JP2011137418A - 触媒インバーター用保持材 - Google Patents

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Abstract

【課題】保護膜が形成された保持材において、保護膜が本来持つ補強効果や圧入時の摩擦抵抗の低減効果を維持しつつ、初期保持力の低下を小さくし、触媒担体への巻装作業性を向上させる。
【解決手段】触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻装されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、無機繊維製の基材の金属製ケーシング側の表面に、開口を有する保護膜が接合されていることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
【選択図】図1

Description

本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるパティキュレートや一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等を除去する触媒コンバーターに組み込まれる触媒担体を金属製ケーシング内に保持するための触媒コンバーター用保持材(以下、単に「保持材」ともいう)に関する。
自動車等の車両には、周知の如く、そのエンジンの排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等の有害成分を除去するために、排気ガス浄化用触媒コンバーターが積載されている。図7は、触媒コンバーターの一例を模式的に示した断面図である。この触媒コンバーター10では、内燃機関から排出された排気ガスが導入される導入管16が金属製ケーシング11の一端部に接続されるとともに、他端部には、触媒担体12を通過した排気ガスを外部に排出する排出管17が設けられている。また、金属製ケーシング11の内部には、触媒担体12が保持材13を介して設置されている。
触媒担体12は、例えばコージェライト等からなる円筒状のハニカム状成形体に貴金属触媒等が担持されたものが一般的であるため、保持材13には、自動車の走行中に振動等によって触媒担体12が金属製ケーシング11に衝突して破損しないように触媒担体12を安全に保持する機能と、触媒担体12と金属製ケーシング11との間隙から未浄化の排気ガスが漏れないようにシールする機能とを兼ね備えることが必要とされている。そこで、現在では、アルミナ繊維やムライト繊維、あるいはその他のセラミック繊維等の無機繊維を、有機バインダーを用いて所定厚さのマット状に成形したものが主流となっている。また、その形状は、図8(A)に示す平面形状を呈しており、平板状の本体部41の一端には凸部42が形成されており、他端には凸部42と嵌合可能な形状の凹部43が形成されている。そして、図8(B)に示すように、触媒担体12の外周面に本体41を巻き付け、凸部42と凹部43とを係合させることで触媒担体12に巻装される。
有機バインダーとしては、ゴム類、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が一般的である。また、保持材13は厚すぎると、触媒担体12への巻装作業並びに金属製ケーシング11への装着作業がし難くなるため、ある程度薄くする必要がある。そのため、一般的な保持材13では、これらの有機バインダーを保持材全量の5〜8質量%、多いものでは10質量%程度使用している。
しかし、最近では、浄化効率を高めるために、触媒担体12は1000℃近くまで加熱されるため、上記に挙げた有機バインダーは容易に分解、焼失してCOやCO、各種の有機系ガスが発生し、特に、触媒コンバーターの作動初期に多量に発生する。排ガス規制は厳しくなる一方であり、この有機バインダーに由来するCO等により規定値を上回る可能性がある。また、最近ではエンジンの電子制御が進んでいるが、本来の排気ガスに関係の無いCOが存在すると、排気系のセンサー類を誤作動させてエンジンの電子制御にも悪影響が出てくる。このような不具合を防ぐために、メーカーは出荷前に焼成処理して有機バインダーを焼失する作業を行っている。
有機バインダーの使用量を減少することも考えられているが、減量分だけ無機繊維の結束力が弱まって保持材13が厚くなり、組み付け性が悪化する問題がある。また、有機バインダーの減少により、保持材13のケーシング側表面の強度低下や、摩擦係数の増大といった問題も考えられる。最近では、触媒コンバーターの製造に際し、保持材13を巻装した触媒担体12を円筒状の金属製ケーシング11に圧入することが主流になっており、保持材13のケーシング側表面にフィルムやテープ、不織布、樹脂コーティング層等の保護膜50を形成して、圧入時の摩擦抵抗の低減や、ケーシング側表面の補強を図ることが行われている(特許文献1、2参照)。
