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特許7542645車室暖房用ヒーターエレメント、車室暖房用ヒーターユニット及び車室暖房用ヒーターシステム
(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】2024-08-22
(45)【発行日】2024-08-30
(54)【発明の名称】車室暖房用ヒーターエレメント、車室暖房用ヒーターユニット及び車室暖房用ヒーターシステム
(51)【国際特許分類】
H05B 3/14 20060101AFI20240823BHJP
H05B 3/02 20060101ALI20240823BHJP
B60H 1/00 20060101ALI20240823BHJP
B60H 1/03 20060101ALI20240823BHJP
B60H 1/22 20060101ALI20240823BHJP
【ＦＩ】
H05B3/14 A
H05B3/02 A
B60H1/00 102Q
B60H1/03 C
B60H1/22 611C
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2022558931
(86)(22)【出願日】2021-09-27
(86)【国際出願番号】 JP2021035411
(87)【国際公開番号】W WO2022091668
(87)【国際公開日】2022-05-05
【審査請求日】2023-04-14
(31)【優先権主張番号】P 2020179951
(32)【優先日】2020-10-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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】アクシス国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】宮入 由紀夫
(72)【発明者】
【氏名】桝田 昌明
(72)【発明者】
【氏名】山口 浩文
(72)【発明者】
【氏名】早瀬 徹
(72)【発明者】
【氏名】長岡 宏幸
【審査官】礒部 賢
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２０／０３６０６７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０４－３４１７８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－１５０３２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０５４９３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５７－００２２８７（ＪＰ，Ｕ）
【文献】国際公開第２００８／０７１３４９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／２０８６５９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０５－０１０５９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｂ ３／００ － ３／８６
Ｂ６０Ｈ １／００ － １／３４
Ｆ２４Ｈ ３／００ － ３／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、第１端面から第２端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し、前記外周壁及び前記隔壁がＰＴＣ特性を有する材料で構成されたハニカム構造体と、前記第１端面及び前記第２端面に設けられた一対の電極と
を備える車室暖房用ヒーターエレメントであって、
前記ハニカム構造体は、前記第１端面及び前記第２端面が矩形状であり、
前記一対の電極が、前記第１端面及び前記第２端面のそれぞれの、一方の短辺側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有し、前記延伸部の前記ハニカム構造体側の表面に接続された一対のコネクタを更に備える、車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項2】
前記第１端面及び前記第２端面は、短辺の長さと長辺の長さとの比が１：２～１：１０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】
前記ハニカム構造体は、複数のハニカムセグメントと、前記複数のハニカムセグメントの間を接合する接合層とを有するハニカム接合体である、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】
前記ハニカム構造体は、前記隔壁の厚さが０．１２５ｍｍ以下、セル密度が９３セル／ｃｍ2以下、セルピッチが１．０ｍｍ以上である、請求項１～３のいず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】
前記外周壁及び前記隔壁はチタン酸バリウムを主成分とし、鉛を実質的に含まない材料で構成されている、請求項１～４のいず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】
前記一対の電極は、前記第１端面及び前記第２端面上に設けられた電極層と、前記電極層上に設けられた電極板を含む、請求項１～５のいず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】
前記電極板は、前記第１端面及び前記第２端面のそれぞれの、一方の短辺側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有し、前記延伸部が前記コネクタと接続されている、請求項６に記載の車室暖房用ヒーターエレメント。
【請求項8】
請求項１～７のいずれか一項に記載の車室暖房用ヒーターエレメントを２個以上含む車室暖房用ヒーターユニットであって、前記第１端面及び前記第２端面の長辺を含む、前記ハニカム構造体の前記外周壁の表面同士が対向するように前記車室暖房用ヒーターエレメントが積層配列されている車室暖房用ヒーターユニット。
【請求項9】
積層配列される前記車室暖房用ヒーターエレメントの間に絶縁材が配置されている、請求項８に記載の車室暖房用ヒーターユニット。
【請求項10】
請求項８又は９に記載の車室暖房用ヒーターユニット、外気導入部又は車室と前記車室暖房用ヒーターユニットの流入口とを連通する流入配管、
前記車室暖房用ヒーターユニッ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ユニットの流出口と前記車室とを連通する流出配管
を備える車室暖房用ヒーターシステム。
【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、車室暖房用ヒーターユニット及び車室暖房用ヒーターシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電気自動車の車室暖房用ヒーターシステムとして、蒸気圧縮ヒートポンプを主たるヒーターとして使用しつつ、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使用するヒーターシステムが採用されてきた。
このヒーターシステムで用いられるジュール熱を利用したヒーターとして、特許文献１には、ＰＴＣ素子をアルミニウムフィンと一体化したヒーターエレメントが積層配列されたヒーターユニットが提案されている。
しかしながら、このヒーターエレメントは、ＰＴＣ素子及びアルミニウムフィン以外にも絶縁板や導電板などの多くの部品を備えているため、複雑な構造を有するとともに、組立コストがかかり、高価であるという課題がある。
このヒーターシステムで用いられるジュール熱を利用したヒーターとして、特許文献１には、ＰＴＣ素子をアルミニウムフィンと一体化したヒーターエレメントが積層配列されたヒーターユニットが提案されている。
しかしながら、このヒーターエレメントは、ＰＴＣ素子及びアルミニウムフィン以外にも絶縁板や導電板などの多くの部品を備えているため、複雑な構造を有するとともに、組立コストがかかり、高価であるという課題がある。
【0003】
そこで、特許文献２には、コンパクトで体積当たりの熱伝達面積を大きくすることが可能なハニカム構造体を用いたヒーターエレメントが提案されている。このハニカム構造体を用いたヒーターエレメントは、上述のヒーターエレメントに比べて単純な構造であるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００７－１５７５２８号公報
