JP3068852B2 - スリットにより電気抵抗を高めた電気加熱可能なハニカム体 - Google Patents

スリットにより電気抵抗を高めた電気加熱可能なハニカム体

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    • Y10S55/30—Exhaust treatment

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特に内燃機関に接続した加熱可能な触媒コ
ンバータ用の担体として使用され、電気抵抗の値がその
担体を通って流れる電流に影響を与えるようにした、流
体により貫流され巻回、積み重ねあるいは別の形で積層
された板金層から構成された電気加熱可能なハニカム体
に関する。
加熱可能なハニカム体は内燃機関の排気ガスに対する
触媒コンバータ用の担体として使用され、特に加熱式触
媒体あるいはいわゆる前置触媒体として使用される。燃
焼排気ガスを触媒変換する場合、触媒コンバータが燃焼
排気ガスの発熱触媒変換が始まる点火温度より高い運転
温度を有していることが重要である。内燃機関の低温始
動過程において排気装置のマフラおよび触媒コンバータ
は、燃焼排気ガスを十分に触媒変換するのに十分な高い
温度をまだ有していない。従って次第に激しくなる自動
車の往来およびこれに伴って生ずる厳しい排気ガス規制
に関して、内燃機関の運転の際に低温始動過程中におい
ても既に燃焼排気ガスのほぼ完全な触媒変換を保証する
ことが望まれる。このために電気加熱可能な触媒コンバ
ータあるいは一般的な触媒コンバータに前置された加熱
可能な前置触媒体を採用することが知られている。
この種の電気加熱可能なハニカム体は例えば国際特許
出願公開第92/02714号明細書に開示されている。この明
細書には特に、板金層の積層体をＳ字状に絡めた構造様
式が示されている。これによって電気加熱可能なハニカ
ム体を通って流れる電流の経路が延長されている。
更に国際特許出願公開第92/13635号明細書において、
非均質の電流分布従って非均質の熱出力で加熱されるハ
ニカム体が知られている。このハニカム体は層状に巻回
あるいは積層されて絡められ少なくとも部分的に構造化
された少なくとも一つの板金から成り、その際流体によ
り貫流される多数のチャンネルが形成されている。板金
層には少なくとも一つの電流経路が形成されている。こ
の電流経路の電気抵抗はその板金層の全長にわたって非
均質に分布している。この抵抗の非均質性は、巻回され
たハニカム体の内部において個々の板金層の所定の個所
に存在するスリットによって得られている。ハニカム体
の形に巻回する前に個々の板金層にスリットを設けるこ
とによって、そのハニカム体の電気抵抗はスリット無し
の板金層から成るハニカム体に比べて高められる。従っ
てこのようなスリットにより、例えば乗用車の排気装置
に組み込まれる電気加熱可能な前置触媒体の電気抵抗を
所望通りに設定することができる。
更にヨーロッパ特許出願第0316596号明細書におい
て、担体の巻回前あるいは折り重ね前に既に帯状板金に
直接切欠きを設けることが知られている。そのようにし
て作られた担体は、運転中における外被管とその中に巻
回された帯状板金との間の熱応力を減少する働きをす
る。
加熱可能な担体の電気抵抗を上述の従来技術に記載さ
れているように所望通りに設定するためには、個々の板
金層の所望のスリットあるいはスリット構造を加工する
必要がある。続いて行われる板金層の巻回、積み重ねあ
るいは別様の積層過程の際、一つの板金層におけるスリ
ットが隣の板金層における隆起個所によってしばしば橋
絡されることがあり、この結果この種の担体の電気抵抗
は不所望な再現困難な変化をこうむることがある。更に
このような点状の「短絡」によってその範囲に過度に高
い電流密度が生じ、この結果非常に熱い個所を生じてし
まうおそれがある。この橋絡現象は特に、板金層にその
構造に関して斜めにスリットが設けられている場合に主
として生ずる。
所定の電気抵抗を有する担体の構成にとっては、板金
層を担体の形に加工する前に個々の板金層の抵抗を例え
が測定および計算によって正確に決定することが重要で
ある。これによって個々の板金層を所定の様式で積み重
ねや巻回する際に担体全体の予期すべき電気抵抗を正確
に予め決定することができる。しかしこれは、個々の板
