JPH04502880A - 内部に流導面を有するハニカム体、特に自動車用触媒担体 - 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】 内部に流導面を有するハニカム体、特に自動車用触媒担体本発明は、層状に配列 され少なくとも部分的に構造化された液体が貫流可能の多数のチャネルの壁を形 成する薄板からなるハニカム体、特に自動車用触媒担体に関する。この種の金属 製触媒担体は多くの異なった形式が公知であり、例えば欧州特許出願公開第０２ ２０４６８号、同第０２７９１５９号、同第０２４５７３７号又は同第０２４５ ７３６号明細書に記載されている。

この種のハニカム体の多くの使用例においてまた一般的な寸法設定では、チャネ ル内の流れは、極めて小さいチャネル断面積を使用していることからほぼ層流で あることがすでに公知である。このような条件下にチャネル内の中心流が壁面と 接触するのを減少させる比較的厚い境界層がチャネル壁に形成される。これは中 心流と境界層との間の拡散作用により部分的に補償されるが、ハニカム体の特別 な構造化によりこれを改良する試みも以前からなされている。

例えばドイツ連邦共和国特許第１１９２６２４号明細書からハニカム体を多くの 連続して配列された円板から製造し、そのチャネルを流れ方向で互い違いに配置 することは公知である。このように構成された担体はその内部に繰返し流れを分 割する新たな前縁を有する。この場合有利には螺旋状に巻上げられた平坦な薄板 と波形薄板とから円板が前後して直列に配置されており、この場合巻上げ方向は それぞ□れ異なっている。この措置は多数の小さな円板によりその製造に多額の 費用を要し、また互い遅いに配置されたチャネルは不規則に配列されることにな り、これは被覆に際してまた後の運転時に欠点となり得る。

欧州特許出願公開第０１５２５６０号及び同第０１８６８０１号明細書には、ハ ニカム体を多数の円板から構成しないことによってその製造技術的に一層好まし い同じ技術思想を実現するための可能性が記載されている。しかしここに記載さ れている波形構造は、使用される薄板の多くの面部分が相互に接触していること から、触媒接触に利用し得る面が材料の使用量に比べて好ましくないという欠点 を伴う。

流れ方向に互い違いに位置をずらして配置された流れチャネルの利点及び作用が 記載されているノンネンマンの論文「活性を高め内部に流れ補償を備えた廃ガス 触媒用の新規の金属担体」アーテーツェット・オートモビルテヒニッシエ・ツァ イトシェリフト９１　（１９８９Ｌ　４、第１８５〜１９２頁には、平坦な薄板 層の代わりにいわゆる微小波形バンドを使用することにより面利用率が若干有利 になる変法も提案されている。しかしこの種の微小波形バンドは他の構造化され た薄板バンドへの平坦な設置面と共に微細なチャネルを形成する。しかしこのチ ャネルは後の被覆時に塞がれ、その結果圧力損失がかなり高められ、更にまた活 性面の損失及び被覆コンパウンドの不必要な消費がもたらされる。それにも拘ら ずこの論文は、その製造技術上の可能性によって金属製触媒担体が、構造的な措 置により内部における流れ状態が影響され得ることから押出し成形されたセラミ ック体よりも優れていることを示している。その際付加的効果、すなわち個々の チャネル内における流れに横方向の混合がチャネル壁内の相応する結合路又は開 口によって生じる可能性がある。しかし所望の広範囲に及ぶ横方向の混合はここ に記載された構造では得ることができない。それというのも横方向の混合が必要 とするような顕著な圧力降下は存在しないからである。流れは繰返し新たに分岐 されるが、細流が再び合体することから所望の横方向の混合は得られない、この 場合螺旋状に巻き上げられた担体では内から外への横方向の混合は主として平坦 な薄板層中の開口によって可能ではあるが、生じる効果は極めて僅かである。

これまで述べた技術水準を考慮して、本発明の課題は、連続する境界層が貫流に 際してチャネル壁面に流体を形成せず、また所望の広範な横方向の混合が特に中 心範囲と外部載量において生じるハニカム体を提供することにある。この場合こ の種のハニカム体の製造に際して出費を僅かにする製造技術的観点も考慮される べきである。

