JPS61112714A - 導電部材の絶縁支持構造 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、導電部材を電気的に絶縁して支持する構造に
関する。

〔発明の技術的背景〕

例えば、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス中
には、カーボンや炭化水素を主体とした微粒子が含まれ
ており、この排ガスを浄化するためには、排ガス中から
微粒子を排除しなければならない。上記微粒子を捕集し
て浄化するため、排ガス系に、セラミックス製のハニカ
ム構造体あるいは、セラミック発泡構造体よりなるフィ
ルタが用いられている。しかしこのようなフィルタを排
ガス系の中に設置して排ガスを通過させるようにした場
合、フィルタによって捕集された微粒子によりフィルタ
内の排気通路が目詰まりを生じ排気流れの抵抗が増大し
、エンジンの出力低下を招くようになる。この排気通路
の抵抗を低下させないようにするため、フィルタの上流
側に電気ヒータを配置し、電熱により微粒子を加熱燃焼
させて浄化する手段が採用されている。上記電気ヒータ
はフィルタを再生浄化するので再生加熱用ヒータと称さ
れている。

従来の再生加熱用ヒータは、複数本の棒状、線状あるい
は帯状の金属ヒータから成り、これら金属ヒータを、間
隔を存して排気通路に横架させて配置した構造となって
いた。

しかしながら、このような再生加熱用ヒータは、排ガス
系の排気マニホルド付近に取り付けられるため、８００
℃程度の高温となり、一方エンジンの停止中寒冷雰囲気
に置かれる場合もあり、したがつにヒータの熱膨張収縮
が激しく、またエンジンの振動を受ける条件下にもあり
、金属ヒータであると変形し易い不具合があった。また
、このような使用条件は腐蝕を促し、上記金属ヒータは
耐熱性、耐蝕性に乏しいので酸化が進行し易いとともに
断線もしやすく、耐久性の面でも劣る欠点があった。

このようなことから、上記金属ヒータに代わって、セラ
ミックヒータの採用が考えられており、本出願人も特願
昭５８−２１９０８１Ｑ等により提案している。

（背景技術の問題点） 再生加熱用ヒータとしてセラミックヒータを用いた場合
、このヒータの絶縁支持構造が問題となる。すなわち、
この種のセラミックヒータとして、例えば上記特願昭５
８−２１９０８１号に記載されたセラミックヒータは、
セラミック導電体から成る複数個の平板状セラミックヒ
ータを排ガス通路中に周方向に配置して成り、これら各
セラミックヒータは、排ガス通路の外周部に固定される
相隣接した２つの通電用電極部を有するとともにこれら
通電用電極部に連続して排ガス通路の中央部に伸びる発
熱部を備え、この発熱部に排ガスの通過できる開口部を
設けた構造となっており、相隣接した２つの通電用電極
部がケーシングに支持されている。この場合、通電用電
極部を直接ケーシングに取付けることはできず・、従来
では上記通電用電極部の両側をそれぞれ絶縁性セラミッ
クよりなる挟持プレートで挟み付け、これら挟持プレー
トをケーシングに固定する構造を採用していた。

しかしながら、上記の構造によると、格別な絶縁性セラ
ミックよりなる挟持プレートを必要とするので部品点数
が増し、組立てに多大な手間を要する煩わしさがあった
。

（発明の目的〕 本発明はこのような事情に基づきなされたもので、その
目的とするところは、例えば上記セラミックヒータのご
とき導電部材の取付は構造が簡単となり、確実な絶縁を
なして支持がおこなえる導電部材の絶縁支持構造を提供
しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的を達成するため、金属材料にセラミッ
ク溶射による絶縁層を形成し、この絶縁層を介して上記
金属材料に導電部材を絶縁して支持させたことを特徴と
する。

〔発明の実施例〕

以下本発明の詳細を、図面に示す微粒子捕集浄化装置に
適用した一実施例に基づき説明する。

微粒子捕集浄化装置は、第１図にその一部欠損側面図で
示すように、フィルタケース１と、フィルタ２、フィル
タ２の排ガス上流側に接して設けられたヒータ部３およ
び排ガス導入管４とを主な構成要素とする。

