JP2798871B2

JP2798871B2 - セラミックハニカム触媒コンバータ

Info

Publication number: JP2798871B2
Application number: JP5220046A
Authority: JP
Inventors: 實町田; 敏雄山田; 俊彦土方; 結輝人市川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH0777036A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、セラミックハニカム触媒コンバ
ータに関するものであり、特に、メタルケースと、メタ
ルケース内に収められたセラミックハニカム触媒と、ハ
ニカム触媒外面およびメタルケース内面の間に圧縮状態
で配置されたセラミック繊維マットとを具え、ハニカム
触媒がセラミック繊維マットの面圧によりメタルケース
内に把持されてなる触媒コンバータに係るものである。

【０００２】

【背景技術】上述した構成を有するセラミックハニカム
触媒コンバータは、自動車用排ガス浄化システムに広く
使用されており、例えば特開昭57-56615号公報、特開昭
61-241413号公報および特開平1-240715号公報等に開示
されている。セラミックハニカム触媒は、高い開口率に
由来して排ガスを通過させる場合の圧力損失が低く、優
れた排ガス浄化性能を発現するものとして広範に普及す
るに至っている。なお、従来より実用に供されているセ
ラミックハニカム触媒は、例えばハニカムにおける隔壁
の壁厚（リブ厚とも称する）が0.170 mm、流路方向貫通
孔の数が１cm²あたり60個とされている。

【０００３】最近における環境問題がらみの排ガス規制
強化、例えば、米国における排ガス評価試験モードの一
つであるＬＡ−４モードにおけるハイドロカーボン排出
総量低減の要請に伴い、セラミックハニカム触媒には従
来以上に卓越した排ガス浄化性能の発現が期待されてい
る。特に、エンジンをスタートしたばかりの状態、いわ
ゆるコールドスタート時では触媒が十分に暖まっていな
いために十分に活性化しておらず、浄化効率が著しく低
い。このため、コールドスタート時における触媒の早期
活性化が排ガス規制をクリアーするための最重要課題と
されている。このような観点から、一般論として、セラ
ミックハニカム触媒における隔壁をより薄く形成し、開
口率を一層高めて圧力損失を低下させると共に構造体重
量を軽減し、触媒の熱容量を低減させて触媒の昇温速度
を高めることが提案されている。この場合には、大きな
幾何学的表面積が得られることから、ハニカム触媒の小
型化も期待することができる。その反面、隔壁が薄いセ
ラミックハニカム触媒は、構造体としての強度の一指標
であるアイソスタティック破壊強度についての所定の最
低保証値（一般的には５ kgf/cm²以上、好適には10 kgf
/cm²以上とされる）の達成が困難となる。ここに、アイ
ソスタティック強度とは、社団法人自動車技術会発行の
自動車規格であるJASO規格M505-87 に規定されており、
ハニカム構造体にアイソスタティック、すなわち等方的
な静水圧荷重を負荷したときの圧縮破壊強度であって、
破壊が発生したときの圧力値で示される。言うまでもな
く、アイソスタティック強度の低いハニカム構造体は、
慎重な取り扱いを必要とし、また、ハニカム触媒をコン
バータケーシング内に保持し、実使用下において振動等
によりハニカム触媒がケーシング内で動くことのないよ
うケーシング内に装着する作業、いわゆる「キャニン
グ」に際して触媒担体の損傷を生じかねない。

