JPS62202878A - セラミツク構造体およびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車等の排ガス中に含まれる一酸化炭素、
窒素酸化物、炭化水素等の有害ガスを浄化する排ガス浄
化用触媒担体等として用いられて有効なセラミック構造
体とその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より自動車等の排ガス浄化用触媒担体に用いられる
セラミック構造体としては多数の流路を流れ方向にセラ
ミック壁を隔てて集束したハニカム状構造体と、三次元
網目状のセラミック骨格により内部連通空間を形状する
フオーム状構造体とが知られている。そしてフオーム状
のものはハニカム状のものに比べて表面積が小さいけれ
ども、通過する排ガスが乱流となるために、セラミック
表面に担持されている触媒との接触機会が多くなり、排
ガス中の有害ガスの浄化性能はハニカム状と同程度に優
れている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、自動車排ガス中の有害ガスの規制は今後
型々強まる傾向があり、前記フオーム状セラミック構造
体の三次元網目構造をより細かくすることにより表面積
を増大させて、浄化性能を向上させようとすると排ガス
通過時の圧力損失が大きくなるという問題がある。その
ため、三次元網目構造を細かくすることなく圧力損失を
低下させ、かつ排ガスの浄化性能を高めることが要求さ
れてきている。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明者らは上記点に鑑み、三次元網目構造を形
成する骨格の断面形状を調べてみると骨格のほとんどの
部分で断面は第１図伽）に示す如く略円形となっている
ことが明らかとなり、この三次元綱目状骨格の断面形状
に着目して以下のような技術的手段を案出するに至った
。すなわち、内部連通空間を形成させる三次元網目状骨
格を有し、一端側から他端側に向けてガス体を通過させ
るセラミック構造体において、 前記三次元綱目状骨格の断面形状が、前記ガス体の流れ
方向に細長い形状であるセラミック構造体を採用するに
至ったものである。

〔作用〕

上記手段によれば、三次元網目状骨格の断面形状がガス
体の流れ方向に細長い形状となっているので、前記骨格
のガス体流れ方向の投影面積は小さく、従って全体の流
路断面積が大きくなり圧力損失は低下する。一方ガろ体
の流れ方向直角方向の投影面積は大きいためにガス体と
の接触機会は多くなり、例えば排ガス浄化用触媒担体に
用いた場合には浄化性能が向上する。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例に基づいて詳細に説明する
。第２図は本発明のセラミック構造体としての自動車排
ガス浄化用担体１０部分断面斜視図である。担体１は、
外径１０７１ｍ、長さ７８龍の円柱状であってコーディ
エライトをはじめとする各種セラミック材料よりなる。

この担体ｌの最外周部には全周にわたって厚さ２ａｍの
緻密に構成された補強層２が形成され、内部３は三次元
網目状セラミック骨格により構成されている。排ガスは
入口側端面４から入り、補強層２により外周方向に吹き
抜けることなく出口側端面５へ図中矢印Ａの如く流れる
。　　′ 担体１の内部３は、第２図に示すように入口側および出
口側端面４．５に格子状に配列された正方形開口部を有
する内部中空穴が設けられ、これらの内部中空穴は入口
側端面に開口し、出口側端面で封止された入口穴６、出
口側端面に開口し、入口側端面で封止された出口穴７と
が所定の壁厚の隔壁８を隔てて多数設けられている。こ
の内部中空穴は図に示す通り開口端から封止端に向かう
につれて断面積が減少する先細り形状となっており、そ
の断面は全体にわたって正方形である。この内部中空穴
の容積の和の担体１の容積（円筒の全内容積）に占める
割合は約２０％である。

隔壁８は第３図にその拡大斜視図を示すように三次元網
目状構造を有する骨格９と、それにより囲まれて形成さ
れる通気部１０を有し、この三次元網目状構造の目の粗
さは２０メソシユである。