フィルタケース１は、断面円形または楕円形をなす筒状
のステンレス製で、一端にフランジ１１を有し、他端に
排ガス排出部１２をもつ。

フィルタ２は、フィルタケース１に断熱緩衝材Ｍ１３を
介して充填されている。このフィルタ２はコージェライ
ト質の多孔質発泡セラミックスからなる。

排ガス導入管４は一端に排ガス流入口１４を備え、他端
にフランジ１５を有している。

ヒータ部３は、上記フィルタケース１のフランジ１１と
、上記排ガス導入管４のフランジ１５の間に挟み付けら
れている。このヒータ部３は、第２図ないし第４図に示
すように、ヒータケーシング２０と、複数個、たとえば
６個のヒータエレメント２１ａ〜２１ｆと、これらヒー
タエレメント２１ａ〜２１ｆを上記ヒータケーシング２
０との間で挟持するキャップ２２とで構成されている。

なお、ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆの挟持構造は後
述する。

各ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆはフィルタ２の上流
端面を扇形に均等に分割した部分に配置され、これら各
ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆはそれぞれ平面路■字
形状を成している。これらヒータエレメント２１ａ〜２
１ｆは、第３図に示す通り、■字型の両端部が通電用電
極部２５ａ。

２５ｂとなっており、これら電極部２５ａ、２５ｂに連
なるＶ字状部が発熱部２６となっている。

そして発熱部２６には複数個の、たとえば三角形状の開
口部２７・・・が形成されており、排ガスが通過できる
ようになっている。

ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆは、ＴｉＮ粉末粉末３
濡 ビニルブチラールとジブチルフタレートとエタノールよ
りなる有機物バインダに分散させたスラリーを、ドクタ
ーブレード法により板状に成形し、これを打法法により
所定形状に加工した後、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲
気中で１７５０℃程度の温度で約２時間加熱して焼成す
ることにより得られる。

ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆの各電極部２５ａ．２
５ｂは、白金や金属ニッケルあるいはモリブデン等の導
電性金属が焼付けまたは蒸着によりメタライズされてい
る。

このような構造のヒータエレメント２１ａ〜２１ｆは、
各電極部２５ａ．２５ｂが上述したようにヒータケーシ
ング２０とキャップ２２との間に挟持され、発熱部２６
が排気通路の中心部に向かって配置される。したがって
各ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆは排気通路の周方向
に配置され、　　゛各発熱部２６が中心方向に向かって
設置される。

この場合、隣接する発熱部２６・・・相互間に隙間が形
成され、これら隙間と、上記発熱部２６・・・に形成し
た開口部２７・・・により排ガスの通過を許す通路が確
保される。

しかして、各ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆをヒータ
ケーシング２０とキャップ２２との間に挟持する構造に
ついて、第４図にもとづき説明する。

ヒータケーシング２０には、上記各ヒータエレメント２
１ａ〜２１ｆの各電極部２５ａ．２５ｂが嵌挿される切
欠段状の凹部３０・・・が周方向に形成され、これら凹
部３０・・・には絶縁性セラミック溶射層３１が形成さ
れている。各ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆの各電極
部２５ａ．２５ｂは、−側が上記絶縁性セラミック溶射
層３１に当接され、他側に、網目状のＳＵＳ線を重ねて
構成したクッション材３２が当てがわれている。このク
ッション材３２は絶縁性セラミック焼結体よりなる押え
プレート３３で押圧され、この押えプレート３３はキャ
ップ２２により押付けられている。キャップ２２はヒー
タケーシング２０に対してねじ係合されている。したが
って、各ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆは、それぞれ
各電極部２５ａ。

２５ｂがヒータケーシング２０とキャップ２２の間に挟
み付けられて機械的に支持され、この場合、ヒータエレ
メント２１ａ〜２１ｆの一側面は絶縁性セラミック溶射
１３１により電気的に絶縁されるとともに、他側面はク
ッション材３２を介して絶縁性セラミック焼結体よりな
る押えプレート３３で電気的に絶縁されている。

なお、ヒータエレメント２１ａ〜２１ｆの一方の電極部
２５ａ・・・は、上記絶縁性セラミック焼結体よりなる
押えプレート３３に形成した溝３７・・・に配線された
リード線３８ａ〜３８ｆに接続され、これらリード線３
８ａ〜３８ｆはヒータケーシング２０の外部に導出され
てコネクタ３９に接続されている。コネクタ３９は図示
しないバッテリーに接続されている。また、他方の電極
部３５ｂ・・・は、ヒータケーシング２０にボディアー
スされている。

上記絶縁性セラミック溶射層３１は、ジルコニアにラン
タンを固溶して形成され、この場合ランタンはジルコニ
アに対して５ないし１５％原子数の割合とし、かつ溶射
層３１の膜厚は０，０７ないし０，３＃としである。

