DE102019203879A1

DE102019203879A1 - Wabenstruktur

Info

Publication number: DE102019203879A1
Application number: DE102019203879.4A
Authority: DE
Inventors: Naoya Takase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-10-10
Also published as: US11420195B2; US20190299200A1; JP2019173662A; JP7224766B2; CN110314710B; CN110314710A

Abstract

Wabenstruktur, enthaltend: einen säulenförmigen Wabenstrukturteil, der durch die Wabenstruktur von einer Einström-Stirnseite zu einer Ausström-Stirnseite verlaufende Trennwände, die eine Vielzahl von einen Durchgangskanal bildenden Zellen definieren, eine an dem äußersten Umfang angeordnete äußere Umfangswand und ein an einer Seitenfläche des Wabenstrukturteils angeordnetes Paar Elektrodenteile hat. Jeder Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile ist in einer Streifenform gebildet, die sich in einer Verlaufsrichtung der Zellen des Wabenstrukturteils erstreckt. In einem zu der Verlaufsrichtung der Zellen orthogonalen Querschnitt ist ein Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile auf einer Seite angeordnet, die dem anderen Elektrodenteil über einen Mittelpunkt des Wabenstrukturteils gegenüberliegt. Der Wabenstrukturteil besteht aus Endbereichen nahe dem Paar der Elektrodenteile und einem Mittenbereich, der ein mittlerer Bereich ausschließlich der Endbereiche ist. Ein durchschnittlicher elektrischer Widerstand A eines die Endbereiche bildenden Materials niedriger ist als ein durchschnittlicher elektrischer Widerstand B eines Materials, das den Mittenbereich bildet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Herkömmlicherweise wird ein Element, bei welchem ein Katalysator auf einer aus Cordierit oder Siliciumcarbid gebildeten Wabenstruktur aufgebracht ist, zur Behandlung von Schadstoffen in einem von einem Kraftfahrzeugmotor ausgestoßenen Abgas verwendet (siehe Patentdokument 1). Eine derartige Wabenstruktur weist gewöhnlich eine säulenförmige Wabenstruktur auf, die Trennwände enthält, die eine Vielzahl von Zellen bilden, die sich von einer Stirnseite zu der anderen Stirnseite erstrecken und Durchflusswege für ein Abgas bilden.
Für die Behandlung des Abgases mit dem auf die Wabenstruktur aufgebrachten Katalysator muss eine Temperatur des Katalysators auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht werden. Jedoch ist beim Starten des Motors die Katalysatortemperatur niedriger, was herkömmlicherweise ein Problem, dass das Abgas nicht genügend gereinigt wird, verursacht. Deshalb wurde ein als elektrisch beheizter Katalysator (EHC) bezeichnetes System entwickelt. In dem System sind Elektroden auf einer aus leitfähiger Keramik bestehenden Wabenstruktur angeordnet und erzeugt die Wabenstruktur selbst Wärme durch elektrische Leitung, wodurch die Temperatur des auf die Wabenstruktur aufgebrachten Katalysators vor dem Starten oder während des Startens des Motors auf eine Aktivierungstemperatur erhöht wird.
Patentdokument 1 schlägt eine Wabenstruktur vor, die ein Katalysatorträger ist und durch Anlegen einer Spannung auch als Heizung fungiert und eine Ungleichmäßigkeit einer Temperaturverteilung bei angelegter Spannung unterdrücken kann. Insbesondere schlägt es vor, dass die Ungleichmä-ßigkeit der Temperaturverteilung bei angelegter Spannung unterdrückt wird, indem ein Paar Elektrodenteile in Form von Streifen an zwei Positionen auf einer Seitenfläche der säulenförmigen Wabenstruktur in einer Verlaufsrichtung einer Zelle der Wabenstruktur angeordnet wird und ein Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile so angeordnet wird, dass er dem anderen Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile über eine Mitte der Wabenstruktur in einem zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt gegenüberliegt.
Da ein Teil, der eine Wabenstruktur hat (d.h. ein Teil, der als ein Träger für einen Katalysator dient; nachfolgend als „Wabenstrukturteil“ bezeichnet) gewöhnlich einen höheren elektrischen Widerstand hat als die Elektrodenteile, besteht die Tendenz, dass sich Strom von einem mit dem Elektrodenteil verbundenen Anschluss in dem Elektrodenteil ausbreitet, bevor er durch den Wabenstrukturteil fließt. Wenn jedoch der elektrische Widerstand innerhalb der Wabenstruktur gleichmäßig ist, besteht das Problem, dass eine große Menge des Stroms nahe an einem Endteil des Elektrodenteils fließt, wo eine durch den Wabenstrukturteil verlaufende Distanz kürzer ist, sodass eine Verteilung der Wärmeerzeugung des Wabenstrukturteils ungleichmäßig ist, was Schwankungen bei der Erwärmung des Katalysators erzeugt.
Zur Lösung des Problems offenbart Patentdokument 2, dass die Dicke der Trennwände des Trägers so eingestellt wird, dass der elektrische Widerstand aller Stromwege zwischen den Anschlüssen gleich dem des hohlen Gehäuses ist, welches den Außenteil bildet (Absatz [0009] von Patentdokument 2.
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, offenbart ferner Patentdokument 3 eine Wabenstruktur, bei welcher ein elektrischer Widerstand eines Materials, das als Fluiddurchflussweg dient und einen äußeren Umfangsbereich bildet, niedriger ist als ein elektrischer Widerstand eines Materials, das einen mittleren Bereich bildet (Absatz [0013] von Patentdokument 3).
DRUCKSCHRIFTENVERZEICHNIS
Patentliteratur

Patentdokument 1: WO 2013/146955 A1
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2011-99405 A
Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2014-198321 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Patentdokument 2 soll den Wabenstrukturteil gleichmäßig erwärmen, indem die Dicke der jeweiligen Trennwände des Wabenstrukturteils so eingestellt wird, dass vorbestimmte Bedingungen erfüllt sind. Es besteht jedoch das Problem, dass das Einstellen der Dicke der jeweiligen Trennwände des Wabenstrukturteils in Übereinstimmung mit dem Strom zu Positionen führt, an welchen die mechanische Festigkeit teilweise geringer ist und die Festigkeit als Katalysatorträger reduziert wird.
Des Weiteren soll Patentdokument 3 den Wabenstrukturteil gleichmäßig erwärmen, indem der elektrische Widerstand des Wabenstrukturteils so eingestellt wird, dass er in dem äußeren Umfangsbereich niedriger ist als im mittleren Bereich. Dabei besteht jedoch das Problem, dass dann, wenn der elektrische Widerstand des äußeren Umfangsbereichs niedriger ist, der Strom durch den äußeren Umfangsbereich fließt, sodass es schwierig ist, den mittleren Bereich zu erwärmen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Probleme gemacht. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wabenstruktur bereitzustellen, die in der Lage ist, Wärme gleichmäßiger zu erzeugen (ohne eine Ungleichmäßigkeit der Verteilung der Wärmeerzeugung) als der Stand der Technik.
