JP7509636B2 - ハニカム基材及びハニカム構造体 - Google Patents
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Description
排ガス浄化装置による有害物質の浄化効率を高めるためには、排ガス浄化装置の内部の温度を触媒活性化に適した温度(以下、触媒活性化温度ともいう)に維持する必要がある。
また、ハイブリッド車両で、上記ハニカム基材を直接加熱する手段を備えていないものでは、モータが稼働し、エンジンが停止している際には、排ガス浄化装置内部の温度が低下し、触媒活性化温度より低い温度になってしまうことがあり、やはり有害物質の排出を、有効に防止することが難しかった。
しかし、実際の排ガス浄化装置におけるハニカム基材では、その断面形状や電極配置等に応じて、部位ごとに発熱量のムラが生じることがあるため、ハニカム基材での温度ムラを少なくして均一な温度分布にすることが望まれる。
すなわち、特許文献1には、流体の流路となり一方の端面である第1端面から他方の端面である第2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、外周に位置する外周壁とを有する柱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、前記ハニカム構造部の中心を挟んで反対側に配設され、前記ハニカム構造部の前記セルの延びる方向に直交する断面において、中心から、外周に向かって中心から外周までの長さの10%の位置まで、の領域を中央部とし、且つ、外周から、中心に向かって外周から中心までの長さの10%の位置まで、の領域を外周部としたときに、前記中央部の開口率が、前記外周部の開口率の0.70~0.95倍であるハニカム構造体が開示されている。
すなわち、特許文献2には、内燃機関から排出される排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって加熱される触媒担体と、前記排気の流れ方向と直交する直交断面で見て前記触媒担体を挟んで対向する位置で触媒担体に接触配置された一対の電極と、前記触媒担体を前記電極中心線と直交する方向に区画して設けられ、区画された前記触媒担体の部位ごとの通電による発熱量が均一に近づくようにそれぞれ異なる体積抵抗率とされた複数の区画部と、を有する触媒コンバータ装置が開示されている。
特許文献1に記載のハニカム構造体では、一対の電極部は、円柱状のハニカム構造部の中心を挟んで反対側に配設されている。特許文献1に記載のハニカム構造体は円柱状であり、隔壁が格子状に配置されているので、部位により一対の電極間の経路の長さには差が生じる。そのため、電流が流れる経路の長さにも差が生じる。
電流が流れる経路の長さが短いとその経路における抵抗が低くなるので、その経路は電流が流れやすくなる。
ハニカム構造体の発熱量は電流密度に依存するので、特許文献1に記載のハニカム構造体では、部位により発熱量に差が生じるという問題があった。
この一対の電極から電流を流すことにより抵抗発熱体であるハニカム基材は発熱することになる。
このようにハニカム基材を加熱する際に、電流が流れる箇所はセルの隔壁である。
仮にハニカム基材の全ての領域において、セルの隔壁が、第1方向と第1方向に垂直な方向に沿って格子状に形成されていたとする。
このようなハニカム基材の長手方向に垂直な断面において、第1領域の弧の中点と、第2領域の弧の中点を結ぶ線分を中心線とする。
一般的に、電流は電極間の最も抵抗が小さくなる経路を通る性質を有するので、抵抗が同じであれば電極間の最短経路を流れる。そのため、第1領域の弧から流れる電流は、第2領域の弧に向かって中心線と平行な第1方向に沿って流れる。
そのため、ハニカム基材の断面の外周において、第1領域の弧の中点から離れる程、その位置から第1方向に沿って、第1領域から第2領域まで流れる電流の経路は短くなる。
電流が流れる経路の長さが短いとその経路における抵抗が低くなるので、その経路を流れる電流密度が増加する。
ハニカム基材の発熱量は、その部位を流れる電流密度に比例するので、中心線から離れるにつれ、ハニカム基材の発熱量が大きくなる。従って、このようなハニカム基材では、均一に加熱することができない。
しかし、本発明のハニカム基材では、第3領域に形成されたセルの隔壁は、第1方向に対し斜めの第2方向と、第2方向に対し垂直な方向に沿って格子状に形成されている。つまり、第3領域に形成されたセルの隔壁は、第1方向に平行ではない。同様に第4領域に形成されたセルの隔壁は、第1方向に対し斜めの第3方向と、第3方向に垂直な方向に沿って格子状に形成されている。つまり、第4領域に形成されたセルの隔壁は、第1方向に平行ではない。
