特許 7034047 車室暖房用ヒーターエレメント及びその使用方法、並びに車室暖房用ヒーター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-03

(45)【発行日】2022-03-11

(54)【発明の名称】車室暖房用ヒーターエレメント及びその使用方法、並びに車室暖房用ヒーター

(51)【国際特許分類】

   B60H 1/22 20060101AFI20220304BHJP

   F28F 21/04 20060101ALI20220304BHJP

【ＦＩ】

B60H1/22 611C

F28F21/04

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2018192932

(22)【出願日】2018-10-11

(65)【公開番号】P2020059443

(43)【公開日】2020-04-16

【審査請求日】2021-03-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】宮入 由紀夫

(72)【発明者】

【氏名】桝田 昌明

【審査官】奈須 リサ

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０５４９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７－０４７５０７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０８－０６６４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０６５３６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８０２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１５３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０８４６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３２８６５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５９－７０２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００５５３１６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｈ １／００－３／０６

Ｃ０４Ｂ ３５／４２－３５／４４７、３５／４６－３５／５１５

Ｆ２８Ｆ ２１／００－２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両の車室暖房用ヒーターエレメントであって、
外周側壁と、外周側壁の内周側に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の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通電発熱可能な柱状ハニカム構造部、
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に対向するように形成された一対の電極部、及び、
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の少なくとも一方の電極部との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されたＰＴＣサーミスタ、
を備えた車室暖房用ヒーターエレメント。

【請求項2】

前記柱状ハニカム構造部の容積Ｖに対する、前記ＰＴＣサーミスタによって前記柱状ハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積Ｓの比（Ｓ／Ｖ）が、０．１ｃｍ²／ｃｍ³以上である請求項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Ｓ／Ｖが、０．２ｃｍ²／ｃｍ³以上である請求項２に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。

【請求項4】

前記複数のセルの流体の流路に直交する方向の断面において、前記複数のセルは放射状に配列されている請求項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ＰＴＣサーミスタは、キュリー点が１００℃以上２５０℃以下のＰＴＣ材料で構成される請求項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】

前記柱状ハニカム構造部がＳｉ結合ＳｉＣを含有する請求項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ＰＴＣサーミスタは、前記少なくとも一方の電極部が前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように配設される請求項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】

前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の各電極部との間に挟まれた位置にＰＴＣサーミスタがそれぞれ配設されており、
少なくとも一方のＰＴＣサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に位置する電気絶縁層であって、前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な位置に延設された電気絶縁層を更に備える請求項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。

【請求項9】

前記外周側壁がＰＴＣサーミスタによって被覆される部分の合計面積Ｓと、当該合計面積Ｓから前記外周側壁が前記電気絶縁層に接する部分の面積を除いた面積Ｓｅは、０．３≦Ｓｅ／Ｓ＜１を満たす請求項８に記載のヒーターエレメント。

【請求項10】

車両の車室暖房用ヒーターエレメントであって、
外周側壁と、内周側壁と、外周側壁及び内周側壁の間に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、を有する通電発熱可能な中空状ハニカム構造部、
当該中空状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に形成された外側電極部、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁の内周側に形成された内側電極部、
及び、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁と前記内側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の内周側壁を被覆するように配設されている、及び／又は、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁と前記外側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されている、ＰＴＣサーミスタ、
を備えた車室暖房用ヒーターエレメント。

【請求項11】

前記中空状ハニカム構造部の容積Ｖに対する、前記ＰＴＣサーミスタによって前記中空状ハニカム構造部の内周側壁及び／又は外周側壁が被覆される部分の合計面積Ｓの比（Ｓ／Ｖ）が、０．１ｃｍ²／ｃｍ³以上である請求項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Ｓ／Ｖが、０．２ｃｍ²／ｃｍ³以上である請求項１１に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。

【請求項13】

前記複数のセルの流体の流路に直交する方向の断面において、前記複数のセルは放射状に配列されている請求項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。

【請求項14】

前記ＰＴＣサーミスタは、キュリー点が１００℃以上２５０℃以下のＰＴＣ材料で構成される請求項１０～１３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15】

前記中空状ハニカム構造部がＳｉ結合ＳｉＣを含有する請求項１０～１４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16】

前記ＰＴＣサーミスタが中空状ハニカム構造部の内周側壁を被覆するように配設されている場合、当該ＰＴＣサーミスタは前記内側電極部が前記中空状ハニカム構造部の内周側壁と直接接触する部分がないように配設され、前記ＰＴＣサーミスタが中空状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されている場合、当該ＰＴＣサーミスタは前記外側電極部が前記中空状ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように配設される請求項１０～１５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17】

二つの電極間に２００Ｖ以上の電圧を印加する請求項１～１６の何れか一項に記載のヒーターエレメントの使用方法。

【請求項18】

－６０℃～２０℃のガスがセルを通過することを含む請求項１７に記載のヒーターエレメントの使用方法。

【請求項19】

請求項１～１６の何れか一項に記載のヒーターエレメント、
外気又は車室内空気と前記ヒーターエレメントの一方の底面を連通する流入配管、
前記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
前記ヒーターエレメントの他方の底面と車室内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、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発熱用ハニカム構造体が記載されている。更に、特許文献４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４には、流体が貫流できる空洞を備え、少なくとも１個の電流分配構造物を有し、該電流分配構造物が電流供給体を介して電源に接続できる電気加熱可能なハニカム体において、ａ）電流供給体、ｂ）電流分配構造物、の内の少なくとも１つが、正温度係数（ＰＴＣ）の材料から成る少なくとも１個の制御要素を有し、該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を特徴とする電気加熱可能なハニカム体が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１７－３０７２４号公報

