JP2014198650A5 - - Google Patents

Description

［１］ 流体の流路となる一方の端面である第一端面から他方の端面である第二端面まで延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を有する筒状のハニカムセグメントを複数個有するとともに、前記複数個のハニカムセグメントの側面同士を接合する接合層を有する筒状のハニカムセグメント接合体と、前記ハニカムセグメント接合体の側面に配設された一対の電極部とを備え、前記ハニカムセグメント接合体の各前記ハニカムセグメントの体積抵抗率が１〜２００Ωｃｍであるとともに、前記接合層の少なくとも一部が、導電性を有する接合材によって形成され、前記接合層の体積抵抗率が２〜２０００Ωｃｍであり、前記一対の電極部のそれぞれが、前記ハニカムセグメントのセルの延びる方向に延びる帯状に形成され、前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記一対の電極部における一方の前記電極部が、前記一対の電極部における他方の前記電極部に対して、前記ハニカムセグメント接合体の中心を挟んで反対側に配設され、前記接合層の少なくとも一部が、骨材である炭化珪素の粒子が、珪素を結合材として、粒子相互間に細孔を保持した状態で結合された多孔体に、β−ＳｉＣからなる導電性無機繊維、及び金属珪化物が含まれたものである、ハニカム構造体。

本発明のハニカム構造体は、発熱体となる筒状のハニカムセグメント接合体と、ハニカムセグメント接合体の側面に配設された一対の電極部とを備えたハニカム構造体である。ハニカムセグメント接合体は、筒状のハニカムセグメントを複数個有するとともに、この複数個のハニカムセグメントの側面同士を接合する接合層を有するものである。ハニカムセグメントは、流体の流路となる第一端面から第二端面まで延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を有する。そして、ハニカムセグメント接合体の各ハニカムセグメントの体積抵抗率が１〜２００Ωｃｍであり、接合層の体積抵抗率が２〜２０００Ωｃｍである。また、一対の電極部のそれぞれが、ハニカムセグメントのセルの延びる方向に延びる帯状に形成されている。セルの延びる方向に直交する断面において、一対の電極部における一方の電極部が、一対の電極部における他方の電極部に対して、ハニカムセグメント接合体の中心を挟んで反対側に配設されている。更に、複数個のハニカムセグメントを接合する接合層が、骨材である炭化珪素の粒子が、珪素を結合材として、粒子相互間に細孔を保持した状態で結合された多孔体に、β−ＳｉＣからなる導電性無機繊維、及び金属珪化物が含まれたものである。このように構成された本発明のハニカム構造体は、触媒担体として使用できるとともに電圧を印加することによりヒーターとしても良好に機能するものであり、接合層が、応力を緩和し、更に、応力に対して、破断し難く、更に、応力が加わった際に、接合層によって接合された部分の電気抵抗値が上昇し難い。即ち、曲げ応力などの応力が加わった際に、接合層によって接合された部分の電気抵抗値が上昇し難い。したがって、接合層を経由してハニカムセグメント接合体全体に良好に電流が流れ、ハニカムセグメント接合体をより均等に発熱させることができる。また、本発明のハニカム構造体は、耐熱衝撃性にも優れている。また、本発明のハニカム構造体の製造方法は、上述した本発明のハニカム構造体を簡便に製造することができる。

接合層７の導電性無機繊維が含まれた範囲において、接合層７に含まれる珪素、炭化珪素、導電性無機繊維、及び金属珪化物の合計体積に対して、導電性無機繊維の体積比率が、１５〜３５体積％であることが好ましく、２０〜３５体積％であることが更に好ましく、２５〜３５体積％であることが特に好ましい。導電性無機繊維の体積比率を上記数値範囲とすることで、接合層７の耐破断性を向上させ、且つ抵抗上昇率を低下させつつ、接合層７の強度を良好に維持することができる。例えば、導電性無機繊維の体積比率が３５体積％超であると、接合層７の強度が低下することがある。更に、所望の抵抗率に調整し難くなる。また、導電性無機繊維の体積比率が１５体積％未満であると、接合層７の耐破断性が低下したり、抵抗上昇率が大きくなったりすることがある。「接合層７の導電性無機繊維が含まれた範囲」とは、接合層の厚さ方向に、導電性無機繊維が存在する領域のことをいう。ここで、「接合層の厚さ方向に、導電性無機繊維が存在する」とは、接合層の厚さ方向の断面の断面ＳＥＭ像において、幅５ｍｍの視野にて、導電性無機繊維が確認されることをいう。したがって、上記断面ＳＥＭ像において、幅５ｍｍの視野にて、導電性無機繊維が確認されない場合には、当該領域を「接合層７の導電性無機繊維が含まれない範囲」とする。

