JPH09103684A - 並列発熱型ハニカムヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バッテリーでの使用に適した低抵抗のスリッ
ト入りハニカムヒーターであって、通電サイクル耐久性
に優れたものを提供する。 【解決手段】 導電性材料からなるハニカム構造体５
に、通電のための電極３と、抵抗を調節するためのスリ
ットを設けてなるハニカムヒーターであって、ハニカム
構造体内に並列の回路が形成されるようにスリット１
ａ、１ｂを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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通電発熱型のハニカム
ヒーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の排ガスを浄化するために用い
られる触媒コンバーターにおいて、触媒を早期にその作
用温度まで昇温させるために、通電発熱式ヒーターを配
設する技術が知られている。

【０００３】このような目的に使用されるヒーターとし
て、導電性材料からなるハニカム構造体に通電用の電極
を設けてなるハニカムヒーターと呼ばれるものが知られ
ている。このハニカムヒーターは、その発熱部分となる
ハニカム構造体の発熱量を調節するため、通常、ハニカ
ム構造体にスリットを形成して用いられる。例えば、図
６に示すように、電極３の設置位置を挟んで、ハニカム
構造体５の対向する外周面から交互にスリット１を設
け、ハニカム構造体５の内部を流れる電流の流路の長さ
を種々に設定することにより、ハニカム構造体５の電気
抵抗を調節して、所望の発熱量を得られるようにしてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このハニカ
ムヒーターを自動車に搭載して排ガス浄化系に用いる場
合、ハニカムヒーター用の電源として、オルタネーター
以外に、バッテリーを使用する場合があるが、この場合
には電力消費量の問題から、ハニカムヒーターの抵抗を
あまり高く設定できない。したがって、ハニカム構造体
に設けるスリットの本数は少なくなり、隣合うスリット
の間隔が広がって、スリット間のセル数（隣合うスリッ
トの間を最短距離で結ぶ直線上に存在するセル(貫通孔)
の数）が多くなる。

【０００５】そして、このようにスリット間のセル数が
多くなると、ハニカム構造体のスリット端部周辺部分に
電流が集中するため、この部分が他の部分に比して高温
となり、セル破断等の欠陥を生じやすい。このため、従
来の低抵抗型のスリット入りハニカムヒーターは、通電
の繰り返しに対する耐久性（通電サイクル耐久性）に乏
しいという問題があった。

【０００６】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、バッテリーでの使用に適し
た低抵抗のスリット入りハニカムヒーターであって、通
電サイクル耐久性に優れたものを提供することを主な目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、導電性
材料からなるハニカム構造体に、通電のための電極と、
抵抗を調節するためのスリットを設けてなるハニカムヒ
ーターであって、ハニカム構造体内に並列の回路が形成
されるようにスリットが設けられたことを特徴とするハ
ニカムヒーター、が提供される。

【０００８】

【発明の実施の形態】スリット入りのハニカムヒーター
において、ハニカム構造体のスリット端部周辺部分への
電流集中を緩和するには、隣合うスリット間のセル数を
少なくして、ハニカム構造体により多くのスリットを形
成するのが有効である。図７は、導電性材料からなるハ
ニカム構造体（セル形状：六角形、セル密度：４５０セ
ル／ｉｎ²、リブ壁厚：４mil）を用いて作製したスリッ
ト入りハニカムヒーターにおいて、スリット間セル数と
昇温速度比との関係を調べた結果を示すグラフである。
ここで、昇温速度比は、ハニカムヒーターへの供給電力
２．０ｋＷで、通電後５秒間におけるスリット端部の昇
温速度とハニカム構造体中央部の昇温速度とから下記数
１により求めた値であり、スリット端部の昇温速度は、
図８の部分拡大図に示すスリット１の端部に隣接するセ
ルＡにて測定した。

【０００９】

【数１】

【００１０】図７より、スリット間のセル数が少なくな
る程、昇温速度比が小さい、すなわちスリット端部周辺
部分への電流集中が緩和されることがわかる。しかし、
図６に示すような従来のスリット入りハニカムヒーター
においては、スリット間のセル数を少なくして、多くの
スリットを形成すると、ハニカム構造体内を流れる電流
の流路が長くなって抵抗値が高くなり、自動車のバッテ
リーでの使用に適さないものとなる。そこで、本発明に
おいては、ハニカム構造体内に並列の回路が形成される
ようにスリットを形成するようにした。

