JP3919034B2

JP3919034B2 - 無機繊維成形体および触媒コンバーター

Info

Publication number: JP3919034B2
Application number: JP10821297A
Authority: JP
Inventors: 守荘司; 利明笹木
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: JPH10288032A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機繊維成形体および触媒コンバーターに関するものであり、詳しくは、主に自動車に使用される触媒コンバーターのモノリス保持材として使用される無機繊維成形体であって、組立が容易で且つモノリスを安定的に固定し得る無機繊維成形体および当該無機繊維成形体を使用した触媒コンバーターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒コンバーターは、周知の通り、内燃機関の排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物などの有害成分を貴金属触媒によって除去する装置である。
【０００３】
特開平１−２４０７１５号公報には、無機繊維成形体から成るモノリス保持材を使用した触媒コンバーターが記載されている。上記の無機繊維成形体は、セラミック繊維マットと当該セラミック繊維マットに均一に分散された無機膨張材および均一に含浸され且つ熱分解によって消失する有機バインダーとから主として構成された膨張性マットに対し、アルミナ繊維マットを有機糸でステッチボンディングした積層体であり、膨張性マットの高温熱劣化をアルミナ繊維マットによって防止することを企図したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モノリス保持材としての上記の無機繊維成形体においては、アルミナ繊維マットが嵩高であるため、触媒コンバーターを組み立てる際、ケーシングへの装着が難しいと言う問題がある。しかも、膨張性マットに対するアルミナ繊維マットの接着の困難性から、有機糸によるステッチボンディングが採用されているが、ステッチボンディングによって繊維が痛み易く、その結果、モノリスに対する保持力が低下すると言う問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の実情に鑑みなされたものであり、その第１の目的は、モノリス保持材として使用した際、ケーシングへの装着を容易に行い得る様に改良された無機繊維成形体および当該無機繊維成形体を利用した触媒コンバータを提供することにあり、また、本発明の第２の目的は、繊維の痛みがなく、モノリス保持材として使用した際、モノリスに対する保持力を十分に発揮でき、モノリスを安定的に固定し得る様に改良された無機繊維成形体および当該無機繊維成形体を利用した触媒コンバータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の第１の要旨は、第１の無機繊維マットと第２の無機繊維マットとを積層して成る無機繊維成形体であって、第１の無機繊維マットは、厚さ方向に圧縮された結晶質アルミナ繊維マットと当該アルミナ繊維マットに均一に含浸され且つ熱分解によって消失する有機バインダーとから構成され、第２の無機繊維マットは、上記以外のセラミック繊維マットと当該セラミック繊維マットに均一に分散された無機膨張材および均一に含浸され且つ熱分解によって消失する有機バインダーとから主として構成され、無機繊維成形体全体の厚さに対する第１の無機繊維マットの厚さの比率が２０〜８０％に設定され、第１の無機繊維マットと第２の無機繊維マットとが有機バインダーによって貼着されていることを特徴とする無機繊維成形体に存する。
【０００７】
本発明の第２の要旨は、筒状に形成され且つ排気ガス浄化用触媒を担持するモノリスと、当該モノリスを収容し且つ排気ガス導管に接続される金属製のケーシングと、前記モノリスに巻回されて当該モノリスと前記ケーシングとの間隙に介装されるモノリス保持材とから構成された触媒コンバーターにおいて、前記モノリス保持材が上記の無機繊維成形体であり且つ前記モノリス側に第１の無機繊維マットが配置されていることを特徴とする触媒コンバーターに存する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、触媒コンバーターの構造を示す組立斜視図である。図２は、モノリスに対するモノリス保持材の巻回要領を示す斜視図である。図３は、無機繊維成形体により構成されたモノリス保持材の一部を示す斜視図である。
