JP7335994B2 - Heating element and its use - Google Patents
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Description
本発明はヒーターエレメント及びその使用方法に関する。 The present invention relates to heater elements and methods of use thereof .
地球環境保護の観点から、CO2排出量の低減要求が高まっている。そこで、電力を有効に用いて暖房を行うために蒸気圧縮ヒートポンプが用いられてきた(特許文献1)。蒸気圧縮ヒートポンプでは、媒体を電動コンプレッサーにより圧縮し、気相-液相間の相変化での吸熱及び放熱を利用して、冷たい外気から室内へ熱をポンピングするものであり、投入電力に対し、ポンピングできる熱量が大きいので電気エネルギーをより有効に利用できるという利点がある。 From the viewpoint of protecting the global environment , there is an increasing demand for reducing CO 2 emissions . Therefore , a vapor compression heat pump has been used to effectively use electric power for heating (Patent Document 1). Vapor compression heat pumps compress the medium with an electric compressor and use the heat absorption and heat dissipation in the phase change between the gas phase and the liquid phase to pump heat from the cold outside air into the room . On the other hand, there is an advantage that electrical energy can be used more effectively because the amount of heat that can be pumped is large.
また、通電時の電気抵抗により発生するジュール熱を利用したヒーターも知られている(特許文献2)。ジュール熱を利用したヒーターでは、発熱体が熱交換器に配置されており、熱交換器を通過する流体が加熱される。ジュール熱を利用したヒーターは、たとえば、車室暖房用などの用途において、車両始動時の急速加熱が必要なときや外気温が非常に低い時に有効である。発熱体としては、熱暴走を防止するためPTC材料を用いることが知られている。 A heater using Joule heat generated by electrical resistance when energized is also known (Patent Document 2). In heaters using Joule heat, a heating element is arranged in a heat exchanger to heat a fluid passing through the heat exchanger. A heater using Joule heat is effective, for example, in applications such as vehicle interior heating, when rapid heating is required at the start of a vehicle or when the outside air temperature is extremely low. As the heating element, it is known to use a PTC material to prevent thermal runaway.
一方で、ハニカム状のヒーターエレメントを用いたヒーター(以下、「ハニカムヒーター」という。)が知られている。例えば、特許文献3には、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン及び燃焼装置からの排ガスを加熱するのに有効な通電発熱用ハニカム構造体が記載されている。更に、特許文献4においても、内燃機関の排ガスを処理するための電気加熱可能なハニカム体が記載されている。特許文献4には、流体が貫流できる空洞を備え、少なくとも1個の電流分配構造物を有し、該電流分配構造物が電流供給体を介して電源に接続できる電気加熱可能なハニカム体において、a)電流供給体、b)電流分配構造物、の内の少なくとも1つが、正温度係数(PTC)の材料から成る少なくとも1個の制御要素を有し、該制御要素がハニカム体を貫流する流体に少なくとも熱的に接触されることを特徴とする電気加熱可能なハニカム体が記載されている。 On the other hand, heaters using honeycomb-shaped heater elements (hereinafter referred to as "honeycomb heaters") are known. For example, Patent Literature 3 describes a honeycomb structure for electrical heat generation that is effective for heating exhaust gases from gasoline engines, diesel engines, and combustion devices. Furthermore, US Pat. No. 6,200,000 also describes an electrically heatable honeycomb body for treating the exhaust gas of an internal combustion engine. Patent Document 4 discloses an electrically heatable honeycomb body having cavities through which a fluid can flow and having at least one current distribution structure, which current distribution structure can be connected to a power supply via a current supply, At least one of a) the current supply and b) the current distribution structure has at least one control element made of a positive temperature coefficient (PTC) material, the control element having a fluid flowing through the honeycomb body. An electrically heatable honeycomb body is described, which is characterized in that it is in at least thermal contact with the .
熱効率の観点からはヒートポンプが優れているが、ヒートポンプは外気が極低温の時に作動が困難であること、及び車両始動時に急速に車室を温めることが困難であるといった問題がある。そこで、ヒートポンプを主たる暖房として使用しつつ、車両始動時の急速加熱が必要なときや外気温が非常に低い時に、ジュール熱を利用したヒーターを補助的に活用することは実用的であると考えられる。 Although heat pumps are superior in terms of thermal efficiency, heat pumps have problems in that they are difficult to operate when the outside air is extremely cold, and that it is difficult to rapidly warm the passenger compartment when the vehicle is started. Therefore, we thought it would be practical to use a heater that uses Joule heat as a supplement when rapid heating is required when starting a vehicle or when the outside temperature is extremely low, while a heat pump is used as the main heating source. be done.
しかしながら、従来のジュール熱を利用したヒーターは大型化しやすく、スペースを圧迫するという問題がある。このため、よりコンパクトなヒーターが提供されることが望ましい。この点、ハニカムヒーターは体積当たりの熱伝達面積を大きくすることができるため、ヒーターの小型化に資すると考えられる。しかしながら、特許文献3に記載の通電発熱用ハニカム構造体は、ハニカム構造体がNTC特性を有するため、過剰に発熱してしまい、たとえば、車室暖房用など、狭い空間用のヒーターとしては適応しにくいものである。また、特許文献4に記載の技術では、PTC材料からなる制御要素の温度がハニカム体の温度に追随せず、車室暖房用のヒーターとしては、過剰発熱の抑制効果が十分といえるものではなかった。以上のことから、従来、自動車や電車といった車両の車室を暖房するのに好適に利用可能なコンパクトなハニカムヒーターは未だ存在していない。 However, conventional heaters using Joule heat tend to be large , and there is a problem of pressing the space . Therefore, it would be desirable to provide a more compact heater. In this respect, the honeycomb heater can increase the heat transfer area per unit volume, which is considered to contribute to the miniaturization of the heater. However, the honeycomb structure for electric heat generation described in Patent Document 3 generates excessive heat because the honeycomb structure has NTC characteristics, and is not suitable as a heater for a narrow space such as for heating a passenger compartment. It is difficult. In addition, in the technique described in Patent Document 4, the temperature of the control element made of the PTC material does not follow the temperature of the honeycomb body, and it cannot be said that the effect of suppressing excessive heat generation is sufficient as a heater for heating the passenger compartment. Ta. For the reasons described above, conventionally, there has not yet existed a compact honeycomb heater that can be suitably used for heating the cabin of a vehicle such as an automobile or a train.
本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、小型化が可能で、且つ、PTC材料による過剰発熱の抑制効果が改善されたヒーターエレメントを提供することを課題とする。本発明は別の一実施形態において、そのようなヒーターエレメントの使用方法を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a heater element which can be miniaturized and in which the effect of suppressing excessive heat generated by a PTC material is improved. Another aspect of the present invention is to provide a method of using such a heater element .
特許文献4に記載のハニカムヒーターでは、PTC材料からなる制御要素が、電流分配構造物よりもハニカム構造体の外周側に配置されているために(特許文献4の図2及び図3参照)、ハニカム構造体からの熱は、電流分配構造物を介してPTC材料からなる制御要素に伝達するため、応答速度が遅くなる。このため、特許文献4の技術では、ハニカム構造体が過熱状態に達しても、PTC材料に迅速に熱が伝達されないため、過剰発熱が生じやすくなっていた。このような知見に基づき、本発明者は、ハニカム構造体が過熱状態に達したときの応答速度を上げるために、PTCサーミスタをハニカム構造体と電極部(特許文献4の電流分配構造物に相当する。)の間に配置することが有効であることを見出し、以下に例示される本発明を完成した。 In the honeycomb heater described in Patent Document 4, since the control element made of the PTC material is arranged closer to the outer peripheral side of the honeycomb structure than the current distribution structure (see FIGS. 2 and 3 of Patent Document 4), Heat from the honeycomb structure is transferred through the current distribution structure to the control elements made of PTC material, resulting in slow response speed. For this reason, in the technique of Patent Document 4, even if the honeycomb structure reaches an overheated state, the heat is not quickly transferred to the PTC material, so excessive heat generation tends to occur. Based on such findings, the inventors of the present invention proposed that a PTC thermistor should be connected to the honeycomb structure and the electrode portion (corresponding to the current distribution structure in Patent Document 4) in order to increase the response speed when the honeycomb structure reaches an overheated state. ), and completed the present invention exemplified below.
[1]
外周側壁と、外周側壁の内周側に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁とを有する通電発熱可能な柱状ハニカム構造部、
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に対向するように形成された一対の電極部、及び、
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の少なくとも一方の電極部との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されたPTCサーミスタ、
を備え、
当該柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさは、300cm
2
以下である、
ヒーターエレメント。
[2]
前記柱状ハニカム構造部の容積Vに対する、前記PTCサーミスタによって前記柱状ハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積Sの比(S/V)が、0.1cm2/cm3以上である[1]に記載のヒーターエレメント。
[3]
前記S/Vが、0.2cm2/cm3以上である[2]に記載のヒーターエレメント。
[4]
前記複数のセルの流体の流路に直交する方向の断面において、前記複数のセルは放射状に配列されている[1]~[3]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[5]
前記PTCサーミスタは、キュリー点が100℃以上250℃以下のPTC材料で構成される[1]~[4]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[6]
前記柱状ハニカム構造部がSi結合SiCを含有する[1]~[5]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[7]
前記PTCサーミスタは、前記少なくとも一方の電極部が前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように配設される[1]~[6]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[8]
前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の各電極部との間に挟まれた位置にPTCサーミスタがそれぞれ配設されており、
少なくとも一方のPTCサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に位置する電気絶縁層であって、前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な位置に延設された電気絶縁層を更に備える[1]~[7]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[9]
前記外周側壁がPTCサーミスタによって被覆される部分の合計面積Sと、当該合計面積Sから前記外周側壁が前記電気絶縁層に接する部分の面積を除いた面積Seは、0.3≦Se/S<1を満たす[8]に記載のヒーターエレメント。
[10]
前記柱状ハニカム構造部の高さが40mm以下である[1]~[9]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[11]
外周側壁と、内周側壁と、外周側壁及び内周側壁の間に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、を有する通電発熱可能な中空状ハニカム構造部、
当該中空状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に形成された外側電極部、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁の内周側に形成された内側電極部、
及び、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁と前記内側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の内周側壁を被覆するように配設されている、及び/又は、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁と前記外側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されている、PTCサーミスタ、
を備え、
当該中空状ハニカム構造部の各底面積の大きさは、300cm
2
以下である、
ヒーターエレメント。
[12]
前記中空状ハニカム構造部の容積Vに対する、前記PTCサーミスタによって前記中空状ハニカム構造部の内周側壁及び/又は外周側壁が被覆される部分の合計面積Sの比(S/V)が、0.1cm2/cm3以上である[11]に記載のヒーターエレメント。
[13]
前記S/Vが、0.2cm2/cm3以上である[12]に記載のヒーターエレメント。
[14]
前記複数のセルの流体の流路に直交する方向の断面において、前記複数のセルは放射状に配列されている[11]~[13]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[15]
前記PTCサーミスタは、キュリー点が100℃以上250℃以下のPTC材料で構成される[11]~[14]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[16]
前記中空状ハニカム構造部がSi結合SiCを含有する[11]~[15]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[17]
前記PTCサーミスタが中空状ハニカム構造部の内周側壁を被覆するように配設されている場合、当該PTCサーミスタは前記内側電極部が前記中空状ハニカム構造部の内周側壁と直接接触する部分がないように配設され、前記PTCサーミスタが中空状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されている場合、当該PTCサーミスタは前記外側電極部が前記中空状ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように配設される[11]~[16]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[18]
前記中空状ハニカム構造部の高さが40mm以下である[11]~[17]の何れか一項に記載のヒーターエレメント。
[19]
二つの電極間に200V以上の電圧を印加する[1]~[18]の何れか一項に記載のヒーターエレメントの使用方法。
[20]
-60℃~20℃のガスがセルを通過することを含む[19]に記載のヒーターエレメントの使用方法。
[1]
A columnar honeycomb structure capable of generating heat by electricity, having an outer peripheral wall and partition walls disposed on the inner peripheral side of the outer peripheral wall and partitioning and forming a plurality of cells forming fluid flow paths from one bottom surface to the other bottom surface. ,
a pair of electrode portions formed so as to face the outer peripheral side of the outer peripheral side wall of the columnar honeycomb structure portion;
a PTC thermistor disposed so as to cover the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure at a position sandwiched between the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure and at least one of the pair of electrode units;
with
The size of each bottom area of the columnar honeycomb structure is 300 cm 2 or less.
heater element.
[2]
A ratio (S/V) of the total area S of the portion where the outer peripheral side wall of the columnar honeycomb structure is covered with the PTC thermistor to the volume V of the columnar honeycomb structure (S/V) is 0.1 cm 2 /cm 3 or more. The heater element according to [1].
[3]
The heater element according to [2], wherein the S/V is 0.2 cm 2 /cm 3 or more.
[4]
The heater element according to any one of [1] to [3], wherein the plurality of cells are arranged radially in a cross section in a direction perpendicular to the fluid flow path of the plurality of cells.
[5]
The heater element according to any one of [1] to [4], wherein the PTC thermistor is made of a PTC material having a Curie point of 100° C. or higher and 250° C. or lower.
[6]
The heater element according to any one of [1] to [5], wherein the columnar honeycomb structure contains Si-bonded SiC.
