排气净化设备的制作方法
【专利摘要】（课题）提供一种排气净化设备，即使在使用中被施加猛烈振动，该排气净化设备也可以限制催化剂结构相对于缓冲材料的偏移，而且不用增大缓冲材料施加至催化剂结构的径向压力。（解决手段）通过将承载有金属催化剂的催化剂结构（3）容纳在圆筒状容器（1）中且使缓冲材料（2）介于二者之间而获得一种排气净化设备，其中催化剂结构（3）是利用湿式抄纸法获得的片状催化剂结构（3），并且所述催化剂结构（3）通过被压配合到缓冲材料（2）中而得以固定。特别地，通过在接触缓冲材料（2）的催化剂结构（3）的表面上形成定向纤维（h）而获得一种装置，所述纤维被定向成与压配合到所述缓冲材料（2）中的压配合方向基本正交的方向上。
【专利说明】排气净化设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种排气净化设备，该排气净化设备包括承载金属催化剂并借助于缓冲构件而包含在圆筒状容器中的蜂窝状催化剂构件。
【背景技术】
[0002]用于净化从车辆发动机等排出的排气的排气净化设备通常包括固定在圆筒状金属容器(由不锈钢制成)并适合于安装在车辆的消声器或排气管中的承载诸如钼、铑、钯等贵金属催化剂的蜂窝状催化剂构件(催化剂载体)。近年来，主要使用金属或陶瓷的蜂窝状催化剂构件作为排气净化设备的蜂窝状结构。
[0003]具体地说，当使用具有蜂窝状结构的陶瓷蜂窝状催化剂构件时，由于陶瓷的热膨胀系数与不锈钢相比极其小，因此在蜂窝状催化剂构件和不锈钢容器的接触表面之间将产生热应力。为了抑制上述热应力的产生，已经提出这样的排气净化设备，其中借助于缓冲构件将陶瓷蜂窝状催化剂构件压配合到不锈钢的金属容器内(例如参见专利文献I)。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006][专利文献I]:日本特开平第02-43955号公报
【发明内容】
[0007]本发明要解决的问题
[0008]然而，在现有技术的排气净化设备中，担心在车辆运行过程中当从车辆车身向排气净化设备施加猛烈振动时蜂窝状催化剂构件将在压配合方向上(蜂窝状催化剂构件的轴向方向上)相对于缓冲构件移位。即，由于陶瓷蜂窝状催化剂构件通常具有较小的表面粗糙度而相对于缓冲构件的摩擦阻力较小，因此担心当向蜂窝状催化剂构件和缓冲构件施加猛烈振动时蜂窝状催化剂构件的位置将相对于缓冲构件移位。
[0009]因而，必须通过缓冲构件向蜂窝状催化剂构件施加大径向压力以便使得催化剂不因为车辆引起的猛烈振动而相对于缓冲构件移位来解决上述问题。然而，在这种情况下存在的问题是，蜂窝状催化剂构件应该具有足以承受缓冲构件施加的大径向压力的高强度，并且将蜂窝状催化剂构件压配合到容器内的操作将变得困难。
[0010]因此，本发明的目的是提供一种排气净化设备，即使在车辆运行过程中向该排气净化设备施加猛烈振动，该排气净化系统也能够防止蜂窝状催化剂构件的位置相对于缓冲构件而移位，而不用增大缓冲构件施加至蜂窝状催化剂构件的径向压力。
[0011]解决问题的技术手段
[0012]为了实现上述目的，根据第一方面的发明，提供了一种排气净化设备，该排气净化设备包括承载金属催化剂并借助于缓冲构件而容纳在圆筒状容器中的蜂窝状催化剂构件，其特征在于，所述催化剂构件由通过湿式抄纸法(wet-paper-making method)制作并通过压配合到所述缓冲构件内而固定至该缓冲构件的片状催化剂结构形成。[0013]第二方面的发明是第一方面的排气净化设备，其中所述蜂窝状催化剂构件的与所述缓冲构件接触的接触表面具有与所述蜂窝状催化构件压配合到所述缓冲构件内的压配合方向基本正交的纤维流取向。
