DE102020211024A1

DE102020211024A1 - Elektrischer heizträger und abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020211024A1
Application number: DE102020211024.7A
Authority: DE
Inventors: Naoki Okamoto; Naoya Takase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2021-04-15
Also published as: US20210087960A1; US11118493B2; JP2021050648A; CN112627944B; CN112627944A; JP7182530B2

Abstract

Ein Träger des Elektroheizungstyps enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur, die zu einer Keramik konfiguriert ist, die enthält: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg zu bilden; eine Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der äußeren Umfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist; zwei oder mehr Unterschichten mit Leitfähigkeit, wobei die Unterschichten auf der Elektrodenschicht vorgesehen sind, so dass sie voneinander beabstandet sind; und eine auf den Unterschichten vorgesehene Metallelektrode.Eine Oberfläche jeder der Unterschichten weist einen konkaven Abschnitt auf, der einen Raum zwischen jeder der Unterschichten und der Metallelektrode bildet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Träger des Elektroheizungstyps und auf eine Abgasreinigungsvorrichtung. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Träger des Elektroheizungstyps und eine Abgasreinigungsvorrichtung, die eine gute Unterdrückung eines Temperaturunterschiedes schaffen können, der während der Stromleitung in den Unterschichten erzeugt wird, und außerdem durch das Schaffen einer guten Unterdrückung der Wärmeleitung zu den Metallelektroden Risse in den Unterschichten unterdrücken können.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kürzlich sind elektrische Heizkatalysatoren (EHC) vorgeschlagen worden, um die Abgasreinigungsleistung unmittelbar nach dem Starten der Kraftmaschine zu verbessern. Der EHC ist ein Katalysator, der es ermöglicht, dass eine Temperatur des Katalysators vor dem Starten der Kraftmaschine durch das Verbinden von Elektroden an einer säulenförmigen Wabenstruktur aus leitfähiger Keramik und das Leiten eines Stroms, um die Wabenstruktur selbst zu erwärmen, auf eine Aktivierungstemperatur erhöht wird. Es ist erwünscht, dass die EHC eine Temperaturungleichmäßigkeit in der Wabenstruktur verringern, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufzuweisen, um eine ausreichende katalytische Wirkung zu erhalten.
Die Metallelektroden sind aus einem anderen Material als das der keramischen Wabenstruktur hergestellt. Deshalb ist es erforderlich, dass die Anwendungen, die in einer oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre, wie z. B. in einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden, die mechanische und elektrische Verbindungszuverlässigkeit zwischen der Wabenstruktur und den Metallanschlüssen in der Hochtemperaturatmosphäre sicherstellen.
Um derartige Probleme zu lösen, offenbart die Patentliteratur 1, dass Wärmeenergie von den Seiten der Metallanschlüsse (Metallelektroden) angewendet wird, um die Metallelektroden mittels Schweißen mit den Elektrodenschichten einer Wabenstruktur zu verbinden. Ferner offenbart sie, dass es gemäß einer derartigen Struktur möglich ist, eine leitfähige Wabenstruktur mit verbesserter Verbindungszuverlässigkeit zu den Metallanschlüssen zu schaffen.
LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
Patentliteratur
[Patentliteratur 1] Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2018-172258 A
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird wie folgt spezifiziert:

(1) Ein Träger des Elektroheizungstyps, der umfasst:
- eine säulenförmige Wabenstruktur, die zu einer Keramik konfiguriert ist, die umfasst: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg zu bilden;
- eine Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der äußeren Umfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist;
- zwei oder mehr Unterschichten mit Leitfähigkeit, wobei die Unterschichten auf der Elektrodenschicht vorgesehen sind, so dass sie voneinander beabstandet sind; und
- eine Metallelektrode, die auf den Unterschichten vorgesehen ist,
- wobei eine Oberfläche jeder der Unterschichten einen konkaven Abschnitt aufweist, der einen Raum zwischen jeder der Unterschichten und der Metallelektrode bildet.
(2) Ein Träger des Elektroheizungstyps, der umfasst:
- eine säulenförmige Wabenstruktur, die zu einer Keramik konfiguriert ist, die umfasst: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg zu bilden;
- eine Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der äußeren Umfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist;
- zwei oder mehr Unterschichten mit Leitfähigkeit, wobei die Unterschichten auf der Elektrodenschicht vorgesehen sind, so dass sie voneinander beabstandet sind; und
- eine Metallelektrode, die auf den Unterschichten vorgesehen ist,
- wobei eine Oberfläche der Metallelektrode einen konkaven Abschnitt aufweist, der einen Raum zwischen der Metallelektrode und jeder der Unterschichten bildet.
(3) Eine Abgasreinigungsvorrichtung, die umfasst:
- den Träger des Elektroheizungstyps gemäß (1) oder (2); und
- einen Hülsenkörper, der den Träger des Elektroheizungstyps hält.

Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Trägers des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen senkrecht ist.
2 ist eine schematische äußere Ansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur und einer Elektrodenschicht gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur, einer Elektrodenschicht, der Unterschichten und der Metallelektroden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur, einer Elektrodenschicht, der Unterschichten und der Metallelektroden gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur, einer Elektrodenschicht, der Unterschichten und der Metallelektroden gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur, einer Elektrodenschicht, der Unterschichten und der Metallelektroden gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Oberflächenbeobachtungsphotographie der Unterschichten mit konkav-konvexen Bereichen, die in einer Maschenform vorgesehen sind.
8 ist eine Ansicht, die eine Anordnung der Unterschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine Ansicht, die eine Anordnung der Unterschichten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine Ansicht, die einen festen Zustand der Elektrodenabschnitte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist eine Ansicht, die einen festen Zustand der Elektrodenabschnitte gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Trägers des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, die zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen senkrecht ist.
13 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erklären eines Verfahrens zum Bilden von Nutabschnitten einer Unterschicht eines Trägers des Elektroheizungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Erstreckungsrichtung einer säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht ist.
14 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erklären eines Verfahrens zum Bilden konkav-konvexer Bereiche, die in einer Maschenform in einer Unterschicht eines Trägers des Elektroheizungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, die zu einer Erstreckungsrichtung einer säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht ist.
15 ist eine schematische Draufsicht, die ein Anordnungsbeispiel der Unterschichten eines Trägers des Elektroheizungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist eine schematische Draufsicht, die ein Anordnungsbeispiel der Unterschichten eines Trägers des Elektroheizungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist eine schematische Draufsicht, die ein Anordnungsbeispiel der Unterschichten eines Trägers des Elektroheizungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der Zeichnungen spezifisch beschrieben. Es wird erkannt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt ist und dass verschiedene Entwurfsmodifikationen und -verbesserungen basierend auf der durchschnittlichen Kenntnis eines Durchschnittsfachmanns auf dem Gebiet vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Um das Reißen oder den Bruch an einer Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht und der Metallelektrode zu vermeiden, bildet die Wabenstruktur nach Patentliteratur 1 in Erwartung einer Spannungslockerungswirkung die Unterschichten zwischen den Elektrodenschichten und den Metallelektroden. Wenn die Unterschichten jedoch über den gesamten Bereich ausgebildet sind, in dem die Metallelektroden fest sind, gibt es Probleme, dass ein Spannungsunterschied aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen der Unterschicht mit der befestigten Metallelektrode und der Unterschicht ohne eine befestigte Metallelektrode erzeugt wird und dass in den Unterschichten Risse erzeugt werden. Deshalb ist es notwendig, den in den Unterschichten erzeugten Temperaturunterschied zu verringern, während eine Funktion des Verringerns eines Wärmeausdehnungsunterschieds als die Unterschicht aufrechterhalten wird.
Um die obigen Probleme zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Struktur in Betracht gezogen, bei der die Unterschichten in der Form von Flecken zwischen den Elektrodenschichten und den Metallelektroden angeordnet sind. Gemäß der Struktur, in der die Unterschichten folglich in der Form von Flecken angeordnet sind, wie oben beschrieben worden ist, kann ein in den Unterschichten erzeugter Temperaturunterschied verringert werden und können Risse in den Unterschichten unterdrückt werden. Wenn die Unterschichten in der Form von Flecken ausgebildet sind, breitet sich jedoch die während der Stromleitung durch die Wabenstruktur erzeugte Wärme nicht in den Unterschichten aus, was dadurch zu einer leichteren Leitung zu den Metallelektroden führt. Dies kann mehr Ausdehnung der Metallelektroden mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachen und aufgrund des Ausdehnungsunterschieds zwischen den Metallelektroden und den Unterschichten eine Rissbildung oder einen Bruch an den Grenzflächen zwischen den Unterschichten und den Metallelektroden erzeugen.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben genannten Umstände gemacht worden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Träger des Elektroheizungstyps und eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, die eine gute Unterdrückung eines Temperaturunterschieds, der während der Stromleitung in den Unterschichten erzeugt wird, schaffen können und außerdem Risse in den Unterschichten durch das Bereitstellen einer guten Unterdrückung der Wärmeleitung zu den Metallelektroden unterdrücken können.
Im Ergebnis intensiver Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die obigen Probleme durch das Erzeugen einer Struktur gelöst werden können, in der Metallelektroden, die über zwei oder mehr voneinander beabstandete leitende Unterschichten vorgesehen sind, auf Elektrodenschichten vorgesehen sind, die auf einer Oberfläche einer äußeren Umfangswand einer säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet sind, wobei jede der Unterschichten einen konkaven Abschnitt aufweist, der einen Raum zwischen der Metallelektrode und der Metallelektrode bildet, oder die Metallelektrode einen konkaven Abschnitt aufweist, der einen Raum auf der Oberfläche auf der Seite der Unterschicht bildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Träger des Elektroheizungstyps und eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, die eine gute Unterdrückung eines Temperaturunterschieds, der während der Stromleitung in einer Unterschicht erzeugt wird, schaffen können und außerdem Risse in der Unterschicht durch das Schaffen einer guten Unterdrückung der Wärmeleitung zu den Metallelektroden unterdrücken können.