【０００４】キャニングは、ハニカム触媒の外周面で把
持するのが主流であるが、流路方向での把持方式または
外周面と流路方向での組合わせ把持方式が採用される場
合もある。キャニングに際しては、セラミックハニカム
触媒コンバータにおけるハニカム触媒外面およびメタル
ケース内面の間にセラミック繊維マットを圧縮状態で介
挿し、ハニカム触媒をセラミック繊維マットの面圧によ
りメタルケース内に把持する。この場合、コールドスタ
ート時における触媒の早期活性化を達成するために触媒
をよりエンジンに近づけて排ガス温度のより高い条件下
で触媒を使用する傾向にあり、これに由来して触媒のキ
ャニング構造、特に把持部材にもより高い耐熱信頼性が
要求されている。そして、キャニング構造における把持
部材を構成するセラミック繊維マットとしては、従来よ
り、アルミナシリカ繊維にバーミキュライトを添加した
熱膨張性マットが一般的に使用されている。しかるに、
従来の熱膨張性マットは、800 〜900 ℃を上限に圧縮特
性が劣化し、面圧の低下に伴ってハニカム触媒の適切な
把持が不可能となり、ひいてはエンジンからの苛酷な振
動の伝達によりハニカム触媒の破損を招来し、また、高
温の排ガスに曝されるとマットが飛散してしまう問題点
が指摘されている。前述した特開昭 61-241413号公報に
記載のものにおいては、このような問題点を克服するた
め、熱膨張性マットとメタルケース内面の間に断熱層と
してのセラミック繊維層を介在させているが、かかる構
成は構造が複雑となるために触媒コンバータの生産性を
向上する観点から必ずしも好ましい解決策とは言えな
い。他方、ハニカム触媒の薄壁化に伴ってアイソスタテ
ィック破壊強度レベルも必然的に低下するが、従来の熱
膨張性マットでは触媒温度の上昇に際してマットも膨張
して面圧が急激に増加する場合があり、その結果として
薄壁ハニカム触媒が使用中に破損するという問題点も指
摘されている。そして、従来、セラミックハニカム触媒
における隔壁の薄壁化と、ハニカム触媒の経時的に安定
な把持とは、互いに二律背反的な問題点として一般に認
識されていたのであり、薄壁セラミックハニカム触媒を
長期に亙って安定に把持することができるキャニング構
造はこれまで提案されていなかったのである。

【０００５】

【発明の開示】したがって、本発明の課題は、上述した
問題点を一挙に解消し得る新規な着想に立脚し、薄壁セ
ラミックハニカム触媒であってもハニカム触媒を長期に
亙って安定に把持し得るキャニング構造を含むセラミッ
クハニカム触媒コンバータを提案することである。

【０００６】本発明によるセラミックハニカム触媒コン
バータは、メタルケースと、該メタルケース内に収めら
れたセラミックハニカム触媒と、該ハニカム触媒の外面
および前記メタルケースの内面の間に圧縮状態で配置さ
れたセラミック繊維マットとを具え、前記ハニカム触媒
が前記セラミック繊維マットの面圧により前記メタルケ
ース内に把持されてなる触媒コンバータにおいて、前記
セラミック繊維マットを、アルミナ、ムライト、炭化珪
素、窒化珪素およびジルコニアからなる群より選ばれた
少なくとも１種からなり、繊維径が２μm 以上６μm 未
満であるセラミック繊維で形成され、かつ、室温時に２
kgf/cm²の初期面圧をかけた後に 1000 ℃まで昇温した
とき、少なくとも１kgf/cm²の面圧を発生すると共に、
触媒コンバータの実用温度範囲内で大きく増減を生じな
い圧縮特性を有する耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マ
ットとして構成したことを特徴とするものである。

【０００７】本発明においては、セラミックハニカム触
媒の外面とメタルケースの内面との間に圧縮状態で配置
されたセラミック繊維マットを、アルミナ、ムライト、
炭化珪素、窒化珪素およびジルコニアからなる群より選
ばれた少なくとも１種からなり、繊維径が２μm 以上６
μm 未満であるセラミック繊維で形成され、かつ、室温
時に２kgf/cm²の初期面圧をかけた後に 1000 ℃まで昇
温したとき、少なくとも１kgf/cm²の面圧を発生すると
共に、触媒コンバータの実用温度範囲内で大きく増減を
生じない圧縮特性を有する耐熱・非熱膨張性セラミック
繊維マットとして構成したため、触媒コンバータの実使
用条件下での面圧の大きな増減を回避して最適面圧値を
経時的に安定に維持することができ、セラミックハニカ
ム触媒が薄壁のものであってもハニカム触媒をメタルケ
ース内で長期に亙って安定に把持し得るため、ハニカム
触媒の使用中の破損を確実に防止することが可能となる
利点が達成される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例について一
層詳細に説明する。

