特許第6445838号(P6445838)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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  • 特許6445838-電気加熱式触媒コンバータ 図000003
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6445838
(24)【登録日】2018年12月7日
(45)【発行日】2018年12月26日
(54)【発明の名称】電気加熱式触媒コンバータ
(51)【国際特許分類】
   F01N 3/20 20060101AFI20181217BHJP
   F01N 3/24 20060101ALI20181217BHJP
   F01N 3/28 20060101ALI20181217BHJP
   B01D 53/88 20060101ALI20181217BHJP
   B01J 35/02 20060101ALI20181217BHJP
   B01J 33/00 20060101ALI20181217BHJP
【FI】
   F01N3/20 K
   F01N3/24 N
   F01N3/28 301W
   F01N3/28 311U
   F01N3/28 311Q
   B01D53/88
   B01J35/02 G
   B01J33/00 G
【請求項の数】8
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2014-219390(P2014-219390)
(22)【出願日】2014年10月28日
(65)【公開番号】特開2016-84776(P2016-84776A)
(43)【公開日】2016年5月19日
【審査請求日】2017年10月16日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000158
【氏名又は名称】イビデン株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000914
【氏名又は名称】特許業務法人 安富国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】陸田 史幸
(72)【発明者】
【氏名】幸光 秀之
(72)【発明者】
【氏名】荻村 章司
【審査官】 稲村 正義
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2013/105246(WO,A1)
【文献】 特開2013−185573(JP,A)
【文献】 特開2012−154318(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F01N 3/00−3/38
B01D 53/86−53/96
B01J 33/00、35/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
触媒が担持され、通電により発熱する触媒担体と、
前記触媒担体を収容するケースと、
前記触媒担体と前記ケースとの間に介在する電気絶縁性のマットと
を備えた排ガスを浄化するための電気加熱式触媒コンバータであって、
前記ケースは、最も外側に設けられた外管と、該外管の内側に設けられた内管とを備え、
前記内管は、上流側に行くに従って径が小さくなる部分を有し、
前記触媒担体より上流側を前記ケースの中心軸を含む平面で切断した切断面において、
前記内管の上流側に行くに従って径が小さくなる部分は、前記触媒担体に近い側から順に第1湾曲部と第2湾曲部とのみからなり
前記第1湾曲部は、外側に凸となるように湾曲しており、前記第2湾曲部は、中心軸側が凸となるように前記第1湾曲部と反対方向に湾曲しており、
前記第1湾曲部の曲率半径よりも前記第2湾曲部の曲率半径の方が大きく、
前記内管の少なくとも一部に絶縁層が形成されていることを特徴とする電気加熱式触媒コンバータ。
【請求項2】
前記絶縁層は、非晶性無機材からなる請求項1に記載の電気加熱式触媒コンバータ。
【請求項3】
前記絶縁層は、さらに結晶性無機材を含む請求項2に記載の電気加熱式触媒コンバータ。
【請求項4】
前記絶縁層の膜厚は、100〜400μmである請求項1〜3のいずれかに記載の電気加熱式触媒コンバータ。
【請求項5】
前記非晶性無機材は、軟化点が300〜1000℃の低軟化点ガラスからなる請求項2に記載の電気加熱式触媒コンバータ。
【請求項6】
前記低軟化点ガラスは、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、アルミナ珪酸ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、及び、ソーダバリウムガラスのうち少なくとも一種を含むガラスである請求項5に記載の電気加熱式触媒コンバータ。