そのため、第3領域及び第4領域では、電流は第1方向に沿って流れることはできず、第1方向に対し斜めに流れることになる。そのため、第3領域及び第4領域を流れる電流の経路は長くなる。
その結果、第1領域の弧の中点から第2領域の弧の中点を流れる電流の経路と、第1領域の弧の中点から離れた位置から第2領域まで流れる電流の経路との差を小さくすることができる。
そのため、本発明のハニカム基材は、通電加熱時において、均一に加熱することができる。
このような角度であると、第3領域を流れる電流の経路及び第4領域を流れる電流の経路を適度に長くすることができる。そのため、ハニカム基材を、より均一に加熱することができる。
このような熱伝導率が低いハニカム基材であっても、ハニカム基材全体が均一に加熱されることができる。
このような範囲であると、ハニカム基材が好適に加熱される。
ハニカム基材の電気抵抗率が0.1Ω・cm未満であると、発熱量が小さくなる。
ハニカム基材の電気抵抗率が50Ω・cmを超えると、電流が流れにくくなり、投入電力量が大きくなりすぎる。
これらの材料は、抵抗発熱体の材料として優れている。
本発明のハニカム構造体は、上記本発明のハニカム基材を備える。そのため、電極より電流を流すことにより、均一にハニカム基材を加熱することができる。
このように電極を配置することにより、ハニカム基材をより均一に加熱することができる。
以下、本発明のハニカム基材について詳細に説明する。
多数のセルを区画形成する隔壁を有する楕円柱状又は円柱状のハニカム基材であって、上記ハニカム基材は抵抗発熱体であり、上記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面は、断面の中心から外周まで伸びる2つの線分と、上記2つの線分を繋ぐ弧とにより囲まれた第1領域と、上記断面の中心を点対称の中心として、上記第1領域と点対称な領域である第2領域と、上記第1領域を形成する一方の線分と、上記第2領域との間に位置する第3領域と、上記第1領域を形成するもう一方の線分と上記第2領域との間に位置する第4領域とを有し、上記第1領域及び上記第2領域に形成された上記セルの隔壁は、上記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面において、上記断面の中心と上記第1領域の弧の中点とを結ぶ第1方向と、上記第1方向に垂直な方向に沿って格子状に形成されており、上記第3領域に形成された上記セルの隔壁は、上記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面において、上記第1方向に対し斜めの第2方向と、上記第2方向に対し垂直な方向に沿って格子状に形成されており、上記第4領域に形成された上記セルの隔壁は、上記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面において、上記第1方向に対し斜めの第3方向と、上記第3方向に対し垂直な方向に沿って格子状に形成されていることを特徴とする。
本発明のハニカム基材は、上記構成さえ備えていれば、本発明の効果を発揮することができる限り、他にどのような構成を備えていてもよい。
図2Aは、図1のA-A線断面図である。
図2Bは、図2Aに示すハニカム基材の第1領域、第2領域、第3領域及び第4領域を示す模式図である。
さらに、図2A及び図2Bに示すように、ハニカム基材10の長手方向に垂直な断面は、第1領域20を形成する第1線分21と、第2領域30との間に位置する第3領域40と、第1領域を形成する第2線分22と第2領域30との間に位置する第4領域50とを有する。
第1方向D1と第2方向D2とが形成する鋭角の角度は、特に限定されないが、30°~60°であることが好ましい。
第1方向D1と第3方向D3とが形成する鋭角の角度は、特に限定されないが、30°~60°であることが好ましい。
図3は、一対の電極が配置された従来のハニカム基材の長手方向に垂直な断面の一例を模式的に示す断面図である。
説明の便宜上、図3における、ハニカム基材510の上端を、上端T510とし、下端を下端B510とする。
電流は電極間の最も抵抗が小さくなる経路を通る性質を有するので、電気抵抗率が同じであれば電極間の経路の長さに応じて配分して流れる。
