JP2020094538A

JP2020094538A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2020094538A
Application number: JP2018232706A
Authority: JP
Inventors: 克弘市橋; Katsuhiro Ichihashi
Original assignee: Denso Corp; Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】誘導加熱方式により、セラミックス基体を早期に加熱すると共に、セラミックス基体以外の部位が加熱されるのを抑制して、セラミックス基体の加熱効率を向上可能な排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置１は、排気通路ＥＸの一部をなす金属筒状のケーシング１１と、ケーシング１１に収容され、排気流れ方向を軸方向Ｘとする筒状の外周壁２２の内側に多数の通孔２１を有するセラミックス基体２と、外周壁２２の外側を取り巻くコイル３及びセラミックス基体２の被加熱領域Ａとなる領域内に配置され、軸方向Ｘに延びる棒状の導電部材群４を有する誘導加熱部５と、を備え、被加熱領域Ａの外側を取り囲むと共に、ケーシング１１の内周壁に内接して配置され、ケーシング１１よりも高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料からなる磁性体層６を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設置される排気浄化装置に関する。

自動車用の排気浄化装置は、排気管に設置される排気浄化触媒や触媒担持フィルタを備えており、例えば、所定の高温に制御された排気を導入して触媒が担持されるセラミックス基体を加熱し、触媒活性温度以上に昇温させている。一方、今後予想される厳しい排気規制を満足させるためには、昇温用の排気をも極力削減する必要があり、また、排気管に排気が排出された直後から排気の浄化を実施可能であることが望ましい。

そこで、排気エネルギに代えて、例えば、電気エネルギによる加熱方式への転換が検討されており、その１つとして、誘導加熱を利用する方式がある。誘導加熱方式では、コイルに交番電流を流して、金属体を誘導加熱しており、コイルで生じる磁束を金属体に効率よく伝えることが重要となる。一例として、特許文献１には、金属担体を用いた排気浄化触媒の排気上流端面に面して、渦巻き状に巻かれたコイルを配置し、その上流側に、周囲雰囲気よりも高透磁率の高透磁率要素として、別の排気浄化触媒を配置した、触媒昇温装置が開示されている。

特開２００２−２５０２２１号公報

特許文献１に記載される構成では、排気管の内側において、排気浄化触媒の上流に、誘導加熱用のコイルや別の排気浄化触媒が配置されることになるため、圧力損失の増加が懸念される。これに対し、別の排気浄化触媒に代えて、排気管の外側に、高透磁率低渦電流損要素として、金属層と絶縁層を重ねたお椀状の成層部材を配置することも提案されているが、誘導加熱用のコイルは排気管の内側に配置されたままであるため、圧力損失の改善は十分ではなく、成層部材も構成が複雑で実用性が低い。また、排気管は、通常、高耐熱の金属製であり、排気よりも高透磁率の高透磁率要素となり得るため、通電により排気管が誘導加熱されてしまい、本来加熱したい排気浄化触媒の加熱効率が低下するおそれがあった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、誘導加熱方式により、セラミックス基体を早期に加熱すると共にそれ以外の部位が加熱されるのを抑制して、セラミックス基体の加熱効率を向上可能な排気浄化装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
内燃機関の排気通路（ＥＸ）の一部をなす金属筒状のケーシング（１１）と、
上記ケーシングに収容され、排気流れ方向を軸方向（Ｘ）とする筒状の外周壁(２２)の内側に、排気が通過する多数の通孔（２１）を有するセラミックス基体（２）と、
上記外周壁の外側を取り巻くコイル（３）、及び、上記セラミックス基体の被加熱領域（Ａ）となる領域内に配置され、上記中心軸の方向に延びる棒状の導電部材群（４）を有する誘導加熱部（５）と、を備える、内燃機関の排気浄化装置（１）であって、
上記被加熱領域の外側を取り囲むと共に、上記ケーシングの内周壁に内接して配置され、上記ケーシングよりも高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料からなる磁性体層（６）を有している、内燃機関の排気浄化装置にある。

上記一態様の構成の排気浄化装置において、誘導加熱部のコイルに交番電流が流れると、セラミックス基体内の導電部材群に誘導電流が発生し、自己発熱により加熱される。このとき、金属製のケーシングに内接して高透磁率の磁性体層が設けられるので、磁束流れがケーシングよりも磁性体層を透過しやすくなる。また、磁性体層はケーシングよりも高電気抵抗率であるため、磁束の透過による誘導加熱が抑制される。このように、ケーシングに内接する磁性体層が磁気シールドとして機能し、セラミックス基体の加熱効率を向上させることができる。

よって、誘導加熱方式により、セラミックス基体を早期に加熱すると共にそれ以外の部位が加熱されるのを抑制して、セラミックス基体の加熱効率を向上可能な排気浄化装置を実現できる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、排気浄化装置の全体構成を示す軸方向断面図。実施形態１における、排気浄化装置の主要部構成を示す径方向断面図で、図１のII−II断面図。実施形態１における、排気浄化装置の主要部構成を示す軸方向断面図。実施形態１における、排気浄化装置のコイル取出部の構成を示す部分拡大断面図。実施形態１における、排気浄化装置の熱交換媒体流路の構造を説明するための図で、図２のＶ−Ｖ断面図。実施形態１における、排気浄化装置の熱交換媒体流路の連通路構造を説明するための図で、図５のＶI−ＶI断面図。試験例１において、実施形態１と比較形態１の排気浄化装置におけるコイル近傍の構成と温度分布を比較して示す軸方向断面図。試験例１において、実施形態１の排気浄化装置における磁性体層の有無とケーシング温度の時間変化の関係を比較して示す図。試験例１において、実施形態１の排気浄化装置における熱交換部の作動の有無による磁性体層の温度の時間変化を比較して示す図。試験例２において、実施形態１の排気浄化装置における磁性体層の軸方向長Ｌとセラミックス基体直径Ｄとの比率（Ｌ／Ｄ）と加熱効率低下率の関係を示す図。試験例２において、実施形態１の排気浄化装置における磁性体層の軸方向長Ｌとセラミックス基体の直径Ｄの関係を示す図。試験例２において、実施形態１の排気浄化装置における磁性体層の配置例とセラミックス基体の半径ｒの関係（Ｌｕ≧ｒかつＬｄ≧ｒ）を説明するための図。実施形態１における、排気浄化装置の磁性体層の配置例とセラミックス基体の半径ｒの関係（Ｌｕ＜ｒかつＬｄ＜ｒ）を説明するための図。実施形態１における、排気浄化装置の磁性体層の配置例とセラミックス基体の半径ｒの関係（Ｌｕ＜ｒ又はＬｄ＜ｒ）を説明するための図。実施形態２における、排気浄化装置の主要部構成を示す軸方向断面図。実施形態２における、排気浄化装置のコイル取出部の構成を示す部分拡大断面図及びそのＡ−Ａ断面図。実施形態３における、排気浄化装置の主要部構成を示す径方向断面図。実施形態３の変形例における、排気浄化装置の主要部構成を示す径方向断面図。

