JPH0935853A - ハニカム・ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発熱分布に偏りが無く、発熱時に材質的に
損傷を生じることのない信頼性の高い熱交換用のハニカ
ム・ヒータを提供する。 【構成】 導電体として機能する材質がセラミックス
もしくは金属であり、一方向に多数の矩形セル１を備え
る通電可能なハニカム構造体２を骨格とし、該ハニカム
を構成する多数の格子壁の平均厚さが、ハニカム外周か
ら中心に向かって段階的に厚くなるように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工場などで用いられる
熱交換用のハニカム・ヒータ、家庭で使用される熱風発
生用のハニカム・ヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】熱風発生用のヒータには、その用途によ
り様々な形や材質が用いられている。最も簡単な例とし
てはニクロムなどの金属線をコイル状に巻いたものを多
数置き、そこに通風するタイプの熱交換体である。これ
に替って、近年、金属またはセラミックス材質のハニカ
ム・ヒータが用いられるようになってきた。その長所は
装置自体がコンパクト化できる点があげられる。表面積
が大きいので寸法の割には大量のパワーを注入できるの
である。特にセラミックス材質のハニカムは金属に比べ
て耐熱性に優れるので、高温用（１００℃以上）熱風発
生機に用いられる場合が多い。

【０００３】ところが一体型のハニカム・ヒータは発熱
分布が偏る難点がある。その原因はハニカム内の抵抗分
布が一様ではないからである。ハニカム・ヒータを製造
する工程は概略で、次のようになる。 原料混合 成形 乾燥 焼成 加工 このうちハニカム・ヒータの抵抗に影響をおよぼす要因
については、第一に原料組成のばらつきがあげられる。
粉体をどれだけ長時間混合してもある程度の濃淡は残る
からである。第二に成形・焼成工程で発生する気孔等の
欠陥や焼きむらがある。以上の要因により個々のハニカ
ム・ヒータはどんな抵抗分布を示すのか検討がつかな
い。何の工夫もなく製造したのではハニカムの抵抗（発
熱）分布の制御は全く不可能というのが現状である。

【０００４】ハニカム・ヒータの発熱分布を問題にする
理由は、発熱の高温部がハニカム格子面の中央付近にあ
れば大量のパワーをハニカムに注入できるからである。
発熱分布の偏ったハニカム・ヒータは、比較的低電力で
も熱応力のために割れてしまう。これに対し風の通りが
良いハニカム格子面中央が高温に発熱すれば、かなりの
パワーを注入しても簡単には破壊しなくなる。同時にハ
ニカムの熱交換特性も向上し、結果として高温の熱風が
得られるようになる。また同じ温度の熱風を発生させる
ことを考えた場合、「発熱分布が中央にあるハニカムの
方が破壊しにくい（信頼性が高い）」と表現することも
できる。

【０００５】この問題を解決するための実用的な手段と
して、例えば特開平４−２８００８６号公報には断面形
状が正方形である多数の貫通孔を有するハニカム構造体
の外周部に複数の電極板を設け、電極板と貫通孔壁とで
形成される角度が鋭角となるように電極板が配置された
ハニカムモノリスヒータが、また特開平４−２８００８
７号公報には多数の貫通孔を有する複数個のハニカム構
造要素を導電性プレートにて直列に連係して一体とし、
通電のための電極を設置したハニカム・ヒータが開示さ
れている。しかしながら以上のような手法は構造が複雑
な上、前述の抵抗不均一の原因（組成のばらつきや焼き
むら）を考えると、必ずしも発熱分布の改善にはつなが
らないことは明白である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者はハニカム・
ヒータにおける前記問題の解消を図るために鋭意研究を
重ねた結果、次のような事実を確認した。すなわちハニ
カムを構成する各格子壁（リブ）の平均肉厚の比が、所
定の比率内でハニカム外周部で薄く、中心部で厚くなる
ように段階的に変化させることにより均一な発熱を示す
ハニカム・ヒータが得られる。

【０００７】なお、上記内容と似たような発明として、
特開平３−２９５１８４号公報には「抵抗調整機構がハ
ニカム構造体隔壁の厚さを変化させたものである抵抗調
整型ヒータ」という内容のものが出願されている。しか
しながら明細書の中には特開平３−２９５１８４号の発
明は「ハニカム構造体の外周部の隔壁の厚さを中央部に
比して厚く形成した」構成になっている。つまり

