JP2022135885A - Honeycomb structure, electrically heated carrier, and exhaust gas purification device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハニカム構造体、電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a honeycomb structure, an electrically heated carrier, and an exhaust gas purification device.
下記の特許文献1では、電気加熱式担体としてハニカム構造体を用いることが提案されている。ハニカム構造体は、複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁と外周壁とを有する筒状のハニカム構造部と、ハニカム構造部の側面に配設された一対の電極部とを備え、触媒担体であるとともに、電圧を印加することによりヒーターとしても機能するように構成されている。隔壁及び外周壁は珪素-炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分としており、電極部は炭化珪素粒子及び珪素を主成分としている。 Patent Document 1 below proposes the use of a honeycomb structure as an electrically heated carrier. A honeycomb structure includes a tubular honeycomb structure body having porous partition walls and an outer peripheral wall that partition and form a plurality of cells, and a pair of electrode parts disposed on side surfaces of the honeycomb structure body, and a catalyst carrier. In addition, it is configured to function as a heater by applying a voltage. The partition wall and the outer peripheral wall are mainly composed of a silicon-silicon carbide composite material or silicon carbide, and the electrode part is mainly composed of silicon carbide particles and silicon.
例えば、下記の特許文献2等に示されているように、炭化珪素は、温度が高くなるにつれて電気抵抗が小さくなる特性(NTC特性)を有することが知られている。特許文献1に開示されたハニカム構造体は、ハニカム構造部及び電極部に炭化珪素を含んでおり、NTC特性を有する。 For example, as shown in Patent Literature 2 below, etc., silicon carbide is known to have a characteristic (NTC characteristic) that electrical resistance decreases as temperature increases. The honeycomb structure disclosed in Patent Document 1 contains silicon carbide in the honeycomb structure portion and the electrode portion, and has NTC characteristics.
電圧を印加することによりヒーターとして機能する電気加熱式担体において、温度変化により電気抵抗が変動することは、電気加熱式担体の温度制御の観点から好ましくない。一方、温度変化による電気抵抗変動が小さければ、温度制御のために印加する電圧及び電流の制御がしやすくなる。また、電気加熱式担体の温度が上昇した際の電気抵抗の低下が大きい場合、電流が流れやすくなり、電気加熱式担体が急激に温度上昇する虞がある。特に、NTC特性を有するハニカム構造部を用いると、ハニカム構造体の温度が上昇すると、電気抵抗が低下することから、部分的に過剰に電流が流れ、急激に温度上昇する虞がある。 In an electrically heated carrier that functions as a heater by applying a voltage, it is not preferable from the viewpoint of temperature control of the electrically heated carrier that the electrical resistance fluctuates due to temperature changes. On the other hand, if the electrical resistance fluctuation due to temperature change is small, it becomes easier to control the voltage and current applied for temperature control. In addition, when the electrical resistance of the electrically heated carrier is greatly lowered when the temperature of the electrically heated carrier rises, the electric current tends to flow, and the temperature of the electrically heated carrier may rise rapidly. In particular, when a honeycomb structure having NTC characteristics is used, an increase in the temperature of the honeycomb structure causes a decrease in electrical resistance, which may result in a partial excessive current flow and a rapid temperature rise.
本発明は、以上の問題を勘案してなされたものであり、温度上昇時の電気抵抗の低下を小さくでき、経時的に電力を一定に印加しやすく、急激な温度上昇を抑制できるハニカム構造体、電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a honeycomb structure that can reduce the decrease in electrical resistance when the temperature rises, can easily apply electric power uniformly over time, and can suppress a rapid temperature rise. , to provide an electrically heated carrier and an exhaust gas purifier.
本発明に係るハニカム構造体は、外周壁と、外周壁の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで延びる流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁とを有するハニカム構造部と、ハニカム構造部の外周壁の表面に、ハニカム構造部の中心軸を挟んで対向するように設けられた一対の電極層と、を備え、ハニカム構造部がNTC特性を有するセラミックスで構成され、電極層がPTC特性を有する材質で構成されている。 A honeycomb structure according to the present invention is a honeycomb structure part having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and partitioning and forming a plurality of cells forming a flow path extending from one end face to the other end face. and a pair of electrode layers provided on the surface of the outer peripheral wall of the honeycomb structure so as to face each other across the central axis of the honeycomb structure, wherein the honeycomb structure is made of ceramics having NTC characteristics, The electrode layer is made of a material having PTC characteristics.
本発明に係る電気加熱式担体は、上述のハニカム構造体と、ハニカム構造体の電極層上に電気的に接続する電極端子とを有する。 An electrically heated carrier according to the present invention comprises the honeycomb structure described above and electrode terminals electrically connected to the electrode layers of the honeycomb structure.
