DE112020006038T5

DE112020006038T5 - Wabensubstrat mit einer Elektrode

Info

Publication number: DE112020006038T5
Application number: DE112020006038.1T
Authority: DE
Inventors: Koji Kasai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2022-11-10
Also published as: WO2021117431A1; US20220298947A1; CN114829749A; JPWO2021117431A1; JP7276507B2

Abstract

Ein Wabensubstrat (1) mit einer Elektrode enthält ein leitfähiges keramisches Wabensubstrat (2), das durch Erregung Wärme erzeugt, und ein Paar von Elektroden (3), das vorgesehen ist, um einer äußeren Peripherie des Wabensubstrats (2) zugewandt zu sein. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode (3) ist höher als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats (2). Das Wabensubstrat (2) kann ein Siliziumpartikel enthalten. Die Elektrode (3) kann ein Siliziumpartikel enthalten. Zumindest eines von dem Wabensubstrat (2) und der Elektrode (3) kann ein Oxid, das Silizium und Bor enthält, enthalten.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-223867 , eingereicht am 11. Dezember 2019, deren Offenbarung hierin vollinhaltlich durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wabensubstrat mit einer Elektrode.
Hintergrund
Bezüglich einer katalytischen Vorrichtung, die in einer Abgasleitung vorgesehen ist, um Abgas, das in einem Verbrennungsmotor erzeugt wird, zu reinigen, ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein Wabensubstrat, das einen Katalysator trägt, elektrisch aufgeheizt wird, um zu ermöglichen, dass das Wabensubstrat Wärme erzeugt. Da eine Spannung an dem Wabensubstrat angelegt wird, ist in diesem Fall ein Paar von Elektroden, das einer äußeren Peripherie des Wabensubstrats zugewandt ist, vorgesehen.
Beispielsweise offenbart PTL 1 eine katalytische Vorrichtung zum Reinigen von Abgas. Die katalytische Vorrichtung enthält ein Substrat, das SiC enthält, eine Unterlage, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweist und an einer äußeren Wand des Substrats befestigt ist, und eine Elektrode, die an einer äußeren Oberfläche der Unterlage befestigt ist. Die Unterlage weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode liegt. PTL 1 gibt an, dass, wenn die Vorrichtung kontinuierlich in einer Umgebung verwendet wird, in welcher Temperaturveränderungen, wie etwa ein Kühl-/Heizzyklus, auftreten, für Elektroden verhindert werden kann, dass diese infolge einer Wärmebelastung, die auf eine Verbindungsoberfläche zwischen der Elektrode und dem Substrat wirkt, von dem Substrat abgelöst werden.
Zitierliste
Patentliteratur
[PTL 1] Japanisches Patent Nr. 5246337
Kurzfassung der Erfindung
Kurz gesagt, gemäß dem vorherigen Verfahren ist die Unterlage, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode liegt, zwischen dem Substrat und der Elektrode vorgesehen, um die Wärmebelastung, die infolge des Unterschieds der Wärmeausdehnung, die zwischen dem Substrat der Elektrode in einem Kühl-/Heizzyklus verursacht wird, zu verringern, wenn das Substrat und die Elektrode, die entsprechende Wärmeausdehnungskoeffizienten, die zueinander unterschiedlich sind, aufweisen, verbunden werden. Jedoch beschreibt das vorherige Verfahren in keiner Weise das Unterdrücken einer Wärmebelastung, die zu der Zeit des elektrischen Heizens erzeugt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Wabensubstrat mit einer Elektrode vorzusehen, dass die Wärmebelastung verringern kann, die durch den Unterschied der Wärmeausdehnung infolge des Temperaturunterschieds zwischen einem Substrat und einer Elektrode, der verursacht wird, wenn hauptsächlich das Substrat bei der Erregung aufgeheizt wird, erzeugt wird.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung sieht ein Wabensubstrat mit einer Elektrode vor. Das Wabensubstrat enthält: ein leitfähiges keramisches Wabensubstrat, das durch Erregung Wärme erzeugt; und ein Paar von Elektroden, das vorgesehen ist, um einer äußeren Peripherie des Wabensubstrats zugewandt zu sein. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode ist höher als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats.
Das Wabensubstrat mit einer Elektrode kann die Wärmebelastung, welche durch die Differenz der Wärmeausdehnung infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Substrat und der Elektrode, die verursacht wird, wenn hauptsächlich das Substrat bei der Erregung aufgeheizt wird, erzeugt wird, verringern.