【０００９】図１(A), (B)は、それぞれ本発明を押込み
構造の触媒コンバータに適用した第１実施例を示す横断
面図および縦断面図である。本実施例による触媒コンバ
ータ10は、「キャン」とも称される中空円筒形状のメタ
ルケース11と、メタルケース11内に収められたセラミッ
クハニカム触媒12と、メタルケース11の内面およびハニ
カム触媒12の外面の間に圧縮状態で配置されたセラミッ
ク繊維マット13とを具え、ハニカム触媒12をセラミック
繊維マット13の面圧によりメタルケース11内に把持する
構成とされている。本実施例におけるメタルケース11
は、例えばSUS 304 等の耐熱性ステンレス鋼板を中空円
筒形状にプレス一体成形してなり、軸線方向の一端、す
なわち図１(B) における左端には半径方向内方に向けて
突出する鍔14を有している。この場合、鍔14は円周方向
に連続した形状とすることができる。適当な治具を使用
しつつハニカム触媒12をメタルケース11の他端側、すな
わち図１(B) における左端側からメタルケース11内に押
込む。この押込み状態では、ハニカム触媒12の一端部
（図１(B) における左端）が鍔14に当接すると共に、ハ
ニカム触媒12の外面とメタルケース11の内面との間でセ
ラミック繊維マット13が圧縮状態とされる。このような
態様でのハニカム触媒12の押込み方法は、従来より既知
であるため、詳細な説明は省略する。なお、ハニカム触
媒12のメタルケース10内への押込みの完了後、鍔14と協
動してハニカム触媒12をメタルケース11内で軸線方向に
保持するリテーナリング15を、メタルケース11の他端部
にスポット溶接する。ハニカム触媒12は主としてセラミ
ック繊維マット13の面圧によりメタルケース11内に保持
されるのであるが、鍔14は押込み時にハニカム触媒12の
押込み位置を決める役割を担うと共にリテーナリング15
と協動して実使用下においてハニカム触媒12の軸線方向
の微小変位（これは、主としてセラミック繊維マット13
の剪断変形に起因するものと考えられる。）を規制し、
より高い信頼性をもってハニカム触媒12を保持すること
を可能ならしめるものである。さらに、触媒コンバータ
10を内燃機関の排気系（図示せず）に組付ける手段とし
て、排ガスの導入・導出機能を発揮するメタル部材、い
わゆる「コーン」をメタルケース11の両側に溶接等によ
り接続し、排気管とコーンとを相互に溶接し又はフラン
ジを介してボルト締結することができる。なお、コーン
を使用する代わりに、メタルケース11を排気管に対して
直接溶接する構成としても良いことは、言うまでもな
い。

【００１０】図２(A), (B)は、それぞれ上述した第１実
施例による押込み構造の触媒コンバータ10についての変
形例を示す斜視図および部分断面図である。本例におい
ては、メタルケース11の端部に別体のリテーナリング15
をスポット溶接する代わりに、メタルケース11の端部に
おける円周上の数箇所に当該端部から軸線方向に向けて
突出する複数の突起部16を一体的に設けておき、メタル
ケース10内へのハニカム触媒12の押込み完了後に突起部
16を半径方向内向きに折り曲げることによりハニカム触
媒12をメタルケース11内で軸線方向に保持するものであ
る。

【００１１】図３は、上述した第１実施例による押込み
構造の触媒コンバータ10についての他の変形例を示す縦
断面図である。本例においては、メタルケース11を耐熱
性ステンレス鋼の鋳造品とし、メタルケース11の両端に
フランジ17，18を一体に設ける。本例による触媒コンバ
ータ10は、メタルケース11内へのハニカム触媒12の押込
み後にフランジフランジ17，18を介してエンジン排気系
における排気管にボルト締結するものである。勿論、触
媒コンバータ10は、リテーナリングを介して排気管に接
続する構造としても良い。

【００１２】図４(A), (B)は、それぞれ本発明を巻締め
構造の触媒コンバータに適用した第２実施例を示す横断
面図および部分側面図である。本実施例による触媒コン
バータ20も、中空円筒形状のメタルケース21と、メタル
ケース21内に収められたセラミックハニカム触媒22と、
メタルケース21の内面およびハニカム触媒22の外面の間
に圧縮状態で配置されたセラミック繊維マット23とを具
え、ハニカム触媒22をセラミック繊維マット23の面圧に
よりメタルケース21内に把持する構成とされている。本
実施例におけるメタルケース21は、ハニカム触媒22の外
面にセラミック繊維マット23を被覆した後、そのセラミ
ック繊維マット23上でSUS 304 等の耐熱性ステンレス鋼
板を、円周方向の両端部24a, 24bが互いに重なるよう円
筒状に巻締めて変形させ、円周方向の重ね合わせ端部24
a, 24bを互いに溶接してなるものである。メタルケース
21を形成するステンレス鋼板の円周方向の両端部24a, 2
4bは、それぞれ軸線方向に直線的に延在させることがで
きる。この場合、溶接線は一方の円周方向端部24a に沿
って直線的に延在する。このようにしてメタルケース21
を成形した後、前述した第１実施例におけると同様のリ
テーナリング（図示せず）を、メタルケース21の軸線方
向両端部にスポット溶接することができる。なお、メタ
ルケース21における少なくとも一方の軸線方向端部に
は、別体のリテーナリングを溶接する代わりに、図２
(A), (B)について説明したと同様の突起部を円周上の数
箇所から軸線方向に向けて突出させて一体的に設けてお
き、ステンレス鋼板の巻締め完了後に各突起部を半径方
向内向きに折り曲げてハニカム触媒22をメタルケース21
内で軸線方向に保持する構成としても良いことは、言う
までもない。

