DE112021000818T5

DE112021000818T5 - Elektrisch erwärmter Umsetzer und elektrisch erwärmter Träger

Info

Publication number: DE112021000818T5
Application number: DE112021000818.8T
Authority: DE
Inventors: Hironori Takahashi; Naoki Okamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-11-17
Also published as: US20220397049A1; US11994053B2; JP7448632B2; CN115151715A; JPWO2021176926A1; WO2021176926A1

Abstract

Ein elektrisch erwärmter Umsetzer enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur aus leitfähiger Keramik, die enthält: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei jede der Zellen von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Strömungsweg zu bilden; Metallelektroden; leitfähige Verbindungsabschnitte, die auf einer Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet sind; und ein Presselement, das konfiguriert ist, die Metallelektroden gegen die leitfähigen Verbindungsabschnitte zu pressen, so dass die Metallelektroden mit der säulenförmigen Wabenstruktur elektrisch verbunden sind. Jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte weist einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der kleiner als der der säulenförmigen Wabenstruktur ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch erwärmten Umsetzer und einen elektrisch erwärmten Träger.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kürzlich sind elektrisch erwärmte Katalysatoren (EHC) vorgeschlagen worden, um die Abgasreinigungsleistung unmittelbar nach dem Starten der Kraftmaschine zu verbessern. Die EHC sind jene, die ermöglichen, dass eine Temperatur des Katalysators vor dem Starten der Kraftmaschine auf eine Katalysator-Aktivierungstemperatur erhöht wird, indem Elektroden z. B. mit einer säulenförmigen Wabenstruktur aus leitfähiger Keramik verbunden werden und ein Strom geleitet wird, um die Wabenstruktur selbst zu erwärmen. Es ist erwünscht, dass die EHC eine Temperaturungleichmäßigkeit in der Wabenstruktur verringern, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, um eine ausreichende katalytische Wirkung zu erzielen.
Um einen Strom durch den EHC zu leiten, müssen Metallelektroden, die mit externen Verdrahtungen verbunden sind, elektrisch mit einer Wabenstruktur der EHC verbunden sein. Ein Verfahren zum Verbinden der Metallelektroden mit der Wabenstruktur des EHC enthält ein Verfahren zum chemischen Verbinden der Metallelektroden mit der Oberfläche der Wabenstruktur des EHC durch Erwärmen oder dergleichen (Patentliteratur 1) oder ein Verfahren zum physikalischen Verbinden der Metallelektroden mit der Oberfläche der Wabenstruktur des EHC durch Pressen oder dergleichen (Patentliteratur 2). Patentliteratur 2 beschreibt ein Verfahren zum Einhülsen eines EHC mit Metallelektroden auf seiner Oberfläche in einen Hülsenkörper oder dergleichen über ein Mattenmaterial (Haltematerial).
LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
Patentliteratur

[Patentliteratur 1] Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2015-107452 A
[Patentliteratur 2] Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2014-208994 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dem Verfahren zum chemischen Verbinden der Metallelektroden mit der Wabenstruktur des EHC, wie es in der Patentliteratur 1 beschrieben ist, sind die Metallelektroden jedoch hinderlich, wenn die wabenförmige Struktur des EHC mit einem Katalysator beschichtet ist oder wenn der EHC in den Hülsenkörper eingehülst wird oder dergleichen, so dass ein Arbeitswirkungsgrad abnimmt. Ferner gibt es ein Problem, dass an den Metallelektroden aufgrund der Wärme, die angewendet wird, wenn die Katalysatorbeschichtung auf die EHC-Wabenstruktur, mit der die Metallelektroden chemisch verbunden sind, aufgebracht wird, oder aufgrund der Wärme während der Verwendung eine Wärmespannung erzeugt wird, so dass die Verbindungsstabilität der Metallelektroden verringert ist.
Ferner verursacht das Verfahren zum physikalischen Verbinden der Metallelektroden mit der Wabenstruktur des EHC, wie in der Patentliteratur 2 beschrieben ist, ein Problem, dass der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der Wabenstruktur des EHC und den Metallelektroden größer ist, wenn die Wabenstruktur des EHC aus Keramik besteht. Wenn der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der Wabenstruktur des EHC und den Metallelektroden größer ist, wird Wärme erzeugt, was einen Oxidfilm bildet. Der Oxidfilm ist oft ein Isolator. Falls ein derartiger Isolator zwischen der Wabenstruktur des EHC und den Metallelektroden erzeugt wird, kann die elektrische Verbindbarkeit verringert sein und kann die Funktion als des EHC verringert sein.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Umstände gemacht worden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrisch erwärmten Umsetzer und einen elektrisch erwärmten Träger zu schaffen, die den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen der Wabenstruktur und den Metallelektroden verringern und die Erzeugung des Oxidfilms zufriedenstellend unterdrücken können.
Die obigen Probleme werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, wie sie im Folgenden beschrieben wird, wobei die vorliegende Erfindung wie folgt spezifiziert ist:

(1) Ein elektrisch erwärmter Umsetzer, der umfasst:
- eine säulenförmige Wabenstruktur aus leitfähiger Keramik, die umfasst:
  - eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei jede der Zellen von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Strömungsweg zu bilden;
- Metallelektroden;
- leitfähige Verbindungsabschnitte, die auf einer Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet sind; und
- ein Presselement, das konfiguriert ist, die Metallelektroden gegen die leitfähigen Verbindungsabschnitte zu pressen, so dass die Metallelektroden mit der säulenförmigen Wabenstruktur elektrisch verbunden sind,
- wobei jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der kleiner als der der säulenförmigen Wabenstruktur ist.
(2) Ein elektrisch erwärmter Träger, der umfasst:
- eine säulenförmige Wabenstruktur aus Keramik, die umfasst: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei jede der Zellen von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Strömungsweg zu bilden; und
- leitfähige Verbindungsabschnitte, die auf einer Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet sind,
- wobei die leitfähigen Verbindungsabschnitte ein Material umfassen, wobei das Material einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,5 × 10° bis 1,5 × 10⁴ µΩcm aufweist und eines oder mehrere enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Ni, Cr, Al und Si umfasst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen elektrisch erwärmten Umsetzer und einen elektrisch erwärmten Träger zu schaffen, die den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen der Wabenstruktur und den Metallelektroden verringern und die Erzeugung des Oxidfilms zufriedenstellend unterdrücken können.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht für einen elektrisch erwärmten Umsetzer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen einer säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht ist;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht für einen elektrisch erwärmten Umsetzer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen einer säulenförmigen Wabenstruktur parallel ist;
3 ist eine schematische Außenansicht für eine säulenförmige Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische Außenansicht für eine säulenförmige Wabenstruktur, einen leitfähigen Verbindungsabschnitt und eine Metallelektrode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine schematische Außenansicht für eine säulenförmige Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der Zeichnungen spezifisch beschrieben. Es soll erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt ist und verschiedene Entwurfsmodifikationen und Verbesserungen basierend auf den Durchschnittskenntnissen eines Durchschnittsfachmanns auf dem Gebiet der Technik vorgenommen werden, ohne vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
(1. Elektrisch erwärmter Umsetzer)
1 ist eine schematische Querschnittsansicht für einen elektrisch erwärmten Umsetzer 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen 18 einer säulenförmigen Wabenstruktur 11 senkrecht ist. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht für den elektrisch erwärmten Umsetzer 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen 18 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 parallel ist. Der elektrisch erwärmte Umsetzer 10 enthält: die säulenförmige Wabenstruktur 11 aus leitfähiger Keramik; die Metallelektroden 14a, 14b; die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b, die auf einer Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 11 vorgesehen sind; und ein Presselement 23.
(1-1. Wabenstruktur)
3 ist eine schematische Außenansicht für die säulenförmige Wabenstruktur 11 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die säulenförmige Wabenstruktur 11 enthält einen säulenförmigen Wabenabschnitt 17 mit: einer äußeren Umfangswand 12; und einer Trennwand 19, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand 12 angeordnet ist und mehrere Zellen 18 definiert, die von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche durchdringen, um Strömungswege zu bilden. Wie in 3 gezeigt ist, kann die säulenförmige Wabenstruktur 11 die Elektrodenschichten 13a, 13b aus leitfähiger Keramik enthalten, die an der äußeren Umfangswand 12 des säulenförmigen Wabenabschnitts 17 vorgesehen sind.
Eine äußere Form der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ist nicht besonders eingeschränkt, solange sie säulenförmig ist. Die Wabenstruktur kann z. B. eine Form, wie z. B. eine Säulenform mit kreisförmigen Stirnflächen (zylindrische Form), eine Säulenform mit ovalen Stirnflächen und eine Säulenform mit polygonalen (viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen, achteckigen usw.) Stirnflächen, aufweisen. Die säulenförmige Wabenstruktur 11 weist für den Zweck des Erhöhens der Wärmebeständigkeit (des Unterdrückens von Rissen, die in einer Umfangsrichtung in die äußere Umfangswand eintreten) vorzugsweise einen Flächeninhalt der Stirnflächen von 2000 bis 20000 mm² und bevorzugter von 5000 bis 15000 mm² auf.