[7]
The heater according to any one of [1] to [6], wherein the at least one electrode portion of the PTC thermistor is arranged so that there is no portion in direct contact with the outer peripheral side wall of the columnar honeycomb structure portion. tar element.
[8]
PTC thermistors are disposed at positions sandwiched between the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure portion and the electrode portions of the pair of electrode portions,
An electrical insulating layer located between a part of at least one PTC thermistor and the outer peripheral wall of the columnar honeycomb structure, wherein the current distribution in the honeycomb structure when a voltage is applied to the pair of electrodes. The heater element according to any one of [1] to [7], further comprising an electrical insulating layer extending at a position capable of enhancing uniformity.
[9]
The total area S of the portion where the outer peripheral side wall is covered with the PTC thermistor and the area Se obtained by subtracting the area of the portion where the outer peripheral side wall is in contact with the electrical insulating layer from the total area S are 0.3≤Se/S< 1. The heater element according to [8].
[10]
The heater element according to any one of [1] to [9], wherein the columnar honeycomb structure has a height of 40 mm or less.
[1 1 ]
It has an outer peripheral side wall, an inner peripheral side wall, and a partition wall disposed between the outer peripheral side wall and the inner peripheral side wall and partitioning and forming a plurality of cells that form fluid flow paths from one bottom surface to the other bottom surface. a hollow honeycomb structure that can generate heat by electricity;
an outer electrode portion formed on the outer peripheral side of the outer peripheral side wall of the hollow honeycomb structure portion;
an inner electrode portion formed on the inner peripheral side of the inner peripheral side wall of the hollow honeycomb structure;
as well as,
disposed so as to cover the inner peripheral sidewall of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the inner peripheral sidewall of the hollow honeycomb structure and the inner electrode portion; and/or a PTC thermistor disposed so as to cover the outer peripheral side wall of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the outer peripheral side wall of the hollow honeycomb structure and the outer electrode section;
with
The size of each bottom area of the hollow honeycomb structure is 300 cm 2 or less.
heater element.
[1 2 ]
The ratio (S/V) of the total area S of the portion where the inner peripheral sidewall and/or the outer peripheral sidewall of the hollow honeycomb structure is covered with the PTC thermistor to the volume V of the hollow honeycomb structure (S/V) is 0. The heater element according to [1 1 ], which is 1 cm 2 /cm 3 or more.
[1 3 ]
The heater element according to [1 2 ], wherein the S/V is 0.2 cm 2 /cm 3 or more.
[ 14 ]
The heater element according to any one of [1 1 ] to [1 3 ], wherein the plurality of cells are arranged radially in a cross section perpendicular to the flow path of the fluid of the plurality of cells.
[1 5 ]
The heater element according to any one of [1 1 ] to [1 4 ], wherein the PTC thermistor is made of a PTC material having a Curie point of 100° C. or higher and 250° C. or lower.
[ 16 ]
The heater element according to any one of [1 1 ] to [1 5 ], wherein the hollow honeycomb structure contains Si-bonded SiC.
[ 17 ]
When the PTC thermistor is arranged so as to cover the inner peripheral sidewall of the hollow honeycomb structure, the PTC thermistor has a portion where the inner electrode directly contacts the inner peripheral sidewall of the hollow honeycomb structure. When the PTC thermistor is arranged so as to cover the outer peripheral wall of the hollow honeycomb structure, the outer electrode portion of the PTC thermistor covers the outer peripheral wall of the hollow honeycomb structure. A heater element according to any one of [1 1 ] to [1 6 ] arranged so that there are no parts in direct contact.
[18]
The heater element according to any one of [11] to [17], wherein the hollow honeycomb structure has a height of 40 mm or less.
[ 19 ]
A method of using the heater element according to any one of [1] to [1 8 ], wherein a voltage of 200 V or more is applied between the two electrodes.
[ 20 ]
A method of using the heater element of [ 19 ] comprising passing a gas from -60°C to 20°C through the cell .
本発明の一実施形態に係るヒーターエレメントによれば、ハニカム構造によって、体積当たりの熱伝達面積を大きくすることができるため、ヒーターエレメントの小型化が可能である。また、本発明の一実施形態に係るヒーターエレメントによれば、PTCサーミスタが少なくとも一方の電極部とハニカム構造部の外周側壁又は内周側壁との間に挟まれて配置されているので、ハニカム構造部の熱が迅速にPTCサーミスタに伝達される。これにより、PTCサーミスタによる過剰発熱の抑制効果を改善することが可能となる。 According to the heater element according to one embodiment of the present invention, the honeycomb structure can increase the heat transfer area per unit volume, so that the size of the heater element can be reduced. Further, according to the heater element according to one embodiment of the present invention, since the PTC thermistor is sandwiched between at least one of the electrode portions and the outer peripheral sidewall or the inner peripheral sidewall of the honeycomb structure portion, the honeycomb structure can be obtained. The heat of the part is quickly transferred to the PTC thermistor. This makes it possible to improve the effect of suppressing excessive heat generation by the PTC thermistor.
次に本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is understood that the present invention is not limited to the following embodiments, and that design changes, improvements, etc., can be made as appropriate based on the ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. should.
(1.ヒーターエレメント)
本発明に係るヒーターエレメントは、車両の車室暖房用のヒーターエレメントとして好適に利用可能である。車両には、限定的ではないが、自動車及び電車が挙げられる。自動車としては、限定的ではないが、ガソリン車、ディーゼル車、燃料電池自動車、電気自動車及びプラグインハイブリッド自動車が挙げられる。本発明に係るヒーターエレメントは、とりわけ電気自動車及び電車のような内燃機関を持たない車両に好適に利用可能である。
(1. Heater element)
INDUSTRIAL APPLICABILITY The heater element according to the present invention can be suitably used as a heater element for heating the cabin of a vehicle. Vehicles include, but are not limited to, automobiles and trains. Motor vehicles include, but are not limited to, gasoline vehicles, diesel vehicles, fuel cell vehicles, electric vehicles and plug-in hybrid vehicles. INDUSTRIAL APPLICABILITY The heater element according to the present invention is particularly suitable for use in vehicles without internal combustion engines, such as electric vehicles and trains.
(1.1 ヒーターエレメントの第一実施形態)
図1-1、図1-2及び図1-3にはそれぞれ、本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメント100についての、模式的な斜視図が示されている。ヒーターエレメント100は、外周側壁112と、外周側壁112の内周側に配設され、一方の底面114から他方の底面116まで流体の流路を形成する複数のセル115を区画形成する隔壁113とを有する通電発熱可能な柱状ハニカム構造部を備える。また、ヒーターエレメント100は、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁112の外周側に対向するように形成された一対の電極部120を備える。また、ヒーターエレメント100は、該柱状ハニカム構造部の外周側壁112と一対の電極部120の少なくとも一方の電極部120との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁112を被覆するように配設されたPTCサーミスタ122を備える。
(1.1 First Embodiment of Heater Element)
1-1, 1-2 and 1-3 each show a schematic perspective view of a heater element 100 according to a first embodiment of the present invention. The heater element 100 has an outer peripheral side wall 112 and partition walls 113 which are arranged on the inner peripheral side of the outer peripheral side wall 112 and partition and form a plurality of cells 115 forming fluid flow paths from one bottom surface 114 to the other bottom surface 116 . and a columnar honeycomb structure capable of generating heat by electricity. The heater element 100 also includes a pair of electrode portions 120 formed to face the outer peripheral side of the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure. Further, the heater element 100 covers the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure at a position sandwiched between the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure and at least one electrode section 120 of the pair of electrode sections 120 . A PTC thermistor 122 is arranged to.
(1.1.1 柱状ハニカム構造部)
柱状ハニカム構造部は、例えば、底面が多角形(四角形(長方形(図1-1参照))、正方形(図1-2参照)、五角形、六角形、七角形、八角形等)の多角柱状、底面が円形の柱状(円柱状)(図2参照)、底面がオーバル形状(図1-3参照)の柱状等の任意の形状とすることができる。底面が多角形の場合、角部は面取りしてもよい。また、柱状ハニカム構造部は中空状にすることもできる。
(1.1.1 Columnar honeycomb structure part)
The columnar honeycomb structure part has, for example, a polygonal prism shape having a polygonal bottom surface (quadrilateral (rectangular (see FIG. 1-1)), square (see FIG. 1-2), pentagon, hexagon, heptagon, octagon, etc.), It may have any shape, such as a columnar shape (columnar shape) with a circular bottom (see FIG. 2) or a columnar shape with an oval bottom (see FIGS. 1-3). If the base is polygonal, the corners may be chamfered. Also, the columnar honeycomb structure can be hollow.
セルの流路に直交する断面におけるセルの形状に制限はないが、四角形(長方形、正方形)、六角形、八角形、又はこれらの二種以上の組み合わせであることが好ましい。これらのなかでも、正方形及び六角形が好ましい。セル形状をこのようにすることにより、ハニカム構造部にガスを流したときの圧力損失を小さくすることができる。例えば図1-1に示すヒーターエレメント100の柱状ハニカム構造部において、セルの流路に直交する断面におけるセルの形状は正方形である。 Although there is no limitation on the shape of the cells in the cross section perpendicular to the flow path of the cells, it is preferably quadrangular (rectangular, square), hexagonal, octagonal, or a combination of two or more of these. Among these, squares and hexagons are preferred. By making the cell shape as described above, the pressure loss when the gas is caused to flow through the honeycomb structure can be reduced. For example, in the columnar honeycomb structure portion of the heater element 100 shown in FIG. 1-1, the shape of the cells in the cross section perpendicular to the flow path of the cells is square.
セルの流路に直交する断面において、複数のセルを放射状に配列してもよい。図2-2には、後述する第二実施形態に関するが、複数のセルが放射状に配列されている例が示されている。図2-2に示す例においては、複数のセルはそれぞれが、柱状ハニカム構造部の中心側から外周側に向かって伸びる一対の隔壁と、当該一対の隔壁を連結する中心側及び外周側の隔壁と、によって区画形成される。より詳細には、図2-2の(a)に示す例においては、セルの流路に直交する断面において、複数のセル115はそれぞれが、柱状ハニカム構造部の中心側から外周側に向かって伸びる一対の直線状隔壁113aと、同心の一対の弧状隔壁113bとによって区画形成されている。図2-2の(b)に示す実施態様においては、セルの流路に直交する断面において、複数のセル115はそれぞれが六角形状であり、柱状ハニカム構造部の中心側から外周側に向かって伸びる一対の直線状隔壁113cと、当該一対の隔壁113cを連結する中心側及び外周側のそれぞれの折れ線状隔壁113dと、によって区画形成されている。なお、図2-2において、点線で示されている箇所は図示されている部分と同様に複数のセルが放射状に配列されていることを意味する。 A plurality of cells may be arranged radially in a cross section perpendicular to the flow path of the cells. FIG. 2-2 shows an example in which a plurality of cells are arranged radially, which relates to a second embodiment described later. In the example shown in FIG. 2-2, each of the plurality of cells has a pair of partition walls extending from the center side to the outer peripheral side of the columnar honeycomb structure portion, and central and outer peripheral partition walls connecting the pair of partition walls. and are partitioned by. More specifically, in the example shown in FIG. 2-2(a), in the cross section perpendicular to the flow path of the cells, each of the plurality of cells 115 extends from the center side of the columnar honeycomb structure toward the outer peripheral side. It is partitioned by a pair of extending linear partitions 113a and a pair of concentric arcuate partitions 113b. In the embodiment shown in FIG. 2-2(b), each of the plurality of cells 115 has a hexagonal shape in the cross section perpendicular to the flow path of the cells, and extends from the center side to the outer peripheral side of the columnar honeycomb structure. It is partitioned by a pair of extending linear partition walls 113c and polygonal linear partition walls 113d on the central side and the outer peripheral side that connect the pair of partition walls 113c. In FIG. 2-2, portions indicated by dotted lines mean that a plurality of cells are arranged radially in the same manner as the illustrated portion.
ガス流量を確保するという観点から、柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさ(柱状ハニカム構造部が中空状である場合は、その部分を除く。)の下限は、50cm2以上とすることが好ましく、70cm2以上とすることがより好ましく、100cm2以上とすることが更により好ましい。ヒーターエレメントをコンパクトにするという観点から、柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさの上限は、300cm2以下とすることが好ましく、200cm2以下とすることがより好ましく、更には150cm2以下とすることが更により好ましい。柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさは、例えば50~300cm2とすることができる。 From the viewpoint of securing the gas flow rate, the lower limit of the size of each bottom area of the columnar honeycomb structure (excluding the portion if the columnar honeycomb structure is hollow) may be 50 cm 2 or more. It is preferably 70 cm 2 or more, more preferably 100 cm 2 or more. From the viewpoint of making the heater element compact, the upper limit of the bottom area of each columnar honeycomb structure is preferably 300 cm 2 or less, more preferably 200 cm 2 or less, and further preferably 150 cm 2 or less. is even more preferred. The size of each base area of the columnar honeycomb structure can be, for example, 50 to 300 cm 2 .
