JPH04277481A - 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、ハニカム構造体からな
る抵抗調節機能を有したヒーターに関する。これらは温
風ヒーターなどの民生用ヒーター、自動車の排気ガス浄
化用のプレヒーター等の工業用ヒーターとして好適に使
用できる。

【０００２】

【従来の技術】最近になり、自動車等の内燃機関から排
出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯＸ　）、一酸化
炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化するための触媒
、触媒担体等として、従来公知の多孔質セラミックハニ
カム構造体のほかに、金属ハニカム構造体が注目を集め
るようになってきた。

【０００３】一方、排ガスの規制強化に伴ない、コール
ドスタート時のエミッションを低減するヒーター等の開
発も切望されている。このようなハニカム構造体として
、例えば特公昭５８−２３１３８号公報、及び実開昭６
３−６７６０９号公報に記載のものが提案されている。

【０００４】特公昭５８−２３１３８号公報には、フォ
イルタイプの金属ハニカム構造物が示されている。この
ハニカム構造物は、平板を機械的に変形して波形としこ
れを平板とともに巻き上げて金属基体としているもので
ある。そして、金属基体の表面を酸化処理して酸化アル
ミニウム被膜を形成し、この被膜にアルミナ等の高表面
積酸化物を担持し、さらに貴金属等を含浸させて、自動
車排ガス浄化用の触媒としているものである。

【０００５】さらに実開昭６３−６７６０９号公報には
、メタル担体にアルミナをコートした電気通電可能なメ
タルモノリス触媒をプレヒーターとして使用することが
開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題］】しかしながら、特公
昭５８−２３１３８号公報に記載のフォイルタイプの金
属ハニカム構造物においては、被膜を形成した金属基体
の多孔性が乏しいため触媒層との密着性が弱く、かつセ
ラミックたる触媒と金属製基体との熱膨張差により触媒
が剥離し易いという欠点がある。また運転サイクル中に
、メタル−メタル接合部が剥離しガス流れ方向に凸部に
変形するというテレスコープ現象が発生し易く、運転上
重大な支障となる場合があり、さらにフォイルタイプの
金属ハニカム製造ではフォイルの圧延歩留が低く、製造
コストが高くなるという問題がある。また実開昭６３−
６７６０９号公報のプレヒーターも特公昭５８−２３１
３８号公報と同様に、アルミナとメタル担体との熱膨張
差等により触媒が剥離し易いという欠点があると同時に
、運転中に金属基体のメタル−メタル接合部が剥離し、
絶縁部ができて電流ムラが生じ、不均一な発熱を生ずる
という問題がある。

【０００７】さらに、実開昭６３−６７６０９号公報の
プレヒーターは、単にフォイルタイプのメタルハニカム
構造体の内周から外周へ通電し発熱させるものであって
、その抵抗が調整されておらず（即ち、材質、寸法、リ
ブ厚で規定されるのみで、所望の抵抗が調節されていな
い）、昇温特性が不十分であるばかりでなく、内周部に
電極を設けているため、中心部が触媒として作用せず、
しかも圧力損失の原因となるという問題がある。更に、
ガス流によって電極が脱離し易くなるという欠点がある
。

【０００８】そこで、本出願人は、先にハニカム構造体
に通電のための少なくとも２つの電極を設けるとともに
、電極間に抵抗調節機構を有するヒーターを提案した（
特願平２−９６８６６号）。本発明はこのヒーターの更
なる改良を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】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
抗調節機構を設けた抵抗調節型ヒーターであって、通電
時ハニカム構造体における電流集中部分の隔壁の厚さを
導電性材料により増大させるか、及び／又は電流集中部
分の貫通孔を導電性材料で封止することにより、ハニカ
ム構造体における電流集中部分の異常発熱を防止するこ
とを特徴とする抵抗調節型ヒーター、が提供される。ま
た、本発明において、抵抗調節機構としてはスリットが
好ましい。

【００１０】

【作用】本発明は、多数の貫通孔を有するハニカム構造
体に電極を設け、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で、通電時の電流集中部
分の異常発熱を防止したヒーターである。