Die säulenförmige Wabenstruktur 11 besteht aus Keramik und weist Leitfähigkeit auf. Der spezifische elektrische Widerstand der Keramik ist nicht besonders eingeschränkt, solange die leitfähige säulenförmige Wabenstruktur 11 bei elektrischer Leitung Wärme durch Joulesche Wärme erzeugen kann. Der spezifische elektrische Widerstand reicht vorzugsweise von 0,1 bis 200 Ωcm und bevorzugter von 1 bis 200 Ωcm und noch bevorzugter von 10 bis 100 Ωcm. In der vorliegenden Erfindung ist der spezifische elektrische Widerstand der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ein bei 400 °C durch ein Vierleiterverfahren gemessener Wert.
Ein Material der säulenförmigen Wabenstruktur 11 kann ausgewählt sein aus, ist aber nicht eingeschränkt auf, Oxidkeramiken, wie z. B. Aluminiumoxid, Mullit, Silicatglas, Zirkonoxid und Cordierit, und Nichtoxidkeramiken, wie z. B. Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid. Ferner können ein Siliciumcarbid-Metallsilicium-Verbundwerkstoff, ein Siliciumcarbid/Graphit-Verbundwerkstoff, ein Borosilikatglas-Metallsilicium-Verbundwerkstoff oder dergleichen außerdem verwendet werden. Unter diesen enthält das Material der Wabenstruktur 11 vom Standpunkt der Kompatibilität von Wärmebeständigkeit und Leitfähigkeit vorzugsweise Keramik, die hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff oder Siliciumcarbid basiert. Die Formulierung „das Material der Wabenstruktur 11 basiert hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ bedeutet, dass die säulenförmige Wabenstruktur 11 basierend auf der gesamten Wabenstruktur 90 Massen-% oder mehr des Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffs (Gesamtmasse) enthält. Hier enthält der Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff Siliciumcarbidteilchen als ein Aggregat und Silicium als Bindemittel zum Verbinden der Siliciumcarbidteilchen, wobei mehrere Siliciumcarbidteilchen vorzugsweise durch Silicium verbunden sind, um Poren zwischen den Siliciumcarbidteilchen zu bilden.
Wenn die säulenförmige Wabenstruktur 11 den Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff enthält, beträgt das Verhältnis der „Masse des Siliciums als ein Bindemittel“, die in der säulenförmigen Wabenstruktur 11 enthalten ist, zu der Gesamtmenge der „Masse der Siliciumcarbidteilchen als ein Aggregat“, die in der säulenförmigen Wabenstruktur 11 enthalten ist, und der „Masse des Siliciums als ein Bindemittel“, die in der säulenförmigen Wabenstruktur 11 enthalten ist, vorzugsweise 10 bis 40 Massen-% und bevorzugter 15 bis 35 Massen-%. Wenn es 10 Massen-% oder größer ist, wird die Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ausreichend aufrechterhalten. Wenn es 40 Massen-% oder kleiner ist, wird die Form während des Brennens einfach aufrechterhalten.
Eine Form jeder Zelle in einem Querschnitt senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen 18 ist nicht eingeschränkt, wobei sie aber vorzugsweise ein Viereck, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination daraus ist. Unter diesen sind das Viereck und das Sechseck bevorzugt. Eine derartige Zellenform kann zu einem verringerten Druckverlust beim Strömen eines Abgases durch die säulenförmige Wabenstruktur 11 führen, was zu einer Verbesserung der Reinigungsleistung des Katalysators führt. Das Viereck ist hinsichtlich des einfachen Erreichens sowohl einer strukturellen Festigkeit als auch der Erwärmungsgleichmäßigkeit besonders bevorzugt.
Die Trennwand 19, die die Zellen 18 bildet, weist vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm und bevorzugter von 0,15 bis 0,25 mm auf. Die Dicke der Trennwand 19 von 0,1 mm oder größer kann eine Abnahme der Festigkeit der Struktur unterdrücken. Eine Dicke der Trennwand 19 von 0,3 mm oder kleiner kann eine Zunahme des Druckverlustes beim Strömen eines Abgases unterdrücken, wenn die wabenförmige Struktur als Katalysatorträger verwendet wird und ein Katalysator auf ihr getragen ist. Die Dicke der Trennwand 19, wie sie hier verwendet wird, ist als eine Länge eines Abschnitts, der durch die Trennwand 19 verläuft, zwischen Liniensegmenten, die die Schwerpunkte der benachbarten Zellen 18 in einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Zellen 18 verbinden, definiert.
Die säulenförmige Wabenstruktur 11 weist vorzugsweise eine Zellendichte von 40 bis 150 Zellen/cm² und bevorzugter von 70 bis 100 Zellen/cm² in einem Querschnitt senkrecht zu einer Strömungswegrichtung der Zellen 18 auf. Die Zellendichte in einem derartigen Bereich kann die Reinigungsleistung des Katalysators erhöhen, während sie den Druckverlust beim Strömen eines Abgases verringert. Eine Zellendichte von 40 Zellen/cm² oder größer kann eine ausreichende Katalysatortragfläche sicherstellen. Eine Zellendichte von 150 Zellen/cm² oder weniger kann verhindern, dass sich der Druckverlust beim Strömen eines Abgases erhöht, wenn die säulenförmige Wabenstruktur 11 als ein Katalysatorträger verwendet wird und ein Katalysator auf ihr getragen ist. Die Zellendichte ist ein Wert, der durch das Teilen der Anzahl der Zellen durch einen Flächeninhalt einer Stirnfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 11 mit Ausnahme der äußeren Umfangswand 12 erhalten wird.
Das Vorsehen der äußeren Umfangswand 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ist hinsichtlich des Sicherstellens der strukturellen Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und des Verhinderns, dass ein durch die Zellen 18 strömendes Fluid aus der äußeren Umfangswand 12 austritt, nützlich. Insbesondere ist die Dicke der äußeren Umfangswand 12 vorzugsweise 0,1 mm oder größer und bevorzugter 0,15 mm oder größer und noch bevorzugter 0,2 mm oder größer. Falls jedoch die äußere Umfangswand 12 zu dick ist, wird die Festigkeit zu hoch, so dass ein Festigkeitsgleichgewicht zwischen der äußeren Umfangswand 12 und der Trennwand 19 verloren wird, was die Wärmeschockbeständigkeit verringert. Deshalb ist die Dicke der äußeren Umfangswand 12 vorzugsweise 1,0 mm oder kleiner und bevorzugter 0,7 mm oder kleiner und noch bevorzugter 0,5 mm oder kleiner. Die Dicke der äußeren Umfangswand 12, wie sie hier verwendet wird, ist als eine Dicke der äußeren Umfangswand 12 in einer Richtung von einer Normalen zu einer Tangenten an einem Messpunkt definiert, wenn ein Abschnitt der äußeren Umfangswand 12, der einer Dickenmessung zu unterwerfen ist, in einem Querschnitt senkrecht zu einer Zellenausdehnungsrichtung betrachtet wird.
Die Trennwand 19 kann porös sein. Eine Porosität der Trennwand 19 reicht vorzugsweise von 35 bis 60 % und bevorzugter von 35 bis 45 %. Die Porosität von 35 % oder größer kann zu einer einfacheren Unterdrückung der Verformung beim Brennen führen. Die Porosität von 60 % oder kleiner kann ermöglichen, dass die Festigkeit der Wabenstruktur ausreichend aufrechterhalten wird. Ferner kann die Trennwand 19 wie in der Form von mit Si imprägniertem SiC oder dergleichen dicht sein. Das Wort „dicht“ bedeutet, dass die Porosität 5 % oder kleiner ist. Die Porosität ist ein Wert, der durch ein Quecksilberporosimeter gemessen wird.
Die Trennwand 19 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 weist vorzugsweise einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 2 bis 15 µm und bevorzugter von 4 bis 8 µm auf. Der durchschnittliche Porendurchmesser von 2 µm oder größer kann einen übermäßig hohen spezifischen elektrischen Widerstand verhindern. Ein durchschnittlicher Porendurchmesser von 15 µm oder kleiner kann einen übermäßig tiefen spezifischen elektrischen Widerstand verhindern. Der durchschnittliche Porendurchmesser ist ein Wert, der durch ein Quecksilberporosimeter gemessen wird.
(1-2. Elektrodenschicht)
Wie in 1 gezeigt ist, können die Elektrodenschichten 13a, 13b auf der Oberfläche der äußeren Umfangswand 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 angeordnet sein. Die Elektrodenschichten 13a, 13b können ein Paar von Elektrodenschichten 13a, 13b sein, die so angeordnet sind, dass sie über eine Mittelachse der säulenförmigen Wabenstruktur 11 einander zugewandt sind. Ferner können die Elektrodenschichten 13a, 13b nicht vorgesehen sein.
Die Elektrodenschichten 13a, 13b können in einem nicht eingeschränkten Bereich ausgebildet sein. Hinsichtlich des Verbesserns einer gleichmäßigen Wärmeerzeugung der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ist jede der Elektrodenschichten 13a, 13b vorzugsweise so vorgesehen, dass sie sich in der Umfangsrichtung und in der Zellerstreckungsrichtung in der Form eines Riemens erstreckt. Insbesondere ist es von dem Standpunkt, dass sich ein Strom leicht in einer axialen Richtungjeder der Elektrodenschichten 13a, 13b ausbreitet, wünschenswert, dass sich jede der Elektrodenschichten 13a, 13b über eine Länge von 80 % oder mehr und bevorzugter 90 % oder mehr und noch bevorzugter über die vollständige Länge zwischen den beiden Stirnflächen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 erstreckt.
