JP7594544B2 - Electrically heated carrier and exhaust gas purification device - Google Patents
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Description
本発明は、電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an electrically heated carrier and an exhaust gas purification device.
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においては、触媒効果を十分に得られるようにするために、ハニカム構造体内での温度ムラを少なくして均一な温度分布にすることが望まれている。In recent years, electrically heated catalysts (EHCs) have been proposed to improve the deterioration of exhaust gas purification performance immediately after engine start. EHCs are, for example, made by connecting metal electrodes to a columnar honeycomb structure made of conductive ceramics, and by passing electricity through the honeycomb structure itself to generate heat, allowing the temperature to be raised to the catalyst's activation temperature before the engine is started. In EHCs, it is desirable to reduce temperature unevenness within the honeycomb structure and achieve a uniform temperature distribution in order to fully obtain the catalytic effect.
EHCに電流を流すためには、外部配線に接続された金属電極をEHCに接合させる必要がある。その接合方法としては、溶射による固定、レーザー溶接、またはロウ付け等がある。To pass current through the EHC, metal electrodes connected to external wiring must be joined to the EHC. Methods for joining include fixing by thermal spraying, laser welding, or brazing.
また、特許文献1には、金属端子(金属電極)側から熱エネルギーを加えて、ハニカム構造体の電極層上に、溶接によって金属電極を接合する技術が開示されている。そして、このような構成によれば、金属電極との接合信頼性を向上させた導電性ハニカム構造体を提供することができると記載されている。 Patent Document 1 also discloses a technique for applying heat energy from the metal terminal (metal electrode) side to join a metal electrode by welding onto the electrode layer of a honeycomb structure. It also describes that such a configuration can provide a conductive honeycomb structure with improved joining reliability with the metal electrode.
特許文献1では、電極層に応力緩和層(下地層)を設けて、溶接時の破損や熱サイクルによるセラミックス製ハニカム構造部への繰り返し疲労を軽減している。しかしながら、EHCは、通常、自動車等の排気ガス雰囲気中の高温下(800~1000℃)で使用されるため、溶接部位などの接合部位では接合時のエネルギーによって物性が変化しているため、この接合部位が自動車等の排気ガスに曝されると耐酸化性が低下しやすい。その結果、下地層によって応力緩和は可能であるが、酸化による材料強度が低下してしまい、接合部位が破損してしまう問題が生じる可能性がある。In Patent Document 1, a stress relief layer (underlayer) is provided on the electrode layer to reduce breakage during welding and repeated fatigue of the ceramic honeycomb structure due to thermal cycles. However, EHCs are usually used at high temperatures (800-1000°C) in an exhaust gas atmosphere from automobiles, etc., and the physical properties of joints such as welded parts change due to the energy generated during joining. Therefore, if these joints are exposed to exhaust gas from automobiles, etc., their oxidation resistance is likely to decrease. As a result, although the underlayer can relieve stress, the material strength decreases due to oxidation, which can cause problems such as breakage of the joints.
本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、下地層と金属電極とを接続する接合部位の酸化を良好に抑制することが可能な電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。また、本発明は、金属電極を電極層に固定する固定層の酸化を良好に抑制することが可能な電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置を提供することを別の課題とする。The present invention was created in consideration of the above circumstances, and aims to provide an electrically heated carrier and an exhaust gas purification device that can effectively suppress oxidation of the joint portion that connects the base layer and the metal electrode. Another aim of the present invention is to provide an electrically heated carrier and an exhaust gas purification device that can effectively suppress oxidation of the fixing layer that fixes the metal electrode to the electrode layer.
本発明者は鋭意検討したところ、下地層と金属電極とを接続する接合部位を排気ガスから保護するための酸化防止層を設けることで、上記課題が解決されることを見出した。すなわち、本発明は以下のように特定される。
(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、を有するセラミックス製の柱状ハニカム構造体と、
前記柱状ハニカム構造体の外周壁の表面に配設されている電極層と、
前記電極層上に設けられている導電性の下地層と、
前記下地層上に接合部位により接続されている金属電極と、
前記接合部位を排気ガスから保護するための酸化防止層と、
を備えた電気加熱式担体。
(2)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、を有するセラミックス製の柱状ハニカム構造体と、
前記柱状ハニカム構造体の外周壁の表面に配設されている電極層と、
前記電極層上に設けられている金属電極と、
前記金属電極を覆うように設けられ、前記金属電極を前記電極層に固定する固定層と、
前記固定層を覆うように設けられている酸化防止層と、
を備えた電気加熱式担体。
(3)(1)または(2)に記載の電気加熱式担体と、
前記電気加熱式担体を保持するための金属製の筒状部材と、
を有する排気ガス浄化装置。
As a result of intensive research, the present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by providing an anti-oxidation layer for protecting the joint portion connecting the underlayer and the metal electrode from exhaust gas. That is, the present invention is specified as follows.
(1) A columnar honeycomb structure made of ceramics having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and defining a plurality of cells that form flow paths penetrating from one end face to the other end face;
An electrode layer disposed on a surface of an outer peripheral wall of the columnar honeycomb structure;
a conductive underlayer provided on the electrode layer;
a metal electrode connected to the underlayer by a bonding site;
an anti-oxidation layer for protecting the joint from exhaust gas;
Electrically heated carrier comprising:
(2) A columnar honeycomb structure made of ceramics having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and defining a plurality of cells that form flow paths penetrating from one end face to the other end face;
An electrode layer disposed on a surface of an outer peripheral wall of the columnar honeycomb structure;
a metal electrode provided on the electrode layer;
a fixing layer provided to cover the metal electrode and fixing the metal electrode to the electrode layer;
an antioxidant layer provided so as to cover the fixing layer;
Electrically heated carrier comprising:
(3) An electrically heated carrier according to (1) or (2),
A metallic tubular member for holding the electrically heated carrier;
An exhaust gas purification device having the above structure.
本発明によれば、下地層と金属電極とを接続する接合部位の酸化を良好に抑制することが可能な電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置を提供することができる。また、本発明によれば、金属電極を電極層に固定する固定層の酸化を良好に抑制することが可能な電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置を提供することができる。According to the present invention, it is possible to provide an electrically heated carrier and an exhaust gas purification device capable of effectively suppressing oxidation of the joint portion connecting the base layer and the metal electrode. Also, according to the present invention, it is possible to provide an electrically heated carrier and an exhaust gas purification device capable of effectively suppressing oxidation of the fixing layer that fixes the metal electrode to the electrode layer.
