CN106416424B - 加热器 - Google Patents

Abstract

加热器具备：柱状或者筒状的陶瓷体；在陶瓷体的内部设置的发热电阻体；被插入陶瓷体的整体的金属筒；以及绝缘性构件，其配置于陶瓷体的至少一部分与金属筒之间，且具有筒状部，该筒状部的内周面与所述陶瓷体的外周面相接、外周面与金属筒的内周面相接。

Description

加热器

技术领域

本发明涉及例如流体加热用加热器或者气体加热用加热器等所利用的加热器。

背景技术

作为流体加热用加热器或者气体加热用加热器等所利用的加热器，已知有例如日本特开平10-247584号公报(以下，称作专利文献1)所记载的陶瓷护套式加热器。专利文献1所记载的陶瓷护套式加热器具备金属制的有底筒状体、和插入到该有底筒状体且在内部具备发热电阻体的陶瓷体。该陶瓷护套式加热器在有底筒状体与陶瓷体之间具备绝缘性粉体。

在将专利文献1所记载的陶瓷护套式加热器在从外部传递振动那样的环境下使用的情况下，在有底筒状体的内部，绝缘性粉体可能因振动而相对于陶瓷体移动。因此，绝缘性粉体有时发生偏移，而存在绝缘性粉体多的部位和绝缘性粉体少的部位。其结果是，在绝缘性粉体变少的位置处，陶瓷体与有底筒状体可能局部接触。在该状态下，当使发热电阻体发热时，陶瓷体中的与有底筒状体接触的部分的散热好于与绝缘性粉体接触的部分的散热，因此有时在陶瓷体的表面产生温度差。尤其是在以比以往高的温度使陶瓷护套式加热器发热的情况下，有时在陶瓷体产生较大的热应力，其结果是，陶瓷护套式加热器的耐老化性可能降低。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于，在陶瓷护套式加热器中，减小在陶瓷体产生的热应力而提高耐老化性。

加热器具备：柱状或者筒状的陶瓷体；在该陶瓷体的内部设置的发热电阻体；被插入所述陶瓷体的金属筒；以及绝缘性构件，其配置于所述陶瓷体与所述金属筒之间，且具有筒状部，该筒状部的内周面与所述陶瓷体的外周面相接、该筒状部的外周面与所述金属筒的内周面相接。

附图说明

图1是示出加热器的一实施方式的剖视图。

图2是示出加热器的变形例1的剖视图。

图3是示出加热器的变形例2的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，对一实施方式所涉及的加热器100进行说明。

如图1所示，加热器100具备：柱状的陶瓷体1；在陶瓷体1的内部设置的发热电阻体2；被插入陶瓷体1的整体的金属筒3；以及配置在陶瓷体1以及金属筒3之间且具有筒状部40的绝缘性构件4。

<陶瓷体的结构>

陶瓷体1是为了保护发热电阻体2而设置的构件。陶瓷体1的形状是柱状或者筒状。作为柱状，举出例如圆柱状或者棱柱状等。需要说明的是，作为在此所说的柱状，还包括根据观察方向的不同而观察到板状的情况。在本实施方式的加热器100中，陶瓷体1的主面为长方形的柱状。另外，作为筒状，举出例如圆筒状或者方筒状。

陶瓷体1由将绝缘性的陶瓷材料成形为规定形状并烧制而形成的烧结体构成。作为绝缘性的陶瓷体，举出例如氧化铝质烧结体、氮化硅质烧结体或者氮化铝质烧结体。尤其是从容易制造的观点出发，优选使用氧化铝质烧结体。在陶瓷体1为柱状的情况下，陶瓷体1的尺寸能够设定为，例如主面的长度为30mm，主面的宽度为3mm，与主面垂直的方向上的厚度为1mm。