【請求項7】
前記結晶性無機材は、カルシア、マグネシア、セリア、アルミナ、及び、遷移金属の酸化物のうち少なくとも1種を含む請求項3に記載の電気加熱式触媒コンバータ。
【請求項8】
前記絶縁層形成の対象となる内管の表面部分には、粗化処理が施されている請求項1〜7のいずれかに記載の電気加熱式触媒コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気加熱式触媒コンバータに関する。
【背景技術】
【0002】
エンジンから排出された排ガス中に含まれる有害物質を浄化するため、排気管の経路には、排ガス浄化が可能な触媒を担持した触媒コンバータが設けられている。
触媒コンバータによる有害物質の浄化効率を高めるためには、触媒コンバータの内部の温度を触媒活性化に適した温度(以下、触媒活性化温度ともいう)に維持する必要がある。
【0003】
しかし、触媒コンバータを構成する触媒担体を直接加熱する手段を備えていない車両では、車両が運転を開始した直後には、排ガスの温度が低いため、触媒コンバータ内部の温度が触媒活性化温度まで達せず、有害物質の排出を、有効に防止することが難しかった。
また、ハイブリット車両で、上記触媒担体を直接加熱する手段を備えていないものでは、モータが稼働し、エンジンが停止している際には、触媒コンバータ内部の温度が低下し、触媒活性化温度より低い温度になってしまうことがあり、やはり有害物質の排出を、有効に防止することが難しかった。
【0004】
このような問題を解消するために、触媒担体自体を通電により発熱する発熱体とし、必要な場合に、触媒コンバータ内部の温度を触媒活性化温度以上の温度とする発明が、特許文献1等に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2013−185573号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
図2は、特許文献1に開示された触媒コンバータを模式的に示す断面図である。
図2に示すように、この触媒コンバータ50は、発熱体である触媒担体60と、触媒担体60を収容するケース70と、ケース70と触媒担体60との間に設けられた絶縁性のマット80とを備えており、ケース70は、外部の隔壁となる外管71と、外管71の内部に設けられた内管74とを備えており、内管74と触媒担体60との間の短絡を防止するために、内管74には、絶縁層76が設けられている。
【0007】
また、内管74は、ケース70の中心軸に向かって突出しており、この突出部分74aは、排ガスの高い熱を受けるので、スス等のパティキュレート(以下、PMという)が付着しても、熱によりPMの酸化が促進され、燃焼することにより除去され、短絡は発生しにくかった。
【0008】
しかしながら、特許文献1に開示された触媒コンバータ50では、突出部分74aが2度以上に亘って複雑に屈曲しており、突出部分74aに絶縁層76を形成しようとしても、均一な膜厚の絶縁層76を形成することが難しく、不均一な膜厚となってしまい、この不均一な膜厚に起因して絶縁層76にクラックや剥れが発生し易いという問題があった。
【0009】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、内管が中心軸方向に向かって湾曲しているものの、その構造が比較的単純で、絶縁層を形成した内管に、温度変化や温度勾配が発生しても、絶縁層にクラックや剥れが発生しにくい、耐久性に優れた電気加熱式触媒コンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、本発明の電気加熱式触媒コンバータは、触媒が担持され、通電により発熱する触媒担体と、上記触媒担体を収容するケースと、上記触媒担体と上記ケースとの間に介在する電気絶縁性のマットとを備えた排ガスを浄化するための電気加熱式触媒コンバータであって、上記ケースは、最も外側に設けられた外管と、該外管の内側に設けられた内管とを備え、上記触媒担体より上流側を上記ケースの中心軸を含む平面で切断した切断面において、上記内管は、上記触媒担体に近い側から順に形成された第1湾曲部と第2湾曲部とを有し、上記第1湾曲部は、外側に凸となるように湾曲しており、上記第2湾曲部は、中心軸側が凸となるように上記第1湾曲部と反対方向に湾曲しており、上記第1湾曲部の曲率半径よりも上記第2湾曲部の曲率半径の方が大きく、上記内管の少なくとも一部に絶縁層が形成されていることを特徴とする。
【0011】
