JPH05220405A - 通電加熱可能な金属担体触媒装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属担体の断面上でガス流量の少ない部分に
おける無駄な発熱量を減らして、触媒暖機のために消費
する電力量を節減する。 【構成】 平坦な金属箔４と波状の金属箔５の一端を棒
状の中心電極６の周りに取り付け、それらが交互に重な
り合うように渦巻き状に巻き付けることにより、ハニカ
ム状に形成された金属担体３を備えていると共に、平坦
な金属箔４及び波状の金属箔５の電気抵抗の値が、金属
担体３の単位断面積当たりのガス流量が比較的少なくな
る周辺部１２において小さくなるように、図（ｃ）に見
られる平坦な金属箔４’を並列に追加するか、厚さを増
加させることにより、その部分の発熱量を減少させるよ
うにした通電加熱可能な金属担体触媒装置。

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】例えば内燃機関の排気ガスにはＮＯｘ、
ＣＯ、ＨＣ等の有害な物質が含まれているので、排気ガ
スを触媒装置に導き、これらの有害物質を触媒を用いて
酸化或いは還元することによって無害化（浄化）するこ
とが一般に行われているが、そのような触媒装置に使用
される触媒の一種として、ステンレス鋼のような耐熱性
合金からなる平坦なリボンと、同じく波状のリボンの各
細片を重ね合わせて、それらの全ての接触部分を蝋接
し、これを螺旋状に巻いて全体に多数の小さなチャンネ
ル部分を有する円板状に形成したものを触媒担体とな
し、その表面に白金やパラジウム等の貴金属を電気メッ
キ等によって薄く被覆した触媒を用いることは公知であ
る（例えば、特公昭４７−４８１０９号公報参照）。

【０００３】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、その触媒が排気ガス
の保有している熱、或いは排気ガス中のＨＣやＣＯを酸
化処理する際に発生する熱等によって加熱されて、触媒
の温度が数百度の活性化温度に達するまでは排気浄化の
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として、前記のような
金属担体を用いた触媒の場合は、機関始動時に金属担体
自体に直接通電して発熱させ、触媒の温度を急速に上昇
させるという触媒暖機方法も従来から試みられている。

【０００４】図４は、本発明の金属担体触媒装置とも共
通する従来の触媒装置の全体構成を例示したもので、金
属担体触媒装置１はケーシング２’の一部となるか、或
いはその中に嵌め込んで固定される外筒２の内部に、触
媒の骨格となるハニカム状の金属担体３を収容してい
る。金属担体３は、図６に示すように、帯状の平坦な金
属箔４と波状の金属箔５の各一端が中心電極６に取り付
けられた上で、中心電極６の周りに交互に複数組程度巻
き付けられて、軸方向に多数の通孔をもつハニカム状に
構成される。実際には、中心電極６に巻き付ける前に、
平坦な金属箔４と波状の金属箔５を重ね合わせて、それ
らの接触部分の一部分或いは全部を溶接或いは蝋接等の
方法によって接合することにより、予め二重構造の帯状
体７を形成しておき、その帯状体７の一端を中心電極６
に取り付けてそれに巻き付けるという方法をとることも
ある。

【０００５】中心電極６の周りに巻き付けられた平坦な
金属箔４及び波状の金属箔５の外周端（或いは帯状体７
の外周端）は、接地電極を兼ねている外筒２に接続さ
れ、中心電極６と外筒２との間にバッテリー等の電源８
が接続されて、平坦な金属箔４と波状の金属箔５とが形
成する並列回路に電流を流し、金属箔４及び５自体の電
気抵抗によって、金属担体３を直接に発熱させる。各帯
状体７の間には酸化物等の絶縁物質が介在し、層間に電
流が流れるのを阻止している。なお図４に示した例にお
いて９はスイッチ、１０は中心電極６を支持する導電性
の支持棒を示しており、支持棒１０はケーシング２’の
孔を絶縁体を介して通過している。１１はケーシング
２’内において金属担体３の下流側に設けられた大型の
主触媒担体であって、熱容量が大きいため始動時には活
性化が遅れるが、通電加熱可能な金属担体３が通電され
ることによって急速に温度上昇して早期に活性化され、
ガス中のＨＣやＣＯ等を酸化させて浄化する作用を行う
ことによって、その際に発生する熱が主触媒担体１１を
温度上昇させて活性化させるように構成されている。

