JP6462636B2 - 電気的に加熱可能な触媒コンバータとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気的に加熱可能な触媒コンバータとその製造方法に関する。

ガス流の処理のための触媒コンバータは、特に、自動車の内燃機関の排気ガスの浄化との関連で、一般的に良く知られている。触媒コンバータは、多くの部品を含み、特に、３ウェイ触媒コンバータ、炭化水素アブソーバ、及び、網状組織、格子、又はハニカム体として実現される多孔性構造を有している。このようなシステムは、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

このような触媒コンバータの問題点は、コールドスタートフェイズで機能することである。これを確実にするために、例えば、特許文献３には、排気ガスを加熱するように機能する電気的に加熱可能なハニカム体が備えられた触媒コンバータが開示されている。

ＥＰ ０ ６３８ ７１０ Ａ２ ＥＰ ０ ４８５ １７９ Ａ２ ＤＥ １０ ２００７ ０２４ ５６３ Ａ１

従来から知られている加熱多孔性構造は、多孔性構造が形成された少なくとも導線、銅板、銅板スタックの一つに電流が流れることによって加熱効果が実現されるという原理に基づいて動作する。均一な加熱作用が望まれるので、複数の導線、銅板、銅板スタックに電流が流され、一方では、そのように製造された電流線路は、特に同一の電気抵抗値を有し、他方では、複数の導線、銅板、銅板スタックのそれぞれの間及びケースに対する絶縁を確保するように厳格に規定されている。このため、特に、導線、銅板、銅板スタックを電気的に絶縁して支持することが必要である。このすべての絶縁は、排気ガスの流れを妨げることになる。この結果、複雑で高価な製造プロセスとなり、これにより、さらに、振動により壊れやすい加熱可能な触媒コンバータが相当の故障のリスクを有することになる。

本発明の目的は、低コストで、簡単に製造でき、頑丈な電気的に加熱可能な触媒コンバータとその製造方法を提供することを目的とする。

この目的は、本発明の電気的に加熱可能な触媒コンバータとこれを製造する方法によって達成される。

本発明の電気的に加熱可能な触媒コンバータは、内燃機関の排気ガス等のガスの流れの処理のためものであり、管状ハウジングと、前記管状ハウジングによって囲まれる内部空間と、前記管状ハウジングの前記内部空間に配置された多孔構造とを有し、前記多孔構造は、電気ヒータによって加熱されるように構成され、メッシュ、スクリーン又はハニカム構造体として実現可能である。

本発明において重要なことは、前記電気ヒータは、加熱導体を有する鉱物絶縁ヒータであって、少なくとも１つの前側接続口と、少なくとも１つの金属外被とを有し、前記鉱物絶縁ヒータは、前記管状ハウジングの壁を貫通する少なくとも１つのセクションを有し、前記少なくとも１つの前側接続口は前記管状ハウジングの前記内部空間の外側に配置され、前記鉱物絶縁ヒータの前記金属外被は、前駆少なくも１つセクションにおいて前記管状ハウジングに、直接的に又は鉱物絶縁され、真空気密な導管を介して溶接又は半田付けされ、前記加熱導体は、前記管状ハウジングの前記内部空間に配置された前記鉱物絶縁ヒータの少なくとも一部で、好ましくは圧縮された絶縁体の中に完全に埋め込まれている。絶縁多体の材料としては、特にセラミック材料が適切である。

ハウジングの外側に配置された前側接続口を有する金属外被を有する鉱物絶縁ヒータを用いることで、所望の電気絶縁が確実にされ、金属外被とハウジングへの溶接又は半田付けにより寸法的に安定し、振動に強い電気ヒータとすることができる。

鉱物絶縁ヒータの少なくとも一部が巻かれて特にメッシュ、スクリーン又はハニカム構造体などの多孔構造へ配置されることで、多孔構造の均一な加熱が可能になる。これは、鉱物絶縁ヒータが、例えば、異なる半径で同心の巻線のコイルスプリング形状になどにより螺旋形状で構成されることで得られる。

