JP6142144B2 - 加熱装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電磁波を利用して電磁波吸収体を発熱させることにより被加熱物を加熱する加熱装置に関するものである。
従来から、電磁波を利用して電磁波吸収体を発熱させることにより、被加熱物を加熱する技術が知られている。
例えば特開２００９−０３６１９９号公報には、マイクロ波によりマイクロ波吸収体材料を発熱させて排ガスの微粒子捕集用フィルタを加熱する技術が開示されている。マイクロ波吸収体材料は、微粒子捕集用フィルタに添加されている。マイクロ波吸収体材料としては、炭素繊維をコイル状にしたカーボンマイクロコイルが記載されている。
ところで、高温ガスが流通する空間に設けられる被加熱物の加熱に、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを利用する加熱装置では、マイクロコイルが被加熱物に一体に設けられる。そのため、微粒子捕集用フィルタのように高温ガスに晒される物を加熱する場合は、マイクロコイルも高温ガスに晒される。炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルは、排気ガスの温度レベルで発火するおそれがある。従って、マイクロコイルが焼損し、被加熱物をほとんど加熱できなくなるおそれがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温ガスが流通する空間に設けられる被加熱物の加熱に、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを利用する加熱装置において、マイクロコイルの焼損による機能低下を抑制することにある。
第１の発明は、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを有するとともに、高温ガスが流通する対象空間に設けられる被加熱物と一体に設けられた発熱層と、前記対象空間に電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、前記電磁波放射装置から前記対象空間へ電磁波を放射して前記マイクロコイルを発熱させることにより、前記被加熱物を加熱する加熱装置であって、前記発熱層の全領域を被覆する被覆層を備えている。
第１の発明では、発熱層の全領域を被覆する被覆層を備えているので、発熱層に酸素がほとんど到達しない。また、発熱層が高温ガスに直接晒されないため、高温ガス流通時の発熱層の温度上昇が抑制される。
第２の発明は、第１の発明において、前記被加熱物は、前期高温ガスを浄化する触媒であり、前記触媒は、前記被覆層に設けられている。
第３の発明は、第２の発明において、前記被覆層と前記発熱層の境界面で、前記触媒と、前記マイクロコイルが非接触の状態に保たれている
第３の発明では、触媒とマイクロコイルとが非接触の状態に保たれるので、触媒によりマイクロコイルの酸化が促進されることが防止される。
第４の発明は、第１から第３の何れか１つの発明において、前記マイクロコイルが該マイクロコイルの発火温度以上にならないように、前記電磁波放射装置による電磁波の放射が制御される。
第４の発明では、マイクロコイルがその発火温度以上にならないようにすることができる。
第５の発明は、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを有するとともに、高温ガスが流通する対象空間に設けられる被加熱物と一体に設けられた発熱層と、前記対象空間に電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、前記電磁波放射装置から前記対象空間へ電磁波を放射して前記発熱層のマイクロコイルを発熱させることにより、前記被加熱物を加熱する加熱装置であって、前記マイクロコイルは、炭化珪素を主成分とする。
第５の発明では、被加熱物の加熱に、耐熱性が高く化学的に安定な炭化珪素を主成分とするマイクロコイルが用いられている。このマイクロコイルは、高温ガスが流通する空間に設けられる被加熱物と一体化されても焼損しにくい。
