JP5322055B2 - Porous heating device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、炭化ケイ素系セラミックスを利用した多孔質発熱装置とその製造方法に関するものである。本発明の多孔質発熱装置は、その多孔質である特徴を利用して流体加熱装置、フィルタ装置、排ガス浄化用触媒などに利用することができる。   The present invention relates to a porous heating device using silicon carbide ceramics and a method for manufacturing the same. The porous heat generating device of the present invention can be used for a fluid heating device, a filter device, an exhaust gas purifying catalyst, and the like by utilizing the characteristic feature of the porous heat generating device.

炭化ケイ素セラミックス(SiC)は、1400℃までの温度でも曲げ強度や弾性率の変化が小さく、耐酸化性や耐蝕性に優れ、金属との反応性も極めて低い。したがって炭化ケイ素焼結体から構成されたヒータは、使用可能雰囲気が制限されず、しかも急速昇温・降温特性に優れている。そのため、半導体ウェハの各種熱処理用ヒータなどとして利用されている。   Silicon carbide ceramics (SiC) have small changes in bending strength and elastic modulus even at temperatures up to 1400 ° C, have excellent oxidation resistance and corrosion resistance, and have extremely low reactivity with metals. Therefore, the heater composed of the silicon carbide sintered body is not limited in usable atmosphere, and is excellent in rapid temperature rise / fall characteristics. Therefore, it is used as a heater for various heat treatments of semiconductor wafers.

このようなヒータと金属電極との接合には、例えば特開2003−308951号公報などに記載のように、アルミストラップとクランプ(バネ)などを用いたネジ止め構造が一般的である。しかしながらネジ止め構造では、炭化ケイ素焼結体と金属部材との熱膨張差が大きいために緩みが生じるという問題がある。   For joining the heater and the metal electrode, a screwing structure using an aluminum strap and a clamp (spring) is generally used as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-308951. However, the screwing structure has a problem that loosening occurs because the thermal expansion difference between the silicon carbide sintered body and the metal member is large.

そこで特開2008−117556号公報には、炭化ケイ素焼結体からなる発熱体に炭化ケイ素製の一対の電極を固着し、その電極の先端を一対の金属板状電極で挟んだ電極構造が記載されている。しかしこの電極構造では、炭化ケイ素製の一対の電極まで発熱するため効率が悪い。また部品点数が多く取付工数が大きいという不具合がある。   Therefore, JP 2008-117556 A describes an electrode structure in which a pair of silicon carbide electrodes are fixed to a heating element made of a silicon carbide sintered body, and the tips of the electrodes are sandwiched between a pair of metal plate electrodes. Has been. However, this electrode structure is inefficient because it generates heat up to a pair of silicon carbide electrodes. There is also a problem that the number of parts is large and the number of mounting steps is large.

一方、特許第3699992号、特許第4273195号、特許第4110244号には、スポンジ状の有機多孔質構造体から炭化ケイ素質多孔質構造材を製造する方法が開示されている。この製造方法は、例えば段ボール紙やウレタンスポンジにフェノール樹脂及びシリコン粉末を含むスラリーを含浸させ、それを不活性雰囲気下で焼成することで、炭素質多孔質構造体を経て反応焼結によって炭化ケイ素質多孔質構造材を製造するものである。   On the other hand, Japanese Patent No. 3699992, Japanese Patent No. 4273195, and Japanese Patent No. 4110244 disclose a method for producing a silicon carbide porous structure material from a sponge-like organic porous structure. In this manufacturing method, for example, corrugated paper or urethane sponge is impregnated with a slurry containing a phenol resin and silicon powder, and fired in an inert atmosphere, whereby a carbonized silicon carbide is obtained by reactive sintering through a carbonaceous porous structure. A raw porous structural material is manufactured.

上記製造方法によって得られた炭化ケイ素質多孔質構造材は、膜を取り除いた無数の連泡を有し、ガス拡散性に優れている。そこで、この炭化ケイ素質多孔質構造材を発熱体として用いることが想起された。しかしこの炭化ケイ素質多孔質構造材は、表面に無数の空孔が開口しているために電極との接触面積が小さく、接触抵抗が大きいという問題があった。したがって、導電性を高く維持しながら電極を固定するための工夫が必要となる。   The silicon carbide porous structural material obtained by the above production method has innumerable open cells from which the film is removed, and is excellent in gas diffusibility. Therefore, it has been recalled that this silicon carbide porous structure material is used as a heating element. However, this silicon carbide based porous structural material has a problem that the contact area with the electrode is small and the contact resistance is large because innumerable pores are opened on the surface. Therefore, a device for fixing the electrode while maintaining high conductivity is required.

例えば金属電極を形成する方法として、金属溶射、無電解めっきなどを用いて炭化ケイ素系多孔質構造材の表面に金属層を形成し、その金属層を介して金属電極端子を固定する方法が考えられる。しかし金属と炭化ケイ素とは付着性が十分とは云えず、使用時の振動や熱膨張差によって剥離する場合がある。そこで耐熱性フェルトなどの被覆体で覆ったりして補強することも考えられるが、製造工数が多大となり部品点数も増大してしまう。   For example, as a method of forming a metal electrode, a method of forming a metal layer on the surface of a silicon carbide based porous structure material using metal spraying, electroless plating, etc., and fixing the metal electrode terminal through the metal layer is considered. It is done. However, metal and silicon carbide cannot be said to have sufficient adhesion, and may peel off due to vibration during use and differences in thermal expansion. Therefore, it is conceivable to reinforce by covering with a covering such as a heat-resistant felt, but the number of manufacturing steps increases and the number of parts increases.

特開2003−308951号公報JP 2003-308951 A 特開2008−117556号公報JP 2008-117556 A 特許第3699992号Patent No. 3699992 特許第4273195号Patent No. 4273195 特許第4110244号Patent No. 4110244

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、炭化ケイ素質多孔質構造材を発熱体とし、その発熱体に導電性の高い電極を強固に固着することで、自動車などにも搭載できる実用的な多孔質発熱装置とすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be mounted on automobiles and the like by using a silicon carbide porous structure as a heating element and firmly fixing a highly conductive electrode to the heating element. It aims at making it a typical porous heat generating apparatus.

上記課題を解決する本発明の多孔質発熱装置の特徴は、炭化ケイ素系セラミックスからなる多孔質構造体と、多孔質構造体に固着された一対の電極体と、よりなり、電極体を介した通電によって発熱する多孔質発熱装置であって、電極体は炭素系材料から形成され、電極体と多孔質構造体との界面に形成された炭化ケイ素層を介して多孔質構造体と一体に固着されていることにある。   A feature of the porous heat generating device of the present invention that solves the above-described problem is that a porous structure made of silicon carbide-based ceramics and a pair of electrode bodies fixed to the porous structure are interposed via the electrode body. A porous heating device that generates heat when energized. The electrode body is made of a carbon-based material, and is fixed integrally with the porous structure via a silicon carbide layer formed at the interface between the electrode body and the porous structure. There is in being.

また本発明の多孔質発熱装置の製造方法の特徴は、炭素源としての樹脂とシリコン粉末とを含むスラリー又はスラリーにさらに炭化ケイ素粉末を含むスラリーを有機多孔質構造体に含浸させる含浸工程と、有機多孔質構造体から余剰のスラリーを除去し有機多孔質構造体の骨格及びその表面に該スラリーが付着した前駆体を形成する除去工程と、有機多孔質構造体の所定部分に炭素系材料からなる電極体を仮固定する仮固定工程と、真空中又は非酸化性雰囲気中にて前駆体を加熱し樹脂を炭素化するとともに有機多孔質構造体を熱分解して炭素質多孔質構造体とする炭素化工程と、真空中又は非酸化性雰囲気中にて炭素質多孔質構造体を加熱することでシリコンと炭素とを反応させて炭素質多孔質構造体から炭化ケイ素質多孔質構造体を形成するとともに電極体と炭化ケイ素質多孔質構造体とを一体に結合する焼成工程と、を行うことにある。   Further, the feature of the method for producing the porous heating device of the present invention is an impregnation step of impregnating an organic porous structure with a slurry containing a resin as a carbon source and a silicon powder or a slurry containing a silicon carbide powder in a slurry. A removal step of removing excess slurry from the organic porous structure to form a skeleton of the organic porous structure and a precursor having the slurry attached to the surface thereof, and a carbon material to a predetermined portion of the organic porous structure A temporary fixing step of temporarily fixing the electrode body, and a carbonaceous porous structure by heating the precursor in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere to carbonize the resin and thermally decomposing the organic porous structure; A carbonization step, and heating the carbonaceous porous structure in a vacuum or non-oxidizing atmosphere to react silicon and carbon to form a silicon carbide porous structure from the carbonaceous porous structure. Formation It lies in performing a firing step of binding together, the a and Rutotomoni electrode body and the silicon carbide porous structure.

本発明の製造方法においては、焼成工程後に、真空中又は非酸化性雰囲気中にて炭化ケイ素質多孔質構造体に溶融シリコンを含浸させ金属シリコン層を形成する溶融含浸工程を行うことが望ましい。   In the production method of the present invention, it is desirable to perform a melt impregnation step in which a silicon carbide porous structure is impregnated with molten silicon to form a metal silicon layer in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere after the firing step.

本発明の多孔質発熱装置によれば、炭素系材料からなる電極体を用いているので、耐熱性に優れ、電極体自体の導電性が高く給電損失を防止することができる。そして電極体は、電極体と多孔質構造体との界面に形成された炭化ケイ素層を介して多孔質構造体と一体に強固に固着されている。したがって電極体が使用時に多孔質構造体から剥離したり脱落するような不具合が生じない。   According to the porous heat generating device of the present invention, since the electrode body made of the carbon-based material is used, the heat resistance is excellent, the conductivity of the electrode body itself is high, and feeding loss can be prevented. The electrode body is firmly fixed integrally with the porous structure via a silicon carbide layer formed at the interface between the electrode body and the porous structure. Therefore, there is no problem that the electrode body peels off or falls off from the porous structure during use.

そして本発明の多孔質発熱装置の製造方法によれば、焼成工程を行うだけで電極体を多孔質構造体と強固に固着することができるので、製造工数を大幅に低減することができ、かつ電極体の固着強度のばらつきも抑制できる。   And according to the manufacturing method of the porous heating device of the present invention, the electrode body can be firmly fixed to the porous structure only by performing the firing step, so that the manufacturing man-hour can be greatly reduced, and Variations in the adhesion strength of the electrode body can also be suppressed.