【０００６】に記した本願の発明とは全く逆の構造を持
ったハニカムである。以下に述べる説明のとおり“外周
部の厚い”ハニカムはそれだけでは発熱特性を改善する
ことはできない。特開平３−２９５１８４号には隔壁厚
みの他に、壁にスリットを入れたり、セル密度を変化さ
せたりといった記述がみられる。詳細は不明であるが、
“外周壁を厚く”することはそういった工夫を伴っては
じめて効果を発揮するものと思われる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】一体型のハニカムを成形
する方法は押出成形や鋳込成形など様々考えられる。こ
こではより一般的な押出成形の場合を考える。成形用の
金型は、金型の造りやすさやコスト、あるいは成形時の
原料混合物の流れを考慮して、ハニカムを構成する各格
子壁の厚みは均一に設計するのが普通である。ところが
このように均一な肉厚の格子壁を有するハニカム成形体
を乾燥・焼成してヒータと成しても、前述のような理由
から不均一な抵抗分布を持ったハニカム・ヒータしか得
られない。このハニカムに通電しても発熱分布は偏った
ものであり、極めて低い負荷電力でも割れを生じてしま
う。

【０００９】これまでハニカム・ヒータの抵抗（発熱）
分布改良のための方法としては、材質面の検討が中心で
あった。すなわち原料混合の方法や、焼成のプロセスを
変更することにより、より均一な比抵抗を有するハニカ
ムを得ようとしたのである。しかしながらこの方法は、
かなりの時間と手間とコストを必要とする開発手法とい
わねばならない。

【００１０】そこで本発明者は材質的にはともかく、電
流の通り道である各格子壁の厚みを意図的に不均一にす
ることにより、ハニカムの発熱分布を改良する方法を検
討した。その結果以下に示すようなハニカムを作製すれ
ば、ハニカム分布の良好な、信頼性の高いヒータが得ら
れることが分かった。

【００１１】ハニカムの矩形セルを形成する各リブを、
格子面の縦方向あるいは横方向に走る、均一な厚みを持
った数枚の格子壁とみなす。例えば図１を使って説明す
ると、このハニカムは縦方向に走る１５枚の格子壁と、
横方向に走る１０枚の格子壁の組合わせで構成されてい
る。この一枚一枚の格子壁の平均厚みが、ハニカム中央
を走る格子壁は厚く、上下（あるいは左右）のハニカム
末端を走る格子壁ほど薄く、しかも中央から末端へ段階
的に薄くなるように構成する。このようにしておいて各
格子壁に同じ電圧を印加してやれば、ハニカム中央付近
を走る肉の厚い格子壁は抵抗が低いので電流が通りやす
くなり、高温に発熱する。一方、壁の薄いハニカム周辺
部には電流が流れにくくなり、発熱温度は低い。結果と
して発熱の高温部がハニカム中央にある、理想的なハニ
カム・ヒータが得られる。

【００１２】発熱の様子を数式で表せば次のようにな
る。各格子壁には同じ電圧が印加されているのだから
（そのように回路を組む）、発熱量は Ｗ＝Ｖ^２／Ｒ （Ｗ：発熱量、Ｖ：電圧、Ｒ：各壁
の抵抗値） で示される。Ｒの小さい（抵抗の低い、すなわち肉の厚
い）格子ほど高温に発熱することが分かる。

【００１３】更に本発明の成果によれば、最も厚いハニ
カム中央の格子壁の肉厚をＴ、最も薄い最外壁の肉厚を
ｔとしたとき、１．１≦Ｔ／ｔ≦１．５の範囲とすれば
最も使いやすいハニカム・ヒータが得られることが分か
った。Ｔ／ｔ＜１．１とすると壁の厚みを変えた効果が
得られない。Ｔ／ｔ＞１．５とすればハニカムの耐量と
信頼性は増すが、今度は熱風発生体としてのハニカムの
性能に問題が出てくる。風の通りの良いハニカム中央に
ある格子壁があまりに厚すぎると送風に対する圧損が大
きくなり、通風量が減ってしまうのである。