上記電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記内管は、上記触媒担体より上流側を上記ケースの中心軸を含む平面で切断した切断面において、上記内管は、上記触媒担体に近い側から順に形成された第1湾曲部と第2湾曲部とを有し、第1湾曲部の曲率半径よりも上記第2湾曲部の曲率半径の方が大きく、構造が比較的単純であるので、上記内管に塗布等の方法を用いて絶縁層を比較的簡単に形成することができ、絶縁層の膜厚も比較的均一になり易く、内管に温度変化や温度勾配が発生しても、絶縁層にクラックや剥れが発生しにくく、耐久性に優れた電気加熱式触媒コンバータとなる。
【0012】
本発明の電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記絶縁層は、非晶性無機材からなることが望ましい。
上記電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記絶縁層が非晶性無機材からなると、原料となる非晶性無機材の粉末等を含有する原料組成物を塗布した後、加熱溶融させることにより比較的簡単に均一な膜厚の絶縁層を形成することができる。
【0013】
本発明の電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記絶縁層は、さらに結晶性無機材を含むことが望ましい。
上記電気加熱式触媒コンバータにおいて、絶縁層中に耐熱性を有する結晶性無機材を含むと、絶縁層の耐熱性を向上させることができ、上記絶縁層が機械的にも強化される。
【0014】
本発明の電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記絶縁層の膜厚は、100〜400μmであることが望ましい。
上記電気加熱式触媒コンバータにおいて、絶縁層の膜厚を100〜400μmとすることにより、充分に絶縁性を確保することができ、内管と触媒担体との間の短絡を防止することができる。
絶縁層の厚さが100μm未満であると、絶縁膜が薄すぎるため、絶縁性能が不充分となり、一方、絶縁層の厚さが400μmを超えると、絶縁層の厚さが厚すぎるため、絶縁層の内部で温度差が発生し易くなり、クラック等が発生し易くなる。
【0015】
本発明の電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記非晶性無機材は、軟化点が300〜1000℃の低軟化点ガラスからなることが望ましい。
上記電気加熱式触媒コンバータにおいては、非晶性無機材が、軟化点が300〜1000℃の低軟化点ガラスからなると、上記低軟化点ガラスを含む原料組成物を内管に塗布した後、加熱溶融させることにより比較的簡単に絶縁層を形成することができる。
上記低軟化点ガラスの軟化点が300℃未満であると、軟化点の温度が低すぎるため、加熱処理の際に、絶縁層となる層が溶融等により流れ易く、均一な厚さの層を形成することが難しくなる。一方、低軟化点ガラスの軟化点が1000℃を超えると、逆に、加熱処理の温度を極めて高く設定する必要があるため、加熱により内管の機械的特性が劣化するおそれが生じる。
【0016】
本発明の電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記低軟化点ガラスは、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、アルミナ珪酸ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、及び、ソーダバリウムガラスのうち少なくとも一種を含むガラスであることが望ましい。
【0017】
本発明の電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記結晶性無機材は、カルシア、マグネシア、セリア、アルミナ、及び、遷移金属の酸化物のうち少なくとも1種を含むことが望ましい。
上記電気加熱式触媒コンバータにおいて、絶縁層が耐熱性を有するカルシア、マグネシア、セリア、アルミナ、及び、遷移金属の酸化物のうち少なくとも1種を含むと、絶縁層の耐熱性や機械的特性を改善することができる。
【0018】
本発明の電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記絶縁層形成の対象となる内管の表面部分には、粗化処理が施されていることが望ましい。
上記電気加熱式触媒コンバータにおいて、内管の表面部分に粗化処理が施されていると、内管の表面積が増加し、絶縁層と内管との密着性が改善され、温度の変化等が発生しても、剥離の発生しにくい絶縁層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1図1は、本発明に係る電気加熱式触媒コンバータの一例を模式的に示す断面図である。
図2図2は、特許文献1に開示された触媒コンバータを模式的に示す断面図である。
【0020】
(発明の詳細な説明)
以下、本発明について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
