DE102022213424A1

DE102022213424A1 - Heizung und heizelement

Info

Publication number: DE102022213424A1
Application number: DE102022213424.9A
Authority: DE
Inventors: Yukio Miyairi; Masaaki Masuda; Koji Kuzutani; Shinzou Hayashi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-09-28
Also published as: US20230309197A1; CN116828644A; JP2023140158A

Abstract

Eine Heizung 100 umfasst: ein erstes Cordierit-Substrat 10; einen Glasabschnitt 20, der auf dem ersten Cordierit-Substrat 10 bereitgestellt ist; und einen elektrischen Heizabschnitt 30, der in den Glasabschnitt 20 eingebettet ist, wobei der Glasabschnitt 20 MgO, Al2O3und SiO2enthält.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Heizung und ein Heizelement.
Hintergrund der Erfindung
Es besteht eine zunehmende Nachfrage nach einer Verringerung schädlicher Komponenten (HC, NOx, CO) in Abgasen von Kraftfahrzeugen. Insbesondere ist die Reinigung von NOx, das von Diesel-Kraftmaschinen emittiert wird, ein wichtiges Thema. Eine als Harnstoff-SCR-System bezeichnete Technologie ist in der Technik allgemein als Maßnahme zum Entfernen von NOx bekannt. Bei dem Harnstoff-SCR-System entsteht durch thermische Zersetzung und Hydrolyse von Harnstoff NH₃, ein NOx-Reduktionsmittel. Eine effiziente Erwärmung von Harnstoff ist für eine effiziente thermische Zersetzung und Hydrolyse von Harnstoff erforderlich. Bei der Verbesserung eines Kraftmaschinenwirkungsgrads ist jedoch eine Abgastemperatur gesunken und die Temperatur des Abgases ist auch niedriger, unmittelbar nachdem die Kraftmaschine angelassen wurde. Wenn die Temperatur des Abgases niedriger ist, tritt die Zersetzungsreaktion auch dann, wenn Harnstoff in das Abgas eingespritzt wird, nicht so einfach auf, so dass NH₃ nicht ausreichend erzeugt wird. Wenn der eingespritzte Harnstoff mit einer Innenwandfläche eines Abgasrohrs zusammenstößt, zersetzt eine niedrigere Temperatur der Innenwandfläche zudem den Harnstoff nicht vollständig zu NH₃, so dass der Harnstoff in eine feste Zwischenablagerung umgewandelt wird, die sich ansammelt. Im Ergebnis wird er zu einem Hindernis für den Abgasstrom oder verhindert ein Mischen des erzeugten NH₃ und des Abgases aufgrund einer Änderung des Abgasstroms. Daher wurden Heizungen entwickelt, die das Abgas effizient erwärmen und die Innenwandfläche des Abgasrohrs auf einer hohen Temperatur halten können.
Ferner ist in Batterieelektrofahrzeugen (BEVs) und Brennstoffzellenfahrzeugen (FCVs), die keine Wärme von der Brennkraftmaschine beziehen, und in Steckerhybridfahrzeugen (PHVs: Steckerhybridfahrzeug, PHEVs (Steckerhybridelektrofahrzeugen)), die die Brennkraftmaschine häufig ausschalten, eine Erhöhung der Heizeffizienz ein wichtiges Thema, da eine Heizlast die Fahrreichweite beeinflusst. Daher werden Heizungen entwickelt, die in kurzer Zeit nur einen bestimmten Raum effizient beheizen können, anstatt den gesamten Fahrzeuginnenraum zu beheizen.
Um CO₂-Neutralität zu erreichen, wird außerdem die Entwicklung synthetischer Kraftstoffe vorangetrieben, die durch die Synthese von Wasserstoff gewonnen werden, der durch die Elektrolyse von Wasser und CO₂, das aus Kraftwerken und Fabriken emittiert wird, hergestellt wird. Für einen Produktionsprozess des synthetischen Kraftstoffs ist jedoch eine Erwärmung erforderlich. Wenn der Produktionsprozess an einem Ort durchgeführt wird, an dem es möglich ist, Fabrikabwärme oder ähnliches zuzuführen, kann die Wärmequelle leicht gewährleistet werden, aber wenn er an einem Ort durchgeführt wird, an dem es keine Wärmequelle gibt, muss unter Verwendung von elektrischem Strom geheizt werden. Die elektrische Energie wird vorzugsweise aus erneuerbarer Energie erzeugt, die während des Produktionsprozesses kein CO₂ emittiert, so dass die Heizung auch eine verbesserte Heizeffizienz aufweisen muss.
Eine Heizung, bei der Leiter in Substrate mit geringer Wärmekapazität eingebettet sind oder der Leiter zwischen den Substraten angeordnet ist, ist eines der wirksamen Heizmittel für verschiedene Anwendungen, wie sie oben beschrieben sind.
Zum Beispiel schlägt das Patentdokument 1 eine Heizung vor, die umfasst: ein plattenförmiges erstes Heizungssubstrat; einen Heizdraht, der in einer Parallelschaltung auf einer ersten Oberfläche des ersten Heizsubstrats angeordnet ist; eine Elektrode, die mit dem Heizdraht verbunden ist, um den Heizdraht mit Energie zu versorgen; und ein plattenförmiges Abdecksubstrat zum Abdecken der ersten Oberfläche des ersten Heizsubstrats, des Heizdrahts und der Elektrode auf einer zweiten Oberflächenseite. Bei dieser Heizung enthalten das erste Heizungssubstrat und/oder das Abdecksubstrat Si₃N4 oder Al₂O3 und der Heizdraht enthält mindestens ein Metall, das aus der Gruppe bestehend aus WC, TiN, TaC, ZrN, MoSi₂, Pt, Ru und W ausgewählt ist.
Das Patentdokument 2 schlägt eine Heizung vor, die umfasst: ein Isoliersubstrat aus Aluminiumoxidkeramik, Siliciumnitridkeramik oder dergleichen; und einen Widerstand, der in das Isoliersubstrat eingebettet ist, wobei der Widerstand erste leitfähige Teilchen, die hauptsächlich auf Wolfram basieren, und zweite leitfähige Teilchen, die hauptsächlich auf Molybdän basieren, enthält.
Das Patentdokument 3 schlägt einen Mischer für Abgasreinigungsvorrichtungen vor, der umfasst: einen Außenzylinder, der aus Isolierkeramiken wie etwa Aluminiumoxid, Siliciumnitrid und Cordierit hergestellt ist; Rippen aus Isolierkeramik, die innerhalb des Außenzylinders bereitgestellt sind; und einen elektrischen Heizabschnitt, der in mindestens einem Teil des Außenzylinders und/oder der Rippen eingebettet ist.
Stand der Technik
Patentdokument(e)

[Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-182890 A
[Patentdokument 2] Japanisches Patent Nr. 5748918 B
[Patentdokument 3] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2020-197208 A

Zusammenfassung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Für die Heizungen, die für die obigen Anwendungen verwendet werden, sind eine schnelle und effiziente Heizfähigkeit und eine hohe Zuverlässigkeit in einer Umgebung mit großen thermischen Schwankungen erforderlich.
In dem obigen Stand der Technik ist Siliciumnitrid (Si₃N₄), das für das Substrat der Heizung verwendet wird, leicht, da es eine geringe Dichte von etwa 3 g/cm³ hat. Ferner hat Siliciumnitrid einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 3 × 10^-6/K und einen höheren Elastizitätsmodul von etwa 300 GPa, während es eine höhere Biegefestigkeit von etwa 800 MPa hat, so dass es die hohe Zuverlässigkeit auch in Umgebungen mit großen thermischen Schwankungen gewährleisten kann. Siliciumnitrid ist jedoch teuer und erfordert eine Sintertemperatur von 1700 °C oder mehr, was zu höheren Produktionskosten führt.
Ferner ist Aluminiumoxid (Al₂O₃) ein kostengünstiges Material und eine repräsentative Keramik, die weithin verwendet wird, aber es ist schwer, weil es eine höhere Dichte von etwa 4 g/cm³ hat. Aluminiumoxid hat auch einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 8 × 10^-6/K und einen höheren Elastizitätsmodul von etwa 350 GPa. Daher werden die thermischen Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen erhöht, so dass es schwierig ist, die Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Andererseits ist Cordierit leicht, da es eine geringere Dichte von etwa 2,5 g/cm³ hat. Cordierit hat auch einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 1,6 × 10^-6/K und einen niedrigeren Elastizitätsmodul von etwa 150 GPa. Daher kann Cordierit die Erzeugung von thermischen Spannungen sogar in einer Umgebung mit großen thermischen Schwankungen unterdrücken, so dass eine hohe Zuverlässigkeit sichergestellt werden kann.
Wenn jedoch die Leiter, die jeweils einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, in ein Cordierit-Substrat aus Cordierit mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten eingebettet sind oder der Leiter zwischen den Cordierit-Substraten angeordnet ist, verursacht ein Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten das Problem, dass das Cordierit-Substrat Risse erzeugt.
Die vorliegende Erfindung wurde ersonnen, um die obigen Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizung und ein Heizelement zu schaffen, bei denen es schwierig ist, Risse in dem Cordierit-Substrat zu erzeugen, und die eine hohe Zuverlässigkeit in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen aufweisen.
Mittel zur Lösung des Problems
Als Ergebnis intensiver Studien haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass das Einbetten eines elektrischen Heizabschnitts (Leiters) in einen Glasabschnitt, um ihn in dem Cordierit-Substrat bereitzustellen, die Entstehung von Rissen in dem Cordierit-Substrat unterdrücken kann, die auf den Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Cordierit-Substrats und des elektrischen Heizabschnitts zurückzuführen ist, und sie haben die vorliegende Erfindung vervollständigt.
Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Heizung, die umfasst: ein erstes Cordierit-Substrat; einen Glasabschnitt, der auf dem ersten Cordierit-Substrat bereitgestellt ist; und einen elektrischen Heizabschnitt, der in den Glasabschnitt eingebettet ist, wobei der Glasabschnitt MgO, Al₂O₃ und SiO₂ umfasst.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Heizelement, das umfasst:

ein zylindrisches Element;
wobei die Heizungen entlang mindestens einem Teil einer Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements angeordnet sind; und
ein Isoliermaterial, das zwischen dem zylindrischen Element und jeder der Heizungen angeordnet ist;
wobei die elektrischen Heizabschnitte der Heizer mit einer Leistungsquelle elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sein können.

Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Heizung und ein Heizelement zu schaffen, bei denen es schwierig ist, Risse in dem Cordierit-Substrat zu erzeugen, und die eine hohe Zuverlässigkeit in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen aufweisen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Draufsicht auf eine Heizung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' in 1;
3 ist eine Draufsicht auf eine Heizung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in 3;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Heizelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem elektrische Heizabschnitte mehrerer Heizungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Leistungsquelle elektrisch in Reihe geschaltet sind;
7 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem elektrische Heizabschnitte mehrerer Heizungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Leistungsquelle elektrisch parallel geschaltet sind; und
8 ist eine Querschnittsansicht eines Heizelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das zum Erwärmen eines Reduktionsmittelvorläufers verwendet wird, um ein Reduktionsmittel zu erzeugen.

