JP4499424B2 - ガス流を処理するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にはガス流を処理するための装置に関し、特に本発明は内燃機関から出る排ガスを触媒で浄化するための装置に関する。

例えば、内燃機関または工業的プロセスから生じる排ガスは、潜在的に有害な化合物、例えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）および粒子を一般に含む。かかる化合物は環境に放出される有害な化合物の量を低減するために無害または少なくとも危険性の低い化合物に変換しなければならない。一般に排ガスに対してある種の触媒処理および／またはフィルタ（ろ過）プロセスを行う。

これに関連し、当該ほとんどの変換では温度は重要な要素である。多くの重要な変換反応を行うにはかなり高い温度が必要である。触媒、例えば白金族からの金属類または金属酸化物を使用することにより、触媒を使用しない場合よりもずっと低い温度で、かつ満足できる反応レートで有害な化合物を変換することが可能となる。しかしながら、高い反応レートは、温度が十分である場合、すなわち触媒反応レートがかなりの速度となるいわゆるライトオフ温度よりも高い場合しか得られない。このライトオフ温度は通常、２００〜４００℃の範囲内にある。ライトオフ温度に達しない場合、または変換が停止するよう、温度がライトオフ温度よりも下回る場合、有害な化合物はほとんど変換されない。これらのことは、例えばエンジンの冷間始動（同様に低温の触媒装置）およびディーゼルエンジンから生じるような「低温」の排ガスに関連して生じる周知の問題となっている。

更に浄化装置を再生するには温度はさらに重要である。例えば触媒装置から不純物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）を燃焼させるか、または除去することにより、捕獲された粒子を除去するのに更に重要である。かかるプロセスは周期的とすることができ、所定の時間の間、約６００℃まで温度が上昇することになる。浄化装置が過度の高温にさらされた場合、浄化装置は通常劣化するので、超えてはならない温度の上限がある。従って、良好な変換を達成するための正常な稼働時および再生プロセスの双方においては、温度だけではなく温度の制御も重要な要素である。

例えば米国特許第３，８８５，９７７号（特許文献１）に開示されているような触媒コンバータの従来の物理的な構造体は平行で、かつ開口したチャンネルを備えたセラミック製ハニカム構造のモノリスである。このハニカムチャンネルの壁には触媒材料がデポジットされており、ガス流がチャンネルの一端から他端に流れる際、触媒変換が生じる。このタイプの構造体は一般に、装置の温度がライトオフ温度よりも高いことを条件に良好に働く。しかしながら、冷間始動状況では変換が行われることなく、有害な化合物がチャンネルを通過して流れる。

冷間始動中に放出される有害な化合物の量を低減するために、周知の技術として吸着トラップを使用する技術、すなわち触媒がライトオフ温度に達するまで、低温の炭化水素および／または窒素酸化物を吸収し、保持する材料を触媒とは別にデポジットする技術がある。この技術は例えば国際公開第９５／１８２９２号パンフレット（特許文献２）に開示されている。上記従来の物理的構造体に実施するときのこの技術の問題は、ほとんどの化合物の脱離温度が変換に必要な温度よりも一般に低いということである。従って、かなりの量の有害な化合物が変換されることなくチャンネルを通過して流れる。

低温コンバータによるこの問題を解決する別の方法として、例えば国際公開第９２／１４９１２号パンフレット（特許文献３）に開示されているように、電気加熱を導入する方法がある。しかしながら、加熱を十分高速にすることは困難であり、部品およびエネルギーのコストが高くなる。この種の電気加熱には安全上の危険性（感電、発火）もある。

別の重要な特徴は、装置のガス流の抵抗に打ち勝つのにエネルギーが必要となるため、浄化装置において圧力低下が生じることである。例えば自動車用エンジンのための浄化装置で大きな圧力低下が生じる結果、燃費も増えることになり得る。

より最近提案された興味ある技術として、流入ガスと流出ガスとの間の熱交換を可能にする熱交換器と触媒浄化装置とを組み合わせる技術がある。この技術によれば、排ガス内の熱をより効率的に利用することが可能となり、このことはすべてではないにしても、ほとんどの作動条件で有利である。欧州特許第１０１６７７７号明細書（特許文献４）は、折りたたみ部の間にガス流の通路を形成する束状体となるように、自らの上に折りたたまれた波形金属ストリップから成る構造体を開示している。しかしながら、金属ストリップの波形形状は折りたたみ部の間のより大きい各々の通路内に多数の小さい通路を形成し、側部からより大きい通路内に流入ガス流が進入する際に、ほとんどのガスは、ガスを供給する側面の最も近くにある小さい通路内を流れる。すなわち、ガスは側面から束状体に進入し、ガス流が大きい方の通路を横断するように流れにくいことに起因し、ガス流は大きい方の通路の幅内に分配されないようになる。これによって、全体のガス流の分配は一様とならない。このような構造は基本的には関心を呼ぶものあるが、触媒上の流れの分配が不均一となることによって変換が不十分となり、熱交換の効率が低くなり、構造体全体での圧力低下が大きくなる。更に、金属構造体は排ガス流の苛酷な環境内では一般に劣化しやすい。
米国特許第３，８８５，９７７号明細書 国際公開第９５／１８２９２号パンフレット 国際公開第９２／１４９１２号パンフレット 欧州特許第１０１６７７７号明細書