Es sei bemerkt, dass die Bezugszeichen in Klammern in den Ansprüchen einen Korrespondenzzusammenhang zwischen spezifischen Bestandteilen angeben, die bei einer Ausführungsform, die später beschrieben wird, beschrieben sind, und den technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
Figurenliste
Die vorher genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden mit Hilfe der folgenden genauen Beschreibung unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen klarer, wobei

1 ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Wabensubstrats mit einer Elektrode in einer Richtung orthogonal zu einer Richtung einer Gasströmung gemäß einer Ausführungsform ist;
2 ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer katalytischen Vorrichtung mit einem elektrischen Heizer ist, für welches das Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß der Ausführungsform angewandt wird;
3 ein Diagramm ist, das ein Simulationsmodell des Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einem ersten experimentellen Beispiel veranschaulicht; und
4 ein Diagramm ist, das einen Zusammenhang zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Elektrode/einem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Wabensubstrats (horizontale Achse) und einem Verhältnis einer erzeugten Belastung (vertikale Achse) veranschaulicht.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ein Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einer Ausführungsform wird mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben. Wie in 1 veranschaulicht, weist ein Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode der vorliegenden Ausführungsform ein leitfähiges keramisches Wabensubstrat 2, das durch Erregung Wärme erzeugt, und ein Paar von Elektroden 3, die vorgesehen sind, um einer äußeren Peripherie des Wabensubstrats 2 zugewandt zu sein, auf. In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode ist ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode 3 höher als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats 2 (der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats 2 ist niedriger als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode 3).
Gemäß dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode der vorliegenden Ausführungsform kann die Wärmebelastung, welche durch Differenz der Wärmeausdehnung infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Wabensubstrat 2 und Elektrode 3, die verursacht wird, wenn hauptsächlich das Wabensubstrat 2 bei der Erregung erwärmt wird, verringert werden. Der Grund hierfür wird nachstehend beschrieben.
In einer katalytischen Vorrichtung mit einem elektrischen Heizer 9, der in 2 veranschaulicht ist, wird es mit Blick auf die Verbesserung der Effizienz einer Temperaturerhöhung des Wabensubstrats 2 bevorzugt, hauptsächlich das Wabensubstrat 2 aufzuheizen. Unter diesen Bedingungen wird die Temperaturverteilung des Wabensubstrats 2 infolge des elektrischen Heizens höher als die Temperaturverteilung der Elektrode 3. D. h., in diesem Fall ist das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode aufgeheizt, sodass der Zusammenhang Durchschnittstemperatur des Wabensubstrats 2 > Durchschnittstemperatur der Elektrode 3 ausgebildet wird, bis das gesamte Wabensubstrat 1 durch die elektrische Wärmeerzeugung und die Wärmeübertragung aufgeheizt ist.
Das Wabensubstrat mit einer Elektrode, in welchem ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats 2 gleich zu einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode 3 ist, wird als ein Wabensubstrat mit einer Elektrode (nicht gezeigt) bei einer vergleichenden Ausführungsform verwendet. Falls die Temperatur des Wabensubstrats 2 durch die Erregung höher als die Temperatur der Elektrode 3 wird, wird in dem Wabensubstrat mit einer Elektrode der vergleichenden Ausführungsform der Betrag der Wärmeausdehnung des Wabensubstrats 2 größer, da der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrat 2 gleich wie der Elektrode 3 ist, wohingegen der Betrag der Wärmeausdehnung der Elektrode 3 gering bleibt. Demzufolge wird die Differenz der Wärmeausdehnung zwischen dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3 in dem Wabensubstrat mit einer Elektrode der vergleichenden Ausführungsform zu der Zeit der elektrischen Wärmeerzeugung groß, wobei der Betrag an thermischer Belastung (= Wärmebelastungswert) groß wird. D. h., eine Wärmebelastung, welche durch die Differenz der Wärmeausdehnung, die infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3 verursacht wird, wenn hauptsächlich das Wabensubstrat 2 bei der Erregung aufgeheizt wird, erzeugt wird, kann in dem Wabensubstrat mit einer Elektrode der vergleichenden Ausführungsform nicht verringert werden.