本発明では、被覆層が発熱層の全領域を被覆するので、発熱層に酸素がほとんど到達しない。また、発熱層が高温ガスに直接晒されないため、高温ガス流通時の発熱層の温度上昇が抑制される。発熱層のマイクロコイルは、ほとんど酸素に接触しない上に、自身の発火温度に到達しにくい。従って、発熱層のマイクロコイルが極めて焼損しにくく、その焼損による加熱装置の機能低下を抑制できる。
第３の発明では、触媒とマイクロコイルとが非接触の状態に保たれるので、触媒によりマイクロコイルの酸化が促進されることが防止される。そのため、触媒との接触によりマイクロコイルが損傷しないため加熱装置の寿命を延ばすことができる。
第４の発明では、マイクロコイルがその発火温度以上にならないように、電磁波の放射が制御される。そのため、被加熱物が高温ガスに晒される期間だけでなく、電磁波によりマイクロコイルを発熱させる期間も、発熱層のマイクロコイルが極めて焼損しにくく、その焼損による加熱装置の機能低下を抑制できる。
第５の発明では、被加熱物の加熱に、耐熱性が高く化学的に安定な炭化珪素を主成分とするマイクロコイルが用いられている。そのため、高温ガスが流通する空間に設けられる被加熱物と一体化されてもマイクロコイルが焼損しにくく、加熱装置の機能低下を抑制できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
本実施形態の加熱装置１０は、自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置３０の触媒３２（被加熱物）を加熱する装置である。
触媒３２は、本実施形態においては、三元触媒システムの主成分となる活性金属（プラチナ、パラジウム、ロジウム）である。三元触媒システムは、ガソリンを燃料とする自動車の排ガス中に含まれる炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）、窒素酸化物（NOx）を浄化する。三元触媒は、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、窒素酸化物を窒素に還元する。
三元触媒システムは、常温では還元能力が低く、エンジンが冷えた状態で始動した直後では還元能力がほとんどない。そのため、エンジンの始動時に三元触媒システムを適切に作動させるためには、触媒３２が活性化する適切な温度にまで加熱する必要がある。本実施形態においては、加熱装置１０が、触媒３２をすみやかに加熱して触媒３２を活性化させる。
排ガス浄化装置３０は、図１に示すように、触媒３２が設けられた触媒担体１１と、その触媒担体１１を収容するケーシング３１と、触媒３２の加熱装置１０とを備えている。
触媒担体１１は、図２、図３に示すように、外径がケーシング３１の内径とほぼ同じに設定され、固定用の部材（図示省略）でケーシング３１の内部に固定される。触媒担体１１は、外筒１２と、ハニカム構造体１３と、触媒担持層３５とを備えている。
外筒１２は、マイクロ波を透過可能な絶縁性の材料からなる円筒形状の部材である。本実施形態では、外筒１２は、セラミック材料で構成されている。外筒１２は、次に述べるハニカム構造体１３を内部に収容している。
ハニカム構造体１３は、外筒１２と同様、マイクロ波を透過可能な絶縁性の材料からなる外形が円柱状の部材である。本実施形態では、ハニカム構造体１３が、外筒１２と同じセラミック材料で構成されている。ハニカム構造体１３は、円筒形状の筒部１３ａと、筒部１３ａと一体に成形された断面格子状の格子部１３ｂとを備えている。ハニカム構造体１３は、格子部１３ｂの間の空隙を通して、図３の図中の矢印で示す方向に排ガスが流通可能に構成されている。
触媒担持層３５は、図２、図３に示すように、ハニカム構造体１３の筒部１３ａと格子部１３ｂにそれぞれ積層されている。触媒担持層３５には、触媒３２が担持されている。なお、触媒担持層３５のうち触媒３２を除く部分は、加熱装置１０の一部にもなっている。触媒３２は、触媒担持層３５のうち後述する被覆層１５に担持されている。
ケーシング３１は、触媒担体１１を収納するために設けられた、概ね筒状の金属製の部材である。ケーシング３１は、自動車のエンジンの排気管の一部を構成しており、図１の図中の矢印で示す方向に、排ガスが流通する。つまり、ケーシング３１の内部は、排ガスが流通する排ガス通路３３（対象空間）を構成している。