Jede der Elektrodenschichten 13a, 13b weist vorzugsweise eine Dicke von 0,01 bis 5 mm und bevorzugter von 0,01 bis 3 mm auf. Ein derartiger Bereich kann es ermöglichen, dass eine gleichmäßige Wärmeerzeugung verbessert wird. Die Dicke jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b von 0,01 mm oder größer kann zu einer geeigneten Steuerung des elektrischen Widerstands führen, was zu einer gleichmäßigeren Wärmeerzeugung führt. Eine Dicke von 5 mm oder kleiner kann ein Risiko eines Bruchs der Elektrodenschichten während des Einhülsens verringern. Die Dicke jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b ist als eine Dicke in einer Richtung einer Normalen zu einer Tangente an einem Messpunkt auf einer Außenseite jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b definiert, wenn der Punkt jeder Elektrodenschicht, der einer Dickenmessung zu unterwerfen ist, im Querschnitt senkrecht zur Zellenausdehnungsrichtung betrachtet wird.
Jede der Elektrodenschichten 13a, 13b kann aus einem Metall, einer leitfähigen Keramik oder einem Verbundwerkstoff aus einem Metall und einer leitfähigen Keramik (Cermet) bestehen. Beispiele für das Metall enthalten ein einzelnes Metall aus Cr, Fe, Co, Ni, Si oder Ti oder eine Legierung, die wenigstens ein Metall enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die diese Metalle umfasst. Nicht einschränkende Beispiele der leitfähigen Keramiken enthalten Siliciumcarbid (SiC) und Metallverbindungen, wie Metallsilicid, z. B. Tantalsilicid (TaSi₂) und Chromsilicid (CrSi₂). Spezifische Beispiele des Verbundwerkstoffs aus dem Metall und der leitfähigen Keramik (Cermet) enthalten einen Verbundwerkstoff aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid, einen Verbundwerkstoff aus einem Metallsilicid, wie z. B. Tantalsilicid und Chromsilicid, metallischem Silicium und Siliciumcarbid und hinsichtlich einer verringerten Wärmeausdehnung ferner einen Verbundwerkstoff, der zusätzlich zu einem oder mehreren der oben aufgeführten Metalle eine oder mehrere isolierende Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxid, Mullit, Zirkonoxid, Cordierit, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid enthält. Als das Material der Elektrodenschichten 13a, 13b ist unter den verschiedenen Metallen und leitfähigen Keramiken, wie oben beschrieben worden ist, eine Kombination aus einem Metallsilicid, wie z. B. Tantalsilicid und Chromsilicid, mit einem Verbundwerkstoff aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid bevorzugt, weil es gleichzeitig mit dem säulenförmigen Wabenabschnitt gebrannt werden kann, was zur Vereinfachung der Herstellungsschritte beiträgt.
(1-3. Leitfähiger Verbindungsabschnitt)
4 ist eine schematische Außenansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 11, der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b und der Metallelektrode 14a des elektrisch erwärmten Umsetzers 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b sind jeweils auf den Elektrodenschichten 13a, 13b der säulenförmigen Wabenstruktur 11 vorgesehen. Wenn die säulenförmige Wabenstruktur 11 die Elektrodenschichten 13a, 13b nicht aufweist, können die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b auf der Oberfläche der äußeren Umfangswand 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 vorgesehen sein.
Der spezifische elektrische Widerstand jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b ist kleiner als der der säulenförmigen Wabenstruktur 11. In dem elektrisch erwärmten Umsetzer 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die säulenförmige Wabenstruktur 11 und die Metallelektroden 14a, 14b durch ein Presselement 23, das im Folgenden beschrieben wird, physikalisch verbunden. Das heißt, die säulenförmige Wabenstruktur 11 und die Metallelektroden 14a, 14b sind nicht durch chemisches Verbinden, wie z. B. Schweißen, Hartlöten und Diffusionskleben, miteinander verbunden und stehen in einem nicht verbundenen Zustand miteinander in Kontakt. Ein derartiges physikalisches Verbinden verursacht ein Problem, dass die Schottky-Barriere den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und den Metallelektroden 14a, 14b erhöht, was eine Wärmeerzeugung verursacht und einem Oxidfilm (Isolator) bildet. Andererseits sind gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und den Metallelektroden 14a, 14b vorgesehen, wobei der spezifische elektrische Widerstand jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b kleiner als der der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ist. Deshalb wird angenommen, dass selbst wenn die säulenförmige Wabenstruktur 11 und die Metallelektroden 14a, 14b physikalisch verbunden sind, die Schottky-Barriere unterdrückt werden kann und der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und den Metallelektroden 14a, 14b verringert werden kann, wodurch die Wärmeerzeugung unterdrückt wird. Im Ergebnis ist es möglich, die Bildung des Oxidfilms (Isolators) zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und den Metallelektroden 14a, 14b zu unterdrücken und die Verschlechterung der Funktion als ein EHC zufriedenstellend zu unterdrücken. Es sollte angegeben werden, dass, wenn die säulenförmige Wabenstruktur 11 die Elektrodenschichten 13a, 13b aufweist, der Kontaktwiderstand der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b auf die Elektrodenschichten 13a, 13b bezogen ist, so dass der spezifische elektrische Widerstand jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b kleiner als der jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b sein sollte. Wenn andererseits die säulenförmige Wabenstruktur 11 die Elektrodenschichten 13a, 13b nicht aufweist, ist der Kontaktwiderstand der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b auf den säulenförmigen Wabenabschnitt 17 bezogen, so dass der spezifische elektrische Widerstand jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b kleiner als der des säulenförmigen Wabenabschnitts 17 sein sollte.
Das Material der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b enthält vorzugsweise eines oder mehrere, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Ni, Cr, Al und Si umfasst. Ein derartiges Material verbessert die Wärmebeständigkeit der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b und tendiert außerdem dazu, die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b mit dem spezifischen elektrischen Widerstand, der kleiner als der der säulenförmige Wabenstruktur 11 aus leitfähiger Keramik ist, zu bilden. Das Material der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b ist vorzugsweise CrB-Si, LaB₆-Si, TaSi₂, AISi, NiCr, NiAI, NiCrAI, NiCrMo, NiCrAlY, CoCr, CoCrAI, CoNiCr, CoNiCrAlY, CuAIFe, FeCr, FeCrAI, FeCrAlY, CoCrNiW, CoCrWSi oder NiCrFe. Das Material ist noch bevorzugter CrB-Si, LaB₆-Si, TaSi₂, NiCr, NiCrAlY oder NiCrFe. Wenn die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b aus einem Metall hergestellt sind, ist ferner die Kontaktfläche mit der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und den Metallelektroden 14a, 14b vergrößert, so dass der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und jeder der Metallelektroden 14a, 14b zufriedenstellender verringert werden kann.
Vom Standpunkt des Unterdrückens der Schottky-Barriere, wie oben beschrieben worden ist, ist es bevorzugt, dass für das Material der leitfähigen verbindenden Verbindungsabschnitte 15a, 15b der Gehalt des Materials, das Halbleitereigenschaften aufweist, unter einer bestimmten Menge gehalten wird. Für das Material der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b beträgt der Gehalt des Materials, das Halbleitereigenschaften aufweist, bevorzugt 80 Massen-% oder weniger und bevorzugter 70 Massen-% oder weniger und weiter bevorzugt 65 Massen-% oder weniger.
Nicht einschränkende Beispiele des Materials, das die Halbleitereigenschaften aufweist, wie oben beschrieben worden ist, enthalten wenigstens eines, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Si, Ge, ZnS, ZnSe, CdS, ZnO, CdTe, GaAs, InP, GaN, GaP, SiC, SiGe und CulnSe₂ umfasst.
Das Material der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b weist vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,5 × 10° bis 1,5 × 10⁴ µΩcm auf. Wenn das Material der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b den spezifischen elektrischen Widerstand von 1,5 × 10⁴ µΩcm oder kleiner aufweist, kann der elektrische Kontaktwiderstand verringert werden und kann die Wärmeerzeugung unterdrückt werden. Das Material der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b weist bevorzugter einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,5 × 10° bis 5,0 × 10³ µΩcm auf.
Die Dicke jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b beträgt vorzugsweise 0,1 bis 500 µm. Die Dicke jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b von 0,1 µm oder größer kann es ermöglichen, dass der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und den Metallelektroden 14a, 14b zufriedenstellend verringert wird. Es sollte angegeben werden, dass, wenn der elektrisch erwärmte Umsetzer 10 in einer Umgebung verwendet wird, in der eine Schwingung intensiv ist, er durch Reibung mit den gepressten Metallelektroden 14a, 14b und den flexiblen leitfähigen Elementen 16a, 16b verbraucht wird, wobei von diesem Standpunkt die Dicke der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b vorzugsweise höher sein sollte. Die Dicke jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b von 500 µm oder kleiner kann das Reißen oder Abschälen aufgrund eines Unterschieds zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und jeder der Metallelektroden 14a, 14b unterdrücken. Um ferner die Dicke jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b zu erhöhen, sind die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff aus Keramik und einem hochschmelzenden Metall hergestellt. Die Dicke jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b beträgt bevorzugter 1 bis 500 µm und noch bevorzugter 5 bis 100 µm.
