(57)【要約】【課題】電気加熱体のエネルギー効率を高める。【解決手段】平薄板５と接触しない波薄板６の領域６ａの抵抗値を平薄板５と接触する波薄板６の領域６ｂよりも高くすることにより、領域６ａの昇温効率を領域６ｂの昇温効率より高くする。これにより、電気加熱体全体のエネルギー効率を高めることができる。【選択図】図３
2009043470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極を中心にして平薄板と波薄板を連続的に巻回して形成した電気加熱体であって、前記平薄板と前記波薄板の少なくとも一方の薄板において、他方の薄板と接していない領域の昇温効率がその他の領域の昇温効率より高いことを特徴とする電気加熱体。
【請求項２】
請求項１に記載の電気加熱体において、他方の薄板と接していない領域の抵抗値がその他の領域の抵抗値より高い、及び／又は、他方の薄板と接していない領域の質量がその他の領域の質量より少ないことを特徴とする電気加熱体。
【請求項３】
請求項２に記載の電気加熱体において、前記波薄板は前記平薄板と接しない略直線部と前記平薄板と接する曲線部により形成され、前記略直線部の抵抗値が前記曲線部の抵抗値より高くなっていることを特徴とする電気加熱体。
【請求項４】
請求項３に記載の電気加熱体において、前記波薄板の長さ方向において前記略直線部が占める割合が４０％以上であることを特徴とする電気加熱体。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体において、抵抗値が高い領域内において、抵抗値が長さ方向端部から中心部に向けて変化していることを特徴とする電気加熱体。
【請求項６】
請求項５に記載の電気加熱体において、前記端部側の抵抗値の方が前記中心部側の抵抗値より低いことを特徴とする電気加熱体。
【請求項７】
請求項２乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体において、他方の薄板と接していない領域の板厚がその他の領域の板厚より小さいことを特徴とする電気加熱体。
【請求項８】
請求項７に記載の電気加熱体において、他方の薄板と接していない領域の板厚をその他の領域の板厚に滑らかに変化させる板厚変化領域を備えるを特徴とする電気加熱体。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の電気加熱体において、他方の薄板と接していない領域に強度補強部を備えることを特徴とする電気加熱体。
【請求項１０】
請求項２乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体において、他方の薄板と接していない領域に複数の孔を備えることを特徴とする電気加熱体。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電気加熱体において、前記多数の孔が薄板の長さ方向のどの位置にも形成されているように当該複数の孔を配置することを特徴とする電気加熱体。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１に記載の電気加熱体において、前記多数の孔を形成したことによる薄板の開孔率は、薄板の全面にわたって孔を形成した場合よりも全体のエネルギー効率が高い範囲内に設定されていることを特徴とする電気加熱体。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電気加熱体において、前記多数の孔を形成したことによる薄板の開孔率は、全体のエネルギー効率が最大値となる開孔率の近傍値に設定されていることを特徴とする電気加熱体。
【請求項１４】
請求項２乃至請求項１３のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体において、前記平薄板と前記波薄板の全ての巻周のうちの一部の巻周において、他方の薄板と接していない領域の抵抗値がその他の領域の抵抗値より高い、及び／又は、他方の薄板と接していない領域の質量がその他の領域の質量より少ないことを特徴とする電気加熱体。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電気加熱体において、前記一部の巻周は、前記中心電極から所定巻周目より外側の巻周であることを特徴とする電気加熱体。
【請求項１６】
請求項１４又は請求項１５に記載の電気加熱体において、前記一部の巻周は、最外周から所定巻周目の内側の巻周であることを特徴とする電気加熱体。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体において、前記平薄板と前記波薄板の少なくとも一方に触媒が担持されていることを特徴とする電気加熱体。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電気加熱体において、他方の薄板と接していない領域に複数の孔を備え、当該多数の孔のうち少なくとも一部は表面張力によって前記触媒により覆われる径を有することを特徴とする電気加熱体。
