ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НАГРЕВАМОЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRICALLY HEATED CATALYTIC DEVICE

Область техники
[1] Настоящее изобретение относится к электрически нагреваемому каталитическому устройству, содержащему, по меньшей мере, один носитель с нанесенным на него катализатором и электрод, прикрепленный к носителю.
Уровень техники
[2] На уровне техники известно электрически нагреваемое каталитическое устройство, нагреваемое протекающим через него током так, чтобы осуществлять очистку выхлопного газа. Например, подобное электрически нагреваемое каталитическое устройство содержит носитель, на который нанесен металлический катализатор, и гребенчатые электроды, закрепленные на носителе таким образом, чтобы ток протекал через носитель. В этом устройстве гребенчатые электроды обеспечивают протекание тока от внешнего источника питания, в частности, аккумулятора, через носитель, в результате чего носитель нагревается током, протекающим через него посредством гребенчатых электродов, а металлический катализатор на носителе активируется. Описываемое электрически нагреваемое каталитическое устройство способно эффективно очищать выхлопной газ, поскольку носитель принудительно нагревается протекающим через него током.
[3] В качестве примера такого электрически нагреваемого каталитического устройства в патентной литературе 1 раскрыто электрически нагреваемое каталитическое устройство, содержащее носитель и гребенчатые электроды, установленные на носителе посредством фиксирующих слоев, причем каждый электрод содержит несколько проволочных участков, отходящих в окружном направлении носителя от проксимальной части электрода. В данном случае каждый фиксирующий слой имеет круглую форму, если смотреть на внешнюю периферийную поверхность носителя в направлении, перпендикулярном центральной оси носителя в продольном направлении.
Список цитируемых материалов
Патентная литература
[4] Патентный документ 1: WO 2012/063353 А
Сущность изобретения
Техническая задача
[5] Однако если ток многократно протекает через гребенчатые электроды
вышеупомянутого электрически нагреваемого каталитического устройства, то в фиксирующих слоях могут возникать локальные трещины, обусловленные приложенной тепловой нагрузкой, возникающей в результате многократного протекания тока. Соответственно, ток не может проходить через носитель от проволочных участков через растрескавшиеся участки фиксирующих слоев, вследствие чего носитель не может равномерно нагреваться.
[6] В целях решения вышеизложенной проблемы настоящее изобретение предлагает электрически нагреваемое каталитическое устройство, способное равномерно нагревать катализатор посредством гребенчатых электродов даже в том случае, когда ток многократно протекает через гребенчатые электроды.
Решение проблемы
[7] Авторы изобретения провели целенаправленные исследования и обнаружили, что если фиксация проволочных участков гребенчатого электрода осуществлена со значительным смещением от центра каждого круглого фиксирующего слоя, то контактирующие длины областей фиксирующего слоя, состоящие в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка, будут различаться, создавая, тем самым, избыточную нагрузку в области фиксирующего слоя с большей контактирующей длиной, и такая избыточная нагрузка приводит к растрескиванию фиксирующего слоя.
[8] Соответственно, электрически нагреваемое каталитическое устройство, описываемое настоящим изобретением, представляет собой устройство, содержащее носитель, содержащий нанесенный на него металлический катализатор; пару гребенчатых электродов, каждый из которых содержит проксимальную часть и множество проволочных участков, причем проксимальная часть пролегает в продольном направлении носителя, а проволочные участки пролегают от проксимальной части в окружном направлении носителя; базовый слой, сформированный на внешней периферийной поверхности носителя, причем базовый слой расположен между каждым гребенчатым электродом и носителем; и фиксирующий слой, соединенный с базовым слоем таким образом, чтобы частично покрывать каждый проволочный участок, фиксируя тем самым каждый проволочный участок на базовом слое, в котором: фиксирующий слой имеет прямоугольную форму, если смотреть на внешнюю периферийную поверхность носителя в направлении, перпендикулярном центральной оси носителя, проходящей в продольном направлении, при этом две противоположные первые стороны прямоугольного фиксирующего слоя проходят параллельно направлению пролегания каждого проволочного участка с противоположных сторон проволочного участка, а две вторые стороны, соединяющие противоположные концы двух первых сторон, проходят перпендикулярно направлению пролегания каждого проволочного участка.
[9] Согласно настоящему изобретению, противоположные кромки каждого проволочного участка расположены таким образом, чтобы они были обращены к соответствующим первым сторонам фиксирующего слоя, а вторые стороны фиксирующего слоя проходят перпендикулярно направлению пролегания каждого проволочного участка. Следовательно, длины кромок проволочного участка, состоящие в контакте с фиксирующим слоем, могут быть равны друг другу. Такое соотношение можно поддерживать даже в том случае, когда каждый проволочный участок гребенчатого электрода зафиксирован со значительным смещением от центра прямоугольного фиксирующего слоя.
