JPH04203416A - ハニカムヒータ - Google Patents

ハニカムヒータ

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は、自動車用排気ガス浄化用の触媒コンバータ等
に使用される触媒活性のためのハニカムヒータに関する
ものである。
〔従来技術〕
従来、触媒コンバータに設けられるヒータとして、例え
ば、Ｕ　Ｓ　Ｐ　３７７０３８９　ニ、中心電極を中心
としで、波型形状のヒータ部が渦巻き杖に巻かれたもの
が記載されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、このような構成では、波型形状の複数のヒータ
が、中心電極を中心に巻かれているために、第１７図（
ａ）または第１７図（ｂ）の如く、波型状のヒータが重
なり合う箇所が生じてしまい、そのため波型が重なる箇
所においては、波の形状の変形による加熱の不均一化や
、単位面積あたりのヒータ密度の不均一による加熱の不
均一化が生じてしまう。
その対策としては、波型状のヒータの間に平型状のヒー
タを交互に設けることが考えられるが、単に、波型状の
ヒータの間に平型状のヒータを交互に設けただけでは、
中心電極と外周を保持するケースとの間の距離が、波型
状のヒータの方が平型のヒータより長いために、平型状
のヒータの抵抗値が波型状のヒータよりはるかに小さく
なり、ヒータ全体では不均一な発熱が生じてしまうとい
う問題が生じてしまった。
さらに、この問題を解決するために波型状のヒータの板
厚を薄くしたり、平型状のヒータの板厚を厚くすること
が考えられるが、板厚を薄くすると全体の強度が劣り、
板厚を厚くすると、圧力損失の増加を招いてしまうとい
う問題が生じてしまった。
本発明は、上記問題点を鑑みたものであり、波型形状の
ヒータの重なり等によるヒータの変形がなくかつ単位面
積あたりのヒータ面積の大きいハニカムヒータを提供す
ることを目的とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
そこで、本発明では、柱状形状をなす中心電極と、導電
性を有し、一端が中心電極に導通されるとともに、中心
電極を中心として、渦巻き状に巻かれた波型形状を有す
る複数の第１ヒータと、導電性を有し、中心電極を中心
として、第１ヒータと交互に、渦巻き状に巻かれるとと
もに、中心電極に導通される一端側から、一端側に対向
する他端側までの抵抗値が、第１ヒータの一端側から他
端側までの抵抗値とが、略等しくなるようにメツシュ形
状が形成された平型形状を有する複数の第２ヒータと、
第１ヒータおよび前記第２ヒータの他端側と導通可能で
あるとともに、中心電極に巻かれた第１ヒータと第２ヒ
ータとを保持するケースとからなり、中心電極とケース
との間に電圧を負荷させることによって、第１ヒータお
よび第２ヒータを加熱させるハニカムヒータを提供する
ものである。
［作用］ 本発明を採用することによって、本発明のハニカムヒー
タでは、波型形状の第１ヒータと平板形状の第２ヒータ
とが交互に重なり合いながら、中心電極を中心に、渦巻
き状に巻く構成において、平板形状の第２ヒータを、第
１ヒータの一端から他端までの抵抗値と第２ヒータの一
端から他端までの抵抗値とをほぼ同一となるように、第
２ヒータをメツシュ形状とすることにより、被部と被部
との重なりをなくしヒータの変形□を防止するとともに
、第１ヒータと第２ヒータとが、はぼ均一な発熱を可能
とすることができる。
さらに、平型形状である第２ヒータを設けることによっ
て、単位あたりの発熱面積を大幅に向上させることがで
きた。
〔実施例〕
以下第１実施例を詳細に説明する。
第１図は、内燃機関から排出されるＨＣ，Ｃ０等を触媒
による還元作用にて、ＣＯ□、ＨｔＯとする触媒コンバ
ータにおいて、その触媒作用を迅速に作用させるために
触媒担体の上流側にハニカムヒータを設けたシステムの
全体図を示す。
１は直径８０ｍｍ、長さ３０ｍｍのハニカムヒータ、２
はこのハニカムヒータを保持するケース、３はハニカム
ヒータ１の下流側に設けられており、排ガスの通過時に
