JP2009142762A

JP2009142762A - 電気加熱触媒担体及びその製造方法

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Publication number: JP2009142762A
Application number: JP2007323237A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Sugimoto; 保杉本
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】担体を小型化することなく、昇温速度を向上できる電気加熱触媒担体を提供する。
【解決手段】平板（２１０）と波板（２２０）とが接合された部材（２００）の表面に絶縁被膜が形成されており、少なくとも二つの前記部材（２００）が、電極（４０）を中心として多重に巻回され、前記巻回された部材（２００）が外筒（３０）に収納され、前記外筒に収納された部材（２００）の各々が、前記電極（４０）と前記外筒（３０）とに、互いに並列に電気的に導通可能に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等に用いられる内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒担体に関し、より詳細には、通電によって自らを加熱する電気加熱触媒担体及びその製造方法に関するものである。

一般に自動車等のエンジンの排気系には、排気ガスを浄化するための触媒が配置されている。従来、触媒担体の温度が低いと触媒が活性化されないため、エンジン停止後長時間経過した状態での、所謂コールドスタート時には排気ガスの充分な浄化が困難になるという問題があった。

そこで、エンジン停止後長時間経過し触媒担体の温度が低い状態からのエンジンの始動時に、電気により触媒担体を加熱する電気加熱触媒担体が開発されている。

このような電気加熱触媒担体として、金属製薄板の波板と平板の少なくともいずれか一方の表面に酸化皮膜を形成し、これらを中心電極を中心に多重に巻回してセラミックス接着剤で波板と平板を接着したコアと、コアの外周又は最外周の内側に巻回されたろう箔材と、上記コアが圧入され、外周に電極が固着された金属製の外筒とからなる電気加熱触媒担体が知られている（特許文献１参照。）。
特開２０００−８４４１３号公報

前述の特許文献１のような電気加熱触媒担体は、中心電極から外筒に至る一組の平板及び波板から構成される。平板及び波板はその表面に絶縁被膜が施されている。従って、中心電極と外筒との間の抵抗値は、この平板及び波板の長さに比例する。

一方、一般的な自動車に搭載されるバッテリの電圧の上限は１４Ｖ程度という制約がある。電気加熱触媒担体はコールドスタート時の低温状態から使用されるものであるが、通電開始から目標の温度に達するまでは、電圧、電流及び時間によって決定される昇温速度により、ある程度の時間を要する。

電気加熱触媒担体の昇温速度を上げるためには、触媒担体の抵抗値を低くする必要があるが、抵抗値を低くするためには平板及び波板の長さを短くしなければならず、その結果、触媒担体が小型化しセル数が小さくなってしまうので、浄化性能が低下するので、触媒としての実用性が低くなるという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、担体を小型化することなく、また、大型（大径）にしても昇温速度を向上できる電気加熱触媒担体を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、平板と波板とが接合された部材の表面に絶縁被膜が形成されており、少なくとも二つの前記部材が、電極を中心として多重に巻回され、前記巻回された部材が外筒に収納され、前記外筒に収納された部材の各々が、前記電極と前記外筒とに、互いに並列に電気的に導通可能に接合されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気加熱触媒担体であって、前記平板の一方及び他方の端部に貫通孔が設けられ、前記一方の端部に設けられた貫通孔と前記電極とをロウ接合し、前記他方の端部に設けられた貫通孔と前記外筒とをロウ接合することで、前記部材と前記電極及び前記外筒とが電気的に導通可能に接合されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、平板と波板とを拡散接合する第１の工程と、前記拡散接合された部材の表面に絶縁被膜を形成する第２の工程と、少なくとも二つの前記部材を、電極を中心として多重に巻回す第３の工程と、前記巻回された部材を外筒に収納する第４の工程と、前記外筒に収納された部材の各々を、前記電極と前記外筒とに電気的に導通可能に接合する第５の工程と、を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電気加熱触媒担体の製造方法において、前記部材において、平板の一方及び他方の端部に貫通孔を設ける第６の工程を備え、前記第５の工程において、前記一方の端部に設けられた貫通孔と前記電極とをロウ接合し、前記他方の端部に設けられた貫通孔と前記外筒とをロウ接合することで、前記部材と前記電極及び前記外筒とが電気的に導通可能に接合されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、少なくとも二つの部材の各々が、電極と外筒とに、互いに並列に電気的に導通可能に接合されているので、各々の部材に独立して電流経路が形成されるため、電気加熱触媒担体の抵抗値を下げることができる。

