JP2005518267A - ガス流を処理するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスの組成の変換を生じさせるようになっている少なくとも１つの本体（３）を備えた、ガス流を処理するための装置に関する。本発明は、前記本体（３）が、異なる内部構造を備えた複数の部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）を備えたモジュラー構造体を有し、これら内部構造によってガスが前記部分を通過するように流れることができ、本装置の作動中にガスの少なくとも一部が異なる内部構造を有する少なくとも２つの前記部分を通過して流れるように、前記部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）が配置されていることを特徴とする。

Description

本発明は、一般的にはガス流を処理するための装置に関し、特に本発明は内燃機関から出る排ガスを触媒で浄化するための装置に関する。

例えば、内燃機関または工業的プロセスから生じる排ガスは潜在的に有害な化合物、例えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）および粒子を一般に含む。かかる化合物は環境に放出される有害な化合物の量を低減するために無害または少なくとも危険性の低い化合物に変換しなければならない。一般に排ガスに対してある種の触媒処理および／またはフィルタ（ろ過）プロセスを行う。

これに関連し、当該ほとんどの変換では温度は重要な要素である。多くの重要な変換反応を行うにはかなり高い温度が必要である。触媒、例えば白金族からの金属類または金属酸化物を使用することにより、触媒を使用しない場合よりもより低い温度で、かつ満足できる反応レートで有害な化合物を変換することが可能となる。しかしながら、高い反応レートは温度が十分である場合、すなわち触媒反応レートがかなりの速度となるいわゆるライトオフ温度よりも高い場合しか得られない。このライトオフ温度は通常、２００〜４００℃の範囲内にある。ライトオフ温度に達しない場合、または変換が停止するよう、温度がライトオフ温度よりも下回る場合、有害な化合物はほとんど変換されない。これらのことは、例えばエンジンの冷間始動（同様に低温の触媒装置）およびディーゼルエンジンから生じるような「低温」の排ガスに関連して生じる周知の問題となっている。

更に浄化装置を再生するには温度はさらに重要である。例えば触媒装置から不純物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）を燃焼させるか、または除去することにより、捕獲された粒子を除去するのに更に重要である。かかるプロセスを周期的とすることができ、所定の時間の間、約６００℃まで温度が上昇することになる。浄化装置が過度の高温にさらされた場合、浄化装置は通常劣化するので、超えてはならない温度の上限がある。従って、良好な変換を達成するための正常な稼働時および再生プロセスの双方においては、温度だけでなく温度の制御も重要な要素である。

別の重要な特徴は、装置のガス流抵抗を克服するためにエネルギーが必要な場合に、本浄化装置で圧力が低下することである。例えば自動車エンジン用の浄化装置で、圧力が大きく低下する結果、燃費が大きくなり得る。

例えば米国特許第３，８８５，９７７号明細書（特許文献１）に開示されているような触媒コンバータの従来の物理的な構造体は平行で、かつ開口したチャンネルを備えたセラミック製ハニカム構造のモノリスである。このハニカムチャンネルの壁には触媒材料がデポジットされており、ガス流がチャンネルの一端から他端に流れる際、触媒変換が生じる。このタイプの構造体は一般に、装置の温度がライトオフ温度よりも高いことを条件に良好に働く。しかしながら、冷間始動状況では変換が行われることなく、有害な化合物がチャンネルを通過して流れることを避けるのは難しい。

冷間始動中に放出される有害な化合物の量を低減するために、周知の技術として吸着トラップを使用する技術がある。すなわち触媒がライトオフ温度に達するまで、低温の炭化水素および／または窒素酸化物を吸収し、保持する材料を触媒とは別にデポジットする技術がある。この技術は例えば国際公開第９５／１８２９２号パンフレット（特許文献２）に開示されている。上記従来の物理的構造体に実施するときのこの技術の問題は、ほとんどの化合物の脱離温度が変換に必要な温度よりも一般に低いということである。従って、かなりの量の有害な化合物が変換されることなくチャンネルを通過して流れる。

低温コンバータによるこの問題を解決する別の解決方法として、例えば国際公開第９２／１４９１２号パンフレット（特許文献３）に開示されているように、電気加熱を導入する方法がある。しかしながら、加熱を十分高速にすることは困難であり、部品およびエネルギーのコストが高くなる。この種の電気加熱には安全上の危険性（感電、発火）もある。

上記記載から、改良されたガス処理装置に対するニーズがあることは明らかである。
米国特許第３，８８５，９７７号明細書 国際公開第９５／１８２９２号パンフレット 国際公開第９２／１４９１２号パンフレット

本発明の目的は、従来技術と比較してガスをより効率的に変換する、ガス流を処理するための装置を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載された技術的特徴によって達成される。その後の請求項は本発明の有利な実施形態、別の変形例および変更例を含む。
本発明の基本的アイデアはモジュラー構造体にある。すなわち複数の異なる部分を１つのユニットに接合する概念であり、個々の部分および本体を構成する他の部品を効率的に製造することにより、製造プロセスだけでなく組み立てられた構造体の性能でも有利な効果を得ることができる。

