JP2515837B2 - セラミックハニカム触媒コンバ―タ - Google Patents

セラミックハニカム触媒コンバ―タ

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JP2515837B2
JP2515837B2 JP63039038A JP3903888A JP2515837B2 JP 2515837 B2 JP2515837 B2 JP 2515837B2 JP 63039038 A JP63039038 A JP 63039038A JP 3903888 A JP3903888 A JP 3903888A JP 2515837 B2 JP2515837 B2 JP 2515837B2
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    • F01N3/08Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2839Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N2330/00Structure of catalyst support or particle filter
    • F01N2330/06Ceramic, e.g. monoliths

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、内燃機関の排ガス浄化用触媒、各種ガス・
石油を燃料とする燃焼ガスの浄化および/または脱臭用
触媒として用いられるセラミックハニカム触媒コンバー
タおよび微粒子浄化用フィルタの構造に関するものであ
る。
(従来の技術) 従来、触媒コンバータにおける一体製セラミックハニ
カム構造体の支持に関しては、主として次の3項目が要
求される。
容器に組み込む際に、破損・破壊を生じないこと。
使用中の機械振動に耐えること。
触媒と容器の間を排ガスが通過しないこと。
即ち、触媒コンバータが使用中に受ける振動で触媒が
動かないよう、貫通孔方向あるいは貫通孔と垂直な方向
(以下「径方向」という)に支持材を介して圧力を加え
支持する必要がある。
触媒は、一般的には正方形セルを持った一体製セラミ
ックハニカム構造体が用いられるが、このハニカム構造
体はセルを構成する隔壁に対する方向によって径方向の
外圧強度が異なる。このため、特公昭58−9245号公報に
は、組み込み時の触媒の破壊・破損防止を目的とし一体
製セラミックハニカム構造体の隔壁の方向に対し45゜付
近で触媒と支持材の間に空隙を設けたものが開示されて
いる。
また、触媒コンバータの触媒と容器の間に気密性がな
く、その間を排気ガスが洩れて流れる場合には通過した
排気ガスがたとえ一部であっても浄化されないため全体
としての浄化性能が悪くなるので、各種の気密構造ある
いはシール材料が提案されているが、最近ではシール材
と支持材を兼ねて支持部分の一部または全部にガスシー
ル性能の良い熱膨張性のセラミックマットが使用されて
いる。
(発明が解決しようとする課題) 触媒の支持は、支持圧力が低ければ使用中の振動で触
媒が動かされ容器に衝突し徐々に欠けが進行し、欠けた
破片はマフラーから排出飛散しやがては触媒がなくなっ
てしまう。一方、支持圧力が高ければ容器に組み込む際
に触媒が破損・破壊する問題点がある。
また、セラミックハニカム構造体のうち特に隔壁の厚
さが薄いものは、製造上外周壁付近にセル変形が生じや
すく、そうなった部分は変形の程度に応じ径方向の外圧
に対する強度(以下「外圧強度」という)が低下する。
また、正方形セルの場合はセル構造上の特性から隔壁に
対し45゜方向部分の外圧強度が低く、加えて上述のセル
変形がその部分に発生しやすい問題点がある。
そのため、特公昭58−9245号公報記載の外周壁の均一
品では、強度の弱い45゜方向に外圧が加わらないように
するため支持材の厚さを45゜方向部分のみ薄くする方法
であるので触媒と支持材の空隙の相対位置を常に保持す
る必要がありそのため、外周壁の一部を厚くした回り止
めを設けることが提案されているが、外周壁の一部を厚
くするとその他の部分との肉厚差のためセラミックハニ
カム構造体製造時に欠陥が生じやすく、また支持材は空
隙を設けるためハニカム構造体の45゜付近に相当する部
分の厚さを薄く、しかも回り止め用の厚くした外周壁の
一部に相当する部分の厚さをも薄く形成しなければなら
なく非常に煩雑であり、さらに容器収納時には触媒と支
持材の相対位置を合致させた煩雑な作業が必要となる問
題点がある。
特公昭58−9245号公報記載の外周壁を全体に厚く45゜
付近のみ薄く形成したものでは、厚い外周壁と45゜付近
のみ薄い外周壁および隔壁との肉厚差のため、セラミッ
クハニカム構造体製造時に欠陥が生じやすく、また使用
中に受ける熱衝撃により発生する熱応力が機械的強度の
低い45゜付近の薄い外周壁部分に切れ欠け効果として集
中し低い熱衝撃で破壊を生じる問題点がある。
