KR102180483B1

KR102180483B1 - 전기 가열식 촉매 장치

Info

Publication number: KR102180483B1
Application number: KR1020190063227A
Authority: KR
Inventors: 렌타로 모리; 다케오 고바야시
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2020-11-18
Also published as: EP3574984B1; KR20190137701A; US20190368403A1; EP3574984A1; US10570794B2; JP7047604B2; RU2711742C1; CN110552761B; CN110552761A; JP2019209245A

Abstract

[과제] 본 발명에서는, 빗살형 전극에 반복하여 전류를 통전한 경우라도, 빗살형 전극을 개재하여 촉매를 균일하게 가열할 수 있는 전기 가열식 촉매 장치를 제공한다.
[해결 수단] 전기 가열식 촉매 장치(1)는, 금속 촉매가 담지된 담체(10)와, 복수의 배선부(52, 52, …)를 구비한 한 쌍의 빗살형 전극(5)과, 빗살형 전극(5)과 담체(10)와의 사이에 개재하는 하지층(4)과, 각 배선부(52)를, 하지층(4)에 고정하는 고정층(6)을 구비한다. 전기 가열식 촉매 장치(1)의 길이 방향(D1)을 따른 담체(10)의 중심축(CL)에 대하여 직교하는 방향에서, 담체(10)의 외주면(10b)을 보았을 때에, 고정층(6)은, 직사각 형상이고, 고정층(6)의 대향하는 한 쌍의 제 1 변(61a, 61b)이, 각 배선부(52)의 양측에 있어서, 배선부(52)가 연장되는 방향(D3)과 평행하게 되어 있으며, 한 쌍의 제 1 변(61a, 61b)의 양단을 연결하는 한 쌍의 제 2 변(62a, 62b)은, 배선부(52)가 연장되는 방향(D3)과, 직교하고 있다.

Description

전기 가열식 촉매 장치{ELECTRICALLY HEATED CATALYST DEVICE}

본 발명은, 촉매가 담지된 담체와, 이에 장착된 전극을 적어도 구비한 전기 가열식 촉매 장치에 관한 것이다.

종래부터, 배기 가스의 정화를 도모하기 위해 통전 가열되는 전기 가열식 촉매 장치가 알려져 있다. 예를 들면, 전기 가열식 촉매 장치는, 금속 촉매가 담지된 담체와, 담체에 통전하기 위해 담체에 대하여 고정되는 빗살형 전극을 구비하고 있다. 여기서, 빗살형 전극은, 배터리 등의 외부 전원으로부터의 전류를 담체에 통전하고, 담체는, 빗살형 전극을 개재하여 통전됨으로써 가열되어, 담체에 담지된 금속 촉매가 활성화된다. 전기 가열식 촉매 장치에 의하면, 통전에 의해 담체를 강제적으로 가열함으로써, 배기 가스를 효과적으로 정화하는 것이 가능하다.

이와 같은 전기 가열식 촉매 장치로서, 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 기부(基部)로부터 담체의 둘레 방향을 따라 연장되는 복수의 배선부를 구비한 빗살형 전극을, 고정층을 개재하여 담체에 고정한 전기 가열식 촉매 장치가 개시되어 있다. 여기서, 고정층은, 길이 방향을 따른 담체의 중심축에 대하여 직교하는 방향에서, 담체의 외주면을 보았을 때에, 고정층은, 원 형상으로 되어 있다.

국제공개 2012/063353호

그러나, 상기 서술한 전기 가열식 촉매 장치의 빗살형 전극에 반복하여 전류를 통전한 경우, 그 반복에 따른 열 응력에 의해, 고정층의 내부에 있어서 국소적으로 크랙이 발생하는 경우가 있었다. 이에 따라, 크랙이 발생한 부분에서는, 배선부로부터 고정층을 통과하여 담체에 통전할 수 없는 경우가 있어, 담체를 균일하게 가열할 수 없는 경우가 있었다.

본 발명은, 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명에서는, 빗살형 전극에 반복하여 전류를 통전한 경우라도, 빗살형 전극을 개재하여 촉매를 균일하게 가열할 수 있는 전기 가열식 촉매 장치를 제공하는 것에 있다.

여기서, 발명자들은, 예의 검토를 거듭한 결과, 원 형상의 고정층의 중심으로부터, 빗살형 전극의 배선부가 크게 어긋나 고정된 경우에는, 배선부의 양측의 에지에 접촉하는 고정층의 접촉 길이가 상이하며, 접촉 길이가 긴 측의 고정층의 내부에, 과대한 응력이 발생하는 것을 알 수 있었다. 이 과대한 응력에 의해, 고정층에 크랙이 발생한다는 지견을 얻었다.

