CN108884737B - 蜂窝型加热装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蜂窝型加热装置(1)，其具备：具有划分形成多个隔室(5)的隔壁(4)以及包围隔壁(4)的外周壁(3)的柱状的蜂窝基材(2)；沿着外周壁(3)的外周面(8)的周向邻接配置在外周面(8)上的多个加热器(9)；沿着外周面(8)的周向配设并电连接多个加热器(9)的连接体(11)；以及收纳蜂窝基材(2)、多个加热器(9)以及连接体(11)的金属壳，各加热器(9)是电阻加热式加热器，连接体(11)的与外周面(8)的周向正交的截面的截面积为10.0～30.0mm2，连接体(11)的热膨胀系数与蜂窝基材(2)的热膨胀系数相比大3.0×10‑6/℃以上。

Description

蜂窝型加热装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及设置于从汽车等的发动机排出的废气的排气路径并用于使废气净化用的催化剂提前升温至其活性温度的蜂窝型加热装置及其使用方法。
背景技术
以往，为了对从汽车等的发动机排出的废气中所含的HC、CO、NOx等有害物质进行净化处理，而使用在蜂窝结构体担载了催化剂的技术。如上，在由担载于蜂窝结构体的催化剂对废气进行处理的情况下，需要将催化剂升温至其活性温度，但在发动机启动时，由于催化剂未达到活性温度，因此存在废气无法被充分净化的问题。特别地，插电式混合动力车(PHEV)、混合动力车(HV)在其行驶中包含仅基于马达的行驶，因此发动机启动频率较少，发动机启动时的催化剂温度较低，因此发动机启动后的废气净化性能容易恶化。
为了解决该问题，提出了如下方案：在由导电性陶瓷构成的蜂窝结构体配设电极，利用通电使蜂窝结构体本身发热，从而能够使催化剂在发动机启动前升温至活性温度的电加热催化剂(EHC)(参照专利文献1)。
另外，也提出了如下的加热装置：以包围蜂窝结构体的外周壁的方式配置筒状的电阻加热式加热器，对蜂窝结构体的外周壁的壁面进行加热，从而向内部的隔室结构物传递热(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－229976号公报
专利文献2：日本特开2013－238116号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在利用通电使蜂窝结构体本身发热的方式中，即使仅仅因振动等而在蜂窝结构体产生轻度的裂缝，在蜂窝结构体内流动的电流的路径也变化，而产生温度的降低、温度分布的变化，因此不能说耐久性充分。另外，在该方式中，蜂窝结构体在其外周卷绕有隔热件(把持件)，在收纳于筒状的金属壳内的状态下被使用，但若隔热件吸收水分(吸水)，则在向蜂窝结构体通电时，存在产生漏电、短路的担忧。即，在发动机切断后残留于排气系统的水蒸气在排气系统中结露，因此若在排气系统存在隔热件那样的吸水部件，则存在因结露而产生的水分聚集于吸水部件(隔热件)的趋势。而且，若隔热件吸收这样的水分，则隔热件的绝缘性降低，其结果，因吸水后的隔热件而可能产生漏电、短路事故。
另一方面，在以包围蜂窝结构体的外周壁的方式配置筒状的电阻加热式加热器的方式中，蜂窝结构体被外部的加热器加热，因此即使在因振动等而在蜂窝结构体产生轻度的裂缝，蜂窝结构体的温度变化也较少。但是，筒状的加热器容易产生热应力所引起的破损。而且，在基于单一(整体式结构)的电阻加热式加热器的加热中，若该加热器破损而无法进行通电，则蜂窝结构体整体完全不被加热。
作为解决上述的问题的手段，考虑以包围蜂窝结构体的外周壁的方式配置多个电阻加热式加热器。在该情况下，向多个加热器一并进行通电，因此需要将这些多个加热器之间电连接的连接体。通常，这种加热装置在蜂窝结构体与加热器被收纳于筒状的金属壳的状态下被使用，从而在加热器的发热时，金属壳内的温度成为500～1000℃左右。因此，当在金属壳的内部进行加热器之间的连接的情况下，为了防止连接体的熔断，在一定程度内需要使用热容量较大且温度难以上升的连接体。然而，连接体若通过使截面积增大等来增大热容量，则刚性与之相伴地变高。而且，若在连接体使用高刚性的部件，则蜂窝结构体被连接体与由该连接体连接的多个加热器坚固地约束。因此，在蜂窝结构体被加热器加热而进行热膨胀时，从连接体与由该连接体连接的多个加热器对蜂窝结构体施加较高的应力，其结果，产生蜂窝结构体的破损。
另一方面，若在连接体使用低刚性的部件，则由连接体得到的加热器之间的约束力较弱，因此能够缓和上述的应力，从而能够防止该应力所引起的蜂窝结构体的破损。然而，这种低刚性的连接体通常热容量较小，因此在成为高温环境的金属壳的内部，因加热器的热而容易熔断。
本发明是鉴于上述的情况而完成的。即，本发明的目的在于提供一种即使在金属壳的内部进行包围蜂窝结构体(蜂窝基材)的外周壁的多个加热器之间的连接，也难以产生蜂窝基材的破损、连接体的熔断的蜂窝型加热装置及其使用方法。
为了实现上述目的，根据本发明，能够提供一种以下的蜂窝型加热装置及其使用方法。