ハニカム基材510において電流は、セル511の隔壁512を流れるが、セル511の隔壁512が上端T510と下端B510とを結ぶ方向に沿って形成されている。そのため、ハニカム基材510では、上端T510から下端B510までの最短経路は、ハニカム基材510の中心Oを通る直線状である。
また、図3において、上端T510以外の上面510aの一点である点510a1から下面510bまでの最短距離は、上端T510から下端B510を結ぶ方向と平行である。
そのため、上面510aの各点から下面510bまでの経路の最短距離は、上端T510から離れる程短くなる。
ハニカム基材510の発熱量は、その部位を流れる電流の二乗に比例するので、上端T510から下端B510を結ぶ線分から外側に離れる程、ハニカム基材510の発熱量が大きくなる。従って、このようなハニカム基材510では、正極561および負極562の周方向の端部側が速く熱せられるので、均一に加熱することができない。
そのため、第3領域40では、電流は第1方向D1に沿って流れることはできず、第1方向D1に対し斜めに流れることになる。つまり、第3領域40において、セル11の隔壁12は第2方向D2と第2方向D2に対し垂直な方向に沿って形成されているので、電流は、ジグザグに流れる。従って、第3領域40を流れる電流の経路は、第1方向D1に沿って直線状に流れる場合に比べ長くなる。
同様に、第4領域50では、電流は第1方向D1に沿って流れることはできず、第1方向D1に対し斜めに流れることになる。つまり、第4領域50において、セル11の隔壁12は第3方向D3と第3方向D3に対し垂直な方向に沿って形成されているので、電流は、ジグザグに流れる。従って、第4領域50を流れる電流の経路は、第1方向D1に沿って直線状に流れる場合に比べ長くなる。
その結果、第1領域20の弧23の中点23aから第2領域30の弧33の中点33aを流れる電流の経路の長さと、第1領域20の弧23の中点23aから離れた位置から第2領域30まで流れる電流の経路の長さとの差を小さくすることができる。
そのため、ハニカム基材10は、通電加熱時において、均一に加熱することができる。
図4は、本発明のハニカム基材の長手方向に垂直な断面の一例を模式的に示す断面図である。
図4に示すハニカム基材10は、第1線分21と、第2線分22とが形成する角の角度が90°であり、第1方向D1と第2方向D2とが形成する鋭角の角度が45°であり、第1方向D1と第3方向D3とが形成する鋭角の角度が45°である場合のハニカム基材である。
第1方向D1と第2方向D2とが形成する鋭角の角度は45°なので、第3領域40では、点23a1から第1方向D1に沿って直線状の経路と比較して、√2倍だけ経路が長くなる。
第1方向D1と第3方向D3とが形成する鋭角の角度は45°なので、第4領域50では、点23a2から第1方向D1に沿って直線状の経路と比較して、√2倍だけ経路が長くなる。
そのため、第1領域20の弧23の中点23aから第2領域30の弧33の中点33aまでの最短距離と、他の第1領域20の弧23の一点から第2領域30の弧33の一点までの最短距離の差を小さくすることができる。
そのため、ハニカム基材10を斑なく加熱することができる。
図5は、本発明のハニカム構造体のハニカム基材の中を排ガスが通過する場合の一例を模式的に示す断面図である。
図5は、ハニカム基材10の長手方向に垂直な方向の断面図でもある。
内燃機関から排出された排ガス(図5中、排ガスの流れを矢印Gで示す)が、ハニカム基材10に到達すると、排ガスは、ハニカム基材10の排ガス流入側の端面に開口したセル11に流入する。さらに、排ガスは、隔壁12に担持された触媒13に接触しながらセル11の中を通過する。この際、排ガス中のCOやHC、NOX等の有害なガス成分が隔壁12に担持された触媒13により浄化される。そして、排ガスは、ハニカム基材10の排ガス流出側の端面に開口したセルから流出する。
本明細書において、貴金属の担持量とは、ハニカム基材の見掛けの体積当たりの貴金属の重量をいう。なお、ハニカム基材の見掛けの体積は、空隙の体積を含む体積であり、接着層を含む場合は接着層の体積を含むこととする。
これらの触媒が担持されていると、COやHC、NOX等の有毒な排ガスを好適に浄化することができる。
これらの材料は、抵抗発熱体の材料として優れている。
また、正温度係数を有する抵抗発熱体(PTC材料)であることが好ましい。
このようなPTC材料としては、不純物がドープされたシリコン、MoSi2等が挙げられる。
このように熱伝導率が低いハニカム基材であっても、ハニカム基材全体が均一に加熱されることができる。
このような範囲であると、ハニカム基材が好適に加熱される。
ハニカム基材の電気抵抗率が0.1Ω・cm未満であると、発熱量が小さくなる。