（実施形態１）
内燃機関の排気浄化装置に係る実施形態１について、図面を参照しながら説明する。
図１、図２に示すように、排気浄化装置１は、内燃機関の排気通路である排気管ＥＸの一部をなす金属筒状のケーシング１１と、ケーシング１１に収容されるセラミックス基体２と、セラミックス基体２を加熱する誘導加熱部５と、ケーシング１１の内側に設けられる磁性体層６と、を備えている。

セラミックス基体２は、排気流れ方向を軸方向Ｘ（すなわち、中心軸Ｃの方向）とする筒状の外周壁２２の内側に、排気が通過する多数の通孔２１を有する。セラミックス基体２の中心軸Ｃを通り軸方向Ｘと直交する方向を、以降、径方向Ｙとする。図２には、誘導加熱部５が配置される排気流れの上流側位置における径方向Ｙの断面を示している。セラミックス基体２は、例えば、触媒を担持させるための触媒担体として用いられ、多数の通孔２１の表面には、図示しない触媒層が形成される。

誘導加熱部５は、セラミックス基体２の外周壁２２の外側を取り巻くコイル３と、セラミックス基体２の内部に配置され、軸方向Ｘに延びる棒状の導電部材群４を有する。このとき、セラミックス基体２の軸方向Ｘにおいて、導電部材群４が配置される所定の領域を、被加熱領域Ａとする（例えば、図１参照）。被加熱領域Ａにおいて、導電部材群４は、中心軸Ｃの周りを取り囲むように、概略均等に配置されている（例えば、図２参照）。このとき、誘導加熱部５は、誘導加熱によって導電部材群４を発熱させて、排気管ＥＸに排気が流入するよりも前に、セラミックス基体２を触媒活性温度以上に昇温させることができる。

磁性体層６は、被加熱領域Ａの外側を取り囲むと共に、ケーシング１１の内周壁に内接して配置される。磁性体層６は、ケーシング１１よりも高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料にて構成することができる。
これにより、誘導加熱部５によって発生する磁束がケーシング１１よりも磁性体層６に流れやすくなり、誘導加熱によるケーシング１１の発熱が抑制される。また、高電気抵抗の磁性体層６では、電磁誘導により生じる渦電流が小さくなるので、温度上昇は抑制される。その結果、セラミックス基体２の加熱効率を向上させることが可能となる。

誘導加熱部５のコイル３は、被加熱領域Ａの外側において、セラミックス基体２の外周壁２２と磁性体層６との間に収容されており、コイル取出部３１、３２によって外部へ取り出される。このとき、コイル取出部３１、３２においても、ケーシング１１よりも高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料からなる筒状磁性部材６１にて、コイル３の外周を保持することが望ましい。磁性体層６や筒状磁性部材６１の詳細は、後述する。

また、排気浄化装置１は、ケーシング１１と一体に設けられ、ケーシング１１の内側で発生した熱を外部に移動する熱交換部７を、さらに備えることができる。熱交換部７は、磁性体層６を適正な温度に維持して、誘導加熱部５を効果的に作動させ、セラミックス基体２の加熱効率の向上に寄与する。

以下、排気浄化装置１の詳細構成を説明する。
本形態において、内燃機関は、例えば、図示しない自動車用エンジンであり、エンジンから排気管ＥＸに排出される排気Ｇを浄化するために、排気浄化装置１が設けられる。図１、図２において、浄化装置１は、排気管ＥＸに接続される円筒状のケーシング１１を装置外壁部とし、その内側に、円柱状のセラミックス基体２を収容保持している。また、セラミックス基体２を加熱する誘導加熱部５と、磁気シールドのための磁性体層６が設けられる。

ケーシング１１には、排気管ＥＸの一部となる拡径された円筒管部に、熱交換部７の熱交換媒体流路７１を一体的に設けている。ケーシング１１の内側には、磁性体層６が内接配置されており、その内側に、誘導加熱部５を構成するコイル３が配置される。ケーシング１１は、例えば、ステンレス鋼等の耐熱性を有する金属材料にて構成することができる。また、セラミックス基体２は、例えば、コーディエライト等のセラミックス材料にて構成することができる。

セラミックス基体２は、両端が開口する円筒状の外周壁２２と、その内側に位置する区画壁とが一体となった、セラミックスハニカム構造体として構成される。具体的には、セラミックスハニカム構造体は、区画壁によって囲まれる矩形や六角形等の断面多角形の多数のセル内に、多数の通孔２１が形成された構成とすることができる。多数の通孔２１は、軸方向Ｘの一端側から他端側へ延びる、互いに平行な貫通孔である。

図１中に矢印で示すように、排気管ＥＸ内には、その軸方向Ｘ（例えば、図１の左右方向）に排気Ｇが流れ、同軸的に配置されるセラミックス基体２の上流側端面（例えば、図１の左端側の端面）２３から、多数の通孔２１に流入する。排気Ｇは、多数の通孔２１内を、セラミックス基体２の下流側（例えば、図１の右端側）へ向けて流れ、その間に、通孔２１の表面に形成される触媒層と接触して浄化される。