[10] Соответственно, нагрузка, приложенная к областям фиксирующего слоя, состоящим в контакте с соответствующими противоположными кромками каждого проволочного участка, будет приблизительно одинаковой, что позволит избежать возникновения избыточного нагрузки, обусловленного смещением положения проволочного участка. Следовательно, даже если ток многократно протекает через пару гребенчатых электродов, то носитель может равномерно нагреваться гребенчатыми электродами, и растрескивание фиксирующего слоя может быть предотвращено.
[11] Кроме того, угол фиксирующего слоя, образованный концом каждой первой и концом каждой второй стороны, может иметь округлую форму. Такая конфигурация позволяет предотвратить образование трещин в углу, имеющем округлую форму, в противном случае в углу фиксирующего слоя более вероятно могут возникать трещины, обусловленные резкими колебаниями температуры, происходящими при многократном протекании тока через гребенчатые электроды.
[12] Кроме того, между базовым слоем и областью каждого проволочного участка, покрытой фиксирующим слоем, может быть образован зазор. В такой конфигурации, если между базовым слоем и областью проволочного участка, покрытой фиксирующим слоем, образован зазор, то ток протекает в базовый слой от проволочного участка через фиксирующий слой. Следовательно, избыточный ток более вероятно будет протекать через области фиксирующего слоя, состоящие в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка, генерируя тепло и, тем самым, вызывая возможную концентрацию нагрузки именно в этих областях.
[13] Тем не менее, даже в этом случае можно уменьшить подобную концентрацию нагрузки, поскольку значения контактной длины областей фиксирующего слоя, состоящих в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка, будут одинаковы. Соответственно, нагрузка, приложенная к областям фиксирующего слоя, состоящим в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка, будет приблизительно одинаковой, что позволит избежать возникновения избыточной нагрузки, обусловленной смещением положения проволочного участка относительно фиксирующего слоя. Таким образом, можно предотвратить образование трещин в фиксирующем слое, даже если ток будет многократно протекать через гребенчатые электроды.
Полезные эффекты изобретения
[14] Настоящее изобретение позволяет равномерно нагревать катализатор с помощью гребенчатых электродов, даже если ток многократно протекает через гребенчатые электроды.
Краткое описание чертежей
[15]
На ФИГ. 1А схематично и в аксонометрии изображено электрически нагреваемое каталитическое устройство в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На ФИГ. 1В изображен вид сбоку электрически нагреваемого каталитического устройства, показанного на ФИГ. 1А;
На ФИГ. 2 схематично в плане изображен увеличенный основной фрагмент электрически нагреваемого каталитического устройства, показанного на ФИГ. 1А;
На ФИГ. 3 изображено поперечное сечение в направлении стрелки А-А, показанной на ФИГ. 2.
На ФИГ. 4А представлен схематичный концептуальный вид, иллюстрирующий состояние, в котором получают базовый слой в рамках метода изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства, показанного на ФИГ. 1А;
На ФИГ. 4В представлен схематичный концептуальный вид, иллюстрирующий состояние, в котором устанавливают электрод в рамках метода изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства, показанного на ФИГ. 1А;
На ФИГ. 4С представлен схематичный концептуальный вид, иллюстрирующий состояние перед образованием фиксирующих слоев в рамках метода изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства, показанного на ФИГ. 1А;
На ФИГ. 4D представлен схематичный концептуальный вид, иллюстрирующий состояние после образования фиксирующих слоев в рамках метода изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства, показанного на ФИГ. 1А;
На ФИГ. 4Е представлен схематичный концептуальный вид, иллюстрирующий состояние после образования гребенчатого электрода в рамках метода изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства, показанного на ФИГ. 1А;
На ФИГ. 5А схематично в плане показано соотношение положений проволочного участка гребенчатого электрода и фиксирующего слоя в электрически нагреваемом каталитическом устройстве согласно одному из вариантов осуществления;
На ФИГ. 5В схематично в плане показано соотношение положений проволочного участка гребенчатого электрода и фиксирующего слоя в электрически нагреваемом каталитическом устройстве согласно Сравнительному примеру;
На ФИГ. 6А в аксонометрии изображена примерная аналитическая модель электрически нагреваемого каталитического устройства согласно Примеру 1;
На ФИГ. 6В в аксонометрии изображена примерная аналитическая модель электрически нагреваемого каталитического устройства согласно Сравнительному примеру 1;
На ФИГ. 7 изображен график, иллюстрирующий зависимость между величиной смещения проволочного участка относительно фиксирующего слоя в Примере 1 и Сравнительном примере 1 и уровнем максимальной нагрузки в фиксирующем слое;
На ФИГ. 8А представлена фотография поперечного сечения области вокруг фиксирующего слоя в Примере 2; а также
На ФИГ. 8В представлена фотография поперечного сечения области вокруг фиксирующего слоя в Сравнительном примере 2.
Раскрытие вариантов осуществления изобретения
[16] Таким образом, электрически нагреваемое каталитическое устройство в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения будет описано ниже со ссылкой на ФИГ. 1А - 3. Далее будет кратко описан способ изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства, изображенного на ФИГ. 1А, со ссылкой на ФИГ. 4А - 4Е.