Genaue Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen speziell beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist, und solche, die geeignet hinzugefügte Änderungen, Verbesserungen und dergleichen zu den folgenden Ausführungsformen aufweisen, die auf dem Wissen von Fachleuten basieren, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
(Heizung)
1 ist eine Draufsicht auf eine Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 2 ist eine Querschnittsansicht dieser Heizung entlang der Linie A-A' in 1.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, umfasst eine Heizung 100: ein erstes Cordierit-Substrat 10; einen Glasabschnitt 20, der auf dem ersten Cordierit-Substrat 10 bereitgestellt ist; und einen elektrischen Heizabschnitt 30, der in den Glasabschnitt 20 eingebettet ist. Es ist zu beachten, dass in 1 die gestrichelte Linie die Position des elektrischen Heizabschnitts 30 anzeigt, der in den Glasabschnitt 20 eingebettet ist. Da der Glasabschnitt 20 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der dem des ersten Cordierit-Substrats 10 entspricht, ist der elektrische Heizabschnitt 30 in dem Glasabschnitt 20 eingebettet und auf dem ersten Cordierit-Substrat 10 bereitgestellt, um einen direkten Kontakt des Cordierit-Substrats 10 mit dem elektrischen Heizabschnitt 30 zu verhindern, wodurch Risse in dem ersten Cordierit-Substrat 10 unterdrückt werden können. Daher kann die Zuverlässigkeit der Heizung 100 in einer Umgebung mit großen thermischen Schwankungen verbessert werden.
Das erste Cordierit-Substrat 10 ist ein Substrat, das Cordierit (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) als Hauptkomponente enthält.
Der Begriff „Hauptkomponente“, wie er hier verwendet wird, bedeutet eine Komponente, bei der ein Prozentsatz der Komponente relativ zu der Gesamtkomponente mehr als 50 Masse-% und vorzugsweise 90 Masse-% oder mehr beträgt.
Das erste Cordierit-Substrat 10 besteht vorzugsweise aus 90 Masse-% oder mehr einer Cordierit-Phase, 5 Masse-% oder weniger einer kristallinen Phase, die Mullit und/oder Spinell enthält, wobei der Rest eine Glasphase ist. Eine solche Zusammensetzung kann es ermöglichen, dass Eigenschaften wie der Wärmeausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul innerhalb gewünschter Bereiche gesteuert werden.
Bei Verwendung hierin werden die Masse-%jeder Phase in dem ersten Cordierit-Substrat 10 wie folgt bestimmt. Zunächst werden mehrere Proben durch Mischen von Cordierit, Mullit, Spinell und Glas in variablen Massenverhältnissen hergestellt und im Voraus wird eine Kalibrierungskurve von Röntgenbeugungsspitzenwerten erstellt. Die Spitzenwerte werden durch Röntgenbeugung des ersten Cordierit-Substrats 10 bestimmt und der Massenanteil (Masse-%) jeder Phase in dem ersten Cordierit-Substrat 10 wird basierend auf der Kalibrierungskurve bestimmt.
Das erste Cordierit-Substrat 10 hat vorzugsweise eine offene Porosität von 10 % oder weniger und stärker bevorzugt 5 % oder weniger, obwohl es nicht besonders darauf beschränkt ist. Wenn die Heizung 100 in einer Umgebung verwendet wird, in der eine Flüssigkeit wie etwa ein Reduktionsmittelvorläufer (z. B. Harnstoffwasser) anhaftet, kann die Steuerung der offenen Porosität auf diesen Bereich es der Flüssigkeit erschweren, in das Innere des ersten Cordierit-Substrats 10 einzudringen.
Hier kann die offene Porosität des ersten Cordierit-Substrats 10 unter Verwendung eines bestehenden Testverfahrens (Archimedes-Verfahrens, JIS R 1634: 1998) gemessen werden. Die offene Porosität des ersten Cordierit-Substrats 10 kann gesteuert werden, indem eine Teilchengröße eines Rohmaterialpulvers reduziert wird oder indem ein Sinterhilfsmittel oder dergleichen hinzugefügt wird.
Das erste Cordierit-Substrat 10 hat vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 × 10^-6 bis 2,0 × 10^-6/K, obwohl es nicht besonders darauf beschränkt ist. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient innerhalb eines solchen Bereichs liegt, können die Wärmespannungen in der Umgebung mit großen Wärmeschwankungen reduziert werden, so dass die Zuverlässigkeit der Heizvorrichtung 100 verbessert wird.
Hier kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Cordierit-Substrats 10 gemäß JIS R 1618:2002 gemessen werden.
Das erste Cordierit-Substrat 10 weist vorzugsweise einen Elastizitätsmodul von 160 GPa oder weniger auf, obwohl es nicht besonders darauf beschränkt ist. Der Elastizitätsmodul innerhalb dieses Bereichs kann die thermischen Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen reduzieren, so dass die Zuverlässigkeit der Heizvorrichtung 100 verbessert wird. Darüber hinaus beträgt im Hinblick auf das Unterdrücken von Verformung und Bruch der Heizvorrichtung 100 aufgrund von Schwingungen der Elastizitätsmodul des ersten Cordierit-Substrats 10 vorzugsweise 100 GPa oder mehr.
Hier kann der Elastizitätsmodul des ersten Cordierit-Substrats 10 wie folgt berechnet werden. Die Biegefestigkeit des ersten Cordierit-Substrats 10 wird gemäß dem in JIS R 1601: 2008 definierten Vierpunkt-Biegefestigkeits-Testverfahren gemessen, und aus den Messergebnissen wird eine „Spannungs-Dehnungs-Kurve“ erstellt. Eine Steigung der so erhaltenen „Spannungs-Dehnungs-Kurve“ wird berechnet und die Steigung der „Spannungs-DehnungsKurve“ wird als Elastizitätsmodul definiert.
Der Glasabschnitt 20 enthält MgO, Al₂O₃ und SiO₂. Da MgO, Al₂O₃ und SiO₂ Cordierit-Komponenten sind, kann der Glasabschnitt 20, der MgO, Al₂O₃ und SiO₂ enthält, eine Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glasabschnitts 20 und des ersten Cordierit-Substrats 10 verringern. Im Ergebnis können thermische Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen reduziert werden, so dass die Zuverlässigkeit der Heizung 100 verbessert wird. Außerdem kann die Haftfähigkeit des Glasabschnitts 20 an dem ersten Cordierit-Substrat 10 verbessert werden.
Der Glasabschnitt 20 kann Cordierit (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) enthalten. Durch Aufnahme von Cordierit in dem Glasabschnitt 20 kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glasabschnitts 20 nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Cordierit-Substrats 10 liegen. Im Ergebnis können die thermischen Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen verringert werden, so dass die Zuverlässigkeit der Heizung 100 verbessert wird. Außerdem kann die Haftfähigkeit des Glasabschnitts 20 an dem ersten Cordierit-Substrat 10 verbessert werden.
Obwohl ein Verfahren zum Aufnehmen des Cordierits in dem Glasabschnitt 20 nicht besonders beschränkt ist, können beispielsweise Abfallmaterialien, die während der Herstellung des ersten Cordierit-Substrats 10 erzeugt werden, dem Rohmaterial des Glasabschnitts 20 hinzugefügt werden.
