JP5673683B2

JP5673683B2 - 電気加熱式触媒

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Publication number: JP5673683B2
Application number: JP2012532814A
Authority: JP
Inventors: ▲吉▼岡　衛; 衛 ▲吉▼岡; 典昭熊谷; 高木　直也; 直也高木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: US20130164185A1; EP2614889A4; CN103079701A; EP2614889A1; EP2614889B1; JPWO2012032650A1; US8911674B2; WO2012032650A1; CN103079701B

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、電極周辺の湿度が高くなり、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

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内管と、
前記発熱体と前記内管との間に圧縮された状態で設けられ電気を絶縁すると共に前記発熱体を支持し、前記内管よりも排気の流れ方向に短い内側マットと、
前記内管と前記ケースとの間に圧縮された状態で設けられ電気を絶縁すると共に前記内管を支持し、前記内管よりも排気の流れ方向に短い外側マットと、
を備え、
前記内管と前記外側マットとの接触面において該内管に作用する単位面積当たりの荷重が、前記内側マットと前記発熱体との接触面において該発熱体に作用する単位面積当たりの荷重よりも大きい。

排気の流れ方向は、ケースまたは発熱体の中心軸方向としてもよい。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。そして、内管と外側マットとの接触面において内管に作用する単位面積当たりの荷重を、内側マットと発熱体との接触面において発熱体に作用する単位面積当たりの荷重よりも大きくすることにより、外側マットに滞留可能な水の最大量を少なくすることができる。すなわち、内側マットよりも外側マットのほうが圧縮率が高くなるために、該外側マットの体積に占める気孔の割合（気孔率ともいう）が低くなる。このため、外側マットに滞留する水の量も少なくなる。そうすると、外側マットから全ての水が蒸発し、除去されるまでの時間が短縮されるため、電極の周りの湿度の上昇を抑制できる。これにより、電極からケースへ電気が流れることを抑制できる。

本発明においては、前記外側マットは、前記内側マットよりも、排気の流れ方向に短くてもよい。すなわち、外側マットは、内管との接触面において該内管に作用する単位面積当たりの荷重が大きいために、外側マットと内管との接触面積をよりも小さくしても、内管を固定するために必要となる力を確保できる。すなわち、外側マットは、内側マットよりも、排気の流れ方向に短くしても、内管を固定することができる。また、外側マットの体積をより小さくすることができるため、該外側マットに滞留する水の量をさらに減少させることができる。これにより、電極の周りの湿度の上昇をさらに抑制することができる。

本発明においては、前記発熱体に接続される電極を備え、前記外側マットは、前記電極よりも排気の流れ方向で上流側のほうが、下流側よりも、前記内管との接触面において該内管に作用する単位面積当たりの荷重が大きくてもよい。ここで、電極よりも上流側のマットのほうが、電極よりも下流側のマットよりも、絶縁抵抗の低下に対する影響の度合いが高い。すなわち、電極よりも上流側のマットに滞留している水は、排気に押されて電極に近付く方向に移動するが、電極よりも下流側のマットに滞留している水は、排気に押されると電極から離れる方向に移動する。したがって、電極よりも上流側のマットに水が滞留し難くすることで、電極の周りの湿度が高くなることを抑制できるため、電極からケースに電気が流れることを抑制できる。

本発明においては、前記発熱体に接続される電極を備え、前記外側マットは、前記電極よりも排気の流れ方向で上流側のほうが、下流側よりも、排気の流れ方向の長さが短くてもよい。そうすると、上流側のマットの体積が小さくなるため、該上流側のマットに滞留する水の量を減少させることができる。したがって、電極よりも上流側のマットに水が滞留し難くすることで、電極の周りの湿度が高くなることを抑制できるため、電極からケースに電気が流れることを抑制できる。また、上流側の外側マットを短くした分、下流側の外側マットを長くしてもよい。

また、前記電極が、排気の流れ方向で発熱体の中心よりも上流側に接続されてもよい。そうすると、上流側の外側マットを短くし、下流側の外側マットを長くすることができる。この場合、内側のマットも、下流側よりも上流側のほうが短くなる。

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１，３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４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。

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。

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。そして、電極６を通すためにケース４には孔４１が開けられている。この孔４１の直径は、電極６の直径よりも大きい。このため、ケース４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。また、電極６を通すために内管３は電極６よりも上流側と下流側とに分割され、夫々電極６と離して設置されている。

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。

マット５は、内管３と触媒担体２との間に設けられる内側マット５１，５２と、ケース４と内管３との間に設けられる外側マット５３，５４と、からなる。また、内側マット５１，５２は、電極６よりも上流側の内側マット５１と、電極よりも下流側の内側マット５２と、からなる。さらに、外側マット５３，５４は、電極よりも上流側の外側マット５３と、電極よりも下流側の外側マット５４と、からなる。

そして、電極６の周りにおいて、触媒担体２の外側で且つケース４の内側では、触媒担体２、内管３、ケース４、マット５で囲まれる閉じられた空間である電極室８が形成される。