このような絶縁性セラミック溶射Ｈ３１を形成する手順
について説明する。

まず、ヒータケーシング２０の切欠段状の凹部３０・・
・における被溶射面を油膜等が残らないように洗浄し、
次いでこの表面をサンドブラスト処理（アルミナ等の硬
い粒子を高圧空気などで吹付ける処理）することにより
、付着力を増すための表面荒らし処理を行う。つぎに、
ニッケルークロム系の金属溶射材を厚み０，０５ないし
０．３履程度溶射する。これを下地処理と称する。この
ような下地は、ｆＢｉｔな凹凸を有するため、セラミッ
ク溶射層３１の付着力を増大して剥離を防ぐとともに、
ケーシング２０の表面酸化を防止する作用をもつ。

つぎに、上記下地の表面に、ランタンを固溶したジルコ
ニア（Ｌａ−ＺｒＯ２）を溶射する。

上記Ｌａ−ＺｒＯ２よりなる溶射材料は、純ジルコニア
（ＺｒＯ２）に酸化ランタン（Ｌａ２０３）を、ジルコ
ニアとランタンの原子数の比で９５＝５ないし８５：１
５の割合で調合し、よく混ぜた後酸化雰囲気中で１５０
０℃、３時間の条件で焼成し、これを粉砕して粒子径が
２０μｍないし４０μｍ程度となるように大きさを調整
する。

このような溶射材料は、プラズマ溶射装置の溶射材供給
装置にセットし、ヒータケーシング２０の切欠段状の凹
部３０・・・における被溶射面に溶射層３１の膜厚が０
，０７ないし０．３ｍとなるようにｉ射する。この溶射
に際して、ヒータケーシング２０には、被溶射面のみ露
出し被溶射面でない部分は金属板またはテープなどでマ
スキングし、露出した部分、つまり被溶射面に溶射する
。

以上の構成よりなる本実施例の微粒子捕集浄化装置は、
内燃機関の排ガス系に結合され、排ガス導入ｔ！！４の
排ガス流入口１４より排ガスを導入し、この排ガス中の
微粒子をフィルタ２０表面に捕束する。フィルタ２の表
面に捕集された微粒子により、フィルタ２の気孔が狭く
なると、つまりフィルり２が目詰まりすると、コネクタ
３９を通じて第１のリードｌ１ｉ３８ａを電源に接続す
る。これにより、電源、コネクタ３９、リード線３８ａ
、第１のヒータエレメント２１ａの一方の電極部２５ａ
１発熱部２６、他方の電極部２５ｂ、ボディアース、電
源、の開回路が形成され、発熱部２６が電気抵抗により
発熱する。発熱部２６の発熱によりフィルタ２の上流端
面が加熱され、この部分に捕集されている微粒子が燃焼
を開始し、その部分が発火点となって下流側のフィルタ
２表面に付着されている微粒子が燃焼して除去される。

このように第１のヒータエレメント２１ａの着火が終了
すると、次に第２のヒータエレメント２１ｂによる着火
が行われ、このヒータエレメント２１ｂの発熱部に接し
たフィルタ２の微粒子が燃焼して除去される。このよう
にしてヒータエレメント２１ａ〜２１ｆに順次通電され
てフィルタ２全体に燃焼がおよび、フィルタ２表面に堆
積した微粒子を除去するものである。

上記ヒータエレメント２１８〜２１ｆは、電極部２５ａ
、２５ｂの一側面が、ヒータケーシング２０に溶射した
絶縁性セラミック溶射層３１により、ヒータケーシング
２０に絶縁され、しかも機械的に支持されているので、
これらヒータエレメント２１ａ〜２１ｆの絶縁支持構造
が簡単になる。

ところで、この種のヒータエレメント２１ａ〜２１ｆは
、高温と冷却を繰返す使用条件下にあり、エンジンの激
しい振動を受けかつ腐蝕性雰囲気という苛酷な環境で使
用されるから、絶縁性セラミック溶射層３１の材料およ
び溶射条件に厳しい制限がある。

ジルコニア系セラミックスは熱膨張が金属に近く、付着
力も強いので剥離しぬくいが、良く用いられるイツトリ
アで安定化されたジルコニア（Ｙ−ＺｒＯ２）や、カル
シアで安定化されたジルコニア（Ｃａ−ＺｒＯｚ　＞で
は比抵抗が極めて小さいため、絶縁溶射層には使用不可
能である。

これに対し、イオン半径の大きなランタンで安定化した
ジルコニア（Ｌａ−ＺｒＯ２）は比抵抗が大きく、絶縁
溶射層に好敵する。

そしてランタンの含有率は、第５図に示すように、０〜
５％では安定化が不充分であり微細クラックによる強度
低下が生じ、また１５％を超えると添加量が過大のため
付着強度の低下を生じる。