Als Ergebnis intensiver Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die vorstehend beschriebenen Probleme gelöst werden können, indem die Verteilung des elektrischen Widerstands in Endbereichen und in einem Mittenbereich des Wabenstrukturteils gesteuert wird. Somit wird die vorliegende Erfindung wie folgt dargelegt:

1. Wabenstruktur, umfassend:
- einen säulenförmigen Wabenstrukturteil, der durch die Wabenstruktur von einer Einström-Endfläche zu einer Ausström-Endfläche verlaufende poröse Trennwände, die eine Vielzahl von einen Durchgangskanal bildenden Zellen definieren;
- eine an dem äußersten Umfang angeordnete äußere Umfangswand; und
- ein an einer Seitenfläche des Wabenstrukturteils angeordnetes Paar Elektrodenteile hat;
- wobei jeder Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile in einer Streifenform gebildet ist, die sich in einer Verlaufsrichtung der Zellen des Wabenstrukturteils erstreckt;
- wobei in einem zu der Verlaufsrichtung der Zellen orthogonalen Querschnitt ein Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile auf einer Seite angeordnet ist, die dem anderen Elektrodenteil über einen Mittelpunkt des Wabenstrukturteils gegenüberliegt;
- wobei der Wabenstrukturteil aus
- Endbereichen nahe dem Paar der Elektrodenteile; und
- einem Mittenbereich, der ein mittlerer Bereich ausschließlich der Endbereiche ist, besteht; und
- wobei ein durchschnittlicher elektrischer Widerstand A eines die Endbereiche bildenden Materials niedriger ist als ein durchschnittlicher elektrischer Widerstand B eines Materials, das den Mittenbereich bildet.
2. Wabenstruktur nach Punkt 1 , wobei A und B die Beziehung 1 / 5 ≤ A / B ≤ 4 / 5 erfüllen.
3. Wabenstruktur nach Punkt 1 oder 2, wobei der Wabenstrukturteil hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff oder Siliciumcarbid basiert.
4. Wabenstruktur nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei der Wabenstrukturteil einen elektrischen Widerstand von 0,1-100 Ωcm hat und die Elektrodenteile eine elektrischen Widerstand von 0,001-1,0 Qcm haben.
5. Wabenstruktur nach einem der Punkte 1 bis 4, wobei jeder der Elektrodenteile einen Mittelpunktwinkel von 60-120° hat.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Wabenstruktur bereitzustellen, die Wärme gleichmäßiger erzeugen kann als der Stand der Technik.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Wabenstrukturteils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Ansicht, die einen Mittelpunktwinkel jedes Elektrodenteils in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Ansicht, die Endbereiche und einen Mittenbereich in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Ansicht, die ein Schema der Stromwege in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine Ansicht, die Messpunkte für die Temperatur und den elektrischen Widerstand von Endbereichen und einem Mittenbereich in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen eines Trägers für einen Katalysator der elektrisch beheizbaren Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und auf der Grundlage des üblichen Fachwissens können verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Verbesserungen hinzugefügt werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wabenstrukturteil
1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Wabenstrukturteils einer Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Der Wabenstrukturteil 10 enthält: poröse Trennwände 11, die sich durch die Wabenstruktur 100 von einer Einström-Stimseite zu einer Ausström-Stirnseite erstrecken und eine Vielzahl von Zellen 12 bilden, die einen Durchflusskanal bilden, und eine äußere Umfangswand, die am äußersten Umfang angeordnet ist. Anzahl, Anordnung, Form und dergleichen der Zellen 12 sowie die Dicke der jeweiligen Trennwände 11 und dergleichen unterliegen keinen Einschränkungen und können nach Erfordernis optional gestaltet werden.
Ein Material des Wabenstrukturteils 10 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, solange es Leitfähigkeit aufweist, und es können Metalle, Keramik oder dergleichen verwendet werden. Insbesondere basiert unter dem Gesichtspunkt der Kompatibilität von Wärmebeständigkeit und Leitfähigkeit vorzugsweise das Material des Wabenstrukturteils 10 auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff oder Siliciumcarbid, und bevorzugter ist es ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff oder Siliciumcarbid. Tantalsilicid (TaSi₂) und Chromsilicid (CrSi₂) können ebenfalls zugegeben werden, um den elektrischen Widerstand der Wabenstruktur zu senken. Der Satz „derWabenstrukturteil 10 basiert hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ bedeutet, dass der Wabenstrukturteil 10 90 Massen-% oder mehr des Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffs (Gesamtmasse) auf der Basis des gesamten Wabenstrukturteils enthält. Dabei enthält der Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff Siliciumcarbidteilchen als ein Aggregat und Silicium als ein Verbindungsmaterial zum Verbinden der Siliciumcarbidteilchen, und eine Vielzahl von Siliciumcarbidteilchen sind durch Silicium dergestalt gebunden, dass zwischen den Siliciumcarbidteilchen Poren gebildet werden. Der Satz „der Wabenstrukturteil 10 basiert hauptsächlich auf Siliciumcarbid“ bedeutet, dass der Wabenstrukturteil 10 90 Masse-% oder mehr Siliciumcarbid (Gesamtmasse) auf der Basis des gesamten Wabenstrukturteils enthält.
Der elektrische Widerstand des Wabenstrukturteils 10 kann in Abhängigkeit von der anzulegenden Spannung nach Bedarf eingestellt werden, und zwar ohne besondere Einschränkung beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 100 Ω·cm. Bei einer hohen Spannung von 64 V oder mehr kann er von 2 bis 200 Ω·cm und typischerweise von 5 bis 100 Ω·cm betragen. Ferner kann er bei einer niedrigen Spannung von weniger als 64 V von 0,001 bis 2 Ω·cm und typischerweise von 0,001 bis 1 Ω·cm und noch typischer von 0,01 bis 1 Ω·cm betragen. In der Verwendung hierin bezieht sich der elektrische Widerstand des Wabenstrukturteils 10 auf einen elektrischen Widerstand, der durch ein Vier-Klemmen-Verfahren mit einem Multimeter gemessen wird.
Ferner wird die Verteilung des elektrischen Widerstands der Wabenstruktur 10 in den Endbereichen und einem Mittenbereich nachstehend beschrieben.
Die jeweiligen Trennwände 11 des Wabenstrukturteils 10 haben vorzugsweise eine Porosität von 35 bis 60 % und bevorzugter von 35 bis 45 %. Eine Porosität von weniger als 35 % kann zu einer größeren Verformung während des Brennens führen. Eine Porosität von mehr als 60 % kann zu einer verminderten Festigkeit des Wabenstrukturteils führen. Die Porosität ist ein Wert, der mit einem Quecksilber-Porosimeter gemessen wird.
Die jeweiligen Trennwände 11 des Wabenstrukturteils 10 haben vorzugsweise eine durchschnittliche Porengröße von 2 bis 15 µm und bevorzugter von 4 bis 8 µm. Ein durchschnittlicher Porendurchmesser von weniger als 2 µm kann zu einem übermäßig hohen elektrischen Widerstand führen. Ein durchschnittlicher Porendurchmesser von mehr als 15 µm kann zu einem übermäßig niedrigen elektrischen Widerstand führen. Die durchschnittliche Porengröße ist ein Wert, der mit einem Quecksilber-Porosimeter gemessen wird.
Die Form der jeweiligen Zellen 12 in einem zu einer Strömungswegrichtung orthogonalen Querschnitt der Zelle unterliegt keiner besonderen Einschränkung, kann jedoch vorzugsweise ein Quadrat, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination daraus sein. Darunter sind die quadratische und sechseckige Form bevorzugt. Eine derartige Wabenform führt zu einem reduzierten Druckverlust, wenn Abgas durch den Wabenstrukturteil 10 fließt, und zu einer verbesserten Reinigungsleistung des Katalysators.