鉱物絶縁ヒータが多孔構造へ半田付け、特に真空半田付けをされることで、振動に対するさらなる安定性が得られる。

金属外被を有する鉱物絶縁ヒータを使用することの特別な利点は、鉱物絶縁ヒータの断面形状を望みのものにすることができることである。特に、鉱物絶縁ヒータが配置されている触媒コンバータのセクション内のガスの流れは、この形状の調整により影響を受け、この形状の調整により均質な加熱が可能になる。

鉱物絶縁ヒータは、ガスの流れの方向の断面の方が多孔構造の壁に向く方向、特に、ハニカム構造他のハニカムの壁に向く方向の断面より小さいように構成し、且つ、鉱物絶縁ヒータの広がり−これは、幾何学的な広がりを意味するものとする−について、多孔構造の壁に向く方向、特に、ガスの流れの方向に延びる寸法がハニカム構造他のハニカムの壁に向く方向に延びる寸法よりも少なくとも４倍大きい、好ましくは１０倍大きい場合は、特に有利である。

鉱物絶縁ヒータの加熱エレメントが、管状ハウジングの一端に接続され、管状ハウジングが帰路導体として機能するように構成する実施形態が考えられうる。これによりケーブル敷設に必要なコストを削減することができる。

管状ハウジングを、ニッケルを少なくとも２５％、好ましくは少なくとも５０％含むインコネル合金の材料を含むように構成することは特に有利である。

所望の熱分布によっては、複数の鉱物絶縁ヒータが多孔構造の開口、得にハニカム構造の開口に設けられことができる。

本発明の、電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法は、
特に、メッシュ、スクリーン又はハニカム構造によって実現される平坦な多孔構造に鉱物絶縁ヒータを設けるステップであって、前記鉱物絶縁ヒータは、前記多孔構造に接触し、前記鉱物絶縁ヒータは少なくとも１つの前側接続口と少なくとも１つの金属外被を有し、前記鉱物絶縁ヒータは前記平坦な多孔構造に前記少なくとも１つの１つの前側接続口が平坦なハニカム構造の上に突き出るように前記平坦な多孔構造上に配置されるステップと、
前記鉱物絶縁ヒータを前記平坦な多孔構造に接触させながら前記鉱物絶縁ヒータと共に前記平坦な多孔構造を巻き上げるステップと、
前記巻き上げるステップにより巻き上げられた前記平坦な多孔構造を前記巻き上げるステップにより巻き上げられて前記平坦な多孔構造に設けられた前記鉱物絶縁ヒータの前記金属外被に半田付け、好ましくは真空半田付けして、前記導管口を真空気密に閉じるステップと、
巻かれて前記平坦な多孔構造に設けられた前記鉱物絶縁ヒータと共に、巻かれた前記平坦な多孔構造を、管状ハウジングに挿入し、前記多孔構造の上に突き出る前記少なくとも１つの前側接続口がハウジングの壁の導管口を通って前記管状ハウジング内の内部空間から突き出るようにするステップと、
前記鉱物絶縁ヒータの前記金属外被を前記管状ハウジングに直接又は鉱物絶縁された真空気密な導管を介して前記管状ハウジングに溶接又は半田付けして、前記導管口を真空気密に閉じるステップと
を有する。

この方法の大きな利点は、この方法が簡単で費用対効果の高いやり方で実施できることである。

この方法のステップは、以上に記載した方法により実行することができるが、巻き上げた多孔構造の半田付けを請求項の文言の１つのステップに従って実行することも可能である。

特に、鉱物絶縁ヒータには溶接により接続口が設けられ、半田付け、特に、真空半田付けの後で初めて接続口が開けられるようにすることが可能である。

頑丈で、電気的に加熱可能な触媒コンバータを、低コストで、簡単に製造できる。

電気的に加熱可能な触媒コンバータの第１の実施形態の断面図である。 図１に示す実施形態の鉱物絶縁ヒータの鉱物絶縁ヒータの延びる方向に垂直な方向の断面図である。 図１に示す実施形態の拡大詳細断面図であり、鉱物絶縁ヒータのヒータエレメントが位置する平面で切った断面図である。 電気的に加熱可能な触媒コンバータの第２の実施形態の断面図である。 電気的に加熱可能な触媒コンバータの第３の実施形態の断面図である。 電気的に加熱可能な触媒コンバータの第４の実施形態の断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。

