JP2821582B2 - 車両排気システムの熱管理を行う方法および装置 - Google Patents

車両排気システムの熱管理を行う方法および装置

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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Description

【発明の詳細な説明】 関連特許出願についての資料 本特許出願は、1992年10月14日に提出した米国特許出
願07/960,885号の一部継続である。該親出願はまた、19
92年5月23日に提出した米国特許出願07/856,840号(既
に特許登録、特許番号:5,175,975)の一部継続である。
特許登録になった該親出願はまた、1988年4月15日に提
出した米国特許出願07/181,926号(既に放棄)の継続出
願である。上記した米国特許出願07/960,885号はまた、
1990年6月12日に提出した米国特許出願07/535,782号
(既に特許登録、特許番号:5,157,893)の一部継続でも
ある。該米国特許出願07/535,782号はまた、1988年4月
15日に提出した米国特許出願07/181,926号の一部継続で
ある。

技術分野 本発明は、車両の排気システムに関し、特に触媒コン
バータで発生した熱を管理し利用するシステムに関する
ものである。

背景の従来技術 大多数の車両排気システム、特にガソリン内燃機関に
より駆動される車両の排気システムには、触媒コンバー
タを装備して排気ガス中の有害成分放出を抑制してい
る。現在、最も有効とされる触媒コンバータには、一種
または一種以上の金属触媒例えば白金、パラジウム、ロ
ジウムで塗布したセラミック基体を収納している。高温
時の炭化水素還元に用いられる適正な貴金属は白金であ
って、ロジウムは窒素酸化物および一酸化炭素を低減す
るために用いられている。現在、スリーウエー触媒コン
バータは一般的に、これらの貴金属を同時に使用してい
る。これらの貴金属により、二種類の酸化反応が発生す
る。一つの酸化反応では一酸化炭素が二酸化炭素に酸化
されるが、もう一つの酸化反応では炭化水素が二酸化炭
素と水とに酸化される。それと同時に、窒素酸化物は窒
素と酸素とに還元される。これらの反応は、ある高温の
条件下で非常に活発である。しかし、50%の炭化水素が
酸化されるときの温度すなわち着火温度になるまでは、
触媒コンバータの効率は非常に低い。例えば、ジェ.シ
ー.サマーらは、「着火触媒を用いてカリフォーニアLE
V/ULEV標準を満たす」というタイトルの論文(触媒およ
び排気技術誌、自動車エンジニア特別出版学会、第968
号、ワルレンダル、ペンシルバニア、1993年)で、排気
管よりの炭化水素放出のうち約60〜80%が最初の冷態階
段で発生することを指摘している。

着火温度をもっと速く達するために、排気熱をなるべ
く触媒コンバータに保持することが望ましい。このよう
な熱量保持は、少なくとも600〜800゜Fの着火温度が達
成されるまで続けられる。触媒コンバータを覆う断熱ジ
ャッケトを設けることは、上記した熱量保持に役立って
いるが、着火温度が達成された後、排気ガスとの触媒反
応で発生する放熱により触媒コンバータの温度は急速に
上昇する恐れがある。長時間運転によりまたは触媒コン
バータ内の燃料豊富なガスにより発生した熱は効率的に
消散できないならば、この熱は蓄積されて、触媒の老化
を加速し、さらに触媒コンバータおよび周辺部材または
物体を永久に損なう可能性がある。この問題は、ディ.
ベインブリジの米国特許5,163,289号にも言及されてい
る。該米国特許では、触媒コンバータを覆うように断熱
ジャケットを設けており、用いられる断熱材は、高温時
の伝熱性が低温時より優れた耐火ファイバーである。こ
のような試みは、正しい方向への第一歩とは言えるが、
排気ガス中の有害物放出を抑制すると共に触媒コンバー
タで発生した熱を利用するための、触媒コンバータに対
するもっと有効なコントロールおよびもっと有効な熱管
理は、依然として開発されていない。

本発明の開示 本発明の主な目的は、自動車排気用の触媒コンバータ
システムで着火温度に達するための時間を短縮しさらに
場合によって省略し、長時間運転条件下でも過度な熱蓄
積を防止することができる触媒コンバータ熱管理システ
ムを提供しようとしている。

本発明の他の目的は、自動車排気システムの触媒コン
バータを覆うように充分な断熱遮蔽を施し、長時間の熱
態運転中にコンバータ周辺の温度敏感材を保護すること
にある。

本発明のもう一つの目的は、過度な熱が蓄積し温度が
触媒コンバータの有効な連続寿命を損ないそうなとき、
自動車排気システムの触媒コンバータから熱を安全に移
送し消散させることにある。

本発明の他の目的は、触媒コンバータで発生した熱を
効率的に管理する構造および方法を提供しようとしてい
る。

本発明におけるもっと特殊な目的は、触媒コンバータ
のために、コントロール可能な断熱措置およびコンバー
タジャケットを提供しようとしている。これらの措置お
よびジャケットにより、長時間にわたって熱を保持する
と共に着火点以上に触媒温度を維持することができ、着
火点温度が到達されていない場合は到達するまでの時間
が短縮され、過度な熱および熱蓄積から触媒コンバータ
および周辺部材または周囲環境が保護され、触媒コンバ
ータおよび排気システムにおける他の部分の操作温度が
安定され、触媒コンバータで発生した熱が効果的に利用
されるようになる。

本発明における上記以外の目的、利点、新規な特徴
は、一部は以下の説明に述べられており、一部は以下の
説明を吟味し或いは実施することによって当業者であれ
ば明瞭に理解することができる。さらに、上記した本発
明の目的および利点は、本説明文に添付してある請求の
範囲からも理解できるようになっている。

上記した目的を達成するために、本発明の排気ガス管
理システムは、触媒コンバータを覆うように可変かつコ
ントロール可能な断熱手段を施している。該断熱手段
は、触媒コンバータ内で排気ガスが発生していないとき
或いは触媒コンバータの温度が最適温度または着火温度
に達していないとき、オンとなり触媒コンバータ内に熱
を保持するが、触媒コンバータの温度が最適温度または
着火温度以上になったときオフとなるように構成されて
いる。上記した断熱手段はまた、オンとオフとの間の数
種類の状態にわたってコントロールされて、触媒コンバ
ータ組立内の温度を緩和することが可能である。上記し
た可変かつコントロール可能な断熱手段は、断熱手段の
機能を選択的にオン・オフする気体または固体の伝熱制
御手段を有している。さらに、熱交換器を設けることに
よって、触媒コンバータへの伝熱またはそこからの熱移
送ができる。該熱交換器がコンパクト真空断熱手段によ
りジャケットされており、可変な断熱手段がオンとなっ
たとき熱を保持するようになっている。

図面の簡単な説明 以下の説明で用いられ本明細書の一部となる図面は、
本発明の最良形態を示しており、これらの図面は以下の
説明文と共に、本発明の原理を説明することができる。

図1は、本発明による触媒コンバータ熱管理システム
の概略図である。

図2は、本発明による熱管理を提供するために構成さ
れた触媒コンバータおよびそのハウジングの断面図であ
る。

図3は、従来の触媒コンバータ排気システムにおける
運転時間と温度と排気放出との間の関係を示すグラフ図
である。

図4は、従来の触媒コンバータシステムの排気放出と
比較したもので、本発明の熱管理を行うために構成され
た触媒コンバータ排気システムにおいて運転時間と温度
と排気放出との間の関係を示すグラフ図である。