【０００６】このように、通電加熱可能な金属担体触媒
装置においては、金属担体３を構成している平坦な金属
箔４と波状の金属箔５の材料であるステンレス鋼等の固
有の電気抵抗が、電流によってジュール熱を発生させる
ために利用されており、触媒担体自体が電気的なヒータ
を兼ねることになるから、触媒担体に別のヒータ等を付
設して加熱する場合に比べて、電源８から供給される電
力が殆ど全て触媒を加熱するために利用されるという利
点がある。そして従来の金属担体３では、任意の断面に
おいて平坦な金属箔４と波状の金属箔５からなる金属箔
が略均等な密度で分布しており、単位断面積あたりの発
熱量も略均等になっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ハニカム構造の金属担
体３を有する触媒装置１において、金属担体３の下流側
の流速Ｖの分布を調べてみると、図５に示すように、中
心電極６の部分を除く中心付近の流速が大きく、外筒２
に近い周辺部に向かって流速が次第に小さくなっている
ことから、金属担体３を通過する排気ガスのような被処
理ガスの大部分は金属担体３の中心付近を通過してお
り、周辺部を通過する量は予想されたよりもはるかに少
ないことが判った。従って従来の金属担体３のように単
位断面積当たりの発熱量が略均等になる構造では、図６
に示すように周辺部１２では通電によって発生した熱が
十分に利用されないで、一部は無駄になって外筒２の方
へ放散する反面、中心付近では多量のガスが通過するた
めに、発生した熱がガスに奪われて温度の上昇が遅れる
ことも判った。

【０００８】しかしながら、金属担体３に流す電流量を
増やして、中心付近の発熱量を増加させると、周辺部１
２でも同じように発熱量が増加するから、無駄になる熱
量が増えることになり、消費電力が大きくなって、バッ
テリーのような電源８の負担が増えるだけで、なんら有
効な解決策にならない。そこで本発明は、従来の通電加
熱可能な金属担体触媒装置における金属担体が有するこ
の問題を解決し得る有効な手段を提供することを、発明
の解決課題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決する手段として、平坦な金属箔と波状の金属箔の一
端を棒状の中心電極の周りに取り付け、それらが交互に
重なり合うように前記中心電極の周りに渦巻き状に巻き
付けることにより、ハニカム状に形成された金属担体を
備えている金属担体触媒装置において、前記平坦な金属
箔及び前記波状の金属箔の電気抵抗の値が、前記金属担
体の単位断面積当たりのガス流量が比較的多くなる部分
において、ガス流量が比較的少なくなる部分よりも相対
的に大きくなるように、部分的に抵抗値を変化させると
共に、前記中心電極と前記平坦な金属箔及び前記波状の
金属箔の外周端との間に電流を流すことによって、部分
的に異なる単位断面積当たりの発熱量を生じさせるよう
に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。

【００１０】

【作用】金属担体の中心電極と平坦な金属箔及び波状の
金属箔の外周端との間に電流を流すと、それらの金属箔
の中でも抵抗値の大きいところでは、抵抗値の小さいと
ころよりも相対的に多量をジュール熱を発生する。本発
明においては、金属担体の断面上で比較的ガス流量が多
いところで抵抗値が大きくなるように設定してあるの
で、ガス流量が多くても温度上昇が遅れることはなく、
またガス流量が少ないところでは抵抗値を小さくして、
発熱量を抑えているので、無駄な温度上昇を避けて、電
力の浪費を防止する。

【００１１】

【実施例】本発明の第１実施例を図１〜図３に示す。第
１実施例の通電加熱可能な金属担体触媒装置の全体構成
は、図４に示した従来例と同様であるから、従来の金属
担体触媒装置１の各部分と実質的に同様な部分について
は、同じ名称を与えると共に同じ参照符号を付して対照
を容易にしている。図４に示すように、通電加熱可能な
金属担体触媒装置１は、接地電極を兼ねている外筒２の
内部に形成された触媒の金属担体３と、それに付帯する
部分からなっている。図示例の外筒２は、ケーシング
２’とは別体の、金属担体３と同じ軸方向長さを有する
薄肉の金属製リングである。ケーシング２’の内部の下
流側には別の大きな主触媒担体１１が収容されており、
金属担体３が担持する触媒は、主触媒担体１１の暖機を
促進するための前置触媒としての働きをする。つまり、
始動時には比較的小型の金属担体３に通電することによ
って、金属担体３の温度を急速に触媒の活性化温度まで
上昇させ、早期に排気ガスの浄化作用を行わせることに
よって、その際に放出される熱を主触媒担体１１に与え
て、その暖機を促進するように構成されている。この場
合、主触媒担体１１はどのような形式、材質のものであ
ってもよい。