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。Next, the embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be understood that the present invention is not limited to the following embodiments, and that appropriate design changes, improvements, etc. may be made based on the ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
(1.電気加熱式担体)
図1は、本発明の実施形態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、柱状ハニカム構造体11と、柱状ハニカム構造体11の外周壁12の表面に配設された電極層13a、13bと、電極層13a、13b上に設けられた下地層16と、下地層16と接合部位20により接続されている金属電極14a、14bと、接合部位20を排気ガスから保護するための酸化防止層21とを備えている。図1では、接合部位20と、接合部位20を排気ガスから保護するための酸化防止層21とが簡略化されているが、本発明の実施形態における電気加熱式担体10では種々の形態を有しており、後述の各実施形態において図面と共に詳述する。
1. Electrically Heated Carriers
Fig. 1 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the extension direction of the
(1-1.柱状ハニカム構造体)
図2は本発明の実施形態における柱状ハニカム構造体11及び電極層13a、13bの外観模式図を示すものである。柱状ハニカム構造体11は、外周壁12と、外周壁12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18を区画形成する隔壁19とを有する。
(1-1. Pillar-shaped honeycomb structure)
2 is a schematic diagram showing the appearance of a
柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。
The outer shape of the
柱状ハニカム構造体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体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、1~200Ωcmであることが好ましく、10~100Ωcmであることが更に好ましい。本発明において、柱状ハニカム構造体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。The
柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。The material of the
柱状ハニカム構造体11が、珪素-炭化珪素複合材を含んでいる場合、柱状ハニカム構造体11に含有される「骨材としての炭化珪素粒子の質量」と、柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。When the
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、柱状ハニカム構造体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。
There are no restrictions on the shape of the cells in a cross section perpendicular to the extension direction of the
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。The thickness of the
柱状ハニカム構造体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体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体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。
The
柱状ハニカム構造体11の外周壁12を設けることは、柱状ハニカム構造体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。Providing the outer
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。
The
柱状ハニカム構造体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。
The average pore diameter of the
(1-2.電極層)
柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。
(1-2. Electrode Layer)
電極層13a、13bの形成領域に特段の制約はないが、柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。There are no particular restrictions on the formation area of the electrode layers 13a and 13b, but from the viewpoint of increasing the uniform heat generation of the
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。The thickness of each
各電極層13a、13bの電気抵抗率を柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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、柱状ハニカム構造体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。By making the electrical resistivity of each
各電極層13a、13bの材質は、金属、導電性セラミックス、又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。
The material of each
(1-3.下地層)
本発明の実施形態における電気加熱式担体10は、電極層13a、13b上に、下地層16が設けられている。下地層16は、電極層13a、13bの表面上に形成でき、略平板状(具体的には、電極層13a、13bの外側表面に沿うように湾曲状)に形成されている。下地層16は、導電性を有する。下地層16は、電極層13a、13bの熱膨張率(電極層13a、13bの線膨張係数は比較的小さい。)と金属電極14a、14bの熱膨張率(金属電極14a、14bの線膨張係数は比較的大きい。)との間の熱膨張率を有してもよく、この場合、電極層13a、13bと金属電極14a、14bとの間に生じる熱膨張差を吸収する機能を有している。
(1-3. Base layer)
In the embodiment of the present invention, the electrically
下地層16は、導電性のセラミックスで構成することができる。下地層16を構成する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、更には、セラミックスの一種以上と金属の一種以上の組み合わせからなる複合材(サーメット)を挙げることができる。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。
The
下地層16の数及び配置の仕方は制限されず、金属電極14a、14bを固定するのに必要な範囲内で適宜設定できる。また、下地層16の形状は、平面視で円形状、楕円形状、多角形状など、任意の形状に形成することができる。なお、下地層16の形状は、生産性及び実用性の観点から、円形又は矩形であることが好ましい。The number and arrangement of the
(1-4.金属電極)
金属電極14a、14bは、下地層16上に接合部位20により接続されている。金属電極14a、14bは、一方の金属電極14aが、他方の金属電極14bに対して、柱状ハニカム構造体11の中心軸を挟んで対向するように配設される一対の金属電極であってもよい。金属電極14a、14b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体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。
(1-4. Metal electrode)
The
金属電極14a、14bの材質としては、金属であれば特段の制約はなく、単体金属及び合金等を採用することもできるが、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。金属電極14a、14bの形状及び大きさは、特に限定されず、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。
There are no particular restrictions on the material of the
金属電極14a、14bは2つ以上の電極部15を有していてもよい。各電極部15は、下地層16の外表面に固定されてもよい。ここで、電極部15は、溶接により下地層16に固定されてもよく、溶射により形成される固定層で電極層13a、13bに固定されてもよい。
図3に示される実施形態では、金属電極14a、14bはそれぞれ3つの櫛状の電極部15を有し、それぞれの電極部15は2つの下地層16に固定されている。このように、櫛状の電極部15と電極層13a、13bとの電気的接続は、互いに離間した2つ以上の下地層16により実現されていてもよい。In the embodiment shown in Fig. 3, each of the
なお、電極部15は、図3では櫛状に成形されているが、下地層16に固定され電極層13a、13bと電気的に接続し得る限り、または、溶射により電極層13a、13bに固定され得る限り、いかなる形状も採用できる。Although the
(1-5.酸化防止層)
本発明の実施形態における電気加熱式担体10は、接合部位20を排気ガスから保護するための酸化防止層21を備えている。本発明では、接合部位20と、接合部位20を保護する酸化防止層21との構成について、種々の形態を有している。以下、各実施形態において図面と共に詳述する。
(1-5. Antioxidant Layer)
The electrically
[実施形態1]
図4に、本発明の実施形態1における柱状ハニカム構造体11、電極層13a、13b、下地層16、接合部位20、金属電極14a、14b及び酸化防止層21aの断面模式図を示す。図4に示す実施形態1では、電極層13a、13bと下地層16との間に、熱応力の更なる緩和のための第2の下地層または第2の電極層17を設けている。第2の下地層または第2の電極層17は設けなくてもよく、或いは、第2の下地層または第2の電極層17上に、熱応力の更なる緩和のための第3の層を、更に設けてもよい。
[Embodiment 1]
4 shows a cross-sectional schematic diagram of the
