説明

排気浄化装置

【課題】担体との間で発生する応力による剥離を防止可能な電極を具備する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】触媒が担持される担体20と、担体20の外周部に設けられる電極30・30と、を具備する排気浄化装置1であって、電極30・30は、担体20の外周部に形成される皮膜状の下地層31と、下地層31に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔32・32・・・と、下地層31及び金属箔32・32・・・を覆うように形成されて金属箔32・32・・・を固定する皮膜状の固定層33と、を具備し、下地層31は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部31a・31a・・・を有し、溝部31aは、金属箔32の形状と合うように形成され、金属箔32は、溝部31aに金属箔32の表面と下地層31の表面とが一致するように嵌め込まれ、固定層33は、一定の厚みで形成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気浄化装置に関し、特に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に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、自動車等には、エンジンから排出される排気ガスを浄化するために、排気経路上に排気浄化装置が設けられている。
【0003】
上記のような排気浄化装置としては、白金、又はパラジウム等の触媒が担持され、SiC(炭化ケイ素)等のセラミックスからなるハニカム構造の担体と、当該担体と電気的に接続され、その外周面に互いに対向するように設けられた一対の電極とを具備する通電加熱式触媒(Electrically Heated Catalyst:EHC)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
EHCにおいては、電源を用いて一対の電極間で担体を通電加熱することにより、担体に担持された触媒を活性温度まで昇温して、エンジンから排出されて担体を通過する排気ガス中のHC(未燃炭化水素)、CO(一酸化炭素)、及びNOx(窒素酸化物)等の有害物質を触媒反応により浄化する。
【0004】
EHCの電極には、溶射により担体の外周面に皮膜状に形成されるものがある。このような電極は、高温熱サイクルの使用環境下において、担体との熱膨張率差に基づいて生じる応力によって亀裂が発生し、担体から剥離する等の問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第3334897号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、担体との間で発生する応力による剥離を防止可能な電極を具備する排気浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の排気浄化装置は、触媒が担持される担体と、前記担体の外周部に設けられる一対の電極と、を具備し、前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、前記電極は、前記担体の外周部に形成される皮膜状の下地層と、前記下地層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、前記下地層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、前記下地層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記下地層の表面とが一致するように嵌め込まれ、前記固定層は、一定の厚みで形成される。
【0008】
本発明の排気浄化装置は、触媒が担持される担体と、前記担体の外周部に設けられる一対の電極と、を具備し、前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、前記担体の外周面には、前記担体の酸化を防止する保護層が形成され、前記電極は、前記保護層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、前記保護層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、前記保護層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記保護層の表面とが一致するように嵌め込まれ、前記固定層は、一定の厚みで形成される。
【0009】
本発明の排気浄化装置において、前記電極は、Ni−Cr合金、Ni−Cr−Al合金、Ni−Cr−Al−Y合金、Co−Ni−Cr合金、Co−Ni−Cr−Al−Y合金、Fe−Cr−Al合金、Fe−Cr−Al−Y合金からなる群から選択される一種の合金を含むと共に、グラファイトを含むことが好ましい。
【0010】
