JP7363725B2 - 触媒装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気加熱式の触媒を備える触媒装置に関する。

発熱体への通電によって触媒を加熱する電気加熱式の触媒が知られている。触媒は、触媒を収容する管状のケースに対して電気的に絶縁された状態で取り付けられている。こうした電気加熱式の触媒では、排気に含まれる粒子状物質または凝縮水が付着することによって触媒とケースとの短絡が生じると、ケースにも電気が流れ、触媒を加熱する効率が低下することがある。

特許文献１には、触媒よりも排気の流れ方向における上流側において、管が二重になっている触媒装置が開示されている。二重になった管のうち内側に位置する内管の端部は、触媒が取り付けられている位置から上流側に向かって突出している。内管は、絶縁体によって成形されている。さらに、ケースは、内管の端部よりも上流側に、下流側に向けて突出して内管の端部を向いている導入部を備えている。特許文献１に開示されている触媒装置では、内管および導入部によって排気の流れを制御することで、ケースと内管との間への粒子状物質または凝縮水の付着を抑制して、触媒とケースとの短絡を抑制するように構成している。

国際公開第２０１３／１０５２４６号

特許文献１に開示されているような触媒装置でも、粒子状物質または凝縮水がケースと内管との間に入り込み内管の外周面に付着する余地がある。粒子状物質の付着および凝縮水の付着をより抑制して、触媒とケースとの短絡を抑制することが求められている。

上記課題を解決するための触媒装置は、排気を浄化する触媒と、通電によって発熱して前記触媒を加熱する発熱体と、前記触媒および前記発熱体を収容する管であるケースと、前記ケース内に前記発熱体を固定する絶縁体としてのマットと、を有し、排気通路に配置される触媒装置であって、前記排気通路を排気が流れる方向を排気方向として、前記排気方向の上流側における前記ケースの端部に接続されている管である接続管と、前記排気方向の上流側における前記接続管の端部に接続されており、前記ケースの径よりも径が小さい管である導入管と、を備え、前記排気方向の上流側における前記ケースの端部は、前記排気方向の上流側における前記発熱体の端よりも前記排気方向の上流側に突出しており、且つ電気を絶縁する絶縁部であり、前記導入管と前記接続管との接続部分を第１接続部として、前記接続管と前記ケースとの接続部分を第２接続部とすると、前記第１接続部は、前記接続管が前記導入管の外周面に接合されている第１接合部と、該第１接合部よりも前記排気方向の下流側において前記接続管が前記導入管の端部を覆うように重なって前記接続管と前記導入管とが径方向に離れていることで管が二重になっている二重管構造と、を有し、前記第２接続部は、前記接続管が前記ケースの外周面に接合されている第２接合部を有し、前記第１接続部と前記第２接続部との間は、前記ケースの内部に前記導入管が配置されており、前記導入管と前記ケースとが径方向に離れており、前記ケースと前記接続管とが径方向に離れていることで、管が三重になっている三重管構造を有することをその要旨とする。

上記構成では、三重管構造を有するため、第２接続部におけるケースと接続管との間の部分に排気が到達する場合には、まず、ケースに流入した排気が上流側に流れの方向を変えて導入管とケースとの間を通過して、第１接続部の二重管構造に流入する。次に、さらに排気が下流側へと流れの方向を変えてケースと接続管との間に流れ込むことになる。このように、排気の流れの方向が反転を繰り返さない限りは第２接続部におけるケースと接続管との間の部分に排気が到達しない。すなわち、第２接続部におけるケースと接続管との間の部分には、排気が到達しにくい。このため、第２接続部におけるケースと接続管との間の部分には、排気に含まれる粒子状物質および凝縮水が溜まりにくい。これによって、絶縁部のうち径方向外側の面に粒子状物質が堆積することを抑制できる。絶縁部が粒子状物質によって覆われて電気が流れる経路が形成されることを抑制できるため、触媒とケースとの短絡を抑制できる。以下、排気に含まれる粒子状物質のことを「ＰＭ」ということもある。

上記触媒装置の一例では、前記絶縁部は、前記ケースの端部が絶縁層によって覆われたものであり、前記ケースの端部のうち前記排気方向における上流側の先端は、前記第１接続部と前記第２接続部との間における前記三重管構造の部分に位置している。

絶縁層によって覆われたケースの端部における先端に高温の排気が吹きつけられると、先端の温度が急激に上昇して先端から絶縁層の割れが引き起こされるおそれがある。
この点、上記構成によれば、ケースの端部における先端が三重管構造の部分に位置していることで、導入管からケースに流れ込む排気がケースの端部における先端に当たることを抑制できる。これによって、高温の排気が先端に直接吹き付けられることを抑制でき、先端の温度上昇を抑制できる。すなわち、絶縁層の割れを抑制することができ、絶縁部に電気が流れる経路が形成されることを抑制できる。