また、両者とも触媒と支持材に空隙があるため、排気
ガスの一部が浄化されないまま排出される問題点があ
る。
本発明の目的は上述した課題を解消して、部分的に機
械的強度の低いセラミックハニカム触媒でも、容器に組
み込む際に、破損・破壊を生じなく、使用中の機械振動
に耐え、触媒と容器の間を排気ガスが通過しないセラミ
ックハニカム触媒コンバータを提供しようとするもので
ある。
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明のセラミックハニカ
ム触媒コンバータは、隔壁で囲まれる多数の貫通孔を有
し、貫通孔に垂直な断面が円または楕円であり、外周壁
がほぼ一定の厚さの一体製セラミックハニカム構造体触
媒を、少なくともハニカム構造体の貫通孔方向の一部分
の、全外周に亘って設けた熱膨張性セラミックマットか
らなる支持材を介して容器内に設置した構造のセラミッ
クハニカム触媒コンバータであって、前記容器とハニカ
ム構造体触媒の間隔がハニカム構造体触媒の貫通孔に垂
直な断面の隔壁方向において狭くなっていることを特徴
とするものである。
(作 用) セラミックハニカム触媒コンバータにおいて、容器と
触媒の間隔がハニカム構造体の径方向断面内の隔壁方向
において狭くなっている本発明の場合、部分的に強度の
低いセラミックハニカム構造体触媒の強度の低い隔壁に
対し45゜方向部分では低い支持圧力が、強度の高い隔壁
方向部分では高い支持圧力が作用し、その結果、強度の
低い部分に合わせた低い均一な支持圧力で支持する一般
の方法に比較して全体の支持圧力が高まり、触媒強度の
安全を損ねることなく信頼性の高い触媒コンバータが得
られる。
また、本発明品は外周壁の厚みが均一であるため、外
周壁の一部を厚くしたものと比較して製造時に欠陥が生
じ難く、支持材の厚さも均一であるため容易に形成可能
となり、しかも容器収納時にも触媒と支持材の相対位置
を合致させる必要がなくなるので作業が容易となり、低
い熱衝撃で破壊を生じることもなくなる。
すなわち、外周壁の厚さを一定にすることで、外周壁
を厚くしてその外周壁に切欠き部を形成する場合のよう
に外周壁の厚さが一定でない場合に比べて、成形後の乾
燥または焼成時のクラックの発生がなく、効率良く切欠
き部を有するセラミックハニカム構造体を得ることがで
き、その結果効率良く触媒コンバータを得ることができ
る。
さらに、触媒の外圧強度の低い部分にもシール材が当
接されるので触媒と容器の間には空隙がなくなるため、
浄化されない排ガスが排出されることもない。
(実施例) 以下に本発明の実施例を説明する。
コージェライト原料を押し出し成形し焼成して、第1
図(A)および第1図(B)に断面図およびその拡大断
面図に示すような隔壁部外径D1=100mm、隔壁に対し45
゜部の外径D2=98.8mm、全長100mmの、0.17mm厚の隔壁
2で囲まれた62個/cm2の貫通孔密度の貫通孔3を有する
本発明品であるセラミックハニカム構造体担体1を得
た。外径D1の部分はそれぞれ貫通孔に垂直な断面の中心
から隔壁に対し左右約30゜の範囲とし、外周壁4の厚さ
は約0.3mmである。
このハニカム担体を、特公昭57−2375号公報等で知ら
れる方法によりγ−アルミナ等を被覆した後、この被覆
層に白金等の触媒貴金属を担持し触媒とし、この触媒に
第2図に示すように厚さ4.9mm、幅90mm(触媒の全長方
向に相当する)、長さ315mmのセラミックマット7を巻
き、内径104.0mm、厚さ2.4mmのフランジが溶接されたス
テンレス鋼管5の中に押し込み上下にフランジが溶接さ
れたメガホン形のコーン6をボルトで組み付け第3図に
示す形状の触媒コンバータ10を得た。
比較例1〜3は、同様な方法で第4図に示すような、
径方向が一様な円形断面輪郭を有したセラミックハニカ
ム構造体を用い、同様な方法で触媒コンバータを得てい
る。比較例2および3は鋼管5の内径が1mm大きい105.0
mmである。比較例3は、厚さ2.45mmのセラミックマット
7を、径方向断面の中心から隔壁に対し左右約30゜の範
囲を二重にその他の部分を一重に巻き、また比較例4お
よび5は、セラミックハニカム構造体の径方向断面の中
心から隔壁に対し左右約30゜の範囲の外周壁の厚さを約
1.5mm、その他の部分の外周壁の厚さを約0.3mmとした。
これら触媒コンバータ各々2個について性能試験を実
施した。その結果を第1表に示す。
このうち外圧強度試験、キャンニング試験およびもれ
試験については、セラミックハニカム構造体にγ−アル
ミナ等を被覆する前の担体で実施した。また、外圧強度
試験については試料数3個を試験に供した。
ここで、外圧強度試験は、ハニカム構造体の上下端面
に厚さ約0.5mmのウレタンシートを介してハニカム構造
体の径方向断面と同一の輪郭を持つ約20mm厚さのアルミ
ニウム板を当て側面を厚さ約0.5mmのウレタンチューブ
で包み密封し、水を満たした圧力容器に入れ圧力を徐々
に上げて破壊音が生じたときの圧力を測定した。破壊が
