JPH11500205A - 流体により貫流される異なった流れ抵抗を有する複数の流路を備えたハニカム体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ハニカム体（２）、特に触媒担体は流体により貫流される多数の流路（８、１２）を有しており、その第１の流路（１２）は第２の流路（８）よりも大きな流れ抵抗を有し、その際ハニカム体（２）は、そのような流れ抵抗が増大された流路（１２）を、円周方向に分散してハニカム体の横断面の一部分範囲だけを占めて少なくとも一つの塊体あるいは集合体（１５、１６）として有している。特に流れ抵抗が増大された流路（１２）は残りの流路（８）よりも小さな流体貫流直径を有しているか、あるいはその始端および／又はその終端におよび／又はその内側に流れを妨げる補助的な構造を備えている。このようにして、洗流状態に合わせて横断面にわたって流れ抵抗を分布したハニカム体が製造でき、これは特にスリット付きの電気加熱可能なハニカム体の後ろにおいて効果を発揮する。

Description

【発明の詳細な説明】 流体により貫流される異なった流れ抵抗を 有する複数の流路を備えたハニカム体 本発明は、ハニカム体、特に排気装置において排気ガスを触媒転換するための 触媒担体に関する。この種のハニカム体はディーゼルエンジンあるいはオットー サイクルエンジンを備えた自動車に特に使用されている。 冒頭に述べた形式のハニカム体は種々の形態のものが多数知られている。ハニ カム体はセラミックス材料で作られ、特に押出し成形される。他の形式のハニカ ム体は、部分的に構造化された板金を巻回、重ね合わせおよび／又は絡み合わせ することによって構成されている。この種のハニカム体における流路の流れ抵抗 はその形状およびその壁の構造に左右される。流路の形状および大きさは流体貫 流直径を決定し、また流路の終端および／又は内部における構造物および／又は 障害物が追加的に流れ抵抗を増大する。 配管系統において流れは全般的にほぼ放物線状の速度分布形状を有し、即ち流 速は中央で最大であり縁部で０であるので、中央範囲における流れ抵抗が外側範 囲におけるより大きくなるようにハニカム体を形成することも既に知られている 。この種のハニカム体は例えばヨーロッパ特許第０３３６１０６Ｂ１号明細書お よびヨーロッパ特許第０５４２８０５Ｂ１号明細書に記載されている。従来技術 において一般にほぼ回転対称の流れを前提としているので、異なった横断面の流 路を持ったハニカム体は、異なった横断面積の流路が常にほぼ対称的に一般には 同心的に配置されるようにされている。横断面が楕円形あるいは長円形のハニカ ム体では、互いに直交する二つの対称軸線を有する相応する配置構造にするよう に努められている。 国際特許出願公開第９０／０８２４９号、第９１／０１１７８号および第９１ ／０１８０７号明細書において、ハニカム体の流路の内部における流れ抵抗を高 める構造が知られている。これらの明細書に記載されているハニカム体およびそ の製造方法は本発明も参照することにする。 ヨーロッパ特許第０５４２７７５Ｂ１号明細書には、一体的に構成されている にも拘らず単位断面積当たりの流路の数が流れ方向に増大しているハニカム体も 記載されている。この構造形状も本発明にとって重要であるので、この明細書も 参照することにする。 多くの排気装置では、特にエンジンの近隣範囲において対称的な流れ状態が存 在していないことが判明している。触媒コンバータに使用されているハニカム体 は取付け状態に基づいて、特にエンジンの近隣範囲において偏心的におよび／又 は非対称的に洗流されるので、特定の個所において特にハニカム体の端面側に大 きな負荷がかかり、従って損傷が生じ、寿命が短くなる。 電気加熱可能なハニカム体を使用する場合にも、その後ろに配置されたハニカ ム体に不均一な洗流が生ずる。これは、電気加熱可能なハニカム体が電気的に細 分化するために電気加熱可能なハニカム体の流路よりも小さな流れ抵抗を有する 空隙を持つおそれがあるからである。 国際特許出願公開第９２／１３６３６号明細書によって排気装置における排気 ガスを触媒転換するための装置が知られている。この装置は互いに間隔をおいて 配置され排気ガスの流れ方向に直列に配置された少なくとも二つのハニカム体を 有している。各ハニカム体は流体が貫流できる流路を有している。流れ柚線の近 くに支持要素が設けられ、この支持要素によってハニカム体が互いに結合され、 互いに支持されている。流れ方向に見て最初に配置されたハニカム体は電気加熱 できる。この電気加熱可能なハニカム体はその横断面にわたってセラミックス絶 縁層によって電気的に細分化され、これによって電流はその細分化によって形成 された経路に沿って流れる。