JP5408341B2 - 電気加熱式触媒装置 - Google Patents

Description

本発明は、通電により発熱する触媒担体を備えた触媒装置に関する。

金属又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の導電性を有する担体に触媒を担持させ、担体に通電したときに発生する熱で触媒を昇温可能な触媒装置が知られている。このような触媒装置では、担体が収容されるケースと担体とが短絡しないようにケースと担体とを絶縁している。例えば、セラミックファイバー等を主要成分とするセラミックス材料製のマットで金属製の担体の外周を覆い、このマットを介して筒状のケーシング内に収容して保持させた触媒装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２、３が存在する。

特開平０４−１７１２１４号公報 特開２００９−１８９９２１号公報 特開２００８−２６７１５７号公報

特許文献１の触媒装置では、セラミック材料製のマットにてケースと担体との絶縁を行っているが、このマットはセラミックファイバーで構成されているためその内部に水分が入り込む。すなわち、マットは吸水性を有している。マットが水分を吸収するとマットの絶縁抵抗が低下して担体とケースとが電気的に接続されるおそれがある。

そこで、本発明は、触媒担体とケースとの間に介在する保持部材が水分を吸収しても触媒担体とケースとの間の絶縁を確保することが可能な電気加熱式触媒装置を提供することを目的とする。

本発明の電気加熱式触媒装置は、通電により発熱する触媒担体と、前記触媒担体の外周を覆うように設けられた絶縁材料製の保持部材と、前記触媒担体を内部に収容し、前記保持部材を介して前記触媒担体を保持するケースと、を備え、前記ケース内を流れるガスを前記触媒担体に担持させた触媒で処理する電気加熱式触媒装置において、前記保持部材は、吸水性を有しており、前記ケースと前記保持部材との間には、ガラス成分を含む絶縁材料で形成され、かつ水分を吸収しないように設けられた絶縁層が設けられている。

本発明の触媒装置によれば、保持部材が水分を吸収して保持部材の絶縁抵抗が低下しても絶縁層によって触媒担体とケースとが電気的に接続されることを防止できる。そのため、触媒担体とケースとの間の絶縁を確保することができる。

本発明の触媒装置の一形態において、前記触媒担体と前記保持部材との間には、吸水性を有する材料で形成された吸水層が設けられていてもよい。この場合、保持部材の水分が吸水層に吸収されるので、保持部材の水分量を低減できる。そのため、保持部材の絶縁抵抗が低下することを抑制できる。

この形態において、前記吸水層は、前記保持部材よりも吸水性が高くてもよい。この場合、保持部材から吸水層への水分の移動を促進させることができるので、保持部材の絶縁抵抗が低下することをさらに抑制できる。

本発明の触媒装置の一形態において、前記ケースには、ガスが通過する貫通孔を有し、かつ前記ケース内をガスの流れ方向上流側から見たときに前記保持部材が隠れるように前記触媒担体よりもガスの流れ方向上流側に配置された遮水部材が設けられていてもよい。この場合、ガスの流れ方向上流側からケースの内面に沿って水が流れてきても遮水部材によってその水を止めることができる。そのため、その水が絶縁層及び保持部材に到達することを抑制できる。これにより水が保持部材に吸収されること抑制できるので、保持部材の内部の水分量を低減できる。従って、保持部材の絶縁抵抗が低下することをさらに抑制できる。

この形態において、前記遮水部材は、吸水性を有する材料で形成されていてもよい。この場合、遮水部材によって止められた水は遮水部材に吸収される。そのため、その水が絶縁層及び保持部材に到達することをさらに抑制できる。

本発明の触媒装置に設けられる触媒担体は、通電による発熱する材料製のものであればよい。例えば、前記触媒担体は、炭化ケイ素製であってもよい。

本発明の第１の形態に係る触媒装置を示す図。 図１の矢印II方向から見た触媒装置を示す図。 図１の範囲Ａを拡大して示す図。 本発明の第２の形態に係る触媒装置を示す図。 図４の矢印V方向から見た触媒装置を示す図。 図４の範囲Ｂを拡大して示す図。 本発明の第３の形態に係る触媒装置を示す図。 図７の矢印VIII方向から見た触媒装置を示す図。 図７の範囲Ｃを拡大して示す図。

（第１の形態）
図１及び図２は、本発明の第１の形態に係る触媒装置を示している。なお、図２は、図１の触媒装置１Ａを矢印II方向から見た図を示している。この触媒装置１Ａは、排気ガス中の有害成分を浄化するために内燃機関の排気通路に設けられる。なお、図１に矢印Ｅｘで示すように排気ガスは、触媒装置１Ａ内を図１の左側から右側に流れる。触媒装置１Ａは、円筒状の触媒担体２と、触媒担体２を内部に収容する円筒状のケース３とを備えている。触媒担体２は、ケース３内に同軸に収容されている。触媒担体２は炭化ケイ素製であり、ケース３はステンレス等の金属製である。触媒担体２の内部の構造は内燃機関の排気通路に排気浄化用に設けられる周知の触媒と同様でよいため、詳細な説明は省略する。触媒担体２には、三元触媒、酸化触媒、又は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等の排気浄化用の触媒が担持されている。触媒担体２は炭化ケイ素製であるため、電気を通す性質を有している。また、触媒担体２は、温度の上昇に伴って電気抵抗が低下するＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特性を有している。触媒担体２の材料である炭化ケイ素はポーラスであるため、触媒担体２は吸水性を有する。

