JPH0754635A - 触媒機能を有する高周波発熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はガソリンエンジンなどの排気ガスを
浄化する触媒機能を有する高周波発熱体に関するもの
で、高周波エネルギを利用して高周波発熱体を加熱昇温
させ、エンジンの始動時の排気ガスを浄化することを目
的としている。 【構成】 高周波発熱体１はセラミック多孔体２と高周
波吸収層３と触媒４で構成されている。高周波発熱体１
はその骨格がセラミック多孔体から構成されるので重量
を軽くすることができる。その結果、高周波発熱体１は
熱容量が小さくなり、高周波エネルギによって触媒とし
て機能する温度に短時間で昇温させることができ、エン
ジン始動時に排出される有害な一酸化炭素や炭化水素を
浄化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高周波エネルギを利用し
て加熱・昇温させ、自動車などの内燃機関から排出され
る排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素などの有害物質を
触媒的に分解する高周波発熱体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンを燃料とする自動車は排気ガス
中に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の排出
規制が強化される動きにある。これら汚染物質の浄化方
法の一つとして触媒による後処理方式があり、代表的な
触媒としては空燃比を理論空燃比付近に制御することに
より炭化水素、一酸化炭素の酸化と窒素酸化物の還元を
同時に行い、無害な炭酸ガス、水蒸気、窒素に変換する
触媒体（三元触媒）がある。

【０００３】この触媒体はシリカ、アルミナ、マグネシ
アを主成分とするコーディエライトの３００〜４００セ
ル／inch²のモノリス担体、または鉄−クロム−アルミ
ニウム系合金をコルゲート加工した金属製の担体（メタ
ル担体と呼ばれている）に、表面積の大きいアルミナな
どの微粒子からなるウォッシュコートと呼ばれるコーテ
ィング層、もしくは前記メタル担体の酸化被膜層を設
け、このコーティング層もしくは酸化被膜層に白金、パ
ラジウム、ロジウムなどの貴金属微粒子を担持して構成
されており、触媒機能は排気ガスの加熱によって発揮さ
れる。

【０００４】また最近では触媒機能を短時間で発揮させ
るため、前記メタル担体に直接電流を流し、触媒体を急
速加熱する電気ヒータ方式が検討されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成では下記の課題があった。

【０００６】すなわち、従来の触媒体は触媒機能を発揮
させるには触媒層の温度が３５０℃以上を必要とし、排
気ガスのみによって加熱される場合は前述の触媒として
機能する温度に到達するのに約１分を要し、それまでは
有害な排気ガスがそのまま大気へ排出されるという課題
があった。

【０００７】またメタル担体に通電して急速に加熱する
ヒータ方式の触媒体は排気ガスのみによって加熱される
触媒体に比べ、昇温スピードが改善されるがメタル担体
の熱容量が大きいので極めて短時間で昇温させるには大
電力を必要とするという課題があるとともに、電気的絶
縁など信頼性に欠けるという課題がある。

【０００８】本発明は上記課題を解決するもので、高周
波加熱を利用し、自動車などのエンジン始動時に排出さ
れる排気ガス中の有害物質である炭化水素や一酸化炭素
を低減する触媒機能を有する高周波発熱体の提供を目的
としたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の触媒機能を有する高周波発熱体はセラミッ
ク多孔体と、前記セラミック多孔体に形成された高周波
エネルギを吸収し発熱する高周波吸収層と、前記高周波
吸収層に担持された触媒とから構成している。

【００１０】また本発明の触媒機能を有する高周波発熱
体は高周波エネルギを吸収し発熱する高周波吸収多孔体
と、前記高周波吸収多孔体に担持された触媒とから構成
している。

【００１１】

【作用】上記構成において、本発明の触媒機能を有する
高周波発熱体に高周波エネルギが給電されると、前記高
周波発熱体を構成している高周波吸収層もしくは高周波
吸収多孔体は高周波エネルギの吸収、熱変換によって加
熱される。同時に前記高周波吸収層もしくは高周波吸収
多孔体に担持されている触媒が加熱され、触媒として機
能する温度に到達すると自動車などから排出される排気
ガス中の一酸化炭素や炭化水素は触媒によって分解さ
れ、無害な炭酸ガスと水蒸気に変換され大気中に放出さ
れる。

【００１２】前記高周波発熱体はその骨格が多孔質のセ
ラミック材料で構成されているので従来の触媒体に比べ
軽量となり、熱容量を小さくすることができる。したが
って前記高周波発熱体の高周波エネルギによる急速加熱
が可能となるとともにその熱エネルギを触媒に効率よく
伝達でき、触媒として機能する温度に短時間で昇温させ
ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１４】図１は本発明の一実施例である触媒機能を
有する高周波発熱体の一部断面図を示している。図にお
いて、１は高周波発熱体でありセラミック多孔体２に高
周波エネルギを吸収して発熱する高周波吸収材料からな
る高周波吸収層３が形成され、高周波吸収層３には触媒
４が担持されている。セラミック多孔体２は図２に示す
ように均一な連続気孔５を有する三次元網状の骨格構造
を有する。

