JP3651021B2 - 自己発熱型触媒コンバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車用の排気浄化装置としての触媒コンバータに係り、特に触媒作用を行なう物質の活性化を促進するために、触媒担体自体が発熱するようにした自己発熱型触媒コンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば自動車用エンジンの排気経路内に触媒コンバータを介在させて、排ガス中に含まれているＣＯ，ＨＣおよびＮＯｘ等の有害成分を無害な気体あるいは水に変換することが行われている。しかしながら、単に触媒コンバータのみを用いた場合、エンジンの始動初期の排ガスの温度が低い状態では、触媒物質が活性化されないために排気ガスが浄化されにくいという問題がある。
【０００３】
このため特開平２−２２３６２２号公報および特開平５−２７７３７９号公報では、触媒が担持されている触媒コンバータのハニカム担体に、別体として自己発熱型ハニカムフィルタに触媒を担持させた自己発熱型ハニカム担体からなる触媒コンバータを設けることによって、この自己発熱型ハニカム担体に通電加熱して触媒物質の活性化を図ることが提案されている。
【０００４】
これらの自己発熱型ハニカム担体は、波形の凹凸が連続的に折曲形成されて帯状をなす金属製の波板と、平坦な帯状をなす金属製の平板とを交互に重ね合わせて、巻回もしくは積層して形成されたものである。
【０００５】
そして、これら触媒コンバータを加熱する場合には、中心と外周面に電極を設けて中心部から外側面に向かって電流を流すか、もしくは対向する外周面に各１個合計２個の電極を設けて、ハニカム担体の径方向断面を横断して電流を流して発熱させる自己発熱型ハニカム担体が提案されている。
【０００６】
さらに、これら金属製のハニカム担体とハニカム担体を支持する外周リング間の接合において、特開平５−２５３４９３号公報では、ハニカム担体−リング間の接合部と同一の径方向断面上の外層部に、ハニカム担体自体の接合部を設ける方法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような自己発熱型のハニカム担体では、担体そのものに通電して発熱、昇温させるために、波板と平板に所定の抵抗値を持たせる必要があり、従来技術のように中心電極から外側面に向かって電流を流す自己発熱型ハニカム担体の場合には、帯状の波板材料と平板材料の長さを十分に長く取って抵抗値を確保する必要がある。
【０００８】
従来のハニカム担体では、上記のような理由から金属箔の長さを非常に長くとる必要があるため、ハニカム担体自身の熱容量が増大する結果、通電時の昇温速度が極めて遅くなり、大電流を投入しなければ迅速に昇温しないので、エンジンの始動直後から触媒を十分に活性化して高い浄化性能を得ることが難しい。
【０００９】
また、触媒コンバータがエンジンの振動に対して十分な強度を得るためには、ハニカム担体の波板材と平板材との接触部分が溶接等の方法によって機械的に接合されていることが望ましいが、電気的絶縁を保って接合することは非常に困難である。特に中心電極から外側面に向かって電流を流す場合、端面を溶接によって接合してしまうと必要な抵抗値が全く得られない。この理由から、ハニカム担体の端面を単純に溶接することはできないので、十分な強度を保持しながら電気的には絶縁を保ことが非常に困難である。
【００１０】
また、従来の触媒コンバータでは、自己発熱型ハニカム担体に通電して昇温させた際に、波板および平板を構成する金属箔によって発生した熱は、熱伝導によってハニカム担体内全体に拡がってしまうため、触媒を活性化温度まで昇温させるのに非常に長い時間を要するという問題があった。
さらに、こうした加熱と冷却の冷熱サイクルを繰り返すうちに、熱応力と振動によってハニカム担体が破損するという問題があった。
【００１１】
以上述べたように、ハニカム担体の抵抗値の確保と、熱容量の低減および耐久性の向上という条件を全て満足させることは非常に困難であった。本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、ハニカム担体の高抵抗化と低熱容量化を両立させるとともに、熱伝導を低減し、耐久性を向上させ、しかも僅かな電力によって迅速に十分な温度までハニカム担体を昇温させることのできる自己発熱型触媒コンバータを得ることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は、エンジンの排気経路中に配置される自己発熱型金属製触媒コンバータにおいて、触媒物質を担持しているハニカム担体が金属製の平板と波板とから構成されており、前記平板および／または波板の少なくとも一部には開口としてのスリット部が形成されていて、それらの平板と波板を交互に積層および／または巻回して形成された層間の一部が接合されており、前記平板および／または波板のスリット部に対してハニカム担体の軸方向に電流を流すことを可能とする電流流入・流出部が設けられ、前記電流流入・流出部はハニカム担体のまわりに接合されたリングに接合されるとともに外筒の取付穴を貫通して外部へ突出する棒状電極を有し、前記棒状電極は前記外筒に対して絶縁部材とガスケット部材を介して固定されていると共に、ハニカム担体の接合部と、リング−ハニカム担体間の接合部は、ハニカム担体の同一の径方向断面内に設けないで、中心軸方向にずらして設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータを提供するものである。
【００１３】
【作用】