本発明の目的は、従来技術と比較してガスをより効率的に変換し、圧力低下の少ない、ガス流を処理するための装置を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴部に記載された技術的特徴によって達成される。その後の請求項は本発明の有利な実施形態、別の変形例および変更例を含む。
本発明は、少なくとも１つの本体と、前記本体への流入ガス流の入口のための少なくとも１つの第１開口部と、前記本体からの流出ガス流の出口のための少なくとも１つの第２開口部とを備え、前記本体には隣接する通路内のガス流の間の熱交換を可能にするように配置された複数のガス流通路が設けられている、ガス流を処理するための装置に関する。本発明は、前記装置が前記ガス流通路に流入ガス流を分配するよう、前記第１開口部およびガス流通路に連通する少なくとも１つの分配部分と、前記ガス流通路を含み、主に熱交換を可能にし、ガスの組成の変換を生じさせるようになっている少なくとも１つのガス流通路部分とを備えたことを特徴とする。この特徴の有利な効果は、改良されたガス流分配が得られ、これによってガス処理装置内の潜在的に利用可能な表面をより効率的に利用し、かつ構造体内での圧力低下を小さくすることが可能となることである。前記表面をより効率的に利用することにより、例えばガスの更なる変換（例えば浄化）の達成や、装置をより小さくすることによる装置に必要な空間の低減、また所定のレベルの変換のための触媒材料を減少することによる装置の安価化が可能となる。

本発明の有利な実施形態では、分配部分は個々のガス流通路内の流入ガス流を分配させるようになっている。このように、ガス流は異なる流通路の間に分配されるだけでなく、個々の通路内にも分配され、これによって装置の潜在的効率が更に高まる。好ましいことに、分配部分は個々のガス流通路内に実質的に均一なガス流を生じさせるようになっている。

本発明の有利な第２の実施形態では、前記分配部分は、前記本体の一部を形成する。好ましいことに、前記分配部分は前記第２開口部と連通し、前記ガス流通路から流出ガス流を導くようになっている。このような配置によって装置をコンパクトなデザインとすることが可能となっており、更に分配部分でも熱交換を実行することが可能となっている。

本発明の有利な第３の実施形態では、前記ガス流通路は本質的に互いに平行に延びている。更に１つのガス流通路内のガス流の主な方向は、隣接するガス流通路のガス流の主な方向と本質的に逆となっている。それにより、最も高い効率が得られるような向流式熱交換プロセスを達成できる。

本発明の有利な第４実施形態では、前記本体はジグザグ構造体に折りたたまれたストリップを備え、前記ジグザグ構造体内で互いに対向する２つの折りたたみ部の間に距離が得られるよう、前記ジグザグ構造体の折りたたみ部の間にスペーサ手段が配置されており、前記ジグザグ構造体の折りたたみ部の間に前記ガス流通路が形成されており、前記分配部分における流入ガス流の分配を前記スペーサ手段が容易にするようになっている。このような配置によってガスはガス流通路を横断するように自由に流れることができるので、ガスは通路の幅にわたって分配される。スペーサ手段を使用することによって折りたたまれたストリップ内にガス流通路を形成する有利な効果は、フレキシブルなシステムが得られ、分配部分を配置する上で多くの可能性が得られるということである。別の有利な効果はストリップの表面の設計の自由度が増し、例えば流れ抵抗を小さくするように、表面を実質的に非パターン化できるということである。

本発明の有利な第５実施形態では、前記本体はジグザグ構造体に折りたたまれたストリップを備え、前記ストリップの表面は少なくとも部分的に三次元パターン、好ましくは波形となっており、前記三次元パターンは前記ジグザグ構造体内で互いに対向する２つの折りたたみ部の間に接触点およびギャップを生じさせるようになっており、それによって前記ガス流通路は前記ジグザグ構造体の折りたたみ部の間のギャップ内に形成されており、流入ガス流の分配が容易となるように、互いに対向する２つの折りたたみ部のうちの少なくとも１つの表面は前記分配部分内の前記三次元パターンと異なっている。またこの配置によってガスはガス流通路を横断するように自由に流れることができるので、通路の幅にわたって分配される。異なる種類の表面パターンを使用することにより、折りたたまれたストリップ内にガス流通路および分配部分を形成する有利な効果は、構造体の部品が少なくなるということである。

本発明の有利な第６実施形態では、ある部分から他の部分にガスが流れることができるよう、一体に配置された別個のユニットを前記分配部分および前記ガス流通路部分が形成し、好ましくは前記分配部分と前記ガス流通路部分とが互いに接合されている。それによって、前記部分を別々に製造でき、これによって製造プロセスを最適化し、費用効果の高いものとすることができる。

本発明の有利な第７実施形態では、前記分配部分は壁構造体を備え、該壁構造体は、流入ガス流を供給する少なくとも１つの第１チャンネルと、前記第１チャンネルから延び、流入ガス流のためのガス流通路に対して開口する複数の第２チャンネルとを形成する。これによって構造を簡単にし、流入ガスの分配を良好にすることが可能となる。好ましいことに前記第１チャンネルはガス流通路に対して閉じている。それによって、流入ガスは強制的に第２チャンネルを通過するように流され、これによってより均一に分配される。別の改善例では、前記壁構造体は流出ガス流用の前記ガス流通路に対して開口した複数の第３チャンネルを形成しており、好ましくは前記第３チャンネルは共通壁を使って前記第２チャンネルの間に形成されている。このことは、前記分配部分内でも熱交換が生じる場合および増設壁が不要の場合に、ガスを外に導く有利な方法である。

