CN110521279A

CN110521279A - 加热器

Info

Publication number: CN110521279A
Application number: CN201880025057.3A
Authority: CN
Inventors: 浜田修
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2038-04-24
Also published as: JP6510739B2; KR20190124764A; EP3618566A4; CN110521279B; EP3618566B1; WO2018199094A1; KR102207442B1; JPWO2018199094A1; EP3618566A1

Abstract

本发明的加热器具备：陶瓷体(1)，其呈棒状或筒状且在外周面具有从前端朝向后端延伸的狭缝状的凹部(11)；以及发热电阻体(2)，其埋设于陶瓷体(1)的内部。并且，发热电阻体(2)包括并列配置的第一电阻体(21)以及第二电阻体(22)。另外，发热电阻体(2)具有：第一区域(31)，在该第一区域中，第一电阻体(21)以及第二电阻体(22)在陶瓷体(1)的前端与后端之间沿着周向并行地来回往复折返；以及第二区域(32)，其是接近狭缝状的凹部(11)的区域，且在第二区域中仅往复有第一电阻体(21)。

Description

加热器

技术领域

本发明涉及在流体加热、粉体加热、气体加热、氧传感器、烙铁等中使用的加热器。

背景技术

以往，已知一种加热器，构成为具备：陶瓷体，其呈棒状或筒状且在外周面具有从前端朝向后端延伸的狭缝状的凹部；以及发热电阻体，其埋设于所述陶瓷体的内部，且发热电阻体包括并列配置的第一电阻体以及第二电阻体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-134880号公报

专利文献2：日本特开2012-067468号公报

发明内容

本发明的加热器具备：陶瓷体，其呈棒状或筒状且在外周面具有从前端朝向后端延伸的狭缝状的凹部；以及发热电阻体，其埋设于所述陶瓷体的内部。所述发热电阻体包括并列配置的第一电阻体以及第二电阻体。另外，发热电阻体具有：第一区域，在该第一区域中，所述第一电阻体以及所述第二电阻体在所述陶瓷体的所述前端与所述后端之间沿着周向并行地来回往复折返；以及第二区域，其是接近所述狭缝状的凹部的区域，且在该第二区域中仅往复有所述第一电阻体。

附图说明

图1是示出加热器的一例的简要立体图。

图2是图1所示的加热器的局部剖切立体图。

图3是以图1所示的III-III线切断得到的剖视图。

图4是示出图1所示的发热电阻体的图案的展开图。

图5是示出加热器的另一例的发热电阻体的图案的展开图。

图6是示出加热器的另一例的发热电阻体的图案的展开图。

图7是示出加热器的另一例的发热电阻体的图案的展开图。

具体实施方式

以往的加热器是不在陶瓷体的狭缝状的凹部配置发热电阻体的结构。因此，在升温时，狭缝状的凹部附近的温度低于周围部位的温度从而产生温度梯度，若施加热循环，则有可能因热应力而在陶瓷体上产生微裂纹。而且，裂纹进一步发展，有可能导致发热电阻体以狭缝状的凹部附近为起点产生断线等，从而耐久性存在问题。

另外，近年来，谋求升温速度更快的加热器，需要进一步提高加热器的耐久性。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供能够抑制发热电阻体的断线、且耐久性优异的加热器。

以下，参照附图对本实施方式的加热器的一例进行说明。

图1是示出加热器的一例的简要立体图，图2是图1所示的加热器的局部剖切立体图。另外，图3是以图1所示的III-III线切断得到的剖视图。另外，图4是示出图1所示的发热电阻体的图案的展开图。

图1～图4所示的本发明的加热器具备：陶瓷体1，其呈棒状或筒状且在外周面具有从前端朝向后端延伸的狭缝状的凹部11；以及发热电阻体2，其埋设于陶瓷体1的内部。另外，发热电阻体2包括并列配置的第一电阻体21以及第二电阻体22。而且，发热电阻体2具有第一区域31，在该第一区域31中，第一电阻体21以及第二电阻体22在陶瓷体1的前端与后端之间沿着周向并行地来回往复折返。而且，此外，发热电阻体2还具有第二区域32，其是接近狭缝状的凹部11的区域，且在第二区域32中仅往复有第一电阻体21。

