WO2015083313A1 - 通電加熱式触媒装置及びその製造方法 - Google Patents

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wiring member
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雅夫 中山
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トヨタ自動車株式会社
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    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
    • B01D53/9454—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific device
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    • F01N3/2013—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means
    • F01N3/2026—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means directly electrifying the catalyst substrate, i.e. heating the electrically conductive catalyst substrate by joule effect
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an electrically heated catalyst device and a manufacturing method thereof.
  • EHC Electrically-Heated-Catalyst
  • a surface electrode extending in the axial direction of the carrier is formed on the outer peripheral surface of a cylindrical carrier having a honeycomb structure on which a catalyst such as platinum or palladium is supported. . Then, comb-like wiring is connected to the surface electrode, and current is supplied. When this current spreads in the direction of the carrier axis in the surface electrode, the whole carrier is heated by energization. As a result, the catalyst supported on the carrier is activated, and unburned HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide), NOx (nitrogen oxide), etc. in the exhaust gas passing through the carrier are purified by the catalytic reaction.
  • HC hydrocarbon
  • CO carbon monoxide
  • NOx nitrogen oxide
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the problem of the present invention, and is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a conventional electrically heated catalyst device.
  • the carrier 20 including the surface electrode 30 and the wiring member 4 is covered with an outer cylinder 70 via a mat 60.
  • the wiring member 4 is a plate-like member fixed to each of the pair of front surface electrodes 30 disposed to face the outer peripheral surface of the carrier 20. Since each wiring member 4 is connected to an external electrode (not shown), the wiring member 4 is led out of the outer cylinder 70 through the opening 61 of the mat 60 and the opening 71 of the outer cylinder 70.
  • the carrier 20 is covered with the outer cylinder 70 by welding the divided outer cylinders 70a and 70b as shown in FIG.
  • the flange part 72 is formed in the joining location of the outer cylinders 70a and 70b vertically divided, and the flange parts 72 are welded to each other.
  • a normal cylinder an undivided cylinder
  • the lead-out portion of the wiring member 4 interferes with the outer cylinder 70 and the carrier 20 including the wiring member 4 cannot be inserted into the outer cylinder 70.
  • the electrically heated catalyst device is A support on which a catalyst is supported; A thin plate-like wiring member fixed to the outer peripheral surface of the carrier; An outer cylinder that covers the outer peripheral surface of the carrier and has an opening on the side surface for pulling out the wiring member to the outside; A holding member that is filled between the carrier and the outer cylinder and holds the carrier; An electrically heated catalyst device in which the carrier is energized and heated through the wiring member, The lead-out portion of the wiring member drawn out through the opening is formed in a bellows shape.
  • the lead portion of the wiring member is formed in a bellows shape, when the carrier is covered with the outer cylinder, the lead portion can be folded and divided.
  • the wiring member is preferably made of an annealed material having an elongation of 15% or more. With such a configuration, the drawer portion can be easily formed in a bellows shape.
  • the outer peripheral surface of the carrier further includes a surface electrode extending in the axial direction of the carrier, the wiring member is fixed to the surface electrode, and the wiring member extends in the circumferential direction of the carrier.
  • the comb-tooth-shaped 1st wiring connected to the center part of the said axial direction in the said surface electrode, The comb-tooth shape extended in the said axial direction toward the both ends of the said surface electrode from the said 1st wiring
  • the second wiring is preferably provided. With such a configuration, even when a crack in the carrier circumferential direction occurs on the surface electrode, the current spread in the carrier axial direction is maintained by the second wiring.
  • the wiring member is fixed to the surface electrode by a plurality of button-shaped fixing layers that are provided apart from each other on the first wiring and the second wiring. With such a configuration, thermal strain (thermal stress) can be relaxed.
  • a method for producing an electrically heated catalyst device includes: A method for producing an electrically heated catalyst device in which a carrier carrying a catalyst is electrically heated through a thin wiring member, Fixing the wiring member folded in a bellows-like shape to the outer peripheral surface of the carrier; Covering the outer peripheral surface of the carrier to which the wiring member is fixed with a holding member for holding the carrier; Pressing the carrier covered with the holding member into the outer cylinder; A step of pulling out the drawer portion to the outside of the outer cylinder through an opening formed in a side surface of the outer cylinder by stretching the drawer portion folded in a bellows shape.
  • the drawer portion is pulled out to the outside of the outer cylinder by extending the drawer section folded in a bellows shape after press-fitting the carrier into the outer cylinder. Therefore, when the carrier is covered with the outer cylinder, it is not necessary to weld the divided outer cylinder, and the productivity is excellent. It is preferable to use an annealed material having an elongation of 15% or more for the wiring member. With such a configuration, the drawer portion can be easily formed in a bellows shape.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electrically heated catalyst device 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. It is the perspective view which removed the outer cylinder 70 in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view seen from directly above a surface electrode 30 in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a transverse sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a transverse cross-sectional view for describing a method for manufacturing the electrically heated catalyst device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a transverse cross-sectional view for describing a method for manufacturing the electrically heated catalyst device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing how the carrier 20 is press-fitted into the outer cylinder 70. It is a figure for demonstrating the subject of this invention, Comprising: It is a cross-sectional view which shows an example of a structure of the conventional electrically heated catalyst apparatus.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electrically heated catalyst device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view with the outer cylinder 70 removed in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view as viewed from directly above the surface electrode 30 in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
  • the right-handed xyz coordinates shown in the drawings are for convenience in explaining the positional relationship between the components.
