JP2010214304A

JP2010214304A - 排ガス浄化触媒用メタル担体

Info

Publication number: JP2010214304A
Application number: JP2009065015A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Murawaki; 啓介村脇; Yasuo Kato; 安夫加藤
Original assignee: Cataler Corp
Current assignee: Cataler Corp
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP5334637B2

Abstract

【課題】耐久性、排ガス浄化性能、搭載性の観点で優れた排ガス浄化用メタル担体の提供。
【解決手段】金属製のパイプの内側に、複数枚の金属製湾曲板及び／又は金属製平面板から成るユニットを１又は複数個配置した排ガス浄化用メタル担体であって、前記板が前記パイプの横断面の中央部から前記パイプの内壁面にかけて略等角度間隔で放射状に配置されていることを特徴とする排ガス浄化触媒用メタル担体。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための触媒に使用するメタル担体及び当該担体を使用した排ガス浄化触媒に関する。

内燃機関の排ガス浄化用触媒は高温の排ガスに曝されるため、触媒担体の材質として、耐熱性のセラミックス等が使用されている。しかしながら、このようなセラミックス担体は機械的な衝撃に弱く、使用につれ圧力損失が増大するという問題がある。このような観点から、強度が高く、圧力損失が少ない触媒が要求される自動二輪車においては、耐熱性ステンレス等を材料としたメタル担体が一般的に用いられている。

メタルハニカム担体は、一般的に、耐熱合金を用いた平箔と波箔とを交互に巻き回して円筒形のハニカム体とし、このハニカム体を円筒形の金属製の外筒に装入した後ロウ付け等の手段によってこれらを接合することにより製造される。しかしながら、このような従来のメタルハニカム担体は、ハニカム体を構成する金属箔が薄いためエンジンから発生する失火に耐えられず、一部が溶けて外筒からハニカム体が脱落する虞がある。

標準的なメタルハニカム担体よりも高耐久性のものも開発されているが厳しい冷熱耐久要件を満たすことができず、通常のメタルハニカム担体と同様に脱落する場合がある。

特開２００８−１９０５０５号では、金属製のパイプ型触媒が開示されている。当該触媒は、エキゾーストパイプ（エキゾーストパイプ）又はサイレンサー内に、メタルハニカム担体の代わりに、あるいはメタルハニカム担体とともに配置することができる。

かかるパイプ型触媒が所定の浄化性能を達成するためにはある程度のパイプの長さが要求される。これは、ガス流速が速い場合、未反応の排ガスが排出され、その結果触媒性能が低下するためである。しかしながら、パイプをより長くすると、搭載性の点で問題がある。一方、触媒断面を広くすることで流速を下げることはできるが、排ガス処理量と触媒容量との関係で、スペースベロシティー（ＳＶ：空間速度）が増大し、その結果未反応ガスが増加する。

更に、特開平９−３１７４５２号公報で開示されているような、外筒パイプ内に小径のパイプを複数組み込んだタイプの触媒は、外筒内に小径パイプを組み付ける上で問題がある。特に、ロウ付けにより両者を接合する場合、隙間が許されないため、非常に高い寸法精度がパイプの製造に要求される。このようなパイプとして一般的な電縫管を使用することも考えられるが、外径サイズの自由度が低い電縫管は、縮径、拡管等の二次加工を必要とするため、コストアップを免れることはできない。

特開平９−３１７４５２号公報特開２００８−１９０５０５号

本発明の目的は、従来の排ガス浄化触媒用担体と比較して、耐久性、排ガス浄化性能、搭載性の観点で優れた排ガス浄化用メタル担体及び当該担体を用いたメタル担体触媒を提供することにある。

本発明者がかかる課題について鋭意検討した結果、従来のメタルハニカム担体で使用されている金属箔よりも厚い金属板を、タービンで使用されているような羽根のように外筒内に多数配置することで、耐溶損性、排ガス浄化性能及び搭載性が大幅に向上した排ガス浄化触媒が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、以下の発明を包含する。
［１］金属製のパイプの内側に、複数枚の金属製湾曲板及び／又は金属製平面板から成るユニットを１又は複数個配置した排ガス浄化用メタル担体であって、前記板が前記パイプの横断面の中央部から前記パイプの内壁面にかけて略等角度間隔で放射状に配置されていることを特徴とする排ガス浄化触媒用メタル担体。
［２］前記板がそれぞれ略Ｕ字型又はＶ字型の形状をしており、前記パイプの横断面の中央部から二手に分かれるように配置されていることを特徴とする、［１］に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
［３］前記板にパンチング孔が設けられていることを特徴とする、［１］又は［２］に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
［４］前記金属製パイプがエキゾーストパイプであり、複数個の前記ユニットが当該エキゾーストパイプ内に所定の間隔を空けて配置されている、［１］〜［３］のいずれかに記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
［５］［１］〜［４］のいずれかに記載のメタル担体を基材としたことを特徴とする、排ガス浄化用メタル担体触媒。