ヒーターエレメントをコンパクトにするという観点から、柱状ハニカム構造部の高さ(各セルの流路長さ)の上限は、例えば40mm以下とすることが好ましく、20mm以下とすることがより好ましく、10mm以下とすることが更により好ましく、5mm以下とすることが更により好ましい。加熱性能及び強度を確保するという観点からは、柱状ハニカム構造部の高さ(各セルの流路長さ)の下限は3mm以上とすることが好ましい。柱状ハニカム構造部の高さ(各セルの流路長さ)は、例えば3~40mmとすることができる。 From the viewpoint of making the heater element compact, the upper limit of the height of the columnar honeycomb structure (the length of the flow path of each cell) is, for example, preferably 40 mm or less, more preferably 20 mm or less, and 10 mm or less. is even more preferable, and it is even more preferable to be 5 mm or less. From the viewpoint of ensuring heating performance and strength, it is preferable that the lower limit of the height of the columnar honeycomb structure portion (flow channel length of each cell) is 3 mm or more. The height of the columnar honeycomb structure (flow path length of each cell) can be, for example, 3 to 40 mm.
通電時の初期電流が過大になることを抑制するという観点及び通風抵抗を抑えて送風機の出力を抑制するという観点から、隔壁を薄くすることが有利である。従って、ハニカム構造部における隔壁113の平均厚みの上限は、0.15mm以下であることが好ましく、0.13mm以下であることがより好ましく、0.10mm以下であることがさらに好ましい。但し、ハニカム構造部の強度を確保するという観点からは、隔壁113の平均厚みの下限は、0.02mm以上であることが好ましく、0.04mm以上であることがより好ましく、0.06mm以上であることが更により好ましい。 It is advantageous to reduce the thickness of the partition wall from the viewpoint of suppressing the initial current from becoming excessive at the time of energization and from the viewpoint of suppressing the output of the blower by suppressing the ventilation resistance. Therefore, the upper limit of the average thickness of the partition walls 113 in the honeycomb structure is preferably 0.15 mm or less, more preferably 0.13 mm or less, and even more preferably 0.10 mm or less. However, from the viewpoint of ensuring the strength of the honeycomb structure, the lower limit of the average thickness of the partition walls 113 is preferably 0.02 mm or more, more preferably 0.04 mm or more, and more preferably 0.06 mm or more. It is even more preferred to have
本発明において、隔壁の厚みは、セルの流路に直交する断面において、隣接するセルの重心同士を線分で結んだときに当該線分が隔壁を横切る長さを指す。隔壁の平均厚みは、すべての隔壁の厚みの平均値を指す。 In the present invention, the thickness of the partition wall refers to the length of a line segment that crosses the partition wall when connecting the centers of gravity of adjacent cells in a cross section perpendicular to the flow path of the cell. The average partition wall thickness refers to the average thickness of all partition walls.
柱状ハニカム構造部は、セル密度が40セル/cm2以上であることが好ましく、80セル/cm2以上であることがより好ましい。先述した隔壁の平均厚みの好適な範囲と組み合わせてセル密度を上記範囲に規制することで、初期電流を抑えながら、急速加熱に適したヒーターエレメントとすることができる。通風抵抗を抑えて送風機の出力を抑制するという観点から、柱状ハニカム構造部は、セル密度が150セル/cm2以下であることが好ましく、120セル/cm2以下であることがより好ましい。本発明において、柱状ハニカム構造部のセル密度は、柱状ハニカム構造部の各底面の面積(柱状ハニカム構造部が中空状である場合は、その部分を除く。)でセル数を除して得られる値である。 The columnar honeycomb structure part preferably has a cell density of 40 cells/cm 2 or more, more preferably 80 cells/cm 2 or more. By limiting the cell density to the above range in combination with the preferred range of the average thickness of the partition walls described above, the heater element can be made suitable for rapid heating while suppressing the initial current. From the viewpoint of suppressing ventilation resistance and output of the blower, the columnar honeycomb structure preferably has a cell density of 150 cells/cm 2 or less, more preferably 120 cells/cm 2 or less. In the present invention, the cell density of the columnar honeycomb structure is obtained by dividing the number of cells by the area of each bottom surface of the columnar honeycomb structure (excluding that portion if the columnar honeycomb structure is hollow). value.
通風抵抗を抑えるという観点から、開口率(OFA)は大きいほうが有利である。従って、柱状ハニカム構造部の各底面における開口率の下限は、0.7以上であることが好ましく、0.75以上であることがより好ましく、0.8以上であることが更により好ましい。また、熱伝導性確保という観点からは、柱状ハニカム構造部の各底面における開口率の上限は0.9以下であることが好ましく、0.88以下であることがより好ましく、0.85以下であることが更により好ましい。本発明において、柱状ハニカム構造部の各底面における開口率は、セルの開口部を含む各底面の面積(柱状ハニカム構造部が中空状である場合は、その部分を除く。)に対する当該底面におけるセルの開口部の面積の比率を指す。 From the viewpoint of suppressing ventilation resistance, a larger open area ratio (OFA) is more advantageous. Therefore, the lower limit of the open area ratio at each bottom surface of the columnar honeycomb structure body is preferably 0.7 or more, more preferably 0.75 or more, and even more preferably 0.8 or more. From the viewpoint of ensuring thermal conductivity, the upper limit of the open area ratio at each bottom surface of the columnar honeycomb structure body is preferably 0.9 or less, more preferably 0.88 or less, and more preferably 0.85 or less. It is even more preferred to have In the present invention, the open area ratio at each bottom surface of the columnar honeycomb structure body is defined as the area of each bottom surface including the cell openings (if the columnar honeycomb structure body is hollow, exclude that portion). refers to the ratio of the area of the opening of
柱状ハニカム構造部の材質は、通電によって発熱可能な材質であれば特に制限はなく、金属やセラミックス等を使用可能である。外気又は車室内空気のようなガスが、柱状ハニカム構造部の一方の底面から流入してから、複数のセル115を通過し、他方の底面から流出するまでに、当該ガスは発熱する柱状ハニカム構造部からの伝熱によって加熱されることが可能である。特に、耐熱性と導電性の両立の観点から、柱状ハニカム構造部の材質は、Si結合SiC又はSiCを主成分とするものであることが好ましく、Si結合SiC又はSiCであることが更に好ましい。柱状ハニカム構造部の電気抵抗率を下げるために、ケイ化タンタル(TaSi2)及び/又はケイ化クロム(CrSi2)を配合することもできる。柱状ハニカム構造部がSi結合SiCを主成分とするというのは、柱状ハニカム構造部がSi結合SiC(合計質量)を、ハニカム構造部全体の90質量%以上含有していることを意味する。ここで、Si結合SiCは、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものである。また、柱状ハニカム構造部がSiCを主成分とするというのは、柱状ハニカム構造部がSiC(合計質量)を、ハニカム構造部全体の90質量%以上含有していることを意味する。 The material of the columnar honeycomb structure is not particularly limited as long as it can generate heat when energized, and metals, ceramics, and the like can be used. A columnar honeycomb structure in which gas such as outside air or vehicle interior air is heated during the period from when the gas flows in from one bottom surface of the columnar honeycomb structure part, passes through the plurality of cells 115, and flows out from the other bottom surface. It can be heated by heat transfer from the part. In particular, from the viewpoint of achieving both heat resistance and conductivity, the material of the columnar honeycomb structure portion preferably contains Si-bonded SiC or SiC as a main component, and is more preferably Si-bonded SiC or SiC. Tantalum silicide (TaSi 2 ) and/or chromium silicide (CrSi 2 ) can also be blended in order to lower the electrical resistivity of the columnar honeycomb structure. The fact that the columnar honeycomb structure contains Si-bonded SiC as a main component means that the columnar honeycomb structure contains Si-bonded SiC (total mass) in an amount of 90% by mass or more of the entire honeycomb structure. Here, the Si-bonded SiC contains silicon carbide particles as an aggregate and silicon as a binding material for binding the silicon carbide particles. The fact that the columnar honeycomb structure contains SiC as a main component means that the columnar honeycomb structure contains 90% by mass or more of SiC (total mass) of the entire honeycomb structure.
柱状ハニカム構造部の材質としては、チタン酸バリウムに代表されるPTC(Positive Temperature Coefficient)材料を採用することも可能である。つまり、柱状ハニカム構造部自体が、温度が上昇してキュリー点を超えると急激に抵抗値が上昇して電気が流れにくくなるという特性を有していてもよい。しかしながら、熱伝導率、強度、適切な電気抵抗を満足するハニカム材料選定という観点からは、Si結合SiC又はSiCのようなNTC(Negative Temperature Coefficient)特性を有する材料が総合的には好ましい。 A PTC (Positive Temperature Coefficient) material typified by barium titanate can be used as the material of the columnar honeycomb structure. In other words, the columnar honeycomb structure itself may have a characteristic that when the temperature rises and exceeds the Curie point, the resistance value rises sharply, making it difficult for electricity to flow. However, from the viewpoint of selecting a honeycomb material that satisfies thermal conductivity, strength, and appropriate electrical resistance, Si-bonded SiC or a material having NTC (Negative Temperature Coefficient) characteristics such as SiC is generally preferable.
(1.1.2 電極部)
ヒーターエレメント100は、柱状ハニカム構造部の外周側壁112の外周側に対向するように形成された一対の電極部120を備える。柱状ハニカム構造部は、一対の電極部間に電圧を印加すると通電してジュール熱により発熱することが可能である。好ましい実施形態においては、一対の電極部120が、ハニカム構造部の中心軸を挟んで、ハニカム構造部の外周側壁112の外周側にセルの流路方向に帯状に延設される。これにより、ハニカム構造体は、一対の電極部120間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部内を流れる電流の偏りを抑制することができ、ハニカム構造部内の温度分布の偏りを抑制することができる。各電極部120には電線を拡散接合、機械的な加圧機構、溶接等により接続することができ、例えばバッテリーから電線を介して給電可能である。
(1.1.2 Electrodes)
The heater element 100 includes a pair of electrode portions 120 formed to face the outer peripheral side of the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure portion. When a voltage is applied between the pair of electrode portions, the columnar honeycomb structure portion is energized and can generate heat by Joule heat. In a preferred embodiment, a pair of electrode portions 120 are provided in a strip shape on the outer peripheral side of the outer peripheral side wall 112 of the honeycomb structure portion in the direction of the flow path of the cells across the central axis of the honeycomb structure portion. As a result, the honeycomb structure can suppress unevenness in current flowing through the honeycomb structure when a voltage is applied between the pair of electrode portions 120, and can suppress uneven temperature distribution in the honeycomb structure. . An electric wire can be connected to each electrode portion 120 by diffusion bonding, a mechanical pressure mechanism, welding, or the like, and power can be supplied from a battery through an electric wire, for example.
各電極部120は、例えばCu、Ag、Al及びSiから選択される少なくとも一種を含有する電極を使用することができる。後述するPTCサーミスタとオーミック接触の得られるオーミック電極を使用することもできる。オーミック電極は、例えば、ベース金属としてAu、Ag及びInから選択される少なくとも一種を含有し、ドーパントとしてn型半導体用のNi、Si、Ge、Sn、Se及びTeから選択される少なくとも一種を含有するオーミック電極を使用することができる。 Each electrode part 120 can use an electrode containing at least one selected from, for example, Cu, Ag, Al and Si. An ohmic electrode capable of making ohmic contact with a PTC thermistor, which will be described later, can also be used. The ohmic electrode contains, for example, at least one selected from Au, Ag and In as a base metal, and at least one selected from Ni, Si, Ge, Sn, Se and Te for n-type semiconductors as a dopant. ohmic electrodes can be used.
一対の電極部120はそれぞれ、柱状ハニカム構造部のセルの流路方向に一方の底面から他方の底面まで延びる帯状に形成することが好ましい。このように、一対の電極部120が、柱状ハニカム構造部の両底面間に亘って配設されていることにより、一対の電極部120間に電圧を印加した時に、柱状ハニカム構造部内を流れる電流の偏りをより効果的に抑制することができる。そして、柱状ハニカム構造部内を流れる電流の偏りを抑制することにより、ハニカム構造部内の温度分布の偏りをより効果的に抑制することができる。「一対の電極部はそれぞれ、柱状ハニカム構造部のセルの流路方向に一方の底面から他方の底面まで延びる帯状に形成されている」とは、各電極部120の一方のセル流路方向端部が柱状ハニカム構造部の一方の底面の周縁に接し、且つ、各電極部120の他方のセル流路方向端部が柱状ハニカム構造部の他方の底面の周縁に接していることを意味する。 Each of the pair of electrode portions 120 is preferably formed in a band shape extending from one bottom surface to the other bottom surface in the direction of the flow path of the cells of the columnar honeycomb structure. In this way, since the pair of electrode portions 120 are arranged across the bottom surfaces of the columnar honeycomb structure portion, when a voltage is applied between the pair of electrode portions 120, the current flowing through the columnar honeycomb structure portion is reduced. bias can be suppressed more effectively. By suppressing the unevenness of the current flowing through the columnar honeycomb structure, the unevenness of the temperature distribution in the honeycomb structure can be suppressed more effectively. “Each of the pair of electrode portions is formed in a band shape extending from one bottom surface to the other bottom surface in the flow channel direction of the cells of the columnar honeycomb structure portion” means that one cell flow direction end of each electrode portion 120 contact with the periphery of one bottom surface of the columnar honeycomb structure, and the other end in the cell flow path direction of each electrode member 120 is in contact with the periphery of the other bottom of the columnar honeycomb structure.
