(57)【要約】【課題】早期触媒活性化が可能で排ガス浄化性能に優れた、軽量なメタルハニカム担体の提供。【解決手段】金属製の平箔及び波箔から成るメタルハニカム体が金属製の外筒内に装入されて成る排ガス浄化触媒用メタルハニカム担体であって、当該メタルハニカム体の縦断面において、平箔及び波箔の両方により形成されている箇所と平箔又は波箔のいずれか単独で形成されている箇所とが交互に少なくとも３箇所連続して配置されている、排ガス浄化触媒用メタルハニカム担体。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の平箔及び波箔から成るメタルハニカム体が金属製の外筒内に装入されて成る排ガス浄化触媒用メタルハニカム担体であって、
当該メタルハニカム体の縦断面において、平箔及び波箔の両方により形成されている箇所と平箔又は波箔のいずれか単独で形成されている箇所とが交互に少なくとも３箇所連続して配置されている、排ガス浄化触媒用メタルハニカム担体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス浄化触媒用のメタルハニカム担体、に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や自動二輪車等の内燃機関から排出される排ガスは、通常、触媒を用いた排ガス浄化装置において浄化される。このような排ガス浄化装置は、（１）エンジンモディフィケーション方式、（２）サーマルリアクタ方式、（３）酸化触媒方式等に分けられる。ここで、（３）の方式による排ガス浄化装置で用いられる触媒は、エンジンからエキゾーストパイプに排出された排ガスと接触すると、排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分と酸化反応又は還元反応を起こして有害成分を浄化する。このような触媒は、触媒金属を担持する担体の形状により、ペレット触媒とモノリス触媒に大別されるが、１９８０年代前半以来、モノリス触媒が主流となっている。
【０００３】
モノリス触媒は、通常比表面積が大きいハニカム形状を有しており、その材質は熱伝導性、すなわち触媒の早期活性化、の観点からセラミックス製のものよりも金属製の担体が使用される傾向にある。特に自動二輪車の場合、搭載される排ガス浄化装置は高温及び激しい振動に曝されるため、強度が高く、圧力損失が少ない触媒が要求される。このような要求に応えるべく、自動二輪車用排ガス浄化装置の触媒においては、耐熱性ステンレス等を材料としたメタル担体、特にメタルハニカム担体が一般的に用いられている。
【０００４】
メメタルハニカム担体は、一般的に、耐熱合金を用いた平箔と波箔とを交互に巻き回して円筒形のハニカム体とし、このハニカム体を円筒形の金属製の外筒に装入した後ロウ付け等の手段によってこれらを接合することにより製造される。
【０００５】
上記ハニカム体を構成する平箔と波箔は、通常、同一の軸方向長さのものが用いられている。この場合、原則として、いずれの箔も排ガス流れ方向において上流端から下流端まで一続きで配置されることとなる（図１を参照のこと）。一方、特開平１０−３１４６０１号公報（特許文献１）においては、熱容量を小さくして触媒活性化温度まで到達する時間を短縮するために、平箔又は波箔のいずれか一方の軸方向長さを短くし、且つその他方の箔単独でハニカム体の一方の端部を形成してなるハニカム体が開示されている。この場合、図２にその縦断面を示す通り、排ガス流れ方向において、上流端からある一定の範囲は波箔のみで構成され、そして下流端までの残りの部分は平箔及び波箔で構成されたハニカム体が形成される。
【０００６】
各国の排ガスに対する規制は年々強化される傾向にあり、例えば、ＥＵＲＯ３レベルからは冷間スタート時の触媒早期活性化能力が要求されている。このような厳しい基準をクリアするためには、従来のメタルハニカム体では十分でない。一方、触媒容量の大容量化により触媒性能の向上を図ることも可能であるが、自動二輪車の触媒は軽量且つコンパクトであることが要求されるため、このような大容量触媒は適していない。