本発明によると、従来よりも耐溶損性、排ガス浄化性能及び搭載性に優れた排ガス浄化触媒用メタル担体及び当該担体を用いた排ガス浄化触媒を提供することが可能となる。具体的には、本発明のメタル担体は、薄い金属箔を使用する従来のメタルハニカム担体と異なり、厚い金属板を使用することができるため、耐久性が大幅に向上する。そして、従来のパイプ型触媒と比較して排ガス流との接触面積が多いため、高性能化も実現される。

複数個のチューブを外筒内に配置した従来のチューブ型触媒は、径方向に自由度が無く、組み付けの際に困難を伴い、また、強度も十分でない。一方、本発明のメタル担体のように湾曲板から構成されるユニットは、パイプ内に挿入する際廻しながら挿入されるためパイプ内に組み付けるのも容易なだけでなく、金属板がその弾性により元の形状に戻ろうとするため（スプリングバック）、十分な剛性も確保できるというメリットがある。更に、スプリングバック現象を活用することができる本発明のメタル担体は、湾曲板の曲率を変えることで外筒径の異なる様々なパイプに対応することができるというメリットもある。

図１は、複数枚の湾曲板から成る１個のユニットがパイプ内に配置されているメタル担体の横断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。図２は、長方形の切板（ａ）を折り曲げ（ｂ）、これらを６枚集合させて形成されるユニット（ｃ）及び前記板として湾曲板を使用したユニット（ｄ）を説明する図である。図３は、長方形の切板（ａ）に溝を入れ（ｂ）、これらを６枚集合させて形成されるユニット（ｃ）及び前記板として湾曲板を使用したユニット（ｄ）を説明する図である。図４は、一枚の円板（ａ）に切り込みとねじれを入れ（ｂ）、これらを一片ずつ曲げることで形成されるユニット（ｃ）を説明する図である。図５は、長方形の切板（ａ）にＵ字型に折り曲げ（ｂ）、これらを６個集合させて形成されるユニット（ｃ）及び前記板として湾曲板を使用したユニット（ｄ）を説明する図である。図６は、湾曲板から構成される２個のユニットを、パイプの入りガス側と出ガス側に配置したメタル担体の斜視図である。図７は、曲がりパイプに４個のユニットを挿入したメタル担体の斜視図である。図８は、湾曲板から構成される２個のユニットを、湾曲板の位相が逆になるようにパイプの入りガス側と出ガス側に配置したメタル担体の横断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。図９は、パンチング孔が施された湾曲板から構成される２個のユニットを、湾曲板の位相が逆になるようにパイプの入りガス側と出ガス側に配置したメタル担体の横断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。

本発明は、金属製のパイプの内側に、複数枚の金属製湾曲板及び／又は金属製平面板から成るユニットを１又は複数個配置した排ガス浄化用メタル担体であって、前記板が前記パイプの横断面の中央部から前記パイプの内壁面にかけて略等角度間隔で放射状に配置されていることを特徴とする排ガス浄化触媒用メタル担体、を提供する。

本発明のメタル担体を構成するパイプとして、メタルハニカム担体で通常使用されている金属製の外筒、例えばＳＵＳ４３６等のステンレス製の円柱状の外筒等を使用することができる。その他、エキゾーストパイプ又はマフラーを前記パイプとして使用してもよい。

パイプ内に挿入される前記ユニットは、複数枚の金属製湾曲板及び／又は金属製平面板を略等角度間隔で前記パイプの横断面の中央部から前記パイプの内壁面にかけて放射状に配置して成る。例えば、パイプの中央部から１２枚の金属板が放射状に等間隔で配置される場合、各金属板の角度間隔は約３０度毎となる。金属板の枚数及び配置される角度間隔は、製造コスト、所望とする強度、排ガス浄化性能等の観点から適宜調節される。これは、板材が多いと、板材を中央部で集合・接合する際の位置を決めるのが煩雑であり、また、中央部のガス流通部面積が狭くなるためである。従って、板材枚数は、限定しないが、３〜２０枚が好ましい。

