催化剂结构体的制作方法

本发明涉及催化剂结构体。

背景技术：

在内燃机的排气通路具备的催化剂结构体中，已知有取代由陶瓷或金属薄板形成的独石型的基材而利用金属细线编织基材的技术(例如，参照专利文献1。)。该技术的基材将与排气的流动方向正交的经线组、与排气的流动方向正交且与经线组正交的纬线组、与排气的流动方向平行且与经线组及纬线组正交的垂直线组组合而形成为三维形状。

【专利文献1】日本特开昭63-302953号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

上述催化剂结构体通过将基材形成为网眼状而使表面积增加，由此，以使排气与催化剂的接触的机会增加为目标。然而，在上述结构中，由于在排气的流动方向上基材的截面积较大地变化而排气的压缩与膨胀连续地反复。即，在排气通过经线或纬线的旁边时排气被压缩，在排气通过了经线或纬线的旁边之后排气膨胀。通过这样的排气的压缩与膨胀的反复，发现了与以往的独石型的基材相比而流路阻力增大的情况。

本发明鉴于上述那样的问题点而作出，其目的在于提供一种能够降低流路阻力并提高净化率的催化剂结构体。

用于解决课题的方案

本发明的方案之一是催化剂结构体，设于内燃机的排气通路，其中，所述催化剂结构体具备将线状的部件组合而形成的基材，所述线状的部件中不包含与排气的流动方向正交地配置的线状的部件而包含相对于排气的流动方向倾斜地配置的线状的部件。

通过将线状的部件组合来构成基材，与由面构成的基材相比能够增大表面积。因此，能够增加排气与催化剂接触的机会，因此排气的净化率有望提高。在此，假设在排气的流动方向上基材的截面积变化时，由于流路面积变化，因此产生排气的膨胀及压缩，因此压力损失增加。即，与排气的流动方向正交的截面中的基材的截面积在排气的流动方向上较大地变化时，压力损失增大。并且，在与排气的流动方向正交地配置线状的部件的情况下，基材的截面积的变化增大。在该情况下，排气在线状的部件的旁边通过时，排气被压缩，排气在通过了线状的部件之后排气膨胀，因此压力损失增大。另一方面，通过将线状的部件相对于排气的流动方向倾斜配置，能够抑制基材的截面积在排气的流动方向上的变化，因此能够抑制流路面积的变化。即，在将线状的部件组合来形成基材的情况下，如果不包含与排气的流动方向正交地配置的线状的部件而包含相对于排气的流动方向倾斜地配置的线状的部件，则能够抑制基材的截面积在排气的流动方向上的变化。通过这样形成基材，能够抑制与排气的流动方向正交的截面中的基材的截面积在排气的流动方向上的变化。由此，能够抑制排气的膨胀及压缩的产生，因此能够减少压力损失。这样，能够减少流路阻力并提高排气的净化率。

另外，可以是，所述基材具备：将所述线状的部件相对于排气的流动方向倾斜地配置的多个倾斜部；及在各个所述倾斜部的两端使多个所述倾斜部交叉的交叉部，在各个所述交叉部，在排气的流动方向的上游侧及下游侧，以该交叉部为中心而将多个所述倾斜部配置成放射状。

在各个交叉部，多个倾斜部朝向上游侧具备的多个交叉部呈放射状地配置，而且，多个倾斜部朝向下游侧具备的多个交叉部呈放射状地配置。并且，在呈放射状地配置的各个倾斜部的相反侧的端部也分别形成有同样的交叉部。因此，能够将倾斜部及交叉部沿排气的流动方向反复配置。此外，能够以线状的部件与排气的流动方向不正交的方式配置线状的部件。由此，能够抑制排气的膨胀及压缩的产生，因此能够减少压力损失。即，通过将倾斜部相对于排气的流动方向倾斜配置，能够抑制在排气的流动方向上基材的截面积较大地变化，因此能够减少压力损失。而且，由于排气的流路形成为网眼状，因此能够增加排气与催化剂接触的机会。而且，通过设置交叉部，能够提高基材的刚性。交叉部可以与排气的流动方向平行地沿排气的流动方向具有长度。

