JP2019162612A5

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Publication number: JP2019162612A5
Application number: JP2019005519A
Authority: JP
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2021-05-13
Anticipated expiration: 2039-01-16

Description

以下、図面を参照しつつ、本発明の流体加熱部品、流体加熱部品の製造方法、及び流体加熱部品複合体の実施の形態について説明する。なお、本発明の流体加熱部品、流体加熱部品の製造方法、及び流体加熱部品複合体は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良等を加え得るものである。

なお、多孔質体（ハニカム構造体２等）の気孔率は、その使用用途に応じて適宜大きな気孔率のものを選択することもできる。例えば、ハニカム構造体２を自動車用の触媒担体や排ガス浄化フィルタとして用いる場合は、所定のセラミックスを主成分とし、気孔率を３０〜６０％とするのが好ましい。３０％未満の気孔率であると、触媒を効率的に担持できなくなり、また、フィルタとしての機能を低下させるため、好ましくない。また、６０％超の気孔率であると、強度が十分でなく、耐久性が低下するため好ましくない。

ここで、コージェライトを主成分として多孔質体を形成する場合、熱膨張率は０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、２ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。なお、熱膨張率の測定方法としては、たとえば、流体Ｆの流通方向に沿った１０ｍｍ以上の長さを有する試験片であって、この流通方向に直交する方向を含む断面の面積が１ｍｍ^２以上、１００ｍｍ^２以下である試験片を多孔質体から切り出し、この試験片の流通方向の熱膨張率を、石英を標準比較サンプルとする示差式の熱膨張計により測定する方法を採用することができる。

導電性皮膜層４及び導電性孔部皮膜層７（以下、「導電性皮膜層４等」と称す。）は、ハニカム構造体２のセル３のセル表面３ａまたは隔壁６の孔部に対し、例えば、めっき法、真空蒸着法、メタライジング法、ＣＶＤ法（化学気相蒸着法）法等の周知の方法により形成することが可能である。皮膜層厚さを均一にし、欠陥のない導電性皮膜層４等を形成するために、めっき法或いはＣＶＤ法を採用するものが好ましい。これらの方法は、既に周知のものであり、かつ、低コストで形成が可能な点で実施できるメリットも備えている。

アルミナやシリカを主成分とする接着材料を用いる場合においては、スラリーをセル内に流し込む工程はハニカム成形体の乾燥の段階で行っても良い。この場合は、スラリーをセル内に流し込んだ後、その表面層形成前のハニカム構造体を乾燥した後、ハニカム構造体の焼成工程において、表面層形成粒子が接着材料に固定し表面層を形成する工程が同時に行われる。

３．流体加熱部品複合体
上記のように構成された本発明の流体加熱部品を複数組み合わせることで一体的に構築された流体加熱部品複合体３０ａ，３０ｂを形成することができる。ここで、図１０は流体加熱部品複合体３０ａの構築前の状態を示す分解斜視図であり、図１１は図１０の流体加熱部品複合体３０ａの構築後の概略構成を示す斜視図であり、図１２は別例構成の流体加熱部品複合体３０ｂの構築前の状態を示す分解斜視図であり、図１３は図１２の流体加熱部品複合体３０ｂの構築後の概略構成を示す斜視図である。

実施例４〜６については、コージェライトハニカム構造体を用いた。このコージェライトハニカム構造体は、ハニカム構造体のセル表面に対し、通気性を有する表面層を形成し、その上に導電性被膜層を被膜する多層構造を形成した。ここで、表面層は、表面層形成粒子としてのシリカ、アルミナ、マグネシア等の酸化物粒子と、結合剤（ガラス）とを含むスラリーを塗膜乾燥し、所定の熱処理を実施して、形成した。表面層の厚さは、いずれもセル表面にておよそ３０μｍとなるように調整した。表面層形成粒子として、実施例４ではシリカ、実施例５ではアルミナ、実施例６ではマグネシアを用いた。