<Ausführungsform 1>
(Träger des Elektroheizungstyps)
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Trägers 10 des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die zu einer Zellerstreckungsrichtung senkrecht ist. Der Träger 10 des Elektroheizungstyps enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur 11; die Elektrodenschichten 13a, 13b, wobei jede auf einer Oberfläche einer äußeren Umfangswand 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 angeordnet ist; zwei oder mehr Unterschichten 16, die auf jeder der Elektrodenschichten vorgesehen sind und voneinander beabstandet sind; und die Metallelektroden 14a, 14b.
(Wabenstruktur)
2 ist eine schematische äußere Ansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und der Elektrodenschichten 13a, 13b gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Die säulenförmige Wabenstruktur 11 enthält: eine äußere Umfangswand 12; und die Trennwände 19, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand 12 angeordnet sind und mehrere Zellen 18 definieren, die sich von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche erstrecken, um Strömungswege zu bilden.
Eine äußere Form der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie sie säulenförmig ist. Die Wabenstruktur kann z. B. eine Form, wie z. B. eine Säulenform mit kreisförmigen Stirnflächen (kreisförmige Säulenform), eine Säulenform mit ovalen Stirnflächen und eine Säulenform mit polygonalen (quadratischen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen, achteckigen usw.) Stirnflächen, aufweisen. Die säulenförmige Wabenstruktur 11 weist für den Zweck des Verbesserns der Wärmebeständigkeit (Unterdrückens von Rissen, die in die äußere Umfangswand in Umfangsrichtung eindringen) vorzugsweise eine Größe der Stirnfläche von 2000 bis 20000 mm² und bevorzugter von 5000 bis 15000 mm² auf.
Die säulenförmige Wabenstruktur 11 ist aus einer Keramik hergestellt und weist Leitfähigkeit auf. Der spezifische elektrische Widerstand der Keramik ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie die leitfähige säulenförmige Wabenstruktur 11 bei elektrischer Leitung durch Joulesche Wärme Wärme erzeugen kann. Der spezifische elektrische Widerstand beträgt vorzugsweise 1 bis 200 Ωcm und bevorzugter 10 bis 100 Ωcm. In der vorliegenden Erfindung ist der spezifische elektrische Widerstand der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ein Wert, der bei 400 °C durch ein Vierpolverfahren gemessen wird.
Ein Material der säulenförmigen Wabenstruktur 11 kann aus Oxidkeramiken, wie z. B. Aluminiumoxid, Mullit, Zirconiumdioxid und Cordierit, und Nichtoxidkeramiken, wie z. B. Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid, ausgewählt sein, ist aber nicht darauf eingeschränkt. Ferner kann außerdem ein Verbundmaterial aus Siliciumcarbid und metallischem Silicium, ein Siliciumcarbid/Graphit-Verbundmaterial oder dergleichen verwendet werden. Unter ihnen enthält das Material der Wabenstruktur 11 unter dem Gesichtspunkt der Kompatibilität von Wärmebeständigkeit und -leitfähigkeit vorzugsweise eine Keramik, die hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid basiert. Der Ausdruck „das Material der Wabenstruktur 11 basiert hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial“ bedeutet, dass die säulenförmige Wabenstruktur 11 90 Masse-% oder mehr des Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterials (Gesamtmasse) basierend auf der gesamten Wabenstruktur enthält. Hier enthält sie für das Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial Siliciumcarbidteilchen als ein Aggregat und Silicium als ein Bindungsmaterial zum Verbinden der Siliciumcarbidteilchen, wobei mehrere Siliciumcarbidteilchen vorzugsweise durch Silicium gebunden sind, um Poren zwischen den Siliciumcarbidteilchen zu bilden. Der Ausdruck „das Material der säulenförmigen Wabenstruktur 11 basiert hauptsächlich auf Siliciumcarbid“ bedeutet, dass die säulenförmige Wabenstruktur 11 90 Masse-% oder mehr Siliciumcarbid (Gesamtmasse) basierend auf der gesamten Wabenstruktur enthält.
Wenn die säulenförmige Wabenstruktur 11 das Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial enthält, beträgt ein Verhältnis einer „Masse des Siliciums als ein Bindungsmaterial“, die in der säulenförmigen Wabenstruktur 11 enthalten ist, zu der Gesamtmenge einer „Masse der Siliciumcarbidteilchen als ein Aggregat“, die in der säulenförmigen Wabenstruktur 11 enthalten ist, und einer „Masse des Siliciums als ein Bindungsmaterial“, die in der säulenförmigen Wabenstruktur 11 enthalten ist, vorzugsweise 10 bis 40 Masse-% und bevorzugter 15 bis 35 Masse-%. Wenn es 10 Masse-% oder mehr beträgt, ist die Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ausreichend aufrechterhalten. Wenn es 40 Masse-% oder weniger beträgt, wird die Form während des Brennens leicht aufrechterhalten.
Eine Form jeder Zelle in einem Querschnitt senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen 18 ist nicht eingeschränkt, aber sie ist vorzugsweise ein Quadrat, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination daraus. Unter diesen sind das Quadrat und das Sechseck bevorzugt. Eine derartige Zellenform kann zu einem verringerten Druckverlust beim Strömen eines Abgases durch die säulenförmige Wabenstruktur 11 führen, was zu einer Verbesserung der Reinigungsleistung des Katalysators führt. Das Quadrat ist hinsichtlich des leichten Erreichens sowohl der strukturellen Festigkeit als auch der Gleichmäßigkeit der Erwärmung besonders bevorzugt.
Jede der Trennwände 19, die die Zellen 18 bilden, weist vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm und bevorzugter von 0,15 bis 0,25 mm auf. Die Dicke jeder Trennwand 19 von 0,1 mm oder mehr kann eine Abnahme der Festigkeit der Wabenstruktur unterdrücken. Die Dicke jeder Trennwand 19 von 0,3 mm oder kleiner kann eine Zunahme des Druckverlustes beim Strömen eines Abgases unterdrücken, wenn die Wabenstruktur als Katalysatorträger verwendet wird und ein Katalysator darauf getragen ist. In der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Trennwand 19 als eine Länge eines Abschnitts, der durch die Trennwand 19 verläuft, unter den Liniensegmenten definiert, die die Schwerpunkte der benachbarten Zellen 18 in einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Zellen 18 verbinden.
Die säulenförmige Wabenstruktur 11 weist vorzugsweise eine Zellendichte von 40 bis 150 Zellen/cm² und bevorzugter von 70 bis 100 Zellen/cm² in einem Querschnitt senkrecht zu einer Strömungswegrichtung der Zellen 18 auf. Die Zellendichte in einem derartigen Bereich kann die Reinigungsleistung des Katalysators erhöhen, während sie den Druckverlust beim Strömen eines Abgases verringert. Die Zellendichte von 40 Zellen/cm² oder mehr kann eine ausreichende Katalysatortragfläche sicherstellen. Die Zellendichte von 150 Zellen/cm² oder weniger kann verhindern, dass ein Druckverlust beim Strömen eines Abgases erhöht wird, wenn die säulenförmige Wabenstruktur 11 als ein Katalysatorträger verwendet wird und ein Katalysator darauf getragen ist. Die Zellendichte ist ein Wert, der durch das Teilen der Anzahl der Zellen durch eine Fläche einer Stirnfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 11 außer der äußeren Umfangswand 12 erhalten wird.
Das Vorsehen der äußeren Umfangswand 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ist hinsichtlich des Sicherstellens der strukturellen Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 11 und des Verhinderns, dass ein durch die Zellen 18 strömendes Fluid aus der äußeren Umfangswand 12 entweicht, nützlich. Insbesondere beträgt die Dicke der äußeren Umfangswand 12 vorzugsweise 0,1 mm oder mehr und bevorzugter 0,15 mm oder mehr und noch bevorzugter 0,2 mm oder mehr. Falls jedoch die äußere Umfangswand 12 zu dick ist, wird die Festigkeit zu hoch, so dass ein Festigkeitsgleichgewicht zwischen der äußeren Umfangswand 12 und der Trennwand 19 verlorengeht, um die Wärmeschockfestigkeit zu verringern. Deshalb beträgt die Dicke der äußeren Umfangswand 12 vorzugsweise 1,0 mm oder weniger und bevorzugter 0,7 mm oder weniger und noch bevorzugter 0,5 mm oder weniger. Wie die Dicke der äußeren Umfangswand 12 hier verwendet wird, ist sie als eine Dicke der äußeren Umfangswand 12 in einer Richtung einer Normalen auf einer Tangente an einem Messpunkt definiert, wenn ein Abschnitt der äußeren Umfangswand 12 beobachtet wird, der einer Dickenmessung in einem Querschnitt senkrecht zu einer Zellenerstreckungsrichtung unterworfen wird.
Die Trennwände 19 können porös sein. Die Porosität der Trennwand 19 beträgt vorzugsweise von 35 bis 60 % und bevorzugter von 35 bis 45 %. Eine Porosität von 35 % oder mehr kann zu einer leichteren Unterdrückung der Verformung während des Brennens führen. Die Porosität von 60 % oder weniger kann es ermöglichen, dass die Festigkeit der Wabenstruktur ausreichend aufrechterhalten wird. Die Porosität ist ein durch ein Quecksilberporosimeter gemessener Wert.
Die Trennwände 19 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 weisen vorzugsweise einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 2 bis 15 µm und bevorzugter von 4 bis 8 µm auf. Der durchschnittliche Porendurchmesser von 2 µm oder mehr kann einen übermäßig hohen spezifischen elektrischen Widerstand verhindern. Der durchschnittliche Porendurchmesser von 15 µm oder kleiner kann einen übermäßig niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand verhindern. Der durchschnittliche Porendurchmesser ist ein durch ein Quecksilberporosimeter gemessener Wert.
Ein Paar von Elektrodenschichten 13a, 13b ist auf der Oberfläche der äußeren Umfangswand 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 angeordnet. Eine Elektrodenschicht des Paares von Elektrodenschichten 13a, 13b ist so vorgesehen, dass sie der anderen Elektrodenschicht des Paares von Elektrodenschichten 13a, 13b über eine Mittelachse der säulenförmigen Wabenstruktur 11 zugewandt ist.
