WO2013039123A1 - 加熱装置 - Google Patents

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池田　裕二
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イマジニアリング株式会社
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    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Definitions

  • the present invention relates to a heating device that heats an object to be heated by causing an electromagnetic wave absorber to generate heat using electromagnetic waves.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-036199 discloses a technique for heating a filter for collecting exhaust gas particulates by generating heat from a microwave absorber material using microwaves.
  • the microwave absorber material is added to the particulate collection filter.
  • As the microwave absorber material a carbon microcoil in which carbon fibers are coiled is described.
  • the microcoil in a heating device that uses a microcoil whose main component is a carbon atom or a molecule containing carbon for heating an object to be heated provided in a space in which a high-temperature gas flows, the microcoil is integrally provided on the object to be heated. . Therefore, when heating an object that is exposed to a high-temperature gas such as a particulate collection filter, the microcoil is also exposed to the high-temperature gas.
  • a microcoil whose main component is a carbon atom or a molecule containing carbon may ignite at the temperature level of the exhaust gas. Therefore, there is a possibility that the microcoil is burned out and the object to be heated can hardly be heated.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a microcoil mainly composed of carbon atoms or molecules containing carbon for heating an object to be heated provided in a space through which a high-temperature gas flows.
  • a heating device to be used it is intended to suppress functional degradation due to burning of the microcoil.
  • 1st invention has a micro coil which has a carbon atom or a molecule containing carbon as a main component, a exothermic layer provided integrally with a to-be-heated object provided in an object space through which high-temperature gas flows, and the object space
  • a heating device that heats the object to be heated by radiating electromagnetic waves from the electromagnetic wave radiation device to the target space and generating heat by causing the microcoil to generate heat.
  • a covering layer covering the entire area of the layer is provided.
  • the coating layer covering the entire region of the heat generating layer is provided, oxygen hardly reaches the heat generating layer. Further, since the heat generating layer is not directly exposed to the high temperature gas, an increase in the temperature of the heat generating layer when the high temperature gas flows is suppressed.
  • the object to be heated is a catalyst that purifies the high temperature gas in the previous period, and the catalyst is provided in the coating layer.
  • the catalyst and the microcoil are kept in a non-contact state at the boundary surface between the covering layer and the heat generating layer.
  • the catalyst and the microcoil are kept in a non-contact state, the catalyst is prevented from promoting oxidation of the microcoil.
  • the emission of the electromagnetic wave by the electromagnetic wave emission device is controlled so that the microcoil does not reach an ignition temperature of the microcoil.
  • the microcoil can be prevented from exceeding its ignition temperature.
  • the 5th invention has the micro coil which has a carbon atom or the molecule
  • a heating device that heats the object to be heated by radiating electromagnetic waves from the electromagnetic wave radiation device to the target space to generate heat in the microcoil of the heat generation layer.
  • the microcoil contains silicon carbide as a main component.
  • a microcoil mainly composed of silicon carbide, which has high heat resistance and is chemically stable is used for heating an object to be heated. Even if the microcoil is integrated with an object to be heated provided in a space through which high-temperature gas flows, it is difficult to burn out.
  • the coating layer covers the entire region of the heat generating layer, oxygen hardly reaches the heat generating layer. Further, since the heat generating layer is not directly exposed to the high temperature gas, an increase in the temperature of the heat generating layer when the high temperature gas flows is suppressed. The microcoil of the heat generating layer hardly contacts oxygen and hardly reaches its ignition temperature. Therefore, the microcoil of the heat generating layer is extremely difficult to burn out, and the function deterioration of the heating device due to the burnout can be suppressed.
  • the catalyst and the microcoil are kept in a non-contact state, the catalyst is prevented from promoting oxidation of the microcoil. Therefore, since the microcoil is not damaged by the contact with the catalyst, the life of the heating device can be extended.
  • the emission of electromagnetic waves is controlled so that the microcoil does not exceed its ignition temperature. Therefore, not only during the period in which the object to be heated is exposed to the high-temperature gas, but also during the period in which the microcoil is heated by the electromagnetic wave, the microcoil in the heat generating layer is extremely difficult to burn out, and the deterioration of the function of the heating device due to the burning can be suppressed.
