JP7523399B2 - ハニカム構造体の発熱分布の推定方法、ハニカム構造体の製造方法及び電気加熱式担体の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)外周壁と、前記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貫通して流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、を有する柱状ハニカム構造部、及び、
前記柱状ハニカム構造部の外周壁の表面に、前記柱状ハニカム構造部の中心軸を挟んで対向するように配設されている一対の電極層A及び電極層B
を備えたハニカム構造体であり、
前記電極層A及び電極層Bは、それぞれ、電極層A1と電極層A2、及び、電極層B1と電極層B2に電気的に分離されており、
前記電極層A1と電極層B1、及び、前記電極層A2と電極層B2は、互いに前記ハニカム構造体の外周面の距離が近い側に位置している、ハニカム構造体の発熱分布の推定方法であって、
前記電極層A1と電極層B1との間で所定の微小電流を流して前記柱状ハニカム構造部を通電させ、前記外周壁、及び前記電極層の表面において、前記電極層A1から前記電極層B1に渡って、それぞれ周方向に沿って離間した複数地点の表面電位を測定する第1の工程と、
前記電極層A2と電極層B2との間で所定の微小電流を流して前記柱状ハニカム構造部を通電させ、前記外周壁、及び前記電極層の表面において、前記電極層A2から前記電極層B2に渡って、それぞれ周方向に沿って離間した複数地点の表面電位を測定する第2の工程と、
測定された前記複数地点の表面電位に基づいて、前記ハニカム構造体内の複数箇所での抵抗、通電経路による抵抗比率、電圧分担率、及び前記電極層A1、A2、B1及びB2の表面電位、の少なくとも1つを定量化する第3の工程と、
前記第3の工程で定量化した値に基づき、前記ハニカム構造体内の発熱分布を推定する工程と、
を含む、ハニカム構造体の発熱分布の推定方法。
(2)(1)に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法によって、検査前の前記ハニカム構造体の前記第3の工程における定量値を算出する工程と、
前記ハニカム構造体内の発熱分布を推定する工程で得られた閾値に基づいて前記第3の工程における定量値を評価して、合格品を選別する検査工程と、
を含む、ハニカム構造体の製造方法。
(3)(1)に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法によって検査前の前記ハニカム構造体の前記第3の工程における定量値を算出する工程と、
前記ハニカム構造体内の発熱分布を推定する工程で得られた閾値に基づいて前記第3の工程における定量値を評価して、合格品を選別する検査工程と、
を含む、電気加熱式担体の製造方法。
(1.ハニカム構造体)
図1は本発明の実施形態におけるハニカム構造体の発熱分布の推定方法で発熱分布の測定対象となるハニカム構造体10のセル15の延伸方向に垂直な断面模式図である。
次に、本発明の実施形態に係るハニカム構造体の発熱分布の推定方法について詳述する。まず、図2に示すように、電極層A1と電極層B1との間で所定の微小電流を流して柱状ハニカム構造部を通電させる。このとき、電源部31から電気的に接続された2本の電流端子32が、ハニカム構造体10の電極層A1と電極層B1にそれぞれ押し当てられており、通電状態を保っている。電極層A1と電極層B1との間に流す微小電流は、ハニカム構造体10が発熱しない程度の大きさの電流である。ハニカム構造体10が発熱しない程度の微小電流としては、ハニカム構造体10の材質や電気抵抗率にもよるが、1~1000mAとすることができ、この範囲内で電極層A1と電極層B1との間に一定の電流を流す。さらに、ハニカム構造体が低抵抗な緻密質である場合は、10~1000mAの範囲が好ましく、ハニカム構造体が多孔質である場合は、低抵抗な緻密質よりも相対的に抵抗が高いため、10~100mAの範囲が好ましい。
・第1の指標:上記の上側抵抗と下側抵抗との抵抗比率(上側抵抗/(上部抵抗+下側抵抗))を算出し、この値が0.50±α(一定値)である、とする指標。α(一定値)については、図5に示すように、通電経路による抵抗比率の値(上側抵抗と下側抵抗との比率)を横軸、上側と下側の電極層の端部における発熱分布の最大温度と最小温度との差を縦軸として、各サンプルの値をプロットし、そこから所望の発熱分布(発熱分布の最大温度と最小温度との差が小さく、発熱の偏りが小さくなる)が得られるものを正常として、正常となるサンプルが位置するプロットからαを設定する。
