JP2006159151A - メタル担体 - Google Patents

Abstract

【課題】 セル内の触媒溜まり部の割合を大幅に削減し、ウォッシュコート液や貴金属の無駄を格段と低減することによって安価で高性能なメタル担体を提供することを目的とする。
【解決手段】 金属製の薄板１０を積層して成形される多数のセル１１を備えたコア１２を有するメタル担体において、上記金属製の薄板１０が波型形状をなし、それぞれの波の頂点１０ａ，１０ａ同士を接合して上記コア１２を成形するようにしたことにより、セル１１の開口面積に対する触媒溜まり部１５の割合を、従来のような波型形状の薄板と平板形状の薄板とを重ねた場合にできていた触媒溜まり部に比較して大幅に削減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば内燃機関の排気ガス浄化のための触媒コンバータに使用されるメタル担体に関する。

内燃機関の排気ガスを浄化する目的として、一般的に排気ガスの排出経路に触媒を担持した触媒担体を有する触媒コンバータが配置される。この触媒コンバータの触媒担体としては、耐熱合金を用いた金属製の薄板からなるメタル担体が広く用いられている。

一般にメタル担体は、例えば、特許文献１などに開示され、または図７に示すように、金属製の波型形状をなす帯状の薄板１（以下、これを波板１と称す）と平板形状の薄板２（以下、これを平板２と称す）を交互に重ね、これらを多重に巻回して断面円形状あるいは断面レーシングトラック形状のハニカム構造のコア３を形成する。この後、コア３の外周にＮｉろう箔材等のろう箔材を巻回して、これらを図８に示すように、金属製の外筒４内に圧入して真空状態で加熱する。これにより、波板１と平板２との間を拡散接合させるとともに、外筒４とコア３をろう付け接合してメタル担体５を成形している。

なお、ここで述べたレーシングトラック形状とは、対向する２つの直線部分とこれらを連結して対向する２つの半円部分からなる陸上競技のトラック形状に類似する略楕円形状をいう。

このとき、この円筒形のハニカム構造からなるコア３は、波板１と平板２とに囲まれることによって形成される多数のセル６を備えている。そして、各セル６の壁面には触媒がコーティングされ、通過するガスと触媒とが広い接触面積で接触することが可能になっている。

具体的には、このメタル担体５のガス通路となるハニカム体のセル６の表面に、ウォッシュコート層と呼ばれるポーラスなγ−アルミナ層をコーティングし、このウォッシュコート層に貴金属等からなる触媒をしみ込ませる方法、または触媒を含んだウォッシュコート層をメタル担体５にコーティングする方法等があって、メタル担体に触媒を担持させている。
特開平１１−２１６３６８号公報（第６頁、第２図など参照）

しかしながら、図９に示すように、平板１と波板２とを交互に重ね多重に巻回してセル６を多数有するハニカム体を形成したメタル担体５において、ハニカム体をウォッシュコート液中に浸漬すると、ウォッシュコート層７が形成されるが、ウォッシュコート液の表面張力により、平板１と波板２とが接触している接触部８の鋭角部付近の隙間には他の表面部分に比較して多量のウォッシュコート液が付着して厚塗りとなる触媒溜まり部９が形成されることとなる。

このとき、メタル担体の板厚（平板１と波板２の板厚）を３０〔μｍ〕とし、１平方インチ当たり約６００の開口部（すなわち、セル６）を有するメタル担体５において、平板１と波板２とで囲まれたセル６の開口部面積を１００とした際に、そのセル６内に占める触媒溜まり部９の割合が１３程度であった。

そして、この触媒溜まり部９内にある触媒（すなわち、貴金属）は、触媒反応に直接寄与しないため、触媒溜まり部９分のウォッシュコート液や貴金属が無駄になってしまう問題があった。

そこで、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、多数のセルを有するハニカム体としたメタル担体において、セル内の触媒溜まり部の割合を大幅に削減し、ウォッシュコート液や貴金属の無駄を格段と低減することによって安価で高性能なメタル担体を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、金属製の薄板を積層して成形される多数のセルを備えたコアを有するメタル担体において、上記金属製の薄板が波型形状をなし、それぞれの波の頂点同士を接合して上記コアを成形することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のメタル担体であって、上記波型形状をなす薄板の頂点における内側半径を、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径より−０．０５〔ｍｍ〕以上の値で設定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のメタル担体であって、上記薄板の各頂点を結んだ直線と、上記薄板の曲線部分との接触角度が６０〔°〕以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載のメタル担体であって、上記薄板の頂点近傍に平坦部を設けることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、波型形状からなる金属性の薄板の各波における頂点同士を、同一直線上で接合して順次積層することによってコアを成形するようにしたことにより、セルの開口面積に対する触媒溜まり部の割合を、従来のような波型形状の薄板と平板形状の薄板とを重ねた場合にできていた触媒溜まり部に比較して大幅に削減することができる。