ケーシング３１の下方中央付近には、後述するアンテナ１７を挿通させる開口部３４が形成されている。ケーシング３１の内部の排ガス通路３３には、アンテナ１７からマイクロ波が放射される。
加熱装置１０は、前述の排ガス浄化装置３０の触媒担持層３５に担持された触媒３２（被加熱物）を加熱する装置である。加熱装置１０は、発熱層１４と、被覆層１５と、電磁波放射装置４０とを備えている。
発熱層１４は、触媒担持層３５の下層側を構成する層である。発熱層１４は、図２、図３に示すようにハニカム構造体１３の筒部１３ａと格子部１３ｂとにそれぞれ積層されている。発熱層１４は、図４に詳しく示すように、セラミック系のバインダー１４ａの中に、マイクロコイル２１が多数、混入されている。発熱層１４は、セラミック系のバインダー１４ａと、マイクロコイル２１とを混合したスラリー溶液をハニカム構造体１３の表面に塗布し、ハニカム構造体１３とともに焼成することによって形成される。
ここで、マイクロコイル２１は、炭素原子を主成分とするいわゆるカーボンマイクロコイル（CMC）で構成されている。カーボンマイクロコイルは、約０．０１〜１μmのピッチでコイル型に巻かれた形状を持つ微細な炭素繊維である。なお、発熱層１４に、炭化珪素を主成分とするマイクロコイルを使用してもよい。
カーボンマイクロコイルは、電磁波を吸収して発熱する特性を持つ。本実施形態では、この特性を利用して後述の電磁波発生装置１６からマイクロコイル２１にマイクロ波（電磁波）を吸収させて、マイクロコイル２１を発熱させる。そして、マイクロコイル２１で発生した熱により、発熱層１４と、発熱層１４の上に設けられた後述する被覆層１５とを加熱する。その結果、被覆層１５に担持された触媒３２が加熱される。
被覆層１５は、触媒担持層３５の上層側を構成する層である。被覆層１５は、セラミック系のバインダー材で構成された非通気性の耐熱層である。被覆層１５は、発熱層１４の全領域を被覆して、発熱層１４に酸素が到達することを防止すると共に、ハニカム構造体１３の空隙を高温ガスが流通する時の発熱層１４の温度上昇を抑制する。
被覆層１５は、発熱層１４の上に、触媒３２を担持させたセラミック系バインダー材を塗布して、焼成することによって形成される。このようにして被覆層１５の表面に、被加熱物である触媒３２が設けられている。
ここで、カーボンマイクロコイルは、空気中で５００〜６００℃以上で自然発火するおそれがある。一方、自動車エンジンの排ガス温度は、全負荷運転時には７００℃から８００℃に達し、上り坂や加速時には１０００℃以上に達することもある。
そのため、カーボンマイクロコイルの自然発火温度以上の排ガスにカーボンマイクロコイルが直接晒された場合、カーボンマイクロコイルが、発火温度以上になって、発火する恐れがある。そこで、発熱層１４に酸素が到達することを防止すると共に、発熱層１４の温度上昇を抑制するために、被覆層１５により、マイクロコイル２１がある発熱層１４の全領域を被覆している。
電磁波放射装置４０は、触媒３２を加熱するために、発熱層１４のマイクロコイル２１が吸収するマイクロ波（電磁波）を放射する装置である。電磁波放射装置４０は、電磁波発生装置１６と、アンテナ１７と、電力供給部１８と、制御装置１９とを備えている。
電磁波発生装置１６では、半導体発振器（図示省略）によりマイクロ波を生成する。電磁波発生装置１６は、電力供給部１８から電力供給路１８ａを介して電力の供給を受けると、マイクロ波を生成し、生成したマイクロ波を、マイクロ波伝送路１６ａを介してアンテナ１７に送る。
アンテナ１７は、電磁波発生装置１６から出力されたマイクロ波を、ケーシング３１の内部の排ガス通路３３に放射するためのものである。アンテナ１７は、ケーシング３１に設けられた開口部３４に挿通され、ケーシング３１の内部の排ガス通路３３に露出している。
制御装置１９は、CPU、記憶装置、入出力装置を備えた、いわゆる電子制御装置で構成されている。制御装置１９は、次に述べるように、加熱装置１０を制御する。
−プラズマ処理装置の動作−
−プラズマ処理装置の動作−
制御装置１９の制御動作を含めて、加熱装置１０の動作について説明する。
制御装置１９は、自動車のエンジンの始動と同時に電磁波駆動信号を電力供給部１８に出力する。電力供給部１８は、電磁波駆動信号を受けると、電力を電磁波発生装置１６へ供給する。そうすると、電磁波発生装置１６で生成された電磁波が、アンテナ１７からケーシング３１の内部の排ガス通路３３に放射される。