【００１１】並列回路においては、各列の抵抗の逆数の
和が全体の抵抗の逆数となる。したがって、本発明にお
いては、スリット間のセル数を少なくして各列の電流流
路を長くしても、全体としての抵抗値は比較的低く抑え
ることができる。このため、本発明のハニカムヒーター
は、自動車のバッテリーでの使用に適するような低い抵
抗値としつつ、スリット間のセル数を少なくして、スリ
ット端部周辺部分への電流集中を緩和できるので、通電
サイクル耐久性に優れたものとなる。

【００１２】本発明のハニカムヒーターは、例えば、一
端がハニカム構造体の外周部まで到達し、他端がハニカ
ム構造体の外周部まで到達しないスリットと、両端とも
ハニカム構造体の外周部まで到達しないスリットとを組
み合わせて設けることにより得ることができる。図１
（Ａ）は、この一例を示すものであり、通電用の電極３
を設けたハニカム構造体５に、一端がハニカム構造体の
外周部まで到達し、他端がハニカム構造体の外周部まで
到達しないスリット１ａと、両端ともハニカム構造体の
外周部まで到達しないスリット１ｂとを交互に形成した
ものである。

【００１３】この例では、ハニカムヒーターをバッテリ
ーに接続した回路図である図１（Ｂ）に示すように、ハ
ニカム構造体内に並列数が２列の並列回路が形成され
る。ここで、各列の抵抗値をそれぞれＲ1とすると、ハ
ニカム構造体全体の抵抗値Ｒは、下記数２より、各列の
抵抗値Ｒ1の半分となる。

【００１４】

【数２】

【００１５】図２は、本発明の他の例を示しており、図
１に示すスリットに加えて、更に、スリット１ｂと交差
するようなスリット１ｂ’を形成したものである。本発
明において、ハニカム構造体内に形成される並列回路の
並列数は、図１や図２のような２列のものに限定され
ず、更に多くの列数が形成されるようにしてもよい。

【００１６】例えば、図３は一端がハニカム構造体の外
周部まで到達し、他端がハニカム構造体の外周部まで到
達しないスリット１ａと、両端ともハニカム構造体の外
周部まで到達しないスリット１ｂとの組み合わせによ
り、ハニカム構造体５内に並列数が３列の並列回路を形
成したものであり、上記並列数が２列の並列回路を形成
した場合よりも、更に低抵抗のハニカムヒーターとする
ことができる。

【００１７】また、図４や図５に示すような方向にスリ
ットを設けることによっても、ハニカム構造体内に並列
回路を形成することができる。図４はセルの軸方向とほ
ぼ平行にスリットを設けた例であり、一端がハニカム構
造体５の端面まで到達し、他端がハニカム構造体５の端
面まで到達しないスリット１ｃと、両端ともハニカム構
造体の端面まで到達しないスリット１ｄとを組み合わせ
て設けることにより、ハニカム構造体５内に並列数が２
列の並列回路を形成した例である。

【００１８】図５はセルの軸方向とほぼ直角方向にスリ
ットを設けた例であり、一端がハニカム構造体５の外周
部まで到達し、他端がハニカム構造体５の外周部まで到
達しないスリット１ｅと、両端ともハニカム構造体の外
周部まで到達しないスリット１ｆとを組み合わせて設け
ることにより、ハニカム構造体５内に並列数が２列の並
列回路を形成した例である。なお、このような方向にス
リットを設けた場合には、上述したような「スリット間
セル数」という概念は存在しなくなるが、同方向に設け
られたスリットにより、全体の抵抗が同等で、ハニカム
構造体内に形成される電流流路が１列のみのヒーターを
作製した場合に比して、隣合うスリット間の間隔を狭く
することができ、スリット端部周辺部分への電流集中を
緩和できる。

【００１９】本発明のハニカムヒーターは、上述のよう
に低抵抗でスリット端部周辺部分への電流集中が緩和さ
れる他に、次のような利点もある。すなわち、図９のよ
うに従来のスリット入りハニカムヒーターにおいては、
使用時の振動や通電サイクル等によりスリット間の１箇
所が破断すると全体が発熱しなくなる。これに対し、図
１０のように本発明のハニカムヒーターでは、スリット
間の１箇所が破断して、並列回路のうちの１列の電流流
路が途切れても、他の列の電流流路が無事であれば、そ
の部分が発熱して不完全ながらもヒーターとしての機能
を維持することができる。