金層を担体の形に加工する際にスリットの制御不能な橋
絡を生ぜず、これに伴う短絡が完成担体の内部に生じな
いときだけしか可能でない。
本発明の課題は、電気抵抗が板金層における開口によ
って少なくとも部分区域において良好に高められるハニ
カム体を作ることにある。
本発明の課題また、担体への加工後において良好に規
定される電気抵抗を有する担体を生ずるような開口を備
えた板金層の適切な製造方法を提供することにある。
この課題は請求項１記載の手段によって解決される。
流体により主流れ方向に貫流される電気加熱可能なハ
ニカム体は、巻回、積み重ねあるいは別の形で積層さ
れ、少なくとも部分的に構造化された板金層から成って
いる。この積層された板金層は開口を備えた少なくとも
一つの帯状板金を有しており、その開口は帯状板金にお
ける電気経路を延長するか狭めるかあるいは延長し且つ
狭める。その際板金層は、隣り合う板金層が帯状板金の
開口が存在しない個所だけで主として接触するように、
構造化され、開口が形成され配置されている。
従って本発明は、個々の帯状板金にスリットを設ける
ことによって引き起こされた抵抗の増大が個々の帯状板
金をハニカム体の形に加工する際にハニカム体全体の電
気抵抗を制御して増大させることを保証する。
ハニカム体は交互に配置された複数の平板帯状板金お
よび構造化された帯状板金から成る有利にはスパイラル
状にあるいはＳ字状に巻回された積層体を有している。
典型的には帯状板金における開口は個々の帯状板金にお
いてそれぞれ主流れ方向に対して所定の角度αを成して
配置されたスリットの形をしており、その角度αは０〜
45゜、好適には10〜30゜である。
本発明の第１の観点に基づいて、互いに接触する帯状
板金の少なくとも一つは開口が存在する個所に、両帯状
板金が開口の範囲において互いに間隔を隔てられるよう
な変形部を有している。これによって第２の帯状板金と
の接触による第１の帯状板金の開口における導電的な橋
絡が避けられる。その開口は変形された帯状板金あるい
は変形されてない帯状板金に設けられる。
本発明の第２の観点に基づいて、互いに隣接する多数
の板金層の少なくとも一つは、隣接する板金層の開口を
このような開口無しに導電的に橋絡するであろう個所に
同様に開口を有しているハニカム体を準備することによ
って、隣接する第２の帯状板金による第１の帯状板金の
開口の導電的な橋絡が避けられる。
本発明の第３の観点に基づいて、ハニカム体の構造化
された帯状板金は周期Ｌの周期的な特に波状の構造を有
し、帯状板金に開口が周期的な構造の方向に隣接する開
口の中心間の間隔Ａを隔てて配置され、その際Ａはほぼ
Ｌと同じであり、構造化された帯状板金の周期的な構造
の隆起個所は常に他方の帯状板金にこの帯状板金の開口
間の個所でしか接触しない。
本発明の有利な実施態様においては、帯状板金の周期
的な構造はほぼサイン曲線あるいは台形状の周期的構造
である。その際開口は上昇範囲および／又は下降範囲に
しか即ち周期的な構造の側縁範囲にしか存在しない。こ
のような開口の配置構造は、特に平板中間層無しに構造
化された板金だけで構成されたハニカム体に対しても特
に適している。
本発明の有利な実体態様は、ハニカム体を形成する巻
回された帯状板金の側縁範囲において構造に対してほぼ
平行に延びるスリット状開口によって特徴づけられる。
波状あるいは台形状の構造を備えた帯状板金の隆起個
所に対してほぼ平行に延びるスリットを形成する方法は
次の工程を有する。
まず周期的な構造を備えた帯状板金が、互いにずれて
対向する二つのシャーを有する同様に周期的な構造を備
えたせん断装置に導入される。このせん断装置は波板帯
状板金の周期Ｌと同じ同期Ｌの矩形プロフィルを有して
いるので、帯状板金はせん断装置とは周期的な構造の上
昇および／又は下降範囲においてしか接触しない。これ
により波板帯状板金が挟み付けられるまで両シャーが互
いに接近させられる。次いで、帯状板金材料をせん断す
るために第１のシャーと第２のシャーが相対移動させら
れ、これによって対応した側縁範囲にそれぞれスリット
が加工される。最後に両シャーが互いに引き離され、ス
リット付きの完成帯状板金が自由にされる。
本発明の他の利点、特徴および用途は図面に示されて
いる実施例から明らかであるが、本発明はこれらの実施
例に限定されるものではない。
図１は平板板金層および波板板金層を交互に重ね合わ
されＳ字状に絡められ一部が互いに絶縁されたＳ字状の