本発明によれば、ハニカム担体を構成する平板または波板にスリット部を設けたことにより、従来のものに比較して高い電気抵抗を有する平板または波板を得ることができる。従って、従来のように、平板や波板に長い材料を必要としないため、ハニカム担体の熱容量が極めて小さくなり，低電力でも短時間内に触媒の活性化温度まで昇温させることが可能になる。
【００１４】
また、平板または波板に設けたスリット部によって軸方向の熱伝導を極めて少なくすることができるので、昇温時の熱を触媒コンバータ内に蓄積させて、昇温速度を迅速にさせることができる。そのため、投入電力はこの蓄熱効果によっても少なくてすむ。
【００１５】
さらに、ハニカム担体内部の接合部と、リング−ハニカム担体間の接合部、および各電極とリング−ハニカム担体間の接合部、あるいはハニカム担体内部の接合部を、ハニカム担体の同一の径方向断面内に設けるのを避けて、中心軸の方向にそれらを相互にずらすことにより、電極とリングの熱が直接ハニカム担体の接合部に流れ込むのを防止し、ハニカム担体の接合部と同一の径方向断面内の温度勾配を小さくすることができる。そのため、ハニカム担体に発生する熱応力が非常に小さくなる。
【００１６】
また、ハニカム担体を支持する電極の数を３本以上とすることにより、径方向の振動を抑制することができる。
さらにハニカム担体を収める外筒を＋および／または−の電極の数と同数に分割することにより、外筒部材を電極の軸方向から容易に挿入することが可能になり、組み付け時にハニカム担体に無理な応力が作用するのを防止することができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明を実施することによって、非常に耐久性に優れ、僅かな電力によって短時間内に昇温して触媒を活性化させ、高い浄化性能を得ることができる自己発熱型の触媒コンバータを提供することかできる。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の第１実施例を詳細に説明する。図１は自己発熱型ハニカムフィルタに触媒を担持させた自己発熱型ハニカム担体の斜視図である。第１実施例の自己発熱型ハニカム担体１は、電流流入部である下流側端部１ａと、電流流出部である上流側端部１ｂを除いた部分にスリットが形成された平板２と波板３とを重ね合わせて渦巻き状に巻き上げたものである。
また、この自己発熱型ハニカム担体１には、上流側端部１ｂと下流側端部１ａとの間に通電可能なように、下流側端部１ａには電源４とスイッチ５が接続されるとともに、上流側端部１ｂがアースされている。
【００１９】
図２は、第１実施例のハニカム担体１に使用される平板２に形成された平板スリット部２ａの形状を詳細に示す展開図である。
第１実施例の平板スリット部２ａは、渦巻方向の長さをｂとし、軸方向の長さをｄとする略矩形をなす複数個の開口部６が、渦巻方向ピッチ（ｂ＋ｃ）の半分（ｂ＋ｃ）／２だけ渦巻方向にずらした位置関係に形成されているもので、幅ｆの上流側端部１ｂと幅ｈの下流側端部１ａとの間の幅ｇの部分に設けられる。
なお、この平板２の材質は、Ｃｒが１８〜２４ｗｔ％，Ａｌが４．５〜５．５ｗｔ％，希土類金属（ＲＥＭ）が０．０１〜０．２ｗｔ％で、残部がＦｅからなるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなり、その板厚は、ｔ＝０．０３〜０．０５の帯状をなしている。
【００２０】
また、波板３もまた、この平板２に形成された平板スリット部２ａと同一形状の波板スリット部３ａが形成され、さらに連続的に凹凸が形成されている。おのように平板スリット部２ａまたは波板スリット部３ａが多数の開口を有することことから、その部分がメッシュ状に見える。
【００２１】
次に、実施例の自己発熱型コンバータの製造方法を図３を用いて説明する。
第１実施例のハニカム担体１は、先ず、図３に示すように、平板２に形成された平板スリット部２ａに対して、波板３の波板スリット部３ａが相対向するように重ね合わせられて、その端部を一対の半円柱状の巻き取り治具７ａ、７ｂによって挟みこまれる。そして、この巻き取り治具７ａ、７ｂを中心にして所定寸法まで巻回し、所定寸法に達したところで巻き取り治具７ａおよび７ｂを取外す。その後、さらに所定寸法まで巻回された後、平板２と波板３との両端面における接触部分をレーザ溶接によって電気的に短絡するよう溶接接合して、平板２と波板３とを接合させる。
【００２２】
そしてこの構造体を８００℃〜１２００℃で１〜１０時間加熱して、金属表面にＡｌの酸化物を堆積させ、平板２と波板３の接触部分の全面をＡｌの酸化物によって接合させる。そしてこの構造物をγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ を含有するスラリー中に含浸し、焼成するというウォッシュコート工程を行う。その後、触媒金属、例えばＰｔ，Ｐｈを溶解した水溶液中に含浸して再度焼結する。その結果、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ と触媒物質とが付着し自己発熱型ハニカム担体１を得ることができる。このようにして製造されたハニカム担体１はケーシングに収容され、このケーシングによって自動車の排気経路中に装着される。
【００２３】
第１実施例について更に具体的に述べると、自己発熱型ハニカム担体１は、直径６６ｍｍ，長さ６７ｍｍの寸法を有する。また、平板２の平板スリット部２ａと波板３の波板スリット部３ａは略同一の形状であって、図２に示す各部分の寸法を、ｆ＝１１ｍｍ，ｈ＝２７．６５ｍｍ，ｇ＝２８．３５ｍｍ，ｅ＝０．３５ｍｍ，ｂ＝４５ｍｍ，ｃ＝５ｍｍとしている。
【００２４】
