JP2990797B2 - ハニカムヒータ - Google Patents

ハニカムヒータ

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車用排気ガス浄化用の触媒コンバータ
等に使用される触媒活性のためのハニカムヒータに関す
るものである。
〔従来技術〕
従来、触媒コンバータに設けられるヒータとして、例
えば、USP3770389に、中心電極を中心として、波型形状
のヒータ部が渦巻き状に巻かれたものが記載されてい
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、このような構成では、波型形状の複数のヒー
タが、中心電極を中心に巻かれているために、第17図
（ａ）または第17図（ｂ）の如く、波型状のヒータが重
なり合う箇所が生じてしまい、そのため波型が重なる箇
所においては、波の形状の変形による加熱の不均一化
や、単位面積あたりのヒータ密度の不均一による加熱の
不均一化が生じてしまう。
その対策としては、波型状のヒータの間に平型状のヒ
ータを交互に設けることが考えられるが、単に、波型状
のヒータの間に平型状のヒータを交互に設けただけで
は、中心電極と外周を保持するケースとの間の距離が、
波型状のヒータの方が平型のヒータより長いために、平
型状のヒータの抵抗値が波型状のヒータよりはるかに小
さくなり、ヒータ全体では不均一な発熱が生じてしまう
という問題が生じてしまった。
さらに、この問題を解決するために波型状のヒータの
板厚を薄くしたり、平型状のヒータの板厚を厚くするこ
とが考えられるが、板厚を薄くすると全体の強度が劣
り、板厚を厚くすると、圧力損失の増加を招いてしまう
という問題が生じてしまった。
本発明は、上記問題点を鑑みたものであり、波型形状
のヒータの重なり等によるヒータの変形がなくかつ単位
面積あたりのヒータ面積の大きいハニカムヒータを提供
することを目的とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の第１の特徴は、導電性を有した中心電極と、
導電性を有し通電により発熱する波型形状の第１ヒータ
と、導電性を有し通電により発熱する平型形状の第２ヒ
ータとを具備し、前記第１ヒータと前記第２ヒータとが
交互に半径方向に配置されて該両ヒータの間に流体流路
が形成されるように前記第１ヒータと前記第２ヒータと
が前記中心電極を中心として渦巻き状に巻かれており、
前記第２ヒータの、前記中心電極に導通される一端側か
ら該一端側に対向する他端側までの抵抗値が、前記第１
ヒータの、前記中心電極に導通される一端側から該一端
側に対向する他端側までの抵抗値と略等しくなるように
メッシュ形状に形成されているハニカムヒータである。
かかる第１の特徴によれば、波型形状の第１ヒータと
平型形状の第２ヒータとの組合せにより、従来例のよう
に波部と波部との重なりを無くしヒータの変形を防止す
ることができ、また平型の第２ヒータの採用により単位
当りの発熱面積を大幅に向上させることができる。更
に、平型の第２ヒータの抵抗値を波型の第ヒータの抵抗
値と略同じとなるように該第２ヒータをメッシュ形状と
することにより、第１ヒータと第２ヒータとがほぼ均一
な発熱を可能とする。
第２の特徴は、第１の特徴において、第１ヒータ及び
第２ヒータをそれぞれ複数備え、これら第１ヒータ及び
第２ヒータは交互に前記中心電極の周りに配置された状
態で該中心電極を中心として渦巻き状に巻かれているこ
とを特徴とするものであり、この第２の特徴によっても
上記第１の特徴と同様な効果を奏することができる。
第３の特徴は、第１の特徴又は第２の特徴において、
第１ヒータ及び第２ヒータはそれぞれ電気的に絶縁され
ていることを特徴とするものであり、その結果、各第１
ヒータ及び第２ヒータを十分に発熱させることができ
る。
第４の特徴は、第３の特徴において、第１ヒータ及び
第２ヒータの表面に絶縁皮膜を形成したものであり、こ
れらヒータ間を簡便に絶縁することができる。
第５の特徴は、上記の各特徴のいずれか１つにおい
て、第１ヒータ及び第２ヒータをケース内に収容したも
のであり、脆弱なハニカムヒータの機械的強度をケース
によって向上することができる。
〔実施例〕
以下第１実施例を詳細に説明する。
