JPH04241715A - 抵抗調節型ヒーター - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車排ガスの浄化等
に好適に用いることができる抵抗調節型ヒーターに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近になり、自動車等の内燃機関から排
出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯＸ　）、一酸化
炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化するための触媒
、触媒担体等として、従来公知の多孔質セラミックハニ
カム構造体のほかに、金属ハニカム構造体が注目を集め
るようになってきた。一方、排ガス規制の強化に伴ない
、コールドスタート時のエミッションを低減するヒータ
ー等の開発も切望されている。

【０００３】このようなハニカム構造体として、例えば
実開昭６３−６７６０９号公報に記載の技術が知られて
いる。この実開昭６３−６７６０９号公報には、セラミ
ック製主モノリス触媒の上流側に近接させてメタル担体
にアルミナをコートした電気通電可能なメタルモノリス
触媒を配設した触媒コンバーターが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実開昭
６３−６７６０９号公報記載の触媒コンバーターにおい
ては、主モノリス触媒の上流側に近接させて配設したプ
レヒーターとしてのメタルモノリス触媒は、単にフォイ
ルタイプのメタルハニカム構造体の内周から外周へ通電
し発熱させるものであって、その抵抗が調節されておら
ず（即ち、材質、寸法、リブ厚が規定されるのみで、所
望の抵抗が調節されていない）、しかもメタルモノリス
触媒と主モノリス触媒の断面径が実質的に同一であるた
め、昇温特性が不十分であるという問題があった。

【０００５】そこで、本出願人は、先に、ハニカム構造
体に通電のための少なくとも２つの電極を設けるととも
に、該電極間に抵抗調節機構を有するヒーターを提案し
た（特願平２−９６８６６号）。このヒーターによれば
、所望の発熱性を制御でき、かつ自動車排ガスのコール
ドスタート時のエミッション低減に有用である。しかし
ながら、抵抗調節機構として、例えば図１の如きスリッ
トを有するヒーターを用いた場合、ハニカム構造体１０
の外周部１１に非発熱部１２が存在するため、この部分
を一部の排ガスが吹き抜け、浄化効率が未だ不十分であ
るという問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題を解
決した抵抗調節型ヒーターを提供することを目的とする
ものである。即ち、本発明によれば、多数の貫通孔を有
するハニカム構造体に通電のための少なくとも２つの電
極を設けるとともに、該電極間に抵抗調節機構を設けて
なる抵抗調節型ヒーターであって、該抵抗調節型ヒータ
ーの非発熱部を封止してハニカム構造体の発熱部の貫通
孔内にガス流体を流入し加熱することを特徴とする抵抗
調節型ヒーター、が提供される。

【０００７】また、本発明の抵抗調節型ヒーターとして
は、ハニカム構造体の外周を、絶縁物を介在して金属質
バンドで被覆することによりハニカム構造体を保持し、
かつ金属質バンドが抵抗調節型ヒーターの非発熱部を封
止していることが好ましい。

【０００８】

【作用】本発明は、ハニカム構造体に通電のための少な
くとも２つの電極を設け、かつ電極間にスリット等の抵
抗調節機構を有する抵抗調節型ヒーター（ハニカムヒー
ター）であって、ハニカムヒーターの非発熱部を封止し
た抵抗調節型ヒーターである。本発明では、ハニカムヒ
ーターの発熱部以外の非発熱部は、ガス流体の流入を封
止して、ハニカムヒーターの発熱部のみにガス流体を流
入させているため、全ての排ガスを迅速に加熱でき浄化
効率の点で好ましい。

【０００９】次に、本発明の抵抗調節型ヒーターにおい
て、非発熱部を封止する方法を説明する。 （１）　図２に示すように、非発熱部１２の貫通孔１３
にセラミック質の接着剤１４等を充填する。 （２）　図３に示すように、例えばセラミックファイバ
ー質のテープ、マット、クロス状のバンド等の如き耐熱
性の無機物質１５によりハニカム構造体１０の非発熱部
１２のガス流入側（上流側）１６を被覆する。 （３）　上記（１）　、（２）　の方法を組合せる。以
上の（１）　、（２）　及び（３）　の非発熱部封止方
法は、簡易に使用することができ、民生用の温風ヒータ
ー等に好ましいものといえる。

