JPH08281120A - 電気加熱担体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、電気加熱式担体を形成する際に、
金属箔積層体の金属箔間の接合を局所的接合とし、その
局所的接合部の形成を最適化しすることにより、大電流
を流すことなく短時間で触媒を活性化温度に昇温できる
電気加熱担体およびその製造方法を提供する。 【構成】 波箔と平箔との間に多数のろう箔を配し、中
心電極に円筒状に巻き取って得られる電気加熱担体であ
って、ろう箔による通電可能な接合部を、大気に伝熱に
より奪われていく熱量の大きい外周部で発熱量が大きく
なるように、外周部の発熱点分布を中心部側より密にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車の排ガスを浄化
する際に触媒として用いられる電気加熱担体およびその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、近年、自動車等内燃機関の排気
通路に浄化触媒を配し、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等
の有害成分を浄化する技術が知られている。しかし、排
気浄化触媒は、活性温度より低い温度では、排気浄化能
力が著しく低下するため、内燃機関の始動時等、触媒の
温度が低い間は、排気中の上記有害成分、特にＨＣ，Ｃ
Ｏ成分が触媒により浄化されず、そのまま大気中に放出
されるという問題を生ずる。

【０００３】この問題を解決するために、触媒担体に金
属を使用し、内燃機関の始動時にこの金属担体に、電流
を流すことにより、金属担体自体を発熱させて、短時間
で触媒活性化温度（３００〜４００℃）まで上昇させる
ようにした電気加熱式の触媒装置が提案されている。こ
の種の電気加熱式触媒装置の例としては、特開平５−１
７９９３９号公報に開示されたものがある。

【０００４】この公報に開示された電気加熱式触媒装置
では、触媒担体ａは表面にそれぞれ絶縁層を形成した金
属製の波箔ｂと平箔ｃとを図１０に示すように重ねて中
心電極ｄの回りに巻回して構成した円筒状の金属箔積層
体ｅの形状とし、この金属箔積層体ｅの中心部には電極
ｄを、外周部には電極ｇをそれぞれ接続して金属箔積層
体ｅに通電してこの金属箔積層体ｅを発熱させ、触媒活
性化温度まで昇温させるように構成されている。

【０００５】ただし、中心部の電極ｄ近傍領域Ａと外周
部の電極ｇ近傍領域Ｂの金属箔各層は、通電可能なろう
材により全面的にろう付けされ、相互に通電可能に接合
されているが、中間部領域Ｃの金属箔各層では波箔ｂと
平箔ｃは前記金属箔絶縁層により、相互に電気的に絶縁
され非接合部分を形成した状態になっている。

【０００６】したがって、中心部の電極ｄと外周部の電
極ｇを介して通電した場合、電流は非接合部分の金属箔
層に沿って渦巻き状に流れ、渦巻き円筒状に形成された
金属箔層の発熱が不十分になり、金属箔積層体ｅ全体を
触媒活性化温度まで上昇させるために長時間を要し、触
媒活性化の遅れや、電力消費量が増加する等の問題があ
る。

【０００７】このような問題を解決する方法の一つとし
て、金属箔積層体ｅの金属箔層間の接合部を多数配置
し、発熱部（ヒートスポット）を多数形成することによ
り、金属箔積層体ｅを短時間で触媒活性化温度まで昇温
させる方法が考えられる。

【０００８】しかし、この方法では、単純に発熱部を多
数形成した場合、電極間の抵抗が過度に低下してしま
い、通電時に電極間に大電流が流れ、電力消費量が増大
することになり、バッテリーの寿命低下や内燃機関の始
動不良等の問題を生ずるおそれがある。また逆に、この
発熱部は、金属箔層間の接合部になるため、この発熱部
が少なすぎると、電流値が許容範囲内にあったとして
も、金属箔積層体ｅの構造強度が低下して触媒担体とし
ての耐久性が低下するという問題を生ずる。

