(57)【要約】【課題】製造容易で成形の自由度が高く、酸化に強く、金属よりも高温域まで加熱でき、局所的な加熱ができ、加熱手段として小型で熱効率が高く、炭化ケイ素のみによって構成した構造材に較べて強度の高い発熱体を提供する。また、これを用いた内燃機関の排気浄化装置、及び燃料改質装置を提供する。【解決手段】炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた多孔質の複合体１１０と、この複合体に通電できるように当該複合体に設けられた電極１２０とを備え、上記電極間に電流を流すと上記複合体が発熱し、上記複合体の内部又は周囲に存在する粒子、流体などの物質を加熱するように構成された発熱体１００である。この発熱体を、内燃機関の排気浄化装置３００、又は燃料改質装置４００に組み込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた多孔質の複合体と、
この複合体に通電できるように当該複合体に設けられた電極とを備え、
上記電極間に電流を流すと上記複合体が発熱し、上記複合体の内部又は周囲に存在する粒子、流体などの物質を加熱するように構成された発熱体。
【請求項２】
上記複合体が、有形骨格を有する樹脂又はゴムのスポンジ状多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリー又はこのスラリーに更に骨材を含ませたスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体の炭素と上記スラリーのシリコン粉末とを反応焼結させた後、更にシリコンを溶融含浸させて形成された炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成されている請求項１の発熱体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の発熱体において、上記複合体が触媒を担持している発熱体。
【請求項４】
一端が内燃機関の燃焼室に接続され、他端が大気に開放された排気通路の少なくとも一部を構成する内部通路が内部に設けられた排気通路構成部材と、
上記複合体が上記排気通路構成部材の内部通路に収容され、上記電極が上記排気通路構成部材の外側へ導出された請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項の発熱体とを備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
請求項４の内燃機関の排気浄化装置において、上記排気通路構成部材の内部通路における上記発熱体の上記複合体よりも排気下流側に排気ガス浄化触媒が設けられている内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
請求項４の内燃機関の排気浄化装置において、上記排気通路構成部材の内部通路における上記発熱体の上記複合体よりも排気下流側に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタが設けられている内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
請求項５の内燃機関の排気浄化装置において、上記排気通路構成部材の内部通路における上記排気ガス浄化触媒よりも排気下流側に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタが設けられている内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
炭化水素を主成分とする原燃料と含酸素化合物とを含む混合物が導入される入口と、可燃性の改質燃料が取り出される出口とを有する容器と、上記複合体が上記容器の内部に収容され、上記電極が上記容器の外側へ導出された請求項３の発熱体とを備えた燃料改質装置。
【請求項９】
一端が内燃機関の燃焼室に接続され、他端が大気に開放された排気通路の少なくとも一部を構成する内部通路が内部に設けられた排気通路構成部材と、
この排気通路構成部材の内部通路に収容され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
請求項８の燃料改質装置とを備え、
上記燃料改質装置の容器の出口が上記排気通路構成部材の内部通路に接続されていて、上記可燃性の改質燃料が上記パティキュレートフィルタに供給されるように構成した内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置、及び燃料改質装置の技術分野に属し、発熱体によって改良されたこれらの装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質（パティキュレートマターともいう）を捕集する排気浄化装置として、排気通路に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを設けたものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。このような排気浄化装置では、パティキュレートフィルタが目詰まりすると、バーナや電気ヒータにより捕集された粒子状物質を酸化、燃焼させてパティキュレートフィルタを再生することが行われる。
【０００３】
非特許文献３には、排気ガス浄化触媒として内燃機関の排気浄化装置に設けられる種々の触媒が開示されている。このなかには、ガソリンエンジン用触媒として、三元触媒、ＮＯｘトラップ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）、ＨＣトラップ触媒が開示されており、ディーゼルエンジン用触媒として、ＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）、ＰＭ後処理触媒、選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）、ＮＯｘトラップ触媒（ＮＡＣ）などが開示されている。
【０００４】
特許文献４は、燃料ガスを安定して供給できる燃料改質器を開示する。この燃料改質器は、内部に改質触媒が充填された筒状の容器と、この容器の側部を囲むように配設された加熱器と、この容器の入口側の入口温度センサと、この入口温度センサの検知温度より上記改質触媒の劣化状態を監視する制御部とを備えている。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１８５６１１号公報
【特許文献２】特開平１０−１３１７４０号公報
【非特許文献３】村木秀明，「排気ガス処理システム：触媒」，自動車技術，Ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．２，２００５，Ｐ６５〜６９
【特許文献４】特開２００７−２６９２７号公報
【特許文献５】特許第３６９９９９２号公報
【特許文献６】特開２００７−４４６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
目詰まりした上記パティキュレートフィルタを再生するには上記バーナや電気ヒータなどの再生手段が必要となり、構造が複雑になる。また、このような再生手段で消費するエネルギを削減したいという要請もある。
【０００７】
上記触媒が活性を呈するには触媒が所定温度まで加熱される必要がある。しかし、例えば自動車用の内燃機関のように触媒を加熱する手段を設けることが困難なときは、触媒が排気ガスによって所定温度まで加熱されるのを待つしかなく、十分な排気浄化機能を得るまでに或る程度の時間を要する。また、排気ガスの温度が低い運転領域では触媒の十分な活性が得られない。
【０００８】
上記燃料改質器には改質触媒を加熱する上記加熱器が上記容器の側部を囲むように配設されるので、燃料改質器が大型化されて嵩張るという問題がある。また、容器の外側にある加熱器により容器の内部にある改質触媒を熱伝導などによって間接的に加熱するため、熱効率がよくない。
【０００９】
本発明者の一人は、溶融シリコンと濡れ性のよい炭化ケイ素を含むと同時に、体積減少反応に起因する開気孔が生成された炭素化多孔質構造焼結体にシリコンを溶融含浸させてなり、上記炭素化多孔質構造焼結体が、有形骨格を形成する樹脂、ゴム、及び紙から選択される１つのスポンジ状多孔質構造体に、シリコンと炭素の原子比がＳｉ／Ｃ＝０．０５〜４になる割合になるように混合量を設定して炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に含浸させた後に上記スラリーを絞ることにより、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない範囲内で含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体にシリコンを反応焼結させた後シリコンを溶融含浸させて形成したものである炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材であって、上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔と同一構造で、気孔径５００μｍ〜２ｍｍ、開気孔率９５〜９７％、密度０．０６〜０．１ｇ／ｃｍ3であることを特徴とする炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材などを発明している（特許文献５を参照）。この発明によれば、最初の多孔質構造体の形状を保った炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材を容易に製造することができ、そのため、複雑な形状のものでも容易に製造することができる。さらに、この構造材は、炭化ケイ素の粒子間をシリコンが埋めるので、炭化ケイ素のみによって構成したものに較べて強度が高い。
【００１０】
さらに、この発明者は、汚染物質除去の浄化に使用されるもので、樹脂類及びシリコン粉末を含むスラリーを連続気孔が塞がれない範囲内で含浸されたスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体であって、このスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体を複数の密度の異なる構造体にした後、９００℃〜１３５０℃で炭素化し、１３５０℃以上で反応焼結させ、１３００℃〜１８００℃でシリコンを溶融含浸させて製造された多孔質構造体フィルタなどを発明している（特許文献６を参照）。この多孔質構造体フィルタは、上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材に類似するが、スポンジ状多孔質構造体の例えば、一方の３次元微細セル構造フィルタを柔軟構造にして、他方の３次元微細セル構造フィルタを前者の３次元微細セル構造フィルタに比して密度を高め、硬くしたので、扱いが容易になり、結果的に２つの密度の異なるフィルタ構造でサイズの異なる汚染物質を効率よく捕捉でき、これにより浄化効率が高まり、作業能率を高められる。
【００１１】
本発明は、上述した炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材及びスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体を含む、炭化ケイ素及びシリコンを含む有形骨格を備えた多孔質の複合体を広く対象としてこれらに通電すると発熱することに着目してなされたものである。そして、本発明の目的とするところは、まず、上記炭化ケイ素及びシリコンを含む有形骨格を備えた多孔質の複合体に電極を設けることにより、製造容易で成形の自由度が高く、酸化に強く、金属よりも高温域まで加熱でき、局所的な加熱ができ、加熱手段として小型で熱効率が高く、炭化ケイ素のみによって構成した構造材に較べて強度の高い発熱体を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、上記発熱体を利用して、別途に再生手段を要さず、構造が簡単で、省エネルギ性に優れ、排気ガスから粒子状物質を継続的に取り除くことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。さらに、本発明のさらなる目的は、この排気浄化を行う発熱体で得た熱でもって、その下流側に設けた排気浄化用触媒を活性化することにより排気浄化機能を向上させた内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、この排気浄化を行う発熱体で得た熱でもって、その下流側に設けたパティキュレートフィルタの目詰まりを抑制又は阻止することにより排気浄化機能を向上させた内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。さらに、本発明のさらなる目的は、触媒を担持した上記発熱体を改質触媒として用いることにより小型で熱効率の高い燃料改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の第１の発熱体は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた多孔質の複合体と、
この複合体に通電できるように当該複合体に設けられた電極とを備え、
上記電極間に電流を流すと上記複合体が発熱し、上記複合体の内部又は周囲に存在する粒子、流体などの物質を加熱するように構成されている。
【００１３】
上記複合体は炭化ケイ素及びシリコンを含み導電性を有するので、上記第１の発熱体の電極間に電流を流すと上記複合体の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、上記複合体の内部つまり上記骨格間に形成された孔のなか、又は上記複合体の周囲に存在する粒子、流体などの物質が加熱される。その場合、上記複合体は炭化ケイ素及びシリコンを含むので、酸化に強く、金属よりも高温域まで加熱することができる。また、容器又は通路構成部材の内部にある粒子、流体などの物質を容器又は通路構成部材の外部から加熱する場合に較べると、上記複合体を上記物質が浮遊し又は流れるなかに配置すると、上記物質を熱伝導、又は近距離からの輻射でもって加熱することから、局所的な加熱ができ、加熱手段が小型化され、しかも熱効率が高い。さらに、上記複合体は、炭化ケイ素の粒子間をシリコンが埋めるので、炭化ケイ素のみによって構成した構造材に較べると強度が高くなり、例えば耐振性が改善され、例えば車載するに好適である。
【００１４】
上記第１の発熱体における上記複合体は、有形骨格を有する樹脂又はゴムのスポンジ状多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリー又はこのスラリーに更に骨材を含ませたスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体の炭素と上記スラリーのシリコン粉末とを反応焼結させた後、更にシリコンを溶融含浸させて形成された炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成されていてもよい。
【００１５】
このように上記第１の発熱体における上記複合体を上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成すると、上記発泡樹脂よりなるスポンジの有形骨格に樹脂類及びシリコン粉末を含浸させ、このシリコン粉末及び上記スポンジからの炭素との体積減少を伴った炭化ケイ素生成反応により、ポーラスな炭化ケイ素、残留炭素部分が生成され、このポーラスな骨格部分にシリコンの溶融含浸を行うと、炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材よりなる複合体が、複雑な形状のものであっても、容易にスポンジの有形骨格の形状を保ったままで製造される。このようにして得られた炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材よりなる複合体に電極を設けると、上記第１の発熱体ができる。したがって、この第１の発熱体の製造は容易であり、成形の自由度は高い。
