CN105165113A

CN105165113A - 陶瓷加热器

Info

Publication number: CN105165113A
Application number: CN201480023942.XA
Authority: CN
Inventors: 小林昭雄
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN105165113B; US10309650B2; US20160061447A1; JP5989896B2; EP2996438A1; EP2996438B1; JPWO2014175424A1; WO2014175424A1; EP2996438A4

Abstract

本发明的陶瓷加热器具备：陶瓷构造体、被埋设于陶瓷构造体的发热电阻体、和被埋设于陶瓷构造体且一端与发热电阻体连接的供电线，供电线由金属构成，并且中心部的金属粒子的粒径大于外周部的金属粒子的粒径。由此，纵使在供电线的外周部所产生的裂纹于外周部的晶界传导而接近中心部，也能够抑制裂纹发展到中心部的内部。

Description

陶瓷加热器

技术领域

本发明涉及陶瓷加热器。

背景技术

作为车载供暖装置、煤油扇形加热器或者汽车发动机的电热塞等中利用的加热器，已知有陶瓷加热器。作为陶瓷加热器，例如可列举日本特开2000-156275号公报(以下称为专利文献1)所公开的陶瓷加热器。

专利文献1所公开的陶瓷加热器具备：陶瓷构造体、被埋设于陶瓷构造体的发热电阻体、和被埋设于陶瓷构造体且与发热电阻体连接的供电线。

然而，专利文献1所公开的陶瓷加热器在高温环境下反复使用的情况下，有可能导致供电线产生裂纹等。由此，有可能导致供电线的电阻值发生变化，局部产生异常发热。其结果，提高陶瓷加热器在高温环境下反复使用的情况下的长期可靠性较为困难。

发明内容

基于本发明的一个形态的陶瓷加热器具备：陶瓷构造体、被配设于该陶瓷构造体的发热电阻体、和被配设于所述陶瓷构造体且一端与所述发热电阻体连接的供电线，该供电线由金属构成，并且中心部的金属粒子的粒径大于外周部的金属粒子的粒径。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的示例的陶瓷加热器的剖视图。

图2是图1所示的陶瓷加热器的部分放大剖视图。

图3是表示利用了图1所示的陶瓷加热器的电热塞的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的几个实施方式的示例。

<陶瓷加热器的构成>

如图1所示，本发明的实施方式的示例的陶瓷加热器10具备：陶瓷构造体1、被埋设于陶瓷构造体1的发热电阻体2、和被埋设于陶瓷构造体1且一端与发热电阻体2连接的供电线3。陶瓷加热器10例如能够利用于汽车发动机的电热塞等中。

<陶瓷构造体的构成>

陶瓷构造体1是在内部埋设有发热电阻体2和供电线3的部件。通过在陶瓷构造体1的内部设置发热电阻体2以及供电线3，从而能够提高发热电阻体2以及供电线3的耐环境性。陶瓷构造体1例如为棒状或者板状的部件。

陶瓷构造体1由例如氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或者碳化物陶瓷等具有电绝缘性的陶瓷构成。具体而言，陶瓷构造体1由氧化铝质陶瓷、氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或者碳化硅质陶瓷等构成。

陶瓷构造体1特别优选由氮化硅质陶瓷构成。其原因在于，氮化硅质陶瓷的主成分即氮化硅在强度、韧性、绝缘性以及耐热性的观点上优异。由氮化硅质陶瓷构成的陶瓷构造体1能够按照如下方法获得。具体而言，例如向主成分的氮化硅中混合作为烧结助剂的5～15质量％的Y₂O₃、Yb₂O₃或者Er₂O₃等稀土类元素氧化物、0.5～5质量％的Al₂O₃以及量被调整为使烧结体中所含的SiO₂的量成为1.5～5质量％的SiO₂，成型为给定的形状之后，以1650～1780℃的温度来烧成，从而能够获得由氮化硅质陶瓷构成的陶瓷构造体1。烧成能够利用例如热压烧成。