使用する金属板の材質は、限定しないが、一般的なメタルハニカム担体で使用されている金属、例えば熱容量が低く、且つ耐熱性、耐圧性等に優れているステンレス鋼、耐熱鋼が好ましい。更に、熱膨張率が低いほど、歪み難いため、本発明で使用する金属板として好ましい。かかるステンレス鋼の例としては、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス等の鋼材がある。これらのステンレスの中でも、フェライト系（例えばＳＵＳ４３０系、４３６系等）が好ましい。

上記ステンレスの他、抗酸化性の高い材料、例えば２０Ｃｒ−５Ａｌのような鋼材や、ＳＵＳ３４０のようなステンレスでもよい。

前記ユニットは、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、所定の大きさの金属製切板を折り曲げ、これらの切板を多数組み合わて末端で接合することにより構成することができる。折り曲げの回数は特に限定されない。図２（ｄ）のように、湾曲板を使用してユニットを構成してもよい。湾曲板の曲率は、パイプ内に配置した後のスプリングバックを考慮して適宜決定することができる。尚、曲率が大きいほど、パイプの横断面の中央部からその内壁面に到達するまでの長さが必要となるものの、それに伴い表面積が増大するため、結果として触媒性能が向上する。一方、曲率を小さくすると、パイプ内の排ガス流れの自由度が増大し、エンジン性能（背圧）が向上する。これらの切板は、前記パイプの横断面の中央部から前記パイプの内壁面にかけて略等角度間隔で放射状に配置される。図３のように、切板の一部に切り込みを入れ、これらを折り重ねることで図１に記載のようなユニットを作ることもできる。切板の代わりに一枚の円板を出発材料とすることもできる（図４）。この場合、円板の中央部から一定の角度毎に分離しないように切り込みを入れ、これらを一片ずつねじり、あるいは曲げることで所望の形状のユニットを作ることができる。

別の態様において、一枚の切板を折り曲げて略Ｕ字型又はＶ字型に成型し、これを前記パイプの横断面の中央部から二手に分かれるようにパイプ内に複数個配置してもよい（図５）。

図２（ｃ）、（ｄ）及び図３（ｃ）、（ｄ）に記載のメタル担体は、作りやすさの点で優れている。しかし、使用する切板の枚数が多くなると、担体の中心部付近に各羽根の交点が集中し、その結果当該中心部付近で排ガスが流れる余地が少なくなる虞がある。また、この中心部をロウ材で固定すると、中心部付近での排ガス流れは更に阻害される。そのため、中心部付近の排ガス流れの悪化を防ぐ観点からは、図４（ｂ）、（ｃ）に記載のメタル担体を採用することも好ましい。一方、図４（ｂ）、（ｃ）に記載のメタル担体は、各板を固定する点が少ない。従って、耐久性などを考慮すると、パイプ内に固定するための点が多い図５（ｃ）、（ｄ）に記載のメタル担体を採用することも好ましい。更に、後述するとおり、上記担体にパンチング孔を設けて排ガス浄化性能を向上させることも好ましい。

パイプ内に複数個のユニットを所定の間隔置きに多段に配置してもよい（図６）。このように複数個のユニットが多段に配置されると、ユニット間に生じる空間が排ガス流に乱れを生じさせ、排ガスとユニット表面に担持される触媒成分との接触が増大し、その結果排ガス浄化性能が向上するため好ましい。更に、円弧状に曲がっているパイプを使用する場合にも、奥行きの短いユニットを複数パイプ内に配置することもある（図７）。

同一の形状のユニットを複数パイプ内に配置し、あるいは各ユニット内の金属板の曲げ方向を変えることで、ユニット毎に金属板の配置の位相をずらすこともできる（図８）。位相をずらすことで、排ガスの吹き抜けを防ぐことができ、その結果排ガス浄化性能が向上する。

熱容量を低下させて触媒を早期に活性化させるために、前記ユニットを構成する金属板にパンチング孔を設けることが好ましい。このようなパンチング穴は、触媒内に流入する排ガスの拡散性を向上させ、それにより排ガス成分と触媒活性成分との接触性も増大させることができる。当該パンチング穴の個々のサイズは特に限定されない。尚、金属板の厚さよりも小さい直径のパンチ穴は通常量産に適していない。図９にパンチング孔が設けられたメタル担体触媒の一例を示す。当該パンチング孔は千鳥抜きされたものでもよい。