従って、本発明によれば、セル内に触媒をコーティングする際のウォッシュコート液や貴金属の無駄を格段と低減させることができ、かくして安価で高性能なメタル担体を実現することができる。

しかも、波型形状の薄板を積層するので、波型形状の薄板と平板形状の薄板とを重ねた従来のメタル担体のように、セル形状の剛性が著しく大きくなって熱応力に対して緩和する機能を失うことはない。すなわち、波型形状の薄板同士を積層することで、成形されるセル形状は横方向へ伸びることが可能となり、熱応力を緩和することによって、熱によるメタル担体の破壊を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、波型形状をなす薄板の頂点における内側半径を、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径より−０．０５〔ｍｍ〕以上の値で設定するようにしたことにより、薄板の各曲線部分における内側半径、すなわち各セル内の上下頂点部分に触媒溜まり部が形成されるのを未然に防止することができる。但し、この内側半径が使用する触媒の付着表面張力から測定される半径より−０．０５〔ｍｍ〕未満の値で設定されると、各セル内の上下頂点部分に触媒溜まり部が形成されてしまう。

請求項３に記載の発明によれば、薄板の各頂点を結んだ直線と薄板の曲線部分との接触角度が６０〔°〕以上であるようにしたことにより、セル内に形成される触媒溜まり部の割合を格段と減少（縮小）させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、薄板の頂点近傍に平坦部を設けるようにしたことにより、積層する薄板同士の接合強度を向上させることができ、熱応力を緩和し得る程度にコアとしての剛性を高めることが可能となる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「メタル担体の構成」
図１〜図３は、本発明のメタル担体における一実施の形態を示し、図１は本実施の形態によるメタル担体の概略構成を示す斜視図、図２は図１のメタル担体における要部（セル）を示す拡大図、図３は触媒溜まり部の面積と薄板の角度との関係を示すグラフである。

本実施の形態におけるメタル担体は、図１及び図２に示すように、波型形状からなる金属性の薄板１０（以下、これを波板１０と称す）が順次積層され、これら波板１０，１０の各波の頂点１０ａ，１０ａ同士を同一直線上となるように接合して多数のセル１１を有するコア１２を形成している。そして、このコア１２を金属製の筐体１３に圧入して接合することにより構成されている。

より具体的には、図２に示すように、メタル担体のガス通路となるセル１１の表面には、ウォッシュコート層１４と呼ばれるポーラスなγ−アルミナ層をコーティングし、このウォッシュコート層１４に貴金属等からなる触媒（図示省略する）をしみ込ませる、または触媒を含んだウォッシュコート層１４をメタル担体にコーティングする等の手法によって、メタル担体に触媒を担持させている。

本実施の形態の場合、波板１０の各波における頂点１０ａ，１０ａ同士を、同一直線上で接合し、この波板１０を順次積層することによってコア１２を成形するようにしたので、セル１１の開口面積に対する触媒溜まり部１５の割合を、従来のような波板１と平板２とを重ねた場合にできていた触媒溜まり部９（図９参照）に比較して大幅に削減することができる。

このメタル担体においては、１平方インチ当たり約６００個のセル１１が形成されている。また、セル１１の面積の４倍を浸辺長（つまり、セル１１の内周全長）で割って求められる値（一般に、これを相当直径と呼ぶ）は、０．９〔ｍｍ〕程度である。そして、このメタル担体の室温空気における流量は、１０００〜５０００〔Ｌ／ｍｉｎ〕で、レイノルズ数は１０００以下であるので層流である。この場合、セル１１が入口から出口まで継続しているため層流が継続する。

