用钎焊等的手段来将它们接合。
本发明的金属基材的制造方法可包括以下步骤：利用冲孔机等将金属箔进行穿孔，得到上述那样的平箔；将平箔加工成波状，得到上述那样的波箔；以及，将平箔和波箔层叠并筒状化。另外，该方法也可以包括下述步骤：随意地将筒状化了的波箔和平箔插入到外筒中而固定。
本发明的排气净化装置包含上述的开孔金属基材和形成于开孔金属基材上的催化剂层。作为催化剂层，能够采取作为具有排气净化能力的催化剂层而在本领域中公知的构成，例如，催化剂层可具有设置于金属基材的表面的金属氧化物载体和担载于该载体上的贵金属。
作为金属氧化物载体，能够列举例如二氧化铈、氧化锆、氧化铝、稀土金属氧化物等以及由它们中的多个形成的复合氧化物等。
作为贵金属的例子，能够列举例如铂、钯、铑等。这些贵金属能够作为例如粒径1nm以上且100nm以下的粒子而担载于金属氧化物载体上。
本发明的排气净化装置的制造方法可包括以下步骤：提供上述的开孔金属基材；在上述的开孔金属基材上形成金属氧化物载体的层；以及，使金属氧化物载体担载贵金属。
在开孔金属基材上形成金属氧化物载体的层的工序，例如可包括以下步骤：制备含有选自金属氧化物和/或其前驱体中的1种以上的物质的溶液或浆料；在开孔金属基材上涂布该溶液或浆料；以及随意地对其进行烧成。
使金属氧化物载体担载贵金属的工序可包括以下步骤：在含有贵金属前驱体的溶液中浸渍金属氧化物载体的层；以及对其进行烧成。另外，也可以预先将贵金属担载于对开孔金属基材进行涂敷的溶液或浆料中的金属氧化物和/或其前驱体上。
本发明的排气净化装置能够作为两轮车用、发电机用、农作机械用等的内燃机的排气净化装置来使用。
采用以下的实施例来对本发明进行更具体的说明，但是，本发明并不被这些实施例限定。
实施例
使用以下的表1中记载的具有孔的波箔和平箔，制造了具有300个/平方英寸的孔室(孔室的平均开孔面积：约2mm2)的开孔金属基材。进而，在这些开孔金属基材上形成相同的催化剂层，制造了实施例1～3和比较例1～9的排气净化装置。在比较例1～5(组A)中，将波箔和平箔的孔设为相同的大小。在比较例6～7(组B)中，使波箔的孔大于平箔的孔。在比较例8～9(组C)中，使波箔的孔小于平箔的孔，但是将波箔的孔设为比孔室的开孔直径稍大的程度。再者，波箔和平箔的孔为圆形、且在各自中设为相同的大小。另外，波箔和平箔的开孔率为50％。
另外，使用表2中记载的具有孔的波箔和平箔，制造了具有100个/平方英寸的孔室(孔室的平均开孔面积：约6.5mm2)的开孔金属基材。进而，在这些开孔金属基材上形成相同的催化剂层，制造了实施例4～5和比较例10～12的排气净化装置。再者，波箔和平箔的孔为圆形、且为相同的大小。另外，波箔和平箔的开孔率为50％。
将这些排气净化装置搭载于125cc的小型摩托车(scooter)，依据“WMTC Stage2class 1”模式，从NOx排出量这一点来评价了排气净化性能。
另外，将这些排气净化装置的一方向大气开放，将另一方用负压泵减压，在室温下测定了流动了规定的空气流量的情况下的压力损失。此时的空间速度(SV)为45万[1/h]。
将它们的结果示于表1和表2以及图4和图5。参照图4和图5，可知：实施例的本发明的排气净化装置能够兼备低的压力损失和低的NOx排出量(高的净化性能)。
表1
表1：300个/平方英寸的孔室(平均开孔面积：约2mm2)的情况
Figure BDA0002380871780000101
表2
表2：100个/平方英寸的孔室(孔室的平均开孔面积：约6.5mm2)的情况
Figure BDA0002380871780000102
附图标记说明
10 金属基材
1 波箔
1a 第1孔
2 平箔
2a 第2孔
3 孔室
4 外筒

Claims (14)

1.一种开孔金属基材，是波箔和平箔层叠并成为筒状的排气净化用的开孔金属基材，
具有50个/平方英寸～800个/平方英寸的孔室，
所述波箔具有多个第1孔，所述第1孔具有所述孔室的平均开孔面积的2.0倍以上且50倍以下的面积，
所述平箔具有多个第2孔，所述第2孔具有所述孔室的平均开孔面积的3.0倍以上且100倍以下的面积，并且，
所述波箔的所述第1孔的面积的平均值小于所述平箔的所述第2孔的面积的平均值。
2.根据权利要求1所述的开孔金属基材，
所述波箔的所述第1孔的合计面积为所述波箔的所有的孔的合计面积的60％以上，且/或所述平箔的所述第2孔的合计面积为所述平箔的所有的孔的合计面积的60％以上。
3.根据权利要求1所述的开孔金属基材，
所述波箔的所述第1孔具有3.0mm2～100mm2的面积，并且，所述平箔的所述第2孔具有5.0mm2～200mm2的面积。
4.根据权利要求2所述的开孔金属基材，
所述波箔的所述第1孔具有3.0mm2～100mm2的面积，并且，所述平箔的所述第2孔具有5.0mm2～200mm2的面积。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的开孔金属基材，
所述平箔的所述第2孔的面积的平均值相对于所述波箔的所述第1孔的面积的平均值之比为1.5～10.0的范围。
6.根据权利要求1～4的任一项所述的开孔金属基材，
平箔和波箔的开孔率分别为10％～90％的范围。
7.根据权利要求1～4的任一项所述的开孔金属基材，
所述孔室的平均开孔面积为0.50mm2～7.0mm2。
8.根据权利要求1～4的任一项所述的开孔金属基材，
所述波箔和所述平箔的厚度分别为20μm～500μm的范围。
9.根据权利要求1～4的任一项所述的开孔金属基材，
平箔以及波箔的孔，在成为所述筒状的开孔金属基材的轴向上相邻的孔的间距分别为5.0mm以上且25mm以下。
10.根据权利要求1～4的任一项所述的开孔金属基材，
平箔以及波箔的孔，在成为所述筒状的开孔金属基材的周向上相邻的孔的间距分别为5.0mm以上且25mm以下。
11.根据权利要求9所述的开孔金属基材，
平箔以及波箔的孔，在成为所述筒状的开孔金属基材的周向上相邻的孔的间距分别为5.0mm以上且25mm以下。
12.根据权利要求1～4的任一项所述的开孔金属基材，
具有外筒，所述筒状的波箔以及平箔配置于所述外筒的内侧。
13.一种排气净化装置，具有权利要求1～12的任一项所述的开孔金属基材和形成于所述开孔金属基材上的催化剂层。
14.根据权利要求13所述的排气净化装置，
所述催化剂层具有设置于所述开孔金属基材的表面的金属氧化物载体和担载于所述金属氧化物载体的贵金属。
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