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CN110307648A - 流体加热部件、以及流体加热部件复合体 - Google Patents

流体加热部件、以及流体加热部件复合体 Download PDF

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CN110307648A
CN110307648A CN201910187017.5A CN201910187017A CN110307648A CN 110307648 A CN110307648 A CN 110307648A CN 201910187017 A CN201910187017 A CN 201910187017A CN 110307648 A CN110307648 A CN 110307648A
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CN
China
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heating element
fluid heating
fluid
honeycomb structure
cylindrical part
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CN201910187017.5A
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高桥博纪
石田弘树
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Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Abstract

本发明涉及一种流体加热部件、以及流体加热部件复合体。课题在于,提供一种能够迅速地加热的流体加热部件,其能够利用电磁感应加热方式有效率地进行加热,并且,不会受到由热膨胀率不同所带来的影响。流体加热部件(1)具备:形成有供流体(F)流通的隔室(6)的陶瓷制的蜂窝结构体(2)、以及覆设于蜂窝结构体(2)的外周面(3)的至少一部分的导电性被膜层(4),导电性被膜层(4)在与流体(F)的流通方向正交的蜂窝结构体(2)的截面上,以电连接的状态将蜂窝结构体(2)的截面整周被覆。

Description

流体加热部件、以及流体加热部件复合体
技术领域
本发明涉及流体加热部件、以及流体加热部件复合体。进一步详细而言,涉及使用蜂窝结构体等陶瓷部件、利用电磁感应加热方式对气体、液体等流体进行加热的流体加热部件、以及将该流体加热部件组合而形成的流体加热部件复合体。
背景技术
以往,出于改善汽车的油耗性能等目的,降低发动机起动时的摩擦(Friction)损失,提高尾气净化用催化剂的净化性能。特别是,发动机刚起动后,冷却水、发动机油、以及ATF(自动变速箱油)等液体、或者尾气净化用催化剂处于较冷的状态,因此,有时无法充分发挥发动机性能。因此,采用使冷却水等液体迅速地加热至适当温度、或者使尾气净化用催化剂尽快活化的加热系统。
对于加热系统,为了对流体(冷却水、发动机油等液体或者尾气等气体等)进行加热,使用例如流体加热部件,其具备:具有高热传导率的陶瓷制的蜂窝结构体、以及电阻加热式加热器、高频加热式加热器、或者燃烧加热式加热器等加热体(例如参见专利文献1)。陶瓷制的蜂窝结构体具有由隔壁区划开的多个隔室,该隔室成为上述流体的流路。通过具备多个隔室,使得与流体的接触面积变大,能够使由加热体产生的热有效率地向该流体传播。
另一方面,已知如下分解方法,即,一边利用电磁感应加热方式对导电性的载体进行加热,一边使包含卤代烃气体等的流体在载体内部流通,由此,于高温对卤代烃进行热分解处理(例如参见专利文献2)。据此,使用如下部件,该部件将碳化硅(SiC)等碳陶瓷、不锈钢等用作上述载体的基底,进而,将针对卤代烃气体的耐腐蚀性高的铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、铑(Rh)、以及镍(Ni)中的至少一种金属元素(第一组元素)、以及钨(W)、铬(Cr)、铁(Fe)、钼(Mo)、以及钒(V)中的至少一种金属元素(第二组元素)作为催化剂负载于该载体。负载有这些催化剂的导电性的载体被由设置于外部的电磁感应线圈产生的涡流的焦耳热加热,能够对在载体的内部流通的流体进行加热。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2013-238116号公报
