(57)【要約】本発明は、触媒材料から構成される少なくとも１つの本体（１）を備える、ガスフローの触媒処理装置に関する。装置は、前記触媒本体（１）へのガス入口用か或いはその出口用の多数の第１の開口（５）と、第１の開口を経由して流入するガスの出口用か或いは第１の開口を経由して次の出口用の前記触媒本体（１）へのガスの入口用の第２の開口（６）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒材料から構成される少なくとも１つの本体（１、１７）を備えるガスフローの触媒処理装置であり、前記触媒本体（１、１７）へのガス入口用か或いはその出口用の多数の第１の開口（５、５０）と、第１の開口を経由して流入するガスの出口用か或いは第１の開口を経由して次の出口用の前記触媒本体（１、１７）へのガスの入口用の第２の開口（６）を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
第１の開口（５、５０）は、その第１の画定表面（７）から離れた本体の部分上で前記触媒本体（１、１７）から外部に開かれており、本体は流入するガスの少なくともある部分を本体の画定表面へ向かって誘導するように適合されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第２の開口（６）は、前記第１の画定表面（７）の反対側に位置する本体の部分（８）上に、前記触媒本体（１、１７）から外側に向かって開かれることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
触媒本体（１、１７）は、長く伸びた形状を有し、前記第１の画定表面は本体の第１の端（７）を定義することを特徴とする請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記触媒本体（１）は本体の基本表面に向かって開かれた内部空洞（１３）を有する実質的に円筒形状を定義し、第２の開口（６）は内部空洞の一部を構成することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記触媒本体（１）は、円形断面の円筒形状を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
触媒本体（１、１７）は、ガス通過流用の管路（３、４と３０、４０）を形成するジグザグ形状の構造に折り曲げられる帯状の要素（２）から構成されることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
触媒材料は、管路（３、４と３０、４０）を定義する壁の少なくとも１つに塗布されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ジグザグ構造の管路（３、４と３０、４０）は１つおきに少なくとも１つの前記第１の開口（５、５０）に接続され、かつ１つおきに第２の開口（６）に接続され、管路は少なくとも触媒本体の第１の端（７）に配置されるチャンバー（９）において交互に接続されることを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
第１の開口（５、５０）は、帯状の要素（２）の片側の異なる管路（３、３０）に接続されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
ジグザグ形状の構造が、前記円筒形状を構成することを特徴とする請求項５または６および請求項７〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
帯状の要素（２）は、前記管路（３、４）の各々が実質的な直線に沿って延びるように適合されることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
帯状の要素（２）は、前記管路（３０、４０）の各々が螺旋線路に沿って延びるように適合されることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記触媒本体（１、１７）は、熱交換器を構成することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記触媒本体（１、１７）は、ガス通過流用の多数の管路（３、３０、４、４０）を定義し、これらの管路は前記本体（１、１７）に入るガスが前記本体から出るガスから熱交換を受けるように適合されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
装置は、前記触媒本体（１、１７）を密閉しかつ前記第１の開口（５、５０）を有するケーシング（１１）を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