本発明の有利な第８実施形態では、前記分配部分はチャンネルの第１の組および第２の組を形成するジグザグ形状の壁構造体を備え、前記チャンネルの１つの組が前記ジグザグ形状の構造体の各側面に設けられており、前記チャンネルの第１の組が流入ガス流用のガス流通路に対して開口し、前記チャンネルの第２の組が流出ガス流用のガス流通路に対して開口しており、前記チャンネルの第１の組に対して流入ガス流が供給される。またこのような設計により構造が簡単になり、流入ガス流の分配が良好となる。

本発明の有利な第９実施形態では、分配部分は少なくとも１つの所定の方向に実質的に変化しない横断面を有する。よって、押し出し手段によりこの部分を製造することが可能となり、この方法は費用効果の高い製造方法である。

好ましくは、前記分配部分および前記ガス流通路部分はセラミック材料から製造されており、前記部分が焼結手段により互いに接合されている。これによって、好ましい構造が得られる。その理由は、金属と比較してセラミック材料はコストの低い材料であり、製造コストが低く、熱膨張率も小さく、洗浄−被覆接着性も良好であり、壁の容積当たりの熱質量も小さいからである。またセラミック材料から製造された構造体は、排ガス流の苛酷な環境内でも劣化しにくい。

本発明の有利な第１０実施形態では、前記本体は実質的に円筒形の形状となっており、好ましくは前記本体は円筒形の一般的形状を有し、前記本体は前記本体（３）の長手方向に延びる内側キャビティを備え、前記少なくとも１つの第１開口部または第２開口部は前記キャビティに向いており、それによってガス流の少なくとも一部が前記キャビティを介して導かれる。この構造の有利な効果は装置に必要な空間を小さくできるということである。特に自動車の排ガス浄化用途における別の利点は、装置を細く長い物理的形状に製造でき、長手方向軸線が排気パイプと直線状となるように配置できるということである。内側キャビティのまわり、および／または本体の長手方向軸線に沿ってガス流通路を分配させることにより、このような設計によって圧力低下が小さくなり、パッキングの特性も有利なものにできる。

以下、図面を参照し、本発明についてより詳細に説明する。
図１は本発明の有利な第１実施形態にかかわるガス処理装置を製造し、組み立てるための方法の一例を概略図で示している。ストリップ１はジグザグ構造体２に折りたたまれている。ジグザグ構造体２内で互いに対向する２つの折りたたみ部１０の間で距離が得られるよう、ジグザグ構造体２の折りたたみ部１０の間に波形プレート９の形態をしたスペーサ手段が配置されている。この距離によって折りたたみ部１０の間にガス流を供給できるようになっている。波形プレート９はスペーサ手段から自由ないくらかの中心空間を残すように配置されている。この自由空間は図２を参照して後述する分配部分２６の一部を形成する。このジグザグ構造体２は、例えば装置の用途に応じて異なる幾何学的形状の本体に形成できる。図１では、ジグザグ構造体２は束状の本体３を形成している。この本体３は本体３を囲むケーシング６内に挿入されており、ケーシング６には本体３に流入ガス流が進入するための第１開口部４および本体３から流出ガス流が出るための第２開口部５が設けられている。シール７はガスが本体３の下方または上方を流れることを防止している。本体３がガスの組成を変換できるようにするために、ガス流に接触する本体３の表面の少なくとも一部を触媒材料で被覆することが好ましい。

図２は、図１にかかわる本発明の有利な第１実施形態をより詳細に示す。明瞭にするために、ジグザグ構造体の一部は折りたたまれていない。波形プレート９の配置に起因し、本体３内の折りたたみ部１０の間には複数のガス流通路１１ａ、１１ｂが形成されている。前記ガス流通路１１ａ、１１ｂの第２通路も、ガス流入口通路１１ａと称される第１開口部４に開口している。他の通路、例えばガス流出口通路１１ｂは第２開口部５に開口している。流入ガスは第１開口部４を介して分配部分２６に供給され、分配部分２６では流入ガスは異なる方向（流入ガス流の方向から判るように、左方向および右方向）を有する２つのメイン流に分割され、ガス流通路部分２７の各々において、入口通路１１ａに進入する。ケーシング６の両端では、ガス流は逆流チャンバ１３に進入し、このチャンバ１３でガスは入口通路１１ａを離れ、出口通路１１ｂに進入し、この出口通路を通ってガスは第２開口部５に流れ、ケーシング６を出る。こうして隣接するガス流通路の間で向流式熱交換が可能となる。

第１開口部４内には分配部分２６が設けられ、この部分の中に、ガス流入口通路１１ａの幅にわたって流入ガス流を分配するのを容易にするように波形プレート９が配置されている。上記のように、本ケースでは分配部分２６は、流入ガスが入口通路１１ａを容易に横断するように流れることができるよう、プレート９の存在下で空隙によって形成されている。それによってガス流は個々の入口通路１１ａの幅にわたって均一に分配され得る。ガスが分配部分２６を通過する際に、ガスは波形プレート９を備えたガス流通路部分２７に進入する。従って、本装置は１つの分配部分２６と、２つのガス流通路部分２７とを備える。更に本装置は逆流チャンバ１３の形状をした２つの逆流ゾーンを備える。図２における分配部分２６の構造は、第１開口部４および第２開口部５の双方の内部で類似しているので、分配部分２６はまた出口通路からの流出ガス流の移動も容易にしている。このような特徴によって、構造体での圧力の低下が少なくなっている。