Die äußere Gestalt des Wabenstrukturteils 10 unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange sie säulenförmig ist. Hinsichtlich der Größe des Wabenstrukturteils 10 hat der Wabenstrukturteil 10 vorzugsweise eine Fläche der Grundflächen von 2000 bis 20.000 mm² und bevorzugter von 4000 bis 10.000 mm², um die Wärmebeständigkeit zu verbessern (Verhindern von Rissen, die in einer Umfangsrichtung der äußeren Umfangsseitenwand erzeugt werden). Ferner beträgt eine axiale Länge des Wabenstrukturteils 10 aus Gründen der Verbesserung der Wärmebeständigkeit (Verhinderung von in einer Richtung parallel zu einer Mittelachsenrichtung in der äußeren Umfangsseitenwand erzeugten Rissen) vorzugsweise von 50 bis 200 mm und bevorzugter von 75 bis 150 mm.
Die äußere Umfangswand 3, die den äußersten Umfang des Wabenstrukturteils 10 der Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bildet, hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 2 mm. Wenn sie dünner ist als 0,1 mm, kann die Festigkeit der Wabenstruktur 100 verringert werden. Wenn sie größer ist als 2 mm, können die Flächen der den Katalysator tragenden Trennwände reduziert werden.
Ferner kann der Wabenstrukturteil 10 als ein Katalysatorträger verwendet werden, indem ein Katalysator auf den Wabenstrukturteil 10 aufgebracht wird.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung die Wabenstruktur 10 erörtert wird, indem sie in Endbereiche nahe einem Paar Elektrodenteile, wie nachstehend beschrieben, und einen Mittenbereich unterteilt wird, der ein mittlerer Bereich ausschließlich der Endbereiche ist, ist es wichtig, dass ein durchschnittlicher Widerstand A eines die Endbereiche bildenden Materials niedriger ist als ein durchschnittlicher elektrischer Widerstand B eines Materials, das den Mittenbereich bildet.
Dabei sind die Endbereiche und der Mittenbereich wie folgt definiert. Zunächst wird in einem zu der Verlaufsrichtung der Zelle des Wabenstrukturteils 10 orthogonalen Querschnitt eine gerade Linie L so gezogen, dass sie Mittelpunkte eines Paares von Elektrodenteilen 21, 21 verbindet, was eine Umfangslänge des Wabenstrukturteils 10 ist. Wie nachstehend beschrieben ist das Paar Elektrodenteile 21, 21 auf einander über einen Mittelpunkt O des Wabenstrukturteils 10 gegenüberliegenden Seiten des Wabenstrukturteils 10 angeordnet, sodass die gerade Linie L durch den Mittelpunkt O des Wabenstrukturteils 10 verläuft. Daher ist die Länge der geraden Linie L ein Durchmesser des Wabenstrukturteils 10. Dann werden gerade Linien so gezogen, dass sie einen Mittelpunktwinkel von 5° jeweils auf der linken und der rechten Seite unter Verwendung der geraden Linie L als Mitte bilden. Daher bilden die beiden geraden Linien Bereiche des Mittelpunktwinkels von 10° um die gerade Linie L. Unter diesen Bereichen ist jeder Bereich bis zu einer Länge von 1/5 von der äußeren Umfangswand der Wabenstruktur 10 als der Endbereich definiert.
Der Teil ausschließlich der Endbereiche ist als der Mittenbereich definiert.
Wenn A niedriger ist als B, fließt ein Strom ohne weiteres durch die Endbereiche des Wabenstrukturteils 10 (siehe 5), wodurch eine effektive Unterdrückung des Problems ermöglicht wird, dass eine große Menge des Stroms nahe den Endteilen des Elektrodenteils fließt, wobei die Verteilung der Wärmeerzeugung des Wabenstrukturteils ungleichmäßig wird, was wie vorstehend beschrieben Schwankungen in der Erwärmung des Katalysators zur Folge hat. Daher wird im Vergleich zu einem Fall, in welchem der Strom nur in dem äußeren Umfangsbereich des Wabenstrukturteils 10 fließt, die Umgebung des Mittelpunkts O des Wabenstrukturteils 10 erwärmt, sodass der gesamte Wabenstrukturteil 10 durch Erwärmung durch Strom oder Wärmeleitung der Trennwände erwärmt wird, was die Temperaturverteilung gleichmäßiger werden lässt.
Die bevorzugten Bereiche von A und B sind dieselben wie vorstehend beschrieben.
Ferner erfüllen im Hinblick auf die Verstärkung des nicht nur durch den äußeren Umfang der Wabenstruktur 10, sondern auch durch die Mitte verlaufenden Stromweges A und B vorzugsweise die folgende Beziehung: 1 / 5 ≤ A / B ≤ 4 / 5.
Elektrodenteil
Wie 2 zeigt, enthält der Wabenstrukturteil 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Paar Elektrodenteile 21, die in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der äußeren Umfangsseitenwand dergestalt vorgesehen sind, dass sie einander über den Mittelpunkt O des Wabenstrukturteils 10 gegenüberliegen. Jeder Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile 21, 21 ist in einer „Streifenform“ gebildet, die sich in der Verlaufsrichtung der Zelle 12 des Wabenstrukturteils 10 erstreckt. Somit ist in der Wabenstruktur 100 der vorliegenden Ausführungsform jeder Elektrodenteil 21 in einer Streifenform gebildet, ist die Längsrichtung jedes Elektrodenteils 21 die Verlaufsrichtung der Zelle 12 des Wabenstrukturteils 10 und ist das Paar der Elektrodenteile 21, 21 so angeordnet, dass sie einander quer über den Mittelpunkt O des Wabenstrukturteils 10 gegenüberliegen.
Ferner beträgt in dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt ein Mittelpunktwinkel α jedes der Elektrodenteile 21, 21 vorzugsweise von 60 bis 120°. Ferner beträgt in dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt ein oberer Grenzwert des Mittelpunktwinkels α jedes der Elektrodenteile 21, 21 vorzugsweise 110 und bevorzugter 100. In dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt ist ein unterer Grenzwert des Mittelpunktwinkels α jedes der Elektrodenteile 21, 21 vorzugsweise 70 und bevorzugter 80. Ferner ist der Mittelpunktwinkel α eines Elektrodenteils 21 vorzugsweise von 0,8- bis 1,2-mal größer als der Mittelpunktwinkel α des anderen Elektrodenteils 21, und bevorzugter 1,0-mal (die gleiche Größe). Dies kann das Unterdrücken der Verzerrung des durch den äußeren Umfang und den mittleren Bereich des Wabenstrukturteils fließenden Stroms erlauben, wenn zwischen dem Paar Elektrodenteile 21, 21 eine Spannung angelegt wird. Jeweils in dem äußeren Umfang und dem mittleren Bereich des Wabenstrukturteils kann jegliche Ungleichmäßigkeit der Wärmeerzeugung unterdrückt werden.
In der Verwendung hierin bezieht sich der Mittelpunktwinkel α auf einen Winkel, der durch gerade Linien gebildet ist, welche die beiden Endteile der Elektrodenteile 21 und den Mittelpunkt O des Wabenstrukturteils in dem zur Verlaufsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt verbinden (siehe 3). In 3 sind die Mittelpunktwinkel α des Paares der Elektrodenteil 21 gleich.
In der Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der elektrische Widerstand der Elektrodenteile 21 vorzugsweise niedriger als der elektrische Widerstand der äußeren Umfangswand des Wabenstrukturteils 10. Ferner beträgt der elektrische Widerstand der Elektrodenteile 21 bevorzugter von 0,1 bis 10 % und besonders bevorzugt von 0,5 bis 5 % desspezifischen elektrischen Widerstands der äußeren Umfangswand des Wabenstrukturteils 10. Wenn er geringer ist als 0,1 %, wird eine durch die „Endteile des Elektrodenteils“ innerhalb des Elektrodenteils 21 fließende Strommenge erhöht, wenn eine Spannung an die Elektrodenteile 21 angelegt wird, sodass der durch den Wabenstrukturteil 10 fließende Strom leicht verzerrt werden kann. Darüber hinaus kann es schwierig sein, dass die Wabenstruktur 10 gleichmäßig Wärme erzeugt. Wenn er höher als 10 % ist, wird die sich in den Elektrodenteilen 21 ausbreitende Strommenge verringert, wenn eine Spannung an die Elektrodenteile 21 angelegt wird, und der durch den Wabenstrukturteil 10 fließende Strom kann leicht verzerrt werden. Darüber hinaus kann es schwierig sein, dass die Wabenstruktur 10 gleichmäßig Wärme erzeugt.