おいて、触媒活性によって、排ガス浄化を行う直径８０
ｍｍ、長さ７５ｍｍの触媒担体、４はハニカムヒータ２
の中心に設けられ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｆ−希土類金属（Ｒ
ＥＭ）よりなる柱状形状の中心電極であり、この中心電
極４とケース２とによって、ハニカムヒータ１に電圧を
印加させ、発熱を生じせしむることかできる。５は中心
電極４をケース１の略中心に保持すべく設けられた、Ｆ
　ｅ−Ｃｒ−Ａｌ−ＲＥＭよりなる支持板である。
ここで、この支持板５の正面図を第２図に示す。
第２図に示されるようにこの支持板５は、中心に設けら
れた穴部５ａにて中心電極４が固定されるとともに、４
方より伸びる脚５ｂがケース２と保持部２ａにて固定さ
れている。第３図は、支持板５の穴部５ａ付近の拡大断
面図を示す。穴部５ａにおいて、中心電極４は、中心電
極４の一端に形成されたねじ部４ａに螺合され、Ｆｅ−
Ｃｒ−Ａｆ−ＲＥＭよりなるねじ部材６と中心電極４の
段部４ｂとによって、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｆ−ＲＥＭよりな
るスペーサ７を介して支持板５を挟持することによって
、支持板５に固定されている。また、ケース２の保持部
２ａによって、支持板５がケース２に固定されている。
この保持部２ａ付近の拡大断面図を第４図に示す。この
保持部２ａは、ケース２に例えばろう付は等によって固
着されており、支持板５の脚５ｂが遊嵌可能の大きさの
凹部を形成している。そして、この保持部２ａの凹部と
脚部５ｂとの間には、ハニカムヒータ１の発熱による支
持板５の膨張を吸収するだけの隙間が形成されている。
ここで、再び第１図に従って第１実施例を説明すると、
第１実施例では、中心電極４の支持板５側の一端よりリ
ード線８が接続されており、このリード線８はケース２
のリード取り出し部９およびスイッチ１０を介してバッ
テリー１１の一方側の電極側に接続されている。取り出
し部９は、碍子よりなる穴部を有するものであり、ケー
ス２とリード線８との絶縁を施している。また、バッテ
リー１１の他方の電極側は、ケース２に接続されている
。
次に本発明のハニカムヒータ１の構成を第５図および第
６図を用いて説明する。
このハニカムヒータ１は、複数の第１ヒータ２０と第２
ヒータ２１が交互に積層され、中心電極４を中心に渦巻
き形状に巻かれることにより構成されている。
ここで第１ヒータ２０は、Ｃｒが１８〜２４ｗｔ％、Ａ
Ｉ！、が４．５〜５．５ｗｔ％、希土類金属（ＲＥＭ）
が０．０１〜０．２ｗｔ％で残部ＦｅからなるＦｅ−Ｃ
ｒ−Ａｆ組成の箔よりなりハニカムヒータ１の軸方向に
伸びる波型を成している。
また第２ヒータ２１は、Ｃｒが１８〜２４ｗｔ％、Ａｆ
が４．５〜５．５ｗｔ％、ＲＥＭが０゜０１〜０，２ｗ
ｔ％で残部ＦｅからなるＦｅ−Ｃｒ−Ａｆ組成よりなる
箔より成り、第７図およびその一部拡大図である第８図
の如く、メツシュ状に加工された平板を成している。
これは、単なる平板の場合であると、中心電極４とケー
ス２間に電圧が印加され、第１ヒータおよび第２ヒータ
を発熱させる場合、第１ヒータ２０の中心電極４からケ
ース２までの実質的な長さが、第１ヒータ２０が波型形
状を成すために、平板状妻成す第２ヒータ２１より長い
、そのため、一端側である中心電極４側から他端側であ
るケース２側までのそれぞれの抵抗値が第１ヒータ２０
の抵抗値より第２ヒータ２１の抵抗値よりも大きくなっ
てしまい、平板状の第２ヒータ２１のみの発熱となりや
すくなるというハニカムヒータ１の発熱の不均一化とい
う問題が生じてしまう。
このように、第１実施例では、第２ヒータ２１を第８図
に示す各寸法（ＳＷ、Ｗ、ｔ、ｔ、ｗ等）を設定したメ
ツシュ形状とすることによって、第１ヒータ２０の中心
電極４側からケース２側までの抵抗値と路間−とするこ
とができ、ハニカムヒータ１に電圧を印加した場合でも
第１ヒータ２０と均一な発熱を促すことを可能としてい
る。
例えば、第１ヒータ２０の厚さが０．０５ｍｍ、長さが
第２ヒータ２１の１．６５倍である場合、第２ヒータ２
