JP5590129B2 - 電気加熱式触媒 - Google Patents

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、エンジン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。マットに吸収された水は該マット内を移動する。そして、マット内の水は、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。しかし、比較的短い時間でエンジンの始動及び停止を繰り返すと、凝縮水の量が多くなり、マット内の水が除去され難くなる。このため、電極周りの湿度が高くなり、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 特開２０１０−０５９９６０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と共に前記発熱体を支持するマットと、
前記ケースの外側から前記発熱体に接続される電極と、
前記ケースと前記電極との隙間を塞ぐ絶縁部と、
前記ケースの内側で且つ前記発熱体の外側の前記電極の周りにおいて形成される空間であって、前記電極と前記マットとに隙間を設けることで形成される電極室と、
前記発熱体の上流側または下流側の何れか一方に開口部を２つ備え、該開口部の一方から前記電極の周りを通って該開口部の他方へ接続される循環通路と、
を備える。

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。

ここで、発熱体は、排気の熱及び触媒での反応熱により温度が早期に高くなるため、該発熱体の周辺では水の蒸発が早い。一方、電極室周りのケースでは、排気の熱を受け難く、さらにケースの外側が外気と接しているため、温度が上昇し難い。このため、ケースの周辺では水の蒸発が緩慢となる。

これに対し、循環通路を備えることで、電極周辺の温度を速やかに上昇させることができる。すなわち、何れかの開口部から循環通路内に導入された排気が、たとえば排気の脈動の働きにより循環通路内を循環する。そうすると、循環通路内の排気の熱が電極やケースに伝わって、該電極やケースの温度が上昇する。これにより、電極室内のケースの周辺に付着している水を蒸発させて除去することができるため、ケースに電気が流れることを抑制できる。なお、ケースの温度を上昇させるために、循環通路をケースに沿って設けてもよい。また、循環通路は、ケースの内側に設けてもよく、ケースの外側に設けてもよい。

また、本発明においては、前記開口部は、排気の流れ方向にずれて設けることができる。そうすると、排気の脈動の位相差により、開口部の一方と他方とで圧力差が生じる。これにより、循環通路内の排気の流れを促進させることができるので、電極室へより多くの熱を与えることができる。

また、本発明においては、前記開口部の一方に、前記ケースを流通する排気を該開口部の一方に向ける流入ガイドを備えることができる。そうすると、開口部の一方へ多くの排気を流入させることができるので、循環通路へ多くの排気を流通させることができる。これにより、電極室の周辺へより多くの熱を与えることができる。

また、本発明においては、前記開口部の他方に、該開口部の他方から流出する排気を前記ケースの下流側へ向ける流出ガイドを備えることができる。そうすると、開口部の他方から多くの排気を流出させることができるので、循環通路へ多くの排気を流通させることができる。これにより、電極室の周辺へより多くの熱を与えることができる。

また、本発明においては、前記循環通路を流通する排気の温度が閾値以上となると、前記循環通路を閉塞させる閉塞部を備えることができる。循環通路を閉塞させることにより、電極室周辺に熱が供給されることを抑制できる。ここで、温度の高い排気を電極の周りに流通させると、該電極が過熱する虞がある。そこで、電極が過熱する虞があるときに閉塞部は循環通路を閉塞させる。つまり、閾値とは、電極が過熱する温度としてもよい。また、閾値は、電極が過熱する温度にある程度の余裕を持たせた温度としてもよい。循環通路を閉塞させることにより、電極への熱の供給量が減少するため、該電極の過熱を抑制できる。

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。 電極の中心軸と直交する面によって循環通路を切断したときの断面図である。 電極室内湿度及び絶縁抵抗の推移を示したタイムチャートである。 実施例１に係る電極室の断面図である。 実施例１に係る電極室の断面図である。 実施例１に係る電極室の断面図である。 実施例１に係る電極室の断面図である。 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。 電極の中心軸と直交する面によって循環通路を切断したときの断面図である。 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。 他方の開口部の断面図である。 実施例４に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。 電極の中心軸と直交する面によって循環通路を切断したときの断面図である。