【文献】国際公開第２０２０／０３６０６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、本発明者らの検討の結果、特許文献２に記載のヒーターエレメントを既存のヒーターユニットに用いる場合、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品を設計変更する必要がある。それによってヒーターユニットが大型化してしまい、コンパクトなヒーターエレメントの利点を損なうため、改善の必要があるものであった。
【0006】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、既存のヒーターエレメントよりも単純な構造を有するとともに、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能な車室暖房用ヒーターエレメントを提供することを目的とする。また、本発明は、この車室暖房用ヒーターエレメントを用いた車室暖房用ヒーターユニット及び車室暖房用ヒーターシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題は、以下の本発明によって解決されるものであり、本発明は以下のように特定される。
【0008】
すなわち、本発明は、外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、第１端面から第２端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し、前記外周壁及び前記隔壁がＰＴＣ特性を有する材料で構成されたハニカム構造体と、
前記第１端面及び前記第２端面に設けられた一対の電極と
を備える車室暖房用ヒーターエレメントであって、
前記ハニカム構造体は、前記第１端面及び前記第２端面が矩形状であり、
前記一対の電極が、前記第１端面及び前記第２端面のそれぞれの、一方の短辺側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有し、前記延伸部の前記ハニカム構造体側の表面に接続された一対のコネクタを更に備える、車室暖房用ヒーターエレメントである。
前記第１端面及び前記第２端面に設けられた一対の電極と
を備える車室暖房用ヒーターエレメントであって、
前記ハニカム構造体は、前記第１端面及び前記第２端面が矩形状であり、
前記一対の電極が、前記第１端面及び前記第２端面のそれぞれの、一方の短辺側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有し、前記延伸部の前記ハニカム構造体側の表面に接続された一対のコネクタを更に備える、車室暖房用ヒーターエレメントである。
【0009】
また、本発明は、前記車室暖房用ヒーターエレメントを２個以上含む車室暖房用ヒーターユニットであって、
前記第１端面及び前記第２端面の長辺を含む、前記ハニカム構造体の前記外周壁の表面同士が対向するように前記車室暖房用ヒーターエレメントが積層配列されている車室暖房用ヒーターユニットである。
前記第１端面及び前記第２端面の長辺を含む、前記ハニカム構造体の前記外周壁の表面同士が対向するように前記車室暖房用ヒーターエレメントが積層配列されている車室暖房用ヒーターユニットである。
【0010】
さらに、本発明は、前記車室暖房用ヒーターユニット、
外気導入部又は車室と前記車室暖房用ヒーターユニットの流入口とを連通する流入配管、
前記車室暖房用ヒーターユニッ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ユニットの流出口と前記車室とを連通する流出配管
を備える車室暖房用ヒーターシステムである。
外気導入部又は車室と前記車室暖房用ヒーターユニットの流入口とを連通する流入配管、
前記車室暖房用ヒーターユニッ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ユニットの流出口と前記車室とを連通する流出配管
を備える車室暖房用ヒーターシステムである。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、既存のヒーターエレメントよりも単純な構造を有するとともに、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能な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。また、本発明によれば、この車室暖房用ヒーターエレメントを用いた車室暖房用ヒーターユニット及び車室暖房用ヒーターシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施形態に係るヒーターエレメントの模式的な斜視図である。
【図4】５個のハニカムセグメントを有するハニカム接合体の模式的な端面図である。
【図5】ヒーターエレメントの第１端面側からみた本発明の実施形態に係るヒーターユニットの模式的な正面図である。
【図6】本発明の実施形態に係るヒーターシステムの構成例を示す模式図である。
【図7】比較例で準備したヒーターエレメントの模式的な平面図である。
【図8】実施例１及び比較例１の通電試験結果を比較したグラフである。
【図9】実施例１及び実施例２の通電試験結果を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。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、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【0014】
（１．ヒーターエレメント）
本発明の実施形態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。車両としては、特に限定されないが、自動車及び電車が挙げられる。自動車としては、特に限定されないが、ガソリン車、ディーゼル車、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）やＬＮＧ（液化天然ガス）などを用いるガス燃料車、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。本発明の実施形態に係るヒーターエレメントは、特に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。
本発明の実施形態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。車両としては、特に限定されないが、自動車及び電車が挙げられる。自動車としては、特に限定されないが、ガソリン車、ディーゼル車、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）やＬＮＧ（液化天然ガス）などを用いるガス燃料車、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。本発明の実施形態に係るヒーターエレメントは、特に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。
【0015】
図１は、本発明の実施形態に係るヒーターエレメントの模式的な斜視図である。図２は、図１のＡ方向からみたヒーターエレメントの模式的な側面図である。図３は、図１のヒーターエレメントを構成するハニカム構造体の模式的な斜視図である。
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、外周壁１１と、外周壁１１の内側に配設され、第１端面１３ａから第２端面１３ｂまで流路を形成する複数のセル１４を区画形成する隔壁１２とを有するハニカム構造体１０と、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂに設けられた一対の電極２０とを備える。そして、ハニカム構造体１０の端面（第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ）は矩形状である。また、ヒーターエレメント１００は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から電極２０に接続された一対のコネクタ３０を更に備える。このように、ハニカム構造体１０の端面が矩形状であり、上記のようにハニカム構造体１０の端面に接続された一対のコネクタ３０を有することにより、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制し、コンパクトなヒーターユニットとすることができる。
