JP2787826B2 - 導電性ハニカム体及びその作動方法 - Google Patents

導電性ハニカム体及びその作動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体が貫流可能な
溝が多数形成された排ガス触媒用担体、その他流体を加
熱し蒸発させるため等に使用される導電性ハニカム体、
並びにその作動及び監視方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来自動車の冷始動期における有害物質
の排出を減少させるために多くの場合いわゆる始動触媒
（予備触媒とも称される）が使用されている。このよう
なエンジンに近接して組み込まれた金属性の支持構造物
を有する始動触媒は、容積の大きい主触媒よりも迅速に
加熱される。なぜならこの触媒はエンジンに近接して配
設されておりかつ容積が小さいからである。それにもか
かわらず始動触媒も応答するまでに一定の時間を要す
る。それというのもその触媒活性材料、そのセラミック
製担体物質及び金属製支持構造物がまず排ガスによって
加熱されなければならないからである。この場合始動触
媒が排ガスからまず熱を奪い、その結果更に後方に配置
された主触媒は一層緩慢に作動温度に上昇することにな
る。
【０００３】金属製支持構造物としてはハニカム体の多
くの変種が公知であり、例えば欧州特許第００４９４８
９号、同第０１２１１７４号及び同第０１２１１７５号
明細書、並びに欧州特許出願公開第０２４５７３７号及
び同第０２４５７３８号明細書に記載されている。特に
これらの文献からいわゆるＳ字状のハニカム体及びＵ字
状の薄板層を有するものも公知である。
【０００４】また金属製のハニカム体を電気的に加熱し
得ることもかなり以前から公知である。これについては
例えばドイツ連邦共和国特許第５６３７５７号明細書に
記載されている。触媒本体を電気加熱体により加熱する
他の研究はドイツ連邦共和国特許出願公告第２２３０６
６３号明細書から公知である。しかし触媒担体を直接電
気的に加熱することに関してはこれまで極めて大きな困
難に直面してきた。なぜなら通常の金属製構造物は、自
動車において通常用いられる電圧でこれを直接加熱体と
して使用し得るにはあまりにも低い電気抵抗を有するに
すぎないからである。従ってドイツ連邦共和国特許第５
６３７５７号明細書では、適当な抵抗を有するように構
成された特定の部分範囲のみを加熱している。ドイツ連
邦共和国特許出願公告第２２３０６６３号明細書では特
殊な発熱体を使用しているが、この発熱体は同時に触媒
担体として利用されるものではない。
【０００５】一方らせん状に巻かれたハニカム体の場
合、各薄板層を適当に絶縁することによって、巻き上げ
られた薄板の長さ全体を利用し尽くした場合には、加熱
に必要な電力を得るのに十分な電流強度を生じないおそ
れのある極めて高い抵抗を生じる可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、その
電気抵抗を広範囲にその容量とは無関係に自由に選択す
ることができ、従って特にハニカム体の加熱が自動車で
通常利用される電圧又は電流源により問題なく可能であ
るように、導電性ハニカム体の構造を改良することにあ
る。更に、付加的に又は選択的にハニカム体の温度に依
存する抵抗を観察することによってその温度を求め、こ
の情報により調整又は監視過程を可能にすることにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明によれば、導電性ハニカム体が、巻き上げられる
か、積み重ねられるか、層状化された少なくとも部分的
に構造化された高温耐食性の薄板の層、有利にはほぼ平
坦な薄板と波状薄板とが互いに配置されている層からな
り、薄板は流体の流れる多数の溝を形成し、約０．０３
〜０．１２ｍｍ、有利には０．０３〜０．０６ｍｍの厚
さを有し、ハニカム体が間隙及び／又は電気的に絶縁性
の中間層又は被覆によってその横断面及び／又はその軸
方向の延長部において電気的に細分され、ハニカム体の
少なくとも１つの部分領域は並列的に電流の流れる隣接
した少なくとも４つの薄板層から形成され、ハニカム体
は０．０３〜２オーム、有利には０．１〜１オーム、特
に約０．６オームの電気抵抗を有する。
【０００８】後に図面により更に詳述するように、この
場合一定の抵抗を得るのに必要な間隙及び／又は中間層
の数は多くのパラメータによって左右される。個々の薄
板の厚さ、その構造、個々の溝の横断面及び材料の選択
はある種の影響を及ぼす。厚さ約０．０３〜０．１２ｍ
ｍ、有利には０．０３〜０．０６ｍｍの薄板を使用する
ことができる。通常使用される材料はクロム及びアルミ
ニウム成分を有する鋼板である。本発明には電気的に加
熱可能の触媒担体の種々異なる変形が含まれる。それら
に共通していることは、触媒担体が間隙及び／又は電気
絶縁性の中間層によって、０．０３〜２オームの電気抵
抗を有する触媒担体により少なくとも一つの電流路が生
じるように細分されているか又はそのジャケット管によ
って分離されていることである。この範囲における抵抗
は通常の１２ボルト装置での電気加熱用として特に適し
ている。その際考慮すべきことは高い電流強度ですでに
導線内にかなりの損失が生じるおそれがあり、従って触
媒担体自体にはおそらく例えば１０ボルトの低い電圧が
印加されるにすぎないことである。
【０００９】車輌中に電気的に加熱可能の触媒が複数個
存在する場合には、常に種々異なる電気的接続法が生じ
る。高い抵抗を有する個々の触媒担体を構成し、次いで
並列的に接続するか、又はこれらが比較的低い電気抵抗
を有し、相応して直列に接続することもできる。加熱電
力が運転状態に左右されて変化する場合には、時間との