【文献】特表２０１５－５１９２６０号公報

【文献】特許第５２６１２５６号公報

【文献】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３に記載の通電発熱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４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。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、小型化が可能で、且つ、ＰＴＣ材料による過剰発熱の抑制効果が改善された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】

特許文献４に記載のハニカムヒーターでは、ＰＴＣ材料からなる制御要素が、電流分配構造物よりもハニカム構造体の外周側に配置されているために（特許文献４の図２及び図３参照）、ハニカム構造体からの熱は、電流分配構造物を介してＰＴＣ材料からなる制御要素に伝達するため、応答速度が遅くなる。このため、特許文献４の技術では、ハニカム構造体が過熱状態に達しても、ＰＴＣ材料に迅速に熱が伝達されないため、過剰発熱が生じやすくなっていた。このような知見に基づき、本発明者は、ハニカム構造体が過熱状態に達したときの応答速度を上げるために、ＰＴＣサーミスタをハニカム構造体と電極部（特許文献４の電流分配構造物に相当する。）の間に配置することが有効であることを見出し、以下に例示される本発明を完成した。

【0011】

［１］
車両の車室暖房用ヒーターエレメントであって、
外周側壁と、外周側壁の内周側に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の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通電発熱可能な柱状ハニカム構造部、
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に対向するように形成された一対の電極部、及び、
当該柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の少なくとも一方の電極部との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されたＰＴＣサーミスタ、
を備えた車室暖房用ヒーターエレメント。
［２］
前記柱状ハニカム構造部の容積Ｖに対する、前記ＰＴＣサーミスタによって前記柱状ハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積Ｓの比（Ｓ／Ｖ）が、０．１ｃｍ²／ｃｍ³以上である［１］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［３］
前記Ｓ／Ｖが、０．２ｃｍ²／ｃｍ³以上である［２］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［４］
前記複数のセルの流体の流路に直交する方向の断面において、前記複数のセルは放射状に配列されている［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ＰＴＣサーミスタは、キュリー点が１００℃以上２５０℃以下のＰＴＣ材料で構成される［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］
前記柱状ハニカム構造部がＳｉ結合ＳｉＣを含有する［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ＰＴＣサーミスタは、前記少なくとも一方の電極部が前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように配設される［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］
前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の各電極部との間に挟まれた位置にＰＴＣサーミスタがそれぞれ配設されており、
少なくとも一方のＰＴＣサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に位置する電気絶縁層であって、前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な位置に延設された電気絶縁層を更に備える［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。
［９］
前記外周側壁がＰＴＣサーミスタによって被覆される部分の合計面積Ｓと、当該合計面積Ｓから前記外周側壁が前記電気絶縁層に接する部分の面積を除いた面積Ｓｅは、０．３≦Ｓｅ／Ｓ＜１を満たす［８］に記載のヒーターエレメント。
［１０］
車両の車室暖房用ヒーターエレメントであって、
外周側壁と、内周側壁と、外周側壁及び内周側壁の間に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁と、を有する通電発熱可能な中空状ハニカム構造部、
当該中空状ハニカム構造部の外周側壁の外周側に形成された外側電極部、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁の内周側に形成された内側電極部、
及び、
当該中空状ハニカム構造部の内周側壁と前記内側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の内周側壁を被覆するように配設されている、及び／又は、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁と前記外側電極部との間に挟まれた位置で、当該中空状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されている、ＰＴＣサーミスタ、
を備えた車室暖房用ヒーターエレメント。
［１１］
前記中空状ハニカム構造部の容積Ｖに対する、前記ＰＴＣサーミスタによって前記中空状ハニカム構造部の内周側壁及び／又は外周側壁が被覆される部分の合計面積Ｓの比（Ｓ／Ｖ）が、０．１ｃｍ²／ｃｍ³以上である［１０］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１２］
前記Ｓ／Ｖが、０．２ｃｍ²／ｃｍ³以上である［１１］に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１３］
前記複数のセルの流体の流路に直交する方向の断面において、前記複数のセルは放射状に配列されている［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。
［１４］
前記ＰＴＣサーミスタは、キュリー点が１００℃以上２５０℃以下のＰＴＣ材料で構成される［１０］～［１３］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１５］
前記中空状ハニカム構造部がＳｉ結合ＳｉＣを含有する［１０］～［１４］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１６］
前記ＰＴＣサーミスタが中空状ハニカム構造部の内周側壁を被覆するように配設されている場合、当該ＰＴＣサーミスタは前記内側電極部が前記中空状ハニカム構造部の内周側壁と直接接触する部分がないように配設され、前記ＰＴＣサーミスタが中空状ハニカム構造部の外周側壁を被覆するように配設されている場合、当該ＰＴＣサーミスタは前記外側電極部が前記中空状ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように配設される［１０］～［１５］の何れか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
［１７］
二つの電極間に２００Ｖ以上の電圧を印加する［１］～［１６］の何れか一項に記載のヒーターエレメントの使用方法。
［１８］
－６０℃～２０℃のガスがセルを通過することを含む［１７］に記載のヒーターエレメントの使用方法。
［１９］
［１］～［１６］の何れか一項に記載のヒーターエレメント、
外気又は車室内空気と前記ヒーターエレメントの一方の底面を連通する流入配管、
前記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
前記ヒーターエレメントの他方の底面と車室内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車室暖房用ヒーターエレメントによれば、ハニカム構造によって、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、ヒーターエレメントの小型化が可能である。また、本発明の一実施形態に係るヒーターエレメントによれば、ＰＴＣサーミスタが少なくとも一方の電極部とハニカム構造部の外周側壁又は内周側壁との間に挟まれて配置されているので、ハニカム構造部の熱が迅速にＰＴＣサーミスタに伝達される。これにより、ＰＴＣサーミスタによる過剰発熱の抑制効果を改善することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1-1】本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメントについて、ハニカム構造部の底面が長方形状である場合の模式的な斜視図である。

