TW201909993A - 廢氣淨化用金屬基材及使用該金屬基材的廢氣淨化裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明是提供一種可使低壓力損失與高淨化效能均成立的廢氣淨化用金屬基材及使用該金屬基材的廢氣淨化裝置。本發明是關於開孔金屬基材，是層疊波狀箔與平面箔而形成筒狀的廢氣淨化用之開孔金屬基材，具有50個／平方英吋～800個／平方英吋的晶胞；前述波狀箔具有多數第1孔，該第1孔是具有前述晶胞之平均開孔面積的2.0倍以上、50倍以下之面積；而前述平面箔具有多數第2孔，該第2孔是具有前述晶胞之平均開孔面積的3.0倍以上、100倍以下之面積；且前述波狀箔之前述第1孔的面積平均值，要比前述平面箔之前述第2孔的面積平均值要小。

Description

廢氣淨化用金屬基材及使用該金屬基材的廢氣淨化裝置
本發明是關於廢氣淨化用金屬基材及使用該金屬基材的廢氣淨化裝置。特別是本發明是關於：可使低壓力損失與高淨化效能均成立的廢氣淨化用金屬基材及使用該金屬基材的廢氣淨化裝置。
使用金屬製基材(金屬基材)的廢氣淨化裝置，廣泛地被使用作為二輪車用、發電機用、農作機械用等內燃機之廢氣淨化裝置。金屬基材，一般而言，是加工成波狀之金屬箔與平面金屬箔的層疊體的筒狀體。例如圖2所表示般，一般而言，金屬基材(10)是將金屬箔加工成波狀得到波狀箔(1)，再將波狀箔(1)與平面金屬箔之平面箔(2)一起藉由捲繞化形成筒狀。藉此所得到的筒狀體再隨意地插入外筒(4)。
包含波狀箔與平面箔的金屬基材，如圖3所表示，從筒狀體之軸方向觀看時，具有多數的晶胞。而在金屬基材上形成觸媒層之廢氣淨化裝置中，廢氣通過這些晶胞內，與存在於晶胞之壁面的觸媒層作接觸而被淨化。
專利文獻1及2，是揭示如上述在波狀箔及平面箔上具有孔的開孔金屬基材以及使用其之廢氣淨化裝置。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 國際公開第2004／022937號 　　[專利文獻2] 日本特開2009-178647號公報
[發明所欲解決之課題]
使用如上述之開孔金屬基材的廢氣淨化裝置，因具有孔，僅此熱容量變小，因而在暖機時的廢氣淨化效能變好。又，使用開孔金屬基材的廢氣淨化裝置，藉著孔的存在而影響氣體流動，可以獲得較高的淨化效能。但是，同時也有壓力損失變高的問題。壓力損失較大的廢氣淨化裝置，因會使其內燃機的耗油量惡化，所以期望壓力損失較低。
因而，本發明的目的是提供一種可使低壓力損失與高淨化效能均成立的廢氣淨化用金屬基材及使用該金屬基材的廢氣淨化裝置。 [解決課題之手段]
本案發明者們，根據具有以下形態的本發明，發現可以解決上述課題。 《形態1》 　　一種開孔金屬基材，是層疊波狀箔與平面箔而形成筒狀的廢氣淨化用開孔金屬基材， 　　具有50個／平方英吋～800個／平方英吋的晶胞， 　　前述波狀箔具有多數第1孔，該第1孔是具有前述晶胞之平均開孔面積的2.0倍以上、50倍以下之面積， 　　前述平面箔具有多數第2孔，該第2孔是具有前述晶胞之平均開孔面積的3.0倍以上、100倍以下之面積；且 　　前述波狀箔之前述第1孔的面積平均值，比前述平面箔之前述第2孔的面積平均值要小。 《形態2》 　　如形態1之開孔金屬基材，其中，前述波狀箔之前述第1孔的合計面積，是前述波狀箔之全部孔的合計面積的60%以上，且／或前述平面箔之前述第2孔的合計面積，是前述平面箔之全部孔的合計面積的60%以上。 《形態3》 　　如形態1或2之開孔金屬基材，其中，前述波狀箔之前述第1孔具有3.0mm2 ～100mm2 的面積，且前述平面箔之前述第2孔具有5.0mm2 ～200mm2 的面積。 