JPH06213512A - 流体ヒーターおよびその製造方法 - Google Patents

流体ヒーターおよびその製造方法

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JPH06213512A
JPH06213512A JP5273763A JP27376393A JPH06213512A JP H06213512 A JPH06213512 A JP H06213512A JP 5273763 A JP5273763 A JP 5273763A JP 27376393 A JP27376393 A JP 27376393A JP H06213512 A JPH06213512 A JP H06213512A
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ceramic
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flow
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Ashton Cutler Willard
アシュトン カトラー ウィラード
Thomas Dale Ketcham
デール ケッチャム トマス
Julien Dell Joseph St
ジョセフ セント ジュリアン デル
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    • H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • Y10T29/49345—Catalytic device making

Abstract

(57)【要約】 【目的】 例えば、排気ガスを触媒で処理する前に予備
加熱するのに有用な流体用フロースルーヒーター、その
製造方法、そのフロースルーヒーターに使用するのに適
したラミネートヒーター素子を提供する。 【構成】 流体用フロースルーヒーターおよびヒーター
素子は導電性金属フィルムないしフォイルを少なくとも
１枚の予備焼結された柔軟なセラミックフォイル基体に
結合し、柔軟な導電性のセラミック／金属ヒーター素子
を形成し、そのヒーター素子を襞付きシートと支持シー
トの少なくとも一方に成形し、成形されたヒーター素子
を、襞付きシートと支持シートの間にハニーカム構造の
一面から他面に延びる複数の開放チャネルが形成される
ようにハニーカム構造に組み込むことに製造される。触
媒コーテイングをその予備加熱器に施して、極めて迅速
なライトオフ特性を備えたヒーター／コンバーターとし
てもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は種々の分野において気体
等の流体を熱するのに有用な複合フロースルーヒーター
に関するものである。さらに詳しくは、気体フィルター
や触媒変換装置として使用されているセルラー構造体あ
るいはハニーカム構造体として、もしくはそのような構
造体と組み合せて使用するのに有用な電気ヒーター素子
及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】上記のようなヒーターは自動者用触媒変
換装置、デイーゼルエンジン用粒体フィルター、薪スト
ーブ用コンバーター、工業用排気筒等の流出流体処理装
置であって、排気ガス流の温度が触媒変換反応を開始さ
せるのには低過ぎるものにおいて、触媒のライトオフ
（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）の開始を早めるのに有用であ
る。
【０００３】特に車の排気系からの汚染物質は環境への
重大な脅威であり続けている。触媒変換装置は排気ガス
中の汚染物質を減少させるのに今までは極めて効果的で
あったが、汚染基準が厳しくなるにつれて、より効果的
な触媒変換装置が求められるようになってきた。
【０００４】連邦試験手順（ＦＴＰ）は軽積載量車両に
対する排出証明試験である。ＦＴＰ基準では、冷間始動
とは２０から３０°Ｃの温度環境内で１２時間から３６
時間の運転休止後にエンジンを始動することを言い、ほ
とんどの冷間始動の場合に触媒と基体が触媒のライトオ
フ温度まで充分に暖まるまでに排出の開始から１分から
３分間要する。この時間をライトオフ時間と称し、ライ
トオフ温度とは被処理ガス流中の汚染物質の５０％が変
換される温度を言う。自動車用のカタリチックコンバー
ター（触媒変換装置）の場合はライトオフ温度は一般に
２００から３００°Ｃである。
【０００５】ある見積りによれば、コンバーターを備え
た車両から大気中に逃げる汚染物質の総量の約半分は冷
間始動直後の２分間に生成される。従って、ライトオフ
時間を短縮することによって排出される汚染物質の総量
を大幅に減らすことができる。
【０００６】カタリチックコンバーターあるいは被処理
ガスを予熱することによって自動車用等のカタリチック
コンバーターのライトオフ時間を短縮することが既に提
案されている。例えば、米国特許Ｎｏ．５，０６３，０
２９には、金属の押し出しによるハニーカム構造体を車
両の排出制御装置において気体の予熱器あるいは触媒の
加熱支持体として使用することが示唆されている。また
米国特許Ｎｏ．３，１６３，８４１には導電性コーテイ
ングを施したセラミックのハニーカム構造体からなる電
気ヒーターが開示されている。