【００１１】又、上記のハニカム構造体としては、粉末
原料をハニカム状に成形し焼結させて作製することが好
ましい。この場合には、いわゆる粉末冶金および押出成
形法を用いて作製することが好ましく、工程が簡略で低
コスト化が図れる利点がある。また、このヒーターは粉
末原料を用いたハニカム構造体（一体物）とすると、テ
レスコープ現象が生じず、均一な発熱を達成でき、好ま
しい。

【００１２】本出願人の先願である特願平２−９６８６
６号に示す抵抗調節型ヒーターは、図８〜図９に示すよ
うに、通電時抵抗調節機構であるスリット１２の先端部
Ａに電流が集中し、この部分が異常発熱することが判明
し、この結果、ハニカム構造体に担持した触媒が失活し
、またハニカム基材が酸化され、長期的にみるとクラッ
クの発生等耐久性に問題が生じる可能性があることが判
明した。

【００１３】そこで、本発明では、通電時にハニカム構
造体の電流が集中する部分の隔壁の厚さを増大させるか
、及び／又は電流集中部分の貫通孔を導電性材料で封止
する手段を採用することにより、ハニカム構造体におけ
る電流集中部分の異常発熱を防止して、上記問題を解決
したものである。

【００１４】本発明における電流集中部分の異常発熱防
止手段を、以下図面に基づいて説明する。図１は壁厚増
大タイプであり、電流が最も集中する部分であるスリッ
ト１２の先端隔壁ａは必ず厚くする必要がある。また、
比較的電流が集中する隔壁ｂ部分についても図１の如く
、厚く形成することが好ましい。さらには、スリット１
の先端部付近の貫通孔ｃを形成する隔壁についても、こ
れを厚くすることが、異常発熱防止の上から特に好まし
い。

【００１５】上記の場合、厚くする隔壁の厚さｔは、ス
リット−スリット間の隔壁（リブ）数ｎ、他の通常の隔
壁厚さｔＯ　としたとき、ｎｔＯの１／２以上とするこ
とが好ましい。壁厚増大タイプのハニカム構造体を、例
えば粉末冶金法を利用し、押出し成形する場合、所望の
位置の壁厚が厚くなるように、予め口金を調節すること
により対応できる。この場合、厚くした隔壁は、貫通孔
のガス流れ方向に対し一定の壁厚ｔをもつことになる。

【００１６】また、壁厚増大タイプのハニカム構造体を
射出成形、プレス成形、スリップキャスト法あるいはコ
ート法を用いて作製する場合、貫通孔のガス流れ方向に
対し必ずしも一定の壁厚ｔをもつように形成する必要は
ないが、一定壁厚ｔをもつようにすることが好ましい。

【００１７】一方、発熱面積を増大させる目的で、スリ
ットをハニカム構造体の機械的強度を保持できる限度で
長く形成したいという要請があり、極端にいえばスリッ
トを外周壁まで切り込むことも考えられる。このような
場合には、外周壁の壁厚を厚くして、外周部における電
流集中による異常発熱を防ぐ。外周壁の壁厚を厚くする
場合、押出し成形時に予め口金を調整して外周壁を厚く
形成したり、あるいは乾燥体又は焼結体の外周壁に導電
性材料を固着させて対応することができる。後者の場合
、具体的には、乾燥体にハニカム構造体と同一の材料か
らなるプレートを巻き付け、焼成工程で強固に固着させ
ることが好ましい。

【００１８】図２は貫通孔封止タイプを示し、電流集中
部分の貫通孔ｄ、好ましくは貫通孔ｅ、更に好ましくは
貫通孔ｆを導電性材料で封止する。この場合、押出し成
形時に予め口金を調整して貫通孔が封止されたハニカム
構造体を得てもよく、また乾燥体、焼結体に対し射出成
形、プレス成形、スリップキャスト法、コート法等を用
いて導電性材料を封止してもよい。又、この場合、ガス
流れ方向に上記の貫通孔をすべて封止する必要はないが
、すべてを封止することが好ましい。

【００１９】図３〜図４はそれぞれ電流の折返し部分を
封止した例を示す。即ち、図３はハニカム構造体の貫通
孔軸方向にスリット１２を設けた例、図４はハニカム構
造体の貫通孔軸方向と直角にスリット１２を設けた例で
あり、電流の折返し部分１４を封止したものである。図
３の例では、異常発熱防止のほか、スリット部分のガス
吹き抜けが防止され、排ガス浄化特性の向上が達成され
る。