상기 과제를 감안하여 본 발명과 관련된 전기 가열식 촉매 장치는, 금속 촉매가 담지된 담체와, 상기 담체의 길이 방향을 따라 연장되는 기부와, 상기 기부로부터 상기 담체의 둘레 방향을 따라 연장되는 복수의 배선부를 구비한 한 쌍의 빗살형 전극과, 상기 담체의 외주면에 형성되어, 상기 빗살형 전극과 상기 담체와의 사이에 개재하는 하지층(下地層)과, 상기 각 배선부의 일부를 덮도록 상기 하지층과 접합됨으로써, 상기 각 배선부를, 상기 하지층에 고정하는 고정층을 구비한 전기 가열식 촉매 장치로서, 상기 길이 방향을 따른 상기 담체의 중심축에 대하여 직교하는 방향에서, 상기 담체의 외주면을 보았을 때에, 상기 고정층은, 직사각 형상이며, 상기 직사각 형상의 고정층의 대향하는 한 쌍의 제 1 변이, 상기 각 배선부의 양측에 있어서, 상기 배선부가 연장되는 방향과 평행하게 되어 있고, 상기 한 쌍의 제 1 변의 양단을 연결시키는 한 쌍의 제 2 변은, 상기 배선부가 연장되는 방향과, 직교하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 고정층의 각 제 1 변에 대향하도록, 배선부의 양측의 각 에지가 배치되고, 각 제 2 변은, 배선부가 연장되는 방향과는 직교하므로, 고정층에 접촉하는 배선부의 각 에지의 길이를 동일한 길이로 할 수 있다. 그리고, 직사각 형상의 고정층의 중심으로부터, 빗살형 전극의 배선부가 크게 어긋나 고정되었다고 해도, 이와 같은 관계를 확보할 수 있다.

이에 따라, 배선부의 양측의 에지에 접촉하는 고정층의 부분의 응력은, 대략 균등해져, 배선부의 위치 어긋남에 기인한 과대한 응력의 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라, 한 쌍의 빗살형 전극의 사이에 반복하여 전류를 통전한 경우라도, 빗살형 전극을 개재하여 담체를 균일하게 가열하여, 고정층의 내부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

더 바람직한 양태로서는, 상기 제 1 변의 단부와 상기 제 2 변의 단부에 의해 형성된 상기 고정층의 모서리부는, 둥그스름하다. 이 양태에 의하면, 빗살형 전극에 반복하여 전류를 통전하였을 때의 열 충격에 의해, 고정층의 모서리부에 크랙이 발생하기 쉬운 바, 이 모서리부가 둥그스름하므로, 모서리부의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

더 바람직한 양태로서는, 상기 고정층에 덮여진 상기 배선부의 부분과, 상기 하지층과의 사이에는, 간극이 형성되어 있다. 이 양태에 의하면, 고정층에 덮여진 배선부의 부분과, 하지층과의 사이에, 간극이 형성되어 있으면, 배선부로부터, 고정층을 개재하여, 하지층에 전류가 흐르기 때문에, 배선부의 양측 에지에 접촉하는 고정층의 부분에도 과대한 전류가 흐르기 쉽고, 이 부분이 과도하게 발열되어, 이 부분에 응력 집중이 발생하기 쉽다.

그러나, 이와 같은 경우라도, 접촉하는 배선부의 각 에지에 접촉하는 고정층의 접촉 길이가 동일한 길이이므로, 이와 같은 응력 집중이 저감된다. 이에 따라, 배선부의 양측의 에지에 접촉되는 고정층의 부분의 응력은, 대략 균등해져, 고정층에 대한 배선부의 위치 어긋남에 기인한 과대한 응력의 발생을 억제할 수 있어, 통전의 반복에 의해, 고정층의 내부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 빗살형 전극에 반복하여 전류를 통전한 경우라도, 빗살형 전극을 개재하여 촉매를 균일하게 가열할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 실시 형태와 관련된 전기 가열식 촉매 장치의 모식적인 사시도이다.
도 1b는 도 1a에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치의 측면도이다.
도 2는 도 1a에 나타내는 전극 가열형 촉매의 주요부의 모식적 확대 평면도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 A-A선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 4a는 도 1a에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치의 제조 방법 중 하지층의 성형 상태를 나타낸 모식적 개념도이다.
도 4b는 도 1a에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치의 제조 방법 중 전극의 배치 상태를 나타낸 모식적 개념도이다.
도 4c는 도 1a에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치의 제조 방법 중 고정층의 성형 전의 상태를 나타낸 모식적 개념도이다.
도 4d는 도 1a에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치의 제조 방법 중 고정층의 성형 후의 상태를 나타낸 모식적 개념도이다.
도 4e는 도 1a에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치의 제조 방법 중 빗살형 전극으로 성형 후의 상태를 나타낸 모식적 개념도이다.
도 5a는 본 실시 형태와 관련된 전기 가열식 촉매 장치에 있어서, 빗살형 전극의 배선부와, 고정층과의, 위치 관계를 설명하기 위한 모식적 평면도이다.
도 5b는 비교예와 관련된 전기 가열식 촉매 장치에 있어서, 빗살형 전극의 배선부와, 고정층과의, 위치 관계를 설명하기 위한 모식적 평면도이다.
도 6a는 실시예 1과 관련된 전기 가열식 촉매 장치의 해석 모델의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 6b는 비교예 1과 관련된 전기 가열식 촉매 장치 해석 모델의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1과 관련된 고정층에 대한 배선의 어긋남량과, 고정층의 최대 응력의 비의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 실시예 2와 관련된 고정층 근방의 단면 사진이다.
도 8b는 비교예 2와 관련된 고정층 근방의 단면 사진이다.