同一の実施形態の異なる図面に記載された同一の部材には、同一の符号が付されている。

図１は、電気的に加熱可能な触媒コンバータ１００の第１の実施形態の断面図である。電気的に加熱可能な触媒コンバータ１００は、管状ハウジング１０１を有する。ハウジング１０１によって包囲された内部には、本実施形態においてハニカム形状に構成された多孔構造１０２が配置され、多孔構造１０２は、ハニカム形状に構成された多孔構造１０２に螺旋状に埋め込まれた電気ヒータにより加熱可能になっている。

図２に示す断面図から分かるように、電気ヒータは、互いに平行で、反対方向に延びる第１のセクション１０４ａと第２のセクション１０４ｂとを有する加熱導体１０４を有する鉱物絶縁ヒータ１０３である。この第１のセクション１０４ａと第２のセクション１０４ｂとは、鉱物絶縁ヒータ１０３の図１に示す先端１０５の付近で互いに接続されている。加熱導体１０４は、圧縮された絶縁体１０６の中に埋め込まれおり、加熱導体１０４は、完全に、すなわち、例えば、ＭｇＯによって構成され得る絶縁体１０６の中で、加熱導体１０４が延びる方向に垂直なすべての方向に埋め込まれている。さらに、鉱物絶縁ヒータ１０３は、金属外被１０８を有している。

図２に示されている鉱物絶縁ヒータ１０３は、ガスの流れる方向において、金属外被１０８の符号ａで示される側から見た場合の方が、壁多孔構造１０２に向けられる方向、つまり、この実施形態においてハニカム構造によって実現される多孔構造１０２のハニカム構造の壁の方向、すなわち金属外被１０８の符号ｂで示される側から見た場合よりも小さい断面積を有している。

さらに、ガスの流れる方向において、金属外被１０８の符号ｂで示される側に沿う鉱物絶縁ヒータ１０３の延びる長さは、壁多孔構造１０２に向けられる方向、つまり、この実施形態においてハニカム構造によって実現される多孔構造１０２のハニカム構造の壁の方向、すなわち金属外被１０８の符号ａで示される側に沿う場合よりも４倍以上大きくなっている。

図１から分かるように、鉱物絶縁ヒータ１０３は、正面接続口１０９を有している。正面接続口１０９は、鉱物絶縁ヒータ１０３のセクション１０３ａのところにあり、鉱物絶縁ヒータ１０３は管状ハウジング１０１の壁を通過して、管状のハウジングの内部から外側へ置かれる。鉱物絶縁ヒータ１０３の金属外被１０８は、このセクションで、より正確には、この管状ハウジングを貫通する点で半田付け箇所１１０としっかりと接続される。

図１の実施形態の鉱物絶縁ヒータ１０３の加熱導体１０４が置かれている平面で切った断面の詳細拡大図が図３に示されている。この図は、再び、通電加熱導体１０４が圧縮された絶縁体１０６により金属外被１０８と電気的に絶縁され、加熱導体１０４によって発生した熱が絶縁体１０６と金属外被１０８とを介して多孔構造１０２の壁構造、すなわち、本実施形態においてハニカム体のハニカム構造に伝達されることを示している。

図４に示す加熱可能な触媒コンバータ２００の実施形態は、図１から図３に示す実施形態と単に鉱物絶縁ヒータ２０３の構成が異なる。これは、図示していない圧縮されたＭｇＯ充填材に埋め込まれた帯状に構成された加熱導体２０４と、鉱物絶縁ヒータ２０３のセクション２０３ａ、２０３ｂにある２つの正面接続口２０９、２１０を有している。このセクション２０３ａ、２０３ｂは、管状ハウジング２０１を貫通して、これらが管状ハウジング２０１の内部から外側へ置かれる。鉱物絶縁ヒータ２０３の金属外被２０８は、このセクションで、より正確には、管状のハウジング２０１を貫通するそれぞれの点で半田付け箇所２１１、２１２としっかりと接続される。