ハニカム基材の電気抵抗率が50Ω・cmを超えると、電流が流れにくくなり、投入電力量が大きくなりすぎる。
なお、本発明のハニカム基材が用いられたハニカム構造体も本発明の一態様である。
図6に示すハニカム構造体1は、上記ハニカム基材10と、ハニカム基材10の第1領域20の弧23に配置された正極61と、ハニカム基材10の第2領域の弧33に配置された負極62とからなる。
ハニカム構造体1では、正極61から負極62に電流を流すことにより、ハニカム基材10を均一に加熱することができる。
なお、本発明のハニカム構造体では、ハニカム基材の第1領域の弧に負極が配置されており、ハニカム基材の第2領域の弧に正極が配置されていてもよい。
このように電極を配置することにより、ハニカム基材10をより均一に加熱することができる。
(1-1)セラミック原料準備工程
まず、ハニカム基材の原料となるセラミック原料を準備する。セラミック原料はSiC、Si、SiO2又はホウ酸等のセラミック用混合物と、有機バインダと、可塑剤と、潤滑剤と、水とを混合することにより準備することができる。
上記セラミック原料には、必要に応じて球状アクリル粒子、グラファイト等の造孔剤を添加してもよい。
次に、上記セラミック原料準備工程で準備したセラミック原料を所定の金型を用いて押出成形し、所定の長さで切断することにより所定の形状を有するハニカム成形体を作製する。
なお、ハニカム成形体の形状、セルの形状、セルの配置、セル隔壁の厚さ、外周壁の厚さ等については、金型の形状を調整することにより調節することができる。特に、金型の形状を調整することにより第1領域、第2領域、第3領域及び第4領域に形成されるセルの隔壁の方向を調整することができる。
次に、上記押出成形工程で得られたハニカム成形体を、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機、又は、凍結乾燥機等を用いて乾燥させる。ハニカム成形体の乾燥では、マイクロ波乾燥機と熱風乾燥機とを併用するか、又は、マイクロ波乾燥機を用いてハニカム成形体をある程度の水分となるまで乾燥させた後、熱風乾燥機を用いてハニカム成形体中の水分を完全に除去してもよい。
次に、上記乾燥工程後のハニカム成形体を300~650℃で、0.5~3時間加熱することによりハニカム成形体中の有機物を除去し、ハニカム脱脂体を作製する。
上記脱脂工程で得られたハニカム脱脂体を窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等の不活性ガス雰囲気下で、1200~1500℃、0.5~4時間焼成する。
以上の工程を経てハニカム基材を作製することができる。
次に、一対の電極を第1領域の弧及び第2領域の弧に配置する。電極は、溶射法、浸漬法等により配置することが好ましい。
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。
[ハニカム基材の製造]
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、ハニカム乾燥体とした。
そしてハニカム乾燥体を、600℃で10時間、脱脂(仮焼)した後、不活性雰囲気下で1325℃で3時間焼成することによりハニカム基材を製造した。上記ハニカム基材の電気抵抗率は、1.5Ωcmであった。
ハニカム構造体の隔壁の厚さは全ての領域において0.15mm、セル密度は全ての領域において85.3個/cm2であった。
ハニカム成形体の成形において、図1における第1線分21と、第2線分22とが形成する角の角度が90°であり、第1方向D1と第2方向D2とが形成する鋭角の角度が30°であり、第1方向D1と第3方向D3とが形成する鋭角の角度が30°となるように成形した以外は、実施例1と同様にして、ハニカム構造体を得た。
ハニカム成形体の成形において、図1における第1線分21と、第2線分22とが形成する角の角度が90°であり、第1方向D1と第2方向D2とが形成する鋭角の角度が60°であり、第1方向D1と第3方向D3とが形成する鋭角の角度が60°となるように成形した以外は、実施例1と同様にして、ハニカム構造体を得た。
ハニカム成形体の成形において、図1における第1線分21と、第2線分22とが形成する角の角度が120°であり、第1方向D1と第2方向D2とが形成する鋭角の角度が45°であり、第1方向D1と第3方向D3とが形成する鋭角の角度が45°となるように成形した以外は、実施例1と同様にして、ハニカム構造体を得た。