Die Form jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b kann geeignet entworfen sein. Jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b kann z. B. in der Form einer Schicht hergestellt sein. Ferner kann jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b, in einer Ebene betrachtet, in irgendeiner Form, wie z. B. einer Kreisform, einer elliptischen Form oder einer polygonalen Form ausgebildet sein. Die Form jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b ist hinsichtlich der Produktivität und Anwendbarkeit vorzugsweise kreisförmig oder rechteckig. Der Flächeninhalt jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b ist nicht besonders eingeschränkt und kann abhängig von dem Stromwert, der durch die säulenförmige Wabenstruktur 11 geleitet werden soll, geeignet entworfen sein. Ferner kann durch das Vergrößern des Flächeninhalts jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b im Vergleich zur Kontaktfläche zwischen jeder der Metallelektroden 14a, 14b und jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b der von den Metallelektroden 14a, 14b fließende Strom in die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b diffundiert werden, was zu einer Erleichterung des gleichmäßigen Erwärmens der gesamten säulenförmigen Wabenstruktur 11 führt. Wenn der Flächeninhalt jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b, wie in 5 (A) gezeigt ist, größer ist, ist jeder der leitfähigen Abschnitte 15a, 15b in wenigstens zwei Teile aufgeteilt, wie in den 5 (B) bis 5 (D) gezeigt ist. In der in 5 (B) gezeigten Ausführungsform ist jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b in der äußeren Umfangsrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur 11 in zwei Teile aufgeteilt. In der in 5 (C) gezeigten Ausführungsform ist jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b in der Erstreckungsrichtung der Zellen 18 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 in drei Teile aufgeteilt. In der in 5 (D) gezeigten Ausführungsform ist jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b in insgesamt sechs leitfähige Verbindungsabschnitte aufgeteilt; die zwei Teile in der äußeren Umfangsrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und die drei Teile in der Erstreckungsrichtung der Zellen 18. Wie in den 5 (B) bis 5 (D) gezeigt ist, beträgt der Außendurchmesser oder die diagonale Länge jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b vorzugsweise 5 bis 50 mm und bevorzugter 10 bis 30 mm, wenn jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b in wenigstens zwei Teile aufgeteilt ist. Der Außendurchmesser oder die diagonale Länge jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b beträgt bevorzugt 50 mm oder weniger, da er bevorzugt das Reißen oder Abschälen aufgrund des Unterschieds zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b und der säulenförmigen Wabenstruktur 11 unterdrücken kann. Der Außendurchmesser oder die diagonale Länge jedes der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b beträgt bevorzugt 10 mm oder mehr, weil es die Herstellungskosten verringern kann.
(1-4. Metallelektrode)
Die Metallelektroden 14a, 14b sind jeweils an den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a, 15b vorgesehen. Die Metallelektroden 14a, 14b können ein Paar von Metallelektroden sein, die so angeordnet sind, dass eine Metallelektrode 14a über die Mittelachse der säulenförmigen Wabenstruktur 11 der anderen Metallelektrode 14b zugewandt ist. Wenn durch die Elektrodenschichten 13a, 13b eine Spannung an die Metallelektroden 14a, 14b angelegt ist, kann ein Strom durch die Metallelektroden 14a, 14b geleitet werden, um die säulenförmige Wabenstruktur 11 durch Joulesche Wärme zu erwärmen. Deshalb kann der elektrisch erwärmte Umsetzer 10 geeignet als eine Heizvorrichtung verwendet werden. Die angelegte Spannung reicht vorzugsweise von 12 bis 900 V und bevorzugter von 48 bis 600 V, obwohl die angelegte Spannung nach Bedarf variiert werden kann.
Das Material der Metallelektroden 14a, 14b ist nicht besonders eingeschränkt, solange es ein Metall ist, wobei ein einzelnes Metall, eine Legierung oder dergleichen eingesetzt werden kann. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, des spezifischen elektrischen Widerstands und des linearen Ausdehnungskoeffizienten ist das Material z. B. bevorzugt eine Legierung, die wenigstens eines enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Cr, Fe, Co, Ni und Ti und bevorzugter rostfreien Stahl und Fe-Ni-Legierungen umfasst. Die Form und Größe jeder der Metallelektroden 14a, 14b sind nicht besonders eingeschränkt, wobei sie gemäß der Größe der säulenförmigen Wabenstruktur 11, der Leistung der elektrischen Leitung und dergleichen geeignet entworfen sein können.
Es ist bevorzugt, dass eine wärmebeständige Überzugsschicht auf der Oberfläche jeder der Metallelektroden 14a, 14b mit Ausnahme der Oberfläche, die sich mit jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b in Kontakt befindet, vorgesehen ist. Wenn die wärmebeständige Überzugsschicht auf der Oberfläche jeder der Metallelektroden 14a, 14b vorgesehen ist, ist es schwierig, die Metallelektroden 14a, 14b zu verschlechtern, selbst wenn sie während eines langen Zeitraums Wärme, wie z. B. einem Abgas, ausgesetzt sind. Die wärmebeständige Überzugsschicht auf jeder der Metallelektroden 14a, 14b kann durch das Aufbringen eines Überzugs, der Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid oder dergleichen enthält, auf die Oberfläche jeder der Metallelektroden 14a, 14b gebildet werden. Die Beschichtung aus einem Metalloxid, wie z. B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Zirkonoxid, kann isolierende Eigenschaften verleihen, so dass es möglich ist, elektrische Kurzschlüsse aufgrund von kondensiertem Wasser, Ruß und dergleichen zu verringern.
Wie in 1 gezeigt ist, können flexible leitfähige Elemente 16a, 16b jeweils zwischen den Metallelektroden 14a, 14b und den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a, 15b vorgesehen sein. Abhängig von der Form jeder der Metallelektroden 14a, 14b stimmt die Form nicht mit der der äußeren Umfangsfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 11 überein, so dass die Kontaktfläche mit jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b verringert werden kann. Um eine gute elektrische Verbindung zu erhalten, ist es in diesem Fall erforderlich, die Metallelektroden 14a, 14b mit einer größeren Kraft gegen die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b zu pressen. Andererseits kann das Bereitstellen der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b zwischen den Metallelektroden 14a, 14b und den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a, 15b die Kontaktfläche jeder der Metallelektroden 14a, 14b mit jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b vergrößern, ohne die Presskraft jeder der Metallelektroden 14a, 14b zu erhöhen, die auf jeden der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b ausgeübt wird. Im Ergebnis kann der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und jeder der Metallelektroden 14a, 14b ungeachtet der Form jeder der Metallelektroden 14a, 14b zufriedenstellend verringert werden. Die flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b können nicht vorgesehen sein, wobei die Metallelektroden 14a, 14b jeweils direkt auf den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a bzw. 15b vorgesehen sein können.
Jedes der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b weist vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 5000 µm auf. Die Dicke jedes der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b von 10 µm oder größer kann zu einer Entspannung führen, um eine Lücke aufgrund eines Unterschieds zwischen den Formen jeder der Metallelektroden 14a, 14b und jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b zu füllen, kann eine größere Kontaktfläche sicherstellen und kann den elektrischen Kontaktwiderstand weiter verringern. Die Dicke jedes der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b von 5000 µm oder kleiner kann verhindern, dass der Widerstand jedes der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b selbst zu groß wird, und kann zu einer geeigneten Verformung der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b durch das Pressen führen, so dass ein Druck auf die Kontaktfläche bei jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b weiter verbessert werden kann. Die Dicke jedes der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b beträgt bevorzugter 50 bis 3000 µm und noch bevorzugter 100 bis 2000 µm.
Die flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b können aus irgendeinem Material hergestellt sein, solange sie eine ausreichende Flexibilität aufweisen, um die Lücke aufgrund des Unterschieds zwischen den Formen jeder der Metallelektroden 14a, 14b und jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b zu füllen. Die flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b können z. B. aus einem Geflechtmetall, einem Drahtgeflecht, einem einfachen Metalldrahtgestrick oder einer Platte aus expandiertem Graphit hergestellt sein.
Anstelle des Vorsehens der flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b zwischen den Metallelektroden 14a, 14b und den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a, 15b können die Metallelektroden 14a, 14b aus einem flexiblen Metall hergestellt sein. Alternativ sind die flexiblen leitfähigen Elemente 16a, 16b zwischen den Metallelektroden 14a, 14b und den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a bzw. 15b vorgesehen, wobei die Metallelektroden 14a, 14b ferner aus einem flexiblen Metall hergestellt sein können. Durch das Herstellen der Metallelektroden 14a, 14b aus dem flexiblen Metall ist es möglich, die zwischen den Metallelektroden 14a, 14b und den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a, 15b erzeugte Wärmespannung zu verringern. Im Ergebnis kann der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und jeder der Metallelektroden 14a, 14b zufriedenstellender verringert werden. Beispiele des flexiblen Metalls, das die Metallelektroden 14a, 14b bildet, enthalten ein Geflechtmetall, ein einfaches Metalldrahtgestrick, ein Balgmetall, ein Spulenmetall und dergleichen.
(1-5. Antioxidansmaterial)
Zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und jeder der Metallelektroden 14a, 14b kann sich ein Antioxidansmaterial befinden. Das Antioxidansmaterial kann außerdem von der Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 11 über die Außenfläche jeder der Metallelektroden 14a, 14b vorgesehen sein. Wenn die Umgebungstemperatur (Abgastemperatur) höher ist, kann der Oxidfilm zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 des EHC und jeder der Metallelektroden 14a, 14b gebildet werden. Gemäß einer derartigen Struktur ist das Antioxidansmaterial jedoch zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und jeder der Metallelektroden 14a, 14b oder von der Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 11 über die Außenfläche jeder der Metallelektroden 14a, 14b vorgesehen, so dass die Bildung des Oxidfilms unterdrückt werden kann. Deshalb ist es möglich, eine gute elektrische Verbindbarkeit zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 des EHC und jeder der Metallelektroden 14a, 14b zu schaffen.