スペーサ手段は波形プレート９だけに限定されるものではなく、例えばメッシュワイヤーネットを含むこともできる。更にこのスペーサ手段は粒子を除去するためのフィルタ特性を有してもよい。折りたたみ部１０の間の範囲内にフィルタ材料を設けてもよい。

スペーサ手段の代替手段として、ストリップ１の表面はジグザグ構造体２内で互いに対向する２つの折りたたみ部１０の間で接触点またはギャップを生じるようになっている三次元パターン、好ましくは波形を呈してもよい。波形の数は、例えば隣接する折りたたみ部１０の間で異なっていてもよい。また、隣接する折りたたみ部１０の間で波形の位相をシフトしてもよい。こうして、折りたたみ部１０の間のギャップ内にガス流通路１１ａ、１１ｂが形成される。図１および図２における波形プレート９によってカバーされた領域に対応する折りたたみ部１０の領域にわたって前記三次元パターンが延びることが望ましい。従って、図２に示されているのと同じように、第１開口部４内に分配部分２６を設けることができる。この分配部分２６では、折りたたみ部１０の表面は前記三次元パターンと異なるように配置でき、この表面は例えば実質的に非パターン状にし、それによって分配部分２６では全く接触点が形成されないか、わずか数点の接触点しか形成されないようにしてもよい。このような配置の効果は、上記の配置に類似する。すなわち流入ガスは容易に分配部分２６内の入口通路１１ａを横断するように流れ、それによってガス流は入口通路１１ａの幅にわたって均一に分配できる。

図３〜図１０には本発明の有利な第２実施形態が示されている。この実施形態では、分配部分とガス流通路部分とが互いに接合された別個のユニットを形成している。図３は、１つの分配部分２６と、２つのガス流通路部分２７と、逆流チャンバ１３の形状をした２つの逆流ゾーンとを備えた本体３の構造を分解斜視図で示している。各通路部分２７には複数のガス流通路１１と、ガス流通路１１を構成する薄い壁と比較した場合に比較的厚い支持壁３３とが設けられている。この支持壁３３はガス流通路部分を多数の部分に分割している。本体３は円筒形の形状となっており、本体の長手方向に延びる内側キャビティ２０を備える。この内側キャビティ２０を介して本体３内に流入ガス流が流れ込み、流出ガス流は本体３の周辺を通って本体３から離れる。これらの流れのプロセスについては更に後述する。

図４は第２実施形態の変形例の断面概略図を示す。この変形例では、本体３が互いに接合された２つのサブ本体を構成し、各サブ本体は図３の構造体を有する。本体３には本体３との間でガスを導くための周辺機器も設けられている。図５、図６、図７および図８はそれぞれ図４に示された断面Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−ＣおよびＤ−Ｄを示す。分配部分２６の構造は、図４ではなく、図５に示されている。

流入ガス流は、内側キャビティ２０への第１開口部４を通って本体３内に供給される。第１開口部４の端部と反対の前記キャビティ２０の他端部２３は閉じられており、流入ガス流が各分配部分２６の第１開口部４’を強制的に通過させられるという効果を有する。図５から判るように、分配部分２６は（一例として）４つの第１チャンネル２９を形成する壁構造体を構成し、第１チャンネル２９は第１開口部４’を介して内側キャビティ２０と連通し、これら第１チャンネル２９には流入ガス流が供給される。壁構造体は更に複数の第２チャンネル３０（図では一例として各方向に５つのチャンネルが設けられている）を形成する。これら第２チャンネルは前記第１チャンネル２９の各々から延びている。図６から判るように、ガス流通路部分２７には複数のガス流通路１１ａ、１１ｂが設けられている。これら通路のうちのどの第２通路も流入ガス流のための入口通路１１ａを形成し、どの第２通路も流出ガス流のための出口通路１１ｂを形成する。前記第２チャンネル３０（図５）はガス流の入口通路１１ａに対して開口しているが、一方、前記第１チャンネル２９は支持壁３３の端部によってすべてのガス流通路１１ａ、１１ｂに対して閉じている。より薄い支持壁３３を使用し、本体の構成材料の量を少なくするためにブロック手段、例えば薄いプレートまたは通路の適当な部品を塞ぐことにより、第１チャンネル２９からガス流通路１１ａ、１１ｂへの直接通路を閉じることができる。第１開口部４’を通して第１チャンネル２９内に流入ガス流を供給する際に、ガスは第２チャンネル３０へ強制的に分配される。ガス流は第２チャンネル３０から入口通路１１ａへ供給される。更に、ガス流は入口通路１１ａを通って逆流チャンバ１３へ進入するので、ガス流は向きを変え、出口通路１１ｂを通って分配部分２６へ戻るように流れることができる。分配部分２６において、第１チャンネル２９および第２チャンネル３０を形成する壁構造体も共通壁を使って前記第２チャンネル３０の間に複数の（図では一例として各方向に５つのチャンネルが設けられている）第３チャンネル３２を形成している。前記第３チャンネル３２はガス流の出口通路１１ｂに対して開口している。前記第３チャンネル３２のうちの２つの組は共通する第４チャンネル３４に合流している。図５では、分配部分２６には一例として４つの第４チャンネル３４が設けられている。流出ガス流は出口通路１１ｂから前記第３チャンネル３２に進入し、前記第４チャンネル３４および本体３の周辺における出口チャンネル３５への第２開口部５’を介して分配部分２６を出る。第１開口部４の端部と反対の本体３の端部において、出口チャンネル３５は本体３からの流出ガス流の出口のための共通する第２開口部５に連結されている。