【００１６】
本発明の第２の発熱体は、上記第１の発熱体において、上記複合体が触媒を担持している。
【００１７】
このようにすれば、第１の発熱体で得られた作用と同様の作用が得られることに加えて、上記物質が上記複合体の内部又は周囲で化学反応を起こすときに、その反応が触媒によって促進される。その場合、上記複合体が発熱すると触媒が活性を呈し、触媒による化学反応が一層促進される。
【００１８】
本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置は、一端が内燃機関の燃焼室に接続され、他端が大気に開放された排気通路の少なくとも一部を構成する内部通路が内部に設けられた排気通路構成部材と、
上記複合体が上記排気通路構成部材の内部通路に収容され、上記電極が上記排気通路構成部材の外側へ導出された上記第１又は第２の発熱体とを備えている。
【００１９】
上記複合体は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第１又は第２の発熱体の電極間に電流を流すと上記複合体の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、排気ガスが第１又は第２の発熱体の複合体を通過すると、排気ガスに含まれる粒子状物質の大半を占めるススは、上記複合体が炭化ケイ素及びシリコンを含むため、この複合体の上記骨格に吸着する。そして、上記ススは、上記骨格から熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。第２の発熱体では、触媒によってこの酸化反応が促進される。したがって、第１又は第２の発熱体により、排気ガスに含まれる粒子状物質が低減する。また、排気ガス中の未燃燃料などの可燃性成分が上記骨格から熱を受けて酸化、燃焼が促進される。よって、別途に目詰まりから再生するための再生手段を要さず、構造が簡単で、省エネルギ性に優れ、排気ガスから粒子状物質を継続的に取り除くことができる。
【００２０】
本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置は、上記第１の内燃機関の排気浄化装置において、上記排気通路構成部材の内部通路における上記第１又は第２の発熱体の上記複合体よりも排気下流側に排気ガス浄化触媒が設けられている。
【００２１】
このようにすれば、上記第１又は第２の発熱体における細かい粒子の酸化、可燃性成分の酸化、燃焼などによって排気ガスの温度が上昇し、この高温の排気ガスが排気ガス浄化触媒に流れ込むので、排気ガス浄化触媒が活性化され、酸化反応などにより排気ガス浄化が促進される。
【００２２】
本発明の第３の内燃機関の排気浄化装置は、上記第１の内燃機関の排気浄化装置において、上記排気通路構成部材の内部通路における上記第１又は第２の発熱体の上記複合体よりも排気下流側に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタが設けられている。
【００２３】
このようにすれば、上記第１又は第２の発熱体におけるススの細かい粒子の酸化、可燃性成分の酸化、燃焼などによって排気ガスの温度が上昇し、この高温の排気ガスがパティキュレートフィルタに流れ込むので、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の大半を占めるススは、高温の排気ガスから熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。また、上記第１又は第２の発熱体が排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させるので、パティキュレートフィルタの目詰まりの進行が緩やかになり又は目詰まりが防止される。
【００２４】
本発明の第４の内燃機関の排気浄化装置は、上記第２の内燃機関の排気浄化装置において、上記排気通路構成部材の内部通路における上記排気ガス浄化触媒よりも排気下流側に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタが設けられている。
【００２５】
このようにすれば、上記第１又は第２の発熱体で酸化反応などにより温度上昇した排気ガスが、排気ガス浄化触媒で酸化反応などによりさらに温度上昇し、この高温の排気ガスがパティキュレートフィルタに流れ込むので、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の大半を占めるススは、高温の排気ガスから熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。また、上記第１又は第２の発熱体が排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させるので、パティキュレートフィルタの目詰まりの進行が緩やかになり又は目詰まりが防止される。
【００２６】
本発明の燃料改質装置は、炭化水素を主成分とする原燃料と含酸素化合物とを含む混合物が導入される入口と、可燃性の改質ガスが取り出される出口とを有する容器と、上記複合体が上記容器の内部に収容され、上記電極が上記容器の外側へ導出された上記第２の発熱体とを備えている。
【００２７】
上記複合体は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第２の発熱体の電極間に電流を流すと上記複合体の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、上記容器の入口から容器内に入った上記混合物は、上記骨格によって加熱された触媒の作用によって所定の改質反応を行い、可燃性の改質燃料が発生する。その場合、容器の内部にある上記混合物を、従来のように容器の側部を囲むように設けられた加熱器により加熱するのではなく、上記複合体の上記骨格により熱伝導、又は近距離からの輻射でもって加熱するので、加熱の立ち上がりがよく、また熱効率が高く、装置全体として小型化される。
【００２８】
本発明の第５の内燃機関の排気浄化装置は、一端が内燃機関の燃焼室に接続され、他端が大気に開放された排気通路の少なくとも一部を構成する内部通路が内部に設けられた排気通路構成部材と、
この排気通路構成部材の内部通路に収容され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
上記した本発明の燃料改質装置とを備え、
上記燃料改質装置の容器の出口が上記排気通路構成部材の内部通路に接続されていて、上記可燃性の改質燃料が上記パティキュレートフィルタに供給されるように構成している。
【００２９】
上記燃料改質装置で生成された改質燃料が上記パティキュレートフィルタに供給されると、このパティキュレートフィルタで捕集された粒子状物質の酸化、燃焼が促進され、パティキュレートフィルタの目詰まりの進行が緩やかになり又は目詰まりが防止される。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の第１の発熱体は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた複合体と、電極とを備え、上記電極間に電流を流すと複合体が発熱し、上記複合体の内部又は周囲に存在する粒子、流体などの物質を加熱するように構成したので、製造容易で成形の自由度が高く、酸化に強く、金属よりも高温域まで加熱でき、局所的な加熱ができ、加熱手段として小型で熱効率が高く、炭化ケイ素のみによって構成した構造材に較べて強度が高い。そして、この第１の発熱体を用いることにより、本発明の第１ないし第４の内燃機関の排気浄化装置などが成立する。
【００３１】
本発明の第２の発熱体は、上記複合体に触媒を担持させたので、第１の発熱体で得られた効果と同様の効果が得られることに加えて、上記物質が上記複合体の内部又は周囲で化学反応を起こすときに、その化学反応を一層促進することができる。そして、この第２の発熱体を用いることにより、本発明の燃料改質装置又は第５の内燃機関の排気浄化装置などが成立する。
【００３２】
本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路構成部材に上記第１又は第２の発熱体の複合体を設けたので、第１又は第２の発熱体の複合体により、排気ガスに含まれる粒子状物質、未燃燃料などを低減させることができる。よって、別途に再生手段を要さず、構造が簡単で、省エネルギ性に優れ、排気ガスから粒子状物質を継続的に取り除くことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することができた。
【００３３】
本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置は、上記第１の内燃機関の排気浄化装置において上記第１又は第２の発熱体の複合体よりも排気下流側に排気ガス浄化触媒を設けたので、第１の内燃機関の排気浄化装置の効果が得られることに加えて、排気ガス浄化触媒の活性化により排気ガス浄化を促進することができる。
【００３４】
本発明の第３の内燃機関の排気浄化装置は、上記第１の内燃機関の排気浄化装置において上記第１又は第２の発熱体の複合体よりも排気下流側にパティキュレートフィルタを設けたので、第１の内燃機関の排気浄化装置の効果が得られることに加えて、パティキュレートフィルタの目詰まりを抑制又は阻止することができる。
【００３５】
本発明の第４の内燃機関の排気浄化装置は、上記第２の内燃機関の排気浄化装置において上記排気ガス浄化触媒よりも排気下流側にパティキュレートフィルタを設けたので、上記第２の内燃機関の排気浄化装置の効果が得られることに加えて、さらにパティキュレートフィルタの目詰まりを抑制又は阻止することができる。
【００３６】
本発明の燃料改質装置は、炭化水素を主成分とする原燃料と含酸素化合物とを含む混合物が導入される入口と、可燃性の改質燃料が取り出される出口とを有する容器に上記第２の発熱体の複合体を収容したので、加熱の立ち上がりを改善することができ、また熱効率を高め、装置全体として小型化することができる。
【００３７】
本発明の第５の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路構成部材にパティキュレートフィルタを設け、本発明の上記燃料改質装置からの上記可燃性の改質燃料を上記パティキュレートフィルタに供給するので、パティキュレートフィルタの目詰まりを抑制又は阻止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
図１は本発明の第１の発熱体の実施形態を示す。この実施形態の第１の発熱体１００は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた多孔質の複合体１１０と、この複合体１１０に通電できるように当該複合体１１０に設けられた電極１２０とを備えている。そして、上記第１の発熱体１００は、上記電極１２０の間に電流を流すと上記複合体１１０が発熱し、上記複合体１１０の内部又は周囲に存在する粒子、流体などの物質を加熱するように構成されている。上記有形骨格を構成する材料は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料であればよいが、炭化ケイ素及びシリコンのみからなる材料であってもよいし、炭化ケイ素及びシリコンを主成分とする材料であってもよい。この実施形態の場合、上記複合体１１０は、有形骨格を有する樹脂のスポンジ状多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体の炭素と上記スラリーのシリコン粉末とを反応焼結させた後、更にシリコンを溶融含浸させて形成された炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成されている。この実施形態の上記スポンジ状多孔質構造体を構成する樹脂はウレタン発泡樹脂であるが、上記スポンジ状多孔質構造体を他の形態又は他の種類の樹脂で構成してもよいし、樹脂に代えてゴムで構成してもよい。また、この実施形態の上記スラリーに含まれる樹脂類はフェノール樹脂であるが、上記スラリーを他の種類の樹脂で構成してもよいし、樹脂類を樹脂以外の炭素化合物で構成してもよく、またそれらの混合物で構成してもよい。上記スラリーは、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含み、これに更に骨材を含ませたスラリーにしてもよく、そうすれば、骨材によって骨格の強度が増す。この骨材としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、ジルコン、アルミナ、シリカ、ムライト、二ケイ化モリブデン、炭化ホウ素、ホウ素などが挙げられ、これらは粉末として添加されるが、他の形態で添加してもよい。このなかで炭化ケイ素は溶融シリコンと濡れ性がよいので好ましい。酸化防止剤としても機能することがある。上記樹脂は天然樹脂であっても合成樹脂であってもよい。
【００３９】
上記実施形態の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、溶融シリコンと濡れ性のよい炭化ケイ素を含むと同時に、体積減少反応に起因する開気孔が生成された炭素化多孔質構造焼結体にシリコンを溶融含浸させてなる。そして、この炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、上記炭素化多孔質構造焼結体が、有形骨格を形成する発泡樹脂のスポンジ状多孔質構造体に、シリコンと炭素の原子比がＳｉ／Ｃ＝０．０５〜４になる割合になるように混合量を設定して炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に含浸させた後に上記スラリーを絞ることにより、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体の炭素と上記スラリーのシリコン粉末とを反応焼結させた後、更にシリコンを溶融含浸させて形成した炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材である。上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔と同一構造で、気孔径５００μｍ〜２ｍｍ、開気孔率９５〜９７％、密度０．０６〜０．１ｇ／ｃｍ3である。
【００４０】