(1.1.3 PTCサーミスタ)
ヒーターエレメント100は、柱状ハニカム構造部の外周側壁112と一対の電極部120の少なくとも一方の電極部120との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁112を被覆するように配設されたPTCサーミスタ122を備える。このようなサンドイッチ構造を有することで、柱状ハニカム構造部からの熱は迅速にPTCサーミスタ122に伝えられるので、柱状ハニカム構造部が過剰発熱したときに、PTCサーミスタ122が速やかに作動し、電極部120を介して柱状ハニカム構造部を通る電流を抑制することが可能となる。PTCサーミスタ122は、柱状ハニカム構造部の外周側壁112と一対の電極部120の一方の電極部120との間に挟まれた位置にのみ設けてもよいし、柱状ハニカム構造部の外周側壁112と一対の電極部120の両方の電極部120との間に挟まれた位置に設けてもよい。PTCサーミスタを両方の電極部に対して設ける場合は、電流の偏りを防止するため、各電極部用のPTCサーミスタ同士を分離させて設けることが好ましい。
(1.1.3 PTC thermistor)
The heater element 100 is sandwiched between the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure and at least one electrode portion 120 of the pair of electrode portions 120 so as to cover the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure. It has a PTC thermistor 122 disposed thereon. With such a sandwich structure, the heat from the columnar honeycomb structure is quickly transferred to the PTC thermistor 122. Therefore, when the columnar honeycomb structure overheats, the PTC thermistor 122 is quickly activated to Through 120, it becomes possible to suppress the current passing through the columnar honeycomb structure. The PTC thermistor 122 may be provided only at a position sandwiched between the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure and one electrode part 120 of the pair of electrode parts 120, or may be provided between the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure and the electrode part 120. It may be provided at a position sandwiched between both electrode portions 120 of the pair of electrode portions 120 . When PTC thermistors are provided for both electrode sections, it is preferable to separate the PTC thermistors for the respective electrode sections from each other in order to prevent current imbalance.
過熱防止性能を高めるという観点から、柱状ハニカム構造部の容積Vに対する、PTCサーミスタ122によって柱状ハニカム構造部の外周側壁112が被覆される部分の合計面積Sの比(S/V)の下限は、0.1cm2/cm3以上であることが好ましく、0.2cm2/cm3以上であることがより好ましく、0.4cm2/cm3以上であることが更により好ましい。また、円断面、四角断面の単純形状の側面全てを覆う以上に複雑形状にしてS/Vを稼ぐことは可能ではあるが電流の分布が複雑化して温度分布に不均一を生じやすくなってしまうので、単純形状を維持する観点から、S/Vの上限は、0.8cm2/cm3以下であることが好ましく、0.7cm2/cm3以下であることがより好ましく、0.6cm2/cm3以下であることが更により好ましい。ここで、ハニカムの容積Vは、柱状ハニカム構造部の外形寸法に基づいて測定される容積値を指す(中空部分は容積Vに算入しない。)。また、合計面積Sは、PTCサーミスタが複数設置されている場合には、複数のPTCサーミスタによって柱状ハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積を指す。 From the viewpoint of enhancing the overheating prevention performance, the lower limit of the ratio (S/V) of the total area S of the portion where the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure is covered with the PTC thermistor 122 to the volume V of the columnar honeycomb structure is It is preferably 0.1 cm 2 /cm 3 or more, more preferably 0.2 cm 2 /cm 3 or more, and even more preferably 0.4 cm 2 /cm 3 or more. In addition, although it is possible to increase the S/V by making the shape more complex than covering all the side surfaces of a simple shape such as a circular cross section or a square cross section, the current distribution becomes complicated and the temperature distribution tends to become non-uniform. Therefore, from the viewpoint of maintaining a simple shape, the upper limit of S/V is preferably 0.8 cm 2 /cm 3 or less, more preferably 0.7 cm 2 /cm 3 or less, and more preferably 0.6 cm 2 . /cm 3 or less is even more preferable. Here, the volume V of the honeycomb refers to a volume value measured based on the external dimensions of the columnar honeycomb structure (hollow portions are not included in the volume V). In addition, when a plurality of PTC thermistors are installed, the total area S refers to the total area of the portion where the outer peripheral side wall of the columnar honeycomb structure is covered by the plurality of PTC thermistors.
S/Vを大きくするために、PTCサーミスタによって柱状ハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積Sを大きくすると、各電極部用に配設したPTCサーミスタ同士の距離が短くなるので、ハニカム構造部内の電気伝導経路が短い部分ができてしまう。この場合、電気抵抗が低いためその部分に電流が集中して流れてしまい、局所的に高温になり、温度の不均一が生じる。そこで、ハニカム構造部中の電気伝導経路が短くなってしまう部分は電気伝導に関して絶縁し、熱伝導は可能な状態にすると、PTCサーミスタへの熱の伝わりは良好なので過熱防止効果に優れ、かつ、電気伝導経路の短い部分を作らないので、ハニカム構造部内での発熱均一性が向上するという効果が得られる。 If the total area S of the portion where the outer peripheral side wall of the columnar honeycomb structure is covered with the PTC thermistors is increased in order to increase the S/V, the distance between the PTC thermistors arranged for the respective electrode portions is shortened. A portion with a short electric conduction path is formed in the honeycomb structure. In this case, since the electrical resistance is low, the current flows intensively in that portion, causing a localized high temperature and non-uniform temperature. Therefore, if the portion of the honeycomb structure portion where the electric conduction path is shortened is insulated with respect to electric conduction and the heat conduction is allowed, the heat is transferred well to the PTC thermistor, so that the overheating prevention effect is excellent, and Since a short portion of the electric conduction path is not formed, the effect of improving heat generation uniformity in the honeycomb structure is obtained.
従って、本発明に係るヒーターエレメントは一実施形態において、
前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の各電極部との間に挟まれた位置にPTCサーミスタがそれぞれ配設されており、
少なくとも一方のPTCサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に位置する電気絶縁層であって、前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な位置に延設された電気絶縁層を更に備える。
Accordingly, in one embodiment, the heater element according to the present invention is
PTC thermistors are disposed at positions sandwiched between the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure portion and the electrode portions of the pair of electrode portions,
An electrical insulating layer located between a part of at least one PTC thermistor and the outer peripheral wall of the columnar honeycomb structure, wherein the current distribution in the honeycomb structure when a voltage is applied to the pair of electrodes. It further comprises an electrically insulating layer extending at a location where uniformity can be enhanced.
好ましい実施形態において、電気絶縁層はそれぞれのPTCサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に挟まれた位置に一対配設される。 In a preferred embodiment, a pair of electrical insulating layers are arranged between a part of each PTC thermistor and the outer peripheral side wall of the columnar honeycomb structure.
前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な電気絶縁層の配設位置としては、各電極部用に配設したPTCサーミスタ同士が周方向に最も近接する各PTCサーミスタの端縁部が挙げられる。電気絶縁層は各PTCサーミスタの一方の端縁部に設けてもよいし、各PTCサーミスタの両方の端縁部に設けてもよい。ここで、周方向とはハニカム構造部の高さ方向(セルの延びる方向)に垂直な方向を指す。 As for the arrangement position of the electrical insulating layer that can improve the uniformity of the current distribution in the honeycomb structure when a voltage is applied to the pair of electrodes, the PTC thermistors arranged for the respective electrode parts are placed around each other. The edge of each PTC thermistor that is closest in direction is included. The electrically insulating layer may be provided on one edge of each PTC thermistor or may be provided on both edges of each PTC thermistor. Here, the circumferential direction refers to a direction perpendicular to the height direction (cell extending direction) of the honeycomb structure.
前記外周側壁がPTCサーミスタによって被覆される部分の合計面積Sに対する、当該合計面積Sから前記外周側壁が前記電気絶縁層に接する部分の面積を除いた面積Seの比率(Se/S)は小さいほうが、ハニカム構造部内での発熱均一性が向上するという効果が得られやすい。一方で、Se/Sが小さすぎると過昇温防止効果が低下しやすくなる。このため、好ましい実施形態においては0.3≦Se/S<1を満たし、より好ましい実施形態においては、0.3≦Se/S≦0.8を満たし、更により好ましい実施形態においては0.4≦Se/S≦0.7を満たす。 The ratio (Se/S) of the area Se obtained by subtracting the area of the portion where the outer peripheral side wall is in contact with the electrical insulating layer from the total area S to the total area S of the portion where the outer peripheral side wall is covered with the PTC thermistor (Se/S) is preferably smaller. , the effect of improving heat generation uniformity in the honeycomb structure is likely to be obtained. On the other hand, if Se/S is too small, the effect of preventing excessive temperature rise tends to decrease. Therefore, in a preferred embodiment, 0.3≦Se/S<1, in a more preferred embodiment, 0.3≦Se/S≦0.8, and in a still more preferred embodiment, 0.3≦Se/S≦0.8. 4≦Se/S≦0.7 is satisfied.
例えば、図1-4には、図1-2の実施形態に対して、ハニカム構造部の外周側壁112とPTCサーミスタ122の間に電気絶縁層118を部分的に挟むように改変した変形例が示されている。図1-4の実施形態においては、一対の対向するPTCサーミスタ122はそれぞれ、外周側壁112の電圧印加面及び当該電圧印加面に対して垂直な外周側壁112の隣接側面に断面L字状に延設されている。電気絶縁層118は、各PTCサーミスタ122と外周側壁112の間に挟まれた位置で、外周側壁112の当該隣接側面を被覆するように設置されている。 For example, FIG. 1-4 shows a modification of the embodiment of FIG. 1-2 in which an electrical insulating layer 118 is partially sandwiched between the outer peripheral sidewall 112 of the honeycomb structure and the PTC thermistor 122. It is shown. In the embodiment of FIGS. 1-4, a pair of opposing PTC thermistors 122 each extend in an L-shaped cross-section on the voltage application surface of the outer peripheral sidewall 112 and the adjacent side surface of the outer peripheral sidewall 112 perpendicular to the voltage application surface. is set. The electrical insulating layer 118 is placed between each PTC thermistor 122 and the outer peripheral sidewall 112 so as to cover the adjacent side surface of the outer peripheral sidewall 112 .
電気絶縁層118の材質としては、特に制限はないが、例えば、SiO2、Al2O3、MgO、ZrO2、TiO2、CeO2等の酸化物や、AlN、Si3N4等の窒化物が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。電気絶縁層118の形成方法としては乾式法及び湿式法が挙げられる。乾式法としては、CVD(化学蒸着)法、PVD(物理蒸着)法、イオンプレーティング法、スパッタリング法及び静電スプレー法が例示される。湿式法としては、電気絶縁層形成用スラリーを外周側壁の所定位置に塗布し、乾燥させた後、焼成する方法が例示される。 The material of the electrical insulating layer 118 is not particularly limited . things are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. A method for forming the electrical insulating layer 118 includes a dry method and a wet method. Examples of dry methods include CVD (chemical vapor deposition), PVD (physical vapor deposition), ion plating, sputtering and electrostatic spraying. Examples of the wet method include a method in which a slurry for forming an electrical insulating layer is applied to a predetermined position on the outer peripheral side wall, dried, and then fired.
PTCサーミスタ122は、少なくとも一方の電極部120が柱状ハニカム構造部の外周側壁112と直接接触する部分がないように配設されることが好ましい。当該構成によればPTCサーミスタが作動したときに、電流経路を完全に遮断することが可能となるので、過熱防止性能を高める効果が得られる。 The PTC thermistor 122 is preferably arranged such that at least one electrode portion 120 does not have a portion in direct contact with the outer peripheral side wall 112 of the columnar honeycomb structure portion. According to this configuration, when the PTC thermistor is activated, it is possible to completely cut off the current path.
PTC特性を有するという観点から、PTCサーミスタ122は、チタン酸バリウムを主成分とする材料で構成されるセラミックスであることが好ましく、チタン酸バリウムを70質量%以上含有する材料で構成されるセラミックスであることがより好ましく、チタン酸バリウムを90質量%以上含有する材料で構成されるセラミックスであることが更により好ましい。当該セラミックスは希土類元素等の添加物を一種又は二種以上含有することが所望のPTC特性を得る上で好ましい。添加物としては、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのような半導体化剤、Sr、Sn及びZrのような低温側のシフター、(Bi-Na)、(Bi-K)のような高温側のシフター、Mnのような特性改善剤、酸化バナジウム及び酸化イットリウムのような金属酸化物(特に希土類元素の酸化物)、並びに、カーボンブラック及びニッケルのような導電体粉末が挙げられる。このほかのPTC材料として、クリストバライト相SiO2を母材とし導電フィラーを含む複合材がある。クリストバライト相SiO2母材の代替にトリジマイト相SiO2、クリストバライト相AlPO4、トリジマイト相AlPO4を用いることもできる。 From the viewpoint of having PTC characteristics, the PTC thermistor 122 is preferably ceramics composed of a material containing barium titanate as a main component, and is ceramics composed of a material containing 70% by mass or more of barium titanate. More preferably, it is a ceramic composed of a material containing 90% by mass or more of barium titanate. The ceramic preferably contains one or more additives such as rare earth elements in order to obtain desired PTC characteristics. Additives include semiconducting agents such as Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu; side shifters, high temperature side shifters such as (Bi--Na), (Bi--K), property improvers such as Mn, metal oxides such as vanadium oxide and yttrium oxide (especially oxides of rare earth elements) , and conductive powders such as carbon black and nickel. As another PTC material, there is a composite material containing cristobalite phase SiO 2 as a base material and conductive filler. Tridymite phase SiO 2 , cristobalite phase AlPO 4 and tridymite phase AlPO 4 can also be used instead of the cristobalite phase SiO 2 base material.