  • a microcoil mainly composed of silicon carbide, which has high heat resistance and is chemically stable is used for heating an object to be heated. Therefore, even if it is integrated with an object to be heated provided in a space through which a high-temperature gas flows, the microcoil is hardly burned out, and the function deterioration of the heating device can be suppressed.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a main part of a catalyst carrier according to Modification 2.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a main part of a catalyst carrier according to Modification 3.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a main part of a catalyst carrier according to Modification 3.
  • the heating device 10 of the present embodiment is a device that heats a catalyst 32 (an object to be heated) of an exhaust gas purification device 30 that purifies exhaust gas discharged from an automobile engine.
  • the catalyst 32 is an active metal (platinum, palladium, rhodium) which is a main component of the three-way catalyst system.
  • the three-way catalyst system purifies hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas of automobiles that use gasoline as fuel.
  • Three-way catalysts oxidize hydrocarbons to water and carbon dioxide, carbon monoxide to carbon dioxide, and reduce nitrogen oxides to nitrogen.
  • the three-way catalyst system has a low reducing ability at room temperature, and almost no reducing ability immediately after the engine is started in a cold state. Therefore, in order to properly operate the three-way catalyst system when the engine is started, it is necessary to heat the catalyst 32 to an appropriate temperature at which the catalyst 32 is activated. In the present embodiment, the heating device 10 quickly heats the catalyst 32 to activate the catalyst 32.
  • the exhaust gas purification device 30 includes a catalyst carrier 11 provided with a catalyst 32, a casing 31 that houses the catalyst carrier 11, and a heating device 10 for the catalyst 32.
  • the catalyst carrier 11 is set to have an outer diameter substantially the same as the inner diameter of the casing 31, and is fixed to the inside of the casing 31 by a fixing member (not shown).
  • the catalyst carrier 11 includes an outer cylinder 12, a honeycomb structure 13, and a catalyst support layer 35.
  • the outer cylinder 12 is a cylindrical member made of an insulating material capable of transmitting microwaves.
  • the outer cylinder 12 is made of a ceramic material.
  • the outer cylinder 12 accommodates a honeycomb structure 13 described below.
  • the honeycomb structure 13 is a member whose outer shape is made of an insulating material capable of transmitting microwaves, like the outer cylinder 12.
  • the honeycomb structure 13 is made of the same ceramic material as that of the outer cylinder 12.
  • the honeycomb structure 13 includes a cylindrical tube portion 13a and a lattice portion 13b having a cross-sectional lattice shape formed integrally with the tube portion 13a.
  • the honeycomb structure 13 is configured such that the exhaust gas can flow in the direction indicated by the arrow in FIG. 3 through the gaps between the lattice portions 13b.
  • the catalyst support layer 35 is laminated on the cylindrical portion 13 a and the lattice portion 13 b of the honeycomb structure 13.
  • a catalyst 32 is supported on the catalyst support layer 35.
  • the portion of the catalyst support layer 35 excluding the catalyst 32 is also a part of the heating device 10.
  • the catalyst 32 is supported on the coating layer 15 described later in the catalyst support layer 35.
  • the casing 31 is a generally cylindrical metal member provided to accommodate the catalyst carrier 11.
  • the casing 31 constitutes a part of the exhaust pipe of an automobile engine, and the exhaust gas flows in the direction indicated by the arrow in the drawing of FIG. That is, the inside of the casing 31 constitutes an exhaust gas passage 33 (target space) through which exhaust gas flows.
  • an opening 34 Near the lower center of the casing 31 is formed an opening 34 through which the antenna 17 described later is inserted. Microwaves are radiated from the antenna 17 to the exhaust gas passage 33 inside the casing 31.
  • the heating device 10 is a device for heating the catalyst 32 (object to be heated) carried on the catalyst carrying layer 35 of the exhaust gas purification device 30 described above.
  • the heating device 10 includes a heat generating layer 14, a coating layer 15, and an electromagnetic wave radiation device 40.
  • the exothermic layer 14 is a layer constituting the lower layer side of the catalyst support layer 35. As shown in FIGS. 2 and 3, the heat generating layer 14 is laminated on the cylindrical portion 13 a and the lattice portion 13 b of the honeycomb structure 13. As shown in detail in FIG. 4, the heat generating layer 14 includes a large number of microcoils 21 mixed in a ceramic binder 14 a. The heat generating layer 14 is formed by applying a slurry solution obtained by mixing the ceramic binder 14 a and the microcoil 21 to the surface of the honeycomb structure 13 and firing it together with the honeycomb structure 13.
  • the microcoil 21 is composed of a so-called carbon microcoil (CMC) mainly composed of carbon atoms.
  • the carbon microcoil is a fine carbon fiber having a shape wound in a coil shape at a pitch of about 0.01 to 1 ⁇ m.
  • a microcoil mainly composed of silicon carbide may be used for the heat generating layer 14.
  • Carbon microcoil has the property of generating heat by absorbing electromagnetic waves.
  • this characteristic is utilized to cause the microcoil 21 to absorb microwaves (electromagnetic waves) from an electromagnetic wave generator 16 described later to cause the microcoil 21 to generate heat. Then, the heat generated in the microcoil 21 heats the heat generating layer 14 and a coating layer 15 described later provided on the heat generating layer 14. As a result, the catalyst 32 supported on the coating layer 15 is heated.
