JP7453032B2

JP7453032B2 - 排気ガス浄化装置及び導電体付き電気加熱式担体

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Publication number: JP7453032B2
Application number: JP2020054895A
Authority: JP
Inventors: 傑士高田; 尚哉高瀬; 英介鵜飼
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Sango Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Sango Co Ltd
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2040-03-25
Also published as: JP2021156185A

Description

本発明は、排気ガス浄化装置及び導電体付き電気加熱式担体に関する。

近年、エンジン始動直後の排気ガス浄化性能の低下を改善するため、電気加熱触媒（ＥＨＣ）が提案されている。ＥＨＣは、例えば、導電性セラミックスからなる柱状のハニカム構造体に金属電極を接続し、通電によりハニカム構造体自体を発熱させることで、エンジン始動前に触媒の活性温度まで昇温できるようにしたものである。

ＥＨＣを自動車等の排気ガスの流路の上流側へ設け、下流側にハニカム構造体を設けた排気ガス浄化装置が知られている。当該排気ガス浄化装置において、ＥＨＣに電流を流すためには、ＥＨＣを外部配線に電気的に接続させる必要がある。その接続方法として、特許文献１には、導電体を、下流側のハニカム構造体の表面或いは内部へ通して、上流側のＥＨＣまで配線する方法が開示されている。また、特許文献２には、ＥＨＣの上流側からＥＨＣまで、導電体で配線する方法が開示されている。

特許第６２４８９５２号公報特許第５６２５７９６号公報

特許文献１では、導電体を、下流側のハニカム構造体の表面或いは内部へ通して、上流側のＥＨＣまで配線しているが、このような構成では、ＥＨＣと下流側のハニカム構造体とは、振動や熱膨張によって個々別々に変位するため、配線が変位によって変形し断線する問題が生じるおそれがある。

特許文献２では、ＥＨＣの上流側からＥＨＣまで、導電体で配線しているが、このような構成では、上流側でＥＨＣの圧損によりＥＨＣ外周部にススや水蒸気が堆積することが考えられ、ＥＨＣと配線とが端部から短絡し、局所発熱することによってＥＨＣのハニカム構造体が破損する問題が生じるおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、電気加熱式担体に電気的に接続している導電体の破断及び短絡を良好に抑制することが可能な排気ガス浄化装置及び導電体付き電気加熱式担体を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の本発明によって解決されるものであり、本発明は以下のように特定される。
（１）内部に排気ガスの流路を有する排気ガス浄化装置であって、
前記排気ガスの流路の上流側に設けられている柱状の電気加熱式担体と、
前記排気ガスの流路の下流側において、前記電気加熱式担体と離間して設けられている柱状ハニカム構造体と、
前記電気加熱式担体及び前記柱状ハニカム構造体の外周面を覆うように設けられている缶体状のハウジングと、
前記電気加熱式担体の外周面に電気的に接続されている導電体と、
を備え、
前記ハウジングが、前記電気加熱式担体と前記柱状ハニカム構造体との離間位置に対応する部位に貫通孔を有し、
前記導電体が、前記電気加熱式担体の外周面から、前記電気加熱式担体と前記柱状ハニカム構造体との離間位置まで延びる延伸部を有し、且つ、
前記導電体の延伸部が、外部電源に接続するための電気接続端子を前記ハウジングの外側から前記貫通孔を介して前記電気加熱式担体の径方向に挿入した際に、前記電気接続端子と接続可能な位置に配置されている排気ガス浄化装置。
（２）外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、第１の端面から第２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、を有するセラミックス製の柱状ハニカム構造部と、
前記柱状ハニカム構造部の外周壁の表面に配設された電極層と、
を備えた電気加熱式担体と、
前記電気加熱式担体の前記電極層に電気的に接続されている導電体と、
を備え、
前記導電体が、前記電気加熱式担体の第２の端面から軸方向外側に延びる延伸部を有し、
前記導電体の延伸部の少なくとも一部が、前記電気加熱式担体の第２の端面から、前記電気加熱式担体の径方向外側へ向かって傾斜している導電体付き電気加熱式担体。

本発明によれば、電気加熱式担体に電気的に接続している導電体の破断及び短絡を良好に抑制することが可能な排気ガス浄化装置及び導電体付き電気加熱式担体を提供することができる。

本発明の実施形態１における排気ガス浄化装置の電気加熱式担体のセルの延伸方向に平行な断面模式図である。本発明の実施形態１における電気加熱式担体の外観模式図である。本発明の実施形態１における電気加熱式担体のセルの延伸方向に垂直な断面模式図である。本発明の実施形態２における排気ガス浄化装置の電気加熱式担体のセルの延伸方向に平行な断面模式図である。図４に示す排気ガス浄化装置の電気加熱式担体の導電体の傾斜部分の拡大図である。本発明の実施形態３における排気ガス浄化装置の電気加熱式担体のセルの延伸方向に平行な断面模式図である。図６に示す排気ガス浄化装置のハウジングの拡径部位の拡大図である。