《形態4》 　　如形態1、2或3之開孔金屬基材，其中，相對於前述波狀箔之前述第1孔的面積之平均值，前述平面箔之前述第2孔的面積之平均值的比為1.5～10.0的範圍。 《形態5》 　　如形態1、2、3或4之開孔金屬基材，其中，平面箔及波狀箔的開孔率分別為10%～90%的範圍。 《形態6》 　　如形態1、2、3、4或5之開孔金屬基材，其中，前述晶胞的平均開孔面積為0.50mm2 ～7.0mm2 。 《形態7》 　　如形態1、2、3、4、5或6之開孔金屬基材，其中，前述波狀箔及前述平面箔的厚度分別為20μm～500μm的範圍。 《形態8》 　　一種廢氣淨化裝置，具有：形態1～7之任一項所記載之開孔金屬基材，及在前述開孔金屬基材上所形成的觸媒層。
本發明之廢氣淨化用開孔金屬基材，具有層疊形成筒狀之波狀箔與平面箔，並有50個／平方英吋～800個／平方英吋的晶胞。波狀箔具有多數第1孔，該第1孔具有晶胞之平均開孔面積的2.0倍以上、50倍以下之面積，而平面箔具有多數第2孔，該第2孔具有晶胞之平均開孔面積的3.0倍以上、100倍以下之面積。又，波狀箔之第1孔的面積平均值，比平面箔之第2孔的面積平均值要小，亦即特定範圍面積c的平均值，要比特定範圍面積s的平均值小。
如圖1所示，本發明之廢氣淨化用開孔金屬基材(10)，具有層疊形成筒狀之波狀箔(1)與平面箔(2)，並具有由波狀箔(1)與平面箔(2)所構成之晶胞(3)。波狀箔(1)具有第1孔(1a)，平面箔(2)具有第2孔(2a)。
使用以往的開孔金屬基材之廢氣淨化裝置中，藉著存在有孔，提升了淨化效能，但也有壓力損失惡化的傾向。
而存在有孔即能提升淨化效能的理由，可以認為是以下原因。亦即，若存在有孔則波狀箔及平面箔之幾何學的表面積變小，廢氣與觸媒層的接觸面積也變小，但同時會發生廢氣流動的擴大及收縮，形成壁面附近的流動紊亂的情況。藉此，廢氣與觸媒層的層界面之界膜變薄，提升了在其界面的物質移動速度。又接觸面積的減少，也非常有助於對物質移動速度的提升，所以藉著存在有孔，可以提升淨化效能。此外，藉著存在有孔，廢氣變得可以在鄰接的晶胞間擴散。在內燃機中，因為廢氣配管剖面的流速分布不平均所以直徑方向上廢氣流動會有偏移，其結果，廢氣淨化變得沒有效率，而藉著氣體在鄰接之晶胞間擴散，消解了該廢氣流動的偏移，因而提升廢氣淨化效能。
若存在有孔即壓力損失變高的理由，可以認為是以下原因。藉著存在有孔，波狀箔及平面箔的幾何學表面積變小，廢氣與觸媒層的接觸面積也變小所以壓力損失變小，但另一方面，由於在淨化裝置內的直徑方向上廢氣流動擴大、縮小、分歧、合流等，會產生各自的壓力損失。也因為該壓力損失的影響較大，所以認為壓力損失變高。
由以上所述可知，使用以往的開孔金屬基材之廢氣淨化裝置中，壓力損失與淨化效能是權衡(trade off)關係。
對此，本案發明者們發現：如上述般的開孔金屬基材預期外地也可以提供能使低壓力損失與高淨化效能均成立的廢氣淨化裝置。起因是沒有被理論拘束，而認為以平面箔的孔與波狀箔的孔，分別帶給壓力損失與淨化效能的影響不同。亦即，若作大波狀箔的孔，則改善(降低)壓力損失的同時淨化效能也惡化，對此，因而推測即使作大平面箔的孔，在壓力損失的改善(降低)仍具效果的情況下，淨化效能不會那麼惡化。因而，認為在特定面積的範圍內，波狀箔的孔較小，而平面箔的孔較大的情況下，可以使低壓力損失與高淨化效能均成立。