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、外周壁１１と、外周壁１１の内側に配設され、第１端面１３ａから第２端面１３ｂまで流路を形成する複数のセル１４を区画形成する隔壁１２とを有するハニカム構造体１０と、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂに設けられた一対の電極２０とを備える。そして、ハニカム構造体１０の端面（第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ）は矩形状である。また、ヒーターエレメント１００は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から電極２０に接続された一対のコネクタ３０を更に備える。このように、ハニカム構造体１０の端面が矩形状であり、上記のようにハニカム構造体１０の端面に接続された一対のコネクタ３０を有することにより、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制し、コンパクトなヒーターユニットとすることができる。
【0016】
（１－１．ハニカム構造体１０）
ハニカム構造体１０は、端面（第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ）が矩形状である。すなわち、ハニカム構造体１０の端面は、短辺１５と長辺１６とを有する矩形状である。
短辺１５の長さと長辺１６の長さとの比は、特に限定されないが、好ましくは１：２～１：１０、より好ましくは１：３～１：８である。このような範囲の比に制御することにより、既存のヒーターユニットに用いられるヒーターエレメントのサイズに適合させることができる。
ハニカム構造体１０は、端面（第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ）が矩形状である。すなわち、ハニカム構造体１０の端面は、短辺１５と長辺１６とを有する矩形状である。
短辺１５の長さと長辺１６の長さとの比は、特に限定されないが、好ましくは１：２～１：１０、より好ましくは１：３～１：８である。このような範囲の比に制御することにより、既存のヒーターユニットに用いられるヒーターエレメントのサイズに適合させることができる。
【0017】
セル１４の流路方向に直交する断面におけるセル１４の形状は、特に限定されないが、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。これらの中でも、四角形及び六角形が好ましい。セル１４の形状をこのような形状にすることにより、ハニカム構造体１０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。なお、図１に示すヒーターエレメント１００におけるハニカム構造体１０は、セル１４の流路方向に直交する断面におけるセル１４の形状が正方形の例である。
【0018】
ハニカム構造体１０は、複数のハニカムセグメントと、複数のハニカムセグメントの間を接合する接合層とを有するハニカム接合体であってもよい。ハニカム接合体を用いることにより、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１４の総断面積を増やすことが可能となる。
ここで、一例として、５個のハニカムセグメントを有するハニカム接合体の模式的な端面図を図４に示す。
図４に示されるように、ハニカム接合体１７は、５個のハニカムセグメント１８と、ハニカムセグメント１８の間を接合する接合層１９とを有する。各ハニカムセグメント１８は、外周壁１１と、外周壁１１の内側に配設され、第１端面１３ａから第２端面１３ｂまで流路を形成する複数のセル１４を区画形成する隔壁１２とを有する。
ここで、一例として、５個のハニカムセグメントを有するハニカム接合体の模式的な端面図を図４に示す。
図４に示されるように、ハニカム接合体１７は、５個のハニカムセグメント１８と、ハニカムセグメント１８の間を接合する接合層１９とを有する。各ハニカムセグメント１８は、外周壁１１と、外周壁１１の内側に配設され、第１端面１３ａから第２端面１３ｂまで流路を形成する複数のセル１４を区画形成する隔壁１２とを有する。
【0019】
接合層１９は、接合材を用いて形成することができる。接合材としては、特に限定されないが、セラミックス材料に、水など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、外周壁１１及び隔壁１２と同一のセラミックスを含有してもよい。接合材は、ハニカムセグメント１８同士を接合する役割に加えて、ハニカムセグメント１８を接合した後の外周コート材として用いることも可能である。
【0020】
ガス流量を確保するという観点から、ハニカム構造体１０の各端面の面積は、好ましくは２０ｃｍ2以上、より好ましくは５０ｃｍ2以上、更に好ましくは７０ｃｍ2以上である。ヒーターエレメント１００をコンパクトにするという観点から、ハニカム構造体１０の各端面の面積は、好ましくは５００ｃｍ2以下、より好ましくは３００ｃｍ2以下、更に好ましくは２００ｃｍ2以下である。ハニカム構造体１０の各端面の面積は、例えば２０～５００ｃｍ2とすることができる。
【0021】
ヒーターエレメント１００をコンパクトにするという観点から、ハニカム構造体１０の長さ（各セル１４の流路長さ）は、好ましくは４０ｍｍ以下、より好ましくは３０ｍｍ以下、更に好ましくは２０ｍｍ以下、更により好ましくは１０ｍｍ以下である。加熱性能及び強度を確保するという観点からは、ハニカム構造体１０の長さ（各セル１４の流路長さ）は、好ましくは３ｍｍ以上である。ハニカム構造体１０の長さ（各セル１４の流路長さ）は、例えば３～４０ｍｍとすることができる。
【0022】
（１－１－１．ハニカム構造体１０の材質）
ハニカム構造体１０の外周壁１１及び隔壁１２は、通電によって発熱可能な材料から形成されている。したがって、外気又は車室内空気のようなガスが、第１端面１３ａから流入してから、複数のセル１４を通過し、第２端面１３ｂから流出するまでに、当該ガスは発熱する外周壁１１及び隔壁１２からの伝熱によって加熱されることが可能である。
ハニカム構造体１０の外周壁１１及び隔壁１２は、通電によって発熱可能な材料から形成されている。したがって、外気又は車室内空気のようなガスが、第１端面１３ａから流入してから、複数のセル１４を通過し、第２端面１３ｂから流出するまでに、当該ガスは発熱する外周壁１１及び隔壁１２からの伝熱によって加熱されることが可能である。
【0023】
また、外周壁１１及び隔壁１２は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有する材料で構成されている。つまり、外周壁１１及び隔壁１２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難くなるという特性を有する。外周壁１１及び隔壁１２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の過剰な発熱が抑制される。
【0024】
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、外周壁１１及び隔壁１２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好ましい。なお、本明細書において「主成分」とは、成分全体に占める割合が５０質量％を超える成分のことを意味する。チタン酸バリウムの含有量は、例えば、蛍光Ｘ線分析、ＥＤＡＸ（エネルギー分散型Ｘ線）分析などにより求めることができる。
当該セラミックスは、希土類元素などの添加物を一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、Ｓｃ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。
当該セラミックスは、希土類元素などの添加物を一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、Ｓｃ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。
【0025】
また、廃棄物の環境影響の観点から、外周壁１１及び隔壁１２は、鉛を実質的に含まない材料で構成されるセラミックスであることが好ましく、鉛の含有量が０．００１質量％以下の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い。なお、本明細書において「実質的に含まない」とは、成分全体に占める割合が０．０１質量％以下であることを意味する。鉛の含有量は、例えば、蛍光Ｘ線分析、ＩＣＰ－ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析）などにより求めることができる。
【0026】
外周壁１１及び隔壁１２を構成する材料のキュリー点は、暖房用に空気を効率良く加熱する観点から、好ましくは１００℃以上、より好ましくは１１０℃以上、更に好ましくは１２５℃以上である。また、キュリー点の上限については、車室又は車室近傍に置かれる部品としての安全性の観点から、好ましくは２５０℃以下、より好ましくは２２５℃以下、更に好ましくは２００℃以下、更により好ましくは１５０℃以下である。
【0027】
外周壁１１及び隔壁１２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。
【0028】