Das Antioxidansmaterial kann aus einem Sauerstoffabsorber, der wenigstens eines enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die AI, Si, Cr, Ti und C umfasst, oder aus einem Reduktionsmittel, das hauptsächlich auf einem Material auf der Basis von Zinkchlorid-Ammoniumchlorid, einem organischen Material auf Halogenbasis oder einem Material auf der Basis von Borax oder Borsäure basiert, bestehen.
Die Form des Antioxidansmaterials kann geeignet entworfen sein. Das Antioxidansmaterial kann z. B. in der Form einer Schicht hergestellt sein. Das Antioxidansmaterial kann, in einer Ebene betrachtet, in irgendeiner Form, wie z. B. einer Kreisform, einer elliptischen Form und einer polygonalen Form, ausgebildet sein. Die Form des Antioxidansmaterials ist vom Standpunkt der Produktivität und Anwendbarkeit bevorzugt kreisförmig oder rechteckig. Ferner kann das Antioxidansmaterial eine Plattenform, z. B. eine Graphitplatte, aufweisen.
Das Antioxidansmaterial weist vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 1000 µm auf. Die Dicke des Antioxidansmaterial von 10 µm oder größer kann die Bildung des Oxidfilms zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und jeder der Metallelektroden 14a, 14b zufriedenstellend unterdrücken. Die Dicke des Antioxidansmaterials von 1000 µm oder kleiner kann Weichheit verleihen. Die Dicke des Antioxidansmaterials beträgt bevorzugter 50 bis 500 µm und noch bevorzugter 100 bis 300 µm.
(1-6. Presselement)
Das Presselement 23 ist konfiguriert, die Metallelektroden 14a, 14b jeweils gegen die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b zu pressen, so dass die Metallelektroden 14a, 14b mit der säulenförmigen Wabenstruktur 11 elektrisch verbunden sind. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, enthält das Presselement 23: einen Hülsenkörper 22, der an die säulenförmige Wabenstruktur 11, die mit den Metallelektroden 14a, 14b versehen ist, angepasst ist; und eine Matte (Haltematerial) 21, die in einem Spalt zwischen der säulenförmigen Wabenstruktur 11, die mit den Metallelektroden 14a, 14b versehen ist, und dem Hülsenkörper 22 vorgesehen ist. Das Zusammenfügen des Hülsenkörpers 22 mit der säulenförmigen Wabenstruktur 11, die mit den Metallelektroden 14a, 14b versehen ist, kann zu einer Wirkung des durch die Metallelektroden 14a, 14b ausgeübten Drucks führen, der auf die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b drückt und dadurch die Elektroden 14a, 14b mit der säulenförmigen Wabenstruktur 11 elektrisch verbindet. Die Matte 21 kann die säulenförmige Wabenstruktur 11, die mit den Metallelektroden 14a, 14b versehen ist, halten, so dass sie sich nicht im Hülsenkörper 22 bewegt. Die Matte 21 ist vorzugsweise ein flexibles wärmeisolierendes Element. Als der Hülsenkörper 22 kann ein zylindrisches Metallelement oder dergleichen verwendet werden. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden der Hülsenkörper 22 und die Matte 21 das Presselement 23.
Durch das Tragen des Katalysators auf der säulenförmigen Wabenstruktur 11 kann die säulenförmige Wabenstruktur 11 als ein Katalysator verwendet werden. Ein Fluid, wie z. B. ein Abgas von einem Kraftfahrzeug, kann z. B. durch die Strömungswege der mehreren Zellen 18 strömen. Beispiele des Katalysators enthalten Edelmetallkatalysatoren oder andere Katalysatoren als diese. Veranschaulichende Beispiele der Edelmetallkatalysatoren enthalten einen Drei-Wege-Katalysator oder einen Oxidationskatalysator, der erhalten wird, indem ein Edelmetall, wie z. B. Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh), auf den Oberflächen der Poren von Aluminiumoxid getragen wird und ein Cokatalysator, wie z. B. Ceroxid und Zirkonoxid, oder ein NO_x-Speicher-Reduktionskatalysator (LNT-Katalysator), der ein Erdalkalimetall und Platin als Speicherkomponenten für Stickstoffoxide (NO_x) enthält, aufgenommen wird. Veranschaulichende Beispiele eines Katalysators, der das Edelmetall nicht verwendet, enthalten einen selektiven NO_x-Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator), der einen kupfersubstituierten oder eisensubstituierten Zeolith enthält, und dergleichen. Ferner können zwei oder mehr Katalysatoren, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die diese Katalysatoren umfasst, verwendet werden. Ein Verfahren zum Tragen des Katalysators ist nicht besonders eingeschränkt und kann gemäß einem herkömmlichen Verfahren zum Tragen des Katalysators auf der Wabenstruktur ausgeführt werden.
(2. Elektrisch erwärmter Träger)
Ein elektrisch erwärmter Träger 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: die säulenförmige Wabenstruktur 11; und die leitfähigen Verbindungsabschnitte 15a, 15b, die auf der Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 11 vorgesehen sind. Das heißt, in dem elektrisch erwärmten Träger 20 sind die Metallelektroden 14a, 14b jeweils an den leitfähigen Verbindungsabschnitten 15a, 15b vorgesehen, wobei das Presselement 23 ferner vorgesehen ist, um einen elektrisch erwärmten Umsetzer 10 zu bilden.
Wie in 2 gezeigt ist, kann der elektrisch erwärmte Umsetzer 10, der mit dem elektrisch erwärmten Träger 20 versehen ist, als eine Abgasreinigungsvorrichtung 30 verwendet werden. In der Abgasreinigungsvorrichtung 30 ist der elektrische erwärmte Träger 20 des elektrisch erwärmten Umsetzers 10 in der Mitte eines Abgasströmungsweges zum Strömen eines Abgases einer Kraftmaschine angeordnet. Die Abgasreinigungsvorrichtung 30 enthält einen konisch zulaufenden einlassseitigen Abschnitt 31 mit verringertem Durchmesser auf der Gaseinströmseite und einen konisch zulaufenden auslassseitigen Abschnitt 32 mit verringertem Durchmesser auf der Gasauslassseite. Jede der Metallelektroden 14a, 14b weist eine Form auf, die in Richtung der Gasauslassseite gestreckt ist, und ist über ein Isolierelement 26 an dem konisch zulaufenden auslassseitigen Abschnitt 32 mit verringertem Durchmesser mit einer Verdrahtung 25 elektrisch verbunden, die mit einer externen Leistungsversorgung verbunden ist.
(3. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch erwärmten Umsetzers)
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen des elektrisch erwärmten Umsetzers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichend beschrieben. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren zum Herstellen des elektrisch erwärmten Umsetzers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Schritt A1 des Erhaltens eines ungebrannten Wabenstrukturabschnitts mit einer Elektrodenschicht-Bildungspaste; einen Schritt A2 des Brennens des ungebrannten Wabenstrukturabschnitts mit der Elektrodenschicht-Bildungspaste, um eine säulenförmige Wabenstruktur zu bilden; einen Schritt A3 des Bildens der leitfähigen Verbindungsabschnitte auf der säulenförmigen Wabenstruktur; und einen Schritt A4 des Versehens der säulenförmigen Wabenstruktur mit den Metallelektroden und des Einhülsens der säulenförmigen Wabenstruktur in den Hülsenkörper.
Der Schritt A1 ist das Herstellen eines Wabenformlings, der ein Vorläufer des Wabenstrukturabschnitts ist, und das Auftragen einer Elektrodenschicht-Bildungspaste auf eine Seitenfläche des Wabenformlings, um einen ungebrannten Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschicht-Bildungspaste zu erhalten. Die Herstellung des Wabenformlings kann gemäß einem Verfahren zum Herstellen eines Wabenformlings in einem bekannten Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturabschnitts ausgeführt werden. Zuerst wird z. B. ein Formgebungsmaterial hergestellt, indem Pulver metallischen Siliciums (metallisches Silicium), ein Bindemittel, ein oberflächenaktiver Stoff, ein Porenbildner, Wasser und dergleichen zu Siliciumcarbid-Pulver (Siliciumcarbid) hinzugefügt werden. Es ist bevorzugt, dass die Masse des metallischen Siliciums von 10 bis 40 Massen-% bezüglich der Summe der Masse des Siliciumcarbid-Pulvers und der Masse des metallischen Siliciums beträgt. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Siliciumcarbidteilchen im Siliciumcarbid-Pulver reicht bevorzugt von 3 bis 50 µm und bevorzugter von 3 bis 40 µm.Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Siliciums (des Pulvers metallischen Siliciums) reicht bevorzugt von 2 bis 35 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser sowohl der Siliciumcarbidteilchen als auch des metallischen Siliciums (der Teilchen metallischen Siliciums) bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnitt der Durchmesser auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung der Teilchengröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Die Siliciumcarbidteilchen sind feine Teilchen aus Siliciumcarbid, die das Siliciumcarbid-Pulver bilden, während die Teilchen metallischen Siliciums feine Teilchen aus metallischem Silicium sind, die das Pulver metallischen Siliciums bilden. Es sollte angegeben werden, dass dies eine Formulierung zum Bilden von Ausgangsstoffen in dem Fall ist, wenn das Material des Wabenstrukturabschnitts ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff ist. In dem Fall, in dem das Material des Wabenstrukturabschnitts Siliciumcarbid ist, wird kein metallisches Silicium hinzugefügt.