図5は、本発明による触媒コンバータの熱管理システ
ムの変形例を示している。

図6は、図2および図5に示す触媒コンバータの熱伝
導性を可変するために使用される熱ショート棒を拡大し
て示している。

図7は、触媒基体を収容する内側ハウジング内に相変
化材料が配置されている他の実施例を示す断面図であ
る。

本発明を実施するための最良形態 図1は、本発明の熱管理システムを装備した触媒コン
バータ10を示している。触媒コンバータ10は、排気管P
に装着されているが、排気管Pは、内燃エンジン(内燃
機関)Eの排気多岐管Mに接続されている。排気管Pに
よって、排気ガスがエンジンEから触媒コンバータ10へ
移送される。触媒コンバータ10には、従来のスリーウエ
ー触媒を収納しており、排気ガス中の未燃焼の燃料と反
応させて、排気ガス中の炭化水素と一酸化炭素と酸化窒
素などの放出を抑制する。反応後の排気ガスは、自動車
の後端部にある端末管Tを介して排出される。

図2に示すように、本発明の触媒コンバータ10は、触
媒収容用の内側ハウジング12を内蔵している。該内側ハ
ウジング12は、好ましくは金属材料または他の気密性材
料で作られており、スリーウエー触媒材料、例えば白
金、パラジウムおよび/またはロジウムで塗布されたセ
ラミック基体14,16,18を少なくとも一つ収容している。
エンジンE(図1)からの排気ガスは、矢印20で示すよ
うに触媒コンバータ10内を流通して、セラミック基体1
4,16,18に形成された無数のポールまたはチャンネル22
(触媒が塗布してある)を通過しているので、触媒反応
用の有効面積が比較的に大きい。

内側ハウジング12は、外側ハウジング24内に装着され
ている。外側ハウジング24の内壁と内側ハウジング12の
外壁との間には、半径方向に所定の間隔を形成させてい
る。外側ハウジング24は、内側ハウジング12と同じよう
に、好ましくは金属材料または他の気密性材料(高温で
高い真空度の環境でも気密性が保たれる)で作られてい
る。このように、内側ハウジング12と外側ハウジング24
との間に形成された環状のチャンバー30が真空状態とな
る。チャンバー30の断熱性能は、後で詳述するように好
ましくはコントロール可能である。ここで充分言えるこ
とは、チャンバー30の断熱効果によって、内側ハウジン
グ12内の触媒基体14,16,18からの熱が外側ハウジング24
を介して移転し周囲環境へ消散することが抑制されてい
る。

一方、このような熱移転を放置した場合、排気ガスの
触媒反応で発生した熱が周囲環境へ落とされてしまう。
また、熱伝導性或いは必要な断熱容量とによって、チャ
ンバー30を、充分に機能する状態と全く機能しない状態
との間で程度可変にコントロールすることが望ましい。
従って、熱を触媒基体14,16,18に保持するように断熱チ
ャンバー30の断熱作用を機能させることで、例えばエン
ジン始動直後に、触媒が着火温度または最適運転温度に
到達するに要される時間を短縮できる。一方、触媒が最
適運転温度に到達した後、断熱チャンバー30の断熱機能
を発揮させないことで、過度な熱蓄積や高温状態を防止
して、触媒基体14,16,18への被害を避けると共に、基体
14,16,18に塗布された触媒材料の使用寿命短縮を避け
る。なお、重要なのは、エンジンEがオフになった後に
断熱チャンバー30を機能させることで、熱をなるべく長
く触媒基体14,16,18に保持して、次回にエンジンが始動
されるまで触媒の着火点以上に温度を保つようにし、或
いは少なくとも周辺の環境温度以上に触媒基体14,16,18
を保温することで、次回のエンジン始動時に触媒が着火
点に昇温するに必要な時間を短縮する。

上記した可変な熱伝導性または断熱性をコントロール
する方法および装置は、われわれの米国特許07/960,885
号に詳細に記載されている。真空チャンバー30は、排気
ガスが触媒基体14,16,18を流通している内側ハウジング
12の内部から密閉離隔されていると共に、外側ハウジン
グ24の外部からも密閉離隔されている。このような密閉
離隔はどう行われるべきかは、各特定の技術において特
に限定されることがないが、確実な密閉離隔は、金属と
金属との溶接により行われることが望ましい。例えば、
図2に示すように、内側ハウジング12は、円筒部36の両
端にプレート32および36を溶接して形成されている。外
側ハウジング24も同じように、円筒部42の両端にプレー
ト38および40を溶接して形成されている。円筒部42の内
壁面は、複数のスペーサ50により円筒部36の外側面から
離れている。これらのスペーサ50は、好ましくは低伝熱
性材料例えばセラミックで構成されており、カーブされ
またはとがっている表面を有して伝熱抵抗節点を成して
いる。これらの伝熱抵抗節点によって、内側ハウジング
12から外側ハウジング24まで熱が伝導するとき伝熱接触
面が最小となる。例えば図2に示すように、スペーサ50
は、カーブされた両セラミック材46と48との間に球形の
セラミックビード44を挟ませて形成されており、合計4
箇所の「近似点」を形成させ、すなわち内側ハウジング
12と外側ハウジング24との間に極めて小さいセラミック
−セラミック接触部または伝熱抵抗節点を形成させてい
る。このような伝熱抵抗節点では、セラミック材46と48
のカーブされた外表面がそれぞれ円筒部36の外面と円筒
部42の内面と接触している。また、球形ビード44の直径
方向の両端は、それぞれのセラミック46と48との内面に
接触している。勿論、カーブされたセラミック材46およ
び48を省略してもよいが、これらを設けることによっ
て、球形ビード44を通過する熱流の抵抗を増加すること
ができる。また、ビード44は、内側ハウジング12の外周
面を巻いて覆うように使用できる長尺状のより線の形に
してもよいが、このような形状により接触面が大きくな
ってしまう。セラミックスペーサ50は、ガラスや磁器ま
たは他の材料より優れており、その理由はセラミックを
高融点材料で構成することができるからである。セラミ
ックを使用することによって、触媒反応の高温環境でも
触媒構造上の完全性を保つことができる。

プレート38とプレート32との間に形成された排気ガス
の通路、およびプレート34とプレート40との間に形成さ
れた排気ガスの通路は、それぞれのプレート38,32,34,4
0に溶接された気密性の薄い金属ホイールダクト52と54
によって形成されており、内側ハウジング12と外側ハウ
ジング24との間に形成された断熱チャンバー30の真空密
閉性を保っている。また好ましくは、ダウト52と54を風
袋のように波状に形成させておく。それにより、熱が内
側ハウジング12からダクト52および54を通じて外側ハウ
ジング24へ伝導するときの距離が長くなる。さらに、複
数の薄い反射性金属ホイールシールド56は、スペーサ58
(好ましくはセラミックで作られるが、厳格なガス抜き
材料でなくてもよい)により互いに分離されており、こ
のようなシールド56をチャンバー30に設けることによ
り、内側ハウジング12と外側ハウジング24との間での輻
射伝熱が抑制される。