【請求項１９】
請求項１７又は請求項１８に記載の電気加熱体と、当該電気加熱体の下流に配置された燃焼触媒とを備えることを特徴とする排気システム。
【請求項２０】
請求項１乃至請求項１８のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体を排気系に備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２１】
請求項１乃至請求項１８のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体を排気系に備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１乃至請求項１８のうち、いずれか１項に記載の電気加熱体を排気系に備えることを特徴とする暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々のシステムの排気系に適用して好適な電気加熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、帯状の平薄板と波薄板を中心電極を中心にして連続的に巻回することにより形成した電気加熱体が知られている。このような電気加熱体の中には、平薄板と波薄板の全面にわたって多数の孔が形成されたものがある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２４７１６号公報（例えば段落［００１５］参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
平薄板と波薄板が接触する部分に孔が形成されるために、平薄板と波薄板の接触部位の部分熱容量が増加して昇温効率が悪い部分が形成される。このため従来の電気加熱体によれば、平薄板と波薄板を効率的に昇温することができず、エネルギー効率（単位質量あたりの昇温速度／消費電力量）を向上させることが困難であった。
【０００４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、エネルギー効率が高い電気加熱体を提供することにある。本発明の他の目的は、エネルギー効率が高い排気システムを提供することにある。本発明のさらに他の目的は、エネルギー効率が高い内燃機関を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、エネルギー効率が高い燃料電池システムを提供することにある。本発明のさらに他の目的は、エネルギー効率が高い暖房システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、中心電極を中心にして平薄板と波薄板を連続的に巻回して形成した電気加熱体であって、平薄板と波薄板の少なくとも一方の薄板において、他方の薄板と接していない領域の昇温効率が他方の薄板と接している領域の昇温効率より高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明よれば、他方の薄板と接していない領域の昇温効率が他方の薄板と接している領域の昇温効率と比較して高いので、電気加熱体全体のエネルギー効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる電気加熱体の構成について説明する。
【０００８】
〔第１の実施形態〕
始めに、図１乃至図３を参照して、本発明の第１の実施形態となる電気加熱体の構成について説明する。
【０００９】
本発明の第１の実施形態となる電気加熱体１は、図１に示すように、コア２と、コア２の最外周側からコア２を保持する金属製（例えばSUS410等のステンレス合金）の外筒３とにより構成されている。コア２は中心電極４を中心にして帯状の平薄板５と波薄板６を交互、且つ、連続的に巻回することにより形成されている。平薄板５と波薄板６は５０〜１００［μｍ］程度の厚さを有するFe-Cr-Al合金等の金属により形成されている。
【００１０】
平薄板５の少なくとも一方の表面は絶縁膜により覆われている。これにより、中心電極４から供給される電流は平薄板５及び／又は波薄板６に沿って流れて外筒３に達する。外筒３に達した電流は図示しない電極を経由して接地電位に流れる。電気加熱体１に流れる電流値はオームの法則にしたがって中心電極４に印加される電圧と電気加熱体１全体の抵抗値により定まる。
【００１１】
平薄板５の両面が絶縁膜により覆われている場合、中心電極４から供給される電流は平薄板５のみ、波薄板６のみ、又は平薄板５と波薄板６の双方を並列に流れる。中心電極４から供給される電流の経路は平薄板５と波薄板６の接続（接触）形態によって設定できる。平薄板５の片面のみが絶縁膜により覆われている場合には、中心電極４から供給される電流の経路は、平薄板５と波薄板６が接触している部位では１経路、平薄板５と波薄板６が接触していない部位では２経路となる。
【００１２】