Beispiele des Bindemittels enthalten Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropoxylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Unter diesen ist es bevorzugt, Methylcellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylcellulose zu verwenden. Der Gehalt des Bindemittels reicht bevorzugt von 2,0 bis 10,0 Massenteilen, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Der Gehalt an Wasser reicht bevorzugt von 20 bis 60 Masseteilen, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Masseteile beträgt.
Der oberflächenaktive Stoff, der verwendet werden kann, enthält Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseifen, Polyalkohol und dergleichen. Diese können allein oder in Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden. Der Gehalt an dem oberflächenaktiven Stoff reicht bevorzug von 0,1 bis 2,0 Massenteilen, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Der Porenbildner ist nicht besonders eingeschränkt, solange der Porenbildner selbst nach dem Brennen Poren bildet, einschließlich z. B. Graphit, Stärke, geschäumte Harze, wasserabsorbierende Harze, Silikagel und dergleichen. Der Gehalt des Porenbildners reicht bevorzugt von 0,5 bis 10,0 Massenteilen, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners reicht bevorzugt von 10 bis 30 µm.Falls der durchschnittliche Teilchendurchmesser kleiner als 10 µm ist, können die Poren nicht ausreichend gebildet werden. Falls der durchschnittliche Teilchendurchmesser größer als 30 µm ist, kann das Extrusionswerkzeug während des Formens verstopfen. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnitt der Durchmesser auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung der Teilchengröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Wenn der Porenbildner das wasserabsorbierende Harz ist, ist der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners ein durchschnittlicher Teilchendurchmesser nach der Wasserabsorption.
Dann werden die resultierenden Formgebungsausgangsstoffe geknetet, um einen Grünling zu bilden, wobei der Grünling dann extrudiert wird, um einen Wabenformling herzustellen. Beim Strangpressen kann ein Extrusionswerkzeug mit einer gewünschten Gesamtform, Zellenform, Trennwanddicke, Zellendichte und dergleichen verwendet werden. Der resultierende Wabenformling wird dann vorzugsweise getrocknet. Wenn die Länge in Richtung der Mittelachse des Wabenformlings nicht die gewünschte Länge ist, können die beiden Stirnflächen des Wabenformlings auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden. Der Wabenformling nach dem Trocknen wird als getrockneter Wabenkörper bezeichnet.
Dann wird die Elektrodenschicht-Bildungspaste zum Bilden von Elektrodenschichten hergestellt. Die Elektrodenschicht-Bildungspaste kann durch das geeignete Hinzufügen und Kneten verschiedener Zusatzstoffe zu dem Ausgangsstoffpulver (Metallpulver, Keramikpulver und dergleichen) gebildet werden, das gemäß den erforderlichen Eigenschaften der Elektrodenschichten formuliert ist. Wenn jede Elektrodenschicht in einer laminierten Struktur gebildet wird, kann der Kontaktwiderstand durch das Erhöhen des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des Metallpulvers in der Paste für die zweite Elektrodenschicht im Vergleich zu einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser des Metallpulvers in der Paste für die erste Elektrodenschicht oder durch das Erhöhen einer Menge des hinzugefügten Metallpulvers verringert werden. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Metallpulvers bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnitt der Durchmesser auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung des Teilchendurchmessers durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
Die resultierende Elektrodenschicht-Bildungspaste wird auf die Seitenfläche des Wabenformlings (typischerweise des getrockneten Wabenkörpers) aufgetragen, um einen ungebrannten Wabenstrukturabschnitt mit einer Elektrodenschicht-Bildungspaste zu erhalten. Das Verfahren zum Herstellen der Elektrodenschicht-Bildungspaste und das Verfahren zum Auftragen der Elektrodenschicht-Bildungspaste auf den Wabenformling kann gemäß einem bekannten Verfahren zum Herstellen einer Wabenstruktur ausgeführt werden. Um jedoch einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand der Elektrodenschicht als den des Wabenstrukturabschnitts zu erreichen, ist es möglich, im Vergleich zum Wabenstrukturabschnitt den Anteil des Metallgehalts zu erhöhen oder den Teilchendurchmesser der Metallteilchen zu verringern.
Als eine Variation des Verfahrens zum Herstellen der säulenförmigen Wabenstruktur kann im Schritt A1 der Wabenformling vor dem Auftragen der Elektrodenschicht-Bildungspaste temporär gebrannt werden. Das heißt, in dieser Variation wird der Wabenformling gebrannt, um einen gebrannten Wabenkörper zu erzeugen, wobei die gebrannte Elektrodenpaste auf den gebrannten Wabenkörper aufgetragen wird.
Im Schritt A2 wird der ungebrannte Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschicht-Bildungspaste gebrannt, um eine säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten. Vor dem Brennen kann die ungebrannte Wabenstruktur mit der Elektrodenschicht-Bildungspaste getrocknet werden. Außerdem kann vor dem Brennen ein Entfetten ausgeführt werden, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Als die Brennbedingungen wird die ungebrannte Wabenstruktur vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre, wie z. B. Stickstoff oder Argon, bei 1400 bis 1500 °C während 1 bis 20 Stunden erwärmt. Nach dem Brennen wird vorzugsweise eine Oxidationsbehandlung bei 1200 bis 1350 °C während 1 bis 10 Stunden ausgeführt, um die Haltbarkeit zu verbessern. Die Verfahren zum Entfetten und Brennen sind nicht besonders eingeschränkt, wobei sie unter Verwendung eines Elektroofens, eines Gasofens oder dergleichen ausgeführt werden können.
Im Schritt A3 werden die leitfähigen Verbindungsabschnitte durch thermische Sprühbeschichtung gebildet, um die leitfähigen Verbindungsabschnitte auf den Oberflächen der Elektrodenschichten auf der säulenförmigen Wabenstruktur zu bilden. Ein Verfahren zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte durch thermisches Sprühen beginnt mit dem Auftragen einer Maskierung, wie z. B. Metallblechen und Glasbändern, auf die Bereiche der Elektrodenschichten auf der säulenförmigen Wabenstruktur, wo die leitfähigen Verbindungsabschnitte nicht gebildet werden. Anschließend wird wenigstens ein Teil der Oberflächen der Elektrodenschichten vorgewärmt, wobei ein vorgegebenes Material durch eine vorgegebene Anzahl von Durchgängen unter vorgegebenen Sprühbedingungen thermisch gesprüht wird, um einen gesprühte Überzug mit einer gewünschten Dicke zu erhalten. Ferner können die leitfähigen Verbindungsabschnitte durch ein herkömmliches Verfahren, wie z. B. Kaltsprühen, Plattieren, ein CVD-Verfahren, ein PVD-Verfahren, ein lonenplattierungsverfahren, ein Aerosolabscheidungsverfahren und Beschichten durch Drucken des leitfähigen Materials, gebildet werden, so dass sie eine vorgegebene Anordnung und Form aufweisen. Ferner kann das flexible leitfähige Element durch Anordnen eines geflechtartigen Metalls, eines Drahtgeflechts, eines einfachen Metalldrahtgestricks, einer Platte aus expandiertem Graphit oder dergleichen auf den leitfähigen Verbindungsabschnitten gebildet werden.
Das Verfahren des thermischen Sprühens der leitfähigen Verbindungsabschnitte auf die Oberflächen der Elektrodenschichten auf der säulenförmigen Wabenstruktur ist nicht besonders eingeschränkt, wobei ein bekanntes thermisches Sprühverfahren verwendet werden kann. Wenn ein Ausgangsstoff zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte thermisch gesprüht wird, kann gleichzeitig das Strömen eines Schutzgases, wie z. B. Argon, zum Zweck des Unterdrückens der Oxidation des Rohmaterials ermöglicht werden. Ferner enthält ein Verfahren zum Beschichten der Oberflächen der Elektrodenschichten auf der säulenförmigen Wabenstruktur mit dem Ausgangsstoff für die leitfähigen Verbindungsabschnitte ein Verfahren zum Bilden einer Paste aus dem Ausgangsstoff für die leitfähigen Verbindungsabschnitte und zum direkten Auftragen der Paste durch einen Pinsel oder verschiedene Druckverfahren. Das Brennen nach dem Beschichten kann vorzugsweise unter den Brennbedingungen des Erwärmens in einer Schutzgasatmosphäre, wie z. B. Argon, bei 1100 bis 1500 °C während 1 bis 20 Stunden ausgeführt werden. Die Temperatur der Brennbedingungen, wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Temperatur in der Brennatmosphäre.
Im Schritt A4 werden die Metallelektroden an den leitfähigen Verbindungsabschnitten bereitgestellt. In diesem Fall wird ein nicht klebendes physikalisches Verbinden, wie z. B. das einfache Anordnen der Metallelektroden auf den leitfähigen Verbindungsabschnitten, anstatt des chemischen Verbindens, wie z. B. Schweißen, Hartlöten und Diffusionskleben, ausgeführt. Anschließend werden die Metallelektroden durch das Einhülsen in den mit der Matte auf der Innenseite versehenen Hülsenkörper gegen die leitfähigen Verbindungsabschnitte gepresst, während die Metallelektroden auf den leitfähigen Verbindungsabschnitten bereitgestellt werden, wodurch die Metallelektroden mit der säulenförmigen Wabenstruktur elektrisch verbunden werden. Folglich kann der elektrisch erwärmte Umsetzer erhalten werden.