[17] 1. Электрически нагреваемое каталитическое устройство 1
Электрически нагреваемое каталитическое устройство 1 представляет собой, например, устройство, предназначенное для установки в выхлопном канале автомобиля или иного подобного устройства так, чтобы осуществлять очистку выхлопного газа, выходящего из двигателя. Как показано на ФИГ. 1А, электрически нагреваемое каталитическое устройство 1 содержит носитель 10, базовый слой 4, гребенчатые электроды 5 и фиксирующие слои 6.
[18] Как показано на ФИГ. 1А, носитель 10 представляет собой пористый элемент, выполненный из керамики и имеющий форму цилиндра. Внутренняя часть носителя 10 имеет сотовую структуру 10а, благодаря чему выхлопной газ может проходить через внутреннюю часть носителя 10, в частности, через множество пустот, расположенных вдоль центральной оси CL носителя 10.
[19] Керамика, образующая носитель 10, может представлять собой, например, композитный материал из частиц SiC (карбида кремния) и Si (кремния), или любой иной материал при условии, что он является проводящей керамикой. Кроме того, металлический катализатор, в частности, платина, палладий или родий, нанесен на поверхности стенок, образующих сотовую структуру 10а носителя 10.
[20] Базовый слой 4 для крепления описанных ниже гребенчатых электродов 5 на носителе 10 сформирован на внешней периферийной поверхности 10b носителя 10. Базовый слой 4 предусмотрен между гребенчатыми электродами 5 и носителем 10, а пара гребенчатых электродов 5 закреплена на базовом слое 4 с помощью описанных ниже фиксирующих слоев 6.
[21] В этом варианте осуществления базовый слой 4 представляет собой слой, на котором каждый гребенчатый электрод 5 установлен с возможностью фиксации, а другой базовый слой 4 сформирован на противоположной стороне внешней периферийной поверхности 10b носителя 10 через центральную ось CL (то есть в положении, в котором носитель 10 поворачивается вокруг центральной оси CL на 180°). В частности, каждый базовый слой 4 содержит первый базовый слой 4а, сформированный на внешней периферийной поверхности 10b носителя 10, и второй базовый слой 4b, сформированный на первом базовом слое 4а. Первый базовый слой 4а изготовлен из проводящего керамического материала. В этом варианте осуществления первый базовый слой 4а представляет собой слой композитного материала, состоящего из частиц SiC (карбида кремния) и Si (кремния).
[22] При этом содержание частиц SiC в носителе 10 может быть больше, чем содержание частиц SiC в первом базовом слое 4а. Соответственно, величина сопротивления носителя 10 может превышать таковую у первого базового слоя 4а, что позволяет повысить тепловыделение носителя 10.
[23] При вышеупомянутом соотношении и при условии, что общее содержание частиц SiC (карбида кремния) и Si (кремния), образующих носитель 10, принято равным 100 об. %, содержание SiC (карбида кремния) в носителе 10 может составлять от 65 до 75 об. %. При условии, что общее содержание частиц SiC (карбида кремния) и Si (кремния), образующих первый базовый слой 4а, принято равным 100 об. %, содержание SiC (карбида кремния) в первом базовом слое 4а может составлять от 55 до 65 об. %.
2
2
3
[24] Второй базовый слой 4b содержит диспергированные в нем окисленные минеральные частицы окисленных миералов и представляет собой слой, в котором окисленные минеральные частицы связаны с металлической матрицей. В качестве примера металлической матрицы можно назвать сплав NiCr и сплав MCrAlY (где под М понимают, по меньшей мере, один элемент из группы, состоящей из Fe, Со и Ni). Под окисленными минералами понимают минералы, содержащие в качестве основного компонента оксид, в частности, SiO или АlO, а также, возможно, бентонит, слюду или смесь этих материалов. В этом варианте осуществления второй базовый слой 4b является слоем, поулченным путем распыления смешанного порошка, содержащего смесь частиц сплава NiCr, образующих металлическую матрицу, и частиц бентонита, образующих окисленные минеральные частицы, на поверхность первого базового слоя 4а.
[25] В этом варианте осуществления второй базовый слой 4b имеет минимальную величину сопротивления, первый базовый слой 4а - промежуточную величину сопротивления, а носитель 10 - максимальную величину сопротивления. Следовательно, носитель 10, обладающий максимальной величиной сопротивления, будет легче нагреваться во время протекания через него тока. Кроме того, выполнение второго базового слоя 4b с более низкой величиной сопротивления по сравнению с первым базовым слоем 4а, способствует протеканию тока от гребенчатого электрода 5 через второй базовый слой 4b в окружном направлении D2 носителя 10. Первый базовый слой 4а выполнен так, чтобы величина его сопротивления представляла собой промежуточную величину сопротивления, благодаря чему ток, протекающий через второй базовый слой 4b в окружном направлении D2 носителя 10 (см. ФИГ. 4А), может протекать через носитель 10.
