JP5655857B2 - 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、エンジンの始動直後などでは、電極の温度が低いために、該電極にマットを通過した排気が接すると、該電極において排気中の水が凝縮することがある。この水によ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
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、
前記電極室内において前記電極よりも排気の流れ方向で上流側に設けられ該電極室内を流通する排気が当たる仕切部と、
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。ところで、エンジンの排気中には水分が含まれるため、エンジンの冷間始動時などの電極や絶縁部の温度が低いときに、該電極や絶縁部に排気が直接当たると水が凝縮することがある。これに対し、仕切部を備えることで、電極室内に流入した排気が電極や絶縁部に直接当たることを抑制できる。すなわち、仕切部は、電極よりも排気の流れ方向で上流側に設けられているため、電極室に流入した排気の少なくとも一部は電極に当たる前に仕切部に当たる。なお、ここでいう排気の流れ方向は、電極室内に流入した後であって仕切部に当たる前の排気の流れ方向である。この排気の流れ方向は、ケースまたは発熱体の中心軸方向と平行としてもよい。そして、仕切部を備えることで、排気の少なくとも一部が電極に直接当たらないようになるため、電極や絶縁部で水が凝縮することを抑制できる。これにより、ケースに電気が流れることを抑制できる。なお、仕切部を電極室内において電極よりも排気の流れ方向で下流側にも設けることもできる。また、仕切部は、電極の周りを囲むこともできる。
また、本発明においては、前記仕切部は、前記電極室内において該電極室内に流入した排気が前記電極に向かって直進する経路上に設けられてもよい。すなわち、仕切部がなかったと仮定した場合に、電極に当たる排気が流れる箇所に仕切部が設けられる。これにより、電極に排気が直接当たることを抑制できる。
また、本発明においては、前記仕切部と前記絶縁部との距離が、電気の絶縁に必要となる空間距離未満の場合には、前記仕切部は絶縁体からなっていてもよい。ここで、仕切部が導電体からなっていると、該仕切部と電極との距離が近くなると、該仕切部と電極との間で放電が起こる虞がある。すなわち、仕切部と絶縁部との距離が、電気の絶縁に必要となる空間距離未満の場合には、該仕切部と電極との間で放電が起こる虞がある。これに対し、仕切部を絶縁体で構成することにより、仕切部と電極との間で放電が起こることを抑制できる。
また、本発明においては、前記仕切部と前記絶縁部との距離が、電気の絶縁に必要となる空間距離以上の場合には、前記仕切部は導電体からなっていてもよい。すなわち、仕切部と電極との間で放電が起こる虞がないため、仕切部を導電体で構成することができる。これにより、仕切部に例えば耐久性の高い材料を用いることができる。
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。 要求空間距離と、電極及び絶縁部から板までの距離と、の関係を示した図である。 要求空間距離と、電極及び絶縁部から板までの距離と、の関係を示した図である。 板からケースまでの距離、及び、板から触媒担体までの距離の関係を示した図である。 要求空間距離と、板から触媒担体までの距離と、の関係を示した図である。
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。
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。
また、内管３に開けられた孔３１の直径は、マット５に開けられた孔５１の直径よりも小さい。このため、内管３は、マット５から電極室８内に突出している。そして、排気の流れ方向で電極６の上流側の内管３には、板９が設けられている。
板９は、電極６よりも上流側の電極室８の一部を上流側と下流側とに仕切っている。板９は、孔３１を形成している内管３の端部において、該内管３の内側及び外側に向かって中心軸Ａに対して垂直に伸びている。板９は、平面であってもよく、また、曲面であってもよい。また、板９の形状は、内管３に開けられた孔３１の形状に合わせてもよい。板９の材料は、内管３と同じであってもよく、異なっていてもよい。