PTCサーミスタ122を構成する材料のキュリー点の下限値は、暖房用に空気を効率良く加熱する観点から、100℃以上であることが好ましく、125℃以上であることがより好ましく、150℃以上であることが更により好ましい。また、PTCサーミスタ122を構成する材料のキュリー点の上限値は、車室または車室近傍に置かれる部品としての安全性の観点から、250℃以下であることが好ましく、225℃以下であることがより好ましく、200℃以下であることが更により好ましい。 From the viewpoint of efficiently heating the air for heating, the lower limit of the Curie point of the material forming the PTC thermistor 122 is preferably 100° C. or higher, more preferably 125° C. or higher, and 150° C. or higher. It is even more preferred to have In addition, the upper limit of the Curie point of the material that constitutes the PTC thermistor 122 is preferably 250° C. or less, more preferably 225° C. or less, from the viewpoint of safety as a component placed in or near the vehicle compartment. is more preferable, and 200° C. or less is even more preferable.
PTCサーミスタ122を構成する材料のキュリー点は、シフターの種類及び添加量によって調整可能である。例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)のキュリー点は約120℃であるが、Ba及びTiの一部をSr、Sn及びZrの一種以上で置換することにより、キュリー点を低温側にシフトさせることができる。また、Baの一部をPbで置換することにより、キュリー温度を高温側にシフトさせることができる。 The Curie point of the material forming the PTC thermistor 122 can be adjusted by the type and amount of shifter added. For example, the Curie point of barium titanate (BaTiO 3 ) is about 120° C., but the Curie point can be shifted to the low temperature side by substituting a portion of Ba and Ti with one or more of Sr, Sn and Zr. can be done. Further, by substituting part of Ba with Pb, the Curie temperature can be shifted to the high temperature side.
本発明において、キュリー点は以下の方法により測定される。試料を測定用の試料ホルダーに取りつけ、測定槽(例:MINI-SUBZERO MC-810P タバイ エスペック社製)内に装着して、10℃から昇温したときの温度変化に対する試料の電気抵抗の変化を直流抵抗計(例:マルチメーター3478A YHP製)を用いて測定する。測定により得られた電気抵抗-温度プロットにより、抵抗値が20℃における抵抗値の2倍になるときの温度をキュリー点とする。 In the present invention, the Curie point is measured by the following method. Attach the sample to the sample holder for measurement, install it in a measuring tank (eg: MINI-SUBZERO MC-810P manufactured by Tabai Espec Co., Ltd.), and measure the change in the electrical resistance of the sample with respect to the temperature change when the temperature is raised from 10 ° C. It is measured using a DC resistance meter (eg, multimeter 3478A manufactured by YHP). The temperature at which the resistance value becomes twice the resistance value at 20° C. according to the electrical resistance-temperature plot obtained by the measurement is defined as the Curie point.
PTCサーミスタ122の平均厚みの下限は、過熱防止性能を高めるという観点から、0.5mm以上であることが好ましく、1mm以上であることがより好ましく、2mm以上であることが更により好ましい。PTCサーミスタ122の平均厚みの上限は、全体としての初期電気抵抗値を過剰に大きくしないという観点から、50mm以下であることが好ましく、40mm以下であることがより好ましく、30mm以下であることが更により好ましい。PTCサーミスタ122の平均厚みは、セルの流路に直交する断面でPTCサーミスタ122の厚みを任意に10か所以上測定したときの平均値として求める。 The lower limit of the average thickness of the PTC thermistor 122 is preferably 0.5 mm or more, more preferably 1 mm or more, and even more preferably 2 mm or more, from the viewpoint of enhancing overheat prevention performance. The upper limit of the average thickness of the PTC thermistor 122 is preferably 50 mm or less, more preferably 40 mm or less, and more preferably 30 mm or less from the viewpoint of not excessively increasing the initial electrical resistance value as a whole. more preferred. The average thickness of the PTC thermistor 122 is obtained as an average value when the thickness of the PTC thermistor 122 is arbitrarily measured at 10 or more points in a cross section perpendicular to the flow path of the cell.
(1.2 ヒーターエレメントの第二実施形態)
図2には、本発明の第二実施形態に係るヒーターエレメント200についての、模式的な斜視図が示されている。ヒーターエレメント200は、外周側壁112と、内周側壁117と、外周側壁112及び内周側壁117の間に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の流路を形成する複数のセル115を区画形成する隔壁113と、を有する通電発熱可能な中空状ハニカム構造部を備える。また、ヒーターエレメント200は、中空状ハニカム構造部の外周側壁112の外周側に形成された外側電極部120aと、中空状ハニカム構造部の内周側壁117の内周側に形成された内側電極部120bを備える。また、ヒーターエレメント200は、中空状ハニカム構造部の内周側壁117と内側電極部120bとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の内周側壁117を被覆するように配設されている、及び/又は、中空状ハニカム構造部の外周側壁112と外側電極部120aとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の外周側壁112を被覆するように配設されている、PTCサーミスタ122を備える。
(1.2 Second Embodiment of Heater Element)
FIG. 2 shows a schematic perspective view of a heater element 200 according to a second embodiment of the invention. The heater element 200 includes an outer peripheral sidewall 112, an inner peripheral sidewall 117, and a plurality of cells 115 disposed between the outer peripheral sidewall 112 and the inner peripheral sidewall 117 and forming fluid flow paths from one bottom surface to the other bottom surface. and partition walls 113 that partition and form a hollow honeycomb structure capable of electrically generating heat. The heater element 200 includes an outer electrode portion 120a formed on the outer peripheral side of the outer peripheral side wall 112 of the hollow honeycomb structure portion and an inner electrode portion 120a formed on the inner peripheral side of the inner peripheral side wall 117 of the hollow honeycomb structure portion. 120b. Further, the heater element 200 is disposed so as to cover the inner peripheral side wall 117 of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the inner peripheral side wall 117 of the hollow honeycomb structure and the inner electrode portion 120b. and/or is disposed so as to cover the outer peripheral sidewall 112 of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the outer peripheral sidewall 112 of the hollow honeycomb structure and the outer electrode portion 120a. , a PTC thermistor 122 .
(1.2.1 柱状ハニカム構造部)
中空状ハニカム構造部の全体形状及びセルの形状は、中空状であるという限定がある点を除き、第一実施形態で述べた柱状ハニカム構造部における説明と同様であるので、詳細な説明を省略する。但し、第二実施形態においては、電極部が中空状ハニカム構造部の外周側及び内周側の両方に配置されているため、セルを放射状に配列することで、電気が径方向に流れやすくなる。このため、セルを放射状に配列することは、本実施形態のように電極部を中空状ハニカム構造部の外周側及び内周側の両方に配置するときに均一加熱性能が高くなるという点で特に有利である。
(1.2.1 Columnar honeycomb structure part)
The overall shape of the hollow honeycomb structure and the shape of the cells are the same as those of the columnar honeycomb structure described in the first embodiment, except for the fact that they are hollow, so detailed description is omitted. do. However, in the second embodiment, since the electrode portions are arranged on both the outer peripheral side and the inner peripheral side of the hollow honeycomb structure portion, by arranging the cells radially, electricity can easily flow in the radial direction. . Therefore, arranging the cells radially increases the uniform heating performance particularly when the electrode portions are arranged on both the outer peripheral side and the inner peripheral side of the hollow honeycomb structure portion as in the present embodiment. Advantageous.
中空状ハニカム構造部の各底面積の大きさ、高さ、隔壁の平均厚み、セル密度、開口率、及び材質は、第一実施形態で述べた柱状ハニカム構造部における説明と同様であるので詳細な説明を省略する。 The size and height of each bottom area of the hollow honeycomb structure, the average thickness of the partition walls, the cell density, the open area ratio, and the material are the same as those described for the columnar honeycomb structure described in the first embodiment, so the details are as follows. detailed description is omitted.
PTC材料がハニカムと接触する面積を確保する観点から、セルの流路に直交する断面において、中空部分及びセル開口部を含む中空状ハニカム構造部全体の断面積に対する中空部分の占める面積の割合は、5%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましい。また、ハニカム部を十分確保し、ガスの流動抵抗を抑える観点から、セルの流路に直交する断面において、中空部分及びセル開口部を含む中空状ハニカム構造部全体の断面積に対する中空部分の占める面積の割合は、80%以下であることが好ましく、60%以下であることがより好ましく、50%以下であることが更により好ましい。なお、中空部分の占める面積の算出には電極部及びPTCサーミスタは考慮しない。 From the viewpoint of securing the area where the PTC material contacts the honeycomb, the ratio of the area occupied by the hollow parts to the cross-sectional area of the entire hollow honeycomb structure including the hollow parts and the cell openings in the cross section perpendicular to the flow path of the cells is , preferably 5% or more, more preferably 10% or more. In addition, from the viewpoint of sufficiently securing the honeycomb portion and suppressing gas flow resistance, the hollow portion occupies the cross-sectional area of the entire hollow honeycomb structure portion including the hollow portion and the cell opening in the cross section perpendicular to the flow path of the cells. The area ratio is preferably 80% or less, more preferably 60% or less, and even more preferably 50% or less. Note that the electrodes and the PTC thermistor are not considered in calculating the area occupied by the hollow portion.
(1.2.2 電極部)
ヒーターエレメント200は、中空状ハニカム構造部の外周側壁112の外周側に形成された外側電極部120aと、中空状ハニカム構造部の内周側壁117の内周側に形成された内側電極部120bを備える。中空状ハニカム構造部は、一対の電極部間に電圧を印加すると通電してジュール熱により発熱することが可能である。好ましい実施形態においては、均一発熱の観点から、外側電極部120aは中空状ハニカム構造部の外周側壁の外周側全体を被覆するように形成される。また、好ましい実施形態においては、均一発熱の観点から、内側電極部120bは、中空状ハニカム構造部の内周側壁117の内周側全体を被覆するように形成される。これにより、ハニカム構造体は、一対の電極部120a、120b間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部内を流れる電流の偏りを抑制することができ、ハニカム構造部内の温度分布の偏りを抑制することができる。内側電極部120bは、図2-2の(a)に示すように、ハニカム構造部の中空部分を完全に閉塞するように設けることも可能であり、これによって、ヒーターエレメントの構造強度を高めることができる。各電極部120a、120bには電線を拡散接合、機械的な加圧機構、溶接等により接続することができ、例えばバッテリーから電線を介して給電可能である。
(1.2.2 Electrodes)
The heater element 200 has an outer electrode portion 120a formed on the outer peripheral side of the outer peripheral side wall 112 of the hollow honeycomb structure portion, and an inner electrode portion 120b formed on the inner peripheral side of the inner peripheral side wall 117 of the hollow honeycomb structure portion. Prepare. When a voltage is applied between the pair of electrode portions, the hollow honeycomb structure portion is energized and can generate heat by Joule heat. In a preferred embodiment, from the viewpoint of uniform heat generation, the outer electrode portion 120a is formed so as to cover the entire outer peripheral side of the outer peripheral side wall of the hollow honeycomb structure portion. In a preferred embodiment, from the viewpoint of uniform heat generation, the inner electrode portion 120b is formed so as to cover the entire inner peripheral side of the inner peripheral side wall 117 of the hollow honeycomb structure portion. As a result, the honeycomb structure can suppress unevenness in the current flowing through the honeycomb structure when a voltage is applied between the pair of electrode portions 120a and 120b, thereby suppressing unevenness in the temperature distribution in the honeycomb structure. can be done. As shown in FIG. 2-2(a), the inner electrode portion 120b can be provided so as to completely block the hollow portion of the honeycomb structure portion, thereby increasing the structural strength of the heater element. can be done. An electric wire can be connected to each of the electrode portions 120a and 120b by diffusion bonding, a mechanical pressing mechanism, welding, or the like, and power can be supplied from a battery through the electric wire, for example.
各電極部120a、120bの材質は、第一実施形態で述べた電極部における説明と同様であるので詳細な説明を省略する。 The material of each of the electrode portions 120a and 120b is the same as the electrode portion described in the first embodiment, so detailed description thereof will be omitted.
(1.2.3 PTCサーミスタ)
ヒーターエレメント200は、中空状ハニカム構造部の内周側壁117と内側電極部120bとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の内周側壁117を被覆するように配設されているPTCサーミスタ122を備えることができる。代替的に又は追加的に、ヒーターエレメント200は、中空状ハニカム構造部の外周側壁112と外側電極部120aとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の外周側壁112を被覆するように配設されている、PTCサーミスタ122を備える。
(1.2.3 PTC thermistor)
The heater element 200 is arranged so as to cover the inner peripheral sidewall 117 of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the inner peripheral sidewall 117 of the hollow honeycomb structure and the inner electrode portion 120b. A PTC thermistor 122 may be provided. Alternatively or additionally, the heater element 200 covers the outer peripheral sidewall 112 of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the outer peripheral sidewall 112 of the hollow honeycomb structure and the outer electrode portion 120a. A PTC thermistor 122 is provided.
