JP6129610B2 - 排ガス浄化装置、及び、排ガス浄化装置の製造方法 - Google Patents
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Description
図17は、従来の金属製触媒担体自身を発熱抵抗体とした排気浄化用触媒コンバータの一例を模式的に示す断面図である。
図17に示す排気浄化用触媒コンバータ1は、ケーシング(金属製シェル)22内に複数個の金属製触媒担体2〜4が排ガスの流通する方向に間隔を隔てて配置されている。金属製触媒2〜4は、触媒を担持する波状の金属板と平板とを交互に積層して長円状に巻回したものの両端をロー付して構成されている。これら金属製触媒担体2〜4には、ケーシング22を貫通する+側電極部材5〜7及び−側電極部材8〜10がそれぞれ着装されている。+側電極部材5〜7及び−側電極部材8〜10は、導電性の放熱板11、12により、それぞれ連結されている。各電極部材5〜10の突出部はナット13〜18で固定されている。金属触媒担体2〜4とケーシング22との間には電気絶縁材であって緩衝性を有する環状の保持シール材(マット部材)19〜21が介装されている。
排気浄化用触媒コンバータ1では、保持シール材19〜21には孔が形成され、この孔に電極部材5〜10が挿入されることより、金属製触媒担体2〜4と電極部材5〜10とが接続されている。
すなわち、上記排気浄化用触媒コンバータ1では、金属製触媒担体2〜4の表層に設置された電極部材5〜10からのみの電圧印加となる。一般に、電流は両電極間の最短経路で流れる傾向があるので、金属製触媒担体2〜4に流れる電流は、金属製触媒担体全体に均一に流れにくい。そのため、金属製触媒担体2〜4の昇温には部分的な斑が生じやすくなる。また、上記排気浄化用触媒コンバータでは、金属製触媒担体2〜4の表層に設置された電極部材5〜10からのみの電圧印加となるので、効率的に排ガス浄化を行うために金属製触媒担体の任意の位置を選択して発熱量を多くすることは難しいという問題がある。
本発明の保持シール材は、ヒータを排ガス処理体ユニットの表面に接触させるように配置することができるため、このヒータを用いることにより、迅速に排ガス処理体ユニットを加熱、昇温させることができる。
上記構成の保持シール材では、有機シートがヒータを保護することになるので、外部からの衝撃等によりヒータが損傷することを防ぐことができる。
また、保持シール材を排ガス処理体ユニットに巻き付ける際に、有機シートが貼付されていない場合には、ヒータと、排ガス処理体ユニットとが直接接触するので、ヒータと、排ガス処理体ユニットとが擦れヒータが破損することがある。しかし、上記構成の保持シール材では、ヒータと、排ガス処理体ユニットとが直接接触することはない。従って、ヒータが破損することを防ぐことができる。
上記構成の保持シール材では、ヒータが有機シートを介して上記保持シール材の第1の主面及び/又は第2の主面に固定されているので、ヒータを備えた上記保持シール材をそのまま排ガス処理体ユニットの周囲に巻き付けることにより、上記保持シール材と上記排ガス処理体ユニットとの間にヒータを狭持することができ、容易にヒータを備えた排ガス浄化装置を作製することができる。なお、有機シートは、排ガスが排ガス浄化装置に導入されると、排ガスの温度により加熱され、分解、消失する。
これらの樹脂は充分な柔軟性を有するので、上記有機シートと上記保持シール材との間に配設されたヒータをしっかりと保持することができ、また、外部からの衝撃を吸収することができるので、ヒータの断線等を防止することができる。また、上記構成の保持シール材が用いられた排ガス浄化装置に排ガスが流入した際に、有機シートが熱分解しやすくなる。
カンタル線は、ニッケル、クロム、アルミニウム合金であり、汎用されており、耐熱性、耐久性に優れ、発熱量も大きいので、ヒータとして好適であり、上記保持シール材を用いた排ガス浄化装置では、迅速な昇温が可能で、排ガスの浄化性能に優れた排ガス浄化装置とすることができる。
上記構成の保持シール材では、種々の金属を組み合わせることにより、要求されるヒータの特性に応じて種々の特性を有するヒータとすることができ、この保持シール材を用いることにより排ガスの浄化性能に優れた排ガス浄化装置とすることができる。
無機繊維の構成材料が、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、及び、シリカ繊維の少なくとも1種からなっていると、これら繊維は、耐熱性に優れているので、ヒータによる加熱により排ガス処理体が発熱し充分な高温になった場合であっても、変質等が発生することはなく、保持シール材としての機能を充分に維持することができる。また、無機繊維の構成材料が、生体溶解性繊維からなっていると、保持シール材を用いて排ガス浄化装置を作製する際に、飛散した無機繊維を吸入等しても、生体内で溶解するため、作業員の健康に害を及ぼすことがない。
ヒータが保持シール材の第1の主面及び/又は第2の主面の全体に配設されていると、この保持シール材を用いた排ガス浄化装置では、上記ヒータが排ガス処理体ユニットの周囲全体に配設されることとなり、上記ヒータにより各排ガス処理体ユニットの全体が加熱されるので、排ガス処理体ユニットの温度が均一になり、排ガスの一部が浄化されないといった事態が発生するのを防止することができる。
上記保持シール材では、膨張材が含まれているので、この保持シール材が用いられた排ガス浄化装置では、上記膨張材の作用により、しっかりと排ガス処理体ユニットを保持することができ、排ガス処理体ユニットがケーシングから抜け落ちるのを防止することができる。
このような処理が施された保持シール材では、比較的平均繊維長の長い無機繊維がニードルパンチング処理により3次元的に交絡している。
このため、上記保持シール材を用いた排ガス浄化装置では、保持シール材を構成する無機繊維同士が充分に絡まり合っており、保持シール材から無機繊維が飛散したり、脱離するのを防止することができる。
有機シートを利用することにより、簡単に保持シール材の主面にヒータを載置、固定することができるので、得られた保持シール材を用いれば、ヒータが保持シール材と排ガス処理体ユニットとの間に配設された排ガス浄化装置を比較的容易に作製することができる。
上記した種々の貼付方法をとることができるので、有機シートの材質やヒータの形状、材質等に応じて最適な方法を選ぶことができ、有機シートとマットとの間にヒータを確実に狭持することができる。
