KR101200893B1 - 촉매 컨버터 장치 - Google Patents

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히데유키 고미츠
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

배기관 내에서 발생한 물방울에 기인하는 촉매 담체의 가열 효과의 저하를 억제할 수 있는 촉매 컨버터 장치를 얻는다.
케이스 통체(28) 내에서 촉매 담체(14)를 유지하는 유지 매트(26)는, 내측 섬유층(30), 고체층(32), 외측 섬유층(34)의 3층 구조로 되어 있다. 고체층(32)은, 촉매 담체(14)의 상류측 단면(14A)으로부터 상류측으로 돌출되어 있고, 돌출부(38)와 케이스 통체(28) 사이에, 간극부(40)가 구성된다. 케이스 통체(28)의 내주면에 부착된 물방울은, 돌출부(38)가 장벽이 되기 때문에, 촉매 담체(14)에 도달하지 않는다.

Description

촉매 컨버터 장치{CATALYTIC CONVERTER DEVICE}
본 발명은, 내연기관의 배기관에 설치되는 촉매 컨버터 장치에 관한 것이다.
내연기관에서 생긴 배기를 정화하기 위하여 배기관에 설치되는 촉매 컨버터 장치로는, 예를 들면, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 촉매를 담지하는 금속제 촉매 담체를 통전하여 승온시켜, 충분한 촉매 효과가 얻어지도록 한 것이 있다.
그런데, 특허문헌 1에 기재된 구조에서는, 셸(케이스) 내에 금속제 촉매 담체가 삽입되어 있고, 또한, 금속제 촉매 담체의 도전 부재와 셸 사이에, 완충 기능을 가지는 매트 부재가 삽입 유지되어 있다. 여기서, 금속제 촉매 담체의 상류측에 있어서, 내연기관의 연소에 의해 발생한 수분이 응축수로서 비산하는 것이 상정된다. 매트 부재는 전기 절연재로 구성되어 있으나, 비산한 응축수에 의해 발생한 물방울로, 셸과 금속제 촉매 담체가 단락되면, 셸에도 전기가 흐르기 때문에, 촉매 담체의 가열 효과가 저하되는 경우가 있다.
일본 공개특허공보 평5-253491호
본 발명은 상기 사실을 고려하여, 배기관 내에서 발생한 물방울에 기인하는 촉매 담체의 가열 효과의 저하를 억제할 수 있는 촉매 컨버터 장치를 얻는 것을 과제로 한다.
본 발명의 제1 양태에서는, 내연기관으로부터 배출되는 배기를 정화하기 위한 촉매를 담지하고, 통전에 의해 가열되는 촉매 담체와, 통 형상으로 형성되어 내부에 상기 촉매 담체가 수용됨과 함께 배기관에 장착되는 통체와, 상기 촉매 담체의 외주면(外周面) 측에 배치되는 내측 탄성 부재와, 상기 통체의 내주면(內周面) 측에 배치되는 외측 탄성 부재와, 이들 내측 탄성 부재와 외측 탄성 부재 사이에 배치되는 중간 부재를 구비하고, 내측 탄성 부재 및 외측 탄성 부재의 탄성에 의해 촉매 담체를 통체 내에 유지함과 함께 촉매 담체와 통체를 전기적으로 절연하는 유지 부재와, 상기 중간 부재의, 상기 배기의 흐름 방향의 상류측 단부의 적어도 일부에 설치되고, 상기 외측 탄성 부재의 상류측 단부보다 상류측에 위치하는 돌출부를 가진다.
이 촉매 컨버터 장치에서는, 촉매 담체가 통전에 의해 가열되어 승온되면, 담지된 촉매에 의한 정화 효과를, 승온되어 있지 않은 경우와 비교하여, 더 높게 발휘시킬 수 있다. 또, 촉매 담체는 유지 부재 및 통체를 통해 배기관에 장착되어 있고, 특히, 촉매 담체는 유지 부재를 구성하는 내측 탄성 부재 및 외측 탄성 부재의 탄성력에 의해 통체 내에 유지되어 있기 때문에, 통체와 촉매 담체의 상대 이동(열팽창에 의한 어긋남이나, 차량으로부터의 진동 등)을 흡수할 수 있다. 유지 부재는, 촉매 담체와 통체를 전기적으로 절연하고 있기 때문에, 유지 부재를 통해 촉매 담체와 통체가 단락되는 경우는 없다.