第１図（ａ）は、この三次元網目状骨格９のうち、排ガ
スの流れを横断する部分の断面を示すもので、この骨格
９の断面は図中矢印Ｂで示す排ガスの流れ方向に対して
細長い形状、さらに詳細にはその長軸方向がガスの流れ
方向Ｂとほぼ平行となる楕円形状を有している。その長
軸と短軸とめ比は２程度である。なおここで細長い形状
とは必ずしも楕円形状に限らず卵形等の楕円状形状や、
三角形状、ひし形状、その他種々の形状が可能であり、
要はガスの流れ方向の長さが、それと直角方向の長さよ
りも長いものであればよい、９ａは骨格９の中心部の空
孔で、後に担体１の製造方法で説明する母材構造体の骨
格の焼失した跡である。この楕円の長軸と内部中空穴の
端面となす角θ（第４図に図示）は約１３０＠である。

次にこの担体１の製造方法を以下に説明する。

一般に三次元網目状構造のセラミック体を製作するには
、同様な三次元網目状構造を有するポリウレタンフォー
ムなどの有機化合物を骨材として使用し、この骨材の表
面にセラミ・）り材料を固着し、これを焼成すると、母
材たる有機化合物が燃焼飛散し、周囲のセラミック材が
母材と同様の構造となることを利用する。以下この工程
について詳細に開示する。

担体１の外形と一致するキャビティを有する金型のキャ
ビティ内面に、予めワックス系離型剤をスプレーまたは
、ハケ塗りによって塗布し、金型を３０〜５０℃に加熱
調節する。次にキャビティ内に有機イソシアネート、ポ
リオール、整泡剤、発泡剤および触媒を混合したウレタ
ンフオーム原料混合液を攪拌混合しながら注入する。こ
こで前記有機イソシアネートとしては、トリレンジイソ
シアネート、又はメチレンジイソシアネートまたは両者
の混合物、前記ポリオールとしては、ポリエーテルポリ
オールまたはポリエステルポリオールまたは、これらの
混合物、前記発泡剤としては、水またはハロゲン置換脂
肪族炭化水素発泡剤（トリフロロモノクロロメタン等の
フロン類）、または両者の混合物、前記発泡剤としては
、アルコール変性シリコーン整泡剤、前記触媒としては
、樹脂化反応を促進する触媒としてアルコールとイソシ
アネートとの反応触媒として有効に用いられる３級アミ
ンおよびその有機塩類、発泡反応を促進する触媒として
は、水とイソシアネートとの反応触媒として有効に用い
られるモルホリン、エタノールアミン等を用いる。次に
ウレタンフオーム原′料混合液が発泡した後、金型を１
００〜１２０℃で２０〜３０分間加熱して硬化させる。

硬化後金型を分割し母材構造体となるウレタンフオーム
が脱型して取り出せる。

次にこのウレタンフオームにセラミックスラリ−を含浸
させ、エアガンや遠心分Ｍ装置を用いて余分なスラリー
を除去した後、外周部に外殻層２を形成させるためにさ
らにスラリーを約２鶴を塗布する。スラリーの原料は、
焼成によりコージェライト組成となる酸化マグネシウム
（ＭｇＯ）、アルミナ（／ｌｚ　Ｏｗｌ　）　、シリカ
（ＳｔＯｚ）を含む混合粉末、あるいは上記混合粉末を
加熱してコージェライト系セラミックとし、これを粉末
化した合成コージェライト粉末１００部に対して、メチ
ルセルロース、ポリビニルアルコール等のバインダ１〜
２部、界面活性剤、分散剤等を少量、水３２〜３７部を
加え攪拌し混合したものである。

その後、第５図に示す一ノズル１０を内部中空穴内に挿
入し、ノズル先端から高圧空気流（圧力４〜７ｋｓｒ／
−で噴出させる）を吹出させながら内部中空穴内をノズ
ル１０を出し入れすることにより隔壁８にまんべんなく
高圧空気を吹付ける。このノズル１０はその軸に対して
約４５″程度の角度で空気流を吹出す吹出口１１を周囲
に４ケ所有しており、この吹出口１１からの吹出空気に
より三次元網目状骨格上のセラミックスラリ−は、吹出
空気が当たる部分から、吹出空気の当たらない下流側に
移動し、第１図（ａ）に示したように母材骨格に対しで
前方部よりも後方部に多くセラミックスラリ−が付着し
た細長形状が形成される。