さらに、図４において、加熱導体２０４に電流を供給するための接続プラグ２１３、２１４が設けられている。接続プラグ２１３、２１４は、接触ジャック２１５、２１６を有している。接触ジャック２１５、２１６は、帯状に構成された加熱導体２０４に差し込まれ、充填により金属外被２０８に固定されたプラグケース２１７、２１８に受け入れられ、電気を伝導しない充填材２１９で固定され、電気的に絶縁される。

図５は、カーブした切り口に沿った、管状ハウジング３０１を有する加熱可能な触媒コンバータ３００の実施形態の断面図である。この管状ハウジング３０１の中に、この例では、第１のハニカム構造として構成され、図４に示すものと同一の鉱物絶縁ヒータ３０３によって加熱可能な第１の多孔構造３０２と、この例では、第２のハニカム構造として構成される第２の多孔構造３２０とが埋め込まれている。この実施形態により、特に、触媒コンバータ３００の一部が加熱可能である場合に、本発明の意義において、触媒コンバータ３００が存在するものであることが明確にされる。

図６に示す触媒コンバータ４００の実施形態は、図５に示す実施形態と同様に、この実施形態では、ハニカム構造として構成される第１の多孔構造４０２と、この実施形態では、ハニカム構造として構成される第２の多孔構造４２０とを有する管状ハウジング４０１を有しており、鉱物絶縁ヒータ４０３によって第１の多孔構造４０２が加熱可能になっている。２つの実施形態の実質的な差異は、鉱物絶縁ヒータ４０３の加熱導体４０４が一端部で金属外被４０８と接続されていることであり、これにより第１の多孔構造４０２から管状ハウジング４０１に電流が帰路導体として機能するということである。

他の差異は、金属外被４０１に搭載され、鉱物絶縁体４２１が充填された導管４２１に対して管状ハウジング４０１の接触が形成されていることである。

１００、２００、３００、４００…電気的に加熱可能な触媒コンバータ
１０１、２０１、３０１、４０２…ハウジング
１０２、２０２、３０２、３２０、４０２、４２０…多孔構造
１０３、２０３、３０３、４０３…鉱物絶縁ヒータ
１０３ａ、２０３ａ、２０３ｂ、３０３ａ、４０３ａ…鉱物絶縁ヒータのセクション
１０４、２０４、３０４、４０４…加熱導体
１０４ａ…加熱導体の第１のセクション
１０４ｂ…加熱導体の第２のセクション
１０５…加熱導体の先端
１０６、２０６、３０６、４０６…絶縁
１０８、２０８、３０８、４０８…金属外被
１０９、２０９、２０１、３０９、４０９…前面接続口
１１０、２１１、２１２、３１１…半田付け箇所
２１３、２１４、３１３…接続プラグ
２１５、２１６、３１５、４１５…接触ジャック
２１７、２１８、３１７…プラグケース
２１９、３１９…充填材
４２１…導管
４２２…鉱物絶縁体
ａ、ｂ…金属外装の側

Claims (19)

