CN107211492B

CN107211492B - 加热器以及具备其的电热塞

Info

Publication number: CN107211492B
Application number: CN201580069837.4A
Authority: CN
Inventors: 田井村孝太郎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: DE212015000019U1; EP3240357A4; JP6023389B1; JP2017033944A; WO2016103908A1; EP3240357A1; JPWO2016103908A1; US20170350596A1; CN107211492A; EP3240357B1; US10533744B2

Abstract

加热器具备棒状的陶瓷体和设于该陶瓷体的内部的发热电阻体，该发热电阻体在以横截面进行观察时，通过径向上一分为二的半圆状部沿着所述径向错开的形状而在外周部具有至少1个阶梯部。

Description

加热器以及具备其的电热塞

技术领域

本公开涉及例如燃烧式车载供暖装置中的点火用或火焰探测用的加热器、燃油热风机等各种燃烧设备的点火用的加热器、柴油引擎的电热塞用的加热器、氧传感器等各种传感器用的加热器或测定设备的加热用的加热器等中所利用的加热器以及具备其的电热塞。

背景技术

作为加热器，例如已知特开2007-240080号公报(以下称作专利文献1)公开的陶瓷加热器。专利文献1公开的陶瓷加热器具备：棒状且陶瓷制的基体；和埋设于该基体中的发热元件。发热元件具有在轴线方向上延伸的一对棒状的导电部，从与轴线方向垂直的剖面观察该导电部时的形状是圆形。

近年来要求能更急速升温的加热器。为了使加热器急速升温，需要在加热器的发热元件流过大电流。但在发热元件中流过大电流的情况下，发热元件的一部分局部发热，从而有可能在发热元件的一部分出现大的热膨胀。然后因在发热元件出现大的热膨胀而有可能在发热元件与陶瓷制的基体之间产生裂纹。特别在专利文献1公开的陶瓷加热器那样发热元件的剖面形状为圆形的情况下，由于产生的裂纹容易地传导到发热元件与基体的界面，因此裂纹有可能在周向上进展。其结果会在发热元件与基体之间出现间隙，在发热元件产生的热难以传递到基体，由此有可能降低加热器的长期可靠性。

发明内容

另外，电热塞具备：上述构成的加热器，其中所述发热电阻体位于所述陶瓷体的一端侧；和被安装成覆盖所述陶瓷体的另一端侧的金属筒。

附图说明

图1是表示加热器的实施方式的一例的剖视图。

图2是表示在以A-A′线截切图1所示的加热器的剖面观察到的横剖视图。

图3是表示加热器的变形例的剖视图。

图4是表示加热器的变形例的剖视图。

图5是表示加热器的变形例的剖视图。

图6是仅表示图5当中的发热电阻体的部分剖视图。

图7是表示加热器的变形例的剖视图。

图8是表示加热器的变形例的剖视图。

图9是表示电热塞的实施方式的一例的剖视图。

具体实施方式

如图1所示那样，加热器1具备：陶瓷体2；埋设于陶瓷体2的发热电阻体3；和与发热电阻体3连接并被引出到陶瓷体2的表面的引线4。

加热器1中的陶瓷体2例如形成为具有长边方向的棒状。在该陶瓷体2埋设发热电阻体3以及引线4。在此，陶瓷体2由陶瓷构成。由此能提供急速升温时的可靠性高的加热器1。作为陶瓷，能举出氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷等具有电绝缘性的陶瓷。特别地，陶瓷体2适于由氮化硅质陶瓷构成。这是因为：氮化硅质陶瓷的作为主成分的氮化硅从强度、韧性、绝缘性以及耐热性的观点来看是卓越的。例如对主成分的氮化硅作为烧结助剂而混合3～12质量％的Y₂O₃、Yb₂O₃或Er₂O₃等稀土类元素氧化物、0.5～3质量％的Al₂O₃以及用于使烧结体中所含的SiO₂量成为1.5～5质量％的SiO₂，成型为给定的形状，之后在1650～1780℃下进行热压烧成，能由此得到由氮化硅质陶瓷构成的陶瓷体2。陶瓷体2的长度例如设定为20～50mm，陶瓷体2的直径例如设定为3～5mm。

另外，在作为陶瓷体2而使用由氮化硅质陶瓷构成的陶瓷体的情况下，优选混合MoSiO₂或WSi₂等，并使之分散。在该情况下，能使作为母材的氮化硅质陶瓷的热膨胀率接近于发热电阻体3的热膨胀率，能提升加热器1的耐久性。