专利文献2:日本特开2001-54723号公报
发明内容
但是,如上所示的流体加热部件以及利用加热将流体(卤代烃气体)分解的分解方法有可能产生如下所述的不良情况。即,在专利文献1所示的流体加热部件的情况下,所述流体加热部件由:陶瓷制的蜂窝结构体、以及主要由金属等构成的加热体这样两种材质不同的部件构成。由此,蜂窝结构体与加热体之间的边界附近的热阻增大,由加热体产生的热有时无法有效率地向蜂窝结构体传播。结果有可能导致加热效率降低。
此外,由不同的材质分别形成蜂窝结构体以及加热体,因此,加热时的两者的热膨胀率不同有时会构成问题。即,有可能因热膨胀率不同而在蜂窝结构体与加热体的边界附近产生间隙、空隙等,加热效率有可能进一步降低。特别是,在形成了较大型的流体加热部件的情况下,有时由上述热膨胀率不同所带来的不良情况变得显著。
另一方面,对于专利文献2所示的使用导电性的载体的部件,由于作为载体而使用的SiC本身的电阻较高,所以利用电磁感应加热方式的发热效率低,有时无法使载体迅速上升至规定的温度。结果存在催化剂活化耗费时间、并且、为了使其上升至该温度而需要大量电能等缺点。
因此,本发明的课题在于,鉴于上述实际情况,提供一种能够迅速地加热的陶瓷制的流体加热部件、以及流体加热部件复合体,其能够利用电磁感应加热方式有效率地进行加热,并且,不会受到由热膨胀率不同所带来的影响。
根据本发明,提供以下给出的流体加热部件、以及流体加热部件复合体。
[1]一种流体加热部件,其特征在于,具备:陶瓷制的柱状部件,该陶瓷制的柱状部件形成有供流体流通的流路;以及导电性被膜层,该导电性被膜层覆设于所述柱状部件的外周面的至少一部分,所述导电性被膜层在与所述流体的流通方向正交的所述柱状部件的截面上,以电连接的状态将所述柱状部件的截面整周被覆。
[2]根据所述[1]中记载的流体加热部件,其特征在于,所述柱状部件为具备区划形成多个隔室的隔壁的蜂窝结构体,该多个隔室从一个端面延伸至另一个端面,形成为所述流路。
[3]根据所述[1]或[2]中记载的流体加热部件,其特征在于,所述柱状部件为致密质的陶瓷,气孔率为0.1%~10%的范围。
[4]根据所述[1]~[3]中的任意一项中记载的流体加热部件,其特征在于,所述柱状部件为热传导率在50W/m·K~300W/m·K的范围的陶瓷。
[5]根据所述[1]~[4]中的任意一项中记载的流体加热部件,其特征在于,所述柱状部件为将从碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化镁中选择的至少1种以上作为主成分的陶瓷。
[6]根据所述[1]~[4]中的任意一项中记载的流体加热部件,其特征在于,所述柱状部件为将碳化硅作为主成分的陶瓷,电阻率为0.01Ωcm~10Ωcm。
[7]根据所述[1]~[3]中的任意一项中记载的流体加热部件,其特征在于,所述柱状部件为将热膨胀率为0.1ppm/K~2ppm/K的堇青石作为主成分的陶瓷。
[8]根据所述[1]~[7]中的任意一项中记载的流体加热部件,其特征在于,所述导电性被膜层具备:化学镀层,该化学镀层呈层结构,并与所述柱状部件的所述表面相接触;以及至少一层以上的感应加热层,该至少一层以上的感应加热层层叠于所述化学镀层之上。
[9]根据所述[1]~[8]中的任意一项中记载的流体加热部件,其特征在于,所述导电性被膜层的被膜层厚度为0.1μm~500μm的范围。
[10]一种流体加热部件复合体,其特征在于,使用所述[1]~[9]中的任意一项中记载的流体加热部件而形成;使用多个棱柱状的所述流体加热部件而一体地构建,或者,使用至少一种以上的棱柱状的所述流体加热部件、以及形成有供流体流通的流路的一个或多个棱柱状的陶瓷制柱状部件而一体地构建。
根据本发明的流体加热部件、以及流体加热部件复合体,能够利用电磁感应加热方式,将流体加热部件迅速且有效率地进行加热。结果可以将该流体加热部件用于即便在汽车的发动机刚起动后、也能够迅速地加热至尾气净化用催化剂活化的温度的加热系统。
另外,在将本发明的流体加热部件、以及流体加热部件复合体用于汽车发动机的尾气净化用过滤器的情况下,能够利用电磁感应加热方式使积存在过滤器内的碳微粒燃烧并除去。