図７は逆流チャンバ１３を備えた部分の断面図を示す。変形例として、この逆流チャンバ１３は多数のセクタに分割できる。図７はまた内側キャビティ２０および出口チャンネル３５も示している。図８は、２つのサブ本体の間に位置する区切りプレート２４の断面図を示している。これらプレート２４は構造体を安定化するのに使用できる。図４に示されている構造とは別の構造として、区切りプレート２４は２つの隣接するサブ本体の逆流チャンバ１３の端部部分を形成できる。

ガスを本体３に導くために、内側キャビティ２０の他端部２３まで第１開口部４を通してパイプ（例えば排出パイプ）を挿入することが好ましい。分配部分２６の位置に対応する位置にて、パイプのまわりに開口部を設けることによってガスは第１開口部４’を介して分配部分に流入できる。本体３からガスを離れさせるように、第２開口部５を通して開口部が設けられたパイプを挿入することもできる。かかる挿入パイプを使って構造を安定化できる。

図９および図１０は本発明の第２実施形態の別の変形例を示す。この変形例の原理は類似するが、分配部分およびガス流通路部分は内側の形状が異なっている。図９は別の分配部分２６’の図４における断面図Ａ−Ａを示し、図１０は別のガス流通路部分２７’の図４における断面図Ｂ−Ｂを示す。図９を参照すると、分配部分２６’はチャンネルの第１の組４０およびチャンネルの第２の組４１を形成するジグザグ形状の壁構造体を備え、前記ジグザグ形状の構造体の各側面に１つの組が設けられている。チャンネルの第１の組４０は第１開口部４’を介して内側キャビティ２０と、流入ガス流のためのガス流通路、すなわち入口通路１１ａに対して開口している。チャンネルの第２の組４１は流出ガス流用のガス流通路、すなわち出口通路１１ｂおよび出口チャンネル３５に対して開口している。ガス流通路１１ａ、１１ｂの外観は図１０に示されており、ここではどの第２通路も入口通路１１ａを形成し、どの第２通路もこれまで説明したのと同様な出口通路１１ｂを形成している。本発明のこの変形例では、ガスは上記と同じように流れる。すなわちガスは第１開口部４を介して内側キャビティ２０に進入し、第１開口部４’を介してチャンネルの第１の組４０に進入し、入口チャンネル１１ａを通って逆流チャンバ１３へ流れ、このチャンバ１３内で向きを変え、出口チャンネル１１ｂを通ってチャンネルの第２の組４１へ流れ、第２開口部５’を通って出口チャンネル３５に進む。

図４に例示したように、２つ以上のサブ本体を使用する利点は、流入ガス流をいくつかのより小さいガス流に分割し、これによって装置の効率を高め、構造内での圧力の低下を低減できるということである。当然ながら、３つ以上のサブ本体を共に配置することもできる。また、他の配置も可能である。一例は、分配部分２６に隣接して１つだけのガス流通路部分２７を配置し、それによって分配部分２６の反対側をブロックすることが挙げられる。このような配置を使って構造体の機械的安定性をより高くすることができる。別の例として、ガスが出口チャンネル３５を通って本体３に進入し、第１開口部４を通って本体３を出るようにガス流の方向を逆にすることが挙げられる。

図３〜図１０から判るように、分配部分２６、２６’およびガス流通路部分２７、２７’は本体の長手方向に実質的に変化しない横断面を有する。このことは、これら部分は、金属およびセラミック材料の双方に適した費用効果の高い製造方法である押し出し手段によって製造できるということを意味する。構造のすべての部分をセラミック材料から製造し、焼結手段により互いに接合することが好ましい。これによって、耐久性のある構造体が得られる。入口通路と出口通路との間の熱交換効果を得るために、通路を分離する壁を適度に薄くしなければならない。例えばセラミック材料では壁の厚みを約０.１ｍｍにすると、ガスから壁への熱伝達と比較して壁を通る高速の熱伝達が得られる。適当なセラミック材料の一例としてコージュライトが挙げられる。

図９および図１０に示された第２実施形態の別の変形例に関し、チャンネルの第１の組４０が入口通路１１ａの一部を形成し、チャンネルの第２の組４１が出口チャンネル１１ｂの一部を形成するように、分配部分２６’およびガス流通路部分２７’を一体に製造／押し出しすることができる。かかるケースでは、上記のように周辺孔が設けられたパイプを挿入することにより、内側キャビティ２０および分配部分２６’への開口部を配置できる。チャンネル／通路構造体の外側に分配部分２６’からの開口部が設けられた別のパイプを配置してもよい。

