JP6505336B1 - 排ガス浄化用のメタル基材及びそれを用いた排ガス浄化装置 - Google Patents

排ガス浄化用のメタル基材及びそれを用いた排ガス浄化装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、低い圧力損失と高い浄化性能とを両立させることができる排ガス浄化用のメタル基材及びそれを用いた排ガス浄化装置を提供する。本発明は、波箔と平箔とが積層されて筒状になっている排ガス浄化用の孔あきメタル基材であって、５０個／平方インチ〜８００個／平方インチのセルを有し、前記波箔が、前記セルの平均開孔面積の２．０倍以上５０倍以下の面積を有する複数の第１の孔を有し、前記平箔が、前記セルの平均開孔面積の３．０倍以上１００倍以下の面積を有する複数の第２の孔を有し、かつ前記波箔の前記第１の孔の面積の平均値が、前記平箔の前記第２の孔の面積の平均値よりも小さい、孔あきメタル基材に関する。

Description

本発明は、排ガス浄化用のメタル基材及びそれを用いた排ガス浄化装置に関する。特に、本発明は、低い圧力損失と高い浄化性能とを両立させることができる排ガス浄化用のメタル基材及びそれを用いた排ガス浄化装置に関する。
金属製の基材（メタル基材）を用いた排ガス浄化装置が、二輪車用、発電機用、農作機械用等の内燃機関の排ガス浄化装置として広く使用されている。メタル基材は、一般的には、波状に加工した金属箔と平らな金属箔との積層体の筒状体である。例えば、図２に示すように、一般的には、メタル基材（１０）は、金属箔を波状に加工して波箔（１）を得て、そして波箔（１）と平らな金属箔である平箔（２）とを一緒にロール化することによって筒状にされる。このようにして得られた筒状体は、随意に、外筒（４）に挿入される。
波箔と平箔とを含むメタル基材は、図３に示されるように、筒状体の軸方向からみた場合に、多数のセルを有している。メタル基材に触媒層が形成された排ガス浄化装置では、排ガスは、このセル内を通過し、セルの壁面に存在する触媒層と接触することで浄化される。
特許文献１及び２は、上記のような波箔及び平箔に孔を有する、孔あきメタル基材並びにそれを用いた排ガス浄化装置を開示している。
国際公開第２００４／０２２９３７号 特開２００９−１７８６４７号公報
このような孔あきメタル基材を用いた排ガス浄化装置は、孔を有することによって、その分だけ熱容量が小さいため、暖機時での排ガス浄化性能が良好になる。また、孔あきメタル基材を用いた排ガス浄化装置は、孔が存在することによってガス流れに影響を与え、高い浄化性能を与えることができる。しかし、同時に、圧力損失も高くなるという課題があった。圧力損失が大きい排ガス浄化装置は、その内燃機関の燃費を悪化させるため、圧力損失は低いことが望ましい。
そこで、本発明は、低い圧力損失と高い浄化性能とを両立させることができる排ガス浄化用のメタル基材、及びそれを用いた排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、以下の態様を有する本発明により、上記課題を解決できることを見出した。
《態様１》
波箔と平箔とが積層されて筒状になっている排ガス浄化用の孔あきメタル基材であって、
５０個／平方インチ〜８００個／平方インチのセルを有し、
前記波箔が、前記セルの平均開孔面積の２．０倍以上５０倍以下の面積を有する複数の第１の孔を有し、
前記平箔が、前記セルの平均開孔面積の３．０倍以上１００倍以下の面積を有する複数の第２の孔を有し、かつ
前記波箔の前記第１の孔の面積の平均値が、前記平箔の前記第２の孔の面積の平均値よりも小さい、
孔あきメタル基材。
《態様２》
前記波箔の前記第１の孔の合計面積が、前記波箔の全ての孔の合計面積の６０％以上であり、かつ／又は前記平箔の前記第２の孔の合計面積が、前記平箔の全ての孔の合計面積の６０％以上である、態様１に記載の孔あきメタル基材。
《態様３》
前記波箔の前記第１の孔が、３．０ｍｍ２〜１００ｍｍ２の面積を有し、かつ前記平箔の前記第２の孔が、５．０ｍｍ２〜２００ｍｍ２の面積を有する、態様１又は２に記載の孔あきメタル基材。
《態様４》
前記波箔の前記第１の孔の面積の平均値に対する、前記平箔の前記第２の孔の面積の平均値の比が、１．５〜１０．０の範囲である、態様１〜３のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材。
《態様５》
平箔及び波箔の開孔率が、それぞれ１０％〜９０％の範囲である、態様１〜４のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材。
