JPH0824671A - 予加熱型排ガス浄化触媒メタル担体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小消費電力で高昇温速度を有し、かつ構造体
として十分な強度をもつとともに製造方法が一般的に用
いられているメタル担体と同様の通電加熱機能付きの予
加熱型排ガス浄化触媒メタル担体を提供することを目的
とする。 【構成】 耐熱合金からなる平箔と波箔の組合せで構成
された排ガス浄化触媒メタル担体において、波箔や平箔
の所定の箔が絶縁被覆された合金箔と、されていない合
金箔の組合せからなり、波箔と平箔が中心棒にて導電接
合された渦巻き形状を有し、合金箔同士がろう付けさ
れ、かつ合金箔と外筒が導電接合され、外筒と絶縁接合
された外部電極と、絶縁合金箔の外端部が、導電接合さ
れた構造を有する。絶縁合金箔に通電することにより、
短時間で触媒が活性化し、ＨＣ浄化性能が向上する。し
かも絶縁合金以外はろう付け等で接合され、構造体とし
て十分な強度を有し、かつ製造プロセスが一般に用いら
れているメタル担体と同様である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の排ガスを浄
化する触媒タメル担体、詳しくはコールドスタート時の
浄化性能に優れる通電加熱機能を有する予加熱型メタル
担体に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車排ガス浄化用触媒においては、一
般にＰｔ，Ｒｈ，Ｐｄ等の三元触媒が用いられている。
該触媒が機能するためには触媒が３５０〜４００℃程度
の温度まで加熱される必要がある。現在広く用いられて
いる触媒コンバータは、セラミックス担体あるいはメタ
ル担体に触媒を担持するものであり、排ガスそれ自体の
もつ熱エネルギーにより触媒を加熱し活性化する方法で
ある。そのためエンジン始動時から触媒が機能する温度
に達するまでの時間が長く、エンジン始動直後の浄化性
能が劣るという欠点を有していた。

【０００３】しかるに最近の排ガス規制強化を背景とし
て、エンジン始動直後すなわちコールドスタート時の浄
化性能に優れる触媒コンバータが切望されている。その
対策にメタル担体を構成するハニカム構造それ自体に通
電してジュール熱により触媒を強制的に加熱し、触媒機
能温度に達するまでの時間を短縮する方法がある。

【０００４】たとえば特表平３−５００９１１号公報
に、平状の薄板（以下平箔と称する）と波付け加工され
た薄板（以下波箔と称する）からなるハニカム構造内に
絶縁層を設け、電気的加熱に適した抵抗値を有するメタ
ル担体が開示されている。該公報に開示されている構造
の一例を図１に示す。該構造はハニカム構造５０の中に
絶縁層１２を適宜間隔で配置し、矢印の如き電流路を形
成するものである。該電流路で消費される電力は５０な
いし５００Ｗに制御される。これは自動車用のバッテリ
ーから無理なく供給できる電力である。上記構造の電気
的に加熱される部分はハニカム構造全体であり、所望の
温度に達するのに長時間を要する。

【０００５】またメタル担体は、高温、高速の排ガス流
に曝され、しかもエンジンの運転・停止に伴う熱サイク
ルが負荷される厳しい環境下で使用される。従って構造
体としての強度も有していなければならない。しかしな
がら前記公報のメタル担体は絶縁層をハニカム構造内に
配置する構成であり、前記環境下に曝されると絶縁層の
部分が破壊する欠点を有していた。

【０００６】また、特開平５−５９９３９号公報にはハ
ニカム構造内にヒーターを埋め込む構成のメタル担体が
開示されている。該構造では電気的に加熱されるのは埋
め込まれたヒーターのみである。しかしながら、実際に
は触媒反応が開始すると、例えば２ＣＯ＋Ｏ₂ ＝２ＣＯ
₂ で表されるような燃焼反応を生じる。該反応は発熱反
応であり大きな熱量を発生する。すなわちハニカム構造
の一部分のみを、担持されている触媒の機能する温度ま
で加熱すれば、該加熱部分において反応が開始した後
は、反応熱で自ずと他の部分も迅速に加熱される。この
場合、電気的に加熱される容積は前記公報のメタル担体
と比較すると小さく、従って同じ電力を印加した場合、
該加熱部分の触媒は短時間で機能温度に達する。