ケーシング（１１）は、円筒形状を有することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１の開口（５）は、前記ケーシング（１１）の周りに互いに間隔を持って配置されたことを特徴とする請求項１６または１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１の開口（５０）は、前記ケーシング（１１）の長手方向に互いに間隔を持って配置されたことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒材料から構成される少なくとも１つの本体を備える、ガスフローの触媒処理装置に関する。
【０００２】
例えば石油やディーゼル油などの炭化水素燃料の全ての燃焼において、排気ガスが発生する。それらの大部分は、燃焼しなかった或いは部分的に燃焼した燃料すなわち炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および二酸化炭素（ＣＯ２）と、水である。また、窒素ガスと酸素が結合して窒素酸化物ガス（ＮＯＸ）を発生する。
【０００３】
触媒装置において、その目的は、二酸化炭素が生成するように排気ガス中の一酸化炭素へ酸素を供給し、かつ燃焼しなかった炭化水素が完全に燃焼して二酸化炭素と水が発生するように、燃焼しなかった炭化水素へ酸素を供給することである。さらに、分子窒素が生成するように、窒素酸化物から酸素を除去することが望ましい。
【０００４】
ガスが触媒材料と接触させる装置により、前記反応を引き起こすことが可能である。この反応は低温でも起きるが、通常３００℃程度の温度に設定される。
【０００５】
【従来の技術】
一般にガスフローの触媒処理装置は触媒（Ｃａｔａｌｙｚｅｒ）と呼ばれ、従来から公知である。自動車の排気ガスの触媒処理については、触媒処理装置は内燃機関のシリンダーの直後に配置することができる。シリンダーからの枝管は接続点で１つにまとめられ、ガス用の共通管は触媒装置への接続点へ接続する。このような装置の欠点は、１つのシリンダーからの圧力パルスが、ガス交換段階に他のシリンダーに影響を及ぼし、それは出力および効率損失に関連する。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
本発明の目的の１つは、所定の応用に対して、従来から公知のこのような装置、或いは少なくともこのような構成を有する装置に関して占有体積の小さなガスフローの触媒処理装置を作製し、利用可能なスペースをより有効に使用することである。このような応用は、装置が自動車の排気ガスの触媒処理に用いられるよう意図される場合であり、自動車のエンジンの直後に配置される。他の応用は、装置がエンジンの枝管の近くにあることが副次的に重要である、比較的細長いスペースにおいて用いられるよう意図される場合である。さらに別の目的は、効率を向上させる機会を与える構成を有する装置を作製することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、装置は前記触媒本体へのガス入口用か或いはその出口用の多数の第１の開口と、第１の開口を経由して流入するガスの出口用か或いは第１の開口を経由する次の出口用の前記触媒本体へのガスの入口用の第２の開口を有するという事実により達成される。
【０００８】
装置がエンジンの直後に配置されるように意図される場合、第１の開口の数はシリンダーが他のシリンダーにできるだけ干渉しないように適切に適合される。これは、各シリンダーが第１の開口を有するか、或いはシリンダーが共通の第１の開口用に結合されて１つのグループ中の複数のシリンダーからの排気弁が同時に開かないようにエンジンが制御されることにより達成される。そのため、第１の開口は装置の入口として機能する。このような構成により、従来から公知の装置に関してエンジンの後のスペースを効率良く配置する機会が提供される。正確に言うと、装置は好適な構造設計により、エンジンと装置との間に枝管を接続する必要がないという事実のためエンジンに近接して取付けられる。
【０００９】
別法として、得られる余分のスペースを長い枝管用に用いることもでき、それによりシリンダーは大量の排気残分を排出することが可能になるという利点がある。言い換えると、ガス交換が改善され、それにより効率の向上と出力の増加が得られる。
【００１０】
本発明の好適な実施例によれば、第１の開口は、その第１の画定表面から離れた本体の部分上で前記触媒本体から外部に開かれており、本体は流入するガスの少なくともある部分を本体の画定表面へ向かって誘導するように適合されている。好適には、触媒本体は長い形状を有し、かつ前記第１の画定表面は本体の第１の端を規定する。言い換えると、触媒工程において活性である触媒本体の部品が、前記開口に対する部分と本体の前記第１の端との間に存在する。
【００１１】
上記の場合において本体の前記第１の端がエンジン／シリンダーに面するように装置を取付けることにより、装置はスペース効率の良い位置に置くことができる。そのため、従来公知の技術に関する本体の前記活性部品の小さな部分を、第１の開口に対して第１の端の反対側に配置することができる。
【００１２】
本発明の前述の実施例の展開によれば、第２の開口は、前記第１の画定表面の反対に位置する本体の部分上で、前記触媒本体から外部に開かれている。第２の開口は、本体の第２の端に向かって長手方向に好適に開かれている。チャンバーは、ガスの方向を変える目的で、本体の第１の端に好適に配置される。