  • the coating layer 15 is a layer constituting the upper layer side of the catalyst support layer 35.
  • the covering layer 15 is a non-breathable heat-resistant layer made of a ceramic binder material.
  • the covering layer 15 covers the entire region of the heat generating layer 14 to prevent oxygen from reaching the heat generating layer 14 and to increase the temperature of the heat generating layer 14 when high-temperature gas flows through the voids of the honeycomb structure 13. Suppress.
  • the coating layer 15 is formed by applying a ceramic binder material carrying the catalyst 32 on the heat generating layer 14 and baking it.
  • the catalyst 32 which is a to-be-heated material is provided on the surface of the coating layer 15.
  • the carbon microcoil may spontaneously ignite in air at 500 to 600 ° C. or higher.
  • the exhaust gas temperature of an automobile engine reaches 700 ° C. to 800 ° C. during full load operation, and may reach 1000 ° C. or more during uphill or acceleration.
  • the coating layer 15 covers the entire region of the heat generating layer 14 where the microcoil 21 exists.
  • the electromagnetic wave radiation device 40 is a device that radiates microwaves (electromagnetic waves) absorbed by the microcoil 21 of the heat generating layer 14 in order to heat the catalyst 32.
  • the electromagnetic wave emission device 40 includes an electromagnetic wave generation device 16, an antenna 17, a power supply unit 18, and a control device 19.
  • a microwave is generated by a semiconductor oscillator (not shown).
  • the electromagnetic wave generator 16 When receiving the supply of power from the power supply unit 18 through the power supply path 18a, the electromagnetic wave generator 16 generates a microwave and sends the generated microwave to the antenna 17 through the microwave transmission path 16a.
  • the antenna 17 is for radiating the microwave output from the electromagnetic wave generator 16 to the exhaust gas passage 33 inside the casing 31.
  • the antenna 17 is inserted into an opening 34 provided in the casing 31 and exposed to the exhaust gas passage 33 inside the casing 31.
  • the control device 19 includes a so-called electronic control device including a CPU, a storage device, and an input / output device.
  • the control device 19 controls the heating device 10 as described below. -Operation of plasma processing equipment-
  • the operation of the heating device 10 including the control operation of the control device 19 will be described.
  • the control device 19 outputs an electromagnetic wave drive signal to the power supply unit 18 simultaneously with the start of the automobile engine.
  • the power supply unit 18 supplies power to the electromagnetic wave generator 16. Then, the electromagnetic wave generated by the electromagnetic wave generator 16 is radiated from the antenna 17 to the exhaust gas passage 33 inside the casing 31.
  • the microcoil 21 of the heat generating layer 14 absorbs the energy of the microwave and instantly generates heat, resulting in a high temperature state.
  • the heat generating layer 14 and the coating layer 15 are immediately heated by the micro coil 21 in a high temperature state, and the catalyst 32 supported on the coating layer 15 is heated. As a result, the catalyst 32 reaches the activation temperature in a short time.
  • the heating device 10 is configured to heat the catalyst 32 to, for example, 300 to 400 degrees Celsius as the temperature at which the catalyst is activated. Then, the catalyst 32 that has reached the activation temperature decomposes hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas. The cleaned exhaust gas flows through an exhaust passage (not shown) arranged on the downstream side and is released to the atmosphere.
  • the coating layer 15 covers the entire region of the heat generating layer 14, oxygen hardly reaches the heat generating layer 14. Further, since the heat generating layer 14 is not directly exposed to the high temperature exhaust gas, the temperature increase of the heat generating layer 14 during the circulation of the high temperature exhaust gas is suppressed. The microcoil 21 of the heat generating layer 14 hardly contacts oxygen and hardly reaches its own ignition temperature. Therefore, the microcoil 21 of the heat generating layer 14 is extremely difficult to be burned out, and the function deterioration of the heating device 10 due to the burnout can be suppressed.
  • the microcoil 21 of the heat generating layer 14 a microcoil mainly composed of silicon carbide having high heat resistance and being chemically stable is used. Therefore, the microcoil 21 is not easily burned out, and the function deterioration of the heating device 10 is suppressed.
  • an insulating layer of the insulator 25 is provided between the catalyst 32 and the microcoil 21 in order to avoid a chemical reaction between the catalyst 32 and the microcoil 21.
  • the insulator 25 is deposited on the heat generating layer 14, whereby the catalyst 32 and the microcoil 21 are kept in a non-contact state.
  • the coating layer 15 is omitted and both the microcoil 21 and the catalyst 32 are provided in the heat generating layer 14 as shown in FIG. be able to.
  • a microcoil 21 mainly composed of silicon carbide having high heat resistance and being chemically stable is used for heating the catalyst 32. Therefore, even if it is integrated with the catalyst 32 provided in the space through which the high-temperature exhaust gas flows, the microcoil 21 is not easily burned out, and the function deterioration of the heating device 10 can be suppressed. Moreover, since the microcoil 21 is close to the catalyst 32 as compared with the embodiment, the temperature of the catalyst 32 can be raised in a short time. —Modification 4 of Embodiment—