関連において並列接続から直列接続へ切り換わるように
することもできる。
【００１０】一般的に使用されている厚さ約０．０３〜
０．０６ｍｍの高温耐食性の薄板は、触媒担体を形成す
るのに必要とされる全長にわたって、予定の電気加熱に
は高すぎる抵抗を有するおそれがある。すべての構造化
された薄板が接触するか又はいわゆる接合法により接続
されている触媒担体は１２ボルトでの電気加熱にはあま
りにも電気抵抗が低すぎるおそれがある。従って結果と
して触媒担体を、その全容量との関連において長さと導
電性との間に協同作用を有する電流路が生じるように細
分しなければならない。この場合の一つの可能性とし
て、横断面を、例えばそれぞれ４つ以上の並列的に接続
された薄板層、有利には８〜１２の薄板層からなる電気
的に次々に連結された部分に分割することである。他の
可能性としては触媒担体を電気的に直列に接続されてい
る軸方向に連続して配置された層に細分することであ
る。この２つの可能性は、実施例に基づき詳述するよう
に組み合わせて使用することも可能である。
【００１１】電気的に加熱可能の触媒担体をジャケット
管に詰め込む場合にはいくつかの特殊性がある。なぜな
らこの場合には触媒担体の少なくとも一部をジャケット
管から電気的に絶縁する必要があるからである。更にリ
ード線用の適当な絶縁ブッシングを設ける必要がある。
しかしこれは例えば半殻体から構成されるジャケット管
を使用することにより大した問題とはならない。この場
合触媒担体とジャケット管とを絶縁させる処理は同時に
熱的及び電気的に絶縁することができ、これは特に有利
である。
【００１２】本発明は特殊な用途に対するいくつかの個
々の事例での問題解決に関する。図面に基づき更に詳述
するように、ハニカム体内の電流密度の分布を比較抑制
するため、ハニカム体の片側又は両側に端子板を設ける
ことができる。加熱可能のハニカム体とそのジャケット
管との間に相対膨張の発生が予測される場合には、リー
ド線を弾性的に構成する必要があり、これによりその膨
張度を補償することができる。このリード線は場合によ
っては５０〜４００アンペアの電流強度を有していなけ
ればならない。
【００１３】ハニカム体が軸方向で高い機械的負荷を受
けることが予測される場合には、互いに電気的に絶縁さ
れた薄板層を型締め結合によって軸方向への移動を阻止
することが重要である。周知のようにセラミック絶縁層
は大規模には引張負荷不能である。この場合型締め結合
は、生じる力を吸収するのに役立つ。特に型締め結合が
絶縁層の厚さよりも大きくない深さを有する場合、軸方
向の力はこの範囲でセラミック中間層を圧縮荷重し、引
張荷重を生じない。
【００１４】導電性の触媒担体、特にこれまでに文献に
記載されている例えば粉末冶金法で製造された他の触媒
担体は、これらが少なくとも部分的にそのジャケット及
びその支持体に対して絶縁されておりまた触媒活性被覆
を備えて内燃機関の排ガス系に使用される場合には、そ
の電気抵抗を全体的に又は一部の範囲で測定し、また触
媒排ガス系を監視し及び／又は調整するために利用する
ことによってコントロールすることができる。温度が上
昇するにつれて、ハニカム体の電気抵抗も上昇する。こ
のことは電気加熱状態を監視しまた調整するのに利用す
ることを可能とする。印加電圧が一定の場合触媒担体に
よって吸収される加熱電力が低下するという作用の他
に、この加熱行程はまた、電気抵抗が予め規定すること
のできる閾値を下回った際に終了することができる。例
えば交通の渋滞時における運転温度が触媒反応の点火温
度以下に下っている触媒の後加熱も、抵抗測定によって
解消することができる。この場合加熱回路を周期的に短
時間接続し、吸収した加熱電力又はこの加熱電力に比例
する大きさを測定することによって、加熱回路自体を抵
抗測定に利用することができる。
【００１５】
【実施例】本発明の実施例を図面について説明する。
【００１６】図１には始動触媒及び主触媒に対する種々
の位置を有する自動車の部分的に二又状の排ガス系が略
示されている。なお以下に行う説明は下方の支線１０
ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、１８
ｂ、１９ｂをそれぞれ欠く単線状に構成された装置に対
しても該当する。この排気系は排ガスをエンジン排気管
１０ａ、１０ｂにより、ラムダプローブ１４が配設され
ている混合域１３に送る。そこから排ガス導管１５ａ、
１５ｂが主触媒１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂに、ま
た更にそこから排気管１９ａ、１９ｂに導かれる。主触
媒が唯一の担体からなるか又は図示するように２つの担
体からなるかは、エンジンの大きさ及び出力による。図
１には電気的に加熱される始動触媒の可能な３つの位置
が示されている。位置１は１１ａ、１１ｂで、位置２は
１２ａ、１２ｂで、また位置３は１６ａ、１６ｂで示
す。次にこれらの位置の利点及び欠点を詳述するが、こ
れらの位置の２箇所又はすべての箇所に加熱される始動
触媒を取り付ける組み合わせも可能である。更に主触媒
１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ自体を電気的に加熱す
ることも可能であり、この場合にはもちろん一層高い電
力が必要とされるが、場合によっては始動触媒を省くこ
ともできる。
【００１７】位置１は始動触媒として一般的な配置箇所
であり、この場合各始動触媒はそのエンジンの近くにあ
ることから急速に加熱され、従って早期に応答するが、
高い熱交換による負荷に耐える必要がある。電気的に加
熱することによってこの位置での応答挙動は更に改良す