存在於波狀箔及平面箔的孔，其全部分別可為相同大小，或者也可在能得到本發明效果的範圍內為不同大小。又，存在於波狀箔及平面箔之全部孔，最好分別為上述第1孔及上述第2孔。但是，在可得到本發明之有利效果的範圍內，存在於波狀箔及平面箔之孔的一部分，並不必要分別為上述第1孔及上述第2孔。例如，波狀箔之第1孔的合計面積是波狀箔之全部孔的合計面積的60%以上、70%以上、80%以上、90%以上、或者95%以上，且／或平面箔之第2孔的合計面積是平面箔之全部孔的合計面積的60%以上、70%以上、80%以上、90%以上、或95%以上。
波狀箔具有多數第1孔，該第1孔具有：晶胞之平均開孔面積的2.0倍以上、50倍以下的面積。例如，第1孔的面積可以為3.0mm2 以上、4.0mm2 以上、5.0mm2 以上、10mm2 以上、20mm2 以上、或50mm2 以上，也可為100mm2 以下、80mm2 以下、60mm2 以下、40mm2 以下、或20mm2 以下。
波狀箔的孔，其全部或其一部分可以為圓形或橢圓形，也可為非圓形，例如多角形。波狀箔的孔的等效直徑及／或波狀箔之第1孔的等效直徑可以為2.0mm以上、2.5mm以上、3.0mm以上、4.0mm以上、5.0mm以上、或7.0mm以上，也可以為20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、5.0mm以下、或4.0mm以下。又，所謂等效直徑，是指具有與其面之外周長度相等之外周長度的正圓直徑。
平面箔具有多數第2孔，該第2孔具有晶胞之平均開孔面積的3.0倍以上、100倍以下的面積。例如，第2孔的面積可以為3.0mm2 以上、4.0mm2 以上、5.0mm2 以上、10mm2 以上、20mm2 以上、或50mm2 以上，也可為100mm2 以下、80mm2 以下、60mm2 以下、40mm2 以下、或20mm2 以下。
平面箔的孔，其全部或其一部分，可以為圓形或橢圓形，也可為非圓形，例如多角形。平面箔之孔的等效直徑及／或平面箔之第2孔的等效直徑可以為3.0mm以上、3.5mm以上、5.0mm以上、8.0mm以上、10mm以上、或12mm以上，也可為25mm以下、20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、或5.0mm以下。
相對於波狀箔之第1孔的面積平均值，平面箔之第2孔的面積平均值的比(第1孔之面積平均值／第2孔之面積平均值)是超過1.0，例如可以為1.2以上、1.5以上、2.0以上、3.0以上、或5.0以上，也可為15以下、10以下、8.0以下、6.0以下、4.0以下、或3.0以下。
鄰接於筒狀金屬基材之軸方向的孔的間距(鄰接之孔的中心間距離)，平面箔及波狀箔之孔分別可以為5.0mm以上、6.0mm以上、8.0mm以上、10.0mm以上、12mm以上、或15mm以上，也可為25mm以下、20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、或5.0mm以下。又，此時波狀箔之孔的間距是將波狀箔平拉延伸時的間距。
鄰接於筒狀金屬基材之周長方向的孔的間距，平面箔及波狀箔之孔分別可以為5.0mm以上、6.0mm以上、8.0mm以上、10.0mm以上、12mm以上、或15mm以上，也可為25mm以下、20mm以下、15mm以下、10mm以下、7.0mm以下、或5.0mm以下。又，此時波狀箔之孔的間距是將波狀箔平拉延伸時的間距。
平面箔及波狀箔的開孔率(因存在有孔而減少之體積的比例)，分別可以為10%以上、20%以上、30%以上、40%以上、50%以上、或60%以上，也可為80%以下、70%以下、60%以下、50%以下、40%以下、或30%以下。
平面箔及波狀箔的孔，可以都平均存在筒狀金屬基材的全部周長方向及軸方向，也可為偏在一部分地方。例如，平面箔及波狀箔的孔，可以不存在其端部。又，也可如專利文獻2中記載，平面箔及波狀箔的孔不存在軸方向的中央部分。
