JP5692198B2 - ハニカム構造体 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、ハニカム体の表面に一対の電極を設け、その一対の電極のそれぞれに電極端子を設けた電気加熱式触媒装置用のハニカム構造体が開示されている。
該ハニカム体の上記外皮部の外周面において、径方向に対向配置された一対の電極と、
該一対の電極にそれぞれ設けられた一対の電極端子とを備え、
上記各電極における上記電極端子の直下の少なくとも一部には、スリット部が設けられていることを特徴とするハニカム構造体にある(請求項1)。
また、後述するように、上記ハニカム構造体を電気加熱式触媒装置(EHC)として用いる場合には、例えば、ハニカム体のセル形成部の隔壁等に触媒としてのPt、Pd、Rh等からなる三元触媒等を担持させる構成とすることができる。
また、上記電極端子は、様々な形状を採用することができる。例えば、中実の柱状、中空の筒状等とすることができる。
また、上記スリット部は、電極における様々な場所に設けることができ、その数も自由に設定することができるが、電極全体に電気が流れるように、電極全体が電極端子に対して電気的に接続されていることを要する。
また、上記スリット部は、電極を厚み方向に貫通させた形状としてもよいし、電極の表面を厚み方向に窪ませた凹溝状としてもよい。
この場合には、発生する熱応力を低減するという効果をより一層高めることができる。上述したように、冷熱サイクル環境下での使用によって電極端子直下及びその周辺の電極やハニカム体に熱応力が集中して発生する。そこで、電極端子の直下の少なくとも一部、及びその周方向外側部分の少なくとも一部の双方に、スリット部を設けることにより、発生する熱応力をスリット部によって効果的に低減することができる。
この場合には、電極やハニカム体に温度差が生じる排ガスの流れ方向(ハニカム体の軸方向)に対して、それを分断する方向(周方向)にスリット部を形成することにより、発生する熱応力をより効果的に低減することができる。
この場合には、スリット部を電極の周方向両端において開放された形状とすることにより、発生する熱応力をより一層低減することができる。
なお、スリット部が電極を周方向に横切るように形成されているとは、電極が分割されるようにスリット部が形成されていることをいう。
この場合には、電極におけるクラックの発生をより一層抑制することができる。すなわち、電極をスリット部によって分割することにより、その分割された電極部分の軸方向一端と他端との温度差は、分割されていない電極の軸方向一端と他端との温度差に比べて大幅に小さくなり、発生する熱応力も小さくなる。そのため、分割された電極部分におけるクラックの発生を抑制することができる。
なお、電極の軸方向長さとは、電極全体における軸方向の一端から他端までの長さのことである。
この場合には、電極のうち、発生する熱応力が大きく強度が必要な電極部、すなわち電極端子を設けた電極部の強度を他の部分よりも高くすることにより、熱応力に対する電極の耐久性を高めることができる。
なお、ここでの強度とは、上記電極を構成するセラミックス等の材料強度として一般的に用いられる4点曲げ強度のことである。
この場合には、電極を覆う保持部材によって電極表面全体を保温する効果が得られる。これにより、電極端子直下の電極やハニカム体に生じる温度差を小さくすることができ、その結果として発生する熱応力を低減することができる。
なお、上記保持部材を構成する材料としては、例えば、繊維状のアルミナ、繊維状のシリカ又はこれらの混合材料等を用いることができる。
すなわち、電極端子と金属端子との接合部は、高温の排ガスに晒されるため、耐熱性が求められる。また、酸化による抵抗値の変化を防止するために、耐酸化性が求められる。そこで、電極から近い位置(高温側)に耐熱性、耐酸化性に優れたセラミックス製の電極端子を配置し、電極から遠い位置(低温側)に電気抵抗の低い金属端子を配置している。そして、両者の接合部を本体カバー部の外側とし、より低温側としている。そのため、両者の接合部の耐熱性、耐酸化性を十分に確保することができる。また、これによって、一対の電極間に安定して通電を行うことができる。
なお、電極端子の長さ、すなわち電極表面から電極端子と金属端子との接合部までの距離は、例えば、20mm以上とすることができる。
また、端子カバー部の軸方向長さを電極の軸方向長さと同等以上とすることで、上述の効果をより確実に得ることができる。また、端子カバー部の軸方向長さが電極の軸方向長さの1/2未満であると、上述の効果を十分に得ることができないおそれがある。
この場合には、ハニカム構造体の電極やハニカム体におけるクラックの発生を抑制することができる電気加熱式触媒装置とすることができる。
