JP2009024615A - 触媒コンバーター、触媒コンバーター用保持材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より断熱性能に優れる触媒コンバーター用保持材を提供する。
【解決手段】触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、ヒュームドシリカ粉末を含有する成形体または多孔質基材とエアロゲルとの複合材からなる低熱伝導率層を備えることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるパティキュレートや一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等を除去する触媒コンバーター（排気ガス浄化装置ともいう）、並びに触媒担体を金属製ケーシング内に保持するための触媒コンバーター用保持材及びその製造方法に関する。

バス、トラック等の車両や建設機械等の内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるパティキュレートが環境や人体に害を及ぼすことが最近問題となっている。この排気ガス中のパティキュレートを捕集して、排気ガスを浄化することができる触媒コンバーターが種々提案されている。

図１０は、触媒コンバーターの一例を模式的に示した断面図である。この触媒コンバーター１０では、内燃機関から排出された排気ガスが導入される導入管１６が金属製ケーシング１１の一端部に接続されるとともに、他端部には、触媒担体１２を通過した排気ガスを外部に排出する排出管１７が設けられている。また、金属製ケーシング１１の内部には、触媒担体１２が触媒コンバーター用保持材１３を介して設置されている。さらに、図には示されないが、触媒担体に対して排気ガス導入側（吸気側ともいう）となる部分には、触媒担体すなわちハニカムフィルタに蓄積したパティキュレートを燃焼させてフィルタ機能を回復させる（再生処理ともいう）ための電気ヒータや温度センサが設置されても良いし、燃焼用空気を送り込むための別配管が接続されても良い。こうした構成によれば、触媒担体においてパティキュレートの蓄積量が多くなって圧損等が大きくなったときに、再生処理を行うことできる。

また、触媒コンバーター用保持材１３は、無機繊維を所定の厚さに成形したマット材であり、その形状は、例えば図１１（Ａ）に示す平面形状を呈しており、平板状の本体部４１の一端には凸部４２が形成されており、他端には凸部４２と嵌合可能な形状の凹部４３が形成されている。そして、図１１（Ｂ）に示すように、触媒担体１２の外周面に本体４１を巻き付け、凸部４２と凹部４１とを係合させることで、触媒コンバーター用保持材１３が触媒担体１２に巻装される。

触媒コンバーター用保持材１３は、金属製ケーシング１１の内部に触媒担体１２を安定に保持するとともに、断熱して触媒担体１２を高温に保ち、触媒作用を良好に維持する機能を有する。そのため、特に寒冷地においては、外気温の影響を受けて触媒担体１２の温度上昇が妨げられたり、上述した再生処理に要する時間が長くなる等の不具合が生じることが懸念される。また、再生時に触媒担体の外周部分の温度が低くなり、この外周部分において、燃え残りのパティキュレートが残留して圧損上昇が大きくなり、その結果、再生処理が必要となるまでの時間が短くなってしまうことが懸念される。さらに、内部温度（６００℃程度）と外部温度とでは温度差が大きいため、保持材１３の断熱性能が充分でないと、触媒担体１２の中心部付近と外周部付近との間に生じる温度差に起因して熱応力が発生し、触媒担体１２にクラックが生じやすく、その結果、耐久性が損なわれることも懸念される。

近年、渋滞時のアイドリング運転時や、最近の自動車では環境面を配慮して停止時にエンジンが停止する（アイドリングストップ）機能を備えるものもあることから、排ガス温度が低下することが多く、寒冷地でなくとも、触媒担体１２をその処理温度に維持するのがより難しくなってきている。また、触媒担体１２の処理温度に早期に昇温する必要もある。

このような背景から、触媒コンバーター用保持材１３の熱伝導率を規定するなどの対策が講じられている（特許文献１、２参照）。

特開２００２−７０５２９号公報 特開２００６−２９９９６６号公報

上記のような排ガス温度の低下に起因する不具合を回避するために、触媒担体１２の温度維持、あるいは触媒の処理温度までの昇温時間の短縮は、今後とも要求されることが予測され、触媒コンバーター用保持材の断熱性能の更なる向上は必至である。そこで、本発明は、より断熱性能に優れる触媒コンバーター用保持材、並びに前記触媒コンバーター用保持材を備え、触媒効率が高く高性能の触媒コンバーターを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は下記の触媒コンバーター。触媒コンバーター用保持材及びその製造方法を提供する。
（１）触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、
ヒュームドシリカ粉末を含有する成形体または多孔質基材とエアロゲルとの複合材からなる低熱伝導率層を備えることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
（２）低熱伝導率層の３００℃における熱伝導率が０．０４Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする上記（１）記載の触媒コンバーター用保持材。
（３）低熱伝導率層に積層される無機繊維からなるマッド層を更に備えることを特徴とする上記（１）または（２）記載の触媒コンバーター用保持材。
（４）触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材の製造方法において、
多孔質基材全体にエアロゲル前駆体を含浸させた後、超臨界乾燥して低熱伝導率層を作製し、マット層と接合することを特徴とする触媒コンバーター用保持材の製造方法。
（５）触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材の製造方法において、
多孔質基材としてマット材を用い、該マット材の表面にエアロゲル前駆体を含浸させた後、超臨界乾燥して低熱伝導率層を形成することを特徴とする触媒コンバーター用保持材の製造方法。
（６）触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターにおいて、
保持材は、ヒュームドシリカ粉末を含有する成形体または多孔質基材とエアロゲルとの複合材からなる低熱伝導率層を備えることを特徴とする触媒コンバーター。