【０００９】
本発明の無機繊維成形体は、第１の無機繊維マットと第２の無機繊維マットとを積層して構成される。そして、第１の無機繊維マットとしては、厚さ方向に圧縮された結晶質アルミナ繊維マットと当該アルミナ繊維マットに均一に含浸され且つ熱分解によって消失する有機バインダーとから構成された無機繊維マットが使用される。
【００１０】
上記の様な特定構造の第１の無機繊維マットの使用により、本発明の無機繊維成形体は、モノリス保持材として使用した際、嵩高にならず、ケーシングへの装着を容易に行い得ると言う顕著な効果を発揮する。しかも、高温側に結晶質アルミナ繊維の第１の無機繊維マットを配置することにより、後述の第２の無機繊維マットの高温熱劣化が防止される。そして、本発明の好ましい態様においては、上記の結晶質アルミナ繊維としてムライト組成の繊維が使用される。斯かる好ましい態様により、本発明の無機繊維成形体は、モノリス保持材として使用した際、第２の無機繊維マットの高温熱劣化を一層防止でき、モノリスを一層安定的に固定し得ると言う効果を発揮する。
【００１１】
第１の無機繊維マットを構成する基材マットは、厚さ方向にほぼ均一に積層したアルミナ繊維の集合体であり、所謂ブランケット又はブロックと呼ばれるものを包含する。アルミナ繊維としては、通常、繊維径が１〜５０μｍ、繊維長が０．５〜５００ｍｍのものが使用されるが、復元力および形状保持性の観点からは、繊維径が３〜８μｍ、繊維長が０．５〜３００ｍｍの繊維が特に好ましい。
【００１２】
上記アルミナ繊維の組成としては、アルミナ−シリカ系結晶質短繊維であって、シリカ含有率が５重量％以下のアルミナ、すなわち、アルミナが９５重量％以上の高アルミナの他、アルミナが７０〜９５重量％で且つ残余がシリカで構成される一般的なものが挙げられる。特に、アルミナ７２〜８５重量％のムライト組成の繊維は、高温安定性および弾力性に優れており、好ましいアルミナ繊維である。
【００１３】
結晶質アルミナ繊維は、同じアルミナ−シリカ系の非結晶質セラミック繊維と比較して耐熱性に優れ、セラミック繊維の様に軟化収縮などの熱劣化が極めて少ないため、圧縮マットとした場合に弾力性に富んでいる。すなわち、結晶質アルミナ繊維マットは、低い嵩密度で高い保持力を発生し且つその温度変化が少ないと言う性質を持つ。従って、触媒コンバーターのモノリス保持材として使用した際、モノリス（１）と金属製のケーシング（２）との熱膨張の差によってモノリス（１）とケーシング（２）との間隙が変化し、その嵩密度が上昇した場合にも、モノリス（１）に対する保持圧が急激に変化することがない。
【００１４】
有機バインダーは、圧縮されたマットの厚さを常温下において維持でき、熱分解による消失後に上記マットの厚さを復元し得るものであれば特に制限なく使用できるが、モノリス（１）の使用温度以上でも分解しない様なもの、更には、有機バインダーを含浸させることによってマットの柔軟性および復元面圧特性を阻害し、モノリス（１）の破壊を助長する様な性質を持つ有機バインダーの使用は、避ける必要がある。有機バインダーとしては、各種のゴム、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを使用できる。
【００１５】
上記ゴム類としては、天然ゴム；エチルアクリレートとクロロエチルビニルエーテルの共重合体、ｎ−ブチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体、エチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体などのアクリルゴム；ブタジエンとアクリロニトリルの共重合体のニトリルゴム；ブタジエンゴム等が挙げられ、水溶性有機高分子化合物としては、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、アクリル酸、アクリル酸エステル、アクリルアミド、アクリロニトリル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル等の単独重合体および共重合体であるアクリル樹脂；アクリロニトリル・スチレン共重合体；アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体などが挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などが挙げられる。