이하에, 도 1a~도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 형태와 관련된 전기 가열식 촉매 장치를 설명하고, 이어서, 도 4a~도 4e를 참조하여, 도 1a에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치의 제조 방법을 간단하게, 설명한다.

1. 전기 가열식 촉매 장치(1)에 대하여

전기 가열식 촉매 장치(1)는, 예를 들면 자동차 등의 배기 경로 상에 마련되며, 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하는 장치이다. 도 1a에 나타내는 바와 같이, 전기 가열식 촉매 장치(1)는, 담체(10), 하지층(4), 빗살형 전극(5), 및 고정층(6)을 구비하고 있다.

도 1a에 나타내는 바와 같이, 담체(10)는, 외경이 원통 형상의 세라믹으로 이루어지는 다공질 부재이며, 그 내부는 허니콤 구조(10a)를 가지고 있으며, 담체(10)의 중심축(CL)을 따라 연장된 복수의 공공(空孔)에 의해, 담체(10)의 내부를 배기 가스가 통과할 수 있다.

담체(10)를 구성하는 세라믹은, 예를 들면 SiC(탄화 규소) 입자와 Si(규소) 입자로 구성되는 복합재 등을 들 수 있고, 도전성을 가지는 세라믹이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 담체(10)의 허니컴 구조(10a)를 형성하는 벽면에는, 백금, 팔라듐, 로듐 등의 금속 촉매가 담지되어 있다.

담체(10)의 외주면(10b)에는, 후술하는 빗살형 전극(5)을 담체(10)에 고정하기 위한 하지층(4)이 형성되어 있다. 하지층(4)은, 빗살형 전극(5)과 담체(10)와의 사이에 개재되며, 후술하는 고정층(6)을 개재하여, 한 쌍의 빗살형 전극(5)이 고정된다.

본 실시 형태에서는, 하지층(4)은, 각 빗살형 전극(5)을 고정하기 위한 하지층이며, 중심축(CL)을 사이에 두고, 담체(10)의 외주면(10b)의 반대측이 되는 위치(담체(10)를 중심축(CL) 둘레로 180° 회전시킨 위치)에 2개 형성되어 있다. 담체(10)의 외주면(10b)에 형성된 제 1 하지층(4a)과, 제 1 하지층(4a)의 위에 형성된 제 2 하지층(4b)을 구비하고 있다. 제 1 하지층(4a)은, 도전성을 가진 세라믹 재료로 이루어지며, 본 실시 형태에서는, SiC(탄화 규소) 입자와 Si(규소) 입자로 구성되는 복합재의 층이다.

여기서, 담체(10)에 함유되는 SiC 입자의 비율은, 제 1 하지층(4a)을 구성하는 SiC 입자의 비율보다 많은 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 담체(10)의 저항값을, 제 1 하지층(4a)의 것에 비해 높게 하여, 담체(10)의 발열성을 높일 수 있다.

이와 같은 관계를 전제로 하여, 담체(10)를 구성하는 SiC(탄화 규소) 입자와 Si(규소) 입자의 합계량을 100%로 하였을 때에, SiC(탄화 규소)는, 65체적%~75체적%인 것이 바람직하다. 이에 비하여, 제 1 하지층(4a)을 구성하는 SiC(탄화 규소) 입자와 Si(규소) 입자의 합계량을 100%로 하였을 때에, SiC(탄화 규소)는, 55체적%~65체적%인 것이 바람직하다.

제 2 하지층(4b)은, 산화광물로 이루어지는 산화광물 입자가 분산되어 있으며, 이 산화광물 입자를 금속 매트릭스로 연결한 층이다. 구체적으로는, 금속 매트릭스는, NiCr 합금 또는 MCrAlY 합금(단, M은 Fe, Co, Ni 중 적어도 일종) 등을 들 수 있다. 산화광물은, SiO₂나 Al₂O₃ 등의 산화물을 주요한 성분으로 하는 것이며, 예를 들면, 벤토나이트나 마이카 혹은 그들의 혼합물 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 제 2 하지층(4b)은, 제 1 하지층(4a)의 표면에 금속 매트릭스가 되는 NiCr 합금 입자와 산화광물 입자가 되는 벤토나이트 입자를 혼합한 혼합 분말을 용사(溶射)한 층이다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제 2 하지층(4b)의 저항값, 제 1 하지층(4a)의 저항값, 및 담체(10)의 저항값의 순으로, 이들의 저항값이 높아지고 있다. 따라서, 이들 중에서, 담체(10)가 가장 저항값이 높기 때문에, 통전 시에 담체(10)가 가열되기 쉽다. 또한, 제 2 하지층(4b)의 저항값을, 제 1 하지층(4a)의 저항값보다 낮게 함으로써, 제 2 하지층(4b)에 의해 빗살형 전극(5)으로부터의 전류를 담체(10)의 둘레 방향(D2)으로 흐르기 쉽게 할 수 있다. 또한, 제 1 하지층(4a)은, 제 2 하지층(4b)에 의해, 담체(10)의 둘레 방향(D2)(도 4a 등 참조)으로 흐른 전류가, 담체(10)에 흐르도록, 중간의 저항값으로서 조정되는 층으로 되어 있다.