【０００７】しかし特開平５−５９９３９号公報記載の
方法でも、機能面では優れているものの、加熱用ヒータ
ーを埋め込むための穴あるいは溝を形成したハニカムを
製造し、しかる後に該穴あるいは溝に合う形状に加工し
たヒーターを埋め込む製造方法をとらざるを得ず、製造
工程が煩雑であるという欠点を有していた。

【０００８】メタル担体の製造は、例えば特開昭５６−
４３７３号公報等に開示されるように、平箔と波箔を交
互に積層しながら巻き込み、平箔と波箔間をろう付けし
てハニカム構造を生成する方法が一般的である。すなわ
ち同様の製造方法を以て、一部分のみの電気的加熱が可
能なハニカム構造の製造方法が望まれていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、予加
熱型触媒メタル担体における課題は、消費電力を少な
くして昇温速度を向上させること、構造体として十分
な強度、耐熱サイクル性をもつこと、製造プロセスが
一般的メタル担体の製造法と同様であることである。

【００１０】本発明は前記３つの課題を同時に解決でき
る通電加熱型排ガス浄化触媒担体を提供するものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明は、耐熱合金からなる平箔と波箔の組合せの単一また
は複数層で構成されたハニカム形状で通電加熱機能を有
する排ガス浄化触媒メタル担体において、下記構造を有
することを特徴とする。 波箔あるいは／および平箔の所定の箔が箔幅方向に合
金箔と絶縁合金箔の２枚以上の箔の組合せからなり、そ
れ以外が合金箔のみからなり、 波箔と平箔が中心棒にて導電接合された渦巻き形状を
有し、 合金箔同士がろう付けされ、かつ合金箔と外筒が導電
接合され、 外筒と絶縁接合された外部電極と、絶縁合金箔の外端
部が、導電接合された構造を有する。

【００１２】また、絶縁合金箔が所定発熱部位において
選択的に発熱することを他の特徴とし、さらにまた外部
電極と外筒間の抵抗値が５０ｍΩ以上５００ｍΩ以下で
あることを他の特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明は、耐熱合金（単に合金と称する）の平
箔と波箔からなるハニカム構造を有するメタル担体に通
電ヒーターとしての表面が絶縁被覆された耐熱合金箔
（単に絶縁合金箔と称する）をハニカム構造内の一部に
配置する通電加熱機能付のメタル担体である。

【００１４】一般的に利用されているメタル担体（主触
媒担体と称する）１０は図２に示すように１対の同一幅
をもつ合金の平箔２１と波箔３１からなるハニカム構造
と、外筒８により構成され、該主触媒担体１０に触媒が
担持されて触媒コンバータとなる。通常平箔２１と波箔
３１はろう付けにより接合されており、高温高速排ガス
流あるいは熱サイクルが負荷される環境下でも十分に耐
え得る構造強度を有する。

【００１５】それに対し本発明のメタル担体は、例えば
図３に示すように絶縁合金箔の平箔２０と合金箔の平箔
２１の組み合わせからなる平箔部２と、単一の合金の波
箔３１、および金属製の中心棒４から構成され、該平箔
部２と波箔３１を中心棒４に巻き付け、図４に示すハニ
カム構造５を製造する。平箔部２と波箔３１の幅は同一
であることが望ましい。この巻き込み方法は一般的な主
触媒担体製造法と同様のものである。また合金平箔２１
と波箔３１の間は、一般的な主触媒担体と同様にろう付
けにより接合されている。