【００１４】更につけ加えるならば、格子壁を段階的に
変化させるのは電流に対して平行に走る格子壁のみで良
い。図１の例でみると、この場合電流は矢印３の方向だ
から図の横方向に走る１０枚の格子壁は、平均肉厚がそ
の中央で厚く、末端（図の上下）へ行くにしたがって順
を追って薄くなるように作製しなくてはならない。一
方、図１の縦方向に走る格子壁の厚みは任意でよい。同
じ肉厚でもよいし、横方向に走る格子壁のようにハニカ
ム中央で厚く、図の左右の格子壁ほど平均肉厚が薄くな
るように設計しても、ハニカム・ヒータの発熱分布は大
きな影響を受けない。このことは通電・発熱に与るのは
電流に対して平行に走る格子壁（図１の横方向に走る格
子壁）のみであることを示している。電流に対して垂直
に走る格子壁は熱伝導により高温になり熱交換材として
の機能は果たすが、通電により自らが発熱することはな
い。

【００１５】本発明においてハニカム・ヒータの導電体
として機能する材質にはセラミックスではＳｉＣ，Ｔｉ
Ｃ，ＺｒＯ_２，ＭｏＳｉ_２，ＬａＣｒＯ_３，ＢａＴｉＯ
_３，および炭素が、金属ではＳｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｗがあげられる。導電体が金属
の場合には、金属単味でハニカムを形成して本発明の効
果を発揮させることもできるが、高温に発熱した場合の
酸化と消耗を防ぐ目的から、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ
_２，ＴｉＯ_２，ＺｎＯ，ＴｉＮ，ＢＮ，Ｂ_４Ｃ，Ｓｉ_３
Ｎ_４，木節粘土、ホウケイ酸ガラス等の不導体セラミッ
クス物質の１種もしくは２種以上の粉末に該金属粉末を
混和して焼結させることが望ましい。

【００１６】

【作用】本発明の特徴は、格子壁の厚みがハニカム中心
壁から外周壁に向かって「段階的に」薄くなるようにし
た点にある。このアイディアから類推できる似たような
発想として、ハニカム中央の一枚の格子壁だけを他の格
子壁よりも厚く形成することが考えられる。また逆にハ
ニカムの最外壁だけを薄くしても本発明と同じ効果を得
ることも考えられる。本発明者は上記のいずれの発想に
ついても試してみたが、良い結果は得られなかった。耐
量・信頼性とも大きな改善はみられない。もう少し正確
に述べると、上の工夫により性能が向上した試作品はあ
った。しかし多数のハニカムを作製して調べてみると、
個々のハニカム間のばらつきが大きく、試作品の７０〜
８０％はその発熱に偏りが見られる状態であった。

【００１７】このようなことが起こる理由としては、中
央の一枚の格子壁（あるいは二つの最外壁）の厚みだけ
を変えても材質自体のもつばらつき（比抵抗のむら）を
補償できないためと思われる。中央壁だけを厚くして
も、中央壁のどこかに極端に比抵抗の高い箇所があれば
電流の流れは悪くなり、発熱分布の改善にはつながらな
い。これに対し格子壁の厚みを段階を踏んで徐々に変え
てやれば、仮に中央壁のどこかに高抵抗の部分があった
としても、その隣の格子壁（二番目に厚い壁）の比抵抗
が正常であればその壁に多くの電流が流れ、高温に発熱
する。結果として本当の理想的な発熱分布ではないが、
熱交換体として実質的には申し分のないハニカム・ヒー
タが得られる。このように、材質的にむらのある一体型
のハニカムを構成する各格子壁の厚みを「段階的に」変
えたことが、本明細書に記載した効果を発現させるに至
ったポイントである。

