JP3677053B2 - モノリシック金属担体触媒及び排気ガス浄化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、所望により種々の任意の形で波形に成形された金属ストリップ、又は交互の波形の金属ストリップと平坦な金属ストリップの、複数の互いに巻き込まれた又はジギザグ状に折られたシート金属スタックからなる、触媒が被覆されたマトリックスを有し、前記ストリップがそれらの包囲する任意の横断面を有するジャッケット管との接触位置で接合技術により結合されている、モノリシック金属担体触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記形式の触媒コンバータ用の金属担体は、ドイツ国特許出願公開第４０４５４３４号明細書もしくはドイツ国特許第４０４６２７６号明細書並びにヨーロッパ特許公開第０２４５７３６号明細書及びヨーロッパ特許公開第０４２５７３７号明細書に記載されている。金属担体マトリックスは、一般に耐熱性のＣｒ、Ａｌ含有フェライト鉄合金からなり、かつ重要な別の成分として微量のＣｅ，Ｚｒ，Ｙ、希土類金属、アルカリ土類金属及び／又はアルカリ金属を、耐熱性を高めかつ鋼の保護酸化層の剥離を阻止するために含有する。
【０００３】
前記の特許もしくは特許出願公開明細書によれば、波形、又は波形と平坦の交互の金属ストリップならなる１つ以上のシート金属スタックを互いに巻き込むことにより金属担体マトリックスを製造し、引き続きジャケット管に挿入する。次いで、金属ストリップをジャケット管内面との接触箇所で、金属マトリックスをジャケット管内に固定するために適当な接合技術的方法によりジャケット管と結合する。
【０００４】
適当な接合技術としては、一般に１１００℃を上回る温度で真空中での費用のかかる高温はんだ付けが適用される。電子ビーム溶接（ドイツ国特許出願公開第２７２０３２２号明細書）及びレーザビーム溶接（ドイツ国特許出願公開第２７２７９６７号明細書）のような種々の溶接法が、螺旋状に巻かれたマトリックスを有する金属担体において記載されている。
【０００５】
このようにして製造した金属担体を、引き続き、微粒子状の大きい表面積の金属酸化物及びプロモータ（一般にウォッシュコート（Washcoat）と称される）及び触媒活性貴金属からなる活性度を向上させる中間層で被覆し、その後ジャケット管端部で例えば内燃機関の排気ガス機構に溶接する。
【０００６】
高温はんだ付けにより製造した金属担体もしくは金属担体触媒コンバータが有利である。この種の触媒コンバータでは、排気ガス圧力及び温度変化に起因する負荷によるジャケット管からの金属担体マトリックスの外側へのずれもしくは伸縮は観察されない。この安定性は、それぞれの個々の金属ストリップの自由端部がジャケット管と固定結合されているという事実に基づく。
【０００７】
しかしながら、完成した金属担体の被覆は、著しく不均一な被覆厚さを生じる。それというのも、２つの隣接した金属ストリップ間の接触線に沿った、一般に鋭角の、但しまた直角の隅に毛細管力に基づき自由面よりも多くの被覆材料が集まるからである。金属担体の製造後の被覆は、追加的な、著しく費用のかかる製造工程である。
【０００８】
前記の製造方法と競争して、金属担体触媒コンバータの別の製造方法が存在する。平坦な金属ストリップ及び／又は波形に成形した金属ストリップへの活性度を向上する中間層及び貴金属の塗布から出発する。ストリップの刻印に依存して、引き続き、波形のストリップだけ、又はそれぞれ１枚の平坦なストリップと波形のストリップを螺旋状に巻き付けかつ適当な高さのプレストレスをかけてジャケット管に押し込む。しかしながら、このような金属担体触媒コンバータのクリープ試験において、自動車に取り付けた触媒コンバータが苛酷なストレスを受ける際には金属ストリップ間の粗雑な接触箇所は、排気ガス圧力によるジャケット管からのマトリックスの外部へのずれもしくは伸縮を阻止するには、不十分であることが判明した。補強するために、特殊な構造の金属ピンをジャケットの一方側からマトリックスを貫通してジャケットの他方側に押し込み、かつ触媒コンバータからの排気ガスの側面の流出を阻止するために、ジャケット管と溶接した。この金属担体触媒コンバータの構造は、フィンランド特許出願公開第８９６２９５号明細書に開示された。しかしまた、この技術の種々の変法も、苛酷な実地に近い試験において前記の欠陥に対して満足されない安全性が生じたに過ぎない。それというのも、使用されたフェライト鋼は、既にその都度の材料組成に基づき５５０〜９００℃の温度で軟化しかつ排気ガス機構内の振動及びガス脈動のために保持ピンの周辺でマトリックスの弛緩及び開離が開始するからである。
