(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスの後処理のためのハニカム体を備えた触媒であって、
前記ハニカム体は、電気的に加熱可能な加熱ディスク（１３，３０）を含み、前記加熱ディスク（１３，３０）は、複数の金属箔（２，３，４，５，１７，２０）から形成されており、該金属箔（２，３，４，５，１７，２０）は、上下に積層されて層スタック（１，３２）を形成し、最終的に複数の流路（６）とともに巻回されてハニカム体を形成する、触媒において、
前記加熱ディスク（１３，３０）に、絶縁手段（７，１０，１６，２６，３３）が配置されており、該絶縁手段（７，１０，１６，２６，３３）を介して、相互に隣接して配置され巻回された少なくとも２つの前記金属箔（２，３，４，５，１７，２０）の間の電気的絶縁性が形成されており、
前記層スタック（１）の最も上方の縁部層（４）および最も下方の縁部層（５）は、前記層スタック（１）の中心とは反対側の自身の面に、絶縁層（７）を有しており、
前記層スタック（１）の前記最も上方の縁部層（４）および前記最も下方の縁部層（５）に対して付加的に、前記層スタック（１）の少なくとも１つのさらなる中間層は、少なくとも片側に絶縁層（７，１０，１６，２６，３３）を有しており、
絶縁性の前記中間層自体または前記中間層上の前記絶縁層（３３）は、外側の上方の縁部層および外側の下方の縁部層上の絶縁層よりも短い延在長さを有する、
ことを特徴とする、触媒。
【請求項２】
前記絶縁手段（７，１０，１６，２６，３３）は、絶縁層がコーティングされた金属箔（７，１０，１６，２６，３３）によって形成されている、請求項１記載の触媒。
【請求項３】
前記層スタック（１）は、交互に上下に積層されている、複数の構造化された金属箔（２）と複数の平滑な金属箔（３）とから形成されている、請求項１または２記載の触媒。
【請求項４】
前記層スタック（１）の前記最も上方の縁部層（４）および前記最も下方の縁部層（５）は、平滑な金属箔（３）によって形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の触媒。
【請求項５】
前記絶縁層（７，１０）がコーティングされた前記金属箔（２，３）は、該金属箔（２，３）のはんだ付けのために、前記絶縁層（７，１０）上に、接着促進剤（８，１１）とはんだ層（１２）とを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の触媒。
【請求項６】
前記絶縁層は、エアロゾル堆積法および／またはフレーム溶射を用いて前記金属箔に被着されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の触媒。
【請求項７】
前記層スタック（１，３２）は、少なくとも１つの中心ピボット点周りに巻回されており、前記縁部層（４，５）上の２つの前記絶縁層（７，１０）によって径方向に画定された渦巻状の電流パス（１８，１９，３４）が形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の触媒。
【請求項８】
絶縁性の前記中間層によって前記電流パス（１９，３４）は、部分的に、相互に分離された少なくとも２つの電流パス（２７，２８，３５，３６）に分割される、請求項７記載の触媒。
【請求項９】
前記絶縁手段は、１つ以上の前記金属箔に被着されかつ該金属箔とともに巻回された、接着促進剤を備えた材料によって形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の触媒。
【請求項１０】
前記接着促進剤を備えた材料は、未焼結セラミックによって形成されている、請求項９記載の触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスの後処理のためのハニカム体と、電気的に加熱可能な加熱ディスクとを備えた触媒に関し、この場合、加熱ディスクは、複数の金属箔から形成されており、金属箔は、上下に積層されて層スタックを形成し、最終的に複数の流路とともに巻回されてハニカム体を形成する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気系では、複数の異なる触媒の他に、排気流の所期の加熱に使用できる加熱素子も公知である。これは、例えば、内燃機関の冷間始動後の排気ガス温度を、排気ガスの後処理を効果的に開始できる所要の温度レベルまでより迅速に上昇させるために必要である。
