JP7206092B2 - 加熱装置及びその製造方法、並びにシステム - Google Patents

Description

本開示は、加熱装置及びその製造方法、並びにシステムに関する。

特許文献１は、同文献の図１に開示のように、電極１２、１３間でセラミックハニカム構造体２０Ａを通電加熱することで、セラミックハニカム構造体２０Ａに担持された触媒を活性温度まで昇温する装置を開示する（同文献の段落００３２も併せて参照）。

特許文献２は、セラミックス製の主モノリス触媒の上流側に配置されるメタルモノリス触媒を開示する。メタルモノリス触媒においては、その中心軸上に一方の電極が設けられ、メタルモノリス触媒の外枠が他方の電極として用いられる（同文献の図４参照）。メタルモノリス触媒の径方向内側部分の発熱量が径方向外側部分における発熱量よりも大きい（同文献の図４参照）。メタルモノリス触媒の径方向内側部分へのガスの流入量が、メタルモノリス触媒の径方向外側部分へのガスの流入量よりも大きい。従って、メタルモノリス触媒の横断面の温度分布が均一化される（同文献の図６参照）。

国際公開第２０１６／１６３４２３号 実開昭６３－６７６０９号公報

通電開始時の大きな温度勾配の発生を抑制する態様で短時間に目標温度まで昇温することができる加熱装置を提供することが望まれる。

本開示の一態様に係る加熱装置は、セラミックス円筒体の径方向に沿って延びる一対の第１リブと、前記セラミックス円筒体の径方向に交差するように延びる一対の第２リブにより画定された複数のセルが設けられた導電性のセラミックス円筒体と、
前記セラミックス円筒体の内壁部に電気的に結合した内側電極と、
前記セラミックス円筒体の外壁部に電気的に結合した外側電極を備え、
前記セラミックス円筒体の径方向に延びる同一の軸線上に配置された複数の第１リブを含むように前記セラミックス円筒体の径方向に直線的に延びる直線部が、前記セラミックス円筒体において放射状に配列され、
前記内側電極及び前記外側電極は、前記内側電極と前記外側電極の間で少なくとも前記直線部を介して放射状に電流が流れるように設けられる。

幾つかの形態では、前記直線部の幅は、前記セラミックス円筒体の径方向に沿って一定である。

幾つかの形態では、前記直線部は、３６０°の角度範囲内において所定角度間隔で設けられる。

幾つかの形態では、前記所定角度間隔は、１°～５°の範囲内である。

幾つかの形態では、前記内側電極及び／又は前記外側電極は、筒状電極である。

幾つかの形態では、前記筒状電極は、前記セラミックス円筒体の前記内壁部の内壁面の全域に亘って形成され、又は、前記セラミックス円筒体の前記外壁部の外壁面の全域に亘って形成される。

幾つかの形態では、前記筒状電極にはその周方向に沿って配置された溝が設けられる。

幾つかの形態では、前記セラミックス円筒体の内径をＲ１とし、前記セラミックス円筒体の外径をＲ２とするとき、
０．３＜（Ｒ１／Ｒ２）
を満足する。

幾つかの形態では、前記セラミックス円筒体の内径をＲ１とし、前記セラミックス円筒体の外径をＲ２とするとき、
０．６＜（Ｒ１／Ｒ２）
を満足する。

幾つかの形態では、前記第１リブ及び第２リブそれぞれの厚みが、０．０５～０．５ｍｍの範囲内である。

幾つかの形態では、前記第２リブの幅は、前記セラミックス円筒体に関する径方向内側から径方向外側に向けて漸減する。

幾つかの形態では、前記セラミックス円筒体の径方向において隣接する前記第２リブに関して、前記セラミックス円筒体の径方向外側に位置する前記第２リブの幅は、前記セラミックス円筒体の径方向内側に位置する前記第２リブの幅とは異なる。

幾つかの形態では、前記セルの少なくとも１つ又は各角部にはＲ面が形成される。

本開示の一態様に係るシステムは、
排気ガスが流れる流路と、
上記いずれかの加熱装置と、
前記流路における排気ガスの流れ方向において前記加熱装置よりも下流側に設けられる排気ガス浄化装置と、
前記加熱装置に含まれる前記セラミックス円筒体の前記セルが提供する第１流路と前記セラミックス円筒体の前記セルにより囲まれた筒穴が提供する第２流路の間で前記排気ガスの流路を切り替える切り替え部を備える。

本開示の一態様に係る加熱装置の製造方法は、
セラミックス円筒体の径方向に沿って延びる一対の第１リブと、前記セラミックス円筒体の径方向に交差するように延びる一対の第２リブにより画定された複数のセルが設けられた導電性のセラミックス円筒体を押出成形に基づいて製造する工程と、
前記セラミックス円筒体に対して内側電極を固定する工程と、
前記セラミックス円筒体に対して外側電極を固定する工程を含み、
前記セラミックス円筒体の径方向に延びる同一の軸線上に配置された複数の第１リブを含むように前記セラミックス円筒体の径方向に直線的に延びる直線部が、前記セラミックス円筒体において放射状に配列され、
前記内側電極及び前記外側電極は、前記内側電極と前記外側電極の間で少なくとも前記直線部を介して放射状に電流が流れるように設けられる。