上記触媒装置の一例では、前記導入管は、前記ケースの内部に挿し込まれている当該導入管の端部の径が前記排気方向の下流側ほど大きくなっている拡径部を備える。
上記構成によれば、導入管からケースに流入した排気が上流側に流れの方向を変えても、拡径部に排気が当たりやすくなる。排気が拡径部に当たることで導入管とケースとの間に排気が入り込みにくくなり、絶縁部のうち径方向外側の面まで排気が到達しにくくなる。これによって、絶縁部にＰＭおよび凝縮水が付着することによる短絡の発生を抑制できる。

上記触媒装置の一例では、前記接続管は、前記第１接続部における当該接続管の径が前記排気方向の上流側ほど小さくなっている傾斜部を備える。
上記構成によれば、導入管とケースとの間を排気が通過したとしても、第１接続部の二重管構造の部分に流入した排気は、傾斜部に当たることで再び下流側に流れを変えようとする。このとき、導入管と接続管との間に新たに排気が流入してくると、下流側に流れを変えようとした排気が上流側に押し返される。これによって、第１接続部の二重管構造の部分で排気の渦を発生させることができ、排気が第２接続部におけるケースと接続管との間の部分に流入することを抑制できる。第２接続部におけるケースと接続管との間の部分に排気が到達しにくいことによって、絶縁部のうち径方向外側の面にＰＭが堆積することを抑制できる。

上記触媒装置の一例では、前記ケースは、前記導入管を覆う当該ケースの端部の径が前記排気方向の上流側ほど小さくなっている縮径部を備える。
上記構成によれば、導入管からケースに流入した排気が上流側に流れの方向を変えても、縮径部に排気が当たりやすくなる。排気が縮径部に当たることで導入管とケースとの間を排気が通過しにくくなり、絶縁部のうち径方向外側の面まで排気が到達しにくくなる。これによって、絶縁部にＰＭおよび凝縮水が付着することによる短絡の発生を抑制できる。

触媒装置の一実施形態を備える内燃機関を示す模式図。 同実施形態にかかる触媒装置の断面図。 同実施形態にかかる触媒装置に流れる排気を模式的に示す図。 触媒装置の変更例を示す断面図。 触媒装置の他の変更例を示す断面図。 触媒装置の別の変更例を示す断面図。

以下、触媒装置の一実施形態について、図１～図３を参照して説明する。
図１は、触媒装置１０と、触媒装置１０を搭載する車両の内燃機関９０と、を示す。内燃機関９０の一例は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンである。内燃機関９０は、軽油を燃料とするディーゼルエンジンでもよい。内燃機関９０は、燃焼室から排出された排気が流れる排気通路９１を備えている。図１には、燃焼室から排出された排気が排気通路９１を通過して排気口から外部に排出される排気の流れの方向としての排気方向を矢印で表示している。触媒装置１０は、排気通路９１に配置されている。触媒装置１０は、通電によって発熱する発熱体を備える電気加熱式の触媒装置である。

図２には、触媒装置１０の中心軸に沿った直線として軸線Ｃ１を表示している。軸線Ｃ１は、排気通路９１の中心軸に沿った直線と一致している。触媒装置１０の形状は、軸線Ｃ１に対して線対称である。また、図２にも図１と同様に排気方向を示す矢印を表示している。

図２に示すように、触媒装置１０は、排気を浄化するための触媒が担持されている触媒担体３１を備えている。触媒装置１０は、触媒担体３１を収容する管であるケース２０を備えている。触媒装置１０は、ケース２０における収容部２１に触媒担体３１を固定するマット３２を備えている。触媒装置１０は、触媒担体３１に通電するための電極８１を一対備えている。図２には、一対の電極８１のうちの一方を図示している。触媒装置１０は、排気通路９１を流れる排気をケース２０内に導入する管である導入管４０を備えている。触媒装置１０は、導入管４０とケース２０とを連結する接続管５０を備えている。以下では、触媒装置１０に関して、排気方向の上流側の構成について説明する。排気方向の下流側の構成については、上流側の構成と対称であってもよいし、触媒担体３１を収容するケース２０による一重管構造でもよい。

触媒担体３１の外形は、軸線Ｃ１を中心軸とした円柱形状である。軸線Ｃ１に直交する平面における触媒担体３１の断面の輪郭は、円形である。触媒担体３１の外形としては、断面の輪郭が楕円形である円柱形状でもよいし、断面の輪郭が多角形である角柱形状でもよい。

触媒担体３１は、多孔質体である。一例として、触媒担体３１は、排気方向に延びる複数の通路が区画されているハニカム構造を備えた構造体である。触媒担体３１に担持されている触媒の一例は、三元触媒である。触媒としては、酸化触媒、または選択還元触媒等を採用することもできる。

図２に示すように、触媒担体３１には、電極８１が接続されている。一対の電極８１間に電圧をかけることによって触媒担体３１に電流が流れる。触媒担体３１に電流が流れると、触媒担体３１の電気抵抗によって触媒担体３１が発熱する。すなわち、触媒担体３１は、通電に際して電気抵抗に応じて発熱する物質であり、通電によって発熱する発熱体に相当する。触媒担体３１の一例は、炭化ケイ素を材料とするセラミックスである。なお、発熱体は、触媒担体３１とは異なる部材によって構成されていてもよい。たとえば、電極８１が接続された発熱体が、触媒担体３１に対して排気方向の上流側における部分に配置されている構成が考えられる。