【０００３】
加熱素子は、特に、構造化された金属箔と非構造化された金属箔とからなる巻回された層スタックから形成された加熱ディスクの形態の多様なものが公知である。これらの加熱ディスクは、オーム抵抗の活用のもとで、電流を加熱ディスクに導入することで加熱される。
【０００４】
加熱ディスク内で方向付けられた電流通流を生成するためには、巻回された金属層を相互に電気的に絶縁する必要がある。この目的のためには、適切な手段を講じる必要がある。金属層が巻回される前に金属層の間にスペーサが挿入される装置が公知である。巻回に続いてこのスペーサは再び除去され、これによって、金属層を相互に離間するギャップが生じ、電気的絶縁性が達成される。
【０００５】
これらの装置の欠点は、特に、スペーサの除去のために、付加的な作業ステップが必要になることである。さらに、スペーサの除去の際には、本来の加熱ディスクの損傷が生じかねない。その他にも、加熱ディスクが対応する化学コーティングを有する場合には、加熱と排気ガスの触媒変換のための加熱ディスクの活性面が縮小される。
【０００６】
金属層の巻回部の間の通常空気で満たされたギャップを充填するスペーサおよび絶縁手段の使用は欠点となる。なぜなら、これにより、加熱ディスクとその後に配置される触媒とを通る排気ガスの通流に悪影響を及ぼすからである。さらに、代替的なスペーサまたは代替的な絶縁材料を恒久的に加熱ディスクに残すことは困難である。なぜなら、これは、高い温度動特性と排気系の大きな機械的負荷とに基づいて非常に高いコストに結び付き、欠陥のリスクを大幅に高めるからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の課題は、最適化された構造を有し、かつ特に加熱ディスク内の金属層の改善された絶縁性を相互に有し、これによって所期の電流通流を実現できる、加熱ディスクとして形成された加熱素子を備えた触媒を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
触媒に関する課題は、請求項１の特徴を有する触媒によって解決される。
【０００９】
本発明の一実施例は、内燃機関の排気ガスの後処理のためのハニカム体と、電気的に加熱可能な加熱ディスクとを備えた触媒であって、加熱ディスクは、複数の金属箔から形成されており、金属箔は、上下に積層されて層スタックを形成し、最終的に複数の流路とともに巻回されてハニカム体を形成する、触媒に関しており、加熱ディスクに、絶縁手段が配置されており、絶縁手段を介して、相互に隣接して配置され巻回された少なくとも２つの金属箔の間の電気的絶縁性が形成されている。
【００１０】
絶縁手段は、層スタックの巻回によって相互に接触して相互に隣接する金属層を、電気的に相互に絶縁するのに用いられる。これは、所定の電流パスを生成し、均一な加熱を達成し、さらに加熱ディスクの固有の抵抗を正確に確定できるようにするために必要である。全体が巻回によって生成されたハニカム体が、相互に接続された完全に導電性の領域であるならば、ハニカム体を通る通電はほぼばらばらにランダムに起こるであろうし、そのため、加熱ディスク内の電流パスの各オーム抵抗を事前に決定することは事実上不可能であろう。また、これにより所定の電流レベルのもとで達成すべき温度の確定も到底できないであろう。それゆえ、絶縁手段の巧みな導入によって、正確に定めることのできる電流パスを生成する必要があり、そこでは、既知の電流パスによって定められるオーム抵抗のもとで所定の加熱を生成するために、既知の電流レベルの電流を定めて導入することが可能である。
【００１１】
その際、特に好適には、加熱ディスクによって占められる体積全体が排気ガスの触媒処理のためにも使用することができ、占められた体積全体に対する加熱ディスクの表面は、可能な限り広くなる。加熱ディスクによって発生する圧力損失はできるだけ低くすべきであり、そのため、特に好適には、加熱ディスクは、排気ガスの通流を妨げかねない要素が可能な限り少ない。