下地層16と金属電極14a、14bとを接続する接合部位20は、例えば、下地層16上に金属電極14a、14bを設けた状態で、金属電極14a、14b側からレーザー溶接等を行ったときに、金属電極14a、14bの一部が溶融することで、下地層16と金属電極14a、14bとの間に生じる接合部位である。図4に示す例では、下地層16と金属電極14a、14bとの間において、柱状の接合部位20が、それぞれ離間して3箇所に設けられた構成を模式的に示している。このような形態の接合部位20は、例えば、下地層16上に金属電極14a、14bを設けた状態で、金属電極14a、14b側からレーザー溶接により、3箇所のスポット溶接を行うことで形成することができる。接合部位20の大きさ、形状、及び、数等は、特に限定されない。The
本発明の実施形態1における柱状ハニカム構造体11の酸化防止層21aは、図4の例のように、金属電極14a、14bの側面から、間隙22をシールして下地層16に亘り、さらに電極層13a、13bの表面まで連続して設けられている。酸化防止層21aは、これに限らず、図5に示すように、金属電極14a、14bの側面から、間隙22をシールして下地層16の側面の途中までに亘って設けられていてもよい。このように、酸化防止層21aは、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙22をシールするように設けられていれば、どのような形態であってもよい。The
また、下地層16上に金属電極14a、14bを設けた状態で、金属電極14a、14b側から超音波溶接を行うことで、下地層16と金属電極14a、14bとを接続する場合は、図6に示すように、下地層16と金属電極14a、14bとの間の全面に亘って接合部位20aが生じる。この場合も同様に、酸化防止層21aは、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙22をシールするように設けられている。In addition, when the
酸化防止層21aの、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙22をシールする部位は、特に金属電極14a、14bの熱膨張などによって荷重がかかりやすい。このため、強度を上げてクラックの発生を抑制するために、酸化防止層21aの厚みを10μm以上に形成することが好ましい。また、酸化防止層21aの厚みは、10~100μmであるのがより好ましい。
The portion of the
本発明の実施形態1における柱状ハニカム構造体11の酸化防止層21aは、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙22をシールするように、電極層13a、13bの外表面から金属電極14a、14bの外表面に亘って設けられている。ここで、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙22とは、下地層16と金属電極14a、14bとの間の、例えば、数十μm程度の隙間である。一般に、接合部位20、20aは、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙22から拡散する排気ガスに曝されることで、酸化するおそれがある。これに対し、本発明の実施形態1における柱状ハニカム構造体11では、酸化防止層21aが、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙22をシールするように、電極層13a、13bの外表面から金属電極14a、14bの外表面に亘って設けられている。従って、間隙22からの排気ガスの侵入を抑制し、その結果、接合部位20、20aの酸化を良好に抑制することができる。The
酸化防止層21aの材料は、セラミックス、ガラス、またはセラミックスとガラスとの複合材料を用いることができる。複合材料は、例えば、ガラスを50体積%以上、より好ましくは60体積%以上、更により好ましくは70体積%以上含有した材料を用いることができる。酸化防止層21aを構成するセラミックスとしては、例えば、SiO2系、Al2O3系、SiO2-Al2O3系、SiO2-ZrO2系、SiO2-Al2O3-ZrO2系等のセラミックスを挙げることができる。また、酸化防止層21aを構成するガラスとしては、例えば、無鉛系のB2O3-Bi2O3系、B2O3-ZnO-Bi2O3系、B2O3-ZnO系、V2O5-P2O5系、SnO-P2O5系、SnO-ZnO-P2O5系、SiO2-B2O3-Bi2O3系、SiO2-Bi2O3-Na2O系、SiO2-Al2O3-MgO系等のガラスを挙げることができる。
The material of the
[実施形態2]
図7に、本発明の実施形態2における柱状ハニカム構造体11、電極層13a、13b、下地層16、接合部位20、金属電極14a、14b及び酸化防止層21bの断面模式図を示す。
[Embodiment 2]
FIG. 7 is a cross-sectional schematic diagram showing the
本発明の実施形態2における柱状ハニカム構造体11の酸化防止層21bは、接合部位20の表面に設けられている。このように、酸化防止層21bを、接合部位20の表面に設けることで、接合部位20が排気ガスに曝されることを抑制することができる。その結果、接合部位20の酸化を良好に抑制することができる。また、このような構成であれば、酸化防止層21bを、接合部位20の表面に設けるため、金属電極14a、14bの熱膨張などによる酸化防止層21bへの熱応力を低減することができる。その結果、クラックの発生をより良好に抑制することができる。The
図7に示す例では、酸化防止層21bは、接合部位20の表面から、金属電極14a、14bの端部までの空間を埋めるように設けられているが、これに限られない。例えば、酸化防止層21bは、図8に示すように、接合部位20の表面から、金属電極14a、14bの端部の途中までの空間を埋めるように設けられていてもよい。酸化防止層21bは、本発明の実施形態1で示した酸化防止層21aと同様の材料を用いて形成することができる。また、接合部位20は、図6に示すような、超音波溶接によって形成された接合部位20aであってもよい。In the example shown in FIG. 7, the
[実施形態3]
図9に、本発明の実施形態3における柱状ハニカム構造体11、電極層13a、13b、下地層16、接合部位20、金属電極14a、14b及び酸化防止層21cの断面模式図を示す。
[Embodiment 3]
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the
本発明の実施形態3における柱状ハニカム構造体11の酸化防止層21cは、下地層16と金属電極14a、14bとの間において、接合部位20から離間して設けられている。このように、酸化防止層21cを、下地層16と金属電極14a、14bとの間において、接合部位20から離間して設けることで、接合部位20が排気ガスに曝されることを抑制することができる。その結果、接合部位20の酸化を良好に抑制することができる。また、このような構成であれば、酸化防止層21cが下地層16と金属電極14a、14bとの間に設けられるため、金属電極14a、14bの熱膨張などによる酸化防止層21cへの熱応力を低減することができる。その結果、クラックの発生を良好に抑制することができる。The
酸化防止層21cは、本発明の実施形態1で示した酸化防止層21aと同様の材料を用いて形成することができる。また、接合部位20は、図6に示すような、超音波溶接によって形成された接合部位20aであってもよい。The
[実施形態4]
図10に、本発明の実施形態4における柱状ハニカム構造体11、電極層13a、13b、下地層16、接合部位20b、金属電極14a、14b及び酸化防止層21dの断面模式図を示す。
[Embodiment 4]
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the
本発明の実施形態4における柱状ハニカム構造体11の酸化防止層21dは、下地層16と金属電極14a、14bとの間に充填されている。このように、酸化防止層21dを、下地層16と金属電極14a、14bとの間に充填することで、接合部位20bが排気ガスに曝されることを抑制することができる。その結果、接合部位20bの酸化を良好に抑制することができる。また、このような構成であれば、酸化防止層21dが下地層16と金属電極14a、14bとの間に設けられるため、金属電極14a、14bの熱膨張などによる酸化防止層21dへの熱応力を低減することができる。その結果、クラックの発生を良好に抑制することができる。The
図11に、本発明の実施形態4における柱状ハニカム構造体11の下地層16と金属電極14a、14bとをレーザー溶接等によって接合する様子を表す模式図を示す。図11の上図に示すように、まず、下地層16上に、酸化防止層形成材料で構成されたコート層23を設ける。次に、当該コート層23上に金属電極14a、14bを配置する。次に、金属電極14a、14bの上から、レーザー溶接などによってスポット溶接を行う。このとき、レーザー溶接などによってエネルギーを加えることで、金属電極14a、14bが溶融し、下層のコート層23の酸化防止層形成材料との混合体を形成する。当該混合体が接合部位20bとなる。コート層23を構成する酸化防止層形成材料は、本発明の実施形態1で示した酸化防止層21aと同様の材料を用いて形成することができる。このため、接合部位20bは、金属とガラス等の無機物との混合体となっている。
Figure 11 shows a schematic diagram of the bonding of the
また、図11に示すように接合部位20bを形成することで、接合部位20b間に微小な気孔があったとしても、当該気孔に酸化防止層形成材料が充填されるため、接合部位20bの耐酸化性をより向上させることができる。Furthermore, by forming the
[実施形態5]
図12に、本発明の実施形態5における電気加熱式担体の柱状ハニカム構造体11、電極層13a、13b、固定層24、金属電極14a、14b及び酸化防止層21eの断面模式図を示す。
[Embodiment 5]
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the
本発明の実施形態5における電気加熱式担体では、実施形態1で示した柱状ハニカム構造体11の外周壁の表面に電極層13a、13bが配設され、電極層13a、13b上に金属電極14a、14bが設けられている。また、金属電極14a、14bを覆うように固定層24が設けられており、固定層24を覆うように、酸化防止層21eが設けられている。固定層24は、金属電極14a、14bを電極層13a、13bに固定している。In the electrically heated carrier in embodiment 5 of the present invention,
このように、金属電極14a、14bを覆うように固定層24を設け、更に固定層24を覆うように、酸化防止層21eを設けることで、接合部位となっている固定層24が排気ガスに曝されることを抑制することができる。その結果、固定層24の酸化を良好に抑制することができる。また、このような構成であれば、酸化防止層21eが金属電極14a、14bを覆う固定層24上に設けられるため、金属電極14a、14bの熱膨張などによる酸化防止層21eへの熱応力を低減することができる。その結果、クラックの発生を良好に抑制することができる。In this way, by providing the
実施形態5における固定層24は、例えば、溶射によって形成することができる。電極層13a、13b上に金属電極14a、14bを設けた後、金属電極14a、14bを覆うように、溶射によって、NiCrAlYとムライトの混合溶射材等で構成された材料を設けることで固定層24を形成することができる。また、本発明の実施形態1で示した酸化防止層21aと同様の材料を用いて、固定層24を覆うように酸化防止層21eを形成することができる。The fixing
[実施形態6]