《態様６》
前記セルの平均開孔面積が、０．５０ｍｍ２〜７．０ｍｍ２である、態様１〜５のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材。
《態様７》
前記波箔及び前記平箔の厚みが、それぞれ２０μｍ〜５００μｍの範囲である、態様１〜６のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材。
《態様８》
態様１〜７のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材、及び前記孔あきメタル基材上に形成された触媒層を有する、排ガス浄化装置。
図１は、本発明のメタル基材の１つの態様を概略的に示している。孔の大きさ、ピッチ、個数等については精確に示していない。 図２は、波箔及び平箔からなるメタル基材の一般的な製造工程を示す概略図である。 図３は、波箔及び平箔からなるメタル基材を軸方向から観察した場合の一例の写真を示している。 図４は、３００個／平方インチのセルを用いた、実施例と比較例の圧力損失と浄化性能とを示している。 図５は、１００個／平方インチのセルを用いた、実施例と比較例の圧力損失と浄化性能とを示している。
本発明の排ガス浄化用の孔あきメタル基材は、積層されて筒状になっている波箔と平箔とを有し、５０個／平方インチ〜８００個／平方インチのセルを有する。波箔は、セルの平均開孔面積の２．０倍以上５０倍以下の面積を有する複数の第１の孔を有し、平箔は、セルの平均開孔面積の３．０倍以上１００倍以下の面積を有する複数の第２の孔を有する。また、波箔の第１の孔の面積の平均値は、平箔の第２の面積の平均値よりも小さい、すなわち特定範囲面積ｃの平均値は、特定範囲面積ｓの平均値よりも小さい。
図１に示すように、本発明の排ガス浄化用の孔あきメタル基材（１０）は、積層されて筒状になっている波箔（１）と平箔（２）とを有し、波箔（１）と平箔（２）とから構成されるセル（３）を有する。波箔（１）は、第１の孔（１ａ）を有し、平箔（２）は、第２の孔（２ａ）を有する。
従来の孔あきメタル基材を用いた排ガス浄化装置では、孔が存在することで、浄化性能は向上するが、圧力損失は悪化する傾向にあった。
孔が存在すると浄化性能が向上する理由としては、以下の理由が考えられる。すなわち、孔が存在すると波箔及び平箔の幾何学的表面積が小さくなり、排ガスと触媒層との接触面積も小さくなるが、同時に排ガス流れの拡大及び収縮が発生し、壁面付近の流れが乱れることになる。これにより、排ガスと触媒層との層界面の境膜が薄くなって、その界面での物質移動速度が向上する。接触面積の減少以上に、物質移動速度の向上が強く寄与するため、孔が存在することにより、浄化性能は向上すると考えられる。また、孔が存在することによって、隣接セル間で排ガスが拡散することが可能になる。内燃機関においては、排ガス配管断面の流速分布が不均一となっているため径方向で排ガス流れの偏りがあり、その結果、排ガス浄化が非効率となっているが、隣接セル間でのガス拡散によって、この排ガス流れの偏りが解消されるため、排ガス浄化性能が向上すると考えられる。
孔が存在すると圧力損失が高くなる理由としては、以下の理由が考えられる。孔が存在することによって、波箔及び平箔の幾何学的表面積が小さくなり、排ガスと触媒層との接触面積も小さくなるため圧力損失は小さくなるが、一方で、浄化装置内で径方向に排ガス流れが拡大、縮小、分岐、合流等をするため、それぞれの圧力損失が発生する。その圧力損失の寄与が大きいため、圧力損失が高くなると考えられる。
このようなことから、従来の孔あきメタル基材を用いた排ガス浄化装置では、圧力損失と浄化性能とはトレードオフの関係になっていた。
それに対して、本発明者らは、上記のような孔あきメタル基材が、低い圧力損失と高い浄化性能とを両立できる排ガス浄化装置を予想外にも提供できることを見出した。理論に拘束されないが、これは、平箔の孔と波箔の孔とで、それぞれ圧力損失と浄化性能に与える影響が異なっていることに起因すると考えられる。すなわち、波箔の孔を大きくすると、圧力損失が改善（低下）すると共に浄化性能も悪化するのに対して、平箔の孔を大きくしても、圧力損失の改善（低下）は効果的なままで、浄化性能の悪化はそれほど大きくなかったためと推測される。そして、特定の面積の範囲において、波箔の孔が小さく、平箔の孔が大きい場合には、低い圧力損失と高い浄化性能とを両立させることができたものと考えられる。