本発明の触媒コンバーター用保持材は、低熱伝導率層により断熱性能が大幅に高まり、触媒コンバーターによる排ガス浄化性能をより向上させることができる。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

本発明の触媒コンバーター用保持材は、図１に示すように、低熱伝導率層１００と、無機繊維を成形してなるマット層１１０とを積層して構成される。また、図示は省略するが、低熱伝導率層１００とマット層１１０とを交互に多層に積層してもよい。全体形状には制限がなく、例えば図１１（Ａ）に示した保持材と同様に、平板状の本体部４１の一端に凸部４２を形成し、他端に凸部４２と嵌合可能な形状の凹部４３を形成した形状とすることができる。尚、凸部４２及び凹部４３の形状は、図示される矩形の他に、三角形や半円形状であってもよい。また、凸部４２及び凹部４３の個数も１個には限定されず、２個以上であってもよい。

低熱伝導率層１００は、十分な断熱性能を得るために、３００℃における熱伝導率で０．０４Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、６００℃における熱伝導率で０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがより好ましい。ここで、熱伝導率はＪＩＳ Ａ１４１２−１に準じて測定すればよい。

低熱伝導率層１００は、前記の熱伝導率を満たせば特に制限はないが、例えば、後述するような無機粉末を含有する成形体や多孔質基材とエアロゲルとの複合材が好適に利用できる。

無機粉末を含有する成形体は、無機粉末をそのまま乾式で圧縮成形したシートや、多孔質基材に無機粉末を練り込んだシート、無機粉末をバインダーで固めたシートが挙げられる。無機粉末としては、断熱性能やバインダーを使わず圧縮成形できるという点で、粒径１〜７０ｎｍの微粉末が好ましく、ヒュームドシリカが特に好ましい。ヒュームドシリカは、非常に細かい微粉末であることから、分子間力等により会合して直径数十ｎｍ〜数μｍの二次粒子を形成し、リング内径が０．１μｍ以下の空間が多数形成される。こうした空間は伝熱媒体となる空気の平均自由行程よりも小さいため、ヒュームドシリカを通じて伝熱を大幅になくすことができるため飛躍的に断熱性能を高めることができる。

さらに、無機粉末として、炭化珪素、ジルコニア、チタニアといった波長１μｍ以上の光に対する比屈折率が１．２５以上の粒径が１〜５０μｍの無機粉末を含んでいてもよい。こうした無機粒子は輻射熱を反射する作用があり、併用することにより輻射熱による熱伝導率の上昇を防ぐことができる。

無機粉末を乾式で圧縮成形したシートを作製するには、上述した無機粉末を成形金型等に充填し、プレスすればよい。その際の成形条件は、プレス圧０．５〜１．５ＭＰａが適当である。

多孔質基材に無機粉末を練り込んだシートを作製するには、シート状の多孔質基材の表面全体に無機粉末をふりかけたのち、へらなど用いて無機粉末を多孔質基材に押し付けて多孔質基材の空隙に無機粉末を押し込んだ後に、圧縮すればよい。こうすることにより、バインダーを用いずに多孔質基材と無機粉末を複合化したシートを得ることができる。

ここで、多孔質基材は無機粉末が入り込む間隙があれば特に制限はなく、具体的には、ガラスクロス、無機繊維ペーパー（不織布）や、後述する無機繊維製ブランケットなどのマット材といった無機質多孔質基材や、アラミド繊維フェルト、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエステル等からなる不織布といった有機質多孔質基材が挙げられ、耐熱性が要求される場合には無機質多孔質基材を使用することが好ましい。

無機粉末をバインダーで固めたシートを作製するには、無機粉末とバインダーとの混練物またはスラリーをシート状に成形すればよい。バインダーとしては、ガラスフリット、コロイダルシルカ、アルミナゾル、シリカゾル、ケイ酸ソーダ、チタニアゾル、ケイ酸リチウム、水ガラス等の無機質バインダー、アクリル樹脂やデンプン等の有機質バインダーが挙げられ、耐熱性が要求される場合には無機バインダーを使用することが好ましい。