内側マット５１，５２と、外側マット５３，５４とは、排気の流れ方向の長さが略同じである。また、電極６よりも上流側の内側マット５１と、電極よりも下流側の内側マット５２とは、排気の流れ方向の長さが略同じである。さらに、電極よりも上流側の外側マット５３と、電極よりも下流側の外側マット５４とは、排気の流れ方向の長さが略同じである。

さらに、内管３は、排気の流れ方向（中心軸Ａの方向としてもよい。）の長さがマット５より長い。すなわち、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。

内側マット５１，５２は、触媒担体２の外周に巻きつけられる。そして、その後に、内管３の内側に挿入される。触媒担体２に内側マット５１，５２を巻きつけたときの該内側マット５１，５２の外径は、内管３の内径よりも大きい。このため、内管３内に内側マット５１，５２を収容するときには、該内側マット５１，５２が圧縮されるため、該内側マット５１，５２の反発力により内管３内に触媒担体２が固定される。

また、外側マット５３，５４は、内管３の外周に巻きつけられる。そして、その後に、ケース４の内側に挿入される。内管３に外側マット５３，５４を巻きつけたときの該外側マット５３，５４の外径は、ケース４の内径よりも大きい。このため、ケース４内に外側マット５３，５４を収容するときには、該外側マット５３，５４が圧縮されるため、該外側マット５３，５４の反発力によりケース４内に内管３が固定される。

そして、内管３と外側マット５３，５４との接触面において該内管３に作用する単位面積当たりの荷重は、内側マット５１，５２と触媒担体２との接触面において該触媒担体２に作用する単位面積当たりの荷重よりも大きい。たとえば、ケース４に収容されたときの外側マット５３，５４の圧縮率を、内管３に収容されたときの内側マット５１，５２の圧縮率よりも高くすることで前記荷重を大きくすることができる。そして、外側マット５３，５４の圧縮率を高くするためには、たとえば、内管３に外側マット５３，５４を巻きつけた後の該外側マット５３，５４の外径を大きくすればよい。同様に、ケース４に収容する前の外側マット５３，５４の厚さをより大きくしてもよい。

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との間の外側マット５３，５４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。このようにして、電極室８の湿度が高くなると、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、外側マット５３，５４と内管３との接触面において該内管３に作用する単位面積当たりの荷重を大きくすることで、該外側マット５３，５４へ水が浸入することを抑制できる。また、外側マット５３，５４へ浸入する水の量を減少させることができる。すなわち、外側マット５３，５４の圧縮率が高くなるため、外側マット５３，５４内の気孔率が小さくなるので、該外側マット５３，５４に滞留可能な水の最大量を少なくすることができる。このため、水が蒸発して外側マット５３，５４から除去されるまでの時間を短縮することができる。これにより、触媒担体２へ早期に通電が可能となる。また、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、内側マット５１，５２及び外側マット５３，５４が、電極６よりも上流側と下流側とで分かれているものとして説明したが、これらは、上流側と下流側とで一体となっていてもよい。この場合、電極室８を形成するために、マット５に孔を開けてもよい。

また、触媒担体２に用いられるＳｉＣは、内管３に用いられるアルミナよりも強度が低いため、内側マット５１，５２の圧縮率を高くすると、触媒担体２に作用する応力が大きくなるため、該触媒担体２が破損する虞がある。一方、内管３は触媒担体２よりも強度が高いため、外側マット５３，５４の圧縮率をより高くすることができる。すなわち、本実施例によれば、触媒担体２の破損を抑制しつつ、外側マット５３，５４に滞留する水の量を減少させることができる。

（参考例）
実施例１で説明したように、外側マット５３，５４に滞留可能な水の量を、内側マット５１，５２よりも少なくすることにより、電極室８内の湿度を早期に減少させることができる。このため、外側マット５３，５４の材料に気孔率の低いものを使用してもよい。すなわち、内側マット５１，５２と、外側マット５３，５４とで、材料が異なっていてもよい。

ここで、内側マット５１，５２は、触媒担体２からの熱により高温となる。このため、高い耐熱性が要求される。一方、外側マット５３，５４は、触媒担体２から離れており、且つケース４の外側の外気により冷却されるため、温度が比較的低い。このため、耐熱性は低くてもよいので、材料の選択範囲がより広くなる。

図２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。実施例１では、内側マット５１，５２と、外側マット５３，５４との、排気の流れ方向の長さが略同じであったが、本実施例では、外側マット５３，５４のほうが短い。

ここで、外側マット５３，５４の圧縮率を高くすることで、内管３を支持する力が増すため、その分、外側マット５３，５４の中心軸Ａ方向の長さを短くしても、内管３を固定することが可能である。すなわち、外側マット５３，５４と内管３との接触面積が狭くなったとしても、前記荷重が大きくなっているため、内管３を支持することができる。このように、外側マット５３，５４の中心軸Ａ方向の長さを短くすることにより、該外側マット５３，５４の体積を減少させることができる。これにより、外側マット５３，５４に滞留する水の量をさらに減少させることができるため、外側マット５３，５４から水をより早期に除去することができる。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。