【００１６】
上記の有機バインダーを有効成分とした水溶液、水分散型エマルション、ラテックス、有機溶媒溶液（これらを総称して「バインダー液」と言う）が市販されており、これらのバインダー液は、そのまま水などの溶媒で希釈して使用できるため、比較的安価に適用し得る。なお、有機バインダーは一種である必要はなく２種の混合物であってもよい。
【００１７】
上記の有機バインダーの中では、アクリルゴム、ニトリルゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール及びアクリルゴム以外のアクリル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種が好ましく、特に、アクリルゴム、ニトリルゴム等の合成ゴムのうち柔軟性のあるゴムが有効である。
【００１８】
有機バインダー含有量は、特に限定されるものではなく、第１の無機繊維マットを構成する繊維の種類、形状、マットの絶対厚さ、触媒コンバーターの金属製ケーシングに組み込む前の有機バインダーを含む成形体としての厚さ及び反発力によって決定される。有機バインダー含有量は、通常、アルミナ繊維１００重量部に対して有機バインダーの有効成分が３〜３０重量部にするのがよい。有機バインダーの含有量が３重量部未満の場合は、基材マットの反発によって成形体としての厚さを維持できない虞があり、３０重量部を超える場合は、コスト高になる他、成形体の柔軟性が損なわれる虞が生ずる。斯かる観点から、有機バインダーの上記割合は５〜２０重量部の範囲が好ましい。
【００１９】
第１の無機繊維マットは、結晶質アルミナ繊維の基材マットに有機バインダー液を含浸させる工程、有機バインダー液を含浸させたマットを厚さ方向に圧縮する工程、圧縮したままの状態で有機バインダー液の溶媒分を除去する工程を経て製造される。
【００２０】
第１の無機繊維マットは、次の様な特性を有しているのが好ましい。すなわち、仮に、第１の無機繊維マットのみでモノリス保持材を構成した場合、モノリス外周面とケーシング内面との間隙に相当する厚さの圧縮状態において、０．１〜８．０ｋｇｆ／ｃｍ2 の復元力を有しているのが好ましい。斯かるの復元力は、モノリスがセラミックス製の場合で０．５〜８．０ｋｇｆ／ｃｍ2 程度とされ、モノリスが金属製の場合で０．１〜４．０ｋｇｆ／ｃｍ2 程度とされる。
【００２１】
上記の復元力は、マットに均一に含浸された有機バインダーが熱分解によって消失した後に発現する。マットの復元力は、モノリス外周面とケーシング内面との間隙に相当する厚さにマットを圧縮するのに要する力（圧縮力）に相当する。従って、本発明においては、マット形成時の圧縮力によって上記の復元力の指標としている。
【００２２】
第２の無機繊維マット（膨張性マット）は、上記以外のセラミック繊維マットと当該セラミック繊維マットに均一に分散された無機膨張材および均一に含浸され且つ熱分解によって消失する有機バインダーとから主として構成される。そして、第２の無機繊維マットは、特開平１−２４０７１５号公報に記載の触媒コンバータにおける保持材と同様の膨張性マットとして機能し、６００℃以下の比較的低い温度領域で優れた膨張性を発揮する。
【００２３】
上記セラミック繊維としては、アルミナ系およびアルミナ−シリカ系以外のセラミック繊維、例えば、アルミ丿ケイ酸塩繊維（ファイバーフラックス、セラファイバー及びカオーウール等の商品）、石綿繊維、ガラス繊維などが挙げられ、上記の無機膨張材としては、中空ガラス微小球、ベントナイト、膨張性バーミュキュライト、金雲母、パーライト、膨張性黒鉛、膨張性フッ化雲母などが挙げられ、有機バインダーとしては、前述と同様の物質が挙げられる。
【００２４】
上記の各成分の使用割合は、セラミック繊維：１０〜５０重量％、無機膨張剤：２０〜６５重量％、有機バインダー：３〜２０重量％とされる。また、マットの形成は、周知の抄造法により行うことが出来、必要により、抄造して得たシートの積層化によってマットを形成してもよい。なお、膨張性マットには、必要に応じその他の無機充填材として例えばセピオライト鉱物などを含有させることが出来る。
【００２５】
