JP3040510B2 - ハニカムヒーター - Google Patents

ハニカムヒーター

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    • Y10S55/00—Gas separation
    • Y10S55/30—Exhaust treatment

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数個のハニカム構造
要素を電気的に直列に連結したハニカムヒーターに関す
る。これらは温風ヒーターなどの民生用ヒーター、自動
車の排気ガス浄化用のプレヒーター等の工業用ヒーター
として好適に使用できる。
【０００２】
【従来の技術】最近になり、自動車等の内燃機関から排
出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯX ）、一酸化炭
素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化するための触媒、
触媒担体等として、従来公知の多孔質セラミックハニカ
ム構造体のほかに、金属ハニカム構造体が注目を集める
ようになってきた。
【０００３】一方、排ガスの規制強化に伴ない、コール
ドスタート時のエミッションを低減するヒーター等の開
発も切望されている。このようなハニカム構造体とし
て、例えば特公昭５８−２３１３８号公報、及び実開昭
６３−６７６０９号公報に記載のものが提案されてい
る。
【０００４】特公昭５８−２３１３８号公報には、フォ
イルタイプの金属ハニカム構造物が示されている。この
ハニカム構造物は、平板を機械的に変形して波形としこ
れを平板とともに巻き上げて金属基体としているもので
ある。そして、金属基体の表面を酸化処理して酸化アル
ミニウム被膜を形成し、この被膜にアルミナ等の高表面
積酸化物を担持し、さらに貴金属等を含浸させて、自動
車排ガス浄化用の触媒としているものである。
【０００５】さらに実開昭６３−６７６０９号公報に
は、メタル担体にアルミナをコートした電気通電可能な
メタルモノリス触媒をプレヒーターとして使用すること
が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題］】しかしながら、特公
昭５８−２３１３８号公報に記載のフォイルタイプの金
属ハニカム構造物においては、被膜を形成した金属基体
の多孔性が乏しいため触媒層との密着性が弱く、かつセ
ラミックたる触媒と金属製基体との熱膨張差により触媒
が剥離し易いという欠点がある。また運転サイクル中
に、メタル−メタル接合部が剥離しガス流れ方向に凸部
に変形するというテレスコープ現象が発生し易く、運転
上重大な支障となる場合があり、さらにフォイルタイプ
の金属ハニカム製造ではフォイルの圧延歩留が低く、製
造コストが高くなるという問題がある。また実開昭６３
−６７６０９号公報のプレヒーターも特公昭５８−２３
１３８号公報と同様に、アルミナとメタル担体との熱膨
張差等により触媒が剥離し易いという欠点があると同時
に、運転中に金属基体のメタル−メタル接合部が剥離
し、絶縁部ができて電流ムラが生じ、不均一な発熱を生
ずるという問題がある。
【０００７】さらに、実開昭６３−６７６０９号公報の
プレヒーターは、単にフォイルタイプのメタルハニカム
構造体の内周から外周へ通電し発熱させるものであっ
て、その抵抗が調整されておらず（即ち、材質、寸法、
リブ厚で規定されるのみで、所望の抵抗が調節されてい
ない）、昇温特性が不十分であるばかりでなく、内周部
に電極を設けているため、中心部が触媒として作用せ
ず、しかも圧力損失の原因となるという問題がある。更
に、ガス流によって電極が脱離し易くなるという欠点が
ある。
【０００８】そこで、かかる問題を解決するために、本
出願人は、先にハニカム構造体に通電のための少なくと
も２つの電極を設けるとともに、電極間に抵抗調節機構
を有するヒーターを提案した（特願平２−９６８６６
号）。本発明はこのヒーターの更なる改良を提供するも