【００１２】
なお、ここでは、金属層および金属箔という用語は同じ意味で使用されており、同じ要素を異なった表現で説明していることを述べておく。
【００１３】
それゆえ、絶縁手段として、好適には、層スタックに使用される金属箔へのコーティングがあげられる。
【００１４】
特に好適には、絶縁手段は、絶縁層がコーティングされた金属箔によって形成されている。特に好適には、例えば化学的または物理的プロセスによって被着された層は、一方では電気的絶縁性を生じるが、他方では金属箔の材料の基本特性に悪影響を及ぼさない。特に、金属箔の感熱性は拡大されるべきではない。また、例えば巻回のために必要となる金属箔の柔軟性も損なわれるべきではない。その上さらに、電気的絶縁性のコーティングは、好適には、それに耐久性があり、非常に動的な熱的および機械的負荷のもとでも絶縁層の損傷が生じないように構成されている。
【００１５】
また好適には、層スタックは、交互に上下に積層されている、複数の構造化された金属箔と複数の平滑な金属箔とから形成されており、この場合、層スタックの最も上方の縁部層および最も下方の縁部層は、層スタックの中心とは反対側の自身の面に、絶縁層を有している。
【００１６】
特に、層スタックとは反対側の縁部層外面のコーティングは有利である。なぜなら、それらは巻回の際に、層スタックの他の層に直接接触させられるからである。そのため、縁部層の電気的絶縁性のコーティングによって、巻回された状態で、巻回されていない状態の層スタックの高さに相応する、径方向の厚さを有する電流パスが生成される。このようにして、非常に正確に定めることのできる電流パスを生成することができ、これは、層スタックの高さと深さとによって定められる。これにより、所定の電流パスと、正確に定めることのできるオーム抵抗とを有する加熱ディスクを、特に簡単に生成することができる。
【００１７】
好適な一実施例は、層スタックの最も上方の縁部層および最も下方の縁部層が平滑な金属箔によって形成されていることを特徴とする。これは、特に、層スタックの巻回にとって、波形の縁部層相互の傾きを排除して、巻回により相互に接触する層が相互に周方向に相対移動できるようにするために有利となる。これは、加熱ディスクの特に密な巻回を可能にする。
【００１８】
また好適には、絶縁層がコーティングされた金属箔は、金属箔のはんだ付けのために、絶縁層上に、接着促進剤とはんだ層とを有している。
【００１９】
はんだは、巻回された層を相互に結合させるのに好適である。このために、好適にははんだ付け方法が使用される。なぜなら、これによって、同時に多くの接触箇所で素材結合的な接続を形成することができるからである。
【００２０】
接着促進剤は、例えば、はんだを絶縁層に固定する化学剤であってもよい。また、例えば、セラミック材料のための接着ベースを形成するために金属層を絶縁層に被着してもよい。
【００２１】
また、合目的的には、絶縁層は、エアロゾル堆積法および／またはフレーム溶射を用いて金属箔に被着されている。そのような構成では、絶縁層が金属箔に直接被着されるため、接着促進剤を明示的に省くことができる。その上さらに、好適には、層スタックは、少なくとも１つの中心ピボット点周りに巻回されており、この場合、縁部層上の２つの絶縁層によって径方向に画定された渦巻状の電流パスが形成されている。
【００２２】
さらに、好適には、層スタックの最も上方の縁部層および最も下方の縁部層に対して付加的に、層スタックの少なくとも１つのさらなる中間層は、少なくとも片側に絶縁層を有している。これは、これによって電流パスもさらに細分化できるため、有利である。そのため、絶縁性の中間層の構成に応じて、層スタックの内部で完全に相互に分離された電流パスを生成することができ、あるいは例えば、部分的にのみ分離された電流パスも生成することができる。
【００２３】
また合目的的には、絶縁性の中間層によって、電流パスは、部分的に、相互に分離された少なくとも２つの電流パスに分割される。これは、特に、例えば、臨界的な領域での電流通流をより良好に誘導できるようにするために有利である。これにより、特に、局所的に過多の電流通流による過度の加熱によって生じ得るホットスポットを回避することができる。電流は最小抵抗の経路を探すため、特に、内側の比較的小さな曲率半径の領域の折曲箇所や狭幅な湾曲部でそのようなホットスポットが生じる可能性がある。なぜなら、電流は、電流パスの全幅にわたって均一に流れるのではなく、より狭幅な曲率半径の領域でより多くの電流通流が生じるからである。
