(57)【要約】  ＰＴＣ材料を用いたヒーターエレメントにおいて、十分な熱伝達面積と電気抵抗特性を満足する車室暖房用ヒーターエレメントを提供する。外周側壁と、外周側壁の内側に配設され、第１の底面から第２の底面まで流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、を有する柱状ハニカム構造部を備える車両の車室暖房用ヒーターエレメントであって、前記隔壁はＰＴＣ特性を有しており、前記隔壁の平均厚みが０．１３ｍｍ以下であり、前記第１及び第２の底面における開口率が０．８１以上である車室暖房用ヒーターエレメント。
2020036067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周側壁と、
外周側壁の内側に配設され、第１の底面から第２の底面まで流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、
を有する柱状ハニカム構造部を備える車両の車室暖房用ヒーターエレメントであって、
前記隔壁はＰＴＣ特性を有しており、
前記隔壁の平均厚みが０．１３ｍｍ以下であり、
前記第１及び第２の底面における開口率が０．８１以上である、
車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項２】
前記外周側壁及び前記隔壁はＰＴＣ特性を有する請求項１に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項３】
前記隔壁の平均厚みが０．０８ｍｍ以下であり、セル密度が６０セル／ｃｍ2以上である請求項１又は２に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項４】
前記柱状ハニカム構造部は、前記第１及び第２の底面の面積が５０ｃｍ2以上であり、前記セルの流路長さが４０ｍｍ以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項５】
前記柱状ハニカム構造部は、円柱形状又は多角柱形状である請求項１〜４の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項６】
前記外周側壁及び前記隔壁はキュリー点が１００℃以上２５０℃以下の材料で構成されている請求項１〜５の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項７】
前記外周側壁及び前記隔壁は、チタン酸バリウムを主成分とする材料で構成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項８】
みかけの熱伝達率ｈ（単位：Ｗ／（ｍ2・Ｋ））×総表面積（単位：ｍ2）Ｓが、２０〜８０Ｗ／Ｋである請求項１〜７の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
（みかけの熱伝達率ｈは、下記式（１）によって求められ、
ｈ＝（Ｎｕ／ｄ）×λ  ・・・（１）
式（１）中、Ｎｕは固定値として３．６３、ｄは前記セルの水力直径（ｍ）を示し、λは空気の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を示し、λ＝２．５×１０-2とする；
総表面積Ｓは、下記式（２）によって求められ、
Ｓ＝ＧＳＡ×Ｖ  ・・・（２）
式（２）中、Ｖは前記柱状ハニカム構造部の容積（ｍ3）を示し、ＧＳＡは前記柱状ハニカム構造部の容積あたりの表面積（ｍ2／ｍ3）を示し、ＧＳＡは下記式（３）によって求められる：
ＧＳＡ＝｛４（Ｐ−ｔ）×Ｌｉ｝／｛Ｌｉ×Ｐ2｝  ・・・（３）
式（３）中、Ｌｉは単位長さ（１ｍ）を示し、Ｐは平均セルピッチ（ｍ）を示し、ｔは前記隔壁の平均厚み（ｍ）を示す。）
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメントの二つ以上を外周側壁同士で接合した車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項１０】
前記柱状ハニカム構造部が、一対の電極を有する請求項１〜９の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項１１】
前記柱状ハニカム構造部の両底面にそれぞれ電極が接合されている請求項１０に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項１２】
前記各電極は、セルを塞ぐことなく前記第１及び第２の底面を被覆するように設けられている請求項１１に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項１３】
前記各電極間に２００Ｖ以上の電圧を印加する請求項１０〜１２の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメントの使用方法。
【請求項１４】
前記セルに流入するガスの温度が−６０℃〜２０℃である請求項１３に記載の車室暖房用ヒーターエレメントの使用方法。
【請求項１５】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント、
外気又は車室内空気と前記車室暖房用ヒーターエレメントの第１の底面を連通する流入配管、
前記車室暖房用ヒーターエレメントに電圧を印加するためのバッテリー、及び
前記車室暖房用ヒーターエレメントの第２の底面と車室内空気を連通する流出配管、
を備えた車室暖房用ヒーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車室暖房用ヒーターエレメント及びその使用方法に関する。また、本発明は車室暖房用ヒーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境保護の観点から、自動車からのＣＯ2排出量の低減要求が高まっている。また、都市部での環境基準達成の観点から、自動車からの窒素酸化物等のゼロエミッション化要求が高まっている。これらに対応可能な対策として、電気自動車が注目されている。しかしながら、電気自動車は従来暖房の熱源としていた内燃機関を持たないので、暖房の熱源が不足するという問題がある。【０００３】
そこで、バッテリーの電力を有効に用いて暖房を行うために蒸気圧縮ヒートポンプが用いられてきた（特許文献１）。蒸気圧縮ヒートポンプでは、媒体を電動コンプレッサーにより圧縮し、気相−液相間の相変化での吸熱及び放熱を利用して、冷たい外気から車室内へ熱をポンピングするものであり、投入電力に対し、ポンピングできる熱量が大きいので電気エネルギーをより有効に利用できるという利点がある。【０００４】
また、通電時の電気抵抗により発生するジュール熱を利用したヒーターも知られている（特許文献２）。ジュール熱を利用したヒーターでは、発熱体が熱交換器に配置されており、熱交換器を通過する流体が加熱される。ジュール熱を利用したヒーターは、車両始動時の急速加熱が必要なときや外気温が非常に低い時に有効である。発熱体としては、熱暴走を防止するためＰＴＣ材料を用いることが知られている。【０００５】
一方で、ハニカム状のヒーターエレメントを用いたヒーター（以下、「ハニカムヒーター」という。）が知られている。例えば、特許文献３には、チタン酸バリウム系のＰＴＣサーミスタを利用したハニカム状発熱体が温風暖房機、乾燥機、ヘアドライヤ等の分野に使用されることが記載されている。また、特許文献４には、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン及び燃焼装置からの排ガスを加熱するのに有効な通電用ハニカム構造体が記載されている。更に、特許文献５においても、内燃機関の排ガスを処理するための電気加熱可能なハニカム体が記載されている。特許文献５には、ＰＴＣ材料からなる少なくとも１個の制御要素が、ハニカム体を貫流する流体に少なくとも熱的に接触されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−３０７２４号公報
【特許文献２】特表２０１５−５１９２６０号公報