幾つかの形態では、前記セラミックス円筒体に対して内側電極を固定する工程は、前記セラミックス円筒体に対して前記内側電極を冷やし嵌め又は圧入する工程を含む。

幾つかの形態では、前記セラミックス円筒体に対して外側電極を固定する工程は、前記セラミックス円筒体に対して前記外側電極を焼き嵌めする工程を含む。

幾つかの形態では、前記セラミックス円筒体と前記内側電極の間には中間層が設けられる。

幾つかの形態では、前記セラミックス円筒体と前記外側電極の間には中間層が設けられる。

本開示の一態様によれば、通電開始時の大きな温度勾配の発生を抑制する態様で短時間に目標温度まで昇温することができる加熱装置を提供することができる。

本開示の一態様に係るシステムの概略図であり、排気ガスの流路に設けられた開閉部材の制御に基づいてセラミックス円筒体のセル又は筒穴を介して排気ガス浄化装置に排気ガスを供給することができるシステムの概略図である。 排気ガスの流路において排気ガス浄化装置よりも上流側に設けられる本開示の一態様に係る加熱装置の概略的な斜視図である。 本開示の一態様に係る加熱装置に含まれるセラミックス円筒体の第１端部の概略的な正面図である。図３においてセラミックス円筒体の内径と外径が矢印により図示される。図３において一点鎖線で示された範囲のセルの図示が省略される。 本開示の一態様に係るシステムの動作を示す概略的なタイミングチャートである。 外側電極とセラミックス円筒体の間に中間層が設けられ、またセルの角部にＲ面が形成される形態を示す概略図である。 セラミックス円筒体の軸方向に延びる溝が外側電極の内周面に形成される形態を示す概略図である。 セラミックス円筒体の軸方向に延びる溝が外側電極の外周面に形成される形態を示す概略図である。 第２リブの幅がセラミックス円筒体に関する径方向内側から径方向外側に向けて漸減する形態を示す概略図である。 セルの開口形状が歪んだ矩形状である形態を示す概略図である。 Ｍ個のセルが配置されたセル列とＮ個のセルが配置されたセル列が周方向において交互に配置される形態を示す概略図である。 セラミックス円筒体の径方向に延びる同一の軸線上に配置された複数の第１リブを含むようにセラミックス円筒体の径方向に直線的に延びる直線部の幅が径方向内側から径方向外側に向けて漸増する形態を示す概略図である。 セラミックス円筒体の径方向に延びる同一の軸線上に配置された複数の第１リブを含むようにセラミックス円筒体の径方向に直線的に延びる直線部の幅が径方向内側から径方向外側に向けて漸減する形態を示す概略図である。 比較例と比較して実施例の場合、セラミックス円筒体の径方向において温度勾配の発生が抑制されることを示す概略的なグラフである。 比較例１で用いられるセラミックス円筒体の概略図である。 比較例２で用いられる加熱装置の概略図である。

以下、図１乃至図１５を参照しつつ、本発明の非限定の実施形態について説明する。以下、ある加熱装置に関して記述される各特徴が、他の特徴との組み合わせとして理解される他、他の特徴とは独立した個別の特徴として理解される。個別の特徴の全組み合わせを記述することは当業者には冗長であり、省略される。個別の特徴は、「幾つかの形態」、又は単に「形態」という表現により明示される。個別の特徴は、例えば、図面に開示された加熱装置にのみ通用するものではなく、他の様々な加熱装置にも通用する普遍的な特徴として理解される。

図１は、排気ガスの流路９１に設けられた開閉部材９６の制御に基づいてセラミックス円筒体１０のセルＯＰ１０又は筒穴Ｈ１０を介して排気ガス浄化装置９３に排気ガスを供給することができるシステム９０の概略図である。図２は、排気ガスの流路９１において排気ガス浄化装置９３よりも上流側に設けられる加熱装置９２の概略的な斜視図である。図３は、加熱装置９２に含まれるセラミックス円筒体１０の第１端部１８の概略的な正面図である。図３においてセラミックス円筒体１０の内径Ｒ１と外径Ｒ２が矢印により図示される。図３において一点鎖線で示された範囲のセルＯＰ１０の図示が省略される。図４は、システム９０の動作を示す概略的なタイミングチャートである。

システム９０は、排気ガスが流れる流路９１と、流路９１に設けられる加熱装置９２と、流路９１に設けられる排気ガス浄化装置９３を有する。流路９１は、例えば、金属管であり、第１内径の第１管９１ｍと、第１内径よりも大きい第２内径の第２管９１ｎを有し、更に、第１管９１ｍと第２管９１ｎの間に拡径部９１ａを有する。拡径部９１ａにおいて第１管９１ｍから第２管９１ｎに向けて内径が漸増する。加熱装置９２は、流路９１における排気ガスの流れ方向において拡径部９１ａよりも下流側に設けられる。排気ガス浄化装置９３は、流路９１における排気ガスの流れ方向において加熱装置９２よりも下流側に設けられる。

システム９０は、更に、切り替え部９４とコントローラー９９を有する。切り替え部９４は、後述の記述からより良く理解されるように、加熱装置９２に含まれるセラミックス円筒体１０のセルＯＰ１０が提供する第１流路Ｐ１とセラミックス円筒体１０のセルＯＰ１０により囲まれた筒穴Ｈ１０が提供する第２流路Ｐ２の間で排気ガスの流路を切り替える。切り替え部９４は、駆動部９５と、駆動部９５により駆動される開閉部材９６を有する。開閉部材９６が流路９１内に置かれ、端的には、流路９１における排気ガスの流れ方向において加熱装置９２の上流側に近接して設けられる。開閉部材９６は、加熱装置９２に含まれるセラミックス円筒体１０の筒穴Ｈ１０を閉鎖する閉状態と、セラミックス円筒体１０の筒穴Ｈ１０を閉鎖しない開状態を取ることができる。幾つかの形態では、駆動部９５がステッピングモーターであり、開閉部材９６がそのモーター軸に対して固定された平板である。切り替え部９４として任意の種類のシャッターを用いることができる。他の形態としては、駆動部９５が空気圧により駆動される。空気圧開閉弁のオン・オフによりシャッター（例えば、バタフライ弁）の開閉が行われる。好ましくは、１秒以下での開閉が可能なシャッターが用いられる。

