JPH0992442A - 電極構造および通電発熱式ヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温の被通電体を長時間に渡って作動させた
場合でも、電極の先端部分の温度上昇により被覆材が劣
化し、漏電を起こす恐れの無い電極構造を提供する。 【解決手段】 被通電体に接続する金属質の電極本体を
備えた電極構造において、電極本体が中空部分を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は電極構造およびそ
れを備えたヒーターユニットに関し、更に詳しくは、例
えば金属質ハウジング内に収容された被通電体等に接続
して被通電体に電気を通電するための電極構造およびそ
れを備えた通電発熱式ヒーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】 産業分野及び日常生活において、電極
構造を高温の被通電体に設置して用いる場合が少なくな
い。例えば、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。この通電発熱式ヒーターは、
通常、金属質のハニカム構造体を缶体等の金属質ハウジ
ング内に収容して保持するとともに、被通電体であるこ
のハニカム構造体に通電のための電極を設けて構成され
る。

【０００３】 そして、このような通電発熱式ヒーター
の電極構造として、従来、図１０に示すような電極構造
が提案されている。図１０において、金属ボルトからな
る電極本体６には、金属質ハウジング（缶体）２と電極
本体６との間を絶縁するための絶縁部材（碍子）８ａ、
８ｂ、電極保持管体２６が、ワッシャーなどを介してナ
ット１４にて固定されており、これが金属製ハウジング
２に設けられた孔１２に挿入され、溶接固定されてい
る。金属質ハウジング２内部側の電極６端部は、金属質
の連結部材１６を介してハニカム構造体３の一部に接続
されている。また、ガスリーク防止のため、セメントシ
ール材２８を介在させることによってガスシール性を保
持させている。

【０００４】 ところで、電極本体の一端にリード線を
接続する場合は、通常、リード線は、被通電体と絶縁す
るため被覆材で覆われる。この被覆材としては、具体的
には、テフロン、ガラスファイバーで編組被覆したポリ
イミドテープ等を使用することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、これ
らの素材は耐熱温度が２５０℃程度と低いため、通電発
熱式ヒーターのような高温の被通電体を長時間に渡って
作動させた場合等には電極の先端部分の温度が上昇し、
そのために被覆材が劣化し、漏電を起こす恐れがあっ
た。

【０００６】

【課題を解決するための手段】 本発明の発明者らは、
上記の不都合を解消すべく鋭意検討した結果、電極本体
を中空にすることにより、電極の先端部分の温度上昇を
抑えることができることを見いだし本発明を完成するに
至った。

【０００７】 即ち、本発明によれば被通電体に接続す
る金属質の電極本体を備えた電極構造であって、電極本
体が中空部分を有する電極構造が提供される。

【０００８】 本発明の電極構造において、金属質ハウ
ジング内に収容された被通電体の一部にその一端にて接
続する金属質の電極本体と、電極本体と金属質ハウジン
グに連設された電極保持管体との間に介在し、電極本体
と電極保持管体間を絶縁するための絶縁部材と、電極本
体と電極保持管体との間をシールするためのシール材と
を備えた電極構造であって、上記中空部分は、電極本体
の他端に設けた開口部を通じてのみ、電極本体の外部と
連通してもよい。

【０００９】 又、本発明において、電極本体は一端が
閉塞した円筒形状を有し、開口部を有する端面の面積と
開口部の面積の和が８〜１５０ｍｍ²であり、そのうち
開口部の面積が１５〜８５％を占め、中空部分が、電極
本体の絶縁部材又はシール部材から露出した部分のう
ち、開口部を設けた側の部分の長さの１０％以上、電極
本体の全長の９８％以下を占めることが好ましい。

【００１０】 さらに、本発明の電極構造は、金属質ハ
ウジング内に収容された被通電体に接続し、被通電体に
電気を通電するために用いることが好ましい。被通電体
は金属質ハニカム構造体であってもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】 本発明において、電極本体は中
空部分を有する。空気の比熱は金属の比熱に比べて大き
いため、電極本体を中空とすることにより、同量の熱量
を受けた場合の電極本体の温度上昇を抑えることができ
るのである。