另外，在对陶瓷构造体1利用氮化硅质陶瓷，进而对后述的发热电阻体2利用Mo或者W等的化合物的情况下，优选在陶瓷构造体1中预先进一步混合MoSi₂或者WSi₂等并使它们分散。通过预先使发热电阻体2中利用的金属的硅化物分散于陶瓷构造体1，从而能够使陶瓷构造体1的热膨胀率和发热电阻体2的热膨胀率接近。其结果，能够提高陶瓷加热器10的耐久性。

在陶瓷构造体1的形状为棒状的情况下，更具体为圆柱状的情况下，陶瓷构造体1的长度例如被设定为20～50mm，陶瓷构造体1的直径例如被设定为3～5mm。

<发热电阻体的构成>

发热电阻体2是通过被施加电压而发热的部件。发热电阻体2被埋设于陶瓷构造体1。通过向发热电阻体2施加电压而流动电流，从而发热电阻体2发热。因该发热而产生的热在陶瓷构造体1的内部传导，陶瓷构造体1的表面变为高温。然后，热从陶瓷构造体1的表面向被加热物传导，从而陶瓷加热器10作为加热器来发挥功能。作为从陶瓷构造体1的表面被传导热的被加热物，例如可列举向汽车用柴油发动机的内部供给的轻油等。

发热电阻体2被设置在陶瓷构造体1的前端侧。发热电阻体2的纵剖面(与发热电阻体2的长度方向平行的剖面)的形状例如成为折回形状。详细而言，发热电阻体2具有：两个平行的直线部分21、和外周以及内周为大致半圆形状或者大致半椭圆形状且将两个直线部分21折回而相连的连结部分22。发热电阻体2在陶瓷构造体1的前端附近折回。从发热电阻体2的前端(连结部分22之中最前端侧的部分)至发热电阻体2的后端(直线部分21的后端)为止的长度例如在发热电阻体2的长度方向上被设定为2～10mm。另外，发热电阻体2的横剖面(与发热电阻体2的长度方向垂直的剖面)的形状能够设定为圆形状、椭圆形状或者矩形状等。

发热电阻体2例如将W、Mo或者Ti等的碳化物、氮化物或者硅化物等作为主成分。在陶瓷构造体1由氮化硅质陶瓷构成的情况下，优选发热电阻体2的主成分由碳化钨构成。由此，能够使陶瓷构造体1的热膨胀率和发热电阻体2的热膨胀率接近。进而，碳化钨在耐热性方面优异。

进而，在陶瓷构造体1由氮化硅质陶瓷构成的情况下，优选发热电阻体2将碳化钨作为主成分，并且在发热电阻体2中添加20质量％以上的氮化硅。通过向发热电阻体2添加氮化硅，从而能够使发热电阻体2的热膨胀率和陶瓷构造体1的热膨胀率接近。由此，能够在陶瓷加热器10升温时或者降温时降低发热电阻体2与陶瓷构造体1之间所产生的热应力。

<供电线的构成>

供电线3是用于将外部的电源与发热电阻体2连接的部件。供电线3被埋设于陶瓷构造体1。供电线3对应于发热电阻体2的两个直线部分21的各个直线部分而沿着陶瓷构造体1的长度方向被设置了两根。供电线3与发热电阻体2的各个端部电连接。即，供电线3与发热电阻体2的各个端部相接。供电线3从发热电阻体2的端部至陶瓷构造体1的后端侧而设置。

供电线3例如由金属的导线构成。作为供电线3所利用的导线，例如可列举钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)或者铌(Nb)等的金属导线。供电线3与发热电阻体2相比而每单位长度的电阻被设定得低。

然后，如图2所示，供电线3成为中心部32的金属粒子的粒径大于外周部31的金属粒子的粒径的构成。如此，在供电线3中，通过使中心部32的金属粒子的粒径大于外周部31的金属粒子的粒径，从而能够减少外周部31的金属粒子的晶界和中心部32的金属粒子的晶界相接的部分。由此，例如，即使在外周部31所产生的裂纹于外周部31的晶界传导而接近中心部32，也能够抑制裂纹发展到中心部32的内部。由此，能够抑制在高温环境下反复使用的情况下供电线3的电阻值发生变化。其结果，能够降低供电线3产生异常发热的可能性，能够提高陶瓷加热器10在高温环境下反复使用的情况下的长期可靠性。