すなわち、この炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、特許第３６９９９９２号の請求項１の発明である炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材のうち、スポンジ状多孔質構造体として有形骨格を有する樹脂又はゴムのスポンジ状多孔質構造体を用いたものである。上述したシリコンと炭素の原子比の割合は、Ｓｉ／Ｃ＝０．０５〜４に限定解釈されることはなく、Ｓｉ／Ｃ＝０．０５未満であっても、４を超えてもよい。上述したスラリーを上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させる方法は、上記スラリーを上記スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に含浸させた後に上記スラリーを絞る方法に限定解釈されることはなく、他の方法によってもよく、例えば上記スラリーを上記スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に含浸させるだけでもよい。上述した炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材の気孔径は５００μｍ〜２ｍｍに限定解釈されることはなく、５００μｍ未満であっても、２ｍｍを超えてもよい。上述した炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材の開気孔率は９５〜９７％に限定解釈されることはなく、９５％未満であっても、９７％を超えてもよい。上述した炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材の密度は０．０６〜０．１ｇ／ｃｍ3に限定解釈されることはなく、０．０６ｇ／ｃｍ3未満であっても、０．１ｇ／ｃｍ3を超えてもよい。
【００４１】
特許第３６９９９９２号公報から若干補足しながら引用すると、同特許発明の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材の発明者は、繊維強化炭化ケイ素複合材の研究において、シリコンの溶融含浸法ではシリコンが系外より加わるので、体積増加の反応となり、フェノール樹脂の炭素化による緻密なアモルファス炭素のみのマトリックスは、溶融シリコンとほとんど反応しないが、シリコン粉末とフェノール樹脂から炭素化された炭素との混合物が反応焼結（体積減少反応）して生成した溶融シリコンとの濡れ性のよい炭化ケイ素と、ポーラスな残留アモルファス炭素のマトリックスには、溶融シリコンが容易に浸透し、反応することができることを見いだした（特開２０００−３１３６７６号）。
【００４２】
特許第３６９９９９２号の発明は、このような知見に基づいてなされたもので、それ以前の炭化ケイ素系耐熱性軽量多孔質材及びその製造方法における各種欠点を克服し、多孔質構造体の有形骨格に成形したままの形状を保持させて、複雑な形状のものでも容易に製造可能にした気孔が均一で、開気孔率８０％以上、密度０．３ｇ／ｃｍ3以下の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材及びその製造方法である。
【００４３】
すなわち、特許第３６９９９９２号の発明の発明者は、炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材について鋭意研究を重ねた結果、スポンジ等の多孔質構造体の有形骨格にシリコン粉末と樹脂を含浸させ、シリコン粉末及び上記構造体からの炭素との体積減少を伴った炭化ケイ素生成反応により、ポーラスな炭化ケイ素、残留炭素部分を生成させ、このポーラスな骨格部分にシリコンの溶融含浸を行うことにより、炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材を、複雑な形状のものであっても、容易に多孔質構造体の有形骨格の形状を保ったままで製造し得ることを見いだし、特許第３６９９９９２号の発明を完成するに至った。
【００４４】
上記により完成した特許第３６９９９９２号の発明の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、溶融シリコンと濡れ性のよい炭化ケイ素を含むと同時に、体積減少反応に起因する開気孔が生成された炭素化多孔質構造焼結体にシリコンを溶融含浸させてなり、
上記炭素化多孔質構造焼結体が、有形骨格を形成する樹脂、ゴム、及び紙から選択された１つのスポンジ状多孔質構造体に、シリコンと炭素の原子比がＳｉ／Ｃ＝０．０５〜４になる割合になるように混合量を設定して炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に含浸させた後に上記スラリーを絞ることにより、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体にシリコンを反応焼結させた後シリンコンを溶融含浸させて形成したものである炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材であって、
上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔と同一構造で、気孔径５００μｍ〜２ｍｍ、開気孔率９５〜９７％、密度０．０６〜０．１ｇ／ｃｍ3であることを特徴とする。
また、特許第３６９９９９２号の発明の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材の製造方法は、樹脂、ゴム、及び紙から選択された１つのスポンジ状多孔質構造体の有形骨格に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に含浸させた後、真空或いは不活性雰囲気下において９００〜１３５０℃で炭素化した炭素化多孔質構造体を作り、
この炭素化多孔質構造体を、真空或いは不活性雰囲気下において、１３５０℃以上の温度で反応焼結させることにより、溶融シリコンと濡れ性のよい炭化ケイ素を生成させると同時に、体積減少反応に起因する開気孔を生成させ、上記炭化ケイ素と開気孔を生成した多孔質構造体に、真空或いは不活性化雰囲気下において１３００〜１８００℃の温度でシリコンを溶融含浸することを特徴とする炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材の製造方法において、
上記スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に上記樹脂類及びシリコン粉末を含んだ上記スラリーを含浸させた後に上記スラリーを絞ることにより、上記スラリーを上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させることを特徴とする。
上記方法においては、シリコンと炭素の反応焼結処理とシリコンの溶融含浸を同じ熱処理で行っても良く、炭素化を含めた全ての熱処理を同じ熱処理で行っても良い。このような特許第３６９９９９２号の発明の方法によれば、複雑形状の大型構造体でも容易に製造できるし、多孔質構造体の加工も、炭素化後に行えば、容易に行うことができる。
【００４５】
上記方法において、用いるスポンジ状多孔質構造体の有形骨格を構成する材料としては、スラリーを保持できる多孔質構造体が望ましく、この多孔質構造体を構成する材料としては、樹脂あるいはゴム製等のスポンジ、あるいは、スポンジ形状のプラスチック類や紙等が適している。
【００４６】
また、上記方法において多孔質構造体の有形骨格に含浸させる炭素源としての樹脂類には、フェノール樹脂、フラン樹脂、あるいはポリカルボシラン等の有機金属ポリマー、または蔗糖が好ましいものとして挙げられる。これらの樹脂類はその１種用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。さらに、添加剤として、炭素粉末、黒鉛粉末、カーボンブラックを添加し、または、骨材或いは酸化防止剤として、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、ジルコン、アルミナ、シリカ、ムライト、二ケイ化モリブデン、炭化ホウ素、ホウ素の粉末等を添加してもよい。
上記方法において用いるスラリーに含ませるシリコン粉末として、マグネシウム、アルミニウム、チタニウム、クロミウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、あるいはタングステンから選ばれた少なくとも１種のシリコン合金、またはそれらとシリコン粉末の混合物でもよい。また溶融含浸用のシリコンは、純シリコン金属でもよいし、マグネシウム、アルミニウム、チタニウム、クロミウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、タングステン等のシリコン合金、あるいはそれらとシリコンの混合物でもよい。
【００４７】
この特許第３６９９９９２号の発明の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材及びその製造方法によれば、スポンジ状の多孔質構造体の有形骨格に、炭素源となる樹脂とシリコン粉末とを含むスラリーを、多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、反応焼結を利用して溶融シリコンと濡れ性のよい炭化ケイ素と開気孔を生成せしめ、この部分にシリコンを溶融含浸して、最初の多孔質構造体の形状を保った炭化ケイ素系耐熱性軽量多孔質複合材を容易に製造することができ、そのため、複雑な形状のものでも容易に製造することができ、高温用フィルター、高温構造部材、断熱材、溶融金属濾過材、バーナープレート、ヒーター材、高温用消音材等の多くの用途に利用することができる。
【００４８】
次に、特許第３６９９９９２号の発明の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材及びその製造方法の好適な実施形態について説明する。
特許第３６９９９９２号の発明の方法においては、まず溶解した炭素源としてのフェノール樹脂等とシリコン粉末を混合したスラリーを、スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に十分に塗布し、あるいはそのスラリーに多孔質構造体を浸して含浸させた後、スラリー液が連続気孔部を塞がない程度にまで絞り、乾燥する。この乾燥は、約７０℃で１２時間程度行うのが望まれる。
【００４９】
上記多孔質構造体は、前述したように、樹脂あるいはゴム製等のスポンジ、あるいは、スポンジ形状のプラスチック類や紙等を用いることができる。
また、多孔質構造体の有形骨格に含浸させる樹脂類としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、有機金属ポリマーまたは蔗糖から選ばれた少なくとも１種を用いることができ、必要に応じて上記添加剤等を添加することができる。
さらに、炭化ケイ素の生成に用いる上記シリコン粉末としては、微粉末が適しており、特に平均粒径が３０μｍ以下の微粉末が好適である。粒径が大きなものは、ボールミル等により粉砕して微粉化すればよい。
【００５０】
次に、このようにして得られた多孔質構造物を、真空あるいはアルゴンなどの不活性雰囲気下で、９００〜１３５０℃程度の温度において炭素化する。これによって得られる炭素化複合体においては、スポンジの多孔質構造体は熱分解して無くなり、骨格部分はフェノール樹脂の炭素化による炭素部分と、シリコン粉末が混ざりあっている状態になり、骨格部分の形状も、元の形状と同じである。また、炭素化した多孔質構造体は加工可能な強度がある。
【００５１】
この炭素化した多孔質構造体は、真空あるいはアルゴンなどの不活性雰囲気下で１３５０℃以上の温度において焼成処理し、炭素とシリコンとを反応させて溶融シリコンと濡れ性のよいポーラスな炭化ケイ素を構造体の有形骨格部分上に形成させる。同時に、この反応が体積減少反応であるため、その体積減少反応に起因する開気孔が生成される。その結果、マトリックス部が、気孔を有する炭化ケイ素及び残留炭素により形成された多孔質構造焼結体を得る。
【００５２】
次に、この多孔質構造焼結体は、真空或いは不活性化雰囲気下において１３００〜１８００℃程度の温度に加熱し、骨格上にあるポーラスな炭化ケイ素と炭素部分にシリコンを溶融含浸することにより、炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質材が得られる。
なお、特許第３６９９９９２号の発明の方法において用いるシリコン粉末と樹脂からの炭素との混合の割合は、シリコンと炭素との原子比がＳｉ／Ｃ＝０．０５〜４になるように選ぶのが望ましい。
【００５３】
［炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材の実施例］
次に、実施例により特許第３６９９９９２号の発明の方法をさらに詳細に説明するが、特許第３６９９９９２号の発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
【００５４】
［実施例１］
フェノール樹脂の炭素化による炭素とシリコンとの原子比が５：３になる割合にフェノール樹脂とシリコン粉末との混合量を設定し、エチルアルコールでフェノール樹脂を溶解してスラリーを調製し、シリコンの粒径を小さくするために１日間ボールミル混合し、それらを５００〜６００μｍの気孔を有するポリウレタン製のスポンジに含浸し、スラリー液が連続気孔部を塞がない程度に絞った後、乾燥させた。この時、スポンジは軸方向で約２０％膨張した。
次に、このスポンジをアルゴン雰囲気下で１０００℃、１時間焼成して炭素化した。得られた炭素質多孔体を、真空中、１４５０℃、１時間で反応焼結とシリコン溶融含浸を同時に行い、スポンジ形状の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質複合材を得た。スポンジは炭素化の際に収縮し、炭素化前に比べて軸方向で約１２％の収縮を生じて僅かに小さくなった。
得られた炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、スポンジと同じ構造で、気孔径５００〜６００μｍ、開気孔率９７％、密度０．０７ｇ／ｃｍ3 であり、つぶれた気孔は見つからなかった。
【００５５】
［実施例２］
フェノール樹脂の炭素化による炭素とシリコンとの原子比が５：３になる割合にフェノール樹脂とシリコン粉末との混合量を設定し、エチルアルコールでフェノール樹脂を溶解してスラリーを調製し、シリコンの粒径を小さくするために１日間ボールミル混合し、それらを約１ｍｍの気孔を有するポリウレタン製のスポンジに含浸し、スラリー液が連続気孔部を覆わない程度に絞った後、乾燥させた。この時、スポンジは軸方向で約２０％膨張した。
次に、このスポンジをアルゴン雰囲気下で１０００℃、１時間焼成して炭素化した。得られた炭素質多孔体を、真空中、１４５０℃、１時間で反応焼結とシリコン溶融含浸を同時に行い、スポンジ形状の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質複合材を得た。スポンジは炭素化の際に収縮し、炭素化前に比べて軸方向で約１２％の収縮を生じて僅かに小さくなった。
得られた炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、スポンジと同じ構造で、気孔径約１ｍｍ、開気孔率９７％、密度０．０６ｇ／ｃｍ3 であった。
【００５６】
［実施例３］
フェノール樹脂の炭素化による炭素とシリコンとの原子比が５：３になる割合にフェノール樹脂とシリコン粉末との混合量を設定し、エチルアルコールでフェノール樹脂を溶解してスラリーを調製し、シリコンの粒径を小さくするために１日間ボールミル混合し、それらを約１．５〜２ｍｍの気孔を有するポリウレタン製のスポンジに含浸し、スラリー液が連続気孔部を覆わない程度に絞った後、乾燥させた。この場合、スポンジの膨張は、ほとんど無かった。
次に、このスポンジをアルゴン雰囲気下で１０００℃、１時間焼成して炭素化した。得られた炭素質多孔体を、真空中、１４５０℃、１時間で反応焼結とシリコン溶融含浸を同時に行い、スポンジ形状の炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質複合材を得た。スポンジは炭素化の際に収縮し、最終的には軸方向で約１２％の収縮を生じて僅かに小さくなった。