【００１２】 本発明において、電極本体は、中空部分
を有する棒状の形状であることが好ましいが、一方を閉
塞した円筒であることが最も好ましい。しかし、円筒に
限られるわけではなく、電極本体を軸方向に垂直に切断
した場合の断面の形状が例えば、六角形、八角形等の多
角形、楕円等であってもよい。開口部も、単一である場
合に限られるわけではなく、図８に示すように複数の開
口部３０を有していてもよい。

【００１３】 又、被通電体が自動車エンジンである場
合は、被通電体を金属質ハウジング内に収容した上で、
その被通電体の一部に電極本体の一端を接続し、さら
に、絶縁部材とシール部材を、電極本体と金属質ハウジ
ングに連設した電極保持管体との間に配置するととも
に、上記中空部分を、電極本体の被通電体に接続されて
いない側の端部に設けた開口部を介してのみ電極本体外
部と連通させることが好ましい。中空部分に開口部を設
けることにより、中空部分の空気と電極本体外部の空気
の間に対流が生じ、電極本体の温度上昇をさらに抑える
ことができる。なお、被通電体と接続した側の端部を閉
塞するのは、被通電体側からのガスが、電極本体の反対
側へ漏れるのを防止するためである。

【００１４】 以下、本発明の電極構造を自動車エンジ
ンについて用いる場合について説明する。この場合にお
いて、電極本体の形状として一方を閉塞した円筒形を採
用した場合には、その直径は、６〜１５ｍｍであること
が好ましく、８〜１０ｍｍであることがより好ましい。
従って、その円筒形を円柱と考えた場合の端面に相当す
る部分の面積は、１５〜４４ｍｍ²、好ましくは２２〜
２８ｍｍ²となる。直径が６ｍｍ未満の場合は、通電の
際に異常発熱を起こす恐れがあり、１０ｍｍより大きい
場合は、電極全体のサイズが大きくなり過ぎるからであ
る。

【００１５】 電極本体の開口率、即ち、図９におい
て、開口部３０を有する端面３８の面積と開口部３０の
面積の和（その円筒形を円柱と考えた場合の端面に相当
する部分の面積）のうち開口部３０の面積の占める割合
は、１５〜８５％であることが好ましいが１５〜７０％
であることがより好ましい。１５％未満の場合は電極本
体６の先端部の温度を十分に下げることが困難であり、
７０％を越える場合は電極本体６の機械的強度が低くな
るからである。

【００１６】 中空部分３１の長さは、電極本体６の絶
縁部材又はシール部材３９から露出した部分４０及び４
１のうち、開口部３０を設けた側の部分４０の長さの１
０％以上、電極本体６の全長の９８％以下を占めること
が好ましいが、より好ましくは、それぞれ３０％以上、
９８％以下である。中空部分３１が露出部分４０の長さ
の１０％未満の場合は電極本体６の先端部の温度を十分
に低くすることが困難だからである。

【００１７】 電極本体の材質には熱拡散性が良好な素
材が用いられるが、ステンレス系金属を用いることが好
ましく、より具体的にはフェライトステンレスを用いる
ことが好ましい。

【００１８】 電極本体は絶縁部材を介して金属質ハウ
ジングに連設した電極保持缶体に固定される。又、電極
本体と電極保持管体との間はシール材によりシールされ
る。

【００１９】 この場合、絶縁部材を第一絶縁体、及び
第二絶縁体から構成するとともに、セメントシール材を
第一絶縁体と第二絶縁体の間に充填することが、ガスシ
ール性に優れる点のほか、排気ガス配管外より飛来する
固形物が電極に衝突した場合であっても、ガスシール性
および絶縁性の低下が生じ難く、好ましい。第一絶縁体
及び第二絶縁体はセラミック質で所定の強度を有する材
料、具体的には、アルミナ質、磁器質からなるもの等を
用いることができる。