本發明之金屬基材具有50個／平方英吋～800個／平方英吋的晶胞。例如，晶胞可以為80個／平方英吋以上、100個／平方英吋以上、150個／平方英吋以上、200個／平方英吋以上、或300個／平方英吋以上，也可為600個／平方英吋以下、400個／平方英吋以下、300個／平方英吋以下、或200個／平方英吋以下。
晶胞的平均開孔面積可從上述晶胞數計算出，可為0.50mm2 以上、0.80mm2 以上、1.0mm2 以上、1.5mm2 以上、2.0mm2 以上、3.0mm2 以上、或5.0mm2 以上，也可為13mm2 以下、10mm2 以下、7.0mm2 以下、5.0mm2 以下、3.5mm2 以下、或2.0mm2 以下。
本發明之金屬基材中，是層疊波狀箔與平面箔而形成筒狀。本發明之金屬基材中，可以是波狀箔與平面箔的1個層疊體或多數層疊體單純地捲繞形成筒狀體，或者也可以如專利文獻1記載，多數的層疊體捲繞成S字狀等而形成筒狀體。
本發明之金屬基材中所使用之波狀箔的波形形狀，並不是限定如圖3中記載般的波形形狀，也可形成如Ω波狀或鋸齒狀的形狀。
沒有特別限制波狀箔及平面箔的厚度，可以分別為20μm以上、40μm以上、80μm以上、或100μm以上，也可為500μm以下、300μm以下、200μm以下、100μm以下、或80μm以下。
沖孔，可以是使用沖孔機等以形成所期望之開孔率的方式對整體金屬箔作沖孔。又，該孔的形狀沒有特別限制。
本發明之金屬基材也可以隨意地具有外筒。將筒狀之波狀箔及平面箔配置在外筒的內側，並藉由硬焊等手段接合。
本發明之金屬基材的製造方法可以包含：藉由沖孔機等得到穿孔金屬箔得到如上述之平面箔；將平面箔加工成波狀得到如上述之波狀箔；及層疊平面箔與波狀箔並筒狀化。又，該方法也可以隨意地包含將已筒狀化之波狀箔及平面箔插入外筒並固定。
本發明之廢氣淨化裝置，包含上述之開孔金屬基材，及形成在開孔金屬基材上之觸媒層。作為觸媒層，可以取用本領域眾知的具有廢氣淨化功能之觸媒層，例如，觸媒層可以具有設在金屬基材之表面的金屬氧化物載體與該載體所載持之貴金屬。
作為金屬氧化物載體，例如可舉出：二氧化鈰、氧化鋯、氧化鋁、稀土類金屬氧化物等，及由這些多數而成之複合氧化物等。
作為貴金屬的例子，例如可舉出白金、鈀、銠等。這些貴金屬，例如可以作為粒徑1nm以上、100nm以下之粒子載持在金屬氧化物載體上。
本發明之廢氣淨化裝置的製造方法可以包含：提供上述開孔金屬基材；在上述之開孔金屬基材形成金屬氧化物載體層；及在金屬氧化物載體上載持貴金屬。
開孔金屬基材上形成金屬氧化物載體層的工程，例如可以包含：調製含有從金屬氧化物及／或其前驅體所選擇之1種以上的溶液或漿料；開孔金屬基材上塗佈該溶液或漿料；及隨意地燒製該物。
在金屬氧化物載體上載持貴金屬的工程，可以包含：含有貴金屬前驅體之溶液中浸漬金屬氧化物載體的層；及燒製該物。又，塗佈開孔金屬基材的溶液或漿料中之金屬氧化物及／或其前驅體上也可以預先載持貴金屬。
本發明之廢氣淨化裝置，可作為二輪車用、發電機用、農作機械用等內燃機的廢氣淨化裝置使用。
用以下實施例更具體說明本發明，但本發明並不限定於此。 [實施例]
使用具有以下表1中記載之孔的波狀箔及平面箔，製造出具有300個／平方英吋之晶胞(晶胞的平均開孔面積：約2mm2 )的開孔金屬基材。接者，在這些開孔金屬基材上形成相同的觸媒層，製造出實施例1～3及比較例1～9的廢氣淨化裝置。在比較例1～5(A組)中，將波狀箔與平面箔的孔作成相同大小。而比較例6～7(B組)中，將波狀箔的孔作成比平面箔的孔要大。比較例8～9(C組)是將波狀箔的孔作成比平面箔的孔要小，但波狀箔的孔要比晶胞的開孔直徑略大的程度。再者，波狀箔及平面箔的孔是作成圓形且分別為相同大小。又，波狀箔及平面箔的開孔率為50%。