【００１３】図５(A), (B)は、それぞれ上述した第２実
施例による巻締め構造の触媒コンバータ20についての変
形例を示す横断面図および部分側面図である。本例によ
る触媒コンバータ20は、第２実施例のものと対比して、
基本的には同一構成とされているが、メタルケース21を
構成するステンレス鋼板の円周方向両端部26a, 26bをそ
れぞれ櫛歯状に形成し、かつ、互いに交錯させて配置し
た点において若干相違する。

【００１４】図６は、本発明をクラムシェル構造の触媒
コンバータに適用した第３実施例を示す横断面図であ
る。本実施例による触媒コンバータ30も、中空円筒形状
のメタルケース31と、メタルケース31内に収められたセ
ラミックハニカム触媒32と、メタルケース31の内面およ
びハニカム触媒32の外面の間に圧縮状態で配置されたセ
ラミック繊維マット33とを具え、ハニカム触媒32をセラ
ミック繊維マット33の面圧によりメタルケース31内に把
持する構成とされている。本実施例におけるメタルケー
ス31は、基本的には半円断面形状を呈する一対のハーフ
34，35を、それぞれ軸線方向に向けて延在するよう各ハ
ーフ34, 35の円周方向両端部に設けられた鍔34a, 34b,
35a, 35bにおいて互いに溶接してなる二つ割構造とされ
ている。なお、メタルケース31の内面には、ハニカム触
媒32を軸線方向に保持するリテーナリングをハニカム触
媒32の軸線方向両端部と対向する領域に溶接することが
できる。

【００１５】上述した第１実施例〜第３実施例のいずれ
においても、セラミックハニカム触媒12, 22, 32は、多
角形断面を有する多数の流路方向貫通孔を、周壁の内側
に配置された隔壁を隔てて隣接させてなるセラミックハ
ニカム構造体を具えている。ハニカム構造体の外形形状
は、流路方向に垂直な断面における断面形状が円形（ラ
ウンド形）のものの外、楕円形（オーバル形）、長円形
（レーストラック形）又はその他の異形断面形のものも
実用に供されている。また、ハニカム構造体10の外形形
状は、流路方向軸線が真直のものに止まらず、流路方向
軸線が曲がったものも既知である。ハニカム構造体の外
形形状と、上述した実施例における各種キャニング構造
との関連について検討すると、第１実施例による押込み
構造はラウンド形ハニカム構造体の場合にキャニングが
比較的容易に行える点で有効であり、また、第２実施例
による巻締め構造又は第３実施例によるクラムシェル構
造はオーバル形、レーストラック形又はその他の異形ハ
ニカム構造体の場合にキャニングが比較的容易に行える
点で有効である。

【００１６】本発明による触媒コンバータが主たる対象
とする薄壁セラミックハニカム構造体は、例えば周壁の
壁厚が少なくとも0.1 mm、隔壁の壁厚が0.050 mm以上0.
150 mm以下、開口率が65％以上95％以下であり、50 kgf
/cm²以上のＡ軸圧縮強度と5 kgf/cm²以上のＢ軸圧縮強
度とを有している。ここに、Ａ軸圧縮強度とは、前述し
たJASO規格M505-87 に規定されている圧縮強度を指し、
ハニカム構造体の流路方向、すなわち横断面に対して垂
直方向に圧縮荷重を負荷したときの破壊強度である。ま
た、Ｂ軸圧縮強度とは、ハニカム構造体の横断面に平行
で隔壁に対して垂直をなす方向に圧縮荷重を負荷したと
きの破壊強度であって、同じく前記JASO規格に規定され
ているものである。さらに、アイソスタティック強度
が、ハニカム構造体に等方的な静水圧荷重を負荷したと
きの圧縮破壊強度として前記JASO規格に規定されている
ことは、前述したとおりである。Ａ軸圧縮強度は流路方
向に圧縮荷重を負荷するので、隔壁の変形程度等のハニ
カム構造の不具合の影響はあまり受けず、材料強度と強
い相関を持つものである。これとは対照的に、Ｂ軸圧縮
強度は材料強度にも依存するが、隔壁の変形程度等のハ
ニカム構造の不具合の影響を強く受ける。この点におい
てはアイソスタティック強度も同様であり、したがって
アイソスタティック強度およびＢ軸圧縮強度はいずれも
構造体の強度特性の指標となるが、Ｂ軸圧縮強度は周壁
のない状態で測定されるので周壁構造の影響が除外され
る。言うまでもなく、周壁は内部のハニカム構造を外圧
から保護する外殻としての機能を発揮するものであり、
その外周面でキャニング時の荷重を受け持っている。周
壁が破壊すると、その内側の周囲の隔壁も異常な荷重を
受けて連鎖的な破壊を始めるため、周壁は重要な役割を
担うものである。アイソスタティック強度およびＢ軸圧
縮強度の両者間には、荷重負荷状態が異なり発生する応
力分布も異なることもあり、明確な相関は認められない
が、Ｂ軸圧縮強度が高いほどアイソスタティック強度も
高くなる傾向にある。前述したとおり、Ａ軸圧縮強度お
よびＢ軸圧縮強度は、ハニカム構造の強度特性の基本的
な指標であり、Ａ軸圧縮強度は主に材料強度面の影響度
合を示し、Ｂ軸圧縮強度はハニカム構造面の影響度合を
示すものである。そして、構造体としての実用的な強度
特性を示すアイソスタティック強度は、材料およびハニ
カム構造、さらには周壁厚さに代表される周壁構造の影
響が互いにからみ合った結果として現れるものである。
なお、周壁厚さは、ハニカム製造工程の面からも0.15 m
m 以上とするのが好適である。

