JP5472468B2 - 電気加熱式触媒 - Google Patents

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Description

本発明は、電気加熱式触媒に関する。
通電により発熱する触媒の担体と、該触媒の担体を収容するケースと、の間に絶縁体のマットを設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このマットによれば、触媒の担体に通電したときに、ケースに電気が流れることを抑制できる。ところで、内燃機関の始動直後などには、排気管壁面で排気中の水が凝縮することがある。液体となった水は排気に押されて下流側に流れ、触媒に到達する。この液体の水がマット内に浸入し電極まで達すると、電極とケースとの間の絶縁抵抗が低下するため電極からケースに電気が流れる虞がある。
特開平０５−２６９３８７号公報
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電気加熱式触媒のケースに電気が流れることを抑制することにある。
上記課題を達成するために本発明による電気加熱式触媒は、
通電により発熱する発熱体と、
前記発熱体を収容するケースと、
前記発熱体と前記ケースとの間に設けられ電気を絶縁するマットと、
前記ケースよりも内側で且つ前記発熱体よりも外側に設けられ、前記マットを前記ケース側と前記発熱体側とに分割しつつ前記マットにより支持される内管と、
を備え、
前記内管は、前記マットから突出し、
前記内管と前記ケースとの間の距離を、前記マットが存在する箇所においては前記内管を支持するために必要な距離とし、前記内管が前記マットから突出する箇所においては前記内管と前記ケースとの間で放電が起こることを回避するために必要な距離とする。
発熱体は、触媒の担体としてもよく、触媒よりも上流側に設けてもよい。発熱体に通電することにより該発熱体が発熱するため、触媒の温度を上昇させることができる。内管は、マットをケース側と発熱体側とに分割しているため、内管の内側と外側とにはマットが存在する箇所がある。また、内管はマットにより支持されるため、該内管は、発熱体及びケースとは接触していない。
ところで、内燃機関の排気中には水分が含まれるため、ケースなどにおいて水が凝縮することがある。この水はケースの内面を流れてマットに付着し、その後マットに吸収される。ここで、内管がマットから突出していることにより、ケースの内面を流れてくる水が、内管よりも発熱体側に流れ難くなるため、発熱体の前端及び後端において発熱体とケースとが短絡することを抑制できる。また、マットよりも突出した箇所においては温度が上昇し易いため、排気中の粒子状物質が付着してもすぐに酸化され除去される。これによって、マットの前端または後端に付着した粒子状物質による短絡を抑制できる。
ここで、マットに吸収された水は該マット内を移動するが、ケース側から発熱体側への水の移動は内管によって遮られる。そうすると、水による短絡を抑制できる。また、マットに吸収された水は、排気の熱や発熱体の熱により蒸発するため、時間が経てば除去される。さらに、マットを薄くすることにより、該マットに吸収される水の量を減少させることができる。これにより、水の蒸発を促進させることができる。しかし、マットを薄くしすぎるとマットを支持することが困難となる。そこで、マットの厚さを、内管を支持するための必要最低限の厚さとする。これにより、マットが存在する箇所における内管とケースとの距離が定まる。一方、内管を支持するために必要となるマットの厚さに合わせて内管とケースとの距離を決定すると、マットから内管が突出する箇所においては内管とケースとの間で放電が起こる虞がある。これに対し、内管がマットから突出する箇所においては、内管とケースとの間で放電が起こることを回避するために最低限必要となる距離を確保する。すなわち、内管とケースとの距離を、マットが存在する箇所と、内管がマットから突出する箇所とで、変えている。このようにして、放電を抑制しつつ内管を支持することが可能となる。