Die Elektrodenschichten 13a, 13b können in einem nicht einschränkenden Bereich ausgebildet sein. Hinsichtlich das Verbesserns der gleichmäßigen Wärmeerzeugung der säulenförmigen Wabenstruktur 11 ist jede der Elektrodenschichten 13a, 13b vorzugsweise so vorgesehen, dass sie sich in Form eines Bandes in der Umfangsrichtung und der Zellenerstreckungsrichtung erstreckt. Insbesondere ist es unter dem Gesichtspunkt, dass sich ein Strom leicht in einer axialen Richtung jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b ausbreitet, wünschenswert, dass sich jede der Elektrodenschichten 13a, 13b über eine Länge von 80 % oder mehr und bevorzugt 90 % oder mehr und bevorzugter über die volle Länge zwischen den beiden Stirnflächen der säulenförmigen Wabenstruktur 11 erstreckt.
Jede der Elektrodenschichten 13a, 13b weist vorzugsweise eine Dicke von 0,01 bis 5 mm und bevorzugter von 0,01 bis 3 mm auf. Ein derartiger Bereich kann es ermöglichen, dass die gleichmäßige Wärmeerzeugung verbessert wird. Die Dicke jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b von 0,01 mm oder mehr kann zu einer geeigneten Steuerung des elektrischen Widerstandes führen, was zu einer gleichmäßigeren Wärmeerzeugung führt. Die Dicke von 5 mm oder kleiner kann das Risiko des Bruchs während des Einhülsens verringern. Die Dicke jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b ist als eine Dicke in einer Richtung einer Normalen auf einer Tangente an einem Messpunkt auf einer Außenfläche jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b definiert, wenn der Punkt jeder Elektrodenschicht, der einer Dickenmessung zu unterwerfen ist, in einem Querschnitt senkrecht zur Zellenerstreckungsrichtung beobachtet wird.
Der spezifische elektrische Widerstand jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b ist kleiner als der spezifische elektrische Widerstand der säulenförmigen Wabenstruktur 11, wodurch die Elektrizität dazu neigt, bevorzugt zu den Elektrodenschichten zu fließen, und die Elektrizität dazu neigt, sich während der elektrischen Leitung in der Zellenströmungswegrichtung und in der Umfangsrichtung auszubreiten. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 13a, 13b beträgt vorzugsweise 1/10 oder weniger und bevorzugter 1/20 oder weniger und noch bevorzugter 1/30 oder weniger des spezifischen elektrischen Widerstandes der säulenförmigen Wabenstruktur 11. Falls jedoch der Unterschied im spezifischen elektrischen Widerstand zwischen beiden zu groß wird, wird der Strom zwischen den Enden der gegenüberliegenden Elektrodenschichten konzentriert, um die im säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt erzeugte Wärme zu beeinflussen. Deshalb beträgt der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 13a, 13b vorzugsweise 1/200 oder mehr und bevorzugter 1/150 oder mehr und noch bevorzugter 1/100 oder mehr des spezifischen elektrischen Widerstandes der säulenförmigen Wabenstruktur 11. In der vorliegenden Erfindung ist der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 13a, 13b ein Wert, der bei 400 °C durch ein Vierpolverfahren gemessen wird.
Jede der Elektrodenschichten 13a, 13b kann aus einem Verbundmaterial aus einem Metall und einer leitfähigen Keramik (Cermet) hergestellt sein. Die Beispiele des Metalls enthalten ein einzelnes Metall aus Cr, Fe, Co, Ni, Si oder Ti oder eine Legierung, die wenigstens ein Metall enthält, das aus der diese Metalle umfassenden Gruppe ausgewählt ist. Die nicht einschränkenden Beispiele der leitfähigen Keramik enthalten Siliciumcarbid (SiC) und Metallverbindungen, wie z. B. Metallsilicide, wie z. B, Tantalsilicid (TaSi₂) und Chromsilicid (CrSi₂). Die spezifischen Beispiele des Verbundmaterials aus dem Metalls und der leitfähigen Keramik (Cermet) enthalten ein Verbundmaterial aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid, ein Verbundmaterial aus einem metallischem Silicid, wie z. B. Tantalsilicid und Chromsilicid, metallischem Silicium und Siliciumcarbid und ferner ein Verbundmaterial, das hinsichtlich einer verminderten Wärmeausdehnung zusätzlich zu einem oder mehreren der oben aufgelisteten Metalle eine oder mehrere isolierende Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxid, Mullit, Zirconiumdioxid, Cordierit, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid, enthält. Als das Material der Elektrodenschichten 13a, 13b ist unter den verschiedenen Metallen und leitfähigen Keramiken, wie oben beschrieben worden ist, eine Kombination eines Metallsilicids, wie z. B. Tantalsilicid und Chromsilicid, mit einem Verbundmaterial aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid bevorzugt, weil es gleichzeitig mit der säulenförmigen Wabenstruktur gebrannt werden kann, was zur Vereinfachung der Herstellungsschritte beiträgt.
(Unterschicht)
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 11, der Elektrodenschicht 13a, 13b, der Unterschichten 16 und der Metallelektrode 14a, 14b gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Der Träger 10 des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist auf jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b mit zwei oder mehr leitfähigen Unterschichten 16 versehen, so dass sie voneinander beabstandet sind. Jede Unterschicht 16 weist Leitfähigkeit auf. Die Unterschichten 16 können auf den Oberflächen der Elektrodenschichten 13a, 13b ausgebildet sein, wobei jede der Unterschichten 16 in einer im Wesentlichen flachen Plattenform (spezifisch in einer gekrümmten Form entlang einer Außenfläche der Elektrodenschicht 13a, 13b) ausgebildet ist. Jede Unterschicht 16 kann aus einem Metallmaterial (z. B. einem Material auf NiCr-Basis) ausgebildet sein, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrodenschicht 13a, 13b (ein linearer Ausdehnungskoeffizient der Elektrodenschichten 13a, 13b ist relativ klein) und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallelektrode 14a, 14b (ein linearer Ausdehnungskoeffizient der Metallelektrode 14a, 14b ist relativ hoch) aufweist, wobei sie eine Funktion des Absorbierens eines zwischen der Elektrodenschicht 13a, 13b und der Metallelektrode 14a, 14b erzeugten Wärmeausdehnungsunterschieds aufweist.
Wie oben beschrieben worden ist, wird ein Temperaturunterschied zwischen der Unterschicht, auf der die Metallelektrode 14a, 14b befestigt ist, und der Unterschicht, auf der die Metallelektrode 14a, 14b nicht befestigt ist, erzeugt, wenn die herkömmlichen Unterschichten über den gesamten Bereich, in dem die Metallelektrode 14a, 14b befestigt ist, ausgebildet sind, wobei ein Spannungsunterschied aufgrund des Temperaturunterschieds ein Problem des Erzeugens von Rissen in den Unterschichten verursacht. Deshalb kann das Vorsehen der Unterschichten 16 in den zum Befestigen der Metallelektroden 14a, 14b erforderlichen Bereichen anstatt der Bildung der Unterschichten auf dem gesamten Bereich, in dem die Metallelektroden 14a, 14b befestigt sind, es ermöglichen, das die Unterschichten 16 voneinander beabstandet sind, wodurch der Temperaturunterschied zwischen der Unterschicht 16 mit der befestigten Metallelektrode 14a, 14b und der Unterschicht 16 ohne eine befestigte Metallelektrode 14a, 14b verringert wird und ermöglicht wird, dass Risse in den Unterschichten 16 wirksam unterdrückt werden. Obwohl 1 eine Ausführungsform zeigt, bei der drei Unterschichten 16 auf der Außenfläche der Elektrodenschicht 13a, 13b ausgebildet sind, können drei oder mehr Unterschichten 16 so ausgebildet sein, dass sie voneinander beabstandet sind. Die Anzahl und die Anordnung der Elektroden sind nicht eingeschränkt, wobei sie innerhalb der zum Befestigen der Metallelektroden 14a, 14b erforderlichen Bereiche geeignet festgelegt sein können. Ferner können als ein spezifisches Anordnungsbeispiel der Unterschichten 16 zwei Reihen von Unterschichtengruppen parallel vorgesehen sein, wie in 15 gezeigt ist, wobei jede so konfiguriert ist, dass sie sechs Unterschichten in gleichen Abständen linear so anordnet, dass sie sich in der Erstreckungsrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur 11 erstrecken. Weiterhin sind, wie in 16 gezeigt ist, zwei Reihen von Unterschichtengruppen vorgesehen, wobei jede so konfiguriert ist, dass sechs Unterschichten 16 angeordnet sind, wobei die Unterschichtengruppen der beiden Reihen jeweils in einer gekrümmten Form angeordnet sein können, so dass sie in der Mitte am weitesten voneinander entfernt sind. Überdies sind, wie in 17 gezeigt ist, zwei Reihen der Unterschichtengruppen parallel vorgesehen, wobei jede so konfiguriert ist, dass sie sechs Unterschichten in gleichen Abständen linear anordnet, wobei die Unterschichten 16 in einer Unterschichtengruppe und die benachbarten Unterschichten 16 in der anderen Unterschichtengruppe, die zu den ersteren Unterschichten jeweils parallel stehen, an Positionen angeordnet sein können, die aus der direkt horizontalen Richtung zueinander verschoben sind. Obwohl die 15 bis 17 in jeder der schematischen Draufsichten zeigen, dass jede Unterschicht 16 in einer Kreisform ausgebildet ist, ist die Form nicht besonders eingeschränkt, wobei jede Unterschicht 16 in irgendeiner Form, wie z. B. einer elliptischen Form und einer polygonalen Form, ausgebildet sein kann.