誘導加熱部５は、セラミックス基体２の上流側の一部（例えば、図１の左半部）内に配置される導電部材群４と、径方向Ｙにおいて、セラミックス基体２の外側に配置されるコイル３と、によって構成される。セラミックス基体２は、軸方向Ｘの中央部から上流側端面２３の近傍へ至る一部が、他の部位よりも外周壁２２の径が小さい縮径部となっており、この縮径部となる領域を、導電部材群４が収容される被加熱領域Ａとしている。コイル３は、被加熱領域Ａの外周壁２２と磁性体層６との間の空間に収容され、外周壁２２の外側を円環状に取り巻くように配置される。ここでは、例えば、２回巻きのコイル３を例示しているが、その巻き数は、特に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

被加熱領域Ａの外側に対向するケーシング１１壁には、一対のコイル取出部３１、３２が設けられる。コイル取出部３１、３２内には、コイル３の両端が挿通保持されてケーシング１１の外部へ取り出され、排気管ＥＸの外部に設けられるインバータ回路部５１に接続される。インバータ回路部５１は、例えば、複数のスイッチング素子等を内蔵して、バッテリ５２から入力される直流電力を交流電力に変換して出力し、コイル３に交番電流を供給可能とする。バッテリ５２は、例えば、車載バッテリである。

導電部材群４は、所定径の棒状体にて構成される多数の導電部材４１からなり、セラミックス基体２の中心軸Ｃの周りに、多数の導電部材４１が多重に配置される。本形態では、多数の導電部材４１は、中心軸Ｃに沿って配置される導電部材４１と、これを中心とする多重の仮想円上に均等配置される導電部材４１からなり、軸方向Ｘの長さ（以下、軸方向長と略称する）は概略一定である。また、同じ仮想円上に位置する複数の導電部材４１は、それぞれ概略同径であり、中心軸Ｃに近いほど小径となり、外周壁２２に近いほど大径となるように構成されている。

多数の導電部材４１は、例えば、同材質の導電性金属材料からなる。好適には、ステンレス鋼等の磁性金属材料にて構成されるのがよく、誘導加熱による加熱効率をより高めることができる。セラミックス基体２の部位によって、異なる材質の導電部材４１を配置することもできる。
なお、導電部材群４の配置は、セラミックス基体２の各部位において、誘導加熱による所望の発熱量が得られるように、適宜設定することができる。その範囲において、多数の導電部材４１の配置や形状は、任意に変更することができ、例えば、同心状に限らず、放射状や渦巻き状に配置されていてもよい。また、多数の導電部材４１の軸方向長を部位毎に変更してもよいし、セラミックス基体２の全体で導電部材４１の径が一定であってもよい。

導電部材群４の固定方法は、特に限定されないが、例えば、セラミックス基体２の通孔２１内に圧入保持することができる。導電部材４１の径が通孔２１より大きい場合には、通孔２１を拡径して、または、通孔２１を形成する区画壁に穴あけ加工して、導電部材４１を挿通保持させてもよい。

ケーシング１１は、内筒１２及び外筒１３を有する二重筒状構造となっており、その内周壁となる内筒１２の内側に接して、磁性体層６が設けられる。磁性体層６は、コイル取出部３１、３２が設けられる一部を除いて、内筒１２の内周面に沿って配置され、コイル３の外側を層状に取り囲む概略円筒のシート体形状を有する。
磁性体層６は、ケーシング１１を構成する金属材料よりも高透磁率の磁性材料からなり、誘導加熱部５によって発生する磁束が流れやすくなるので、ケーシング１１への磁束の流れを抑制して、ケーシング１１の発熱を抑制する。また、磁性体層６は、ケーシング１１を構成する金属材料よりも高電気抵抗率の磁性材料からなり、磁束が流れることによって発生する渦電流損が小さくなるので、発熱を抑制する効果が高い。このような磁性材料としては、例えば、酸化物磁性材料が挙げられ、好適には、フェライト系酸化物を含むフェライト系磁性材料が用いられる。

磁性体層６を、フェライト系磁性材料にて構成する場合には、例えば、フェライト系酸化物の粉末材料を用い、所定の形状となるように成形して焼成した焼結体とすることができる。
なお、磁性体層６を構成する磁性材料は、ケーシング１１を構成するステンレス鋼等の金属材料よりも高透磁率かつ高電気抵抗率の材料であればよく、例えば、フェライトを主体とする酸化物磁性材料の他、酸化物磁性材料と他の材料とを組み合わせた複合材料であってもよい。その場合には、他の材料としては、ケーシング１１よりも高透磁率の材料であることが望ましく、例えば、ケイ素鋼、パーマロイ、アモルファス合金等の金属材料を含んでいてもよい。

ケーシング１１には、二重筒状構造の内外筒１２、１３と一体的に、その内側の磁性体層６と主に熱交換を行うための熱交換部７が設けられる。具体的には、内筒１２と外筒１３の両筒壁間に、熱交換媒体流路７１となる環状空間が形成されており、流路入口部７２から導入される熱交換媒体が、熱交換媒体流路７１を流通する間に熱交換を行って、流路出口部７３から導入されるように構成されている。

図１に示すように、流路入口部７２及び流路出口部７３は、セラミックス基体２よりも上流側において、ケーシング１１に設けられる。具体的には、流路入口部７２は、ケーシング１１の底部（例えば、図１の下部）となる外筒１３の菅壁を貫通して、熱交換媒体流路７１に接続され、流路出口部７３は、ケーシング１１の頂部（例えば、図１の上部）となる外筒１３の菅壁を貫通して、熱交換媒体流路７１に接続される。
なお、軸方向Ｘにおいて、ケーシング１１の両側には、流路形成部材となる一対のリング状部材７４、７５が配置され、熱交換媒体流路７１の軸方向端部における流路壁を構成している。

また、図２に示すように、内筒１２及び外筒１３は、それぞれ、分割ケーシングとなる一対の半円筒体にて構成される。各半円筒体の周方向の両端には、それぞれ、一対のフランジ１２１、１３１が設けられ、これら一対のフランジ１２１、１３１間にガスケット１０を挟んで衝合することにより、一体化される。内筒１２のフランジ１２１の端縁部は、外筒１３のフランジ１３１の衝合部の内側へ延出して位置し、例えば、溶接等により一体的に固定される。これにより、内外筒１２、１３間に形成される環状空間が、隔壁部となるフランジ１２１によって２つの半円弧状の空間部Ｓ１、Ｓ２に区画される。