【００２０】なお、図５は壁厚増大タイプの他の例であ
り、電流集中部分の隔壁ａのほか、隣接するスリット１
２までの隔壁ｇを全て厚くしたものである。又、図６は
貫通孔封止タイプの他の例で、電流集中部分の貫通孔ｄ
のほか、隣接する貫通孔ｆ、ｈを封止したものである。 さらに、隣接するスリット１２までの貫通孔ｋを封止し
てもよい。また図７は、図５〜図６の例を組合せたもの
である。

【００２１】図５〜図７に示す例では、スリット−スリ
ット間のリブを比較的均等に電流が流れることになり、
好ましい。以上において、壁厚増大材料および封止材料
としては導電性材料であればその種類は限定されないが
、製造面、隔壁との密着性の点から、隔壁を構成する材
料と同質のものが好ましい。

【００２２】なお、本発明の抵抗調節型ヒーターは、金
属質ハニカム構造体の隔壁及び気孔の表面をＡｌ２　Ｏ
３　、Ｃｒ２　Ｏ３　等の耐熱性金属酸化物で被覆する
ことが耐熱性、耐酸化性、耐食性が向上し好ましい。

【００２３】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。 さらに金属質の場合、フォイルタイプに形成したもので
もよい。

【００２４】本発明のハニカム構造体は、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ほとんどない
ことから好ましい。また、非多孔質のハニカム構造体で
あっても、本発明では、スリット等の抵抗調節機構を備
えているため、熱応力が緩和され、クラック等が発生し
にくい。

【００２５】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。

【００２６】なお、金属粉末原料と有機バインダー、水
の混合に際し、水を添加する前に金属粉末にオレイン酸
等の酸化防止剤を混合するか、あるいは予め酸化されな
い処理を施した金属粉末を使用することが好ましい。次
に、押出成形されたハニカム成形体を、非酸化雰囲気下
１０００〜１４００℃で焼成する。ここで、水素を含む
非酸化雰囲気下において焼成を行なうと、有機バインダ
ーがＦｅ等を触媒にして分解除去し、良好な焼結体を得
ることができ、好ましい。

【００２７】焼成温度が１０００℃未満の場合、成形体
が焼結せず、焼成温度が１４００℃を超えると得られる
焼結体が変形するため、好ましくない。なお、望ましく
は、次いで、得られた焼結体の隔壁及び気孔の表面を耐
熱性金属酸化物で被覆する。この耐熱性金属酸化物によ
る被覆方法としては、下記の方法が好ましいものとして
挙げられる。

【００２８】■金属ハニカム構造体を酸化雰囲気中７０
０〜１２００℃で熱処理する。■Ａｌ等を焼結体の隔壁
及び気孔の表面にメッキ（例えば気相メッキ）し、酸化
雰囲気中７００〜１２００℃で熱処理する。■Ａｌ等の
金属溶湯中に浸漬し、酸化雰囲気中７００〜１２００℃
で熱処理する。■アルミナゾル等を用い焼結体の隔壁及
び気孔の表面に被覆し、酸化雰囲気中７００〜１２００
℃で熱処理する。

【００２９】尚、熱処理温度は、耐熱性、耐酸化性の点
で９００〜１１５０℃とすることが好ましい。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
種の態様によりスリットを設ける。なお、上記の場合、
ハニカム構造体へのスリットの形成は焼成後としたが、
乾燥後あるいは成形後においても行なうことができる。

【００３０】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、
本発明の抵抗調節型ヒーターが作製される。この金属質
ハニカム構造体は、全体としてその抵抗値が０．００１
Ω〜０．５Ωの範囲となるように形成することが好まし
い。

【００３１】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。

【００３２】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Ａｌ２　Ｏ３　系、ＴｉＯ２　系、Ｓ
ｉＯ２　−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、Ｎ
ｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の卑金属などを挙げることができる。 上記のうち、γ−Ａｌ２　Ｏ３　系にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ
を１０〜１００ｇ／ｆｔ３　担持したものが好ましい。

【００３３】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／Ｉｎ２　（０．９〜２３３セル／
ｃｍ２）の範囲のセル密度を有するように形成すること
が好ましい。又、隔壁の厚さは５０〜２０００μｍの範
囲が好ましい。