また、排ガス処理体ユニットと保持シール材との間に配設されたヒータは、保持シール材からの面圧を受けるので、ヒータは、排ガス処理体ユニットに押し付けられる。そのため、ヒータが排ガス処理体ユニットから離間するおそれが殆どない。
上記構成の排ガス浄化装置では、全ての排ガス処理体ユニット同士の間には、保持シール材が介在しているので、ヒータにより全ての排ガス処理体ユニットを加熱することができる。
排ガス処理体が上記形状であると、単にこれら複数種類の排ガス処理体ユニットを保持シール材を介して組み合わせるのみで、簡単に排ガス処理体を構成することができる。また、予め、所定の排ガス処理体の形状が形成される組み合わせとなる種々の形状の排ガス処理体ユニットを製造しておくことにより、要求される種々の形状の排ガス処理体を容易に作製することができ、排ガス処理体の形状に関する多様な要求に比較的容易に答えることができる。
ヒータが、排ガス処理体を構成する全ての排ガス処理体ユニットと接触していると、全ての排ガス処理体ユニットを均等に加熱することができるので、排ガス処理体を斑なく昇温させることができる。
上記構成の排ガス浄化装置では、ヒータが保持シール材と排ガス処理体ユニットとの間に配設されているので、排ガス処理体ユニットがヒータと接触しており、ヒータを発熱体として使用するためには、ヒータと接触しても電流の流れるおそれのない、コージェライト等の絶縁材料からなる排ガス処理体ユニットを使用することが望ましい。この場合、ヒータが排ガス処理体ユニットに接しているため、昇温速度が速く、迅速に排ガス処理体ユニットを昇温させ、排ガス浄化装置として機能させることができる。
保持シール材の主面に有機シートが貼付されている場合、有機シートが分解、消失するため、排ガス浄化装置に排ガスが導入されても、有機物が分解してガスを発生することはなく、車両に取り付けられたセンサー等の誤動作を防止することができる。また、これによりヒータが排ガス処理体と接触するようになり、迅速に排ガス処理体を加熱することができる。
また、保持シール材が膨張材を含んでいる場合、排ガス浄化装置に排ガスを導入する前にヒータに通電することにより、膨張材が膨らむため、保持シール材の保持力を向上させることができ、排ガス処理体の把持を確実なものにすることができる。
また、保持シール材や排ガス処理体が有機バインダ等の有機物を含んでいる場合、上記排ガス浄化装置に排ガスを導入する前にヒータに通電することにより、有機バインダ等の有機物を分解、消失させることができ、車両に取り付けられたセンサー等の誤動作を防止することができる。
この場合、上記排ガス浄化装置を車両等に取り付ける前に、気体等をケーシングの内部に流通させることができ、ヒータに通電させることができる装置を用い、ヒータに通電して保持シール材や排ガス処理体を加熱する処理を行ってもよい。
以下、本発明について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の記載に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
図1(a)に示すように、本発明の排ガス浄化装置の一例である排ガス浄化装置100は、排ガス処理体130と、排ガス処理体130の外方を覆うケーシング110と、排ガス処理体130とケーシング110との間に配置された保持シール材120とから構成されており、ケーシング110の排ガスが導入される側の端部には、エンジン等の内燃機関に連結された導入管111が接続されており、ケーシング110の他端部には、外部に連結された排出管112が接続されている。保持シール材120は、第1の主面121と、第1の主面121と反対側の主面である第2の主面122とを備えている。保持シール材120の第1の主面121には、第1のヒータ161aが配設されており、保持シール材120の第2の主面122には、第2のヒータ161bが配設されている。第1のヒータ161a及び第2のヒータ161bの端部には外部端子162が接続され、外部端子162を介して導電線163が外部に導出されているが、ケーシング110には、導電線導出用の貫通孔が形成され、貫通孔に絶縁性セラミックからなる外部導出部材170が配設され、この外部導出部材170を介して導電線163が外部に導出されている。また、導電線163は、断線等を防止するために、ケーシング110の内部では、コイル状となっている。なお、導電線163の形状は、断線等を防止できれば特に限定されず、コイル状の他にはジグザク状、波線状等が挙げられる。図1(a)中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で示している。
また、保持シール材120は、本発明の保持シール材の一例である。
なお、詳しくは後述するが、外方排ガス処理体ユニット142は、外方排ガス処理体ユニット141を、外方排ガス処理体ユニット141の長手方向に垂直な軸を中心に180°回転させた形状であり、外方排ガス処理体ユニット141と、外方排ガス処理体ユニット142とは、実質的に同一の形状であるが、便宜上両者を区別して記載する。
そのため、各排ガス処理体ユニットが保持シール材120から受ける面圧は均等になりやすくなる。すなわち、各排ガス処理体ユニットにかかる面圧が偏在しにくくなるので、各排ガス処理体ユニットが損傷しにくくなる。また、各排ガス処理体ユニット同士が対向する角部には、保持シール材120が2層存在しているので、各排ガス処理体ユニットの角部が損傷しにくくなる。さらに、保持シール材120が2層存在している部分からは、効率よく面圧を受けることができ、排ガス処理体130を構成する各排ガス処理体ユニットが抜け落ちることを防止しやすくなる。
図2(a)に示すように、内方排ガス処理体ユニット150と、内方排ガス処理体ユニットと隣り合う別の内方排ガス処理体ユニット150(以下、便宜上内方排ガス処理体ユニット1150という)との間の保持シール材120が1層となるように、保持シール材120が配設されている。また、保持シール材120の第1の主面121と、内方排ガス処理体ユニット1150とが接しており、保持シール材120の第2の主面122と、内方排ガス処理体ユニット150とが接している。
保持シール材120の第1の主面121と、内方排ガス処理体ユニット1150との間には、第1のヒータ161aが配設されており、保持シール材120の第2の主面122と、内方排ガス処理体ユニット150との間には、第2のヒータ161bが配設されている。