【特許文献３】実開昭５４−１２３４４２号公報
【特許文献４】特許第５２６１２５６号公報
【特許文献５】特開２００８−２１５３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱効率の観点からはヒートポンプが優れているが、ヒートポンプは外気が極低温の時に作動が困難であること、及び車両始動時に急速に車室を温めることが困難であるといった問題がある。そこで、ヒートポンプを主たる暖房として使用しつつ、車両始動時の急速加熱が必要なときや外気温が非常に低い時に、ジュール熱を利用したヒーターを補助的に活用することは実用的であると考えられる。【０００８】
しかしながら、従来のジュール熱を利用したヒーターは大型化しやすく、車内スペースを圧迫するという問題がある。このため、よりコンパクトなヒーターが提供されることが望ましい。この点、ハニカムヒーターは体積当たりの熱伝達面積を大きくすることができるため、ヒーターの小型化に資すると考えられる。しかしながら、特許文献４に記載の通電用ハニカム構造体は、ハニカム構造体がＮＴＣ特性を有するため、過剰に発熱してしまい、車室暖房用のヒーターとしては適応しにくいものである。また、特許文献５に記載の技術では、ＰＴＣ材料からなる制御要素の温度がハニカム体の温度に追随せず、車室暖房用のヒーターとしては、過剰発熱の抑制効果が十分といえるものではなかった。一方、特許文献３に記載のＰＴＣサーミスタを利用したハニカム状発熱体は、過剰な発熱を抑制できるものの、十分な加熱面積と電気抵抗特性を満足できるものではなかった。特に、初期電気抵抗が低すぎて、初期電流が過大になってしまう問題があった。電流値が高くなると、それに対応して周辺機器を設計する必要が出てくるため、コスト高になる。以上のことから、従来、自動車や電車といった車両の車室を暖房する用途において上記の問題を解決するハニカムヒーターは未だ存在していない。【０００９】
本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、ＰＴＣ材料を用いたヒーターエレメントにおいて、十分な熱伝達面積と電気抵抗特性を満足する車室暖房用ヒーターエレメントを提供することを課題とする。本発明は別の一実施形態において、そのような車室暖房用ヒーターエレメントの使用方法を提供することを課題とする。本発明は更に別の一実施形態において、そのような車室暖房用ヒーターエレメントを備えた車室暖房用ヒーターを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ハニカムヒーターを車室の暖房に用いることを考慮すれば、車室を人が快適な程度の室温に加熱できれば足り、過度な加熱は必要ない点に着目するに至った。本発明者は当該見地から車室暖房用ヒーターエレメントの十分な熱伝達面積と電気抵抗特性を満足するために有効な構成要件を研究し、以下に例示される発明を完成した。【００１１】
［１］
外周側壁と、
外周側壁の内側に配設され、第１の底面から第２の底面まで流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、
を有する柱状ハニカム構造部を備える車両の車室暖房用ヒーターエレメントであって、
前記隔壁はＰＴＣ特性を有しており、
前記隔壁の平均厚みが０．１３ｍｍ以下であり、
前記第１及び第２の底面における開口率が０．８１以上である、
車室暖房用ヒーターエレメント。
［２］
前記外周側壁及び前記隔壁はＰＴＣ特性を有する［１］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［３］
前記隔壁の平均厚みが０．０８ｍｍ以下であり、セル密度が６０セル／ｃｍ2以上である［１］又は［２］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［４］
前記柱状ハニカム構造部は、前記第１及び第２の底面の面積が５０ｃｍ2以上であり、前記セルの流路長さが４０ｍｍ以下である［１］〜［３］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［５］
前記柱状ハニカム構造部は、円柱形状又は多角柱形状である［１］〜［４］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［６］
前記外周側壁及び前記隔壁はキュリー点が１００℃以上２５０℃以下の材料で構成されている［１］〜［５］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［７］
前記外周側壁及び前記隔壁は、チタン酸バリウムを主成分とする材料で構成されている［１］〜［６］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［８］
みかけの熱伝達率ｈ（単位：Ｗ／（ｍ2・Ｋ））×総表面積（単位：ｍ2）Ｓが、２０〜８０Ｗ／Ｋである［１］〜［７］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
（みかけの熱伝達率ｈは、下記式（１）によって求められ、
ｈ＝（Ｎｕ／ｄ）×λ  ・・・（１）
式（１）中、Ｎｕは固定値として３．６３、ｄは前記セルの水力直径（ｍ）を示し、λは空気の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を示し、λ＝２．５×１０-2とする；
総表面積Ｓは、下記式（２）によって求められ、
Ｓ＝ＧＳＡ×Ｖ  ・・・（２）
式（２）中、Ｖは前記柱状ハニカム構造部の容積（ｍ3）を示し、ＧＳＡは前記柱状ハニカム構造部の容積あたりの表面積（ｍ2／ｍ3）を示し、ＧＳＡは下記式（３）によって求められる：
ＧＳＡ＝｛４（Ｐ−ｔ）×Ｌｉ｝／｛Ｌｉ×Ｐ2｝  ・・・（３）
式（３）中、Ｌｉは単位長さ（１ｍ）を示し、Ｐは平均セルピッチ（ｍ）を示し、ｔは前記隔壁の平均厚み（ｍ）を示す。）
［９］
［１］〜［８］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメントの二つ以上を外周側壁同士で接合した車室暖房用ヒーターエレメント。
［１０］
前記柱状ハニカム構造部が、一対の電極を有する［１］〜［９］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１１］
前記柱状ハニカム構造部の両底面にそれぞれ電極が接合されている［１０］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１２］
前記各電極は、セルを塞ぐことなく前記第１及び第２の底面を被覆するように設けられている［１１］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１３］
前記各電極間に２００Ｖ以上の電圧を印加する［１０］〜［１２］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメントの使用方法。
［１４］
前記セルに流入するガスの温度が−６０℃〜２０℃である［１３］に記載の車室暖房用ヒーターエレメントの使用方法。
［１５］
［１］〜［１２］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント、
外気又は車室内空気と前記車室暖房用ヒーターエレメントの第１の底面を連通する流入配管、
前記車室暖房用ヒーターエレメントに電圧を印加するためのバッテリー、及び
前記車室暖房用ヒーターエレメントの第２の底面と車室内空気を連通する流出配管、
を備えた車室暖房用ヒーター。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一実施形態に係るハニカム状ヒーターエレメントによれば、開口率が大きく、隔壁の平均厚みが薄い。当該構成により、ハニカムにおける電流通路を小さくできるので、電気抵抗を大きくでき、初期電流を抑えた車室暖房用ヒーターエレメントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るヒーターエレメントの第一実施形態についての模式的な斜視図である。
