(57)【要約】【課題】触媒浄化率の向上が図られ、しかも、コスト高にならない触媒担体を提供する。【解決手段】オフセット波板２３の仕切りによって多数の担体セル２４、２５が形成され、且つ、この担体セル２４、２５がガス流れ方向Ｐに対してオフセット状態で配置されている触媒担体２２において、ガス流れ方向Ｐの中心を境に担体セル２４、２５のセル密度が可変され、上流側のセル密度より下流側のセル密度が高く設定されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オフセット波板（２３）の仕切りによって多数の担体セル（２４、２５）が形成され、且つ、この担体セル（２４、２５）がガス流れ方向（Ｐ）に対してオフセット状態で配置されている触媒担体（２２）において、
前記担体セル（２４、２５）は、ガス流れ方向の上流側のセル密度より下流側のセル密度が高く設定されていることを特徴とする触媒担体（２２）。
【請求項２】
請求項１記載の触媒担体（２２）であって、
前記担体セル（２４、２５）のセル密度は、上流側より下流側に向かって段階的に高く設定されていることを特徴とする触媒担体（２２）。
【請求項３】
請求項１記載の触媒担体（２２）であって、
前記担体セル（２４、２５）のセル密度は、上流側より下流側に向かって漸次高く設定されていることを特徴とする触媒担体（２２）。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された触媒担体（２２）であって、
ガス流れ方向の最上流端のセル密度と最下流端のセル密度との比は、１：５以下に設定されていることを特徴とする触媒担体（２２）。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された触媒担体（２２）であって、
前記担体セル（２４、２５）のセル密度は、１００〜２０００ｃｐｓｉの範囲内に設定されていることを特徴とする触媒担体（２２）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は触媒担体に関し、さらに詳しくは、内燃機関の排気ガス中に含まれる有害成分を浄化する触媒コンバータに使用される触媒担体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の触媒コンバータ１は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、排気ガスの流入口２ａと流出口２ｂを有するケーシング２と、このケーシング２内に内蔵され、触媒が担持された触媒担体３とを備えている。触媒担体３は、図６（ｂ）に示すようにオフセット波板４と平板６とで仕切られた多数の担体セル５を有している。この触媒担体３は、図７（ａ）、（ｂ）に示すような帯状のオフセット波板４と平板との組み合わせでなる。このため多数の担体セル５は、ガス流れ方向Ｐに対してオフセット状態で配置されている。
【０００３】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、オフセット波板４には、多数の台形状の山折れ部４ａ、４ｂが形成されている。山折れ部４ａ、４ｂは、ガス流れ方向Ｐの直交方向Ｓに対し一定間隔に配置されていると共に、ガス流れ方向Ｐに沿って、山折れ部４ａと山折れ部４ｂとが交互にオフセットした状態で形成されている。そして、このような構成のオフセット波板４と平板６を同時に巻回することにより、台形形状のセルを有する触媒担体３が形成される。具体的には、オフセット波板４の隣接する山折り部４ａ、４ｂの仕切りによって多数の一定容積の担体セル５がガス流れ方向Ｐの直交方向Ｓに配列され、且つ、このように配列された担体セル５が山折り部４ａ、４ｂのオフセットによってガス流れ方向Ｐに対してオフセット状態で配置されている。このように形成された触媒担体３に触媒を担持する処理が施されている。
【０００４】
上記構成において、排気ガスが触媒担体３中の担体セル５内を通過し、この通過の際に排気ガス内の有害成分が触媒に接触して浄化される。ここで、触媒担体３の担体セル５は、ガス流れ方向Ｐに対してオフセットされているので、図８に示すように、排気ガスが担体セル５からこれに隣接する下流の担体セル５に移動する際にガス流れが拡散され、排気ガス内の有害成分が触媒と接触する頻度が高められる。以上より、担体セル５がオフセットされていないものに較べて触媒浄化率の向上が図られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、他の従来の触媒コンバータ１０は、図９に示すように、ケーシング１１内に３つに分割された触媒担体１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられ、各触媒担体１２ａ、１２ｂ、１２ｃの間に空隙１３ａ、１３ｂが形成されている。このように触媒担体１２ａ、１２ｂ、１２ｃの間に空隙１３ａ、１３ｂを形成することにより空隙１３ａ、１３ｂの箇所で排気ガスが拡散され、排気ガス内の有害成分と触媒との接触頻度を高めて触媒浄化率の向上が図られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−９６１７０号公報（第１頁、図１）