【００１５】セラミック多孔体２はポリウレタンなどの
有機質の多孔体（例えばポリウレタンフォーム）を基材
とし、これにセラミック材料をコーティングし焼成して
得られるものであり、このセラミック材料としては耐熱
性、機械的強度に優れたアルミナ、シリカ、マグネシ
ア、ジルコニアの少なくとも１種が適用される。

【００１６】高周波吸収層３を形成する材料としては高
周波吸収特性に優れた半導体材料が挙げられ、特に亜
鉛、銅、マンガン、コバルト、鉄、スズ、チタン、ケイ
素を主成分とする酸化物、炭化物、前記金属を含むペロ
ブスカイト型複合酸化物などの複合酸化物の少なくとも
１種からなるものが適用される。上記半導体材料が高周
波エネルギの吸収・発熱特性に優れている理由は、上記
半導体材料が高周波の吸収に適した導電特性、誘電特性
を有しているためである。特に高周波吸収材料として炭
化ケイ素を適用することにより、より優れた高周波エネ
ルギの吸収・発熱特性と排気ガス雰囲気下での耐熱性、
化学的安定性を実現することができる。

【００１７】有害物質を分解する触媒４としては白金、
パラジウム、ロジウムの貴金属、銅、マンガン、コバル
トの酸化物、ペロブスカイト型複合酸化物が挙げられ、
これらの少なくとも１種が適用される。

【００１８】なお、セラミック多孔体２と高周波吸収層
３を構成する高周波吸収材料は無機質バインダで接着さ
れ、触媒４は前記無機質バインダによる接着もしくは触
媒溶液の浸漬・乾燥処理により担持される。また無機質
バインダは特に限定されるものではないが、耐熱性、接
着性に優れたアルミナ、シリカ、ジルコニアなどのコロ
イド粒子のものがよい。

【００１９】高周波発熱体１は次のようにして製造され
る。高周波吸収材料と無機質バインダと溶媒（通常は
水）からなるスラリーを作製し、このスラリーにセラミ
ック多孔体２を浸漬するか、もしくは前記スラリーをセ
ラミック多孔体２に刷毛塗りやスプレーなどの方法によ
り塗布し、高周波吸収材料と無機質バインダを付着させ
て高周波吸収層３を形成した後、乾燥もしくは焼成す
る。前記スラリーの組成は必要とする高周波吸収材料の
付着量や接着力を保持できる無機質バインダ量、浸漬処
理の際の作業などによって適宜設定される。次に金属か
らなる触媒４、もしくは触媒４を含む金属化合物を分散
（または溶解）させた触媒溶液を作製し、この触媒溶液
中に上述の高周波吸収層３を形成したセラミック多孔体
２を浸漬するか、もしくは前記触媒溶液をスプレーなど
により高周波吸収層３に塗布した後、乾燥もしくは焼成
する。また、触媒４が金属酸化物である場合、触媒の担
持は次のように行われる。触媒４と無機質バインダと溶
媒からなるスラリーを作製し、このスラリーに高周波吸
収層３を形成したセラミック多孔体２を浸漬するか、も
しくは刷毛塗りやスプレーにより塗布した後、乾燥もし
くは焼成する。なお触媒４は予め前述の高周波吸収材料
と無機質バインダと溶媒とからなるスラリーに所定量を
加えておき、高周波吸収層３の形成と同時に触媒４を担
持してもよい。

【００２０】次に本発明の触媒機能を有する高周波発熱
体の作用と効果について、排ガス浄化装置を一例に挙げ
説明する。

【００２１】図３は本発明の触媒機能を有する高周波発
熱体１を配置した自動車から排出される排気ガスを浄化
する装置の一例を示すものである。同図において、６は
内燃機関の排気ガスを排出する排気管、７は排気管の途
中に設けられた加熱室であり、本発明の触媒機能を有す
る高周波発熱体１は加熱室７に収納される。８は加熱室
７に収納される触媒機能を有する高周波発熱体１を支持
するための支持部材であり、この支持部材８は前記触媒
機能を有する高周波発熱体１の外周と加熱室７の内壁と
の間の断熱機能も兼ねている。９は加熱室７に給電する
高周波エネルギを発生させる高周波発振器、１０は高周
波発振器９から発生した高周波エネルギを加熱室７に伝
送する導波管である。１１、１２は加熱室７を限定する
高周波遮蔽手段であり、多数のパンチング孔を有する金
属板あるいは多数の貫通孔を有する金属のハニカム構造
体から構成される。