【００１３】
本発明の他の好適な実施例によれば、触媒本体は、ガス貫通フロー用の管路を形成するジグザグ状の構造に折り曲げられた帯状の要素により構成される。製造上の観点から、触媒本体は経済性に優れる設計である。本実施例の展開によれば、触媒本体は熱交換器を形成し、前記管路は前記本体に入るガスが前記本体を出るガスと熱交換できるように適合される。ここで、帯状の要素は２つの隣接する管路間で熱交換が行われるようにする性質のものである。適切な方法でガスを誘導することにより、例えばコールドスタートと呼ばれる事柄について、すなわち、エンジンの動作の初期段階において排気ガスの温度が触媒反応に対して低すぎて触媒反応が適切に始まらない場合について、優位性が得られる。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明の第１の実施例（図１参照）は、熱交換器が装置の一部を構成する、炭化水素のような有機物質の触媒酸化用の装置に関するものである。有機物質の酸化に加えて、装置はガスの熱交換と触媒処理のその他の復号処理、例えばアンモニアや他の還元窒素化合物を用いる窒素酸化物の選択還元として知られるものにもよく適している。装置は、排気ガスの酸素含有量が高い（ディーゼルエンジン）或いは低い（オットーエンジン）に関わらず、エンジン排気ガスの処理によく適合している。
【００１５】
図１において、本発明の第１の好適な実施例が示される。示された例において、装置は内燃機関（図示せず）に接続される。装置は、触媒材料から構成される本体１を備える。本体１はジグザグ状の構造に折り曲げられた帯状の要素２により構成される（図３も参照）。単純化のために、帯状の要素は以下において帯と呼ぶ。帯２は実質的に円筒空洞シリンダー形状の本体を規定する。ジグザグ状の構造は、管路間の熱交換を伴うガス誘導用の交互の管路３と４を形成する。正確に言うと、管路はシリンダーの軸方向に延びる隙間の形状で存在する。管路３と４の実質的に直線の範囲は点線の領域６０により示される。
【００１６】
装置は、この応用において被処理ガス用の入口としての働きをする多数の第１の開口５と、第１の開口を通して流入したガス用の出口としての働きをする第２の開口６をも備える。第１の開口の適切な設計により、開口を通して比較的大きな面積を触媒本体に露出することが可能であり、これにより開口を通して流入するガスの圧力降下を減らすことができる。第１の開口５は、長手方向の本体１上の中央に配置される。第１の開口５は、本体１の第１の端７から少し離れた本体の部分上に配置される。本体の部分とは、その断面を意味する。図１において、開口５は、第１の端７から実質的に同じ距離だけ離れて、本体１の周りに配置される。
【００１７】
第１の開口５と第２の開口６は共に、図において管接続形状の接続装置により定義される。ここで、各接続装置はエンジンの１つ或いはそれ以上のシリンダーへ接続されるよう意図される。
【００１８】
ジグザグ形状の構造により、ジグザグ構造の円周方向における交互の管路３と４は、１つおきに第１の開口５の１つに接続され、かつ１つおきに第２の開口６に接続される。さらに管路３と４は、触媒本体１の各端７と８に配置されたチャンバー９と１０において、互いに接続される。ガスはこれらのチャンバーを回り、交互の戻り管路に戻されるようにもくろまれている。
【００１９】
帯２により形成される本体１は、ケーシング１１中に配置される。ケーシングも中空シリンダー形状を有する。開口５と６は、ケーシングを経由して延びている。
【００２０】
図２において、図１に関する発明が、装置の長手方向の概略断面図において例示される。ケーシング１１の画定壁１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄは、半径方向の外側と内側および長手方向において本体１を密閉する。シリンダー中の内部空洞を画定するケーシングの画定壁１４ｂは、中央開口１２を有する。壁がケーシングの外部側表面を定義する、円筒形状のケーシング１１の外部壁１４ａの内側表面は、触媒本体１の外部画定表面を担持する。
【００２１】
ガスは第１の開口５を経由して供給される。本体２に沿って中央に配置された第１の開口５の各々からのガスは、反対方向の２つの流れに分割され、本体の端のチャンバー９と１０へ向かって流れる。正確に言うと、ガスは帯の折り曲げられた構造の片側の管路３中を流れる。この実施例の構成の重要な詳細は、１つの開口５を経由して流れるガスは本体２に入ると他の開口５と直接混合しないことである。ガスは、ガスが戻りチャンバー９や１０に到着したときのみ混合するように、薄板形状である隙間３に沿って流れる。
【００２２】
手段２０は、中央の開口１２から第２の開口６へ向かって流れ出るガスを導くために、シリンダーの空洞１３中に配置される。誘導手段２０は、好適には、ケーシング１１の内部画定表面１４ｂの形状に本質的に一致する円周方向の外側形状を有する円筒形状である。
【００２３】