本発明は、ガスの組成の変換を生じさせるようになっている少なくとも１つの本体を備えた、ガス流を処理するための装置に関する。本発明は、前記本体が、異なる内部構造を備えた複数の部分を備えたモジュラー構造体を有し、これら内部構造によってガスが部分を通過するように流れることができ、本装置の作動中にガスの少なくとも一部が異なる内部構造を有する少なくとも２つの部分を通過して流れるように、前記部分が配置されていることを特徴とする。すなわち、本体はガスが異なるタイプの部分を通って本体を通過するように配置されている。１つのタイプの内部構造だけから構成される従来の構造と対照的に、本発明のモジュラー構造によって数個の異なるタイプの構造の有利な特性を組み合わせ、かつ本体を多くの異なる態様で組み立てることが可能となる。更に本発明により、所定の目的のために設計された所定の部分に所定の技術的な主要な機能を割り当て、すなわち所定の機能に対して個々の部分の技術的な特性が特に適すように個々の部分を設計するよう本体を構成することが可能となる。例えば所定のタイプの部分は変換の目的に適すが、機械的な安定性が不良であったり、または流れ抵抗が大きいという問題があったり、また、正しく作動させるために所定のガス流の分配が必要となることがある。かかるタイプの部分と他の１つまたは数個の他のタイプの部分とを組み合わせて１つの本体にすることにより、個々のタイプの部分に関連する欠点を解消することが可能となる。更にあるタイプの部分の構造は本体の入口の近くで変換するのにより好ましいが、他のタイプの部分構造ではガスの組成およびあるケースでは温度が異なる本体の出口の近くのほうが変換を行うのにより好ましくなることがある。従って、本発明に従って構成される本体を使用し、ガス処理装置内での変換効率を高めることができる。複数の部分を分離後、別々に処理するので、本発明のモジュラー構造は使用済みガスの処理装置の排気処理でも有利である。例えばある部分は再生すべき触媒材料のような化学的要素を含むことができ、他方、別の部分を捨て、別の構造で再使用することもできる。

本発明の有利な第１実施形態では、前記部分のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの所定の方向に実質的に変化しない横断面を有し、好ましくは複数の前記部分は、少なくとも１つの所定の方向に実質的に変化しない横断面を有する。この特徴部の有利な効果は、金属材料およびセラミック材料の双方に適した費用効果の高い製造方法である押し出し手段により部分を製造できるということである。

本発明の有利な第２実施形態では、前記部分は実質的にセラミック材料から製造されており、好ましくは焼結により前記部分は一体に接合されており、好ましくは本体は、実質的にセラミック材料から製造されている。正しく選択されたセラミック材料は金属と比較して材料のコストが低く、製造コストが低く、熱膨張率も小さく、洗浄−被覆付着性も良好であり、壁の容積当たりの熱質量もより小さいので、好ましい構造が得られる。セラミック材料から製造された構造体は排ガス流の苛酷な環境内でも劣化しにくい。

本発明の有利な第３実施形態では、互いに本質的に平行に延びる複数のガス流通路が設けられた少なくとも１つの第１部分を前記本体が含む。かかる構造によってガスと本体の広い表面とを接触させることができ、このことはほとんどのタイプのガス処理で有利である。

本発明の有利な第４実施形態では、本体は少なくとも１つの第２部分を備え、この第２部分にも互いに本質的に平行に延びる複数のガス流通路が設けられ、横断面の単位面積当たりのガス流通路の数は第１部分と第２部分との間で異なっている。従って、単位面積当たりの通路の数が比較的少ない、すなわち流れ抵抗が小さく、かつ機械的安定性が大きい部分の利点と共に、ガスと本体表面（すなわち通路を分離する壁）との間の距離が短いことに起因し、単位面積当たりの通路の数が多い、すなわち熱伝達レートおよび質量伝達レートが大きい部分の利点を利用することができる。第１部分において、ガス流通路を構成する壁の少なくとも一部が第２部分におけるガス流通路を構成する壁の少なくとも一部の延長部を形成するように、前記第１部分および第２部分が配置されていることが好ましい。かかる配置によって構造体の機械的安定性が高まり、特に壁が一体に焼結されている場合、作動中の壁の摩耗が少なくなる。

本発明の有利な第５実施形態では、本体は隣接するガス流通路におけるガス流の間の熱交換を可能にするようになっている。このような特徴により、ガス内の熱をより効率的に利用することが可能となっており、このことはガス処理装置のほとんどの作動条件下で利点となっている。上記のような触媒のライトオフ温度よりも温度が下回るように、流入ガス流が比較的低温である場合、熱経済性が良好であることが特に重要である。好ましくは、本装置の作動中、１つのガス流通路内のガス流の主要な方向が隣接するガス流通路内のガス流の主要な方向と本質的に逆になるよう、本装置が構成されている。よって最高の効率で向流式熱交換プロセスを実施できる。

本発明の有利な第６実施形態では、前記ガス流通路は流入ガス流用の入口通路および流出ガス用の出口通路を形成し、前記入口通路から前記逆流ゾーンに進入するガスが方向を変え、前記出口通路を通って戻るように流れることができるよう、前記第１部分に関連して逆流ゾーンが配置されている。このような配置は簡単で、向流式熱交換を可能とする。さらにこの配置により、冷間始動状態の間、前記本体の残りが前記触媒のライトオフ温度に到達するまで化合物を逆流ゾーンの中、もしくは近くで吸着できるようになる。

本発明の有利な第７実施形態では、流入ガス流の入口のための少なくとも１つの第１開口部が設けられた少なくとも１つの第２部分を前記本体が備え、前記第２部分が少なくとも１つの第１部分に関連して配置されており、前記第２部分が流入ガス流を前記入口通路に分配するようになっている。前記第２部分に流出ガス流の出口のための少なくとも１つの第２開口部が設けられており、前記第２部分が前記出口通路から流出ガス流を導くようになっている。かかる配置によってガス流が適正に分配し、本装置をコンパクトな構造にすることが可能となる。更に、第２部分での熱交換を実行することができる。

本発明の有利な第８実施形態では、前記第２部分は壁構造体を備え、該壁構造体は、流入ガス流を供給される少なくとも１つの第１チャンネルと、前記第１チャンネルから延び、前記入口通路に対して開口する複数の第２チャンネルとを形成する。これによって構造を簡単にし、流入ガス流の分配を良好にすることが可能となる。前記第１チャンネルはガス流通路に対して閉じていることが好ましい。よって、流入ガス流が強制的に第２チャンネルを通過するように流され、これによって個々の入口通路内のガス流の分配が均一となる。別の改善例では、前記壁構造体は前記出口通路に対して開口した複数の第３チャンネルを形成しており、好ましくは共通壁を使って前記第２チャンネル（３０）の間に前記第３チャンネルが形成されている。このことは、第２部分でも熱交換が生じ、追加壁が不要である場合に、ガスを外に導く有利な方法である。