熱交換媒体流路７１となる空間には、周方向の全体に、内筒１２と外筒１３との間を架け渡すように、複数のリブ１４が配置されている。複数のリブ１４は、中心軸Ｃの周りに放射状に配置されて外筒１３を支持すると共に、空間内を周方向に複数の流路７１１に区画し、これら複数の流路７１１が互いに連通して熱交換媒体流路７１を構成している。このとき、熱交換媒体流路７１に導入される熱交換媒体は、複数の流路７１１を流通する間に流路壁を介して磁性体層６と熱交換を行い、ケーシング１１の内側で発生した熱を外部に移動することができる。

熱交換部７は、主に、誘導加熱部５の作動に伴う磁性体層６及びケーシング１１の温度上昇を抑制するための冷却部として用いられる。これにより、磁性体層６を構成する高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料を、キュリー温度より低い温度に冷却して、その磁気シールド効果を効果的に発揮させることができる。
なお、熱交換部７は、必ずしも冷却用に限らず、例えば、低温の始動時等に、ケーシング１１を介してセラミックス基体２を加温するための加温部として用いることもできる。

図３に示すように、磁性体層６は、その軸方向長Ｌが、被加熱領域Ａの軸方向長Ｌａよりも長くなるように形成され（すなわち、Ｌ＞Ｌａ）、誘導加熱部５によって発生する磁束が透過する領域を覆うように配置される。具体的には、導電部材群４が配置される被加熱領域Ａ及びコイル３の外側において、被加熱領域Ａとその上流側及び下流側の所定の領域を覆い、ケーシング１１への磁束の透過を抑制可能な十分な軸方向長Ｌを有することが望ましい。ここでは、磁性体層６の上流端は、セラミックス基体２の上流側端面２３よりも上流側に位置し、下流端は、セラミックス基体２の下流端面２４の近傍に位置して、セラミックス基体２の外周壁２２の下流側端部を除くほぼ全体を覆っている。

この磁性体層６の軸方向長Ｌや配置の詳細と、昇温抑制効果との関係は、後述する。
なお、図示されるように、セラミックス基体２の下流側端面２４には、その外周縁部に当接する押えリング部材２５が設けられる。上流側端面２３にも、図示しない押えリング部材が配設され、これらの間にセラミックス基体２を保持することで、ケーシング１１内に位置決めすることができる。

図４に示すように、コイル３を外部へ取り出すためのコイル取出部３１、３２においても、筒状磁性部材６１を設けてケーシング１１との間を磁気シールドすることが望ましい。具体的には、コイル取出部３１、３２は、ケーシング１１の内筒１２及び外筒１３を貫通して取出穴を形成する筒状部３３と、筒状部３３の内側に配置されるガスシール用のガスケット３４を有する。筒状磁性部材６１はコイル３の外周面に外接してこれを保持した状態で、ガスケット３４の内側に配置される。ガスケット３４は、筒状部３３と筒状磁性部材６１との間に挿通嵌合される筒状体で、その一端側に設けられるフランジ部は、外筒１３の外側において、筒状部３３の端面に密接して配置される。

筒状磁性部材６１は、筒状部３３及びガスケット３４よりも軸方向長（例えば、図４における上下方向長）が長く、筒状磁性部材６１の内筒１２側の端面は、筒状部３３及びガスケット３４位置又はそれよりも内側（例えば、図４における下側）に位置する。また、外筒１３側の端面は、筒状部３３及びガスケット３４の端面位置又はそれよりも外側（例えば、図４における上側）に位置する。
筒状磁性部材６１も、磁性体層６と同様に、ケーシング１１を構成する金属材料よりも高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料、例えば、フェライト系の酸化物磁性材料にて構成することができる。筒状部３３及びガスケット３４は、ステンレス鋼等の金属材料にて構成される。

このように構成すると、磁性体層６よりも外側のケーシング１１を貫通してコイル３が取り出されるコイル取出部３１、３２においても、コイル３とケーシング１１との間に筒状磁性部材６１が配置されることで、コイル３の周りの磁束が筒状磁性部材６１を透過しやすくなる。これにより、コイル取出部３１、３２の外側のケーシング１１又はコイル取出部３１、３２の金属材料への磁束流れを遮断して、誘導加熱を抑制する効果が高まる。

なお、一般にコイル通電により生じる発熱を抑制するために、図示するようにコイル３を中空管状として、内部を熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路とすることができる。また、コイル取出部３１、３２の径方向の外側において、ケーシング１１には熱交換媒体流路７１が設けられるので、これら流路を流れる熱交換媒体との熱交換によって、筒状磁性部材６１の温度上昇を抑制することができる。

図５に示すように、熱交換部７において、熱交換媒体流路７１を構成する複数のリブ１４は、それぞれ軸方向Ｘに延びる細長い板状で、隣り合うリブ１４の間に、排気流れと平行な複数の流路７１１を形成している。複数のリブ１４は、軸方向Ｘに形成される流路７１１の流路壁となり、排気流れの上流側又は下流側の端部から、他方の端部の近傍まで延びている。すなわち、複数のリブ１４は、排気流れの上流側又は下流側の端部が交互に開口して、隣り合う流路７１１間を連通する開口部１５を形成しており、開口部１５を介して複数の流路７１１が互いに連通することにより、一連なりの熱交換媒体流路７１が形成される。

熱交換媒体は、例えば、エンジン冷却用の冷却水であり、流路入口部７２及び流路出口部７３は、冷却水ポンプＰを備える循環路に接続されて、その一部を構成することができる。熱交換媒体は、冷却水に限らず、例えば、空気でもよく、冷却水ポンプＰの代わりに送風ポンプを配置して、空冷式の熱交換部７とすることもできる。