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、車両に搭載されるエンジンの排気管に設けられる。エンジンは、ディーゼルエンジンであっても、また、ガソリンエンジンであってもよい。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、該電気加熱式触媒１の中心軸Ａに沿って該電気加熱式触媒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。また、図１においてＢの矢印は、排気の流れ方向を示している。

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２を備えている。そして、中心軸Ａ側から順に、触媒担体２、内管３、ケース４が備わる。また、触媒担体２と内管３との間、及び内管３とケース４との間には、マット５が設けられている。

触媒担体２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２の材料には、たとえばＳｉＣが用いられる。触媒担体２は、排気の流れ方向Ｂ（中心軸Ａの方向としてもよい）に伸び且つ排気の流れ方向Ｂ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２の外形は、たとえば排気管の中心軸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２の断面形状は、たとえば楕円形であっても良い。中心軸Ａは、排気管、触媒担体２、内管３、及びケース４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２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２には、触媒が担持される。触媒には、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２には、電極６が２本接続されており、該電極６間に電圧をかけることにより触媒担体２に通電される。この触媒担体２の電気抵抗により該触媒担体２が発熱する。

マット５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５は、触媒担体２の外周面及び内管３の外周面に巻きつけられる。マット５は、触媒担体２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２に通電したときに、内管３及びケース４へ電気が流れることを抑制している。

内管３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３は、中心軸Ａを中心とした管状に形成される。この内管３は、中心軸Ａ方向の長さがマット５より長い。このため、内管３は、マット５から上流側及び下流側に突出している。内管３の内径は、触媒担体２の外周にマット５を巻きつけたときの該マット５の外径と略同じである。このため、内管３内にマット５及び触媒担体２を収容するときには、該マット５が圧縮されるため、該マット５の反発力により内管３内に触媒担体２が固定される。なお、本実施例では内管３を設けているが、内管３を設けなくてもよい。

ケース４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４の内側に、触媒担体２、内管３、及びマット５が収容される。ケース４の内径は、内管３の外周にマット５を巻きつけたときの該マット５の外径と略同じで、ケース４にマット５及び内管３を収容するときには、該マット５が圧縮されるため、該マット５の反発力によりケース４内に内管３が固定される。

触媒担体２には、電極６が２つ接続されている。この電極６を通すために、内管３、ケース４、及びマット５には、夫々孔３１，４１，５１が開けられている。これらの孔３１，４１，５１の直径は、電極６の直径よりも大きい。このため、内管３、ケース４、及びマット５と、電極６とは離れている。そして、ケース４に開けられている孔４１には、電極６を支持する絶縁部７が設けられている。この絶縁部７の材料には、絶縁体が用いられる。そして、絶縁部７は、ケース４と電極６との間に隙間なく設けられる。このようにして、ケース４内には、電極６の周りの閉じられた空間である電極室８が形成される。

ケース４の外側には、排気が循環する循環通路９が設けられている。図２は、電極６の中心軸と直交する面によって循環通路９を切断したときの断面図である。循環通路９は、触媒担体２よりも上流側に開口部９１を２つ備えている。この開口部９１は、ケース４の周方向に隣接して設けられている。開口部９１は、ケース４を貫通して該ケース４の内部に向けて開口している。

開口部９１には、中心軸Ａと平行にケース４の外面に沿って形成される直線部９２がそれぞれ接続されている。それぞれの直線部９２は、電極６の中心軸周りに形成される環部９３に接続されている。環部９３には、一方の直線部９２から他方の直線部へ向かう排気の通路が電極６を一周するように、隣接する直線部９２の間に隔壁９４が設けられている。環部９３は、絶縁部７の外周面に接している。そして、環部９３よりも中心軸Ａ側にはケース４が存在し、さらに中心軸Ａ側には電極室８が存在する。