波薄板６は、図２に示すように、山部，略直線部，及び谷部がこの順に連続的に形成された波形状を有し、外筒３内に挿入された際に山部及び谷部が平薄板５と接触する構造となっている。そして本実施形態では、略直線部に対応する領域６ａにおける波薄板６の板厚が、図３（ａ），（ｂ）に示すように、山部及び谷部に対応する領域６ｂにおける波薄板６の板厚よりも小さくなっている。
【００１３】
このような構成によれば、領域６ａの抵抗値は、領域６ｂと比較して断面積が小さい分、高くなる。また領域６ａの断面積は領域６ｂの断面積よりも小さく、且つ、領域６ａと領域６ｂは同じ電流経路にあるので、領域６ａの電流密度は領域６ｂの電流密度よりも高くなる。さらには領域６ｂは平薄板５と接触しているために、発熱量の一部が平薄板５に奪われることにより領域６ｂの昇温速度は領域６ａの昇温速度よりも遅くなる。また領域６ａの質量が領域６ｂの質量よりも小さくなるので、領域６ａの比熱は領域６ｂの比熱よりも小さくなる。
【００１４】
これにより、領域６ａの昇温効率が領域６ｂの昇温効率よりも高くなり、結果として電気加熱体１全体のエネルギー効率を高めることができる。なお詳しくは後述するが、波薄板６の昇温効率は領域６ａ，６ｂの長さや抵抗値の比率に応じて変化する。最適な比率を設計することにより、電気加熱体１として使用する電力を削減しつつ部分的な昇温効率を高め、結果としてエネルギー効率が高い電気加熱体１を得ることができる。
【００１５】
本願発明の発明者らは、領域６ａが波薄板６の長さ方向に占める割合とエネルギー効率の関係をシミュレーションにより評価した結果、領域６ａが波薄板６の長さ方向に占める割合が４０％以上である場合において高いエネルギー効率が得られることを知見した。また本実施形態では、波薄板６の抵抗値及び／又は質量を部分的に変化させたが、同様にして平薄板５が波薄板６と接触しない領域の抵抗値及び／又は質量を変化させてもよい。また平薄板５と波薄板６の双方の抵抗値及び／又は質量を部分的に変化させてもよい。
【００１６】
領域６ａと領域６ｂの間には、急な段差が形成されないように、図３（ａ），（ｂ）に示すように領域６ａと領域６ｂ間で波薄板６の板厚を連続的に（滑らかに）変化させる領域６ｃが形成されている。このような構成によれば、領域６ａと領域６ｂの段差において温度差に起因する応力が集中することを防止して、波薄板６の耐久性を向上させることができる。
【００１７】
領域６ｃは、プレス型を利用して波薄板６の厚さを変化させる際に型抜き用の傾斜の役割を果たすようになるので、波薄板６を形成する際の生産性を向上させることもできる。領域６ｃの傾斜形状は、可能な限り滑らかであることが望ましいが、合理的な設計の範囲内で決定するとよい。具体的には、領域６ｃの傾斜形状を略直線状とし、領域６ｃの両端に微小な曲げ半径を付与したり、領域６ｃの両端を一次微分及び二次微分の４項全てがゼロになる曲線状にしたりしてもよい。
【００１８】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる電気加熱体１によれば、平薄板５と接触しない波薄板６の領域６ａの抵抗値を平薄板５と接触する波薄板６の領域６ｂよりも高くすることにより、領域６ａの昇温効率を領域６ｂの昇温効率より高くするので、結果として電気加熱体１全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００１９】
なおここでは領域６ａの抵抗値を領域６ｂの抵抗値よりも高くすると表現したが、図３（ａ），（ｂ）に示す波薄板６の構成は領域６ａの質量を領域６ｂの質量よりも小さくしたと解釈することもできる。領域６ａの質量を領域６ｂの質量よりも小さくすることにより、領域６ａの比熱が領域６ｂの比熱よりも小さくなり、結果として領域６ａの昇温効率を高めることができる。
【００２０】
上記電気加熱体１において、図４及び図５（ａ），（ｂ）に示すように、領域６ａ表面中央部付近に波薄板６の長さ方向に伸びるリブ６ｄを形成してもよい。このようなリブ６ｄを形成することにより、領域６ｂと比較して板厚が薄い領域６ａの強度を補強し、電気加熱体１全体の機械的強度を向上させることができる。図５（ａ），（ｂ）では、リブ６ｄの高さは領域６ａにおける波薄板６の厚さとリブ６ｄの高さの合計値が領域６ｂにおける波薄板６の厚さと略同じになるように設計されているが、必ずしもこの高さである必要はない。
【００２１】
リブ６ｄの断面形状は、特に限定されることはないが、プレス型により成形する際の型抜きの容易さを考慮して三角形や台形形状にすることが望ましい。リブ６ｄの先端部及び側壁部の形状は、角部があることによって温度分布による応力が集中することを避けるために、微小な曲げ半径を付与したり、一次微分及び二次微分の４項全てがゼロになる曲線形状にしたりして、できるだけ滑らかな曲線形状にすることが望ましい。
【００２２】
一般に中心電極４付近の数周は波薄板６の曲げ半径は小さく、またその曲げ角度が大きくなる。このため波薄板６を加工する際には、波薄板６に大きな応力が加わることによって波薄板６の耐久性が低下する恐れがある。さらには、中心電極４付近の数周は波薄板６の曲げ角度が安定しないために、領域６ａ及び領域６ｂの位置決めが難しく、結果として生産時間が長くなったり、位置ずれによって歩留まりが悪化したりする恐れがある。このことから、上記実施形態では波薄板６の全ての巻周において領域６ａと領域６ｂを形成したが、中心電極４から数周（３周程度）目の平薄板５又は波薄板６までは領域６ａ及び領域６ｂを形成しないことが望ましい。