このことから、ランタンの含有率は原子比でジルコンに
対し５〜１５％の範囲が最適である。

さらに、絶縁性セラミック溶射層３１の膜厚は、薄い程
剥離しぬくいが、あまり薄くすると第６図に示すように
耐電圧が不充分になる。エンジンに適用して使用中に剥
離を生じない厚さとして０゜３ａｗ以下が必要であるこ
とを実験的に確認している。耐電圧は１２Ｖ以上である
という条件から、０．０７ａｍ以上必要であることも実
験的に確認している。

なお、セラミック溶剤部はヒータエレメント２１ａ〜２
１ｆの当たる凹部３０のみに溶射してあり、セラミック
焼結体よりなる押えプレート３３のヒータケース２０に
当たる箇所は平坦かつ＾精度な機械加工が行なえ、この
ためセラミック焼結体よりなる押えプレート３３でヒー
タエレメント２１ａ〜２１ｆを押え付けてもヒータエレ
メント２１ａ〜２１ｆＯに過大な押え力を伝えず、ヒー
タエレメント２１ａ〜２１ｆの割れや過゛少押え力によ
るがたつきを防ぐことができる。

またクッション材３２もヒータエレメント２１８〜２１
ｆＯに過大な押え力を伝えず、ヒータエレメント２１ａ
〜２１ｆの割れや過少押え力によるがたつきを防止する
。

上記実施例ではヒータケーシング２０に直接絶縁性セラ
ミック溶射層３１を溶射したが、本発明はこれに限らず
、たとえば金属プレートに絶縁性セラミック溶射層３１
を溶射し、この金属プレートで上記絶縁性セラミック溶
射層３１を介してヒータエレメント２１’ａ〜２１ｆを
絶縁支持してもよい。

また、Ｌａ−ＺｒＯ２の製造方法は、純ジルコニアと酸
化ランタンの調合および焼成による方法の他に、共沈法
や気相反応法などによる場合であってもよい。

さらに、本発明は上記実施例で説明した微粒子捕集浄化
装置に制約されるものではなく、要するに導電部材を金
属材料に絶縁支持させる場合に適用できるものであり、
特に導電部材が高温度条件下で使用される苛酷な状態の
場合にその効果が一層発揮されるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、金属材料にセラミック溶
射による絶縁層を形成し、この絶縁層を介して導電部材
を金属材料に絶縁して支持させるようにしたので、格別
な絶縁性セラミックよりなる挟持プレートなどを必要と
せず、部品点数が削減され、導電部材の取付は構造が簡
単となり確実な絶縁支持がなされる利点がある。

【図面の簡単な説明】 図面は本発明の一実施例を示し、第１図は微粒子捕集浄
化装置の一部欠損した側面図、第２図は再生加熱用ヒー
タの構造を示す第１図中■−■線に沿う矢視図、第３図
は再生加熱用ヒータのキャップ、押えプレートおよびク
ッション材を外した正面図、第４図は第２図中ＩＶ−ｒ
Ｖ線の断面図、第５図はランタン含有率の特性図、第６
図は溶射厚みの特性図である。 １・・・フィルタケース、２・・・フィルタ、３・・・
ヒータ部、２０　・・・ヒータケーシング、２１ａ〜２
１ｆ・・・ヒータエレメント（導電部材）、２２・・・
キャップ、２５ａ、２５ｂ・・・電極部、２６・・・発
熱部、３０・・・凹部、３１・・・セラミック溶射絶縁
層、３２・・・クッション材、３３・・・押えプレート
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属材料にセラミック溶射による絶縁層を形成し
   、この絶縁層を介して上記金属材料に導電部材を絶縁し
   て支持させたことを特徴とする導電部材の絶縁支持構造
   。
2. （２）上記セラミック溶射による絶縁層は、ジルコニア
   にランタンを固溶し、ランタンはジルコニアに対して５
   ないし１５％原子数の割合とし、かつ溶射層の膜厚は０
   ．０７ないし０．３ミリとしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の導電部材の絶縁支持構造。
3. （３）上記導電部材は高温度雰囲気で使用されるもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の導電部材の絶縁支持構造。
4. （４）上記導電部材は、エンジンの排気系に設置され排
   ガス中の微粒子を捕集するフィルタを再生加熱するため
   のセラミック導電体により形成されたセラミックヒータ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項もしくは第３項記載の導電部材の絶縁支持構造。