JP2013158714A - 電気加熱式触媒装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セル形成部21とその周囲を覆う円筒形状の外皮部22と有するハニカム体2と、その外皮部22の外周面221において径方向に対向配置された一対の電極31、32と、これらの電極(31、32)からそれぞれハニカム体2の径方向の外方に突出する一対の電極端子310、320とを備えた電気加熱式触媒装置1である。軸方向に平行で外皮部22上にある任意の基準線19を想定すると、電極31、32における側端輪郭線315、325は、その全長が基準線19に対して所定の傾きで傾斜している。一対の電極端子310、320は、軸方向に所定の間隔を開けて形成されており、電気加熱式触媒装置1を軸方向の一方の端面28、29から観察したときにおける一対の電極端子310、320がなす角度は180°未満である。
【選択図】図1
Description
ところで、触媒の活性化には、例えば400℃程度の加熱が必要になる。そのため、ハニカム体等の表面に一対の電極を形成し、その一対の電極間に通電を行ってハニカム体等を加熱する電気加熱式触媒装置(EHC)が開発されている。
上記ハニカム体の軸方向に平行で上記外皮部上にある任意の基準線を想定すると、上記電極における上記ハニカム体の軸方向に伸びる側端輪郭線は、その全長が上記基準線に対して所定の傾きで傾斜しており、
上記ハニカム体の周方向における一対の上記電極間の間隔は一定であり、
上記一対の電極端子は、上記ハニカム体の軸方向に所定の間隔を開けて、それぞれ上記一対の電極における上記ハニカム体の周方向の中央に形成されており、上記電気加熱式触媒装置を上記ハニカム体の軸方向の一方の端面から観察したときにおける上記一対の電極端子がなす角度は180°未満であることを特徴とする電気加熱式触媒装置にある(請求項1)。
そのため、たとえ上記側端輪郭線に電力が集中しても上記側端輪郭線は上記ハニカム体の軸方向に並行しないため、熱応力が上記ハニカム体の特定の軸方向に沿って集中することを防止することができる。即ち、熱応力を複数のセルにわたって分散させ、緩和することができる。それ故、ハニカム体の破損を防止することができる。
また、上記電気加熱式触媒装置においては、上記ハニカム体の周方向における一対の上記電極間の間隔が一定である。即ち、上記側端輪郭線同士の周方向に沿った間隔が一定であり、一対の上記電極は、上記ハニカム体の上記外周面の周方向に偏り無く、対向して配置されている。そのため、上記電気加熱式触媒装置において、一対の上記電極に挟まれる領域が大きくなる。それ故、上記電極に通電することにより、上記ハニカム体を均一に加熱させることが可能になる。また、一対の電極における上記側端輪郭線同士の間隔を等しくすることができる。そのため、一方の側端輪郭線同士の距離が他方に比べて短くなることがなく、上記電極間に通電したときに一方の側端輪郭線間に電力が集中し、熱応力によりハニカム体が破損してしまうことを防止することができる。
上記電気加熱式触媒装置は、セル形成部と該セル形成部の周囲を覆う円筒形状の外皮部と有するハニカム体と、該ハニカム体の上記外皮部の外周面において径方向に対向配置された一対の電極と、該一対の電極からそれぞれ上記ハニカム体の径方向の外方に突出する一対の電極端子とを備える。
上記ハニカム体の上記セル形成部は、例えば、格子状に配された多孔質の隔壁と、該隔壁に囲まれて軸方向に伸びる複数のセルとにより構成することができる。
この場合には、上記ハニカム体に導電性を与えることが容易になると共に、表面積を大きくすることができる。
また、上記ハニカム体の上記セル形成部の隔壁等には、排ガス浄化性能を示す触媒を担持させることができる。該触媒としては、Pt、Pd、Rh等からなる三元触媒等を用いることができる。
上記側端輪郭線が上記基準線に平行な場合には、上記一対の電極における上記ハニカム体の周方向の中央に上記一対の電極端子を形成すると、一対の電極端子は互いに水平に形成される。したがって、上記電気加熱式触媒装置の径方向の寸法が大きくなり、排ガス管内への搭載スペースが増大してしまう。
