JP7020670B2 - ガス昇温用ヒータ装置 - Google Patents

Description

この発明は，例えば，エンジンから排出される排気ガスに含有される有害物質を浄化する排気ガス浄化装置に適用することができ，該排気ガス浄化装置に担持されている触媒を活性化する所定の温度に排気ガスを昇温して触媒を活性化させたり，空気を加熱する暖房装置等に適用できる排気ガス，空気等のガス体を昇温させるガス昇温用ヒータ装置に関する。

従来，排気ガス浄化装置として，セラミックス繊維から構成したフェルトを通電可能な金網で保形してフィルタを構成し，パティキュレートの捕集公立を向上させたものは知られている。該排気ガス浄化装置は，排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタをセラミックス繊維のフェルトで構成し，該フェルトの形状が通電可能な金網及び指示筒体で保形されている。金網に通電してフィルタを加熱し，フィルタに捕集されたパティキュレートを加熱焼却してフィルタを再生する（例えば，特許文献１参照）。

また，排気ガス浄化装置として，ディーゼルエンジンからの排気ガス中の粒子状物質をフィルタで捕集し，フィルタの再生時に粒子状物質をフィルタ全域で均等な低温燃焼させて短時間に焼却してフィルタを再生するものが知られている。該排気ガス浄化装置において，粒子状物質を捕集するフィルタは，金網ヒータ，その両側から挟み込んだ一対のセラミックス不織布及びセラミックス不織布の外側に積層された一対の支持用金網から成る積層体を蛇腹状に折り曲げて筒状に形成された筒体から構成されている。筒体の内周側には骨組用補強部材を配置し，筒体の外周側に隙間を空けてハウジング内に外周ヒータを配置する。フィルタの再生時に，金網ヒータと外周ヒータに通電してフィルタ全域で均等に低温燃焼を確保する（例えば，特許文献２参照）。

また，排気ガス浄化装置として，２種類のセラミックス不織布からフィルタを構成し，フィルタの再生時の酸化開始温度を低減して消費電力を低減するものが知られている。該フィルタは，上流側のセラミックス不織布，下流側のセラミックス不織布，両セラミックス不織布を挟み込んで保持する一対の金網，及び両セラミックス不織布間に配設されたヒータから構成されている（例えば，特許文献３参照）。

特開平７－２８６５１２号公報 特開２０１１－２３６７８７号公報 特開２００３－１７２１１７号公報

近年，内燃機関から排出される排気ガスについての規制は益々厳しくなってきている。それに伴い，各社では，車両にＮＯｘ還元触媒，ＰＭ捕集フィルタ，酸化触媒等の排ガス浄化装置を装着して，排気ガス規制に適合するように車両に搭載の内燃機関が開発されている。しかしながら，排気ガス浄化装置についての問題は，エンジンから排出される排気ガスの排気温度が低いとき，例えば，低負荷運転時又は始動直後（コールドスタート：一般的には２０℃スタートで排ガスモード試験）のエンジンが冷えている時に，排気ガス浄化装置の触媒が活性温度以下であるので，触媒が活性化せず，排気ガスを浄化することが難しい。そのため，エンジンの吸気を絞ったり，排気シャッタを着けて排気温度を上昇させるデバイスを装着しているが，十分ではないケースが多い。即ち，従来の構造のヒータは，排気ガスを加熱するのに，排気ガスとの熱交換が悪いため，装置そのものが大型化し，また，熱交換効率が悪く損失が大きい欠点があった。また，電気ヒータは，その電気の流れを均一にすることが難しく，局部的に高温が発生し，耐久性も低い欠点があった。

この発明の目的は，上記の問題を解決することであり，例えば，エンジンから排出される排気ガス通路の途中にヒータを設け，排気ガスの排気温度が低い時に，排気ガス通路に設けたヒータを付勢して，ヒータで排気ガスを加熱して排気ガス温度を昇温させ，排気ガス温度を触媒の活性化温度にまで高めて，排気ガスに含まれる有害成分を浄化するために適用することができ，或いはガス体の空気を加熱する暖房装置として適用できることができるガス体を加熱して所定の温度に昇温させるガス昇温用ヒータ装置を提供することである。