ることができるが、次の主触媒位置までの排ガス行程が
比較的長いため、運転開始直後の排ガスは主触媒までの
間に再び冷却され、主触媒の応答挙動が限られた範囲で
改良されるにすぎない可能性がある。
【００１８】位置２はエンジンから僅かに遠ざけられて
いることから、始動触媒の担体の熱交換による負荷を減
じることができ、また主触媒にも近いことから、主触媒
の応答挙動を若干促進させる。更にこの位置２は、そこ
で早期に応答する触媒がラムダプローブ１４の応答挙動
をも改良するという利点を有する。
【００１９】位置３は、始動触媒１６ａ、１６ｂの応答
と共に主触媒１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂの応答を
も急速に促進するのに有利である。エンジンから遠ざけ
ることによってこの位置における始動触媒は加熱にも拘
らず遅れて応答する。
【００２０】しかし上記のそれぞれの位置で始動触媒、
特に電気的に加熱可能の始動触媒は著しい利点を有し、
どの位置が又はこれらの位置のどの組み合わせが特に好
ましいかは個々の周辺条件に左右される。この場合主触
媒の担体がセラミック製担体であるか又は金属製担体で
あるかは重要な問題ではない。
【００２１】図２及び図３には導電性触媒又は電気的に
加熱可能の触媒用の基本回路が略示されている。図２で
は触媒２４は電源２０からスイッチ２３を介して電流を
供給される。図２、図３及び以下の図面において＋／−
／〜という記号によって表されるように、電力供給がバ
ッテリーから直流で行われるか又は点灯用発電機から交
流で行われるかは本発明では全く問題ではない。一般に
一定の運転状態に達した後は触媒を更に電気的に加熱す
る必要はなく、従ってスイッチ２３は定時継電器２１及
び点火キー２２と接続される。図２に示した装置により
逆に触媒２４のその都度実際の（すなわち温度に関連す
る）抵抗Ｒ（Ｔ）について逆に推論することも可能であ
り、これは本発明の重要な点でもある。最も簡単な場合
この抵抗Ｒは電圧測定器２５及び電流測定器２６により
Ｒ＝Ｕ／１（Ｕ＝電圧、１＝電流）から決定することが
でき、この場合、場合によっては電圧を一定として既知
であると仮定することも可能である。抵抗Ｒはまた触媒
担体の温度ＴK に直接比例する。加熱行程は予め設定さ
れた電流Ｉmin を下回った際に終了し、その際十分に高
い温度ＴK が得られることから、加熱行程を自己調整す
ることができる。更に、加熱電流を規則的に短時間投入
しまた加熱電流を測定することによって（又は他の抵抗
測定系によって）、触媒の温度ＴK がなお触媒反応のた
めの点火温度ＴZ を上回っているか否かを確認すること
が可能である。そうでない場合には再び電気的に加熱す
ることができる。また触媒担体の抵抗Ｒの時間挙動を測
定することにより（自動車自体で又は工場実験で）、逆
に触媒の機能に関して推論することも可能である。なぜ
なら発熱性の触媒反応の発生は抵抗Ｒが急速に上昇する
ことによって認めることができるからである。自動車内
での適当な表示、例えば緑色灯は容易に実現可能であ
る。
【００２２】図３の場合も電気的に加熱可能の触媒は電
源３０からスイッチ３３を介して電流を供給され、この
スイッチは定時継電器３１を介して点火キー３２と接続
されている。しかしこの実施例では触媒は複数個の個々
に加熱可能の部分領域３４、３５、３６、３７からな
り、まず第１の部分領域３４が別個に高い電流で加熱可
能であり、その後初めて他の部分領域３５、３６、３７
が有利には直列回路で接続される。
【００２３】図４に基づき更に詳述するように、電気的
に加熱可能の触媒を作動する場合、種々の選択可能の系
を使用することができる。図４のグラフには縦座標に温
度Ｔが横座標の時間ｔに対して示されている。ＴZ は通
常の触媒の点火温度例えば約３５０℃を表し、ｔz は点
火時点、すなわち触媒反応が付加的な措置を施すことな
く相当な規模に達した時点を表す。曲線ＴA は、時点ｔ
S でのエンジン始動後における触媒前方の排ガス温度の
時間的経過を示すものである。破線ＴK1は電気的に加熱
された触媒担体内の温度経過を示す。触媒担体に対する
加熱電力を、その温度ＴK1が常に排ガス温度ＴA よりも
僅か上にあるように選択した場合、触媒担体を加熱する
ために排ガスから熱が除去されるのを阻止することがで
きる。この電力で排ガス自体が無視し得ないほどに加熱
されることはないが、冷却は阻止される。この運転法の
場合、触媒のセラミック材料及び触媒活性材料は排ガス
によって外から、また触媒担体によって内から同時に加
熱され、これにより明らかに早期に温度ＴZ に達し、こ
の温度で（発熱）反応が起こり、独りでに以後の加熱が
生じる。触媒を加熱するための電力は任意の大きさのも
のが得られないことから、図３の回路に基づいてまず触
媒の一部領域のみを、すなわち例えば軸方向の高さ約３
５〜６ｍｍの最前の触媒円板のみを加熱し、ここで発熱
反応をできるだけ急速に起こすことが必要となる。ＴK2
で示した曲線はこの円板での可能な温度経過を示す。こ
の場合その温度は小さな部分領域に限定された高い短絡
電流で極めて急速に著しく、例えば６００℃に高めら
れ、次いで他の触媒部分領域の加熱に切り換えられる。
これにより第１の円板は再び僅かに冷やされるが、これ
は十分な予熱ではもはや点火温度を下回ることはなく、
これにより排ガスとの発熱反応は維持され、このことは
更に後続する部分領域をその応答状態にする。曲線ＴK3
はエンジン始動前に予め加熱された触媒担体の温度経過
を示すものである。時点ｔv での予加熱開始時から始動
時点ｔs までに温度は急速に、点火温度ＴZを越えて上
昇し、もはやこれを下回ることはない。
【００２４】ここで触媒の電気加熱に関する若干の基本