チャンバー30は、高度真空状態とされているが、真空
断熱効果を確保するために好ましくは10-5〜10-6トール
真空度に維持することが必要である。一方、真空断熱制
御システム例えば図2に示すガス制御システム60を設け
ることによって、真空チャンバー30の断熱効果をコント
ロールすることができる。このガス制御システム60で
は、われわれの米国特許07/960,885に記載されているよ
うに、金属容器66には水素ガス源例えば金属水素化物62
を収納し、金属容器68には、水素ウインドまたはゲート
例えばパラジウム64を収納しており、両金属容器がコン
ジット70によって真空チャンバー30に連通している。金
属水素化物62が例えば電熱手段72により加熱されたと
き、水素ガスが放出される。該水素ガスがチャンバー30
内に流入されて、チャンバー30を介して熱を伝達するの
で、チャンバー30の断熱機能を低減し或いは作用させな
いようになっている。一方、金属水素化物62が冷却され
たとき、水素ガスが金属水素化物62に再び補捉されて、
容器66内に低圧水素ガスの濃度分布が形成される。それ
により、チャンバー30内の水素ガス容器66へ吸引される
ので、チャンバー30の断熱機能を復帰させることにな
る。また、パラジウムゲート64は、電熱手段72より加熱
された水素ガスを通過させるが、加熱されていない水素
ガスを通過させないようになっている。従って、金属水
素化物62とパラジウムゲート64とを加熱することによっ
ていったんチャンバー30内に導入された水素ガスが、電
熱手段72用の電源を切ると共に加熱手段74用の電源を切
りパラジウムゲート64を冷却させた場合、そのままチャ
ンバー30内に保持されることが可能である。通常、パラ
ジウムゲート64の冷却は、金属水素化物62より早められ
いる。それにより、水素ガスのほぼ全量をチャンバー30
内に保持することができ、ガス制御システム60によりチ
ャンバー30の断熱機能を最大限に中止させることができ
る。さらに、チャンバー30の断熱機能を復帰させると
き、パラジウムゲート64のみを瞬間的に加熱するだけ
で、水素ガスがチャンバー30内よりパラジウムゲート64
を通じて金属水素化物62へ吸引されるようになる。勿
論、金属水素化物62およびパラジウムゲート64に対する
加熱および冷却をコントロールし、加熱および冷却の時
間を設定することによって、水素ガスによりチャンバー
30を介しての熱伝導を所要の程度までコントロールする
ことができ、伝熱を充分に大きい程度と完全停止との間
で自由に制御することができる。

上記したガス制御システム60用の電源は、バッテリー
88から得られているが、触媒コンバータで発生した熱を
用いた熱電エネルギー源装置を利用することも可能であ
る。事実、このような熱電エネルギー源装置で臨界レベ
ルの電力を作り出すために触媒コンバータからの充分な
熱出力が得られるので、該熱により断熱チャンバー30の
熱伝導性を維持することができる。

加熱手段72および74は、適正な電気制御手段例えばそ
れぞれのリレースイッチ82および84によって、オン・オ
フできるようになっている。これらのリレースイッチ82
および84はまた、適正な電子制御ユニット86例えばマイ
クロプロセサまたは他の論理回路によってコントロール
されている。また、このような制御は、電気制御回路の
設計・製造に従事している技術者が本発明の原理を理解
したならば充分にできることである。例えば、制御ユニ
ット86は、自動車の点火スイッチ76に接続されているタ
イミング検出回路または他の回路を有しており、このよ
うな回路によりエンジンE(図1)の起動を検知するこ
とができ、触媒基体14,16,18が最適の作業温度に達する
ための所定時間が経過すると、リレースイッチ82および
84を作動させて、断熱チャンバー30の断熱状態を中止さ
せる。また、エンジンEを停止させた後に断熱チャンバ
ー30の断熱状態を復帰させるように制御ユニット86をプ
ログラミングすることも可能である。それにより、エン
ジンEが作動していない間、触媒の温度を短時間に周囲
の環境温度まで冷却させずに、触媒基体14,16,18内に熱
をなるべく長く保持することができる。このようなコン
トロールによって、触媒基体14,16,18を、エンジンE再
始動までの長時間にわたって着火点以上の温度に保つこ
とができる。従って次回のエンジン始動に際して、排気
ガスの触媒反応が直ちにできるようになり、有害な排気
ガスの排出が抑制されると共に、触媒を周囲の環境温度
から着火温度まで再び昇温させるための操作が省略でき
るようになる。

上述した利点が、図3および図4を参照して判るよう
になっている。図3において曲線90は、従来の触媒コン
バータにおけるエンジン運転時間と触媒温度との関係を
示している。曲線100は、(時間−温度)曲線90に対応
しながら、従来の触媒コンバータからの排気(CO)放出
量とエンジン運転時間との関係を示している。例えば、
従来の触媒コンバータの場合、エンジン始動前の触媒温
度(符号91)が実質的に周囲の環境温度Toとなってい
る。このような周囲環境温度は、夏の場合は100゜F以
上、冬の場合は0゜F以下になる可能性があるが、何れ
の場合にも、触媒の通常着火温度600〜800゜Fより遥か
に低くなっている。開始温度Toでエンジンを始動した場
合、排気ガスは温度が比較的に低く、湿度が高く、不完
全燃焼の燃料を多く含有している。そのため、符号102
で示されるように、冷態のエンジンおよび冷態の触媒コ
ンバータの排気(CO)放出量Ecは、最初の暖機時期92の
とき非常に高くなっている。エンジンからの排気ガスの
熱により作用する暖機時期(通常、約60〜180秒)92が
経過し、時間t1の時点で着火点温度TL(約600〜800゜
F)に達したとき、触媒コンバータで排気ガスと反応す
る触媒反応からの放熱によって温度がさらに上昇し、符
号94で示されたレベルに達する。このような温度上昇
は、時間t2の時点で所定の平衡操作温度TRになるまで続
いている。上記した着火温度は、排気ガス中の50%の炭
化水素が触媒により転化されたときの温度と定義されて
いる。同じ時間t1〜t2(約30〜60秒)内、符号104で示
されるように、触媒反応は一層活発になり、排気(CO)
放出量が急速に通常運転レベルERまで低下する。レベル
ERは、エンジンが運転している限り実質的に維持されて
いる量である。上記した平衡操作温度TRは、多数の要
因、例えば排気ガス中の燃料含有量、エンジン負荷、排
気ガスの体積および流速、触媒の有効性、触媒コンバー
タ経由の熱消散率などに依存して変化するが、排気減少
の反応を効率的に促進するためにTRを充分に高い温度
(1200゜F)にすることが必要である。一方、触媒,触
媒の基体,関連の成分および触媒の構造を損なう温度に
ならないように注意すべきである。また、エンジン運転
がストップされたとき、例えば時間t3の時点では、(C
O)放出が符号106で示されたように急激に停止する。そ
れと同時に、触媒を含む触媒コンバータは、符号96で示
されたように速いスピードで冷却し、時間t4の時点で周
囲の環境温度に戻る。この現象も勿論、多数の要因例え
ば気候、環境温度、触媒コンバータの構造、および触媒
コンバータの交換周期などの条件に依存して変化する。
一般的には、従来の触媒コンバータが20〜40分の時間内
に着火温度以下に冷却され、また4〜6時間の時間内に
周囲の環境温度まで冷却されるのは、普通となってい
る。図3において、曲線100以下の斜線部分は、エンジ
ン運転時の排気放出を示している。