電気加熱可能なハニカム体は、内燃機関の低温始動 過程中における有害物質の発生を最小にする目的を有している。 更に、加熱可能なハニカム体を通る電導経路を隣接する部材に対して空隙によ って電気絶縁することが知られている。この種の装置は、「エス・エイ・イー・ テクニカル・ペーパーズ・シリーズ９４０４６５」に掲載の論文ピー・ケイ・キ ューバ等著の「超低出力電気加熱式触媒装置」に記載されている。その空隙は、 個々のハニカム体の構造に関係して転換すべき流体の一部が空隙を通って流れる ので、ハニカム体の不均一な貫流を生じさせる。これは特に第１のハニカム体に おける流路の大きさが空隙と同じであるかそれより小さいときに生じるおそれが あるが、従来はこのためこのようなことが生じるのを避けていた。これにより低 温始動過程において流体の一部が全くあるいは十分には転換されないか、あるい は後続のハニカム体の一部範囲が強く負荷された。 本発明の課題は、偏心したおよび／又は非対称的なおよび／又は不均一な洗流 が補償されて、流れの均一化およびすべての流れ範囲に対してほぼ一様な触媒転 換が達成されるようなハニカム体を作ることにある。 この課題を解決するために請求項１に記載のハニカム体が使用される。特に電 気加熱可能なハニカム体が前置されていることに関連する有利な実施態様は従属 請求項に記載されている。 本発明によって、（実験によってあるいは計算によって求められた）流れ分布 に相応してハニカム体における流れ抵抗分布が形成されることによって、すべて の用途に対して最適化されたハニカム体を用意することができる。強く洗流され る範囲において、これらの範囲に小さな流路および／又は流れ抵抗を高める補助 的な構造を備えた流路が設けられることによって、ハニカム体の軸方向長さの少 なくとも一部において流れ抵抗が高められる。 これは多くの構造形式のハニカム体に利用できるが、特に少なくとも部分的に 構造化された板金層から成る金属製のハニカム体において容易に実現できる。互 いに絡み合わされた板金層の少なくとも一つの積層体から成るハニカム体は、所 定の範囲において異なった構造高さの板金層を利用することによって、所定の洗 流条件に合わされるように極めて簡単に修正することができる。その場合、個々 の偏った洗流範囲並びに二つあるいはそれ以上の偏って洗流される範囲は相応し た構造変化によって補償することができる。 本発明は、これを加熱触媒体の後ろに第２のハニカム体が配置されているいわ ゆるタンデム構造に利用する場合、第２のハニカム体における流れ抵抗の分布を 意図的に調整することによって第１のハニカム体においても流体の流れ状態が影 響されて、装置の総合触媒活動が高められるという考えに基づいている。流体の 流れ状態は、第２のハニカム体が少なくとも空隙に対向して位置する範囲におい てハニカム体の残りの範囲におけるよりも大きな流れ抵抗を有することによって 影響させられる。この処置によって、空隙を通る流体の容積流が減少され、流体 は第２のハニカム体を一様に洗流することになる。その場合、第１のハニカム体 の触媒作用をする表面と接触する流体の分量が増大されるので、低温始動過程中 における転換率が改良される。 第２のハニカム体の流れ抵抗を高めるために、空隙に対向して位置する第２の ハニカム体の範囲において空隙横断面を考慮に入れて第２のハニカム体に単位断 面積当たり残りの範囲におけるより多数の流路を形成することが提案される。こ れは一般に、実施例を参照して後述するように両ハニカム体が類似の構成を有す ることを前提とする。 所定の範囲における流路横断面積を減少する代わりに、流路における補助的な 構造によって流れ抵抗を高めることもできる。種々の流れ抵抗を有する範囲を得 るために上述の両方の処置を個々にあるいは一緒に採用することができる。補助 的な構造は殆どの状態においてハニカム体における拡散過程に良好に影響を与え 、これによって高い触媒活性を生じさせる。 空隙に対向して位置する範囲並びに残りの横断面範囲における単位断面積当た りの流路数は、第２のハニカム体に沿って流れ経路の全長にわたって一定にする ことができる。これは補助的な構造に対しても同様に当てはまる。特に長いハニ カム体において、このことは装置の望ましくない大きな総合圧力損失を生じるお それがある。従って、流路数が横断面に関して流れ方向に変化している第２のハ ニカム体を備えた装置が特に提案される。空隙に対向して位置する範囲における 流路の数は流れ方向において再び減少させることができる。流路数の減少は横断 面積が一定している場合に流路における自由な流れ断面積の増大に通ずる。