【図２】本発明に係るヒーターエレメントの第一実施形態についての模式的な断面図である。
【図３】本発明に係るヒーターエレメントの第二実施形態についての模式的な斜視図である。
【図４】本発明に係るヒーターエレメントの第三実施形態についての模式的な斜視図である。
【図５】複数のヒーターエレメントを接合した実施形態の一例を示す模式的な底面図である。
【図６】複数のヒーターエレメントを接合した実施形態についての模式的な底面図である。
【図７】図６の模式的なＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】本発明に係る車室暖房用ヒーターの構成例を示す模式図である。
【図９】実施例１に係るヒーターエレメントについて、ヒーターエレメントの温度及びヒーターエレメントから流出する空気の温度の経時変化を示すグラフである。
【図１０】比較例３に係るヒーターエレメントについて、ヒーターエレメントの温度及びヒーターエレメントから流出する空気の温度の経時変化を示すグラフである。
【図１１】（Ａ）は、比較例４及び実施例６で用いたヒーターエレメントのモデルを、流体の流れに直交する方向から見たときの側面図である。（Ｂ）は、比較例４及び実施例６で用いたヒーターエレメントのモデルを、流体の流れに平行な方向から見たときの発熱部断面図である。
【図１２】シミュレーションに使ったＰＴＣ材料の発熱量についての温度依存性を示すグラフである。
【図１３】（Ａ）は、比較例４及び実施例６に係るヒーターエレメントについて、流体の平均出口温度の経時変化を示すグラフである。（Ｂ）は、比較例４及び実施例６に係るヒーターエレメントについて、流体の平均出口温度と、入口から出口までの圧力損失との関係を示すグラフである。
【図１４】シミュレーションに使ったＰＴＣ材料の電気伝導率についての温度依存性を示すグラフである。
【図１５】（Ａ）は、実施例７及び比較例５に係るヒーターエレメントについて、流体の平均出口温度の経時変化を示すグラフである。（Ｂ）は、実施例７及び比較例５に係るヒーターエレメントについて、消費電力と時間の関係を示すグラフである。
【図１６】（Ａ）は、実施例７に係るヒーターエレメントについて、入口から出口までの隔壁の温度分布を示す。（Ｂ）は、比較例５に係るヒーターエレメントについて、入口から出口までの隔壁の温度分布を示す。
【図１７】本発明に係るヒーターエレメントの車室内における配置例を示す模式図である。
【図１８】車室内に搭載されたヒーターエレメントの柱状ハニカム構造部の底面形状例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１５】
（１．ヒーターエレメント）
【００１６】
本発明に係るヒーターエレメントは、車両の車室暖房用のヒーターエレメントとして好適に利用可能である。車両には、限定的ではないが、自動車及び電車が挙げられる。自動車としては、限定的ではないが、ガソリン車、ディーゼル車、燃料電池自動車、電気自動車及びプラグインハイブリッド自動車が挙げられる。本発明に係るヒーターエレメントは、とりわけ電気自動車及び電車のような内燃機関を持たない車両に好適に利用可能である。
【００１７】
図１には、本発明に係るヒーターエレメントの第一実施形態についての模式的な斜視図が示されている。図２には、本実施形態に係るヒーターエレメントを点線Ａに沿って切断したときの模式的な断面図が示されている。本実施形態のヒーターエレメント１００は、外周側壁１１２と、外周側壁１１２の内側に配設され、第１の底面１１４から第２の底面１１６まで流路を形成する複数のセル１１５を区画形成する隔壁１１３とを有する柱状ハニカム構造部を備える。
【００１８】
柱状ハニカム構造部は、例えば、底面が多角形（四角形（長方形、正方形）、五角形、六角形、七角形、八角形等）の柱状、底面が円形の柱状（円柱形状）、底面がオーバル形状の柱状、底面がＬ字状の柱状等の任意の形状とすることができる。底面が多角形の場合、角部は面取りしてもよい。後述する図３及び図４に示すヒーターエレメントにおける柱状ハニカム構造部は、面取りされた長方形状の底面を有する。
【００１９】
セルの流路に直交する断面におけるセルの形状に制限はないが、四角形（長方形、正方形）、六角形、八角形、又はこれらの二種以上の組み合わせであることが好ましい。これらのなかでも、正方形及び六角形が好ましい。セル形状をこのようにすることにより、ハニカム成形体にガスを流したときの圧力損失を小さくすることができる。図１に示す実施形態に係るヒーターエレメントにおける柱状ハニカム構造部は、セルの流路に直交する断面におけるセルの形状は正方形である。
【００２０】
ガス流量を確保するという観点から、柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさの下限は、５０ｃｍ2以上とすることが好ましく、７０ｃｍ2以上とすることがより好ましく、１００ｃｍ2以上とすることが更により好ましい。ヒーターエレメントをコンパクトにするという観点から、柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさの上限は、３００ｃｍ2以下とすることが好ましく、２００ｃｍ2以下とすることがより好ましく、更には１５０ｃｍ2以下とすることが更により好ましい。柱状ハニカム構造部の各底面積の大きさは、例えば５０〜３００ｃｍ2とすることができる。
【００２１】
ヒーターエレメントをコンパクトにするという観点から、柱状ハニカム構造部の高さ（各セルの流路長さ）の上限は、例えば４０ｍｍ以下とすることが好ましく、３０ｍｍ以下とすることがより好ましく、２０ｍｍ以下とすることが更に好ましく、１０ｍｍ以下とすることが更により好ましい。加熱性能及び強度を確保するという観点からは、柱状ハニカム構造部の高さ（各セルの流路長さ）の下限は３ｍｍ以上とすることが好ましい。柱状ハニカム構造部の高さ（各セルの流路長さ）は、例えば３〜４０ｍｍとすることができる。
【００２２】
従来の車載暖房用のＰＴＣヒーターは、ＰＴＣ素子が絶縁材料を介してアルミ金属等のカバーで覆い、このカバーと接触するアルミフィン構造に熱を伝えて、アルミフィンを介して空気を加熱する構成を採用しているため、ＰＴＣ素子は直接空気と接触しない。一方、本発明のヒーターエレメントは、ＰＴＣ特性を有する柱状ハニカム構造部を備えており、この柱状ハニカム構造部自体が発熱して、直接空気を加熱することができる。つまり、絶縁材料や、アルミ金属を介さず、空気に熱を伝えられるので、柱状ハニカム構造部と空気の温度差を小さくすることが可能である。したがって、目標とするガス温度に対して、従来技術ではＰＴＣ素子材料の温度を高くする必要があったが、本発明ではより低い温度のＰＴＣ材料で目標ガス温度を達成可能である。このため、従来技術で用いられていたＰＴＣ材料に比較して、キュリー温度が低いＰＴＣ材料を用いることが可能である。
【００２３】
また、従来技術においては、ＰＴＣ素子が直接空気と接触することなく、密閉された状態で使用されるため、有害成分である鉛をシフターとして含むＰＴＣ材料の使用が行われていた。しかしながら、本発明の一実施形態に係る柱状ハニカム構造部に用いるＰＴＣ材料は直接空気と触れるため、柱状ハニカム構造部に有害成分である鉛を含まないことが好ましい。
【００２４】
（１−１．材質）
図１に示す実施形態に係るヒーターエレメント１００において、隔壁１１３は通電によって発熱可能な材質である。従って、外気又は車室内空気のようなガスが、第１の底面１１４から流入してから、複数のセル１１５を通過し、第２の底面１１６から流出するまでに、当該ガスは発熱する隔壁からの伝熱によって加熱されることが可能である。同様に、外周側壁１１２も通電によって発熱可能な材質とすることができる。
【００２５】
また、図１に示す実施形態に係るヒーターエレメント１００において、隔壁１１３はＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有する。つまり、隔壁１１３は、温度が上昇してキュリー点を超えると急激に抵抗値が上昇して電気が流れにくくなるという特性を有する。隔壁１１３がＰＴＣ特性を有することによって、ヒーターエレメント１００が高温になったときにこれらに流れる電流が制限されるので、ヒーターエレメント１００の過剰な発熱が防止される。好ましくは、外周側壁１１２及び隔壁１１３が共にＰＴＣ特性を有する。