請求項２に記載の発明によると、平板に設けられた貫通孔により電極及び外筒に電気的に導通可能に接合するので、接合部分が厚くならず、ロウ付けの不良を起こさなくさせることができる。

請求項３に記載の発明によると、平板と波板とを接合した後に絶縁被膜を形成し、少なくとも二つの部材の各々が電極及び外筒と電気的に導通可能に接合されているので、各々の部材に独立して電流経路が形成されるため、電気加熱触媒担体の抵抗値を下げることができる。

請求項４に記載の発明によると、平板に設けられた貫通孔により電極及び外筒に電気的に導通可能に接合するので、接合部分が厚くならず、ロウ付けの不良を起こさなくさせることができる。

以下に、本発明の実施形態の電気加熱触媒担体１０について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態の電気加熱触媒担体１０の説明図である。

電気加熱触媒担体１０は、円筒形状の外筒３０にコア２０が収納されて構成される。コア２０は、後述するように平板２１０と波板２２０とが拡散接合されたコア部材２００（図２参照）を、中心電極４０を軸として多重に巻回されて形成される。

この平板２１０と波板２２０との表面に触媒材を担持させることにより、電気加熱触媒担体１０が排気ガス中の未燃焼成分や窒素酸化物等を還元させる触媒として機能する。なお、平板２１０と波板２２０とに狭持された空間を、一般的に「セル」と呼ぶ。

電気加熱触媒担体１０は径方向の中心部に、軸方向に突出した中心電極４０を備える。コア２０は中心電極４０と外筒３０との間に電気的に導通可能に接続されている。この中心電極４０と外筒３０との間に通電を行うことによりコア２０に電流が流れ、コア２０の材質が有する電気抵抗によってジュール熱が発生し、コア２０が加熱する。

一般的に、触媒は、排気ガスを適切に浄化するために所定温度（例えば２５０℃）程度に加熱する必要である。定常運転時には触媒は排気ガスの熱によって加熱されている。しかし、エンジン停止後長時間経過した状態での、所謂コールドスタート時は、コア２０の温度が低いため触媒が充分に加熱されず、排気ガスの浄化能力が低くなる。そこで、排気管中に電気加熱触媒担体１０を備え、コールドスタート時に電圧を印可して適切な温度まで加熱させる。これにより、コア２０の温度が上がり、触媒が反応温度に早急に昇温する。コア２０の温度が低いコールドスタート時に早急に充分な浄化能力とすることが可能となる。

コールドスタート後、排気ガスによって電気加熱触媒担体１０の加熱が充分に行われる状態となった場合は、電気加熱触媒担体１０への通電を停止する。なお、電気加熱触媒担体１０をバイパス流路に設置しこれとは別の触媒を排気ガス通路の下流に備え、コールドスタート時のみに電気加熱触媒担体１０と別の触媒に排気ガスを通過させ、別の触媒を過熱しながら浄化する。その後は流路を切り換えて別の触媒のみに排気ガスを通過させえるように構成してもよい。

このような電気加熱触媒担体１０では、昇温速度が問題となる。昇温速度が高ければコールドスタート時の初期から排気ガスの浄化能力が高くなる。一方、自動車に搭載されるバッテリの電圧は一定（例えば１４Ｖ）であるため、昇温速度を高めるためにはコア２０の電気抵抗を小さくする必要がある。

そこで本発明では、以下に示すように、コア２０において、中心電極４０から外筒３０への電流の経路を複数系統とした。

コア２０は、図２に示すように平板２１０と波板２２０との組によって構成されるコア部材２００によって構成される。コア部材２００はその表面が酸化絶縁被膜に覆われている。コア部材２００は、この酸化絶縁被膜によって、中心電極４０及び外筒３０に接合される部分以外は電気的に絶縁される。このように構成することにより、複数系統のコア部材２００を巻回して構成した場合にも、各コア部材２００は互いに導通することなく、中心電極４０と外筒３０との間でそれぞれ独立した電流経路が形成される。すなわち、コア部材２００の各々が、中心電極４０と外筒３０との間で、互いに並列に接続された抵抗器として機能する。