Jeder Elektrodenteil 21 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,01 bis 5 mm und bevorzugter von 0,01 bis 3 mm. Die Dicke in einem solchen Bereich kann zur gleichmäßigen Wärmeerzeugung in dem Wabenstrukturteil beitragen. Wenn die Dicke des jeweiligen Elektrodenteils 21 kleiner als 0,01 mm ist, wird der elektrische Widerstand erhöht und eine gleichmäßige Wärmeerzeugung ist eventuell nicht möglich. Wenn die Dicke des jeweiligen Elektrodenteils 21 mehr als 5 mm beträgt, kann es während der Montage im Gehäuse zum Bruch kommen.
Wie 1 zeigt, erstreckt sich in der Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform jeder der Elektrodenteile 21,21 in der Verlaufsrichtung der Zelle 12 des Wabenstrukturteils 10 und ist in einer Streifenform gebildet, die sich „zwischen beiden Endteilen (beiden Stirnseiten 13,14) erstreckt“. Somit ist in der Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Paar Elektrodenteile 21,21 so angeordnet, dass es sich zwischen den beiden Endteilen des Wabenstrukturteils 10 erstreckt. Dies kann eine wirksame Unterdrückung der Verzerrung des Stroms in der Axialrichtung des Wabenstrukturteils (d.h. der Verlaufsrichtung der Zelle 12) ermöglichen, wenn eine Spannung zwischen den beiden Elektrodenteilen 21,21 angelegt wird. In der Verwendung hierin hat der Satz „der Elektrodenteil 21 ist zwischen beiden Endteilen des Wabenstrukturteils 10 gebildet (angeordnet)“ die folgende Bedeutung: ein Endteil des Elektrodenteils 21 ist in Kontakt mit einem Endteil (einer Stirnseite) des Wabenstrukturteils 10 und der andere Endteil des Elektrodenteils 21 ist in Kontakt mit dem anderen Endteil (der anderen Stirnseite) des Wabenstrukturteils 10.
Andererseits ist eine bevorzugte Ausführungsform auch ein Zustand, in welchem mindestens ein Endteil jedes Elektrodenteils 21 in „der Verlaufsrichtung der Zelle 12 in dem Wabenstrukturteil 10“ nicht mit dem Endteil (Stirnseite) des Wabenstrukturteils 10 in Kontakt ist. Dies kann die Wärmeschockfestigkeit der Wabenstruktur verbessern.
In der Wabenstruktur 100 der vorliegenden Ausführungsform ist jeder Elektrodenteil 21 in einer Form gebildet, bei welcher ein ebenes rechteckiges Element entlang einem äußeren Umfang einer Säulenform gebogen wird, beispielsweise wie in den 1-3 dargestellt. Dabei wird eine Form, bei welcher der gebogene Elektrodenteil 21 zu einem nicht gebogenen, ebenen Element verformt wird, als „ebene Form“ des Elektrodenteils 21 bezeichnet. Die in den 1 bis 3 gezeigte „ebene Form“ des Elektrodenteils 21 ist ein Rechteck. Eine „äußere Umfangsform des Elektrodenteils“ in der Verwendung hierin bedeutet „eine äußere Umfangsform der ebenen Form des Elektrodenteils“.
In der Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die äußere Umfangsform des streifenförmigen Elektrodenteils eine Form sein, bei welcher die jeweiligen rechteckigen Eckteile in gekrümmter Form gebildet sind. Eine derartige Form ermöglicht die Verbesserung der Wärmeschockfestigkeit der Wabenstruktur. Eine bevorzugte Ausführungsform ist, dass der äußere Umfang des streifenförmigen Elektrodenteils eine Form hat, bei welcher die rechteckigen Eckteile linear abgeschrägt sind. Eine derartige Form kann die Verbesserung der Wärmeschockfestigkeit der Wabenstruktur ermöglichen.
Bei der Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Länge des Stromweges vorzugsweise das 1,6-fache oder weniger des Durchmessers des Wabenstrukturteils in dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt. Wenn er mehr als das 1,6-fache beträgt, kann unnötig Energie verbraucht werden. In der Verwendung hierin bezieht sich der „Stromweg“ auf einen Weg, durch welchen ein Strom fließt. Die „Länge des Stromwegs“ bezieht sich auf eine Länge, die in dem „zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt“ das 0,5-fache der Länge des „äußeren Umfangs“, durch welchen der Strom fließt, beträgt. Das bezeichnet die größte Länge der „Durchflusswege, durch welche der Strom fließt“ in dem „zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt“ der Wabenstruktur. Die „Länge des Stromwegs“ ist ein Wert, der entlang Oberflächen innerhalb von Unregelmäßigkeiten oder eines Schlitzes gemessen wird, wenn die Unregelmäßigkeiten am äußeren Umfang gebildet sind oder der sich in dem äußeren Umfang öffnende Schlitz in dem Wabenstrukturteil gebildet ist. Daher ist dann, wenn beispielsweise der sich in dem äußeren Umfang öffnende Schlitz in dem Wabenstrukturteil gebildet ist, „die Länge des Stromwegs“ um eine Länge, die annähemd dem zweifachen der Tiefe des Schlitzes entspricht, verlängert.
Der elektrische Widerstand der Elektrodenteile 21 beträgt vorzugsweise von 0,01 bis 1,0 Ωcm. Durch einen derartigen Bereich des elektrischen Widerstands des Elektrodenteils 21 wirkt das Paar Elektrodenteile 21,21 effektiv als Elektroden in einem Rohr, durch welches ein Abgas mit einer erhöhten Temperatur fließt. Wenn der elektrische Widerstand des Elektrodenteils 21 geringer ist als 0,01 Qcm, besteht die Tendenz, dass sich die Temperatur des Wabenteils nahe den beiden Enden des Elektrodenteils 21 in dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt erhöht. Wenn der elektrische Widerstand des Elektrodenteils 21 mehr als 1,0 Qcm beträgt, fließt kaum Strom, sodass es schwierig ist, die Funktion als Elektrode zu erfüllen. Der elektrische Widerstand jedes Elektrodenteils ist ein Wert bei Raumtemperatur (25 °C).
Jeder Elektrodenteil 21 hat vorzugsweise eine Porosität von 30 bis 60 % und bevorzugter 30 bis 55 %. Die Porosität jedes Elektrodenteils 21 in diesem Bereich kann einen geeigneten elektrischen Widerstand bereitstellen. Wenn die Porosität des Elektrodenteils 21 geringer als 30 % ist, tritt während der Herstellung eine Verformung auf. Wenn die Porosität des jeweiligen Elektrodenteils 21 höher als 60 % ist, kann der elektrische Widerstand übermäßig erhöht sein. Die Porosität ist ein Wert, der mit einem Quecksilber-Porosimeter gemessen wird.
