JP2013238116A

JP2013238116A - 流体加熱部品

Info

Publication number: JP2013238116A
Application number: JP2012109692A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Kawaguchi; 竜生川口; Yoshimasa Kondo; 好正近藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-28

Abstract

【課題】内部を流通する流体を加熱するための流体加熱部品を提供する。
【解決手段】ハニカム構造体１は、セラミックスを含む隔壁４によって、一方の端部から他方の端部に貫通する流体の流路となる複数のセルが区画形成されたセル構造部８と、セル構造部８の外周に設けられ、外部との境界を形成する外周壁７と、を備える。加熱体１０は、ハニカム構造体１の外部に配置され、ハニカム構造体１の外部からハニカム構造体１の内部を流通する流体を加熱する。そして、ハニカム構造体１は、自身が発熱することなく、加熱体１０の熱を内部を流通する流体に伝導する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、エンジン冷間時の摩擦損失を低減したり、排ガス浄化を行ったりするための流体加熱部品に関する。例えば、冷却水やオイル類を早期に昇温する手段、排気ガスを加熱する手段として用いることができる流体加熱部品である。

自動車の燃費改善が求められており、エンジン始動時などのエンジンが冷えているときの燃費悪化を防ぐため、冷却水やエンジンオイル、ＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）等を早期に暖めて、フリクション（摩擦）損失を低減する、あるいは、排ガス浄化用触媒を早期に活性化するために排ガスを加熱するシステムが期待されている。

例えば、特許文献１には、ＳｉＣを主成分とするセラミック製のハニカム構造体に通電することで、ハニカム構造体自体を発熱させ、ハニカム構造体内を通過する排ガスを加熱する通電発熱用ハニカム構造体が記載されている。これ以外にも、ＳｉＣを主成分とするセラミック製ハニカム構造体自体を通電により発熱させる流体加熱部品の例は多い。いずれも、内部を流通する流体と効率よく接触させるのに好適なハニカム構造体であることと、ハニカム構造体自体が発熱することを特徴としている。

特開２０１０−２２９９７６号公報

しかしながら、通電によりハニカム構造体自体を加熱する方式では、ハニカム構造体全体を均一に発熱させるためには、ハニカム構造体全体の電気抵抗分布と熱伝導率を適切に制御する必要がある。また、発熱によって生じる熱歪や通電による電気的な歪によってクラック等を生じやすいという問題もある。さらに、内部を流通する流体が導電性の場合には、短絡防止のためにセル壁面に絶縁処理を施す必要があるが、信頼性やコストの課題がある。

本発明は、上記のようなハニカム構造体自体が発熱と熱伝達の機能を兼ねることによる問題点を解決すべくなされたものであり、本発明の課題は、内部を流通する流体を加熱するための流体加熱部品を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、セラミックスのハニカム構造体と、その外部に配置された加熱体とを含む流体加熱部品が提供される。

［１］セラミックスを含む隔壁によって、一方の端部から他方の端部に貫通する流体の流路となる複数のセルが区画形成されたセル構造部と、前記セル構造部の外周に設けられ、外部との境界を形成する外周壁と、を備えたハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の外部に配置され、前記ハニカム構造体の前記外部から前記ハニカム構造体の内部を流通する前記流体を加熱する加熱体と、を含み、前記ハニカム構造体は、発熱しない流体加熱部品。

［２］前記ハニカム構造体は、ＳｉＣを主成分とする緻密質のセラミックスである前記［１］に記載の流体加熱部品。

［３］前記ハニカム構造体の熱伝導率が、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である前記［１］または［２］に記載の流体加熱部品。