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。
【0029】
（１－１－２．ハニカム構造体１０の隔壁１２の厚さ）
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。したがって、ハニカム構造体における隔壁１２の厚さは、好ましくは０．１２５ｍｍ以下、より好ましくは０．０７５ｍｍ以下である。但し、ハニカム構造体１０の強度を確保するという観点からは、隔壁１２の厚さは、好ましくは０．０２０ｍｍ以上、より好ましくは０．０４０ｍｍ以上、更に好ましくは０．０６０ｍｍ以上である。隔壁１２の厚さとは、セル１４の流路方向に直交する断面において、隣接するセル１４の重心同士を線分で結んだときに当該線分が隔壁１２を横切る長さを指す。隔壁１２の厚さは、全ての隔壁１２の厚さの平均値を指す。
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。したがって、ハニカム構造体における隔壁１２の厚さは、好ましくは０．１２５ｍｍ以下、より好ましくは０．０７５ｍｍ以下である。但し、ハニカム構造体１０の強度を確保するという観点からは、隔壁１２の厚さは、好ましくは０．０２０ｍｍ以上、より好ましくは０．０４０ｍｍ以上、更に好ましくは０．０６０ｍｍ以上である。隔壁１２の厚さとは、セル１４の流路方向に直交する断面において、隣接するセル１４の重心同士を線分で結んだときに当該線分が隔壁１２を横切る長さを指す。隔壁１２の厚さは、全ての隔壁１２の厚さの平均値を指す。
【0030】
ハニカム構造体１０を補強するという観点からは、外周壁１１の厚さは、好ましくは０．０５ｍｍ以上、より好ましくは０．０６ｍｍ以上、更に好ましくは０．０８ｍｍ以上である。ただし、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、外周壁１１の厚さは、好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下、更に好ましくは０．４ｍｍ以下、更により好ましくは０．３ｍｍ以下である。外周壁１１の厚さは、セル１４の流路に直交する断面において、外周壁１１と最も外周側のセル１４又は隔壁１２との境界からハニカム構造体の側面までの、当該側面の法線方向の長さを指す。
【0031】
（１－１－３．ハニカム構造体１０のセル密度及びセルピッチ）
ハニカム構造体１０のセル密度は、好ましくは９３セル／ｃｍ2以下、より好ましくは６２セル／ｃｍ2以下である。また、ハニカム構造体１０のセルピッチは、好ましくは１．０ｍｍ以上、より好ましくは１．３ｍｍ以上である。このような範囲にセル密度又はセルピッチを制御することにより、通風抵抗を抑えて送風機の出力を抑制することができる。
なお、ハニカム構造体１０のセル密度の下限は、特に限定されないが、好ましくは１０セル／ｃｍ2以上、より好ましくは２０セル／ｃｍ2以上である。また、ハニカム構造体１０のセルピッチの上限も、特に限定されないが、好ましくは３．０ｍｍ以下、より好ましくは２．０ｍｍ以下である。ハニカム構造体１０のセル密度は、ハニカム構造体１０の各端面の面積でセル数を除して得られる値である。また、ハニカム構造体１０のセルピッチは、ハニカム構造体１０の各端面において、隣接する２つのセル１４の重心同士を結ぶ線分の長さを指す。
ハニカム構造体１０のセル密度は、好ましくは９３セル／ｃｍ2以下、より好ましくは６２セル／ｃｍ2以下である。また、ハニカム構造体１０のセルピッチは、好ましくは１．０ｍｍ以上、より好ましくは１．３ｍｍ以上である。このような範囲にセル密度又はセルピッチを制御することにより、通風抵抗を抑えて送風機の出力を抑制することができる。
なお、ハニカム構造体１０のセル密度の下限は、特に限定されないが、好ましくは１０セル／ｃｍ2以上、より好ましくは２０セル／ｃｍ2以上である。また、ハニカム構造体１０のセルピッチの上限も、特に限定されないが、好ましくは３．０ｍｍ以下、より好ましくは２．０ｍｍ以下である。ハニカム構造体１０のセル密度は、ハニカム構造体１０の各端面の面積でセル数を除して得られる値である。また、ハニカム構造体１０のセルピッチは、ハニカム構造体１０の各端面において、隣接する２つのセル１４の重心同士を結ぶ線分の長さを指す。
【0032】
（１－２．電極２０）
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂに一対の電極２０を備える。一対の電極２０によって電圧を印加することにより、通電してジュール熱によりハニカム構造体１０を発熱させることが可能となる。
電極２０としては、特に限定されないが、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有し、延伸部とコネクタ３０とが接続されていることが好ましい。延伸部を設けることにより、コネクタ３０との接続が容易になる。
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂに一対の電極２０を備える。一対の電極２０によって電圧を印加することにより、通電してジュール熱によりハニカム構造体１０を発熱させることが可能となる。
電極２０としては、特に限定されないが、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有し、延伸部とコネクタ３０とが接続されていることが好ましい。延伸部を設けることにより、コネクタ３０との接続が容易になる。
【0033】
電極２０は、単一の部材から構成されていてもよいし、複数の部材から構成されていてもよい。
電極２０を単一の部材から構成する場合、例えば、電極２０は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ上に設けられた電極層２１とすることができる。この場合、電極層２１は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂにおける外周壁１１及び隔壁１２の表面に設けられ、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有する。
電極２０を複数の部材から構成する場合、例えば、図１及び２に示されるように、電極２０は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ上に設けられた電極層２１と、電極層２１上に設けられた電極板２２を含むことができる。この場合、電極層２１は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂにおける外周壁１１及び隔壁１２の表面に設けられ、電極板２２は、電極層２１が設けられた外周壁１１上に電極層２１を介して設けられる。電極板２２は、電極層２１が設けられた外周壁１１以外の部分（電極層２１が設けられた隔壁１２の表面やセル１４）を塞がないように開口部が形成される。また、電極板２２は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有する。
電極層２１と電極板２２との接続方法としては、特に限定されず、拡散接合、機械的な加圧機構、溶接などを用いることができる。
電極層２１と電極板２２との間には、両者の接触を向上させる観点から、必要に応じてカーボンシートを設けてもよい。
電極２０を単一の部材から構成する場合、例えば、電極２０は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ上に設けられた電極層２１とすることができる。この場合、電極層２１は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂにおける外周壁１１及び隔壁１２の表面に設けられ、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有する。
電極２０を複数の部材から構成する場合、例えば、図１及び２に示されるように、電極２０は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂ上に設けられた電極層２１と、電極層２１上に設けられた電極板２２を含むことができる。この場合、電極層２１は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂにおける外周壁１１及び隔壁１２の表面に設けられ、電極板２２は、電極層２１が設けられた外周壁１１上に電極層２１を介して設けられる。電極板２２は、電極層２１が設けられた外周壁１１以外の部分（電極層２１が設けられた隔壁１２の表面やセル１４）を塞がないように開口部が形成される。また、電極板２２は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂのそれぞれの、一方の短辺１５側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を有する。