Wenn jedoch die Unterschichten auf den Metallelektroden 14a, 14b nur so vorgesehen sind, dass sie voneinander beabstandet sind, wird Wärme von den Unterschichten übermäßig zu den Metallelektroden übertragen, wenn ein Strom durch den Träger 10 des Elektroheizungstyps geleitet wird. Dies verursacht mehr Ausdehnung der Metallelektroden 14a, 14b, die einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wodurch aufgrund eines Unterschieds zwischen den Ausdehnungen der Unterschichten und der Metallelektroden 14a, 14b eine Zerstörung an der Grenzfläche zwischen der Unterschicht und der Metallelektrode 14a, 14b auftritt. Deshalb weist in dem Träger 10 des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche jeder Unterschicht 16 ferner konkave Abschnitte 21 auf, wobei jede einen Raum zwischen der Unterschicht und der Metallelektrode 14a, 14b bildet. Eine derartige Struktur kann eine verringerte Kontaktfläche zwischen der Unterschicht 16 und der Metallelektrode 14a, 14b schaffen, die die Wärmeleitung von den Unterschichten 16 zu den Metallelektroden 14a, 14b unterdrücken kann, wodurch die übermäßige Wärmeübertragung von den Unterschichten 16 zu den Metallelektroden 14a, 14b unterdrückt wird. Dies kann es ermöglichen, dass ein Betrag der Wärmeausdehnung der Metallelektroden 14a, 14b aufgrund der Wärmeerzeugung während der Stromleitung verringert wird, um die Zerstörung an der Grenzfläche zwischen jeder Metallelektrode 14a, 14b und jeder darunterliegenden Schicht 16 zu unterdrücken. Ferner kann dies es ermöglichen, dass die in den Unterschichten 16 selbst erzeugte Spannung abgebaut wird, um die Erzeugung von Rissen in den Unterschichten 16 aufgrund der Wärmeentwicklung während der Stromleitung zu unterdrücken.
Jeder konkave Abschnitt 21 kann ein Nutabschnitt 22 sein, der sich in einer Ebenenrichtung der Unterschicht 16 parallel erstreckt. In der in 3 gezeigten Ausführungsform weist jeder Nutabschnitt 22 eine rechteckige Form in einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Nutabschnitts 22 auf. Ferner kann der Nutabschnitt 22 irgendeine Form aufweisen, wie z. B. eine lineare Form, eine parabolische Form oder eine Form, die sich während des Biegens verlängert, wenn die Unterschicht 16 in einer Draufsicht betrachtet wird.
Jeder konkave Abschnitt 21 kann die Unterschicht 16 in der Querschnittsrichtung der Unterschicht 16 durchdringen. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der jeder Nutabschnitt 25, der in der Querschnittsrichtung der Unterschicht 16 durchdringt, jeden konkaven Abschnitt 21 bildet. Wenn jeder konkave Abschnitt 21 jeder in der Querschnittsrichtung der Unterschicht 16 eindringende Nutabschnitt 25 ist, kann die Wärmeleitung von den Unterschichten 16 zu den Metallelektroden 14a, 14b weiter unterdrückt werden.
Jeder Nutabschnitt 22 kann im Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Nutabschnitts eine V-Form aufweisen. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der jeder V-förmige Nutabschnitt 26 jeden konkaven Abschnitt 21 bildet. Ferner kann jeder Nutabschnitt 22 im Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Nutabschnitts eine U-Form aufweisen. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die U-förmige Nut 27 den konkaven Abschnitt 21 bildet.
Die Unterschicht 16 kann konkav-konvexe Bereiche (konkave Bereiche 23 und konvexe Bereiche 24) aufweisen, die in einer Maschenform auf der Oberfläche auf der Seite der Metallelektrode 14a, 14b vorgesehen sind, wobei die konkaven Abschnitte 21 die konkaven Bereiche 23 in den konkav-konvexen Bereichen sein können. 7 zeigt eine Oberflächenbeobachtungsphotographie der Unterschicht mit den konkav-konvexen Bereichen, die in einer Maschenform vorgesehen sind. In der vorliegenden Erfindung kann die Maschenform außerdem als eine Netzform bezeichnet werden. Das heißt, die Struktur mit den konkav-konvexen Bereichen, die in einer Maschenform vorgesehen sind, wie sie hier verwendet wird, kann bedeuten, dass die Unterschicht 16 in einer Maschenform ausgebildet ist, so dass die Bereiche, in denen die Unterschichten 16 vorhanden sind (konvexe Bereiche) und die Bereiche, in denen keine Unterschicht 16 vorhanden ist, wie Löcher (konkave Bereiche), im Wesentlichen abwechselnd (z. B. in einem Zickzackmuster) angeordnet sind.
Ein Flächenverhältnis der Kontaktfläche der Unterschichten 16 mit der Metallelektrode 14a, 14b beträgt vorzugsweise von 40 bis 85 % bezüglich der Oberflächen der Unterschichten 16 auf der Seite der Metallelektrode 14a, 14b. Ein Flächenverhältnis der Kontaktfläche der Unterschichten 16 mit der Metallelektrode 14a, 14b von 40 % oder mehr bezüglich der Oberflächen der Unterschichten 16 auf der Metallelektrodenseite 14a, 14b kann eine bessere Verbindungsfestigkeit der Unterschichten 16 mit den Metallelektroden 14a, 14b schaffen, während das Flächenverhältnis von 85 % oder weniger eine bessere Unterdrückung eines Bruchs innerhalb der Unterschichten 16 aufgrund der auf der Ausdehnung der Metallelektroden 14a, 14b basierenden Spannung schaffen kann. Das Flächenverhältnis der Kontaktfläche der Unterschichten 16 mit der Metallelektrode 14a, 14b beträgt bezüglich der Oberflächen der Unterschichten 16 auf der Seite der Metallelektrode 14a, 14b bevorzugter 40 bis 70 % und noch bevorzugter 50 bis 70 %.
Die Größe des Raumes zwischen der Unterschicht 16 und der Metallelektrode 14a, 14b, der durch jeden konkaven Abschnitt 21 ausgebildet ist, ist nicht besonders eingeschränkt und kann je nach Bedarf abhängig von der gewünschten Kontaktfläche zwischen den Unterschichten 16 und den Metallelektroden 14a, 14b entworfen sein. Ferner ist es ausreichend, die konkaven Abschnitte 21 aufzuweisen (es ist ausreichend, den Raum zwischen der Unterschicht 16 und der Metallelektrode 14a, 14b aufzuweisen). Eine bestimmte Menge eines Metallmaterials, das die Metallelektroden bildet, kann außerdem in die Nutabschnitte 22, 25, 26 und 27 eintreten.
Die ebene Form der Unterschicht 16 ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie die Unterschichten 16 über den zum Befestigen der Metallelektroden 14a, 14b erforderlichen Bereichen ausgebildet sind und sie in Bezug auf das gewünschte Flächenverhältnis der Kontaktfläche mit der Metallelektrode 14a, 14b in der erforderlichen Fläche ausgebildet sind. Hinsichtlich der Produktivität und der praktischen Anwendbarkeit ist die ebene Form vorzugsweise kreisförmig oder rechteckig.
8 ist eine Ansicht, die die Struktur auf der äußeren Umfangsfläche des Trägers 10 des Elektroheizungstyps in der Zellenerstreckungsrichtung des Trägers 10 des Elektroheizungstyps zeigt. Ferner sind um der Erklärung willen die Metallelektroden 14a, 14b nicht gezeigt. Wenn die äußere Form der Unterschicht 16 ein Kreis mit einem Durchmesser B in der Projektionsebene senkrecht zur Ebenenrichtung der Unterschicht 16 ist, erfüllen eine Teilung A zwischen den Unterschichten 16 und ein Durchmesser B jeder Unterschicht 16 vorzugsweise eine Beziehung: B/A ≤ 0,9. Hier bezieht sich die Teilung A zwischen den Unterschichten 16 auf einen Abstand zwischen den Kreismittelpunkten der benachbarten Unterschichten 16. Das Verhältnis B/A von 0,9 oder kleiner kann es ermöglichen, dass die Unterschichten 16 ausreichend voneinander getrennt sind, so dass der Temperaturunterschied zwischen der Unterschicht 16 mit der befestigten Metallelektrode 14a, 14b und der Unterschicht 16 ohne eine befestigte Metallelektrode 14a, 14b weiter verringert ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist das Verhältnis B/A bevorzugter 0,7 oder kleiner.
9 zeigt eine Form der Unterschicht 16, die aus der in 8 gezeigten Ausführungsform in eine Rechteckform deformiert worden ist. Wenn die äußere Form jeder Unterschicht 16 eine Rechteckform mit einer langen Seite C in der Projektionsebene senkrecht zur Ebenenrichtung der Unterschicht 16 ist, erfüllen eine Teilung A zwischen den Unterschichten 16 und die lange Seite C jeder Unterschicht 16 vorzugsweise eine Beziehung: C/A ≤ 0,9. Hier bezieht sich die Teilung A zwischen den Unterschichten 16 auf einen Abstand zwischen den Schnittpunkten der Diagonalen der benachbarten Unterschichten 16. Das Verhältnis C/A von 0,9 oder kleiner kann es ermöglichen, dass die Unterschichten 16 ausreichend voneinander getrennt sind, so dass der Temperaturunterschied zwischen der Unterschicht 16 mit der befestigten Metallelektrode 14a, 14b und der Unterschicht 16 ohne eine befestigte Metallelektrode 14a, 14b weiter verringert sein kann. Unter diesem Gesichtspunkt ist das Verhältnis C/A vorzugsweise 0,7 oder kleiner.
Ferner kann die Dicke jeder Unterschicht 16 so festgelegt sein, dass die Verringerung der thermischen Spannung zwischen der Elektrodenschicht 13a, 13b und dem Elektrodenabschnitt 15 und der Leitungswirkungsgrad miteinander kompatibel sind.
Wie später beschrieben wird, weist jede Unterschicht hinsichtlich des Erhaltens der Verbindungsfestigkeit zwischen der Befestigungsschicht 17 und der Unterschicht 16 vorzugsweise eine Oberflächenrauigkeit Ra von 3 µm oder mehr auf, wenn die Metallelektroden 14a, 14b durch die Befestigungsschichten 17 an den Außenflächen der Unterschichten 16 befestigt sind.
Die Unterschichten 16 können durch das Herstellen einer Unterschichtenbildungspaste wie folgt, das Auftragen der Unterschichtenbildungspaste auf die Elektrodenschichten der säulenförmigen Wabenstruktur mittels einer Druckmaschine für gekrümmte Oberflächen oder dergleichen, um beschichtete Filme zu formen, und das Brennen der beschichteten Filme gebildet werden. Die Unterschichtenbildungspaste kann gebildet werden, indem zuerst ein Metallpulver (Metallpulver, wie z. B. ein Material auf NiCr-Basis und rostfreier Stahl) und ein Oxidpulver (Oxidpulver, wie z. B. Cd, Aluminiumoxid und Mullit) in einem Volumenverhältnis des Metalls von 20 bis 85 Vol.-% und des Oxidpulvers von 15 bis 80 Vol.-% gemischt werden, um einen keramischen Ausgangsstoff herzustellen, und dann zu dem keramischen Ausgangsstoff 1 Masse-% eines Bindemittels, 1 Masse-% eines oberflächenaktiven Soffs und 20 bis 40 Masse-% Wasser hinzugefügt werden, um die Unterschichtenbildungspaste zu bilden.