【００２０】本発明において、ハニカム構造体を構成す
る導電性材料としては、フェライト系ステンレス、オー
ステナイト系ステンレス等の金属質、ペロブスカイト
系、ＳｉＣ等のセラミック質等のいかなる材料も用いる
ことができるが、耐熱性、耐熱衝撃性の点でＦｅ−Ｃｒ
−Ａｌからなるフェライト系ステンレスが最も好まし
い。

【００２１】ハニカム構造体は、金属箔を巻き取って作
製されたものでも、また、粉末冶金法による押し出し法
によって作製されたものでもよいが、構造耐久性の点、
特に過酷な条件下でのテレスコープ現象を避けるために
押し出し法によって調製されたものが好ましい。

【００２２】貫通孔の断面形状（セル形状）は、特に限
定されるものではなく四角形、六角形等の多角形、円
形、コルゲート形等の各種の任意の形状を用いることが
できるが、耐熱衝撃性の点から熱応力を緩和するフレキ
シブルなセル形状、例えば六角形が好ましい。

【００２３】次に、本発明で用いる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、Ｃｒ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。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にくい処理を施した金属粉末を使
用することが好ましい。

【００２４】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うと、
有機バインダーがＦｅ等を触媒にして分解除去されるの
で、良好な焼結体を得ることができ好ましい。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。

【００２５】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。 金属ハニカム構造体を酸化雰囲気中７００〜１１００
℃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７００〜１１００℃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〜
１１００℃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７００〜１１００℃で熱処理す
る。 なお、熱処理温度は、耐熱性、耐酸化性の点で、９００
〜１１００℃とすることが好ましい。

【００２６】ハニカム構造体に対するスリットの加工
は、上記のようにハニカム構造体を押し出し法により作
製する場合、ハニカム成形体の焼成後に行ってもよい
が、焼成前に行った方が加工が容易で、セルの切損等の
加工時の欠陥が起こりにくいので好ましい。スリットの
加工は、例えばダイヤモンドソーを用いた研削加工など
により行うことができる。

【００２７】また、上記ハニカム構造体には、ろう付
け、溶接等の手段によって、通電のための電極が取り付
けられる。電極は一般にバッテリー、キャパシター等の
電源にスイッチ、制御装置を介して接続される。

【００２８】本発明のハニカムヒーターを、自動車等の
排ガス浄化系に用いる場合には、ハニカム構造体の隔壁
上に、触媒活性物質を含む触媒層を被覆担持することが
好ましい。これにより、隔壁上の触媒層が通電によりま
ず着火して、そこから生み出される反応熱がハニカムヒ
ーター上の触媒の加熱、又は通常このヒーターの後流側
に配置されるライトオフ触媒やメイン触媒の加熱を加速
し、小さな投入電力で好適な浄化性能を示す。

【００２９】ハニカム構造体の隔壁上に被覆担持する触
媒層は、大きな表面積を有する担体に触媒活性物質を担
持させたものからなる。ここで、大きな表面積を有する
担体としては、例えばγ−Ａｌ₂Ｏ₃系、ＴｉＯ₂系、Ｓ
ｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃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、Ｃ
ｒ、Ｃｏ等の卑金属などを挙げることができる、上記の
うち、γ−Ａｌ₂Ｏ₃系にＰｔ、Ｐｄ、Ｐｈ等の貴金属の
いずれか、又はこれらを任意に組み合わせて担持したも
のが好ましい。

【００３０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

【００３１】（実施例）直径８０ｍｍ、厚さ１２ｍｍ、
セル形状六角形、リブ壁厚４ｍｉｌ、セル密度４５０セ
ル／ｉｎ²の導電性材料からなるハニカム構造体に対
し、図１に示すように、ハニカム構造体５内に並列数が
２列の並列回路が形成されるようにスリット１ａ、１ｂ
を設けた。なお、スリットは、ハニカム構造体全体の抵
抗が、自動車のバッテリー電源での使用に適した５０ｍ
Ωとなるようにするとともに、各スリット間のセル数が
全て同じになるように設けた。この結果、スリット間の
セル数は４セルとなった。こうしてスリットを設けた
後、ハニカム構造体の外周上に２箇所電極ボルトを溶接
し、ハニカムヒーターとした。