得られた炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材は、スポンジと同じ構造で、気孔径１．５〜２ｍｍで、開気孔率９５％、密度０．１ｇ／ｃｍ3 であった。
【００５７】
［比較例１］
実施例１で用いたスポンジをアルゴン雰囲気下で１０００℃、１時間焼成すると、跡形もなく無くなった。
【００５８】
［比較例２］
エチルアルコールでフェノール樹脂を溶解してスラリーを調製し、５００〜６００μｍの気孔と有するポリウレタン製のスポンジに含浸し、スラリー液が連続気孔部を覆わない程度に絞った後、乾燥させた。
次に、このスポンジをアルゴン雰囲気下で１０００℃、１時間焼成して炭素化した。得られた炭素質多孔体を真空中、１４５０℃、１時間で反応焼結とシリコン溶融含浸を同時に行ったが、シリコンの含浸は生じず、炭素質多孔体のままであった。
【００５９】
また、本発明の第１の発熱体の複合体は、特願２００５−２３４６０８号（特開２００７−４４６７４号）の発明である多孔質構造体フィルタであってもよい。すなわち、上記実施形態の第１の発熱体１００の変形例として、上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材に代えて、上記特願２００５−２３４６０８号の発明である多孔質構造体フィルタにより上記炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた多孔質の複合体１１０を構成した、本発明の他の実施形態としての第１の発熱体１００がある。この多孔質構造体フィルタは、汚染物質除去の浄化に使用されるもので、樹脂類及びシリコン粉末を含むスラリーを連続気孔が塞がれない程度に含浸されたスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体であって、このスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体を複数の密度の異なる構造体にした後、９００℃〜１３５０℃で炭素化し、１３５０℃以上で反応焼結させ、１３００℃〜１８００℃でシリコンを溶融含浸させて製造された多孔質構造体フィルタである。その場合、本発明の第１の発熱体１００の複合体１１０は、汚染物質除去の浄化に使用されると限定解釈されることはなく、またフィルタに限定解釈されることはない。
【００６０】
特開２００７−４４６７４号公報から引用すると、この特願２００５−２３４６０８号の発明の目的は、扱いを容易にし、浄化効率を高めた汚染物質除去用の多孔質構造体フィルタとその製造方法を提供することにある。
【００６１】
特願２００５−２３４６０８号の発明は、上記目的を達成するために次の手段をとる。
【００６２】
特願２００５−２３４６０８号の発明１の多孔質構造体フィルタは、汚染物質除去の浄化に使用されるもので、樹脂類及びシリコン粉末を含むスラリーを連続気孔が塞がれない程度に含浸されたスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体であって、このスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体を複数の密度の異なる構造体にした後、９００℃〜１３５０℃で炭素化し、１３５０℃以上で反応焼結させ、１３００℃〜１８００℃でシリコンを溶融含浸させて製造された多孔質構造体フィルタである。
【００６３】
特願２００５−２３４６０８号の発明２の多孔質構造体フィルタは、特願２００５−２３４６０８号の発明１において、上記スラリーは、ＳｉＣ粉末を含むものであることを特徴とする。
【００６４】
特願２００５−２３４６０８号の発明３の多孔質構造体フィルタは、特願２００５−２３４６０８号の発明１又は２において、上記炭素化多孔質構造焼結体は、３次元Ｓｉ／ＳｉＣ多孔質セラミックスであることを特徴とする。
【００６５】
特願２００５−２３４６０８号の発明４の多孔質構造体フィルタは、特願２００５−２３４６０８号の発明１又は２において、上記炭素化多孔質構造焼結体は、プラスチック又は不織布類のスポンジ状多孔質構造体であることを特徴とする。
【００６６】
特願２００５−２３４６０８号の発明５の多孔質構造体フィルタは、特願２００５−２３４６０８号の発明１又は２において、上記炭素化多孔質構造焼結体は、密度の異なる２つの３次元微細セル構造フィルタを重ね合わせ結合し二層にした焼結体であることを特徴とする。
【００６７】
特願２００５−２３４６０８号の発明６の多孔質構造体フィルタは、特願２００５−２３４６０８号の発明１又は２において、上記炭素化多孔質構造焼結体は、柱状体であり外側のスポンジ状多孔質構造体の密度を内側のスポンジ状多孔質構造体の密度より高めるようにしたことを特徴とする。
【００６８】
特願２００５−２３４６０８号の発明７の多孔質構造体フィルタは、特願２００５−２３４６０８号の発明６において、上記外側のスポンジ状多孔質構造体は、不織布類を巻きつけた構造体であることを特徴とする。
【００６９】
特願２００５−２３４６０８号の発明８の多孔質構造体フィルタの製造方法は、スポンジ状多孔質構造体の有形骨格に炭素源として樹脂類及びシリコン粉末を含むスラリーを連続気孔が塞がれない程度に含浸させる工程と、上記含浸されたスポンジ状多孔質構造体を複数の密度の異なる構造体にする工程と、上記スポンジ状多孔質構造体を不活性雰囲気下において９００℃〜１３５０℃で炭素化する工程と、上記スポンジ状多孔質構造体を真空又は不活性雰囲気下において１３５０℃以上で反応焼結させる工程と、上記スポンジ状多孔質構造体を真空又は不活性雰囲気下において１３００℃〜１８００℃でシリコンを溶融含浸させる工程とからなっている。
【００７０】
特願２００５−２３４６０８号の発明９の多孔質構造体フィルタの製造方法は、特願２００５−２３４６０８号の発明８において、上記スラリーは、ＳｉＣ粉末を含むものであることを特徴とする。
【００７１】
フィルタを例えば二層構造にするに当たって、シリコン（Ｓｉ）の溶融含浸を行う２段反応焼結法により接合を容易に行うことができる。２段反応焼結法とは、反応焼結法とシリコンの溶融含浸法のことであり、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）が反応して炭化ケイ素（ＳｉＣ）を生成する反応をいう。反応焼結法では、炭素源としてフェノール樹脂、シリコン源としてシリコン粉末を使用する。フェノール樹脂粉末をアルコールで溶かしてシリコン粉末を添加して、混合スラリーとする。この混合スラリーにスポンジやダンボールを浸ける。
【００７２】
スポンジの場合セルが塞がれない程度によく絞る。スポンジのポリウレタン骨格の内部にフェノール樹脂は溶液になって入る。シリコン粉末はポリウレタン骨格の内部に突き刺さった状態になる。これをアルゴンガス等の不活性雰囲気中で９００℃〜１３５０℃、例えば１０００℃位で焼成すると、フェノール樹脂が熱分解して炭素（アモルファス状）になる。この状態はアモルファス炭素の中にシリコン粉末が点在している状態である。この状態で温度を１３５０℃以上に上昇させると、例えば１３２０℃位からアモルファス炭素がシリコン粉末中に拡散してシリコン粉末の外側から炭化ケイ素（ＳｉＣ）を生じる。
【００７３】
この反応は１４１０℃まで続き、シリコン粉末と炭素との反応は完了する。これが反応焼結である。特徴は、シリコンと炭素との反応がシリコン融点（１４１０℃）以下で生じることである。体積減少反応（１モルでの反応に要する体積は、Ｓｉ：２８ｇ／２．３３ｇ／ｃｍ3＝１２ｃｍ3、Ｃ：１２ｇ／１．５ｇ／ｃｍ3＝８ｃｍ3、ＳｉＣ：４０ｇ／３．２ｇ／ｃｍ3＝１２．５ｃｍ3となり、１２＋８＝２０ｃｍ3が１２．５ｃｍ3に体積減少する）であり、生成した炭化ケイ素は多孔質となる。またこの反応は炭素の拡散により遅い。
【００７４】
シリコンの溶融含浸法は、例えば、真空中で炭素材料の上にシリコンを置き、シリコン融点（１４１０℃）以上の温度にするとシリコンが溶けて炭素中に入り反応し炭化ケイ素を生じさせる反応のことである。特徴は、シリコンの融点以上の温度が必要で、反応は急激に生じることである。又、シリコンを炭素材料の上に置くので、シリコンは系外になり、体積的には、炭素が炭化ケイ素に変わる状態となり、８ｃｍ3が１２．５ｃｍ3になる体積増加反応となる。従って、炭素材料が緻密で体積を増加できない場合は、反応が進まない。
【００７５】
２段反応焼結法は、反応焼結法でＳｉ／Ｃの比を１にするとＳｉＣのみが生成する。炭素過剰の組成にすると、アモルファス炭素とポーラスなＳｉＣが生成する。溶融シリコンはポーラスなＳｉＣとの濡れ性がよい。アモルファス炭素はポーラスなＳｉＣの中に点在しており緻密でなく、溶融シリコンと反応する。このとき、体積が増加するが、反応焼結法でできた気孔があるので、増加できる体積があり反応が進行する。本実施の形態例においてはこの現象を利用し接合させる。このため、スポンジがそのままの形状で軽量の多孔質Ｓｉ／ＳｉＣセラミックスを形成する。この多孔質Ｓｉ／ＳｉＣセラミックスは加工性がよく、フィルタ形状加工も容易に行えるものである。
【００７６】
フィルタの外側を外皮状に緻密にして強化する方法として、Ｓｉ／ＳｉＣセラミック多孔体の外側に樹脂類及びシリコン粉末、又はこれらに加えてＳｉＣ粉末を含むスラリーを塗布し２段反応焼結する。他の方法は、Ｓｉ／ＳｉＣセラミック多孔体の外周部に樹脂類及びシリコン粉末或いはこれらに加えてＳｉＣ粉末を含む吸水性のある不織布等を巻き付け、２段反応焼結させる方法である。このような方法により、セラミック多孔体の外周部分を硬くし強固にする。
【００７７】
この結果、内部はスポンジ状で外部は緻密な構造のフィルタとなる。更に、このような構成の実現から、排気ガスの通路に供給側のフィルタを密度の低い即ち目の粗いスポンジ状のフィルタとし、排出側のフィルタを密度の高い即ち目の細かいスポンジ状のフィルタとし、その外周部分を前述の方法により緻密に強度を高めた外皮構成のフィルタとすることが可能である。これにより、フィルタは二重構造になり、サイズの異なる微細汚染物質を除去することができる上、単体として強化され破壊しにくいフィルタとなる。
【００７８】
以上説明したように、特願２００５−２３４６０８号の発明は、スポンジ状多孔質構造体の例えば、一方の３次元微細セル構造フィルタを疎な構造又は粗い構造にして、他方の３次元微細セル構造フィルタを前者の３次元微細セル構造フィルタに比して密度を高めたので、扱いが容易になり、結果的に２つの密度の異なるフィルタ構造でサイズの異なる汚染物質を効率よく捕捉できることとなった。これにより浄化効率が高まり、作業能率を高められることとなった。
【００７９】
以下、特願２００５−２３４６０８号の発明に関する汚染物質除去の浄化技術に関し、図面をもとに詳細にその実施の形態を説明する。本実施の形態で処理される汚染物質を含む対象物は、汚染物質を含む排気ガス等の気体、及び汚染水等の液体である。特願２００５−２３４６０８号の発明の説明前に、特願２００５−２３４６０８号の発明の理解を容易にするため、フィルタ単体としての基本構成について説明する。
【００８０】
特願２００５−２３４６０８号の発明の浄化技術に関するフィルタは、スポンジ状の多孔質構造であればどのようなものであってもよいが、例えば、次のものが適用される。１つは、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）との反応焼結法（Ｓｉ＋Ｃ＝ＳｉＣ）とシリコンの溶融含浸法を組み合わせることにより、ポリウレタン製のスポンジがそのままの形状で作成された多孔質Ｓｉ／ＳｉＣセラミックスである。この多孔質Ｓｉ／ＳｉＣセラミックスは、加工性がよく、どのような形状にすることもできる。
【００８１】
光の透過性がよく、光触媒の担体としても優れている。この多孔質Ｓｉ／ＳｉＣセラミックスの嵩密度は、０．０５〜０．１３ｇ／ｃｍ3、気孔率は、９５〜９８％の軽量のものである。また、スポンジ構造の強度を上げるためにＳｉＣ粉末を添加し、スラリーの絞り方を緩やかにすることで、気孔率を５０％程度まで下げることも可能である。なお、本実施の形態でいうスポンジとは、発泡したポリウレタンの素材であり、クッション、荷造り材、衝撃吸収材等に用いられるものである。
【００８２】
この高気孔率のフィルタをドーナツ状に加工して積層し、中心に設置した１５Ｗのランプを覆うようにしてＮＯｘの分解実験を行った結果は、例えば、１５ｐｐｍのＮＯｘを１Ｌ／ｍｉｎで処理すると、殺菌灯、ブラックライトの紫外線ランプでは１回の処理でほぼ０ｐｐｍになり、高効率に分解することができた。さらに可視光の蛍光灯の場合も１５ｐｐｍのＮＯｘが５ｐｐｍ以下になる結果を得ている。フィルタについて更に詳述すると、前述のフィルタは、可視光応答型３次元微細セル構造光触媒フィルタとして有効で、３次元Ｓｉ／ＳｉＣ多孔質セラミックスに光触媒（酸化チタン）をコーティングしたスポンジ状の構造体であるが、排ガス等の浄化にも適用できるものである。
【００８３】
また、このフィルタのスポンジ状多孔質構造体は、酸化チタンを含有又は生成する溶液に浸漬し、乾燥させた後に酸化雰囲気下で、１００℃〜８００℃で焼成して製造される。更に、スポンジ状骨格を有するとともに炭素化時に熱分解する原型構造体に炭素源となる樹脂と、シリコン粉末、シリコン合金を含むスラリーを含浸させた後、この原型構造体を不活性雰囲気下で、８００℃〜１３００℃で炭素化させて、さらには、１３００℃以上で反応焼結させるなどして炭素化させている。
【００８４】
あるいは、窒素雰囲気下においては、８００℃〜１５００℃で熱処理し炭素化とシリコンの窒化反応を行い、多孔質構造体を形成する。
【００８５】
この反応焼結後の多孔質構造体を真空あるいは不活性雰囲気下において、１３００℃〜１８００℃の温度でシリコンを溶融含浸させる。このことにより、多孔質構造体が複雑な形状のものであっても、容易に多孔質構造体の有形骨格の形状を保ったままで製造できるのである。
【００８６】
その他、スポンジ状フィルタとして適用できるものは、一部前述しているが、アモルファス炭素、炭素＋Ｓｉ、炭素＋Ｔｉ、炭素＋ＳｉＣ、炭素＋窒化ケイ素等種々のもの、又はそれらを組み合わせたものがある。又、含浸させる樹脂として、フェノール樹脂、フラン樹脂、有機金属ポリマー、又は蔗糖等であってもよく、さらに、含浸させるスラリーとして、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、ジルコン、アルミナ、シリカ、ムライト、二ケイ化モリブデン、炭化ホウ素、ホウ素粉等の添加物であってもよい。
【００８７】
更に、スラリーに含ませるシリコン粉末として、マグネシウム、アルミニウム、チタニウム、クロミウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、タングステン等のシリコン合金又はシリコンとの混合物を用いてもよい。
【００８８】
更に、溶融含浸用のシリコンとして、マグネシウム、アルミニウム、チタニウム、クロミウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、タングステン等のシリコン合金又はシリコンとの混合物を用いてもよい。前述のように、フィルタはスポンジ状多孔質構造体のものであればどのようなものであってもよい。
【００８９】
次に、特願２００５−２３４６０８号の発明のフィルタの構成例について説明する。図２は、特願２００５−２３４６０８号の発明の多孔質構造体フィルタの全体構成の正面図で、外側多孔質構造体と内側多孔質構造体との二重構成にした多孔質構造体フィルタの正面図である。図３は、図２の多孔質構造体フィルタの断面図である。図４は、内側多孔質構造体に外側多孔質構造体を巻き付けている状態を示す説明図である。本実施の形態例は、スポンジ状多孔質構造体３次元微細セル構造のフィルタを円筒形状で二重に構成したものであり、ディーゼルエンジン車の排気ガスの浄化用として構成される。このフィルタは排気ガス浄化用フィルタとしてディーゼルエンジン車のマフラーとエンジンの間に挿入され、排気ガスに含まれる汚染物質の浄化を行う。
