DE102020203665A1

DE102020203665A1 - Wabenstruktur, wabenstruktur vom elektrisch beheizbaren typ, katalysator vom elektrisch beheizbaren typ und abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020203665A1
Application number: DE102020203665.9A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Inoue; Kohei Yamada; Makoto Hamazaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2020-12-24
Also published as: US11280244B2; JP7184707B2; CN112096495A; JP2020204300A; CN112096495B; US20200400057A1

Abstract

Eine Wabenstruktur enthält eine Außenumfangswand; und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei jede der mehreren Zellen von einer Stirnfläche zu der anderen Stirnfläche verläuft, um einen Strömungsweg für ein Fluid zu bilden. Die Trennwände und die Außenumfangswand enthalten Keramik, die wenigstens Silicium enthält. Ein Gehalt des Siliciums in der Keramik beträgt 30 Masse-% oder mehr. Eine Konzentration wenigstens eines Dotierungsmittels in dem Silicium beträgt 1016bis 5 · 1020cm-3.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wabenstruktur, auf eine Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung, auf einen Träger vom Typ elektrische Heizung und auf eine Abgasreinigungsvorrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Wabenstruktur, auf eine Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung, auf einen Träger vom Typ elektrische Heizung und auf eine Abgasreinigungsvorrichtung, die die Erzeugung von übermäßigem Strom selbst dann ausreichend unterbinden können, wenn sie unter einer niedrigeren Spannung verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Herkömmlich wird für die Behandlung schädlicher Substanzen in Abgasen, die von Kraftfahrzeugkraftmaschinen ausgestoßen werden, ein Glied mit einem Katalysator verwendet, das an einer Wabenstruktur gestützt ist, die aus Cordierit oder Siliciumcarbid besteht. Eine solche Wabenstruktur weist allgemein eine säulenförmige Wabenstruktur auf, die Trennwände enthält, die mehrere Zellen definieren, die von einer Stirnfläche zu der anderen verlaufen, um Strömungswege für ein Abgas zu bilden.
Für die Behandlung des Abgases mit dem an der Wabenstruktur gestützten Katalysator ist es erforderlich, dass eine Temperatur des Katalysators auf eine vorgegebene Temperatur erhöht wird. Allerdings ist die Katalysatortemperatur niedriger, während die Kraftmaschine gestartet wird, was herkömmlich ein Problem verursacht, dass das Abgas nicht ausreichend gereinigt wird. Somit ist ein System entwickelt worden, das ein elektrisch heizender Katalysator (EHC) genannt wird. In dem System sind an einer aus leitfähiger Keramik hergestellten Wabenstruktur Elektroden angeordnet und erzeugt die Wabenstruktur selbst durch elektrische Leitung Wärme, wodurch die Temperatur des an der Wabenstruktur gestützten Katalysators vor oder während des Startens der Kraftmaschine auf eine Aktivierungstemperatur erhöht wird.
Wenn der EHC verwendet wird, der z. B. an einem Kraftfahrzeug oder dergleichen montiert ist, wird üblicherweise eine für ein elektrisches System des Kraftfahrzeugs oder dergleichen verwendete Leistungsquelle verwendet. Somit kann eine Leistungsversorgungsschaltung beschädigt werden, falls durch den EHC ein übermäßiger Strom fließt. Da für die Leistungsversorgung für den EHC verschiedene Spannungen verwendet werden, ist es wichtig, den Widerstand der Wabenstruktur für den EHC für jede zu verwendende Spannung einzustellen und ihn in der Weise zu steuern, dass der übermäßige Strom nicht fließt.
Die Patentliteratur 1 schlägt eine Wabenstruktur mit einem spezifischen Volumenwiderstand in einem bestimmten Bereich vor, der als ein Katalysatorträger dient und außerdem als eine Heizeinrichtung fungiert.
ENTGEGENHALTUNGSLISTE
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanisches Patent Nr. 5735428 B
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist wie folgt spezifiziert:

(1) Wabenstruktur, die umfasst: eine Außenumfangswand; und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei jede der mehreren Zellen von einer Stirnfläche zu der anderen Stirnfläche verläuft, um einen Strömungsweg für ein Fluid zu bilden, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand Keramik umfassen, die wenigstens Silicium enthält; wobei ein Gehalt des Siliciums in der Keramik 30 Masse-% oder mehr beträgt; wobei eine Konzentration wenigstens eines Dotierungsmittels in dem Silicium von 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3 beträgt.
(2) Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung, die umfasst:
- die Wabenstruktur nach (1); und ein Paar Elektrodenschichten, die über eine Mittelachse der Wabenstruktur einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jede der Elektrodenschichten auf einer Oberfläche der Außenumfangswand der Wabenstruktur angeordnet ist.
(3) Träger vom Typ elektrische Heizung, der umfasst:
- die Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung nach (2); und ein Paar Metallanschlüsse, die über eine Mittelachse der Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei das Paar der Metallanschlüsse auf dem Paar der Elektrodenschichten angeordnet ist.
(4) Abgasreinigungsvorrichtung, die umfasst:
- den Träger vom Typ elektrische Heizung nach (3); und einen Kanisterkörper zum Halten des Trägers vom Typ elektrische Heizung.
(5) Wabenstruktur, die umfasst: eine Außenumfangswand; und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei jede der mehreren Zellen von einer Stirnfläche zu der anderen Stirnfläche verläuft, um einen Strömungsweg für ein Fluid zu bilden, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand Keramik umfassen, wobei die Keramik enthält:
- Silicium; und
wenigstens eines, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Cordierit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid besteht; wobei ein Gehalt des Siliciums in der Keramik 30 Masse-% oder mehr beträgt; wobei das Silicium B als ein Dotierungsmittel enthält; und wobei die Wabenstruktur einen spezifischen Volumenwiderstand von 0,01 Ω · cm oder mehr und 5 Ω · cm oder weniger aufweist.

Figurenliste

1 ist eine schematische Außenansicht einer Wabenstruktur 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Außenansicht einer Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Trägers 20 vom Typ elektrische Heizung, die senkrecht zu einer Verlaufsrichtung der Zellen ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die wie in der Patentliteratur 1 beschriebene Wabenstruktur ist aus einem Si-SiC-Material gebildet. Si und SiC weisen einen geringfügig höheren spezifischen Volumenwiderstand auf. Somit kann der spezifische Volumenwiderstand selbst dann, wenn die Wabenstruktur, wie in der Patentliteratur 1 beschrieben ist, für den unter einer höheren Spannung von 200 bis 500 V verwendeten EHC verwendet wird, innerhalb eines Widerstandsbereichs von etwa mehreren Ωcm bis 200 Ωcm eingestellt werden. Im Ergebnis kann sie unterbinden, dass ein übermäßiger Strom fließt, wenn sie unter einer höheren Spannung von 200 bis 500 V verwendet wird.