また、本発明においては、前記内管は、前記マットと接する箇所において前記ケース側と前記発熱体側とを連通する連通部を有していてもよい。連通部は、マットと接する箇所においてケース側と発熱体側とを連通しているため、連通部のケース側と発熱体側とには共にマットが存在する。このため、マットに多くの水が吸収されると、水が連通部を通ってケース側のマットから発熱体側のマットへ移動する。これにより、水が電極へ到達することを抑制できるので、電極とケースとの絶縁抵抗が低下することを抑制できる。また、連通部を通過した水は、排気の熱や発熱体の熱をより受け易くなるため、より蒸発し易くなる。また、発熱体に水を吸収させれば、排気の流れにより水の蒸発が促進されるため、より速やかに水を除去することができる。
本発明においては、前記内管が前記マットから突出する箇所よりも、前記マットが存在する箇所の前記内管の厚さを大きくすることができる。このように内管の厚さを変えれば、マットが備わる箇所と内管がマットから突出する箇所とで、内管とケースとの距離を変えることができる。
また、本発明においては、前記内管が前記マットから突出する箇所よりも、前記マットが存在する箇所の前記ケースの厚さを大きくすることができる。このようにケースの厚さを変えれば、マットが備わる箇所と内管がマットから突出する箇所とで、内管とケースとの距離を変えることができる。
本発明においては、前記発熱体は、吸水可能な材料からなることができる。そうすると、ケース側から発熱体側に連通部を通って浸入した水が、発熱体に吸収される。この水は、発熱体内を移動し、発熱体内を流通するガスにより該発熱体から除去される。これにより、マット及び発熱体から速やかに水を除去することができる。
本発明によれば、電気加熱式触媒のケースに電気が流れることを抑制することができる。
実施例１に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。 実施例２に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。 実施例３に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。
以下、本発明に係る電気加熱式触媒の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例は、適宜組み合わせることができる。
図１は、本実施例に係る電気加熱式触媒１の概略構成を示す図である。なお、本実施例に係る電気加熱式触媒１は、車両に搭載される内燃機関の排気管２に設けられる。内燃機関は、ディーゼル機関であっても、また、ガソリン機関であってもよい。また、電気モータを備えたハイブリッドシステムを採用した車両においても用いることができる。
図１に示す電気加熱式触媒１は、排気管２の中心軸Ａに沿って電気加熱式触媒１を縦方向に切断した断面図である。なお、電気加熱式触媒１の形状は、中心軸Ａに対して線対称のため、図１では、上側の部分のみを示している。
本実施例に係る電気加熱式触媒１は、中心軸Ａを中心にした円柱形の触媒担体３を備えている。そして、中心軸Ａ側から順に、触媒担体３、内管４、ケース５が備わる。また、触媒担体３と内管４との間、及び内管４とケース５との間には、マット６が設けられている。
触媒担体３には、電気抵抗となって、通電により発熱する材質のものが用いられる。触媒担体３の材料には、たとえばＳｉＣが用いられる。触媒担体３は、排気の流れる方向（すなわち、中心軸Ａの方向）に伸び且つ排気の流れる方向と垂直な断面がハニカム状をなす複数の通路を有している。この通路を排気が流通する。触媒担体３の外形は、たとえば排気管２の中心軸Ａを中心とした円柱形である。なお、中心軸Ａと直交する断面による触媒担体３の断面形状は、たとえば楕円形で有っても良い。中心軸Ａは、排気管２、触媒担体３、内管４、及びケース５で共通の中心軸である。なお、本実施例においては触媒担体３が、本発明における発熱体に相当する。なお、発熱体を触媒よりも上流側に備える場合であっても、本実施例を同様に適用することができる。
触媒担体３には、触媒が担持される。触媒は、たとえば酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元型ＮＯx触媒などを挙げることができる。触媒担体３には、電極７が２本接続されており、該電極７間に電圧をかけることにより触媒担体３に通電される。この触媒担体３の電気抵抗により該触媒担体３が発熱する。