[1]一种蜂窝型加热装置，其特征在于，具备：柱状的蜂窝基材，其具有划分形成从一个端面延伸至另一个端面的多个隔室的隔壁以及包围所述隔壁的外周壁；多个加热器，其沿着作为所述外周壁的外侧表面的外周面的周向邻接配置在该外周面上；连接体，其沿着所述外周面的周向配设并电连接所述多个加热器；以及金属壳，其收纳所述蜂窝基材、所述多个加热器以及所述连接体，各所述加热器是利用通电发热的电阻加热式加热器，所述连接体的与所述外周面的周向正交的截面的截面积为10.0～30.0mm2，所述连接体的热膨胀系数与所述蜂窝基材的热膨胀系数相比大3.0×10-6/℃以上。
[2]根据[1]所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，在所述连接体设有应力缓和部。
[3]根据[2]所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，所述应力缓和部是形成于所述连接体的切口部分。
[4]根据[2]所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，所述应力缓和部是形成于所述连接体的折弯部分。
[5]根据[1]～[4]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，所述连接体是金属板。
[6]根据[1]～[5]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，所述连接体由选自由Ni、Ni基合金以及不锈钢组成的组中的任一种的金属材料构成。
[7]根据[1]～[6]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，所述蜂窝基材由热传导率为20W/m·K以上的陶瓷材料构成。
[8]根据[1]～[7]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，所述多个加热器以串联或者并联的方式电连接，并具有能够通电200V以上的高电压的电阻。
[9]根据[1]～[8]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，各所述加热器具有用于防止电流从各所述加热器向所述蜂窝基材流动的绝缘功能。
[10]根据[1]～[9]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，在与所述蜂窝基材的长度方向正交的截面中，配置于所述蜂窝基材的所述外周面上的各所述加热器的中心角为180°以下。
[11]根据[1]～[10]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，所述外周壁的厚度比所述隔壁的厚度厚。
[12]根据[1]～[11]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，在所述蜂窝基材形成有应力消除件。
[13]根据[1]～[12]中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，在所述蜂窝基材担载废气净化用的催化剂。
[14]一种蜂窝型加热装置的使用方法，其特征在于，将[13]所述的蜂窝型加热装置设置于从发动机排出的废气的排气路径，在所述发动机启动前开始向各所述加热器通电，从而使各所述加热器发热，使担载了废气净化用的催化剂的所述蜂窝基材升温至所述催化剂的催化剂活性温度以上的温度。
本发明的效果如下。
在本发明的蜂窝型加热装置中，使连接体的截面积为10.0～30.0mm2的范围。由此，能够防止在金属壳内部这样的高温环境下的连接体的熔断。另外，由于连接体的刚性不会变得过高，因此能够降低因连接体和由该连接体连接的多个加热器对蜂窝基材作用的约束力。而且，其结果，在蜂窝基材被加热器加热而热膨胀时，可缓和从连接体和由该连接体连接的多个加热器向蜂窝基材施加的应力，能够防止因该应力引起的蜂窝基材的破损。另外，在本发明的蜂窝型加热装置中，连接体的热膨胀系数与蜂窝基材的热膨胀系数相比大3.0×10-6/℃以上。由此，在蜂窝基材被加热器加热而热膨胀时，连接体与蜂窝基材相比较大地热膨胀。而且，其结果，在蜂窝基材被加热器加热而热膨胀时，可缓和从连接体和由该连接体连接的多个加热器向蜂窝基材施加的应力，能够防止该应力所引起的蜂窝基材的破损。
另外，根据本发明的蜂窝型加热装置的使用方法，在发动机启动前开始向各加热器的通电，从而使各加热器发热，而能够使担载了废气净化用的催化剂的蜂窝基材升温至催化剂的催化剂活性温度以上的温度。而且，其结果，能够从发动机刚启动之后利用活性化的催化剂对废气中所含的有害成分进行高效地净化。
附图说明
图1表示本发明的蜂窝型加热装置的实施方式的一个例子，是从与蜂窝基材的长度方向正交的方向观察金属壳的内部的构造的简要说明图。
图2是图1的A－A’剖视图。
图3是表示本发明的蜂窝型加热装置所使用的加热器的一个例子的简要剖视图。
图4是表示应力缓和部的一个例子的简要俯视图。
图5是表示应力缓和部的其他的一个例子的简要剖视图。
图6是表示形成有应力消除件的蜂窝基材的一个例子的简要俯视图。