Jeder Elektrodenteil 21 hat vorzugsweise einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 5 bis 45 µm und bevorzugter von 7 bis 40 µm. Der durchschnittliche Porendurchmesser jedes Elektrodenteils 21 in diesem Bereich kann einen geeigneten elektrischen Widerstand bereitstellen. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser jedes Elektrodenteils 21 kleiner als 5 µm ist, kann der elektrische Widerstand zu hoch werden. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser jedes Elektrodenteils 21 mehr als 45 µm beträgt, kann die Festigkeit der jeweiligen Elektrodenteile 21 geschwächt werden und es besteht die Gefahr des Bruchs der jeweiligen Elektrodenteile 21. Der durchschnittliche Porendurchmesser ist ein Wert, der mit einem Quecksilber-Porosimeter gemessen wird.
Wenn die jeweiligen Elektrodenteile 21 hauptsächlich auf dem „Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ basieren, haben die in den jeweiligen Elektrodenteilen 21 enthaltenen Siliciumcarbidteilchen vorzugsweise einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 bis 60 µm, bevorzugter von 20 bis 60 µm. Dieser Bereich der durchschnittlichen Teilchendurchmesser der in dem Elektrodenteil 21 enthaltenen Siliciumcarbidteilchen kann es ermöglichen, dass der elektrische Widerstand des Elektrodenteils 21 innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 100 Ωcm gesteuert wird. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser der in dem Elektrodenteil 21 enthaltenen Siliciumcarbidteilchen kleiner als 10 µm ist, kann der elektrische Widerstand der jeweiligen Elektrodenteile 21 zu hoch werden. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser der in dem Elektrodenteil 21 enthaltenen Siliciumcarbidteilchen mehr als 60 µm beträgt, kann die Festigkeit der jeweiligen Elektrodenteile 21 geschwächt werden und es besteht die Gefahr des Bruchs der jeweiligen Elektrodenteile 21. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Siliciumcarbidteilchen in dem Elektrodenteil 21 ist ein Wert, der durch ein Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
Wenn die jeweiligen Elektrodenteile 21 hauptsächlich auf dem „Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ basieren, ist ein Verhältnis einer Masse von in den Elektrodenteilen 21 enthaltenem Silicium zu „der Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbidteilchen und Silicium“, die in den Elektrodenteilen 21 enthalten sind, vorzugsweise in einen Bereich von 20 bis 40 Massen-%. Das Verhältnis der Masse von Silicium zu „der Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbidteilchen und Silicium“, die in den Elektrodenteilen 21 enthalten sind, ist bevorzugter von 25 bis 35 Massen-%. Bei einem derartigen Bereich des Verhältnisses der Masse von Silicium zu „der Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbidteilchen und Silicium“, die in den Elektrodenteilen 21 enthalten sind, kann der elektrische Widerstand der Elektrodenteile 21 in einem Bereich von 0,1 bis 100 Ωcm liegen. Wenn das Verhältnis der Masse von Silicium zu „der Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbidteilchen und Silicium“, die in den Elektrodenteilen 21 enthalten sind, geringer als 20 Massen-% ist, kann der elektrische Widerstand zu hoch werden, und wenn es mehr als 40 Massen-% beträgt, besteht die Gefahr des Auftretens einer Verformung während der Herstellung.
Die Wabenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat vorzugsweise eine isostatische Festigkeit von 1 MPa oder mehr und bevorzugter 3 MPa oder mehr. Die isostatische Festigkeit ist vorzugsweise so hoch wie möglich, aber ein oberer Grenzwert liegt im Hinblick auf das Material, die Struktur und dergleichen der Wabenstruktur 100 bei etwa 6 MPa. Wenn die isostatische Festigkeit geringer als 1 MPa ist, kann die Wabenstruktur leicht brechen, wenn sie als ein Katalysatorträger oder dergleichen verwendet wird. Die isostatische Festigkeit ist ein Wert, der durch Anlegen eines hydrostatischen Drucks in Wasser gemessen wird.
Herstellungsverfahren
Die Herstellung des Wabenstrukturteils kann gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines Wabenstrukturteils innerhalb eines bekannten Verfahrens zur Herstellung eines Wabenstrukturteils durchgeführt werden. Beispielsweise wird zunächst ein Formwerkstoff hergestellt, indem metallisches Silicium-Pulver (metallisches Silicium), ein Bindemittel, ein oder mehrere oberflächenaktive Stoffe, ein Porenbildner, Wasser und dergleichen zu einen Siliciumcarbidpulver (Siliciumcarbid) hinzugefügt werden. Eine Masse des metallischen Siliciums kann bevorzugt von 10 bis 40 Massen-% bezogen auf die Summe der Masse des Siliciumcarbidpulvers und der Masse des metallischen Siliciums betragen. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Siliciumcarbidteilchen in dem Siliciumcarbidpulver beträgt vorzugsweise von 3 bis 50 µm und bevorzugter von 3 bis 40 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der metallischen Siliciumteilchen in dem metallischen Silicium-Pulver beträgt bevorzugt von 2 bis 35 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der jeweiligen Siliciumcarbidteilchen und der metallischen Siliciumteilchen bezieht sich auf einen arithmetischen durchschnittlichen Durchmesser auf Volumenbasis, wenn die Frequenzverteilung des Teilchendurchmessers durch ein Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Die Siliciumcarbidteilchen sind feine Teilchen aus Siliciumcarbid, die das Siliciumcarbidpulver bilden, und die metallischen Siliciumteilchen sind feine Teilchen aus metallischem Silicium, die das metallische Silicium-Pulver bilden. Es sei angemerkt, dass dies die Formulierung zum Bilden von Rohmaterialien in dem Fall ist, in welchem das Material des Wabenstrukturteils der Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff ist. In dem Fall, wenn das Material des Wabenstrukturteils Siliciumcarbid ist, wird kein metallisches Silicium hinzugefügt.
Zu den Beispielen für das Bindemittel zählen Methylzellulose, Hydroxypropylmethylzellulose, Hydroxypropoxylzellulose, Hydroxyethylzellulose, Carboxymethylzellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Darunter ist die Verwendung von Methylzellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylzellulose bevorzugt. Der Gehalt des Bindemittels kann bevorzugt von 2,0 bis 10,0 Massen-Teile betragen, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt.
Der Wassergehalt beträgt bevorzugt von 20 bis 60 Massen-Teile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt.
Der oberflächenaktive Stoff, der verwendet werden kann, schließt Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäure-Seifen, Polyalkohol und dergleichen ein. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr Stoffen verwendet werden. Der Gehalt des oberflächenaktiven Stoffes beträgt bevorzugt von 0,1 bis 2,0 Massen-Teile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt.
Der Porenbildner unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange der Porenbildner selbst nach dem Brennen Poren bildet, und umfasst beispielsweise Graphit, Stärke, schäumbare Harze, wasserabsorbierende Harze, Silica-Gel und dergleichen. Der Gehalt des Porenbildners beträgt bevorzugt von 0,5 bis 10,0 Massen-Teile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners beträgt bevorzugt von 10 bis 30 µm. Wenn er kleiner als 10 µm ist, werden Poren möglicherweise nicht ausreichend gebildet. Wenn er größer als 30 µm ist, kann das Formwerkzeug während des Formvorgangs durch den Porenbildner verstopft werden. Die durchschnittliche Teilchengröße des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetischen durchschnittlichen Durchmesser auf Volumenbasis, wenn die Frequenzverteilung der Teilchengröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Wenn der Porenbildner das wasserabsorbierende Harz ist, ist der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners ein durchschnittlicher Teilchendurchmesser nach der Absorption von Wasser.