【図1-2】本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメントについて、ハニカム構造部の底面が正方形状である場合の模式的な斜視図である。

【図1-3】本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメントについて、ハニカム構造部の底面がオーバル形状である場合の模式的な斜視図である。

【図1-4】本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメントについて、ハニカム構造部の底面が正方形状であり、ハニカム構造部の外周側壁とＰＴＣサーミスタの間に電気絶縁層が挟まれている場合の模式的な斜視図である。

【図2-1】本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメントについて、ハニカム構造部の底面が円形状である場合の模式的な斜視図である。

【図2-2】本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメントについて、セルの流路に直交する方向から観察したときの、放射状に配列されたセルを示す部分的な模式図である。

【図3】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。

【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）
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。

【0016】

（１．１ ヒーターエレメントの第一実施形態）
図１－１、図１－２及び図１－３にはそれぞれ、本発明の第一実施形態に係るヒーターエレメント１００についての、模式的な斜視図が示されている。ヒーターエレメント１００は、外周側壁１１２と、外周側壁１１２の内周側に配設され、一方の底面１１４から他方の底面１１６まで流体の流路を形成する複数のセル１１５を区画形成する隔壁１１３とを有する通電発熱可能な柱状ハニカム構造部を備える。また、ヒーターエレメント１００は、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２の外周側に対向するように形成された一対の電極部１２０を備える。また、ヒーターエレメント１００は、該柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２と一対の電極部１２０の少なくとも一方の電極部１２０との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２を被覆するように配設されたＰＴＣサーミスタ１２２を備える。

【0017】

（１．１．１ 柱状ハニカム構造部）
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（図１－１参照））、正方形（図１－２参照）、五角形、六角形、七角形、八角形等）の多角柱状、底面が円形の柱状（円柱状）（図２参照）、底面がオーバル形状（図１－３参照）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。また、柱状ハニカム構造部は中空状にすることもできる。

【0018】

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、ハニカム構造部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。例えば図１－１に示すヒーターエレメント１００の柱状ハニカム構造部において、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。

【0019】

セルの流路に直交する断面において、複数のセルを放射状に配列してもよい。図２－２には、後述する第二実施形態に関するが、複数のセルが放射状に配列されている例が示されている。図２－２に示す例においては、複数のセルはそれぞれが、柱状ハニカム構造部の中心側から外周側に向かって伸びる一対の隔壁と、当該一対の隔壁を連結する中心側及び外周側の隔壁と、によって区画形成される。より詳細には、図２－２の（ａ）に示す例においては、セルの流路に直交する断面において、複数のセル１１５はそれぞれが、柱状ハニカム構造部の中心側から外周側に向かって伸びる一対の直線状隔壁１１３ａと、同心の一対の弧状隔壁１１３ｂとによって区画形成されている。図２－２の（ｂ）に示す実施態様においては、セルの流路に直交する断面において、複数のセル１１５はそれぞれが六角形状であり、柱状ハニカム構造部の中心側から外周側に向かって伸びる一対の直線状隔壁１１３ｃと、当該一対の隔壁１１３ｃを連結する中心側及び外周側のそれぞれの折れ線状隔壁１１３ｄと、によって区画形成されている。なお、図２－２において、点線で示されている箇所は図示されている部分と同様に複数のセルが放射状に配列されていることを意味する。

【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（柱状ハニカム構造部が中空状である場合は、その部分を除く。）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、２０ｍｍ以下とすることがより好ましく、１０ｍｍ以下とすることが更により好ましく、５ｍｍ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】

通電時の初期電流が過大になることを抑制するという観点及び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、隔壁を薄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、０．１５ｍｍ以下であることが好ましく、０．１３ｍｍ以下であることがより好ましく、０．１０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。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。

【0023】

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。

【0024】

柱状ハニカム構造部は、セル密度が４０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（柱状ハニカム構造部が中空状である場合は、その部分を除く。）でセル数を除して得られる値である。

【0025】

通風抵抗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、柱状ハニカム構造部の各底面における開口率の下限は、０．７以上であることが好ましく、０．７５以上であることがより好ましく、０．８以上であることが更により好ましい。また、熱伝導性確保という観点からは、柱状ハニカム構造部の各底面における開口率の上限は０．９以下であることが好ましく、０．８８以下であることがより好ましく、０．８５以下であることが更により好ましい。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（柱状ハニカム構造部が中空状である場合は、その部分を除く。）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。

【0026】

柱状ハニカム構造部の材質は、通電によって発熱可能な材質であれば特に制限はなく、金属やセラミックス等を使用可能である。外気又は車室内空気のようなガスが、柱状ハニカム構造部の一方の底面から流入してから、複数のセル１１５を通過し、他方の底面から流出するまでに、当該ガスは発熱する柱状ハニカム構造部からの伝熱によって加熱されることが可能である。特に、耐熱性と導電性の両立の観点から、柱状ハニカム構造部の材質は、Ｓｉ結合ＳｉＣ又はＳｉＣを主成分とするものであることが好ましく、Ｓｉ結合ＳｉＣ又はＳｉＣであることが更に好ましい。柱状ハニカム構造部の電気抵抗率を下げるために、ケイ化タンタル（ＴａＳｉ₂）及び／又はケイ化クロム（ＣｒＳｉ₂）を配合することもできる。柱状ハニカム構造部がＳｉ結合ＳｉＣを主成分とするというのは、柱状ハニカム構造部がＳｉ結合ＳｉＣ（合計質量）を、ハニカム構造部全体の９０質量％以上含有していることを意味する。ここで、Ｓｉ結合ＳｉＣは、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものである。また、柱状ハニカム構造部がＳｉＣを主成分とするというのは、柱状ハニカム構造部がＳｉＣ（合計質量）を、ハニカム構造部全体の９０質量％以上含有していることを意味する。