另外，所述基材可以在排气的流动方向的下游侧比上游侧密。基材密是指基材的密度增加。在此，排气在通过催化剂结构体时，越靠下游侧则被净化物质的浓度越低，因此越靠下游侧则被净化物质的反应速度越下降。即，越靠下游侧，被净化物质的净化率越下降。相对于此，如果基材在下游侧比上游侧密，则能够增加被净化物质与催化剂接触的机会，因此能够提高被净化物质的净化率。

另外，可以是越靠排气的流动方向的下游侧，所述倾斜部相对于排气的流动方向的角度越大。这样，通过越靠下游侧则倾斜部的角度越大，能够使基材越靠下游侧则越密。而且，通过基材连续地变密，能够抑制压力损失的增加。

另外，可以是所述基材在排气的流动方向的上游侧比下游侧密。如果基材在上游侧比下游侧密，则在上游侧能够受到更多的热量，而且，能够抑制从基材向外部的热量的放出。因此，能够使上游侧的基材的温度更快速地上升，因此即使在冷起动时等的催化剂的温度低的情况下，也能够提前将被净化物质净化。因此，能够提高例如内燃机的冷起动时的被净化物质的净化率。

另外，可以是越靠排气的流动方向的上游侧，所述倾斜部相对于排气的流动方向的角度越大。这样，通过越靠上游侧则倾斜部的角度越大，能够使基材越靠上游侧则越密。而且，通过基材连续地变密，能够抑制压力损失的增加。

另外，可以是所述基材在与排气的流动方向正交的方向上密度不同。在该情况下，可以是在排气管的中心轴的延长线上使基材的密度最高，随着离开排气管的中心轴的延长线而降低基材的密度。而且，可以使基材的中心轴侧的基材密度比基材的外周侧的基材密度大。在此，基材的密度越高则排气越难以流动。利用该现象，通过提高排气更多地流入的部位的密度，能够使排气均匀地流向整个基材。由此，能够提高被净化物质的净化率。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够减少流路阻力并提高净化率的催化剂结构体。

附图说明

图1是从排气的流动方向的上游侧观察实施方式1的催化剂结构体的图。

图2是将实施方式1的催化剂结构体与排气的流动方向平行地利用该催化剂结构体的中心轴剖切时的剖视图。

图3是实施方式1的基材的放大图。

图4是实施方式1的交叉部沿排气的流动方向具有长度时的基材的放大图。

图5是图2的a-a截面的剖视图。

图6是图2的b-b截面的剖视图。

图7是表示排气的流量与比基材靠上游侧和下游侧的差压的关系的图。

图8是从排气的流动方向的上游侧观察实施方式2的催化剂结构体的图。

图9是将实施方式2的催化剂结构体与排气的流动方向平行地利用该催化剂结构体的中心轴剖切时的剖视图。

图10是从排气的流动方向的上游侧观察实施方式3的催化剂结构体的图。

图11是将实施方式3的催化剂结构体与排气的流动方向平行地利用该催化剂结构体的中心轴剖切时的剖视图。

图12是从排气的流动方向的上游侧观察实施方式4的催化剂结构体的图。

图13是实施方式5的基材的放大图。

附图标记说明

1催化剂结构体

2外周部

3基材

3a倾斜部

3b交叉部

具体实施方式

以下，参照附图，例示性地详细说明用于实施本发明的方式。但是，该实施方式记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别记载，就不是将本发明的范围仅限定于此的主旨。

<实施方式1>

图1及图2是本实施方式的催化剂结构体的示意图。图1是从排气的流动方向的上游侧观察催化剂结构体1的图，图2是将催化剂结构体1与排气的流动方向平行地利用该催化剂结构体1的中心轴剖切时的剖视图。在图2中，左侧为排气的流动的上游侧，右侧为排气的流动的下游侧。催化剂结构体1设置于内燃机的排气通路。催化剂结构体1由筒状的外周部2和形成在外周部2内的基材3构成。基材3由能够耐受排气的温度的材料且能够载持催化剂(例如pt、pb、ba、li、k等)的材料(例如金属或陶瓷等)形成。外周部2与基材3可以由相同材料形成，但是也可以由不同的材料形成。需要说明的是，在通过陶瓷形成基材3的情况下，可以使催化剂预先包含于陶瓷。