[0014]第三方面的发明是第二方面的排气净化设备，其中所述蜂窝状催化剂构件是通过对利用所述湿式抄纸法从凝聚物制成的片状催化剂结构进行烘焙而形成的，所述凝聚物是通过向由混合有预定纤维和粘合剂的预定量水形成的浆液添加凝聚剂获得的，并且其中所述纤维流取向是在所述片状催化剂结构的湿式抄纸过程期间形成的。
[0015]第四方面的发明是第三方面的排气净化设备，其中所述蜂窝状催化剂构件具有通过将波纹状的片状催化剂结构粘结到平坦的片状催化剂结构的至少一个表面上然后将它们卷成卷而形成的蜂窝状结构。
[0016]本发明的效果
[0017]根据第一方面的发明，由于催化剂结构构件由通过湿式抄纸法制作并通过压配合到缓冲构件内而固定至该缓冲构件的片状催化剂结构形成，因此即使在车辆运行过程中向排气净化设备施加猛烈振动也可以防止蜂窝状催化剂构件相对于缓冲构件的位置偏移，而且不用增大缓冲构件施加至蜂窝状催化剂构件的径向压力。
[0018]根据第二方面的发明，由于蜂窝状催化剂构件的与缓冲构件接触的接触表面具有与蜂窝状催化构件压配合到缓冲构件内的压配合方向基本正交的纤维流取向，因此可以增大蜂窝状催化剂构件和缓冲构件之间在压配合方向上的摩擦阻力，并因而即使在车辆运行过程中向排气净化设备施加猛烈振动也可以防止蜂窝状催化剂构件相对于缓冲构件的位置偏移，而且不用增大缓冲构件施加至蜂窝状催化剂构件的径向压力。
[0019]根据第三方面的发明，由于蜂窝状催化剂构件是通过对利用湿式抄纸法由凝聚物制成的片状催化剂结构进行烘焙而形成的，所述凝聚物是通过向由混合有预定纤维和粘合剂的预定量水形成的浆液添加凝聚剂而获得的，并且其中纤维流取向是在片状催化剂结构的湿式抄纸过程期间形成的，因此可以更容易地制造其中纤维流取向形成在与压配合到缓冲构件的压配合方向基本正交的方向上的蜂窝状催化剂构件。
[0020]根据第四方面的发明，由于蜂窝状催化剂构件具有通过将波纹状的片状催化剂结构粘结到平坦的片状催化剂结构的至少一个表面上然后将它们卷成卷而形成的蜂窝状结构，因此可以更容易地制造其中纤维流取向形成在与压配合到缓冲构件的压配合方向基本正交的方向上的蜂窝状催化剂构件。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1的(a)和(b)是示出了根据本发明的排气净化设备的示意性立体图(a)和平面图(b)；
[0022]图2的(a)和(b)是示出了在本发明的排气净化设备中使用的蜂窝状催化剂构件的示意性立体图(a)和平面图(b)；
[0023]图3是示出了排气净化设备的缓冲构件的立体图；
[0024]图4是示出了用于制作蜂窝状催化剂构件的片状催化剂结构的制造步骤的示意图；
[0025]图5是示出了用于制作蜂窝状催化剂构件的片状催化剂结构的卷绕步骤的示意[0026]图6的(a)至(d)是示出了在排气净化设备中使用的蜂窝状催化剂构件的制造步骤的示意图；
[0027]图7是示出了在排气净化设备中使用的蜂窝状催化剂构件的制造步骤的流程图；
[0028]图8是用于比较本发明的蜂窝状催化剂构件和现有在技术的陶瓷催化剂构件在轴向方向上的表面粗糙度的图表。
【具体实施方式】
[0029]将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。
[0030]本发明的排气净化设备安装在车辆的消音器或排气管内，用于净化排气，并主要包括中空圆筒状容器1、中空圆筒状缓冲构件2和实心的(即填充有蜂窝状催化剂)圆筒状蜂窝状催化剂构件3。
