JPH0852318A - 電気的に加熱可能な活性炭ボディおよびその製造方法並びに使用方法 - Google Patents

電気的に加熱可能な活性炭ボディおよびその製造方法並びに使用方法

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JPH0852318A
JPH0852318A JP7128144A JP12814495A JPH0852318A JP H0852318 A JPH0852318 A JP H0852318A JP 7128144 A JP7128144 A JP 7128144A JP 12814495 A JP12814495 A JP 12814495A JP H0852318 A JPH0852318 A JP H0852318A
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Kishor Purushottam Gadkaree
ピュルショッタム ガッカリー キショー
Brian Paul Tyndell
ポール ティンデル ブライアン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 活性炭吸着体において、吸着した気体を容易
に、能率的に、安全にそして経済的に脱着できる。 【構成】 処理すべき流れを通過させる手段を有する、
活性炭からなる非金属モノリシック構造物14を用意し、
このモノリシック構造物上に電流を伝導させるコーティ
ング12を設けて電気的に加熱可能な活性炭構造物10を形
成する。活性炭構造物10が物質を吸着した後、コーティ
ング12に電源を接続して電流を流し、活性炭構造物10の
温度を物質の脱着温度より高い温度まで上昇させてこの
物質の脱着を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、処理すべき流体の流れ
の中の成分を吸着し脱着する活性炭を有するボディ、お
よびその製造方法、並びに使用方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】気体を吸着する用途に活性炭が用いられ
ている。活性炭は、その吸着容量を完全に使い果たす
と、吸着した物質を除去または脱着して活性炭の炭素再
生をしなければならない。
【０００３】脱着工程は特定の物質に対する吸着能力に
依存し、この吸着能力は、気体分子の大きさ、その分極
率、並びに活性炭構造物中の黒鉛の小板（graphitic pl
atelets ）の間の平均距離により決定される。一般的
に、小板間の距離が分子の直径の３から４倍より大きい
場合、吸着能力は小さいので、吸着された物質を容易に
脱着することができる。小板間の距離が分子の直径の３
倍以下である場合、吸着能力が大きいので、吸着した物
質を容易に脱着することはできない。
【０００４】強く吸着されていない物質は、低温で空気
を流すことにより容易に脱着することができる。しかし
ながら、強く吸着された物質に関しては、活性炭を加熱
して吸着した気体の蒸気圧を増加させ、吸着能力を低下
させなければならない。加熱した空気または気流を活性
炭に通して吸着した気体を脱着することができる。
【０００５】一般的に、気流または加熱空気の再生は、
別の反応器中で行なわなければならない。活性炭を繰り
返し再生しなければならない用途においては、気流また
は空気を頻繁に再生すると、費用がかかってしまい好ま
しくない。
【０００６】粒状炭素ベッドに電流を流すことにより、
その炭素に吸着した物質の脱着を行なっている。しかし
ながら、粒状炭素ベッドに電流を流すことには不都合な
点がある。炭素の粒体同士は連続的に接触していない、
すなわち、粒体の間には、気体が流動するのに必要な開
放チャンネルがあるので、粒体の間を通る電流の流れが
均一となることがない。同一の粒体ベッド内でも所定の
流路に沿って電気抵抗が変化し、または流路間でも電気
抵抗は変化するので、加熱によりホットスポットが生じ
てしまい、異なる速度で脱着が行なわれることがある。
電気抵抗は、粒体の非対称的な摩耗のために時間を関数
として変化し、このため均一ではない。活性炭の温度が
上昇するにつれ、電気抵抗が減少して加熱を制御するこ
とができなくなり、発火してしまうこともある。
【０００７】粒体ベッドの所定の横断面を通る電流の大
きさは、流路にある粒体により生じる電気抵抗に依存す
る。例えば、炭素粒体の密度が大きくなれば、電気抵抗
が小さくなり、所定の電圧が加えられたある流路を通る
電流が大きくなる。この種の状況により、ベッドにホッ
トスポットが生じてしまうこともある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】活性炭吸着体を、吸着
した気体が容易に、能率的に、安全にそして経済的に脱
着するような形態にする必要がある。
【０００９】本発明はそのような活性炭吸着体を提供す
ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、処理すべき流
れを通す手段を有する、活性炭からなる非金属モノリシ
ック構造物、および導電手段からなる、電気的に加熱可
能な活性炭ボディを提供する。
【００１１】本発明の方法は、吸着した物質を有する上
述したような電気的に加熱可能な活性炭ボディを提供
し、モノリシック構造物に電流を流して、吸着物質の脱
着温度より高い温度までこの構造物の温度を上昇させ、
これにより吸着した物質を脱着して、この物質を前記構
造物から排出する工程からなる。
【００１２】本発明は、その一部かまたは全部が活性炭
であるモノリシック構造物、およびこの構造物と接触
し、該構造物に電流（直流または交流）を伝導させる手
段からなる。
【００１３】活性炭は、加工して高多孔度を有する炭素
