JP3211327B2 - 通電加熱可能な金属担体触媒装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば内燃機関の排気
浄化装置として使用するのに適した、通電加熱可能な金
属担体触媒装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の冷間始動時には、排気浄化装
置の触媒も温度が低下しているから、それが排気の熱、
或いは排気の酸化による熱によって加熱されて数百度の
活性化温度に達するまでは排気浄化機能が十分に発揮さ
れない。そこで、触媒を加熱して急速に活性化温度に到
達させる手段が考えられ、その一種として、触媒物質を
表面に被覆される触媒担体を金属板で構成し、機関始動
時に金属担体自体に通電して発熱させ、急速に触媒温度
を上昇させるものがある。この場合は、触媒の骨格とな
る触媒担体自体が電気的なヒータを兼ねている。

【０００３】特表平３−５００９１１号公報には、通電
加熱可能な金属担体触媒装置に属する第１の従来技術が
記載されている。この触媒装置においては、金属の平坦
な薄板と金属の波状の薄板とを交互に重なるように巻い
てハニカム状の触媒担体を形成し、その際に、触媒担体
を中間絶縁層によって半径方向又は軸方向に複数の電流
路を構成するように分割し、電流路が０．２〜２Ω程度
の電気抵抗値を持つようにして、これに電流を通じて発
熱させる。

【０００４】また、第２の従来技術として、米国特許第
４，９２８，４８５号明細書には、触媒を担持する複数
枚の波状の金属薄板の各一端を中央部の電極棒に取り付
けて接続し、それらの複数枚の波状の金属薄板を電極棒
の周りに巻き上げて形成した触媒担体を、外部電極を兼
ねている外筒内に収容して、波状の金属薄板の各他端を
外筒に接続することにより構成される通電加熱可能な金
属担体触媒装置が記載されている。

【０００５】前述の従来の金属担体触媒装置において
は、波状の金属薄板のみ、或いは金属の平坦な薄板と金
属の波状の薄板が、交互に重なるように巻かれてハニカ
ム状の触媒担体を形成し、その際に絶縁層を層間に設け
るか、又は金属薄板の表面の酸化被膜を絶縁層となすこ
とにより、ヒータとして適当な電気抵抗値が得られるよ
うに構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の触媒担体では、
隣接して重なり合う波状の金属薄板相互間、或いは平坦
な金属薄板と波状の金属薄板相互間は、半径方向に重な
り合っているだけで、相互に接合されてはいないし、層
間に十分な圧着力が作用するようになっていないので、
それを内燃機関の排気浄化装置として使用した場合、排
気の熱を受けて高温になったときには、ハニカム状の金
属担体内部の温度差によって発生する熱応力と排気圧に
より、主として波状の金属薄板が軸方向にずれ、外筒や
中央部の電極が設けられている場合にはそれらに接続さ
れた部分を残して、中間層部分が排気の下流側に大きく
突出するという現象（以下これをスコーピング現象とい
う）が起こりやすい。

【０００７】図１１は、スコーピング現象を説明するた
めに、前記の従来技術の場合とは多少構造を異にする
が、比較のために本発明の装置により近い構造を持つ通
電加熱可能な金属担体触媒装置１０１を示したものであ
る。触媒装置１０１において、外筒１０２内に収容され
る金属担体１０３は、中心電極１０６の周りに平坦な金
属薄板と波状の金属薄板が交互に重なるように巻き上げ
られたものであり、金属担体１０３を巻き上げたのち、
外筒１０２内に挿入して中心電極１０６を少し逆方向に
回転させ、渦巻き状の金属担体３を膨らませて、金属担
体１０３の外周を外筒１０２の内面に接触、支持させて
いる。

【０００８】図１１に示した金属担体触媒装置１０１で
は、金属担体１０３を膨らませているので、金属担体１
０３を構成する平坦な金属薄板と波状の金属薄板の層間
の圧接力が非常に小さいため、これが排気の熱と排気圧
に曝されると、外筒１０２及び中心電極１０６に支持さ
れない部分では、主として波状の金属薄板が下流側に距
離Ｓだけ突出してスコーピング現象を呈する。一旦スコ
ーピング現象が起こると、温度が低下しても金属担体１
０３が原形に復することはなく、僅か１０回前後の加
熱、冷却の繰り返しでも、加熱する度に突出量が次第に
大きくなる結果、金属薄板が外筒１０２や中心電極１０
６に取り付けられている部分等で破断し、金属担体１０
３が使用不能な程度まで破損してしまうという実験結果
もある。金属担体を外筒内に挿入したあと、特に中心電
極を逆転させて膨らませるというようなことをしなくて
も、従来技術の場合は金属担体の層間の結合が弱いの
で、遅かれ早かれスコーピング現象を起こすのである。