・第2の指標:測定によって得られた電極層A1または電極層A2とハニカム構造体の外周壁との表面電位差Pと、電極層B1または電極層B2とハニカム構造体の外周壁との表面電位差Qを求め、ハニカム構造体の通電経路の電圧分担率(P/P+Q)を算出し、この値が0.50±α(一定値)である、とする指標。このとき、図6に示すように、ハニカム構造体の上側(電極層A2、B2側)と下側(電極層A1、B1側)の各表面電位について、ハニカム構造体の左側(電極層A1、A2側)と右側(電極層B1、B2側)の電圧分担率を、図6のグラフにおけるハニカム構造体の左側の表面電位(表面電位差P)/左側と右側の合計表面電位(表面電位差P+Q)から算出する。図6において、横軸は、外周壁の所定位置からの距離を示し、縦軸は、表面電位の最も低い地点と最も高い地点での表面電位差(全体電圧)を1として、全体電圧を規格化したときの、測定した地点の表面電位を示す。α(一定値)については、図7に示すように、通電経路の電圧分担率の値を横軸、左側と右側の電極層の端部における発熱分布において、高温側の電極層端部と低温側の電極層端部との温度差を縦軸として、各サンプルの値をプロットし、そこから所望の発熱分布(発熱分布の電極層端部の温度差が小さく、発熱の偏りが小さくなる)が得られるものを正常として、正常となるサンプルが位置するプロットからαを設定する。
・第3の指標:図6に示すように、測定によって得られた電極層A1(B1)と電極層A2(B2)との合計分担電圧Rを算出し、全体電圧(全体の規格化電圧)に対する電極層の合計電圧分担率(R/1)を算出する。全体電圧としては、ハニカム構造体の上側半分または下側半分の表面電位測定において、表面電位の最も低い地点と最も高い地点での表面電位差を1と規格化し、これを全体の規格化電圧とする。また、電極層の合計分担電圧は、表面電位の最も低い地点と電極層の端部との表面電位差と、表面電位の最も高い地点と電極層の端部との表面電位差と、を合計した値を意味する。
第3の指標は、この電極層の合計電圧分担率の値について、電極層端部と電極層中央部との発熱分布の温度差がT1℃以上となる電極層の電圧分担率を上限の閾値とし、電極層端部と電極層中央部との発熱分布の温度差がT2℃以下となる電極層の電圧分担率を下限の閾値とする指標である。なお、T1については、例えば、電流が電極層の中央部から端部へと分散しやすくするため、例えば、0℃以上とすることが挙げられる。一方、T2に関しては、ハニカム構造体の径、容積、ハニカム構造部および電極層の電気抵抗率等に基づいて、適宜設定することができる。図8に、電極層の合計電圧分担率の値を横軸、電極層端部と電極層中央部との発熱分布の温度差(℃)を縦軸として、各サンプルの値をプロットした。この場合、下限の閾値と上限の閾値との間に位置するものを所望の発熱分布(発熱分布の最大温度と最小温度との差が小さく、発熱の偏りが小さくなる)を有するものと推定する。
本発明の実施形態に係るハニカム構造体の製造方法は、まず、上述のように本発明の実施形態に係るハニカム構造体の発熱分布の推定方法によって、ハニカム構造体10内の複数箇所での抵抗、通電経路による抵抗比率、電圧分担率、及び前記電極層A1、A2、B1及びB2の表面電位、の少なくとも1つを定量化し、定量値を算出する。
次に、ハニカム構造体内の発熱分布を推定する工程で得られた閾値に基づいて当該定量値を評価して、合格品を選別する。合格品の選別基準は、ハニカム構造体10に必要な閾値に基づいて適宜設定することができる。選別基準として、例えば、上述の所定の微小電流を流して、通電経路による抵抗比率、電圧分担率、及び前記電極層A1、A2、B1及びB2の表面電位を定量化し、ハニカム構造体の発熱分布を推定する工程で得られた閾値に基づいて、所望の発熱分布となる上記第1~第3の指標での評価を行い、これらの指標に示す閾値を満足することによって、合格品とするなどが挙げられる。
本発明の実施形態に係るハニカム構造体の製造方法によれば、上述のように定量化した値を算出し、所定の指標を設けて、その指標における閾値に基づいて定量値を評価することで、合格品に選別されたハニカム構造体が得られるため、精度の高い評価に基づく選別がなされたハニカム構造体を簡易かつ安価に作製することができる。
(1.電気加熱式担体)
図4は、本発明の実施形態に係る電気加熱式担体20のセルの延伸方向に垂直な断面模式図である。電気加熱式担体20は、上述のハニカム構造体10及び金属端子21a、21bを備えている。
金属端子21a、21bは、それぞれ、ハニカム構造体10の電極層A1及びA2、電極層B1及びB2上に設けられており、電気的に接合されている。これにより、金属端子21a、21bは、電極層A1、A2、B1、B2を介して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体10を発熱させることが可能である。