【0027】

柱状ハニカム構造部の材質としては、チタン酸バリウムに代表されるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）材料を採用することも可能である。つまり、柱状ハニカム構造部自体が、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していてもよい。しかしながら、熱伝導率、強度、適切な電気抵抗を満足するハニカム材料選定という観点からは、Ｓｉ結合ＳｉＣ又はＳｉＣのようなＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特性を有する材料が総合的には好ましい。

【0028】

（１．１．２ 電極部）
ヒーターエレメント１００は、柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２の外周側に対向するように形成された一対の電極部１２０を備える。柱状ハニカム構造部は、一対の電極部間に電圧を印加すると通電してジュール熱により発熱することが可能である。好ましい実施形態においては、一対の電極部１２０が、ハニカム構造部の中心軸を挟んで、ハニカム構造部の外周側壁１１２の外周側にセルの流路方向に帯状に延設される。これにより、ハニカム構造体は、一対の電極部１２０間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部内を流れる電流の偏りを抑制することができ、ハニカム構造部内の温度分布の偏りを抑制することができる。各電極部１２０には電線を拡散接合、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を介して給電可能である。

【0029】

各電極部１２０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。後述するＰＴＣサーミスタ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。

【0030】

一対の電極部１２０はそれぞれ、柱状ハニカム構造部のセルの流路方向に一方の底面から他方の底面まで延びる帯状に形成することが好ましい。このように、一対の電極部１２０が、柱状ハニカム構造部の両底面間に亘って配設されていることにより、一対の電極部１２０間に電圧を印加した時に、柱状ハニカム構造部内を流れる電流の偏りをより効果的に抑制することができる。そして、柱状ハニカム構造部内を流れる電流の偏りを抑制することにより、ハニカム構造部内の温度分布の偏りをより効果的に抑制することができる。「一対の電極部はそれぞれ、柱状ハニカム構造部のセルの流路方向に一方の底面から他方の底面まで延びる帯状に形成されている」とは、各電極部１２０の一方のセル流路方向端部が柱状ハニカム構造部の一方の底面の周縁に接し、且つ、各電極部１２０の他方のセル流路方向端部が柱状ハニカム構造部の他方の底面の周縁に接していることを意味する。

【0031】

（１．１．３ ＰＴＣサーミスタ）
ヒーターエレメント１００は、柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２と一対の電極部１２０の少なくとも一方の電極部１２０との間に挟まれた位置で、当該柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２を被覆するように配設されたＰＴＣサーミスタ１２２を備える。このようなサンドイッチ構造を有することで、柱状ハニカム構造部からの熱は迅速にＰＴＣサーミスタ１２２に伝えられるので、柱状ハニカム構造部が過剰発熱したときに、ＰＴＣサーミスタ１２２が速やかに作動し、電極部１２０を介して柱状ハニカム構造部を通る電流を抑制することが可能となる。ＰＴＣサーミスタ１２２は、柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２と一対の電極部１２０の一方の電極部１２０との間に挟まれた位置にのみ設けてもよいし、柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２と一対の電極部１２０の両方の電極部１２０との間に挟まれた位置に設けてもよい。ＰＴＣサーミスタを両方の電極部に対して設ける場合は、電流の偏りを防止するため、各電極部用のＰＴＣサーミスタ同士を分離させて設けることが好ましい。

【0032】

過熱防止性能を高めるという観点から、柱状ハニカム構造部の容積Ｖに対する、ＰＴＣサーミスタ１２２によって柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２が被覆される部分の合計面積Ｓの比（Ｓ／Ｖ）の下限は、０．１ｃｍ²／ｃｍ³以上であることが好ましく、０．２ｃｍ²／ｃｍ³以上であることがより好ましく、０．４ｃｍ²／ｃｍ³以上であることが更により好ましい。また、円断面、四角断面の単純形状の側面全てを覆う以上に複雑形状にしてＳ／Ｖを稼ぐことは可能ではあるが電流の分布が複雑化して温度分布に不均一を生じやすくなってしまうので、単純形状を維持する観点から、Ｓ／Ｖの上限は、０．８ｃｍ²／ｃｍ³以下であることが好ましく、０．７ｃｍ²／ｃｍ³以下であることがより好ましく、０．６ｃｍ²／ｃｍ³以下であることが更により好ましい。ここで、ハニカムの容積Ｖ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（中空部分は容積Ｖに算入しない。）。また、合計面積Ｓは、ＰＴＣサーミスタが複数設置されている場合には、複数のＰＴＣサーミスタによって柱状ハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積を指す。

【0033】

Ｓ／Ｖを大きくするために、ＰＴＣサーミスタによって柱状ハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積Ｓを大きくすると、各電極部用に配設したＰＴＣサーミスタ同士の距離が短くなるので、ハニカム構造部内の電気伝導経路が短い部分ができてしまう。この場合、電気抵抗が低いためその部分に電流が集中して流れてしまい、局所的に高温になり、温度の不均一が生じる。そこで、ハニカム構造部中の電気伝導経路が短くなってしまう部分は電気伝導に関して絶縁し、熱伝導は可能な状態にすると、ＰＴＣサーミスタへの熱の伝わりは良好なので過熱防止効果に優れ、かつ、電気伝導経路の短い部分を作らないので、ハニカム構造部内での発熱均一性が向上するという効果が得られる。

【0034】

従って、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、
前記柱状ハニカム構造部の外周側壁と前記一対の電極部の各電極部との間に挟まれた位置にＰＴＣサーミスタがそれぞれ配設されており、
少なくとも一方のＰＴＣサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に位置する電気絶縁層であって、前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な位置に延設された電気絶縁層を更に備える。

