JPH07328360A - 多孔質炭化珪素ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強度又は耐久性を維持しつつ、フィルター効
率を増大させる多孔質炭化珪素ヒータを提供することに
ある。 【構成】 平均細孔直径が20μm 乃至40μm 、且つ気孔
率が40 p％以上である再結晶質炭化珪素体と、該再結晶
質炭化珪素体の両端に設けられた、耐熱性電極からなる
通電手段を備えた多孔質炭化珪素ヒータによれば、耐熱
性電極を介してヒータを通電させ、抵抗発熱を起こさ
せ、約800 °C 以上の高温にすることにより孔に付着し
た排気ガス中のスス等を燃焼除去して、孔の目詰まりを
防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自己発熱性と濾過性を
兼備した多孔質炭化珪素ヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関、特にディーゼルエンジ
ンの排気ガスの処理が環境問題の一つとして取上げられ
ている。ディーゼルエンジンの排気ガスは、ＮＯx など
の窒素酸化物系の気体や黒煙（スス）等を含有する。こ
のうち、ススの処理技術については、酸化物セラミック
スに白金を担持した、断面形状がハニカム状フィルター
でススを吸着させて除去する方法が考え出されている。
また、他の技術としては、特公平２−３０２８７号公報
に開示されているように、優れた耐熱性、耐酸化性およ
び耐食性等からヒータ材料としての実績を有する再結晶
質炭化珪素からなる自己発熱性フィルターが知られてい
る。この自己発熱フィルターは、多孔性発泡体を再結晶
質炭化珪素で置換して製造されたもので、平均細孔直径
は１mm乃至１０mm程度である。さらに、平均細孔直径２
０乃至３０μm 、気孔率２０乃至２５％である炭化珪素
ヒータも使用されている。この炭化珪素ヒータは、一般
的にパイプ状ヒータを並べた構造で、パイプ表面に排気
ガスが接触し、処理されるようになっている。これら平
均細孔直径がmmレベルの炭化珪素ヒータとμm レベルの
炭化珪素ヒータとでは、フィルターとしての機能が異な
っている。即ち、mmレベルの炭化珪素ヒータの場合に
は、排気ガスは炭化珪素組織の中を通過せず、mmレベル
の気孔の中を単に通過するのに対し、μm レベルの場合
には排気ガスは炭化珪素組織の中を通過する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような排気ガス
（スス等）の処理技術のうち上記ハニカム状のフィルタ
ーにあっては、ススによって目詰まりを起こし、排気し
にくくなるため、詰まったススを除去する必要がある。
ススの除去方法として実用化されているものには、セラ
ミックスフィルターに吸着したススを、空気噴射で払い
落し、ヒータで燃焼させる方法がある。しかし、この方
法を実施するための空気噴射装置が大型で、デイーゼル
エンジン等の内燃機関車両の限られた下部スペースに設
置するのは困難である。また、平均細孔直径がmmレベル
の上記炭化珪素ヒータにあっては、自己発熱によってス
ス等を燃焼除去して孔の目詰まりを防止することができ
るが、製造方法に起因して均一な組織とならないため、
発熱むらを生じたり、又は大きな平均細孔直径に起因し
て発熱時に熱応力で割れが発生したり、或はススの吸着
が悪く、燃焼効率が悪いという問題があり、発熱機能を
有するフィルターとしては実用化されていない。さら
に、平均細孔直径がμm レベルの上記炭化珪素ヒータに
あっては、平均細孔直径が約２０乃至３０μm とかなり
補修効率の良い細孔を有しているにもかかわらず、気孔
率が２０乃至２５％とかなり小さいため、排気ガスが組
織内を通過しにくく、ヒータ表面のみの排気ガス処理と
なり、フィルター機能を発揮できないという欠点があっ
た。また、この程度の気孔率では、かさ比重が大きくな
り所定の電力では、必要な温度に上がらないという欠点
も有しており、この気孔率のアップが、本用途のヒータ
として必修条件となってきた。そのために、従来の炭化
珪素質ヒータを、例えば、成形密度を下げることによっ
て多孔質な材料として成形することが考えられるがこの
方法は、強度又は耐久性が著しく低下したヒータ材料に
なってしまう。従ってフィルターの目詰まりを防止つつ
フィルター機能を発揮できる材料とするためには、強度
または耐久性を維持したままで多孔質にしなければなら
ない。