のである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、通電により発熱する金属質材料からなり、隔壁によ
り仕切られ、ガス流れ方向に対して平行に延びる多数の
貫通孔を有する複数個のハニカム構造要素を、該ハニカ
ム構造要素より抵抗の小さい導電性プレートにて直列に
連結して一体とし、かつ通電のための少なくとも２つの
電極を設けたことを特徴とするハニカムヒーター、が提
供される。
【００１０】
【作用】本発明は、多数の貫通孔を有するハニカム構造
要素を、複数個、所定の導電性プレートで電気的に連結
して一体としたハニカムヒーターである。即ち、ハニカ
ム構造を有する要素部材を電気的に直列又は並列に連結
し、抵抗調節することにより、発熱性を制御するととも
に、機械的強度が向上したヒーターを得ることが可能と
なる。
【００１１】又、上記のハニカム構造要素としては、粉
末原料をハニカム状に成形し焼結させて作製することが
好ましい。この場合には、いわゆる粉末冶金および押出
成形法を用いて作製することが好ましく、工程が簡略で
低コスト化が図れる利点がある。
【００１２】本出願人の先願である特願平２−９６８６
６号のヒーターは、ハニカム構造体（モノリスハニカ
ム）にスリットを設けて電極間の抵抗を調節するもので
あるが、この場合には、図５〜図６に示すように、スリ
ット２の外側に非発熱部３が存在するため、非発熱部３
を通過する排ガスは浄化されにくく、またヒーターの曲
がり、変形がある場合、スリット加工が難しくなる等、
製造上の問題もある。
【００１３】そこで、本発明のハニカムヒーターでは、
ハニカム構造要素間の連結を、導電性プレートにより行
なうことで、上記の問題を解決したものである。このよ
うにハニカムヒーターを形成することにより、非発熱部
を有さないのでコンパクトなヒーターとすることがで
き、ハニカム構造要素は比較的小さく作成できるため、
製造時の形状精度が良く、必要によっては、要素作成時
に外面の加工によって、さらに形状精度の優れたハニカ
ム構造要素を作成できるため、寸法精度の優れた一体ハ
ニカムを組立てることができる。更に、モノリスハニカ
ムに対してスリットを加工することがなくなり、電極間
抵抗のバラつきも小さくすることができる。
【００１４】本発明の一例を図面に基づき説明すると、
図１に示すように、所定の形状を有する（図１では直方
体）ハニカム構造要素１０を６個組合せ、各々を電気的
に直列となるように、かつ各ハニカム構造要素１０の間
を貫通孔径より小さい間隙１６で、接続プレート１１に
より連結し、電気的に両端のプレート１１に電極１３を
設置したものである。間隙１６は貫通孔径より小さくす
る必要性は必ずしもないが、間隙１６からの排ガスの吹
き抜けを防止するため、貫通孔径より小さくすることが
好ましい。なお、図において矢印は電流の流れ方向を示
す。また、貫通孔（セル）の配列は、１４として示すよ
うに貫通孔隔壁とプレート１１が平行または直角方向と
なるように設ける場合（貫通孔隔壁と間隙１６が平行ま
たは直角方向となる場合も同様）であっても、１５とし
て示すように貫通孔隔壁とプレート１１が平行、直角方
向でなく、所定角度傾きを有するように配置してもよ
い。
【００１５】また、図１はガス流れ方向に対して間隙１
６が平行となるように配置した場合であり、一方、図４
はガス流れ方向に対して間隙１６が直角となるように配
置した場合である。導電性プレート１１の材質としては
特に制限されないが、ハニカム構造要素１０と同一材料
とすることが、機械的強度が大きく製造が容易で好まし
い。プレート１１の厚さは、ハニカム構造要素１０の抵
抗よりも小さな抵抗になるように、その材質をも考慮し
て決定する。一般に１mm〜５mmのプレート厚さを持つこ
とが機械的強度の点で好ましい。
【００１６】図１は６個のハニカム構造要素を直列につ
ないだハニカムヒーターの例を示すが、例えば複数個の
ハニカム構造要素を導電性プレートで連結し、得られた
ハニカム構造要素をさらに導電性プレートで連結する
等、ハニカム構造要素を直列、並列を組合せて種々の形
