JP5616430B2 - 多段階で加熱可能なハニカム体 - Google Patents

Description

本発明は、流体、特に排気ガスが流れることができる、電気的に加熱可能なハニカム体に関する。さらに、本発明はまた、対応する加熱可能なハニカム体を有する自動車およびハニカム体を加熱するための方法に関する。

この種類のハニカム体は、多くの場合、流体を加熱するための接触面として使用され、また時々、流体の反応成分の触媒変換を意図する触媒のための基板として使用される。（可能な場合には流れ方向の下流に）触媒を有するこのような電気的に加熱可能なハニカム体についての適用の１つの有意な領域は、内燃エンジン、特に自動車の内燃エンジンからの排気ガスの触媒による浄化である。ここで、触媒的にコーティングされたハニカム体は、内燃エンジンの排気システムにおいて使用され、内燃エンジンの作動の間に生じる排気ガスは、それらを通して流れる。

通常、触媒は、特定の「点火温度」以上のみでそれらの触媒作用を発揮する。従来の内燃エンジンからの排気ガスにおける汚染物質を変換するために使用される触媒に関して、点火温度はしばしば数百℃（例えば約２５０℃）である。従って、このような触媒は、特に内燃エンジンの開始段階の間、燃焼排気ガスがしばしば比較的低い温度の間、可能な限り早くその触媒活性を達成するため、または作動の間にその活性を維持するために加熱されなければならない。

加熱可能なハニカム体は、特許文献１（例えばこのハニカム体は２つのディスクから構成される）から知られている。これらのハニカム体の２つのディスクは、離間し、支持体により互いに接続されている。この実施形態により、電流を伝導することによって急速に加熱するように第１のディスクを設計することが可能となる。このディスクは、直列で電気的に接続される複数の加熱領域を有する。結果として、ハニカム体の特定の領域を異なる加熱電力で選択的に加熱できない。

国際公開第９２／１３６３６Ａ１号パンフレット

従って、本発明の目的は、従来技術に関して記載されている問題を少なくとも部分的に解決することであり、特に、多段階で加熱することができ、複数の加熱回路を有するハニカム体を特定することであり、その加熱電力は、互いに独立して制御され得る。また、流入断面にわたって流体を均一に加熱できるか、または流入断面にわたって流体に熱を均一に導入することが好ましい。さらに、本発明は、異なる加熱電力でハニカム体を選択的に加熱するための方法を特定すること、および対応する自動車を特定することである。

これらの目的は、請求項１および７に記載の特徴による装置および請求項６に記載の特徴による方法で達成される。本発明のさらに有益な実施形態は従属請求項に特定される。従属請求項に別々に示される特徴は、任意の技術的に有意な方法で組み合わされてもよく、本発明の実施形態をさらに規定することに留意されるべきである。さらに、特許請求の範囲に示した特徴は、プロセスで示した本発明のさらに好ましい実施形態と共に、詳細な説明によりさらに詳細に特定され、説明される。

本発明による電気的に加熱可能なハニカム体は、チャネルを有し、導電材料から構成される少なくとも１つの第１の層のスタックおよび導電材料から構成される１つの第２の層のスタックを有する少なくとも１つの加熱ディスクを有し、前記第１の層のスタックおよび前記第２の層のスタックは互いにねじれ、かつ互いから電気的に絶縁され、前記第１の層のスタックは、第１の加熱回路のための電流を伝導するための第１の電流路を形成し、前記第２の層のスタックは、第２の加熱回路のための電流を伝導するための第２の電流路を形成する。

電気的に加熱可能なハニカム体は、少なくとも１つの第１の層のスタックおよび１つの第２の層のスタックを有する少なくとも１つの加熱ディスクを有する。第１の層のスタックおよび第２の層のスタックは、好ましくは、流路を形成する、平滑な層および／または構造化された層から構築される（この流路は互いに実質的に平行に延びる）。この目的のために、平滑な層および／または構造化された層は、一方の上に他方が重なり、主に平滑な層および／または構造化された層の任意の所望の組み合わせが可能である。これらの平滑な層および構造化された層は、導電材料、特に金属または金属箔から構成され、コーティングを有してもよい。このコーティングは、特に、多孔性構造により表面積および触媒活性を増加させる、触媒的に活性化されたウォシュコートであってもよい。

第１の層のスタックおよび第２の層のスタックは、好ましくは、第１のフォールドおよび第２のフォールドに沿って折り曲げられる。この第１のフォールドおよび第２のフォールドは、ハニカム体の中心線に対して実質的に平行に延びる。折ること（曲げること、偏向することなど）によって、第１の層のスタックは、第１のフォールドから開始する２つの層のアームを有し、第２の層のスタックは、第２のフォールドから開始する２つの層のアームを有する。これらの層のアームは、（例えば空隙によって）互いから電気的に絶縁される。すなわち、これは、層のスタックの２つの層のアームを通る電流が、層のスタックのそれぞれのフォールドを介してのみ流れることができることを意味する。