本発明の有利な第９実施形態では、前記第２部分はチャンネルの第１の組および第２の組を形成するジグザグ形状の壁構造体を備え、前記チャンネルの１つの組が前記ジグザグ形状の構造体の各側面に設けられており、前記チャンネルの第１の組が入口通路に対して開口し、前記チャンネルの第２の組が出口通路に対して開口しており、前記チャンネルの第１の組に対して流入ガス流が供給される。このデザインによっても構造を簡単にし、流入ガス流の分配を良好にすることができ、第２部分でも熱交換を行うことができる。

本発明の有利な第１０実施形態では、前記第１部分は前記ガス流通路に対して実質的に平行に延びる内側キャビティを備え、前記内側キャビティのまわりに前記ガス流通路が分配されている。前記第２部分は内側キャビティを備え、本装置の作動中に前記キャビティを通ってガスが流れるように、少なくとも１つの第１開口部または第２開口部が前記キャビティに向いていることが好ましい。前記本体は実質的に円筒形の形状となっており、前記本体は円筒形の一般的形状を有し、前記本体は前記本体の長手方向に延びる内側キャビティを備え、本装置は本装置の作動中前記内側キャビティーを介して本体に流入ガスが進入または本体から流出ガスが出るように配置されていることが好ましい。本段落の前で説明したタイプの部分を使ってかかる本体を容易に構成することが可能である。このデザインの有利な効果は装置に必要な空間が小さくてすむということである。特に自動車の排ガス浄化用途における別の利点として、長手方向軸線を排気パイプと直線状にできる、細くて長い物理的形状に本装置を製造できるということが挙げられる。内部キャビティのまわりに、および／または本体の長手方向軸線に沿ってガス流の通路を分配することにより、このデザインによって圧力低下を小さくし、パッキングの特性を好ましいものにすることができる。

本発明の有利な第１１実施形態では、前記本体はガス流を透過する壁の設けられた少なくとも１つの第３部分を備え、前記第３部分は主にガスから粒子を除去するようになっている。よって本装置をフィルタ目的のために使用することができ、このことは例えばディーゼルエンジンから生じる排ガスを浄化するのに重要である。好ましくは、前記第３部分は前記第１部分と逆流チャンバとの間に配置されており、前記透過性壁は前記第１部分において前記ガス流通路の延長部を本質的に定め、本装置の作動中、前記透過性壁を通過するようにガスを強制的に流すよう、前記逆流チャンバに対して前記出口通路が閉じている。かかるデザインはいくつかの有利な効果を有する。すなわち構造が比較的簡単であり、有効なフィルタ容積を占める代わりに、灰およびススが逆流チャンバ内に累積される。本発明の熱交換特性と組み合わせて、本方法に関係する熱を予熱用に利用できるので、フィルタの再生を極めて効率的に実行できる。更に第１部分および第２部分と同じように、押し出し手段によって第３部分を製造できる。

次に図面を参照し、本発明についてより詳細に説明する。
図１は本発明の有利な第１実施形態を略図で示す。２つの第１部分２７と２つの第２部分２６とが、本体３を形成するように一体に接合されている。これら第１部分２７および第２部分２６の双方には互いに本質的に平行に延びる複数のガス流通路１１が設けられている。横断面の単位面積当たりのガス流通路１１の数は第１部分２７と比較して第２部分２６のほうが４倍多くなっている。従って、第２部分２６において、ガス流通路１１を構成する壁部分は第１部分においてガス流通路１１を構成するすべての壁の延長部を形成している。内部構造をより明瞭に示すため、図からは本体３の一部が省略されている。装置が作動する間、ガスは図の拡大部分における矢印が表示するように、本体３を通過するように流れ、よって本体３に進入するガスは、横断面の単位面積当たりの数が少ないガス流通路１１と数の多いガス流通路１１とを交互に通過する。ガスに接触する本体３の表面は触媒材料で被覆することが好ましい。用途によっては前記表面に吸着剤／脱着剤を塗布してもよい。

通常、横断面の単位面積当たりの流通路（またはチャンネル）の数はチャンネル密度と称し、このチャンネル密度はｃｐｓｉ（平方インチ当たりのチャンネル数）で通常表記される。自動車の排ガス浄化に関する応用例では、チャンネル密度の代表的な値は４００ｃｐｓｉであるが、より最近の応用例では、６００および９００ｃｐｓｉのチャンネル密度も使用されている。したがって、本発明の第１実施形態の略図だけを示す図１内の部分は、例えば２００ｃｐｓｉ（第１部分２７）および８００ｃｐｓｉ（第２部分２６）に対応できる。

大きいチャンネル密度を利用する一般的な利点は、ガスと本体の表面（すなわちチャンネル／通路１１を分離する壁）との間の距離がより短くなり、これによって熱伝達レートおよび質量伝達レートが大きくなることである。小さい本体容積内で効率的な変換を行うことが重要であるような流量の大きい状況で、特に質量伝達レートが大きいことが重要である。特に大きいチャンネル密度により本体３の全体の熱質量が減少するような場合、急速にライトオフ温度に到達する上で熱伝達レートが大きいことが特に重要である。チャンネル密度が大きいことによって、チャンネル壁をより薄くすることができるが、壁の数が同時に増加する場合、このことは本体３の熱質量を必ずしも小さくすることにはならない。

大きいチャネル密度を使用する上での一般的な欠点は、流れ抵抗が大きくなることであり、本体の総容積を減少することによってその一部しか補償できない。流れ抵抗が大きいことによって、本体をより広く、かつ短い形状にする必要がある。すなわちチャンネル密度が増加する場合、（ガス流の方向に垂直な）本体の直径を大きくし、（ガス流の方向に平行な）本体の長さを短くする必要がある。かかる本体の形状は、特に壁がより薄く製造されている場合、機械的安定性が低いという問題を有する。

