JP2007515260A - 触媒コンバーターおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る触媒コンバーターは繊維を含み、この繊維は繊維表面を有する。このコンバーターは、触媒物質をさらに含み、この触媒物質の実質的に全てがその繊維表面上に存在する。この繊維は、触媒コンバーター内に複数の分離した繊維として存在する。触媒コンバーターを製造するための方法は、複数の分離した繊維の束を供給するステップと、それらを触媒物質で被覆するステップと、被覆された束をキャンニング内に挿入するステップとを含む。

Description

本発明は、触媒コンバーター、例えばディーゼルエンジンまたは燃料の燃焼装置などの内燃機関の排ガスを転換するための触媒コンバーターに関し、また、そのような触媒コンバーターを提供するための方法に関する。

触媒コンバーター内に存在する触媒物質の担体として繊維を用いることは、当分野において周知である。

繊維（通常はセラミック繊維だが金属繊維も含まれる）は繊維ボリュームに変換され、この中の繊維は互いに機械的に結び付けられている。次いで、そのような繊維ボリュームを、用いられる予定の触媒コンバーターのための触媒転換を提供するのに必要な単数または複数の触媒物質で被覆する。

通常、まず最初に焼結を行うかまたは結合剤を用いて繊維を互いに結び付け、得られる繊維ボリュームを触媒物質の溶液に浸漬する。場合によっては、この結び付けられた繊維は、触媒コンバーターのキャンニング（canning）内に既に存在している。一例として、米国特許第４３６０９５７号公報には排ガス処理設備が記載されており、この設備は、触媒物質に予め含まれていた結合剤を用いて互いに機械的に結合された繊維を含む。

一般的に不利な点としては、フィルターボリュームの全ての深さに亘って均等に、この繊維ボリュームを被覆できないかもしれないことである。さらに、キャンニングの内面が触媒物質で被覆されていることもあり、このことによって、コンバーターを用いる際に、制限されたわずかの触媒が働くか、または触媒が働かないこともある。さらに、使用中に、機械的に結び付けられた繊維ボリュームが比較的厳しい熱的緊張を経験することになる。多くの触媒反応は発熱性であり、熱を生じさせる。この温度上昇によって、繊維ボリュームが膨張する傾向があり、繊維間の機械的な結合の部分的な切断が次々に生じる可能性があり、機械的な繊維構造内にいわゆるクラックが生じる結果となる。これらは、気体または液体などの反応物質がそれを経て流れるであろう優先的な経路を生じさせる。反応物質が触媒コンバーターを通過するのに必要な時間である保留時間が不十分なことが原因で、これは、触媒反応を不完全に引き起こすか、または全く生じさせないこともある。場合により、温度が高くなり過ぎると繊維ボリュームが溶融することもある。

予め設定された境界を伴う繊維ボリュームは、コンバーターのキャンニング内に導入する前に作製されるので、繊維ボリュームとキャンニングとの間の許容範囲は小さいことが要求される。これらの許容範囲の小ささは、キャンニング近傍で反応物質が優先的に流れ、それによって触媒物質が存在する繊維表面での反応物質の保留時間が減少することを避けるためにも必要である。

その他の欠点としては、繊維ボリュームの全体がそれを経てキャンニングの内部体積に入らなければならないという開口部を、キャンニングが１つ有する必要があるので、キャンニングの形状が制限されることである。

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服する触媒コンバーターを提供することである。本発明のさらなる目的は、コンバーターの全体積に亘って均等に触媒物質が分散した触媒コンバーターを提供することである。本発明のさらなる目的は、コンバーターのキャンニングの内面を覆う触媒物質の損失を低減することである。本発明のさらなる目的は、熱膨張によって引き起こされる焼結物質のクラッキングリスクを回避することである。本発明のさらなる目的は、コンバーターのキャンニングの設計を容易にすることである。