图7是用于对加热器的中心角进行说明的简要剖视图。
具体实施方式
以下，基于具体的实施方式对本发明进行说明，但本发明不被这些实施方式限定来解释，能够在不脱离本发明的主旨的范围内，基于本领域技术人员的通常的知识，可以施加适当设计的变更、改进等。
(1)蜂窝型加热装置：
图1表示本发明的蜂窝型加热装置的实施方式的一个例子，是从与蜂窝基材的长度方向正交的方向观察金属壳的内部的构造的简要说明图。图2是图1的A－A’剖视图。如这些图1以及图2所示，本发明的蜂窝型加热装置1具备：蜂窝基材2；多个加热器9；连接体11；以及金属壳15。
蜂窝基材2呈柱状，并具有对从一个端面6至延伸另一个端面7的多个隔室5进行划分形成的隔壁4以及包围隔壁4的外周壁3。隔室5成为废气等流体的流路。多个加热器9沿着蜂窝基材2的外周壁3的外侧表面(向外部露出一侧的面)亦即外周面8的周向邻接配置在外周面8上。各加热器9是具有用于通电的电极21并通过通电而发热的电阻加热式加热器。多个加热器9由连接体11电连接。在本实施方式中，如图1所示，配设有两个连接体11a、11b。这两个连接体中的一个连接体11a连接于各加热器9的阳极侧的电极21a，另一个连接体11b连接于各加热器9的阴极侧的电极21b。在这两个连接体11a、11b分别电连接有电线30a、30b的一端。电线30a、30b的另外的一端向金属壳15的外部引出并与电源连接。从电源经由这些电线30a、30b通过连接体11a、11b向各加热器9通电，从而能够使各加热器9发热。
金属壳15是收纳蜂窝基材2、多个加热器9以及连接体11的筒状且金属制的结构体。连接体11沿着蜂窝基材2的外周面8配设，在金属壳15的内部，与各加热器9的电极21电连接。
在本发明的蜂窝型加热装置1中，连接体11的与蜂窝基材2的外周面8的周向正交的截面的截面积(以下，存在简称为“连接体的截面积”的情况。)为10.0～30.0mm2。此外，如图1所示，在蜂窝型加热装置1具有多个连接体11的情况下，需要各个连接体11的截面积分别包含于上述范围。将连接体11的截面积设为10.0mm2以上，从而能够使连接体11具有适度的热容量。因此，能够抑制连接体11的过剩的温度上升，在金属壳15内部这样的高温环境下，能够有效地防止连接体11的熔断。另外，使连接体11的截面积为30.0mm2以下，从而能够防止连接体11的刚性变得过高。因此，能够降低因连接体11与由连接体11连接的多个加热器9得到的蜂窝基材2的约束力。而且，其结果，在蜂窝基材2被加热器9加热而热膨胀时，可缓和从连接体11与由连接体11连接的多个加热器9向蜂窝基材2施加的应力，能够有效地防止该应力所引起的蜂窝基材2的破损。在本发明的蜂窝型加热装置1中，连接体11的截面积优选为20～30mm2，更加优选为20～25mm2。
另外，在本发明的蜂窝型加热装置1中，连接体11的热膨胀系数与蜂窝基材2的热膨胀系数相比大3.0×10-6/℃以上。由此，在蜂窝基材2被加热器9加热而热膨胀时，连接体11与蜂窝基材2相比较大地热膨胀。而且，其结果，在蜂窝基材2被加热器9加热而热膨胀时，可缓和从连接体11与由连接体11连接的多个加热器9向蜂窝基材2施加的应力，能够有效地防止该应力所引起的蜂窝基材2的破损。在本发明的蜂窝型加热装置1中，优选连接体11的热膨胀系数与蜂窝基材2的热膨胀系数相比大6.0×10-6/℃以上，更加优选大12.0×10-6/℃以上。此外，在本发明中，连接体以及蜂窝基材的热膨胀系数是使用线膨胀系数测定装置(TMA)并利用对室温～800℃的尺寸变化进行测定的方法求得的值。
另外，在本发明的蜂窝型加热装置1中，由多个加热器9对蜂窝基材2进行加热，因此即使一部分的加热器9破损而无法发热，也能够利用剩余的能够发热的加热器9对蜂窝基材2进行加热。
再有，本发明的蜂窝型加热装置1所使用的多个加热器9虽然在蜂窝基材2的外周面8的周向邻接，但成为相互分割的分割构造，因此在各个加热器9难以产生较大的热应力。因此，这些多个加热器9与专利文献2所公开的筒状且单一的加热器相比，难以发生热应力所引起的破损，耐久性优越。
本发明的蜂窝型加热装置1所使用的加热器9的个数只要为多个即可，上限数不特别限定，但若考虑装置的组装容易性等，则优选形成2～8个左右。在使用外周面弯曲的蜂窝基材(例如圆柱状的蜂窝基材)的情况下，如图2等所示，优选在加热器9形成有与蜂窝基材2的外周面8相同程度地弯曲的凹圆弧状的面10。该凹圆弧状的面10为与蜂窝基材2的外周面8对置的面。形成上述的面10，从而在将加热器9配置于蜂窝基材2的外周面8上时，在加热器9与外周面8之间难以产生间隙，加热器9的热被高效地传递至蜂窝基材2。
另外，本发明的蜂窝型加热装置1优选在蜂窝基材2的周向，具有外周面8的50％以上被加热器9覆盖的部分。再有，在本发明的蜂窝型加热装置1中，优选该“在蜂窝基材2的周向，外周面8的50％以上被加热器9覆盖的部分”在蜂窝基材2的长度方向，遍布蜂窝基材2的全长的60％以上的长度存在。在蜂窝基材2的外周面8，如上设定由加热器9覆盖的区域，从而容易将蜂窝基材2加热至作为目标的温度。