図１に略図で示されるように、本体３を構成することにより、小さいセル密度と大きいセル密度の有利な特性を組み合わせることができる。第２部分２６には横断面の単位面積当たりの数が多いガス流通路１１が設けられているので、この第２部分は高い質量伝達レートおよび熱伝達レートと共に効率的な変換および短時間でのライトオフに寄与する。第１部分２７には横断面の単位面積当たりの数が比較的少ないガス流通路１１が設けられており、これによってガスの変換に寄与し、かつ機械的安定性にも寄与する。前記第１部分２７と第２位部分２６とを交互に組み合わせることによって、大きいセル密度の利点を利用すると同時に妥当な低いレベルに流れ抵抗性を維持し、高い機械的安定性を得るために本体３を比較的長く、かつ細い形状にすることが可能である。

図１に示されるように、第２部分２６内にガス流通路１１を構成する壁は、ライトオフ温度に達するまでの時間を更に短縮するよう、第１部分２７の壁よりも薄くされている。これら部分を一体に接合することにより、第１部分２７がこの構造体を安定化するので、第２部分２６における壁を極めて薄くすることができる。このことは特に、壁を含む部分がセラミック材料から製造され、一体となるように焼結されている場合に特に当てはまる。第１部分２７における比較的厚い壁は熱を蓄積するのに有効である。しかしながら、異なる部分における壁が同じ厚みである場合でも、本発明の有利な効果を利用することができる。

図１から判るように、これら部分は（紙面を下方に通過する）ガス流の主要方向に対応する方向に横断面が実質的に変化しない。したがって、金属およびセラミック材料の双方に適した押し出し手段により、個々の部分を製造し、押し出し作業の後、これら部分を一体に接合することが可能である。金属部分はハンダ付けにより接合することが好ましく、他方、セラミック部分は一体に焼結することが好ましい。セラミック材料を使用する利点については既に説明したとおりである。

図２〜図９には本発明の有利な第２実施形態が示されている。この実施形態では、本体は隣接するガス流通路におけるガス流の間の熱交換を実行するようになっている。図２は１つの第２部分２６と、２つの第１部分２７と、逆流チャンバ１３の形状をした逆流ゾーンを備えた２つの逆流部分とを含む本体３の構造を分解斜視図で示している。各第１部分２７には複数のガス流通路１１が設けられており、更にこれらガス流通路１１を構成する薄い壁と比較して比較的厚い支持壁３３が設けられており、該支持壁は第１部分２７を多数の部分に分割している。本体３は円筒形となっており、本体の長手方向に延びる内側キャビティ２０を備える。流入ガス流は内側キャビティ２０を介して本体３内に供給され、流出ガス流はキャビティ２０の周辺を通って本体３を離れるようになっている。これら流れのプロセスについては更に後述する。ｉ）第１部分２７が主にガスの組成の変換を生じさせ、かつ熱交換プロセスを可能にするようになっている点、ｉｉ）第２部分２６が主に第１部分２７の内外にガスを分配させるようになっている点、ｉｉｉ）逆流部分が主にガスの方向を変え、別の流れ通路を介してガスを戻すように流すことにより、向流式流れシステムを形成するようになっている点で内側構造体およびそれらの技術的性質は、異なる部分の間で異なっている。

図３は、本体３が一体に接合されている２つのサブ本体を構成し、各サブ本体が図２の構造体を有する第２実施形態の変形例の断面略図を示している。本体３にはガスを本体３の内外に導くための周辺機器も設けられている。図４、図５、図６および図７は図３における断面図Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−ＣおよびＤ−Ｄをそれぞれ示している。第２部分２６の構造は図３には示されていないが、図４には示されている。

内側キャビティ２０への入口開口部４を通って本体３内に流入ガス流が供給される。入口開口部４の端部と反対の前記キャビティ２０の他端部２３は閉じられており、流入ガス流が各第２部分２６の第１開口部４’を強制的に通過させられるという効果を有する。図４から判るように、第２部分２６は（一例として）４つの第１チャンネル２９を形成する壁構造体から成り、第１チャンネル２９は第１開口部４’を介して内側キャビティ２０と連通し、これら第１チャンネル２９には流入ガス流が供給される。壁構造体は更に複数の第２チャンネル３０（図では一例として各方向に５つのチャンネルが設けられている）を形成する。これら第２チャンネルは前記第１チャンネル２９の各々から延びている。図５から判るように第１部分２７には複数のガス流通路１１ａ、１１ｂが設けられている。これら通路のうちのどの第２通路も流入ガス流のための入口通路１１ａを形成し、どの第２通路も流出ガス流のための出口通路１１ｂを形成する。前記第２チャンネル３０（図４）はガス流の入口通路１１ａに対して開口しているが、一方、前記第１チャンネル２９は支持壁３３の端部によってすべてのガス流通路１１ａ、１１ｂに対して閉じている。より薄い支持壁３３を使用し、本体の構成材料の量を少なくするためにブロック手段、例えば薄いプレートまたは通路の適当な部品を塞ぐことにより、第１チャンネル２９からガス流通路１１ａ、１１ｂへの直接通路を閉じることができる。第１開口部４’を通して第１チャンネル２９内に流入ガス流を供給する際に、ガスは第２チャンネル３０へ強制的に分配される。ガス流は第２チャンネル３０から入口通路１１ａへ供給される。更に、ガス流は入口通路１１ａを通って逆流チャンバ１３へ進入するので、ガス流は向きを変え、出口通路１１ｂを通って第２部分２６へ戻るように流れることができる。第２部分２６において、第１チャンネル２９および第２チャンネル３０を形成する壁構造体も共通壁を使って前記第２チャンネル３０の間に複数の（図では一例として各方向に５つのチャンネルが設けられている）第３チャンネル３２を形成している。前記第３チャンネル３２はガス流の出口通路１１ｂに対して開口している。前記第３チャンネル３２のうちの２つの組は共通する第４チャンネル３４に合流している。図４では、第２部分２６には一例として４つの第４チャンネル３４が設けられている。流出ガス流は出口通路１１ｂから前記第３チャンネル３２に進入し、前記第４チャンネル３４および本体３の周辺における出口チャンネル３５への第２開口部５’を介して第２部分２６を出る。入口開口部４の端部と反対の本体３の端部において、出口チャンネル３５は本体３からの流出ガス流の出口のための共通する出口開口部５に組み合わされている。