进而，外周部31的金属粒子的粒径小，从而金属粒子的晶界变多，因此在外周部31能够使供电线3易于产生微细的变形。因而，在热循环下，纵使产生了陶瓷构造体1和供电线3的热膨胀差所引起的热应力，由于供电线3的外周部31易于变形，因此也能够通过外周部31的变形来吸收该热应力。由此，能够降低供电线3产生裂纹的可能性。

金属粒子的粒径的比较例如能够按照如下方法来进行。拍摄供电线3的纵剖面(与供电线3的长度方向平行的剖面)的照片，在该剖面中，在中心部32以及外周部31中分别划出与供电线3的长度方向平行的假想直线时，存在于该假想直线上的粒子的数在外周部31中多于中心部32的情况下，能够视作外周部31中的金属粒子的粒径小于中心部32中的金属粒子的粒径。此时的假想直线的长度虽然能够根据金属粒子的大小来适当设定，但例如设定为300μm即可。

为使外周部31的金属粒子的粒径大于中心部32的金属粒子的粒径，能够采用如下方法。具体而言，例如在作为供电线3而利用由W构成的导线的情况下，预先将烧成前的导线中所含的钾(K)的量设定为小于10ppm，并且陶瓷构造体1所利用的粘合剂中所含的K的量设定为50ppm以上。具体而言，通过投入氧化钾(K₂O)，从而使K的量为50ppm以上且1000ppm以下即可。然后，通过热压来一体式烧成陶瓷构造体1和供电线3即可。由此，在烧成时，K从陶瓷构造体1向供电线3的外周部31扩散。在此，若使K在由W构成的供电线3中扩散后烧成，则W的外周部由于K的扩散，从而再结晶粒的生长被抑制，难以二次再结晶化，由此烧成后的金属粒子的粒径变小。即，在包含多量K的供电线3的外周部31中，金属粒子的粒径变小，在仅包含少量K的供电线3的中心部32中，由于再结晶粒的生长，从而能够增大金属粒子的粒径。如此一来，能够获得本实施方式的陶瓷加热器10中的供电线3。

进而，供电线3优选中心部32的弹性模量大于外周部31的弹性模量。为使中心部32的弹性模量大于外周部31的弹性模量，能够利用与上述相同的方法。具体而言，设为在由W构成的供电线3之中的外周部31中包含多量K的构成即可。包含多量K的部分与仅包含少量K的区域相比而粒径小。若粒径小，则金属组织的粒和粒的接点变多，易于引起金属晶界处的变形，因此外周部31的弹性模量与中心部32的弹性模量相比而变小。通过增大中心部32的弹性模量，从而能够抑制中心部32变形。其结果，供电线3的伸缩变小，因此裂纹不易发展。

进而，优选中心部32的金属粒子间的晶界在周向上具有不同朝向的多个面。晶界在周向上为不同的朝向，不朝向同一方向，从而裂纹在供电线3的长度方向上不易发展。

进而，优选中心部32的金属粒子与外周部31的金属粒子之间的晶界在供电线3的长度方向上具有不同朝向的多个面。通过使外周部31与中心部32之间的晶界为凸凹状，从而裂纹在供电线3的长度方向上不易发展。

此外，优选供电线3在内部存在多个空隙。通过在供电线3的内部存在空隙，从而能够抑制由发热电阻体2发出的热在供电线3中传导而放出。为了在供电线3的内部形成空隙，能够采用如下方法。例如在供电线3由钨构成的情况下，在熔融的钨中添加微量的掺杂材料并使其分散。然后，冷却钨而使其固化之后进行加工，从而能够获得在内部形成有空隙的供电线3。作为该掺杂材料，能够利用氧化铝(Al₂O₃)或者二氧化硅(SiO₂)等。

供电线3的内部的空隙尤其优选存在于供电线3的中心部32的金属粒子间的晶界。通过在裂纹易于发展的晶界存在空隙，从而能够抑制供电线3中的裂纹的发展。

<电极引出部的构成>

返回到图1，陶瓷加热器10还具有两个电极引出部4。电极引出部4是用于将外部的电极与两个供电线3分别电连接的部件。电极引出部4被设于陶瓷构造体1。一个电极引出部4与一个供电线3连接，并且另一个电极引出部4与另一个供电线3连接。电极引出部4的一端在陶瓷构造体1的内部中与供电线3相接，并且另一端在陶瓷构造体1的表面露出。