図13(a)、図13(b)、図13(c)及び図13(d)に、本発明の実施形態6における電気加熱式担体の柱状ハニカム構造体11、電極層13a、13b、第2の下地層または電極層17、下地層16、接合部位20d、金属電極14a、14b及び酸化防止層21f、21g、21h、21iの断面模式図を示す。
[Embodiment 6]
Figures 13(a), 13(b), 13(c) and 13(d) show schematic cross-sectional diagrams of the
本発明の実施形態5における電気加熱式担体では、実施形態1で示した柱状ハニカム構造体11の外周壁の表面に電極層13a、13bが配設され、電極層13a、13b上に第2の下地層または電極層17、及び、下地層16が設けられている。下地層16は、金属電極14a、14bがロウ付けされることで、金属電極14a、14bと接合部位20dで接合している。In the electrically heated carrier in embodiment 5 of the present invention,
図13(a)に示す実施形態では、酸化防止層21fが、金属電極14a、14bの側面から、電極層13a、13bの外表面に亘って連続して設けられ、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙をシールするように構成されている。図13(b)に示す実施形態では、酸化防止層21gが、金属電極14a、14bの底面から、電極層13a、13bの外表面に亘って連続して設けられ、下地層16と金属電極14a、14bとの間隙をシールするように構成されている。図13(c)に示す実施形態では、金属電極14a、14bと下地層16との間に接合部位20dを有さない間隙が設けられており、当該間隙に、接合部位20dと接するように酸化防止層21hが設けられている。図13(d)に示す実施形態では、金属電極14a、14bと下地層16との間に接合部位20dを有さない間隙が設けられており、当該間隙に、接合部位20dと離間して酸化防止層21iが設けられている。In the embodiment shown in FIG. 13(a), the
図13(a)、図13(b)、図13(c)及び図13(d)に示す実施形態によれば、酸化防止層21f、21g、21h、21iを設けることで、接合部位20dが排気ガスに曝されることを抑制することができる。その結果、接合部位20dの酸化を良好に抑制することができる。13(a), 13(b), 13(c), and 13(d), the
電気加熱式担体10に触媒を担持することにより、電気加熱式担体10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(NOx)の吸蔵成分として含むNOx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NOx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。
By supporting a catalyst on the electrically
(2.電気加熱式担体の製造方法)
次に、本発明に係る電気加熱式担体10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体を得る工程A2と、柱状ハニカム構造体に金属電極を溶接する工程A3とを含む。
(2. Method for manufacturing electrically heated carrier)
Next, a method for manufacturing the electrically
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。Step A1 is a step of preparing a honeycomb molded body, which is a precursor of the honeycomb structure, and applying an electrode layer forming paste to the side of the honeycomb molded body to obtain an unfired honeycomb structure with an electrode layer forming paste. The honeycomb molded body can be prepared in accordance with the method of preparing a honeycomb molded body in a known method of manufacturing a honeycomb structure. For example, first, a forming raw material is prepared by adding metal silicon powder (metal silicon), a binder, a surfactant, a pore former, water, etc. to silicon carbide powder (silicon carbide). It is preferable that the mass of metal silicon is 10 to 40 mass% with respect to the total mass of the silicon carbide powder and the mass of the metal silicon. The average particle diameter of the silicon carbide particles in the silicon carbide powder is preferably 3 to 50 μm, and more preferably 3 to 40 μm. The average particle diameter of the metal silicon (metal silicon powder) is preferably 2 to 35 μm. The average particle size of silicon carbide particles and metallic silicon (metallic silicon particles) refers to the arithmetic mean size based on volume when the frequency distribution of particle sizes is measured by a laser diffraction method. Silicon carbide particles are fine particles of silicon carbide that constitute silicon carbide powder, and metallic silicon particles are fine particles of metallic silicon that constitute metallic silicon powder. Note that this is the blending of the forming raw materials when the material of the honeycomb structure part is a silicon-silicon carbide composite material, and when the material of the honeycomb structure part is silicon carbide, metallic silicon is not added.
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。Examples of binders include methyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxypropoxyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol, etc. Among these, it is preferable to use methyl cellulose and hydroxypropoxyl cellulose in combination. The content of the binder is preferably 2.0 to 10.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metallic silicon powder is 100 parts by mass.
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。The water content is preferably 20 to 60 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the silicon metal powder is 100 parts by mass.
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。 As the surfactant, ethylene glycol, dextrin, fatty acid soap, polyalcohol, etc. can be used. These may be used alone or in combination of two or more. The content of the surfactant is preferably 0.1 to 2.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metallic silicon powder is 100 parts by mass.
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。The pore-forming material is not particularly limited as long as it becomes pores after firing, and examples thereof include graphite, starch, foamed resin, water-absorbent resin, silica gel, etc. The content of the pore-forming material is preferably 0.5 to 10.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass. The average particle diameter of the pore-forming material is preferably 10 to 30 μm. If it is smaller than 10 μm, pores may not be sufficiently formed. If it is larger than 30 μm, the die may be clogged during molding. The average particle diameter of the pore-forming material refers to the arithmetic mean diameter based on volume when the frequency distribution of particle size is measured by the laser diffraction method. When the pore-forming material is a water-absorbent resin, the average particle diameter of the pore-forming material refers to the average particle diameter after water absorption.