【００１７】本発明による触媒コンバータは、薄壁でア
イソスタティック強度が比較的低いセラミックハニカム
触媒を主たる対象とする。したがって、特に、コールド
スタート時における触媒の早期活性化を達成するために
触媒をよりエンジンに近接させて配置して排ガス温度が
例えば900 ℃以上にも達する高温条件下で触媒を使用す
る場合に、触媒のキャニング構造、特に把持部材にもよ
り高い耐熱信頼性が要求されていることは前述したとお
りである。そのため、本発明においては、メタルケース
内面およびハニカム触媒外面の間に圧縮状態で配置され
て面圧によりハニカム触媒をメタルケース内に把持する
セラミック繊維マットを、アルミナ、ムライト、炭化珪
素、窒化珪素およびジルコニアからなる群より選ばれた
いずれか１種からなり、繊維径が２μm 以上６μm 未満
のセラミック繊維で形成され、室温時に２kgf/cm²の初
期面圧をかけた後に 1000 ℃まで昇温したとき、少なく
とも１kgf/cm²の面圧を発生すると共に、触媒コンバー
タの実用温度範囲内で大きく増減を生じない圧縮特性を
有する耐熱・非熱膨張性セラミック繊維からなるものと
する。このセラミック繊維マットは、その未圧縮時の公
称厚さを５mm以上30mm以下、嵩密度を0.05g/cm³以上0.
3 g/cm³以下とするのが望ましい。この場合、実質的に
は、セラミック繊維の高温強度特性およびコスト面から
ムライト繊維が好適である。

【００１８】発明者らは、従来より使用されているワイ
ヤーメッシュおよび加熱膨張性のセラミック繊維マット
と、本発明において使用する耐熱・非熱膨張性のセラミ
ック繊維マットとを試料とし、先ず次の手順で加熱圧縮
特性の比較試験を実施した。この試験において、加熱膨
張性のセラミック繊維マットは市販の３Ｍ社製「インタ
ラム」（商品名）およびカーボランダム社製「ＸＰＥセ
ラミックファイバーペーパー」（商品名）であり、耐熱
・非熱膨張性のセラミック繊維マットは三菱化成（株）
製「マフテック」（商品名）および電気化学工業（株）
製「アルセン」（商品名）である。 (1) 試料を 50 ×50 mm に切断してシリカガラス板の間
に挟み込み、電気炉を備えた試験機にセットする。 (2) 試料に室温状態で 2 kgf/cm² の圧力（初期面圧）
を加える。 (3) 電気炉を加熱し、炉中の雰囲気温度が100 ℃から10
00℃に上昇するまで100 ℃毎に面圧を測定する。この加熱圧縮特性試験の試験結果は、図６および表１に
示すとおりである。

