JP2825895B2 - 排ガス触媒用担体としてのハニカム体並びにその作動及び監視方法 - Google Patents

排ガス触媒用担体としてのハニカム体並びにその作動及び監視方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔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。
〔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。
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0049489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。
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2230663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563757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223066
3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。
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。
〔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。
〔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、導電性で且
つ電気的に加熱可能なハニカム体が使用され、このハニ
カム体は巻き上げられるか、積み重ねられるか、他様に
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、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薄板により少なくとも一つの電流路
が生じるようになっている。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〜
0.12mm、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。
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。
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。
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。
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。
ハニカム体が軸方向で高い機械的付加を受けることが
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。
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。
〔実施例〕
本発明の実施例を図面について説明する。
第１図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10b、11b、12
b、15b、16b、17b、18b、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、ラムダプロープ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15
a、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。第１図には電気的に加
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。
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。
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。
位置３は、始動触媒16a、16bの応答と共に主触媒17
a、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。
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。
第２図及び第３図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。第２図では触
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。第２図、第３図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。第２図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。
第３図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。
第４図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。第４図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tS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、第３図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35〜6cm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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 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、経験値にすれ
ば約２分の１te1にすぎない。
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。
第５図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57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。
第６図はＵ字状に曲げられた平坦な薄板層61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63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。
本発明の他の実施例を第７、８図及び第９図に示す。
第７図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、極めて長く引き延ばされた薄板積
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、第８図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。第９図はジャケ
ット管に対する絶縁可能性の一例を示す第８図からの一
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。
第10図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101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101、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1
05、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107
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1
04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。
第10図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、例えば第11図に示すように複
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第
10図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113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1
15a、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。
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。
従ってこれは第４図に示した曲線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115a、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。
第12図及び第13図は、再度Ｓ字状の電気的に加熱可能
の触媒担体を、横断面図（第12図）及び縦断面図（第13
図）で示すものである。第12図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とからなる第10図
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、126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は第10図のそ
れと同じである。導入線123、導出線124はセラミック片
129を通して外部に導かれる。第13図から認め得るよう
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。
第14図はほぼ軸方向に、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14
6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146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、144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。
第15図及び第16図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15
1と波状薄板152とから巻き上げられている第15図に示し
た触媒担体150では、直線状の板156が正面の相応するス
リット内に挿入されている。第16図にはほぼＳ字状に組
み合わせて構造化された薄板161、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。
第17図は２枚の電気的に互いに絶縁された薄板層17
1、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1
71、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1
73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。
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〕
第１図は本発明の自動車における排ガス系の原理構成
図である。
第２図は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。
第３図は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。
第４図は自動車の排ガス系、触媒系における温度の時
間的経過を示す線図である。
第５図は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。
第６図は本発明の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。
第７図は本発明のくびれ部を有する薄板積層体の断面
図である。
第８図は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。
第９図は第８図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。
第10図は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。
第11図は第10図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。
第12図は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。
第13図は第12図に示す２つの円板から構成された触媒
担体の側面図である。
第14図は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。
第15図は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。
第16図は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。
第17図は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。
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、18
a、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、56
a、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…
…波条薄板条片、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、
142……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 キロン、テオドール ドイツ連邦共和国 Ｄ‐5060 ベルギツ シユグラートバツハ １ クルト‐シユ ーマツヒアーシユトラーセ 12 (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53−12766（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−54312（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−116412（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−47479（ＪＰ，Ａ)

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】排ガス触媒用担体として導電性で且つ電気
    的に加熱可能なハニカム体（50;60;80;100;110;120;14
    0;150;160）が使用され、このハニカム体は巻き上げら
    れるか、積み重ねられるか、他様に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;6
    1、62;71、72;81、82;91、92;101、102;121、122;151、
    152;161、162;171、172）の層からなり、薄板（51、52;
    61、62;71、72;81、82;91、92;101、102;121、122;15
    1、152;161、162;171、172）は流体の流れる多数の溝を
    形成し、約0.03〜0.12mmの厚さを有し、ハニカム体（5
    0;60;80;100;110;120;140;150;160）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;
    148;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、0.03〜２オ
    ームの電気抵抗を有する薄板（51、52;61、62;71、72;8
    1、82;91、92;101、102;121、122;151、152;161、162;1
    71、172）により少なくとも一つの電流路が生じるよう
    になっていることを特徴とする排ガス触媒用担体として
    のハニカム体。
  2. 【請求項２】ハニカム体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】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、66;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。
  4. 【請求項４】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つの薄板からなることを特徴と
    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。
  5. 【請求項５】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４記載
    のハニカム体。
  6. 【請求項６】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５記載のハニカム体。
  7. 【請求項７】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４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;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;12
    3、124）を有することを特徴とする請求項１ないし４の
    いずれか１つに記載のハニカム体。
  9. 【請求項９】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８記載のハニカム体。
  10. 【請求項１０】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
    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;68;88;10
    8;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されていることを特徴とする請求項
    １ないし10のいずれか１つに記載のハニカム体。
  12. 【請求項１２】電気的に絶縁性の中間層（58;68;88;10
    8;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10のい
    ずれか１つに記載のハニカム体。
  13. 【請求項１３】薄板を金属ジャケット管（90;141）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12記載の
    ハニカム体。
  14. 【請求項１４】互いに電気的に絶縁された薄板層（171;
    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13のいずれか１つに記載の
    ハニカム体。
  15. 【請求項１５】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（146;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14のいずれか１つに記載のハニカ
    ム体。
  16. 【請求項１６】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
    高い電流強度に適し、端子板（146）とブッシング（14
    5）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15記載のハニカム体。
  17. 【請求項１７】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請求項１記載の
    触媒担体を作動する方法において、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
    触媒担体の作動方法。
  18. 【請求項１８】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請求項１記載の
    触媒担体を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
    媒排ガス系を監視するために利用することを特徴とする
    触媒担体の監視方法。
  19. 【請求項１９】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17又は18記載の方法。
  20. 【請求項２０】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17ないし19のいず
    れか１つに記載の方法。
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