また、本発明の保持シール材120が用いられた本発明の排ガス浄化装置100では、保持シール材120の両方の主面にヒータが配設されているので、極めて短時間で排ガス処理体ユニットを昇温させることができる。
内部保持シール材部125は、図1(b)に示す排ガス浄化装置100において、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設されている部分である。
外部保持シール材部126は、図1(b)に示す排ガス浄化装置100において、排ガス処理体130の周囲に配設されている部分である。
保持シール材の厚さが20mmを超えると、保持シール材の柔軟性が失われるので、保持シール材を排ガス処理体ユニット間に配設する場合に扱いづらくなる。また、保持シール材に巻きジワや割れが生じやすくなる。
保持シール材の厚さが2.0mm未満であると、保持シール材の面圧が排ガス処理体ユニットを保持するのに十分でなくなる。そのため、排ガス処理体130を構成する排ガス処理体ユニットが抜け落ちやすくなる。また、排ガス処理体ユニットに体積変化が生じた場合、保持シール材は排ガス処理体ユニットの体積変化を吸収しにくくなる。そのため、排ガス処理体ユニットにクラック等が発生しやすくなる。
図3(a)及び(b)に示すように、第1のヒータ161aは保持シール材120の第1の主面121に配設されている。
第1のヒータ161aは、1本のヒータであり、保持シール材120の長手方向と略垂直な方向に沿って存在している部分と、上記保持シール材120の長手方向と略垂直な方向に沿って存在している部分を介在する屈曲部からなっている。すなわち、第1のヒータ161aの形状は、1本のヒータが屈曲部にて交互に折り曲げられ、保持シール材120の第1の端部123から、保持シール材120の仮想直線α近傍まで連続して存在している形状である。つまり、内部保持シール材部125に第1のヒータ161aが配設されている。この第1のヒータ161aは、折り曲げる前の部分と折り曲げた後の部分とが屈曲部を介してほぼ平行になるように、一定の短い間隔で繰り返し折り曲げられている。また、所定の間隔で折り曲げる前の部分と折り曲げた後の部分との間の距離が長くなっている場所が存在している。これは、保持シール材120が排ガス処理体ユニットに巻き付けた際に、第1のヒータ161aが自身と接触しない間隔及び距離であり、排ガス処理体ユニットの大きさ、及び、排ガス処理体130の大きさに応じてあらかじめ算出することができる。
第1のヒータ161aの発熱量の調整は、基本的には、各ヒータの抵抗値を調整することにより行うことができるが、単位長さ当たりの平行線の間隔(ヒータの密度)を調整することによっても、発熱量を調整することができる。ただし、各ヒータは、排ガス処理体ユニットを均一な温度になるように加熱することができる形状(パターン)であれば、図3(a)に示した形状に限定されるものではなく、後述する図15(a)及び(b)に示したような他の形状であってもよい。
そのため、本発明の保持シール材120では、このように折り曲げられる保持シール材120の部分に、第1のヒータ161aの屈曲部が配設されることが望ましい。また、このように折り曲げられる保持シール材120の部分に配設される第1のヒータ161aの屈曲部は、あらかじめ保持シール材120が折り曲げられる方向に少し折り曲げられていてもよく、この部分の屈曲部が他の部分よりも太く作製されていてもよい。
このような構成であれば、ヒータ161aの断線を防止することができる。
保持シール材120が折り曲げられる部分は、排ガス処理体ユニットの大きさ、及び、排ガス処理体130の大きさに応じてあらかじめ算出することができる。
第1のヒータ161aは、線状であるが、これらヒータの形状は、線状で線の延びる方向に垂直な断面がほぼ円形のものに限定されるものではなく、上記断面の形状が楕円形状や長方形の形状のものであってもよい。また、平板状の抵抗体が所定のパターンにカットされたものであってもよい。
第2のヒータ161bの形状、構成材料は、第2のヒータ161bが保持シール材120の第1の端部123から、保持シール材の第2の端部124まで連続している以外は、第1のヒータ161aと同様である。つまり、外部保持シール材部126にも第2のヒータ161bは配設されている。
また、上記のように外部保持シール材部126を排ガス処理体130の周囲に巻き付けると、排ガス処理体130の外周部分には、保持シール材120が2層となる部分が存在することになる。このような部分では、各ヒータの密度を調整することにより発熱量を調整することが望ましい。
また、後述するように保持シール材120を排ガス処理体ユニットに巻き付ける際に、有機シート120が貼付されていない場合には、各ヒータと、排ガス処理体ユニットとが直接接触するので、各ヒータと、排ガス処理体ユニットとが擦れ各ヒータが破損することがある。しかし、上記構成の保持シール材120では、各ヒータと、排ガス処理体ユニットとが直接接触することはない。従って、各ヒータが破損することを防ぐことができる。
上記構成の保持シール材120では、各ヒータが有機シートを介して保持シール材120の第1の主面121及び第2の主面122に固定されているので、各ヒータを備えた保持シール材120をそのまま排ガス処理体ユニットの周囲に巻き付けることにより、保持シール材120と排ガス処理体ユニットとの間に各ヒータを狭持することができ、容易に各ヒータを備えた排ガス浄化装置100を作製することができる。なお、有機シート164は、エンジンの始動の前に各ヒータに通電することや、排ガスが排ガス浄化装置100に導入されることにより加熱され、分解、消失する。
これらの樹脂は充分な柔軟性を有するので、有機シート164と保持シール材120との間に配設された各ヒータをしっかりと保持することができ、また、外部からの衝撃を吸収することができるので、各ヒータの断線等を防止することができる。また、加熱することにより有機シート164が熱分解しやすくなる。
無機繊維が、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、及び、シリカ繊維の少なくとも1種である場合には、耐熱性に優れているので、通電により排ガス処理体ユニットが発熱し充分な高温になった場合であっても、変質等が発生することはなく、保持シール材としての機能を充分に維持することができる。また、無機繊維が生体溶解性繊維である場合には、保持シール材を用いて排ガス浄化装置を作製する際に、飛散した無機繊維を吸入等しても、生体内で溶解するため、作業員の健康に害を及ぼすことがない。