  • the y-axis direction in the drawing is the axial direction of the carrier 20.
  • the electrically heated catalyst device 100 is provided on an exhaust path of, for example, an automobile and purifies exhaust gas discharged from the engine.
  • the electrically heated catalyst device 100 includes a carrier 20 and an outer cylinder 70.
  • the electrically heated catalyst device 100 includes a surface electrode 30, a wiring member 40, and a fixed layer 50 on a carrier 20.
  • the electrically heated catalyst device 100 includes a mat 60 between the carrier 20 and the outer cylinder 70. That is, the electrically heated catalyst device 100 includes the carrier 20, the surface electrode 30, the wiring member 40, the fixed layer 50, the mat 60, and the outer cylinder 70.
  • FIG. 1 the mat 60 is omitted.
  • FIG. 3 shows the positional relationship of the one surface electrode 30 with the carrier 20, the wiring member 40, and the fixed layer 50, but the same applies to the other surface electrode 30.
  • the two surface electrodes 30 have a mirror-symmetrical positional relationship with respect to a plane parallel to the yz plane.
  • the carrier 20 is a porous member that supports a catalyst such as platinum or palladium. Further, since the carrier 20 itself is energized and heated, it is made of a ceramic having conductivity, specifically, for example, SiC (silicon carbide). As shown in FIG. 2, the carrier 20 has a substantially cylindrical shape and has a honeycomb structure inside. As indicated by the arrow, the exhaust gas passes through the inside of the carrier 20 in the axial direction of the carrier 20 (y-axis direction).
  • the surface electrode 30 is a pair of electrodes that are formed on the outer peripheral surface of the carrier 20 and arranged to face each other with the carrier 20 interposed therebetween.
  • the surface electrode 30 is in physical contact with and electrically connected to the carrier 20.
  • each surface electrode 30 has a rectangular planar shape, and extends in the carrier axis direction (y-axis direction).
  • the surface electrode 30 is not formed near both ends in the carrier axial direction.
  • the surface electrode 30 is electrically connected to the battery 83 via the wiring member 40, the external electrode 81, and the external wiring 82. With such a configuration, an electric current is supplied to the carrier 20 and energized and heated.
  • One of the pair of surface electrodes 30 is a positive electrode and the other is a negative electrode.
  • any surface electrode 30 may be a positive electrode or a negative electrode. That is, the direction of the current flowing through the carrier 20 is not limited.
  • the surface electrode 30 is a sprayed coating having a thickness of about 50 to 200 ⁇ m formed by plasma spraying, for example. Since the surface electrode 30 is energized in the same manner as the wiring member 40, the thermal spray coating needs to be a metal base.
  • the metal that forms the matrix of the thermal spray coating is a Ni-Cr alloy with excellent oxidation resistance at high temperatures (with a Cr content of 20-60 mass%) to withstand use at high temperatures of 800 ° C or higher. ), MCrAlY alloy (where M is at least one of Fe, Co and Ni).
  • the NiCr alloy and MCrAlY alloy may contain other alloy elements.
  • the thermal spray coating constituting the surface electrode 30 may be porous. By being porous, the function to relieve stress is enhanced.
  • the wiring member 40 is arrange
  • the entire wiring member 40 is a thin metal plate having a thickness of about 0.1 mm, for example.
  • the width of the first wiring 41 and the second wiring 42 is, for example, about 1 mm.
  • the wiring member 40 is preferably made of a heat-resistant (oxidation-resistant) alloy such as a stainless alloy, a Ni-based alloy, or a Co-based alloy in order to endure use at a high temperature of 800 ° C. or higher.
  • a heat-resistant (oxidation-resistant) alloy such as a stainless alloy, a Ni-based alloy, or a Co-based alloy in order to endure use at a high temperature of 800 ° C. or higher.
  • stainless steel alloys are preferable.
  • the plurality of first wirings 41 are extended in the carrier circumferential direction over the entire region where the surface electrode 30 is formed. Further, all the first wirings 41 are connected to the lead portion 43 on the plus side in the z-axis direction of the formation region of the surface electrode 30. On the other hand, the plurality of first wirings 41 are arranged in parallel on the surface electrode 30 at substantially equal intervals along the carrier axis direction. Further, the first wiring 41 is disposed only in the center portion of the surface electrode 30 in the carrier axial direction. In the example of FIG. 3, six first wirings 41 are provided in the center part in the axial direction of the carrier 20 on each surface electrode 30. Here, the two outermost first wirings 41 are formed thicker than the other four first wirings 41. As a matter of course, the number of the first wirings 41 is not limited to six and is appropriately determined.
  • the second wiring 42 is continuously extended from the two first wirings 41 located on the outermost side to the end of the surface electrode 30 in the carrier axis direction.
  • four second wirings 42 are extended from each of the two first wirings 41 located on the outermost side.
  • the number of the second wirings 42 is not limited to the predetermined number, and is appropriately determined.
  • Both the first wiring 41 and the second wiring 42 are fixed to the surface electrode 30 by the fixing layer 50 and are electrically connected.
  • the lead portion 43 is not fixed to the surface electrode 30 and is drawn to the outside of the outer cylinder 70.
  • drawing-out part 43 has a some bending part, and is formed so that expansion-contraction is possible. Details of the drawer 43 will be described later.