これ によって第２のハニカム体の後ろないしは装置の後ろに所望の流れ分布形状が形 成され、これは排気装置の消音にとっても重要である。 第２のハニカム体の長さに関係して流路の横断面積は、まず一方では空隙に対 向して位置する範囲における流れ抵抗が十分に大きく、その結果これが流体を一 様に分布し、他方では装置の総圧力損失が高くなり過ぎることがないように、最 適化することができる。 この装置の一つの有利な実施態様において、流路の数がまず増大し、それから 流れ方向に減少する。このようにして例えばその組立方向に関して対称的である ハニカム体が実現させられ、これにより組立ミスは生じなくなる。またそのよう な配置構造によって場合によってはハニカム体の消音特性が十分に利用される。 ピー・エス・キューパ等著の論文によって、両端が異なった大きさの横断面積 を有する多数の細長い支持要素が第１のハニカム体と第２のハニカム体との間を 延び、これらのハニカム体を結合しているが、互いに電気的に絶縁されているよ うな装置が知られている。各支持要素はその太い終端部分が少なくとも部分的に 第１のハニカム体の流路の中に突出し、その細い終端部分が第２のハニカム体の 流路の中に突出し、その場合第１の電気加熱可能なハニカム体は横断面に関係し て第２のハニカム体により少数の流路を有している。 この公知の実施態様とは異なって、本発明によれば、各支持要素の第２のハニ カム体の流路の中に突出する終端部分の横断面積が第１のハニカム体の流路の中 に突出する終端部分の横断面積より大きいような装置が提案される。このために 第２のハニカム体は、その横断面積が流路を境界づける壁を破損することなしに 支持要素を収容することができるように寸法づけられた流路を有している。これ は例えば、第２のハニカム体の残りの板金層よりも大きな波高の一つあるいは複 数の波形板金層によって行うことができる。 このようなハニカム体はそれ自体は公知の方式で断面がほぼＳ字状に延びる板 金層で構成される。この種のハニカム体は板金積層体の端部を相互に絡めること によって製造される。この種のハニカム体では、積層体を種々の部分区間におい て所望の構造を得るために異なった厚みで波打ちされた板金を積み重ねて構成す ることができる。その場合一般に交互に配置された平滑な板金と構造化された板 金が利用され、その構造化された板金は異なった構造特に波高を有している。個 々の板金積層体の異なった構造は種々の役割を引受ける。ハニカム体は例えば二 つの板金積層体から成り、各板金積層体は同じ構造の板金層から成っているが、 異なった波高を有している。第１の板金積層体と第２の板金積層体は、単位断面 積当たり多数の流路を有している第１の板金積層体が空隙に対向して位置し、第 ２の板金積層体だけが支持要素を収容するように、互いに絡み合わされている。 ハニカム体は異なった波高の別の板金積層体を含むこともできる。 その全内容を参照するヨーロッパ特許第０５４２７７５Ｂ１号明細書で知られ ているように、流れ抵抗がハニカム体の長手方向において変化するように、構造 はその長手方向に異なった長さにすることができる。 以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。 図１は装置の端面図、 図２は図１における装置の横断面図、 図３は第２のハニカム体の概略端面図、 図４はハニカム体の縦断面図、 図５は補助的な構造を備えたハニカム体の流路の部分縦断面図、 図６は互いに絡み合わされた三つの板金積層体から成り、そのうちの一つが流 れ抵抗を増大した流路を有しているハニカム体の概略横断面図である。 図１および図２は本発明の有利な実施例を示している。特に内燃機関、好適に はオットーサイクルエンジンに対する排気装置における排気ガスを触媒転換する ための装置は第１のハニカム体１を有し、この第１のハニカム体は第２のハニカ ム体２に対して間隔をおいて配置されている。両ハニカム体１、２間の間隔は例 えば１〜６ｍｍであり、その第２のハニカム体の端面は幾分凸面状に湾曲可能に されている。第２のハニカム体２は第１の短いハニカム体に対するサポートとし て作用する。両ハニカム体１、２は支持要素３によって互いに結合され、振動傾 向が大きな第１のハニカム体１は第２のハニカム体２に支持されている。第１の ハニカム体１は電気加熱可能であり、電気絶緑間隙を有している。 支持要素３は第１のハニカム体１の中に突出する細い先端部分１８と第２のハ ニカム体２の中に突出する太い先端部分１７を有している。細い先端部分１８は 太い先端部分１７より小さな横断面積を有している。 