これらシートは、別途作製したマット層１１０と別体のまま使用してもよく、接合して一体化してもよい。接合する場合は、接着やニードル加工、縫合等を採用することができる。また、シート厚としては、断熱性能の向上及び触媒担体への巻着性等を勘案して、マット層１１０の全厚の５〜５０％が適当であり、１０〜４０％や１５〜３０％であっても良い。

別体とする場合は、マット層１１０に凸部４２及び凹部４３を形成する。また、シートは多層に巻き付けてもよい。シートの固定方法としては、シート端部同士の係合部をテープ等で固定したり、紐状体で縛る手段等を挙げることができるが、単に巻き付けるだけでもよい。紐状体は、熱で分解する材料であってもよい。金属製ケーシング内に触媒担体を設置した後であれば、紐状体が熱により分解しても触媒コンバーター用保持材が剥がれてしまうことはないからである。

また、低熱伝導率層１００を、無機粉末をバインダーで結着させた被膜とすることもできる。低熱伝導率層１００とするには、無機粉末とバインダーとを含む塗布液をマット層１１０に塗布し、乾燥すればよい。塗布量は、断熱性能の向上及び触媒担体への巻着性等を考慮して適宜設定されるが、０．１〜１０．０ｇ／ｍ^２が適当である。

更に、低熱伝導率層１００として、多孔質基材とエアロゲルとの複合材とすることもできる。エアロゲルは、高分子材料によって支えられている連続気泡を有するゲル構造物の孔から格子間の可動溶媒相をこの溶媒の臨界点より高い温度及び圧力下で除去することで生じさせたものである。従って、エアロゲルは密度が低く、平均２〜７ｎｍの球状の微粒子が融合したクラスター構造をしている。また、エアロゲルは平均径２〜７ｎｍの孔径を有する連続気泡構造であり、大きな表面積を有する。エアロゲルは、空気が格子状構造を越えて対流することができないため、効率よく対流による伝熱を抑制する。このため、驚異的な断熱性を示す。気孔の平均的な大きさと密度は、製造時に制御できる。

前記エアロゲルとしては、無機エアロゲル及び有機エアロゲルが挙げられる。無機エアロゲルは、金属のアルコキシドが基になったものであり、シリカ、炭化物及びアルミナなどの材料が含まれる。有機エアロゲルは、炭素エアロゲル及びポリイミド等の重合体エアロゲルが挙げられる。この中、シリカエアロゲルが多くの製造例があり、入手もし易い点で好ましい。エアロゲルの製造方法は例えば特表２００４−５１７２２２号公報に記載されている。多孔質基材とエアロゲルとの複合材の構造は、多孔質基材の構造とエアロゲルの格子状構造の複合構造を採るものである。複合材の嵩密度は０．０２〜０．５ｇ/ｃｍ^３であり、好ましくは０．１〜０．３ｇ／ｃｍ^３である。

この多孔質基材とエアロゲルとの複合材は、多孔質基材にエアロゲル前駆体を含浸させ、超臨界領域で乾燥して得られる。具体的には、例えばエアロゲルがシリカエアロゲルの場合、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラ−ｎ−プロポキシシラン等のシラン化合物を加水分解させた後、ポリケイ酸エステル、例えばポリジエトキシシロキサン等の重合体として低いｐＨで安定化させたシリカ前駆体を調製し、このシリカ前駆体とエタノール等のアルコールを混合してシリカ前駆体溶液を得る。このときのシリカ前駆体とアルコールとの配合比率は、アルコール１．０に対しシリカ前駆体０．１〜５．０が好適である。次いで、このシリカ前駆体溶液に多孔質基材を含浸させ、塩酸や硫酸、フッ酸等の酸を添加してゲル化させ、ゲルを熟成させる。そして、超臨界乾燥処理を行ない、アルコールをゲルから取り除くと多孔質基材を補強基材としたシリカエアロゲル、すなわち、エアロゲル多孔質基材ができる。超臨界乾燥処理は、アルコールを先ず、液体アセトンと置換し、次ぎに二酸化炭素を臨界点上に置くことにより行なうことができる。液体アセトンを使用することにより、良い勾配溶離を実現することができる。最終的にはゲル中の全ての液体を、ゲルの構造を損なうことなく気体と置換する。

ここで、多孔質基材の全体にエアロゲル前駆体を含浸させて低熱伝導率層１００を作製し、別途作製したマット層１１０と接合して、あるいは個別のまま使用してもよい。また、多孔質基材として後述するマット材を用い、その表面にエアロゲル前駆体を含浸させ、エアロゲル前駆体が含浸されたエアロゲル前駆体含浸層と、エアロゲル前駆体が含浸されていない多孔質基材層とを備えた積層体を形成し、該積層体を超臨界領域で乾燥することによりマット層と、多孔質基材とエアロゲルとの複合材（低熱伝導率層）とを備える触媒コンバーター用保持材１３とすることもできる。低熱伝導率層１００の厚さは、所望の断熱性能を得られれば特に制限はないが、マット層１１０の全厚の３〜５０％が適当であり、前者の場合は用いる多孔質基材の厚さを調整し、後者の場合は含浸量を調整する。