Im Gegensatz dazu wird, falls die Temperatur des Wabensubstrats 2 durch die Erregung höher als die Temperatur der Elektrode 3 wird, bei dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode der vorliegenden Ausführungsform der Betrag der Wärmeausdehnung des Wabensubstrat 2 unterdrückt, um klein zu sein, da der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode 3 höher als der des Wabensubstrat 2 ist, wohingegen der Betrag der Wärmeausdehnung der Elektrode 3 groß wird. Demzufolge wird bei dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode der vorliegenden Ausführungsform zu der Zeit der elektrischen Wärmeerzeugung die Differenz der Wärmeausdehnung zwischen dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3 klein, wobei der Betrag der thermischen Belastung (= Wärmebelastungswert) klein wird. D. h., bei dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode der vorliegenden Ausführungsform kann die Wärmebelastung, welche durch die Differenz der Wärmeausdehnung infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3, die verursacht wird, wenn hauptsächlich das Wabensubstrat 2 bei der Erregung aufgeheizt wird, verringert werden. Zudem kann gemäß dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode der vorliegenden Ausführungsform problemlos verhindert werden, dass eine Wärmeerzeugungsfunktion infolge des Auftretens von Rissen oder dergleichen verloren geht oder sich verschlechtert, da die Wärmebelastung infolge der Temperaturverteilung, die durch den Temperaturerhöhung infolge der elektrischen Wärmeerzeugung erzeugt wird, verringert ist, wobei dabei das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode mit einer wiederholenden Nutzbarkeit vorgesehen ist. Es sei bemerkt, dass das konventionelle Verfahren, das vorher beschrieben wurde, beabsichtigt, die Wärmebelastung, die zwischen einem Substrat und einer Elektrode, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, erzeugt wird, zu verringern, jedoch nicht beabsichtigt, die Wärmebelastung zu verringern, die mit der Temperaturerhöhung infolge der elektrischen Wärmeerzeugung einhergeht.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats 2 und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode 3 wird wie folgt gemessen. Ein Substratmuster wird aus der Wabenstruktur 2 ausgeschnitten. Zudem wird ein Elektrodenmuster aus der Elektrode 3 ausgeschnitten. Wenn das Wabensubstrat 2 und die Elektrode 3 verbunden werden, wie später beschrieben wird, wird ein Elektrodenmuster aus der Elektrode 3, die von dem Wabensubstrat 2 abgeschnitten wird, ausgeschnitten. Jedes Muster wird abgeschnitten, sodass es eine Länge von 5 mm oder mehr aufweist. Ein thermomechanisches Analysegerät wird verwendet, um eine Temperatur mit einer Temperatur Erhöhungsrate von 10 °C/min zu erhöhen, nachdem jede Musterlänge bei 25 °C gemessen wurde, sowie eine Änderungsrate von jeder Musterlänge hinsichtlich der Temperatur aufzuzeichnen. Als das thermomechanische Analysegerät kann ein Thermo plus EVO2, der durch die Rigaku Corporation hergestellt wird, verwendet werden. Anschließend wird die durchschnittliche Änderungsrate einer Substrat-Musterlänge von 25 °C bis 800 °C als ein Wärmeausdehnungskoeffizient (ppm/K) des Wabensubstrats 2 definiert. Insbesondere wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats 2 durch den Ausdruck (Musterlänge (mm) bei 800 °C - Musterlänge (mm) bei 25 °C) / (Musterlänge (mm) bei 25 °C) / (800 (°C) - 25 (°C)) * 1000000 berechnet. Die durchschnittliche Änderungsrate einer Elektrode-Musterlänge von 25 °C bis 800 °C ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient (ppm/K) der Elektrode 3 definiert. Insbesondere wird der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode 3 durch den Ausdruck (Musterlänge (mm) bei 800 °C - Musterlänge (mm) bei 25 °C) / (Musterlänge (mm) bei 25 °C) / (800 (°C) - 25 (°C)) * 1000000 berechnet.
In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann das Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrats 2 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode 3 in einem Bereich von 1:1,1 bis 1:3 sein. Gemäß dieser Konfiguration wird, selbst wenn das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode aufgeheizt wird, sodass sich der Zusammenhang Temperatur des Wabensubstrats 2 > Temperatur der Elektrode 3 einstellt, bis das gesamte Wabensubstrat 1 durch die elektrische Wärmeerzeugung und die Wärmeübertragung aufgeheizt ist, die Wärmebelastung, die durch die Temperaturdifferenz zu dieser Zeit erzeugt wird, problemlos verringert werden. Das Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrats 2 und des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode 3 kann vorzugsweise in einem Bereich von 1:1,1 bis 1:2,8, ferner bevorzugter in einem Bereich von 1:1,1 bis 1:2,5 und noch bevorzugter in einem Bereich von 1:1,1 bis 1:2 sein.
Das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann konfiguriert sein, um den Zusammenhang Q_h/C_h > Q_e/C_e aufzuweisen, bei welchem ein Joule-Heizwert des Wabensubstrats 1 pro Stunde zu der Zeit der Erregung Q_h ist, eine Wärmekapazität des Wabensubstrats 2 C_h ist, ein Joule-Heizwert der Elektrode 3 pro Stunde zu der Zeit der Erregung Q_e ist und eine Wärmekapazität der Elektrode 2 C_e ist. Gemäß den Kennzahlen Q_h/C_h und Q_e/C_e können die Temperaturerhöhung des Wabensubstrats 2 und die Temperaturerhöhung der Elektrode 3 miteinander verglichen werden, wobei ein Beitrag der Temperaturerhöhung aufgrund einer Wärmeleitung eliminiert wird. Falls der Zusammenhang Q_h/C_h > Q_e/C_e ausgebildet ist, wird das Wabensubstrat 2 durch die Erregung früher aufgeheizt, da die Temperaturerhöhung des Wabensubstrats 2 größer als die Temperaturerhöhung der Elektrode 3 ist, wobei dabei die Temperatur der Elektrode 3 niedrig wird. Gemäß der vorherigen Konfiguration kann daher in einem solchen Zustand die Wärmebelastung, die durch die Differenz der Wärmeausdehnung, die durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Wabensubstrat 2 und Elektrode 3 verursacht wird, erzeugt wird, zuverlässig verringert werden. Gemäß der vorherigen Konfiguration kann ein getragener Katalysator mit einer geringen eingespeisten Energie aktiviert werden, da hauptsächlich die Temperatur des Wabensubstrats 2 statt die der Elektrode 3 durch die Erregung erhöht wird.