また、上記側端輪郭線が上記基準線に平行な場合には、上記電極の上記側端輪郭線が上記ハニカム体のセルの軸方向と平行になる。そのため、一対の上記電極間に通電し、上記側端輪郭線に電力が集中した際に、熱応力が上記ハニカム体の特定の軸方向に沿って集中してしまう。その結果、上記電気加熱式触媒装置の軸方向に伸びる特定のセルに熱応力が集中し、ハニカム体が破損してしまうおそれがある。
上記周方向における一対の上記電極間の間隔が一定でなく、一方の電極が周方向に他方の電極に偏って形成されている場合には、上記電極間に通電したときに、間隔の小さい側の電極の上記側端輪郭線間の距離が小さくなり、該側端輪郭線に電力が集中してしまう。その結果、熱応力が集中し、ハニカム体が破損してしまうおそれがある。また、上記周方向における一対の上記電極間の間隔が一定でない場合には、一対の電極に通電した際に、間隔が小さい側において上記ハニカム体の周方向に電流が流れ易くなるおそれがある。その結果、この場合には、通電しても上記ハニカム体の内部を十分に発熱させることができなくなるおそれがある。
上記外周面において、上記軸方向における上記電極間の間隔が上記周方向における間隔よりも小さい場合には、一対の電極間に通電を行った際に、上記外皮部の上記外周面において上記軸方向に電流が流れ易くなるおそれがある。その結果、通電を行っても上記ハニカム体の内部を十分に加熱させることが困難になるおそれがある。
この場合には、上記電気加熱式触媒装置の一対の電極間に通電を行ったときに、上記外皮部の外周面において電流が流れることを防止することができる。なお、上記ハニカム体の上記径方向における一対の上記電極間の最短距離は、一対の上記電極間において周方向に近接する上記側端輪郭線同士の上記径方向における距離となる。
この場合には、上記ハニカム体の上記外周面における一対の電極間の距離を大きくすることができる。そのため、一対の電極間に通電を行ったときに、上記外周面において電流が流れてしまうことを防止することができる。そのため、通電により上記ハニカム体の内部を十分に発熱させることができる。
また、一対の上記電極は、それぞれ上記外皮部の上記外周面に略螺旋状に配することができる。ここでいう螺旋状は、各電極が螺旋状に上記外周面を一周していない場合を含み、例えば半周や2/3周等のように一周未満の場合を含む。
この場合には、例えば三元触媒等の触媒を担持させた上記ハニカム体において一対の上記電極に通電したときに、上記ハニカム体を排ガスが通過する際の排ガス流線上である上記セル形成部の軸方向のいずれかの位置で、通電発熱により触媒が活性化する部位を短時間で構成することが可能となり、排ガスの浄化性能を向上させることができる。
D+E×sinθ<R/2の場合には、一対の上記電極に通電して上記ハニカム体を加熱させたときに、該ハニカム体の上記セル形成部の軸方向のいずれかの位置で通電発熱による触媒活性ができない部位が生じてしまい、排ガスが不活性な触媒部分を通過してしまうおそれがある。
また、導電性セラミックスとしては、上述のSi−SiCの他に、Si、Cr、Fe、Ni、及びAl等から選ばれる1種以上の金属をSiCに含浸させてなる導電性セラミックスを用いることができる。
また、上述のペースト状の電極材を塗布し焼成する方法においては、具体的には、まず、Si、Cr、Fe、Ni、及びAl等から選ばれる1種以上の金属とSiCとを含有する電極原料に、バインダ、界面活性材、造孔材、及び水などを加え、混合、混練してペースト状の電極材を作製する。次いで、例えば所望の厚みを有するゴム板を電極の形状にくり抜き、このゴム板を上記ハニカム体の外皮部の外周面に配置し、ゴム板のくり抜き部分にペースト状の電極材を充填する。そして、電極材の厚みを一定にするために、くり抜き部分をスキージでさらい余剰な電極材を除く。次に、くり抜き部分に形成した電極材をハニカム体の外周面に残した状態でハニカム体の外周面からゴム板を取り除いた後、一定温度で焼成する。これにより、上記ハニカム体の外皮部の外周面に一対の電極を設けることができる。
この場合には、上記電気加熱式触媒装置において、上記ハニカム体の周方向における絶縁性を高めることができる。