態に組立てることができる。また、図１には外形が四角
のハニカムヒーターの例が示されているが、円、楕円等
所望の形状に組立てることができる。
【００１７】さらに、ハニカム構造要素とプレートの接
続方法としては、従来公知の溶接、ろう付等の方法を用
いることができるが、ハニカム構造要素の乾燥体または
焼結体に、ハニカム構造要素と同一材料からなるプレー
ト（乾燥体または焼結体）を接着させ、焼結することに
よって一体的に組立てることが、機械的強度、耐熱性、
耐震性の点で好ましい。特に、乾燥体のハニカム構造要
素にプレートの乾燥体を接着させ焼結する方法が、工程
が簡単で寸法精度が良く好ましい。なお、本発明のハニ
カムヒーターは、金属質ハニカム構造体の隔壁及び気孔
の表面をＡｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 等の耐熱性金属酸化物
で被覆することが耐熱性、耐酸化性、耐食性が向上し好
ましい。
【００１８】本発明におけるハニカム構造要素の構成材
料としては、通電により発熱する材料からなるものであ
れば制限はないが、金属質が機械的強度が高いため好ま
しい。この場合、例えばステンレス鋼やＦｅ−Ｃｒ−Ａ
ｌ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｗ−Ｃｏ、
Ｎｉ−Ｃｒ等の組成を有する材料からなるものが挙げら
れる。上記のうち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆ
ｅ−Ａｌが耐熱性、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ安価
で好ましい。さらに、フォイルタイプに形成したもので
もよい。
【００１９】本発明のハニカム構造要素は、多孔質であ
っても非多孔質であってもよいが、触媒を担持する場合
には、多孔質のハニカム構造要素が触媒層との密着性が
強く熱膨張差による触媒の剥離が生ずることがほとんど
ないことから好ましい。
【００２０】次に、本発明のハニカム構造要素の製造例
を説明する。まず、所望の組成となるように、例えばＦ
ｅ粉末、Ａｌ粉末、Ｃｒ粉末、又はこれらの合金粉末な
どにより金属粉末原料を調製する。次いで、このように
調製された金属粉末原料と、メチルセルロース、ポリビ
ニルアルコール等の有機バインダー、水を混合した後、
この混合物を所望のハニカム形状に押出成形する。
【００２１】なお、金属粉末原料と有機バインダー、水
の混合に際し、水を添加する前に金属粉末にオレイン酸
等の酸化防止剤を混合するか、あるいは予め酸化されな
い処理を施した金属粉末を使用することが好ましい。次
に、押出成形されたハニカム成形体を、乾燥後、非酸化
雰囲気下１０００〜１４００℃で焼成する。ここで、水
素を含む非酸化雰囲気下において焼成を行なうと、有機
バインダーがＦｅ等を触媒にして分解除去し、良好な焼
結体を得ることができ、好ましい。
【００２２】焼成温度が１０００℃未満の場合、成形体
が焼結せず、焼成温度が１４００℃を超えると得られる
焼結体が変形するため、好ましくない。次に、得られた
ハニカム構造要素を複数個上述の如く組立て、接続プレ
ートで連結して、一体ハニカムとする。なお、望ましく
は、次いで、得られた焼結体の隔壁及び気孔の表面を耐
熱性金属酸化物で被覆する。この耐熱性金属酸化物によ
る被覆方法としては、下記の方法が好ましいものとして
挙げられる。
【００２３】金属ハニカム構造体を酸化雰囲気中７０
０〜１２００℃で熱処理する。 Ａｌ等を焼結体の隔壁及び気孔の表面にメッキ（例え
ば気相メッキ）し、酸化雰囲気中７００〜１２００℃で
熱処理する。 Ａｌ等の金属溶湯中に浸漬し、酸化雰囲気中７００〜
１２００℃で熱処理する。 アルミナゾル等を用い焼結体の隔壁及び気孔の表面に
被覆し、酸化雰囲気中７００〜１２００℃で熱処理す
る。
【００２４】尚、熱処理温度は、耐熱性、耐酸化性の点
で９００〜１１５０℃とすることが好ましい。上記の場
合には、焼結ハニカム構造要素を一体化したが、乾燥後
焼結前に接続プレートで連結して、一体ハニカムとする