一方、マット層１１０には制限がなく、従来の触媒コンバーター用保持材に使用されているものを使用することができる。例えば、無機繊維と有機バインダーとを湿式成形した後、圧縮した状態で乾燥した圧縮マット、無機繊維を集綿したものをニードル加工したブランケットからなるマット、無機繊維とバーミキュライト等の膨張材とを湿式成形した膨張マット等のマット材を適宜選択できる。これらマット層１１０としてのマット材は、その熱伝導率が８００℃で０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以下であれば問題なく使用できるが、熱伝導率は８００℃で０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい

無機繊維としては、従来から保持材に用いられている種々の無機繊維を用いることができる。例えば、アルミナ繊維、ムライト繊維、あるいはその他のセラミック繊維等を適宜使用できる。より具体的には、アルミナ繊維としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３が９０重量％以上（残りはＳｉＯ_２分）であって、かつＸ線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その繊維径が３〜７μｍ、ウエットボリューム４００ｃｃ／５ｇ以上が好ましい。ムライト繊維としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３分／ＳｉＯ_２分重量比が７２／２８〜８０／２０程度のムライト組成であって、かつＸ線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その平均繊維径が３〜７μｍ、ウエットボリューム４００ｃｃ／５ｇが好ましい。その他のセラミック繊維としては、シリカアルミナ繊維やシリカ繊維を挙げることができるが、何れも従来から保持材に使用されているもので構わない。また、ガラス繊維やロックウール、生体溶解性繊維を配合してもよい。

尚、上記ウエットボリュームは、次の方法で算出される。
１）乾燥した繊維材料５ｇを少数点２桁以上の精度を有する秤で計量する。
２）計量した繊維材料を５００ｇのガラスビーカーに入れる。
３）２）のガラスビーカーに温度２０〜２５℃の蒸留水を４００ｃｃ程度入れ、攪拌機を用いて繊維材料を切断しないように慎重に攪拌し、分散させる。この分散は超音波洗浄機を使用してもよい。
４）３）のガラスビーカーの中味を１０００ｍｌのメスシリンダーに移し、目盛で１０００ｃｃまで蒸留水を加える。
５）４）のメスシリンダーの口を手等で塞ぎ、水が漏れないように注意しながら上下逆さまにして攪拌する。これを計１０回繰り返す。
６）攪拌停止後、室温下で静置し、３０分経過後の繊維沈降体積を目視で計測する。
７）上記操作を３サンプルについて行い、その平均値を測定値とする

また、マット層１１０の嵩密度にも制限はないが、触媒担体に巻装した状態で、０．１３〜０．７ｇ／ｃｍ³であることが好ましい。嵩密度が０．１３ｇ／ｃｍ³ 未満であると、一般には、断熱性能に優れたものとなるが、高温における熱伝導は輻射熱の影響を強く受けるため、結果として熱伝導率が高くなり、上記の熱伝導率を満足するのが困難になるとともに触媒担体を保持する保持力が不足することが懸念される。一方、嵩密度が０．７ｇ／ｃｍ³ を超えると、高温による輻射熱の影響で熱伝導率が高くなることはないが、逆に大きすぎる嵩密度に起因して固体伝導が大きくなってしまい熱伝導率が高くなり、上記の熱伝導率を満足するのが困難になるとともに、保持材を巻きつけた触媒担体を金属製ケーシング内に挿入しずらくなることが懸念される。

低熱伝導率層１００は、図１に示すように、マット層１１０の平面全体を覆うように設けられてもよいが、低熱伝導率層１００は無機粉末を含むため、運搬時や触媒担体への巻装作業時に無機粉末が脱落して外部を汚染してしまう可能性もある。そこで、断熱性能に影響が出ない範囲で低熱伝導率層１００の面積を小さくすることが好ましい。

特に、図２に示すように、マット層１１０の触媒コンバーターの吸気側（図の例では下側）の端面１１０ａから後退させて低熱伝導率層１００を設けることにより、吸気による無機粉末の脱落も防ぐことができる。

また、図３に上面図（Ａ）及びＸＸ断面図（Ｂ）にて示すように、マット層１１０の全周を残こして低熱伝導率層１００を設けても良い。

また、図４に示すように、マット層１１０の吸気側端面１１０ａから離間した位置を起点として凹部１１０ｂを形成し、凹部１１０ｂを埋めるように低熱伝導率層１００を設けることもできる。