发热电阻体3设于陶瓷体2的内部。发热电阻体3设于陶瓷体2的前端侧(一端侧)。发热电阻体3是通过流过电流来进行发热的构件。发热电阻体3由沿着陶瓷体2的长边方向延伸的2个直线部31和将这2个直线部31连结的折返部32构成。作为发热电阻体3的形成材料，能使用以W、Mo或Ti等的碳化物、氮化物或硅化物等为主成分的材料。在陶瓷体2由氮化硅质陶瓷构成的情况下，在与陶瓷体2的热膨胀率的差小的方面以及具有高的耐热性的方面，在上述的材料中，碳化钨(WC)作为发热电阻体3的材料也是卓越的。

进而，在陶瓷体2由氮化硅质陶瓷构成的情况下，优选发热电阻体3以无机导电体的WC为主成分，其中添加的氮化硅的含有率为20质量％以上。例如在由氮化硅质陶瓷构成的陶瓷体2中，由于成为发热电阻体3的导体成分与氮化硅相比而热膨胀率更大，因此通常处于施加拉伸应力的状态。与此相对，通过在发热电阻体3中添加氮化硅，能使热膨胀率接近于陶瓷体2的热膨胀率，从而能缓和加热器1的升温时以及降温时的热膨胀率的差所引起的应力。

另外，在发热电阻体3中所含的氮化硅的含有量为40质量％以下时，能减小发热电阻体3的电阻值的偏差。因此优选发热电阻体3中所含的氮化硅的含有量为20质量％～40质量％。更优选氮化硅的含有量为25质量％～35质量％。另外，作为向发热电阻体3的同样的添加物，还能取代氮化硅而添加4质量％～12质量％的氮化硼。发热电阻体3能将全长设定为3～15mm，将剖面积设定为0.15～0.8mm²。

如图2所示那样，发热电阻体3在横截面进行观察时，通过径向上一分为二的一对半圆状部33沿着径向错开的形状而在外周部具有至少1个阶梯部34。另外，在此所说的“横截面”是在与发热电阻体3的长边方向垂直的平面截切的剖面。特别是，在加热器1中，在2个直线部31双方构成为大小相等的半圆状部33沿着径向错开的形状。为此在各个直线部31的外周部存在2个阶梯部34。如此，通过发热电阻体3在外周部具有阶梯部34，就算在发热电阻体3与陶瓷体2之间出现裂纹而该裂纹要在发热电阻体3与陶瓷体2的界面向周向进展，也能以阶梯部34抑制裂纹的进展。其结果，能抑制在发热电阻体3产生的热难以传递到基体的情况。

进而通过将错开的形状设为半圆状，发热电阻体3的外周部的大部分区域成为圆弧状。由此能在发热电阻体3与陶瓷体2之间减低热应力导致的损伤的可能性。另外，在此所说的“半圆状部33”并不限于分割圆的形状。也可以分割椭圆，还可以分割长圆。另外，也可以是分割走形的圆的形状。另外，在此所说的“径向上一分为二的”是指在大致中央一分为二的状态。在2个半圆状部33的弦的长度相同的情况下，2个半圆状部33例如能错开20～100μm。另外，在此所说的“错开”始终是为了表征发热电阻体3的形状而方便采用的表现，并不限定发热电阻体3的制造方法。即，发热电阻体3不需要由2个构件构成，也可以一体形成。作为用于一体形成发热电阻体3的方法，例如能举出注塑成型等。

进而发热电阻体3从阶梯部34沿着陶瓷体2的长边方向连续。更具体地，在发热电阻体3的2个直线部31的整体各设置2个阶梯部34。由此能遍布大范围地抑制裂纹的进展。

进而优选在发热电阻体3中，阶梯部34位于折返部32的至少内侧。另外，在本加热器1中，阶梯部34位于折返部32的内侧以及外侧两方。并且设于折返部32的内侧以及外侧的阶梯部34与在2个直线部31各设有2个的阶梯部34连续。折返部32的内侧由于易于封闭热而成为特别高温，因此是特别易于产生热应力的部分，但通过在该部分设置阶梯部34，能有效地抑制裂纹的进展。