Dann werden die resultierenden Form-Rohmaterialien geknetet, um einen Grünkörper zu bilden, und der Grünkörper wird dann stranggepresst, um einen Wabenstrukturteil zu bilden. Beim Strangpressen kann ein Formwerkzeug mit einer gewünschten allgemeinen Form, Wabenform, Trennwanddicke, Wabendichte und dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise wird der resultierende Wabenstrukturteil getrocknet. Ein Verfahren zum Trocknen ist nicht besonders beschränkt, und Beispiele des Verfahrens schließen elektromagnetische Wellen nutzende Erwärmungsverfahren wie Mikrowellenerwärmung und -trocknung und dielektrische Hochfrequenzerwärmung und -trocknung, und ein externes Erwärmungsverfahren wie Heißlufttrocknung und Heißdampftrocknung ein. Dabei wird unter dem Gesichtspunkt, dass der gesamte geformte Gegenstand rasch und gleichmäßig getrocknet werden kann, um keine Risse zu verursachen, eine gewisse Menge der Feuchtigkeit durch das Erwärmungsverfahren mit elektromagnetischen Wellen getrocknet und die übrige Feuchtigkeit wird durch das externe Erwärmungsverfahren getrocknet. Die Trocknung wird vorzugsweise unter Bedingungen durchgeführt, bei welchen Feuchtigkeit von 30 bis 99 Massen-%, bezogen auf die Feuchtigkeitsmenge vor der Trocknung, durch ein Erwärmungsverfahren mit elektromagnetischen Wellen entfernt wird, und die Feuchtigkeit wird dann auf 3 Massen-% oder weniger durch das externe Erwärmungsverfahren reduziert. Das Erwärmungsverfahren mit elektromagnetischen Wellen ist vorzugsweise eine Trocknung durch dielektrische Erwärmung und das externe Erwärmungsverfahren ist vorzugsweise Heißlufttrocknung. Eine Trocknungstemperatur beträgt vorzugsweise von 50 bis 100 °C.
Wenn die Länge in Richtung der Mittelachse des Wabenstrukturteils nicht eine gewünschte Länge ist, können die beiden Stirnseiten des Wabenformkörpers auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden. Zu einem nicht einschränkenden Schneidverfahren zählt ein Verfahren, bei dem eine Kreissägen-Schneidemaschine oder dergleichen verwendet wird.
Der getrocknete Wabenkörper wird dann gebrannt, um einen gebrannten Wabenkörper zu erhalten. Beim Brennen wird beispielsweise der getrocknete Wabenkörper bei 1400 °C 3 Stunden lang in einer Ar-Atmosphäre gebrannt. Beim Brennen kann die Verteilung des elektrischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung ohne weiteres beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine aus demselben Material hergestellte Abschirmung zwischen den Umhüllungen (was sich auf die beim Brennen verwendeten Einfassungen bezieht) für eine Stelle angeordnet wird, die einen hohen Widerstand haben soll, bezogen auf eine Stelle, die einen niedrigen Widerstand haben soll, und anschließend der getrocknete Wabenkörper in einer 1,0 Vol.-% N₂ enthaltenden Ar-Atmosphäre bei 1400 °C 3 Stunden lang gebrannt wird.
Es sei angemerkt, dass die Mittel zum Erzielen der Verteilung des elektrischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt sind und die Verteilung des elektrischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung auch durch Veränderung von Faktoren erzielt werden kann, die den elektrischen Widerstand beeinflussen, wie etwa zusätzlich zu den vorstehend genannten Mitteln das Material des Wabenstrukturteils und die Wandstärke.
Vor dem Brennen kann vorzugsweise eine Kalzinierung durchgeführt werden, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Die Kalzinierung wird vorzugsweise in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 400 bis 500 °C über 0,5 bis 20 Stunden durchgeführt. Die Verfahren zum Kalzinieren und Brennen unterliegen keiner besonderen Einschränkung und können unter Verwendung eines elektrischen Ofens, eines Gasofens oder dergleichen ausgeführt werden. Das Brennen kann vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre wie Stickstoff oder Argon bei einer Temperatur von 1300 bis 1500 °C über 1 bis 20 Stunden durchgeführt werden. Nach dem Brennen wird vorzugsweise eine Oxygenierungsbehandlung bei einer Temperatur von 1000 bis 1250 °C 1 bis 10 Stunden lang durchgeführt, um die Haltbarkeit zu verbessern.
Dann werden die Elektrodenteile an dem getrockneten Wabenkörper gebildet. Vorzugsweise wird ein Elektrodenteilformungs-Rohmaterial zum Formen der Elektrodenteile hergestellt. Wenn der jeweilige Elektrodenteil hauptsächlich auf dem „Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ basiert, wird das Elektrodenteil-Formungsmaterial vorzugsweise gebildet, indem bestimmte Zusatzstoffe zu Siliciumcarbidpulver und Silicium-Pulver hinzugefügt werden und die Mischung geknetet wird.
Insbesondere ist es bevorzugt, metallisches Silicium-Pulver (metallisches Silicium), ein Bindemittel, einen oder mehrere oberflächenaktive Stoffe, einen Porenbildner, Wasser und dergleichen zu Siliciumcarbidpulver (Siliciumcarbid) hinzuzufügen und diese zu kneten, um ein Elektrodenteil-Formungsmaterial herzustellen. Wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Siliciums 100 Massen-Teile beträgt, beträgt die Masse des metallischen Siliciums vorzugsweise von 20 bis 40 Massen-Teile. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Siliciumcarbidteilchen in dem Siliciumcarbidpulver beträgt vorzugsweise von 10 bis 60 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Siliciums (metallischen Silicium-Pulvers) beträgt bevorzugt von 2 bis 20 µm. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Silicium-Pulvers (metallischen Siliciums) kleiner als 2 µm ist, kann der elektrische Widerstand zu niedrig werden. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Silicium-Pulvers (metallischen Siliciums) größer als 20 µm ist, kann der elektrische Widerstand zu hoch werden. Die durchschnittlichen Teilchendurchmesser der Siliciumcarbidteilchen bzw. des metallischen Siliciums (der metallischen Siliciumteilchen) sind Werte, die durch ein Laserbeugungsverfahren gemessen wurden. Die Siliciumcarbidteilchen sind feine Teilchen aus Siliciumcarbid, die das Siliciumcarbidpulver bilden, und die metallischen Siliciumteilchen sind feine Teilchen aus metallischem Silicium, die das metallische Silicium-Pulver bilden.
Zu den Beispielen für das Bindemittel zählen Methylzellulose, Hydroxypropylmethylzellulose, Hydroxypropoxylzellulose, Hydroxyethylzellulose, Carboxymethylzellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Darunter ist die Verwendung von Methylzellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylzellulose bevorzugt. Der Gehalt des Bindemittels kann bevorzugt von 0,1 bis 5,0 Massen-Teile betragen, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt.
Der Wassergehalt beträgt bevorzugt von 15 bis 60 Massen-Teile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt.
Der oberflächenaktive Stoff, der verwendet werden kann, schließt Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäure-Seifen, Polyalkohol und dergleichen ein. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr Stoffen verwendet werden. Der Gehalt des oberflächenaktiven Stoffes beträgt bevorzugt von 0,1 bis 2,0 Massen-Teile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt.
Der Porenbildner unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange der Porenbildner selbst nach dem Brennen Poren bildet, und umfasst beispielsweise Graphit, Stärke, schäumbare Harze, wasserabsorbierende Harze, Silica-Gel und dergleichen. Der Gehalt des Porenbildners beträgt bevorzugt von 0,1 bis 5,0 Massen-Teile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des metallischen Silicium-Pulvers 100 Massen-Teile beträgt. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners beträgt bevorzugt von 10 bis 30 µm. Wenn er kleiner als 10 µm ist, werden Poren möglicherweise nicht ausreichend gebildet. Wenn er größer als 30 µm ist, treten tendenziell größere Poren auf, was eine Verringerung der Festigkeit verursacht. Die durchschnittliche Teilchengröße des Porenbildners ist ein Wert, der durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
Vorzugsweise wird dann eine Mischung, die durch Mischen von Siliciumcarbidpulver (Siliciumcarbid), metallischem Silicium (metallischem Silicium-Pulver), eines Bindemittels, eines oder mehrerer oberflächenaktiver Stoffe, eines Porenbildners, von Wasser und dergleichen erhalten wurde, geknetet, um ein Elektrodenteil-Formungsrohmaterial in Form einer Paste oder Schlämme herzustellen. Das Knetverfahren unterliegt keiner besonderen Einschränkung und beispielsweise kann eine Rührvorrichtung der senkrechten Bauart verwendet werden.