０の厚さが０．０５ｍｍの時、メツシュ形状の各寸法で
あるＳＷ、Ｗ、ｔ、ＬＷを規定することによって、単位
長さ当たりの抵抗値を第１ヒータ２０の１．６５倍とす
ればよい。
第１実施例では、第１ヒータ２０の厚さを０゜０５ｍｍ
、波の高さを１．２５ｍｍ、波のピッチを２．５ｍｍと
し、第２ヒータ２１のメツシュ形状の大きさとして、を
ＳＷを０．５〜１ｍｍ、Ｗを１．５〜２．０ｍｍ、ｔを
０．２ｍｍ、ＬＷを１．０〜２ｍｍとすることによって
、第１ヒータ２０の中心電極４側からケース２側までの
抵抗値と第２ヒータの中心電極４側からケース２側まで
の抵抗値とを路間−とすることができ、ハニカムヒータ
１に電圧を印加した場合でも全体に均一な発熱を促すこ
とを可能としている。
次ニ、第１実施例のハニカムヒータ１の製造方法を以下
説明する。
第１実施例では、はじめに、中心電極４の外周部に、波
板形状に加工されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｊ２組成の第１ヒー
タ２０の一端およびメツシュ形状に加工された平板形状
を成すＦｅ−Ｃｒ−ＡｆｆＭｉ成の第２ヒータ２１の一
端を、第９図の如く、交互に接続導通させる。その後、
中心電極４を回転させることによって、中心電極４を中
心に、第１ヒータ２０と第２ヒータ２１とを積層させる
。その後、第１ヒータ２０、第２ヒータ２１およびケー
ス２を互いにろう付けによって固定する。
ここで、第１ヒータ２０および第２ヒータ２１は、中心
電極４とケース２との間を導通可能とするとともに、第
１ヒータ２０と第２ヒータ２１とが絶縁されていなけれ
ばいけない。仮に、絶縁されていなければ、中心電極４
とケース２内に電圧を印加しても決して十分な発熱は期
待できないからである。そのため、第１実施例において
は、各ヒータ２０．２１は、電気導通を可能とするとと
もに、表面の絶縁性の高い材料であるＦｅ−Ｃｒ−Ａｆ
組成の合金材料を採用した。
この表面の絶縁化の手段としては、８００°Ｃ〜１２０
０°Ｃで、１〜１０時間加熱することによって、金属表
面にＡｌの酸化物を堆積させることによって、表面のみ
の絶縁を施した。もし、それでも充分な絶縁が得られな
い時には、このヒータ表面に例えば、アルミナゾルを含
有した水溶液を付着させ、８００°Ｃ〜１２００°Ｃの
温度で１〜１０時間焼成する。この焼成によって、アル
ミナゾルは、アルミナとなり、強固な皮膜となり、ヒー
タ表面の絶縁を充分なものとすることができる。さらに
、この方法でも充分な絶縁が得られなかった場合には、
上記工程を数回繰り返す。
次に、この構成体をｒ　−Ａ　Ｐ２Ｏ：ｌを含有したス
ラリー中に含浸し、焼成する。その後、触媒金属を熔解
した水溶液中に含浸して、再度、焼成する。その結果、
第１ヒータ２０と第２ヒータ２１との表面には、第１０
図に示されるように、Ｔ−ＡＩ！、２０３と触媒金属と
が付着する。
ここで、第１０図において、２２は７−ＡＩ２ｚ０３を
、２３は触媒金属を示す。
以上の方法により、触媒作用を有するハニカムヒータを
得ることができる。
この第１実施例の触媒コンバータに、エンジン始動後、
直ちに、１０〜１２Ｖで約４００〜６００Ａの電力をハ
ニカムヒータ１に供給した時、２０〜４０ｓｅｃ　　（
エンジンは、アイドリング状態）で、ハニカムヒータｌ
は３００°Ｃ〜４００°Ｃに加熱され、触媒作用によっ
て、内燃機関より排出される排ガスを浄化させることが
できた。
次に、第１実施例における中心電極４、支持板５、ねじ
部材６およびスペーサ７等の電気導通部材をＦｅ−Ｃｒ
−Ａｎ−ＲＥＭより構成したが、この合金の特性を第１
１図に示す。
第１１図は、Ｃｒ１．８〜２４ｗｔ％、ＲＥＭＩｗｔ％
以下でＡ１の含有量を種々変化させた時の電気抵抗値の
大きさを示すものである。試験品は、１１００°Ｃを３
時間酸化処理したものを使用した。
試験方法としては、２枚の試験品を１０ｋｇ／ｍｒｒｒ
の圧力を印加したときの各サンプル間の抵抗値の大きさ
を測定した。
第１１図よりあきらかなように、Ｆｅ−Ｃｒ＝Ａρ−Ｒ
ＥＭからなる合金は、Ａｆの含有量を増加させるだけで
電気抵抗値を大きくすることができ、十分な絶縁を確保
することができる。