배기 중에는, 내연기관의 연소로 생긴 수분이 포함되는 경우가 있고, 이 수분이 응축하여 물방울이 발생하는 경우가 있다. 본 발명에서는, 내측 탄성 부재와 외측 탄성 부재 사이에 중간 부재가 배치되어 있고, 게다가, 중간 부재의, 배기의 흐름 방향의 상류측 단부의 적어도 일부에는, 외측 탄성층의 상류측 단부보다 상류측에 위치하는 돌출부가 설치되어 있다. 이 때문에, 통체와 돌출부 사이에는 간극이 구성된다. 따라서, 간극에 물방울이 괴면, 이 물방울에 대해서는, 돌출부가 장벽이 되어, 촉매 담체에 도달하는 것을 억제할 수 있다. 즉, 물방울은 촉매 담체까지는 도달하지 않아, 물방울에 기인하는 통체와 촉매 담체의 단락을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 전기가 확실하게 촉매 담체를 흐르게 되기 때문에, 촉매 담체의 가열 효과의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중간 부재가 전기 절연성을 가지고 있는 구성으로 해도 된다. 통체와 돌출부 사이, 및 돌출부와 촉매 담체 사이에 물방울이 부착된 경우나, 내측 탄성 부재 및 외측 탄성 부재가 수분 흡수한 경우이어도, 통체로부터 내측 탄성 부재 및 외측 탄성 부재를 거쳐 촉매 담체에 이르는 전기적인 경로가, 돌출부(중간 부재)에 의해 차단된다. 즉, 돌출부(중간 부재)를 통한 통체와 촉매 담체의 단락이 억제된다.
또한, 여기서 말하는 전기 절연성이란, 예를 들면, 중간 부재의 물성으로서는, 그 체적 저항률이 500℃에서 108Ω/㎝ 정도 이상이면 된다. 또, 실제로 촉매 컨버터 장치를 구성한 상태에서는, 중간 부재의 내주면과 외주면의 전기 저항이 10MΩ 이상이면 된다.
본 발명에 있어서, 상기 촉매 담체와 상기 내측 탄성 부재 사이에 배치되어 이것들을 전기적으로 절연하는 절연층을 가지는 구성으로 해도 된다. 이것에 의해, 통체와 촉매 담체의 절연성을 더 높여, 이것들의 단락을 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 돌출부는, 중간 부재의 상류측 단면의 적어도 일부에 설치되어 있으면, 돌출부가 설치된 부위에 있어서, 물방울에 의한 통체와 촉매 담체의 단락을 억제할 수 있지만, 물방울은, 배기관 내에 있어서 중력에 의해 하방에 괴기 쉽다. 따라서, 예를 들면, 상기 돌출부가, 상기 중간 부재의 상기 상류측 단부(端部)의 최하단부를 포함하는 부분에 설치되어 있도록 하면, 이 최하단부를 포함하는 부위에 돌출부가 형성되어 있지 않은 구성과 비교하여, 물방울에 의한 통체와 촉매 담체의 단락을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 상기 돌출부가, 상기 통체의 내주면을 따라 전체 둘레에 형성되어 있도록 하면, 통체의 전체 둘레에 있어서, 물방울에 기인하는 통체와 촉매 담체의 단락을 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중간 부재가, 상기 촉매 담체의 둘레 방향에서 복수로 분할되어 있는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 중간 부재를 둘레 방향에서 분할함으로써, 촉매 담체의 주위에 대한 중간 부재의 배치나 장착이 용이하게 된다. 그리고, 중간 부재를 분할한 구성에서는, 상기 내측 탄성 부재로부터 상기 촉매 담체에 작용하는 내측 하중보다, 상기 외측 탄성 부재로부터 상기 중간 부재에 작용하는 외측 하중이 크게 되어 있으면, 중간 부재에는 외측에서 내측을 향하는 압축 하중이 작용하게 되기 때문에, 중간 부재의 분할 부분의 간극을 더 적게 할 수 있다. 예를 들면, 중간 부재가 전기 절연성을 가지고 있는 구성에서는, 이 간극을 적게 함으로써 절연성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 구성으로 하였기 때문에, 배기관 내에서 발생한 물방울에 기인하는 촉매 담체의 가열 효과의 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 촉매 컨버터 장치를 배기관으로의 장착 상태에 있어서 중심선을 포함하는 단면으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치를 배기관으로의 장착 상태에 있어서 중심선을 포함하는 단면으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 촉매 컨버터 장치를 구성하는 고체층의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 촉매 컨버터 장치를 구성하는 고체층의 도 3에 나타낸 것과는 다른 일례를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시형태의 촉매 컨버터 장치를 배기관으로의 장착 상태에 있어서 중심선을 포함하는 단면으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치를 나타내는 도 2의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이다.
도 7A는 촉매 컨버터 장치의 분할 고체층에 작용하는 하중과 분할 고체층의 위치의 관계를 분할 고체층의 사이에 간극이 생기고 있는 상태로 나타내는 설명도이다.
도 7B는 촉매 컨버터 장치의 분할 고체층에 작용하는 하중과 분할 고체층의 위치의 관계를 분할 고체층이 밀착되어 있는 상태로 나타내는 설명도이다.
도 1에는, 본 발명의 제1 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)가 배기관(10)으로의 장착 상태로 나타나 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 촉매 컨버터 장치(12)는, 도전성 및 강성을 가지는 재료에 의해 형성된 촉매 담체(14)를 가지고 있다. 촉매 담체(14)를 구성하는 재료로서는, 도전성 세라믹, 도전성 수지나 금속 등을 적용 가능하나, 본 실시형태에서는 특히 도전성 세라믹으로 하고 있다.