第１図は、内燃機関から排出されるHC、CO等を触媒に
よる還元作用にて、CO2、H2Oとする触媒コンバータにお
いて、その触媒作用を迅速に作用させるために触媒担体
の上流側にハニカムヒータを設けたシステムの全体図を
示す。
１は直径80mm、長さ30mmのハニカムヒータ、２はこの
ハニカムヒータを保持するケース、３はハニカムヒータ
１の下流側に設けられており、排ガスの通過時におい
て、触媒活性によって、排ガス浄化を行う直径80mm、長
さ75mmの触媒担体、４はハニカムヒータ２の中心に設け
られ、Fe−Cr−Al−希土類金属（REM）よりなる柱状形
状の中心電極であり、この中心電極４とケース２とによ
って、ハニカムヒータ１に電圧を印加させ、発熱を生じ
せしむることができる。５は中心電極４をケース１の略
中心に保持すべく設けられた、Fe−Cr−Al−REMよりな
る支持板である。
ここで、この支持板５の正面図を第２図に示す。第２
図に示されるようにこの支持板５は、中心に設けられた
穴部5aにて中心電極４が固定されるとともに、４方より
伸びる脚5bがケース２と保持部2aにて固定されている。
第３図は、支持板５の穴部5a付近の拡大断面図を示す。
穴部5aにおいて、中心電極４は、中心電極４の一端に形
成されたねじ部4aに螺合され、Fe−Cr−Al−REMよりな
るねじ部材６と中心電極４の段部4bとによって、Fe−Cr
−Al−REMよりなるスペーサ７を介して支持板５を挟持
することによって、支持板５に固定されている。また、
ケース２の保持部2aによって、支持板５がケース２に固
定されている。この保持部2a付近の拡大断面図を第４図
に示す。この保持部2aは、ケース２に例えばろう付け等
によって固着されており、支持板５の脚5bが遊嵌可能の
大きさの凹部を形成している。そして、この保持部2aの
凹部と脚部5bとの間には、ハニカムヒータ１の発熱によ
る支持板５の膨張を吸収するだけの隙間が形成されてい
る。
ここで、再び第１図に従って第１実施例を説明する
と、第１実施例では、中心電極４の支持板５側の一端よ
りリード線８が接続されており、このリード線８はケー
ス２のリード取り出し部９およびスイッチ10を介してバ
ッテリー11の一方側の電極側に接続されている。取り出
し部９は、碍子よりなる穴部を有するものであり、ケー
ス２とリード線８との絶縁を施している。また、バッテ
リー11の他方の電極側は、ケース２に接続されている。
次に本発明のハニカムヒータ１の構成を第５図および
第６図を用いて説明する。
このハニカムヒータ１は、複数の第１ヒータ20と第２
ヒータ21が第５図のように交互に半径方向に配置されて
該両ヒータ20、21の間に流体流路が形成されるように、
中心電極４を中心に渦巻き形状に巻かれることにより構
成されている。
ここで第１ヒータ20は、Crが18〜24wt％、Alが4.5〜
5.5wt％、希土類金属（REM）が0.01〜0.2wt％で残部Fe
からなるFe−Cr−Al組成の箔よりなりハニカムヒータ１
の軸方向に伸びる波型を成している。
また第２ヒータ21は、Crが18〜24wt％、Alが4.5〜5.5
wt％、REMが0.01〜0.2wt％で残部FeからなるFe−Cr−Al
組成よりなる箔より成り、第７図およびその一部拡大図
である第８図の如く、メッシュ状に加工された平板を成
している。
これは、単なる平板の場合であると、中心電極４とケ
ース２間に電圧が印加され、第１ヒータおよび第２ヒー
タを発熱させる場合、第１ヒータ20の中心電極４からケ
ース２までの実質的な長さが、第１ヒータ20が波型形状
を成すために、平板状を成す第２ヒータ21より長い。そ
のため、一端側である中心電極４側から他端側であるケ
ース２側までのそれぞれの抵抗値が第１ヒータ20の抵抗
値より第２ヒータ21の抵抗値よりも大きくなってしま
い、平板状の第２ヒータ21のみの発熱となりやすくなる
というハニカムヒータ１の発熱の不均一化という問題が
生じてしまう。
このように、第１実施例では、第２ヒータ21を第８図
に示す各寸法（SW、Ｗ、ｔ、LW等）を設定したメッシュ
形状とすることによって、第１ヒータ20の中心電極４側
からケース２側までの抵抗値と略同一とすることがで
き、ハニカムヒータ１に電圧を印加した場合でも第１ヒ
ータ20と均一な発熱を促すことを可能としている。