実施例１においては、電極６よりも上流側の外側マット５３と、電極６よりも下流側の外側マット５４と、で、内管３に作用する単位面積当たりの荷重が同じであった。一方、本実施例では、電極６よりも上流側の外側マット５３のほうが、下流側の外側マット５４よりも、前記荷重が大きい。なお、実施例２と同様に、外側マット５３，５４の中心軸Ａ方向の長さを内側マット５１，５２よりも短くしてもよい。

例えば、電極６よりも上流側の外側マット５３のほうが、電極６よりも下流側の外側マット５４よりも、圧縮率が高くなるようにする。このため、電極６よりも上流側の内管３の外径を、電極６よりも下流側の内管３の外径よりも大きくしてもよい。また、例えば、電極６よりも上流側のケース４の内径を、電極６よりも下流側のケース４の内径よりも小さくしてもよい。さらには、内管３に外側マット５３，５４を巻きつけたときの該外側マット５３，５４の外径を、下流側よりも上流側のほうが大きくなるようにしてもよい。これらの少なくとも１つにより、電極６よりも上流側の外側マット５３のほうが内管３に作用する単位面積当たりの荷重が大きくなる。

このように構成された電気加熱式触媒１では、外側マット５３，５４に滞留する水の量が、下流側よりも上流側のほうで少なくなる。ここで、外側マット５３，５４に滞留している水は、排気に押されて上流側から下流側へ流れる。このため、電極６よりも上流側の外側マット５３に滞留する水のほうが、電極６よりも下流側の外側マット５４に滞留する水よりも、電極室８内の湿度に与える影響が大きい。これに対して、電極６よりも上流側の外側マット５３が内管３に作用する単位面積当たりの荷重を相対的に高くしている。そうすると、電極６よりも上流側の外側マット５３に滞留する水の量が少なくなるため、電極室８内の湿度の上昇を抑制できる。このため、電極６よりも上流側の外側マット５３に滞留する水をより早期に除去することができる。これにより、電極６からケース４に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１の概略構成を示す図である。本実施例では、電極６よりも上流側の内側マット５１及び外側マット５３の排気の流れ方向の長さを、電極６よりも下流側の内側マット５２及び外側マット５４よりも短くする。このため、電極６を触媒担体２の中心よりも排気の流れ方向で上流側に設置している。なお、電極６よりも上流側の内側マット５１及び外側マット５３の排気の流れ方向の長さは、内管３を支持するために必要となる長さの下限値以上とする。

ここで、外側マット５３，５４に滞留している水は、排気に押されて上流側から下流側へ流れる。このため、電極６よりも上流側の外側マット５３に滞留する水のほうが、電極６よりも下流側の外側マット５４に滞留する水よりも、電極室８内の湿度に与える影響が大きい。すなわち、電極６よりも上流側の外側マット５３に滞留可能な水の量を減少させれば、電極６よりも下流側の外側マット５４に滞留可能な水の量が増加しても、電極室８の湿度が高くなることを抑制できる。そして、排気の流れ方向の長さを短くすることにより、電極６よりも上流側の外側マット５３に滞留可能な水の量を減少させることにより、該外側マット５３内の水をより早期に除去することができる。これにより、電極６からケース４に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
４１孔
５１内側マット
５２内側マット
５３外側マット
５４外側マット

Claims

通電により発熱し、触媒が担持されるか又は触媒よりも上流に設けられる発熱体と、
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内管と、
前記発熱体と前記内管との間に圧縮された状態で設けられ電気を絶縁すると共に前記発熱体を支持し、前記内管よりも排気の流れ方向に短い内側マットと、
前記内管と前記ケースとの間に圧縮された状態で設けられ電気を絶縁すると共に前記内管を支持し、前記内管よりも排気の流れ方向に短い外側マットと、
前記発熱体に接続される電極と、
を備え、
前記内管と前記外側マットとの接触面において該内管に作用する単位面積当たりの荷重が、前記内側マットと前記発熱体との接触面において該発熱体に作用する単位面積当たりの荷重よりも大きく、
前記電極よりも排気の流れ方向の上流側及び下流側の夫々において、前記外側マットは、前記内側マットよりも、排気の流れ方向に短い電気加熱式触媒。
前記外側マットは、前記電極よりも排気の流れ方向で上流側のほうが、下流側よりも、前記内管との接触面において該内管に作用する単位面積当たりの荷重が大きい請求項１に記載の電気加熱式触媒。
前記外側マットは、前記電極よりも排気の流れ方向で上流側のほうが、下流側よりも、排気の流れ方向の長さが短い請求項１に記載の電気加熱式触媒。
前記電極が、排気の流れ方向で発熱体の中心よりも上流側に接続される請求項３に記載の電気加熱式触媒。