波箔及び平箔に存在する孔は、それぞれ、その全てが同じ大きさであってもよく、また本発明の効果が得られる範囲で異なる大きさであってもよい。また、波箔及び平箔に存在する孔の全てが、それぞれ、上記第１の孔及び上記第２の孔であることが好ましい。ただし、本発明の有利な効果が得られる範囲で、波箔及び平箔に存在する孔の一部は、それぞれ上記第１の孔及び上記第２の孔である必要はない。例えば、波箔の第１の孔の合計面積は、波箔の全ての孔の合計面積の６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、若しくは９５％以上であり、かつ／又は平箔の第２の孔の合計面積は、平箔の全ての孔の合計面積の６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、若しくは９５％以上である。
波箔は、セルの平均開孔面積の２．０倍以上５０倍以下の面積を有する複数の第１の孔を有する。例えば、第１の孔の面積は、３．０ｍｍ２以上、４．０ｍｍ２以上、５．０ｍｍ２以上、１０ｍｍ２以上、２０ｍｍ２以上、又は５０ｍｍ２以上であってもよく、１００ｍｍ２以下、８０ｍｍ２以下、６０ｍｍ２以下、４０ｍｍ２以下、又は２０ｍｍ２以下であってもよい。
波箔の孔は、その全てが又はその一部が、円形又は楕円形であってもよく、非円形、例えば多角形であってもよい。波箔の孔の等価直径及び／又は波箔の第１の孔の等価直径は、２．０ｍｍ以上、２．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以上、４．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以上、又は７．０ｍｍ以上であってもよく、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、７．０ｍｍ以下、５．０ｍｍ以下、又は４．０ｍｍ以下であってもよい。なお、等価直径とは、その面の外周長さと等しい外周長さを有する正円の直径をいう。
平箔は、セルの平均開孔面積の３．０倍以上１００倍以下の面積を有する複数の第２の孔を有する。例えば、第２の孔の面積は、３．０ｍｍ２以上、４．０ｍｍ２以上、５．０ｍｍ２以上、１０ｍｍ２以上、２０ｍｍ２以上、又は５０ｍｍ２以上であってもよく、１００ｍｍ２以下、８０ｍｍ２以下、６０ｍｍ２以下、４０ｍｍ２以下、又は２０ｍｍ２以下であってもよい。
平箔の孔は、その全てが又はその一部が、円形又は楕円形であってもよく、非円形、例えば多角形であってもよい。平箔の孔の等価直径及び／又は平箔の第２の孔の等価直径は、３．０ｍｍ以上、３．５ｍｍ以上、５．０ｍｍ以上、８．０ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、又は１２ｍｍ以上であってもよく、２５ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、７．０ｍｍ以下、又は５．０ｍｍ以下であってもよい。
波箔の第１の孔の面積の平均値に対する平箔の第２の孔の面積の平均値の比（第１の孔の面積の平均値／第２の孔の面積の平均値）は、１．０超であり、例えば１．２以上、１．５以上、２．０以上、３．０以上、又は５．０以上であってもよく、１５以下、１０以下、８．０以下、６．０以下、４．０以下、又は３．０以下であってもよい。
筒状のメタル基材の軸方向に隣接する孔のピッチ（隣接する孔の中心間距離）は、平箔及び波箔の孔それぞれで、５．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以上、８．０ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以上、１２ｍｍ以上、又は１５ｍｍ以上であってもよく、２５ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、７．０ｍｍ以下、又は５．０ｍｍ以下であってもよい。なお、この場合、波箔の孔のピッチは、波箔を平らに引き延ばした場合のピッチをいう。
筒状のメタル基材の周方向に隣接する孔のピッチは、平箔及び波箔の孔それぞれで、５．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以上、８．０ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以上、１２ｍｍ以上、又は１５ｍｍ以上であってもよく、２５ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、７．０ｍｍ以下、又は５．０ｍｍ以下であってもよい。なお、この場合、波箔の孔のピッチは、波箔を平らに引き延ばした場合のピッチをいう。