【０００９】一方、従来の電気加熱式触媒装置において
は、触媒担体は、円筒形状であるため、通電加熱した場
合、中心部と外周部とでは大気により奪われる熱量が異
なるため、触媒担体を短時間に触媒活性化温度まで均一
に昇温することは難しいという問題もある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電気加熱式
担体を形成する際に、金属箔積層体の金属箔間の接合を
局所的接合とし、その局所的接合部の形成を最適化しす
ることにより、大電流を流すことなく、短時間で全体を
触媒活性化温度に均一に昇温でき、構造上も問題のない
電気加熱担体およびその製造方法を提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の発明は、
波箔と平箔との間に多数のろう箔を配し、中心電極に円
筒状に巻き取って得られる電気加熱担体であって、ろう
箔による通電可能な接合部が、大気に伝熱により奪われ
ていく熱量の大きい外周部で発熱点分布が密になるよう
に、ろう箔の長さを変化させたことを特徴とする電気加
熱担体。

【００１２】また、本発明の第二の発明は、波箔と平箔
との間に多数のろう箔を配し、中心電極に円筒状に巻き
取って得られる電気加熱担体であって、ろう箔による通
電可能な接合部が、大気に伝熱により奪われていく熱量
の大きい外周部で発熱点分布が密になるように、ろう箔
同士の配置間隔を変化させたことを特徴とする電気加熱
担体。

【００１３】さらに、第三の発明は、波箔と平箔との間
に多数のろう箔を配し、中心電極に円筒状に巻き取る電
気加熱担体の製造方法において、各金属箔層を形成して
いく過程で、その都度、大気に奪われる熱量の大きい外
周部で発熱量が大きくなるように、通電可能な接合部を
形成するろう箔の長さ及びろう箔同士の配置間隔の少な
くとも一方を決定し、ろう箔を所定の長さに裁断して差
し込むことを特徴とする電気加熱担体の製造方法であ
る。

【００１４】

【作用】本発明の第一の発明では、ろう箔の長さを変化
させる（従来より長くする）ことにより、箔の接合面積
が増え触媒担体の強度が向上する。また、本発明の電気
加熱式担体においては、金属箔積層体の波箔と平箔接合
を局所接合として、その接合部配置（発熱部配置）を最
適化して、通電電力を比較的小電力にして触媒担体を効
率的に発熱させ、短時間で触媒活性化温度まで昇温する
ことができるので、構造上の問題もなく、電力消費量を
節減することができる。 そして、前記ろう箔による
通電可能な接合部を、伝熱により熱が外部に奪われてい
く程度に合わせ変化させるようにろう箔を配置（長さ、
配置間隔の少なくとも一方を変化させる）し、触媒の温
度を中心部側と外周部でほぼ等しく分布させることがで
きるので、触媒機能を安定して確保することができる。

【００１５】本発明者等は、電気加熱式担体を発熱させ
るために使用できる電源容量は、一般の自動車の場合で
は、０．７５kwレベルの小容量のものも少なくないこと
から、このレベルの電源容量で全体を均一に発熱させる
ための発熱部は、面状や線状ではなく、複数の点状配置
にせざるを得ない。しかも、発熱部（点）の数も限られ
る中で、担体の温度を短時間で上げることが求められて
いる。したがって、発熱部の配置を決定するにあたって
は、効率的な配置を考慮する必要がある。

【００１６】上述の点を認識し、発熱部（点）を複数の
点状配置することを前提として、 （１）発熱部をどのように配置すればどのような昇温結
果が得られるかの数値解析。 （２）実際の浄化性能データの採取。 （３）上記数値解析結果と実際のデータとの比較、考
察。を実施した。

【００１７】その結果、 発熱部を形成するための通電用ろう材の長さが一定の
場合には、発熱部は、渦巻状に形成されて行くために、
発熱部間距離が最適となりにくい。特に、半径方向（放
射線方向）の距離がコントロールしにくい。 コアの外周部（ここでは、半径の１／３〜１／５外周
側領域）は、コアの中心部（ここでは、半径の２／３〜
４／５内側領域）に比し外筒を通して大気に奪われてい
く熱量が大きく、これを補うためには、発熱部分布を密
にする必要がある。 発熱部の数は限られているため、コアの中心部の発熱
部を、外周部に振り替えることが有効である。 そのためには、発熱部を形成するろう材の長さは一定で
はなく、厳密には中心から外周端に向かって一箇所毎
に、変化させ発熱点の分布を外周側に密にして行くする
ことが有効である。等のことが判明した。