[0031]容器I是由不锈钢制成的金属圆筒状构件，其外周表面与车辆的消音器或排气管的内表面接触并固定至该内表面，其内周表面与缓冲构件2的外周表面(参见图3)接触以容纳该外周表面。也就是说，容器I形成了其中容纳缓冲构件2和蜂窝状催化剂构件3的排气净化设备的壳体。
[0032]如图3所示，缓冲构件2由包括70%氧化铝纤维和30%石英纤维的圆筒状无纺材料形成。缓冲构件2介于容器I和蜂窝状催化剂构件3之间，从而使得该缓冲构件2在其外周表面2a与容器I的内周表面接触的情况下组装至容器1，并在其内周表面2b与蜂窝状催化剂构件3的外周表面3a (参见图2)接触的情况下组装至蜂窝状催化剂构件3。
[0033]本发明的蜂窝状催化剂构件3首先由通过湿式抄纸法(所谓的“纸片加工方法”)制成的片状(纸状)催化剂结构形成，然后卷绕成如图2所示的卷以具有实心的(即填充有蜂窝状催化剂)的圆筒状构造，最后压配合到缓冲构件2内。根据本发明的特有特征，纤维流取向“h”(参见图2的(a)和图5)在与蜂窝状催化剂构件3压配合到缓冲构件2内的压配合方向(即轴向方向)基本正交的方向上形成在与缓冲构件2接触的表面(即蜂窝状催化剂构件3的外周表面3a)上。
[0034]然后，将参照图7的流程图描述本发明的片状催化剂结构3的制造方法。
[0035]首先，通过将陶瓷粉末、包括氧化铝/石英纤维的预定纤维(耐热纤维)、催化剂粉末、无机粘合剂和气孔控制剂等添加到预定量的水中以形成其中所述添加剂均匀分散的浆液来制备水溶液(浆液形成步骤Si)。然后，通过向该浆液添加凝聚剂而形成凝聚物(凝聚物形成步骤S2)，然后通过将该凝聚物制作成纸(湿式抄纸法)而形成片状(纸状)多孔结构(片材形成步骤S3)。
[0036]耐热纤维包括由以石英和氧化铝作为主要成分形成的非晶态陶瓷，并且通过湿式抄纸法形成为具有片状构造以形成蜂窝状催化剂构件3。如果其他耐热纤维材料，例如有机纤维(诸如芳香尼龙纤维)在化学和物理上稳定并且在纸制作步骤中能够获得高强度结构的细长纤维，则也可以使用这些纤维。另外，通过湿式抄纸法还可以形成具有高耐热性和化学及物体稳定性的玻璃纤维或碳纤维的纸状催化剂结构。
[0037]在金属催化剂粉末已经变化成具有金属氧化物载体的催化剂粉末之后，金属催化剂粉末能够通过湿式抄纸法而均匀地分散在多孔材料的气孔中并粘附于此。可以使用诸如钼、铑、钯等贵金属作为金属催化剂粉末来将排气中包含的例如NOx还原为N2，并由此净化排气。
[0038]使金属催化剂粉末粘附于多孔材料的孔主要通过无机粘合剂来进行。一般来说，无机粘合剂是耐热纤维和金属催化剂的粘合材料，并且分类成两种类型的无机粘合剂，其中一种是适合于通过熔化而粘合的材料，诸如玻璃等；另一种是由于脱水反应和烧结而通过化学粘合来增强的材料，例如胶状无机氧化物或硅胶(特别地，优选使用胶状硅石、胶状氧化铝、胶状氧化锆，这是由于它们的分散性和高强度)。优选使用后者作为本发明中的无机粘合剂。
[0039]用于形成凝聚物的凝聚剂包括高分子凝聚剂和金属阳离子，并具有强电荷。因而，凝聚剂中和了彼此作用排斥力的纤维水溶液中的电荷，并迫使纤维缠结。高分子凝聚剂倾斜于穿入纤维之间的空间内，并用来增加粘合力。另一个方面，使用在其水溶液中含有AL3+阳离子的明矾、硫酸铝等作为金属阳离子。
[0040]根据本发明，如图4所示，通过在容纳箱体4中包含预定量的包括预定纤维和粘合剂等的所述凝聚物(通过浆液形成步骤SI和凝聚物形成步骤S2形成的凝聚物)并通过在液面附近的位置旋转的圆筒状模具5 (即用于将恒定量的浆液传送到辊6的圆筒状筛网构件)舀出箱体4中的液体，来制造预定厚度的片状催化剂结构P。该片状催化剂结构P被从辊6连续地传送到辊挤压器7，通过使用辊挤压器7施加预定压力而被调节至期望厚度。