一方、比較例４，５では、導電性皮膜層の形成は行っていない以外は、実施例４〜６と同様に表面層を形成したコージェライトハニカム構造体を作成した。また、比較例６、７は、実施例４〜６と同様に表面層を形成したコージェライトハニカム構造体を作成し、以下のようにして導電性皮膜層を形成した。図１７と同様の配置で、流体の流通方向に流路（セル）に対し断続的に導電性被膜層を形成した。この比較例６、７の導電性被膜層は、流体の流通方向に直交する流路（セル）の切断面において、電気的に接続されていない状態で、流路の切断面のセルのセル表面を被設しているものである。

（６）実験条件２
上記（１）によって得られたコージェライトハニカム構造体に対し、高周波電源装置１０１における誘導加熱出力（ｋＷ）を約４ｋＷとなる様に高周波電流の出力を１０％〜１００％の間で調整し、かつ周波数を３０、８０、３６０ｋＨｚの３種類の条件に変更して、上記（４）に示した手法でサーモカメラ１０７によって加熱速度を測定した。加熱速度については、実験条件１と同様に、高周波電流の出力を開始してから、ハニカム構造体１０６の測定温度が３００℃に到達するまでの到達時間を測定し、これを“経過時間”とした。なお、３００℃に達するまでの時間が６０ｓ以上の場合や、昇温が途中で止まる場合には、その時点における到達温度及び経過時間を記録した。上記（３）〜（６）の試験結果をまとめたものを下記表１、２に示す。

（７）まとめ
実験条件１については、表１に示されるように、本願発明の要件を満たす実施例１〜３は、ＳｉＣハニカム構造体の誘導加熱試験において、加熱開始からの経過時間がいずれも３０ｓ以内で３００℃まで到達することができる。特に、実施例３では、９ｓで３００℃まで到達することができる。なお、表１において特に示していないが、誘導加熱試験後の流体加熱部品、特にハニカム構造体に割れが生じる等の不具合が発生することがなかった。そのため、排ガス浄化用触媒の加熱システムの一部として使用されることにより、エンジン始動直後から触媒を活性化させることができ、燃費の改善に大きな効果を奏することが期待される。

なお、実施例１〜３の流体加熱部品においては、ハニカム構造体（多孔質体）のセル表面に形成される導電性皮膜層の金属種類（Ｎｉ−Ｐ、またはＮｉ−Ｂ）によって特に大きな有意性は認められず、本願発明の規定した範囲であれば良好な結果を得ることが確認された。

一方、導電性皮膜層を有しない流体加熱部品（比較例１，２）の場合、導電性を有するＳｉＣハニカム基材を用いても、誘導加熱試験の加熱開始からの経過時間が６０ｓを経過してようやく３００℃まで昇温するものや、或いは３００ｓを経過しても５０℃程度に留まることが確認された。また、比較例３の様な断続的な導電性皮膜層の場合、有効な加熱効率を発揮することができず、３００ｓを経過しても１００℃程度に留まることが確認された。すなわち、比較例１〜３との比較から本願発明における導電性皮膜層の存在が、必須であることが示された。特に、基材（ＳｉＣ）の気孔率が高い場合、その傾向が特に顕著に示されている。そのため、本願発明の要件を満たさない流体加熱部品は、速やかな加熱や昇温ができないことが示された。したがって、燃費改善のための加熱システムに採用することが困難であることが確認された。

実験条件２については、コージェライトハニカム基材を用いた誘導加熱試験において、表２に示されるように、電気的に接続された導電性皮膜層を有する実施例４〜６は、実験条件１と比べて１０倍以上の容積があるにも関わらず、加熱開始からの経過時間がいずれも６０ｓ以内で３００℃まで到達することが確認された。特に、実施例６では、３５ｓで３００℃まで到達することができる。なお、表２において特に示していないが、誘導加熱試験後の流体加熱部品、特にハニカム構造体に割れが生じる等の不具合が発生することがなかった。そのため、排ガス浄化用触媒の加熱システムの一部として使用されることにより、エンジン始動直後から触媒を活性化させることができ、燃費の改善に大きな効果を奏することが期待される。