電流経路を規定している板金層を備えた本発明に基づく
ハニカム体の断面図、 図２は変形部および開口を備えた従来における典型的
に構造化された帯状板金の斜視図、 図３は斜めに配置されたスリット状の開口を備えた典
型的な平板帯状板金の部分平面図、 図４は変形部を備えた典型的な波板帯状板金であり、
その隆起個所が図３における平板帯状板金のスリット無
し区域と接触し、波板帯状板金の変形範囲が図３におけ
る平板帯状板金のスリット付き区域から間隔を隔てられ
ている波板帯状板金の部分斜視図、 図５は平板板金と波板板金とから成る二つの隣接する
板金層であって、平板板金における孔間隔の周期性が波
板板金の波周期性とほぼ同じであるような板金層の断面
図、 図６は帯状板金の側縁範囲にだけスリットを備えた波
板帯状板金の部分斜視図、 図７は波板帯状板金にせん断加工によってスリットを
形成するためのせん断装置の概略図、 図８は図７のせん断装置のせん断作用の結果を示した
図である。
図１は、互いに交互に配置された７枚の平板板金２と
７枚の波板板金３からそれぞれ形成された二つの積層体
から成っている典型的なハニカム体１を示している。そ
れら両積層体は互いにＳ字状に絡まされている。絡めら
れた両積層体は絶縁層８によって互いに分離され、ハウ
ジング４の内部に置かれている。電流５の導入は電流導
入線６を介して行われ、電流５の導出は電流導出線７を
介して行われる。電流分配構造９はハニカム体１内にお
ける電流密度を均一に分布する働きをする。電流５はま
ず電流導入線６および第１の積層体の一端をくちばし状
に包囲する電流分配構造９を介して第１の積層体に流入
し、第１の積層体の他端を同様にくちばし状に包囲する
電流分配構造９によって受けられるようにするためにＳ
字状の経路をたどって流れる。電流はここから第２の積
層体の一端をくちばし状に包囲する電流分配構造９を介
して第２の積層体に流入し、第１のＳ字状経路に対して
逆向きに第２の積層体を通って流れ、電流は第２の積層
体の他端をくちばし状に包囲する電流分配構造９によっ
て受けられる。電流はここからブッシングを通って電流
導出線７を介して外に導出される。電流分配構造９の一
部はハウジング４の反ブッシング側においてキャップの
内部に延びている。電流導入線６および電流導出線７は
ブッシング内と同様にこのキャップの内部において絶縁
層８によって互いに分離されている。絶縁層（間隙ある
いは絶縁材料）はハニカム体１の内部でも部分区域を電
気的に互いに分離している。本発明に基づいて平板帯状
板金２あるいは波板帯状板金３あるいはこれら両方に、
板金層の電気抵抗を高める孔、特にスリットが設けられ
ている。これによってハニカム体１の電気抵抗はそのス
リットの大きさおよび数に応じて全体として多少高めら
れる。これによって電圧が一定に印加される場合のハニ
カム体１の電力消費量ないし加熱量は多少とも減少さ
れ、および／又は部分区域に制限される。
図２は構造化された帯状板金３を示している。この場
合、構造は開口13ないし変形部17を持った周期的な三角
構造である。この帯状板金３のこの種の構造は従来にお
いて例えば米国特許第5130208号明細書で知られてい
る。三角構造を備えたこの帯状板金３は図１における波
板板金３に置き換えることもできる。このように構造化
された帯状板金３は変形部17によって隣接する板金層の
波の山ないし谷に沿って随所で接触することはない。な
おより良く理解できるように、図１のハニカム体１を通
って流れる流体の主流れ方向Ｓが図１において紙面に対
して垂直に延び、図２においてＶ字状の谷に沿って延び
ていることを言及しておく。このような開口13および変
形部17はハニカム体１を通る流体の流れ挙動にも影響を
与え、これによって流体内において分解すべき排気ガス
の変換率に影響を与えるが、これはここではあまり重要
ではない。変形部17はここでは、隣接する板金層におけ
るスリットがこの個所において電気的に橋絡されないよ
うに作用する。
図３は互いに平行に延びる二列のスリット12を有する
平板帯状板金２を示している。加工された状態において
即ち板金２が積層あるいは巻回されてハニカム体１の中
に存在するとき、燃焼排気ガスはこの板金２のそばを通
って主流れ方向Ｓに流れる。燃焼排気ガスの主流れ方向
Ｓは帯状板金の長手縁に対してほぼ垂直に延びている。
これは図３に示されているスリット12に対しては、スリ