通常，在将本发明的蜂窝型加热装置1搭载于汽车来使用的情况下，对于加热器9的通电共同地使用汽车的电气系统所使用的电源，使用例如200V的较高的电压的电源。因此，在本发明的蜂窝型加热装置1中，优选多个加热器9以串联或者并联的方式电连接，并具有能够通电200V以上的高电压的电阻。此处，“能够通电200V以上的高电压”具体而言意味着能够在200V通电时使电流为25A左右。
此外，金属制的加热器的电阻较低，因此在使用上述的较高的电压的电源的情况下，电流过度地流动，存在损伤电源电路的情况。因此，在本发明的蜂窝型加热装置1中，优选使用在陶瓷部件的内部埋设有发热电阻体的陶瓷加热器。作为陶瓷部件的构成材料，能够适当地使用氧化铍、氮化铝、氮化硅、氧化铝等。另外，作为发热电阻体的构成材料，能够适当地使用银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铍(Be)、铜(Cu)、镁(Mg)、钼(Mo)、钨(W)、钌(Ru)、铂(Pt)等。另外，发热电阻体的构成材料也可以为化合物，在该情况下，能够适当地使用锆(Zr)、钛(Ti)、铌(Nb)、铪(Hf)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等。
图3是表示本发明的蜂窝型加热装置所使用的加热器的一个例子的简要剖视图。该加热器9是在陶瓷部件23的内部埋设有发热电阻体22的陶瓷加热器。在发热电阻体22上立设有用于向加热器9(发热电阻体22)通电的电极21。电极21可以为与发热电阻体22相同的材质，也可以为不同的材质。
在本发明的蜂窝型加热装置1所使用的蜂窝基材2由导电性材料形成的情况下，各加热器9优选具有用于防止电流从各加热器9向蜂窝基材2流动的绝缘功能。若各加热器9具有绝缘功能，则即使在蜂窝基材2由导电性材料形成的情况下，也能够防止电流从各加热器9向蜂窝基材流动而短路(short)。作为向各加热器9赋予绝缘功能的方法的一个例子，例如，能够列举在各加热器9的与蜂窝基材2的外周面8对置的面配设层状的绝缘材料的方法。作为绝缘材料的材质，能够适当地使用氮化硅、氧化铝等。
在本发明的蜂窝型加热装置1中，在与蜂窝基材2的长度方向(轴向)正交的截面中，配置在蜂窝基材2的外周面8上的各加热器9的中心角α优选为180°以下。另外，该中心角α更加优选为10～180°，进一步优选为10～100°。此处，如图7所示，“各加热器9的中心角α”为在与蜂窝基材2的长度方向正交的截面中，由连结各加热器9的两端和蜂窝基材2的中心O的两条线段所形成的角。另外，如图7所示，“蜂窝基材2的中心O”在与蜂窝基材2的长度方向正交的截面的外周形状为圆形的情况下，意味着该圆的中心。另外，在与蜂窝基材2的长度方向正交的截面的外周形状为圆形以外的形状的情况下，意味着内置于该截面的最大的圆的中心。若各加热器9的中心角α超过180°，则容易在蜂窝基材2与加热器9之间产生间隙。另外，若各加热器9的中心角α不足10°，则能够由一个加热器9覆盖的外周面8的范围变窄，存在为了将蜂窝基材2加热至目标的温度所需的加热器9的个数变得过多的情况。此外，在图7中，省略蜂窝基材2的隔壁。
在本发明的蜂窝型加热装置1中使用的连接体11若是其截面积为10.0～30.0mm2，且其热膨胀系数与蜂窝基材2的热膨胀系数相比大3.0×10-6/℃以上的导体，则其材质、形态不被特别限制。作为能够适当地使用为连接体11的部件例如能够列举金属板。作为连接体11，在使用金属板的情况下，如图2的连接体11那样，优选以包围多个加热器9的周围的方式在弯曲的状态下使用。另外，如图2的连接体11那样，在该金属板设置供加热器9的电极21嵌合的孔部18，在孔部18中，优选金属板(连接体11)与加热器9的电极21电连接。
另外，在本发明的蜂窝型加热装置1中，优选在连接体11设有用于缓和应力的应力缓和部。此处言及的“应力缓和部”是具有使由连接体得到的加热器之间的约束力降低，在蜂窝基材被加热器加热而热膨胀时，缓和从连接体和由该连接体连接的多个加热器向蜂窝基材施加的应力的功能的部位。图4是表示应力缓和部的一个例子的简要侧视图(从与蜂窝基材的长度方向正交的方向观察的简图)。在该例中，在邻接的加热器9的电极21之间，在连接体11形成切口，形成有该切口的部分成为应力缓和部25。如上形成有切口的部分与其他的部分相比刚性较低而容易变形，因此能够使由连接体11得到的加热器9之间的约束力降低，而缓和上述应力。另外，图5是表示应力缓和部的其他的一个例子的简要剖视图(与蜂窝基材的长度方向正交的截面的简图)。在该例中，在邻接的加热器9的电极21之间，在连接体11形成有折弯部分，该折弯部分成为应力缓和部26。上述的折弯部分具有伸缩性，因此能够使由连接体11得到的加热器9之间的约束力降低，能够缓和上述应力。
在本发明的蜂窝型加热装置1中，连接体11的熔融温度优选为1100℃以上，更加优选为1300℃以上，特别优选为1500℃以上。如上，使用熔融温度较高的连接体11，从而连接体11更加难以熔断。连接体11的材质不被特别限定，但由于是耐热性较高且为低电阻，因此优选为由从由镍(Ni)、Ni基合金以及不锈钢构成的组选择的任一种的金属材料构成的材质。另外，优选将铜线用镍被覆而成的镍被覆铜线用于导体。
