JP3813234B2 - Porous electric resistance heater - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、全抵抗が高く構造体強度に優れ、内部を通過する気体や液体に効率よく熱伝達する多孔体製の電気抵抗ヒータに関する。
【0002】
【従来の技術及び問題点】
自動車排ガス浄化用の触媒系では、触媒を早期着火させる効率的加熱のため、比較的大型のヒータを使用する場合がある。そのため、より高い比抵抗をもつと共に、耐熱性,耐食性等に優れた材料開発が進められている。たとえば、特開平7−31038号公報では、Alを8〜20重量%含むFe−Cr系のヒータ用合金が紹介されている。しかし、大型のブロック状ヒータを金属材料で構成すると、ヒータの電気抵抗が小さくなり、所望の電力を得るためには大きな電流を供給することが必要となり、実用的でなくなる。
また、電気抵抗を大きくするため、ハニカム構造体にスリットを形成することも知られている。しかし、スリットの形成によりハニカム構造体の強度が低下するため、効率的加熱に適した大型ヒータを得るに至っていないのが実情である。
【0003】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、先に特願平6−181818号で提案した多孔体ブロックが基体又は液体に対する接触面積が大きく且つ熱伝達特性にも優れている点に着目し、この多孔体ブロックをヒータとして使用することにより、大型で全抵抗が高く構造体強度及び加熱効率に優れた電気抵抗ヒータを提供することを目的とする。
本発明の多孔体製電気抵抗ヒータは、その目的を達成するため、波形又は凹凸状にプレス成形され、表面が絶縁処理された金属板又は箔材を隣接する面が相互に絶縁されるようにツヅラ折り状に積層した構造をもち、周縁にヨーク状突起又はバリをもつ貫通孔が前記波形又は凹凸状の山部又は谷部に穿設されている。金属板又は箔材は、隣接する面が相互に絶縁されるように渦巻き状に巻き込むこともできる。ツヅラ折りの方向又は渦巻き状の巻込み方向に対し、波形又は凹凸の波面方向を傾斜させることが好ましい。
金属板又は箔材の材質には、たとえばCr:8〜30重量%,Al:8重量%以下,Ti:1重量%以下及びMo:3重量%以下を含むFe合金がある。
【0004】
【実施の形態】
本発明で使用される金属板又は箔材10は、表面が絶縁処理され、図1に示すように規則的且つ周期的に波形又は凹凸11が形成されている。
波形又は凹凸11は、波面方向に断面形状を周期的に変化させるウネリをつけることが好ましい。波形又は凹凸11の山部,谷部又は中腹に、ヨーク状突起又はバリ12のある貫通孔13が形成されている。
波形又は凹凸11がつけられた金属板又は箔材10は、図2に示すように積層され、或いは図3に示すように渦巻状に巻き込まれる。これにより、液体や気体が通過する隙間14が、金属板又は箔材10の隣接間に形成される。図2の積層体では、左右方向,奥行方法,上下方向の何れかの方向に沿って液体又は気体を流すことができる。図3の巻込み構造では、上下方向に沿って液体又は気体が流される。
【0005】
隣接した金属板又は箔材10のヨーク状突起又はバリ12は、図4に示すようにところどころで噛み合い、積層又は巻き込んだ多孔体としての形状安定性を確保する。ヨーク状突起又はバリ12は、このように液体又は気体通過用の隙間14を確保すると共に、通過する液体又は気体との熱交換を促進させる。
多孔体は、金属板又は箔材10をツヅラ折り状に折り畳むことにより形成される。この場合、機械的に弱くなったり一部が破断して電気抵抗が局部的に高くなりがちな折曲げ部は、スポット溶接等によって補強することが好ましい。また、裁断した金属板又は箔材10を重ね合わせ、交互に反対側を溶接することによってツヅラ折り状の多孔体とすることもできる。この場合、形成された多孔体は、直方体状のブロックとなる。また、渦巻き状にする場合、図5に示すように、波形又は凹凸11及び貫通孔13が設けられた金属板又は箔材10を先ず二つ折りにし、次いで渦巻き状に巻き込むことが好ましい。
【0006】
