JPH03505701A - 金属製ハニカム体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 金属製ハニカム体、特に流れを混合するミクロ構造を有する触媒担体この発明は 、特に自動車の触媒担体として使用するための金属製ハニカム体に関する。従来 の技術から金属製ハニカム体の種々の形状が知られており、その際この種のハニ カム体を形成する個々の板の形状付与に関しては機械的安定性の観点及び個々の 流路の形状が重視される。更に加工技術上の問題及び有効表面の増大の観点がこ れに加わる。この種のハニカム体は例えば欧州特許出願公開第０１５９４６８号 、同第０２２０４６８号、同第０２４５７３７号及び同第０２５４７３８号公報 に記載されている。

例えば個々の流路の間の結合孔により、又は相互に斜めに波打ち上下に重なり合 った二つの板層の使用により、ハニカム体中の流れの巨視的混合に影響を与える ような種々のマクロ構造も既に提案されている。

また欧州特許第０１３６５１５号明細書では、平板と波板の交互の層から螺旋形 に巻かれたハニカム体において、平板に流れ方向に対しほぼ直角なミクロ構造を 設けることが既に提案されている。本来はこの種のハニカム体の加工及びろう付 けを有利にするために開発されたこのような従来技術をこの発明は出発点として いる。すなわち流れに対するミクロ構造の作用効果の研究により、個々の流路中 の流れの微視的混合を助成する補助的な効果が現れることが判明した。

この種の効果は、螺旋形に巻き付けられたハニカム体の平板と波板の間の形状結 合が記載されている欧州特許出願公開第０２９８９４３号公報でも言及されてい る。

しかしながらこの効果の系統立った利用は行われていない。

従ってこの発明の課題は、ハニカム体の個々の流路中の微視的混合に対するミク ロ構造の作用を特に有利な方法で利用し、それにより触媒作用の効果を高めるこ とのできる金属製ハニカム体を提供することにある。同時にハニカム体の機械的 特性に有利に影響を与えようとするものである。

この課題の解決のためにこの発明によれば、ハニカム形状、平均の流路幅及び主 な機械的特性を決定する少なくとも一つの第１のマクロ構造を少なくとも部方的 に備える板から成る金属製ハニカム体が用いられ、その際ハニカム体は流れ方向 へ流体を貫流可能な平均流路幅を備える複数の流路な有し、少なくとも板の一部 が少なくとも部分域に補助的なミクロ構造を備え、このミクロ構造が平均流路幅 の０６０１〜約０．３倍で少なくとも１５μｍの高さを有し、その際ミクロ構造 が流れ方向に対し直角に又は角度を成して延び、かつ流れ方向に１〜１０ｍｍの 間隔を置いて連続して並ぶようにされる。このような形状は下記の知見に基づい ている。すなわち触媒のためのハニカム体は、単位断面積出たり多数の（通常平 方インチ当たり２００〜５００個の）流路に基づき、ハニカム体の全体積に関し て大きい内部表面を有する。有効な触媒作用のために特にできる限り大きい触媒 表面積が必要である。有効表面積はアルミナから成る層を被覆することにより通 常３桁以上増すことができる。その理由はμｍ領域の粗い割れ目の多い結晶質の 表面構造にある。しかしながら有効な触媒作用による変換のためには、壁に近い 流れ領域と中心流との活発な交換もまた重要である（第７図参照）。ハニカム体 の流路中の乱流ではあるがしかし特に層流どして図示された流れ分布曲線は、移 行域において壁に向かって著しく低下する速度を有する。ガス流速が全体として 高められると確かに壁近傍での交換は良好となるが、しかしハニカム体中での高 い絞り損失及び触媒活性領域でのガスの短い滞留時間という犠牲を払わなければ ならない。アルミナ自体の粗い表面は１０ｕｍ領域の均一な粗さのゆえに特に横 方向の混合をもたらさない。しかしながらこの発明によれば、アルミナの表面粗 さより明らかに太き（しかじ流路幅より明らかに小さい個々の板の密に連続する 補助的ミクロ構造が、すべての流路特に壁近傍の微視的な流れ状況の著しい改善 を可能にする。それにより流れ損失がほとんど上昇しないにもかかわらず、流路 壁の多数の微視的隆起が局部的なガス流速上昇をもたらし、また凹所がガス流速 の局部的な減速をもたらす。

この発明の有利な実施態様は請求の範囲の従属環に記載されている。平板と波板 の交互の層から成るハニカム体の場合には波板が流路壁の大部分を形成するので 、波板にミクロ構造を設けるのが特に有利である。この種のミクロ構造を備える 板の波形加工が問題無く可能であり、しかも波形及びミクロ構造を場合により一 つの工程で作ることができるということが判明した。すべての流路壁の少なくと も部分域に連続するミクロ構造を備えるのが一般に有効である。

前記の点に関してはミクロ構造の正確な形状は特に重要ではない。ミクロ構造は 、流れ方向に対し直角に又は角度を成して延び片側又は両側に向かって板表面か ら突出する凹み、筋、節、溝などから成ることができる。もちろんすべての流路 に均一な影響を与えるために、板の両側に向かう構造が有効である。もちろんミ クロ構造は個々の板にわたり中断せずに延びる必要は無く、中断して又は相互に ずれて延びることができる。

