JP5658234B2 - ハニカム構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、ハニカム構造体に関し、さらに詳しくは、触媒担体であると共に電圧を印加することによりヒーターとしても機能し、電圧を印加したときの温度分布の偏りを抑制することができるハニカム構造体に関する。
従来、コージェライト製のハニカム構造体に触媒を担持したものを、自動車エンジンから排出された排ガス中の有害物質の処理に用いていた。また、炭化珪素質焼結体によって形成されたハニカム構造体を排ガスの浄化に使用することも知られている(例えば、特許文献1を参照)。
ハニカム構造体に担持した触媒によって排ガスを処理する場合、触媒を所定の温度まで昇温する必要があるが、エンジン始動時には、触媒温度が低いため、排ガスが十分に浄化されないという問題があった。
そのため、触媒が担持されたハニカム構造体の上流側に、金属製のヒーターを設置して、排ガスを昇温させる方法が検討されている(例えば、特許文献2を参照)。
特許第4136319号公報 特許第2931362号公報
上記のようなヒーターを、自動車に搭載して使用する場合、自動車の電気系統に使用される電源が共通で使用され、例えば200Vという高い電圧の電源が用いられる。しかし、金属製のヒーターは、電気抵抗が低いため、このような高い電圧の電源を用いた場合、過剰に電流が流れ、電源回路を損傷させることがあるという問題があった。
また、ヒーターが金属製であると、仮にハニカム構造に加工したものであっても、触媒を担持し難いため、ヒーターと触媒とを一体化させることは難しかった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、触媒担体であると共に電圧を印加することによりヒーターとしても機能し、電圧を印加したときの温度分布の偏りを抑制することができるハニカム構造体を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明は、以下のハニカム構造体を提供する。
[1] 流体の流路となる一方の端面から他方の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と、最外周に位置する外周壁とを有する筒状のハニカム構造部と、前記ハニカム構造部の側面に配設された一対の電極部とを備え、前記ハニカム構造部の電気抵抗率が、1〜200Ωcmであり、前記一対の電極部のそれぞれが、前記ハニカム構造部のセルの延びる方向に延びる帯状に形成され、前記一対の電極部における一方の前記電極部が、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他方の前記電極部に対して、前記ハニカム構造部の中心を挟んで反対側に配設され、前記セルの延びる方向に直交する断面において、それぞれの前記電極部の中心角の0.5倍が、15〜65°であり、それぞれの前記電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部の周方向における中央部から前記周方向における両端に向かって薄くなるように形成され、前記セルの延びる方向に直交する断面において、外周形状が円形であるハニカム構造体。
[2] それぞれの前記電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部の周方向における中央部と、前記中央部の、前記周方向における両側に位置する拡張部とから構成され、前記電極部の前記中央部の電気抵抗率が、前記電極部の前記拡張部の電気抵抗率より小さい[1]に記載のハニカム構造体。
[3] 前記電極部の前記中央部の電気抵抗率が、0.2〜10Ωcmである[2]に記載のハニカム構造体。
[4] 前記電極部の前記中央部の電気抵抗率が、前記電極部の前記拡張部の電気抵抗率の1〜60%である[2]又は[3]に記載のハニカム構造体。
[5] 前記電極部の前記中央部の最も厚い部分における厚さが、0.2〜5.0mmである[2]〜[4]のいずれかに記載のハニカム構造体。
[6] 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状が、前記全体の外周形状における曲率半径より大きな曲率半径の円弧状である、[1]〜[5]のいずれかに記載のハニカム構造体。
[7] 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状が、前記全体の外周形状における曲率半径の1.5〜5倍の曲率半径の円弧状である[6]に記載のハニカム構造体。
[8] 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状の少なくとも一部が、直線である[1]〜[5]のいずれかに記載のハニカム構造体。
[9] それぞれの前記電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分を有さずに連続的に形成されている[1]に記載のハニカム構造体。
[10] 前記電極部の電気抵抗率が、0.1〜100Ωcmである[9]に記載のハニカム構造体。
[11] 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状の少なくとも一部が、直線である[9]又は[10]に記載のハニカム構造体。
[12] 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記電極部の前記中央部の中心角の0.5倍が、20〜40°である[1]〜[11]のいずれかに記載のハニカム構造体。
[13] それぞれの前記電極部の前記中央部の、前記セルの延びる方向における中央の位置に、電気配線を繋ぐための電極端子突起部が配設された[1]〜[12]のいずれかに記載のハニカム構造体。
本発明のハニカム構造体は、ハニカム構造部の電気抵抗率が1〜200Ωcmであるため、電圧の高い電源を用いて電流を流しても、過剰に電流が流れず、ヒーターとして好適に用いることができる。また、「一対の電極部のそれぞれが、ハニカム構造部のセルの延びる方向に延びる帯状に形成され、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、ハニカム構造部の中心を挟んで反対側に配設され、セルの延びる方向に直交する断面において、それぞれの電極部の中心角の0.5倍が、15〜65°である」ため、電圧を印加したときの温度分布の偏りを抑制することができる。
更に、「それぞれの電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、周方向における中央部から周方向における両端に向かって薄くなるように形成されている」ため、電圧を印加したときの温度分布の偏りを更に抑制することができる。
また、「それぞれの電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、周方向における中央部と、中央部の、周方向(ハニカム構造部の周方向)における両側に位置する拡張部とから構成され、電極部の中央部の電気抵抗率が、電極部の拡張部の電気抵抗率より小さい」場合にも、電圧を印加したときのハニカム構造体の温度分布の偏りを更に抑制することができる。
更に、「セルの延びる方向に直交する断面において、外周形状が円形である」ため、ハニカム構造体が缶体に収納されて缶体内で外側から圧力を受けても、当該ハニカム構造体の破損等を防止することができる。尚、ハニカム構造体は、通常、缶体内に収納(圧入)された状態で、自動車の排気ガス等の処理に使用される。また、電圧を印加したときのハニカム構造体に流れる電流の偏りを更に効果的に抑制することができ、これにより、ハニカム構造体全体の温度分布の偏りを更に抑制することができる。
本発明のハニカム構造体の一の実施形態を模式的に示す斜視図である。 本発明のハニカム構造体の一の実施形態の、セルの延びる方向に平行な断面を示す模式図である。 本発明のハニカム構造体の一の実施形態の、セルの延びる方向に直交する断面を示す模式図である。 本発明のハニカム構造体の他の実施形態を模式的に示す正面図である。 図4における、A−A’断面を示す模式図である。 本発明のハニカム構造体の他の実施形態を模式的に示す側面図である。 参考例1のハニカム構造体の、セルの延びる方向に直交する断面の一部を示す模式図である。 本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態を模式的に示す斜視図である。 本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態の、セルの延びる方向に直交する断面を示す模式図である。 本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態を模式的に示す斜視図である。 本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態の、セルの延びる方向に平行な断面を示す模式図である。 本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態の、セルの延びる方向に直交する断面を示す模式図である。 本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態の、セルの延びる方向に直交する断面を示す模式図である。
次に本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
(1)ハニカム構造体:
本発明のハニカム構造体の一の実施形態は、図1〜図3に示すように、流体の流路となる一方の端面11から他方の端面12まで延びる複数のセル2を区画形成する多孔質の隔壁1と、最外周に位置する外周壁3とを有する筒状のハニカム構造部4と、ハニカム構造部4の側面5に配設された一対の電極部21,21とを備え、ハニカム構造部4の電気抵抗率が、1〜200Ωcmであり、一対の電極部21,21のそれぞれが、ハニカム構造部4のセル2の延びる方向に延びる帯状に形成され、一対の電極部21,21における一方の電極部21が、セル2の延びる方向に直交する断面において(中心軸に直交する断面において)、一対の電極部21,21における他方の電極部21に対して、ハニカム構造部4の中心Oを挟んで反対側に配設され、セル2の延びる方向に直交する断面において、それぞれの電極部21,21の中心角αの0.5倍が、15〜65°であり、それぞれの電極部21,21が、セル2の延びる方向に直交する断面において、周方向における中央部21aから周方向における両端(側縁部)21bb,21bbに向かって薄くなるように形成されたものであり、セル2の延びる方向に直交する断面において、外周形状が円形である。図1は、本発明のハニカム構造体の一の実施形態を模式的に示す斜視図である。図2は、本発明のハニカム構造体の一の実施形態の、セルの延びる方向に平行な断面を示す模式図である。図3は、本発明のハニカム構造体の一の実施形態の、セルの延びる方向に直交する断面を示す模式図である。尚、図3においては、隔壁が省略されている。
このように、本実施形態のハニカム構造体100は、ハニカム構造部4の電気抵抗率が1〜200Ωcmであるため、電圧の高い電源を用いて電流を流しても、過剰に電流が流れず、ヒーターとして好適に用いることができる。また、「一対の電極部21,21のそれぞれが、ハニカム構造部4のセル2の延びる方向に延びる帯状に形成され、セル2の延びる方向に直交する断面において、一対の電極部21,21における一方の電極部21が、一対の電極部21,21における他方の電極部21に対して、ハニカム構造部4の中心を挟んで反対側に配設され、セル2の延びる方向に直交する断面において、それぞれの電極部21,21の中心角αの0.5倍(中心角αの0.5倍の角度θ)が、15〜65°である」ため、一対の電極部21,21間に電圧を印加したときの、ハニカム構造部4の温度分布の偏りを抑制することができる。
更に、「それぞれの電極部21,21が、セル2の延びる方向に直交する断面において、周方向における中央部21aから周方向における両端(側縁部)21bb,21bbに向かって薄くなるように形成されている」ため、電圧を印加したときの温度分布の偏りを更に抑制することができる。更に、「セル2の延びる方向に直交する断面において、外周形状が円形である」ため、ハニカム構造体が缶体に収納されて缶体内で外側から圧力を受けても、当該ハニカム構造体の破損等を防止することができる。また、電圧を印加したときに、ハニカム構造体100に流れる電流の偏りを更に効果的に抑制することができ、これにより、ハニカム構造体100全体の温度分布の偏りを更に抑制することができる。