この板９は、電極室８内に流入する排気が電極６及び絶縁部７に直接当たることを抑制するために設置される。たとえば、絶縁部７の先端、すなわち絶縁部７から電極６が露出する箇所の上流側に板９が存在するように該板９が設置される。また、たとえば、排気の流れ方向Ｂ（中心軸Ａの方向としてもよい。）に絶縁部７の先端部を板９に投影したときに、該絶縁部７の先端部の少なくとも一部が板９に投影されるように板９の形状及び位置を決定してもよい。さらに、電極室８内において該電極室８内に流入した排気が電極６に向かって直進する経路上に板９が設けられていてもよい。板９は、該板９がないと仮定した場合に電極６または絶縁部７に当たる排気の少なくとも一部を遮るように設置すればよい。すなわち、板９の大きさは、電極６または絶縁部７よりも小さくてもよい。また、板９は、ケース４、触媒担体２、及びマット５に接触しないように設置される。なお、本実施例においては板９が、本発明における仕切部に相当する。
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まで到達する。エンジンの冷間始動時には、電極６及び絶縁部７の温度が低いために、該電極６及び絶縁部７に排気が当たると、該電極６及び絶縁部７の表面で水が凝縮する。このように、電極６及び絶縁部７の表面で水が凝縮すると、電極６からケース４へ電気が流れる虞がある。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。
これに対し、板９を備えることで、排気が電極６及び絶縁部７に直接当たることが抑制される。電極６及び絶縁部７では、排気が直接当たらない所のほうが、排気が直接当たる所よりも、水が凝縮し難い。すなわち、板９を備えることで、電極６及び絶縁部７で水が凝縮することを抑制できる。
このようにして電極６及び絶縁部７で水が凝縮することを抑制できるため、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、本実施例においては、内管３及びマット５に、夫々、孔３１，５１が開けられているとして説明したが、これに代えて、内管３及びマット５が、電極６を挟んで上流側と下流側とに分割されていてもよい。すなわち、電極６の上流側と下流側との触媒担体２の周りに、夫々、内管３及びマット５を配置してもよい。これにより、電極室８が、触媒担体２の周りを一周するように形成される。このような場合であっても、電極６の上流側に板９を設けることで、排気が電極６及び絶縁部７に直接当たることが抑制されるため、ケース４へ電気が流れることを抑制できる。
図２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。実施例１では、板９を内管３に設けているが、本実施例では、板９０をケース４に設けている。なお、実施例１と同じ部材については同じ符号を付して説明を省略する。
すなわち、板９０は、ケース４から中心軸Ａ方向に伸びている。板９０の中心軸Ａ側の端部は、触媒担体２と接触しないように電極室８内の触媒担体２の外周面よりも外側に位置する。また、板９０は、内管３及びマット５とも接触しないように設置される。板９０の材料は、ケース４の材料と同じであってもよく、異なっていてもよい。
このように構成された電気加熱式触媒１００であっても、排気が電極６及び絶縁部７に直接当たることが抑制される。すなわち、板９０を備えることで、電極６及び絶縁部７で水が凝縮することを抑制できる。このようにして電極６及び絶縁部７で水が凝縮することを抑制できるため、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３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。本実施例では、電極６の上流側に板９０を設置すると共に、下流側にも板９１を設置している。なお、電極６の中心軸を中心とした筒を該電極６の周りに設置して、電極６を取り囲んでもよい。なお、実施例１または２と同じ部材については同じ符号を付して説明を省略する。
電極６の下流側の板９１は、ケース４から中心軸Ａ方向に伸びている。板９１の中心軸Ａ側の端部は、触媒担体２と接触しないように電極室８内の触媒担体２の外周面よりも外側に位置する。また、板９１は、内管３及びマット５とも接触しないように設置される。電極６よりも下流側の板９１の形状と、電極６よりも上流側の板９１の形状と、は電極６の中心軸に関して線対称である。なお、実施例１の板９と同様に、板９０，９１を内管３に設置してもよい。