【０００９】本発明は、従来技術において起こりやすい
ハニカム状金属担体のスコーピング現象を防止し得る有
効な手段を提供することを、発明が解決しようとする課
題とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、平坦な金属箔と波状の金属箔
とを重ね合わせてそれらの接触部分の少なくとも一部を
接合して一体化することにより一面が平坦で他面が波状
の帯状体となし、複数枚の前記帯状体の各一端を棒状の
中心電極の周りに取り付けて、その周りに前記複数枚の
帯状体を渦巻き状に巻き上げることによりハニカム状の
金属担体を形成し、前記金属担体をケーシングとなる外
筒内に挿入して前記帯状体の各他端を前記外筒の内面に
取り付けたのち、前記中心電極を前記外筒に対して相対
回転させることにより前記平坦な金属箔に張力を与え
て、渦巻き状に巻き上げられた前記帯状体を巻き締め、
積層状態の前記帯状体の層間にスコーピング現象の発生
を防止するのに十分な大きさの圧接力を発生させると共
に、その巻き締め状態を維持し得る支持手段を用いて前
記中心電極と前記外筒を連結し、前記中心電極の前記外
筒に対する相対回転及び相対位置の移動を阻止したこと
を特徴とする通電加熱可能な金属担体触媒装置を提供す
る。

【００１１】

【作用】本発明の通電加熱可能な金属担体触媒装置にお
いては、その触媒の金属担体を構成する帯状体が、あら
かじめ波状の金属箔を平坦な金属箔に接合して一体化し
たものであり、それを中心電極の周りに渦巻き状に巻き
上げ、且つ巻き締めた状態で、支持手段によって中心電
極と外筒とを相対的に固定しているので、積層された帯
状体の層間には十分な大きさの圧接力が発生していると
共に、平坦な金属箔には大きな張力が作用しており、そ
の両端が中心電極と外筒に取り付けられていることか
ら、波状の金属箔がスコーピング現象を起こそうとして
も、それと一体の平坦な金属箔によって阻止されて、軸
方向及び半径方向のいづれの方向にも動くことができな
いので、スコーピング現象の発生が未然に防止される。

【００１２】

【実施例】本発明の第１実施例を図１〜図４に示す。通
電加熱可能な金属担体触媒装置１は、接地電極を兼ねた
ケーシングである外筒２と、その内部に収容された触媒
の金属担体３、及びそれらに付帯する部分からなってい
る。金属担体３は、厚さが５０μｍ程度の帯状の平坦な
金属箔４と、同じ材料からなる波状の金属箔５とを重ね
合わせたものを複数組用意し、それらの一端を棒状の中
心電極６の周りに均等に取り付けて、中心電極６の上に
積層されるように巻き上げ、それを外筒２内に収容して
他端を外筒２に取り付け、適度の張力が平坦な金属箔４
に生じるようにトルクＦをかけて巻き締めた状態で、外
筒２に対して中心電極６が回転しないように、且つ外筒
２と中心電極６の相対的な位置関係が変化しないよう
に、後述のような手段により相互に固定することによっ
て構成されたものである。

【００１３】金属箔４及び５は、その材質を例えば、２
０％のクローム及び５％のアルミニウムと残部が鉄から
なる鉄系合金とすることができ、この板状材料を５０μ
ｍ程度の厚さになるまで圧延し、帯状に裁断して平坦な
金属箔４を製造するが、波状の金属箔５は、それを更に
歯車状に噛み合う回転工具の間に挟み込んで波形に成形
することによって製造される。

【００１４】本発明の金属担体３を組み立てるときは、
金属担体３を構成する平坦な金属箔４と波状の金属箔５
の１枚ずつを、あらかじめ重ね合わせた状態で所々を溶
接或いはロウ付け等によって相互に固定して、一面が平
坦で他面が波状の凹凸をもっている二重の帯状体７を製
造し、その帯状体７を数組用いて、図３に示したよう
に、それぞれの帯状体７の一端を中心電極６の周囲の均
等位置に設けられた軸方向の溝等に挟み込んで固定し、
帯状体７が積層するように中心電極６上に巻き上げると
いう方法をとる。