図６は逆流チャンバ１３を備えた部分の断面図を示す。変形例として、この逆流チャンバ１３は多数のセクタに分割できる。図６は内側キャビティ２０および出口チャンネル３５も示している。図７は、２つのサブ本体の間に位置する区切りプレート２４の断面図を示している。構造体を安定化するのにこれらプレート２４を使用できる。図３に示されている構造とは別の構造として、区切りプレート２４は２つの隣接するサブ本体の逆流チャンバ１３の端部部分を形成できる。

ガスを本体３に導くために内側キャビティ２０の他端部２３まで入口開口部４を通してパイプ（例えば排出パイプ）を挿入することが好ましい。第２部分２６の位置に対応する位置にて、パイプのまわりに開口部を設けることによってガスは第１開口部４’を通って第２部分に流入できる。本体３からガスを離れさせるように、出口開口部５を通して開口部が設けられたパイプを挿入することもできる。かかる挿入パイプを使って構造を安定化できる。

図８および図９は本発明の第２実施形態の別の変形例を示す。この変形例の原理は類似するが、第１部分と第２部分とは内側の形状が異なっている。図８は別の第２部分２６’の図３における断面図Ａ−Ａを示し、図９は別の第１部分２７’の図３における断面図Ｂ−Ｂを示す。図８を参照すると、第２部分２６’はチャンネルの第１の組４０およびチャンネルの第２の組４１を形成するジグザグ形状の壁構造体を備え、前記ジグザグ形状の構造体の各側面に１つの組が設けられている。チャンネルの第１の組４０は第１開口部４’を介して内側キャビティ２０に開口し、流入ガス流のためのガス流通路、すなわち入口通路１１ａに対して開口している。チャンネルの第２の組４１は流出ガス流用のガス流通路、すなわち出口通路１１ｂおよび出口チャンネル３５に対して開口している。ガス流通路１１ａ、１１ｂの外観は図９に示されており、ここではこれまで説明したのと同様に、どの第２通路も入口通路１１ａを形成し、どの第２通路も出口通路１１ｂを形成している。本発明のこの変形例では、ガスは上記と同じように流れる。すなわちガスは入口開口部４を介して内側キャビティ２０に進入し、第１開口部４’を介してチャンネルの第１の組４０に進入し、入口チャンネル１１ａを通って逆流チャンバ１３へ流れ、このチャンバ１３内で向きを変え、出口チャンネル１１ｂを通ってチャンネルの第２の組４１へ流れ、第２開口部５’を通って出口チャンネル３５に進む。

図３に例示したように、２つ以上のサブ本体を使用する利点は、流入ガス流をいくつかのより小さいガス流に分割し、これによって装置の効率を高め、構造内での圧力の低下を小さくすることができるということである。当然ながら、３つ以上のサブ本体を共に配置することもできる。また、他の配置も可能である。一例は、第２部分２６に隣接して１つだけの第１部分２７を配置し、それによって第２部分２６の反対側をブロックすることが挙げられる。このような配置を使って構造体の機械的安定性をより高くすることができる。別の例として、ガスが出口チャンネル３５を通って本体３に進入し、開口部４を通って本体３を出るようにガス流の方向を逆にすることが挙げられる。

図２〜図９から判るように、第１部分２７、２７’および第２部分２６、２６’の双方は、本体の長手方向に実質的に変化しない横断面を有する。このことは、これら部分は金属およびセラミック材料の双方に適した費用効果の高い製造方法である押し出し手段によってこれら部分を製造できるということを意味する。構造のすべての部分をセラミック材料から製造し、焼結手段により互いに接合することが好ましい。これによって、耐久性のある構造体が得られる。入口通路と出口通路との間の熱交換効果を得るために、通路を分離する壁を適度に薄くしなければならない。セラミック材料では壁の厚みを約０.１ｍｍにすると、ガスから壁への熱伝達と比較して壁を通る高速の熱伝達が得られる。適当なセラミック材料の一例としてコージュライトが挙げられる。

本発明の第２実施形態の更に改良した例（図２および図３）はガス内の粒子を除去するように装置を適応させたものである。図１０は第１部分２７と逆流チャンバ１３を形成する部分との間に配置された第３部分３６の原理を略図で示す。逆流チャンバ１３のデザインは上記説明に類似するが、本例では、この構造は後述するような別の機能を有する。第１部分２７および第３部分３６の双方には上記のようなガス流の入口通路および出口通路１１ａ、１１ｂが設けられている。プラグ３７は逆流チャンバ１３への出口通路１１ｂを閉じている。第３部分３６内の通路１１ａと１１ｂとの間の壁３９は、ガス流を透過でき、多孔性構造体となっており、この多孔性構造体をガスは通過できるが、（所定のサイズより大きい）粒子は通過できず、粒子の少なくとも一部は逆流チャンバ１３に堆積する。従って、これらガス透過性壁３９はフィルタとして働く。プラグ３７に起因し、逆流チャンバ１３には圧力が生じる。