Vorzugsweise wird das resultierende Elektrodenteil-Formungsmaterial dann auf eine Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers aufgetragen. Das Verfahren zum Auftragen des Elektrodenteil-Formungsmaterials auf die Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers unterliegt keiner besonderen Einschränkung, aber beispielsweise kann ein Druckverfahren verwendet werden. Des Weiteren wird das Elektrodenteil-Formungsmaterial vorzugsweise auf die Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers dergestalt aufgetragen, dass es die Form des jeweiligen Elektrodenteils in der Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung hat. Jeder Elektrodenteil kann eine gewünschte Dicke haben, indem die Dicke beim Auftragen des Elektrodenteil-Formungsrohmaterials eingestellt wird. Somit können die Elektrodenteile nur durch Auftragen des Elektrodenteil-Formungsmaterials auf die Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers und Trocknen und Brennen desselben gebildet werden, sodass die Elektrodenteile sehr einfach gebildet werden können.
Anschließend wird das auf die Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers aufgetragene Elektrodenteil-Formungsmaterial vorzugsweise getrocknet, um ungebrannte Elektroden zu bilden und einen gebrannten Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden herzustellen. Die Trocknungsbedingung ist vorzugsweise von 50 bis 100 °C.
Der gebrannte Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden wird anschließend gebrannt, um eine Wabenstruktur herzustellen. In diesem Fall werden hauptsächlich die ungebrannten Elektroden gebrannt. Vor dem Brennen wird vorzugsweise eine Kalzinierung durchgeführt, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Die Kalzinierung wird vorzugsweise in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 400 bis 500 °C über 0,5 bis 20 Stunden durchgeführt. Die Verfahren zum Kalzinieren und Brennen unterliegen keiner besonderen Einschränkung und können unter Verwendung eines elektrischen Ofens, eines Gasofens oder dergleichen ausgeführt werden. Das Brennen kann vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre wie Stickstoff oder Argon bei einer Temperatur von 1400 bis 1500 °C über 1 bis 20 Stunden durchgeführt werden. Nach dem Brennen wird vorzugsweise eine Oxygenierungsbehandlung bei einer Temperatur von 1200 bis 1350 °C 1 bis 10 Stunden lang durchgeführt, um die Haltbarkeit zu verbessern.
BEISPIELE
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele ausführlicher beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Metallisches Silicium-Pulver (Si) wurde als ein Keramikrohmaterial verwendet. Zu dem Keramikrohmaterial wurden Hydroxypropylmethylzellulose als Bindemittel und ein wasserabsorbierendes Harz als Porenbildner sowie Wasser zugegeben, um einen Formwerkstoff zu bilden. Der Formwerkstoff wurde anschließend durch einen Vakuum-Grünkörperkneter geknetet, um einen säulenförmigen Grünkörper herzustellen. Der Gehalt des Bindemittels betrug 7 Massen-Teile auf der Basis von 100 Massen-Teilen des metallischen Silicium-Pulvers (Si). Der Gehalt des Porenbildners betrug 3 Massen-Teile auf der Basis von 100 Massen-Teilen des metallischen Silicium-Pulvers (Si). Der Gehalt von Wasser betrug 42 Massen-Teile auf der Basis von 100 Massen-Teilen des metallischen Silicium-Pulvers (Si). Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Silicium-Pulvers (Si) betrug 6 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners betrug 20 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser von metallischem Silicium (Si) und des Porenbildners sind jeweils Werte, die durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wurden.
Der resultierende säulenförmige Grünkörper wurde unter Verwendung einer Strangpresse gebildet, um einen Wabenformkörper mit einem Durchmesser von 80 mm zu erhalten. Der resultierende Wabenformkörper wurde einer dielektrischen Hochfrequenz-Erwärmung und -Trocknung unterzogen und dann unter Verwendung eines Heißlufttrockners bei 120 °C 2 Stunden lang getrocknet, und eine vorbestimmte Menge der beiden Stirnseiten wurde abgeschnitten, um einen getrockneten Wabenkörper mit einer Länge von 75 mm herzustellen.
Anschließend wurde der getrocknete Wabenkörper entfettet (kalziniert) und dann gebrannt. Die Brennbedingungen waren 1370 °C über 3 Stunden für die Vergleichsbeispiele 1 und 2 und 1390 °C über 3 Stunden für die Beispiele 1 und 2. Bei den Beispielen 1 und 2 wurde das Brennen in einer 1,0 Vol.-% N₂ enthaltenden Ar-Atmosphäre bei 1390 °C über 3 Stunden durchgeführt.
Der Wabenkörper wurde nach dem Brennen weiter oxidiert, um einen gebrannten Wabenkörper zu erhalten. Entfetten wurde bei 550 °C 3 Stunden lang durchgeführt. Eine Oxidationsbehandlung wurde bei 1300 °C 1 Stunde lang durchgeführt.
Dann wurden zu metallischem Silicium-Pulver (Si) Hydroxypropylmethylzellulose als Bindemittel, Glycerin als Befeuchtungsmittel und ein oberflächenaktiver Stoff als Dispergiermittel sowie Wasser hinzugefügt und diese gemischt. Die Mischung wurde geknetet, um ein Elektrodenteil-Formungsrohmaterial herzustellen. Der Gehalt des Bindemittels betrug 0,5 Massen-Teile auf der Basis von 100 Massen-Teilen des metallischen Silicium-Pulvers (Si), der Gehalt von Glycerin betrug 10 Massen-Teile auf der Basis von 100 Massen-Teilen des metallischen Silicium-Pulvers (Si), der Gehalt des oberflächenaktiven Stoffes betrug 0,3 Massen-Teile auf der Basis von 100 Massen-Teilen des metallischen Silicium-Pulvers (Si) und der Gehalt von Wasser betrug 42 Massen-Teile auf der Basis von 100 Massen-Teilen des metallischen Silicium-Pulvers (Si). Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Silicium-Pulvers (Si) betrug 6 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Silicium-Pulvers (Si) ist ein Wert, der durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wurde. Das Kneten wurde mittels einer Vertikalrührvorrichtung durchgeführt.
Das Elektrodenteil-Formungsrohmaterial wurde dann auf die Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers in einer Streifenform dergestalt aufgetragen, dass es sich zwischen den beiden Stirnseiten des gebrannten Wabenkörpers erstreckte, wobei eine Dicke 1,5 mm betrug und das „0,5-fache eines Mittelpunktwinkels in dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt 50° betrug“. Das Elektrodenteil-Formungsmaterial wurde an zwei Stellen auf der Seitenfläche des gebrannten Wabenkörper aufgetragen. Dabei war in dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt einer der beiden Teile, die mit dem Elektrodenteil-Formungsmaterial beschichtet wurden, auf einer Seite angeordnet, die dem anderen quer über den Mittelpunkt des gebrannten Wabenkörpers gegenüber lag.
Das auf den gebrannten Wabenkörper aufgetragene Elektrodenteil-Formungsrohmaterial wurde anschließend getrocknet, um einen gebrannten Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden zu erhalten. Die Trocknungstemperatur war 70 °C.