マット３２は、触媒担体３１における円柱の側面に相当する面を覆っている。マット３２は、電気伝導率が小さい絶縁体である。マット３２の一例は、アルミナを主成分とする無機繊維である。マット３２は、触媒担体３１とケース２０との間に挟まれている。マット３２を触媒担体３１に巻き付けた状態の触媒担体３１およびマット３２の外径は、ケース２０における収容部２１の内径よりも大きい。マット３２が収容部２１に収容される際には、マット３２が圧縮される。圧縮されたマット３２の反発によってケース２０における収容部２１内に触媒担体３１が固定されている。マット３２によって触媒担体３１が覆われていることで、触媒担体３１に通電したときにケース２０には電気が流れないようにされている。なお、マット３２は、触媒担体３１とケース２０とを絶縁していればよい。すなわち、必ずしも触媒担体３１における側面の全体がマット３２によって覆われていなくてよい。

ケース２０は、ステンレス等の金属を材料として成形されている管である。軸線Ｃ１は、ケース２０の中心軸に沿った直線に一致している。図２に示すように、ケース２０は、収容部２１と、収容部２１に対して排気方向の上流側に位置する端部２２と、を備えている。ケース２０に収容されている触媒担体３１において排気方向における上流側の端面のことを触媒上流端３１Ａという。ケース２０のうち、触媒上流端３１Ａを境にした上流側の部分を端部２２として下流側の部分を収容部２１とする。軸線Ｃ１から収容部２１の内周面までの距離を収容部２１の内径とする。収容部２１の内径は、軸線Ｃ１が伸びている方向における収容部２１の一端から他端に亘って一定である。ケース２０の端部２２は、触媒上流端３１Ａよりも排気方向の上流側に突出している。ケース２０の端部２２は、絶縁体によって表面が覆われている。端部２２の全面を被覆している絶縁体によって端部２２に絶縁層が形成されている。ケース２０の端部２２は、絶縁部である。

ケース２０の収容部２１には、電極８１が挿入される電極挿入孔２６が開口している。電極挿入孔２６を介して、触媒担体３１に接続されている電極８１がケース２０の外に突出している。電極挿入孔２６は、電極保持部８２によって閉塞されている。電極保持部８２は、電極挿入孔２６に挿入されている電極８１を固定している。電極保持部８２は、電気伝導率が小さい絶縁体である。電極保持部８２が電極８１を支えていることで、ケース２０に電気が流れないようにされている。

ケース２０の端部２２は、ケース２０のうち排気方向の上流側の端に位置する縮径部２４と、縮径部２４と収容部２１との間に位置して縮径部２４と収容部２１とを繋ぐ等径部２３とを備えている。軸線Ｃ１から等径部２３の内周面までの距離を等径部２３の内径とする。等径部２３の内径は、軸線Ｃ１が伸びている方向における等径部２３の一端から他端に亘って一定である。等径部２３の内径は、収容部２１の内径と等しい。

図２に示すように、ケース２０の端部２２のうち縮径部２４では、排気方向の上流側ほど軸線Ｃ１までの距離が短くなるように、管が徐々に細くなっている。すなわち、縮径部２４の内径は、排気方向の上流側ほど小さい。ケース２０では、排気方向の上流側における開口、すなわち縮径部２４のうち排気方向の上流側における先端に位置するケース開口２５において、内径が最も小さくなっている。

ケース２０の端部２２における管の肉厚は、軸線Ｃ１が伸びている方向における端部２２の一端から他端に亘って一定である。端部２２の肉厚は、一定であることに限らない。たとえば、縮径部２４の肉厚が排気方向の上流側ほど小さくなっていてもよい。

図２に示すような触媒装置１０の中心軸に沿った断面において、縮径部２４における内周面は、排気方向の上流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が短くなるように、軸線Ｃ１に対して傾斜している。縮径部２４における外周面も同様に、排気方向の上流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が短くなるように、軸線Ｃ１に対して傾斜している。なお、縮径部２４は、図２に示すような断面において、排気方向の上流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が短くなるように湾曲していてもよい。

図２に示すように、導入管４０は、ケース２０よりも細い管である。軸線Ｃ１は、導入管４０の中心軸に沿った直線に一致している。導入管４０は、ステンレス等の金属を材料として成形されている。導入管４０は、ケース開口２５からケース２０に挿入されている。より詳しくは、導入管４０における排気方向の下流側の端部である導入端部４１がケース２０の端部２２に挿し込まれている。導入管４０の中心軸は、ケース２０の中心軸と重なっている。