基材3将上述材料形成为线状而构成。基材3与外周部2一起使用例如3d打印机而立体地形成。图3是基材3的放大图。基材3分别具备多个相对于图3中的箭头所示的排气的流动方向(即，与催化剂结构体1的中心轴平行的方向)倾斜配置的线状的倾斜部3a和将多个倾斜部3a交叉接合的多个交叉部3b。需要说明的是，在图3中，省略在交叉部3b交叉的倾斜部3a的一部分的图示。多个倾斜部3a从各个交叉部3b朝向位于排气的流动方向的斜下游侧的其他的多个交叉部3b呈放射状地延伸。在从排气的流动的上游侧观察的情况下，各个倾斜部3a从交叉部3b等角度地呈放射状延伸。因此，如图3那样，在4个倾斜部3a从各交叉部3b延伸的情况下，在从排气的流动的上游侧观察时，各个倾斜部3a以交叉部3b为中心以90度间隔配置。而且，以各倾斜部3a相对于排气的流动方向的角度也相同的方式配置各倾斜部3a。在与排气的流动方向正交的方向上配置有多个同样的交叉部3b。并且，从在与排气的流动方向正交的方向上相邻的4个交叉部3b向排气的流动方向的下游侧分别延伸的4个倾斜部3a在下游侧的交叉部3b交叉并接合。在该交叉部3b交叉的倾斜部3a也在从排气的流动的上游侧观察时等角度地配置。这样，在各个交叉部3b，从位于排气的流动方向的斜上游侧的多个交叉部3b延伸的多个倾斜部3a交叉。而且，在各个交叉部3b中，多个倾斜部3a朝向位于排气的流动方向的斜下游侧的多个交叉部3b呈放射状地延伸。这样，通过沿排气的流动方向交替配置倾斜部3a与交叉部3b，从而将基材3形成为不包含与排气的流动方向正交地配置的线状的部件而包含相对于排气的流动方向倾斜配置的线状的部件。

需要说明的是，交叉部3b可以沿排气的流动方向具有长度。图4是交叉部3b沿排气的流动方向具有长度时的基材3的放大图。图4的交叉部3b形成为具有与排气的流动方向平行的中心轴的圆柱形状。因此，可以说交叉部3b也不与排气的流动方向正交。而且，在图3及图4中，倾斜部3a及交叉部3b分别形成为圆柱形状，但是形状并不局限于此，例如可以形成为截面为多边形。而且，从各交叉部3b朝向位于下游侧的其他的交叉部3b延伸的倾斜部3a的个数并不局限于4个。

图5是图2的a-a截面的剖视图。图6是图2的b-b截面的剖视图。图5是在倾斜部3a将基材3剖切的剖视图，图6是在交叉部3b将基材3剖切的剖视图。以与排气的流动方向正交的截面的基材3的截面积在排气的流动方向上成为恒定的方式形成基材3。即，以图5中的倾斜部3a的截面的总面积与图6中的交叉部3b的截面的总面积成为相同的方式，决定倾斜部3a的角度以及倾斜部3a及交叉部3b的尺寸。

在此，不是通过面而是通过线构成基材3，由此能够增大每平均开口面积的表面积。需要说明的是，开口面积是利用与排气的流动方向(即催化剂结构体1的中心轴方向)正交的面剖切基材3时的空间的面积(基材3不存在的部位的面积)。平均开口面积是将排气的流动方向的各个开口面积进行了平均的面积。由于每平均开口面积的表面积增大而排气与催化剂的接触的机会增加，因此能够提高净化率。