このように構成された電気加熱式触媒１では、触媒担体２よりも上流側で凝縮した水が、ケース４の内壁を流れてマット５に付着することがある。この水は内管３とケース４との間のマット５に付着する。すなわち、内管３がマット５よりも上流側及び下流側に突出しているため、水が内管３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５の上流端及び下流端においてケース４と触媒担体２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５や内管３に付着すると、該ＰＭによりケース４と触媒担体２とが短絡する虞がある。しかし、内管３がマット５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３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４と触媒担体２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５に付着した水は、排気の熱や触媒担体２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５内に滞留する。そして、水がマット５内を通って電極６の周りの電極室８まで到達し、該電極室８に滞留することがある。このようにして電極室８に存在する水は、たとえ蒸発しても除去し難い。電極室８内に水蒸気が存在すると、電極６とケース４との絶縁抵抗が大きく低下する。そうすると、触媒担体２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、図３は、電極室内湿度及び絶縁抵抗の推移を示したタイムチャートである。この図は、本実施例に係る循環通路９がないと仮定した場合を示している。

Ｃは電極室内湿度、Ｄは絶縁抵抗を示している。また、実線は比較的短い周期でエンジンの始動及び停止を繰り返した場合を示し、一点鎖線は比較的長い周期でエンジンの始動及び停止を繰り返した場合を示している。

比較的長い周期でエンジンの始動及び停止を繰り返すと、マット５内の温度が高くなるために、マット５内の水が除去され易くなる。そうすると、マット５内に滞留している水の量が少なくなるので、エンジン始動後に電極室８内の湿度はすぐに低下する。このため、絶縁抵抗もすぐに回復する。

一方、比較的短い周期でエンジンの始動及び停止を繰り返すと、マット５内の水が除去され難くなるため、マット５内に滞留している水の量が多くなる。これにより、エンジン始動後に電極室８内の湿度はすぐには低下しない。また、電極室８内の湿度が高くなると、エンジンの冷間始動時において、電極室８内で凝縮水が発生する。この凝縮水により、電極６からケース４へ電気が流れる虞がある。ここで、触媒担体２は、排気の熱及び触媒での反応熱により温度が高くなるため、電極室８内における触媒担体２の周辺では水の蒸発が早い。一方、電極室８内におけるケース４の周辺ではでは、排気の熱を受け難く、さらにケース４の外側が外気と接しているため、温度が上昇し難い。このため、ケース４の周辺では水の蒸発が緩慢となる。これにより、電極６からケース４へ電気が流れる虞がある。

これに対し、循環通路９を備えることで、電極室８周辺のケース４の温度を速やかに上昇させることができる。すなわち、何れかの開口部９１から循環通路９内に導入された排気が、たとえば排気の脈動の働きにより循環通路９内を流通する。そうすると、循環通路９内の排気の熱がケース４に伝わって、該ケース４の温度が上昇する。これにより、電極室８内のケース４の周辺に付着している水を蒸発させて除去することができる。

図４から図７は、本実施例に係る電極室８の断面図である。図４は、エンジン始動前の状態を示している。この時点では、まだ凝縮水が発生していない。図５は、エンジンの冷間始動直後の状態を示している。この時点では、電極室８の全体に凝縮水Ｅが付着している。

図６は、エンジンの冷間始動から暖機完了までの途中の状態を示している。このときには、排気の熱及び反応熱による触媒担体２の温度上昇により、触媒担体２の周辺の凝縮水は蒸発している。また、循環通路９からの熱によるケース４の温度上昇により、ケース４の周辺の凝縮水は蒸発している。これにより、内管３の周辺にのみ凝縮水Ｅが残留している。このように内管３の周辺にのみ凝縮水Ｅが残留していても、それよりもケース４側のマット５及び絶縁部７には水が付着していないため、電極６からケース４に電気が流れることは抑制される。この時点で、仮に循環通路９を備えていない場合には、ケース４側に凝縮水が残留しているため、電極６からケース４に電気が流れる虞がある。したがって、循環通路９を備えることにより、ケース４周辺の凝縮水を早期に除去することができるので、電極６への通電が早期に可能となる。そして、図７は、エンジンの暖機完了後の状態を示している。この時点では、凝縮水が電極室８から除去されているため、絶縁抵抗も回復している。

以上説明したように本実施例によれば、循環通路９により電極室８内におけるケース４周辺の凝縮水を早期に除去することができるため、電極６からケース４へ電気が流れることを抑制できる。