本発明の一実施例に係る多孔質発熱装置の斜視図である。It is a perspective view of the porous heat generating apparatus which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る多孔質発熱装置の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of the porous heat generating apparatus which concerns on one Example of this invention. 本発明の第2の実施例に係る多孔質発熱装置の斜視図である。It is a perspective view of the porous heat generating apparatus which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施例に係る多孔質発熱装置の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of the porous heat generating apparatus which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施例の他の態様に係る多孔質発熱装置の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of the porous heat generating apparatus which concerns on the other aspect of the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例に係る多孔質発熱装置の斜視図である。It is a perspective view of the porous heat generating apparatus which concerns on the 3rd Example of this invention. 本発明の第3の実施例に係る多孔質発熱装置の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of the porous heat generating apparatus which concerns on the 3rd Example of this invention. 本発明の第4、5の実施例に係る多孔質発熱装置の斜視図である。It is a perspective view of the porous heat generating apparatus which concerns on the 4th, 5th Example of this invention. 本発明の第4、5の実施例に係る多孔質発熱装置の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of the porous heat generating apparatus which concerns on the 4th, 5th Example of this invention. 本発明の第6の実施例に係る多孔質発熱装置の斜視図である。It is a perspective view of the porous heat generating apparatus which concerns on the 6th Example of this invention.

本発明の多孔質発熱装置は、多孔質構造体と電極体とよりなり、電極体を介した通電によって発熱する。多孔質構造体は炭化ケイ素系セラミックスからなるものであり、炭化ケイ素のみからなるものであってもよいし、炭化ケイ素を主成分とすれば他にカーボン、シリコン、あるいは骨材や酸化防止剤として窒化ケイ素、ジルコニア、ジルコン、アルミナ、シリカ、ムライト、二ケイ化モリブデン、炭化ホウ素、ホウ素粉末、Mg、Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Wなどの金属を含んでいてもよい。また多孔質骨格の表面にシリコン層を有すれば、強度が向上する。さらにシリコン層を酸化すれば、親水性が向上するため貴金属などを容易に担持することができ、通電発熱可能な触媒とすることもできる。   The porous heat generating device of the present invention includes a porous structure and an electrode body, and generates heat when energized through the electrode body. The porous structure is made of silicon carbide-based ceramics, and may be made of silicon carbide only. If silicon carbide is the main component, carbon, silicon, or as an aggregate or antioxidant Silicon nitride, zirconia, zircon, alumina, silica, mullite, molybdenum disilicide, boron carbide, boron powder, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Metals such as W may be included. Moreover, if a silicon layer is provided on the surface of the porous skeleton, the strength is improved. Further, if the silicon layer is oxidized, the hydrophilicity is improved, so that a noble metal can be easily supported, and a catalyst capable of generating heat can be obtained.

電極体は、例えば黒鉛、炭素繊維集積体、墨などのカーボン粉末成形体、などの炭素系材料から形成されたものを用いることができ、その形状は板状、棒状など目的に応じて選択される。この電極体は、炭化ケイ素系セラミックスからなる多孔質構造体より導電性が高いことが必要であり、少なくとも70質量%以上の炭素を含むことが望ましい。こうすることで電極体の導電性を十分なものとすることができ、通電時の損失を抑制することができる。   The electrode body can be made of a carbon-based material such as graphite, carbon fiber aggregate, carbon powder molded body such as black ink, and the shape is selected according to the purpose such as plate shape or rod shape. The This electrode body needs to have higher conductivity than a porous structure made of silicon carbide ceramics, and preferably contains at least 70% by mass of carbon. By doing so, the conductivity of the electrode body can be made sufficient, and loss during energization can be suppressed.

電極体と多孔質構造体との界面には、炭化ケイ素層が形成されている。この炭化ケイ素層は、電極体と後述するスラリー中の樹脂成分及び有機多孔質構造体とを炭素源として供給された炭素と、後述するスラリー中のシリコンあるいは外部から供給されたシリコンとが反応して形成されたものである。したがって電極体と多孔質構造体とは、この炭化ケイ素層を介して化学的に一体に結合し、電極体は多孔質構造体と一体に強固に固着している。この炭化ケイ素層の厚さは特に制限されず、ナノレベルからミリレベルの範囲とすることができる。   A silicon carbide layer is formed at the interface between the electrode body and the porous structure. In this silicon carbide layer, carbon supplied from the electrode body and a resin component and organic porous structure in a slurry described later as a carbon source reacts with silicon in the slurry described later or silicon supplied from the outside. Is formed. Therefore, the electrode body and the porous structure are chemically bonded together through the silicon carbide layer, and the electrode body is firmly fixed integrally with the porous structure. The thickness of the silicon carbide layer is not particularly limited, and can be in a range from nano level to millimeter level.

多孔質構造体は、その骨格表面あるいは細孔中にシリコンを含むことが望ましい。こうすることで強度が向上する。またシリコンを酸化してSiOを形成すれば親水性が格段に向上するので、触媒金属化合物を溶解した水溶液を用いて多孔質構造体に直接触媒金属を担持することができる。したがって排ガス浄化用触媒として利用することができ、電極体を介して通電して発熱させることで、始動時などの低温時においても排ガスを浄化することが可能となる。 The porous structure desirably contains silicon on the skeleton surface or in the pores. This improves the strength. In addition, if SiO 2 is formed by oxidizing silicon, the hydrophilicity is remarkably improved, so that the catalytic metal can be directly supported on the porous structure using an aqueous solution in which the catalytic metal compound is dissolved. Therefore, it can be used as a catalyst for exhaust gas purification, and exhaust gas can be purified even at low temperatures such as at the time of start-up by energizing through the electrode body to generate heat.

電極体の固着強度をさらに向上させるために、電極体の表面を炭化ケイ素系セラミックスからなる板状の被覆部材で覆って一体に固着し、さらにその被覆部材を多孔質構造体の表面に固着することが好ましい。この場合、被覆部材は補強の役目を担うとともに、電極体を介した通電によって被覆部材も発熱する。また被覆部材の炭素含有量やシリコン量を多く設定し緻密化すれば、導電性が向上するため被覆部材は電極体としても機能する。   In order to further improve the fixing strength of the electrode body, the surface of the electrode body is covered with a plate-like covering member made of silicon carbide-based ceramics and fixed integrally, and the covering member is further fixed to the surface of the porous structure. It is preferable. In this case, the covering member plays a role of reinforcement, and the covering member also generates heat by energization through the electrode body. Moreover, if the carbon content and silicon amount of the covering member are set to be large and densified, the conductivity is improved, so that the covering member also functions as an electrode body.

また電極体と多孔質構造体との接触面積が小さい場合には、多孔質構造体への給電が不均一となり発熱効率が悪くなる場合がある。このような場合には、炭素含有量が多く面積が大きな被覆部材を用いることが好ましく、電極体が固着されている多孔質構造体の端面の面積の50%以上を被覆部材が覆うように構成することが望ましい。   When the contact area between the electrode body and the porous structure is small, the power supply to the porous structure is not uniform, and the heat generation efficiency may be deteriorated. In such a case, it is preferable to use a covering member with a large carbon content and a large area, and the covering member covers 50% or more of the area of the end face of the porous structure to which the electrode body is fixed. It is desirable to do.

なお本発明の多孔質発熱装置においては、多孔質構造体の表面はある程度の導電性を有する場合があるので、使用時における通電時に周囲の部材と短絡が生じる場合が考えられる。この不具合を回避するには、多孔質構造体の表面に耐熱性を有する絶縁層を形成することが望ましい。この絶縁層としては、セラミック被膜が望ましい。このようなセラミック被膜を形成するには、例えばアルミナセメントやアルミナ、ジルコニアなどのセラミック粉末をアルミナゾル、シリカゾルなどの無機バインダーと共にスラリー化し、このスラリーを多孔質構造体の表面にウォッシュコートした後に焼成することで、容易に形成することができる。   In the porous heat generating device of the present invention, the surface of the porous structure may have a certain degree of conductivity, so a short circuit with surrounding members may occur during energization during use. In order to avoid this problem, it is desirable to form an insulating layer having heat resistance on the surface of the porous structure. As this insulating layer, a ceramic coating is desirable. In order to form such a ceramic coating, for example, a ceramic powder such as alumina cement, alumina or zirconia is slurried with an inorganic binder such as alumina sol or silica sol, and the slurry is washed on the surface of the porous structure and then fired. Therefore, it can be formed easily.

本発明の多孔質発熱装置の製造方法では、含浸工程と、除去工程と、仮固定工程と、炭素化工程と、焼成工程とを行う。含浸工程では、炭素源としての樹脂とシリコン粉末とを含むスラリー又はこのスラリーにさらに炭化ケイ素粉末を含むスラリーを有機多孔質構造体に含浸させる。ここで有機多孔質構造体としては、ウレタン発泡体、発泡ゴム、発泡ポリオレフィン、段ボール紙など連続気孔を有するものを用いることができる。その形状や気孔径、気孔分布などは特に制限されず、目的に応じて種々選択することができる。   In the method for manufacturing a porous heating device of the present invention, an impregnation step, a removal step, a temporary fixing step, a carbonization step, and a firing step are performed. In the impregnation step, the organic porous structure is impregnated with a slurry containing a resin as a carbon source and silicon powder or a slurry containing silicon carbide powder in the slurry. Here, as the organic porous structure, those having continuous pores such as urethane foam, foamed rubber, foamed polyolefin, and corrugated paper can be used. The shape, pore diameter, pore distribution, etc. are not particularly limited and can be variously selected according to the purpose.

炭素質の電極体としては、黒鉛製のもの、炭素繊維集積体からなるもの、墨などのカーボン粉末成形体などを用いることができ、その形状は板状、棒状など目的に応じて選択される。   As the carbonaceous electrode body, graphite, carbon fiber aggregates, carbon powder molded bodies such as black ink, etc. can be used, and the shape is selected according to the purpose such as plate shape, rod shape, etc. .

炭素源である樹脂としては、溶媒に溶解して溶液となるものを用いることができ、フェノール樹脂、フラン樹脂、あるいはポリカルボシラン等の有機金属ポリマーなどが例示される。これらから選ばれる一種でもよいし、複数種を混合して用いてもよい。また添加剤として、炭素粉末、黒鉛粉末、カーボンブラックを添加してもよく、骨材や酸化防止剤として窒化ケイ素、ジルコニア、ジルコン、アルミナ、シリカ、ムライト、二ケイ化モリブデン、炭化ホウ素、ホウ素粉末などを添加することもできる。   As the resin that is a carbon source, a resin that dissolves in a solvent to form a solution can be used, and examples thereof include phenol resins, furan resins, and organometallic polymers such as polycarbosilane. One kind selected from these may be used, or a plurality of kinds may be mixed and used. Carbon powder, graphite powder, carbon black may be added as additives, and silicon nitride, zirconia, zircon, alumina, silica, mullite, molybdenum disilicide, boron carbide, boron powder as aggregates and antioxidants Etc. can also be added.