电极引出部4能够通过与发热电阻体2同样的材料来形成。电极引出部4与发热电阻体2相比而每单位长度的电阻被设定得低。

<连接金属件的构成>

陶瓷加热器10还具有连接金属件5。连接金属件5与电极引出部4中的在陶瓷构造体1的表面所露出的部分连接。陶瓷加热器10通过连接金属件5而与外部的电极连接。在本实施方式的陶瓷加热器10中，作为连接金属件5而利用线圈状的金属件。连接金属件5被设置为包围陶瓷构造体1。

<关于电热塞>

陶瓷加热器10例如被用于电热塞。具体而言，如图3所示，电热塞100具备：陶瓷加热器10、和保持陶瓷加热器10的金属制保持部件20(鞘式金属件)。陶瓷加热器10的后端侧被插入到筒状的金属制保持部件20中，并且通过电力供给端子30而与外部的电源连接。本实施方式的陶瓷加热器10在供电线3中可抑制裂纹发展到中心部32的内部，从而在利用于电热塞100的情况下，能够提高长期可靠性。

<关于陶瓷加热器的制造方法>

说明陶瓷加热器10的制造方法。首先，使氧化铝质陶瓷、氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或者碳化硅质陶瓷等的陶瓷粉末中含有烧结助剂，来制作成为陶瓷构造体1的原料的陶瓷粉体。

然后，在使该陶瓷粉体成为陶瓷浆料之后，成型为片状，制作两个陶瓷生片。此时，在陶瓷生片中，优选粘合剂包含50ppm以上的K₂O。由此，在烧成时能够使K从陶瓷构造体1向供电线3扩散。

接下来，在一个陶瓷生片之上分别印刷成为发热电阻体2的发热电阻体2用导电性膏以及电极引出部4用导电性膏的图案，从而获得第1成型体。在此，作为发热电阻体2用导电性膏以及电极引出部4用导电性膏的材料，能够利用以V、Nb、Ta、Mo或者W等高熔点金属为主成分的材料。发热电阻体2用导电性膏以及电极引出部4用导电性膏能够通过在这些高熔点金属中调合陶瓷粉体、粘合剂以及有机溶剂等来制作。

另外，作为发热电阻体2用导电性膏，通过添加由与陶瓷构造体1相同的材料构成的陶瓷粉体，从而能够使发热电阻体2的热膨胀率接近陶瓷构造体1的热膨胀率。

此外，在另一个陶瓷生片之上，以使供电线3位于发热电阻体2与电极引出部4之间的方式，制作埋设有供电线3的第2成型体。供电线3使用W、Mo、Re、Ta或者Nb等的高纯度的金属导线。尤其是，作为金属导线，使用含有的K的量为10ppm以下的金属导线。

通过使所获得的第1成型体和第2成型体重叠，从而获得在内部形成有基于发热电阻体2用导电性膏、供电线3以及电极引出部4用导电性膏的图案的第3成型体。

接下来，以1500～1800℃来烧成所获得的第3成型体，从而能够制作陶瓷加热器10。此时，通过使K从陶瓷构造体1向供电线3扩散，从而在供电线3的外周部31中能够减小金属粒子的粒径。由此，能够获得具备中心部32的金属粒子的粒径比外周部31的金属粒子的粒径大的供电线3的陶瓷加热器10。另外，优选在惰性气体气氛中或者还原气氛中进行烧成。此外，优选在施加了压力的状态下烧成。

实施例

按照如下方式制作出本发明的实施例的陶瓷加热器。

首先，作为陶瓷构造体1的原料而混合85质量％的氮化硅粉末，作为烧结助剂而混合10质量％的Yb₂O₃粉末、3.5质量％的MoSi₂粉末、以及1.5质量％的氧化铝粉末，从而制作出原料粉末。然后，利用该原料粉末，通过加压成型制作出成为陶瓷构造体1的第1成型体以及第2成型体。此时，在氮化硅粉末所利用的粘合剂中含有成为100ppm的含有量的K₂O。