본 실시 형태에서는, 전기 가열식 촉매 장치(1)는, 도 1b에 나타내는 바와 같이, Fe-Cr 합금(예를 들면 스테인리스강) 등의 도전성을 가진 금속으로 이루어지는 한 쌍의 빗살형 전극(5, 5)을 구비하고 있다. 한 쌍의 빗살형 전극(5, 5)은, 중심축(CL)을 사이에 두고, 담체(10)의 외주면(10b)의 반대측이 되는 위치(담체(10)를 중심축(CL) 둘레로 180° 회전시킨 위치)에 배치되어 있다. 각 빗살형 전극(5)은, 담체(10)의 길이 방향(D1)을 따라 연장되는 기부(51)와, 기부(51)로부터 담체(10)의 둘레 방향(D2)을 따라 연장되는 복수의 배선부(52, 52, …)를 구비하고 있다. 또한, 길이 방향(D1)이란, 원통 형상의 담체(10)의 중심선(CL)을 따른 방향이다. 본 실시 형태에서는, 도 1a 및 도 1b에 나타내는 바와 같이, 기부(51)의 접속 단자측에서, 기부(51)가 굴곡되어 있다. 또한, 도 1a 및 도 1b에서, 명확하게 나타나 있지 않지만, 기부(51)와, 각 배선(52)과의 경계 부분이, 기부(51)가 담체(10)의 외주면(10b)으로부터 멀어지는 방향으로, 약간 굴곡되어 있다. 이에 따라, 기부(51)가, 담체(10)의 외주면(10b)에 대하여 비접촉으로 되어 있다.

도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 고정층(6)은, 각 배선부(52)의 양측에 있어서, 그 일부를 덮도록 하지층(4)과 접합됨으로써, 각 배선부(52)를, 하지층(4)에 고정하고 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 고정층(6)을 개재하여, 배선부(52)가 하지층(4)(제 2 하지층(4b))에 고정되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 각 빗살형 전극(5)을 고정하는 복수의 고정층(6, 6, …)은, 둘레 방향(D2)을 따라 지그재그 형상으로 배치되어 있다. 또한, 고정층(6, 6, …)은, 직선 형상으로 병렬로 배치되어 있어도 된다. 고정층(6)은, 제 2 하지층(4b)에서 예시한 재료로 이루어지며, 본 실시 형태에서는, 제 2 하지층(4b)과 동일한 재료로 이루어져도 된다.

여기서, 제 2 하지층(4b) 및 고정층(6)에 포함되는 벤토나이트 등의 산화광물(입자)과, NiCr 합금 등의 금속(매트릭스)과의 비율은, 이들의 합계량에 대하여, 산화광물(입자)이, 55~70체적%인 것이 바람직하다. 여기서, 고정층(6)의 금속(매트릭스)의 함유 비율은, 제 2 하지층(4b)에 비해 적은 것이 바람직하다. 이에 따라, 고정층(6)의 열 팽창률을, 배선(52)의 열 팽창률에 근접시킬 수 있어, 배선(52)의 열수축에 의해 고정층(6)에 작용하는 열 응력을 저감할 수 있다.

또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 길이 방향(D1)을 따른 담체(10)의 중심축(CL)에 대하여 직교하는 방향에서, 담체(10)의 외주면(10b)을 보았을 때에, 고정층(6)은, 직사각 형상이다. 본 실시 형태에서는, 고정층(6)은, 정방(正方) 형상이지만, 장방(長方) 형상이어도 된다.

구체적으로는, 고정층(6)을 구성하는 4변 중, 직사각 형상의 고정층(6)의 대향하는 한 쌍의 제 1 변(61a, 61b)은, 각 배선부(52)의 양측에 있어서, 배선부(52)가 연장되는 방향(D3)과 평행하게 되어 있다. 또한, 한 쌍의 제 1 변(61a, 61b)의 양단을 연결하는 한 쌍의 제 2 변(62a, 62b)은, 배선부(52)가 연장되는 방향(D3)에, 직교하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 배선부(52)는, 담체(10)의 둘레 방향(D2)으로 연장되어 있으므로, 배선부(52)가 연장되는 방향(D3)은, 둘레 방향(D2)과 일치하고 있다.

또한, 각 제 1 변(61a(61b))의 단부와 각 제 2 변(62a(62b))의 단부에 의해 형성된 고정층(6)의 모서리부(63)는, 직교하고 있어도 되지만, 본 실시 형태에서는, 이 모서리부(63)는, 둥그스름하다.

또한, 고정층(6)을 개재하여 배선부(52)가 하지층에 고정되는 것이면, 고정층(6)에 덮여진 배선부(52)의 부분과, 하지층(4)과는, 접촉하고 있어도 되지만, 본 실시 형태에서는, 고정층(6)에 덮여진 배선부(52)의 부분과, 하지층(4)과의 사이에는, 간극(s)이 형성되어 있다.

2. 전기 가열식 촉매 장치(1)의 제조 방법에 대하여

이하에 도 1에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치(1)의 제조 방법을, 도 4a~도 4e를 참조하여 설명한다.