こともできる。
【００２５】上記のようにして得られた一体ハニカム
は、電気的に両端である接続プレートに、ろう付け、溶
接などの手段によって電極を設けることにより、本発明
のハニカムヒーターが作製される。このハニカムヒータ
ーは、全体としてその抵抗値が０．００１Ω〜０．５Ω
の範囲となるように形成することが好ましい。
【００２６】また、上記のハニカムヒーターの表面にさ
らに触媒を担持させることにより、排気ガスの浄化反応
（酸化反応熱等）による温度上昇が期待できるため好ま
しい。ハニカムヒーターの表面に担持する触媒は、大き
な表面積を有する担体に触媒活性物質を担持させたもの
である。ここで、大きな表面積を有する担体としては、
例えばＡｌ2 Ｏ3 系、ＴｉＯ2 系、ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ
3 系などやペロブスカイト系のものが代表的なものとし
て挙げられる。触媒活性物質としては、例えばＰｔ、Ｐ
ｄ、Ｒｈ等の貴金属、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の卑金
属などを挙げることができる。上記のうち、γ−Ａｌ2
Ｏ3 系にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈを１０〜１００ｇ／ｆｔ3 担
持したものが好ましい。
【００２７】本発明におけるハニカム構造要素のハニカ
ム形状としては特に限定はされないが、具体的には、例
えば６〜１５００セル／Ｉｎ2 （０．９〜２３３セル／
ｃｍ2 ）の範囲のセル密度を有するように形成すること
が好ましい。又、隔壁の厚さは５０〜２０００μｍの範
囲が好ましい。
【００２８】また、上記したようにハニカム構造要素は
多孔質であっても非多孔質もよくその気孔率は制限され
ないが、０〜５０％、好ましくは２５％未満の範囲とす
ることが強度特性、耐酸化性、耐食性の面から望まし
い。また、触媒を担持する場合には、触媒層との密着性
の点から５％以上の気孔率を有することが好ましい。
【００２９】尚、本発明においてハニカム構造要素と
は、隔壁により仕切られた多数の貫通孔を有する一体構
造をいい、その外形は矩形のほか、円柱形、楕円形など
とすることができ、また、例えば貫通孔の断面形状（セ
ル形状）は円形、多角形、コルゲート形等の各種の任意
な形状が使用できる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく
説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるもので
はない。
【００３１】（実施例１）試料Ａの製造：Ｆｅ−２０Ｃ
ｒ−５Ａｌ（重量％）の組成になるように、Ｆｅ粉、Ｆ
ｅ−Ｃｒ粉、Ｆｅ−Ａｌ粉を配合し、これに有機バイン
ダー（メチルセルロース）と酸化防止剤（オレイン
酸）、水を添加して坏土を調製しこれを押出成形し、乾
燥後、図２に示す如き、リブ厚７mil 、セル密度２３０
個／平方インチの正方形セルを持った断面８０mm×１０
mm、厚さ３０mmのハニカム乾燥体を作成し、次にＨ2 雰
囲気で焼成することにより、断面６７mm×８．４mm、厚
さ２５mmのハニカム構造要素１０を得た。
【００３２】次いで、図３に示すように、このハニカム
構造要素１０を６個それぞれの端面を研削加工した後、
図１のように接続プレート１１として、厚さ２mmのＳＵ
Ｓ３０４ステンレスプレートをＮｉろう材箔（ＢＮｉ−
３）を挟んで、各ハニカム構造要素１０を電気的に直列
となるようにセットした後、真空炉にて１１００℃で５
分間真空ろう付けを行ない、ハニカム部が６７mm×４７
mm×２５mm（厚さ）のハニカム構造体１２を得た。ここ
で、正方形セルの配列は、貫通孔隔壁とプレート１１が
平行または直角方向となるように設けた。
【００３３】次いで、このハニカム構造体１２にγ−Ａ
ｌ2 Ｏ3 を被覆コートした後、貴金属Ｐｔ、Ｐｄを３０
ｇ／ｆｔ3 、６ｇ／ｆｔ3 担持し、６００℃にて焼成す
ることにより、触媒を担持したハニカム構造体１２を