なお、本実施例では、開口部９１が触媒担体２よりも上流側に設けられているが、これに代えて、開口部９１を触媒担体２よりも下流側に設けてもよい。そうすると、触媒担体２で温度が上昇した排気を循環通路９に導入することができる。

図８は、本実施例に係る電気加熱式触媒１００の概略構成を示す図である。また、図９は、電極６の中心軸と直交する面によって循環通路９００を切断したときの断面図である。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。

本実施例では、一方の開口部９１１よりも上流側に他方の開口部９１２が設けられている。すなわち、一方の開口部９１１と他方の開口部９１２とは、排気の流れ方向Ｂ（中心軸Ａ方向としてもよい。）にずれて設けられている。一方の開口部９１１と環部９３とは、一方の直線部９２１により接続される。また、他方の開口部９１２と環部９３とは、他方の直線部９２２により接続される。他方の開口部９１２のほうが一方の開口部９１１よりも環部９３から離れているため、他方の直線部９２２のほうが一方の直線部９２１よりも長い。

このように構成された電気加熱式触媒１００では、一方の開口部９１１と他方の開口部９１２とが、排気の流れ方向Ｂにずれて設けられているために、一方の開口部９１１と他方の開口部９１２とで圧力差が生じる。すなわち、排気の脈動により一方の開口部９１１と他方の開口部９１２とで夫々圧力が変動しているが、排気の流れ方向Ｂのずれにより圧力の変動に位相差が生じる。この位相差により、一方の開口部９１１と他方の開口部９１２とで圧力差が生じる。

この圧力差により、循環通路９００内の排気の流れを促進させることができるため、より多くの熱を電極６の周辺に与えることができる。これにより、電極６からケース４までに付着している水を速やかに蒸発させることができる。なお、一方の開口部９１１と他方の開口部９１２との排気の流れ方向Ｂの距離の最適値は、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、循環通路９００により電極室８内におけるケース４周辺の凝縮水を早期に除去することができるため、電極６からケース４へ電気が流れることを抑制できる。

図１０は、本実施例に係る電気加熱式触媒１０１の概略構成を示す図である。図１０は、一方の開口部９１３を切断する断面図である。また、図１１は、他方の開口部９１４の断面図である。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。

本実施例では、循環通路９０１の一方の開口部９１３への排気の流入を促進させる流入ガイド１０と、他方の開口部９１４からの排気の流出を促進させる流出ガイド１１と、をケース４の内壁に備えている。

流入ガイド１０は、板厚方向を中心軸Ａと平行にして一方の開口部９１３よりも下流側のケース４の内面から中心軸Ａ方向に伸び、その後、排気の流れ方向Ｂの上流側に折れ曲がる例えば金属製の板である。なお、流入ガイド１０は、排気の流れを一方の開口部９１３へ向ける形状であれば他の形状であってもよい。たとえば、一方の開口部９１３よりも下流側のケース４の内面から中心軸Ａ方向に伸びる板であってもよい。また、一方の開口部９１３よりも下流側のケース４の内面から上流側へ向かうに従い中心軸Ａに近づく板であってもよい。

流出ガイド１１は、板厚方向を中心軸Ａと平行にして他方の開口部９１４よりも上流側のケース４の内面から中心軸Ａ方向に伸び、その後、排気の流れ方向Ｂの下流側に折れ曲がる例えば金属製の板である。なお、流出ガイド１１は、他方の開口部９１から流出する排気をケース４の下流側へ向ける形状、またはケース４内を流通する排気が他方の開口部９１４へ流入するのを抑制する形状であれば他の形状であってもよい。たとえば、他方の開口部９１４よりも上流側のケース４の内面から中心軸Ａ方向に伸びる板であってもよい。また、他方の開口部９１４よりも上流側のケース４の内面から下流側へ向かうに従い中心軸Ａに近づく板であってもよい。このような流入ガイド１０及び流出ガイド１１を設けることにより、一方の開口部９１３が排気の入口となり、他方の開口部９１４が排気の出口となる。