導入管４０の導入端部４１は、拡径部４２を備えている。拡径部４２は、排気方向の下流側ほど軸線Ｃ１までの距離が長くなるように、管が徐々に太くなっている。すなわち、拡径部４２の内径は、排気方向の下流側ほど大きい。導入管４０では、排気方向の下流側における開口、すなわち拡径部４２のうち排気方向の下流側における先端に位置する導入口４３において、内径が最も大きくなっている。

導入管４０の拡径部４２における管の肉厚は、軸線Ｃ１が伸びている方向における拡径部４２の一端から他端に亘って一定である。拡径部４２の肉厚は、一定であることに限らない。たとえば、拡径部４２の肉厚が排気方向の上流側ほど小さくなっていてもよい。

図２に示すような触媒装置１０の中心軸に沿った断面において、拡径部４２における内周面は、排気方向の下流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が長くなるように、軸線Ｃ１に対して傾斜している。拡径部４２における外周面も同様に、排気方向の下流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が長くなるように、軸線Ｃ１に対して傾斜している。なお、拡径部４２は、図２に示すような断面において、排気方向の下流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が長くなるように湾曲していてもよい。

導入管４０の外周面４０Ａと、ケース２０の端部２２における内周面２２Ｂとは、触媒装置１０の径方向において離れている。導入管４０とケース２０との間には、排気が通過できる空間がある。なお、図２には、触媒装置１０の径方向を示す矢印を表示している。以下では、軸線Ｃ１との間の距離が長くなる方向のことを外方向といい、軸線Ｃ１との間の距離が短くなる方向のことを内方向ということもある。

図２に示すように、触媒装置１０では、導入管４０の拡径部４２に対して外方向にケース２０の縮径部２４が位置するように、拡径部４２と縮径部２４とが重なっている。導入管４０における拡径部４２のうち軸線Ｃ１が伸びている方向において導入口４３とは反対側の基端は、ケース２０のケース開口２５よりも排気方向の下流側に配置されている。拡径部４２のうち外径が最も大きい箇所での外径は、縮径部２４のうち内径が最も小さい箇所での内径よりも小さい。

触媒装置１０では、図２に示すような触媒装置１０の中心軸に沿った断面において、拡径部４２の外周面と縮径部２４の内周面とが平行である。径方向において拡径部４２と縮径部２４とが離れているのであれば、拡径部４２の外周面は、必ずしも縮径部２４の内周面と平行でなくてもよい。すなわち、拡径部４２の外周面が軸線Ｃ１に対して傾斜している角度は変更が可能である。縮径部２４の内周面が軸線Ｃ１に対して傾斜している角度も変更が可能である。

図２に示すように、接続管５０は、ケース２０の端部２２および導入管４０の導入端部４１を覆うように取り付けられている。軸線Ｃ１は、接続管５０の中心軸に沿った直線に一致している。接続管５０のうち排気方向の上流側における端に位置する上流端５１が導入管４０の外周面４０Ａに接合されている。触媒装置１０において接続管５０の上流端５１と導入管４０とが接合されている部分を第１接合部１２という。接続管５０のうち排気方向の下流側における端に位置する下流端５５がケース２０の端部２２における外周面２２Ａに接合されている。触媒装置１０において接続管５０の下流端５５とケース２０とが接合されている部分を第２接合部１４という。接続管５０が導入管４０およびケース２０に接合されていることで、導入管４０とケース２０との間の空間に封がされている。

接続管５０は、ステンレス等の金属を材料として成形されている。接続管５０は、導入管４０に接合される上流端５１を含む部材とケース２０に接合される下流端５５を含む部材とに分割されていてもよい。この場合には、二つの分割体を接合することで、接続管５０によって導入管４０とケース２０とを接続することができる。また、接続管５０は、ケース２０の端部２２および導入管４０の導入端部４１に対して周方向に巻き付けられ、一方の端と他方の端とが重なる部分で両端を互いに接合することで導入管４０とケース２０とを接続するものでもよい。

接続管５０は、上流端５１を基点にして排気方向の下流側ほど軸線Ｃ１までの距離が長くなっている傾斜部５２を備えている。傾斜部５２の内周面は、径方向において導入管４０の外周面とは離れている。傾斜部５２の内周面は、導入管４０の外周面よりも外方向にずれた位置にある。傾斜部５２と導入管４０との間には、排気が流れることのできる空間がある。傾斜部５２は、ケース開口２５と同一平面上においては、ケース２０よりも外方向にずれた位置にある。

接続管５０は、下流端５５を基点にして排気方向の上流側ほど軸線Ｃ１までの距離が長くなっている終端部５４を備えている。終端部５４の内周面は、径方向においてケース２０の外周面とは離れている。終端部５４の内周面は、ケース２０の外周面よりも外方向にずれた位置にある。終端部５４とケース２０との間には、排気が流れることのできる空間がある。

接続管５０は、傾斜部５２と終端部５４との間に位置して傾斜部５２と終端部５４とを繋ぐ中間部５３を備えている。中間部５３の内径は、軸線Ｃ１が伸びている方向における中間部５３の一端から他端に亘って一定である。中間部５３の内周面は、径方向においてケース２０の外周面とは離れている。中間部５３の内周面は、ケース２０の外周面よりも外方向にずれた位置にある。中間部５３とケース２０との間には、排気が流れることのできる空間がある。