另外，基材3的截面积在排气的流动方向上恒定，由此在排气通过催化剂结构体1时，能抑制排气反复进行膨胀与压缩的情况。因此，能够减少压力损失。需要说明的是，基材3的截面积不需要在排气的流动方向上严格地恒定，只要压力损失为容许范围内即可，基材3的截面积可以变化。例如，与排气的流动方向正交的截面中的基材3的截面积只要在排气的流动方向上不同的任意的两处进行了比较时的截面积之差成为预定值以下即可。该预定值以排气通过催化剂结构体1时的压力损失成为容许范围内的方式通过实验或模拟等来求出。

图7是表示排气的流量与比基材3靠上游侧和下游侧的差压的关系的图。可以说，该差压越大，则压力损失越大。实线表示本实施方式的基材3的情况，虚线表示将与排气的流动方向正交的经线组、与排气的流动方向正交且与经线组正交的纬线组、与排气的流动方向平行且与经线组及纬线组正交的垂直线组组合而形成为三维形状的基材(例如日本特开昭63-302953号公报记载的基材：以下也称为以往的基材)的情况。将本实施方式的基材3与以往的基材以表面积相同的条件进行比较。如图7所示，与以往的基材相比本实施方式的基材3的差压小。因此，在表面积相同的条件下，与以往的基材相比本实施方式的基材3的压力损失小。

另外，在以往的基材中，在从排气的流动方向的上游侧观察基材的情况下，由经线及纬线围成的空间(金属细线不存在的空间)比较大，因此在该空间的中心附近流动的排气保持与经线、纬线、垂直线都不接触的状态而容易穿过基材。因此，仅仅是增大基材的表面积的话，预估不到净化率的大幅的提高。另一方面，在本实施方式的基材3中，倾斜部3a相对于排气的流动而倾斜配置，因此能促进与排气的接触。因此，能够提高净化率。

这样，以没有与排气的流动正交的线的方式形成基材3即以形成基材3的线相对于排气的流动方向倾斜或平行的方式形成基材3，由此能够抑制截面积的变化，因此能够减少压力损失。而且，通过利用线构成基材3而能够进一步增大表面积。而且，倾斜部3a从交叉部3b朝向下游侧相对于排气的流动方向倾斜地呈放射状扩展，由此排气与催化剂容易接触。因此，根据本实施方式的催化剂结构体1，能够减少流路阻力并提高净化率。

<实施方式2>

图8及图9是本实施方式的催化剂结构体的示意图。图8是从排气的流动方向的上游侧观察催化剂结构体1的图，图9是将催化剂结构体1与排气的流动方向平行地利用该催化剂结构体1的中心轴剖切时的剖视图。在图9中，左侧为排气的流动的上游侧，右侧为排气的流动的下游侧。本实施方式的催化剂结构体1以在排气的流动方向上基材3在下游侧比上游侧密的方式形成。即，以在排气的流动方向上每单位体积的基材3的密度在下游侧比上游侧大的方式形成基材3。在此，通过越靠下游侧则倾斜部3a相对于排气的流动方向的角度越大(倾斜部3a相对于排气的流动方向的角度越接近于直角)，能够在排气的流动方向上使基材3在下游侧比上游侧密。此时，通过在排气的流动的剥离不产生的斜度的范围内使倾斜部3a的角度变化，能够抑制压力损失的增加，并增加排气与催化剂接触的机会。该排气的流动的剥离不产生的斜度的范围可以通过实验或模拟等求出。需要说明的是，在本实施方式中，也可以是以与排气的流动方向正交的截面中的基材3的截面积在排气的流动方向上的不同的任意的两处进行了比较时的截面积之差成为预定值以下的方式，决定倾斜部3a的角度以及倾斜部3a及交叉部3b的尺寸。

通过催化剂结构体1的排气一边利用催化剂将被净化物质净化，一边朝向下游侧流动。因此，在催化剂结构体1中，越靠下游侧则被净化物质的浓度越低。催化剂的被净化物质的浓度越高则被净化物质的反应速度越高，因此在催化剂结构体1的下游侧，被净化物质的反应速度下降而被净化物质难以净化。相对于此，通过越靠下游侧则使基材3越密，能够越靠下游侧则越增加排气与催化剂接触的机会。由此，在催化剂结构体1的下游侧，即便被净化物质的反应速度下降，也能够抑制被净化物质的净化率的下降。