金属板又は箔材10につける波形又は凹凸11は、ツヅラ折りの方向又は巻き込み方向に対して波面方向が傾斜していることが好ましい。傾斜した波面に沿って位置する波形又は凹凸11は、たとえば図6に示すように金属板又は箔材10をツヅラ折り状に折り畳むと、A面及びB面では傾斜方向が図7に示すように逆方向になる。そのため、折り畳まれた金属板又は箔材10のA面とB面とが密着することなく、両面間の空隙分布が一様になる。二つ折りした金属板又は箔材10を渦巻き状に巻き込む場合(図5)にも、同様に隣接面間で波形又は凹凸11の傾斜方向が逆方向になるため、両面間の空隙分布が一様になる。
金属板又は箔材10は、隣接する面が相互に絶縁されるように、多孔体としてブロック状に固定される前に表面に絶縁膜を形成することが必要である。絶縁膜は、酸化雰囲気中で金属板又は箔材10を加熱する方法,セラミックス等の絶縁物をコーティングする方法等によって形成される。また、場合によっては、絶縁性のスペーサを介在させても良い。このように隣接面間が絶縁された金属板又は箔材10の長手方向両端に電極を取り付けると、全体として長尺の抵抗加熱ヒータとなり、電気抵抗発熱体として必要な全抵抗が確保できると共に、隙間14を通過する液体又は気体との熱交換が促進される。また、波形又は凹凸形状が互いに傾斜をもってツヅラ折り状に積層又は渦巻状に巻き込まれることにより、全体としてハニカム構造になり、優れた構造体強度をもつものとなる。
【0007】
金属板又は箔材10としては、耐熱性,耐酸化性,緻密性に優れた不動態皮膜を形成するCr:8〜30重量%,Si:5重量%以下,Al:8重量%以下,Ti:1重量%以下及びMo:3重量%以下を含むステンレス鋼が使用される。Crは、耐熱性及び耐酸化性に必要な合金元素であり、8重量%以上の含有量でCr添加の作用が顕著になる。しかし、30重量%を超える多量のCrが含まれると、脆化による製造性や加工性が劣化するため好ましくない。
Siは、耐熱性及び耐酸化性の向上に有効であるが、5重量%を超える多量のSiが含まれると鋼を硬化させ、加工性を劣化させる。Alは、耐熱性,耐酸化性及び不動態皮膜の緻密性を向上させる上で有効な合金元素であるが、5重量%を超える多量のAlが含まれると、製造性が劣化する。Tiは、耐熱性,耐酸化性及び不動態皮膜の緻密性を向上させる上で有効な合金元素であるが、1重量%を超える多量のTiが含まれると、製造性が劣化する。Moは、耐熱性及び耐酸化性の向上に有効であるが、3重量%を超える多量のMoが含まれると加工性が劣化する。
【0008】
【作用】
ステンレス鋼は、鋼材の中では高抵抗であるものの、ニクロムに比較すると電気抵抗が低いことから、ヒータ材料として使用しづらい。しかし、本発明に従ったヒータでは、金属板又は箔材10を波形又は凹凸状に加工していることから長さ方向に対する見掛けの比抵抗が大きくなり、更にツヅラ折り状に積層又は渦巻状に巻き込むことによって、一層電流の流れる距離を長く取ることができる。そのため、ヒータ全体としての抵抗値が高くなり、焼結等で作成した多孔体のように切込み等の加工が不要で、積層又は巻込みによりハニカム構造体となることから、構造体としての強度を得ることができる。その結果、設計上、素材選択の自由度が高くなる。
【0009】
積層(図2)又は渦巻状(図3,図5)に巻き込んだ多孔体ブロックの両端に電極を接続して電流を流すとき、多孔体は全体に均一加熱される。この条件下で多孔体の内部に液体又は気体を流すと、加熱された多孔体と液体又は気体との間で効率よく熱交換が行われる。その結果、液体又は気体が短時間に加熱される。この多孔体では隙間14を均一に形成できるため、発熱量も均一になる。しかし、場合によっては一部の材質や波形パターンを変更することにより、たとえば周辺部と中心部とで発熱量を意図的に変えることもできる。
この多孔体ブロックは、電気温風機,ヘアドライヤ等に電気ヒータとして組み込むこともできる。この場合、従来のようにヒータを赤熱する必要がないので安全な電気機器となり、素材としてニクロムのように高価な材料を使用する必要がないことからヒータ自体も安価になる。また、排ガス処理のアフターバーナのような用途に使用することもでき、適度に加熱した多孔体の内部に排ガスを通過させることによって希薄な未燃焼排ガスが完全に燃焼し、クリーンな排ガスとなる。
【0010】
【実施例】
実施例1:
