(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、金属質の連結部材を介して溶接により接続され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、
該電極本体は、中空部分を有するとともに、一端が閉塞した円筒形状を有し、
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し、
該電極本体の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、そのうち該開口部の面積が１５〜８５％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％以下を占めることを特徴とする電極構造。
【請求項２】
該電極本体がフェライトステンレスから成る請求項１に記載の電極本体。
【請求項３】
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１又は２に記載の電極構造。
【請求項４】
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３に記載の電極構造。
【請求項５】
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１又は２に記載の電極構造。
【請求項６】
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５に記載の電極構造。
【請求項７】
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６に記載の電極構造。
【請求項８】
該押さえ部材を該電極本体に溶接して固定する請求項６に記載の電極構造。
【請求項９】
該押さえ部材を該電極本体にかしめて固定する請求項６に記載の電極構造。
【請求項１０】
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１又は２に記載の電極構造。
【請求項１１】
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１又は２に記載の電極構造。
【請求項１２】
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１又は２に記載の電極構造。
【請求項１３】
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１０、１１、又は１２に記載の電極構造。
【請求項１４】
該絶縁コート材がセラミックスである請求項１０、１１、又は１２に記載の電極構造。
【請求項１５】
被通電体が金属質ハニカム構造体である請求項１〜１４のいずれかに記載の電極構造。
【請求項１６】
請求項１〜１５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。
【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、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、金属質の連結部材を介して溶接により接続され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、該電極本体は、中空部分を有するとともに、一端が閉塞した円筒形状を有し、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し、該電極本体の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、そのうち該開口部の面積が１５〜８５％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％以下を占めることを特徴とする電極構造が提供される。
【００１０】
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、中空部分を有し、一方を閉塞した円筒である。開口部は、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。また、電極本体の開口部を有する端面の面積と開口部の面積の和は８〜１５０ｍｍ2であり、そのうち開口部の面積が１５〜８５％を占める。また、中空部分は、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。
【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。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％であり、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４１のうち、開口部３０を設けた側の部分４０の長さの１０％以上、電極本体６の全長の９８％以下を占め、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、金属質の連結部材を介して、溶接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１２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、３０ｋｍ／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】
0003602219.tif 000002
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003602219.tif 000008
【図７】
0003602219.tif 000009
【図８】
0003602219.tif 000010
【図９】
0003602219.tif 000011
【図１０】
0003602219.tif 000012
【図１１】
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