本発明に係る触媒コンバーターは、繊維表面を有する繊維を含む。この触媒コンバーターは触媒物質をさらに含み、この触媒物質の実質的に全てが、繊維表面上に例えば被覆として存在する。本発明に係る触媒コンバーターは、前記触媒コンバーター内の繊維が複数の分離した繊維（discrete fibers）として存在することを特徴とする。

本発明のさらなる主題は、本発明に係る触媒コンバーターを作製するための方法を提供することである。本発明に係る触媒コンバーターを提供する方法は、
複数の分離した繊維の少なくとも１つの束を供給するステップと、
この複数の分離した繊維の少なくとも１つの束を触媒物質で被覆して、被覆された繊維の束を供給するステップと、
内部体積を有するキャンニングを供給するステップと、
この繊維の束を前記内部体積内に複数の分離した繊維として供給するステップと
を含む。

本発明に係る触媒コンバーターは、従来技術より優れたいくつかの利点を有する。繊維は、複数の分離した繊維として存在しており、これらは互いに機械的にもしくは化学的に結合または連結していない。その結果、コンバーターに課された振動、または化学的な触媒反応の熱エネルギーによる熱膨張は、コンバーターの機械的な破壊を引き起こすことがない。また、コンバーターの使用中、繊維の熱膨張によって、それぞれの繊維が個々に熱膨張するため、繊維は隣の繊維へ微妙に移動する。この２つの繊維表面が単に向き合っているような隣接する繊維間の接触は、隣接する繊維が機械的に互いに固定された従来技術のコンバーターの繊維と比較すると、このような移動を大幅に可能にする。

「分離した繊維」という用語は、個々の繊維が互いに物理的に接触することを必ずしも防ぐことではない。分離とは、繊維が互いに機械的に固定されておらず、または機械的に結び付けられていないという意味である。

複数の分離した繊維の少なくともｍ個の束を供給することが有利であろう。ここで、ｍは２以上である。触媒物質はｎ個の異なる触媒化合物からなってもよい。ｍはｎと等しいか又はそれより多い値である。本発明に係る好ましい方法によると、ｍ個の繊維の束のそれぞれは、ｎ個の触媒化合物のうち最大１つで被覆される。場合により、ｍ個の繊維の束の少なくとも１つは被覆されなくてもよい。次いで、全ての束、被覆されたものおよび被覆されないものの両方を、複数の分離した繊維としてコンバーターのキャンニングの内部体積内に供給することができる。

その結果、触媒コンバーター内の繊維はｍ個の繊維群からなり、ここでｍは２以上であり、触媒物質はｎ個の異なる触媒化合物からなり、ここでｍはｎ以上である。前記ｍ個の繊維群のそれぞれは、前記ｎ個の触媒化合物のうち最大１つをそれらの繊維表面上に有する。場合により、触媒物質で被覆されていない少なくとも１つの繊維群がある。

異なる繊維上に異なる触媒化合物を有することの利点は、それぞれの触媒化合物の混合物および含量を簡単に調節できるという点である。また、繊維表面上にその他の化合物を適用する前に１つの触媒化合物が存在するために得ることが困難または不可能であった混合物も得ることもできる。同じ触媒コンバーター内にいくつかの化合物を供給することができるので、いくつかの触媒反応を同じコンバーター内で行うことができる。

必要に応じて、繊維の束を被覆するステップに先立って、繊維の外面上に中間層を形成するための予備ステップを行ってもよい。一例としては、高表面積のガンマアルミナ、酸化チタンのウォッシュコート層またはその他のウォッシュコート層を繊維の外面に供給してもよく、その場合、繊維は金属繊維であるのが好ましい。

触媒物質は１つ又は複数の触媒化合物を含んでもよい。各化合物は化学元素または異なる化学元素の混合物であり、コンバーターの使用中に、これらは共に、化学触媒反応を実施し実現する。一例として、そのような触媒化合物は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｏおよび／またはＩｒを含んでもよい。