上記ハニカム構造体にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例のハニカム構造体1は、図1〜図4に示すごとく、セル形成部21とセル形成部21の周囲を覆う円筒状の外皮部22とを有するハニカム体2と、ハニカム体2の外皮部22の外周面221において、径方向に対向配置された一対の電極3と、一対の電極3にそれぞれ設けられた一対の電極端子4とを備えている。また、各電極3における電極端子4の配設位置及びその周方向外側部分の少なくとも一部には、スリット部31が設けられている。
以下、これを詳説する。
ハニカム体2は、セル形成部21と、そのセル形成部21の周囲を覆う円筒状の外皮部22と有し、全体として円柱状を呈している。また、ハニカム体2は、SiCを主成分とする多孔質セラミックスからなる。
隔壁211の表面には、排ガス浄化用の触媒(図示略)が担持されている。触媒としては、貴金属であるPt、Pd、Rh等からなる三元触媒を用いることができる。
電極3は、SiC−Siの複合材を主成分とする導電性セラミックスからなる。また、電極3は、それぞれハニカム体2の外皮部22の外周面221に沿って周方向に均一な厚みで板状に形成されている。電極3の厚みは、1mmである。
また、各電極3には、それぞれ電極端子4が設けられている。電極端子4は、電極3と同様に、SiC−Siの複合材を主成分とする導電性セラミックスからなる。また、電極端子4は、上述した接着剤を介して、電極3の表面に接合されている。
また、スリット部31は、電極3を厚み方向に貫通させてなり、電極3を周方向に横切るように形成されている。すなわち、スリット部31は、電極3を軸方向Xに2つの電極部分3a、3bに分割するように形成されている。そして、電極3の周方向両端において開放された形状となっている。
また、電極3は、曲げ強度σが5〜130MPa、熱膨張係数αが4〜6.5×10-6/℃、ヤング率Eが10〜300GPaである。そして、R=σ/(α×E)の式で表される熱衝撃破壊抵抗係数Rが130℃以上である。
そして、ハニカム構造体1は、電気加熱式触媒装置(EHC)8の一部として用いられ、一対の電極3間に通電を行うことにより、ハニカム体2に担持された触媒を加熱することができるよう構成されている。
まず、ハニカム体2となるハニカム成形体を成形する。ハニカム成形体は、SiCを主成分とする多孔質セラミックスからなる。また、電極3となるシート状の電極材を成形する。また、電極端子4となる柱状の電極端子材を成形する。電極材及び電極端子材は、SiC−Siの複合材を主成分とする焼成体よりなる。
これにより、ハニカム体2と一対の電極3と一対の電極端子4とを備えたハニカム構造体1が得られる。
本例のハニカム構造体1において、各電極3における少なくとも電極端子4の配設位置には、スリット部31が設けられている。すなわち、ハニカム体2の熱が電極端子4に逃げやすい構造の場合には、上述したように、冷熱サイクル環境下での使用によって電極端子4直下及びその周辺の電極3やハニカム体2に熱応力が集中して発生する。そこで、電極端子4直下となる電極3における電極端子4の配設位置及びその周方向外側部分の少なくとも一部にスリット部31を設けている。これにより、発生する熱応力をスリット部31によって効果的に低減することができ、電極3やハニカム体2におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、スリット部31は、図2、図3に示すごとく、電極3を厚み方向に貫通させてなるが、例えば、図6、図7に示すごとく、電極3の表面を厚み方向に窪ませた凹溝状としてもよい。
本例は、図8、図9に示すごとく、電極端子4の構成を変更した例である。
同図に示すごとく、電極端子4は、中空筒状である。具体的には、中空であって円筒状に形成されている。
その他の基本的な構成及び作用効果は、実施例1と同様である。また、実施例1と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明を省略している。
本例は、図10に示すごとく、電極3の構成を変更した例である。
同図に示すごとく、電極3は、周方向に並んで配置された複数の電極部32により構成されている。具体的には、電極3は、周方向中央に配置された基準電極部32aと、基準電極部32aの周方向両側にそれぞれ配置された外側電極部32bとからなる。基準電極部32aには、電極端子4が設けられている。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。また、実施例1と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明を省略している。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