<发热电阻体的结构>

发热电阻体2是用于发热的电阻体，通过使电流流动而进行发热。发热电阻体2设置在陶瓷体1的内部。即，发热电阻体2被埋设于陶瓷体1。另外，发热电阻体2的形状为线状。本实施方式的加热器100中的发热电阻体2在比陶瓷体1的中央靠一端侧的位置具有折返形状，并且在另一端侧与两个导出部5连接。导出部5是用于将发热电阻体2和外部的电源电连接的构件。导出部5的一端侧与发热电阻体2连接，并且另一端侧向陶瓷体1的表面拉出。向陶瓷体1的表面拉出的导出部5的另一端侧与在陶瓷体1的表面设置的电极6连接。

发热电阻体2以及导出部5由金属材料构成。作为金属材料，举出例如W、Mo或者Re等。发热电阻体2的尺寸能够设定为，例如宽度为0.3mm，全长为30mm，厚度为25μm。导出部5的尺寸能够设定为，例如宽度为0.7mm，全长为10mm，厚度为30μm。

<电极的结构>

电极6是用于将导出部5和导线7电连接的构件。电极6设置在陶瓷体1中的另一端侧的外表面的两处位置。具体地说，电极6设置在陶瓷体1的两个主面上。电极6的与陶瓷体1的主面平行的方向的形状为四边形。电极6的尺寸能够设定为，例如与陶瓷体1的长度方向平行的方向上的长度为5mm，与陶瓷体1的长度方向垂直的方向的长度为2.5mm，厚度为20μm。电极6经由导出部5而与发热电阻体2电连接。电极6例如由W、Mo或者Re等构成。

<导线的结构>

导线7是用于从外部的电源向发热电阻体2导电的构件。导线7分别设于各个电极6。导线7的一端与电极6连接，另一端向金属筒3的外部拉出。向金属筒3的外部拉出的导线7与外部电源(未图示)连接。导线7和电极6由硬钎料8接合。作为硬钎料8，能够使用例如银钎料、金-铜钎料或者银-铜钎料。导线7由例如Ni构成。导线7中的与电极6接合的部分或者与外部电源连接的部分以外的区域被绝缘性的管9覆盖。管9由例如树脂材料构成。尤其优选管9由耐热性优异的氟树脂构成。

若导线7为线状的话，则导线7的尺寸能够设定为，例如直径为0.4mm，长度为50mm。该导线7所使用的管9的尺寸能够设定为，例如外径为1mm，长度为45mm。另外，导线7中的在电极6的附近处从管9露出的部分的长度能够设定为例如2mm左右。

<金属筒的结构>

金属筒3是与被加热物接触进行加热而使用的构件。作为由加热器100加热的被加热物，举出水或石油等液体或者空气或氮气等气体等。在本实施方式的加热器100中，金属筒3为圆筒状。向金属筒3中插入陶瓷体1的整体。即，金属筒3的内径比陶瓷体1的外径大，在金属筒3的内周面与陶瓷体1的外周面之间形成有能够设置具有绝缘罩10以及筒状部40的绝缘性构件4这一程度的间隙。金属筒3的一端由金属盖11堵塞。金属盖11的形状为直径与金属筒3的外径相等的圆板状。

金属筒3的尺寸能够设定为，例如内径为4mm，外径为5mm，长度为40mm。金属筒3由不锈钢、铝、铜或者钛等金属材料构成。尤其是从加工性、强度以及耐热性的观点出发，优选使用不锈钢。

<绝缘罩的结构>

绝缘罩10是用于确保导线7以及电极6与金属筒3之间的绝缘性的构件。绝缘罩10设为将各个电极6和导线7的一端一并包围。在本实施方式的加热器100中，绝缘罩10为片状构件。绝缘罩10由例如氟树脂等绝缘材料构成。绝缘罩10的尺寸能够设定为，例如厚度为0.2mm左右，长度为6mm左右。需要说明的是，绝缘罩10不一定局限于片状。例如，绝缘罩10也可以为管状。另外，在本实施方式中，绝缘罩10为固体，但并不局限于此。作为绝缘罩10，也可以使用例如凝胶状等半固体，还可以使用使该半固体固化后的绝缘罩。