この課題を解決するためには、層状に配列され少なくとも部分的に構造化された 液体が貫流可能の多数のチャネルの壁を形成する薄板からなり、少なくともチャ ネル壁の一部に開口が設けられ、その開口に、チャネル壁に傾斜して延びる流導 面が付設されているハニカム体、特に自動車用触媒担体が好適である０本発明の 重要なことは、チャネル壁内の単純な開口が隣接する各チャネル間における圧力 差がないために横方向の混合が殆ど生しないということを認識した点である。

この種の開口は層流での境界層の構成を阻止しない、この開口に、壁面近くで流 れの一部を離脱させかつ開口に通す流導面を付設させた場合には、２つの機能が 同時に満たされる。その１つは壁近くの境界層が中断されることによって、中心 流の一部が後続のチャネル壁と接触することであり、他は流導面によって強制的 に横方向の流れが惹起され、これが個々のチャふルへの流れ分布に所望の影響を 及ぼすのに適していることである。

流導面をチャネル壁から相応する開口を残したまま突出させることが、製造技術 的に好ましく、この方法により同時に開口と流導壁とが形成される。しかし例え ば圧印された流導壁と打ち抜かれた開口とを別々に製造することもできる。はぼ すべてのチャぶル壁とその他の面とが流れに対して平行に配列されている公知の ハニカム体とは異なり、本発明では流導面は、これがチャネル内を流れる液体の 一部を隣接するチャネルに方向変換し得るように構成されている。このためには ｆＬ導面が）しカム体の中実軸又は中央面に対して外に又は内に向かって傾斜し ており、従って半径方向の指向分力を有することが好ましい、このことは、ノ＼ ニカム体の中央範囲から等距離にある各チャネル間の流れに対して横方向に生し る混合の効果が、外側の多くは比較的冷たい範囲と内側の多くは比較的熱い中央 範囲との間の混合のように有利ではないことから、重要である。

特に好ましいのはこの構造が、少なくともその外部域で例えば伸開状及び／又は Ｓ字状及び／又は螺旋状に構造化された薄板層の積重ね体からなりまたその流導 面は液体の部分流を薄板層に沿って内から外へ又はその逆に導き得るように配向 されているハニカム体に応用できることである。ノλニカム体がほぼ平坦な薄板 と波形薄板とを交互に配置した層から成る場合には、流導面及び開口は波形薄板 の側面範囲に設けるだけでよい０個々の層が外側へ導くので開口を平坦な薄板に 設けることは必ずしも必要ではない、にもかかわらずその効果を高めるためには この手段を用いることができる。この場合平坦な薄板への付加的な開口は最も好 ましくは流導面なしに構成すべきである。それというのもこれによりその製造は 簡略化され、また波形部と流導面とが不特定の間隔で重なり合うのが避けられる からである。

流導面の良好な効率を得るには、流導面がその直接周囲に構成されるチャネル断 面積の約５〜５０％を覆うことである。境界層の剥離にとって好ましいのは、チ ャネル断面積の約１０〜２０％を覆う流導面である。

流導面の空間配置に関しては、流導面を液体の流れ方向に対向するように傾斜し て配列するか又は流れ方向に傾斜して配列する可能性がある。前者の場合液体の 一部はチャネル壁を介して押出され、後者の場合には吸い込まれる。一般に流導 面をチャネル壁に向けて鋭角に設けることが好ましく、その際チャネル壁に対す る流導壁の勾配は流導面の後方で場合によっては生しる剥離乱流に影響を及ぼす 、この場合所望の渦巻と圧力損失間の最適条件を探る必要がある。一般にチャネ ル内では層流が！速に再生することがら流導面及び開口は５〜２０ｍｍ、有利に は１０〜１５ｍｍの間隔で配置することが好ましい、流導面の作用はチャネル断 面積を総体的に拡大することを可能とすることであり、これは触媒反応の効果を 損なうことなく、材料を節約しまた小型構造物の製造を容易にする。