コントローラー９９は、切り替え部９４の動作状態を制御することができる。コントローラー９９は、制御信号Ｓ１を駆動部９５に提供し、開状態と閉状態の間で開閉部材９６の状態を制御する。切り替え部９４は、コントローラー９９から受け取る制御信号Ｓ１に応じて作動する。切り替え部９４の駆動部９５がステッピングモーターである時、制御信号Ｓ１としてのパルス信号列に応じてモーター軸が回転する。制御信号Ｓ１によりモーターの回転軸が１８０°回転する時、開閉部材９６の状態が閉状態と開状態の間で切り替えられる。なお、開閉部材９６の位置を検出して開閉部材９６の位置をフィードバック制御する形態も想定される。

閉状態の開閉部材９６は、流路９１を流れる排気ガスが第２流路Ｐ２、すなわち、セラミックス円筒体１０の筒穴Ｈ１０に流入することを阻止する。この状態において、排気ガスは、セラミックス円筒体１０の第１流路Ｐ１、端的には、セラミックス円筒体１０のセルＯＰ１０に流入する。セラミックス円筒体１０の第１流路Ｐ１（セルＯＰ１０）から流出した排気ガスは、加熱装置９２よりも下流側の排気ガス浄化装置９３に流入する。

閉状態から開状態に開閉部材９６を切り替えることにより、排気ガスが第１流路Ｐ１（セルＯＰ１０）に流入していた状態から第２流路Ｐ２（筒穴Ｈ１０）に流入する状態に推移する。セラミックス円筒体１０の第２流路Ｐ２（筒穴Ｈ１０）から流出した排気ガスは、加熱装置９２よりも下流側の排気ガス浄化装置９３に流入する。

排気ガスは、開閉部材９６が閉状態の時、第１流路Ｐ１（セルＯＰ１０）を通じて流れる。排気ガスは、開閉部材９６が開状態の時、第２流路Ｐ２（筒穴Ｈ１０）を通じて流れる。なお、開閉部材９６が閉状態の時、排気ガスの一部が第２流路Ｐ２（筒穴Ｈ１０）に流れることや、開閉部材９６が開状態の時、排気ガスの一部が第１流路Ｐ１（セルＯＰ１０）に流れることも想定される。開閉部材９６が閉状態と開状態の間で推移する時、排気ガスが、第１流路Ｐ１及び第２流路Ｐ２の両方に流入することも想定される。

コントローラー９９は、開閉部材９６の制御に加え、加熱装置９２の通電状態を制御することができる。コントローラー９９は、制御信号Ｓ２をスイッチＳＷに提供し、加熱装置９２の通電状態をオン（ＯＮ）状態とオフ（ＯＦＦ）状態の間で切り替える。なお、コントローラー９９は、アナログ回路、デジタル回路、アナログデジタル混在回路、マイコン又はこれらの任意の組み合わせにより構築可能である。加熱装置９２の通電制御のため、及び、開閉部材９６の状態制御のために別々のコントローラーが用いられる形態も想定される。制御信号Ｓ１，Ｓ２は、例えば、パルス信号である。

流路９１における排気ガスの流れ方向において加熱装置９２が排気ガス浄化装置９３よりも上流側に設けられ、エンジン始動時に加熱装置９２に到達する低温の排気ガスを昇温した上で排気ガス浄化装置９３に供給することができる。結果として、排気ガス浄化装置９３におけるより十分な浄化が促進される。他方、エンジン始動時から所定時間を経過した後、加熱装置９２に到達する排気ガスの温度は十分に高温であり、排気ガスを昇温する必要性が低くなる。エンジン始動時から所定時間を経過した後、開閉部材９６は、セラミックス円筒体１０の筒穴Ｈ１０を閉鎖しない開状態を取るように制御され、排気ガスは、セラミックス円筒体１０の筒穴Ｈ１０を通じて排気ガス浄化装置９３に供給される。排気ガスの浄化性能と背圧の抑制のバランスが達成される。

なお、排気ガス浄化装置９３は、例えば、触媒を担持したセラミックス触媒担体である。排気ガス浄化装置９３における触媒を介した化学反応により、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、窒化酸化物（ＮＯ_x）、炭化水素（ＨＣ）が、二酸化炭素（ＣＯ₂）、窒素（Ｎ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）に変換される。排気ガス浄化装置９３に含まれる触媒担体は、排気ガスの流れ方向に沿って延びるセルＯＰ９３（図１参照）が２次元状に配置された柱状部材であり、ハニカム構造体と呼ばれる。触媒担体は、必ずしもこの限りではないが、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）又はＳｉＣといったセラミックス材料を含む。触媒担体に担持される触媒は、例えば、セリア系触媒又は貴金属系触媒又はこれらの組み合わせである。貴金属系触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）といった貴金属材料が例示される。

加熱装置９２は、図２及び図３に示すように、導電性のセラミックス円筒体１０と、セラミックス円筒体１０の内壁部１４に電気的に結合した内側電極２０と、セラミックス円筒体１０の外壁部１５に電気的に結合した外側電極３０を有する。なお、加熱装置９２は、排気ガスの昇温する用途に限定されず、加熱装置９２は、排気ガスを浄化する用途にも使用可能である。すなわち、セラミックス円筒体１０のセルＯＰ１０を画定する第１リブ１１又は第２リブ１２が触媒を担持する形態も想定される。加熱装置９２の排ガス浄化性能が十分であれば、排気ガス浄化装置９３が省略される。

セラミックス円筒体１０は、導電性セラミックス材料から成る多孔体である。導電性セラミックス材料は、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ結合－ＳｉＣ、及びＳｉ金属含浸Ｓｉ－ＳｉＣから選択される１以上のものである。セラミックス円筒体１０は、幾つかの形態では、押出成形に基づいて製造される。ある形態では、セラミックス円筒体１０は、少なくともＳｉＣ粉末、金属Ｓｉ粉末、分散媒（例えば、水）、及び有機バインダーが混合された坏土の押出成形により得られた成形体の焼成により製造される。セラミックス円筒体１０の内径Ｒ１は、４０～３５０ｍｍの範囲内であり、セラミックス円筒体１０の外径Ｒ２は、５０～４００ｍｍの範囲内である。内側電極２０及び／又は外側電極３０は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスといった金属製電極である。内側電極２０及び／又は外側電極３０の厚みは、０．５～２０ｍｍである。