【０００７】排出ガスあるいは供給ガスの補助的な加熱
はある種の気体濾過において、例えば、デイーゼルエン
ジンの粒体フィルターにおいても有用である。このよう
な用途においては排出ガスから炭素粒子が濾過され回収
された粒子が酸化される。米国特許Ｎｏ．４，５０５，
７２６、Ｎｏ．４，５３５，５８９にはこれらの粒子を
酸化するのに必要な温度を得るために、電気的に加熱さ
れる金属フィルム等の金属あるいは導電性材料を使用す
ることが示唆されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のような用途を含
む種々の粒体の加熱に、数百時間もにわたる高温下での
使用に耐える寸法的に安定なヒーターが必要となる。一
般的に言えることではないが、そのようなヒーターに要
求されることとして次のようなものがある。
【０００９】（１）ガス流を効率良く加熱するために幾
何学的表面積が大きいこと。
【００１０】（２）急速加熱ができるように熱質量が小
さいこと。
【００１１】（３）２００−３００°Ｃの予備加熱領域
まで気体を急速に加熱するのに充分な温度で作動に信頼
性があること。
【００１２】（４）作動温度において酸化還元に対して
安定であること。
【００１３】（５）期待される寿命にわたって寸法的に
安定であって耐熱衝撃性があること。
【００１４】またそのようなヒーターは、商業的な触媒
をコーテイングすることができ、しかもその際、その触
媒を損なうことがないのが望ましく、さらに電気的に絶
縁性の面を設けることができるのが望ましい。
【００１５】公知の、セルラー押し出しタイプの前金属
製ヒーター構造の欠点の一つは、構造的、熱的一体性を
確保するために大きな質量の金属が必要なことである。
結果としての大熱質量は、少なくとも車両に使用する場
合には、一般に許容される時間内に（望ましくは２０秒
以内、さらに望ましくは１秒以内）実効的な予備加熱温
度まで加熱するのには相当な電力を要することを意味す
る。また押し出し金属モノリスの抵抗はいくぶん制御が
困難である。
【００１６】外装を有する波形のスチール等の金属予備
加熱器は短絡を防止するために絶縁性コーテイングを必
要とし、またそのコーテイングが使用中に振動によって
失われたり破損したりすると言う欠点がある。さらに７
００°Ｃ以上の温度範野では、弾性係数と降伏強さの低
下が発生すると共に、波形が延びてしまい、寸法安定性
と剛性が低下する。剛性のセラミック基体上に導電性の
フィルムを配してなる予備加熱装置は、熱質量を減少す
る可能性を与えるものであるが、長期間の熱的耐久性の
面で問題がある。排気系中における典型的な熱サイクル
によって生ずる化学的物理的な悪影響は、膨張率の大き
い金属フィルムと膨張率が小さく剛性のあるセラミック
とからなる複合系の物理的一体性の維持の問題をより大
きくするだけである。
【００１７】上記のような問題に鑑みて、本発明は加熱
効率が良くしかも熱的耐久性に優れたヒーターおよびそ
のヒーターを使用した流体加熱装置を提供することを目
的とする。
【００１８】また本発明は、自動者の排出ガス制御、デ
イーゼルエンジンのヒューム処理、薪ストーブの煙変
換、工業用排気筒等の流出流体制御等の、排気ガス流の
温度が触媒のライトオフを開始させるのには低過ぎる広
範囲の流出粒体加熱装置に使用するのに適した気体予熱
装置を提供することを目的とするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明においては、柔軟
な焼結セラミックシートないしテープによってセラミッ
ク／金属ラミネートの形態のヒーター素子が形成され
る。そのラミネートは広範囲の流体加熱に使用すること
のできる加熱装置を形成するのに有用である。上記のよ
うな焼結セラミックに金属コーテイングないし金属層を
施すことによって得られる複合材料は極めて高い温度ま
で、優れた一体性と耐クリープ性を示すことがわかっ
た。このようなヒーター素子を使用したヒーターは高温
性能と機械的安定性の両方が要求される車両の排気ガス
処理のような用途に好適な性能を有する。
【００２０】またこのヒーター素子は波形等にひだをつ
けたり、ラミネートしたり、カールさせたり、重ねた
り、コーテイングしたりすることができるためフロース
ルーヒーターを作るのに極めて適している。またこのヒ
ーター素子は製造の途中で予備成形したり成形したりす
ることができるため、ヒーターの設計と製造工程に極め
て広い自由度を与える。
【００２１】本発明の流体ヒーターの基本的な構成ユニ
ットは少なくとも１枚の滑らかで柔軟なセラミックホイ
ル基体に貼りつけられた柔軟な金属ホイルないし金属フ
ィルムからなる電気ヒーター素子である。この基本ユニ
ットに基づくバリーエーションとしては複数のセラミッ
クフォイルや金属層のラミネートによって一体的なマイ
クロラミネートとしてなる多層ラミネート素子がある。
また触媒的に活性なカバー層を貼着またはラミネートし
たヒーター素子としてもよい。
【００２２】本発明において上記ヒーター素子で構成さ
れる、気体等の流体を加熱するためのフロースルーヒー
ターは、１つの面から他の面に延びる複数の開放チャネ
ルを有するセラミック／金属ハニーカム構造を備えてい
る。各チャネルが、少なくとも１枚の襞付きのシートと
１枚の支持シートとの組合せによって形成される。この
ようなハニーカム構造は従来のセラミックや金属のハニ
ーカム構造で採用されている。