Der Glasabschnitt20 besteht vorzugsweise aus 30 bis 40 Masse-% einer Cordierit-Phase und 2 Masse-% oder weniger einer kristallinen Phase, die Mullit und/oder Spinell enthält, wobei der Rest eine Glasphase ist. Eine solche Zusammensetzung kann es ermöglichen, Eigenschaften wie den Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb des gewünschten Bereichs zu steuern.
Hier werden die Masse-%jeder Phase in dem Glasabschnitt 20 wie folgt bestimmt. Zunächst werden mehrere Proben durch Mischen von Cordierit, Mullit, Spinell und Glas in variablen Massenverhältnissen hergestellt und eine Kalibrierungskurve von Röntgenbeugungsspitzenwerten wird im Voraus erstellt. Die Spitzenwerte werden dann durch Röntgenbeugung des Glasabschnitts 20 bestimmt und der Massenanteil (Massenprozent) jeder Phase in dem Glasabschnitt 20 wird basierend auf der Kalibrierungskurve bestimmt.
Der Glasabschnitt 20 hat vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 3,0 × 10^-6/K und stärker bevorzugt mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 2,5 × 10^-6/K und noch stärker bevorzugt mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 2,0 × 10^-6/K, obwohl er nicht besonders darauf beschränkt ist. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Glasabschnitts 20 innerhalb des obigen Bereichs kann die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glasabschnitts 20 und des ersten Cordierit-Substrats 10 verringern. Im Ergebnis können die thermischen Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen verringert werden, so dass die Zuverlässigkeit der Heizung 100 verbessert wird.
Der elektrische Heizabschnitt 30 besteht aus einem Leiter, der bei Energieversorgung Wärme erzeugt. Der Leiter ist nicht besonders beschränkt und es können im Stand der Technik bekannte Metalle oder Legierungen verwendet werden. Darunter enthält der Leiter vorzugsweise Mo und/oder W. Die Verwendung eines solchen Leiters kann die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des elektrischen Heizabschnitts 30 und des Glasabschnitts 20 verringern und zudem die Kompatibilität mit dem Glasabschnitt 20, in den der Leiter eingebettet ist, verbessern. Andere verwendbare Leiter enthalten Ni-Cr-Legierungen und Fe-Cr-Al-Legierungen.
Der elektrische Heizabschnitt 30 hat vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 6,0 × 10^-6/K und stärker bevorzugt mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 5,5 × 10^-6/K, obwohl er nicht besonders darauf beschränkt ist. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des elektrischen Heizabschnitts 30 innerhalb des obigen Bereichs kann die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des elektrischen Heizabschnitts 30 und des Glasabschnitts 20 reduzieren. Im Ergebnis können die thermischen Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen reduziert werden bei, so dass die Zuverlässigkeit der Heizung 100 verbessert wird. Beispielsweise hat Mo einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 5,0 × 10^-6/K. Ferner kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des elektrischen Heizabschnitts 30 gesteuert werden, indem der Anteil und die Art jeder Komponente unter Verwendung eines leitenden Verbundstoffs mit geringerer Wärmeausdehnung angepasst werden, der durch Kombinieren von Mo-Pulver und/oder W-Pulver und Glaspulver erhalten wird.
Die Form des elektrischen Heizabschnitts 30 ist nicht besonders beschränkt und kann verschiedene Formen wie etwa eine lineare Form, eine Plattenform und eine Blattform umfassen. 1 und 2 zeigen ein Beispiel, in dem ein linearer elektrischer Heizabschnitt 30 ausgebildet ist.
Ein zweites Cordierit-Substrat kann ferner auf dem Glasabschnitt 20, in dem der elektrische Heizabschnitt 30 eingebettet ist bereitgestellt sein.
Hier, zeigt 3 eine Draufsicht auf eine Heizvorrichtung, die ferner ein zweites Cordierit-Substrat aufweist, und 4 zeigt eine Querschnittsansicht der Heizung entlang der Linie B-B'.
Wie es in 3 und 4 gezeigt ist, umfasst eine Heizung 200: ein erstes Cordierit-Substrat 10; einen Glasabschnitt 20, der auf dem ersten Cordierit-Substrat 10 bereitgestellt ist; einen elektrischen Heizabschnitt 30, der in den Glasabschnitt 20 eingebettet ist; und ein zweites Cordierit-Substrat 40, das auf dem Glasabschnitt 20 bereitgestellt ist. Es ist zu beachten, dass in 3 die gestrichelte Linie die Position des elektrischen Heizabschnitts 30 angibt, der in den Glasabschnitt 20 eingebettet ist. Bei der Heizung 200 mit einer solchen Struktur ist der elektrische Heizabschnitt30 in den Glasabschnitt 20 eingebettet und zwischen dem ersten Cordierit-Substrat 10 und dem zweiten Cordierit-Substrat 40 bereitgestellt, so dass das erste Cordierit-Substrat 10 und das zweite Cordierit-Substrat 40 nicht in direktem Kontakt mit dem elektrischen Heizabschnitt 30 stehen. Daher kann Rissbildung in dem ersten Cordierit-Substrat 10 und dem zweiten Cordierit-Substrat 40 unterdrückt werden. Dementsprechend kann die Zuverlässigkeit der Heizung 200 in einer Umgebung mit großen thermischen Schwankungen verbessert werden.
Das zweite Cordierit-Substrat 40 ist ein Substrat, das Cordierit (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) als eine Hauptkomponente enthält, wie das erste Cordierit-Substrat 10, und das gleiche Substrat wie das erste Cordierit-Substrat 10 kann verwendet werden.
Das zweite Cordierit-Substrat 40 besteht vorzugsweise aus 90 Masse-% oder mehr einer Cordierit-Phase und 5 Masse-% oder weniger einer kristallinen Phase, die Mullit und/oder Spinell enthält, wobei der Rest eine Glasphase ist. Mit einer solchen Zusammensetzung können Eigenschaften wie der Wärmeausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul innerhalb gewünschter Bereiche gesteuert werden. Die Masse-% jeder Phase in dem zweiten Cordierit-Substrat 40 können auf die gleiche Weise wie die Masse-% jeder Phase in dem ersten Cordierit-Substrat 10 erhalten werden.
Die Heizung 100, 200 kann ferner Anschlüsse 50 aufweisen, die jeweils mit dem elektrischen Heizabschnitt 30 über ein Hartlötmaterial 60 verbunden sind, wie es in 1 bis 4 gezeigt ist. Eine solche Struktur macht es einfach, den elektrischen Heizabschnitt 30 mit einer externen Leistungsquelle (nicht gezeigt) elektrisch zu verbinden.
Der Anschluss 50 besteht aus einem mit Energie versorgbaren Leiter. Der für den Anschluss 50 verwendete Leiter ist nicht besonders beschränkt und es können im Stand der Technik bekannte Metalle oder Legierungen verwendet werden. Darunter enthält der für den Anschluss 50 verwendete Leiter vorzugsweise Fe, Ni und Co. Als ein solches Material kann beispielsweise Kovar verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass der für den Anschluss 50 verwendete Leiter aus dem gleichen Leiter wie der elektrische Heizabschnitt 30 bestehen kann oder aus einem anderen Leiter als dem des elektrischen Heizabschnitts 30 bestehen kann.
