JP2015222053A - 電気加熱装置及び内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】加熱作用を強化しつつ電気加熱装置を小型化する。【解決手段】ケーシング１０内に支持体２０を固定し、支持体の上流側に第１の電気式発熱体３０ａを配置し、支持体の下流側に第２の電気式発熱体３０ｂを配置する。各発熱体は外筒と帯状の発熱要素とを備える。各外筒はその中心軸線がケーシングの長手軸線に平行になるようにケーシング内に配置される。各発熱要素は、対応する外筒の内周面に固定された両端部分と、対応する外筒に固定されることなく両端部分同士の間を延びる中間部分と、を有している。各中間部分は対応する外筒の中心軸線に平行な巻回軸線回りに巻回されている。第１の発熱体から支持体を貫通して第２の発熱体まで延びる支持具４０を備える。支持具を第１の発熱体の中間部分及び第２の発熱体の中間部分にそれぞれ固定し、それにより支持具を介して第１の発熱体及び第２の発熱体を支持体により支持する。【選択図】図１

Description

本発明は電気加熱装置及び内燃機関の排気浄化システムに関する。

排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタのような排気浄化装置を機関排気通路内に配置し、排気浄化装置上流の排気通路内に電気加熱装置を配置し、内燃機関からの排気ガスを電気加熱装置により加熱し、加熱された排気ガスにより排気浄化装置を加熱するようにした、排気浄化システムが知られている。

また、排気ガスが流れるケーシング内にハニカム状の支持体を固定し、支持体の排気ガス流れ上流にハニカム状の電気式発熱体を配置し、支持具を介して発熱体を支持体により支持した電気加熱装置が公知である（特許文献１参照）。

特開平１１−５００２０５号公報

排気浄化装置の温度を目標温度まで上昇させるのに必要な時間を短縮することが望まれている。この時間短縮は電気加熱装置の加熱作用を強化ことによって達成され、この加熱作用を強化するためには例えば発熱体の数を増やすことによって達成される。

しかしながら、特許文献１の電気加熱装置では、発熱体の数だけでなく発熱体を支持する支持体の数をも増やす必要がある。その結果、電気加熱装置を配置するために大きな空間を要することになる。電気加熱装置を配置可能な空間には限界があることを考えると、加熱作用を強化するにも限界があるということになる。

本発明の一観点によれば、ケーシング内に支持体を固定し、ケーシングの長手軸線方向に関し支持体の一側に第１の電気式発熱体を配置すると共に支持体の他側に第２の電気式発熱体を配置し、各発熱体は外筒と帯状の発熱要素とを備え、各外筒はその中心軸線がケーシングの長手軸線に平行になるようにケーシング内に配置され、各発熱要素は、対応する外筒の内周面に固定された両端部分と、対応する外筒に固定されることなく両端部分同士の間を延びる中間部分と、を有しており、各中間部分は対応する外筒の中心軸線に平行な巻回軸線回りに巻回されており、更に、第１の発熱体から支持体を貫通して第２の発熱体まで延びる支持具を備え、支持具を第１の発熱体の中間部分及び第２の発熱体の中間部分にそれぞれ固定し、それにより支持具を介して第１の発熱体及び第２の発熱体を支持体により支持し、支持体並びに第１の発熱体及び第２の発熱体を流体がケーシングの長手軸線方向に通過可能になっており、ケーシング内を流れる流体を第１の発熱体及び第２の発熱体により加熱するようにした、電気加熱装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、機関排気通路内に排気浄化装置を配置し、排気浄化装置上流の排気通路内に上述の電気加熱装置を配置し、内燃機関からの排気ガスを電気加熱装置により加熱し、加熱された排気ガスにより排気浄化装置を加熱するようにした、内燃機関の排気浄化システムが提供される。

加熱作用を強化しつつ電気加熱装置を小型化することができる。

電気加熱装置の断面図である。 発熱体の正面図である。 発熱体の部分拡大図である。 巻き戻された発熱要素を示す図である。 第１の発熱体及び第２の発熱体のレイアウトを示す図である。 第１の発熱体及び第２の発熱体のレイアウトの別の実施例を示す図である。 本発明による別の実施例を示す電気加熱装置の断面図である。 本発明による更に別の実施例を示す電気加熱装置の断面図である。 本発明による更に別の実施例を示す電気加熱装置の断面図である。 内燃機関の全体図である。

図１を参照すると、電気加熱装置Ａは円筒状のケーシング１０を備え、ケーシング１０内には円柱状の支持体２０が固定される。図１に示される実施例では、ケーシング１０に環状の小径部１１が形成され、この小径部１１が支持体２０に圧接されることにより支持体２０がケーシング１０に固定される。支持体２０は例えばセラミック又は金属から形成されたハニカム構造をなしている。したがって、ケーシング１０内を流れる流体が支持体２０をケーシング１０の長手軸線ＬＣ方向に通過可能になっている。