【００２４】
絶縁性の中間層により、電流通流を所期のように制御することができ、これにより、この種の不均一な分布を回避するか、または少なくとも大幅に低減することができる。これは、加熱ディスクのより均一な加熱を達成するために有利である。
【００２５】
その上さらに、好適には、絶縁性の中間層自体または中間層上の絶縁層は、外側の上方の縁部層および外側の下方の縁部層上の絶縁層よりも短い延在長さを有している。これは、特に、導入点を介して電流が供給される共通の電流パスを生成するが、実際の電流通流の制御の目的で電流パスを相応に構成できるようにするために有利である。そのため、既に上記でさらに説明したように、これによって例えばより均一な加熱を生成するために、主電流パスの内部の電流通流は、部分的により良好に誘導することができる。
【００２６】
さらに、合目的的には、絶縁手段は、１つ以上の金属箔に被着されかつ金属箔とともに巻回された、接着促進剤を備えた材料によって形成されている。これは、例えば、薄いセラミックであってもよいし、あるいは単なるセラミックコーティングであってもよい。好適には、絶縁手段によって占められる構造空間を可及的に少なく維持するために、絶縁手段は、残りの金属箔とほぼ同じくらいに薄い。同様に、絶縁手段は、巻回プロセスの際に損傷を受けないようにするために、金属箔と類似した柔軟性を備えている。
【００２７】
その他に、好適には、接着促進剤を備えた材料は、未焼結セラミックによって形成されている。
【００２８】
本発明の好適な発展形態は、従属請求項および以下の図面の説明に記載されている。
【００２９】
以下では、本発明を実施例に基づき図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】層スタックの縁部層が自身の外面に絶縁層を有している、複数の波形の層と複数の平滑な層とを備えた層スタックの断面図
【図２】電気的絶縁性のコーティングを有する縁部層を備えた層スタックの斜視図
【図３】電気的絶縁性のコーティングを有する縁部層を備えた層スタックの斜視図
【図４】巻回された層スタックからなり、加熱ディスクの電流パスに電流を導入することができる導入箇所を有するハウジングに挿入されている加熱ディスクの平面図
【図５】特に、電流パスが巻回に基づき強い湾曲部または折曲部を有する領域が示されている加熱ディスクの詳細図
【図６】電流パスを少なくとも部分的に複数の領域に分割する電気的絶縁性の中間層が設けられている、加熱ディスクに巻回されている層スタックの詳細図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、層スタック１の断面図を示す。この層スタック１は、交互に上下に積層されている、複数の波形の金属箔２と複数の平滑な金属箔３とから形成されている。金属箔２，３の間には、排気ガスが通流可能である複数の流路６が形成されている。図１に示されている金属箔２，３は例示であり、金属箔の選択を制限するものではない。
【００３２】
上方の縁部層４および下方の縁部層５は、両方とも平滑な金属箔３によって形成されている。それらは、自身の各外側に、層スタックを上下で電気的に絶縁する絶縁層を有している。この目的のために、例えば、電気的絶縁性の材料を縁部層４，５に被着させてもよい。
【００３３】
図２は、縁部層４，５の詳細図を示す。平滑な金属箔３とその下に配置された波形の金属箔２とが認識できる。縁部層４，５の上には絶縁層７が被着されている。加えて、図２では、接着促進剤８が示されており、これは、例えばはんだ材料９を絶縁層７に結合するために用いられる。したがって、この多層構造は、一方では層スタックの電気的絶縁性を保証し、さらに、後から巻回される層スタックのハニカム体へのはんだ付けを可能にする。
【００３４】
図３には、代替的な層スタックの詳細図が示されている。波形の金属箔２上には、絶縁層１０が被着されており、この絶縁層１０は、自身の上方に向けられた面にも自身の下方に向けられた面にも、接着促進剤１１を有している。下方に向けられた接着促進剤１１は、絶縁層１０を波形の金属箔２に結合するのに用いられる。上方に向けられた接着促進剤１１は、はんだ材料１２を結合するのに用いられる。