マット６には、電気絶縁材が用いられ、たとえばアルミナを主成分とするセラミックファイバーが用いられる。マット６は、触媒担体３の外周面及び内管４の外周面に巻きつけられる。マット６は、触媒担体３の外周面（中心軸Ａと平行な面）を覆っているため、触媒担体３に通電したときに、内管４及びケース５へ電気が流れることを抑制している。
内管４の材料には、たとえばアルミナのような電気絶縁材が用いられる。内管４は、中心軸Ａを中心とした管状に形成される。この内管４は、中心軸Ａ方向の長さがマット６より長い。このため、内管４は、マット６から上流側及び下流側に突出している。内管４の内径は、触媒担体３の外周をマット６で覆ったときの該マット６の外径と略同じで、内管４内にマット６及び触媒担体３を収容するときには、該マット６が圧縮されるため、該マット６の反発力により内管４内に触媒担体３が固定される。
そして、内管４は、マット６と接している箇所である中央部４１と、マット６よりも上流側及び下流側に突出する箇所である端部４２と、で厚さが異なる。この厚さは、端部４２とケース５との距離が、中央部４１とケース５との距離よりも長くなるように設定される。
ケース５の材料には、金属が用いられ、たとえばステンレス鋼材を用いることができる。ケース５は、中心軸Ａと平行な曲面を含んで構成される収容部５１と、該収容部５１よりも上流側及び下流側で該収容部５１と排気管２とを接続するテーパ部５２，５３と、を備えて構成されている。収容部５１の内側に、触媒担体３、内管４、及びマット６が収容される。テーパ部５２，５３は、収容部５１から離れるに従って通路断面積が縮小するテーパ形状をしている。すなわち、触媒担体３よりも上流側のテーパ部５２では、上流側ほど断面積が小さくなり、触媒担体３よりも下流側のテーパ部５３では、下流側ほど断面積が小さくなる。収容部５１の内径は、内管４の外周をマット６で覆ったときの該マット６の外径と略同じで、収容部５１にマット６及び内管４を収容するときには、該マット６が圧縮されるため、該マット６の反発力により収容部５１内に内管４が固定される。
触媒担体３には、電極７が２つ接続されている。この電極７を通すために、内管４及びケース５には、孔４３、５４が開けられている。また、電極７が触媒担体３に接続されるまでの該電極７の周りには、マット６を設けていない。そして、ケース５に開けられている孔５４には、電極７を支持する絶縁材８が設けられている。この絶縁材８は、ケース５と電極７との間に隙間なく設けられる。このようにして、ケース５内には、電極７の周りに閉じられた空間９が形成される。
このように構成された電気加熱式触媒１では、触媒担体３よりも上流側で凝縮した水が、排気管２やケース５の内壁を流れてマット６に付着することがある。このときには、収容部５１の内壁を水が流れてくるので、この水は内管４と収容部５１との間のマット６に付着する。すなわち、内管４がマット６よりも上流側及び下流側に突出しているため、水が内管４よりも内側に入り込むことが抑制される。これにより、マット６の上流端及び下流端においてケース５と触媒担体３とが水により短絡することが抑制される。
また、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）がマット６や内管４に付着すると、該ＰＭによりケース５と触媒担体３とが短絡する虞がある。しかし、内管４がマット６よりも突出することにより、突出した箇所においては排気の熱を受けて温度が高くなるので、該内管４に付着したＰＭを酸化させて除去することができる。これにより、ケース５と触媒担体３とがＰＭにより短絡することが抑制される。
ところで、マット６に付着した水は、排気の熱や触媒担体３の熱により蒸発する。しかし、付着する水の量が多くなると、その一部がすぐには蒸発せずにマット６内に滞留する。そして、水がマット６内を通って電極７の周りの空間９まで到達し、該空間９に滞留することがある。このようにして空間９に存在する水は、たとえ蒸発しても除去し難い。そして、空間９内に水蒸気が存在すると、電極７とケース５との絶縁抵抗が大きく低下する。そうすると、触媒担体３の温度を上昇させる要求があったときに、通電が不可能となる虞がある。