【０００４】そこで、本発明の目的は、強度または耐久
性を維持しつつ、フィルター効率を増大させる多孔質炭
化珪素ヒータを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成すべ
く、本発明の多孔質炭化珪素ヒータにあっては、平均細
孔直径が２０μm 乃至４０μm 、且つ気孔率が４０％以
上である再結晶質炭化珪素体と、該再結晶質炭化珪素体
の両端に設けられた、耐熱性電極からなる通電手段を備
えた構成としてある。又、断面形状がハニカム体であっ
てもよい。上記の数値のうち特に、好ましいのは平均細
孔直径が３０μm 程度で気孔率は５０乃至６０％程度
が、フィルター機能が良好であるだけでなく熱容量的に
も好ましいレベルである。平均細孔直径が２０μm に満
たない場合には、炭化珪素組織内を流れる排気ガスの圧
力損失が大きく、事実上フィルター機能を発揮すること
ができない。又、平均細孔直径が４０μm を超える場合
には、気孔径が大きすぎて、炭化珪素ヒータ自体の強度
又は耐久性を確保することができないし、スス或いは悪
臭などの微粒子がフィルターと接触する確率が低くな
り、微粒子を燃焼除去することが困難となる。また、ガ
スに持ち去られる熱量も多く、所定電力を印加してもヒ
ートアップしない。さらに、気孔率が４０％に満たない
場合には、各気孔の平均細孔直径が２０μm 乃至４０μ
m であっても炭化珪素ヒータ全体として排気ガスとの接
触面積を十分に確保できないため、十分なフィルタ効率
を得ることができない。又、カサ密度が大きくなるた
め、重たくなることより、熱容量が大きく大電力が昇温
に必要となってくる。

【０００６】排気ガスを効率良くフィルタ処理するため
には、透過する排気ガスの単位体積当たりの接触面積を
大きくし、且つ排気ガスの圧力損失を小さくする必要が
ある。そのためには、大きな気体透過性が必要であり、
気体透過性を大きくするためには、連続した気孔を多数
設けるのが有効である。そこで特に断面形状がハニカム
状の炭化珪素ヒータを採用した。気孔率は４０％以上で
あって、その上限は特に限定されないが、平均細孔半径
が２０乃至４０μm を維持しながら気孔率を上げていく
と、全体との強度耐久性に問題が出てくるので現実的に
は７０％が限界といえる。また、ヒータの強度は、その
形状に支配され特に限定されないが本発明の一実施例に
あるハニカム形状であれば、素体の強度は15MPa 程度で
十分使用可能である。

【０００７】

【作用】以上の構成を有する本発明の多孔質炭化珪素ヒ
ータによれば、耐熱性電極を介してヒータを通電させ、
抵抗発熱を起こさせ、約８００℃以上の高温にすること
により孔に付着した排気ガス中のスス等を燃焼除去し
て、孔の目詰まりを防止することができる。又、平均細
孔直径を２０μm 乃至４０μm 且つ気孔率４０％以上と
することにより、ヒータ自身の強度又は耐久性等を確保
しつつ圧力損失を小さくして炭化珪素の内部組織まで排
気ガスを透過させ、ヒータ全体としてのフィルタ効率を
増大させることができる。加えて、ヒータの断面形状を
ハニカム状とすることにより、ヒータ自身の強度をさら
に確保しつつ、排気ガスとの接触面積を増大させて、さ
らにフィルタ効率を上げることができる。

【０００８】

【実施例】以下に本発明の実施例を詳細に説明する。第１実施例 （平均細孔直径３０μm 、気孔率６０％） 平均粒径８０μm のα−炭化珪素粉末を９０wt％、粒成
長を促進させるために、平均粒径数μm の微粉のα−炭
化珪素粉末を１０wt％加えて混合炭化珪素粉末とする。
次にこの混合炭化珪素粉末に対し、結合剤としてセルロ
ース系バインダーをｏｕｔ４wt％、気孔生成剤としてく
るみ粉ｏｕｔ１wt％、粒成長促進剤としてFe−Siをｏｕ
ｔ１％添加し、水分を１２％加え、混合する。次に捍合
後、パイプ状に加圧成形した。この成形体を、２２００
℃、Ｎ₂ 雰囲気で焼成し、両端にSiを含浸した後、Alの
溶射により電極部を形成し、多孔質炭化珪素ヒータを製
造した。なおこれらの添加剤は、焼成段階で焼失若しく
は炭化珪素に転化し、且つ電気伝導性を維持するもので
ある。製造した多孔質炭化珪素ヒータは、外径φ１０m
m、内径φ８mm、発熱部の長さ３７０mm、端部（電極
部）の長さ２０mm、全長４１０mmのものであった。この
多孔質炭化珪素ヒータのヒータ特性としては、表面温度
が１０００℃のとき、電圧１１５Ｖ、電流１５Ａ、比抵
抗0.０７Ω−cmであった。