このようにして、上述の寸法のスリット形状を有するＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ−ＲＥＭ製で板厚０．０５ｍｍの平板２と、この平板２を波の高さ１．４５ｍｍ，波のピッチ４．７５ｍｍの波板材に加工した波板３とを得る。そして、この平板２と波板３とを２枚重ね合わせて円形に巻回する。この自己発熱型ハニカム担体１をケーシングに収容して排気経路中に取り付けた構成を図４に示す。
【００２５】
図４に示すように、上流側端部１ｂおよび下流側端部１ａ部分にはステンレス鋼製の上流側リング８および下流側リング９がそれぞれレーザ溶接によって接合される。そして、上流側リング８には、排気マニホルド１０に取り付けるためのフランジ１１が溶接によって接合されている。また、下流側リング９には、図４の断面Ａ−Ａを示す図５から明らかなようにステンレス鋼製の支持棒１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が取り付けられている。
【００２６】
この支持棒１２は、外筒１３との間の電気的絶縁を保つためのセラミック製のガスケット１４ａおよび１４と、銅製のガスケット１５ａおよび１５ｂ、支持棒１２にネジ締めされるナット１６とを用いて気密的に固定されている。
この自己発熱型ハニカム担体１のすぐ下流側には、断面がオーバル形状のケース１７内にワイヤーネット１８によって支持される容量１３００ｃｃのセラミック製主モノリス触媒１９を保持させてある。
【００２７】
第１実施例においては、図２に示したようなスリット形状を設けた場合、スリットを形成することによって残された箔部分ｂ×ｅの一本が約１．７Ω程度の抵抗値となり、全体として図６に示す等価回路のようになる。即ち、図６の各抵抗体がそれぞれ１．７Ω程度で全体としては０．３Ω程度の高抵抗体を成立させることができる。
【００２８】
以上のような構成の自己発熱型ハニカム担体１に、エンジン始動後直ちに１０〜１２Ｖで約３０〜４０Ａの電力を供給した時、約８ｓｅｃ（エンジンはアイドリング状態）で自己発熱型ハニカム担体１は４００℃〜５００℃まで加熱され、それによって触媒物質が活性化してエンジンから排出される排ガスを浄化することができる。
【００２９】
このように第１実施例の自己発熱型ハニカム担体１では、平板２および波板３にスリットを設けることによって、上流側端部１ｂと下流側端部１ａとの間に容易に高抵抗体を構成でき、従来のように抵抗値確保のために金属箔を長く取る必要がないため、極めて低熱容量のハニカム担体を実現することができる。従って低電力によって短時間に昇温させることができ、触媒物質を迅速に活性化することができる。
【００３０】
さらに、平板２および波板３に形成されたスリットが、自己発熱型ハニカム担体１の軸方向に、スリット間隔の位置を交互にスリットの長さの略半分の長だけずらされているため、従来のスリットのない自己発熱型ハニカム担体と比較して熱伝導を極めて小さくすることができる。
【００３１】
例えば、図２の場合に用いたスリット寸法では、その比は約２．６×１０^-4倍となり、通電して昇温させた時の熱は自己発熱型ハニカム担体１内に蓄熱されやすくなっている。従って昇温開始後に触媒物質が活性化温度に到達する箇所が早く発生し、この部分から触媒反応熱を受けて他の部分が活性化されるため、投入電力はこれによっても少なくてすむ。
【００３２】
また、平板２や波板３に形成されるスリットによって軸方向の熱伝導が極めて小さくなるため、通電して昇温させた時の熱は自己発熱型ハニカム担体１内に蓄熱されやすくなっている。したがって、昇温開始後、従来の自己発熱型ハニカム担体に比較して短時間内に触媒物質の活性化温度に到達する箇所が発生し、この部分から始まった触媒反応熱を受けて全体が素早く昇温して活性化されることになる。つまり、投入電力はこの蓄熱効果によっても少なくてすむ。
【００３３】
さらに、波板３と平板２の接触部分を完全に溶接させることができるので、熱負荷やエンジンの振動に対して極めて強く、優れた耐久性を有する自己発熱型ハニカム担体を実現することができる。
また、本発明の他の実施例として、自己発熱型ハニカム担体は、第１実施例のように巻き上げないで、図７に示すように、平板２と波板３とを概ね平坦な状態で交互に積層することによって形成したコンバータ２１としてもよい。
【００３４】
また、図４および図５に示した例では、自己発熱型ハニカム担体は、排気ガス温を受けて早期に昇温することができるように、排気マニホルドに極めて近接して取り付けられるが、このような場所は自動車走行中の高温の排気ガスやエンジン振動にさらされるために、非常に厳しい環境下であるともいえる。
しかしながらこの自己発熱型ハニカム担体１の波板と平板とは機械的に溶接接合されている上に、酸化熱処理工程によって全面に渡って平板と波板とがＡｌの酸化物によって接合されているので、熱負荷やエンジンの振動に対して極めて強く、耐久性に問題を生じることはない。
【００３５】
なお、第１実施例においては、自己発熱型のハニカムフィルタに触媒を担持させて自己発熱型のハニカム担体を構成するだけでなく、担体を構成する平板および波板にスリットを形成した点に特徴がある。しかしながら、自己発熱型ハニカムフィルタを構成する平板および波板の、触媒を担持させない部分にスリットを設けた場合にも、十分な発熱を得ることのできる小型の自己発熱型触媒コンバータを構成することができる。
【００３６】
次に、ハニカム担体における平板と波板との接合領域、およびハニカム担体と外周リングとの接合領域について、詳細に説明する。
第１実施例のハニカム担体とそれに付随する部分の断面図を図８に示す。
図８は、ハニカム担体１の内部において、ろう付，レーザ溶接，放電溶接等の手法を用いて選択的に接合される第１領域２３、第２領域２４、第３領域２５、第４領域２６を、それぞれ太い斜線の領域として示しており、また、ハニカム担体−リング間において、ろう付、レーザ溶接、放電溶接等の手法を用いて選択的に接合される第１領域３１および第２領域３２を、それぞれ細い斜線の領域として示している。