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。Next, the obtained molding raw materials are kneaded to form a clay, and the clay is then extruded to produce a honeycomb molded body. A die having the desired overall shape, cell shape, partition wall thickness, cell density, etc. can be used during extrusion molding. Next, it is preferable to dry the obtained honeycomb molded body. If the length of the honeycomb molded body in the central axial direction is not the desired length, both bottom portions of the honeycomb molded body can be cut to the desired length. The honeycomb molded body after drying is called a dried honeycomb body.
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。Next, an electrode layer forming paste for forming the electrode layer is prepared. The electrode layer forming paste can be formed by adding various additives to raw material powders (metal powders, ceramic powders, etc.) that are mixed according to the required characteristics of the electrode layer, and kneading them. When the electrode layer has a laminated structure, the bonding strength between the metal terminal and the electrode layer tends to be improved by making the average particle diameter of the metal powder in the paste for the second electrode layer larger than the average particle diameter of the metal powder in the paste for the first electrode layer. The average particle diameter of the metal powder refers to the arithmetic mean diameter based on volume when the frequency distribution of particle size is measured by laser diffraction method.
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。Next, the obtained electrode layer forming paste is applied to the side of a honeycomb formed body (typically a dried honeycomb body) to obtain an unfired honeycomb structure part with electrode layer forming paste. The method of preparing the electrode layer forming paste and the method of applying the electrode layer forming paste to the honeycomb formed body can be performed in accordance with known manufacturing methods for honeycomb structures, but in order to give the electrode layer a lower electrical resistivity than the honeycomb structure part, the metal content can be made higher than that of the honeycomb structure part, or the particle size of the metal particles can be made smaller.
柱状ハニカム構造体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。As a modified example of the manufacturing method of the columnar honeycomb structure, in step A1, the honeycomb formed body may be fired once before applying the electrode layer forming paste. That is, in this modified example, the honeycomb formed body is fired to produce a honeycomb fired body, and the electrode layer forming paste is applied to the honeycomb fired body.
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、柱状ハニカム構造体を得る。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。In step A2, the unfired honeycomb structure part with the electrode layer forming paste is fired to obtain a columnar honeycomb structure. The unfired honeycomb structure part with the electrode layer forming paste may be dried before firing. Also, degreasing may be performed before firing to remove binders and the like. As firing conditions, it is preferable to heat at 1400 to 1500°C for 1 to 20 hours in an inert atmosphere such as nitrogen or argon. Also, after firing, it is preferable to perform oxidation treatment at 1200 to 1350°C for 1 to 10 hours to improve durability. The method of degreasing and firing is not particularly limited, and firing can be performed using an electric furnace, a gas furnace, or the like.
工程A3では、柱状ハニカム構造体上の電極層の表面に、下地層を形成するための導電性材料のペーストを塗布する。このように調製した導電性材料のペーストを曲面印刷機などで所定の配置となるように塗布し、これを乾燥した後、焼成することで、下地層を形成する。導電性材料のペーストとしては、まず始めに、金属粉(NiCr系材料、ステンレス等の金属粉)と酸化物粉(Cd、アルミナ、ムライト等の酸化物粉)を体積割合で金属比率20~85体積%、酸化物粉を15~80体積%で混合し、セラミックス原料を調製する。次いで、このセラミックス原料に対してバインダを1質量%、界面活性剤を1質量%、水を20~40質量%加えることにより、下地層形成ペーストを調製することができる。また、下地層は、導電性材料を溶射によって、所定の配置、形状となるように形成してもよい。In step A3, a conductive material paste for forming a base layer is applied to the surface of the electrode layer on the columnar honeycomb structure. The conductive material paste thus prepared is applied in a predetermined arrangement using a curved printing machine or the like, dried, and then fired to form the base layer. As the conductive material paste, first, a ceramic raw material is prepared by mixing metal powder (metal powder of NiCr-based material, stainless steel, etc.) and oxide powder (oxide powder of Cd, alumina, mullite, etc.) in a volume ratio of 20 to 85 volume % metal and 15 to 80 volume % oxide powder. Next, 1 mass % binder, 1 mass % surfactant, and 20 to 40 mass % water are added to this ceramic raw material to prepare a base layer forming paste. The base layer may also be formed in a predetermined arrangement and shape by thermal spraying the conductive material.
次に、下地層上に、金属電極を溶接により固定する。溶接の方法について、以下に詳細に説明する。まず、下地層が形成されたハニカム構造体上に櫛状の電極を配置し、各櫛状の電極と下地層が重なった部分について、レーザー溶接または超音波溶接を行う。レーザー溶接を行う際のレーザースポット径としては、0.5~3.0mmの範囲が挙げられる。超音波溶接を行う際の振動周波数としては20kHz~40kHzとし、加圧力としては10N~30Nの範囲が挙げられる。Next, a metal electrode is fixed onto the base layer by welding. The welding method is described in detail below. First, a comb-shaped electrode is placed on the honeycomb structure on which the base layer has been formed, and laser welding or ultrasonic welding is performed on the areas where each comb-shaped electrode overlaps the base layer. The laser spot diameter when performing laser welding can be in the range of 0.5 to 3.0 mm. The vibration frequency when performing ultrasonic welding can be 20 kHz to 40 kHz, and the pressure can be in the range of 10 N to 30 N.
このとき、レーザー溶接によって複数のスポット溶接を行うことで、図4に示すような接合部位20を形成することができる。また、超音波溶接を行うことで、図6に示すような接合部位20aを形成することができる。At this time, by performing multiple spot welds by laser welding, it is possible to form a joint 20 as shown in Figure 4. Also, by performing ultrasonic welding, it is possible to form a joint 20a as shown in Figure 6.