【０００９】
更に、金属ピンの保持機能は、金属担体のセル密度が小さくなる程、益々小さくなることは容易に理解される。従って、約３０セル／ｃｍ²を有する低いセル密度は、保持性の理由からほとんど実用的でない。
【００１０】
そのことを別にしても、保持ピンを組み込むことは、この構造形式の圧力損失及び金属触媒の重量を高め、このことは別の構成の金属担体触媒コンバータに比した利点を損ねる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、マトリックスとそれを包囲するジャケット管との接触箇所が接合技術により結合されており、しかも金属ストリップ上の被覆の優れた均一性を特徴とし、かつ特に２つの金属ストリップの接触線に沿った鋭角な隅内への被覆分散液の増大した集合を示さない、金属担体触媒コンバータの高い機械的強度を有する金属担体触媒コンバータを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、冒頭に記載した形式の金属担体触媒コンバータにおいて、金属担体触媒のために必要なシート金属スタックを予め被覆されかつ一定の長さに切断されたもしくは折られた金属ストリップから構成し、かつマトリックスを成形するために互いに巻き込み、次いで該マトリックスをジャッケット管内に挿入し、かつ金属ストリップとジャッケット管との接触箇所を溶接によに結合させることにより得られたものであることにより解決される。前記ジャケット管は、半割管から構成されていてもよい。
【００１３】
この場合、適当な溶接法としては、電子ビーム溶接法及びレーザビーム溶接法が挙げられるが、但し別の溶接法も考えられる。しかしながら、溶接法の選択において重要なことは、触媒被膜を熱的に損傷しないように、溶接工程でジャケット管との接触箇所は別にして極く温和な温度に曝すことである。
【００１４】
この理由からまた、被覆した金属ストリップのジャケット管へのはんだ付けは極く僅かな特殊な種類の被覆においてのみ可能であり、大抵の場合は適用不可能である。それというのも、標準的はんだ付け法の場合には、マトリックス全体がジャケットと一緒に加熱されるからである。成功するには、溶接ど同様にマトリックスをジャケット領域だけで加熱するようなはんだ付け法のみを実施することができる。
【００１５】
マトリックスのジャケット管への結合は、任意の外周に存在する連続した又は不連続の溶接シームを用いて任意の数で行うことができる。ジャケット管表面の溶接シームは、例えば螺旋状、リング状、サインカーブ状又は鋸歯状を有していてもよく、この場合製造の理由から、溶接シームの一次的形を二次的形に変調することも可能である。例えば、ジャケット管に対して斜めに延びる場合には、中断された溶接シームも考えられる。
【００１６】
連続運転中での高い強度を達成するためには、場合により、ジャケット長さの一定の区分にのみ、例えば後での排気ガス流入又は流出口の近くに配置するのが有利である。
【００１７】
ジャケット管と金属ストリップとの間の持続的接触を行うには、金属ストリップを溶接工程の前に機械的に、例えばブラッシで浄化するか又は化学的手段で完全に又は部分的にエッチング又は溶解により被膜を除去するのが有利である。
【００１８】
また、金属ストリップに触媒被膜を塗布する前に後からのジャケット管との接触箇所に、触媒被覆を阻止する又は溶接前の触媒被膜の簡単な除去を可能にする分離剤層で被覆することも可能である。
【００１９】
このようにして製造された触媒の有利な実施態様よれば、特に触媒端面の面積が１５ｃｍ²の場合には、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４０１６２７６号明細書に基づき、交互に平坦なストリップと波形のストリップを有する、スタックされ、かつ場合により引き続き変形された金属ストリップからなるマトリックス構造を有する。この場合には、金属ストリップのそれぞれの端部はジャケット接触部を有する。同様なことは、ヨーロッパ特許第０２４５７３６号明細書に記載の伸開線状の層を有するマトリックス構造にも当てはまる。