この場合には、電極やハニカム体にかかる熱応力を小さくすることができる。
上記絶縁層は、例えば、アルミナ、酸化珪素等の絶縁材料により形成することができる。
また、上記電気加熱式触媒装置を上記ハニカム体の軸方向の一方の端面から観察したときにおける上記一対の電極端子がなす角度が180°未満となるように、一対の電極端子は形成されている。一対の電極端子のなす角度が180°の場合、即ち、一対の電極端子が互いに水平に形成されている場合には、上記電気加熱式触媒装置の径方向の寸法が大きくなる。そのため、車両への搭載スペースが大きくなる。
次に、電気加熱式触媒装置(EHC)の実施例について、図面を用いて説明する。
図1〜図4に示すごとく、本例の電気加熱式触媒装置1は、セル形成部21とその周囲を覆う円筒形状の外皮部22と有するハニカム体2と、ハニカム体2の外皮部22の外周面221において径方向に対向配置された一対の電極31、32と、これらの電極31、32からそれぞれハニカム体2の径方向の外方に突出する一対の電極端子310、320とを備える。
また、図4に示すごとく、電気加熱式触媒装置1において、ハニカム体2の周方向における一対の電極31、32間の間隔A1、B1は、一定である。なお、図4においては、間隔B1aと間隔B1bの和が間隔B1となる。
電気加熱式触媒装置1をハニカム体2の軸方向の一方の端面28、29から観察したときにおいては、図2及び図3に示すごとく、一対の電極端子310、320がなす角度α1は180°未満である。なお、図2は、電気加熱式触媒装置1を、ハニカム体2の軸方向の一方の端面28から観察した図であり、一対の電極端子310、320のうち一方の電極端子310は紙面の手前側に位置し、他方の電極端子320は紙面の奥側に位置する。一方、図3は、電気加熱式触媒装置1を、ハニカム体2の軸方向の他方の端面29から観察した図であり、一対の電極端子310、320のうち一方の電極端子310は紙面の奥側に位置し、他方の電極端子320は紙面の手前側に位置する。
なお、図2〜図4において、ハニカム体2の外周面221に形成された一対の電極31、32は、その断面を示すものではないが、電極31、32の位置関係をわかりやすくするために電極31、32にハッチングを付けて示してある。後述の図7〜図11、図13〜図15、図17、及び図18においても同様である。
以下、本例の電気加熱式触媒装置をさらに詳細に説明する。
セル形成部21は、四角形格子状に配された多孔質の隔壁211と、その隔壁211に囲まれて軸方向に伸びる多数のセル212とから構成されている。
図4に示すごとく、電極端子310、320は、それぞれ電極31、32のハニカム体2の周方向における中央に形成される。即ち、電極31、32の周方向における幅をD1すると、電極端子310、320は、電極31、32の側端輪郭線315、325から周方向にD1/2の位置に形成されている。
本例においては、図2及び図3に示すごとく、電気加熱式触媒装置1をハニカム体2の軸方向(図2及び図3における紙面と垂直な方向)の一方の端面28、29から観察したときにおける一対の電極端子310、320がなす角度α1が80°となるように、一対の電極端子310、320が上述のように軸方向Xに間隔を開けて形成されている。
そして、電気加熱式触媒装置1においては、通電手段(図示略)によって一対の電極31、32間に通電を行うことにより、ハニカム体2を加熱することができる。
まず、SiCを主成分とする多孔質セラミックスからなるハニカム体2を製造し、ハニカム体2に三元触媒を担持した。触媒を担持したハニカム体2は、公知の製造方法により作製することができる。
次に、ハニカム体2の外皮部22の外周面221に一対の電極31、32を形成した。
具体的には、まず、各電極31、32となるシート状の電極材をそれぞれ所望の形状に成形した。次いで、成形体を焼成し、Si−SiCの複合材を主成分とする焼成体からなる電極31、32を得た。
