JP5625764B2 - ハニカム構造体及び電気加熱式触媒装置 - Google Patents
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Description
ところで、触媒の活性化には、例えば400℃程度の加熱が必要になる。そのため、ハニカム体等の表面に一対の電極を形成し、その一対の電極間に通電を行ってハニカム体等を加熱する電気加熱式触媒装置(EHC)が開発されている。
また、特許文献2には、軸方向に直交する断面が四角形状やレーストラック形状のハニカム体91を用い、電極92、93間の距離を一定としたハニカムモノリスヒータ9が開示されている(図11参照)。
一般に、電流は最も電気抵抗の低い経路を流れる。上記のごとく円柱形状のハニカム体81の表面に一対の電極82、83を設けた電気加熱式触媒装置8においては、一対の電極間82、83の距離は、ハニカム体81の軸方向Xと垂直な方向(径方向Y)における電極82の側端825と電極83の側端835との間で最短(最短距離S)となり、この側端間が電気抵抗の最も低い経路となる。そして、上記のごとく、電極の側端825、835がハニカム体のセル815の軸方向Xと並行して配置される場合には、電極82、83の側端825、835に電力集中による熱応力が発生したときに、該熱応力が軸方向に伸びる1つのセル815に発生し、該セル815に熱応力が集中的に発生してしまう。その結果、ハニカム体81が破損してしまうおそれがあった。
上記ハニカム体の軸方向に平行で上記外皮部上にある任意の基準線を想定すると、上記電極における上記ハニカム体の略軸方向に伸びる側端輪郭線は、その全長のうち少なくとも一部が上記基準線に対して平行ではなく、該基準線と交差する方向に配されており、
かつ、上記ハニカム体の周方向における一対の上記電極間の間隔は、一定であり、
上記ハニカム体の上記径方向における一対の上記電極間の最短距離は、上記ハニカム体の上記外周面における一対の上記電極間の最短距離よりも小さいことを特徴とするハニカム構造体にある(請求項1)。
そのため、たとえ上記側端輪郭線に電力が集中しても上記側端輪郭線は上記ハニカム体の軸方向に並行しないため、熱応力が上記ハニカム体の特定の軸方向に沿って集中することを防止することができる。即ち、熱応力を複数のセルにわたって分散させ、緩和することができる。それ故、ハニカム体の破損を防止することができる。
そのため、ハニカム構造体の取扱いが非常に容易になる。例えば、ハニカム構造体を車両の排気管内へ収容する作業が容易になる。また、ハニカム構造体を外周から均一な力で保持した状態で収容することができ、振動や応力等に起因するハニカム構造体の割れ等の発生を抑制することができる。これにより、ハニカム構造体の搭載性を十分に確保することができる。
上記ハニカム構造体は、セル形成部と該セル形成部の周囲を覆う円筒形状の外皮部と有するハニカム体と、該ハニカム体の上記外皮部の外周面において径方向に対向配置された一対の電極とを備える。
上記ハニカム体の上記セル形成部は、例えば、格子状に配された多孔質の隔壁と、該隔壁に囲まれて軸方向に伸びる複数のセルとにより構成することができる。
この場合には、上記ハニカム体に導電性を与えることが容易になると共に、上記ハニカム構造体の表面積を大きくすることができる。そのためこの場合には、上記ハニカム構造体は、電気加熱式触媒装置(EHC)により好適になる。
上記側端輪郭線が上記基準線に平行な場合には、上記電極の上記側端輪郭線が上記ハニカム体のセルの軸方向と平行になる。そのため、一対の上記電極間に通電し、上記側端輪郭線に電力が集中した際に、熱応力が上記ハニカム体の特定の軸方向に沿って集中してしまう。その結果、上記ハニカム構造体の軸方向に伸びる特定のセルに熱応力が集中し、ハニカム体が破損してしまうおそれがある。
上記周方向における一対の上記電極間の間隔が一定でなく、一方の電極が周方向に他方の電極に偏って形成されている場合には、上記電極間に通電したときに、間隔の小さい側の電極の上記側端輪郭線間の距離が小さくなり、該側端輪郭線に電力が集中してしまう。その結果、熱応力が集中し、ハニカム体が破損してしまうおそれがある。また、上記周方向における一対の上記電極間の間隔が一定でない場合には、一対の電極に通電した際に、間隔が小さい側において上記ハニカム体の周方向に電流が流れ易くなるおそれがある。その結果、この場合には、通電しても上記ハニカム体の内部を十分に発熱させることができなくなるおそれがある。