촉매 담체(14)는, 허니콤 형상 또는 물결 형상 등으로 한 박판을 소용돌이 형상 혹은 동심원 형상 등으로 구성함으로써 재료의 표면적이 증대된 원기둥 형상 혹은 원통 형상으로 형성되어 있고, 표면에는 촉매(백금, 팔라듐, 로듐 등)가 부착된 상태로 담지되어 있다.
촉매는, 배기관(10) 내를 흐르는 배기(흐름 방향을 화살표 F1로 나타낸다) 중의 물질(HC 등)을 정화하는 작용을 가지고 있다. 또한, 촉매 담체(14)의 표면적을 증대시키는 구조는, 상기한 허니콤 형상이나 물결 형상으로 한정되는 것은 아니다.
촉매 담체(14)에는 2매의 전극(16A, 16B)이 점착되고, 또한, 전극(16A, 16B)에는 각각 단자(18A, 18B)가 접속되어 있다. 단자(18A, 18B)로부터 전극(16A, 16B)을 통하여 촉매 담체(14)에 통전함으로써, 촉매 담체(14)를 가열할 수 있다. 이 가열에 의해, 표면에 담지된 촉매를 승온시킴으로써, 촉매의 정화 작용을 높게 발휘시킬 수 있게 되어 있다.
촉매 담체(14)는, 외주에 배치된 유지 매트(26)(본 발명과 관련되는 유지 부재)에 의해, 케이스 통체(28)(본 발명과 관련되는 통체)의 내부에 수용된 상태로 유지되어 있다.
케이스 통체(28)는, 스테인리스 등의 금속으로 대략 원통 형상으로 성형되어 있고, 흐름 방향 상류측에 있어서, 하류를 향하여 직경이 점증된 상류측 테이퍼부(28A)와, 흐름 방향 중간 부분에 있어서 상류측 테이퍼부(28A)로부터 연속되고, 배기관(10)보다 직경이 큰 대경부(28B), 및 길이 방향 하류측에 있어서, 대경부(28B)로부터 연속됨과 함께 하류를 향하여 직경이 점감된 하류측 테이퍼부(28C)를 가지고 있다.
배기관(10)의 전측(前側) 파이프(10A)의 하류측 단부는 상류측 테이퍼부(28A)의 상류측 단부에, 배기관(10)의 후측(後側) 파이프(10B)의 상류측 단부가 하류측 테이퍼부(28C)의 하류측 단부에 각각 접속되어 있고, 배기의 유로 단면적이, 이 케이스 통체(28)의 부분[특히 대경부(28B)]에서는 국소적으로 확대되어 있게 된다.
촉매 담체(14)의 외주에 배치된 유지 매트(26)는, 내측으로부터 순서대로, 내측 섬유층(30), 고체층(32), 외측 섬유층(34)의 3층 구조로 된 대략 원통 형상으로 형성되어 있다. 또한, 유지 매트(26)의 외주에는, 케이스 통체(28)의 대경부(28B)가 배치되어 있다. 내측 섬유층(30)이 본 발명의 내측 탄성 부재에, 고체층(32)이 본 발명의 중간 부재에, 외측 섬유층(34)이 본 발명의 외측 탄성 부재에 각각 대응된다.
내측 섬유층(30)의 내주면은 촉매 담체(14)의 외주면에 접촉되고, 외측 섬유층(34)의 외주면은 케이스 통체(28)의 내주면에 접촉되어 있다. 이러한 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)은, 예를 들면 알루미나 매트나 수지 매트, 세라믹 울 등에 의해, 절연성과 소정의 탄성을 가지는 섬유 형상으로 형성되어 있다. 이것에 의해, 유지 매트(26) 자체도 소정의 탄성을 가지게 되고, 유지 매트(26)는, 촉매 담체(14)를 대략 원통 형상의 케이스 통체(28)의 내부에 있어서, 이것들이 동심(중심선 CL)이 되도록 유지되어 있다.
이것에 대하여, 고체층(32)은, 본 실시형태에서는, 예를 들면 금속 등의 고체 재료에 의해 구성되어 있다. 즉, 고체 재료에 의해 형상 안정성을 가지는 고체층(32)의 내주측 및 외주측에, 절연성 및 탄성을 가지는 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)이 배치되어, 촉매 담체(14)가 케이스 통체(28)의 내부에 안정적으로 유지되어 있다.
특히, 금속제의 케이스 통체(28)와 도전성 세라믹제의 촉매 담체(14)에서는 선팽창 계수가 다르기 때문에, 배기관(10) 내를 통과하는 배기의 열이나, 촉매 담체(14)로의 통전 가열에 의한 팽창량이 다르다. 이 팽창량의 차이는, 유지 매트(26)의 탄성에 의해 흡수된다. 또한, 배기관(10)을 통한 진동의 입력에 대해서도, 유지 매트(26)가 완충 작용을 발휘하면서 케이스 통체(28)와 촉매 담체(14)의 위치 어긋남을 흡수한다.
게다가, 절연성을 가지는 유지 매트(26)가 촉매 담체(14)와 케이스 통체(28) 사이에 배치되어 있기 때문에, 촉매 담체(14)로부터 케이스 통체(28)로의 전기의 흐름이 저지되게 된다. 또한, 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)을 구성하는 재료로서는, 인터램 매트나 멀라이트 등도 적용 가능하다.