【００２６】
通電発熱可能であり、且つ、ＰＴＣ特性を有するという観点から、外周側壁１１２及び隔壁１１３は、チタン酸バリウムを主成分とする材料で構成されるセラミックスであることが好ましく、チタン酸バリウムを７０質量％以上含有する材料で構成されるセラミックスであることがより好ましく、チタン酸バリウムを９０質量％以上含有する材料で構成されるセラミックスであることが更により好ましい。当該セラミックスは希土類元素等の添加物を一種又は二種以上含有することが所望のＰＴＣ特性を得る上で好ましい。添加物としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕのような半導体化剤、Ｓｒ、Ｓｎ及びＺｒのような低温側のシフター、（Ｂｉ−Ｎａ）、（Ｂｉ−Ｋ）のような高温側のシフター、Ｍｎのような特性改善剤、酸化バナジウム及び酸化イットリウムのような金属酸化物（特に希土類元素の酸化物）、並びに、カーボンブラック及びニッケルのような導電体粉末が挙げられる。このほかのＰＴＣ材料として、クリストバライト相ＳｉＯ2を母材とし導電フィラーを含む複合材がある。クリストバライト相ＳｉＯ2母材の代替にトリジマイト相ＳｉＯ2、クリストバライト相ＡｌＰＯ4、トリジマイト相ＡｌＰＯ4を用いることもできる。
【００２７】
外周側壁及び隔壁を構成する材料のキュリー点の下限値は、暖房用に空気を効率良く加熱する観点から、１００℃以上であることが好ましく、１２５℃以上であることがより好ましく、１５０℃以上であることが更により好ましい。また、外周側壁及び隔壁を構成する材料のキュリー点の上限値は、車室または車室近傍に置かれる部品としての安全性の観点から、２５０℃以下であることが好ましく、２２５℃以下であることがより好ましく、２００℃以下であることが更により好ましい。
【００２８】
外周側壁及び隔壁を構成する材料のキュリー点は、シフターの種類及び添加量によって調整可能である。例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）のキュリー点は約１２０℃であるが、Ｂａ及びＴｉの一部をＳｒ、Ｓｎ及びＺｒの一種以上で置換することにより、キュリー点を低温側にシフトさせることができる。また、Ｂａの一部をＰｂで置換することにより、キュリー温度を高温側にシフトさせることができる。
【００２９】
本発明において、キュリー点は以下の方法により測定される。試料を測定用の試料ホルダーに取りつけ、測定槽（例：ＭＩＮＩ−ＳＵＢＺＥＲＯ  ＭＣ−８１０Ｐ  タバイ  エスペック社製）内に装着して、１０℃から昇温したときの温度変化に対する試料の電気抵抗の変化を直流抵抗計（例：マルチメーター３４７８Ａ  ＹＨＰ製）を用いて測定する。測定により得られた電気抵抗−温度プロットにより、抵抗値が室温（２０℃）における抵抗値の２倍になるときの温度をキュリー点とする。
【００３０】
（１−２．隔壁厚）
初期電流を抑えるという観点からは、電流通路を小さくして電気抵抗を大きくすることが有利である。従って、ハニカム構造部における隔壁１１３の平均厚みの上限は、０．１３ｍｍ以下であることが好ましく、０．１０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．０８ｍｍ以下であることが更により好ましい。但し、ハニカム構造部の強度を確保するという観点からは、隔壁１１３の平均厚みの下限は、０．０２ｍｍ以上であることが好ましく、０．０４ｍｍ以上であることがより好ましく、０．０６ｍｍ以上であることが更により好ましい。
【００３１】
本発明において、隔壁の厚みは、セルの流路に直交する断面において、隣接するセルの重心同士を線分で結んだときに当該線分が隔壁を横切る長さを指す。隔壁の平均厚みは、すべての隔壁の厚みの平均値を指す。
【００３２】
隔壁の厚みを薄くしていくと柱状ハニカム構造部の強度が低下しやすい。そこで、隔壁厚の大きな隔壁Ａと、隔壁厚の小さな隔壁Ｂとを設けることで強度を補うこともできる。柱状ハニカム構造部を補強するという観点からは、最も外周側のセル群を形成する隔壁は少なくとも厚くすることが好ましい。例えば、隔壁の平均厚みとしては上述した範囲を維持しつつ、一部の隔壁Ａ（例えば全隔壁数の６０％以内、好ましくは１０％〜３０％）の厚みを０．１２ｍｍ以上、好ましくは０．１５ｍｍ以上、より好ましくは０．１８ｍｍ以上、例えば０．１２〜０．１８ｍｍ、典型的には０．１５〜０．１８ｍｍとし、残りの隔壁Ｂの厚みを０．１０ｍｍ以下、好ましくは０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０６ｍｍ以下、例えば０．０５〜０．１０ｍｍ、典型的には０．０５〜０．０８ｍｍとすることができる。
【００３３】
図３及び図４には、部分的に隔壁厚の厚い箇所を設けた柱状ハニカム構造部をもつヒーターエレメントの例が記載されている。図３及び図４において、図１に示されている符号と同一の符号は、それぞれ図１と同様の説明が当てはまるので、説明を省略する。図３に示す第二実施形態のヒーターエレメントにおいては、最も外周側のセル群を区画形成する隔壁と、当該セル群を除いて最も外周側のセル群を区画形成する隔壁が、他の隔壁よりも厚くなっている。図４に示す第三実施形態のヒーターエレメントにおいては、第二実施形態で指摘した隔壁に加えて、柱状ハニカム構造部の底面の中心を通って十文字状に配列されたセル群を区画形成する隔壁も、他の隔壁より厚くなっている。
【００３４】
上記の補強方法に加えて、又は、上記の補強方法に代えて、外周側壁の厚みを大きくするとことにより柱状ハニカム構造部の強度を補うこともできる。柱状ハニカム構造部を補強するという観点からは、外周側壁の厚みの下限は、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．０６ｍｍ以上であることがより好ましく、０．０８ｍｍ以上であることが更により好ましい。但し、電気抵抗を大きくし、初期電流を抑える観点、及びガス通過時の圧力損失を低減する観点からは、外周側壁の厚みの上限は、１ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．４ｍｍ以下であることが更により好ましく、０．３ｍｍ以下であることが更により好ましい。
【００３５】
本発明において、外周側壁の厚みは、セルの流路に直交する断面において、外周側壁と最も外周側のセル又は隔壁との境界から柱状ハニカム構造部の側面までの、当該側面の法線方向の長さを指す。
【００３６】
（１−３．開口率）
初期電流を抑えるという観点から、開口率（ＯＦＡ）は大きいほうが有利である。従って、ハニカム構造部の各底面における開口率の下限は、０．８１以上であることが好ましく、０．８３以上であることがより好ましく、０．８５以上であることが更により好ましい。また、開口率（ＯＦＡ）を大きくすることにより、通風抵抗をより抑えることが可能である。但し、ハニカム構造部の強度を確保するという観点からは、ハニカム構造部の各底面における開口率の上限は０．９２以下であることが好ましく、０．９０以下であることがより好ましく、０．８８以下であることが更により好ましい。
【００３７】
本発明において、柱状ハニカム構造部の各底面における開口率は、セルの開口部を含む各底面の面積に対する当該底面におけるセルの開口部の面積の比率を指す。
【００３８】
（１−４．セル密度）
柱状ハニカム構造部は、セル密度が６０セル／ｃｍ2以上であることが好ましく、８０セル／ｃｍ2以上であることがより好ましい。先述した隔壁の平均厚みの好適な範囲と組み合わせてセル密度を上記範囲に規制することで、初期電流を抑えながら、急速加熱に適したヒーターエレメントとすることができる。通風抵抗を抑えて送風機の出力を抑制するという観点から、柱状ハニカム構造部は、セル密度が１５０セル／ｃｍ2以下であることが好ましく、１２０セル／ｃｍ2以下であることがより好ましい。本発明において、柱状ハニカム構造部のセル密度は、柱状ハニカム構造部の各底面の面積でセル数を除して得られる値である。