[26] В этом варианте осуществления электрически нагреваемое каталитическое устройство 1 содержит пару проводящих гребенчатых электродов 5, выполненных из проводящего металла, в частности, сплава Fe-Cr (например, из нержавеющей стали), как показано на ФИГ. 1В. Пара гребенчатых электродов 5 расположена на сторонах внешней периферийной поверхности 10b носителя 10, являющихся противоположными относительно центральной оси CL (то есть в положениях поворота носителя 10 на 180° вокруг центральной оси CL). Каждый гребенчатый электрод 5 содержит проксимальную часть 51, проходящую в продольном направлении D1 носителя 10, и несколько проволочных участков 52, проходящих от проксимальной части 51 в окружном направлении D2 носителя 10. Следует отметить, что под продольным направлением D1 понимают направление вдоль центральной линии CL цилиндрического носителя 10. В этом варианте осуществления проксимальная часть 51 изогнута на стороне соединительной клеммы проксимальной части 51, как показано на ФИГ. 1А и 1В. Кроме того, хотя это явно не показано на ФИГ. 1А и 1В, пограничная зона между проксимальной частью 51 и проволочными участками 52 слегка изогнута в направлении, в котором проксимальная часть 51 отходит от внешней периферийной поверхности 10b носителя 10. Соответственно, проксимальная часть 51 не соприкасается с внешней периферийной поверхностью 10b носителя 10.
[27] Как показано на ФИГ. 2 и 3, каждый фиксирующий слой 6 соединен с базовым слоем 4, частично покрывая каждый проволочный участок 52 с его противоположных сторон, благодаря чему проволочный участок 52 крепится к базовому слою 4. То есть, в этом варианте осуществления каждый проволочный участок 52 закреплен на базовом слое 4 (то есть на втором базовом слое 4b) посредством фиксирующего слоя 6. Как показано на ФИГ. 1, множество фиксирующих слоев 6, используемых для фиксации каждого гребенчатого электрода 5, расположено зигзагом вдоль окружного направления D2. Однако фиксирующие слои 6 могут быть также расположены параллельными линиями. Каждый фиксирующий слой 6 изготовлен из материала, указанного в качестве примера материала второго базового слоя 4b. В этом варианте осуществления каждый фиксирующий слой 6 может быть изготовлен из того же материала, что и второй базовый слой 4b.
[28] При этом, рассматривая содержание окисленных минералов (или их частиц), в частности, бентонита, и металла (или металлической матрицы), в частности, сплава NiCr, во втором базовом слое 4b и каждом фиксирующем слое 6, следует отметить, что содержание окисленных минералов (или их частиц) может составлять от 55 до 70 об. % от общего содержания окисленных минералов и металла. Далее, в каждом фиксирующем слое 6 может содержаться меньше металла (или металлической матрицы), чем во втором базовом слое 4b. Соответственно, коэффициент теплового расширения каждого фиксирующего слоя 6 может быть близок к коэффициенту теплового расширения каждого проволочного участка 52, что, в свою очередь, позволяет уменьшить тепловые нагрузки, воздействующие на фиксирующий слой 6 вследствие термической усадки проволочного участка 52.
[29] Кроме того, как показано на ФИГ. 2, каждый фиксирующий слой 6 имеет прямоугольную форму (в частности, правильную прямоугольную форму или по существу прямоугольную форму), если смотреть на внешнюю периферийную поверхность 10b носителя 10 перпендикулярно центральной оси CL носителя 10, проходящей в продольном направлении D1. Хотя каждый фиксирующий слой 6 в этом варианте осуществления обычно имеет квадратную форму, он может также иметь прямоугольную форму.
[30] В частности, из четырех сторон каждого фиксирующего слоя 6 две противоположные первые стороны 61а и 61b прямоугольного фиксирующего слоя 6 расположены параллельно направлению D3 пролегания каждого проволочного участка 52 с противоположных его сторон. Кроме того, две вторые стороны 62а и 62b, соединяющие противоположные концы двух первых сторон 61а и 61b, расположены перпендикулярно направлению D3 пролегания каждого проволочного участка 52. В этом варианте осуществления каждый проволочный участок 52 пролегает в окружном направлении D2 носителя 10. Таким образом, направление D3 пролегания каждого проволочного участка 52 совпадает с окружным направлением D2.
[31] Каждый угол 63 фиксирующего слоя 6, образованный концом первой стороны 61а (61b) и концом второй стороны 62а (62b), в этом варианте осуществления имеет округлую форму, хотя в других вариантах осуществления может быть прямым.
[32] Кроме того, область проволочного участка 52, покрытая фиксирующим слоем 6, может вступать в контакт с базовым слоем 4, если проволочный участок 52 закреплен на базовом слое 4 посредством фиксирующего слоя 6. Тем не менее, в этом варианте осуществления зазор s образован между областью проволочного участка 52, покрытой фиксирующим слоем 6, и базовым слоем 4.
[33] 2. Относительно способа изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства 1
Далее будет кратко описан способ изготовления электрически нагреваемого каталитического устройства 1, изображенного на ФИГ. 1, со ссылкой на ФИГ. 4А - 4Е.
