(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流れ方向に平行な多数の貫通孔を有する金属質のハニカム構造体に通電のための少なくとも一個の電極を設けてなるハニカムヒーターを、金属質の保持部材を介して金属質の缶体の内部に保持して構成されるヒーターユニットであって、
当該保持部材は、リング型の形状からなり、スカート状に湾曲しており、かつスリットを有しており、ハニカムヒーターの外表面の一部に結合されて当該ハニカムヒーターを一体ならしめ、かつ当該ハニカムヒーターと当該缶体との間の流路を実質上遮断する構造を有することを特徴とするヒーターユニット。
【請求項２】
当該保持部材が、当該ハニカムヒーターの外周側面及び／又は端面外周部に配設されている請求項１記載のヒーターユニット。
【請求項３】
当該保持部材と当該ハニカムヒーターとが、絶縁部を介して相互に絶縁されている請求項１又は２に記載のヒーターユニット。
【請求項４】
当該保持部材が、当該ハニカムヒーターの外周側面及び／又は端面外周部に設けられた溝に挿入され、固定されている請求項３記載のヒーターユニット。
【請求項５】
当該保持部材が、複数の分割された部品から構成されている請求項１ないし４のいずれかに記載のヒーターユニット。
【請求項６】
当該保持部材が、ハニカムヒーター外周部の非発熱部もしくはハニカムヒーターの中心部に比して発熱特性の劣る部分の排ガス流路を実質上遮断している請求項１ないし５のいずれかに記載のヒーターユニット。
【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ヒーターユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等の内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯX ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化するための触媒、触媒担体等として、従来公知の多孔質セラミックハニカム構造体の他に、金属質ハニカム構造体が注目を集めるようになってきた。一方、排ガス規制の強化に伴い、コールドスタート時のエミッションを低減するためのヒーター等の開発も切望されている。
【０００３】
こうした状況の下、金属質ハニカム構造体に通電のための電極を設けてなるハニカムヒーターが開発された。通常、ハニカムヒーターは、それを適当な保持部材を介して金属質の缶体内に保持したヒーターユニットの状態で、自動車等の排ガス流路中に設置される。
【０００４】
このようなヒーターユニットとして、本出願人は先に、特開平７−２５９５４３号公報に開示されているように、通電加熱の可能なハニカムヒーターを金属質保持部材を介して金属質缶体に保持して構成されるヒーターユニットであって、ハニカムヒーターと保持部材との連結部もしくは保持部材と缶体との連結部の少なくとも一方が絶縁処理され、保持部材が排ガスの流れ方向に垂直な方向に発生する変位を吸収することができ、排ガスの流れ方向に対してはハニカムヒーターを固定する機能を有するヒーターユニットを提案した。
【０００５】
また、本出願人は、特開平８−４５２１号公報に開示されているように、上記特開平７−２５９５４３号公報記載のヒーターユニットにおいて、排ガスのバイパスフローを２０％以下に抑えるための流量調節手段を備えたヒーターユニットを提案した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
自動車等に搭載して使用されるヒーターユニットには、まず第一に、振動や熱衝撃等の苛酷な運転条件下でもハニカムヒーターが破損しないような保持構造が必要となるが、更に高い排ガス浄化効率を得るためには、ヒーターユニットを構成する缶体とハニカムヒーターとの間隙を通過する未浄化排ガス、いわゆるバイパスフローを限りなく小さくすることが望まれる。
【０００７】
このバイパスフロー低減という観点から上記従来技術について検討すると、特開平７−２５９５４３号公報には、ハニカムヒーターの外周部に排ガスのバイパスフロー防止のためにセラミック質マットを充填することが記されているが、実使用条件下では金属質の保持部材が振動するために、セラミック質マットが損耗して次第にバイパスフローが増大していくおそれがある。
【０００８】
また、特開平８−４５２１号公報には、排ガスのバイパスフローを２０％以下に抑えるための流量調節手段、具体的には、ハニカムヒーター上流側及び／又は側面部の缶体とハニカムヒーターの外表面部との距離が３ｍｍ以下となるように缶体を構成することが開示されているが、ハニカムヒーターと缶体との短絡の危険があるため、前記距離を小さくするにも限界がある。