【０００７】
【特許文献２】
特開平８−１４４７５２号（第１頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した触媒担体３では、担体セル５がオフセットされない場合よりも触媒浄化率の向上が図られるが、排気ガスの有害成分が完全に浄化されない可能性がある。つまり、一般的に排気ガスを浄化する際、有害成分が上流側の担体セル５から下流側の担体セル５に流れるに従って連続的に有害成分のガス濃度が低下していく。従って、担体セル５の上流側と下流側とで同じ程度のガス拡散では、下流側での排気ガス内の有害成分と触媒との接触頻度が低下し、最悪の場合には未浄化ガスが流出することになるため、排気ガスの流れ方向の寸法を長めに設定する必要がある。
【０００９】
図９に示した触媒担体１２ａ、１２ｂ、１２ｃでは、複数の触媒担体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを製造し、複数の触媒担体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを組み付けなければならないため、コスト増につながるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、触媒浄化率の向上が図れ、しかも、コスト高にならない触媒担体を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、オフセット波板の仕切りによって多数の担体セルが形成され、且つ、この担体セルがガス流れ方向に対してオフセット状態で配置されている触媒担体において、前記担体セルは、ガス流れ方向の上流側のセル密度より下流側のセル密度が高く設定されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の触媒担体であって、前記担体セルのセル密度は、上流側より下流側に向かって段階的に高く設定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１記載の触媒担体であって、前記担体セルのセル密度は、上流側より下流側に向かって漸次高くなるように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の触媒担体であって、ガス流れ方向の最上流端のセル密度と最下流端のセル密度との比は、１：５以下に設定されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の触媒担体であって、前記担体セルのセル密度は、１００〜２０００ｃｐｓｉの範囲内に設定されていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、排気ガスが触媒担体中の担体セル内を通過し、この通過の際に排気ガス内の有害成分が触媒に接触して浄化される。ここで、触媒担体の担体セルは、ガス流れ方向に対してオフセットされているので、排気ガスが担体セルからこれに隣接する下流の担体セルに移動する際にガス流れが拡散され、排気ガス内の有害成分が触媒と接触する頻度が高められる。そして、排気ガス中の有害成分のガス濃度は、上流側の担体セル内から下流側の担体セル内を流れるに従って連続的に低下していくが、上流側の担体セルよりも下流側の担体セルの方がセル密度が高いため、上流側よりも下流側の方がガス拡散が活発に行われ、排気ガス内の有害成分が触媒と接触する頻度が低下することがない。このため、請求項１記載の発明によれば、触媒作用の効率化が図れるという効果がある。また、触媒担体は単一のものを製造すればよいため、コストを低くするという効果がある。
【００１７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、上流側から下流側に向かってガス流れの拡散を段階的に徐々に大きくできる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、上流側から下流側に向かってガス流れの拡散を連続的に大きくできる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、請求項１〜請求項３の発明と同様の効果が得られる。
【００２０】
請求項５の発明によれば、請求項１〜請求項４の発明と同様の効果が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る触媒担体の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２２】
図１〜図３は本発明の触媒担体を適用した触媒コンバータの実施形態を示し、図１（ａ）は触媒コンバータの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図２（ａ）はオフセット波板の展開図、図２（ｂ）はオフセット波板の上流エリアの一部正面図、図２（ｃ）はオフセット波板の下流エリアの一部正面図、図３は触媒担体内の排気ガスの流れ状態を示す概念図である。
【００２３】
触媒コンバータ２０は、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、排気ガスの流入口２１ａと流出口２１ｂを有するケーシング２１と、このケーシング２１内に内蔵され、触媒が担持された触媒担体２２とを備えている。