陶瓷体1是具有长度方向的棒状或筒状的构件。作为棒状，例如可以举出圆柱状或棱柱状等。需要说明的是，这里所提到的棒状例如也包括沿着特定的方向伸长的板状。另外，作为筒状，例如可以举出圆筒状或方筒状。在本例子的加热器中，陶瓷体1为圆筒状。陶瓷体1的长度例如设定为20～60mm。陶瓷体1为剖面圆筒状的外径或陶瓷体1为剖面圆形状时的直径例如设定为2.5～5.5mm。

在陶瓷体1为筒状(圆筒状)的情况下，以使被加热物与陶瓷体1的内周面或外周面接触从而进行加热的方式使用加热器。另外，在陶瓷体1为棒状的情况下，以使被加热物与陶瓷体1的外周面接触从而进行加热的方式使用加热器。

陶瓷体1由绝缘性的陶瓷材料构成。作为绝缘性的陶瓷材料，例如可以举出氧化铝、氮化硅或氮化铝。从具有耐氧化性且容易制造这一点考虑，可以使用氧化铝，从高强度、高韧性、高绝缘性以及耐热性优异这一点考虑，可以使用氮化硅，从导热性优异这一点考虑，可以使用氮化铝。需要说明的是，陶瓷体1中可以含有发热电阻体2所含的金属元素的化合物，例如在发热电阻体2含有钨或钼的情况下，陶瓷体1中可以含有WSi₂或MoSi₂。

另外，陶瓷体1例如具有棒状或筒状的芯材12、以及以覆盖芯材12的侧面的方式设置的表层部13。另外，陶瓷体1在外周面具有从前端朝向后端延伸的狭缝状的凹部11。这里，凹部11的深度(表层部13的厚度)例如设为0.1～1.5mm。另外，凹部11的开口宽度例如设为0.3～2mm。需要说明的是，开口宽度是指，在陶瓷体1为剖面圆筒状或剖面圆形状的情况下，陶瓷体1的横剖面中沿着外径的曲线的长度。

在陶瓷体1的内部埋设有发热电阻体2。在陶瓷体由芯材12和表层部13构成的情况下，发热电阻体2例如配置在芯材12与表层部13之间。

发热电阻体2通过电流流动而发热，从而加热陶瓷体1。发热电阻体2例如由以钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)等高熔点的金属为主要成分的导电体构成。对于发热电阻体2的尺寸，例如，可以将宽度设定为0.3～2mm，将厚度设定为0.01～0.1mm，将全部发热电阻体2的长度相加得到的全长设定为500～5000mm。上述的尺寸可以根据发热电阻体2的发热温度以及施加于发热电阻体2的电压等而进行适当设定。

另外，发热电阻体2以在陶瓷体1的前端侧最发热的方式配置。在图1～图4所示的例子中，发热电阻体2具有折返部(蛇行部)，其在陶瓷体1的前端侧沿着长度方向反复折返且沿着周向设置。另外，发热电阻体2在折返部的后端侧成为一对直线状部，且各直线状部的后端部与后述的引出部电连接。发热电阻体2的横剖面的形状可以为圆、椭圆、矩形等任意的形状。在发热电阻体2中，折返部并非仅在前端侧反复折返的图案，也可以是在前端侧与后端侧之间来回往复的图案。需要说明的是，关于发热电阻体2的详细的图案将后述。

在发热电阻体2中，可以使用相同的材料形成前端侧的折返部和后端侧的一对直线状部。另外，为了抑制不必要的发热，可以使直线状部的剖面面积大于折返部的剖面面积，或减少直线状部所含的陶瓷体1的材料的含量，从而使直线状部的每单位长度的电阻值小于折返部的每单位长度的电阻值。