特開2001−32710号公報 特開平8−61054号公報
こうした保護膜50が形成された保持材13は、保護膜自体の摩擦抵抗が低いため、キャニング性に優れ、生産効率の向上が期待される。しかしながら、触媒担体12への巻装作業の際に、触媒担体に接する内周に比べて保護膜が形成された外周の長さが大きくなるため、すなわち、外周が引っ張られるため、保護膜50が破れたり、一部が剥離してしまうことが懸念される。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、保護膜が形成された保持材において、保護膜50に穴を開けて保護膜に伸縮性を付与(制御)することにより、保護膜の本来持つ補強効果や圧入時の摩擦抵抗の低減効果を維持しつつ、触媒担体への巻装作業性を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は下記の触媒コンバーター用保持材を提供する。
(1)触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻装されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、
無機繊維製の基材の金属製ケーシング側の表面に、開口を有する保護膜が接合されていることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
(2)保護膜における開口率が10〜45%であることを特徴とする上記(1)記載の触媒コンバーター用保持材。
(3)開口の形状が円または楕円であることを特徴とする上記(1)または(2)記載の触媒コンバーター用保持材。
(4)開口の最小部の長さが5mm以上であることを特徴とする上記(1)〜(3)の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
(5)隣接する開口の間隔が3mm以上であることを特徴とする上記(1)〜(4)の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
(6)開口が形成された保護膜の坪量が20g/m以下であることを特徴とする特徴とする上記(1)〜(5)の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
(7)保持材全体の有機成分が、該保持材全量の3質量%以下であることを特徴とする上記(1)〜(6)の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
本発明の保持材は、保護膜に開口が形成されているため、触媒担体に巻装した状態と、出荷前に加熱して保護膜を焼失させた状態とで面積の差が小さく、保護膜全体の柔軟性も高まり、触媒担体への巻装作業性も高まる。従って、保護膜本来の補強効果や圧入時の摩擦抵抗の低減効果を維持しつつ、触媒担体への巻装作業性を向上させることができる。更には、保護膜が焼失した際の有機成分の発生量も少なくなり、触媒コンバーター出荷前の焼失作業が短時間ですみ、排気設備を小規模にすることもできる。
(A)本発明の触媒コンバーター用保持材を示す平面図、(B)触媒担体に巻装した状態を示す斜視図である。 開口パターンの他の例を示す平面図である。 開口パターンの他の例を示す平面図である。 開口パターンの他の例を示す平面図である。 開口パターンの他の例を示す平面図である。 実施例で用いた保持材を示す上面図である。 触媒コンバーターの一例を示す断面図である。 (A)従来の触媒コンバーター用保持材の平面図、(B)触媒担体に巻装した状態を示す斜視図である。
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の保持材13の一例を示しており、(A)は図8(A)に対応して示す平面図であり、(B)は図8(B)に対応して示す斜視図である。図示されるように、無機繊維製の基材45のケーシング側表面に保護膜50Aが接合されており、保護膜50Aの全面にわたり円形の開口60が多数形成されている。
開口60の形成パターンは、図1に示すように等間隔で形成する他、図2に示すように千鳥格子状に形成してもよい。また、図示は省略するが、ランダムに形成してもよい。更には、図3に示すように、大きさの異なる円を組み合わせでもよい。
また、開口60は、円形の他にも図4に示すように楕円形であってもよい。楕円の長軸は、図示されるように保持材13の長手方向(紙面左右方向)に沿って形成されてもよいし、長手方向と直交(紙面上下方向)するように形成されていてもよいし、長手方向に斜め方向に沿って形成されていてもよい。保持材13は、圧入の際にその幅方向が圧入方向になるため、長軸が保持材13の幅方向に一致するように開口60を形成することにより圧入しやすくなる。一方、楕円の長軸が保持材13の長手方向に一致するように開口60を形成することにより、触媒担体12に巻装する際の湾曲がしやすくなる。また、図示されるように、大きさの異なる楕円を組み合わせてもよい。後述される試験1にも示すように、楕円形の開口は、円形の開口よりも引張強度に優れるという利点もある。