【００１６】絶縁合金平箔２０、あるいは合金箔２１，
３１は中心棒４に導電接合されている。また絶縁合金平
箔２０の外周部側の端部は、後述する通電のためハニカ
ム構造５の外周部から突き出た形にしておく（以下これ
を外端部６と称する）。そしてハニカム構造５の外側に
外筒８を図５に示すように配置する。外端部６は、外筒
８と電気的に絶縁されつつ、外筒の外側に引き出され、
外部電極６０と導電接合（６２）される。また外部電極
６０と外筒８は絶縁接合（６１）される。以上の手段に
より本発明のメタル担体１が完成する。

【００１７】高浄化性能を得るために、エンジン始動と
同時に外部電極６０と外筒８の間に通電しメタル担体１
を電気的に加熱する。その際電流は外部電極６０から順
に絶縁合金平箔２０、中心棒４、合金平箔２１あるいは
波箔３１を経由して外筒８に達する。この電流路におい
ては絶縁合金平箔２０の抵抗値が最も高く、投入した電
力の殆どは該箔２０で消費される。従って絶縁合金平箔
２０のみを効率よく発熱させることができる。そのた
め、図１に示したハニカム構造全体を発熱させる型と比
較して昇温速度が速く、通電開始後迅速に触媒反応が開
始する。該反応はＣＯやハイドロカーボン（ＨＣ）の酸
化（発熱反応）であり、反応開始後は反応熱によって発
熱部位以外も加熱されるため、速やかに触媒反応がハニ
カム構造５全体に広がり浄化性能が向上するのである。

【００１８】また構造強度に関して、例えば図１のよう
な絶縁層１２を配置する構造では排ガス流による圧力に
より、絶縁層部分を起点としてハニカム構造５０にずれ
が生じやすい。その理由は、一般的に絶縁層の強度、あ
るいは絶縁層と耐熱合金の接合強度が、耐熱合金それ自
体あるいは耐熱合金間の接合強度と比較して低く、熱サ
イクルによるハニカム構造の膨張収縮の際、強度の低い
部分が破壊するためである。絶縁層の部分が破壊した後
は、排ガス流による剪断力を支持できず、ハニカム構造
がその軸方向にずれ始めるのである。

【００１９】しかし本発明では合金平箔２１と合金波箔
３１の間をろう付けにより接合するため、一般的に用い
られている主触媒担体と同様に十分な構造強度を有す
る。また絶縁合金平箔２０は、合金波箔３１によりに挟
まれて固定されており、接合処理を行わなくても構造強
度を損なうことはない。

【００２０】また本発明の他の利点は、メタル担体の長
所である小さな排ガス通気抵抗を損なうことがないこと
である。例えば平板状の面状ヒーターをヒーター面が排
ガス流に垂直になるように配置すると該ヒーターが通気
抵抗を増大する原因となるが、本発明品では、ヒーター
である絶縁合金箔をガス流に対して平行に配置する構成
であるため、通気抵抗の低さを損なわない。

【００２１】

【実施例】

実施例１ 前述した図３〜図５のメタル担体についてさらに詳しく
説明する。合金２１や３１あるいは絶縁合金平箔２０は
例えばＦｅ−Ｃｒ系やＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系のもので、厚
さ５０〜１００μｍ程度のものが用いられる。絶縁合金
平箔２０は、合金に対しアルミナ等の絶縁材をＰＶＤ，
ＣＶＤ、溶射等の手段で被覆することにより得られる。
特にＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系のようにＡｌを含有する耐熱合
金は、酸化性雰囲気で高温酸化処理するだけで緻密なア
ルミナ皮膜を表面に形成できるため、低コストで絶縁被
覆処理できる利点がある。

【００２２】次に図３〜図７に基づいて具体的な製造法
を述べる。図３において平箔部２と合金波箔３１は中心
棒４に溶接等の手段により固定される。その後平箔部２
と合金波箔３１を巻き込んで図４のハニカム構造５を製
造する。しかる後に例えば図６に示すように、半円筒状
の外筒８０と８１を配置する。外筒８０には外端部６を
外に引き出すための孔８２が開いている。外筒８０と８
１をハニカム構造５に装着する際に外端部６を孔８２よ
り外側へ引き出す。そして外筒８０と８１の両端を溶接
等の手段により接合し外筒８を形成する。