本発明の実施形態に係る電気加熱式担体の製造方法は、まず、本発明の実施形態に係るハニカム構造体10を準備し、ハニカム構造体10の電極層A1、A2、B1、B2上に金属端子21a、21bを溶接や溶射などで設ける。
次に、上述のように本発明の実施形態に係るハニカム構造体の発熱分布の推定方法によって、検査前(具体的には、後述の検査工程を行う前)のハニカム構造体10の第3の工程における定量値を算出する。
次に、ハニカム構造体10内の発熱分布を推定する工程で得られた閾値に基づいて、第3の工程における定量値を評価して、合格品を選別する検査工程を行う。このような検査工程によって、電気加熱式担体20を作製することができる。なお、ハニカム構造体10の発熱分布の推定方法によって、検査前のハニカム構造体10の第3の工程における定量値を評価して合格品を選別し、その後、合格品のハニカム構造体10の電極層A1、A2、B1、B2上に金属端子21a、21bを設けてもよい。
合格品の選別基準は、所望の発熱分布となり得るハニカム構造体10に必要な閾値に基づいて適宜設定することができる。例えば、当該選別基準は、上述のハニカム構造体の製造方法で示した合格品の選別基準を用いることができる。
以下、本発明及びその利点をより良く理解するための具体例を例示するが、本発明は当該具体例に限定されるものではない。
(1.ハニカム構造体の準備)
図1に示したような構成のハニカム構造体を準備する。当該ハニカム構造体は、Si-SiC製であり、端面が直径100mmの円形であり、高さ(セルの流路方向における長さ)が100mmである。セル密度は93セル/cm2であり、隔壁の厚みは101.6μmであり、隔壁の気孔率は45%であり、隔壁の平均細孔径は8.6μmである。
ハニカム構造体の電極層A1、A2、B1、B2はSi-SiC製であり、電極層A1と電極層A2との間のスリット、及び、電極層B1と電極層B2との間のスリットの幅は、1.5mmであった。電極層A1、A2、B1、B2の厚みは、それぞれ0.2mmである。
また、ハニカム構造体は、外周壁において、電極層A1が設けられている表面と電極層B1が設けられている表面との間、及び、電極層A2が設けられている表面と電極層B2が設けられている表面との間に、それぞれ、セルの延伸方向に沿うように幅1.5mmのスリット(熱応力緩和スリット)が設けられている。
次に、図2に示すように、電源部から電気的に接続された2本の電流端子を、ハニカム構造体の電極層A1と電極層B1にそれぞれ押し当て、40mAの定電流(微小電流)を流し、通電させる。
次に、ハニカム構造体を通電させた状態で、外周壁及び電極層A1、B1の表面において、電極層A1から電極層B1に渡って、それぞれ周方向に沿って離間した合計36地点の表面電位を測定する。
次に、ハニカム構造体を通電させた状態で、外周壁及び電極層A2、B2の表面において、電極層A2から電極層B2に渡って、それぞれ周方向に沿って離間した合計36地点の表面電位を測定する。
ハニカム構造体内の複数箇所での抵抗(通電抵抗)、通電経路による抵抗比率、電圧分担率、及び、電極層A1、A2、B1、B2の表面電位を定量化する。発熱分布の推定については、各サンプル(複数のハニカム構造体)において、電力:1.5kw、印加時間:20秒にて通電発熱した際の後述の温度差を求めた。
表面電位の定量化に関して、具体的には、電極層A1上から外周壁上を亘り電極層B1上へと測定した36地点の始点と終点の表面電位差と、電極層A2上から外周壁上を亘り電極層B2上へと測定した36地点の始点と終点の表面電位差との平均値によってハニカム構造体内の複数箇所での抵抗を推定する。
電極層A1、A2、B1、B2の合計分担電圧(R)を、電極層A1及びB1、または電極層A2及びB2のいずれか表面電位の低い方を表面電位データから算出し、全体電圧(全体の規格化電圧)に対する電極層の合計電圧分担率(R/1)を算出する。
同様の電極層の合計電圧分担率の算出を、複数のハニカム構造体(各サンプル)について行い、図8に示すように、全体の規格化電圧に対する電極層の合計電圧分担率の値を横軸、電極層端部と電極層中央部との発熱分布の温度差(℃)を縦軸として、各サンプルの値をプロットする。この電極層の合計電圧分担率の値について、上限の閾値となる電圧分担率と、下限の閾値となる電圧分担率とを設定し、この下限の閾値と上限の閾値との間に位置するものを所望の発熱分布(発熱分布の平均温度差が小さく、発熱の偏りが小さくなる)を有するものと推定する。