【0035】

好ましい実施形態において、電気絶縁層はそれぞれのＰＴＣサーミスタの一部と、前記柱状ハニカム構造部の外周側壁との間に挟まれた位置に一対配設される。

【0036】

前記一対の電極部に電圧を印加したときのハニカム構造部内における電流分布の均一性を高めることが可能な電気絶縁層の配設位置としては、各電極部用に配設したＰＴＣサーミスタ同士が周方向に最も近接する各ＰＴＣサーミスタの端縁部が挙げられる。電気絶縁層は各ＰＴＣサーミスタの一方の端縁部に設けてもよいし、各ＰＴＣサーミスタの両方の端縁部に設けてもよい。ここで、周方向とはハニカム構造部の高さ方向（セルの延びる方向）に垂直な方向を指す。

【0037】

前記外周側壁がＰＴＣサーミスタによって被覆される部分の合計面積Ｓに対する、当該合計面積Ｓから前記外周側壁が前記電気絶縁層に接する部分の面積を除いた面積Ｓｅの比率（Ｓｅ／Ｓ）は小さいほうが、ハニカム構造部内での発熱均一性が向上するという効果が得られやすい。一方で、Ｓｅ／Ｓが小さすぎると過昇温防止効果が低下しやすくなる。このため、好ましい実施形態においては０．３≦Ｓｅ／Ｓ＜１を満たし、より好ましい実施形態においては、０．３≦Ｓｅ／Ｓ≦０．８を満たし、更により好ましい実施形態においては０．４≦Ｓｅ／Ｓ≦０．７を満たす。

【0038】

例えば、図１－４には、図１－２の実施形態に対して、ハニカム構造部の外周側壁１１２とＰＴＣサーミスタ１２２の間に電気絶縁層１１８を部分的に挟むように改変した変形例が示されている。図１－４の実施形態においては、一対の対向するＰＴＣサーミスタ１２２はそれぞれ、外周側壁１１２の電圧印加面及び当該電圧印加面に対して垂直な外周側壁１１２の隣接側面に断面Ｌ字状に延設されている。電気絶縁層１１８は、各ＰＴＣサーミスタ１２２と外周側壁１１２の間に挟まれた位置で、外周側壁１１２の当該隣接側面を被覆するように設置されている。

【0039】

電気絶縁層１１８の材質としては、特に制限はないが、例えば、ＳｉＯ_2、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣｅＯ₂等の酸化物や、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の窒化物が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。電気絶縁層１１８の形成方法としては乾式法及び湿式法が挙げられる。乾式法としては、ＣＶＤ（化学蒸着）法、ＰＶＤ（物理蒸着）法、イオンプレーティング法、スパッタリング法及び静電スプレー法が例示される。湿式法としては、電気絶縁層形成用スラリーを外周側壁の所定位置に塗布し、乾燥させた後、焼成する方法が例示される。

【0040】

ＰＴＣサーミスタ１２２は、少なくとも一方の電極部１２０が柱状ハニカム構造部の外周側壁１１２と直接接触する部分がないように配設されることが好ましい。当該構成によればＰＴＣサーミスタが作動したときに、電流経路を完全に遮断することが可能となるので、過熱防止性能を高める効果が得られる。

【0041】

ＰＴＣ特性を有するという観点から、ＰＴＣサーミスタ１２２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。

【0042】

ＰＴＣサーミスタ１２２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、ＰＴＣサーミスタ１２２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。

【0043】

ＰＴＣサーミスタ１２２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。

【0044】

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。

【0045】

ＰＴＣサーミスタ１２２の平均厚みの下限は、過熱防止性能を高めるという観点から、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましく、２ｍｍ以上であることが更により好ましい。ＰＴＣサーミスタ１２２の平均厚みの上限は、全体としての初期電気抵抗値を過剰に大きくしないという観点から、５０ｍｍ以下であることが好ましく、４０ｍｍ以下であることがより好ましく、３０ｍｍ以下であることが更により好ましい。ＰＴＣサーミスタ１２２の平均厚みは、セルの流路に直交する断面でＰＴＣサーミスタ１２２の厚みを任意に１０か所以上測定したときの平均値として求める。

【0046】

（１．２ ヒーターエレメントの第二実施形態）
図２には、本発明の第二実施形態に係るヒーターエレメント２００についての、模式的な斜視図が示されている。ヒーターエレメント２００は、外周側壁１１２と、内周側壁１１７と、外周側壁１１２及び内周側壁１１７の間に配設され、一方の底面から他方の底面まで流体の流路を形成する複数のセル１１５を区画形成する隔壁１１３と、を有する通電発熱可能な中空状ハニカム構造部を備える。また、ヒーターエレメント２００は、中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２の外周側に形成された外側電極部１２０ａと、中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７の内周側に形成された内側電極部１２０ｂを備える。また、ヒーターエレメント２００は、中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７と内側電極部１２０ｂとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７を被覆するように配設されている、及び／又は、中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２と外側電極部１２０ａとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２を被覆するように配設されている、ＰＴＣサーミスタ１２２を備える。

【0047】

（１．２．１ 柱状ハニカム構造部）
中空状ハニカム構造部の全体形状及びセルの形状は、中空状であるという限定がある点を除き、第一実施形態で述べた柱状ハニカム構造部における説明と同様であるので、詳細な説明を省略する。但し、第二実施形態においては、電極部が中空状ハニカム構造部の外周側及び内周側の両方に配置されているため、セルを放射状に配列することで、電気が径方向に流れやすくなる。このため、セルを放射状に配列することは、本実施形態のように電極部を中空状ハニカム構造部の外周側及び内周側の両方に配置するときに均一加熱性能が高くなるという点で特に有利である。