【0021】
以下、本発明の電気加熱式触媒コンバータについて説明する。
本発明の電気加熱式触媒コンバータは、触媒が担持され、通電により発熱する触媒担体と、上記触媒担体を収容するケースと、上記触媒担体と上記ケースとの間に介在する電気絶縁性のマットとを備えた排ガスを浄化するための電気加熱式触媒コンバータであって、
上記ケースは、最も外側に設けられた外管と、該外管の内側に設けられた内管とを備え、上記触媒担体より上流側を上記ケースの中心軸を含む平面で切断した切断面において、上記内管は、上記触媒担体に近い側から順に形成された第1湾曲部と第2湾曲部とを有し、上記第1湾曲部は、外側に凸となるように湾曲しており、上記第2湾曲部は、中心軸側が凸となるように上記第1湾曲部と反対方向に湾曲しており、上記第1湾曲部の曲率半径よりも上記第2湾曲部の曲率半径の方が大きく、上記内管の少なくとも一部に絶縁層が形成されていることを特徴とする。
【0022】
図1は、本発明に係る電気加熱式触媒コンバータの一例を模式的に示す断面図である。
図1に示す電気加熱式触媒コンバータ10は、車両に搭載される内燃機関の排気管に設けられている。内燃機関は、ディーゼル機関であっても、ガソリン機関であってもよい。また、電気モータを備えたハイブリッドシステムを採用した車両においても用いることができる。
図1に示す電気加熱式触媒コンバータ10は、電気加熱式触媒コンバータ10の中心軸Xに沿って電気加熱式触媒コンバータ10を縦方向に切断した断面図である。図1では、触媒担体20よりエンジンに近い上流側のみを示している。
【0023】
図1に示すように、本発明に係る電気加熱式触媒コンバータ10は、触媒が担持され、通電により発熱する触媒担体20と、触媒担体20を収容するケース30と、触媒担体20とケース30との間に介在する電気絶縁性のマット40とを備えている。
ケース30は、中心軸Xを中心とした円筒形状であり、最も外側に設けられた外管31と、外管31の内側に設けられた内管34とを備えている。
【0024】
また、図1の断面図において、内管34は、触媒担体20に近い側から順に形成された第1湾曲部34aと第2湾曲部34bとを有し、第1湾曲部34aは、外側に凸となるように湾曲しており、第2湾曲部34bは、中心軸側が凸となるように第1湾曲部34aと反対方向に湾曲しており、第1湾曲部34aの曲率半径よりも第2湾曲部34bの曲率半径の方が大きく、内管34の内側に絶縁層36が形成されている。
【0025】
このように、外管31の内側に内管34が存在して二重管となっており、内管34は、エンジンに近い上流側に行くに従って径が小さくなっているため、外管31と内管34との間に、余り流動しないガスが存在することとなり、内管34から外管31への熱の移動を抑制することができ、内管34の温度が高くなる。このため、内管34にPMが付着しても、PMの酸化が促進され、PMが除去され易くなる。この内管34には、絶縁を確保するために、内管34の少なくとも内側に絶縁層36が形成されている。絶縁をより確実に確保するためには、内管34の内側及び外側の両方に絶縁層36が形成されていることが望ましい。さらに外管31の内側に絶縁層36が形成されていることがより望ましい。
【0026】
電気加熱式触媒コンバータ10を構成するケース30(外管31及び内管34)の材質としては、例えば、ステンレス、鋼、鉄、銅等の金属、又は、インコネル、ハステロイ、インバー等のニッケル合金等が挙げられる。ケース30を構成する内管34の絶縁層36が形成される部分には、絶縁層36との密着性を向上させるためにサンドブラスト処理や化学薬品等の粗化処理が施されていてもよい。
【0027】
上記粗化処理により形成される内管34の表面の表面粗さRzJISは、1.5〜20μmが望ましい。上記した粗化面の表面粗さRzJISは、JIS B 0601(2001)で定義される十点平均粗さであり、測長距離は、10mmである。
内管34の粗化面の表面粗さRzJISが1.5μm未満であると、内管34の表面積が小さくなるため、内管34と絶縁層36との密着性が充分に得られにくくなる。一方、内管34の粗化面の表面粗さRzJISが20μmを超えると、内管34の表面に絶縁層36が形成されにくくなる。これは、内管34の粗化面の表面粗さRzJISが大きすぎると、内管34の表面に形成された凹凸の谷の部分にスラリー(絶縁層用の原料組成物)が入り込まず、この部分に空隙が形成されるためであると考えられる。
なお、内管の粗化面の表面粗さRzJISは、東京精密製、ハンディサーフE−35Bを用いてJIS B 0601(2001)に準拠し、測長距離を10mmにて測定することができる。
【0028】
図1に示す電気加熱式触媒コンバータ10では、内管34の内側に絶縁層36が形成されているが、絶縁層36は、上述したように、内管34の内側及び外側の全体に形成されていてもよい。