が得られる炭素の非黒鉛微晶質形態を有するといった点
で、他の種類の炭素、例えば、熱分解炭素とは異なる。
活性炭に形成される細孔は、マクロ細孔（例えば、約50
0 オングストロームより大きい直径を有する細孔）およ
びメソ細孔（例えば、約20オングストロームと500 オン
グストロームの間の範囲の直径を有する細孔）であり得
るが、通常、活性炭にはミクロ細孔（例えば、約20オン
グストローム未満の直径を有する細孔）が存在する。こ
のミクロ細孔は様々な分子を吸着する。活性炭は比表面
積が大きいこと（例えば、300 から500 ｍ2 ／ｇ）によ
り特徴付けられ、吸着容量が大きいことで知られてい
る。活性炭の吸着容量は、活性化中に形成されるミクロ
細孔によるものである。他の形態の炭素はミクロ細孔を
有さず、したがって、吸着容量を有していない。
【００１４】本発明は、炭素の導電特性を利用したもの
である。炭素に電流を流すことにより、炭素ボディの抵
抗および加える電圧に依存して、炭素は所定の温度まで
熱くなる。構造物の温度を、吸着した物質の脱着温度よ
り著しく高い温度に上昇させるのに適した抵抗と電圧を
有するボディを設計することができる。したがって、吸
着した物質に応じて、この吸着した物質を脱着させるよ
うに温度を制御することができる。
【００１５】本発明は、前述したように、電流が予測で
きず不規則であり、不均一にしか加熱できないときの、
炭素が粗い粒体の形状であることの欠点を克服するもの
である。活性炭を本発明によるモノリシックまたは一体
の凝集性構造物の形状にすることにより、この構造物に
予測どおりに均一に電流を伝導させ、その結果、ボディ
の寿命を延ばすことができる。
【００１６】活性炭構造物と称することもできる、本発
明によるモノリシック構造物は、活性炭で被覆した非伝
導性無機一体基体の形状をとることもできる。または、
モノリシック構造物は、全体が活性炭により造型された
一体構造物であってもよい。モノリスは、ボディを通っ
て流れを生じさせる手段、例えば、外側から内側に連絡
した細孔のネットワーク、および／または一方の末端か
ら他方の末端に流れを生じさせる、モノリスの一方の末
端から他方の末端に延びる貫通チャンネルを有する。
【００１７】活性炭被覆基体において、この無機基体に
は外面があり、この外面から細孔が基体中に延びてい
る。コーティングは無機基体の細孔に入り込み、これら
の細孔に実質的に全体に亘り分布している。細孔内の炭
素は、細孔の壁にコーティングを形成しており、その結
果、流れが、この流れによって運ばれる物質を吸着する
活性炭と接触する。
【００１８】本発明の基体は、既知の非導電無機材料か
ら既知の方法により作成することができる。
【００１９】この基体は、使用する用途で機能するのに
十分な強度を有し、外面から内側に延びる細孔を有し、
活性炭コーティングを形成する際にさらされる熱処理温
度に耐えられさえすればよい。
【００２０】例えば、粒状の炭素と結合剤とのコーティ
ングの場合には、基体は熱処理温度に耐えるほど十分な
強さを有さなければならない。炭素前駆体の場合には、
基体は炭化温度および活性化温度に耐える強さを有さな
ければならない。
【００２１】基体の全体の開放多孔率（the overall op
en porosity ）は少なくとも約10％、好ましくは約25％
より大きく、最も好ましくは約40％より大きいことが望
ましい。ほとんどの目的にとっては、多孔率の好ましい
範囲は約45％から約55％までである。好ましくは、基体
材料の細孔により「相互連結多孔率」が決定される。こ
の相互連結多孔率は、他の細孔中に連結および／または
他の細孔と交差して、基体内に多孔率の曲がりくねった
ネットワークを形成する細孔により特徴付けられる。
【００２２】適切な多孔性基体の材料の例としては、セ
ラミック、ガラスセラミック、ガラス、およびこれらの
組合せが挙げられる。組合せとは、物理的な組合せまた
は化学的な組合せ、例えば、混合物、化合物、もしくは
複合体を意味する。
【００２３】本発明を限定するものではないが、本発明
を実施するのに特に適した材料の例としては、コージエ
ライト、ムライト、粘土、タルク、ジルコン、酸化ジル
コニウム、ジルコン酸塩、酸化ジルコニウム−尖晶石、
アルミノケイ酸マグネシウム、尖晶石、アルミナ、シリ
カ、ケイ酸塩、ホウ化物、アルミノケイ酸塩（例えば、
磁器）、アルミノケイ酸リチウム、アルミナシリカ、長
石、酸化チタン、溶融シリカ、窒化物、炭化物（例え
ば、炭化ケイ素）、窒化ケイ素またはこれらの組合せが
挙げられる。コージエライトの熱膨脹係数は炭素の熱膨
張係数に匹敵し、活性炭ボディの安定性を高めるので、
コージエライトが好ましい。一般的なセラミック基体の
いくつかが、米国特許第4,127,691 号および同第3,885,
977 号に開示されている。
【００２４】基体は、例えば、管、発泡体、多孔質ボデ
ィまたはハニカムのようないかなる既知の形態をとるこ
ともできる。一般的に、基体は、処理すべき流れがボデ
ィに入ってその中を通過して出ていく開放末端チャンネ
ルを有する。基体は好ましくは、薄壁のマトリックスを
有するハニカムであり、このマトリックスがハニカムの
末端の間に延びる多数の開放末端セルを形成している。
【００２５】本発明を限定するものではないが、本発明
の方法により形成されるハニカムの例としては、約172
セル／ｃｍ2 （1100セル／ｉｎ2 ）、約94セル／ｃｍ2
（600 セル／ｉｎ2 ）、約62セル／ｃｍ2 （400 セル／
ｉｎ2 ）、または約47セル／ｃｍ2 （300 セル／ｉ
ｎ2 ）を有するもの、約31セル／ｃｍ2 （200 セル／ｉ
ｎ2 ）、約15セル／ｃｍ2 （100 セル／ｉｎ2 ）、また
は約2.5 セル／ｃｍ2 （16セル／ｉｎ2 ）、または約1.