내측 섬유층(30)은, 직경 방향으로 압축된 반력에 의해, 촉매 담체(14)에 대하여 소정의 유지 하중 HF1을 작용시켜, 촉매 담체(14)를 유지하고 있다. 또, 외측 섬유층(34)은, 직경 방향으로 압축된 반력에 의해, 고체층(32)에 대하여 소정의 유지 하중 HF2를 작용시켜, 고체층(32)을 유지하고 있다. 또한, 유지 하중 HF1, HF2에 대해서는 후술한다.
케이스 통체(28)의 대경부(28B), 외측 섬유층(34), 고체층(32) 및 내측 섬유층(30)에는, 단자(18A, 18B)가 관통되는 관통 구멍(36)이 형성되어 있어, 단자(18A, 18B)와는 접촉되지 않게 되어 있다.
본 실시형태에서는, 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 내측 섬유층(30)의 상류측 단면(30A) 및 외측 섬유층(34)의 상류측 단면(34A)은, 모두, 촉매 담체(14)의 상류측 단면(14A)과 흐름 방향에서 동일한 위치로 되어 있다. 이것에 대하여, 고체층(32)으로부터는, 촉매 담체(14)의 상류측 단면(14A)보다 상류측으로 돌출된 돌출부(38)가 형성되어 있다. 이러한 돌출부(38)를 형성함으로써, 돌출부(38)와 케이스 통체(28) 사이에, 간극부(40)가 구성되어 있다. 특히 본 실시형태에서는, 돌출부(38)를, 케이스 통체(28)의 대경부(26B)의 내주면을 따르도록 하여, 둘레 방향에서 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 따라서, 간극부(40)도, 촉매 담체(14)의 둘레 방향에 있어서 전체 둘레에 구성되어 있다. 또한, 간극부(40)를 구성하기 위해서는, 돌출부(38)와 외측 섬유층(34)의 상대적인 위치 관계에 있어서, 돌출부(38)가 외측 섬유층(34)보다 상류측으로 돌출되어 있으면 충분하고, 내측 섬유층(30)의 위치(특히 상류측 단면의 위치)는 한정되는 것은 아니다. 또, 특히 본 실시형태에서는, 도 3에도 나타나는 바와 같이, 돌출부(38)는, 고체층(32)의 상류측 단면(32A)에 있어서, 둘레 방향에서 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는 내측 섬유층(30)의 하류측 단면(30B) 및 외측 섬유층(34)의 하류측 단면(34B)은, 모두, 촉매 담체(14)의 하류측 단면(14B)과 흐름 방향에서 동일한 위치로 되어 있으나, 고체층(32)은, 촉매 담체(14)의 하류측 단면(14B)으로부터 하류측으로 돌출되어 있다. 따라서, 촉매 컨버터 장치(12)는, 흐름 방향의 전후에서 대략 대칭된 형상이 되어 있다.
다음에, 본 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)의 작용을 설명한다
도 1에 나타내는 바와 같이, 촉매 컨버터 장치(12)는, 그 케이스 통체(28)가 배기관(10)의 도중[전측 파이프(10A)와 후측 파이프(10B)의 사이]에, 배기관(10)과 동심이 되도록 장착되고, 촉매 담체(14)의 내부를 배기가 통과한다. 이때, 촉매 담체(14)에 담지된 촉매에 의해, 배기 중의 물질(HC 등)이 정화된다.
본 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)에서는, 단자(18A, 18B) 및 전극(16A, 16B)에 의해 촉매 담체(14)에 통전하고, 촉매 담체(14)를 가열함으로써, 촉매 담체(14)에 담지된 촉매를 승온시켜, 정화 작용을 더 높게 발휘시킬 수 있다. 예를 들면, 엔진의 시동 직후 등, 배기의 온도가 낮은 경우에는, 미리 촉매 담체(14)로의 통전 가열을 행함으로써, 엔진 시동 초기에 있어서의 촉매의 정화 성능을 확보할 수 있다.
배기 중에는 수분이 포함되어 있기 때문에, 촉매 컨버터 장치(12)보다 상류측에서는, 배기관(10) 내의 수분이 응축하여 물방울이 된다. 그리고, 배기의 흐름에 의해 하류측으로 비산하기 때문에, 물방울이 케이스 통체(28)의 내주면에 부착되는 경우가 있다.
여기서, 본 실시형태와 같은 돌출부(38)가 형성되어 있지 않고, 내측 섬유층(30), 고체층(32) 및 외측 섬유층(34)의 모든 상류측 단면이, 촉매 담체(14)의 상류측 단면(14A)과 흐름 방향에서 동일한 위치에 있는 촉매 컨버터 장치(비교예)를 상정한다. 이러한 촉매 컨버터 장치에서는, 촉매 담체(14)와 케이스 통체(28)에 걸쳐지도록 물방울이 부착된 경우에, 이것들이 단락될 우려가 있다. 이 단락에 의해, 본래라면 촉매 담체(14)를 흐르는 전기의 일부가, 케이스 통체(28)를 흐르기 때문에, 촉매 담체(14)로의 통전량이 적어진다.