In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann das Verhältnis zwischen der Wärmekapazität des Wabensubstrat 2 und der Wärmekapazität der Elektrode 3 in einem Bereich von 10:1 bis 300:1 sein. Da die Wärmekapazität der Elektrode 3 niedriger als die Wärmekapazität des Wabensubstrats 2 ist, wird gemäß dieser Konfiguration der Betrag an Wärme, der auf der Seite des Wabensubstrats 2 verbraucht bzw. aufgenommen wird, groß, wobei dabei problemlos hauptsächlich das Wabensubstrat 2 aufgeheizt werden kann. Da die Dicke der Elektrode, mit welcher die Elektrode vorzugsweise ausgebildet ist, problemlos sichergestellt ist, kann zudem gemäß dieser Konfiguration das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode mit hoher Herstellbarkeit vorgesehen sein. Das Verhältnis zwischen der Wärmekapazität des Wabensubstrats 2 und der Wärmekapazität der Elektrode 3 kann vorzugsweise in einem Bereich von 20:1 bis 250:1, ferner bevorzugter in einem Bereich von 30:1 bis 200:1 und noch bevorzugter in einem Bereich von 50:1 bis 150:1 sein.
Bei dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann das Wabensubstrat 2 durch eine leitfähige Keramik konfiguriert sein. Insbesondere kann das Wabensubstrat 2 durch eine leitfähige Keramik konfiguriert sein, die Siliziumpartikel enthält. Da das Wabensubstrat 2 Siliziumpartikel als leitfähige Partikel enthält, kann das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode, welches die Wärmebelastung, die zu der Zeit der elektrischen Wärmeerzeugung erzeugt wird, verringern kann, problemlos vorgesehen sein, während die elektrische Leitfähigkeit und der elektrische Widerstand, der für eine katalytische Vorrichtung mit elektrischem Heizer geeignet ist, sichergestellt sind.
In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann die Elektrode 3 durch eine leitfähige Keramik konfiguriert sein. Insbesondere kann die Elektrode 3 durch eine leitfähige Keramik konfiguriert sein, die Siliziumpartikel enthält. Da die Elektrode 3 Siliziumpartikel als leitfähige Partikel enthält, kann ein Widerstandswert eines Elektrodenmaterials problemlos angepasst werden.
In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann die Verbindung zwischen dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3, die später beschrieben wird, enger werden, wenn sowohl das Wabensubstrat 2 als auch die Elektrode 3 Siliziumpartikel enthalten. Man kann davon ausgehen, dass dies auftritt, da ein Teil des Wabensubstrat 2 und ein Teil der Elektrode 3 zu der Zeit des Brennens geschmolzen und miteinander verbunden werden, wenn sowohl das Wabensubstrat 2 als auch die Elektrode 3 Siliziumpartikel enthalten.
In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann zumindest eines von dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3 konfiguriert sein, um Oxid zu enthalten, das Silizium und Bor enthält (im Folgenden als Si/B enthaltendes Oxid bezeichnet). Gemäß dieser Konfiguration kann die Leitfähigkeit problemlos verbessert werden, da das Si/B enthaltende Oxid die Ausbildung eines leitfähigen Pfads mit Siliziumpartikeln ergänzen kann. Vorzugsweise können unter den Gesichtspunkten der Leitfähigkeit, der Widerstandstemperaturcharakteristiken und der Haltbarkeit das Wabensubstrat 2 und die Elektrode 3 Si/B enthaltendes Oxid enthalten. Das Si/B enthaltende Oxid kann so vorhanden sein, dass es die äußere Peripherie von aufeinanderfolgenden Siliziumpartikeln bedeckt.
Das Wabensubstrat 2 und die Elektrode 3 können ferner ein isolierendes Keramikmaterial enthalten. Beispiele für solche Keramikmaterialien sind Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumdioxid, geschmolzenes Siliziumdioxid und Cordierit. Eine oder zwei oder mehr von diesen können enthalten sein. Insbesondere kann vorzugsweise geschmolzenes Siliziumdioxid als das isolierende Keramikmaterial verwendet werden, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials niedrig sein kann und eine Wärmebelastung, die infolge der Temperaturverteilung in dem Element erzeugt wird, klein sein kann. Geschmolzenes Siliziumdioxid kann in zumindest einem von dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3 enthalten sein und ist vorzugsweise in dem Wabensubstrat 2 enthalten.