本発明の第２実施形態の更に改良した例（図３および図４）はガス内の粒子を除去するように装置を適応させたものである。図１１はガス流通路部分２７と逆流チャンバ１３を形成する部分との間に配置されたガス流フィルタ部分３６の原理を略図で示す。逆流チャンバ１３のデザインは上記説明に類似するが、本例では、このデザインは後述するような別の機能を有する。通路部分２７およびフィルタ部分３６の双方には上記のようなガス流の入口通路および出口通路１１ａ、１１ｂが設けられている。プラグ３７は逆流チャンバ１３への出口通路１１ｂを閉じている。フィルタ部分３６内の通路１１ａと１１ｂとの間の壁３９は多孔性構造体となっており、この多孔性構造体をガスは通過できるが、（所定のサイズより大きい）粒子は通過できず、粒子の少なくとも一部は逆流チャンバ１３に堆積する。従って、これら壁３９はフィルタとして機能する。プラグ３７に起因し、逆流チャンバ１３には圧力が生じる。従って、入口通路１１ａ内のガス流は強制的にフィルタ部分３６内の壁３９を通過させられ、出口通路１１ｂに進入し、図１１内の矢印が示すように通路部分２７に戻される。基本的には通路部分２７内ではフィルタプロセスを実行できるが、この部分内の多孔性壁は熱交換特性を劣化させる。いくらかの時間の後、フィルタ壁３９および逆流チャンバ１３はススを燃焼させることにより再生しなければならない。本発明の熱交換特性に起因し、流出ガスがガス流通路部分２７内の流入ガスを予熱するという点で、このプロセスに関連する熱を効率的に利用することができる。このプロセスの補助として逆流チャンバ１３内に加熱コイルを設置できる。従来のセラミック粒子フィルタではスス燃焼プロセス中に生じる灰が有効なフィルタ容積を占めるフィルタチャンネル内に累積した。図１１によれば、その代わりに逆流チャンバ１３内に灰３８を少なくとも部分的に累積することができる。一部の用途では、ガス処理装置の使用期間中に灰３８を累積するのに、逆流チャンバ１３の容積で十分である。他のケースでは、通常の作動時に閉じている開口部のような空にする手段を逆流チャンバ１３に設けることが可能である。

図３および図４に示されるガス流通路部分２７と逆流チャンバ１３を形成する部分との間に、図１１に示されたフィルタ部分３６は容易に嵌め込みできるようになっている。更にフィルタ部分３６の基本形状は通路部分２７の形状と同一である。従って、フィルタ部分３６は所定の方向に実質的に変化しない横断面を有するため、押し出し手段によって製造され、セラミック材料から製造され、焼結により他のセラミック部分に接合される。押し出しプロセス中、またはその後、従来手段によりプラグ３７を配置できる。当然ながら、フィルタ部分３６を図１０に示される別のガス流通路部分２７’と共に使用するようにできる。

灰累積逆流チャンバ１３を使用することも有利であるが、例えば入口通路１１ａを塞ぐか、または逆流チャンバ１３を区切りプレート２４に置換することにより、逆流チャンバ１３を用いることなくフィルタ部分３６を使用することも可能である。

本発明に従い、ガス流の処理の際に向流式熱交換を使用する利点として、熱を極めて効率的に利用できるということが挙げられる。流入ガスに含まれる熱量の他に、好ましくはガス流に接触している本体内の表面の少なくとも一部にコーティングされた触媒材料を使用することにより、本体内における発熱反応からガスに熱を供給してもよい。好ましくは逆流ゾーンに配置された熱発生器のような外部熱源により熱を供給してもよい。逆流チャンバ１３から第２開口部５、５’へ移動中の流出ガス流は、第１開口部４、４’から逆流チャンバ１３へ流入ガス流の多量の熱を伝達でき、流出ガス流と共に本体を離れる、供給される熱の量はわずかであるので、この少量の熱しか廃棄されない。温度が上記触媒のライトオフ温度より下回ることができるように流入ガス流が比較的低温の場合、熱の経済性が良好であることが特に重要である。この一例として、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化するために本装置を使用する場合を挙げることができる。

本発明に係わる熱交換プロセスは、温度過渡状況、例えば冷間始動状況時の排ガス浄化の際にも極めて有効である。本発明のかかる応用例では、本体３にはガス流に接触する本体３の表面の少なくとも一部に塗布される触媒材料および吸着剤／脱着剤の双方を設けることが好ましい。前記吸着剤／脱着剤は第１温度以下で炭化水素および／または窒素酸化物を吸着し、次にこの第１温度よりも高い第２温度以上でこれらを解離することが好ましい。排ガスが低温の本体３に進入する時に、ガスから本体３に含まれる材料へ熱が伝達される。熱交換表面の第１部分、すなわち第１開口部４、４’に最も近い分配部分２６内またはその近くの材料は急速に加熱されるが、逆流チャンバ１３に近い部分は低速で加熱される。本体は隣接する通路間の熱交換を可能にするようになっているので、第２開口部５、５’に最も近い熱交換表面も短時間で加熱される。従って、始動後短時間で装置を通過するガス流は本体３の入口にて第１高温ゾーン、徐々に温度が低下するゾーン（入口通路１１ａ）、徐々に温度が上昇するゾーン（出口通路１１ｂ）および本体３からの出口前の第２高温ゾーンを通過する。第１高温ゾーン内の表面に塗布された吸着／脱着剤に吸着された化合物は比較的急速に脱着されるが、逆流チャンバ１３に近いより低温の表面に塗布された吸着／脱着剤に再び吸着される。時間に対する温度は逆流チャンバ１３の近くでも高くなるので、化合物は再び脱着される。しかしながら、このときは化合物は温度のより高いゾーンに向かって移動される。本体を適正に設計し、触媒材料および吸着／脱着剤を適正に選択することにより、少なくとも最も高温のゾーンにおける温度は、化合物が効率的に変換されるよう、触媒のライトオフ温度よりも高くなる。