図4は、本発明により構成され図2で示された触媒コ
ンバータ10の(時間−温度)曲線110および(時間−排
気放出)曲線120を示している。図4に示す曲線は、改
良された温度管理と減少された排気放出を実証してい
る。断熱チャンバー30の断熱効果および関連する熱保存
部材の効果によって、僅か5ポンド未満の熱保存部材ま
たは吸熱材を使用するだけで、触媒コンバータの基体1
4,16,18に熱を40時間以上保持することができる(勿
論、周囲の環境温度と気候による)。従って、非常に長
い期間に車両を使用していない事例を除いて、過去12時
間内にエンジンを作動していれば(これは、通勤用車両
としては極普通である)、エンジン始動前のtoの時点で
触媒の温度は周囲の環境温度Toより高くなっており、符
号111で示すように着火温度TLに近づいている。さら
に、過去の短い時間内(例えば10時間)に車両を使用し
ていた場合、断熱チャンバー30および関連する熱保存部
材によって、触媒基体14,16,18を着火温度TL以上の温度
(符号111′)に保持することができる。

時間toの時点でエンジンE(図1)を始動したとき、
111または111′状態の温暖触媒が、排気ガスとの放熱反
応を助成する状態となっている。従って、この時点の触
媒は着火温度TLまたは該温度以上になっていなくても、
符号112で示されたように60秒の短い時間(to〜t1)内
で直ちに着火温度TLまたは該温度以上になる。この暖機
時間(to〜t1)は、始動時点toの温暖触媒により短縮さ
れ、さらに暖機運転時に放熱反応および排気熱を触媒基
体14,16,18内に閉じこめる断熱チャンバー30の機能によ
って短縮される。従って、符号122で示される高排出Ec
の暖機時間(to〜t1)は、非常に短い。この暖機時間
は、曲線100(図3から図4に付加されて破線で示され
ている)で示された従来の触媒コンバータの高排出Ec時
間より遥かに短い。さらに、着火点TL以上の触媒温度で
エンジンを始動した場合、符号122′で示されるよう
に、その暖機時の排気放出は一層少なくなっている。勿
論、いったんt1の時点で着火点温度TLになった場合、放
熱反応によって触媒温度が急速に上昇し、符号114で示
されたようにエンジン最適運転温度TRになる。そのとき
の排気放出は、符号124で示されたように低いレベルER
となる。最適運転温度TRのとき、ガス制御システム60
(図2)を作動させ断熱チャンバー30をオフにすること
で、排気ガスとの放熱反応で発生した余分な熱を外側ハ
ウジング24の周囲環境へ消散させる。一方、エンジン運
転がストップされたとき、例えばt3の時点では、排気放
出は符号126で示されたように当然ストップされるよう
になる。しかし、t3の時点(図4)でエンジンE(図
1)をオフにすると、ガス制御システム60(図2)を再
び作動させて断熱チャンバー30をオンに復帰させること
で、触媒が周囲の環境温度Toまで迅速に冷却することを
防止できる。断熱チャンバー30をオンにしたまま触媒が
緩やかに冷却している状態は、図4の符号116で示され
ている。この状態では上述したように、40時間以上の時
間内に触媒を環境温度Toを超える温度に維持することが
できる。

本発明の触媒コンバータ10を装備した自動車のトータ
ル排気放出は、図4の曲線120以下の斜線範囲となって
いる。本発明の触媒コンバータ10を使用した場合の排気
放出(曲線120以下の斜線範囲128)と、従来の触媒コン
バータを使用した場合の排気放出(曲線100以下の斜線
範囲108)とを比較することによって、本発明の触媒コ
ンバータ10を使用した場合の排気放出が従来より減少さ
れていることが判る。

図2において、制御ユニット86は、エンジン始動後の
所定時間(好ましくは、触媒が着火温度TLに達するため
に充分な時間である)で断熱チャンバー30をオフさせる
ように作動できる状態となっているが、この分野の技術
者であればいったん本発明を理解した場合、他の入力お
よび制御も提案できるであろう。例えば、内側ハウジン
グ12の温度が所定の操作温度になったとき、内側ハウジ
ング12と接触している温度検知手段78からの入力を利用
してガス制御システム60を作動させることで、断熱チャ
ンバー30をオフさせることが可能である。勿論、温度検
知手段78を周囲環境から断絶すると共に外側ハウジング
24から断絶することが必要であり、それにより断熱チャ
ンバー30をオンさせるとき熱が温度検知手段78を通って
伝導することが避けられる。また、温度検知手段78が外
側ハウジング24に現れた箇所に対しては、漏洩防止のシ
ーリング処理を施す。例えばわれわれの米国特許出願07
/960,885では、セラミックによるシーリング処理を施し
ている。

また、温度検知手段78の代わりに或いは追加の温度検
知手段として、他の温度検知手段79を下流側の排気流出
部130に設けることも可能である。該温度検知手段79に
より、触媒の温度をほぼ正確に検知することができ、ガ
ス制御システム60を作動させるために使用可能となって
いる。排気流出部130に設けられた温度検知手段79は、
断熱チャンバー30を横断して装着された温度検知手段78
のように伝熱防止や真空維持のための措置をとらなくて
もよい。

他の入力、例えば外側ハウジング24の近傍に設けられ
た温度センサ80は、断熱チャンバー30をオン・オフする
ように用いられている。例えば、触媒コンバータ10の近
傍にある部材や構造(図示せず)は、高い温度を耐える
としても、外側ハウジング24からの熱輻射温度が所定値
を超えたとき、温度センサ80によって制御ユニット86が
作動されて、さらにガス制御システム60が作動されるの
で、断熱チャンバー30がオフとなる。

一方、他の操作に際して重要なのは、内側ハウジング
12からの熱および触媒基体14,16,18からの熱を断熱チャ
ンバー30のオフ操作よりも速い速度で排出することであ
る。従って、内側ハウジング12と外側ハウジング24との
間の熱分路を機能させる金属−金属の接点を設けること
が必要となっている。例えば、図2に示すように、われ
われの米国特許出願07/960,885号に記載されている方式
と同じく、一つまたは一つ以上のバイメタル(二層金
属)凹み部または作動部132を内側ハウジングの壁部36
に設けて、壁部36が所定の最高温度に達したとき凹面形
状から凸面形状(破線132′で示されている)に変形す
るように設計している。上記した熱分路に用いられるポ
スト材134は、好ましくは良い伝熱性の金属で作られて
おり、外側ハウジング24の外壁からそれぞれのバイメタ
ル作動部132の近傍まで延びており、これらの作動部132
が凸面の形状に変形したときポスト材134と金属間接触
が形成される。このような金属間接触は形成されると、
ポスト材134により、内側ハウジング12からの熱が速や
かに外側ハウジング24へ移転し、さらに周囲の環境へ消
散するようになる。