セラミックス円筒体１０は、軸方向に延びる円筒体であり、第１端部１８と第１端部１８の反対側の第２端部１９を有する。セラミックス円筒体１０には複数のセルＯＰ１０が設けられる。各セルＯＰ１０は、セラミックス円筒体１０の径方向に沿って延びる一対の第１リブ１１と、セラミックス円筒体１０の径方向に交差するように延びる一対の第２リブ１２により画定される。セラミックス円筒体１０には、セラミックス円筒体１０の軸方向に沿って延び、セラミックス円筒体１０の第１端部１８と第２端部１９それぞれにて開口した筒穴Ｈ１０を有する。筒穴Ｈ１０は、セルＯＰ１０により囲まれるように位置付けられた空間であり、セラミックス円筒体１０の内壁部１４により画定される。上述のように、セルＯＰ１０が、排気ガスのための第１流路Ｐ１を提供する。筒穴Ｈ１０は、排気ガスのための第２流路Ｐ２を提供する。

第１リブ１１は、セラミックス円筒体１０の径方向に沿って直線的に延びる。第２リブ１２は、セラミックス円筒体１０の径方向に交差するように直線的又は弧状又は別の態様で延びる。幾つかの形態では、第１リブ１１及び第２リブ１２それぞれの厚みは、０．０５～０．５ｍｍの範囲内である。

図３に示すセラミックス円筒体１０において最も径方向内側に位置するセルＯＰ１０は、一対の第１リブ１１と、セラミックス円筒体１０の内壁部１４、第２リブ１２により画定される。セラミックス円筒体１０において最も径方向外側に位置するセルＯＰ１０は、一対の第１リブ１１と、セラミックス円筒体１０の外壁部１５、第２リブ１２により画定される。

幾つかの形態では、セラミックス円筒体１０の内壁部１４は、セラミックス円筒体１０の最も径方向内側に位置する第２リブ１２がセラミックス円筒体１０の周方向に結合した部分である。同様、セラミックス円筒体１０の外壁部１５は、セラミックス円筒体１０の最も径方向外側に位置する第２リブ１２がセラミックス円筒体１０の周方向に結合した部分である。従って、セラミックス円筒体１０において最も径方向内側に位置するセルＯＰ１０は、一対の第１リブ１１と、一対の第２リブ１２により画定される。セラミックス円筒体１０において最も径方向外側に位置するセルＯＰ１０は、一対の第１リブ１１と、一対の第２リブ１２により画定される。

セルＯＰ１０は、セラミックス円筒体１０の軸方向に沿って延び、セラミックス円筒体１０の第１端部１８と第１端部１８の反対側の第２端部１９それぞれにて開口する。換言すれば、セルＯＰ１０は、セラミックス円筒体１０の第１端部１８で第１開口端を有し、セラミックス円筒体１０の第２端部１９で第２開口端を有する。なお、セルＯＰ１０は、加熱装置９２が流路９１に配置される時、流路９１における排気ガスの流れ方向に沿って延びる。各セルＯＰ１０は、矩形状の開口形状を有するが、これに限られるものではない。

セラミックス円筒体１０において、セラミックス円筒体１０の径方向に複数のセルＯＰ１０が配置された２以上のセル列Ｃ１～Ｃ６が放射状に設けられる。図３では選択された合計６つのセル列に対してＣ１～Ｃ６が付与されているが、実際には、５０以上のセル列がセラミックス円筒体１０に設けられる。各セル列に含まれるセルＯＰ１０の個数は、幾つかの形態では一定であり、別の形態では異なる。

セラミックス円筒体１０の周方向に沿ってセルＯＰ１０が配置されたセル行Ｄ１～Ｄ６も定義可能である。セル行Ｄ１～Ｄ６は、セラミックス円筒体１０の中心軸に関して同心円状に設けられる。セル行の数は、６つに限られない。幾つかの形態では、セル行の数は、２０以下である。セラミックス円筒体１０の外径Ｒ２が流路９１の内径に拘束される場合、セル行の増加は、セラミックス円筒体１０の内径Ｒ１の減少、ひいては初期加熱期間終了後の通常運転期間の背圧の増加に帰結してしまう。

図４を参照してシステム９０の動作について説明する。コントローラー９９は、時刻ｔ１においてＨレベルの制御信号Ｓ２を出力し、スイッチＳＷをオン（ＯＮ）状態としてセラミックス円筒体１０の通電を開始する。セラミックス円筒体１０の通電開始に伴ってセラミックス円筒体１０の温度は上昇する。これにより、セラミックス円筒体１０の第１流路Ｐ１、すなわち、セルＯＰ１０を流れる排気ガスの温度を高めることができる。時刻ｔ２においてエンジンが始動する。エンジンの始動に伴い、エンジン回転数が徐々に増加する。エンジンの始動時、セラミックス円筒体１０が十分に高い温度に到達している。従って、エンジンから加熱装置９２に到達した排気ガスは、加熱装置９２の第１流路Ｐ１（セルＯＰ１０）を通過することにより十分に昇温される。時刻ｔ３において、コントローラー９９は、制御信号Ｓ２をＨレベルからＬレベルに切り替える。これにより、セラミックス円筒体１０の通電が終了する。