【００３７】
図８に示されるように、ハニカム担体の接合部２３〜２６と、リング−ハニカム担体間の接合部３１および３２は、ハニカム担体の同一径方向断面になく、中心軸方向に上流側端部１ｂではｍｂだけ、下流側端部１ａではｍａだけずらされている。具体的にいうと、第１実施例においてはｍｂ＝２ｍｍ、ｍａ＝１５ｍｍとなっている。このため、リングの熱が直接ハニカム担体の接合部２３〜２６に流れ込まず、間隔ｍｂ、ｍａだけ迂回しなければならない。そのため、ハニカム担体の接合部と同一径方向断面のハニカム担体の内部の温度勾配は小さく、ハニカム担体に発生する熱応力も非常に小さくすることができる。しかも、これらの溶接間隔ｍｂ、ｍａを３０ｍｍ以下に抑えることにより、ハニカム担体接合部２３〜２６に作用する軸方向の熱応力をも抑制できる。
【００３８】
さらに、各ハニカム担体接合部２３〜２６は、図９に示されるハニカム担体の同一径方向断面における平板と波板の当接部３３のうちの５０％以上に設けられている。そのため、ハニカム担体内部のセルの径方向の変形が拘束されて径方向のヤング率が大きくなり、ハニカム担体の径方向の振動に対して強い構造となっている。
【００３９】
さらに、メッシュ状のスリット部２ａ，３ａの両端ｋ１およびｋ２から１ｍｍ以上１０ｍｍ以内の範囲に、ハニカム担体の接合部が少なくとも１箇所以上設けられている。そのため、メッシュ状の部分の両端におけるハニカム担体の振動が抑制され、ハニカム担体の構成が変化するメッシュ状のスリット部２ａ，３ａと上流側端部１ｂおよび下流側端部１ａとの境界に、大きな応力が働くのを防止している。
【００４０】
さらに、ハニカム担体の同一径方向断面に設けた接合部は、中心軸方向の異なる２箇所以上に設けられている。第１実施例においては、上流側端部１ｂ、下流側端部１ａに各２箇所設けられており、各接合部の間隔は上流側端部１ｂにおいてｎｂ＝６ｍｍ、下流側端部１ａにおいてｎａ＝３ｍｍとなっている。そのため、ハニカム担体内部のセルの軸方向の変形が拘束されて軸方向ヤング率が大きくなり、ハニカム担体の軸方向の振動に対しても強い構造となっている。
【００４１】
さらに、リング−ハニカム担体間の接合部３１、３２は、図１０に示す如く、ハニカム担体とリングを横切る任意の断面上において、しかも部分的に設けられている。接合部を任意の或る断面上に設けることにより、接合工程の自動化を容易にし、接合部を部分的に設けることによりリング−ハニカム担体間の周方向熱応力を緩和している。また、接合部を蛇行させないため、ハニカム担体の平板および波板の接合部と、リング−ハニカム担体間の接合部との位置決めを容易にすることができ、さらに接合工程の自動化を容易にすることができる。
【００４２】
さらに、リング−ハニカム担体間の接合部３１、３２は、上流側端部１ｂ、下流側端部１ａにおいてそれぞれ中心軸方向の異なる位置に３１ｂ１、３１ｂ２、３２ａ１、３２ａ２が、それぞれ同一の径方向断面上にあるように設けられている。ハニカム担体への通電時に電流は＋電極１２（支持棒）、下流側リング９、後板接合部３２、ハニカム担体１、前板接合部３１、上流側リング８、−電極２２の順に流れるが、リング−ハニカム担体間の接合部を中心軸方向の異なる２箇所に設けて接合面積を増加させることにより、接合部３１、３２に流れる電流を分散させて、接合部のハニカム担体温度が異常に上昇するのを防止している。また、リングとハニカム担体間の接合面積を増加させることにより、リング−ハニカム担体間に発生する応力も低減する。更に、各接合部を同一の径方向断面上に設けることにより、接合作業の自動化を容易にしている。
【００４３】
次に、電極の接合領域について、詳細に説明する。
図８に示される如く、電極２２、電極（支持棒）１２と、リング−ハニカム担体間の接合部３１、３２は、ハニカム担体の同一径方向断面になく、中心軸方向に上流側端部１ｂではｐｂ、下流側端部１ａではｐａだけずらされている。第１実施例においては、具体的に、ｐｂ＝１ｍｍ、ｐａ＝６ｍｍとなっている。このため、電極の熱が直接ハニカム担体の接合部２３〜２６に流れ込むことがなく、間隔ｐｂ＋ｍｂ、ｐａ＋ｍａだけ迂回しなければならない。そのため、ハニカム担体接合部と同一径方向断面のハニカム担体内温度勾配は小さく、ハニカム担体に発生する熱応力も非常に小さくすることができる。
【００４４】
さらに、電極の位置は、ハニカム担体の接合部と、同一径方向断面に設けないで、中心軸方向にずらせることが望ましい。第１実施例においては、具体的に、下流側端部１ａにおいてｑａ＝２ｍｍだけずらされている。これにより、ハニカム担体の冷却時に、ハニカム担体の接合部２５、２６のまわりの下流側リング９の熱が維持されるのを防ぎ、ハニカム担体の接合部の熱応力を抑制することができる。
【００４５】
さらに、図１１に示される如く、上流側端部１ｂにおいてハニカム担体の中心点Ｏと電極２２とを結ぶ放射状の直線ｒ上には、リング−ハニカム担体間の接合部３１を設けない。下流側端部１ａについても同様である。これにより、ハニカム担体の冷却時に高温となる電極２２、１２まわりの上流側リング８、下流側リング９には、リング−ハニカム担体間接合部がないので、耐久性の面から非常に有利となる。
【００４６】
次に、電極によるハニカム担体の支持について、詳細に説明する。
図４および図５に示されているように、ハニカム担体１は前後のリング８、９を介してそれぞれ３本の電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃによって支持されている。しかも、各リングに設けられる電極は、周方向に均等に配置されている。
【００４７】