【００２３】
電気加熱体１はコア２を外筒３に挿入することにより形成されるが、この際、コア２の外周に近い薄板が変形したり、狭いところに押し込まれることによりコア２の外周に近い薄板に残留応力が発生したりすることによって、波薄板６の耐久性が低下する恐れがある。このことから、上記実施形態では波薄板６の全ての巻周において板厚が異なる領域６ａと領域６ｂを形成したが、最外周から数周（３周程度）目の平薄板５又は波薄板６までは領域６ａ及び領域６ｂを形成しないことが望ましい。領域６ａ及び領域６ｂが形成されていない巻周があったとしても、この巻周が波薄板６全体の長さに占める割合は数％であるので、昇温効率に与える影響は小さい。領域６ａ及び領域６ｂが形成されていない巻周が波薄板６全体の長さに占める割合は生産性，耐久性，及び昇温効率を考慮して設計者が適宜設定できる。
【００２４】
本実施形態では、領域６ａ内の板厚を均一にしたが、波薄板６の長さ方向において領域６ａの板厚を適宜変化させてもよい。具体的には、領域６ａの板厚を中央部から長さ方向端部に向かって増加させることにより、領域６ａの抵抗率が波薄板６の長さ方向において中央部付近を最大値とする分布状態を有するようにしてもよい。このような構成によれば、領域６ａの中央部の抵抗値が領域６ｂに近い長さ方向端部の抵抗値よりも大きくなるので、領域６ａの発熱エネルギーが領域６ｂを介して平薄板５に伝導することにより昇温効率が低下することを防止できる。
【００２５】
〔第２の実施形態〕
次に、図６，図７（ａ），（ｂ）を参照して、本発明の第２の実施形態となる電気加熱体の構成について説明する。本発明の第２の実施形態となる電気加熱体の構成は波薄板６の構成のみが上記第１の実施形態となる電気加熱体の構成と異なる。以下では波薄板６の構成についてのみ説明し、その他の構成についてはその説明を省略する。
【００２６】
本実施形態では、波薄板６の略直線部に対応する領域６ａには図６，７（ａ）に示すように複数の円形形状の孔７が形成されている。このような構成によれば、領域６ａの断面積が部分的に小さくなるので、上記第１の実施形態となる電気加熱体１と同様に、領域６ａの抵抗値は図７（ｂ）に示すように領域６ｂの抵抗値よりも大きくなる。また略直線部に対応する領域６ａの質量は山部及び谷部に対応する領域６ｂの質量よりも小さくなるので、領域６ａの比熱は領域６ｂの比熱よりも小さくなる。従って上記第１の実施形態となる電気加熱体と同様に領域６ａの昇温効率を領域６ｂの昇温効率よりも高くし、電気加熱体１全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００２７】
本発明の第２の実施形態となる電気加熱体によれば、孔７を波薄板６の全面ではなく部分的に形成するので、波薄板６の全面に渡って孔を形成する場合と比較して、型抜きや機械加工等の工程数を削減することができ、結果として生産時間を短縮して生産効率を向上させることができる。また波薄板６の全面に渡って孔を形成する場合と比較して、孔の個数及び孔の形成回数を少なくできるので、型及び加工工具のメンテナンスに要する時間及びコストを低減できる。
【００２８】
本実施形態では、図７（ｂ）に示すように領域６ａ内において所定間隔及び所定周期で抵抗値を変化させたが、孔７の径，個数，及び形成位置を変化させることにより波薄板６の長さ方向において領域６ａ内の抵抗率を適宜変化させてもよい。具体的には、図８，９（ａ）に示すように波薄板６の長さ方向のどの位置にも孔７が形成されているように領域６ａ内に孔７を配置することにより、図９（ｂ）に示すように領域６ａの抵抗値が波薄板６の長さ方向において領域６ｂの抵抗値よりも常に大きくなるようにしてもよい。このような構成によれば、孔７を形成したことによる領域６ａの抵抗値の変化率が波薄板６の長さ方向において連続的になるので、領域６ａ内での昇温効率のばらつきを小さくし、昇温効率を一定にすることができる。
【００２９】
図１０，１１（ａ）に示すように孔７の個数が領域６ａの中央部から長さ方向端部に向かって減少するように孔７を配置することにより、図１１（ｂ）に示すように領域６ａの抵抗率が波薄板６の長さ方向において中央部付近を最大値とする分布状態を有するようにしてもよい。このような構成によれば、領域６ａの中央部の抵抗値が領域６ｂに近い長さ方向端部の抵抗値よりも大きくなるので、領域６ａの発熱エネルギーが領域６ｂを介して平薄板５に伝導することにより昇温効率が低下することを防止できる。
【００３０】
図１２，１３（ａ）に示すように孔７の径が領域６ａの中央部から長さ方向端部に向かって小さくなるように孔７を形成，配置することにより、図１３（ｂ）に示すように領域６ａの抵抗率が波薄板６の長さ方向において中央部付近を最大値とする分布状態を有するようにしてもよい。このような構成によれば、領域６ａの中央部の抵抗値が領域６ｂに近い長さ方向端部の抵抗値よりも大きくなるので、領域６ａの発熱エネルギーが領域６ｂを介して平薄板５に伝導することにより昇温効率が低下することを防止できる。