【００３９】
（１−５．ガスへの熱伝達率）
みかけの熱伝達率ｈ（単位：Ｗ／（ｍ2・Ｋ））に総表面積（単位：ｍ2）Ｓを乗じた値（ｈ×Ｓ）は、ヒーターエレメントからガスへの熱伝達率を表す指標となる。加熱性能を高めてヒーターエレメントを小型化する上では、ｈ×Ｓの下限は、２０Ｗ／Ｋ以上であることが好ましく、２５Ｗ／Ｋ以上であることがより好ましく、３０Ｗ／Ｋ以上であることが更により好ましく、４０Ｗ／Ｋ以上であることが更により好ましい。また、ハニカムが冷気により冷やされるために生じる熱衝撃によるハニカム破壊を回避する観点からは、ｈ×Ｓの上限は、８０Ｗ／Ｋ以下であることが好ましく、７５Ｗ／Ｋ以下であることがより好ましく、７０Ｗ／Ｋ以下であることが更により好ましい。
【００４０】
みかけの熱伝達率ｈは、下記式（１）によって求められる。
ｈ＝（Ｎｕ／ｄ）×λ  ・・・（１）
式（１）中、Ｎｕは固定値として３．６３、ｄはセルの水力直径（ｍ）を示し、λは空気の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を示し、λ＝２．５×１０-2とする。
【００４１】
総表面積Ｓは、下記式（２）によって求められる。
Ｓ＝ＧＳＡ×Ｖ  ・・・（２）
式（２）中、Ｖは柱状ハニカム構造部の容積（ｍ3）を示し、ＧＳＡは柱状ハニカム構造部の容積あたりの表面積（ｍ2／ｍ3）を示し、ＧＳＡは下記式（３）によって求められる。
ＧＳＡ＝｛４（Ｐ−ｔ）×Ｌｉ｝／｛Ｌｉ×Ｐ2｝  ・・・（３）
式（３）中、Ｌｉは単位長さ（１ｍ）を示し、Ｐは平均セルピッチ（ｍ）を示し、ｔは隔壁の平均厚み（ｍ）を示す。
【００４２】
セルの水力直径ｄ（ｍ）は、平均セルピッチＰ（ｍ）から隔壁の平均厚みｔ（ｍ）を控除することよって求められる値（ｄ＝Ｐ−ｔ）である。
柱状ハニカム構造部の容積は、柱状ハニカム構造部の外形寸法に基づいて測定される容積値を指す。
平均セルピッチ（Ｐ）とは、以下の計算によって求められる値を指す。まず、柱状ハニカム構造部の外周側壁を除く部分の底面積をセルの数で割り、１セル当たりの面積を算出する。次いで、１セル当たりの面積の平方根を算出し、これを平均セルピッチとする。
隔壁の平均厚みは先述した通りである。
【００４３】
（１−６．ヒーターエレメント同士の接合）
本発明に係るヒーターエレメントは一実施形態において、ヒーターエレメントの二つ以上を外周側壁同士で接合したヒーターエレメントとして提供することができる。小さなヒーターエレメントを複数接合して大きなヒーターエレメントとすることで、クラックの発生を抑えながらガスの流量確保に重要なセルの総断面積を増やすことが可能となる。図５には、そのようなヒーターエレメントの一例の模式的な底面図が示されている。図５には、底面が略正方形の柱状ハニカム構造部を有する同サイズの四つのヒーターエレメント１００を外周側壁同士で接合材１１７を介して上下左右に二個ずつ接合することで形成された、底面が略正方形の大きなヒーターエレメント４００の模式的な底面図が示されている。ヒーターエレメントの外周側壁同士を接合するための接合材としては、限定的ではないが、セラミックス材料に、水等の溶媒を加えてペースト状にしたものを用いることができる。接合材は、ＰＴＣ特性を有するセラミックスを含有してもよく、外周側壁１１２及び隔壁１１３と同一のセラミックスを含有してもよい。接合材は、ヒーターエレメント同士を接合する役割に加えて、複数のヒーターエレメントを接合後の大きなヒーターエレメント全体の外周コート材として用いることも可能である。
【００４４】
（１−７．電極）
本発明に係るヒーターエレメントは一実施形態において、一対の電極１１８を有することができる（図１参照）。電極１１８としては、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＳｉから選択される少なくとも一種を含有する電極を使用することができる。ＰＴＣ特性を有する外周側壁及び／又は隔壁とオーミック接触の得られるオーミック電極を使用することもできる。オーミック電極は、例えば、ベース金属としてＡｕ、Ａｇ及びＩｎから選択される少なくとも一種を含有し、ドーパントとしてｎ型半導体用のＮｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ及びＴｅから選択される少なくとも一種を含有するオーミック電極を使用することができる。
【００４５】
電流を柱状ハニカム構造部に効率的に流すため、電極１１８は外周側壁及び／又は隔壁に接合していることが好ましく、外周側壁及び隔壁の両方に接合していることが好ましい。そこで、例えば、ヒーターエレメントの対向する側面にそれぞれ電極を接合することが好ましく、ヒーターエレメントの両底面にそれぞれ電極を接合することがより好ましい。両底面にそれぞれ電極を形成する場合、各電極は、セルを塞ぐことなく各底面を被覆するように設けることが好ましく、セルを塞ぐことなく各底面全体を被覆するように設けることがより好ましい。換言すれば、本発明に係るヒーターエレメントの好ましい実施形態においては、外周側壁及び隔壁の両底面部分上に、セルを塞ぐことなく、表面電極層（電極）１１８が形成されている。表面電極層１１８には電線１１９を拡散接合、機械的な加圧機構、溶接等により接続することができ、例えばバッテリーから電線１１９を介して給電可能である。
【００４６】
本発明に係るヒーターエレメントは一実施形態において、複数のヒーターエレメントを、電極を介して高さ（各セルの流路長さ）方向に積層したヒーターエレメント積層体として提供することができる。図６には、そのような実施形態についての模式的な底面図が示されている。また、図７には図６の模式的なＢ−Ｂ線断面図が示されている。
【００４７】
図６に示す実施形態においては、複数（具体的には四つ）のヒーターエレメント１００が、高さ方向にリング状電極１１８ａを介して積層されている。各リング状電極１１８ａは、各ヒーターエレメント１００の両底面の外周部に接合されている。リング状電極１１８ａは、高さ方向に正極と負極が交互に配列されており、複数のヒーターエレメント１００は電気的に並列接続されている。各ヒーターエレメント１００の両底面には、セルを塞ぐことなく両底面を被覆する表面電極層１１８ｂが形成されていてもよい。
【００４８】
ガス加熱を行う際、ガス温度は入口では低く、加熱されるに従って下流にいくほど高温になり、ヒーターエレメント自体の温度も、入口側より出口側が高くなる。一体的に形成されたヒーターエレメントでも同様に入口側は低く、出口側は高温になる。一体的に形成されたヒーターエレメントではヒーターエレメントの出口近傍温度が局所的に高温になると、その部位の電気抵抗が大きくなり、電気的に直列配置された他の部位への電流も制限され発熱しなくなってしまうため、全体として有効にガス加熱ができない。それに対し、複数のヒーターエレメント１００が電気的に並列接続された図６に示す実施形態では、その問題が無く、それぞれ独立に電流が流れる。これにより、仮に一つのヒーターエレメントの電流が制限されたとしても、他のヒーターエレメントには引き続き電流が流れるので、全体として効率的に発熱することができる。
【００４９】
また、ヒーターエレメント積層体の合計高さと、一体的に形成されたヒーターエレメントの高さが同じ場合、ヒーターエレメント積層体のほうが各ヒーターエレメントに対する電気抵抗が小さくできるので低電圧で大きな出力が得られるという利点がある。例えば、ヒーターエレメント積層体の場合、各ヒーターエレメントに１２〜４８Ｖ（例：１２Ｖ）の電圧を印加することでも積層枚数を大きくすることで十分な出力を確保できる。ヒーターエレメント積層体の各ヒーターエレメントの高さは例えば１．５ｍｍ〜３．０ｍｍとすることができる。また、ヒーターエレメント積層体によれば、一体的に形成されたヒーターエレメントに比べて小さなスペースで高出力が得られ、通過空気との接触面積を確保することもできる。
【００５０】
（１−８．ヒーターエレメントの使用方法）