次に、以上のように処理したスラリ７含浸ウレタンフオ
ームを５００〜８００　”Ｃで乾燥させ、１０００〜１
３００℃で約７時間焼成することによって三次元網目状
構造を有するセラミックフオーム型担体が得られる。

次に得られたセラミックフオーム型担体を、γ−アルミ
ナに対してアルミナゾル１０〜２０ｗｔ％、硝酸アルミ
ナ２０〜３０ｗｔ％、コロイダルシリカ５０〜６０ｗｔ
％、水１００〜１５０ｗｔ％を混合したスラリーに浸漬
した後、余分なスラリーを十分に除いた後５００−１０
００℃で約１時間焼成を行うことによって活性アルミナ
層の被覆を形成させる。

次に得られたセラミックフオーム型触媒担体に、貴金属
触媒を担持させる方法について説明する。

塩化白金酸（ＨｚＰｔｃｚ、　　・６Ｈｚｏ）塩化ロジ
ウム（Ｒｈ（１，・３Ｈ，Ｏ）を金属当り重量比５：１
で含む触媒を、１〜３ｗｔ％溶かした水溶液に、前記担
体を浸漬し軽く水切りを行った後乾燥することにより触
媒を担持させた。

次に上記構成になる排ガス浄化用触媒担体１の圧力損失
と排ガス中のＮＯｘ浄化率について、楕円形三次元網目
状骨格の長軸の角度および、楕円の形状を変化させて実
験を行った結果について説明する。実験は２０００　ｃ
ｃの４気筒ガソリンエンジンを２８０Ｏｒｐｍで回転さ
せ負荷条件（吸入圧力）３６０ｍａＨｇで担体１の上流
側と下流側の排ガスについてそれぞれ測定したものであ
る。

第６図は三次元網目状骨格のうち、排ガスの流れを横断
する部分の断面の楕円形状の長軸と内部中空穴の壁面と
の角度θ、すなわち高圧空気吹出ノズル１０の吹出空気
流の方向と、内部中空穴の壁面とのなす角度θに対する
圧力損失、ＮＯｘ浄化率の変化を示すもので、１００’
〜１６０＠の範囲で比較的圧力損失が低（、ＮＯｘ浄化
率も高いが、さらに好ましくは１３０°〜１５０＠の範
囲である。これは排ガス流れ方向に細長い楕円形状とな
ることにより、骨格の排ガス流れ方向投影面積が減少し
、その結果排ガスの流路が広くなって圧力損失が低下す
る（第１図に示すように円形の場合と楕円形の場合母材
骨格間距離が同じならａ、＜ａ、となる）。一方、排ガ
スの流れ方向直角方向の投影面積が増大するために排ガ
ス通過時の排ガスと骨格との接触時間が長くなるため、
ＮＯｘの浄化率が向上したものと考えられる。

次に骨格７の断面形状と圧力損失およびＮＯｘ浄化率と
の関係を実験した結果を示したのが第７図である。ここ
で横軸は略楕円形の骨格断面図形の短軸の長さ、すなわ
ちガス流入方向の投影長さをＸ、長軸、すなわちガス流
入方向直角方向の投影長さをＹとしたときのＹ／Ｘの値
をとったものである。圧力損失は初めＹ／Ｘの増加につ
れて低下し、楕円形状が細長くなるにつれて圧力損失が
低下することがわかるが、Ｙ／Ｘが２．５を越えると骨
格相互の間で橋かけ現象がおこってつながってしまうた
めにかえって圧力損失は増大するようになる。一方、Ｎ
Ｏｘ浄化率はＹ／Ｘが１．８以上となると、はぼ１００
％近くなり飽和する。従って、この条件におけるＹ／Ｘ
の好ましい範囲は１．８〜２．５である。他の条件にお
いてもこの傾向は同様であった。