シリコン粉末は、平均粒径が30μm以下の微粉末が好適である。粒径が大きなものは、ボールミルなどによって粉砕して用いることが好ましい。シリコン粉末は、純シリコン粉末であってもよいし、Mg、Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Wなどの金属を含むシリコン合金粉末、あるいは純シリコン粉末とこれらの金属粉末との混合粉末を用いることもできる。   The silicon powder is preferably a fine powder having an average particle size of 30 μm or less. Those having a large particle size are preferably used after being pulverized by a ball mill or the like. The silicon powder may be a pure silicon powder, or a silicon alloy powder containing a metal such as Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, W, Alternatively, a mixed powder of pure silicon powder and these metal powders can be used.

スラリーにおける樹脂とシリコン粉末との混合比は、原子比でSi/C=0.05〜5.00の範囲とするのが好ましい。この原子比が0.05未満では、反応焼結で生じる多孔質炭化ケイ素量が少なくなり、発熱体として実用的でない。またこの原子比が5.00を超えると、スラリー中のシリコン粉末量が多くなって沈殿し易くなる。   The mixing ratio of the resin and silicon powder in the slurry is preferably in the range of Si / C = 0.05 to 5.00 in terms of atomic ratio. If the atomic ratio is less than 0.05, the amount of porous silicon carbide generated by reaction sintering is small, and it is not practical as a heating element. On the other hand, when the atomic ratio exceeds 5.00, the amount of silicon powder in the slurry increases, and precipitation tends to occur.

また樹脂とシリコン粉末とを含むスラリーにさらに炭化ケイ素粉末を混合したスラリーを用いることもできる。この場合、炭化ケイ素粉末はシリコン粉末重量の3倍以内の範囲とするのが好ましい。炭化ケイ素粉末がシリコン粉末重量の3倍を超えると、混合が不十分となる場合がある。   A slurry obtained by further mixing silicon carbide powder with a slurry containing resin and silicon powder can also be used. In this case, the silicon carbide powder is preferably within a range of 3 times the weight of the silicon powder. If the silicon carbide powder exceeds 3 times the weight of the silicon powder, mixing may be insufficient.

スラリー中の固形分濃度は、有機多孔質構造体にスラリーを含浸可能な粘度であれば特に制限されない。またスラリーに用いられる溶媒は特に制限されないが、樹脂を溶解可能なものが用いられる。スラリーを有機多孔質構造体に含浸するには、単に浸漬して引き上げるだけでもよいし、減圧下で含浸させることも好ましい。   The solid content concentration in the slurry is not particularly limited as long as it is a viscosity capable of impregnating the organic porous structure with the slurry. The solvent used for the slurry is not particularly limited, but a solvent capable of dissolving the resin is used. In order to impregnate the organic porous structure with the slurry, it may be simply dipped and pulled up, or is preferably impregnated under reduced pressure.

除去工程では、有機多孔質構造体から余剰のスラリーを除去し、有機多孔質構造体の骨格及びその表面にスラリーが付着した前駆体を形成する。有機多孔質構造体から余剰のスラリーを除去するのは、連続気孔部に充填されたスラリーを除去するためであり、遠心分離、有機多孔質構造体から余剰のスラリーを吸引する方法、あるいは有機多孔質構造体を絞って余剰のスラリーを除去する方法などを用いて行うことができる。余剰のスラリーが除去されることで、有機多孔質構造体の骨格内部や表面にスラリーが付着した前駆体が形成される。   In the removing step, surplus slurry is removed from the organic porous structure to form a skeleton of the organic porous structure and a precursor having the slurry attached to the surface thereof. The reason why the excess slurry is removed from the organic porous structure is to remove the slurry filled in the continuous pores, such as centrifugation, a method of sucking the excess slurry from the organic porous structure, or the organic porous structure. For example, a method of squeezing the mass structure to remove excess slurry can be used. By removing the excess slurry, a precursor is formed in which the slurry adheres to the inside or the surface of the organic porous structure.

仮固定工程では、有機多孔質構造体の所定部分に炭素系材料からなる電極体が仮固定される。この仮固定工程は、上記スラリーを用い、一対の電極体を有機多孔質構造体に貼着することで行うことができる。含浸工程で用いるスラリーより濃度の高いペースト状のスラリーを用いれば、粘着力が増すため仮固定の強度が向上する。例えば有機多孔質構造体にスラリーを含浸後にスラリーを介して電極体を貼着してもよいし、有機多孔質構造体の所定部位に電極体を配置後にスラリーを含浸して電極体と有機多孔質構造体との界面にスラリーを浸入させることで電極体を貼着することもできる。   In the temporary fixing step, an electrode body made of a carbon-based material is temporarily fixed to a predetermined portion of the organic porous structure. This temporary fixing step can be performed by sticking a pair of electrode bodies to the organic porous structure using the slurry. If a paste-like slurry having a higher concentration than that of the slurry used in the impregnation step is used, the adhesive strength is increased, so that the strength of temporary fixing is improved. For example, after impregnating the slurry into the organic porous structure, the electrode body may be stuck through the slurry, or after placing the electrode body at a predetermined portion of the organic porous structure, the slurry is impregnated to form the electrode body and the organic porous body. The electrode body can be adhered by allowing the slurry to enter the interface with the porous structure.

除去工程あるいは仮固定工程後には、スラリー中の溶媒を乾燥させる乾燥工程を行うことが望ましい。乾燥工程は大気中で行うことができ、70℃で3時間程度保持すれば十分である。なお除去工程と仮固定工程とは、どちらを先に行ってもよいし同時に行うこともできる。また仮固定工程は、炭素化工程後で焼成工程より前に行うこともできる。炭素化工程で形成される炭素質多孔質構造体は強度が低いので加工が容易であり、電極体を仮固定するための溝や孔を容易に形成することができる。   After the removing step or the temporary fixing step, it is desirable to perform a drying step for drying the solvent in the slurry. The drying step can be performed in the atmosphere, and it is sufficient to hold at 70 ° C. for about 3 hours. Note that either the removal step or the temporary fixing step may be performed first or at the same time. The temporary fixing step can be performed after the carbonization step and before the firing step. Since the carbonaceous porous structure formed in the carbonization step has low strength, it is easy to process, and grooves and holes for temporarily fixing the electrode body can be easily formed.

炭素化工程では、真空中又は非酸化性雰囲気中にて前駆体を加熱し樹脂を炭素化するとともに有機多孔質構造体を熱分解して炭素質多孔質構造体とする。非酸化性雰囲気としては、アルゴンガスなど不活性ガス雰囲気が好ましい。樹脂の熱分解による炭素化過程では、タール状のものや気化物質が生成するので、真空中で行うのはあまり好ましくない。また窒素ガス雰囲気では、窒化ケイ素が生成する場合があるのであまり好ましくない。炭素化工程における焼成温度は、900〜1350℃の範囲とすることができる。900〜1350℃の範囲で加熱することで、有機多孔質構造体の骨格表面に付着している樹脂が炭素化するとともに、有機多孔質構造体が熱分解しその立体骨格を維持しつつ炭素化される。したがって有機多孔質構造体の骨格を維持した炭素質多孔質構造体が形成される。   In the carbonization step, the precursor is heated in vacuum or in a non-oxidizing atmosphere to carbonize the resin, and the organic porous structure is pyrolyzed to obtain a carbonaceous porous structure. As the non-oxidizing atmosphere, an inert gas atmosphere such as argon gas is preferable. In the carbonization process by thermal decomposition of the resin, tar-like substances and vaporized substances are generated, so that it is not preferable to perform in a vacuum. Further, in a nitrogen gas atmosphere, silicon nitride may be generated, which is not preferable. The firing temperature in the carbonization step can be in the range of 900 to 1350 ° C. By heating in the range of 900 to 1350 ° C, the resin adhering to the skeleton surface of the organic porous structure is carbonized, and the organic porous structure is pyrolyzed and carbonized while maintaining its three-dimensional skeleton. Is done. Therefore, a carbonaceous porous structure that maintains the skeleton of the organic porous structure is formed.

炭素化工程後に焼成工程が行われる。この焼成工程では、真空中又は非酸化性雰囲気中にて炭素質多孔質構造体を加熱することで、シリコンと炭素とを反応させ、炭素質多孔質構造体から炭化ケイ素質多孔質構造体を形成するとともに、電極体と炭化ケイ素質多孔質構造体とが一体に結合される。焼成雰囲気は、炭素化工程と同様とすることができる。   A baking process is performed after a carbonization process. In this firing step, the carbonaceous porous structure is heated in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere to cause silicon and carbon to react to form a silicon carbide porous structure from the carbonaceous porous structure. At the same time, the electrode body and the silicon carbide porous structure are bonded together. The firing atmosphere can be the same as in the carbonization step.

また焼成温度は、1350℃以上とすることができる。1350℃以上に加熱されることで炭素とシリコンとが反応し、炭化ケイ素を主成分とする炭化ケイ素質多孔質構造体が形成される。この反応は、シリコンと炭素が系内にあるので体積が減少する反応であり、炭素が拡散してシリコンと反応することで炭化ケイ素の生成と同時に内部に微細な細孔が形成される。そして焼成工程においては、電極体と有機多孔質構造体との界面において両者から供給される炭素及び樹脂由来の炭素とシリコンとの反応によって炭化ケイ素層が形成され、電極体と炭化ケイ素質多孔質構造体とが炭化ケイ素層を介して化学的に一体的に結合される。   The firing temperature can be 1350 ° C. or higher. By heating to 1350 ° C. or higher, carbon and silicon react to form a silicon carbide based porous structure mainly composed of silicon carbide. This reaction is a reaction in which the volume is reduced because silicon and carbon are present in the system, and when carbon is diffused and reacts with silicon, fine pores are formed in the interior simultaneously with the formation of silicon carbide. In the firing step, a silicon carbide layer is formed at the interface between the electrode body and the organic porous structure by the reaction between carbon supplied from both and carbon derived from the resin and silicon, and the electrode body and the silicon carbide porous body are formed. The structure and the structure are chemically bonded to each other through the silicon carbide layer.

炭素化工程と焼成工程とは、別々に行ってもよいが、炭素化工程に連続して焼成工程を行うことが望ましい。このようにすることで、熱エネルギーの無駄を防止することができる。   The carbonization step and the firing step may be performed separately, but it is desirable to perform the firing step continuously after the carbonization step. In this way, waste of heat energy can be prevented.