【００３１】
本実施形態では、孔７の形状は円形形状であるとしたが、図１４，１５（ａ），（ｂ）に示すような波薄板６の長さ方向に伸びる長方形形状のスリット８や、図１６，１７（ａ），（ｂ）に示すような波薄板６の幅方向に伸びる長方形形状のスリット９を孔７の代わりに形成してもよい。スリット８，９は、図１５（ａ）又は図１６（ａ）に示すように波薄板６の長さ方向又は幅方向に一つ形成してもよいし、図１５（ｂ）又は図１６（ｂ）に示すように波薄板６の長さ方向又は幅方向に複数、且つ、交互に形成してもよい。
【００３２】
但しスリット８，９の形状を完全な長方形形状とした場合、角部に応力が集中することによって波薄板６の耐久性が低下する可能性がある。従って、スリット８，９の形状を長方形形状とする場合には角部に曲げ半径を付けて角部を無くすことが望ましい。またスリット８，９の形状を長方形形状ではなく楕円形状にしてもよい。なお孔７及びスリット８，９の形状は台形形状，五角形形状，六角形形状等のその他の形状であってもよい。
【００３３】
〔その他の実施形態〕
上記第１及び第２の実施形態の電気加熱体は、薄板に触媒を担持させることにより電気加熱触媒体として利用することができる。例えば、既存の燃焼触媒技術を用いた触媒材料を薄板に担持させることにより、本実施形態の電気加熱体は電気加熱燃焼触媒体として利用することができる。電気加熱燃焼触媒体は、触媒活性が低い低温の場合であっても、燃焼ガスが供給される前に電気的に加熱することによって触媒を昇温して触媒活性を高めることができる。
【００３４】
上記第２の実施形態となる電気加熱体の波薄板６に触媒を担持させる場合には、図１８に示すように、全ての孔６が触媒１０の表面張力によって触媒１０により塞がれる大きさであってもよい。また一部の孔６が触媒１０により塞がれ、その他の孔６は図１９に示すように触媒１０により塞がれない大きさであってもよい。例えば、孔６の径が０．１［ｍｍ］程度以下であれば触媒１０の表面張力によって孔６は塞がれる。しかし、孔６の径が０．８［ｍｍ］程度以上であれば、触媒１０の表面張力によって塞がれ難くなる。
【００３５】
全ての孔６が触媒１０により塞がれた場合であっても、触媒１０は絶縁体であるために領域６ａの抵抗値は殆ど変化しない。従って、孔６を形成しない時と同じ触媒面積を確保し、孔６を形成しない時と同等な燃焼性能を実現できる。また触媒１０により塞がれていない孔６を水抜き用の孔として利用することにより、内部で発生した水分を排出し、触媒１０の耐水性を向上できる。また触媒１０により塞がれていない孔６を空気流路として利用することにより、燃焼ガスの混合性能，圧損，及び燃焼性能を向上できる。
【００３６】
〔実施例〕
以下、本発明に係る電気加熱体の幾つかの実施例について説明する。
【００３７】
〔実施例１〕
実施例１の電気加熱体では、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、波薄板６の山部から次の山部までの水平方向距離を１．２［ｍｍ］，山部の頂点と谷部の頂点間の垂直方向距離を１．６［ｍｍ］，略直線部Ｒ２の長さを１．０［ｍｍ］とした。また山部（谷部）Ｒ１の曲げ半径及び曲げ角度を０．３［ｍｍ］及び１８０［°］とすることにより、山部（谷部）Ｒ１の長さを０．３π（約０．９）［ｍｍ］とした。
【００３８】
波薄板６の長さ方向で略直線部Ｒ２の長さが占める割合は約５１［％］であった。平薄板５と波薄板６により囲まれるガス流路をセルと定義した場合、セルの断面積は約１．０［ｍｍ２］であり、１平方インチあたりのセル密度は約６７０［cpsi］であった。なおセル密度は、数式（２５．４［ｍｍ２］／セル断面積）にセル断面積の値［ｍｍ２］を代入することにより算出した。
【００３９】
この実施例１の電気加熱体について、波薄板６における略直線部Ｒ２の開孔率（略直線部Ｒ２の面積中に占める孔７の面積の比率）の変化に伴う電力比率，電流密度比率，略直線部Ｒ２における昇温比率，及び曲線部（山部及び谷部）Ｒ１における昇温比率の変化をシミュレーションにより評価した結果を図２１に示す。
【００４０】
図２１に示す各比率は開孔率が０である時の各比率を１として規格化されている。電力比率とは総消費電力に対する波薄板６の消費電力の割合を意味する。電流密度比率とは波薄板６の曲線部Ｒ１の平均電流密度に対する略直線部Ｒ２の平均電流密度の割合を意味する。昇温比率とは平均昇温速度を意味する。
【００４１】
図２１に示すように、波薄板６の開孔率の増加に伴い、電力比率と曲線部Ｒ１における昇温比率は低下するのに対して、電流密度比率と略直線部Ｒ２における昇温比率は増加する。電力比率の低下は、開孔率が増加するのに伴い波薄板６全体の抵抗値が増加し、オームの法則に従って同一電圧における電流値が低下したことを意味する。曲線部Ｒ１における昇温比率の低下は、電流量の低下に伴って抵抗値が変化しない曲線部Ｒ１における発熱量が低下したことを意味する。電流密度比率の増加は、曲線部Ｒ１の電流密度は減っているが、開孔率の増加に伴い略直線部Ｒ２の平均断面積が減ることによって略直線部Ｒ２の電流密度が増加していることを意味する。略直線部Ｒ２における昇温比率の増加は、略直線部Ｒ２の電流密度が増加していることを意味する。