一般に、流体の圧力損失ΔＰは、層流のときはΔＰ＝Ｋ１Ｖ、乱流のときはΔＰ＝Ｋ２Ｖ２で表される。但し、Ｋは常数、Ｖは流量である。これらの式から判るように、流体（本実施の形態の場合は空気）の流量が増加すれば、乱流の場合の圧力損失は流量の二乗として増加し、層流の場合の圧力損失は流量の増加に比例して増加する程度で、乱流の場合に比べてその圧力損失の増加量が小さくて済む。つまり、層流の場合は、空気流量が増大しても圧力損失はそれ程、増大しないことになる。

また、波板１０の各頂点１０ａ，１０ａを結ぶ直線１６と、波板１０の曲線部分１０ｂとの接触角度θが約６０〔°〕以上となる場合、図３に示すように、触媒溜まり部１５の面積を大幅に低減させることができる。因みに、この場合、セル１１内に形成される触媒溜まり部１５は、セル１１の面積を１００としたときに約３の割合で形成されていた。つまり、上述した従来のメタル担体５（図９参照）の触媒溜まり部９と比較して、約７５〔％〕削減することができ、大幅に低減することができた。

かかる構成に加えて、本実施の形態の場合、波板１０の頂点１０ａにおける内側、すなわち波板１０の曲線部分１０ｂにおける内側の半径Ｒ１（以下、これを単に内側半径Ｒ１と称す）を、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径Ｒ２より−０．０５〔ｍｍ〕以上の値で設定する。

これにより、波板１０の各曲線部分１０ｂ，１０ｂにおける内側部分、すなわち各セル１１内の上下頂点１０ａ，１０ａ部分に触媒溜まり部が形成されるのを未然に防止することができる。

但し、この内側半径Ｒ１が、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径Ｒ２より−０．０５〔ｍｍ〕未満の値で設定されると、各セル１１内の上下頂点１０ａ，１０ａ部分に触媒溜まり部が形成されてしまう。
さらに、本実施の形態の場合、波板１０の各頂点１０ａ，１０ａを結んだ直線１６と、波板の曲線部分１０ｂとの接触角度θが６０〔°〕以上である。これにより、セル１１内に形成される触媒溜まり部１５の割合を格段と減少（縮小）させることができる。具体的には、従来比、約７５〔％〕削減することに成功した。

因みに、図４に示すように、波板２０を本実施の形態の場合とほぼ同間隔の頂点２０ａ、ほぼ同等の曲線部分２０ｂ（すなわち、波板２０の内側半径Ｒ３が上述した内側半径Ｒ１とほぼ同等）、且つ、この内側半径Ｒ３が、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径Ｒ４より−０．０５〔ｍｍ〕以上の値で設定して形成し、セル２１内の面積が本実施の形態の場合とほぼ同等となるように、波板２０の各頂点２０ａ，２０ａと平板２２とを接合させてコアを形成した。このとき、波板２０と平板２２との接触角度θ１は、６０〔°〕以上であった。

この場合、ウォッシュコート層２３を形成すると、セル２１内における波板２０と平板２２との接触部分に形成される触媒溜まり部２４が、セル２１の面積を１００としたときに約７の割合で形成されていた。つまり、上述した従来のメタル担体５（図９参照）の場合と比較して、触媒溜まり部の大きさを低減できるものの、本実施の形態のメタル担体における触媒溜まり部１５の低減には及ばないことがわかった。

なお、触媒溜まり部１５における触媒の付着表面張力から測定される半径Ｒ２は、平均的且つ概念的な値であり、正確には図２に図示したような形状をしているわけではない。触媒を付着させる場合に使用するスラリー（ウォッシュコート液）は液体であるので、概ね図２のような形状と半径Ｒ２で付着するが、乾燥焼成した触媒は形状が崩れる。しかしながら、触媒溜まり部１５における半径Ｒ２は平均的には維持される。

「本実施の形態の作用・効果」
以上、説明したように、本実施の形態によれば、セル１１内に触媒をコーティングする際のウォッシュコート液や貴金属の無駄を格段と低減することができ、かくして安価で高性能なメタル担体を実現することができる。

しかも、波板１０を積層するので、波板１と平板２とを重ねた従来のメタル担体５のように、セル形状の剛性が著しく大きくなって熱応力に対して緩和する機能を失うことはない。すなわち、波板１０を積層することで、成形されるセル形状は横方向へ伸びることが可能となり、熱応力を緩和することによって、熱によるメタル担体の破壊を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、波板１０の頂点１０ａにおける内側半径Ｒ１を、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径Ｒ２より−０．０５〔ｍｍ〕以上の値で設定するようにしたことにより、波板１０の各曲線部分１０ｂ，１０ｂにおける内側部分、すなわち各セル１１内の上下頂点１０ａ，１０ａ部分に触媒溜まり部が形成されるのを未然に防止することができる。但し、この内側半径Ｒ１が、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径Ｒ２より−０．０５〔ｍｍ〕未満の値で設定されると、各セル１１内の上下頂点１０ａ，１０ａ部分に触媒溜まり部が形成されてしまう。