【００１８】

【実施例１】 （１）ハニカム構造体の作製 ハニカム・ヒータの原料配合において、木節粘土４０重
量％とホウケイ酸ガラス（軟化点７００℃、熱膨張率５
０×１０^−７／℃以下）３６重量％を骨材とし、導電材
として金属ケイ酸粉末２４重量％を混合する。ここへ原
料粉末の１４．５重量％にあたる蒸留水を加えて捏合し
た後これを押出し成形し、乾燥後に１２６０℃で１時間
焼成した。この結果、多数の格子壁が垂直に交わった、
１２６個の方形の貫通セルを有するハニカム・ヒータを
得た（図３）。外寸法は６０×４０×４０ｍｍで、６０
×４０ｍｍの面が格子面６を形成している。このハニカ
ムの格子面を正面から見ると、長さ４０ｍｍの格子壁が
１５枚、長さ６０ｍｍの格子壁が１０枚、たて・よこに
並んでみえる（図１）。次に焼成後のハニカムの４０×
４０ｍｍの面（二つある）にアルミニウムを溶射して電
極面７とする。通電はこの二つの電極面の間で行なわれ
る。また抵抗値は３１．３Ωであった。

【００１９】さて問題の壁厚であるが、今の場合４０×
４０ｍｍの二つの電極面をつなぐ１０枚の格子壁が対象
となる。図１の例では１０枚のうち中央の２枚の壁の平
均厚みは１．５ｍｍで、外側（図１の上下）へ向かって
１．４ｍｍ、１．３ｍｍ…としだいに薄くなってゆき、
最も外側に位置する壁の平均厚みは１．１ｍｍであっ
た。なお以上に記したハニカム寸法は全て焼成後のもの
である。また格子壁の厚みを示すのにわざわざ“平均”
とつけるのは、１枚の格子壁内でもその厚みに若干のば
らつきがあり、数か所測定した平均という意味である。

【００２０】（２）発熱分布と抵抗分布 このようにして作製されたハニカム・ヒータのひとつに
通電・発熱させ、サーモグラフィ等でその熱画像を確認
してみると、高温部が６０×４０ｍｍの格子面の中央に
位置する理想的な発熱分布を示していた。試みにこのハ
ニカム焼成体をダイヤモンド・カッターで切断・分割
し、１０枚の格子壁各々の抵抗値を確認してみた。表１
にそのうちの５枚について測定結果を示す。

【００２１】

【表１】 表１のうち平均壁厚１．５ｍｍがハニカム中央壁、１．
１ｍｍが最外壁に相当する。格子の肉厚が薄くなるにつ
れて抵抗値が大きくなっていることが分かる。上の例で
は格子が２７％薄くなると抵抗値は３７％増加した。

【００２２】（３）信頼性の確認 さて上記のような製法で、外寸法が６０×４０×４０ｍ
ｍのハニカム・ヒータを１００個作製してみた。１００
個のハニカム個々の抵抗値は２５．５〜３４．０Ωの範
囲であった。これらのハニカムに１５００Ｗの電力を印
加し、毎分１．５ｍ^３のエアを流すと約８０℃の熱風を
発生する（室温２０℃）。ただし１００個のうち３個だ
けは昇温中、あるいは熱風発生中に素体にキレツを生
じ、実験を継続できなかった。材質的な問題から発熱に
偏りができ、割れてしまったものと思われる。

【００２３】

【比較例１】実施例１と同一の配合・同一の手法で、外
寸法６０×４０×４０ｍｍのハニカム・ヒータ１００個
を得た。ただし格子壁の厚みは変えずに全て均一とし
た。各格子壁の厚みは平均１．３ｍｍであった。４０×
４０ｍｍの面２に電極部を形成して抵抗値を測定したと
ころ、１００個のハニカムは２３．８〜３２．２Ωの範
囲にあった。これらのハニカムに１５００Ｗの電力を印
加して１．５ｍ^３／分の熱風発生テストを実施してみた
が、１００個のうち８９個のハニカムに割れやキレツを
生じた。残りの１１個について発生する熱風の温度を測
定してみたが、５０〜７０℃と実施例１よりは低い温度
であった。

【００２４】

【実施例２】 （１）ハニカム構造体の作製 ハニカム・ヒータの原料配合において炭化ケイ素粉末７
０重量％、金属ケイ素粉末３０重量％、成形助剤として
メチルセルロース系有機樹脂バインダおよび脂肪酸ソル
ビタンエステルポリエチレングリコール合計１２重量％
に蒸留水２１重量％を加え、混合した。この混合物を押
出し成形し、バインダ類を脱脂した後、Ｎ_２雰囲気中１
４００℃の温度で６時間反応焼結させた。できあがった
ハニカム・ヒータの外寸法は６０×４０×４０ｍｍで、
格子壁の肉厚や貫通セル（方形）の数は実施例１と同様
である。すなわち１０枚ある格子壁のうち中央の２枚の
肉厚は平均１．５ｍｍある。外測の壁ほど薄くなってゆ
き、最外壁の厚みは平均１．１ｍｍとなっている。