【００１０】一方、高温下、苛酷な振動条件のもとでは
、セラミック質の充填物が脱離したり、ガス流入側の被
覆に用いた無機物質が破損、飛散したりすることから、
好ましくない。この場合には、図４のように、板厚０．
２〜２．０ｍｍ程度の、例えばステンレスからなる金属
質のバンド２０と、非発熱部１２を被覆するようにバン
ド２０に付設したリング２１とから構成される非発熱部
封止用バンド２２を用いることが好ましい。非発熱部封
止用バンド２２を用いる場合には、非発熱部封止用バン
ド２２の中にハニカムヒーターをセットして排ガスの吹
き抜けを防止する。尚、図中２３は電極取出し穴を示す
。

【００１１】また、ハニカムヒーターをセットするに当
り、ハニカムヒーターとバンド２０との間には、セラミ
ック質のマット、クロス等の絶縁物質を介在させ絶縁す
る。さらに、リング２１とハニカムヒーターとの間も同
様に絶縁物質を介在させる。更にまた、バンド２０、リ
ング２１自体をセラミックコーティング、例えばＡｌ２
　Ｏ３　やＺｒＯ２　を溶射してバンド２０およびリン
グ２１表面に絶縁保護膜を形成してもよい。

【００１２】ハニカムヒーターを非発熱部封止用バンド
２２内にセットするに際しては、バンド２２内にハニカ
ムヒーターをセットし、バンド２２を溶接することによ
り、機械的にハニカムヒーターを固定する。このことに
より、ハニカムヒーターの変形等を防止でき、好ましい
。このようにハニカムヒーターを中にセットした非発熱
部封止用バンド２２を、さらに外枠たる缶体に溶接する
ことにより、缶体内にハニカムヒーターを強固に保持す
ることができる。

【００１３】尚、上記のリング２１は、図５のように、
加工上その内周に凹凸２４を有するものであってもよい
。非発熱部封止用バンド２２は、バンド２０とリング２
１が予め一体となったものか、またはバンド２０にハニ
カムヒーターをセット後、リング２１を溶接等により固
定することにより作製してもよい。非発熱部封止用バン
ド２２の材質としては、ステンレス系のものが腐食に対
し好適であり、特にオーステナイト系のものが、ハニカ
ムヒーターの熱膨張との対応において好適である。

【００１４】又、本発明では、ハニカム構造体の電極間
にスリット等の抵抗調節機構を設けるが、特に抵抗調節
機構としてスリットを設ける場合には、図６に示すよう
に、ハニカムヒーターのスリット３０の中に、アルミナ
質、その他のセラミックからなる絶縁部材（スペーサー
）３１を挿入するとともに、好ましくは、無機接着剤を
充填し、ハニカムヒーターの全体形状を強固に保持する
。絶縁部材（スペーサー）３１の挿入位置としては、ハ
ニカムヒーターの外周部のほか、スリット３０中におい
て適当な間隔を隔てて設置する。

【００１５】本発明の基体であるハニカム構造体の構成
材料としては、通電により発熱する材料からなるもので
あれば制限はなく、金属質でもセラミック質でもよいが
、金属質が機械的強度が高いため好ましい。金属質の場
合、例えばステンレス鋼やＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃ
ｒ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｗ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｒ等
の組成を有する材料からなるものが挙げられる。上記の
うち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ａｌが耐
熱性、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ安価で好ましい。 ハニカム構造体は、多孔質であっても非多孔質であって
もよいが、触媒を担持する場合には、多孔質のハニカム
構造体が触媒層との密着性が強く熱膨張差による触媒の
剥離が生ずることが殆どないことから好ましい。

【００１６】次に、本発明のハニカム構造体のうち金属
質ハニカム構造体の製造方法の例を説明する。まず、所
望の組成となるように、例えばＦｅ粉末、Ａｌ粉末、Ｃ
ｒ粉末、又はこれらの合金粉末などにより金属粉末原料
を調製する。次いで、このように調製された金属粉末原
料と、メチルセルロース、ポリビニルアルコール等の有
機バインダー、水を混合した後、この混合物を所望のハ
ニカム形状に押出成形する。

【００１７】次に、押出成形されたハニカム成形体を、
非酸化雰囲気下１０００〜１４５０℃で焼成する。ここ
で、水素を含む非酸化雰囲気下において焼成を行なうと
、有機バインダーがＦｅ等を触媒にして分解除去し、良
好な焼結体（ハニカム構造体）が得られ好ましい。

【００１８】焼成温度が１０００℃未満の場合、成形体
が焼結せず、焼成温度が１４５０℃を超えると得られる
焼結体が変形するため、好ましくない。なお、望ましく
は、得られたハニカム構造体の隔壁及び気孔の表面を耐
熱性金属酸化物で被覆する。