另外，通过在折返部32的外侧有阶梯部34，能加大发热电阻体3当中靠近陶瓷体2的表面的区域中的表面积。其结果能使热易于传递到陶瓷体2的表面，因此能提升加热器1的升温速度。

另外，也可以如图3所示那样，半圆状部33在2个直线部31的两方错开，这些半圆状部33所错开的方向在2个直线部31上成为反向。具体地，在将图3当中位于左侧的直线部31设为第1直线部311、将位于右侧的直线部31设为第2直线部312时，在第1直线部311中，位于图3中的上侧的半圆状部33向左错开，位于下侧的半圆状部33向右错开。在第2直线部312，位于图3中的上侧的半圆状部33向右错开，位于下侧的半圆状部33向左错开。

通过在2个直线部31的两方，半圆状部33错开，并且2个直线部31中的半圆状部33所错开的方向是2个直线部31的排列方向，能在排列方向上使发热电阻体3广泛分布。由此能提升加热器1的均热性。另外，在此所说的“错开的方向是2个直线部31的排列方向”并不需要严格意义上错开的方向和排列方向相同。具体地，相对于排列方向而错开的方向偏离30°程度也没关系。

进而通过半圆状部33所错开的方向在2个直线部31间成为反向，能在2个直线部31的一方出现裂纹时，减低该裂纹向2个直线部31的另一方进展的可能性。具体地，在半圆状部33当中弧状的区域出现裂纹的情况下，该裂纹处于易于沿着半圆状部33的弧状的部分进展的倾向。然后，沿着弧状的部分进展的裂纹在到达阶梯部34后，有可能在弧状的部分的延长线上进展。如图3所示的加热器1那样，在半圆状部33所错开的方向在2个直线部31间成为反向的情况下，即使在直线部31的一方出现裂纹并且裂纹在弧状的部分的延长线上上进展，裂纹也难以进展到直线部31的另一方的半圆状部33的弧状的部分。这是因为，通过半圆状部33所错开的方向为反向，能使得另一方的直线部33的弧状的部分不会位于一方的直线部的半圆状部33的弧状的部分的延长线上以及其近旁。

进而，也可以如图4所示那样，在2个直线部31的两方，半圆状部33都错开，并且将第1直线部311中的2个阶梯部34连起来的第1假想线X和将第2直线部312中的2个阶梯部34连起来的第2假想线Y交叉。由此，即使在第1直线部311中的阶梯部34出现裂纹并以阶梯部34的直线部分的延长线状地进展，也能减低进展到第2直线部312中的阶梯部的可能性。由此能在2个直线部31间减低出现绝缘击穿的可能性。第1假想线X与第2假想线Y的交叉的角例如能设定为5～40°。特别地，第1假想线X与第2假想线Y的交叉的角为15～30°是有效的。

另外，也可以如图5、6所示那样，半圆状部33具有第1区域331和第2区域332。图5、6所说的半圆状部33仅由第1区域331以及第2区域332构成。第1区域331和第2区域332分别是1/4圆状的形状，相互邻接而设。第1区域331是位于半圆状部33当中错开一侧的区域。在此所说的1/4圆状不是严格意义上的1/4圆状，并不限于将圆分割为1/4的形状。也可以是将椭圆分割为1/4的形状，还可以是将长圆分割为1/4的形状。另外，也可以是将走形的圆分割为1/4的形状。并且第1区域331与第2区域332相比而曲率半径更小。

如此，通过在第1区域331和第2区域332使曲率半径不同，能使裂纹难以从第1区域331的弧的部分进展到第2区域332的弧的部分。进而第1区域331是位于发热电阻体3当中半圆状部33所错开一侧的区域。由此，特别能减低在应力易于集中的阶梯部34的前端部分出现的裂纹沿着弧状的部分进展。另外，在此所说的阶梯部34的前端部分是指由半圆状部33当中弧状的部分与弦的部分形成的角的部分。

另外，也可以如图6所示那样，一分为二的半圆状部33的弧的顶部333位于在半圆状部33所错开的方向上错开的位置。发热电阻体3当中阶梯部34以及顶部333处于应力易于集中的倾向。通过使该顶部33位于在2个半圆状部错开的位置，能在2个顶部333产生应力时减低该应力重合的情况。其结果，能减低在发热电阻体3出现裂纹的可能性。