【００３４】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。

【００３５】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、その外形は円柱形のほか矩形、楕円形などとする
ことができ、また、例えば貫通孔の断面形状（セル形状
）は円形、多角形、コルゲート形等の各種の任意な形状
が使用できる。

【００３６】

【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。

【００３７】（実施例１）平均粒径１０、２０、２２μ
ｍのＦｅ粉、Ｆｅ−Ａｌ粉（Ａｌ５０ｗｔ％　）、Ｆｅ
−Ｃｒ粉（Ｃｒ５０ｗｔ％　）の原料を用い、Ｆｅ−２
２Ｃｒ−５Ａｌ（重量％）の組成と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４００個／平方インチ（ｃｐ
ｉ２）　の四角セルよりなるハニカムを押出し成形した
。尚、図１のように、最終的にスリットの先端部となる
隔壁ａと隔壁ｂの部分は、口金を予め調整して壁厚を厚
くした。次いで、乾燥後、Ｈ２　雰囲気下１３００℃で
焼成し、その後空気中、１０００℃で熱処理を行なった
。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。

【００３８】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９に示すよ
うに、その外壁１０上に２ヶ所電極１１をセットし、ハ
ニカムヒーターとした。又、図９に示すように、７０ｍ
ｍの長さのスリット１２を貫通孔の軸方向に６個所設け
（両端のスリット長は５０ｍｍ）、かつスリット１２間
のセル数が７個（約１０ｍｍ）となるように形成した。 スリット先端部の隔壁ａおよび隔壁ｂの厚さは各々５０
０μｍであった。さらに、スリット１２の外周部１３に
はジルコニア系の耐熱性無機接着剤を充填し、絶縁部と
した。

【００３９】（実施例２）図２のように貫通孔ｄおよび
ｅを予め封止するよう口金を調整した以外は、実施例１
と同様にして、ハニカム構造体からなるハニカムヒータ
ーを得た。

【００４０】（比較例１）図８に示すように、すべての
隔壁を同一厚さとした以外は、実施例１と同様にして、
ハニカム構造体からなるハニカムヒーターを得た。

【００４１】［評価］定電圧発生装置を用い、ハニカム
ヒーターの温度（中心部の貫通孔温度：ヒーターのほぼ
平均温度）が８００℃となるように、５分間で昇温し、
その後５分間で降温するサイクルを１００サイクル繰り
返した（加速通電サイクルテスト）。上記サイクルテス
トの結果、実施例のヒーターは、通電サイクルテスト後
、スリット先端部の変形、セル切れ等は生じなかったが
、比較例のヒーターの場合は、スリット先端部の電流集
中箇所に２ヶ所セル切れが発生した。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の抵抗調節
型ヒーターによれば、優れた昇温特性と均一な発熱特性
を有し、発熱性を制御できるとともに、ハニカム構造体
における電流集中部分の異常発熱を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の抵抗調節型ヒーターにおけるスリット
先端部の例を示す部分拡大説明図である。

【図２】本発明の抵抗調節型ヒーターにおけるスリット
先端部の例を示す部分拡大説明図である。

【図３】本発明の抵抗調節型ヒーターの例を示す斜視図
である。

【図４】本発明の抵抗調節型ヒーターの例を示す斜視図
である。

【図５】本発明の抵抗調節型ヒーターにおけるスリット
先端部の例を示す部分拡大説明図である。

【図６】本発明の抵抗調節型ヒーターにおけるスリット
先端部の例を示す部分拡大説明図である。

【図７】本発明の抵抗調節型ヒーターにおけるスリット
先端部の例を示す部分拡大説明図である。

【図８】すべての隔壁を同一厚さとした抵抗調節型ヒー
ターにおけるスリット先端部の例を示す部分拡大説明図
である。

【図９】抵抗調節型ヒーターの例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０　　外壁 １１　　電極 １２　　スリット １３　　スリットの外周部

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た抵抗調節型ヒータ
   ーであって、通電時該ハニカム構造体における電流集中
   部分の隔壁の厚さを導電性材料により増大させるか、及
   び／又は電流集中部分の貫通孔を導電性材料で封止する
   ことにより、該ハニカム構造体における電流集中部分の
   異常発熱を防止することを特徴とする抵抗調節型ヒータ
   ー。
2. 【請求項２】　　抵抗調節機構がスリットである請求項
   １記載の抵抗調節型ヒーター。