[0041]由辊挤压器7挤压并具有预定厚度的片状催化剂结构P被连续地供送至干燥机器8，并在传送通过干燥机器8的过程中被干燥(干燥步骤S4)。干燥的片状催化剂结构P然后由卷绕机器9连续地卷绕，如图4和5所示(卷绕步骤S5)。因而，能够获得预定量的片状催化剂结构P。然后，通过以稍后描述的方式将片状催化剂结构P形成为蜂窝状结构并随后对其进行烘焙而将该片状催化剂结构P形成为多孔结构的蜂窝状催化剂构件3。用作催化剂金属的贵金属保持在被承载在片状催化剂结构P的孔内的状态中。
[0042]根据本发明，纤维流取向“h”可以在片状催化剂结构P的纸制作步骤(具体地说，从通过圆筒状模具实施5的纸制作步骤到通过卷绕机器9实施的卷绕步骤的步骤)过程中形成。也就是说，由于纤维在纸制作步骤过程中定向至传送方向，因此纤维流取向“h”自然地形成为图5所示那样。在本发明中，术语“纤维流取向”是指纤维的具体方向，特别是片状催化剂结构P的传送方向(供送方向)。
[0043]如图6的(a)所示，由卷绕机器9卷绕的片状催化剂结构P被制备成两种类型的片材:一种是笔直片状催化剂结构Pa，另一种是波纹状片状催化剂结构Pb。预定长度的波纹状片状结构Pb通过粘结剂等粘结至笔直片状结构Pa的至少一个表面，如图6的(b)所示。然后，如图6的(c)所示将粘结的片状结构Pa、Pb卷绕成预烘培蜂窝状构件3’(图6的(d))。
[0044]蜂窝状催化剂构件3 (图2)可以通过在1450°C到1550°C的温度下烘焙该预烘培蜂窝状催化剂构件3’而获得。将通过一系列制造步骤完成的蜂窝状催化剂构件3压配合到之前容纳在容器I中的缓冲构件2内以获得如图1中所示的排气净化设备。因而，在其外周表面3a上形成纤维流取向“h”的蜂窝状催化剂构件3紧密地装配在缓冲构件的内周表面2b上并与该内周表面2b接触。
[0045]图8示出了根据本发明制造的蜂窝状催化剂构件3和现有技术的陶瓷催化剂构件的在轴向方向(与压配合方向基本正交的方向)上的表面粗糙度的比较结果。如图8所示，在蜂窝状催化剂构件3的轴向方向上的表面粗糙度为大约5.916 ( μ m)(图8中的右侧)，另一方面，现有技术的陶瓷蜂窝状催化剂构件的在轴线方向上的表面粗糙度为大约3.576(μπι)(图8中的左侧)。从该结果可以看出，蜂窝状催化剂构件3的在轴向方向上的表面粗糙度大于现有技术的陶瓷蜂窝状催化剂构件的在轴向方向上的表面粗糙度。
[0046]根据本发明，由于蜂窝状催化剂构件3由通过制成的片状催化剂结构P形成并且被压配合至所述缓冲构件，因此可以增大蜂窝状催化剂构件3和缓冲构件2之间的摩擦阻力，因而即使在车辆运行过程中向排气净化设备施加猛烈振动也可以防止蜂窝状催化剂构件3相对于缓冲构件2的位置偏移，而且不用增大缓冲构件2施加在蜂窝状催化剂构件3的径向压力。
[0047]根据本发明，由于蜂窝状催化剂构件3由通过产生与蜂窝状催化剂构件3的压配合方向基本正交的纤维流取向“h”的湿式抄纸法制成的片状催化剂结构P形成，因此可以增大蜂窝状催化剂构件3和缓冲构件2之间的摩擦阻力，因而即使在车辆运行过程中向排气净化设备施加猛烈振动也可以防止蜂窝状催化剂构件3相对于缓冲构件2的位置偏移，而且不用增大缓冲构件2施加在蜂窝状催化剂构件3的径向压力。