更に、この合金の表面のみの絶縁処理を行うには、アル
ミナゾル溶液中に浸漬して後、８００〜１２００　’Ｃ
の酸化雰囲気中で１〜１０時間焼成すればよく、その場
合のＡｆの含有量と電気抵抗値の大きさとの関係もまた
第１１図に示した。
また、これら電気導通部材の成形方法として、金属の溶
融物を粉末状に加工した後、その粉末を真空中または不
活性雰囲気中で６００〜１０００°Ｃで１０−２０００
　ｋ　ｇ／ｍｒ＋（の圧力の条件で、ホットプレスにて
所定の形状に加工される。
第２実施例として、第３図に示されるような断面が円形
の触媒担体だけでなく、第１２図に示されるように、断
面がレーストラック形状を採用した。ここで、２５は第
２実施例のハニカムヒータ、２７はケース、３０は中心
電極、３２は支持板、３５は第１ヒータ、４０は第２ヒ
ータを示す。
この場合、支持板５０の形状は第１２図の如くの形状と
なる。また、この場合の製造方法は第１３図の如く第１
実施例とほぼ同一である。
第１４図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施例を示す
。
第１実施例では、ハニカムヒータの下流側に触媒担体が
設けたが、第３実施例においては、ハニカムヒータのみ
とした。
１００は、電気導通性を有する、直径８０ｍｍ、長さ１
３０ｍｍの円柱状のケースであり、その両端側には、ア
ース極をなす端板１０１がケース１００に溶接されてい
る。
また、ケース１００内には、直径７ｍｍの中心電極１０
２を中心として渦巻き状に形成された、厚さ０．０５ｍ
ｍでＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ２−ＲＥＶの合金よりなる波板形
状の第１ヒータと厚さが０゜１５ｍｍ、第８図に対応す
る寸法として、ＳＷが１、Ｏｍｍ、ＬＷが２．０ｍｍＸ
Ｗが０．２０の寸法を有するメツシュ形状を成す平板の
第２ヒータを有している。そして、この第１ヒータおよ
び第２ヒータのケース１００外への突き出しを防止する
ために、端板１０１によって両端部を塞いでいる。さら
に、この端板１０１は、表面処理を施すことによって表
面のみの絶縁化を可能にするＦｅ−Ｃｒ−Ａｌの合金に
おけるＡｌ２の含有量が５％のものであり、その表面に
は第１実施例と同一の絶縁処理が施されている。
また、この端板１０１は、上述の中心電極１０２を中心
電極１０２の端部にて固定し、中心電極１０２の回転方
向の移動を防止している。
尚、端板１０１と中心電極１０２、第１ヒータ、第２ヒ
ータとはそれぞれ、表面の絶縁処理によって絶縁されて
いる。
ここで、第３実施例の触媒コンバータの中心電極１０２
とケース１００との間にＩＯＶで１０ＯＡを３０秒通電
した時の排気ガス流がない場合の温度分布を第１５図に
示す。
第１５図より明らかなように、第３実施例を採用するこ
とによって、本実施例の構造にすることによって、ヒー
タ部と触媒部とを一体にすることができ、機械的強度の
向上が図れるし、作成方法の簡略を図ることができる。
また、端面部の外周部の温度を上昇させることができ、
外周部のガスの浄化効率を向上させることができ、結果
的に全体の浄化性能の向上を図ることができる。
第１６図（ａ）、（ｂ）に本発明の第４実施例を示す。
第４実施例においては、ハニカムヒータ２０１と触媒担
体２０２との構成を同一とすることによって、製造を容
易にするとともに、従来の触媒担体に比べて、メソシュ
状の平板の採用により、波板の変形の防止および通気抵
抗の低下を実現できた。
前記実施例の構成によれば、同じ板厚であっても、ヒー
タ全体の均一な加熱を可能とすることができた。
さらに、上記実施例において、平板としてメツシュ形状
を採用したので、ハニカムヒータの通気抵抗の大幅な低
下を促すことができた。さらに、メツシュ形状により、
ヒータを通過するガスの流れに乱れを生じさせることが
出来、その結果、ガスをヒータ面に有効に接触させるこ
とができ、熱交換を効率よ（行うことができる。さらに
、メツシュ形状の平板とすることにより、従来より軽量
な平板状のヒータとすることができた。
上記実施例では、第２ヒータとして、メツシュ状の箔を