本发明的蜂窝型加热装置1所使用的蜂窝基材2优选由热传导率为20W/m·K以上的陶瓷材料构成，更加优选由热传导率为50W/m·K以上的陶瓷材料构成。蜂窝基材2由上述的热传导率较高的材料构成，从而能够将加热器9的热高效地传递至蜂窝基材2，并且能够使蜂窝基材2整体均匀地发热。此外，在本发明中，蜂窝基材的热传导率为通过激光闪光法测定的值。
作为蜂窝基材2的构成材料，优选以热传导性、耐热性、耐腐蚀性优越的SiC(碳化硅)为主要成分。此外，此处言及的“主要成分”意味着材料整体的50质量％以上。作为更加具体的构成材料，能够列举Si－SiC复合材、(Si+Al)－SiC复合材、金属复合SiC、再结晶SiC、Si3N4、SiC等作为适当的材料。其中，在蜂窝基材2的孔隙率过高的情况下，即使使用这些材料，也存在无法获得较高的热传导率的情况，因此优选蜂窝基材2为致密质(孔隙率为0～5％左右)。Si－SiC复合材是向SiC浸入金属Si而被形成为致密的，由于表示较高的热传导率、耐热性，因此作为蜂窝基材2的构成材料特别优选。
蜂窝基材2的外周壁3的厚度优选比隔壁4的厚度厚。如上，使外周壁3的厚度比隔壁4的厚度厚，从而能够提高蜂窝基材2的强度，变得容易确保蜂窝基材2所需的强度。
蜂窝基材2的外周壁3的厚度不被特别地限制，但优选为0.15～2.0mm，进一步优选为0.3～1.0mm。使外周壁3的厚度为0.15mm以上，从而使蜂窝基材2的机械强度变得充分，能够防止蜂窝基材2因冲击、热应力而破损。另外，使外周壁3的厚度为2.0mm以下，从而能够将加热器9的热经由外周壁3高效地传递至隔壁4。
蜂窝基材2的隔壁4的厚度也不特别地限制，但优选为0.1～1mm，进一步优选为0.2～0.5mm。使隔壁4的厚度为0.1mm以上，从而使蜂窝基材2的机械强度变得充分，能够防止蜂窝基材2因冲击、热应力而破损。另外，使隔壁4的厚度为1mm以下，从而能够防止流体在隔室5内流动时的压力损失增大。
蜂窝基材2的隔室密度(每个单位截面积的隔室的个数)不特别地限制，但优选为25～2000隔室/平方英寸(4～320隔室/cm2)的范围。将隔室密度形成25隔室/平方英寸(4隔室/cm2)以上，从而能够使隔壁4的强度，进而蜂窝基材2本身的强度以及有效GSA(几何学的表面积)变得充分。另外，使隔室密度为2000隔室/平方英寸(320隔室/cm2)以下，从而能够防止流体在隔室5内流动时的压力损失增大。
蜂窝基材2的孔隙率更加优选为0～5％左右。使蜂窝基材2的孔隙率在上述范围，从而容易确保蜂窝基材2所需的强度，并且能够提高热传导率。此外，此处言及的“孔隙率”是通过阿基米德法测定的值。
蜂窝基材2的形状(外形)除了为柱状以外，不被特别地限定，例如，能够是圆柱状、椭圆柱状、多棱柱状等形状。另外，隔室5的与蜂窝基材2的长度方向垂直的截面的形状(以下，称为“隔室形状”。)也不被特别地限定，但优选四边形、六边形、八边形等多边形或者将它们组合的形状，例如将四边形与八边形组合的形状等。
蜂窝基材2的与长度方向垂直的截面的直径(在该截面为圆形以外的形状的情况下是与该截面外接的圆的直径)不被特别地限定，但优选为300mm以下，更加优选为200mm以下。使蜂窝基材2的与长度方向垂直的截面的直径为上述范围，从而能够将加热器9的热高效地传递至蜂窝基材2的内部的隔壁4。
在蜂窝基材2优选形成有应力消除件(stress relief)。通过形成应力消除件，从而能够进行蜂窝基材2内的应力缓和。作为应力消除件的代表的例子，例如，如图6所示，能够列举从蜂窝基材2的外周面8向内部方向切入的切缝12。其中，应力消除件不限定于上述的切缝12，能够在不脱离本发明的范围内形成公知的应力消除件。
在将本发明的蜂窝型加热装置1设置并使用于从发动机排出的废气的排气路径的情况下，优选在蜂窝基材2的隔壁4担载废气净化用的催化剂。若如上在隔壁4担载催化剂，则能够通过催化剂反应使废气中的CO、NOx、HC等有害物质变成无害的物质。此处，担载于蜂窝基材2的隔壁4的催化剂的种类不被特别地限定，但例如在用于汽车废气净化用途的情况下，优选使用贵金属。作为贵金属，优选铂、铑或者钯或者将这些组合的材料。这些贵金属的担载量优选每蜂窝基材2的单位体积为0.1～5g/L。
贵金属等催化剂以高分散状态担载于隔壁4，因此优选使其暂且担载于氧化铝等的比面积大的耐热性无机氧化物的粒子(载体微粒)之后，与该粒子一同担载于蜂窝基材2的隔壁4。
在本发明的蜂窝型加热装置1中，金属壳15的材质例如优选为不锈钢，特别地优选铬系、铬·镍系的不锈钢。
另外，在本发明的蜂窝型加热装置1中，如图1所示，优选在接近蜂窝基材2的一个端面6以及另一个端面7的各个部位并在蜂窝基材2与金属壳15之间配设隔热件17。如上，通过配设隔热件17，从而加热器9的热难以向外部散逸，能够将加热器9的热高效地传递至蜂窝基材2。隔热件17的材质不被特别地限定，通过卷绕于蜂窝基材2的外周，而能够容易配设于蜂窝基材2与金属壳15之间，隔热性也高，因此优选使用陶瓷纤维垫。此外，优选连接体11以及电极21成为不与隔热件17接触的构造。若成为上述结构，则即使隔热件17吸水而使隔热件17的绝缘性降低，也难以产生漏电、短路所导致的事故。另外，期望在连接体11以及电极21和隔热件17之间配设具有耐热性的隔热片材。作为具有耐热性的隔热片材，能够列举由云母材料等构成的片材作为合适的材料。