特别是,由于处于在陶瓷制的柱状部件(蜂窝结构体等)的至少外周表面覆设有导电性被膜层且在截面整周电连接的状态,所以能够利用电磁感应有效率地进行加热,不会发生局部温度上升,并且,因柱状部件与导电性被膜层等之间的热膨胀率而产生加热效率降低、或者产生裂纹等开裂的不良情况的可能性降低。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的流体加热部件的概略构成的立体图。
图2是表示流体加热部件的概略构成的俯视图。
图3是表示流体加热部件的另一例构成的俯视图。
图4是表示流体加热部件的另一例构成的俯视图。
图5是表示不适合的流体加热部件的一个例子的立体图。
图6是表示不适合的流体加热部件的一个例子的立体图。
图7是表示流体加热部件复合体的概略构成的分解立体图。
图8是表示图7的流体加热部件复合体的概略构成的立体图。
图9是表示流体加热部件复合体的另一例的概略构成的分解立体图。
图10是表示图9的流体加热部件复合体的概略构成的立体图。
图11是表示感应加热试验装置、以及温度测定的概略构成的说明图。
图12是表示形成于蜂窝结构体的隔壁的表面层的概略构成的一个例子的局部放大端面图。
符号说明
1、10、20、34:流体加热部件;2、12、21、31、35、40、106:蜂窝结构体;3、13、22、32:外周面;4、14、24、33:导电性被膜层;5a、106a:一个端面;5b:另一个端面;6、11:隔室;7、41:隔壁;23:内周面;30a、30b:流体加热部件复合体;41a:隔壁表面;42:表面层;44:封孔部;50a、50b:流体加热部件(不适合的例子);51a、51b:蜂窝结构体(不适合的例子);52a、52b:外周面(不适合的例子);53a、53b:导电性被膜层(不适合的例子);54a、54b:绝缘部;100:感应加热试验装置;101:高频电源装置;102:馈线管道;103:柔性馈线;104:加热线圈;105:壳体;107:热像仪;A:轴向;F:流体;ID:线圈的内径;L:线圈长度。
具体实施方式
以下,参照附图,对本发明的流体加热部件、以及流体加热部件复合体的实施方式进行说明。应予说明,本发明的流体加热部件、以及流体加热部件复合体并不限定于以下的实施方式,只要不脱离本发明的范围,就可以加以变更、修正、改良等。
1.流体加热部件
如图1以及图2所示,本发明的一个实施方式的流体加热部件1具备:陶瓷制的蜂窝结构体2、以及覆设于蜂窝结构体2的至少一部分的外周面3(表面)的导电性被膜层4。
此外,在与流体F(参照图1)的流通方向(相当于图2中的从纸面近前方向朝向纸面进深方向)、换言之、蜂窝结构体2的轴向A(参照图1)正交的蜂窝结构体2的截面上,以呈环状包围蜂窝结构体2的外周面3的整周(截面整周)且电连接的状态覆设有导电性被膜层4。
此处,图2是从上方观察流体加热部件1的俯视图。此外,覆设于外周面3的导电性被膜层4并不一定需要覆设于蜂窝结构体2的整个外周面3,处于在外周面3的至少一部分呈环状(环状)且电连接的状态即可(下文中详细说明)。
蜂窝结构体2相当于本发明的流体加热部件1中的陶瓷制的柱状部件。进一步具体说明,蜂窝结构体2为:具备区划形成多个隔室6的格子状的隔壁7的、呈大致圆柱状的结构的蜂窝结构体,该多个隔室6从一个端面5a延伸至另一个端面5b,形成流体F的流路。
通过作为柱状部件的蜂窝结构体2具备上述构成,使得从流体加热部件1的蜂窝结构体2的一个端面5a被导入至内部的流体F经过蜂窝结构体2的内部的隔室6而从另一个端面5b排出。应予说明,本发明的流体加热部件中的柱状部件并不限定于图1等所示的大致圆柱状的蜂窝结构体2,具备在柱状部件的内部形成流体F的流路的构成即可。
作为柱状部件的蜂窝结构体2将陶瓷作为主成分,由此,能够提高隔壁7以及外周面3的热传导率,能够有效率地加热流体F等。应予说明,本说明书中,“主成分”定义为:柱状部件中包含50质量%以上的陶瓷的成分,还包括金属复合陶瓷等。
作为上述陶瓷,可以使用众所周知的堇青石、碳化硅等各种材料。特别是,在考虑针对流体F的传热性的情况下,优选将从具有高热传导率的碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化镁中选择的至少1种以上作为主成分。此外,通过将碳化硅作为蜂窝结构体2的主成分,使得其具有上述热传导率、耐热性以及耐腐蚀性优异的优点。
此外,作为构成蜂窝结构体2的基材的材料,可以采用Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属复合SiC、重结晶SiC、以及SiC等。此处,为了得到更高的热传导率,将碳化硅作为主成分的蜂窝结构体2(柱状部件)优选为致密质(或大致致密质)。