【００１５】図４は、平坦な金属箔４と波状の金属箔５
とを重ね合わせて相互に固定するための一つの手段の例
を示したもので、帯状体７の縁部に近いところの谷の一
部分に、数ピッチ毎に軸方向に二箇所ずつ短く、レーザ
溶接８を行ったものである。レーザ溶接８によって金属
箔４と波状の金属箔５とが相互に固定される結果、帯状
体７の軸方向の剛性は波状の金属箔５単体に比べて格段
に大きくなる。なお、この場合、レーザ溶接８は、同様
な位置に施される電気的なスポット溶接、或いはロウ付
け等の手段によって代えることもできる。

【００１６】図５によって模式的に示したように、波状
の金属箔５単体の両端を外筒２と中心電極６に相当する
部分との間に取り付けて支持した場合に、中央部分は自
重によってアコーディオン状に大きく垂れ下がるのに対
し、図６に示したように、平坦な金属箔４と波状の金属
箔５とを重ね合わせて所々を溶接８によって相互に固定
した帯状体７の場合には、帯状体７の構成部分である平
坦な金属箔４が、支持部分の間に大きな張力Ｔを発生し
て軸方向の力Ａ（この場合は重力）に抵抗するので、平
坦な金属箔４に固定された波状の金属箔５も垂れ下がる
ことがない。

【００１７】しかしながら、帯状体７は実際には中心電
極６の周りに巻かれているので、模式的に描いた図５や
図６のように張力Ｔだけが発生する訳ではなく、巻き重
ねられた帯状体７の層の間に作用する半径方向の力（層
間の圧着力）Ｒも考えなければならない。張力Ｔは、帯
状体７が中心電極６の周りに単に巻き付けられるだけで
なく、巻き締められて帯状体７の層の間に半径方向の力
Ｒが発生したときに、はじめて有効な大きさとなって平
坦な金属箔４に発生して、軸方向力Ａに抵抗して金属担
体３のスコーピング現象を防止することができる。

【００１８】従って、このような場合に重要なことは、
平坦な金属箔４と波状の金属箔５とを重ね合わせて、溶
接等の手段により所々を相互に固定して帯状体７を作る
だけでなく、それを中心電極６の周りに所定のトルクＦ
によって巻き締めることによって、帯状体７の層の間に
半径方向の力Ｒを発生させ、それに伴って十分大きな張
力Ｔを平坦な金属箔４に発生させることと、更に、トル
クＦが常に略同じ大きさで維持されるように、外筒２に
対して中心電極６の回転方向の相対的な位置を固定する
ことである。更に、全体的な型崩れを防止するために
は、帯状体７を巻き締めて固定する際に、回転方向の固
定だけでなく、外筒２と中心電極６の相対的な位置関係
も不変に維持することが望ましい。

【００１９】そのため、本発明の第１実施例では、図１
に示すように、中心電極６の一端に形成された雄ねじ部
９に、中心電極６と直角方向に支持棒１０をナット１１
によって取り付け、支持棒１０を外筒２の貫通孔１２に
おいて固定している。支持棒１０はそのフランジ部を電
気的な絶縁材料からなる一対のガスケット１３、１４に
よって挟んで、貫通孔１２の周りに突出して形成された
螺子部１５に対して袋ナット１６によって螺着して固定
されるから、外筒２と中心電極６間の電気的な導通はな
く、支持棒１０は中心電極６へ電力を供給するための導
線として利用することができる。中心電極６と支持棒１
０の結合を螺子部によらずに例えば溶接によって行って
もよいことは言うまでもない。

【００２０】中心電極６の上に巻き上げられた帯状体７
の渦巻き状積層体は外筒２の中に挿入されて、各帯状体
７の外端が外筒２内に適当な止め具や溶接等の方法で接
続される。その後、中心電極６を支持棒１０に取り付け
るが、その際には先に説明したような理由から、金属担
体３を構成する帯状体７を所定の大きさのトルクＦで巻
き締めている状態で、ナット１１を締めつけて固定す
る。そのために、中心電極６の雄ねじ部９が挿入される
支持棒１０の孔との間等には、適当な回り止め手段を施
してもよい。このようにして、金属担体３を構成する渦
巻き状に巻き締められた状態の多くの帯状体７の積層体
が外筒２の中に収容され、各帯状体７の外端は外筒２に
対し、また内端は中心電極６に対して電気的にも接続さ
れる。