【0029】
図1に示す電気加熱式触媒コンバータ10では、内管34の内側に形成された絶縁層36は、非晶性無機材からなるか、又は、非晶性無機材と該非晶性無機材からなる層の内部に分散する結晶性無機材の粒子とからなる。
【0030】
絶縁層36を構成する非晶性無機材は、軟化点が300〜1000℃の低軟化点ガラスからなることが望ましい。
本発明の電気加熱式触媒コンバータで10において、非晶性無機材が、軟化点が300〜1000℃の低軟化点ガラスからなる場合、上記低軟化点ガラスを含む原料組成物を内管に塗布した後、加熱溶融させることにより比較的簡単に絶縁層36を形成することができる。
上記低軟化点ガラスの軟化点が300℃未満であると、軟化点の温度が低すぎるため、加熱処理の際に、絶縁層36となる層が溶融等により流れ易く、均一な厚さの層を形成することが難しくなる。一方、低軟化点ガラスの軟化点が1000℃を超えると、逆に、加熱処理の温度を極めて高く設定する必要があるため、加熱により内管34の機械的特性が劣化するおそれが生じる。
【0031】
上記低軟化点ガラスは、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、アルミナ珪酸ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、及び、ソーダバリウムガラスのうち少なくとも一種を含むガラスであることが望ましい。これらのガラスは、単独で用いられていてもよいし、2種類以上のガラスが混合されていてもよい。
【0032】
絶縁層36中に含まれていてもよい結晶性無機材としては、カルシア、マグネシア、セリア、アルミナ、及び、遷移金属の酸化物のうち少なくとも1種が挙げられる。また、上記遷移金属の酸化物としては、ジルコニア、イットリア、酸化ニオブ、チタニア、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、酸化コバルト、酸化クロム等が挙げられる。
また、結晶性無機材として、イットリア安定化ジルコニア、CaO安定化ジルコニア、MgO安定化ジルコニア、ジルコン、CeO安定化ジルコニア等のジルコニアを含む酸化物が含まれてもよい。
絶縁層36中に結晶性無機材が含まれていると、絶縁層36の耐熱性や機械的特性を改善することができる。
【0033】
絶縁層36中に、上記結晶性無機材の粒子が含まれている場合、結晶性無機材の粒子の平均粒子径は、0.1〜50μmであることが望ましく、結晶性無機材の粒子の平均粒子径は、0.1μm以上、10μm未満であることがより望ましい。
結晶性無機材の粒子の平均粒子径が0.1〜50μmの範囲にあると、内管34の表面に原料を塗布し、加熱による溶融層を形成した際、溶融層中の結晶性無機材の表面積が適切な範囲にあるため、溶融した塗布層の粘度が低くなりすぎず、適切な範囲に保たれ、均一な厚さの絶縁層36を形成することができる。
【0034】
絶縁層36に含まれる結晶性無機材の粒子の平均粒子径が0.1μm未満であると、結晶性無機材の粒子の粒子径が小さすぎて、溶融層中の結晶性無機材の粒子の表面積が大きくなり、結晶性無機材の粒子を含む溶融層の粘度が高くなりすぎ、均一な厚さの絶縁層36が形成されない。
一方、結晶性無機材の粒子の平均粒子径が50μmを超えると、結晶性無機材の粒子の粒子径が大きすぎて、溶融層中の無機材の粒子の表面積が小さすぎ、結晶性無機材の粒子を含む溶融層の粘度が低くなり、形成した溶融層が流動しやすくなり、形成する絶縁層36の厚さが薄くなってしまう。
【0035】
絶縁層36に結晶性無機材が含まれている場合、絶縁層36の全体に対する結晶性無機材の割合は、5〜70重量%が望ましく、20〜70重量%であることがより望ましい。
絶縁層36の全体に対する結晶性無機材の粒子の割合が5〜70重量%の範囲にあると、内管34の表面に原料を塗布し、加熱による溶融層を形成した際、溶融層中の結晶性無機材の重量割合が適切な範囲にあるため、溶融した塗布層の粘度が低くなりすぎず、適切な範囲に保たれ、均一な厚さの絶縁層36を形成することができる。
【0036】
本発明の電気加熱式触媒コンバータ10において、内管34の厚さの望ましい下限は0.8mm、より望ましい下限は1.2mmであり、望ましい上限は3mm、より望ましい上限は2mmである。
内管34の厚さが0.8mm未満であると、内管34の強度が不足する。また、内管の厚さが3mmを超えると、内管34を所定の形状に加工しにくくなる。
【0037】
内管34に形成する絶縁層36の厚さは、100〜400μmであることが望ましい。
絶縁層36の膜厚を100〜400μmとすることにより、充分に絶縁性を確保することができ、内管34と触媒担体20との間の短絡を防止することができる。