本発明に係るヒーターエレメントは、例えば、一対の電極をヒーターエレメントに接合した上で、一対の電極間に電圧を印加することで発熱させることができる。印加電圧としては、急速加熱の観点から、２００Ｖ以上の電圧を印加することが好ましく、２５０Ｖ以上の電圧を印加することがより好ましい。先述したように、本発明に係るヒーターエレメントは高電圧を印加したときにでも初期電流を抑えることができるので、安全性が高い。また、安全仕様が重くならないため、ヒーター周りの機器を低コストで製造可能である。
【００５１】
ヒーターエレメントが、電圧の印加によって発熱しているときに、セルにガスを流すことで、ガスを加熱することができる。セルに流入するガスの温度としては、例えば−６０℃〜２０℃とすることができ、典型的には−１０℃〜２０℃とすることができる。
【００５２】
（１−９．ヒーターエレメントの製造方法）
次に、本発明に係るヒーターエレメントを製造する方法について例示的に説明する。まず、セラミックス原料に、分散媒及びバインダを含有する原料組成物を混ぜ合わせ、混練して坏土を調製した後、坏土を押出成形してハニカム成形体を作製する。原料組成物中には分散剤、半導体化剤、シフター、金属酸化物、特性改善剤、導電体粉末等の添加剤を必要に応じて配合することができる。押出成形に際しては、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚み、セル密度等を有する口金を用いることができる。
【００５３】
セラミックス原料は、焼成後に残存し、セラミックスとしてハニカム構造体の骨格を構成する部分の原料である。セラミックス原料は例えば粉末の形態で提供することができる。セラミックス原料としては、チタン酸バリウムの主成分となるＴｉＯ2やＢａＣＯ3など酸化物や炭酸塩原料が使用可能である。また、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕのような半導体化剤、Ｓｒ、Ｓｎ及びＺｒのような低温側のシフター、（Ｂｉ−Ｎａ）、（Ｂｉ−Ｋ）のような高温側のシフター、Ｍｎのような特性改善剤等も、酸化物や炭酸塩、あるいは焼成後酸化物になるシュウ酸塩を用いてもよい。導電率を制御するため、カーボンブラック及びニッケルのような導電体粉末を添加してもよい。
【００５４】
分散媒としては、水、又は水とアルコール等の有機溶媒との混合溶媒等を挙げることができるが、特に水を好適に用いることができる。
【００５５】
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等の有機バインダを例示することができる。特に、メチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルセルロースを併用することが好適である。また、バインダの含有量は、ハニカム成形体の強度を高めるという観点から、セラミックス原料１００質量部に対して４質量部以上であることが好ましく、５質量部以上であるのがより好ましく、６質量部以上であるのが更により好ましい。バインダの含有量は、焼成工程での異常発熱によるキレ発生を抑制する観点から、セラミックス原料１００質量部に対して９質量部以下であることが好ましく、８質量部以下であるのがより好ましく、７質量部以下であるのが更により好ましい。バインダは、１種類を単独で使用するものであっても、２種類以上を組み合わせて使用するものであってもよい。
【００５６】
分散剤には、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等の界面活性剤を用いることができる。分散剤は、１種類を単独で使用するものであっても、２種類以上を組み合わせて使用するものであってもよい。分散剤の含有量は、セラミックス原料１００質量部に対して０〜２質量部であることが好ましい。
【００５７】
次いで、得られたハニカム成形体を乾燥する。乾燥工程においては、例えば、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の従来公知の乾燥方法を用いることができる。なかでも、成形体全体を迅速かつ均一に乾燥することができる点で、熱風乾燥と、マイクロ波乾燥又は誘電乾燥とを組み合わせた乾燥方法が好ましい。
【００５８】
次いで、乾燥後のハニカム成形体に対して焼成を行うことで柱状ハニカム構造体を有するヒーターエレメントを製造可能である。焼成の前にバインダを除去するための脱脂工程を行うこともできる。焼成条件は、ハニカム成形体の材質によって適宜決定することができる。例えば、ハニカム成形体の材質がチタン酸バリウムを主成分とする場合、焼成温度は、１１００〜１４００℃が好ましく、１２００〜１３００℃が更に好ましい。また、焼成時間は、１〜４時間程度とすることが好ましい。
【００５９】
脱脂工程を実施する際の雰囲気としては、例えば大気雰囲気、不活性雰囲気、減圧雰囲気とすることができる。これらの中でも、原料の酸化による焼結不足を防ぎ、また原料内に含まれる酸化物を還元し易い、不活性雰囲気かつ減圧雰囲気とすることが好ましい。
【００６０】
焼成炉としては、特に限定されないが、電気炉、ガス炉等を用いることができる。
【００６１】
このようにして得られた柱状ハニカム構造部をもつヒーターエレメントには、一対の電極を接合することができる。電極は、ヒーターエレメントの表面上、典型的には側面上又は底面上に、スパッタリング、蒸着、電解析出、化学析出のような金属析出法によって形成することができる。また、電極は、ヒーターエレメントの表面上、典型的には側面上又は底面上に、電極ペーストを塗布した後、焼き付けることによって形成することもできる。更には溶射によって形成することもできる。いずれの方法によっても、ヒーターエレメントの表面に被覆された電極を形成することができる。電極は単層で構成してもよいが、組成の異なる複数の電極層で構成することもできる。上記の方法で電極を底面に形成するとき、電極層の厚みを過度に大きくならないように設定すれば、セルを塞がないようにすることができる。例えば、電極の厚みはペーストの焼付けでは５〜３０μｍ程度、スパッタリング及び蒸着のような乾式めっきでは１００〜１０００ｎｍ程度、溶射では１０〜１００μｍ程度、電解析出及び化学析出のような湿式めっきでは５〜３０μｍ程度とすることが好ましい。
【００６２】
（２．車室暖房用ヒーター）
図８には、本発明の一実施形態に係る車室暖房用ヒーター２００の構成が模式的に示されている。本実施形態に係るヒーターは、本発明に係るヒーターエレメント１００、外気又は車室１３０内空気とヒーターエレメント１００の第１の底面１１４を連通する流入配管１３２（１３２ａ、１３２ｂ）、ヒーターエレメント１００に電圧を印加するためのバッテリー１３４、及びヒーターエレメント１００の第２の底面１１６と車室１３０内空気を連通する流出配管１３６を備える。
【００６３】
ヒーターエレメント１００は、例えば、バッテリー１３４と電線１１９で接続し、その途中の電源スイッチをＯＮにすることでヒーターエレメント１００を通電発熱するように構成することが可能である。
【００６４】
ヒーターエレメント１００の上流側又は下流側には送風機１３８を設置することができる。高電圧の部品をできるだけ車室から離して配置して安全を確保する観点から、送風機はヒーターエレメント１００の下流側に設置することが好ましい。送風機１３８を駆動すると、車室内又は車室外から空気が流入配管１３２（１３２ａ、１３２ｂ）を通ってヒーターエレメント１００に流入する。発熱中のヒーターエレメント１００を通過する間に空気は加熱される。加熱された空気は、ヒーターエレメント１００から流出し、流出配管１３６を通って車室内に送られる。流出配管出口は車室内でも特に暖房効果が高くなるよう乗員の足元近傍に配置しても良いし、座席シート内へ配管出口を配置して座席シートを内側から温めるようにしても良いし、ウィンドウ近傍に配置してウィンドウの曇りを抑制する効果を合わせ持たせても良い。
【００６５】