次いで、ハニカム体2の外皮部22の外周面221に、Si−SiCの複合材、カーボン、バインダ等を含有するペースト状の接着剤を介して、電極31、32を配置した(図1参照)。そして、外皮部22の外周面221に電極31、32を配置したハニカム体2を所定の温度(約1600℃)、所定の雰囲気条件(Ar雰囲気、常圧)で加熱・焼成した。これにより、ハニカム体2の外皮部22の外周面221に一対の電極31、32を接合させた。
このようにして、図1に示すごとく、ハニカム体2と、その外周面221において径方向に対向配置された一対の電極31、32と、これらの電極31、32からそれぞれハニカム体2の径方向の外方に突出する一対の電極端子310、320とを備えた電気加熱式触媒装置1作製した。
電極端子310と金属電極端子311とは、互いに接合されている。接合には、例えばロウ付けなどが用いられる。また、金属電極端子311には図示していない応力緩和構造が付与されており、振動などによるケース10とハニカム体2、及びケース10と電極端子310との位置ずれを吸収することができる。また、金属電極端子311とリード線312とは、かしめなどにより連結され電気的導通を保つ構造になっている。
図1〜図3に示すごとく、本例の電気加熱式触媒装置1においては、上述のごとく、一対の電極端子310、320のなす角度α1が80°で形成されており、一対の電極端子310、320のなす角度が180°未満である。そのため、電気加熱式触媒装置1におけるハニカム体2の径方向Yの寸法を小さくすることができる。それ故、例えば車両の床下等の排ガス管内に電気加熱式触媒装置1を配置する際に、その搭載スペースを小さくすることができる。また、電気加熱式触媒装置1は、排ガス管に設置するときに、一対の電極端子310、320をいずれも水平方向よりも上方に向けて設置することが可能になる(図5及び図6参照)。そのため、凝集水や浸水による短絡の問題をより確実に回避することが可能になる。
そのため、たとえ側端輪郭線315、325に電力が集中しても側端輪郭線315、325はハニカム体2の軸方向Xに並行しないため、熱応力がハニカム体2の特定の軸方向Xに沿って集中することを防止することができる。即ち、熱応力が軸方向Xに伸びる一つのセル212に集中せず、熱応力を複数のセル212にわたって分散させ、緩和することができる。それ故、ハニカム体2の破損を防止することができる。
また、電気加熱式触媒装置1においては、ハニカム体2の周方向における一対の電極31、32間の間隔A1、B1が一定である。即ち、側端輪郭線315、325同士の周方向に沿った間隔A1、B1が等しく、電極31、32の伸長方向において一定であり、一方の電極31(32)がハニカム体2の外周面221の周方向において他方の電極32(31)側に偏ること無く、対向して配置されている。そのため、ハニカム体2において一対の電極31、32に挟まれる領域が大きくなり、電極31、32に通電することにより、ハニカム体2を均一に加熱させることが可能になる。また、この場合には、一対の電極31、32における側端輪郭線同士315、325の間隔A1、B1を等しくすることができる(図4において、間隔A1=間隔B1=間隔B1a+間隔B2b)。そのため、一方の側端輪郭線315、325同士の距離が他方に比べて短くなることがなく、電極31、32間に通電したときに一方の側端輪郭線315、325間に電力が集中し、熱応力によりハニカム体2が破損してしまうことを防止することができる。
そのため、電気加熱式触媒装置1の取扱いが非常に容易になる。例えば、電気加熱式触媒装置1を車両の排気管内へ収容する作業が容易になる。また、電気加熱式触媒装置1を外周から均一な力で保持した状態で収容することができ、振動や応力等に起因する電気加熱式触媒装置1の割れ等の発生を抑制することができる。これにより、電気加熱式触媒装置1の搭載性を十分に確保することができる。
外周面221において、軸方向Xにおける電極31、32間の間隔F1が上記周方向における間隔A1、B1よりも小さい場合には、一対の電極31、32間に通電を行った際に、外皮部22の外周面221において軸方向Xに電流が流れ易くなるおそれがある。その結果、通電を行ってもハニカム体2の内部を十分に加熱させることが困難になるおそれがある。
本例は、実施例1とは一対の電極端子のなす角度を変えた電気加熱式触媒装置の例である。