【００２０】 又、絶縁部材と電極本体及び電極保持缶
体の間を金属シール材にてシールしてもよい。この場
合、さらに、電極本体と電極保持缶体との間に電極本
体、電極保持缶体及び絶縁部材相互の間の熱膨張差を吸
収するバネ部材並びにバネ部材に荷重を伝える押さえ部
材を設けることが好ましい。このような構成とすること
により、金属シールによりガスシール性が維持されると
ともに、バネ部材により部材間の熱膨張差を吸収できる
構造となる。押さえ部材の電極本体への固定は、ナット
状に形成した押さえ部材を電極本体と嵌合することによ
って行ってもよいが、押さえ部材の一部を電極本体に対
してかしめたり、電極本体に溶接することによって行っ
てもよい。

【００２１】 又、絶縁コート材を電極本体、電極保持
缶体のいずれか又は双方に被覆することにより、電極本
体と電極保持缶体の間を絶縁してもよい。又、絶縁コー
ト材を被覆した電極本体を電極保持缶体に圧入すれば、
気密性の点で好ましい。絶縁コート材としては、アルミ
ナ、セラミックス等が好適に用いられるが、アルミナを
プラズマ溶射することが好ましい。電極本体に絶縁コー
ト材を被覆した場合には電極保持缶体と絶縁コート材の
間、電極保持缶体に絶縁コート材を被覆した場合には電
極本体と該絶縁コート材の間を金属シール材にてシール
すれば、電極にガスシール性が付与され好ましい。

【００２２】 金属質ハウジングの内部側にある電極本
体の一端は、直接あるいは金属質の連結部材を介して、
溶接等により金属質ハウジング内に収容された被通電体
の一部に接続される。被通電体としては、代表的には金
属質ハニカム構造体が挙げられ、この場合には、自動車
の排ガス浄化用触媒コンバーター等に設けられる通電発
熱式ヒーターの電極構造となる。また、金属質ハニカム
構造体以外にも様々な被通電体を用いることができる。

【００２３】 一方、電極本体の他端はリード線に接続
されるが、その接続は、直接溶接したり接続部材を介す
る等種々の方法にて行われる。なお、リード線の芯線部
の径としては、φ１．０〜５．０mmが好ましく、芯線と
しては、φ０．５mm以下の細い線をよりあわせたものを
用いることが好ましい。

【００２４】

【実施例】 以下、本発明を図示の実施例に基づいて更
に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではない。図１は、本発明に係る電極構造の一
例を示す説明図である。図中、２は金属質ハウジング、
２６は電極保持缶体、６は電極本体、１６は金属質の連
結部材、８ａは第一絶縁体、８ｂは第二絶縁体、２８は
セメントシール材、２０はリード線、４はリード線の被
覆材をそれぞれ示す。

【００２５】 図１に示す電極構造において、電極本体
６は、そのリード線２０と接続された側に設けた開口部
３０を介して電極本体外部と連通する中空部分３１を有
する。電極本体６は金属ハウジング２に設けられた孔１
２に挿通されるとともに、第一絶縁体８ａと第二絶縁体
８ｂ、および第一絶縁体８ａと第二絶縁体８ｂの間に充
填されたセメントシール材２８を介して、金属質ハウジ
ング２に連設した電極保持缶体２６に固定されている。
電極本体６の上部とリード線２０の下端部との間には、
両者間を電気的に接続するための接続部材３６が連結さ
れている。この電極構造は、組立性、生産性とともにガ
スシール性に優れ、しかも排気ガス配管外より飛来する
固形物が電極に衝突した場合であっても、ガスシール性
および絶縁性の低下が生じ難く、構造的に強く、安全性
が高い。

【００２６】 図２は、本発明に係る電極構造におい
て、電極保持缶体と電極本体との間に設けた絶縁部材
と、電極本体及び電極保持缶体の間を金属シール材にて
シールした例である。図２に示す電極構造において、第
一絶縁体８ａ、及び第二絶縁体８ｂが電極保持管体２６
と電極本体６との間に設けられ、第一絶縁体８ａ及び第
二絶縁体８ｂと電極保持缶体２６との間、並びに第二絶
縁体８ａと電極本体６との間は金属シール材１０により
シールされている。皿バネ２２の上下は押さえ部材２４
により支持されている。押さえ部材２４は熱膨張差によ
り電極にかかる荷重を効率良く皿バネ２２に伝える働き
をする。