  • the second wire 42 extends from the first wire 41 disposed only at the center in the carrier axial direction of the surface electrode 30 to the end in the carrier axial direction of the surface electrode 30. Has been. Therefore, even when cracks in the carrier circumferential direction occur in the surface electrode 30 due to deterioration, the current spread in the carrier axial direction is maintained by the second wiring 42. Therefore, the vicinity of the central portion in the axial direction of the carrier 20 is not intensively heated, and thermal stress cracking due to this intensive heating can be avoided.
  • the fixed layer 50 is a button-shaped sprayed coating having a thickness of about 300 to 500 ⁇ m formed on the first wiring 41 and the second wiring 42.
  • the fixed layer 50 can be formed by disposing the wiring member 40 on the surface electrode 30, disposing the masking jig jig thereon, and performing plasma spraying.
  • the composition of the thermal spray coating may be the same as that of the surface electrode 30 described above.
  • the first wiring 41 and the second wiring 42 are fixed to the surface electrode 30 and electrically connected by the fixing layer 50.
  • the four inner first wires 41 and all the second wires 42 are fixed to the surface electrode 30 by two fixing layers 50 that are provided apart from each other.
  • the first wiring 41 and the second wiring 42 are not fixed to the surface electrode between the adjacent fixed layers 50.
  • the mat (holding member) 60 is a heat insulating member having flexibility.
  • the mat 60 is wound around substantially the entire carrier 20 as indicated by a broken line in FIG.
  • the mat 60 is filled between the carrier 20 and the outer cylinder 70 as shown in FIG.
  • the carrier 20 is fixed and held on the outer cylinder 70 by the mat 60.
  • the mat 60 also serves to seal the exhaust gas and prevent it from leaking outside the outer cylinder 70.
  • the mat 60 is provided with an opening 61 for leading the lead-out portion 43 of the wiring member 40 to the outside of the outer cylinder 70.
  • Two openings 61 are provided in the central portion in the axial direction of the carrier 20 corresponding to the positions where the respective lead portions 43 are formed. Further, as shown in FIG. 4 (in a cross-sectional view), the two openings 61 are arranged in mirror symmetry with respect to a plane parallel to the yz plane on the slightly upper side (z-axis direction plus side) from the center. Yes.
  • the shape of the opening 61 is rectangular, but is not particularly limited.
  • the shape of the opening 61 may be circular or elliptical.
  • the outer cylinder 70 is a casing for accommodating the carrier 20 and is a pipe having a diameter that is slightly larger than that of the cylindrical carrier 20. As shown in FIG. 1, the outer cylinder 70 covers substantially the entire carrier 20 via a mat 60. Here, the outer cylinder 70 is not a welded segmented outer cylinder as shown in FIG. 8, but is a normal pipe.
  • the outer cylinder 70 is preferably made of a metal such as a stainless alloy.
  • an opening 71 is provided on the side surface of the outer cylinder 70 for leading the lead-out portion 43 of the wiring member 40 to the outside of the outer cylinder 70. Therefore, as shown in FIG. 1, the opening 71 is provided at two positions in the central portion in the axial direction of the outer cylinder 70 corresponding to the position where the lead-out portion 43 is formed. Further, as shown in FIG. 4 (in a cross-sectional view), the two openings 71 are arranged in mirror symmetry with respect to a plane parallel to the yz plane on the slightly upper side (z-axis direction plus side) from the center. Yes.
  • the shape of the opening 71 is circular, but is not particularly limited.
  • the shape of the opening 71 may be an elliptical shape or a rectangular shape.
  • the carrier 20 is electrically heated between the pair of surface electrodes 30, and the catalyst supported on the carrier 20 is activated.
  • unburned HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide), NOx (nitrogen oxide) and the like in the exhaust gas passing through the carrier 20 are purified by the catalytic reaction.
  • the lead-out portion 43 of the wiring member 40 has a plurality of bent portions and is formed to be extendable.
  • the drawer part 43 is formed in a bellows shape.
  • the bellows is a repeated structure of mountain folds and valley folds.
  • the bellows shape in this specification means that there is at least one mountain fold and one valley fold.
  • the lead-out portion 43 has three bent portions (two mountain folds and one valley fold when viewed from the plus side in the z-axis direction) and is formed in an M-shaped cross section.
  • the lead-out portion 43 may have two bent portions (one mountain fold and one valley fold) and may be formed in an N-shaped cross section.
  • drawing-out part 43 may have four or more bending parts.
  • the bellows-like lead-out portion 43 is in a folded state at the manufacturing stage. Therefore, the lead part 43 of the wiring member 40 and the outer cylinder 70 do not interfere with each other, and the carrier 20 provided with the wiring member 40 can be inserted into the outer cylinder 70. Then, after the carrier 20 is inserted into the outer cylinder 70, the drawer portion 43 can be easily pulled out to the outside of the outer cylinder 70. That is, in the electrically heated catalyst device 100 according to the first embodiment, when the carrier 20 is covered with the outer cylinder 70, it is not necessary to weld the divided outer cylinder, and the productivity is excellent. The details of the method for manufacturing the electrically heated catalyst device 100 according to Embodiment 1 will be described later.
  • the wiring member 40 an annealed material (elongation: 15 to 25%) obtained by annealing a cold-rolled thin plate is used as the wiring member 40. Therefore, the drawer part 43 can be easily folded into a bellows shape.
  • the elongation of the wiring member 40 is preferably at least 15% or more.
  • an insulating coating for insulating the outer cylinder 70 and the carrier 20 is applied to the entire inner peripheral surface of the outer cylinder 70.