이것에 대하여, 본 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)에서는, 유지 매트(26)의 고체층(32)에, 외측 섬유층(34)보다 상류측으로 돌출하는 돌출부(38)가 형성되어 있고, 돌출부(38)와 케이스 통체(28) 사이에, 간극부(40)가 구성되어 있다. 따라서, 케이스 통체(28)의 내주면에 부착된 물방울이 간극부(40)에 있어서 성장해도, 돌출부(38)가 장벽이 되기 때문에, 촉매 담체(14)에 도달하지 않는다. 즉, 상기한 비교예의 촉매 컨버터 장치와 비교하여, 물방울이 케이스 통체(28)의 내주면과 촉매 담체(14)의 쌍방에 걸쳐 접촉하는 일이 없어지기 때문에, 촉매 담체(14)와 케이스 통체(28)의, 물방울에 의한 단락을 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 중심선 CL을 따른 방향으로 보았을 때, 도 3에도 나타내는 바와 같이, 돌출부(38)가 전체 둘레에 형성되어 있는 예를 들고 있으나, 실제로는, 촉매 컨버터 장치(12)의 상류측에 있어서 수분의 응축에 의해 생긴 물방울은, 중력에 의해 낙하하면서, 하류측으로 이동한다. 따라서, 도 4에도 나타내는 바와 같이, 고체층(32)의 둘레 방향에 있어서의 최하단부(35)를 적어도 포함하는 부위에 돌출부(38)를 형성해 두는 것이 바람직하다. 예를 들면, 고체층(32)의 하측의 반주(半周) 정도 혹은 반주보다 짧은 정도로 돌출부(38)를 형성한 구성이어도, 촉매 담체(14)와 케이스 통체(28)의, 물방울에 의한 단락을 억제하는 것은 가능해진다. 돌출부(38)를 전체 둘레에 형성하면, 전체 둘레에 걸쳐, 물방울에 의한 촉매 담체(14)와 케이스 통체(28)의 단락을 억제할 수 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 돌출부(38)를 전체 둘레에 형성한 예에 있어서도, 최하단부(35)를 적어도 포함하는 부위에 돌출부(38)가 형성되어 있게 된다.
돌출부(38)의, 축방향(배기의 흐름 방향)에 있어서의 길이(돌출 길이) L1이나, 케이스 통체(28)와 고체층(32)[돌출부(38)]의 직경 방향의 간격 G2는, 케이스 통체(28)의 내주면에 대한 물방울의 상정 부착량 등에 의해 정해진다.
단, 돌출 길이 L1이나 간격 G2를 너무 길게 해도, 촉매 컨버터 장치(12)의 과도한 대형화를 초래한다. 따라서, 돌출 길이 L1로서는, 50㎜ 정도, 간격 G2으로서는, 13㎜ 정도로 하면 된다. 또한, 이 간격은, 필연적으로, 케이스 통체(28) 내에 촉매 담체(14)를 유지한 상태에서의, 외측 섬유층(34)의 두께와 일치한다.
또한, 본 실시형태에서는, 고체층(32)은, 촉매 담체(14)의 하류측 단면(14B)으로부터 하류측에도 돌출되어 있는 구성을 들고 있으나, 촉매 컨버터 장치(12)의 소형화의 관점에서는, 하류측에는 돌출되어 있을 필요는 없다.
도 2에는, 본 발명의 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)가 나타나 있다. 또, 도 6에는, 촉매 컨버터 장치(52)가 도 2의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도로 나타나 있다. 또한, 제2 실시형태에서는, 제1 실시형태와 동일한 구성요소, 부재 등에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)에서는, 유지 매트(56)를 구성하고 있는 고체층(중간 부재)이, 특히 절연성 재료로 구성되어 있는 점, 및, 절연 코트층(42)을 가지는 점이 제1 실시형태와 다르다[이하에서는, 특히 제2 실시형태에 있어서의 중간 부재를 절연 고체층(58)이라고 기재하여, 제1 실시형태에 있어서의 고체층(32)과 구별한다].
즉, 절연 고체층(58)은, 촉매 담체(14)의 상류측 단면(14A)으로부터 상류측으로 돌출되어 돌출부(38)가 형성됨과 함께, 돌출부(38)와 케이스 통체(28) 사이에, 간극부(40)가 구성되어 있다. 또, 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)에서는, 촉매 담체(14)의 외주 부분[적어도, 촉매 담체(14)가 내측 섬유층(30)과 대향하는 부분]에, 유리 코트 등으로 구성된 절연 코트층(42)이 실시되어 있다. 절연 코트층(42)은, 본 발명과 관련되는 절연층의 일례로서, 촉매 담체(14)와 내측 섬유층(30) 사이에 이 절연 코트층(42)이 배치됨으로써, 촉매 담체(14)와 내측 섬유층(30)[유지 매트(26)]이 전기적으로 절연되어 있다. 이것 외에는 제1 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)와 동일한 구성으로 되어 있기 때문에, 상세한 설명을 생략한다.