本发明的蜂窝型加热装置1的用途、使用形态不被特别地限定，但从有效地活用其效果的观点来看优选设置于从发动机排出的废气的排气路径来使用。而且，在该情况下，本发明的蜂窝型加热装置1优选为了以下情况而使用：在发动机的启动前开始向各加热器9的通电，从而使各加热器9发热，使担载废气净化用的催化剂的蜂窝基材2升温至其催化剂的催化剂活性温度以上的温度。如上使用本发明的蜂窝型加热装置1，则能够从发动机刚启动后利用活性化后的催化剂来对废气中所含的有害成分高效地进行净化。
(2)蜂窝型加热装置的制造方法：
对本发明的蜂窝型加热装置的制造方法的一个例子进行说明。首先，为了制成蜂窝基材，而制成含有陶瓷原料的成形原料。对于陶瓷原料能够适当地使用能够形成之前作为蜂窝基材的材料例示的陶瓷那样的粉末。例如，作为蜂窝基材的构成材料，在采用Si－SiC复合材料的情况下，优选将SiC粉末作为陶瓷原料。成形原料优选根据需要在这样的陶瓷原料混合分散介质、有机粘合剂、无机粘合剂、表面活性剂等添加剂进行制备。
接下来，对成形原料进行混炼而形成柱状的生坯。对成形原料进行混炼而形成生坯的方法不被特别地限制。作为优选的方法，例如能够列举使用混炼机、真空练泥机等的方法。
接下来，使用形成有格子状的切缝的模具，由生坯来挤压成形具有隔壁与外周壁的蜂窝成形体，并对该蜂窝成形体进行干燥。干燥方法不被特别地限定。作为优选的干燥方法，例如，能够列举热风干燥、微波干燥、高频干燥、减压干燥、真空干燥、冷冻干燥等。即便在这些方法中，也优选单独或者组合高频干燥、微波干燥、热风干燥来进行。
接着，对干燥后的蜂窝成形体(蜂窝干燥体)进行烧成，制成蜂窝基材。此外，在该烧成(正式烧成)前，为了除去蜂窝成形体中所含的粘合剂等，优选进行预烧(脱脂)。预烧的条件不被特别地限定，只要是能够除去(燃烧)蜂窝成形体中所含的有机物(有机粘合剂等)这样的条件即可。对蜂窝成形体进行烧成(正式烧成)的条件(温度、时间、气氛等)因成形原料的种类而不同，因此只要根据其种类选择适当的条件即可。例如，在制成由Si－SiC复合材构成的蜂窝基材的情况下，在含有SiC粉末的蜂窝成形体上载置块状的金属Si，在减压的惰性气体或者真空中进行烧制，使金属Si浸入蜂窝成形体。通过该烧制，能够得到在SiC粒子的间隙填充有金属Si的致密质(低孔隙率)的蜂窝基材。此外，在蜂窝基材也可以根据需要形成切缝等的应力消除件。
另外，当在蜂窝基材的隔壁担载废气净化用的催化剂的情况下，例如，预先在成为载体微粒的陶瓷粉末浸入含有贵金属等催化剂成分的水溶液之后，进行干燥、烧成，从而得到催化剂涂层微粒。在这样得到的催化剂涂层微粒添加分散介质(水等)、其他的添加剂而制备涂液(浆料)。然后，使用吸引法等以往公知的涂敷方法将该浆料涂敷于蜂窝基材的隔壁之后进行干燥、烧成，从而在蜂窝基材的隔壁担载催化剂。
接下来，制成加热器。此外，以下说明的制成方法是制成作为电阻加热式加热器的一种的陶瓷加热器的方法的一个例子。首先，在氮化铝、氮化硅、氧化铝等陶瓷原料适当地添加烧结助剂、粘合剂等得到加热器用成形原料。由该加热器用成形原料制成与蜂窝基材的外周面相同程度弯曲的板成形体，对其进行烧成，从而制成陶瓷板。在该陶瓷板的表面印刷发热电阻体后再次进行烧成。作为发热电阻体，能够适当地使用由银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铍(Be)、铜(Cu)、镁(Mg)、钼(Mo)、钨(W)、钌(Ru)、铂(Pt)等构成的材料。另外，发热电阻体还可以由化合物构成，在该情况下，能够适当地使用由锆(Zr)、钛(Ti)、铌(Nb)、铪(Hf)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等构成的材料。
接下来，在发热电阻体上以与发热电阻体电连接的方式立设棒状的电极。接着，在以与上述陶瓷板相同的方法制成的陶瓷板设置电极插通用的孔部，将其重叠在印刷有发热电阻体的上述陶瓷板上进行粘合。这样，能够得到具有与蜂窝基材的外周面相同程度弯曲的凹圆弧状的面的陶瓷加热器。
将这样得到的多个陶瓷加热器沿着蜂窝基材的外周面的周向以包围外周面的方式邻接配置，使各陶瓷加热器的凹圆弧状的面与蜂窝基材的外周面接触。接下来，将具有10.0～30.0mm2的截面积且热膨胀系数与蜂窝基材的热膨胀系数相比大3.0×10-6/℃以上的连接体(例如，金属板)沿着蜂窝基材的外周面的周向配设，并与各加热器的电极电连接。接下来，在接近蜂窝基材的一个端面以及另一个端面的各个部位，并在蜂窝基材的外周卷绕陶瓷纤维垫(隔热件)，收纳于金属壳内。此外，优选在连接体预先连接用于从外部的电源通过该连接体向加热器通电的电线的一端，并将该电线的另外的一端向金属壳的外部引出。
据此，可得到能够设置于从发动机排出的废气的排气路径等的本发明的蜂窝型加热装置。
(3)蜂窝型加热装置的使用方法：