このようなPTCサーミスタのサンドイッチ構造を有することで、柱状ハニカム構造部からの熱は迅速にPTCサーミスタ122に伝えられるので、柱状ハニカム構造部が過剰発熱したときに、PTCサーミスタ122が速やかに作動し、電極部120を介して柱状ハニカム構造部を通る電流を抑制することが可能となる。過熱防止性能を高めるという観点からは、被覆面積を大きくすることができる外周電極側に少なくともPTCサーミスタが配設されていることが好ましい。 With such a PTC thermistor sandwich structure, the heat from the columnar honeycomb structure is quickly transferred to the PTC thermistor 122, so that when the columnar honeycomb structure overheats, the PTC thermistor 122 quickly operates. , it becomes possible to suppress the electric current passing through the columnar honeycomb structure portion via the electrode portion 120 . From the viewpoint of enhancing the overheating prevention performance, it is preferable that at least the PTC thermistor is arranged on the outer peripheral electrode side where the covering area can be increased.
過熱防止性能を高めるという観点から、柱状ハニカム構造部の容積Vに対する、PTCサーミスタ122によって中空状ハニカム構造部の内周側壁及び/又は外周側壁112が被覆される部分の合計面積Sの比(S/V)の下限は、0.1cm2/cm3以上であることが好ましく、0.2cm2/cm3以上であることがより好ましく、0.4cm2/cm3以上であることが更により好ましい。また、単純形状を維持する観点から、S/Vの上限は、0.8cm2/cm3以下であることが好ましく、0.7cm2/cm3以下であることがより好ましく、0.6cm2/cm3以下であることが更により好ましい。ここで、ハニカムの容積Vは、柱状ハニカム構造部の外形寸法に基づいて測定される容積値を指す(中空部分は容積Vに算入しない。)。また、合計面積Sは、PTCサーミスタが複数設置されている場合には、複数のPTCサーミスタによって柱状ハニカム構造部の内周側壁及び/又は外周側壁が被覆される部分の合計面積を指す。 From the viewpoint of enhancing the overheating prevention performance, the ratio of the total area S of the portion where the inner peripheral sidewall and/or the outer peripheral sidewall 112 of the hollow honeycomb structure is covered with the PTC thermistor 122 to the volume V of the columnar honeycomb structure (S /V) is preferably 0.1 cm 2 /cm 3 or more, more preferably 0.2 cm 2 /cm 3 or more, and even more preferably 0.4 cm 2 /cm 3 or more. preferable. From the viewpoint of maintaining a simple shape, the upper limit of S/V is preferably 0.8 cm 2 /cm 3 or less, more preferably 0.7 cm 2 /cm 3 or less, and more preferably 0.6 cm 2 . /cm 3 or less is even more preferable. Here, the volume V of the honeycomb refers to a volume value measured based on the external dimensions of the columnar honeycomb structure (hollow portions are not included in the volume V). Further, the total area S refers to the total area of the portion where the inner peripheral sidewall and/or the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure is covered by the plurality of PTC thermistors when a plurality of PTC thermistors are installed.
PTCサーミスタ122が中空状ハニカム構造部の内周側壁117を被覆するように配設されている場合、当該PTCサーミスタ122は内側電極部120bが中空状ハニカム構造部の内周側壁117と直接接触する部分がないように配設されていることが好ましい。同様に、PTCサーミスタ122が中空状ハニカム構造部の外周側壁112を被覆するように配設されている場合、当該PTCサーミスタ122は外側電極部120aが中空状ハニカム構造部の外周側壁112と直接接触する部分がないように配設されていることが好ましい。当該構成によればPTCサーミスタが作動したときに、電流経路を完全に遮断することが可能となるので、過熱防止性能を高める効果が得られる。 When the PTC thermistor 122 is arranged to cover the inner peripheral sidewall 117 of the hollow honeycomb structure, the inner electrode portion 120b of the PTC thermistor 122 is in direct contact with the inner peripheral sidewall 117 of the hollow honeycomb structure. It is preferably arranged so that there are no parts. Similarly, when the PTC thermistor 122 is arranged to cover the outer peripheral wall 112 of the hollow honeycomb structure, the PTC thermistor 122 has the outer electrode portion 120a in direct contact with the outer peripheral wall 112 of the hollow honeycomb structure. It is preferable that it is arranged so that there is no part to be bent. According to this configuration, when the PTC thermistor is activated, it is possible to completely cut off the current path.
第二実施形態におけるPTCサーミスタ122の材質、キュリー点及び平均厚みは、第一実施形態で述べたPTCサーミスタにおける説明と同様であるので詳細な説明を省略する。 The material, Curie point, and average thickness of the PTC thermistor 122 in the second embodiment are the same as those of the PTC thermistor described in the first embodiment, so detailed description thereof will be omitted.
(2.ヒーターエレメントの使用方法)
本発明に係るヒーターエレメントは、例えば、一対の電極間に電圧を印加することで発熱させることができる。印加電圧としては、急速加熱の観点から、200V以上の電圧を印加することが好ましく、250V以上の電圧を印加することがより好ましい。先述したように、本発明に係るヒーターエレメントは高電圧を印加したときにでも初期電流を抑えることができるので、安全性が高い。また、安全仕様が重くならないため、ヒーター周りの機器を低コストで製造可能である。
(2. How to use the heater element)
The heater element according to the present invention can generate heat by, for example, applying a voltage between a pair of electrodes. From the viewpoint of rapid heating, the applied voltage is preferably 200 V or higher, more preferably 250 V or higher. As described above, the heater element according to the present invention is highly safe because the initial current can be suppressed even when a high voltage is applied. In addition, since the safety specifications do not become heavy, the equipment around the heater can be manufactured at low cost.
ヒーターエレメントが、電圧の印加によって発熱しているときに、セルにガスを流すことで、ガスを加熱することができる。セルに流入するガスの温度としては、例えば-60℃~20℃とすることができ、典型的には-10℃~20℃とすることができる。 The gas can be heated by flowing the gas through the cell while the heater element is generating heat due to the application of voltage. The temperature of the gas flowing into the cell can be, for example, -60°C to 20°C, typically -10°C to 20°C.
(3.ヒーターエレメントの製造方法)
次に、本発明に係るヒーターエレメントを製造する方法について例示的に説明する。
(3. Manufacturing method of heater element)
Next, a method for manufacturing a heater element according to the present invention will be exemplified.
(3.1 ハニカム構造部の作製)
柱状ハニカム構造部(中空状ハニカム構造部を含む)の作製は、公知のハニカム構造体の製造方法に準じて行うことができる。例えば、まず、炭化珪素粉末(炭化珪素)に、金属珪素粉末(金属珪素)、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して成形原料を作製する。炭化珪素粉末の質量と金属珪素の質量との合計に対して、金属珪素の質量が10~40質量%となるようにすることが好ましい。尚、これは、ハニカム構造部の材質を、Si結合SiCとする場合の成形原料の配合であり、ハニカム構造部の材質をSiCとする場合には、金属珪素は添加しない。
(3.1 Fabrication of honeycomb structure)
A columnar honeycomb structure (including a hollow honeycomb structure) can be produced according to a known method for producing a honeycomb structure. For example, first, metal silicon powder (metal silicon), a binder, a surfactant, a pore-forming material, water, etc. are added to silicon carbide powder (silicon carbide) to prepare a forming raw material. It is preferable that the mass of the metallic silicon is 10 to 40% by mass with respect to the sum of the mass of the silicon carbide powder and the mass of the metallic silicon. This is the composition of the forming raw material when the material of the honeycomb structure is Si-bonded SiC, and when the material of the honeycomb structure is SiC, metallic silicon is not added.
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、2.0~10.0質量部であることが好ましい。 Binders include methylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxypropoxylcellulose, hydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose, polyvinyl alcohol and the like. Among these, it is preferable to use methyl cellulose and hydroxypropoxyl cellulose together. The content of the binder is preferably 2.0 to 10.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass.
水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、20~60質量部であることが好ましい。 The content of water is preferably 20 to 60 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass.
界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.1~2.0質量部であることが好ましい。 Ethylene glycol, dextrin, fatty acid soap, polyalcohol and the like can be used as surfactants. These may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. The content of the surfactant is preferably 0.1 to 2.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass.
造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を100質量部としたときに、0.5~10.0質量部であることが好ましい。 The pore-forming material is not particularly limited as long as it forms pores after firing, and examples thereof include graphite, starch, foamed resin, water-absorbent resin, and silica gel. The content of the pore-forming material is preferably 0.5 to 10.0 parts by mass when the total mass of the silicon carbide powder and the metal silicon powder is 100 parts by mass.
次に、得られた成形原料を混練して坏土を形成した後、坏土を押出成形してハニカム成形体を作製する。押出成形に際しては、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚み、セル密度等を有する口金を用いることができる。 Next, after kneading the obtained forming raw material to form a clay, the clay is extruded to produce a formed honeycomb body. For extrusion molding, a die having a desired overall shape, cell shape, partition wall thickness, cell density, etc. can be used.
次いで、得られたハニカム成形体を乾燥する。乾燥工程においては、例えば、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の従来公知の乾燥方法を用いることができる。なかでも、成形体全体を迅速かつ均一に乾燥することができる点で、熱風乾燥と、マイクロ波乾燥又は誘電乾燥とを組み合わせた乾燥方法が好ましい。 Next, the obtained honeycomb molded body is dried. In the drying step, conventionally known drying methods such as hot air drying, microwave drying, dielectric drying, reduced pressure drying, vacuum drying, and freeze drying can be used. Among them, a drying method combining hot-air drying and microwave drying or dielectric drying is preferable in that the entire molded body can be dried quickly and uniformly.
次いで、乾燥後のハニカム成形体に対して焼成を行うことで柱状ハニカム構造部を作製可能である。焼成の前にバインダを除去するための脱脂工程を行うこともできる。焼成条件は、ハニカム成形体の材質によって適宜決定することができる。例えば、柱状ハニカム構造部の材質がSi結合SiCを主成分とする場合、ハニカム成形体をAr等の不活性ガス雰囲気中においてSiC粒子間をSi金属が結合する条件で焼成することにより、柱状ハニカム構造部を作製することができる。 Next, by firing the dried honeycomb formed body, a columnar honeycomb structure can be produced. A degreasing step for removing the binder can also be performed before firing. Firing conditions can be appropriately determined depending on the material of the formed honeycomb body. For example, when the material of the columnar honeycomb structure is mainly Si-bonded SiC, the columnar honeycomb structure is fired in an atmosphere of an inert gas such as Ar under conditions in which Si metal bonds between SiC particles to obtain a columnar honeycomb structure. Structures can be made.
焼成炉としては、特に限定されないが、電気炉、ガス炉等を用いることができる。 The firing furnace is not particularly limited, but an electric furnace, a gas furnace, or the like can be used.
(3.2 PTCサーミスタの作製)
PTCサーミスタは例えば以下の手順により作製可能である。セラミックス原料に、分散媒及びバインダを含有する原料組成物を混ぜ合わせ、混練してペースト又はスラリーを調製する。原料組成物中には分散剤、半導体化剤、シフター、金属酸化物、特性改善剤、導電体粉末等の添加剤を必要に応じて配合することができる。
(3.2 Production of PTC thermistor)
A PTC thermistor can be produced, for example, by the following procedure. A raw material composition containing a dispersion medium and a binder is mixed with a ceramic raw material and kneaded to prepare a paste or slurry. Additives such as a dispersant, a semiconducting agent, a shifter, a metal oxide, a property improving agent, and a conductor powder can be blended into the raw material composition as needed.
セラミックス原料は、焼成後に残存し、セラミックスとしてPTCサーミスタの骨格を構成する部分の原料である。セラミックス原料は例えば粉末の形態で提供することができる。セラミックス原料としては、チタン酸バリウムの主成分となるTiO2やBaCO3など酸化物や炭酸塩原料が使用可能である。また、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのような半導体化剤、Sr、Sn及びZrのような低温側のシフター、(Bi-Na)、(Bi-K)のような高温側のシフター、Mnのような特性改善剤等も、酸化物や炭酸塩、あるいは焼成後酸化物になるシュウ酸塩を用いてもよい。導電率を制御するため、カーボンブラック及びニッケルのような導電体粉末を添加してもよい。 The ceramic raw material is the raw material of the portion that remains after firing and constitutes the skeleton of the PTC thermistor as ceramic. The ceramic raw material can be provided, for example, in the form of powder. As the ceramic raw material, oxides such as TiO 2 and BaCO 3 which are the main components of barium titanate, and carbonate raw materials can be used. In addition, semiconducting agents such as Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, low temperature side shifters such as Sr, Sn and Zr , (Bi--Na), (Bi--K) and other high-temperature side shifters, characteristic improvers such as Mn, oxides, carbonates, or oxalates that become oxides after firing. good. Conductive powders such as carbon black and nickel may be added to control conductivity.
分散媒としては、水、又は水とアルコール等の有機溶媒との混合溶媒等を挙げることができるが、特に水を好適に用いることができる。 Examples of the dispersion medium include water, a mixed solvent of water and an organic solvent such as alcohol, and the like, and water is particularly preferable.