In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann die Elektrode 3 mit dem Wabensubstrat 2 verbunden sein oder mit dem Wabensubstrat 2 in einem gepressten Zustand in Kontakt gebracht sein. Vorzugsweise kann die Elektrode 3 mit dem Wabensubstrat 2 verbunden sein. In diesem Fall wird typischerweise problemlos eine Belastung erzeugt, da das Wabensubstrat 2 durch die Elektrode 3 gehalten wird. Jedoch kann das Vorsehen der Konfiguration, bei welcher der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode 3 höher als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats 2 ist, selbst in diesem Fall die Effekte, die vorher beschrieben wurden, hinreichend erzielen. Wenn die Elektrode 3 mit dem Wabensubstrat 2 verbunden ist, kann im Vergleich zu einem Fall, in welchem die Elektrode 3 nicht mit dem Wabensubstrat 2 verbunden ist, der Schnittstellenwiderstand bzw. Übergangswiderstand zwischen der Elektrode 3 und dem Wabensubstrat 2 problemlos niedrig werden, wobei dadurch die Wärmeerzeugung an dem Schnittstellenabschnitt problemlos unterdrückt werden kann.
Die Elektrode 3 kann direkt mit dem Wabensubstrat 2 verbunden sein oder eventuell über eine Verbindungsschicht (nicht gezeigt) mit dem Wabensubstrat 2 verbunden sein. Die Elektrode 3 kann entweder chemisch oder physikalisch mit dem Wabensubstrat 2 verbunden sein. Beispiele für chemische Verbindungen sind Verbindungen zwischen dem Wabensubstratmaterial und einem Elektrodenmaterial, die durch Sintern hergestellt sind, und Verbindungen, die durch ein Verbindungsmaterial, die mit einem Wabensubstratmaterial und einem Elektrodenmaterial gesintert werden können. Beispiele für physikalische Verbindungen sind Verbindungen, die durch ein Gemisch aus einem Klebstoff (Bonding) und einem elektrisch leitenden Material hergestellt sind.
In dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann, wie in 1 veranschaulicht, das Wabensubstrat 2 typischerweise Trennwände 22, die eine Vielzahl von Zellen 21 mit Trennwänden ausbilden, und eine periphere Wand 23, die die äußeren Peripherien der Trennwände 22 umgeben, enthalten. Die Zelle 21 ist ein Strömungspfad, durch welche ein Abgas F, das in 2 gezeigt ist, strömt. Beispielsweise veranschaulicht 1 ein Beispiel, in welchem die Trennwände 22 in einen Querschnitt orthogonal zu einer Gasströmungsrichtung G, die in 2 gezeigt ist, (im Folgenden auch vereinfacht als ein orthogonaler Querschnitt bezeichnet) die Vielzahl von quadratischen Zellen 21 mit Trennwänden ausbilden. D. h., dass die Trennwände 22 in 1 ein Gitter ausbilden. Die Trennwände 22 können konfiguriert sein, sodass sie die Vielzahl an Zellen 21, die eine bekannte Form aufweisen, mit Trennwänden ausbilden, beispielsweise eine Vielzahl von Zellen, die eine hexagonale Form aufweisen. In 1 sind die Trennwände 22 der Einfachheit halber durch Linien dargestellt, wobei die Wanddicke dergleichen nicht gezeigt ist.
1 veranschaulicht ein Beispiel, in welchem die periphere Wand 23 ein Paar von Seitenoberflächenteilen 231 und ein Paar von Elektrodenausbildungsoberflächenteilen 232 aufweist. Das Paar von Seitenoberflächenteilen 231 ist parallel zueinander angeordnet, wobei sie in einem Zustand sind, in welchem sie voneinander getrennt sind. Der Begriff parallel bedeutet hierin nicht ausdrücklich, dass das Paar von Seitenoberflächenteilen 231 geometrisch parallel zueinander ist, sondern bedeutet das das Paar von Seitenoberflächenteilen 231 als parallel zueinander angenommen werden kann. Das Paar von Elektrodenausbildungsoberflächenteilen 232 ist angeordnet, um einander in einem Zustand, in dem sie voneinander getrennt sind, zugewandt zu sein. Das Paar von Elektrodenausbildungsoberflächenteilen 232 verbindet Kanten auf gleichen Seiten des Paars von Seitenoberflächenteilen 231 miteinander. D. h., dass eines von dem Paar von Elektrodenausbildungsoberflächenteilen 232 die Kanten auf der ersten gleichen Seite des Paars von Seitenoberflächenteilen 231 miteinander verbindet und das andere des Paars von Elektrodenausbildungsoberflächenteilen 232 die Kanten auf der zweiten gleichen Seite, welche entgegengesetzt der ersten gleichen Seite ist, des Paars von Seitenoberflächenteilen 231 miteinander verbindet. Wie in 1 veranschaulicht, sind die Trennwände 22 insbesondere durch die periphere Wand 23 umgeben, an welcher die Kanten von einem der Oberflächenteile 231, einem der Elektrodenausbildungsoberflächenteile 232, dem anderen der Oberflächenteile 231 und dem anderen der Elektrodenausbildungsoberflächenteile 232 miteinander verbunden und integral durch die periphere Wand 23 gehalten sind. Die Querschnittsform des Wabensubstrats 2, die in 1 veranschaulicht ist, kann eine sogenannte Rennbahn-Form (Race Track Form) sein. Obwohl nicht gezeigt, kann die Querschnittsform des Wabensubstrats 2 beispielsweise eine Kreisform, eine elliptische Form oder eine rechteckige Form sein.