【００２３】その後、合金平箔２１と波箔３１の間、あ
るいは外筒８とハニカム構造５の間を接合する。高い構
造強度を得るにはろう付けにより接合することが好まし
い。例えば合金平箔２１に箔状ろう材を予め貼り付けて
おくか、またはハニカム構造５を形成した後に粉末ろう
材を散布し、しかる後に非酸化雰囲気でろう材溶融温度
以上で加熱処理する。

【００２４】ついで、図７に示すように孔８２の周囲の
絶縁接合部６１において、外部電極６０をガラス封着あ
るいは無機接着剤塗布等の手段を用いて絶縁接合し、ま
た外部電極６０と外端部６を導電接合部６２において溶
接等の手段で導電接合する。絶縁接合および導電接合
は、前述のろう付け処理の前に行ってもよい。

【００２５】前記処理により図５に示すメタル担体１が
完成する。その後メタル担体１には触媒が担持される。
ハニカム構造５の容量は後述する触媒コンバータを形成
する上で直径９０mm程度、容量１００cc程度であること
が好ましい。

【００２６】さて該メタル担体１の外筒８と外端部６の
間に通電して絶縁合金平箔２０を発熱させるのである
が、前記サイズのハニカム構造５に組み込まれる絶縁合
金の長さは４ｍ程度必要である。５mm幅程度のものを用
いた場合、１kWの電力を印加すると３秒程度で４００℃
に到達する。図１に示すような、軸方向全体を加熱する
型のものは１０秒以上を必要とし、昇温速度は著しく向
上する。

【００２７】また、浄化性能をより向上させるため、触
媒コンバータ１１は例えば図８に示すように、本発明の
メタル担体１と図２に示した主触媒担体１０とを直列に
配置し、メタル担体１を排ガス入り側に配置する構成に
するのが効果的である。前段のメタル担体１は、それ自
体が排ガスを浄化する機能を有するほかに、発熱反応に
より高温になった排ガスにより、主触媒担体１０の触媒
が活性になるまでの時間をも短縮する効果がある。

【００２８】実施例２ 実施例１のように絶縁合金をハニカム構造内部に配置す
ると、発生した熱が、ある程度合金平箔や波箔に拡散す
る。そこで、絶縁合金から合金への熱拡散を抑制すれば
昇温速度がさらに大きくなり、触媒反応の反応効率をさ
らに向上させられる。図９（Ａ），（Ｂ）に示すメタル
担体１ａは、図５に示すメタル担体１の浄化性能をさら
に向上させるためのものであって、絶縁合金平箔２０を
排ガス入り側端部に配置する構成である。実施例１のメ
タル担体１では、ハニカム構造内で排ガスの入り側と出
側の両方に熱拡散するのに対し、本実施例では絶縁合金
箔がエンジンからの排ガスと直接接触し、熱拡散は出側
への一方向に抑えられるため昇温速度がさらに向上し、
従って浄化性能も向上する。

【００２９】実施例３ 昇温速度をさらに向上させる他の手段として、発熱部の
容積をより低下させるのが効果的である。本実施例は、
絶縁合金箔内の一部分を選択的に発熱させる手段を示し
たものである。

【００３０】図１０（Ａ），（Ｂ）は部分的に幅が異な
る絶縁合金平箔２０ａを用いたメタル担体１ｂである。
箔の幅が小さい部分が幅広な部分に比較して抵抗値が大
きく、消費電力は（電流値）² ×（抵抗値）で表される
から、電力消費量が幅広な部分よりも大きくなり、優先
的に速く発熱する。メタル担体１ｂの発熱部９は図１１
に示すように断続的になるが加熱容積が小さくなるた
め、実施例２の場合よりも大幅に昇温速度が大きくな
り、早く触媒活性温度に達し、前述の発熱反応の効果に
よりメタル担体１ｂ全体の浄化性能はさらに向上する。