特開平５−２７７３７９号公報に示されているように、２本の電極によりハニカム担体を支持する場合、外筒に対してハニカム担体の位置は一義的に決まらないので製作上の困難があった。しかし、図５に示されているように、３本以上の電極（支持棒）１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって支持した場合、ハニカム担体１の位置は一義的に決まるので製作が容易になる。また、それによって径方向の振動を抑制する耐振効果も生じる。さらに、電極を周方向に均等に配置することによって、径方向の熱応力を均等に分散してハニカム担体の変形を防止することができる。また、電極の数を奇数にすることにより、それぞれの対向する位置に電極が存在しなくなるので、ハニカム担体の径方向の変形が拘束されないため、径方向の熱応力を低減することができる。
【００４８】
さらに、＋電極用の支持棒１２の１本１２ａは、他の電極用の支持棒１２ｂ，１２ｃよりも長くなっている。そのため、＋電極の支持棒１２ａから通電用の配線を取り出し易くなるので、電極部と配線部のコネクタ部の構造が簡単になる。言うまでもなく、−電極用のボルトの１本を他の電極用のボルトより長くした場合も同様である。
【００４９】
さらに、外筒およびフランジに電気的に接地する側の電極用のボルト（−電極ボルト）２２は、接地しない側の支持棒であるボルト（＋電極ボルト）１２よりも細くなっている。また、この電極ボルトは、上流側の外筒およびフランジに接地してある。このように、３本の電極に電流が分配されて１本当たりの電流密度が低くなる接地側電極を小径化することにより、熱容量が低減するとともに、ハニカム担体からの放熱経路を狭めて、より一層の省電力や、早期昇温を可能にしている。そして、ハニカム担体上流側の電極を前述のような構成とすることによって排気熱の有効利用が可能になる。
【００５０】
次に、ハニカム担体を収納する外筒について、詳細に説明する。
図１２に示される如く、ハニカム担体を収納する外筒１３は、＋および−の電極の数と同数に、しかも周方向に均等に分割されており、それぞれの外筒部材には＋，−電極を通す穴（３３ａ、３３ｂ）が、それぞれ２個設けられている。そのため、同一の外筒部材１３ａ、１３ｂ、１３ｃを電極の軸方向に容易に挿入することができ、組み付ける時にハニカム担体に無理な力が作用することもない。また、外筒に設けられた穴によってハニカム担体１の位置決めが容易に行うことができるので組付性が良い。
【００５１】
さらに、＋および−の電極を通す穴（３３ａ、３３ｂ）は、外筒の分割線３４〜３６上を避けて形成されている。そのため、外筒部材間の溶接と、電極−外筒部材間の溶接を独立に行うことができ、外筒部材間の溶接を先に行なうことによって、溶接時のハニカム担体の変形を防止することができる。
さらに、＋，−の電極１２，２２および外筒部材に設けられる２個の穴（３３ａ、３３ｂ）は、外筒中心軸方向の略同一線上に配置されており、組付時の位置決めが容易になっている。
【００５２】
以上のように第１実施例におけるハニカム担体１は熱応力に対する耐熱疲労性と耐振性とを兼ね備えており、しかも自己発熱型触媒コンバータとして高い浄化率を得ることが可能となる。
【００５３】
次に、第１実施例のハニカム担体を製造する工程、特に溶接方法を図１３を用いて詳細に説明する。
あらかじめ所定の寸法に切断された帯状の平板７２をロール状に巻いた２個のステンレス箔のうち、一方を波板成形用の歯車７７ａ及び７７ｂに導いて波板７３を成形する。そして、成形された波板７３を他方の平板７２と重ね合わせて巻回していく。
【００５４】
さらに、この巻回を行いながら巻回工程をとめることなく、ハニカム担体の軸方向の直角断面における対角線上の２方向より、一方は波板７３の山部７８を、他方は波板の谷部７９を、ＹＡＧレーザヘッドから照射されるレーザにより隣接する平板７２と接合する。このレーザ溶接の位置は、平板７２と波板７３の接触部において行う必要があるため位置検出を必要とする。そのため、この製造装置には、レーザ変位センサ８１と渦電流変位センサ８２を配設している。そして、位置検出を行うとともに、レーザ焦点距離を補正し、巻回と同時に巻回工程を止めることなく巻きながら順次接合して行く。
【００５５】
即ち、レーザ変位センサ８１は、レーザヘッド８０とメタルハニカム担体７１とのギャップを検出し、レーザヘッド８０を移動させるための図示しないサーボモータへ信号を送る。
また、渦電流式変位センサ８１は、波板７３の山部７８あるいは谷部７９を検出し、その検出信号をもとに、ＹＡＧレーザが照射されるようになっている。
以上の制御によって、正確に平板７２と波板７３とをレーザ溶接することができる。
【００５６】
図１４は、レーザ溶接を行っている部分の近傍を示す説明図である。即ち、図１４は軸方向に４点のレーザ接合を行う場合のものである。
この場合、４点接合を可能とするためには、ＹＡＧレーザはハーフミラー８３によって４分割される。そして、分割されたそれぞれがファイバケーブル８４、レーザヘッド８０を介して、接合する部分に照射される。
【００５７】
なお、ハニカム担体７１の触媒の担持方法等、製法における他の工程については前述の例と同様の方法によって行われる。図中７６はメッシュ部、即ち平板７２と波板７３の一部に形成されたスリット部を示す。
以上のように、レーザ光を分割することによって、軸方向に、接合点数を容易に増加させることができる。
【００５８】
次に本発明の第２の実施例について説明する。この実施例は第１実施例の場合とは異なるハニカム担体の接合位置を有する点に特徴がある。即ち、第１実施例では、ハニカム担体の同一の径方向断面に設けられたハニカム担体の各接合部が、リング−ハニカム担体間の接合部よりも上流側に位置する自己発熱型触媒コンバータについて述べたが、第２実施例は、隣接する２つの同一径方向断面に設けられたハニカム担体の接合部の中間位置に、リング−ハニカム担体間の接合部を設けた自己発熱型触媒コンバータであって、この点を図１５および図１６を用いて詳細に説明する。