場合により、触媒基本例えば前方側の触媒基体14と後
方側の触媒基体18が伝熱性の弱いセラミック材で作られ
た場合、これらの触媒基体からの熱が内側ハウジング壁
部36を介して断熱チャンバー30内に伝導するのを促進す
ることが必要である。そこで、一本または一本以上の細
長いスパイク136を設けており、スパイクの一端は触媒
基体14または18につながっており、他端は内側ハウジン
グ壁部36を通じて断熱チャンバー30に入っている。これ
らのスパイク136の長さは充分ではなく外側ハウジング2
4への金属−金属伝熱が不可能であったとしても、断熱
チャンバー30がガス制御システム60によりオフされたと
き、触媒基体からの熱がスパイク136によって断熱チャ
ンバー30内の水素ガスに伝導可能となっている。

或いは図6に示すように、スパイク136は、温度が低
いとき外側ハウジング24へ伸びなくて温度が高いとき熱
膨張により外側ハウジング壁部42まで(符号136′を参
照)伸びるように設計され位置づけられている。符号13
6′で示されるように、スパイク136が外側ハウジング壁
部42と接触したとき、スパイク136は熱分路または熱シ
ョートとなり、内側ハウジング12からの熱が直接に外側
ハウジング24の外壁42まで伝導することができる。この
ような役割を果たすために、スパイク136はその中間部
で溶接点135により内側ハウジング壁部36に固着してい
る。熱を受けた場合、スパイク136の両端部は、軸方向
に沿って仮想線136′と136″のところまで膨張する。ス
パイク136が仮想線136′のように外側ハウジング壁部42
まで膨張するための必要な熱を、スパイク136の設計時
に充分考慮することが必要である。さらに考慮すべきパ
ラメータは、溶接点135から外側ハウジング壁部42まで
のスパイク136の長さ、スパイクを構成する金属または
他の材料の熱膨張係数、スパイク136の端部と外側ハウ
ジング壁部42との間に形成される隙間の大きさ等であ
る。また、触媒コンバータ10に対しては、長さが異なり
材料(異なる熱膨張係数を有する)が異なる複数のスパ
イク136を設けることができる。異なるスパイクは、同
一時間および同一温度下で同時に外側ハウジング壁部42
に接触することがないので、熱ショートの回数を可変す
ると共に、チャンバー30の全体にわたる伝熱性をコント
ロールすることができる。図6に示すスパイク137は、
スパイク136の変形例として、内側ハウジング壁部36か
ら外側へ半径方向に延びており、熱ショートの変形例と
して、内側ハウジング壁部36からの熱のみを外側へ伝導
させている。

さらに好ましくは図2に示すように、排気ガス経路上
に熱吸収手段または伝熱遅延手段138を設けて、輻射お
よび対流による伝熱を抑制している。それにより、内側
ハウジング12内の触媒基体14,16,18からの熱が軸方向に
沿って輻射することを抑制すると共に、周辺領域への高
温排気ガスの対流を防止することができる。また、図2
に示す熱吸収手段または伝熱遅延手段138は、固定型の
迷宮状構造となっているが、赤外線輻射が透過できない
セラミックウールファイバーからなる大きな構造でもよ
い。それにより、軸方向の熱輻射を遅延されることがで
きる。セラミックウールファイバーによって、対流セル
のサイズが縮小されているので、対流による熱逃散が遅
延される。図2では、伝熱遅延手段138は内側ハウジン
グ12の下流側端部に設けられているが、第一段の触媒基
体14の直前(上流側)に設けられてもよい。

図5は、本発明による更に高率な排熱および排気管理
の変形例として、熱保存および熱交換という特徴を有し
た触媒コンバータ140を示している。しかし、図5の触
媒コンバータを説明するため、図1を参照することが必
要である。図5に示す実施例では、排気ガスとの放熱触
媒反応で発生した熱を有効に利用したり保存したり消散
させたりすることができるようになっている。例えば、
図5の触媒コンバータ140は、始動直後の冷態エンジン
Eより速いスピードで熱を発生する。冷態エンジンは、
暖機エンジンほどの運転ができないばかりか、暖機エン
ジンより大量の有害ガスを発生させると共に、エンジン
にかかる摩耗を増してしまう。そして、大多数の車両の
内部は、熱したエンジン冷媒によって暖められるが、エ
ンジンE自身が温まり更にエンジンジャケット内の冷媒
が温まるまでの間は、乗車の快適性を確保するための熱
および車窓を解凍するための熱は得られない状態となっ
ている。

そこで、触媒コンバータ140で発生した熱を、周囲の
環境へ消散させずに、いったん多岐管142に収集してか
ら、図1の破線144で示されたようにエンジンEのウオ
ータージャケットに導入させている。それにより、エン
ジンEがより速く暖められて、熱した冷媒が破線146で
示されたホースを介して速いスピードで車内ヒータHに
流れている。或いは、触媒コンバータ140で発生した熱
は、破線148で示されたように車内へ直接に送られて、
座席および他の箇所例えば車窓やハンドル等のところを
暖める。また、触媒コンバータ140内部および周辺温度
が、標準のエンジン冷媒/下凍液にとって高すぎるよう
になりがちなので、熱交換チャンバー164内には、伝熱
用および熱保存用の流体166(図5に示され、より高い
沸点を有するので高温のときでもエンジン冷媒/不凍液
より安定している)を充填している。その結果、もう一
つの熱交換器153(図1)を設けて、緩和された熱およ
び温度レベルを、車両エンジンEに用いられるエンジン
冷媒/不凍液に移転させる。

自動車の通常運転中、余分な熱を必要としなくなった
とき、触媒コンバータ140、エンジンEおよび他の箇所
は既に通常の運転温度に達したとき、触媒コンバータ14
0内で発生した熱は、熱保存シンク150または熱消散器15
2に導入されて、或いは経路144を介してエンジンEに導
入される。エンジンEに導入された熱は、エンジン自身
からの熱と共に、従来の車両放熱器Rを介して周囲の大
気へ放出される。ここで各種用途の配管,バルブ,制御
手段は図示されていないが、当業者であれば本発明の内
容を理解したとき当然想到できるものである。なお、液
体状のエンジン冷媒または他の液体媒体を伝熱手段とし
て用いていれば、必要な循環回路には、液体を送るため
の配管と、液体を戻すための配管と、ポンプと、各種バ
ルブと、手動または自動(電気、真空または気圧により
作動する)のバルブ制御手段とを備えている。さらに、
熱保存シンク150は、熱をいったん保存して後で始動状
態のエンジンを暖めるために放熱するように使用されて
おり、或いは保存された熱は、触媒コンバータ内の高温
をより長い時間にわたって維持するように用いられる。
このような熱保存シンク150は、「潜熱保存」というタ
イトルの論文(自動車工学学会、1992年2月に出版、第
100巻第2期、第58−61頁)で開示された熱保存装置で
ある。また、特に図示されていない熱関係のパイプは、
上記した伝熱流体の経路として用いられ、触媒コンバー
タへ(またはそこから)の伝熱手段として使用可能とな
っている。

図5に示す触媒コンバータ140は、上述した触媒コン
バータ10と同じ基本構造を持っており、すなわち、触媒
基本14,16,18を収納した内側ハウジング12と、内側ハウ
ジング12と共に断熱チャンバー30を形成させる外側ハウ
ジング24と、ガス制御システム60と、金属−金属の熱分
路用ポスト134と、バイメタル作動部132と、軸方向の伝
熱遅延手段138とを備えている。