次に本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

＜実施形態１＞
（排気ガス浄化装置）
図１は、本発明の実施形態１における排気ガス浄化装置１００の電気加熱式担体１０のセル１８の延伸方向に平行な断面模式図である。排気ガス浄化装置１００は、内部に排気ガスの流路を有し、排気ガスの流路の上流側に設けられている柱状の電気加熱式担体１０と、排気ガスの流路の下流側において、電気加熱式担体１０と離間して設けられている柱状ハニカム構造体２１と、ハウジング１５と、導電体１４とを備える。

（１．電気加熱式担体）
図２は、本発明の実施形態１における電気加熱式担体１０の外観模式図である。図３は、本発明の実施形態１における電気加熱式担体１０のセル１８の延伸方向に垂直な断面模式図である。電気加熱式担体１０は、外周壁１２と、外周壁１２の内側に配設され、第１の端面から第２の端面まで貫通して流路を形成する複数のセル１８を区画形成する隔壁１９とを有するセラミックス製の柱状ハニカム構造部１１と、柱状ハニカム構造部１１の外周壁１２の表面に配設された電極層１３ａ、１３ｂとを備える。

（１－１．柱状ハニカム構造部）
柱状ハニカム構造部１１の外形は柱状である限り特に限定されず、例えば、底面が円形の柱状（円柱形状）、底面がオーバル形状の柱状、底面が多角形（四角形、五角形、六角形、七角形、八角形等）の柱状等の形状とすることができる。また、柱状ハニカム構造部１１の大きさは、耐熱性を高める（外周壁の周方向に入るクラックを抑制する）という理由により、底面の面積が２０００～２００００ｍｍ²であることが好ましく、５０００～１５０００ｍｍ²であることが更に好ましい。

柱状ハニカム構造部１１は、セラミックス製であり、導電性を有する。導電性の柱状ハニカム構造部１１が通電してジュール熱により発熱可能である限り、当該セラミックスの電気抵抗率については特に制限はないが、０．１～２００Ωｃｍであることが好ましく、１～２００Ωｃｍがより好ましく、１０～１００Ωｃｍであることが更に好ましい。本発明において、柱状ハニカム構造部１１の電気抵抗率は、四端子法により４００℃で測定した値とする。

柱状ハニカム構造部１１の材質としては、限定的ではないが、アルミナ、ムライト、ジルコニア及びコージェライト等の酸化物系セラミックス、炭化珪素、窒化珪素及び窒化アルミ等の非酸化物系セラミックスからなる群から選択することができる。また、炭化珪素－金属珪素複合材や炭化珪素／グラファイト複合材等を用いることもできる。これらの中でも、耐熱性と導電性の両立の観点から、柱状ハニカム構造部１１の材質は、珪素－炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とするセラミックスを含有していることが好ましい。柱状ハニカム構造部１１の材質が、珪素－炭化珪素複合材を主成分とするものであるというときは、柱状ハニカム構造部１１が、珪素－炭化珪素複合材（合計質量）を、全体の９０質量％以上含有していることを意味する。ここで、珪素－炭化珪素複合材は、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものであり、複数の炭化珪素粒子が、炭化珪素粒子間に細孔を形成するようにして、珪素によって結合されていることが好ましい。柱状ハニカム構造部１１の材質が、炭化珪素を主成分とするものであるというときは、柱状ハニカム構造部１１が、炭化珪素（合計質量）を、全体の９０質量％以上含有していることを意味する。

柱状ハニカム構造部１１が、珪素－炭化珪素複合材を含んでいる場合、柱状ハニカム構造部１１に含有される「骨材としての炭化珪素粒子の質量」と、柱状ハニカム構造部１１に含有される「結合材としての珪素の質量」との合計に対する、柱状ハニカム構造部１１に含有される「結合材としての珪素の質量」の比率が、１０～４０質量％であることが好ましく、１５～３５質量％であることが更に好ましい。１０質量％以上であると、柱状ハニカム構造部１１の強度が十分に維持される。４０質量％以下であると、焼成時に形状を保持しやすくなる。

セル１８の延伸方向に垂直な断面におけるセルの形状に制限はないが、四角形、六角形、八角形、又はこれらの組み合わせであることが好ましい。これらのなかでも、四角形及び六角形が好ましい。セルの形状をこのようにすることにより、柱状ハニカム構造部１１に排気ガスを流したときの圧力損失が小さくなり、触媒の浄化性能が優れたものとなる。構造強度及び加熱均一性を両立させやすいという観点からは、四角形が特に好ましい。

セル１８を区画形成する隔壁１９の厚みは、０．１～０．３ｍｍであることが好ましく、０．１５～０．２５ｍｍであることがより好ましい。隔壁１９の厚みが０．１ｍｍ以上であることで、ハニカム構造体の強度が低下するのを抑制可能である。隔壁１９の厚みが０．３ｍｍ以下であることで、ハニカム構造体を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が大きくなるのを抑制できる。本発明において、隔壁１９の厚みは、セル１８の延伸方向に垂直な断面において、隣接するセル１８の重心同士を結ぶ線分のうち、隔壁１９を通過する部分の長さとして定義される。