また仮固定工程において、電極体と有機多孔質構造体との仮固定部分を紙、不織布などの有機多孔質板で覆い、上記したスラリーで電極体及び有機多孔質構造体に貼着しておくことが好ましい。このようにすれば、炭素化工程後の焼成工程において有機多孔質板が炭化ケイ素質多孔質板となり、電極体及び炭化ケイ素質多孔質構造体と一体に固着される。したがって電極体と炭化ケイ素質多孔質構造体との固定強度がさらに向上する。   Further, in the temporary fixing step, the temporarily fixed portion between the electrode body and the organic porous structure is covered with an organic porous plate such as paper or nonwoven fabric, and pasted on the electrode body and the organic porous structure with the slurry described above. It is preferable. If it does in this way, in the baking process after a carbonization process, an organic porous board will turn into a silicon carbide porous board, and will adhere to an electrode body and a silicon carbide porous structure integrally. Therefore, the fixing strength between the electrode body and the silicon carbide porous structure is further improved.

さらに有機多孔質板は、炭素元素の濃度が50質量%以上、より好ましくは70質量%以上であることが望ましい。このような有機多孔質板を用いることで、焼成工程で生成する炭化ケイ素質多孔質板の密度が上がり導電性が高まるので、通電時に電極板から炭化ケイ素質多孔質構造体への給電の均一化を図ることができる。この意味において、有機多孔質板は広い面積で有機多孔質構造体に貼着しておくことが望ましく、電極体が固着されている有機多孔質構造体の端面の面積の50%以上を覆うように貼着することが望ましい。   Further, the organic porous plate desirably has a carbon element concentration of 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more. By using such an organic porous plate, the density of the silicon carbide porous plate produced in the firing process is increased and the conductivity is increased, so that the power supply from the electrode plate to the silicon carbide porous structure is uniform when energized. Can be achieved. In this sense, it is desirable that the organic porous plate be adhered to the organic porous structure over a wide area so as to cover 50% or more of the area of the end face of the organic porous structure to which the electrode body is fixed. It is desirable to stick to.

焼成工程における反応では、シリコンと炭素の組成が原子比でSi/C<1であれば炭化ケイ素と未反応の炭素が残留し、Si/C>1であれば炭化ケイ素と未反応の金属シリコンが残留する。未反応の炭素が残留すると、炭化ケイ素質多孔質構造体の強度が十分でない場合がある。この場合には、焼成工程の後に、真空中又は非酸化性雰囲気中にて炭化ケイ素質多孔質構造体に溶融シリコンを含浸させ金属シリコン層を形成する溶融含浸工程を行うことが望ましい。形成される金属シリコン層によって炭化ケイ素質多孔質構造体が補強される。   In the reaction in the firing step, if the composition of silicon and carbon is Si / C <1 by atomic ratio, silicon carbide and unreacted carbon remain, and if Si / C> 1, silicon carbide and unreacted metal silicon Remains. If unreacted carbon remains, the strength of the silicon carbide porous structure may not be sufficient. In this case, it is desirable to perform a melt impregnation step in which a silicon carbide porous structure is impregnated with molten silicon to form a metal silicon layer in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere after the firing step. The silicon carbide porous structure is reinforced by the formed metal silicon layer.

溶融含浸工程は、金属シリコンをその融点(約1410℃)以上に加熱して溶融シリコンとし、炭化ケイ素質多孔質構造体に含浸すればよく、特に真空中で行うことが好ましい。溶融含浸用シリコンは、粉末状、顆粒状、あるいは塊状でもよい。   The melt impregnation step may be performed by heating metal silicon to a melting point (about 1410 ° C.) or higher to form molten silicon and impregnating the silicon carbide porous structure, and it is particularly preferably performed in a vacuum. The melt-impregnating silicon may be in the form of powder, granules, or lumps.

溶融含浸工程では、炭化ケイ素は溶融シリコンに対する濡れ性が良好であるので、焼成工程時に立体骨格部に形成された微細な細孔に溶融シリコンが浸入し、残留している炭素と反応して炭化ケイ素が形成される。この反応は、シリコンを系外から加えているので体積が増加する反応であり、立体骨格部の内部に形成された微細な細孔がシリコン又は炭化ケイ素で充填されることになる。したがって立体骨格部の強度が向上するとともに、投錨効果によって金属シリコン層と立体骨格部との付着強度が著しく高まる。   In the melt impregnation process, since silicon carbide has good wettability to molten silicon, the molten silicon penetrates into fine pores formed in the three-dimensional skeleton during the firing process and reacts with the remaining carbon to carbonize. Silicon is formed. This reaction is a reaction in which the volume increases because silicon is added from outside the system, and fine pores formed inside the three-dimensional skeleton are filled with silicon or silicon carbide. Therefore, the strength of the three-dimensional skeleton portion is improved, and the adhesion strength between the metal silicon layer and the three-dimensional skeleton portion is remarkably increased by the anchoring effect.

そして溶融含浸工程では、真空中又は非酸化性雰囲気中にて1410℃の高温に晒されるため、残留している炭素は大部分が炭化ケイ素となる。なお溶融含浸工程は、焼成工程と同時に又は焼成工程後に連続して行うこともできる。すなわち炭素化工程後に、溶融含浸用シリコンを加えて真空あるいは非酸化性雰囲気にて、シリコンの融点(約1410℃)以上の温度でシリコンを溶融含浸させ、未反応の炭素とシリコンとを反応させる。過剰なシリコンはシリコンとして残留する。   In the melt impregnation step, since the exposed carbon is exposed to a high temperature of 1410 ° C. in a vacuum or non-oxidizing atmosphere, most of the remaining carbon is silicon carbide. The melt impregnation step can be performed simultaneously with the firing step or continuously after the firing step. That is, after the carbonization process, silicon for melt impregnation is added, and silicon is melted and impregnated at a temperature equal to or higher than the melting point of silicon (about 1410 ° C.) in a vacuum or non-oxidizing atmosphere to react unreacted carbon with silicon. . Excess silicon remains as silicon.

炭化ケイ素質多孔質構造体がシリコンを含む場合には、含まれるシリコンの少なくとも一部を酸化してSiOを形成する酸化工程を行うことも好ましい。SiOにはシラノール基が容易に生成し親水性が向上する。したがって触媒金属化合物の水溶液を多量に吸水することが可能であり、それを焼成することで白金などの触媒金属を高分散担持した触媒を形成することができる。この触媒は排ガス浄化用触媒などに用いることが可能であり、しかも通電によって発熱するため、始動時における低温の排ガスからも有害成分を浄化することができる。 When the silicon carbide based porous structure contains silicon, it is also preferable to perform an oxidation process in which at least part of the contained silicon is oxidized to form SiO 2 . Silanol group easily generated hydrophilicity is enhanced in the SiO 2. Therefore, it is possible to absorb a large amount of an aqueous solution of the catalyst metal compound, and by firing it, a catalyst carrying a highly dispersed catalyst metal such as platinum can be formed. This catalyst can be used as an exhaust gas purifying catalyst, and generates heat when energized. Therefore, harmful components can be purified from low-temperature exhaust gas at the start.

この酸化工程は、シリコンを含む炭化ケイ素質多孔質構造体を大気中などの酸化性雰囲気中で加熱すればよい。加熱温度が高いほど、シリコンの総量に対して生成するSiO2量が多くなることが明らかとなっており、400℃以上で加熱することが望ましい。なお加熱時間は10分間程度保持すれば十分である。また形成されるSiOの量は、加熱温度によって調整することが可能であり、加熱温度が高いほどSiOを多く形成することができる。したがってPtなどの触媒金属を高分散状態かつ十分な担持量で担持できる厚さとすることができる加熱温度を選択すればよい。 In this oxidation step, the silicon carbide porous structure containing silicon may be heated in an oxidizing atmosphere such as the air. It has been clarified that the higher the heating temperature, the larger the amount of SiO2 generated relative to the total amount of silicon, and it is desirable to heat at 400 ° C. or higher. It is sufficient to keep the heating time for about 10 minutes. The amount of SiO 2 formed can be adjusted by the heating temperature, and the higher the heating temperature, the more SiO 2 can be formed. Therefore, it is only necessary to select a heating temperature at which the catalyst metal such as Pt can be supported in a highly dispersed state with a sufficient amount of support.

図1に本実施例の多孔質発熱装置を、図2にその要部拡大断面図を示す。この多孔質発熱装置は、炭化ケイ素系セラミックスからなる多孔質構造体1と、多孔質構造体1と一体に形成された一対の電極体2と、よりなる。多孔質構造体1は円柱形状をなし、多数の連続気孔を有している。一対の電極体2は黒鉛から形成された棒状をなし、それぞれ一端部が多孔質構造体1の両端面の中心に差し込まれ、炭化ケイ素層3を介して多孔質構造体1と一体に固着されている。   FIG. 1 shows a porous heating device of the present embodiment, and FIG. This porous heat generating device includes a porous structure 1 made of silicon carbide-based ceramics, and a pair of electrode bodies 2 formed integrally with the porous structure 1. The porous structure 1 has a cylindrical shape and has a large number of continuous pores. The pair of electrode bodies 2 has a rod shape made of graphite, each having one end inserted into the center of both end faces of the porous structure 1 and fixed integrally with the porous structure 1 via the silicon carbide layer 3. ing.

以下、この多孔質発熱装置の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。   Hereinafter, a method for manufacturing the porous heating device will be described, and the detailed description of the configuration will be substituted.

フェノール樹脂の炭素化による炭素とシリコンとの原子比がSi/C=0.6になる割合にフェノール樹脂と平均粒径約20μmのシリコン粉末との混合量を設定し、シリコン粉末重量の約2.4倍の重量のエチルアルコールでフェノール樹脂を溶解してスラリーを調製し、シリコン粉末の粒径を小さくするために1日間ボールミル混合して、更に平均粒径約3μmの炭化ケイ素粉末をシリコン粉末の0.5倍の重量添加し、分散スラリーを調製した。   The mixing ratio of phenol resin and silicon powder with an average particle size of about 20μm is set to a ratio where the carbon / silicon atomic ratio by carbonization of phenol resin is Si / C = 0.6, which is about 2.4 times the weight of silicon powder. Dissolve phenol resin with heavy ethyl alcohol to prepare slurry, mix with ball mill for 1 day to reduce the particle size of silicon powder, and further add silicon carbide powder with an average particle size of about 3 μm to 0.5 times that of silicon powder. By weight addition, a dispersion slurry was prepared.

<含浸工程・除去工程>
#13(1インチ当たり13セル数)の円柱状ポリウレタンスポンジを用意し、上記分散スラリーを十分に含浸し、分散スラリーが連続気孔を塞がない程度に絞り、これを70℃で3時間乾燥させた。
<Impregnation process / removal process>
Prepare a # 13 (13 cells per inch) cylindrical polyurethane sponge, fully impregnated with the above dispersion slurry, squeeze the dispersion slurry so that it does not block the continuous pores, and dry it at 70 ° C. for 3 hours. It was.