【００９０】
このフィルタの構成は外側多孔質構造体１と内側多孔質構造体２の二層のフィルタ構成になっていて、内側多孔質構造体２に比し外側多孔質構造体１は密度の高いスポンジ状多孔質構造体３次元微細セル構造となっている。又、この外側多孔質構造体１は、シリコンを溶融含浸する前に、フィルタの外周部分に樹脂とシリコン粉末或いはこれらに加えてＳｉＣ粉末を含むスラリーを塗布するか、このスラリーを塗布した不織布等で巻き付けてシリコンの溶融含浸をしており強固な外皮を形成している（図４参照）。なお、この形態例の説明は二重構成のもので行っているが、図５に示すように三重構成以上であってもよい。
【００９１】
図５は、外側多孔質構造体と内側多孔質構造体との三重構成にした多孔質構造体フィルタの断面図である。この形態例は供給側から排出側にかけてスポンジ状多孔質構造体の密度の異なるものを内側に内側多孔質構造体２ａ、２ｂとして２種配置し、その外側に、不織布等の硬く、密度の高い外側多孔質構造体１を巻きつけた構成にしたものである。このように連続的に密度を変化させる構成のフィルタは他の実施の形態においても同様に適用される。
【００９２】
図６は、特願２００５−２３４６０８号の発明の他の実施の形態例を示す図で、密度の異なる円板状の多孔質構造体を重ね合わせた多孔質構造体フィルタの断面図である。この他の実施の形態例は、密度の低い円柱状のスポンジ状多孔質構造体３次元微細セル構造フィルタである供給側多孔質構造体３と密度の高い円柱状のスポンジ状多孔質構造体３次元微細セル構造フィルタである排出側多孔質構造体４を円板状にして接合させた構成のものである。外側を例えば不織布等の硬く、密度の高い外側多孔質構造体５として巻きつけた構成にすれば扱い易い形態となる。例えば、排気ガスは矢印のように密度の低い側から密度の高い側に排出される。
【００９３】
汚染物質のサイズの大きいものは先に供給側多孔質構造体３で捕捉され、供給側多孔質構造体３を通過したサイズの小さいものは排出側多孔質構造体４で捕捉されるようになる。接合の生成方法は前述同様であるので説明は省略する。この場合、供給側多孔質構造体３と排出側多孔質構造体４の割合をどの程度にするかは、排気ガス等の条件によって決定する。又、密度の程度の差もどの程度にするかは前述のとおりである。
【００９４】
図７は、特願２００５−２３４６０８号の発明の更に他の実施の形態例を示す図で、密度の異なる多孔質構造体を渦巻き状に構成したフィルタである。板状の密度の高い方の外側多孔質構造体６と、密度の低い方の内側多孔質構造体７を重ね合わせ渦巻き状に巻いた形状のフィルタにしたものである。この構成によればフィルタは内部を含めて強固な構成で保持されるので、部分的な加工もでき、扱いの容易なフィルタとなる。
【００９５】
図８は、特願２００５−２３４６０８号の発明の更に他の実施の形態例を示す図で、密度の高い方の外側多孔質構造体に、複数の密度の低い方の内側多孔質構造体を挿入して構成するフィルタを示す斜視図である。なお、図８は、外側多孔質構造体に内側多孔質構造体を挿入する前の状態を示している。図８に示すように、このフィルタの外観形状は、平面視円形の円筒形状となっている。硬く、密度の高い方の外側多孔質構造体１０には、外皮部１０ａと格子状の内壁部１０ｂが形成されている。外皮部１０ａと内壁部１０ｂ、内壁部１０ｂ間に四角状、扇状などの穴１０ｃが形成されている。この外側多孔質構造体１０の複数の穴１０ｃの各々には、この穴１０ｃの形状と外周の形状が一致している内側多孔質構造体１１、１１・・が挿入されている。すなわち、この形態例のフィルタは、密度の高い方の外側多孔質構造体１０と、外側多孔質構造体１０の複数の穴１０ｃに挿入されている複数の密度の低い方の内側多孔質構造体１１とで構成されている。この形態例では、略ハニカム構成のものとして剛性の高いフィルタとすることができ、大きな寸法のフィルタ等の製作が容易である。
【００９６】
図９は、特願２００５−２３４６０８号の発明の更に他の実施の形態例を示す図で、図８と同様に、密度の高い方の外側多孔質構造体に、複数の密度の低い方の内側多孔質構造体を挿入して構成するフィルタを示す斜視図である。なお、図９は、外側多孔質構造体に内側多孔質構造体を挿入する前の状態を示している。図９に示すように、このフィルタの外観形状は、平面視四角形状の直方体となっている。硬く、密度の高い方の外側多孔質構造体１２には、外皮部１２ａと格子状の内壁部１２ｂが形成されている。外皮部１２ａと内壁部１２ｂ、内壁部１２ｂ間に四角状の穴１２ｃが形成されている。この外側多孔質構造体１２の複数の穴１２ｃの各々には、この穴１２ｃの形状と外周の形状が一致している内側多孔質構造体１３、１３、１３・・が挿入されている。すなわち、この形態例のフィルタは、密度の高い方の外側多孔質構造体１２と、この外側多孔質構造体１２の複数の穴１２ｃに挿入されている複数の密度の低い方の内側多孔質構造体１３とで構成されている。この形態例では、略ハニカム構成のものとして剛性の高いフィルタとすることができ、大きな寸法のフィルタ等の製作が容易である。
【００９７】
なお、この図８、９の実施の形態例の説明では、外側多孔質構造体に形成される穴の形状を四角形状として説明を行っているが、他の形状であってもよい。例えば六角形状の穴であってもよく、その場合、内側多孔質構造体の外周の形状も六角形状とすることになり、ハニカム構成のものとなる。
【００９８】
以上、特願２００５−２３４６０８号の発明の実施の形態について種々説明したが、特願２００５−２３４６０８号の発明はこれらの形態に限定解釈されないことはいうまでもない。例えば、フィルタの形状を円柱体（円筒体）として説明しているが、角柱状のフィルタであってもよく、又、板状のフィルタであってもよく、更に取り付ける対象の形状に合わせた変形例にすることが可能であることはいうまでもない。
【００９９】
このスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体を複数の密度の異なる構造体にするとは、複数の密度の異なる構造体を組み合わせてスポンジ状炭素化多孔質構造焼結体を構成することである。したがって、複数の部分をそれぞれ焼結してからこれらを組み合わせることも含まれるし、複数の部分をそれぞれ焼結する前に組み合わせてから全体を焼結することも含まれるし、上記実施の形態及び実施例で説明したように複数の部分の一部を焼結してから焼結する前に他の部分を組み合わせて焼結することも含まれる。いずれによっても上記スポンジ状炭素化多孔質構造焼結体の外周部分の強化のために、外周部分の密度のみを上げ又は緻密質になるようにすることができる。
【０１００】
本発明の複合体１１０は、いわゆる厚みの薄い二次元的な形状ではなく、十分な厚さをもった立体形状をしており、三次元的な形状をしている。すなわち、互いに直交する奥行き方向、幅方向、及び厚さ方向を設定したときに、一つの方向に沿った寸法が対して他の二つに沿った寸法よりも極端に小さいということがない。上記実施形態の場合、複合体１１０は、ほぼ円柱形に形成されている。上述したように、上記電極１２０は上記複合体１１０に通電できるように当該複合体１１０に設けられている。上記電極１２０は、上記複合体１１０に接触しており、当該複合体１１０に接続されている。上記電極１２０は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により形成されている。これは上記複合体１１０と同様の材料構成であるが、両者の材料構成を必ずしも一致させる必要はない。そして、上記電極１２０は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料よりなる固着層を介して上記複合体１１０に接続されている。この固着層は、樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーの炭素化と、当該炭素とシリコンとの反応焼結によって形成される。すなわち、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリー又はこのスラリーに更に骨材を含ませたスラリーを上記複合体１１０及び電極１２０における接続箇所の表面に塗り、この表面同士を接触させて上記スラリーを介して上記複合体１１０及び電極１２０を保持し、上記スラリーを加熱して当該スラリーの樹脂類を焼成して炭素化し、この炭素と上記スラリーのシリコン粉末とを反応焼結させた後、更にシリコンを溶融含浸させれば、固着層が形成される。
【０１０１】
上記電極１２０は、板状の接続板１２１と、この接続板１２１の表面から立ち上がる棒状の端子１２２とを備えている。上述したように、この接続板１２１及び端子１２２は、いずれも炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により形成されている。そして、上記接続板１２１の裏面は、上記複合体１１０の外周の湾曲面を形成する骨格に上記固着層を介して接続されている。したがって、上記端子１２２は複合体１１０から離れる方向に向かって立ち上がっている。上記電極１２０は二つあり、これらの接続板１２１が上記複合体１１０の外周の湾曲面に、上記複合体１１０を挟んで対向するような位置に接続されている。そして、これらの電極１２０の端子１２２に電源及び接地部からの電線、又はその他の導体が、コネクタを介してそれぞれ接続される。この端子への電線等の接続は、ボルト締結、ハンダ付け、又はその他の公知の接続形態により行ってもよい。以上の構成によって、上記第１の発熱体１００は、上記電極１２０の間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生し、上記複合体１１０が発熱し、上記複合体１１０の内部又は周囲に存在する粒子、流体などの物質を加熱するように構成されている。
【０１０２】
ここでは上記複合体に二つの電極を接続したが、この電極を一つとし、後述する排気通路構成部材で例示されるように上記複合体を収容する収容部材、又は上記複合体に隣接する隣接部材を導電性部材とすることにより、こ収容部材、隣接部材などに上記電極と同様の機能を発揮させてもよい。要するに、上記電極は導電性を有して一端が上記複合体に機械的及び電気的に接続されたものであればよい。上記電極は、上記複合体の表面を形成する骨格であればどの部位に接続してもよい。上記端子は電線の芯線のように柔軟性を有する部材で形成してもよい。また、上記端子を設けずに上記接続板のみにより上記電極を構成してもよい。そのときは、この接続板を上記複合体に接続し、この接続板に、電源又は接地部からの電線又はその他の導体を接続すればよい。さらに、上記接続板を設けずに上記端子のみにより上記電極を構成してもよい。そのときは、例えば、上記複合体にその表面から内方へ凹む孔を形成し、この孔に上記端子を差し込み、この端子を上記複合体の孔の表面を形成する骨格に上記固着層を介して接続してもよい。上記電極は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により形成したが、導電性の材料であれば金属、又はその他の材料で電極を形成してもよい。その場合、電極は、例えば、金属溶射、無電解メッキなどの方法によって複合体へ接続される。このことは上記接続板のみにより又は端子のみにより上記電極を構成したとき同じである。この実施形態では、複合体１１０を、ほぼ円柱形に形成したが、本発明の複合体の形状はこれに限定解釈されることはなく、複合体の特質を生かし、用途に応じて自由な形状に形成することができる。
【０１０３】
従って、この実施形態の第１の発熱体１００の場合、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第１の発熱体１００の電極間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、上記複合体１１０の内部つまり上記骨格間に形成された孔のなか、又は上記複合体１１０の周囲に存在する粒子、流体などの物質が加熱される。その場合、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含むので、酸化に強く、金属よりも高温域まで加熱することができる。例えば、鉄合金の場合、摂氏６００度まで加熱されると酸化するために原形を維持することが難しくなるが、この上記複合体１１０は、例えば、摂氏１０００度に至るまで発熱させても酸化することがなく原形を維持することが可能である。また、容器又は通路構成部材の内部にある粒子、流体などの物質を容器又は通路構成部材の外部から加熱する場合に較べると、上記第１の発熱体１００を上記物質が浮遊し又は流れるなかに配置すると、上記物質を熱伝導、又は近距離からの輻射でもって加熱することから、局所的な加熱ができ、加熱手段が小型化され、しかも熱効率が高い。さらに、上記複合体１１０は、炭化ケイ素の粒子間をシリコンが埋めるので、炭化ケイ素のみによって構成した構造材に較べると強度が高くなり、例えば耐振性が改善され、例えば車載するに好適である。そして、この第１の発熱体１００を用いることにより、本発明の第１ないし第４の内燃機関の排気浄化装置などが成立する。
【０１０４】
本発明の第１の発熱体における上記複合体は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた多孔質の複合体であればよい。そのような種々の実施形態のなかで、上記実施形態の第１の発熱体１００における上記複合体１１０は、有形骨格を有する樹脂又はゴムのスポンジ状多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリー又はこのスラリーに更に骨材を含ませたスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体の炭素と上記スラリーのシリコン粉末とを反応焼結させた後、更にシリコンを溶融含浸させて形成された炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成した。このように上記第１の発熱体１００における上記複合体１１０を上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成すると、上記発泡樹脂よりなるスポンジの有形骨格に樹脂類及びシリコン粉末を含浸させ、このシリコン粉末及び上記樹脂からの炭素との体積減少を伴った炭化ケイ素生成反応により、ポーラスな炭化ケイ素、残留炭素部分が生成され、このポーラスな骨格部分にシリコンの溶融含浸を行うと、炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材よりなる複合体１１０が、複雑な形状のものであっても、容易にスポンジの有形骨格の形状を保ったままで製造される。このようにして得られた炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材よりなる複合体１１０に電極を設けると、上記第１の発熱体１００ができる。したがって、この第１の発熱体の製造は容易であり、成形の自由度は高い。
【０１０５】