【００１８】本発明は、これらの知見に基づいて成され
たものであり、消費電力を小さくして短時間に触媒担体
を触媒活性化温度に均一に昇温できるように、発熱部を
複数の点状配置とし、外筒を通して大気に奪われる熱量
が大きい外周部側の発熱量を大きくできるように、ろう
材の長さを変化させ通電路を形成することを特徴とする
ものである。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）以下に本発明を図１に示す実施例に基づい
て説明する。この実施例では、金属製の波箔と平箔を重
ねて中心電極（巻取軸）に巻回して円筒状に形成した金
属箔積層体を触媒担体とし、その外周部にもう一方の電
極を接続した電気加熱式触媒装置に本発明を適用した場
合の例を示している。

【００２０】図１において、１は電気加熱式触媒装置の
全体、２は触媒担体となる円筒状金属箔積層体、３、４
は円筒状金属箔積層体を形成する帯状の波箔、平箔であ
る。５は円筒状金属箔積層体２の中心部に配設され、波
箔３と平箔４に通電可能に接続された棒状の中心電極
（プラス極）、６は円筒状金属箔積層体２を圧入した円
筒状の金属外筒であり、この積層体２を補強するととも
に金属箔積層体２の外周と通電可能に接続され、外部電
極（マイナス極）としても機能する。したがって、中心
電極５と外部電極６（金属外筒）との間に電圧を印加す
ることにより、円筒状金属箔積層体２に通電できるよう
になっている。

【００２１】この円筒状金属箔積層体２は、図２（ａ）
に示すように、波箔３と平箔４とを重ねてそれぞれの始
端を中心電極５に接合した後、波箔と平箔とを重ねた状
態のまま中心電極５の周りに巻回し、図２（ｂ）に示す
ように、外周端をテープ７で固定した後、図２（ｃ）に
示すように、敷台８に載置してプレス９により整端して
形成される。この円筒状金属箔積層体２は、図３に示す
ように、波箔３と平箔４との間の空隙により形成された
軸方向の貫通路１０が中心電極５の周りに渦巻き状に配
列した構成を有している。

【００２２】波箔３と平箔４の表面には排ガス浄化触媒
（図示省略）が担持されており、この触媒装置の金属外
筒（外部電極）６を内燃機関の排気系（図示省略）に接
続して排気ガスを前記軸方向の貫通路１０を通すことに
より、この排気ガス中の有害成分が触媒と反応する結
果、排気ガスが浄化される。

【００２３】この波箔３、平箔４には一般には、アルミ
ニウムを含有する鉄系合金等の金属の厚さ５０ミクロン
程度の箔材が用いられており、その表面には、厚さ１ミ
クロン程度のアルミナ等の金属酸化物層（図示省略）が
形成されている。

【００２４】この波箔３と平箔４とを重ねて中心電極５
に巻回して金属箔積層体２を形成する際には、その構造
強度を安定確保し、この金属箔積層体を通電加熱する場
合の通電路を形成するために、図４に示すように、複数
の接合部例えば１１ａ，１１ｂが形成される。

【００２５】この接合部１１ａ，１１ｂは、接合部分の
波箔３と平箔４との間に、絶縁層より酸化性の大きい金
属（例えば、ジルコニウム−ニッケル合金）からなる、
例えば、厚さ０．０５mm×幅１mm×長さ１２〜２０mmレ
ベルのろう箔１２ａ，１２ｂを、予め設定された所定間
隔で配置して形成される。