本発明の決定的な利点は、この流動技術が流導面の数、大きさ及び方向を適当に 選択する二止によって流導面の効果を、これがハニカム体の中央範囲を流れる液 体の一部を平均に外へ導くことができるようにし得る点にある。通常ハニカム体 中には横断面がほぼ放物線状の流れ分布が生じ、従って各チャネルではその中心 範囲に外部域におけるよりも多くの液体がより急速に流れる。しかし大部分の流 導面が液体の一部を内側チャネルから更に外側にあるチャネルに導く場合には、 流れ分布は均等化することができる。これによりハニカム体が均等に利用されま た拡散処理が促進されることから、触媒反応は上昇する。

付加的に、流導面を互いに相応するように配置することによってハニカム体中の 流れをまったく所望通りに調整する可能性が提供される。すなわちハニカム体の 一部分域では液体の部分流を外から内にまた他の部分域では内から外へ導くこと ができる。これは温度分布を均等化し、触媒に有害な温度ピークを崩壊させる。

図面に基づき更に詳述するように、ハニカム体は、平均して液体流の配分に関し て異なった特性を有する部分域又は部分体からなっていてもよい、すなわち例え ば、第１の部分体又は部分域をハニカム体の全横断面にわたって液体流を均一に 配分するために構成し、次の部分体又は部分域を液体流の均一な混合のために構 成することができる。

図面に例示したように開口及び流導面の構造には多様の変形が可能である。これ らの構造は打抜き又は圧印機により製造することができる。平坦な金属バンド中 の大部分のスリット又は開口はバンドの次の波形では、その縁付は線がバンドの 他の波形に従わないように形成されていることが、この製造技術にとって特に重 要である。他の付加的な措置なしに、その配列をスリット又は開口の形及び位置 によって予め特定して定めることのできる流導面が得られる。製造技術上の理由 から各開口及び流導面は主として構造化された薄板の側面に設け、平坦な薄板は 開口なしにか又は少なくとも流導面なしに構成することが好ましい。

次に本発明の範囲及び実施例を図面に基づき詳述する。ここでなされた説明は主 として触媒担体としてのこの種のハニカム体の使用に関するが、本発明はこれに 限定されるものではない０本発明によるハニカム体は他の使用目的にも適してい る。

第１図は開口及び流導面を設けるための種々の可能性を示す薄板条片を示す図、 第２図は側面範囲に流導面及び開口を有する波形１板を示す図、第３図は第２図 に基づく薄板を使用して製造されたハニカム体からの切片を示す図、 第４図は流れを平均して外に変向させる流導面を有する本発明によるハニカム体 の略示縦断面図、 第５図は少なくともその外部域で進開状及び螺旋状に延びる薄板層を有するハニ カム体の可能な流れ方を図解する図、 第６図は一部分域では外へ及び別の部分域では内への変向流を有するハニカム体 の縦断面図、 第７図は２つ隣接する層内で流れが互いに逆方向に変えられているほぼＳ字状の 薄板層を有するハニカム体の横断面図、第８図は液体流の配分に関して平均して 異なった特性を有する複数個の部分体からなるハニカム体を示す図、 第９図は異なる流れ特性を有する部分体の他の実施例を示す図、及び第１０図は ほぼＳ字状の開口を有する波形薄板及び波形部に生じる流導面の形状を示す図で ある。

第１図は開口及び流導面の多数の可能な形態からそのいくつかの例を示すもので ある。ここに示す選択例は決して限定的なものではなく、その大きな変更幅を示 すものである０例えば厚さ０．０３〜０．０６ｍｍの、特に耐高熱−耐食性の綱 からなる薄板はその長手方向に多数の開口１５．１６及び流導面を備えている。

ここで注意すべきことは、第１図における開口及び流導面はその寸法においてそ の形を図解するために何倍も大きくして示されていることである。実際には寸法 はそれぞれミリメートルの端数でありまた薄板はこれらの開口を比較的密に有し ている。所望の開口を波形薄板の側面範囲に組み込み可能とするには、場合によ ってはスリット又は打抜き装置を次の波形形成装置と同期化させなければならな いが、これは製造技術的に可能である。開口は少なくとも２種類に分類すること ができる。すなわちまったく材料を削らない単純なスリシト１６と一定の形を打 抜いた打抜き口１５である。後者は後の被覆加工に際して塞がれる恐れがないこ とから特に有利である０図１にはまずいわゆるフード３が流導面として示されて いるが、これはほぼ欠円形の開口底面を伴う押出された部分錐面の形を有する。