第１の開口５に対する適切な範囲を選択することにより、または別法として範囲の調節を可能にすることにより、圧力降下および放出特性を最適化できる。図２はこのような調節の構成を示す。第１の開口５の下部を定義する管接続の口において、手段２２は触媒本体に露出する開口の有効面積を調節するために配置される。調節手段２２は、可動に配置された跳ね板を備える。跳ね板は、開口の最大部分を覆う第１の位置、および最大寸法の開口が得られる第２の位置（破線位置を参照）の少なくとも２つの異なる位置に取るようにする。跳ね板は第１の端にしっかりと固定される。跳ね板は、温度に依存する特性を有するバイメタルと呼ばれるものを備える。跳ね板の適正な設計と構成により、温度条件に依存して開口の寸法を自動調節することができる。調節手段を配列することは、別の実施例を構成する。調節手段２２を有する構成が第１の開口のただ１つに示されているという事実は単に例示であり、調節手段は適切に全ての第１の開口に配置される。
【００２４】
帯２は、入ってくるガスと出て行くガスとを分離する、メンブレンと呼ばれるものを構成する。メンブレンは、熱が出て行くガスから入ってくるガスに移り、ガスがメンブレン中を自由に流れることができないように適合される。流出するガスの暖かくてまだ冷却または加熱されていない部分が、入ってくるガスを後の方の段階で加熱または冷却するのと同時に、入ってくるガスが途中にあるとき出て行くガスが入ってくるガスを加熱する向流過程において熱交換が行われるように、メンブレンは好適に配置される。これにより良好な熱交換効率が得られる。
【００２５】
良好な熱交換のためには、ガスが帯の表面と良好な熱伝導接触を有することも必要である。本発明によれば、帯の選択された部分は適切な触媒材料の層により被覆され、それにより高い反応速度をもたらす有利な条件が得られる。ガスと壁との密接な接触が望ましい。
【００２６】
帯２は、例えば、触媒材料の薄層で被覆した、例えばステンレス鋼で作られた薄い金属板から構成される。帯は触媒材料を含浸または被覆したセラミック材料から構成することもできる。帯は両面または片面を触媒材料で被覆する。触媒材料は断続的にまたは連続した層として適用可能である。
【００２７】
流れるガスを良好に加熱するために、帯の表面はテクスチャーである（図３参照）。表面は、尾根と谷の形状のように、多数の隆起した部分と低くなった部分１８を有する。帯は好適には波形である。この方法では、ガス中に乱流が発生する。帯の波型形状は、例えばプレス成形や圧延等により得られる（図３参照）。波型形状は、好適には４５〜６０°の角度を有して帯を横切っている。その後、帯はジグザグ形状に折り曲げられ、軸の周りに延びる形状、好適には断面が円形の形状に形成される。隣接する襞における波型形状は襞と逆に配置され、帯の襞間のスペーサとして働く。帯の折り曲げを容易にするため、波型形状パターンを、帯の長手方向に対して直角に走る折り曲げ表示１９により中断することができる。折り曲げ表示間にある帯の部分は長方形である。
【００２８】
触媒材料として用いる材料の例は、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属である。白金族の金属が好適には利用される。ある型の金属酸化物を用いることもできる。
【００２９】
第１の開口５は、本体に対して中央に配置される。これは、本体の両端からほぼ同じ距離に配置されることを意味する。
【００３０】
シリンダーという言葉は、外側の輪郭が２つの基本表面を繋ぐ側表面を定義する胴体を意味する。基本表面は、例えば円形、楕円形、或いは他の丸い形状のような任意の形状が可能である。基本表面が円形で平行な場合、本体は円筒を定義する。基本表面は多数の側面を持つ形状を定義することができ、好適には三角形や四角形等のような多角形を有することも可能である。図４ａ〜図４ｆは、折り曲げられた触媒本体の断面形状の様々な例を示す。正確に言うと、断面形状は、図４ａは円形、図４ｂは楕円、図４ｃは競争路と呼ばれる形状、図４ｄは実質的に四角形、図４ｅは六角形、図４ｆは五角形である。このような好適な多角形の角の数は、角の間の側面に配置される第１の開口の数に一致する。
【００３１】
装置が取付けられる環境が攻撃的でないほうが、装置の寿命は延びる。例えば、エンジンに近づけて取付ける方が寿命は短くなる。そのため、シリンダーから離して装置を取付けることが望ましい場合もある。そのような場合、離れている多数の枝管からガスフローを維持することは重要ではない（圧力パルスが１つの枝管から他の枝管へと次々に減衰しながら侵入する現象がはっきりしなくなる）。これに対する限界の枝管長さがある。このような場合、図２に関する装置は逆向きに取付けることができる（図５参照）、すなわち、ガスは軸方向に第２の開口を経由して装置に導入された後、円周方向に第１の開口を経由して排出される。この接続において、出口管は断面積を比較的小さく取って設計できるため、スペース効率が良くかつ比較的細長い設計が実現できる。この実施例の利点は、限られたスペースの中で位置決めに対する自由を与えることである。
【００３２】
図６において、本発明の第２の好適な実施例が断面図で示される。装置は、各々が円柱の一部分を構成しかつ円筒のケーシング１１中に密閉された多数の触媒本体１７を備える。触媒本体１７は、一面に延びかつ図６において円形の経路に沿って相互に間隔を取って配置される。第１の開口５の各々は、そのような本体に向かって開いている。