例えば、第１ヒータ20の厚さが0.05mm、長さが第２ヒ
ータ21の1.65倍である場合、第２ヒータ20の厚さが0.05
mmの時、メッシュ形状の各寸法であるSW、Ｗ、ｔ、LWを
規定することによって、単位長さ当たりの抵抗値を第１
ヒータ20の1.65倍とすればよい。
第１実施例では、第１ヒータ20の厚さを0.05mm、波の
高さを1.25mm、波のピッチを2.5mmとし、第２ヒータ21
のメッシュ形状の大きさとして、をSWを0.5〜1mm、Ｗを
1.5〜2.0mm、ｔを0.2mm、LWを1.0〜2mmとすることによ
って、第１ヒータ20の中心電極４側からケース２側まで
の抵抗値と第２ヒータの中心電極４側からケース２側ま
での抵抗値とを略同一とすることができ、ハニカムヒー
タ１に電圧を印加した場合でも全体に均一な発熱を促す
ことを可能としている。
次に、第１実施例のハニカムヒータ１の製造方法を以
下説明する。
第１実施例では、はじめに、中心電極４の外周部に、
波板形状に加工されたFe−Cr−Al組成の第１ヒータ20の
一端およびメッシュ形状に加工された平板形状を成すFe
−Cr−Al組成の第２ヒータ21の一端を、第９図の如く、
交互に接続導通させる。その後、中心電極４を回転させ
ることによって、中心電極４を中心に、第１ヒータ20と
第２ヒータ21とを積層させる。その後、第１ヒータ20、
第２ヒータ21およびケース２を互いにろう付けによって
固定する。
ここで、第１ヒータ20および第２ヒータ21は、中心電
極４とケース２との間を導通可能とするとともに、第１
ヒータ20と第２ヒータ21とが絶縁されていなければいけ
ない。仮に、絶縁されていなければ、中心電極４とケー
ス２内に電圧を印加しても決して十分な発熱は期待でき
ないからである。そのため、第１実施例においては、各
ヒータ20、21は、電気導通を可能とするとともに、表面
の絶縁性の高い材料であるFe−Cr−Al組成の合金材料を
採用した。
この表面の絶縁化の手段としては、800℃〜1200℃
で、１〜10時間加熱することによって、金属表面にAlの
酸化物を堆積させるとによって、表面のみの絶縁を施し
た。もし、それでも充分な絶縁が得られない時には、こ
のヒータ表面に例えば、アルミナゾルを含有した水溶液
を付着させ、800℃〜1200℃の温度で１〜10時間焼成す
る。この焼成によって、アルミナゾルは、アルミナとな
り、強固な皮膜となり、ヒータ表面の絶縁を充分なもの
とすることができる。さらに、この方法でも充分な絶縁
が得られなかった場合には、上記工程を数回繰り返す。
次に、この構成体をγ−Al2O3を含有したスラリー中
に含有し、焼成する。その後、触媒金属を溶解した水溶
液中に含浸して、再度、焼成する。その結果、第１ヒー
タ20と第２ヒータ21との表面には、第10図に示されるよ
うに、γ−Al2O3と触媒金属とが付着する。
ここで、第10図において、22はγ−Al2O3を、23は触
媒金属を示す。
以上の方法により、触媒作用を有するハニカムヒータ
を得ることができる。
この第１実施例の触媒コンバータに、エンジン始動
後、直ちに、10〜12Vで約400〜600Aの電力をハニカムヒ
ータ１に供給した時、20〜40sec（エンジンは、アイド
リング状態）で、ハニカムヒータ１は300℃〜400℃に加
熱され、触媒作用によって、内燃機関より排出される排
ガスを浄化させることができた。
次に、第１実施例における中心電極４、支持板５、ね
じ部材６およびスペーサ７等の電気導通部材をFe−Cr−
Al−REMより構成したが、この合金の特性を第11図に示
す。
第11図は、Cr18〜24wt％、REM1wt％以下でAlの含有量
を種々変化させた時の電気抵抗値の大きさを示すもので
ある。試験品は、1100℃を３時間酸化処理したものを使
用した。試験方法としては、２枚の試験品を10kg/mm2の
圧力を印加したときの各サンプル間の抵抗値の大きさを
測定した。
第11図よりあきらかなように、Fe−Cr−Al−REMから
なる合金は、Alの含有量を増加させるだけで電気抵抗値
を大きくすることができ、十分な絶縁を確保することが
できる。
更に、この合金の表面のみの絶縁処理を行うには、ア
ルミナゾル溶液中に浸漬して後、800〜1200℃の酸化雰
囲気中で１〜10時間焼成すればよく、その場合のAlの含
有量と電気抵抗値の大きさとの関係もまた第11図に示し