次に、下地層と金属電極との間隙をシールするように下地層の外表面から金属電極の外表面に亘って酸化防止層を設けることで、図4~6に示すような酸化防止層21aを形成することができる。このとき、下地層と金属電極とを接合後、スプレー等で酸化防止剤を吹き付け、好ましくは真空雰囲気下で、800~1100℃、4~8時間焼成することで、酸化防止層21aを形成することができる。Next, an oxidation prevention layer is provided from the outer surface of the underlayer to the outer surface of the metal electrode so as to seal the gap between the underlayer and the metal electrode, thereby forming the
また、レーザー溶接によって複数のスポット溶接を行うことで、図7~9に示すような接合部位20を形成した後、図7~9に示すような酸化防止層21b、21cを形成することができる。このとき、下地層の接合部位以外の部分に酸化防止剤を塗布しておき、レーザー溶接等の方法にて金属電極を接合した後、好ましくは真空雰囲気下で、800~1100℃、4~8時間焼成することで、酸化防止層21b、21cを形成することができる。
In addition, by performing multiple spot welding by laser welding, it is possible to form the
また、図11に示すように、下地層と金属電極との間に、酸化防止層形成材料で構成されるコート層を設けた状態で、金属電極側からレーザー溶接することで、図10に示すような酸化防止層21dを形成することができる。
In addition, as shown in Figure 11, a coating layer made of an oxidation prevention layer forming material is provided between the base layer and the metal electrode, and then laser welding is performed from the metal electrode side to form an
(3.排気ガス浄化装置)
上述した本発明の実施形態に係る電気加熱式担体は、排気ガス浄化装置に用いることができる。当該排気ガス浄化装置は、電気加熱式担体と、当該電気加熱式担体を保持する缶体とを有する。排気ガス浄化装置において、電気加熱式担体は、エンジンからの排気ガスを流すための排気ガス流路の途中に設置される。缶体としては、電気加熱式担体を収容する金属製の筒状部材等を用いることができる。
(3. Exhaust Gas Purification Device)
The electrically heated carrier according to the embodiment of the present invention described above can be used in an exhaust gas purification device. The exhaust gas purification device has an electrically heated carrier and a can body that holds the electrically heated carrier. In the exhaust gas purification device, the electrically heated carrier is installed midway through an exhaust gas flow path for passing exhaust gas from an engine. As the can body, a metallic cylindrical member that houses the electrically heated carrier can be used.
以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を例示するが、本発明は実施例に限定されるものではない。The following examples are provided to provide a better understanding of the present invention and its advantages, but the present invention is not limited to these examples.
<実施例1>
(1.円柱状の坏土の作製)
炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末とを80:20の質量割合で混合してセラミックス原料を調製した。そして、セラミックス原料に、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、造孔材として吸水性樹脂を添加すると共に、水を添加して成形原料とした。そして、成形原料を真空土練機により混練し、円柱状の坏土を作製した。バインダの含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに7質量部とした。造孔材の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに3質量部とした。水の含有量は炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(Si)粉末の合計を100質量部としたときに42質量部とした。炭化珪素粉末の平均粒子径は20μmであり、金属珪素粉末の平均粒子径は6μmであった。また、造孔材の平均粒子径は20μmであった。炭化珪素粉末、金属珪素粉末及び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。
Example 1
(1. Preparation of cylindrical clay)
A ceramic raw material was prepared by mixing silicon carbide (SiC) powder and metal silicon (Si) powder in a mass ratio of 80:20. Hydroxypropyl methylcellulose was added as a binder and a water-absorbent resin was added as a pore-forming material to the ceramic raw material, and water was added to prepare a molding raw material. The molding raw material was kneaded by a vacuum clay kneader to prepare a cylindrical clay. The binder content was 7 parts by mass when the total of the silicon carbide (SiC) powder and the metal silicon (Si) powder was 100 parts by mass. The pore-forming material content was 3 parts by mass when the total of the silicon carbide (SiC) powder and the metal silicon (Si) powder was 100 parts by mass. The water content was 42 parts by mass when the total of the silicon carbide (SiC) powder and the metal silicon (Si) powder was 100 parts by mass. The average particle diameter of the silicon carbide powder was 20 μm, and the average particle diameter of the metal silicon powder was 6 μm. The average particle size of the pore-forming material was 20 μm. The average particle sizes of the silicon carbide powder, the metallic silicon powder and the pore-forming material refer to the arithmetic mean diameter on a volume basis when the frequency distribution of particle size is measured by a laser diffraction method.
(2.ハニカム乾燥体の作製)
得られた円柱状の坏土を碁盤目状の口金構造を有する押出成形機を用いて成形し、セルの流路方向に垂直な断面における各セル形状が正方形である円柱状ハニカム成形体を得た。このハニカム成形体を高周波誘電加熱乾燥した後、熱風乾燥機を用いて120℃で2時間乾燥し、両底面を所定量切断して、ハニカム乾燥体を作製した。
(2. Preparation of dried honeycomb body)
The obtained cylindrical clay was molded using an extrusion molding machine with a checkerboard die structure to obtain a cylindrical honeycomb molded body in which each cell shape in a cross section perpendicular to the flow direction of the cells is a square. This honeycomb molded body was dried by high-frequency dielectric heating, and then dried at 120°C for 2 hours using a hot air dryer, and both bottom surfaces were cut by a predetermined amount to produce a dried honeycomb body.
(3.電極層形成ペーストの調製)
金属珪素(Si)粉末、炭化珪素(SiC)粉末、メチルセルロース、グリセリン、及び水を、自転公転攪拌機で混合して、電極層形成ペーストを調製した。Si粉末、及びSiC粉末は体積比で、Si粉末:SiC粉末=40:60となるように配合した。また、Si粉末、及びSiC粉末の合計を100質量部としたときに、メチルセルロースは0.5質量部であり、グリセリンは10質量部であり、水は38質量部であった。金属珪素粉末の平均粒子径は6μmであった。炭化珪素粉末の平均粒子径は35μmであった。これら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。
(3. Preparation of electrode layer forming paste)
Metallic silicon (Si) powder, silicon carbide (SiC) powder, methyl cellulose, glycerin, and water were mixed with a rotation and revolution agitator to prepare an electrode layer forming paste. The Si powder and the SiC powder were mixed so that the volume ratio of the Si powder to the SiC powder was 40:60. In addition, when the total of the Si powder and the SiC powder was 100 parts by mass, the methyl cellulose was 0.5 parts by mass, the glycerin was 10 parts by mass, and the water was 38 parts by mass. The average particle diameter of the metallic silicon powder was 6 μm. The average particle diameter of the silicon carbide powder was 35 μm. These average particle diameters refer to the arithmetic mean diameter based on the volume when the frequency distribution of the particle size was measured by the laser diffraction method.
(4.電極層形成ペーストの塗布及び焼成)
次に、この電極層形成ペーストを曲面印刷機によって、ハニカム乾燥体に対して適切な面積及び膜厚で塗布し、さらに熱風乾燥機で120℃、30分乾燥した後、ハニカム乾燥体と共にAr雰囲気にて1400℃で3時間焼成し、柱状ハニカム構造体とした。
(4. Application and Firing of Electrode Layer Forming Paste)
Next, this electrode layer forming paste was applied to the dried honeycomb body with an appropriate area and film thickness using a curved surface printing machine, and then dried at 120°C for 30 minutes in a hot air dryer. After that, it was fired together with the dried honeycomb body at 1400°C for 3 hours in an Ar atmosphere to form a columnar honeycomb structure.