【００３１】またメタル担体１ｂを構成する合金平箔２
１は図１０に示すように、板状の平箔部を構成するべ
く、絶縁合金２０ａの凹凸形状に併せておけばよい。

【００３２】以上述べてきた実施例１〜３に基づく触媒
コンバータにおいて１kWの電力印加の条件下での２０秒
間のハイドロカーボン（ＨＣ）の浄化性能試験（アイド
リング状態で、排ガスを流し始めると同時に通電開
始）、およびエンジンにおける耐久試験（毎分５０００
回転で１０分間運転しその後２０分間停止するサイクル
を５００回連続負荷し構造の破壊が有無を調査）の結果
を表１に示した。比較例として特表平３−５００９１１
号公報に基づき、絶縁層としてシリカ系無機接着剤を用
いた場合の結果も併せて示した。本発明に基づく触媒コ
ンバータではいずれも高い浄化性能と構造耐久性が得ら
れた。

【００３３】

【表１】

【００３４】実施例４ 実施例２において投入電力に対する浄化性能を示したの
が表２である。

【００３５】

【表２】

【００３６】投入電力が２００Ｗ以下では浄化性能向上
代が２％程度しかなく、通電加熱によるメリットを十分
に得るにはそれ以上の電力を投入する必要がある。ま
た、実際に自動車に搭載されているバッテリーの能力か
ら、投入電力の上限値は２kW程度に制限することが好ま
しい。

【００３７】通常のバッテリー電圧はほぼ１０Ｖであ
る。従って前期範囲の電力を投入するためには、抵抗値
が５０ｍΩ以上５００ｍΩ以下にすればよい。絶縁合金
箔の抵抗値はその合金の組成により異なるが、例えば実
施例１のように厚さ１００μｍのＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａ
ｌ系合金平箔を用いた場合、幅５mm、長さ４ｍのサイズ
での実測抵抗値は約８Ωであり、１２．５Ｗしか消費さ
れず、昇温速度が著しく低下する。そこでメタル担体の
抵抗値を調整する手段が必要になる。

【００３８】そのためには、前期実施例１〜３の方法に
おいて絶縁合金箔の幅あるいは厚みを増加することによ
り、抵抗値を調整する方法が考えられる。しかし例えば
幅を著しく増加すると絶縁合金箔の加熱容積が大きくな
り、昇温速度が減少してしまう。本実施例は複数の絶縁
合金箔を並列に接続して、加熱容積を少なくして抵抗値
を軽減する方法である。

【００３９】構造の一例を図１２（Ａ），（Ｂ）に基づ
いて説明する。図１２（Ａ）は８本の絶縁合金箔を並列
に接続する例を示す。中心棒４に、８対の絶縁合金平箔
２０と合金平箔２１からなる平箔部２と合金波箔３０を
導電接合し、中心棒４の回りに交互に巻き付けることに
より、図１２（Ｂ）で示すような８本の導電路を有する
メタル担体１ｃを形成する。このとき、８本の合金平箔
の外端部６は、外筒８の同位置すなわち外部電極６０か
ら外筒の外に引き出される。抵抗値は、一本の絶縁合金
平箔の長さがおよそ１／８になりそれが並列に８本接続
されるため１本の導電路の場合の１／６４（１２５ｍ
Ω）になり、加熱容積を変えずに抵抗値を適切な値に調
整できる。

【００４０】実施例５ また、図１３（Ａ），（Ｂ）に示すように絶縁合金箔２
０と合金平箔２１からなる平箔部２と波箔３１の対（絶
縁箔対と称する）と、合金平箔２１と波箔３１のみから
なる対（合金箔対と称する）を、例えば交互に配置して
なるメタル担体１ｄも考えられる。図１３においては、
絶縁合金箔２０が４本で、長さが実施例１あるいは２の
１／８になるため、抵抗値は１／３２（２５０ｍΩ）に
なる。

【００４１】実施例４あるいは５におけるメタル担体の
抵抗値と絶縁箔対と合金箔対の数の関係は、実施例１あ
るいは２の抵抗値に対し、絶縁箔対の数を除し、さらに
絶縁箔対と合金箔対の合計数を除した値で表される。