触媒担体２の外周には、保持部材としての保持マット４が設けられている。図２に示すように保持マット４は、触媒担体２の外周面を全周に亘って覆っている。ケース３は、その保持マット４を介して触媒担体２を保持している。保持マット４は、絶縁材料であるアルミナの繊維がマット状に形成されたものである。そのため、保持マット４は、高温耐久性及び吸水性も有している。なお、保持マット４の吸水性は、触媒担体２よりも低い。

ケース３と保持マット４との間には、周方向に全周に亘って絶縁層５が設けられている。絶縁層５は、水分を吸収しない、言い換えると水分を通さない絶縁材料で形成されている。このような絶縁材料としては、例えばガラス成分を含む絶縁材料が用いられる。そして、絶縁層５は、水分を通さない、言い換えると水分を吸収しないように設けられている。

触媒担体２には、触媒担体２を挟んで対向するように一対の電極端子６、６が設けられている。一方の電極端子６は不図示のバッテリのプラス極と接続され、他方の電極端子６はバッテリのマイナス極と接続される。各電極端子６の周囲には、ケース３、保持マット４、及び絶縁層５と電極端子６とが絶縁されるように絶縁材料製のカバー７が設けられている。

この触媒装置１Ａでは、触媒担体２に担持されている触媒を暖機するために触媒担体２に電流が流される。上述したように触媒担体２は炭化ケイ素製であるため、通電されると発熱する。そのため、この熱によって触媒が暖機される。このように触媒装置１Ａは、電気加熱式の触媒装置として構成されている。このような触媒装置の触媒は、ＥＨＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｈｅａｔｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ）と呼ばれている。

次に図３を参照してこの触媒装置１Ａにおける水分の移動について説明する。図３は、図１の範囲Ａを拡大して示している。周知のように内燃機関の排気ガス中には水蒸気が含まれている。そのため、排気ガスが冷却されると水蒸気が凝縮して凝縮水ＣＷが発生する。この凝縮水ＣＷが触媒担体２の上流側端面２ａ及び保持マット４の上流側端面４ａに付着すると、その水分は図中に矢印Ｗで示すように触媒担体２及び保持マット４に吸収される。触媒担体２内は高温の排気ガスＥｘが通過する。そのため、触媒担体２に吸収された水分は矢印Ｖで示すように水蒸気になって下流に排出される。

上述したように触媒担体２の吸水性は、保持マット４の吸水性より高い。また、触媒担体２に吸収されている水分は水蒸気になって下流に排出されるので、触媒担体２の水分の吸収量は、保持マット４の水分の吸収量よりも少なくなる。そして、保持マット４とケース３との間には水分を通さない絶縁層５が設けられている。そのため、保持マット４に吸収された水分は、触媒担体２に移動する。その水分は、触媒担体２に吸収された水分と同様に水蒸気になって下流に排出される。

以上に説明したように、第１の形態に係る触媒装置１Ａでは、保持マット４とケース３との間に絶縁層５が設けられているので、保持マット４が水分を吸収して絶縁抵抗が低下しても触媒担体２とケース３とが電気的に接続されることを防止できる。また、この触媒装置１Ａでは、保持マット４に吸収された水分を速やかに触媒担体２に移動させることができるので、保持マット４の絶縁抵抗が低下することを抑制できる。そのため、保持マット４が水分を吸収しても触媒担体２とケース３との間の絶縁を確保することができる。

（第２の形態）
図４〜図６を参照して本発明の第２の形態に係る触媒装置１Ｂについて説明する。図５は図４の矢印V方向から見た触媒装置１Ｂを示し、図６は図４の範囲Ｂを拡大して示している。この形態において上述した第１の形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図４及び図５に示すようにこの形態では、触媒担体２と保持マット４との間に吸水層１０が設けられている点が第１の形態と異なる。それ以外は、第１の形態と同じである。

吸水層１０は、吸水性を有するポーラス状の材料で形成されている。吸水層１０は、この材料を保持マット４に蒸着することによって形成される。吸水層１０を形成する材料には、保持マット４の構成する材料よりも吸水性の高い材料が用いられる。そのため、吸水層１０の吸水性は保持マット４よりも高い。

図６を参照して触媒装置１Ｂにおける水分の移動について説明する。この形態においても触媒担体２に吸収された水分は排気ガスの熱によって水蒸気になり、下流に排出される。一方、保持マット４に吸収された水分は、保持マット４よりも吸水性が高い吸水層１０に移動する。吸水層１０に移動した水分は触媒担体２にさらに移動し、その後水蒸気になって下流に排出される。