一方、導電性皮膜層を有さない流体加熱部品（比較例４、５）の場合、誘導加熱試験の加熱開始からの経過時間が３００ｓを経過して温度変化は見られなかった。また、比較例６，７の様な断続的な導電性皮膜層の場合、有効な加熱効率を発揮することができず、３００ｓを経過しても２５０℃以下に留まることが確認された。なお、実施例４〜６の流体加熱部品においては、誘導加熱条件の周波数によって加熱速度が変化しており、周波数が高いほど加熱速度が大きくなり、効率的に加熱できる結果が明らかであるが、比較例４〜６においては、周波数を上げても、３００℃に到達できなかった。すなわち、導電性皮膜層の存在が誘導加熱に有効であることが確認された。また、連続的な導電性被膜層が存在することで、誘導加熱装置の周波数を下げることが可能であると確認された。

Claims

流体の流通する流路が形成されたセラミックス製の多孔質体と、
前記多孔質体の前記流路の少なくとも一部の流路表面に被設された導電性皮膜層と
を具備し、
前記導電性皮膜層は、
電気的に接続され、かつ連続したものである流体加熱部品。
前記多孔質体の孔部の表面に被設された導電性孔部皮膜層を更に具備し、
前記導電性皮膜層は、
前記導電性孔部皮膜層と電気的に接続され、かつ連続したものである請求項１に記載の流体加熱部品。
前記導電性皮膜層及び前記導電性孔部皮膜層の少なくとも一方は、
前記流体の流通方向に直交する前記流路の切断面において、少なくとも一部が環状に連続した状態で形成されている請求項２に記載の流体加熱部品。
前記流体の流通方向に直交する前記流体の切断面において、
前記導電性皮膜層は、
少なくとも一部の流路において環状に連続した状態で形成されている請求項１に記載の流体加熱部品。
前記多孔質体は、
一方の端面から他方の端面まで延びる前記流路として形成された複数のセルを区画形成する隔壁を備えたハニカム構造体である請求項１〜４のいずれか一項に記載の流体加熱部品。
前記多孔質体は、
気孔率が０．１％〜６０％の範囲である請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体加熱部品。
前記多孔質体は、
炭化珪素、コージェライト、珪素−炭化珪素系複合材料、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材料、リチウムアルミニウムシリケート、及びチタン酸アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムから選択される少なくとも１つ以上のセラミックスを主成分とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体加熱部品。
前記多孔質体は、
熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲である請求項１〜７のいずれか一項に記載の流体加熱部品。
前記多孔質体は、
炭化珪素を主成分とするセラミックスであり、電気抵抗率が０．０１Ωｃｍ〜１０Ωｃｍである請求項１〜８のいずれか一項に記載の流体加熱部品。
前記導電性皮膜層は、層構造を呈し、前記多孔質体の前記表面と接する無電解めっき層と、前記無電解めっき層の上に積層された少なくとも一層以上の誘導加熱層とを備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の流体加熱部品。
前記導電性皮膜層は、
皮膜層厚さが０．１μｍ〜５００μｍの範囲である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の流体加熱部品。
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の流体加熱部品の製造方法であって、
セラミックス製の多孔質体に形成された流体の流路に沿って導電性皮膜層及び導電性孔部皮膜層の成分を含む気体または液体の原料流体を流通させ、前記流路の表面に前記導電性皮膜層を、及び／または、前記多孔質体の内部の孔部に電気的に接続され、かつ連続した導電性孔部皮膜層を形成する原料流体流通工程を具備する流体加熱部品の製造方法。
前記多孔質体は、
一方の端面から他方の端面まで延びる、前記流体の前記流路として形成される複数のセルを区画形成する隔壁を備えたハニカム構造体であって、
前記ハニカム構造体の前記一方の端面を所定の配設基準に従って目封止するとともに、前記他方の端面の残余のセルを目封止する目封止工程を更に具備し、
前記原料流体流通工程は、
前記目封止工程によって目封止部が形成された前記ハニカム構造体の内部に前記原料流体を流通させ、前記導電性皮膜層及び／または前記導電性孔部皮膜層を形成する請求項１２に記載の流体加熱部品の製造方法。
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の流体加熱部品を用いて形成され、
複数の角柱状の前記流体加熱部品を用いて一体的に構築され、若しくは、少なくとも一つ以上の角柱状の前記流体加熱部品、及び、流体の流通する流路が形成された、一または複数の角柱状のセラミックス製の多孔質体を用いて一体的に構築された流体加熱部品複合体。