折り曲げられた第１の層のスタックおよび折り曲げられた第２の層のスタックは、好ましくはＳ字状で互いにねじられ、第１の層のスタックの第１のフォールドおよび第２の層のスタックの第２のフォールドは、好ましくは、ハニカム体の中心線の領域または中心線に近接して配置される。さらに、第１の層のスタックの流入側の長さおよび第２の層のスタックの長さは、ハニカム体の直径より長い。特に、これは、層のスタックが、直線でハニカム体の直径に及ばないが、この平面で湾曲される（可能な場合、数回）という効果を有する。例えば、層のスタックが、これらの湾曲した部分でも（一定の間隔で）互いに続くか、またはそこの１つの平面でも互いに平行に延びるという事実によって、「ねじれる」構成が得られる。従って、第１のスタックの「外側の湾曲」は、第２のスタックの「内側の湾曲」に続き、逆もまた同様である。湾曲した形状はまた、特に、各々の層のスタックが、直径（すなわち、層のスタックが延びる（共通の）平面におけるハニカム体の幾何学的中心を通る線）と数回接触するか、または交差するという事実によって特徴付けられ得る。

第１の層のスタックおよび第２の層のスタックは、互いから電気的に絶縁されている。従って、１つのディスクまたは平面において互いから独立して作動できる加熱回路を有することも可能である。第１の層のスタックは、第１の電流源に電気的に接続され、第２の層のスタックは、（別個のまたは空間的に離れた）第２の電流源に電気的に接続され、その結果として、第１の層のスタックは、第１の加熱回路のための電流を伝導するための第１の電流路を形成し、第２の層のスタックは、第２の加熱回路のための電流を伝導するための第２の電流路を形成する。第１の層のスタックおよび第２の層のスタックが互いに沿ってねじれているという事実によって、第１の加熱回路および第２の加熱回路は、ハニカム体の前面上で同じ方法で実質的に分配される。これは、特に、ハニカム体が、第１の加熱回路によって、およびまた別に第２の加熱回路の両方によって、その前面上で実質的に均一の方法で加熱され得ることを意味する。さらに、第１の加熱回路の加熱電力および第２の加熱回路の加熱電力は、モニターされ、第１の電流源および第２の電流源によって、好ましくは互いに独立して調節されてもよい。

原則として、加熱ディスクは２つの加熱回路に制限されない。加熱ディスクはまた、それぞれの別の電流源によって２つより多い独立した加熱回路を形成する、２つより多い層のスタックを有してもよい。もちろん、加熱回路の少なくとも一部は、共通の負の電極（共通の陰極または共通の電気接地）を利用してもよい。

本発明のさらなる実施形態において、第１の層のスタックおよび第２の層のスタックは各々層を有し、その層厚さは各々異なるように具現化されることが提案される。本明細書中で、用語「層厚さ」は、層の導電材料の厚さ、特に金属または金属箔の厚さを意味する。原則として、層のスタックの層の全ては、別の層のスタックの層の全てと比べて様々な（同じまたは異なる）層厚さを有してもよいが、これはまた、層の一部のみに適用してもよい。従って、個々の層のスタックの層は、有益には、個々の加熱回路の必要とされる加熱電力のために設計されてもよい。

好ましい実施形態において、第１の層のスタックの層の層厚さは２５μｍ［マイクロメートル］〜３５μｍ、好ましくは実質的に３０μｍであり、第２の層のスタックの層の層厚さは３５μｍ〜６５μｍ、好ましくは実質的に４０μｍ〜５０μｍである。ここで好ましくは、第１の層のスタックの層の全ては、（同じ）第１の層厚さを有し、第２の層のスタックの層の全ては、（同じ）第２の層厚さを有すべきである。

別の実施形態は、第１の層のスタックの層の数が、第２の層のスタックの層の数と異なるという事実によって識別される。このように、個々の層のスタックは、それぞれの加熱回路の必要とされる加熱電力のために有益な方法で設計され得る。

第１の層のスタックの層および第２の層のスタックの層が、少なくとも異なる構造またはコーティングを有する場合、特に有益である。例として、得られるチャネル密度が、異なる構造の尺度として引用されてもよい。例えばその密度は、１６０ｃｐｓｉ〜６００ｃｐｓｉの範囲であり得る。これらの構造は、例えば、加熱ディスクの少なくとも部分的領域において、電流および／または加熱電力に影響を与えるホールまたは他の装置であってもよい。