<炭素化工程・仮固定工程>
分散スラリーが付着したスポンジを、アルゴンガス雰囲気下にて1000℃に加熱して炭素化した。この時、スポンジが熱分解するとともにフェノール樹脂が炭素化し、用いたスポンジと同等の立体骨格を有する炭素質多孔体が形成された。
<Carbonization process / temporary fixing process>
The sponge with the dispersed slurry adhered thereto was carbonized by heating to 1000 ° C. under an argon gas atmosphere. At this time, the sponge was thermally decomposed and the phenol resin was carbonized to form a carbonaceous porous body having a three-dimensional skeleton equivalent to the sponge used.

この炭素質多孔体は加工が容易であるので、その両端面の中央に軸方向に延びる凹部をそれぞれ形成した。一方、黒鉛から予め形成された一対の電極体2を用意し、上記分散スラリーの固形分濃度を高くすることで調製された高粘度のペーストを一端部に塗布し、そのペーストが塗布された一端部を両端の凹部にそれぞれ挿入した。これを70℃で3時間乾燥させ、一対の電極体2を炭素質多孔体にそれぞれ仮固定した。次いで、この炭素質多孔体をアルゴンガス中にて1000℃で1時間焼成し、ペーストを炭素化した。   Since the carbonaceous porous body is easy to process, a concave portion extending in the axial direction is formed at the center of both end faces. On the other hand, a pair of electrode bodies 2 formed in advance from graphite is prepared, a high-viscosity paste prepared by increasing the solid content concentration of the dispersion slurry is applied to one end, and one end where the paste is applied The parts were inserted into the recesses at both ends. This was dried at 70 ° C. for 3 hours, and the pair of electrode bodies 2 were each temporarily fixed to the carbonaceous porous body. Subsequently, this carbonaceous porous body was baked at 1000 ° C. for 1 hour in an argon gas to carbonize the paste.

<焼成工程・溶融含浸工程>
次にシリコン顆粒の適量を炭素質多孔体の表面に置き、真空中にて1450℃で1時間焼成した。この焼成では、まずシリコンの融点(約1410℃)以下の温度で、炭素がシリコン粉末と反応して、炭化ケイ素と未反応の炭素とからなるスポンジ骨格を有する多孔質構造体1が形成される。また電極体2と炭素質多孔体との界面では、電極体2と炭素質多孔体に含まれる炭素とシリコン粉末とが反応して炭化ケイ素層3が形成され、これにより電極体2は、炭化ケイ素層3を介して多孔質構造体1に一体に固着された。
<Baking process and melt impregnation process>
Next, an appropriate amount of silicon granules was placed on the surface of the carbonaceous porous body, and fired at 1450 ° C. for 1 hour in a vacuum. In this firing, first, carbon reacts with silicon powder at a temperature lower than the melting point of silicon (about 1410 ° C.) to form a porous structure 1 having a sponge skeleton composed of silicon carbide and unreacted carbon. . Further, at the interface between the electrode body 2 and the carbonaceous porous body, the carbon and silicon powder contained in the electrode body 2 and the carbonaceous porous body react to form a silicon carbide layer 3, whereby the electrode body 2 is carbonized. It was integrally fixed to the porous structure 1 via the silicon layer 3.

さらに、シリコンの融点以上の温度で多孔質構造体1にシリコン顆粒が溶融含浸し、未反応の炭素と反応して炭化ケイ素が生成するとともに、余剰の金属シリコンによって多孔質構造体が補強され電極体2の固着強度もさらに向上する。   Furthermore, silicon granules are melt-impregnated into the porous structure 1 at a temperature equal to or higher than the melting point of silicon to react with unreacted carbon to produce silicon carbide, and the porous structure is reinforced with excess metal silicon to form an electrode. The fixing strength of the body 2 is further improved.

得られた多孔質発熱装置は、一対の電極体2が炭化ケイ素質多孔質構造体1と一体に固着し、一対の電極体2は使用に耐えうる十分な強度を備えていた。   In the obtained porous heating device, the pair of electrode bodies 2 were fixed integrally with the silicon carbide porous structure 1, and the pair of electrode bodies 2 had sufficient strength to withstand use.

しかしながら実施例1の多孔質発熱装置においては、電極体2の固着部位が局所的であり、炭化ケイ素層3を介しての電極体2と多孔質構造体1との接触面積が小さい。そのため一対の電極体2を介した通電時における電流密度にばらつきが生じ、多孔質構造体1の発熱が不均一になる場合がある。   However, in the porous heat generating device of Example 1, the fixing part of the electrode body 2 is local, and the contact area between the electrode body 2 and the porous structure 1 through the silicon carbide layer 3 is small. Therefore, the current density at the time of energization through the pair of electrode bodies 2 may vary, and the heat generation of the porous structure 1 may become non-uniform.

そこで本実施例の多孔質発熱装置は、図3及び図4に示すように直方体形状の多孔質構造体1と、その長手方向の両端面に一体的に接合された一対の電極体2と、からなる。一対の電極体2は黒鉛から形成された板状をなし、炭化ケイ素層3を介して多孔質構造体1と一体に固着されている。また多孔質構造体1の骨格表面には、金属シリコン層10が形成されている。以下、この多孔質発熱装置の製造方法を説明し、構造の詳細な説明に代える。   Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, the porous heat generating device of this example includes a rectangular parallelepiped porous structure 1 and a pair of electrode bodies 2 integrally joined to both end faces in the longitudinal direction, Consists of. The pair of electrode bodies 2 has a plate shape made of graphite, and are fixed integrally with the porous structure 1 via the silicon carbide layer 3. A metal silicon layer 10 is formed on the skeleton surface of the porous structure 1. Hereinafter, the manufacturing method of this porous heat generating device will be described and replaced with a detailed description of the structure.

フェノール樹脂の炭素化による炭素とシリコンとの原子比がSi/C=0.6になる割合にフェノール樹脂と平均粒径約20μmのシリコン粉末との混合量を設定し、シリコン粉末重量の約2.4倍の重量のエチルアルコールでフェノール樹脂を溶解してスラリーを調製し、シリコン粉末の粒径を小さくするために1日間ボールミル混合して、更に平均粒径約3μmの炭化ケイ素粉末をシリコン粉末の0.5倍の重量添加して分散スラリーを調製した。   The mixing ratio of phenol resin and silicon powder with an average particle size of about 20μm is set to a ratio where the carbon / silicon atomic ratio by carbonization of phenol resin is Si / C = 0.6, which is about 2.4 times the weight of silicon powder. Dissolve phenol resin with heavy ethyl alcohol to prepare slurry, mix with ball mill for 1 day to reduce the particle size of silicon powder, and further add silicon carbide powder with an average particle size of about 3 μm to 0.5 times that of silicon powder. A dispersion slurry was prepared by weight addition.

<仮固定工程・含浸工程・除去工程>
#13(1インチ当たり13セル数)の直方体形状のポリウレタンスポンジを用意した。このスポンジに上記分散スラリーを十分に含浸し、分散スラリーが連続気孔を塞がない程度に絞った後、70℃で3時間乾燥させた。次いで上記分散スラリーの固形分濃度を高くすることで調製された高粘度のペーストを用い、ポリウレタンスポンジの長手方向の両端に黒鉛製の電極体2をそれぞれ貼着した。これを70℃で3時間乾燥させ、電極体2を仮固定した。
<Temporary fixing process / impregnation process / removal process>
# 13 (13 cells per inch) rectangular polyurethane foam was prepared. This sponge was sufficiently impregnated with the above dispersion slurry, squeezed to such an extent that the dispersion slurry did not block the continuous pores, and then dried at 70 ° C. for 3 hours. Next, a high-viscosity paste prepared by increasing the solid content concentration of the dispersion slurry was used, and graphite electrode bodies 2 were adhered to both ends in the longitudinal direction of the polyurethane sponge. This was dried at 70 ° C. for 3 hours to temporarily fix the electrode body 2.

<炭素化工程>
電極体2が仮固定されたスポンジを、アルゴンガス雰囲気下にて1000℃に加熱して炭素化した。この時、スポンジが熱分解するとともにフェノール樹脂が炭素化し、用いたスポンジと同等の立体骨格を有する炭素質多孔体が形成された。
<Carbonization process>
The sponge on which the electrode body 2 was temporarily fixed was heated and carbonized at 1000 ° C. in an argon gas atmosphere. At this time, the sponge was thermally decomposed and the phenol resin was carbonized to form a carbonaceous porous body having a three-dimensional skeleton equivalent to the sponge used.

<焼成工程・溶融含浸工程>
続いて、シリコン顆粒の適量を炭素質多孔体の表面に置き、真空中にて1450℃で1時間焼成した。この焼成では、まずシリコンの融点(約1410℃)以下の温度で、炭素がシリコン粉末と反応して、スポンジ骨格の炭化ケイ素と未反応の炭素とからなる多孔質構造体1が形成される。また電極体2と炭素質多孔体との界面では、電極体2と炭素質多孔体に含まれる炭素とシリコン粉末とが反応して炭化ケイ素層3が形成され、これにより電極体2は炭化ケイ素層3を介して多孔質構造体1に一体に固着された。
<Baking process and melt impregnation process>
Subsequently, an appropriate amount of silicon granules was placed on the surface of the carbonaceous porous body and baked in vacuum at 1450 ° C. for 1 hour. In this firing, first, carbon reacts with the silicon powder at a temperature not higher than the melting point of silicon (about 1410 ° C.) to form a porous structure 1 composed of sponge skeleton silicon carbide and unreacted carbon. In addition, at the interface between the electrode body 2 and the carbonaceous porous body, the carbon contained in the electrode body 2 and the carbonaceous porous body reacts with the silicon powder to form a silicon carbide layer 3. The layer 3 was fixed integrally to the porous structure 1.

この焼成では、温度がシリコンの融点以上になるとシリコン顆粒が多孔質構造体1に溶融含浸して残存炭素とも反応し、最終的に金属シリコン層10をもつ多孔質構造体1を得た。   In this calcination, when the temperature is higher than the melting point of silicon, silicon granules are melted and impregnated into the porous structure 1 to react with the remaining carbon, and finally the porous structure 1 having the metal silicon layer 10 is obtained.

得られた多孔質発熱装置は、一対の電極体2が多孔質構造体1と一体に固着し、使用に耐えうる十分な強度を備えていた。また炭化ケイ素層3を介しての電極体2と多孔質構造体1との接触面積は、多孔質構造体1の端面の面積の50%以上と十分に大きいので、多孔質構造体1は通電時に均一に発熱する。   In the obtained porous heating device, the pair of electrode bodies 2 were fixed integrally with the porous structure 1 and had sufficient strength to withstand use. Further, the contact area between the electrode body 2 and the porous structure 1 through the silicon carbide layer 3 is sufficiently large to be 50% or more of the area of the end face of the porous structure 1, so that the porous structure 1 is energized. Sometimes evenly generates heat.