前記ユニットは回転させながらパイプ内に挿入され、組付けられる。当該組み付け後、ロウ材、例えばニッケルロウが塗布される。あるいは、当該ユニットの周囲にニッケルロウ材を塗布した後パイプ内に挿入してもよい。パイプ内に組み付けられた前記ユニットを高温で処理してパイプの内壁とユニットとを互いに接合させることにより、本発明のメタル担体を調製することができる。

排ガス浄化用メタル担体触媒
本発明のメタル担体触媒は、上述のメタル担体を用いて作製される。本発明はメタル担体自体に特徴を有するものであるため、メタル担体上に形成される触媒コート層には任意の成分が含まれうる。本発明のメタル担体触媒における触媒コート層は、従来使用されている方法、例えば含浸法、ウォッシュコート法などにより、メタル担体に触媒貴金属を担持させることでセル通路内に形成することができる。用途によっては、当該触媒コート層は、その他の触媒金属、あるいはアルカリ金属又はアルカリ土類金属などのＮＯｘ吸蔵材を含んでもよい。尚、当該触媒コート層は単層に限定されず、複数の層で構成することもできる。また、その厚さは特に限定されない。

以下の実施例を用いて、本発明を更に具体的に説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
幅２３ｍｍ、全長９０ｍｍのステンレス板を１２枚準備し、これらを曲率半径が約Ｒ１３となるように円弧状にそれぞれ湾曲させた。約３０度間隔で１２枚の湾曲板の末端を集合させ、ニッケルロウ付けにて接合することで、メタル担体用のユニットを形成させた。当直径４２．７ｍｍ、全長９０ｍｍのステンレス製の外筒内に当該ユニットを廻しながら挿入し、ニッケルロウ付けで接合させた。このメタル担体に触媒材料（Ａｌ_２Ｏ_３：５７．６％、Ｃｅ−Ｚｒ酸化物：３２．４％（ＣｅＯ_２：２７．５％）、バインダー：５．８％、Ｐｔ：３．６％、Ｒｈ：０．７％）を３６ｇ／ｍ_２塗布し、焼成焼付けを行うことで本発明のメタル担体触媒を作成した。

（実施例２）
幅２３ｍｍ、全長３０ｍｍのステンレス板を１２枚準備し、これらを曲率半径が約Ｒ１３となるように円弧状にそれぞれ湾曲させ、実施例１と同様にメタル担体用のユニットを２個形成させた。当直径４２．７ｍｍ、全長９０ｍｍのステンレス製の外筒内に、前記ユニットの一方を廻しながら入りガス側に挿入し、他方のユニットを、湾曲板の位相が逆になるように出ガス側に挿入し、これらをニッケルロウ付けで接合させた（図６）。このように調製したメタル担体に、実施例１と同様の条件で触媒材料を塗布し、焼成焼付けを行うことで本発明のメタル担体触媒を作成した。

（実施例３）
パンチング孔を設けた点を除き、実施例２と同様の手法によりメタル担体触媒を作成した（図９）。

（比較例１）
パイプ触媒
直径４２．７ｍｍ、全長９０ｍｍのパイプの内面に、実施例１と同様の条件で触媒材料を塗布し、焼成焼付けを行った。

（比較例２）
マルチチューブ触媒
直径４２．７ｍｍ、全長９０ｍｍのパイプの内面及び合計３本の直径１８ｍｍ、全長９０ｍｍのパンチングパイプの内面に実施例１と同様の条件で触媒材料を塗布し、焼成焼付けを行った。

（比較例３）
ハニカム触媒
直径４２．７ｍｍ、直径９０ｍｍ、セル密度１００ｃｐｓｉのメタルハニカム担体の内面に、実施例１と同様の条件で触媒材料を塗布し、焼成焼付けを行った。

１メタル担体
２パイプ
３湾曲板
４パンチング孔

Claims

金属製のパイプの内側に、複数枚の金属製湾曲板及び／又は金属製平面板から成るユニットを１又は複数個配置した排ガス浄化用メタル担体であって、前記板が前記パイプの横断面の中央部から前記パイプの内壁面にかけて略等角度間隔で放射状に配置されていることを特徴とする排ガス浄化触媒用メタル担体。
前記板がそれぞれ略Ｕ字型又はＶ字型の形状をしており、前記パイプの横断面の中央部から二手に分かれるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
前記板にパンチング孔が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
前記金属製パイプがエキゾーストパイプであり、複数個の前記ユニットが当該エキゾーストパイプ内に所定の間隔を空けて配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のメタル担体を基材としたことを特徴とする、排ガス浄化用メタル担体触媒。