上記外周面において、上記軸方向における上記電極間の間隔が上記周方向における間隔よりも小さい場合には、一対の電極間に通電を行った際に、上記外皮部の上記外周面において上記軸方向に電流が流れ易くなるおそれがある。その結果、通電を行っても上記ハニカム体の内部を十分に加熱させることが困難になるおそれがある。
上記ハニカム体の径方向における一対の上記電極間の最短距離が上記外周面における一対の上記電極間の最短距離よりも大きい場合には、一対の電極間に通電を行った際に、上記外皮部の上記外周面において電流が流れ易くなるおそれがある。その結果、通電を行っても上記ハニカム体の内部を十分に加熱させることが困難になるおそれがある。なお、上記ハニカム体の上記径方向における一対の上記電極間の最短距離は、一対の上記電極間において周方向に近接する上記側端輪郭線同士の上記径方向における距離となる。
傾斜角度が45°を超える場合には、上記ハニカム体の上記外周面における一対の電極間の距離が小さくなり、上記電極に通電したときに、上記外周面において電流が流れ易くなるおそれがある。そのため、通電を行っても上記ハニカム体の内部を十分に発熱させることが困難になるおそれがある。
この場合には、一対の上記電極間において上記側端輪郭線は略平行に形成される。そして、この場合には、上記側端輪郭線の全長が上記基準線に対して平行ではなく、上記基準線と交差する方向に配された上記電極を簡単に形成することができる。
また、一対の上記電極は、それぞれ上記外皮部の上記外周面に略螺旋状に配することができる。ここでいう螺旋状は、各電極が螺旋状に上記外周面を一周していない場合を含み、例えば半周や2/3周等のように一周未満の場合を含む。
この場合には、例えば三元触媒等の触媒を担持させた上記ハニカム体において一対の上記電極に通電したときに、上記ハニカム体を排ガスが通過する際の排ガス流線上である上記セル形成部の軸方向のいずれかの位置で、通電発熱により触媒が活性化する部位を短時間で構成することが可能となり、排ガスの浄化性能を向上させることができる。
D+E×sinθ<R/2の場合には、一対の上記電極に通電して上記ハニカム体を加熱させたときに、該ハニカム体の上記セル形成部の軸方向のいずれかの位置で通電発熱による触媒活性ができない部位が生じてしまい、排ガスが不活性な触媒部分を通過してしまうおそれがある。
この場合には、上記側端輪郭線の全長のうち少なくとも一部が上記基準線に対して平行ではなく、上記基準線と交差する方向に配された上記電極を比較的簡単に形成することができる。
また、例えば図5及び図6に示すごとく、一対の上記電極の全体を部分的に周方向に突出させ、上記電極をV字状、U字状、及びW字状等にした形態がある。また、図示は省略するがV字状及びU字状の電極パターンを上記軸方向に直列に並べた形態を採用することもできる。また、上記突出部は、その頂点が鋭角又は鈍角を有する角部であってもよいが、曲率半径を有する曲線であってもよい。
次に、本発明の実施例にかかるハニカム構造体及びそれを用いた電気加熱式触媒装置(EHC)について、図を用いて説明する。
図1〜図3に示すごとく、本例のハニカム構造体1は、セル形成部21とその周囲を覆う円筒形状の外皮部22と有するハニカム体2と、ハニカム体2の外皮部22の外周面221において径方向Yに対向配置された一対の電極31、32とを備えている。
以下、本例のハニカム構造体を詳細に説明する。
セル形成部21は、四角形格子状に配された多孔質の隔壁211と、その隔壁211に囲まれて軸方向に伸びる多数のセル212とにより構成されている。
また、ハニカム体2の径方向Yにおける一対の電極31、32間の最短距離J1、即ち、周方向に近接する電極31の側端輪郭線315と電極32の側端輪郭線325との径方向Yにおける間隔J1は、ハニカム体2の外周面221における一対の電極31、32間の最短距離K1よりも小さくなるように構成されている。
そして、ハニカム構造体1は、通電手段10によって一対の電極31、32間に通電を行うことにより、ハニカム体2を加熱することができる。これにより、ハニカム構造体1は、電気加熱式触媒装置(EHC)100として用いられる。
まず、SiCを主成分とする多孔質セラミックスからなるハニカム体2を成形する。また、各電極31、41となるシート状の電極材をそれぞれ所望の形状に成形する。電極材は、Si−SiCの複合材を主成分とする焼成体よりなる。