第２の形態に係る触媒装置１Ｂでは、保持マット４よりも吸水性が高い吸水層１０を触媒担体２と保持マット４との間に設けたので、保持マット４の水分は吸水層１０に速やかに移動する。これにより保持マット４から触媒担体２への水分の移動を促進させることができる。そのため、保持マット４の絶縁抵抗が低下することをさらに抑制できる。

（第３の形態）
次に図７〜図９を参照して本発明の第３の形態に係る触媒装置１Ｃについて説明する。図８は図７の矢印VIII方向から見た触媒装置１Ｃを示し、図９は図７の範囲Ｃを拡大して示している。この形態において上述した各形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図７及び図８に示すようにこの形態では、ケース３内に遮水部材としての遮水壁２０が設けられている点が第２の形態と異なる。それ以外は第２の形態と同じである。

遮水壁２０は円環状をしており、その中央には貫通孔２０ａが設けられている。排気はこの貫通孔２０ａを通過して触媒担体２に流入する。図９に示すように貫通孔２０ａの内径Ｄ１は、触媒担体２の外径Ｄ２よりも小さい値が設定されている。そのため、図８に示すようにケース３内を排気の流れ方向上流側から見ると吸水層１０、保持マット４、及び絶縁層５は遮水壁２０によって隠される。遮水壁２０は、吸水性を有する材料で形成されている。図７に示すように遮水壁２０は、触媒担体２よりも排気の流れ方向上流側に触媒担体２との間にスペース２１が設けられるように配置されている。このスペース２１は、貫通孔２０ａを通過して触媒担体２に飛来する凝縮水が吸水層１０、保持マット４、及び絶縁層５に掛からないように設けられている。遮水壁２０は、ケース３との間に隙間が生じないようにケース３に固定されている。

図９に示すようにこの触媒装置１Ｃでは、排気の流れ方向上流側からケース３の内面に沿って凝縮水ＣＷ１が流れてきた場合、その凝縮水ＣＷ１は遮水壁２０によって止められ、その後遮水壁２０に吸収される。そのため、その凝縮水ＣＷ１は保持マット４及び絶縁層５に到達しない。一方、貫通孔２０ａを通過して飛来した凝縮水ＣＷ２は、触媒担体２の上流側壁面２ａに付着するので、触媒担体２に吸収される。そのため、その凝縮水ＣＷ２が保持マット４に掛かることはない。

第３の形態に係る触媒装置１Ｃでは、触媒担体２の上流側に遮水壁２０を設けたので、保持マット４に凝縮水ＣＷ１、ＣＷ２が到達し難い。そのため、凝縮水ＣＷ１、ＣＷ２が保持マット４に吸収されることを抑制し、保持マット４の内部の水分量を低減できる。従って、保持マット４の絶縁抵抗が低下することをさらに抑制できる。また、遮水壁２０と触媒担体２との間にスペース２１を設けたので、遮水壁２０の水分が触媒担体２、保持マット４、及び絶縁層５と接触することを防止できる。そのため、遮水壁２０の水分によって触媒担体２とケース３とが電気的に接続されることを防止できる。

なお、この第３の形態では、触媒担体２と保持マット４との間に吸水層１０が設けられていなくてもよい。また、遮水壁２０は、金属など吸水性を有しない材料製であってもよい。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明が適用される触媒装置は、炭化ケイ素製の触媒担体を備えたものに限定されない。金属製の触媒担体等、通電による発熱する材料製の触媒担体を備えた種々の触媒装置に適用してよい。また、本発明が適用される触媒装置は、内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒装置に限定されない。ケース内にガスを流し、そのガスを触媒担体に担持させた触媒で処理する種々の触媒装置に適用してよい。

Claims (6)

1. 通電により発熱する触媒担体と、前記触媒担体の外周を覆うように設けられた絶縁材料製の保持部材と、前記触媒担体を内部に収容し、前記保持部材を介して前記触媒担体を保持するケースと、を備え、前記ケース内を流れるガスを前記触媒担体に担持させた触媒で処理する電気加熱式触媒装置において、
   前記保持部材は、吸水性を有しており、
   前記ケースと前記保持部材との間には、ガラス成分を含む絶縁材料で形成され、かつ水分を吸収しないように設けられた絶縁層が設けられている電気加熱式触媒装置。
2. 前記触媒担体と前記保持部材との間には、吸水性を有する材料で形成された吸水層が設けられている請求項１に記載の電気加熱式触媒装置。
3. 前記吸水層は、前記保持部材よりも吸水性が高い請求項２に記載の電気加熱式触媒装置。
4. 前記ケースには、ガスが通過する貫通孔を有し、かつ前記ケース内をガスの流れ方向上流側から見たときに前記保持部材が隠れるように前記触媒担体よりもガスの流れ方向上流側に配置された遮水部材が設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒装置。
5. 前記遮水部材は、吸水性を有する材料で形成されている請求項４に記載の電気加熱式触媒装置。
6. 前記触媒担体は、炭化ケイ素製である請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒装置。

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