【００２２】ガソリン車のエンジンが始動すると、エン
ジンから排出された一酸化炭素や炭化水素などの有害物
質を含む排気ガスは排気管６を通り、触媒機能を有する
高周波発熱体１に流入する。一方、エンジン始動と同時
にあるいはエンジン始動直前に高周波発振器９が制御部
（図示せず）からの指令により高周波エネルギを発生さ
せると、この高周波エネルギは導波管１０を伝送して加
熱室７に給電され、高周波吸収体１によって吸収され
（実際にはセラミック多孔体２に形成されている高周波
吸収層３）、熱に変換される。同時に高周波吸収層３に
担持されている触媒４が加熱され、触媒として機能する
温度に到達すると排気ガス中の有害物質である一酸化炭
素や炭化水素は排気ガス中に含まれる酸素との反応が起
こり、無害である水蒸気と炭酸ガスに分解される。この
無害となった排気ガスはマフラを通過して排気管６より
大気へ排出される。

【００２３】（実施例１）セラミック多孔体２としてア
ルミナ、シリカ、マグネシアからなる成形体（容積１０
０ｃｃ、１５ｃｅｌｌ／ｉｎｃｈ）と、高周波吸収層３
を形成する高周波吸収材料として炭化ケイ素ウィスカー
と、有害物質を分解する触媒４として白金を用い、高周
波発熱体１を作製した。なお、無機質バインダとしては
アルミナゾルを用いた。作製した高周波発熱体１を図２
に示す排気ガス浄化装置（高周波消費電力１．５ｋＷ）
の加熱室７に収納し、排気ガス量約３００l／ｍｉｎ、
排気ガス温度３００〜３５０℃となるようにエンジン
（排気量２０００ｃｃ）を運転し、炭化水素分析計によ
る炭化水素の浄化性能を評価したところ、高周波給電３
０秒後で約６０％の浄化率が得られた。

【００２４】また、触媒４として白金の代わりにロジウ
ム、パラジウムの貴金属および銅、マンガン、鉄、コバ
ルトの金属酸化物を用いたところ、高周波給電３０秒後
で４５〜６０％の浄化率が得られた。

【００２５】なお実施例１において高周波エネルギを給
電しない場合、３０秒後の浄化率は約５％であった。

【００２６】（実施例２）セラミック多孔体２としてア
ルミナ、ジルコニアからなる成形体（容積１００ｃｃ、
１５ｃｅｌｌ／ｉｎｃｈ）と、高周波吸収層３を構成す
る高周波吸収材料として酸化亜鉛ウィスカーと、有害物
質を分解する触媒４として白金を用い、高周波発熱体１
を作製した。なお、無機質バインダとしてはアルミナゾ
ルを用いた。高周波発熱体１を図３に示す排気ガス浄化
装置（高周波消費電力１．５ｋＷ）の加熱室７に収納
し、排気ガス量約３００l／ｍｉｎ、排気ガス温度３０
０〜３５０℃となるようにエンジン（排気量２０００ｃ
ｃ）を運転し、炭化水素分析計による炭化水素の浄化性
能を評価したところ、高周波給電３０秒後で約５５％の
浄化率が得られた。

【００２７】また、前記高周波吸収層３を構成する高周
波吸収材料として酸化亜鉛ウィスカーの代わりに銅、マ
ンガン、コバルト、チタン、スズ、鉄、ケイ素の各酸化
物、それらの混合物、それらの金属を１種以上含む複合
酸化物、チタン−ケイ素−炭素−酸素の化合物を用いた
ところ、高周波給電３０秒後で４０〜５５％の浄化率が
得られた。

【００２８】以上のように、本発明の触媒機能を有する
高周波発熱体１は排気ガス浄化装置に適用し、高周波エ
ネルギを給電することにより優れた浄化性能を実現する
ことができる。高周波発熱体１の骨格となる支持体とし
てセラミック多孔体を適用することにより、従来のコー
ディエライト担体からなる触媒体に比べて重量を軽くす
ることができる。その結果高周波発熱体１の熱容量が小
さくなり、触媒として機能する温度により速く昇温でき
ることが浄化性能がよい理由と考えられる。

【００２９】図４は本発明の他の実施例である触媒機能
を有する高周波発熱体の一部断面図である。高周波発熱
体１２は高周波エネルギを吸収し発熱する機能を有する
多孔体１３（以下高周波吸収多孔体１３と記す）と高周
波吸収多孔体１３に担持された触媒４とで構成されてい
る。高周波吸収多孔体１３は図２で説明したセラミック
多孔体２と同様な構造を有するものであり、ポリウレタ
ンなどの有機質の多孔体（例えばポリウレタンフォー
ム）を基材としこれに高周波エネルギを吸収し発熱する
セラミック材料をコーティングし焼成して得られる均一
な連続気孔を有する三次元網状の骨格構造体が適用され
る。