なお、触媒コンバータ140は、外側ハウジング24を覆
うように形成された主要熱交換器160を有している。該
熱交換器160により、外壁36からの熱を多岐管142(図
1)または他の箇所に移転することができる。熱交換器
160は、外側ハウジング24の外端壁38,40から延び半径方
向へ拡大している外側ジャケット162を有し、熱交換チ
ャンバー164を形成させている。チャンバー164は密閉さ
れており、中に熱交換流体166を収容している。該流体1
66は液体でも気体でもよいが、好ましくは安定している
流体がよい。液体の場合は、触媒コンバータ内で発生す
る高温条件下でも沸点に到達しない液体を使用すべきで
ある。このような熱交換流体は、例えばポリエーテルま
たはシリコーンである。

複数のフィン部材168は、外側ハウジング壁部36から
熱交換チャンバー164内へ半径方向に突出しており、熱
交換のための表面積を増加している。従って、断熱チャ
ンバー30をオフしたとき、触媒基体14と16と18と内側ハ
ウジング12とからチャンバー30を介して外側ハウジング
24へ伝導された熱は、フィン部材168から流体168に吸収
される。流体166は、流入口170より熱交換チャンバー16
4内に流入し、流出口172よりチャンバー166から流出し
ている。適正なホースまたは他の配管(図示せず)によ
って、加熱された流体166は、多岐管142,熱シンク150,
熱消散器152,熱交換器153等のところ(図1)へ移送さ
れている。勿論、逆の方向での熱流動も可能である。例
えば、物体166によって、熱シンク150からの熱が触媒コ
ンバータ140へ流れることが可能となっている。それに
より、エンジンEの始動前に、触媒基体14,16,18を予熱
することができるようになる。

図5において、熱交換器160のジャケット162は、好ま
しくは断熱性の良い材料で作られており、例えばわれわ
れの米国特許5,175,975号に開示されているコンパクト
真空断熱材(CVI)で作られている。断熱チャンバー30
をオンしたとき、例えばエンジンEがオフされた場合、
高温状態の内側ハウジング12および高温状態の触媒基体
14,16,18が断熱チャンバー30により断熱されるだけでは
なくて、外側ハウジング24の高温状態も、熱交換チャン
バー164内の高温流体166によって維持されている。CVI
ジャケット162は、流体166内の熱を維持するには有効な
材料である。それにより、断熱チャンバー30内の温度差
を低くすることができるので、触媒基体14,16,18からの
熱伝導を抑制することができる。

触媒コンバータ140は更に、熱交換器174および熱交換
器184を有しており、排気ガス流入部129および流出部13
0からの熱を回収している。図5に示すように、流入部1
29側の熱交換器174は、ジャケット176を有し、流入部12
9から半径方向へ突出した複数のフィン部材178を収納し
ている。熱交換器160内で使用されているのと同じ流体1
66が、流入口180より熱交換器174内に流入して流出口18
0より流出しているので、フィン部材178から熱を取って
熱保存器または熱消散器などの箇所へ移送している。そ
れと同様に、流出部130側の熱交換器184は、ジャケット
186を有し、流入部190から半径方向へ突出した複数のフ
ィン部材188を収納している。熱交換器160内で使用され
ているのと同じ流体166が、流入口190より交換器184内
に流入して流出口192より流出しているので、フィン部
材188から熱を取って熱保存器または熱消散器などの箇
所へ移送している。熱交換器174および184は、触媒基体
14,16,18に熱を保持するための主な役割を果たしている
わけではないので、CVI材で構成されたものではない。
勿論、上記の熱保持を確保し或いはこの熱が周囲の環境
へ損失するのを最少限に防ぐために、CVI材を用いて熱
交換器174および184を構成することも可能である。

図5に示す触媒コンバータ140の他の特徴は、触媒基
体14,16,18を挿通している固体の熱シンクコア194であ
る。この熱シンクコア194は、二つの目的を達成するた
めに用いられている。第1の目的は、この熱シンクコア
194を利用することによって、触媒基体14,16,18以外の
区域で触媒反応を発生させることができる。それによ
り、断熱チャンバー30経由の伝熱を必要とした場合、熱
が触媒基体14,16,18を通過して内側ハウジング12に伝導
するときの熱流距離を短縮することができる。第2の目
的は、大きな熱蓄積容量を有するアルミニウムシリコン
またはマグネシウム亜鉛で熱シンクコア194を構成させ
ることによって、触媒反応を必要としている間に大量の
熱を吸収し保存することができる。このように、エンジ
ンEがオフされ断熱チャンバー30がオンされたとき、熱
シンクコア194に保存された熱を利用することで、触媒
基体14,16,18の温度を長時間にわたって維持することが
できる。従って、着火点に近い温度または着火点を超え
る温度に触媒基体を維持することができ、或いは次回の
エンジン始動時に触媒基体が環境温度以上に維持されて
いることが確実となる。

図2に示す触媒コンバータ10では、制御ユニット86
は、各種装置またはセンサ(例えば、点火スイッチ76、
温度センサ80、79)からの入力信号を受けており、断熱
チャンバー30をオン・オフさせるようにガス制御システ
ム60を作動させる。例えば、ジャケット162付近の温度
センサ80によって、触媒コンバータ140周囲の環境温度
が高すぎたと検知された場合、ガス制御システム60が作
動されて断熱チャンバー30がオフされ、或いは流体166
の循環が開始される。

また、エンジンのウオータジャケットまたは車内に装
置されている遠方温度センサ89からの信号を制御ユニッ
ト68に入力することによって、断熱チャンバー30および
循環用の流体166をオン・オフできるようになってい
る。符号197で示された操作信号、符号198で示された操
作信号(バルブ等の箇所へ行く信号)は、当業者であれ
ば本発明の内容を理解したならば当然想到できるもので
ある。

触媒コンバータの能力を増加するために、特に、エン
ジン始動前に触媒体14,16,18を着火温度まで加熱するよ
うに充分な熱を長時間にわたって保存するために、所要
量の相変化材料(PCM)、例えばわれわれの米国特許4,5
72,864および4,702,853号に開示されたような金属、金
属塩水化物、トリメチロールエタンの水素化物、または
他の多価アルコールを触媒基体14,16,18の周囲に含有さ
せ、或いはこれらの触媒基体との熱流関係に配置するこ
とが可能である。例えば、図5に示す実施例では、伝熱
流体166を熱交換器164に循環させずに、熱交換器164内
に相変化材料を充填する。そのとき、流体流入口170お
よび流体流出口172を設けて設けなくてもよい。内側ハ
ウジング12内で触媒反応により熱が発生するとき、断熱
チャンバー30の熱伝導機能か作動されて、熱が相変化材
料へ移転される。この熱が相変化材料に溶解熱として作
用し相変化材料を溶解させ、そして溶解した相変化材料
に吸収される。相変化材料は超冷却可能または作動可能
なものであれば、例えば上記した水化物または水素化物
であれば、エンジンEがオフされて触媒基体14,16,18が
冷めたとき、相変化材料が融点以下の温度に冷めて相変
化材料中の溶解熱がまだ保持されている(米国特許4,80
6,729)。操作者はエンジンEを始動しようとすると
き、点火スイッチ76からの信号によって相変化作動器を
作動させることができる(米国特許4,860,729)。図1
の符号154で示された作動器を、図5に示す流入口およ
び流出口170,172に接続させることができる。該作動器1
54が作動されることで、相変化材料の結晶該形成が開始
し、相変化材料内の溶解熱が放出される。また、断熱チ
ャンバー30の伝熱機能をオンさせたとき(断熱機能がオ
フとなる)、相変化材内の溶解熱が内側ハウジング12お
よび触媒基体14,16,18へ戻り、着火点温度への到達を促
進することになる。