【００２３】本発明においては、襞付きのシートと支持
シートの少なくとも一方は上述のようなラミネートヒー
ター素子の形とされる。このヒーター素子は少なくとも
１枚の焼結セラミックフォイルシートとそのシートにコ
ーテイングされた、望ましくはラミネートされた少なく
とも１層の導電性金属そうで構成される。層の数および
厚みによってヒーター素子の柔軟度の大部分が決定され
る。
【００２４】本発明はまた気体等の流体を加熱するため
のフロースルーヒーターの製造方法をも提供するもので
ある。本発明の方法では、少なくとも１枚の導電性層金
属フィルムないし金属フォイルを少なくとも１枚の予備
焼結された柔軟なセラミックフォイル基体にラミネート
等によって直接結合して導電性のセラミック／金属電気
ヒーター素子を形成する。直接結合するとはセラミック
と金属の間に接着剤等が介在しないことを意味する。
【００２５】このようなヒーター素子は、襞付きのラミ
ネートシート、ラミネートされた支持シートあるいはそ
の両方の形で使用され、ヒーターの構造素子とされる。
支持シートが平らなシートであるときには、ほぼその形
状で製造される。襞付きのシートすなわち波形のシート
であるときには、いくつかの方法で製造することができ
る。１）所望の形状にセラミックを予備成形し、それに
コーテイングを施すか、予備成形された金属フォイルを
ラミネートする。２）ラミネート時にセラミックフォイ
ルと金属フォイルを成形する。３）コーテイングやラミ
ネート後に金属／セラミックラミネートを成形し直す。
【００２６】最後に、所望の形状としたヒーター素子を
ハニーカム構造に組み込む。ハニーカム構造は従来から
襞付きのシートと支持シートを層構造をなすように組み
合せて、例えば、重ねてたり巻いたりして、形成してい
た。本発明の場合には、ヒーター素子を少なくと１層の
襞付きのシートと支持シートの一方または両方として使
用する。互いに接触する襞付きのシートと支持シートは
１つの面から他の面に延びる所望の数の開放チャネルを
形成し、ヒーター素子はそのチャネルを通過する流体を
効率良く加熱する。
【００２７】ラミネートシート内の金属コーテイングや
金属フォイルと電気的接続をとるためのリード線やコネ
クターをハニーカム構造の形成の前や後に取り付けても
よい。これによってヒーター素子に電力を充分かつ信頼
性をもって供給することができる。
【００２８】上記ハニーカム構造はサイズや形状にもよ
るが、適当なケーシングに入れてそのまま使用してもよ
いし、ハンダ、セラミックシーラントのような適当な結
合剤をハニーカム構造形成前に襞付きのシートや支持シ
ートに塗布してもよい。最終的な結合処理、一般には熱
処理、をして固めてもよい。得られたハニーカム構造は
そのまま使用してもよいし、支持手段を追加して使用し
てもよい。
【００２９】
【発明の作用および効果】本発明のフロースルーヒータ
ーはセラミック／金属ラミネートの熱質量が小さいため
加熱に対するレスポンスが極めて速い。また広い範囲の
材料及び形状を使用してヒーターを製造することができ
るため、酸化や還元に対する耐久性に優れている。
【００３０】さらにラミネートヒーター素子は充分薄
く、どのような熱応力もオイラー座屈によって容易に除
去することができるため本発明のヒーターの耐熱衝撃性
は極めて高い。セラミック／金属素子の耐クリープ性
は、セラミックによって与えられる寸法安定性のため
に、金属だけの場合に比べて相当高い。またセラミック
層はアセンブリに極めて耐久性のある電気絶縁性を与え
る。
【００３１】前述の補助的な触媒を設けても設けなくて
も、本発明のフロースルー予備加熱器は、通常排気管内
のメインのカタリチックコンバーターの直ぐ上流に、そ
のコンバーターの触媒のライトオフ温度まで排気ガスを
最も効率良く加熱できるように、配される。そのため、
その予備加熱器はメインのカタリチックコンバーターと
は別の容器内に入れてもよいし、同じ容器内に入れても
よい。
【００３２】同じ容器内に入れる場合に、セラミックの
ハニーカム触媒支持体を使用するときには、メインのカ
タリチックコンバーターの支持体の上流側の面に溝等を
設けて予備加熱器をその溝に挿しこむだけで取り付ける
ことができるようにしてもよい。これによって、ヒータ
ー素子をメインのカタリチックコンバーターの支持体で
支持することができ、予備加熱器用の容器や支持体を別
個に設ける必要がなくなり、その分コストを下げること
ができる。
【００３３】
【実施例】広範囲の多結晶質セラミック材料を、本発明
のラミネートヒーター素子を形成するのに有用な柔軟な
セラミックフォイル基体を形成するのに使用することが
できる。薄くて柔軟なセラミッスクシートおよびその製
造方法が米国特許Ｎｏ．５，０８９，４５５に開示され
ている。そのセラミックフォイルは、多孔性（気孔率約
６０％まで）にも非多孔性にもでき、さらに幅の狭いシ
ート（テープ）とすることも幅広のシートとすることも
できるが、予備焼結されたセラミックであるため、バイ
ンダー等の有機材料を本質的に含んでいない。
【００３４】この予備焼結の結果として、そのセラミッ
クフォイルは予熱装置を形成する際に焼成収縮をほとん
ど起こさない。この点は、その耐火性、柔軟性および高
強度と相まって、そのセラミックフォイルを金属コーテ
イングや金属フォイルを施す基体として優れたものとし
ている。詳細については上記米国特許を参照されたい。
【００３５】本発明においてヒーター素子を形成するの