流体加熱部品は、ハニカム構造体の外部に発熱体を有することにより、内部を流通する流体を安定して加熱することができる。

本発明の流体加熱部品の軸方向に平行な断面で切断した断面図である。本発明の流体加熱部品の軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。流体加熱部品を構成するハニカム構造体の斜視図である。比較例を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。比較例を示す、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１Ａおよび図１Ｂに、本発明の流体加熱部品２０の一実施形態を示す。流体加熱部品２０は、ハニカム構造体１と加熱体１０とを含む。ハニカム構造体１は、セラミックスを含む隔壁４によって、一方の端部から他方の端部に貫通する流体の流路となる複数のセル３が区画形成されたセル構造部８と、セル構造部８の外周に設けられ、外部との境界を形成する外周壁７と、を備える。加熱体１０は、ハニカム構造体１の外部に配置され、ハニカム構造体１の外部からハニカム構造体１の内部を流通する流体を加熱する。そして、ハニカム構造体１は、自身が発熱することなく、加熱体１０の熱を内部を流通する流体に伝達する。

ハニカム構造体１は、セラミックスで筒状に形成され、軸方向の一方の端面２から他方の端面２まで貫通する流体の流路を有するものである。ハニカム構造体１は、隔壁４を有し、隔壁４によって、流体の流路となる多数のセル３が区画形成されている。隔壁４を有することにより、ハニカム構造体１の内部を流通する流体からの熱を効率よく集熱し、外部に伝達することができる。

本発明の流体加熱部品２０では、ハニカム構造体１がセラミックスを主成分とすることが好ましく、セラミックスを主成分とすることにより、隔壁４や外周壁７の熱伝導率が高まり、その結果として、隔壁４や外周壁７を介在させた熱伝達を効率良く行わせることができる。なお、本明細書にいうセラミックスを主成分とするとは、セラミックスを５０質量％以上含むことをいう。

ハニカム構造体１は、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）が主成分であることが好ましい。ＳｉＣを主成分とすることにより、ハニカム構造体１は、熱伝導性、耐熱性、耐食性に優れる。なお、主成分とは、ハニカム構造体１の５０質量％以上が炭化珪素であることを意味する。

さらに具体的には、ハニカム構造体１の材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＳｉＣ等を採用することができる。ただし、多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないことがあるため、高い熱伝導率を得るためには、緻密質（気孔率２０％以下）とすることが好ましく、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することが好ましい。ＳｉＣは、熱伝導率が高く、放熱しやすいという特徴を有するが、Ｓｉを含浸するＳｉＣは、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、伝熱部材として十分な強度を示す。例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）の多孔体の場合、２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるが、緻密質とすることにより、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度とすることができる。

ハニカム構造体１のセル３の軸方向に垂直な断面のセル形状としては、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形その他の多角形等の中から所望の形状を適宜選択すればよい。

ハニカム構造体１のセル密度（即ち、単位断面積当たりのセルの数）については特に制限はなく、ハニカム構造体１の構造強度の観点等、目的に応じて適宜設計すればよいが、２５〜２０００セル／平方インチ（４〜３２０セル／ｃｍ^２）の範囲であることが好ましい。セル密度を２５セル／平方インチ以上とすることにより、隔壁４の強度、ひいてはハニカム構造体１自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分なものとすることができる。また、２０００セル／平方インチ以下とすることにより、熱媒体が流れる際の圧力損失が大きくなることを防止することができる。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の厚さ（壁厚）についても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はないが、壁厚を０．１〜１ｍｍとすることが好ましく、０．２〜０．５ｍｍとすることが更に好ましい。壁厚を０．１ｍｍ以上とすることにより、機械的強度を十分なものとし、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、１ｍｍ以下とすることにより、流体の圧力損失が大きくなることを防止することができる。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすることにより、隔壁４を十分な強度とし、第一流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損することを防止することができる。また、５ｇ／ｃｍ^３以下とすることにより、ハニカム構造体１を軽量化することができる。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体１を強固なものとすることができ、熱伝導率を向上させる効果も得られる。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の気孔率は、２０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。本明細書では、気孔率が２０％以下を緻密質とよぶことにする。気孔率をこの範囲とすることにより、ハニカム構造体１の強度を確保することができるとともに、熱伝導率を向上させることができる。なお、気孔率は、アルキメデス法により測定した値である。

ハニカム構造体１は、熱伝導率が、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましい。さらに好ましくは、１２０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋ、最も好ましくは、１５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋである。この範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、効率的にハニカム構造体１内へ熱を伝達させることができる。