無機繊維の平均繊維長が5mm未満であると、無機繊維の繊維長が短すぎるため、無機繊維同士の交絡が不充分となり、保持シール材のせん断強度が低くなる。また、無機繊維の平均繊維長が150mmを超えると、無機繊維の繊維長が長すぎるため、保持シール材の作製時における無機繊維の取り扱い性が低下する。その結果、排ガス処理体ユニットへの巻き付け性が低下し、保持シール材が割れやすくなる。
無機繊維の平均繊維径が1〜20μmであると、無機繊維の強度及び柔軟性が充分に高くなり、保持シール材120のせん断強度を向上させることができる。
無機繊維の平均繊維径が1μm未満であると、無機繊維が細く切れやすいので、無機繊維の引っ張り強度が不充分となる。一方、無機繊維の平均繊維径が20μmを超えると、無機繊維が曲がりにくいため、柔軟性が不充分となる。
また、保持シール材の嵩密度が0.30g/cm3を超えると、保持シール材が硬くなり、排ガス処理体ユニットへの巻き付け性が低下し、保持シール材が割れやすくなる。
また、エンジンを始動させ、排ガスを排ガス浄化装置100に到達させることにより、膨張材を膨らませようとすると、膨張材が膨らむ前に排ガスの圧力が保持シール材120にかかることになり、各排ガス処理体ユニットの脱落が発生しやすくなる。
上記排ガス浄化装置100を車両等に取り付ける前に、気体等をケーシングの内部に流通させることができる装置を用い、第1のヒータ161a及び第2のヒータ161bに通電して保持シール材120や各排ガス処理体ユニットを加熱する処理を行ってもよい。
膨張材の添加量は、特に限定されないが、保持シール材120の全重量に対して5〜50重量%であることが望ましく、10〜30重量%であることがより望ましい。
上記有機バインダのなかでは、ゴム系樹脂(ラテックス)等が望ましい。有機バインダを含有する有機バインダ含有液としては、例えば、カルボキシメチルセルロース又はポリビニルアルコール等の水溶性有機重合体を溶解させた溶液、アクリルゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム又はスチレン−ブタジエンゴムを水に分散させたラテックス等が挙げられる。
上記排ガス浄化装置100を車両等に取り付ける前に、気体等をケーシング110の内部に流通させることができる装置を用い、第1のヒータ161a及び第2のヒータ161bに通電して保持シール材120や各排ガス処理体ユニットを加熱する処理を行ってもよい。
このため、保持シール材120を用いた排ガス浄化装置100では、保持シール材120を構成する無機繊維同士が充分に絡まり合っており、保持シール材120から無機繊維が飛散したり、脱離するのを防止することができる。
内燃機関から排出された排ガスが、排ガス浄化装置100の内部の排ガス処理体130に到達すると、排ガスが排ガス処理体130を構成する内方排ガス処理体ユニット150の端面に到達することになる。内方排ガス処理体ユニット150の端面に到達した排ガス(図4(b)中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で表す)は、内方排ガス処理体ユニット(触媒担体)150の排ガス流入側の端面に開口したセル155に流入し、セル155に担持された触媒158と接しながら、セル155中を通過し、排ガス流出側の端面から排出される。この際、排ガス中のCOやHC、NOX等の有害なガス成分がセル壁156に担持された触媒158により浄化される。
このように、触媒が担持された排ガス処理体ユニットを含む排ガス処理体130は、触媒担体として好適に使用することができる。
外方排ガス処理体ユニット140、141及び142、並びに、内方排ガス処理体ユニット150をそれぞれ4つずつ組み合わせることにより略円柱状の排ガス処理体130を形成することができる。
外方排ガス処理体ユニット142は、外方排ガス処理体ユニット141を、外方排ガス処理体ユニット141の側面141cに垂直な軸を中心に180°回転させた形状であり、曲面状の側面142aは、排ガス処理体130の外周面を構成する。
また、外方排ガス処理体ユニット141との対応関係については、曲面状の側面142a、並びに、平面状の側面142b、142c及び142dは、それぞれ、曲面状の側面141a、並びに、平面状の側面141d、141c及び141bと対応する。
これらの触媒が担持されていると、COやHC、NOX等の有毒な排ガスを好適に浄化することができる。
ケーシング110は、主にステンレス、アルミニウム、鉄等の金属からなり、その形状は、図1(a)に示すように、両端部の内径が中央部の内径よりも小さい略円筒状であってもよいし、また、内径が一定である略円筒状であってもよい。
ケーシング110の内径(排ガス処理体130を収容する部分の内径)は、排ガス処理体130の端面の直径と排ガス処理体130に巻付けられた状態の保持シール材120の厚さとを合わせた長さより若干短くなっていることが望ましい。
本発明の保持シール材の製造方法は、上記構成の保持シール材を製造する方法であって、無機繊維を含み、第1の主面と第2の主面とを有する平面視矩形状のマットからなる保持シール材を準備する保持シール材工程と、上記保持シール材の第1の主面及び第2の主面にヒータを配設する工程とを含むことを特徴とする。
本発明の保持シール材を構成するマットとして、平面視したときに、長手方向に伸びる長辺とそれにほぼ直角な短辺からなる矩形形状の所定の全長のニードルパンチング処理マットを用意する。ニードルパンチング処理マットは、紡糸用混合物のブローイング法による紡糸工程、紡糸工程により得られた無機繊維前駆体の圧縮によるシート状物の作製工程、シート状物のニードルパンチング処理工程、焼成処理工程、ニードルパンチング処理したシート状物へのバインダーの含浸工程、乾燥工程、及び、裁断工程を経て作製される。なお、ニードルパンチング処理とは、ニードル等の繊維交絡手段を無機繊維前駆体のシート状物に抜き差しすることをいう。
有機シート164を保持シール材120の第1の主面121に貼付する方法としては、熱圧着による貼付、糸等を用いた縫い付け、接着剤による貼付等が挙げられる。
また、後述するように保持シール材120を排ガス処理体ユニットに巻き付ける際に、有機シートが貼付されていない場合には、第1のヒータ161aと、排ガス処理体ユニットとが直接接触するので、第1のヒータ161aと、排ガス処理体ユニットとが擦れ第1のヒータ161aが破損することがある。しかし、有機シートが貼付されていると、第1のヒータ161aと、排ガス処理体ユニットとが直接接触することはない。従って、第1のヒータ161aが破損することを防ぐことができる。