(Metallelektrode)
Die Metallelektroden 14a, 14b sind über die zwei oder mehr leitfähigen Unterschichten vorgesehen und sind jeweils elektrisch verbunden. Die Metallelektroden 14a, 14b können ein Paar von Metallelektroden sein, das so angeordnet ist, dass eine Metallelektrode 14a der anderen Metallelektrode 14b über die Mittelachse der säulenförmigen Wabenstruktur 11 zugewandt ist. Wenn durch die Elektrodenschichten 13a, 13b eine Spannung an die Metallelektroden 14a, 14b angelegt ist, kann ein Strom durch die Metallelektroden 14a, 14b geleitet werden, um die säulenförmige Wabenstruktur 11 durch Joulesche Wärme zu erwärmen. Deshalb kann der Träger 10 des Elektroheizungstyps geeignet als eine Heizvorrichtung verwendet werden. Die angelegte Spannung beträgt vorzugsweise von 12 bis 900 V und bevorzugter von 64 bis 600 V, obwohl die angelegte Spannung je nach Bedarf variiert werden kann.
Das Material der Metallelektroden 14a, 14b ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie es ein Metall ist, wobei ein einziges Metall, eine Legierung oder dergleichen verwendet werden kann. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, des spezifischen elektrischen Widerstandes und des linearen Ausdehnungskoeffizienten ist z. B. das Material bevorzugt eine Legierung, die wenigstens eines enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Cr, Fe, Co, Ni und Ti umfasst, und bevorzugter rostfreier Stahl und Fe-Ni-Legierungen. Die Form und die Größe jeder der Metallelektroden 14a, 14b sind nicht besonders eingeschränkt, wobei sie gemäß der Größe des Trägers 10 des Elektroheizungstyps, der Leistung der elektrischen Leitung und dergleichen geeignet entworfen sein können.
Die Metallelektrode 14a, 14b kann zwei oder mehr Elektrodenabschnitte 15 aufweisen. Jeder Elektrodenabschnitt 15 ist an den Außenflächen der Unterschichten 16 befestigt. Hier kann jeder Elektrodenabschnitt 15 durch Schweißen an den Unterschichten 16 befestigt werden, oder er kann durch die Befestigungsschichten 17, die durch thermisches Spritzen gebildet werden, an den Unterschichten 16 befestigt werden, wie später beschrieben wird (siehe 11).
In der in 10 gezeigten Ausführungsform weist jede der Metallelektroden 14a, 14b drei kammförmige Elektrodenabschnitte 15 auf, wobei jeder Elektrodenabschnitt 15 an zwei Unterschichten 16 befestigt ist. Folglich wird die elektrische Verbindung zwischen dem kammförmigen Elektrodenabschnitt 15 und der Elektrodenschicht 13a, 13b durch die zwei oder mehr Unterschichten 16 erreicht, die so vorgesehen sind, dass sie voneinander beabstandet sind.
Obwohl jeder Elektrodenabschnitt 15 in den 10 und 11 in der Kammform ausgebildet ist, kann jede Form angewendet werden, solange wie sie an den Unterschichten 16 befestigt werden kann und mit der Elektrodenschicht 13a, 13b elektrisch verbunden werden kann.
(Befestigungsschicht)
Die Elektrodenabschnitte 15 der Metallelektroden 14a, 14b können durch die Befestigungsschichten 17 an den Außenflächen der Unterschichten 16 befestigt sein, wie in 11 gezeigt ist. Jede Befestigungsschicht 17 ist sowohl mit dem Elektrodenabschnitt 15 der Metallelektrode 14a, 14b als auch mit den Unterschichten 16 verbunden. Im Ergebnis sind die Elektrodenschichten 13a, 13b jeweils mit den Metallelektroden 14a, 14b elektrisch verbunden. Weil in diesem Fall Elektrizität durch die Befestigungsschichten 17 geleitet werden kann, müssen sich die Elektrodenabschnitte 15 der Metallelektroden 14a, 14b nicht in direkten Kontakt mit den Unterschichten 16 befinden.
Jede Befestigungsschicht 17 ist aus einem Metallmaterial (z. B. einem Material auf NiCr-Basis oder einem Material auf CoNiCr-Basis) hergestellt, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallelektrode 14a, 14b und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Unterschicht 16 aufweist. Jede Befestigungsschicht 17 weist Leitfähigkeit auf. Die Befestigungsschichten 17 sind so vorgesehen, dass sie an mehreren Punkten auf den Oberflächen der kammförmigen Elektrodenabschnitte 15 und der Unterschichten 16 gestreut sind, und sind mit den kammförmigen Elektrodenabschnitten 15 und den Unterschichten 16 lokal verbunden. Ferner ist in der Ausführungsform nach 11 die Oberfläche jeder Befestigungsschicht 17 kleiner als die jeder Unterschicht 16.
Jede der Befestigungsschichten 17 ist in einer Halbkugelform auf den Oberflächen des kammförmigen Elektrodenabschnitts 15 und der Unterschicht 16 ausgebildet. Jede Befestigungsschicht 17 weist einen Durchmesser auf, der größer als eine Linienbreite X jedes kammförmigen Elektrodenabschnitts 15 ist. Jede Spitze jeder Befestigungsschicht 17 befindet sich auf einer Mittellinie jedes kammförmigen Elektrodenabschnitts 15 und ist so ausgebildet, dass der kammförmige Elektrodenabschnitt 15 mit den Oberflächenstellen jeder Unterschicht 16 verbunden ist, die sich in der Richtung orthogonal zur Längsrichtung des kammförmigen Elektrodenabschnitts 15 über den kammförmigen Elektrodenabschnitt 15 auf beiden Seiten der Unterschicht 16 befinden. Das heißt, jede Befestigungsschicht 17 ist sowohl mit dem kammförmigen Elektrodenabschnitt 15 als auch mit den Oberflächenstellen der Unterschicht 16 verbunden, die sich in der Richtung orthogonal zur Längsrichtung des kammförmigen Elektrodenabschnitts 15 über den kammförmigen Elektrodenabschnitt 15 auf beiden Seiten der Unterschicht 16 befinden.
Beide der Seitenflächen, die der Richtung orthogonal zur Längsrichtung des kammförmigen Elektrodenabschnitts 15 zugewandt sind, sind mit der Befestigungsschicht 17 bedeckt. Die Verbindung jeder Befestigungsschicht 17 mit jedem kammförmigen Elektrodenabschnitt 15 und jeder Unterschicht 16 wird durch thermisches Spritzen der Befestigungsschicht 17 von oberhalb der auf der Unterschicht 16 angeordneten Metallelektrode 14a, 14b in Richtung der Mitte des kammförmigen Elektrodenabschnitts 15 erreicht.
Pro einem kammförmigen Elektrodenabschnitt 15 der Metallelektrode 14a, 14b sind mehrere Befestigungsschichten 17 (zwei in 11) vorgesehen, wobei sie an voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind. Die kammförmigen Elektrodenabschnitte 15 sind mit den Befestigungsschichten 17 jeweils an mehreren voneinander beabstandeten Positionen lokal verbunden. Die kammförmigen Elektrodenabschnitte 15 sind durch das lokale Befestigen der Befestigungsschichten 17 an den kammförmigen Elektrodenabschnitten 15 und den Unterschichten 16 an mehreren voneinander beabstandeten Positionen an den Elektrodenschichten 13a, 13b befestigt. In den in der axialen Richtung der Elektrodenschicht 13a, 13b einander benachbart angeordneten kammförmigen Elektrodenabschnitten 15 ist jede Befestigungsschicht 17 an einer schrägen Position auf der Oberfläche jeder Unterschicht 16 angeordnet. In der Ausführungsform mit den Befestigungsschichten 17 sind außerdem die anderen Konfigurationen des Katalysatorträgers des Elektroheizungstyps den oben erörterten Ausführungsformen gemeinsam.
Durch das Tragen des Katalysators auf dem Träger 10 des Elektroheizungstyps kann der Träger 10 des Elektroheizungstyps als ein Katalysator verwendet werden. Es kann z. B. ein Fluid, wie z. B. ein Abgas von einem Kraftfahrzeug, durch die Strömungswege der mehreren Zellen 18 strömen. Die Beispiele des Katalysators enthalten Edelmetallkatalysatoren oder andere Katalysatoren als diese. Die veranschaulichenden Beispiele der Edelmetallkatalysatoren enthalten einen Drei-Wege-Katalysator und einen Oxidationskatalysator, der durch das Tragen eines Edelmetalls, wie z. B. Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh), auf den Oberflächen von Aluminiumoxidporen erhalten wird und einen Kokatalysator, wie z. B. Ceroxid und Zirconiumdioxid, enthält, oder einen NOx-Speicherverringerungskatalysator (LNT-Katalysator), der ein Erdalkalimetall und Platin als Speicherkomponenten für Stickstoffoxide (NOx) enthält. Die veranschaulichenden Beispiele eines Katalysators, der das Edelmetall nicht verwendet, enthalten einen NOxselektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator), der einen kupfersubstituierten oder eisensubstituierten Zeolith enthält, und dergleichen. Ferner können zwei oder mehr Katalysatoren, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die diese Katalysatoren umfasst, verwendet werden. Ein Verfahren zum Tragen des Katalysators ist nicht besonders eingeschränkt und kann gemäß einem herkömmlichen Verfahren zum Tragen des Katalysators auf der Wabenstruktur ausgeführt werden.