1. 内燃機関の排気ガス等のガスの流れの処理のための電気的に加熱可能な触媒コンバータであって、
   管状ハウジングと、
   前記管状ハウジングによって囲まれる内部空間と、
   前記管状ハウジングの前記内部空間に配置された多孔構造とを有し、
   前記多孔構造は、電気ヒータによって加熱されるように構成され、前記電気ヒータは、加熱導体を有し、鉱物によって絶縁されたヒータであって、前記加熱導体に電気を供給するための少なくとも１つの接続部と、少なくとも１つの金属外被とを有し、前記電気ヒータは、前記管状ハウジングの壁を貫通する少なくとも１つのセクションを有し、前記少なくとも１つの接続部は前記管状ハウジングの前記内部空間の外側に配置され、前記電気ヒータの前記金属外被は、前記少なくも１つのセクションにおいて前記管状ハウジングに、直接的に、又は、鉱物によって絶縁された、真空気密な導管を介して溶接又は半田付けされ、前記加熱導体は、前記管状ハウジングの前記内部空間に配置された前記電気ヒータの少なくとも一部で圧縮された絶縁体の中に完全に埋め込まれており、前記電気ヒータは前記多孔構造に半田付けされていることを特徴とする電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
2. 前記電気ヒータの一部は、前記多孔構造の中に巻かれて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
3. 前記電気ヒータは、ガスの流れの方向の断面の方が前記多孔構造の壁に向く方向の断面より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
4. 前記電気ヒータは、ガスの流れの方向に延びる寸法が前記多孔構造の壁に向く方向に延びる寸法よりも少なくとも４倍大きいことを特徴とする請求項３に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
5. 前記電気ヒータの前記加熱導体は、一端が前記管状ハウジングに電気的に接続され、前記管状ハウジングが帰路導体として機能することを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
6. 前記管状ハウジングは、ニッケルを少なくとも２５％含むインコネル合金の材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
7. 前記多孔構造には、鉱物によって絶縁された複数のヒータが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
8. 前記圧縮された絶縁体は、セラミック絶縁体であることを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
9. 前記電気ヒータは、前記多孔構造に真空半田付けされていることを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
10. 前記電気ヒータは、ガスの流れの方向に延びる寸法が前記多孔構造の壁に向く方向に延びる寸法よりも少なくとも１０倍大きいことを特徴とする請求項３に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
11. 前記管状ハウジングは、ニッケルを少なくとも５０％含むインコネル合金の材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータ。
12. 電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法であって、
    平坦な多孔構造に鉱物によって絶縁されたヒータを設けるステップであって、前記ヒータは、加熱導体を有し、前記平坦な多孔構造に接触し、前記ヒータは、前記加熱導体に電気を供給するための少なくとも１つの接続部と少なくとも１つの金属外被を有し、前記ヒータは前記平坦な多孔構造に前記少なくとも１つの接続部が平坦なハニカム構造の上に突き出るように前記平坦な多孔構造上に配置されるステップと、
    前記ヒータを前記平坦な多孔構造に接触させながら前記ヒータと共に前記平坦な多孔構造を巻くステップと、
    前記巻くステップにより巻かれた前記平坦な多孔構造を、前記巻くステップにより巻かれて前記平坦な多孔構造に設けられた前記ヒータの前記金属外被に半田付けするステップと、
    巻かれて前記平坦な多孔構造に設けられた前記ヒータと共に、巻かれた前記平坦な多孔構造を、管状ハウジングに挿入し、前記多孔構造の上に突き出る前記少なくとも１つの接続部がハウジングの壁の導管口を通って前記管状ハウジング内の内部空間から突き出るようにするステップと、
    前記ヒータの前記金属外被を前記管状ハウジングに直接又は鉱物によって絶縁された真空気密な導管を介して前記管状ハウジングに溶接又は半田付けして、前記導管口を真空気密に閉じるステップと
    を有することを特徴とする電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。
13. 前記半田付けは、真空下で行われることを特徴とする請求項１２に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。
14. 前記ヒータの前記加熱導体は、少なくとも前記ヒータの前記管状ハウジングの前記内部空間に配置された部分の圧縮された絶縁体の中に完全に埋め込まれていることを特徴とする請求項１２に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。
15. 前記ヒータは、ガスの流れの方向の断面の方が前記多孔構造の壁に向く方向の断面より小さいことを特徴とする請求項１２に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。
16. 前記ヒータは、ガスの流れの方向に延びる寸法が前記多孔構造の壁に向く方向に延びる寸法よりも少なくとも４倍大きいことを特徴とする請求項１５に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。
17. 前記ヒータの前記加熱導体は、一端が前記管状ハウジングに電気的に接続され、前記管状ハウジングが帰路導体として機能することを特徴とする請求項１４に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。
18. 前記管状ハウジングは、ニッケルを少なくとも２５％含むインコネル合金の材料を含むことを特徴とする請求項１２に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。
19. 前記多孔構造には、鉱物によって絶縁された複数のヒータが配置されており、前記圧縮された絶縁体は、セラミック絶縁体であることを特徴とする請求項１４に記載の電気的に加熱可能な触媒コンバータを製造する方法。