本発明の排ガス浄化装置を製造する方法では、複数個の柱状の排ガス処理体ユニット同士の間に、一枚の上記保持シール材を連続して介在させ巻き付け、上記柱状の排ガス処理体ユニットを複数個集合し、排ガス処理体を形成する排ガス処理体作製工程と、上記保持シール材をさらに上記排ガス処理体の周囲に巻き付ける巻き付け工程と、上記保持シール材がその周囲に巻き付けられた上記排ガス処理体をケーシング内部に収容する収容工程を含むことを特徴とする。
本発明の排ガス浄化装置100を構成する排ガス処理体130は、連続する一枚の保持シール材120が介在するように、各排ガス処理体ユニット同士の間に、保持シール材120を巻き付けることにより形成される。この工程を図面を参照しながら説明する。
図6(a)〜(e)では、保持シール材120を各排ガス処理体ユニットに巻き付ける工程を、各排ガス処理体ユニットの長手方向に垂直な方向で切断した断面図を用いて示している。
また、図7は、本発明の排ガス浄化装置を構成する排ガス処理体の一例を示す模式図である。
この際、外方排ガス処理体ユニット140の両端面140e、140fを支持棒(図示せず)等で固定しておく必要がある。また、保持シール材120の第1の端部123が移動しないように、保持シール材120の第1の端部123近傍に接着材を塗布して外方排ガス処理体ユニット140の側面140aに貼り付けるか、板状体を用いて保持シール材120を外方排ガス処理体ユニット140の側面140aに押し付け、固定してもよい。
この状態を保つためには、上記のように外方排ガス処理体ユニット141を配設するとともに、外方排ガス処理体ユニット141の側面の保持シール材120を巻き付けた後、外方排ガス処理体ユニット141の端面141e、141fを支持棒(図示せず)等で固定する必要がある。以下の工程においても、本工程と同様に、各排ガス処理体ユニットに保持シール材120を巻き付けた後、排ガス処理体ユニットの両端面を固定する必要がある。固定化に関する記載内容は、本工程と同様であるので、以下においては、その記載を省略することとする。
外方排ガス処理体ユニット1142は、外方排ガス処理体ユニット142を、外方排ガス処理体ユニット142の長手方向に平行な軸を中心に反時計方向に90°回転させた形状である。
外方排ガス処理体ユニット1141の側面1141bと、外方排ガス処理体ユニット1140の側面1140cとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1141の側面1141cと、外方排ガス処理体ユニット1140の側面1140bとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1141を配置している。
内方排ガス処理体ユニット150の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット142の側面142cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット150を配置している。
内方排ガス処理体ユニット1150の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット141の側面141cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット1150を配置している。
外方排ガス処理体ユニット1142の側面1142dと、外方排ガス処理体ユニット1140の側面140bとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1142の側面1142cと、側面140cとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1142を配置している。
保持シール材120の第1の主面121を、外方排ガス処理体ユニット1141の側面1141b、及び、1141cに沿うように接触させながら、保持シール材120を外方排ガス処理体ユニット1141に巻き付けている。
そして、保持シール材120の第1の主面121と、第2の主面122とが、隣り合う内方排ガス処理体ユニット150及び1150、並びに、外方排ガス処理体ユニット1142の側面に交互に接触するように、保持シール材120を、各排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際、保持シール材120の第1の主面121と、第2の主面122とが、隣り合う排ガス処理体ユニットの側面に交互に接触するように、保持シール材120を、排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際の各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類は、上記の断面形状が略半円形の排ガス処理体ユニットの集合体を半円の中心を軸に180°回転させた各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類と一致する。
上記工程の後、本発明の排ガス浄化装置100の製造方法では、図8に示すように排ガス処理体130の周囲の反時計方向に沿って、外部保持シール材部126を排ガス処理体130に巻き付ける。すなわち、保持シール材120の第2の主面122が、排ガス処理体130と接触するように、保持シール材120を排ガス処理体130に巻き付ける。次に、各ヒータの端部を外部端子162により導電線163と接続する。
収容工程では、周囲に保持シール材120が配設された排ガス処理体130を、ケーシング110に収容する。
収容後に保持シール材120が圧縮して所定の面圧(すなわち、排ガス処理体を保持する力)を発揮するために、ケーシング110の内径は、周囲に保持シール材120が配設された排ガス処理体130の最外径より少し小さくなっている。
また、保持シール材120が膨張材を含んでいると、この際に、膨張材が膨らむため、保持シール材120の保持力を向上させることができ、排ガス処理体130の把持を確実なものにすることができる。
また、同様に、保持シール材120や排ガス処理体130が有機バインダ等の有機物を含んでいる場合、エンジンを始動する前に各ヒータに通電することにより、有機バインダ等の有機物を分解、消失させることができ、車両に取り付けられたセンサー等の誤動作を防止することができる。