우선, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 세라믹으로 이루어지는 담체(10)의 외주면(10b)에, 하지층(4)을 성형한다. 또한, 하지층(4)을 성형하는 공정에서는, 한 쌍의 하지층(4, 4)을 성형한다. 구체적으로는, 우선, 상기 서술한 금속 촉매가 담지된 담체(10)를 준비하고, 이 담체(10)의 외주면(10b)에, SiC(탄화 규소) 입자와 Si(규소) 입자를 분산매로 분산시킨 페이스트재를 도포하고, 이것을 소성함으로써, 제 1 하지층(4a, 4a)을 성형한다. 여기서, 페이스트재의 도포는, 스크린 인쇄에 의해 행해도 된다. 이 후, 금속 촉매를 담지한다.

이어서, 제 1 하지층(4a, 4a)의 위에, 제 2 하지층(4b, 4b)의 형상을 따른 개구를 가진 금속제의 마스킹재(도시 생략)를 배치한다. 이어서, 이 개구를 향해, NiCr 합금 입자와 벤토나이트 입자를 혼합한 분말을, 예를 들면, 가스 프레임 용사, 또는 플라즈마 용사 등의 용사에 의해 분사하고, NiCr 합금을 용융하여, 제 2 하지층(4b, 4b)을 성형한다.

이어서, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 하지층(4)(제 2 하지층(4b))의 표면에, 기부(51)와, 기부(51)로부터 연장된 복수의 배선부(52)를 구비한 전극(5A)을, 담체(10)의 길이 방향(D1)을 따라 기부(51)가 연장되고, 또한, 담체(10)의 둘레 방향(D2)을 따라 각 배선부(52)가 연장되도록 배치한다. 구체적으로는, 시트 형상의 전극(5A)이, 하지층(4)의 표면을 따르도록, 이것을 만곡시킨다.

또한, 본 실시 형태에서는, 전극(5A)은, 한 쌍의 빗살형 전극(5, 5) 중, 1개의 빗살형 전극(5)의 각 배선부(52)의 형상을 포함하는 것이며, 배선부(52)를 더 연장하고, 이것을 연결부(53)로 연결한 구조이다. 본 실시 형태에서는, 시트 형상의 전극(5A)의 기부(51)와 연결부(53)가 이간되는 방향으로 인장되면서, 시트 형상의 전극(5A)을 하지층(4)의 표면을 따르게 한다. 각 배선부(52)로부터 연장된 잉여 부분과, 연결부(53)는, 후술하는 고정층(6)의 성형 후에, 잘라내진다.

이어서, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 전극(5A)이 배치된 담체(10)의 외주면(10b)에, 마스킹재(8)를 배치한다. 이 마스킹재(8)에는, 각 고정층(6)의 형상 및 이들의 배치 상태에 따른 직사각 형상의 개구(81)가 형성되어 있으며, 각 개구(81)에, 전극(5A)의 배선부(52)가 노출되도록, 외주면(10b)에 마스킹재(8)를 배치한다.

이어서, 도 4c에 나타내는 상태로부터, 제 2 하지층(4b)과 동일한 방법으로, 각 개구(81)를 향해, NiCr 합금 입자와 벤토나이트 입자를 혼합한 분말을, 예를 들면 가스 프레임 용사, 또는 플라즈마 용사 등의 용사에 의해 분사하여, NiCr 합금을 용융해, 고정층(6)을 성형한다. 이에 따라, 도 4d에 나타내는 바와 같이, 마스킹재(8)를 제거한 상태에서, 고정층(6)이, 각 배선부(52)의 일부를 덮고 또한 하지층(4)에 접합하도록 성형되며, 이에 따라, 고정층(6)을 개재하여 하지층(4)에 각 배선부(52)가 고정된다.

보다 구체적으로는, 길이 방향(D1)을 따른 담체(10)의 중심축(CL)에 대하여 직교하는 방향에서, 담체(10)의 외주면(10b)을 보았을 때에, 고정층(6)이, 직사각 형상이 된다(도 2 등 참조). 그리고, 상기 서술한 바와 같이, 직사각 형상의 고정층(6)의 대향하는 한 쌍의 제 1 변(61a, 61b)이, 각 배선부(52)의 양측에 있어서, 배선부(52)가 연장되는 방향과 평행해지도록 고정층(6)이 성형된다. 또한, 한 쌍의 제 1 변(61a, 61b)의 양단을 연결하는 한 쌍의 제 2 변(62a, 62b)이, 배선부(52)가 연장되는 방향(D3)과, 직교하도록 고정층(6)이 성형된다.

또한, 마스킹재(8)의 개구(81)의 형상에 따라, 제 1 변(61a, 61b)의 단부와 제 2 변(62a, 62b)의 단부가 교차하는 고정층(6)의 모서리부(63)가, 둥그스름하도록, 고정층(6)이 성형된다(도 2 등 참조). 또한, 전극(5A)을 하지층(4)에 배치하였을 때에, 하지층(4)과 전극(5A)와의 사이에 부분적으로 간극이 형성되는 경우에는, 고정층(6)에 덮여진 배선부(52)의 부분과, 하지층(4)과의 사이에, 간극(s)이 성형된다(도 3 참조). 이 간극(s)은 아래와 같이 하여 성형된다. 제 2 하지층(4b)이, 용사에 의해 형성된 층이며, 제 2 하지층(4b)의 표면은, 벤토나이트 입자의 형상에 따른 돌기가 형성된다. 이 돌기에 배선부(52)가 부분적으로 접촉하기 때문에, 전극(5A)을 제 2 하지층(4b)에 배치한 상태에서, 이들 사이에 간극이 형성된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제 2 변(62a(62b))의 길이(L2)가, 배선부(52)의 폭(W)의 3배 이상이 되도록, 고정층(6)을 성형한다. 제 2 변의 길이(62a(62b))를 배선부(52)의 폭의 3배 이상으로 함으로써, 위치 어긋났다고 해도, 배선부(52)의 양측에 있어서, 고정층(6)을 하지층(4)에 보다 확실하게 고정할 수 있다.