Das Paar von Elektroden 3 ist in 1 vorgesehen, um der Oberfläche der peripheren Wand 23 zugewandt zu sein. Insbesondere decken die Elektroden 3 jeweils die Oberflächen der Elektrodenausbildungsoberflächenteile 232 ab. Genauer ausgedrückt, ist jede von den Elektroden 3 ausgebildet, um beide Enden der Elektrodenausbildungsoberflächenteile 232 in dem orthogonalen Querschnitt zu erreichen. Die Elektroden 3 können ausgebildet sein, sodass sie nicht beide Enden der Elektrodenausbildungsoberflächenteile 232 erreichen.
Das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode kann konfiguriert sein, sodass es in einem Zustand, in welchem ein Paar von Elektrodenanschlüssen 4 elektrisch mit dem Paar von Elektroden 3 verbunden ist, elektrisch aufgeheizt wird. Wie in 1 veranschaulicht, kann das Paar von Elektrodenanschlüssen 4 entlang einer Mittellinie angeordnet sein, die zwischen den Mittelpunkten an entsprechenden Oberflächen des Paars von Elektrodenausbildungsoberflächenteile 232 hindurchläuft. Die Elektrodenanschlüsse 4 können mit den Elektroden 3 verbunden sein oder können nicht mit den Elektroden 3 verbunden sein.
Wie in 2 veranschaulicht, kann beispielsweise in einem Zustand, in welchem das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode einen Katalysator (Platin, Palladium, Rhodium und dergleichen) trägt, das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode für eine katalytische Vorrichtung mit elektrischem Heizer 9, die in einer Abgasleitung 91 vorgesehen ist, zum Reinigen des Abgases F, das in einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) erzeugt wird, angewendet werden. In 2 ist die Richtung des Pfeils G die Richtung einer Gasströmung in dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode. Insbesondere strömt das Abgas F von einer Endfläche auf der stromaufwärtigen Seite des Wabensubstrats 2 in die Zellen 21 ein und strömt in den Zellen 21 entlang der Strömungsrichtung G der Gasströmung, wobei das Gas danach von einer Endfläche auf der stromabwärtigen Seite des Wabensubstrats 2 abgeführt wird.
Insbesondere veranschaulicht 2 ein Beispiel, in welchem ein Gehäusezylinder 92 in der Mitte der Abgasleitung 91 befestigt und das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode in dem Gehäusezylinder 92 untergebracht ist. 2 veranschaulicht ein Beispiel, in welchem ein Halteelement 93 mit isolierenden Eigenschaften zwischen dem Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode und dem Gehäusezylinder 92 angeordnet ist. In 2 sind die Elektroden 3 des Wabensubstrats 1 mit einer Elektrode jeweils elektrisch mit den Elektrodenanschlüssen 4 verbunden. Das Anlegen einer Spannung zwischen dem Paar von Elektroden 3 über das Paar von Elektrodenanschlüssen 4 kann ermöglichen, dass das Wabensubstrat 2 elektrisch Wärme erzeugt. Obwohl 2 ein Beispiel der Konfiguration veranschaulicht, bei welcher elektrische Leistung von einer Leistungsversorgung 94, wie etwa einer Batterie, über eine Umschaltschaltung 95 und eine Unterbrechungsschaltung 96 zu dem Paar von Elektrodenanschlüssen 4 zugeführt wird, stellt dies keine Beschränkung dar. Das System zum Anlegen einer Spannung kann irgendein DC-System, AC-System, Puls-System und dergleichen sein.