进而如图6所示那样，在从一分为二的半圆状部33的弧的顶部333引出与半圆状部33的弦垂直相交的假想线时，将该假想线与弦相交的点设为基准点P。这时，基准点P可以位于比半圆状部33的弦的中心C更偏向半圆状部33的方向上的位置。由此，由于能使半圆状部33的弧的形状以顶部333为边界变化，因此能在顶部333易于减低裂纹的进展。

另外，也可以如图7所示那样，不同大小的半圆状部33在径向上错开的结果是阶梯部34在1个直线部31上仅形成1个。另外，阶梯部34也可以在折返部32仅形成1个。在这样的情况下也能在阶梯部34抑制裂纹的进展。其结果，能抑制在发热电阻体3产生的热难以传递到基体的情况。

进而也可以如图8所示那样，阶梯部34的前端部分是R形状。通过使阶梯部34的前端部分为R形状，能抑制热应力集中在阶梯部34的前端部分。其结果能提升热循环下的长期可靠性。作为R形状的大小，例如能将曲率半径设定为10～100μm。

返回图1，引线4是用于将发热电阻体3和外部的电源电连接的构件。引线4与发热电阻体3连接并被引出到陶瓷体2的表面。具体地，在发热电阻体3的两端部分别接合引线4，一方的引线4在一端侧与发热电阻体3的一端连接，在另一端侧从陶瓷体2的靠近后端的侧面被导出，另一方的引线4在一端侧与发热电阻体3的另一端连接，在另一端侧从陶瓷体2的后端部被导出。

该引线4例如使用与发热电阻体3同样的材料形成。通过使引线4的剖面积大于发热电阻体3的剖面积，或者使陶瓷体2的形成材料的含有量少于发热电阻体3，能使每单位长度的电阻值变低。特别在与陶瓷体2的热膨胀率的差小的方面、具有高的耐热性的点以及相对电阻小的方面，WC适于用作引线4的材料。另外，引线4优选将无机导电体的WC作为主成分，在其中添加氮化硅，使该氮化硅含有量成为15质量％以上。随着氮化硅的含有量增加，能使引线4的热膨胀率接近于构成陶瓷体2的氮化硅的热膨胀率。另外，在氮化硅的含有量为40质量％以下时，引线4的电阻值变低并且稳定。因此优选氮化硅的含有量为15质量％～40质量％。更优选将氮化硅的含有量设为20质量％～35质量％。

如图9所示那样，电热塞10具备：上述的加热器1；及安装为覆盖加热器1的后端侧(另一端侧)的筒状的金属筒5。另外具备配置于金属筒5的内侧并安装在加热器1的后端的电极金属件6。根据电热塞10，由于使用上述的加热器1，因而能抑制发热电阻体与陶瓷体的界面中的裂纹的进展，能提升耐久性。

金属筒5是用于保持陶瓷体2的构件。金属筒5是筒状的构件，安装成包围陶瓷体2的后端侧。即，在筒状的金属筒5的内侧插入棒状的陶瓷体2。金属筒5设于陶瓷体2的后端侧的侧面并与露出引线4的部分电连接。金属筒5例如由不锈钢或铁(Fe)-镍(Ni)-钴(Co)合金构成。

金属筒5和陶瓷体2通过钎料接合。钎料在金属筒5与陶瓷体2之间包围陶瓷体2的后端侧而设。通过设置该钎料而将金属筒5和引线4电连接。

作为钎料，能使用含5～20质量％的玻璃成分的银(Ag)-铜(Cu)钎料、Ag钎料或Cu钎料等。由于玻璃成分与陶瓷体2的陶瓷的润湿性良好，摩擦系数大，因此能提升钎料与陶瓷体2的接合强度或钎料与金属筒5的接合强度。

电极金属件6位于金属筒5的内侧，安装成在陶瓷体2的后端与引线4电连接。电极金属件6能使用种种形态的零件，在图9所示的示例中是以线状部连接帽部和线圈状部的构成，其中，帽部将引线4包括在内进行罩盖那样地安装在瓷体2的后端，线圈状部与外部的连接电极电连接。该电极金属件6为了不在与金属筒5之间产生短路而远离金属筒5的内周面地被保持。

电极金属件6是具有为了缓和与外部的电源的连接中的应力而设的线圈状部的金属线。电极金属件6与引线4电连接并与外部的电源电连接。通过用外部的电源在金属筒5与电极金属件6之间施加电压，能经由金属筒5以及电极金属件6使电流流向发热电阻体3。电极金属件6例如由镍或不锈钢构成。