전극(5A)으로부터, 잉여가 되는 부분(배선부(52)로부터 연장된 부분 및 연결 부분(53) 등)을 절제하고, 도 4e에 나타내는 바와 같이, 고정층(6)을 개재하여, 일방의 빗살형 전극(5)의 각 배선부(52)가 하지층(4)에 고정된다. 이어서, 담체(10)를 중심축(CL) 둘레로 180° 회전시켜, 도 4b~도 4e를 참조하여 설명한 일련의 공정을 행하고, 타방의 빗살형 전극(5)을 고정한다. 이에 따라, 도 1a 및 도 1b에 나타내는 전기 가열식 촉매 장치(1)를 얻을 수 있다. 마지막으로, 기부(51)와, 담체(10)의 외주면(10b)과의 사이에, 간극이 형성되도록, 기부(51)와, 각 배선(52)과의 경계 부분을 굴곡하고, 또한, 기부(51)의 접속 단자측에서, 기부(51)를 굴곡한다.

상기 서술한 전기 가열식 촉매 장치(1)를 제조하는 단계에서, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 전극(5A)을 배치할 때, 또는, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 마스킹재(8)를 배치할 때에, 배선부(52)와 마스킹재(8)의 개구(81)와의 상대 위치가 어긋나는 경우가 있다.

이에 따라, 얻어진 전기 가열식 촉매 장치(1)에서는, 도 5a 및 도 5b의 중앙에 나타내는 정규 위치로부터, 고정층(6)의 중심(C)에 대하여, 배선부(52)의 위치가 어긋나버리는 경우가 있다. 여기서, 도 5b에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 비교가 되는 형상인 원 형상의 고정층(9)이, 고정층(6)의 중심(C)에 대하여, 배선부(52)의 위치가 어긋난 경우에는, 배선부(52)의 양측의 에지(52a, 52b)에 접촉하는 고정층(6)의 접촉 길이(La, Lb)가 상이해져버린다. 예를 들면, 도 5b의 우측 도면에서는, 접촉 길이 La>접촉 길이 Lb가 되며, 좌측 도면에서는, 접촉 길이 La <접촉 길이 Lb가 된다.

이와 같이 고정층의 접촉 길이(La, Lb)가 상이한 경우에는, 후술하는 해석 결과로부터도 명백한 바와 같이, 접촉 길이가 긴 측의 고정층의 내부에, 과대한 응력이 발생한다. 이 과대한 응력에 의해, 한 쌍의 빗살형 전극(5, 5)의 사이에 반복하여 통전을 행하면, 이 부분(예를 들면 도 6b의 부분(9a) 등 참조)의 고정층에 크랙이 발생하는 경우가 있다.

그러나, 도 5a에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 고정층(6)의 각 제 1 변(61a, 61b)에 대향하도록, 배선부(52)의 양측의 각 에지(52a, 52b)가 배치되며, 각 제 2 변(62a, 62b)은, 배선부(52)가 연장되는 방향(D3)과는 직교하고 있다. 따라서, 직사각 형상의 고정층(6)의 중심(C)으로부터, 도 5a의 우측 도면 또는 좌측 도면과 같이, 빗살형 전극(5)의 배선부(52)가 크게 어긋나 고정되었다고 해도, 고정층(6)에 접촉하는 배선부(52)의 각 에지(52a, 52b)의 길이를 동일한 길이로 할 수 있다.

이에 따라, 본 실시 형태에서는, 배선부(52)의 양측의 에지(52a, 52b)에 접촉하는 고정층(6)의 부분의 응력은, 대략 균등해져, 배선부(52)의 위치 어긋남에 기인한 과대한 응력의 발생을 억제할 수 있다. 이와 같은 결과, 한 쌍의 빗살형 전극(5, 5)의 사이에 반복하여 전류를 통전한 경우라도, 빗살형 전극(5)을 개재하여 담체(10)를 균일하게 가열할 수 있는 고정층(6)의 내부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 빗살형 전극(5)에 반복하여 전류를 통전하였을 때의 열충격에 의해, 고정층(6)의 모서리부(63)에 크랙이 발생하기 쉬운 바, 이 모서리부(63)가 둥그스름하게 함으로써, 모서리부(63)의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 고정층(6)에 덮여진 배선부(52)의 부분과, 하지층(4)과의 사이에, 간극(s)이 형성되어 있으면, 배선부(52)로부터, 고정층(6)을 개재하여, 하지층(4)으로 전류가 흐른다. 이 때문에, 배선부(52)의 양측 에지에 접촉되는 고정층(6)의 부분에도 과대한 전류가 흐르기 쉽고, 이 부분이 발열되어, 응력 집중이 발생하기 쉽다. 그러나, 이와 같은 경우라도, 본 실시 형태에서는, 접촉하는 배선부(52)의 각 에지(52a, 52b)에 접촉하는 고정층(6)의 접촉 길이가 동일한 길이이므로, 이와 같은 응력 집중이 저감된다.