ハニカム構造体の通電経路の抵抗比率を、上述の電極層A1と電極層B1との間の外周壁での表面電位と、電極層A2と電極層B2との間の外周壁での表面電位との差に基づいて算出する。具体的には、電極層A1上から外周壁上を亘り電極層B1上へと測定した36地点における電極層A1の最も低い表面電位と電極層B1の最も高い表面電位との差(下側抵抗)を求める。さらに、電極層A2上から外周壁上を亘り電極層B2上へと測定した36地点における電極層A2の最も低い表面電位と電極層B2の最も高い表面電位との差(上側抵抗)を求める。そして、上側抵抗と下側抵抗との比率(上側抵抗/(上側抵抗+下側抵抗))を算出することによってハニカム構造体の通電経路の抵抗比率を算出する。
同様の通電経路の抵抗比率の算出を、複数のハニカム構造体(各サンプル)について行い、図5に示すように、通電経路による上側抵抗と下側抵抗との比率(ハニカム構造体の通電経路の抵抗比率)を横軸、上側と下側の電極層の端部における発熱分布の最大温度と最小温度との差を縦軸として、各サンプルの値をプロットする。この通電経路による上側抵抗と下側抵抗との比率の値について、閾値(0.50±α)を設定し、この閾値内に位置するものを所望の発熱分布(発熱分布の最大温度と最小温度との差が小さく、発熱の偏りが小さくなる)を有するものと推定する。
ハニカム構造体の通電経路の電圧分担率を、電極層A1及びB1、または電極層A2及びB2のいずれか表面電位の低い方を表面電位データから算出する。具体的には、電極層A1(又は電極層A2)における表面電位が一定となった点と外周壁の所定位置での表面電位差Pと、電極層B1(又は電極層B2)における表面電位が一定となった点と外周壁の所定位置での表面電位差Qと、を算出し、この表面電位差P、Qに基づき、通電経路の電圧分担率(P/P+Q)を算出する。なお、外周壁の所定位置は、電極層A1(又は電極層A2)と外周壁のある位置との距離(外周壁の左半分)と、電極層B1(又は電極層B2)と外周壁のある位置との距離(外周壁の右半分)と、が等しくなる位置である。
同様の通電経路の電圧分担率の算出を、複数のハニカム構造体(各サンプル)について行い、図7に示すように、通電経路の電圧分担率の値を横軸、左側と右側の電極層の端部における発熱分布の高温側の電極層端部と低温側の電極層端部との温度差を縦軸として、各サンプルの値をプロットする。この通電経路の電圧分担率の値について、閾値(0.50±α)を設定し、この閾値内に位置するものを所望の発熱分布(発熱分布の最大温度と最小温度との差が小さく、発熱の偏りが小さくなる)を有するものと推定する。
11 柱状ハニカム構造部
12 外周壁
13 隔壁
15 セル
16 スリット
20 電気加熱式担体
21a、21b 金属端子
31 電源部
32 電流端子
33 測定地点
A1、A2、B1、B2 電極層
Claims (11)
- 外周壁と、前記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貫通して流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、を有する柱状ハニカム構造部、及び、
前記柱状ハニカム構造部の外周壁の表面に、前記柱状ハニカム構造部の中心軸を挟んで対向するように配設されている一対の電極層A及び電極層B
を備えたハニカム構造体であり、
前記電極層A及び電極層Bは、それぞれ、電極層A1と電極層A2、及び、電極層B1と電極層B2に電気的に分離されており、
前記電極層A1と電極層B1、及び、前記電極層A2と電極層B2は、互いに前記ハニカム構造体の外周面の距離が近い側に位置している、ハニカム構造体の発熱分布の推定方法であって、
前記電極層A1と電極層B1との間で所定の微小電流を流して前記柱状ハニカム構造部を通電させ、前記外周壁、及び前記電極層の表面において、前記電極層A1から前記電極層B1に渡って、それぞれ周方向に沿って離間した複数地点の表面電位を測定する第1の工程と、
前記電極層A2と電極層B2との間で所定の微小電流を流して前記柱状ハニカム構造部を通電させ、前記外周壁、及び前記電極層の表面において、前記電極層A2から前記電極層B2に渡って、それぞれ周方向に沿って離間した複数地点の表面電位を測定する第2の工程と、
測定された前記複数地点の表面電位に基づいて、前記ハニカム構造体内の複数箇所での抵抗、通電経路による抵抗比率、電圧分担率、及び前記電極層A1、A2、B1及びB2の表面電位、の少なくとも1つを定量化する第3の工程と、
前記第3の工程で定量化した値に基づき、前記ハニカム構造体内の発熱分布を推定する工程と、