採用したが、単なる板にパンチングによる穴を形成する
ことにより、抵抗値を調節してもよいし、メタルを引き
延ばしたもの、金属を線に加工したものを網の如く織っ
てもよい。
上記実施例では、第１ヒータおよび第２ヒータのそれぞ
れの表面の絶縁の方法は上記の方法に限られるものでは
なく、以下の方法でもよい。
■水酸化ナトリウムの溶液の４００〜６００℃の中に酸
化ナトリウムを０〜２０ｗｔ％の割合で添加した液を用
意する。そして、この溶液の中に第１ヒータおよび第２
ヒータを０．０５〜２時間浸漬すると各ヒータの表面に
酸化物層を析出させることができる。その後、例えばア
ルミナゾルを含有した水溶液を付着させ、上記実施例と
同様な方法にて各ヒータの表面の絶縁を施す。
■第１ヒータおよび第２ヒータの表面に、電子ビーム蒸
着、スパッタ等によるＡ１金属の蒸着を行ったり１，１
１溶融中に浸漬してＡρ金金属０．１〜１’ＯＯμｍ程
度体積させた後、これを８００°Ｃ〜１２００°Ｃの酸
化雰囲気中で０．５〜ＩＯ時間加熱し、ヒータの表面に
アルミナを体積させ、絶縁層を形成する。
上記方法では、充分な絶縁性を得られない時には、アル
ミナゾル溶液に浸漬した後、８００〜１２００°Ｃの大
気中で１〜１０時間焼成すると強固なアルミナ皮膜を形
成し、各ヒータの表面の絶縁を施す。
〔発明の効果〕
本発明を採用することによって、波型形状のヒータの重
なり等によるヒータの変形がなく単位あたりのヒータ面
積の大きいハニカムヒータを捉供することができた。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を使用した触媒コンバークの全体図、第
２図は支持板の正面図、第３図は支持板の穴部の拡大断
面図、第４図は支持板とケースとの保持部の拡大断面図
、第５図は本発明のハニカムヒータの正面図、第６図は
本発明のハニカムヒータの一部拡大図、第７図は本発明
の第２ヒータの正面図、第８図は本発明の第１ヒータの
一部拡大図、第９図は本発明のハニカムヒータの製造方
法を説明する説明図、第１０図は第１ヒータの表面拡大
図、第１１図はＦｅ−Ｃｒ−Ａ／２組成の合金材料の特
性を示す特性図、第１２図は本発明の第２実施例を示す
正面図、第１３図は第２実施例の製造方法を説明する説
明図、第１４図（ａ）は本発明の第３実施例を示す正面
図、第１４図（ｂ）は本発明の第３実施例を示す断面図
、第１５図は第３実施例の効果を示す説明図、第１６図
（ａ）は本発明の第４実施例を示す正面図、第１６図（
ｂ）は本発明の第４実施例を示す断面図、第１７図（ａ
）、（ｂ）は従来の構成を示す一部断面図である。 １・・・ハニカムヒータ、２・・・ケース、４・・・中
心電極、２０・・・第１ヒータ、２１・・・第２ヒータ
。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 導電性を有し、柱状形状をなす中心電極と、導電性を有
    し、一端が前記中心電極に導通されるとともに、前記中
    心電極を中心として、渦巻き状に巻かれた波型形状の複
    数の第１ヒータと、導電性を有し、前記中心電極を中心
    として、前記第１ヒータ間に、渦巻き状に巻かれるとと
    もに、前記中心電極に導通される一端側から、該一端側
    に対向する他端側までの抵抗値が、前記第１ヒータの一
    端側から他端側までの抵抗値と、略等しくなるようにメ
    ッシュ形状が形成された平型形状の複数の第２ヒータと
    、 前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの他端側と導通さ
    れるとともに、前記中心電極に巻かれた第１ヒータと第
    ２ヒータとを保持するケースとからなり、 前記中心電極と前記ケースとの間に電圧を負荷させるこ
    とによって、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータを加
    熱させることを特徴とするハニカムヒータ。
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