柱状ハニカム構造部１１は、セル１８の流路方向に垂直な断面において、セル密度が４０～１５０セル／ｃｍ²であることが好ましく、７０～１００セル／ｃｍ²であることが更に好ましい。セル密度をこのような範囲にすることにより、排気ガスを流したときの圧力損失を小さくした状態で、触媒の浄化性能を高くすることができる。セル密度が４０セル／ｃｍ²以上であると、触媒担持面積が十分に確保される。セル密度が１５０セル／ｃｍ²以下であると柱状ハニカム構造部１１を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が大きくなりすぎることが抑制される。セル密度は、外周壁１２部分を除く柱状ハニカム構造部１１の一つの底面部分の面積でセル数を除して得られる値である。

柱状ハニカム構造部１１の外周壁１２を設けることは、柱状ハニカム構造部１１の構造強度を確保し、また、セル１８を流れる流体が外周壁１２から漏洩するのを抑制する観点で有用である。具体的には、外周壁１２の厚みは好ましくは０．１ｍｍ以上であり、より好ましくは０．１５ｍｍ以上、更により好ましくは０．２ｍｍ以上である。但し、外周壁１２を厚くしすぎると高強度になりすぎてしまい、隔壁１９との強度バランスが崩れて耐熱衝撃性が低下することから、外周壁１２の厚みは好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．７ｍｍ以下であり、更により好ましくは０．５ｍｍ以下である。ここで、外周壁１２の厚みは、厚みを測定しようとする外周壁１２の箇所をセルの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、当該測定箇所における外周壁１２の接線に対する法線方向の厚みとして定義される。

隔壁１９は多孔質とすることができる。隔壁１９の気孔率は、３５～６０％であることが好ましく、３５～４５％であることが更に好ましい。気孔率が３５％以上であると、焼成時の変形をより抑制しやすくなる。気孔率が６０％以下であるとハニカム構造体の強度が十分に維持される。気孔率は、水銀ポロシメータにより測定した値である。

柱状ハニカム構造部１１の隔壁１９の平均細孔径は、２～１５μｍであることが好ましく、４～８μｍであることが更に好ましい。平均細孔径が２μｍ以上であると、電気抵抗率が大きくなりすぎることが抑制される。平均細孔径が１５μｍ以下であると、電気抵抗率が小さくなりすぎることが抑制される。平均細孔径は、水銀ポロシメータにより測定した値である。

（１－２．電極層）
柱状ハニカム構造部１１の外周壁１２の表面に、電極層１３ａ、１３ｂが配設されている。電極層１３ａ、１３ｂは、柱状ハニカム構造部１１の中心軸を挟んで対向するように配設された一対の電極層１３ａ、１３ｂであってもよい。

電極層１３ａ、１３ｂの形成領域に特段の制約はないが、柱状ハニカム構造部１１の均一発熱性を高めるという観点からは、各電極層１３ａ、１３ｂは外周壁１２の外面上で外周壁１２の周方向及びセルの延伸方向に帯状に延設することが好ましい。具体的には、各電極層１３ａ、１３ｂは、柱状ハニカム構造部１１の両底面間の８０％以上の長さに亘って、好ましくは９０％以上の長さに亘って、より好ましくは全長に亘って延びていることが、電極層１３ａ、１３ｂの軸方向へ電流が広がりやすいという観点から望ましい。

各電極層１３ａ、１３ｂの厚みは、０．０１～５ｍｍであることが好ましく、０．０１～３ｍｍであることが更に好ましい。このような範囲とすることにより均一発熱性を高めることができる。各電極層１３ａ、１３ｂの厚みが０．０１ｍｍ以上であると、電気抵抗が適切に制御され、より均一に発熱することができる。５ｍｍ以下であると、キャニング時に破損する恐れが低減される。各電極層１３ａ、１３ｂの厚みは、厚みを測定しようとする電極層１３ａ、１３ｂの箇所をセルの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、各電極層１３ａ、１３ｂの外面の当該測定箇所における接線に対する法線方向の厚みとして定義される。

各電極層１３ａ、１３ｂの電気抵抗率を柱状ハニカム構造部１１の電気抵抗率より低くすることにより、電極層１３ａ、１３ｂに優先的に電気が流れやすくなり、通電時に電気がセルの流路方向及び周方向に広がりやすくなる。電極層１３ａ、１３ｂの電気抵抗率は、柱状ハニカム構造部１１の電気抵抗率の１／１０以下であることが好ましく、１／２０以下であることがより好ましく、１／３０以下であることが更により好ましい。但し、両者の電気抵抗率の差が大きくなりすぎると対向する電極層１３ａ、１３ｂの端部間に電流が集中して柱状ハニカム構造部の発熱が偏ることから、電極層１３ａ、１３ｂの電気抵抗率は、柱状ハニカム構造部１１の電気抵抗率の１／２００以上であることが好ましく、１／１５０以上であることがより好ましく、１／１００以上であることが更により好ましい。本発明において、電極層１３ａ、１３ｂの電気抵抗率は、四端子法により４００℃で測定した値とする。