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３１４６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、早期触媒活性化が可能で排ガス浄化性能に優れた、軽量なメタルハニカム担体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来のメタルハニカム体は、同一の軸方向長さの平箔及び波箔を用いて形成されているか、あるいは特許文献１に記載のように一方の箔の軸方向長さを他方のものより短くして排ガス上流端又は下流端に寄せて配置することにより形成されている。これらのメタルハニカム体は、排ガス流れ方向に対して垂直方向の断面（縦断面）において、上流端から下流端までの各セルの開口面積は一定であるか、わずかに一回変化するのみである。このようなメタルハニカム体に排ガスを流入させ、メタルハニカム体を通過するその流速を測定したところ、両者の間には顕著な違いは見られなかった。
【００１０】
そこで、本発明者がハニカム担体触媒の上流から下流にかけての各セルの開口面積を複数回変化させたところ、当該触媒を通過する排ガスの流速が著しく低下し、排ガスと触媒との接触時間が長くなることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、本発明は、金属製の平箔及び波箔から成るメタルハニカム体が金属製の外筒内に装入されて成る排ガス浄化触媒用メタルハニカム担体であって、当該メタルハニカム体の縦断面において、平箔及び波箔の両方により形成されている箇所と平箔又は波箔のいずれか単独で形成されている箇所とが交互に少なくとも３箇所連続して配置されている、排ガス浄化触媒用メタルハニカム担体、を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
メタルハニカム担体内に、平箔及び波箔の両方により形成されている箇所と平箔又は波箔のいずれか単独で形成されている箇所とを交互に少なくとも３箇所続けて設けることで、ハニカム体における各セルの開口面積は上流端から下流端にかけて複数回変化する。理論に拘束されることを意図するものではないが、このような変化の理由として以下のことが考えられる。メタルハニカム体内で開口面積が変化すると、その変化の前後で排ガスの流れに乱れが生じ、軸流れ方向とは異なる方向の流れが起こる。そして、その流れに沿って排ガスの一部がメタルハニカム体の壁面と接触する。
【００１３】
一方で、本発明のメタルハニカム体は、開口面積を複数回変化させることで、上記排ガスの乱れだけでなく、乱れ同士の相互作用も利用して大きな乱流を発生させることができる。そして、その乱流の発生によって、排ガスがメタルハニカム体の壁面に接触する機会を多くし、排ガス浄化性能を著しく向上させることができる。
【００１４】
更に、結果として従来よりも少ない金属箔を用いることで、触媒の軽量化、そして同時に触媒の低熱量化を達成することができるため、触媒の搭載性が向上し、そしてエンジン始動時の排ガス浄化性能（ライトオフ性能）が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係るメタルハニカム体は、通常のメタルハニカム体と同様に、金属製の平箔及び波箔を用いて構成される。ここで、当該メタルハニカム体を構成する金属箔の性質は、熱容量が低く、且つ耐熱性、耐圧性等に優れているものが好ましい。従って、ステンレス鋼、耐熱鋼等が好ましいが、これらの材料に限定されない。ステンレス鋼の例としては、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス等の鋼材があり、本発明においてはこれらを箔状に圧延して用いることができる。
【００１６】
本発明においては、所望とするハニカム体の軸方向長さを平箔又は波箔の軸方向長さとし、他方の箔の軸方向長さをハニカム体のものよりも短くなるように調節して使用する。短い箔の１枚当たりの軸方向長さはメタルハニカム体の全長の１／１０〜１／２、好ましくは１／４〜１／２にすることができる。ここで、短く調節される箔は構造安定性の観点から平箔のほうが好ましい。
【００１７】
短い箔の配置箇所については、ハニカム体を形成した際のセルの開口面積が上流部から下流部にかけて複数回変化するように、短い箔を少なくとも１枚長い箔の中央部に配置するか、あるいは長い箔の上流端と下流端にぞれぞれ配置する必要がある。この場合、平箔及び波箔の両方により形成されている箇所と平箔又は波箔のいずれか単独で形成されている箇所とが交互に少なくとも３箇所連続して配置されることになる。