<绝缘性构件的结构>

绝缘性构件4是用于防止陶瓷体1与金属筒3接触的构件。绝缘性构件4具有内周面与陶瓷体1的外周面相接、外周面与金属筒3的内周面相接的筒状部40。绝缘性构件4由例如氧化铝或者氮化铝等陶瓷材料构成。绝缘性构件4由如下所述的无机固化物构成：向例如金属筒3内插入陶瓷体1，在陶瓷体1与金属筒3的间隙中填充了混合有无机粘合剂、水、上述的陶瓷材料(氧化铝或者氮化铝等)的粉体的溶液之后，使该溶液干燥并固化，由此使陶瓷材料、无机粘合剂的成分接触并在相互作用下强力紧贴地形成该无机固化物。作为无机粘合剂，例如，能够使用水分散二氧化硅溶胶或者水分散氧化铝溶胶等。

在使用无机粘合剂而形成绝缘性构件4的情况下，优选绝缘性构件4中的空隙率比陶瓷体1中的空隙率大。由此，在加热器100中，在比金属筒3靠内侧产生热应力时，能够通过绝缘性构件4发生变形来吸收热应力。由此，能够减小在陶瓷体1产生裂缝的可能性。空隙率的比较可以通过以下的方法来进行。具体地说，将绝缘性构件4以及陶瓷体1切断而获得剖面。然后，通过对每单位面积存在的空隙的面积的比例进行计算，由此能够求出空隙率。

另外，作为绝缘性构件4的其他材料，例如，能够使用环氧树脂或者硅树脂等有机粘合剂。绝缘性构件4的材料能够根据加热器100的使用环境而适当地选择，但在使用上述的无机粘合剂而形成绝缘性构件4的情况下，能够承受800℃左右的温度，故是优选的。

绝缘性构件4的尺寸能够设定为，例如，将筒状部40的内径设定为与陶瓷体1的外径相等且为3mm×1mm，将外径设定为与金属筒3的内径相等且为4mm，将长度设定为20mm。

在本实施方式的加热器100中，通过在金属筒3与陶瓷体1之间具备绝缘性构件4而不具备绝缘性粉体，能够防止像绝缘性粉体那样因振动发生偏移而存在绝缘性粉体多的部位和绝缘性粉体少的部位。其结果是，由于能够降低金属筒3和陶瓷体1局部接触的可能性，因此能够降低在陶瓷体1的表面产生较大的温度差的可能性。因此，能够降低在陶瓷体1产生热应力的可能性。其结果是，能够提高加热器100的耐老化性。

此外，如上所述，优选绝缘性构件4由接合层构成。在该情况下，由于绝缘性构件4能够将陶瓷体1和金属筒3接合，因此能够提高绝缘性构件4和陶瓷体1的密接性以及绝缘性构件4和金属筒3的密接性。因此，能够更良好地进行热量从陶瓷体1向金属筒3的传递。其结果是，能够提高加热器100的升温性能。作为粘合剂，能够使用上述的无机粘合剂或者有机粘合剂。因此，使用了无机粘合剂的无机固化物能够将陶瓷体1和金属筒3接合起来。

此外，如上所述，绝缘性构件4优选包括陶瓷的粉体。由此，能够提高绝缘性构件4的强度。其结果是，能够提高加热器100的长期可靠性。另外，优选绝缘性构件4所包含的陶瓷的粉体和陶瓷体1的主要成分由相同的陶瓷材料构成。由此，能够减小绝缘性构件4与陶瓷体1之间的热膨胀差。其结果是，能够减小在升温时或者降温时加热器100所产生的热应力。