Allerdings wird für die Leistungsversorgung für den EHC z. B. in Abhängigkeit von den Typen von Kraftfahrzeugen zum Montieren und dergleichen ein sehr weiter Bereich von Spannungen verwendet. Insbesondere ist es notwendig, den spezifischen Volumenwiderstand in einem Widerstandsbereich in der Größenordnung von 0,1 Ωcm einzustellen, um die Erzeugung eines übermäßigen Stroms zu unterbinden, wenn als die Leistungsversorgung für den EHC eine niedrigere Spannung von 60 V oder weniger, z. B. von 48 V, verwendet ist. Somit besteht in dem jüngsten EHC, in dem ein weiter Bereich der Spannung verwendet wird, eine Notwendigkeit für Forschung und Entwicklung einer Technik zum zufriedenstellenden Unterbinden der Erzeugung des übermäßigen Stroms, selbst wenn er unter einer niedrigeren Spannung verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Wabenstruktur, einer Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung, eines Trägers vom Typ elektrische Heizung und einer Abgasreinigungsvorrichtung, die die Erzeugung eines übermäßigen Stroms selbst dann zufriedenstellend unterbinden können, wenn sie unter einer niedrigen Spannung verwendet werden.
Im Ergebnis intensiver Untersuchungen haben die Erfinder ermittelt, dass die obigen Probleme dadurch gelöst werden können, dass in den Trennwänden und in der Außenumfangswand der Wabenstruktur wenigstens Silicium enthalten ist und dass eine Konzentration eines oder mehrerer Dotierungsmittel in dem Silicium auf einen vorgegebenen Bereich gesteuert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Wabenstruktur, eine Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung, einen Träger vom Typ elektrische Heizung und eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, die die Erzeugung eines übermäßigen Stroms selbst dann zufriedenstellend unterbinden können, wenn sie unter einer niedrigeren Spannung verwendet werden.
Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsformen der Wabenstruktur, einer Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung, eines Trägers vom Typ elektrische Heizung und einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und können auf der Grundlage der Kenntnis des Fachmanns verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Verbesserungen hinzugefügt werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
(Wabenstruktur und Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung)
1 ist eine schematische Außenansicht einer Wabenstruktur 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wabenstruktur 10 enthält: eine Außenumfangswand 12; und Trennwände 13, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand 12 angeordnet sind und die mehrere Zellen 15 definieren, die von einer Stirnfläche zu der anderen Stirnfläche verlaufen, um Strömungswege zu bilden, wobei die Wabenstruktur 10 säulenförmig ist.
Die Trennwände 13 und die Außenumfangswand 12 der Wabenstruktur 10 sind aus Keramik hergestellt, die wenigstens Silicium enthält, und weisen eine Konzentration wenigstens eines Dotierungsmittels im Silicium von 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3 auf. Beispiele anderer Keramikmaterialien als Silicium, die die Trennwände 13 und die Außenumfangswand 12 der Wabenstruktur 10 bilden, enthalten Oxidkeramik wie etwa Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid und Cordierit sowie Nichtoxidkeramiken wie etwa Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid, sind darauf aber nicht beschränkt. Da diese Keramikmaterialien als Aggregatpartikel für die Wabenstruktur 10 fungieren, kann die Wabenstruktur 10 verstärkt sein.
In der Wabenstruktur 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Konzentration des Dotierungsmittels in dem in den Trennwänden 13 und in der Außenumfangswand 12 enthaltenen Silicium 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3, so dass der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 verringert sein kann. Die Konzentration des Dotierungsmittels in dem Silicium, das in den Trennwänden 13 und in der Außenumfangswand 12 enthalten ist, kann in Abhängigkeit von einem gewünschten spezifischen Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 nach Bedarf eingestellt werden. Im Allgemeinen nimmt der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 ab, während die Konzentration des Dotierungsmittels in Silicium zunimmt, und nimmt der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 zu, während die Konzentration des Dotierungsmittels in Silicium abnimmt. Die Erfinder haben ermittelt, dass der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 dadurch wirksam verringert werden kann, dass mit Silicium als einer einfachen Substanz anstelle einer Siliciumverbindung wie etwa Siliciumcarbid und Siliciumnitrid, die wie oben beschrieben als Aggregatpartikel fungieren, dotiert wird. Bevorzugter beträgt die Konzentration des Dotierungsmittels in Silicium von 5 · 10¹⁷ bis 5 · 10²⁰ cm^-3.
Der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 kann in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung nach Bedarf eingestellt werden und ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann er von 0,001 bis 200 Ω · cm eingestellt werden. Für höhere Spannungen höher als 60 V kann er von 2 bis 200 Ω · cm und üblicherweise von 5 bis 100 Ω · cm betragen. Für niedrigere Spannungen von 60 V oder weniger wie etwa 48 V kann der spezifische Volumenwiderstand von 0,001 bis 2 Ω · cm und üblicherweise von 0,001 bis 1 Ω · cm und noch üblicher von 0,01 bis 1 Ω · cm betragen. Insbesondere beträgt die Konzentration des Dotierungsmittels in dem in den Trennwänden 13 und in der Außenumfangswand 12 enthaltenen Silicium in der Wabenstruktur 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3, so dass der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 in der Weise verringert werden kann, dass selbst dann kein übermäßiger Strom erzeugt wird, wenn er für eine niedrigere Spannung von 60 V oder weniger als 48 V verwendet ist. Ferner kann der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 0,01 Ω · cm oder mehr und 5 Ω · cm oder weniger betragen. Wenn der spezifische Volumenwiderstand 5 Ω · cm oder weniger beträgt, kann die Erzeugung des Überschussstroms selbst unter einer niedrigeren Spannung von 48 V zufriedenstellend unterbunden werden. Andererseits kann die Erzeugung des Überschussstroms unter einer niedrigeren Spannung von 48 V nicht ausreichend unterbunden werden, falls der spezifische Volumenwiderstand mehr als 5 Ω · cm beträgt.
Das Dotierungsmittel in dem Silicium, das in den Trennwänden 13 und in der Außenumfangswand 12 enthalten ist, können vorzugsweise Elemente der Gruppe 13 oder Elemente der Gruppe 15 sein. Die Elemente der Gruppe 13 oder der Gruppe 15 können leicht als Dotierungsmittel in dem Konzentrationsbereich von 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3 in Silicium enthalten sein. Wie es hier verwendet ist, beziehen sich die Elemente der Gruppe 13 auf Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und dergleichen und beziehen sich die Elemente der Gruppe 15 auf Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi) und dergleichen. Solange die Dotierungsmittel in Silicium, das in den Trennwänden 13 und in der Außenumfangswand 12 enthalten ist, Elemente sind, die zu derselben Gruppe gehören, können mehrere Typen von Elementen enthalten sein, da sie Leitfähigkeit zeigen können, ohne von einer Gegendotierung beeinflusst zu sein. Es ist bevorzugter, dass ein oder zwei Dotierungsmittel verwendet werden, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus B und AI besteht. Außerdem ist es bevorzugt, dass ein oder zwei Dotierungsmittel verwendet werden, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus N und P besteht. B, AI, N und P können leichter als Dotierungsmittel in Silicium in dem Konzentrationsbereich von 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3 enthalten sein.