平箔及び波箔の開孔率（孔が存在することによって減少する体積の割合）は、それぞれ、１０％以上、２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、又は６０％以上であってもよく、８０％以下、７０％以下、６０％以下、５０％以下、４０％以下、又は３０％以下であってもよい。
平箔及び波箔の孔は、筒状のメタル基材の周方向及び軸方向の全てにわたって均等に存在していてもよく、一部の場所に偏在していてもよい。例えば、平箔及び波箔の孔は、その端部には存在していなくてもよい。また、特許文献２に記載のように、平箔及び波箔の孔は、軸方向の中央部分には存在していなくてもよい。
本発明のメタル基材は、５０個／平方インチ〜８００個／平方インチのセルを有する。例えば、セルは、８０個／平方インチ以上、１００個／平方インチ以上、１５０個／平方インチ以上、２００個／平方インチ以上、又は３００個／平方インチ以上であってもよく、６００個／平方インチ以下、４００個／平方インチ以下、３００個／平方インチ以下、又は２００個／平方インチ以下であってもよい。
セルの平均開孔面積は、上記のセル数から計算することができ、０．５０ｍｍ２以上、０．８０ｍｍ２以上、１．０ｍｍ２以上、１．５ｍｍ２以上、２．０ｍｍ２以上、３．０ｍｍ２以上、又は５．０ｍｍ２以上であってもよく、１３ｍｍ２以下、１０ｍｍ２以下、７．０ｍｍ２以下、５．０ｍｍ２以下、３．５ｍｍ２以下、又は２．０ｍｍ２以下であってもよい。
本発明のメタル基材では、波箔と平箔とが積層されて筒状になっている。本発明のメタル基材では、波箔と平箔との１つの積層体又は複数の積層体が単純にロールされて筒状体にされていてもよく、又は特許文献１に記載のように、複数の積層体がＳ字状等にロールされて筒状体にされていてもよい。
本発明のメタル基材で使用される波箔の波形形状は、図３に記載のような波形形状に限定されるわけではなく、オメガ波状又はジグザク状の形状で形成されていてもよい。
波箔及び平箔の厚みは、特に限定されないが、それぞれ、２０μｍ以上、４０μｍ以上、８０μｍ以上、又は１００μｍ以上であってもよく、５００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、又は８０μｍ以下であってもよい。
パンチング孔は、パンチングマシン等を用いて所望の開孔率となるよう金属箔を全体的にパンチングすることにより設けることができる。尚、その孔の形状は特に限定されない。
本発明のメタル基材は、随意に、外筒を有していてもよい。筒状の波箔及び平箔を外筒の内側に配置し、ロウ付け等の手段によって、これらを接合してもよい。
本発明のメタル基材の製造方法は、パンチングマシン等によって、金属箔を穿孔して上記のような平箔を得ること；平箔を波状に加工して上記のような波箔を得ること；及び平箔と波箔とを積層して筒状化することを含むことができる。また、この方法は、随意に、筒状化した波箔及び平箔を、外筒に挿入して固定することを含んでもよい。
本発明の排ガス浄化装置は、上記の孔あきメタル基材、及び孔あきメタル基材上に形成された触媒層を含む。触媒層としては、排ガス浄化能を有する触媒層として本分野で公知の構成をとることができ、例えば、触媒層は、メタル基材の表面に設けられた金属酸化物担体とその担体に担持された貴金属とを有することができる。
金属酸化物担体としては、例えば、セリア、ジルコニア、アルミナ、希土類金属酸化物等、及びこれらの複数から成る複合酸化物等を挙げることができる。
貴金属の例としては、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等を挙げることができる。これらの貴金属は、例えば粒径１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒子として金属酸化物担体に担持されていることができる。
本発明の排ガス浄化装置の製造方法は、上記の孔あきメタル基材を提供すること；上記の孔あきメタル基材に金属酸化物担体の層を形成すること；及び金属酸化物担体に貴金属を担持させることを含むことができる。
孔あきメタル基材に金属酸化物担体の層を形成する工程は、例えば、金属酸化物及び／又はその前駆体から選択される１種以上を含有する溶液又はスラリーを調製すること、孔あきメタル基材にその溶液又はスラリーをコートすること、及び随意にこれを焼成することを含むことができる。