このとき、熱交換媒体流路７１は、内筒１２の衝合部においては、複数のリブ１４と平行なフランジ１２１が、隣り合う流路７１１間を区画している。フランジ１２１の両端は、ケーシング１１の両端に配置される一対のリング状部材７４、７５に接続している。これにより、内筒１２と外筒１３の間に形成される空間が、フランジ１２１によって、２つの空間部Ｓ１、Ｓ２に区画される。これら２つの空間部Ｓ１、Ｓ２は半円弧状で(例えば、図２参照)、車両に搭載されたときに底部側となる一方に、流路入口部７２が接続され、頂部側となる他方に、流路出口部７３に接続されると共に、連通路となる連通溝７６によって、互いに連通している。連通溝７６は、排気流れの下流側に位置するリング状部材７５に設けられ、連通溝７６内には、フランジ１２１の衝合部に当接するカバー部材７６１が収容されている。

図６に示すように、リング状部材７５には、熱交換媒体流路７１の流路壁となる表面に、一対の連通溝７６が形成される。一対の連通溝７６は、一対のフランジ１２１と対向する位置を挟むように、周方向に所定長で形成される円弧状溝であり、連通溝７６内に収容されるカバー部材７６１は、フランジ１２１との当接面を支持する一対の脚部７６２が、周方向に配置されている。これにより、連通溝７６内の熱交換媒体の流れを妨げることなく、フランジ１２１の衝合部からの熱交換媒体の漏れを防止可能としている。

これにより、連通溝７６を介して、流路入口部７２が接続される底部側の空間部Ｓ２の流路７１１と、流路出口部７３が接続される頂部側の空間部Ｓ１の流路７１１とが連通する。流路入口部７２からケーシング１１内に導入される熱交換媒体は、複数の流路７１１及び連通溝７６からなる熱交換媒体流路７１を通過する間に、その内側の磁性体層６と熱交換し、流路出口部７３からケーシング１１外に導出される。

このように、熱交換媒体流路７１をセラミックス基体２の外周側に配置することで、被加熱領域Ａの誘導加熱を妨げることなく、磁性体層６の温度上昇を抑制可能となる。また、セラミックス基体２の上流側において排気の熱を奪うこともないので、エンジン始動後には排気の熱を利用して、セラミックス基体２の昇温性能を向上させることができる。

また、２つの空間部Ｓ１、Ｓ２を連通路にて接続し一連なりの熱交換媒体流路７１とすると、それぞれの空間部Ｓ１、Ｓ２に流路入口部７２、流路出口部７３を別々に設けて２経路の熱交換流路とする必要がなく、装置構成が簡素化できる。なお、ここでは、排気流れの下流側に位置するリング状部材７５に連通溝７６を設けているが、熱交換媒体流路７１の流路７１１の構成によっては、上流側に位置するリング状部材７４に、連通溝７６を設けることもできる。また、連通溝７６の構成は図示したものに限らず、２つの空間部Ｓ１、Ｓ２を連通する連通路が構成されていれば、同様の効果が得られる。

次に、上記構成の排気浄化装置１の作用効果について説明する。
図１において、図示しない制御部から通電指令が出力されると、バッテリ５２の直流電力がインバータ回路部５１にて交流電力に変換されて、コイル３へ交番電流が流れる。これに伴い、コイル３の周りに発生する磁界によって、コイル３の内側のセラミックス基体２に均等配置される複数の導電部材４１が誘導加熱される。
すなわち、図３中に矢印で示すように、棒状の導電部材４１の内部を交番磁束が通過することによって、導電部材４１の表面に渦電流が流れ、ジュール熱が発生する。これにより複数の導電部材４１が保持されるセラミックス基体２の上流側が加熱され、触媒の活性化に適した温度に昇温される。

このとき、排気浄化装置１は、コイル３の外側にも金属材料からなるケーシング１１が配置されて、誘導加熱されやすい構成となっていることから、本形態では、ケーシング１に内接させて、所定長の磁性体層６を設けている。磁性体層６は、ケーシング１１よりも高透磁率の磁性材料からなるので、導電部材４１を透過してコイル３の外側へ向かう磁束は、ケーシング１１よりも磁性体層６を流れやすくなる。これにより、装置外壁部を構成するケーシング１１よりも内側に磁束の流れが集中し、ケーシング１１の誘導加熱が抑制される。また、磁性体層６は、ケーシング１１よりも高電気抵抗率の磁性材料からなるので、磁束の透過により生じる渦電流量を抑制して、誘導加熱量を低減できる。そのため、ケーシング１１及び磁性体層６における発熱が抑制されて、セラミックス基体２の加熱効率が向上し、触媒活性温度に効率よく昇温させることができる。

（試験例１）
図７の上図に示すように、実施形態１の構成と、磁性体層６を設けない比較形態１の構成について、それぞれ誘導加熱部５により加熱したときのケーシング１１及びセラミックス基体２の外周部における温度分布をシミュレーションにより求めた。
コイル３への通電条件は、以下の通りとした。導電部材群４の導電部材４１及びケーシング１１とは、それぞれ、以下の金属材料にて構成し、磁性体層６は、以下の酸化物磁性材料にて構成した。
交流周波数：１６０ｋＨｚ
投入電流：２５０Ａｒｍｓ
導電部材４１：ＳＵＳ４３０
(透磁率：１．３×１０^-3Ｈ／ｍ；電気抵抗率：６０×１０^-8Ω・ｍ（室温)
ケーシング１１：ＳＵＳ４４０
(透磁率：１．０６×１０^-3Ｈ／ｍ；電気抵抗率：６４×１０^-8Ω・ｍ（室温）
磁性体層６：フェライト
(透磁率：２．６×１０^-3Ｈ／ｍ；電気抵抗率：６Ω・ｍ（室温）

図７の下図に比較して示すように、コイル３の外側にケーシング１１の内筒１２が露出する比較形態１の構成では、コイル３に近接する内筒１２の一部の温度が最も高くなっており、軸方向Ｘにおいて、コイル３から離れるにつれて温度が低下する。これに比べて、コイル３の内側のセラミックス基体２では、コイル３に近い被加熱領域Ａの外周部において、導電部材４１の周囲の一部に温度上昇が見られるものの、全体に温度が低くなっている。