Außer dadurch, dass die Konzentration des Dotierungsmittels in dem Silicium, das in den Trennwänden 13 und in der Außenumfangswand 12 enthalten ist, wie oben beschrieben ist, auf 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3 gesteuert wird, kann der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 nach Bedarf dadurch, dass der spezifische Volumenwiderstand des anderen Keramikmaterials als Silicium, das die Trennwände 13 und die Außenumfangswand 12 bildet, eingestellt wird, und dadurch, dass eine Porosität der Trennwände 13 eingestellt wird, gesteuert werden. Die Konzentration des bzw. der Dotierungsmittel in Silicium der Wabenstruktur kann z. B. durch das folgende Verfahren gemessen werden. Im Folgenden wird ein Fall beschrieben, dass Bor als ein Dotierungsmittel enthalten ist. Allerdings wird angemerkt, dass andere Dotierungsmittel als Bor durch dasselbe Verfahren gemessen werden können.
Zunächst wird die Wabenstruktur entlang einer Oberfläche senkrecht zu einer Mittelachse geschnitten, um eine Schnittfläche freizulegen. Daraufhin werden Unregelmäßigkeiten in einem Querschnitt der Wabenstruktur mit Harz gefüllt und wird die mit dem Harz gefüllte Oberfläche weiter poliert. Daraufhin wird die polierte Oberfläche der Wabenstruktur beobachtet und wird durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX-Analyse: energiedispersive Röntgenspektroskopie) eine Elementanalyse eines Materials, das die Wabenstruktur bildet, ausgeführt.
Nachfolgend wird für einen Abschnitt der polierten Oberfläche, von dem bestimmt worden ist, dass er „Silicium“ ist, durch das folgende Verfahren bestimmt, ob in dem Silicium „andere Elemente“ enthalten sind. Zunächst wird für Abschnitte, wo das Siliciumelement detektiert worden ist, ein Abschnitt, wo andere Elemente als Silicium detektiert worden sind, durch Abbilden einer Querschnittsstrukturfotografie und eines Elektronensondenmikroanalysators (EPMA-Analyse: Elektronensondenmikroanalysator) für die polierte Oberfläche als „andere Komponenten“ bestimmt. Die „anderen Elemente“ enthalten als Borquellen Bor und Metallboride oder Boride, die in Silicium vorhanden sind.
Nachfolgend wird in dem Abschnitt, in dem das Siliciumelement allein oder Silicium und Bor durch die EPMA-Analyse detektiert worden sind und der als „Silicium“ bestimmt worden ist, durch das folgende Verfahren eine Menge des Bors in Silicium identifiziert. Zunächst wird die Wabenstruktur, die den als „Silicium“ bestimmten Abschnitt enthält, in eine Dicke mit wenigen Millimetern geschnitten und wird die geschnittene Wabenstruktur unter Verwendung eines Verfahrens mit breitem lonenstrahl einer Querschnittsvorbereitung ausgesetzt, wodurch eine Probe zum Messen der Menge des Bors vorbereitet wird. Das Verfahren mit breitem lonenstrahl ist ein Verfahren zum Vorbereiten eines Probenquerschnitts unter Verwendung eines Argonionenstrahls. Insbesondere bezieht es sich auf ein Verfahren zum Vorbereiten eines Probenquerschnitts entlang einer Stirnfläche einer Abschirmplatte durch Anordnen der Abschirmplatte direkt über der Probe und zum Ätzen der Probe dadurch, dass sie von einer Oberseite der Abschirmplatte mit einem breiten lonenstrahl von Argon bestrahlt wird. Die Probe, die der Querschnittsvorbereitung ausgesetzt worden ist, wird daraufhin durch die Laufzeit-Sekundärmassenspektrometrie (Laufzeit-Sekundärmassenspektrometrie: TOF-SIMS) auf Bor in Silicium analysiert. In der Laufzeitsekundärmassenspektroskopie wird die Probe zunächst mit einem primären lonenstrahl bestrahlt, um von der Oberfläche der Probe Sekundärionen zu emittieren. Die freigesetzten Sekundärionen werden daraufhin in ein Laufzeitmassenspektrometer eingeführt, um ein Massenspektrum der äußersten Oberfläche der Probe zu erhalten. Daraufhin wird die Probe auf der Grundlage des erhaltenen Massenspektrums analysiert und wird dadurch, dass es auf der Grundlage der Korrelation zwischen einer Spektralintensität des Bors in Silicium und gemessenen Konzentrationswerten, die zuvor gemessen wurden (z. B. einer Kalibrierungskurve), umgewandelt wird, eine Konzentration des Bors in Silicium (Teile/cm³) bestimmt.
Pro 100 Masseteile der Trennwände 13 und der Außenumfangswand 12 enthält die Keramik, die die Trennwände 13 und die Außenumfangswand 12 bildet, 30 Masse-% oder mehr Silicium. Eine solche Konfiguration kann eine Struktur ermöglichen, in der die dotierten siliciumhaltigen Materialien mit niedrigerem Widerstand mikroskopisch in Reihe angeordnet sind, um leicht aufgenommen zu werden. Im Ergebnis kann der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 verringert sein und kann die Erzeugung des Überschussstroms selbst dann zufriedenstellend unterbunden sein, wenn sie für eine niedrigere Spannung von 60 V oder weniger wie etwa 48 V verwendet ist. Ferner kann eine solche Konfiguration ein höheres Verhältnis von Festigkeit und Elastizitätsmodul der Wabenstruktur 10 bereitstellen, so dass die Wärmeschockbeständigkeit verbessert sein kann. Bevorzugter kann die Keramik, die die Trennwände 13 und die Außenumfangswand 12 bildet, Silicium in einer Menge von 30 Masse-% oder mehr und weniger als 100 Masse-% und bevorzugter von 40 Masse-% oder mehr und weniger als 100 Masse-% enthalten.