次に本発明の排ガス浄化用担体は第２図に示した先端先
細りの内部中空穴を有する構造のみならず、第８図に示
すように内部中空穴がストレートなものであってもよく
、この場合についても骨格断面の細長形状の長軸と内部
中空穴の壁面とのなす角θは上記実施例とほぼ同範囲で
有効であり、長軸と短軸の比Ｙ／Ｘの値の範囲について
も同様である。また、内部中空穴のないフオーム状担体
であってもよいことは言うまでもない。

また本発明の製造方法は、セラミックとしてコーディエ
ライトの他に、炭化ケイ素、窒化けい素、アルミナ、β
−スポジューメン系等の各種セラミックが使用可能であ
り、母材構造体としてはウレタンフオームの他に各種樹
脂発泡体が広く使用可能である。

本発明のセラミック構造体は上記実施例に示した排ガス
浄化用触媒担体の他に熱交換媒体や、吸着剤、脱臭剤担
持用担体等に巾広く応用可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明は、三次元網目状骨格の断面
形状をガス体の流れ方向に細長い形状とすることによっ
て、圧力損失の低減と、流下するガス体と骨格表面の触
媒機会を高める効果を同時に達成することができ、例え
ば排ガス浄化用担体として用いると、低圧力損失と、高
浄化率が同時に達成できるという優れた効果を発揮する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｔ、　（ｂ）は本発明および従来のセラミッ
ク構造体の骨格断面形状を模式的に示す断面図、第２図
は本発明のセラミック構造体の全体形状を示す部分断面
斜視図、第３図は三次元網目状骨格９の形状を示す模式
図、第４図は隔壁８に対する骨格断面の配列を示す模式
図、第５図は本発明のセラミック構造体の製造方法に用
いる空気吹出用ノズルの形状を示す断面図、第６図は第
５図のノズルの吹出空気角度θと圧力損失およびＮＯｘ
浄化率を測定した結果を示す特性図、第７図は骨格断面
の楕円形状の相違と圧力損失、ＮＯｘ浄化率の関係を測
定した結果を示す特性図、第８図は本発明のセラミック
構造体の他の実施例の構造を示す断面図である。 ９・・・三次元網目状骨格、Ｂ・・・ガス流れ方向。 代理人弁理士　岡　　部　　　隆 ソｄ （ｂ）　　　　　　　　　　　　　（ａ）第１図 第２図 第３図 笛５図１１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部連通空間を形成させる三次元網目状骨格を有
   し、一端側から他端側に向けてガス体を通過させるセラ
   ミック構造体において、 前記三次元網目状骨格の断面形状が、前記ガス体の流れ
   方向に細長い形状であることを特徴とするセラミック構
   造体。
2. （２）前記ガス体の流れ方向に細長い形状は、前記ガス
   体の流れ方向とほぼ平行な長軸を有する楕円形状である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセラミッ
   ク構造体。
3. （３）三次元網目状骨格を有し、加熱により焼失する母
   材構造体に、セラミックスラリーを付着させる工程と、 前記セラミックスラリーを付着させた構造体の一方から
   気流を吹付けることにより前記三次元網目状骨格に付着
   したセラミックスラリーを気流の流れ後方側に移動させ
   、前記セラミックスラリーの付着した三次元網目状骨格
   の断面形状を、前記気流の流れ方向に細長い形状とする
   処理を含む工程と、 前記処理を施した構造体を焼成することにより母材構造
   体を焼失させるとともにセラミックを焼結させる工程と
   からなるセラミック構造体の製造方法。
4. （４）前記気流の流れ方向に細長い形状は、前記気流の
   流れ方向とほぼ平行な長軸を有する楕円形状であること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載のセラミック構
   造体の製造方法。