各電極層１３ａ、１３ｂの材質は、金属及び導電性セラミックスとの複合材（サーメット）を使用することができる。金属としては、例えばＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ又はＴｉの単体金属又はこれらの金属よりなる群から選択される少なくとも一種の金属を含有する合金が挙げられる。導電性セラミックスとしては、限定的ではないが、炭化珪素（ＳｉＣ）が挙げられ、珪化タンタル（ＴａＳｉ₂）及び珪化クロム（ＣｒＳｉ₂）等の金属珪化物等の金属化合物が挙げられる。金属及び導電性セラミックスとの複合材（サーメット）の具体例としては、金属珪素と炭化珪素の複合材、珪化タンタルや珪化クロム等の金属珪化物と金属珪素と炭化珪素の複合材、更には上記の一種又は二種以上の金属に熱膨張低減の観点から、アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素及び窒化アルミ等の絶縁性セラミックスを一種又は二種以上添加した複合材が挙げられる。電極層１３ａ、１３ｂの材質としては、上記の各種金属及び導電性セラミックスの中でも、珪化タンタルや珪化クロム等の金属珪化物と金属珪素と炭化珪素の複合材との組合せとすることが、柱状ハニカム構造部と同時に焼成できるので製造工程の簡素化に資するという理由により好ましい。

（２．柱状ハニカム構造体）
柱状ハニカム構造体２１は、排気ガス浄化装置１００の排気ガスの流路の下流側において、電気加熱式担体１０と離間して設けられている。柱状ハニカム構造体２１は、形状、材質、及び、大きさ等について、電気加熱式担体１０の柱状ハニカム構造部１１について上述したものと同様に構成することができる。柱状ハニカム構造体２１は、形状、材質、及び、大きさ等について、電気加熱式担体１０の柱状ハニカム構造部１１と同じであってもよく、異なっていてもよい。異なる場合には、従来公知の範囲での、形状、材質、大きさの柱状ハニカム構造体を用いることができる。なお、柱状ハニカム構造体２１の大きさが電気加熱式担体１０の柱状ハニカム構造部１１と異なる場合については、後述の実施形態３で例示している。

柱状ハニカム構造体２１は、電気加熱式担体１０に対して離間する程度については特に限定されないが、排気ガス浄化装置１００の設置スペース、柱状ハニカム構造体２１及び電気加熱式担体１０の大きさ等に基づき、適宜設計することができる。例えば、電気加熱式担体１０の柱状ハニカム構造部１１及び柱状ハニカム構造体２１の底面の面積が、それぞれ２０００～２００００ｍｍ²であり、長さがそれぞれ２～１０ｃｍである場合、柱状ハニカム構造体２１は、電気加熱式担体１０に対して２～１０ｃｍ離間させることができる。

排気ガス浄化装置１００の排気ガスの流路の上流側に設けられている電気加熱式担体１０、及び、下流側に設けられている柱状ハニカム構造体２１に、それぞれ触媒を担持することにより、電気加熱式担体１０及び柱状ハニカム構造体２１を触媒体として使用することができる。複数のセル１８の流路には、例えば、自動車排気ガス等の流体を流すことができる。触媒としては、例えば、貴金属系触媒又はこれら以外の触媒が挙げられる。貴金属系触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）といった貴金属をアルミナ細孔表面に担持し、セリア、ジルコニア等の助触媒を含む三元触媒や酸化触媒、又は、アルカリ土類金属と白金を窒素酸化物（ＮＯ_x）の吸蔵成分として含むＮＯ_x吸蔵還元触媒（ＬＮＴ触媒）が例示される。貴金属を用いない触媒として、銅置換又は鉄置換ゼオライトを含むＮＯ_x選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）等が例示される。また、これらの触媒からなる群から選択される２種以上の触媒を用いてもよい。なお、触媒の担持方法についても特に制限はなく、従来、ハニカム構造体に触媒を担持する担持方法に準じて行うことができる。

（３．ハウジング）
ハウジング１５は、缶体状に形成されており、電気加熱式担体１０及び柱状ハニカム構造体２１の外周面を覆うように設けられている。ハウジング１５としては、例えば、金属製の筒状部材等を用いることができる。ハウジング１５は、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置に対応する部位に貫通孔１７を有している。ハウジング１５における、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置に対応する部位とは、図１に点線ｄで示す部位であり、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１とが離間して形成するハウジング１５内の空間を構成するハウジング１５側面を示す。貫通孔１７は、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置に対応する部位であれば、どこに形成されていてもよい。

貫通孔１７の形状は特に限定されず、円形状または矩形状など適宜設計することができる。貫通孔１７の大きさは、電気接続端子２２をハウジング１５の外側から貫通孔１７へ挿入可能な大きさに形成されていれば、特に限定されず、適宜設計することができる。