[실시예]

이하에 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

본 발명의 실시예에 따른 전기 가열식 촉매 장치의 배선부를 고정하는 고정층의 열 응력 해석을 실시했다. 실시예 1에서는, 도 6a에 나타내는 바와 같이, 고정층(6)의 중심(C)으로부터, 배선부(52)의 중심의 어긋남량(P)을, 0㎜(어긋남량 없음), 0.1㎜, 0.2㎜, 0.3㎜로 한 해석 모델을 작성했다.

여기서, 각 해석 모델은, 폭 0.5㎜, 두께 0.1㎜의 배선부(52)를, 제 1 하지층(4a) 및 제 2 하지층(4b)으로 이루어지는 하지층(4)에, 고정층(6)을 개재하여, 고정한 해석 모델이다. 고정층(6)은, 정방 형상(직사각 형상)이며, 고정층(6)의 1변을 2㎜로 설정하고, 제 2 하지층(4b)의 표면에서 최대 두께를 5㎜로 설정하며, 배선부(52)의 두께만큼, 고정층(6)을 부분적으로 돌출시키고 있으며, 둥그스름한 고정층(6)의 모서리부의 곡률 반경을 0.2㎜로 설정하고 있다. 또한, 배선부(52)와 하지층(4)과의 사이의 간극(s)의 크기를, 0.1㎜로 설정했다. 이 해석 모델에서는, 하지층(4)이 형성되는 담체(10)의 외벽은, 평판 형상이라고 가정하고 있다.

(비교예 1)

실시예 1과 동일하게 하여, 고정층(9)의 중심(C)으로부터, 배선부(52)의 중심의 어긋남량(P)을, 0㎜(어긋남량 없음), 0.1㎜, 0.2㎜, 0.3㎜로 한 해석 모델을 작성했다. 실시예 1과 서로 상이한 점은, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 해석 모델의 고정층(9)이, 외형 2㎜의 원 형상인 점이다.

<열 응력 해석과 그 결과>

실시예 1 및 비교예 1의 각 해석 모델에 대하여, 배선부(52), 담체(10), 제 1 하지층(4a), 제 2 하지층(4b), 및, 고정층(6)에, 상기 서술한 실시 형태에서 예시한 재료의 물성값을 부여하고, 150℃~600℃로 균일하게 온도를 부여했을 때의, 고정층(6)에 작용하는 최대 응력을 열 응력 해석(닷소·시스템즈(주): ABAQUS)에 의해 산출했다. 이 결과를, 도 7에 나타낸다. 또한, 도 7에 나타내는, 세로축의 최대 응력의 비는, 실시예 1 및 비교예 1의 해석 모델의 어긋남량(P)이 0㎜일 때의 최대 응력을 1로 하였을 때의 비율이다.

실시예 1에서는, 어긋남량(P)이 커져도, 최대 응력은 대부분 변화 없었지만, 비교예 1에서는, 어긋남량(P)이 커짐에 따라, 최대 응력이 커졌다. 또한, 실시예 1에서는, 고정층(6)의 최대 응력이 발생한 위치는, 배선부(52)의 에지에 접촉하는 고정층(6)의 부분(6a)이었다. 한편, 비교예 1에서는, 고정층(9)의 최대 응력이 발생한 위치는, 배선부(52)의 에지에 접촉하는 접촉 길이가 긴 쪽의 고정층(9)의 부분(9a)이었다. 이 점에서, 실시예 1과 같이, 직사각 형상의 고정층을 마련한 경우에는, 배선부(52)의 양측의 에지와의 접촉 길이를 대략 동일하게 할 수 있기 때문에, 배선부(52)의 위치 어긋남에 따른 최대 응력의 증가가 저감된다고 생각된다.

(실시예 2)

도 4a~도 4e에 나타내는 순서에 따라, 배선부가 11개가 되는, 도 1에 나타나 있는 바와 같은 전기 가열식 촉매 장치를 제작했다. 우선, 직경 80㎜, 길이 65㎜의 SiC 입자와 Si 입자를 주재로 한 담체를 준비하고, 이 담체에 금속 촉매를 담지시켰다. 또한, 단체의 SiC 입자와 Si 입자와의 합계량에 대하여, SiC 입자는, 70체적%이며, Si 입자는, 30체적%이다. 이 담체의 둘레면에, SiC 입자 및 Si 입자를 혼합한 페이스트재를 도포하고, 이것을 소성하여 제 1 하지층을 성형했다. 또한, 고정층의 SiC 입자와 Si 입자와의 합계량에 대하여, SiC 입자는, 60체적%이며, Si 입자는, 40체적%이다. 제 1 하지층은, 제 1 하지층 전체에 대하여, 기공률 40체적%가 되고, 두께 0.23㎜의 다공질층이었다. 이어서, 제 1 하지층의 위에, Ni-50Cr로 이루어지는 NiCr 입자(32체적%)와 벤토나이트 입자(68체적%)를 혼합한 용사 분말을, 플라즈마 용사에 의해 용사하고, 다공질의 제 2 하지층을 성형했다(도 4a 참조). 제 2 하지층은, 제 2 하지층 전체에 대하여, 기공율이 10체적%가 되며, 두께 0.1㎜의 다공질층이었다.