接続管５０における傾斜部５２と中間部５３との境界は、ケース開口２５よりも排気方向の下流側に配置されていてもよい。これに限らず、傾斜部５２と中間部５３との境界は、ケース開口２５と同一平面上に配置されていてもよいし、ケース開口２５よりも排気方向の上流側に配置されていてもよい。

接続管５０における中間部５３と終端部５４との境界は、導入口４３よりも排気方向の下流側に配置されていてもよい。これに限らず、中間部５３と終端部５４との境界は、導入口４３と同一平面上に配置されていてもよいし、導入口４３よりも排気方向の上流側に配置されていてもよい。

図２に示すような触媒装置１０の中心軸に沿った断面において、傾斜部５２の内周面は、排気方向の下流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が長くなるように、軸線Ｃ１に対して傾斜している。終端部５４の内周面は、排気方向の上流側であるほど軸線Ｃ１までの距離が長くなるように、軸線Ｃ１に対して傾斜している。中間部５３の内周面は、軸線Ｃ１と平行である。

触媒装置１０では、接続管５０のうち上流端５１に近い部分が導入管４０を覆うように重なっていることによって、管が二重になった二重管構造Ｄ１が形成されている。図２に示すように、二重管構造Ｄ１は、第１接合部１２からケース開口２５までの範囲に形成されている。第１接合部１２および二重管構造Ｄ１によって、導入管４０と接続管５０との接続部分である第１接続部１１が構成されている。

触媒装置１０では、接続管５０のうち下流端５５に近い部分がケース２０を覆うように重なっていることによって、管が二重になった二重管構造Ｄ２が形成されている。図２に示すように、二重管構造Ｄ２は、第２接合部１４から導入口４３までの範囲に形成されている。第２接合部１４および二重管構造Ｄ２によって、ケース２０と接続管５０との接続部分である第２接続部１３が構成されている。

さらに触媒装置１０では、接続管５０が導入端部４１およびケース２０の端部２２を覆うように重なっていることによって、管が三重になった三重管構造Ｔ１が形成されている。三重管構造Ｔ１は、第１接続部１１と第２接続部１３との間に位置している。

三重管構造Ｔ１では、導入管４０よりも外方向に、ケース２０と接続管５０とが順に重なっている。三重管構造Ｔ１のうち導入管４０とケース２０とによって挟まれている空間は、排気方向の下流側ではケース２０の内部に通じている。三重管構造Ｔ１のうち導入管４０とケース２０とによって挟まれている空間は、排気方向の上流側では、二重管構造Ｄ１における接続管５０と導入管４０とによって挟まれている空間に通じている。三重管構造Ｔ１のうちケース２０と接続管５０とによって挟まれている空間は、排気方向の上流側では、二重管構造Ｄ１における接続管５０と導入管４０とによって挟まれている空間に通じている。三重管構造Ｔ１のうちケース２０と接続管５０とによって挟まれている空間は、排気方向の下流側では、二重管構造Ｄ２における接続管５０と導入管４０とによって挟まれている空間に通じている。

以上のように、触媒装置１０は、触媒担体３１よりも排気方向の上流側の部分に、二重管構造Ｄ１、二重管構造Ｄ２および三重管構造Ｔ１を備えている。二重管構造Ｄ１、二重管構造Ｄ２および三重管構造Ｔ１によって、排気が流れ込むことのできるラビリンス構造が形成されている。

本実施形態の作用について説明する。
図３を用いて、導入管４０からケース２０に流入する排気の流れについて説明する。図３には、排気の流れの一例を矢印で表示している。

触媒装置１０では、導入管４０からケース２０に流入する排気は、導入管４０が拡径部４２を備えていることによって外方向に拡散されやすい。ケース２０に流入した排気は、触媒担体３１を通過して排出される。このとき、導入管４０からケース２０に流入する排気の一部は、触媒担体３１の触媒上流端３１Ａに衝突して流れの方向を変える。触媒上流端３１Ａに衝突した排気が外方向に流れると、図３に示すようにケース２０の端部２２における内周面２２Ｂに沿って、排気方向の上流側に向かって排気が逆流する。

触媒装置１０では、触媒上流端３１Ａに対して上流側にケース２０の縮径部２４が配置されている。このため、触媒上流端３１Ａに衝突して逆流した排気は、縮径部２４に当たることがある。また、触媒上流端３１Ａに対して上流側には、導入管４０の拡径部４２も配置されている。このため、触媒上流端３１Ａに衝突して逆流した排気は、拡径部４２に当たることもある。排気が縮径部２４または拡径部４２に衝突することで、排気の逆流が抑制される。

縮径部２４に衝突した排気の一部は、図３に示すように縮径部２４の傾斜に従って内方向に流れることができる。内方向に流れた排気は、導入管４０とケース２０との間を通過する。導入管４０とケース２０との間を通過した排気は、第１接続部１１における導入管４０と接続管５０との間に流入する。