熱の経済性を改善し、必要とされる吸着／脱着剤および触媒の量を低減するために、これら触媒および吸着／脱着剤を塗布すべき本体表面を注意深く選択することができる。例えばＨＣおよびＣＯを酸化し、ＮＯ_ｘを還元するための触媒を主に（分配部分２６内またはその近くの）本体のより高温のゾーンに主に塗布し、吸着／脱着剤を（逆流チャンバ１３内、またはその近くの）より低温ゾーン内に主に塗布することができる。

本体におけるガス流の温度を制御するために、本装置は次の構成部品のうちの１つまたは数個を含むことが好ましい。すなわち本体内（好ましくは逆流チャンバ内）に配置された熱発生器、本体内に配置された冷却フランジ、冷却用空気を本体内に導入するための装置、および／または流入ガス流の組成を制御するためのシステムのうちの１つまたは数個を含むことが好ましい。前記システムは、空気のような酸化種を流入ガス流内に導入するための配置、及び／又は炭化水素のような酸化種を流入ガス流内に導入するための配置を備えていることが好ましい。本装置の熱交換特性に起因し、誘導された化学反応において発生した熱に対して有効な注意を払うことができる。

本装置をエンジンに関連して配置すれば、流入ガス流の組成を制御するための前記システムはエンジンの作動を制御するための配置を含むことが好ましく、次にこのエンジンの作動は流入ガス流の組成に影響することができる。例えばシリンダの１つまたは数個において追加した量の燃料を混合することにより、ガス処理装置内で浄化すべき排ガス内に燃料、例えば炭化水素を導入することができる。

従って、分配部分は主に流入ガス流をガス流通路に分配するようになっており、通路部分は主に熱交換を可能にし、ガスの組成の変換を生じさせるようになっており、フィルタ部分は主にガスから粒子を除去するようになっている。当然ながら、このことは、例えば分配部分において熱交換またはガス変換が生じるのを防止するわけではないし、また、フィルタ部分において熱交換が生じるのを防止するわけではない。

本発明は上記実施形態のみに限定されているものではなく、特許請求の範囲内において多数の変形が可能である。例えば逆流ゾーンは種々の態様に設計できる。一例は逆流チャンバ１３をガス流の入口通路と出口通路の間の伝達通路、例えば孔に置換することである。

更に本発明の第１実施形態は、図１および２に示された変形例だけに限定されるものではない。例えばジグザグ構造体２は他の幾何学的形状の構造体の形状とすることができる。一例としてジグザグ構造体２が長手方向の内側キャビティを有する円筒形となるように内側キャビティのまわりに均一に折りたたみ部１０を分配させることが挙げられる。従って、キャビティを介して本体内にガスを供給できる。この変形例はキャビティのまわりに折りたたみ部が別々に分配する例であり、この場合、キャビティのまわりに多数のサブ本体が分配される。異なる用途に適すように、分配部分２６の形状、すなわち波形プレート９の形状を変えてもよい。流入ガス流の方向から見た場合、分配部分２６を例えば狭めたり、または広げてもよい。

本発明の第２実施形態に関し、図６および図１０に示されたガス流通路部分２７、２７’の代替手段として、かなりの数の狭い流通路を備え（かつ内部キャビティ２０が設けられた）従来のモノリスを使用することが可能である。かかるケースでは図６または１０におけるガス流通路の各々は、並置された多数の更に狭い通路に置換できる。適当な設計をすれば、このような配置は構造をより安定にし、（追加壁に必要な材料の本体の追加内容に起因し）熱交換に対する効果はわずかとなる。しかしながら、このような配置では圧力低下が大きくなり、材料の量を多くしなければならない。

圧力低下を減少させ、ガス流をより良好に分配させ、または熱交換をより効率的にするよう本体を通過するガス流を改善するために、特許請求の範囲内での変形を行うことも可能である。かかる変形は本発明の用途に応じて変わり得る。図３〜図１１に示された第２実施形態の場合、例えばサブ本体の数を変えたり、または分配部分２６を１つのガス流通路部分２７だけに接続してもよい。更に、表面積の広さおよび／またはガス流通路１１の数を変え、または通路１１の流れ抵抗が内側キャビティ２０からの距離に応じて変わるように、ガス流通路１１を形成する壁のデザインを変えてもよい。更に、ガス流の分配に影響する内側キャビティ２０の直径を変えてもよい。例えば直径を大きくすれば、ガスの速度は遅くなり、次にこのことによって内側キャビティ２０から分配部分２６へガス流が偏向することによって生じる圧力低下が少なくなる。

当然ながら、通路部分２７が熱交換特性およびフィルタ特性の双方を生じるように、ガス流通路部分２７にガス透過性壁３９を設けることも可能である。かかるケースでは、フィルタ特性を得るために増設フィルタ部分３６を使用する必要はない。