本発明の別の態様によれば、ハニカム体を加熱するための方法もまた提案され、加熱ディスクの第１の加熱回路は、３００Ｗ［ワット］〜５００Ｗ、好ましくは３５０Ｗ〜４５０Ｗ、特に好ましくは実質的に４００Ｗの電力で作動され、加熱ディスクの第２の加熱回路は、５００Ｗ〜７００Ｗ、好ましくは５５０Ｗ〜６５０Ｗ、特に好ましくは実質的に６００Ｗで作動される。

もちろん、それぞれの加熱回路の電力はまた、既存の搭載電気システムと一致してもよいことは留意されるべきである。従って、用途（乗用車／トラック−１２Ｖ／２４Ｖ）に応じて、加熱回路当たり１０００〜２０００Ｗの電力でも可能である。

さらにまた、本発明による方法を実施するように設定される、本発明による少なくとも１つのハニカム体を有する自動車の提案もなされる。

特に好ましい実施形態において、電気的に加熱可能なハニカム体の構成は、担持触媒（流体（排気ガス）の流れ方向の下流に配置される）を有し、３００〜６００流路／平方インチ（ｃｐｓｉ）の流路密度、４０マイクロメートルの箔厚さおよび１２０ｍｍの軸の担持触媒高さを有する。前面上の加熱ディスクのための支持体は、複数の（電気的に絶縁された）支持ピンによって提供される。両方の基板構造は共通のハウジング内に配置される。

加熱ディスクの第１の層のスタックは、６００流路／平方インチの流路密度、３０μｍの箔厚さ、約７ｍｍの軸の加熱ディスクの高さ、５層および約３９０ワットの電力を有する。加熱ディスクの第２の層のスタックは、６００ｃｐｓｉの流路密度、４０μｍの箔厚さ、約７ｍｍの軸の加熱ディスクの高さ、６層および約６００ワットの加熱電力を有する。２つの層のスタックは、実質的にＳ字状で互いの周囲でねじれ、（互いに対して一定の間隙を有して）互いに平行に延び、均一に排気ガスの流路の断面にわたり、共通の円筒形部分において（のみ）配置される。

本発明および関連技術は、図面を参照して以下により詳細に説明される。図面は、本発明の特に好ましい変形の実施形態を示すが、本発明はそれらに限定されないことは留意されるべきである。

図１は、加熱可能なハニカム体の第１の図を示す。 図２は、加熱可能なハニカム体の第２の図を示す。 図３は、加熱ディスクの層を示す。 図４は、本発明に係るハニカム体を有する自動車を示す。

図１は、排気ガスの流入方向１９（図２参照）からのハニカム体１を示す。このハニカム体１は、第１の正に分極された電極１６、第２の正に分極された電極３３および負に分極された電極３４を有するハウジング１５を有する。この第１の正に分極された電極１６、第２の正に分極された電極３３および負に分極された電極３４は、ハウジング１５から電気的に絶縁されており、その構造は主に従来技術から知られている。

加熱ディスク３は、ハウジング１５と実質的に同軸の位置でこのハウジング１５内に配置され、スペーサ２６によりハウジング１５から離間し、電気的に絶縁されている。加熱ディスク３は、Ｓ字状で互いに周囲にねじれている第１の層のスタック４および第２の層のスタック５から形成される。第１の層のスタック４は第１のフォールド２７を有し、第２の層のスタック５は第２のフォールド３２を有し、第１の層のスタック４はこの第１のフォールド２７の周囲で折り曲げられ、第２の層のスタック５はこの第２のフォールド３２の周囲で折り曲げられる。第１のフォールド２７および第２のフォールド３２は、ハニカム体１の中心線３５（図２参照）に対して実質的に平行に延びる。第１の層のスタック４および第２の層のスタック５の２つのフォールドアームは、第１の層のスタック４の第１のフォールド２７および第２の層のスタック５の第２のフォールド３２から延び、前記アームは、第１のフォールド２７および第２のフォールド３２の領域内で互いに（電気的に）接続されているが、この場合、空隙により互いから電気的に絶縁されている。

第１の層のスタック４の第１のフォールド２７からのフォールドアームの両端は、第１の正に分極された電極１６および負に分極された電極３４に導電的に接続されている。第２の層のスタック５の第２のフォールド３２からのフォールドアームの両端は、第２の正に分極された電極３３および負に分極された電極３４に導電的に接続されている。従って、第１の層のスタック４は、第１の層のスタック４の第１のフォールド２７を介して第１の正に分極された電極１６との接触領域内の第１の電流路の開始部２８から、負に分極された電極３４との接触領域内の第１の電流路の端部２９まで延びる、第１の電流路８を形成する。第２の層のスタック５は、第２のフォールド３２を介して第２の正に分極された電極３３との接触領域内の第２の電流路の開始部３０から、負に分極された電極３４との接触領域内の第２の電流路の端部３１まで延びる、第２の電流路９を形成する。ここで、第１の層のスタック４が、この場合、空隙により、第２の層のスタック５から電気的に絶縁されていることが明確になるはずである。第１の層のスタック４と接触する、第１の正に分極された電極１６および負に分極された電極３４は、第１の電流源２０に導電的に接続されるので、第１の加熱回路１０は、第１の層のスタック４に形成される。第２の層のスタック５と接触する、第２の正に分極された電極３３および負に分極された電極３４は、第２の電流源２１に導電的に接続されるので、第２の加熱回路１１は、第２の層のスタック５に形成される。