この発明は，ガス体が流れるガス通路に配設された導電体に通電して前記ガス通路を流れる前記ガス体を加熱して前記ガス体を予め決められた所定の温度に昇温するガス昇温用ヒータ装置において，
平ら状導電体がジグザグ状に折り曲げられた長手方向に延びる凸部を備えた波状導電体と長手方向に帯状に延びる平ら状導電体とが重ねられて螺旋状に巻き上げられた円筒状成形体の導電構造体，前記導電構造体の内周にリング状に配設された金属製の内周側電極，及び前記導電構造体の外周にリング状に配設された金属製の外周側電極を備えており，
前記導電構造体は，前記波状導電体の前記凸部と前記平ら状導電体との接点が接合されると共に，前記内周側電極と前記外周側電極とに接する前記波状導電体の前記凸部が前記内周側電極と前記外周側電極にそれぞれ接合されており，
前記導電構造体は，前記波状導電体の前記凸部間に延びる柱部と前記平ら状導電体とによって断面三角形状ガス通路が長手方向に延びて周方向に複数個形成されており，
前記波状導電体と前記平ら状導電体とで形成される前記断面三角形状ガス通路の周方向のピッチは，前記螺旋状の巻き上げの周段毎に同一ピッチに形成され且つ前記導電構造体の内周部から外周部に向って複数段階に大きくなる形状に構成されており，
前記波状導電体の前記凸部は，前記外周部の頂部角度が前記内周部の頂部角度より鈍角に形成されており，
前記導電構造体は，電源から前記内周側電極と前記外周側電極とに通電することによって，電流が前記導電構造体に半径方向に流れてヒータに構成され，前記導電構造体の前記断面三角形状ガス通路を流れる前記ガス体が昇温されることを特徴とするガス昇温用ヒータ装置に関する。

この発明によるガス昇温用ヒータ装置は，上記のように，電気ヒータ式に構成され，全体システムをシンプルに構成し，排気ガス浄化装置や暖房装置に適用して有効であり，波状導電体と平ら状導電体とから成る導電構造体のヒータに構成し，波状導電体のピッチを内周部側を小さく，外周部側を大きく構成することによって導電構造体を全体的に電流密度が均一化するように構成することができ，更に導電構造体を金網で構成することにより，ガス体の導電構造体への接触面積を増大させ，導電構造体からガス体への熱交換率を高めることができる。このガス昇温用ヒータ装置は，電流を導電構造体の中心部である内周部より外周部に向かって放射状に流す構造又は外周部かた内周部へ流す構造に構成されている。例えば，当然ながら，そのまま流すと内周部側の電流通流面積が小さく，外周部側の電流通流面積が大きくなり，それにより内周部の電気抵抗値が外周部に比較して大きくなり，抵抗値の大きい分だけ発熱量が増え，内周部側が高温，外周部側が低温になる。そこで，上記の現象を避けるため，本願発明によるガス昇温用ヒータ装置では，内周部側の放射状に流れる波状導電体の柱部の本数を増やし，ガス通路を形成する断面三角形状ガス通路を内周部側を小さく，外周部側を大きく構成し，内外での電流通流面積の差異を低減し，導電構造体の内外周部での加熱状態を均一化すること目的としている。更に，波状導電体と平ら状導電体とで形成される三角形状ガス通路について，ガス通路を形成する断面三角の角度を鋭角にすると，同じ円直径での放射状の波状導電体の柱部の本数が少なくすることができ，三角形状ガス通路の一辺を小から大に段階的に変化させる場合に，外周に行くほど断面三角の頂点を鈍角にすることによって，三角形の凸部間に延びる放射状の柱部の数を減らせる。これらにより内周部側と外周部側の放射状の一辺の数を極力近くすることが可能となって適正な導電構造体を構成することができる。

この発明によるガス昇温用ヒータ装置の一実施例を示す側面図である。 図２のガス昇温用ヒータ装置を示す正面図である。 図２における導電構造体を構成する波状導電体と平ら状導電体とに流れる電流の流れ方向を部分的に一例を説明するため，矢印で示す説明図である。 このガス昇温用ヒータ装置をエンジンに設けた排気ガス浄化装置に適用した一例を示す説明図である。