図８の実施形態に係る車室暖房用ヒーター２００は、外気とヒーターエレメント１００の第１の底面１１４を連通する流入配管１３２ａを備える。更に、図８の実施形態に係る車室暖房用ヒーターは、車室１３０内空気とヒーターエレメント１００の第１の底面１１４を連通する流入配管１３２ｂを備える。流入配管１３２ａと流入配管１３２ｂは途中で合流する。流入配管１３２ａ及び流入配管１３２ｂには、合流地点よりも上流側において、バルブ１３９（１３９ａ、１３９ｂ）を設置することができる。バルブ１３９（１３９ａ、１３９ｂ）の開閉を制御することで、外気をヒーターエレメント１００に導入するモードと、車室１３０内空気をヒーターエレメント１００に導入するモードの間で切り替えることができる。例えば、バルブ１３９ａを開き、バルブ１３９ｂを閉じると、外気をヒーターエレメント１００に導入するモードとなる。バルブ１３９ａ及びバルブ１３９ｂの両者を開いて、外気及び車室１３０内空気を同時にヒーターエレメント１００に導入することも可能である。
【００６６】
図１７には、本発明に係るヒーターエレメント１５０の車室内における配置例を示す模式図が示されている。ヒーターエレメント１５０は、前部座席１５１及び後部座席１５２のそれぞれの乗員１５３の足元に設置されている。ヒーターエレメント１５０を通過することで温められた空気は、乗員１５３に向かって吹き出される。ヒーターエレメント１５０は即暖性が高いので、車室全体が温まらなくても、乗員１５３を温めることができる。また、図１８には、乗員１５３の足元に設置することを想定した場合のヒーターエレメント１５０の柱状ハニカム構造部の底面形状例が示されている。ヒーターエレメント１５０においては、底面形状は四隅がＲ面取りされた矩形状であり、例示的には、ａ＝５０〜３００ｍｍ、ｂ＝１０〜５０ｍｍとすることができる。ヒーターエレメント１５０の柱状ハニカム構造部の高さ（各セルの流路長さ）は例えば２〜１０ｍｍとすることができる。ヒーターエレメント１５０を乗員の足元に設置することを想定する場合、ヒーターエレメント１５０へ印加する電圧は例えば１２〜４８Ｖとすることができる。
【００６７】
ＰＴＣ材料でハニカムヒーターを形成することにより、従来技術であるアルミフィンを用いる場合に比較して、断面形状の自由度が増す。アルミフィンを用いる場合には、発熱素子からアルミフィンへの熱伝導を介して空気加熱を行うので、非対称や異形のヒーター断面形状に対してはヒーター断面全体を均一に加熱することがむずかしいが、ＰＴＣ材料自体でハニカムを形成することによりヒーター断面内の温度の均一性が確保しやすい。断面形状としてＬ字形状、台形、楕円、レーストラック形状等が可能である。また、ＰＴＣ材料でハニカムヒーターを形成することにより、ヒーター全体をコンパクトにできるので、小さなダクトの先端の出口に配置しやすく、出口にヒーターを配置できることにより、ダクトでの熱損失を伴わず、加熱電力エネルギーが加熱部周辺での僅かな熱損を除き全て出口空気の昇温に利用できるので、効率良く乗員を温めることができる。
【００６８】
一実施形態において、本発明に係るヒーターエレメントは、ＨＶＡＣ（heating, ventilating and air-conditioning unit）内に搭載してもよい。ＨＶＡＣは、冷暖房機能を有する空調ユニットであり、ハイブリッド自動車及び電気自動車への搭載が進展している。ＨＶＡＣに搭載されているファン及びブロア等の送風機から送風される空気が、冷媒を吸熱又は放熱させる熱交換器を通過して、車内に供給される。ＨＶＡＣには、電気ヒーターからなる補助ヒーター（加熱装置）を空気流通路に設け、冷媒回路の熱交換器による暖房に加えて補助ヒーターによっても暖房能力が発揮されるように構成されるものがある。また、ＨＶＡＣの中には、冷媒回路の熱交換器による暖房を行わず（例えば、冷媒回路は冷房のみ）、暖房はバッテリーから給電されるヒーター（加熱装置）のみで行うものもある。本発明に係るヒーターエレメントはこのようなＨＶＡＣの（補助）ヒーターに使用することも可能である。
【００６９】
本発明に係るヒーターエレメントは一実施形態において、圧損低減ができ送風機の出力を低減できるので、ＨＶＡＣ内の送風機を小さくできるという利点がある。また、空気加熱速度が大きくなり、急速に暖房を効かせることができるようになるという利点も得られる。更には、ヒーターエレメントの柱状ハニカム構造部の高さ（各セルの流路長さ）を短くできるので、この点でもＨＶＡＣシステムの小型化に貢献できる。ＨＶＡＣ内に搭載する場合の、ヒーターエレメントの柱状ハニカム構造部の代表的な寸法としては、２００ｍｍ×３００ｍｍの矩形状底面と、１５ｍｍの高さを有する矩形板状の四角柱が例示される。この場合、ヒーターエレメントへ印加する電圧としては例えば１２Ｖ〜５００Ｖとすることができる。
【００７０】
本発明のヒーターは一実施形態において、蒸気圧縮ヒートポンプを主暖房装置として採用している車両の補助ヒーターとして使用することができ、その場合には上記のように直接車室へ送風しない場合も想定される。その場合には上記説明の“車室”を“主暖房装置の送風配管の一部”と置き換える形での設置がされることでも良い。また、車室からの流入配管１３２ｂにはさらに分岐してバルブを介して車外へ排気する経路を設けても良いが、車外への排気は、蒸気圧縮ヒートポンプを用いた主暖房装置の方で行っても良いし、別の排気システムと連動して行っても良い。
【実施例】
【００７１】
以下、本発明の実施例及び比較例に係るヒーターエレメントの種々の特性についてシミュレーションによって計算した結果を示す。【００７２】
＜試験１＞
（１．ヒーターエレメントの仕様）
表１−１及び表１−２に記載の仕様を有するヒーターエレメントをシミュレーションの条件として設定した。表中、ハニカム初期抵抗（Ｒ）は、柱状ハニカム構造部を構成するチタン酸バリウムの室温体積抵抗率（ρ）、ハニカム構造部の高さ（Ｌ）、底面積（Ａ）、及び開口率（ＯＦＡ）から次式により計算した。
Ｒ＝ρ×Ｌ／（Ａ×（１−ＯＦＡ））【００７３】
【表１−１】
2020036067.tif 000003
【００７４】
【表１−２】
2020036067.tif 000004
【００７５】
（２．初期電流値及び初期出力）
上記の各ヒーターエレメントに、室温にて１００Ｖ、２００Ｖ及び３００Ｖの電圧を印加したときの初期電流値及び初期出力を計算により求めた。
初期電流値は次式によって求めた。初期電流値＝印加電圧／ハニカム初期抵抗
初期出力は次式によって求めた。初期出力＝初期電流値×印加電圧
計算結果を表２−１及び表２−２に示す。【００７６】
【表２−１】
2020036067.tif 000005
【００７７】
【表２−２】
2020036067.tif 000006
【００７８】
表２−１及び表２−２より、実施例１〜５は比較例１〜３に比べて初期電流値及び初期出力が小さいことが分かる。これは、実施例１〜５のヒーターエレメントは柱状ハニカム構造部で採用した材料、隔壁厚（隔壁の平均厚みに同じ）、及び開口率が適切であったことで、初期抵抗が高くなったからである。【００７９】
（３．ガス通過時の圧力損失）
上記の各ヒーターエレメントに、常温空気、流量４Ｎｍ3／ｍｉｎの条件でガスを流した時の圧力損失の相対値を次式により計算した。
圧力損失相対値＝各実施例又は比較例の圧力損失／（同一ハニカム形状、４ｍｉｌ  ４００ｃｐｓｉのハニカムの圧力損失）
各実施例及び比較例の圧力損失は、別材質であるが同一構造のハニカム体で実測したデータに基づき記載した。圧力損失は主にハニカム構造に起因して変化するため、材質が異なってもほとんど変化はない。計算結果は、表３−１及び表３−２に示す。【００８０】
【表３−１】
2020036067.tif 000007
【００８１】
【表３−２】
2020036067.tif 000008
【００８２】
表３−１及び表３−２より、開口率及びセル密度などを適切に設定することで、圧力損失を低減可能である。特に、実施例１、実施例２及び実施例５は圧力損失の低下が少なく、その中でも実施例５は圧力損失の抑制効果が高いことが分かる。【００８３】
（４．加熱性能）
実施例１及び比較例３のヒーターエレメントに、５℃の空気（定圧比熱Ｃｐ＝１ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））を０．０８ｋｇ／ｓｅｃ（＝４Ｎｍ3／ｍｉｎ）の質量流量で流しながら、２００Ｖの電圧を印加したときの、ヒーターエレメントの温度及びヒーターエレメントから流出する空気の温度の経時変化を計算した。