本発明に係る触媒コンバーターを提供するための方法によれば、複数の分離した繊維の束を、個々にほぐれた分離した繊維として、コンバーターのキャンニング内に供給する。束を破壊して特定のステープル長を有する繊維として供給してもよいし、または果てしない長さの繊維、いわゆる「フィラメント」の束としてキャンニング内に供給してもよい。コンバーター内の繊維の方向をランダム化してもよく、またはこれらの方向を優先的な方向、例えば使用中のコンバーターを通過する反応物質の流れの方向に対して直角方向または平行方向にしてもよい。場合により、コンバーターのキャンニングの全内部体積に亘って、繊維が均等に分布されてもよい。このことは、キャンニングの内部体積内側の各所与の体積にとって、体積あたりの繊維重量が同一であることを意味する。

あるいは、キャンニングの内部体積内に存在する繊維の体積当たりの重量は、キャンニングの内部体積内に分布する繊維が不均等であることによって変化してもよい。

この結果として、触媒コンバーターの空隙率は、キャンニングの内部体積内に繊維が均等に分布する場合にはキャンニングの内部体積に亘って一様であり得る。あるいは、キャンニングの内部体積内に繊維が不均等に分布する場合には、この空隙率は、キャンニングの内部体積に亘って変化し得る。

場合により、２以上の触媒化合物を使用してコンバーターの触媒物質を供給する場合、異なる化合物がコンバーターのキャンニングの内部体積に亘って均一に分布する。あるいは、各触媒化合物がキャンニングの内部体積の区分された部分の一部分にのみ存在してもよい。

触媒コンバーターのキャンニングの内部体積の区分された部分に、異なる触媒化合物を分けることによって、同一のコンバーター内で異なる触媒反応を誘導でき、その一方で、１つの反応が他の反応に及ぼすネガティブな干渉を避けることができる。場合により、繊維群の１つのみを含むキャンニングの内部体積の各区分された部分が、キャンニングの内部体積のこの部分内で達成され得る触媒反応を調整するために、異なる別の空隙率を有してもよい。

本発明に係る触媒コンバーターを提供するために用いられる繊維としては金属繊維が好ましく、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金のうちのステンレススチールの繊維が最も好ましい。金属繊維は、等価直径であることに特徴があり、この直径は架空の円の直径であって、場合により繊維のラジアル断面と同じ表面を有する。この金属繊維の等価直径は１００μｍ未満であることが好ましく、例えば７０μｍ未満であり、またはさらに６５μｍ未満であり、例えば４０μｍ未満である。

繊維の束は公知の技術で得ることができる。金属繊維の場合、束はスチールウールの束でもよく、またはバンドル延伸技術（ｂｕｎｄｌｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）、欧州特許出願公開第３１９９５９号明細書に記載のようなコイル状に研削する技術（ｃｏｉｌ ｓｈａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）、溶融抽出技術またはその他の任意の公知技術によって得られた束でもよい。

触媒コンバーターを提供するために用いられる繊維は金属繊維であることが好ましいが、繊維の一部がガラス繊維、セラミック繊維、玄武岩繊維、ＳｉＣ、ＷＣ−繊維またはＣ−繊維などのその他の耐熱性繊維でもよい。

本発明に係る触媒コンバーターは、繊維および触媒物質を含むキャンニングは別にして、追加要素を含んでもよい。一例として、このコンバーターは、コンバーターに供給される繊維または反応物質を加熱するための加熱装置、または、追加の燃料もしくはその他のあらゆる反応物質をコンバーターに供給するためのさらなる燃料噴射装置を含んでもよい。

本発明に係る触媒コンバーターは、例えば、燃料もしくはガス燃焼ユニット、ガソリンエンジン、ディーゼル燃焼装置、その他のエンジンまたはバーナー等の燃焼装置の排ガス転換のために用いることができる。

以下に、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明に係る触媒コンバーター１００の概略を図１に示す。

キャンニング１０１は、約５０．２４立方インチの内部体積を有する。この円筒の体積は、４インチの直径Ｄと４インチの長さＬとを有する。キャンニングの体積は連続した４つの区域Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４に分けられ、それぞれの区域はキャンニングの全長Ｌの１／４と同じ長さを有する。