【0048】

中空状ハニカム構造部の各底面積の大きさ、高さ、隔壁の平均厚み、セル密度、開口率、及び材質は、第一実施形態で述べた柱状ハニカム構造部における説明と同様であるので詳細な説明を省略する。

【0049】

ＰＴＣ材料がハニカムと接触する面積を確保する観点から、セルの流路に直交する断面において、中空部分及びセル開口部を含む中空状ハニカム構造部全体の断面積に対する中空部分の占める面積の割合は、５％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。また、ハニカム部を十分確保し、ガスの流動抵抗を抑える観点から、セルの流路に直交する断面において、中空部分及びセル開口部を含む中空状ハニカム構造部全体の断面積に対する中空部分の占める面積の割合は、８０％以下であることが好ましく、６０％以下であることがより好ましく、５０％以下であることが更により好ましい。なお、中空部分の占める面積の算出には電極部及びＰＴＣサーミスタは考慮しない。

【0050】

（１．２．２ 電極部）
ヒーターエレメント２００は、中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２の外周側に形成された外側電極部１２０ａと、中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７の内周側に形成された内側電極部１２０ｂを備える。中空状ハニカム構造部は、一対の電極部間に電圧を印加すると通電してジュール熱により発熱することが可能である。好ましい実施形態においては、均一発熱の観点から、外側電極部１２０ａは中空状ハニカム構造部の外周側壁の外周側全体を被覆するように形成される。また、好ましい実施形態においては、均一発熱の観点から、内側電極部１２０ｂは、中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７の内周側全体を被覆するように形成される。これにより、ハニカム構造体は、一対の電極部１２０ａ、１２０ｂ間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部内を流れる電流の偏りを抑制することができ、ハニカム構造部内の温度分布の偏りを抑制することができる。内側電極部１２０ｂは、図２－２の（ａ）に示すように、ハニカム構造部の中空部分を完全に閉塞するように設けることも可能であり、これによって、ヒーターエレメントの構造強度を高めることができる。各電極部１２０ａ、１２０ｂには電線を拡散接合、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を介して給電可能である。

【0051】

各電極部１２０ａ、１２０ｂの材質は、第一実施形態で述べた電極部における説明と同様であるので詳細な説明を省略する。

【0052】

（１．２．３ ＰＴＣサーミスタ）
ヒーターエレメント２００は、中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７と内側電極部１２０ｂとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７を被覆するように配設されているＰＴＣサーミスタ１２２を備えることができる。代替的に又は追加的に、ヒーターエレメント２００は、中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２と外側電極部１２０ａとの間に挟まれた位置で、中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２を被覆するように配設されている、ＰＴＣサーミスタ１２２を備える。

【0053】

このようなＰＴＣサーミスタのサンドイッチ構造を有することで、柱状ハニカム構造部からの熱は迅速にＰＴＣサーミスタ１２２に伝えられるので、柱状ハニカム構造部が過剰発熱したときに、ＰＴＣサーミスタ１２２が速やかに作動し、電極部１２０を介して柱状ハニカム構造部を通る電流を抑制することが可能となる。過熱防止性能を高めるという観点からは、被覆面積を大きくすることができる外周電極側に少なくともＰＴＣサーミスタが配設されていることが好ましい。

【0054】

過熱防止性能を高めるという観点から、柱状ハニカム構造部の容積Ｖに対する、ＰＴＣサーミスタ１２２によって中空状ハニカム構造部の内周側壁及び／又は外周側壁１１２が被覆される部分の合計面積Ｓの比（Ｓ／Ｖ）の下限は、０．１ｃｍ²／ｃｍ³以上であることが好ましく、０．２ｃｍ²／ｃｍ³以上であることがより好ましく、０．４ｃｍ²／ｃｍ³以上であることが更により好ましい。また、単純形状を維持する観点から、Ｓ／Ｖの上限は、０．８ｃｍ²／ｃｍ³以下であることが好ましく、０．７ｃｍ²／ｃｍ³以下であることがより好ましく、０．６ｃｍ²／ｃｍ³以下であることが更により好ましい。ここで、ハニカムの容積Ｖ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（中空部分は容積Ｖに算入しない。）。また、合計面積Ｓは、ＰＴＣサーミスタが複数設置されている場合には、複数のＰＴＣサーミスタによって柱状ハニカム構造部の内周側壁及び／又は外周側壁が被覆される部分の合計面積を指す。

【0055】

ＰＴＣサーミスタ１２２が中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７を被覆するように配設されている場合、当該ＰＴＣサーミスタ１２２は内側電極部１２０ｂが中空状ハニカム構造部の内周側壁１１７と直接接触する部分がないように配設されていることが好ましい。同様に、ＰＴＣサーミスタ１２２が中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２を被覆するように配設されている場合、当該ＰＴＣサーミスタ１２２は外側電極部１２０ａが中空状ハニカム構造部の外周側壁１１２と直接接触する部分がないように配設されていることが好ましい。当該構成によればＰＴＣサーミスタが作動したときに、電流経路を完全に遮断することが可能となるので、過熱防止性能を高める効果が得られる。

【0056】

第二実施形態におけるＰＴＣサーミスタ１２２の材質、キュリー点及び平均厚みは、第一実施形態で述べたＰＴＣサーミスタにおける説明と同様であるので詳細な説明を省略する。