ここで、「セル2の延びる方向に直交する断面において、一対の電極部21,21における一方の電極部21が、一対の電極部21,21における他方の電極部21に対して、ハニカム構造部4の中心Oを挟んで反対側に配設される」とは、セル2の延びる方向に直交する断面において、「一方の電極部21の中央点(「ハニカム構造部4の周方向」における中央の点)とハニカム構造部4の中心Oとを結ぶ線分」と、「他方の電極部21の中央点(「ハニカム構造部4の周方向」における中央の点)とハニカム構造部4の中心Oとを結ぶ線分」と、により形成される角度β(「中心O」を中心とする角度)が、170°〜190°の範囲となるような位置関係になるように、一対の電極部21,21がハニカム構造部4に配設されていることを意味する。また、「電極部21の中心角α」は、図3に示されるように、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部21の両端とハニカム構造部4の中心Oとを結ぶ2本の線分により形成される角度(セルの延びる方向に直交する断面において、「電極部21」と、「電極部21の一方の端部と中心Oとを結ぶ線分」と、「電極部21の他方の端部と中心Oとを結ぶ線分」とにより形成される形状(例えば、扇形)における、中心Oの部分の内角)である。また、「電極部21の、セルの延びる方向に直交する断面における、周方向における中央部」とは、ハニカム構造体の、セルの延びる方向に直交する断面における「ハニカム構造部4の周方向」における、電極部21の中央部分のことを意味する。また、「電極部21の中央部分」は、セルの延びる方向に直交する断面における「電極部21の、周方向における中央の一点」であってもよいし、セルの延びる方向に直交する断面において「電極部21の、周方向における中央に位置し、周方向に幅を持った部分」であってもよい。また、「周方向に幅を持った部分が、周方向における中央に位置する」というときは、当該「周方向に幅を持った部分」が、電極部21の周方向における中央点に重なる位置に配置されていることを意味する。本実施形態のハニカム構造体においては、電極部21の周方向における中央点と、電極部21の「中央部」の周方向における中央点とが一致していることが好ましい。
また、「セル2の延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造体100の外周形状が円形である」というときは、ハニカム構造部4と一対の電極部21,21とを合わせた構造体(ハニカム構造体100)の、セル2の延びる方向に直交する断面における外周形状が、円形であることを意味する。つまり、ハニカム構造部4に、一対の電極部21,21が配設された構造体の全体形状が、円筒形であることを意味する。例えば、一対の電極部21,21のそれぞれが、「ハニカム構造部4の両端部間に亘る(電極部の、セルの延びる方向における長さと、ハニカム構造部の、セルの延びる方向における長さとが、同じ長さである)」構造である場合には、「セル2の延びる方向に直交する断面」において、ハニカム構造部4と一対の電極部21,21とを含めた全体の外周形状が円形であることを意味する。また、一対の電極部21,21のそれぞれの、セル2の延びる方向における長さが、ハニカム構造部4の、セル2の延びる方向における長さより短い場合(電極部の、セルの延びる方向における端部が、ハニカム構造部のセルの延びる方向における端部に、接していない(到達していない)状態である場合)には、「セル2の延びる方向に直交し、一対の電極部21,21を含む断面」においては、ハニカム構造部4と一対の電極部21,21とを含めた全体の外周形状が円形であり、「セル2の延びる方向に直交し、一対の電極部21,21を含まない断面」においては、ハニカム構造部4の外周形状が円形であることを意味する。
本実施形態のハニカム構造体100は、図1〜図3に示されるように、それぞれの電極部21,21が、セルの延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部4の周方向における中央部21aと、中央部21aの、周方向における両側に位置する拡張部21b,21bとから構成され、電極部21の中央部21aの電気抵抗率が、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率より小さいものである。本実施形態のハニカム構造体100は、このように構成されるため、電圧を印加したときの温度分布の偏りを更に抑制することができる。特に、電極部21の中央部21aの電気抵抗率が、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率より小さいため、ハニカム構造体4のセル2の延びる方向における温度分布の偏りを効果的に抑制することができ、これにより、ハニカム構造体100全体の温度分布の偏りを抑制することができる。尚、本実施形態のハニカム構造体100においては、電極部21の中央部21aは、セルの延びる方向に直交する断面において、「電極部の、周方向における中央に位置する、周方向に幅を持った部分」である。ここで、「セル2の延びる方向に直交する断面において、中央部21aの、周方向における両側に拡張部21bが位置する」とは、セル2の延びる方向に直交する断面において、中央部21aの「ハニカム構造部4の周方向」における「一方の端部側及び他方の端部側」に、拡張部21bが位置することを意味する。
本実施形態のハニカム構造体100においては、隔壁1及び外周壁3の材質が、珪素−炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とするものであることが好ましく、珪素−炭化珪素複合材又は炭化珪素であることが更に好ましい。「隔壁1及び外周壁3の材質が、炭化珪素粒子及び珪素を主成分とするものである」というときは、隔壁1及び外周壁3が、炭化珪素粒子及び珪素を、全体の90質量%以上含有していることを意味する。このような材質を用いることにより、ハニカム構造部の電気抵抗率を1〜200Ωcmにすることができる。ここで、珪素−炭化珪素複合材は、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものであり、複数の炭化珪素粒子が、炭化珪素粒子間に細孔を形成するようにして、珪素によって結合されていることが好ましい。また、炭化珪素は、炭化珪素が焼結したものである。
本実施形態のハニカム構造体100は、図1〜図3に示されるように、ハニカム構造部4の側面5に一対の電極部21,21が配設されている。本実施形態のハニカム構造体100は、一対の電極部21,21間に電圧を印加することにより、発熱する。印加する電圧は12〜900Vが好ましく、64〜600Vが更に好ましい。
図1〜図3に示されるように、一対の電極部21,21のそれぞれは、ハニカム構造部4のセル2の延びる方向に延びる「帯状」に形成されている。そして、セル2の延びる方向に直交する断面において、一対の電極部21,21における一方の電極部21が、一対の電極部21,21における他方の電極部21に対して、ハニカム構造部4の中心部Oを挟んで反対側に配設されている。そして、更に、セル2の延びる方向に直交する断面において、それぞれの電極部21,21の中心角αの0.5倍(中心角αの0.5倍の角度θ)が、15〜65°である。このように、電極部21を帯状に形成し、帯状の電極部21の長手方向が、ハニカム構造部4のセル2の延びる方向に延びるようにするとともに、一対の電極部21,21がハニカム構造部4の中心部Oを挟んで反対側に配設されるようにし、更に、セル2の延びる方向に直交する断面において、それぞれの電極部21,21の中心角αの0.5倍の角度θを、15〜65°としたため、一対の電極部21,21間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部4内を流れる電流の偏りを抑制することができ、これによりハニカム構造部4内の発熱の偏りを抑制することができる。「電極部21の中心角α」は、図3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、電極部21の両端とハニカム構造部4の中心Oとを結ぶ2本の線分により形成される角度(セル2の延びる方向に直交する断面において、「電極部21」と、「電極部21の一方の端部と中心Oとを結ぶ線分」と、「電極部21の他方の端部と中心Oとを結ぶ線分」とにより形成される形状(例えば、扇形)における、中心Oの部分の内角)である。
セル2の延びる方向に直交する断面において、電極部21,21の「中心角αの0.5倍の角度θ」の上限値は、60°が好ましく、55°が更に好ましい。また、セル2の延びる方向に直交する断面において、電極部21,21の「中心角αの0.5倍の角度θ」の下限値は、20°が好ましく、30°が更に好ましい。また、一方の電極部21の「中心角αの0.5倍の角度θ」は、他方の電極部21の「中心角αの0.5倍の角度θ」に対して、0.8〜1.2倍の大きさであることが好ましく、1.0倍の大きさ(同じ大きさ)であることが更に好ましい。これにより、一対の電極部21,21間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部4内を流れる電流の偏りを抑制することができ、これによりハニカム構造部4内の発熱の偏りを抑制することができる。
電極部21は、セル2の延びる方向に直交する断面において、周方向における中央部21aと、中央部21aの、周方向における両側に位置する拡張部21b,21bとから構成され、電極部21の中央部21aの電気抵抗率が、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率より小さいものであることが好ましい(中央部21aと拡張部21bとは、接触しており、接触部分に境界面が形成されている。)。このように、電極部21の中央部21aの電気抵抗率が、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率より小さいため、電極部21,21の中央部21a,21aに電圧を印加したときに、中央部21aに電流が容易に流れ、ハニカム構造体のセルの延びる方向における電流の流れの偏りが小さくなる。これにより、ハニカム構造体4のセル2の延びる方向における温度分布の偏りを効果的に抑制することができる。そして、中央部21aから拡張部21bに電流が流れることにより、ハニカム構造体100全体の温度分布の偏りを抑制することができる。
電極部21の中央部21aの電気抵抗率は、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率の1〜60%であることが好ましく、15〜50%であることが好ましい。1%より小さいと、ハニカム構造部の中心軸に直交する断面における外周方向(ハニカム構造部における周方向であって、中央部21aから拡張部21bに向かう方向)への電流の流れが小さくなり、温度分布の偏りが大きくなることがある。60%より大きいと、ハニカム構造体100の温度分布の偏りを抑制する効果が低下することがある。また、中央部21aの電気抵抗率は、0.2〜10Ωcmであることが好ましく、0.5〜2.0Ωcmであることが更に好ましい。10Ωcmより大きいと、ハニカム構造体100の温度分布の偏りを抑制する効果が低下することがある。中央部21a及び拡張部21bの電気抵抗率は、二端子法により測定した値である。また、電極部21(中央部21a及び拡張部21b)の電気抵抗率は、400℃における値である。
本実施形態のハニカム構造体100においては、図1、図3に示されるように、電極部21が、中央部21aと拡張部21bとの間に、境界となる部分(境界面)Sを有する。従って、本実施形態のハニカム構造体100においては、それぞれの電極部21,21が、セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分Sを有し、連続的には形成されていない。電極部における「境界となる部分(境界面)S」は、中央部21aと拡張部21bとが接触する部分である。電極部は、この部分(境界となる部分(境界面)S)で、接触はしているが不連続な構造になっている。電極部は、境界となる部分(境界面)Sにおいて(中央部21aと拡張部21bとの間で)、「材質、気孔率等の材料特性」の連続性(一体性)が途切れているということもできる。
電極部21の拡張部21bは、セル2の延びる方向に直交する断面において、中央部21aに接する側の端部21baから、反対側の端部(先端)である側縁部21bbに向かって薄くなるように形成されたものである。電極部21,21に電圧を印加した場合には、ハニカム構造体100は、電極部21の拡張部21bの側縁部21bb付近が最も電流が流れ、温度が高くなる傾向にあるが、拡張部21bを、「セル2の延びる方向に直交する断面において、中央部21aに接する側の端部21baから、側縁部21bbに向かって薄くなるように形成する」ことにより、ハニカム構造体100の「電極部21の拡張部21bの側縁部21bb付近」の温度を低くし、温度分布の偏りを小さくすることができる。このように、電圧を印加した時のハニカム構造体の高温部分の温度を低下させることにより、ハニカム構造体の温度分布の偏りが小さくなり、より均一な温度分布となる。
拡張部21bは、図3に示されるハニカム構造体100のように、「セル2の延びる方向に直交する断面において、中央部21aに接する側の端部21baから、側縁部21bbに向かって」連続的に漸次薄くなるように形成されていることが好ましい。