5 セル／ｃｍ2 （９セル／ｉｎ2 ）を有するものが挙げ
られる。
【００２６】壁（ウェブ）厚は一般的にほとんどの用途
にとって約0.1 ｍｍから約1.3 ｍｍ（約４ミルから約50
ミル）の範囲に及ぶが、本発明はこれらの寸法に限られ
るものではない。ボディの外寸および外形を用途に応じ
てコントロールするが、上述したものに限定するもので
はない。例えば、セル密度と壁厚との組合せを変えるこ
とができる。
【００２７】コージエライトのハニカムは活性炭の基体
として特に好ましい。
【００２８】好ましくは、基体を炭素前駆体に接触させ
ることにより炭素コーティングを形成する。この炭素前
駆体を硬化させて炭化させ、続いて炭素を活性化させ
る。炭素前駆体の液体は、基体の相互連結多孔に入り込
む。
【００２９】炭素前駆体は、加熱の際に構造が連続的な
炭素に転化される炭素含有物質を意味する。本発明の目
的のために、炭素前駆体は、周囲温度で溶液または液体
の形態にあるか、もしくは加熱または他の手段により液
化可能であり、基体の多孔に入り込むのに適している。
【００３０】硬化、炭化および活性化の結果として、炭
素原子は無作為な三次元の黒鉛小板であって、連続的な
不断の構造として配列されるので、この種類のコーティ
ングが好ましい。この小板は、ミクロンの大きさの細孔
とは区別される、一般的に約５オングストロームから約
50オングストロームまでの吸着用のオングストロームの
大きさの細孔を有する。数百ミクロンの大きさの範囲に
ある細孔をボディ内に形成することができるが、これら
の細孔は吸着容量には貢献しない。硬化および炭化に際
して、基体の相互連結多孔内に物理的に固着したコーテ
ィングが形成される。
【００３１】この種類の好ましいボディの一例が、ヨー
ロッパ特許ＥＰ0608,539号に記載されている。
【００３２】本発明のこの実施態様に有用な炭素前駆体
は、液体のまたは液化可能な炭質物質であればいずれの
ものでもよい。有用な炭素前駆体の例としては、熱可塑
性樹脂（例えば、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリビニルアルコール等）、糖溶液、フルフリルア
ルコール、およびコールタールのピッチが挙げられる。
【００３３】粘度が小さいと炭素前駆体が多孔性の無機
基体中に容易に入り込めるので、低粘度炭素前駆体（例
えば、熱硬化性樹脂）が好ましい。粘度が小さく、炭素
が多量に生成され、他の前駆体と比較して硬化の際の架
橋の程度が大きく、コストが安いので、フェノール樹脂
が最も好ましい。本発明の方法に使用する炭素前駆体の
液体としては、前駆体材料単体または２種類以上の前駆
体材料の混合物が挙げられる。必要に応じて、活性炭を
炭素前駆体の液体に加えて、活性炭構造物の吸着容量を
大きくすることができる。
【００３４】炭素前駆体を無機基体と密接に接触させる
のに適したいかなる方法によって接触を行なってもよ
い。接触を行なう方法の例としては、前駆体溶液（液
体）中に基体を浸漬すること、および前駆体溶液（また
は液体）を直接基体に吹き付けることが挙げられる。
【００３５】基体に保持される炭素前駆体の量に応じ
て、結果として基体に形成される炭素の量が決定され
る。基体を２度以上前駆体に接触させ、その接触させた
基体を接触工程の間に乾燥させることにより、基体に保
持される炭素前駆体の量を増加させることができる。さ
らに、単に基体の全体の多孔率を変えることにより、多
孔性基体において基体に保持される前駆体の量をコント
ロールすることができる（例えば、多孔率を増加させる
と、基体に保持される前駆体の量が増加し、この基体に
形成される炭素の量も増加する）。
【００３６】次いで、基体および炭素前駆体に熱処理を
施して、前駆体を硬化させ、その後前駆体を連続的な炭
素に転化する（炭化）。得られた炭素被覆基体に熱処理
を施して炭素を活性化し活性炭構造物を作成する。
【００３７】通常、被覆した基体を約100 ℃から約200
℃の範囲の温度に約0.5 時間から約5.0 時間までの期間
に亘り加熱することにより硬化を行なう。硬化は一般的
に大気圧の空気中で行なう。特定の前駆体（例えば、フ
ルフリルアルコール）を用いる場合、室温で酸触媒を加
えることにより硬化を行なう。
【００３８】炭化は炭質材料の熱分解であり、これによ
り低分子量の物質（例えば、二酸化炭素、水、等）を除
去し、炭素の固まりを固定化して炭素中に基本的な細孔
構造を形成する。
【００３９】一般的に、約600 ℃から約1000℃までの範
囲の温度に約１時間から約10時間の期間に亘り還元雰囲
気または不活性雰囲気（例えば、窒素、アルゴン、等）
中で基体を加熱することにより、硬化した炭素前駆体の
上述したような転化または炭化を行なう。
【００４０】基体上の炭素前駆体を硬化して炭化する