この発明によるガス昇温用ヒータ装置は，例えば，船舶，産業機械等に使用されるディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれる煤，ＳＯＦ，サルフェート等の有害物質である粒子状物質（ＰＭ）をハウジング内に配設したフィルタで捕集してフィルタに捕集されたＰＭをフィルタに設けたヒータに通電して酸化し，加熱焼却したり，或いは排気ガス中のＮＯx 等の有害物質を触媒を活性化させて還元消失させる排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に適用することができ，その場合には，上記排気ガス浄化装置の上流の排気ガス通路に配設して，排気ガス等のガス体を加熱昇温して排気ガス浄化装置に担持された触媒を活性化することに適用したり，或いは，ガス体がハウス内の空気である場合に，該空気を温める暖房ヒータや暖房装置として適用することができる。

以下，図面を参照して，この発明によるガス昇温用ヒータ装置の実施例を説明する。このガス昇温用ヒータ装置１は，例えば，図４に示すように，エンジン１０から排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置１１に適用されるヒータとして使用することができるものである。エンジン１０から排出される排気ガスは，マニホルド２３に配設され且つターボチャージャ２７のタービンに接続された排気管２８の排気ガス通路１２を流れる。ガス昇温用ヒータ装置１は，排気ガス浄化装置１１の上流側の排気ガス通路１２に配設されている。また，排気ガス浄化装置１１は，排気ガス通路１２に配設され且つ排気ガスに含まれている煤，ＰＭ，ＮＯx 等の有害物質を浄化するものである。排気ガス通路１２には，排気ガスの温度を検出する温度センサー１３がガス昇温用ヒータ装置１の上流側及び／又は下流側に設置されている。温度センサー１３は，外周側電極１５と内周側電極１６にコネクタ９を介してライン２５で電源８に接続されている。図４では，内周側電極１６が外周側電極１５から長手方向に飛び出した形状に形成されているが，飛び出さずに同一長さに形成することができるものである。温度センサー１３は，ガス昇温用ヒータ装置１の上流側及び／又は下流側の排気ガス通路１２を流れる排気ガスの温度を検出するものである。ガス昇温用ヒータ装置１に流入する排気ガスの温度が予め決められた所定値より低い場合には，その検出温度に応答して，コントローラ２０の指令によってガス昇温用ヒータ装置１の導電構造体２を通電してヒータに構成し，排気ガスを加熱して排気ガスを昇温する。排気ガス浄化装置１１は，ディーゼルエンジン等のエンジン１０からの排気ガスを排出する排気ガス通路１２に配置されたハウジング１４内に収容されたフイルタ等によって排気ガス中に含まれる煤等の粒子状物質を捕集し，捕集された粒子状物質を焼却して排気ガスを浄化したり，或いは，ＮＯx 等の有害物質を触媒の助けで還元処理して排気ガスを浄化するものである。排気ガス浄化装置１１は，粒子状物質を低温で燃焼，反応燃焼させるため不織布等に白金等に触媒が担持されていると共に，窒素酸化物を処理するため，ＮＯx 還元触媒を担持した担体を備えているものである。