【０００９】又、物理特性としては、曲げ強さ２５MPa
、気孔率６０％、見掛け比重3.２０、嵩比重1.２８、
平均細孔半径３０μm であった。該ヒータをディーゼル
エンジンに取り付けて走行試験を行った。排気ガスはパ
イプ状のヒータの内部から各気孔を通ってヒータの内部
組織を通過し、ヒータの外部に流出するようにした。該
ヒータを、８００℃に加熱して、６０km／ｈの速度で５
％の上り坂を６０分間走行した場合、圧力損失としては
４００mmAqと非常に小さく、又捕集効率としては７０％
と効率が良い結果が得られた。又、本ヒータを用いて、
１０分ＯＮ−１０分ＯＦＦの断続通電テスト（ＯＮ時ヒ
ータ表面温度１０００℃）を行った場合、６０００サイ
クル後の抵抗増加率は８％であった。酸化によって抵抗
増加率が大きくなる炭化珪素の特質を利用して、抵抗増
加率によって耐酸化性を評価すれば、完全に劣化する時
は抵抗増加率は約２０％となるため、この８％は極めて
良好な耐酸化性を示していることがわかる。製造方法に
よる違いが気孔率、平均細孔半径及び曲げ強度に与える
影響を知るために、８０μm の平均粒径のα−炭化珪素
粉末に有機バインダーを５wt％添加し、水分を１５％加
え、捍合後上記実施例と同一成形法、焼成法によって炭
化珪素体をさらに製造した。この炭化珪素体の物理特性
としては、気孔率５０％、平均細孔直径２５μm であっ
たが、曲げ強度が２５MPa から１０MPa と低下し、保形
性に問題があり、実用に耐えなかった。又平均細孔半径
も若干小さい結果であった。

【００１０】以上のように本実施例において、平均粒径
数μm のα−炭化珪素粉、クルミ粉及びFe−Siの添加が
気孔径を大きくし、さらに結合組織を強化させるという
知見を得た。即ち、気孔径を大きくし、且つ十分な粒成
長を達成するためには気孔生成剤と、粒成長促進剤とが
必要であり、粒成長促進剤は、炭化珪素粒を粒成長させ
るだけでなく、再結晶時に生成される炭化珪素同士のつ
ながり部を太くする効果を有する。このようにして炭化
珪素粒子間の結合部を大きくしているため気孔径を大き
くしても、一定の強度又は耐久性を有する多孔質材料を
製造することができる。第２実施例 （平均細孔直径３０μm 、気孔率５０％） 断面形状がハニカム状の多孔質炭化珪素ヒータを、結合
剤等以外は第１実施例に示した製造方法と略同様な方法
で製造した。一般的にハニカム状セラミックスに使用さ
れる原料は、その成形性から１０μm 以下の微粒子が用
いられている。しかし、気孔径の大きな多孔質材料で、
粒子間の結合部を太くするためには、元々の炭化珪素粒
子もある程度大きくしなければならない。かかる事情を
鑑み、小変系バインダーとシリコン系の潤滑剤を用いる
ことにより、粗い原料を用いてハニカム形状の成形を行
った。

【００１１】製造したハニカム形状の多孔質炭化珪素ヒ
ータは、外径寸法：６4.５×４２mmで、３mm角のセル孔
を１４列×９行もち、各セルの厚みは1.５mm、発熱部の
長さ４００mm、電極部の長さ各７０mmのものであった。
該ヒータのヒータ特性の評価として、各セル内の温度分
布を測定した。測定は、外表面からの熱放散による温度
バラツキを少なくするために、ヒータの表面に断熱材を
厚さ４０mm巻き、表面温度を８００℃に保持して測定し
た。結果を表１に示す。

【００１２】

【表１】 表１．温度分布（℃） ──────────────────────────────────── 列 ──────────────────────────────────── 行１ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ──────────────────────────────────── 1 791 794 796 798 799 800 800 799 799 798 796 795 795 792 2 793 796 798 798 800 802 805 804 803 801 798 797 796 793 3 796 797 800 802 805 809 812 814 810 805 802 800 798 797 4 797 800 802 805 809 815 817 819 815 811 807 805 802 799 5 799 801 805 809 814 818 821 822 818 815 810 807 804 801 6 798 800 802 806 810 816 818 819 815 810 806 805 802 798 7 796 798 801 802 804 809 812 814 811 804 803 800 798 796 8 795 796 799 800 802 804 805 804 805 803 800 798 797 795 9 793 794 796 798 799 800 800 799 799 798 796 795 795 792 表１からわかるように、各セル内の温度はヒータの内側
のセルから外側のセルに向かって略下がっていることが
わかる。セル内の最高温度、最低温度は、それぞれ８２
２℃（５行×８列）、７９１℃（１行×１列）であり、
最大温度差は３１℃であった。

【００１３】また、該ヒータのフィルター特性として、
圧力損失を測定したところ、７２mmHgであった。該ヒー
タの物理特性は、気孔率５０％、平均細孔半径３０μm
であった。

【００１４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、強度又
は耐久性を確保しつつ、フィルター効率を増大させた多
孔質炭化珪素ヒータを提供することができる。さらに、
同じフィルタ効率を達成するのに、従来の炭化珪素ヒー
タに較べてヒータ本数の削減等設備の小型化を図り、省
スペースを達成することができるので、ヒータのディー
ゼルエンジン等の内燃機関車両への設置が非常に容易と
なる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均細孔直径が２０μm 乃至４０μm 、
   且つ気孔率が４０％以上である再結晶質炭化珪素体と、
   該再結晶炭化珪素体の両端に設けられた、耐熱性電極か
   らなる通電手段とを有することを特徴とする多孔質炭化
   珪素ヒータ。
2. 【請求項２】 断面形状がハニカム状であることを特徴
   とする請求項１に記載の多孔質炭化珪素ヒータ。