この多孔質発熱装置は、多孔質構造体1の表面の大部分が露出し、電極体2の表面も給電に必要な部位以外の部分が露出している。したがって実際の使用時に他部材との短絡が生じる場合がある。このような不具合を防ぐには、図5に示すように、露出させたくない表面に絶縁層4を形成することが望ましい。   In this porous heat generating device, most of the surface of the porous structure 1 is exposed, and the surface of the electrode body 2 is exposed except for the part necessary for power feeding. Therefore, a short circuit with other members may occur during actual use. In order to prevent such a problem, it is desirable to form the insulating layer 4 on the surface that is not desired to be exposed, as shown in FIG.

絶縁層4は、電極体2の先端部を除く多孔質構造体1の全表面に厚さ50μm程度に形成することができる。例えば絶縁層4は、アルミナセメントと水とからなるスラリーを調製し、上記のようにして製造された多孔質発熱装置1の電極体2の先端部を除く全表面にウォッシュコートし、それを大気中1000℃で焼成することで形成することができる。   The insulating layer 4 can be formed to a thickness of about 50 μm on the entire surface of the porous structure 1 excluding the tip of the electrode body 2. For example, the insulating layer 4 is prepared by preparing a slurry made of alumina cement and water, and wash-coating the entire surface of the porous heat generating device 1 manufactured as described above except for the tip of the electrode body 2 and applying it to the atmosphere. It can be formed by baking at a temperature of 1000 ° C.

上記実施例2では、多孔質構造体1の長手方向の両端面に板状の電極体2が固着されているが、図6に示すように多孔質構造体1の短手方向の両端面に一対の電極体2を形成したい場合がある。この場合に上記実施例2と同様の形状の電極体2を用いると、多孔質構造体1の短手方向の端面の面積に対する電極体2の接触面積の割合が小さくなるため、一対の電極体2を介した通電時における電流密度にばらつきが生じ、多孔質構造体1の発熱が不均一になる場合がある。   In Example 2 above, the plate-like electrode body 2 is fixed to both end faces in the longitudinal direction of the porous structure 1, but as shown in FIG. There is a case where it is desired to form a pair of electrode bodies 2. In this case, when the electrode body 2 having the same shape as that of the second embodiment is used, the ratio of the contact area of the electrode body 2 to the area of the end face in the short direction of the porous structure 1 is reduced. In some cases, the current density at the time of energization through 2 varies, and the heat generation of the porous structure 1 may become uneven.

そこで本実施例では、図6、図7に示すように、電極体2の表面に導電性を有する板状の被覆部材5を配置し、被覆部材5が多孔質構造体1の短手方向の端面の大部分(約80%)を被覆するように構成している。被覆部材5は、電極体2の表面及び多孔質構造体1の表面に一体に固着されている。したがって通電時には、電流は電極体2から被覆部材5を通じて多孔質構造体1に流れるため、多孔質構造体1は通電時に均一に発熱する。また被覆部材5によって電極体2の脱落がさらに確実に防止されるとともに、多孔質構造体1も補強されている。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, a plate-shaped covering member 5 having conductivity is arranged on the surface of the electrode body 2, and the covering member 5 is in the short direction of the porous structure 1. It is configured to cover most of the end face (about 80%). The covering member 5 is integrally fixed to the surface of the electrode body 2 and the surface of the porous structure 1. Therefore, since current flows from the electrode body 2 to the porous structure 1 through the covering member 5 when energized, the porous structure 1 generates heat uniformly when energized. Further, the covering member 5 more reliably prevents the electrode body 2 from falling off, and the porous structure 1 is also reinforced.

この多孔質発熱装置の製造方法を以下に説明する。   A method for manufacturing this porous heating device will be described below.

<仮固定工程・含浸工程・除去工程>
#13(1インチ当たり13セル数)の直方体形状のポリウレタンスポンジ(実施例2と同様のもの)を用意した。このスポンジに実施例2と同様の分散スラリーを十分に含浸し、分散スラリーが連続気孔を塞がない程度に絞った後、70℃で3時間乾燥させた。次いで分散スラリーの固形分濃度を高くすることで調製された高粘度のペーストを用い、短手方向の両端に黒鉛製の電極体2をそれぞれ貼着した。一方、活性炭を70質量%含有する厚さ0.3mmの板紙(段ボール紙の平板紙)を用意し、上記分散スラリーを含浸させた後に電極体2の表面及びスポンジの短手方向の端面に上記分散スラリーを用いて貼着した。これを70℃で3時間乾燥させ、電極体2と板紙を仮固定した。
<Temporary fixing process / impregnation process / removal process>
A # 13 (13 cells per inch) rectangular parallelepiped polyurethane sponge (the same as in Example 2) was prepared. The sponge was sufficiently impregnated with the same dispersed slurry as in Example 2, and after the slurry was squeezed to such an extent that the continuous slurry did not block the continuous pores, it was dried at 70 ° C. for 3 hours. Next, a high-viscosity paste prepared by increasing the solid content concentration of the dispersion slurry was used, and graphite electrode bodies 2 were attached to both ends in the lateral direction. On the other hand, a 0.3 mm thick paperboard (corrugated paperboard) containing 70% by mass of activated carbon is prepared, impregnated with the dispersion slurry, and then dispersed on the surface of the electrode body 2 and the end face of the sponge in the short direction. It stuck using the slurry. This was dried at 70 ° C. for 3 hours to temporarily fix the electrode body 2 and the paperboard.

<炭素化工程>
電極体2及び板紙が仮固定されたスポンジを、アルゴンガス雰囲気下にて1000℃に加熱して炭素化した。この時、スポンジ及び板紙が熱分解するとともにフェノール樹脂が炭素化し、板紙が炭素化した炭素板体と電極体2とが仮固定された炭素質多孔体が形成された。
<Carbonization process>
The sponge on which the electrode body 2 and the paperboard were temporarily fixed was carbonized by heating to 1000 ° C. in an argon gas atmosphere. At this time, the sponge and paperboard were thermally decomposed, and the phenol resin was carbonized, and a carbonaceous porous body in which the carbon plate body in which the paperboard was carbonized and the electrode body 2 was temporarily fixed was formed.

<焼成工程・溶融含浸工程>
次いで、シリコン顆粒の適量を炭素質多孔体の表面に置き、真空中にて1450℃で1時間焼成した。この焼成では、まずシリコンの融点(約1410℃)以下の温度で、炭素がシリコン粉末と反応して、スポンジ骨格の炭化ケイ素と未反応の炭素とからなる多孔質構造体1と、貼着された板紙形状で炭化ケイ素質の被覆部材5とが形成される。また電極体2、被覆部材5及び多孔質構造体1のそれぞれの界面では炭化ケイ素層3が形成され、これにより電極体2及び被覆部材5は炭化ケイ素層3を介して多孔質構造体1に一体に固着された。
<Baking process and melt impregnation process>
Next, an appropriate amount of silicon granules was placed on the surface of the carbonaceous porous body, and fired at 1450 ° C. for 1 hour in a vacuum. In this firing, first, carbon reacts with the silicon powder at a temperature lower than the melting point of silicon (about 1410 ° C.), and is adhered to the porous structure 1 composed of silicon carbide having a sponge skeleton and unreacted carbon. A silicon carbide coating member 5 is formed in the form of a paperboard. Further, a silicon carbide layer 3 is formed at each interface of the electrode body 2, the covering member 5, and the porous structure 1, whereby the electrode body 2 and the covering member 5 are formed on the porous structure 1 via the silicon carbide layer 3. It was fixed together.

温度がシリコンの融点以上になるとシリコン顆粒が多孔質構造体1及び被覆部材5に溶融含浸して残存炭素とも反応する。過剰のシリコンによって、多孔質構造体1の骨格の表面に金属シリコン層が形成される。また被覆部材5は炭化ケイ素とシリコンからなる緻密な構造となる。   When the temperature is equal to or higher than the melting point of silicon, the silicon granules melt and impregnate the porous structure 1 and the covering member 5 and react with the remaining carbon. A metal silicon layer is formed on the surface of the skeleton of the porous structure 1 due to excess silicon. The covering member 5 has a dense structure made of silicon carbide and silicon.

得られた多孔質発熱装置は、一対の電極体2が多孔質構造体1と一体に固着し、かつ被覆部材5によって被覆されている。この被覆部材5は、炭化ケイ素とシリコンとからなり緻密な構造であるので導電性が高い。したがって電流は電極体2から被覆部材5を通じて多孔質構造体1に流れるので、炭化ケイ素層3を介しての電極体2と多孔質構造体1との接触面積が小さくても、多孔質構造体1は通電時に均一に発熱する。   In the obtained porous heat generating device, the pair of electrode bodies 2 are integrally fixed to the porous structure 1 and covered with the covering member 5. Since this covering member 5 is made of silicon carbide and silicon and has a dense structure, it has high conductivity. Therefore, since the current flows from the electrode body 2 to the porous structure 1 through the covering member 5, even if the contact area between the electrode body 2 and the porous structure 1 through the silicon carbide layer 3 is small, the porous structure body 1 generates heat uniformly when energized.

本実施例の多孔質発熱装置は、例えば以下のようにして排ガス浄化用触媒として用いることができる。すなわち上記で製造された多孔質発熱装置を、先ず大気中にて約600℃まで昇温し金属シリコン層を酸化してSiO層を形成する。次いでジニトロジアミン白金硝酸溶液の水溶液に、SiO層をもつ多孔質構造体1を浸し、引き上げて乾燥し、例えば300℃にて1時間焼成する。 The porous heat generating apparatus of the present embodiment can be used as an exhaust gas purifying catalyst as follows, for example. That is, the porous heat generating device manufactured above is first heated to about 600 ° C. in the atmosphere to oxidize the metal silicon layer to form a SiO 2 layer. Next, the porous structure 1 having a SiO 2 layer is immersed in an aqueous solution of dinitrodiamine platinum nitric acid solution, pulled up, dried, and baked at, for example, 300 ° C. for 1 hour.

こうして得られる排ガス浄化用触媒では、多孔質構造体1の見掛けの体積1Lあたり3g程度の白金を担持することができる。自動車の三元触媒における白金の担持量は、ハニカム基材の見掛けの体積1Lあたり1〜2gであるから、この排ガス浄化用触媒は一般の三元触媒に対して1.5〜3倍の白金が担持されることになる。   The exhaust gas-purifying catalyst thus obtained can carry about 3 g of platinum per 1 L of the apparent volume of the porous structure 1. Since the supported amount of platinum in the automobile three-way catalyst is 1 to 2 g per 1 L of the apparent volume of the honeycomb substrate, this exhaust gas purification catalyst carries 1.5 to 3 times as much platinum as a general three-way catalyst. Will be.