【００２６】このろう箔による接合部１１ａ，１１ｂ
は、図４に示すように、各条（ここでは２条の金属箔層
２ａ，２ｂ）の金属箔層毎に、中心部から外周端に向か
って周方向に所定間隔で２０〜６０箇所形成され、金属
外筒（外部電極）６と一体化して真空炉で１２００℃に
昇温することによって通電可能で構造上問題のない接合
部が形成される。

【００２７】このようにして形成された円筒金属箔積層
体２は、前記図１に示すようにして電気加熱式触媒装置
に触媒担体として用いられ、中心電極５と外部電極（金
属外筒）６間に通電することによって、前記接合部を発
熱部として、触媒担体の温度を短時間に触媒活性化温度
に昇温することができる。

【００２８】本発明においては、この触媒担体を形成す
る円筒状金属箔積層体２のろう箔１２ａ，１２ｂによる
接合部１１ａ，１１ｂは、構造上問題がないと同時に触
媒担体の温度を触媒活性化温度に昇温する場合に、大気
により奪われる熱量を考慮して、その配置が設定され
る。

【００２９】図５は、金属箔積層体２におけるろう箔１
２ａ，１２ｂによる通電可能な接合部１１ａ、１１ｂの
局部配置例と径方向に隣接する接合部間の通電路形成例
を概念的に示す。この例では、波箔と平箔よりなる金属
箔層の条数は１条で、渦巻状に巻回され円筒状の金属箔
積層体２が形成されている。

【００３０】接合部１１ａとこれと径方向に隣接する接
合部１１ｂは、径方向で端部が重なっており、この重な
り部（重なり幅ｄ）に通電路１３が形成される。接合部
１１ａ，１１ｂは、図６に示すように、波箔と平箔を中
心電極に巻回する際に、この平箔の排ガス入り側の表裏
にろう箔１２ａ，１２ｂを配して、これを波箔と平箔間
に挟み込むことにより形成される。

【００３１】このように接合部によって形成される発熱
部（点）ｈｐを図７に示すように、金属箔積層体２の排
ガス入り側全体に分布させ、中心電極５と外部電極６間
に通電して各接合部に発熱部（点）ｈｐを形成する場合
に、通電時の電流を比較的小さく抑えながら発熱部に電
流を集中させて、効率的にこの発熱部（点）ｈｐの温度
を昇温することができる。

【００３２】すなわち、中心部から外周に向かって渦巻
き状に形成された一条の金属箔層について見た場合、電
流は、平箔からろう箔を通り、波箔を通って径方向に流
れ、ろう箔を通って隣接する金属箔層の平箔に流れるこ
とになる。この場合、隣接する金属箔層間のろう箔によ
る接合部の重なり部分を結ぶ経路が最も距離が近く抵抗
が少なくなることから、各金属箔層間では電流はこの重
なり部分間に形成される電流路に集中して流れることに
なり、これによって発熱部（点）ｈｐが形成される。

【００３３】本発明においては、このように金属箔積層
体に接合部を配置し、中心電極と外部電極間に通電して
接合部に発熱部（点）ｈｐを形成する場合に、通電時の
電流を比較的小さく抑えながら発熱部（点）に電流を集
中させて、効率的にこの発熱部（点）ｈｐの温度を昇温
するように構成するもので、外筒を通して大気により奪
われる熱量の大きい外周部の発熱量を大きくできるよう
に発熱部（点）を配置している。

【００３４】より具体的には、例えば、周方向に隣接す
るろう箔間の長さ方向の重なり幅ｄを一定にして、中心
部から外周端に向かってろう箔を長くして、径方向に隣
接する金属箔層の接合部間に発熱部（点）を外周部側で
密に形成し、中心部から外周部に発熱量を順次大きくす
るものである。ただし、発熱部（点）の分布密度は必ず
しも等比的に形成する必要はない。

【００３５】なお、ろう箔の長さを変化させるだけでは
なく、ろう箔同士の配置間隔、即ち、径方向に隣接する
ろう箔間の長さの重なり部ｄを変化させることによって
発熱部（点）の分布密度を変化させてもよい。

