JPH0633755A - 耐火セラミックファイバーの断熱マットによりマウントされた金属モノリスを有する触媒コンバータ - Google Patents

耐火セラミックファイバーの断熱マットによりマウントされた金属モノリスを有する触媒コンバータ

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JPH0633755A
JPH0633755A JP5118251A JP11825193A JPH0633755A JP H0633755 A JPH0633755 A JP H0633755A JP 5118251 A JP5118251 A JP 5118251A JP 11825193 A JP11825193 A JP 11825193A JP H0633755 A JPH0633755 A JP H0633755A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 断熱マットによりカニスター中にマウントさ
れたモノリスを有する触媒コンバータであって、上記マ
ットが、少なくとも10kPaの弾性値のマットを提供する
のに十分な温度および時間においてアニールされている
溶融形成された耐火セラミックファイバーを含有するこ
とを特徴とする触媒コンバータ。 【効果】 断熱マットが触媒コンバータのカニスター中
における金属モノリスの熱膨張により圧縮された後でも
金属モノリスが緩まない触媒コンバータが提供された。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐火セラミックファイ
バーの断熱ブランケットまたはマットによりマウントさ
れた金属モノリスを有する触媒コンバータに関する。よ
り一般的には、本発明は、金属部材を有するカニスター
とこの金属部材およびカニスターの間の断熱ブランケッ
トとを有するすべてのデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】触媒コンバータは、断熱ブランケットに
より金属カニスター中にマウントされている金属または
セラミックのモノリスを典型的に有する。典型的には、
このブランケットは耐火セラミックファイバーのマット
である。使用の際に、モノリスは600〜1000℃の程度の
温度に加熱されるが、断熱マットはこれよりかなり低い
温度にカニスターを保つ。この温度差により金属モノリ
スがカニスターよりも膨張し、そのことによりモノリス
とカニスターとの間の空間を狭め、断熱マットを圧縮す
る。マットが弾性的でなければ、マットはこのような圧
縮された状態で固定され、触媒コンバータが冷却された
時に金属モノリスが緩みうる。このことはマットの断熱
値を低減するだけでなく、乗物に用いる場合には、緩ん
だモノリスが不愉快な騒音を立て、衝突の打撃により尚
早な破壊が生じる。
【０００３】触媒コンバータの他にも、熱くなる金属部
材を有するカニスターまたは他のハウジングであって、
耐火セラミックファイバーのブランケットまたはマット
により断熱される必要がある他のデバイスは存在する。
例えば、ディーゼル微粒子トラップ、断熱エンド-コー
ン(end-cone)または共譲受された米国特許第5,024,289
号(メリー)に記載のような断熱二重壁排気パイプが挙げ
られる。このような断熱ブランケットまたはマットは、
すべて十分に弾性であるべきであり、そのことにより使
用の際に内部金属部材が膨張して内部金属部材とそのハ
ウジングとの間の空間が狭くなった場合でも、マットが
圧縮固形化することにより緩むのを防止できる。
【０００４】金属モノリスが緩みすぎるのを防止するた
めに十分弾性を有する耐火セラミックファイバーのマッ
トが、共譲受された米国特許第4,929,429号および同第
5,028,397号(共にメリー)に記載されている。メリーの
特許のマットに用いられる耐火セラミックファイバー
は、「オルガノゾル」または「ゾルゲル」と呼ばれるコロイ
ダルディスパージョンまたは水溶液から作製され得る。
メリーの特許では、ゾルゲル法により形成された実質的
にショット(shot)を含まないセラミックファイバーは金
属モノリスをマウントするのに必要とされる高い程度の
弾性を提供するが、溶融法により形成された従来のセラ
ミックファイバーはショット粒子を含有して好ましくな
いと述べられている。メリー特許の比較例には、処理す
ることによりショット含有量を５％にまで低減させた溶
融形成されたセラミックファイバーであっても、それら
は必要とされる弾性に欠けることが示されている。処理
されていない溶融形成されたセラミックファイバーは30
〜60％の範囲内のショット含有量を典型的に有する。
【０００５】ゾルゲル法により形成された耐火セラミッ
クファイバーは、焼成される温度に依存して結晶または