[34] Сначала, как показано на ФИГ. 4А, формируют базовый слой 4 на внешней периферийной поверхности 10b носителя 10, изготовленного из керамики. На этапе формирования базового слоя 4 изготавливают пару базовых слоев 4. В частности, сначала изготавливают носитель 10, содержащий нанесенный на него вышеупомянутый металлический катализатор, после чего на внешнюю периферийную поверхность 10b носителя 10 наносят пастообразный материал, содержащий частицы SiC (карбида кремния) и Si (кремния), диспергированные в этом материале с использованием дисперсионной среды, после чего носитель обжигают с образованием первых базовых слоев 4а и 4а. В данном случае пастообразный материал можно наносить с использованием трафаретной печати. В результате носитель 10 удерживает на себе металлический катализатор.
[35] После этого на первые базовые слои 4а и 4а устанавливают формирующий элемент (не показанный на фигуре), выполненный из металла и содержащий отверстия, соответствующие формам вторых базовых слоев 4b и 4b. Затем порошок, содержащий смесь частиц сплава NiCr и бентонита, распыляют в направлении отверстий, например, методом газопламенного или плазменного распыления, в результате чего сплав NiCr расплавляется и образует вторые базовые слои 4b и 4b.
[36] В дальнейшем, как показано на ФИГ. 4В, электрод 5А, содержащий проксимальную часть 51 и множество проволочных участков 52, отходящих от проксимальной части 51, устанавливают на поверхность базового слоя 4 (то есть на второй базовый слой 4b) таким образом, чтобы проксимальная часть 51 пролегала в продольном направлении D1 носителя 10, а проволочные участки 52 пролегали в окружном направлении D2 носителя 10. В частности, листовой электрод 5А изгибают вдоль поверхности базового слоя 4.
[37] В этом варианте осуществления электрод 5А содержит формы проволочных участков 52 одного из пары гребенчатых электродов 5 и имеет структуру, полученную путем удлинения проволочных участков 52 и их объединения в соединительной части 53. В этом варианте осуществления листовой электрод 5А расположен вдоль поверхности базового слоя 4, причем он вытянут в направлении, в котором проксимальная часть 51 и соединительная часть 53 листового электрода 5А удаляются друг от друга. Избыточные протяженные части проволочных участков 52 и соединительной части 53 обрезают после формирования описанных ниже фиксирующих слоев 6.
[38] В дальнейшем, как показано на ФИГ. 4С, на внешнюю периферийную поверхность 10b носителя 10, на котором расположен электрод 5А, устанавливают формирующий элемент 8. Формирующий элемент 8 содержит прямоугольные отверстия 81, соответствующие форме и расположению фиксирующих слоев 6. Формирующий элемент 8 устанавливают на внешнюю периферийную поверхность 10b таким образом, чтобы проволочные участки 52 электрода 5А были доступны через отверстия 81.
[39] После этого, в состоянии, показанном на ФИГ. 4С, порошковую смесь частиц сплава NiCr и бентонита распыляют в направлении отверстий 81 методом газопламенного или плазменного распыления, например, таким же методом, который был использован для второго базового слоя 4b, что позволяет образовать фиксирующие слои 6. Соответственно, как показано на ФИГ. 4D, фиксирующие слои 6 оказываются сформированы таким образом, что они соединены с базовым слоем 4, частично закрывая проволочные участки 52 после снятия формирующего элемента 8; в результате проволочные участки 52 оказываются закрепленными на базовом слое 4 посредством фиксирующих слоев 6.
[40] Точнее говоря, каждый фиксирующий слой 6 имеет прямоугольную форму (см. ФИГ. 2 и т.п.), если смотреть на внешнюю периферийную поверхность 10b носителя 10 в направлении, перпендикулярном центральной оси CL носителя 10, проходящей в продольном направлении D1. Кроме того, как указано выше, каждый фиксирующий слой 6 сформирован таким образом, чтобы две противоположные первые стороны 61а и 61b прямоугольного фиксирующего слоя 6 проходили параллельно направлению пролегания каждого проволочного участка 52 с противоположных его сторон. Кроме того, каждый фиксирующий слой 6 сформирован таким образом, чтобы две вторые стороны 62а и 62b, соединяющие противоположные концы пары первых сторон 61а и 61b, проходили перпендикулярно направлению D3 пролегания каждого проволочного участка 52.
[41] Кроме того, фиксирующий слой 6 сформирован таким образом, чтобы каждый угол 63 фиксирующего слоя 6, в котором конец первой стороны 61а или 61b соединяется с концом второй стороны 62а или 62b, имел округлую форму, соответствующую форме каждого отверстия 81 формирующего элемента 8 (см. ФИГ. 2 и т.п.). Кроме того, если зазор частично сформирован между базовым слоем 4 и электродом 5А, когда электрод 5А расположен на базовом слое 4, то зазор s образуется между базовым слоем 4 и областью проволочного участка 52, покрытой фиксирующим слоем 6 (см. ФИГ. 3). Зазор s формируют следующим образом. Второй базовый слой 4b представляет собой слой, образованный распылением, и поверхность второго базового слоя 4b содержит образованные данным образом выступы, соответствующие форме частиц бентонита. Поскольку проволочный участок 52 частично соприкасается с выступами, то между ними в состоянии установки электрода 5А на второй базовый слой 4b образуется зазор.