【０００９】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、苛酷な使用条件下でもハニカムヒーターが破損しないような耐久性を備えるとともに、バイパスフローを防止して排ガス全体がハニカムヒーターを通過するような構造を有するヒーターユニットを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガス流れ方向に平行な多数の貫通孔を有する金属質のハニカム構造体に通電のための少なくとも一個の電極を設けてなるハニカムヒーターを、金属質の保持部材を介して金属質の缶体の内部に保持して構成されるヒーターユニットであって、当該保持部材は、リング型の形状からなり、スカート状に湾曲しており、かつスリットを有しており、ハニカムヒーターの外表面の一部に結合されて当該ハニカムヒーターを一体ならしめ、かつ当該ハニカムヒーターと当該缶体との間の流路を実質上遮断する構造を有することを特徴とするヒーターユニット、が提供される。
【００１１】
本発明のヒーターユニットにおいては、保持部材が該ハニカムヒーターの外周側面及び／又は端面外周部に配設されていることが好ましい。また、保持部材とハニカムヒーターとが絶縁部材を介して相互に絶縁されていることが好ましく、このとき、保持部材がハニカムヒーターの外周側面及び／又は端面外周部に設けられた溝に挿入され、固定されていることもまた、好ましい。更に、保持部材は少なくとも一個のリング型の形状からなることが好ましく、その保持部材は複数の分割された部品から構成されていてもよい。更にまた、保持部材は、ハニカムヒーター外周部の非発熱部もしくはハニカムヒーターの中心部に比して発熱特性の劣る部分の排ガス流路を実質上遮断していることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のヒーターユニットは、自動車のような苛酷な使用条件にも耐え得る耐久性を備えるとともに、バイパスフローがほとんどなく排ガス全体がハニカムヒーターを通過するような構造を有するものである。以下、本発明を図面を参照しながら説明する。
【００１３】
本発明のヒーターユニットには、多数の貫通孔を有する金属質のハニカム構造体に通電のための少なくとも一個の電極を設けてなるハニカムヒーターが使用される。ここで、ハニカム構造体の材質としては、通電により発熱する金属質のものであれば任意の材質が使用できるが、自動車排ガス等の高温にさらされる環境を考慮すると、耐熱性、耐酸化性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の組成のものが好ましい。
【００１４】
また、ハニカム構造体中のセル形状、すなわち、貫通孔の長さ方向に垂直な断面形状は特に限定されるものではないが、耐熱衝撃性の点から、四角形や三角形の形状に比して、六角形やそれ以上の多角形、コルゲート形等の伸縮に対して可撓性のある形状が好ましい。ハニカム構造体のセル数についても、特に限定はされないが、熱伝導効率、触媒浄化効率の点で、１００〜１５００セル／ｉｎ2の範囲とすることが好ましい。セル数が１５００セル／ｉｎ2を超えると、排ガスの圧力損失の点で問題を生じる可能性が大きくなる。
【００１５】
このようなハニカム構造体としては、圧延した薄板（フォイル）に波板を重ねて巻き上げたフォイル型、及び粉末冶金押出法による押出型の両者を用いることができるが、構造耐久性の観点からは、押出型が好ましい。このようなハニカム構造体の典型的な例を、特開平３−２９５１８４号公報及びＷＯ８９−１０４７１に見ることができる。
【００１６】
ハニカム構造体には、通電のために少なくとも一個の電極が設けられ、通電によりハニカム構造体を加熱することができるようになっている。このとき、通常は所望の電力を投入するためにハニカム構造体の抵抗を調節する必要があり、例えば、押出型の場合には、抵抗調節手段として特開平３−２９５１８４号公報に記載されているようにスリット等を設けることが好ましい。そして、このハニカムヒーターを触媒コンバータとして用いる場合には、通常、ハニカムヒーター表面に触媒を被覆して使用する。
【００１７】
以下、ハニカムヒーターにスリットを形成した場合を中心に説明するが、このスリットとは、抵抗調節用にハニカムヒーターに配設されたものの総称であり、直線的であっても曲線的であってもよい。更に、このスリットが形成されるハニカムヒーターは、その製造方法に依存してスリット形成の可不可が判断されるものではなく、例えば、前述した巻上型、押出型のいずれの場合にも適用することができる。
【００１８】
上記ハニカムヒーターは、金属質の缶体の内部に、缶体内を流れる排ガスの流れ方向とハニカムヒーターに設けられた貫通孔の長さ方向とが平行となるように嵌挿される。すなわち、ハニカムヒーターの貫通孔の長さ方向と缶体の長さ（厚み）方向とは平行となり、これにより排ガスの大部分がハニカムヒーターの貫通孔を通過することとなる。ここで、缶体とはハニカムヒーターを挿入するための筒状体であり、一例として金属円筒体が挙げられるが、その長さ方向に垂直な断面形状は円形に限定されず、ハニカムヒーターの形状に合わせて適宜好適なものが採用される。
【００１９】