Anschließend wurde der Zellen-Trockenkörper entfettet (kalziniert), gebrannt und weiter oxidiert, um eine Wabenstruktur zu erhalten. Entfetten wurde bei 550 °C 3 Stunden lang durchgeführt. Das Brennen wurde in einer Argonatmosphäre bei 1450 °C 2 Stunden lang durchgeführt. Eine Oxidationsbehandlung wurde bei 1300 °C 1 Stunde lang durchgeführt.
Der durchschnittliche Porendurchmesser (Porendurchmesser) der jeweiligen Trennwände der resultierenden Wabenstruktur betrug 8,6 µm und die Porosität betrug 45%. Der durchschnittliche Porendurchmesser und die Porosität sind Werte, die mit dem Quecksilber-Porosimeter gemessen werden. Ferner war die Dicke der Trennwände der Wabenstruktur 90 µm und die Wabendichte betrug 90 Zellen/cm². Ferner war jede Stirnseite der Wabenstruktur kreisförmig mit einem Durchmesser von 93 mm und die Länge der Wabenstruktur in der Verlaufsrichtung der Zelle betrug 75 mm. Darüber hinaus hatte die resultierende Wabenstruktur eine isostatische Festigkeit von 2,5 MPa. Die isostatische Festigkeit ist eine Bruchfestigkeit, die durch Anlegen eines hydrostatischen Drucks in Wasser gemessen wird. Die Mittelpunktwinkel der beiden Elektrodenteile der Wabenstruktur in dem zu der Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt sind in Tabelle 1 gezeigt.
Ferner wurde der elektrische Widerstand der jeweiligen Elektrodenteile der Wabenstrukturen gemäß den Vergleichsbeispielen und den Beispielen bei Raumtemperatur (25 °C) gemessen und betrug 1,0 Ω·cm für alle Vergleichsbeispiele und Beispiele.
Ein Test mit elektrischem Strom wurde an jeder durch die vorstehend beschriebenen Vorgänge erhaltenen Wabenstruktur durchgeführt. Bei dem Test mit elektrischem Strom wurden Temperaturen der Endbereiche und des Mittenbereichs wie folgt nach 20 Sekunden, nachdem die Anschlüsse mit einem Paar Anschlussteilen verbunden wurden und eine Spannung mit einer Eingangsleistung von 1,5 KW angelegt wurde, gemessen. In dem zur Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt des Wabenstrukturteils wurde eine Temperatur jeweils von zwei Punkten auf einer geraden Linie L und in einem Abstand von 1/5 L von der äußeren Umfangswand jedes Wabenstrukturteils 10 gemessen und ein Durchschnittswert davon wurde als eine Temperatur des Endteilbereichs definiert. Eine Temperatur an jedem von zwei Punkten in einem Abstand von weiteren 1/5 L von jedem der beiden vorstehend genannten Punkte auf der geraden Linie L (d.h. zwei Punkten in einem Abstand von 2/5 L von der äußeren Umfangswand des Wabenstrukturteils 10) und eine Temperatur an jedem von zwei Punkten in einem Abstand von 1/5 L von der äußeren Umfangswand jeder Wabenstruktur 10 auf einer durch O verlaufenden und zu der geraden Linie L senkrechten Linie wurden gemessen, und ein Durchschnittswert der Temperaturen dieser vier Punkte wurde als Temperatur des Mittenbereichs ermittelt.
Der elektrische Widerstand der jeweiligen Endbereiche und des Mittenbereichs jedes Wabenstrukturteils 10 der Vergleichsbeispiele und der Beispiele wurde wie folgt gemessen. In dem zur Verlaufsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt des Wabenstrukturteils wurde, wie in 6 gezeigt, der elektrische Widerstand jedes von zwei Punkten auf der geraden Linie L in einem Abstand von 1/5 L von der äußeren Umfangswand jedes Wabenstrukturteils 10 gemessen und ein Durchschnittswert davon wurde als der elektrische Widerstand des Endbereichs definiert. Der elektrische Widerstand an jedem von zwei Punkten in einem Abstand von weiteren 1/5 L von jedem der beiden vorstehend genannten Punkte auf der geraden Linie L (d.h. zwei Punkten in einem Abstand von 2/5 L von der äußeren Umfangswand jedes Wabenstrukturteils 10) und der elektrische Widerstand an jedem von zwei Punkten in einem Abstand von 1/5 L von der äußeren Umfangswand des Wabenstrukturteils 10 auf einer durch den Mittelpunkt O des Wabenstrukturteils 10 verlaufenden und zu der geraden Linie L senkrechten Linie wurden gemessen, und ein Durchschnittswert der Werte des elektrischen Widerstands dieser vier Punkte wurde als elektrischer Widerstand des Mittenbereichs ermittelt. Der elektrische Widerstand wurde durch ein Vier-Klemmen-Verfahren unter Verwendung eines Multimeters gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

	Mittelpunktwinkel des Elektrodenteils (°)	Spezifischer elektrischer Widerstand (Ω·cm)		Temperatur (°C)		Gleichmäßige Wärmeerzeugung
	Mittelpunktwinkel des Elektrodenteils (°)	Endbereich A	Mittenbereich B	Endbereich	Mittenbereich	(Höchste Temp. - kleinste Temp.)
Vergleichsbeispiel 1	90	100	100	130	234	104
Vergleichsbeispiel 2	90	80	100	146	219	73
Beispiel 1	90	80	100	156	207	61
Beispiel 2	90	20	100	183	204	21

Bezugszeichenliste

100: Wabenstruktur
10: Wabenstrukturteil
11: Trennwand
12: Zelle
13, 14: beide Stirnseiten des Wabenstrukturteils
21: Elektrodenteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/146955 A1 [0006]

Claims

Wabenstruktur, umfassend: einen säulenförmigen Wabenstrukturteil, der durch die Wabenstruktur von einer Einström-Endfläche zu einer Ausström-Endfläche verlaufende poröse Trennwände, die eine Vielzahl von einen Durchgangskanal bildenden Zellen definieren; eine an dem äußersten Umfang angeordnete äußere Umfangswand; und ein an einer Seitenfläche des Wabenstrukturteils angeordnetes Paar Elektrodenteile hat; wobei jeder Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile in einer Streifenform gebildet ist, die sich in einer Verlaufsrichtung der Zellen des Wabenstrukturteils erstreckt; wobei in einem zu der Verlaufsrichtung der Zellen orthogonalen Querschnitt ein Elektrodenteil des Paares der Elektrodenteile auf einer Seite angeordnet ist, die dem anderen Elektrodenteil über einen Mittelpunkt des Wabenstrukturteils gegenüberliegt; wobei der Wabenstrukturteil aus Endbereichen nahe dem Paar der Elektrodenteile; und einem Mittenbereich, der ein mittlerer Bereich ausschließlich der Endbereiche ist, besteht; und wobei ein durchschnittlicher elektrischer Widerstand A eines die Endbereiche bildenden Materials niedriger ist als ein durchschnittlicher elektrischer Widerstand B eines Materials, das den Mittenbereich bildet.
Wabenstruktur nach Anspruch 1 , wobei A und B eine Beziehung 1 / 5 ≤ A / B ≤ 4 / 5 erfüllen.
Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wabenstrukturteil hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff oder Siliciumcarbid basiert.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wabenstrukturteil einen elektrischen Widerstand von 0,1-100 Ωcm hat und die Elektrodenteile einen elektrischen Widerstand von 0,001-1,0 Ωcm haben.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der Elektrodenteile einen Mittelpunktwinkel von 60-120° hat.