제2 실시형태의 절연 고체층(58)으로서는, 예를 들면, 세라믹이나 운모 시트 등의 절연성을 가지는 고체 재료를 사용할 수 있다. 또, 제2 실시형태에서는, 유지 매트(56)의 절연성이 절연 고체층(58)에 의해 확보되어 있기 때문에, 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)으로서는, 반드시 절연성을 가지는 재료로 구성할 필요는 없다.
이러한 구성으로 이루어진 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)에 있어서도, 제1 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)와 동일한 작용 효과를 가진다.
그런데, 본 실시형태와 같은 촉매 컨버터 장치(52)에서는, 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)이, 상기한 바와 같이 섬유 형상으로 형성되어 있기 때문에, 수분을 흡수하는 경우가 있다. 따라서, 통상 상태(수분을 흡수하고 있지 않은 상태)에서는 절연성을 가지고 있어도, 수분 흡수에 의해 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)의 절연성이 저하되는 경우가 있다.
그러나, 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)에서는, 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)이 수분 흡수한 경우에도, 유지 매트(56)로서의 절연성의 저하를 억제할 수 있다. 즉, 내측 섬유층(30) 및 외측 섬유층(34)의 수분 흡수에 의한 절연성의 저하가 생겨도, 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)에서는, 절연 고체층(58)이 내측 섬유층(30)과 외측 섬유층(34) 사이에 배치되어 있기 때문에, 유지 매트(56)를 통한, 촉매 담체(14)와 케이스 통체(28)의 전기적인 단락을 저지할 수 있어, 촉매 담체(14)로의 통전에 의한 가열 효율의 저하를 억제할 수 있다.
덧붙여, 본 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)에서는, 촉매 담체(14)의 내측 섬유층(30)과 대향하는 부분에, 유리 코트 등으로 구성된 절연 코트층(42)이 형성되어 있다. 따라서, 내측 섬유층(30)이나 외측 섬유층(34)이 이렇게 수분을 흡수하여 절연성이 저하된 경우에는, 절연 코트층(42)에 의해서도, 촉매 담체(14)로부터 유지 매트(26)로의 누전을 억제할 수 있어, 촉매 담체(14)로의 통전에 의한 가열 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이, 내측 섬유층(30)이나 외측 섬유층(34)이 수분 흡수한 경우에 있어서 촉매 담체(14)로부터 케이스 통체(28)로의 누전을 억제하는 관점에서는, 절연 고체층(58)과 절연 코트층(42)의 적어도 일방을 구비한 구성이면 된다. 즉, 촉매 담체(14)로부터 케이스 통체(28) 사이에, 적어도 1층의 절연성 부재가 배치되어 있으면 된다. 중간 부재에 절연성을 가지게 한 구성에서는, 절연 코트층(42)을 형성할 필요가 없기 때문에, 촉매 컨버터 장치의 제조 비용을 낮게 하는 것이 가능해진다. 이에 대하여, 절연 코트층(42)을 형성한 구성에서는, 절연성을 가지는 부재가 내측 섬유층(30)보다 더 내측에 위치하고 있게 되기 때문에, 더욱 확실한 누전 억제 효과가 얻어진다.
도 5에는, 본 발명의 제3 실시형태의 촉매 컨버터 장치(72)가 나타나 있다. 제3 실시형태에서는, 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)와 대략 동일한 구성으로 되어 있으나, 배기관(10)을 구성하는 전측 파이프(10A)의 하류측 단부가 하류측으로 연장 돌출되어 연장 돌출부(10S)가 구성되어 있고, 촉매 담체(14)의 근방에까지 이르고 있는 점이 제2 실시형태와 다르다. 이 전측 파이프(10A)의 연장 돌출 길이는 특별히 한정되지 않지만, 도 5에 나타낸 예에서는, 케이스 통체(28)의 직경 방향으로 보아, 돌출부(38)와 랩부(74)를 가지는 정도까지 연장 돌출되어 있다.
이러한 구성으로 이루어진 제3 실시형태의 촉매 컨버터 장치(72)에서는, 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)와 동일한 작용 효과를 가지나, 배기 중의 물질(HC 등)을 정화하는 효과를 더 높이는 것이 가능해지고 있다.
즉, 제3 실시형태의 촉매 컨버터 장치(72)에서는, 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)와 비교하여, 연장 돌출부(10S)에 의해, 배기가 촉매 담체(14)의 근방으로 안내되게 된다. 따라서, 촉매 담체(14)의 배기가스에 의한 승온이 촉진되기 때문에, 배기 중의 물질(HC 등)을 정화하는 효과를 높이는 것이 가능해진다.