更には、開口60は、最小部の長さ、即ち図1〜3に示すような円形の場合はその直径、図4に示すような楕円の場合はその短軸が5mm以上であることが好ましく、10〜15mmであることがより好ましい。図3や図4に示すように大きさの異なる開口60が混在している場合は、最小の開口における直径または短軸を10mm以上とする。圧入の際に開口60の周縁が抵抗となるため、開口径が小さくなるほど開口60をより多く形成しなければならず、圧入時の摩擦抵抗が大きくなる。一方、開口径が30mmを超えると、基材45が多く露出して圧入時の摩擦抵抗が大きくなる。
また、隣接する開口60の間隔Dは、3mm以上であることが好ましく、5mmより大きく15mm以下であることがより好ましい。隣接する開口60の間隔が狭くなるほど開口間の保護膜50Aが幅細になるため、圧入時に保護膜50Aが破断しやすくなる。また、開口60の間隔が広くなるほど開口間の保護膜50Aが幅広になるため、圧入時の保護膜50Aの破断は抑えられるものの、開口60を設けることの効果が低下する。
更に、図5に示すように、保持材13の本体部41の凸部42の周辺領域47、並びに凹部43の周辺領域48には開口60を形成しないことが好ましい。図1(B)に示すように、凸部42と凹部43は、保持材13を触媒担体12に巻装した際に係合する部分であり、係合端縁に段差があると圧入時に金属ケーシングの内面に引っ掛かることがある。係合端縁に段差がある場合でも、保護膜50Aにより低摩擦抵抗化されて圧入しやすくなるが、開口60があると基材45が露出してその分摩擦抵抗が大きくなる。そのため、凸部42及び凹部43の周辺部分47、48のみに開口60を形成しないことにより、できるだけ摩擦抵抗の低減化を図ることができるようになる。そのため、周辺部分47、48が広くなるほど圧入時の摩擦抵抗を小さくすることができるが、開口60を設けることの効果が低下するため、周辺部分47、48の広さとしては、図中の寸法aが保持材全幅の50〜100%、bが保持材全長の5〜9%、cが保持材全長の5〜9%、dが保持材全幅の50〜100%であることが好ましい。
上記した開口60の形成様式において、何れの場合も、開口60の開口率、即ち、保護膜50Aの全面積に占める開口60の割合は、10〜45%であることが好ましく、20〜35%であることがより好ましい。開口率が小さくなるほど、保護膜本来の作用の低下が少ないものの、開口60を設けることの効果が低下する。一方、開口率が大きくなるほど、保護膜本来の作用の低下が大きくなり、更に基材45が露出してその分摩擦抵抗が大きくなりキャニング性が悪化する。従って、開口60の大きさ、開口間の間隔、大きさの異なる開口の組み合わせ、形成パターン等を調整して上記の開口率範囲とする。
保護膜50Aの材料としては、従来公知のもので構わず、例えば、ポリエチレン、エチレンー酢酸ビニル共重合体、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等からなるフィルムや不織布が挙げられる。また、本発明において、低コストで入手可能で、強度があり穴あけ加工が容易なポリエチレン樹脂製不織布といった有機不織布が好適に使用できる。
保護膜50Aの厚さには制限はないが、薄くなりすぎると膜強度が低くなり、触媒担体12への巻装後や圧入時に破断しやくなる。また、厚くなりすぎると伸張しにくく、触媒担体12の外周面に巻装しにくくなり、更には有機成分が多くなり、後述するように基材45との合計量で3質量%以下に抑えることが難しくなる。膜強度としては、引張強度で0.5N/30mm以上であることが好ましく、2N/30mm以上であることがより好ましい。尚、引張強度は、JIS P 8813に準拠して測定される。このような引張り強度を満足し、有機成分を抑えるためには、開口後の坪量で20g/m以下とすることが好ましく、2〜10g/m、2〜5g/mとすることがより好ましい。
尚、有機不織布の場合は、繊維が面上でランダムに存在していてもよいが、保持材13の長手方向に配向させることにより、触媒担体12の外周面に巻装する際に周方向に伸張しやすくなり、装着性が向上する。また、幅方向に配向させると、圧入方向の膜強度が高まる。
保護膜50Aを基材45に接合するには、開口60を形成したフィルムや不織布を接着剤を用いたり、ホットプレスにより貼り付ける方法等が可能である。但し、接着剤を用いる方法では有機分が多くなり、また接着剤が開口60の周縁、更に不織布の場合は繊維の隙間からはみ出て外観不良になりやすいため、ホットプレスが好ましい。