本実施形体のハニカム構造体100は、図3に示すように、セル2の延びる方向に直交する断面において、外周形状が円形であり、セル2の延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部4と電極部21との境界の形状が、全体(ハニカム構造体100全体)の外周形状(円形)における半径より大きな半径の円弧状であることが好ましい。本実施形体のハニカム構造体100は、このような形状に形成されているため、ハニカム構造体100に(一対の電極部間に)電圧を印加したときに、ハニカム構造体100に流れる電流の偏りを更に効果的に抑制することができ、これにより、ハニカム構造体100全体の温度分布の偏りを更に抑制することができる。「ハニカム構造体の外周形状」というときは、ハニカム構造部に電極部が配設された構造体の外周形状を意味し、例えば、電極端子突起部が配設されている場合には、電極端子突起部を含まない形状を意味する。
セル2の延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部4と電極部21との境界の形状が、「全体(ハニカム構造体100全体)の外周形状における曲率半径の1.5〜5倍の曲率半径の円弧状」であることが好ましく、「全体(ハニカム構造体100全体)の外周形状における曲率半径の2〜4倍の曲率半径の円弧状」であることが更に好ましい。1.5倍より小さいと、電極部21が薄くなるため、ハニカム構造体100の温度分布の偏りを小さくする効果が低下することがある。5倍より大きいと、電極部21が厚くなるため、触媒を担持する面積(隔壁の面積)が小さくなることがあり、また、排ガスを流すときの圧力損失が増大することがある。
このように、本実施形体のハニカム構造体100は、セル2の延びる方向に直交する断面において外周形状が円形であり、セル2の延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部4と電極部21との境界の形状が、全体(ハニカム構造体100全体)の外周形状(円形)における半径より大きな半径の円弧状であるため、電極部21の拡張部21bは、セル2の延びる方向に直交する断面において、中央部21aに接する側の端部21baから、反対側の端部である側縁部21bbに向かって、連続的に漸次薄くなるように形成されたものとなる。電極部21,21に電圧を印加した場合には、ハニカム構造体100は、電極部21の拡張部21bの側縁部21bb付近に最も電流が流れ、温度が高くなる傾向にあるが、拡張部21bを、「セル2の延びる方向に直交する断面において、中央部21aに接する側の端部21baから、側縁部21bbに向かって薄くなるように形成する」ことにより、ハニカム構造体100の「電極部21の拡張部21bの側縁部21bb付近」の温度を低くし、温度分布の偏りを小さくすることができる。このように、電圧を印加した時のハニカム構造体の高温部分の温度を低下させることにより、ハニカム構造体の温度分布の偏りが小さくなり、より均一な温度分布となる。
本実施形体のハニカム構造体100は、セル2の延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部4と電極部21との境界の形状が円弧状であるが、ハニカム構造部と電極部との境界の形状の少なくとも一部が直線(直線状)であってもよい。例えば、電極部の中央部と、ハニカム構造部との境界の形状が直線であり、電極部の拡張部と、ハニカム構造部との境界の形状が円弧状であってもよい。
電極部21の中央部21aの、最も厚い部分における厚さは、0.2〜5.0mmであることが好ましく、0.2〜3.0mmであることが更に好ましい。0.2mmより薄いと、ハニカム構造体に電圧を印加した時の温度分布の偏りを小さくする効果が低下することがある。5.0mmより厚いと、ハニカム構造体を内燃機関の排気システムに搭載して使用した際に、急激な温度変化があると、ハニカム構造体の外周部に温度差ができやすく、ハニカム構造部に大きな応力が生じることがある。
図1、図2に示されるように、本実施形態のハニカム構造体100は、一対の電極部21,21のそれぞれが、ハニカム構造部4のセル2の延びる方向に延びると共に「両端部間(両端面11,12間)に亘る」帯状に形成されている。このように、一対の電極部21,21が、ハニカム構造部4の両端部間に亘るように配設されていることにより、一対の電極部21,21間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部4内を流れる電流の偏りをより効果的に抑制することができ、これによりハニカム構造部4内の発熱の偏りをより効果的に抑制することができる。ここで、「電極部21が、ハニカム構造部4の両端部間に亘るように形成(配設)されている」というときは、電極部21の一方の端部がハニカム構造部4の一方の端部(一方の端面)に接し、電極部21の他方の端部がハニカム構造部4の他方の端部(他方の端面)に接していることを意味する。
一対の電極部21,21は、上記のように、「ハニカム構造部4内を流れる電流の偏りをより効果的に抑制し、これによりハニカム構造部4内の発熱の偏りをより効果的に抑制する」という観点からは、ハニカム構造部4の両端部間に亘るように形成されていることが好ましい。一方、図8、図9に示すように、電極部21の「ハニカム構造部4のセル2の延びる方向」における両端部21c,21dが、ハニカム構造部4の両端部(両端面11,12)に接していない(到達していない)状態も好ましい態様である。また、電極部21の一方の端部21cが、ハニカム構造部4の一方の端部(一方の端面11)に接し(到達し)、他方の端部21dが、ハニカム構造部4の他方の端部(他方の端面12)に接していない(到達していない)状態も好ましい態様である。このように、電極部21の少なくとも片方の端部が、ハニカム構造部4の端部(端面)に接して(到達して)いない構造であると、ハニカム構造体の耐熱衝撃性を向上させることができる。つまり、一対の電極部21,21のそれぞれは、「ハニカム構造体の耐熱衝撃性を向上させる」という観点からは、少なくとも片方の端部が、ハニカム構造部4の端部(端面)に接して(到達して)いない構造であることが好ましい。以上より、「ハニカム構造部4内を流れる電流の偏りをより効果的に抑制し、これによりハニカム構造部4内の発熱の偏りをより効果的に抑制する」という観点を重視する場合には、一対の電極部21,21がハニカム構造部4の両端部間に亘るように形成されていることが好ましく、「ハニカム構造体の耐熱衝撃性を向上させる」という観点を重視する場合には、一対の電極部21,21のそれぞれにおける少なくとも片方の端部が、ハニカム構造部4の端部(端面)に接して(到達して)いないことが好ましい。
また、一対の電極部21,21の中の片方の電極部21における一方の端部21cから、「ハニカム構造部4の一方の端部(一方の端面11)」までの距離は、一対の電極部21,21の中の残りの片方の電極部21における一方の端部21cから、「ハニカム構造部4の一方の端部(一方の端面11)」までの距離と、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。また、一対の電極部21,21のうちの片方の電極部21における他方の端部21dから、「ハニカム構造部4の他方の端部(他方の端面12)」までの距離は、一対の電極部21,21の中の残りの片方の電極部21における他方の端部21dから、「ハニカム構造部4の他方の端部(他方の端面12)」までの距離と、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。尚、電極部21の一方の端部21cは、ハニカム構造部4の一方の端部(一方の端面11)側を向く端部であり、電極部21の他方の端部21dは、ハニカム構造部4の他方の端部(他方の端面12)側を向く端部である。図8は、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態(ハニカム構造体400)を模式的に示す斜視図である。図9は、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態(ハニカム構造体400)の、セルの延びる方向に平行な断面(電極部21,21を含む断面)を示す模式図である。本実施形態のハニカム構造体400の各条件は、電極部21の端部が、ハニカム構造部4の端部(端面)に接して(到達して)いないこと以外は、本発明のハニカム構造体の一の実施形態(ハニカム構造体100)における各条件と同じであることが好ましい。
電極部21の少なくとも片方の端部が、ハニカム構造部4の端部(端面)に接して(到達して)いない場合、当該接していない「電極部21の端部」と「ハニカム構造部の端部(端面)」の間の距離は、ハニカム構造部4のセル2の延びる方向における長さの50%以下であることが好ましく、25%以下であることが更に好ましい。50%より長いと、一対の電極部21,21間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部4内を流れる電流の偏りを抑制し難くなることがある。
本実施形体のハニカム構造体100においては、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部21の中央部21aの中心角の0.5倍が、5〜25°であることが好ましい。5°より小さいと、ハニカム構造体に電圧を印加した時の、ハニカム構造体のセルの延びる方向における温度分布の偏りを小さくする効果が低下することがある。25°より大きいと、ハニカム構造体100の、電極部21の拡張部21bの側縁部21bb付近の温度を低下させる効果が、低下することがある。
本実施形体のハニカム構造体100は、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部21の周方向(ハニカム構造部の周方向)における中央点を「0°」の位置とし、電極部21の側縁部21bbを「電極部21の中心角αの、0.5倍の角度θ」の位置(角度θの位置)としたときに、電極部21の「角度θの0.5倍(0.5θ)」の位置(「0°の位置」から「角度θの位置」に向かって、周方向に0.5θだけ回転した位置(「0°の位置」と、「角度θの位置」との中間点))における厚さが、電極部21の周方向における中央点における厚さの95%以下であることが好ましく、10〜90%であることが更に好ましく、15〜85%であることが特に好ましい。95%より厚いと、ハニカム構造体に電圧を印加したときの温度分布の偏りを抑制する効果が低下することがある。
また、本実施形体のハニカム構造体100は、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部21の「角度θの0.8倍(0.8θ)」の位置における厚さが、電極部21の周方向における中央点における厚さの80%以下であることが好ましく、0.5〜70%であることが更に好ましく、1〜65%であることが特に好ましい。80%より厚いと、ハニカム構造体に電圧を印加したときの温度分布の偏りを抑制する効果が低下することがある。
本実施形体のハニカム構造体100は、上記「0.5θの位置」における電極部の厚さの条件、及び上記「0.8θの位置」における電極部の厚さの条件の両方を満たすことが更に好ましい。
電極部21の中央部21a及び拡張部21bは、炭化珪素粒子及び珪素を主成分とすることが好ましく、通常含有される不純物以外は、炭化珪素粒子及び珪素を原料として形成されていることが更に好ましい。ここで、「炭化珪素粒子及び珪素を主成分とする」とは、炭化珪素粒子と珪素との合計質量が、電極部全体の質量の90質量%以上であることを意味する。このように、電極部21が炭化珪素粒子及び珪素を主成分とすることにより、電極部21の成分とハニカム構造部4の成分とが同じ成分又は近い成分(ハニカム構造部の材質が炭化珪素である場合)となるため、電極部21とハニカム構造部4の熱膨張係数が同じ値又は近い値になる。また、材質が同じもの又は近いものになるため、電極部21とハニカム構造部4との接合強度も高くなる。そのため、ハニカム構造体に熱応力がかかっても、電極部21がハニカム構造部4から剥れたり、電極部21とハニカム構造部4との接合部分が破損したりすることを防ぐことができる。
電極部21の中央部21aが炭化珪素粒子及び珪素を主成分とする場合、電極部21の中央部21aに含有される「炭化珪素粒子と珪素のそれぞれの質量の合計」に対する、電極部21の中央部21aに含有される珪素の質量の比率が、20〜50質量%が好ましく、30〜45質量%が更に好ましい。これにより、電極部21の中央部21aの電気抵抗率を0.2〜10Ωcmの範囲にすることができる。20質量%より小さいと、電気抵抗率が大きくなり、また、炭化珪素を結合させる強度が低下し、中央部21aが劣化し易くなることがある。