Cr:11重量%,Si:0.6重量%,Al:0.05重量%,Ti:0.3重量%を含む厚み100μm,幅40mm,長さ2000mmのステンレス鋼板を、波形ピッチ1.8mm,振幅(波の深さ)0.6mmの波形形状(図1)にプレス成形した。波形11の頂部に、高さ0.2mmのバリ12を周縁にもつ貫通孔13を形成した。次いで、バリ12の尖鋭部が酸化皮膜を疵付けないように、ステンレス鋼板にビーズブラストをかけた。
処理後のステンレス鋼板を20mm長さで切断し、短冊状の板32枚を重ね合わせた。各板の両端を交互にスポット溶接し、ツヅラ折り状にした。ツヅラ折り状を軽くたたんで、ブロックとした。このブロックを湿潤水素雰囲気中で1000℃×45分間の加熱酸化処理を施し、良好な絶縁皮膜をステンレス鋼表面に形成した。
【0011】
ツヅラ折り状のステンレス鋼板の長手方向両端部の酸化皮膜を一部除去し、ニッケル板をスポット溶接して電極を取り付けた。このようにして、幅40mm,厚み40mm,長さ20mmの直方体状多孔体ヒータを得た。この多孔体ヒータの電気抵抗は、約3Ωであった。多孔体ヒータを石英管内に固定し、電極に10Vの電圧を印加すると約3Aの電流が流れ、40秒で約100℃まで昇温した。
【0012】
実施例2:
Cr:18重量%,Si:0.4重量%,Al:3.2重量%,Ti:0.14重量%を含む厚み50μm,幅40mmのステンレス鋼箔に、プレス成形によって波形ピッチ1.8mm,振幅(波の深さ)0.6mmの波形形状(図1)をつけた。この例では、波型の波面方向を5度傾斜させた。波形11の頂部に、高さ0.2mmのバリ12を周縁にもつ貫通孔13を形成した。次いで、バリ12の尖鋭部が酸化皮膜を疵付けないように、ステンレス鋼板にビーズブラストをかけた。
次いで、ステンレス鋼箔を二つ折りし、二重螺旋状(図5)に巻き込み、きつく巻いた状態での直径が60mmの円筒状多孔体とした。この円筒状多孔体の巻き込み状態を若干緩め、湿潤水素雰囲気中で1000℃×45分間の加熱酸化処理を施した。酸化処理後、円筒状多孔体をきつく巻き締めても、長手方向両端間の電気抵抗は常温で約8Ωと一定の値を示し、良好な絶縁皮膜が形成されていることが確認された。
【0013】
ステンレス鋼箔の長手方向両端に、ニッケル箔をスポット溶接して電極を取り付けた。得られた円筒状多孔体を、外径65mmの固定用石英管に挿入した。この状態における円筒状多孔体の開口率は、重量法で実測したところ93%であった。
円筒状多孔体の電極に10Vの電圧を印加し約1Aの電流を流すと、1分間で100℃程度に昇温した。また、100Vの電圧で約10Aの電流を流すと、15秒程度で赤熱した。この円筒状多孔体も、実施例1の多孔体ヒータと同様に優れた熱交換性能を呈した。
【0014】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の電気抵抗ヒータは、表面が絶縁処理された金属板又は箔材を積層又は渦巻き状に巻き込んだ多孔体を使用している。この多孔体は、熱伝達効率が良く、内部を通過する液体又は気体を短時間に加熱する、また、希薄なガスや未燃焼成分を含むガスであっても容易に燃焼させることから、排気ガスのアフターバーナ等としても使用される。しかも、従来の焼結体に比較して簡単に製造できることから、各種ヒータとして広範な分野で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 プレス成形した金属板又は箔材
【図2】 積層した金属板又は箔材
【図3】 渦巻き状に巻き込んだ金属板又は箔材
【図4】 隣接するバリが絡み合った金属板又は箔材
【図5】 二重螺旋状に巻き込んだ金属板又は箔材
【図6】 ツヅラ折り状の金属板又は箔材
【図7】 ツヅラ折りされた隣接面(A)と(B)とで波面方向が逆になっている波形又は凹凸
【符号の説明】
10:金属板又は箔材 11:波形又は凹凸 12:ヨーク状突起又はバリ13:貫通孔 14:隙間[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an electrical resistance heater made of a porous material that has high total resistance and excellent structure strength, and that efficiently transfers heat to a gas or liquid passing through the inside.