長く延びた三角形状流導面４も同様に好適な流導面であり、これは流れに対する その配向に応して付加的な剥離渦動を生しる０台形５又は四角形６の流導面も、 その寸法が流導面としての反り特性を考慮している限り好適である。Ｔ字状スリ ン［６から折り返すことのできる三角形流導面７ａ、７ｂも好ましい特性を有す る。流れ方向に対して横又は斜めに配置された三日月形の打抜き口１５の場合、 内側の舌片８ａを一方の側に折り曲げ、外側の舌片８ｂを他方の側で丸味を付け ることができる。従ってこの場合もフードに憤た構造が生しる。打抜き口１５を 有する他の実施例の場合にも舌片９ａ、９ｂ；１０ａ、１０ｂ；ｌｌａ、ｌｌｂ 、１１ｃ；１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ；１３ａ、１３ｂ；１４ａ、１４ｂ をその範囲を破線及び矢印で記したように薄板の両側に折り曲げることができる 。

この場合それぞれ流れの境界層を剥離することができる構造が生じる。

第２図は波形薄板においてその波の側面範囲に２つのフード２１とそれに相応す る開口２２を配置し得ることを示すものである。開口２２が流れに対向するよう に配列されている場合、流れの一部はフード２１によって押下げられる。フード が流れ方向に開いている場合これは吸い込みキャップのように作用し、その結果 液体の一部は隣接するチャネルからフードを有するチャネルに吸い込まれる。

第３図は平坦な薄板１及び波形薄板２から巻き上げられているか又は積み重ねら れた担体中の状態を示すものである。波形薄板２の側面範囲におけるフード３１ 及び開口３２は、平坦な薄板ｌと波形薄板２との間に更に一定の組立て輪郭が生 じることから薄板の積み重ね体又は巻き体を損なうことはない。

第４図はジャケット管４０により囲まれているハニカム体中の流導面４１及び開 口４２の配置例の略示図である。ハニカム体は一般に放物線様の分布４３を存す る流れを受け入れることから、すべてのチャネル４４が同じ流量を得るわけでは ない、縦断面で略示した流導面４１の配置は、流量の多い内側チャネルから絶え ず部分流が、外側にある流量の少ない隣接チャネルに導かれることにより、流れ 分布の均等化をもたらすものである。第５図によればこのような流導面の配置は 、少なくとも外部域で平坦な薄板ｌと波形薄板２とからなるほぼ伸開線状に延び る層からなるハニカム体において特に有利に達成することができる。矢印によっ て示されるように、流れは各開口及び流導面によって常に部分的に、隣接する更 に外側にあるチャネル５４に配分され、これにより内部から外部への流量の補償 が行われる。

第６図は流れ分布の補償だけでなく、流れの混合についても配慮したハニカム体 中における開口６２及び流導面６１ａ、６１ｂの配列を略示する縦断面図である 。全ハニカム体はジャケット管６０内に設けられており、はぼ放物線状の流れ分 布６３を示す流れを受け入れ、多数のチャネル６４を有する。ハニカム体の一部 分域では流導面６１ａは、これが流量の部分流を内から外へ転向し、又他の部分 域では流量を外から内に向きを変えるように配列されている。

第７図はほぼＳ字状の薄板ををするハニカム体の横断面図に基づき、混合を助け る担体が流導面７１及び開ロア２をどのように配置しているかを示すものである 。第７図に示したハニカム体は、積層状態で設けられその両端が反対方向に曲げ られている平坦なｉｌｌと波形薄板２とからなる。流導面７１及び開ロア２は個 々の層の波形薄板で異なる側面に設けられているか又は異なって配列されており 、従って例えばチャネル７４ａ又は７４ｂの２つの隣接する層では異なる方向に 流れる部分流が分岐される。純粋な混合担体ではこの構成が特に好ましい。付加 的に流れ分布の均等化を図るためには、外に向けての流れ分岐開口の数を内に向 かう流れ分岐開口数よりも多く設けることも可能である。