ハウジング１５と電気加熱式担体１０との間、及び、ハウジング１５と柱状ハニカム構造体２１との間に、電気加熱式担体１０及び柱状ハニカム構造体２１を保持する保持マット１６を設けてもよい。保持マット１６としては、公知の材料を用いることができ、例えばセラミックファイバーまたはガラスファイバー等で構成することができる。

（４．導電体）
導電体１４は、電気加熱式担体１０の外周面に電気的に接続されている。導電体１４は、電気加熱式担体１０の外周面から、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置まで延びる延伸部１４ａを有している。導電体１４の延伸部１４ａは、外部電源に接続するための電気接続端子２２をハウジング１５の外側から貫通孔１７を介して電気加熱式担体１０の径方向に挿入した際に、電気接続端子２２と接続可能な位置に配置されている。延伸部１４ａの先端の位置は、電気接続端子２２を挿入したときに接続しやすいため、図１に示すように、貫通孔１７に隣接する位置であるのが好ましい。実施形態１において、延伸部１４ａは、電気加熱式担体１０の外周面から、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置まで傾斜せず真っ直ぐに延びている。

導電体１４は、上述のように、電気加熱式担体１０の外周面から横へ突出するように設けられておらず、電気加熱式担体１０の外周面から、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置まで延びるように形成されている。このような構成によれば、保持マット１６等で導電体１４を電気加熱式担体１０方向へ良好に押圧することができる。従って、導電体１４の剥離や破損などを良好に抑制することができる。また、導電体１４を電気接続端子２２と接合させる部位（接合点）を自由に設計することができる。具体的には、例えば、本実施形態とは異なり、電気加熱式担体の外周面から横へ突出するように設けられている導電体は、電気加熱式担体前方もしくは後方に電気接続端子との接合点を配置すると、当該接合点に直接排気ガスが触れることとなるため、耐食性に問題が生じるおそれがある。これに対し、本実施形態のように、導電体１４を電気接続端子２２と接合させる部位（接合点）を自由に設計することができると、全面に保持マットを巻くことができ、このような耐食性の問題を抑制することができる。

導電体１４は、電極層１３ａ、１３ｂを介して電圧を印加すると通電してジュール熱により柱状ハニカム構造部１１を発熱させることが可能である。このため、電気加熱式担体１０はヒーターとしても好適に用いることができる。印加する電圧は１２～９００Ｖが好ましく、６４～６００Ｖが更に好ましいが、印加する電圧は適宜変更可能である。

導電体１４の材質としては、単体金属及び合金等を採用することができ、耐食性、電気抵抗率及び線膨張率の観点から例えば、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＴｉよりなる群から選択される少なくとも一種を含む合金とすることが好ましく、ステンレス鋼及びＦｅ－Ｎｉ合金がより好ましい。導電体１４の形状及び大きさは、特に限定されず、薄板状、線状など、電気加熱式担体１０の大きさや通電性能等に応じて、適宜設計することができる。

本発明の実施形態１における排気ガス浄化装置１００は、上述のように、ハウジング１５における電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置に対応する部位に設けられた貫通孔１７を介して、電気接続端子２２を電気加熱式担体１０の径方向に挿入した際に、導電体１４の延伸部１４ａが、電気接続端子２２と接続可能な位置に配置されている。このような構成によれば、排気ガス浄化装置１００の振動や熱膨張によって、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１とが個々別々に変位しても、導電体１４が変位によって変形して断線することを良好に抑制することができる。

また、電気加熱式担体１０の上流側から電気加熱式担体１０まで、導電体１４で配線する構成ではないため、上流側で電気加熱式担体１０の圧損が生じることが抑制される。従って、電気加熱式担体１０の外周部にススや水蒸気が堆積し、電気加熱式担体１０と導電体１４とが端部から短絡することを、良好に抑制することができる。

実施形態１における排気ガス浄化装置１００は、外部電源に接続するための電気接続端子２２を構成要素として含んでもよい。すなわち、図１に示す構成において、排気ガス浄化装置１００が、導電体１４の延伸部１４ａの先端に電気的に接続し、且つ、ハウジング１５の貫通孔１７から突出する電気接続端子２２を有していてもよい。

（５．排気ガス浄化装置の製造方法）
次に、本発明に係る排気ガス浄化装置１００を製造する方法について例示的に説明する。本発明の電気加熱式担体１０の製造方法は一実施形態において、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造部を得る工程Ａ１と、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造部を焼成して柱状ハニカム構造部を得る工程Ａ２と、柱状ハニカム構造部に導電体を溶接または溶射などで固定して電気加熱式担体を得る工程Ａ３と、柱状ハニカム構造体を準備する工程Ｂ１と、電気加熱式担体と柱状ハニカム構造体とを、貫通孔を有するハウジングに収容する工程Ｃ１とを含む。