  • the insulating coating cannot be applied to the welded portion (flange portion 72) of the outer cylinder.
  • the electrically heated catalyst device 100 according to the first embodiment does not have a welded portion, an insulating coating can be applied to the entire inner peripheral surface of the outer cylinder 70, and the insulation between the outer cylinder 70 and the carrier 20 can be applied. Can be secured.
  • 5 and 6 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the electrically heated catalyst device 100 according to the first embodiment. 5 and 6 correspond to the cross-sectional view of FIG.
  • the surface electrode 30 is formed on the surface of the carrier 20 by, for example, plasma spraying.
  • the wiring member 40 in which the lead portion 43 is folded in a bellows shape is disposed on the surface electrode 30, and the fixed layer 50 is formed on the wiring member 40 by plasma spraying using a masking jig. Thereby, the wiring member 40 is fixed on the surface electrode 30.
  • a mat 60 is wound on the outer peripheral surface of the carrier 20 on which the surface electrode 30, the wiring member 40, and the fixed layer 50 are formed.
  • the mat 60 is preferably provided with an opening 61 in advance.
  • the lead-out portion 43 remains folded in a bellows shape.
  • the carrier 20 around which the mat 60 is wound is press-fitted into the outer cylinder 70.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a state in which the carrier 20 is press-fitted into the outer cylinder 70.
  • a ring-shaped press-fitting guide 90 is installed at the upper end (end on the positive side in the y-axis direction) of the outer cylinder 70. Since the carrier 20 around which the mat 60 is wound is inserted from the upper side of the press-fit guide 90 (plus side in the y-axis direction), the inner peripheral surface of the press-fit guide 90 has a taper shape that increases in diameter upward (y-axis plus direction). is doing.
  • a notch for fitting with the outer cylinder 70 is formed at the lower end (end on the negative side in the y-axis direction) of the inner peripheral surface of the press-fitting guide 90.
  • the axial direction (y-axis direction) of the carrier 20 coincides with the vertical direction.
  • the drawer 43 is pulled out to the outside of the outer cylinder 70 through the opening 71 by extending the drawer 43 folded in a bellows shape. Finally, the lead portion 43 is fixed to the external electrode 81 by screwing or welding.
  • the drawer portion 43 is folded in a bellows shape. It has become. Specifically, as shown in FIG. 5, the drawer 43 is housed in the opening 61 of the mat 60 in a folded state. Therefore, as shown in FIG. 6, the carrier 20 provided with the wiring member 40 can be inserted into the outer cylinder 70 without interference between the drawing portion 43 and the outer cylinder 70. Then, as shown in FIG. 4, after inserting the carrier 20 into the outer cylinder 70, the drawer portion 43 can be easily pulled out to the outside of the outer cylinder 70. That is, in the manufacturing method of the electrically heated catalyst device 100 according to the first embodiment, when the carrier 20 is covered with the outer cylinder 70, it is not necessary to weld the divided outer cylinder, and the productivity is excellent.