本発明において、無機繊維成形体全体の厚さに対する第１の無機繊維マットの厚さの比率は、第２の無機繊維マット（膨張性マット）の高温熱劣化を有効に防止する観点から２０〜８０％、好ましくは４０〜８０％に設定されていることが重要である。すなわち、第１の無機繊維マットの厚さの比率が２０％未満の場合は、第２の無機繊維マット（膨張性マット）の高温熱劣化を十分に防止することが出来ない。また、第１の無機繊維マットの厚さの比率が８０％を超えた場合は、第２の無機繊維マットに熱が伝わり難くなり、当該第２の無機繊維マットの膨張材が十分に膨張しなくなる虞がある。
【００２６】
本発明の無機繊維成形体において、第１及び第２の無機繊維マットは、例えば次の様な方法で積層することが出来る。i ）バインダーで固められた第１及び第２の無機繊維マットを接着剤で貼着する方法、ii）第２の無機繊維マットの上において、第１の無機繊維マット用の基材マットを積層た後、当該基材マットに有機バインダー液を含浸させ、次いで、厚さ方向に圧縮した後、圧縮したままの状態で有機バインダー液の溶媒分を除去する方法である。
【００２７】
上記の様な方法によれば、上述の有機バインダーを含む接着剤によって２つのマットを貼着した構造を構成できる。すなわち、上記の方法によれば、従来のステッチボンディングの様に、嵩高にならず且つ各マットの繊維を破損することがなく、その結果、モノリス保持材として使用した際、装着性を向上でき且つモノリスに対する保持力の低下を防止できる。
【００２８】
図３に示す様に、本発明の無機繊維成形体をモノリス保持材（３）として使用する場合には、触媒コンバータ組立時のモノリス保持材（３）の捩れやずれを防止するため、図２に示す様に、モノリス（１）に巻回した際に互いに噛合わせ可能な接続部が巻回方向の両端部に設けられる。斯かる接続部は、裁断加工などによって容易に形成できる。なお、図３中、符合（３０）は第１の無機繊維マット、符合（３１）は第２の無機繊維マット、符合（３）は本発明の無機繊維成形体としてのモノリス保持材を示す。
【００２９】
本発明の無機繊維成形体から成るモノリス保持材（３）のモノリス（１）への巻回は、モノリス（１）側に第１の無機繊維マット（３０）が位置する様に行う。すなわち、モノリス（１）側に第１の無機繊維マット（３０）を配置することにより、第２の無機繊維マット（３１）の高温熱劣化を防止できる。
【００３０】
本発明の触媒コンバーターは、図１に示す様に、概略、筒状に形成され且つ排気ガス浄化用触媒を担持するモノリス（１）と、モノリス（１）を収容し且つ排気ガス導管に接続される金属製のケーシング（２）と、モノリス（１）に巻回されて当該モノリスとケーシング（２）との間隙に介装される前述のモノリス保持材（３）とから構成される。
【００３１】
モノリス（１）としては、コーディエライト等を主成分とするセラミックスによって構成されたモノリスの他、金属箔素材によって構成されたモノリスを使用することも出来る。特に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ又はＳｉを基本成分とするフェライト系ステンレス箔は、触媒を担持させる際のコート材および触媒との馴染みが良く、しかも、触媒担持後の熱的変化が比較的少ないため、金属製モノリスを構成するのに好適な素材である。モノリス（１）には、通常、Ｐｔ、Ｐｈ等の貴金属層を担持させることにより、触媒としての機能を付与される。
【００３２】
ケーシング（２）は、当該ケーシングの上半分を構成するケーシング部材（２ａ）及び下半分を構成するケーシング部材（２ｂ）の２つ部材を合わせて一体化する２分割のクラムシェル構造を備えている。ケーシング部材（２ａ）及び（２ｂ）は、各々、フランジ部（２１ａ）、（２１ｂ）を有し、フランジ部（２１ａ）、（２１ｂ）は、ケーシング部材（２ａ）及び（２ｂ）を溶接する際の接合面として機能する。また、一方のケーシング部材（２ｂ）の両端部には、排気ガス導管へ接続するための接続口（４）、（５）が設けられる。図１中、符号（２２ａ）及び（２２ｂ）は、自動車の車体などに固定するためのボルト穴を示す。なお、金属製ケーシングとしては、予め筒状に形成されてモノリスが装入されるスタッフィング構造のケーシングを採用することも出来る。
【００３３】
ケーシング（２）にモノリス（１）を収容する場合、モノリス（１）外周面とケーシング（２）内面とで形成される間隙に対し、モノリス保持材（３）が同じ厚さを有する必要はなく、僅かに厚いものまで装着が可能である。しかしながら、厚すぎた場合やケーシング（２）との滑りが悪い場合には、モノリス保持材（３）の繊維の一部がフランジ部（２１ａ）、（２１ｂ）の接合面にはみ出し、溶接が不可能となる等の不都合を生ずるため、その厚さは上記の間隙の１．０〜２．０倍に設定される。斯かる設定値の上限は、好ましくは１．７倍、更に好ましくは１．６とされる。