に望ましい上記柔軟なセラミックとしてはアルミナ、ジ
ルコニヤ、安定化もしくは半安定化ジルコニヤ、ムライ
ト、コージエライト、マグネシウムーアルミネート尖晶
石、結晶化カルシウムアルミノシリケートガラスフリッ
ト（ガラスーセラミック粉末）、およびこれらの混合物
がある。その他、ハフニヤ、シリカ、チタニヤ、尖晶
石、酸化クロム、シアロン、珪素もしくはチタンの炭化
物ないし窒化物、ジルコン、炭化ジルコニウム、二ほう
化チタン等がある。これらのセラミックあるいはその混
合物を少なくとも５０重量％を超えて含むセラミックフ
ォイルが特に望ましい。
【００３６】周知のように、ジルコニヤベースのセラミ
ックには種々の安定化剤、例えば一種もしくは数種のア
ルカリ土類元素の酸化物、希土類元素の酸化物からなる
安定化剤、が含まれてもよい。上述のタイプのその他の
単相セラミック系の他に、上述の材料を様々な組合せで
含む多相セラミックも上記柔軟な焼結セラミックフォイ
ルを形成するのに使用することができる。
【００３７】柔軟なセラミックフォイルの、上記ヒータ
ー素子を形成する際の上述の長所の中でも、極めて高い
強度と優れた表面性が注目される。特にそのフォイルは
優れた表面平滑性を示し、そのために、そのフォイルを
低圧加熱ラミネート法によって極めて広範囲の金属シー
トやセラミックシートに永久的に結合させることができ
る。低圧加熱ラミネート法については、奔出がんの優先
権主張の基となる米国特許出願と同時に出願した米国特
許出願「マイクロラミネートコンポジット」（Ｔ．Ｄ．
Ｋｅｔｃｈａｍ等）に詳細に開示されている。
【００３８】上述のＫｅｔｃｈａｍ等の米国特許出願に
も開示されているが薄いセラミックフォイルのもう一つ
の長所は、焼結後ラミネート前に物理的特性の変化を実
質的に伴わずに迅速にリフォームすることができること
である。このリフォームによってヒーター素子形成用の
波形等のプレフォームを効率良く形成することができ
る。このプレフォームは、金属化合物をコーテイングな
いし挟んだあと、重ねて湾曲したりあるいは他の複雑な
形状をした多層素子に迅速に形成することができる。
【００３９】セラミックフォイルプレフォームを形成す
る際には、選択されたフォイルを、例えば、そのフォイ
ルをラミネートするのに有効な温度範囲と同じ温度範囲
まで加熱し、そのフォイルを所望の形状に永久的に変形
させるのに充分な圧力をかける。期待以上のことである
が、このリフォームは多結晶質セラミック材料では通常
得られないような極めて速い歪速度（約５×１０-3／ｓ
ｅｃを超える歪速度）で行うことができる。
【００４０】本発明のヒーターに導電層を設けるのに使
用出来る材料としては、金属、硬質合金、導電性セラミ
ック等がある。例えば、プラチナ、ステンレス等の鉄の
合金、ニクロム、カンタル（Ｋａｎｔｈａｌ）、インコ
ネル、ハステロイ、モネルメタル等の高温で耐食性のあ
る合金を使用することができる。いわゆる硬質合金と同
様高温下での使用に耐える他の金属や合金も使用するこ
とができる。例えば、モリブデンジシリシド、タングス
テンカーバイド等も使用することができる。
【００４１】原則として、導電性セラミックも本発明の
フロースルーヒーターのヒーター素子に使用することが
できる。例えば、導電性の灰チタン石、酸化ニッケル、
酸化スズ、シリコンカーバイドを使用することができ
る。
【００４２】導電性の金属性フィルムやフォイルを予備
焼結された柔軟なセラミックフォイル基体に結合するの
にはラミネートするのが望ましいが、化学的あるいは物
理的蒸着（例えば、金属ー有機蒸着、スパッタリング、
蒸発）によって金属層をコーテイングとして施してもよ
い。また無電解メッキ等の化学的な方法によってコーテ
イングしてもよい。
【００４３】あまり望ましくはないが、比較的厚い（５
０μｍまで）コーテイングを施す際には金属粉末ペース
トが有用である。もちろん、極めて薄いフィルムが望ま
しいときは、特にプラチナ、プラチナロジウム等の貴金
属の場合、金属粉末コーテイングよりも蒸着法を用いる
のが普通である。
【００４４】金属等の導電性材料はセラミック基体とほ
ぼ同じ長さだけ延びる層として設けてもよいし、素子の
電気抵抗が大きくなるようなパターン（すなわち電流通
路を長くする）で設けてもよい。特に金属をラミネート
ではなくて化学的な方法あるいは蒸着法によって基体上
に設ける場合にはその基体にマスクをかけることによっ
て所望の電気抵抗を有するどのような複雑な導電性材料
のパターンでも形成することができる。
【００４５】本発明においてヒーター素子を形成するの
に使用される柔軟なセラミックフォイル基体の厚みは一
般に７−１００μｍ、望ましくは１５−５０μｍであ
る。厚みが５００μｍを超えると柔軟性が不十分にな
り、やく４μｍより薄くなると、取扱いが困難になり、
性能上の長所が失われ、製品の所望の強度を得るために
シートの枚数を増やさなければならなくなることもあ
る。
【００４６】ラミネートによって基体に導電性層を結合
する場合には、厚みは特に重要である。一般にはセラミ
ック基体の厚みが増せば増すほど、金属とセラミックを
永久的に結合するのに必要な圧力が大きくなり、セラミ
ックフォイルが上記望ましい範囲の厚みであれば比較的
低い圧力でそのフォイルを金属フォイルあるいはセラミ
ックフォイル上の金属コーテイングに永久的に結合させ
ることができる。望ましいセラミックを用いると、１ｋ
Ｐａ程度の小さな圧力で金属フォイルに接触せしめられ