この発明によるガス昇温用ヒータ装置１は，特に，ガス体を流すことができるガス通路７を備えた導電構造体２に通電してガス通路７を流れるガス体を加熱して，ガス体を予め決められた所定の温度に昇温することであり，平ら状導電体４がジグザグ状に折り曲げられた長手方向に延びる凸部１７と凸部１７貫の柱部１８とから成る波状導電体３と，長手方向に帯状に延びる平ら状導電体４とが重ねられて螺旋状に巻き上げられた導電構造体２となる円筒状成形体５，円筒状成形体５の内周にリング状に配設された金属製の内周側電極１６，及び円筒状成形体５の外周にリング状に配設された金属製の外周側電極１５を備えていることを特徴としている。また，円筒状成形体５は，波状導電体３の凸部１７と平ら状導電体４との接点１９が接合されると共に，内周側電極１６と外周側電極１５とに接する波状導電体３の凸部１７が内周側電極１６と外周側電極１５とに接合されている。また，円筒状成形体５は，波状導電体３の凸部１７間に延びる柱部１８と平ら状導電体４とによって断面三角形状ガス通路７が長手方向に延びて周方向に複数形成されている。また，内周側電極１６の上流側端面は，ガス体が流れ込まないように遮蔽板２４で閉鎖することが好ましい。ガス昇温用ヒータ装置を，ガス通路である排気ガス通路１２に配設した場合に，円筒状成形体４の導電構造体２を構成する内周側電極１６の端面が排気ガスに向き合う状態になって，内周側電極１６の端面の開口から排気ガスが流れる状態になるので，その状態を避けるため開口を遮蔽板２４で閉鎖する構造に構成されている。円筒状成形体５は，内周側電極１６と外周側電極１５に電源８から通電することによって，例えば，図３に示すように，電流が円筒状成形体５の導電構造体２に半径方向に流れてヒータに構成され，円筒状成形体５の三角形状ガス通路７を流れるガス体が昇温されるものである。図３では，内周側電極１６を＋電極に構成し，外周側電極１５を－電極に構成しているが，当然ながら，その逆の構成，即ち，内周側電極１６を－電極に構成し，外周側電極１５を＋電極に構成することもできる。

また，このガス昇温用ヒータ装置１では，波状導電体３と平ら状導電体４とから成る導電構造体２を構成する針金で形成されている。円筒状成形体５を形成する波状導電体３と平ら状導電体４は，鉄クロムアルミ鋼，ニッケルクロム鋼から成る金網から構成されることが好ましい。導電構造体２を，上記金網で形成することによって，例えば，排気ガスに含まれるＰＭや煤が付着したり堆積することが防止され，排気ガスがスムーズに流れることになる。ガス昇温用ヒータ装置１では，波状導電体３の凸部１７と平ら状導電体４との接点１９，及び凸部１７と内周側電極１６及び外周側電極１５との接点１９は，拡散接合又はろう接合によって接合されており，電流がスムーズに流れる状態に接続されている。即ち，このガス昇温用ヒータ装置１は，外周側電極１５，波状導電体３，平ら状導電体４，及び内周側電極１６の接点１９を接合することによって，ガス昇温用ヒータ装置１に電流をスムーズに流すことができる。

また，このガス昇温用ヒータ装置１では，波状導電体３と平ら状導電体４とで形成される断面が三角形状ガス通路７の周方向のピッチは，螺旋状の周毎に同一ピッチに形成されている。また，三角形状ガス通路７の周方向のピッチは，円筒状成形体５の内周部２１側から外周部２２側に向って複数段階に大きくなる形状に形成されており，言い換えれば，三角形状ガス通路７を形成する一辺の長さは，周段階毎に同一長さに形成され，内周部２１から外周部２２に向って複数周毎に段階的に凸部１７の頂点１８の角度が鈍角に増加している。導電構造体２を構成する波状導電体３は，具体的には，例えば，図３に示すように，最内周の第１番目は１周段目が内側極小ピッチ３Ａに形成され，第２番目は２周段目と３周段目との２段が小ピッチ３Ｂに形成され，第３番目は４周段目～８周段目の４段が中ピッチ３Ｃに形成され，及び第４番目は８周段目～１２周段目の４段が大ピッチ３Ｄに形成されている。平ら状導電体４間の波状導電体３を，上記のような構造体に構成することによって，円筒状成形体５を半径方向において，導電構造体２の中心側の内周部２１と外周側の外周部２２とに均一な加熱状態を形成させることができる。このガス昇温用ヒータ装置１は，波状導電体３を上記ように構成しているが，作製するサイズによって，波状導電体３の凸部１７間のピッチが種々のサイズに形成することができるものである。即ち，このガス昇温用ヒータ装置１は，内周部２１側に位置する波状導電体３ほど鋭角に折り曲げて凸部１７と柱部１８との数を増やし，外周部２２側に位置する波状導電体３を鈍角に折り曲げて凸部１７と柱部１８との数を減らしており，それによって，ガス昇温用ヒータ装置１は，電流が導電構造体２の円筒状成形体５を放射状に流れることになり，円周による電流通路変化量を少しでも減らすことができ，極微面積あたりの発熱を均一化することができ，発熱状態が適正な好ましい状態のヒータに構成することができる。