的な考察を行う。この場合次の点に注意すべきである。
【００２５】a) 触媒をエンジン始動前に予熱しなけれ
ばならない場合、その電力消費量は待ち時間があまり長
くならないように、しかしまたバッテリーが過度に負荷
されないように配慮する必要がある。バッテリーが過度
に負荷されることなく、またそれにもかかわらず触媒の
応答挙動を明確に制御するために、構成に応じて約４０
〜４００Ａ（１２Ｖ系の場合）の電流消費が考慮され
る。
【００２６】b) 触媒をエンジンの始動後に初めて加熱
する場合、触媒は一層長い期間又はより高い電力を供給
されるが、点灯発電機の許容負荷及び必要なケーブル布
線の枠内で最大の電流強度を考慮すべきである。特に電
気装置の可燃性に関して注意しなければならない。
【００２７】これらの条件の下に、触媒の電気加熱に関
して１２Ｖの電圧で作動する電気装置の場合、触媒又は
個々の触媒領域を加熱するために約５〜４００アンペア
の電流強度を使用し得ることから出発することができ
る。このことは、触媒を加熱するために利用する電流路
の電気抵抗は、本明細書の導入部においてすでに記載し
たように特定の値を上回ってもまた下回ってもならない
ことを意味する。個々の薄板層から構成された触媒担体
の場合、抵抗Ｒに関しては次の式が成り立つ。 Ｒ＝ρ・Ｌ／ｚ・ｂ・ｈ ρ＝電気抵抗率、Ｌ＝層の長さ（場合によっては平坦な
薄板と波状の薄板とでは異なる）、ｂ＝箔厚、ｈ＝箔の
高さ、ｚ＝層の数。 触媒が高さｈのＮ個の触媒円板から構成されている場
合、抵抗は直列接続では更に相応してＮ倍すべきであ
る。
【００２８】電流Ｉによって導体内に生じる熱は以下の
通りである。 Ｑ＝Ｕ・Ｉ・ｔ＝Ｉ2 ・Ｒ Ｑ＝熱量、Ｕ＝電圧、Ｉ＝電流、ｔ＝時間、Ｒ＝抵抗。
【００２９】担体を温度Ｔに加熱するのに必要な熱量は
以下の通りである。 Ｑ＝ｃ・ｍ・ΔＴ ｃ＝比熱、ｍ＝質量、ΔＴ＝温度差。 これから純粋な電気抵抗の加熱による加熱時間 ｔe1＝ ｃ・ｍ・ΔＴ／Ｕ・Ｉ が得られる。エンジンの廃熱により触媒に供給される熱
量も含めて実際の加熱時間は著しく短く、経験値によれ
ば約２分の１ｔe1にすぎない。
【００３０】本発明の以下に記載する各実施例は、金属
薄板からなる触媒担体を、電気的加熱に適した抵抗を有
する電流路が生じるように構成する種々の可能性を示す
ものである。この場合本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではなく、当業者による変形態様もまた先行技
術に基づく同等の実施態様も該当するものである。特に
薄板層は平坦な薄板と波状薄板とが交互に配設されたも
のである必要はなく、先行技術において多くの変形が公
知であるように、別様に構造化された薄板も同様に使用
することができる。
【００３１】図５は蛇行状に重ねられた触媒担体５０を
示し、これは平坦な薄板５１及び波状薄板５２からな
り、方向変換部５７を有する積層体からなる。本実施例
ではこの積層体は４つの波状薄板５２と３つの平坦な薄
板５１により構成されており、積層体の上側及び下側は
波状薄板からなる。これらの蛇行湾曲体間にはそれぞれ
電気的に絶縁性の中間層５８が配設されており、これは
個々の蛇行湾曲体間に直接電気接続が生じるのを阻止す
る。積層体の両端でその薄板はそれぞれ互いに導電接続
され、電流導入線５３及び電流導出線５４又はそれに適
した接続片を備えている。担体全体は容器又はジャケッ
ト管５５内に配置されている。その前面で方向変換部５
７の範囲は破線で記された縁カバー５６ａ、５６ｂを有
し、これは方向変換部５７と容器５５との間に望ましく
ない電流が流れるのを阻止し、また蛇行湾曲体と絶縁性
中間層５８とを固定する。この装置の抵抗は蛇行状薄板
積層体中の薄板の数によって広範囲に変えることができ
る。更に装置のこの様式により横断面が長方形でないも
のも充填することができる。
【００３２】図６はＵ字状に曲げられた平坦な薄板層６
１及び波状薄板層６２を有するそれ自体は公知の触媒装
置を例示するものであるが、これらの薄板層はその両端
で支持壁６５、６６、６９に固定されている。本発明に
よればこの装置も絶縁性中間層６８によって、また支持
壁６５、６６、６９を導電性の区域６５、６６と電気的
に絶縁性の構造物６９とに区分けすることによって、適
切な抵抗を有する電流路が生じるように細分されてい
る。矢印で示されているように、電流は順次Ｕ字状の互
いに隣接する薄板の異なるグループを通って流れ、その
際支持壁の導電性区域はその都度次のグループを接続さ
せる。担体の内部で支持壁は、対向する導電性区域に対
する貫通電気接続部材６７を有し、その結果支持壁６９
の両側にあるＵ字状薄板の各グループは電流供給に関与
する。電流導出線６４はこの実施例の場合電流導入線６
３の近くにある。触媒担体６０全体は場合によっては更
に、図示されていないジャケット管に配置する必要があ
り、このジャケット管に対向する一番外側の薄板層は場
合によっては絶縁されていなければならず、またこのジ
ャケット管を介して電流導入線６３及び電流導出線６４
は場合によっては絶縁して通過させる必要がある。
【００３３】本発明の他の実施例を図７、図８及び図９
に示す。図７は少なくとも断片的に平坦な薄板条片７１
及び波状薄板条片７２からなる、極めて長く引き伸ばさ
れた薄板積層体７０の一部を示すものである。この積層
体は間隔をおいて複数個のくびれ部７３を有する。この
くびれ部は、波状薄板７２が断片的に波状でない場合又
は積層体を所望の範囲で圧搾することにより得ることが
できる。また例えばこの積層体をくびれ部なしに製造
し、平坦な薄板７１と波状薄板７２との間の接触箇所で
ろう付けし、その後に初めてくびれ部を圧搾することも
可能である。こうして形成した積層体から、図８に示す