と、実質的に炭素の連続層の形状にある、コーティング
が基体の全面に亘り広がっている構造物が得られる。こ
の炭素のコーティングは基体の多孔中に固定されてお
り、その結果、強く付着している。炭素コーティングの
上面は炭素の連続層である。
【００４１】上述したように、相互連結多孔が基体に存
在する場合には、組成物内に炭素の固着したネットワー
クが形成され、一層付着力のある炭素コーティングが得
られる。形成した基体の外面に亘り広がる連続した炭素
のコーティングにより、比較的炭素の含有量が少ないに
もかかわらず、吸着容量が大きく、強さが大きく、使用
温度が高い構造物が得られる。基体と炭素の合計重量の
約50％以下、しばしば約30％以下の量で炭素を含有する
構造物を形成できる。
【００４２】上述したような活性炭構造物の活性炭コー
ティングは、活性炭と結合剤のスラリー中に基体を浸漬
することにより製造した炭素コーティングと比較して、
チッピングとフレーキングに対する抵抗が著しく大き
く、強さが大きく、高温に対する抵抗が大きい。さら
に、これらの炭素被覆構造物は、押し出した炭素構造物
またはコーティングが直接炭素から作られた被覆基体よ
りも吸着容量が大きい。これらの特性のために、導電手
段を受け入れ、均一な電流を流すものとして、連続被覆
構造物は優れた候補となっている。
【００４３】活性化を行なって、容積を実質的に大きく
し、炭化中に形成されるミクロ細孔の直径を大きくし、
そして新しい多孔を形成する。活性化を行なうと、表面
積が大きくなり、それにより、構造物の吸着容量が大き
くなる。高温下（例えば、約600 ℃から約1000℃までの
範囲の温度）で、蒸気、二酸化炭素、金属塩化物（例え
ば、塩化亜鉛）、リン酸、または硫化カリウムのような
酸化剤に構造物をさらすような既知の方法により活性化
を行なう。
【００４４】別の実施態様においては、熱可塑性樹脂結
合剤または熱硬化性樹脂結合剤等の結合剤と活性炭粒子
とのスラリーを基体と接触させる従来の技術を用いて、
活性炭のコーティングを施すことができる。これらの結
合剤を炭化させて連続的な炭素コーティングを得ること
ができる。結合剤の含有率は、炭素の導電率に影響を与
えない程度でなければならない。炭素粒子を被覆する結
合剤が多すぎることがあり、結合剤系の電気抵抗が大き
い場合、ホットスポットが生じるという問題がおきるこ
とがある。
【００４５】活性炭被覆構造物に導電手段を備え付けて
電気的に加熱可能な活性炭ボディを形成する。構造物か
またはより詳しくは活性炭に電流を流して活性炭を均一
に加熱できるように導電手段を配置する。導電手段の実
際の位置決めは、該導電手段の種類および構造物の形状
に依存するが、ホットスポットが生じることなく電流を
流して構造物を均一に加熱するかぎり、本発明は導電手
段の特定の種類または構造物の特定の形状に制限される
ものでなはい。
【００４６】一般的に、導電手段は、少なくとも約0.00
1 Ω・ｃｍ、一般的には少なくとも約0.01オーム・ｃ
ｍ、最も一般的には少なくとも約0.10Ω・ｃｍの抵抗率
を有さなければならない。本発明のほとんどの用途にと
っては、抵抗率は約0.10Ωｃｍから約25Ω・ｃｍの間の
範囲にある。
【００４７】本発明の目的に関しては、ボディの抵抗率
は次式により定義される：
【００４８】
【数１】
【００４９】ここで、ρはΩ・ｃｍで示した抵抗率であ
り、ＲはΩで示した抵抗であり、Ａはｃｍ2 で示した導
電表面の面積であり、Ｌはｃｍで示した２つの導電表面
の間の距離である。
【００５０】電圧と電流に関する必要条件は用途に応じ
て変わり、抵抗率も上記等式により所望の値に調節でき
る。例えば、自動車用途の空気のような酸素含有雰囲気
中でボディを加熱する場合、ボディ中のどの地点も約35
0 ℃よりも高い温度とならない程度に温度を上昇させる
ように電圧を加え電流を流すべきである。ボディを不活
性雰囲気または非反応性雰囲気中（例えば、Ｎ2 ）で加
熱すべき場合には、ボディ中のどの地点も約1000℃より
も高い温度とならない程度に温度を上昇させるように電
圧を加え電流を流すべきである。
【００５１】特に好ましい導電材料としては、銅、銀、
アルミニウム、亜鉛、ニッケル、鉛、スズおよびそれら
の合金のような金属が挙げられる。その中で、導電率が
大きいので抵抗が最小限となるため、および安価である
ために、より好ましいものは銅である。
【００５２】導電手段は一般的に、導電材料または電極
の小片もしくはモノリス構造物の導電材料コーティング
のいずれかの形態にある。本発明においては、「導電コ
ーティング」とは、活性炭構造物に施されたコーティン
グであり、それにより炭素被覆構造物内の炭素コーティ
ングとは区別されるコーティングを示すものである。
【００５３】電極を用いる場合には、圧力接触手段、例
えば、スプリングにより付着させることができる。もし