此外，使用具有表2中記載之孔的波狀箔及平面箔，製造出具有100個／平方英吋之晶胞(晶胞的平均開孔面積：約6.5mm2 )的開孔金屬基材。接者，這些開孔金屬基材上形成相同的觸媒層，製造出實施例4～5及比較例10～12的廢氣淨化裝置。再者，波狀箔及平面箔的孔是作成圓形且為相同大小。又，波狀箔及平面箔的開孔率為50%。
將這些廢氣淨化裝置搭載在125cc的速克達，以「WMTC Stage 2 class 1」模式為基準，從NOx排出量的點評價廢氣淨化效能。
再者，這些廢氣淨化裝置的一邊朝向空氣開放，另一邊以負壓泵作減壓，在室溫下測量已流動規定空氣流量時的壓力損失。此時的空間速度(SV)為45萬[1／h]。
這些結果表示在表1和表2以及圖4和圖5。參考圖4和圖5，即可知道依據實施例之本發明的廢氣淨化裝置，可以使低壓力損失與低NOx排出量(高淨化效能)均成立。
表1：300個／inch2 之晶胞(平均開孔面積：約2mm2 )的情況
表2：100個／inch2 之晶胞(晶胞的平均開孔面積：約6.5mm2 )的情況
10‧‧‧金屬基材
1‧‧‧波狀箔
1a‧‧‧第1孔
2‧‧‧平面箔
2a‧‧‧第2孔
3‧‧‧晶胞
4‧‧‧外筒
[圖1] 圖1是概略表示本發明之金屬基材的1形態。孔的大小、間距、個數等並沒有精確地表示。 　　[圖2] 圖2是表示波狀箔及平面箔而成之金屬基材的一般製造工程概略圖。 　　[圖3] 圖3是表示從軸方向觀察波狀箔及平面箔而成之金屬基材時的一例照片。 　　[圖4] 圖4是表示使用300個／平方英吋之晶胞的實施例與比較例的壓力損失與淨化效能。 　　[圖5] 圖5是表示使用100個／平方英吋之晶胞的實施例與比較例的壓力損失與淨化效能。

Claims (8)

  1. 一種開孔金屬基材，是層疊波狀箔與平面箔而形成筒狀的廢氣淨化用開孔金屬基材，其特徵為： 　　具有50個／平方英吋～800個／平方英吋的晶胞； 　　前述波狀箔具有多數第1孔，該第1孔是具有前述晶胞之平均開孔面積的2.0倍以上、50倍以下之面積； 　　前述平面箔具有多數第2孔，該第2孔是具有前述晶胞之平均開孔面積的3.0倍以上、100倍以下之面積；且 　　前述波狀箔之前述第1孔的面積平均值，比前述平面箔之前述第2孔的面積平均值要小。
  2. 如請求項1之開孔金屬基材，其中，前述波狀箔之前述第1孔的合計面積，是前述波狀箔之全部孔的合計面積的60%以上，且／或前述平面箔之前述第2孔的合計面積，是前述平面箔之全部孔的合計面積的60%以上。
  3. 如請求項1或2之開孔金屬基材，其中，前述波狀箔之前述第1孔具有3.0mm2 ～100mm2 的面積，且前述平面箔之前述第2孔具有5.0mm2 ～200mm2 的面積。
  4. 2或3之開孔金屬基材，其中，相對於前述波狀箔之前述第1孔的面積之平均值，前述平面箔之前述第2孔的面積之平均值的比為1.5～10.0的範圍。
  5. 2、3或4之開孔金屬基材，其中，平面箔及波狀箔的開孔率分別為10%～90%的範圍。
  6. 2、3、4或5之開孔金屬基材，其中，前述晶胞的平均開孔面積為0.50mm2 ～7.0mm2 。
  7. 2、3、4、5或6之開孔金屬基材，其中，前述波狀箔及前述平面箔的厚度分別為20μm～500μm的範圍。
  8. 一種廢氣淨化裝置，其特徵為具有：請求項1～7之任一項所記載之開孔金屬基材，及在前述開孔金屬基材上所形成的觸媒層。
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