【００４２】
以上の結果から、略直線部Ｒ２の開孔率を増加させることにより、電気加熱体の総消費電力を低減しつつ、略直線部Ｒ２の昇温効率を向上できることが知見される。但し、略直線部Ｒ２の開孔率を増加させた場合、略直線部Ｒ２の断面積が低下するので、波薄板６の強度及び耐久性が低下する恐れがある。従って、略直線部Ｒ２の開孔率は、機械力学や電気工学の技術を用いて、機械的強度，耐久性，及び電力・昇温効率を考慮して設定することが望ましい。
【００４３】
〔実施例２〕
実施例２の電気加熱体では、図２２（ａ）に示すように、波薄板６の山部から次の山部までの水平方向距離を２．０［ｍｍ］，山部の頂点と谷部の頂点との間の垂直方向距離を３．２［ｍｍ］，略直線部Ｒ２の長さを２．２［ｍｍ］とした。また山部（谷部）Ｒ１の曲げ半径及び曲げ角度を０．５［ｍｍ］及び１８０［°］とすることにより、山部（谷部）Ｒ１の長さを０．５π（約１．６）［ｍｍ］とした。波薄板６の長さ方向で略直線部Ｒ２の長さが占める割合は約５８［％］であった。セルの断面積は約３．２［ｍｍ２］であり、１平方インチあたりのセル密度は約２００［cpsi］であった。なお本実施例では、波薄板６の抵抗値を部分的に変化させたが、図２３（ａ）に示すように平薄板５の板厚を部分的に変化させることにより平薄板５の抵抗値を部分的に変化させてもよい。
【００４４】
〔実施例３〕
実施例３の電気加熱体では、図２２（ｂ）に示すように、波薄板６の山部から次の山部までの水平方向距離を１．６［ｍｍ］，山部の頂点と谷部の頂点との間の垂直方向距離を１．６［ｍｍ］，略直線部Ｒ２の長さを０．５［ｍｍ］とした。また山部（谷部）Ｒ１の曲げ半径及び曲げ角度を０．４［ｍｍ］及び１８０［°］とすることにより、山部（谷部）Ｒ１の長さを０．４π（約１．３）［ｍｍ］とした。波薄板６の長さ方向で略直線部Ｒ２の長さが占める割合は約２８［％］であった。セルの断面積は約１．０［ｍｍ２］であり、１平方インチあたりのセル密度は約６２０［cpsi］であった。
【００４５】
〔実施例４〕
実施例４の電気加熱体では、図２２（ｃ）に示すように、波薄板６の山部から次の山部までの水平方向距離を３．６［ｍｍ］，山部の頂点と谷部の頂点との間の垂直方向距離を１．８［ｍｍ］，略直線部Ｒ２の長さを１．５［ｍｍ］とした。また山部（谷部）Ｒ１の曲げ半径及び曲げ角度をそれぞれ０．５［ｍｍ］及び９０［°］とすることにより、山部（谷部）Ｒ１の長さを０．２５π（約０．８）［ｍｍ］とした。波薄板６の長さ方向で略直線部Ｒ２の長さが占める割合は約６５［％］であった。セルの断面積は約３．２［ｍｍ２］あり、１平方インチあたりのセル密度は約２００［cpsi］であった。なお本実施例では、波薄板６の抵抗値を部分的に変化させたが、図２３（ｂ）に示すように平薄板５の板厚を部分的に変化させることにより平薄板５の抵抗値を部分的に変化させてもよい。
【００４６】
〔実施例５〕
実施例５の電気加熱体では、図２２（ｄ）に示すように、波薄板６の山部から次の山部までの水平方向距離を１．８［ｍｍ］，山部の頂点と谷部の頂点との間の垂直方向距離を０．９［ｍｍ］，略直線部Ｒ２の長さを０．２７［ｍｍ］とした。また山部（谷部）Ｒ１の曲げ半径及び曲げ角度をそれぞれ０．５［ｍｍ］及び９０［°］とすることにより、山部（谷部）Ｒ１の長さを０．２５π（約０．８）［ｍｍ］とした。波薄板６の長さ方向で略直線部Ｒ２の長さが占める割合は約２５［％］であった。セルの断面積は約０．８［ｍｍ２］であり、１平方インチあたりのセル密度は約８００［cpsi］であった。
【００４７】
〔開孔率の変化に伴うエネルギー効率の比率の変化〕
図２４は、略直線部Ｒ２の開孔率Ｏの変化に伴う、波薄板６全体のエネルギー効率に対する略直線部Ｒ２のエネルギー効率の比率の変化、換言すれば波薄板６全体の平均昇温速度に対する略直線部Ｒ２の平均昇温速度の比率の変化を、幾つかの高抵抗部比率（波薄板６中で略直線部Ｒ２の長さが占める割合）Ｒについてシミュレーションした結果を示す図である。
【００４８】
図２４に示すように、略直線部Ｒ２の開孔率Ｏと高抵抗部比率Ｒの組み合わせに応じてエネルギー効率の比率が多様に変化することがわかる。また高抵抗部比率Ｒに応じて、エネルギー効率の変化曲線が異なり、最適な開孔率も異なることがわかる。また比率が１．０である時は、開孔率Ｏが０［％］である時、又は波薄板６全体のエネルギー効率が開孔率Ｏが０［％］である時と同等の時である。従って比率が１．０以上である時は全体のエネルギー効率が開孔率Ｏが０［％］の時よりもよい時となり、比率が１．０未満である時は全体のエネルギー効率が開孔率Ｏが０［％］の時よりも悪い時となる。
【００４９】