本発明の第１の発熱体における電極は、導電性の材料で形成されておればよく、また電極は上記複合体に通電できるように当該複合体に設けられておればよい。そのような種々の実施形態のなかで、上記実施形態の第１の発熱体１００の電極１２０は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により形成し、この電極１２０を、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料よりなる固着層を介して上記複合体１１０に接続した。このようにすれば、上記複合体１１０、上記電極１２０、及び固着層が同じ材料であるので、熱膨張率に差が生じない。そのため、熱膨張差によって上記複合体１１０と上記電極１２０との接続強度が高く、これらの境界面で剥離する可能性を極力減らすことができる。しかも、スラリーを付着、浸透させることで固着層を上記複合体１１０と上記電極１２０との境界面に広く且つ深く分布させることができるので、上記複合体１１０と上記電極１２０との接触面積が十分に確保される。そのため、通電時に上記複合体１１０と上記電極１２０との境界面が発熱により他の部位よりも極端に高温になる可能性を極力減らすことができ、この境界面での発熱がネックになって通電量を抑制することなく上記複合体１１０で十分に発熱させることができ、上記複合体１１０を、例えば摂氏４００度以上にまで安定的に発熱させることができる。しかも、上記複合体１１０と上記電極１２０との接触面積が十分に確保されるため、電流が多数の骨格に流れることになり、熱効率の向上にとって好ましい。また、上記端子１２２を設けたときは、電源及び接地部からの電線、又はその他の導体を、上記端子１２２の長さだけ上記複合体１１０から離して配置することができるので、上記導体が受ける熱負荷が軽減され、上記端子１２２と上記導体との間の熱膨張差が少なくなり、両者間に生じる熱応力が抑制される。
【０１０６】
次に、本発明の第２の発熱体の実施形態を説明する。この実施形態の第２の発熱体１００は、上記実施形態の第１の発熱体１００において、上記複合体１１０が触媒を担持している。したがって、上記実施形態の第１の発熱体１００の上記複合体１１０及び電極１２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのままこの実施形態の第２の発熱体１００の複合体１１０及び電極１２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。
【０１０７】
この実施形態の第２の発熱体１００に担持させた触媒は白金（Ｐｔ）である。触媒担持の方法であるが、先の第１の発熱体１００の複合体１１０を、触媒を含有する液体にどぶ付けし、これによって上記複合体１１０に触媒を担持させている。この他にも例えば、上記複合体に、粉体状の触媒を吹き付けることにより当該触媒を担持させてもよいし、上記複合体に、触媒を含むスラリーを塗り、再度焼成することにより当該触媒を担持させてもよい。上記複合体１１０に触媒を担持させた後に電極１２０を取り付けてもよいし、上記複合体１１０に電極１２０を取り付けた後に当該複合体１１０に触媒を担持させてもよい。この実施形態によって上記複合体が担持する触媒が白金に限定解釈されることはなく、物質の化学反応を促進させるに好適な触媒であれば上記複合体に担持させることができる。
【０１０８】
従って、この実施形態の第２の発熱体１００の場合、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第２の発熱体１００の電極間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、上記複合体１１０の内部つまり上記骨格間に形成された孔のなか、又は上記複合体１１０の周囲に存在する粒子、流体などの物質が加熱される。その場合、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含むので、酸化に強く、金属よりも高温域まで加熱することができる。例えば、鉄合金の場合、摂氏６００度まで加熱されると酸化するために原形を維持することが難しくなるが、この上記複合体１１０は、例えば、摂氏１０００度に至るまで発熱させても酸化することがなく原形を維持することが可能である。また、容器又は通路構成部材の内部にある粒子、流体などの物質を容器又は通路構成部材の外部から加熱する場合に較べると、上記第２の発熱体１００を上記物質が浮遊し又は流れるなかに配置すると、上記物質を熱伝導、又は近距離からの輻射でもって加熱することから、局所的な加熱ができ、加熱手段が小型化され、しかも熱効率が高い。そして、この第２の発熱体１００を用いることにより、本発明の燃料改質装置又は第５の内燃機関の排気浄化装置などが成立する。
【０１０９】
そして、上記複合体１１０の内部又は周囲に存在する粒子、流体などの物質が上記複合体１１０の内部又は周囲で化学反応を起こすときに、その反応が触媒によって促進される。その場合、上記複合体１００が発熱すると触媒が活性を呈し、触媒による化学反応が一層促進される。
【０１１０】
本発明の第２の発熱体における上記複合体は、炭化ケイ素及びシリコンを含む材料により構成された有形骨格を備えた多孔質の複合体であればよい。そのような種々の実施形態のなかで、上記実施形態の第２の発熱体１００における上記複合体１１０は、有形骨格を有する樹脂又はゴムのスポンジ状多孔質構造体に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリー又はこのスラリーに更に骨材を含ませたスラリーを、上記スポンジ状多孔質構造体の連続気孔が塞がれない程度に含浸させた後、上記樹脂類を焼成して炭素化して炭素化多孔質構造体を作り、この炭素化多孔質構造体の炭素と上記スラリーのシリコン粉末とを反応焼結させた後、更にシリコンを溶融含浸させて形成された炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成した。このように上記第２の発熱体１００における上記複合体１１０を上記炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材により構成すると、上記発泡樹脂よりなるスポンジの有形骨格に樹脂類及びシリコン粉末を含浸させ、このシリコン粉末及び上記樹脂からの炭素との体積減少を伴った炭化ケイ素生成反応により、ポーラスな炭化ケイ素、残留炭素部分が生成され、このポーラスな骨格部分にシリコンの溶融含浸を行うと、炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材よりなる複合体１１０が、複雑な形状のものであっても、容易にスポンジの有形骨格の形状を保ったままで製造される。このようにして得られた炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材よりなる複合体１１０に電極を設け、その前後に上記複合体１１０触媒を担持させると上記第２の発熱体１００ができる。したがって、この第２の発熱体の製造は容易であり、成形の自由度は高い。
【０１１１】
次に、本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置の実施形態を説明する。図１０に示すように、この実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００は、排気通路構成部材３１０と、この排気通路構成部材３１０に設けられた第１の発熱体１００とを備えている。
【０１１２】
図１１において、２００は内燃機関であって、この内燃機関２００は往復ピストン機構を備えた公知のディーゼルエンジンである。この内燃機関２００は、シリンダと、このシリンダに摺動可能に嵌挿されたピストンとを備えており、上記シリンダにおけるピストンの頂面側には燃焼室が形成されている（シリンダ、ピストン、及び燃焼室は図示省略）。上記内燃機関２００には、一端が上記燃焼室に接続され、他端が大気に開放されて、当該燃焼室に新気を供給する吸気通路（図示省略）が設けられている。また、上記内燃機関２００には、一端が上記燃焼室に接続され、他端が大気に開放されて、当該燃焼室から排出される排気ガスを外部へ導出する排気通路２１０が設けられている。上記排気通路２１０は、シリンダに近い側から排気マニフォールド、排気管などの複数の排気通路部材の内部通路により一連に構成されている。このような複数の排気通路部材の一つとして、上記第１の発熱体１００が設けられた上記排気通路構成部材３１０がある。したがって、この排気通路構成部材３１０の内部には、上記排気通路２１０の一部を構成する内部通路３１１が設けられている。上記排気通路を単一の排気通路部材の内部通路により構成したときには、その単一の排気通路部材に第１の発熱体を設けることになる。要するに、排気通路の構成にかかわらず、上記第１の発熱体が設けられた上記排気通路部材は、一端が内燃機関の燃焼室に接続され、他端が大気に開放された排気通路の少なくとも一部を構成する内部通路が内部に設けられた排気通路構成部材であればよい。上記内燃機関は往復ピストン機構を備えた公知のディーゼルエンジンであったが、これによって本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置が対象とする内燃機関が限定解釈されることはない。本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置が対象とする内燃機関には、例えばロータリーエンジン、ガソリンエンジンを含み、ガソリンエンジンにはシリンダ内に直接に燃料が噴射されるものも含まれる。本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置が対象とする内燃機関には、自動車又はその他の輸送用機器に搭載される内燃機関も、発電装置駆動用の内燃機関で例示されるような敷地に定置した内燃機関も含まれる。ここで説明した本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置が対象とする内燃機関の概念は、そのまま本発明の第２ないし第５の内燃機関の排気浄化装置が対象とする内燃機関の概念を意味している。
【０１１３】
上記第１の発熱体１００の上記複合体１１０は、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１に収容されている。そして、上記第１の発熱体１００の上記電極１２０が上記排気通路構成部材３１０の外側へ導出されている。この実施形態の第１の発熱体１００は、上記実施形態の第１の発熱体１００と同一である。したがって、上記実施形態の第１の発熱体１００の上記複合体１１０及び電極１２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのままこの実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００で用いる第１の発熱体１００の複合体１１０及び電極１２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。このことは第２の発熱体１００についても同様である。この実施形態では、上記電極１２０の端子１２２が排気通路構成部材３１０を貫通してその外側へ導出されている。端子１２２と排気通路構成部材３１０とは絶縁されている。しかし、排気通路構成部材が導電性部材であるときは、接地側の端子を排気通路構成部材に接触させてもよい。また、先に電極について種々変形例を説明したが、それぞれの変形例において電極を排気通路構成部材の外側へ導出すればよい。その場合、端子を設けたときは、端子の一部が排気通路構成部材を貫通するように設ければ配線が簡単になり好ましい。接続板に代えて棒状の電極棒を設けたときも同様である。また、端子を設けずに接続板のみにより電極を構成したときは、例えば、排気通路構成部材に端子を設け、この端子に接続板を接触させるようにしてもよい。上記二つの電極１２０には、電源５００の陽極及び接地極にそれぞれ接続されており、この上記第１の発熱体１００の複合体１１０に通電できるようになっている。電源５００には制御装置６００が接続され、この制御装置６００によって電極１２０への通電、非通電が制御される。この制御装置により、電極間に印加する電圧又は電極間に流す電流を制御してもよい。この制御装置は、所定の処理手順を行うように組まれた電気回路を備えるものであるが、記憶手段、演算手段などを備えたコンピュータにより所定のフローに沿って制御を行うように構成してもよい。一方の電極が接地接続されているときは、他方の電極に電源の陽極が接続されることになる。二つの電極の間には必要に応じてキャパシタが接続される。制御装置６００による電極１２０への通電、非通電の切り替えは手動で行うことができるが、内燃機関２００の始動に連動して通電し、内燃機関２００の停止に連動して非通電となる。制御装置による制御方法はこれに限定解釈されることはない。制御装置を設けずに電源の電極への通電のオンオフを行う手動スイッチを設けてもよい。
【０１１４】
上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００は、一端が内燃機関２００の燃焼室に接続され、他端が大気に開放された排気通路２１０の少なくとも一部を構成する内部通路３１１が内部に設けられた排気通路構成部材３１０と、上記複合体１１０が上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１に収容され、上記電極１２０が上記排気通路構成部材３１０の外側へ導出された第１の発熱体１００とを備えていた。この変形例として、第１の発熱体１００に代えて第２の発熱体１００を設けた第１の内燃機関の排気浄化装置３００がある。この変形例の第２の発熱体１００は、上記実施形態の第２の発熱体１００と同一である。
【０１１５】
従って、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第１又は第２の発熱体１００の電極間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、排気ガスが第１又は第２の発熱体１００の複合体１１０を通過すると、排気ガスに含まれる粒子状物質の大半を占めるススは、上記複合体１１０が炭化ケイ素及びシリコンを含むため、この複合体１１０の上記骨格に吸着する。そして、上記ススは、上記骨格から熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。第２の発熱体１００では、触媒によってこの酸化反応が促進される。したがって、第１又は第２の発熱体１００により、排気ガスに含まれる粒子状物質が低減する。また、排気ガス中の未燃燃料などの可燃性成分が上記骨格から熱を受けて酸化、燃焼が促進される。よって、別途に目詰まりから再生するための再生手段を要さず、構造が簡単で、省エネルギ性に優れ、排気ガスから粒子状物質を継続的に取り除くことができる。
【０１１６】
次に、本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置の実施形態を説明する。図１２に示すように、この実施形態の第２の内燃機関の排気浄化装置３００は、上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００において、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１における上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００の複合体１１０よりも排気下流側に排気ガス浄化装置３２０が設けられている。したがって、上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００における上記内燃機関２００、上記排気通路構成部材３１０、上記電源５００及び制御装置６００、上記第１の発熱体１００及び第２の発熱体１００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのまま第２の内燃機関の排気浄化装置３００における内燃機関２００、排気通路構成部材３１０、電源５００及び制御装置６００、第１の発熱体１００及び第２の発熱体１００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。
【０１１７】
