(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが流れる中空を有し、該中空にガスが流れ込むガス流入端から該中空からガスが流れ出すガス流出端までの長さがLの基材と、
前記基材内に収容された触媒と、を少なくとも備えた触媒コンバーターであって、
前記基材においてガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、
前記基材においてその中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されている触媒コンバーター。
【請求項２】
少なくとも基材の流入側範囲の外周と中央範囲の外周にはそれぞれ環状体が配設されており、環状体と基材の間にスペーサーが嵌め込まれて前記面圧が生ぜしめられている請求項１に記載の触媒コンバーター。
【請求項３】
排ガスの排気系統を構成する管路内に前記基材が収容され、少なくとも基材の流入側範囲の外周と前記管路の間、および中央範囲の外周と前記管路の間のそれぞれにスペーサーが嵌め込まれて前記面圧が生ぜしめられている請求項１に記載の触媒コンバーター。
【請求項４】
基材の外周の一部にはスペーサーが配設されており、
基材の外周のうち、スペーサーが存在しない範囲には環状の保温材が配設されている請求項１〜３のいずれかに記載の触媒コンバーター。
【請求項５】
基材の外周の一部にはスペーサーが配設されており、
前記基材が導電性を有し、基材の外周のうち、スペーサーが存在しない範囲には該基材に通電するための電極が配設されていて電気加熱式触媒を構成している請求項１〜４のいずれかに記載の触媒コンバーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガスの排気系統を構成する配管内に収容固定される触媒コンバーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。
【０００３】
ところで、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、排ガスを浄化するための触媒コンバーターが一般に配設されている。
【０００４】
エンジンはCOやNOx、未燃焼のHCやVOCなど、環境に有害な物質を排出することがあり、こうした有害物質を許容可能な物質に変換するべく、パラジウムや白金のような金属触媒で被覆されたセラミックス構造体などが中空の基材内に配設されてなる触媒コンバーターに排ガスを通すことにより、COはCO2に転化され、NOxはN2とO2に転化され、VOCは燃焼してCO2とH2Oが生成されることになる。
【０００５】
ところで、触媒コンバーターを構成する基材には、そのガス流入端からガス流出端に向かう排ガス流れによって温度分布が生じるのが一般的である。たとえば、実際の耐久試験時や実車搭載時においては基材内の温度分布は一定ではなく、基材のフロント側（Fr側、排ガス流入側）がリア側（Rr側、排ガス流出側）よりも温度が高くなっており、また、基材の中心部よりも外側の温度が低くなっているなど、温度に偏り（分布）がある。
【０００６】
このように基材に温度分布が生じることによって基材に生じる温度応力（熱応力）は部位ごとに異なってくるし、また、時間ごとにも温度応力が異なってくる。このように基材の部位ごとに発生する温度応力が相違すると、この温度応力の相違に起因して基材にクラックが生じ易くなってしまう。
【０００７】
ここで、特許文献１には、金属容器内のセル構造体に対する圧縮面圧の変動が小さく、面圧分布を均一としてセル構造体の破損を防止するようにしたセル構造体収納容器とそのアッセンブリが開示されている。具体的には、セル構造体を金属容器内に収納したセル構造体収納容器であり、セル構造体の外周部と金属容器の間に耐熱性とクッション性を有する圧縮弾性材料を圧縮状態で配することによってセル構造体を金属容器内に把持するものであり、この圧縮弾性材料はセラミック繊維もしくはセラミック繊維と耐熱性金属繊維を含む耐熱性低熱膨張性材料であり、実用温度範囲内において大きく増減を生じない圧縮特性を有し、セル構造体の外周部に作用する圧縮力が大きく変動せず、セル構造体の外周部全体に実質的に均一に作用するものである。
【０００８】
特許文献１で開示の技術思想に基づき、触媒コンバーターを構成する基材の外周全体に実質的に均一に圧縮力（もしくは面圧）を作用させる構成を適用したとしても、既述するように、触媒コンバーターを構成する基材にはそのガス流入端からガス流出端に向かう排ガス流れによって温度分布が生じ、そのために、基材の部位ごとに生じる温度応力が異なってくることから、基材全体に均一な面圧を付与しても温度応力を効果的に低減することはできず、クラックの発生を抑制することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２８０１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒コンバーターを構成する基材においてそのガス流入端からガス流出端に向かう排ガス流れによって温度分布が生じ、この温度分布によって基材の部位ごとに生じる温度応力が異なり、この温度応力の相違に起因して基材にクラックが生じ易いといった課題を効果的に解消することのできる触媒コンバーターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、ガスが流れる中空を有し、該中空にガスが流れ込むガス流入端から該中空からガスが流れ出すガス流出端までの長さがLの基材と、前記基材内に収容された触媒と、を少なくとも備えた触媒コンバーターであって、前記基材においてガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、前記基材においてその中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されているものである。