接合層７が、アルカリ土類金属酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２からなる酸化物を更に含んでいてもよい。このように構成することによって、接合層７の強度が向上する。接合層７は、アルカリ土類金属酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２を、これらの三成分を含む酸化物粒子として含むことがより好ましい。上述したアルカリ土類金属酸化物としては、ＭｇＯ、ＳｒＯなどを挙げることができる。中でも、アルカリ土類金属酸化物が、ＭｇＯであることが更に好ましい。接合層７に含まれる珪素、炭化珪素、導電性無機繊維、及び金属珪化物の合計体積を１００体積部とした場合に、上記した酸化物（即ち、アルカリ土類金属酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２からなる酸化物）を１〜１０体積部含むことがより好ましい。このように構成することによって、接合層７の強度が良好に向上する。酸化物の含有量が１体積部未満であると、この酸化物を加えた効果が十分に発現しないことがある。また、酸化物の含有量が１０体積部超であると、接合層７の気孔率が低下し、接合層７の耐熱衝撃性が低下することがある。上記した酸化物の含有比率は、１〜５体積部であることが特に好ましい。上述した三成分の酸化物の含有比率は、接合層の断面をＳＥＭ観察して、画像処理ソフトによって画像解析して求めた値である。画像処理ソフトとしては、ＩｍａｇｅＰｒｏ（日本ビジュアルサイエンス社製）を用いることができる。具体的には、例えば、まず、接合層から、「断面」を観察するためのサンプルを切り出す。接合層の断面については、断面の凹凸を樹脂で埋め、更に研磨を行い、研磨面の観察を行う。そして、「断面」５視野（倍率５００倍）の観察結果から、珪素、炭化珪素、導電性無機繊維、及び金属珪化物との合計面積に対するアルカリ土類金属酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２の合計面積の割合を算出する。上記三成分の酸化物の含有比率を、接合層を作製するための原料にて求めることができる場合には、この原料の段階で求めることもできる。

図２に示されるように、セル２の延びる方向に直交する断面において、接合層７が非接触横断線状部７Ｂを有し、非接触横断線状部７Ｂにおける両端部Ａ，Ｂ間の抵抗値が、ハニカムセグメント６の抵抗値より小さいことが好ましい。非接触横断線状部７Ｂは、接合層７を構成する部分のなかで、「両端部Ａ，Ｂがハニカムセグメント接合体４の外周に位置するとともに電極部２１に接しておらず且つ一対の電極部２１，２１の中心間を結ぶ線分と交叉している」線状の部分である。接合層７がこのような構造であるため、一対の電極部２１，２１間に電圧を印加したときに、「ハニカムセグメント６，６間を電流が流れる際に、接合層７によって電流の流れが阻害される」という状態を回避することができる。つまり、一対の電極部２１，２１間に電圧を印加したときに、ハニカムセグメント６，６間に十分に電流が流れ、ハニカム構造体１００全体に均一に電流を流すことが可能となる。そして、ハニカム構造体全体を均一に発熱させることができる。

電極部２１の主成分が炭化珪素粒子及び珪素である場合に、電極部２１に含有される炭化珪素粒子の平均粒子径が１０〜７０μｍであることが好ましく、１０〜６０μｍであることが更に好ましい。電極部２１に含有される炭化珪素粒子の平均粒子径がこのような範囲であることにより、電極部２１の体積抵抗率を０．１〜１００Ωｃｍの範囲で制御することができる。電極部２１に含有される炭化珪素粒子の平均粒子径が、１０μｍより小さいと、電極部２１の体積抵抗率が大きくなり過ぎることがある。電極部２１に含有される炭化珪素粒子の平均粒子径が、７０μｍより大きいと、電極部２１の強度が弱くなり破損し易くなることがある。電極部２１に含有される炭化珪素粒子の平均粒子径は、レーザー回折法で測定した値である。

本実施形態のハニカム構造体１００において、各ハニカムセグメント６の体積抵抗率は、１〜２００Ωｃｍであり、１０〜１５０Ωｃｍであることが好ましく、１５〜７０Ωｃｍであることが更に好ましい。体積抵抗率が１Ωｃｍより小さいと、例えば、２００Ｖ以上の高電圧の電源によってハニカム構造体１００に通電したときに、電流が過剰に流れることがある。体積抵抗率が２００Ωｃｍより大きいと、例えば、２００Ｖ以上の高電圧の電源によってハニカム構造体１００に通電したときに、電流が流れ難くなり、十分に発熱しないことがある。