第１接続部１１における導入管４０と接続管５０との間に流入した排気は、傾斜部５２に衝突する。傾斜部５２に衝突した排気は、下流側に流れを変えようとする。このとき、導入管４０と接続管５０との間に新たに排気が流入してくると、下流側に流れを変えようとした排気が上流側に押し返される。これによって、第１接続部１１における導入管４０と接続管５０との間では、図３に示すように排気が渦を巻くようになる。排気の渦が形成されることで、第１接続部１１における導入管４０と接続管５０との間には排気が滞留しやすい。

本実施形態の効果について説明する。
（１）触媒装置１０によれば、触媒上流端３１Ａに衝突した排気の流れの方向が反転を繰り返さない限りは第２接続部１３の二重管構造Ｄ２におけるケース２０と接続管５０との間の部分に排気が到達しない。すなわち、第２接続部１３におけるケース２０と接続管５０との間の部分には、排気が到達しにくい。このため、ケース２０と接続管５０との間の部分には、ＰＭおよび凝縮水が溜まりにくい。これによって、ケース２０の端部２２のうち外周面２２ＡにＰＭが堆積することを抑制できる。

端部２２に形成されている絶縁層がＰＭによって覆われることを抑制できるため、電気が流れる経路が端部２２に形成されることを抑制できる。これによって、発熱体である触媒担体３１とケース２０との短絡を抑制できる。

（２）触媒担体３１とケース２０との間で電気を絶縁するための絶縁部では、その表面積が大きいほど、ＰＭが堆積することによって形成されうる電気が流れる経路が形成されにくい。このため、絶縁部の表面積が大きいほど、触媒担体３１とケース２０との短絡が発生しにくい。また、絶縁部の表面積が大きいほど絶縁部の全体がＰＭによって覆われてしまうことも抑制できる。たとえば、軸線Ｃ１の伸びている方向における絶縁部の長さを大きくすることによって、絶縁部の表面積を大きくすることができる。ところが、絶縁部がケースの一部であるため、絶縁部を長くすると、触媒装置の全長も大きくなりやすいという問題がある。

この点、触媒装置１０では、ケース２０の端部２２が導入管４０と接続管５０とに挟まれた位置にある。端部２２を長くしたとしても、端部２２は導入管４０と接続管５０との間に収容される。このため、触媒装置１０の全長を大きくすることなく端部２２の長さを大きくするということができる。これによって、触媒担体３１とケース２０との間で電気を絶縁するための絶縁部の長さを確保しつつ、触媒装置１０の全長が大きくなることを抑制できる。

（３）ケース２０の端部２２のように絶縁層によって覆われた絶縁部に高温の排気が吹きつけられると、温度の上昇によって絶縁層の割れが引き起こされるおそれがある。特に、ケース２０の端部２２における先端に高温の排気が吹きつけられると、先端の温度が急激に上昇しやすい。

この点、触媒装置１０では、ケース２０の端部２２における先端が三重管構造Ｔ１の部分に位置している。このため、導入管４０からケース２０に流れ込む排気がケース２０の端部２２における先端に当たることを抑制できる。これによって、高温の排気が端部２２の先端に直接吹き付けられることを抑制でき、端部２２の先端の温度上昇を抑制できる。すなわち、絶縁層の割れを抑制することができ、絶縁部に電気が流れる経路が形成されることを抑制できる。

（４）触媒装置１０では、導入管４０が拡径部４２を備えていることによって、触媒上流端３１Ａに衝突して逆流した排気が拡径部４２に当たることがある。導入管４０からケース２０に流入した排気が上流側に流れの方向を変えても、拡径部４２に排気が当たることによって、導入管４０とケース２０との間に排気が入り込みにくくなる。触媒装置１０によれば、導入管４０とケース２０との間に排気が入り込みにくいことで、ケース２０と接続管５０との間の空間まで排気が到達しにくくなる。これによって、端部２２における外周面２２ＡにＰＭおよび凝縮水が付着することを抑制できる。電気が流れる経路が端部２２に形成されることを抑制でき、発熱体である触媒担体３１とケース２０との短絡を抑制できる。

（５）触媒装置１０では、接続管５０の傾斜部５２によって排気が渦を巻くことができる。第１接続部１１における導入管４０と接続管５０との間に排気が滞留しやすくなり、第２接続部１３におけるケース２０と接続管５０との間の部分に排気が到達しにくくなる。これによって、ケース２０の端部２２における外周面２２ＡにＰＭが堆積することを抑制できる。

（６）触媒装置１０では、ケース２０の端部２２が縮径部２４を備えていることによって、触媒上流端３１Ａに衝突して逆流した排気が縮径部２４に当たることがある。導入管４０からケース２０に流入した排気が上流側に流れの方向を変えても、縮径部２４に排気が当たることによって、導入管４０とケース２０との間に排気が入り込みにくくなる。触媒装置１０によれば、導入管４０とケース２０との間に排気が入り込みにくいことで、ケース２０と接続管５０との間の空間まで排気が到達しにくくなる。これによって、端部２２における外周面２２ＡにＰＭおよび凝縮水が付着することを抑制できる。電気が流れる経路が端部２２に形成されることを抑制でき、発熱体である触媒担体３１とケース２０との短絡を抑制できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、縮径部２４を備えるケース２０を例示した。ケースは、縮径部を備えているものに限らない。