ケーシング１０の長手軸線ＬＣ方向に関し支持体２０の一側ないし流体流れ上流側には、第１の電気式発熱体３０ａが配置され、ケーシング１０の長手軸線ＬＣ方向に関し支持体２０の他側ないし流体流れ下流側には、第２の電気式発熱体３０ｂが配置される。これら発熱体３０ａ，３０ｂは支持具４０を介して支持体２０により支持される。この場合、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂはケーシング１０から離間しており、すなわちケーシング１０により支持されることなく支持体２０により支持される。また、第１の発熱体３０ａと支持体２０との間、及び第２の発熱体３０ｂと支持体２０との間にはそれぞれわずかな隙間が設けられる。

次に、図２から図４を参照しながら第１の発熱体３０ａについて説明する。第２の発熱体３０ｂは第１の発熱体３０ａと同様であるので説明を省略する。
図２を参照すると、第１の発熱体３０ａは円筒状の外筒３１を備え、外筒３１内には帯状の発熱要素３２が巻回軸線ＬＷ回りに巻回された状態で収容される。図２に示される実施例では、巻回軸線ＬＷは外筒３１の中心軸線ＬＨＣに一致する。図示しない別の実施例では、巻回軸線ＬＷは外筒３１の中心軸線ＬＨＣとは一致せず、しかしながら外筒３１の中心軸線ＬＨＣと平行に延びる。

発熱要素３２は図３に示されるように、平板３３と波板３４とを交互に積層することにより形成されたハニカム構造をなしており、平板３３と波板３４との間に流体が流通可能な流通路３５が形成されている。外筒３１、平板３３及び波板３４は導電性材料、例えば金属板から形成される。

図４は、図２に示される発熱要素３２を巻き戻して平坦にした状態を示している。図４を参照すると、発熱要素３２は長さ方向ＬＨの両端部分３２ｅ，３２ｅと、両端部分３２ｅ，３２ｅ同士の間を延びる中間部分３２ｉとを有する。図２に示されるように、発熱要素３２は両端部分３２ｅ，３２ｅにおいて外筒３１に固定されると共に電気的に接続される。この場合、中間部分３２ｉは外筒３１に固定されない。

また、発熱要素３２は図２及び図３に示されるように、中間部分３２ｉの一部分と中間部分３２ｉの別部分との間に隙間３６が形成されるように、巻回される。この隙間３６は電気的絶縁体として作用する。

第１の発熱体３０ａは更に、発熱要素３２に電気的に接続された電極３７を有する。図２及び図４からわかるように、電極３７は外筒３１から電気的に絶縁されつつ外筒３１を貫通して発熱要素３２の中間部分３２ｉに電気的に接続される。図１に示されるように、電極３７はケーシング１０を貫通してケーシング１０の外部まで延びている。なお、外筒３１は接地されている。

図１に示される実施例では、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂの外筒３１の中心軸線ＬＨＣが互いに一致するように、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂがケーシング１０内に配置される。図示しない別の実施例では、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂの外筒３１の中心軸線ＬＨＣは互いに一致せず、しかしながら互いに平行に延びる。また、図１に示される実施例では、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂの外筒３１の中心軸線ＬＨＣはケーシング１０の長手軸線ＬＣに一致するように、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂがケーシング１０内に配置される。この場合、上述した発熱要素３２の流通路３５はケーシング１０の長手軸線ＬＣに平行に延びる。図示しない別の実施例では、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂの外筒３１の中心軸線ＬＨＣがケーシング１０の長手軸線ＬＣに一致せず、しかしながらケーシング１０の長手軸線ＬＣに平行に延びる。

再び図１を参照すると、上述した支持具４０は第１の発熱体３０ａから支持体２０を貫通して第２の発熱体３０ｂまで延びる。図１に示される実施例では、第１の発熱体３０ａに支持具４０の一端が固定され、第２の発熱体３０ｂに支持具４０の他端が固定され、支持体２０に支持具４０の中間部分が固定される。この場合、図２に示されるように、支持具４０は発熱要素３２の中間部分３２ｉに固定される。

上述したように第１の発熱体３０ａの発熱要素３２及び第２の発熱体３０ｂの発熱要素３２はそれぞれ対応する巻回軸線ＬＷ回りに巻回された状態で外筒３１内に収容される。この場合、発熱要素３２の弾性により、発熱要素３２には巻き戻す方向の力が作用する。上述の支持具４０はこのような巻き戻す力に抗して発熱要素３２の位置を維持する作用も有する。その結果、隙間３６が確実に維持され、短絡の発生が阻止される。