Der Leiter, der den Anschluss 50 bildet, hat vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 6,0 × 10^-6/K und stärker bevorzugt mehr als 3,0 × 10^-6/K und weniger als 6,0 × 10^-6/K oder weniger, obwohl er nicht besonders darauf beschränkt ist. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Leiters, der den Anschluss bildet, innerhalb des obigen Bereichs kann die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Cordierit-Substrats 40 und des Leiters, der den Anschluss 50 in der Heizung 200 bildet, verringern, wie es in 2 und 3 gezeigt ist. Im Ergebnis können die thermischen Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen reduziert werden, so dass die Zuverlässigkeit der Heizvorrichtung 200 verbessert wird. Beispielsweise hat Kovar einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 5,0 × 10^-6/K.
Bei der Heizung 200, wie sie in 3 und 4 gezeigt ist, ist jeder Anschluss 50 vorzugsweise in ein Durchgangsloch eingesetzt, das in dem zweiten Cordierit-Substrat 40 bereitgestellt ist. Eine solche Struktur macht es einfach, den elektrischen Heizabschnitt 30 mit der externen Leistungsquelle (nicht gezeigt) elektrisch zu verbinden.
Das Lötmaterial 60 ist ein Material zum Verbinden des elektrischen Heizabschnitts 30 mit dem Anschluss 50. Das Lötmaterial 60 ist nicht besonders beschränkt und ein geeignetes Material kann je nach Typen des elektrischen Heizabschnitts 30 und der Anschlüsse 50 ausgewählt werden. Wenn beispielsweise der Leiter, der Mo und/oder W enthält, für den elektrischen Heizabschnitt 30 verwendet wird und ein Leiter, der Fe, Ni und Co enthält, für den Anschluss 50 verwendet wird, enthält das Lötmaterial 60 vorzugsweise Ag, Ti und Cu. Wenn das Lötmaterial 60 solche Komponenten enthält, können der elektrische Heizabschnitt 30 und die Anschlüsse 50 geeignet verbunden werden, ohne sie zu beeinträchtigen.
Hier wurden unter Verwendung eines Leiters (Mo-Draht) aus Mo für den elektrischen Heizabschnitt 30 und unter Verwendung eines Leiters (Kovar-Stift) aus Kovar für den Anschluss 50 Experimente durchgeführt, um den elektrischen Heizabschnitt 30 und den Anschluss 50 durch drei Lötmaterialien 60 (66Ag-8Ti-Cu, 65Ag-15Pd-Cu und Ni-Cr-P) tatsächlich miteinander zu verbinden. Im Ergebnis konnte 66Ag-8Ti-Cu den Mo-Draht und den Kovar-Stift bei etwa 900 °C zufriedenstellend miteinander verbinden. Andererseits wurde für 65Ag-15Pd-Cu die Verdampfung von Pd bestätigt, wenn der Mo-Draht und der Kovar-Stift bei 900 °C miteinander verbunden wurden. Auch für Ni-Cr-P wurde die Reaktion mit dem Mo-Draht bestätigt. Daher kann gesagt werden, dass 66Ag-8Ti-Cu das am besten geeignete Lötmaterial 60 ist, wenn der Mo-Draht für den elektrischen Heizabschnitt 30 verwendet wird und der Kovar-Stift für den Anschluss 50 verwendet wird.
Die Heizung 100, 200 kann ferner einen Dichtungsabschnitt 70 aufweisen, der an einer Grenzfläche zwischen dem Anschluss 50 und dem Glasabschnitt 20 oder dem zweiten Cordierit-Substrat 40 bereitgestellt ist, wie es in 1 bis 4 gezeigt ist. Insbesondere kann die Heizung 100 mit dem Dichtungsabschnitt 70 an der Grenzfläche zwischen dem Anschluss 50 und dem Glasabschnitt 20 versehen sein. Außerdem kann die Heizung 200 mit einem Dichtungsabschnitt 70 an der Grenzfläche zwischen dem Anschluss 50 und dem zweiten Cordierit-Substrat 40 versehen sein. Eine derartige Struktur kann das Eindringen von Flüssigkeit, Luft oder dergleichen an der Grenze unterdrücken, so dass die Zuverlässigkeit der Heizung 100, 200 verbessert werden kann.
Ein Material zum Bilden des Dichtungsabschnitts 70 ist nicht besonders beschränkt und im Stand der Technik bekannte Dichtungsmaterialien können verwendet werden. Unter diesen ist das Material, das den Dichtungsabschnitt 70 bildet, vorzugsweise Glas.
Auch der Dichtungsabschnitt 70 (Glas) enthält vorzugsweise SiO₂ und B₂O₃. Da der Dichtungsabschnitt 70 , der solche Komponenten enthält, einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, können die Risse in dem Dichtungsabschnitt 70 und Elementen um ihn herum (dem Glasabschnitt 20 und dem zweiten Cordierit-Substrat 40) unterdrückt werden.
Das Glas, das den Dichtungsabschnitt 70 bildet, hat vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 6,0 × 10^-6/K und mehr bevorzugt mehr als 2,0 × 10^-6/K und weniger als 4,0 × 10^-6/K, obwohl es nicht besonders darauf beschränkt ist. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases, das den Dichtungsabschnitt 70 bildet, innerhalb des oben beschriebenen Bereichs verringert die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glasabschnitts 20 und des Leiters, der den Anschluss 50 bildet, und des Glases, das den Dichtungsabschnitt 70 für die Heizung 100 bildet, und verringert die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Cordierit-Substrats 40 und des Leiters, der den Anschluss 50 bildet, und des Glases, das den Dichtungsabschnitt 70 bildet. Im Ergebnis können die thermischen Spannungen in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen reduziert werden, so dass die Zuverlässigkeit der Heizung 100, 200 verbessert werden kann.
Die Heizungen 100, 200 mit den oben beschriebenen Strukturen können für verschiedene Anwendungen verwendet werden, da sie kaum Risse in den Cordierit-Substraten (dem ersten Cordierit-Substrat 10 und dem zweiten Cordierit-Substrat 40) erzeugen und eine hohe Zuverlässigkeit in der Umgebung mit großen thermischen Schwankungen aufweisen.
Beispielsweise sind die Heizungen 100, 200 nützlich zum Erwärmen eines Abgases in einem Abgasmischer, der Harnstoff und das Abgas mischt, in einem Dieselmotor-Harnstoff-SCR-System. In dem Harnstoff-SCR-System sind die Heizungen 100, 200 auch nützlich, um eine hohe Temperatur der Innenwandfläche des zylindrischen Elements (Abgasrohrs), das den Abgasmischer bildet, aufrechtzuerhalten und zu verhindern, dass sich der Harnstoff zu einer festen Zwischenablagerung ansammelt, wenn der Harnstoff mit der Innenwandfläche zusammentrifft. In dem Harnstoff-SCR-System kann Ammoniak (NH₃), das als NOx-Reduktionsmittel verwendet wird, durch Einspritzen von Harnstoffwasser in das von den Heizungen 100, 200 erwärmte Abgas erzeugt werden.
Jede der Heizungen 100, 200 ist auch als Heizausrüstung für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge und Steckerhybridfahrzeuge und als Heizmittel für den Herstellungsprozess des synthetischen Kraftstoffs nützlich.
Die Heizungen 100, 200 können gemäß im Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden.
Beispielsweise kann die Heizung 100 wie folgt hergestellt werden:

Zuerst wird ein Formmaterial, das Cordierit-Rohmaterialpulver enthält, geformt und dann gesintert, um das erste Cordierit-Substrat 10 herzustellen. Obwohl das Formungsverfahren nicht besonders beschränkt ist, können Extrusionsformen, Formgussformen oder dergleichen verwendet werden. Alternativ kann das erste Cordierit-Substrat 10 durch maschinelles Bearbeiten eines Sinterkörpers mit einer vorbestimmten Form hergestellt werden.

Der elektrische Heizabschnitt 30 wird dann sandwichartig zwischen zwei Glasscheiben angeordnet, die den Glasabschnitt 20 bilden, und auf dem ersten Cordierit-Substrat 10 angeordnet, um eine gestapelte Struktur zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Glasscheibe auf der Oberflächenseite mit einer Öffnung zum Verbinden des elektrischen Heizabschnitts 30 mit jedem Anschluss 50 mittels des Lötmaterials 60 versehen.
Die gestapelte Struktur wird dann durch einen Erwärmungs- und Pressprozess integriert. Zu diesem Zeitpunkt werden die Glasscheiben integriert, um den Glasabschnitt 20 zu bilden, und der elektrische Heizabschnitt 30 wird in den Glasabschnitt 20 eingebettet. Obwohl die Erwärmungs- und Pressbedingungen nicht besonders beschränkt sind, können sie je nach Typ der zu verwendenden Glasscheiben geeignet eingestellt werden.
Jeder Anschluss 50 wird dann auf dem elektrischen Heizabschnitt 30, der in der Öffnung der Glasscheibe auf der Oberflächenseite über das Lötmaterial 60 freigelegt ist, platziert und dann erwärmt und verbunden. Obwohl die Erwärmungsbedingungen nicht besonders eingeschränkt sind, können sie je nach Art des zu verwendenden Lötmaterials 60 geeignet eingestellt werden.
Schließlich wird das Dichtungsmaterial auf die Grenze zwischen jedem Anschluss 50 und dem Glasabschnitt 20 auf der Oberfläche des Glasabschnitts 20 aufgetragen und dann erwärm, um den Dichtungsabschnitt 70 zu bilden, wodurch die Heizung 100 fertiggestellt wird. Obwohl die Erwärmungsbedingungen nicht besonders eingeschränkt, können sie je nach Art des zu verwendenden Dichtungsmaterials geeignet eingestellt werden.
Die Heizung 200 kann wie folgt hergestellt werden:

Zuerst werden Formmaterialien, die jeweils Cordierit-Rohmaterialpulver enthalten, geformt und dann gesintert, um das erste Cordierit-Substrat 10 und das zweite Cordierit-Substrat 40 herzustellen.

Der elektrische Heizabschnitt 30 wird dann sandwichartig zwischen zwei Glasscheiben, die den Glasabschnitt 20 bilden, angeordnet und dies wird dann zwischen dem ersten Cordierit-Substrat 10 und dem zweiten Cordierit-Substrat 40 platziert, um eine gestapelte Struktur zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt sind das zweite Cordierit-Substrat 40 und die Glasscheibe auf der Seite des zweiten Cordierit-Substrats 40 mit einer Öffnung zum Verbinden des elektrischen Heizabschnitts 30 mit jedem Anschluss 50 mittels des Lötmaterials 60 versehen.
Die gestapelte Struktur wird dann integriert, indem die gestapelte Struktur erwärmt wird, während sie gepresst wird, um die Haftfähigkeit zwischen dem ersten Cordierit-Substrat 10, dem zweiten Cordierit-Substrat 40 und den Glasscheiben, die den elektrisch Heizabschnitt 30 sandwichartig einschließen, zu verbessern.
Jeder Anschluss 50 wird auf dem elektrischen Heizabschnitt 30, der in der Öffnung des zweiten Cordierit-Substrats 40 und der Glasscheibe auf der Seite des zweiten Cordierit-Substrats 40 über das Lötmaterial 60 freigelegt ist, platziert und dann erwärmt und verbunden.
Schließlich wird das Dichtungsmaterial auf die Grenze zwischen jedem Anschluss 50 und dem zweiten Cordierit-Substrat 40 auf der Oberfläche des zweiten Cordierit-Substrats 40 aufgetragen und dann erwärmt, um den Dichtungsabschnitt 70 zu bilden, wodurch die Heizung 200 fertiggestellt wird.
(2) Heizelement
5 ist eine Querschnittsansicht eines Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass 5 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Elements 300, das ein Heizelement 1000 bildet, in einer Richtung senkrecht zu einer axialen Richtung ist.
Wie es in 5 gezeigt ist, umfasst das Heizelement 1000: ein zylindrisches Element 300; mehrere Heizungen 100, 200, die entlang mindestens eines Teils einer Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements 300 angeordnet sind; und ein Isoliermaterial 400, das zwischen dem zylindrischen Element 300 und den Heizungen 100, 200 angeordnet ist. Eine derartige Struktur kann es ermöglichen, dass das Innere des zylindrischen Elements 300 erwärmt wird.
Das zylindrische Element 300 ist nicht besonders beschränkt und es kann einen gleichmäßigen Durchmesser in der axialen Richtung haben oder kann einen verringerten und/oder vergrößerten Durchmesser in der axialen Richtung haben.
Obwohl das Material des zylindrischen Elements 300 nicht besonders eingeschränkt ist, ist es vom Standpunkt der Herstellbarkeit vorzugsweise ein Metall. Beispiele für das hierin verwendbare Metall umfassen Edelstahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen und Messing. Unter ihnen ist Edelstahl wegen seiner hohen Haltbarkeit und Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten bevorzugt.
Das zylindrische Element 300 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr und stärker bevorzugt 0,3 mm oder mehr und noch stärker bevorzugt 0,5 mm oder mehr, obwohl es nicht speziell darauf beschränkt ist. Eine Dicke des zylindrischen Elements 300 von 0,1 mm oder mehr kann Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen. Außerdem beträgt die Dicke des zylindrischen Elements 300 vorzugsweise 10 mm oder weniger und stärker bevorzugt 5 mm oder weniger und noch stärker bevorzugt 3 mm oder weniger. Eine Dicke des zylindrischen Elements 300 von 10 mm oder weniger kann eine Gewichtsreduzierung erzielen.
Das Isoliermaterial 400 ist nicht besonders beschränkt und es kann eine Fasermatte aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder dergleichen verwendet werden.
Eine Dicke des Isoliermaterials 400 ist nicht besonders beschränkt, solange es eine Isolierung sicherstellen kann.
Die mehreren Heizungen 100, 200 sind entlang mindestens eines Teils der Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements 300 angeordnet. Obwohl ein Verfahren zum Fixieren der Heizungen 100, 200 beispielsweise bekannt ist, können sie an der Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements 300 des zylindrischen Elements 300 unter Verwendung von Fixierungsvorrichtungen wie etwa Bolzen 500 fixiert werden.
Die mehreren Heizungen 100, 200 sind so ausgebildet, dass die elektrischen Heizabschnitte 30 mit einer Leistungsquelle elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Eine solche Konfiguration kann bewirken, dass die mehreren Heizungen 100, 200 Wärme erzeugen, indem eine Spannung aus der Leistungsquelle angelegt wird, und ermöglichen, dass das Innere des zylindrischen Elements 300 erwärmt wird.
Hier, zeigt 6 eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem die elektrischen Heizabschnitte 30 der mehreren Heizungen 100, 200 mit der Leistungsquelle elektrisch in Reihe geschaltet sind. Zudem zeigt 7 eine Draufsicht eines Zustands, in dem die elektrischen Heizabschnitte 30 der mehreren Heizungen 100, 200 mit der Leistungsquelle elektrisch parallel geschaltet sind. Es ist zu beachten, dass 6 und 7 die drei Heizungen 100 zum leichteren Verständnis als Draufsicht zeigen. Die gestrichelten Linien geben die Positionen der eingebetteten elektrischen Heizabschnitte 30 an.
In 6 sind die elektrischen Heizabschnitte 30 der mehreren Heizungen 100, 200 elektrisch in Reihe geschaltet, ein Ende der in Reihe geschalteten elektrischen Heizabschnitte 30 ist mit der Leistungsquelle elektrisch verbunden und das andere Ende ist mit einer Masse (beispielsweise dem zylindrischen Element 300) elektrisch verbunden. In 7 sind die elektrischen Heizabschnitte 30 der mehreren Heizungen 100, 200 elektrisch parallel geschaltet, ein Ende jedes elektrischen Heizabschnitts 30 ist mit der Leistungsquelle elektrisch verbunden und das andere Ende ist mit einer Masse (beispielsweise dem zylindrischen Element 300) elektrisch verbunden.
Obwohl die von der Leistungsquelle angelegte Spannung nicht besonders beschränkt ist, beträgt sie vorzugsweise 60 V oder weniger. Die Spannung in diesem Bereich erfordert keine besondere Isolierung. Ferner beträgt die angelegte Spannung im Hinblick auf die Heizeffizienz der Heizung 100, 200 vorzugsweise 12 V oder mehr.
Das Heizelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung in dem Dieselmotor-Harnstoff-SCR-System geeignet. Das heißt, das Heizelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um eine höhere Temperatur der Innenwandfläche des zylindrischen Elements 300, das den Abgasmischer zum Mischen eines Reduktionsmittelvorläufers (z. B. Harnstoffwasser) mit dem Abgas bildet, aufrechtzuerhalten und den Reduktionsmittelvorläufer zu erwärmen, um ein Reduktionsmittel (z. B. Ammoniak) zu erzeugen, wobei zugleich verhindert wird, dass der Harnstoff zu einer festen Zwischenablagerung wird, die sich ansammelt, wenn der Harnstoff mit der Innenwandfläche zusammentrifft.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Heizelements, das zum Erwärmen des Reduktionsmittelvorläufers verwendet wird, um das Reduktionsmittel zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass 8 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Elements 300, das ein Heizelement 2000 bildet, in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung ist.
Wie es in 8 gezeigt ist, ist das Heizelement 2000 auf mindestens einem Teil des zylindrischen Elements 300 angeordnet und umfasst ferner eine Düse 600, die den Reduktionsmittelvorläufer auf die Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements 300 einspritzen kann. Zudem sind die mehreren Heizungen 100, 200 an der Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements 300 angeordnet, auf das der Reduktionsmittelvorläufer aus der Düse 600 eingespritzt wird. Ferner ist das zylindrische Element 300 ein Abgasrohr einer Diesel-Kraftmaschine. Eine solche Struktur kann es ermöglichen, dass das durch das zylindrische Element 300 (Abgasrohr) strömende Abgas durch die mehreren Heizungen 100, 200 erwärmt wird, so dass der Reduktionsmittelvorläufer in das erwärmte Abgas eingespritzt werden kann, um das Reduktionsmittel zu erzeugen. Ferner verdampft der Reduktionsmittelvorläufer auch dann, wenn der von der Düse 600 eingespritzte Reduktionsmittelvorläufer mit den mehreren Heizungen 100, 200 zusammentrifft, sofort, so dass die Ansammlung der durch Zersetzung des Reduktionsmittelvorläufers erzeugten Ablagerungen ebenfalls unterdrückt werden kann.
Das Heizelement 2000 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass elektrische Heizabschnitte 30 der mehreren Heizungen 100, 200 elektrisch parallel geschaltet sind. Das heißt, es ist bevorzugt, dass ein Ende der elektrischen Heizabschnitte 30 der mehreren Heizungen 100, 200 mit der Leistungsquelle elektrisch verbunden ist und das andere Ende mit der Masse (beispielsweise dem zylindrischen Element 300) elektrisch verbunden ist. Außerdem beträgt eine von der Leistungsquelle angelegte Spannung vorzugsweise 60 V oder weniger. Eine solche Konfiguration kann es ermöglichen, dass der Reduktionsmittelvorläufer schnell und effizient erhitzt wird, um das Reduktionsmittel zu erzeugen, und ermöglichen, dass die Ablagerung des Zwischenprodukts auf der Innenwandfläche des zylindrischen Elements 300 unterdrückt wird.
Bezugszeichenliste