即,优选使蜂窝结构体2的气孔率为0.1%~10%,更优选为0.1%~5%,特别优选为0.1%~2%。特别优选采用上述Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC。SiC本身具有高热传导率,且具有容易放热的特性,不过,在Si含浸SiC的情况下,能够进一步形成为致密质,从而能够得到具有高热传导率、且具有足够的强度的蜂窝结构体2。本说明书中,将气孔率为10%以下的蜂窝结构体(柱状部件)定义为致密质的蜂窝结构体。
例如,在通常的碳化硅的情况下,热传导率为20W/m·K左右,与此相对,通过使气孔率为2%以下,能够使热传导率为150W/m·K左右。应予说明,上述气孔率是利用阿基米德法测定得到的值。
此处,蜂窝结构体2的上述热传导率为50W/m·K~300W/m·K的范围,更优选为100W/m·K以上。进一步优选为120W/m·K~300W/m·K,最优选为150W/m·K~300W/m·K。通过使热传导率为上述范围,使得热传导性良好,能够将热有效率地向蜂窝结构体2的内部传递,从而能够对流体F迅速地进行加热。
另外,在蜂窝结构体2将碳化硅作为主成分的情况下,电阻率优选为0.01Ωcm~10Ωcm的范围,更优选为1Ωcm以下。进一步优选为0.1Ωcm以下,特别优选为0.05Ωcm以下。由此,能够进一步提高利用电磁感应加热方式的加热效率。
另一方面,在将堇青石作为主成分而形成柱状部件的情况下,热膨胀率优选为0.1ppm/K~2ppm/K。应予说明,作为热膨胀率的测定方法,例如可以采用如下方法,即,从柱状部件切出沿着流体F的流通方向的长度为10mm以上的试验片,该试验片的、与上述流通方向正交的方向上的截面的面积为1mm2~100mm2,利用将石英作为标准比较样品的差示热膨胀计来测定该试验片的流通方向的热膨胀率。
此处,在将堇青石作为主成分而形成柱状部件的情况下,优选与上述碳化硅同样地为致密质(气孔率为10%以下)的柱状部件。这种情况下,与将碳化硅作为主成分的蜂窝结构体相比,虽然热传导率降低,但是能够将热膨胀率抑制在较低水平,并且,由于比热小,所以能够制成耐热冲击性优异的蜂窝结构体。由此,能够抑制在加热时发生开裂(Crack),另外,由于比重也小,所以具备能够迅速升温的优点。
另外,本发明的流体加热部件中的蜂窝结构体40可以为例如在隔壁41的隔壁表面41a以及隔壁41的细孔的内部负载有催化剂(未图示)的蜂窝结构体。由此,蜂窝结构体40可以构成为负载有催化剂的催化剂载体、为了对尾气中的粒状物质(碳微粒)进行净化而设置有封孔部44的过滤器(例如,柴油颗粒过滤器(以下也称为“DPF”)、汽油颗粒过滤器)(参照图12)。此处,图12是表示形成于上述蜂窝结构体40的隔壁41的表面层42的概略构成的一个例子的局部放大端面图。
在将蜂窝结构体40用作汽车用的催化剂载体或尾气净化过滤器的情况下,可以将规定的陶瓷作为主成分,并使气孔率为30~60%。如果气孔率小于30%,则无法有效率地负载催化剂,另外,导致作为过滤器的功能降低,故不优选。另外,如果气孔率超过60%,则强度不充分,耐久性降低,故不优选。
此外,在将蜂窝结构体40用作汽车用的催化剂载体或尾气净化过滤器的情况下,可以在其隔壁41的隔壁表面41a的至少一部分具备具有透气性的表面层42。表面层42的材质没有特别限定,可以根据需要选择陶瓷、金属、CMC(陶瓷基复合材料)等适当的材质。
表面层42可以为单层,也可以为多层。在隔壁41的隔壁表面41a形成表面层42。此处,“具有透气性”是指:表面层42的渗透率为1.0×10-13m2以上。从进一步降低压力损失的观点考虑,渗透率优选为1.0×10-12m2以上。通过表面层42具有透气性,能够抑制由表面层42所引起的压力损失。
另外,本说明书中,“渗透率”是指:利用下述数学式1计算出的物性值,是作为表示规定的气体从其中(隔壁等)通过时的通过阻力的指标的值。此处,下述数学式1中,C表示渗透率(m2),F表示气体流量(cm3/s),T表示试样厚度(cm),V表示气体粘性(dynes·sec/cm2),D表示试样直径(cm),P表示气体压力(PSI)。应予说明,关于下述数学式1中的数值,13.839(PSI)=1(atm),68947.6(dynes·sec/cm2)=1(PSI)。
[数学式1]