本発明の排気浄化装置において、前記電極は、酸化による電気抵抗の上昇が生じない程度の時間及び温度で加熱されることが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、電極と担体との間で発生する応力を抑制可能となる。したがって、電極における亀裂の発生を抑制し、電極が担体から剥離することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明に係る排気浄化装置を示す図。
【図2】電極を示す断面図。
【図3】電極の別形態を示す断面図。
【図4】電極を1時間加熱した場合における、加熱温度と引き剥がし荷重との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下では、図1〜図3を参照して、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態である排気浄化装置1について説明する。
排気浄化装置1は、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通電加熱式触媒(Electrically Heated Catalyst:EHC)である。
【0014】
図1に示すように、排気浄化装置1は、外装をなす中空のケース10と、ケース10の内部に収納された担体20と、担体20の外周部に設けられた一対の電極30・30とを具備する。
【0015】
ケース10は、排気浄化装置1の外装をなすと共に、エンジンから排出される排気ガスが流動する排気管の一部をなす中空の部材である。
【0016】
担体20は、導電性を有するSiC(炭化ケイ素)からなるハニカム構造の多孔質部材であり、白金、又はパラジウム等の触媒が担持されている。担体20は、円筒状に形成され、エンジンから排出される排気ガスが担体20の内部を軸方向に沿って通過するようにケース10の内部に配置されている。なお、ケース10の内周面と担体20の外周面との間には、担体20の位置ずれを防止すると共に、ケース10の内周面と担体20の外周面との間の隙間をシールするための保持部材(不図示)が設けられている。
また、担体20の外周面には、担体20の変質を防止するための保護層21が形成されている。
【0017】
保護層21は、酸化したSiC(炭化ケイ素)のペーストを担体20の外周面に塗工することによって形成され、高温化における担体20の酸化を防止する。
【0018】
電極30・30は、担体20の外周部(詳細には、保護層21上)に互いに独立して形成され、担体20に電流を流して加熱するための一対の電極である。電極30・30は、それぞれ担体20の周方向における所定範囲において、互いに対向した状態で担体20の軸方向における両端部に亘って設けられている。
電極30・30には、それぞれ端子(不図示)が電気的に接続されており、当該一対の端子によってケース10の外部に設けられたバッテリ等の電源からの電力供給が可能となっている。なお、電極30・30のいずれがプラス側、又はマイナス側の電極となるかを問わず、電流の流れる方向は限定しない。
【0019】
図1及び図2に示すように、電極30は、担体20の保護層21上に形成された下地層31と、下地層31に埋め込まれるように設けられた複数の金属箔32・32・・・と、下地層31及び複数の金属箔32・32・・・を覆うように形成された固定層33とを具備する。
【0020】
下地層31は、主としてNi−Cr合金、Ni−Cr−Al合金、Ni−Cr−Al−Y合金、Co−Ni−Cr合金、Co−Ni−Cr−Al−Y合金、Fe−Cr−Al合金、Fe−Cr−Al−Y合金からなる群から選択される一種の合金から構成され、グラファイトが所定量含まれている。
ここで、グラファイトは、上記の合金と比較して、極めて小さい熱膨張率を有する。そのため、グラファイトが含まれる下地層31の熱膨張率は、比較的小さくなっている。したがって、下地層31の熱膨張率と担体20の熱膨張率との差を小さくして、当該差に基づいて生じる応力を緩和することができる。
また、グラファイトは、上記の合金と比較して、極めて小さいヤング率を有する。そのため、グラファイトが含まれる下地層31の見かけのヤング率は、比較的小さくなっている。したがって、下地層31に緩衝機能を持たせ、下地層31の熱膨張率と担体20の熱膨張率との差に基づいて生じる応力を緩和することができる。
【0021】
下地層31は、溶射によって担体20の保護層21上に皮膜状に形成されている。下地層31は、担体20の周方向における所定範囲において、担体20の軸方向における両端部に亘って形成されている。
下地層31には、複数の金属箔32・32・・・を設置するための複数の溝部31a・31a・・・が形成されている。
【0022】
溝部31aは、下地層31の表面が窪んだ溝状に形成されている。溝部31aは、下地層31における担体20の周方向に沿った方向全域に亘って形成され、担体20の軸方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数配置されている。溝部31aの深さ(図2における上下方向の長さ)は、下地層31の厚み(図2における上下方向の長さ)と同一に設定されている。つまり、下地層31の厚み方向全域に亘って溝部31aが形成されている。また、溝部31aは、金属箔32の寸法と同程度の寸法に設定され、金属箔32の形状と合うように形成されている。こうして、溝部31aに金属箔32が嵌め込み可能となっている。なお、溝部31aは、保護層21上に形成された下地層31に対して機械加工を行うこと、又は溶射によって下地層31を形成する際に、保護層21上にマスキングを設けておくこと等によって形成することが可能である。