この排気ガス浄化装置３２０は、ＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）である。このＤＯＣは、ＣＯ、ＨＣ、ＳＯＦ、ＳＯ2などを酸化する触媒である。この実施形態のほかに、変形例の第２の内燃機関の排気浄化装置として、排気ガス浄化触媒が、ＰＭ後処理触媒、選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）、又はＮＯｘトラップ触媒（ＮＡＣ）である第２の内燃機関の排気浄化装置が例示される。ＰＭ後処理触媒は、ＤＯＣと、その排気下流側に設けられて排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタとを備えた触媒であり、ＤＯＣによる燃焼熱を利用して排気温度を高め、パティキュレートフィルタに蓄積した粒子状物質を燃焼除去するものである。選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）は、排気ガスのＮＯｘを還元する触媒であり、尿素ＳＣＲ触媒を含む。ＮＯｘトラップ触媒（ＮＡＣ）は、ＮＯｘ吸蔵剤としてＢａを筆頭にアルカリ、アルカリ土類、希土類などの酸化物を使った触媒である。また、対象とする内燃機関がガソリンエンジンである場合、変形例の第２の内燃機関の排気浄化装置として、排気ガス浄化触媒が、三元触媒、ＮＯｘトラップ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）、又はＨＣトラップ触媒である第２の内燃機関の排気浄化装置が例示される。三元触媒は、ＮＯｘ還元性能に優れたＲｈ、酸化性能に優れたＰｔ、及びＰｄを加えたＰｔ／Ｒｈ、Ｐｄ／Ｒｈ、Ｐｔ／Ｐｄ／Ｒｈの各貴金属が担持された触媒である。ＮＯｘトラップ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）は、ＮＯｘ吸蔵剤としてＢａを筆頭にアルカリ、アルカリ土類、希土類などの酸化物を使った触媒である。ＨＣトラップ触媒は、排気温度が触媒の活性温度まで上昇したとき、ＨＣをトラップした吸着剤から脱離してくるＨＣを酸化する触媒である。
【０１１８】
従って、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第１又は第２の発熱体１００の電極間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、排気ガスが第１又は第２の発熱体１００の複合体１１０を通過すると、排気ガスに含まれる粒子状物質の大半を占めるススは、上記複合体１１０が炭化ケイ素及びシリコンを含むため、この複合体１１０の上記骨格に吸着する。そして、上記ススは、上記骨格から熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。第２の発熱体１００では、触媒によってこの酸化反応が促進される。したがって、第１又は第２の発熱体１００により、排気ガスに含まれる粒子状物質が低減する。また、排気ガス中の未燃燃料などの可燃性成分が上記骨格から熱を受けて酸化、燃焼が促進される。よって、別途に目詰まりから再生するための再生手段を要さず、構造が簡単で、省エネルギ性に優れ、排気ガスから粒子状物質を継続的に取り除くことができる。
【０１１９】
さらに、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１における上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００の複合体１１０よりも排気下流側に排気ガス浄化装置３２０を設けたので、上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００におけるススの細かい粒子の酸化、可燃性成分の酸化、燃焼などによって排気ガスの温度が上昇し、この高温の排気ガスが排気ガス浄化装置３２０に流れ込むので、排気ガス浄化装置３２０が活性化され、酸化反応などにより排気ガス浄化が促進される。
【０１２０】
次に、本発明の第３の内燃機関の排気浄化装置の実施形態を説明する。図１３に示すように、この実施形態の第３の内燃機関の排気浄化装置３００は、上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００において、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１における上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００の上記複合体１１０よりも排気下流側にパティキュレートフィルタ３３０が設けられている。したがって、上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００における上記内燃機関２００、上記排気通路構成部材３１０、上記電源５００及び制御装置６００、上記第１の発熱体１００及び第２の発熱体１００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのまま第３の内燃機関の排気浄化装置３００における内燃機関２００、排気通路構成部材３１０、電源５００及び制御装置６００、第１の発熱体１００及び第２の発熱体１００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。
【０１２１】
このパティキュレートフィルタ３３０は、いわゆる目封じタイプである。このパティキュレートフィルタ３３０は、セラミックで構成され、隔壁で区画された複数のセルを有する、いわゆるハニカム体であって、ハニカムを１セルずつ交互にその端を塞いだものであり、排気ガスが壁を通過するときに粒子状物質を捕集する。上記パティキュレートフィルタ３３０の一方の端面では各セルの端面がシール材によって交互に市松模様状に塞がれており、他方の端面では、上記一方の端面で塞がれたセルは開口し、上記一方の端面で開口していたセルはシール材によって塞がれた構造をしている。そして、一方の端面が上記パティキュレートフィルタ３３０の導入口に連通し、他方の端面が上記パティキュレートフィルタ３３０の導出口に連通している。パティキュレートフィルタとしては、他にも多孔体タイプ、繊維タイプがあり、これらは、例えば金属等の材料で構成され、排気が多孔体又は繊維の構成体に衝突することで粒子状物質を捕集するように構成されている。しかし、本発明におけるパティキュレートフィルタの構造は、これらによって限定解釈されるものではない。上記パティキュレートフィルタ３３０は排気通路構成部材３１０の内部通路３１１に収容され、保持されている。しかし、パティキュレートフィルタを排気通路構成部材に対して脱着可能に設け、目詰まりしたパティキュレートフィルタを新品又は再生済みのものに交換できるようにしてもよいし、排気通路構成部材におけるパティキュレートフィルタの付近にヒーターを設け、ヒーターにより目詰まりしたパティキュレートフィルタのなかの粒子状物質を酸化、燃焼させてパティキュレートフィルタを再生するようにしてもよく、本発明はこれらの変形例の成立を妨げるものではない。
【０１２２】
従って、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第１又は第２の発熱体１００の電極間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、排気ガスが第１又は第２の発熱体１００の複合体１１０を通過すると、排気ガスに含まれる粒子状物質の大半を占めるススは、上記複合体１１０が炭化ケイ素及びシリコンを含むため、この複合体１１０の上記骨格に吸着する。そして、上記ススは、上記骨格から熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。第２の発熱体１００では、触媒によってこの酸化反応が促進される。したがって、第１又は第２の発熱体１００により、排気ガスに含まれる粒子状物質が低減する。また、排気ガス中の未燃燃料などの可燃性成分が上記骨格から熱を受けて酸化、燃焼が促進される。よって、別途に目詰まりから再生するための再生手段を要さず、構造が簡単で、省エネルギ性に優れ、排気ガスから粒子状物質を継続的に取り除くことができる。
【０１２３】
さらに、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１における上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００の複合体１１０よりも排気下流側にパティキュレートフィルタ３３０を設けたので、上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００におけるススの細かい粒子の酸化、可燃性成分の酸化、燃焼などによって排気ガスの温度が上昇し、この高温の排気ガスがパティキュレートフィルタ３３０に流れ込むので、パティキュレートフィルタ３３０に捕集された粒子状物質の大半を占めるススは、高温の排気ガスから熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。また、上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００が排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させるので、パティキュレートフィルタ３３０の目詰まりの進行が緩やかになり又は目詰まりが防止されて、パティキュレートフィルタ３３０の目詰まりを抑制又は阻止することができる。
【０１２４】
次に、本発明の第４の内燃機関の排気浄化装置の実施形態を説明する。図１４に示すように、この実施形態の第４の内燃機関の排気浄化装置３００は、上記実施形態の第２の内燃機関の排気浄化装置３００において、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１における上記排気ガス浄化装置３２０よりも排気下流側に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ３３０が設けられている。したがって、上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００における上記内燃機関２００、上記排気通路構成部材３１０、上記電源５００及び制御装置６００、上記第１の発熱体１００及び第２の発熱体１００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのまま第４の内燃機関の排気浄化装置３００における内燃機関２００、排気通路構成部材３１０、電源５００及び制御装置６００、第１の発熱体１００及び第２の発熱体１００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。また、上記実施形態の第２の内燃機関の排気浄化装置３００における上記排気ガス浄化装置３２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのまま第４の内燃機関の排気浄化装置３００における上記排気ガス浄化装置３２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。さらに、この実施形態の第４の内燃機関の排気浄化装置３００のパティキュレートフィルタ３３０は、上記実施形態の第３の内燃機関の排気浄化装置３００の上記パティキュレートフィルタ３３０と同一である。したがって、上記実施形態の第３の内燃機関の排気浄化装置３００におけるパティキュレートフィルタ３３０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのままこの実施形態の第４の内燃機関の排気浄化装置３００におけるパティキュレートフィルタ３３０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。
【０１２５】
従って、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第１又は第２の発熱体１００の電極間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、排気ガスが第１又は第２の発熱体１００の複合体１１０を通過すると、排気ガスに含まれる粒子状物質の大半を占めるススは、上記複合体１１０が炭化ケイ素及びシリコンを含むので、この複合体１１０の上記骨格に吸着する。そして、上記ススは、上記骨格から熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。第２の発熱体１００では、触媒によってこの酸化反応が促進される。したがって、第１又は第２の発熱体１００により、排気ガスに含まれる粒子状物質が低減する。また、排気ガス中の未燃燃料などの可燃性成分が上記骨格から熱を受けて酸化、燃焼が促進する。よって、別途に目詰まりから再生するための再生手段を要さず、構造が簡単で、省エネルギ性に優れ、排気ガスから粒子状物質を継続的に取り除くことができる。
【０１２６】
さらに、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１における上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００の複合体１１０よりも排気下流側に排気ガス浄化装置３２０を設けたので、上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００におけるススの細かい粒子の酸化、可燃性成分の酸化、燃焼などによって排気ガスの温度が上昇し、この高温の排気ガスが排気ガス浄化装置３２０に流れ込むので、排気ガス浄化装置３２０が活性化され、酸化反応などにより排気ガス浄化が促進される。
【０１２７】
しかも、上記排気通路構成部材３１０の内部通路３１１における上記排気ガス浄化装置３２０よりも排気下流側にパティキュレートフィルタ３３０を設けたので、上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００で酸化反応などにより温度上昇した排気ガスが、排気ガス浄化装置３２０で酸化反応などによりさらに温度上昇し、この高温の排気ガスがパティキュレートフィルタ３３０に流れ込むので、パティキュレートフィルタ３３０に捕集された粒子状物質の大半を占めるススは、高温の排気ガスから熱を受け、排気ガス中のＨＣによって、より細かい粒子に分解され、この細かい粒子は上記骨格から熱を受けて酸化してＣＯ2などになる。また、上記第１の発熱体１００又は第２の発熱体１００が排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させるので、パティキュレートフィルタ３３０の目詰まりの進行が緩やかになり又は目詰まりが防止されて、パティキュレートフィルタ３３０の目詰まりを抑制又は阻止することができる。
【０１２８】
次に、本発明の燃料改質装置の実施形態を説明する。図１５に示すように、この実施形態の燃料改質装置４００は、容器４１０と、上記複合体１１０が上記容器４１０の内部に収容された上記第２の発熱体１００とを備えている。図１６に示すように、上記容器４１０は筒状又は管状に形成されている。上記容器４１０の一端には、炭化水素を主成分とする原燃料と含酸素化合物とを含む混合物が導入される入口４１１が開口しており、他端には、可燃性の改質燃料が取り出される出口４１２が開口している。そして、入口４１１には、上記炭化水素を主成分とする原燃料と含酸素化合物とを含む混合物を供給する導入管４２０が接続され、出口４１２には上記改質燃料を排出する導出管４３０がそれぞれ接続されている。この実施形態によって容器の形状が限定解釈されることはなく、容器は、炭化水素を主成分とする原燃料と含酸素化合物とを含む混合物が導入される入口と、可燃性の改質燃料が取り出される出口とを有していて、その内部を炭化水素を主成分とする原燃料と含酸素化合物とを含む混合物及び可燃性の改質燃料が流通できて、これらが外部に漏れないように構成されておれば、その形状、構造を問わない。原燃料及び改質燃料は、いずれもガスであっても液体であってもよい。含酸素化合物は、Ｈ2Ｏ、Ｏ2、Ｏ3で例示されるように、酸素元素と他の元素とが結合した化合物又は酸素元素よりなる化合物である。