【００５９】
第２実施例のハニカム担体とそれに付随する部分の断面図を図１５に示す。第２実施例では、ハニカム担体４１の後板４１ａの溶接位置が第１実施例と異なっている。
図１５は、ハニカム担体４１の内部においてろう付やレーザ溶接、放電溶接等の手法を用いて選択的に接合された、それぞれ太い斜線によって示される第３領域４５、第４領域４６と、ハニカム担体−リング間においてろう付やレーザ溶接、放電溶接等の手法を用いて選択的に接合された、細い斜線によって示される第２領域４７とを示している。
【００６０】
図１５に示されているように、ハニカム担体の接合部４５、４６と、リング−ハニカム担体間の接合部４７は、ハニカム担体の同一径方向断面になく、中心軸方向に下流側端部４１ａではｍａだけずらされている。第２実施例においては具体的に、ｍａ＝１０ｍｍとなっている。このため、リング４９の熱が直接にハニカム担体の接合部４５、４６に流れ込むことがなく、熱は間隔ｍａだけ迂回して流れる。そのためハニカム担体の接合部と同一径方向断面におけるハニカム担体内の温度勾配は小さくなり、ハニカム担体に発生する熱応力も非常に小さくすることができる。しかも、これらの溶接間隔ｍａを３０ｍｍ以下に抑えることにより、ハニカム担体の接合部４５、４６に作用する軸方向熱応力をも抑制することができる。
【００６１】
さらに、各ハニカム担体の接合部４５、４６は、図９に示されているようなハニカム担体の同一径方向断面における平板と波板との当接部３３の５０％以上に設けられている。そのため、ハニカム担体内のセルの径方向の変形が拘束されて径方向ヤング率が大きくなり、ハニカム担体の径方向の振動に対して強い構造となっている。
【００６２】
さらに、ハニカム担体内の同一径方向断面に形成された接合部は、中心軸方向の異なる２箇所以上に設けられている。第２実施例においても、下流側端部４１ａに２箇所設けられており、接合部の間隔はｎａ＝２３ｍｍとなっている。そのため、ハニカム担体内のセルの軸方向の変形が拘束されて軸方向ヤング率が大きくなり、ハニカム担体の軸方向の振動に対しても強い構造となっている。
【００６３】
さらに、リング−ハニカム担体間の接合部４７は、図１６に示すように、ハニカム担体とリングを横切る任意の断面上、しかも部分的に設けられている。接合部を任意の或る断面上に設けることによって接合工程の自動化を容易にし、接合部を部分的に設けることによってリング−ハニカム担体間の円周方向の熱応力を緩和している。
【００６４】
さらに、リング−ハニカム担体間の接合部４７は、下流側端部４１ａにおいてそれぞれ中心軸方向位置の異なる２箇所に４７ａ１および４７ａ２のように、それぞれ同一の断面上に設けられている。ハニカム担体への通電時に、電流は＋電極４２、下流側リング４９、下流側端部の接合部４７、ハニカム担体４１、更に上流側端部の接合部、上流側リング、−電極の順に流れるが、リング−ハニカム担体間の接合部を中心軸方向の異なる２箇所に設けて接合面積を増加させることにより、接合部４７に流れる電流が分散して、接合部のハニカム担体の温度が異常に上昇するのを防止している。また、リングとハニカム担体間の接合面積を稼ぐことにより、リング−ハニカム担体間に発生する応力も低減している。また、各接合部を同一の径方向断面に設けることにより接合工程の自動化を容易にしている。
【００６５】
次に、電極の接合領域について、詳細に説明する。
図１５に示される如く、＋電極４２と、リング−ハニカム担体間の接合部４７は、ハニカム担体の同一径方向断面になく、下流側端部４１ａにおいて中心軸方向にｐａだけずらされている。具体的に第２実施例においてはｐａ＝２ｍｍとなっている。このため、＋電極の熱が直接にハニカム担体の接合部４５，４６に流れ込むことがなく、熱は間隔ｐａ＋ｍａだけ迂回して流れる。その結果、ハニカム担体の接合部と同一径方向断面のハニカム担体内の温度勾配は小さくなり、ハニカム担体に発生する熱応力も非常に小さくすることができる。
【００６６】
さらに、電極の位置は、ハニカム担体の接合部と同一の径方向断面には設けないで、中心軸方向にずらして設けることが望ましい。第２実施例においては、下流側端部４１ａにてｑａ＝２ｍｍだけずらされている。これにより、ハニカム担体の冷却時にハニカム担体の接合部４５，４６のまわりの下流側リング４９に熱が維持されるのを防ぎ、ハニカム担体の接合部に発生する熱応力を抑制することができる。
【００６７】
さらに、第１実施例の図１１に示されているのと同様に、第２実施例の下流側端部４１ａにおいてもハニカム担体の中心点と電極４２とを結ぶ放射方向の直線上にはリング−ハニカム担体間の接合部４７を設けない。これにより、ハニカム担体の冷却時に高温となる電極４２まわりの下流側リング４９にはリング−ハニカム担体間の接合部が設けられていないので、耐久性の面からも非常に有利となる。
【００６８】
その他、第２実施例においても、例えば、電極によるハニカム担体の支持やハニカム担体を収納する外筒について、また、ハニカム担体の内部の溶接方法等については、第１実施例の場合と同様である。
以上のように第２実施例においても、ハニカム担体が熱応力に対する耐熱疲労性と耐振性とを兼ね備えており、しかも、自己発熱型触媒コンバータとして高い浄化率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の自己発熱型触媒担体の斜視図である。
【図２】第１実施例の平板の展開図である。
【図３】平板と波板との接合状態を示す斜視図である。