【００２１】金属担体３はその表面に触媒物質が被覆さ
れていて、触媒装置１が内燃機関の排気通路に接続され
て、機関の排気がハニカム状の金属担体３の孔を通過す
るときに、排気に含まれるＨＣやＣＯ等の有害な物質を
無害化するのに役立つ。機関の冷間始動時等において
は、金属担体３の温度も低く触媒が活性化されていない
ので、急速に金属担体３の温度を上昇させるために、中
心電極６をバッテリーの＋極に、外筒２を−極に接続し
て金属担体３に直接電流を流し、ジュール熱を発生させ
て触媒を加熱する。金属担体３を直接発熱させるので、
熱が無駄なく利用され、比較的少ない電力によって触媒
を活性化させることができる。

【００２２】内燃機関の運転中には、排気の熱と、排気
中の物質が触媒によって酸化されるときに発生する熱に
よって、金属担体３の温度が最高の部分で９００℃程度
にも達し、触媒装置１内でも部分的に温度差が生じるの
と、排気圧によって下流側に向かう力が加わるため、金
属担体３には軸方向下流側向きの力Ａが作用して、スコ
ーピング現象を起こさせようとするが、本発明の第１実
施例においては、波状の金属箔５を平坦な金属箔４にレ
ーザ溶接８等によって固定して一体化した帯状体７を使
用しているのと、帯状体７を中心電極６の周りに巻き締
めて、平坦な金属箔４に有効な張力Ｔを発生させた状態
で、中心電極６を外筒２に対して固定しているので、熱
応力による力や外力が作用している状態においても、渦
巻き状に積層された帯状体７の層間には半径方向の動き
が殆ど生じることがなく、張力Ｔが安定に保持されるの
で、帯状体７が軸方向に移動することが防止されて、ス
コーピング現象の発生が予防される。

【００２３】図７は、本発明によるものと従来例とを比
較実験した結果を示したもので、通電加熱可能な金属担
体触媒装置に加熱、冷却を繰り返してスコーピング現象
を発生させ、その金属担体３と突出量（スコーピング量
Ｓ）と加熱、冷却の回数とを測定して記録したものであ
る。従来例では、僅か５〜１０回でも金属担体３が破損
するほどのスコーピング量を生じるのに対し、本発明に
よればスコーピング量が少なくなり、実用上殆ど問題に
ならない程度であることがわかった。

【００２４】図８は図４に示した例と異なり、レーザ溶
接を帯状体７の谷の方向とは直角の方向（長手方向）
に、しかも波状の金属箔５の側からレーザビームを照射
して行う例を示している。このような方法によると、レ
ーザビームが帯状体７の谷底に照射された時だけ溶接点
１７が形成され、平坦な金属箔４と波状の金属箔５とを
溶接することができるが、それ以外のところでは２枚の
金属箔４、５が接触していないために溶接が行われず、
波状の金属箔５に切れ１８が入ることもあるが、図４の
場合のようにレーザビームを帯状体７の谷に合わせて照
射する必要がないので、波状の金属箔５の波山のピッチ
ｐよりも大きい長さにわたって照射するだけでよく、そ
れによって必ず谷底に溶接点１７を形成することができ
るという利点がある。従って、図８のようにランダムに
レーザビームの照射位置を選択してもよい訳で、レーザ
溶接機の制御が簡単になるし、加工速度も大きくするこ
とができるので大量生産に適している。なおこの場合に
は、切れ１８が波状の金属箔５にできる可能性がある
が、張力Ｔを負担している平坦な金属箔４には傷がつか
ないので、切れ１８によって金属担体３が破断するよう
な恐れはない。

【００２５】図９及び図１０は本発明の第２実施例とし
ての通電加熱可能な金属担体触媒装置１’を示したもの
である。図１等に示した第１実施例の場合は中心電極６
を支持棒１０によって支持、固定したが、第２実施例で
は図１０のような形状の支持部材１９を用いている。支
持部材１９は環状部分２０と直径部分２１、更に外方に
突出した電極部分２２からなっている。環状部分２０の
中には排気の通過する大きな開口２３が形成され、排気
の流れを阻害しないように、直径部分２１にも捩じった
部分２４を形成して軸方向の投影面積を減少させると共
に、直径部分２１の軸方向の剛性を高めている。また、
直径部分２１の中央に孔２５を開口し、中心電極６の一
端の雄ねじ部９をナット１１によって固定している。支
持部材１９は、外筒２’のフランジ部２６と排気管２７
のフランジ部２８との間に、絶縁材料からなるガスケッ
ト２９を介在させて、図示しないボルト等によって締結
される。金属担体３は第１実施例と同様に、平坦な金属
箔４と波状の金属箔５を接合した帯状体７を、中心電極
６の周りに巻き締めたものである。