【0057】

（２．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。

【0058】

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。

【0059】

（３．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。

【0060】

（３．１ ハニカム構造部の作製）
柱状ハニカム構造部（中空状ハニカム構造部を含む）の作製は、公知のハニカム構造体の製造方法に準じて行うことができる。例えば、まず、炭化珪素粉末（炭化珪素）に、金属珪素粉末（金属珪素）、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して成形原料を作製する。炭化珪素粉末の質量と金属珪素の質量との合計に対して、金属珪素の質量が１０～４０質量％となるようにすることが好ましい。尚、これは、ハニカム構造部の材質を、Ｓｉ結合ＳｉＣとする場合の成形原料の配合であり、ハニカム構造部の材質をＳｉＣとする場合には、金属珪素は添加しない。

【0061】

バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、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を挙げることができる。これらの中でも、メチルセルロースとヒドロキシプロポキシルセルロースとを併用することが好ましい。バインダの含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、２．０～１０．０質量部であることが好ましい。

【0062】

水の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、２０～６０質量部であることが好ましい。

【0063】

界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、０．１～２．０質量部であることが好ましい。

【0064】

造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル等を挙げることができる。造孔材の含有量は、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末の合計質量を１００質量部としたときに、０．５～１０．０質量部であることが好ましい。

【0065】

次に、得られた成形原料を混練して坏土を形成した後、坏土を押出成形してハニカム成形体を作製する。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。

【0066】

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。

【0067】

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部を作製可能である。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、柱状ハニカム構造部の材質がＳｉ結合ＳｉＣを主成分とする場合、ハニカム成形体をＡｒ等の不活性ガス雰囲気中においてＳｉＣ粒子間をＳｉ金属が結合する条件で焼成することにより、柱状ハニカム構造部を作製することができる。

【0068】

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。

【0069】

（３．２ ＰＴＣサーミスタの作製）
ＰＴＣサーミスタは例えば以下の手順により作製可能である。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、混練してペースト又はスラリーを調製する。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。

【0070】

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ＰＴＣサーミスタ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。

【0071】

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。

【0072】

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、成形体の強度を維持する観点から、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、バインダ除去加熱における成形体の割れ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。

【0073】

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。

【0074】

次いで、得られたペースト又はスラリーをハニカム構造体の外周側壁及び／又は内周側壁の所望の場所に塗布後、ペースト又はスラリーを焼成する。焼成の前に、バインダ等を除去するため、仮焼成を行ってもよい。焼成条件としては、窒素、アルゴン、真空等の不活性雰囲気において、９５０～１３００℃で、１０分～１２０分加熱することが好ましい。

【0075】

代替的に、ＰＴＣサーミスタは、先述した原料組成物を混練して坏土を得て、所望のＰＴＣサーミスタ形状に成形し、次いで、乾燥、脱脂及び焼成を行うことで作製してもよい。焼成条件は、ＰＴＣサーミスタの材質によって適宜決定することができる。例えば、ＰＴＣサーミスタ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。作製したＰＴＣサーミスタは、ハニカム構造体の外周側壁及び／又は内周側壁の所望の場所に、メタライズ接合（ロウ付け）、拡散接合、無機接着剤などの方法で接合することができる。

【0076】

（３．３ 電極部の形成）
このようにして得られたＰＴＣサーミスタ付きハニカム構造部には、電極部を接合することができる。電極部は、ＰＴＣサーミスタの表面上に、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、電極部は、ＰＴＣサーミスタの表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、ＰＴＣサーミスタの表面にコーティングされた電極部を形成することができる。電極部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。例えば、電極部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。内側電極部は、ハニカム構造部の中空部分を完全に閉塞するように設けることも可能であり、これによって、ヒーターエレメントの構造強度を高めることができる。

【0077】

（４．車室暖房用ヒーター）
図３には、本発明の一実施形態に係る車室暖房用ヒーター３００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（又は２００）、外気又は車室１３０内空気とヒーターエレメント１００（又は２００）の一方の底面１１４を連通する流入配管１３２（１３２ａ、１３２ｂ）、ヒーターエレメント１００（又は２００）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（又は２００）の他方の底面１１６と車室１３０内空気を連通する流出配管１３６を備える。

【0078】

ヒーターエレメント１００（又は２００）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（又は２００）を通電発熱するように構成することが可能である。

【0079】

ヒーターエレメント１００（又は２００）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（又は２００）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（又は２００）に流入する。発熱中のヒーターエレメント１００（又は２００）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（又は２００）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の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。

【0080】

図３の実施形態に係る車室暖房用ヒーター３００は、外気とヒーターエレメント１００（又は２００）の一方の底面１１４を連通する流入配管１３２ａを備える。更に、図３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（又は２００）の一方の底面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（又は２００）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（又は２００）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（又は２００）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（又は２００）に導入することも可能である。

【0081】

本発明のヒーターは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、車室からの戻り配管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】

【0082】

以下、本発明及びその利点をより理解するための実施例を挙げるが本発明は実施例に限定されるものではない。

【0083】

＜実施例１～６＞
（１．ハニカム構造部の作製）
表１に記載に示す寸法を有する直方体状のＳｉ結合ＳｉＣ製ハニカム構造部を、公知の方法で成形及び焼成することで作製した。何れの実施例においてもハニカム構造部の材料組成は同じである。当該ハニカム構造部の隔壁平均厚みは０．１３ｍｍ、セル密度は６０セル／ｃｍ²、セルの流路に直交する断面におけるセル形状は正方形、開口率は０．８０６とした。表１中、ａ及びｂはハニカム構造部の各底辺の長さ、ｃはハニカム構造部の高さ（セルの流路の長さ）を示す。表１中、Ｖはハニカム構造部の容積、ＴＳは外周側壁の全面積を示す。