【0023】
金属箔32は、Fe−Cr合金等の金属からなる薄板である。金属箔32は、溝部31aの寸法と同程度の寸法に設定され、溝部31aの形状と合うように形成されており、下地層31の溝部31aに嵌め込まれている。つまり、金属箔32は、担体20の保護層21上において、担体20の周方向における下地層31が形成された範囲全域に亘って延出され、担体20の軸方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数配置されている。
【0024】
固定層33は、下地層31と同様に、主としてNi−Cr合金、Ni−Cr−Al合金、Ni−Cr−Al−Y合金、Co−Ni−Cr合金、Co−Ni−Cr−Al−Y合金、Fe−Cr−Al合金、Fe−Cr−Al−Y合金からなる群から選択される一種の合金から構成され、グラファイトが所定量含まれている。
ただし、固定層33に含まれるグラファイトの量は、下地層31に含まれるグラファイトの量以下に設定されている。そのため、固定層33の熱膨張率は、下地層31の熱膨張率以上の値となっている。また、固定層33の熱膨張率は、金属箔32の熱膨張率よりも小さく設定されている。
これにより、下地層31、金属箔32、及び固定層33それぞれの熱膨張率同士の差を小さくして、それらの熱膨張率の差に基づいて生じる応力を緩和することができる。
また、固定層33のヤング率は、下地層31のヤング率以上の値となっている。
これにより、固定層33によって金属箔32が良好に固定され、金属箔32の剥離を抑制することができる。
【0025】
固定層33は、溶射によって下地層31及び金属箔32を覆うように皮膜状に形成され、金属箔32を下地層31の溝部31aから脱離しないように固定している。固定層33は、下地層31の表面全域を覆うように、担体20の周方向における下地層31が設けられた範囲において、担体20の軸方向における両端部に亘って形成されている。
前述のように、下地層31の厚みと溝部31aの深さとが同一に設定されると共に、溝部31aの寸法と金属箔32の寸法とが同程度に設定されているため、下地層31の表面と金属箔32の表面とが一致し、固定層33が一定の厚み(図2における上下方向の長さ)で形成されることとなる。
【0026】
以上のように、排気浄化装置1の電極30においては、担体20の保護層21上に下地層31が形成され、下地層31に形成された複数の溝部31a・31a・・・にそれぞれ複数の金属箔32・32・・・が設置され、下地層31及び金属箔32・32・・・を覆うように固定層33が形成されている。
これにより、固定層33を一定の厚みで形成することが可能となり、延いては電極30を一定の厚みで形成することが可能となる。したがって、電極30が段差を有して一定の厚みで形成されていない場合と比較して、当該段差に起因する、電極30の一部分への応力集中を抑制でき、電極30における亀裂の発生を抑制することができる。更に、金属箔32・32・・・を固定する固定層33の厚みが一定のため、固定層33が部分的に薄くなることなく、良好に金属箔32・32・・・を固定することが可能となる。したがって、金属箔32・32・・・の剥離を防止することができる。
【0027】
また、金属箔32を固定する固定層33を一定の厚みで形成することができれば、電極30を以下のように構成することも可能である。
図3に示すように、別形態としての電極30は、下地層31を具備せず、担体20の保護層21には下地層31の溝部31aと略同様に構成された溝部21aが形成されており、溝部21aには金属箔32が嵌め込まれて、保護層21及び金属箔32を覆うように固定層33が形成されている。
溝部21aは、保護層21における担体20の周方向に沿った方向全域に亘って形成され、担体20の軸方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数配置されている。溝部21aの深さ(図3における上下方向の長さ)は、保護層21の厚み(図3における上下方向の長さ)と同一に設定されている。つまり、保護層21の厚み方向全域に亘って溝部21aが形成されている。また、溝部21aは、金属箔32の寸法と同程度の寸法に設定され、金属箔32の形状と合うように形成されている。こうして、溝部21aに金属箔32が嵌め込み可能となっている。なお、溝部21aは、保護層21に対して機械加工を行うこと、又は溝部21aを有する保護層21が形成されるように担体20を押出成形すること等によって形成することが可能である。
このような電極30においては、溶射皮膜が固定層33のみのため、溶射が一工程となって、電極30の作製に要する時間及びコストを低減することができる。
【0028】
更に、電極30は、所定の熱処理が施されている。
以下では、図4を参照して、電極30に施される熱処理について説明する。
【0029】