Ein Verfahren zum Berechnen des Gehalts des Siliciums in den Trennwänden und in der Außenumfangswand enthält z. B. das folgende Verfahren. In dem folgenden Verfahren wird ein Berechnungsverfahren beschrieben, wenn als Keramikausgangsstoffe Silicium und Siliciumcarbid verwendet sind. Wenn als Keramikausgangsstoffe Silicium und Siliciumcarbid verwendet sind, besteht die Zusammensetzung jeder der Trennwände und der Außenumfangswand nach der Bildung der Wabenstruktur aus Silicium (Si), Siliciumcarbid (SiC) und Siliciumdioxid (SiO₂). Für die Verbundmengen von Si, SiC und SiO₂ in den Trennwänden und in der Außenumfangswand können die Mengen der Siliciumelemente und Sauerstoffelemente durch ein Fluoreszenzröntgenstrahlverfahren gemessen werden und können die Mengen der Kohlenstoffelemente durch ein Infrarotabsorptionsverfahren vom Widerstandsheiztyp gemessen werden. Für die Menge des SiC wird die Menge des SiC in den Trennwänden und in der Außenumfangswand unter der Annahme, dass die Kohlenstoffelemente alle auf SiC beruhen, durch Molekulargewichtberechnung berechnet. Für die Menge des SiO₂ wird die Menge des SiO₂ in den Trennwänden und in der Außenumfangswand unter der Annahme, dass die Sauerstoffelemente alle auf SiO₂ beruhen, durch Molekulargewichtberechnung berechnet. Die Menge des Si kann aus den Mengen der Siliciumelemente in Übereinstimmung mit dem Fluoreszenzröntgenstrahlverfahren dadurch berechnet werden, dass die Menge des Si, die durch Summieren der Menge des Si in dem SiC und der Menge des Si in dem SiO₂ aus der Menge des SiC und aus der Menge des SiO₂, die oben berechnet wurden, erhalten wird, von der Gesamtmenge der Siliciumelemente subtrahiert wird. Wenn als der Keramikausgangsstoff ein anderes Material als Siliciumcarbid verwendet wird, können die Zusammensetzungen der Trennwände und der Außenumfangswand nach der Bildung der Wabenstruktur bestätigt werden und können die Mengen der Elemente daraufhin durch ein Fluoreszenzröntgenstrahlverfahren oder durch ein Infrarotabsoptionsverfahren vom Widerstandsheiztyp gemessen werden, um sie zu berechnen.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Porosität der Trennwände 13 in Abhängigkeit von dem gewünschten spezifischen Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 nach Bedarf eingestellt werden. Sie kann z. B. vorzugsweise von 35 bis 60 % und bevorzugter von 35 bis 45 % betragen. Die Porosität der Trennwände 13 von 35 % oder mehr kann eine niedrigere Wärmekapazität der Wabenstruktur 10 bereitstellen und ermöglichen, dass die Wabenstruktur 10 schnell erwärmt wird. Die Porosität der Trennwände 13 von 60 % oder weniger kann ermöglichen, dass die Festigkeit der Wabenstruktur 10 ausreichend aufrechterhalten wird. Die Porosität der Trennwände 13 ist ein Wert, der durch ein Quecksilberporosimeter gemessen wird.
Die Außenform der Wabenstruktur 10 ist nicht besonders beschränkt, solange sie eine Säulenform bietet, und kann z. B. eine Form wie etwa eine Säulenform mit kreisförmigen Stirnflächen (Kreissäulenform), eine Säulenform mit oval geformten Stirnflächen und eine Säulenform mit mehreckigen (quadratischen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen, achteckigen und dergleichen) Stirnflächen und dergleichen sein. Ferner weist die Wabenstruktur für die Größe der Wabenstruktur 10 eine Fläche der Stirnflächen von 2000 bis 20000 mm² und bevorzugter von 5000 bis 15000 mm² auf, um den Wärmewiderstand zu erhöhen (in einer Umfangswand der Außenumfangsseitenwand erzeugte Risse zu unterdrücken).
Die Form jeder Zelle 15 der Wabenstruktur 10 in einem Querschnitt senkrecht zu einer Strömungswegrichtung der Zelle ist nicht beschränkt, kann vorzugsweise aber ein Quadrat, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination davon sein. Unter diesen sind die quadratische und die sechseckige Form bevorzugt. Eine solche quadratische oder sechseckige Zellenform führt zu einem verringerten Druckverlust, wenn ein Abgas durch die Wabenstruktur 10 strömt, und zu einer verbesserten Reinigungsleistungsfähigkeit des Katalysators. Das Rechteck ist hinsichtlich des leichten Erreichens sowohl struktureller Festigkeit als auch Gleichförmigkeit des Erwärmens besonders bevorzugt.
Die Bereitstellung der Außenumfangswand 12 ist nützlich hinsichtlich der Sicherstellung der strukturellen Festigkeit der Wabenstruktur 10 und des Verhinderns, dass ein durch die Zellen 15 strömendes Fluid von der Außenumfangswand 12 austritt. Insbesondere beträgt die Dicke der Außenumfangswand 12 vorzugsweise 0,1 mm oder mehr und bevorzugter 0,15 mm oder mehr und noch bevorzugter 0,2 mm oder mehr. Falls die Außenumfangswand 12 zu dick ist, wird die Festigkeit aber zu hoch, so dass ein Festigkeitsgleichgewicht zwischen der Außenumfangswand und der Trennwand 13 verlorengeht, was die Wärmeschockbeständigkeit verringert. Somit beträgt die Dicke der Außenumfangswand 12 vorzugsweise 1,0 mm oder weniger und bevorzugter 0,7 mm oder weniger und noch bevorzugter 0,5 mm oder weniger. Wie es hier verwendet ist, ist die Dicke der Außenumfangswand 12 als eine Dicke der Außenumfangswand 12 in einer Richtung einer Normalen zu einer Tangentialen an einem Messpunkt definiert, wenn ein Abschnitt der Außenumfangswand 12 beobachtet wird, der in einem Querschnitt senkrecht zu einer Strömungswegrichtung der Zellen einer Dickenmessung ausgesetzt werden soll.
Vorzugsweise weisen die Trennwände 13 einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 2 bis 15 µm und bevorzugter von 4 bis 8 µm auf. Der durchschnittliche Porendurchmesser von 2 µm oder mehr der Trennwände 13 kann ermöglichen, dass der spezifische Volumenwiderstand auf den obigen Bereich gesteuert wird. Der durchschnittliche Porendurchmesser von 15 µm oder weniger der Trennwände 13 kann ermöglichen, dass der spezifische Volumenwiderstand auf den obigen Bereich gesteuert wird. Der durchschnittliche Porendurchmesser ist ein Wert, der durch ein Quecksilberporosimeter gemessen wird.