図7〜図9に示すごとく、本例の電気加熱式触媒装置4は、実施例1と同様に、セル形成部41とその周囲を覆う円筒形状の外皮部42と有するハニカム体40と、ハニカム体40の外皮部42の外周面421において径方向に対向配置された一対の電極45、46と、これらの電極45、46からそれぞれハニカム体40の径方向Yの外方に突出する一対の電極端子450、460とを備える。
本例の電気加熱式触媒装置4は、電極端子450、460のなす角度が異なる点を除いては、実施例1と同様の構成を有し、実施例1と同様の作用効果を示すことができる。
本例は、ハニカム体の外皮部における少なくとも電極が形成されていない部分に絶縁層を形成した電気加熱式触媒装置の例である。
図10及び図11に示すごとく、本例の電気加熱式触媒装置5は、実施例1と同様に、セル形成部51とその周囲を覆う円筒形状の外皮部52と有するハニカム体50と、ハニカム体50の外皮部52の外周面421において径方向に対向配置された一対の電極55、56と、これらの電極55、56からそれぞれハニカム体50の径方向Yの外方に突出する一対の電極端子550、560とを備える。そして、実施例1と同様に、電気加熱式触媒装置5をハニカム体50の軸方向(図10及び図11における紙面と垂直な方向)の一方の端面508、509から観察したときにおける一対の電極端子550、560がなす角度α1が80°となるように、一対の電極端子550、560が形成されている。
本例の電気加熱式触媒装置5は、絶縁層53を有している点を除いては、実施例1と同様の構成を備えている。
また、本例の電気加熱式触媒装置5は、絶縁層53を有している点を除いては、実施例1と同様の構成を有し、上述の実施例1と同様の作用効果を示すことができる。
この場合には、従来の電気加熱式触媒装置の課題の一つであった、電極の側端輪郭線に電力が集中し易くなるという問題に対してさらに有効になる。
なお、電極55、56の周方向の両端に、それぞれ段差553、563を形成したり、テーパ部554、564を形成したりする場合においても(図14及び図15参照)、明確に図示はしないが、図13に示したように、外皮部52における電極55、56が形成されていない部分だけでなく、電極55、56を完全に覆うように絶縁層53を形成することができる。これにより、組み付け性を確保することができると共に、さらに絶縁性を向上させ、電極55、56の外周とケース10間のリークやショート(短絡)を十分に防止することができる。
次に、上述の実施例の電気加熱式触媒装置に対する比較例について説明する。
図16〜図18に示すごとく、本例の電気加熱式触媒装置9は、実施例1と同様に、セル形成部91とその周囲を覆う円筒形状の外皮部92と有するハニカム体90と、ハニカム体90の外皮部92の外周面921において径方向Yに対向配置された一対の電極93、94と、これらの電極93、94からそれぞれハニカム体90の径方向Yの外方に突出する一対の電極端子930、940とを備える。
また、図17に示すごとく、ハニカム体90の径方向Yの外方に突出する一対の電極端子930、940のうち、少なくとも一方の電極端子940を車体の下方(地面側)に向けて例えば車両の床下等に配置すると、凝集水や浸水により電極端子940に水が付着しやすくなる。その結果、例えば電極端子940と電気加熱式触媒装置9を収容するケース(図示略)との間で短絡が発生してしまうおそれがある。また、図18に示すごとく、一対の電極端子930、940を水平方向(地面と平行な方向)に配置して電気加熱式触媒装置9を排ガス管内に設置させることもできるが、この場合においては、水平方向の搭載スペースが大きくなってしまう。
2 ハニカム体
21 セル形成部
22 外皮部
221 外周面
31 電極
32 電極
310 電極端子
320 電極端子
Claims (7)
- セル形成部(21、41、51)と該セル形成部(21、41、51)の周囲を覆う円筒形状の外皮部(22、42、52)と有するハニカム体(2、40、50)と、該ハニカム体(2、40、50)の上記外皮部(22、42、52)の外周面(221、421、521)において径方向に対向配置された一対の電極(31、32、45、46、55、56)と、該一対の電極(31、32、45、46、55、56)からそれぞれ上記ハニカム体(2、40、50)の径方向の外方に突出する一対の電極端子(310、320、450、460、550、560)とを備えた電気加熱式触媒装置(1、4、5)であって、