第８図及び第９図は、ハニカム体をいくつかの部分体から構成することのできる 、流導分布に関して異なる特性を有する２種の可能性を示すものである。第８図 では導管８１は拡散室８２内で広がり、！１部分体８３に流す。この部分体は分 配器として流れの部分流を外方に導き、従って矢印によって示されたような流れ 分布を可能とする。この部分体の後方には、例えば第７図に基づき構成されてい てもよい純粋な混合体８４が配置されている。必要な場合には同しジャケット管 ８０内にもう１つの部分体８５が面子備体として存在していてもよいが、これは 流れの案内に関して特殊な性質を有している必要はない、引続きジャケット管８ ０は排出管８６に移行する。

流動特性に関し更に好ましいのは第９図に基づく配Ｉである。排気筒９１は拡散 室９２を介して第１部分体９３（これは流れの予備分配及び均等化をもたらす） に移行する。この後方に第２拡散室９４が接続されており、これには主として外 に向きを変える流導特性を有する第２部分体９５が接続されている。この配置は 、部分体９３及び９５内では好ましくない圧力損失を著しく小さくする。更に共 通のジャケット管９０内に配置された別の部分体９６又は９７は混合又は面子備 体として作用する。連続して設けられた各部分体は単位面積当りに異なる数のセ ルを有することが好ましい、すなわち第１ハニカム体９３は例えばセル数５０〜 １００Ｃｐｉ（１インチ平方当りのセル数）を、第２部分体９５は１００〜２０ ０Ｃｐ＋を、第３部分体９６は例えば２００Ｃｐｊをまた面子備体として利用す る部分体９７は４００Ｃｐｉを有していてよい、第９図は本発明によるハニカム 体の構造を技術的に可能な多数の例を図解するのに用いたに過ぎない。

第１０図は流れ方向に対して傾斜して配置されているほぼＳ字状のスリット１０ ２を有する波形薄板２を、その製造技術的特性を図解するために示すものである 。この１板２の波の前方に設けられたスリット１０２は２枚の舌片１０１ａ、１ ０１ｂを形成し、これらは波形部で例えばインボリュート歯形を有する液筒部で 、うねり面に正確に位置するのではなく、その薄板の弾性によって容易に波形１ 板２の表面から異なった方向に曲げられている。その結果隣接するチャネル１０ ４間に横方向の流れを生じさせる流湯面１０１ａ、１０１ｂが生しる。

本発明によるハニカム体を主として触媒担体として使用する際の利点に基づき説 明したが、しかしその利用法はこれに限定されるものではない０本発明によるハ ニカム体は、薄板への抵抗が望み通り開口によって増大することから直接電気的 に加熱可能の触媒にも使用できることを指摘しておく、また流れ及びそれに類す るものを均等化するための他の利用法も考慮することができる。