Vorzugsweise weist jede Trennwand 13 eine Dicke von 50 bis 200 µm und eine Zellendichte von 50 bis 150 Zellen/cm² auf. Dadurch, dass die Dicke und die Zellendichte der Trennwände 13 in diesen Bereichen gesteuert werden, kann der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur 10 leicht verringert werden. Ferner kann die Dicke jeder Trennwand 13 von 50 µm oder mehr ermöglichen, dass eine Verringerung der Festigkeit der Wabenstruktur 10 unterbunden wird. Die Dicke jeder Trennwand 13 von 200 µm oder weniger kann eine Zunahme des Druckverlusts beim Strömen eines Abgases unterbinden, wenn die Wabenstruktur 10 als ein Katalysatorträger verwendet ist und ein Katalysator daran gestützt ist. Ferner kann die Zellendichte der Trennwände 13 von 50 Zellen/cm² oder mehr ermöglichen, dass eine Katalysatorstützfläche erhöht ist und dass die Reinigungsleistungsfähigkeit des Katalysators verstärkt ist. Die Zellendichte der Trennwände 13 von 150 Zellen/cm² oder weniger kann eine Zunahme des Druckverlusts beim Strömen eines Abgases, wenn die Wabenstruktur 10 als ein Katalysatorträger verwendet ist und ein Katalysator daran gestützt ist, unterbinden. Bevorzugter beträgt die Dicke der Trennwand 13 von 50 bis 150 µm und beträgt die Zellendichte von 75 bis 150 Zellen/cm². In der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Trennwand 13 unter den Strecken, die die Schwerpunkte angrenzender Zellen 15 in einem Querschnitt senkrecht zu der Verlaufsrichtung der Zellen 15 verbinden, als eine Länge eines Abschnitts, der durch die Trennwand 13 geht, definiert. Außerdem ist die Zellendichte in der vorliegenden Erfindung ein Wert, der durch Dividieren der Anzahl der Zellen durch eine Fläche einer Stirnfläche der Wabenstruktur 10 ausschließlich der Außenumfangswand 12 erhalten wird.
2 ist eine schematische Außenansicht einer Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: die obige Wabenstruktur 10; und ein Paar Elektrodenschichten 14a, 14b, die auf der Oberfläche der Außenumfangswand 12 der Wabenstruktur 10 über eine Mittelachse der Wabenstruktur 10 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Jede der Elektrodenschichten 14a, 14b ist mit der Wabenstruktur 10 elektrisch verbunden. Diese Struktur kann ermöglichen, dass die Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung eine systematische Abweichung eines Stroms, der durch die Wabenstruktur 10 fließt, wenn eine Spannung angelegt ist, unterbindet, wodurch eine systematische Abweichung einer Temperaturverteilung in der Wabenstruktur 10 unterbunden werden kann. Eine Form und eine Größe jeder der Elektrodenschichten 14a, 14b sind nicht besonders beschränkt, wobei sie in Abhängigkeit von der Größe der Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung und/oder von der Leistungsfähigkeit der elektrischen Leitung nach Bedarf ausgelegt werden können. Zum Beispiel kann jede der Elektrodenschichten 14a, 14b in einer Streifenform vorgesehen sein, die in der Verlaufsrichtung der Zellen 15 der Wabenstruktur 10 verläuft.
Die Elektrodenschichten 14a, 14b sind aus einem leitfähigen Material gebildet. Vorzugsweise sind die Elektrodenschichten 14a, 14b aus einer Oxidkeramik oder aus einem Gemisch eines Metalls oder einer Metallverbindung mit einer Oxidkeramik hergestellt. Das Metall kann entweder ein einzelnes Metall oder eine Legierung sein, wobei z. B. Silicium, Aluminium, Eisen, rostfreier Stahl, Titan, Wolfram, eine Ni-Cr-Legierung oder dergleichen geeignet verwendet sein können. Beispiele der Metallverbindung enthalten andere Verbindungen als Oxidkeramiken wie etwa Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide, Metallsilicide, Metallboride und Verbundoxide. Zum Beispiel können FeSi₂, CrSi₂, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titanoxid oder dergleichen geeignet verwendet sein. Sowohl das Metall als auch die Metallverbindung können allein oder zusammen zu zweit oder mehreren verwendet sein. Spezifische Beispiele der Oxidkeramik enthalten Glas, Cordierit und Mullit. Das Glas kann ferner ein Oxid enthalten, das aus wenigstens einer Komponente zusammengesetzt ist, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus B, Mg, Al, Si, P, Ti und Zr besteht. Dahingehend, dass die Festigkeit der Elektrodenschichten 14a, 14b weiter verbessert ist, ist es bevorzugt, dass sie ferner wenigstens eines enthält, das aus der obigen Gruppe gewählt ist.
Die Herstellung der Wabenstruktur 10 kann gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur in dem bekannten Verfahren zur Herstellung der Wabenstruktur ausgeführt werden. Zum Beispiel werden zunächst ein Bindemittel, ein oberflächenaktiver Stoff, ein Porenbildner, Wasser und dergleichen zu Siliciumpulver, das ein oder mehrere zugegebene Dotierungsmittel enthält, oder zu Siliciumpulver, das durch Mischen eines anderen Keramikmaterials mit diesem Siliciumpulver, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, erhalten wird, zugegeben, um einen Bildungsausgangsstoff zu bilden. Silicium, das in dem Bildungsausgangsstoff enthalten sein soll, wird vorzugsweise so gemischt, dass es pro 100 Masseteile der Trennwände 13 und der Außenumfangswand 12 der durch den Brennschritt und dergleichen hergestellten Wabenstruktur 10 30 Masseteile oder mehr und weniger als 100 Masseteile beträgt. Ferner wird die Menge des Dotierungsmittels in Abhängigkeit von den Dotierungselementen in der Weise geeignet eingestellt, dass die Konzentration des Dotierungsmittels in Silicium in der durch den Brennschritt und dergleichen hergestellten Wabenstruktur 10 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3 beträgt. Das Siliciumpulver weist vorzugsweise einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 3 bis 50 µm und bevorzugter von 3 bis 40 µm auf. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Siliciumpulvers bezieht sich auf einen arithmetisch gemittelten Durchmesser auf einer Volumengrundlage, wenn die Häufigkeitsverteilung des Partikeldurchmessers durch ein Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
Beispiele des Bindemittels enthalten Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Unter diesen ist es bevorzugt, Methylcellulose zusammen mit Hydroxypropylcellulose zu verwenden. Der Gehalt des Bindemittels beträgt vorzugsweise von 2,0 bis 10,0 Masseteile pro 100 Masseteile des Siliciumpulvers, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, oder des Pulvers, das durch Mischen eines anderen Keramikmaterials mit dem Siliciumpulver, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, erhalten wird.
Der Gehalt des Wassers beträgt vorzugsweise von 20 bis 60 Masseteile pro 100 Masseteile des Siliciumpulvers, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, oder des Pulvers, das durch Mischen eines anderen Keramikmaterials mit dem Siliciumpulver, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, erhalten wird.