電極部21の拡張部21bが炭化珪素粒子及び珪素を主成分とする場合、電極部21の拡張部21bに含有される「炭化珪素粒子と珪素のそれぞれの質量の合計」に対する、電極部21の拡張部21bに含有される珪素の質量の比率が、20〜40質量%が好ましく、25〜35質量%が更に好ましい。これにより、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率を0.2〜100Ωcmの範囲にすることができる。20質量%より小さいと、電気抵抗率が大きくなり、また、炭化珪素を結合させる強度が低下し、拡張部21bが劣化し易くなることがある。
電極部21の中央部21aの主成分が炭化珪素粒子及び珪素である場合に、中央部21aに含有される炭化珪素粒子の平均粒子径が10〜60μmであることが好ましく、20〜60μmであることが更に好ましい。中央部21a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、中央部21aの電気抵抗率を0.2〜10Ωcmの範囲にすることができる。中央部21aに含有される炭化珪素粒子の平均細孔径が、10μmより小さいと、中央部21aの電気抵抗率が大きくなり過ぎることがある。中央部21aに含有される炭化珪素粒子の平均細孔径が、60μmより大きいと、中央部21aの強度が弱くなり破損し易くなることがある。中央部21a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。
電極部21の拡張部21bの主成分が炭化珪素粒子及び珪素である場合に、拡張部21bに含有される炭化珪素粒子の平均粒子径が10〜60μmであることが好ましく、20〜60μmであることが更に好ましい。拡張部21b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、拡張部21bの電気抵抗率を0.2〜100Ωcmの範囲にすることができる。拡張部21bに含有される炭化珪素粒子の平均細孔径が、10μmより小さいと、拡張部21bの電気抵抗率が大きくなり過ぎることがある。拡張部21bに含有される炭化珪素粒子の平均細孔径が、60μmより大きいと、拡張部21bの強度が弱くなり破損し易くなることがある。拡張部21b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。
電極部21の中央部21a及び拡張部21bは、気孔率が30〜45%であることが好ましく、30〜40%であることが更に好ましい。電極部21の中央部21a及び拡張部21bの気孔率がこのような範囲であることにより、好適な電気抵抗率が得られる。電極部21の中央部21a及び拡張部21bの気孔率が、30%より低いと、製造時に変形してしまうことがある。45%より高いと、電気抵抗率が高くなりすぎることがある。気孔率は、水銀ポロシメータで測定した値である。
電極部21の中央部21a及び拡張部21bは、平均細孔径が5〜20μmであることが好ましく、7〜15μmであることが更に好ましい。電極部21の中央部21a及び拡張部21bの平均細孔径がこのような範囲であることにより、好適な電気抵抗率が得られる。電極部21の中央部21a及び拡張部21bの平均細孔径が、5μmより小さいと、中央部21a及び拡張部21bの電気抵抗率が高くなりすぎることがある。20μmより大きいと、電極部21の中央部21a及び拡張部21bの強度が弱くなり破損し易くなることがある。平均細孔径は、水銀ポロシメータで測定した値である。
本実施形態のハニカム構造体100は、隔壁厚さが50〜200μmであり、70〜130μmであることが好ましい。隔壁厚さをこのような範囲にすることにより、ハニカム構造体100を触媒担体として用いて、触媒を担持しても、排ガスを流したときの圧力損失が大きくなり過ぎることを抑制できる。隔壁厚さが50μmより薄いと、ハニカム構造体の強度が低下することがある。隔壁厚さが200μmより厚いと、ハニカム構造体100を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排ガスを流したときの圧力損失が大きくなることがある。
本実施形態のハニカム構造体100は、セル密度が40〜150セル/cmであることが好ましく、70〜100セル/cmであることが更に好ましい。セル密度をこのような範囲にすることにより、排ガスを流したときの圧力損失を小さくした状態で、触媒の浄化性能を高くすることができる。セル密度が40セル/cmより低いと、触媒担持面積が少なくなることがある。セル密度が150セル/cmより高いと、ハニカム構造体100を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排ガスを流したときの圧力損失が大きくなることがある。
本実施形態のハニカム構造体100において、ハニカム構造部4を構成する炭化珪素粒子(骨材)の平均粒子径は、3〜50μmであり、3〜40μmであることが好ましい。ハニカム構造部4を構成する炭化珪素粒子の平均粒子径をこのような範囲とすることにより、ハニカム構造体100の電気抵抗率を1〜200Ωcmにすることができる。炭化珪素粒子の平均粒子径が3μmより小さいと、ハニカム構造体100の電気抵抗率が大きくなることがある。炭化珪素粒子の平均粒子径が50μmより大きいと、ハニカム構造体100の電気抵抗率が小さくなることがある。更に、炭化珪素粒子の平均粒子径が50μmより大きいと、ハニカム成形体を押出成形するときに、押出成形用の口金に成形用原料が詰まることがある。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、ハニカム構造部4の電気抵抗率は、1〜200Ωcmであり、10〜100Ωcmであることが好ましい。電気抵抗率が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(電圧は200Vには限定されない)、電流が過剰に流れることがある。電気抵抗率が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(電圧は200Vには限定されない)、電流が流れ難くなり、十分に発熱しないことがある。ハニカム構造部の電気抵抗率は、四端子法により測定した値である。また、ハニカム構造部4の電気抵抗率は、400℃における値である。
本実施形態のハニカム構造体100においては、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率は、ハニカム構造部4の電気抵抗率より低いものであることが好ましく、更に、電極部21の拡張部21bの電気抵抗率が、ハニカム構造部4の電気抵抗率の、20%以下であることが更に好ましく、1〜10%であることが特に好ましい。電極部21の拡張部21bの電気抵抗率を、ハニカム構造部4の電気抵抗率の、20%以下とすることにより、電極部21の拡張部21bが、より効果的に電極として機能するようになる。
本実施形態のハニカム構造体100においては、ハニカム構造部4の材質が、珪素−炭化珪素複合材である場合、ハニカム構造部4に含有される「骨材としての炭化珪素粒子の質量」と、ハニカム構造部4に含有される「結合材としての珪素の質量」との合計に対する、ハニカム構造部4に含有される「結合材としての珪素の質量」の比率が、10〜40質量%であることが好ましく、15〜25質量%であることが更に好ましい。10質量%より低いと、ハニカム構造体の強度が低下することがある。40質量%より高いと、焼成に形状を保持できないことがある。
ハニカム構造部4の隔壁1の気孔率は、35〜60%であることが好ましく、35〜45%であることが更に好ましい。気孔率が、35%未満であると、焼成時の変形が大きくなってしまうことがある。気孔率が60%を超えるとハニカム構造体の強度が低下することがある。気孔率は、水銀ポロシメータにより測定した値である。
ハニカム構造部4の隔壁1の平均細孔径は、2〜15μmであることが好ましく、4〜8μmであることが更に好ましい。平均細孔径が2μmより小さいと、電気抵抗率が大きくなりすぎることがある。平均細孔径が15μmより大きいと、電気抵抗率が小さくなりすぎることがある。平均細孔径は、水銀ポロシメータにより測定した値である。
また、本実施形態のハニカム構造体100の最外周を構成する外周壁3の厚さは、0.1〜2mmであることが好ましい。0.1mmより薄いと、ハニカム構造体100の強度が低下することがある。2mmより厚いと、触媒を担持する隔壁の面積が小さくなることがある。
本実施形態のハニカム構造体100は、セル2の延びる方向に直交する断面におけるセル2の形状が、四角形、六角形、八角形、又はこれらの組み合わせ、であることが好ましい。セル形状をこのようにすることにより、ハニカム構造体100に排ガスを流したときの圧力損失が小さくなり、触媒の浄化性能が優れたものとなる。
本実施形態のハニカム構造体の形状は、セルの延びる方向に直交する断面において、外周形状が円形である。例えば、図1に示されるハニカム構造体100のように、端面が円形の筒状(円筒形状)であることが好ましい。セルの延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造体の「外周形状が円形」というときには、セルの延びる方向に直交する断面において、「外周形状が円形のハニカム構造部に、薄い電極部が配設された形状」は含まない。つまり、セルの延びる方向に直交する断面における外周形状が円形のハニカム構造部に、薄い電極部が配設された」ハニカム構造体は、セルの延びる方向に直交する断面における外周形状が、円形ではない。また、ハニカム構造体の大きさは、底面の面積が2000〜20000mmであることが好ましく、4000〜10000mmであることが更に好ましい。また、ハニカム構造体の中心軸方向の長さは、50〜200mmであることが好ましく、75〜150mmであることが更に好ましい。
本実施形態のハニカム構造体100のアイソスタティック強度は、1MPa以上であることが好ましく、3MPa以上であることが更に好ましい。アイソスタティック強度は、値が大きいほど好ましいが、ハニカム構造体100の材質、構造等を考慮すると、6MPa程度が上限となる。アイソスタティック強度が1MPa未満であると、ハニカム構造体を触媒担体等として使用する際に、破損し易くなることがある。アイソスタティック強度は水中にて静水圧をかけて測定した値である。
次に、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態について説明する。図4〜図6に示されるように、本実施形態のハニカム構造体200は、上記本発明のハニカム構造体100(図1〜図3参照)において、それぞれの電極部21,21の中央部21a,21aの、セルの延びる方向における中央の位置に、電気配線を繋ぐための電極端子突起部22,22が配設されたものである。電極端子突起部22は、電極部21,21間に電圧を印加するために、電源からの配線を接続する部分である。このように、それぞれの電極部21,21の中央部21a,21aの、セルの延びる方向における「中央の位置」に、電気配線を繋ぐための電極端子突起部22,22が配設されることにより、電極部に電圧を印加したときに、ハニカム構造部の温度分布の偏りを、より小さくすることができる。図4は、本発明のハニカム構造体の他の実施形態を模式的に示す正面図である。図5は、図4における、A−A’断面を示す模式図である。図6は、本発明のハニカム構造体の他の実施形態を模式的に示す側面図である。
本実施形態のハニカム構造体200の各条件は、「それぞれの電極部21,21の中央部21a,21aの、セルの延びる方向における中央の位置に、電気配線を繋ぐための電極端子突起部22,22が配設されている」こと以外は、本発明のハニカム構造体の一の実施形態(ハニカム構造体100)における各条件と同じであることが好ましい。
電極部21の中央部21aの主成分が炭化珪素粒子及び珪素である場合、電極端子突起部22の主成分も、炭化珪素粒子及び珪素であることが好ましい。このように、電極端子突起部22が、炭化珪素粒子及び珪素を主成分とすることにより、電極部21の中央部21aの成分と電極端子突起部22の成分とが同じ(又は近い)成分となるため、電極部21の中央部21aと電極端子突起部22の熱膨張係数が同じ(又は近い)値になる。また、材質が同じ(又は近く)になるため、電極部21の中央部21aと電極端子突起部22との接合強度も高くなる。そのため、ハニカム構造体に熱応力がかかっても、電極端子突起部22が電極部21の中央部21aから剥れたり、電極端子突起部22と電極部21の中央部21aとの接合部分が破損したりすることを防ぐことができる。ここで、「電極端子突起部22が、炭化珪素粒子及び珪素を主成分とする」というときは、電極端子突起部22に含有される、炭化珪素粒子及び珪素の合計質量が、全体の90質量%以上であるということを意味する。
電極端子突起部22の形状は、特に限定されず、電極部21の中央部21aに接合され、電気配線を接合できる形状であればよい。例えば、図4〜図6に示すように、電極端子突起部22は、四角形の板状の基板22aに、円柱状の突起部22bが配設された形状であることが好ましい。このような形状にすることにより、電極端子突起部22は、基板22aにより電極部21の中央部21aに強固に接合されることができ、突起部22bにより電気配線を確実に接合させることができる。