このように、コア部材２００を複数系統として電流の経路を増やすことによって、電気加熱触媒担体１０全体としての抵抗値を小さくすることができる。

なお、コア部材２００の系統を増やすと、コア部材２００と中心電極４０又は外筒３０との接合が問題となる。複数のコア部材２００を中心電極４０又は外筒３０に接合すると、接合部分の積層度が高いため接合部分の厚みが増し、ロウ付けの不良によって抗の増加や導通不良が発生する。

そこで本発明では、以下に示すような特徴的な構成によって、ロウ付けの不良を改善すると共に、昇温速度を高くすることができる電気加熱触媒担体１０を提供する。

電気加熱触媒担体１０に内蔵されるコア２０は、図２に示すように、平板２１０と波板２２０とが重ね合わせられた部材（コア部材２００）を、中心電極４０を軸として巻回すことによって製造される。

平板２１０は長方形の薄板からなる部材であり、波板２２０は長方形の薄板を波型に加工した部材である。なお、波板２２０の長手方向の長さは、平板２１０よりも若干小さくなっている。なお、平板２１０と波板２２０との材質は、鉄、アルミニウム、クロム等による合金、所謂ステンレス鋼が用いられる。

以降に、電気加熱触媒担体１０の製造工程を説明する。

まず、コア部材２００を構成する平板２１０と波板２２０とを固定する工程を行う。

具体的には、図２に示すように、平板２１０と波板２２０とを重ね合わせ、平板２１０と波板２２０とが接する部分の要所３００にスポット溶接を行う。これにより、平板２１０と波板２２０とが、お互いの相対位置が変動しないように固定される。なお、この工程はスポット溶接に限られるものではなく、例えばロウ付け等によって固定してもよい。また、以降の工程において平板２１０と波板２２０との相対位置が変動しなければ、必ずしも固定する必要はない。

次に、固定された平板２１０と波板２２０とを焼成し、拡散接合させる工程を行う。

この工程では、まず、図３（ａ）に示すように、平板２１０のうち、波板２２０と接していない側に、平板２１０と略同面積のアルミナ粉等からなる接合防止剤を有する箔材２３０を付加する。そして、この箔材と共に、平板２１０と波板２２０とを図３（ｂ）に示すように巻回す。

次に、このように巻回された平板２１０及び波板２２０を、両板の接触部に所定の圧力を加えて焼成することによって、平板２１０と２２０とを拡散接合させる。例えば、真空雰囲気中において１２００℃、１０分以上の焼成を行う。この焼成により、平板２１０と波板２２０との接触部分において互いの金属原子が境界を超えて拡散し、平板２１０と波板２２０とが拡散接合される。なお、箔材２３０を付加した側は拡散接合されない。

なお、焼成時に平板２１０と波板２２０とを巻回すのは、平板２１０と波板２２０との接触圧力を高めるために行うものであり、必ずしも巻回しである必要はない。例えば、平板２１０と波板２２０とを厚さ方向に加圧した状態で焼成を行ってもよい。

また、平板２１０と波板２２０との間に薄板状のロウ材を挟み、拡散接合を行うと共に隙間をロウ材によって埋めてもよい。

次に、拡散接合された平板２１０と波板２２０との表面に酸化絶縁被膜を形成する工程を行う。

前述の拡散接合工程において焼成を行った後、冷却を行う過程で１〜１００Ｐａ程度の空気を導入する。これにより、平板２１０と波板２２０との表面が空気中の酸素と反応して酸化絶縁皮膜が形成される。なお、冷却時ではなく、空気雰囲気中において１２００℃、５分程度の焼成によって酸化絶縁被膜を形成してもよい。

以上のような工程により、平板２１０と波板２２０とが拡散接合され、表面に酸化絶縁皮膜が形成されたコア部材２００が形成される。

次に、コア部材２００に貫通孔６０を設ける工程を行う。

具体的には、図４に示すように、コア部材２００を構成する平板２１０の、長手方向の端部に貫通孔６０を設ける。具体的には、平板２１０の一方の端部（中心電極４０と接合される側）に貫通孔６０ａが設けられ、他方の端部（外筒３０と接合される側）に貫通孔６０ｂが設けられている。