電気加熱するために、第１のハニカム体１は円周壁９を電気絶縁して貫通する 給電線１０、１１に接続されている。第１のハニカム体はこの実施例では、それ 自体公知のようにＳ字状に絡み合わされた板金の積層体で作られているものであ る。第１のハニカム体１はその横断面にわたって空隙４、５で電気的に分割され ている。 図３には、同様にＳ字状に絡み合わされた板金の積層体から成る第２のハニカ ム体２が概略的に示されている。その場合、両ハニカム体が（図示のものと異な って）同じように（例えば同じ積層体高さで）構成され、絡み合わせの方向およ び層が同じであるように互いに整列されると、本発明に基づく装置を簡単に製造 する上で非常に有効である。積層体は平滑な板金６と構造化された板金７を有し ている。両板金６、７は流体が貫流できる通路８を境界づけている。第２のハニ カム体２は空隙４、５と対向して位置する範囲において他の範囲におけるよりも 単位断面積当たり多くの小さな流路１２を有している。この流路１２も同様に構 造化された板金１３および平滑な板金１４で境界づけられている。流路８の大き さが支持要素３の太い先端部分１７を収容するために十分でないときには、支持 要素３を収容するために一つあるいは複数の大きな波高の波形板金を設けること もできる。この波形板金は必ずしも第２のハニカム体２の軸方向全長にわたって 延びている必要はない。 図４には、流れ方向において二つの部分区間Ａ、Ｂに分けられている第２のハ ニカム体２が概略的に示されている。１５、１６は単位断面積当たりの流路の数 が増やされている二つの範囲を示している。これらの範囲１５、１６は空隙に対 向して位置している。これらの範囲１５、１６はハニカム体の部分区間Ａにわた って延びている。部分区間Ｂにおいて個々の流路の横断面積は全般的に同じであ り、これは、前方部分区間Ａに支持要素３を収容するために大きな波高の板金層 が補助的に設けられるときにも可能である。 図５はハニカム体２の流路１２における流れ抵抗を高める他の方式を示してい る。流路１２を形成する板金の少なくとも一つに特に構造化された板金層１３に おける補助的構造１９によって流れ抵抗が高められている。この結果、一般に補 助的構造１９が図５に示されている流れ分布形状ｐに影響を与え拡散過程を強め るので、触媒活性材料が被覆されているハニカム体の触媒活性も増大する。 図６は、互いに絡み合わされ外被管２０の中にはめ込まれている三つの板金層 の積層体から形成されているハニカム体を横断面図で示している。そのうちの一 つの積層体は少なくとも部分的に、小さな貫流断面積およびこれによって大きな 流れ抵抗を有する流路１２が生ずるように、他の波形板金７よりも小さな構造を 備えた板金から成っている。ここで例示されている三つあるいはそれ以上の積層 体から成る構造形状は、積層体の数および厚さを変更することによって異なって 構造化された板金層６、７と関連して、横断面にわたって流れ抵抗を多種多様に 分布することを可能にする。 本発明は、ハニカム体の横断面にわたって流れ抵抗を分布する際に、特に単位 断面積当たりの流路の数を異ならせることによって、従来技術に比べて大きな柔 軟性が得られる。このようにして、少なくとも二つのハニカム体から成っている 装置において、第１のハニカム体の貫流の際の不均一性を第２のハニカム体にお いて補償することができる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流体により貫流される多数の流路（８、１２）を備え、その第１の流路（１ ２）が第２の流路（８）よりも大きな流れ抵抗を有し、ハニカム体（２）が、そ のような流れ抵抗が増大された流路（１２）を、円周方向に分散してハニカム体 の横断面の一部分範囲だけを占めて少なくとも一つの塊体あるいは集合体（１５ 、１６）として有していることを特徴とするハニカム体（２）、特に触媒担体。 ２．流れ抵抗が増大された流路（１２）が残りの流路（８）よりも小さな流体貫 流直径を有していることを特徴とする請求項１記載のハニカム体。 ３．流れ抵抗が増大された流路（１２）が、その始端および／又はその終端にお よび／又はその内側に流れを妨げる補助的な構造（１９）を有していることを特 徴とする請求項１又は２記載のハニカム体。 ４．ハニカム体（２）が、貫流可能な流路（８、１２）を形成する少なくとも部 分的に構造化された板金層（６、７、１３、１４）から成っていることを特徴と する請求項１又は２又は３記載のハニカム体。 ５．ハニカム体が、少なくとも一つの絡み合わされた板金層（６、７、１３、１ ４）の積層体、特に板金層の積層体から成る二つあるいはそれ以上の積層体を有 していることを特徴とする請求項４記載のハニカム体。 ６．板金層（１３）の一部が残りの板金層（７）と異なった構造を有し、板金層 のこの部分で形成された流路（１２）が残りの流路（８）よりも大きな流れ抵抗 を有していることを特徴とする請求項４又は５記載のハニカム体。 ７．平滑な板金（６、１４）と波形板金（７、１３）とを交互に重ね合わせて構 成され、波形板金（７、１３）が少なくとも二つの異なった波高を有し、小さな 波高の板金層（１３）が増大された抵抗を有する流路（１２）を形成しているこ とを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のハニカム体。 ８．流体により貫流される多数の流路を有する電気加熱可能な第１のハニカム体 （１）が前置されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の第２のハニカ ム体（２）を備えた排気ガス浄化装置において、ハニカム体（１、２）が順々に 貫流され、電気加熱可能なハニカム体（１）がその横断面にわたって少なくとも 一つの空隙（４、５）によって電気的に分割され、特に蛇行状および／又はスパ イラル状に分割され、第２のハニカム体（２）が少なくとも空隙（４、５）に対 向して位置する範囲にハニカム体（２）の残りの範囲よりも大きな流れ抵抗を有 する流路を塊体として有していることを特徴とする排気ガス浄化装置。 ９．空隙（４、５）に対向して位置する第２のハニカム体（２）の範囲（１５、 １６）における単位断面積当たりの流路（１２）の数が第２のハニカム体（２） の残りの範囲よりも多いことを特徴とする請求項８記載の装置。 １０．空隙（４、５）に対向して位置する範囲（１５、１６）における単位断面 積当たりの流路（１２）の数が流れ方向に変化していることを特徴とする請求項 ８又は９記載の装置。 １１．流路の数が区域的に変化していることを特徴とする請求項１０記載の装置 。 １２．第１のハニカム体（１）における流路の最大直径が空隙（４、５）の平均 的な幅とほぼ同じであるかそれより小さいことを特徴とする請求項８ないし１１ のいずれか１つに記載の装置。 １３．第１のハニカム体（１）が単位断面積当たり第２のハニカム体（２）より も多数の流路を有していることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１つ に記載の装置。 １４．両端部分（１７、１８）が異なった大きさの横断面を有する多数の細長い 支持要素（３）が第１のハニカム体（１）と第２のハニカム体（２）との間を延 び、これらのハニカム体を機械的に結合し、各支持要素（３）が第１のハニカム 体（１）の流路および第２のハニカム体（２）の流路の中に少なくとも部分的に 差し込まれている装置において、第２のハニカム体（２）の流路の中に突出する 各支持要素（３）の太い先端部分（１７）の横断面が第１のハニカム体（１）の 流路の中に突出する各支持要素（３）の細い先端部分（１８）の横断面より大き いことを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか１つに記載の装置。 １５．第２のハニカム体（２）が層状に配置され少なくとも部分的に構造化され た板金層（７、１３）を有し、これらの板金層がほぼ流れ方向に延び板金の構造 によって決定される寸法の流路（６、１２）を形成している装置において、第２ のハニカム体（２）が少なくとも二種類の異なって構造化された板金を有してい ることを特徴とする請求項８ないし１４のいずれか１つに記載の装置。 １６．第２のハニカム体（２）が、空隙（４、５）に対向して位置する小さな波 高の少なくとも一つの第１の波形板金層と、支持要素を収容する大きな波高の少 なくとも一つの第２の波形板金層とを有していることを特徴とする請求項１４又 は１５記載の装置。 １７．異なって構造化された板金層がそれぞれハニカム体（２）の前方部分区間 （Ａ）にわたってしか延びていないことを特徴とする請求項１５又は１６記載の 装置。 １８．流れ方向に続いている部分区間における流路の数が横断面に関して流れ方 向に増大しているか減少し、特に大きな波高の波形板金層の後ろで増大しおよび ／又は小さな波高の波形板金層の後ろで減少していることを特徴とする請求項１ ７記載の装置。 １９．第１のハニカム体（１）および第２のハニカム体（２）が互いに絡み合わ された板金層、特にＳ字状に絡み合わされた板金層の積層体から構成され、両ハ ニカム体の絡み合わせ経過が互いに一致し、特にＳ字状の絡み合わせの整列およ び積層体の高さが同じであるように整列されていることを特徴とする請求項８な いし１８のいずれか１つに記載の装置。