また，このガス昇温用ヒータ装置１は，図示していないが，適用するシステムの規模に対応させて，ガス通路１２に沿って複数個配設することもできるものであり，ガス体を予め決められた所定の温度にまで適正に加熱することができる。即ち，円筒状成形体５は，ガス通路１２に沿って複数個を設置すればよく，その場合には，それぞれの円筒状成形体５のそれぞれの内周側電極１６と外周側電極１５を並列又は直列に結線することによって，複数段の円筒状成形体５から成るガス昇温用ヒータ装置１を完成させることができる。また，ガス昇温用ヒータ装置１では，断面が三角形状ガス通路７は，図示していないが，ガス体の流れ方向に対して傾斜通路，又はジグザグ状屈折傾斜通路に形成することもできる。このガス昇温用ヒータ装置１は，波状導電体３及び平ら状導電体４に形成される三角形状ガス通路７を上記の形状に構成することによって，ガス体が導電構造体２に接する面積を大きく形成することができ，ガス体を予め決められた所定の温度に迅速に適正に加熱することになる。即ち，ガス昇温用ヒータ装置１では，導電構造体２の内側から外側に流れるトータルの電流値は，同じであるので，内側のジグザグ（波形）１つに流れる電流は多くなり，発熱も大きくなる。
即ち，発熱量をＰ，電流をＩ，抵抗値Ｒとすると，Ｐ＝Ｉ×Ｉ×Ｒである。

また，このガス昇温用ヒータ装置１について，波状導電体３のジグザグ（波形）によって形成される平ら状導電体４の三角形状ガス通路７の一辺（凸部１ 7間）に電流が流れるが，その一辺の数量は中心側即ち内周部２１側が少なく，外周部２２側になるほど数量が増える導電構造体２であるので，上記のように構成することによって，ガス昇温用ヒータ装置１における発熱量の発生を内周部２１側と外周部２２側とにおいて少しでも均一化させることができる。言い換えれば，三角形状ガス通路７は，波状導電体３のジグザグの隣接する凸部１７と平ら状導電体４とが接合されて，波状導電体３の柱部１８と平ら状導電体４の一辺とに電流は流れるが，その一辺の数量は内周部２１側が少なく，外周部２２側に行くほど数量が増えるので，内周部２１を流れる導電構造体２の電気抵抗値が，外周部２２を流れる導電構造体２に比較して大きくなり，抵抗値の大きい分だけ発熱量が増え，導電構造体２の内周部２１側が高温に外周部２２側が低温になる。この発明によるガス昇温用ヒータ装置１は，このような偏加熱現象を少しでも避けるため，波状導電体３の凸部１７間のピッチを上記のように４段階のピッチ３Ａ～３Ｄに形成している。

このガス昇温用ヒータ装置１は，例えば，エンジンや燃焼器から排出される排気ガスを排出する排気ガス通路１２に配設される場合には，円筒状成形体５を形成する波状導電体３と平ら状導電体４には，場合によっては処理するガス体に発生するスートやＮＯx の有害物質に応じて，適正な触媒を担持させることができる。この場合には，ガス体がエンジン１０や燃焼器から排出される排気ガスであって，導電構造体２に触媒を担持させると，排気ガスは触媒の活性化の助けによって浄化されることになる。或いは，ガス昇温用ヒータ装置１を排気ガス浄化装置１１の上流側に配設し，排気ガスに含まれている有害物質を触媒の活性化で浄化することができる。この場合には，排気ガス通路１２には排気ガスの温度を検出する温度センサー１３によって排気ガスの温度が予め決められた所定の温度以下に応答して導電構造体２のヒータ装置１が通電され，ヒータによって排気ガスが加熱されて触媒を活性化する温度に昇温させることができる。

或いは，このガス昇温用ヒータ装置１は，図示していないが，例えば，ハウス等を暖房する場合には，即ち，ガス体が空気である場合には，ガス昇温用ヒータ装置１に対して空気を送り込む送風機を設け，送風機からガス昇温用ヒータ装置１に送り込まれた空気を加温する暖房装置に構成することができる。