工程Ａ１は、ハニカム構造部の前駆体であるハニカム成形体を作製し、ハニカム成形部の側面に電極層形成ペーストを塗布して、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造部を得る工程である。ハニカム成形体の作製は、公知のハニカム構造部の製造方法におけるハニカム成形体の作製方法に準じて行うことができる。例えば、まず、炭化珪素粉末（炭化珪素）に、金属珪素粉末（金属珪素）、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して成形原料を作製する。炭化珪素粉末の質量と金属珪素の質量との合計に対して、金属珪素の質量が１０～４０質量％となるようにすることが好ましい。炭化珪素粉末における炭化珪素粒子の平均粒子径は、３～５０μｍが好ましく、３～４０μｍが更に好ましい。金属珪素（金属珪素粉末）の平均粒子径は、２～３５μｍであることが好ましい。炭化珪素粒子及び金属珪素（金属珪素粒子）の平均粒子径はレーザー回折法で粒度の頻度分布を測定したときの、体積基準による算術平均径を指す。炭化珪素粒子は、炭化珪素粉末を構成する炭化珪素の微粒子であり、金属珪素粒子は、金属珪素粉末を構成する金属珪素の微粒子である。なお、これは、ハニカム構造部の材質を、珪素－炭化珪素系複合材とする場合の成形原料の配合であり、ハニカム構造部の材質を炭化珪素とする場合には、金属珪素は添加しない。

バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、２．０～１０．０質量部であることが好ましい。

水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、２０～６０質量部であることが好ましい。

界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、０．１～２．０質量部であることが好ましい。

造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、０．５～１０．０質量部であることが好ましい。造孔材の平均粒子径は、１０～３０μｍであることが好ましい。１０μｍより小さいと、気孔を十分形成できないことがある。３０μｍより大きいと、成形時に口金に詰まることがある。造孔材の平均粒子径はレーザー回折法で粒度の頻度分布を測定したときの、体積基準による算術平均径を指す。造孔材が吸水性樹脂の場合には、造孔材の平均粒子径は吸水後の平均粒子径のことである。

次に、得られた成形原料を混練して坏土を形成した後、坏土を押出成形してハニカム成形体を作製する。押出成形に際しては、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚み、セル密度等を有する口金を用いることができる。次に、得られたハニカム成形体について、乾燥を行うことが好ましい。ハニカム成形体の中心軸方向長さが、所望の長さではない場合は、ハニカム成形体の両底部を切断して所望の長さとすることができる。乾燥後のハニカム成形体をハニカム乾燥体と呼ぶ。当該ハニカム成形体またはハニカム乾燥体が、柱状ハニカム構造部となる。

また、上記柱状ハニカム構造部をもう一体作製することで、下流側に設置予定の柱状ハニカム構造体とする（工程Ｂ１）。なお、下流側に設置予定の柱状ハニカム構造体としては、上流側のハニカム構造部と同じ材質、大きさ、形状等に形成する必要はなく、適宜設計することができる。

次に、電極層を形成するための電極層形成ペーストを調合する。電極層形成ペーストは、電極層の要求特性に応じて配合した原料粉（金属粉末、及び、セラミックス粉末等）に各種添加剤を適宜添加して混練することで形成することができる。電極層を積層構造とする場合、第一の電極層用のペースト中の金属粉末の平均粒子径に比べて、第二の電極層用のペースト中の金属粉末の平均粒子径を大きくすることにより、金属端子と電極層の接合強度が向上する傾向にある。金属粉末の平均粒子径はレーザー回折法で粒度の頻度分布を測定したときの、体積基準による算術平均径を指す。

次に、得られた電極層形成ペーストを、ハニカム成形体（典型的にはハニカム乾燥体）の側面に塗布し、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造部を得る。電極層形成ペーストを調合する方法、及び電極層形成ペーストをハニカム成形体に塗布する方法については、公知のハニカム構造体の製造方法に準じて行うことができるが、電極層をハニカム構造部に比べて低い電気抵抗率にするために、ハニカム構造部よりも金属の含有比率を高めたり、金属粒子の粒径を小さくしたりすることができる。

柱状ハニカム構造部の製造方法の変更例として、工程Ａ１において、電極層形成ペーストを塗布する前に、ハニカム成形体を一旦焼成してもよい。すなわち、この変更例では、ハニカム成形体を焼成してハニカム焼成体を作製し、当該ハニカム焼成体に、電極層形成ペーストを塗布する。

工程Ａ２では、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造部を焼成して、柱状ハニカム構造部を得る。焼成を行う前に、電極層形成ペースト付き未焼成ハニカム構造部を乾燥してもよい。また、焼成の前に、バインダ等を除去するため、脱脂を行ってもよい。焼成条件としては、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気において、１４００～１５００℃で、１～２０時間加熱することが好ましい。また、焼成後、耐久性向上のために、１２００～１３５０℃で、１～１０時間、酸化処理を行うことが好ましい。脱脂及び焼成の方法は特に限定されず、電気炉、ガス炉等を用いて焼成することができる。