ヒーターエレメントの温度の経時変化及びヒーターエレメントから流出する空気の温度の経時変化は、次のようにして計算した。ハニカムヒーター材料の体積電気抵抗率αは温度の関数として既知である。
ハニカム寸法、セル構造が決まれば、ハニカム構造体としての電気抵抗Ｒも温度の関数として計算できる。
電圧Ｖをかけた際のハニカムでの微小時間ｄｔ間の発熱量ｄＱHはＶ2／Ｒ×ｄｔである。
一方、ハニカムからガスへの熱移動量ｄＱcはハニカム温度ＴH、入口ガス温度Ｔgの差及びガスとハニカム全体との熱伝達指標Ｓ×ｈにより表され、
ｄＱc＝（ＴH−Ｔg）×Ｓ×ｈ×ｄｔ
となり微小時間ｄｔ後のハニカム温度ＴH’はハニカム熱容量ＣHのとき
ＴH’＝ＴH＋（ｄＱH−ｄＱc）／ＣHで表される。
出口ガス温度は、ガス流量と、通過時間と、ガスの比熱とその間のｄＱcの積分値により逐次計算される。
この計算を微小時間毎に繰り返し計算することにより、ハニカム温度（＝ヒーターエレメントの温度）、および出口ガス温度（＝ヒーターエレメントから流出する空気の温度）の経時変化が計算可能である。【００８４】
結果を図９、図１０に示す。これらから、実施例のヒーターエレメントは比較例のヒーターエレメントに対しても遜色ない加熱性能を有することが分かる。【００８５】
＜試験２＞
（１．ヒーターエレメントモデル及び解析条件）
図１１の（Ａ）側面図及び（Ｂ）発熱部断面図に示す比較例４及び実施例６のヒーターエレメントモデルをシミュレーションに使用した。比較例４のヒーターエレメントは、板状のＰＴＣ材料にアルミニウム製の板状フィンを接合した構造をもつ。実施例６のヒーターエレメントは、セルが一方向に配列されたハニカム構造をもつ。図１１の（Ａ）及び（Ｂ）にはヒーターエレメントの繰り返し単位をモデル化したものが示されてあり、ヒーターエレメントの断面積はこれらの繰り返しにより、１００ｍｍ×３００ｍｍを想定した。【００８６】
シミュレーションは市販熱流体解析ソフトウェアを使用し、ガス及びヒーターエレメントの初期温度を０℃に設定した状態から非定常計算を行い、時系列の温度、圧力損失、電力の変化を確認した。シミュレーションによる解析条件は以下とした。
・ソルバータイプ：圧力ベースソルバー
・乱流モデル：ＳＳＴ  ｋ−ω
・物性値
＜流体＞
空気（非圧縮性理想気体）
＜ＰＴＣ材料＞
密度：４５００［ｋｇ／ｍ3］
比熱：５９０［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］
熱伝導率：２［Ｗ／（ｍ・ｋ）］
＜アルミニウム＞
密度：２７００［ｋｇ／ｍ3］
比熱：８７０［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］
熱伝導率：２２０［Ｗ／（ｍ・ｋ）］
・境界条件
外周面：断熱状態
固体壁面：Ｎｏ−ｓｌｉｐ
出口：大気開放状態
入口（温度）：０［℃］  一定
入口（流量）：２．４６３１６５×１０-5［ｋｇ／ｓ］（０．０１９０５［ＮＬ／ｓ］）
・発熱条件
図１２に示す、ヒーターエレメント温度と発熱量の関係に従い、非定常計算時の時系列発熱量が発熱部の温度に応じて可変する設定を実施した。【００８７】
（２．加熱性能）
比較例４及び実施例６のヒーターエレメントに、それぞれ流体を入口から出口に向かって５．４Ｎｍ3／ｍｉｎの流量で流しながら、上記の発熱条件でヒーターエレメントを発熱させたときの流体の平均出口温度の経時変化を計算した。結果を図１３の（Ａ）に示す。４０〜４５℃程度の熱平衡状態に到達するのに必要な時間が、実施例６は比較例４の１／５未満に短縮したことが分かる。【００８８】
（３．流体通過時の圧力損失）
上記の加熱性能試験と同一の条件として、流体の平均出口温度と、入口から出口までの圧力損失との関係を計算した。結果を図１３の（Ｂ）に示す。実施例６の圧力損失は、比較例４の約１／３であったことが分かる。【００８９】
＜試験３＞
（１．ヒーターエレメントモデル及び解析条件）
実施例７：実施例６のヒーターエレメントモデルと同じ
比較例５：隔壁厚を１２ｍｉｌ（０．３０４８ｍｍ）とし、セル密度を３００ｃｓｐｉ（４６．５セル／ｃｍ2）に変更した以外は、実施例６のヒーターエレメントモデルと同じ（セル数及び単位面積当たりに流れる流体の流量は実施例６と同じ）
シミュレーションによる解析条件は以下とした。
・発熱条件
ヒーターエレメントに２００Ｖ一定電圧を印加させることで、図１４に示す発熱部温度と電気伝導率の関係に従い、電流が流れ、通電発熱が生じる。
・その他解析条件については、試験例２に準ずる。【００９０】
（２．加熱性能）
実施例７及び比較例５のヒーターエレメントに、それぞれ流体を入口から出口に向かって５．４Ｎｍ3／ｍｉｎの流量で流しながら、上記発熱条件を負荷したときの流体の平均出口温度の経時変化を計算した。結果を図１５の（Ａ）に示す。
また、このときの出力（電力）の時間変化を計算した。結果を図１５の（Ｂ）に示す。実施例７は比較例５に比べて初期電力が著しく低いにも関わらず同程度の昇温速度を有することから、実施例７の加熱性能が高いことが分かる。【００９１】
（３．温度分布）
上記の加熱性能試験と同一の条件下で、熱平衡状態に達したときのヒーターエレメントのセルの入口から出口までの隔壁（実施例７、比較例５）の温度分布を、各隔壁要素の電圧、電流、温度、電気抵抗を逐次算出することにより、解析した。結果を図１６の（Ａ）及び図１６の（Ｂ）に示す。実施例７のほうが比較例５よりも低温領域が広がっている。これは、セルの水力直径が同等の場合、隔壁厚さが薄い実施例７の方がハニカム熱容量が低く、隔壁に沿う固体内熱抵抗が大きいので、流れ方向におけるより広い領域でハニカムがより低温になるので、流体への伝熱量を高めることができている。 【００９２】
＜試験４＞
（１．ヒーターエレメントの作製方法）
予め合成した、実質的に鉛成分を含有しない、ＢａＴｉＯ3相を主とする粉末１００質量部に対し、その他の原料として有機バインダや界面活性剤などの成形助剤を合計６質量部、水を１０質量部加えた。これらをニーダーを用いて混錬し、可塑性の坏土を作製した。得られた坏土を押出成形機を使用して柱状ハニカム成形体を作製した。ここで柱状ハニカム成形体は例示的に、隔壁厚さが３ｍｉｌ、セル密度が４００ｃｐｓｉ（ｃｅｌｌ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ  ｉｎｃｈｓ）、外壁厚さが約０．６ｍｍであり、内部に流体の流路となる複数のセルを区画形成する格子状の隔壁を備えたものとした。作製した柱状ハニカム成形体を熱風乾燥した後、大気中で脱脂、不活性雰囲気焼成した後、大気中で熱処理を施して、柱状ハニカム構造を有するヒーターエレメントを作製した。【００９３】
（２．電気特性）
１．で得たヒーターエレメントについて電気抵抗の温度特性を評価したところ、キュリー点は１００℃であった。【００９４】
（３．加熱性能）
１．で得たヒーターエレメントに空気を入り口から出口に向かって２ｍ/ｓｅｃの流量で流しながら２００Ｖ一定電圧を印加させたところ、出口ガス温度が５秒間で９０℃に達し熱平衡状態となった。
【符号の説明】
【００９５】
１００  ヒーターエレメント
１１２  外周側壁
１１３  隔壁
１１４  第１の底面
１１５  セル
１１６  第２の底面
１１７  接合材
１１８  電極
１１８ａ  リング状電極
１１８ｂ  表面電極層
１１９  電線
１３０  車室
１３９（１３９ａ、１３９ｂ）  バルブ
１３２（１３２ａ、１３２ｂ）  流入配管
１３４  バッテリー
１３６  流出配管
１３８  送風機
１５０  ヒーターエレメント
１５１  前部座席
１５２  後部座席
１５３  乗員
２００  車室暖房用ヒーター
４００  接合されたヒーターエレメント
【図１】
2020036067.tif 000009
【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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【国際調査報告】
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