【００３３】
図７において、第１の好適な実施例の変形である、本発明の第３の好適な実施例が示される。帯２により形成される触媒本体１において、管路３０と４０はらせん状の経路に沿って延びている。言い換えると、触媒本体１は図１に関してねじった構成を有する。これが図中に破線７０により示される。このように、第１の開口５０が、同じ管路に複数の開口を開けることなく、一列に配置される機会が与えられる。３つの第１の開口５０が互いに間隔を取ってケーシング１１の長手方向に配置される。正確に言うと、開口５０はケーシングの長手方向の実質的な直線に沿って配置される。図７に関する実施例は、特定のスペースに限界がある場合に好適である。開口が装置の同じ側に一列に配置されるという事実により、装置をエンジンに近づけて取付けることができ、かつ横位置に配置することができる。これはディーゼルエンジンのエンジンとターボ装置間の配置に対して特に利点がある。
【００３４】
第３の好適な実施例において、空洞１３の一部を構成する図２に示す中央の開口１２は、空洞１３中に開けられる多数の開口と、好適に置き換えられる。装置は、このような出口開口を、各入口開口５０に対して好適に備える。図７の左側の入口開口に接続する出口開口は、装置を貫通する中央の面から図中の右側の対応する距離に配置される。同様に、図７の右側の入口開口に接続する出口開口は、装置を貫通する中央の面から図中の左側の対応する距離に配置される。
【００３５】
エンジンのシリンダーは、第１の開口５０の各々に対して一対ずつにグループ分けされる。グループは、排気バルブを同時に開かないシリンダーから作られるように選択される。
【００３６】
上記で用いられるガスという用語は、自動車のエンジンの排気ガスのような、ガスまたはガス混合物を意味し、ガスは本発明による触媒汚染防止装置により除去することが可能な汚染物質または他の化合物を含んでいる。
【００３７】
画定表面という用語は、端のような分界線により他の表面から分離した表面と、大きな表面の一部分との両方を含むものである。好適には、円筒体の基本表面のような、本体の端面を意味する。
【００３８】
装置が多数の第２の開口を備えることも、本発明による請求項の範囲内のこととして当然である。
【００３９】
上記説明は、自動車の排気ガスの触媒処理用として自動車中に配置される装置に向けられたが、据置型の物体中の触媒装置も本発明による請求項の範囲内のこととして当然である。
【００４０】
本装置により得られる利点は、従来技術に関して雑音抑圧が改良されることである。
【００４１】
本発明は、前述の図示した実施例に限定されると考えるべきでなく、さらに多数の変形および変更が特許請求項の範囲内において可能である。
【００４２】
第３の実施例の別法によれば、開口５０は本体の長手方向に対してある角度を持って実質的な直線に沿って配置される。さらに別法によれば、開口５０は曲線に沿って配置される。
【００４３】
前記の触媒装置は、他の汚染防止装置と複合化することもでき、この場合、ＮＯＸ貯蔵触媒、選択接触還元（ＳＣＲ）触媒、粒子フィルター触媒および／または天然ガス触媒としての役割を果たす。
【００４４】
各第１の開口５と５０に対するシリンダーの前記グループ分けについての別法によれば、第１の開口数はシリンダーの数に一致し、開口の各々はただ１つのシリンダーに接続される。そのため、開口の各々はシリンダーの１つに接続される。
【００４５】
図１に示す第１の実施例の別法によれば、１つまたはそれ以上の開口５は、本体１に対して中央にある代わりに触媒本体の端８に近接している。
【００４６】
開口５は本体の第１の端７から同じ距離だけ離れて配置される必要は全くなく、開口５が端７からある距離の領域内に配置されることは特許請求項の範囲内のことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の好適な実施例を概略的に示す斜視図である。
【図２】
図１に関する本発明を概略的に示す、装置の長手方向の断面図である。
【図３】
装置の触媒本体形成部品の製造方法を示す。
【図４】
多数の異なる装置の断面形状を示す。
【図５】
図１に関する装置の別の応用を示す。
【図６】
本発明の第２の好適な実施例を示す断面図である。
【図７】
本発明の第３の好適な実施例を概略的に示す斜視図である。
【国際公開パンフレット】
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2004511712.tif 000004
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【国際調査報告】
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2004511712.tif 000029
2004511712.tif 000030
2004511712.tif 000031
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