Der oberflächenaktive Stoff, der verwendet werden kann, enthält Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseifen, Polyalkohol und dergleichen. Diese können allein oder zusammen zu zweit oder mehreren verwendet werden. Der Gehalt des oberflächenaktiven Stoffs beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 2,0 Masseteile pro 100 Masseteile des Siliciumpulvers, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, oder des Siliciumpulvers, das durch Mischen eines anderen Keramikmaterials mit dem Siliciumpulver, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, erhalten wird.
Solange der Porenbildner nach dem Brennen selbst Poren bildet, ist der Porenbildner einschließlich z. B. Grafit, Stärke, geschäumten Harzen, wasserabsorbierenden Harzen, Silikagel und dergleichen nicht besonders beschränkt. Der Gehalt des Porenbildners sind vorzugsweise von 0,5 bis 10,0 Masseteile pro 100 Masseteile des Siliciumpulvers, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, oder des Pulvers, das durch Mischen eines anderen Keramikmaterials mit dem Siliciumpulver, das das bzw. die zugegebenen Dotierungsmittel enthält, erhalten wird. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Porenbildners beträgt vorzugsweise von 10 bis 30 µm. Wenn er mehr als 10 µm beträgt, können vorzugsweise ausreichend Poren gebildet werden. Falls er weniger als 30 µm beträgt, ist es während des Bildens schwierig, eine Form mit dem Porenbildner zu versetzen, was bevorzugt ist. Die durchschnittliche Partikelgröße des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetisch gemittelten Durchmesser auf Volumengrundlage, wenn die Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Wenn der Porenbildner das wasserabsorbierende Harz ist, ist der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Porenbildners ein mittlerer Partikeldurchmesser nach der Wasserabsorption.
Daraufhin werden die resultierenden Bildungsausgangsstoffe geknetet, um einen Rohling zu bilden, und wird der Rohling daraufhin extrudiert, um eine rohe (ungebrannte) säulenförmige Wabenstruktur vorzubereiten. Beim Strangpressen kann eine Form mit einer gewünschten Gesamtform, Zellenform, Trennwanddicke, Zellendicke und dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise wird die resultierende ungebrannte säulenförmige Wabenstruktur getrocknet. Wenn die Länge der säulenförmigen Wabenstruktur in Mittelachsenrichtung nicht die gewünschte Länge ist, können beide Stirnflächen der säulenförmigen Wabenstruktur auf die gewünschte Länge abgeschnitten werden.
Daraufhin wird die ungebrannte säulenförmige Wabenstruktur gebrannt, um eine Wabenstruktur 10 vorzubereiten. Vor dem Brennen kann vorzugsweise eine Kalzinierung ausgeführt werden, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Die Kalzinierung wird vorzugsweise 0,5 bis 20 Stunden in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 400 bis 500 °C ausgeführt. Die Verfahren der Kalzinierung und des Brennens sind nicht beschränkt und sie können unter Verwendung eines Elektroofens, eines Gasofens oder dergleichen ausgeführt werden. Das Brennen kann vorzugsweise 1 bis 20 Stunden in einer inerten Atmosphäre wie etwa Stickstoff und Argon bei einer Temperatur von 1300 bis 1500 °C ausgeführt werden. Nach dem Brennen wird vorzugsweise 1 bis 10 Stunden eine Oxidationsbehandlung bei einer Temperatur von 1200 bis 1350 °C ausgeführt, um die Haltbarkeit zu verbessern. Somit kann die Wabenstruktur 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
Die Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann dadurch hergestellt werden, dass das Paar der Elektrodenschichten 14a, 14b auf der Wabenstruktur 10 über die Mittelachse der Wabenstruktur 10 einander gegenüberliegend angeordnet wird.
(Träger vom Typ elektrische Heizung)
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Trägers 20 vom Typ elektrische Heizung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu der Verlaufsrichtung der Zellen ist. Der Träger 20 vom Typ elektrische Heizung enthält die Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung und ein Paar Metallanschlüsse 21a, 21b. Das Paar der Metallanschlüsse 21a, 21b ist über die Mittelachse der säulenförmigen Wabenstruktur 10 der Wabenstruktur 10 einander gegenüberliegend angeordnet und ist auf dem Paar der Elektrodenschichten 14a bzw. 14b vorgesehen und ist elektrisch verbunden. Dementsprechend wird dann die Elektrizität durch die Metallanschlüsse 21a, 21b geleitet, um zu ermöglichen, dass die Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung Joulesche Wärme erzeugt, während an die Metallanschlüsse 21a, 21b durch die Elektrodenschichten 14a, 14b eine Spannung angelegt ist. Somit kann die Wabenstruktur 30 vom Typ elektrische Heizung ebenfalls geeignet als eine Heizeinrichtung verwendet werden.
Das Material der Metallanschlüsse 21a, 21b ist nicht besonders beschränkt, solange es ein Metall ist, wobei ein einzelnes Metall, eine Legierung oder dergleichen genutzt werden können. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, des spezifischen elektrischen Widerstands und des linearen Ausdehnungskoeffizienten ist das Material z. B. vorzugsweise eine Legierung, die wenigstens eines enthält, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Cr, Fe, Co, Ni und Ti und bevorzugter rostfreiem Stahl und Fe-Ni-Legierungen besteht. Die Form und die Größe jedes der Metallanschlüsse 21a, 21b sind nicht besonders beschränkt und sie können in Übereinstimmung mit der Größe des Trägers 20 vom Typ elektrische Heizung, der Leistungsfähigkeit der elektrischen Leitung und dergleichen geeignet ausgelegt werden.
Dadurch, dass der Katalysator an dem Träger 20 vom Typ elektrische Heizung gestützt ist, kann der Träger 20 vom Typ elektrische Heizung als ein Katalysator verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Fluid wie etwa ein Abgas von einem Kraftfahrzeug durch die Strömungswege der mehreren Zellen 15 strömen. Beispiele des Katalysators enthalten Edelmetallkatalysatoren oder andere Katalysatoren als sie. Veranschaulichende Beispiele der Edelmetallkatalysatoren enthalten einen Dreiwegekatalysator und einen Oxidationskatalysator, der dadurch erhalten wird, dass ein Edelmetall wie etwa Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) auf Oberflächen von Poren von Aluminiumoxid gestützt wird, und der einen Cokatalysator wie etwa Cerdioxid und Zirkoniumdioxid enthält, oder einen Katalysator mit Fallen magerer Stickoxide (LNT-Kondensator), der ein Erdalkalimetall und Platin als Speicherkomponenten für Stickoxide (NO_x) enthält. Veranschaulichende Beispiele eines Katalysators, der das Edelmetall nicht verwendet, enthalten einen Katalysator der selektiven katalytischen NOx-Reduktion (SCR-Katalysator), der ein Kupfer-substituiertes oder Eisen-substituiertes Zeolith enthält, und dergleichen. Ferner können zwei oder mehr Katalysatoren verwendet werden, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus diesen Katalysatoren besteht. Ein Verfahren zum Stützen des Katalysators ist nicht besonders beschränkt und kann in Übereinstimmung mit einem herkömmlichen Verfahren zum Stützen des Katalysators an der Wabenstruktur ausgeführt werden.