(Verfahren zum Herstellen eines Trägers des Elektroheizungstyps)
Ein Verfahren zum Herstellen des Trägers 10 des Elektroheizungstyps gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun veranschaulichend beschrieben. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren zum Herstellen des Trägers 10 des Elektroheizungstyps gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Schritt A1 des Erhaltens eines ungebrannten Wabenstrukturabschnitts mit einer Elektrodenschichtbildungspaste; einen Schritt A2 des Brennens des ungebrannten Wabenstrukturabschnitts mit der Elektrodenschichtbildungspaste, um eine säulenförmige Wabenstruktur zu bilden; und einen Schritt A3 des Schweißens der Metallelektroden an die säulenförmige Wabenstruktur.
Der Schritt A1 ist, einen Wabenformling herzustellen, der ein Vorläufer des Wabenstrukturabschnitts ist, und eine Elektrodenschichtbildungspaste auf eine Seitenfläche des Wabenformlings aufzutragen, um einen ungebrannten Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste zu erhalten. Die Herstellung des Wabenformlings kann in Übereinstimmung mit einem Verfahren zum Herstellen eines Wabenformlings in einem bekannten Verfahren zum Herstellen eines Wabenstrukturabschnitts ausgeführt werden. Zuerst wird z. B. ein Formmaterial durch das Hinzufügen eines Pulvers metallischen Siliciums (metallischen Siliciums), eines Bindemittels, eines oberflächenaktiven Stoffs (oberflächenaktiver Stoffe), eines Porenbildners, Wassers und dergleichen zu Siliciumcarbidpulver (Siliciumcarbid) hergestellt. Es ist bevorzugt, dass eine Masse des metallischen Siliciums von 10 bis 40 Masse-% bezüglich der Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und der Masse des metallischen Siliciums beträgt. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Siliciumcarbidteilchen im Siliciumcarbidpulver beträgt vorzugsweise von 3 bis 50 µm und bevorzugter von 3 bis 40 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des metallischen Siliciums (des Pulvers metallischen Siliciums) beträgt vorzugsweise von 2 bis 35 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser jedes der Siliciumcarbidteilchen und des metallischen Siliciums (Teilchen metallischen Siliciums) bezieht sich auf einen arithmetischen Mittelwert des Durchmessers auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung der Teilchengröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Die Siliciumcarbidteilchen sind feine Teilchen aus Siliciumcarbid, die das Siliciumcarbidpulver bilden, während die Teilchen metallischen Siliciums feine Teilchen aus metallischem Silicium sind, die das Pulver metallischen Siliciums bilden. Es sollte angegeben werden, dass dies eine Rezeptur zum Bilden von Ausgangsstoffen in dem Fall ist, in dem das Material des Wabenstrukturabschnitts das Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial ist. In dem Fall, in dem das Material des Wabenstrukturabschnitts Siliciumcarbid ist, wird kein metallisches Silicium hinzugefügt.
Die Beispiele des Bindemittels enthalten Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropoxylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Unter diesen ist es bevorzugt, Methylcellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylcellulose zu verwenden. Der Gehalt des Bindemittels beträgt vorzugsweise von 2,0 bis 10,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Der Wassergehalt beträgt vorzugsweise von 20 bis 60 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Der oberflächenaktive Stoff, der verwendet werden kann, enthält Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseifen, Polyalkohol und dergleichen. Diese können allein oder in Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden. Der Gehalt des oberflächenaktiven Stoffs beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 2,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Der Porenbildner ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie der Porenbildner selbst nach dem Brennen Poren bildet, der z. B. Graphit, Stärke, geschäumte Harze, wasserabsorbierende Harze, Silikagel und dergleichen enthält. Der Gehalt des Porenbildners beträgt vorzugsweise von 0,5 bis 10,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt. Ein durchschnittlicher Teilchendurchmesser des Porenbildners beträgt vorzugsweise von 10 bis 30 µm. Falls der durchschnittliche Teilchendurchmesser kleiner als 10 µm ist, können die Poren nicht ausreichend gebildet werden. Falls der durchschnittliche Teilchendurchmesser größer als 30 µm ist, kann eine Form während des Formens verstopft werden. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetischen Mittelwert des Durchmessers auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung 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 Wasserabsorption.
Dann werden die resultierenden Formungsausgangsstoffe geknetet, um einen Rohling zu bilden, wobei der Rohling dann extrudiert wird, um eine Wabenstruktur herzustellen. Beim Strangpressen kann eine Form mit einer gewünschten Gesamtform, Zellform, Trennwanddicke, Zellendichte und dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise wird die resultierende Wabenstruktur dann getrocknet. Wenn die Länge in der Richtung der Mittelachse der Wabenstruktur nicht die Solllänge ist, können die beiden Stirnflächen der Wabenstruktur auf die Solllänge geschnitten werden. Die Wabenstruktur wird nach dem Trocknen als ein getrockneter Wabenkörper bezeichnet.
Dann wird die Elektrodenschichtbildungspaste zum Bilden von Elektrodenschichten hergestellt. Die Elektrodenschichtbildungspaste kann durch geeignetes Hinzufügen und Kneten verschiedener Zusatzstoffe zu dem Ausgangsstoffpulver (Metallpulver, Keramikpulver und dergleichen) gebildet werden, das gemäß den erforderlichen Eigenschaften der Elektrodenschichten angesetzt wird. Wenn jede Elektrodenschicht als eine laminierte Struktur gebildet wird, wird die Verbindungsfestigkeit zwischen jedem Metallanschluss und jeder Elektrodenschicht tendenziell verbessert, indem ein durchschnittlicher Teilchendurchmesser des Metallpulvers in der Paste für die zweite Elektrodenschicht im Vergleich zu einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser des Metallpulvers in der Paste für die erste Elektrodenschicht erhöht wird. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Metallpulvers bezieht sich auf einen arithmetischen Mittelwert des Durchmessers auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung des Teilchendurchmessers durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
Die resultierende Elektrodenschichtbildungspaste wird auf die Seitenfläche des Wabenformlings (typischerweise des getrockneten Wabenkörpers) aufgetragen, um einen ungebrannten Wabenstrukturabschnitt mit einer Elektrodenschichtbildungspaste zu erhalten. Das Verfahren zum Herstellen der Elektrodenschichtbildungspaste und das Verfahren zum Auftragen der Elektrodenschichtbildungspaste auf den Wabenformling können gemäß einem bekannten Verfahren zum Herstellen einer Wabenstruktur ausgeführt werden. Um einen niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand zu erreichen, ist es jedoch möglich, ein Metallgehaltverhältnis zu erhöhen oder den Teilchendurchmesser der Metallteilchen im Vergleich zum Wabenstrukturabschnitt zu verringern.
Als eine Variation des Verfahrens zum Herstellen der säulenförmigen Wabenstruktur kann im Schritt A1 der Wabenformling vor dem Aufbringen der Elektrodenschichtbildungspaste vorübergehend gebrannt werden. Das heißt, bei dieser Variation wird der Wabenformling gebrannt, um einen gebrannten Wabenkörper herzustellen, und wird die gebrannte Elektrodenpaste auf den gebrannten Wabenkörper aufgetragen.
Im Schritt A2 wird der ungebrannte Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste gebrannt, um eine säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten. Vor dem Brennen kann die ungebrannte Wabenstruktur mit der Elektrodenschichtbildungspaste getrocknet werden. Vor dem Brennen kann außerdem ein Entfetten ausgeführt werden, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Als die Brennbedingungen wird die ungebrannte Wabenstruktur vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre, wie z. B. Stickstoff oder Argon, während 1 bis 20 Stunden bei 1400 bis 1500 °C erwärmt. Nach dem Brennen wird vorzugsweise eine Oxidationsbehandlung während 1 bis 10 Stunden bei 1200 bis 1350 °C ausgeführt, um die Haltbarkeit zu verbessern. Die Verfahren zum Entfetten und Brennen sind nicht besonders eingeschränkt, wobei sie unter Verwendung eines Elektroofens, eines Gasofens oder dergleichen ausgeführt werden können.
Im Schritt A3 werden die Oberflächen der Elektrodenschichten auf der säulenförmigen Wabenstruktur mittels einer Druckmaschine für gekrümmte Oberflächen oder dergleichen mit einer Paste aus einem leitfähigen Material beschichtet, so dass sie eine vorgegebene Anordnung aufweisen, getrocknet und dann gebrannt, um zwei oder mehr voneinander beabstandete Unterschichten zu bilden. Ferner kann jede Unterschicht durch das Spritzen eines leitfähigen Materials gebildet werden, so dass sie eine vorgegebene Anordnung und Form aufweist.
Als ein Beispiel des Bildens der konkaven Abschnitte der Unterschichten werden ein Verfahren zum Bilden von Nutabschnitten, wobei sich jeder parallel zur Ebenenrichtung der Unterschicht erstreckt, und ein Verfahren zum Bilden konkav-konvexer Bereiche, die in einer Maschenform geschaffen werden, bezüglich der Zeichnungen beschrieben.
13 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erklären des Verfahrens zum Bilden der Nutabschnitte der Unterschichten des Trägers des Elektroheizungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Erstreckungsrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht ist. Die Bereiche der Druckplatte 39, die bei dem obigen Drucken auf gekrümmte Oberflächen verwendet werden, durch die eine Paste 32 hindurchgeht, sind mit den verstopften Abschnitten 31 bereitgestellt, so dass die Paste 32 nicht teilweise hindurchgeht, wodurch die Nutabschnitte (konkaven Abschnitte) in den Unterschichten gebildet werden können, wobei die durchgehenden Abschnitte die konvexen Abschnitte sind und die nicht durchgehenden Abschnitte die konkaven Abschnitte sind.
14 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erklären des Verfahrens zum Bilden der konkav-konvexen Bereiche, die in der Maschenform in den Unterschichten des Trägers des Elektroheizungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, die zur Erstreckungsrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht ist. Wenn die Unterschichten durch die obige Druckmaschine für gekrümmte Oberflächen gebildet werden, geht eine Paste 32 durch eine maschenförmige Druckplatte 40 mit gestrickten feinen Drähten 41, so dass die Paste 32 durch die Öffnungen 42 der Masche geht, um die konvexen Bereiche zu bilden, und die Paste 32 nicht durch die Maschenabschnitte geht, um die konkaven Bereiche zu bilden. Folglich können die konkav-konvexen Bereiche, die in der Maschenform in den Unterschichten vorgesehen sind, gebildet werden.