電極層２１と電極板２２との接続方法としては、特に限定されず、拡散接合、機械的な加圧機構、溶接などを用いることができる。
電極層２１と電極板２２との間には、両者の接触を向上させる観点から、必要に応じてカーボンシートを設けてもよい。
【0034】
電極層２１としては、特に限定されないが、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ及びＳｉから選択される少なくとも一種を含有する金属又は合金を使用することができる。また、ＰＴＣ特性を有する外周壁１１及び／又は隔壁１２とオーミック接触が可能なオーミック電極層を使用することもできる。オーミック電極層は、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層を使用することができる。また、電極層２１は、１層であっても、２層以上であってもよい。電極層２１が２層以上である場合、それぞれの層の材質は、同じ種類であってもよいし、異なる種類であってもよい。
【0035】
電極板２２としては、特に限定されないが、板状であり、導電性に優れる材料から形成することができる。電極板２２は、例えば、銅板、ステンレス板などの金属板とすることができる。
【0036】
（１－３．コネクタ３０）
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、ハニカム構造体１０の第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂの、一方の短辺１５側から電極２０に接続される一対のコネクタ３０を備える。コネクタ３０は、電源に電気的に接続可能な端子である。このような位置に一対のコネクタ３０を設けることにより、既存のヒーターエレメントの代わりに用いることが可能であり、既存のヒーターユニットの配線などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することが抑制される。
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、ハニカム構造体１０の第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂの、一方の短辺１５側から電極２０に接続される一対のコネクタ３０を備える。コネクタ３０は、電源に電気的に接続可能な端子である。このような位置に一対のコネクタ３０を設けることにより、既存のヒーターエレメントの代わりに用いることが可能であり、既存のヒーターユニットの配線などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することが抑制される。
【0037】
コネクタ３０は、電極２０の延伸部のハニカム構造体１０側の表面に接続されていることが好ましい。このような構成とすることにより、ヒーターエレメント１００のコンパクト化が可能となるため、既存のヒーターユニットに適用し易くなる。
電極２０とコネクタ３０との接続方法は、電気的に接続されていれば特に限定されず、例えば、拡散接合、機械的な加圧機構、溶接などによって接続することができる。
電極２０とコネクタ３０との接続方法は、電気的に接続されていれば特に限定されず、例えば、拡散接合、機械的な加圧機構、溶接などによって接続することができる。
【0038】
コネクタ３０の材質としては、特に限定されないが、例えば、金属とすることができる。金属としては、単体金属及び合金などを採用することもできるが、耐食性、電気抵抗率及び線膨張率の観点から、例えば、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＴｉよりなる群から選択される少なくとも一種を含む合金とすることが好ましく、ステンレス鋼及びＦｅ－Ｎｉ合金、リン青銅がより好ましい。
コネクタ３０の形状及び大きさは、特に限定されず、既存のヒーターユニットの構造に応じて適宜調整すればよい。
コネクタ３０の形状及び大きさは、特に限定されず、既存のヒーターユニットの構造に応じて適宜調整すればよい。
【0039】
（１－４．ヒーターエレメント１００の製造方法）
次に、本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００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、可塑剤、半導体化剤、シフター、金属酸化物、特性改善剤、導電体粉末など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、セル密度などを有する口金を用いることができる。
次に、本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００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、可塑剤、半導体化剤、シフター、金属酸化物、特性改善剤、導電体粉末など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、セル密度などを有する口金を用いることができる。
【0040】
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などの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、Ｓｃ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などとして、これらの酸化物や炭酸塩、あるいは焼成後に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。ＮａやＫのアルカリ金属元素の添加は、アルカリ金属元素を含むバインダの形態で用いることもできる。
【0041】
また、例えば、ＴｉＯ2やＢａＣＯ3などの原料粉末に、Ｌａ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏを加えた後、分散剤及びバインダを更に加え、焼成体としてＢａＯ（５０．３ｍｏｌ％）、ＴｉＯ2（４９．６ｍｏｌ％）、Ｌａ2Ｏ3（０．０５ｍｏｌ％）、Ｋ2Ｏ（０．０３３ｍｏｌ％）、Ｎａ2Ｏ（０．００２ｍｏｌ％）になるように配合することで、鉛を実質的に含まない（すなわち、鉛フリーの）ハニカム構造体を得ることができる。ただし、この組成に限らず、組成式が下記式で表されるセラミックスが９０質量％以上を占めるように配合することで、希土類元素とアルカリ金属元素を含み、鉛を用いないハニカム構造体とすることができる。
（Ｂａ1-x-yＡ１xＡ２y）ＴｉＯ3
式中、Ａ１は一種又は二種以上の希土類元素を表し、Ａ２は一種又は二種以上のアルカリ金属元素を表し、０．００１≦ｘ≦０．０１、０．００１≦ｙ≦０．０１、０．００２≦ｘ＋ｙ≦０．０２である。
（Ｂａ1-x-yＡ１xＡ２y）ＴｉＯ3
式中、Ａ１は一種又は二種以上の希土類元素を表し、Ａ２は一種又は二種以上のアルカリ金属元素を表し、０．００１≦ｘ≦０．０１、０．００１≦ｙ≦０．０１、０．００２≦ｘ＋ｙ≦０．０２である。
【0042】
分散媒としては、水、又は水とアルコールなどの有機溶媒との混合溶媒など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。
【0043】
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など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ともに、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４～９質量部であることが好ましい。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。
【0044】
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、有機リン化合物など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。
【0045】
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、凍結乾燥などの従来公知の乾燥方法を用いることができる。なかでも、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。
【0046】
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のハニカム構造体を製造可能である。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。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℃が好ましい。また、焼成時間は、１～４時間程度とすることが好ましい。
【0047】