ているセラミックフォイル基体を加熱することによって
永久的な結合が得られ、７００ｋＰａを超える圧力はほ
とんど必要としないことが明らかになった。通常は４−
５０ｋＰａの範囲の圧力が望ましい。
【００４７】このような圧力下でセラミックと金属の永
久的なラミネートを得るのに必要な加熱温度は驚くほど
低い。一般には、多層複合体を形成するのに使用される
金属層とセラミックフォイル層の最低溶融温度より低い
温度が使用される。最低溶融温度とは使用されるセラミ
ックフォイルの溶融温度と金属フォイルの溶融温度の内
の低い方を意味するものである。これによって、層を形
成する材料のどちらも大きく変形させることなく結合さ
せることができる。
【００４８】良好な結合を得るための最低温度は今のと
ころセラミックフォイルと金属フォイルの最低焼結温度
より約３００°Ｃ低い温度であると考えられている。こ
こでも最低焼結温度とはセラミックフォイルの焼結温度
と金属層の材料の焼結温度の内の低い方を意味するもの
である。
【００４９】ラミネートは下記の式で示す望ましいラミ
ネート温度範囲内の温度ＴＬで行うのが望ましい。
【００５０】（ＴLS−２００）＜ＴL ＜ＴLM 但し、ＴLS、ＴLMは複合体構造中の層の最低焼結温度お
よび最低溶融温度である。
【００５１】上記のような温度で金属とセラミックが容
易に結合するのは、上述の望ましい厚み範囲内のセラミ
ックシートはそれより厚いものに比べて弾性的により曲
がりやすく、加えられた圧力でより大きな応力を発生
し、高温クリープによってより急速に塑性変形し、それ
によって金属シートとより急速に密着するからであると
今のところ考えられている。このような点で、シートの
塑性流れと変形が比較的小さいことが金属表面との良好
な結合を形成するために必要であるので、極めて高度な
局所厚み（局所平面性）の均一性が特に重要である。
【００５２】上述のセラミックシートから得られるヒー
ター素子およびフロースルーヒーターに触媒活性層を加
えてもよい。例えば、二酸化炭素、未燃焼の炭化水素等
の酸化可能な汚染物質を含む排気ガス用の予備加熱器の
場合には、予備加熱器自身内の極めて迅速な触媒のライ
トオフによってそのような触媒層は装置全体の性能を大
幅に向上させる。その結果得られる発熱は予備加熱器の
熱出力を大幅に増大させ、主たる触媒ユニットのライト
オフを加速する。
【００５３】予備加熱器に使用されるセラミック／金属
ヒーター素子に補助的なコテイングとして施される触媒
としては、高表面積ガンマアルミナ、ランタナベータア
ルミナ、ジルコニヤ、セリヤの薄め塗膜およびゼオライ
トベースンのコーテイング等がある。卑金属触媒および
プラチナ、ロヂウム、ルテニウム、パラヂウム等の金属
触媒およびそれらの混合物も使用することができる。
【００５４】上述のようにセラミック層と金属層からな
る本発明の柔軟なヒーター素子の製造について以下実施
例を参照して更に詳細に説明する。
【００５５】実施例１ まず部分安定化ジルコニヤの柔軟なセラミックリボンを
米国特許Ｎｏ．５，０８９，４５５に開示された方法で
製造した。そのリボンは長さ２．５ｃｍ、幅３ｍｍ、厚
さ１７μｍであり、イットリア安定化（２モル％）ジル
コニヤで形成した。またリボンは日本のトーソー化学か
ら購入したＴｏｓｏｈ ＴＺ−２Ｙジルコニヤ粉末で形
成した。
【００５６】このようにして形成したリボンに蒸着法に
よって導電性金属コーテイングを施した。９８％のプラ
チナと２％のロヂウムからなるプラチナーロヂウム合金
のフィルムを常温でのｒ−ｆスパッタリングでセラミッ
クリボンに蒸着した。そのフィルムの厚みは約１．５μ
ｍであった。そのコーテイングされたリボンを８００°
Ｃに加熱して確実な均質化、合金の確実な結晶化および
コーテイングのセラミックリボンへの確実な結合を図っ
た。このようにして耐久性のある柔軟なヒーター素子を
得た。
【００５７】図１はこのヒーター素子の断面構造を模式
的に示すものである。すなわちこのヒーター素子１０は
柔軟な安定化ジルコニヤ基体１４とその基体１４上のプ
ラチナーロジウムコーテイング１２からなっている。素
子１０は図１に示されている素子１０の端部のように平
らであってもよいし、中央部のように曲がっていてもよ
い。
【００５８】このようにして得た素子に太めの銅のリー
ド線を工業用の銀ペースト（デラウエア州のＥ．Ｉ．Ｄ
ｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒ社製Ｄｕｐｏｎｔ Ｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ＃４８１
７）で取り付けた。
【００５９】得られたヒーター素子は極めて高い温度に
繰りかえし曝しても酸化されたり、金属フィルムがセラ
ミック基体からはがれたりすることがない。この加熱性
能を実証するために、そのヒーター素子を、交流及び直
流を供給して１０００°Ｃを超える温度まで（赤熱）繰
りかえし加熱した。交流の場合は１２０Ｖ電源から可変
トランスによって電圧を約５ｖまでおとして供給した。
直流はレギュレター（Ｌａｍｂｄａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ社モデルＬＱ５３１）を使用して５Ｖ約３．３Ａ
で供給した。
【００６０】いずれの電流を供給した場合にも光学高温
計は素子のコーテイング部分の温度がほぼ１１００°Ｃ
であることを示した。さらに電力を供給し始めてから１