更に、無機粉末の脱落防止をより確実にするために、少なくとも低熱伝導率層１００を保護層で覆うことが好ましい。図６（（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸＸ断面図）は、図２に示した触媒コンバーター用保持材の低熱伝導率層１００が設けられた面の全面、更にはマット層１１０の吸気側端面１１０ａに保護層１２０を形成した場合を示している。また、図５（（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸＸ断面図）は、図３に示した触媒コンバーター用保持材の低熱伝導率層１００が設けられた面の全面に保護層１２０を形成した場合を示している。また、図７は、図４に示した触媒コンバーター用保持材の低熱伝導率層１００が設けられた面の全面、更にはマット層１１０の吸気側端面１１０ａに保護層１２０を形成した場合を示している。

保護層１２０としては、合成樹脂フィルムや不織布、樹脂コーティング等が好適である。また、保護層は、低熱伝導層からの無機粉末の脱落を防止するだけでなく、最外層（金属製ケーシング側）に配置することにより、触媒担体に巻きつけられた際に、保持材に内外周差が生じることから外周面が引っ張られても、保持材の外周面に割れや裂け等の不具合を回避することができる。また、キャニング方式として金属製ケーシングに圧入（以下圧入方式ともいう）する場合には、ケーシングと接触する外周面の摩擦係数を低くすることができ、キャニングの作業性を向上させることができる。こうした効果を得るためには、保護層の摩擦係数は０．１〜０．４であればよい。

低熱伝導率層１００からの無機粉末の脱落、更には吸気側端面１１０ａにおける無機粉末の脱落を防ぐために、図８（（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸＸ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹＹ断面図）に示すように、低熱伝導率層１００をマット層１１０で挟持する構成とすることもできる。その際、図示のように、低熱伝導率層１００をマット層１１０よりも小さい面積とすることにより、無機粉末の脱落をより効果的に防ぐことができる。また、図９（（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸＸ断面図）に示すように、低熱伝導率層１００をマット層１１０で包囲してもよい。

尚、触媒コンバーター用保持材を作製するに当り、マット層１１０を図示されるような所定の形状に成形した後、同じく所定の形状に成形した低熱伝導率層１００を積層して一枚一枚作製してもよいが、マット層１１０となる長尺物の無機繊維製ブランケットに、低熱伝導率層１００となる長尺物の低熱伝導率材を積層した後、所定の形状に打ち抜くことにより連続的に作製することができる。

本発明の触媒コンバーター用保持材は、従来と同様に、例えば図１１に示したように、本体部４１を触媒担体１２に巻き付け、両端の凸部４２と凹部４３とを係合させることで触媒担体１２に巻装される。凸部４２と凹部４３とが係合して端部でのずれがなくなり、形態安定性に優れたものとなる。

尚、図１〜４に示したような低熱伝導率層１００とマット層１１０との２層構造の触媒コンバーター用保持材では、触媒担体１２の温度が５００℃くらいまでの比較的低温で使用される場合には、触媒担体１２への巻装に際し、低熱伝導率層１００を触媒担体側にしてもよいし、マット層１１０を触媒担体側にしてもよい。しかし、触媒担体１２の温度が５００℃を超える場合には、低熱伝導率層１００が熱劣化を起こし易くなるため、マット層１１０を触媒担体側に配置する必要がある。

また、低熱伝導率層１００とマット層１１０とが別体の場合は、低熱伝導率層１００を触媒担体１２に巻き付け、テープ等で係合部を固定した後、その上にマット層１１０を巻き付ける。あるいは、マット層１１０を触媒担体１２に巻き付けた後、その上に低熱伝導率層１００を巻き付け、必要によりテープ等で係合部を固定すればよい。

上述したように、触媒担体１２の温度が５００℃くらいまでの比較的低温で使用される場合には低熱伝導率層１００が触媒担体１２に接触しても特に問題がないことから、低熱伝導率層１００のみで触媒コンバーター用保持材を構成することが断熱性能において最も効果的である。即ち、低熱伝導率層１００を通常の保持材厚に成形して触媒コンバーター用保持材とすることができる。特に、多孔質基材とエアロゲルとの複合材は、多孔質基材の弾性による触媒担体１２の保持力が得られるほか、触媒担体に巻き付けることができる。本発明は、このような低熱伝導率層１００のみからなる触媒コンバーター用保持材も包含する。

そして、図１０に示したように、触媒コンバーター用保持材１３を巻装した状態で触媒担体１２を金属製ケーシング１１に収容することで触媒コンバーター１０が作製される。このとき、触媒担体１２の外周面全体に保持力が均等に加わるように、また、金属製ケーシング１１との隙間を万遍なく埋めるように、触媒コンバーター用保持材は厚さのバラツキが小さいことが好ましく、厚さのバラツキを１５％以内に抑えることが望ましい。