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、不活性雰囲気かつ減圧雰囲気とすることが好ましい。焼成炉としては、特に限定されないが、電気炉、ガス炉などを用いることができる。
【0048】
このようにして得られたハニカム構造体の第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂに、電極２０を形成する。例えば、電極２０の電極層２１は、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、電極層２１は、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。さらに、電極層２１は、溶射によって形成することもできる。電極層２１は単層であってよいが、組成の異なる複数層であってもよい。上記の方法で電極層２１を形成するとき、電極層２１の厚みが過度に大きくならないように設定すれば、セル１４を塞がないようにすることができる。例えば、電極層２１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。
【0049】
電極層２１上に電極板２２を設ける場合、電極層２１上に電極板２２を配置して接続する。電極層２１と電極板２２との接続方法としては、上述の方法を用いることができる。
【0050】
次に、電極２０にコネクタ３０を接続する。電極２０とコネクタ３０との接続方法としては、上述の方法を用いることができる。
【0051】
（１－５．ヒーターエレメント１００の使用方法）
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、例えば、コネクタ３０から一対の電極２０を介して電圧を印加することでハニカム構造体１０を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。
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、例えば、コネクタ３０から一対の電極２０を介して電圧を印加することでハニカム構造体１０を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。
【0052】
ヒーターエレメント１００が、電圧の印加によって発熱しているときに、セル１４にガスを流すことで、ガスを加熱することができる。セル１４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。
【0053】
本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、ＰＴＣ素子をアルミニウムフィンと一体化した既存のヒーターエレメントよりも単純な構造を有するとともに、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能である。また、既存のヒーターエレメントは、ＰＴＣ素子がガスと直接接しないため、ガスの昇温速度（昇温時間）が十分でないが、本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、外周壁１１及び隔壁１２がＰＴＣ特性を有する材料で構成されたハニカム構造体１０がガスと直接接するため、ガスの昇温速度を高めることができる。さらに、本発明の実施形態に係るヒーターエレメント１００は、既存のヒーターエレメントに比べて電力消費量も少ない。
【0054】
（２．ヒーターユニット）
本発明の実施形態に係るヒーターユニットは、車両の車室暖房用のヒーターユニットとして好適に利用可能である。特に、本発明の実施形態に係るヒーターユニットでは、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能である。したがって、既存のヒーターエレメントの代わりに上述のヒーターエレメント１００を用いることができる。
本発明の実施形態に係るヒーターユニットは、車両の車室暖房用のヒーターユニットとして好適に利用可能である。特に、本発明の実施形態に係るヒーターユニットでは、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能である。したがって、既存のヒーターエレメントの代わりに上述のヒーターエレメント１００を用いることができる。
【0055】
図５は、ヒーターエレメントの第１端面側からみた本発明の実施形態に係るヒーターユニットの模式的な正面図である。
図５に示されるように、本発明の実施形態に係るヒーターユニット２００は、ヒーターエレメント１００を２個以上含む。また、このヒーターユニット２００では、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂの長辺を含む、ハニカム構造体１０の外周壁１１の表面同士が対向するようにヒーターエレメント１００が積層配列されている。このような構成とすることにより、既存のヒーターユニットの配線や保持具など部品の設計を大幅に変更することなく、ヒーターユニット２００を作製することができる。
図５に示されるように、本発明の実施形態に係るヒーターユニット２００は、ヒーターエレメント１００を２個以上含む。また、このヒーターユニット２００では、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂの長辺を含む、ハニカム構造体１０の外周壁１１の表面同士が対向するようにヒーターエレメント１００が積層配列されている。このような構成とすることにより、既存のヒーターユニットの配線や保持具など部品の設計を大幅に変更することなく、ヒーターユニット２００を作製することができる。
【0056】
本発明の実施形態に係るヒーターユニット２００は、筐体（ハウジング部材）１１０を更に備えることができる。
筐体１１０の材質としては、特に限定されず、金属、樹脂などが挙げられる。その中でも筐体１１０の材質は樹脂であることが好ましい。樹脂製の筐体とすることにより、接地しなくても感電を抑制することができる。
筐体１１０の形状及びサイズとしては、特に限定されず、既存のヒーターユニットと同様にすることができる。
筐体１１０の材質としては、特に限定されず、金属、樹脂などが挙げられる。その中でも筐体１１０の材質は樹脂であることが好ましい。樹脂製の筐体とすることにより、接地しなくても感電を抑制することができる。
筐体１１０の形状及びサイズとしては、特に限定されず、既存のヒーターユニットと同様にすることができる。
【0057】
本発明の実施形態に係るヒーターユニット２００は、積層配列されるヒーターエレメント１００の間に配置される絶縁材１２０を更に備えることができる。このような構成とすることにより、複数のヒーターエレメント１００の間の電気的なショートを抑制することができる。
絶縁材１２０としては、アルミナやセラミックスなどの絶縁材料から形成された板材、マットやクロスなどを用いることができる。
絶縁材１２０としては、アルミナやセラミックスなどの絶縁材料から形成された板材、マットやクロスなどを用いることができる。
【0058】
（３．ヒーターシステム）
本発明の実施形態に係るヒーターシステムは、車両の車室暖房用のヒーターシステムとして好適に利用可能である。特に、本発明の実施形態に係るヒーターシステムでは、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能である。
本発明の実施形態に係るヒーターシステムは、車両の車室暖房用のヒーターシステムとして好適に利用可能である。特に、本発明の実施形態に係るヒーターシステムでは、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能である。
【0059】
図６は、本発明の実施形態に係るヒーターシステムの構成例を示す模式図である。
図６に示されるように、本発明の実施形態に係るヒーターシステム３００は、本発明の実施形態に係るヒーターユニット２００、外気導入部又は車室３１０とヒーターユニット２００の流入口３０１とを連通する流入配管３２０ａ，３２０ｂ、ヒーターユニット２００に電圧を印加するためのバッテリー３３０、及びヒーターユニット２００の流出口３０２と車室３１０とを連通する流出配管３２５を備える。
図６に示されるように、本発明の実施形態に係るヒーターシステム３００は、本発明の実施形態に係るヒーターユニット２００、外気導入部又は車室３１０とヒーターユニット２００の流入口３０１とを連通する流入配管３２０ａ，３２０ｂ、ヒーターユニット２００に電圧を印加するためのバッテリー３３０、及びヒーターユニット２００の流出口３０２と車室３１０とを連通する流出配管３２５を備える。
【0060】
ヒーターユニット２００は、例えば、バッテリー３３０と電線３４０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ユニット２００を通電発熱するように構成することが可能である。
【0061】