た。
また、これら電気導通部材の成形方法として、金属の
溶融物を粉末状に加工した後、その粉末を真空中または
不活性雰囲気中で600〜1000℃で10〜2000kg/mm2の圧力
の条件で、ホットプレスにて所定の形状に加工される。
第２実施例として、第３図に示されるような断面が円
形の触媒担体だけでなく、第12図に示されるように、断
面がレーストラック形状を採用した。ここで、25は第２
実施例のハニカムヒータ、27はケース、30は中心電極、
32は支持板、35は第１ヒータ、40は第２ヒータを示す。
この場合、支持板50の形状は第12図の如くの形状とな
る。また、この場合の製造方法は第13図の如く第１実施
例とほぼ同一である。
第14図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施例を示
す。
第１実施例では、ハニカムヒータの下流側に触媒担体
が設けたが、第３実施例においては、ハニカムヒータの
みとした。
100は、電気導通性を有する、直径80mm、長さ130mmの
円柱状のケースであり、その両端側には、アース極をな
す端板101がケース100に溶接されている。
また、ケース100内には、直径7mmの中心電極102を中
心として渦巻き状に形成された、厚さ0.05mmでFe−Cr−
Al−REMの合金よりなる波板形状の第１ヒータと厚さが
0.15mm、第８図に対応する寸法として、SWが1.0mm、LW
が2.0mm、Ｗが0.20の寸法を有するメッシュ形状を成す
平板の第２ヒータを有している。そして、この第１ヒー
タおよび第２ヒータのケース100外への突き出しを防止
するために、端板101によって両端部を塞いでいる。さ
らに、この端板101は、表面処理を施すことによって表
面のみの絶縁化を可能にするFe−Cr−Alの合金における
Alの含有量が５％のものであり、その表面には第１実施
例と同一の絶縁処理が施されている。
また、この端板101には、上述の中心電極102を中心電
極102の端部にて固定し、中心電極102の回転方向の移動
を防止している。
尚、端板101と中心電極102、第１ヒータ、第２ヒータ
とはそれぞれ、表面の絶縁処理によって絶縁されてい
る。
ここで、第３実施例の触媒コンバータの中心電極102
とケース100との間に10Vで100Aを30秒通電した時の排気
ガス流がない場合の温度分布を第15図に示す。
第15図より明らかなように、第３実施例を採用するこ
とによって、本実施例の構造にすることによって、ヒー
タ部と触媒部とを一体にすることができ、機械的強度の
向上が図れるし、作成方法の簡略を図ることができる。
また、端面部の外周部の温度を上昇させることがで
き、外周部のガスの浄化効率を向上させることができ、
結果的に全体の浄化性能の向上を図ることができる。
第16図（ａ），（ｂ）に本発明の第４実施例を示す。
第４実施例においては、ハニカムヒータ201と触媒担体2
02との構成を同一とすることによって、製造を容易にす
るとともに、従来の触媒担体に比べて、メッシュ状の平
板の採用により、波板の変形の防止および通気抵抗の低
下を実現できた。
前記実施例の構成によれば、同じ板厚であっても、ヒ
ータ全体の均一な加熱を可能とすることができた。
さらに、上記実施例において、平板としてメッシュ形
状を採用したので、ハニカムヒータの通気抵抗の大幅な
低下を促すことができた。さらに、メッシュ形状によ
り、ヒータを通過するガスの流れに乱れを生じさせるこ
とが出来、その結果、ガスをヒータ面に有効に接触させ
ることができ、熱交換を効率よく行うことができる。さ
らに、メッシュ形状の平板とすることにより、従来より
軽量な平板状のヒータとすることができた。
上記実施例では、第２ヒータとして、メッシュ状の箔
を採用したが、単なる板にパンチングによる穴を形成す
ることにより、抵抗値を調節してもよいし、メタルを引
き延ばしたもの、金属を線に加工したものを網の如く織
ってもよい。
上記実施例では、第１ヒータおよび第２ヒータのそれ
ぞれの表面の絶縁の方法は上記の方法に限られるもので
はなく、以下の方法でもよい。
水酸化ナトリウムの溶液の400〜600℃の中に酸化ナト
リウムを０〜20wt％の割合で添加した液を用意する。そ
して、この溶液の中に第１ヒータおよび第２ヒータを0.