在本发明的蜂窝型加热装置的使用方法中被使用的蜂窝型加热装置是上述本发明的蜂窝型加热装置1，在蜂窝基材担载废气净化用的催化剂。在该使用方法中，将在蜂窝基材担载废气净化用的催化剂的蜂窝型加热装置1设置于从发动机排出的废气的排气路径。而且，在发动机的启动前开始向各加热器9的通电，从而使各加热器9发热，而使担载了废气净化用的催化剂的蜂窝基材2升温至催化剂的催化剂活性温度以上的温度。根据该使用方法，能够在发动机刚启动之后利用活性化后的催化剂来对废气中所含的有害成分高效地进行净化。
实施例
以下，基于实施例对本发明进一步详细地进行说明，但本发明不限定于这些实施例。
(实施例1)
在SiC粉末添加粘合剂以及水而制成蜂窝基材用成形原料，利用真空练泥机对其进行混炼，得到圆柱状的生坯。由该生坯并利用挤压成形得到具有划分形成从一个端面延伸至另一个端面的多个隔室的隔壁以及包围该隔壁的外周壁的圆柱状的蜂窝成形体。然后，利用微波以及热风将该蜂窝成形体进行干燥，得到蜂窝干燥体。接下来，在该蜂窝干燥体上载置块状的金属Si，在真空炉中进行烧成，得到了由Si－SiC复合材构成的蜂窝基材。这样得到的蜂窝基材是直径为90mm，长度为75mm的圆柱状，外周面的面积为21195mm2，外周壁的厚度为0.3mm，隔壁的厚度为0.15mm，隔室形状为正方形，隔室密度为400隔室/cm2。另外，蜂窝基材的孔隙率为5％。
接下来，在Si3N4粉末添加粘合剂以及水而制成了加热器用成形原料。由该加热器用成形原料制作与蜂窝基材的外周面相同程度弯曲的板成形体，对其进行烧成，从而制成陶瓷板。当在该陶瓷板的表面印刷由铂构成的发热电阻体后再次进行烧成。接下来，在发热电阻体上以与发热电阻体电连接的方式立设有棒状的电极。接着，在以与上述陶瓷板相同的方法制成的陶瓷板设置电极插通用的孔部，将其重叠在印刷有发热电阻体的陶瓷板进行粘合。这样，得到具有与蜂窝基材的外周面相同程度弯曲的凹圆弧状的面的陶瓷加热器。该加热器的凹圆弧状的面的宽度(圆弧部分的长度)为10mm，长度(与圆弧部分垂直的方向的长度)为65mm。
接着，将如上述那样得到的8个加热器沿着蜂窝基材的外周面的周向邻接配置在其外周面上，使各加热器的凹圆弧状的面与蜂窝基材的外周面接触。此时，在蜂窝基材的外周面的周向，以邻接的加热器之间的间隔全部相等的方式调整加热器的配置。接下来，使具有27.0mm2的截面积且其热膨胀系数与蜂窝基材的热膨胀系数相比大10.5×10-6/℃的SUS430制的金属板弯曲，沿着蜂窝基材的外周面的周向配设，并与各加热器的电极电连接。在金属板预先设置与各加热器的电极嵌合的孔部，利用该孔部与各加热器的电极电连接。接下来，在接近蜂窝基材的一个端面以及另一个端面的各个部位，并在蜂窝基材的外周卷绕氧化铝纤维垫(隔热件)，收纳于筒状的金属壳内。此外，在连接体预先连接用于从外部的电源通过连接体向加热器通电的电线的一端，将该电线的另外的一端向金属壳的外部引出。如上述，得到了实施例1的蜂窝型加热装置。
(评价)
对如上述那样得到的10个蜂窝型加热装置分别反复进行在40秒期间内施加7.5W的电力的循环这样的10次循环。然后，调查蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数，其结果示于表1。
(实施例2)
除了将金属板的材质变更成因瓦合金，使金属板的热膨胀系数与蜂窝基材的热膨胀系数相比大3.6×10-6/℃以外，与实施例1相同，得到了实施例2的蜂窝型加热装置。对于这样得到的10个蜂窝型加热装置，以与实施例1相同的方法，调查蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数，其结果示于表1。
(实施例3)
除了将金属板的截面积变更成20.0mm2，将金属板的材质变更成SUS304，使金属板的热膨胀系数与蜂窝基材的热膨胀系数相比大15.7×10-6/℃以外，与实施例1相同，得到了实施例3的蜂窝型加热装置。对于这样得到的10个蜂窝型加热装置，以与实施例1相同的方法，调查蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数，其结果示于表1。
(比较例1)
除了代替金属板，使用截面积为38.5mm2的钨制电缆，使该电缆的热膨胀系数与蜂窝基材的热膨胀系数相比大1.3×10-6/℃以外，与实施例1相同，得到比较例1的蜂窝型加热装置。对于这样得到的10个蜂窝型加热装置，以与实施例1相同的方法，调查蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数，其结果示于表1。
(比较例2)
除了代替钨制电缆，使用SUS430制电缆，使该电缆的热膨胀系数与蜂窝基材的热膨胀系数相比大10.5×10-6/℃以外，与比较例1相同，得到了比较例2的蜂窝型加热装置。对于这样得到的10个蜂窝型加热装置，以与实施例1相同的方法，调查蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数，其结果示于表1。
(比较例3)