非結晶でありうる。従来の溶融法により形成されたもの
は、本来非結晶である。米国特許明細書第1,481,133号
(ジョンソンら)には、非結晶セラミックファイバーのブ
ランケットは圧縮下で実質的に永久固形化するが、非結
晶から微粉砕結晶形態に転換することにより良好な弾性
が達成されると述べている。上記を、約950℃の失透温
度で、高温(約1050℃を上回る温度)を避けて加熱して粗
粉砕構造とすることによりこのことが達成される。
【０００６】
【発明の要旨】本発明は、メリーの'429および'397特許
のもののような、耐火セラミックファイバーの断熱マッ
トによりカニスター中にマウントされたモノリスを有す
る触媒コンバータを提供する。本発明の触媒コンバータ
は、断熱マットの耐火セラミックファイバーが溶融形成
され、少なくとも10kPaの弾性値(以下で定義するもの)
を提供するのに十分な温度および時間においてアニール
されている点においてメリー特許のものと異なる。この
ような弾性値を有することにより、断熱マットが触媒コ
ンバータのカニスター中における金属モノリスの熱膨張
により圧縮された後に金属モノリスは緩まない。
【０００７】より一般的には、アニールされ溶融形成さ
れた耐火セラミックファイバーの断熱マットは、使用の
際に熱くなり膨張することにより金属部材とハウジング
との間のマットを圧縮するすべての内部金属部材を断熱
するために用いうる。
【０００８】断熱マットの溶融形成された耐火セラミッ
クファイバーは、微粉砕された結晶形態(ジョンソンUK
特許明細書のような)を提供するためにアニールされう
る。その際に、温度が高すぎると粗粉砕された構造とな
り、不十分な弾性値しか提供されない。しかしながら、
溶融形成された繊維を実質的に非結晶に保つようにアニ
ーリング温度および時間を制限することにより、結晶構
造を提供するためにジョンソンの方法で必要とされるエ
ネルギー量と比較してかなりの省エネルギーとなる。
【０００９】「実質的に非結晶」という用語は、透過電子
顕微鏡(TEM)により微結晶が検出される場合であってもX
線回折により結晶性が検出されないことを意味する。今
日までの実験において、示差熱分析(DTA)によれば、ア
ニーリング温度を約990℃に上昇させた場合に溶融形成
された耐火セラミックファイバーが失透する。X線回折
では、このような失透したファイバーにおいて結晶性が
示される。しかしながら、990℃を下回る温度でアニー
ルされているファイバーとは同一ではない。
【００１０】ジョンソンUK特許明細書においてこのよう
なファイバーを微粉砕された結晶形態に変換する必要が
あることを考慮すれば、実質的に非結晶である溶融形成
された耐火セラミックファイバーの断熱マットの効果は
驚異的である。
【００１１】メリー'429および'397特許の視点によれ
ば、ショットを低減させるか実質的に除去するために断
熱マットまたはその溶融形成された耐火セラミックファ
イバーを処理する必要がないということは驚異的であ
る。触媒コンバータのカニスター中への金属モノリスの
マウンティングにおける良好な結果は、ショットが断熱
マットの約60重量％まで占めた場合でも達成されてい
る。しかしながら、妥当なコストで得られる場合には、
より低いレベルのショットの方が好ましい。
【００１２】好ましい断熱マットはアニールされた溶融
形成された耐火セラミックファイバー以外の材料を含有
しない。そして、好ましくは、このマットが取り扱わ
れ、巻かれ、または本発明のデバイスを製造する際に適
切な位置に詰めることが可能となる十分な一体性を提供
するために最小限のバインダーのみを含有するべきであ
る。バインダーはマットを装着した後に化学的に除去可
能であり、またはそれはデバイスの最初の使用において
熱により燃焼除去されうる。後者の場合に、燃焼するバ
インダーは危険な揮発物を発するべきではない。
【００１３】ほとんどのファイバーを断熱マットの平面
に揃うようにファイバーをウェットレイさせること(wet
-laying)によりバインダーの使用を避けうる。しかしな
がら、このようなマットは取り扱いが困難である。
【００１４】断熱マットは、弾性値を10kPa未満に低減
させない量で、断熱性である追加のファイバーおよびフ
レークおよびその他の材料を含みうる。断熱マットの含
有物に追加して、またこれらの代わりに、このような他
の材料はメリー'429特許の図３の膨張シート材料32と同
様の分離層を形成しうる。このような追加の材料には、
未膨張ひる石フレークおよびメリー'429の第３段第28〜
48行に列挙された他の材料が含まれる。
【００１５】約１〜70重量％の膨張材料、約10〜70重量
％のアニールされた溶融形成された耐火セラミックファ
イバーおよび約３〜20重量％のバインダーより有用な断
熱マットが作製されうる。