05〜２時間浸漬すると各ヒータの表面に酸化物相を析出
させることができる。その後、例えばアルミナゾルを含
有した水溶液を付着させ、上記実施例と同様な方法にて
各ヒータの表面の絶縁を施す。
第１ヒータおよび第２ヒータの表面に、電子ビーム蒸
着、スパッタ等によるAl金属の蒸着を行ったり、Al溶融
中に浸漬してAl金属を0.1〜100μｍ程度体積させた後、
これを800℃〜1200℃の酸化雰囲気中で0.5〜10時間加熱
し、ヒータの表面にアルミナを体積させ、絶縁層を形成
する。
上記方法では、充分な絶縁性を得られない時には、ア
ルミナゾル溶液に浸漬した後、800〜1200℃の大気中で
１〜10時間焼成すると強固なアルミナ皮膜を形成し、各
ヒータの表面の絶縁を施す。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を使用した触媒コンバータの全体図、第
２図は支持板の正面図、第３図は支持板の穴部の拡大断
面図、第４図は支持板とケースとの保持部の拡大断面
図、第５図は本発明のハニカムヒータの正面図、第６図
は本発明のハニカムヒータの一部拡大図、第７図は本発
明の第２ヒータの正面図、第８図は本発明の第１ヒータ
の一部拡大図、第９図は本発明のハニカムヒータの製造
方法を説明する説明図、第10図は第１ヒータの表面拡大
図、第11図はFe−Cr−Al組成の合金材料の特性を示す特
性図、第12図は本発明の第２実施例を示す正面図、第13
図は第２実施例の製造方法を説明する説明図、第14図
（ａ）は本発明の第３実施例を示す正面図、第14図
（ｂ）は本発明の第３実施例を示す断面図、第15図は第
３実施例の効果を示す説明図、第16図（ａ）は本発明の
第４実施例を示す正面図、第16図（ｂ）は本発明の第４
実施例を示す断面図、第17図（ａ）、（ｂ）は従来の構
成を示す一部断面図である。 １……ハニカムヒータ,2……ケース,4……中心電極,20
……第１ヒータ,21……第２ヒータ。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】導電性を有した中心電極と、導電性を有し
    通電により発熱する波型形状の第１ヒータと、導電性を
    有し通電により発熱する平型形状の第２ヒータとを具備
    し、前記第１ヒータと前記第２ヒータとが交互に半径方
    向に配置されて該両ヒータの間に流体流路が形成される
    ように前記第１ヒータと前記第２ヒータとが前記中心電
    極を中心として渦巻き状に巻かれており、前記第２ヒー
    タの、前記中心電極に導通される一端側から該一端側に
    対向する他端側までの抵抗値が、前記第１ヒータの、前
    記中心電極に導通される一端側から該一端側に対向する
    他端側までの抵抗値と略等しくなるようにメッシュ形状
    に形成されていることを特徴とするハニカムヒータ。
  2. 【請求項２】前記第１ヒータ及び前記第２ヒータはそれ
    ぞれ複数備えられており、これら第１ヒータ及び第２ヒ
    ータは交互に前記中心電極の周りに配置された状態で該
    中心電極を中心として渦巻き状に巻かれていることを特
    徴とする請求項（１）に記載のハニカムヒータ。
  3. 【請求項３】前記第１ヒータ及び前記第２ヒータはそれ
    ぞれ電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項
    （１）又は（２）に記載のハニカムヒータ。
  4. 【請求項４】前記第１ヒータ及び前記第２ヒータの表面
    には絶縁皮膜が形成されていることを特徴とする請求項
    （３）に記載のハニカムヒータ。
  5. 【請求項５】前記第１ヒータ及び前記第２ヒータが収容
    されるケースを更に具備することを特徴とする請求項
    （１）〜（４）のいずれか１つに記載のハニカムヒー
    タ。
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