상기 각 실시형태에 있어서, 고체층(32)[이하에서는, 절연 고체층(58)을 포함한다]의 둘레 방향에서의 구조 및 형상은 특별히 한정되지 않고, 둘레 방향으로 일체적으로 형성되어 있어도 된다. 여기서, 도 6에는 일례로서, 본 발명의 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)가, 도 2의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도로 나타나 있다. 이 도 6에 나타내는 바와 같이, 둘레 방향으로 복수(도 6의 예에서는 3개)로 분할된 분할 고체층(52D)으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 도 6에서는 제2 실시형태의 촉매 컨버터 장치(52)를 예로서 들고 있기 때문에, 고체층(58)이 분할 고체층(58D)으로 구성되어 있으나, 제1 실시형태의 촉매 컨버터 장치(12)이면, 고체층(32)이, 분할 고체층(58D)과 동일하게 분할된 분할 고체층으로 구성된다.
특히, 촉매 컨버터 장치의 제조 방법으로서, 촉매 담체(14)에 대하여, 그 주위에 유지 매트(26)나 케이스 통체(28)를 배치하기 전에, 고온 소성에 의해 전극(16A, 16B)이나 단자(18A, 18B)를 장착하는 방법을 적용한 경우에는, 고체층(32)에는, 상하의 단자(18A, 18B)를 관통시킬 필요가 생긴다. 따라서, 고체층(32)을 둘레 방향으로 적어도 2분할 해두면, 단자(18A, 18B)를 관통시켜 촉매 담체(14)의 주위를 둘러싸도록 장착할 수 있어, 촉매 컨버터 장치의 제조가 용이해진다.
그리고 본 발명에서는, 이렇게 고체층(32)을, 둘레 방향의 복수의 분할 고체층으로 구성하고 있기 때문에, 내측 섬유층(30)의 유지 하중 HF1에 대하여, 외측 섬유층(34)의 유지 하중 HF2 쪽이 높게 설정되어 있다(즉, 유지 하중 HF1 < 유지 하중 HF2).
여기서, 내측 섬유층(30)의 유지 하중 HF1이란, 직경 방향으로 압축된 내측 섬유층(30)이 촉매 담체(14)에 대하여 직경 방향 내측으로 하중을 작용시켜서 유지하고 있는 경우에, 내측 섬유층(30)으로부터 촉매 담체(14)에 작용하는 하중[단위면적당 하중(면압)에 접촉 면적을 곱한 것]을 말한다. 또한, 이 유지 하중 HF1은, 촉매 담체(14)의 강도를 고려하여, 촉매 담체(14)를 파괴하지 않는 정도를 상한으로 하여 설정되어 있다.
또, 외측 섬유층(34)의 유지 하중이란, 직경 방향으로 압축된 외측 섬유층(34)이 고체층(32)에 대하여 직경 방향 내측에 하중을 작용시켜 유지하고 있는 경우에, 외측 섬유층(34)으로부터 고체층(32)에 작용하는 하중[단위면적당 하중(면압)에 접촉 면적을 곱한 것]을 말한다. 또한, 이 유지 하중 HF2는, 고체층(32)의 강도를 고려하여, 고체층(32)을 파괴하지 않는 정도를 상한으로 하여 설정되어 있다.
이와 같이, 유지 하중 HF2를 유지 하중 HF1보다 크게 설정함으로써, 고체층(32)에는, 전체로서, 직경 방향 내측으로의 압축 하중이 작용한다.
도 7A에는, 참고로서, 유지 하중 HF2가 유지 하중 HF1과 동일하거나, 혹은 유지 하중 HF1에 만족하지 않는 경우의 고체층(32)이, 상류측(또는 하류측)에서 본 단면으로서 모식적으로 나타나 있다.
이 도 7A에 나타내는 바와 같이, 분할 고체층(32D)의 경계 부분에서는, 성형 상의 사정 등에 의해, 각각의 이음부(32F)의 사이에, 둘레 방향의 약간의 간극(32G)이 생기는 경우가 있다. 또, 간극(32G)이 생기지 않는 경우에도, 이음부(32F)의 밀착도가 낮아지는 경우가 있다. 특히, 고체층(중간 부재)으로서 절연 고체층(58)을 이용한 구성(제2 실시형태)의 경우에는, 간극(32G)에 의해 절연성이 저하되는 경우가 있다.
이에 대하여, 유지 하중 HF2를 유지 하중 HF1보다 크게 설정하고, 도 7A에 화살표 F2로 나타내는 바와 같이, 고체층(32)에 직경 방향 내측으로의 압축 하중을 작용시키면, 도 7B에 나타내는 바와 같이, 분할 고체층(32D) 각각의 이음부(32F)가 밀착되는 방향으로 이동하여 간극을 해소할 수 있다(이미 밀착되어 있는 경우에는, 밀착성이 높아진다). 특히, 고체층(32)으로서 절연 고체층(58)을 사용한 구성의 경우에는, 간극(32G)이 생기는 것[혹은 이음부(32F)의 밀착성이 낮은 것]에 기인하는 절연성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 이와 같이, 유지 하중 HF2를 유지 하중 HF1보다 크게 하기 위한 구체적 구성은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 내측 섬유층(30)과 외측 섬유층(34)의 각각에 있어서, 촉매 담체(14)의 주위에 대한 장착 전의 상태(탄성적으로 압축되어 있지 않은 자연상태)에서의 면밀도가 동일한 경우에는, 외측 섬유층(34)을 내측 섬유층(30)보다 직경 방향으로 더 압축시킴으로써, 외측 섬유층(34)의 탄성 반력이 내측 섬유층(30)의 탄성 반력보다 커져, 유지 하중 HF2가 유지 하중 HF1보다 커진다.