本例は、図14に示すごとく、電極3のスリット部31の配設位置を変更した例である。
同図に示すごとく、電極3のスリット部31は、ハニカム体2及び電極3の軸方向中間位置よりも排ガス流入側に配設されている。具体的に、電極3のスリット部31は、ハニカム体2の排ガス流入側の端面201から内側へ30mmの位置に配設されている。また、電極端子4は、電極3のスリット部31と同様の位置に配設されている。
その他の基本的な構成及び作用効果は、実施例1と同様である。また、実施例1と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明を省略している。
また、図15に示すごとく、実施例3と同様に、電極3を周方向に並んで配置された複数の電極部32(基準電極部32a、外側電極部32b)により構成することもできる。
まず、図16に示すごとく、電極3にスリット部が設けられていないハニカム構造体9を準備する。そして、図17に示すごとく、ハニカム体2の中心位置(図中のH1)に熱電対を取り付ける。また、一方の電極3の表面に複数の熱電対を取り付ける。複数の熱電対は、電極3の排ガス流入側の軸方向一端から10mm刻みで9箇所(図中のH2〜H10)に取り付ける。
本例では、エンジンスタートから約5秒間でエンジン回転数を500rpm(アイドル状態)から3800rpmに上げ、10分間保持する。そして、約10秒間でエンジン回転数を3800rpmから1500rpmに下げ、2分間保持する。その後、エンジン回転数を500rpm(アイドル状態)に戻す。このような試験工程において、ハニカム構造体9のH1〜H10位置の温度を測定する。
本例では、スリット部を熱電対距離30mmの位置(H4位置)に設けると、両方の電極部分の軸方向一端と他端との温度差が130℃となる。すなわち、一方の電極部分は、H2位置(619℃)とH4位置(489℃)との温度差で130℃となる。また、他方の電極部分は、H4位置(489℃)とH10位置(359℃)との温度差で130℃となる。この結果、最大温度差が130℃で最小となる。
以上により、図14に示すごとく、電極3におけるスリット部31の配設位置をハニカム体2の排ガス流入側の端面201から内側へ30mmの位置に設定する。
本例では、電極3におけるスリット部31の配設位置は、分割された2つの電極部分3a、3bの軸方向一端と他端との温度差のうちの大きいほうの温度差(最大温度差)が最小となるように設定している。これにより、電極部分3a、3bに発生する熱応力を小さくすることができ、電極部分3a、3bにおけるクラックの発生をより一層抑制することができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
本例は、ハニカム構造体の耐クラック性について評価した例である。
本例では、表1に示すごとく、電極にスリット部が設けられた複数のハニカム構造体(実施例E1〜E4)と、電極にスリット部が設けられていない複数のハニカム構造体(比較例C1〜C4)を準備した。ハニカム構造体の基本的な構成は、上述した実施例1等と同様である。
また、電極の構成は、実施例E1が図2と同様、実施例E2が図10と同様、実施例E3が図14と同様、実施例E4が図15と同様である。また、比較例C1〜C4が図16と同様である。
また、電極端子の位置は、ハニカム体の排ガス流入側の端面からの距離であり、表1に示すとおりである。なお、実施例E1〜E4については、電極端子の位置にスリット部が設けられている。
電極材D1は、SiCとSiとCとの混合材料を押出成形によって成形し、その成形体を乾燥・焼成して得られた焼成体である。この電極材D1をハニカム体に接合するための接着剤は、後述する電極材D2と同様のペースト状の材料を用いる。
電極材D2は、SiCとFeSiAl合金との混合材料、水、粘度調整用バインダとしてのメチルセルロース、強度向上用材料としてのシリカゾルを混合・撹拌して得られたペースト状の材料である。このペースト状の電極材D2を乾燥・焼成することにより外側電極部となる。
また、電極材D2を用いた外側電極部は、曲げ強度σが15MPa、熱膨張係数αが6.3×10-6/℃、ヤング率Eが11.5GPaであり、熱衝撃破壊抵抗係数Rが207℃である。
まず、実施例4と同様の位置(図17参照)に熱電対を取り付けたハニカム構造体をエンジンベンチ(エンジン排気量:4.3L)に設置した。そして、実施例4と同様の上記試験工程を1サイクルとして、これを50サイクル実施した。その後、電極にクラックが発生しているかどうかを光学顕微鏡により確認した。
