JP6447901B2

JP6447901B2 - 発熱構造体

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Publication number: JP6447901B2
Application number: JP2014120477A
Authority: JP
Inventors: 坂本　和久; 和久坂本; 和也麻生; 浩司加古
Original assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: JP2016001529A

Description

本発明は、発熱構造体、詳しくは、自動車の排気ガスを浄化するための通電加熱式触媒コンバータなどに用いられる発熱構造体に関する。

自動車の排気ガスを浄化するための通電加熱式触媒コンバータ（ＥＨＣ）や工業炉からの排出ガス中の有毒ガスや悪臭を熱分解して脱臭・無害化するための装置などには、加熱用の炭化けい素（ＳｉＣ）質の発熱構造体が用いられ、この発熱構造体に通電・発熱させるための電極としては、通常、炭化けい素の固有抵抗の１０分の1以下の固有抵抗を有する炭化けい素−けい素（ＳｉＣ−Ｓｉ）質材が使用される。ＳｉＣ−Ｓｉ質材はＳｉＣ基材にＳｉが含浸されたものである。

従来、上記の用途における発熱構造体Ｈとしては、例えば、図２に示すように、多孔質炭化けい素から形成された円柱形状の発熱体１５の両端部に、炭化けい素−けい素のリング１６、１６を嵌着して電極部を構成し、電極部に炭化けい素−けい素の電極端子部１７、１８を配設したものが用いられている。円柱形状の発熱体１５の断面には、長さ方向に開口する多数の孔（貫通孔）１１が形成されている。

このような発熱構造体においては、繰り返し使用に耐える電気的および機械的な耐久性をそなえていることが重要であるが、多孔質炭化けい素から形成された円柱形状の従来の発熱構造体は、通電・発熱を繰り返すと亀裂が生じ易いという問題がある。また、多孔質炭化けい素の固有抵抗は通常０．１〜０．３Ωｃｍ程度であるから、例えば、発熱体の断面積が３７ｃｍ^２、発熱体の長さが１８ｃｍの場合、発熱体を約５００℃に保持するための電力は２０００Ｗ、電圧は１５Ｖ、電流は１３５Ａとなり、低電圧、大電流になるため、大型の電装部品を使用しなければならないという難点がある。

特開２０１０−１２６４２７号公報特開２０１２−３０２１５号公報

本発明は、前記の通電加熱式触媒コンバータや工業炉などに用いられる発熱構造体における上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、通電・発熱を繰り返して使用しても亀裂を生じ難く、小型の電装部品を使用することができ、電源、電装部品を含む装置全体の小型化を可能とする発熱構造体を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による発熱構造体は、断面が半円状または扇形状で長さ方向に開口する多数の孔を有する炭化けい素質の発熱体を円柱形状となるよう複数組み合わせてなる発熱構造体であって、前記各発熱体の長手方向両端部には電極部が接合され、発熱体のうちの１つの発熱体の一端部の電極部と他の１つの発熱体の一端部の電極部には電極端子部が配設され、前記２つの電極端子部の間を電気が流れるよう選択された互いに隣接する２つの発熱体の間に導電性の板材が介挿されて各発熱体が電気的に直列に配列されるとともに、隣接する発熱体の間および電極部の間の板材以外の部分に絶縁板が装着されてなることを特徴とする。

請求項２による発熱構造体は、請求項１において、前記互いに隣接する２つの発熱体の間に介挿される導電性の板材は発熱体の長さの１／１０以下の幅を有することを特徴とする。

請求項３による発熱構造体は、請求項１または２において、前記絶縁板がアルミナ板であり、該アルミナ板が隣接する発熱体の間および電極部の間に固有抵抗が５ＭΩｃｍ以上のアルミナセメントにより固着されていることを特徴とする。

本発明によれば、通電・発熱を繰り返して使用しても亀裂を生じ難く、小電流で昇温させることができて、小型の電装部品の使用が可能となり、電源、電装部品を含む装置全体の小型化を可能とする発熱構造体が提供される。

本発明による発熱構造体の実施例を示す分解斜視図である。従来の発熱構造体を示す斜視図である。

本発明による発熱構造体Ｈは、図１に示すように、断面が半円状または扇形状で長さ方向に開口する多数の孔を有する炭化けい素質の発熱体を円柱形状となるよう複数組み合わせてなる。図１においては、発熱体１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄとして、断面が円柱断面を４等分した扇形状のものが例示されているが、断面が円柱断面を２等分（半円状）、４等分（扇形状）、６等分（扇形状）した形状のものが製造および発熱特性上好ましい。