本発明に係る排気ガス浄化装置は、上述の電気加熱式担体と、電気加熱式担体を保持する缶体とを有する。 An exhaust gas purifier according to the present invention has the above-described electrically heated carrier and a can holding the electrically heated carrier.
本発明のハニカム構造体、電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置によれば、ハニカム構造部がNTC特性を有するセラミックスで構成され、電極層がPTC特性を有する材質で構成されているので、温度上昇時の電気抵抗の低下を小さくでき、経時的に電力を一定に印加しやすく、急激な温度上昇を抑制できる。 According to the honeycomb structure, the electrically heated carrier, and the exhaust gas purifying device of the present invention, the honeycomb structure is made of ceramics having NTC properties, and the electrode layers are made of material having PTC properties. It is possible to reduce the decrease in electrical resistance over time, making it easier to apply a constant power over time and suppressing a rapid temperature rise.
以下、図面を参照して、本発明のハニカム構造体、電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置の実施の形態について説明するが、本発明は、これに限定されて解釈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、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。 Embodiments of a honeycomb structure, an electrically heated carrier, and an exhaust gas purifier according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Various changes, modifications and improvements can be made based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
<ハニカム構造体及び電気加熱式担体>
図1は、本発明の実施形態におけるハニカム構造体20の外観模式図を示すものである。図2は、本発明の実施形態における電気加熱式担体30のハニカム構造部10上に設けられた電極層14a、14b、及び、電極層14a、14b上に設けられた電極端子15a、15bの、セル16の延伸方向に垂直な断面模式図を示すものである。
<Honeycomb structure and electrically heated carrier>
FIG. 1 shows a schematic external view of a
(1.ハニカム構造体)
ハニカム構造体20は、ハニカム構造部10及び一対の電極層14a、14bを備える。ハニカム構造部10は、セラミックス製の柱状の部材であり、外周壁12と、外周壁12の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで延びる流路を形成する複数のセル16を区画形成する隔壁13とを有している。柱状とは、セル16の延伸方向(ハニカム構造部10の軸方向)に厚みを有する立体形状と理解できる。ハニカム構造部10の軸方向長さとハニカム構造部10の端面の直径又は幅との比(アスペクト比)は任意である。柱状には、ハニカム構造部10の軸方向長さが端面の直径又は幅よりも短い形状(偏平形状)も含まれていてよい。
(1. Honeycomb structure)
The
ハニカム構造部10の外形は柱状である限り特に限定されず、例えば、端面が円形の柱状(円柱形状)、端面がオーバル形状の柱状、端面が多角形(四角形、五角形、六角形、七角形、八角形等)の柱状等の他の形状とすることができる。また、ハニカム構造部10の大きさは、耐熱性を高める(外周壁の周方向に入るクラックを抑制する)という理由により、端面の面積が2000~20000mm2であることが好ましく、5000~15000mm2であることが更に好ましい。
The outer shape of the
セル16の延伸方向に垂直な断面におけるセルの形状に制限はないが、四角形、六角形、八角形、又はこれらの組み合わせであることが好ましい。これらのなかでも、ハニカム構造部10を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が小さくなり、触媒の浄化性能が優れたものにできる、四角形及び六角形がより好ましい。触媒の浄化性能がより優れたものにできるという観点から、六角形が更により好ましい。
Although the shape of the cells in the cross section perpendicular to the extending direction of the
セル16を区画形成する隔壁13の厚みは、0.1~0.3mmであることが好ましく、0.1~0.2mmであることがより好ましい。隔壁13の厚みが0.1mm以上であることで、ハニカム構造部10の強度が低下するのを抑制可能である。隔壁13の厚みが0.3mm以下であることで、ハニカム構造部10を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が大きくなるのを抑制できる。本発明において、隔壁13の厚みは、セル16の延伸方向に垂直な断面において、隣接するセル16の重心同士を結ぶ線分のうち、隔壁13を通過する部分の長さとして定義される。
The thickness of the