ハニカムヒーターを缶体内に固定するにあたり、まず、本発明においてはハニカムヒーターの外表面の一部に金属質の保持部材が結合される。ハニカムヒーターに抵抗調節用のスリットを形成した場合には、そのスリット部分が開いてハニカムヒーターの外形が一定しない場合が多く、この保持部材の装着により、ハニカムヒーターの一体性の向上が図られる。同時に、スリット部の開閉等の動きが抑制されるために、ハニカムヒーター自体に高い耐久性が付与される。
【００２０】
図１は、本発明のヒーターユニットの一実施形態を示す説明図で、ハニカムヒーター１が保持部材５を介して缶体３に取り付けられた状態となっている。リング型形状の保持部材５の内周側は、ハニカムヒーター１の外周側面に設けられた溝７に挿入され、ハニカムヒーター１と保持部材５との間にできる限り隙間ができないように結合固定されている。また、保持部材５の外周側も、保持部材５と缶体３との間にできる限る隙間ができないように、缶体３の内周面に結合されている。保持部材５と缶体３との結合には、通常の溶接法が用いられ、全溶接、部分溶接（点づけ）が適宜用いられる。なお、ハニカムヒーター１には、抵抗調節用のスリットが設けられている。
【００２１】
保持部材５の材質は金属質である。通常、ハニカムヒーター１は金属質からなるものが用いられ、その熱膨張率は１０〜２０×１０-6／℃と大きいために、保持部材５においてもこれと同等の熱膨張率を有する金属質のものが用いられ、両者の熱膨張率の整合を図ることで、保持部材５とハニカムヒーター１との熱膨張差に基づく応力を低減することができる。
【００２２】
例えば、ハニカムヒーター１がフェライトの場合、保持部材５としてはフェライトもしくはオーステナイト等の耐熱鋼を用いることが好ましく、また、ハニカムヒーター１の外周部はハニカムヒーター１の中央部よりも温度が低いので、高熱膨張特性を有するオーステナイトを用いると、ハニカムヒーター１と保持部材５との間に発生する熱応力を低減することができる。なお、保持部材５はハニカムヒーター１と同等の耐熱性を有することが好ましいが、保持部材５はハニカムヒーター１の外表面の一部に結合されるため、ハニカムヒーター１ほどの耐熱性は必要とせず、一般に６００℃以上の耐熱性があればよい。
【００２３】
ここで、金属質の保持部材５とハニカムヒーター１とは互いに電気的に接触することのないように、これらの界面に絶縁部を設け、当該絶縁部を介して相互に絶縁されていなければならない。このような絶縁部の形成方法として、図１に示すように、保持部材５の外表面に例えばセラミック質等の絶縁膜９を被覆コーティングし、保持部材５とハニカムヒーター１との間に絶縁体１１を充填する方法が挙げられる。
【００２４】
この保持部材５への絶縁膜９の形成方法としては、溶射法、静電塗装法、ディップ法等が挙げられる。また、絶縁体１１としては、耐熱性無機接着剤、耐熱モルタル、ガラス状クロス等が用いられる。この内、絶縁体１１として耐熱性無機接着剤を用いると、ハニカムヒーター１を固定する機能が高いので最も好ましい。ただし、必ずしも絶縁膜９と絶縁体１１の両方を併せて用いる必要はなく、保持部材５とハニカムヒーター１の間の絶縁性とその耐久性が確保される限りにおいて、それぞれを単独で用いることができることはいうまでもない。
【００２５】
なお、図１において、保持部材５は１つのリングの如く示されているが、実際には製造上、少なくとも２個以上の複数の部材からなり、それらが連続してハニカムヒーター１外周部の溝７に配設されていることが一般的である。図２の平面図(ａ)及び側面図(ｂ)は、保持部材５を２つの半割れ状のリングで構成した例であり、それぞれハニカムヒーターに結合される内周側の部分にセラミック質の絶縁膜９を被覆コーティングしている。これら複数個の部材の突き合わせ部は、必ずしも溶接等の手段により接合される必要はなく、缶体内においてハニカムヒーター１を強固に固定することができればよい。
【００２６】
また、保持部材には、スリットを形成してフレキシビリティーを持たせ、ハニカムヒーターへの応力が低減するようにしてもよい。図３は応力低減のためのスリットを形成した保持部材の一例で、半割れ状のリングからなる保持部材１５に放射状にスリット１３を形成したものである。図４も応力低減のためのスリットを形成した保持部材の例であるが、このようにスリット１７により保持部材２１の何箇所かに細板状の足部１９を形成し足部１９の先端部分１９’のみを缶体に結合固定することにより良好なフレキシビリティーを持たせることができる。なお、このように保持部材にスリットを形成した場合には、スリットからバイパスフローが生じるが、スリット幅を１ｍｍ程度に抑えることでバイパスフローを無視できる程度まで低減できる。
【００２７】
上述した保持部材とハニカムヒーターとの固定方法に対し、ハニカムヒーターを一体的に形成された保持部材たるリングに圧入して一体化する方法を用いることもできる。しかしながら、この場合にはリングとハニカムヒーター間の絶縁性の確保と固定が不十分となるおそれがある。