【0084】

（２．ＰＴＣサーミスタの形成）
チタン酸バリウムの原料であるＴｉＯ₂及びＢａＣＯ₃に、分散媒、バインダ、シフター等を配合したペーストを調製し、上記のハニカム構造部の外周側壁の所定の位置に塗布後、ペーストを焼成することで、実施例の番号に応じて表１に示す各種仕様のＰＴＣサーミスタをハニカム構造部の外周側壁に対向するようにして一対形成した。なお、実施例５及び実施例６においては、ＰＴＣサーミスタによって被覆すべきハニカム構造部の外周側壁の一部にＣＶＤ法によって電気絶縁層（酸化シリコン膜）を形成した後に、ＰＴＣサーミスタを形成した。

【0085】

表１中、被覆面積Ｓは、ＰＴＣサーミスタによって外周側壁が被覆される合計面積を示す。表１中、キュリー点は、実施例で使用したＰＴＣサーミスタと同スペックの試料に対して先述した方法で測定したキュリー点を示す。表１中、Ｓ／Ｖはハニカム構造部の容積Ｖに対する、ＰＴＣサーミスタによってハニカム構造部の外周側壁が被覆される部分の合計面積Ｓの比を示す。表１中、電気伝導面積は、ハニカム構造部の外周側壁がＰＴＣサーミスタによって被覆される部分の合計面積Ｓから、ハニカム構造部の外周側壁が電気絶縁層に接する部分の面積を除いた面積Ｓｅを示す。実施例５及び実施例６以外は、電気伝導面積は被覆面積Ｓに等しい。表１中、被覆位置はハニカム構造部を底面側から観察したときのＰＴＣサーミスタ及び電気絶縁層による外周側壁の被覆位置を図示するものである。何れの実施例においても、ＰＴＣサーミスタはハニカム構造部の高さ方向全体にわたって延設した。

【0086】

（３．電極部の形成）
上記のようにして作成したＰＴＣサーミスタ付きのハニカム構造部のＰＴＣサーミスタ表面上に、ガラスフリット混合ペーストを焼き付ける方法によって、タングステンを材質とする電極部（厚み１ｍｍ）を形成し、ヒーターエレメントを製造した。何れの実施例においても、電極部はＰＴＣサーミスタの表面全体を過不足なく被覆するように形成したが、ハニカム構造部の外周側壁と直接接触する部分がないように留意した。表１中、実施例１～６において電極部位置が「外」とあるのは、電極部がＰＴＣサーミスタよりも外周側にあることを意味する。

【0087】

（４．過昇温防止効果の試験）
上記の手順で得られた各実施例に係るヒーターエレメントの対向する一対の電極部に対して、室温にて２００Ｖの電圧を印加して発熱させたときのハニカム高さ（セルの流路の長さ）方向の中央位置におけるハニカム中心軸付近の最高到達温度を調査した。そして、以下の基準によって、過昇温防止効果を評価した。結果を表１に示す。
Ｄ： ＰＴＣ材料のキュリー温度＋１００℃以上。
Ｃ： ＰＴＣ材料のキュリー点温度＋８０℃以上＋１００℃未満。
Ｂ： ＰＴＣ材料のキュリー点温度＋６０℃以上＋８０℃未満。
Ａ： ＰＴＣ材料のキュリー点温度＋６０℃未満。

【0088】

（５．ハニカム温度均一性調査）
上記の手順で得られた各実施例に係るヒーターエレメントの対向する一対の電極部に対して、室温にて２００Ｖの電圧を印加して加温したときのハニカム各位置：ハニカム高さ（セルの流路の長さ）方向の中央面内で、一本の対角線上の５点（最外周セル２点、中央セル、およびその中間セル２点）および、一本の辺の中央を結ぶ線上の５点（最外周セル２点、中央セル１点、およびその中間セル２点（但し、中央セルは共通））の計９点の温度分布を熱電対による温度計測の方法によって調査した。そして、以下の基準によって、ハニカム温度均一性を評価した。結果を表１に示す。
Ｄ： ハニカム内の最大温度差 １００℃以上
Ｃ： ハニカム内の最大温度差 ６０℃以上 １００℃未満
Ｂ： ハニカム内の最大温度差 ３０℃以上 ６０℃未満
Ａ： ハニカム内の最大温度差 ３０℃未満

【0089】

（６．考察）
表１の結果からわかるように、Ｓ／Ｖが大きくなるにつれて、過昇温防止効果が向上することが分かる。また、ハニカム温度均一性はハニカム中の電気伝導経路長さが比較的短くなってしまう領域を電気絶縁して覆うほうが向上することが分かる。

【0090】

＜比較例１＞
実施例１と同様のハニカム構造部を用意した。比較例１では、電極部をハニカム構造部の外周側壁に形成した後にＰＴＣサーミスタを形成した他は実施例１と同様の方法でヒーターエレメントを作製した。表１中、比較例１において電極部位置が「内」とあるのは、電極部がＰＴＣサーミスタよりも内周側にあることを意味する。得られたヒーターエレメントに対して、実施例と同様の方法で、過昇温防止効果の試験及びハニカム温度均一性調査を行った。結果を表１に示す。

【0091】

比較例１では、ハニカム構造部からの熱が電極部を介してＰＴＣサーミスタに伝達するため、応答速度が遅くなった。この結果、過昇温防止効果が実施例１に比べて低下した。

【0092】

【表1-1】

【0093】

【表1-2】

【符号の説明】

【0094】

１００、２００ ヒーターエレメント
１１２ 外周側壁
１１３ 隔壁
１１４ 一方の底面
１１５ セル
１１６ 他方の底面
１１７ 内周側壁
１１８ 電気絶縁層
１１９ 電線
１２０ 電極部
１２０ａ 外側電極部
１２０ｂ 内側電極部
１２２ ＰＴＣサーミスタ
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
３００ 車室暖房用ヒーター

【図1-1】

【図1-2】

【図1-3】

【図1-4】

【図2-1】

【図2-2】

【図3】