秒以内にこの温度に達した。
【００６１】実施例２ プラチナ合金用のセラミック基体として平らでなく波形
のジルコニヤストリップを使用した以外は実施例１の手
順を繰りかえした。この基体の波形のピーク間の振幅は
約１．２ｍｍ、周期は約４．８ｍｍであり、この波形は
ストリップを波形の面を有する型の間で約１４００°Ｃ
で、約７ｋＰａの圧力をかけて永久塑性変形させて形成
した。
【００６２】さらに上記ストリップにプラチナーロヂウ
ムコーテイングを施して、得られた柔軟なヒーター素子
に対して実施例１と同様な測定をした。そのヒーター素
子は４．５Ｖ、２．７５Ａの直流でオレンジ色に輝い
た。この場合も、電力を供給し始めてから１秒以内に最
高温度に達した。
【００６３】実施例３ コーテイングの厚みを約０．１μｍまで薄くした以外は
実施例２の手順を繰りかえした。この厚みはプラチナー
ロヂウムフィルムに対しては望ましい厚みの範囲内にあ
り、いくぶん少なめの電流で（例えば０．７Ａ、１２
ｖ）素子を急速にか熱することができる。このようなヒ
ーター素子は、総抵抗が約１０−１００ミリオーム（こ
れは自動車用予備加熱器として使用するには望ましいも
のである）であり、流体用予備加熱器の設計に容易に使
用することができる。
【００６４】実施例４ 波形構造の５層ラミネートヒーター素子を複数のセラミ
ック層と金属層を高温かで結合させて形成した。安定化
ジルコニヤ／アルミナ組成の２枚の柔軟なセラミックシ
ートを３枚のシリーズ４１０ステンレススチールフォイ
ルの間に１枚ずつ挟んでラミネートした。ジルコニヤシ
ートは８０ｗｔ％のＺｒＯ２（２モル％のイットリア安
定化剤を含む）と２０ｗｔ％のアルミナからなってお
り、厚みは約３０μｍであった。ステンレススチールフ
ォイルの厚みは約５１３０μｍであった。
【００６５】これらのシートは波形の面を有するセラミ
ック成形型の間で約１４００°Ｃで約４．５ｋＰａの圧
力で約２時間プレスすることによってラミネートした。
得られたヒーター素子は長さが約５ｃｍ、幅が約５ｍｍ
であった。波形のピーク間の振幅は約３ｍｍ、周期は約
２ｃｍであった。
【００６６】図２は実施例４の層構造のヒーター素子２
０の断面構造を模式的に示すものである。図２には永久
的に結合されたスチール層２２とセラミック層２４の位
置関係が示されている。素子２０は図２に示されている
素子２０の端部のように平らであってもよいし、中央部
のように曲がっていてもよい。
【００６７】実施例４の５層素子に実施例１と同様に銀
ペーストでリード線を取り付けた。次にその素子をＨｅ
ｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社の直流電源（モデル＃６
２５６Ｂ）に接続し、直流で加熱した。２４Ａ、２．３
ｖで１０秒未満で赤ーオレンジ熱（約７００−９００°
Ｃ）に達した。
【００６８】外側のスチール層が最初の加熱サイクル後
にやや酸化したが、その後約２０回の加熱／冷却サイク
ルの間に目に見える劣化は無かった。このヒーターの特
性は単に、補助的な酸化バリヤー、例えば、追加のセラ
ミックフォイル層、を外側の露出したスチール層のうえ
に被せるだけで修正することができる。あるいは、外側
に耐酸化性金属を用いてもよい。
【００６９】上記の実施例から分かるように、ラミネー
トもしくはコーテイングしたヒーター素子によればフロ
ースルーヒーターの特性を様々に制御することができ
る。種々の構造素子をヒーターの構造剛性、総電気抵
抗、加熱速度、幾何学的表面積等を考慮して様々な方法
で製造し、組み立てることができる。
【００７０】導電性層は、セラミック基体もしくは多層
セラミック／金属ラミネートの外側に露出された状態と
してもよいし、セラミック基体シートの間に埋め込んで
もよいし、多層構造の内側の層としてもよい。上述の種
々のヒーター素子からフロースルーヒーターを構成する
際には、ヒーター素子は波形の素子としてヒーター構造
中に組み込んでもよいし、平らなあるいは湾曲した素子
としてヒーター構造中に組み込んでもよいし、その両方
の形で組み込んでもよい。
【００７１】今までの説明から明らかであるように、ヒ
ーターアセンブリの全ての構造素子に電力を供給する必
要はない。すなわち、補助的な波形等の支持体を、セラ
ミックでできていても金属でできていてもよいが、構造
剛性、耐クリープ性、構造的一体性等の電気的加熱機能
と関係のない機能のために追加的に設けてもよい。
【００７２】本発明によって構成されるヒーター構造の
例を図３、図４に示す。図３に示すフロースルーヒータ
ー３０は波形のヒーター素子３２と支持体３４を重ねて
なっている。支持体３４は一般には、例えば、アルミナ
や部分安定化ジルコニヤ等の耐火性セラミックで形成さ
れた非導電性シートである。
【００７３】波形のヒーター素子３２は多層構造であ
り、各素子３２は、例えば支持体３４と同様なセラミッ
クで形成された中央セラミックフォイル基体とその両面
に設けられた金属フォイルないし金属コーテイング（図
示せず）からなっている。ヒーターの作動中に排気ガス
に接触する各素子３２の表面の金属層は、プラチナ、プ
ラチナーロヂウム等の耐火性の耐酸化性、耐食性のある
金属で形成するのが望ましい。上述のように、この金属
層は薄いフォイルのラミネート、蒸着等のコーテイング
法によって設けられる。
【００７４】波形層３２と支持体層３４からなる図３に
示すヒーターコアアセンブリは、絶縁性セラミック材料