ハニカム構造部10は、セル16の延伸方向に垂直な断面において、セル密度が40~150セル/cm2であることが好ましく、70~100セル/cm2であることが更に好ましい。セル密度をこのような範囲にすることにより、排気ガスを流したときの圧力損失を小さくした状態で、触媒の浄化性能を高くすることができる。セル密度が40セル/cm2以上であると、触媒担持面積が十分に確保される。セル密度が150セル/cm2以下であるとハニカム構造部10を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が大きくなるのを抑制できる。セル密度は、外周壁12部分を除くハニカム構造部10の一つの端面部分の面積でセル数を除して得られる値である。
The
ハニカム構造部10に外周壁12を設けることは、ハニカム構造部10の構造強度を確保し、また、セル16を流れる流体が外周壁12から漏洩するのを抑制する観点で有用である。具体的には、外周壁12の厚みは好ましくは0.05mm以上であり、より好ましくは0.10mm以上、更により好ましくは0.15mm以上である。但し、外周壁12を厚くしすぎると高強度になりすぎてしまい、隔壁13との強度バランスが崩れて耐熱衝撃性が低下することから、外周壁12の厚みは好ましくは1.0mm以下であり、より好ましくは0.7mm以下であり、更により好ましくは0.5mm以下である。ここで、外周壁12の厚みは、厚みを測定しようとする外周壁12の箇所をセルの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、当該測定箇所における外周壁12の接線に対する法線方向の厚みとして定義される。
Providing the outer
ハニカム構造部10は、導電性を有する。ハニカム構造部10は、通電してジュール熱により発熱可能である限り、体積抵抗率については特に制限はないが、0.1~200Ω・cmであることが好ましく、1~200Ω・cmがより好ましい。本発明において、ハニカム構造部10の体積抵抗率は、四端子法により25℃で測定した値とする。
The
ハニカム構造部10は、NTC特性(温度が高くなるにつれて電気抵抗が小さくなる特性)を有するセラミックスで構成されている。NTC特性を有するとは、例えば、後述のハニカム構造部の電気抵抗上昇率が負の値を示すことなどが挙げられる。ハニカム構造部10の材質としては、限定的ではないが、炭化珪素、窒化珪素及び窒化アルミ等の非酸化物系セラミックスから選択することができる。また、炭化珪素-金属珪素複合材や炭化珪素/グラファイト複合材等を用いることもできる。これらの中でも、耐熱性と導電性の両立の観点から、ハニカム構造部10の材質は、珪素-炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とするセラミックスを含有していることが好ましい。ハニカム構造部10の材質が、珪素-炭化珪素複合材を主成分とするものであるというときは、ハニカム構造部10が、珪素-炭化珪素複合材(合計質量)を、全体の90質量%以上含有していることを意味する。ここで、珪素-炭化珪素複合材は、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものであり、複数の炭化珪素粒子が、炭化珪素粒子間に細孔を形成するようにして、珪素によって結合されていることが好ましい。ハニカム構造部10の材質が、炭化珪素を主成分とするものであるというときは、ハニカム構造部10が、炭化珪素(合計質量)を、全体の90質量%以上含有していることを意味する。
The
ハニカム構造部10の電気抵抗上昇率が-80~-10%であるのが好ましい。ハニカム構造部10の電気抵抗上昇率は、四端子法により、50℃及び500℃での2点の体積抵抗率(Ω・cm)を測定し、500℃の体積抵抗率から50℃の体積抵抗率を引き算して導出した値を50℃の体積抵抗率で除算して、100を乗算することにより求めることができる。電気抵抗上昇率が-80%以上であると通電加熱時の電気抵抗変化を小さくすることができ、通電時に経時的に電力を一定に印加しやすくすることができる。ハニカム構造部10の電気抵抗上昇率が-10%以下であると、ハニカム構造部10がNTC特性を示し、ハニカム構造部10に珪素-炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とするセラミックスを使用することができる。ハニカム構造部10の電気抵抗上昇率が-70~-20%であるのがより好ましく、-70~-30%であるのが更により好ましい。
The
ハニカム構造部10の気孔率が電極層14a、14bの気孔率より高いことが好ましい。気孔率がこの関係を満たすと、ハニカム構造体20を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、気孔率の高いハニカム構造部10に触媒が担持されやすく、気孔率の低い電極層14a、14bに触媒が担持されにくい。その結果、排気ガスが通過するハニカム構造部10に触媒を効率的に担持することができ、触媒の浄化性能が優れたものとなりやすい。ハニカム構造部10の気孔率は、35~60%であることが好ましく、35~45%であることがより好ましい。気孔率は、水銀ポロシメータにより測定した値である。
It is preferable that the porosity of the
ハニカム構造部10の熱膨張係数は、4.0~4.75ppm/Kであることが好ましく、4.0~4.6ppm/Kであることがより好ましい。熱膨張係数は、JIS R1618:2002に準拠した方法により測定される40~800℃の線熱膨張係数を指す。熱膨張計としては、BrukerAXS社製の「TD5000S(商品名)」を用いることができる。
The
(2.電極層)
ハニカム構造体20には、外周壁12の表面に、ハニカム構造部10の中心軸を挟んで対向するように、一対の電極層14a、14bが設けられている。電極層14a、14bは、PTC特性(温度が高くなるにつれて電気抵抗が上昇する特性)を有する材質で構成されている。PTC特性を有するとは、例えば、後述の電極層の電気抵抗上昇率が正の値を示すことなどが挙げられる。
(2. Electrode layer)
A pair of
本発明の実施形態におけるハニカム構造体20及び電気加熱式担体30は、ハニカム構造部10がNTC特性を有するセラミックスで構成され、電極層14a、14bがPTC特性を有する材質で構成されているため、ハニカム構造部10と電極層14a、14bとの電気抵抗を制御して電気加熱式担体全体の電気抵抗のバランスを制御することが可能となり、経時的に一定の電力を電気加熱式担体に印加しやすいハニカム構造体20及び電気加熱式担体30を得ることができる。