【００１９】次に、得られたハニカム構造体について、
後述する電極間に、各種の態様により抵抗調節機構を設
ける。ハニカム構造体に設ける抵抗調節機構としては、
例えば■スリットを種々の方向、位置、長さで設けるこ
と、■貫通軸方向の隔壁長さを変化させること、■ハニ
カム構造体の隔壁の厚さ（壁厚）を変化させるか、また
は貫通孔のセル密度を変化させること、および■ハニカ
ム構造体の隔壁にスリットを設けること、等が好ましい
ものとして挙げられる。このうち、発熱部分を簡易に調
節できる方法として、■のスリットの形成が特に好まし
い。

【００２０】上記のようにして得られた金属質ハニカム
構造体は、通常その外周部の隔壁または内部に、ろう付
け、溶接などの手段によって電極を設けることにより、
ハニカム型のヒーターが作製される。なお、ここでいう
電極とは、当該ヒーターに電圧をかけるための端子の総
称を意味し、ヒーター外周部と缶体を直接接合したもの
や、アース等の端子を含む。

【００２１】この金属質ハニカム構造体はヒーターとし
て用いる場合、全体としてその抵抗値が０．００１Ω〜
０．５Ωの範囲となるように形成することが好ましい。 また、上記の金属質ハニカム構造体の表面にさらに触媒
を担持させることにより、排気ガスの浄化反応（酸化反
応熱等）による温度上昇が期待できるため、好ましい。

【００２２】金属質ハニカム構造体の表面に担持する触
媒は、大きな表面積を有する担体に触媒活性物質を担持
させたものである。ここで、大きな表面積を有する担体
としては、例えばγ−Ａｌ２　Ｏ３　系、ＴｉＯ２　系
、ＳｉＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　系などやペロブスカイト
系のものが代表的なものとして挙げられる。触媒活性物
質としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属、Ｃｕ
、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の卑金属などを挙げることができ
る。上記のうち、γ−Ａｌ２　Ｏ３　系に貴金属を１０
〜１００ｇ／ｆｔ３　担持したものが好ましい。

【００２３】本発明におけるハニカム構造体のハニカム
形状としては特に限定はされないが、具体的には、例え
ば６〜１５００セル／インチ２　（ｃｐｉ２　）（０．
９〜２３３セル／ｃｍ２　）の範囲のセル密度を有する
ように形成することが好ましい。又、隔壁の厚さは５０
〜２０００μｍの範囲が好ましい。

【００２４】また、上記したようにハニカム構造体は多
孔質であっても非多孔質でもよくその気孔率は制限され
ないが、０〜５０％、好ましくは２５％未満の範囲とす
ることが強度特性、耐酸化性、耐食性の面から望ましい
。また、触媒を担持する場合には、触媒層との密着性の
点から５％以上の気孔率を有することが好ましい。 尚、本発明においてハニカム構造体とは、隔壁により仕
切られた多数の貫通孔を有する一体構造をいい、例えば
貫通孔の断面形状（セル形状）は円形、多角形、コルゲ
ート形等の各種の任意な形状が使用できる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく
説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるもので
はない。 （実施例１）平均粒径１０、２０、２２μｍのＦｅ粉、
Ｆｅ−Ａｌ粉（Ａｌ５０ｗｔ％　）、Ｆｅ−Ｃｒ粉（Ｃ
ｒ５０ｗｔ％　）の原料を用い、Ｆｅ−２２Ｃｒ−５Ａ
ｌ（重量％）の組成になるよう原料を配合し、これに有
機バインダー（メチルセルロース）と酸化防止剤（オレ
イン酸）、水を添加して坏土を調製し、リブ厚４ｍｉｌ
　、貫通孔数４００ｃｐｉ２　の四角セルよりなるハニ
カムを押出し成形し、乾燥後Ｈ２　雰囲気下１３００℃
で焼成し、その後空気中、１０００℃で熱処理を行った
。得られたハニカム構造体の気孔率は２２％であり、平
均細孔径は５μｍであった。

【００２６】上記方法により得られた外径９０ｍｍφ、
長さ１５ｍｍのハニカム構造体に対して、図７に示すよ
うに、その外壁４０上に２ヶ所電極４１をセットした。 又、図７に示すように、７０ｍｍの長さのスリット４２
を貫通孔の軸方向に６個所設け（両端のスリット長は５
０ｍｍ）、かつスリット４２間のセル数が７個（約１０
ｍｍ）となるように形成した。さらに、スリット４２中
には、アルミナ板４３およびシリカ−アルミナ系の無機
接着剤４４を充填した。