コア部材２００は、前述の工程により表面に酸化絶縁皮膜が形成されているため、中心電極４０及び外筒３０との間でロウ付け等を行ったとしても電気的に導通できない。そこで、酸化絶縁皮膜を除去しつつ、簡易な方法で導通性を確保するために、中心電極４０及び外筒３０に接する部分に貫通孔６０を設ける。この貫通孔６０により、貫通孔６０の内周部に露出した未酸化の金属部分がロウ材を介して中心電極４０及び外筒３０に接合する。これにより、コア部材２００と中心電極４０及び外筒３０とが電気的に導通される。

なお、貫通孔６０の位置及び数は、中心電極４０又は外筒３０に接する部分の面積や形状に対応して適宜決定されることは言うまでもない。

なお、この貫通孔６０は、コア部材２００の平板２１０のみに設ける。前述の焼成工程において平板２１０と波板２２０とは拡散接合されるので、平板２１０と波板２２０とは電気的に導通可能となっている。従って、平板２１０側のみに貫通孔６０を設けることによって、平板２１０と波板２２０とによって構成されるコア部材２００全体が電流の経路となる。

次に、このコア部材２００を外筒３０に組み込む工程を行う。

まず、中心電極４０にコア部材２００を組み込む。

中心電極４０の先端部は溝部４１が形成されている。この溝部に複数のコア部材２００の一端を、板状に形成されたロウ材と共に差し込む。例えば、３系統の電流経路を形成する場合は３つのコア部材２００を挟み込む。そして、コア部材２００を、中心電極４０を軸として巻き回し、略円柱形状のコア２０を形成する。

次に、略円柱形状に形成されたコア２０を外筒３０に挿入する。このとき、コア２０の外周に箔状のロウ材を巻いておく。

次に、加熱処理を行う。例えば、真空雰囲気中において、１２００℃、２０分程度の加熱処理を行う。この加熱処理によってロウ材が溶融して、コア部材２００と、中心電極４０及び外筒３０とのロウ付けが完了する。これによって、コア部材２００の平板２１０が中心電極４０及び外筒３０接合されると共に、コア部材２００の端部と中心電極４０及び外筒３０とがそれぞれ電気的に導通される。

その後、接合されたコア２０の開放面にセラミック接着剤５０を塗布し、これを乾燥させることにより、コア部材２００及び中心電極４０を補強固定する。例えば、図６に示すように、中心電極４０を中心とした対角線状にセラミック接着剤５０を塗布して、コア２０及び中心電極４０を周方向に固定する。なお、セラミック接着剤５０を用いなくてもかまわない。

ここで、本発明の電気加熱触媒担体１０の具体的な実施例について説明する。

＜実施例１＞
平板及び波板の材料はクロム２０％、アルミニウム５％、残部が鉄を主成分とするものである。また、ロウ材は、ＪＩＳＢＮｉ５相当材である。

このような材料から、板厚５０μｍ、外筒の直径５８．５ｍｍ、セル数約４００の電気加熱触媒担体１０を製造した。

この電気加熱触媒担体１０において、コア部材２００を１系統とした場合は、抵抗値は約０．５７Ωとなり、１４Ｖの電圧を印可することによって３４０Ｗの熱を発生する。この電気加熱触媒担体１０の昇温速度は５．８℃／ｓであった。

一方、コア部材２００を３系統とした場合は、抵抗値は約０．２Ωとなり、１４Ｖの電圧を印可することによって約１ｋＷの熱を発生する。この電気加熱触媒担体１０の昇温速度は約１８℃／ｓとなった。なお、この電気加熱触媒担体１０は、中心電極４０及び外筒３０のロウ付け不良は発生しなかった。

＜実施例２＞
実施例１と同材料によって、板厚５０μｍ、外筒の直径７７ｍｍ、セル数約２００の電気加熱触媒担体１０を製造した。

この電気加熱触媒担体１０において、コア部材２００を１系統とした場合は、抵抗値は約０．７１Ωであり、１４Ｖの電圧を印可することによって約２７０Ｗの熱を発生する。この電気加熱触媒担体１０の昇温速度は３．６℃／ｓであった。

一方、コア部材２００を４系統とした場合は、抵抗値は約０．１８Ωであり、１４Ｖの電圧を印可することによって約１０９０Ｗの熱を発生する。この電気加熱触媒担体１０の昇温速度は約１５℃／ｓとなった。なお、この電気加熱触媒担体１０も、中心電極４０及び外筒３０のロウ付け不良は発生しなかった。