コントローラー９９は、時刻ｔ４においてＨレベルの制御信号Ｓ１を出力し、開閉部材９６を開状態にセットする。排気ガスは、加熱装置９２の第１流路Ｐ１（セルＯＰ１０）に代えて第２流路Ｐ２（筒穴Ｈ１０）に流入し始める。端的には、排気ガスは、セラミックス円筒体１０の筒穴Ｈ１０を介して排気ガス浄化装置９３に供給され始める。エンジンの始動時には開閉部材９６が閉状態を取り、背圧が増加してしまう。しかし、エンジン始動から所定時間が経過した後、開閉部材９６が開状態を取り、背圧が低減される。エンジン始動時、排気ガスの昇温の代償として背圧が増加してしまうが、これは、エンジンの始動時に限ったものである。

幾つかの形態では、時刻ｔ３、ｔ４は、エンジンの始動タイミングに同期したタイミングである。つまり、Ｌレベルの制御信号Ｓ２（つまり通電終了指令）とＨレベルの制御信号Ｓ１（流路変更指令）は、エンジンの始動に同期して生成される。幾つかの形態では、セラミックス円筒体１０の通電開始（Ｈレベルの制御信号Ｓ２）に同期してエンジンが始動する。例えば、セラミックス円筒体１０の通電開始時点から予め定められた時間の経過後、エンジンが始動される。なお、エンジンの始動後にセラミックス円筒体１０の通電が開始する形態も想定される。

幾つかの形態では、加熱装置９２は、流路９１の拡径部９１ａの下流側に隣接して設けられる（図１参照）。これにより開閉部材９６が開状態の時、セラミックス円筒体１０のセルＯＰ１０に排気ガスが流入することが抑制される。なお、開閉部材９６が開状態に切り替えられた後もセラミックス円筒体１０の通電を継続する形態も想定される。

本実施形態では、図３に示すように、セラミックス円筒体１０の径方向に延びる同一の軸線ＲＬ上に配置された複数の第１リブ１１を含むようにセラミックス円筒体１０の径方向に直線的に延びる直線部１３が、セラミックス円筒体１０において放射状に配列される。更には、内側電極２０及び外側電極３０は、内側電極２０と外側電極３０の間で少なくとも直線部１３を介して放射状に電流が流れるように設けられる。直線部１３は、内側電極２０と外側電極３０の間を直線状に延びる電流路を提供し、内側電極２０と外側電極３０の間の最短距離を電流が流れることが促進される。内側電極２０と外側電極３０は、セラミックス円筒体１０における放射状の電流路の形成を許容する。これにより、セラミックス円筒体１０の通電開始時の大きな温度勾配の発生を抑制する態様でよりセラミックス円筒体１０を短時間に目標温度まで昇温することが促進される。

直線部１３は、セラミックス円筒体１０の径方向に延びる同一の軸線ＲＬ上に配置された複数の第１リブ１１を含む。直線部１３は、同一の軸線ＲＬ上の第１リブ１１が連続した部分であると理解しても良い。直線部１３の幅Ｗ１３は、セラミックス円筒体１０の径方向において一定である。代替的に、直線部１３の幅Ｗ１３は、セラミックス円筒体１０の径方向内側から径方向外側に向けて変化する。セラミックス円筒体１０の径方向において直線部１３の幅Ｗ１３が一定であることは、理論的には、その直線部１３に電流が流れる時に生じる発熱量がセラミックス円筒体１０の径方向において一定であることを意味し、セラミックス円筒体１０の径方向における大きな温度勾配の発生が抑制される。直線部１３の幅Ｗ１３は、幾つかの形態では、０．０５～０．５ｍｍの範囲内にあり、又は、０．０５～０．２ｍｍの範囲内にある。なお、直線部１３の幅Ｗ１３の上限は、背圧増加の抑制の観点又は製造条件又はこれ以外の理由から制限され得る。

セラミックス円筒体１０における直線部１３の放射状配列に基づいて、セラミックス円筒体１０における放射状の電流路が生じる。放射状の電流路は、内側電極２０と外側電極３０の間に形成される。端的には、内側電極２０から外側電極３０に向かって電流が放射状に流れ、又は、外側電極３０から内側電極２０に向かって電流が放射状に流れる。

幾つかの形態では、直線部１３は、３６０°の角度範囲内において所定角度間隔で設けられる。追加的又は代替的に、直線部１３は、セラミックス円筒体１０において軸対称に設けられる。所定角度間隔は、１°～５°の範囲内、又は、１°～３°の範囲内、又は１°～２°の範囲内である。例えば、２００個の直線部１３が設けられる場合、直線部１３は、（３６０°／２００）＝１．８°の角度間隔で設けられる。電流路の数は、直線部１３の数に一致する。従って、このようなセラミックス円筒体１０が通電される時、２００個の電流路が１．８°間隔で生じる。

内側電極２０と外側電極３０は、放射状の電流路の形成を促進するように設けられる限りにおいて、様々な形状を取ることができる。しかしながら、セラミックス円筒体１０に対する電極の取り付け強度を高めるため、或いは、セラミックス円筒体１０と電極の間の電気的な接続不良を抑制するため、内側電極２０及び／又は外側電極３０として筒状電極が採用される。つまり、幾つかの形態では、内側電極２０及び／又は外側電極３０が筒状電極である。

外側電極３０として筒状電極が用いられる時、外側電極３０の電極層は、セラミックス円筒体１０の周方向に延びてセラミックス円筒体１０を囲む。外側電極３０の電極層は、セラミックス円筒体１０の外壁部１５よりも径方向外側に設けられる。外側電極３０は、セラミックス円筒体１０の外壁部１５に対して嵌め合わされ得る。内側電極２０として筒状電極が用いられる時、内側電極２０の電極層は、セラミックス円筒体１０の周方向に延びてセラミックス円筒体１０により囲まれる。内側電極２０の電極層は、セラミックス円筒体１０の内壁部１４よりも径方向内側に設けられる。内側電極２０は、セラミックス円筒体１０の内壁部１４に対して嵌め合わされる。