(5.下地層形成ペーストの調製)
金属粉(NiCr系材料、ステンレス等の金属粉)と酸化物粉(Cd、アルミナ、ムライト等の酸化物粉)を体積割合で金属比率20~85%、酸化物粉を15~80%で混合し、セラミックス原料を作製した。このセラミックス原料に対してバインダを1質量%、界面活性剤を1質量%、水を20~40質量%加えてペースト原料を作製した。レーザー回折法で測定した金属粉の平均粒子径は10μmであり、酸化物粉の平均粒子径は5μmであった。
(5. Preparation of Undercoat Layer Forming Paste)
A ceramic raw material was prepared by mixing metal powder (metal powder of NiCr-based material, stainless steel, etc.) and oxide powder (oxide powder of Cd, alumina, mullite, etc.) at a volume ratio of 20-85% metal and 15-80% oxide powder. A paste raw material was prepared by adding 1 mass% binder, 1 mass% surfactant, and 20-40 mass% water to this ceramic raw material. The average particle size of the metal powder measured by laser diffraction was 10 μm, and the average particle size of the oxide powder was 5 μm.
(6.下地層形成ペーストの塗布及び焼成)
上記の下地層形成ペーストを、曲面印刷機によって、柱状ハニカム構造体の電極層に対して塗布した。続いて、熱風乾燥機で120℃、30分乾燥した後、Ar雰囲気にて1100℃で1時間焼成した。
(6. Application and firing of undercoat layer forming paste)
The above-mentioned undercoat layer forming paste was applied to the electrode layer of the columnar honeycomb structure by a curved surface printing machine, and then dried at 120° C. for 30 minutes in a hot air dryer, and then fired at 1100° C. for 1 hour in an Ar atmosphere.
ハニカム構造体は、底面が直径100mmの円形であり、高さ(セルの流路方向における長さ)が100mmであった。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であった。電極層の厚みは0.3mmであり、下地層の厚みは0.2mmであった。ハニカム構造体、電極層及び下地層と同一材質の試験片を用いて400℃における電気抵抗率を四端子法により測定したところ、それぞれ5Ωcm、0.01Ωcm、0.001Ωcmであった。 The honeycomb structure had a circular bottom with a diameter of 100 mm and a height (length of the cells in the flow path direction) of 100 mm. The cell density was 93 cells/ cm2 , the thickness of the partition walls was 101.6 μm, the porosity of the partition walls was 45%, and the average pore diameter of the partition walls was 8.6 μm. The thickness of the electrode layer was 0.3 mm, and the thickness of the base layer was 0.2 mm. When the electrical resistivity at 400° C. was measured by the four-terminal method using test pieces made of the same material as the honeycomb structure, the electrode layer, and the base layer, it was 5 Ωcm, 0.01 Ωcm, and 0.001 Ωcm, respectively.
(7.電極の固定)
下地層が形成されたハニカム構造体上に櫛状の電極を配置し、各櫛状の電極と下地層が重なった部分について、実施例1~6、比較例1ではφ0.5mmの径でレーザー溶接した。また、実施例7~11、比較例2では超音波溶接を行った。また、実施例12~16、比較例3では、ロウ付けによる接合を行った。
次に、実施例1~16について、以下の形態で酸化防止層を形成した。
実施例1~3の酸化防止層については図4(実施形態1)に示すように設け、実施例7~9の酸化防止層については、図6(実施形態1)に示すように設け、実施例12~14の酸化防止層については、図13(a)に示すように設けた。
実施例4、10の酸化防止層については、図7(実施形態2)に示すように設け、実施例15の酸化防止層については、図13(b)に示すように設けた。
実施例5、11の酸化防止層については、図9(実施形態3)に示すように設け、実施例16の酸化防止層については、図13(d)に示すように設けた。
実施例6の酸化防止層については、図10(実施形態4)に示すように設けた。
実施例1~16で用いた酸化防止層の材料としては、いずれもSiO2-Al2O3-MgOを用いた。また、各酸化防止層の厚みを後述の表1に示す。
(7. Fixation of the electrodes)
A comb-shaped electrode was placed on the honeycomb structure on which the base layer was formed, and the overlapping portions of each comb-shaped electrode and the base layer were laser-welded with a diameter of φ0.5 mm in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. Ultrasonic welding was performed in Examples 7 to 11 and Comparative Example 2. Joining was performed by brazing in Examples 12 to 16 and Comparative Example 3.
Next, for Examples 1 to 16, an antioxidant layer was formed in the following manner.
The antioxidant layers in Examples 1 to 3 were provided as shown in FIG. 4 (Embodiment 1), the antioxidant layers in Examples 7 to 9 were provided as shown in FIG. 6 (Embodiment 1), and the antioxidant layers in Examples 12 to 14 were provided as shown in FIG. 13(a).
The oxidation-preventing layers in Examples 4 and 10 were provided as shown in FIG. 7 (Embodiment 2), and the oxidation-preventing layer in Example 15 was provided as shown in FIG. 13(b).
The oxidation-preventing layers in Examples 5 and 11 were provided as shown in FIG. 9 (Embodiment 3), and the oxidation-preventing layer in Example 16 was provided as shown in FIG. 13(d).
The oxidation prevention layer of Example 6 was provided as shown in FIG. 10 (Embodiment 4).
SiO 2 --Al 2 O 3 --MgO was used as the material for the oxidation-preventing layers in all of Examples 1 to 16. The thickness of each oxidation-preventing layer is shown in Table 1 below.
(8.耐酸化性評価試験)
上記の方法にて1対の金属電極を固定したハニカム構造体に対して耐酸化性評価試験を行った。耐酸化性評価試験は、5mm径で厚み0.3mmの円盤状の下地層を、隣接する下地層の中心間距離を5mmに設定して5×4列配置した試料を加熱炉内に設け、大気雰囲気下、1000℃で50時間での加熱を実施した。酸化状態の指標としては試料の初期抵抗値に対する抵抗上昇率を使用し、抵抗上昇率が小さいほど本発明の酸化抑制効果が大きいものと判断した。抵抗値としては、下地層2点間の抵抗を、ケルビンプローブを用いた4線抵抗測定法にて合計12点測定し、これらの平均値を算出した。試料の導通経路としては、(1)下地層表面、(2)下地層、(3)電極層、(4)下地層、(5)下地層表面という順序の経路とした。評価結果を表1に示す。
(8. Oxidation Resistance Evaluation Test)
The oxidation resistance evaluation test was performed on the honeycomb structure to which a pair of metal electrodes was fixed by the above method. In the oxidation resistance evaluation test, a sample in which a disk-shaped base layer having a diameter of 5 mm and a thickness of 0.3 mm was arranged in a 5 x 4 row with the center distance between adjacent base layers set to 5 mm was placed in a heating furnace and heated at 1000 ° C. for 50 hours in an air atmosphere. The resistance increase rate relative to the initial resistance value of the sample was used as an indicator of the oxidation state, and it was determined that the smaller the resistance increase rate, the greater the oxidation inhibition effect of the present invention. As the resistance value, the resistance between two points on the base layer was measured at a total of 12 points by a four-wire resistance measurement method using a Kelvin probe, and the average value of these was calculated. The conduction path of the sample was set in the order of (1) base layer surface, (2) base layer, (3) electrode layer, (4) base layer, and (5) base layer surface. The evaluation results are shown in Table 1.