本発明の有利な第１実施形態に係わるガス処理装置を製造し、組み立てるための方法の例を示す概略図である。 図１の本発明の有利な第１実施形態をより詳細に示す図である。 本発明の有利な第２実施形態を示す分解斜視図である。 図３の本発明の有利な第２実施形態の変形例を示す断面略図である。 図４におけるＡ−Ａ断面図である。 図４におけるＢ−Ｂ断面図である。 図４におけるＣ−Ｃ断面図である。 図４におけるＤ−Ｄ断面図である。 本発明の有利な第２実施形態の別の変形例の図４におけるＡ−Ａ断面図である。 図９に示された変形例に対応する、図４におけるＢ−Ｂ断面図である。 図３および図４における本発明の第２実施形態の更なる変形例を示す図である。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの円筒形状の本体を備え、
   該本体は、該本体への流入ガス流の入口のための少なくとも１つの第１開口部と、流出ガス流の出口のための少なくとも１つの第２開口部とを備え、
   前記本体は、
   該本体のガス流分配路の横断面を有する分配部分と、
   該本体のガス流通路の横断面を有するガス流通路部分と、を有し、
   前記ガス流分配路の横断面は、前記ガス流通路の横断面とは形状が異なり、
   前記ガス流通路部分は、複数の入口ガス流通路と、複数の出口ガス流通路とを備え、
   前記入口ガス流通路及び前記出口ガス流通路は、隣接するガス流通路のガス流の間の熱交換を可能にしてガス組成に変換を生じさせるように互いに平行に延伸しており、
   前記本体は、さらに、前記入口ガス流通路内の前記ガス流の主方向が前記出口ガス流通路内の前記ガス流の前記主方向と反対になるように、前記入口ガス流通路及び出口ガス流通路とを連通させる逆流ゾーンを有し、
   前記分配部分は、流入ガスを前記入口ガス流通路に流入するように導く第１開口と連通するとともに、流出ガスを前記出口ガス流通路から流れ出すように導く第２開口と連通し、
   前記分配部分は、前記入口ガス流通路に対し開口しているチャンネルのセットと、前記出口ガス流通路に対し開口している他のチャンネルのセットとを備えている、ガス流の処理装置であって、
   前記分配部分は、流入するガス流が供給される少なくとも１つの第１チャンネルを形成する壁構造体と、前記第１チャンネルから延伸する複数の第２チャンネルとを有し、
   該第２チャンネルは、前記入口ガス流通路に対し開口しているチャンネルのセットを構成し、
   前記分配部分は、前記本体の長手方向に伸びる内側キャビティを有し、
   前記内側キャビティは、前記第１開口と連通するともに、前記入口ガス流通路に対し開口している前記チャンネルのセットと連通し、前記長手方向に沿って、前記流入するガス流を入口ガス流通路に導くようになっており、
   前記内側キャビティは、前記第１開口の反対側の端部が閉じられており、
   前記分配部分、及び前記ガス流通路部分は、それぞれユニットを構成し、該各ユニットは、ガスが流れることができるように一緒に配置されていることを特徴とする、ガス流処理装置。
2. 前記第１チャンネルと前記ガス流通路は、壁部により遮断されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記入口ガス流通路と前記内側キャビティは、壁部により遮断されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記入口ガス流通路に対し開口しているチャンネルのセットと、前記出口ガス流通路に対し開口しているチャンネルのセットが、共通壁を用いて形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに１に記載の装置。
5. 前記壁構造体が、前記出口ガス流通路に対し開口している前記チャンネルのセットを形成する複数の第３チャンネルを形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の装置。
6. 前記分配部分は、少なくとも１つの所定の方向に形状が変化しない横断面を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１に記載の装置。
7. 前記分配部分が押し出し手段によって製造されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記分配部分および前記ガス流通路部分がセラミック材料から製造されており、前記分配部分と前記ガス流通部分が焼結手段により互いに接合されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１に記載の装置。
9. 前記装置が少なくとも１つのフィルタ部分を備え、該フィルタ部分はガスから粒子を除去するようになっていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１に記載の装置。
10. 前記ガス流に接触する前記本体の表面の少なくとも一部が触媒材料によって被覆されていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１に記載の装置。
11. 前記ガス流に接触する前記本体の表面の少なくとも一部が吸着／脱着剤によって被覆されていることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１に記載の装置。
12. 前記分配部分が個々の前記ガス流通路内に流入ガス流を分配させるようになっていることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１に記載の装置。
13. 前記装置が前記本体内のガス流の温度を制御するための手段を備え、
    該温度制御手段が、
    前記本体内に配置された熱発生器と、
    前記本体内に配置された冷却フランジと、
    冷却空気を前記本体内に導入するための配置手段と、
    前記流入ガス流の組成を制御するためのシステムのうちの１つまたはいくつかを備えることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１に記載の装置。
14. 前記流入ガス流の組成を制御するための前記システムが、
    酸化種として空気を前記流入ガス流内に導入するための配置手段および
    還元種として炭化水素を前記流入ガス流内に導入するための配置手段の一方または双方を備えることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
15. 前記装置が燃焼機関に関連するように配置されており、流入ガス流の組成を制御するための前記システムが、前記燃焼機関の作動を制御するための配置手段を備え、前記燃焼機関の作動が前記流入ガス流の組成に影響することを特徴とする、請求項１３記載の装置。
16. 前記装置が、自動車用途において、内燃機関からの排ガスを浄化するようになっていることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１に記載の装置。

Images