絶縁層36の厚さが100μm未満であると、絶縁膜36が薄すぎるため、絶縁性能が不充分となり、一方、絶縁層36の厚さが400μmを超えると、絶縁層36の厚さが厚すぎるため、絶縁層36の内部で温度差が発生し易くなり、クラック等が発生し易くなる。絶縁層36の厚さは、100〜200μmであることがより望ましく、110〜140μmであることがさらに望ましい。
【0038】
図1に示す電気加熱式触媒コンバータ10において、内管34の第1湾曲部34aは、外側に凸となるように湾曲しているが、この第1湾曲部34aの曲率半径は、5〜15mmであることが望ましい。
電気加熱式触媒コンバータにおいて、第1湾曲部34aにおける絶縁層36の厚さは、他の部分の絶縁層36の厚さの1倍以上、1.4倍未満であることが望ましい。
第1湾曲部34aにおける絶縁層36の厚さが、他の部分の絶縁層36の厚さの1倍未満であると、絶縁層の厚さが薄いことに起因し、絶縁性が不充分となり、内管34と触媒担体20との間で短絡が発生することがある。また、絶縁層の強度が不充分となり易く、外部からの衝撃により絶縁層が損傷しやすくなる。
第1湾曲部34aにおける絶縁層36の厚さが、他の部分の絶縁層36の厚さの1.4倍以上であると、熱応力を緩和しにくくなり、内部からの熱応力により絶縁層にクラックや剥れが発生しやすくなる。
【0039】
図1に示す電気加熱式触媒コンバータ10において、第2湾曲部34bは、中心軸側が凸となるように第1湾曲部34aと反対方向に湾曲しており、第1湾曲部34aの曲率半径よりも第2湾曲部34bの曲率半径の方が大きい。この第2湾曲部34bの曲率半径は、40〜50mmであることが望ましい。
第2湾曲部34bの曲率半径は、第1湾曲部34aの曲率半径に比べて大きいので、絶縁層36の厚さは、100〜400μmであれば、大きな問題は発生しない。第2湾曲部34bの絶縁層36の厚さは、100〜200μmであることがより望ましく、110〜140μmであることがさらに望ましい。
【0040】
本発明の電気加熱式触媒コンバータ10は、触媒担体20を備えているが、この触媒担体20は、多孔質セラミック等のセラミック質のハニカム構造体からなり、排ガス流入側の端面及び排ガス流出側の端面がともに開口した貫通孔に排ガスが流入し、貫通孔を隔てる隔壁に担持させた触媒の作用により排ガスが浄化される。
本発明の電気加熱式触媒コンバータ10を構成する触媒担体20は、通電により発熱するように構成されており、炭化ケイ素質等の所定の抵抗値を有するセラミックが使用されている。
これら多孔質焼成体は、脆性材料であるので、機械的な衝撃等により破壊されやすい。しかし、本発明の電気加熱式触媒コンバータ10では、触媒担体20の側面の周囲には電気絶縁性のマット40が介在し、衝撃を吸収するので、機械的な衝撃や熱衝撃により触媒担体20にクラック等が発生するのを防止することができる。
【0041】
本発明の電気加熱式触媒コンバータ10を構成する電気絶縁性のマット40は、無機繊維を含むマットからなるものであることが望ましい。マットを構成する無機繊維としては、特に限定されず、アルミナ−シリカ繊維であってもよく、アルミナ繊維、シリカ繊維等であってもよい。また、ガラス繊維や生体溶解性繊維であってもよい。無機繊維の種類は、耐熱性や耐風蝕性等、マットに要求される特性等に応じて変更すればよく、各国の環境規制に適合できるような直径や長さを有する繊維を使用するのが好ましい。
【0042】
次に、本発明の電気加熱式触媒コンバータを構成する内管に絶縁層を形成する方法について説明する。
絶縁層形成用の原料組成物は、非晶性無機材の粒子のみか、又は、非晶性無機材の粒子と結晶性無機材の粒子を含むが、そのほかに分散媒、有機結合材等が配合されていてもよい。
絶縁層形成用の原料組成物に結晶性無機材が含まれている場合には、上述したように、上記非晶性無機材と上記結晶性無機材の合計量に対する結晶性無機材の重量割合は、5〜70重量%が望ましく、20〜70重量%であることがより望ましい。この場合、結晶性無機材の粒子の平均粒子径は、0.1〜50μmであることが望ましい。
【0043】
原料組成物中の非晶性無機材は、内管の表面に塗布、加熱すると、溶融して非晶性無機材の層となるので、厳密に非晶性無機材の粒径をコントロールする必要はないが、結晶性無機材を含む場合、絶縁層形成用の原料組成物中に非晶性無機材の粒子が均一に分散している必要がある。
この点から、原料組成物中の非晶性無機材粒子の平均粒径は、0.1〜100μmが望ましく、1〜20μmがより望ましい。1〜20μmの範囲では、粒子表面に帯電している電気による影響が少ないためと推測しているが、粒子が均一に分散しやすい。
【0044】
上記分散媒としては、例えば、水や、メタノール、エタノール、アセトン等の有機溶媒等が挙げられる。原料組成物に含まれる非晶性無機材の粉末と分散媒との配合比は、特に限定されるものでないが、例えば、非晶性無機材の粉末100重量部に対して、分散媒が50〜150重量部であることが望ましい。内管に塗布するのに適した粘度となるからである。