Die Metallelektroden werden dann durch Schweißen oder thermisches Spritzen auf den zwei oder mehreren voneinander beabstandeten Unterschichten befestigt. Die Verfahren des Schweißens und des thermischen Spritzens werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Als das Schweißverfahren ist ein Laserschweißverfahren hinsichtlich der Steuerung der geschweißten Bereiche und des Herstellungswirkungsgrads bevorzugt.
Die Beispiele des Befestigungsverfahrens durch thermisches Spritzen enthalten ein Verfahren des Anordnens der kammförmigen Elektroden auf der säulenförmigen Wabenstruktur mit den ausgebildeten Unterschichten, des Anordnens einer Spritzmaske mit Löchern auf der Wabenstruktur, um so dass sie den Positionen der jeweiligen Unterschichten entsprechen, des thermischen Spritzens eines Spritzmaterials von oberhalb der Spritzmaske, so dass die Oberfläche bedeckt ist, um das Spritzmaterial nur auf die Unterschichten thermisch zu spritzen, um das Spritzmaterial abzuscheiden und dadurch die Befestigungsschichten zu bilden. Durch die Befestigungsschicht ist jede Elektrodenschicht der kammförmigen Elektrode an der Außenfläche der Unterschicht befestigt. Weil jeder Elektrodenabschnitt mit den Unterschichten elektrisch verbunden ist, muss sich nicht jede Befestigungsschicht in direkten Kontakt mit jeder Elektrode und jeder Unterschicht befinden. Beispiele des Materials des thermischen Spritzens enthalten ein gemischtes Material des thermischen Spritzens aus NiCrAIY und Mullit.
Die Beispiele des Befestigungsverfahrens durch Schweißen enthalten ein Verfahren des Anordnens der kammförmigen Elektroden auf jeder Wabenstruktur mit mehreren ausgebildeten Unterschichten und des Ausführens des Laserschweißens an den Abschnitten, in denen jede kammförmige Elektrode und die Unterschichten einander überlappen. Ein Laserfleckdurchmesser für das Laserschweißen kann sich in einem Bereich von 0,5 bis 3,0 mm befinden.
<Ausführungsform 2>
12 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Trägers 30 des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, die zur Erstreckungsrichtung der Zellen senkrecht ist. Der Träger 30 des Elektroheizungstyps enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur 11; die Elektrodenschichten 13a, 13b, die auf einer Oberfläche einer äußeren Umfangswand 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 11 angeordnet sind; zwei oder mehr Unterschichten 36, die auf jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b vorgesehen sind und voneinander beabstandet sind; und die Metallelektroden 34a, 34b. Im Gegensatz zu den Unterschichten 16 der Ausführungsform 1 weist jede der Unterschichten 36 keine konkaven Abschnitte auf, von denen jeder einen Raum zwischen der Unterschicht 36 und der Elektrodenschicht 13a, 13b aufweist. In der Ausführungsform 2 weisen die Metallelektroden 34a, 34b konkave Abschnitte 31 auf, wobei jeder einen Raum auf der Oberfläche auf der Seite der Unterschicht 36 bildet.
Der Träger 30 des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung enthält zwei oder mehr Unterschichten 36, die voneinander beabstandet sind, wie bei dem Träger 10 des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 1. Deshalb sind die Unterschichten 36 voneinander beabstandet, indem die Unterschichten 36 in den Bereichen vorgesehen sind, die jeweils zum Befestigen der Metallelektroden 34a, 34b erforderlich sind, anstatt die Unterschichten 36 auf der gesamten Oberfläche der Bereiche zu bilden, in denen die Metallelektroden 34a, 34b befestigt sind, so dass der Temperaturunterschied zwischen der Unterschicht 36 mit der befestigten Metallelektrode 34a, 34b und der Unterschicht 36 ohne eine befestigte Metallelektrode 34a, 34b verringert werden kann, um das Reißen in den Unterschichten 36 wirksam zu unterdrücken.
Ferner weisen in dem Träger 30 des Elektroheizungstyps gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung die Metallelektroden 34a, 34b die konkaven Abschnitte 31 auf, wobei jeder einen Raum zwischen der Metallelektrode 34a, 34b und der Unterschicht 36 bildet. Gemäß einer derartigen Struktur ist es möglich, die Kontaktfläche zwischen der Unterschicht 36 und der Metallelektrode 34a, 34b zu verringern, die Wärmeleitung von den Unterschichten 36 zu den Metallelektroden 34a, 34b zu unterdrücken, den Betrag der Wärmeausdehnung der Metallelektroden 34a, 34b aufgrund der Wärmeerzeugung während der Stromleitung zu verringern und die Zerstörung an den Grenzflächen zwischen den Metallelektroden 34a, 34b und den darunterliegenden Schichten 36 zu unterdrücken.
(Abgasreinigungsvorrichtung)
Jeder der Träger des Elektroheizungstyps gemäß den obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden. Die Abgasreinigungsvorrichtung enthält den Träger des Elektroheizungstyps und einen Hülsenkörper, der den Träger des Elektroheizungstyps hält. In der Abgasreinigungsvorrichtung kann der Träger des Elektroheizungstyps in einem Abgasströmungsweg installiert sein, um es zu ermöglichen, dass ein Abgas von einer Kraftmaschine strömt. Als der Hülsenkörper kann ein Metallrohrelement oder dergleichen zum Aufnehmen des Trägers des Elektroheizungstyps verwendet werden.
BEISPIELE
Im Folgenden werden zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile Beispiele veranschaulicht, wobei aber die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele eingeschränkt ist.
<Beispiel 1>
(Herstellung eines kreisförmigen säulenförmigen Rohlings)
Siliciumcarbid- (SiC-) Pulver und Pulver metallischen Siliciums (Si) wurden in einem Massenverhältnis von 80:20 gemischt, um einen keramischen Ausgangsstoff herzustellen. Zu dem keramischen Ausgangsstoff wurden Hydroxypropylmethylcellulose als ein Bindemittel, ein wasserabsorbierendes Harz als ein Porenbildner und Wasser hinzugefügt, um einen Formungsausgangsstoff zu bilden. Der Formungsausgangsstoff wurde dann mittels eines Vakuum-Rohlingskneters geknetet, um einen kreisförmigen säulenförmigen Rohling herzustellen. Der Gehalt des Bindemittels betrug 7 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid- (SiC-) Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der Gehalt des Porenbildners betrug 3 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid-(SiC-) Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der Wassergehalt betrug 42 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid- (SiC-) Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Siliciumcarbidpulvers betrug 20 µm, während der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Pulvers metallischen Siliciums 6 µm betrug. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners betrug 20 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser jedes des Siliciumcarbidpulvers, des Pulvers metallischen Siliciums und des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetischen Mittelwert des Durchmessers auf Volumenbasis, wenn die Häufigkeitsverteilung der Teilchengröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
(Herstellung des getrockneten Wabenkörpers)
Der resultierende säulenförmige Rohling wurde unter Verwendung eines Extruders mit einer gittermusterartigen Extrudierwerkzeugstruktur geformt, um einen kreisförmigen säulenförmigen Wabenformling zu erhalten, in dem jede Zelle in einem Querschnitt senkrecht zur Strömungswegrichtung der Zellen eine quadratische Form aufwies. Der Wabenformling wurde einer dielektrischen Hochfrequenzerwärmung und -trocknung unterworfen und dann während 2 Stunden bei 120 °C unter Verwendung eines Heißlufttrockners getrocknet, wobei ein vorgegebener Betrag beider Stirnflächen abgeschnitten wurde, um einen getrockneten Wabenkörper herzustellen.
(Herstellung der Elektrodenschichtbildungspaste)
Pulver metallischen Siliciums (Si), Siliciumcarbid- (SiC-) Pulver, Methylzellulose, Glyzerin und Wasser wurden mit einem Planetenzentrifugalmischer gemischt, um eine Elektrodenschichtbildungspaste herzustellen. Das Si-Pulver und das SiC-Pulver wurden in einem Volumenverhältnis von Si-Pulver: SiC-Pulver = 40 : 60 gemischt. Wenn die Gesamtmenge des TaSi₂-Pulvers, des Si-Pulvers und des SiC-Pulvers 100 Massenteile war, betrug die Methylcellulose 0,5 Massenteile, betrug das Glycerin 10 Massenteile und betrug das Wasser 38 Massenteile. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Pulvers metallischen Siliciums war 6 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Siliciumcarbidpulvers war 35 µm. Jeder dieser durchschnittlichen Teilchendurchmesser bezieht sich auf einen arithmetischen Mittelwert des Durchmessers auf Volumenbasis, wenn eine Häufigkeitsverteilung der Teilchendurchmesser durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
(Auftragen und Brennen der Elektrodenschichtbildungspaste)
Die Elektrodenschichtbildungspaste wurde dann mittels einer Druckmaschine für gekrümmte Oberflächen auf den getrockneten Wabenkörper aufgetragen, um eine geeignete Fläche und eine Filmdicke aufzuweisen, und ferner in einem Heißlufttrockner während 30 Minuten bei 120 °C getrocknet und dann zusammen mit dem getrockneten Wabenkörper in einer Ar-Atmosphäre während 3 Stunden bei 1400 °C gebrannt, um eine säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten.
(Herstellung der Unterschichtenbildungspaste)
Ein Metallpulver (Metallpulver, wie z. B. ein Material auf NiCr-Basis und rostfreier Stahl) und ein Oxidpulver (Oxidpulver, wie z. B. Cd, Aluminiumoxid, Mullit) wurden in einem Volumenverhältnis des Metalls von 40 Volumen-% und des Oxidpulvers von 60 Volumen-% gemischt, um einen keramischen Ausgangsstoff herzustellen. Zu dem keramischen Ausgangsstoff wurden 1 Massen-% eines Bindemittels, 1 Massen-% eines oberflächenaktiven Stoffs und 30 Massen-% Wasser hinzugefügt, um einen Pastenausgangsstoff herzustellen. Der durch das Laserbeugungsverfahren gemessene durchschnittliche Teilchendurchmesser des Metallpulvers betrug 10 µm, während der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Oxidpulvers 5 µm betrug.