【００２４】
触媒担体２２は、オフセット波板２３と平板３０とで仕切られて多数の担体セル２４、２５が形成され、且つ担体セル２４、２５がガス流れ方向Ｐに対してオフセット状態で配置されている。なお、本実施の形態では、オフセット波板２３及び平板３０には、焼鈍したフェライト系ステンレス鋼を用いている。これら担体セル２４、２５をガス流れ方向Ｐの中心を境として上流エリアと下流エリアに区分すると、図１（ｂ）に示す上流エリアの担体セル２４のセル密度より図１（ｃ）に示す下流エリアの担体セル２５のセル密度が大きく設定されている。
【００２５】
この実施形態では、上流側のセル密度と下流側のセル密度がほぼ１：２に設定されている。また、担体セル２４のセル密度は５００ｃｐｓｉ、担体セル２５のセル密度は１０００ｃｐｓｉに設定されている。そして、このような構造の触媒担体２２は、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す帯状のオフセット波板２３と平板３０（図１参照）とを同時に巻回して作製される。
【００２６】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、オフセット波板２３は、多数の台形状の山折れ部２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂが形成されており、この台形状の山折れ部２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂは、ガス流れ方向Ｐの直交方向Ｓに対し一定間隔に配置されていると共に、ガス流れ方向Ｐに沿って、１つ置きに交互にオフセットした状態で形成されている。また、このオフセット波板２３をガス流れ方向Ｐの中心を境として上流エリアと下流エリアに区分している。上流エリアと下流エリアの波の高さＨは同一で、上流エリアの山折れ部２６ａ、２６ｂの寸法Ｔに対し下流エリアの山折れ部２７ａ、２７ｂの寸法Ｔ′がＴの２分の１の幅に設定されている。
【００２７】
また、ガス流れ方向の寸法は、上流エリアと下流エリアの寸法Ｌは同一でもよいが、本実施形態では、上流エリアの寸法Ｌに対し、下流エリアの寸法Ｌ′は２分の１の寸法に設定している。
【００２８】
そして、このような構成のオフセット波板２３と平板３０とを同時に巻回して台形形状のセルを有する触媒担体２２が形成される。具体的には、オフセット波板２３の隣接する山折り部２６ａ、２６ｂの仕切りによって平板３０との間に、上流エリアの多数の担体セル２４が形成され、隣接する山折り部２７ａ、２７ｂの仕切りによって平板３０との間に、下流エリアの多数の担体セル２５がそれぞれ形成されている。これら多数の担体セル２４、２５は、山折り部２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂのオフセットによってガス流れ方向Ｐに対してオフセット状態で配置され、且つ、ガス流れ方向Ｐの上流エリアのセル密度より下流エリアのセル密度の方が大きく設定される。また、このように形成された触媒担体２２に触媒を担持する処理が施されている。
【００２９】
上記構成において、排気ガスが触媒担体２２中の担体セル２４、２５内を通過し、この通過の際に排気ガス内の有害成分が触媒に接触して浄化される。ここで、触媒担体２２の担体セル２４、２５は、ガス流れ方向Ｐに対してオフセットされているので、図３に示すように、排気ガスが担体セル２４、２５からこれに隣接する下流の担体セル２４、２５に移動する際にガス流れが拡散され、排気ガス内の有害成分が触媒と接触する頻度が高められる。
【００３０】
そして、排気ガス中の有害成分のガス濃度は、上流側の担体セル２４、２５内からその下流側の担体セル２５内を流れるに従って連続的に低下していくが、上流エリアの担体セル２４よりも下流エリアの担体セル２５の方がセル密度が高いため、図３に示すように、上流エリアよりも下流エリアの方がガス拡散が活発に行われセルを流れる有害成分が均一化されるとともに、排気ガス内の有害成分は、下流エリアでも触媒との接触が活発となる。なお、触媒担体２２は連続したものを製造すればよいため、途中で触媒作用を部分的に低下させることなく、製造コストも低く抑えることができる。本発明のオフセット波板を採用した触媒担体の触媒作用の向上について熱伝達のメカニズムをもとに説明する。
【００３１】
図４（ａ）は上流エリアにおける波板部分２６の斜面２６ｄの周囲を流れる流体の境界層（層流で流れる層）３１が発達する状態を示す説明図、図４（ｂ）は下流エリアにおける波板部分２７の斜面２７ｄの周囲を流れる流体の境界層３２の発達状態を示す説明図、図４（ｃ）は上流エリアにおける波板部分２６の奥行き長さと熱伝達率とを示すグラフ、図４（ｄ）は下流エリアにおける波板部分２７の奥行き長さと熱伝達率とを示すグラフである。
【００３２】