需要说明的是，在催化剂结构体1中下游侧的基材3比上游侧密的情况下，可以逐级地变密，也可以连续地变密。通过这样连续地使基材3变密，能够进一步抑制压力损失的增加。

如以上说明那样，根据本实施方式的催化剂结构体1，能够减少流路阻力，并提高净化率。

<实施方式3>

图10及图11是本实施方式的催化剂结构体的示意图。图10是从排气的流动方向的上游侧观察催化剂结构体1的图，图11是将催化剂结构体1与排气的流动方向平行地利用该催化剂结构体1的中心轴剖切时的剖视图。在图11中，左侧为排气的流动的上游侧，右侧为排气的流动的下游侧。本实施方式的催化剂结构体1以在排气的流动方向上基材3在上游侧比下游侧密的方式形成。即，以在排气的流动方向上每单位体积的基材3的密度在上游侧比下游侧大的方式形成基材3。在此，通过越靠上游侧则倾斜部3a相对于排气的流动方向的角度越大(倾斜部3a相对于排气的流动方向的角度越接近于直角)，能够在排气的流动方向上使基材3在上游侧比下游侧密。此时，通过在排气的流动的剥离不产生的斜度的范围内使倾斜部3a的角度变化，能够抑制压力损失的增加，并增加排气与催化剂接触的机会。该排气的流动的剥离不产生的斜度的范围可以通过实验或模拟等求出。需要说明的是，在本实施方式中，也可以是以与排气的流动方向正交的截面中的基材3的截面积在排气的流动方向上的不同的任意两处进行了比较时的截面积之差成为预定值以下的方式，决定倾斜部3a的角度以及倾斜部3a及交叉部3b的尺寸。

由于在内燃机的冷起动时等催化剂的温度低，通过催化剂难以将被净化物质净化。在这样的情况下，希望提前使催化剂的温度上升。在此，通过使基材3越靠上游侧则越密，能够使排气与催化剂接触的机会越靠上游侧则越增加。由此，在基材3的上游侧能够更多地接受排气的热量，因此能够使基材3的上游侧的温度快速上升。因此，在基材3的上游侧，能够快速地进行被净化物质的净化。假设越靠基材3的下游侧则越密的情况下，虽然在基材3的上游侧温度快速上升，但是由于基材3的密度低，因此净化率低。而且，当在基材3的上游侧接受的热量从外周部2向外部放出时，下游侧的温度上升变得缓慢，作为催化剂整体的净化率上升需要时间。

需要说明的是，在催化剂结构体1中，在上游侧的基材3比下游侧密的情况下，可以逐级变密，也可以连续变密。通过这样连续地使基材3变密，能够进一步抑制压力损失的增加。

如以上说明那样，根据本实施方式的催化剂结构体1，从内燃机的冷起动时等的催化剂的温度低的状态开始，能够使催化剂的温度快速上升。即，能够减少流路阻力并提高净化率。

<实施方式4>

图12是本实施方式的催化剂结构体的示意图。图12是从排气的流动方向的上游侧观察催化剂结构体1的图。本实施方式的催化剂结构体1以在与排气的流动方向正交的方向上基材3的中心侧与外周部2侧相比基材3密的方式形成。即，以在与排气的流动方向正交的方向上每单位体积的基材3的密度在中心侧比外周部2侧增大的方式形成基材3。通过这样形成基材3，基材3的中心部的惯性阻力更大，因此排气难以流动。需要说明的是，在本实施方式中，也可以是以与排气的流动方向正交的截面中的基材3的截面积在排气的流动方向上的不同的任意的两处进行了比较时的截面积之差成为预定值以下的方式，决定倾斜部3a的角度以及倾斜部3a及交叉部3b的尺寸。