【００４２】実施例６ 実施例１〜５と同様の考え方で、絶縁合金箔として波箔
を用いる場合、あるいは波箔、平箔双方を用いる場合も
考えられる。例えば波箔を発熱させる場合はこれまで述
べてきた平箔を通電加熱の場合と比較するとガスの入り
側方向から見て加熱面積が広くなり、さらに高い浄化性
能が得られる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、少な
い消費電力で高い昇温速度が得られ、しかも構造体とし
て十分な強度、耐熱サイクル性をもち製造プロセスが一
般的メタル担体の製造法と同様である予加熱型触媒メタ
ル担体の提供が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による予加熱型メタル担体の平面図で
ある。

【図２】従来技術による主触媒担体を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明における中心棒に平箔部と波箔を巻き付
ける過程を示す展開図である。

【図４】本発明のハニカム構造を示す斜視図である。

【図５】本発明のメタル担体を示す斜視図である。

【図６】本発明のメタル担体を形成する過程を示す斜視
図である。

【図７】図５のＡ−Ａ線断面図である。

【図８】本発明のメタル担体を使用した触媒コンバータ
を示す概略断面図である。

【図９】本発明の他の実施例を示し、（Ａ）は中心棒に
平箔部と波箔を巻き付ける過程を示す斜視図、（Ｂ）は
メタル担体を示す斜視図である。

【図１０】本発明の他の実施例を示し、（Ａ）は中心棒
に部分的に幅が異なる絶縁合金箔を有する平箔部と波箔
を巻き付ける過程を示す斜視図、（Ｂ）はメタル担体を
示す斜視図である。

【図１１】本発明のメタル担体の発熱状況を示す平面図
である。

【図１２】本発明の他の実施例を示し、（Ａ）は中心棒
に８組の平箔部と波箔を巻き付ける過程を示す斜視図、
（Ｂ）はメタル担体を示す斜視図である。

【図１３】本発明の他の実施例を示し、（Ａ）は中心棒
に４組の絶縁箔対と４組の合金箔対を巻き付ける過程を
示す斜視図、（Ｂ）はメタル担体を示す斜視図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…メタル担体 ２…平箔部 ２０…絶縁合金平箔 ２０ａ…部分的に幅が異なる絶縁合金平箔 ２１…合金平箔 ３１…合金波箔 ４…中心棒 ５，５０…ハニカム構造 ６…絶縁合金箔の外端部 ６０…外部電極 ６１…絶縁接合部 ６２…導電接合部 ８…外筒 ８０，８１…半円筒状外筒 ８２…孔 ９…発熱部 １０…主触媒担体 １１…触媒コンバータ １２…絶縁層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐熱合金からなる平箔と波箔の組合せの
   単一または複数層で構成されたハニカム形状で通電加熱
   機能を有する排ガス浄化触媒メタル担体において、下記
   構造を有することを特徴とする予加熱型メタル担体。 波箔あるいは平箔の所定の箔が箔幅方向に合金箔と絶
   縁合金箔の２枚以上の箔の組合せからなり、それ以外が
   合金箔のみからなり、 波箔と平箔が中心棒にて導電接合された渦巻き形状を
   有し、 合金箔同士がろう付けされ、かつ合金箔と外筒が導電
   接合され、 外筒と絶縁接合された外部電極と、絶縁合金箔の外端
   部が、導電接合された構造を有する。
2. 【請求項２】 波箔および平箔の所定の箔が箔幅方向に
   合金箔と絶縁合金箔の２枚以上の組合せからなる請求項
   １記載の予加熱型メタル担体。
3. 【請求項３】 絶縁合金箔が所定発熱部位において選択
   的に発熱することを特徴とする請求項１または２記載の
   予加熱型メタル担体。
4. 【請求項４】 外部電極と外筒間の抵抗値が５０ｍΩな
   いし５００ｍΩであることを特徴とする請求項１，２ま
   たは３記載の予加熱型メタル担体。