で形成されたカバー部材３６の間に挟持され一体構造と
される。導電性の波形層３２の端部との電気的接続は、
その波形層３２上の金属層と物理的電気的に接触した導
電性金属端子プレート３８によってとられる。このヒー
ターコアアセンブリに通電するために、リード線３９、
４０が電源（図示せず）に接続される。このような接続
によって、質量の小さい波形素子３２が急速に加熱さ
れ、その波形素子と支持体層３４の間の通路を通過する
気体を効率的に加熱する。
【００７５】図４はフロースルーヒーターの構造の他の
例を示す断面図である。図４に示すフロースルーヒータ
ー６０は螺線状に巻かれた層構造をなしている。このヒ
ーターは柔軟な襞付きシート６４とともに螺線状に巻か
れてロール状ヒーターコアを形成する支持シート６２の
形態の柔軟なヒーター素子を備えている。
【００７６】襞付きシート６４は波形の非導電性セラミ
ックからなるのが適当であり、また柔軟な支持シート６
２（ヒーター素子、層構成の詳細については簡略のため
省略する）は導電性金属のコア層とともにラミネートさ
れてそのコア層に永久的に結合された相対向する一対の
セラミックフォイル層を備えている。そのセラミックフ
ォイル層は例えばジルコニヤで形成され、金属のコア層
はＫａｎｔｈａｌ（商品名）合金シートで形成される。
【００７７】図示の例においては、ヒーター素子である
柔軟な支持シート６２はヒーターコアの中心部からその
外側層まで連続している。シート６２の最外側部分との
電気的接続は導電性の金属の円筒状容器６６の内壁を介
して取られ、シート６２の最内側部分との電気的接続は
金属コアロッド６８を介して取られる。コアロッド６８
はバー電極６９に接続されている。
【００７８】容器６６とバー電極６９を介してヒーター
コア（シート６２、６４）に通電するためにバー電極６
９と容器６６にリード線７０、７２がそれぞれ取り付け
られている。このリード線に充分な電力を供給すると、
シート６２が急速かつ充分に加熱され、シート６２と６
４の間の通路を通る気体が急速かつ充分に加熱される。
【００７９】前述のように、本発明のフロースルーヒー
ターの総ての面あるいは一部の面に触媒を含むコーテイ
ングを施すとそのフロースルーヒーターで加熱される排
気ガスに含まれる成分の変換の開始が早くなる。そのよ
うなコーテイングはヒーターの構造や意図されている運
転モードによってはヒーターの総ての内面にではなく襞
付きシートあるいは平のシートの面にのみコーテイング
することができる場合がある。
【００８０】実施例で示したように、巻かれたあるいは
重ねられた支持シートと襞付きシートのアセンブリはそ
のアセンブリを容器に入れる物理的な力のみによって所
定の位置に保持してもよいし、公知のシーリング法によ
って、あるいはシーリングと物理的な力の組合せによっ
て、シートのアセンブリを一体的構造に結合してもよ
い。
【００８１】シーリングをする場合には公知のセラミッ
ク接着剤（シーリングフリット）およびシーリング方法
を使用して差し支えない。シーリング剤ないし接着剤と
しては、低中温度用には粉末ガラスからなるものを使用
することができ、高温用には失透可能なガラス（ガラス
ーセラミック）粉末からなるものを使用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、導電制金属フィルムを備えた柔軟な
金属／セラミックヒーター素子
【図２】本発明の、柔軟なセラミックフォイルと導電制
金属フォイルをラミネートしてなる金属／セラミックヒ
ーター素子
【図３】本発明のフロースルーヒーターの構造の一例を
示す図
【図４】本発明のフロースルーヒーターの構造の他の例
を示す図
【符号の説明】
１０、２０、３２ ヒーター素子 １２ プラチナーロヂウムコテイング １４ 基体 ３０、６０ フロースルーヒーター ３４ 支持体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トマス デール ケッチャム アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14814 ビッグ フラッツ ヴァリィ ロード 319 (72)発明者 デル ジョセフ セント ジュリアン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14891 ワトキンス グレン ボックス 318 アールディー ナンバー２

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １つの面から他の面に延びる複数の開放
    チャネルを有するセラミック／金属ハニーカム構造から
    なる流体用フロースルーヒーターであって、 前記チャネルが、少なくとも１枚の襞付きのシートと１
    枚の支持シートとの組合せによって形成されており、そ
    の両シートの少なくとも一方が、少なくとも１層の導電
    性層を少なくとも１層の柔軟な焼結セラミックフォイル
    層に結合してなる薄い電気ヒーター素子であることを特
    徴とするフロースルーヒーター。
  2. 【請求項２】 前記ヒーター素子が少なくとも１枚の柔
    軟な焼結セラミックフォイルシートに直接結合された金
    属フォイルからなることを特徴とする請求項１記載のフ
    ロースルーヒーター。
  3. 【請求項３】 前記金属フォイルが２枚の柔軟な焼結セ
    ラミックフォイルシート間にラミネートされていること