得、その後電極１３を２ヶ所セットし、ヒーター触媒Ａ
とした。
【００３４】試料Ｂの製造：上記した試料Ａと同一の材
料を用い、同一の成形・乾燥・焼成工程にて、７７mm×
４７mm×２５mm（厚さ）のハニカム構造体を得、これに
対して試料Ａと同じスリット構造となるようにスリット
を加工し、発熱部が試料Ａと同じハニカム構造体を得
た。このハニカム構造体の非発熱部に、Ａｌ2 Ｏ3 −Ｓ
ｉＯ2 セメントで目封じをした。次いで、試料Ａと同様
にして触媒、電極を付け、ヒーター触媒Ｂとした。
【００３５】試料Ｃの製造：試料Ａと同一材料、同一製
造条件にて、リブ厚７mil 、セル密度２３０個／平方イ
ンチの正方形セルを持った断面８０mm×１０mm、厚さ３
０mmのハニカム乾燥体（ハニカム構造要素）１０を作成
し、このハニカム構造要素１０を６個、同一材料からな
る厚さ２．５mmの乾燥体接続プレート１１とを、同一材
料と水とを合せて形成した接着剤で図１のように接着
し、その後試料Ａと同じ焼成工程、触媒担持工程を経て
ヒーター触媒Ｃとした。なお、ヒーター触媒Ａ、ヒータ
ー触媒Ｂおよびヒーター触媒Ｃは、同一の発熱体積（７
９ｃｍ3 ）、同一の電極間抵抗値０．０５Ωを有してい
た。
【００３６】［評価］機械的強度を測定するため、ヒー
ター触媒Ａ、Ｂ、Ｃを各々スリット部に絶縁用のスペー
サーを挟んでキャンニング（缶体内への収納）した後、
高温振動試験を行ない、ガス温８００℃で、５０Ｇ、２
００Ｈｚの振動を与え続けた。その結果、ヒーター触媒
Ｂは２００時間でスリット先端部に亀裂の発生が確認さ
れたが、ヒーター触媒Ａ、Ｃは２００時間後も全く異常
がなかった。
【００３７】またヒーター触媒の性能評価は、図７に示
す装置を用いて行なった。すなわち、ガソリンエンジン
２０からの排ガスを冷却器２１で１２０℃まで冷却した
後ヒーター触媒２２に導入し、評価開始時間と同時にヒ
ーター触媒２２に２４Ｖのバッテリー２３によってヒー
ター触媒２２中の熱電対２４の温度が３５０℃になるよ
うに、制御器２５によりオン−オフ制御を行ないなが
ら、６０秒間ヒーター触媒２２に通電した。この時の６
０秒間のＨＣ，ＣＯ，ＮＯX の平均浄化率を排ガス測定
器２６で測定した。表１にヒーター触媒Ａ，Ｂ，Ｃの平
均浄化率を示す。表１に示す通り、ヒーター触媒Ａ，
Ｂ，Ｃはほぼ同じ浄化性能を示した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
機械的強度、耐久性に優れ、かつ非発熱部を有しないコ
ンパクトで、形状精度、寸法精度の良いハニカムヒータ
ーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハニカムヒーターの例を示す斜視図で
ある。
【図２】ハニカム構造要素の例を示す斜視図である。
【図３】端面が研削加工されたハニカム構造要素の例を
示す斜視図である。
【図４】本発明のハニカムヒーターの例を示す斜視図で
ある。
【図５】ハニカム構造体にスリットを設けた抵抗調節型
ヒーターの例を示す斜視図である。
【図６】図５におけるＡ部拡大図である。
【図７】ヒーター触媒の性能評価のための装置を示す説
明図である。
【符号の説明】
１０ ハニカム構造要素 １１ 接続プレート １２ ハニカム構造体 １３ 電極 １６ 間隙
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05B 3/06 F01N 3/20

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 通電により発熱する金属質材料からな
    り、隔壁により仕切られ、ガス流れ方向に対して平行に
    延びる多数の貫通孔を有する複数個のハニカム構造要素
    を、該ハニカム構造要素より抵抗の小さい導電性プレー
    トにて直列に連結して一体とし、かつ通電のための少な
    くとも２つの電極を設けたことを特徴とするハニカムヒ
    ーター。
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