【００１８】
短い箔のみで形成されている箇所のセル数は、両方の箔を用いて形成されている箇所のセル数より減少するため、上述のように短い箔を少なくとも１枚長い箔の中央部に配置した場合（図３を参照のこと）、メタルハニカム体の開口面積は上流部から中央部にかけて１回減少し、そして中央部から下流部にかけて１回増大する。一方、短い箔を長い箔の上流端と下流端にぞれぞれ配置した場合（図４を参照のこと）、メタルハニカム体の開口面積は上流部から中央部にかけて１回増大し、そして中央部から下流部にかけて１回減少する。
【００１９】
開口面積を変化させる回数は、浄化性能向上の観点からは多い方が好ましい。しかし、回数が多すぎると圧損上昇などが起こりやすくなる。そのため、上流端から下流端に達するまでの開口面積の変化の回数は２〜５回とするのが好ましく、３回とするのが更に好ましい。
【００２０】
尚、平箔及び波箔の両方により形成されている箇所の軸方向長さは、当該箇所が複数個所存在する場合にはそれぞれ異なっていてもよい。限定しないが、箔及び波箔の両方により形成されている箇所の軸方向長さは、メタルハニカム体の軸方向長さの１／５〜１／２を占めるように調節される。
【００２１】
上記金属箔の厚さに関しては、熱容量を下げて最終的に製造される触媒の早期活性化能を向上させるため、原則として薄いほど好ましい。また、同様の目的から金属箔にパンチング穴を施してもよい。但し、金属箔の厚さ又はパンチング穴の数を決定する場合には強度面についても考慮されるべきである。
【００２２】
上記の短い平箔又は波箔を、長い箔上の所望の位置に、１又は複数枚間隔を空けて並行に配置した後、例えば、これらの箔を巻き回すことで本発明のメタルハニカム体を形成することができる。この工程においては、箔同士の接合のためにロウ材を使用してもよい。また、本発明のメタルハニカム体は金属製の平箔と波箔とを積層することによっても成形することができる。短い箔の配置箇所及び枚数は、所望とする開口面積の変化の回数に従い適宜選択することができる。
【００２３】
このようにして成形したメタルハニカム体を金属製の「外筒」に装入し、これらをロウ付け等の手段を用いて接合したものを本明細書では「メタルハニカム担体」と称する。前記外筒の材質については、金属箔と同様に耐熱性、耐圧性等に優れているものが好ましい。限定しないが、上述した金属箔の材料と同様のものを使用することができる。
【００２４】
メタルハニカム担体の形状は概して円筒状である。この場合、排ガスの流れに対して垂直方向の断面（横断面）は円形であるが、直線部と円弧部とから構成される、いわゆるレーストラック形状のものでもよい。メタルハニカム担体の横断面における平箔と波箔により形成されている箇所のセル数は特に限定されず、一般的なセル数（４０〜４００セル／平方インチ）のものが使用される。尚、当該セル数は、平箔又は波箔のいずれかで構成されている箇所においては減少する。
【００２５】
本発明のメタルハニカム担体は、排ガス浄化用触媒の基材として、種々の触媒成分をその表面上にコーティングして担持させることができる。尚、触媒成分である貴金属等についての使用の制限はなく、またそれらの担持方法についても制約はない。一般的には、活性アルミナ（γ−アルミナ）等のスラリーを用いてメタルハニカム担体表面に担持層を形成させた後、当該担持層表面に貴金属を含有する薬液を浸漬担持することで、排ガス浄化用触媒を製造することができる。
【００２６】
本発明のメタルハニカム担体触媒は、単独で、又は筒状のいわゆるパンチングチューブ担体触媒と組み合わせて内燃機関の排ガス浄化装置内に搭載することができる。
【００２７】
以下の実施例を用いて、本発明を更に具体的に説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
フェライト系ステンレス箔（厚さ１００μｍ、幅１２０ｍｍ）を波型（２００セル／平方インチ）に成形する。このようにして準備した波箔の中央に、同材質の平箔（厚さ１００μｍ、幅４０ｍｍ）を配置して巻き回し、直径５３．５ｍｍｘ長さ１２０ｍｍのコルゲート状担体を製作する。当該担体をアルミナコーティングし、そして白金及びロジウムを含む薬液を用いて浸漬担持することで本発明のメタルハニカム担体触媒を作製した（担体の容量１Ｌ当たりＰｔ／Ｒｈ＝１．０／０．３ｇ／Ｌ）。当該触媒の縦断面図を図３に示す。