また、保持シール材220は、本発明の保持シール材の一例である。
すなわち、横に並んだ排ガス処理体ユニットの間には、保持シール材220を排ガス処理体ユニットの側面に沿って下降させた後に折り曲げ、2層にしており、上下の排ガス処理体ユニットの間では、上層は、連続した一つの層となっている。
また、一枚の保持シール材220を用いて、外方排ガス処理体ユニット240、241、及び、242、並びに、内方排ガス処理体ユニット250の対向する面にのみ介装することは難しいので、保持シール材220は、排ガス処理体230の周囲の一部にも配設されており、最終的には、排ガス処理体230の外周全体にもう一度保持シール材220を巻き付けるため、排ガス処理体230の外周全体にもう一度保持シール材220が巻き付けられている。そのため、排ガス処理体230の外周部分には、保持シール材220が2層となっている部分が存在している。
また、各排ガス処理体ユニットの間に存在する単位面積当たりの無機繊維の量をより多くすることができ、各排ガス処理体ユニットが破損しにくく、より保温効果に優れた排ガス処理体230を実現することができる。
さらに、各排ガス処理体ユニットが保持シール材220から受ける面圧は均等になりやすくなる。すなわち、各排ガス処理体ユニットにかかる面圧が偏在しにくくなるので、各排ガス処理体ユニットが損傷しにくくなる。
また、各排ガス処理体ユニット同士の間の保持シール材220が介在しているので、各排ガス処理体ユニット同士の間の距離が均等になる。そのため、外部から衝撃を受けた場合でも、各排ガス処理体ユニットに衝撃が均等に伝わりやすくなる。さらに、各排ガス処理体ユニットに伝わる熱も均等に伝わりやすくなる。そのため、外部からの衝撃や熱衝撃を受けた場合でも、各排ガス処理体ユニットにクラック等の損傷が生じにくくなる。
一般的に、排ガス浄化装置を用いる場合、保持シール材の排ガス浄化装置の底部に配設されている部分は、重力の影響により荷重がかかるので、保持シール材に損傷が生じやすくなり、また、保持シール材の面圧も低下しやすくなる。
保持シール材220が2層になっている部分が、排ガス浄化装置200の底部に位置するように配設されていると、重力の影響により、保持シール材220に荷重がかかったとしても、保持シール材220が2層存在しているので、損傷を防ぎやすくなり、また、保持シール材220の面圧も維持しやすくなる。
図10は、本発明の排ガス浄化装置を構成する排ガス処理体ユニットと、排ガス処理体ユニット同士の間に介在されている保持シール材との一部の一例を模式的に示す模式図である。
保持シール材220の第1の主面221と、内方排ガス処理体ユニット250及び内方排ガス処理体ユニット1250との間には、ヒータ261が配設されている。
内部保持シール材部225は、図9に示す排ガス浄化装置200において、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設されている部分である。
外部保持シール材部226は、図9に示す排ガス浄化装置200において、排ガス処理体230の周囲に配設されている部分である。
保持シール材の厚さが20mmを超えると、保持シール材の柔軟性が失われるので、保持シール材を排ガス処理体ユニット間に配設する場合に扱いづらくなる。また、保持シール材に巻きジワや割れが生じやすくなる。
また、排ガス浄化装置200では、各排ガス処理体ユニットの間に2層の保持シール材220を配設するので、上記望ましい厚さの上限を超えると、保持シール材220の間に隙間が出来やすくなる。
保持シール材の厚さが2.0mm未満であると、保持シール材の面圧が排ガス処理体ユニットを保持するのに十分でなくなる。そのため、排ガス処理体230を構成する排ガス処理体ユニットが抜け落ちやすくなる。また、排ガス処理体ユニットに体積変化が生じた場合、保持シール材は排ガス処理体ユニットの体積変化を吸収しにくくなる。そのため、排ガス処理体ユニットにクラック等が発生しやすくなる。
図9に示すように、ヒータ261は保持シール材220の第1の主面221に配設されている。ヒータ261は、1本のヒータであり、保持シール材220の長手方向と略垂直な方向に沿って存在している部分と、上記保持シール材220の長手方向と略垂直な方向に沿って存在している部分を介在する屈曲部からなっている。すなわち、ヒータ261の形状は、1本のヒータが屈曲部にて交互に折り曲げられ、保持シール材220の第1の端部223から、保持シール材220の第2の端部224まで連続して存在している形状である。このヒータ261は、折り曲げる前の部分と折り曲げた後の部分とが屈曲部を介してほぼ平行になるように、一定の短い間隔で繰り返し折り曲げられている。また、所定の間隔で折り曲げる前の部分と折り曲げた後の部分との間の距離が長くなっている場所が存在している。これは、保持シール材220が排ガス処理体ユニットに巻き付けた際に、ヒータ261が自身と接触しない間隔及び距離であり、排ガス処理体ユニットの大きさ、及び、排ガス処理体230の大きさに応じてあらかじめ算出することができる。ヒータ261の発熱量の調整は、基本的には、各ヒータの抵抗値を調整することにより行うことができるが、単位長さ当たりの平行線の間隔(ヒータの密度)を調整することによっても、発熱量を調整することができる。
図12(a)〜(e)では、保持シール材220を各排ガス処理体ユニットに巻き付ける工程を、各排ガス処理体ユニットの長手方向に垂直な方向で切断した断面図を用いて示している。
また、図13は、本発明の排ガス浄化装置を構成する排ガス処理体の一例を示す模式図である。
この状態を保つためには、上記のように外方排ガス処理体ユニット241を配設するとともに、外方排ガス処理体ユニット241の側面の保持シール材220を巻き付けた後、外方排ガス処理体ユニット241の端面を支持棒(図示せず)等で固定する必要がある。以下の工程においても、本工程と同様に、各排ガス処理体ユニットに保持シール材220を巻き付けた後、排ガス処理体ユニットの両端面を固定する必要がある。固定化に関する記載内容は、本工程と同様であるので、以下においては、その記載を省略することとする。
外方排ガス処理体ユニット1242は、外方排ガス処理体ユニット242を、外方排ガス処理体ユニット242の長手方向に平行な軸を中心に反時計方向に90°回転させた形状である。