在测定渗透率时,切出带有表面层42的隔壁41,以带有该表面层42的状态测定渗透率后,测定将表面层42削掉的状态下的渗透率,根据表面层42的厚度与隔壁41的厚度之间的比率和它们的渗透率测定结果,计算出表面层42的渗透率。
此外,蜂窝结构体的隔室的形状没有特别限定,可以从圆形、椭圆形、三角形、四边形、六边形以及其他多边形等中选择任意的形状。例如,可以像图3所示的流体加热部件10那样,使用将隔室11呈辐射状地配置的蜂窝结构体12,在蜂窝结构体12的外周面13形成导电性被膜层14。
或者,可以像图4所示的流体加热部件20那样,使用端面形状为环状的蜂窝结构体21。这种情况下,流体加热部件20可以在环状的蜂窝结构体21的外周面22(表面)以及内周面23(表面)均覆设有导电性被膜层24。或者,可以仅在外周面22(表面)覆设有导电性被膜层24,或者仅在内周面23(表面)覆设有导电性被膜层24。此外,蜂窝结构体的外形、外周壁厚度、内周壁厚度、隔室密度、隔壁的隔壁厚度、隔壁密度等可以任意地设定。
此处,蜂窝结构体12的外周壁以及内周壁各自的厚度没有特别限定,例如优选为0.1mm~3.0mm的范围,更优选为0.5~2.5mm的范围,进一步优选为0.5mm~1.0mm的范围。在外周壁等的厚度过薄的情况下,产生结构强度容易降低而导致使用时的耐久性降低等问题。另一方面,在外周壁等的厚度过厚的情况下,具有在蜂窝结构体12形成时容易产生不良情况、且制造成本升高的问题,并且,对于针对蜂窝结构体12的温度急剧上升或者温度急剧降低等热冲击的耐久性有可能降低。因此,需要将外周壁等限定于上述范围内来形成蜂窝结构体12。
导电性被膜层4可以利用例如镀敷法、喷镀法、真空蒸镀法、金属化法、CVD(化学气相沉积法)、PVD(物理气相沉积法)、以及离子镀法等众所周知的方法形成于蜂窝结构体2的外周面3。为了使被膜层厚度均匀且形成没有缺陷的导电性被膜层4,优选采用镀敷法或者喷镀法。这些方法还具备能够以低成本进行实施的优点。
构成导电性被膜层4的材质没有特别限定,例如在镀敷法的情况下,可以将Ni、Ni-P、Ni-Fe、Ni-W、Ni-B-W、Ni-Co、Ni-Cr、Ni-Cd、Ni-Zn、Cr、其他铬酸盐处理被膜、Co-W、Fe-W、Fe-Cr、Cr-C、以及Zn-Fe等众所周知的材料组合使用。
此外,除了上述材料以外,还可以使用锡(Sn)、锌(Zn)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)、以及镉(Cd)等金属元素。另外,可以根据需要使碳化物(碳化硅、碳化钨、碳化铬、碳化硼等)、氧化物(氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氧化钨、二氧化钛、二氧化钼等)、石墨、氮化硼、以及各种功能性粒子复合化。另外,根据需要,进行封孔处理也是优选的方案之一。通过进行封孔处理,能够提高耐热性、防锈性等,从而能够使作为流体加热部件的耐久性得到提高。
另一方面,在通过喷镀法来形成导电性被膜层4的情况下,没有特别限定,例如可以使用火焰喷镀法、高速火焰喷镀法、电弧喷镀法、气体等离子喷镀法、水等离子喷镀法、冷喷涂法、以及AD(气溶胶沉积)法等。特别是,优选气体等离子喷镀法以及高速火焰喷镀法,特别优选高速火焰喷镀法。这些喷镀法可以形成致密且氧化少的高品质的导电性被膜层4,在利用电磁感应加热方式进行加热的情况下,优选喷镀法。另外,与镀敷法同样地,根据需要进行封孔处理也是优选的方案之一。
此处,如上所述,导电性被膜层4在与流体F的流通方向(蜂窝结构体2的轴向A)正交的蜂窝结构体2的截面上,必须沿着该蜂窝结构体2的外周面3的整周在至少一部分电连接(参照图2)。如上所述,本发明的流体加热部件利用电磁感应加热方式而从外部被加热,在流体加热部件1本身没有设置加热单元。
因此,如果存在没有沿着外周面3的整周电连接的(电中断的)部位,则加热效率极端恶化。为了加热到规定的温度,需要更多的输出功率,或者,必须大幅提高频率,因此,电磁感应加热装置变得大型或者昂贵,作为汽车等的车载用途不理想。另外,有可能在该部位产生高焦耳热,从而产生局部加热或放电等不良情况。为了抑制这些现象,并且使其能够在整个流体加热部件1均匀地加热,抑制放电的发生,而使其处于在至少一部分沿着外周面3的整周电连接的状态。
此处,将不适合的流体加热部件50a、50b的例子分别示于图5以及图6。即,图5的情况下,虽然沿着圆柱状的蜂窝结构体51a的外周面52a形成有导电性被膜层53a,但是导电性被膜层53a在外周面52a的一部分中断,在截面上没有呈环状。即,在导电性被膜层53a之间形成有绝缘部54a。