このように、電極６の下流側にも板９１を設置することにより、電極６及び絶縁部７に排気がより当たり難くなるため、電極６及び絶縁部７で水が凝縮することをより抑制できる。これにより、電極６からケース４へ電気が流れることを抑制できる。
ここで、電極６及び絶縁部７から板９までの距離が短いと、電極６へ通電したときに該電極６及び絶縁部７と、板９と、の間で放電が起こる虞がある。これに対し、板９の材料に絶縁材を用いることにより、放電が起こることを抑制できる。そこで本実施例では、電極６及び絶縁部７と、板９との空間距離が、放電が起こらない距離の下限値（以下、要求空間距離という。）よりも短い場合には、板９の材料に絶縁体を用いる。要求空間距離は、電気の絶縁に必要となる空間距離ともいえる。
図４及び図５は、要求空間距離Ｄと、電極６及び絶縁部７から板９までの距離Ｃと、の関係を示した図である。図４では、要求空間距離Ｄよりも、電極６及び絶縁部７から板９までの距離Ｃのほうが短い。この場合、板９の材料には絶縁体を用いる。一方、図５では、要求空間距離Ｄよりも、電極６及び絶縁部７から板９までの距離Ｃのほうが長い。この場合、板９の材料には絶縁体を用いる必要はなく、導電体を用いることができるため、例えば耐久性に優れたステンレス鋼材を用いることができる。なお、電極６及び絶縁部７から板９までの距離Ｃに関わりなく、板９の材料に絶縁体を用いることもできる。
このようにして、電極６及び絶縁部７と、板９と、の間で放電が起こり得るときには、板９の材料に絶縁体を用いることで、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、放電が起こり得ないときには、板９の材料に導電体を用いることで、板９の耐久性を向上させることができる。
同様に、板９，９０，９１からケース４又は触媒担体２までの距離が短いと、電極６へ通電したときに該ケース４又は触媒担体２と、板９，９０，９１と、の間で放電が起こる虞がある。そこで本実施例では、板９，９０，９１に導電体を用いる場合には、ケース４又は触媒担体２と、板９，９０，９１との空間距離を、要求空間距離Ｄよりも長くしてもよい。
図６は、板９からケース４までの距離Ｅ、及び、板９から触媒担体２までの距離Ｆの関係を示した図である。板９に導電体を用いる場合には、板９からケース４までの距離Ｅと、板９から触媒担体２までの距離Ｆと、の和が、要求空間距離Ｄ以上となるように夫々の部材の形状を決定する。
また、図７は、要求空間距離Ｄと、板９０から触媒担体２までの距離Ｇと、の関係を示した図である。板９０に導電体を用いる場合には、板９０から触媒担体２までの距離Ｇが、要求空間距離Ｄ以上となるように夫々の部材の形状を決定する。電極６よりも下流側に板９１を設ける場合にも同様に考える。
このようにして、板９，９０，９１を介してケース４へ電気が流れることを抑制できる。
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 板
３１ 孔
４１ 孔
５１ 孔

Claims (4)

  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、前記電極よりも上流側及び下流側におい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、
    前記電極室内において前記電極よりも排気の流れ方向で上流側に設けられ該電極室内を流通する排気が当たり、前記電極室の一部を仕切る仕切部と、
    を備える電気加熱式触媒。
  2. 前記仕切部は、前記電極室内において該電極室内に流入した排気が前記電極に向かって直進する経路上に設けられる請求項１に記載の電気加熱式触媒。
  3. 前記仕切部と前記絶縁部との距離が、電気の絶縁に必要となる空間距離未満の場合には、前記仕切部は絶縁体からなる請求項１または２に記載の電気加熱式触媒。
  4. 前記仕切部と前記絶縁部との距離が、電気の絶縁に必要となる空間距離以上の場合には、前記仕切部は導電体からなる請求項１または２に記載の電気加熱式触媒。
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