【０１２９】
この実施形態の燃料改質装置４００では、上記炭化水素を主成分とする原燃料はメタンであり、含酸素化合物は水蒸気の形態をとるＨ2Ｏであり、得られる可燃性の改質燃料は水素がリッチなガスである。水蒸気は水蒸気発生器等から供給される。この燃料改質装置４００では、上記メタンと水蒸気とを約３５０℃以上の高温雰囲気下で反応させれば水素が生成するが、好ましくは上記メタンと水蒸気とを約８００℃以上の高温雰囲気下で反応させれば、より多くの水素が生成する。すなわち、容器４１０の内部では、まず上記メタンと水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが発生し、さらに、この一酸化炭素と水蒸気とが反応することにより、二酸化炭素とともに水素が発生する。これを反応式で示せば、ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2 となる。すなわち、水蒸気改質反応により改質燃料を得る。この水蒸気改質反応は、多量の熱を必要とする吸熱反応であり、これに必要な熱量は上記第２の発熱体１００の複合体１１０による発熱との熱交換により得られる。原燃料としてメタンに代えて都市ガスを使用してもよい。この燃料改質装置４００で得られた改質燃料は、例えば燃料電池に導入され、燃料電池における反応用ガスとして使用される。その場合、改質燃料は必要に応じて水素選択透過膜を通されて濾過され、水素濃度が高められる。また、この実施形態の変形例として、上記炭化水素を主成分とする原燃料を軽油とし、含酸素化合物を空気とし、得られる可燃性の改質燃料が一酸化炭素と水を含む可燃性ガスである燃料改質装置４００がある。この変形例の燃料改質装置４００では、上記軽油と空気とを３５０℃以上の高温雰囲気下で反応させることにより水素を生成する。すなわち、容器４１０の内部では、まず上記軽油と水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが発生し、さらに、この一酸化炭素と水蒸気とが反応することにより、二酸化炭素とともに水素が発生する。すなわち、水蒸気改質反応により改質燃料を得る。この水蒸気改質反応は、多量の熱を必要とする吸熱反応であり、これに必要な熱量は上記第２の発熱体１００の複合体１１０による発熱との熱交換により得られる。原燃料として軽油に代えてガソリン、灯油又はその他の液体燃料を使用してもよい。この燃料改質装置４００で得られた改質燃料は、例えば上記実施形態と同様に燃料電池に導入できる。
【０１３０】
上記第２の発熱体１００の上記複合体１１０は、上記容器４１０の内部に収容されている。そして、上記第２の発熱体１００の上記電極１２０が上記容器４１０の外側へ導出されている。この実施形態の第２の発熱体１００は、上記実施形態の第２の発熱体１００と同一である。したがって、上記実施形態の第２の発熱体１００の上記複合体１１０及び電極１２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのままこの実施形態の燃料改質装置で用いる第２の発熱体１００の複合体１１０及び電極１２０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。この実施形態では、上記電極１２０の端子１２２が容器４１０を貫通してその外側へ導出されている。端子１２２と容器４１０とは絶縁されている。しかし、容器が導電性部材であるときは、接地側の端子を容器に接触させてもよい。また、先に電極について種々変形例を説明したが、それぞれの変形例において電極を容器の外側へ導出すればよい。その場合、端子を設けたときは、端子の一部が容器を貫通するように設ければ配線が簡単になり好ましい。接続板に代えて棒状の電極棒を設けたときも同様である。また、端子を設けずに接続板のみにより電極を構成したときは、例えば、容器に端子を設け、この端子に接続板を接触させるようにしてもよい。上記二つの電極１２０には、電源５００の陽極及び接地極にそれぞれ接続されており、この上記第２の発熱体１００の複合体１１０に通電できるようになっている。電源５００には制御装置６００が接続され、この制御装置６００によって電極１２０への通電、非通電が制御される。この制御装置により、電極間に印加する電圧又は電極間に流す電流を制御してもよい。一方の電極が接地接続されているときは、他方の電極に電源の陽極が接続されることになる。二つの電極の間には必要に応じてキャパシタが接続される。制御装置６００による電極１２０への通電、非通電の切り替えは手動で行うことができるが、内燃機関２００の始動に連動して通電し、内燃機関２００の停止に連動して非通電となる。制御装置による制御方法はこれに限定解釈されることはない。制御装置を設けずに電源の電極への通電のオンオフを行う手動スイッチを設けてもよい。
【０１３１】
上記第２の発熱体１００の入口側の端面には入口温度センサ４４０が、出口側の端面には出口温度センサ４５０がそれぞれ設られており、これら入口温度センサ４４０及び出口温度センサ４５０からの出力信号は、上記制御装置６００に送られている。そして、制御装置６００は、上記入口温度センサ４４０及び出口温度センサ４５０からの信号から第２の発熱体１００の温度を検出し、この温度が所定の範囲内になるように電源５００から第２の発熱体１００に供給する電流及び電圧の少なくとも一方を調整して、第２の発熱体１００の温度を調整している。これにより、上記燃料改質装置４００の負荷条件に応じた最適温度の改質ガスを安定的に供給するようにしている。この負荷条件は、例えば上記燃料改質装置４００で改質した燃料を燃料電池に供給しているときには、上記燃料電池の出力状態や運転状態である。この実施形態によって温度センサの数、温度センサの設ける位置などが限定解釈されることはない。また、経験則などに基づいて制御できるときは制御を要しないので、温度センサを設けなくてもよい。
【０１３２】
従って、上記燃料改質装置４００においては、上記複合体１１０は炭化ケイ素及びシリコンを含んでいて導電性を有するので、上記第２の発熱体１００の電極間に電流を流すと上記複合体１１０の骨格に電流が流れ、ジュール熱が発生する。そして、上記容器４１０の入口から容器内に入った上記混合物は、上記骨格によって加熱された触媒の作用によって所定の改質反応を行い、可燃性の改質燃料が発生する。その場合、容器４１０の内部にある上記混合物を、従来のように容器の側部を囲むように設けられた加熱器により加熱するのではなく、上記第２の発熱体１００の上記複合体１１０の上記骨格により熱伝導、又は近距離からの輻射でもって加熱するので、加熱の立ち上がりがよく、また熱効率が高く、装置全体として小型化される。
【０１３３】
次に、本発明の第５の内燃機関の排気浄化装置の実施形態を説明する。図１７に示すように、この実施形態の第５の内燃機関の排気浄化装置７００は、排気通路構成部材７１０と、この排気通路構成部材７１０に設けられ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ７２０と、上記実施形態の燃料改質装置４００とを備えている。
【０１３４】
図１７において、２００は内燃機関であって、この内燃機関２００は上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００で説明した内燃機関２００と同一である。したがって、上記実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置３００における上記内燃機関２００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのまま第５の内燃機関の排気浄化装置７００における内燃機関２００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。そして、上記内燃機関２００には、一端が上記燃焼室に接続され、他端が大気に開放されて、当該燃焼室に新気を供給する吸気通路（図示省略）が設けられている。また、上記内燃機関２００には、一端が上記燃焼室に接続され、他端が大気に開放されて、当該燃焼室から排出される排気ガスを外部へ導出する排気通路２１０が設けられている。上記内燃機関２００の排気通路２１０は、シリンダに近い側から排気マニフォールド、排気管などの複数の排気通路部材の内部通路により一連に構成されている。このような複数の排気通路部材の一つとして、上記パティキュレートフィルタ７２０が設けられた上記排気通路構成部材７１０がある。したがって、この排気通路構成部材７１０の内部には、上記排気通路２１０の一部を構成する内部通路７１１が設けられている。上記パティキュレートフィルタ７２０は、この排気通路構成部材７１０の内部通路７１１に収容されている。上記排気通路を単一の排気通路部材の内部通路により構成したときには、その単一の排気通路部材にパティキュレートフィルタを設けることになる。要するに、排気通路の構成にかかわらず、上記パティキュレートフィルタが設けられた上記排気通路部材は、一端が内燃機関の燃焼室に接続され、他端が大気に開放された排気通路の少なくとも一部を構成する内部通路が内部に設けられた排気通路構成部材であればよい。また、この実施形態の第５の内燃機関の排気浄化装置３００のパティキュレートフィルタ３３０は、上記実施形態の第３の内燃機関の排気浄化装置３００の上記パティキュレートフィルタ３３０と同一である。したがって、上記実施形態の第３の内燃機関の排気浄化装置３００におけるパティキュレートフィルタ３３０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのままこの実施形態の第５の内燃機関の排気浄化装置３００におけるパティキュレートフィルタ３３０に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。さらに、この実施形態の第５の内燃機関の排気浄化装置３００の燃料改質装置４００は、上記実施形態の燃料改質装置４００と同一である。したがって、上記実施形態の燃料改質装置４００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明は、そのままこの実施形態の第５の内燃機関の排気浄化装置３００における燃料改質装置４００に関する説明、並びにそれらの変形例に関する説明として引用する。
【０１３５】
そして、上記燃料改質装置４００の容器４１０の出口４１２が上記排気通路構成部材７１０の内部通路７１１に接続されていて、上記可燃性の改質燃料が上記パティキュレートフィルタ７２０に供給されるように構成している。ここでは、一端が上記出口４１２に接続された導出管４３０の他端が上記排気通路構成部材７１０の内部通路７１１に接続されている。導出管４３０の内部通路７１１への接続部は、上記パティキュレートフィルタ７２０の中途部であるが、これによって接続部の位置が限定解釈されることはない。
【０１３６】
従って、上記燃料改質装置で生成された改質燃料が上記パティキュレートフィルタに供給されると、このパティキュレートフィルタで捕集された粒子状物質の酸化、燃焼が促進され、パティキュレートフィルタ７２０の目詰まりの進行が緩やかになり又は目詰まりが防止されて、パティキュレートフィルタ７２０の目詰まりを抑制又は阻止することができる。
【０１３７】
本発明の発熱体、内燃機関の排気浄化装置、及び燃料改質装置は、以上の実施形態の特徴を組み合わせた実施形態を含んでいる。さらに、以上の実施形態は本発明の発熱体、内燃機関の排気浄化装置、及び燃料改質装置のいくつかの例を示したに過ぎない。したがって、これらの実施形態の記載によって本発明の発熱体、内燃機関の排気浄化装置、及び燃料改質装置が限定解釈されることはない。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】実施形態の第１の発熱体を示す斜視図である。
【図２】特願２００５−２３４６０８号の発明の多孔質構造体フィルタの全体構成の正面図である。
【図３】特願２００５−２３４６０８号の発明の多孔質構造体フィルタの断面図で、外側多孔質構造体と内側多孔質構造体との二重構成にした多孔質構造体フィルタの断面図である。
【図４】図３の内側多孔質構造体に外側多孔質構造体を巻き付けている状態を示す説明図である。
【図５】外側多孔質構造体と内側多孔質構造体との三重構成にした多孔質構造体フィルタの断面図である。
【図６】特願２００５−２３４６０８号の発明の他の実施の形態例を示す多孔質構造体フィルタの断面図で、密度の異なる円板状の多孔質構造体を重ね合わせた多孔質構造体フィルタの断面図である。
【図７】特願２００５−２３４６０８号の発明の更に他の実施の形態例を示す多孔質構造体フィルタの断面図で、密度の異なる板状の多孔質構造体を重ね合わせ渦巻き状に巻いた構成の多孔質構造体フィルタを示す斜視図である。
【図８】特願２００５−２３４６０８号の発明の更に他の実施の形態例を示す図で、密度の高い方の外側多孔質構造体に、複数の密度の低い方の内側多孔質構造体を挿入して構成するフィルタを示す斜視図である。
【図９】特願２００５−２３４６０８号の発明の更に他の実施の形態例を示す図で、密度の高い方の外側多孔質構造体に、複数の密度の低い方の内側多孔質構造体を挿入して構成するフィルタを示す斜視図である。
【図１０】実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置を示す斜視図である。
【図１１】実施形態の第１の内燃機関の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す一部を断面した説明図である。
【図１２】実施形態の第２の内燃機関の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す一部を断面した説明図である。
【図１３】実施形態の第３の内燃機関の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す一部を断面した説明図である。
【図１４】実施形態の第４の内燃機関の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す一部を断面した説明図である。
【図１５】実施形態の燃料改質装置を示す一部を断面した説明図である。
【図１６】実施形態の第５の内燃機関の排気浄化装置を示す斜視図である。
【図１７】実施形態の第５の内燃機関の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す一部を断面した説明図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１、５、６、１０、１２  外側多孔質構造体
２、７、１１、１３      内側多孔質構造体
３      供給側多孔質構造体
４      排出側多孔質構造体
１００  第１の発熱体、第２の発熱体
１１０  複合体
１２０  電極
２００  内燃機関
２１０  排気通路
３００  内燃機関の排気浄化装置
３１０  排気通路構成部材
３１１  内部通路
３２０  排気ガス浄化装置
３３０  パティキュレートフィルタ
４００  燃料改質装置
４１０  容器
４１１  入口
４１２  出口
７００  内燃機関の排気浄化装置
７１０  排気通路構成部材
７１１  内部通路
７２０  パティキュレートフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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