くは、導電材料の小片を用いることができ、アクメケミ
カルスアンドインシュレーションカンパニーから得られ
るＥ−ソルダー３０１２番および３０２１番のような銀
含有エポキシといった導電接着剤によりこの小片を構造
物に付着させることができる。
【００５４】導電コーティングは原価効率がよく、ホッ
トスポットが生じないように通路の抵抗を均一にでき
る。
【００５５】特に適した形状の１つとして、ボディの対
面に導電材料が施されたものが挙げられる。対面とは、
ボディの形状にしたがって離れているので、導電表面の
間の電流通路が活性炭を均一に加熱する電流を発生させ
る表面を意味する。
【００５６】モノリスの好ましい形状はハニカム、例え
ば、図１に示したような２つの対面に導電コーティング
を有する矩形形状の炭素前駆体から形成された炭素被覆
ハニカムのようなハニカムが挙げられる。
【００５７】図１において、矩形ハニカム形状を有する
ボディ10には、活性炭含有ハニカム14の向かい合った閉
じた側面に導電金属コーティング12として銅が塗布され
ている。この活性炭含有ハニカム14は、例えば、活性炭
被覆基体または成形した活性炭のような上述したいかな
る種類のものであってもよい。導電金属コーティング12
を電源に連結する導線40を示す。抵抗率を測定するため
に、導電金属コーティング12の間の距離をＬとして示
し、導電表面の面積を導電金属コーティングの一方の面
積とする。
【００５８】図２は図１に示したボディの水平方向の断
面図であり、両側の導電金属コーティング12およびハニ
カムチャンネルまたはセル16並びにセル壁18を示してい
る。
【００５９】図３は様々なハニカム形状（管状および矩
形）30にあるボディを示している。各々のボディには、
活性炭含有ハニカム34の向かい合った開放末端に導電金
属コーティング32が設けられている。導電金属コーティ
ング32を電源に連結する導線40を示す。導電金属コーテ
ィングの間の距離をＬで示し、導電表面の面積を導電金
属コーティング32の一方が被覆した面積とする。
【００６０】導電金属コーティングはモノリス構造物の
内側まで延長し、セル壁の長さ方向の一部を覆う。コー
ティングにより覆われる長さを変更することができる
が、電流がボディを均一に流れるように十分でなければ
ならない。導電金属コーティングのこの延長部分を図４
に示す。この図は図３に示した矩形ハニカムの水平方向
の断面図である。ハニカムセル36を区切っているセル壁
38を覆う導電金属コーティング32を示す。
【００６１】使用可能な他のボディ形状およびコーティ
ング形状としては、導電コーティングが閉塞側面に沿っ
て筋状となっているか、もしくは開放末端でまたは開放
末端の側面に輪のようになっているか、完全に構造物の
外側にあり別の方式で構造物の内側（例えば、中心）に
接触している矩形または管状ハニカムが考えられる。上
述した形状は説明のためのみに示したものであり、限定
を意図するものではない。これらの形状は、その用途に
必要な性質、および費用、空間、温度等のような要因に
依存する。必要条件は、抵抗が小さいことおよび機械的
に安定したシステムであることである。
【００６２】フリット接着、アーク噴霧、溶射、プラズ
マ溶射、超音波はんだ付け、塗装等のような既知の適切
な技術を用いて導電コーティングを付着させることがで
きる。
【００６３】本発明は特定の厚さのコーティングに限定
されるものではない。厚さは被覆される表面および被覆
する金属の性質に依存する。コーティングは、電流通路
の抵抗が好ましく小さくなるように、そして長持ちす
る、すなわち、酸化と腐食に対して抵抗を有し、機械的
安定性が良好となるほど十分な厚さを有さなければなら
ない。しかしながら、コーティングが厚すぎて、かけた
り、はげたり、法外に高価であるべきではない。
【００６４】特に適したある導電コーティング技術に
は、活性炭被覆表面が滑らかであることを確実にするこ
とが必要である。この操作は、活性炭被覆表面が平らで
滑らかになるまでこの活性炭被覆表面を研磨することに
より通常行なう。表面が粗い場合には、600 グリットの
サンドペーパーにより研磨を行なう。次いで導電コーテ
ィングを滑らかな活性炭コーティング上に付着させる。
導電コーティングを施す有用な技術のいくつかを以下に
記載する。
【００６５】ある技術においては、銅の金属粉末とガラ
スフリットからなるコーティング混合物を調製してコー
ティングを形成する。このとき、フリットに対する銅の
比率は、好ましくは、約10：１から約２：１までの範
囲、より好ましくは約６：１から約２：１までの範囲に
入る。例えば、ある好ましい銅とガラスの組成物は、70
重量％の銅および30重量％のガラスからなるか、または
84重量％の銅および16重量％のガラスからなる。これに
続いてコーティングを焼成する。