必ずしもこの限りではないが、筒状電極は、セラミックス円筒体１０の内壁部１４の内壁面１６の全域に亘って形成され、又は、セラミックス円筒体１０の外壁部１５の外壁面１７の全域に亘って形成される。筒状電極自体の配線抵抗が減少し、また、筒状電極とセラミックス円筒体１０の良好な電気的接続が促進される。

図５は、外側電極３０とセラミックス円筒体１０の間に中間層３９が設けられ、またセルＯＰ１０の角部にＲ面８０が形成される形態を示す概略図である。内側電極２０とセラミックス円筒体１０の間に中間層３９を設け、又は、外側電極３０とセラミックス円筒体１０の間に中間層３９を設ける形態が想定される。中間層３９は、導電性材料から成り、セラミックス円筒体１０と電極の間の良好な電気的接続又は機械的接続を促進する。中間層３９は、例えば、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、炭素（Ｃ）から成る群から選択される１以上の材料を含む。中間層３９は、幾つかの形態では、導電性スラリー、導電性粉体、導電性ペーストであり、セラミックス円筒体１０の内周面又は外周面に塗布される。中間層３９は、必要に応じて加熱処理（又は焼成）されて硬質層になる。中間層３９の厚みは、０．０５～２ｍｍの範囲内である。

セルＯＰ１０の少なくとも１つ又は各角部にはＲ面８０が形成される。換言すれば、セルＯＰ１０の角部にＲ面８０が形成されるようにセルＯＰ１０が形状付けられる。これによりセルＯＰ１０の角部での応力集中が避けられ、またセラミックス円筒体１０の機械的な強度が高められる。

図６は、セラミックス円筒体１０の軸方向に延びる溝３８が外側電極３０の内周面に形成される形態を示す概略図である。図７は、セラミックス円筒体１０の軸方向に延びる溝３８が外側電極３０の外周面に形成される形態を示す概略図である。図６及び図７のいずれの場合においても外側電極３０として筒状電極が用いられる。このように幾つかの形態では、内側電極２０又は外側電極３０として用いられる筒状電極にはその周方向に沿って溝３８が設けられ、これにより、セラミックス円筒体１０への筒状電極の嵌め合わせが促進される。

筒状電極としての外側電極３０がセラミックス円筒体１０に嵌め合わされる場合、外側電極３０からセラミックス円筒体１０に対して圧力が付与される。これにより、セラミックス円筒体１０への外側電極３０のより十分な固定が促進され、また、セラミックス円筒体１０と外側電極３０のより良好な電気的接続又は機械的接続が促進される。この点は、セラミックス円筒体１０と外側電極３０の間に中間層３９が設けられる場合も同様である。上述の圧力は、セラミックス円筒体１０に対して外側電極３０を焼き嵌めることにより得られる。外側電極３０を加熱して開口径を大きくした状態で外側電極３０内にセラミックス円筒体１０を挿入又は圧入する。外側電極３０の冷却に伴い、外側電極３０の開口径が小さくなり、これにより、外側電極３０からセラミックス円筒体１０への圧力付与が生じる。

筒状電極としての内側電極２０がセラミックス円筒体１０に嵌め合わされる場合、内側電極２０からセラミックス円筒体１０に対して圧力が付与される。これにより、セラミックス円筒体１０への内側電極２０のより十分な固定が促進され、また、セラミックス円筒体１０と内側電極２０のより良好な電気的接続又は機械的接続が促進される。この点は、セラミックス円筒体１０と内側電極２０の間に中間層３９が設けられる場合も同様である。上述の圧力は、セラミックス円筒体１０に対して内側電極２０を冷やし嵌め又は圧入することにより得られる。内側電極２０を冷却して外径を小さくした状態でセラミックス円筒体１０の筒穴Ｈ１０内に内側電極２０を挿入又は圧入する。内側電極２０の昇温に伴い、内側電極２０の外径が大きくなり、これにより、内側電極２０からセラミックス円筒体１０への圧力付与が生じる。

セラミックス円筒体１０の内径Ｒ１と外径Ｒ２の関係については、０．３＜（Ｒ１／Ｒ２）を満足し、より好ましくは、０．６＜（Ｒ１／Ｒ２）を満足する。内径を小さくすればするほど、半径方向での、発熱量／熱容量比率の変化が大きくなり、温度差が大きくなる。０．３＜Ｒ１／Ｒ２又は０．６＜Ｒ１／Ｒ２を満足することにより背圧の増加を抑制することができる。幾つかの形態では、０．３＜Ｒ１／Ｒ２＜０．９を満足し、より好ましくは、０．６＜Ｒ１／Ｒ２＜０．８を満足する。

図８は、第２リブの幅Ｗ１２がセラミックス円筒体に関する径方向内側から径方向外側に向けて漸減する形態を示す概略図である。直線部１３の放射状配列により内側電極２０と外側電極３０の間で電流が放射状に流れることは上述と同様である。第２リブの幅Ｗ１２は、セラミックス円筒体１０に関する径方向内側から径方向外側に向けて漸減する。換言すれば、セラミックス円筒体１０の径方向において隣接する第２リブ１２に関して、セラミックス円筒体１０の径方向外側に位置する第２リブの幅Ｗ１２は、セラミックス円筒体１０の径方向内側に位置する第２リブの幅Ｗ１２よりも小さい。セラミックス円筒体１０の径方向外側での熱容量を小さくすることができる。第２リブの幅Ｗ１２は、セラミックス円筒体１０の径方向における温度勾配の程度を低減するように設定される。

図８とは異なる幾つかの形態では、第２リブの幅Ｗ１２は、セラミックス円筒体１０に関する径方向内側から径方向外側に向けて漸増する。換言すれば、セラミックス円筒体１０の径方向において隣接する第２リブ１２に関して、セラミックス円筒体１０の径方向外側に位置する第２リブの幅Ｗ１２は、セラミックス円筒体１０の径方向内側に位置する第２リブの幅Ｗ１２よりも大きい。セラミックス円筒体１０の径方向内側での熱容量を小さくすることができる。第２リブの幅Ｗ１２は、セラミックス円筒体１０の径方向における温度勾配の程度を低減するように設定される。