ような触媒担体８０を積層することができる。基本的に
は蛇行状の成層であるが、この場合方向変換部は積層体
７０のくびれ部７３によって形成されている。こうして
所望の横断面形状を容易に製造することができまた不規
則に成形される縁範囲を小さくすることができる。排ガ
スが流過しないくびれ部７３は、この範囲で電気抵抗を
降下させるため補強材７４を有していてもよい。積層体
の平坦な薄板８１及び波状薄板８２は両端で導電可能に
接続され、電流導入線８３並びに電流導出線８４で終わ
るが、これらは絶縁片８５、８６を介して、担体を包囲
するジャケット管に導かれる。個々の蛇行湾曲部及び積
層体の外側は絶縁層８８により互いにまたジャケット管
から電気的に隔離されている。図９はジャケット管に対
する絶縁可能性の一例を示す図８からの一部拡大断面図
である。ジャケット管９０は例えばポケット９３を有
し、ここにはセラミック板９８が装入され、また場合に
よってはそこにろう付けされている。このセラミック板
９８は、平坦な薄板９１及び波状薄板９２からなる積層
体をジャケット管９０から間隔を置いて保持し、これに
より電気的及び熱的絶縁が得られる。しかし絶縁体とし
てはセラミック繊維マット又は他のセラミック材料も使
用することができる。
【００３４】図１０は本発明のもう一つの特に好ましい
一実施例、すなわち逆方向に組み合わせた平坦な薄板１
０１及び波状薄板１０２の積層体からなる公知の触媒担
体１００を示すものである。触媒担体のこの構造はそれ
自体公知であり、しばしばＳ字状と呼ばれる。この実施
形式は、積層体の上面および下面に絶縁層１０８又は絶
縁被覆を設ける可能性を提供するものであり、これによ
り積層体を逆方向に組み合わせた場合、矢印で示されて
いるように比較的長い電流路が生じる。その長さは、原
料積層体の高さ対触媒担体の直径の比に依る。薄板層１
０１、１０２がその両端で互いに絶縁されている導電性
の半殻体１０５、１０６に固定されている限り、これら
の半殻体に電流導入線１０３及び電流導出線１０４を取
り付けることができる。このため半殻体１０５、１０６
は例えば絶縁片１０７によって互いに分離されているこ
とを要し、この場合絶縁層１０８は丁度この絶縁片１０
７の範囲内で終わっていなければならない。全装置は通
常更に電気的に絶縁して図示されていないジャケット管
に収納されるが、これには電流導入線１０３及び電流導
出線１０４が絶縁状態で導入される必要がある。また一
般に実際的なすべての実施例で、容器に対して及び自動
車の車体に対して良好な導電接続が得られる場合には、
電流導出線を省略することができる。逆方向に組み合わ
せられた薄板により、他の多くの横断面形状のものも公
知方法で満たすことができ、従ってこの実施例は横断面
が円形のものに限定されるものではない。
【００３５】図１０により構成された電気的に加熱可能
の触媒担体の達成可能な電気抵抗が所望の軸方向の長さ
を考慮して十分に高くない場合には、例えば図１１に示
すように複数個の順次に配列された円板を相互接続する
ことができる。ここに示された実施例は４つの順次に接
続された図１０により構成された高さｈの円板１００か
らなり、この場合個々の円板は、それぞれ２個の円板を
包括する円筒状半殻体１１６によって直列に接続されて
いることが明らかである。全担体は１本の電流導入線１
１３と、４本までの電流導出線１１４を有し、これはそ
れぞれ短絡スイッチ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃを介
して接続又は遮断可能である。個々の円板１００間の間
隙１１８は軸方向の電気絶縁を生ぜしめ、全担体はまた
電気的に絶縁して図示されていないジャケット管に収納
することができる。この装置の略示した電気結線は次の
作動法を可能とする。
【００３６】まず排ガスの流動方向に見て最前端の円板
１００を、スイッチ１１５ａのみを接続することによっ
て、この円板の抵抗に相当する極めて高い電流で負荷す
ることができる。従ってこれは図４に示した曲線ＴK2の
出発時に相応して急速に加熱される。一定の時限例えば
１０秒が経過した後、スイッチ１１５ａは遮断可能であ
り、その結果スイッチ１１５ｂ、１１５ｃが遮断される
と、全円板は以後の加熱のために４分の１に減少した加
熱電流を得る。予め規定された時限で順次にスイッチ１
１５ａ、１１５ｂ及び１１５ｃを個々に開くことも可能
であり、これにより触媒は円板毎に減少する電力で加熱
される。これは同時に極く短時間での高い電流消費量で
触媒を急速に応答させることを可能にする。
【００３７】図１２及び図１３は、再度Ｓ字状の電気的
に加熱可能の触媒担体を、横断面図（図１２）及び縦断
面図（図１３）で示すものである。図１２には逆方向に
組み合わせられた平坦な薄板１２１と波状の薄板１２２
とからなる図１０に相応する本来の触媒担体１２０の他
に、系及び接続部がジャケット管１２７ａ、１２７ｂに
装入されている状態が示されている。ジャケット管は２
個の半殻体１２７ａ、１２７ｂからなり、これらはセラ
ミック絶縁材１２９、１３０により電気的に互いに分離
されている。この半殻体１２７ａ、１２７ｂ内で、これ
から電気的に絶縁して、もう一つの半殻体１２５、１２
６が存在し、これらは電流導入線１２３又は電流導出線
１２４と接続されている。電気的構成及び絶縁層１２８
は図１０のそれと同じである。導入線１２３、導出線１
２４はセラミック片１２９を通して外部に導かれる。図
１３から認め得るように、例えばこの種の２個の触媒担
体１２０ａ、１２０ｂを連続的にまた電気的に直列に接
続してジャケット管に収納することができる。
【００３８】図１４はほぼ軸方向に、場合によっては蛇
行状に電流Ｉ（矢印参照）が貫流する触媒担体１４０及
び長手軸方向での断面図で示したジャケット管１４１へ