図４に示すように、流体中の波板部分の斜面２６ｄ、２７ｄには、流体の流れに沿って層流で流れる境界層３１、３２が発達する。境界層３１、３２は波板部分の最先端部で最も薄く、後方に向けて次第に厚くなっている。本実施形態では、境界層の発達を抑えるため、下流エリアで山折り部２７ａ、２７ｂの数を増やすと、波板部分の先端部の数が増え、面積を増やさなくても熱伝達率が向上する。図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す上流エリアにおける波板部分２６の熱伝達率と波板部分２６の端縁から流路下流方向の距離との関係を示している。また、図４（ｄ）は、図４（ｂ）に示す下流エリアにおける波板部分２７の熱伝達率と各波板部分２７の端縁から流路下流方向の距離との関係を示している。図４（ｃ）の平均熱伝達率と、図４（ｄ）の局所熱伝達率の平均熱伝達率との差が、所謂フィンエッジ効果であり、下流エリアにおける波板部分２７では、上流エリアにおける波板部分２６と同じ表面積であっても、平均熱伝達率が高くなっている。
【００３３】
触媒表面における熱移動速度と物質移動速度は、以下に示すような同じ形態の式（１）、（２）で表される。
【００３４】
（１）Ｑ＝ｈｐ（ｔｓ−ｔｇ）
Ｑ：単位面積あたりの熱移動速度
ｈｐ：熱伝達係数
ｔｓ：フィン（波板部分）温度
ｔｇ：ガス温度
（２）Ｎｊ＝ｋｇｊ（Ｃｊｓ−Ｃｊｇ）
Ｎｊ：反応成分ｊの移動速度
ｋｇｊ：物質移動係数
Ｃｊｓ：触媒面の反応物質濃度
Ｃｊｇ：ガス中の反応物質濃度
上記した熱移動速度の式（１）と物質移動速度の式（２）においては、熱伝達係数ｈｐと物質移動係数ｋｇｊとが、ガス流れの状態により影響を受ける。すなわち、境界層の厚さが薄くなるとこれらの係数が大きくなる。したがって、下流エリアにおける波板部分２７を設けることで境界層の厚さが薄くなる部分が増え触媒反応が促進される。
【００３５】
なお、本実施形態では、担体セル２４、２５のセル密度をガス流れ方向Ｐの中心を境として２段階に設定したが、３段階以上にセル密度を設定してもよいことはもちろんである。この場合、段階的にセル密度を設定することにより、上流側から下流側に向かってガス流れの拡散を段階的に大きくできる。また、担体セル２４、２５のセル密度は、上流側より下流側に向かって漸次高くなるように設定してもよい。このように構成すれば、上流側から下流側に向かってガス流れの拡散を連続的に徐々に大きくできる。
【００３６】
この実施形態では、上流側のセル密度と下流側のセル密度は、ほぼ１：２に設定されているが、ガス流れ方向Ｐの最上流端のセル密度と最下流端のセル密度との比は、１：５以内に設定することが好ましい。また、担体セル２４、２５のセル密度は、１００〜２０００ｃｐｓｉの範囲内に設定することが好ましい。
【００３７】
なお、この実施形態では、オフセット波板２３を平板３０とともに巻回した構成であるが、Ｓ字状に連続的に折り返して重ね合わせることによって触媒担体２２を形成してもよい。また、一定長さのオフセット波板２３と平板とを交互に階層状に積み重ねることによって触媒担体２２を形成してもよい。本発明では、オフセット波板２３の積層方法や担体セル２４、２５の形状も適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示し、（ａ）は触媒コンバータの断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】本発明の実施形態を示し、（ａ）はオフセット波板の展開図、（ｂ）はオフセット波板の上流エリアの一部正面図、（ｃ）はオフセット波板の下流エリアの一部正面図である。
【図３】本発明の実施形態を示し、触媒担体内の排気ガスの流れ状態を示す概念図である。
【図４】（ａ）は上流エリアの波板部分の斜面における境界層の発生状態を示す説明図、（ｂ）は下流エリアにおける波板部分の斜面における境界層の発生状態を示す説明図、（ｃ）は上流エリアの波板部分の熱伝達率と波板部分の流路方向長さとの関係を示すグラフ、（ｄ）は下流エリアの複数の波板部分の熱伝達率と波板部分の流路方向長さとの関係を示すグラフである。
【図５】触媒表面に発生する境界層と触媒反応との関係を示す説明図である。
【図６】従来例を示し、（ａ）は触媒コンバータの断面図、（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】従来例を示し、（ａ）はオフセット波板の斜視図、（ｂ）はオフセット波板の一部正面図である。
【図８】従来例を示し、触媒担体内の排気ガスの流れ状態を示す説明図である。
【図９】他の従来例を示し、触媒コンバータの断面図である。
【符号の説明】
２０  触媒コンバータ
２２  触媒担体
２３  オフセット波板
２４  上流エリアの担体セル
２５  下流エリアの担体セル
３０  平板
【図１】
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【図２】
2004249216.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004249216.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004249216.tif 000008
【図７】
2004249216.tif 000009
【図８】
2004249216.tif 000010
【図９】
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