【００２７】次いで、得られたハニカム構造体に、さら
にγ−Ａｌ２Ｏ３　を被覆コートし、次いで貴金属Ｐｔ
とＰｄを各々２０ｇ／ｆｔ３　担持し、６００℃で焼成
することにより、触媒が担持されたハニカムヒーターを
得た。次に、得られた触媒付ハニカムヒーターの外周非
発熱部４５（外周より約１５〜２０ｍｍ）の貫通孔内部
を、シリカ−アルミナ系の無機接着剤により充填し、非
発熱部４５を封止して、抵抗調節型ヒーターを得た。

【００２８】（実施例２）触媒担持のハニカムヒーター
は実施例１と同様に作製した。一方、板厚１．０ｍｍの
ＳＵＳ３１０Ｓを用い、当該触媒付ハニカムヒーターの
外周非発熱部を被覆する（即ち、外周より１５ｍｍ）よ
うに、リング付きバンド（非発熱部封止用バンド）を製
作した。次いで、触媒付ハニカムヒーターの外周部及び
ガス流入側をＳｉＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　系のセラミッ
クマットで覆った後、さらにリング付きバンドを被覆す
るとともにバンドと触媒付ハニカムヒーターとを溶接す
ることにより、抵抗調節型ヒーターを得た。

【００２９】（比較例１）実施例１で得られたハニカム
ヒーターにおいて、非発熱部５３を封止しないものを用
いた。

【００３０】［評価］（自動車排ガス用プレヒーター性
能の確認）エンジン始動時の性能を確認するために、市
販三元触媒の前方にプレヒーターとして本実施例、比較
例のサンプルを設置し、本プレヒーターを通電すると同
時に、触媒入口温度が１００℃から４２０℃まで２分間
（定速昇温）、その後０℃で１分間キープするようにエ
ンジン排ガスを導入し、各排ガスの浄化率を測定した。

【００３１】尚、プレヒーターは、１２Ｖのバッテリー
で１分間通電した状態とした。０から３分間の各排ガス
の平均浄化率を表１に示す。

【００３２】

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ハニカムヒーターの発熱部以外の非発熱部は、ガス流体
の流入を封止して、ハニカムヒーターの発熱部のみにガ
ス流体を流入させているため、全ての排ガスを迅速に加
熱でき、優れた浄化効率を達成できるという利点を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハニカム構造体の一例を示す平面概要図である
。

【図２】ハニカム構造体の貫通孔を接着剤で充填する例
を示す説明図である。

【図３】ハニカム構造体の非発熱部を無機物質で被覆す
る例を示す説明図である。

【図４】リング付きバンドの一例を示す斜視図である。

【図５】リング付きバンドの他の例を示す斜視図である
。

【図６】ハニカムヒーターのスリットに絶縁部材を挿入
した例を示す説明図である。

【図７】本発明の抵抗調節型ヒーターの一例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１０　　ハニカム構造体 １１　　ハニカム構造体の外周部 １２　　非発熱部 １３　　非発熱部貫通孔 １４　　セラミック質接着剤 １５　　耐熱性の無機物質 １６　　ガス流入側 ２０　　金属質バンド ２１　　リング ２２　　非発熱部封止用バンド ２３　　電極取出し穴 ２４　　凹凸 ３０　　ハニカムヒーターのスリット ３１　　絶縁部材（スペーサー） ４０　　ハニカム構造体の外壁 ４１　　電極 ４２　　スリット ４３　　アルミナ板 ４４　　無機接着剤

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　多数の貫通孔を有するハニカム構造体
   に通電のための少なくとも２つの電極を設けるとともに
   、該電極間に抵抗調節機構を設けてなる抵抗調節型ヒー
   ターであって、該抵抗調節型ヒーターの非発熱部を封止
   してハニカム構造体の発熱部の貫通孔内にガス流体を流
   入し加熱することを特徴とする抵抗調節型ヒーター。
2. 【請求項２】　　ハニカム構造体の外周を、絶縁物を介
   在して金属質バンドで被覆することにより該ハニカム構
   造体を保持し、かつ前記金属質バンドが抵抗調節型ヒー
   ターの非発熱部を封止している請求項１記載の抵抗調節
   型ヒーター。