工程Ａ３では、金属材料等で構成された導電体を、柱状ハニカム構造部の外周面から一方の端面を超えて、さらに延伸部を形成するように固定して電気加熱式担体を得る。固定方法については特に限定されず、公知のレーザー溶接または超音波溶接、溶射等で行うことができる。

工程Ｃ１では、電気加熱式担体と柱状ハニカム構造体とを、貫通孔を有するハウジングに収容する。このとき、電気加熱式担体と柱状ハニカム構造体とがハウジング内で離間するように配置する。また、ハウジングの貫通孔を、電気加熱式担体と柱状ハニカム構造体との離間位置に対応する部位に配置する。このようにして、排気ガス浄化装置を作製することができる。

＜実施形態２＞
図４は、本発明の実施形態２における排気ガス浄化装置２００の電気加熱式担体１０のセル１８の延伸方向に平行な断面模式図である。排気ガス浄化装置２００は、実施形態１における排気ガス浄化装置１００に対し、導電体２４の構成が異なる以外は、同様の構成とすることができる。

排気ガス浄化装置２００の導電体２４は、電気加熱式担体１０の外周面から、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との離間位置まで延びる延伸部２４ａを有している。導電体２４は、電気加熱式担体１０の第２（下流側）の端面から、電気加熱式担体１０の径方向外側へ向かって傾斜するように延びる傾斜部を有している。このように、導電体２４の延伸部２４ａの少なくとも一部が、電気加熱式担体１０の下流側の端面から、電気加熱式担体１０の径方向外側へ向かって傾斜している。排気ガス浄化装置２００の導電体２４は、延伸部２４ａが当該傾斜部を構成していてもよい。このような構成によれば、実施形態１における排気ガス浄化装置１００について上述したものと同様に、排気ガス浄化装置２００の振動や熱膨張によっても、導電体２４が変形して断線することを良好に抑制することができる。また、上流側で電気加熱式担体１０の圧損が生じることが抑制されるため、電気加熱式担体１０の外周部にススや水蒸気が堆積し、電気加熱式担体１０と導電体２４とが端部から短絡することを、良好に抑制することができる。さらに、導電体２４が、電気加熱式担体１０の下流側の端面から、電気加熱式担体１０の径方向外側へ向かって傾斜するため、上流側の電気加熱式担体１０の柱状ハニカム構造部１１を通過したススや水蒸気を、電気接続端子２２が直接受けることなく、下流側の柱状ハニカム構造体２１の前方に堆積する。ここで、ススや水蒸気が下流側の柱状ハニカム構造体２１の前方に堆積しても、電気加熱式担体１０の端面にまで堆積する可能性は低い。従って、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体２１との絶縁性が向上する。

排気ガス浄化装置２００の導電体２４の材料は、実施形態１における排気ガス浄化装置１００の導電体１４と同様の材料を用いることができる。

図５に、排気ガス浄化装置２００の電気加熱式担体２０の導電体２４の傾斜部分の拡大図を示す。傾斜部の傾斜角θ１は特に限定されないが、ススや水蒸気の堆積抑制という効果が得られるため、３０度以上であるのが好ましい。また、振動による応力緩和という効果が得られるため、６０度以下であるのが好ましい。傾斜部の傾斜角θ１は、３０～６０度であるのがより好ましい。

＜実施形態３＞
図６は、本発明の実施形態３における排気ガス浄化装置３００の電気加熱式担体１０のセル１８の延伸方向に平行な断面模式図である。排気ガス浄化装置３００は、実施形態１における排気ガス浄化装置１００に対し、柱状ハニカム構造体３１、導電体３４、及び、ハウジング３５の構成が異なる以外は、同様の構成とすることができる。

柱状ハニカム構造体３１の径は、電気加熱式担体１０の径より大きく形成されている。特に限定されないが、柱状ハニカム構造体３１の径は、電気加熱式担体１０の径の１．１～２倍に形成することができる。排気ガス浄化装置３００の柱状ハニカム構造体３１は、電気加熱式担体１０の径より大きく形成されている以外は、実施形態１における排気ガス浄化装置１００の柱状ハニカム構造体２１と同様の構成とすることができる。

導電体３４は、電気加熱式担体１０の外周面から、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体３１との離間位置まで延びる延伸部３４ａを有している。導電体３４は、電気加熱式担体１０の第２（下流側）の端面から、電気加熱式担体１０の径方向外側へ向かって傾斜するように延びる傾斜部３４ｂを有している。本実施形態では、導電体３４の延伸部３４ａの先端方向の一部が傾斜部３４ｂを構成している。傾斜部３４ｂの傾斜角は、特に限定されないが、延伸部３４ａの長さ、ハウジング３５の貫通孔３７の位置、及び、ハウジング３５の拡径部位の傾斜角θ２によって適宜設計することができる。