在陶瓷体1的后端侧埋设有引出部。引出部例如由通孔导体构成，其一端与发热电阻体2的后端部电连接且另一端被引出到陶瓷体1的后端侧的侧面。引出部可以由与发热电阻体2相同的材料构成，也可以由电阻值比发热电阻体2的电阻值低的材料构成。需要说明的是，在图4中省略了引出部。

在陶瓷体1的后端侧的侧面根据需要设置有电极焊盘5，该电极焊盘5与埋设于陶瓷体1的内部的引出部电连接。而且，电极焊盘5与引线端子接合，从而与外部电路(外部电源)电连接。在图1～图4所示的例子，引出引出部的部位有3处，在各部位设置有电极焊盘5。这里，在图4的3处电极焊盘5中，经由引出部而与第一电阻体21以及第二电阻体22这双方的一端连接的是作为共用焊盘的第一焊盘51，经由引出部而与第一电阻体21的另一端连接的是第二焊盘52，经由引出部而与第二电阻体22的另一端连接的是第三焊盘53。

电极焊盘5例如可以仅由包含钼(Mo)或钨(W)的导体层构成，也可以在该导体层的表面设置例如由Ni-B或Au构成的镀覆层。对于该电极焊盘5，例如为50～300μm的厚度，并将长度以及宽度设为例如5～10mm。

而且，如图4所示，发热电阻体2包括并列配置的第一电阻体21以及第二电阻体22。通过发热电阻体2包括并列配置的第一电阻体21以及第二电阻体22，从而能够在使用温度较低的情况下，仅向一方的发热电阻体(例如第一电阻体21)施加电压从而抑制发热量，或在更高温下使用的情况下，同时向多个发热电阻体(第一电阻体21以及第二电阻体22)施加电压从而提高发热量。即，能够容易地调节发热量。

此外，发热电阻体2具有：第一区域31，在该第一区域31中，第一电阻体21以及第二电阻体22在陶瓷体1的前端与后端之间沿着周向并行地来回往复折返；以及第二区域32，其是接近狭缝状的凹部11的区域，且在该第二区域32中仅往复有第一电阻体21。

此时，作为第一区域31中的发热电阻体2的图案，将第一电阻体21配置在陶瓷体1的前端侧，将第二电阻体22沿着该第一电阻体21在后端侧并行地配置，并使第一电阻体21和第二电阻体22在陶瓷体1的前端与后端之间沿着周向来回往复折返。另外，作为第二区域32中的发热电阻体2的图案，仅往复有第一电阻体21，其与位于第一区域31的第一电阻体21一起分别接近狭缝状的凹部11的两侧，从而配置有3根第一电阻体21。

在并非构成为在接近狭缝状的凹部11的区域中仅往复有第一电阻体21的以往的结构中，在升温时，即使先将第一电阻体21加热，由于第一电阻体21在与接近狭缝状的凹部11的区域远离的区域中往复，因此狭缝状的凹部11附近的温度较低，远离该狭缝状的凹部11附近的区域的温度较高，从而难以使加热器的外周面的温度分布均匀化。

相对于此，根据本发明的加热器，在升温时先将第一电阻体21加热，从而仅往复有该第一电阻体21的第二区域31以及狭缝状的凹部11附近的温度升高。因此，能够使升温时的加热器的外周面的温度分布均匀化，从而缓和热应力进而提高耐久性。

另外，根据该结构，如图4所示，由于从作为共用焊盘的第一焊盘51供给的电流最先到达的第一电阻体21的折返部与第二电阻体22的折返部之间的距离较远，因此能够将施加于各折返部的热应力分散，从而提高加热器的耐久性。

这里，可以将第一电阻体21的电阻值设为小于第二电阻体22的电阻值。若电阻值较小则电流增大，因此产生的热量变大。因此，狭缝状的凹部11附近的升温速度变快，从而使加热器的外周面的温度分布均匀化，并缓和热应力，因此耐久性提高。