이어서, 폭 1㎜의 배선부를 11개 가진 스테인리스강(Fe-20Cr-5Al)제(製)의 전극을 준비하고, 이것을 도 4b에 나타내는 바와 같이 제 2 하지층에 배치한 후, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 3㎜×3㎜의 직사각 형상으로 개구를 가진 마스킹재로 덮었다. 이어서, 제 2 하지층과 동일한 방법으로, 고정층을 성형했다. 고정층을 성형 후, 마스킹재를 제거하고, 잉여가 되는 부분을 잘라내어, 일방의 빗살형 전극을, 고정층을 개재하여 하지층에 고정했다. 또한, 담체(10)를 중심축(CL) 둘레로 180° 회전시켜, 동상(同上)의 공정에 의해, 타방의 빗살형 전극을 고정하여, 전기 가열식 촉매 장치를 얻었다.

(비교예 2)

실시예 2와 동일하게 하여, 전기 가열식 촉매 장치를 제작했다. 실시예 2와의 상이점은, 고정층의 성형 시에, 직경 3㎜의 원 형상의 개구가 형성된 마스킹재를 이용하여, 직경 3㎜의 고정층을 형성한 점이다.

<평가 시험 및 그 결과>

실시예 2 및 비교예 2에서 제작한 전기 가열식 촉매 장치를, 150℃~900℃의 냉열 환경하에서 담체의 온도가 변화되도록, 한 쌍의 빗살형 전극간에 반복하여 통전한 시험을, 2000사이클 행했다. 이 시험 중에, 비교예 2의 전기 가열식 촉매 장치에서는, 실시예 2의 것에 비해, 전극간의 통전성이 저하되고 있는 것이 확인되었다.

또한, 평가 시험 후의 실시예 2 및 비교예 2의 전기 가열식 촉매 장치의 고정층 중, 고정층의 중심으로부터 배선부가 0.1㎜ 어긋나 있는 고정층의 근방을 잘라 내어, 그 단면을 현미경으로 관찰했다. 이 결과를, 도 8a 및 도 8b에 나타낸다. 도 8a는, 실시예 2와 관련된 고정층 근방의 단면 사진이며, 도 8b는, 비교예 2와 관련된 고정층 근방의 단면 사진이다.

실시예 2에서는, 고정층에 보이드가 형성되어 있었지만, 배선부에 접촉하는 고정층의 부분으로부터, 외면에 도달하는 것 같은 균열은 발생하고 있지 않았던 한편, 비교예 2에서는, 배선부에 접촉하는 고정층의 부분으로부터, 외면에 도달하는 균열이 발생하고 있었다. 이 점에서, 비교예 2에서는, 고정층의 크랙의 발생에 의해, 빗살형 전극의 통전성이 저하되었다고 생각된다. 그리고, 실시예 2의 바와 같이, 직사각 형상의 고정층을 마련한 경우에는, 배선부의 양측의 에지와의 접촉 길이를 대략 동일하게 할 수 있기 때문에, 배선부의 위치 어긋남에 따른 응력의 증가가 저감되어, 크랙의 발생이 저감된다고 생각된다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 설계 변경을 행할 수 있다.

1: 전기 가열식 촉매 장치, 4: 하지층, 5: 빗살형 전극, 51: 기부, 52: 배선부, 6: 고정층, 61a, 61b: 제 1 변, 62a ,62b: 제 2 변, 63: 모서리부, 10: 담체, 10b: 외주면

Claims

금속 촉매가 담지된 담체와,
상기 담체의 길이 방향을 따라 연장되는 기부와, 상기 기부로부터 상기 담체의 둘레 방향을 따라 연장되는 복수의 배선부를 구비한 한 쌍의 빗살형 전극과,
상기 담체의 외주면에 형성되어, 상기 빗살형 전극과 상기 담체와의 사이에 개재하는 하지층과,
상기 각 배선부의 일부를 덮도록 상기 하지층과 접합됨으로써, 상기 각 배선부를, 상기 하지층에 고정하는 고정층을 구비한 전기 가열식 촉매 장치로서,
상기 길이 방향을 따른 상기 담체의 중심축에 대하여 직교하는 방향에서, 상기 담체의 외주면을 보았을 때에, 상기 고정층은, 직사각 형상이고,
상기 직사각 형상의 고정층의 대향하는 한 쌍의 제 1 변이, 상기 각 배선부의 양측에 있어서, 상기 배선부가 연장되는 방향과 평행하게 되어 있으며, 상기 한 쌍의 제 1 변의 양단을 연결하는 한 쌍의 제 2 변은, 상기 배선부가 연장되는 방향과 직교하고 있는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 촉매 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 변의 단부와 상기 제 2 변의 단부에 의해 형성된 상기 고정층의 모서리부는, 둥그스름한 것을 특징으로 하는 전기 가열식 촉매 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고정층에 덮여진 상기 배선부의 부분과, 상기 하지층과의 사이에는, 간극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 가열식 촉매 장치.