従って、入口通路１１ａ内のガス流は強制的に第３部分３６内の壁３９を通過させられ、出口通路１１ｂに進入し、図１０内の矢印が示すように第１部分２７に戻される。フィルタプロセスは主に第１部分２７内で実行されるが、この部分内の透過性壁は熱交換特性を低下させる。いくらかの時間の後、フィルタ壁３９および逆流チャンバ１３はススを燃焼させることにより再生しなければならない。本発明の第２の実施形態の熱交換特性に起因し、流出ガスが第１部分２７内の流入ガスを予熱するという点で、このプロセスに関連する熱を効率的に利用することができる。このプロセスの補助として逆流チャンバ１３内に加熱コイルを設置できる。従来のセラミック粒子フィルタでは、スス燃焼プロセス中に生じる灰が有用なフィルタ容積を占めるフィルタチャンネル内に累積する。図１０によれば、その代わりに逆流チャンバ１３内に灰３８を少なくとも部分的に累積することができる。一部の用途では、ガス処理装置の使用期間中に灰３８を累積するのに、逆流チャンバ１３の容積は十分である。他のケースでは、通常の作動時に閉じている開口部のような空にする手段を逆流チャンバ１３に設けることが可能である。

図２および図３に示される第１部分２７と逆流チャンバ１３を形成する部分との間に、図１０に示された第３部分３６を容易に嵌め込みできるようになっている。更に第３部分３６の基本形状は第１部分２７の形状と同一であるが、内部構造は第３部分内の壁３９がガス流を透過できる点において本質的に異なっている。従って、第３部分３６は実質的に所定の方向に変化しない横断面を有するため、押し出し手段によって製造され、セラミック材料から成り、焼結により他のセラミック部分に接合される。押し出しプロセス中、またはその後、従来手段によりプラグ３７を配置できる。当然ながら、第３部分３６を図９に示される別の第１部分２７’と共に使用するようにできる。

灰累積逆流チャンバ１３を使用することも有利であるが、例えば入口通路１１ａを塞ぐか、または逆流チャンバ１３を区切りプレート２４に置換することにより、逆流チャンバ１３を用いることなく第３部分３６を使用することも可能である。

本発明の第２実施形態に従い、ガス流の処理の際に向流式熱交換を使用する利点として、熱を極めて効率的に利用できるということが挙げられる。流入ガスに含まれる熱量の他に、好ましくはガス流に接触している本体内の表面の少なくとも一部にコーティングされた触媒材料を使用することにより、本体内における発熱反応からガスに熱を供給してもよい。好ましくは逆流ゾーンに配置された熱発生器のような外部熱源により熱を供給してもよい。逆流チャンバ１３から第２開口部５’へ移動中の流出ガス流は、第１開口部４’から逆流チャンバ１３へ流入ガス流に多量の熱を伝達でき、供給された熱のうちごく少量が流出ガス流と共に本体３を離れ、廃棄される。温度が上記触媒のライトオフ温度より下回ることができるように流入ガス流が比較的低温の場合、熱の経済性が良好であることが特に重要である。この一例として、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化するために本装置を使用する場合を挙げることができる。

本発明の第２実施形態に係わる熱交換プロセスは、温度過渡状況、例えば冷間始動状況時の排ガス浄化の際にも極めて有効である。本発明のかかる応用例では、本体３にはガス流に接触する本体３の表面の少なくとも一部に塗布される触媒材料および吸着剤／脱着剤の双方を設けることが好ましい。前記吸着剤／脱着剤は第１温度以下で炭化水素および／または窒素酸化物を吸着し、次にこの第１温度よりも高い第２温度以上でこれらを解離することが好ましい。排ガスが低温の本体３に進入する時に、ガスから本体３に含まれる材料へ熱が伝達される。熱交換器表面の第１部分、すなわち第１開口部４’に最も近い第２部分２６内またはその近くの材料は急速に加熱されるが、逆流チャンバ１３に近い部分は低速で加熱される。本体は隣接する通路間の熱交換を可能にするようになっているので、第２開口部５’に最も近い熱交換器表面も短時間で加熱される。従って、始動後短時間で装置を通過するガス流は本体３の入口にて第１高温ゾーン、徐々に温度が低下するゾーン（入口通路１１ａ）、を通過し、徐々に温度が上昇するゾーン（出口通路１１ｂ）および本体３からの出口前の第２高温ゾーンを通過する。第１高温ゾーン内の表面に塗布された吸着／脱着剤に吸着された化合物は比較的急速に脱着されるが、逆流チャンバ１３に近いより低温の表面に塗布された吸着／脱着剤に再び吸着される。時間に対する温度は逆流チャンバ１３の近くでも高くなるので、化合物は再び脱着される。しかしながら、このときは化合物は温度のより高いゾーンに向かって移動される。本体を適正に設計し、触媒材料および吸着／脱着剤を適性に選択することにより、少なくとも最も高温のゾーンにおける温度は、化合物が効率的に変換されるよう、触媒のライトオフ温度よりも高くなる。

熱の経済性を改善し、必要とされる吸着／脱着剤および触媒の量を低減するために、これら触媒および吸着／脱着剤を塗布すべき本体表面を注意深く選択することができる。例えばＨＣおよびＣＯを酸化し、ＮＯ_ｘを還元するための触媒を主に（第２部分２６内またはその近くの）本体のより高温のゾーンに主に塗布し、吸着／脱着剤を（逆流チャンバ１３内、またはその近くの）より低温ゾーン内に主に塗布することができる。

本体におけるガス流の温度を制御するために、本装置は次の構成部品のうちの１つまたは数個を含むことが好ましい。すなわち本体内（好ましくは逆流チャンバ内）に配置された熱発生器、本体内に配置された冷却フランジ、冷却用空気を本体内に導入するための配置、および／または流入ガス流の組成を制御するためのシステムのうちの１つまたは数個を含むことが好ましい。前記システムは空気のような酸化種を流入ガス流内に導入するための配置、および／または炭化水素のような酸化種を流入ガス流内に導入するための配置を備えていることが好ましい。本装置の熱交換特性に起因し、誘導された化学反応において発生した熱に対して有効な注意を払うことができる。