    を特徴とする請求項２記載のフロースルーヒーター。
  4. 【請求項４】 前記ヒーター素子が柔軟な焼結セラミッ
    クフォイルシートとその上に直接施された耐火性金属コ
    ーテイングからなることを特徴とする請求項１記載のフ
    ロースルーヒーター。
  5. 【請求項５】 前記ヒーター素子の表面に触媒層が設け
    られていることを特徴とする請求項１記載のフロースル
    ーヒーター。
  6. 【請求項６】 前記焼結セラミックフォイルがアルミ
    ナ、ジルコニヤ、安定化ジルコニヤ、部分安定化ジルコ
    ニヤ、ムライト、コージエライト、マグネシウムーアル
    ミネート尖晶石、結晶化カルシウムアルミノシリケート
    ガラス、ハフニヤ、シリカ、チタニヤ、尖晶石、酸化ク
    ロム、シアロン、炭化珪素、炭化チタン、窒化珪素、窒
    化チタン、ジルコン、炭化ジルコニウム、二ほう化チタ
    ンおよびこれらの混合物からなる群から選択されたセラ
    ミック組成物を主成分とすることを特徴とする請求項１
    記載のフロースルーヒーター。
  7. 【請求項７】 前記焼結セラミックフォイルが安定化ジ
    ルコニヤおよび部分安定化ジルコニヤからなる群から選
    択されたセラミック組成物で形成され、その組成物がア
    ルカリ土類元素酸化物安定化剤と稀土類元素酸化物安定
    化剤からなる群から選択されたジルコニヤ安定化剤をふ
    くんでいることを特徴とする請求項６記載のフロースル
    ーヒーター。
  8. 【請求項８】 前記導電性層が金属、硬質合金および導
    電性セラミックからなる群から選択された組成を有する
    ことを特徴とする請求項１記載のフロースルーヒータ
    ー。
  9. 【請求項９】 前記金属フォイルがプラチナ、鉄合金お
    よび高温耐食合金からなる群から選択された組成を有す
    ることを特徴とする請求項２記載のフロースルーヒータ
    ー。
  10. 【請求項１０】 流体用フロースルーヒーターの製造方
    法であって、 少なくとも１枚の導電性層金属フィルムないし金属フォ
    イルを少なくとも１枚の予備焼結された柔軟なセラミッ
    クフォイル基体に結合して導電性の電気ヒーター素子を
    形成し、 そのヒーター素子を襞付きシートと支持シートの少なく
    とも一方に成形し、成形されたヒーター素子を、襞付き
    シートと支持シートの間にハニーカム構造の一面から他
    面に延びる複数の開放チャネルが形成されるようにハニ
    ーカム構造に組み込むことを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 前記セラミックフォイル基体が約１０
    ０μｍ以下の厚みであり、そのセラミックフォイル基体
    が１−７００ｋＰａの範囲の圧力でのホットプレスによ
    って金属フォイルに結合されることを特徴とする請求項
    １０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記圧力が４−５０ｋＰａの範囲の圧
    力であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記ホットプレスを金属フォイルとセ
    ラミックフォイルの最低溶融温度より低い温度で行うこ
    とを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記ホットプレスを式（ＴLS−２０
    ０）＜ＴL ＜ＴLM（但し、ＴLS、ＴLMは金属フォイルと
    セラミックフォイルの最低焼結温度および最低溶融温
    度）表されるラミネート温度範囲内の温度ＴL で行うこ
    とを特徴とする請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 厚み約１００μｍ以下の柔軟な焼結セ
    ラミックフォイルで形成された少なくとも１層の基体層
    ないしカバー層に加圧ラミネートによって直接結合され
    た少なくとも１層の導電性金属フォイル層からなること
    を特徴とするラミネート電気ヒーター素子。
  16. 【請求項１６】 柔軟な電気ヒーター素子を製造する方
    法であって、柔軟な焼結セラミックフォイル層を導電性
    金属フォイル層に、そのセラミックフォイル層と金属フ
    ォイル層の溶融温度より低い温度で比較的低い圧力をか
    けて直接ラミネートすることを特徴とする方法。
JP5273763A 1992-10-30 1993-11-01 流体ヒーターおよびその製造方法 Withdrawn JPH06213512A (ja)

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US07/969,076 US5519191A (en) 1992-10-30 1992-10-30 Fluid heater utilizing laminar heating element having conductive layer bonded to flexible ceramic foil substrate
US969076 1992-10-30

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