発熱体は炭化けい素（ＳｉＣ）を主体とする炭化けい素質の材質からなり、長さ方向に開口（貫通）する多数の孔１１を有する。図１に示すように、孔１１は四角形状のものを配列するのが発熱特性上好ましく、断面格子状を呈する。このような断面格子状の発熱体は、炭化けい素粉末にバインダーなどの成形助剤、水を加えて混練した混練物を押出成形し、窒素ガスまたは窒素ガスを含む非酸化性雰囲気において２０００〜２４００℃の温度で焼結することにより得ることができる。本発明の発熱体は、円柱断面の発熱体を成形し、カッターで半円状、扇形状に分割して使用してもよく、初めから半円状、扇形状に成形してもよい。

発熱体１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄの両端部には、好ましくは、ＳｉＣ基材にＳｉが含浸された炭化けい素−けい素（ＳｉＣ−Ｓｉ）を主体とする炭化けい素−けい素質材からなる電極部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが接合される。電極部の形状は、発熱体の外径と同じ内径を有する円環（リング）状のものを、発熱体の断面形状に合わせて分割（図１においては４個に分割）した形状に相当し、発熱体の両端部に嵌着される。

発熱体のうちの１つの発熱体の一端部の電極部と他の１つの発熱体の一端部の電極部には、好ましくは、電極部と同じ炭化けい素−けい素質の電極端子部が配設され、各発熱体が直列に配列されて前記２つの電極端子部の間を電気が流れるよう選択された互いに隣接する２つの発熱体の電極部の間に導電性の板材、好ましくは炭化けい素−けい素質の板材が介挿される。

この形態を図１に示す発熱構造体において説明すると、発熱体のうちの１つの発熱体１Ａの一端部の電極部２Ａと他の１つの発熱体１Ｄの一端部の電極部２Ｄに、炭化けい素−けい素質の電極端子部３、４が配設され、発熱体２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが直列に配列されて電極端子部３、４の間を電気が流れるようにするために、隣接する２つの発熱体１Ａの電極部２Ａと発熱体１Ｂの電極部２Ｂの間から導電性を有する炭化けい素−けい素質の板材５を挿入して発熱体１Ａと発熱体１Ｂとを電気的に接続する。

また、発熱体１Ｂの電極部２Ｂと発熱体１Ｃの電極部２Ｃの間から炭化けい素−けい素質の板材６を挿入して発熱体１Ｂと発熱体１Ｃとを電気的に接続し、発熱体１Ｃの電極部２Ｃと発熱体１Ｄの電極部２Ｄの間から炭化けい素−けい素質の板材７を挿入して発熱体１Ｃと発熱体１Ｄとを電気的に接続すると、電極端子部３−電極部２Ａ−発熱体１Ａ−板材５−発熱体１Ｂ−板材６−発熱体１Ｃ−板材７−発熱体１Ｄ−電極部２Ｄ−電極端子部４と電流が流れるよう発熱体同士が接続される。

隣接する２つの発熱体を電気的に接続するための導電性を有する炭化けい素−けい素質の板材５、６、７は発熱体の長さの１／１０以下の幅（Ｗ）を有することが望ましい。より好ましくは、発熱体の長さの１／２０〜１／１０の幅とする。板材の幅が発熱体の長さの１／２０未満では、組立強度が低くなり取扱いが困難となり、１／１０を超えると、発熱する長さが短くなるため加熱効率が悪化する。

本発明の発熱構造体においては、隣接する発熱体の間および電極部の間の板材以外の部分に絶縁板を装着することが望ましい。図１においては、発熱体１Ａと発熱体１Ｄの間に絶縁板９、発熱体１Ｂと発熱体１Ｃの間の板材６以外の部分に絶縁板８、発熱体１Ａと発熱体１Ｂおよび発熱体１Ｃと発熱体１Ｄの間の板材５、７以外の部分に絶縁板１０を装着するのが好ましい。

絶縁板８、９、１０としてはアルミナ板を適用するのが好ましく、発熱体の間および電極部の間に固有抵抗が５Ｍ（メガ）Ωｃｍ以上のアルミナセメントによりアルミナ板からなる絶縁板を固着するのが望ましい。

上記のように構成された発熱構造体は、電極端子部３、４に電源（図示せず）を接続して通電・発熱させた場合、ＯＮ−ＯＦＦ通電を繰り返しても亀裂を生じることがなく、繰り返し使用に耐える電気的および機械的な耐久性をそなえている。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、本発明の効果を実証する。なお、これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されない。