上記目的を達成するために相変化材料を用いる方法は
いろいろある。例えば、熱シンクまたは他の同様な装置
にも相変化材料を使用することが可能である。また、上
記した熱を、熱交換用液体166を有した外部の容器へ移
転したりそこから移送したりすることができる。さら
に、図示省略の他のチャンバーは、チャンバー164から
半径方向へ拡張するように配置されて、相変化材料およ
び伝熱流体166を共に使用することも可能である。

図7は、もう一つの実施例を示している。図7に示す
ように、環状のチャンバー157を形成したセラミック容
器156が内側ハウジング12内に配置されており、触媒基
体14,16,18を包囲している。

相変化材料158は、例えばアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金を用いるが、環状チャンバー内を完全に充填
しているわけでもない。エンジンEの運転時に触媒基体
が加熱されると、容器156および相変化材料158が加熱さ
れるようになる。しかし、セラミックは伝導性の低い材
料であるため、この容器および相変化材料158により、
触媒基体14,16,18を着火温度まで加熱するための時間を
短縮することができない。一方、エンジンが長時間にわ
たって運転している場合、チャンバー157内の材料158が
相当熱くなり熔解するので、触媒コンバータが最適操作
温度に到達する。環状チャンバー157内の若干未充填部
分は、材料158の熱膨張に対応するための空間部として
用いられている。エンジンEがオフされた場合、相変化
材料158によって、触媒基体14,16,18内の熱がそのまま
そこに保持されるようになる。最初の冷却は、検知でき
るようになっているが、更に材料158を融点以下に冷却
されると、材料158は溶融熱を出しながらその温度が長
時間にわたって一定となっている。その結果、材料158
は、触媒の着火点温度を超える融点を持ち、長時間にわ
たって触媒基体14,16,18を着火点以上の温度に維持する
ことができる。

本発明に関する以上の説明は、内燃機関を有する車両
に重点をおいているが、化学工場および石油化学工場に
おける触媒反応器の反応器温度をもコントロールするこ
とができる。

フロントページの続き (72)発明者 ポッター トーマス エフ. アメリカ合衆国,コロラド 80224,デ ンバー,ウエスト マグノーリア レー ン 515 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01N 3/20 F01N 3/24 F01N 3/26