電極端子突起部22において、基板22aの厚さは、1〜5mmが好ましい。このような厚さとすることにより、電極端子突起部22を確実に電極部21の中央部21aに接合することができる。1mmより薄いと、基板22aが弱くなり、突起部22bが基板22aから、はずれやすくなることがある。5mmより厚いと、ハニカム構造体を配置するスペースが必要以上に大きくなることがある。
電極端子突起部22において、基板22aの、「ハニカム構造部4の、セルの延びる方向に直交する断面における外周方向」における長さ(幅)は、電極部21の、「ハニカム構造部4の、セルの延びる方向に直交する断面における外周方向」における長さの、10〜50%であることが好ましく、20〜40%であることが更に好ましい。このような範囲にすることにより、電極端子突起部22が、電極部21の中央部21aから外れ難くなる。10%より短いと、電極端子突起部22が、電極部21の中央部21aから外れ易くなることがある。50%より長いと、質量が大きくなることがある。電極端子突起部22において、基板22aの、「セルの延びる方向」における長さは、ハニカム構造部4のセルの延びる方向における長さの、5〜30%が好ましい。基板22aの「セルの延びる方向」における長さをこのような範囲とすることにより、十分な接合強度が得られる。基板22aの「セルの延びる方向」における長さを、ハニカム構造部4のセルの延びる方向における長さの5%より短くすると、電極部21の中央部21aから外れ易くなることがある。そして、30%より長くすると、質量が大きくなることがある。
電極端子突起部22において、突起部22bの太さは3〜15mmが好ましい。このような太さにすることにより、突起部22bに、電気配線を確実に接合させることができる。3mmより細いと突起部22bが折れ易くなることがある。15mmより太いと、電気配線を接続し難くなることがある。また、突起部22bの長さは、3〜20mmが好ましい。このような長さにすることにより、突起部22bに、電気配線を確実に接合させることができる。3mmより短いと電気配線を接合し難くなることがある。20mmより長いと、突起部22bが折れ易くなることがある。
電極端子突起部22の電気抵抗率は、0.1〜2.0Ωcmであることが好ましく、0.1〜1.0Ωcmであることが更に好ましい。電極端子突起部22の電気抵抗率をこのような範囲にすることにより、高温の排ガスが流れる配管内において、電極端子突起部22から、電流を電極部21に効率的に供給することができる。電極端子突起部22の電気抵抗率が2.0Ωcmより大きいと、電流が流れ難くなるため、電流を電極部21に供給し難くなることがある。
電極端子突起部22は、気孔率が30〜45%であることが好ましく、30〜40%であることが更に好ましい。電極端子突起部22の気孔率がこのような範囲であることにより、適切な電気抵抗率が得られる。電極端子突起部22の気孔率が、45%より高いと、電極端子突起部22の強度が低下することがあり、特に突起部22bの強度が低下すると突起部22bが折れ易くなることがある。気孔率は、水銀ポロシメータで測定した値である。
電極端子突起部22は、平均細孔径が5〜20μmであることが好ましく、7〜15μmであることが更に好ましい。電極端子突起部22の平均細孔径がこのような範囲であることにより、適切な電気抵抗率が得られる。電極端子突起部22の平均細孔径が、20μmより大きいと、電極端子突起部22の強度が低下することがあり、特に突起部22bの強度が低下すると突起部22bが折れ易くなることがある。平均細孔径は、水銀ポロシメータで測定した値である。
電極端子突起部22の主成分が炭化珪素粒子及び珪素である場合に、電極端子突起部22に含有される炭化珪素粒子の平均粒子径が10〜60μmであることが好ましく、20〜60μmであることが更に好ましい。電極端子突起部22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、電極端子突起部22の電気抵抗率を、0.1〜2.0Ωcmにすることができる。電極端子突起部22に含有される炭化珪素粒子の平均細孔径が、10μmより小さいと、電極端子突起部22の電気抵抗率が大きくなり過ぎることがある。電極端子突起部22に含有される炭化珪素粒子の平均細孔径が、60μmより大きいと、電極端子突起部22の電気抵抗率が小さくなり過ぎることがある。電極端子突起部22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。
電極端子突起部22に含有される「炭化珪素粒子と珪素のそれぞれの質量の合計」に対する、電極端子突起部22に含有される珪素の質量の比率が、20〜40質量%であることが好ましく、25〜35質量%であることが更に好ましい。電極端子突起部22に含有される炭化珪素粒子と珪素のそれぞれの質量の合計に対する、珪素の質量の比率が、このような範囲であることにより、0.1〜2.0Ωcmの電気抵抗率を得やすくなる。電極端子突起部22に含有される炭化珪素粒子と珪素のそれぞれの質量の合計に対する、珪素の質量の比率が、20質量%より小さいと、電気抵抗率が大きくなりすぎることがある。そして、40質量%より大きいと、製造時に変形してしまうことがある。
次に、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態について説明する。図10〜図12に示されるように、本実施形態のハニカム構造体500は、上記本発明のハニカム構造体100(図1〜図3参照)において、それぞれの電極部21,21が、セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分を有さずに連続的に形成されているものである。つまり、本実施形態のハニカム構造体500は、電極部21が、中央部21aと拡張部21b(図1を参照)とが接する部分に形成されるような「境界となる部分」を有さない構造である。ここで、電極部21が「境界となる部分を有さずに連続的に形成されている」とは、電極部21が、材質の連続性(一体性)が途切れるような不連続な部分(境界(境界面)となる部分)を有さない状態であり、内部が均質な状態であることを意味する。材質の連続性(一体性)が途切れる不連続な部分が、境界面(境界となる部分)である。
図10は、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態を模式的に示す斜視図である。図11は、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態の、セルの延びる方向に平行な断面を示す模式図である。図12は、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態の、セルの延びる方向に直交する断面の一部を示す模式図である。図12においては、隔壁は省略されている。
本実施形態のハニカム構造体500は、それぞれの電極部21,21が、セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分を有さずに連続的に形成されているものであるため、構造強度が高いという利点がある。また、本実施形態のハニカム構造体500は、このような電極部の構造であるため、電極部作製時の製造工程を減らすことができ、製造時間を短くすることができる。
本実施形態のハニカム構造体500における電極部21,21は、図12に示されるように、セルの延びる方向に直交する断面において、周方向における中央部21aから、周方向における両端(両方の先端)21bb,21bbに向かって、厚さが薄くなる構造である。また、電極部21,21は、セルの延びる方向に直交する断面において、周方向における中央部21aから、周方向における両端(両方の先端)21bb,21bbに向かって、漸次厚さが薄くなる(連続的に薄くなる)構造であってもよいし(図12を参照)、段階的に厚さが薄くなる(断続的に薄くなる)構造であってもよい。尚、上記「段階的に厚さが薄くなる構造」の場合、電極部とハニカム構造部との境界の形状が、階段状になる。
本実施形態のハニカム構造体500においては、電極部21の「周方向における中央部21a(中央部分)」は、セルの延びる方向に直交する断面における「周方向における中央の一点(中央点)」(周方向における真中の点)であってもよいし、セルの延びる方向に直交する断面において「周方向における中央に位置し、周方向に幅を持った部分」であってもよい。電極部21の「周方向における中央部21a(中央部分)」が、セルの延びる方向に直交する断面において「周方向における中央に位置し、周方向に幅を持った部分」である場合、中央部21aは、一定の厚さ(中央部21a全体が同じ厚さ)であってもよいし、その他の「位置によって厚さが変化する形状」であってもよい。中央部が周方向に幅を持つ場合、中央部21aは、一定の厚さ(中央部21a全体が同じ厚さ)であることが好ましい。本実施形態のハニカム構造体500においては、電極部21が、セルの延びる方向に直交する断面において、周方向における中央点から両端に向かって漸次薄くなるように形成されている場合には、電極部21の周方向における中央部は、電極部21の周方向における中央点となる。そして、電極部21が、セルの延びる方向に直交する断面において、周方向における中央点を含む一定の範囲(幅)で、例えば厚さが一定となっている場合には、電極部21の周方向における中央部は、当該一定の厚さの範囲(幅)となる。本実施形態のハニカム構造体においては、電極部の「周方向における中央部(中央部分)」が、セルの延びる方向に直交する断面において「電極部の周方向における中央に位置し、周方向に幅を持った部分」である場合、電極部の周方向における中央点と、電極部の「中央部」の周方向における中央点とが一致していることが好ましい。
また、図13に示されるハニカム構造体600のように、セルの延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部4と電極部21との境界の形状の少なくとも一部が、直線(直線状)であることも好ましい態様である。図13は、本発明のハニカム構造体の更に他の実施形態の、セルの延びる方向に直交する断面を示す模式図である。図13に示されるハニカム構造体600は、セルの延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部4と電極部21との境界の形状の少なくとも一部が、直線状であること以外は、図10〜図12に示されるハニカム構造体500と同様である。
本実施形体のハニカム構造体500においては、電極部21の中央部21aの厚さは、0.2〜5mmであることが好ましく、0.5〜3mmであることが更に好ましい。0.2mmより薄いと、ハニカム構造体に電圧を印加した時の温度分布の偏りを小さくする効果が低下することがある。5mmより厚いと、ハニカム構造体を内燃機関の排気システムに搭載して使用した際に、急激な温度変化があると、ハニカム構造体の外周部に温度差ができやすく、ハニカム構造部に大きな応力が生じることがある。
本実施形体のハニカム構造体500においては、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部21の中央部21aの中心角の0.5倍が、25°以下であることが好ましい。25°より大きいと、ハニカム構造体500の、電極部21の両端(両方の先端)21bb,21bb付近の温度を低下させる効果が、低下することがある。
本実施形体のハニカム構造体500は、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部21の周方向(ハニカム構造部の周方向)における中央点を「0°」の位置とし、電極部21の先端21bbを「電極部21の中心角αの、0.5倍の角度θ」の位置(角度θの位置)としたときに、電極部21の「角度θの0.5倍(0.5θ)」の位置(「0°の位置」から「角度θの位置」に向かって、周方向に0.5θだけ回転した位置(「0°の位置」と、「角度θの位置」との中間点))における厚さが、電極部21の周方向における中央点における厚さの95%以下であることが好ましく、10〜90%であることが更に好ましく、15〜85%であることが特に好ましい。95%より厚いと、ハニカム構造体に電圧を印加したときの温度分布の偏りを抑制する効果が低下することがある。
また、本実施形体のハニカム構造体500は、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部21の「角度θの0.8倍(0.8θ)」の位置における厚さが、電極部21の周方向における中央点における厚さの80%以下であることが好ましく、0.5〜75%であることが更に好ましく、1〜65%であることが特に好ましい。80%より厚いと、ハニカム構造体に電圧を印加したときの温度分布の偏りを抑制する効果が低下することがある。
本実施形体のハニカム構造体500は、上記「0.5θの位置」における電極部の厚さの条件、及び上記「0.8θの位置」における電極部の厚さの条件の両方を満たすことが更に好ましい。