【００１２】図１に本発明の第１実施例における金属担
体３を示す。この金属担体３を製造する場合は、材料と
なる厚さが３０〜５０μｍ程度の金属箔を長い帯状に裁
断した平坦な金属箔４と、同じ帯状の長い金属箔を歯車
のように噛み合う工具の間を通して波状に成形した波状
の金属箔５とを用意し、予めそれらを図１（ｂ）に示す
ように重ね合わせ、接触している部分の一部或いは全部
をレーザ溶接その他の方法によって相互に接合して、二
重構造の帯状体７を製造する。１４は溶接箇所を例示し
ている。次に、複数組の二重構造の帯状体７の各一端
を、図２に示すように棒状の中心電極６の周りに均等に
取り付けて、全ての帯状体７が中心電極６の上に積層さ
れるように巻き上げて、図１（ａ）に示す金属担体３の
中心部１３を形成させる。以上の工程は従来の金属担体
３を製造する場合と同様である。

【００１３】このようにして金属担体３の中心部１３を
形成したあと、図１（ｃ）に示すように、平坦な金属箔
４と同様なもう１枚の金属箔４’を、各帯状体７の間に
挟み込んで、部分的に帯状体７に接合して三重構造とな
したものを更に巻き上げ、金属担体３の周辺部１２を形
成させる。従って、金属担体３の中心部１３は、図１の
（ｂ）に示すような二重構造の帯状体７によって構成さ
れているが、それを取り巻いている周辺部１２は、図１
の（ｃ）に示すような三重構造の帯状体７’によって構
成されていることになる。

【００１４】巻き終わった帯状体７及び帯状体７’から
なる積層体は、薄肉の外筒２内に嵌め込んで外筒２の内
面に密着させることにより積層状態を保持させると共
に、電気的にも帯状体７’と外筒２を接続し、図３に示
すようなハニカム状の金属担体３を構成させる。この際
に、適度の張力が平坦な金属箔４等に生じるように中心
電極６にトルクをかけて、帯状体７（一部は帯状体
７’）を巻き締め状態に保持することにより、スコーピ
ング現象を防止するのが望ましい。金属担体３は図４の
ようにケーシング２’の中に嵌入されて定位置に固定さ
れ、中心電極６が電源８に通じる支持棒１０に螺着され
ることによって電気的に接続される。

【００１５】金属箔４、４’及び５は、その材料として
ステンレス鋼のような耐熱性、耐蝕性に優れた金属を用
いることが望ましく、例えば、２０％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等を使用
することができる。

【００１６】金属担体３はその表面に触媒物質が被覆さ
れていて、図４に示すように、触媒装置１の入口１５が
図示しない内燃機関の排気通路に接続されることによ
り、機関の排気ガスがハニカム状の金属担体３の孔を通
過するときに、排気ガスに含まれるＨＣやＣＯ等の有害
な物質を無害化（浄化）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の温度も低くて触媒が活
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を電源８であるバッテリーの
＋極に、外筒２を同じく−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短時間内に触媒を活
性化させ、排気ガスの浄化作用を開始することができ
る。そして、それによって発生する熱を加えた排気ガス
の熱によって、下流側の主触媒担体１１の温度も比較的
早く上昇し、正常な排気ガスの浄化作用を営むことがで
きるようになる。

【００１７】このように、機関の始動時等において通電
加熱される金属担体３内では、中心部１３が平坦な金属
箔４と波状の金属箔５からなる二重構造の帯状体７によ
って構成されているのに対し、周辺部１２では帯状体７
の延長部分に更に１枚の平坦な金属箔４’を加えた三重
構造の帯状体７’によって構成されているので、三重構
造の帯状体７’は二重構造の帯状体７に比べて電気抵抗
が小さくなる。抵抗値がＲの導体を電流Ｉが流れるとき
の発熱量はＩ² Ｒとして表されるが、中心電極６から外
筒２へ流れる電流は、帯状体７と帯状体７’が直列に接
続されているために、どこでも同じ値であるから、発熱
量は抵抗値の大小のみによって決まり、二重構造の帯状
体７からなる中心部１３では抵抗値が比較的大きいため
に、単位断面積当たりの発熱量が大きくなるのに対し、
三重構造の帯状体７’からなる周辺部１２では抵抗値が
比較的小さいために、単位断面積当たりの発熱量が比較
的小さくなる。

【００１８】その結果、金属担体３の中心部１３におい
ては排気ガスの通過流量が大きくても、比較的抵抗値の
高い二重構造の帯状体７によって単位断面積当たり比較
的多量の発熱量があるので、温度上昇が遅れることはな
く、金属担体３の周辺部１２においては比較的抵抗値の
低い三重構造の帯状体７’によって発熱量が低めに抑え
られているので、比較的少ない周辺部１２の流量に適合
し、無駄な電力消費が防止される。従って、金属担体３
の加熱が必要なところに重点的に熱が供給されるので、
触媒の活性化が効率的に行われ、触媒による排気ガスの
浄化機能が早くから十分に発揮されて、未処理の排気ガ
スを放出する時間が短くなる。