【００１２】
本発明者等はCAE解析をおこなって触媒コンバーターを構成する中空の基材内で生じる温度分布を特定し、この温度分布に起因する温度応力を特定して基材表面に生じ得る温度応力の閾値を規定し、基材の部位ごとで異なる温度応力がこの閾値よりも小さくなるように基材の適所に所望の面圧を付与するようにしたものである。
【００１３】
そして、解析の結果、ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材において、ガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、基材の中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されている触媒コンバーターとすることにより、基材の全範囲に生じ得る温度応力を規定の閾値未満とすることができ、もって基材に生じ得るクラックの発生を効果的に抑制することができる。たとえば長さLが100mmの基材においては、その流入端から4mm〜6mmの間の範囲においては0.8〜1.2MPaの範囲の面圧を付与し、基材の中央50mmからガス流入側へ20mm〜25mmの範囲とガス流出側へ20mm〜25mmの範囲（すなわち、ガス流入端から25mm〜75mmの範囲）においては0.3〜0.6MPaの面圧を付与するものである。
【００１４】
また、基材においてガスの流出端近傍の流出側範囲においては、流入側範囲と同じ範囲で同程度の面圧が付与される形態であってもよいし、流入側範囲とは異なる範囲（たとえば、流出端から0.02L程度の極めて短い範囲）で0.5MPa程度の相対的に低い面圧が付与される形態であってもよい。基材における流出側範囲では、流入側範囲に比して流通するガスの温度が相対的に低いため、流入側範囲よりも付与する面圧や面圧付与範囲を小さくできることがその理由である。
【００１５】
ここで、使用される基材としては、大電力バッテリへの対応が可能であるセラミックス素材の基材が望ましいが、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材のものが使用されることを排除するものではない。また、セラミックス素材の基材が適用される場合においても、これが本発明の触媒コンバーターに適用されていることにより、懸念される温度応力に起因したクラックの発生は抑制される。
【００１６】
また、使用される触媒にはハニカム触媒等が適用でき、この触媒は炭化ケイ素やステンレス系金属等の導電性金属からなる四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、各格子内にアルミナやジルコニア、セリア等を主成分とするマトリックス担体内に白金やパラジウム、ロジウムなどの触媒金属が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有するものである。
【００１７】
基材の適所に所望の面圧を付与する形態としては、少なくとも基材の流入側範囲の外周と中央範囲の外周にはそれぞれ環状体が配設されており、環状体と基材の間にスペーサーが嵌め込まれて（キャニングされて）前記面圧が生ぜしめられている形態がある。
【００１８】
ここで、スペーサーとしては、キャニングの際にたとえばセラミックス素材の基材に対してその温度応力を低減できる程度の面圧を付与できる剛性と弾性を有したものであり、一例としては基材よりも剛性の低いセラミック素材のもの、基材よりも剛性の低い金属素材のものが挙げられる。このようにスペーサーを適所に配設することにより、基材の適所に所望の面圧を付与できることに加えて、この保温効果によって基材の温度低下を抑制することもできる。
【００１９】
スペーサーの厚みを調整したり、スペーサーの素材を変化させることにより、これが環状体と基材の間にキャニングされた際に生じる面圧を所望に変化させることができる。また、スペーサーの素材や厚みを変化させることは、スペーサーの重量を変化させることにも繋がり、このスペーサーの重量の変化が面圧の変化に寄与するとも言える。
【００２０】
また、基材の適所に所望の面圧を付与する他の形態として、排ガスの排気系統を構成する管路内に前記基材が収容され、少なくとも基材の流入側範囲の外周と前記管路の間、および中央範囲の外周と前記管路の間のそれぞれにスペーサーが嵌め込まれて前記面圧が生ぜしめられている形態であってもよい。
【００２１】
この形態は、排ガスの排気系統を構成する管路内に基材を配し、管路と基材の間にスペーサーをキャニングする際に面圧を生ぜしめるものである。
【００２２】
また、基材の外周のうち、スペーサーが存在しない範囲には環状の保温材が配設されている形態が好ましい。