在此，如果基材3的密度假定为恒定，则在催化剂结构体1的中心轴位于与催化剂结构体1连接的排气管的中心轴的延长线上的情况下，从排气管向催化剂结构体1流入的排气在基材3的中心轴附近容易流通。在该情况下，主要利用基材3的中心轴附近的催化剂将被净化物质净化，因此在外周部2附近难以说是能充分发挥催化剂的功能。另一方面，在本实施方式的基材3中，越接近中心轴则基材3越密而惯性阻力越增大，因此排气难以通过。因此，流入到催化剂结构体1的排气的一部分在基材3的上游侧端部从中心轴附近朝向外周部2流动。由此，在外周部2附近的基材3也能够使更多的排气流通。需要说明的是，以基材3内的排气的流动变得均匀的方式通过实验或模拟等求出基材3的半径方向的密度。

在上述说明中，说明了基材3的中心轴位于排气管的中心轴的延长线上的情况，但是也存在排气管的中心轴与基材3的中心轴偏离的情况。在该情况下，只要以排气管的中心轴的延长线上的基材3的密度最高且从此越朝向外周部2侧则密度越低的方式形成基材3即可。

如以上说明所述，根据本实施方式的催化剂结构体1，由于排气均匀地流过基材3，因此能够充分发挥催化剂的净化性能。即，能够减少流路阻力并提高净化率。需要说明的是，除了本实施方式的结构之外，也可以如实施方式2中说明那样，以越靠下游侧则基材3越密的方式构成基材3。而且，除了本实施方式的结构之外，也可以如实施方式3中说明那样，以越靠上游侧则基材3越密的方式构成基材3。

<实施方式5>

实施方式1～实施方式4的基材3通过例如3d打印机形成，但也可以取代于此而形成为三维织物。该三维织物仅通过经线编织。经线的材料可使用金属纤维或陶瓷纤维等能耐受排气的温度的纤维。以下，说明经线使用金属细线形成基材3的情况。

图13是本实施方式的基材3的放大图。本实施方式的交叉部3b通过将金属细线绞合而形成。需要说明的是，在图13中，简化交叉部3b的一部分的图示而由直线表示。交叉部3b的中心轴以与排气的流动方向平行的方式形成，以该中心轴为中心而将多个(图13中为4个)金属细线沿排气的流动方向绞合。形成交叉部3b的金属细线以交叉部3b的中心轴为中心呈放射状地扩展并朝向排气的流动方向的斜下游侧延伸，由此形成倾斜部3a。并且，从与排气的流动方向正交的方向上相邻的4个交叉部3b向排气的流动方向的下游侧延伸的4个倾斜部3a绞合，形成新的交叉部3b。这样，沿排气的流动方向交替地配置倾斜部3a与交叉部3b。并且，在本实施方式中，也是以与排气的流动方向正交的截面中的基材3的截面积在排气的流动方向上的不同的任意的两处进行了比较时的截面积之差成为预定值以下的方式，决定倾斜部3a的角度以及倾斜部3a及交叉部3b的尺寸。需要说明的是，在交叉部3b中，使经线绞合，但也可以取代于此，将经线彼此通过粘结、焊接等来接合。而且，经线可以使用将更细的多个纤维扭绞的结构。交叉部3b由于其中心轴与排气的流动方向平行，因此作为交叉部3b整体，与排气的流动方向平行。而且，形成交叉部3b的金属细线分别一边绞合一边朝向排气的流动的下游，因此金属细线自身相对于排气的流动方向倾斜。无论怎样，交叉部3b可以说是与排气的流动方向不正交。

根据这样形成的催化剂结构体1，也能够减少流路阻力并提高净化率。需要说明的是，可以如实施方式2中说明那样，以越靠下游侧则基材3越密的方式使倾斜部3a的角度相对于排气的流动方向变化。而且，可以如实施方式3中说明那样，以越靠上游侧则基材3越密的方式使倾斜部3a的角度相对于排气的流动方向变化。此外，可以如实施方式4中说明那样，在与排气的流动正交的方向上使倾斜部3a的角度相对于排气的流动方向变化。