【００１９】このように、比較的発熱量を抑えたい部分
に並列に平坦な金属箔４’を追加して巻き込むことによ
り、その部分の電気抵抗を減少させ、発熱量を減少させ
るので、この方法によれば周辺部１２に限らず、任意の
領域の発熱量を調節することができる。また、並列に追
加する金属箔は平坦な金属箔４’に限らず、波状の金属
箔５が二重になるように、もう１枚の波状の金属箔５を
必要な部分に並列に追加してもよい。この実施例によれ
ば、一連の金属箔を巻回して構成する金属担体において
も、部分的に程度の異なる加熱状態を実現することがで
きるため、中央部のみの加熱をする従来技術、例えば特
開昭４８−５４３１２号公報記載のものに比べて、担体
の強度の向上と、製造の際の工程数の低減が可能にな
る。

【００２０】図７に本発明の第２実施例の要部となる帯
状体７ａを示す。帯状体７ａは前述の帯状体７或いは帯
状体７’に用いるものよりも、十分に厚さの大きい平坦
な金属箔４ａと波状の金属箔５ａを、帯状体７と同様に
溶接箇所１４等において接合したものである。金属担体
３の中心部１３は前述の薄肉の帯状体７によって巻き上
げるが、周辺部１２に対応するところでは、帯状体７の
終端に帯状体７ａを例えばスポット溶接のような方法に
よって接続して、続けて巻き上げることにより金属担体
３を完成する。この場合は、金属担体３の周辺部１２を
構成する帯状体７ａが厚さの大きい平坦な金属箔４ａと
同じく波状の金属箔５ａからなっているために抵抗値が
小さく、単位断面積当たりの発熱量は中心部１３で大き
く周辺部１２で小さくなって、第１実施例と同様の効果
が得られる。平坦な金属箔４ａ及び波状の金属箔５ａの
厚さをどの程度にするかは任意であるが、加工性の点か
らいうと、平坦な金属箔４及び波状の金属箔５の２〜３
倍程度が適当である。

【００２１】

【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における金属担体の中
でもガス流量の多い部分の発熱量を増加させると共に、
ガス流量の少ない部分の発熱量を抑えて無駄な電力消費
を防止し、効率的に金属担体全体の温度を急上昇させる
ことが可能になり、触媒の暖機過程において迅速に触媒
を活性化させることができる。その結果、電力消費量を
低減させると共に、迅速な暖機によって未処理のガスを
放出する期間及び量が減少し、金属担体触媒装置の浄化
性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示し、（ａ）は金属担体
の模式的な断面図、（ｂ）は金属担体の中心部を構成す
る帯状体の拡大図、（ｃ）は同じく周辺部を構成する帯
状体の拡大図である。

【図２】金属担体を展開して示す斜視図である。

【図３】完成した金属担体の斜視図である。

【図４】付帯部分を含む金属担体触媒装置の全体構造を
例示する縦断面図である。

【図５】金属担体触媒装置の問題点を説明するための縦
断面図である。

【図６】金属担体の横断面図である。

【図７】本発明の第２実施例の要部を示す金属担体の一
部拡大図である。

【符号の説明】

１…金属担体触媒装置 ２…外筒 ２’…ケーシング ３…金属担体 ４，４’，４ａ…平坦な金属箔 ５，５ａ…波状の金属箔 ６…中心電極 ７，７’，７ａ…帯状体 ８…電源 １１…主触媒担体 １２…周辺部 １３…中心部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠原 幸弘 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 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 吉▲崎▼ 康二 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 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

Claims (1)

【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の一端を棒
   状の中心電極の周りに取り付け、それらが交互に重なり
   合うように前記中心電極の周りに渦巻き状に巻き付ける
   ことにより、ハニカム状に形成された金属担体を備えて
   いる金属担体触媒装置において、前記平坦な金属箔及び
   前記波状の金属箔の電気抵抗の値が、前記金属担体の単
   位断面積当たりのガス流量が比較的多くなる部分におい
   て、ガス流量が比較的少なくなる部分よりも相対的に大
   きくなるように、部分的に抵抗値を変化させると共に、
   前記中心電極と前記平坦な金属箔及び前記波状の金属箔
   の外周端との間に電流を流すことによって、部分的に異
   なる単位断面積当たりの発熱量を生じさせるようにした
   ことを特徴とする通電加熱可能な金属担体触媒装置。