ここで、中央部４１とケース５との距離が長いほど、この間のマット６が厚くなるため、マット６の上流端及び下流端においてマット６が露出する面積が大きくなるので、水が吸収され易くなる。また、マット６内の水の滞留量が多くなると、全て蒸発するまでに時間を要してしまう。このため、内管４とケース５との間に存在するマット６は薄いほうが良い。しかし、マット６を薄くしすぎると、内管４を支持することが困難となる。そこで、中央部４１とケース５との距離を、内管４を支持可能な必要最低限の距離とする。これにより、中央部４１とケース５との距離は比較的短くなる。
一方、内管４の端部４２においては、端部４２とケース５との距離が短くなると、放電が起こる虞がある。このため、中央部４１に合わせて端部４２をケース５に近づけると、放電が起こり得る。そこで、端部４２とケース５との距離を、放電を回避可能な距離とする。これにより、端部４２とケース５との距離は、中央部４１とケース５との距離よりも長くなる。
このように、内管４の中央部４１と端部４２とで、要求されるケース５までの距離が異なる。このため、内管４の中央部４１と端部４２とで、それぞれの要求に応じた距離となるように、内管４の外周面を形成している。なお、中心軸Ａから内管４の内周面までの距離は、中央部４１と端部４２とで同じとする。すなわち、中央部４１を端部４２よりもケース５へ近づけるために、該中央部４１の厚さを大きくしている。このため、中央部４１と端部４２との間には段差がある。
以上説明したように本実施例によれば、内管４とケース５との間のマット６を薄くすることができるため、該マット６の吸水力を制限することができる。これにより、マット６から水を除去する時間を短縮することができる。したがって、ケース５へ電気が流れることを抑制できる。
なお、本実施例では、中央部４１の厚さを増しているが、これに変えて、内管４の外周面に吸水性のない他の部材を取り付けてもよい。
図２は、本実施例に係る電気加熱式触媒１０の概略構成を示す図である。実施例１に示す電気加熱式触媒１と異なる点について説明する。なお、実施例１に示す電気加熱式触媒１と同じ部材については同じ符号を付している。
本実施例に係る内管４には、ケース５側と触媒担体３側とを連通する連通孔４４が複数設けられている。この連通孔４４は、マット６と内管４とが接している箇所に設けられる。この連通孔４４の直径は、マット６に吸収された水が通過可能な大きさに設定される。なお、本実施例においては連通孔４４が、本発明における連通部に相当する。
すなわち、連通孔４４は水を通すため、内管４よりも外側のマット６内に浸入した水が、連通孔４４を通過して、内管４よりも内側のマット６内に浸入する。ここで、排気の熱により触媒担体３の温度は高くなるので、触媒担体３に近付いた水は蒸発し易くなる。また、ＳｉＣは吸水力が大きいため、触媒担体３に水が到達すると、該触媒担体３に水が吸収される。この水は、触媒担体３内を流れる排気と共に該触媒担体３内から排出される。このようにして、マット６内に水が滞留することを抑制できる。これにより、電極７の周りの空間９に水が浸入することを抑制できるので、電極７とケース５との絶縁抵抗が大きく低下することを抑制できる。
また、連通孔４４の位置を調節することにより、水が該連通孔４４を通って内管４よりも内側に浸入する時期を調節することができる。たとえば、連通孔４４の位置を電極７に近づければ、マット６内に浸入した水が連通孔４４を通過するまでに時間を要するため、該マット６内に浸入した水による短絡を抑制できる。また、マット６内に浸入した水が少量であれば、連通孔４４を通過するまでに蒸発する。すなわち、空間９に水が浸入する虞があるときに限り連通孔４４に水を通過させることができる。また、連通孔４４の位置を電極７に近づけすぎると、空間９に水が浸入する虞がある。連通孔４４の最適な位置や大きさは、実験等により求めることができる。
以上説明したように本実施例によれば、空間９に水が滞留することを抑制できるため、電極７からケース５へ電気が流れることを抑制できる。
図３は、本実施例に係る電気加熱式触媒１１の概略構成を示す図である。実施例１に示す電気加熱式触媒１と異なる点について説明する。なお、実施例１に示す電気加熱式触媒１と同じ部材については同じ符号を付している。
図３に示す電気加熱式触媒１１は、内管４０、ケース５０及びマット６１の形状が実施例１と異なる。すなわち、ケース５０の収容部５５は、マット６１と接している箇所である中央部５０１と、マット６１と接していない箇所である端部５０２と、で厚さが異なる。また、内管４０は、マット６１と接している箇所と、マット６１から突出している箇所と、で厚さが同じである。なお、図３には、連通孔４４が示されているが、実施例１と同様に連通孔４４はなくてもよい。