ット12が流体の主流れ方向Ｓに対して角度αを成して配
置されていることを意味している。互いに平行な二列の
スリット12は各列ごとに主流れ方向Ｓに対して逆向きに
傾斜させることができる。しかしすべての列におけるす
べてのスリットを同じ方向に傾斜させることも考えられ
る。更に隣接するスリット列の数は図３におけるように
二列に限定されない。このように互いに平行なスリット
列を配置することによって、電流はほぼ帯状板金の長手
方向にしか即ち流体の主流れ方向Ｓに対して垂直にしか
流れず、図３に示されている帯状板金構造の場合に互い
に平行に延びる三つの電流経路に分配されるようにでき
る。その一つの電流経路は帯状板金２の中央に沿って両
スリット列間を流れ、残りの他の二つの電流経路はこれ
に対して平行に帯状板金２の上縁および下縁に沿って延
びている。ハニカム体１の帯状板金２には図３において
左に遠く隔たって位置する帯状板金端と右に遠く隔たっ
て位置する帯状板金端との間に電位差が印加されるの
で、各スリット列において隣接するスリット12間の板金
領域に沿って僅かな電位差しか存在せず、これによって
非常に僅かな電流しか流れない。帯状板金２への電力の
放出従ってその加熱はまず帯状板金２の両外側縁領域お
よび中央領域で行われる。これは帯状板金２従ってハニ
カム体１を所望のように非均質に加熱することを可能に
し、全体としてハニカム体１の電気抵抗の所望の増大を
生ずる。熱伝導および熱放射が非均質の加熱を短時間の
うちに十分に補償することは当然である。
図４は隆起個所15を有する波板帯状板金３の一部を示
している。波板帯状板金３はハニカム体１の形に加工す
る際に隆起個所15で図３における平板帯状板金２にスリ
ットの無い範囲で接触する。波板帯状板金３の隆起個所
15は波形の山および谷である。更に波板帯状板金３は変
形部17を有している。隆起個所15はこの変形部17によっ
て曲げられ、成形あるいは平らに圧縮されている。これ
によって変形部17の個所で平板帯状板金２と図４におけ
る波板帯状板金３とが接触しないようにされている。こ
の実施例の波板帯状板金３は三列の隆起個所15を有し、
それらの各例の間に変形部17による二列の低い隆起個所
が存在している。本発明の有利な実施例の場合、積層体
内においてそれぞれ図３における平板帯状板金２が図４
における波板帯状板金３に隣接して置かれ、平板帯状板
金２のスリット列は波板帯状板金３の変形部17の個所に
接触している。これによって平板帯状板金２におけるス
リット12が波板帯状板金３によって導電的に橋絡される
ことが阻止される。
他の有利な実施例においては、波板帯状板金３におけ
る変形部17を開口によって置き換えることもできる。そ
の場合図４に示され個所17で変形されている板金材料は
完全に無くされ、これは特別な用途において重量および
材料を節約できるという追加的な利点を有する。
図５は、波板帯状板金３とその隆起個所15の接触範囲
18で接触する開口12付きの平板帯状板金２を示してい
る。波板帯状板金３は周期Ｌを有し、即ち隣接する隆起
個所15の間隔は周期Ｌと同じである。Ａは平板帯状板金
２における隣り合う開口の中心間の間隔であり、このＡ
はＬとほぼ同じである。ＡはＬと同じでもよいが、Ａが
Ｌより幾分大きいかＬより幾分小さいと有利である。こ
れによって、たとえ図５における波板帯状板金３が図５
における平板帯状板金２に対してずれているときも開口
12は隆起個所15によってほんの僅かしか橋絡されないこ
とが保証される。これは例えば、平板帯状板金２と波板
帯状板金３の二つを巻回する際、平板帯状板金２に極め
て小さな「短絡」しか生ぜず、これによって板金層を巻
回する際に電気抵抗が各板金層２、３の測定あるいは計
算された抵抗から生ずる所定の電気抵抗から変化しない
という利点を有する。
図６は、隆起個所15に対して即ち波構造の山および谷
に対してほぼ平行に延びているスリット13を備えた波板
帯状板金３を示している。その際スリットは好適には波
板帯状板金の上昇範囲21あるいは下降範囲22に設けられ
ている。即ちスリット状開口13は有利には波形構造の側
縁範囲21、22に設けられ、これによって隣接する帯状板
金がスリット13を導電的に橋絡することはできなくな
る。またスリットを二番目ごとあるいは３番目ごとなど
の側縁範囲に設けることも考えられる。このようにして
波板帯状板金３の電気抵抗を所望のように調整すること
ができる。