另一方面,图6的情况下,虽然沿着棱柱状的蜂窝结构体51b的外周面52b形成有导电性被膜层53b,但是与蜂窝结构体51a同样地,导电性被膜层53b在外周面52b的一部分中断,在截面上没有呈环状。即,在导电性被膜53b之间形成有绝缘部54b。这种情况下,在利用电磁感应加热方式的加热中,流体加热部件50a、50b中的加热时的电磁感应效率大幅恶化,因此,需要更大的功率,无法迅速地加热。另外,有时温度分布产生局部的偏向,无法将流体加热部件50a、50b整体均匀地加热。
导电性被膜层4可以呈多层结构。即,可以由与作为柱状部件的蜂窝结构体2的外周面3相抵接的抵接层(最下层)、以及在该抵接层之上层叠至少一层以上而得的堆叠层构成。应予说明,为了使与蜂窝结构体2的外周面3(柱状部件的表面)的接合性变得良好,上述抵接层特别优选为与陶瓷材料的相容性良好、热膨胀率小、硬度低、且在高温下不会与作为基材的陶瓷材料(碳化硅、堇青石等)发生反应的材质。
在上述抵接层为利用镀敷法形成的被膜的情况下,优选为利用化学镀法形成的化学镀层,使碳化物(碳化硅、碳化钨、碳化铬、碳化硼等)、氧化物(氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氧化钨、二氧化钛、二氧化钼等)、石墨、氮化硼、以及各种功能性粒子复合化得到的被膜也是优选的方案之一。通过使它们复合化,能够制成热膨胀率小、与陶瓷的相容性良好的抵接层。
另一方面,层叠于上述抵接层(最下层)的堆叠层可以分别为根据导电性被膜层4所要求的特性而特殊化的材质。例如,为了进行电磁感应加热,至少具有由强磁性体的材料形成的感应加热层,并且,可以进一步具备层叠于感应加热层之上的耐热层,该耐热层含有耐热性、耐热冲击性、耐腐蚀性优异的Cr、Si、Al、Ni、W、B、Au、Rd、PD、Pt中的至少一种金属元素。由此,能够在导电性被膜层整体发挥出与柱状部件的接合性、加热性、以及耐热性等优异的效果。应予说明,图1~图10中,导电性被膜层4等分别以单层示出,以便简化图示。
导电性被膜层4的被膜层厚度优选为0.1μm~500μm,更优选为0.3μm~400μm,进一步优选为0.5μm~200μm,特别优选为0.5μm~100μm。通过使导电性被膜层4的被膜层厚度为上述范围内,能够抑制由与蜂窝结构体2之间的热膨胀率不同所导致的被膜层自外周面3剥离或蜂窝结构体2开裂,能够有效率地进行加热。如果被膜层厚度过薄,则产生利用电磁感应加热方式的加热效率显著降低的问题,另外,在被膜形成时容易产生缺陷,不易维持耐热性、耐腐蚀性、导电性。另外,如果被膜层厚度过厚,则热容量增加到需要量以上,电阻也降低,所以加热效率、加热速度有时会恶化。因此,导电性被膜层4的被膜层厚度优选在上述范围内。这种情况下,即便为上述的多层结构的导电性被膜层,被膜层厚度也必须在上述范围内。
2.流体加热部件复合体
通过将多个如上所述构成的本发明的流体加热部件组合,能够形成一体地构建的流体加热部件复合体30a、30b。此处,图7是示出流体加热部件复合体30a构建前的状态的分解立体图,图8是示出流体加热部件复合体30a构建后的概略构成的立体图,图9是示出另一例构成的流体加热部件复合体30b构建前的状态的分解立体图,图10是示出图9的流体加热部件复合体30b构建后的概略构成的立体图。
如图7以及图8所示,流体加热部件复合体30a是将多个流体加热部件34组合而构成的,该多个流体加热部件34具备:棱柱状的蜂窝结构体31、以及沿着蜂窝结构体31的外周面32覆设的导电性被膜层33。
即,使用形状相同的9个流体加热部件34,按使彼此的导电性被膜层33相对的方式组合成纵3个×横3个。应予说明,流体加热部件34的接合使用将陶瓷材料彼此接合时的众所周知的接合剂等,所以此处省略详细的说明。由此,形成可以用于大型汽车或工作机械等系统的流体加热部件复合体。这种情况下,在与流体F的流通方向正交的截面上,导电性被膜层33也电连接。
此外,可以构成图9以及图10所示的另一例构成的流体加热部件复合体30b。另一例构成的流体加热部件复合体30b是将5个棱柱状的流体加热部件34和4个不具有导电性被膜层33的棱柱状的蜂窝结构体35交替配置并组合成纵3个×横3个得到的复合体。这种情况下,也能够利用电磁感应加热方式对流体F有效率地进行加热。应予说明,对与图7以及图8中示出的流体加热部件复合体30a相同的构成标记同一编号,省略说明。
实施例
(1)蜂窝结构体