ハニカム成形体の成形において、図1における第1線分21と、第2線分とが形成する角の角度が90°であり、第1方向D1と第2方向とが形成する鋭角の角度が15°であり、第1方向D1と第3方向D3とが形成する鋭角の角度が15°となるように成形した以外は、実施例1と同様にして、ハニカム構造体を得た。
ハニカム成形体の成形において、第1~4領域を設けず、図3の形状にした以外は、実施例1と同様にして、ハニカム構造体を得た。
実施例1~5及び比較例1で製造したハニカム構造体につき、各電極に通電端子を形成し200Vの電圧を20秒印加し、サーモカメラを用いてハニカム構造体の表面温度を測定し、最高温度と最低温度の差を確認した。
サーモカメラとしては、赤外線サーモグラフィカメラ (R300SR-H:日本アビオニクス株式会社製)を使用し、ソフトウエア InfReC Analyzer NS9500 Standard Version2.5を使用して、ハニカム構造体の画像内の最高温度及び最低温度を測定した。比較例1のハニカム構造体では、最高温度と最低温度の差が、115℃であったのに対し、実施例1~5のハニカム構造体では、最高温度と最低温度の差が、それぞれ、70℃、85℃、88℃、90℃、103℃と、差が小さくなっており、より均一に加熱されることが確認された。
10、510 ハニカム基材
11、511 セル
12、512 隔壁
13 触媒
20 第1領域
21 第1線分
22 第2線分
23 第1領域の弧
23a 第1領域の弧の中点
30 第2領域
33 第2領域の弧
33a 第2領域の弧の中点
40 第3領域
50 第4領域
61、561 正極
62、562 負極
D1 第1方向
D2 第2方向
D3 第3方向
Claims (8)
- 多数のセルを区画形成する隔壁を有する楕円柱状又は円柱状のハニカム基材であって、
前記ハニカム基材は抵抗発熱体であり、
前記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面は、
断面の中心から外周まで伸びる2つの線分と、前記2つの線分を繋ぐ弧とにより囲まれた第1領域と、
前記断面の中心を点対称の中心として、前記第1領域と点対称な領域である第2領域と、
前記第1領域を形成する一方の線分と、前記第2領域との間に位置する第3領域と、
前記第1領域を形成するもう一方の線分と前記第2領域との間に位置する第4領域とを有し、
前記第1領域及び前記第2領域に形成された前記セルの隔壁は、前記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面において、前記断面の中心と前記第1領域の弧の中点とを結ぶ第1方向と、前記第1方向に垂直な方向に沿って格子状に形成されており、
前記第3領域に形成された前記セルの隔壁は、前記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面において、前記第1方向に対し斜めの第2方向と、前記第2方向に対し垂直な方向に沿って格子状に形成されており、
前記第4領域に形成された前記セルの隔壁は、前記ハニカム基材の長手方向に垂直な断面において、前記第1方向に対し斜めの第3方向と、前記第3方向に対し垂直な方向に沿って格子状に形成されていることを特徴とするハニカム基材。 - 前記第1方向と前記第2方向とが形成する鋭角の角度は、30°~60°である請求項1に記載のハニカム基材。
- 前記第1方向と前記第3方向とが形成する鋭角の角度は、30°~60°である請求項1又は2に記載のハニカム基材。
- 前記ハニカム基材の熱伝導率は、1~70W/mKである請求項1~3のいずれかに記載のハニカム基材。
- 前記ハニカム基材の電気抵抗率は、0.1~50Ω・cmである請求項1~4のいずれかに記載のハニカム基材。
- 前記ハニカム基材は、SiC、Si、SiO2、カーボン又はホウケイ酸塩を含む材料からなる請求項1~5のいずれかに記載のハニカム基材。
- 請求項1~6のいずれかに記載のハニカム基材と、
前記ハニカム基材の表面に配置された一対の電極とを含むハニカム構造体であって、
一方の電極は、第1領域を形成する弧が位置する前記ハニカム基材の表面に配置され、
他方の電極は、第2領域を形成する弧が位置する前記ハニカム基材の表面に配置されていることを特徴とするハニカム構造体。 - 前記一方の電極は、前記第1領域を形成する弧の全体を覆うように配置されており、
前記他方の電極は、前記第2領域を形成する弧の全体を覆うように配置されている請求項7に記載のハニカム構造体。
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