In the
電極層14a、14bの熱膨張係数がハニカム構造部10の熱膨張係数より大きいことが好ましい。熱膨張係数がこの関係を満たすと、電極層14a、14b上に電極端子15a、15bを配設し、電気加熱式担体30とする場合に、電極層14a、14bと電極端子15a、15bの熱膨張係数の差が小さくなり、耐熱衝撃性に優れる電気加熱式担体30となる。電極層14a、14bの熱膨張係数は、4.5~10ppm/Kであることが好ましく、4.5~7ppm/Kであることがより好ましい。電極層14a、14bの熱膨張係数は、上述のハニカム構造部10の熱膨張係数の測定方法と同様の方法で測定できる。
It is preferable that the coefficient of thermal expansion of the electrode layers 14 a and 14 b is larger than the coefficient of thermal expansion of the
電極層14a、14bの電気抵抗上昇率が2~40%であるのが好ましい。電極層14a、14bの電気抵抗上昇率は、上述のハニカム構造部10の電気抵抗上昇率と同様に、四端子法により、50℃及び500℃での2点の体積抵抗率(Ω・cm)を測定し、500℃の体積抵抗率から50℃の体積抵抗率を引き算して導出した値を50℃の体積抵抗率で除算して、100を乗算することにより求めることができる。電気抵抗上昇率が2%以上であると、電極層14a、14bの通電加熱時の電気抵抗がPTC特性により大きくなり、ハニカム構造部10のNTC特性による通電加熱時の電気抵抗低下分を補い、経時的に電力を一定に印加しやすくすることができる。電極層14a、14bの電気抵抗上昇率が40%以下であると、通電加熱時の電極層14a、14bの抵抗上昇によるジュール発熱を小さくすることができる。電極層14a、14bの電気抵抗上昇率が5~35%であるのがより好ましく、10~30%であるのが更により好ましい。
It is preferable that the electrode layers 14a and 14b have an electrical resistance increase rate of 2 to 40%. The electrical resistance increase rate of the electrode layers 14a and 14b is determined by the four-terminal method, similarly to the electrical resistance increase rate of the
電極層14a、14bの材質としては、金属、又は金属化合物と、酸化物セラミックスと、の混合物とすることができる。金属は、単体金属又は合金のいずれでもよく、シリコン、アルミニウム、鉄、ステンレス、チタン、タングステン、Ni-Cr合金等が挙げられる。金属化合物としては、酸化物セラミックス以外の物であって、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属珪化物、金属ほう化物、複合酸化物等が挙げられる。金属又は金属化合物は、単独一種でもよく、二種以上を併用することもできる。酸化物セラミックスとしては、ガラス、コージェライト、ムライト等が挙げられる。酸化物セラミックスは、単独一種でもよく、二種以上を併用することもできる。これらの中でも、少なくともステンレスとガラスとを含む混合物が、電気抵抗が調整しやすく、耐久性により優れる点でより好ましい。 The material of the electrode layers 14a and 14b can be a mixture of a metal or a metal compound and oxide ceramics. The metal may be either a single metal or an alloy, and includes silicon, aluminum, iron, stainless steel, titanium, tungsten, Ni--Cr alloys, and the like. Examples of metal compounds include materials other than oxide ceramics, such as metal oxides, metal nitrides, metal carbides, metal silicides, metal borides, and composite oxides. The metal or metal compound may be used singly or in combination of two or more. Examples of oxide ceramics include glass, cordierite, and mullite. The oxide ceramics may be used singly or in combination of two or more. Among these, a mixture containing at least stainless steel and glass is more preferable because the electrical resistance is easily adjusted and the durability is superior.
電極層14a、14bの材質としては、カーボンとセラミックスとの混合物とすることもできる。セラミックスとしては、ガラス、コージェライト、ムライト、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア等が挙げられる。セラミックスは、単独一種でもよく、二種以上を併用することもできる。 The electrode layers 14a and 14b may be made of a mixture of carbon and ceramics. Examples of ceramics include glass, cordierite, mullite, silicon carbide, silicon nitride, and zirconia. Ceramics may be used singly or in combination of two or more.