金属製ケーシング１１の大きさは、触媒担体１２を内部に設置することができるように適宜調製される。そして、図１０に示したように、この金属製ケーシング１１の一端面には排気ガスを流入させる導入管が接続され、他端面には排気ガスを排出させる排出管が接続されるようになっている。また、図示しないが、再生処理を行うための電気ヒータ、温度センサや燃焼用空気を流入させる別配管等を設置してもよい。

触媒コンバーターは、本発明の触媒コンバーター用保持材の優れた断熱性により、寒冷地等においても外気温の影響を受け難く、走行時の温度変化の影響を小さくし、触媒担体１２を高温に安定的に保つことができ、更にはエンジン始動時やアイドリング時にもより短時間で目的温度まで触媒担体１２を昇温することができる。即ち、本発明の触媒コンバーター用保持材を介装することにより、触媒コンバーターは、エンジン始動時、アイドリング時、走行時において優れたガス浄化性能を示すようになる。また、本発明の触媒コンバーター用保持材の優れた断熱性により、金属製ケーシングに伝わる熱を低減することができ、必要に応じて金属製ケーシングに巻かれていたガラスマット等の断熱材が不要になりコスト低減が可能になることが期待される。

また、再生処理においても、熱効率が良く、再生時間の短縮が図れ、再生率も向上し、圧損等が増大するまでの時間（再生が必要となるまでの時間）を延長することができる。即ち、再生後のパティキュレート捕集量が増大する。

触媒コンバーターがパティキュレートを燃焼させるための電気ヒータを備えている場合には、触媒担体１２に入る排気ガスの温度を効率よく、短時間で上昇させることができ、排気ガスの温度を充分に高くすることができるので、短時間で再生処理を行うことが可能である。

また、電気ヒータを備えてない場合には、排気ガスの温度を高める方式の再生操作を行うことができる。このとき、触媒担体１２の保温性に優れるため、触媒担体１２を通過する排気ガスの温度を充分に高くすることができ、高温にした排気ガスによりパティキュレートを燃焼させ、再生させることができる。

また、触媒コンバーター中にＮｏｘやＳｏｘ等の有害ガスを除去するための触媒層を付設し、有害ガスの除去とパティキュレートの除去の両方を行うことができるようにしてもよい。再生時に、排気ガスを助燃用気体とすることができる。更に、ポンプを用いて再生処理を行う場合には、上記ポンプを用いて空気をフィルタ内に送り込み、再生処理を行う構成にすることができる。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
アルミナ繊維（アルミナ８０質量％、シリカ２０質量％）１００質量部に対し、有機バインダーとしてのアクリル樹脂１０質量部、水１００００質量部とを含むスラリーを得た。該スラリーを平板状のモールド型に流し込み、脱水成形して湿式マットを得た。該湿式マットをプレス板を用いて圧縮しながら１００℃で乾燥することにより、坪量が１１００ｇ／ｍ^２、有機分が１０％の圧縮マットを得た。該圧縮マットの嵩密度は０．１７ｇ／ｃｍ³ 、厚さは８．５ｍｍであった。また、目付け５００ｇ／ｃｍ^２のシリカクロスに平均一次粒子径が約７ｎｍのヒュームドシリカ粉末を練り込んだ後に圧縮して低熱伝導率層となるシートを作成した。ここで、該シートの３００℃における熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ、６００℃における熱伝導率は０．０４Ｗ／ｍ・Ｋ、嵩密度は０．８４ｇ／ｃｍ^３厚さは０．６ｍｍであった。そして、該ブランケットと該シートとをエチレン酢酸ビニル製接着剤で接着して、厚さ９．１ｍｍの積層体を得た。該積層体から所定の形状に打ち抜いて、図１に示すマット層１１０と低熱伝導率層１００とからなる保持材１３を得た。

直径が１１０ｍｍ、長さが１００ｍｍのコーディライトセラミックスからなる触媒担体１２の外周部に該保持材１３を低熱伝導率層を外側にして巻き付け、内径が１１４ｍｍのＳＵＳケースに挿入して触媒コンバーターを作成した。また、熱伝類を触媒担体と保持材との界面から触媒担体の軸方向中心の位置まで差し入れた。この触媒コンバーターに加熱振動試験機に取り付け、振動させながら６００℃の熱風を５ｍ^３／分で流し、前記の測定位置での温度を測定したところ、熱風を流してから３分で３５０℃以上になったことが確認できた。なお、熱風を流す前の室温は２０℃であった。また、触媒担体が脱落する等の問題の発生は無かった。