接下来说明加热器1的制造方法的一例。

加热器1例如能利用上述构成的发热电阻体3、引线4以及陶瓷体2的形状的金属模具，通过注塑成型法等形成。关于发热电阻体3，首选准备2个面为半圆形状、具有直线部和折返部的成型体。然后，在半圆状部在径向错开那样将2个成型体重合后，一边施加压力一边进行烧成。由此能得到半圆状部在径向错开的发热电阻体3。

首先制作包含导电性陶瓷粉末以及树脂粘合剂等的成为发热电阻体3以及引线4的导电性膏，并制作包含绝缘性陶瓷粉末以及树脂粘合剂等的成为陶瓷体2的陶瓷膏。

接下来，利用导电性膏，通过注塑成型法形成成为发热电阻体3的给定图案的导电性膏的成型体。这时，能通过准备所期望的形状的金属模具来形成具有阶梯部34的发热电阻体3。然后，在将发热电阻体3保持在金属模具内的状态下将导电性膏填充到金属模内，来形成成为引线4的给定图案的导电性膏的成型体。

接下来，在金属模具内保持了发热电阻体3以及引线4的一部分的状态下，在将金属模具的一部分替换成陶瓷体2的成型用模具之后，在金属模具内填充成为陶瓷体2的陶瓷膏。由此能得到发热电阻体3以及引线4被陶瓷膏的成型体覆盖的加热器1的成型体。

接下来，将得到的成型体在例如1650℃～1780℃的温度以及30MPa～50MPa的压力下进行烧成，由此能制作加热器1。另外，烧成将成型体放入碳模具来进行，优选通过在碳模具中填充碳粉末来减低大气中的氧的影响。另外，也可以在氮气、氢气等非氧化性气体气氛中进行烧成。

符号说明

1 加热器

2 陶瓷体

3 发热电阻体

31 直线部

32 折返部

33 半圆状部

34 阶梯部

4 引线

5 金属筒

6 电极零件

10 电热塞。

Claims

1.一种加热器，具备：

棒状的陶瓷体；和

设于该陶瓷体的内部的发热电阻体，

该发热电阻体在以横截面进行观察时，通过径向上一分为二的半圆状部沿着所述径向错开的形状而在外周部具有至少1个阶梯部。

2.根据权利要求1所述的加热器，其中，

所述发热电阻体的所述阶梯部在长边方向上连续。

3.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述发热电阻体具有折返部，并且所述阶梯部位于该折返部分的内侧。

4.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述发热电阻体的所述阶梯部的前端部分是R形状。

5.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述发热电阻体具有沿着所述陶瓷体的长边方向延伸的2个直线部和将所述2个直线部连结的折返部，

在所述2个直线部的两方，所述半圆状部都错开，并且所述2个直线部中的所述半圆状部所错开的方向是所述2个直线部的排列方向。

6.根据权利要求5所述的加热器，其中，

所述半圆状部所错开的方向在所述2个直线部间成为反向。

7.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述发热电阻体具有沿着所述陶瓷体的长边方向延伸的第1直线部以及第2直线部、和将所述第1直线部以及所述第2直线部连结的折返部，

所述第1直线部具有2个所述阶梯部，使将所述第1直线部的所述2个阶梯部连起来的假想线为第1假想线，

所述第2直线部具有2个所述阶梯部，使将所述第2直线部的所述2个阶梯部连起来的假想线为第2假想线，

此时，所述第1假想线和所述第2假想线交叉。

8.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述半圆状部分别具有1/4圆状的第1区域以及第2区域，并且所述第1区域与所述第2区域相比，曲率半径更小。

9.根据权利要求8所述的加热器，其中，

所述第1区域是位于所述发热电阻体当中所述半圆状部所错开一侧的区域。

10.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述一分为二的半圆状部各自的弧的顶部位于在所述半圆状部所错开的方向上错开的位置。

11.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

从所述半圆状部的弧的顶部引出与所述半圆状部的弦垂直相交的假想线，将所述假想线与所述半圆状部的弦相交的点设为基准点，此时所述基准点位于比所述半圆状部的弦的中心更靠所述半圆状部所错开一侧的位置。

12.一种电热塞，具备：

权利要求1～11中任一项所述的加热器，其中所述发热电阻体位于所述陶瓷体的一端侧；和

被安装成覆盖所述陶瓷体的另一端侧的金属筒。