尚、基材45には制限が無く、例えば、無機繊維と少量の有機バインダーとを湿式成形した後、圧縮した状態で乾燥した圧縮マット、無機繊維を集綿したものをニードル加工したブランケットからなるマット、無機繊維とバーミキュライト等の膨張材とを湿式成形した膨張マット等のマット材等を使用できる。
また、全体形状には制限がなく、例えば図1(A)に示したように、平板状の本体部41の一端に凸部42を形成し、他端に凸部42と嵌合可能な形状の凹部43を形成した形状とすることができる。尚、凸部42及び凹部43の形状は、図示される矩形の他に、三角形や半円形状であってもよい。また、凸部42及び凹部43の個数も1個には限定されず、2個以上であってもよい。
無機繊維としては、従来から保持材に用いられている種々の無機繊維を用いることができる。例えば、アルミナ繊維、ムライト繊維、あるいはその他のセラミック繊維等を適宜使用できる。より具体的には、アルミナ繊維としては、例えばAlが90重量%以上(残りはSiO分)であって、かつX線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その平均繊維径が3〜10μm、ウエットボリューム300cc/5g以上が好ましい。ムライト繊維としては、例えばAl分/SiO分重量比が70/30〜83/17程度のムライト組成であって、かつX線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その平均繊維径が3〜10μm、ウエットボリューム300cc/5gが好ましい。その他のセラミック繊維としては、シリカアルミナ繊維を挙げることができるが、何れも従来から保持材に使用されているもので構わない。また、ガラス繊維やシリカ繊維、ロックウール、生体溶解性無機繊維を配合してもよい。
尚、上記ウエットボリュームは、次の方法で算出される。
1)乾燥した繊維材料5gを少数点2桁以上の精度を有する秤で計量する。
2)計量した繊維材料を500gのガラスビーカーに入れる。
3)2)のガラスビーカーに温度20〜25℃の蒸留水を400cc程度入れ、攪拌機を用いて繊維材料を切断しないように慎重に攪拌し、分散させる。この分散は超音波洗浄機を使用してもよい。
4)3)のガラスビーカーの中味を1000mlのメスシリンダーに移し、目盛で1000ccまで蒸留水を加える。
5)4)のメスシリンダーの口を手等で塞ぎ、水が漏れないように注意しながら上下逆さまにして攪拌する。これを計10回繰り返す。
6)攪拌停止後、室温下で静置し、30分経過後の繊維沈降体積を目視で計測する。
7)上記操作を3サンプルについて行い、その平均値を測定値とする。
有機バインダーも公知のもので構わず、ゴム類、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を使用できる。具体的には、ゴム類の例としては、n−ブチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体、エチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体、ブタジエンとアクリロニトリルの共重合体、ブタジエンゴム等がある。水溶性有機高分子化合物の例としては、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等がある。熱可塑性樹脂の例としては、アクリル酸、アクリル酸エステル、アクリルアミド、アクリロニトリル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル等の単独重合体及び共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体等がある。熱硬化性樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂等がある。
また、基材45には、有機バインダーとしてパルプ等の有機繊維を少量配合することも可能である。有機繊維は細く長いものほどバインド力が高く、高度にフィブリル化したセルロースやセルロースナノファイバー等が好ましい。具体的には、繊維径が0.01〜50μm、繊維長が1〜5000μmであることが好ましく、繊維径が0.02〜1μm、繊維長が10〜1000μmであることがより好ましい。
こうした有機バインダーは二種以上を組み合わせて使用することもできる。有機バインダーの使用量は、無機繊維を結束し得る量であれば制限はないが、無機繊維100質量部に対して0.1〜10質量部である。有機バインダーが0.1質量部未満では結束力が不足し、10質量部を越える場合は、消失する際に排ガス規制を上回ってしまう可能性がある。有機有機バインダーの好ましい量は0.2〜6質量部、さらに好ましい量は0.2〜3質量部である。