BEISPIELE
Im Folgenden werden zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile Beispiele veranschaulicht, wobei aber die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele eingeschränkt ist.
<Beispiel 1>
(1. Herstellung eines zylindrischen Grünlings)
Siliciumcarbid-Pulver (SiC-Pulver) und Pulver metallischen Siliciums (Si) wurden in einem Massenverhältnis von 80:20 gemischt, um einen keramischen Ausgangsstoff herzustellen. Zu dem keramischen Ausgangsstoff wurden Hydroxypropylmethylcellulose als ein Bindemittel, ein wasserabsorbierendes Harz als ein Porenbildner und Wasser hinzugefügt, um einen Formgebungs-Ausgangsstoff zu bilden. Der Formgebungs-Ausgangsstoff wurde dann mittels eines Vakuum-Grünlingkneters geknetet, um einen zylindrischen Grünling herzustellen. Der Gehalt an Bindemittel betrug 7 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid-Pulvers (SiC-Pulvers) und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der Gehalt an Porenbildner betrug 3 Masseteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid-Pulvers (SiC-Pulvers) und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der Gehalt an Wasser betrug 42 Masseteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid-Pulvers (SiC-Pulvers) und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Siliciumcarbid-Pulvers betrug 20 µm, während der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Pulvers metallischen Siliciums 6 µm betrug. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners betrug 20 µm.Der durchschnittliche Teilchendurchmesser jedes des Siliciumcarbid-Pulvers, des Pulvers metallischen Siliciums und des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnitt der Durchmesser auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung der Teilchengröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
(2. Herstellung eines getrockneten Wabenkörpers)
Der resultierende zylindrische Grünling wurde unter Verwendung eines Extruders mit einer gittermusterartigen Extrusionswerkzeug-Struktur gebildet, um einen zylindrischen Wabenformling zu erhalten, bei dem jede Zelle eine quadratische Form in einem Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung der Zellen aufwies. Der Wabenformling wurde einer dielektrischen Hochfrequenzerwärmung und -trocknung unterzogen und dann bei 120 °C während 2 Stunden unter Verwendung eines Heißlufttrockners getrocknet, wobei eine vorgegebene Menge beider Stirnflächen abgeschnitten wurde, um einen getrockneten Wabenkörper herzustellen.
(3. Herstellung einer Elektrodenschicht-Bildungspaste)
Pulver metallischen Siliciums (Si), Siliciumcarbid-Pulver (SiC-Pulver), Methylzellulose, Glyzerin und Wasser wurden mit einem Planetenzentrifugalmischer gemischt, um eine Elektrodenschicht-Bildungspaste herzustellen. Das Si-Pulver und das SiC-Pulver wurden in einem Volumenverhältnis von Si-Pulver:SiC-Pulver = 40:60 gemischt. Wenn die Gesamtmenge von Si-Pulver und SiC-Pulver 100 Massenteile betrug, betrug ferner die Methylcellulose 0,5 Massenteile, betrug das Glycerin 10 Massenteile und betrug das Wasser 38 Massenteile. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Pulvers metallischen Siliciums betrug 6 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Siliciumcarbid-Pulvers betrug 35 µm. Jeder dieser durchschnittlichen Teilchendurchmesser bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnitt der Durchmesser auf Volumenbasis, wenn eine Häufigkeitsverteilung der Teilchendurchmesser durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
(4. Auftragen und Brennen der Elektrodenschicht-Bildungspaste)
Die Elektrodenschicht-Bildungspaste wurde dann auf den getrockneten Wabenkörper mittels einer Druckmaschine für gekrümmte Oberflächen aufgetragen, um eine geeignete Fläche und eine Filmdicke zu erhalten, und ferner in einem Heißlufttrockner bei 120 °C während 30 Minuten getrocknet und dann zusammen mit dem getrockneten Wabenkörper in einer Ar-Atmosphäre bei 1400 °C während 3 Stunden gebrannt, um eine säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten.
(5. Anwendung der thermischen Sprühbeschichtung zum Bilden leitfähiger Verbindungsabschnitte)
Der Ausgangsstoff zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte wurde durch Plasmasprühen an zwei über die Mittelachse der säulenförmigen Wabenstruktur einander zugewandten Positionen auf die Oberflächen der Elektrodenschichten auf der säulenförmigen Wabenstruktur thermisch aufgesprüht, um die leitfähigen Verbindungsabschnitte zu bilden. Der Ausgangsstoff zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte war NiCrAlY, wobei das Plasmasprühen unter den folgenden Bedingungen des thermischen Sprühens ausgeführt wurde. Als das Plasmagas wurde ein Ar-H₂-Gasgemisch verwendet, das aus 60 l/min Ar-Gas und 10 l/min H₂-Gas bestand. Ein Plasmastrom betrug 600 A, eine Plasmaspannung betrug 60 V, ein Abstand des thermischen Sprühens betrug 150 mm und eine Menge der zugeführten Teilchen beim thermischen Sprühen betrug 30 g/min. Weiterhin wurde der Plasmarahmen mit einem Ar-Gas abgeschirmt, um die Oxidation des Metalls während des thermischen Sprühens zu unterdrücken.
Die säulenförmige Wabenstruktur wies kreisförmige Stirnflächen mit jeweils einem Durchmesser von 118 mm und eine Höhe (eine Länge in der Strömungsrichtung der Zellen) von 75 mm auf. Die Zellendichte betrug 93 Zellen/cm², die Dicke der Trennwand betrug 101,6 µm, die Porosität der Trennwand betrug 45 % und der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwand betrug 8,6 µm.Die Dicke jeder Elektrodenschicht betrug 0,3 mm, während die Dicke jedes leitfähigen Verbindungsabschnitts 0,05 mm betrug. Der spezifische elektrische Widerstand bei 400 °C wurde unter Verwendung von Proben, die die gleichen Materialien wie jene der Elektrodenschichten und der leitfähigen Verbindungsabschnitte aufwiesen, mit einem Vierleiterverfahren gemessen, was angab, dass er 0,1 Ωcm bzw. 3,0 × 10³ µΩcm (0,003 Ωcm) betrug.
(6. Anordnung der Elektroden)
Eine Probe wurde durch das Anordnen von Metallelektroden aus SUS mit einer Dicke von 400 µm auf den leitfähigen Verbindungsabschnitten an den beiden Positionen der Wabenstruktur hergestellt. In diesem Fall wurden die Metallelektroden nur physikalisch verbunden, indem sie auf den leitfähigen Verbindungsabschnitten angeordnet wurden, wobei keine chemische Verbindung, wie z. B. Schweißen, Hartlöten und Diffusionskleben, ausgeführt wurde.
<Beispiel 2>
Eine Probe wurde durch das gleiche Verfahren wie das des Beispiels 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Maschenelement aus Inconel 601 mit einer Dicke von 1 mm zwischen jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte und jeder der Metallelektroden als das flexible leitfähige Element vorgesehen wurde.
<Beispiel 3>
Eine Probe wurde durch das gleiche Verfahren wie das des Beispiels 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die leitfähigen Verbindungsabschnitte unter Verwendung von CrB-Si als der Ausgangsstoff zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte hergestellt wurden.
<Beispiel 4>
Die leitfähigen Verbindungsabschnitte wurden unter Verwendung von CrB-Si als der Ausgangsstoff zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte hergestellt. Ferner wurde das Maschenelement aus SUS304 mit einer Dicke von 2 mm zwischen jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte und jeder der Metallelektroden als das flexible leitfähige Element bereitgestellt. Mit Ausnahme dieser wurde eine Probe durch das gleiche Verfahren wie das des Beispiels 1 hergestellt.
<Beispiel 5>
Eine Probe wurde durch das gleiche Verfahren wie das des Beispiels 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die leitfähigen Verbindungsabschnitte unter Verwendung von Cu als der Ausgangsstoff zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte hergestellt wurden.
<Beispiel 6>
Die leitfähigen Verbindungsabschnitte wurden unter Verwendung von Cu als der Ausgangsstoff zum Bilden der leitfähigen Verbindungsabschnitte hergestellt. Ferner wurde das Maschenelement aus SUS304 mit einer Dicke von 2 mm zwischen jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte und jeder der Metallelektroden als das flexible leitfähige Element bereitgestellt. Mit Ausnahme dieser wurde eine Probe durch das gleiche Verfahren wie das des Beispiels 1 hergestellt.
<Vergleichsbeispiel 1>
Eine Probe wurde durch das gleiche Verfahren wie das des Beispiels 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Metallelektroden direkt auf den Elektrodenschichten bereitgestellt wurden, ohne die leitfähigen Verbindungsabschnitte bereitzustellen.
<Vergleichsbeispiel 2>
Eine Probe wurde durch das gleiche Verfahren wie das des Beispiels 2 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die leitfähigen Verbindungsabschnitte nicht bereitgestellt wurden.
(7. Test zur Bewertung des elektrischen Widerstands, Bewertung der Variation)
In jeder der Proben der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurde der elektrische Widerstand zwischen den beiden Metallelektroden, die so bereitgestellt waren, dass sie über die Mittelachse der Wabenstruktur einander zugewandt waren, bewertet. Der elektrische Widerstand wurde unter Verwendung eines digitalen Multimeters (GDM-8261A von TEXIO TECHNOLOGY CORPORATION) gemessen, wobei der Widerstandswert durch Mittelung von Werten von n = 5 bestimmt wurde, in der 4-Draht-Widerstandsmessbetriebsart gemessen wurden. Ferner wurde eine Differenz (Max - Min) zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Widerstands zwischen den Elektroden, der bei n = 5 erhalten wurde, als eine Variation berechnet.