【００２３】
この保温材は、基材に面圧を付与するスペーサーとは異なり、基材の表面でスペーサーのない領域における温度低下を抑制することのみを目的としたものである。スペーサーのない領域に保温材が配設されることにより、スペーサーと合わせて基材の全範囲の温度低下を抑制することができるし、基材の表面の中で部分的に温度低下領域が生じることも抑制できる。
【００２４】
さらに、本発明による触媒コンバーターの他の実施の形態は、前記基材が導電性を有し、基材の外周のうち、スペーサーが存在しない範囲には該基材に通電するための電極が配設されていて電気加熱式触媒を構成しているものである。
【００２５】
車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷間時には電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化する電気加熱式の触媒コンバーターが搭載されることがある。この電気加熱式の触媒コンバーターは、たとえばハニカム触媒に一対の電極を取り付け、電極を通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものであり、電気加熱式触媒コンバーター（EHC: Electrically Heated Converter）と称することができる。
【００２６】
電気加熱式触媒コンバーター(EHC)は通電加熱機能を有することから、耐久試験時や実車搭載時にクラックが発生すると電気の流れ方(発熱分布)が変わってしまう。そこで、電気加熱式触媒コンバーターとして本発明の触媒コンバーターを適用することにより、基材の部位ごとに異なる温度応力をクラックの発生しない程度の温度応力に制御することができ、初期の発熱分布を保証することができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材において、ガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、基材の中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されている触媒コンバーターとすることにより、基材の全範囲に生じ得る温度応力を規定の閾値未満とすることができ、もって基材に生じ得るクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を説明した模式図である。
【図２】本発明の触媒コンバーターの実施の形態１を説明した模式図である。
【図３】図２のIII−III矢視図である。
【図４】本発明の触媒コンバーターの実施の形態２を説明した模式図である。
【図５】本発明の触媒コンバーターの実施の形態３を説明した模式図である。
【図６】本発明の触媒コンバーターの実施の形態４を説明した模式図である。
【図７】図６のVII−VII矢視図である。
【図８】実機エンジンのエンジンパターン（エンジン回転数の時刻歴グラフ）を示す図である。
【図９】触媒コンバーターの基材の中央レベルにおける温度の時刻歴グラフを示す図である。
【図１０】触媒コンバーターの基材解析モデル（円筒状の基材の1/4モデル）と面圧が付与されていることを示す模式図である。
【図１１】基材に生じる温度応力の閾値を規定するに当たり、図１０で示す各温度測定点での温度の時刻歴と、基材の外周面と内周面の間の温度差の時刻歴を示した図である。
【図１２】温度応力解析結果を示す図であって、基材表面において温度応力が最小となる応力（温度応力の閾値）を特定した図である。
【図１３】基材表面に付与する面圧を変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図１４】面圧を0.2MPaに固定し、中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を15mm、20mm、25mmに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図１５】面圧を0.3MPaに固定し、中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を15mm、20mm、25mmに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図１６】面圧を0.4MPaに固定し、中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を15mm、20mm、25mmに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図１７】面圧を0.5MPaに固定し、中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を15mm、20mm、25mmに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図１８】面圧を0.6MPaに固定し、中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を15mm、20mm、25mmに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図１９】ガス流入