【００２７】 押さえ部材２４の電極本体６への固定
は、図３に示すように、電極本体６上の所定の位置に押
さえ部材保持部３４を設け、それに一部切断リング状の
押さえ部材２４（図１１）の内縁部をはめ込むことによ
って行ってもよい。

【００２８】 図４は、アルミナをプラズマ溶射して成
る絶縁コート材を電極本体に被覆することにより、電極
本体と電極保持缶体とを絶縁した例である。絶縁コート
材８ｃを被覆した電極本体６は、電極保持缶体２６に圧
入されている。

【００２９】 なお、電極本体とリード線は種々の方法
により接続されるが、図５〜７にその例を示す。図５に
おいて、電極本体６とリード線２０は接続部材３６を介
して接続される。接続部材３６はその一端に設けられた
爪部３５によりリード線２０に固定されている。又、他
端に設けられた接続部材３６の保持部３７は外側に湾曲
し、その湾曲部分を介して電極本体６にプロジェクショ
ン溶接されている。図６においては、接続部材３６はそ
の一端に設けた爪部３５によりリード線２０に固定され
ているとともに、他端に設けられた電極本体６の保持部
３７を外側からかしめることにより電極本体６に固定さ
れている。電極本体６と接続部材３６との間をスポット
溶接してもよい。又、図７では、接続部材３６はその一
端に設けた爪部３５によりリード線２０に固定されてい
るとともに、接続部材３６の他端に設けた雌ネジ部と電
極本体６に設けた雄ネジ部を螺合することにより電極本
体６に固定されている。

【００３０】［評価］本発明の一実施例である図１の電
極構造、及び図１０に示す従来型の電極構造について、
下記に示す電極温度の測定試験を行った。それぞれの電
極構造を用いたＥＨＣを車両の床下に取り付け、３０ｋ
ｍ／ｈの速度で１０°の登板走行を２０分間行った後、
エンジンを切った。それぞれのエンジンについて走行中
安定温度及び最高温度を測定した。なお、走行中安定温
度とは、走行時の最高温度（２０分程度走行すれば一定
温度となる。）をいい、最高温度とはエンジンを切った
後の最高温度をいう。表１に測定結果を示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】 表１より、本発明の電極構造を用いた場
合には、従来の電極構造を用いた場合に比べ、走行中安
定温度で２２％、最高温度で２０％、電極温度が低下し
たことがわかる。

【００３３】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明の電極構
造は、その電極本体に中空部分を有するため、電極の先
端部分の温度上昇を抑えることができ、リード線の被覆
材の劣化による漏電を効果的に防止することができる。
中空部分を開口部を通じて外部と連通させることによ
り、先端部分の温度上昇をさらに抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る電極構造の一例を示す説明図で
ある。