電極層14a、14bの形成領域に特段の制約はないが、ハニカム構造部10の均一発熱性を高めるという観点からは、各電極層14a、14bは外周壁12の外面上で外周壁12の周方向及びセルの延伸方向に帯状に延設することが好ましい。具体的には、各電極層14a、14bは、ハニカム構造部10の両端面間の80%以上の長さに亘って、好ましくは90%以上の長さに亘って、より好ましくは全長に亘って延びていることが、電極層14a、14bの軸方向へ電流が広がりやすいという観点から望ましい。このように一対の電極層14a、14bが帯状に形成されることにより、急激な温度上昇をより抑制しやすい。その理由としては、NTC特性を有するハニカム構造部10の一部において電気抵抗が低下し、その一部が局所的に温度上昇すると、そのハニカム構造部10の一部の領域に近い電極層14a、14bの一部が温度上昇し、電気抵抗が上昇すると推測される。これにより、電気抵抗が上昇した一部の電極層14a、14b以外の電極層14a、14bに電流が流れ、その後、ハニカム構造部10へと電流が流れるため、ハニカム構造部10全体として温度が均一化されると考えられる。
Although there are no particular restrictions on the regions where the electrode layers 14a and 14b are formed, from the viewpoint of improving the uniform heat generation property of the
各電極層14a、14bの厚みは、0.01~5mmであることが好ましく、0.01~3mmであることが更に好ましい。このような範囲とすることにより均一発熱性を高めることができる。各電極層14a、14bの厚みが0.01mm以上であると、電気抵抗が適切に制御され、より均一に発熱させることができる。5mm以下であると、キャニング時に破損する虞が低減される。各電極層14a、14bの厚みは、厚みを測定しようとする電極層14a、14bの箇所をセルの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、各電極層14a、14bの外面の当該測定箇所における接線に対する法線方向の厚みとして定義される。
The thickness of each
(3.電極端子)
電極端子15a、15bは、柱状に形成されていてもよいし、櫛歯状に複数に分岐し、その分岐したそれぞれにおいて、電極層14a、14bと接続する接触点を有するように形成されていてもよい。電極端子15a、15bは、電極層14a、14b上に配設され、電気的に接合されている。これにより、電極端子15a、15bに電圧を印加すると通電してジュール熱によりハニカム構造部10を発熱させることが可能である。このため、ハニカム構造部10はヒーターとしても好適に用いることができる。印加する電圧は12~900Vが好ましく、48~600Vが更に好ましいが、印加する電圧は適宜変更可能である。
(3. Electrode terminal)
The
電極端子15a、15bの材質は、金属であってよい。金属としては、単体金属及び合金等を採用することもできるが、耐食性、体積抵抗率及び線膨張率の観点から例えば、Cr、Fe、Co、Ni及びTiよりなる群から選択される少なくとも一種を含む合金とすることが好ましく、ステンレス鋼及びFe-Ni合金がより好ましい。電極端子15a、15bの形状及び大きさは、特に限定されず、電気加熱式担体の大きさや通電性能等に応じて、適宜設計することができる。
The material of the
電極端子15a、15bは、セラミックスで構成されてもよい。セラミックスとしては、限定的ではないが、炭化珪素(SiC)が挙げられ、珪化タンタル(TaSi2)及び珪化クロム(CrSi2)等の金属珪化物等の金属化合物が挙げられ、更には、一種以上の金属を含む複合材(サーメット)を挙げることができる。サーメットの具体例としては、シリコンと炭化珪素との複合材、珪化タンタルや珪化クロム等の金属珪化物と金属珪素と炭化珪素との複合材、更には上記の一種又は二種以上の金属に熱膨張低減の観点から、アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素及び窒化アルミ等の絶縁性セラミックスを一種又は二種以上添加した複合材が挙げられる。電極端子15a、15bの材質は、電極層の材質と同質のものを用いてもよい。
The
また、電極端子15a、15bがセラミックス製の端子である場合、その先端に金属端子がそれぞれ接合されていてもよい。セラミックス製の端子と金属端子との接合は、かしめ加工、溶接、導電性接着剤等により行うことができる。金属端子の材質としては、鉄合金やニッケル合金等の導電性金属を採用することができる。
Moreover, when the
電気加熱式担体30に触媒を担持することにより、電気加熱式担体30を触媒体として使用することができる。複数のセル16の流路には、例えば、自動車排気ガス等の流体を流すことができる。触媒としては、例えば、貴金属系触媒又はこれら以外の触媒が挙げられる。貴金属系触媒としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)といった貴金属をアルミナ細孔表面に担持し、セリア、ジルコニア等の助触媒を含む三元触媒や酸化触媒、又は、アルカリ土類金属と白金を窒素酸化物(NOx)の吸蔵成分として含むNOx吸蔵還元触媒(LNT触媒)が例示される。貴金属を用いない触媒として、銅置換又は鉄置換ゼオライトを含むNOx選択還元触媒(SCR触媒)等が例示される。また、これらの触媒からなる群から選択される二種以上の触媒を用いてもよい。なお、触媒の担持方法についても特に制限はなく、従来、ハニカム構造体に触媒を担持する担持方法に準じて行うことができる。
By supporting a catalyst on the electrically
<電気加熱式担体の製造方法>
次に、本発明に係る電気加熱式担体を製造する方法について例示的に説明する。本発明の電気加熱式担体の製造方法は、電極端子がセラミックス製である一実施形態において、電極端子形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を得る工程A1と、電極端子形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を焼成して電極端子付きハニカム構造体を得る工程A2とを含む。また、他の実施形態としては、電極層形成ペースト、電極端子形成ペーストを仮焼成後に、ハニカム構造体に貼り付けてもよい。また、電極端子が金属製である実施形態においては、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を得た後、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を焼成してハニカム構造体を得る工程と、ハニカム構造体の電極層に金属製の電極端子を固定する工程とを含む。
<Method for producing electrically heated carrier>