Claims (46)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】排気熱管理装置であって、 排気ガス中の有害成分との酸化反応または還元反応を促
    進するように、触媒と、触媒表面および触媒支持構造を
    提供する基体とを含む触媒コンバータ手段と、 触媒コンバータ手段を収容し、排気ガスを触媒コンバー
    タ手段に導入するように構成された触媒ハウジング手段
    と、 触媒ハウジング手段を選択的に断熱させ、第1信号に応
    じてハウジングから半径方向の伝熱を抑制し、第2信号
    に応じて該伝熱を可能にし、上記触媒ハウジングを包囲
    するように形成された伝導性可変な断熱手段と、 を備えたことを特徴とする排気熱管理装置。
  2. 【請求項2】上記触媒ハウジング手段は内側金属壁(内
    側ハウジング)を含み、上記伝導性可変な断熱手段は、
    該内側金属壁を包囲すると共に該内側金属壁から半径方
    向へ離れている外側金属エンクロージャーを有し、上記
    内側金属壁と上記外側金属エンクロージャーとの間に断
    熱チャンバーを形成させていることを特徴とする請求項
    1記載の装置。
  3. 【請求項3】上記断熱チャンバーは高度の真空となって
    おり、上記伝導性可変な断熱手段は、上記断熱チャンバ
    ーに接続されている断熱オフ手段を有し、上記第2信号
    に応じて断熱チャンバーの断熱作用をオフさせ、上記第
    1信号に応じて断熱チャンバーの断熱作用をオンさせる
    ことを特徴とする請求項2記載の装置。
  4. 【請求項4】上記した断熱オフ手段は、断熱チャンバー
    に接続されているガス源手段を有し、上記第2信号に応
    じてガスを断熱チャンバーに導入し、上記第1信号に応
    じて断熱チャンバーからガスを回収することを特徴とす
    る請求項3記載の装置。
  5. 【請求項5】上記ガス源手段は、加熱されると水素を放
    出し冷却されると水素を回収する金属水素化物を含むこ
    とを特徴とする請求項4記載の装置。
  6. 【請求項6】上記ガス源手段は、上記金属水素化物と上
    記断熱チャンバーとの間に設けられたゲート手段を有
    し、水素ガスの通過または遮断を選択することを特徴と
    する請求項5記載の装置。
  7. 【請求項7】上記ゲート手段は、加熱されると水素ガス
    を流通させ冷却されると水素ガスを遮断するパラジウム
    を含むことを特徴とする請求項6記載の装置。
  8. 【請求項8】上記伝導性可変な断熱手段は、排気ガスが
    上記触媒コンバータ手段を流通し始めたときハウジング
    手段からの伝熱を抑制するようになっており、排気ガス
    とその反応とにより触媒コンバータの温度が着火温度以
    上に上昇した場合、伝導性可変な断熱手段は上記第2信
    号に応じてハウジングからの伝熱を助成することを特徴
    とする請求項1記載の装置。
  9. 【請求項9】触媒コンバータ手段を流通する排気ガスが
    停止すると、上記第1信号により伝導性可変な断熱手段
    が作動されて、ハウジングからの伝熱が抑制されること
    を特徴とする請求項8記載の装置。
  10. 【請求項10】上記第2信号を発生させるタイマー手段
    を有することを特徴とする請求項9記載の装置。
  11. 【請求項11】上記第2信号を発生させる温度センサ手
    段を有することを特徴とする請求項9記載の装置。
  12. 【請求項12】内側ハウジングと外側金属エンクロージ
    ャーとの間に設けられた作動可能な熱分路手段を有し、
    内側ハウジングが所定の最高温度に達したとき、内側ハ
    ウジングと外側金属エンクロージャーとの間に金属−金
    属接触を形成させることを特徴とする請求項3記載の装
    置。
  13. 【請求項13】上記した熱分路手段はバイメタル部分を
    有し、該バイメタル部分は所定の温度に達したとき凹面
    形状から凸面形状に切り替わることを特徴とする請求項
    12記載の装置。
  14. 【請求項14】上記した熱分路手段は、内側ハウジング
    に固着された熱膨張可能なスパイクを有し、該スパイク
    は、内側ハウジングから半径方向で外側金属エンクロー
    ジャーへ延びており、熱膨張により外側金属エンクロー
    ジャーと接触するようになることを特徴とする請求項12
    記載の装置。
  15. 【請求項15】伝導性可変な断熱手段は、内側ハウジン
    グと外側金属エンクロージャーとの間に設けられた複数
    のセラミックスペーサを有して、該スペーサは、内側ハ
    ウジング壁部と外側金属エンクロージャーとに対して、
    点接触または点に近い接触を形成していることを特徴と
    する請求項3記載の装置。
  16. 【請求項16】上記スペーサは、球形の外面を有するス
    ペーサ部材とカーブ状外面を有する線形部材とを含み、
    内側ハウジングと外側金属エンクロージャーとの間に設
    けられていることを特徴とする請求項15記載の装置。
  17. 【請求項17】上記断熱チャンバー内において、内側ハ
    ウジングど外側金属エンクロージャーとの間に、少なく
    とも一つの熱輻射シールドを設けていることを特徴とす
    る請求項15記載の装置。
  18. 【請求項18】内側ハウジングを介して触媒コンバータ
    に延び、更に断熱チャンバー内に延びている伝熱スパイ
    クを有することを特徴とする請求項3記載の装置。
  19. 【請求項19】上記スパイクは、内側ハウジングに固着
    されており、温度の変化により膨張・収縮し、上記した
    外側金属エンクロージャーと接触したり離れたりするこ
    とを特徴とする請求項18記載の装置。
  20. 【請求項20】内側ハウジングと外側金属エンクロージ
    ャーとの間に設けられて、排気ガスを内側ハウジングに
    導入する排気ガス導入管を有し、該導入管は、一端が外
    側金属エンクロージャーに溶接されて他端が内側ハウジ
    ングに溶接された薄い金属ホーイルの波状管であること
    を特徴とする請求項3記載の装置。
  21. 【請求項21】内側ハウジングと外側金属エンクロージ
    ャーとの間に設けられて、排気ガスを内側ハウジングよ
    り導出する排気ガス導出管を有し、該導出管は、一端が
    外側金属エンクロージャーに溶接されて他端が内側ハウ
    ジングに溶接された薄い金属ホーイルの波状管であるこ
    とを特徴とする請求項3記載の装置。
  22. 【請求項22】上記触媒コンバータ手段と上記導出管と
    の間に、熱輻射遅延手段を設けており、触媒コンバータ
    手段から導出管への熱輻射を抑制することを特徴とする
    請求項21記載の装置。
  23. 【請求項23】上記触媒コンバータ手段と上記導出管と
    の間に、熱対流遅延手段を設けており、触媒コンバータ
    手段から導出管への熱対流を抑制することを特徴とする
    請求項21記載の装置。
  24. 【請求項24】上記した熱対流遅延手段は、セラミック
    ウールファイバーを有することを特徴とする請求項23記
    載の装置。
  25. 【請求項25】上記した外側金属エンクロージャーを覆
    うように形成された主要熱交換器手段を有し、外側金属
    エンクロージャーから熱を移送し、或いは該エンクロー
    ジャーへ熱を移転させることを特徴とする請求項3記載
    の装置。
  26. 【請求項26】上記した主要熱交換器は、外側金属エン
    クロージャーから半径方向へ離れている外側ジャケット
    を有し、ジャケット内に熱交換流体を収納していること
    を特徴とする請求項25記載の装置。
  27. 【請求項27】上記した主要熱交換器に熱交換流体を導
    入する流入口と、該交換器から熱交換流体を導出する流
    出口とを備えていることを特徴とする請求項26記載の装
    置。
  28. 【請求項28】上記外側ジャケットは、コンパクトな真
    空断熱手段を含み、これらの断熱手段は、互いに近づい
    て配置され金属間の溶接により縁端部で相互に密閉接続
    されている硬くてなお湾曲可能な金属ホイールシートを
    含み、真空チャンバーを形成させており、該真空チャン
    バーは10-5トールの真空度となり、両シートの間に複数
    の低伝熱性スペーサを介在して所要のスペースを確保す
    ることを特徴とする請求項27記載の装置。
  29. 【請求項29】上記した主要熱交換器に流体関係で接続
    されている熱シンク(熱蓄積装置)を有することを特徴
    とする請求項27記載の装置。
  30. 【請求項30】上記した主要熱交換器に流体関係で接続
    されている熱消散手段を有し、外側金属エンクロージャ
    ーからの熱を上記流体に消散させることを特徴とする請
    求項27記載の装置。
  31. 【請求項31】上記した主要熱交換器をエンジン冷媒熱
    交換器へ接続させ、排気ガスを発生するエンジンのウオ
    ータジャケットへ熱を移転させる流体管路手段を備えた
    ことを特徴とする請求項27記載の装置。
  32. 【請求項32】内側ハウジングで発生した熱を保存する
    ために外側金属エンクロージャーを覆う熱保存手段を有
    することを特徴とする請求項3記載の装置。
  33. 【請求項33】上記した熱保存手段は、相変化材料を含
    むことを特徴とする請求項32記載の装置。
  34. 【請求項34】相変化材料を選択的に核形成させる選択
    的に作動可能な制御手段を有することを特徴とする請求
    項32記載の装置。
  35. 【請求項35】触媒ハウジング内で発生した熱を保存す
    るために、触媒ハウジング内に設けられ触媒基体と接触
    される熱保存手段を有することを特徴とする請求項1記
    載の装置。
  36. 【請求項36】上記した熱保存手段は、相変化材料を含
    むことを特徴とする請求項35記載の装置。
  37. 【請求項37】排気ガスが触媒基体に到着する前に排気
    ガスから熱をとるように、排気ガス流入部に付属熱交換
    器を接続していることを特徴とする請求項20記載の装
    置。
  38. 【請求項38】排気ガスが触媒基体を通過した後に排気
    ガスから熱をとるように、排気ガス流出部に付属熱交換
    器を接続していることを特徴とする請求項21記載の装
    置。
  39. 【請求項39】触媒コンバータ中の熱を管理する方法で
    あって、 伝熱を抑制するための「オン」と伝熱を可能にするため
    の「オフ」との間で可変する断熱手段で触媒コンバータ
    をカバーすることと、 触媒コンバータ内で排気ガスが反応していないとき、熱
    を触媒コンバータ内に保持するように上記可変な断熱手
    段をオンさせることと、 触媒コンバータ内の温度が着火温度より低いとき、上記
    可変な断熱手段をオンの状態に維持することと、 触媒コンバータ内の温度が着火温度より高いとき、上記
    可変な断熱手段をオフさせることと、を特徴とする触媒
    コンバータの熱管理方法。
  40. 【請求項40】触媒コンバータを所要の温度に維持する
    ために、完全なオン状態と完全なオフ状態との間に上記
    可変な断熱手段をコントロールすることを特徴とする請
    求項39記載の方法。
  41. 【請求項41】上記可変な断熱手段がオフのとき、触媒
    コンバータで発生した熱を伝熱流体より回収し、他の箇
    所へ移転させることを特徴とする請求項40記載の方法。
  42. 【請求項42】流体中の熱を、排気ガスを発生するエン
    ジンに移転させることを特徴とする請求項41記載の方
    法。
  43. 【請求項43】流体中の熱を熱保存装置へ移転させるこ
    とをを特徴とする請求項41記載の方法。
  44. 【請求項44】触媒コンバータの温度が着火温度以下の
    とき、排気ガスを発生するエンジンの始動に先だって、
    熱保存装置から熱を触媒コンバータに戻すことをを特徴
    とする請求項43記載の方法。
  45. 【請求項45】流体中の熱を自動車の車内へ移転させる
    ことを特徴とする請求項41記載の方法。
  46. 【請求項46】流体中の熱を熱消散器へ移転させてか
    ら、周囲の大気へ消散させることをを特徴とする請求項
    41記載の方法。
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