のその埋込状態を示すものである。この触媒担体１４０
は一端で良導電性の例えば金属環１４２を介してジャケ
ット管１４１と接続されている。他端は、一種のスライ
ド結合を形成する電気的に絶縁性の間隔保持体１４８に
よりジャケット管１４１から分離されている。この前面
又は両面は良導電性の端子板１４６を有し、これは大電
流Ｉを触媒担体１４０に均一に導入するのに役立つ。端
子板１４６は例えば約３〜１０ｍｍほど軸方向で触媒担
体１４０内に突入しており、この薄板と良好に導電接続
されており、有利には硬ろう付けされている。端子板１
４６にはリード線１４３が良導電的に固定されており、
リード線１４３は絶縁ブッシング１４５を通ってジャケ
ット管１４１から外部に導かれている。リード線１４３
は弾性的に変形可能な範囲１４４を有し、この範囲４４
は触媒担体１４０のジャケット管１４１に対する長手方
向熱膨張を補償することができる。リード線１４３、１
４４は例えば高温耐食性の材料からなる折り曲げられた
厚い薄板条片からなっていてもよい。
【００３９】図１５及び図１６は端子板を触媒担体の正
面に埋込むための種々の実施態様を示すものである。平
坦な薄板１５１と波状薄板１５２とから巻き上げられて
いる図１５に示した触媒担体１５０では、直線状の板１
５６が正面の相応するスリット内に挿入されている。図
１６にはほぼＳ字状に組み合わせて構造化された薄板１
６１、１６２からなる触媒担体１６０の正面側が示され
ている。この場合端子板１６６は同様にＳ字形である。
このような構造は例えば、Ｓ字状の触媒担体がこの薄板
積層体の端部を組み合わせることによって形成される薄
板積層体内に、端子板１６６を一緒に封入した場合に得
られる。
【００４０】図１７は２枚の電気的に互いに絶縁された
薄板層１７１、１７２の型締め結合を略示するものであ
り、これは矢印で示される軸方向の力を吸収することが
できる。この図は型締め結合１７３の範囲における２枚
の接触する薄板層１７１、１７２の縦断面図である。こ
のような型締め結合は例えば触媒担体の長手方向に対し
てほぼ直角に走る溝によって又は個々の合わせ目によっ
て得ることができる。例えばセラミック材料からなる絶
縁層１７８は両薄板層１７１、１７２を互いに分離す
る。この溝又は継ぎ目の深さｄが絶縁層１７８の厚さよ
りも大きい限り、この層は型締め結合１７３の軸方向に
おける負荷に際して、引張られるのではなく、主として
押付けられ、その結果この結合の軸方向の高い強度が得
られる。
【００４１】本発明及び上記の各実施例は、十分な電力
が得られる限り、原理的には始動触媒の電気加熱にも主
触媒の加熱にも適用することができる。複数個の触媒担
体を並列又は直列に相互接続することは与えられた状況
及び寸法に応じて可能である。点灯発電機によりエンジ
ンを始動しまた電流を得る場合には、これらの触媒は直
接交流によって加熱することもでき、その結果すべての
必要な電力はとりあえず整流する必要はない。自動車に
おける他の電気装置とは異なり、これらの触媒担体は電
圧の変化に左右されず、従って場合によっては不規則な
補助の電圧の供給によって給電することもできる。本発
明による電気的に加熱可能の触媒担体は、自動車の冷始
動時における放出物に対する特に厳格な要求に合わせ
て、有害物質の排出量を減少させるのに適している。上
記のハニカム体はその主な使用分野を自動車用触媒に有
するが、例えば流体用の加熱器又は蒸発器としての、他
の用途にも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自動車における排ガス系の原理構成図
である。
【図２】本発明の電気的に加熱可能の触媒用基本回路の
一例の接続図である。
【図３】本発明の電気的に加熱可能の触媒用基本回路の
他の例の接続図である。
【図４】自動車の排ガス系、触媒系における温度の時間
的経過を示す線図である。
【図５】本発明の蛇行状に重ねられた触媒担体の一部切
欠正面図である。
【図６】本発明のＵ字状に延びる薄板層及びそれに相応
する電流路を有する触媒担体の一部切欠正面図である。
【図７】本発明のくびれ部を有する薄板積層体の断面図
である。
【図８】本発明の薄板積層体から形成された蛇行状に重
ねられた触媒担体の斜視図である。
【図９】図８に示す薄板積層体のジャケット管に対する
絶縁処理を示す断面図である。
【図１０】本発明の絶縁性の中間層を有する逆方向に組
み合わされた薄板積層体からなる電気的に加熱可能な触
媒担体の断面図である。
【図１１】図１０に示す触媒担体を複数個電気的に相互
接続したものの斜視図である。
【図１２】本発明のジャケット管及び電気接続用ブッシ
ングを有する逆方向に組み合わされた薄板からなる触媒
担体の一例の断面図である。
【図１３】図１２に示す２つの円板から構成された触媒
担体の側面図である。
【図１４】本発明の導電性の触媒担体の組み込み法を示
す一部切欠き斜視図である。
【図１５】本発明の端面側の端子板の一例の一部切欠き
側面図である。
【図１６】本発明の端面側の端子板の一例の一部切欠き
側面図である。
【図１７】２つの薄板層間の電気的に絶縁性の型締め結
合の断面図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ エンジン排気管 １１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１６ａ、１６ｂ 始