Claims (18)

1. 流体の流路となる一方の端面である第一端面から他方の端面である第二端面まで延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を有する筒状のハニカムセグメントを複数個有するとともに、前記複数個のハニカムセグメントの側面同士を接合する接合層を有する筒状のハニカムセグメント接合体と、前記ハニカムセグメント接合体の側面に配設された一対の電極部とを備え、
   前記ハニカムセグメント接合体の各前記ハニカムセグメントの体積抵抗率が１〜２００Ωｃｍであるとともに、
   前記接合層の少なくとも一部が、導電性を有する接合材によって形成され、前記接合層の体積抵抗率が２〜２０００Ωｃｍであり、
   前記一対の電極部のそれぞれが、前記ハニカムセグメントのセルの延びる方向に延びる帯状に形成され、
   前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記一対の電極部における一方の前記電極部が、前記一対の電極部における他方の前記電極部に対して、前記ハニカムセグメント接合体の中心を挟んで反対側に配設され、
   前記接合層の少なくとも一部が、骨材である炭化珪素の粒子が、珪素を結合材として、粒子相互間に細孔を保持した状態で結合された多孔体に、β−ＳｉＣからなる導電性無機繊維、及び金属珪化物が含まれたものである、ハニカム構造体。
2. 前記金属珪化物が、ニッケルシリサイドである、請求項１に記載のハニカム構造体。
3. 前記接合層の前記導電性無機繊維が含まれた範囲において、前記接合層に含まれる前記珪素、前記炭化珪素、前記導電性無機繊維、及び前記金属珪化物の合計体積に対して、前記導電性無機繊維の体積比率が、１５〜３５体積％である、請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
4. 前記導電性無機繊維のうち、中空な前記導電性無機繊維の割合（本数割合）が、３０％以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
5. 前記導電性無機繊維の平均繊維長が、０．３ｍｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
6. 前記導電性無機繊維の平均繊維径が、２〜３０μｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
7. 前記導電性無機繊維が、カーボン繊維を珪化させた、β−ＳｉＣからなる導電性無機繊維である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
8. 前記接合層に含まれる前記珪素、前記炭化珪素、前記導電性無機繊維、及び前記金属珪化物の合計体積に対して、前記珪素、及び前記金属珪化物の合計体積の体積比率が、２０〜５０体積％である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
9. 前記接合層に含まれる前記珪素、前記炭化珪素、前記導電性無機繊維、及び前記金属珪化物の合計体積に対して、前記金属珪化物の体積比率が、１〜１０体積％である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
10. 前記接合層に含まれる前記珪素、前記炭化珪素、前記導電性無機繊維、及び前記金属珪化物の合計体積に対して、前記炭化珪素の体積比率が、２０〜５０体積％である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
11. 前記接合層に含まれる前記炭化珪素の粒子の平均粒子径が、１０〜６０μｍである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
12. 前記骨材としての前記炭化珪素が、α−ＳｉＣである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
13. 前記接合層が、アルカリ土類金属酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２からなる酸化物を更に含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
14. 前記アルカリ土類金属酸化物が、ＭｇＯである、請求項１３に記載のハニカム構造体。
15. 前記接合層に含まれる前記珪素、前記炭化珪素、前記導電性無機繊維、及び前記金属珪化物の合計体積を１００体積部とした場合に、前記酸化物を１〜１０体積部含む、請求項１３又は１４に記載のハニカム構造体。
16. 前記接合層の気孔率が、６０〜８０％である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
17. 流体の流路となる一方の端面である第一端面から他方の端面である第二端面まで延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を有する筒状のハニカムセグメントを複数個有するとともに、前記複数個のハニカムセグメントの側面同士を接合する接合層を有する筒状のハニカムセグメント接合体と、前記ハニカムセグメント接合体の側面に配設された一対の電極部とを備えたハニカム構造体を製造する方法において、
    前記接合層を形成する接合材として、炭化珪素粉末と、珪素粉末と、カーボン繊維と、ニッケル及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも一の金属、及び前記群より選択される少なくとも一の金属元素を含む金属化合物のうちの少なくとも一方からなる粉末と、が含まれたものを用いる、ハニカム構造体の製造方法。
18. 前記ニッケル及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも一の金属元素を含む前記金属化合物が、金属酸化物、及び金属珪化物のうちの少なくとも一方である、請求項１７に記載のハニカム構造体の製造方法。