本実施形体のハニカム構造体500においては、電極部21の電気抵抗率が、0.1〜100Ωcmであることが好ましく、0.5〜20Ωcmであることが更に好ましく、1〜3Ωcmであることが特に好ましく、1〜2Ωcmであることが最も好ましい。0.1Ωcmより小さいと、電極部の周方向の端部が集中発熱することがある。100Ωcmより大きいと、電流が流れ難くなることがあり、ハニカム構造体を均一に発熱させる(温度分布の偏りを減らす)効果が低減することがある。
本実施形体のハニカム構造体500において、電極部21は、炭化珪素粒子及び珪素を主成分とすることが好ましく、通常含有される不純物以外は、炭化珪素粒子及び珪素を原料として形成されていることが更に好ましい。ここで、「炭化珪素粒子及び珪素を主成分とする」とは、炭化珪素粒子と珪素との合計質量が、電極部全体の質量の90質量%以上であることを意味する。このように、電極部21が炭化珪素粒子及び珪素を主成分とすることにより、電極部21の成分とハニカム構造部4の成分とが同じ成分又は近い成分(ハニカム構造部の材質が炭化珪素である場合)となるため、電極部21とハニカム構造部4の熱膨張係数が同じ値又は近い値になる。また、材質が同じもの又は近いものになるため、電極部21とハニカム構造部4との接合強度も高くなる。そのため、ハニカム構造体に熱応力がかかっても、電極部21がハニカム構造部4から剥れたり、電極部21とハニカム構造部4との接合部分が破損したりすることを防ぐことができる。
電極部21が炭化珪素粒子及び珪素を主成分とする場合、電極部21に含有される「炭化珪素粒子と珪素のそれぞれの質量の合計」に対する、電極部21に含有される珪素の質量の比率は、20〜40質量%が好ましく、25〜35質量%が更に好ましい。これにより、電極部21の電気抵抗率を0.1〜100Ωcmの範囲にすることができる。20質量%より小さいと、電気抵抗率が大きくなり、また、炭化珪素を結合させる強度が低下し、電極部21が劣化し易くなることがある。
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10〜60μmであることが好ましく、20〜60μm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の電気抵抗率を0.1〜100Ωcmの範囲にすることができる。電極部21に含有される炭化珪素粒子の平均細孔径が、10μmより小さいと、電極部21の電気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細孔径が、60μm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。
電極部21は、気孔率が30〜60%であることが好ましく、30〜55%であることが更に好ましい。電極部21の気孔率がこのような範囲であることにより、好適な電気抵抗率が得られる。電極部21の気孔率が、30%より低いと、製造時に変形してしまうことがある。60%より高いと、電気抵抗率が高くなりすぎることがある。気孔率は、水銀ポロシメータで測定した値である。
電極部21は、平均細孔径が5〜45μmであることが好ましく、7〜40μmであることが更に好ましい。電極部21の平均細孔径がこのような範囲であることにより、好適な電気抵抗率が得られる。電極部21の平均細孔径が、5μmより小さいと、電極部21の電気抵抗率が高くなりすぎることがある。45μm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。平均細孔径は、水銀ポロシメータで測定した値である。
本実施形体のハニカム構造体500においても、電極部21に電極端子突起部が形成されていてもよい。
(2)ハニカム構造体の製造方法:
次に、本発明のハニカム構造体の製造方法について説明する。上記本発明のハニカム構造体の他の実施形態である、ハニカム構造体200(図4〜図6参照)を製造する方法を示す。
まず、炭化珪素粉末(炭化珪素)に、金属珪素粉末(金属珪素)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して成形原料を作製する。炭化珪素粉末の質量と金属珪素の質量との合計に対して、金属珪素の質量が10〜50質量%となるようにすることが好ましい。炭化珪素粉末における炭化珪素粒子の平均粒子径は、3〜50μmが好ましく、5〜20μmが更に好ましい。金属珪素(金属珪素粉末)の平均粒子径は、2〜35μmであることが好ましい。炭化珪素粒子及び金属珪素(金属珪素粒子)の平均粒子径はレーザー回折法で測定した値である。炭化珪素粒子は、炭化珪素粉末を構成する炭化珪素の微粒子であり、金属珪素粒子は、金属珪素粉末を構成する金属珪素の微粒子である。尚、これは、ハニカム構造部の材質を、珪素−炭化珪素系複合材とする場合の成形原料の配合であり、ハニカム構造部の材質を炭化珪素とする場合には、金属珪素は添加しない。
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、2.0〜10.0質量部であることが好ましい。
水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、20〜60質量部であることが好ましい。
界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜2.0質量部であることが好ましい。
造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.5〜10.0質量部であることが好ましい。造孔材の平均粒子径は、10〜30μmであることが好ましい。10μmより小さいと、気孔を十分形成できないことがある。30μmより大きいと、成形時に口金に詰まることがある。造孔材の平均粒子径はレーザー回折方法で測定した値である。
次に、成形原料を混練して坏土を形成する。成形原料を混練して坏土を形成する方法としては特に制限はなく、例えば、ニーダー、真空土練機等を用いる方法を挙げることができる。
次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成する。押出成形に際しては、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚さ、セル密度等を有する口金を用いることが好ましい。口金の材質としては、摩耗し難い超硬合金が好ましい。ハニカム成形体は、流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と最外周に位置する外周壁とを有する構造である。
尚、ハニカム成形体の形状は、円筒形としてもよいし、「後に電極部を配設する部分を、「得られるハニカム構造体におけるハニカム構造部と電極部との境界の形状」となるように形成した」筒形状としてもよい。ハニカム成形体の形状を円筒形とした場合には、ハニカム成形体を乾燥した後に、ハニカム成形体の「後に電極部を配設する部分」を研削することが好ましい。ハニカム成形体を研削したときには、研削した部分に直接電極部を配設してもよいし、研削した部分に改めて外周壁を形成し、当該改めて形成された外周壁の表面が、「得られるハニカム構造体におけるハニカム構造部と電極部との境界の形状」となるようにしてもよい。研削した部分に改めて外周壁を形成する場合には、上記成形原料を、研削した部分に塗工し、乾燥させることが好ましい。
ハニカム成形体の大きさ、隔壁厚さ、セル密度、外周壁の厚さ等は、乾燥、焼成における収縮を考慮し、作製しようとする本発明のハニカム構造体の構造に合わせて適宜決定することができる。
得られたハニカム成形体について、乾燥を行うことが好ましい。乾燥の方法は特に限定されず、例えば、マイクロ波加熱乾燥、高周波誘電加熱乾燥等の電磁波加熱方式と、熱風乾燥、過熱水蒸気乾燥等の外部加熱方式とを挙げることができる。これらの中でも、成形体全体を迅速かつ均一に、クラックが生じないように乾燥することができる点で、電磁波加熱方式で一定量の水分を乾燥させた後、残りの水分を外部加熱方式により乾燥させることが好ましい。乾燥の条件として、電磁波加熱方式にて、乾燥前の水分量に対して、30〜99質量%の水分を除いた後、外部加熱方式にて、3質量%以下の水分にすることが好ましい。電磁波加熱方式としては、誘電加熱乾燥が好ましく、外部加熱方式としては、熱風乾燥が好ましい。
ハニカム成形体の中心軸方向長さが、所望の長さではない場合は、両端面(両端部)を切断して所望の長さとすることが好ましい。切断方法は特に限定されないが、丸鋸切断機等を用いる方法を挙げることができる。また、ハニカム成形体の形状を、円筒形状とした場合には、上記のように、「後に電極部を配設する部分」を、「得られるハニカム構造体におけるハニカム構造部と電極部との境界の形状」となるように研削することが好ましい。
次に、電極部の中央部を形成するための中央部形成原料を調合する。中央部の主成分を、炭化珪素及び珪素とする場合、中央部形成原料は、炭化珪素粉末及び珪素粉末に、所定の添加物を添加し、混練して形成することが好ましい。
具体的には、炭化珪素粉末(炭化珪素)に、金属珪素粉末(金属珪素)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して、混練して中央部形成原料を作製する。炭化珪素粉末及び金属珪素の合計質量を100質量%としたときに、金属珪素の質量が20〜50質量%となるようにすることが好ましく、30〜45質量%が更に好ましい。炭化珪素粉末における炭化珪素粒子の平均粒子径は、10〜60μmが好ましい。10μmより小さいと、電気抵抗率が小さくなりすぎることがある。60μmより大きいと、電気抵抗率が大きくなりすぎることがある。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。炭化珪素粒子は、炭化珪素粉末を構成する炭化珪素の微粒子である。
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜5.0質量部であることが好ましい。
水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、15〜60質量部であることが好ましい。
界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜2.0質量部であることが好ましい。
造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜3.0質量部であることが好ましい。造孔材の平均粒子径は、10〜30μmであることが好ましい。10μmより小さいと、気孔を十分形成できないことがある。30μmより大きいと、大気孔ができやすくなり、強度低下を起こすことがある。造孔材の平均粒子径はレーザー回折方法で測定した値である。
そして、炭化珪素粉末(炭化珪素)、金属珪素(金属珪素粉末)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を混合して得られた混合物を混練して、ペースト状の中央部形成原料とすることが好ましい。混練の方法は特に限定されず、例えば、縦型の撹拌機を用いることができる。
次に、電極部の拡張部を形成するための拡張部形成原料を調合する。拡張部の主成分を、炭化珪素及び珪素とする場合、拡張部形成原料は、炭化珪素粉末及び珪素粉末に、所定の添加物を添加し、混練して形成することが好ましい。
具体的には、炭化珪素粉末(炭化珪素)に、金属珪素粉末(金属珪素)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して、混練して拡張部形成原料を作製する。炭化珪素粉末及び金属珪素の合計質量を100質量%としたときに、金属珪素の質量が20〜40質量%となるようにすることが好ましい。炭化珪素粉末における炭化珪素粒子の平均粒子径は、10〜60μmが好ましい。10μmより小さいと、電気抵抗率が小さくなりすぎることがある。60μmより大きいと、電気抵抗率が大きくなりすぎることがある。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。炭化珪素粒子は、炭化珪素粉末を構成する炭化珪素の微粒子である。
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜5.0質量部であることが好ましい。
水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、15〜60質量部であることが好ましい。
界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜2.0質量部であることが好ましい。
造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜3.0質量部であることが好ましい。造孔材の平均粒子径は、10〜30μmであることが好ましい。10μmより小さいと、気孔を十分形成できないことがある。30μmより大きいと、大気孔ができやすくなり、強度低下を起こすことがある。造孔材の平均粒子径はレーザー回折方法で測定した値である。