以上のように、本発明の実施形態の電気加熱触媒担体１０は、コア部材２００を複数の系統によって構成した。各々のコア部材２００は、その表面が酸化絶縁被膜で覆われているため、中心電極４０から外筒３０への電流の経路が、各コア部材２００ごとに複数形成される。これにより、コア２０の抵抗値を小さくすることが可能となり、昇温速度を高くすることができる。

特に、コア部材２００の系統を増やすことにより、コア２０全体の断面積（コア数）を変更することなく、抵抗値を低くすることが可能となる。これにより、コア２０の性能を低下させることなく、昇温速度を高めることのできる電気加熱触媒担体１０を提供することができる。また、コア２０を大型（大径）にしても触媒の昇温が速やかになり、エンジン始動直後から浄化を行なうことができる。

また、各々のコア部材２００は、予め平板２１０と波板２２０とが拡散結合されているので、平板２１０と波板２２０とを別々に酸化絶縁被膜を形成した後に巻き回して構成するよりも、コア２０の強度を高くできる。

また、コア部材２００は、平板２１０と波板２２０とが拡散結合されて電気的に導通しているので、中心電極４０に電気的に導通可能に接合する部分は平板２１０側のみでよい。そのため、中心電極４０に接合する部分の厚みが増すことがないので、ロウ付け不良が起こりにくく、歩留りを向上できる電気加熱触媒を提供することができる。

なお、本発明の電気加熱触媒担体１０は自動車に限定されるものではなく、さまざまな内燃機関の排気ガスの浄化に用いることができる。

本発明の実施形態の電気加熱触媒担体の斜視図である。本発明の実施形態の触媒担体部材の斜視図である。本発明の実施形態の触媒担体部材の説明図である。本発明の実施形態の触媒担体部材の説明図である。本発明の実施形態の中心電極の説明図である。本発明の実施形態の電気加熱触媒担体の斜視図である。

符号の説明

１０電気加熱触媒
２０コア
３０外筒
４０中心電極
４１溝部
６０貫通孔
２００コア部材
２１０平板
２２０波板

Claims

平板（２１０）と波板（２２０）とが接合された部材（２００）の表面に絶縁被膜が形成されており、
少なくとも二つの前記部材（２００）が、電極（４０）を中心として多重に巻回され、前記巻回された部材（２００）が外筒（３０）に収納され、
前記外筒に収納された部材（２００）の各々が、前記電極（４０）と前記外筒（３０）とに、互いに並列に電気的に導通可能に接合されていることを特徴とする電気加熱触媒担体。
請求項１に記載の電気加熱触媒担体であって、
前記平板（２００）の一方及び他方の端部に貫通孔（６０）が設けられ、
前記一方の端部に設けられた貫通孔（６０ａ）と前記電極（４０）とをロウ接合し、前記他方の端部に設けられた貫通孔（６０ｂ）と前記外筒（３０）とをロウ接合することで、前記部材と前記電極及び前記外筒とが電気的に導通可能に接合されることを特徴とする電気加熱触媒担体。
平板（２１０）と波板（２２０）とを拡散接合する第１の工程と、
前記拡散接合された部材（２００）の表面に絶縁被膜を形成する第２の工程と、
少なくとも二つの前記部材（２００）を、電極（４０）を中心として多重に巻回す第３の工程と、
前記巻回された部材（２００）を外筒（３０）に収納する第４の工程と、
前記外筒（３０）に収納された部材（２００）の各々を、前記電極（４０）と前記外筒（３０）とに電気的に導通可能に接合する第５の工程と、
を備えたことを特徴とする電気加熱触媒担体の製造方法。
請求項３に記載の電気加熱触媒担体の製造方法において、
前記部材（２００）において、平板の一方及び他方の端部に貫通孔（６０）を設ける第６の工程を備え、
前記第５の工程において、前記一方の端部に設けられた貫通孔（６０ａ）と前記電極（４０）とをロウ接合し、前記他方の端部に設けられた貫通孔（６０ｂ）と前記外筒（３０）とをロウ接合することで、前記部材（２００）と前記電極（４０）及び前記外筒（３０）とが電気的に導通可能に接合されることを特徴とする電気加熱触媒担体の製造方法。