【図４】第１実施例の自己発熱型触媒コンバータをエンジンの排気経路中に配置した場合の断面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線における断面図である。
【図６】第１実施例のハニカム担体の等価回路図である。
【図７】第１実施例の変形例を示す斜視図である。
【図８】第１実施例におけるハニカム担体、外周リング、および電極の接合状態を切断して示す斜視図である。
【図９】平板と波板との当接部を拡大して示す断面図である。
【図１０】第１実施例におけるハニカム担体、外周リング、および電極の接合状態を示す斜視図である。
【図１１】第１実施例におけるハニカム担体、外周リング、および電極の接合状態を示す径方向の断面図である。
【図１２】第１実施例における外筒部の構造を説明する斜視図である。
【図１３】第１実施例の担体を製造する装置の概念図である。
【図１４】第１実施例の担体を接合する装置の斜視図である。
【図１５】第２実施例におけるハニカム担体、外周リング、および電極の接合状態を切断して示す斜視図である。
【図１６】第２実施例におけるハニカム担体、外周リング、および電極の接合状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…自己発熱型ハニカム担体（第１実施例）
１ａ…下流側端部
１ｂ…上流側端部
２…平板
２ａ…平板スリット部
３…波板
３ａ…波板スリット部
６…開口部
７ａ，７ｂ…巻取り治具
８…上流側リング
９…下流側リング
１２（１２ａ〜１２ｃ）…支持棒（電極部材）
１３…外筒
１３ａ〜１３ｃ…外筒部材
１４ａ，１４ｂ…セラミック製ガスケット
１５ａ，１５ｂ…ガスケット
１６…ナット
１９…セラミック製モノリス触媒
２１…コンバータ（変形例）
２２…電極
２３〜２６…ハニカム担体内の接合部
３１，３２…リング−ハニカム担体間の接合部
３３…当接部
４１…自己発熱型ハニカム担体（第２実施例）
４２…電極
４５，４６…ハニカム担体内の接合部
４７…リング−ハニカム担体間の接合部
４９…下流側リング
７１…メタルハニカム担体
７２…平板
７３…波板
７９…波板の谷部
８０…レーザヘッド
８１，８２…レーザ変位センサ

Claims (26)

1. エンジンの排気経路中に配置される自己発熱型金属製触媒コンバータにおいて、触媒物質を担持しているハニカム担体が金属製の平板と波板とから構成されており、前記平板および／または波板の少なくとも一部には開口としてのスリット部が形成されていて、それらの平板と波板を交互に積層および／または巻回して形成された層間の一部が接合されており、前記平板および／または波板のスリット部に対してハニカム担体の軸方向に電流を流すことを可能とする電流流入・流出部が設けられ、前記電流流入・流出部はハニカム担体のまわりに接合されたリングに接合されるとともに外筒の取付穴を貫通して外部へ突出する棒状電極を有し、前記棒状電極は前記外筒に対して絶縁部材とガスケット部材を介して固定されていると共に、、ハニカム担体の接合部と、リング−ハニカム担体間の接合部は、ハニカム担体の同一の径方向断面内に設けないで、中心軸方向にずらして設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
2. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、ハニカム担体の同一の径方向断面内に設けられた接合部が、平板、波板当接部の５０％以上を占めていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、ハニカム担体の同一の径方向断面内の接合部が、中心軸方向の異なる２箇所以上の位置に設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
4. 請求項３記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、隣接するハニカム担体のそれぞれ同一の径方向断面内に設けられた２箇所の接合部の間隔が２ｍｍ以上であることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、ハニカム担体内部の接合部と、リング−ハニカム担体間の接合部との間隔が、２ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、リング−ハニカム担体間の接合部が、ハニカム担体とリングを横切る任意の断面上に設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
7. 請求項６記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、リング−ハニカム担体間の接合部が、リング上に部分的に設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
8. 請求項６または７のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、リング−ハニカム担体間の接合部が、中心軸方向の異なる２箇所以上の位置に設けられることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
9. 請求項８記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、異なる２箇所以上のリング−ハニカム担体間の接合部が、同一の径方向断面内に設けられることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、ハニカム担体の接合部がレーザビーム接合により設けられることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、リング−ハニカム担体間の接合部がレーザビーム接合により設けられることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
12. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電極が、リング−ハニカム担体間の接合部と同一の径方向断面内を避けて、中心軸方向にずれた位置に設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
13. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電極が、ハニカム担体の接合部と同一の径方向断面内を避けて、中心軸方向にずれた位置に設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
14. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、リング−ハニカム担体間の接合部が、ハニカム担体の中心点と電極とを結ぶ放射方向の直線上を避けて 設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
15. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前後のリングがそれぞれ３本以上の棒状電極によって支持されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
16. 請求項１５記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、各リングを支える棒状電極が奇数本であることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
17. 請求項１５または１６のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、各リングに設けられる棒状電極が周方向に均等に配置されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
18. 請求項１５〜１７のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、＋、−電極ボルトの各１本が他の電極ボルトよりも長いことを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
19. 請求項１５〜１７のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、＋電極ボルトの１本が他の電極ボルトよりも長いことを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
20. 請求項１５〜１７のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、−電極ボルトの１本が他の電極ボルトよりも長いことを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
21. 請求項１５〜２０のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前後の棒状電極がハニカム担体の中心軸方向の略同一の径方向面上に設置されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
22. 請求項１５〜２１のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、外筒およびフランジに電気的に接地する側の電極ボルトを、接地しない側の電極ボルトよりも細くしたことを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
23. 請求項２２記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、上流側の電極ボルトを外筒およびフランジに接地したことを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
24. 請求項１または２のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、スリット部によって形成されるメッシュの両端部から１ mm 以上１０ mm 以内の範囲に、ハニカム担体の接合部が少なくとも１箇所以上設けられていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
25. 請求項５記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、軸方向に隣接する２つの径方向断面に設けられたハニカム担体の接合部の中間部に、リング−ハニカム担体間の接合部を設けたことを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
26. 請求項５記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、ハニカム担体の同一の径方向断面内に設けられたハニカム担体の接合部が、リング−ハニカム担体間の接合部よりも上流側に位置していることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。

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