【００１６】溶融形成された耐火セラミックファイバー
は種々の酸化金属からメルトブローンまたはメルトスパ
ンされうる。好ましくは、30〜70重量％のアルミナおよ
び70〜30重量％のシリカの、好ましくは略同一重量の、
Al2O3とSiO2との混合物が挙げられる。この混合物はB2O
3、P2O5およびZrO2のような他の酸化物を含みうる。
【００１７】断熱マットを作製するのに用いうる溶融形
成された耐火セラミックファイバーは多くの販売元より
入手可能であり、これらには、カーボランダム社(Corbo
rundum Co.)、ナイアガラ・フォールス、NY、より「ファ
イバーフラックス(Fiberfrax)の商標で; サーマル・セ
ラミック社、オーガスタ、GA、より「セラファイバー」お
よび「カオウール」の商標で; プレミア・リフラクトリー
ズ社(Premier Refractories Co.)、エルビン(Erwin)、T
N、より「セル-ウール(Cer-wool)」の商標で; および東
京、日本の新日本スチール化学より「SNSC」の商標で知ら
れているものが含まれる。「セル-ウール」の商標で知ら
れるセラミックファイバーの製造元は、それらが48重量
％のシリカと52重量％のアルミナとの混合物由来のメル
ト-スパンであり３〜４μmの平均ファイバー径を有する
と述べている。「セラファイバー」の商標で知られるセラ
ミックファイバーの製造元は、これらが54重量％のシリ
カと46重量％のアルミナとの混合物由来のメルト-スパ
ンであり、2.5〜3.5μmの平均ファイバー径を有すると
述べている。「SNSC1260-D１」のセラミックファイバーの
製造元は、これらが54重量％のシリカと46重量％のアル
ミナとの混合物から溶融形成されており、約２μmの平
均ファイバー径を有すると述べている。
【００１８】断熱マットの個々のセラミックファイバー
は２〜８μmの直径であることが好ましい。それらが実
質的により大きい直径である場合は、マットが脆くなる
ので、適切な取り扱い性を提供するためには、実質的に
より多くのバインダーが必要となる。２μmを下回るか
または８μmを上回る直径の耐火セラミックファイバー
を溶融形成することは困難である。添付の図１は自動車
排気系の一部を通る中央断面を示す模式図である。ここ
に示すのは一対の断熱エンドコーンを有する触媒コンバ
ータの一部であり、示されているその一方は断熱排気パ
イプに取り付けられている。触媒コンバータ、断熱エン
ドコーン、および断熱排気パイプのそれぞれは本発明に
よる耐火セラミックファイバーのマットを有する。
【００１９】図１において、触媒コンバータ10は円筒状
カニスター12を有する金属ケーシングを有する。円筒状
カニスター12は入口エンドコーン14のみ示されている一
対の断熱エンドコーンに溶接されている。金属モノリス
15はアニールされた耐火セラミックファイバーのマット
16により円筒状カニスター12中にマウントされている。
入口および出口のエンドコーンのそれぞれは外側金属壁
18と内側金属壁19とを有し、その間の空間はアニールさ
れた溶融形成された耐火セラミックファイバーのマット
20で充填されている。開口部において、入口エンドコー
ン14は断熱排気パイプ22にボルト取付されている。排気
パイプ22は外側金属壁24と内側金属壁25を有しており、
その間の空間がアニールされた溶融形成された耐火セラ
ミックファイバーのマット26で充填されている。
【００２０】
【試験】弾性試験 1610g/m2の重量/面積を有するように作製することによ
り断熱マットの弾性値を試験しうる。マットの2.5cmデ
ィスクを室温(R.T.)において２個のスチールアンビルの
間に置く。アンビルをギャップ4.24mmに閉じ、圧力を記
録する。次いで、アンビルを加熱することにより上側ア
ンビルを800℃、下側アンビルを430℃とし、同時にギャ
ップを3.99mmに狭める。圧力を記録した後にヒータを切
り、両アンビルを室温に冷却し、同時にギャップを元の
4.24mmに戻し、このようにして、触媒コンバータにおい
て金属モノリスをマウントするのに用いる場合にマット
が被る条件を再現する。少なくとも10kPaの記録された
圧力(これが試験マットの弾性値である)は、試験された
マットが触媒コンバータのカニスター中に金属モノリス
をマウントするのに用いるために十分な弾性を有してい
ることを示す。このような弾性を有することにより、マ
ットは金属モノリスを触媒コンバータ中に安全に所定の
位置に保持する。好ましくは、弾性値は少なくとも20kP
a、より好ましくは少なくとも50kPaであり、そのことに
より、触媒コンバータの定められた寿命中に金属モノリ
スが緩まないことのより確実な保証が提供される。
【００２１】ホット-シェイク試験 試験触媒コンバータのカニスター中に直径９cm、長さ7.