本装置をエンジンに関連して配置すれば、流入ガス流の組成を制御するための前記システムはエンジンの作動を制御するための配置を含むことが好ましく、次にこのエンジンの作動は流入ガス流の組成に影響することができる。例えばシリンダの１つまたは数個において追加した量の燃料を混合することにより、ガス処理装置内で浄化すべき排ガス内に燃料、すなわち炭化水素を導入することができる。

本発明の第２実施形態は上記説明だけに限定されるものではない。例えば逆流ゾーンは異なる態様に設計してもよい。一例として、逆流チャンバ１３を伝達通路、例えばガス流の入口と出口通路との間に設けられた孔に置換することを挙げることができる。図１０に示された本発明の第２実施形態の更なる変形例では、透過性の壁３９を使用することによって逆流ゾーンが配置される。更に、図５および図９に示される第１部分２７、２７’の代替手段として多数の細い流れ通路を有し、（更に内側キャビティ２０が設けられた）従来のモノリスを使用することが可能である。図５または図９におけるガス流通路の各々はかかるケースにおいて並置された多数のより細い通路に置換される。デザインを適正に行えば、構造をより安定させ、（増設壁に必要な材料の追加本体の量に起因し）熱交換に小さな影響しか及ぼさない。しかしながら、圧力低下が大きくなり、もっと多くの材料が必要となる。

本発明は上記実施形態だけに限定されるものではなく、特許請求の範囲内で多数の変形が可能である。

例えば本体３はより多数の第１部分２７および第２部分２６から構成でき、本体は他の構造を有する他のタイプの部分も含むことができる。

これら部分を直接一体にする必要はなく、これら部分の間に位置する部品を介して非間接的に接合してもよい。

圧力低下を減少させ、ガス流をより良好に分配し、熱交換をより効率的にするよう本体を通過するガス流を改善するために、特許請求の範囲内での変形を行うことも可能である。かかる変形は本発明の用途に応じて変わり得る。図２〜図７に示された第２実施形態および図８および図９に示されたその別の変形例の場合、例えばサブ本体の数を変えたり、または第２部分２６を１つの第１部分２７だけに接続してもよい。更に、表面積の広さおよび／またはガス流通路１１の数を変え、または通路１１の流れ抵抗が内側キャビティ２０からの距離に応じて変わるように、ガス流通路１１を形成する壁のデザインを変えてもよい。更に、ガス流の分配に影響する内側キャビティ２０の直径を変えてもよい。例えば直径を大きくすれば、ガスの速度は遅くなり、次にこのことによって内側キャビティ２０から第２部分２６へガス流が偏向することによって生じる圧力低下が少なくなる。

当然ながら、第１部分２７が熱交換特性およびフィルタ特性の双方を生じるように、第１部分２７にガス透過性壁３９を設けることも可能である。かかるケースでは、フィルタ特性を得るのに増設フィルタ部分３６を使用する必要はない。

本発明の有利な第１実施形態を示す斜視略図である。 本発明の有利な第２実施形態を示す分解斜視図である。 図２の本発明の有利な第２実施形態の変形例を示す断面略図である。 図３におけるＡ−Ａ断面図である。 図３におけるＢ−Ｂ断面図である。 図３におけるＣ−Ｃ断面図である。 図３におけるＤ−Ｄ断面図である。 本発明の有利な第２実施形態の別の変形例の図４におけるＡ−Ａ断面図である。 図８に示された変形例に対応する、図３におけるＢ−Ｂ断面図である。 図２および図３における本発明の第２実施形態の更なる変形例を示す。

Claims (27)