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等の有機バインダを例示することができる。特に、メチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルセルロースを併用することが好適である。また、バインダの含有量は、成形体の強度を維持する観点から、セラミックス原料100質量部に対して4質量部以上であることが好ましく、5質量部以上であるのがより好ましく、6質量部以上であるのが更により好ましい。バインダの含有量は、バインダ除去加熱における成形体の割れを抑制する観点から、セラミックス原料100質量部に対して9質量部以下であることが好ましく、8質量部以下であるのがより好ましく、7質量部以下であるのが更により好ましい。バインダは、1種類を単独で使用するものであっても、2種類以上を組み合わせて使用するものであってもよい。 Examples of binders include organic binders such as methylcellulose, hydroxypropoxylcellulose, hydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose, and polyvinyl alcohol. In particular, it is preferable to use methyl cellulose and hydroxypropoxyl cellulose together. In addition, from the viewpoint of maintaining the strength of the molded body, the content of the binder is preferably 4 parts by mass or more, more preferably 5 parts by mass or more, more preferably 6 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the ceramic raw material. The above is even more preferable. The content of the binder is preferably 9 parts by mass or less, more preferably 8 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the ceramic raw material, from the viewpoint of suppressing cracking of the molded body during heating for removing the binder. It is even more preferable that it is not more than parts by mass. One type of binder may be used alone, or two or more types may be used in combination.
分散剤には、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等の界面活性剤を用いることができる。分散剤は、1種類を単独で使用するものであっても、2種類以上を組み合わせて使用するものであってもよい。分散剤の含有量は、セラミックス原料100質量部に対して0~2質量部であることが好ましい。 Surfactants such as ethylene glycol, dextrin, fatty acid soap, and polyalcohol can be used as dispersants. Dispersants may be used singly or in combination of two or more. The content of the dispersant is preferably 0 to 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the ceramic raw material.
次いで、得られたペースト又はスラリーをハニカム構造体の外周側壁及び/又は内周側壁の所望の場所に塗布後、ペースト又はスラリーを焼成する。焼成の前に、バインダ等を除去するため、仮焼成を行ってもよい。焼成条件としては、窒素、アルゴン、真空等の不活性雰囲気において、950~1300℃で、10分~120分加熱することが好ましい。 Next, the obtained paste or slurry is applied to desired locations on the outer peripheral side wall and/or the inner peripheral side wall of the honeycomb structure, and then the paste or slurry is fired. Temporary firing may be performed to remove the binder and the like before firing. As the firing conditions, it is preferable to heat at 950 to 1,300° C. for 10 to 120 minutes in an inert atmosphere such as nitrogen, argon, or vacuum.
代替的に、PTCサーミスタは、先述した原料組成物を混練して坏土を得て、所望のPTCサーミスタ形状に成形し、次いで、乾燥、脱脂及び焼成を行うことで作製してもよい。焼成条件は、PTCサーミスタの材質によって適宜決定することができる。例えば、PTCサーミスタの材質がチタン酸バリウムを主成分とする場合、焼成温度は、1100~1400℃が好ましく、1200~1300℃が更に好ましい。また、焼成時間は、1~4時間程度とすることが好ましい。作製したPTCサーミスタは、ハニカム構造体の外周側壁及び/又は内周側壁の所望の場所に、メタライズ接合(ロウ付け)、拡散接合、無機接着剤などの方法で接合することができる。 Alternatively, the PTC thermistor may be produced by kneading the raw material composition described above to obtain a clay, molding it into the desired PTC thermistor shape, and then drying, degreasing and firing it. The firing conditions can be appropriately determined according to the material of the PTC thermistor. For example, when the PTC thermistor is mainly made of barium titanate, the firing temperature is preferably 1100 to 1400.degree. C., more preferably 1200 to 1300.degree. Also, the firing time is preferably about 1 to 4 hours. The manufactured PTC thermistor can be bonded to a desired location on the outer peripheral side wall and/or the inner peripheral side wall of the honeycomb structure by a method such as metallization bonding (brazing), diffusion bonding, inorganic adhesive, or the like.
(3.3 電極部の形成)
このようにして得られたPTCサーミスタ付きハニカム構造部には、電極部を接合することができる。電極部は、PTCサーミスタの表面上に、スパッタリング、蒸着、電解析出、化学析出のような金属析出法によって形成することができる。また、電極部は、PTCサーミスタの表面上に電極ペーストを塗布した後、焼き付けることによって形成することもできる。更には溶射によって形成することもできる。いずれの方法によっても、PTCサーミスタの表面にコーティングされた電極部を形成することができる。電極部は単層で構成してもよいが、組成の異なる複数の電極層で構成することもできる。例えば、電極部の厚みはペーストの焼付けでは5~30μm程度、スパッタリング及び蒸着のような乾式めっきでは100~1000nm程度、溶射では10~100μm程度、電解析出及び化学析出のような湿式めっきでは5~30μm程度とすることが好ましい。内側電極部は、ハニカム構造部の中空部分を完全に閉塞するように設けることも可能であり、これによって、ヒーターエレメントの構造強度を高めることができる。
(3.3 Formation of electrode portion)
An electrode part can be joined to the honeycomb structure part with a PTC thermistor thus obtained. Electrodes can be formed on the surface of the PTC thermistor by metal deposition methods such as sputtering, vapor deposition, electrolytic deposition, and chemical deposition. The electrode portion can also be formed by applying an electrode paste on the surface of the PTC thermistor and then baking it. Furthermore, it can also be formed by thermal spraying. Either method can form the coated electrode part on the surface of the PTC thermistor. The electrode portion may be composed of a single layer, but may also be composed of a plurality of electrode layers having different compositions. For example, the thickness of the electrode part is about 5 to 30 μm for paste baking, about 100 to 1000 nm for dry plating such as sputtering and vapor deposition, about 10 to 100 μm for thermal spraying, and about 5 μm for wet plating such as electrolytic deposition and chemical deposition. It is preferable to set the thickness to about 30 μm. The inner electrode portion can also be provided so as to completely block the hollow portion of the honeycomb structure portion, thereby increasing the structural strength of the heater element.
(4.車室暖房用ヒーター)
図3には、本発明の一実施形態に係る車室暖房用ヒーター300の構成が模式的に示されている。本実施形態に係るヒーターは、本発明に係るヒーターエレメント100(又は200)、外気又は車室130内空気とヒーターエレメント100(又は200)の一方の底面114を連通する流入配管132(132a、132b)、ヒーターエレメント100(又は200)に電圧を印加するためのバッテリー134、及びヒーターエレメント100(又は200)の他方の底面116と車室130内空気を連通する流出配管136を備える。
(4. Heater for cabin heating)
FIG. 3 schematically shows the configuration of a vehicle interior heating heater 300 according to one embodiment of the present invention. The heater according to the present embodiment includes the heater element 100 (or 200) according to the present invention, and the inflow pipes 132 (132a, 132b) that communicate the outside air or the air in the passenger compartment 130 with one bottom surface 114 of the heater element 100 (or 200). ), a battery 134 for applying voltage to the heater element 100 (or 200), and an outflow pipe 136 that communicates the other bottom surface 116 of the heater element 100 (or 200) with the air in the passenger compartment 130.
ヒーターエレメント100(又は200)は、例えば、バッテリー134と電線119で接続し、その途中の電源スイッチをONにすることでヒーターエレメント100(又は200)を通電発熱するように構成することが可能である。 The heater element 100 (or 200) can be configured, for example, to be connected to the battery 134 by an electric wire 119 and turn on a power switch on the way to energize the heater element 100 (or 200) to generate heat. be.
ヒーターエレメント100(又は200)の上流側又は下流側には送風機138を設置することができる。高電圧の部品をできるだけ車室から離して配置して安全を確保する観点から、送風機はヒーターエレメント100(又は200)の下流側に設置することが好ましい。送風機138を駆動すると、車室内又は車室外から空気が流入配管132(132a、132b)を通ってヒーターエレメント100(又は200)に流入する。発熱中のヒーターエレメント100(又は200)を通過する間に空気は加熱される。加熱された空気は、ヒーターエレメント100(又は200)から流出し、流出配管136を通って車室内に送られる。流出配管出口は車室内でも特に暖房効果の高くなるよう乗員の足元近傍に配置しても良いし、座席シート内へ配管出口を配置して座席シートを内側から温めるようにしても良いし、ウィンドウ近傍に配置してウィンドウの曇りを抑制する効果を合わせ持たせても良い。 A blower 138 can be installed upstream or downstream of the heater element 100 (or 200). It is preferable to install the blower downstream of the heater element 100 (or 200) from the viewpoint of ensuring safety by arranging high-voltage components as far away from the vehicle compartment as possible. When the blower 138 is driven, air flows into the heater element 100 (or 200) through the inflow pipes 132 (132a, 132b) from inside or outside the vehicle. The air is heated while passing through the heat generating heater element 100 (or 200). Heated air exits heater element 100 (or 200) and is channeled into the passenger compartment through outflow line 136. FIG. The outflow pipe outlet may be arranged near the feet of the occupants so that the heating effect is particularly high even in the passenger compartment, or the pipe outlet may be arranged in the seat to warm the seat from the inside, or the window may be arranged. It may be arranged in the vicinity to have the effect of suppressing fogging of the window.
図3の実施形態に係る車室暖房用ヒーター300は、外気とヒーターエレメント100(又は200)の一方の底面114を連通する流入配管132aを備える。更に、図3の実施形態に係る車室暖房用ヒーターは、車室130内空気とヒーターエレメント100(又は200)の一方の底面114を連通する流入配管132bを備える。流入配管132aと流入配管132bは途中で合流する。流入配管132a及び流入配管132bには、合流地点よりも上流側において、バルブ139(139a、139b)を設置することができる。バルブ139(139a、139b)の開閉を制御することで、外気をヒーターエレメント100(又は200)に導入するモードと、車室130内空気をヒーターエレメント100(又は200)に導入するモードの間で切り替えることができる。例えば、バルブ139aを開き、バルブ139bを閉じると、外気をヒーターエレメント100(又は200)に導入するモードとなる。バルブ139a及びバルブ139bの両者を開いて、外気及び車室130内空気を同時にヒーターエレメント100(又は200)に導入することも可能である。 The vehicle interior heating heater 300 according to the embodiment of FIG. 3 includes an inflow pipe 132a that communicates outside air with one bottom surface 114 of the heater element 100 (or 200). Furthermore, the heater for heating the vehicle compartment according to the embodiment of FIG. 3 includes an inflow pipe 132b that communicates the air in the vehicle compartment 130 with one bottom surface 114 of the heater element 100 (or 200). The inflow pipe 132a and the inflow pipe 132b join in the middle. Valves 139 (139a, 139b) can be installed in the inflow pipe 132a and the inflow pipe 132b on the upstream side of the junction. By controlling the opening and closing of the valves 139 (139a, 139b), there is a mode in which outside air is introduced into the heater element 100 (or 200) and a mode in which the air inside the passenger compartment 130 is introduced into the heater element 100 (or 200). You can switch. For example, when valve 139a is opened and valve 139b is closed, a mode is entered in which ambient air is introduced into heater element 100 (or 200). It is also possible to open both the valve 139a and the valve 139b to introduce the outside air and the air inside the passenger compartment 130 into the heater element 100 (or 200) at the same time.
本発明のヒーターは蒸気圧縮ヒートポンプを主暖房装置として採用している車両の補助ヒーターとして使用することができ、その場合には上記のように直接車室へ送風しない場合も想定される。その場合には上記説明の“車室”を“主暖房装置の送風配管の一部”と置き換える形での設置がされることでも良い。また、車室からの戻り配管にはさらに分岐してバルブを介して車外へ排気する経路を設けても良いが、車外への排気は、蒸気圧縮ヒートポンプを用いた主暖房装置の方で行っても良いし、別の排気システムと連動して行っても良い。 The heater of the present invention can be used as an auxiliary heater in a vehicle that employs a vapor compression heat pump as a main heating device, and in that case, it is assumed that the air is not sent directly to the passenger compartment as described above. In that case, the "vehicle compartment" described above may be replaced with "a part of the main heating system blower pipe". In addition, the return pipe from the cabin may be further branched to provide a route for exhaust to the outside of the vehicle via a valve, but the exhaust to the outside of the vehicle should be performed by the main heating system using a vapor compression heat pump. It can be done in conjunction with another exhaust system.
以下、本発明及びその利点をより理解するための実施例を挙げるが本発明は実施例に限定されるものではない。 The following examples are provided for a better understanding of the invention and its advantages, but are not intended to limit the scope of the invention.
<実施例1~6>
(1.ハニカム構造部の作製)
表1に記載に示す寸法を有する直方体状のSi結合SiC製ハニカム構造部を、公知の方法で成形及び焼成することで作製した。何れの実施例においてもハニカム構造部の材料組成は同じである。当該ハニカム構造部の隔壁平均厚みは0.13mm、セル密度は60セル/cm2、セルの流路に直交する断面におけるセル形状は正方形、開口率は0.806とした。表1中、a及びbはハニカム構造部の各底辺の長さ、cはハニカム構造部の高さ(セルの流路の長さ)を示す。表1中、Vはハニカム構造部の容積、TSは外周側壁の全面積を示す。
<Examples 1 to 6>
(1. Fabrication of honeycomb structure)
A rectangular parallelepiped Si-bonded SiC honeycomb structure having dimensions shown in Table 1 was produced by molding and firing by a known method. The material composition of the honeycomb structure is the same in any of the examples. The honeycomb structure part had an average partition wall thickness of 0.13 mm, a cell density of 60 cells/cm 2 , a square cell shape in a cross section orthogonal to the cell flow path, and an aperture ratio of 0.806. In Table 1, a and b indicate the length of each base of the honeycomb structure, and c indicates the height of the honeycomb structure (the length of the channel of the cells). In Table 1, V is the volume of the honeycomb structure, and TS is the total area of the outer peripheral side wall.