需要说明的是，如上述那样，从加热器100的耐老化性的观点出发，并不优选金属筒3与陶瓷体1接触。原因如下。在陶瓷体1因与金属筒3之间的热膨胀差产生热应力而产生了裂缝的情况下，裂缝可能行进至在内部设置的发热电阻体2。在该情况下，发热电阻体2的电阻值可能发生变化。其结果是，可能无法使加热器100以所希望的温度发热。

与此相对地，像本实施方式的加热器100那样，若使绝缘性构件4的筒状部40与金属筒3接触，即便在绝缘性构件4产生裂缝，也能够在绝缘性构件4与陶瓷体1之间抑制裂缝的行进。而且，通过将金属筒3与陶瓷体1分离配置，能够降低在陶瓷体1的表面产生较大的温度差而产生裂缝的可能性。

这些结果是，能够降低发热电阻体2的电阻值因裂缝的产生而发生变化、无法使加热器100以所希望的温度发热的可能性。然而，在因绝缘性构件4所产生的裂缝在绝缘性构件4中行进而在绝缘性构件4产生较大的变形的情况下，由绝缘性构件4与陶瓷体1之间的热膨胀差引起的热应力可能局部地集中于陶瓷体1。在该情况下，有时在陶瓷体1产生裂缝。因此，关于绝缘性构件4，也优选采用能够减轻裂缝的行进的结构。关于这点，在后面进行说明。

此外，在本实施方式的加热器100中，在堵塞金属筒3的一端的金属盖11与陶瓷体1之间确保有空隙12。由此，在因发热电阻体2发热而使陶瓷体1的一端侧发生了热膨胀时，能够减小因陶瓷体1与金属盖11之间的热膨胀差引起两者接触而在陶瓷体1上产生的热应力。其结果是，由于能够降低在陶瓷体1产生裂缝的可能性，因此能够提高加热器100的耐老化性。空隙12的尺寸能够设定为，陶瓷体1的长度方向上的长度为例如0.2～2mm。尤其是通过将空隙12的长度设为0.2mm以上，即便在使加热器100发热时陶瓷体1与金属盖11发生热膨胀，也能够降低陶瓷体1与金属盖11接触的可能性。

<变形例1>

对加热器100的变形例1进行说明。在所述的实施方式的加热器100中，绝缘性构件4为两端开口的筒状，但并不局限于此。具体地说，也可以是绝缘性构件4的一端、另一端或者两端堵塞的形状。换言之，绝缘性构件4也可以具有筒状部40和将筒状部40的一端、另一端或者两端的开口堵塞的部分。如图2所示，在变形例1的加热器100中，绝缘性构件4的一端与金属盖11的内面的整体相接。而且，绝缘性构件4的另一端设置至金属筒3的另一端的开口。而且，在金属筒3的另一端侧，绝缘性构件4包围连同绝缘罩10、电极6以及导线7的管9的一部分在内的陶瓷体1，并且以与陶瓷体1的另一端部接触的方式无间隙地设置。如此，陶瓷体1的整体被绝缘性构件4覆盖，由此能够气密地密封陶瓷体1。其结果是，能够提高加热器100中的陶瓷体1的耐环境性。

需要说明的是，在本变形例中，加热器100与前述的实施方式相同，具备绝缘罩10，但并不局限于此。具体地说，也可以是，加热器100不具备绝缘罩10，使绝缘性构件4直接覆盖电极6。这是因为，通过绝缘性构件4覆盖连同电极6在内的陶瓷体1的整体，能够确保电极6与金属筒3之间的绝缘性。

另外，在本变形例中，与前述的实施方式不同，加热器100不具备空隙12，但并不局限于此。也可以与前述的实施方式相同，具备空隙12。由此，能够减小因陶瓷体1与金属盖11之间的热膨胀差引起的热应力。