【００３６】本発明の電気加熱担体を製造する場合、波
箔と平箔を重ねて巻き取って得られた電気加熱担体を触
媒装置に組み込んで、中心電極と外部電極間に通電した
際に、前記したように、外筒を通して大気に奪われる熱
量の大きい外周部側における単位面積当たりの発熱部
（点）分布が密になるように、平箔の両面に対するろう
箔による通電可能な接合部の形成位置を決定する必要が
ある。

【００３７】このろう箔による通電可能な接合部は、波
箔と平箔を重ねて巻き取る前に、平箔の両面に予め所定
長のろう箔を所定位置に取り付けることにより形成する
ことが考えられるが、注意すべき点は、波箔と平箔を重
ねて渦巻き状に巻回していくために、位置のずれを生ず
ることは避けられず、隣接する金属箔層間の接合部間に
通電路を形成する所定の重なり部を形成することは至難
である。

【００３８】そこで、本発明においては、波箔と平箔を
重ねて渦巻き状に巻回して、各金属箔層を形成していく
過程で、その都度、前記大気に奪われる熱量を考慮した
発熱量を確保できる、隣接する金属箔層の接合部間に所
定の通電路を形成する重なり部を得るに必要な、ろう箔
の長さ、配置間隔を演算制御システムを組み込んだ裁断
機構、差し込み機構を備えた裁断差し込み装置により、
帯状のろう箔を所定の長さに裁断して差し込むようにす
る。これらのろう箔の裁断、差し込み条件は、各品種毎
に予め演算制御システムに組み込んで置くことができ
る。

【００３９】（実施例２）本発明の電気加熱担体とこの
電気加熱担体を用いた触媒装置により、自動車排ガスの
浄化をを行った場合の結果を、従来例および比較例の電
気加熱担体を用いた触媒装置による場合の結果とともに
図８、図９及び表１に示す。

【００４０】電気加熱条件 電圧：１０Ｖ 電流：７５Ａ 電力：０．７５ｋｗ 排ガス温度：８５０℃ 電気加熱担体 外径：８５mm 中心電極（材質はフェライト系ステンレス） 径：８mm 波箔（材質はフェライト系ステンレス） 幅：２０mm，厚み：０．０５mm，波高さ：１．２５mm，
波ピッチ：２．５mm 平箔（材質はフェライト系ステンレス） 幅：２０mm，厚み：０．０５mm ろう箔（材質はＺｒ／Ｎｉ合金） 幅：１mm，厚み：０．０５mm 触媒：Ｐｔ／Ｒｈ

【００４１】表１に示すように、大気に奪われる熱量を
考慮して、ろう箔の長さを変化させ外周部の単位面積当
たり発熱部（点）分布を中心部側の単位面積当たりの発
熱部（点）点分布より密にした図８（ａ）に示す電気加
熱担体による実施例１では、排ガスの浄化率（ここで
は、ＨＣの浄化率をいう。）は良好であった。

【００４２】また、外周部の単位面積当たり発熱部
（点）分布を中心部側の単位面積当たりの発熱点分布よ
りさらに密にした図８（ｂ）に示す電気加熱担体による
実施例２では、排ガスの浄化率（ここでは、ＨＣの浄化
率をいう。）は，実施例１の場合よりさらに良好であっ
た。

【００４３】これに対して、ろう箔の長さが短く一定
で、外周部の単位面積当たりの発熱部（点）点分布を密
にする配慮がされていない図９（ａ）の電気加熱担体に
よる、従来例４の場合は、実施例１、２の場合に比して
明らかに低い値を示した。また、ろう箔の長さを若干大
きくして一定にした図９（ｂ）の電気加熱担体による比
較例３の場合は、外周部の発熱部（点）分布は不十分
で、従来例に比して浄化率の向上は顕著ではなかった。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【発明の効果】本発明の第一の発明では、ろう箔の長さ
を変化させる（従来より長くする）ことにより、箔の接
合面積が増え触媒担体の強度が向上する。また、本発明
の電気加熱式担体においては、金属箔積層体の波箔と平
箔接合をろう箔による局所接合として、その接合部配置
（発熱点配置）を最適化して、通電電力を比較的小電力
にして触媒担体を効率的に発熱させ、短時間で触媒活性
化温度まで昇温することができるので、電力消費量を節
減することができる。そして、前記ろう箔による発熱部
（点）間距離を伝熱により熱が外部に奪われていく程度
に合わせ変化させるようにろう箔を配置（長さ、重なり
幅が変化）し、触媒の温度を内部と外周部でほぼ等しく
分布させることができるので、触媒機能を安定して確保
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知の電気加熱式触媒装置の構造例を示す側断
面概要説明図。