Die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. In der Tabelle 1 im Folgenden geben „A“ und „B“ der Bewertungsergebnisse an, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung erhalten wird, während „C“ angibt, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht erhalten wird. Tabelle 1

	Wabenstruktur (poröser Körper)				Leitfähige Verbindungsabschnitte		Flexibles leitfähiges Element	Metallelektroden	Widerstand zwischen den Elektroden, n = 5, Durchschnitt	Variation	Bewertungsergebnis
	Durchmesser	Länge	Substrat	Porosität	Leitfähige Verbindungsabschnitte		Flexibles leitfähiges Element	Dicke	Widerstand zwischen den Elektroden, n = 5, Durchschnitt	Variation
Einheit	mm	mm	Material	%	Material	µΩcm	Material	mm	Ω	Max - Min
Beispiel 1	118	75	Si-SiC	45	NiCrAlY	2 × 10³	kein Element	0,4	1,9	0,6	B
Beispiel 2	118	75	Si-SiC	45	NiCrAlY	2 × 10³	Inconel 601	0,4	0,99	0,06	A
Beispiel 3	118	75	Si-SiC	45	CrB-Si	1 × 10⁴	kein Element	0,4	2,0	0,8	B
Beispiel 4	118	75	Si-SiC	45	CrB-Si	1 × 10⁴	SUS304	0,4	1,1	0,1	A
Beispiel 5	118	75	Si-SiC	45	Cu	< 1 × 10³	kein Element	0,4	1,8	0,5	B
Beispiel 6	118	75	Si-SiC	45	Cu	< 1 × 10³	SUS304	0,4	0,96	0,05	A
Vergl. 1	118	75	Si-SiC	45	keine Beschichtung	-	kein Element	0,4	13,5	4,8	C
Vergl. 2	118	75	Si-SiC	45	keine Beschichtung	-	Inconel 601	0,4	3,8	0,8	C

(8. Erörterung)
In jedem der Beispiele 1 bis 6 kann der elektrische Widerstand zwischen den beiden Metallelektroden aufgrund der Wirkung der leitfähigen Verbindungsabschnitte auf 2 Ω oder kleiner ausreichend verringert werden. Insbesondere konnte in jedem der Beispiele 2, 4 und 6 der elektrische Widerstand zwischen den beiden Metallelektroden 0,96 bis 1,1 Ω betragen, wobei der Kontaktwiderstand zwischen jeder der Metallelektroden und der Wabenstruktur durch die Wirkung des flexiblen leitfähigen Elements ausreichend verringert werden konnte.
Ferner kann die Variation des Widerstands zwischen den Elektroden außerdem in den Beispielen 1 bis 6 verringert werden. Dies würde auf die Wirkung des Verringerns der Variation im Kontaktdruck zurückzuführen sein. Es wird erwartet, dass die Variation bei der Messung des Widerstands zwischen den Elektroden durch eine leichte Variation des Drucks zum Pressen der Metallelektroden verursacht wird, wobei aber in den Beispielen 2, 4 und 6 der leitfähige Verbindungsabschnitt und das flexible leitfähige Element den Kontaktwiderstand sogar durch einen geringeren Druck ausreichend verringern können. Im Ergebnis wird in Betracht gezogen, dass die Variation im Widerstand zwischen den Elektroden verringert werden konnte.
Andererseits ist in jedem der Vergleichsbeispiele 1 und 2, die keinen leitfähigen Verbindungsabschnitt aufweisen, der Widerstand zwischen den Elektroden 3 Ω oder größer. Es kann erwartet werden, dass der Kontaktwiderstand zwischen jeder der Metallelektroden und der Wabenstruktur deutlich höher als der der Wabenstruktur ist.
Bezugszeichenliste

10: elektrisch erwärmter Umsetzer
11: säulenförmige Wabenstruktur
12: äußere Umfangswand
13a, 13b: Elektrodenschicht
14a, 14b: Metallelektrode
15a, 15b: leitfähiger Verbindungsabschnitt
16a, 16b: flexibles leitfähiges Element
17: säulenförmiger Wabenabschnitt
18: Zelle
19: Trennwand
20: elektrisch erwärmter Träger
21: Matte (Presselement)
22: Hülsenkörper (Presselement)
23: Presselement
25: Verdrahtung
26: Isolierelement
30: Abgasreinigungsvorrichtung
31: einlassseitiger Abschnitt mit verringertem Durchmesser
32: auslassseitiger Abschnitt mit verringertem Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2015107452 A [0003]
JP 2014208994 A [0003]

Claims

Elektrisch erwärmter Umsetzer, der umfasst: eine säulenförmige Wabenstruktur aus leitfähiger Keramik, die umfasst: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei jede der Zellen von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Strömungsweg zu bilden; Metallelektroden; leitfähige Verbindungsabschnitte, die auf einer Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet sind; und ein Presselement, das konfiguriert ist, die Metallelektroden gegen die leitfähigen Verbindungsabschnitte zu pressen, so dass die Metallelektroden mit der säulenförmigen Wabenstruktur elektrisch verbunden sind, wobei jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der kleiner als der der säulenförmigen Wabenstruktur ist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Verbindungsabschnitte aus einem Material hergestellt sind, das eines oder mehrere umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Ni, Cr, Al und Si umfasst.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach Anspruch 2, wobei die leitfähigen Verbindungsabschnitte aus einem Material aus CrB-Si, LaB₆-Si, TaSi₂, NiCr, NiCrAlY oder NiCrFe hergestellt sind.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die leitfähigen Verbindungsabschnitte aus einem Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 1,5 × 10° bis 1,5 × 10⁴ µΩcm hergestellt sind.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Material, das Halbleitereigenschaften aufweist, als das Material der leitfähigen Verbindungsabschnitte einen Gehalt von 80 Volumen-% oder weniger aufweist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach Anspruch 5, wobei das Material, das die Halbleitereigenschaften aufweist, wenigstens eines ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Si, Ge, ZnS, ZnSe, CdS, ZnO, CdTe, GaAs, InP, GaN, GaP, SiC, SiGe und CulnSe₂ umfasst.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die leitfähige Keramik wenigstens eines enthält, das aus Silicium und Siliciumcarbid ausgewählt ist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die säulenförmige Wabenstruktur umfasst: einen säulenförmigen Wabenabschnitt aus leitfähiger Keramik, wobei der säulenförmige Wabenabschnitt die äußere Umfangswand und die Trennwand aufweist; und Elektrodenschichten aus leitfähiger Keramik, wobei die Elektrodenschichten auf der äußeren Umfangswand vorgesehen sind, wobei die leitfähigen Verbindungsabschnitte jeweils auf den Elektrodenschichten vorgesehen sind.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach Anspruch 8, wobei die Elektrodenschichten ein Paar von Elektrodenschichten sind, die auf einer Oberfläche der äußeren Umfangswand des säulenförmigen Wabenabschnitts so angeordnet sind, dass sie über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenabschnitts einander zugewandt sind.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte eine Dicke von 0,1 bis 500 µm aufweist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei jeder der leitfähigen Verbindungsabschnitte in wenigstens zwei Teile aufgeteilt ist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Metallelektroden aus einem flexiblen Metall hergestellt sind.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zwischen jedem der leitfähigen Verbindungsabschnitte und jeder der Metallelektroden ein flexibles leitfähiges Element vorgesehen ist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach Anspruch 13, wobei das flexible leitfähige Element eine Dicke von 10 bis 5000 µm aufweist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach Anspruch 13 oder 14, wobei das flexible leitfähige Element aus einem geflechtartigen Metall, einem Drahtgeflecht, einem einfachen Metalldrahtgestrick oder einer Platte aus expandiertem Graphit hergestellt ist.
Elektrisch erwärmter Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Presselement umfasst: einen Hülsenkörper, der konfiguriert ist, dass er zu der mit den Metallelektroden versehenen säulenförmigen Wabenstruktur passt; und ein Haltematerial, das in einem Spalt zwischen dem Hülsenkörper und der säulenförmigen Wabenstruktur, die mit den Metallelektroden versehen ist, vorgesehen ist.
Elektrisch erwärmter Träger, der umfasst: eine säulenförmige Wabenstruktur aus Keramik, die umfasst: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei jede der Zellen von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Strömungsweg zu bilden; und leitfähige Verbindungsabschnitte, die auf einer Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet sind, wobei die leitfähigen Verbindungsabschnitte ein Material umfassen, wobei das Material einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,5 × 10° bis 1,5 × 10⁴ µΩcm aufweist und eines oder mehrere enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Ni, Cr, Al und Si umfasst.
Elektrisch erwärmter Träger nach Anspruch 17, wobei die säulenförmige Wabenstruktur umfasst: einen säulenförmigen Wabenabschnitt aus leitfähiger Keramik, wobei der säulenförmige Wabenabschnitt die äußere Umfangswand und die Trennwand aufweist; und Elektrodenschichten aus leitfähiger Keramik, wobei die Elektrodenschichten auf der äußeren Umfangswand vorgesehen sind, wobei die leitfähigen Verbindungsabschnitte jeweils auf den Elektrodenschichten vorgesehen sind.