ヒーターユニット２００の上流側には蒸気圧縮ヒートポンプ３５０を設置することができる。ヒーターシステム３００において、蒸気圧縮ヒートポンプ３５０が主暖房装置として構成されており、ヒーターユニット２００が補助ヒーターとして構成されている。蒸気圧縮ヒートポンプ３５０は、冷房時に外部から熱を吸収して冷媒を蒸発させる働きをする蒸発器３５１、及び暖房時に冷媒ガスを液化させて熱を外部へ放出する働きをする凝縮器３５２を含む熱交換器を備えることができる。なお、蒸気圧縮ヒートポンプ３５０としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
【0062】
ヒーターユニット２００の上流側及び／又は下流側には送風機３６０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３１０から離して配置して安全を確保する観点から、送風機３６０はヒーターユニット２００の上流側に設置することが好ましい。送風機３６０を駆動すると、車室３１０内又は車室３１０外から空気が流入配管３２０ａ，３２０ｂを通ってヒーターユニット２００に流入する。発熱中のヒーターユニット２００を通過する間に空気は加熱される。加熱された空気は、ヒーターユニット２００から流出し、流出配管３２５を通って車室３１０内に送られる。流出配管３２５の出口は車室３１０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よいし、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よいし、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よい。
【0063】
流入配管３２０ａと流入配管３２０ｂとは途中で合流する。流入配管３２０ａ及び流入配管３２０ｂには、合流地点よりも上流側において、バルブ３２１ａ，３２１ｂをそれぞれ設置することができる。バルブ３２１ａ，３２１ｂの開閉を制御することで、外気をヒーターユニット２００に導入するモードと、車室３１０内の空気をヒーターユニット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３２１ａを開き、バルブ３２１ｂを閉じると、外気をヒーターユニット２００に導入するモードとなる。バルブ３２１ａ及びバルブ３２１ｂの両者を開いて、外気及び車室３１０内の空気を同時にヒーターユニット２００に導入することも可能である。
【実施例】
【0064】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【0065】
（実施例１）
セラミックス原料に、バインダ、分散剤、可塑剤及び水を加えて混ぜ合わせ、混錬して坏土を調製した。セラミックス原料としては、焼成後に、Ｂａに対してＬａが０．１％置換されたチタン酸バリウムとなるように、ＢａＣＯ3粉末、ＴｉＯ2粉末及びＬａ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏ粉末を混合したものを用いた。バインダとしてはメチルセルロースを用い、セラミックス原料１００質量部に対して６質量部配合した。分散剤としてはカリウム含有アルキルホスフェートを用い、セラミックス原料１００質量部に対して０．５質量部配合した。可塑剤としてはエーテルエステル化合物及びアルカンジオールを用い、エーテルエステル化合物はセラミックス原料１００質量部に対して０．５質量部、アルカンジオールはセラミックス原料１００質量部に対して１質量部それぞれ配合した。
次に、焼成後に隔壁厚みが０．１００ｍｍ、セル密度が６２セル／ｃｍ2及びセルピッチが１．２７ｍｍとなり、セルが延びる方向に直交する断面が３０ｍｍ×３４ｍｍの矩形状であり且つセルが延びる方向の長さが１４ｍｍの角柱状のハニカムセグメントとなるように押出成形を行ってハニカム成形体を得た。
次に、ハニカム成形体を乾燥させ、脱脂処理後に、大気中、１４００℃で２時間焼成することにより、ハニカムセグメントを得た。
セラミックス原料に、バインダ、分散剤、可塑剤及び水を加えて混ぜ合わせ、混錬して坏土を調製した。セラミックス原料としては、焼成後に、Ｂａに対してＬａが０．１％置換されたチタン酸バリウムとなるように、ＢａＣＯ3粉末、ＴｉＯ2粉末及びＬａ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏ粉末を混合したものを用いた。バインダとしてはメチルセルロースを用い、セラミックス原料１００質量部に対して６質量部配合した。分散剤としてはカリウム含有アルキルホスフェートを用い、セラミックス原料１００質量部に対して０．５質量部配合した。可塑剤としてはエーテルエステル化合物及びアルカンジオールを用い、エーテルエステル化合物はセラミックス原料１００質量部に対して０．５質量部、アルカンジオールはセラミックス原料１００質量部に対して１質量部それぞれ配合した。
次に、焼成後に隔壁厚みが０．１００ｍｍ、セル密度が６２セル／ｃｍ2及びセルピッチが１．２７ｍｍとなり、セルが延びる方向に直交する断面が３０ｍｍ×３４ｍｍの矩形状であり且つセルが延びる方向の長さが１４ｍｍの角柱状のハニカムセグメントとなるように押出成形を行ってハニカム成形体を得た。
次に、ハニカム成形体を乾燥させ、脱脂処理後に、大気中、１４００℃で２時間焼成することにより、ハニカムセグメントを得た。
【0066】
次に、上記のハニカムセグメントを５個準備し、ハニカムセグメントの側面に接合材を塗布して接合することにより、図４に示されるようなハニカム接合体を得た。ハニカム接合体は、セルが延びる方向に直交する断面が３０ｍｍ×１７５ｍｍの矩形状であり且つセルが延びる方向の長さが１４ｍｍとした。接合材としては、セラミックス材料に、水などの溶媒を加えてペースト状にしたものを用いた。このハニカム接合体の端面の面積は、５２．５ｃｍ2であった。
次に、ハニカム接合体の第１端面及び第２端面上にＡｌ－Ｎｉ電極用ペーストを塗布した後、銀電極用ペーストを塗布して７００℃で焼き付けることにより、Ａｌ－Ｎｉ電極層及び銀電極層を形成した。
次に、ハニカム接合体の外周側の外周壁の表面に形成された銀電極層上に、カーボンシート及び銅電極板を順次配置して接合した。銅電極板は、図１及び２に示される構造と同様に、各電極層が設けられた外周壁以外の部分（各電極層が設けられた隔壁の表面やセル）を塞がないような開口部を形成し、ハニカム接合体の第１端面及び第２端面の、一方の短辺側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を設けた。また、カーボンシートは、銀電極層と銅電極板との間に配置した。
次に、図１及び２に示される構造と同様に、銅電極板の延伸部にリン青銅製のコネクタを接続し、ヒーターエレメントを得た。
次に、図５に示される構造と同様に、上記のヒーターエレメントを４個積層配列し、筐体に収容してヒーターユニットを得た。積層配列したヒーターエレメントの間には、アルミナファイバ製マット（絶縁材）を配置した。
次に、ハニカム接合体の第１端面及び第２端面上にＡｌ－Ｎｉ電極用ペーストを塗布した後、銀電極用ペーストを塗布して７００℃で焼き付けることにより、Ａｌ－Ｎｉ電極層及び銀電極層を形成した。
次に、ハニカム接合体の外周側の外周壁の表面に形成された銀電極層上に、カーボンシート及び銅電極板を順次配置して接合した。銅電極板は、図１及び２に示される構造と同様に、各電極層が設けられた外周壁以外の部分（各電極層が設けられた隔壁の表面やセル）を塞がないような開口部を形成し、ハニカム接合体の第１端面及び第２端面の、一方の短辺側から外部に向かって同方向に伸びる延伸部を設けた。また、カーボンシートは、銀電極層と銅電極板との間に配置した。
次に、図１及び２に示される構造と同様に、銅電極板の延伸部にリン青銅製のコネクタを接続し、ヒーターエレメントを得た。
次に、図５に示される構造と同様に、上記のヒーターエレメントを４個積層配列し、筐体に収容してヒーターユニットを得た。積層配列したヒーターエレメントの間には、アルミナファイバ製マット（絶縁材）を配置した。
【0067】
上記のヒーターユニットを市販車のＨＶＡＣ（Heating Ventilation and Air Conditioning）に組み込み、２００Ｖの一定電圧制御で、３０Ａ以下の電流に制限し、６ｍ／秒のガス流速下でヒーターユニットの通電加熱試験を行った。
その結果、ＨＶＡＣの吹出口のガス温度は、通電加熱してから６秒で５０℃に達し、６０秒後には８８℃まで上昇した。このときの電力は２．８ｋＷであった。また、通電開始から３０秒後の消費エネルギーは９０ｋＪであった。
その結果、ＨＶＡＣの吹出口のガス温度は、通電加熱してから６秒で５０℃に達し、６０秒後には８８℃まで上昇した。このときの電力は２．８ｋＷであった。また、通電開始から３０秒後の消費エネルギーは９０ｋＪであった。
【0068】
（実施例２）
実施例１と同様の坏土を用い、焼成後に隔壁厚みが０．１２５ｍｍ、セル密度が６２セル／ｃｍ2及びセルピッチが１．２７ｍｍとなり、セルが延びる方向に直交する断面が３０ｍｍ×１７５ｍｍの矩形状であり且つセルが延びる方向の長さが１４ｍｍの角柱状となるように押出成形を行ってハニカム成形体を得た。