【００２９】
図３に示す通り、実施例１のメタルハニカム担体触媒１は、その周囲を構成する外筒２と、当該外筒２内に装入されているハニカム体３とから成る。更に、ハニカム体３は金属製の平箔４及び波箔５から成る。この態様において、平箔４はハニカム体の中央部にのみ配置されており、この中央部は平箔４と波箔５で構成されている。尚、上流部及び下流部は平箔４のみで構成されている。
【００３０】
（実施例２）
実施例１と同様の波箔を成形した後、当該波箔の両端に、同材質の平箔（厚さ１００μｍ、幅３０ｍｍ）を１枚ずつ配置して巻き回し、そして実施例１と同様にアルミナコーティング及び触媒化を実施した。当該触媒の縦断面図を図４に示す。
【００３１】
図４に示す通り、実施例２の触媒は、図３に示した箔の配置とは反対に波箔５のみで構成されている箇所が中央部に存在し、その前後は平箔４と波箔５の両方で構成されている。
【００３２】
（実施例３）
実施例１と同様の波箔を成形した後、当該波箔の両端及び中央に、同材質の平箔（厚さ１００μｍ、幅３０ｍｍ）を１枚ずつ配置して巻き回し、そして実施例１と同様にアルミナコーティング及び触媒化を実施した。当該触媒の縦断面図を図５に示す。
【００３３】
図５に示す通り、実施例３の触媒においては、平箔４及び波箔５の両方で構成されている箇所と、波箔５のみで構成されている箇所とが、交互に合計５箇所に分かれて配置されている。
【００３４】
（比較例１）
実施例１と同様の波箔を成形した後、当該波箔を同材質の平箔（厚さ１００μｍ、幅１２０ｍｍ）と共に巻き回し、そして実施例１と同様にアルミナコーティング及び触媒化を実施した。当該触媒の縦断面図を図６に示す。
【００３５】
（触媒の軽量化）
実施例１〜３の触媒のハニカム体（外筒を除く）は、平箔の使用量を軽減したことで、従来技術の比較例１の触媒のものと比較して最大３０％軽量化した。
【００３６】
（触媒のライトオフ性能及び浄化性能の向上）
実施例１〜３及び比較例１の触媒を大型自動二輪（４ストローク／１０００ｃｃ）に搭載し、測定モードＥＵＲＯ３でそのライトオフ性能及び浄化性能について検討した。その結果、実施例１〜３の触媒は、比較例１のものと比較して冷間スタート時のハニカム部の昇温が早くなり、従来より短い時間で触媒の活性化が始まった（結果は示さない）。浄化性能についても、実施例１〜３の触媒は、ＣＯ、ＨＣに対する浄化性能が５〜１０％向上した。実施例２の触媒と比較例１の触媒とを比較した結果を図７に示す。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のメタルハニカム担体によれば、当該担体のセルの開口面積を上流部から下流部にかけて複数回変化させることで、排ガス浄化性能等が向上するだけでなく、使用する金属箔の削減により、軽量化も達成することができる。その結果、従来よりも搭載性及び浄化性能が向上した排ガス浄化触媒用メタルハニカム担体を提供することができるため、本発明のメタルハニカム担体は、搭載性の観点から自動二輪車の排ガス浄化触媒用担体に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、従来技術のメタルハニカム担体触媒の縦断面を表す。
【図２】図２は、上流端から中央部分にかけて平箔のみで形成され、当該部分から下流端にかけて平箔及び波箔で形成された従来技術のメタルハニカム担体触媒の縦断面を表す。
【図３】図３は、実施例１のメタルハニカム担体触媒の縦断面を表す。
【図４】図４は、実施例２のメタルハニカム担体触媒の縦断面を表す。
【図５】図５は、実施例３のメタルハニカム担体触媒の縦断面を表す。
【図６】図６は、比較例１のメタルハニカム担体触媒の縦断面を表す。
【図７】図７は、比較例１と実施例２の触媒の排ガス浄化性能を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１    メタルハニカム担体触媒
２    外筒
３    メタルハニカム体
４    平箔
５    波箔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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