【００２６】第２実施例では支持部材１９が直径部分２
１に捩じった部分２４を備えているのと、直径部分２１
の両端で外筒２’に接続されるので、中心電極６の支持
が安定であり、支持部材１９の強度が高くなるため、そ
の厚さを薄くすることができて開口２３の断面積を大き
くとることが可能になり、排気の流路抵抗も低減され
る。しかも、第２実施例の場合は部品点数が少なく組立
が容易になる。電極部分２２は中心電極６に導通するの
で配線に便利であるだけでなく、金属担体３に与えられ
る巻き締めトルクＦを維持するための、回り止めとして
利用することもできる。その場合は、支持部材１９を回
転させ中心電極６に外筒２’に対する相対回転を加え
て、金属担体３の帯状体７の層間に必要な半径方向力Ｒ
を発生させる大きさの張力Ｔを平坦な金属箔４に与えた
のち、電極部分２２をフランジ部２６又は２８に設けら
れた図示しない回り止め部に係合させ、フランジ部をボ
ルト等によって締結するという組立手順をとることにな
る。金属担体触媒装置１’の基本的な作動は第１実施例
の場合と同様である。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な手段によって通
電加熱可能な金属担体触媒装置のハニカム状の金属担体
に生じやすいスコーピング現象の発生を未然に防止する
ことができる。その結果、金属担体触媒装置の信頼性を
高め、その耐用期間を大幅に延長することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としての金属担体触媒装置
を示す縦断正面図である。

【図２】図１の金属担体触媒装置を上方から見た平面図
である。

【図３】図１の金属担体触媒装置の一部を展開して示す
斜視図である。

【図４】図１の金属担体触媒装置に使用される帯状体を
示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は端面図である。

【図５】本発明の作用効果を説明するための波状の金属
箔の正面図である。

【図６】本発明の作用効果を説明するために帯状体を示
したもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は端面図である。

【図７】本発明の作用効果を従来例と比較して示す線図
である。

【図８】帯状体を作るための他の方法を示したもので、
（ａ）は端面図、（ｂ）は正面図である。

【図９】本発明の第２実施例としての金属担体触媒装置
を示す縦断正面図である。

【図１０】図９の金属担体触媒装置に用いる支持部材を
示す平面図である。

【図１１】スコーピング現象を説明するための金属担体
触媒装置の断面図である。

【符号の説明】

１、１０１…通電加熱可能な金属担体触媒装置 ２、２’、１０２…外筒 ３、１０３…金属担体 ４…平坦な金属箔 ５…波状の金属箔 ６、１０６…中心電極 ７…帯状体 ８…レーザ溶接点 １０…支持棒 １３、１４…ガスケット １７…溶接点 １８…切れ １９…支持部材 ２０…環状部分 ２１…直径部分 ２２…電極部分 ２４…捩じった部分 ２６、２８…フランジ部 ２７…排気管 ２９…ガスケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤城 修 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 川辺 泰之 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 小倉 義次 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 平山 洋 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 伊藤 啓司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−131142（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−179939（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01J 21/00 - 38/74 B01D 53/94 F01N 3/20 F01N 3/28 301

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦な金属箔と波状の金属箔とを重ね合
   わせてそれらの接触部分の少なくとも一部を接合して一
   体化することにより一面が平坦で他面が波状の帯状体と
   なし、複数枚の前記帯状体の各一端を棒状の中心電極の
   周りに取り付けて、その周りに前記複数枚の帯状体を渦
   巻き状に巻き上げることによりハニカム状の金属担体を
   形成し、前記金属担体をケーシングとなる外筒内に挿入
   して前記帯状体の各他端を前記外筒の内面に取り付けた
   のち、前記中心電極を前記外筒に対して相対回転させる
   ことにより前記平坦な金属箔に張力を与えて、渦巻き状
   に巻き上げられた前記帯状体を巻き締め、積層状態の前
   記帯状体の層間にスコーピング現象の発生を防止するの
   に十分な大きさの圧接力を発生させると共に、その巻き
   締め状態を維持し得る支持手段を用いて前記中心電極と
   前記外筒を連結し、前記中心電極の前記外筒に対する相
   対回転及び相対位置の移動を阻止したことを特徴とする
   通電加熱可能な金属担体触媒装置。