本变形例中的绝缘性构件4能够以如下方式形成。具体地说，在设于陶瓷体1上的电极6上配置导线7，并使用银铜钎料或者银钎料来进行接合。而且，以覆盖包括钎焊部的电极6的方式配置氟树脂性的绝缘罩10。如此，在使安装有电极6、导线7以及绝缘罩10的陶瓷体1位于金属筒3内之后，向将氧化铝或者氮化铝等陶瓷粉碎后的粉体(陶瓷的粉体)混合无机粘合剂和水，并将浆料溶液状的粉体以在陶瓷体1与金属筒3的间隙无法形成气泡的方式填充至金属筒3的上表面。在填充后，以100℃以下的温度进行30分钟的预备干燥而使浆料溶液中的水分缓慢地蒸发。由于100℃以上的急剧干燥因水分的沸腾而在内部产生气泡而导致强度、外观的降低，故预备干燥的温度优选为70～80℃。在预备干燥之后，为了干燥无机粘合剂成分，以250℃进行30分钟的干燥而使它们固化。其结果是，能够形成绝缘性构件4。需要说明的是，像上述的实施方式的加热器100那样，绝缘性构件4可以由陶瓷构成，也可以由有机粘合剂构成。

<变形例2>

对加热器100的变形例2进行说明。在前述的实施方式的加热器100中，绝缘性构件4为一个构件，但并不局限于此。具体地说，绝缘性构件4的筒状部40也可以分别具备筒状的第一部分41以及第二部分42。如图3所示，在变形例2的加热器100中，绝缘性构件4的筒状部40具备第一部分41以及第二部分42。第一部分41设置于金属筒3中的一端侧，并且，第二部分42设置于金属筒3中的另一端侧。第一部分41和第二部分42分别为筒状，且第一部分41的端面与第二部分42的端面相接。如此，通过绝缘性构件4由多个部位构成，从而即便在绝缘性构件4中的一个部位(例如，第一部分41)产生裂缝，也能够在两个部位(第一部分41以及第二部分42)之间阻止裂缝的行进，因此能够降低裂缝行进至其他部位(例如，第二部分42)的可能性。其结果是，能够降低因绝缘性构件4所产生的裂缝在绝缘性构件4中行进而使绝缘性构件4产生较大的变形的可能性。

另外，在本变形例中，发热电阻体2设于陶瓷体1的一端侧，并且，第一部分41以包围陶瓷体1中的设有发热电阻体2的部分的整体的方式配置。通过第一部分41包围发热电阻体2，从而由发热电阻体2发出的热量的大部分传递至第一部分41。此外，通过绝缘性构件4分别形成为第一部分41和第二部分42，从而在第一部分41与第二部分42之间存在界面，因此减少热量从第一部分41向第二部分42的传递。因此，能够减少由发热电阻体2发出的热量在第二部分42中传递而向加热器100的另一端侧释放的情况。

第一部分41和第二部分42可以由相同的材料形成，但也可以由不同的材料形成。在第一部分41和第二部分42由不同的材料构成的情况下，例如，优选第一部分41的热传导率比第二部分42的热传导率大。通过使第一部分41的热传导率大，由此能够将由发热电阻体2发出的热量迅速地传递至金属筒3。另外，通过使第二部分42的热传导率小，由此能够减少由发热电阻体2发出的热量从导线7侧向外部释放的情况。这些结果是，能够提高加热器100的升温速度。

作为使第一部分41的热传导率比第二部分42的热传导率大的方法，例如，在第一部分41和第二部分42中改变无机粘合剂所含的陶瓷的粉体的量即可。更具体地说，例如，在无机粘合剂为水分散二氧化硅溶胶、陶瓷为氧化铝的情况下，使第一部分41中的氧化铝的量比第二部分42中的氧化铝的量多即可。另外，也可以通过使陶瓷的粉体或者无机粘合剂的材料在第一部分41和第二部分42中不同来调整热传导率。