次に、炭化珪素粉末(炭化珪素)、金属珪素(金属珪素粉末)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を混合して得られた混合物を混練して、ペースト状の拡張部形成原料とすることが好ましい。混練の方法は特に限定されず、例えば、縦型の撹拌機を用いることができる。
次に、得られた中央部形成原料及び拡張部形成原料のそれぞれを、乾燥させたハニカム成形体の側面に、図4〜図6に示されるハニカム構造体200における、電極部21の中央部21a及び拡張部21bの形状になるように、塗布することが好ましい。中央部形成原料及び拡張部形成原料をハニカム成形体の側面に塗布する方法は、特に限定されないが、例えば、印刷方法を用いることができる。ハニカム成形体に中央部形成原料及び拡張部形成原料を塗布して、セル延びる方向に直交する断面において、全体の外周形状が円形になるようにする。このように、中央部形成原料及び拡張部形成原料をハニカム成形体の側面に塗布し、乾燥、焼成するだけで電極部の中央部及び拡張部を形成することができるため、非常に容易に電極部を形成することができる。
尚、「電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分を有さずに連続的に形成された」ハニカム構造体(例えば、図10〜図12を参照)を作製する場合には、上記拡張部形成原料と同様にして電極部を形成するための原料(電極部形成原料)を調製し、得られた電極部形成原料を、乾燥させたハニカム成形体の側面に、所望の電極部の形状(本発明のハニカム構造体の電極部の構造)になるように、塗布することが好ましい。
次に、ハニカム成形体の側面に塗布した中央部形成原料及び拡張部形成原料を乾燥させることが好ましい。乾燥条件は、50〜100℃とすることが好ましい。
次に、電極端子突起部形成用部材を作製することが好ましい。電極端子突起部形成用部材は、ハニカム成形体に貼り付けられて、電極端子突起部となるものである。電極端子突起部形成用部材の形状は、特に限定されないが、例えば、図4〜図6に示すような形状に形成することが好ましい。そして、得られた電極端子突起部形成用部材を、中央部形成原料が塗布されたハニカム成形体の、中央部形成原料が塗布された部分に貼り付けることが好ましい。尚、ハニカム成形体の作製、中央部形成原料の調合、拡張部形成原料の調合、及び電極端子突起部形成用部材の作製の、順序はどのような順序でもよい。
電極端子突起部形成用部材は、電極端子突起部形成原料(電極端子突起部形成用部材を形成するための原料)を成形、乾燥して得ることが好ましい。電極端子突起部の主成分を、炭化珪素及び珪素とする場合、電極端子突起部形成原料は、炭化珪素粉末及び珪素粉末に、所定の添加物を添加し、混練して形成することが好ましい。
具体的には、炭化珪素粉末(炭化珪素)に、金属珪素粉末(金属珪素)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して、混練して電極端子突起部形成原料を作製する。炭化珪素粉末の質量と金属珪素の質量との合計に対して、金属珪素の質量が20〜40質量%となるようにすることが好ましい。炭化珪素粉末における炭化珪素粒子の平均粒子径は、10〜60μmが好ましい。10μmより小さいと、電気抵抗率が小さくなりすぎることがある。60μmより大きいと、電気抵抗率が大きくなりすぎることがある。金属珪素粉末(金属珪素)の平均粒子径は、2〜20μmであることが好ましい。2μmより小さいと、電気抵抗率が小さくなりすぎることがある。20μmより大きいと、電気抵抗率が大きくなりすぎることがある。炭化珪素粒子及び金属珪素粒子(金属珪素)の平均粒子径はレーザー回折法で測定した値である。炭化珪素粒子は、炭化珪素粉末を構成する炭化珪素の微粒子であり、金属珪素粒子は、金属珪素粉末を構成する金属珪素の微粒子である。
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、2.0〜10.0質量部であることが好ましい。
水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、20〜40質量部であることが好ましい。
界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜2.0質量部であることが好ましい。
造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1〜5.0質量部であることが好ましい。造孔材の平均粒子径は、10〜30μmであることが好ましい。10μmより小さいと、気孔を十分形成できないことがある。30μmより大きいと、成形時に口金に詰まることがある。造孔材の平均粒子径はレーザー回折方法で測定した値である。
次に、炭化珪素粉末(炭化珪素)、金属珪素(金属珪素粉末)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を混合して得られた混合物を混練して、電極端子突起部形成原料とすることが好ましい。混練の方法は特に限定されず、例えば、混練機を用いることができる。
得られた電極端子突起部形成原料を成形して、電極端子突起部形成用部材の形状にする方法は特に限定されず、押し出し成形後に加工する方法を挙げることができる。
電極端子突起部形成原料を成形して、電極端子突起部形成用部材の形状にした後に、乾燥させて、電極端子突起部形成用部材を得ることが好ましい。乾燥条件は、50〜100℃とすることが好ましい。
次に、電極端子突起部形成用部材を、中央部形成原料が塗布されたハニカム成形体に貼り付けることが好ましい。電極端子突起部形成用部材をハニカム成形体(ハニカム成形体の中央部形成原料が塗布された部分)に貼り付ける方法は、特に限定されないが、上記中央部形成原料を用いて電極端子突起部形成用部材をハニカム成形体に貼り付けることが好ましい。例えば、電極端子突起部形成用部材の「ハニカム成形体に貼り付く面(ハニカム成形体に接触する面)」に中央部形成原料を塗布し、「当該中央部形成原料を塗布した面」がハニカム成形体に接触するようにして、電極端子突起部形成用部材をハニカム成形体に貼り付けることが好ましい。
そして、「中央部形成原料及び拡張部形成原料が塗布され、電極端子突起部形成用部材が貼り付けられたハニカム成形体」を乾燥し、焼成して、本発明のハニカム構造体とすることが好ましい。
このときの乾燥条件は、50〜100℃とすることが好ましい。
また、焼成の前に、バインダ等を除去するため、仮焼成を行うことが好ましい。仮焼成は大気雰囲気において、400〜500℃で、0.5〜20時間行うことが好ましい。仮焼成及び焼成の方法は特に限定されず、電気炉、ガス炉等を用いて焼成することができる。焼成条件は、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気において、1400〜1500℃で、1〜20時間加熱することが好ましい。また、焼成後、耐久性向上のために、1200〜1350℃で、1〜10時間、酸素化処理を行うことが好ましい。
尚、電極端子突起部形成用部材は、ハニカム成形体を焼成する前に貼り付けてもよいし、焼成した後に貼り付けてもよい。電極端子突起部形成用部材を、ハニカム成形体を焼成した後に貼り付けた場合は、その後に、上記条件によって再度焼成することが好ましい。
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
(実施例1)
炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末とを80:20の質量割合で混合し、これに、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、造孔材として吸水性樹脂を添加すると共に、水を添加して成形原料とし、成形原料を真空土練機により混練し、円柱状の坏土を作製した。バインダの含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに7質量部であり、造孔材の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに3質量部であり、水の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに42質量部であった。炭化珪素粉末の平均粒子径は20μmであり、金属珪素粉末の平均粒子径は6μmであった。また、造孔材の平均粒子径は、20μmであった。炭化珪素、金属珪素及び造孔材の平均粒子径は、レーザー回折法で測定した値である。
得られた円柱状の坏土を押出成形機を用いて成形し、オーバル形状のハニカム成形体を得た。得られたハニカム成形体を高周波誘電加熱乾燥した後、熱風乾燥機を用いて120℃で2時間乾燥し、両端面を所定量切断した。
次に、中央部形成原料を調合した。まず、炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末とを40:60の質量割合で混合し、これに、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、保湿剤としてグリセリン、分散剤として界面活性剤を添加すると共に、水を添加して、混合した。混合物を混練して中央部形成原料とした。バインダの含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに0.5質量部であり、グリセリンの含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに10質量部であり、界面活性剤の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに0.3質量部であり、水の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに42質量部であった。炭化珪素粉末の平均粒子径は52μmであり、金属珪素粉末の平均粒子径は6μmであった。炭化珪素及び金属珪素の平均粒子径は、レーザー回折法で測定した値である。混練は、縦型の撹拌機で行った。
次に、拡張部形成原料を調合した。まず、炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末とを30:70の質量比(SiC:Si)で混合し、これに、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、保湿剤としてグリセリン、分散剤として界面活性剤を添加すると共に、水を添加して、混合した。混合物を混練して拡張部形成原料とした。バインダの含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに0.5質量部であり、グリセリンの含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに10質量部であり、界面活性剤の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに0.3質量部であり、水の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに42質量部であった。炭化珪素粉末の平均粒子径は52μmであり、金属珪素粉末の平均粒子径は6μmであった。炭化珪素及び金属珪素の平均粒子径は、レーザー回折法で測定した値である。混練は、縦型の撹拌機で行った。
次に、中央部形成原料及び拡張部形成原料を、乾燥させたハニカム成形体の側面の2箇所の研削した部分に、図4〜図6に示すハニカム構造体100の電極部21の中央部21a及び拡張部21bの形状が形成されるようにして、ハニカム成形体の両端面間に亘るように帯状に塗布した。中央部形成原料及び拡張部形成原料を塗布したハニカム成形体全体の、セルの延びる方向に直交する断面の外周形状が、円形となるようにした。
次に、ハニカム成形体に塗布した中央部形成原料及び拡張部形成原料を乾燥させた。乾燥条件は、70℃とした。
次に、電極端子突起部形成用部材を作製した。まず、炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末とを60:40の質量割合で混合し、これに、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロースを添加すると共に、水を添加して、混合した。混合物を混練して電極端子突起部形成原料とした。電極端子突起部形成原料を、真空土練機を用いて坏土とした。バインダの含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに4質量部であり、水の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに22質量部であった。炭化珪素粉末の平均粒子径は52μmであり、金属珪素粉末の平均粒子径は6μmであった。炭化珪素及び金属珪素の平均粒子径は、レーザー回折法で測定した値である。