10: erstes Cordierit-Substrat
20: Glas Portion
30: elektrischer Heizabschnitt
40: zweites Cordierit-Substrat
50: Anschluss
60: Lötmaterial
70: Dichtungsabschnitt
100, 200: Heizung
300: zylindrisches Element
400: Isoliermaterial
500: Bolzen
600: Düse
1000, 2000: Heizelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5748918 B [0008]

Claims

Heizung, die umfasst: ein erstes Cordierit-Substrat; einen Glasabschnitt, der auf dem ersten Cordierit-Substrat bereitgestellt ist; und einen elektrischen Heizabschnitt, der in den Glasabschnitt eingebettet ist, wobei der Glasabschnitt MgO, Al₂O₃ und SiO₂ enthält.
Heizung nach Anspruch 1, die ferner ein zweites Cordierit-Substrat umfasst, das auf dem Glasabschnitt bereitgestellt ist.
Heizung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner Anschlüsse aufweist, die jeweils durch ein Lötmaterial mit dem elektrischen Heizabschnitt verbunden sind.
Heizung nach Anspruch 3, wobei jeder der Anschlüsse in ein Durchgangsloch eingesetzt ist, das in dem zweiten Cordierit-Substrat bereitgestellt ist.
Heizung nach Anspruch 3 oder 4, die ferner einen Dichtungsabschnitt aufweist, der an einer Grenzfläche zwischen jedem der Anschlüsse und dem Glasabschnitt oder dem zweiten Cordierit-Substrat bereitgestellt ist.
Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Glasabschnitt Cordierit enthält.
Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Glasabschnitt aus 30 bis 40 Masse-% einer Cordierit-Phase und 2 Masse-% oder weniger einer kristallinen Phase, die Mullit und/oder Spinell enthält, besteht, wobei der Rest eine Glasphase ist.
Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Cordierit-Substrat und/oder das zweite Cordierit-Substrat aus 90 Masse-% oder mehr einer Cordierit-Phase und 5 Masse-% oder weniger einer kristallinen Phase, die Mullit und/oder Spinell enthält, besteht, wobei der Rest eine Glasphase ist.
Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Glasabschnitt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 3,0 × 10^-6/K aufweist.
Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der elektrische Heizabschnitt aus einem Leiter besteht, der Mo und/oder W enthält.
Heizung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei jeder der Anschlüsse aus einem Leiter mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1,6 10^-6/K und weniger als 6,0 × 10^-6/K besteht.
Heizung nach Anspruch 11, wobei der Leiter, der jeden der Anschlüsse bildet, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 3,0 × 10^-6/K und weniger als 6,0 × 10^-6/K aufweist.
Heizung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei der Dichtungsabschnitt aus Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1,6 × 10^-6/K und weniger als 6,0 × 10^-6/K besteht.
Heizung nach Anspruch 13, wobei das Glas, das den Dichtungsabschnitt bildet, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 2,0 × 10^-6/K und weniger als 4,0 × 10^-6/K aufweist.
Heizung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei jeder der Anschlüsse Fe, Ni und Co enthält.
Heizung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, wobei der Dichtungsabschnitt SiO₂ und B₂O₃ enthält.
Heizung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, wobei das Lötmaterial Ag, Ti und Cu enthält.
Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Heizung zum Erwärmen eines Abgases verwendet wird.
Heizelement, das umfasst: ein zylindrisches Element; die Heizungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, die entlang mindestens einem Teil einer Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements angeordnet sind; und ein Isoliermaterial, das zwischen dem zylindrischen Element und jeder der Heizungen angeordnet ist; wobei die elektrischen Heizabschnitte der Heizungen mit einer Leistungsquelle elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
Heizelement nach Anspruch 19, das zum Erwärmen eines Reduktionsmittelvorläufers verwendet wird, um ein Reduktionsmittel zu erzeugen, wobei das Heizelement ferner eine Düse aufweist, die den Reduktionsmittelvorläufer einspritzen kann, wobei die Düse an mindestens einem Teil des zylindrischen Elements angeordnet ist, wobei jede der Heizungen auf einer Innenumfangsfläche des zylindrischen Elements angeordnet ist, auf die der Reduktionsmittelvorläufer aus der Düse eingespritzt wird, und wobei das zylindrische Element ein Abgasrohr einer Diesel-Kraftmaschine ist.
Heizelement nach Anspruch 20, wobei bei den elektrischen Heizabschnitten der Heizungen ein Ende mit der Leistungsquelle elektrisch verbunden ist und das andere Ende mit dem zylindrischen Element elektrisch verbunden ist, und wobei eine von der Leistungsquelle angelegte Spannung 60 V oder weniger beträgt.