ハニカム構造体１の外形は、円筒状（円柱状）に限らず、軸（長手）方向に垂直な断面が楕円形であってもよい。また、ハニカム構造体１の外形は、角柱状、すなわち、軸（長手）方向に垂直な断面が、四角形、またはその他の多角形であってもよい。

ハニカム構造体１の外形が円筒状（円柱状）の場合、軸（長手）方向に垂直な断面の直径は、限定されるものではないが、外部の加熱体１０からの熱を効率よく内部の流体に伝達するためには、３００ｍｍ以下であることが好ましく、２００ｍｍ以下であることがより好ましい。

ハニカム構造体１のアイソスタティック強度は、１ＭＰａ以上が望ましく、５ＭＰａ以上がさらに望ましい。アイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格（ＪＡＳＯ規格）Ｍ５０５−８７で規定されている方法に基づいて測定したものである。アイソスタティック破壊強度試験は、ゴムの筒状容器にハニカム構造体１を入れてアルミ製板で蓋をし、水中で等方加圧圧縮を行う試験である。

本発明の流体加熱部品２０では、排ガスを流す場合、ハニカム構造体１の隔壁４に触媒を担持させることが好ましい。このように隔壁４に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯやＮＯ_ｘやＨＣなどを触媒反応によって無害な物質にすることが可能になる。本発明の流体加熱部品２０に用いる触媒としては、貴金属（白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、及び金）、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、銅、亜鉛、スズ、鉄、ニオブ、マグネシウム、ランタン、サマリウム、ビスマス及びバリウムからなる群から選択された元素を少なくとも一種含有すると良い。ここに挙げた触媒は、金属、酸化物、およびそれ以外の化合物であっても良い。

流体が通過するハニカム構造体１のセル３の隔壁４に担持される触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、１０〜４００ｇ／Ｌであることが好ましく、貴金属であれば０．１〜５ｇ／Ｌであることが更に好ましい。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすると、触媒作用が発現しやすい。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失を抑え、製造コストの上昇を抑えることができる。

次に加熱体１０について説明する。加熱体１０は、発熱し、ハニカム構造体１を外側から加熱するものである。加熱体１０としては、ハニカム構造体１を加熱することができるものであれば、限定されないが、例えば、ヒーター等を用いることができる。ヒーターとしては、例えば、抵抗加熱式ヒーター、高周波加熱式ヒーター、ガスバーナー等の燃焼式ヒーター等を用いることができる。図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態においては、加熱体１０に電力供給することにより発熱させるための電極３２が設けられている。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、加熱体１０は、ハニカム構造体１の外周壁７を取り囲む形状で備えられていることが好ましい。効率的に加熱するために、ハニカム構造体１の外周壁７をできるだけ広く取り囲むことが好ましく、外周壁７の全面を取り囲むことがより好ましい。このように構成することにより、安定して内部を流通する流体を加熱することができる。また、ハニカム構造体１の外周壁７と加熱体１０との間には、加熱時の熱応力や機械的応力等を緩和するために緩衝材を配置することが望ましい。あるいは、加熱体１０に電気を用いる場合には、ハニカム構造体１の外周壁７と加熱体１０との間に、絶縁材を配置する、または絶縁を確保するための隙間を設けることが望ましく、使用する加熱体１０の形態に応じて、信頼性、安全性を確保するための構造とすることが望ましい。さらに、加熱体１０の外側に断熱材を配置し、熱損失を低減する構造とすることも好ましい。図１Ａおよび図１Ｂは、ハニカム構造体１の外周壁７と加熱体１０との間に隙間が設けられている実施形態である。