端からのスペーサーの幅を2mmに固定し、面圧を0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図２０】ガス流入端からのスペーサーの幅を4mmに固定し、面圧を0.6、0.8、1.0、1.2MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図２１】ガス流入端からのスペーサーの幅を6mmに固定し、面圧を0.6、0.8、1.0、1.2MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図２２】中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を25mm、中央範囲の面圧を0.4MPaとした際に、ガス流入端からのスペーサーの幅6mmにおける流入側範囲に付与する面圧を0.4、0.6、0.8MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図２３】中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を25mm、中央範囲の面圧を0.6MPaとした際に、ガス流入端からのスペーサーの幅6mmにおける流入側範囲に付与する面圧を0.4、0.6、0.8MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【図２４】スペーサーがある場合とない場合における基材表面での温度の時刻歴を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
【００３０】
（排ガスの排気系統）
図１は本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を説明した模式図である。
【００３１】
図示する排ガスの排気系統は、エンジン２０、触媒コンバーター１０、三元触媒コンバーター３０、サブマフラー４０およびメインマフラー５０が配されて相互に系統管６０で繋がれ、エンジン２０で生成された排ガスは同図のＸ１方向に排気されるようになっている。図示する排気系統において、触媒コンバーター１０が実施の形態４にかかる電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の場合には、たとえばエンジン２０を始動させた際に、可及的速やかに電気加熱式触媒コンバーターを構成するハニカム触媒を所定温度まで加熱昇温し、エンジンから流通してくる排ガスをこのハニカム触媒にて浄化し、電気加熱式触媒コンバーターで浄化しきれなかった排ガスはその下流に位置する三元触媒浄化装置３０にて浄化されることになる。
次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を図２〜８を参照して説明する。
【００３２】
（触媒コンバーターの実施の形態１）
図２は本発明の触媒コンバーターの実施の形態１を説明した模式図であり、図３は図２のIII−III矢視図である。
【００３３】
配管６０内に収容される触媒コンバーター１０は、そのガス流入端からガス流出端に亘るガスの流れ方向の長さがLの円筒状の基材１と、基材１の中空１ａに搭載されるハニカム触媒４と、基材１の外周において、ガス流入端から長さt1の範囲（流入側範囲）にある環状のスペーサー３ａ、ガス流出端から長さt3の範囲（流出側範囲）にある環状スペーサー３ｃ、および中央位置から左右それぞれt2の範囲（長さ2×t2の中央範囲）にある環状のスペーサー３ｂと、それぞれのスペーサー３ａ、３ｂ、３ｃを基材１とともに挟み込む環状体２ａ、２ｂ、２ｃから大略構成されている。そして、これら環状体２ａ、２ｂ、２ｃによってスペーサー３ａ、３ｂ、３ｃが基材１の周囲にキャニングされ、このキャニングによってスペーサー３ａ、３ｂ、３ｃには圧力が生じ、これがスペーサー３ａ、３ｂ、３ｃを介して、基材１の流入側範囲、中央範囲、および流出側範囲に対して所望の面圧となって付与される。
【００３４】
ここで、中空１ａを具備する基材１は、好適には炭化ケイ素等のセラミックスから形成されるものであるが、ステンレス系金属等の導電性金属から形成されてもよい。
【００３５】
また、基材１の中空内に収容されるハニカム触媒４は、炭化ケイ素やステンレス系金属等の導電性金属からなる四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、各格子内にアルミナやジルコニア、セリア等を主成分とするマトリックス担体内に白金やパラジウム、ロジウムなどの触媒金属が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有するものである。
【００３６】
さらに、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃは、キャニングの際にたとえばセラミックス素材の基材１に対してその温度応力を低減できる程度の面圧を付与可能な剛性と弾性を有した素材からなるもので、その一例としては、基材１よりも剛性の低いセラミック素材のもの、基材１よりも剛性の低い金属素材のものが挙げられる。
【００３７】
ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材１において、図示するガスの流入端からの長さt1は0.04L〜0.06Lの間の範囲にあり（流入側範囲という）、この流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与される。
【００３８】
この面圧の付与に関しては、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃの厚みを調整したり、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃの素材を変化させることにより、これが環状体２ａ、２ｂ、２ｃと基材１の間にキャニングされた際に生じる面圧を所望に変化させることができる。また、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃの素材や厚みを変化させることは、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃの重量を変化させることにも繋がり、この重量の変化によって面圧が変化することにもなる。
【００３９】
また、図示する基材１の中心からの左右の長さt2は、基材１の中心であるガス流入端から0.5Lの位置からガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の範囲にあり（中央範囲という）、この中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与される。
【００４０】
さらに、図示するガスの流出端からの長さt3は特に限定されるものではなく（この範囲を流出側範囲という）、流入側範囲の長さt1と同じ長さに設定してもよいし、長さt1よりも短い長さに設定してもよく、この流出側範囲に付与される面圧も特に限定されるものでなく、流入側範囲と同じ面圧に設定されてもよいし、流入側範囲よりも小さな面圧が設定されてもよい。
【００４１】
上記する流入側範囲の長さ範囲やここに付与される面圧範囲、および、中央範囲の長さ範囲やここに付与される面圧範囲はいずれも、本発明者等による解析結果に基づいて基材１にクラックを生じさせない、もしくは生じ難くさせることのできる範囲である。なお、この解析内容やその結果に関しては後述する。
【００４２】
図示する触媒コンバーター１０によれば、ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材１において、ガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、基材１の中心である0.5Lの位置からガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されていることにより、基材１の全範囲に生じ得る温度応力を規定の閾値未満とすることができ、もって基材１に生じ得るクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００４３】
（触媒コンバーターの実施の形態２）
図４は本発明の触媒コンバーターの実施の形態２を説明した模式図である。同図で示す触媒コンバーター１０Ａは、図２，３で示す触媒コンバーター１０を構成する基材１の外周面において、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃが存在しない領域に環状の保温材５が配設されたものである。
【００４４】
このように保温材５を配設することで、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃとともに基材１の外周面は別途の部材で完全に包囲され、基材１の温度低下が効果的に抑制される。また、触媒コンバーター１０のように、基材１の外周面において別部材（スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃ）で包囲されている領域と包囲されていない露出領域が混在することで外周からの冷やされ方が相違し、このことによって基材１に温度分布が生じ、これがクラック発生の要因となり得るといった課題も生じ得ない。
【００４５】
（触媒コンバーターの実施の形態３）
図５は本発明の触媒コンバーターの実施の形態３を説明した模式図である。同図で示す触媒コンバーター１０Ｂは環状体を備えておらず、排ガス系統管路６０と基材１の間にスペーサー３ａ’、３ｂ’、３ｃ’が嵌め込まれているものである。触媒コンバーター１０，１０Ａと同様、スペーサー３ａ’、３ｂ’、３ｃ’の厚みや素材が調整されることで基材１の流入側範囲、中央範囲、および流出側範囲に対してそれぞれ固有の所望面圧が付与される。
【００４６】
（触媒コンバーターの実施の形態４）
図６は本発明の触媒コンバーターの実施の形態４を説明した模式図であり、図７は図６のVII−VII矢視図である。
【００４７】
図示する触媒コンバーター１０Ｃは、基材１の外周に一対の電極６，６を有し、これらの電極６，６は電源回路と繋がっている、電気加熱式触媒コンバーター（EHC）である。なお、図示する電源回路は不図示のスイッチング素子を有しているのが好ましく、その通電加熱に当たっては不図示の制御部からのON制御信号を受信してスイッチングされる構成となっているのがよい。
【００４８】