動触媒位置 １３ 混合域 １４ ラムダプローブ １５ａ、１５ｂ 排ガス導管 １７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ 主触媒 １９ａ、１９ｂ 排気管 ２０ 電源 ２１ 定時継電器 ２２ 点火キー ２３ スイッチ ２４ 触媒 ２５ 電圧測定器 ２６ 電流測定器 ３０ 電源 ３１ 定時継電器 ３２ 点火キー ３３ スイッチ ３４、３５、３６、３７ 触媒の部分領域 ５０ 触媒担体 ５１ 平坦薄板 ５２ 波状薄板 ５３ 電流導入線 ５４ 電流導出線 ５５ ジャケット管 ５６ａ、５６ｂ 縁カバー ５７ 方向変換部 ５８ 絶縁性中間層 ６０ 触媒担体 ６１ 平坦薄板層 ６２ 波状薄板層 ６３ 電流導入線 ６４ 電流導出線 ６５、６６、６９ 支持壁 ６７ 貫通電気接続部材 ６８ 絶縁性中間層 ７０ 薄板積層体 ７１ 薄板条片 ７２ 波状薄板条片 ７３ くびれ部 ７４ 補強材 ８０ 触媒担体 ８１ 平坦薄板 ８２ 波条薄板 ８３ 電流導入線 ８４ 電流導出線 ８５、８６ 絶縁片 ８８ 絶縁層 ９０ ジャケット管 ９１ 平坦薄板 ９２ 波状薄板 ９３ セラミック板 １００ 触媒担体 １０１ 平坦薄板 １０２ 波状薄板 １０３ 電流導入線 １０４ 電流導出線 １０５、１０６ 半殻体 １０７ 絶縁片 １０８ 絶縁層 １１３ 電流導入線 １１４ 電流導出線 １１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ 短絡スイッチ １１６ 円筒状半殻体 １１８ 間隙 １２０ 触媒担体 １２１ 平坦薄板 １２２ 波状薄板 １２３ 電流導入線 １２４ 電流導出線 １２５、１２６、１２７ａ、１２７ｂ 半殻体 １２８ 絶縁層 １２９ セラミック片 １４０ 触媒担体 １４１ ジャケット管 １４２ 金属環 １４３ リード線 １４５ 絶縁ブッシング １４６ 端子板 １４８ 間隔保持体 １５０ 触媒担体 １５１ 平坦薄板 １５２ 波状薄板 １５６ 板 １６０ 触媒担体 １６１、１６２ 薄板 １６６ 端子板 １７１、１７２ 薄板層 １７３ 型締め結合 １７８ 絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マウス、ウオルフガング ドイツ連邦共和国 Ｄ−5060 ベルギツ シユグラートバツハ １ グートホルス ト（番地なし) (72)発明者 スワルス、ヘルムート ドイツ連邦共和国 Ｄ−5060 ベルギツ シユグラートバツハ １ リートヴエー ク 11 (72)発明者 ウイーレス、ルートヴイツヒ ドイツ連邦共和国 Ｄ−5063 オフエラ ート オペルナーシユトラーセ ２ (56)参考文献 特開 昭48−47479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−116412（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−12766（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−54811（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01N 3/20 B01D 53/86 B01J 35/02 F01N 3/28 301

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導電性ハニカム体（５０；６０；８０；
    １００；１１０；１２０；１４０；１５０；１６０）
    が、巻き上げられるか、積み重ねられるか、層状化され
    た少なくとも部分的に構造化された高温耐食性の薄板
    （５１、５２；６１、６２；７１、７２；８１、８２；
    ９１、９２；１０１、１０２；１２１、１２２；１５
    １、１５２；１６１、１６２；１７１、１７２）の層、
    有利にはほぼ平坦な薄板と波状薄板とが互いに配置され
    ている層からなり、薄板（５１、５２；６１、６２；７
    １、７２；８１、８２；９１、９２；１０１、１０２；
    １２１、１２２；１５１、１５２；１６１、１６２；１
    ７１、１７２）は流体の流れる多数の溝を形成し、約
    ０．０３〜０．１２ｍｍ、有利には０．０３〜０．０．
    ０６ｍｍの厚さを有し、ハニカム体（５０；６０；８
    ０；１００；１１０；１２０；１４０；１５０；１６
    ０）が間隙（１１８）及び／又は電気的に絶縁性の中間
    層（５８；６８；８８；９８；１０８；１２８；１４
    ８；１７８）又は被覆によってその横断面及び／又はそ
    の軸方向の延長部において電気的に細分され、ハニカム
    体の少なくとも１つの部分領域は並列的に電流の流れる
    隣接した少なくとも４つの薄板層から形成され、ハニカ
    ム体は０．０３〜２オーム、有利には０．１〜１オー
    ム、特に約０．６オームの電気抵抗を有することを特徴
    とする導電性ハニカム体。
  2. 【請求項２】 ハニカム体（６０；８０；１００）がそ
    の横断面及び／又はその軸方向範囲に関して部分的に互
    いに電気的に絶縁性の部分領域に細分されており、これ
    らが限定された電気的接続ブリッジ（７３；６５、６
    ６；１１６）によってすべてを又はグループ毎に電気的
    に直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載
    のハニカム体。
  3. 【請求項３】 各電流路が並列的に電流の流れる隣接し
    て配置された少なくとも４つの有利には８〜１２の薄板
    からなることを特徴とする請求項１又は２記載のハニカ
    ム体。
  4. 【請求項４】 並列的に電流の流れる隣接して配置され
    た少なくとも４つの薄板層が蛇行状（５７）に被覆され
    て担体（５０）を形成し、その際中間層（５８）が蛇行
    湾曲体の相対する面を絶縁させることを特徴とする請求