【図２】 本発明に係る電極構造の他の例を示す説明図
である。

【図３】 押さえ部材と電極との固定例を示す部分説明
図である。

【図４】 本発明に係る電極構造のさらに他の例を示す
説明図である。

【図５】 電極本体とリード線との接続例を示す部分説
明図である。

【図６】 電極本体とリード線との他の接続例を示す部
分説明図である。

【図７】 電極本体とリード線とのさらに他の接続例を
示す部分説明図である。

【図８】 （ａ）電極本体に設けた開口部の一例を示す
斜視図である。（ｂ）電極本体に設けた開口部の他の例
を示す斜視図である。

【図９】 電極本体に設けた開口部のさらに他の例を示
す斜視図である。

【図１０】従来の電極構造の例を示す部分説明図であ
る。

【図１１】押さえ部材の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

２…金属質ハウジング、３・・・ハニカム構造体、４・・・リ
ード線の被覆材、６…電極本体、８…絶縁部材、１０・・
・金属シール材、１２…孔、１４…ナット、１６…連結
部材、２０…リード線、２２・・・皿バネ、２４・・・押さえ
部材、２６…電極保持管体、２８…セメントシール材、
３０…開口部、３１・・・中空部分、３２・・・段差、３４・・
・押さえ部材保持部、３５・・・爪部、３６・・・接続部材、
３７・・・保持部、３８・・・開口部を有する端面、３９・・・
絶縁部材又はシール部材、４０、４１・・・電極本体の露
出部分。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被通電体に接続する金属質の電極本体を
   備えた電極構造であって、 該電極本体が中空部分を有することを特徴とする電極構
   造。
2. 【請求項２】 金属質ハウジング内に収容された被通電
   体の一部にその一端にて接続する金属質の電極本体と、 該電極本体と該金属質ハウジングに連設された電極保持
   管体との間に介在し、該電極本体と該電極保持管体間を
   絶縁するための絶縁部材と、 該電極本体と該電極保持管体との間をシールするための
   シール材とを備えた電極構造であって、 該中空部分は、該電極本体の他端に設けた開口部を通じ
   てのみ、該電極本体の外部と連通する請求項１に記載の
   電極構造。
3. 【請求項３】 該電極本体は一端が閉塞した円筒形状を
   有し、 開口部を有する端面の面積と開口部の面積の和が８〜１
   ５０ｍｍ²であり、そのうち該開口部の面積が１５〜８
   ５％を占め、 該中空部分が、該電極本体の該絶縁部材又は該シール部
   材から露出した部分のうち、開口部を設けた側の部分の
   長さの１０％以上、電極本体の全長の９８％以下を占め
   る請求項２に記載の電極構造。
4. 【請求項４】 該電極本体がフェライトステンレスから
   成る請求項２又は３に記載の電極本体。
5. 【請求項５】 該絶縁部材が、第一絶縁体、第二絶縁体
   から構成され、該シール材が該第一絶縁体と該第二絶縁
   体の間に充填されたセメントシール材である請求項２、
   ３又は４のいずれかに記載の電極構造。
6. 【請求項６】 第一絶縁体および第二絶縁体がセラミッ
   ク質からなる請求項５に記載の電極構造。
7. 【請求項７】 該シール材が、該電極本体と該絶縁部材
   の間、及び該絶縁部材と該電極保持缶体の間をシールす
   る金属シール材である請求項２、３、又は４に記載の電
   極構造。
8. 【請求項８】 該絶縁体を該電極本体と該電極保持缶体
   との間に配置するとともに、該電極本体の外周面に、該
   電極本体、該電極保持缶体及び該絶縁部材相互の間の熱
   膨張差を吸収するバネ部材並びに該バネ部材に荷重を伝
   える押さえ部材を設けた請求項７に記載の電極構造。
9. 【請求項９】 該押さえ部材が該電極本体に装着される
   ナットである請求項８に記載の電極構造。
10. 【請求項１０】 該押さえ部材を該電極本体に溶接して
    固定する請求項８に記載の電極構造。
11. 【請求項１１】 該押さえ部材を該電極本体にかしめて
    固定する請求項８に記載の電極構造。
12. 【請求項１２】 該絶縁部材が、該電極本体、該電極保
    持缶体のいずれか又は双方に被覆した絶縁コート材であ
    る請求項２、３、又は４に記載の電極構造。
13. 【請求項１３】 該絶縁部材が該電極本体に被覆した絶
    縁コート材であり、該電極保持缶体と該絶縁コート材の
    間を金属シール材にてシールする請求項２、３、又は４
    に記載の電極構造。
14. 【請求項１４】 該絶縁部材が、該電極保持缶体に被覆
    した絶縁コート材であり、該シール部材が該電極本体と
    該絶縁コート材の間をシールする金属シール材である請
    求項２、３、又は４に記載の電極構造。
15. 【請求項１５】 該絶縁コート材がプラズマ溶射された
    アルミナである請求項１２、１３、又は１４に記載の電
    極構造。
16. 【請求項１６】 該絶縁コート材がセラミックスである
    請求項１２、１３、又は１４に記載の電極構造。
17. 【請求項１７】 被通電体が金属質ハニカム構造体であ
    る請求項１〜１６のいずれかに記載の電極構造。
18. 【請求項１８】 請求項１〜１７のいずれかに記載の電
    極構造を備えたことを特徴とする通電発熱式ヒーター。