電気加熱式触媒コンバーターでは、図示するように、基材１の外周面においてスペーサーが存在しない領域に電極６が取付けられることになる。
【００４９】
なお、触媒コンバーター１０Ｃにおいて、スペーサー３ａ、３ｂ、３ｃが存在しない領域のうち、さらに電極６が存在しない領域には図４で示すような保温材を配設してもよく、電極６が存在する領域には、電極６の取り付け位置以外の領域に同様に保温材を配設してもよい。
【００５０】
[基材に付与する面圧の付与範囲と面圧の大きさ範囲を規定するための解析とその結果]
本発明者等は、実機エンジンのエンジンパターンとこれに基づく基材内温度の時刻歴データを使用し、基材に生じ得る温度応力を解析にて求め、温度応力に起因するクラックが生じない温度応力閾値を規定し、基材の各部に生じ得る温度応力がいずれも規定された閾値以下となるように基材の適所に所望の面圧を付与するべく、この面圧の付与範囲と面圧の大きさ範囲を特定する解析をおこなった。
【００５１】
図８は実機エンジンのエンジンパターン（エンジン回転数の時刻歴グラフ）を示す図であり、図９は触媒コンバーターの基材の中央レベルにおける温度の時刻歴グラフを示す図である。また、図１０は触媒コンバーターの基材解析モデル（長さLの円筒状の基材のL/2の長さ範囲でさらにその1/4の範囲のモデル）と面圧が付与されていることを示す模式図である。さらに、図１１は基材に生じる温度応力の閾値を規定するに当たり、図１０で示す各温度測定点での温度の時刻歴と、基材の外周面と内周面の間の温度差の時刻歴を示した図であり、図１２は温度応力解析結果を示す図であって、基材表面において温度応力が最小となる応力（温度応力の閾値）を特定した図である。
【００５２】
図８で示すエンジンパターンでの触媒コンバーターの基材内中央レベルでの温度は、図９で示すように150℃〜900℃程度となっている。
【００５３】
本解析では、基材の仕様として5.3mil/600cpsi、中空径φ93mmで長さL=100mmとしている。
【００５４】
また、基材は一重管構造であり、基材(アルミナ72%、シリカ28%のセラミックス素材)とハニカム触媒の物性は以下の表１としている。
【表１】
0005742774.tif 000002
【００５５】
コンピュータ内において図１０で示す基材の1/4モデル（全長100mmの1/2の長さモデル）を作成し、この基材表面の全面や所望範囲に面圧を付与したものである。
【００５６】
まず、温度解析によって図１０で示す解析モデルにおけるNo2、No5、No8の各位置での温度の時刻歴曲線を求め、これを図１１に示している。なお、No5は基材モデルのガス流入端の基材内周面の点であり、No8は基材モデルのガス流入端の基材外周面の点であり、No2は基材モデルのガス流入端の基材中央レベルの点である。
【００５７】
基材の内外表面差が基材のその箇所における温度応力に直結することから、図１１においてNo5、No8の差分値の最も大きな時刻3秒位置を温度応力が最大となる位置として特定した。
【００５８】
そして、この時刻3秒において、基材モデルに面圧を変化させながら付与し、基材表面に生じる温度応力解析を実施し、その結果を図１２に示している。
【００５９】
本解析結果より、基材表面の全面に0.4MPaを付与した際の基材の温度応力が23.9MPaと最小となり、基材全体がこの値をクリアできる場合に基材にクラックが生じないものとしてこの温度応力23.9MPaを目標の閾値に規定した。
【００６０】
なお、図１３には基材表面に付与する面圧を変化させた際の温度応力解析結果を示しているが、この解析結果からも、面圧として0.4MPaを付与した際に基材のガス流入端（Fr）から50mmの解析モデル全長において温度応力が閾値である23.9MPaを下回ることが確認される。
【００６１】
この解析結果を踏まえ、基材の部位ごとに面圧を変化させることで、面圧の大きさを一定の範囲に広げることができ、基材の設計バリエーションを広げることができると考えられる。また、基材の一部に電極を取り付ける必要があるEHCの場合には基材全面に面圧を付与できないことからも、面圧を付与しない領域と付与する領域に分割した際に、基材全体として温度応力が閾値を下回るような面圧付与範囲や面圧の大きさ範囲を規定することができる。
【００６２】
このことを踏まえ、本発明者等は、面圧の付与範囲を基材におけるガス流入側から一定の範囲（流入側範囲）と、基材の中央の一定の範囲（中央範囲）とし、温度応力閾値を満足できるようなそれら２箇所の面圧付与範囲とそれら２箇所の面圧の大きさ範囲を特定する解析をおこなった。
【００６３】
解析内容は、基材の中央範囲とその範囲における面圧の大きさ範囲を特定するべく、中央範囲を幅15mm〜25mmで変化させ、面圧の大きさは0.2MPa〜0.6MPaで変化させた。その解析結果を図１４〜１８に示している。より具体的には、図１４〜１８はそれぞれ面圧を0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPaおよび0.6MPaに固定し、中央範囲の幅（中心からガス流入端への幅）を15mm、20mm、25mmに変化させた際の温度応力解析結果を示したものである。
【００６４】
図１４より、いずれの面圧範囲であっても面圧が0.2MPaの場合には温度応力閾値未満を満足することができないことが実証されている。
【００６５】