さらに、本実施の形態によれば、波板１０の各頂点１０ａ，１０ａを結んだ直線１６と波板の曲線部分１０ｂとの接触角度θが６０〔°〕以上であるようにしたことにより、セル１１内に形成される触媒溜まり部１５の割合を格段と減少（縮小）させることができる。

「その他の実施の形態」
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、図２との対応部分に同一符号を付して示す図５は、波板１０の直線部分１０ｃを、波板１０の各頂点１０ａ，１０ａを結ぶ直線１６に対してほぼ垂直で形成していた図２の場合と異なり、前記直線１６に対して傾斜させた場合のメタル担体を示す要部拡大図である。

触媒溜まり部の形成は、波板１０の曲線部分１０ｂと直線部分１０ｃとの接点までは、その量に変化は無い。従って、図５のように、波板１０の直線部分１０ｃが前記直線１６に対して傾斜していたとしても、触媒溜まり部の面積には差は無いため、触媒溜まり部の低減効果は、上述のメタル担体とほぼ同様である。

図２との対応部分に同一符号を付して示す図６は、波板１０の各頂点１０ａ，１０ａに微小な平坦部１０ｄを設けたメタル担体を示す要部拡大図であり、（ａ）は波板１０の１つの波を示す拡大図、（ｂ）は波板１０の頂点同士の接合部分を示す拡大図である。

このように、波板１０の頂点１０ａ，１０ａ近傍に平坦部１０ｄ，１０ｄを設けるようにしたことにより、積層する波板１０，１０同士の接合強度を向上させることができ、熱応力を緩和し得る程度にコア１２（図１参照）としての剛性を高めることが可能となる。

メタル担体の概略構成を示す斜視図である。 図１のメタル担体における要部を示す拡大図である。 触媒溜まり部の面積と薄板の角度との関係を示すグラフである。 本発明のメタル担体と比較する従来のメタル担体を示す要部拡大図である。 他の実施の形態におけるメタル担体の要部を示す拡大図である。 他の実施の形態におけるメタル担体の要部を示す拡大図であり、（ａ）は薄板の１つの波を示す拡大図、（ｂ）は薄板の頂点同士の接合部分を示す拡大図である。 従来のメタル担体におけるコアを拡大して示す分解斜視図である。 従来のメタル担体を概略的に示す全体斜視図である。 従来のメタル担体の要部を示す拡大図である。

符号の説明

１０…波板（薄板）
１０ａ…頂点
１０ｂ…曲線部分
１０ｃ…直線部分
１１…セル
１２…コア
１３…筐体
１４…ウォッシュコート層
１５…触媒溜まり部
１６…直線（波板の各頂点を結ぶ直線）
Ｒ１…内側半径
Ｒ２…半径（使用する触媒の付着表面張力から測定される半径）

Claims (4)

1. 金属製の薄板（１０）を積層して成形される多数のセル（１１）を備えたコア（１２）を有するメタル担体において、
   上記金属製の薄板（１０）が波型形状をなし、それぞれの波の頂点（１０ａ），（１０ａ）同士を接合して上記コア（１２）を成形する
   ことを特徴とするメタル担体。
2. 請求項１に記載のメタル担体であって、
   上記波型形状をなす薄板（１０）の頂点（１０ａ）における内側半径（Ｒ１）を、使用する触媒の付着表面張力から測定される半径（Ｒ２）より−０．０５〔ｍｍ〕以上の値で設定する
   ことを特徴とするメタル担体。
3. 請求項１または請求項２に記載のメタル担体であって、
   上記薄板（１０）の各頂点（１０ａ），（１０ａ）を結んだ直線（１６）と、
   上記薄板（１０）の曲線部分（１０ｂ）との接触角度が６０〔°〕以上である
   ことを特徴とするメタル担体。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載のメタル担体であって、
   上記薄板（１０）の頂点（１０ａ）近傍に平坦部（１０ｄ）を設ける
   ことを特徴とするメタル担体。

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