外方排ガス処理体ユニット1241の側面1241bと、外方排ガス処理体ユニット1240の側面1240cとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1241の側面1241cと、外方排ガス処理体ユニット1240の側面1240bとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1241を配置している。
内方排ガス処理体ユニット250の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット242の側面242cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット250を配置している。
内方排ガス処理体ユニット1250の1つの側面と、外方排ガス処理体ユニット241の側面241cとは対面するように内方排ガス処理体ユニット1250を配置している。
外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242dと、外方排ガス処理体ユニット1240の側面240bとは対面し、かつ、外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242cと、側面240cとが同一平面上に属するように、外方排ガス処理体ユニット1242を配置している。
保持シール材220の第1の主面221を、外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242a、1242b、及び、1242cに沿うように接触させながら、保持シール材220を外方排ガス処理体ユニット1242に巻き付けている。次に、外方排ガス処理体ユニット1242の側面1242bと保持シール材220の第1の主面221とが接触している終点を支点に、保持シール材220を反対に折り曲げる。
以下同様に、保持シール材220の第1の主面221のみが、内方排ガス処理体ユニット1250、250、及び、1241に接触するように、保持シール材220を排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際、保持シール材220の第1の主面221のみが排ガス処理体ユニットに接触するように、保持シール材220を、各排ガス処理体ユニットに巻き付ける。
この際の各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類は、上記の断面形状は略半円形の排ガス処理体ユニットの集合体を半円の中心を軸に180°回転させた各排ガス処理体ユニットの配設位置及び種類と一致する。
次に、ヒータ261の端部を外部端子262により導電線263と接続する。
収容後に保持シール材220が圧縮して所定の面圧(すなわち、排ガス処理体を保持する力)を発揮するために、ケーシング210の内径は、周囲に保持シール材220が配設された排ガス処理体230の最外径より少し小さくなっている。
以上の方法により、図9に示す排ガス浄化装置200を製造することができる。
図15(a)及び(b)は、本発明の保持シール材の一例を模式的に示す平面図である。
図15(a)及び(b)に示す保持シール材320及び420は、本発明の保持シール材の一例である。
本発明の保持シール材320又は420では、図15(a)又は図15(b)に示す形状(パターン)を有するヒータが用いられている。
本発明の保持シール材320又は420は、ヒータの形状が異なる他は、上記本発明の保持シール材120と同様に構成されているので、ヒータ以外の部分についての説明は省略し、ヒータのみについて説明する。
図16は、本発明の保持シール材の一例を模式的に示す斜視図である。
図16に示す保持シール材520は、本発明の保持シール材の一例である。
内部保持シール材部525は、本発明の排ガス浄化装置において、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設される部分である。
外部保持シール材部526は、本発明の排ガス浄化装置において、排ガス処理体の周囲に配設される部分である。
このように保持シール材520を嵌合させると、保持シール材を巻き付けた排ガス処理体を持ち運ぶ際に保持シール材520がずれにくくなり、ハンドリングが向上する。
保持シール材を貫通するようにヒータを配設する方法としては、保持シール材に孔を空け、その孔に1本のヒータを通す方法や、保持シール材の第1の主面及び第2の主面に別々のヒータを配設しておき、接続部材により保持シール材を貫通し各ヒータの端部を接続する方法などが挙げられる。
また、上記本発明の排ガス浄化装置100又は200では、各排ガス処理体ユニット同士の間に配設された保持シール材の層の数は同じであったが、本発明の排ガス浄化装置では、各排ガス処理体ユニット同士の間で異なっていてもよい。
そのため、単にこれら複数種類の排ガス処理体ユニットを保持シール材を介して組み合わせるのみで、簡単に排ガス処理体を構成することができる。また、予め、所定の排ガス処理体の形状が形成される組み合わせとなる種々の形状の排ガス処理体ユニットを製造しておくことにより、要求される種々の形状の排ガス処理体を容易に作製することができ、排ガス処理体の形状に関する多様な要求に比較的容易に答えることができる。
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
(1)保持シール材を準備する工程
以下の手順により、マットの表面に有機シートが貼付されるとともに、有機シートとマットとの間にヒータが狭持された保持シール材を作製した。
(a−1)紡糸工程
Al含有量が70g/lであり、Al:Cl=1:1.8(原子比)となるように調製した塩基性塩化アルミニウム水溶液に対して、焼成後の無機繊維における組成比が、Al2O3:SiO2=72:28(重量比)となるようにシリカゾルを配合し、さらに、有機重合体(ポリビニルアルコール)を適量添加してアルミナ繊維前駆体用の溶液を調製した。
得られた混合液を濃縮して紡糸液とし、この紡糸用混合物をブローイング法により紡糸して平均繊維径が5.1μmであるアルミナ繊維前駆体を作製した。
上記工程(a−1)で得られたアルミナ繊維前駆体を積層、圧縮して、積層シートを作製した。
上記工程(a−2)で得られたシート状物に対して、以下に示す条件を用いて連続的にニードルパンチング処理を行ってニードルパンチング処理体を作製した。
まず、ニードルが21個/cm2の密度で取り付けられたニードルボードを準備した。次に、このニードルボードをシート状物の一方の表面の上方に配設し、ニードルボードをシート状物の厚さ方向に沿って一回上下させることによりニードルパンチング処理を行い、ニードルパンチング処理体を作製した。この際、ニードルの先端部分に形成されたバーブがシート状物の反対側の表面に完全に貫出するまでニードルを貫通させた。