図4に示すように、電極30を1時間加熱した場合、当該加熱温度が700〜1000℃であれば、電極30を担体20から引き剥がすのに要する荷重(以下、単に「引き剥がし荷重」と記す)が大幅に増加する、つまり電極30を担体20から引き剥がすことが困難となる。
なお、図4は、電極30を1時間加熱した場合における、加熱温度[℃]と引き剥がし荷重[gf]との関係を示す図である。
ここで、引き剥がし荷重は、電極30における一つの金属箔32に対して、担体20の表面と垂直に離間する方向に荷重を加えた場合に、金属箔32が剥離するのに要する荷重である。
【0030】
このように、電極30に対して熱処理を施すことにより、電極30の強度(詳細には、下地層31及び固定層33の強度)を向上させることができる。したがって、電極30が担体20から剥離することを防止できる。ただし、電極30の加熱温度は、700〜1000℃であることが好ましく、電極30の加熱時間は、電極30が酸化して電気抵抗が上昇しない程度に設定され、1〜5時間であることが好ましい。
ここで、電極30の熱処理による強度の向上は、下地層31及び固定層33における粒子間での原子の擬拡散現象が関係していると推定される。詳細には、下地層31及び固定層33において、グラファイトのC(カーボン)と、Cr(クロム)とが結合し、クロムカーバイドが生成されることによって、電極30の強度が向上するものと推定される。
なお、電極30を加熱する手段は、限定するものではなく、電気炉等の加熱設備を適用することが可能である。また、プラズマ溶射によって下地層31及び固定層33を形成した後、溶射材の供給のみを停止し、プラズマにより電極30を加熱することも可能である。斯かる場合、溶射と加熱とを連続的に行うことができるため、電極30の作製に要する時間及びコストを低減することができる。
【符号の説明】
【0031】
1 排気浄化装置
10 ケース
20 担体
21 保護層
30 電極
31 下地層
31a 溝部
32 金属箔
33 固定層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
触媒が担持される担体と、
前記担体の外周部に設けられる一対の電極と、を具備し、
前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、
前記電極は、
前記担体の外周部に形成される皮膜状の下地層と、
前記下地層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、
前記下地層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、
前記下地層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、
前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、
前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記下地層の表面とが一致するように嵌め込まれ、
前記固定層は、一定の厚みで形成される排気浄化装置。
【請求項2】
触媒が担持される担体と、
前記担体の外周部に設けられる一対の電極と、を具備し、
前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、
前記担体の外周面には、前記担体の酸化を防止する保護層が形成され、
前記電極は、
前記保護層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、
前記保護層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、
前記保護層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、
前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、
前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記保護層の表面とが一致するように嵌め込まれ、
前記固定層は、一定の厚みで形成される排気浄化装置。
【請求項3】
前記電極は、Ni−Cr合金、Ni−Cr−Al合金、Ni−Cr−Al−Y合金、Co−Ni−Cr合金、Co−Ni−Cr−Al−Y合金、Fe−Cr−Al合金、Fe−Cr−Al−Y合金からなる群から選択される一種の合金を含むと共に、グラファイトを含む請求項1又は請求項2に記載の排気浄化装置。
【請求項4】
前記電極は、酸化による電気抵抗の上昇が生じない程度の時間及び温度で加熱される請求項3に記載の排気浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−125669(P2012−125669A)
【公開日】平成24年7月5日(2012.7.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−277277(P2010−277277)
【出願日】平成22年12月13日(2010.12.13)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】