[0048]另外，由于通过烘培成卷的片状催化剂结构P (该片状催化剂结构P是通过将从浆液制备的凝聚物制作成纸形成的，该浆液是通过将预定量的水混合有预定的纤维和粘合剂并添加凝聚剂形成的)来制造蜂窝状催化剂构件3，因此可以容易地获得其中纤维流取向“h”形成在与蜂窝状催化剂构件3相对于缓冲构件2的压配合方向基本正交的方向上的蜂窝状催化剂构件3。特别地，由于纤维流取向“h”在纸制作方法中在片状催化剂结构P的传送过程中自然地形成，可以抑制制造成本，而且无需形成纤维流取向的单独部分。
[0049]此外，由于蜂窝状催化剂构件3具有通过将波纹状片状催化剂结构Pb粘结到平坦片状催化剂结构Pa的至少一个表面然后通过将它们卷成卷而形成的蜂窝状结构，还可以更容易地制造其中纤维流取向“h”形成在与压配合到缓冲构件2中的压配合方向基本正交的方向上的蜂窝状催化剂构件3。该蜂窝状结构使得排气能够顺利流过蜂窝状催化剂构件3，因而确定地进行排气净化作用。
[0050]已经参照优选实施方式描述了本发明。显然，在阅读并理解之前的详细描述之后本领域技术人员将想到修改和改变。只要这些修改和变化落入所附权利要求或其等同物的范围内，则意图将本发明解释为包括所有这种变化和修改。例如，可以将通过湿式抄纸法形成但没有形成所述纤维取向的蜂窝状构件压配合在缓冲构件2内，或者可以使用在压配合方向上或从该压配合方向上偏离的方向上形成纤维流取向的蜂窝状催化剂构件。也就是说，由于蜂窝状催化剂构件包括通过湿式抄纸法制造的片状催化剂结构，因此通过蜂窝状催化剂构件的表面上存在的纤维在蜂窝状催化剂构件和缓冲构件2之间产生了大的摩擦阻力。尽管已经描述了在纸制作(具体地，片状催化剂结构P的传送)过程中形成纤维流取向“h”，但是可以在纸制作过程以外的其他过程中形成该纤维流取向“h”。
[0051]工业实用性
[0052]只要蜂窝状催化剂构件包括通过湿式抄纸法制作的片状催化剂结构并且该蜂窝状催化剂构件压配合在缓冲构件内，就可以将本发明应用于除了车辆的其他类型的排气净化设备。[0053]附图标记描述[0054]I容器[0055]2缓冲构件[0056]3蜂窝状催化剂构件[0057]4箱体[0058]5圆筒状模具[0059]6辊[0060]7辊挤压器[0061]8干燥机器[0062]9卷绕机器[0063]P片状催化剂结构[0064]h纤维流.取向。
【权利要求】
1.一种排气净化设备，该排气净化设备包括承载金属催化剂并借助于缓冲构件(2)而容纳在圆筒状容器(I)中的蜂窝状催化剂构件(3)，其特征在于，所述蜂窝状催化剂构件(3)由通过湿式抄纸法制作并通过被压配合到所述缓冲构件(2)内而被固定至该缓冲构件(2)的片状催化剂结构(P)形成。
2.根据权利要求1所述的排气净化设备，其中，所述蜂窝状催化剂构件(3)的与所述缓冲构件(2)接触的接触表面具有纤维流取向(h)，该纤维流取向(h)与所述蜂窝状催化剂构件(3 )被压配合到所述缓冲构件(2 )内的压配合方向基本正交。
3.根据权利要求2所述的排气净化设备，其中，所述蜂窝状催化剂构件(3)是通过对利用所述湿式抄纸法由凝聚物制成的片状催化剂结构(P)进行烘焙而形成的，所述凝聚物是通过向由混合有预定纤维和粘合剂的预定量水形成的浆液添加凝聚剂而获得的，并且其中所述纤维流取向(h)是在所述片状催化剂结构(P)的湿式抄纸过程期间形成的。
4.根据权利要求3所述的排气净化设备，其中，所述蜂窝状催化剂构件(3)具有通过将波纹状片状催化剂结构(Pb)粘结到平坦的片状催化剂结构(Pa)的至少一个表面上然后将它们卷成卷而形成的蜂窝状结构。
【文档编号】B01D53/86GK103429345SQ201280012585
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月10日
【发明者】菅健太郎, 大桥健司 申请人:株式会社F.C.C.