ハウジング３５は、缶体状を有し、電気加熱式担体１０及び柱状ハニカム構造体３１の外周面を覆うように設けられている。ハウジング３５は、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体３１との間に対応する部位が、排気ガスの流路の下流側に向かうにつれて拡径している。このような構成によれば、実施形態１における排気ガス浄化装置１００について上述したものと同様に、排気ガス浄化装置３００の振動や熱膨張によっても、導電体３４が変形して断線することを良好に抑制することができる。また、上流側で電気加熱式担体１０の圧損が生じることが抑制されるため、電気加熱式担体１０の外周部にススや水蒸気が堆積し、電気加熱式担体１０と導電体３４とが端部から短絡することを、良好に抑制することができる。また、ハウジング３５における、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体３１との間に対応する部位が、排気ガスの流路の下流側に向かうにつれて拡径しているため、上流側の電気加熱式担体１０の柱状ハニカム構造部１１を通過したススや水蒸気を、電気接続端子２２が直接受けることなく、下流側の柱状ハニカム構造体３１の前方に堆積する。ここで、ススや水蒸気が下流側の柱状ハニカム構造体３１の前方に堆積しても、電気加熱式担体１０の端面にまで堆積する可能性は低い。従って、電気加熱式担体１０と柱状ハニカム構造体３１との絶縁性が向上する。さらに、下流側の柱状ハニカム構造体３１と、電気接続端子２２との距離を長くすることができるため、柱状ハニカム構造体３１と、電気接続端子２２との絶縁性が高くなる。

排気ガス浄化装置３００のハウジング３５の材料は、実施形態１における排気ガス浄化装置１００のハウジング１５と同様の材料を用いることができる。

図７に、排気ガス浄化装置３００のハウジング３５の拡径部位の拡大図を示す。ハウジング３５の拡径部位の傾斜角θ２は特に限定されないが、ススや水蒸気の堆積抑制という効果が得られるため、３０度以上であるのが好ましい。また、振動による応力緩和という効果が得られるため、６０度以下であるのが好ましい。ハウジング３５の拡径部位の傾斜角θ２は、３０～６０度であるのがより好ましい。

１０電気加熱式担体
１１柱状ハニカム構造部
２１、３１柱状ハニカム構造体
１２外周壁
１３ａ、１３ｂ電極層
１４、２４、３４導電体
１４ａ延伸部
２４ａ延伸部（傾斜部）
３４ａ延伸部
３４ｂ傾斜部
１５、３５ハウジング
１６保持マット
１７、３７貫通孔
１８セル
１９隔壁
２２電気接続端子
１００、２００、３００排気ガス浄化装置

Claims

内部に排気ガスの流路を有する排気ガス浄化装置であって、
前記排気ガスの流路の上流側に設けられている柱状の電気加熱式担体と、
前記排気ガスの流路の下流側において、前記電気加熱式担体と離間して設けられている柱状ハニカム構造体と、
前記電気加熱式担体及び前記柱状ハニカム構造体の外周面を覆うように設けられている缶体状のハウジングと、
前記電気加熱式担体の外周面に電気的に接続されている導電体と、
を備え、
前記ハウジングが、前記電気加熱式担体と前記柱状ハニカム構造体との離間位置に対応する部位に貫通孔を有し、
前記導電体が、前記電気加熱式担体の外周面から、前記電気加熱式担体と前記柱状ハニカム構造体との離間位置まで延びる延伸部を有し、且つ、
前記導電体の延伸部が、外部電源に接続するための電気接続端子を前記ハウジングの外側から前記貫通孔を介して前記電気加熱式担体の径方向に挿入した際に、前記電気接続端子と接続可能な位置に配置されており、
前記導電体の延伸部の少なくとも一部が、前記電気加熱式担体の下流側の端面から、前記電気加熱式担体の径方向外側へ向かって傾斜している排気ガス浄化装置。
前記柱状ハニカム構造体の径が前記電気加熱式担体の径より大きく、
前記ハウジングの、前記電気加熱式担体と前記柱状ハニカム構造体との間に対応する部位が、前記排気ガスの流路の下流側に向かうにつれて拡径している請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
前記排気ガス浄化装置が、外部電源に接続するための電気接続端子を有し、
前記電気接続端子が、前記ハウジングの外側から前記貫通孔を介して前記導電体の延伸部と接続されている請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
前記ハウジングと前記電気加熱式担体との間、及び、前記ハウジングと前記柱状ハニカム構造体との間に設けられ、前記電気加熱式担体及び前記柱状ハニカム構造体を保持する保持マットを更に備えた請求項１～３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
前記電気加熱式担体が、
外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、第１の端面から第２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、を有するセラミックス製の柱状ハニカム構造部と、
前記柱状ハニカム構造部の外周壁の表面に配設された電極層と、
を備え、
前記導電体が、前記電気加熱式担体の前記電極層に電気的に接続されている請求項１～４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
前記電気加熱式担体の前記柱状ハニカム構造部の外周壁の表面に配設された電極層が、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た一対の電極層である請求項５に記載の排気ガス浄化装置。