【００６６】アーク噴霧が適切な技術である。ワイヤフ
ィーダとアークスプレーガンに２つの金属化ワイヤを通
すことによりアーク噴霧を行なう。電流によりワイヤの
間のアークが生じる。ワイヤを溶融させるアークにより
高熱地帯が生じ、圧縮空気により溶融金属を被覆すべき
基体に吹き付けて耐久性のあるコーティングを蒸着させ
る。
【００６７】別の技術としては、例えば、銀、ニッケル
または他の適切な導電性コーティングのはんだを用意
し、このはんだを超音波はんだ付けのような上述した方
法により付着させることが挙げられる。
【００６８】特に有用なコーティング技術のいくつかを
以下の実施例に記載する。
【００６９】別の実施態様によると、流れが通過する多
孔を有する炭素構造物をすべて活性炭から作ることがで
き、その好ましい形状は前述したようにハニカムであ
る。活性炭粒子と溶性有機結合剤および／または樹脂の
ような結合剤とからなる可塑化した混合物を例えば押出
しおよび熱処理による成形、もしくは造型のような従来
の成形技術により上述したような構造物を作成すること
ができる。適した造型活性炭構造物のいくつかが、例え
ば、米国特許第4,399,052 号、同第5,043,310 号、同第
4,999,330 号および同第4,518,704 号、並びに米国特許
出願第08/288,198号および同第08/288,265号に記載され
ている。後者の２つの出願は両方とも1994年 4月15日に
出願されたものである。これらの構造物上の導電手段
は、活性炭被覆構造物について前述したものと同様であ
る。
【００７０】本発明のボディは、過去に活性炭ボディを
用いた様々な用途のいずれに使用するのにも適してい
る。そのような用途の例としては、住宅用水の精製、揮
発性有機化合物の排気制御、ガスを使用して駆動する自
動車用または装置用の天然ガス燃料の貯蔵、室内空気の
精製、工業用マスク、自動車の室内空気フィルタ、弁の
ないフード、化学分離、ＮＯｘおよびＳＯｘ制御、並び
に自動車の冷温始動用との排気ガスの捕獲等が挙げられ
る。他に考えられる用途としては、オゾンフィルタ、都
市の焼却炉からの水銀の回収、ラドンの吸着、自動車の
ガスタンクまたはインテークマニホールドからの排出
物、下水道ポンプの弁、油と空気の分離、もしくは液体
中に含まれる成分を分離することが好ましい他の用途が
挙げられる。
【００７１】自動車の室内の空気の質を改善する実施例
としては、ＨＶＡＣ系に新鮮な空気を導入するための入
口でワイパー近くの自動車のボンネットの下にボディを
備え付けることができる。適切なボディは、セル密度が
約62セル／ｃｍ2 であり、約25ｃｍ×25ｃｍ×４ｃｍの
寸法を有する活性炭被覆ハニカムである。所定の走行距
離（例えば、3,000 マイル以下）または所定の運転時間
もしくは所定の容積の流れた後、コントローラによりボ
ディに電流が流れ、吸着した炭化水素を脱着するのに十
分に長い時間に亘り再生温度までボディが加熱される。
ファンを反対に回して、炭化水素を外気中に排出する。
【００７２】
【実施例】以下、図面に示す実施例を参照して本発明を
詳細に説明する。別記しない限り、全ての部、部分およ
び百分率は重量に基づくものである。
【００７３】実施例１ セル密度が62セル／ｃｍ2 （400 セル／ｉｎ2 ）であ
り、長さが約14ｃｍ（約5.5 インチ）、直径が約７ｃｍ
（約2.75インチ）、壁厚が約0.15ｍｍ（６ミル）であ
り、炭素の含有量が約17％であるハニカムをフェノール
樹脂で被覆した。次いでこのフェノール樹脂を約30分間
に亘り約150 ℃で硬化させ、窒素雰囲気中において約６
時間に亘り約900 ℃で炭化させた。ＣＯ2 において約２
時間に亘り約900 ℃で炭素を活性化させ、約25℃まで冷
却した。ハニカムの対角線上の向かい合う末端に、幅が
約６ｍｍで長さが約38ｍｍ（幅が約1/4 インチで長さが
１・1/2 インチ）の薄い銅片を外皮に導電性の接着剤で
接合した。ハニカムの抵抗は約0.73オームであった。ハ
ニカムに約６ボルトの電圧をかけ、ハニカムの内側の温
度を熱電対により測定した。約６Ｖ−10Ａの電流のと
き、ハニカムの一方の面から約2.54ｃｍ（約１インチ）
内側の点で、熱電対は約135 ℃を示した。ハニカムの内
側の銅片の接合部近くの温度は約166 ℃であった。これ
らの結果により、本発明により製造した電熱可能な炭素
被覆ハニカムは、適切な温度まで加熱されるほど十分な
抵抗を有することが分かる。
【００７４】実施例２ 約15Ａの電流を用いたことを除いて、実施例１の方法を
繰り返した。ハニカムの内側に約5.1 ｃｍ（約２イン
チ）入った中心の温度は約3.5 分間で約240 ℃に達し
た。銅片を保持している高分子の導電性接着剤が燃え始
めたので、実験を中止した。約15Ａのときの電圧は約8.