それぞれの区域に、複数の分離した繊維として存在する５０グラムの金属繊維１０２が供給されている。この繊維は、例えば、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）またはＡｌｕｃｈｒｏｍｅ（登録商標）などのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金からもたらされる。この繊維は、欧州特許出願公開第３１９９５９号明細書に記載されているように、金属箔をコイル状に削ることによって得られる。これらは約６５μｍの等しい直径を有し、実質的に長方形の断面を有する。繊維をキャンニング内に入れる前に、切削によって得られた繊維の束を触媒物質のＰｔで被覆した。別の方法としては、Ｐｄを触媒物質として用いた。この被覆は繊維物質の約４重量％に相当する。

被覆を行った後、触媒コンバーターのそれぞれの区域Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４内に、被覆された５０グラムの複数の分離した繊維の束を、複数の分離したフィラメントとして供給した。その結果、コンバーターは、４重量％の触媒物質を含む２００グラムの金属繊維を含み、ここで触媒物質は繊維の表面にのみ存在する。それぞれの区域において、９７％の空隙率で均等に分散したものが得られた。

１つの代替案としては、束のうちのいくつかをＣｅＯで被覆した。このことは、一例として、コンバーターをディーゼルのすす粒子のトラップとして用いる場合における酸化反応を改善し、１０３で示す流れの方向でコンバーター内を通過する排ガス流中に存在するすすがＣＯ₂に酸化される。この実施形態においては、２つの繊維群と２つの触媒化合物とからなる金属繊維がコンバーター内に存在した。繊維のうちの１つの群は１つの触媒化合物、例えばＰｔまたはＰｄで被覆され、そしてその他の繊維群は第二の触媒化合物、例えばＣｅＯを含んでいた。

１つの代替案としては、コンバーターの下流区域に存在する繊維に、より少量の触媒物質を与えた。その他の代替案としては、コンバーターの下流区域内の空隙率を９０％またはさらに低い値に低減した。

さらなる代替案としては、例えばコンバーターの下流区域内の触媒の量を低減するために、その他の被覆されていない繊維を被覆された金属繊維と混合した。このような方法においては、（種々の量の触媒化合物で被覆された）種々の被覆された繊維の数を低減することができ、それによりコンバーターの製造ステップが節約される。

一例としては、Ｐｔを備えたコンバーターを、ディーゼルのすす粒子のトラップとして用いることが好ましく、コンバーター内を通過する排ガス流中に存在するすすがＣＯ₂に酸化される。Ｐｔの代わりにＰｄを備えること以外は同一のコンバーターを用いて、コンバーター内を通過する同一の排ガス流中のＮＯをＮＯ₂に酸化した。

本発明に係る触媒コンバーターの製造ステップの概略のフロー図を図２に示す。

最初のステップ２０１においては、複数の分離した繊維の１つ以上の異なる束を供給する。

ステップ２０３において、束のうちの一部または全てを触媒化合物で被覆する。このことは、化学気相蒸着法、湿式もしくは乾式被覆法、または現在知られているその他の繊維被覆方法によって行うことができる。

被覆ステップ２０３の前に、前処理ステップ２０２を行うこともある。さらに、後処理ステップ２０４を行うこともできる。そのような前処理ステップまたは後処理ステップは、加熱処理、繊維のすすぎ、または最善の方法で繊維表面を被覆する被覆ステップを可能とするのに必要な任意のステップであってもよい。

ステップ２０５においては、被覆された繊維の束を、矢印２５１で示すように、ステップ２０１で供給される被覆されていない複数の分離した繊維と混合してもよい。

場合により、この繊維をフィラメントとして供給してもよい。ステップ２０５においてこのフィラメントは破壊されてステープル繊維になる。あるいは、このフィラメント繊維を複数の分離したフィラメント繊維としてさらに用いる。その他のステップ２１０においては、内部体積を有するキャンニングが供給される。