Next, a method for producing an electrically heated carrier according to the present invention will be exemplified. In one embodiment in which the electrode terminals are made of ceramics, the method for producing an electrically heated carrier of the present invention comprises a step A1 of obtaining an unfired honeycomb structure with electrode terminal forming paste; is fired to obtain a honeycomb structure with electrode terminals. Moreover, as another embodiment, the electrode layer forming paste and the electrode terminal forming paste may be pasted on the honeycomb structure after being pre-fired. In an embodiment in which the electrode terminals are made of metal, a step of obtaining a honeycomb structure by firing the unfired honeycomb structure with the electrode layer forming paste after obtaining the unfired honeycomb structure with the electrode layer forming paste. and fixing metal electrode terminals to the electrode layers of the honeycomb structure.
工程A1は、ハニカム構造体の前駆体である柱状ハニカム成形体を作製し、柱状ハニカム成形体の側面に電極層形成ペーストを塗布して、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を得た後、電極層形成ペースト上に電極端子形成ペーストを設けて電極端子形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を得る工程である。 In step A1, a columnar honeycomb formed body that is a precursor of a honeycomb structure is produced, and an electrode layer forming paste is applied to the side surface of the columnar honeycomb formed body to obtain an unfired honeycomb structure with the electrode layer forming paste. 2) is a step of providing an electrode terminal forming paste on the electrode layer forming paste to obtain an unfired honeycomb structure with the electrode terminal forming paste.
柱状ハニカム成形体の作製としては、まず、炭化珪素粉末(炭化珪素)に、金属珪素粉末(金属珪素)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して成形原料を作製する。炭化珪素粉末の質量と金属珪素粉末の質量との合計に対して、金属珪素粉末の質量が10~40質量%となるようにすることが好ましい。炭化珪素粉末(炭化珪素)における炭化珪素粒子の平均粒子径は、3~50μmが好ましく、3~40μmが更に好ましい。金属珪素粉末(金属珪素)における金属珪素粒子の平均粒子径は、2~35μmであることが好ましい。炭化珪素粒子及び金属珪素粒子の平均粒子径はレーザー回折法で粒度の頻度分布を測定したときの、体積基準による算術平均径を指す。 To manufacture a columnar honeycomb formed body, first, a forming raw material is prepared by adding metallic silicon powder (metallic silicon), a binder, a surfactant, a pore-forming material, water, and the like to silicon carbide powder (silicon carbide). It is preferable that the mass of the metal silicon powder is 10 to 40% by mass with respect to the sum of the mass of the silicon carbide powder and the mass of the metal silicon powder. The average particle size of silicon carbide particles in the silicon carbide powder (silicon carbide) is preferably 3 to 50 μm, more preferably 3 to 40 μm. The average particle size of the metallic silicon particles in the metallic silicon powder (metallic silicon) is preferably 2 to 35 μm. The average particle size of silicon carbide particles and metal silicon particles refers to the volume-based arithmetic mean size when the frequency distribution of particle sizes is measured by a laser diffraction method.
バインダとしては、例えば、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、2.0~10.0質量部であることが好ましい。 Examples of binders include methylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxypropoxylcellulose, hydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose, and polyvinyl alcohol. Among these, it is preferable to use methyl cellulose and hydroxypropoxyl cellulose together. The content of the binder is preferably 2.0 to 10.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass.
水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、20~60質量部であることが好ましい。 The content of water is preferably 20 to 60 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass.
界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、一種単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1~2.0質量部であることが好ましい。 Ethylene glycol, dextrin, fatty acid soap, polyalcohol and the like can be used as surfactants. These may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more types. The content of the surfactant is preferably 0.1 to 2.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass.