有機バインダーと無機バインダーを併用してもよい。有機バインダーと無機バインダーの併用によれば、使用時おける有機成分の揮発が起因する上述した不具合を回避するために、有機バインダーの使用量を少なくした場合であっても、無機繊維を良好に結束でき、従来と同等の厚さを維持できる触媒コンバーター用保持材を提供することができる。こういった無機バインダーは公知のもので構わず、ガラスフリット、コロイダルシリカ、アルミナゾル、珪酸ソーダ、チタニアゾル、珪酸リチウム、水ガラス、ベントナイトといった粘土系などが挙げられる。なお、これらの無機バインダーは二種以上を組み合わせて使用することもできる。無機バインダーの使用量は、無機繊維を結束し得る量であれば制限ないが、無機繊維100質量部に対して0.1〜10質量部である。無機バインダーが0.1質量部未満では結束力が不足し、5質量部を越える場合は相対的に無機繊維の量が減り、保持材として必要な保持性能及びシール性能が得られない。無機バインダーの好ましい量は0.2〜6質量部、さらに好ましい量は0.2〜4質量部未満である。
保持材全体、即ち基材45と保護膜50Aとの合計における有機分は、少ないほど好ましい。具体的には、有機分は保持材全量の3質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは2質量%以下、特に好ましくは1.5質量%以下、1.0質量%以下、0.5質量%以下とすることもできる。そのため、基材45においては、有機バインダーや有機繊維は圧縮状態を維持できるように極く少量に留めることが好ましい。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
(試験1)
坪量5g/mで、幅70mmのポリエチレン不織布に、表1に示すように、円形または楕円形の開口を穴あけ加工により形成して試験片とした。尚、開口は、幅方向に3列とし、長手方向における個数は同数とした。また、端面から開口までの距離とは、図5における寸法bである。そして、試験片をJIS P 8113に準拠する引張試験機に装着し、引張速度10mm/分にて最大点荷重(破断に至る荷重)及び引張荷重7Nに達するまでの不織布の伸び量を測定した。結果を表1に示すが、開口を形成しないポリエチレン不織布(試験番号6)を100とする相対値で示してある。結果を表1に併記するが、楕円形の開口の方が円形の開口よりも引張強度が高く、保持材圧入時における保護膜の破断を抑える効果が高いといえる。また、不織布に穴を開けたほうが、不織布が伸びやすくなることがわかる。
Figure 2011137418
(試験2)
長手方向長さ530mm、幅方向長さ144mmのポリエチレンフィルムまたはポリエチレン不織布を用意し、表2に示すように、円形または楕円形の開口を穴あけ加工により形成して保護膜とした。尚、各保護膜における開口は同一寸法であり、図5に示すように幅方向に3列とし、長手方向における個数を変えて形成した。また、楕円形の開口は、その長軸が長手方向に沿うようにした。
そして、上記の保護膜を、長手方向長さ530mm、幅方向長さ144mmで、坪量1200g/mのアルミナ繊維製基材の片面に接合して保持材とした。尚、接合は、実例例15のみスプレーで接着剤を塗布し、その他はホットプレスとした。
Figure 2011137418
11 金属製ケーシング
12 触媒担体
13 保持材
45 基材
50、50A 保護膜
60 開口

Claims (7)

  1. 触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻装されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、
    無機繊維製の基材の金属製ケーシング側の表面に、開口を有する保護膜が接合されていることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
  2. 保護膜における開口率が10〜45%であることを特徴とする請求項1記載の触媒コンバーター用保持材。
  3. 開口の形状が円または楕円であることを特徴とする請求項1または2記載の触媒コンバーター用保持材。
  4. 開口の最小部の長さが5mm以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
  5. 隣接する開口の間隔が3mm以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
  6. 開口が形成された保護膜の坪量が20g/m以下であることを特徴とする特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
  7. 保持材全体の有機成分が、該保持材全量の3質量%以下であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の触媒コンバーター用保持材。
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