Ｉ６２ ＩＧ　３ ＦＩＧ　４ ＦＩＧ　１０ 国際調査報告

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．層状に配列されまた少なくとも部分的に構造化された液体が貫流可能の多数 のチャネル（４４；５４；６４；７４ａ、７４ｂ）の壁を形成する薄板（１、２ ）からなるハニカム体、特に自動車用触媒担体において、少なくともチャネル壁 の一部に開口（２２；３２；４２；５２；６２；７２）が設けられ、その開口に 、チャネル壁に対し傾斜して延びる流導面（２１；３１；４１；５１；６１ａ、 ６１ｂ；７１）が付設されていることを特徴とするハニカム体。
2. ２．流導面（２１；３１；４１；５１；６１ａ、６１ｂ；７１）はチャネル壁か ら突出し、相応する開口（２２；３２；４２；５２；６２；７２）が形成されて いることを特徴とする請求の範囲１記載のハニカム体。
3. ３．流導面（２１；３１；４１；５１；６１ａ、６１ｂ；７１）が、当該チャネ ル（４４；５４；６４；７４ａ、７４ｂ）内を流れる液体の一部を隣接するチャ ネルに方向変換し得るように構成されていることを特徴とする請求の範囲１又は ２記載のハニカム体。
4. ４．流導面（２１；３１；４１；５１；６１ａ、６１ｂ；７１）がハニカム体の 中央軸又は中央面に対して外に向かってか又は内に向かって傾斜し、半径方向の 指向分力を有することを特徴とする請求の範囲１ないし３の１つに記載のハニカ ム体。
5. ５．ハニカム体が少なくともその外部域で、伸開状及び／又はＳ字状及び／又は 螺旋状に構造化された薄板層（１、２）の積重ね体からなり、流導面（２１；３ １；４１；５１；６１ａ、６１ｂ；７１）は、液体の部分波を薄板層（１、２） に沿って内から外へ又は外から内へ導き得るように配向されていることを特徴と する請求の範囲１ないし４の１つに記載のハニカム体。
6. ６．ハニカム体がほぼ平坦な薄板（１）と波形薄板（２）とを交互に配置した層 からなり、流導面（２１、３１、７１）及び開口（２２；３２；７２）は波形薄 板の側面範囲に設けられていることを特徴とする請求の範囲５記載のハニカム体 。
7. ７．付加的な開口が平坦な薄板（１）に設けられることを特徴とする請求の範囲 ６記載のハニカム体。
8. ８．流導面（２１；３１；４１；５１；６１ａ、６１ｂ；７１）がその直接周囲 に構成されるチャネル横断面の約５〜５０％を覆うことを特徴とする請求の範囲 １ないし７の１つに記載のハニカム体。
9. ９．流導面（２１；３１；４１；５１；６１ａ、６１ｂ；７１）が液体の流れ方 向に対向するように傾斜して配列されていることを特徴とする請求の範囲１ない し８の１つに記載のハニカム体。
10. １０．流導面（２１；３１；４１；５１；６１ａ、６１ｂ；７１）が液体の流れ 方向に傾斜して配列されていることを特徴とする請求の範囲１ないし８の１つに 記載のハニカム体。
11. １１．流導面（４１）は、その数、大きさ及び方向に関して、ハニカム体の中央 範囲を洩れる液体の一部が平均して外へ導かれるように設けられていることを特 徴とする請求の範囲１ないし１０の１つに記載のハニカム体。
12. １２．流導面（６１ａ又は６１ｂ；７１）の一部が少なくともハニカム体の一部 分域で液体の部分流を外へ導きまた少なくとも別の部分域で部分流を内へ導き得 ることを特徴とする請求の範囲１ないし１０の１つに記載のハニカム体。
13. １３．ハニカム体が軸方向に連続して設けられる複数個の部分体又は部分域（８ ３、８４、８５、９３；９５、９６、９７）から構成されており、これらが平均 して液体流の配分に関して異なった特性を有していることを特徴とする請求の範 囲１ないし１２の１つに記載のハニカム体。
14. １４．少なくとも第１の部分体又は部分域（８３；９３）が平均して液体流を中 心範囲から外へ導くことを特徴とする請求の範囲１３記載のハニカム体。
15. １５．流導面がフード（３；２１；３１；７１）の形を有していることを特徴と する請求の範囲１ないし１４の１つに記載のハニカム体。
16. １６．流導面（４；７ａ、７ｂ；１１ａ、１１ｂ、１１ｃ；１２ａ、１２ｂ、１ ２ｃ、１２ｄ又は５；６）が稜線まで薄板から折り曲げられているか又は反り曲 げられている三角形又は四角形を有することを特徴とする請求の範囲１ないし１ ４の１つに記載のハニカム体。
17. １７．流導面が面取りされた輪郭を有する不規則に縁取りされた面であり、これ がスリット又は切欠部を中心に薄板面から片側又は両側に突出していることを特 徴とする請求の範囲１ないし１４の１つに記載のハニカム体。
18. １８．閉口（１５；１６）がその最長寸法をほぼ流れ方向にか又は流れ方向に対 して鋭角の方向に有しており、流導面（４）が有利には僅かな圧力損失で流れを 渦動させるデルタ翼に類似する外形を形成することを特徴とする請求の範囲１な いし１４の１つに記載のハニカム体。
19. １９．流導面（４；５；６；７ａ、７ｂ；８ａ、８ｂ；９ａ、９ｂ；１０ａ、１ ０ｂ；１１ａ、１１ｂ、１１ｃ；１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ；１３ａ、１ ３ｂ；１４ａ、１４ｂ）が、相応するスリット又は開口（１６又は１５）を有す る薄板（２）の波形部によって構成されていることを特徴とする請求の範囲１な いし１８の１つに記載のハニカム体。