【００１９】

【表１】

【００２０】図６および表１から明らかなように、ワイ
ヤーメッシュおよび加熱膨張性セラミック繊維マットよ
りなる把持材の場合には、セラミックハニカム触媒を安
定に把持するに必要とされる面圧が900 ℃を超える高温
条件下では得られず、エンジンからの苛酷な振動の伝達
によりハニカム触媒が破損し易くなる。また、加熱膨張
性セラミック繊維マットの場合には 500℃以上800 ℃以
下の温度範囲内において面圧が過度に増加するため、ア
イソスタティック強度が比較的低い薄壁ハニカム触媒が
高い面圧の作用下で破損し易くなる。これとは対照的
に、本発明において使用し得る非熱膨張性セラミック繊
維マットのブランケット品およびマット品は、室温から
1000 ℃に至る温度範囲内で、すなわち触媒コンバータ
の実用温度範囲内全域に亙り大きく増減を生じない圧縮
特性を有することにより、ハニカム触媒の不所望の破損
を未然に回避し得ることも、図６および表１から明らか
である。

【００２１】次に、発明者らは、従来の加熱膨張性セラ
ミック繊維マットと、本発明において使用する耐熱・非
熱膨張性セラミック繊維マットとについて、経時的な熱
耐久性を評価するために加熱押抜き試験を実施した。こ
の加熱押抜き試験は、上述した加熱圧縮特性試験と同様
に公称厚さ5.4 mmの加熱膨張性セラミック繊維マット
と、公称厚さ7 mmの耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マ
ットとを試料とし、SUS 304 よりなり、内径が62 mm で
ある押込み構造のメタルケースと、外径55 mm,長さ45 m
m のラウンド形セラミックハニカム触媒とを使用して、
次の方法で行ったものである。 (1) 試料およびハニカム触媒をセットしたメタルケース
を、プロパンガスを燃料とするバーナーを含む過熱冷却
試験機（以下、「バーナー試験機」と称する。）にセッ
トし、950 ℃ 10 分−100 ℃５分を１サイクルとして10
0 サイクルの加熱冷却を加える。 (2) 図７に示すように、試験機に電気炉44をセットし、
試料およびハニカム触媒42をセットしたメタルケース41
を電気炉44に入れて室温／950 ℃に保つ。 (3) ハニカム触媒42にシリカ棒45を介して荷重を加え、
押抜き荷重を測定する。加熱押抜き試験の試験結果は、
表２に示すとおりである。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２から明らかなように、加熱膨張性セラ
ミック繊維マットでは950 ℃の温度下での押し抜き荷重
が０となり、ハニカム触媒を把持するに必要とされる面
圧が完全に消失し、ハニカム触媒が自然落下してしまう
ことが確認された。これとは対照的に、本発明において
使用し得る耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マットの場
合には、950 ℃の温度下でも依然として有効な押抜き荷
重が得られており、ハニカム触媒を耐熱・非熱膨張性セ
ラミック繊維マットの面圧によって十分安定に把持する
ことができる。

【００２４】また、発明者らは、従来の加熱膨張性セラ
ミック繊維マットおよびSUS 304 のワイヤメッシュと、
本発明において使用する耐熱・非熱膨張性セラミック繊
維マットと把持材の試料とし、これら試料について加熱
加振試験を実施した。この加熱加振試験は、長径 143 m
m ×短径 98 mm×長さ 152 mm （容量1700cc）のオーバ
ル形セラミックハニカム触媒と共に試料としての把持材
をクラムシェル構造のメタルケース内にセットし、入口
ガス温度900℃ 5分−100 ℃ 5分を１サイクルとして10
サイクルの加熱冷却を行う温度条件および 200 Hz 一定
の振動条件下でメタルケースを各種振動加速度で加振し
た後、メタルケース内でのハニカム触媒の位置ずれ量を
測定するものである。この加熱加振試験の試験結果は、
位置ずれ量の絶対値と共に表３に示すとおりである。

【００２５】

【表３】

【００２６】表３から、加熱膨張性セラミック繊維マッ
トおよびワイヤメッシュでは特に高い振動加速度条件下
でハニカム触媒の許容しがたい位置ずれが生じているの
と対比して、耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マットの
場合には高い振動加速度条件下でもハニカム触媒の位置
ずれが十分に許容範囲内に収まっていることが明らかで
ある。それゆえ、耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マッ
トは、ハニカム触媒をエンジンに近接させて配置して排
ガス温度のより高い条件下で触媒を使用する場合に、エ
ンジンから伝達される苛酷な振動加速度に対してハニカ
ム触媒を効果的に把持するキャニング構造用として特に
好適と認められる。