造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.5~10.0質量部であることが好ましい。造孔材の平均粒子径は、10~30μmであることが好ましい。造孔材の平均粒子径はレーザー回折法で粒度の頻度分布を測定したときの、体積基準による算術平均径を指す。造孔材が吸水性樹脂の場合には、造孔材の平均粒子径は吸水後の平均粒子径のことである。 The pore-forming material is not particularly limited as long as it forms pores after baking, and examples thereof include graphite, starch, foamed resin, water-absorbing resin, silica gel, and the like. The content of the pore-forming material is preferably 0.5 to 10.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass. The average particle size of the pore-forming material is preferably 10-30 μm. The average particle diameter of the pore-forming material refers to the volume-based arithmetic mean diameter when the frequency distribution of particle sizes is measured by a laser diffraction method. When the pore-forming material is a water absorbent resin, the average particle size of the pore-forming material means the average particle size after water absorption.
次に、得られた成形原料を混練して坏土を形成した後、坏土を押出成形して柱状ハニカム成形体を作製する。押出成形に際しては、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚み、セル密度等を有する口金を用いることができる。次に、得られた柱状ハニカム成形体について、乾燥を行うことが好ましい。柱状ハニカム成形体の中心軸方向長さが、所望の長さではない場合は、柱状ハニカム成形体の両底部を切断して所望の長さとすることができる。乾燥後の柱状ハニカム成形体を柱状ハニカム乾燥体と呼ぶ。 Next, after kneading the obtained forming raw material to form a clay, the clay is extruded to produce a columnar honeycomb formed body. For extrusion molding, a die having a desired overall shape, cell shape, partition wall thickness, cell density, etc. can be used. Next, it is preferable to dry the obtained columnar honeycomb molded body. When the length of the columnar honeycomb formed body in the central axis direction is not the desired length, the desired length can be obtained by cutting both bottom portions of the columnar honeycomb formed body. The columnar honeycomb molded body after drying is called a columnar honeycomb dried body.
次に、電極層を形成するための電極層形成ペーストを調合する。電極層形成ペーストは、電極層の要求特性に応じて配合した原料粉(金属粉体及びガラス粉体等)に各種添加剤を適宜添加して混練することで形成することができる。金属粉体としてはステンレス等の金属粉を用いることができる。 Next, an electrode layer forming paste for forming an electrode layer is prepared. The electrode layer forming paste can be formed by appropriately adding various additives to raw material powder (metal powder, glass powder, etc.) blended according to the required properties of the electrode layer and kneading the mixture. Metal powder such as stainless steel can be used as the metal powder.
次に、得られた電極層形成ペーストを、柱状ハニカム成形体(典型的には柱状ハニカム乾燥体)の側面に塗布し、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を得る。電極層形成ペーストを柱状ハニカム成形体に塗布する方法については、公知のハニカム構造体の製造方法に準じて行うことができる。 Next, the obtained electrode layer forming paste is applied to the side surface of the columnar honeycomb formed body (typically the columnar honeycomb dried body) to obtain an unfired honeycomb structure with the electrode layer forming paste. The method of applying the electrode layer forming paste to the formed columnar honeycomb body can be carried out according to a known method of manufacturing a honeycomb structure.
ハニカム構造体の製造方法の変更例として、工程A1において、電極層形成ペーストを塗布する前に、柱状ハニカム成形体を一旦焼成してもよい。すなわち、この変更例では、柱状ハニカム成形体を焼成して柱状ハニカム焼成体を作製し、当該柱状ハニカム焼成体に、電極層形成ペーストを塗布する。 As a modification of the honeycomb structure manufacturing method, in step A1, the columnar honeycomb formed body may be once fired before applying the electrode layer forming paste. That is, in this modification, a columnar honeycomb formed body is fired to produce a columnar honeycomb fired body, and the electrode layer forming paste is applied to the columnar honeycomb fired body.
次に、電極端子がセラミックスで構成される場合は、電極端子を形成するための電極端子形成ペーストを調合する。電極端子形成ペーストは、電極端子の要求特性に応じて配合したセラミックス粉末に各種添加剤を適宜添加して混練することで形成することができる。次に、調合した電極端子形成ペーストを、ハニカム構造体上の電極層の表面に柱状に設ける。 Next, when the electrode terminals are made of ceramics, an electrode terminal forming paste for forming the electrode terminals is prepared. The electrode terminal forming paste can be formed by appropriately adding various additives to ceramic powder blended according to the required characteristics of the electrode terminal and kneading the mixture. Next, the prepared electrode terminal forming paste is provided in a columnar shape on the surface of the electrode layer on the honeycomb structure.