(Abgasreinigungsvorrichtung)
Der Träger 20 vom Typ elektrische Heizung gemäß der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden. Die Abgasreinigungsvorrichtung enthält den Träger 20 vom Typ elektrische Heizung und einen Kanisterkörper, um den Träger 20 vom Typ elektrische Heizung zu halten. Der Träger 20 vom Typ elektrische Heizung in der Abgasreinigungsvorrichtung kann in einen Abgasströmungsweg eingebaut sein, um zu ermöglichen, dass ein Abgas von einer Kraftmaschine strömt. Als der Kanisterkörper können ein Metallrohrglied oder dergleichen zum Aufnehmen des Trägers 20 vom Typ elektrische Heizung verwendet werden.
BEISPIELE
Im Folgenden werden Beispiele zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile dargestellt, wobei die vorliegende Erfindung aber nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
(Herstellung der Wabenstruktur)
Als Beispiele 2 bis 14, 17 bis 21 und als Vergleichsbeispiele 1, 15, 16 und 22 wurden Siliciumpulver, Siliciumcarbidpulver und Bornitrid in der Weise gemischt, dass sie die wie in der Spalte „Rezeptur“ aus Tabelle 1 gezeigten Anteile aufwiesen, um einen Keramikausgangsstoff vorzubereiten. Zu dem Keramikausgangsstoff wurden Hydroxypropylmethylcellulose als ein Bindemittel, ein wasserabsorbierendes Harz als ein Porenbildner und Wasser zugegeben, um einen Bildungsausgangsstoffs zu bilden. Daraufhin wurde der Bildungsausgangsstoff mittels eines Unterdruckrohlingkneters geknetet, um einen kreissäulenförmigen Rohling vorzubereiten. Der Gehalt des Bindemittels waren 7 Masseteile pro 100 Masseteile der Summe des Siliciumpulvers und des Siliciumcarbidpulvers. Der Gehalt des Porenbildners waren 3 Masseteile pro 100 Masseteile der Summe des Siliciumpulvers und des Siliciumcarbidpulvers. Der Gehalt des Wassers waren 42 Masseteile pro 100 Masseteile der Summe des Siliciumpulvers und des Siliciumcarbidpulvers. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Siliciumpartikel betrug 6 µm. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Porenbildners betrug 20 µm. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser sowohl der Siliciumpartikel als auch des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetisch gemittelten Durchmesser auf Volumengrundlage, wenn die Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
Der resultierende säulenförmige Rohling wurde unter Verwendung eines Extruders gebildet, um einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt zu erhalten, in dem jede Zelle eine quadratische Querschnittsform aufwies. Der resultierende ungebrannte säulenförmige Wabenstrukturabschnitt wurde einem hochfrequenten dielektrischen Heizen ausgesetzt und getrocknet und daraufhin 2 Stunden unter Verwendung eines Warmlufttrockners bei 120 °C getrocknet und eine vorgegebene Menge beider Stirnflächen wurde abgeschnitten, um eine Wabenstruktur vorzubereiten.
Die getrocknete Wabenstruktur wurde entfettet (kalziniert), gebrannt und weiter oxidiert, um einen gebrannten Wabenkörper zu erhalten. Das Entfetten wurde 3 Stunden bei 500 °C ausgeführt. Das Brennen wurde 2 Stunden bei 1400 °C in einer Argonatmosphäre ausgeführt. Die Oxidation wurde 1 Stunde bei 1300 °C ausgeführt.
(Bildung der Elektrodenschicht)
Ein Paar der Elektrodenschichten wurde über die Mittelachse der Wabenstruktur einander gegenüberliegend vorgesehen. Die Bedingungen zum Bilden der Elektrodenschichten waren wie folgt. Das heißt, zuerst wurden ein Pulver von rostfreiem Stahl (SUS430) und ein Glaspulver in einem Volumenverhältnis von 40 % rostfreiem Pulver und 60 % Glaspulver gemischt, um einen Keramikausgangsstoff vorzubereiten. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser betrug 10 µm für das rostfreie Pulver und 2 µm für das Glaspulver. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser bezieht sich auf einen arithmetisch gemittelten Durchmesser auf einer Volumengrundlage, wenn die Häufigkeitsverteilung von Partikeldurchmessern durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
Nachfolgend wurden zu dem obigen Keramikausgangsstoff 1 Masse% eines Bindemittels, 1 Masse-% eines oberflächenaktiven Stoffs und 30 Masse% Wasser zugegeben, um eine Masse vorzubereiten. Die Masse wurde daraufhin unter Verwendung von Siebdruck auf die Wabenstruktur aufgetragen. Die aufgetragene Masse wurde 30 Minuten in einem Warmlufttrockner bei 120 °C getrocknet und daraufhin 30 Minuten zusammen mit der Wabenstruktur in einem Unterdruck bei 1100 °C gebrannt, um Elektrodenschichten zu bilden. Somit wurde eine Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung hergestellt.
(Auswertungstest)
Die Konzentration des Dotierungsmittels (Borkonzentration) in Silicium der resultierenden Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung wurde durch das wie oben beschriebene Verfahren gemessen, was angab, dass sie 6 · 10¹⁵ cm^-3 betrug.
Die Zusammensetzung von jedem von Si, SiC und SiO₂ in den Trennwänden und in den Außenumfangswänden der resultierenden Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung wurde durch das obige Verfahren gemessen. Tabelle 1 zeigt Messergebnisse.
Die resultierende Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung wies eine Dicke jeder Trennwand von 125 µm und eine Zellendichte von 90 Zellen/cm² auf. Die Zellendichte wurde durch Dividieren der Anzahl der Zellen durch eine Fläche eines Stirnflächenabschnitts der Wabenstruktur ausschließlich des Außenumfangswandabschnitts berechnet.
Die Porosität der Trennwände der resultierenden Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung wurde durch ein Quecksilberporosimeter gemessen.