アンテナ１７から排ガス通路３３にマイクロ波が放射されると、発熱層１４のマイクロコイル２１が、マイクロ波のエネルギーを吸収して瞬時に発熱し、高温状態となる。
高温状態のマイクロコイル２１により、発熱層１４と被覆層１５とがすみやかに加熱され、被覆層１５に担持された触媒３２が加熱される。その結果、触媒３２が短時間で活性温度に到達する。
本実施形態においては、加熱装置１０により、触媒が活性化する温度として、例えば、摂氏３００−４００度まで触媒３２を加熱するように構成されている。そして、活性温度に到達した触媒３２により、排ガス中に含まれる炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）、窒素酸化物（NOx）が分解される。クリーンとなった排ガスは、下流側に配置した排気通路（図示省略）を流通して大気へと放出される。
−実施形態の効果−
−実施形態の効果−
本実施形態では、被覆層１５が発熱層１４の全領域を被覆するので、発熱層１４に酸素がほとんど到達しない。また、発熱層１４が高温の排ガスガスに直接晒されないため、高温の排ガスの流通時の発熱層１４の温度上昇が抑制される。発熱層１４のマイクロコイル２１は、ほとんど酸素に接触しない上に、自身の発火温度に到達しにくい。従って、発熱層１４のマイクロコイル２１が極めて焼損しにくく、その焼損による加熱装置１０の機能低下を抑制できる。
触媒３２とマイクロコイル２１とが非接触の状態に保たれるので、触媒３２によりマイクロコイル２１の酸化が促進されることが防止される。そのため、触媒３２との接触によりマイクロコイル２１が損傷しないため加熱装置１０の寿命を延ばすことができる。
−実施形態の変形例１−
−実施形態の変形例１−
変形例１では、発熱層１４のマイクロコイル２１として、耐熱性が高く化学的に安定な炭化珪素を主成分とするマイクロコイルが用いられている。従って、マイクロコイル２１が焼損しにくく、加熱装置１０の機能低下が抑制される。
−実施形態の変形例２−
−実施形態の変形例２−
変形例２では、触媒３２とマイクロコイル２１との化学反応を避けるために、触媒３２とマイクロコイル２１との間に、絶縁体２５の絶縁層が設けられている。例えば、図５においては、発熱層１４に絶縁体２５が蒸着されることにより、触媒３２とマイクロコイル２１とが、非接触の状態に保たれている。
このように、変形例２においては、触媒３２とマイクロコイル２１とが絶縁体２５により非接触の状態に保たれるので、触媒３２によりマイクロコイル２１の酸化が促進されることが防止される。そのため、触媒３２との接触によりマイクロコイルが損傷しないため、加熱装置１０の寿命を延ばすことができる。
−実施形態の変形例３−
−実施形態の変形例３−
カーボンマイクロコイルの代わりに例えば、炭化珪素を主成分とするマイクロコイル２１を用いる場合、図６のように、被覆層１５を省略して、マイクロコイル２１と触媒３２とを共に発熱層１４に設けることができる。
触媒３２の加熱に、耐熱性が高く化学的に安定な炭化珪素を主成分とするマイクロコイル２１が用いられている。そのため、高温の排ガスが流通する空間に設けられる触媒３２と一体化されてもマイクロコイル２１が焼損しにくく、加熱装置１０の機能低下を抑制できる。また、実施形態に比べて、マイクロコイル２１が触媒３２に近接しているため、触媒３２を短時間で昇温することができる。
−実施形態の変形例４−
触媒３２の加熱に、耐熱性が高く化学的に安定な炭化珪素を主成分とするマイクロコイル２１が用いられている。そのため、高温の排ガスが流通する空間に設けられる触媒３２と一体化されてもマイクロコイル２１が焼損しにくく、加熱装置１０の機能低下を抑制できる。また、実施形態に比べて、マイクロコイル２１が触媒３２に近接しているため、触媒３２を短時間で昇温することができる。
−実施形態の変形例４−
変形例４では、マイクロコイル２１が該マイクロコイル２１の発火温度以上にならないように、電磁波放射装置４０においてマイクロ波の放射制御が実行される。制御装置１９には、電磁波放射装置４０がマイクロ波の放射を継続した場合に、マイクロコイル２１がその発火温度より低い上限温度に到達するまでに要する時間が、終了設定時間として設定されている。上限温度は、発火温度よりも例えば５０℃低い温度である。