制造将SiC作为主成分的蜂窝结构体。首先,对被调整为规定粒度、调合量的SiC粉末、粘合剂、水或有机溶剂等进行混炼,得到成型用原料,将该成型用原料挤出成型为所期望的形状,使其干燥得到蜂窝成型体后,加以适当加工,于高温进行Si含浸烧成,得到蜂窝结构体。此处,蜂窝结构体使用蜂窝直径为43mm、轴向的蜂窝长度为23mm的尺寸的蜂窝结构体。此处,通过变更Si含浸烧成的含浸比率等,而在实施例1中将蜂窝结构体的气孔率调整为10%以下。同样地,在实施例2~6、以及比较例1、2中,将蜂窝结构体的气孔率调整为5%以下,在实施例12中,将蜂窝结构体的气孔率调整为10%以上。关于实施例7~12,准备出在与实施例1~6的蜂窝结构体同样的条件下进行烧成得到的蜂窝结构体,按蜂窝直径为40mm的方式对外周壁进行磨削加工,准备出与实施例1~6相比、外周壁较薄的蜂窝结构体。对于外周壁厚度,使用测定显微镜,对合计16处进行测定,将其平均值作为外周壁厚度。即,除了实施例12以外,作为流体加热部件的基底的蜂窝结构体(柱状部件)为致密质的蜂窝结构体。
(2)流体加热部件的制造(导电性被膜层的形成)
相对于由上述(1)得到的蜂窝结构体的外周面,形成导电性被膜层。此处,作为导电性被膜层,实施例1~3以及7~12实施了铜(Cu)镀敷,以下,实施例4进行了Ni-B镀敷,实施例5进行了Ni喷镀,实施例6进行了Mo喷镀。应予说明,由于各镀敷法以及喷镀法是众所周知的方法,所以此处省略说明。
另一方面,比较例1直接为没有形成导电性被膜层的蜂窝结构体,比较例2进行了Cu镀敷,并且在蜂窝结构体的外周面的一部分设置绝缘部、处于没有电连接的状态。即,在外周面局部施加了导电性被膜层。将实施例1~12、以及比较例2中的各导电性被膜层的被膜层厚度汇总分别示于下述表1。
(3)感应加热试验
使用具备图11所示的概略构成的感应加热试验装置100,实施作为流体加热部件的蜂窝结构体的感应加热试验。此处,感应加热试验装置100具备:高频电源装置101,其产生高频;柔性馈线103,其借助馈线管道102而与高频电源装置101电连接;加热线圈104,其与柔性馈线103的一端连接;壳体105,其配置于加热线圈104的周围;以及热像仪107,其配置于收纳在加热线圈104的内部的蜂窝结构体106(流体加热部件)的上方,且以非接触的方式测定利用加热线圈104进行感应加热时的蜂窝结构体106的温度(一个端面106a的温度)。此处,热像仪107也称为热成像照相机,例如可以使用CHINO制的CPA-2300等。
对于感应加热试验,首先,在将试验对象的蜂窝结构体106配置于感应加热试验装置100的加热线圈104的内部空间的状态下,由高频电源装置101产生高频电流,使高频电流在借助馈线管道102以及柔性馈线103与高频电源装置101连接的加热线圈104中流通。由此,加热线圈104中产生高频磁通。设置在所产生的高频磁通之中的蜂窝结构体106产生感应电流并被加热。本实施例中,高频电源装置101的最大输出功率为40kW,频率为30kHz,在10%~100%的范围内调整输出功率控制的范围。应予说明,加热线圈104是采用:使用铜制管的、线圈的内径ID为φ80mm、线圈长度L为200mm的圆形线圈构成的。此外,使冷却水在加热线圈104的铜制管的管内部流动。应予说明,向加热线圈104的内部供给冷却水的详细情况在此处省略说明。
(4)温度的测定方法
在使用上述的感应加热试验装置100进行感应加热试验时,利用设置于加热线圈104的上方的热像仪107,俯视地测定蜂窝结构体106的一个端面106a的温度,将所测定的一个端面106a的最低的(中央位置的)温度作为测定温度。
(5)实验条件
将由高频电源装置101产生的高频电流的输出功率在10%~100%之间设定为任意输出功率值后,利用上述(4)所示的方法,通过热像仪107来测定加热速度。此处,根据搭载于高频电源装置101的电压计、以及电流计(未图示)的数值,计算出向加热线圈104输出高频电流时的感应加热输出功率(kW)。此外,测定从开始输出高频电流至蜂窝结构体106的测定温度到达300℃为止的到达时间,将其作为“经过时间”。应予说明,在到达300℃为止的时间为60s以上的情况下、或者升温在中途停止的情况下,记录该时刻下的到达温度以及经过时间。
(6)感应加热试验后的液体加热部件的外观变化的评价