【００３５】
絶縁層１０は、例えば、セラミック材料によって形成されてもよい。
【００３６】
図４は、巻回された層スタック１から形成された、完成後の加熱ディスク１３の平面図を示す。巻回された層スタック１は、ハウジング１４に挿入され、はんだ付けプロセスによって、巻回された層スタックがハウジング１４内で固定され、個々の層は、縁部層に被着されたはんだ材料によって互いに対して固定されている。
【００３７】
さらに、ハウジング１４を貫通し、巻回された層スタック１への導電性の接続を形成する導入箇所１５が示されている。これを介して、電流を層スタックに導入することができる。
【００３８】
巻回された層スタック１は、絶縁層１６でコーティングされた縁部層によって囲まれている、波形のおよび平滑な金属箔１７を有している。これにより、渦巻状に延びる電流パス１８が形成され、この電流パス１８は、絶縁層１６でコーティングされた縁部層によってそれぞれ径方向に画定されている。
【００３９】
図５は、図４の巻回された層スタック１の詳細図を示す。特に、その周りで層スタック１の巻回が行われた、層スタック１の中心の領域が示されている。図示の実施例では、層スタック１は、２つの巻回ピンの周りで巻回されたので、この層スタック１に対しては、その周りで巻回が行われた領域に、Ｓ字状の延在部が生じている。
【００４０】
左方部分には、電流パス１９が示されており、この電流パス１９は、縁部層２０上の絶縁層によって画定される。電流は、最小抵抗の経路を選択するため、電流は主に電流パス１９を通って可能な限り最短の経路を流れる。これは、特に、折曲部２２，２３の領域において、折曲部２２，２３の内側にホットスポット２１を生じさせる効果がある。このホットスポット２１は、電流通流の増加に基づき、折曲部２２，２３の外側領域２４，２５よりも強く加熱される。これは、加熱ディスク内で不都合な不均一な熱分布につながり、それゆえ回避されるべきである。
【００４１】
図５の右方部分には、縁部層の絶縁層に対して付加的に、巻回された層スタックの中心でさらなる絶縁層が中間層２６上に形成されている実施例が示されている。この付加的な絶縁層２６により、電流パスは２つの領域２７，２８に分割され、これによって、少なくとも、左方の折曲部の外側領域を含む領域２７を流れる電流が、より狭幅な曲率半径の直接の領域を流れず、したがってこの領域をより強く加熱しないことが保証される。付加的な絶縁層２６は、これにより実際の電流に対するガードレールを形成し、したがって、折曲箇所の領域の、特に図５の左方部分にホットスポット２１が生じていた狭幅な曲率半径の領域の電流通流のより良好な分布が達成される。
【００４２】
図６は、加熱ディスク３０の概略図を示す。電流は、ハーフシェル３１を介して、巻回された層スタック３２に導入される。層スタック３２は、自身の内部に絶縁層３３を有しており、この絶縁層３３は、波形の層と平滑な層との間の中心に配置されている。絶縁層３３は、使用される層の残りよりも大幅に短い延在長さを有している。これは、電流導入部の領域では、個々の層の間に絶縁が形成されていないことに結び付く。層スタックによって形成される電流パス３４は、絶縁層３３が開始する箇所から初めて２つのサブパス３５，３６に分割される。そのため、絶縁層３３は、特に、その周りで層スタックの巻回が行われた巻回中心の近傍において、電流パス３４の分割を生じさせる。
【００４３】
代替的な実施形態では、電流パスをさらに細く分割する複数の絶縁層を設けることも可能である。これは、実質的に、できるだけ均一な分布を得るために、どのくらいの緻密さで電流パスを分割すべきかに依存している。
【００４４】
個々の実施例の異なる特徴は、相互に組み合わせることも可能である。図１〜図６の実施例は、特に限定的な特徴を有しておらず、本発明の考察の明確化に用いられる。
【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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