制御装置１９は、エンジンの始動と同時にマイクロ波の放射を開始した時点から終了設定時間が経過した時点で、電力供給の停止を指示する停止指令を電力供給部１８に出力する。そうすると、電力供給部１８が電磁波発生装置１６への電力の供給を停止し、電磁波放射装置４０によりマイクロ波の放射が停止される。
このように、変形例４では、マイクロコイル２１がその発火温度以上にならないようにマイクロ波の放射が制御されるため、触媒３２が高温の排ガスに晒される期間だけでなく、マイクロ波によりマイクロコイル２１を発熱させる期間も、マイクロコイル２１が極めて焼損しにくく、その焼損による加熱装置１０の機能低下を抑制できる。
なお、発熱層１４の温度を検出する温度センサを設けて、その温度センサの出力値に基づいて、制御装置１９が停止指令を電力供給部１８に出力するようにしてもよい。
−その他の実施形態−
−その他の実施形態−
前記実施形態は、以下のように構成してもよい。
本実施形態の加熱装置１０は、自動車の排ガスを浄化する触媒３２を加熱するものに限定されない。例えば、燃焼炉の排ガスを浄化する触媒を加熱するものなど、高温ガスが流通する空間に設けられる種々の触媒に採用可能である。
ケーシング３１の形状や、マイクロ波を受け入れるための開口部３４の位置などは、必ずしも本実施形態の形状、位置に限定されない。例えばケーシング３１の形状は、角筒状でもよい。また、開口部３４の位置も、ケーシング３１の上方に設けてもよいなど、種々の設計変更が可能である。
触媒３２も、三元触媒に用いられる触媒に限定されない。例えば、活性化するのに昇温が必要となるＳＣＲ触媒などにも適用可能である。
発熱層１４のバインダー１４ａもセラミック系のものに限らない。耐熱性を有し、マイクロコイル２１をハニカム構造体１３に定着させることができるものであれば、種々のバインダーが採用可能である。
また、被覆層１５に用いられるバインダーも、セラミック系のものに限らない。触媒３２を発熱層１４に定着させるとともに、発熱層１４の全領域を被覆することができるものであれば、種々のものが採用可能である。
電磁波発生装置１６は、マイクロ波の生成に当って半導体発振器の代わりに、マグネトロンを使用してもよい。
制御装置１９は、例えば寒冷時などの場合は、自動車のエンジンが始動する前から、電力供給部１８を制御して、マイクロコイル２１にマイクロ波を放射するように構成してもよい。そうすれば、エンジンの始動時から排ガスをクリーンなものにすることができる。
また、被加熱物は、触媒３２以外のもの（排気通路に設けられるセンサ）であってもよい。
以上説明したように、本発明は、高温ガスが流通する対象空間へ電磁波を放射してマイクロコイルを発熱させることにより、被加熱物を加熱する加熱装置について有用である。
１０ 加熱装置
１４ 発熱層
１５ 被覆層
２１ マイクロコイル
２５ 絶縁体
３２ 触媒（被加熱物）
３３ 排ガス通路（対象空間）
４０ 電磁波放射装置
１４ 発熱層
１５ 被覆層
２１ マイクロコイル
２５ 絶縁体
３２ 触媒（被加熱物）
３３ 排ガス通路（対象空間）
４０ 電磁波放射装置
Claims (2)
- 炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを有するとともに、高温ガスが流通する対象空間に設けられる前記高温ガスを浄化する触媒と一体に設けられた発熱層と、
前記対象空間に電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、
前記電磁波放射装置から前記対象空間へ電磁波を放射して前記マイクロコイルを発熱させることにより、前記触媒を加熱する加熱装置であって、
前記発熱層の全領域を被覆する前記触媒が設けられた被覆層を備え、
前記被覆層と前記発熱層の境界面で、前記触媒と、前記マイクロコイルが非接触の状態に保たれていることを特徴とする加熱装置。 - 請求項１に記載の加熱装置において、
前記マイクロコイルが該マイクロコイルの発火温度以上にならないように、前記電磁波放射装置による電磁波の放射が制御されることを特徴とする加熱装置。
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