中心流に向かう方向への周縁流の成分にとっては、ミクロ構造が流れ方向に対し 正確に直角に置かれることは必ずしも重要ではない。従ってミクロ構造は例えば 流れ方向に対し７５″′〜１．０５°の角度αを成すことができる。

中心流の方向への周縁流の成分を発生させるばかりでな（、全体としてすべての 個々の流路中に旋回をもたらそうとするときには、ミクロ構造は流れ方向に対し 士（１５°〜７５″′）、望ましくは約４５”の角度を成すことができる。この 種の形状の場合に中心流の方向への周縁流の成分ばかりでなく全体として周縁流 の旋回が生じ、両者は共に改善された混合を結果としてもたらす。

特に有効な旋回をすべての流路中で発生させるために、上下に重なる二つの板層 に流れ方向に対し等しい角度のしかし逆の正負符号の角度のミクロ構造を設ける ことが有効である。この場合には一つの流路を形成する板の両ミクロ構造がほぼ 螺旋形のミクロ構造となるように補い合うので、旋回が特に促進される。

０．０５〜８ｍｍ、特に約０．５〜３ｍｍの流れ方向の寸法がミクロ構造にとっ て有利であることが判明した。ミクロ構造の高さに対してはハニカム体の流路の 大きさが重要である。ミクロ構造の高さに対しては流路の平均幅の望ましくは約 ０．０５〜０．１倍が有利であることが判明している。流れ方向におけるミクロ 構造の相互間隔は１〜１０ｍｍ、望ましくは２〜８ｍｍ、特に４〜６ｍｍとする ことができる。

板の積層又は巻き付けの際に、予め予期できたように、ミクロ構造は必ずしも妨 げとはならずそれどころか補助的な機械的効果を発揮できるので有利である。

板上のミクロ構造の形状、間隔及び配置の調和により巻き付け、積層又はより合 わせの際に板の接触範囲でのこれらの構造の形状的相互係合を可能にすることが でき、それにより接触範囲の事後のろう付けが問題なく可能となるばかりでなく 、ハニカム体全体の補助的な機械的強度をも達成することができる。部分的には ミクロ構造はまた板の線膨張を補償することもできる。

ミクロ構造の形成は種々の方法で可能である。例λばこの形成は成形された鋼ロ ーラとゴムローラとの間で、又は相応に成形され場合によりかみ合う二つの鋼ロ ーラの間で行うことができる。断続的処理による構造の型押しもまた可能である 。ミクロ構造は一般に板の塑性変形性がその加工にとって十分であればあるほど 小さくなる。

この発明の実施例が図面に概略的に示されており、その際第１図はミクロ構造を 備える帯板を、第２図はミクロ構造の一実施例を備λるこの種の帯板の断面を、 第３図は別のミクロ構造を示すための第１図による断面を、第４図は流れ方向に 対し角度を成すミクロ構造を備えた帯板を、第５図は旋回発生に適したミクロ構 造を備える帯板を、第６図はこの発明に基づくミクロ構造を備えほぼ巻き付は完 了したハニカム体を、第７図は個々の流路中の流れの状態を示す。

第１図は、帯板２又は３の一部を示し、この帯板はその長手方向にすなわち後の 貫流方向に対し直角に延びるミクロ構造５を有する。

第２図は、第１図に示す切断線ＩＩ／ＩＩＩ−ＩＩ／ＩＩＩによる断面を示し、 しかもこの発明に基づくミクロ構造５の複数の変形例のうちの一つを示す。帯板 ２又は３はほぼ平行に延びる複数の溝６．７を有し、これらの溝の間隔ａは相互 に１〜１０ｍｍ、例えば約２ｍｍとすることができる。ミクロ構造の個々の山６ 又は谷７の流れ方向における寸法は例えば約０．１〜０．５ｍｍとすることがで きる。

帯板２又は３の表面に関するミクロ構造の最大高さは、ハニカム体中の流路の平 均幅の分数、例えば約０．０５倍とすべきである。絶対値としてミクロ構造は例 えば１５〜１００μｍの高さとすることができる。

第３図は、ミクロ構造の別の実施例を示し、この実施例では個々の隆起８及び凹 所９がほぼ型押しされた溝又は凹みの形を有する。

第４図は、帯板２又は３上のミクロ構造５が後の貫流方向Ｓに対し角度αを成す ことができることを示す。効果の大きい横方向の混合のために、ミクロ構造は流 れ方向に対し直角とする必要は無く、直角方向から約１５°そらずことができ第 ５図は、特別な目的に対しては後の貫流方向Ｓに関して帯板２又は３上のミクロ 構造５の間の更に小さい角度を考慮することもできることを概略的に示す。

すべての個々の流路中で旋回を発生させるために角度αを例えば約４５°とする ことができ、その際この角度範囲は流路の寸法及び流路中の流速に関係して±（ １５°〜７５ｅ）とすることができる。