接下来，作为成为发热电阻体2以及电极引出部4的导电性膏，在70质量％的碳化钨(WC)粉末中混合30质量％的原料粉末，制作出添加有适当的有机溶剂以及溶媒的导电性膏。然后，在成为陶瓷构造体1的第1成型体的表面，通过丝网印刷法涂覆了导电性膏。

在重叠第1成型体和第2成型体并使二者密接时，以位于发热电阻体2与电极引出部4之间的方式埋设了供电线3。作为供电线3，利用了钨纯度为99.9％且K的量为5ppm以下的W引线针脚。然后，通过使第1成型体和第2成型体重叠，从而获得在陶瓷构造体1的内部具有发热电阻体2、供电线3以及电极引出部4的第3成型体。

接着，在将第3成型体投入到圆筒状的碳制模之后，在还原气氛中，以1700℃的温度以及35MPa的压力来进行热压烧成，制作出陶瓷加热器10(样品1)。

另一方面，制作出比较评价用的陶瓷加热器(样品2)。在样品2中，作为供电线3，使用了钨纯度为99.0％且K的量为20ppm的W引线针脚。

接下来，将所获得的陶瓷加热器研磨加工成直径为全长为40mm的圆柱状，在表面所露出的电极引出部4钎焊了由Ni构成的线圈状的连接金属件5。

然后，对准备的各样品的加热器施加电压，升温至1500℃，并断续地进行通电。具体而言，将1500℃±25℃下的通电持续1分钟，停止通电1分钟来进行空气冷却。将此作为1次循环，进行了10000次循环的通电。然后，测量初始的电阻值和10000次循环后的电阻值，在样品1与样品2之间进行了电阻变化率的比较。另外，电阻的测量利用了如下方法。具体而言，将加热器前端浸在25℃的恒温槽中，使陶瓷加热器的温度在25℃稳定之后测量出电阻。

此外，在10000次循环结束后，截取供电线3部分，进行镜面研磨加工，对镜面研磨面进行了离子修整处理。然后，利用SEM，以2000倍的倍率来观察纵剖面。

其结果，作为比较例的样品2的加热器，10000次循环结束后的电阻变化率为25％，在进一步对供电线3部分进行SEM观察的结果中，供电线3的外周部31的金属粒子的粒径变得大于中心部32的金属粒子的粒径。进而，裂纹从供电线3的外周部31到达了中心部32。

相对于此，作为本发明的实施例的样品1的陶瓷加热器10，10000次循环结束后的电阻无变化。此外，通过SEM观察确认出：中心部32的金属粒子的粒径变得大于外周部31的金属粒子的粒径，裂纹未发展到供电线3的中心部32。此外，供电线3的外径为其中从外周起0.02mm的区域成为外周部31，剩余的区域成为中心部32。进而，外周部31中的金属粒子的粒径为5～20μm程度，中心部32中的金属粒子的粒径为40～80μm程度。

符号说明

1：陶瓷构造体

2：发热电阻体

21：直线部分

22：连结部分

3：供电线

31：外周部

32：中心部

4：电极引出部

5：连接金属件

6：导体层

10：陶瓷加热器

20：金属制保持部件

30：电力供给端子

100：电热塞

Claims

1.一种陶瓷加热器，具备：

陶瓷构造体；

发热电阻体，其被埋设于该陶瓷构造体；和

供电线，其被埋设于所述陶瓷构造体，一端与所述发热电阻体连接，

该供电线由金属构成，并且中心部的金属粒子的粒径大于外周部的金属粒子的粒径。

2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，

所述供电线的所述中心部的弹性模量大于所述外周部的弹性模量。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其中，

所述供电线的所述中心部的金属粒子间的晶界在周向上具有不同朝向的多个面。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的陶瓷加热器，其中，

所述供电线的所述中心部的金属粒子与所述外周部的金属粒子之间的晶界在长度方向上具有不同朝向的多个面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的陶瓷加热器，其中，

所述供电线在内部存在多个空隙。

6.根据权利要求5所述的陶瓷加热器，其中，

所述供电线在所述中心部的金属粒子间的晶界存在多个所述空隙。

7.一种电热塞，具备：

权利要求1至6中任一项所述的陶瓷加热器；和

对该陶瓷加热器进行保持的金属制保持部件。