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Abstract

　本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置１００は、触媒が担持された担体２０と、担体２０の外周面に固定された薄板状の配線部材４０と、担体２０の外周面を覆うとともに、配線部材４０を外側へ引き出すための開口部７１を側面に有する外筒７０と、担体２０と外筒７０との間に充填され、担体２０を保持する保持部材６０と、を備え、配線部材４０を介して担体２０が通電加熱される。開口部７１を介して引き出された配線部材４０の引出部４３が、蛇腹状に形成されている。

Description

通電加熱式触媒装置及びその製造方法
　本発明は通電加熱式触媒装置及びその製造方法に関する。
　近年、自動車等のエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置として通電加熱式触媒（ＥＨＣ：Electrically Heated Catalyst）装置が注目されている。ＥＨＣでは、エンジンの始動直後などのように排気ガスの温度が低く、触媒が活性化し難い条件下であっても、通電加熱により強制的に触媒を活性化させ、排気ガスの浄化効率を高めることができる。
　特許文献１に開示されたＥＨＣでは、白金やパラジウム等の触媒が担持されたハニカム構造を有する円筒状の担体の外周面に、当該担体の軸方向に延設された表面電極が形成されている。そして、表面電極に櫛歯状の配線が接続され、電流が供給される。この電流が表面電極において担体軸方向に広がることにより、担体全体が通電加熱される。これにより、担体に担持された触媒が活性化され、担体を通過する排気ガス中の未燃焼ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等が触媒反応により浄化される。
特開２０１２－０６６１８８号公報
　発明者は、上述の通電加熱式触媒装置に関し、以下の課題を見出した。
　図８は本発明の課題を説明するための図であって、従来の通電加熱式触媒装置の構成の一例を示す横断面図である。図８に示すように、この通電加熱式触媒装置では、表面電極３０及び配線部材４を備えた担体２０が、マット６０を介して外筒７０に覆われている。ここで、配線部材４は、担体２０の外周面に対向配置された一対の表面電極３０のそれぞれに固定された板状の部材である。それぞれの配線部材４は、外部電極（不図示）と接続されるため、マット６０の開口部６１と外筒７０の開口部７１とを介して、外筒７０の外側へ導出されている。
　このように、通電加熱式触媒装置では、表面電極３０に固定された配線部材４を、外筒７０の側面に形成された開口部７１を介して外筒７０の外側へ導出する必要がある。そこで、従来の通電加熱式触媒装置では、図８に示すように、分割された外筒７０ａ、７０ｂを溶接することにより、担体２０を外筒７０で覆っていた。図８の例では、縦割りされた外筒７０ａ、７０ｂの接合箇所にそれぞれフランジ部７２が形成されており、フランジ部７２同士が溶接されている。
　換言すると、従来の通電加熱式触媒装置では、通常の筒（分割されていない筒）を外筒７０として用いることができなかった。配線部材４の引出部と外筒７０とが干渉してしまい、配線部材４を備えた担体２０を外筒７０に挿入することができないからである。
　以上に説明した通り、従来の通電加熱式触媒装置では、担体を外筒で覆う際、分割された外筒を溶接していたため、生産性に劣るという問題があった。
　本発明は、上記を鑑みなされたものであって、生産性に優れる通電加熱式触媒装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置は、
　触媒が担持された担体と、
　前記担体の外周面に固定された薄板状の配線部材と、
　前記担体の外周面を覆うとともに、前記配線部材を外側へ引き出すための開口部を側面に有する外筒と、
　前記担体と前記外筒との間に充填され、前記担体を保持する保持部材と、を備え、
　前記配線部材を介して前記担体が通電加熱される、通電加熱式触媒装置であって、
　前記開口部を介して引き出された前記配線部材の引出部が、蛇腹状に形成されたものである。
　本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置では、配線部材の引出部が蛇腹状に形成されているため、担体を外筒で覆う際、引出部を折り畳んでおくことができ、分割された外筒を溶接する必要がない。そのため、生産性に優れている。
　前記配線部材が、伸びが１５％以上の焼鈍材からなることが好ましい。このような構成により、前記引出部を容易に蛇腹状に形成することができる。
　前記担体の外周面において、前記担体の軸方向に延設された表面電極を更に備え、前記配線部材が前記表面電極に固定されており、前記配線部材は、前記担体の周方向に延設され、かつ、前記表面電極における前記軸方向の中央部に接続された櫛歯状の第１配線と、前記第１配線から前記表面電極の両端へ向かって前記軸方向に延設された櫛歯状の第２配線と、を備えることが好ましい。このような構成により、表面電極に担体円周方向のクラックが発生した場合であっても、第２配線により担体軸方向への電流の広がりが保持される。そのため、担体の軸方向中央部近傍が集中的に加熱されることがなく、この集中加熱による熱応力割れを回避することができる。
　また、前記第１配線及び前記第２配線上において互いに離間して設けられたボタン形状の複数の固定層により、前記配線部材が前記表面電極に固定されていることが好ましい。このような構成により、熱ひずみ（熱応力）を緩和することができる。
　本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置の製造方法は、
　薄板状の配線部材を介して、触媒が担持された担体が通電加熱される通電加熱式触媒装置の製造方法であって、
　引出部が蛇腹状に折り畳まれた前記配線部材を、前記担体の外周面に固定する工程と、
　前記配線部材が固定された前記担体の外周面を、前記担体を保持するための保持部材により覆う工程と、
　前記保持部材により覆われた担体を外筒に圧入する工程と、
　蛇腹状に折り畳まれた前記引出部を引き伸ばすことにより、前記外筒の側面に形成された開口部を介して、前記外筒の外側に前記引出部を引き出す工程と、を備えるものである。