除了将钨制电缆的截面积变更成33.0mm2以外，与比较例1相同，得到了比较例3的蜂窝型加热装置。针对这样得到的10个蜂窝型加热装置，以与实施例1相同的方法，调查蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数，将其结果示于表1。
【表1】
Figure GDA0001362556460000171
(考察)
如表1所示，对于连接体的截面积为10.0～30.0mm2，连接体与蜂窝基材的热膨胀系数差为3.0×10-6/℃以上的实施例1～3而言，蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数在10个中为2个以下。另一方面，对于连接体的截面积超过30.0mm2，并且上述热膨胀系数差不足3.0×10-6/℃的比较例1、3和连接体的截面积超过30.0mm2的比较例2而言，蜂窝基材破损的蜂窝型加热装置的个数在10个中为7个以上。
产业上的可利用性
本发明能够适当地利用为设置于从汽车等的发动机排出的废气的排气路径，用于使废气净化用的催化剂提前升温至其活性温度的蜂窝型加热装置及其使用方法。
符号的说明
1—蜂窝型加热装置，2—蜂窝基材，3—外周壁，4—隔壁，5—隔室，6—一个端面，7—另一个端面，8—外周面，9—加热器，10—凹圆弧状的面(与蜂窝基材的外周面对置的面)，11—连接体，11a—连接体，11b—连接体，12—切缝，15—金属壳，17—隔热件，18—孔部，21—电极，21a—电极，21b—电极，22—发热电阻体，23—陶瓷部件，25—应力缓和部，26—应力缓和部，30a—电线，30b—电线，O—中心，α—中心角。

Claims (15)

1.一种蜂窝型加热装置，其特征在于，具备：
柱状的蜂窝基材，其具有划分形成从一个端面延伸至另一个端面的多个隔室的隔壁以及包围所述隔壁的外周壁；
多个加热器，其沿着作为所述外周壁的外侧表面的外周面的周向邻接配置在该外周面上；
连接体，其沿着所述外周面的周向配设并电连接所述多个加热器；以及
金属壳，其收纳所述蜂窝基材、所述多个加热器以及所述连接体，
各所述加热器是利用通电发热的电阻加热式加热器，
所述连接体的与所述外周面的周向正交的截面的截面积为10.0～30.0mm2，
从所述连接体的热膨胀系数减去所述蜂窝基材的热膨胀系数的值即热膨胀系数差大于等于3.0×10-6/℃。
2.根据权利要求1所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
在所述连接体设有应力缓和部。
3.根据权利要求2所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述应力缓和部是形成于所述连接体的切口部分。
4.根据权利要求2所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述应力缓和部是形成于所述连接体的折弯部分。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述连接体是金属板。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述连接体由Ni或Ni基合金构成。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述连接体由不锈钢构成。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述蜂窝基材由热传导率为20W/m·K以上的陶瓷材料构成。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述多个加热器以串联或者并联的方式电连接，并具有能够通电200V以上的高电压的电阻。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
各所述加热器具有用于防止电流从各所述加热器向所述蜂窝基材流动的绝缘功能。
11.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
在与所述蜂窝基材的长度方向正交的截面中，配置于所述蜂窝基材的所述外周面上的各所述加热器的中心角为180°以下。
12.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
所述外周壁的厚度比所述隔壁的厚度厚。
13.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
在所述蜂窝基材形成有应力消除件。
14.根据权利要求1～4中任一项所述的蜂窝型加热装置，其特征在于，
在所述蜂窝基材担载废气净化用的催化剂。
15.一种蜂窝型加热装置的使用方法，其特征在于，
将权利要求14所述的蜂窝型加热装置设置于从发动机排出的废气的排气路径，在所述发动机启动前开始向各所述加热器通电，从而使各所述加热器发热，使担载了废气净化用的催化剂的所述蜂窝基材升温至所述催化剂的催化剂活性温度以上的温度。
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