このガス昇温用ヒータ装置１は，上記のように構成されているので，電気ヒータ式は全体システムがシンプルなため，排気ガス浄化装置１１に適用して有効な装置になり，ヒータ内での電流密度を可及的に均一化し，かつ熱交換率が高いヒータを提供することができる。このガス昇温用ヒータ装置１は，電流を内周部２１より外周部２２に向かって放射状に流すものであり，詳しくは，例えば，内周部２１側の内周側電極１６から外周部２２側の電極１５に電流を流すと，図３に矢印で示すように，電流は断面三角形状ガス通路７のジグザグ状の金網である柱部１８を通って半径方向即ち放射状に流れることになる このガス昇温用ヒータ装置１は，勿論，電極の＋－を逆に結線すれば，電流を外周部２２の内周側電極１６から内周部２１の内周側電極１６に電流を流すこともできるものである。このガス昇温用ヒータ装置１では，一定寸法の波状導電体３のジグザグ金網が平ら状導電体４の平らな金網の間に挟まれた構造になっているので，一番内周側のジグザグの本数は，外周側のジグザグの本数より少なく，円筒状成形体５の半径に比例している。ところが，内周側から外周側へ流れるトータルの電流値は同一であるので，内周側のジグザグの１つの柱部２３に流れる電流は多くなり，発熱量も大きくなる。

この発明によるガス昇温用ヒータ装置は，例えば，船舶，産業機械，内燃機関等のエンジン，燃焼器等から排出される排気ガスに含まれる煤，ＳＯＦ，サルフェート等の有害物質をを酸化，還元反応で加熱，焼却，除去して消失させる排気ガス浄化装置に適用したり，或いは，ハウス等で空気を加熱する暖房用ヒータ装置に適用して，排気ガス，空気等のガス体の温度を昇温するのに使用して好ましいものである。

１ ガス昇温用ヒータ構造体
２ 導電構造体
３ 波状導電体
３Ａ 内側極小ピッチ
３Ｂ ２段目小ピッチ
３Ｃ ３段目中ピッチ
３Ｄ 外側大ピッチ
４ 平ら状導電体
５ 円筒状成形体
７ 断面三角形状のガス通路
１０ エンジン
１１ 排気ガス浄化装置
１２ 排気ガス通路
１３ 温度センサー
１５ 外周側電極
１６ 内周側電極
１７ 凸部
１８ 柱部
１９ 接点
２０ コントローラ
２１ 内周部
２２ 外周部

Claims (1)

1. ガス体が流れるガス通路に配設された導電体に通電して前記ガス通路を流れる前記ガス体を加熱して前記ガス体を予め決められた所定の温度に昇温するガス昇温用ヒータ装置において，
   平ら状導電体がジグザグ状に折り曲げられた長手方向に延びる凸部を備えた波状導電体と長手方向に帯状に延びる平ら状導電体とが重ねられて螺旋状に巻き上げられた円筒状成形体の導電構造体，前記導電構造体の内周にリング状に配設された金属製の内周側電極，及び前記導電構造体の外周にリング状に配設された金属製の外周側電極を備えており，
   前記導電構造体は，前記波状導電体の前記凸部と前記平ら状導電体との接点が接合されると共に，前記内周側電極と前記外周側電極とに接する前記波状導電体の前記凸部が前記内周側電極と前記外周側電極にそれぞれ接合されており，
   前記導電構造体は，前記波状導電体の前記凸部間に延びる柱部と前記平ら状導電体とによって断面三角形状ガス通路が長手方向に延びて周方向に複数個形成されており，
   前記波状導電体と前記平ら状導電体とで形成される前記断面三角形状ガス通路の周方向のピッチは，前記螺旋状の巻き上げの周段毎に同一ピッチに形成され且つ前記導電構造体の内周部から外周部に向って複数段階に大きくなる形状に構成されており，
   前記波状導電体の前記凸部は，前記外周部の頂部角度が前記内周部の頂部角度より鈍角に形成されており，
   前記導電構造体は，電源から前記内周側電極と前記外周側電極とに通電することによって，電流が前記導電構造体に半径方向に流れてヒータに構成され，前記導電構造体の前記断面三角形状ガス通路を流れる前記ガス体が昇温されることを特徴とするガス昇温用ヒータ装置。

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