なお、本実施例では、一方の開口部９１３と他方の開口部９１４とは、実施例１のように隣接していてもよく、実施例２のように排気の流れ方向Ｂでずれていてもよい。

このように構成された電気加熱式触媒１０１では、一方の開口部９１３への排気の流入が促進され、他方の開口部９１４からの排気の流出が促進されるため、循環通路９０１内の排気の流れを促進させることができる。このため、より多くの熱を電極６の周辺に与えることができる。これにより、電極６からケース４までに付着している水を速やかに蒸発させることができる。

なお、本実施例では、流入ガイド１０と流出ガイド１１とを共に備えているが、何れか一方のみを備えていてもよい。たとえば流入ガイド１０のみを備えていても、一方の開口部９１３への排気の流入が促進されるため、循環通路９０１内の排気の循環が促進される。また、流出ガイド１１のみを備えていても、他方の開口部９１４からの排気の流出が促進されるため、循環通路９０１内の排気の循環が促進される。

以上説明したように本実施例によれば、循環通路９０１により電極室８内におけるケース４周辺の凝縮水を早期に除去することができるため、電極６からケース４へ電気が流れることを抑制できる。

図１２は、本実施例に係る電気加熱式触媒１０２の概略構成を示す図である。また、図１３は、電極６の中心軸と直交する面によって循環通路９０２を切断したときの断面図である。実施例２に示す電気加熱式触媒１００と異なる点について説明する。なお、実施例２に示す電気加熱式触媒１００と同じ部材については同じ符号を付している。

本実施例では、他方の開口部９１２に接続されている他方の直線部９２２の途中に、温度が高いときに他方の直線部９２２を閉塞させるバルブ９５が設けられている。なお、バルブ９５は、一方の直線部９２１に設けられていてもよい。バルブ９５は、例えばバイメタル又は形状記憶合金からなり、他方の直線部９２２を通過する排気の温度が閾値以上となると他方の直線部９２２を閉塞させるように設定される。この閾値は、電極６が過熱しない温度に設定される。すなわち、温度の高い排気が循環通路９０２を流通したときに電極６が過熱する前にバルブ９５が他方の直線部９２２を閉塞させる。これにより、排気の流れが遮断されるため、電極６の周りに熱が供給されるのを抑制することができるので、電極６が過熱することを抑制できる。

なお、本実施例はバルブ９５により自動的に他方の直線部９２２が閉塞されるが、これに代えて、排気の温度を測定するセンサと、該センサに出力信号に基づいてバルブ９５を制御する制御装置と、を備えていてもよい。そして、本実施例においてはバルブ９５が、本発明における閉塞部に相当する。

以上説明したように本実施例によれば、循環通路９０２により電極室８内におけるケース４周辺の凝縮水を早期に除去することができるため、電極６からケース４へ電気が流れることを抑制できる。また、バルブ９５により、電極６の過熱を抑制できる。

１ 電気加熱式触媒
２ 触媒担体
３ 内管
４ ケース
５ マット
６ 電極
７ 絶縁部
８ 電極室
９ 循環通路
９１ 開口部
９２ 直線部
９３ 環部
９４ 隔壁

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と共に前記発熱体を支持するマットと、
   前記ケースの外側から前記発熱体に接続される電極と、
   前記ケースと前記電極との隙間を塞ぐ絶縁部と、
   前記ケースの内側で且つ前記発熱体の外側の前記電極の周りにおいて形成される空間であって、前記電極と前記マットとに隙間を設けることで形成される電極室と、
   前記発熱体の上流側または下流側の何れか一方に開口部を２つ備え、該開口部の一方から前記電極の周りを通って該開口部の他方へ接続される循環通路と、
   を備える電気加熱式触媒。
2. 前記開口部は、排気の流れ方向にずれて設けられる請求項１に記載の電気加熱式触媒。
3. 前記開口部の一方に、前記ケースを流通する排気を該開口部の一方に向ける流入ガイドを備える請求項１または２に記載の電気加熱式触媒。
4. 前記開口部の他方に、該開口部の他方から流出する排気を前記ケースの下流側へ向ける流出ガイドを備える請求項１から３の何れか１項に記載の電気加熱式触媒。
5. 前記循環通路を流通する排気の温度が閾値以上となると、前記循環通路を閉塞させる閉塞部を備える請求項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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