ここで、内管４０と中央部５０１との距離が長いほど、この間のマット６１が厚くなるため、マット６１の上流端及び下流端においてマット６１が露出する面積が大きくなるので、水が吸収され易くなる。また、マット６１内の水の滞留量が多くなると、全て蒸発するまでに時間を要してしまう。このため、内管４０とケース５０との間に存在するマット６１は薄いほうが良い。しかし、マット６１を薄くしすぎると、内管４０を支持することが困難となる。そこで、内管４０と中央部５０１との距離を、内管４０を支持可能な必要最低限の距離とする。これにより、内管４０と中央部５０１との距離は比較的短くなる。
一方、収容部５５の端部５０２においては、内管４０とケース５０との距離が短くなると、放電が起こる虞がある。このため、中央部５０１に合わせて端部５０２を内管４０に近づけると、放電が起こり得る。そこで、内管４０と端部５０２との距離を、放電を回避可能な距離とする。これにより、内管４０と端部５０２との距離は、内管４０と中央部５０１との距離よりも長くなる。
このように、収容部５５の中央部５０１と端部５０２とで、要求される内管４０までの距離が異なる。このため、収容部５５の中央部５０１と端部５０２とで、それぞれの要求に応じた距離となるように、収容部５５の内周面を形成している。なお、中心軸Ａからケース５０の外周面までの距離は、中央部５０１と端部５０２とで同じとする。すなわち、中央部５０１を内管４０へ近づけるために、該中央部５０１の厚さを大きくしている。このため、中央部５０１と端部５０２との間には段差がある。
また、ケース５０に設けられている孔５４の箇所まで中央部５０１の厚さを増すと、空間９に露出する中央部５０１の面積が大きくなる。そうすると、電極７と中央部５０１との間で放電が起こる虞がある。このため、本実施例では、孔５４の周りでは、中央部５０１と端部５０２とで同じ厚さにしている。中央部５０１の厚さを端部５０２の厚さと同じにする範囲は、電極７と中央部５０１との間の放電を回避可能な範囲として予め実験等により求めることができる。
以上説明したように本実施例によれば、内管４０とケース５０との間のマット６１を薄くすることができるため、該マット６１の吸水力を制限することができる。これにより、マット６１から水を除去する時間を短縮することができる。
なお、本実施例では、中央部５０１の厚さを増しているが、これに変えて、ケース５０の内周面に吸水性のない他の部材を取り付けてもよい。
１ 電気加熱式触媒
２ 排気管
３ 触媒担体
４ 内管
５ ケース
６ マット
７ 電極
８ 絶縁材
９ 空間
１０ 電気加熱式触媒
１１ 電気加熱式触媒
４１ 中央部
４２ 端部
４３ 孔
５１ 収容部
５２ テーパ部
５３ テーパ部
５４ 孔

Claims (5)

  1. 通電により発熱する発熱体と、
    前記発熱体を収容するケースと、
    前記発熱体と前記ケースとの間に設けられ電気を絶縁するマットと、
    前記ケースよりも内側で且つ前記発熱体よりも外側に設けられ、前記マットを前記ケース側と前記発熱体側とに分割しつつ前記マットにより支持される内管と、
    を備え、
    前記内管は、前記マットから突出し、
    前記内管と前記ケースとの間の距離を、前記マットが存在する箇所においては前記内管を支持するために必要な距離とし、前記内管が前記マットから突出する箇所においては前記内管と前記ケースとの間で放電が起こることを回避するために必要な距離とする電気加熱式触媒。
  2. 前記内管は、前記マットと接する箇所において前記ケース側と前記発熱体側とを連通する連通部を有する請求項１に記載の電気加熱式触媒。
  3. 前記内管が前記マットから突出する箇所よりも、前記マットが存在する箇所の前記内管の厚さを大きくする請求項１または２に記載の電気加熱式触媒。
  4. 前記内管が前記マットから突出する箇所よりも、前記マットが存在する箇所の前記ケースの厚さを大きくする請求項１から３の何れか１項に記載の電気加熱式触媒。
  5. 前記発熱体は、吸水可能な材料からなる請求項１から４の何れか１項に記載の電気加熱式触媒。
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