金属酸化物担体に貴金属を担持させる工程は、貴金属前駆体を含有する溶液に金属酸化物担体の層を含浸すること、及びこれを焼成することを含むことができる。また、孔あきメタル基材をコートする溶液又はスラリー中の金属酸化物及び／又はその前駆体に予め貴金属を担持しておいてもよい。
本発明の排ガス浄化装置は、二輪車用、発電機用、農作機械用等の内燃機関の排ガス浄化装置として使用することができる。
本発明を以下の実施例でさらに具体的に説明をするが、本発明はこれによって限定されるものではない。
以下の表１に記載の孔を有する波箔及び平箔を用いて、３００個／平方インチのセル（セルの平均開孔面積：約２ｍｍ２）を有する孔あきメタル基材を製造した。さらに、これらの孔あきメタル基材に同一の触媒層を形成して、実施例１〜３及び比較例１〜９の排ガス浄化装置を製造した。比較例１〜５（グループＡ）では、波箔と平箔の孔を同じ大きさとした。比較例６〜７（グループＢ）では、波箔の孔を平箔の孔よりも大きくした。比較例８〜９（グループＣ）は、波箔の孔を平箔の孔よりも小さくしたものの、波箔の孔をセルの開孔径よりもわずかに大きい程度とした。なお、波箔及び平箔の孔は、円形で、かつそれぞれで同じ大きさとした。また、波箔及び平箔の開孔率は、５０％であった。
また、表２に記載の孔を有する波箔及び平箔を用いて、１００個／平方インチのセル（セルの平均開孔面積：約６．５ｍｍ２）を有する孔あきメタル基材を製造した。さらに、これらの孔あきメタル基材に同一の触媒層を形成して、実施例４〜５及び比較例１０〜１２の排ガス浄化装置を製造した。なお、波箔及び平箔の孔は、円形で、かつ同じ大きさとした。また、波箔及び平箔の開孔率は、５０％であった。
これらの排ガス浄化装置を、１２５ｃｃのスクーターに搭載して、「ＷＭＴＣ Ｓｔａｇｅ ２ ｃｌａｓｓ １」モードに準拠して、排ガス浄化性能をＮＯｘ排出量の点から評価した。
また、これらの排ガス浄化装置の一方を大気に開放し、他方を負圧ポンプで減圧し、規定空気流量を流した場合の圧力損失を室温下で測定した。この際の空間速度（ＳＶ）は、４５万［１／ｈ］であった。
これらの結果を表１及び表２並びに図４及び図５に示す。図４及び図５を参照すると、実施例による本発明の排ガス浄化装置が、低い圧力損失と低いＮＯｘ排出量（高い浄化性能）とを両立できていることが分かる。
１０ メタル基材
１ 波箔
１ａ 第１の孔
２ 平箔
２ａ 第２の孔
３ セル
４ 外筒

Claims (7)

  1. 波箔と平箔とが積層されて筒状になっている排ガス浄化用の孔あきメタル基材であって、
    ５０個／平方インチ〜８００個／平方インチのセルを有し、
    前記波箔が、前記セルの平均開孔面積の２．０倍以上５０倍以下の面積を有する複数の第１の孔を有し、
    前記平箔が、前記セルの平均開孔面積の３．０倍以上１００倍以下の面積を有する複数の第２の孔を有し、
    前記波箔の前記第１の孔の面積の平均値が、前記平箔の前記第２の孔の面積の平均値よりも小さく、かつ
    前記波箔の前記第１の孔の合計面積が、前記波箔の全ての孔の合計面積の６０％以上であり、かつ／又は前記平箔の前記第２の孔の合計面積が、前記平箔の全ての孔の合計面積の６０％以上である、
    孔あきメタル基材。
  2. 前記波箔の前記第１の孔が、３．０ｍｍ２〜１００ｍｍ２の面積を有し、かつ前記平箔の前記第２の孔が、５．０ｍｍ２〜２００ｍｍ２の面積を有する、請求項１に記載の孔あきメタル基材。
  3. 前記波箔の前記第１の孔の面積の平均値に対する、前記平箔の前記第２の孔の面積の平均値の比が、１．５〜１０．０の範囲である、請求項１又は２に記載の孔あきメタル基材。
  4. 平箔及び波箔の開孔率が、それぞれ１０％〜９０％の範囲である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材。
  5. 前記セルの平均開孔面積が、０．５０ｍｍ２〜７．０ｍｍ２である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材。
  6. 前記波箔及び前記平箔の厚みが、それぞれ２０μｍ〜５００μｍの範囲である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の孔あきメタル基材、及び前記孔あきメタル基材上に形成された触媒層を有する、排ガス浄化装置。
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