一方、実施形態１の構成では、コイル３の外側において内筒１２に内接して配置される磁性体層６によって、内筒１２の温度上昇が抑制されている。また、磁性体層６の温度上昇は小さく、コイル３の内側では、セラミックス基体２の被加熱領域Ａの全体に温度上昇が見られる。このように、磁性体層６が配置されることにより、セラミックス基体２の加熱効率が向上することが確認された。

また、図８に示すように、実施形態１と比較形態１の構成について、コイル３への通電開始からのケーシング温度の時間変化を調べた。ケーシング温度は、被加熱領域Ａの外側に位置する内筒１２の表面温度とし、通電条件は、以下の通りとした。
投入電力：１．７ｋＷ
交流周波数：２７０ｋＨｚ(比較形態１)
交流周波数：２０６ｋＨｚ(実施形態１)
初期温度：室温(約２３℃)
なお、実施形態１と比較形態１の交流周波数の違いは、磁性体層６の有無の影響によるものである。

図８において、比較形態１の構成では、通電開始からケーシング温度が徐々に上昇し、１８０秒で６８℃まで上昇した。これに対して、実施形態１の構成では、ケーシング温度は、１８０秒経過後もほぼ一定で、室温と同等温度であった。このように、磁性体層６の有無がケーシング温度の上昇に大きく影響しており、磁性体層６を設けることで、ケーシング１１の昇温を抑制できることが確認された。

さらに、図９に示すように、実施形態１の構成について、熱交換部７の有無による冷却効果を調べるため、熱交換部７の熱交換媒体流路７１に冷却水を流通させた場合（すなわち、冷却水：あり）と、冷却水の流通を停止した場合（すなわち、冷却水：なし）とで、磁性体層６の温度変化を計測した。
計測条件は、以下の通りとした。
投入電力：３．３ｋＷ
電源周波数：２１２ｋＨｚ
初期温度：室温(２０℃)
冷却水温度：２０℃
冷却水量：１０Ｌ／min

図９において、冷却水の流通がない場合には、コイル３への通電開始により、フェライト温度が急上昇しており、２００℃付近で一旦収束した後、再び徐々に上昇する。これは、磁性体層６を構成するフェライト温度が２００℃付近でキュリー点を超えることにより、磁性体層６の磁気シールド効果が低下するためと推測される。これにより、ケーシング１１が誘導加熱され始めると、ケーシング１１からの熱が伝わることで、磁性体層６が温度上昇してしまう。

これに対し、冷却水を流通させた場合には、フェライト温度はわずかに上昇して安定する。したがって、セラミックス基体２を加熱する際の目標温度が、磁性体層６を構成する磁性材料のキュリー温度よりも高くなる場合には、熱交換部７を作動させて磁性体層６を冷却することが有効であり、セラミックス基体２の加熱効率を向上させることができる。

（試験例２）
図１０に示すように、図１１に示す実施形態１の構成において、セラミックス基体２の直径Ｄに対する磁性体層６の軸方向長Ｌを変化させたときの、加熱効率への影響を調べた。磁性体層６は、軸方向Ｘにおける中央部が、コイル３の中央位置（すなわち、被加熱領域Ａの中央位置；以下、コイル中央位置と略称する）Ａ１の外側に位置するように配置し、軸方向長Ｌと直径Ｄとの比率Ｌ／Ｄを０〜３の範囲で変化させた。加熱効率は、誘導加熱部５への投入電力量のうちセラミックス基体２の加熱熱量として用いられた割合として算出され、投入電力の全量が、セラミックス基体２を加熱するための熱量に変換された場合を１００％として、その低下率を、加熱効率低下率とした。

図１０の左図において、比率Ｌ／Ｄ＝０は、磁性体層６が配置されない場合であり、磁性体層６を配置した場合には、その比率Ｌ／Ｄが大きくなるにつれて、加熱効率低下率が急減する。例えば、図示するように、比率Ｌ／Ｄ＝０を３以下の範囲で変化させたとき、比率Ｌ／Ｄ＝０．５にて加熱効率低下率は２０％まで低下し、誘導加熱部５による加熱エネルギの大半が、セラミックス基体２の加熱に利用されたことがわかる。比率Ｌ／Ｄ＝０．５とは、図１１において、磁性体層６の軸方向長Ｌが、セラミックス基体２の直径Ｄの１／２、すなわち半径ｒと同じ長さであることを示し、これより軸方向長Ｌが長くなることで、投入電力の損失が低減し、加熱効率は向上する。

図１０の右図に拡大して示すように、比率Ｌ／Ｄ＝０．７５以上の範囲では、加熱効率低下率は５％程度まで低下し、セラミックス基体２の加熱効率がさらに向上する。加熱効率低下率は、比率Ｌ／Ｄ＝１以上においても徐々に低下しているが、比率Ｌ／Ｄ＝１．５を超えるとほぼ０となる。したがって、磁性体層６は、その軸方向長Ｌが、セラミックス基体２の直径Ｄの１／２以上（すなわち、Ｌ／Ｄ≧０．５）、好適には、直径Ｄの３／４以上（すなわち、Ｌ／Ｄ≧０．７５）の長さとなるように設定することで、セラミックス基体２の加熱効率を向上させる効果が高まる。

図１２に示すように、磁性体層６は、比率Ｌ／Ｄが上記範囲を満たすと共に、軸方向Ｘにおいて、コイル中央位置Ａ１から磁性体層６の端面までの長さＬｂがセラミックス基体２の半径ｒ以上の長さとなることが望ましい（すなわち、Ｌｂ≧Ｄ／２）。コイル３と磁性体層６の中央位置は一致している必要はなく、その場合には、長さＬｂとして、コイル中央位置Ａ１よりも排気上流側の長さＬｕと、排気下流側の長さＬｄとが、それぞれ上記所定の関係にあるのがよい（すなわち、Ｌｕ≧ｒかつＬｄ≧ｒ）。好ましくは、長さＬｕと長さＬｄが、いずれもセラミックス基体２の半径ｒよりも長くなるように（すなわち、Ｌｕ＞ｒかつＬｄ＞ｒ）、配置されるのがよい。
このとき、コイル中央位置Ａ１に対して、中心軸Ｃの位置にある導電部材４１までの距離と、磁性体層６の両端までの距離がほぼ同等となる。つまり、図中に矢印で示すように、磁性体層６を透過する磁束が、中心軸Ｃの位置にある導電部材４１を通って、磁性体層６へ戻る閉ループを形成可能となるので、加熱効率の低下を最小限とすることができる。