【００２８】
図５のように、電極３１ａ、３１ｂ間においてハニカム構造体に抵抗調節用のスリット２３を形成したハニカムヒーターでは、これらのスリット間が電流流路となって発熱するが、上記実施形態のようにハニカムヒーター１の外周側面にリング状の溝７を設け、この溝７に保持部材５を挿入固定する場合には、溝７の内側がほぼ全部発熱部となるように溝径ｄ1を設定することが好ましい。
【００２９】
このような溝径を有する溝７に保持部材５を挿入すると、当該保持部材５が、ハニカムヒーター１外周部の非発熱部もしくはハニカムヒーター１の中心部に比して発熱特性の劣る部分の排ガス流路を実質上遮断することになるので、ハニカムヒーター１を通過する排ガス全体を暖めることができ、好適なエミッションが得られる。
【００３０】
本発明において、保持部材は、ハニカムヒーターを一体ならしめて缶体内に保持するのみならず、バイパスフロー防止のため、ハニカムヒーターと缶体との間のガス流路を実質上遮断する構造を要する。このため保持部材の外周形状・寸法は、それが結合される缶体内部の内周形状・寸法とほぼ一致するようにする。保持部材は溶接等の手段により缶体に結合される。なお、保持部材は、図１のようにスカート状に湾曲させたものを用いるのが好ましく、これにより、保持部材がフラットな平板に比し、バネ特性を示すために、ハニカムヒーター１の半径方向の膨張・収縮に伴う変位を吸収しつつ、軸方向への変位を抑えることができる。
【００３１】
本発明において、保持部材の配設位置は上記実施形態のようなハニカムヒーター外周側面に限定されない。例えば、図６に示すように、ハニカムヒーター２５の長さ（厚み）方向の端面（以下、「端面」という）の外周側面に近い部分、すなわち、端面外周部にリング状の溝２９を設け、溝２９に相補するリング状の保持部材２７を挿入固定してもよい。
【００３２】
この場合、図７に示すように溝２９の内側がほぼ全部発熱部となるように溝径ｄ2を設定することが好ましい。このような溝径を有する溝２９に保持部材２７を挿入すると、上記実施形態と同様に、当該保持部材２７が、ハニカムヒーター２５外周部の非発熱部もしくはハニカムヒーター２５の中心部に比して発熱特性の劣る部分の排ガス流路を実質上遮断することになるので、ハニカムヒーター２５を通過する排ガス全体を暖めることができ、好適なエミッションが得られる。
【００３３】
上記のようなハニカムヒーター２５を缶体３内に固定するときには、保持部材２７が排ガスの流れ方向の上流側、下流側のいずれの向きに取り付けられてもよい。また、保持部材２７の配設は一方の端面に限定されず、両端面に配設してもよい。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はこれらの実施形態によって何らの限定をも受けるものでないことは言うまでもない。また、本発明には、上記の実施形態の他にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々の変更、修正、改良等を加え得るものであることが理解されるべきである。
【００３５】
【発明の効果】
上述のとおり、本発明のヒーターユニットによれば、ハニカムヒーターを保持部材により固定することで、ハニカムヒーターの一体性が向上し、高い耐久性を有するようになる。また、保持部材は、ハニカムヒーターと缶体間のガス流路を実質上遮断する構造を有するので、排ガスのバイパスフローがほとんどない状態が達成される。これにより自動車に実装した場合にも、高い耐久性を有し、コールドスタート時の排ガス浄化能力に優れるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のヒーターユニットの一実施形態を示す説明図である。
【図２】  保持部材の一例を示す説明図で、(ａ)は平面図、(ｂ)は側面図である。
【図３】  スリット入りの保持部材の一例を示す平面図である。
【図４】  スリット入りの保持部材の別の一例を示す斜視図である。
【図５】  外周側面に保持部材固定用の溝を設けたハニカムヒーターを示す平面図である。
【図６】  本発明のヒーターユニットの別の実施形態を示す説明図である。
【図７】  端面外周部に保持部材固定用の溝を設けたハニカムヒーターを示す平面図である。
【符号の説明】
１…ハニカムヒーター、３…缶体、５…保持部材、７…溝、９…絶縁膜、１１…絶縁体、１３…スリット、１５…保持部材、１７…スリット、１９…足部、２１…保持部材、２３…抵抗調節用スリット、２５…ハニカムヒーター、２７…保持部材、２９…溝、３１ａ…電極、３１ｂ…電極。
【図１】
0003901303.tif 000002
【図２】
0003901303.tif 000003
【図３】
0003901303.tif 000004
【図４】
0003901303.tif 000005
【図５】
0003901303.tif 000006
【図６】
0003901303.tif 000007
【図７】
0003901303.tif 000008