上記工程(a−3)で得られたニードルパンチング処理体を最高温度1250℃で連続して焼成し、アルミナとシリカとを72重量部:28重量部で含む無機繊維からなる焼成シート状物を製造した。無機繊維の平均繊維径は、5.1μmであり、無機繊維径の最小値は、3.2μmであった。このようにして得られたアルミナ繊維は、嵩密度が0.15g/cm3であり、目付量が1400g/m2であった。
得られた焼成シート状物を切断し、切断シート状物を作製した後、さらに平面視寸法が全長1500mm×幅100mmの保持シール材120の作製を完了した。
次に、上記工程を経て作製された保持シール材120を用いて、図3(a)及び(b)示すように、カンタル線からなる第1のヒータ161aが保持シール材120の第1の主面121に第1のヒータ161aを載置した。その後、有機シート164に接着剤を塗布し、第1のヒータ161aを覆うように有機シート164を貼付した。
同様に、保持シール材120の第2の主面122にも第2のヒータ161bを配置し、有機シート164を貼付した。
コージェライト製の図4(a)及び図5(a)〜(c)に示す排ガス処理体ユニットの形状と略同一の形状の排ガス処理体ユニットの成形体を4つずつ準備した。
上記排ガス処理体ユニットを、硝酸白金溶液に浸漬した後、600℃で1時間保持することにより、排ガス処理体ユニットのセル壁に白金触媒を担持させた。
上記排ガス処理体130を形成する方法により、保持シール材120を上記各排ガス処理体ユニットに巻き付け、排ガス処理体130を形成した。排ガス処理体130は全長105mmの略円柱状であり、外径は145mmであった。
(4)巻き付け工程
次に、この排ガス処理体130の外周面全体に外部保持シール材部126を巻き付けた。
この際、排ガス処理体130に巻き付けられていない、外部保持シール材部126の余剰部分を切断した。
圧入方式(スタッフィング方式)により、排ガス処理体130をケーシング110に圧入した。保持シール材120の隙間嵩密度(GBH)は0.4g/cm3とした。
ケーシング110に配設された外部導出部材170から導電線163を導出した。
上記導電線163に電圧を加印して有機シート164を加熱し、有機シート164を分解・消失させた。
このようにして得られた排ガス浄化装置100に関し、実験用の内燃機関の排気通路に設置し、第1のヒータ161a及び第2のヒータ161bに電圧を印加し、排気ガスを流しながら、排ガス浄化装置100を構成する触媒担体(排ガス処理体130)の温度を測定したところ、いずれも15秒以内で、触媒として機能する400℃に到達し、触媒担体が短時間に迅速に昇温することが確認された。
係る必須の構成要件に、発明の詳細な説明で詳述した種々の構成(例えば、有機シートの貼付、有機シートの構成材料、ヒータの構成材料、ヒータの形状、保持シール材の構成材料、保持シール材の排ガス浄化装置への使用方法、保持シール材の製造方法等)を適宜組み合わせることにより所望の効果を得ることができる。
110、210 ケーシング
111 導入管
112 排出管
120、220、320、420、520 保持シール材
121、221、521 第1の主面
122、222、522 第2の主面
123、223、523 第1の端部
124、224、524 第2の端部
125、225、525 内部保持シール材部
126、226、526 外部保持シール材部
130、230 排ガス処理体
140、141、142、1140、1141、1142、240、241、242、1240、1241、1242 外方排ガス処理体ユニット
150、1150、250、1250 内方排ガス処理体ユニット
155 セル
156 セル壁
157 外周壁
158 触媒
161a 第1のヒータ
161b 第2のヒータ
261、361、461、561 ヒータ
162、262 外部端子
163、263 導電線
164 有機シート
170 外部導出部材
Claims (6)
- 柱状の排ガス処理体ユニットが複数個集合して形成される排ガス処理体と、
前記排ガス処理体の周囲に配設された保持シール材と、
前記排ガス処理体を収容するケーシングとを備える排ガス浄化装置であって、
前記保持シール材は、無機繊維を含み、第1の主面と第2の主面とを有する平面視矩形状のマットからなり、
前記排ガス処理体ユニットと、前記保持シール材との間にはヒータが配設されており、
前記排ガス処理体を構成する各排ガス処理体ユニット同士の間には、連続する一枚の前記保持シール材が介在されており、
前記ヒータは、前記排ガス処理体を構成する全ての排ガス処理体ユニットと接触していることを特徴とする排ガス浄化装置。 - 前記排ガス処理体を構成する全ての前記排ガス処理体ユニット同士の間には、連続する一枚の前記保持シール材が介在されている請求項1に記載の排ガス浄化装置。
- 前記排ガス処理体は、複数の形状の異なる柱状の排ガス処理体ユニットを組み合わせることにより、所定の排ガス処理体の形状が形成されている請求項1又は2に記載の排ガス浄化装置。
- 前記排ガス処理体ユニットの構成材料は、コージェライトである請求項1〜3のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の排ガス浄化装置の製造方法であって、
第1の主面及び/又は第2の主面にヒータが配設された無機繊維からなる保持シール材を準備する保持シール材準備工程と、
複数個の柱状の排ガス処理体ユニット同士の間に、一枚の前記保持シール材を連続して介在させ巻き付け、前記柱状の排ガス処理体ユニットを複数個集合し、排ガス処理体を形成する排ガス処理体作製工程と、
前記保持シール材をさらに前記排ガス処理体の周囲に巻き付ける巻き付け工程と、
前記保持シール材がその周囲に巻き付けられた前記排ガス処理体をケーシング内部に収容する収容工程を含み、
前記排ガス処理体作製工程では、前記ヒータが、前記排ガス処理体を構成する全ての排ガス処理体ユニットと接触するように前記保持シール材を前記排ガス処理体ユニットに巻き付けることを特徴とする排ガス浄化装置の製造方法。 - 前記収容工程の後、前記ヒータに通電を行い、該排ガス浄化装置の内部を加熱する請求項5に記載の排ガス浄化装置の製造方法。
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