図７は波板帯状板金３に本発明に基づくスリットを加
工するための装置を概略断面図で示している。この装置
は互いに上下に位置する第１のシャー31と第２のシャー
32とから成っており、対向して位置するシャー縁33は互
いに平行に延びている。まず波板帯状板金３は第１のシ
ャー31と第２のシャー32との間を導入され、その後両シ
ャー31、32が帯状板金３が対向して位置するシャー縁で
挟み付けられるまで互いに接近させられる。そして第１
のシャー31と第２のシャー32が更に相対移動させられる
ことによって、波板帯状板金３にシャー縁33によるせん
断作用によってスリットが加工される。第１のシャー31
および第２のシャー32が矢印Ａ、Ｂの方向に相対移動さ
せられると、図６における波板帯状板金の上昇範囲21に
だけスリットが設けられる。これに対して両シャー31、
32が矢印Ａ′、Ｂ′の方向に相対移動させられると、す
べての上昇範囲21および下降範囲22にスリットが設けら
れ、即ち各側縁範囲21、22にスリットが設けられる。
図８は図６の波板帯状板金３の平面Ｉ−Ｉに沿った横
断面を概略的に示している。図７において述べた矢印
Ａ、Ｂに基づく操作は、すべての上昇範囲21および下降
範囲22にスリット13を設けるために二回行われる。
本発明は特に、内燃機関を備えた自動車においてその
電気抵抗を供給電圧、バッテリの負荷容量などのような
所定の周辺条件に正確に合わせなければならない大きな
機械的負荷に曝される電気加熱可能な触媒コンバータに
適している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブリユツク、ロルフ ドイツ連邦共和国 デー‐51429 ベル ギツシユ グラートバツハ フレーベル シユトラーセ 12 (56)参考文献 特開 平５−237396（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−228373（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−182224（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01J 21/00 - 38/74 F01N 3/20

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】触媒コンバータに対する担体として使用す
    るため流体により主流れ方向（Ｓ）に貫流される加熱可
    能なハニカム体（１）であって、巻回、積み重ね又は積
    層され交互に平板帯状板金（２）と構造化された帯状板
    金（３）とから成る板金層を有し、平板帯状板金（２）
    はスリット状開口（12）を有し、スリット状開口（12）
    は平板帯状板金（２）の導電経路を延長及び／又は狭め
    るようになっているハニカム体において、構造化された
    板金（３）は周期Ｌの周期的な波状の構造を有し、平板
    帯状板金（２）の隣り合うスリット状開口（12）は各中
    心間の間隔Ａを隔てて配置され、この各中心間の間隔Ａ
    が、構造化された帯状板金（３）の周期的な構造の周期
    Ｌより僅か大きいか、僅か小さく、構造化された帯状板
    金（３）の周期的な構造の隆起箇所（15）が隣接する平
    板帯状板金（２）の各隣り合うスリット状開口（12）と
    スリット状開口（12）との間の部分でのみ平板帯状板金
    （２）と接触していることを特徴とする電気加熱可能な
    ハニカム体。
  2. 【請求項２】構造化された板金（３）の周期的な構造が
    ほぼ正弦曲線又は台形状の周期的構造であり、構造化さ
    れた板金（３）もスリット状開口（13）を有し、この開
    口は周期的構造の上昇範囲（21）及び／又は下降範囲
    （22）にのみ設けら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】構造化された板金（３）のスリット状開口
    （13）が、構造化された板金（３）の主流れ方向にほぼ
    平行、即ち周期的構造の隆起個所（15）にほぼ平行に延
    びることを特徴とする請求項２記載のハニカム体。
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