[42] В этом варианте осуществления каждый фиксирующий слой 6 сформирован таким образом, чтобы длина L2 второй стороны 62а (62b) в три раза превышала ширину W каждого проволочного участка 52. Если длина 62а (62b) второй стороны в три и более раз превышает ширину каждого проволочного участка 52, то фиксирующий слой 6 может быть более надежно закреплен на базовом слое 4 на противоположных сторонах проволочного участка 52 даже в ситуации смещения проволочного участка 52.
[43] Избыточные участки (например, протяженные участки проволочных участков 52 и соединительной части 53) отрезают от электрода 5А таким образом, чтобы проволочные участки 52 одного из гребенчатых электродов 5 были зафиксированы на базовом слое 4 посредством фиксирующих слоев 6, как показано на ФИГ. 4Е. После этого, носитель 10 поворачивают вокруг центральной оси CL на 180°, и повторно выполняют последовательность этапов, описанную со ссылкой на ФИГ. 4 В - 4Е, чтобы закрепить другой гребенчатый электрод 5 на базовом слое 4. Соответственно, можно получить электрически нагреваемое каталитическое устройство 1, показанное на ФИГ. 1А и 1В. Наконец, пограничную зону между проксимальной частью 51 и проволочными участками 52 изгибают таким образом, чтобы между проксимальной частью 51 и внешней периферийной поверхностью 10b носителя 10 был образован зазор; кроме того, проксимальную часть 51 загибают на сторону соединительной клеммы проксимальной части 51.
[44] Во время изготовления вышеупомянутого электрически нагреваемого каталитического устройства 1 относительные положения каждого проволочного участка 52 и каждого отверстия 81 формирующего элемента 8 могут быть смещены, когда электрод 5А располагается, как показано на ФИГ. 4В, или когда формирующий элемент 8 располагается, как показано на ФИГ. 4С.
[45] Соответственно, в полученном электрически нагреваемом каталитическом устройстве 1 положение каждого проволочного участка 52 относительно центра С каждого фиксирующего слоя 6 может быть смещено от нормального положения, показанного на средних видах ФИГ. 5А и 5В. При этом, как показано на ФИГ. 5В, при смещении проволочного участка 52 относительно центра С фиксирующего слоя 9, который в сравнительном примере имеет круглую форму, фиксирующий слой 9 будет содержать области, находящиеся в контакте с соответствующими противоположными кромками 52а и 52b проволочного участка 52, имеющими различную контактную длину La и Lb. Например, контактная длина La больше контактной длины Lb на правом виде ФИГ. 5В, и контактная длина La меньше контактной длины Lb на левом виде ФИГ. 5В.
[46] Если значения контактной длины La и Lb фиксирующего слоя различаются, как описано выше, то в области фиксирующего слоя с большей контактной длиной будет подвергаться избыточной нагрузке, что со всей очевидностью следует из приведенных ниже результатов анализа. Такая избыточная нагрузка может привести к образованию трещин в области фиксирующего слоя (см., например, область 9а на ФИГ. 6В), если ток многократно протекает через пару гребенчатых электродов 5.
[47] Тем не менее, как показано на ФИГ. 5А, в этом варианте осуществления противоположные кромки 52а и 52b проволочного участка 52 расположены таким образом, чтобы они были обращены к соответствующим первым сторонам 61а и 61b фиксирующего слоя 6, а вторые стороны 62а и 62b фиксирующего слоя 6 были перпендикулярны направлению D3 пролегания проволочного участка 52. Следовательно, даже если проволочный участок 52 гребенчатого электрода 5 зафиксирован со значительным смещением от центра С прямоугольного фиксирующего слоя 6, как показано на правом или левом виде на ФИГ. 5А, то можно обеспечить равную длину кромок 52а и 52b проволочного участка 52, состоящих в контакте с фиксирующим слоем 6.
[48] Соответственно, согласно настоящему варианту осуществления, нагрузка, приложенная к областям фиксирующего слоя 6, состоящим в контакте с соответствующими противоположными кромками 52а и 52b проволочного участка 52, будет приблизительно одинаковой, что позволит избежать возникновения избыточной нагрузки, обусловленной смещением проволочного участка 52. Следовательно, даже если ток будет многократно протекать через пару гребенчатых электродов 5, можно будет предотвратить растрескивание фиксирующего слоя 6, способного равномерно нагревать носитель 10 через гребенчатые электроды 5.
[49] Кроме того, хотя в углу 63 фиксирующего слоя 6 могут возникать трещины, обусловленные резкими колебаниями температуры, происходящими при многократном протекании тока через гребенчатые электроды 5, в конфигурации с округлой формой угла можно предотвратить образование трещин в углах 63.