第６図は、完成直前の状態におけるハニカム体ｌを示す。ハニカム体１は貫流方 向Ｓに対し直角に延びるミクロ構造５を有する巨視的に平らな帯板２と、貫流方 向Ｓに対し直角なミクロ構造５を補助的に有する巨視的に波打った帯板３とから 成る。個々の流路４の平均幅すが示されている。第１のマクロ構造が例えばイン ボリュート歯形により作られた波形である限り、一般に平均の流路幅すは第１の ミクロ構造の平均波高とほぼ同じ大きさを有する。従って第２のマクロ構造の大 きさも波高に関連づけることができる。特に波高も平均流路幅もハニカム体全体 に対して正確に定義できないようなマクロ構造が存在する。この発明を同様に適 用可能なこの種の場合に対しては、平均流路幅を同様に成形された二つの板眉間 の平均間隔と理解すべきである。これは簡単な構造の場合には支配的な波高に相 応する。螺旋形に巻き付けられた触媒担体はこの発明を適用可能な複数の可能性 のうちの１例にすぎない。従来の技術で知られているのと同様にミクロ構造は、 積層した又はより合わせた帯板から成るハニカム体の改良に適している。

第７図は、ハニカム体の個々の流路４中の流速分布を示す。流路の周縁領域では 流れは比較的緩やかであり、層流の場合に流路中央の中心流に対する交換はほと んど行われない。比較のためにミクロ構造を備えずに流路４を部分的に画成する 板３は、この流速分布に影響を与えない。しかしながらミクロ構造５を備える板 ２は、流路４中の圧力損失を過度に高めることなく、まさに触媒的に有効な周縁 領域に流れの混合をもたらす。

この発明は個々の流路中の流れの微視的旋回により排気ガス触媒中で触媒作用に よる変換を高めるので、その他の著しい欠点無しに例えば自動車の排気ガス触媒 は数％高い変換率を有することができる。

ＩＩ／ＩＩＩ ＩＧ　３ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハニカム体（１）が少なくとも部分的に少なくとも第１のマクロ構造を備え る板（２、３）から成り、このマクロ構造がハニカム形状、平均流路幅（ｂ）及 び主な機械的特性を決定し、その際ハニカム体（１）が一つの流れ方向（Ｓ）へ 流体を貫流可能な平均流路幅（ｂ）を備える複数の流路（４）を有し、板（２、 ３）の少なくとも一部が少なくとも部分域において補助的なミクロ構造（５）を 備え、このミクロ構造が平均流路幅（ｂ）の０．０１〜約０．３倍で少なくとも １５μｍの高さ（ｈ）を有し、その際にミクロ構造（５）が流れ方向（Ｓ）に対 して直角に又は角度（α）を成して延び、かつ１〜１０ｍｍの間隔を置いて流れ 方向（Ｓ）に連続的に設けられることを特徴とする金属製ハニカム体。 ２．ハニカム体（１）が平板（２）と波板（３）の交互の層から成るか、又は異 なる波板の層から成り、その際波板（３）の少なくとも一部が第２のミクロ構造 （５）を有することを特徴とする請求項１記載のハニカム体。 ３．第２のミクロ構造（５）が凹み、筋、節、溝など（６、７、８、９）から成 り、これらのミクロ構造が流れ方向（Ｓ）に対し直角に又は角度（α）を成して 延び、片側又は両側に向かって板（２、３）の表面から突出することを特徴とす る請求項１又は２記載のハニカム体。 ４．ミクロ構造（５）が流れ方向（Ｓ）に対し７５°〜１０５°望ましくは約９ ０°の角度（α）を成して延びることを特徴とする請求項１又は２記載のハニカ ム体。 ５．ミクロ構造（５）が流れ方向（Ｓ）に対し±（１５°〜７５°）、望ましく は約４５°の角度（α）を成して延びることを特徴とする請求項１又は２記載の ハニカム体。 ６．ミクロ構造（５）と流れ方向（Ｓ）との間の角度（α）が上下に重なり合う 二つの板層に対してほぼ同じ大きさであり、しかし逆の正負符号を有することを 特徴とする請求項５記載のハニカム体。 ７．第２のミクロ構造（５）が相互に２〜８ｍｍ、望ましくは約４〜６ｍｍの間 隔（ａ）を有することを特徴とする請求項１又は２記載のハニカム体。 ８．第２のミクロ構造（５）が流れ方向（Ｓ）へ０．０５〜８ｍｍ、望ましくは 約０．５〜３ｍｍの広がり又は長さ（ｅ）を有することを特徴とする請求項１又 は２記載のハニカム体。 ９．第２のミクロ構造（５）が平均の流路幅（ｂ）の約０．０５〜０．１倍の高 さ（ｈ）を有することを特徴とする請求項１又は２記載のハニカム体。 １０．ハニカム体（１）のすべての板（２、３）が第２のミクロ構造（５）を有 し、その際ミクロ構造の形状、間隔及び配置が板（２、３）の接触範囲における ミクロ構造の形状的相互係合を助成することを特徴とする請求項１又は２記載の ハニカム体。 １１．ハニカム体（１）が例えば自動車の排気ガス処理装置のための触媒担体で あることを特徴とする請求項１記載のハニカム体。