したがって本実施例の多孔質発熱装置は、多孔質構造体1のSiO層に白金を高濃度で担持することができ、排ガス浄化用触媒として用いることができる。しかも多孔質構造体1は多孔質であるので、ガス拡散性に優れ、担持された白金の触媒作用が十分に発現される。そして一般の排ガス浄化用触媒では始動時などの冷間時には、白金が活性化温度に到達していないため排ガス浄化が困難であるのに対し、この排ガス浄化用触媒は電極体2に通電することで多孔質構造体1を加熱することができるので、冷間時においても有害物質の排出を防止することができる。 Therefore, the porous heat generating device of the present embodiment can support platinum at a high concentration on the SiO 2 layer of the porous structure 1 and can be used as an exhaust gas purifying catalyst. Moreover, since the porous structure 1 is porous, it is excellent in gas diffusibility and fully exhibits the catalytic action of the supported platinum. In the case of a general exhaust gas purifying catalyst, when it is cold such as at the time of start-up, it is difficult to purify exhaust gas because platinum has not reached the activation temperature. Since the porous structure 1 can be heated in this manner, discharge of harmful substances can be prevented even when cold.

本実施例に係る多孔質発熱装置を図8、図9に示す。この多孔質発熱装置は、多数のセル通路60をもち炭化ケイ素質のハニカム基材6と、その互いに平行な外壁面に一体に固着された電極体2と、電極体2及びハニカム基材6の表面を覆う導電性の被覆部材7と、からなる。ハニカム基材6は、炭化ケイ素質の多孔質平板61と、炭化ケイ素質の多孔質波板62とが交互に積層されてなり、多孔質平板61と多孔質波板62との間にセル通路60が形成されている。以下、この多孔質発熱装置の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。   The porous heat generating apparatus according to this example is shown in FIGS. This porous heat generating device includes a silicon carbide honeycomb substrate 6 having a large number of cell passages 60, an electrode body 2 that is integrally fixed to outer wall surfaces parallel to each other, an electrode body 2, and a honeycomb substrate 6. And a conductive covering member 7 covering the surface. The honeycomb substrate 6 is formed by alternately laminating a silicon carbide porous flat plate 61 and a silicon carbide porous corrugated plate 62, and a cell passage between the porous flat plate 61 and the porous corrugated plate 62. 60 is formed. Hereinafter, a method for manufacturing the porous heating device will be described, and the detailed description of the configuration will be substituted.

<含浸工程・除去工程・仮固定工程>
活性炭を70質量%含有する片面段ボール紙(チヨダコンテナー株式会社製「活性炭混抄シート」)を紙用接着剤を用いて複数枚積層し、多数のセル通路をもつハニカム体を形成した。最後の波板部には、活性炭を70質量%含有する板紙(片面段ボール紙の平板紙)を接合した。
<Impregnation process / removal process / temporary fixing process>
A single-sided corrugated cardboard containing 70% by mass of activated carbon (“activated carbon mixed sheet” manufactured by Chiyoda Container Co., Ltd.) was laminated using a paper adhesive to form a honeycomb body having a large number of cell passages. A paperboard containing 70% by mass of activated carbon (single-sided cardboard paperboard) was joined to the last corrugated board.

一方、フェノール樹脂の炭素化による炭素とシリコンとの原子比がSi/C=3になる割合にフェノール樹脂と平均粒径約20μmのシリコン粉末との混合量を設定し、シリコン粉末重量の約0.8倍の重量のエチルアルコールでフェノール樹脂を溶解してスラリーを調製し、シリコン粉末の粒径を小さくするために1日間ボールミル混合して、更に平均粒径約3μmの炭化ケイ素粉末をシリコン粉末の0.33倍の重量添加して分散スラリーを調製した。   On the other hand, the mixing amount of the phenol resin and silicon powder having an average particle diameter of about 20 μm is set so that the atomic ratio between carbon and silicon by carbonization of the phenol resin is Si / C = 3, and the weight of silicon powder is about 0.8 A slurry is prepared by dissolving phenol resin with double weight of ethyl alcohol, and ball mill mixing for 1 day to reduce the particle size of the silicon powder. Further, silicon carbide powder having an average particle size of about 3 μm is added to 0.33 of the silicon powder. Double weight was added to prepare a dispersion slurry.

上記ハニカム体にこの分散スラリーを含浸させ、余分な分散スラリーを吹き払い、70℃で3時間乾燥させた。そして分散スラリーの固形分濃度を高くすることで調製された高粘度のペーストを用い、互いに平行な表裏面を構成する多孔質平板61に黒鉛製の電極体2をそれぞれ貼着した。一方、活性炭を70質量%含有する厚さ0.3mmの板紙(片面段ボール紙の平板紙)を用意し、上記分散スラリーを含浸させた後に電極体2の表面及びハニカム体の表面に貼着した。これを70℃で3時間乾燥させ、電極体2と板紙をハニカム体に仮固定した。   The honeycomb body was impregnated with the dispersion slurry, and excess dispersion slurry was blown off and dried at 70 ° C. for 3 hours. Then, a high-viscosity paste prepared by increasing the solid content concentration of the dispersed slurry was used, and the graphite electrode bodies 2 were bonded to the porous flat plates 61 constituting the front and back surfaces parallel to each other. On the other hand, a 0.3 mm-thick paperboard (single-sided cardboard paperboard) containing 70% by mass of activated carbon was prepared, impregnated with the dispersion slurry, and then adhered to the surface of the electrode body 2 and the surface of the honeycomb body. This was dried at 70 ° C. for 3 hours, and the electrode body 2 and the paperboard were temporarily fixed to the honeycomb body.

<炭素化工程・焼成工程>
電極体2及び板紙が仮固定されたハニカム体を、アルゴンガス雰囲気下にて1000℃に加熱して炭素化した。この時、ハニカム体及び板紙が熱分解するとともにフェノール樹脂が炭素化し、板紙が炭素化した炭素板体と電極体2とが仮固定された炭素質ハニカム体が形成された。
<Carbonization process / firing process>
The honeycomb body on which the electrode body 2 and the paperboard were temporarily fixed was heated to 1000 ° C. in an argon gas atmosphere to be carbonized. At this time, the honeycomb body and the paperboard were thermally decomposed, and the phenol resin was carbonized, and a carbonaceous honeycomb body in which the carbon plate body in which the paperboard was carbonized and the electrode body 2 were temporarily fixed was formed.

次いで、この炭素質ハニカム体を真空中にて焼成した。この焼成では、シリコンの融点(約1410℃)以下の温度で、炭素がシリコン粉末と反応して炭化ケイ素質のハニカム基材6と、貼着された板紙形状で炭化ケイ素質の被覆部材7とが形成される。また電極体2、被覆部材7及びハニカム基材6のそれぞれの界面では、含まれる炭素とシリコン粉末とが反応して炭化ケイ素層3が形成され、これにより電極体2及び被覆部材7は炭化ケイ素層3を介してハニカム基材6に一体に固着された。   Next, this carbonaceous honeycomb body was fired in a vacuum. In this firing, carbon reacts with the silicon powder at a temperature not higher than the melting point of silicon (about 1410 ° C.), the silicon carbide honeycomb substrate 6, and the bonded paperboard-shaped silicon carbide coating member 7. Is formed. Further, at each interface of the electrode body 2, the covering member 7 and the honeycomb substrate 6, the contained carbon reacts with the silicon powder to form a silicon carbide layer 3, whereby the electrode body 2 and the covering member 7 are made of silicon carbide. It was fixed to the honeycomb substrate 6 integrally through the layer 3.

得られた多孔質発熱装置は、一対の電極体2がハニカム基材6と一体に固着し、かつ被覆部材7によって被覆されている。電流は電極体2から被覆部材7を通じてハニカム基材6に流れるので、炭化ケイ素層3を介しての電極体2とハニカム基材6との接触面積が小さくても、ハニカム基材6は通電時に均一に発熱する。   In the obtained porous heating device, the pair of electrode bodies 2 are fixed integrally with the honeycomb substrate 6 and are covered with the covering member 7. Since an electric current flows from the electrode body 2 to the honeycomb base material 6 through the covering member 7, even if the contact area between the electrode body 2 and the honeycomb base material 6 through the silicon carbide layer 3 is small, the honeycomb base material 6 is not energized. Generates heat uniformly.

本実施例は、炭素化工程後に焼成工程と溶融含浸工程を行ったこと以外は実施例4と同一であるので、図は実施例4に係る図8と図9を共用し、炭素化工程までの説明は省略する。   Since this example is the same as Example 4 except that the firing step and the melt impregnation step are performed after the carbonization step, the figure is shared with FIGS. Description of is omitted.

<焼成工程・溶融含浸工程>
シリコン顆粒の適量を、板紙が炭素化した炭素板体と電極体2とが仮固定された炭素質ハニカム体の表面に置き、真空中にて1450℃で1時間焼成した。この焼成では、まずシリコンの融点(約1410℃)以下の温度で、炭素がシリコン粉末と反応して、炭化ケイ素質のハニカム基材6と、貼着された板紙形状で炭化ケイ素質の被覆部材7とが形成される。また電極体2、被覆部材7及びハニカム基材6のそれぞれの界面では、含まれる炭素とシリコン粉末とが反応して炭化ケイ素層3が形成され、これにより電極体2及び被覆部材7は炭化ケイ素層3を介してハニカム基材6に一体に固着された。
<Baking process and melt impregnation process>
An appropriate amount of the silicon granules was placed on the surface of the carbonaceous honeycomb body on which the carbon plate with the paperboard carbonized and the electrode body 2 were temporarily fixed, and fired at 1450 ° C. for 1 hour in a vacuum. In this firing, first, carbon reacts with the silicon powder at a temperature below the melting point of silicon (about 1410 ° C.) to form a silicon carbide honeycomb substrate 6 and a bonded paperboard-shaped silicon carbide coating member. 7 are formed. Further, at each interface of the electrode body 2, the covering member 7 and the honeycomb substrate 6, the contained carbon reacts with the silicon powder to form a silicon carbide layer 3, whereby the electrode body 2 and the covering member 7 are made of silicon carbide. It was fixed to the honeycomb substrate 6 integrally through the layer 3.