利用肉眼观察来确认上述(3)的感应加热试验后的流体加热部件的外观变化、特别是蜂窝结构体有无发生开裂。将没有开裂的情形评价为“A”,将具有感应加热无法继续的水平的开裂的情形评价为“C”,将具有感应加热能够继续的水平的微小开裂的情形评价为“B”。作为综合评价,将到达300℃为止的时间小于30s且没有开裂的情形评价为“A”,将虽然到达300℃为止的时间小于30s、但发生微小开裂的情形评价为“B”,将到达300℃为止的时间为30s以上、或者具有感应加热无法继续的水平的开裂的情形评价为“C”。将上述(3)~(5)的试验结果、有无开裂、以及综合评价的结果汇总示于下述表1。
表1
(7)总结
如表1所示,满足本发明的必要条件的实施例1~12在感应加热试验中,从开始加热算起的经过时间均能够在30s以内到达至300℃。此外,此时的蜂窝结构体没有产生感应加热无法继续的水平的开裂,综合评价为“A”或“B”。因此,通过用作尾气净化用催化剂的加热系统的一部分,能够在发动机刚起动后就使催化剂活化,可期待对油耗改善发挥出较大的效果。
应予说明,在实施例1~6的流体加热部件中,关于在蜂窝结构体的外周面所形成的导电性被膜层的金属种类以及形成方法,没有看到特别大的显著性,确认了只要在本发明规定的范围内就能够得到良好的结果。另外,在外周壁较薄的实施例7~12的流体加热部件中,也确认得到良好的结果,且确认与实施例1~6相比、即便在更大的加热速度下也能够进行加热而不会发生开裂。
另一方面,不具有导电性被膜层的流体加热部件(比较例1)、以及在与流体的流通方向正交的蜂窝结构体的截面上没有以电连接的状态将蜂窝结构体的截面整周被覆的流体加热部件(比较例2)均显示出:加热速度慢,从利用感应加热试验开始加热至到达300℃为止的经过时间需要100s(比较例1),或者经过115s才勉强到达100℃(比较例2),无法进行迅速的加热或升温。因此,确认不易用于油耗改善用的加热系统。
此外,如实施例12所示,在蜂窝结构体的气孔率比其他实施例高的情况下(=12.0%),显示出在感应加热试验中容易发生开裂。但是,开裂比较轻微,几乎没有实用上的问题。因此,确认本发明中柱状部件特别优选使用气孔率为10%以下的致密质的陶瓷材料。
产业上的可利用性
本发明的流体加热部件、以及流体加热部件复合体可以在用于对汽车油耗改善用的尾气净化用催化剂进行加热的加热系统等中进行使用。

Claims (10)

1.一种流体加热部件,其特征在于,具备:
陶瓷制的柱状部件,该陶瓷制的柱状部件形成有供流体流通的流路;以及
导电性被膜层,该导电性被膜层覆设于所述柱状部件的外周面的至少一部分,
所述导电性被膜层在与所述流体的流通方向正交的所述柱状部件的截面上,以电连接的状态将所述柱状部件的截面整周被覆。
2.根据权利要求1所述的流体加热部件,其特征在于,
所述柱状部件为具备区划形成多个隔室的隔壁的蜂窝结构体,该多个隔室从一个端面延伸至另一个端面,形成为所述流路。
3.根据权利要求1或2所述的流体加热部件,其特征在于,
所述柱状部件为致密质的陶瓷,
气孔率为0.1%~10%的范围。
4.根据权利要求1~3中的任意一项所述的流体加热部件,其特征在于,
所述柱状部件为热传导率在50W/m·K~300W/m·K的范围的陶瓷。
5.根据权利要求1~4中的任意一项所述的流体加热部件,其特征在于,
所述柱状部件为将从碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化镁中选择的至少1种以上作为主成分的陶瓷。
6.根据权利要求1~4中的任意一项所述的流体加热部件,其特征在于,
所述柱状部件为将碳化硅作为主成分的陶瓷,电阻率为0.01Ωcm~10Ωcm。
7.根据权利要求1~3中的任意一项所述的流体加热部件,其特征在于,
所述柱状部件为将热膨胀率为0.1ppm/K~2ppm/K的堇青石作为主成分的陶瓷。
8.根据权利要求1~7中的任意一项所述的流体加热部件,其特征在于,
所述导电性被膜层具备:
化学镀层,该化学镀层呈层结构,并与所述柱状部件的所述表面相接触;以及
至少一层以上的感应加热层,该至少一层以上的感应加热层层叠于所述化学镀层之上。
9.根据权利要求1~8中的任意一项所述的流体加热部件,其特征在于,
所述导电性被膜层的被膜层厚度为0.1μm~500μm的范围。
10.一种流体加热部件复合体,其特征在于,
使用权利要求1~9中的任意一项所述的流体加热部件而形成;
使用多个棱柱状的所述流体加热部件而一体地构建,或者,使用至少一种以上的棱柱状的所述流体加热部件、以及形成有供流体流通的流路的一个或多个棱柱状的陶瓷制柱状部件而一体地构建。
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