  • microwave radiation control is performed in the electromagnetic wave radiation device 40 so that the microcoil 21 does not exceed the ignition temperature of the microcoil 21.
  • the control device 19 when the electromagnetic wave radiation device 40 continues to emit microwaves, the time required for the microcoil 21 to reach the upper limit temperature lower than its ignition temperature is set as the end set time.
  • the upper limit temperature is, for example, 50 ° C. lower than the ignition temperature.
  • the control device 19 outputs a stop command to stop the power supply to the power supply unit 18 at the time when the end set time has elapsed from the time when the microwave emission is started simultaneously with the start of the engine. If it does so, the electric power supply part 18 will stop supply of the electric power to the electromagnetic wave generator 16, and the radiation
  • FIG. 1 A stop command to stop the power supply to the power supply unit 18 at the time when the end set time has elapsed from the time when the microwave emission is started simultaneously with the start of the engine. If it does so, the electric power supply part 18 will stop supply of the electric power to the electromagnetic wave generator 16, and the radiation
  • the microwave radiation is controlled so that the microcoil 21 does not reach the ignition temperature or higher, not only the period in which the catalyst 32 is exposed to the high temperature exhaust gas but also the microcoil by the microwave. Also during the period in which the heat is generated, the microcoil 21 is extremely difficult to be burned, and the function deterioration of the heating device 10 due to the burnout can be suppressed.
  • a temperature sensor that detects the temperature of the heat generating layer 14 may be provided, and the control device 19 may output a stop command to the power supply unit 18 based on the output value of the temperature sensor.
  • the embodiment may be configured as follows.
  • the heating device 10 of the present embodiment is not limited to the one that heats the catalyst 32 that purifies the exhaust gas of the automobile.
  • the present invention can be used for various catalysts provided in a space through which high-temperature gas flows, such as one that heats a catalyst that purifies exhaust gas from a combustion furnace.
  • the shape of the casing 31 and the position of the opening 34 for receiving the microwave are not necessarily limited to the shape and position of the present embodiment.
  • the casing 31 may have a rectangular tube shape.
  • various design changes are possible such that the position of the opening 34 may be provided above the casing 31.
  • the catalyst 32 is not limited to the catalyst used for the three-way catalyst.
  • the present invention can be applied to an SCR catalyst that requires a temperature increase for activation.
  • the binder 14a of the heat generating layer 14 is not limited to a ceramic type. Various binders can be used as long as they have heat resistance and can fix the microcoil 21 to the honeycomb structure 13.
  • the binder used for the coating layer 15 is not limited to a ceramic type. As long as the catalyst 32 can be fixed to the heat generating layer 14 and the entire region of the heat generating layer 14 can be covered, various types can be adopted.
  • the electromagnetic wave generator 16 may use a magnetron instead of a semiconductor oscillator in generating microwaves.
  • the control device 19 may be configured to control the power supply unit 18 and radiate microwaves to the microcoil 21 before the automobile engine is started, for example, in cold weather. By doing so, the exhaust gas can be made clean from the start of the engine.
  • the object to be heated may be something other than the catalyst 32 (a sensor provided in the exhaust passage).
  • the present invention is useful for a heating apparatus that heats an object to be heated by radiating an electromagnetic wave to a target space in which a high-temperature gas flows to cause the microcoil to generate heat.

Abstract

　本発明は、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を目的とする。本発明は、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ことを特徴とする加熱装置である。

Description

加熱装置
　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。
特開２００９－０３６１９９号公報
　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。
実施形態に係る排ガス浄化装置の概略構成図である。 実施形態に係る触媒担体の横断面図である。 実施形態に係る触媒担体の縦断面図である。 実施形態に係る触媒担体の要部の縦断面図である。 変形例２に係る触媒担体の要部の縦断面図である。 変形例３に係る触媒担体の要部の縦断面図である。
　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－
　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－
　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－
　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－
　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－
　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－
　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－
　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

Claims (5)

  1. 　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ことを特徴とする加熱装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記被加熱物は、前記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ことを特徴とする加熱装置。
  3. 　請求項２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ことを特徴とする加熱装置。
  4. 　請求項１、請求項２又は請求項３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。
  5. 　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ことを特徴とする加熱装置。
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