図２は、側部からの断面における加熱可能なハニカム体１を示す。その図は、担持触媒の高さ２４を有する担持触媒２５を示す。加熱ディスクの高さ２３を有する加熱ディスク３は、支持ピン１７により排気ガスの流入方向１９に対してこの担持触媒２５に固定される。この加熱ディスク３は前面２２を有し、その前面２２を通して、排気ガスが流入方向１９において加熱可能なハニカム体１に侵入する。

図３は、２つの平滑な層６および構造化された層７を示し、それらにより、例として、第１の層のスタック４および第２の層のスタック５が構成され得る。これらの平滑な層６および構造化された層７は、排気ガスが流れることができるチャネル２を形成する。ここで、平滑な層６および構造化された層７は層厚さ１２を有する。

図４は、内燃エンジン１８を有する自動車１３を示し、本発明に係る電気的に加熱可能なハニカム体１が内燃エンジン１８の排気システム１４に配置されている。

このように、内燃エンジンからの排気ガスは、異なる加熱電力でさえも、簡単な設計を使用して共通の加熱ディスクにおいて複数の独立した加熱回路によって均一に加熱され得る。

１ ハニカム体
２ チャネル
３ 加熱ディスク
４ 第１の層のスタック
５ 第２の層のスタック
６ 平滑な層
７ 構造化された層
８ 第１の電流路
９ 第２の電流路
１０ 第１の加熱回路
１１ 第２の加熱回路
１２ 層厚さ
１３ 自動車
１４ 排気システム
１５ ハウジング
１６ 第１の正に分極された電極
１７ 支持ピン
１８ 内燃エンジン
１９ 流入方向
２０ 第１の電流源
２１ 第２の電流源
２２ 前面
２３ 加熱ディスクの高さ
２４ 担持触媒の高さ
２５ 担持触媒
２６ スペーサ
２７ 第１のフォールド
２８ 第１の電流路の開始部
２９ 第１の電流路の端部
３０ 第２の電流路の開始部
３１ 第２の電流路の端部
３２ 第２のフォールド
３３ 第２の正に分極された電極
３４ 第２の負に分極された電極
３５ 中心線

Claims (7)

1. チャネル（２）を有する、電気的に加熱可能なハニカム体（１）であって、導電材料から構成される１つの第１の層のスタック（４）および導電材料から構成される１つの第２の層のスタック（５）から形成される少なくとも１つの加熱ディスク（３）を備え、
   前記第１の層のスタック（４）および前記第２の層のスタック（５）は、互いにねじれ、かつ互いから電気的に絶縁され、均一に排気ガスの流路の断面にわたり、共通の円筒形部分において配置され、
   前記第１の層のスタック（４）は、第１の加熱回路（１０）のための電流を伝導するための第１の電流路（８）を形成し、前記第２の層のスタック（５）は、第２の加熱回路（１１）のための電流を伝導するための第２の電流路（９）を形成し、
   前記加熱ディスク（３）の前記第１の加熱回路（１０）は、３００Ｗ〜５００Ｗの電力で作動され、前記加熱ディスク（３）の前記第２の加熱回路（１１）は、５００Ｗ〜７００Ｗで作動する、電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
2. 前記第１の層のスタック（４）および前記第２の層のスタック（５）は、各々層を有し、それらの層厚さ（１２）は、各々異なるように具現化される、請求項１に記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
3. 前記第１の層のスタック（４）の層の層厚さ（１２）は、２５μｍ〜３５μｍであり、前記第２の層のスタック（５）の層の層厚さ（１２）は、３５μｍ〜６５μｍである、請求項１または２に記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
4. 前記第１の層のスタック（４）の層の数は、前記第２の層のスタック（５）の層の数と異なる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
5. 前記第１の層のスタック（４）の層および前記第２の層のスタック（５）の層は、少なくとも異なる構造またはコーティングを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のハニカム体（１）を加熱するための方法。
7. 請求項６に記載の方法を実施するように設定されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の少なくとも１つの電気的に加熱可能なハニカム体（１）を有する自動車（１３）。

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