【００２７】さらに、発明者らは、前述した３通りのキ
ャニング構造について、本発明において使用する把持材
である耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マットの経時的
な熱耐久性を評価するため、従来の加熱膨張性セラミッ
ク繊維マットを比較例として耐久試験後の押抜き試験を
行った。この押抜き試験は、セラミックハニカム触媒と
共に試料としての把持材を各種構造のメタルケース内に
セットし、各メタルケースをバーナー試験機にセット
し、900 ℃ 10 分−100 ℃５分を１サイクルとして100
サイクルの加熱冷却を加える耐久試験を行い、引き続い
て電気炉中で所定雰囲気温度における押抜き荷重を測定
するものである。この加熱押抜き試験の試験結果は、表
４に示すとおりである。

【００２８】

【表４】

【００２９】表４から、いずれの構造のメタルケースを
使用した場合でも加熱膨張性セラミック繊維マットは95
0 ℃の温度下での押抜き荷重が０となり、ハニカム触媒
の抜け落ちが認められるのに対し、本発明において使用
する耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マットは前述した
３通りのキャニング構造のいずれのメタルケースの場合
でも高温条件下で十分な押抜き荷重を発現することが明
らかである。本実施例で用いた耐熱・非熱膨張性セラミ
ック繊維マットの繊維径を測定したところ、２μm 以上
６μm 以下の範囲にあった。また、セラミック繊維マッ
トの嵩密度を測定したところ、0.10〜0.25 g/cm³の範囲
にあった。キャニング構造における把持材としてのセラ
ミック繊維マットは、キャニング時にメタルケースの内
径およびセラミックハニカム触媒の外径の寸法公差から
生じるクリアランス（ギャップ）のバラツキを吸収しつ
つハニカム触媒の外周全面に亙って適正な面圧を発生す
ることが要求されるため、セラミック繊維マットには適
正な厚さと嵩密度とが必要とされる。これに関連して、
実際のキャニング作業においては、作業の効率性の見地
からセラミック繊維マットの圧縮を 100mm/min以上200
mm/min以下という非常に高い圧縮速度で行う必要があ
り、試験で行う１ mm/min という低い圧縮速度とは条件
が著しく異なる点も考慮する必要がある。このため、15
0 mm/minの圧縮速度で実際のキャニング作業を模擬した
セラミック繊維マットの圧縮試験を実施し、各種マット
を所定のギャップまで圧縮したときの面圧を測定した。
その結果は、次の表５に示すとおりである。

【００３０】

【表５】

【００３１】表５から明らかなとおり、マットの圧縮前
における嵩密度とマット厚さとの比には適正な範囲があ
ることが判明した。すなわち、嵩密度とマット厚さとの
比が大きいと、圧縮直後の初期発生面圧が急激に増加
し、その後に面圧が低下して安定するが、この急激な面
圧増加でハニカム構造体が破損してしまう。他方、嵩密
度とマット厚さとの比が小さいと、初期発生面圧は殆ど
増加せず、そのまま安定しており、ハニカム構造体も破
損することがない。このように、初期発生面圧が急激に
増加すると、キャニング時にハニカム構造体が破損して
しまう危険性が高まる。また、嵩密度とマット厚さとの
比が過度に小さいと、すなわち、マット厚さが30 mm を
超えるとマットが厚すぎてセッティング等、取り扱いや
マットの圧縮作業が困難となり、マット厚さが40 mm に
なると実際のキャニング作業では使用できなかった。以
上の結果から、本発明において使用するセラミック繊維
マットは、嵩密度が0.05 g/cm³以上0.30 g/cm³以下、特
に 0.05 g/cm³以上0.20 g/cm³以下であり、また、マッ
ト厚さが 5mm以上30mm以下、特に10mm以上25mm以下のセ
ラミック繊維マットであることが好適であることを見出
した。

【００３２】以上詳述したところから明らかなとおり、
本発明によれば、セラミックハニカム触媒の外面とメタ
ルケースの内面との間に圧縮状態で配置されたセラミッ
ク繊維マットを、アルミナ、ムライト、炭化珪素、窒化
珪素およびジルコニアからなる群より選ばれた少なくと
も１種からなり、繊維径が２μm 以上６μm 未満である
セラミック繊維で形成され、かつ、室温時に２kgf/cm²
の初期面圧をかけた後に 1000 ℃まで昇温したとき、少
なくとも１kgf/cm²の面圧を発生すると共に、触媒コン
バータの実用温度範囲内で大きく増減を生じない圧縮特
性を有する耐熱・非熱膨張性セラミック繊維マットとし
て構成したため、触媒コンバータの実使用条件下での面
圧の大きな増減を回避して最適面圧値を経時的に安定に
維持することができ、セラミックハニカム触媒が薄壁の
ものであってもハニカム触媒をメタルケース内で長期に
亙って安定に把持し得るため、ハニカム触媒の使用中の
破損を確実に防止することが可能となる利点が達成され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】(A), (B)は、それぞれ本発明を押込み構造の触
媒コンバータに適用した第１実施例を示す横断面図およ
び縦断面図である。