4 Ｖであった。
【００７５】以下の実施例は、ハニカムの電気抵抗と、
その結果としての加熱挙動を制御する炭素コーティング
のパーセントについての制御を示す。それらの実施例は
また、実施例１および２における機械的な接触に対比す
るものとして永久的で耐久性を有する金属接触を行なう
様々な方法も示している。
【００７６】実施例３ セル密度が31セル／ｃｍ2 （200 セル／ｉｎ2 ）であ
り、実施例１に記載されたものと同一の方法により活性
炭に被覆され、約４％の炭素を含有するハニカムを324
ｍｍ2 の断面積で25ｍｍの長さに切断した。ハニカムの
２つの対面を平らに研磨して、デラウェア州、ウィルミ
ントンのＥ．Ｉ．デュポン社から得た導電性の銀塗料
（塗料と接着剤の溶液中に銀粒子を分散させたスラリ
ー）を塗布した。次いで、窒素雰囲気中で試料を約30分
間に亘り300 ℃に加熱して、銀を焼成して連続層とし、
図１に示すような被覆ボディを得た。銀により被覆する
前の点接触により測定したこの試料の抵抗は、62.9オー
ムであった。銀で被覆した後の点接触により測定した抵
抗は7.2 オームであり、接触抵抗の大きさは非常に大き
く、導電性の大きいコーティングにより最小限にすべき
であることが分かる。
【００７７】この被覆した試料に３Ｖの電圧をかけた。
温度は250 秒で70℃に一定となり、試料全体で均一であ
った。抵抗率は約18オーム・ｃｍであった。
【００７８】実施例４ 側面を平らに研磨しなかったことを除いて、実施例３に
記載したものと同様の炭素被覆ハニカムを調製した。そ
のような試料は、表面のセル壁のために粗い表面を有し
ている。試料に電圧をかけようとすると、火花が発生し
た。このため、実験を中止した。この実施例は、試料を
電気的に加熱するためには、表面全体に亘り均一に接触
していることが必要なことを示している。
【００７９】実施例５ 実施例３と同様であり、炭素の含有量が8.9 ％の炭素被
覆ハニカムを実施例３のような銀塗料で被覆した。ハニ
カムに３Ｖの電圧をかけたとき、250 秒でハニカムが13
5 ℃に加熱され、この温度で安定した。実施例３のハニ
カムと比較して、炭素の量が増加すると、抵抗が減少
し、温度が上昇した。この試料の抵抗率は約７オーム・
ｃｍであった。
【００８０】実施例６ 実施例３のものと同様であり、実施例３と同様に処理し
たときに18％の炭素を含有するハニカムは、抵抗が0.6
オームであり、３Ｖの電圧をくわえると、90秒で220 ℃
まで加熱された。この試料の抵抗率は約1.5 オーム・ｃ
ｍであった。
【００８１】実施例７ セル密度が約62セル／ｃｍ2 （400 セル／ｉｎ2 ）であ
り、実施例１のように炭素で被覆し、炭素の含有量が1
2.5％であるハニカムを実施例３の試料と同様な方法で
銀塗料により被覆した。ハニカムに３Ｖの電圧を加え
た。試料は275 秒で190 ℃に達し、この温度で安定し
た。この試料の抵抗率は、約3.25オーム・ｃｍであっ
た。
【００８２】接触抵抗を最小限にするために塗布した銀
塗料は、耐久性の大きいものではないが、塗料と接着剤
とのベースの温度が接触面積の高温に関して定格である
場合には耐久性をもたせることができる。
【００８３】実施例８−11に記載した２つの方法により
耐久性のより大きな接触を形成することができた。
【００８４】第１の方法ではアーク噴霧法を用いた。
【００８５】第２の方法としては、フリット接着法を用
いた。
【００８６】実施例８ 実施例３の炭素被覆ハニカムと同様で、この実施例３の
ものと同一の寸法を有し、炭素の含有量が約16.8％であ
る炭素被覆ハニカムについて、アーク噴霧法により２つ
の対面上に銅を被覆した。銅のコーティングは、厚さが
非常に均一であり、表面に強く接着している。被覆する
前の点接触により測定したハニカムの抵抗は、5.8 オー
ムであった。被覆した後の点接触抵抗は0.5 オームであ
った。ハニカムを３Ｖの電圧により90秒間で230 ℃まで
加熱した。この試料の抵抗率は約1.25オーム・ｃｍであ
った。
【００８７】実施例９ 実施例４のものと同一のハニカム基体をアーク噴霧法に
よりアルミニウムにより被覆し、120 秒間で200 ℃まで
加熱した。
【００８８】実施例１０ 実施例５のものと同一のハニカムをアーク噴霧法により
ニッケルにより被覆した。３Ｖの電圧により90秒間で試
料を225 ℃まで加熱した。
【００８９】実施例１１ 実施例１のように活性炭により被覆し、コーティングと
して約14.9％の炭素を有し、セル密度が約62セル／ｃｍ
2 （400 セル／ｉｎ2 ）であるハニカムを、銅の微粉末
とフェロ社からのガラス結合剤との混合物により被覆し
た。米国のブロンズパウダー社から得た銅粉末は、フェ
ロ社から得たＥＧ２７９８フリットと２種類の配合とし
て混合した。１つは、16％のフリットと84％の銅であ
り、もう１つは23％のフリットと77％の銅であった。２
種類の配合物各々をエアープロダクツ社から得た高分子
結合剤であるポリアセチレンカーボネートと混合し、活
性炭被覆ハニカム上に塗布した。窒素中でハニカムを焼
成して結合剤を除去し、30分間に亘り550 ℃でフリット
を焼結させた。焼成した試料は、銅とフリットとの強く
接着したコーティングを有していた。配合物(1) および
(2) により被覆したハニカムに３Ｖの電圧を加え、それ
ぞれ120 秒と225 秒で200 ℃に加熱した。
【００９０】この実施例により、加熱温度と加熱速度
は、金属とフリットとの比率を変えることによりコント
ロールできることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様であるボディを示す概略図
【図２】図１に示したボディの水平方向断面図
【図３】本発明の別の実施態様であるボディを示す概略
図
【図４】図３に示したボディの水平方向断面図
【符号の説明】
10、30 ボディ 12、32 導電金属コーティング 14、34 活性炭含有ハニカム 16、36 セル 18、38 セル壁 40 導線

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 処理すべき流れを通過させる手段を有す
    る、活性炭からなる非金属モノリシック構造物、および