図５は、図１に示される電気加熱装置Ａにおける第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂのレイアウトを示している。図５に示される実施例では、第１の発熱体３０ａの発熱要素３２の巻回方向と第２の発熱体３０ｂの発熱要素３２の巻回方向とが互いに逆向きになっている。このようにすると、第１の発熱体３０ａの発熱要素３２を巻き戻す力の向きと、第２の発熱体３０ｂの発熱要素３２を巻き戻す力の向きとが互いに逆向きになる。その結果、第１の発熱体３０ａの発熱要素３２を巻き戻す力と、第２の発熱体３０ｂの発熱要素３２を巻き戻す力とが支持具４０を介し互いに打ち消される。したがって、発熱要素３２の位置が確実に維持される。

さて、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂを作動すべきときには、電極３７が電源（図示しない）に電気的に接続される。その結果、発熱要素３２内を電流が流れて発熱要素３２が発熱し、それにより発熱要素３２を通過する流体が加熱される。この場合、流体が第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂ両方により加熱されるので、流体を速やかに加熱することができる。すなわち、電気加熱装置Ａの加熱作用が高められる。しかも、２つの発熱体３０ａ，３０ｂが１つの支持体２０により支持されるので、電気加熱装置Ａを小型化することができる。更に、支持体２０の両端に発熱体３０ａ，３０ｂが固定されるので、発熱体３０ａ，３０ｂが安定的に支持される。

ところで、平板３３及び波板３４の積層体を巻回することにより発熱要素３２を形成すると、図４に示されるように、両端部分３２ｅ，３２ｅの周りには不完全領域３８，３８が形成され、これら不完全領域３８，３８同士間に完全領域３９が形成される。すなわち、発熱要素３２が所定枚数の平板３３及び波板３４を積層することにより形成されるとすると、完全領域３９を構成する平板３３及び波板３４の数は上記所定枚数に等しいけれども、不完全領域３８，３８を構成する平板３３及び波板３４の数は上記所定枚数よりも少なくなっている。不完全領域３８，３８では平板３３及び波板３４が長さ方向ＬＨに互いにずれるからである。その上で、上述した電極３７は完全領域３９の一側面であって長さ方向ＬＨの一端３９ａに電気的に接続される。その結果、電流は電極３７から完全領域３９内を流れ、次いで完全領域３９の他側面であって長さ方向ＬＨの他端３９ｂを介して外筒３１に到る。ここで、完全領域３９内を電流がほぼ均等に流れるようにすると、不完全領域３８，３８には電流がほとんど流れず、したがって不完全領域３８，３８はほとんど発熱しない。そこで、不完全領域３８，３８を弱発熱領域と称することにする。弱発熱領域３８，３８を通過した流体はほとんど加熱されない。

この点、図５に示される実施例では、ケーシング１０の長手軸線ＬＣに沿って見たときに第１の発熱体３０ａの弱発熱領域３８と第２の発熱体３０ｂの弱発熱領域３８とが互いにほぼ重ならないように、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂが支持体２０に支持される。言い換えると、第１の発熱体３０ａの弱発熱領域３８と第２の発熱体３０ｂの弱発熱領域３８とが互いにほぼ重ならないように、ケーシング１０の長手軸線ＬＣ回りの第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂの角度位置が設定される。その結果、第１の発熱体３０ａの弱発熱領域３８を通過しほとんど加熱されなかった流体が第２の発熱体３０ｂの弱発熱領域３８を通過するのが阻止され、すなわち良好に発熱している領域を通過する。したがって、ケーシング１０の半径方向ないし周方向に関する流体の温度のバラツキが低減される。

図６は、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂのレイアウトの別の実施例を示している。図６に示される実施例では、第１の発熱体３０ａの発熱要素３２の巻回方向と第２の発熱体３０ｂの発熱要素３２の巻回方向とが互いに同じ向きになっている。また、ケーシング１０の長手軸線ＬＣに沿って見たときに第１の発熱体３０ａの弱発熱領域３８と第２の発熱体３０ｂの弱発熱領域３８とが互いにほぼ重ならないように、ケーシング１０の長手軸線ＬＣ回りの第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂの角度位置が設定される。その結果、ケーシング１０の半径方向ないし周方向に関する流体の温度のバラツキが低減される。

図７は本発明による別の実施例を示している。図７に示される例では、図１に示される実施例に比べて、支持体２０の厚さが小さくされる。すなわち、複数の発熱体３０ａ，３０ｂが支持具４０を介して安定的に保持されるので、支持体２０を小さくすることができる。したがって、電気加熱装置Ａが更に小型化される。