上記絶縁層形成用の原料組成物に配合することのできる有機結合材としては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等を挙げることができる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、分散媒と有機結合材とを併用してもよい。
【0045】
次に、内管に絶縁層を形成するための具体的な工程について説明する。
(1)内管の前処理工程
まず、内管の表面の不純物を除去するために洗浄処理を行うことが望ましい。
上記洗浄処理としては特に限定されず、従来公知の洗浄処理を用いることができ、具体的には、例えば、アルコール溶媒中で超音波洗浄を行う方法等を用いることができる。
【0046】
また、上記洗浄処理後には、必要に応じて、内管の表面の比表面積を大きくしたり、内管の表面の粗さを調整したりするために、内管の表面に粗化処理を施してもよい。具体的には、例えば、サンドブラスト処理、エッチング処理、高温酸化処理等の粗化処理を施してもよい。これらは単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。この粗化処理後に、さらに洗浄処理を行ってもよい。
【0047】
(2)内管に絶縁層を形成する工程
まず、非晶性無機材、有機結合材、分散媒等を混合し、絶縁層形成用の原料組成物を調製する。必要により結晶性無機材の粒子を添加してもよい。
具体的には、例えば、非晶性無機材の粉末と、必要により加える結晶性無機材の粉末とをそれぞれ所定の粒度、形状等になるように調製し、各粉末を所定の配合比率で乾式混合して混合粉末を調製し、さらに水、有機結合材等を加えて、ボールミルで湿式混合することにより絶縁層形成用の原料組成物を調製する。
ここで、非晶性無機材等の粉末と水との配合比は、特に限定されるものでないが、非晶性無機材等の粉末100重量部に対して、水100重量部程度が望ましい。内管に塗布するのに適した粘度となるからである。また、必要に応じて、上記絶縁層形成用の原料組成物には、上記したように、有機溶剤等の分散媒等を配合してもよい。
【0048】
(3)次に、内管の表面に絶縁層形成用の原料組成物を塗布する。
上記原料組成物を塗布する方法としては、例えば、スプレーコート、静電塗装、インクジェット、スタンプやローラ等を用いた転写、ハケ塗り、又は、電着塗装等の方法を用いることができる。
【0049】
(4)続いて、絶縁層用の塗膜を形成した内管に加熱処理を施す。
具体的には、上記原料組成物を塗布した金属内管を乾燥後、加熱することにより絶縁層を形成する。
加熱の温度は、非晶性無機材の軟化点以上とすることが望ましく、配合した非晶性無機材の種類にもよるが700℃〜1100℃が望ましい。加熱温度を非晶性無機材の軟化点以上の温度とすることにより内管と非晶性無機材とを強固に密着させることができ、内管と強固に密着した絶縁層を形成することができるからである。
【0050】
以下に、本発明の電気加熱式触媒コンバータの作用効果について列挙する。
(1)本発明の電気加熱式触媒コンバータでは、上記触媒担体を収容するケースは、最も外側に設けられた外管と、該外管の内側に設けられた内管とを備え、上記触媒担体より上流側を上記ケースの中心軸を含む平面で切断した切断面において、上記内管は、上記触媒担体に近い側から順に形成された第1湾曲部と第2湾曲部とを有し、上記第1湾曲部は、外側に凸となるように湾曲しており、上記第2湾曲部は、中心軸側が凸となるように上記第1湾曲部と反対方向に湾曲しており、上記第1湾曲部の曲率半径よりも上記第2湾曲部の曲率半径の方が大きく、上記内管の少なくとも一部に絶縁層が形成されている。このように、上記ケースの構造自体が比較的単純であるので、上記内管に塗布等の方法を用いて絶縁層を比較的簡単に形成することができ、絶縁層の膜厚も比較的均一になり易く、内管に温度変化や温度勾配が発生しても、絶縁層にクラックや剥れが発生しにくく、内管と触媒担体との間の短絡を防止することができ、耐久性に優れた電気加熱式触媒コンバータとなる。
【0051】
(2)本発明の電気加熱式触媒コンバータで、内管に膜厚が100〜400μmの絶縁層を形成することにより、充分に絶縁性を確保することができ、内管と触媒担体との間の短絡を防止することができる。
【0052】
(3)本発明の電気加熱式触媒コンバータで、上記非晶性無機材の軟化点が300〜1000℃の低軟化点ガラスからなると、塗布等の手段を用いて内管の表面に塗布層を形成した後、加熱することにより、比較的容易に絶縁層を形成することができる。
【0053】
(4)電気加熱式触媒コンバータにおいて、上記絶縁層が非晶性無機材層中に結晶性無機材を含む場合、絶縁層の耐熱性を向上させることができ、上記絶縁層が機械的にも強化される。
【0054】