(2.PTCサーミスタの形成)
チタン酸バリウムの原料であるTiO2及びBaCO3に、分散媒、バインダ、シフター等を配合したペーストを調製し、上記のハニカム構造部の外周側壁の所定の位置に塗布後、ペーストを焼成することで、実施例の番号に応じて表1に示す各種仕様のPTCサーミスタをハニカム構造部の外周側壁に対向するようにして一対形成した。なお、実施例5及び実施例6においては、PTCサーミスタによって被覆すべきハニカム構造部の外周側壁の一部にCVD法によって電気絶縁層(酸化シリコン膜)を形成した後に、PTCサーミスタを形成した。
(2. Formation of PTC thermistor)
A paste is prepared by mixing TiO 2 and BaCO 3 , which are raw materials of barium titanate, with a dispersion medium, a binder, a sifter, etc., and after applying it to a predetermined position on the outer peripheral side wall of the honeycomb structure, the paste is fired. Then, a pair of PTC thermistors having various specifications shown in Table 1 were formed so as to face the outer peripheral wall of the honeycomb structure according to the number of the example. In Examples 5 and 6, the PTC thermistors were formed after an electrical insulating layer (silicon oxide film) was formed by the CVD method on part of the outer peripheral sidewall of the honeycomb structure to be covered with the PTC thermistors.
表1中、被覆面積Sは、PTCサーミスタによって外周側壁が被覆される合計面積を示す。表1中、キュリー点は、実施例で使用したPTCサーミスタと同スペックの試料に対して先述した方法で測定したキュリー点を示す。表1中、S/Vはハニカム構造部の容積Vに対する、PTCサーミスタによってハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積Sの比を示す。表1中、電気伝導面積は、ハニカム構造部の外周側壁がPTCサーミスタによって被覆される部分の合計面積Sから、ハニカム構造部の外周側壁が電気絶縁層に接する部分の面積を除いた面積Seを示す。実施例5及び実施例6以外は、電気伝導面積は被覆面積Sに等しい。表1中、被覆位置はハニカム構造部を底面側から観察したときのPTCサーミスタ及び電気絶縁層による外周側壁の被覆位置を図示するものである。何れの実施例においても、PTCサーミスタはハニカム構造部の高さ方向全体にわたって延設した。 In Table 1, the covered area S indicates the total area covered by the PTC thermistor on the peripheral side wall. In Table 1, the Curie point indicates the Curie point measured by the method described above for a sample having the same specifications as the PTC thermistor used in the example. In Table 1, S/V indicates the ratio of the total area S of the portion where the outer peripheral side wall of the honeycomb structure is covered with the PTC thermistor to the volume V of the honeycomb structure. In Table 1, the electrical conduction area is the area Se obtained by subtracting the area of the portion where the outer peripheral side wall of the honeycomb structure part is in contact with the electrical insulating layer from the total area S of the portion where the outer peripheral side wall of the honeycomb structure part is covered with the PTC thermistor. show. Except for Examples 5 and 6, the electrical conduction area is equal to the covered area S. In Table 1, the covering position indicates the covering position of the peripheral side wall with the PTC thermistor and the electrical insulating layer when the honeycomb structure is observed from the bottom side. In any example, the PTC thermistor was extended over the entire height direction of the honeycomb structure.
(3.電極部の形成)
上記のようにして作成したPTCサーミスタ付きのハニカム構造部のPTCサーミスタ表面上に、ガラスフリット混合ペーストを焼き付ける方法によって、タングステンを材質とする電極部(厚み1mm)を形成し、ヒーターエレメントを製造した。何れの実施例においても、電極部はPTCサーミスタの表面全体を過不足なく被覆するように形成したが、ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように留意した。表1中、実施例1~6において電極部位置が「外」とあるのは、電極部がPTCサーミスタよりも外周側にあることを意味する。
(3. Formation of electrode portion)
On the PTC thermistor surface of the honeycomb structure with the PTC thermistor prepared as described above, an electrode portion (thickness 1 mm) made of tungsten was formed by a method of baking a glass frit mixed paste, and a heater element was manufactured. . In any of the examples, the electrode portion was formed so as to cover the entire surface of the PTC thermistor just enough. In Table 1, the position of the electrode portion in Examples 1 to 6 is "outside", which means that the electrode portion is located on the outer peripheral side of the PTC thermistor.
(4.過昇温防止効果の試験)
上記の手順で得られた各実施例に係るヒーターエレメントの対向する一対の電極部に対して、室温にて200Vの電圧を印加して発熱させたときのハニカム高さ(セルの流路の長さ)方向の中央位置におけるハニカム中心軸付近の最高到達温度を調査した。そして、以下の基準によって、過昇温防止効果を評価した。結果を表1に示す。
D: PTC材料のキュリー温度+100℃以上。
C: PTC材料のキュリー点温度+80℃以上+100℃未満。
B: PTC材料のキュリー点温度+60℃以上+80℃未満。
A: PTC材料のキュリー点温度+60℃未満。
(4. Test of Excess Temperature Rise Prevention Effect)
A voltage of 200 V was applied at room temperature to the pair of opposing electrode portions of the heater element according to each example obtained by the above procedure to generate heat. The maximum temperature reached near the center axis of the honeycomb at the center position in the direction of (c) was investigated. Then, the effect of preventing excessive temperature rise was evaluated according to the following criteria. Table 1 shows the results.
D: Curie temperature of PTC material +100°C or higher.
C: Curie point temperature of PTC material +80°C or more and less than +100°C.
B: Curie point temperature of PTC material +60°C or more and less than +80°C.
A: Less than the Curie point temperature of the PTC material +60°C.
(5.ハニカム温度均一性調査)
上記の手順で得られた各実施例に係るヒーターエレメントの対向する一対の電極部に対して、室温にて200Vの電圧を印加して加温したときのハニカム各位置:ハニカム高さ(セルの流路の長さ)方向の中央面内で、一本の対角線上の5点(最外周セル2点、中央セル、およびその中間セル2点)および、一本の辺の中央を結ぶ線上の5点(最外周セル2点、中央セル1点、およびその中間セル2点(但し、中央セルは共通))の計9点の温度分布を熱電対による温度計測の方法によって調査した。そして、以下の基準によって、ハニカム温度均一性を評価した。結果を表1に示す。
D: ハニカム内の最大温度差 100℃以上
C: ハニカム内の最大温度差 60℃以上 100℃未満
B: ハニカム内の最大温度差 30℃以上 60℃未満
A: ハニカム内の最大温度差 30℃未満
(5. Honeycomb temperature uniformity investigation)
A voltage of 200 V was applied at room temperature to the pair of opposing electrode portions of the heater element according to each example obtained by the above procedure to heat each position of the honeycomb: height of the honeycomb (cell 5 points on one diagonal line (2 points on the outermost cell, the center cell, and 2 points on the middle) and on the line connecting the center of one side The temperature distribution at a total of 9 points of 5 points (2 outermost cells, 1 central cell, and 2 intermediate cells (the central cell is common)) was investigated by the method of temperature measurement using a thermocouple. Then, the honeycomb temperature uniformity was evaluated according to the following criteria. Table 1 shows the results.
D: Maximum temperature difference in honeycomb 100°C or more C: Maximum temperature difference in honeycomb 60°C or more to less than 100°C B: Maximum temperature difference in honeycomb 30°C or more to less than 60°C A: Maximum temperature difference in honeycomb less than 30°C
(6.考察)
表1の結果からわかるように、S/Vが大きくなるにつれて、過昇温防止効果が向上することが分かる。また、ハニカム温度均一性はハニカム中の電気伝導経路長さが比較的短くなってしまう領域を電気絶縁して覆うほうが向上することが分かる。
(6. Consideration)
As can be seen from the results in Table 1, as the S/V increases, the effect of preventing excessive temperature rise improves. It is also found that the honeycomb temperature uniformity is improved by electrically insulating and covering the area in the honeycomb where the length of the electrical conduction path becomes relatively short.
<比較例1>
実施例1と同様のハニカム構造部を用意した。比較例1では、電極部をハニカム構造部の外周側壁に形成した後にPTCサーミスタを形成した他は実施例1と同様の方法でヒーターエレメントを作製した。表1中、比較例1において電極部位置が「内」とあるのは、電極部がPTCサーミスタよりも内周側にあることを意味する。得られたヒーターエレメントに対して、実施例と同様の方法で、過昇温防止効果の試験及びハニカム温度均一性調査を行った。結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
A honeycomb structure similar to that of Example 1 was prepared. In Comparative Example 1, a heater element was produced in the same manner as in Example 1, except that the PTC thermistor was formed after the electrode portion was formed on the outer peripheral wall of the honeycomb structure portion. In Table 1, the position of the electrode portion in Comparative Example 1 being "inner" means that the electrode portion is located on the inner peripheral side of the PTC thermistor. The obtained heater element was subjected to an excessive temperature rise prevention effect test and a honeycomb temperature uniformity test in the same manner as in the example. Table 1 shows the results.
比較例1では、ハニカム構造部からの熱が電極部を介してPTCサーミスタに伝達するため、応答速度が遅くなった。この結果、過昇温防止効果が実施例1に比べて低下した。 In Comparative Example 1, heat from the honeycomb structure portion was transferred to the PTC thermistor through the electrode portion, resulting in a slow response speed. As a result, the effect of preventing excessive temperature rise was lower than that of the first embodiment.
100、200 ヒーターエレメント
112 外周側壁
113 隔壁
114 一方の底面
115 セル
116 他方の底面
117 内周側壁
118 電気絶縁層
119 電線
120 電極部
120a 外側電極部
120b 内側電極部
122 PTCサーミスタ
130 車室
139(139a、139b) バルブ
132(132a、132b) 流入配管
134 バッテリー
136 流出配管
138 送風機
300 車室暖房用ヒーター
100, 200 heater element 112 outer peripheral sidewall 113 partition wall 114 one bottom surface 115 cell 116 other bottom surface 117 inner peripheral sidewall 118 electrical insulating layer 119 electric wire 120 electrode portion 120a outer electrode portion 120b inner electrode portion 122 PTC thermistor 130 compartment 139 (139a , 139b) Valve 132 (132a, 132b) Inflow pipe 134 Battery 136 Outflow pipe 138 Air blower 300 Heater for cabin heating
Claims (20)
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に対向するように形成された一対の電極部、及び、
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の少なくとも一方の電極部との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されたPTCサーミスタ、
を備え、
当該柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさは、300cm2以下である、
ヒーターエレメント。 A columnar honeycomb structure capable of generating heat by electricity, having an outer peripheral wall and partition walls disposed on the inner peripheral side of the outer peripheral wall and partitioning and forming a plurality of cells forming fluid flow paths from one bottom surface to the other bottom surface;
a pair of electrode portions formed so as to face the outer peripheral side of the outer peripheral side wall of the columnar honeycomb structure portion;
a PTC thermistor disposed so as to cover the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure at a position sandwiched between the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure and at least one of the pair of electrode units;
with
The size of each bottom area of the columnar honeycomb structure is 300 cm 2 or less.
heater element.
少なくとも一方のPTCサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に位置する電気絶縁層であって、前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な位置に延設された電気絶縁層を更に備える請求項1~7の何れか一項に記載のヒーターエレメント。 PTC thermistors are disposed at positions sandwiched between the outer peripheral sidewall of the columnar honeycomb structure portion and the electrode portions of the pair of electrode portions,
An electrical insulating layer located between a part of at least one PTC thermistor and the outer peripheral wall of the columnar honeycomb structure, wherein the current distribution in the honeycomb structure when a voltage is applied to the pair of electrodes. 8. A heater element according to any one of claims 1 to 7, further comprising an electrical insulating layer extending at a position capable of enhancing uniformity.
当該中空状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に形成された外側電極部、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁の内周側に形成された内側電極部、
及び、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁と前記内側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の内周側壁を被覆するように配設されている、及び/又は、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁と前記外側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されている、PTCサーミスタ、
を備え、
当該中空状ハニカム構造部の各底面積の大きさは、300cm2以下である、
ヒーターエレメント。 An electric current supply having an outer peripheral side wall, an inner peripheral side wall, and a partition wall disposed between the outer peripheral side wall and the inner peripheral side wall and partitioning and forming a plurality of cells forming a fluid flow path from one bottom surface to the other bottom surface. a heat-generating hollow honeycomb structure,
an outer electrode portion formed on the outer peripheral side of the outer peripheral side wall of the hollow honeycomb structure portion;
an inner electrode portion formed on the inner peripheral side of the inner peripheral side wall of the hollow honeycomb structure;
as well as,
disposed so as to cover the inner peripheral sidewall of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the inner peripheral sidewall of the hollow honeycomb structure and the inner electrode portion; and/or a PTC thermistor disposed so as to cover the outer peripheral side wall of the hollow honeycomb structure at a position sandwiched between the outer peripheral side wall of the hollow honeycomb structure and the outer electrode section;
with
The size of each bottom area of the hollow honeycomb structure is 300 cm 2 or less.
heater element.
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