上記ハニカム体(2、40、50)の軸方向に平行で上記(22、42、52)上にある任意の基準線(19、49)を想定すると、上記電極(31、32、45、46、55、56)における上記ハニカム体(2、40、50)の軸方向に伸びる側端輪郭線(315、325、455、465)は、その全長が上記基準線(19、49)に対して所定の傾きで傾斜しており、
上記ハニカム体(2、40、50)の周方向における一対の上記電極(31、32、45、46、55、56)間の間隔は一定であり、
上記一対の電極端子(310、320、450、460、550、560)は、上記ハニカム体(2、40、50)の軸方向に所定の間隔を開けて、それぞれ上記一対の電極(31、32、45、46、55,56)における上記ハニカム体(2、40、50)の周方向の中央に形成されており、上記電気加熱式触媒装置(1、4、5)を上記ハニカム体(2、40、50)の軸方向の一方の端面(28、29、408、409、508、509)から観察したときにおける上記一対の電極端子(310、320、450、460、550、560)がなす角度は180°未満であることを特徴とする電気加熱式触媒装置(1、4、5)。 - 請求項1に記載の電気加熱式触媒装置(1、4、5)において、上記ハニカム体(2、40、50)の上記外皮部(22、42、52)における少なくとも上記電極(31、32、45、46、55、56)が形成されていない部分には、上記外皮部(22、42、52)を被覆する電気絶縁材料からなる絶縁層(53)が形成されていることを特徴とする電気加熱式触媒装置(1、4、5)。
- 請求項1又は2に記載の電気加熱式触媒装置(1、4、5)において、上記一対の電極端子(310、320、450、460、550、560)のなす角度は、150°以下であることを特徴とする電気加熱式触媒装置(1、4、5)。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒装置(1、4、5)において、上記側端輪郭線(315、325、455、465)は、上記基準線(19、49)に対して45°以下で傾斜していることを特徴とする電気加熱式触媒装置(1、4、5)。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒装置(1、4、5)において、上記側端輪郭線(315、325、455、465))と上記基準線(19、49)とのなす鋭角の角度をθとし、上記電極(31、32、45、46、55、56)の上記周方向における幅をDとし、上記側端輪郭線(315、325、455、465)の長さをEとし、上記ハニカム(2、40、50)体の上記周方向における外周の長さをRとすると、D+E×sinθ≧R/2という関係を満足することを特徴と電気加熱式触媒装置(1、4、5)。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒装置(1、4、5)において、上記ハニカム体(2、40、50)の上記外周面(221、421、521)における一対の上記電極(31、32、45、46、55、56)間の上記軸方向における間隔は、上記ハニカム体(2、40、50)の上記外周面(221、421、521)における一対の上記電極(31、32、45、46、55、56)間の上記周方向における間隔よりも大きいことを特徴とする電気加熱式触媒装置(1、4、5)。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒装置(1、4、5)において、上記ハニカム体(2、40、50)は、SiCを主成分とする多孔質セラミックスからなることを特徴とする電気加熱式触媒装置(1、4、5)。
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