ステップ２２０においては、キャンニングの内部体積内に、被覆された又は被覆されていない繊維の束が供給され、本発明に係る触媒コンバーターが提供される。

図３は、触媒コンバーター内に存在するいくつかの繊維３００、３１０および３２０を模式的に示す。触媒コンバーター内に存在する繊維が複数の分離した繊維であると理解されるように、これら繊維は、３０１で示す位置で、互いに物理的に接触する。しかし、これらの位置３０１では、例えば金属繊維が焼結した時のように繊維が強固に互いに結合していない。これら繊維３００、３１０および３２０は、位置３０１において互いに固定されておらず、または機械的に結び付けられてもいない。

本発明に係る触媒コンバーターを示す模式図である。 本発明に係る触媒コンバーターを提供するステップを示すフロー図である。 本発明に係る触媒コンバーター内に存在する繊維を示す模式図である。

Claims (14)

1. 繊維表面を有する繊維を含む触媒コンバーターであって、前記コンバーターは触媒物質を含み、前記触媒物質の実質的に全ては前記繊維表面上に存在し、前記繊維は前記触媒コンバーター内で複数の分離した繊維として存在する触媒コンバーター。
2. 前記繊維がｍ個の繊維群からなり、ここでｍは２以上であり、前記触媒物質がｎ個の異なる触媒化合物からなり、ここでｍはｎと等しいか又はそれより多く、前記ｍ個の繊維群のそれぞれが、前記ｎ個の触媒化合物のうち最大１つを繊維表面上に有する請求項１に記載の触媒コンバーター。
3. 前記ｍ個の繊維群の少なくとも１つが、その繊維表面上に触媒化合物を有さない請求項１又は２に記載の触媒コンバーター。
4. 前記触媒コンバーターが内部体積を有するキャンニングを含み、前記繊維が前記内部体積を満たし、前記繊維が前記体積全体に不均等に分布している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の触媒コンバーター。
5. 前記触媒コンバーターが内部体積を有するキャンニングを含み、前記繊維が前記内部体積を満たし、前記繊維が前記体積全体に均等に分布している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の触媒コンバーター。
6. 前記触媒コンバーターが内部体積を有するキャンニングを含み、前記ｍ個の繊維群のそれぞれが、前記内部体積内の区分された部分の１つにのみ存在する請求項２又は３に記載の触媒コンバーター。
7. 前記繊維の少なくとも一部が金属繊維によって形成されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の触媒コンバーター。
8. 前記繊維の全てが金属繊維である請求項７に記載の触媒コンバーター。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の触媒コンバーターを提供する方法であって、
   複数の分離した繊維の少なくとも１つの束を供給するステップと、
   前記複数の分離した繊維の少なくとも１つの束を触媒物質で被覆して、被覆された繊維の束を供給するステップと、
   内部体積を有するキャンニングを供給するステップと、
   前記複数の分離した繊維の少なくとも１つの束の全体を前記内部体積内に供給するステップと
   を含む方法。
10. 複数の分離した繊維の少なくともｍ個の束が供給され、ここでｍは２以上であり、前記触媒物質はｎ個の異なる触媒化合物からなり、ここでｍはｎと等しいか又はそれより多く、前記ｍ個の繊維の束のそれぞれを前記ｎ個の触媒化合物の最大１つで被覆する請求項９に記載の触媒コンバーターを提供する方法。
11. 前記ｍ個の繊維の束のうち少なくとも１束を被覆しない請求項９又は１０に記載の触媒コンバーターを提供する方法。
12. 前記繊維の束を前記内部体積内に均等に分布するように供給する請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の触媒コンバーターを提供する方法。
13. 前記繊維の束を前記内部体積内に不均等に分布するように供給する請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の触媒コンバーターを提供する方法。
14. 前記ｍ個の繊維の束のそれぞれを前記内部体積の区分された部分の１つの部分にのみ供給する請求項９又は１０に記載の触媒コンバーターを提供する方法。
    

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