たとえば、図４に示す触媒装置１１０は、軸線Ｃ１が伸びている方向において直径が一定の管であるケース１２０を備えている。触媒装置１１０に関して、図２に示した触媒装置１０と共通の構成については同一の符号を付して説明を省略する。ケース１２０は、触媒上流端３１Ａよりも排気方向の上流側に突出している端部１２２を備えている。端部１２２の内径は、軸線Ｃ１が伸びている方向における端部１２２の一端から他端に亘って一定である。端部１２２の先端、すなわちケース開口１２５は、導入管４０の導入口４３よりも排気方向の上流側に配置されている。図４に示す触媒装置１１０では、上記実施形態における（１）～（５）と同様の効果を奏することができる。

・上記実施形態では、拡径部４２を備える導入管４０を例示した。導入管は、拡径部を備えているものに限らない。たとえば、軸線Ｃ１が伸びている方向において直径が一定の管を導入管として採用してもよい。この場合には、上記実施形態における（１）～（３）、（５）および（６）と同様の効果を奏することができる。

・上記実施形態では、ケース２０の端部２２における先端が三重管構造Ｔ１の部分に位置している。導入管とケースと接続管とによって三重管構造が形成されているのであれば、ケースの先端が三重管構造の部分に位置していることは必須の構成ではない。

たとえば、図５に示す触媒装置２１０は、排気方向の上流側における端部が下流側に折り返されているケース２２０を備えている。触媒装置２１０に関して、図２に示した触媒装置１０と共通の構成については同一の符号を付して説明を省略する。ケース２２０は、触媒上流端３１Ａよりも排気方向の上流側に突出している端部２２２を備えている。ケース２２０の外径は、軸線Ｃ１が伸びている方向におけるケース２２０の一端から他端に亘って一定である。ケース２２０の端部２２２は、先端がケース２２０内に折り曲げられている。ケース２２０の先端２２５は、向きを１８０度変えている。端部２２２において最も上流側に位置する畳み部２２３から先端２２５までの間は、ケース２２０の壁が重なって二重になっている。ケース２２０の壁は隙間なく重なっていてもよいし、径方向に離れていてもよい。畳み部２２３は、導入管４０の導入口４３よりも排気方向の上流側に配置されている。先端２２５は、導入管４０の導入口４３よりも排気方向の下流側に配置されている。図５に示す触媒装置２１０では、上記実施形態における（１）、（２）、（４）および（５）と同様の効果を奏することができる。

・図６に示す触媒装置３１０のように二重管構造および三重管構造が形成されていてもよい。触媒装置３１０に関して、図２に示した触媒装置１０と共通の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

触媒装置３１０は、ケース３２０を備えている。ケース３２０は、触媒上流端３１Ａよりも排気方向の上流側に突出している端部３２２を備えている。端部３２２の表面には、絶縁層が形成されている。端部３２２は、孔３２７が開口した蓋部３２６を備えている。蓋部３２６のうち触媒上流端３１Ａと向かい合っている面である内壁面３２６Ａは、図６に示す断面において軸線Ｃ１に対して直交している。

触媒装置３１０は、導入管３４０を備えている。導入管３４０は、導入管３４０における排気方向の下流側の先端が外方向に広がったフランジ部３４４を備えている。フランジ部３４４のうち触媒上流端３１Ａと向かい合っている面である対向面３４４Ａは、図６に示す断面において軸線Ｃ１に対して直交している。導入管３４０は、ケース３２０に挿し込まれている。なお、軸線Ｃ１からフランジ部３４４のうち最も外側に位置する外縁３４３までの距離は、孔３２７の半径よりも小さい。

触媒装置３１０は、接続管３５０を備えている。接続管３５０は、導入管３４０に接合されている上流端３５１を備えている。接続管３５０は、上流端３５１を基点として外方向に広がっている第１壁３５２を備えている。接続管３５０は、ケース３２０に接合されている下流端３５５を備えている。接続管３５０は、下流端３５５を基点として外方向に広がっている第２壁３５４を備えている。接続管３５０は、第１壁３５２と第２壁３５４とを繋ぐ中間壁３５３を備えている。

第１壁３５２における内側の面は、図６に示す断面において軸線Ｃ１に対して直交している。中間壁３５３の内径は、軸線Ｃ１が伸びている方向における一端から他端に亘って一定である。第２壁３５４における内側の面は、図６に示す断面において軸線Ｃ１に対して直交している。

触媒装置３１０では、第１壁３５２から蓋部３２６までの範囲が二重管構造になっている。蓋部３２６からフランジ部３４４までの範囲が三重管構造になっている。フランジ部３４４から第２壁３５４までの範囲が二重管構造になっている。