図２４に示すシミュレーション結果から得られた知見をまとめると図２５に示すようになる。図２５は、高抵抗部比率Ｒに対する開孔率Ｏの変化を示す図である。図２５中の点線は開孔率Ｏが０％である時と同じ全体エネルギー効率が得られる直線を示し、ある高抵抗部比率Ｒの値における全体エネルギー効率の分岐点を示す。すなわち図２５に示す点線は、図２４の各曲線が示す比率が１．０を超えた後に再び１．０になった点を直線に近似したものであり、本例では数式：開孔率Ｏ＝０．８２５×高抵抗部比率Ｒ＋９．８７５の直線により表される。
【００５０】
図２５に示す点線のデータから、ある高抵抗部比率Ｒの値においては開孔率Ｏをこの点線が示す値よりも低くした方が全体のエネルギー効率が良くなることがわかる。また開孔率Ｏをこの点線が示す値よりも多くすることによりも、開孔率Ｏを０［％］とする、又は波薄板６全体に孔をあけて高抵抗化した方が全体のエネルギー効率が良くなることがわかる。
【００５１】
図２５に示す実線は、最もエネルギー効率が高くなる開孔率を示す直線であり、図２４の各曲線のピーク位置における開孔率Ｏを高抵抗部比率Ｒに応じてプロットしたものを二次曲線に近似したものである。本例では実線は数式：開孔率Ｏ＝０．００２９×高抵抗部比率Ｒ２＋０．２２８×高抵抗部比率Ｒ＋７．６７８６の直線により表される。従ってセル形状によって定まる高抵抗部比率Ｒの値を上記数式に代入してその時の開孔率Ｏを算出することにより、全体のエネルギー効率を最適化することができる。但し、この図に示す点線及び直線の数式は近似により得られたものであるので、計算により得られた開孔率Ｏの±１０［％］の範囲内であればほぼ最適な開孔率Ｏであると判断できる。
【００５２】
〔内燃機関〕
図２６は、本発明に係る電気加熱体が適用されるガソリンエンジンの構成を示す模式図である。図２６はガソリンエンジンのみを示し、その他の部品の図示は省略している。本例は、本発明に係る電気加熱体をガソリンエンジンに適用したものであるが、ディーゼルエンジン、液化プロパンガスエンジン，エタノールエンジン等のその他の内燃機関にも適用できる。この内燃機関は、工事現場等で使用される簡易発電機や，蒸気機関車，自動車，バス，トラック，自動二輪車等の車両の動力源として利用できる。
【００５３】
図２６に示すガソリンエンジンでは、始めに吸気部２１を介して空気がエンジン２２内に導入される。空気が導入されるのに伴い、圧縮された燃焼ガスが燃焼し、燃焼ガスが膨張することによってピストンが押し下げられる。押し下げられたピストンによってクランク２３からの動力が図示しないトランスミッションを経由して図示しないタイヤの駆動軸に伝達される。エンジン２２内で燃焼された排気ガスは、排気部２４を介して燃焼装置２５に導入される。
【００５４】
燃焼装置２５内には本発明に係る電気加熱体１が中心電極４が排気ガスが通流する流路の略中心に位置するように設置され、電気加熱体１はバッテリ２７からの電力を利用して排気ガスが通流する流路の一部を加熱する。排気ガスは、電気加熱体１により温められ、電気加熱体１の下流側に設置された燃焼触媒２６において浄化される。すなわち、燃焼触媒２６は排気ガス中に含まれる燃料の未燃焼成分及び不完全燃焼成分を燃焼する。電気加熱体１の制御を含むガソリンエンジン全体の制御はコントローラ２８により実行される。
【００５５】
〔燃焼電池システム〕
図２７は、本発明に係る電気加熱体が適用される燃料電池システムの構成を示す模式図である。この燃料電池システムは、家庭用・工業用の発電給湯システムや、燃料電池機関車，燃料電池自動車，燃料電池バス，燃料電池スクーター等の電気車両の動力源として利用することができる。
【００５６】
図２７に示す燃料電池システムでは、燃料電池ケース３１内に燃料電池３２が搭載されている。燃料電池３２は、空気極であるカソードと燃料極であるアノードとを数十〜数百組積層することにより形成した燃料電池スタックにより形成されている。この燃料電池システムでは、コンプレッサ３３から供給された空気が、空気供給配管３４を介して水分回収装置３５に供給され、水分回収装置３５において加湿された後に空気供給配管３６を介してカソードに供給される。カソードにおいて発電に利用された空気は、カソードオフガスとして空気排出配管３７を介して水分回収装置３５に供給され、水分回収装置３５内において除湿される。水分回収装置３５内において回収された水分は空気の加湿のために利用される。除湿されたカソードオフガスは、排気配管３８を介して燃焼装置２５に導入される。
【００５７】
水素タンク３９から供給された水素は水素循環装置４０及び水素供給配管４１を介してアノードに供給される。アノードにおいて発電に利用された水素は、アノードオフガスとして水素排出配管４２を介して再び水素循環装置４０に導入される。このように水素を循環利用することにより、水素を効率的に利用することができる。但し、燃料電池３２の発電に伴い、水蒸気や窒素等のアノード内の不純物濃度が上昇して水素濃度が低下することにより、発電効率が低下する。従ってこの場合、水素循環装置４０の下流側に設置されているパージバルブ４３を開くパージ処理を行うことにより、アノードオフガスが排気配管３８を介して燃焼装置２５に導入される。
【００５８】