得られた坏土を、真空土練機を用いて成形し、図4〜図6に示される電極端子突起部22のような形状(基板と突起部とからなる形状)に加工し、乾燥して、電極端子突起部形成用部材を得た。また、乾燥条件は、70℃とした。板状の基板22aに相当する部分は、「3mm×12mm×15mm」の大きさとした。また、突起部22bに相当する部分は、底面の直径が7mmで、中心軸方向の長さが10mmの円柱状とした。電極端子突起部形成用部材は2つ作製した。
次に、2つの電極端子突起部形成用部材のそれぞれを、ハニカム成形体の2箇所の中央部形成原料を塗布した部分のそれぞれに貼り付けた。電極端子突起部形成用部材は、中央部形成原料を用いて、ハニカム成形体の中央部形成原料を塗布した部分に貼り付けた。その後、「中央部形成原料及び拡張部形成原料が塗布され、電極端子突起部形成用部材が貼り付けられたハニカム成形体」を、脱脂し、焼成し、更に酸化処理してハニカム構造体を得た。脱脂の条件は、550℃で3時間とした。焼成の条件は、アルゴン雰囲気下で、1450℃、2時間とした。酸化処理の条件は、1300℃で1時間とした。
得られたハニカム構造体の隔壁の平均細孔径(気孔径)は8.6μmであり、気孔率は41%であった。平均細孔径および気孔率は、水銀ポロシメータにより測定した値である。また、ハニカム構造体の、隔壁の厚さは109μmであり、セル密度は93セル/cmであった。また、ハニカム構造体の底面は直径93mmの円形であり、ハニカム構造体のセルの延びる方向における長さは100mmであった。また、得られたハニカム構造体のアイソスタティック強度は2.5MPaであった。アイソスタティック強度は水中で静水圧をかけて測定した破壊強度である。
また、ハニカム構造体の、電極部(電極部全体)の、セルの延びる方向に直交する断面における中心角の0.5倍は、40°であった。また、電極部の中央部の最も厚い部分の厚さは、3.0mmであり、中央部の、セルの延びる方向に直交する断面における周方向の長さは20mm(中心角αの0.5倍の角度θは、約12.4°)であった。また、電極部の中央部の電気抵抗率は、0.6Ωcmであり、電極部の拡張部の電気抵抗率は、1.3Ωcmであり、ハニカム構造部の電気抵抗率は、48Ωcmであり、電極端子突起部の電気抵抗率は、1.3Ωcmであった。また、セルの延びる方向に直交する断面において、2箇所の電極部の中の一方の電極部が、他方の電極部に対して、ハニカム成形体の中心を挟んで反対側に配置されていた。また、得られたハニカム構造体は、全体形状(電極端子突起部を除く)が円筒形である。また、電極部の中央部の厚さは3mmであり、均一な厚さであった。また、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部の周方向における中央点を「0°」の位置とし、電極部の先端を「電極部の中心角αの、0.5倍の角度θ」の位置としたときに、電極部の「角度θの0.5倍(0.5θ)」の位置における厚さが、電極部の周方向における中央点における厚さの80%であった。また、セルの延びる方向に直交する断面において、電極部の「角度θの0.8倍(0.8θ)」の位置における厚さが、電極部の周方向における中央点における厚さの35%であった。
得られたハニカム構造体に600Vの電圧を印加したときの、ハニカム構造部の「セルの延びる方向に直交する断面における、電極部の端部(周方向の端部)が接する位置と、電極部の周方向の中央点が接する位置」の温度を測定し、最も高い温度を最高温度とした。ハニカム構造部における、電極部の端部(周方向の端部)が接する位置か、電極部の周方向の中央点が接する位置のいずれかが、最も電流が流れる位置であり、ハニカム構造体において最も高い温度となる部分である。
尚、ハニカム部、電極部(中央部及び拡張部)及び電極端子突起部の電気抵抗率は、以下の方法で測定した。測定対象と同じ材質で10mm×10mm×50mmの試験片を作成した(つまり、ハニカム構部の電気抵抗率を測定する場合にはハニカム構造部と同じ材質で、電極部の電気抵抗率を測定する場合には電極部と同じ材質で、そして、電極端子突起部の電気抵抗率を測定する場合には電極端子突起部と同じ材質で、それぞれ試験片を作製した。)。試験片の両端部全面(10mm×10mmの面)に銀ペーストを塗布し、配線して通電できるようにした。試験片に電圧印加電流測定装置をつなぎ印加した。試験片中央部に熱伝対を設置し、電圧印加時の試験片温度の経時変化をレコーダーにて確認した。600V印加し、試験片温度が400℃の状態における電流値及び電圧値を測定し、得られた電流値及び電圧値、並びに試験片寸法から電気抵抗率を算出した。
また、得られたハニカム構造体についてキャニング試験を行った。キャニング試験は次のように行った。ハニカム構造体の外周部をセラミックス繊維マットからなる部材で覆い、外周にかかる面圧を0.3MPaで前述のセラミックス繊維マットを圧縮した状態で金属キャン(金属缶)内に押し込んだ。ハニカム構造体にクラックが発生した場合はクラック有とした。クラックが発生しなかった場合(無)が合格である。
Figure 0005658234
(参考例1)
ハニカム成形体を研削せずに、円筒形のハニカム成形体に中央部形成原料及び拡張部形成原料を塗布し、電極部の拡張部を、図7に示すハニカム構造体300のように、段階的に厚さを変化させたものにした以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。拡張部の厚さは、3段階(領域A、領域B及び領域C:図7参照)に分けて変化させた。中央部に接する領域Aの厚さは3.0mmとし、領域Aに接する領域Bの厚さは1.5mmとし、領域Bに接し、最も外側に位置する領域Cの厚さは0.5mmとした。また、セルの延びる方向に直交する断面において、中央部の両側に位置する領域Aの周方向における長さは、それぞれ3mm(中心角は約3.7°)とした。また、セルの延びる方向に直交する断面において、領域Aの外側(中央部の位置に対して反対側)に位置する領域Bの周方向における長さは、それぞれ12mm(中心角は約15.0°)とした。また、セルの延びる方向に直交する断面において、領域Bの外側(領域Aの位置に対して反対側)に位置する領域Cの周方向における長さは、それぞれ5mm(中心角は約6.2°)とした。参考例1のハニカム構造体は、ハニカム構造部が円筒形であり、ハニカム構造体全体(電極端子突起部を除く)は円筒形ではない。実施例1の場合と同様にして、ハニカム構造体の「最高温度」を測定した。結果を表1に示す。図7は、参考例1のハニカム構造体の、セルの延びる方向に直交する断面の一部を示す模式図である。
表1より、実施例1のハニカム構造体は、参考例1のハニカム構造体と比較して、最高温度が非常に低いことが分かる。ハニカム構造体の最高温度が低いということは、ハニカム構造体における温度分布の偏りが、抑制されていることを示す。
(実施例2〜6、比較例1〜4)
図10〜図12に示されるハニカム構造体500に配設された電極部(セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分を有さずに連続的に形成された電極部)が形成されるように、拡張部形成原料をハニカム成形体に塗工し、「電極部の中心角の0.5倍の値(°)」及び「ハニカム構造部の電気抵抗率(Ωcm)」を表1に示すように変化させた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。電極部の形状は、実施例1のハニカム構造体の電極部全体(中央部と拡張部とを合わせた全体)の形状と、同じ形状とした。ハニカム構造部の電気抵抗率は、炭化珪素の平均粒子径によって変化させた。実施例1の場合と同様にして、ハニカム構造体の「最高温度」を測定し、「キャニング試験」を行った。結果を表1に示す。
(比較例5)
電極部を、「セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分を有さないように連続的に形成」し、厚さを3mmで一定にした以外は、参考例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。実施例1の場合と同様にして、ハニカム構造体の「最高温度」を測定し、「キャニング試験」を行った。結果を表1に示す。
表1より、電極部の中心角の0.5倍が15〜65°の範囲であると、「最高温度」が低く、ハニカム構造部全体の温度がより均一になっていることが分かる。また、ハニカム構造体の全体形状が円筒形であると、キャニング試験においてクラックが発生しないことがわかる。
本発明のハニカム構造体は、自動車の排ガスを浄化する排ガス浄化装置用の触媒担体として好適に利用することができる。
1:隔壁、2:セル、3:外周壁、4:ハニカム構造部、5:側面、11:一方の端面、12:他方の端面、21:電極部、21a:中央部、21b:拡張部、21ba:中央部に接する側の端部、21bb:先端(側縁部)、21c:(電極部の)一方の端部、21d:(電極部の)他方の端部、22:電極端子突起部、22a:基板、22b:突起部、100,200,300,400,500:ハニカム構造体、O:中心、α:中心角、β:角度、θ:中心角の0.5倍の角度、P:電極部の拡張部の側縁部が接する位置、A,B,C:電極部の拡張部の領域、S:境界面。

Claims (13)

  1. 流体の流路となる一方の端面から他方の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と、最外周に位置する外周壁とを有する筒状のハニカム構造部と、前記ハニカム構造部の側面に配設された一対の電極部とを備え、
    前記ハニカム構造部の電気抵抗率が、1〜200Ωcmであり、
    前記一対の電極部のそれぞれが、前記ハニカム構造部のセルの延びる方向に延びる帯状に形成され、
    前記一対の電極部における一方の前記電極部が、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他方の前記電極部に対して、前記ハニカム構造部の中心を挟んで反対側に配設され、
    前記セルの延びる方向に直交する断面において、それぞれの前記電極部の中心角の0.5倍が、15〜65°であり、
    それぞれの前記電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部の周方向における中央部から前記周方向における両端に向かって薄くなるように形成され、
    前記セルの延びる方向に直交する断面において、外周形状が円形であるハニカム構造体。
  2. それぞれの前記電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部の周方向における中央部と、前記中央部の、前記周方向における両側に位置する拡張部とから構成され、
    前記電極部の前記中央部の電気抵抗率が、前記電極部の前記拡張部の電気抵抗率より小さい請求項1に記載のハニカム構造体。
  3. 前記電極部の前記中央部の電気抵抗率が、0.2〜10Ωcmである請求項2に記載のハニカム構造体。
  4. 前記電極部の前記中央部の電気抵抗率が、前記電極部の前記拡張部の電気抵抗率の1〜60%である請求項2又は3に記載のハニカム構造体。
  5. 前記電極部の前記中央部の最も厚い部分における厚さが、0.2〜5.0mmである請求項2〜4のいずれかに記載のハニカム構造体。
  6. 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状が、前記全体の外周形状における曲率半径より大きな曲率半径の円弧状である、請求項1〜5のいずれかに記載のハニカム構造体。
  7. 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状が、前記全体の外周形状における曲率半径の1.5〜5倍の曲率半径の円弧状である請求項6に記載のハニカム構造体。
  8. 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状の少なくとも一部が、直線である請求項1〜5のいずれかに記載のハニカム構造体。
  9. それぞれの前記電極部が、セルの延びる方向に直交する断面において、境界となる部分を有さずに連続的に形成されている請求項1に記載のハニカム構造体。
  10. 前記電極部の電気抵抗率が、0.1〜100Ωcmである請求項9に記載のハニカム構造体。
  11. 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記ハニカム構造部と前記電極部との境界の形状の少なくとも一部が、直線である請求項9又は10に記載のハニカム構造体。
  12. 前記セルの延びる方向に直交する断面において、前記電極部の前記中央部の中心角の0.5倍が、20〜40°である請求項1〜11のいずれかに記載のハニカム構造体。
  13. それぞれの前記電極部の前記中央部の、前記セルの延びる方向における中央の位置に、電気配線を繋ぐための電極端子突起部が配設された請求項1〜12のいずれかに記載のハニカム構造体。
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