上記のような流体加熱部品２０は、流体が、ハニカム構造体１の各セル３内を、セル３外に漏洩・混合することなく流通することが好ましい。つまり、あるセル３内を流れる流体が、隔壁４を通って他のセル３に漏洩することはないようにハニカム構造体１が形成されていることが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
［ハニカム構造体の製造］
Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体１を以下のように作製した。まず、所定量のＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶剤などを混練した成形用原料を、所望の形状に押し出し、乾燥させてハニカム成形体を得た。次いで、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Ｓｉを含浸させた。このようにして作製したハニカム構造体１は、ＳｉＣ粒子の隙間に金属Ｓｉが充填された緻密質の材料となっており、熱伝導率が約１５０Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導性を示した。ハニカム構造体１の形状は、直径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、セル構造部８は、隔壁の厚み約０．５ｍｍ、セルピッチ約３．６ｍｍであった。

［流体加熱部品の作製］
ハニカム構造体１の外周に通常の抵抗加熱式ヒーター（加熱体１０）を配置し、ハニカム構造体１の外周壁７の壁面を加熱することで、内部のセル構造部８に熱を伝達する、流体加熱部品２０を作製した（図１Ａおよび図１Ｂ参照）。なお、抵抗加熱式ヒーターの外側には断熱材を配置し、熱損失を低減する構造とした。

［加熱性能試験］
ハニカム構造体１の両端に配管を接続し、内部に流体として水を流通させた状態で、抵抗加熱式ヒーターの出力を上げながら出口温度を計測した。抵抗加熱式ヒーターの出力に対応して出口温度が安定して上昇し、出口温度約９９℃においても安定して加熱することが可能であった。さらに抵抗加熱式ヒーターの出力を上げるとハニカム構造体１の出口付近で水沸騰による気泡が見られたが安定した加熱状態が維持された。

同様に、ハニカム構造体１の内部に流体としてオイルを流通させた状態で、抵抗加熱式ヒーターで加熱したところ、出口温度約１５０℃においても安定しており、オイルの酸化劣化等の兆候は見られなかった。

（比較例１）
［通電発熱用ハニカム構造体の製造］
所定量のＳｉＣ粉末、Ｓｉ粉末、バインダー、水又は有機溶媒などを混練した成形用原料を、所望の形状に押し出し、乾燥させてハニカム成形体を得た。次いで、不活性雰囲気下、約１４３０℃で焼成してハニカム構造体を得た。次いで、ハニカム構造体の外周壁面に、通電用の電極３２を備えた電極構造を形成し、通電発熱用ハニカム構造体３１（図３Ａおよび図３Ｂ参照）を製造した。

［加熱性能試験］
通電発熱用ハニカム構造体３１の両端に配管を接続し、内部に流体として水を流通させた状態で、通電発熱用ハニカム構造体３１の外周壁７の壁面の電極３２に通電したところ、セル３内の水の影響で絶縁が低下し、安定して発熱させることができなかった。

また、通電発熱用ハニカム構造体３１の内部に流体としてオイルを流通させた状態で、通電発熱用ハニカム構造体３１の外周壁７の壁面の電極３２に通電したところ、絶縁低下は起こらず発熱が可能であったが、通電発熱用ハニカム構造体３１内で発熱状態のばらつきが大きく、局所的に過熱した部分ではオイルが酸化劣化するなどの問題があり、安定した動作が困難であった。

本発明の流体加熱部品は、内部を流通する流体を加熱するための部品として使用することができる。

１：ハニカム構造体、２：（軸方向の）端面、３：セル、４：隔壁、７：外周壁、８：セル構造部、１０：加熱体、２０：流体加熱部品、３１：通電発熱用ハニカム構造体、３２：電極。

Claims

セラミックスを含む隔壁によって、一方の端部から他方の端部に貫通する流体の流路となる複数のセルが区画形成されたセル構造部と、前記セル構造部の外周に設けられ、外部との境界を形成する外周壁と、を備えたハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の外部に配置され、前記ハニカム構造体の前記外部から前記ハニカム構造体の内部を流通する前記流体を加熱する加熱体と、
を含み、
前記ハニカム構造体は、発熱しない流体加熱部品。
前記ハニカム構造体は、ＳｉＣを主成分とする緻密質のセラミックスである請求項１に記載の流体加熱部品。
前記ハニカム構造体の熱伝導率が、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１または２に記載の流体加熱部品。