【００３２】（比較例）上記実施例と同じハニカム構造
体に対し、図６に示すように、ハニカム構造体５内に１
列の電流流路が形成されるようにハニカム構造体５の対
向する外周面から交互にスリット１を設けた。なお、ス
リットは、ハニカム構造体全体の抵抗が上記実施例と同
じ５０ｍΩとなるようにするとともに、各スリット間の
セル数が全て同じになるように設けた。この結果、スリ
ット間のセル数は上記実施例の２倍の８セルとなった。
こうしてスリットを設けた後、ハニカム構造体の外周上
に２箇所電極ボルトを溶接し、ハニカムヒーターとし
た。

【００３３】（通電サイクル耐久性の評価）上記実施例
及び比較例で得られた各ハニカムヒーターについて、以
下の方法により通電サイクル耐久性試験を行った。試験
は、各ハニカムヒーターに供給電力２．５ｋＷで通電し
て、ハニカム構造体中央部の温度が５００℃に到達した
時点で通電を停止し、ハニカム構造体中央部の温度が８
０℃になるまでエアー冷却してから再び通電するという
サイクルを繰り返して、セルに破断が生じるまでのサイ
クル数を求めるという方法で行った。この試験の結果、
比較例で得られたハニカムヒーターでは２万サイクル以
下でセル破断が生じたのに対し、実施例で得られたハニ
カムヒーターではセル破断が生じるまで５万サイクル以
上を要した。更に、実施例で得られたハニカムヒーター
は、図１０に示すように１箇所にセル破断が生じても、
２列の電流流路のうちの片方の列が通電可能であり、ヒ
ーターとしての機能を一部で果たすことができた。

【００３４】上記の結果より、全体の抵抗値が同程度の
スリット入りハニカムヒーターを作製する場合には、図
６に示すような従来型のものとするよりも、図１に示す
ような本発明の並列発熱型のハニカムヒーターとした方
が、スリット間のセル数を少なくすることができ、通電
サイクル耐久性に優れたものとすることができることが
わかる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のハニカム
ヒーターは、ハニカム構造体内に並列の回路が形成され
るようにスリットを設けたことにより、ヒーター全体と
しての抵抗値を低く抑えたまま、スリット間のセル数を
少なくする（又はスリット間の間隔を狭くする）ことが
でき、この結果、スリット端部周辺部分への電流集中が
緩和されて、通電サイクル耐久性に優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るハニカムヒーターの一例を示す説
明図である。

【図２】本発明に係るハニカムヒーターの一例を示す説
明図である。

【図３】本発明に係るハニカムヒーターの一例を示す説
明図である。

【図４】本発明に係るハニカムヒーターの一例を示す説
明図である。

【図５】本発明に係るハニカムヒーターの一例を示す説
明図である。

【図６】従来のハニカムヒーターを示す説明図である。

【図７】スリット間セル数と昇温速度比との関係を調べ
た結果を示すグラフである。

【図８】スリット端部の昇温速度測定位置を示す説明図
である。

【図９】従来のハニカムヒーターの一部に破断が生じた
状態を示す説明図である。

【図１０】本発明に係るハニカムヒーターの一部に破断
が生じた状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１…スリット、１ａ…スリット、１ｂ…スリット、１ｃ
…スリット、１ｄ…スリット、１ｅ…スリット、１ｆ…
スリット、３…電極、５…ハニカム構造体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性材料からなるハニカム構造体に、
   通電のための電極と、抵抗を調節するためのスリットを
   設けてなるハニカムヒーターであって、ハニカム構造体
   内に並列の回路が形成されるようにスリットが設けられ
   たことを特徴とするハニカムヒーター。
2. 【請求項２】 一端がハニカム構造体の外周部まで到達
   し、他端がハニカム構造体の外周部まで到達しないスリ
   ットと、両端ともハニカム構造体の外周部まで到達しな
   いスリットとを組み合わせて設けることにより、ハニカ
   ム構造体内に並列の回路が形成された請求項１記載のハ
   ニカムヒーター。
3. 【請求項３】 ハニカム構造体に触媒層が被覆担持され
   た請求項１記載のハニカムヒーター。