6cmの金属モノリスをマウントするのに断熱マットを用
いる。このコンバータを通して排気ガスを通過させ、そ
の間同時に機械的振動を加えることにより、車両使用に
おいて生じうる振動を再現する。アンホルツ-ディッキ
ー社(Unholtz-Dickie Corp)より作製された電子機械バ
イブレーターを用いて、周波数100Hzにおいて40gの加速
をコンバータに加える。800℃の温度の吹き込みガスを
提供する天然ガスバーナーを熱源とする。占有空間の寸
法を変化させた場合のマウンティングマットがその弾性
を保持する能力およびこれに対応する保持力を試験する
ために、ガス温度を循環させる。１サイクルを800℃に
おける10分間とガスバーナーを切った10分間とする。試
験の間中振動は保ち、早期の失格が生じない場合には20
サイクルの試験を持続させた。
【００２２】各実施例において、すべての部は重量基準
である。
【００２３】
【実施例１〜５】従来のウェット-レイド(wet-laid)製
紙法により多くの市販の耐火セラミックファイバーをマ
ットに形成した。表１に示すように、このマットをマッ
フル炉中でアニールした。ただし、実施例２A、４Aおよ
び４Bのファイバーはマットに形成する前にアニールし
た。また、表１はショット含有量の概略を示す。アニー
ルの前に、45％を下回るショット含有量を有する表１の
マットのファイバーは、ショット含有量を低減するため
に処理されていた。アニールされる前に、それぞれのマ
ットは1610g/m2の重量/面積を有し、約５％の有機バイ
ンダーを含有していた。表１の右側３カラムは、上述の
「弾性試験」の結果を示し、最も右手の欄は、両アンビル
が室温に戻り、ギャップが4.24mmに戻った後に得られた
「弾性値」を示す。
【００２４】また、表１はアニールされていない同一の
市販されているファイバーのマットの試験を示し、これ
らは比較例１X、２X、３X、４Xおよび５Xである。X線回
折の示すところによれば、表１のすべてのマットは非結
晶である。TEMでは、実施例４Cの「セラファイバー」の商
標で知られるセラミックファイバーがいくらかの微結晶
性を有することが示されたが、他の実施例のファイバー
を試験するのに用いられなかった。TEMでは、「セル-ウ
ール」HP(ショット含有量57％)の商標により知られるフ
ァイバーを900℃で72時間アニールした場合に、微結晶
性を含有するファイバーは僅かであり、大部分のファイ
バーが非結晶であることが示された。
【００２５】
【表１】 ショット アニーリング 以下の場合の圧力(kPa) 含有量 温度 時間 R.T/R.T. 800℃/430℃ T.T./R.T. 4.24mm 3.99mm 4.24mm 実施例 (％) (℃) (min) キ゛ャッフ゜ キ゛ャッフ゜ キ゛ャッフ゜ 1A 「セル-ウール」 HP 33 950 120 144.8 155.1 65.5 1B 「セル-ウール」 HP 33 900 120 NT NT NT 1X 「セル-ウール」 HP 33 無 137.9 34.5 6.9 2A 「セル-ウール」 HP 45 700 8 227.5 69.0 20.7 2B 「セル-ウール」 HP 45 800 120 134.5 137.9 51.7 2C 「セル-ウール」 HP 45 970 300 89.5 131.0 51.7 2X 「セル-ウール」 HP 45 無 29.0 11.7 0 3A 「セル-ウール」 HP 57 800 120 34.5 58.0 23.0 3B 「セル-ウール」 HP 57 970 300 42.1 63.4 25.3 3X 「セル-ウール」 HP 57 無 15.9 5.9 0 4A 「セラファイハ゛ー」VFS 33 700 8 172.5 64.0 27.6 4B 「セラファイハ゛ー」VFS 33 950 120 117.3 120.8 41.4 4C 「セラファイハ゛ー」VFS 33 800 120 NT NT NT 4X 「セラファイハ゛ー」VFS 33 無 75.8 27.6 0 5A 「SNSC」1260 D-1 6 950 120 158.6 103.4 48.3 5X 「SNSC」1260 D-1 6 無 158.6 55.2 6.9 ＮＴ＝試験せず
【００２６】表１に示すように、実施例１〜５のそれぞ