【図２】触媒担体として用いられる円筒状金属箔積層体
の製造方法例を示す概要説明図で、（ａ）図は、波箔と
平箔を重ねて中心電極に巻回している状態を示す立体説
明図、（ｂ）図は、（ａ）図のようにして得られた金属
箔積層体を示す立体説明図、（ｃ）図は、（ｂ）図の金
属箔積層体のプレス整端作業を示す一部断面説明図。

【図３】円筒状金属積層体の径方向断面説明図。

【図４】本発明の実施例における電気加熱担体（円筒状
金属積層体）におけるろう箔による接合部配置例を示す
径方向断面説明図。

【図５】本発明の実施例における電気加熱担体（円筒状
金属積層体）における接合部による通電路と発熱部
（点）形成例を示す径方向断面概念説明図。

【図６】本発明の電気加熱担体（円筒状金属積層体）の
製造方法におけるろう箔差し込み例を示す立面概念説明
図。

【図７】本発明の円筒状金属箔積層体における接合部お
よび発熱部（点）配置例を示す径方向断面説明図。

【図８】（ａ）、（ｂ）は本発明における電気加熱担体
（円筒状金属積層体）での接合部による通電路と発熱部
（点）配置の実施例を示す径方向断面説明図。

【図９】（ａ）、（ｂ）は図８に対応する従来例と比較
例を示す径方向断面説明図。

【図１０】従来タイプの電気加熱式担体における通電路
形成例を示す径方向断面説明図。

【符号の説明】

１ 電気加熱式触媒装置 ２ 金属箔積層体（電気加熱担体） ３ 波箔 ４ 平箔 ５ 中心電極 ６ 外部電極 ７ テープ ８ 敷台 ９ プレス １０ 通気貫通孔 １１ａ，１１ｂ 接合部 １２ａ，１２ｂ ろう箔 １３ 通電路 Ａ 外周部 Ｂ 中間部領域 Ｃ 中心部領域 ｈｐ 発熱部（点）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 恭裕 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 藤野 健二 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 (72)発明者 佐藤 啓二 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (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 伊藤 隆晟 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波箔と平箔との間に多数のろう箔を配
   し、中心電極に円筒状に巻き取って得られる電気加熱担
   体であって、ろう箔による通電可能な接合部が、大気に
   伝熱により奪われていく熱量の大きい外周部で発熱点分
   布が密になるように、ろう箔の長さを変化させたことを
   特徴とする電気加熱担体。
2. 【請求項２】 波箔と平箔との間に多数のろう箔を配
   し、中心電極に円筒状に巻き取って得られる電気加熱担
   体であって、ろう箔による通電可能な接合部が、大気に
   伝熱により奪われていく熱量の大きい外周部で発熱点分
   布が密になるように、ろう箔同士の配置間隔を変化させ
   たことを特徴とする電気加熱担体。
3. 【請求項３】 波箔と平箔との間に多数のろう箔を配
   し、中心電極に円筒状に巻き取る電気加熱担体の製造方
   法において、各金属箔層を形成していく過程で、その都
   度、大気に奪われる熱量の大きい外周部で発熱量が大き
   くなるように、通電可能な接合部を形成するろう箔の長
   さ及びろう箔同士の配置間隔の少なくとも一方を決定
   し、ろう箔を所定の長さに裁断して差し込むことを特徴
   とする電気加熱担体の製造方法。