図１３に示すように、磁性体層６は、少なくとも、被加熱領域Ａの軸方向長Ｌａよりも長く形成され、被加熱領域Ａの両側に延在するように、その外側を覆っていることが望ましい。図示のように、磁性体層６の軸方向長Ｌがセラミックス基体２の直径Ｄより短いときは（すなわち、１＞Ｌ／Ｄ≧０．５）、Ｌｕ＜ｒかつＬｄ＜ｒとなるが、磁性体層６の両端側（例えば、図中に円で囲む領域）においてケーシング１１へ流れる磁束を一部に留めて、ケーシング１１の加熱を抑制する効果を得ることができる。

図１４に示すように、磁性体層６の軸方向長Ｌが、セラミックス基体２の直径Ｄより長いときは（すなわち、Ｌ／Ｄ≧１）、Ｌｕ＜ｒ又はＬｄ＜ｒとなるように配置されていてもよい。このとき、磁性体層６は、ケーシング１１へ流れる磁束を、コイル中央位置Ａ１より上流側又は下流側（例えば、図中に円で囲む領域）の一部に留めることができ、ケーシング１１の加熱を抑制する効果を向上させることができる。

（実施形態２）
内燃機関の排気浄化装置に係る実施形態２について、図１５、図１６を参照しながら説明する。
本形態における排気浄化装置１の基本構成は、実施形態１と同様であり、セラミックス基体２の形状と保持構造が異なっている。以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

上記実施形態１では、セラミックス基体２を、被加熱領域Ａとなる縮径部を有する形状としたが、セラミックス基体２は、一定径の円柱状であってもよい。その場合には、図１５に示すように、セラミックス基体２は、排ガスＧが導入される上流側端面２３を含む半部を、被加熱領域Ａとして、その内部に導電部材群４となる多数の導電部材４１を配置する。そして、被加熱領域Ａの外側にコイル３を配置して、誘導加熱部５を構成することができる。

また、ケーシング１１とセラミックス基体２との間には、耐熱マット層２６が配置されている。耐熱マット層２６は、セラミックス基体２の下流側半部において、その外周を取り巻く筒状体であり、例えば、セラミックス材料にて構成することができる。これにより、セラミックス基体２は、耐熱マット層２６を介してケーシング１１の内側に収容保持される。

本形態においても、セラミックス基体２の外側には、ケーシング１１に内接して磁性体層６が設けられる。また、ケーシング１１には、コイル３を外部へ取り出すためのコイル取出部３１、３２が設けられると共に、ケーシング１１と一体に熱交換部７が設けられる。図１６上図に示すように、コイル取出部３１、３２には、コイル３の外周を保持する筒状磁性部材６１が設けられ、熱交換部７には、ケーシング１１の内外筒１２、１３間に熱交換媒体流路７１が設けられる。

ここで、図１６下図に筒状磁性部材６１によるコイル３の保持構造例を示すように、コイル３としては、例えば、円形の外形を有する中空のコイル素線３Ａを採用することができる。その場合には、コイル素線３Ａの外側を保持する筒状磁性部材６１は、例えば、半円形の凹溝６２１を有する一対の磁性体片６２にて構成され、凹溝６２１の衝合部に形成される円形穴の内側に、コイル素線３Ａを密接させて保持する構成とすることができる。

あるいは、コイル３を、例えば、矩形形状の外形を有する中空のコイル素線３Ｂを採用することもできる。その場合には、コイル素線３Ｂの外側を保持する筒状磁性部材６１は、例えば、断面コ字形の磁性体片６３とＩ字形の磁性体片６４との組み合わせによって構成される。コイル素線３Ｂは、磁性体片６３の矩形凹部６３１と磁性体片６４との衝合部に形成される矩形穴の内側に、密接して保持される。

筒状磁性部材６１は、例えば、板状の焼結フェライト材からなる磁性体片６２〜６４を組み合わせて構成され、全体が矩形の外形を有する。上述したように、コイル３の中空部内には、図示されない熱交換媒体流路が接続されて、コイル通電によるジュール発熱を抑制するために、エンジン冷却水等を流通可能となっている。そのため、コイル３の外周に筒状磁性部材６１を密接させることで、磁気シールドとして機能させると共に、温度上昇を抑制する効果が得られる。その場合には、筒状磁性部材６１の円形穴内に、円形のコイル素線３Ａを保持する構成としてもよいが、コイル素線３Ｂのように外形を矩形とすると、筒状磁性部材６１の矩形穴との接触面積が増加することで、冷却効率が向上可能となる。

（実施形態３）
内燃機関の排気浄化装置に係る実施形態３について、図１７、図１８を参照しながら説明する。本形態における排気浄化装置１の基本構成は、実施形態１と同様であり、ケーシング１１と一体に設けられる熱交換媒体流路７１の流路構成が異なっている。以下、相違点を中心に説明する。
図１７において、排気浄化装置１には、実施形態１と同様の熱交換部７が設けられ、ケーシング１１の内筒１２と外筒１３との間に、熱交換媒体流路７１が形成される。熱交換媒体流路７１は、複数のリブ１４によって区画される複数の流路７１１が互いに連通して、一連なりの流路となっている。ケーシング１１の内筒１２と外筒１３とは、それぞれ、両端にフランジ１２１、１３１を有する一対の半円筒体にて構成される。