(実施例)
以下、本発明の電気加熱式触媒コンバータをより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
【0055】
(実施例1)
(1)円筒体の準備
図1に示した内管34の形状とほぼ同様の形状であって、中心軸を含む平面で切断した切断面において、第1湾曲部と第2湾曲部とを有し、第1湾曲部は、外側に凸となるように湾曲しており、第2湾曲部は、中心軸側が凸となるように第1湾曲部と反対方向に湾曲した形状のステンレス製の円筒体(SUS430製)を準備した。上記円筒体として、最も径が大きい部分の直径は、105mm、最も径が小さい部分の直径は、60mm、厚さ1.5mm、第1湾曲部及び第2湾曲部の曲率半径が表1に示す値のものを用意し、この円筒体をアルコール溶媒中で超音波洗浄を行った。
次に、サンドブラスト処理を行って円筒体の内側を粗化した。サンドブラスト処理は、♯100のAl砥粒を用いて10分間行った。
表面粗さ測定機((株)東京精密製 ハンディサーフE−35B)を用いて、測長距離10mmにて円筒体の内側の表面粗さを測定したところ、円筒体の内側の表面粗さは、RzJIS=5μmであった。
【0056】
(2)絶縁層形成用の原料組成物の調製
非晶性無機材の粉末として、バリウムシリケートガラス(軟化点770℃)を準備した。非晶性無機材の原料組成物全体に対する濃度は、51重量%である。上記濃度とは、水等を含む絶縁層形成用の原料組成物の全体の重量に対する非晶性無機材の割合を百分率で示したものである。
【0057】
さらに、有機結合材として、メチルセルロースを準備し、絶縁層形成用の原料組成物全体に対する濃度が5重量%となるように配合した。
絶縁層形成に用いる絶縁層形成用の原料組成物の調製にあたっては、さらに非晶性無機材の粉末100重量部に対して水の割合が100重量部になるように水を加え、さらにαアルミナの粒子(平均粒子径:10μm)を15重量部加えて、ボールミルで湿式混合することにより原料組成物を調製した。
【0058】
ここで、αアルミナの粒子の平均粒子径は、島津製作所社製レーザ回折式粒子径分布測定装置(SALD−300V)を用いて測定した値である。
【0059】
(3)絶縁層の形成
調製した原料組成物を用い、上記円筒体の内側にスプレーコート法により塗布を行い、乾燥機内において100℃で60分乾燥した。この後、空気中、820℃で180分間、加熱処理することにより、上記円筒体の内側に絶縁層を形成し、下記に示す評価を行った。
【0060】
(実施例2)
第1湾曲部及び第2湾曲部の曲率半径が表1に示す値となるように、形状を変化させた円筒体を使用したほかは、実施例1と同様にして、円筒体の内側に絶縁層を形成し、下記に示す評価を行った。
【0061】
絶縁層が形成された円筒体の評価
(膜厚の測定)
実施例1、2で得られた円筒体の内側に形成された絶縁層の膜厚を株式会社フィッシャー・インストルメンツ製のデュアルスコープMP40にて測定した。
上記の測定で得られた第1湾曲部の絶縁層の膜厚、及び、第2湾曲部の絶縁層の膜厚を表1に示す。
【0062】
(絶縁層の初期の絶縁性の評価)
実施例1、2で得られた円筒体に対し、Cu粒子をスパッタにより絶縁層36の表面に塗布し、一組の電極を絶縁層36の表面と円筒体の外表面に設置した。次に、一組の電極間に500Vの電圧を印加し、抵抗測定器で絶縁層36の表面と円筒体の外表面の抵抗値を測定した。抵抗測定器にはデジタル超高抵抗/微小電流計(R8340、アドバンテスト社製)を使用した。絶縁層36の表面と円筒体の外表面の間の抵抗値が絶縁層36の厚みが100μm以上において、4.0×10Ωか、それよりも大きければ、絶縁性ありと評価し○を記載し、抵抗値が4.0×10Ωより小さいものを絶縁性なしとし、×を記載することとした。
【0063】
(冷熱試験による耐久性評価)
実施例1、2で得られた円筒体を800℃に加熱した。この状態で、各円筒体を常温の金属厚板に載置し、自然冷却で150℃まで5分で降温させた。その後、各円筒体を回収し、絶縁層の状況を目視で観察し、クラックが発生していないか、剥離が発生していないかを調べた。結果を表1に示す。表1では、剥離、クラック等の不都合が発生していないものに対し、○を記載し、剥離、クラック等の不都合が発生したものに対し、×を記載した。
【0064】
【表1】
【0065】
上記表1に示すように、実施例1及び実施例2に係る円筒体では、形成した絶縁層は、良好な絶縁性を示すとともに、冷熱試験後に剥離、クラック等は観察されず、図1に示した形状の内管34の形状であっても、問題なく、絶縁性、耐久性に優れた絶縁層を形成することができることが判明した。
【符号の説明】
【0066】
10 電気加熱式触媒コンバータ
20 触媒担体
30 ケース
31 外管
34 内管
34a 第1湾曲部
34b 第2湾曲部
36 絶縁層
40 マット
図1
図2