を含む、ハニカム構造体の発熱分布の推定方法。 - 前記電極層A1から前記電極層B1に渡る、周方向に沿って離間した前記複数地点の表面電位の測定、及び、前記電極層A2から前記電極層B2に渡る、周方向に沿って離間した前記複数地点の表面電位の測定を、それぞれ、前記柱状ハニカム構造部のセルの延伸方向に沿って複数箇所に対して行う、請求項1に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法。
- 前記電極層A1と電極層A2、及び、前記電極層B1と電極層B2が、それぞれスリットにより電気的に分離されている請求項1または2に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法。
- 前記第1の工程において、前記複数地点の表面電位の測定が、前記電極層A1、電極層B1、前記電極層A1とB1との間の前記外周壁からそれぞれ、少なくとも2地点以上の表面電位を測定するものであり、
前記第2の工程において、前記複数地点の表面電位の測定が、前記電極層A2、電極層B2、前記電極層A2とB2との間の前記外周壁からそれぞれ、少なくとも2地点以上の表面電位を測定するものである、
請求項1~3のいずれか一項に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法。 - 前記第3の工程が、下記(i)及び/または(ii)の表面電位差に基づき、前記通電抵抗の抵抗比率を算出することを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法:
(i)前記第1の工程において、前記複数地点の表面電位の測定において、前記電極層A1における測定地点での最も低い表面電位と、前記電極層B1における測定地点での最も高い表面電位と、の差:
(ii)前記第2の工程において、前記複数地点の表面電位の測定において、前記電極層A2における測定地点での最も低い表面電位と、前記電極層B2における測定地点での最も高い表面電位と、の差。 - 前記第3の工程が、下記(iii)及び/又は(iv)の表面電位から、前記電極層A1、A2、B1、B2の合計電圧を算出し、全体電圧に対する前記電極層A1、A2、B1、B2の合計電圧分担率を算出することを含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法:
(iii)前記第1の工程において、前記電極層A1及び電極層B1において複数地点で表面電位を測定し、その前記電極層A1における表面電位、及び、その前記電極層B1における表面電位:
(iv)前記第2の工程において、前記電極層A2及び電極層B2において複数地点で表面電位を測定し、その前記電極層A2における表面電位、及び、その前記電極層B2における表面電位。 - 前記第3の工程が、下記(v)の表面電位差P及びQから、前記ハニカム構造体の通電経路の電圧分担率(P/P+Q)を算出することを含む、請求項1~6のいずれか一項に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法:
(v)前記第1の工程における前記電極層A1または電極層A2と前記外周壁との表面電位差Pと、前記第2の工程における前記電極層B1または電極層B2と前記外周壁との表面電位差Q。 - 請求項1~7のいずれか一項に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法によって、検査前の前記ハニカム構造体の前記第3の工程における定量値を算出する工程と、
前記ハニカム構造体内の発熱分布を推定する工程で得られた閾値に基づいて前記第3の工程における定量値を評価して、合格品を選別する検査工程と、
を含む、ハニカム構造体の製造方法。 - 請求項1~7のいずれか一項に記載のハニカム構造体の発熱分布の推定方法によって検査前の前記ハニカム構造体の前記第3の工程における定量値を算出する工程と、
前記ハニカム構造体内の発熱分布を推定する工程で得られた閾値に基づいて前記第3の工程における定量値を評価して、合格品を選別する検査工程と、
を含む、電気加熱式担体の製造方法。 - 前記電気加熱式担体の製造方法が、
前記ハニカム構造体の第3の工程における定量値を算出する工程の前に、前記検査前のハニカム構造体の前記電極層A及び電極層B上にそれぞれ金属端子を設ける工程を有する請求項9に記載の電気加熱式担体の製造方法。 - 前記電気加熱式担体の製造方法が、
前記検査工程の後に、前記ハニカム構造体の前記電極層A及び電極層B上にそれぞれ金属端子を設ける工程を有する請求項9に記載の電気加熱式担体の製造方法。
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