【図２】(A), (B)は、それぞれ第１実施例による触媒コ
ンバータについての変形例を示す斜視図および部分断面
図である。

【図３】第１実施例による触媒コンバータについての他
の変形例を示す縦断面図である。

【図４】(A), (B)は、それぞれ本発明を巻締め構造の触
媒コンバータに適用した第２実施例を示す横断面図およ
び部分側面図である。

【図５】(A), (B)は、それぞれ第２実施例による触媒コ
ンバータについての変形例を示す横断面図および部分側
面図である。

【図６】本発明をクラムシェル構造の触媒コンバータに
適用した第３実施例を示す横断面図である。

【図７】従来の加熱膨張性セラミック繊維マットと、本
発明において使用する耐熱・非熱膨張性セラミック繊維
マットとについての加熱圧縮特性の試験結果を示すグラ
フである。

【図８】従来の加熱膨張性セラミック繊維マットと、本
発明において使用する耐熱・非熱膨張性セラミック繊維
マットとについての加熱押抜き試験の説明図である。

【符号の説明】

10, 20, 30 触媒コンバータ 11, 21, 31 メタルケース 12, 22, 32 セラミックハニカム触媒 13, 23, 33 セラミック繊維マット

フロントページの続き (72)発明者市川結輝人愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (56)参考文献特開昭57−56615（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−241413（ＪＰ，Ａ) 実開平３−97521（ＪＰ，Ｕ) 特公昭58−7806（ＪＰ，Ｂ２) 国際公開92／16282（ＷＯ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/28 301 - 311 B01J 35/04 301

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】メタルケースと、該メタルケース内に収め
られたセラミックハニカム触媒と、該ハニカム触媒の外
面および前記メタルケースの内面の間に圧縮状態で配置
されたセラミック繊維マットとを具え、前記ハニカム触
媒が前記セラミック繊維マットの面圧により前記メタル
ケース内に把持されてなる触媒コンバータにおいて、前
記セラミック繊維マットを、アルミナ、ムライト、炭化
珪素、窒化珪素およびジルコニアからなる群より選ばれ
た少なくとも１種からなり、繊維径が２μm 以上６μm
未満であるセラミック繊維で形成され、かつ、室温時に
２kgf/cm² の初期面圧をかけた後に 1000 ℃まで昇温し
たとき、少なくとも１kgf/cm²の面圧を発生すると共
に、触媒コンバータの実用温度範囲内で大きく増減を生
じない圧縮特性を有する耐熱・非熱膨張性セラミック繊
維マットとして構成したことを特徴とするセラミックハ
ニカム触媒コンバータ。
【請求項２】前記セラミック繊維マットは、未圧縮時の
公称厚さが５mm以上30mm以下であり、かつ、嵩密度が0.
05g/cm³以上0.3 g/cm³以下であることを特徴とする請
求項１記載のセラミックハニカム触媒コンバータ。
【請求項３】前記セラミックハニカム触媒は、多角形断
面を有する多数の流路方向貫通孔を、周壁の内側に配置
された隔壁を隔てて隣接させてなるセラミックハニカム
構造体よりなり、該ハニカム構造体は、周壁の壁厚が少
なくとも0.1 mm、隔壁の壁厚が0.050 mm以上0.150 mm以
下、開口率が65％以上95％以下であることを特徴とする
請求項１記載のセラミックハニカム触媒コンバータ。
【請求項４】前記セラミックハニカム触媒は、50kgf/cm
²以上のＡ軸圧縮強度と５kgf/cm²以上のＢ軸圧縮強度
とを有することを特徴とする請求項３記載のセラミック
ハニカム触媒コンバータ。
【請求項５】前記セラミックハニカム触媒は、内燃機関
用排ガス浄化システムにおいて900 ℃以上のエンジン排
ガスを通過させるものであることを特徴とする請求項１
記載のセラミックハニカム触媒コンバータ。
【請求項６】前記メタルケースは、押込み構造のもので
あることを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカ
ム触媒コンバータ。
【請求項７】前記メタルケースは、巻締め構造のもので
あることを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカ
ム触媒コンバータ。
【請求項８】前記メタルケースは、クラムシェル構造の
ものであることを特徴とする請求項１記載のセラミック
ハニカム触媒コンバータ。