（実施例２）
低熱伝導率層として、アスペン社製「ｐｙｒｏｇｅｌ−６６５０」を用いた以外は実施例１と同じ方法で図１に示す保持材を得た。ここで、低熱伝導率層の３００℃における熱伝導率は０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ、６００℃における熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ、嵩密度は０．１２ｇ／ｃｍ^３厚さは１ｍｍであり、得られた保持材の厚さは９．５ｍｍであった。

そして、該保持材を用いて、実施例１と同様の方法で触媒コンバーターを作成し、加熱振動試験機に取り付けて同様の温度測定を行ったところ、２．５分で３５０℃以上になったことが確認できた。また、触媒担体が脱落する等の問題は発生しなかった。

（実施例３）
アルミナ繊維（アルミナ８０質量％、シリカ２０質量％）を平板状に集綿してニードル加工してマット層としてのブランケットを作成した。ここで、該ブランケットの嵩密度は０．１５ｇ／ｃｍ3 、厚さは４．０ｍｍであった。また、平均一次粒子径が約７ｎｍのヒュームドシリカ粉末８０質量％と、輻射材としての平均粒子径３μｍの炭化珪素粉末１８質量％と、補強繊維としての平均繊維径１０μｍ、平均繊維長５ｍｍのガラス繊維２質量％とを回転混合装置にて混合した後、該混合物を乾式にて圧縮成形して低熱伝導率層となるヒュームドシリカ粉末を含有するシートを作成した。ここで、該シートの３００℃における熱伝導率は０．０２５Ｗ／ｍ・Ｋ、６００℃における熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ、嵩密度は０．２０ｇ／ｃｍ^３厚さは１．５ｍｍであった。そして、該シートを該ブランケットで挟持し、該シートと該ブランケットとをエチレン酢酸ビニル製接着剤で接着して、厚さ９．５ｍｍの積層体を得た。該積層体から所望形状の積層体を打ち抜き、図８に示される低熱伝導率層１００がマット層１１０で挟持されている保持材１３を得た。

そして、該保持材を用いて、実施例１と同様の方法で触媒コンバーターを作成し、加熱振動試験機に取り付けて同様の温度測定を行ったところ、２．５分で３５０℃以上になったことが確認できた。また、触媒担体が脱落する等の問題は発生しなかった。

（実施例４）
アルミナ繊維（アルミナ８０質量％、シリカ２０質量％）１００質量部に対し、有機バインダーとしてのアクリル樹脂１０質量部、水１００００質量部とを含むスラリーを得た。該スラリーを所望の形状のモールド型に流し込み、脱水成形して表面に凹部が形成された湿式マットを得た。該湿式マットを所望形状のプレス板を用いて圧縮しながら１００℃で乾燥することにより、坪量が１１００ｇ／ｍ^２、有機分が１０％の圧縮マットを得た。ここで、該圧縮マットの嵩密度は０．１６ｇ／ｃｍ^３、厚さは８．５ｍｍ、凹部の深さは１ｍｍであった。また、実施例３と同様の方法で、上記凹部の同じ形状と大きさのヒュームドシリカ粉末を含有するシートを作成した。ここで、該シートの３００℃における熱伝導率は０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ、６００℃における熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ、嵩密度は０．１２ｇ／ｃｍ^３厚さは１ｍｍであった。そして、該圧縮マットの凹部に該低熱伝導率層としての該シートを嵌め込み、エチレン酢酸ビニル製接着剤で接着して図４に示される積層体１３を作成した。さらに、該積層体の表面に保護層としての厚さ２０μｍのポリエチレン製不織布を積層してエチレン酢酸ビニル製接着剤で接着して図７に示される保持体１３を作成した。

そして、該保持材を用いて、実施例１と同様の方法で触媒コンバーターを作成し、加熱振動試験機に取り付けて同様の温度測定を行ったところ、３分で３５０℃以上になったことが確認できた。また、触媒担体が脱落する等の問題は発生しなかった。

（実施例５）
後述するように、実施例１で得たブランケットの表面にシリカエアロゲル前駆体を含浸させ、シリカエアロゲル前駆体が含浸されたシリカエアロゲル前駆体含浸層と、シリカエアロゲル前駆体が含浸されていないマット層とを備えた積層体を、超臨界領域で乾燥してマット層と、マット層とエアロゲルとの複合材からなる低熱伝導率層とを備える保持材を作製した。