따라서, 유지 매트(26)에 의해 케이스 통체(28) 내에서 촉매 담체(14)를 유지한 상태[이음부(32F)가 밀착되어 있는 상태]에서, 촉매 담체(14)와 고체층(32)의 직경 방향의 간격 G1(도 1 및 도 2 참조)보다, 고체층(32)과 케이스 통체(28)의 직경 방향의 간격 G2(도 1 및 도 2 참조)가 작아지도록 해두면, 유지 하중 HF2가 유지 하중 HF1보다 커진다. 예를 들면, 간격 G1을 5㎜, 간격 G2를 3㎜로 하면 된다.
또, 상기의 간격 G1, G2가 동일한 구조이면, 내측 섬유층(30)의 면밀도보다 외측 섬유층(34)의 면밀도를 크게 함으로써, 유지 하중 HF2를 유지 하중 HF1보다 크게 할 수 있다. 예를 들면, 내측 섬유층(30)의 면밀도를 1300g/㎡, 외측 섬유층(34)의 면밀도를 1700g/㎡로 하면 된다. 또, 외측 섬유층(34)로서, 내측 섬유층(30)보다 반발력이 큰 재료를 사용해도, 유지 하중 HF2를 유지 하중 HF1보다 크게 하는 것이 가능하다.
어느 구성이어도, 촉매 담체(14)에 실질적으로 작용하는 하중은, 유지 하중 HF2와 유지 하중 HF1의 차가 된다. 따라서, 예를 들면 유지 하중 HF2만 작용하는 구조와 비교하여, 촉매 담체(14)에 작용하는 하중은 작아진다. 이 때문에, 촉매 담체(14)는, 그 강도가 낮은 경우에도, 파괴될 가능성이 저하된다. 촉매 담체(14)의 재료로서 SiC를 사용한 경우, 특히 본 실시형태의 촉매 본체에서는, 예를 들면 DPF(Diesel particulate filter : 디젤 엔진의 배기에 대응한 필터)에 사용되는 SiC와 비교하여, 전기 저항을 높이는 등의 목적에서 기공의 비율이 높고 경량이며, 더 작은 하중으로 유지하는 것이 가능하다.
분할 고체층(32D)의 수, 즉, 고체층(32)의 둘레 방향의 분할수도 특별히 한정되지 않지만, 분할수를 더 많게 하면, 분할 고체층(32D)의 각각의 형상으로서는 평면에 근접하게 되어, 분할 고체층(32D)의 각각에 작용하는 응력은 감소한다. 이에 따라, 분할 고체층(32D)의 두께를 얇게 하여, 고체층(32)의 경량화나 구조의 단순화를 도모함과 함께, 생산성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또, 상기에서는, 촉매 컨버터 장치(12, 52)가 수평으로 배치되어 있는 예를 도시하였으나, 촉매 컨버터 장치(12)는, 차량 전후 방향으로 경사지게 배치되어 있어도 된다.

Claims (6)

  1. 내연기관으로부터 배출되는 배기를 정화하기 위한 촉매를 담지하고, 통전에 의해 가열되는 촉매 담체와,
    통 형상으로 형성되어 내부에 상기 촉매 담체가 수용됨과 함께 배기관에 장착되는 통체와,
    상기 촉매 담체의 외주면 측에 배치되는 내측 탄성 부재와, 상기 통체의 내주면 측에 배치되는 외측 탄성 부재와, 이들 내측 탄성 부재와 외측 탄성 부재 사이에 배치되는 중간 부재를 구비하고, 내측 탄성 부재 및 외측 탄성 부재의 탄성에 의해 촉매 담체를 통체 내에 유지함과 함께 촉매 담체와 통체를 전기적으로 절연하는 유지 부재와,
    상기 중간 부재의, 상기 배기의 흐름 방향의 상류측 단부의 적어도 일부에 설치되고, 상기 외측 탄성 부재의 상류측 단부보다 상류측에 위치하는 돌출부를 가지는 촉매 컨버터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 부재가 전기 절연성을 가지고 있는 촉매 컨버터 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촉매 담체와 상기 내측 탄성 부재 사이에 배치되어 이것들을 전기적으로 절연하는 절연층을 가지는 촉매 컨버터 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 돌출부가, 상기 중간 부재의 상기 상류측 단부의 최하단부를 포함하는 부분에 설치되어 있는 촉매 컨버터 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 돌출부가, 상기 통체의 내주면을 따라 전체 둘레에 형성되어 있는 촉매 컨버터 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간 부재가, 상기 촉매 담체의 둘레 방향에서 복수로 분할되고,
    상기 내측 탄성 부재로부터 상기 촉매 담체에 작용하는 내측 하중보다, 상기 외측 탄성 부재로부터 상기 중간 부재에 작용하는 외측 하중이 크게 되어 있는 촉매 컨버터 장치.
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