次に、ハニカム成形体を乾燥させ、脱脂処理後に、大気中、１４００℃で２時間焼成することにより、ハニカム構造体を得た。このハニカム構造体の端面の面積は、５２．５ｃｍ2であった。
次に、実施例１と同様の条件で、ハニカム構造体の第１端面及び第２端面上にＡｌ－Ｎｉ電極層及び銀電極層を形成した後、銀電極層上にカーボンシート及び銅電極板を順次配置して接合し、銅電極板の延伸部にコネクタを接続してヒーターエレメントを得た。
次に、実施例１と同様の条件で、上記のヒーターエレメントを４個積層配列し、筐体に収容してヒーターユニットを得た。
実施例１と同様の坏土を用い、焼成後に隔壁厚みが０．１２５ｍｍ、セル密度が６２セル／ｃｍ2及びセルピッチが１．２７ｍｍとなり、セルが延びる方向に直交する断面が３０ｍｍ×１７５ｍｍの矩形状であり且つセルが延びる方向の長さが１４ｍｍの角柱状となるように押出成形を行ってハニカム成形体を得た。
次に、ハニカム成形体を乾燥させ、脱脂処理後に、大気中、１４００℃で２時間焼成することにより、ハニカム構造体を得た。このハニカム構造体の端面の面積は、５２．５ｃｍ2であった。
次に、実施例１と同様の条件で、ハニカム構造体の第１端面及び第２端面上にＡｌ－Ｎｉ電極層及び銀電極層を形成した後、銀電極層上にカーボンシート及び銅電極板を順次配置して接合し、銅電極板の延伸部にコネクタを接続してヒーターエレメントを得た。
次に、実施例１と同様の条件で、上記のヒーターエレメントを４個積層配列し、筐体に収容してヒーターユニットを得た。
【0069】
上記のヒーターユニットを市販車のＨＶＡＣに組み込み、２５０Ｖの一定電圧制御で、３０Ａ以下に電流を制限し、６ｍ／秒のガス流速下でヒーターユニットの通電加熱試験を行った。
その結果、ＨＶＡＣの吹出口のガス温度は、通電加熱してから８秒で６０℃に達し、６０秒後には１００℃まで上昇した。このときの電力は３．４ｋＷであった。また、通電開始から３０秒後の消費エネルギーは１０８ｋＪであった。
その結果、ＨＶＡＣの吹出口のガス温度は、通電加熱してから８秒で６０℃に達し、６０秒後には１００℃まで上昇した。このときの電力は３．４ｋＷであった。また、通電開始から３０秒後の消費エネルギーは１０８ｋＪであった。
【0070】
（比較例１）
図７に示されるような、ＰＴＣ素子５００をアルミニウムフィン５１０と一体化したヒーターエレメントが積層配列された従来のヒーターユニットを準備した。なお、図７は、ヒーターエレメントの模式的な平面図である。
ＰＴＣ素子５００は、２９ｍｍ×８ｍｍ×２ｍｍのサイズとし、６個を一列に配置するとともに、フレーム、絶縁板、導電板などの部材と組み合わせることにより、ヒーター本体５２０の内部に収容した。また、ヒーター本体５２０にはコネクタ３０を設けた。さらに、８個のヒーター本体５２０は、筐体１１０内に収容し、各ヒーター本体５２０の間にアルミニウムフィン５１０が配置されるように構成した。
なお、ＰＴＣ素子５００は、４９ｍｏｌ％のＴｉＯ2、３２ｍｏｌ％のＢａＯ、９ｍｏｌ％のＰｂＯ、８ｍｏｌ％のＣａＯ、１ｍｏｌ％のＳｒＯ及び１ｍｏｌ％のＳｉＯ2を含む材料から構成した。
図７に示されるような、ＰＴＣ素子５００をアルミニウムフィン５１０と一体化したヒーターエレメントが積層配列された従来のヒーターユニットを準備した。なお、図７は、ヒーターエレメントの模式的な平面図である。
ＰＴＣ素子５００は、２９ｍｍ×８ｍｍ×２ｍｍのサイズとし、６個を一列に配置するとともに、フレーム、絶縁板、導電板などの部材と組み合わせることにより、ヒーター本体５２０の内部に収容した。また、ヒーター本体５２０にはコネクタ３０を設けた。さらに、８個のヒーター本体５２０は、筐体１１０内に収容し、各ヒーター本体５２０の間にアルミニウムフィン５１０が配置されるように構成した。
なお、ＰＴＣ素子５００は、４９ｍｏｌ％のＴｉＯ2、３２ｍｏｌ％のＢａＯ、９ｍｏｌ％のＰｂＯ、８ｍｏｌ％のＣａＯ、１ｍｏｌ％のＳｒＯ及び１ｍｏｌ％のＳｉＯ2を含む材料から構成した。
【0071】
上記の従来のヒーターユニットを市販車のＨＶＡＣに組み込み、３００Ｖの一定電圧制御で、３０Ａ以下に電流を制限し、６ｍ／秒のガス流速でヒーターユニットの通電加熱試験を行った。
その結果、ＨＶＡＣの吹出口のガス温度は、通電加熱してから１１秒で５０℃に達し、６０秒後には８８℃まで上昇した。このときの電力は２．８ｋＷであった。また、通電開始から３０秒後の消費エネルギーは１２３ｋＪであった。
その結果、ＨＶＡＣの吹出口のガス温度は、通電加熱してから１１秒で５０℃に達し、６０秒後には８８℃まで上昇した。このときの電力は２．８ｋＷであった。また、通電開始から３０秒後の消費エネルギーは１２３ｋＪであった。
【0072】
ここで、実施例１及び比較例１の通電試験結果を比較したグラフを図８に示す。また、実施例１及び実施例２の通電試験結果を比較したグラフを図９に示す。図８及び９において、Ｌ１は実施例１の吹出口のガス温度、Ｌ２は実施例１の電力、Ｌ３は比較例１の吹出口のガス温度、Ｌ４は比較例１の電力、Ｌ５は実施例２の吹出口のガス温度、Ｌ６は実施例２の電力を表す。
図８に示されるように、実施例１のヒーターユニットは、比較例１のヒーターユニットに比べて、ガス温度の昇温時間を短縮することができた（Ｌ１とＬ３との比較）。例えば、通電開始から５０℃のガス温度となるまでの時間は、実施例１が６秒であったのに対して比較例１が１１秒であり、ガス温度の昇温時間を４０％短縮することができた。また、実施例１のヒーターユニットは、比較例１のヒーターユニットに比べて、通電中の最大電力を低減することができた（Ｌ２とＬ４との比較）。例えば、通電中の最大電力は、実施例１が５．８ｋＷであったのに対して比較例１が７．６ｋＷであり、最大電力を２５％低減することができた。
図９に示されるように、実施例２のヒーターユニットは、実施例１のヒーターユニットに比べて、ガス温度の昇温時間を更に短縮することができるとともに、６０秒後のガスの到達温度も高かった（Ｌ１とＬ５との比較）。その一方で、通電中の最大電力は、実施例２のヒーターユニットに比べて実施例１のヒーターユニットの方が低かった（Ｌ２とＬ６との比較）。
図８に示されるように、実施例１のヒーターユニットは、比較例１のヒーターユニットに比べて、ガス温度の昇温時間を短縮することができた（Ｌ１とＬ３との比較）。例えば、通電開始から５０℃のガス温度となるまでの時間は、実施例１が６秒であったのに対して比較例１が１１秒であり、ガス温度の昇温時間を４０％短縮することができた。また、実施例１のヒーターユニットは、比較例１のヒーターユニットに比べて、通電中の最大電力を低減することができた（Ｌ２とＬ４との比較）。例えば、通電中の最大電力は、実施例１が５．８ｋＷであったのに対して比較例１が７．６ｋＷであり、最大電力を２５％低減することができた。
図９に示されるように、実施例２のヒーターユニットは、実施例１のヒーターユニットに比べて、ガス温度の昇温時間を更に短縮することができるとともに、６０秒後のガスの到達温度も高かった（Ｌ１とＬ５との比較）。その一方で、通電中の最大電力は、実施例２のヒーターユニットに比べて実施例１のヒーターユニットの方が低かった（Ｌ２とＬ６との比較）。
【0073】
以上の結果から、本発明によれば、既存のヒーターエレメントよりも単純な構造を有するとともに、既存のヒーターユニットの配線や保持具などの部品の設計変更によってヒーターユニットが大型化することを抑制可能な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。また、本発明によれば、この車室暖房用ヒーターエレメントを用いた車室暖房用ヒーターユニット及び車室暖房用ヒーターシステムを提供することができる。
【符号の説明】
【0074】
１０ ハニカム構造体
１１ 外周壁
１２ 隔壁
１３ａ 第１端面
１３ｂ 第２端面
１４ セル
１５ 短辺
１６ 長辺
１７ ハニカム接合体
１８ ハニカムセグメント
１９ 接合層
２０ 電極
３０ コネクタ
１００ ヒーターエレメント
１１０ 筐体
１２０ 絶縁材
２００ ヒーターユニット
３００ ヒーターシステム
３０１ 流入口
３０２ 流出口
３１０ 車室
３２０ａ，３２０ｂ 流入配管
３２５ 流出配管
３３０ バッテリー
３４０ 電線
３５０ 蒸気圧縮ヒートポンプ
３５１ 蒸発器
３５２ 凝縮器
３６０ 送風機
５００ ＰＴＣ素子
５１０ アルミニウムフィン
５２０ ヒーター本体
１１ 外周壁
１２ 隔壁
１３ａ 第１端面
１３ｂ 第２端面
１４ セル
１５ 短辺
１６ 長辺
１７ ハニカム接合体
１８ ハニカムセグメント
１９ 接合層
２０ 電極
３０ コネクタ
１００ ヒーターエレメント
１１０ 筐体
１２０ 絶縁材
２００ ヒーターユニット
３００ ヒーターシステム
３０１ 流入口
３０２ 流出口
３１０ 車室
３２０ａ，３２０ｂ 流入配管
３２５ 流出配管
３３０ バッテリー
３４０ 電線
３５０ 蒸気圧縮ヒートポンプ
３５１ 蒸発器
３５２ 凝縮器
３６０ 送風機
５００ ＰＴＣ素子
５１０ アルミニウムフィン
５２０ ヒーター本体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】