先ず、テトラエトキシシランを加水分解させた後、低いｐＨで安定化させたポリジエトキシシロキサン（シリカ前駆体）を得た。次いで、シリカ前駆体とエタノールを混合してシリカ前駆体溶液を得た。次いで、ブランケットを収容した容器内にシリカ前駆体溶液を流し込み、ブランケットの表面にシリカ前駆体溶液を含浸させた。このシリカ前駆体溶液を攪拌しながらこれに全溶液の２体積％のフッ酸を添加することでゲル化させた。該ゲル化ブランケットは５０℃のエタノール浴に入れて密封した状態で一晩熟成させた。その後、臨界未満及び超臨界炭酸ガス抽出処理を行ない、アルコールを４日間かけてゲルから取り除き、シリカエアロゲルと多孔質基材との複合材からなる保持材を得た。ここで、マット層の嵩密度は０．１５ｇ／ｃｍ^３、厚さは６ｍｍであり、低熱伝導率の３００℃における熱伝導率は０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ、６００℃における熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ、嵩密度は０．１３ｇ／ｃｍ^３、厚さは２ｍｍであり、保持材の厚さは８ｍｍであった。

そして、該保持材を用いて、実施例１と同様の方法で触媒コンバーターを作成し、加熱振動試験機に取り付けて同様の温度測定を行ったところ、２分で３５０℃以上になったことが確認できた。また、触媒担体が脱落する等の問題は発生しなかった。

（比較例１）
アルミナ繊維（アルミナ８０質量％、シリカ２０質量％）を平板状に集綿してニードル加工したブランケットからなるマット材を作成して、該マット材を所望の形状に打ち抜いて保持材を得た。ここで、該マット材の８００℃、密度０．３ｇ・ｃｍ３における熱伝導率は０．１２Ｗ／ｍ・Ｋ、嵩密度は０．１４ｇ／ｃｍ^３、厚さは９．５ｍｍであった。

そして、該保持材を用いて、実施例１と同様の方法で触媒コンバーターを作成し、加熱振動試験機に取り付けて同様の温度測定を行ったところ、６分で３５０℃以上になったことが確認できた。また、触媒担体が脱落する等の問題は発生しなかった。

（実施例６）
実施例５において、ブランケット全体にシリカエアロゲル前駆体を含浸させた以外は実施例５と同様の方法にてマット層とエアロゲルとの複合材のみからなる保持材を作製した。ここで、低熱伝導率層のみからなる保持材の３００℃における熱伝導率は０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ、６００℃における熱伝導率は０．０４Ｗ／ｍ・Ｋ、嵩密度は０．１３ｇ／ｃｍ^３厚さは８．５ｍｍであった。

直径が１１０ｍｍ、長さが１００ｍｍのコーディライトセラミックスからなる触媒担体１２の外周部に該保持材１３を巻き付け、内径が１１４ｍｍのＳＵＳケースに挿入して触媒コンバーターを作成した。この触媒コンバーターに加熱振動試験機に取り付け、振動させながら３００℃の熱風を流し、同様の温度を測定したところ、熱風を流してから１分で２５０℃以上になったことが確認できた。なお、熱風を流す前の室温は２０℃であった。また、触媒担体が脱落する等の問題の発生は無かった。

また、比較例１の保持材を用いて、実施例６と同様の方法で触媒コンバーターを作成し、加熱振動試験機に取り付けて同様の温度測定を行ったところ、３分で２５０℃以上になったことが確認できた。また、触媒担体が脱落する等の問題は発生しなかった。

本発明の触媒コンバーター用保持材の一実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の他の実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の更に他の実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の更に他の実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の更に他の実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の更に他の実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の更に他の実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の更に他の実施形態を示す模式図である。 本発明の触媒コンバーター用保持材の更に他の実施形態を示す模式図である。 触媒コンバーターの一例を模式的に示す断面図である。 （Ａ）従来の触媒コンバーター用保持材の一例を示す上面図及び（Ｂ）触媒担体に巻装した状態を示す模式図である。

符号の説明

１０ 触媒コンバーター
１１ 金属製ケーシング
１２ 触媒担体
１３ 触媒コンバーター用保持材
４１ 本体部
４２ 凸部
４３ 凹部

Claims (6)

1. 触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、
   ヒュームドシリカ粉末を含有する成形体または多孔質基材とエアロゲルとの複合材からなる低熱伝導率層を備えることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
2. 低熱伝導率層の３００℃における熱伝導率が０．０４Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載の触媒コンバーター用保持材。
3. 低熱伝導率層に積層される無機繊維からなるマッド層を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の触媒コンバーター用保持材。
4. 触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材の製造方法において、
   多孔質基材全体にエアロゲル前駆体を含浸させた後、超臨界乾燥して低熱伝導率層を作製し、マット層と接合することを特徴とする触媒コンバーター用保持材の製造方法。
5. 触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材の製造方法において、
   多孔質基材としてマット材を用い、該マット材の表面にエアロゲル前駆体を含浸させた後、超臨界乾燥して低熱伝導率層を形成することを特徴とする触媒コンバーター用保持材の製造方法。
6. 触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターにおいて、
   保持材は、ヒュームドシリカ粉末を含有する成形体または多孔質基材とエアロゲルとの複合材からなる低熱伝導率層を備えることを特徴とする触媒コンバーター。

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