(9.考察)
接合方法に関わらず、実施例1~16の全てにおいて、下地層と金属電極とを接続する接合部位の酸化抑制効果を得ることができた。その中でも、酸化防止層の形態によって酸化抑制効果の大きさは異なり、さらに実施形態1で示す酸化防止層の形態(実施例1~3、7~9、12~14)の中でも、酸化抑制効果は互いに異なる結果となった。
実施形態1で示す酸化防止層の形態(実施例1~3、7~9、12~14)において、酸化防止層の厚みが200μmである実施例3、14が最も酸化抑制効果が小さく、酸化防止層の厚みが厚いことにより、下地層や金属電極との熱膨張差によって、酸化防止層にクラックが入ったことが要因と考えられる。同様の理由で、クラック状態を確認すると、酸化防止層の厚みが100μmである実施例2、13よりも酸化防止層の厚みが10μmである実施例1、12のほうが、クラックが小さかった。このため、酸化防止層の厚みによる酸化抑制効果の違いは、クラックに起因するものと考えられる。
次に、実施例4~6において、実施形態2~4で示す酸化防止層の形態を比較すると、酸化抑制効果は、実施例5の実施形態3で示す酸化防止層の形態<実施例4の実施形態2で示す酸化防止層の形態<実施例6の実施形態4で示す酸化防止層の形態、という結果となった。これは、上述のように、実施例4の実施形態2は図7に示すように酸化防止層が設けられており、実施例5の実施形態3は図9に示すように酸化防止層が設けられているため、金属電極と下地層の間に充填されている酸化防止膜の量が酸素の遮断能力に影響した結果と考えられる。
また、上述のように、実施例6の実施形態4では図10に示すように酸化防止層が設けられており、接合部位の周辺を、全て酸化防止層が覆っていることで、クラック等により、酸化防止層の一部から酸素が侵入した場合においても、酸化抑制効果を維持できるため、最も酸化抑制効果が大きいものと考えられる。
(9. Discussion)
Regardless of the bonding method, an oxidation suppression effect was obtained at the bonding site connecting the underlayer and the metal electrode in all of Examples 1 to 16. Among them, the magnitude of the oxidation suppression effect differed depending on the form of the oxidation prevention layer, and further, the oxidation suppression effect differed among the forms of the oxidation prevention layer shown in embodiment 1 (Examples 1 to 3, 7 to 9, and 12 to 14).
Among the configurations of the antioxidant layer shown in embodiment 1 (Examples 1 to 3, 7 to 9, and 12 to 14), Examples 3 and 14, in which the antioxidant layer was 200 μm thick, had the smallest oxidation suppression effect, which is believed to be due to the fact that the antioxidant layer was so thick that cracks were generated in the antioxidant layer due to the difference in thermal expansion between the antioxidant layer and the underlayer and the metal electrode. For the same reason, when the crack state was checked, Examples 1 and 12, in which the antioxidant layer was 10 μm thick, had smaller cracks than Examples 2 and 13, in which the antioxidant layer was 100 μm thick. For this reason, it is believed that the difference in oxidation suppression effect depending on the thickness of the antioxidant layer is due to cracks.
Next, when the forms of the antioxidant layer shown in Embodiments 2 to 4 are compared in Examples 4 to 6, the oxidation suppression effect is as follows: form of the antioxidant layer shown in Embodiment 3 of Example 5 < form of the antioxidant layer shown in Embodiment 2 of Example 4 < form of the antioxidant layer shown in Embodiment 4 of Example 6. This is considered to be the result of the amount of the antioxidant film filled between the metal electrode and the underlayer affecting the oxygen blocking ability, since, as described above, the antioxidant layer is provided in the embodiment 2 of Example 4 as shown in Fig. 7 and the antioxidant layer is provided in the embodiment 3 of Example 5 as shown in Fig. 9.
As described above, in embodiment 4 of example 6, an anti-oxidation layer is provided as shown in FIG. 10 . Since the anti-oxidation layer covers the entire periphery of the joint, even if oxygen penetrates through a part of the anti-oxidation layer due to a crack or the like, the anti-oxidation effect can be maintained, and therefore, it is considered that this has the greatest anti-oxidation effect.
10 電気加熱式担体
11 柱状ハニカム構造体
12 外周壁
13a、13b 電極層
14a、14b 金属電極
15 電極部
16 下地層
17 第2の下地層または電極層
18 セル
19 隔壁
20、20a、20b、20c、20d 接合部位
21、21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h、21i 酸化防止層
22 間隙
23 コート層
24 固定層
10 Electrically
Claims (4)
前記柱状ハニカム構造体の外周壁の表面に配設されている電極層と、
前記電極層上に設けられている導電性の下地層と、
前記下地層上に接合部位により接続されている金属電極と、
前記接合部位を排気ガスから保護するための酸化防止層と、
を備え、
前記酸化防止層が、前記下地層と前記金属電極との間隙をシールするように前記電極層の外表面から前記金属電極の外表面に亘る方向において、少なくとも前記下地層の側面の途中から前記金属電極の外表面の一部に亘って設けられている電気加熱式担体。 A ceramic pillar-shaped honeycomb structure having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and defining a plurality of cells that form flow paths penetrating from one end face to the other end face;
An electrode layer disposed on a surface of an outer peripheral wall of the columnar honeycomb structure;
a conductive underlayer provided on the electrode layer;
a metal electrode connected to the underlayer by a bonding site;
an anti-oxidation layer for protecting the joint from exhaust gas;
Equipped with
An electrically heated carrier, in which the antioxidant layer is provided from at least midway along the side of the base layer over a portion of the outer surface of the metal electrode in a direction from the outer surface of the electrode layer to the outer surface of the metal electrode so as to seal the gap between the base layer and the metal electrode.
前記柱状ハニカム構造体の外周壁の表面に配設されている電極層と、
前記電極層上に設けられている導電性の下地層と、
前記下地層上に接合部位により接続されている金属電極と、
前記接合部位を排気ガスから保護するための酸化防止層と、
を備え、
前記酸化防止層が、前記下地層と前記金属電極との間において、前記接合部位から離間して設けられている電気加熱式担体。 A ceramic pillar-shaped honeycomb structure having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and defining a plurality of cells that form flow paths penetrating from one end face to the other end face;
An electrode layer disposed on a surface of an outer peripheral wall of the columnar honeycomb structure;
a conductive underlayer provided on the electrode layer;
a metal electrode connected to the underlayer by a bonding portion;
an anti-oxidation layer for protecting the joint from exhaust gas;
Equipped with
An electrically heated carrier, wherein the anti-oxidation layer is provided between the base layer and the metal electrode and spaced apart from the joint portion.
前記電気加熱式担体を保持するための金属製の筒状部材と、
を有する排気ガス浄化装置。 An electrically heated carrier according to any one of claims 1 to 3 ;
A metallic tubular member for holding the electrically heated carrier;
An exhaust gas purification device having the above structure.
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