セラミックス円筒体１０の径方向外側の位置の第２リブ１２が、セラミックス円筒体１０の径方向内側の位置の第２リブ１２よりもセラミックス円筒体１０の周方向に沿って長く延在する形態が想定される。セラミックス円筒体１０の径方向内側の第２リブの幅Ｗ１２とセラミックス円筒体１０の径方向外側の第２リブ１２の幅Ｗ１２が同一の時、直線部１３に接続する第２リブ１２に応じた熱容量がセラミックス円筒体１０の径方向内側よりも径方向外側で大きくなる。セラミックス円筒体１０に関する径方向内側から径方向外側に向けて第２リブの幅Ｗ１２が漸減する場合、セラミックス円筒体１０の径方向内側と径方向外側の各位置において直線部１３に接続される第２リブ１２に応じた熱容量がより近い値になる。第２リブの幅Ｗ１２が変化する態様は様々であるが、幾つかの形態では、第２リブの幅Ｗ１２がセラミックス円筒体１０の径方向において一定の割合で変化する。

図９は、セルＯＰ１０の開口形状が歪んだ矩形状である形態を示す概略図である。図９に示すように第２リブ１２は周方向に沿って弧状又は湾曲して延びる形態も想定される。直線部１３の放射状配列により内側電極２０と外側電極３０の間で電流が放射状に流れることは上述と同様である。

図１０は、Ｍ（Ｍ＝２以上の自然数）個のセルが配置されたセル列とＮ個（Ｎ＝２以上の自然数であり、Ｍとは異なる）のセルが配置されたセル列が周方向において交互に配置される形態を示す概略図である。図１０に示す場合、Ｍ＝３であり、Ｎ＝４である。直線部１３の放射状配列により内側電極２０と外側電極３０の間で電流が放射状に流れることは上述と同様である。

図１１は、直線部１３の幅Ｗ１３がセラミックス円筒体１０の径方向内側から径方向外側に向けて漸増する形態を示す概略図である。

ジュールの法則として次式が知られている。
Ｑ＝（Ｖ²／Ｒ）ｔ＝（Ｉ²Ｒ）ｔ
ここで、Ｑは、熱量（Ｊ）を意味し、Ｖは、電圧（Ｖ）を意味し、Ｒは、抵抗（Ω）を意味し、ｔは、時間（秒）を意味する。
１つの直線部１３に流れる電流は一定であり、従って、直線部１３の抵抗（Ｒ）の増加に応じて発熱量が大きくなる。直線部１３の幅の減少により直線部１３の抵抗が増加し、発熱量が高くなる。

直線部１３の幅Ｗ１３は、セラミックス円筒体１０の径方向に沿って変化する形態が想定される。図１１に示す形態では、直線部１３の幅Ｗ１３が、セラミックス円筒体１０の径方向内側から径方向外側に向けて漸増する。図１２に示す形態では、直線部１３の幅Ｗ１３が、セラミックス円筒体１０の径方向内側から径方向外側に向けて漸減する。セラミックス円筒体１０の径方向における直線部１３の幅の変化は、セラミックス円筒体１０の径方向におけるは熱容量の変化を意味する。図１２に示す形態では、セラミックス円筒体１０の径方向外側における発熱量が、セラミックス円筒体１０の径方向内側における発熱量よりも大きくなる。発熱に寄与しない第２リブ１２の熱容量も径方向外側ほど大きいため、セラミックス円筒体１０の径方向における温度勾配が緩和される。

直線部１３の幅がセラミックス円筒体１０の径方向外側から内側に向かって漸増する形態も想定される。流路９１を適切に設計し、開口サイズが小さいセルＯＰ１０に排気ガスが流入しやすいことを促進することも可能である。

外径７０ｍｍ、内径５０ｍｍ、軸方向長４６ｍｍのセラミックス円筒体に内側電極と外側電極を固定した。セラミックス円筒体は、多孔質Ｓｉ結合ＳｉＣ製である。内側電極と外側電極は、各々、筒状電極であり、ステンレス製である。セラミックス円筒体におけるセルの配置は、図３に示したとおりであり、直線部が放射状に設けられる。ソフトウェアを用いてシミュレーションした。シミュレーション条件としては、内側電極と外側電極の間のセラミックス円筒体に１秒間に亘り電圧４５Ｖを印加した。

［比較例１］
外径７０ｍｍ、内径５０ｍｍ、軸方向長４６ｍｍのセラミックス円筒体に内側電極と外側電極を固定した。セラミックス円筒体は、多孔質Ｓｉ結合ＳｉＣ製である。内側電極と外側電極は、各々、筒状電極であり、ステンレス製である。セラミックス円筒体におけるセルの配置は、図１４に示したとおりである。ソフトウェアを用いてシミュレーションした。シミュレーション条件としては、内側電極と外側電極の間のセラミックス円筒体に１秒間に亘り電圧４５Ｖを印加した。

［比較例２］
図１５に示すように、外径１００ｍｍ、軸方向長４６ｍｍのセラミックス円柱体１００に第１外周電極１０１と第２外周電極１０２を固定した。第１外周電極１０１と第２外周電極１０２は、セラミックス円柱体１００を挟むように位置付けられる。セラミックス円柱体は、多孔質Ｓｉ結合ＳｉＣ製である。内側電極と外側電極は、各々、弧状電極であり、ステンレス製である。セラミックス円柱体におけるセルの配置は、図１５に示したとおりである。ソフトウェアを用いてシミュレーションした。シミュレーション条件としては、内側電極と外側電極の間のセラミックス円筒体に１秒間に亘り電圧４５Ｖを印加した。