図８は本発明による更に別の実施例を示している。図８に示される実施例では、支持具４０の少なくとも一部をケーシング１０の内壁面に固定する固定具４１が設けられる。すなわち、ケーシング１０に隣接する支持具４０が第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂをそれぞれ貫通して延びており、これら支持具４０の両端に、半径方向外向きに延びる固定具４１が連結される。その結果、支持具４０が固定具４１を介してケーシング１０の内壁面に固定される。その結果、第１の発熱体３０ａ及び第２の発熱体３０ｂがより安定に支持される。図示しない別の実施例では、支持具４０の上流側端部及び下流側端部の一方にのみ固定具４１が連結される。図示しない更に別の実施例では、支持具４０のすべてが固定具４１によりケーシング１０の内壁面に固定される。

図９は本発明による更に別の実施例を示している。図９に示される実施例では、ケーシング１０内に第１の支持体２０ａ及び第２の支持体２０ｂが長手方向ＬＣに離間して配置され、第１の小径部１１ａ及び第２の小径部１１ｂにおいてケーシング１０に固定される。第１の支持体２０ａの上流には第１の発熱体３０ａが配置され、第１の支持体２０ａと第２の支持体２０ｂとの間には第２の発熱体３０ｂが配置され、第２の支持体２０ｂの下流には第３の発熱体３０ｃが配置される。これら発熱体３０ａ，３０ｂ，３０ｃは第１の発熱体３０ａから第１の支持体２０ａ及び第２の支持体２０ｂを貫通して第３の発熱体３０ｃまで延びる支持具４０を介し、支持体２０ａ，２０ｂにより支持される。

図１０は上述の電気加熱装置Ａを内燃機関の排気浄化システムに適用した場合を示している。図１０を参照すると、内燃機関本体Ｂは排気管Ｃ１を介して電気加熱装置Ａに連結され、電気加熱装置Ａは排気管Ｃ２を介して排気浄化装置Ｄに連結される。排気浄化装置Ｄは排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ、又は排気ガス中の成分を酸化又は還元する排気浄化触媒から形成される。排気浄化装置Ｄの温度を上昇させるべきときには電気加熱装置Ａが作動される。その結果、排気ガスが電気加熱装置Ａによって加熱され、加熱された排気ガスにより排気浄化装置Ｄが加熱される。図示しない別の実施例では、電気加熱装置Ａのケーシング１０が内燃機関の排気管から形成される。

Ａ 電気加熱装置
１０ ケーシング
２０ 支持体
３０ａ 第１の発熱体
３０ｂ 第２の発熱体
３１ 外筒
３２ 発熱要素
３２ｅ 両端部分
３２ｉ 中間部分
４０ 支持具

Claims (5)

1. ケーシング内に支持体を固定し、ケーシングの長手軸線方向に関し支持体の一側に第１の電気式発熱体を配置すると共に支持体の他側に第２の電気式発熱体を配置し、各発熱体は外筒と帯状の発熱要素とを備え、各外筒はその中心軸線がケーシングの長手軸線に平行になるようにケーシング内に配置され、各発熱要素は、対応する外筒の内周面に固定された両端部分と、対応する外筒に固定されることなく両端部分同士の間を延びる中間部分と、を有しており、各中間部分は対応する外筒の中心軸線に平行な巻回軸線回りに巻回されており、更に、第１の発熱体から支持体を貫通して第２の発熱体まで延びる支持具を備え、支持具を第１の発熱体の中間部分及び第２の発熱体の中間部分にそれぞれ固定し、それにより支持具を介して第１の発熱体及び第２の発熱体を支持体により支持し、支持体並びに第１の発熱体及び第２の発熱体を流体がケーシングの長手軸線方向に通過可能になっており、ケーシング内を流れる流体を第１の発熱体及び第２の発熱体により加熱するようにした、電気加熱装置。
2. 前記第１の発熱体の前記中間部分の巻回方向及び前記第２の発熱体の前記中間部分の巻回方向が互いに逆向きの状態で前記第１の発熱体及び前記第２の発熱体が前記支持体に支持される、請求項１に記載の電気加熱装置。
3. 前記第１の発熱体及び前記第２の発熱体がそれぞれ弱発熱領域を有しており、前記ケーシングの長手軸線に沿って見たときに前記第１の発熱体の前記弱発熱領域と前記第２の発熱体の前記弱発熱領域とが互いにほぼ重ならないように前記第１の発熱体及び前記第２の発熱体が前記支持体に支持される、請求項１又は２に記載の電気加熱装置。
4. 更に、前記支持具の少なくとも一部を前記ケーシングの内壁面に固定する固定具を備える、請求項１から３までのいずれか一項に記載の電気加熱装置。
5. 機関排気通路内に排気浄化装置を配置し、排気浄化装置上流の排気通路内に請求項１から４までのいずれか一項に記載の電気加熱装置を配置し、内燃機関からの排気ガスを前記電気加熱装置により加熱し、加熱された排気ガスにより前記排気浄化装置を加熱するようにした、内燃機関の排気浄化システム。

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