同表からわかるように、比較例C1〜C4は、電極にスリット部が設けられていないため、最大温度差MaxΔTが熱衝撃破壊抵抗係数Rよりも高くなり、電極にクラックが発生した。
一方、実施例E1〜E4は、電極を分割するようにスリット部を設けたことにより、最大温度差MaxΔTが熱衝撃破壊抵抗係数Rよりも低くなり、電極にクラックが発生しなかった。
2 ハニカム体
21 セル形成部
22 外皮部
221 外周面(外皮部の外周面)
3 電極
31 スリット部
4 電極端子
Claims (9)
- セル形成部(21)と該セル形成部(21)の周囲を覆う円筒状の外皮部(22)とを有するハニカム体(2)と、
該ハニカム体(2)の上記外皮部(22)の外周面(221)において、径方向に対向配置された一対の電極(3)と、
該一対の電極(3)にそれぞれ設けられた一対の電極端子(4)とを備え、
上記各電極(3)における上記電極端子(4)の直下の少なくとも一部には、スリット部(31)が設けられていることを特徴とするハニカム構造体(1)。 - 請求項1に記載のハニカム構造体(1)において、上記各電極(3)における、上記電極端子(4)の直下の少なくとも一部、及びその周方向外側部分の少なくとも一部の双方に、上記スリット部(31)が設けられていることを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1又は2に記載のハニカム構造体(1)において、上記電極(3)には、周方向に形成された上記スリット部(31)が設けられていることを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項3に記載のハニカム構造体(1)において、上記電極(3)には、該電極(3)を周方向に横切るように形成された上記スリット部(31)が設けられていることを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項4に記載のハニカム構造体において、上記電極(3)は、該電極(3)を周方向に横切るように形成された1つの上記スリット部(31)によって、軸方向に2つの部分に分割されており、また上記電極(3)は、軸方向長さが50mm以上であり、曲げ強度σが5〜130MPa、熱膨張係数αが4〜6.5×10-6/℃、ヤング率Eが10〜300GPaであって、R=σ/(α×E)の式で表される熱衝撃破壊抵抗係数Rが130℃以上であることを特徴とするハニカム構造体(1)
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のハニカム構造体(1)において、上記電極(3)は、周方向に並んで配置された複数の電極部(32)からなり、該複数の電極部(32)のうち、上記電極端子(4)を設けた上記電極部(32、32a)の強度をS1、それ以外の上記電極部(32、32b)の強度をS2とした場合に、S1>S2の関係を満たすことを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のハニカム構造体(1)は、円筒状の本体カバー部(51)と該本体カバー部(51)から外側に突出すると共に上記電極端子(4)を覆う端子カバー部(52)とを有するケース(5)内に収容されており、上記本体カバー部(51)と上記ハニカム体(2)及び上記電極(3)との間には、上記ハニカム構造体(1)を保持する保持部材(53)が配置されており、該保持部材(53)は、上記本体カバー部(51)の内側において上記電極端子(4)の周囲を覆っていることを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項7に記載のハニカム構造体(1)において、上記電極端子(4)は、セラミックス製であり、上記電極端子(4)には、金属端子(49)が接合されており、上記電極端子(4)と上記金属端子(49)との接合部(491)は、上記本体カバー部(51)の外側に位置しており、上記端子カバー部(52)の軸方向長さ(B)は、上記電極(3)の軸方向長さ(A)の1/2以上であることを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のハニカム構造体(1)は、上記一対の電極(3)間に通電を行うことによって上記ハニカム体(2)に担持された触媒を加熱する電気加熱式触媒装置(8)に用いられることを特徴とするハニカム構造体(1)。
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