【００２５】（２）発熱分布と信頼性 上記のような製法で外寸法が６０×４０×４０ｍｍのハ
ニカム・ヒータを１００個作製した。抵抗値は６．８〜
１２．０Ωの範囲であった。これらのハニカムに１２０
０Ｗの電力を印加し、毎分０．８ｍ^３のエアを流してや
ると約１２０℃の熱風を発生する（室温２０℃）。ただ
し１００個のうち５個は昇温中、あるいは熱風発生中に
素体にキレツを生じた。残りの９５個のハニカムについ
て熱交換中の熱画像をサーモグラフィを用いて撮影して
みたが、高温部が格子面の中央付近に位置する理想的な
発熱分布を示していた。

【００２６】

【比較例２】実施例２と同一の配合・同一の手法で外寸
法６０×４０×４０ｍｍのハニカム・ヒータ１００個を
得た。ただし焼成後のハニカムの格子壁の厚みは、中央
の２枚だけが平均１．５ｍｍであり、他の８枚の格子壁
は平均１．２５ｍｍの肉厚とした。４０×４０ｍｍの面
に電極部を形成して個々の抵抗値を測定したところ、１
００個のハニカム・ヒータは７．１〜１１．９Ωの範囲
内にあった。これらのハニカムに１２００Ｗの電力を印
加して熱風発生テストを行なってみたが、１００個のう
ち７２個のハニカムに割れやキレツを生じた。残りの２
８個について発生する熱風の温度を測定してみると、実
施例２と同様１２０℃であった（０．８ｍ^３／分の送
風）。また熱交換中の発熱分布にも特に偏りは見られな
かった。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたとおり、本発明のハニカム・
ヒータはハニカム構造体の格子壁の厚みを段階的に変化
させることにより電気抵抗の分布を巧みに調整し、従来
困難とされていた理想的な発熱分布と信頼性に優れたハ
ニカム・ヒータの提供を可能としたものである。そのう
え比較的容易な製造手段により小型サイズのヒータが得
られるので、工業用の熱交換加熱部材から家庭用のヘア
ドライヤまで幅広い応用が期待できる。

【００２８】ここまでの説明の中では主に断面が矩形の
（外観が箱型の）ハニカム・ヒータについて述べてきた
が、この断面が五角、六角などの多角形であっても、ま
たは円形であっても本発明の優位性を妨げるものではな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハニカム構造体と、ハニカムのセルを形成する
格子壁の厚みが段階的に変化する様子を示した説明図で
ある。

【図２】図１のＡ部の拡大図である。

【図３】本発明のハニカム・ヒータを例示した斜視図で
ある。

【符号の説明】

１．矩形セル ２．ハニカム・ヒータ ３．通電方向 ４．電極面 ５．ハニカム・ヒータ ６．格子面 ７．電極面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供給した電力を、貫通した矩形のセル
   を通るエアーにより熱交換する熱風発生用のハニカムに
   おいて、ハニカムを構成する格子壁個々の平均厚さが、
   ハニカム外周から中心に向かって段階的に厚くなるよう
   に形成してあることを特徴とするハニカム・ヒータ。
2. 【請求項２】 セルを構成する格子壁の平均厚さの比
   が、中心壁／外周壁＝１．１〜１．５であることを特徴
   とする、請求項１記載のハニカム・ヒータ。
3. 【請求項３】 導電体として機能する材質がＳｉＣ，Ｔ
   ｉＣ，ＺｒＯ_２，ＭＯＳｉ_２，ＬａＣｒＯ_３，ＢａＴｉ
   Ｏ_３，炭素のうちのいずれかのセラミックス、もしくは
   Ｓｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｗの
   うちいずれかの金属であることを特徴とする、請求項１
   または請求項２記載のハニカム・ヒータ。