構造体の隔壁部あるいはその他の部分のように部分的で
ある場合には、破壊以外の部分が破壊するまでさらに圧
力を上げた。
キャンニング試験は、触媒にセラミックマットを巻
き、その触媒を出口部が鋼管の入口部よりわずかに大き
く入口部が出口部よりさらに大きい内径を持った治具の
中に入れ、治具出口部を鋼管の入り口部に当てて触媒を
油圧ラムで鋼管の中に押し込んだ後、鋼管から押し出し
て中の触媒の外観を観察した。
もれ試験は、セラミックハニカム構造体の貫通孔を上
下端面とも径方向断面と同一の輪郭を持つウレタンシー
トで塞ぎコンバータに組み立た後コンバータ入口部に室
温空気約0.2kgf/cm2の圧力をかけてもれの有無を確認し
た。
加熱振動試験は、触媒コンバータにプロパンガスバー
ナを加熱源とした800℃の熱ガスを2分流し加熱した
後、室温空気を2分流して冷却することを1サイクルと
して200Hz、最大加速度20Gの振動を加えながら50サイク
ル実施した後、鋼管を切り開き中の触媒の外観を観察し
た。
第1表からわかるように本発明品は、部分的に機械的
強度の低いセラミックハニカム触媒を用いているにもか
かわらず、容器に組み込む際に破損・破壊を生じなく、
加熱振動試験で欠けあるいは離断のような破壊もなく、
触媒と容器の間に空隙がないため排気ガスが未浄化のま
ま通過しない信頼性の高いセラミックハニカム触媒コン
バータを得ることができた。
ここで、比較例4および5に使用したセラミックハニ
カム構造体の外圧強度が本発明品および比較例1〜3の
場合と異なり隔壁と45゜方向に比べ隔壁方向でやや弱
い。これは、製造過程で隔壁方向の外壁が厚いため隔壁
方向の厚い外壁に隣接したセルが変形したためである。
本実施例は、セラミックハニカム構造体の径方向断面
形状を正円のもので実施したが、これに限定されるもの
ではなく楕円、四角形状等のものでもよい。また、容器
と触媒との間隔を調整する方法として本実施例では実験
の都合上ハニカム構造体の径方向断面形状を変えたが、
正円以外の形状の場合には第5図(A)に示すように容
器の形状を調整するようにしてもよい。正円の場合容器
形状で調整すると触媒の回り止め機構が必要となり組立
時も煩雑となり好ましくない。なお、楕円形状品の場合
の隔壁と45゜方向とは長径部分の円弧の中心から外に向
った45゜方向とする。
また、本実施例では調整する形状を原形状に対し一定
の幅の輪郭で行ったがこれに限定されるものでなく、第
5図(B)および(C)で示すように円弧を直線で切る
弦の状態でもよい。
(発明の効果) 以上説明したところから明らかなように、本発明のセ
ラミックハニカム触媒コンバータによれば、容器と触媒
の間隔をハニカム構造体の径方向断面内の隔壁方向にお
いて狭くしているため、強度の低い部分に合わせた低い
均一な支持圧力で支持する一般の方法に比較して全体の
支持圧力が高まり、触媒強度の安全を損ねることなく信
頼性の高い触媒コンバータを得ることができる。
また、本発明における容器と触媒の間隔の広狭は、熱
膨張性セラミックマットを巻き付けることによりそのマ
ットの弾力性で埋まるものであり、容器と触媒との間に
は実質的に空隙がなくり、浄化されない排ガスが排出さ
れることもない。
さらに、本発明品は外周壁の厚みを均一にしているた
め、製造時の欠陥が生じ難く、支持材の厚さも均一であ
るため容易に形成可能となり、しかも容器収納時にも触
媒と支持材の相対位置を合致させる必要がなくなるので
作業が容易となり、低い熱衝撃で破壊を生じることもな
くなる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A),(B)は本発明の触媒コンバータで使用
する担体形状の一例を示す断面図およびその拡大断面
図、 第2図は本発明の触媒コンバータにおける径方向の断面
図、 第3図は本発明の触媒コンバータの外形の一例を示す
図、 第4図は比較例の担体形状を示す断面図、 第5図(A)〜(C)は本発明の他の例を示す断面図で
ある。 1……セラミックハニカム構造体担体 2……隔壁、3……貫通孔 4……外周壁、5……ステンレス鋼管 6……コーン、7……セラミックマット 10……触媒コンバータ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】隔壁で囲まれる多数の貫通孔を有し、貫通
    孔に垂直な断面が円または楕円であり、外周壁がほぼ一
    定の厚さの一体製セラミックハニカム構造体触媒を、少
    なくともハニカム構造体の貫通孔方向の一部分の、全外
    周に亘って設けた熱膨張性セラミックマットからなる支
    持材を介して容器内に設置した構造のセラミックハニカ
    ム触媒コンバータであって、前記容器とハニカム構造体
    触媒の間隔がハニカム構造体触媒の貫通孔に垂直な断面
    の隔壁方向において狭くなっていることを特徴とするセ
    ラミックハニカム触媒コンバータ。
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