実施例と比較例それぞれについてセラミックス円筒体に生じる最高温度と最低温度の差を求めた。結果は、図１３に概略的に示すとおりであり、また、より詳細には表１に示すとおりである。

比較例２では、通電開始に応じて、第１外周電極１０１と第２外周電極１０２の間のセラミックス円柱体１００の部分に電流路が形成される。この電流路にてジュール熱が発生し、電流路に熱的に接続されたセルやリブへの熱伝導が生じる。セラミックス円柱体１００を短時間に目標温度まで昇温する場合、熱伝導よりもジュール熱が支配的であるため、セラミックス円柱体１００の断面において顕著な温度勾配が生じてしまう（表１参照）。

上述の開示を踏まえ、当業者は、各実施形態に対して様々な変更を加えることができる。

１０ セラミックス円筒体
１１ 第１リブ
１２ 第２リブ
１３ 直線部
１４ 内壁部
１５ 外壁部
２０ 内側電極
３０ 外側電極
ＯＰ１０ セル

Claims (19)

1. セラミックス円筒体の径方向に沿って延びる一対の第１リブと、前記セラミックス円筒体の径方向に交差するように延びる一対の第２リブにより画定された複数のセルが設けられた導電性のセラミックス円筒体と、
   前記セラミックス円筒体の内壁部に電気的に結合した内側電極と、
   前記セラミックス円筒体の外壁部に電気的に結合した外側電極を備え、
   前記セラミックス円筒体の径方向に延びる同一の軸線上に配置された複数の第１リブを含むように前記セラミックス円筒体の径方向に直線的に延びる直線部が、前記セラミックス円筒体において放射状に配列され、
   前記内側電極及び前記外側電極は、前記内側電極と前記外側電極の間で少なくとも前記直線部を介して放射状に電流が流れるように設けられ、
   前記直線部は、前記内側電極と前記外側電極の間を直線状に延びる電流路を提供する、加熱装置。
2. 前記直線部の幅は、前記セラミックス円筒体の径方向に沿って一定である、請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記直線部は、３６０°の角度範囲内において所定角度間隔で設けられる、請求項１又は２に記載の加熱装置。
4. 前記所定角度間隔は、１°～５°の範囲内である、請求項３に記載の加熱装置。
5. 前記内側電極及び／又は前記外側電極は、筒状電極である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の加熱装置。
6. 前記筒状電極は、前記セラミックス円筒体の前記内壁部の内壁面の全域に亘って形成され、又は、前記セラミックス円筒体の前記外壁部の外壁面の全域に亘って形成される、請求項５に記載の加熱装置。
7. 前記筒状電極にはその周方向に沿って配置された溝が設けられる、請求項５又は６に記載の加熱装置。
8. 前記セラミックス円筒体の内径をＲ１とし、前記セラミックス円筒体の外径をＲ２とするとき、
   ０．３＜（Ｒ１／Ｒ２）
   を満足する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の加熱装置。
9. 前記セラミックス円筒体の内径をＲ１とし、前記セラミックス円筒体の外径をＲ２とするとき、
   ０．６＜（Ｒ１／Ｒ２）
   を満足する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の加熱装置。
10. 前記第１リブ及び第２リブそれぞれの厚みが、０．０５～０．５ｍｍの範囲内である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の加熱装置。
11. 前記第２リブの幅は、前記セラミックス円筒体に関する径方向内側から径方向外側に向けて漸減する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の加熱装置。
12. 前記セラミックス円筒体の径方向において隣接する前記第２リブに関して、前記セラミックス円筒体の径方向外側に位置する前記第２リブの幅は、前記セラミックス円筒体の径方向内側に位置する前記第２リブの幅とは異なる、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の加熱装置。
13. 前記セルの少なくとも１つ又は各角部にはＲ面が形成される、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の加熱装置。
14. 排気ガスが流れる流路と、
    請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の加熱装置と、
    前記流路における排気ガスの流れ方向において前記加熱装置よりも下流側に設けられる排気ガス浄化装置と、
    前記加熱装置に含まれる前記セラミックス円筒体の前記セルが提供する第１流路と前記セラミックス円筒体の前記セルにより囲まれた筒穴が提供する第２流路の間で前記排気ガスの流路を切り替える切り替え部を備える、システム。
15. セラミックス円筒体の径方向に沿って延びる一対の第１リブと、前記セラミックス円筒体の径方向に交差するように延びる一対の第２リブにより画定された複数のセルが設けられた導電性のセラミックス円筒体を押出成形に基づいて製造する工程と、
    前記セラミックス円筒体に対して内側電極を固定する工程と、
    前記セラミックス円筒体に対して外側電極を固定する工程を含み、
    前記セラミックス円筒体の径方向に延びる同一の軸線上に配置された複数の第１リブを含むように前記セラミックス円筒体の径方向に直線的に延びる直線部が、前記セラミックス円筒体において放射状に配列され、
    前記内側電極及び前記外側電極は、前記内側電極と前記外側電極の間で少なくとも前記直線部を介して放射状に電流が流れるように設けられ、
    前記直線部は、前記内側電極と前記外側電極の間を直線状に延びる電流路を提供する、加熱装置の製造方法。
16. 前記セラミックス円筒体に対して内側電極を固定する工程は、前記セラミックス円筒体に対して前記内側電極を冷やし嵌め又は圧入する工程を含む、請求項１５に記載の加熱装置の製造方法。
17. 前記セラミックス円筒体に対して外側電極を固定する工程は、前記セラミックス円筒体に対して前記外側電極を焼き嵌めする工程を含む、請求項１５又は１６に記載の加熱装置の製造方法。
18. 前記セラミックス円筒体と前記内側電極の間には中間層が設けられる、請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の加熱装置の製造方法。
19. 前記セラミックス円筒体と前記外側電極の間には中間層が設けられる、請求項１５乃至１８のいずれか一項に記載の加熱装置の製造方法。

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