触媒装置３１０では、触媒上流端３１Ａに衝突して逆流した排気が、蓋部３２６の内壁面３２６Ａまたはフランジ部３４４の対向面３４４Ａに当たると、排気が導入管３４０とケース３２０との間を通過することを抑制できる。触媒装置３１０では、第１壁３５２における内側の面に衝突した排気を滞留させて、ケース３２０と接続管３５０との間に排気が流入することを抑制できる。触媒装置３１０によっても、上記実施形態と同様に、ケース３２０の端部３２２にＰＭが堆積することを抑制できる。電気が流れる経路が端部３２２に形成されることを抑制でき、発熱体である触媒担体３１とケース３２０との短絡を抑制できる。

・上記実施形態では、導入管４０の導入口４３が第２接合部１４よりも上流側に位置するように、ケース２０の内部に導入管４０が配置されている。これに限らず、導入口４３が第２接合部１４よりも下流側に位置していてもよい。軸線Ｃ１に直交する平面上に導入口４３および第２接合部１４が位置していてもよい。これらの構成では、第１接合部１２からケース開口２５までの範囲に二重管構造が形成される。さらに、ケース開口２５から第２接合部１４までの範囲に三重管構造が形成される。こうした構成であっても、上記実施形態と同様に、第２接続部１３におけるケース２０と接続管５０との間の部分に排気が到達しにくいという効果を奏することができる。

・上記実施形態では、金属を材料としたケース２０を例示したが、ケースは絶縁体によって成形されていてもよい。ケースそのものが絶縁体である場合には、端部を絶縁層によって被覆しなくてもよい。

・上記実施形態では、傾斜部５２と終端部５４とを中間部５３によって繋いでいる接続管５０を例示した。接続管としては、中間部５３が省略されて傾斜部５２と終端部５４とが繋がっていてもよい。

１０…触媒装置
１１…第１接続部
１２…第１接合部
１３…第２接続部
１４…第２接合部
２０…ケース
２１…収容部
２２…端部
２２Ａ…外周面
２２Ｂ…内周面
２４…縮径部
３１…触媒担体
３１Ａ…触媒上流端
３２…マット
４０…導入管
４２…拡径部
５０…接続管
５２…傾斜部
９０…内燃機関
９１…排気通路
Ｄ１，Ｄ２…二重管構造
Ｔ１…三重管構造

Claims (5)

1. 排気を浄化する触媒と、通電によって発熱して前記触媒を加熱する発熱体と、前記触媒および前記発熱体を収容する管であるケースと、前記ケース内に前記発熱体を固定する絶縁体としてのマットと、を有し、排気通路に配置される触媒装置であって、
   前記排気通路を排気が流れる方向を排気方向として、前記排気方向の上流側における前記ケースの端部に接続されている管である接続管と、
   前記排気方向の上流側における前記接続管の端部に接続されており、前記ケースの径よりも径が小さい管である導入管と、を備え、
   前記排気方向の上流側における前記ケースの端部は、前記排気方向の上流側における前記発熱体の端よりも前記排気方向の上流側に突出しており、且つ電気を絶縁する絶縁部であり、
   前記導入管と前記接続管との接続部分を第１接続部として、前記接続管と前記ケースとの接続部分を第２接続部とすると、
   前記第１接続部は、前記接続管が前記導入管の外周面に接合されている第１接合部と、該第１接合部よりも前記排気方向の下流側において前記接続管が前記導入管の端部を覆うように重なって前記接続管と前記導入管とが径方向に離れていることで管が二重になっている二重管構造と、を有し、
   前記第２接続部は、前記接続管が前記ケースの外周面に接合されている第２接合部を有し、
   前記第１接続部と前記第２接続部との間は、前記ケースの内部に前記導入管が配置されており、前記導入管と前記ケースとが径方向に離れており、前記ケースと前記接続管とが径方向に離れていることで、管が三重になっている三重管構造を有し、
   前記排気方向の上流側における前記第２接合部の端は、前記排気方向の下流側における前記導入管の端よりも、前記排気方向の下流側に位置している
   触媒装置。
2. 前記絶縁部は、前記ケースの端部が絶縁層によって覆われたものであり、
   前記ケースの端部のうち前記排気方向における上流側の先端は、前記第１接続部と前記第２接続部との間における前記三重管構造の部分に位置している
   請求項１に記載の触媒装置。
3. 前記導入管は、前記ケースの内部に挿し込まれている当該導入管の端部の径が前記排気方向の下流側ほど大きくなっている拡径部を備える
   請求項１または２に記載の触媒装置。
4. 前記接続管は、前記第１接続部における当該接続管の径が前記排気方向の上流側ほど小さくなっている傾斜部を備える
   請求項１～３のいずれか一項に記載の触媒装置。
5. 前記ケースは、前記導入管を覆う当該ケースの端部の径が前記排気方向の上流側ほど小さくなっている縮径部を備える
   請求項１～４のいずれか一項に記載の触媒装置。