燃焼装置２５内には本発明に係る電気加熱体１が中心電極４がアノードオフガス及びカソードオフガスが通流する流路の略中心に位置するように設置され、電気加熱体１はバッテリ２７からの電力を利用してアノードオフガス及びカソードオフガスが通流する流路の一部を加熱する。アノードオフガス及びカソードオフガスは、電気加熱体１により温められ、電気加熱体１の下流側に設置された燃焼触媒２６において浄化される。すなわち、燃焼触媒２６はアノードオフガス中に含まれる水素を燃焼する。電気加熱体１の制御を含む燃料電池システム全体の制御はコントローラ２８により実行される。
【００５９】
〔暖房システム〕
図２８は、本発明に係る電気加熱体が適用される暖房システムの構成を示す模式図である。この暖房システムは、触媒燃焼式のファンヒーターやバス等の客室用のヒータとして利用することができる。図２８に示す暖房システムでは、空気ブロア５１から供給された空気が、燃料供給配管５２を介して燃料タンク５３から供給された燃料と混合された後に本発明に係る電気加熱触媒体１に供給される。電気加熱触媒体１は、中心電極４が空気が通流する流路の略中心に位置するように設置され、バッテリ２７からの電力を利用して燃料と混合された空気を燃焼する。これにより電気加熱触媒体１の下流側からは暖かな空気が排出される。電気加熱触媒体１の制御を含む暖房システム全体の制御はコントローラ２８により実行される。
【００６０】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態となる電気加熱体の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となる電気加熱体について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図３】図２に示す波薄板の構成を示す側面図及び斜視図である。
【図４】図２に示す電気加熱体の変形例について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図５】図４に示す波薄板の構成を示す側面図及び斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態となる電気加熱体について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図７】図６に示す波薄板の上面図及び長さ方向の抵抗値の分布状態を示す図である。
【図８】図６に示す電気加熱体の変形例について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図９】図８に示す波薄板の上面図及び長さ方向の抵抗値の分布状態を示す図である。
【図１０】図６に示す電気加熱体の変形例について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図１１】図１０に示す波薄板の上面図及び長さ方向の抵抗値の分布状態を示す図である。
【図１２】図６に示す電気加熱体の変形例について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図１３】図１２に示す波薄板の上面図及び長さ方向の抵抗値の分布状態を示す図である。
【図１４】図６に示す電気加熱体の変形例について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図１５】図１４に示す波薄板の上面図を示す図である。
【図１６】図６に示す電気加熱体の変形例について、コアを構成する平薄板と波薄板を平面上に展開した状態を示す図である。
【図１７】図１６に示す波薄板の上面図を示す図である。
【図１８】波薄板に形成した孔が触媒により塞がれた状態を示す図である。
【図１９】波薄板に形成した孔が触媒により塞がれていない状態を示す図である。
【図２０】実施例１の電気加熱体の構成を示す図である。
【図２１】図２０に示す電気加熱体について、開孔率の変化に伴う電力比率，電流密度比率，略直線部における昇温比率，及び曲線部における昇温比率の変化を評価した結果を示す図である。
【図２２】実施例２〜５の電気加熱体の構成を示す図である。
【図２３】実施例２及び実施例４の電気加熱体の応用例の構成を示す図である。
【図２４】略直線部の開孔率の変化に伴うエネルギー効率の比率の変化を評価した結果を示す図である。
【図２５】高抵抗部比率に対する開孔率の変化を示す図である。
【図２６】本発明に係る電気加熱体が適用されるガソリンエンジンの構成を示す模式図である。
【図２７】本発明に係る電気加熱体が適用される燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２８】本発明に係る電気加熱体が適用される暖房システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１：電気加熱体
２：コア
３：外筒
４：中心電極
５：平薄板
６：波薄板
７：孔
８，９：スリット
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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