【００３４】
本発明の触媒コンバーターは、主に、自動車の排気ガス管に取り付けられる。本発明の触媒コンバーターにおいては、内燃機関から排出される高温の排気ガスを通過させた際、モノリス（１）、ケーシング（２）及びモノリス保持材（３）が昇温し、第１の無機繊維マット（３０）及び第２の無機繊維マット（３１）に含浸された有機バインダーが熱分解によって消失し、第１の無機繊維マット（３０）が復元力を発揮すると共に、第２の無機繊維マット（３１）が無機膨張材の膨張によって体積膨張する。すなわち、モノリス（１）は、第１の無機繊維マット（３０）の厚さの復元力および第２の無機繊維マット（３１）の体積膨張によって固定される。
【００３５】
しかも、本発明においては、モノリス（１）側に耐熱性に優れた第１の無機繊維マット（３０）が位置する様にモノリス保持材（３）が巻回されているため、モノリス保持材（３）の第２の無機繊維マット（３１）の熱劣化を有効に防止でき、温度変化に基づくモノリス（１）外周面とケーシング（２）内面との間隙の変化に追従してモノリス（１）に対する面圧を十分に保持できる。更に、上述した様に、モノリス保持材（３）においては繊維の痛みがないため、モノリス（１）に対する保持力の低下がなく、一層安定的にモノリス（１）を固定し得る
【００３６】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の無機繊維成形体によれば、モノリス保持材として使用した際、ケーシングへの装着を容易に行い得ると言う顕著な効果を奏する。しかも、結晶質アルミナ繊維マットにより外周側のセラミック繊維マットの高温熱劣化を防止でき、モノリスを安定的に固定できる。そして、繊維の破損がないため、モノリスに対する保持力の低下がなく、一層安定的にモノリスを固定し得ると言う効果を奏する。また、本発明の触媒コンバーターによれば、上記の無機繊維成形体の使用により、組立が容易となり且つモノリスを安定的に固定し得ると言う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒コンバーターの構造を示す組立斜視図である。
【図２】モノリスに対するモノリス保持材の巻回要領を示す斜視図である。
【図３】無機繊維成形体により構成されたモノリス保持材の一部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：モノリス
２：ケーシング
２ａ：ケーシング部材（金属製ケーシングの上半分）
２ｂ：ケーシング部材（金属製ケーシングの下半分）
２１ａ：フランジ部
２１ｂ：フランジ部
３：モノリス保持材
３０：第１の無機繊維マット
３１：第２の無機繊維マット
４：接続口（入口）
５：接続口（出口）

Claims

第１の無機繊維マットと第２の無機繊維マットとを積層して成る無機繊維成形体であって、第１の無機繊維マットは、厚さ方向に圧縮された結晶質アルミナ繊維マットと当該アルミナ繊維マットに均一に含浸され且つ熱分解によって消失する有機バインダーとから構成され、第２の無機繊維マットは、上記以外のセラミック繊維マットと当該セラミック繊維マットに均一に分散された無機膨張材および均一に含浸され且つ熱分解によって消失する有機バインダーとから主として構成され、無機繊維成形体全体の厚さに対する第１の無機繊維マットの厚さの比率が２０〜８０％に設定され、第１の無機繊維マットと第２の無機繊維マットとが有機バインダーによって貼着されていることを特徴とする無機繊維成形体。
第１の無機繊維マットを構成する結晶質アルミナ繊維がムライト組成の繊維である請求項１に記載の無機繊維成形体。
第１の無機繊維マットを構成する結晶質アルミナ繊維の平均繊維径が３〜８μｍであり且つ繊維長が０．５〜５００ｍｍである請求項１又は２に記載の無機繊維成形体。
筒状に形成され且つ排気ガス浄化用触媒を担持するモノリスと、当該モノリスを収容し且つ排気ガス導管に接続される金属製のケーシングと、前記モノリスに巻回されて当該モノリスと前記ケーシングとの間隙に介装されるモノリス保持材とから構成された触媒コンバーターにおいて、前記モノリス保持材が請求項１〜３の何れかに記載の無機繊維成形体であり且つ前記モノリス側に第１の無機繊維マットが配置されていることを特徴とする触媒コンバーター。