(Erstes experimentelles Beispiel)
Ein Modell des Wabensubstrats 1 mit einer Elektrode mit einer Querschnittsform, die in 3 veranschaulicht ist, wurde verwendet, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode 3 hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrats 2 zu verändern, um in einer Simulation einen Wert der maximalen Belastung, die zu der Zeit der elektrischen Wärmeerzeugung erzeugt wird, zu berechnen. Die Bedingungen für die Simulation waren wie folgt. Insbesondere weist das Wabensubstrat 2 eine Form auf, bei welcher der Abstand zwischen den Elektrodenausbildungsoberflächenteilen 232 entlang der Mitte O des Substrats 104 mm beträgt, der Abstand zwischen den Seitenoberflächenteilen 231 über die Mitte O des Substrats 98 mm beträgt, die Tiefe des Substrats 60 mm beträgt, die Wanddicke der Trennwände 22 0,132 mm beträgt und die Breite der Zellen 21 1,14 mm beträgt. Zwei Enden der Elektroden 3 erreichen die Seitenoberflächenteile 231 und stehen von den Oberflächenlinien der Seitenoberflächenteile 231 in einem Zustand, in dem sie mit den Oberflächenlinien der Seitenoberflächenteile 231 ausgerichtet sind, nicht vor. Die Schichtdicke der Elektrode 3 war 1,0 mm. Das Verhältnis der Wärmekapazitäten zwischen dem Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3 war 20:1. Der elektrische Widerstand des Wabensubstrats war 10 Ω. Der elektrische Widerstand der Elektrode war 0,3 Ω. Als die maximale Belastung wurde ein Wert der maximalen Belastung verwendet, welche zu dem Zeitpunkt erzeugt wurde, bis zu welchem die elektrische Energie von 8 kW auf das Wabensubstrat 1 mit einer Elektrode über die Elektrodenanschlüsse 4 für 20 Sekunden eingebracht war.
4 veranschaulicht ein Ergebnis der vorherigen Simulation. In 4 gibt die horizontale Achse ein Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrats an und ist vereinfacht als „Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode/Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats“ dargestellt. Die vertikale Achse in 4 gibt ein Verhältnis der maximalen Belastung, die erzeugt wird, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrats verändert wird, zu der maximalen Belastung, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrat gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode ist, wobei dies vereinfacht als „Verhältnis erzeugter Belastung“ dargestellt ist.
Wie in 4 veranschaulicht, ist das Verhältnis Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode/Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrat höher als 1. D. h., dass dies so verstanden werden kann, dass wenn der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode höher als der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrats wird, das Verhältnis erzeugter Belastung niedriger wird. Durch dieses Ergebnis wurde gemäß dem Wabensubstrat mit einer Elektrode der vorliegenden Offenbarung bestätigt, dass die Wärmebelastung, welche durch die Differenz der Wärmeausdehnung infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Wabensubstrat und der Elektrode, die verursacht wird, wenn hauptsächlich das Wabensubstrat bei der Erregung aufgeheizt wird, erzeugt wird, verringert werden kann. Bei dem vorliegenden experimentellen Beispiel wird eine sogenannte Rennbahn-Form als die Querschnittsform des Wabensubstrats verwendet, um die Simulation auszuführen. Jedoch können ähnliche Ergebnisse erhalten werden, selbst wenn andere Querschnittsform, wie etwa eine elliptische Form und eine rechteckige Form, verwendet werden. Dies gilt ebenso für die Form der Elektrode.
(Zweites experimentelles Beispiel)
-Vorbereitung von Muster 1 bis Muster 3-
Si Pulver, Borsäurepulver und Kaolin-Pulver wurden im Massenverhältnis 60:4:36 kombiniert, wobei Wasser hinzugefügt und mit dieser Kombination gemischt wurde. Nachdem das erhaltene Gemisch geformt wurde, wurde das Gemisch als nächstes bei 1250 °C in einer Ar Gasatmosphäre unter Normaldruck gebrannt, um Grundkörper A mit einer Form von 30 mm * 50 mm * 5mm vorzubereiten. Bei dem vorliegenden Beispiel wird Kaolin als isolierendes Keramikmaterial-Pulver verwendet. Stattdessen kann Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumdioxid, geschmolzenes Siliziumdioxid, Cordierit oder dergleichen verwendet werden. Zusätzlich zu Wasser kann ein Bindemittel, wie etwa Methylcellulose, ein oberflächenaktives Mittel, ein Schmiermittel, wie etwa ein Pflanzenöl, ein Plastifizierungsmittel usw. hinzugefügt werden.
Grundkörper B, die Kohlenstoff enthalten, mit einer Form von 30 mm * 50 mm * 5mm wurden vorbereitet. Mit Ausnahme des Hinzufügens von Siliziumdioxid-Gel, welches Si Oxid und ein Zusatzmittel ist, als ein anorganisches Bindemittel wurden Grundkörper C auf die gleiche Weise wie bei der Vorbereitung der Grundkörper A vorbereitet.