れのマットは20kPaを上回る弾性値を有するけれども、
比較例のそれぞれのものは10kPaを下回る弾性値であ
る。
【００２７】表１のマットのいくつかについて上述のホ
ット-シェイク試験を行い、その際に表２に示すマウン
ト密度を用いた。
【００２８】
【表２】 ショット アニーリング マウント 結果 含有量 温度 時間 密度 (ホットシェイク 実施例 (％) (℃) (min) (g/m3) 試験) 1B 「セル-ウール」 HP 33 900 120 0.43 失格(18サイクル) 1X 「セル-ウール」 HP 33 無 0.62 失格(1サイクル) 2A 「セル-ウール」 HP 45 700 8 0.62 失格(9サイクル) 4A 「セラファイハ゛ー」VFS 33 700 8 0.43 合格(20サイクル) 4C 「セラファイハ゛ー」VFS 33 800 120 0.38 失格(6サイクル) 4C 「セラファイハ゛ー」VFS 33 800 120 0.57 合格(20サイクル) 4X 「セラファイハ゛ー」VFS 33 無 0.78 失格(1サイクル)
【００２９】通常は、より大きなマウント密度がより大
きな保持力および(４Cの２種のマウント密度間の比較で
矛盾なし)ホット-シェイク試験でより多くの回数のサイ
クルに耐えるマットを与えた。比較例１Xおよび４Xの比
較的高いマウント密度にも拘わらず、これらはホット-
シェイクの第１サイクルで失格した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 自動車排気系の一部を通る中央断面を示す模
式図である。
【符号の説明】
10…触媒コンバータ、 12…円筒状カニスター、 14…入口エンドコーン 16、20、26…耐火セラミックファイバーのマット、 18…外側金属壁、 19…内側金属壁、 22…排気パイプ。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 断熱マットによりカニスター中にマウン
    トされたモノリスを有する触媒コンバータであって、該
    マットが、少なくとも10kPaの弾性値のマットを提供す
    るのに十分な温度および時間においてアニールされてい
    る溶融形成された耐火セラミックファイバーを含有する
    ことを特徴とする触媒コンバータ。
  2. 【請求項２】 微粉砕された結晶形態を有する断熱マッ
    トの耐火セラミックファイバーによりさらに特徴付けら
    れる請求項１記載の触媒コンバータ。
  3. 【請求項３】 実質的に非結晶を有する断熱マットの耐
    火セラミックファイバーによりさらに特徴付けられる請
    求項１記載の触媒コンバータ。
  4. 【請求項４】 前記耐火セラミックファイバーが少なく
    とも700℃および990℃未満の温度でアニールされている
    請求項３記載の触媒コンバータ。
  5. 【請求項５】 金属である前記モノリスによりさらに特
    徴付けられる請求項１金属の触媒コンバータ。
  6. 【請求項６】 ファイバーおよびフレークから選択され
    る追加の断熱材料を含有する断熱マットによりさらに特
    徴付けられる請求項１記載の触媒コンバータ。
  7. 【請求項７】 分離層を形成する前記追加の断熱材料に
    よりさらに特徴付けられる請求項６記載の触媒コンバー
    タ。
  8. 【請求項８】 未膨張ひる石フレークを含有する前記追
    加の断熱材料によりさらに特徴付けられる請求項６記載
    の触媒コンバータ。
  9. 【請求項９】 セラミックファイバーのマットによりハ
    ウジングから断熱されている内部金属部材を有するハウ
    ジングを有するデバイスであって、該金属部材は使用の
    際に熱くなり膨張することにより該マットを金属部材と
    ハウジングとの間に押し付けるものであり、該デバイス
    が以下により特徴付けられるデバイス:少なくとも10kPa
    の弾性値(ここで定義のもの)を提供するのに十分な温度
    および時間においてアニールされるている溶融形成され
    た耐火セラミックファイバーを主に含有するマット。
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