炭化けい素粉末にバインダーなどの成形助剤と水を加えて混練し、得られた混練物を常法により押出成形して、図１に示すように、長さ方向に開口（貫通）する多数の四角形状の孔（２ｍｍ×２ｍｍ）を有する断面格子状（四角形状の孔の間の壁厚：１ｍｍ）の円柱状発熱体（外径９０ｍｍ、長さ２００ｍｍ）を得た。

また、常法に従って、炭化けい素−けい素材からなる電極部（外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、幅１０ｍｍ）、炭化けい素−けい素材からなる電極端子部（外径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を成形した。その後、窒素ガス雰囲気中で２３００℃の温度で焼結し、円柱状発熱体を作製した。

実施例１
前記円柱状発熱体をダイヤモンドカッターを用いて４等分して断面扇形状の発熱体とし、前記電極部も４等分した。４等分した電極部を４等分した発熱体の両端部に嵌着し、図１に示すように、発熱体を配置し、電極端子部３、４を接合し、炭化けい素−けい素材からなる板材５、６、７を挿着して各発熱体同士を電気的に接続した。また、絶縁板８、９、１０としてアルミナの薄板を固有抵抗が１０Ｍ（メガ）Ωｃｍのアルミナセメントを用いて固着して図１に示すような発熱構造体に組み立てた。

比較例１
前記円柱状発熱体の両端部に前記電極部を嵌着し、前記電極端子部を接合して、図２に示すような発熱構造体を組み立てた。

（発熱試験）
実施例１、比較例１で得られた発熱構造体に電力を印加して、発熱構造体の中心部の温度が５００℃になるまで通電し、電圧、電流を測定した。実施例１で得られた発熱構造体の測定結果を表１に示す。

比較例１で得られた発熱構造体についても、同様の測定を行い、温度５００℃に昇温した時点での電圧、電流を実施例１、比較例１で得られた発熱構造体と対比して表２に示す。

表２に示すように、実施例１においては５００℃での電流値が比較例１に比べてきわめて小さい。すなわち、本発明の発熱構造体によれば、小電流で昇温させることができるから、小型の電装部品を使用することができ、電源、電装部品を含む装置全体の小型化が可能となる。

（ＯＮ−ＯＦＦ通電試験）
実施例１および比較例１で得られた発熱構造体について、通電（ＯＮ）して５００℃に昇温・保持１０分間（実施例１で得られた発熱構造体、比較例１で得られた発熱構造体ともに、３分の通電で５００℃の温度に達した）−５分間電気を切る（ＯＦＦ）−再度通電（ＯＮ）１０分間のサイクルでＯＮ−ＯＦＦ通電試験を１０回行ったところ、実施例１で得られた発熱構造体には亀裂の発生はみられなかったが、比較例１で得られた発熱構造体には８回のＯＮ−ＯＦＦ通電試験で亀裂の発生が認められた。

１Ａ発熱体
１Ｂ発熱体
１Ｃ発熱体
１Ｄ発熱体
２Ａ電極部
２Ｂ電極部
２Ｃ電極部
２Ｄ電極部
３電極端子部
４電極端子部
５板材
６板材
７板材
８絶縁板
９絶縁板
１０絶縁板
１１孔（貫通孔）
１５発熱体
１６電極部
１７電極端子部
１８電極端子部
Ｈ発熱構造体

Claims

断面が半円状または扇形状で長さ方向に開口する多数の孔を有する炭化けい素質の発熱体を円柱形状となるよう複数組み合わせてなる発熱構造体であって、前記各発熱体の長手方向両端部には電極部が接合され、発熱体のうちの１つの発熱体の一端部の電極部と他の１つの発熱体の一端部の電極部には電極端子部が配設され、前記２つの電極端子部の間を電気が流れるよう選択された互いに隣接する２つの発熱体の間に導電性の板材が介挿されて各発熱体が電気的に直列に配列されるとともに、隣接する発熱体の間および電極部の間の板材以外の部分に絶縁板が装着されてなることを特徴とする発熱構造体。
前記互いに隣接する２つの発熱体の間に介挿される導電性の板材は発熱体の長さの１／１０以下の幅を有することを特徴とする請求項１記載の発熱構造体。
前記絶縁板がアルミナ板であり、該アルミナ板が隣接する発熱体の間および電極部の間に固有抵抗が５ＭΩｃｍ以上のアルミナセメントにより固着されていることを特徴とする請求項１または２記載の発熱構造体。