【００３０】前述の高周波発熱体１と異なる点は高周波
発熱体の骨格をなす高周波吸収多孔体自身が高周波エネ
ルギを吸収し発熱するので高周波吸収層３を必要としな
いことである。

【００３１】なお、高周波吸収多孔体１３を構成する材
料は前述の高周波吸収層３と同一材質のものが適用され
る。

【００３２】（実施例３）高周波吸収多孔体１３として
炭化ケイ素からなる成形体（容積１００ｃｃ、２０ｃｅ
ｌｌ／ｉｎｃｈ）と、有害物質を分解する触媒４として
白金を用い、高周波発熱体１２を作製した。なお、無機
質バインダとしてはアルミナゾルを用いた。高周波発熱
体１２を図３に示す排気ガス浄化装置（高周波消費電力
１．５ｋＷ）の加熱室６に収納し、排気ガス量約３００
l／ｍｉｎ、排気ガス温度３００〜３５０℃となるよう
にエンジン（排気量２０００ｃｃ）を運転し、炭化水素
分析計による炭化水素の浄化性能を評価したところ、高
周波給電３０秒後で約６０％の浄化率が得られた。

【００３３】上述のように、高周波発熱体１３において
も優れた浄化性能を得ることができる。これは実施例
１、２と同様に高周波発熱体１３として高周波エネルギ
を吸収し発熱する高周波吸収多孔体１４を用いることに
より熱容量を小さくすることができるので急速加熱が可
能となるとともにその熱を触媒４へ効率よく伝達でき、
触媒として機能する温度により速く昇温させることがで
きるためである。

【００３４】なお、本発明の触媒機能を有する高周波発
熱体８はオーブン電子レンジなどの調理器から排出され
る油煙、臭気の分解手段としても利用できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の触媒機能を
有する高周波発熱体によれば、以下の効果が得られる。

【００３６】（１）高周波発熱体が軽量であるセラミッ
ク多孔体で構成されるので従来のコーディエライト担体
からなる触媒体に比べて熱容量を小さくすることができ
る。したがって、触媒として機能する温度により速く昇
温させることができ、優れた排気ガスの浄化性能を得る
ことができる。

【００３７】（２）本発明の触媒機能を有する高周波発
熱体は触媒として機能する温度に極めて短時間で昇温で
きるので、エンジンの熱による触媒部の温度上昇がなく
ともよく、エンジンから離れた位置に配設することでき
る。したがって自動車が高速走行時などのようにエンジ
ン近くで排気ガス温度が高い状況での高温環境が避けら
れるので高周波吸収材料、触媒材料の劣化が著しく抑制
され、優れた耐久性を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の高周波発熱体を示す部分断
面図

【図２】同高周波発熱体に用いるセラミック多孔体の骨
格構造を示す図

【図３】本発明の高周波発熱体を用いた排ガス浄化装置
を示す構成図

【図４】本発明の他の実施例の高周波吸収体を示す部分
断面図

【符号の説明】

１、１３ 高周波発熱体 ２ セラミック多孔体 ３ 高周波吸収層 ４ 触媒 １４ 高周波吸収多孔体

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック多孔体と、前記セラミック多孔
   体に形成された高周波エネルギを吸収し発熱する高周波
   吸収層と、前記高周波吸収層に担持された触媒とから構
   成される触媒機能を有する高周波発熱体。
2. 【請求項２】高周波エネルギを吸収し発熱する高周波吸
   収多孔体と、前記高周波吸収多孔体に担持された触媒と
   から構成される触媒機能を有する高周波発熱体。
3. 【請求項３】セラミック多孔体は、主成分がシリカ、ア
   ルミナ、ジルコニアの少なくとも１種である請求項１記
   載の触媒機能を有する高周波発熱体。
4. 【請求項４】高周波エネルギを吸収し発熱する高周波吸
   収層と高周波吸収多孔体は、主成分が半導体材料である
   請求項１または請求項２記載の触媒機能を有する高周波
   発熱体。
5. 【請求項５】高周波エネルギを吸収し発熱する高周波吸
   収層と高周波吸収多孔体は、亜鉛、銅、マンガン、コバ
   ルト、鉄、チタン、ケイ素、スズの少なくとも１種を含
   む酸化物および炭化物である請求項１または請求項２記
   載の触媒機能を有する高周波発熱体。
6. 【請求項６】高周波エネルギを吸収し発熱する高周波吸
   収層と高周波吸収多孔体は、主成分が炭化ケイ素である
   請求項１または請求項２記載の触媒機能を有する高周波
   発熱体。
7. 【請求項７】触媒は、白金、ロジウム、パラジウムの金
   属微粒子及び銅、マンガン、コバルト、鉄の金属酸化物
   の少なくとも１種からなる請求項１または請求項２記載
   の触媒機能を有する高周波発熱体。