    前記構造物に設けられた導電手段からなるボディ。
  2. 【請求項２】 前記モノリシック構造物がハニカム形状
    であることを特徴とする請求項１記載のボディ。
  3. 【請求項３】 前記導電手段が前記モノリシック構造物
    の２つの対面上に配置された金属の導電コーティングで
    あることを特徴とする請求項１記載のボディ。
  4. 【請求項４】 前記導電コーティングを構成する金属
    が、銅、アルミニウム、銀、亜鉛、ニッケル、鉛、ス
    ズ、およびこれらの合金からなる群より選択されること
    を特徴とする請求項３記載のボディ。
  5. 【請求項５】 前記導電コーティングが、少なくとも約
    0.001 オーム・ｃｍの抵抗率となるのに十分な厚さ、約
    0.01オーム・ｃｍの抵抗率となる厚さ、および約0.10オ
    ーム・ｃｍの抵抗率となる厚さからなる群より選択され
    る厚さを有することを特徴とする請求項４記載のボデ
    ィ。
  6. 【請求項６】 活性炭からなる前記モノリシック構造物
    が活性炭の造型構造物の形態であることを特徴とする請
    求項１記載のボディ。
  7. 【請求項７】 活性炭からなる前記モノリシック構造物
    が、必要に応じて炭素の連続層として、非導電無機基体
    の表面上の活性炭のコーティングの形態であることを特
    徴とする請求項１記載のボディ。
  8. 【請求項８】 前記モノリシック構造物がコージエライ
    トからなることを特徴とする請求項１から７いずれか１
    項記載のボディ。
  9. 【請求項９】 前記モノリシック構造物がハニカム形状
    であることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記
    載のボディ。
  10. 【請求項１０】 電気的に加熱可能な活性炭ボディを製
    造する方法であって、 ａ） 処理すべき流れを通過させる手段を有する、活性
    炭からなる非金属モノリシック構造物を用意し、 ｂ） 該モノリシック構造物に導電手段を設ける各工程
    からなることを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 ａ） 非導電無機基体を用意し、 ｂ） 該非導電無機基体に活性炭のコーティングを設け
    る各工程により前記モノリシック構造物を作成すること
    を特徴とする請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記無機基体が、セラミック、ガラス
    セラミック、ガラス、およびこれらの組合せからなる群
    より選択される材料から作られることを特徴とする請求
    項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記材料が、コージエライトまたは別
    のセラミック材料であることを特徴とする請求項１０、
    １１または１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記無機基体がハニカム構造物の形態
    で用意されることを特徴とする請求項１０から１３いず
    れか１項記載の方法。
  15. 【請求項１５】 ａ） 前記無機基体を炭素前駆体と接
    触させ、 ｂ） 該炭素前駆体を硬化し、 ｃ） 該硬化した炭素前駆体を炭化して前記無機基体上
    に炭素からなる均一なコーティングを形成し、 ｄ） 該炭素を活性化させる各工程により前記活性炭コ
    ーティングを用意することを特徴とする請求項１１から
    １４いずれか１項記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記炭素前駆体が熱硬化性樹脂である
    ことを特徴とする請求項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記基体がセラミックハニカムであ
    り、前記セラミックハニカムの２つの対面上に金属の導
    電コーティングを設けることにより前記導電手段を用意
    し、前記金属が、銅、アルミニウム、銀、亜鉛、ニッケ
    ル、鉛、スズ、およびこれらの合金からなる群より選択
    され、前記導電コーティングが、少なくとも約0.001 オ
    ーム・ｃｍまたは少なくとも約0.10オーム・ｃｍから選
    択される抵抗率となるのに十分な厚さで設けられること
    を特徴とする請求項１５または１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記セラミックがコージエライトであ
    り、および／または前記金属が銅であることを特徴とす
    る請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 ａ） 前記基体に炭素前駆体を接触さ
    せ、 ｂ） 該炭素前駆体を硬化し、 ｃ） 該硬化した炭素前駆体を炭化して前記基体上に炭
    素の均一なコーティングを形成し、 ｄ） 該炭素を活性化する各工程により前記活性炭コー
    ティングを形成することを特徴とする請求項１８記載の
    方法。
  20. 【請求項２０】 前記炭素前駆体が熱硬化性樹脂である
    ことを特徴とする請求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 請求項１から９いずれか１項記載のボ
    ディが吸着した物質を該ボディから脱着する方法であっ
    て、 ａ） 物質を吸着した電気により加熱可能な活性炭ボデ
    ィを用意し、ここで該活性炭ボディは、処理すべき流れ
    を通過させる手段を有するモノリシック活性炭構造物、
    および該構造物に設けられた導電手段からなり、 ｂ） 前記モノリシック活性炭構造物に電流を流して該
    構造物の温度を前記吸着した物質の脱着温度より高い温
    度に上昇させ、それにより吸着した物質を脱着して該構
    造物から排出する各工程からなることを特徴とする方
    法。
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