一方、図１５〜１８より、0.3MPa以上の面圧では、幅20mm、25mmでともに温度応力閾値未満を満足できることが実証されている。
【００６６】
本解析結果より、基材の中央範囲における面圧付与範囲は中央位置から少なくとも20mm以上の範囲であること、基材に付与される面圧の大きさ範囲は少なくとも0.3MPa以上であることが望ましいことが確認できる。そして、本解析結果に基づき、基材の中央範囲における面圧付与範囲は中央位置から20mm〜25mmの範囲であること（解析モデルの実質長さが100mmであることより、この長さをLとした際には、中央から0.2L〜0.25Lの範囲となる）、基材に付与される面圧の大きさ範囲は0.3〜0.6MPaであることが望ましいことが確認でき、これらの数値範囲を基材の中央範囲における面圧付与範囲と面圧の大きさ範囲として規定することにする。なお、基材の中央範囲における面圧の大きさが0.6MPaを超える範囲ではキャニングが困難になることが分かっており、このことからも、基材の中央範囲に付与される面圧の大きさの上限値を0.6MPaに規定することができる。
【００６７】
一方、本解析において、基材における流入側範囲とその範囲における面圧の大きさ範囲を特定するべく、流入側範囲を幅2mm〜6mmで変化させ、面圧の大きさは0.2MPa〜1.2MPaで変化させた。その解析結果を図１９〜２１に示している。より具体的には、図１９〜２１はそれぞれ面圧付与範囲を幅2mm、4mm、6mmに固定し、付与する面圧の大きさを0.2MPa〜1.2MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示したものである。
【００６８】
図１９より、幅2mmではほとんどの面圧で温度応力閾値未満を満足することができないことが実証されている。
【００６９】
一方、図２０より、幅4mmでは面圧0.8MPa以上で温度応力閾値未満を満足できることが実証されている。また、図２１より、幅6mmでは面圧0.6MPa以上で温度応力閾値未満を満足できることが実証されている。
【００７０】
この解析結果より、基材の端部である流入側範囲における面圧付与範囲はガス流入端から少なくとも4mm以上の範囲であること、基材に付与される面圧の大きさ範囲は少なくとも0.8MPa以上であることが望ましいことが確認できる。そして、本解析結果に基づき、基材の端部である流入側範囲における面圧付与範囲は4mm〜6mmの範囲であること（解析モデルの実質長さが100mmであることより、この長さをLとした際には、中央から0.04L〜0.06Lの範囲となる）、基材に付与される面圧の大きさ範囲は0.8〜1.2MPaが望ましいことが確認でき、これらの数値範囲を基材の流入側範囲における面圧付与範囲と面圧の大きさ範囲として規定することにする。
【００７１】
また、図２２，２３には他の温度応力解析結果を示している。具体的には、図２２，２３はそれぞれ、中央範囲の幅（中心からガス流入端側への幅）を25mm、中央範囲の面圧を0.4MPa、0.6MPaとした際に、ガス流入端からのスペーサーの幅6mmにおける流入側範囲に付与する面圧を0.4、0.6、0.8MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。
【００７２】
いずれの結果も、流入範囲における面圧が0.8MPaで温度応力閾値を下回ることが実証されている（上記する面圧の大きさ範囲0.8〜1.2MPaを満足する）。
【００７３】
さらに、図２４には、基材の解析モデルにおいて、スペーサーがある場合とない場合において、ガス流入端（Fr）から30mm基材の内側の点（図中の基材表面1）における基材表面の温度、ガス流入端（Fr）から50mm基材の内側の点（図中の基材表面2）における基材表面の温度差、ガス流入端（Fr）から70mm基材の内側の点（図中の基材表面3）における基材表面の温度に関する解析結果を示している。また、表２には、それぞれの点における基材の内外表面の温度差を示している。
【００７４】
【表２】
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【００７５】
図２４と表２より、基材表面にスペーサーがないモデルに対して、スペーサーを有する基材モデルにおける基材の内外表面温度差は特にガス流入端に近いほど顕著であり、スペーサーのないモデルに比して40%以上も温度差が低下することが実証されている。基材の内外周面の温度差が大きく低減されることによって温度応力も格段に少なくなり、クラックの効果的な抑制に繋がる。
【００７６】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７７】
１…基材、１ａ…中空、２ａ、２ｂ、２ｃ…環状体、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ａ’、３ｂ’、３ｃ’…スペーサー、４…ハニカム触媒、５…保温材、６…電極、１０，１０Ａ，１０Ｂ…触媒コンバーター、１０Ｃ…（電気加熱式）触媒コンバーター、２０…エンジン、３０…三元触媒コンバーター、４０…サブマフラー、５０…メインマフラー、６０…配管（系統管）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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