[0002]
[Prior art and problems]
In a catalyst system for purifying automobile exhaust gas, a relatively large heater may be used for efficient heating for early ignition of the catalyst. For this reason, development of materials having higher specific resistance and excellent heat resistance, corrosion resistance and the like is underway. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-31038 introduces an Fe—Cr heater alloy containing 8 to 20% by weight of Al. However, when a large block heater is made of a metal material, the electric resistance of the heater is reduced, and it is necessary to supply a large current in order to obtain a desired power, which is not practical.
It is also known to form slits in the honeycomb structure in order to increase electric resistance. However, since the strength of the honeycomb structure decreases due to the formation of the slits, the actual situation is that a large heater suitable for efficient heating has not been obtained.
[0003]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been devised to solve such problems, and the porous body block previously proposed in Japanese Patent Application No. 6-181818 has a large contact area with respect to the substrate or liquid and also has heat transfer characteristics. By paying attention to the excellent point and using this porous body block as a heater, an object is to provide a large-sized electric resistance heater having high total resistance and excellent structure strength and heating efficiency.
In order to achieve the object, the porous electrical resistance heater according to the present invention is formed in a corrugated or concavo-convex shape so that adjacent surfaces of a metal plate or foil material whose surfaces are insulated are insulated from each other. A through-hole having a structure that is laminated in a fold-like shape and having a yoke-like protrusion or burr on the periphery is formed in the corrugated or uneven peak or valley. The metal plate or foil material can also be wound in a spiral shape so that adjacent surfaces are insulated from each other . It is preferable to incline the wavefront direction of the corrugations or irregularities with respect to the direction of the fold or the spiral winding direction.
Examples of the material of the metal plate or foil material include an Fe alloy containing Cr: 8 to 30% by weight, Al: 8% by weight or less, Ti: 1% by weight or less, and Mo: 3% by weight or less.
[0004]
Embodiment
The surface of the metal plate or
It is preferable that the corrugations or
The metal plate or
[0005]
As shown in FIG. 4, the yoke-like protrusions or
The porous body is formed by folding the metal plate or the
[0006]
It is preferable that the wavefront direction of the corrugation or
It is necessary to form an insulating film on the surface of the metal plate or
[0007]
As the metal plate or
Si is effective in improving heat resistance and oxidation resistance, but if a large amount of Si exceeding 5% by weight is contained, the steel is hardened and the workability is deteriorated. Al is an alloy element that is effective in improving heat resistance, oxidation resistance and the denseness of the passive film. However, if a large amount of Al exceeding 5% by weight is contained, productivity is deteriorated. Ti is an alloy element that is effective in improving heat resistance, oxidation resistance and denseness of the passive film. However, if a large amount of Ti exceeding 1% by weight is contained, productivity deteriorates. Mo is effective in improving heat resistance and oxidation resistance, but if a large amount of Mo exceeding 3% by weight is contained, workability deteriorates.
[0008]
[Action]
Although stainless steel has a high resistance among steel materials, it is difficult to use as a heater material because it has a lower electrical resistance than nichrome. However, in the heater according to the present invention, since the metal plate or the
[0009]
When an electrode is connected to both ends of a porous body block wound in a stack (FIG. 2) or a spiral shape (FIGS. 3 and 5) and an electric current is passed, the porous body is uniformly heated as a whole. When a liquid or gas is allowed to flow inside the porous body under these conditions, heat exchange is efficiently performed between the heated porous body and the liquid or gas. As a result, the liquid or gas is heated in a short time. In this porous body, since the
The porous body block can be incorporated as an electric heater in an electric warm air machine, a hair dryer or the like. In this case, since it is not necessary to heat the heater red as in the prior art, it becomes a safe electric device, and since it is not necessary to use an expensive material such as nichrome as a material, the heater itself is also inexpensive. Moreover, it can also be used for applications such as an afterburner for exhaust gas treatment. By passing the exhaust gas through a suitably heated porous body, the lean unburned exhaust gas is completely burned and becomes clean exhaust gas.