　本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置の製造方法では、担体を外筒に圧入した後に蛇腹状に折り畳まれた引出部を引き伸ばすことにより、外筒の外側に引出部を引き出す。そのため、担体を外筒で覆う際、分割された外筒を溶接する必要がなく、生産性に優れている。
　前記配線部材に、伸びが１５％以上の焼鈍材を用いることが好ましい。このような構成により、前記引出部を容易に蛇腹状に形成することができる。
　本発明により、生産性に優れる通電加熱式触媒装置を提供することができる。
実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の斜視図である。 図１において外筒７０を取り除いた斜視図である。 図２において表面電極３０の真上から見た平面図である。 図３におけるＩＶ-ＩＶ切断線による横断面図である。 実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法について説明するための横断面図である。 実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法について説明するための横断面図である。 担体２０を外筒７０に圧入する様子を示す縦断面図である。 本発明の課題を説明するための図であって、従来の通電加熱式触媒装置の構成の一例を示す横断面図である。
　以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
（実施の形態１）
　まず、図１～４を参照して、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の斜視図である。図２は、図１において外筒７０を取り除いた斜視図である。図３は、図２において表面電極３０の真上（ｘ軸方向プラス側）から見た平面図である。図４は、図３におけるＩＶ-ＩＶ切断線による横断面図である。
　なお、当然のことながら、図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図面におけるｙ軸方向が担体２０の軸方向である。ここで、通電加熱式触媒装置１００を使用する際には、図４に示すようにｚ軸方向プラス向きを鉛直方向上向きに一致させることが好ましい。
　通電加熱式触媒装置１００は、例えば自動車等の排気経路上に設けられ、エンジンから排出される排気ガスを浄化する。図１に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０及び外筒７０を備えている。また、図２に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０上に、表面電極３０、配線部材４０、固定層５０を備えている。さらに、図３、４に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０と外筒７０との間にマット６０を備えている。すなわち、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０、表面電極３０、配線部材４０、固定層５０、マット６０、外筒７０を備えている。
　なお、図１では、マット６０は省略されている。また、図３では一方の表面電極３０について、担体２０、配線部材４０、固定層５０との位置関係が示されているが、他方の表面電極３０についても同様である。具体的には、図２、４に示すように、２つの表面電極３０は、ｙｚ平面に平行な面に関して鏡面対称な位置関係にある。
　担体２０は、白金やパラジウム等の触媒を担持する多孔質部材である。また、担体２０自体は、通電加熱されるため、導電性を有するセラミックス、具体的には例えばＳｉＣ（炭化珪素）からなる。図２に示すように、担体２０は、外形が略円柱形状であって、内部はハニカム構造を有している。矢印で示すように、排気ガスが担体２０の内部を担体２０の軸方向（ｙ軸方向）に通過する。
　表面電極３０は、図２に示すように、担体２０の外周面に形成され、かつ、担体２０を介して互いに対向配置された一対の電極である。表面電極３０は、担体２０と物理的に接触しているとともに電気的に接続されている。また、図３に示すように、それぞれの表面電極３０は、矩形状の平面形状を有し、担体軸方向（ｙ軸方向）に延設されている。なお、表面電極３０は、担体軸方向の両端近傍には形成されていない。さらに、図４に示すように、表面電極３０は、配線部材４０、外部電極８１、外部配線８２を介して、バッテリ８３に電気的に接続されている。このような構成により、担体２０に電流が供給され、通電加熱される。なお、一対の表面電極３０のうちの一方がプラス極、他方がマイナス極であるが、いずれの表面電極３０がプラス極あるいはマイナス極になってもよい。つまり、担体２０を流れる電流の向きは限定されない。
　また、表面電極３０は、例えばプラズマ溶射により形成された厚さ５０～２００μｍ程度の溶射皮膜である。表面電極３０は、配線部材４０と同様に通電するため、この溶射皮膜は金属ベースである必要がある。溶射皮膜のマトリクスを構成する金属としては、８００℃以上の高温下での使用に耐えるため、高温下での耐酸化性に優れたＮｉ－Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０～６０質量％）、ＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）が好ましい。ここで、上記ＮｉＣｒ合金、ＭＣｒＡｌＹ合金は、他の合金元素を含んでいてもよい。表面電極３０を構成する溶射皮膜は、多孔質であってもよい。多孔質であることにより、応力を緩和する機能が高まる。
　配線部材４０は、図３に示すように、それぞれの表面電極３０の上に配置されている。配線部材４０は、図３に示すように、表面電極３０上において担体円周方向に延設された櫛歯状の第１配線４１、表面電極３０上において担体軸方向に延設された櫛歯状の第２配線４２、外部電極８１（図４）へ接続される引出部４３を有している。配線部材４０は、全体が例えば厚さ０．１ｍｍ程度の金属薄板である。第１配線４１及び第２配線４２の幅は、例えば１ｍｍ程度である。また、配線部材４０は、８００℃以上の高温下での使用に耐えるため、例えばステンレス系合金、Ｎｉ基系合金、Ｃｏ基系合金などの耐熱（耐酸化）合金からなることが好ましい。電気伝導度、耐熱性、高温下における耐酸化性、排気ガス雰囲気における耐腐食性等の性能やコストを考慮すると、ステンレス系合金が好ましい。
　図３に示すように、複数の第１配線４１は、表面電極３０の形成領域の全体に亘って担体円周方向に延設されている。さらに、全ての第１配線４１は、表面電極３０の形成領域のｚ軸方向プラス側において引出部４３に接続されている。他方、複数の第１配線４１は、担体軸方向に沿って、表面電極３０上に略等間隔で並設されている。また、第１配線４１は、表面電極３０の担体軸方向中央部のみに配置されている。図３の例では、それぞれの表面電極３０上の担体２０の軸方向中央部に６本ずつの第１配線４１が設けられている。ここで、最も外側に位置する２本の第１配線４１は、他の４本の第１配線４１に比べ、太く形成されている。なお、当然のことながら、第１配線４１の本数は６本に限定されるものではなく、適宜決定される。