[50] Кроме того, как показано на ФИГ. 3, если зазор s сформирован между базовым слоем 4 и областью проволочного участка 52, покрытой фиксирующим слоем 6, то ток протекает через базовый слой 4 от проволочного участка 52 через фиксирующий слой 6. Следовательно, избыточный ток более вероятно будет протекать через области фиксирующего слоя 6, состоящие в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка 52, поэтому тепло генерируется в этих областях, и в них же происходит возможная концентрация нагрузки. Тем не менее, даже в этом случае можно уменьшить подобную концентрацию нагрузки согласно данному варианту осуществления, поскольку контактная длина областей фиксирующего слоя 6, состоящих в контакте с соответствующими противоположными кромками 52а и 52b проволочного участка 52, является одинаковой.
[51] [Примеры]
Далее раскрыты Примеры настоящего изобретения.
[52] (Пример 1)
Термическая нагрузка, приложенная к фиксирующим слоям, служащим для закрепления проволочных участков на электрически нагреваемом каталитическом устройстве, была проанализирована в соответствии с Примером настоящего изобретения. Согласно Примеру 1, аналитические модели, в которых величина Р смещения центра проволочного участка 52 относительно центра фиксирующего слоя 6 равна 0 мм (то есть без смещения), 0,1 мм, 0,2 мм и 0,3 мм, соответственно, сформированы в соответствии с ФИГ. 6А.
[53] В данном случае каждая аналитическая модель получена путем закрепления проволочного участка 52 шириной 0,5 мм и толщиной 0,1 мм на базовом слое 4, содержащем первый базовый слой 4а и второй базовый слой 4b, посредством фиксирующего слоя 6. Фиксирующий слой 6 имел квадратную (или прямоугольную) форму, причем одна сторона фиксирующего слоя 6 имела размер 2 мм, а максимальная толщина фиксирующего слоя 6 от поверхности второго базового слоя 4b составляла 5 мм, причем фиксирующий слой 6 был сформирован частично выступающим в соответствии с толщиной проволочного участка 52, а радиус кривизны каждого округлого угла фиксирующего слоя 6 составлял 0,2 мм. Кроме того, размер зазора s между проволочным участком 52 и базовым слоем 4 был установлен равным 0,1 мм. Аналитическая модель предполагает, что внешняя стенка носителя 10, на которой был сформирован базовый слой 4, имеет плоскую форму.
[54] (Сравнительный пример 1)
Согласно Примеру 1, были сформированы аналитические модели, в которых величина Р смещения центра проволочного участка 52 относительно центра С фиксирующего слоя 9 равна 0 мм (то есть без смещения), 0,1 мм, 0,2 мм и 0,3 мм, соответственно. Сравнительный пример 1 отличается от Примера 1 тем, что фиксирующий слой 9 каждой аналитической модели имеет круглую форму с наружным диаметром 2 мм, как показано на ФИГ. 6В.
[55] <Анализ термической нагрузки и его результаты>
Значения физических свойств материалов, использованных в качестве примера в вышеупомянутом варианте осуществления, приведены для проволочных участков 52, носителя 10, первого базового слоя 4а, второго базового слоя 4b и фиксирующих слоев 6 каждой из аналитических моделей в Примере 1 и Сравнительном примере 1. После этого модели были равномерно нагреты до температуры от 150 до 600°С, и максимальная нагрузка, воздействующае на фиксирующие слои 6, была рассчитана с помощью анализа термических напряжений (ABAQUS, производства Dassault Systemes). На ФИГ. 7 показаны результаты. Уровень максимальной нагрузки по оси ординат на ФИГ. 7, равный 1, отражает уровень, соответствующий максимальной нагрузке, прилагаемой к фиксирующему слою при нулевой величине Р смещения каждой из аналитических моделей (Пример 1 и Сравнительный пример 1).
[56] Максимальная нагрузка в Примере 1 практически не изменялась даже при увеличении величины Р смещения, в то время как максимальная нагрузка в Сравнительном примере 1 увеличивалась с ростом величины Р смещения. В Примере 1 максимальная нагрузка фиксирующего слоя 6 имела место в областях 6а фиксирующего слоя 6, состоящих в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка 52. При этом, в Сравнительном примере 1 максимальная нагрузка фиксирующего слоя 9 имела место в области 9а фиксирующего слоя 9, состоящей в контакте с кромкой проволочного участка 52, имеющей увеличенную контактную длину. Соответственно, можно считать, что, поскольку при использовании прямоугольного фиксирующего слоя, который реализован в Примере 1, контактные длины областей фиксирующего слоя, состоящие в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка 52, можно сделать приблизительно равными, то возможно снизить увеличение максимальной нагрузки, возникающее вследствие смещения проволочного участка 52.