Die Grundkörper A wurden in einem Bereich von 20mm * 35 mm miteinander in Kontakt gebracht und bei 1350 °C in einer Ar Gasatmosphäre bei Normaldruck gebrannt, um ein Testmuster des Musters 1, das durch Verbinden des Grundkörpers A (das Siliziumpartikel enthält und ein Substrat simuliert) zu einem weiteren Grundkörper A (der Siliziumpartikel enthält und eine Elektrode simuliert) konfiguriert ist, vorzubereiten. Der Grundkörper C (der Siliziumpartikel und Siliziumdioxid-Gel enthält und ein Substrat simuliert) und der Grundkörper B (der eine Kohlenstoff-Elektrode simuliert) wurden in einem Bereich von 20 mm * 35 mm miteinander kontaktiert und bei 1350 °C in einer Ar Gasatmosphäre bei Normaldruck gebrannt, um ein Testmuster des Musters 2, das durch Verbinden des Grundkörpers C zu dem Grundkörper B konfiguriert ist, vorzubereiten. Der Grundkörper A und der Grundkörper B wurden in einem Bereich von 20 mm * 35 mm miteinander kontaktiert und bei 1350 °C in einer Ar Gasatmosphäre bei Normaldruck gebrannt, um ein Testmuster des Musters 3, das durch Verbinden des Grundkörpers A (das Siliziumpartikel enthält und ein Substrat simuliert) mit dem Grundkörper B (das eine Kohlenstoff-Elektrode simuliert) konfiguriert ist, vorzubereiten.
Eine Kompressionslast wurde auf jedes der vorbereiteten Testmuster beaufschlagt, um eine Last, bei welcher eine Ablösung in einem Verbindungsteil verursacht wird, als eine Bruchlast aufzuzeichnen. Demzufolge war die Bruchlast des Testmusters des Musters 1 286 N, die Bruchlast des Testmusters des Musters 2 76 N und die Bruchlast des Testmusters des Musters 3 20 N. Durch dieses Ergebnis wurde bestätigt, dass, wenn sowohl das Wabensubstrat als auch die Elektrode Siliziumpartikel enthalten, die Verbindung zwischen dem Wabensubstrat und der Elektrode enger wird.
Zusätzlich ergab die Beobachtung des Querschnitts des Grundkörpers A des Musters 1 unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM), dass ein leitender Pfad aus einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Siliziumpartikeln in der isolierenden Keramik ausgebildet wurde. Gemäß dem Ergebnis einer EPMA Analyse wurde bestätigt, dass ein Oxid, das Silizium und Bor enthält, vorhanden ist, um die aufeinanderfolgenden Siliziumpartikel abzudecken. Es wird angenommen, dass dies vorliegt, da das aus den Siliziumpartikeln gewonnene Silizium mit dem aus der Borsäure gewonnen Bor und Sauerstoff reagiert.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorher beschriebenen Ausführungsformen und experimentellen Beispiele beschränkt und kann auf verschiedene Weisen innerhalb des Umfangs verändert werden, ohne vom Geiste vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung wurde basierend auf den Ausführungsformen beschrieben, wobei sie so verstanden werden soll, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen, die Strukturen und dergleichen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung enthält verschiedene modifizierte Beispiele und Modifikationen innerhalb eines Umfangs von Äquivalenten. Darüber hinaus umfassen eine Kategorie und ein Spektrum von Gedanken der vorliegenden Offenbarung verschiedene Kombinationen und Formen und andere Kombinationen und Formen, die nur ein Element, ein oder mehrere Elemente oder ein oder weniger Elemente davon umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019223867 [0001]

Claims

Wabensubstrat (1) mit einer Elektrode, wobei das Wabensubstrat aufweist: ein leitfähiges keramisches Wabensubstrat (2), das durch Erregung Wärme erzeugt; und ein Paar von Elektroden (3), das vorgesehen ist, einer äußeren Peripherie des Wabensubstrats zugewandt zu sein, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode höher als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabensubstrats ist.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß Anspruch 1, wobei ein Zusammenhang Q_h/C_h >Q_e/C_e eingerichtet ist, bei welchen ein Joule-Heizwert des Wabensubstrats pro Stunde zu der Zeit der Erregung Q_h ist, eine Heizkapazität des Wabensubstrats C_h ist, ein Joule-Heizwert der Elektrode pro Stunde zu der Zeit der Erregung Q_e ist und eine Heizkapazität der Elektrode 3 Ce ist.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabensubstrats und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrode in einem Bereich von 1:1,1 bis 1:3 liegt.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis zwischen einer Heizkapazität des Wabensubstrats und eine Heizkapazität der Elektrode in einem Bereich von 10:1 bis 300:1 liegt.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Wabensubstrat ein Siliziumpartikel enthält.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrode ein Siliziumpartikel enthält.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sowohl das Wabensubstrat als auch die Elektrode ein Siliziumpartikel enthalten.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zumindest eines von dem Wabensubstrat und der Elektrode ein Oxid, das Silizium und Bor enthält, enthält.
Wabensubstrat mit einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Elektrode mit dem Wabensubstrat verbunden ist.