　第２配線４２は、最も外側に位置する２本の第１配線４１から連続して担体軸方向に表面電極３０の端部まで延設されている。図３の例では、最も外側に位置する２本の第１配線４１のそれぞれから４本の第２配線４２が延設されている。なお、当然のことながら、第２配線４２の本数も所定の本数に限定されるものではなく、適宜決定される。
　第１配線４１及び第２配線４２は、いずれも固定層５０により表面電極３０に固定されるととともに電気的に接続されている。
　一方、引出部４３は、表面電極３０に固定されておらず、外筒７０の外側へ引き出されている。ここで、引出部４３は、複数の屈曲部を有し、伸縮可能に形成されている。引出部４３の詳細については後述する。
　本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置１００では、表面電極３０の担体軸方向中央部のみに配置された第１配線４１から第２配線４２が表面電極３０の担体軸方向端部へ延設されている。そのため、劣化により表面電極３０に担体円周方向のクラックが発生した場合であっても、第２配線４２により担体軸方向への電流の広がりが保持される。そのため、担体２０の軸方向中央部近傍が集中的に加熱されることがなく、この集中加熱による熱応力割れを回避することができる。
　固定層５０は、第１配線４１及び第２配線４２上に形成された厚さ３００～５００μｍ程度のボタン形状の溶射皮膜である。表面電極３０上に配線部材４０を配置し、その上にマスキングジグ治具を配置し、プラズマ溶射を行うことにより、固定層５０を形成することができる。溶射皮膜の組成などについては、上述した表面電極３０と同様にすればよい。
　固定層５０により、第１配線４１及び第２配線４２が表面電極３０に固定されるとともに電気的に接続される。図３の例では、互いに離間して設けられた２つの固定層５０により、内側４本の第１配線４１及び全ての第２配線４２が、それぞれ表面電極３０に固定されている。換言すると、隣接する固定層５０の間においては、第１配線４１及び第２配線４２は表面電極に固定されていない。このような構成により、金属をベースとする溶射皮膜である表面電極３０及び固定層５０と、セラミックスからなる担体２０との線膨張係数差に基づく熱ひずみ（熱応力）を緩和することができる。つまり、個々の固定層５０を極力小さい形状とし、点在させることにより、上記熱ひずみ（熱応力）を緩和している。なお、配置する固定層５０の個数及び間隔は適宜決定すればよい。
　マット（保持部材）６０は、可撓性を有する断熱部材である。マット６０は、図３に破線で示すように、担体２０の略全体に巻き付けられている。そして、マット６０は、図４に示すように、担体２０と外筒７０との間に充填されている。マット６０により、担体２０が外筒７０に固定・保持される。また、マット６０は、排気ガスをシールし、外筒７０の外部へ漏らさない役割も担っている。
　マット６０には、図３、４に示すように、配線部材４０の引出部４３を外筒７０の外側へ導出するための開口部６１が設けられている。開口部６１は、それぞれの引出部４３の形成位置に対応して、担体２０の軸方向中央部に２箇所設けられている。また、図４に示すように（横断面視では）、２つの開口部６１は、中心部よりもやや上側（ｚ軸方向プラス側）において、ｙｚ平面に平行な面に関して鏡面対称に配置されている。なお、図面の例では、開口部６１の形状は矩形状であるが、特に限定されるものではない。例えば、開口部６１の形状は、円形状や楕円形状などであってもよい。
　外筒７０は、担体２０を収納するための筐体であって、円柱状の担体２０よりも一回り大きい直径を有するパイプである。図１に示すように、外筒７０はマット６０を介して担体２０の略全体を覆っている。ここで、外筒７０は、図８に示したような分割された外筒を溶接したものではなく、通常のパイプである。外筒７０は、例えばステンレス系合金などの金属からなることが好ましい。
　外筒７０の側面には、図１、４に示すように、配線部材４０の引出部４３を外筒７０の外側へ導出するための開口部７１が設けられている。そのため、図１に示すように、開口部７１は、引出部４３の形成位置に対応して、外筒７０の軸方向中央部に２箇所設けられている。また、図４に示すように（横断面視では）、２つの開口部７１は、中心部よりもやや上側（ｚ軸方向プラス側）において、ｙｚ平面に平行な面に関して鏡面対称に配置されている。なお、図面の例では、開口部７１の形状は円形状であるが、特に限定されるものではない。例えば、開口部７１の形状は、楕円形状や矩形状などであってもよい。
　上記構成により、通電加熱式触媒装置１００では、一対の表面電極３０間において担体２０が通電加熱され、担体２０に担持された触媒が活性化される。これにより、担体２０を通過する排気ガス中の未燃焼ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等が触媒反応により浄化される。
　実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００では、図４などに示すように配線部材４０の引出部４３が複数の屈曲部を有し、伸縮可能に形成されている点に１つの特徴を有している。換言すると、引出部４３が蛇腹状に形成されている。ここで、蛇腹とは、山折りと谷折りとの繰り返し構造である。本明細書における蛇腹状とは、山折りと谷折りとが、少なくとも１つずつあることを意味する。図面の例では、例えば図４に示すように、引出部４３が３つの屈曲部（ｚ軸方向プラス側から見て２つの山折りと１つの谷折り）を有し、断面Ｍ字状に形成されている。引出部４３が２つの屈曲部（１つの山折りと１つの谷折り）を有し、断面Ｎ字状に形成されていてもよい。さらに、引出部４３が４つ以上の屈曲部を有していてもよい。
　蛇腹状の引出部４３は、製造段階では折り畳まれた状態になっている。そのため、配線部材４０の引出部４３と外筒７０とが干渉することがなく、配線部材４０を備えた担体２０を外筒７０に挿入することができる。そして、担体２０を外筒７０に挿入した後、引出部４３を外筒７０の外側へ容易に引き出すことができる。すなわち、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００では、担体２０を外筒７０で覆う際、分割された外筒を溶接する必要がなく、生産性に優れている。なお、実施の形態1に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法の詳細については後述する。
　ここで、図８に示した従来の通電加熱式触媒装置では、配線部材４として、冷間圧延された薄板すなわち加工材（伸び１％程度）を使用していた。そのため、配線部材４の引出部を、製造段階において蛇腹状に折り畳むことが難しかった。これに対し、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００では、配線部材４０として、冷間圧延された薄板を焼鈍した焼鈍材（伸び１５～２５％）を使用している。そのため、引出部４３を容易に蛇腹状に折り畳むことができる。ここで、配線部材４０の伸びは、少なくとも１５％以上であることが好ましい。