工程A2では、電極端子形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を焼成して、電極端子付きハニカム構造体を得る。焼成条件は、不活性ガス雰囲気下または大気雰囲気下、大気圧以下、焼成温度1150~1350℃、焼成時間0.1~50時間とすることができる。なお、焼成雰囲気は、例えば、不活性ガス雰囲気、焼成時圧力は、常圧等とすることができる。ハニカム構造部10の電気抵抗を低下させるためには、酸化防止の観点から残存酸素を低減することが好ましく、焼成時の雰囲気内を1.0×10-4Pa以上の高真空にした後に不活性ガスをパージして焼成することが好ましい。不活性ガス雰囲気としては、N2ガス雰囲気、ヘリウムガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気等が挙げられる。焼成を行う前に、電極端子形成ペースト付き未焼成ハニカム構造体を乾燥してもよい。また、焼成の前に、バインダ等を除去するため、脱脂を行ってもよい。このようにして、電極端子が電極層に電気的に接続された電気加熱式担体が得られる。
In step A2, the unfired honeycomb structure with electrode terminal forming paste is fired to obtain a honeycomb structure with electrode terminals. The firing conditions may be an inert gas atmosphere or atmospheric pressure, a firing temperature of 1150 to 1350° C., and a firing time of 0.1 to 50 hours. The firing atmosphere can be, for example, an inert gas atmosphere, and the firing pressure can be normal pressure. In order to reduce the electrical resistance of the honeycomb
電極端子として、金属製の端子を用いる場合は、ハニカム構造体20の電極層上に、金属製の電極端子を固定する。固定方法としては、例えば、レーザー溶接、溶射、超音波溶接等が挙げられる。
When metal terminals are used as the electrode terminals, the metal electrode terminals are fixed on the electrode layer of the
<排気ガス浄化装置>
上述した本発明の各実施形態に係る電気加熱式担体は、それぞれ排気ガス浄化装置に用いることができる。当該排気ガス浄化装置は、電気加熱式担体と、当該電気加熱式担体を保持する缶体とを有する。排気ガス浄化装置において、電気加熱式担体は、エンジンからの排気ガスを流すための排気ガス流路の途中に設置される。缶体としては、電気加熱式担体を収容する金属製の筒状部材等を用いることができる。
<Exhaust gas purification device>
The electrically heated carrier according to each embodiment of the present invention described above can be used in an exhaust gas purifier. The exhaust gas purifier has an electrically heated carrier and a can holding the electrically heated carrier. In the exhaust gas purification device, the electrically heated carrier is installed in the middle of the exhaust gas flow path for flowing the exhaust gas from the engine. As the can body, a metallic cylindrical member or the like that accommodates the electrically heated carrier can be used.
10 ハニカム構造部
12 外周壁
13 隔壁
14a、14b 電極層
15a、15b 電極端子
16 セル
20 ハニカム構造体
30 電気加熱式担体
REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記ハニカム構造部の外周壁の表面に、前記ハニカム構造部の中心軸を挟んで対向するように設けられた一対の電極層と、
を備え、
前記ハニカム構造部がNTC特性を有するセラミックスで構成され、前記電極層がPTC特性を有する材質で構成されている、
ハニカム構造体。 a honeycomb structure portion having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and partitioning and forming a plurality of cells forming a flow path extending from one end face to the other end face;
a pair of electrode layers provided on the surface of the outer peripheral wall of the honeycomb structure so as to face each other across the central axis of the honeycomb structure;
with
wherein the honeycomb structure portion is made of ceramics having NTC characteristics, and the electrode layer is made of a material having PTC characteristics;
Honeycomb structure.
請求項1に記載のハニカム構造体。 The porosity of the honeycomb structure body is higher than the porosity of the electrode layer,
The honeycomb structure according to claim 1.
請求項1または2に記載のハニカム構造体。 Each of the pair of electrode layers is provided on the outer surface of the outer peripheral wall so as to extend in the extending direction of the cell,
The honeycomb structure according to claim 1 or 2.
請求項1から3までのいずれか1項に記載のハニカム構造体。 The honeycomb structure portion has an electrical resistance increase rate of -80 to -10%.
A honeycomb structure according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4までのいずれか1項に記載のハニカム構造体。 The thermal expansion coefficient of the electrode layer is larger than the thermal expansion coefficient of the honeycomb structure,
A honeycomb structure according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から5までのいずれか1項に記載のハニカム構造体。 The electrical resistance increase rate of the electrode layer is 2 to 40%,
A honeycomb structure according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から6までのいずれか1項に記載のハニカム構造体。 The material of the electrode layer is a mixture of a metal or a metal compound and an oxide ceramic,
A honeycomb structure according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から6までのいずれか1項に記載のハニカム構造体。 The material of the electrode layer is a mixture of carbon and ceramics,
A honeycomb structure according to any one of claims 1 to 6.
前記ハニカム構造体の前記電極層上に電気的に接続する電極端子と、
を有する電気加熱式担体。 a honeycomb structure according to any one of claims 1 to 8;
an electrode terminal electrically connected to the electrode layer of the honeycomb structure;
An electrically heated carrier having
前記電気加熱式担体を保持する缶体と、
を有する、
排気ガス浄化装置。 An electrically heated carrier according to claim 9;
a can body holding the electrically heated carrier;
has a
Exhaust gas purification device.
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