Ferner wurde ein Paar Metallanschlüsse jeweils mit dem Paar der Elektrodenschichten der resultierenden Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung elektrisch verbunden. Daraufhin wurde an die Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung durch die Metallanschlüsse eine Spannung von 48 V angelegt und wurde ein Stromwert gemessen. Aus dem Spannungs- und aus dem Stromwert wurde der spezifische Volumenwiderstand der Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung berechnet. Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

		Rezeptur			Gehalt in Trennwänden und in der Außenumfangswand			B in Si	Porosität	spezifi scher Volumen wider stand
		Si	SiC	BN	Si	SiC	SiO₂	B in Si	Porosität	spezifi scher Volumen wider stand
	Nr.	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Stück/cm³	%	Ω · cm
Vergleich	1	50	50	0,00003	46	42	12	6 · 10¹⁵	44	12,92
Beispiel	2	50	50	0,0001	46	42	12	2 · 10¹⁶	44	4,90
Beispiel	3	50	50	0,0003	46	42	12	6 · 10¹⁶	44	2,62
Beispiel	4	50	50	0,003	46	42	12	6 · 10¹⁷	44	0,94
Beispiel	5	50	50	0,03	46	42	12	6 · 10¹⁸	44	0,24
Beispiel	6	50	50	0,01	46	42	12	2 · 10¹⁸	44	0,42
Beispiel	7	50	50	0,3	46	42	12	6 · 10¹⁹	45	0,05
Beispiel	8	50	50	0,1	46	42	12	2 · 10¹⁹	44	0,12
Beispiel	9	50	50	1	46	42	12	2 · 10²⁰	44	0,03
Beispiel	10	50	50	3	46	42	12	5 · 10²⁰	44	0,02
Beispiel	11	100	0	0,03	92	0	8	1 · 10¹⁹	40	0,08
Beispiel	12	80	20	0,03	73	17	10	9 · 10¹⁸	42	0,11
Beispiel	13	60	40	0,03	55	34	11	7 · 10¹⁸	43	0,18
Beispiel	14	40	60	0,03	37	51	13	5 · 10¹⁸	45	0,38
Vergleich	15	30	70	0,03	27	59	13	4 · 10¹⁸	46	7,30
Vergleich	16	25	75	0,03	23	63	14	3 · 10¹⁸	46	30,41
Beispiel	17	100	0	0,3	92	0	8	1 · 10²⁰	40	0,02
Beispiel	18	80	20	0,3	73	17	10	9 · 10¹⁹	42	0,03
Beispiel	19	60	40	0,3	55	34	11	7 · 10¹⁹	43	0,05
Beispiel	20	40	60	0,3	37	51	13	5 · 10¹⁹	44	0,14
Beispiel	21	35	65	0,3	32	55	13	4 · 10¹⁹	44	0,20
Vergleich	22	25	75	0,3	23	63	14	3 · 10¹⁹	46	5,42

(Diskussion)
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, waren die Trennwände und die Außenumfangswand der Wabenstruktur in den Beispielen 2 bis 14 und in den Beispielen 17 bis 21 gemäß der vorliegenden Erfindung aus Keramik hergestellt, die wenigstens Silicium enthielt, und hatten sie einen Siliciumgehalt von 30 Masse-% oder mehr und eine Konzentration des Dotierungsmittels in Silicium von 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3, so dass der spezifische Volumenwiderstand niedriger sein konnte und die Erzeugung des Überschussstroms selbst bei einer niedrigeren Spannung von 48 V zufriedenstellend unterbunden werden konnte.
Im Vergleichsbeispiel 1 war der spezifische Volumenwiderstand größer, da die Konzentration des Dotierungsmittels in Silicium an den Trennwänden und an der Außenumfangswand der Wabenstruktur kleiner als 10¹⁶ cm^-3 war.
In den Vergleichsbeispielen 15, 16 und 22 hatte die Keramik, die die Trennwände und die Außenumfangswand der Wabenstruktur bildete, einen Siliciumgehalt von weniger als 30 Masse-%, so dass der spezifische Volumenwiderstand größer war.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-113001 , eingereicht am 18. Juni 2019, deren Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
Bezugszeichenliste

10: Wabenstruktur
12: Außenumfangswand
13: Trennwand
14a, 14b: Elektrodenschicht
15: Zelle
20: Träger vom Typ elektrische Heizung
21a, 21b: Metallanschluss
30: Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 5735428 B [0006]
JP 2019113001 [0059]

Claims

Wabenstruktur, die umfasst: eine Außenumfangswand; und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei jede der mehreren Zellen von einer Stirnfläche zu der anderen Stirnfläche verläuft, um einen Strömungsweg für ein Fluid zu bilden, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand Keramik umfassen, die wenigstens Silicium enthält; wobei ein Gehalt des Siliciums in der Keramik 30 Masse-% oder mehr beträgt; wobei eine Konzentration wenigstens eines Dotierungsmittels in dem Silicium von 10¹⁶ bis 5 · 10²⁰ cm^-3 beträgt.
Wabenstruktur nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Dotierungsmittel ein Element der Gruppe 13 oder ein Element der Gruppe 15 ist.
Wabenstruktur nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine Dotierungsmittel eines oder zwei ist, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus B und AI besteht.
Wabenstruktur nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine Dotierungsmittel eines oder zwei ist, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus N und P besteht.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Keramik, die die Trennwände und die Außenumfangswand bildet, das Silicium in einer Menge von 30 Masse-% oder mehr und weniger als 100 Masse-% enthält.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wabenstruktur eine Dicke jeder der Trennwände von 50 bis 200 µm und eine Zellendichte von 50 bis 150 Zellen/cm² aufweist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand ferner wenigstens eines enthalten, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Cordierit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid besteht.
Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung, die umfasst: die Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und ein Paar Elektrodenschichten, die über eine Mittelachse der Wabenstruktur einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jede der Elektrodenschichten auf einer Oberfläche der Außenumfangswand der Wabenstruktur angeordnet ist.
Träger vom Typ elektrische Heizung, der umfasst: die Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung nach Anspruch 8; und ein Paar Metallanschlüsse, die über eine Mittelachse der Wabenstruktur vom Typ elektrische Heizung einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei das Paar der Metallanschlüsse auf dem Paar der Elektrodenschichten angeordnet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung, die umfasst: den Träger vom Typ elektrische Heizung nach Anspruch 9; und einen Kanisterkörper zum Halten des Trägers vom Typ elektrische Heizung.
Wabenstruktur, die umfasst: eine Außenumfangswand; und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei jede der mehreren Zellen von einer Stirnfläche zu der anderen Stirnfläche verläuft, um einen Strömungsweg für ein Fluid zu bilden, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand Keramik umfassen, wobei die Keramik enthält: Silicium; und wenigstens eines, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Cordierit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid besteht; wobei ein Gehalt des Siliciums in der Keramik 30 Masse-% oder mehr beträgt; wobei das Silicium B als ein Dotierungsmittel enthält; und wobei die Wabenstruktur einen spezifischen Volumenwiderstand von 0,01 Ω · cm oder mehr und 5 Ω · cm oder weniger aufweist.