　さらに、図示されていないが、外筒７０の内周面全体には外筒７０と担体２０とを絶縁するための絶縁コーティングが施されている。しかしながら、図８に示した従来の通電加熱式触媒装置では、外筒７０の溶接部（フランジ部７２）には絶縁コーティングを施すことができない。使用により、この溶接部に排気ガス中に含まれる煤が溜まると、外筒７０と担体２０との絶縁が確保できないという問題があった。これに対し、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００には溶接部がないため、外筒７０の内周面全体に絶縁コーティングを施すことができ、外筒７０と担体２０との絶縁を確保することができる。
　次に、図５、６を参照して、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法について説明する。図５、６は、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法について説明するための横断面図である。図５、６は図４の横断面図に対応している。
　まず、図５に示すように、担体２０の表面に、例えばプラズマ溶射により表面電極３０を形成する。
　次に、表面電極３０上に、引出部４３が蛇腹状に折り畳まれた配線部材４０を配置し、マスキングジグ治具を用いたプラズマ溶射により、配線部材４０上に固定層５０を形成する。これにより、表面電極３０上に配線部材４０が固定される。
　次に、表面電極３０、配線部材４０、固定層５０が形成された担体２０の外周面上に、図５に示すように、マット６０を巻き付ける。マット６０には予め開口部６１が設けられていることが好ましい。ここで、図５に示すように、引出部４３は蛇腹状に折り畳まれたままである。
　次に、図６に示すように、マット６０が巻き付けられた担体２０を外筒７０に圧入する。
　ここで、図７は、担体２０を外筒７０に圧入する様子を示す縦断面図である。図７に示すように、外筒７０の上端（ｙ軸方向プラス側の端部）にリング状の圧入ガイド９０が設置されている。圧入ガイド９０の上側（ｙ軸方向プラス側）からマット６０が巻き付けられた担体２０を挿入するため、圧入ガイド９０の内周面は上方向（ｙ軸プラス方向）に拡径するテーパー形状を有している。圧入ガイド９０の内周面の下端（ｙ軸方向マイナス側の端部）には、外筒７０と嵌合するための切欠部が形成されている。なお、図７に示すように、担体２０を外筒７０に圧入する際には、担体２０の軸方向（ｙ軸方向）を鉛直方向に一致させることが好ましい。
　次に、蛇腹状に折り畳まれた引出部４３を引き伸ばすことにより、開口部７１を介して外筒７０の外側へ引出部４３を引き出す。
　最後に、ネジ止めや溶接などにより、引出部４３を外部電極８１に固定する。
　以上の工程により、図４に示すように、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００を得ることができる。
　上述のように、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法では、マット６０が巻き付けられた担体２０を外筒７０に圧入する際、引出部４３が蛇腹状に折り畳まれた状態になっている。具体的には、図５に示すように、マット６０の開口部６１に引出部４３が折り畳まれた状態で収納されている。そのため、図６に示すように、引出部４３と外筒７０とが干渉することがなく、配線部材４０を備えた担体２０を外筒７０に挿入することができる。そして、図４に示すように、担体２０を外筒７０に挿入した後、引出部４３を外筒７０の外側へ容易に引き出すことができる。すなわち、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法では、担体２０を外筒７０で覆う際、分割された外筒を溶接する必要がなく、生産性に優れている。
　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
　この出願は、２０１３年１２月４日に出願された日本出願特願２０１３－２５１１２８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
２０　担体
３０　表面電極
４０　配線
４１　第１配線
４２　第２配線
４３　引出部
５０　固定層
６０　マット
６１　開口部
７０　外筒
７１　開口部
８１　外部電極
８２　外部配線
８３　バッテリ
９０　圧入ガイド
１００　通電加熱式触媒装置

Claims (6)

  1. 　触媒が担持された担体と、
    　前記担体の外周面に固定された薄板状の配線部材と、
    　前記担体の外周面を覆うとともに、前記配線部材を外側へ引き出すための開口部を側面に有する外筒と、
    　前記担体と前記外筒との間に充填され、前記担体を保持する保持部材と、を備え、
    　前記配線部材を介して前記担体が通電加熱される、通電加熱式触媒装置であって、
    　前記開口部を介して引き出された前記配線部材の引出部が、蛇腹状に形成された、
    通電加熱式触媒装置。
  2. 　前記配線部材が、伸びが１５％以上の焼鈍材からなる、
    請求項１に記載の通電加熱式触媒装置。
  3. 　前記担体の外周面において、前記担体の軸方向に延設された表面電極を更に備え、
    　前記配線部材が前記表面電極に固定されており、
    　前記配線部材は、
    　前記担体の周方向に延設され、かつ、前記表面電極における前記軸方向の中央部に接続された櫛歯状の第１配線と、
    　前記第１配線から前記表面電極の両端へ向かって前記軸方向に延設された櫛歯状の第２配線と、を備える、
    請求項１又は２に記載の通電加熱式触媒装置。
  4. 　前記第１配線及び前記第２配線上において互いに離間して設けられたボタン形状の複数の固定層により、前記配線部材が前記表面電極に固定されている、
    請求項３に記載の通電加熱式触媒装置。
  5. 　薄板状の配線部材を介して、触媒が担持された担体が通電加熱される通電加熱式触媒装置の製造方法であって、
    　引出部が蛇腹状に折り畳まれた前記配線部材を、前記担体の外周面に固定する工程と、
    　前記配線部材が固定された前記担体の外周面を、前記担体を保持するための保持部材により覆う工程と、
    　前記保持部材により覆われた担体を外筒に圧入する工程と、
    　蛇腹状に折り畳まれた前記引出部を引き伸ばすことにより、前記外筒の側面に形成された開口部を介して、前記外筒の外側に前記引出部を引き出す工程と、を備える、
    通電加熱式触媒装置の製造方法。
  6. 　前記配線部材に、伸びが１５％以上の焼鈍材を用いる、
    請求項５に記載の通電加熱式触媒装置の製造方法。
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