    項３記載のハニカム体。
  5. 【請求項５】 方向変換領域（７３）で少なくとも４つ
    の層が扁平な状態で互いに接し、この領域で電気抵抗を
    降下させる付加的な補強体（７４）が設けられることを
    特徴とする請求項４記載のハニカム体。
  6. 【請求項６】 ハニカム体（６０）がほぼＵ字状に曲げ
    られた層（６１、６２）からなり、これらの層がグルー
    プ毎に相互に、中間層（６８）又は被覆によって電気的
    に絶縁されまた支持隔壁（６５、６６、６９）に固定さ
    れており、支持隔壁（６５、６６、６９）は電気的に導
    電性であるが、互いには絶縁された断片（６５、６６）
    を有し、これらがそれぞれ層の２つ以上のグループから
    なる直列回路を形成することを特徴とする請求項１ない
    し３のいずれか１つに記載のハニカム体。
  7. 【請求項７】 ハニカム体（１００；１２０）が逆方向
    に絡み合った薄板の積層体（１０１；１０２；１２１；
    １２２）からなり、その際積層体は少なくともその上面
    及び下面に電気的に絶縁性の層（１０８；１２８）又は
    被覆を有し、少なくとも薄板の端部は積層体の各面で導
    電的に互いに接続されまた電源（２０、３０）の両極と
    接続するための端子（１０３、１０４；１２３、１２
    ４）を有することを特徴とする請求項１ないし３のいず
    れか１つに記載のハニカム体。
  8. 【請求項８】 ハニカム体（１００）が環状の横断面を
    有し、積層体の高さがこの横断面の直径の３分の１以下
    であることを特徴とする請求項７記載のハニカム体。
  9. 【請求項９】 複数個のハニカム体（１００）が円板状
    に前後して順次に配置されており、電気的に並列的又は
    直列的に接続されていることを特徴とする請求項１ない
    し８のいずれか１つに記載のハニカム体。
  10. 【請求項１０】 電気的に絶縁性の中間層（５８；６
    ８；８８；１０８；１２８）又は被覆が粒状のセラミッ
    ク材料からなり、これが各隣接面に塗布、有利には火炎
    噴射塗布されていることを特徴とする請求項１ないし９
    のいずれか１つに記載のハニカム体。
  11. 【請求項１１】 電気的に絶縁性の中間層（５８；６
    ８；８８；１０８；１２８；１４８；１７８）がセラミ
    ック部分又はセラミック繊維マットからなることを特徴
    とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のハニカ
    ム体。
  12. 【請求項１２】 薄板を金属ジャケット管（９０；１４
    １）から絶縁させるため、これにろう付けされたセラミ
    ック板（９８；１４８）を使用することを特徴とする請
    求項１１記載のハニカム体。
  13. 【請求項１３】 互いに電気的に絶縁された薄板層（１
    ７１；１７２）が型締め結合（１７３）により互いに軸
    方向に移動するのを阻止され、その際電気的に絶縁する
    ためセラミック中間層（１７８）が型締め結合内に挿入
    されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいず
    れか１つに記載のハニカム体。
  14. 【請求項１４】 ほぼ軸方向に電流が貫流可能のハニカ
    ム体（１４０；１５０；１６０）において、一方又は双
    方の正面に少なくとも一つの良導電性の端子板（１４
    ６；１５６；１６６）が設けられ、これがハニカム体
    （１４０；１５０；１６０）の横断面にわたっての電流
    密度の均一な分配を改良することを特徴とする請求項１
    ないし１３のいずれか１つに記載のハニカム体。
  15. 【請求項１５】 端子板（１４６）の少なくとも一つ
    が、弾性（１４４）でかつ良導電性で耐高温性であり、
    また電気的に絶縁性のブッシング（１４５）を介して外
    部に導かれるリード線（１４３）と接続されており、こ
    のリード線は例えば５０〜４００Ａの高い電流強度に適
    し、端子板（１４６）とブッシング（１４５）との間で
    熱による相対移動を行い得ることを特徴とする請求項１
    ４記載のハニカム体。
  16. 【請求項１６】 請求項１記載の内燃機関の排ガス系に
    おける導電性の、少なくとも部分的にそのジャケット及
    び支持体に対して絶縁されている触媒活性の被覆を備え
    た触媒担体を作動又は監視する方法において、触媒担体
    の（温度に比例する）電気抵抗を全体的に又は一部の範
    囲で測定し、触媒排ガス系を監視及び／又は調整するた
    めに利用することを特徴とする触媒担体の作動又は監視
    方法。
  17. 【請求項１７】 触媒担体の電気抵抗が予め規定するこ
    とのできる閾値以下か又はこれを下回る際に、閾値に達
    するか又は再び達成する迄加熱電力を負荷し、その際予
    め規定することのできる閾値が有利には触媒反応を自発
    的に生じる温度を僅かに上回る触媒担体の抵抗に相当す
    ることを特徴とする請求項１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 少なくとも短時間にわたり触媒担体に
    より吸収された加熱電力又はこれに比例する値を測定す
    ることによって、触媒担体の抵抗を予め設定可能の時間
    間隔で測定することを特徴とする請求項１６又は１７記
    載の方法。
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