これにより、ハニカム体2の外皮部22の外周面221に一対の電極31、32を設けたハニカム構造体1が得られる。
図1に示すごとく、ハニカム構造体1において、ハニカム体2は、セル形成部21を円筒形状の外皮部22で覆うようにして構成されており、軸方向に直交する断面が円形状である。したがって、ハニカム体2の外皮部22の外周面221に沿って設けられた一対の電極31、32は、これらの電極31、32の対向方向Yにおける電極間の距離が場所によって異なる(図2参照)。具体的には、各電極31、32の周方向の中央部から外側(側端輪郭線側)へ行くほど電極間の距離が短くなる。そのため、各電極31、32の周方向の中央部から外側へ行くほど電極間に電流が流れ易い構成となっている。したがって、一対の電極31、32間においては、ハニカム体2の略軸方向に伸びる電極の側端輪郭線315、325間の間隔が短くなり、側端輪郭線315、325に電力が集中し易くなる。
そのため、たとえ側端輪郭線315、325に電力が集中しても側端輪郭線315、325はハニカム体2の軸方向Xに並行しないため、熱応力がハニカム体2の特定の軸方向Xに沿って集中することを防止することができる。即ち、熱応力が軸方向Xに伸びる一つのセル212に集中せず、熱応力を複数のセル212にわたって分散させ、緩和することができる。それ故、ハニカム体2の破損を防止することができる。
そのため、ハニカム構造体1の取扱いが非常に容易になる。例えば、ハニカム構造体1を車両の排気管内へ収容する作業が容易になる。また、ハニカム構造体1を外周から均一な力で保持した状態で収容することができ、振動や応力等に起因するハニカム構造体1の割れ等の発生を抑制することができる。これにより、ハニカム構造体1の搭載性を十分に確保することができる。
外周面221において、軸方向Xにおける電極31、32間の間隔F1が上記周方向における間隔A1、B1よりも小さい場合には、一対の電極31、32間に通電を行った際に、外皮部22の外周面221において軸方向Xに電流が流れ易くなるおそれがある。その結果、通電を行ってもハニカム体2の内部を十分に加熱させることが困難になるおそれがある。
図4に示すごとく、傾斜角(θ2)を大きくすると、ハニカム体2の外周面221において、軸方向Xにおける電極31、32間の間隔Fが短くなる。同図においては、軸方向Xにおける一対の電極31、32間の間隔F1は、ハニカム体2の外周面における一対の電極31、32間の周方向における間隔A1、B1よりも大きくなっているが、さらに上記傾斜角を大きくすると、間隔F1が間隔A1及び間隔B1よりも小さくなる(図示略)。この場合には、上述のごとく、外皮部22の外周面221において軸方向Xに電流が流れ易くなるおそれがある。
本例は、側端輪郭線がハニカム体の周方向に突出する突出部を少なくとも一つ以上有する電極を形成したハニカム構造体の例である。本例のハニカム構造体の電極パターンについては、ハニカム構造体の外形を展開した展開図を用いて説明する(図5参照)。なお、図示を省略するが、本例及び後述の実施例3及び4において、ハニカム体の構成は、実施例1と同様であり、セル形成部とその周囲を覆う円筒形状の外皮部と有する。
また、本例のハニカム構造体1においては、外皮部22の外周面221において一対の電極45、46は、同一の基準線49と交わらない構成になっている。
本例は、側端輪郭線がハニカム体の周方向における同じ向き突出する突出部を複数有する電極を形成したハニカム構造体の例である。本例のハニカム構造体の電極パターンについても、実施例2と同様に、ハニカム構造体の外形を展開した展開図を用いて説明する(図6参照)。
また、本例のハニカム構造体1においては、外皮部22の外周面221において一対の電極55、56は、同一の基準線59と交わらない構成になっている。
上述の実施例2及び3においては、ハニカム体の軸方向に伸びる電極全体を軸方向の途中で折り曲げることにより、電極の側端輪郭線の少なくとも一部が基準線に対して平行ではない電極を形成したが、本例においては、電極全体ではなく、電極65、66の側端輪郭線655、665の形状を部分的に変化させることにより、基準線69に対して平行ではない側端輪郭線655、665を有する電極65、66を形成する例である(図7参照)。本例のハニカム構造体の電極パターンについても、実施例2及び3と同様に、ハニカム構造体の外形を展開した展開図を用いて行う。