温度がシリコンの融点以上になるとシリコン顆粒がハニカム基材6及び被覆部材7に溶融含浸して残存炭素があれば反応し、ハニカム基材6や被覆部材7中に存在する小さな気孔を埋める。また過剰のシリコンによって、ハニカム基材6の骨格の表面や被覆部材7の表面に金属シリコン層が形成される。これにより実施例4に比べてハニカム基材6の強度が向上し、電極体2の固着強度も向上する。   When the temperature is equal to or higher than the melting point of silicon, the silicon granules melt and impregnate into the honeycomb base material 6 and the covering member 7 and react if there is residual carbon, filling small pores existing in the honeycomb base material 6 and the covering member 7. Moreover, a metal silicon layer is formed on the surface of the skeleton of the honeycomb substrate 6 or the surface of the covering member 7 due to the excess silicon. Thereby, compared with Example 4, the strength of the honeycomb substrate 6 is improved and the fixing strength of the electrode body 2 is also improved.

得られた多孔質発熱装置は、一対の電極体2がハニカム基材6と一体に固着し、かつ被覆部材7によって被覆されている。この被覆部材7は、表面に金属シリコン層が形成され、しかも緻密であるので導電性が高い。したがって電流は電極体2から被覆部材7を通じてハニカム基材6に流れるので、炭化ケイ素層3を介しての電極体2とハニカム基材6との接触面積が小さくても、ハニカム基材6は通電時に均一に発熱する。   In the obtained porous heating device, the pair of electrode bodies 2 are fixed integrally with the honeycomb substrate 6 and are covered with the covering member 7. The covering member 7 has a metal silicon layer formed on the surface and is dense and has high conductivity. Therefore, current flows from the electrode body 2 to the honeycomb substrate 6 through the covering member 7, so that the honeycomb substrate 6 is energized even if the contact area between the electrode body 2 and the honeycomb substrate 6 through the silicon carbide layer 3 is small. Sometimes evenly generates heat.

本実施例に係る多孔質発熱装置を図10に示す。この多孔質発熱装置は、円柱形状で炭化ケイ素質のハニカム基材6と、その外周表面に一体的に固着された黒鉛製の一対の電極体2と、電極体2の表面とハニカム基材6の約1/4周の表面を覆う炭化ケイ素質の被覆部材7と、からなる。一対の電極体2はハニカム基材6の軸と平行に延び、互いに対向するように軸に対して対称に配置されている。一対の電極体2及び被覆部材7は、図示しない炭化ケイ素層を介してハニカム基材6の外周表面に一体に固着されている。   FIG. 10 shows a porous heating device according to this example. This porous heat generating device includes a cylindrical silicon carbide honeycomb substrate 6, a pair of graphite electrode bodies 2 integrally fixed to the outer peripheral surface thereof, the surface of the electrode body 2, and the honeycomb substrate 6. And a silicon carbide-based covering member 7 covering the surface of about ¼ circumference. The pair of electrode bodies 2 extend parallel to the axis of the honeycomb substrate 6 and are arranged symmetrically with respect to the axis so as to face each other. The pair of electrode bodies 2 and the covering member 7 are integrally fixed to the outer peripheral surface of the honeycomb substrate 6 through a silicon carbide layer (not shown).

この多孔質発熱装置を製造するには、先ず実施例4と同様の活性炭を含有する片面段ボール紙を用い、多孔質平板61が外側となるようにロール状に巻回して多数のセル通路60をもつハニカム体を形成する。そして実施例4と同様の分散スラリーを含浸させ、余分な分散スラリーを吹き払い、70℃で3時間乾燥後、分散スラリーの固形分濃度を高くすることで調製された高粘度のペーストを用いて一対の電極体2を外周表面に仮固定する。さらに活性炭を含有する板紙(段ボール紙の平板紙)などを用意し、分散スラリーを含浸させた後に電極体2の表面及びハニカム体の表面を覆うように巻いて貼着する。これを乾燥させ、電極体2と板紙をハニカム体に仮固定する。   In order to manufacture this porous heating device, first, a single-sided cardboard containing activated carbon similar to that in Example 4 is used, and a large number of cell passages 60 are formed by winding in a roll shape so that the porous flat plate 61 is on the outside. Forming a honeycomb body. Then, the same dispersion slurry as in Example 4 was impregnated, the excess dispersion slurry was blown off, dried at 70 ° C. for 3 hours, and then the high viscosity paste prepared by increasing the solid content concentration of the dispersion slurry was used. A pair of electrode bodies 2 are temporarily fixed to the outer peripheral surface. Further, a paperboard containing activated carbon (corrugated cardboard paperboard) or the like is prepared, impregnated with the dispersed slurry, and then wound and pasted so as to cover the surface of the electrode body 2 and the surface of the honeycomb body. This is dried, and the electrode body 2 and the paperboard are temporarily fixed to the honeycomb body.

その後、実施例4と同様に炭素化工程と焼成工程を行うことで、本実施例の多孔質発熱装置を製造することができる。このように円筒形状のハニカム基材6とすれば、一般的な自動車の触媒コンバータに搭載することができ、実用性が高い。   Then, the porous heat generating apparatus of a present Example can be manufactured by performing a carbonization process and a baking process similarly to Example 4. FIG. Thus, if it is set as the cylindrical honeycomb base material 6, it can be mounted in the catalyst converter of a general motor vehicle, and its practicality is high.

本発明の多孔質発熱装置は、各種ヒータばかりでなく、排ガス浄化用触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)などに利用可能である。   The porous heating device of the present invention can be used not only for various heaters but also for exhaust gas purification catalysts, diesel particulate filters (DPFs), and the like.

1:多孔質構造体
2:電極体
3:炭化ケイ素層
10:金属シリコン層
1: Porous structure 2: Electrode body 3: Silicon carbide layer
10: Metallic silicon layer

Claims (9)

炭化ケイ素系セラミックスからなる多孔質構造体と、該多孔質構造体に固着された一対の電極体と、よりなり、該電極体を介した通電によって発熱する多孔質発熱装置であって、
該電極体は炭素系材料から形成され、該電極体と該多孔質構造体との界面に形成された炭化ケイ素層を介して該多孔質構造体と一体に固着されていることを特徴とする多孔質発熱装置。
A porous heating device comprising a porous structure made of silicon carbide-based ceramics and a pair of electrode bodies fixed to the porous structure, and generating heat by energization through the electrode body,
The electrode body is formed of a carbon-based material, and is fixed integrally with the porous structure through a silicon carbide layer formed at an interface between the electrode body and the porous structure. Porous heating device.
前記電極体の表面と前記多孔質構造体の表面とは炭化ケイ素系セラミックスからなる板状の被覆部材で一体に覆われている請求項1に記載の多孔質発熱装置。   The porous heating device according to claim 1, wherein the surface of the electrode body and the surface of the porous structure are integrally covered with a plate-shaped covering member made of silicon carbide ceramics. 前記電極体は前記多孔質構造体の端面に固着され、前記被覆部材は前記電極体が固着されている該端面の面積の50%以上を覆う請求項2に記載の多孔質発熱装置。   The porous heating device according to claim 2, wherein the electrode body is fixed to an end surface of the porous structure, and the covering member covers 50% or more of the area of the end surface to which the electrode body is fixed. 前記電極体は70質量%以上の炭素を含む請求項1〜3のいずれかに記載の多孔質発熱装置。   The porous heating device according to claim 1, wherein the electrode body contains 70% by mass or more of carbon. 前記多孔質構造体は少なくとも一部にシリコンを含む請求項1〜4のいずれかに記載の多孔質発熱装置。   The porous heat generating apparatus according to claim 1, wherein the porous structure includes silicon at least partially. 炭素源としての樹脂とシリコン粉末とを含むスラリー又は該スラリーにさらに炭化ケイ素粉末を含むスラリーを有機多孔質構造体に含浸させる含浸工程と、
該有機多孔質構造体から余剰のスラリーを除去し該有機多孔質構造体の骨格及びその表面に該スラリーが付着した前駆体を形成する除去工程と、
該有機多孔質構造体の所定部分に炭素系材料からなる電極体を仮固定する仮固定工程と、
真空中又は非酸化性雰囲気中にて該前駆体を加熱し該樹脂を炭素化するとともに該有機多孔質構造体を熱分解して炭素質多孔質構造体とする炭素化工程と、
真空中又は非酸化性雰囲気中にて該炭素質多孔質構造体を加熱することでシリコンと炭素とを反応させて該炭素質多孔質構造体から炭化ケイ素質多孔質構造体を形成するとともに該電極体と該炭化ケイ素質多孔質構造体とを一体に結合する焼成工程と、を行うことを特徴とする多孔質発熱装置の製造方法。
An impregnation step of impregnating an organic porous structure with a slurry containing a resin as a carbon source and silicon powder or a slurry further containing silicon carbide powder in the slurry;
Removing the surplus slurry from the organic porous structure to form a skeleton of the organic porous structure and a precursor having the slurry attached to the surface thereof;
A temporary fixing step of temporarily fixing an electrode body made of a carbon-based material to a predetermined portion of the organic porous structure;
A carbonization step of heating the precursor in vacuum or in a non-oxidizing atmosphere to carbonize the resin and thermally decomposing the organic porous structure to form a carbonaceous porous structure;
The carbonaceous porous structure is heated in vacuum or in a non-oxidizing atmosphere to cause silicon and carbon to react to form a silicon carbide porous structure from the carbonaceous porous structure. A method for producing a porous heating device, comprising performing a firing step of integrally bonding an electrode body and the silicon carbide porous structure.
前記仮固定工程は前記電極体を前記有機多孔質構造体の表面に配置し紙状の有機多孔質板で前記電極体と前記有機多孔質構造体の表面を覆うとともに該有機多孔質板にも前記スラリーを含浸させ、前記焼成工程は該有機多孔質板から炭化ケイ素質の被覆部材を形成し該被覆部材を前記電極体及び前記炭化ケイ素質多孔質構造体と一体に結合する請求項6に記載の多孔質発熱装置の製造方法。   In the temporary fixing step, the electrode body is arranged on the surface of the organic porous structure, and the surface of the electrode body and the organic porous structure is covered with a paper-like organic porous board and the organic porous board is also covered. The slurry is impregnated, and the firing step forms a silicon carbide coating member from the organic porous plate, and the coating member is integrally bonded to the electrode body and the silicon carbide porous structure. The manufacturing method of the porous heat generating apparatus of description. 前記有機多孔質板に含まれる炭素元素の濃度は50質量%以上である請求項7に記載の多孔質発熱装置の製造方法。   The method for manufacturing a porous heating device according to claim 7, wherein the concentration of the carbon element contained in the organic porous plate is 50% by mass or more. 前記焼成工程後に、真空中又は非酸化性雰囲気中にて前記炭化ケイ素質多孔質構造体に溶融シリコンを含浸させ金属シリコン層を形成する溶融含浸工程を行う請求項6〜8のいずれかに記載の多孔質発熱装置の製造方法。   9. The melt impregnation step of forming a metal silicon layer by impregnating the silicon carbide based porous structure with molten silicon in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere is performed after the firing step. Method for producing a porous heating device.
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