【００２０】
折り重ね（例えば米国特許第４４０２８７１号明細書参照）又はスタッキングし、場合による引き続き捩ることにより通気性通路が生じる場合には、平坦なストリップは使用する必要はない。波形の金属ストリップの可能な構造は、ヘイボーン構造（米国特許第４７５３９１９号明細書）又は適当なエンボスパターンを有するスリットが設けられたストリップである。
【００２１】
本発明による溶接は、平坦な金属ストリップ及び／又は波形の金属ストリップが、金属ストリップに特殊な構造を付与する例えば貫通孔、スリット、任意の形の穿孔等を有するのが特に重要である。これらの担体は、通常の製造工程で、すなわち浸漬、吸上げ又はスプレーによって不満足に被覆されるにすぎない、というのも過剰の被覆材料は極く不十分に、例えば圧搾空気での吹飛ばし又は吸収に除去することができなからである。
【００２２】
更に、この種の金属ストリップでは、被膜の肉厚の隆起は専ら穿孔の直ぐ近くの水性被覆懸濁液の表面張力に基づき生じ、その上該穿孔を閉鎖しかつ無効にすることがある。この好ましくない、不均一な被覆は、金属ストリップの前記の形成の際にストリップをまず個別に被覆し、場合により切断し、引き続きジャケット管中に溶接することにより回避することができる。
【００２３】
本発明に基づき構成した金属担体触媒コンバータの高い耐クリープ性を保証する見地においては、ジャケット管の近くの金属ストリップの設計が決定的に重要である。波形のストリップがジャケット側に、ジャケット管の部分にもたれ掛かる平坦な端部又は極めて平坦な波形を有する実施態様が有利である。
【００２４】
この場合には、これらの同じ長さの平坦なストリップが、相互に並びにまたジャケット管と１工程で溶接される。マトリックス及びジャケット管の熔接の他に、付加的にマトリックスのための別の構造手段を適用することができる。このような手段は、例えばジャケット管を僅かに円錐形にするか、又はジャケット管内にビードを設けることである。また、セラミック接着剤で仮固定することも可能である。ジャケット管内に導入される、触媒活性成分を有する金属マトリックスは、既に意図しない分解が行われないように例えばホッキング、スポット溶接又はその他の接合技術により仮固定されていてもよい。
【００２５】
触媒の種類により必要とされる場合には、触媒コンバータをジャケット管に溶接した後に又は更にジャケット管を有しない仮固定した金属マトリックスになお別の触媒成分を施すことができる。
【００２６】
この場合には、内燃機関からの排気ガスの浄化において使用されるような微細分散した、表面積の大きな酸化物からなる被覆剤だけをまず金属ストリップに施し、かつジャケット管に溶接した後に初めて、例えば貴金属溶液及び／又は促進剤をを含浸させることができる。
【００２７】
このような含浸により、先に製造した金属担体の後からの触媒被覆において起こり得るような、接触する金属ストリップの間の継ぎ目に溶解して塗布した成分が集まることはない。しかも、本発明に基づき被覆した金属ストリップから製造した触媒コンバータの後からの分散液被覆は、従来公知の方法によるよりも良好な被覆結果を生じる。というのも、本発明の手段に基づく被膜厚さはセル横断面にわたって均一であるからである。
【００２８】
【実施例】
次に図示の実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００２９】
図１は、ヨーロッパ特許公開第０２４５７３７号明細書に記載のジャケット管１内の交互の平坦な金属ストリップと波形ストリップ３からなるＳ字状に巻かれたマトリックスを示す。該マトリックスは、交互の平坦な金属ストリップと波形ストリップ３からなる矩形のスタックから固定点４及び５を中心に巻くことにより得られる。
【００３０】
図２は、ヨーロッパ特許公開第０２４５７３６号明細書に記載のジャケット管１内の交互の平坦な金属ストリップと波形ストリップ３からなる伸開線状マトリックスを示す。該マトリックスを形成するには、金属ストリップを必要に応じて波形に成形し、切断し、それぞれ一方端部で円筒状挿入物に溶接し、次いで伸開線状に捩る。