図7に示すように、側端輪郭線655、665が櫛歯状の電極65、66を備えたハニカム構造体6においては、ハニカム体60の軸方向Xに平行で外皮部62上にある任意の基準線69を想定すると、電極65、66におけるハニカム体60の略軸方向Xに伸びる側端輪郭線655、665は、その全長のうち少なくとも一部が基準線に対して平行ではなく、基準線69と交差する方向に配される。本例においては、実施例1と同様に、電極65、66は、ハニカム体60の軸方向Xにおける一方の端部601から他方の端部602まで形成されているため、各側端輪郭線655、665の全長はハニカム体60の軸方向Xにおける長さよりも大きくなる。
側端輪郭線755、765が波形状の電極75、76を備えたハニカム構造体7においても、ハニカム体70の軸方向Xに平行で外皮部72上にある任意の基準線79を想定すると、電極75,76におけるハニカム体70の略軸方向Xに伸びる側端輪郭線755、765は、その全長のうち少なくとも一部が基準線79に対して平行ではなく、基準線79と交差する方向に配される。電極75、76は、ハニカム体70の軸方向Xにおける一方の端部701から他方の端部702まで形成されているため、この場合においても、各側端輪郭線755、765の全長はハニカム体70の軸方向Xにおける長さよりも大きくなる。
19 基準線
2 ハニカム体
21 セル形成部
22 外皮部
221 外周面
31 電極
315 側端輪郭線
32 電極
325 側端輪郭線
Claims (8)
- セル形成部と該セル形成部の周囲を覆う円筒形状の外皮部と有するハニカム体と、該ハニカム体の上記外皮部の外周面において径方向に対向配置された一対の電極とを備えたハニカム構造体であって、
上記ハニカム体の軸方向に平行で上記外皮部上にある任意の基準線を想定すると、上記電極における上記ハニカム体の略軸方向に伸びる側端輪郭線は、その全長のうち少なくとも一部が上記基準線に対して平行ではなく、該基準線と交差する方向に配されており、
かつ、上記ハニカム体の周方向における一対の上記電極間の間隔は、一定であり、
上記ハニカム体の上記径方向における一対の上記電極間の最短距離は、上記ハニカム体の上記外周面における一対の上記電極間の最短距離よりも小さいことを特徴とするハニカム構造体。 - 請求項1に記載のハニカム構造体において、上記外皮部の上記外周面において一対の上記電極がそれぞれ同一の上記基準線と交わる場合には、上記ハニカム体の上記外周面における一対の上記電極間の上記軸方向における間隔は、上記ハニカム体の上記外周面における一対の上記電極間の上記周方向における間隔よりも大きいことを特徴とするハニカム構造体。
- 請求項1又は2に記載のハニカム構造体において、上記側端輪郭線は、その少なくとも一部が上記基準線に対して45°以下傾斜していることを特徴とするハニカム構造体。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のハニカム構造体において、上記側端輪郭線は、その全長が上記基準線に対して所定の傾きで傾斜していることを特徴とするハニカム構造体。
- 請求項4に記載のハニカム構造体において、上記側端輪郭線と上記基準線とのなす鋭角の角度をθとし、上記電極の上記周方向における幅をDとし、上記側端輪郭線の長さをEとし、上記ハニカム体の上記周方向における外周の長さをRとすると、D+E×sinθ≧R/2という関係を満足することを特徴とするハニカム構造体。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載のハニカム構造体において、上記側端輪郭線は、上記ハニカム体の周方向に突出する突出部を少なくとも一つ以上有していることを特徴とするハニカム構造体。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のハニカム構造体において、上記ハニカム体は、SiCを主成分とする多孔質セラミックスからなることを特徴とするハニカム構造体。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載のハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上記ハニカム体に担持された触媒と、上記ハニカム構造体の上記一対の電極間に通電を行う通電手段とを備えた電気加熱式触媒装置。
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