[0010]
【Example】
Example 1:
A stainless steel plate having a thickness of 100 μm, a width of 40 mm and a length of 2000 mm including Cr: 11% by weight, Si: 0.6% by weight, Al: 0.05% by weight, Ti: 0.3% by weight, and a corrugated pitch of 1.8 mm. , And press-molded into a waveform shape (FIG. 1) having an amplitude (wave depth) of 0.6 mm. A through-
The treated stainless steel plate was cut to a length of 20 mm, and 32 strip-shaped plates were superposed. The both ends of each plate were spot welded alternately to form a spiral fold. The folds of the crane were folded lightly to make a block. This block was heat-oxidized at 1000 ° C. for 45 minutes in a wet hydrogen atmosphere to form a good insulating film on the stainless steel surface.
[0011]
A part of the oxide film at both ends in the longitudinal direction of the stainless steel plate in a fold-like shape was removed, and a nickel plate was spot welded to attach an electrode. Thus, a rectangular parallelepiped porous heater having a width of 40 mm, a thickness of 40 mm, and a length of 20 mm was obtained. The electrical resistance of this porous heater was about 3Ω. When a porous heater was fixed in the quartz tube and a voltage of 10 V was applied to the electrode, a current of about 3 A flowed and the temperature was raised to about 100 ° C. in 40 seconds.
[0012]
Example 2:
Corrugated pitch of 1.8 mm by press forming on stainless steel foil with thickness of 50 μm and width of 40 mm including Cr: 18 wt%, Si: 0.4 wt%, Al: 3.2 wt%, Ti: 0.14 wt% A waveform shape (FIG. 1) having an amplitude (wave depth) of 0.6 mm was applied. In this example, the wavefront direction of the wave is inclined by 5 degrees. A through-
Next, the stainless steel foil was folded in half and wound into a double spiral shape (FIG. 5) to form a cylindrical porous body having a diameter of 60 mm in a tightly wound state. The cylindrical porous body was slightly loosened and subjected to a heat oxidation treatment at 1000 ° C. for 45 minutes in a wet hydrogen atmosphere. Even after the oxidation treatment, even when the cylindrical porous body was tightly wound, the electrical resistance between both ends in the longitudinal direction showed a constant value of about 8Ω at room temperature, and it was confirmed that a good insulating film was formed.
[0013]
Electrodes were attached to both ends of the stainless steel foil in the longitudinal direction by spot welding of nickel foil. The obtained cylindrical porous body was inserted into a fixing quartz tube having an outer diameter of 65 mm. The opening ratio of the cylindrical porous body in this state was 93% when measured by a weight method.
When a voltage of 10 V was applied to the cylindrical porous body electrode and a current of about 1 A was applied, the temperature was raised to about 100 ° C. in 1 minute. In addition, when a current of about 10 A was applied at a voltage of 100 V, it heated red in about 15 seconds. This cylindrical porous body also exhibited excellent heat exchange performance, similar to the porous heater of Example 1.
[0014]
【The invention's effect】
As described above, the electric resistance heater of the present invention uses a porous body in which a metal plate or a foil material whose surface is insulated is laminated or spirally wound. This porous body has good heat transfer efficiency, heats a liquid or gas passing through the inside in a short time, and easily burns even a gas containing a lean gas or an unburned component. It is also used as an afterburner. And since it can manufacture easily compared with the conventional sintered compact, it is used in various fields as various heaters.
[Brief description of the drawings]
[Fig. 1] Press-formed metal plate or foil material [Fig. 2] Laminated metal plate or foil material [Fig. 3] Metal plate or foil material wound in a spiral shape [Fig. 4] Metal plate or adjacent burrs intertwined Foil material [Fig. 5] Metal plate or foil material wound in a double spiral shape [Fig. 6] Metal plate or foil material in a fold-like shape [Fig. 7] With adjacent surfaces (A) and (B) folded in a vine shape Waveform or unevenness with reversed wavefront direction [Explanation of symbols]
10: Metal plate or foil material 11: Corrugated or uneven 12: Yoke-shaped protrusion or burr 13: Through hole 14: Gap
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