此外，作为使第一部分41的热传导率比第二部分42的热传导率大的其他方法，例如，将无机粘合剂中的气泡的比例调整为第二部分42的气泡比例比第一部分41的气泡比例大即可。通过增多无机粘合剂中的气泡，能够减小第二部分42的热传导率。此外，通过增多第二部分中的气泡，能够容易在第二部分中吸收热应力，因此能够降低所产生的热应力影响到导线7等的可能性。其结果是，能够提高加热器100的长期可靠性。

需要说明的是，在本变形例中，加热器100与前述的实施方式相同，具备绝缘罩10，但并不局限于此。具体地说，也可以是，加热器100不具备绝缘罩10，使绝缘性构件4直接覆盖电极6。这是因为，通过绝缘性构件4覆盖连同电极6在内的陶瓷体1的整体，能够确保电极6与金属筒3之间的绝缘性。

另外，在本变形例中，与前述的实施方式不同，加热器100不具备空隙12，但并不局限于此。优选与前述的实施方式相同地具备空隙12，由此，能够减小因陶瓷体1与金属盖11之间的热膨胀差而引起的热应力。

第一部分41以及第二部分42可以以如下方式制作。首先，向由金属盖11堵塞一端的开口的金属筒3插入安装有电极6、导线7以及绝缘罩10的电极陶瓷体1。然后，向金属筒3的一端侧填充浆料溶液状的粉体，该浆料溶液状的粉体通过向将氧化铝或者氮化铝等陶瓷粉碎后的粉体(陶瓷的粉体)混合无机粘合剂和水而形成。然后，以100℃以下使浆料溶液中的水分缓慢地蒸发30分钟之后，在高温环境下使其干燥并固化，由此来形成第一部分41。接下来，在填充了向将氧化铝或者氮化铝等陶瓷粉碎后的粉体混合无机粘合剂和水而成为浆料溶液状的粉体之后，以100℃以下使浆料溶液中的水分缓慢地蒸发30分钟，然后在高温环境下使其干燥并固化，由此来形成第二部分42。需要说明的是，像上述实施方式的加热器100那样，绝缘性构件4可以由陶瓷形成，也可以由有机粘合剂形成。

附图标记说明：

100：加热器

1：陶瓷体

2：发热电阻体

3：金属筒

4：绝缘性构件

40：筒状部

41：第一部分

42：第二部分

5：导出部

6：电极

7：导线

8：硬钎料

9：管

10：绝缘罩

11：金属盖

12：空隙

Claims (9)

1.一种加热器，其中，

所述加热器具备：

柱状或者筒状的陶瓷体；

发热电阻体，其设置在该陶瓷体的内部；

金属筒，其被插入所述陶瓷体；以及

绝缘性构件，其配置于所述陶瓷体与所述金属筒之间，且具有筒状部，该筒状部的内周面与所述陶瓷体的外周面相接、该筒状部的外周面与所述金属筒的内周面相接，

所述绝缘性构件中的空隙率大于所述陶瓷体中的空隙率。

2.根据权利要求1所述的加热器，其中，

所述筒状部分别具备筒状的第一部分以及第二部分，并且，所述第一部分配置于所述陶瓷体的一端侧，且所述第二部分配置于所述陶瓷体的另一端侧。

3.根据权利要求2所述的加热器，其中，

所述发热电阻体设于所述陶瓷体的一端侧，并且，所述第一部分以包围所述陶瓷体中的设有所述发热电阻体的部分的整体的方式配置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的加热器，其中，

所述加热器具备堵塞所述金属筒的一端的金属盖，并且在所述金属盖与所述陶瓷体之间具有空隙。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的加热器，其中，

所述陶瓷体与所述金属筒由所述绝缘性构件接合。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的加热器，其中，

所述绝缘性构件包括与所述陶瓷体的主要成分相同的陶瓷材料。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的加热器，其中，

所述绝缘性构件为无机固化物。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的加热器，其中，

所述绝缘性构件为由有机粘合剂构成的接合层。

9.根据权利要求8所述的加热器，其中，

在所述接合层中含有陶瓷的粉体。