1. ガスの組成の変換を生じさせるようになっている少なくとも１つの本体（３）を備えた、ガス流を処理するための装置において、
   前記本体（３）が、異なる内部構造を備えた複数の部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）を備えたモジュラー構造体を有し、これら内部構造によってガスが前記部分を通過するように流れることができ、本装置の作動中にガスの少なくとも一部が異なる内部構造を有する少なくとも２つの前記部分を通過して流れるように、前記部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）が配置されていることを特徴とする、ガス流を処理するための装置。
2. 前記部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの所定の方向に実質的に変化しない横断面を有し、好ましくは複数の前記部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）が少なくとも１つの所定の方向に実質的に変化しない横断面を有することを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）が実質的にセラミック材料から製造されており、好ましくは焼結により前記部分（２６、２６’、２７、２７’、３６）が一体に接合されており、好ましくは本体（３）が実質的にセラミック材料から製造されていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 互いに本質的に平行に延びる複数のガス流通路（１１）が設けられた少なくとも１つの第１部分（２７）を前記本体（３）が含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 本体（３）が少なくとも１つの第２部分（２６）を備え、この第２部分にも互いに本質的に平行に延びる複数のガス流通路（１１）が設けられ、横断面の単位面積当たりのガス流通路（１１）の数が第１部分（２７）と第２部分（２６）との間で異なっていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. 第１部分（２７）において、ガス流通路（１１）を構成する壁の少なくとも一部が第２部分（２６）におけるガス流通路（１１）を構成する壁の少なくとも一部の延長部を形成するように、前記第１部分（２６）および第２部分（２７）が配置されていることを特徴とする、請求項５記載の装置。
7. 前記本体（３）が隣接するガス流通路（１１）内のガス流の間の熱交換を可能にするようになっていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
8. 本装置の作動中、１つのガス流通路（１１）内のガス流の主要な方向が隣接するガス流通路（１１）内のガス流の主要な方向と本質的に逆になるよう、本装置が構成されていることを特徴とする、請求項７記載の装置。
9. 前記ガス流通路（１１）が流入ガス流用の入口通路（１１ａ）および流出ガス用の出口通路（１１ｂ）を形成し、逆流ゾーン（１３）が前記入口通路（１１ａ）から該逆流ゾーン（１３）に進入するガスが方向を変え、前記出口通路（１１ｂ）を通って戻るように流れることができるよう、前記第１部分（２７）に関連して配置されていることを特徴とする、請求項７または８記載の装置。
10. 前記逆流ゾーン（１３）が逆流チャンバ（１３）を含むことを特徴とする、請求項９記載の装置。
11. 流入ガス流の入口のための少なくとも１つの第１開口部（４’）が設けられた少なくとも１つの第２部分（２６、２６’）を前記本体（３）が備え、前記第２部分（２６、２６’）が少なくとも１つの第１部分（２７、２７’）に関連して配置されており、前記第２部分（２６、２６’）が流入ガス流を前記入口通路（１１ａ）に分配するようになっていることを特徴とする、請求項９または１０記載の装置。
12. 前記第２部分（２６、２６’）に流出ガス流の出口のための少なくとも１つの第２開口部（５’）が設けられており、前記第２部分（２６、２６’）が前記出口通路（１１ｂ）から流出ガス流を導くようになっていることを特徴とする、請求項１１記載の装置。
13. 前記第２部分（２６）が壁構造体を備え、該壁構造体が、
    流入ガス流を供給する少なくとも１つの第１チャンネル（２９）と、
    前記第１チャンネル（２９）から延び、入口通路（１１ａ）に対して開口する複数の第２チャンネル（３０）とを形成することを特徴とする、請求項１１または１２記載の装置。
14. 前記第１チャンネル（２９）が前記ガス流通路（１１ａ、１１ｂ）に対して閉じていることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
15. 前記壁構造体が流出ガス流用の前記出口通路（１１ｂ）に対して開口した複数の第３チャンネル（３２）を形成しており、好ましくは前記第３チャンネル（３２）が共通壁を使って前記第２チャンネル（３０）の間に形成されていることを特徴とする、請求項１２および１３または１４記載の装置。
16. 前記第２部分（２６’）がチャンネルの第１の組（４０）および第２の組（４１）を形成するジグザグ形状の壁構造体を備え、前記チャンネルの１つの組が前記ジグザグ形状の構造体の各側面に設けられており、前記チャンネルの第１の組（４０）が前記入口通路（１１ａ）に対して開口し、前記チャンネルの第２の組（４１）が前記出口通路（１１ｂ）に対して開口しており、前記チャンネルの第１の組（４０）に対して流入ガス流が供給されることを特徴とする、請求項１２記載の装置。
17. 前記第１部分（２７、２７’）が前記ガス流通路（１１ａ、１１ｂ）に対して実質的に平行に延びる内側キャビティ（２０）を備え、前記内側キャビティ（２０）のまわりに前記ガス流通路（１１ａ、１１ｂ）が分配されていることを特徴とする、請求項９乃至１６のいずれかに記載の装置。
18. 前記第２部分（２６、２６’）が内側キャビティ（２０）を備え、本装置の作動中に前記キャビティ（２０）を通ってガスが流れるように、少なくとも１つの第１開口部（４’）または第２開口部（５’）が前記キャビティ（２０）に向いていることを特徴とする、請求項１１乃至１７のいずれかに記載の装置。
19. 前記本体（３）が実質的に円筒形の形状となっており、好ましくは前記本体（３）が円筒形の一般的形状を有し、前記本体（３）が前記本体（２０）の長手方向に延びる内側キャビティ（２０）を備え、本装置の作動中前記内側キャビティー（２０）を介して本体に流入ガスが進入または本体から流出ガスが出るようになっていることを特徴とする、請求項７乃至１８のいずれかに記載の装置。
20. 前記本体（３）がガス流を透過する壁（３９）の設けられた少なくとも１つの第３部分（３６）を備え、前記第３部分（３６）が主にガスから粒子を除去するようになっていることを特徴とする、請求項９乃至１９のいずれかに記載の装置。
21. 前記第１部分（２７、２７’）と逆流チャンバ（１３）との間に前記第３部分（３６）が配置されており、前記透過性壁（３９）が前記第１部分において前記ガス流通路（１１ａ、１１ｂ）の延長部を本質的に構成し、本装置の作動中、前記透過性壁（３９）を通過するようにガスを強制的に流すよう、前記逆流チャンバ（１３）に対して前記出口通路（１１ｂ）が閉じていることを特徴とする、請求項２０記載の装置。
22. 前記ガス流に接触する前記本体（３）の表面の少なくとも一部が触媒材料によって被覆されていることを特徴とする、請求項１乃至２１のいずれかに記載の装置。
23. 前記ガス流に接触する前記本体（３）の表面の少なくとも一部が吸着／脱着剤によって被覆されていることを特徴とする、請求項１乃至２２のいずれかに記載の装置。
24. 前記装置が前記本体（３）内のガス流の温度を制御するための手段を備え、前記手段が、
    前記本体（３）内または前記本体（３）に関連して配置された熱発生器と、
    前記本体（３）内または前記本体（３）に関連して配置された冷却フランジと、
    冷却空気を前記本体（３）内に導入するための配置手段と、
    前記流入ガス流の組成を制御するためのシステムのうちの１つまたはいくつかを備えることを特徴とする、請求項１乃至２３のいずれかに記載の装置。
25. 前記流入ガス流の組成を制御するための前記システムが、
    酸化種、例えば空気を前記流入ガス流内に導入するための配置手段および
    酸化種、例えば炭化水素を前記流入ガス流内に導入するための配置手段の一方または双方を備えることを特徴とする、請求項２４記載の装置。
26. 前記装置が燃焼機関に関連するように配置されており、流入ガス流の組成を制御するための前記システムが、前記燃焼機関の作動を制御するための配置を備え、前記燃焼機関の作動が次に前記流入ガス流の組成に影響することを特徴とする、請求項２４記載の装置。
27. 前記装置が、好ましくは自動車用途において、内燃機関からの排ガスを浄化するようになっていることを特徴とする、請求項１乃至２６のいずれかに記載の装置。

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