[57] (Пример 2)
Электрически нагреваемое каталитическое устройство, в частности, показанное на ФИГ. 1, содержащее 11 проволочных участков, изготовлено в соответствии с процедурами, показанными на ФИГ. 4А - 4Е. Сначала был изготовлен носитель, содержащий частицы SiC и Si в качестве основных компонентов и имеющий диаметр 80 мм и длину 65 мм, после чего на носитель был нанесен металлический катализатор. Содержание частиц SiC в носителе по отношению к общему содержанию частиц SiC и Si в носителе составило 70 об. %, а содержание частиц Si составило 30 об. % После этого пастообразный материал, содержащий смесь частиц SiC и Si, был нанесен на периферийную поверхность носителя и подвергнут обжигу с образованием первого базового слоя. Содержание частиц SiC в зафиксированном слое по отношению к общему содержанию частиц SiC и Si в фиксирующем слое составило 60 об. %, а содержание частиц Si составило 40 об. %. Первый базовый слой представлял собой пористый слой с толщиной 0,23 мм и пористостью 40 об. % относительно всего первого базового слоя. После этого порошок, предназначенный для распыления и содержащий смесь частиц NiCr сплава Ni-50Cr (32 об. %) и частиц бентонита (68 об. %), был распылен на первый базовый слой методом плазменного напыления с образованием пористого второго базового слоя (см. ФИГ. 4А). Второй базовый слой представлял собой пористый слой с толщиной 0,1 мм и пористостью 10 об. % относительно всего второго базового слоя.
[58] После этого, из нержавеющей стали (Fe-20Cr-5Al) был изготовлен электрод, содержащий 11 проволочных участков шириной 1 мм каждый; электрод был установлен на втором базовом слое, как показано на ФИГ. 4В. После этого, как показано на ФИГ. 4С, электрод был покрыт формирующим элементом с прямоугольными отверстиями размером 3 мм × 3 мм каждое. Затем были сформированы фиксирующие слои с использованием того же метода, который применялся для второго базового слоя. После формирования фиксирующих слоев формирующий элемент был удален, а лишние части обрезаны таким образом, чтобы один из гребенчатых электродов оказался закреплен на базовом слое посредством фиксирующих слоев. Кроме того, носитель 10 был повернут вокруг центральной оси CL на 180°, и второй гребенчатый электрод был закреплен на базовом слое с помощью вышеупомянутых процедур так, чтобы получить электрически нагреваемого каталитического устройства.
[59] (Сравнительный пример 2)
Электрически нагреваемое каталитическое устройство изготовлено в соответствии с Примером 2. Сравнительный пример 2 отличается от Примера 2 тем, что для формирования фиксирующих слоев, каждый из которых имеет диаметр 3 мм, был использован формирующий элемент с круглыми отверстиями диаметром 3 мм каждое.
[60] <Оценочный тест и его результаты>
Электрически нагреваемое каталитическое устройство, изготовленное согласно Примеру 2 и Сравнительному примеру 2, подвергли 2000 циклам теста по многократного протеканию тока через пару гребенчатых электродов, в результате чего температура носителя изменялась в диапазоне 150-900°С. По результатам испытания подтвердилось, что электроды электрически нагреваемого каталитического устройства по Сравнительному примеру 2 имели более низкую проводимость, чем электроды по Примера 2.
[61] Кроме того, из области вокруг фиксирующего слоя в электрически нагреваемом каталитическом устройстве согласно Примеру 2 и Сравнительному примеру 2, после оценочного испытания была вырезана область, в которой проволочный участок смещен от центра фиксирующего слоя на 0,1 мм, и поперечное сечение этой области было исследовано под микроскопом. На ФИГ. 8А и 8В показаны результаты. На ФИГ. 8А показана фотография поперечного сечения области вокруг фиксирующего слоя согласно Примеру 2, а на ФИГ. 8В - фотография поперечного сечения области вокруг фиксирующего слоя согласно Сравнительному примеру 2.
[62] Обнаружилось, что в Примере 2 в фиксирующем слое возникли пустоты, но не возникло трещин, достигающих наружной поверхности фиксирующего слоя из области фиксирующего слоя, состоящей в контакте с проволочным участком, в то время как в Сравнительном примере 2 возникли трещины, достигающие наружной поверхности фиксирующего слоя из области фиксирующего слоя, состоящей в контакте с проволочным участком. Соответственно, считается, что в Сравнительном примере 2 трещины, возникшие в фиксирующем слое, привели к снижению проводимости гребенчатого электрода. В то же время, при наличии прямоугольного фиксирующего слоя, в частности, выполненного согласно Примеру 2, можно снизить увеличение нагрузки, возникающей вследствие смещения проволочного участка и, тем самым, уменьшить растрескивание, поскольку значения контактной длины областей фиксирующего слоя, состоящих в контакте с соответствующими противоположными кромками проволочного участка, можно сделать приблизительно равными.
[63] Несмотря на то, что один из вариантов осуществления настоящего изобретения был подробно раскрыт выше, настоящее изобретение не ограничено этим вариантом осуществления, и различные изменения конфигурации могут быть выполнены без отступления от объема и сущности настоящего изобретения, раскрытых в прилагаемой формуле изобретения.
Перечень ссылочных позиций
[64]
1 Электрически нагреваемое каталитическое устройство
4 Базовый слой
5 Гребенчатый электрод
51 Проксимальная часть
52 Проволочный участок
6 Фиксирующий слой
61а, 61b Первая сторона
62а, 62b Вторая сторона
63 Угол
10 Носитель
10b Внешняя периферийная поверхность.