ケーシング１１内に形成される熱交換媒体流路７１は、隔壁部となるフランジ１２１によって区画される２つの空間部Ｓ１、Ｓ２を有している。上記実施形態１では、２つの空間部Ｓ１、Ｓ２を連通させるために、図示しないリング状部材７５に連通溝７６を設けたが（例えば、図６参照）、本形態では、径方向Ｙにおいて、フランジ１２１、１３１の外側に、一対の連結部７７を設けている。連結部７７は、概略コの字断面の容器状で、ケーシング１１の外筒１３の外側に突出する一対のフランジ１２１、１３１を覆うように、例えば、溶接等により固定される。連結部７７の内側に位置する外筒１３には、連結部７７の内側の空間により形成される流路７７１と、外筒１３の内側の熱交換媒体流路７１とを連通する一対の連通孔１３２が、外筒１３の壁面を貫通して設けられる。

流路７７１と一対の連通孔１３２は、２つの空間部Ｓ１、Ｓ２を連通させる連通路を構成しており、一対の連通孔１３２は、フランジ１２１を挟んで対称位置に設けられる。このような構成によっても、連結部７７の内側の空間を介して、フランジ１２１によって区画される２つの空間部Ｓ１、Ｓ２が連通し、一連なりの熱交換媒体流路７１を形成することができる。

あるいは、図１８に変形例を示すように、ケーシング１１の内筒１２及び外筒１３を構成する一対の半円筒体の衝合部において、その一方を他方の外側に重なるように延出し、重なり部７８を設けることもできる。その場合には、重なり部７８の内側に形成される流路７８１と、外筒１３の内側の熱交換媒体流路７１とを連通する連通孔１３３が、外筒１３の壁面を貫通して設けられる。

このような構成によっても、内筒１２と外筒１３との間に設けられる２つの空間部Ｓ１、Ｓ２が、連通路となる流路７７１、連通孔１３２、１３３によって互いに連通して、一連なりの熱交換媒体流路７１が形成される。また、２つの空間部Ｓ１、Ｓ２を連通させるために、別部材を設ける必要がないので、簡素な構成で、所望の流路を形成することができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、ケーシング１１及びセラミックス基体２を円形の外形形状とした例を示したが、これに限らず、例えば、楕円形であってもよい。また、セラミックス基体２の通孔２１となるセル形状は、一定形状であっても、形状や大きさの異なる複数のセルを組み合わせた形状であってもよい。

また、上記実施形態では、自動車用の排ガス浄化触媒への適用例として説明したが、触媒担持フィルタに適用することもできる。さらに、自動車エンジンに限らず、各種装置からの排ガスを浄化する触媒体等、各種用途に任意に使用することができる。

１排気浄化装置
２セラミックス基体
２１通孔
２２外周壁
３コイル
４導電部材群
４１導電部材
５誘導加熱部
６磁性体層
Ａ被加熱領域

Claims

内燃機関の排気通路（ＥＸ）の一部をなす金属筒状のケーシング（１１）と、
上記ケーシングに収容され、排気流れ方向を軸方向（Ｘ）とする筒状の外周壁(２２)の内側に、排気が通過する多数の通孔（２１）を有するセラミックス基体（２）と、
上記外周壁の外側を取り巻くコイル（３）、及び、上記セラミックス基体の被加熱領域（Ａ）となる領域内に配置され、上記軸方向に延びる棒状の導電部材群（４）を有する誘導加熱部（５）と、を備える、内燃機関の排気浄化装置（１）であって、
上記被加熱領域の外側を取り囲むと共に、上記ケーシングの内周壁に内接して配置され、上記ケーシングよりも高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料からなる磁性体層（６）を有している、内燃機関の排気浄化装置。
上記コイルは、上記被加熱領域の外側において、上記外周壁と上記磁性体層との間に収容されており、
上記軸方向において、上記磁性体層の長さＬと、上記被加熱領域の長さＬａとは、Ｌ＞Ｌａの関係にある、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記軸方向において、上記磁性体層の長さＬと、上記セラミックス基体の直径Ｄとは、Ｌ≧Ｄの関係にあり、かつ、上記コイルの中央位置から上記磁性体層の端面までの長さＬｂと、上記セラミックス基体の直径Ｄとは、Ｌｂ≧Ｄ／２の関係にある、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記コイルを上記ケーシングの外部に取り出すためのコイル取出部（３１、３２）を、さらに備えており、
上記コイル取出部は、上記ケーシングを貫通して配置される筒状部（３３）と、上記筒状部の内側において、上記コイルの外周を保持すると共に、上記ケーシングよりも高透磁率かつ高電気抵抗率の磁性材料からなる筒状磁性部材（６１）と、を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記コイルは、円形又は矩形形状の外形を有し、上記筒状磁性部材に設けられ、上記コイルの外形形状に沿う円形穴又は矩形穴の内側に密接保持される、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記磁性体層は、酸化物磁性材料を含む焼結体からなり、
上記ケーシングは、円弧状の複数の分割ケーシング（１１Ａ、１１Ｂ）からなると共に、複数の上記分割ケーシングが衝合された衝合部の内側に、上記磁性体層が密接保持される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ケーシングと一体に設けられ、上記ケーシングの内側で発生した熱を外部に移動する熱交換部（７）を、さらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ケーシングは内筒（１２）と外筒（１３）とを有する二重筒状であり、上記熱交換部は、上記内筒と上記外筒との間に設けられる熱交換媒体流路（７１）を備えている、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記内筒と上記外筒との間に形成される空間は、隔壁部（１２１、１３１）によって、周方向に複数の空間部（Ｓ１、Ｓ２）に区画されており、複数の上記空間部が連通路（７６、７７１、１３２、１３３）を介して互いに連通して、上記熱交換媒体流路を形成している、請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記連通路は、上記軸方向において上記ケーシングの端部に配置されて上記熱交換媒体流路の流路壁となる流路形成部材（７４、７５）に設けられ、複数の上記空間部を接続する連通溝（７６）、又は、上記隔壁部の外側に配置される連結部（７７）の内部に形成される流路（７７１）及び上記流路に面する上記ケーシングに設けられ上記流路を介して複数の上記空間部を接続する連通孔（１３２）、又は、上記隔壁部の外側に設けられる上記内筒と上記外筒との重なり部（７８）に形成されて、複数の上記空間部を接続する連通孔（１３３）からなる、請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。