【００３１】
両者の実施例において共通であるのは、それぞれの金属ストリップの自由端部がジャケット管と接触しかつ該ジャケット管と溶接により固定結合されていることである。金属ストリップは金属マトリックスの形成前に触媒活性被覆されていることにより、本発明による金属担体触媒コンバータは極めて均一な被膜を有し、かつ更に著しく経済的に製造することができる。
【００３２】
更に、触媒被覆材料が倹約される。というのも、毛細管力による材料集合が初めから回避されるからである。
【００３３】
図３ａ及び図３ｂは、包囲するジャケット管内への金属マトリックスの永続的な固定行うための溶接シームの種々の実施例を示す。この場合、１はジャケット管、６は螺旋状溶接シーム及び７はジャケット管の近くの断続的環状溶接シームを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】交互の平坦な金属ストリップと波形ストリップ３からなるＳ字状に巻かれたマトリックスを有する金属担体触媒コンバータを示す。
【図２】交互の平坦な金属ストリップと波形ストリップ３からなる伸開線状マトリックスを有する金属担体触媒コンバータを示す。
【図３】ａ及びｂは、包囲するジャケット管内への金属マトリックスの永続的な固定行うための溶接シームの種々の実施例を示す。
【符号の説明】
１ ジャケット管、 ２ 平坦な金属ストリップ、 ３ 波形の金属ストリップ、 ４ 固定点、 ５ 固定点、 ６ 溶接シーム、 ７ 溶接シーム

Claims (7)

1. 所望により種々の任意の形で波形に成形された金属ストリップ、又は交互の波形金属ストリップと平坦な金属ストリップの、複数の互いに巻き込まれた又はジギザグ状に折られたシート金属スタックからなる、触媒が被覆されたマトリックスを有し、前記ストリップがそれらの包囲する任意の横断面を有するジャッケット管との接触位置で接合技術により結合されている、モノリシック金属担体触媒において、金属担体触媒のために必要なシート金属スタックを予め被覆されかつ一定の長さに切断されたもしくは折られた金属ストリップから構成し、かつマトリックスを成形するために互いに巻き込み、次いで該マトリックスをジャッケット管内に挿入し、かつ被覆された金属ストリップとジャッケット管との接触箇所において触媒被膜を除去することなくこの接触箇所を溶接により結合させることにより得られたものであることを特徴とする、モノリシック金属担体触媒。
2. マトリックスがＳ字形、星形又は螺旋状に互いに巻き込まれているシート金属ストリップからなる、請求項１記載のモノリシック金属担体触媒。
3. マトリックスがジギザグ状に折られかつ互いに巻き込まれたシート金属ストリップからなる、請求項１記載のモノリシック金属担体触媒。
4. 波形に成形された金属ストリップがジャケット管側で平坦であるか又はごく僅かに波形に成形された自由端部を有し、前記端部が、相互に、並びにまたジャケット管と１工程で溶接されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のモノリシック金属担体触媒。
5. 被覆したマトリックスの溶接後に、別の触媒成分が浸漬又は分散液被覆により施されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のモノリシック金属担体触媒。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載のモノリシック金属担体触媒を製造する方法において、金属担体触媒のために必要なシート金属スタックを、予め被覆しかつ切断した金属ストリップから組み合わせかつマトリックスを形成するために互いに巻き込み、そうして得られたマトリックスを次いでジャケット管内に挿入しかつ金属ストリップとジャケット管との接触箇所を溶接することにより該ジャケット管と結合させることを特徴とする、モノリシック金属担体触媒の製造方法。
7. 請求項１から５までのいずれか１項記載のモノリシック金属担体触媒からなる、固定又は非固定の内燃機関の排気ガスを浄化する触媒。

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