(Auftragen und Brennen der Unterschichtenbildungspaste)
Die oben beschriebene Unterschichtenbildungspaste wurde mit einer Druckmaschine für gekrümmte Oberflächen auf die Elektrodenschichten der säulenförmigen Wabenstruktur aufgetragen, so dass sie die ebene Anordnung aufwies, wie in 15 gezeigt ist. Ferner wurden die Unterschichtformungspasten durch das Bilden der Nutabschnitte in den Unterschichten, so dass sie die Querschnittsstruktur aufweisen, wie in 3 gezeigt ist, so aufgetragen, dass die Kontaktflächenverhältnisse der Metallelektroden mit den Unterschichten 85 %, 70 %, 50 % und 40 % betrugen.
Ferner wurde eine säulenförmige Wabenstruktur hergestellt, die keinen Nutabschnitt in den Unterschichten bildete, wobei die Unterschichtenbildungspaste aufgetragen wurde, so dass das Kontaktflächenverhältnis der Metallelektroden mit den Unterschichten 100 % war. Für die Bildung der Nutabschnitte, wie in 13 gezeigt ist, wie oben beschrieben worden ist, waren die verstopften Abschnitte in den Bereichen der beim Drucken auf eine gekrümmte Oberfläche verwendeten Druckplatte vorgesehen, durch die die Paste hindurchgegangen ist, so dass die Paste nicht teilweise hindurchgegangen ist, um die Nutabschnitte in den Unterschichten zu bilden, wobei die durchgehenden Abschnitte die konvexen Abschnitte sind und die nicht durchgehenden Abschnitte die konkaven Abschnitte sind. Anschließend wurden die resultierenden säulenförmigen Wabenstrukturen in einem Heißlufttrockner während 30 Minuten bei 120 °C getrocknet und dann in einer Ar-Atmosphäre während 1 Stunde bei 1100 °C gebrannt.
Jede der säulenförmigen Wabenstrukturen wies kreisförmige Stirnflächen auf, jede mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Höhe (einer Länge in der Strömungswegrichtung der Zellen) von 100 mm. Die Zellendichte betrug 93 Zellen/cm², die Dicke der Trennwand betrug 101,6 µm, die Porosität der Trennwände betrug 45 % und der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwände betrug 8,6 µm. Die Dicke jeder Elektrodenschicht betrug 0,3 mm, während die Dicke jeder Unterschicht 0,2 mm betrug. Der spezifische elektrische Widerstand wurde unter Verwendung von Proben mit den gleichen Materialien wie jenen der Wabenstruktur, der Elektrodenschicht und der Unterschicht bei 400 °C durch ein Vierpolverfahren gemessen, was angibt, dass er 5 Ωcm, 0,01 Ωcm bzw. 0,001 Ωcm betrug.
(Befestigen der Elektrode)
Befestigungsverfahren durch Schweißen:
Die kammförmige Elektroden wurden auf jeder Wabenstruktur mit mehreren Unterschichten angeordnet, wobei die Abschnitte, in denen die kammförmigen Elektroden und die Unterschichten einander überlappten, mit einem Durchmesser von 0,5 mm lasergeschweißt wurden.
(Metallelektroden-Befestigungstest)
Ein Metallelektroden-Befestigungstest wurde an jeder Wabenstruktur mit einem Paar Metallelektroden ausgeführt, die durch das obige Verfahren befestigt wurden. Der Metallelektroden-Befestigungstest wurde während 60 Sekunden durch das Anlegen einer Spannung von 50 V zwischen dem Paar kammförmiger Elektroden ausgeführt. Das Vorhandensein oder Fehlen des Reißens/Bruchs an zwanzig Positionen zwischen den Unterschichten und den kammförmigen Elektroden wurde visuell beobachtet. Ein Fall, in dem es kein Reißen/Bruch gab, wurde als „Verbindung gut“ bestimmt.

Ferner wurden die Temperaturen der Abschnitte der Metallelektroden und der Unterschichten während der Stromleitung gemessen, wobei aus den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metallelektroden und der Unterschichten ein Dehnungsbetrag berechnet wurde, um die in den Metallelektroden und den Unterschichten erzeugten Spannungswerte zu berechnen. Unter Verwendung dieser wurde ein „erzeugter Metallelektroden-Unterschichten-Spannungsunterschied (MPa)“ berechnet. [Tabelle 1]

	Kontaktflächenverhältnis	Erzeugter Metallelektroden-Unterschichten-Spannungsunterschied (MPa)	Anzahl der Risse
Vergleichsbeispiel 1	100 % (Kontakt der gesamten Oberfläche der Metallelektrode)	298,6	18/20
Beispiel 1	85%	253,4	9/20
Beispiel 2	70%	223,4	4/20
Beispiel 3	50%	148,1	0/20
Beispiel 4	40%	118,0	3/20

(Erörterung)
Wie aus den Ergebnissen nach Tabelle 1 ersichtlich ist, war im Vergleichsbeispiel 1, in dem in den Unterschichten kein konkaver Abschnitt (Nutabschnitt) ausgebildet war und das Kontaktflächenverhältnis 100 % war (Kontakt der gesamten Oberfläche der Metallelektroden), der erzeugte Metallelektroden-Unterschichten-Spannungsunterschied höher und wurden bei der Auswertung von 20 Positionen 18 Risse erzeugt.
Weil andererseits jedes der Beispiele 1 bis 4 die konkaven Abschnitte (Nutabschnitte) in den Unterschichten bildete, wurde der erzeugte Metallelektroden-Unterschichten-Spannungsunterschied unterdrückt und war die Anzahl der Risse kleiner.
Bezugszeichenliste

10, 30: Träger des Elektroheizungstyps
11: säulenförmige Wabenstruktur
12: äußere Umfangswand
13a, 13b: Elektrodenschicht
14a, 14b: Metallelektrode
15: Elektrodenabschnitt
16: Unterschicht
17: Befestigungsschicht
18: Zelle
19: Trennwand
21: konkaver Abschnitt
22, 25, 26, 27: Nutabschnitt
23: konkaver Bereich
24: konvexer Bereich
39, 40: Druckplatte
31: verstopfter Abschnitt
32: Paste
41: feiner Draht
42: Öffnung

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 2018172258 A [0005]

Claims

Träger des Elektroheizungstyps, der Folgendes umfasst: eine säulenförmige Wabenstruktur, die zu einer Keramik konfiguriert ist und Folgendes umfasst: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg zu bilden; eine Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der äußeren Umfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist; zwei oder mehr Unterschichten mit Leitfähigkeit, wobei die Unterschichten auf der Elektrodenschicht vorgesehen sind, so dass sie voneinander beabstandet sind; und eine auf den Unterschichten vorgesehene Metallelektrode, wobei eine Oberfläche jeder der Unterschichten einen konkaven Abschnitt aufweist, der einen Raum zwischen jeder der Unterschichten und der Metallelektrode bildet.
Träger des Elektroheizungstyps nach Anspruch 1, wobei jede der Unterschichten einen konkav-konvexen Bereich aufweist, der in einer Maschenform auf einer Oberfläche jeder der Unterschichten auf der Metallelektrodenseite vorgesehen ist, und wobei der konkave Abschnitt ein konkaver Bereich des konkav-konvexen Bereichs ist.
Träger des Elektroheizungstyps nach Anspruch 1, wobei der konkave Abschnitt ein Nutabschnitt ist, der sich parallel zu einer Ebenenrichtung der Unterschichten erstreckt.
Träger des Elektroheizungstyps nach Anspruch 3, wobei der Nutabschnitt in einem Querschnitt senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Nutabschnitts eine V-Form, eine U-Form oder eine rechteckige Form aufweist.
Träger des Elektroheizungstyps nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der konkave Abschnitt in jede der Unterschichten in einer Querschnittsrichtung der Unterschichten eindringt.
Träger des Elektroheizungstyps nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Flächenverhältnis der Kontaktfläche der Unterschichten mit der Metallelektrode von 40 % bis 85 % bezüglich der Oberfläche der Unterschichten auf der Seite der Metallelektroden beträgt.
Träger des Elektroheizungstyps nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei auf einer Projektionsebene senkrecht zu einer Ebenenrichtung der Unterschichten eine äußere Form jeder der Unterschichten ein Kreis mit einem Durchmesser B ist und wobei eine Teilung A zwischen jeder der Unterschichten und ein Durchmesser B jeder der Unterschichten eine Beziehung B/A ≤ 0,9 erfüllen.
Träger des Elektroheizungstyps nach Anspruch 7, der eine Beziehung B/A ≤ 0,7 erfüllt.
Träger des Elektroheizungstyps nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei auf der Projektionsebene senkrecht zur Ebenenrichtung der Unterschichten die äußere Form jeder der Unterschichten ein Rechteck mit einer langen Seite C ist und wobei die Teilung A zwischen jeder der Unterschichten und die lange Seite C jeder der Unterschichten eine Beziehung C/A ≤ 0,9 erfüllen.
Träger des Elektroheizungstyps nach Anspruch 9, der eine Beziehung C/A ≤ 0,7 erfüllt.
Träger des Elektroheizungstyps nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Elektrodenschicht ein Paar von Elektrodenschichten ist, das auf der Oberfläche der äußeren Umfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist, wobei das Paar von Elektrodenschichten so angeordnet ist, dass sie über eine Mittelachse der säulenförmigen Wabenstruktur einander zugewandt sind.
Träger des Elektroheizungstyps, der Folgendes umfasst: eine säulenförmige Wabenstruktur, die zu einer Keramik konfiguriert ist, die umfasst: eine äußere Umfangswand; und eine Trennwand, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet ist, wobei die Trennwand mehrere Zellen definiert, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg zu bilden; eine Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der äußeren Umfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist; zwei oder mehr Unterschichten mit Leitfähigkeit, wobei die Unterschichten auf der Elektrodenschicht vorgesehen sind, so dass sie voneinander beabstandet sind; und eine Metallelektrode, die auf den Unterschichten vorgesehen ist, wobei eine Oberfläche der Metallelektrode einen konkaven Abschnitt aufweist, der einen Raum zwischen der Metallelektrode und jeder der Unterschichten bildet.
Abgasreinigungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: den Träger des Elektroheizungstyps nach einem der Ansprüche 1 bis 12; und einen Hülsenkörper, der den Träger des Elektroheizungstyps hält.