作为使第一电阻体21的电阻值小于第二电阻体22的电阻值的方法，例如如图5所示，可以采用第一电阻体21的线宽比第二电阻体22的线宽粗(宽)的结构。此时，将第二电阻体22的线宽设为第一电阻体21的线宽的例如1.1～1.5倍。需要说明的是，在辨别是否为这样的结构时，在第一电阻体21的线宽在整体范围内不恒定，而第二电阻体22的线宽在整体范围内为恒定的情况下，将第一电阻体21的最细(窄)的部位的线宽与第二电阻体22的线宽进行对比。另外，在第二电阻体22的线宽在整体范围内不恒定，而第一电阻体21的线宽在整体范围内为恒定的情况下，将第二电阻体22的最粗(宽)的部位的线宽与第一电阻体21的线宽进行对比。另外，在第一电阻体21以及第二电阻体22的线宽在整体范围内都不恒定的情况下，将第一电阻体21的最细(窄)的部位的线宽与第二电阻体22的最粗(宽)的部位的线宽进行对比。

另外，作为使第一电阻体21的电阻值小于第二电阻体22的电阻值的方法，也可以采用第一电阻体21的电阻率小于第二电阻体22的电阻率的结构。此时，将第一电阻体21的电阻率设为第二电阻体22的例如20～80％。为了成为这样的关系，例如，可以使用钨-钼合金等材料作为第一电阻体21，使用钨-铼合金等材料作为第二电阻体22。另外，导体材料相同，即使向第二电阻体22添加比第一电阻体21多的与陶瓷体1相同的绝缘材料，也能够使第一电阻体21的电阻率比第二电阻体22的电阻率小。

另外，如图6所示，也可以为，随着第一电阻体21接近狭缝状的凹部11，其线宽逐渐地或阶段性地变细(变窄)。若在第一电阻体21中存在线宽变细的部分(剖面面积变小的部分)，则与其他部分相比，在该线宽变细的部分产生的热量变大。由此，仅往复有第一电阻体21的第二区域31以及狭缝状的凹部11附近的温度升高，从而使加热器的外周面的温度分布均匀化，缓和热应力并提高耐久性。

能够通过以下方式辨别是否为这样的结构：例如，对比第一电阻体21在最远离狭缝状的凹部11的部位(图6中的中央部)、位于第一区域31与第二区域32的交界处的部位、接近狭缝状的凹部11的部位这三处的线宽。此时，各部位是指在陶瓷体1的周向上的部位，在周向的部位的位置相同且线宽沿长度方向发生变化的情况下，测定长度方向的前端的线宽、中央的线宽以及后端的线宽并将其平均化，将由此得到的值作为该周向上的部位的线宽进行辨别。

需要说明的是，在图6中，第二电阻体22的线宽在整体范围内为大致恒定，在第二区域32中，位于接近狭缝状的凹部11侧的第一电阻体21的线宽比位于远离狭缝状的凹部11侧的第一电阻体21的线宽细。而且，即使是第一电阻体21中最细的部位的线宽，也比第二电阻体22的线宽粗(宽)。由此，能够进一步增大在狭缝状的凹部11附近产生的热量。

但是，作为随着第一电阻体21接近狭缝状的凹部11，其线宽逐渐地或阶段性地变细(变窄)的形态，并不局限于图6所示的形态，也可以用于第一电阻体21的线宽比第二电阻体22的线宽细(窄)的情况。此时，可以为第一电阻体21的线宽在整体范围内比第二电阻体22的线宽细(窄)。另外，也可以构成为，第一电阻体21中最远离狭缝状的凹部11的部位(图6中的中央部)的线宽比第二电阻体22的线宽粗(宽)，第一电阻体21中最接近狭缝状的凹部11的部位(线宽最细的部位)的线宽比第二电阻体22的线宽细(窄)。

另外，如图7所示，也可以为，随着第一电阻体21接近狭缝状的凹部11，其图案间的间隔逐渐地或阶段性地变窄。若图案间的间隔变窄，则第一电阻体21被紧密地配置，从而在该区域产生的热量变大。通过该结构，也能够使仅往复有第一电阻体21的第二区域31以及狭缝状的凹部11附近的温度升高，从而使加热器的外周面的温度分布均匀化，缓和热应力并提高耐久性。

接下来，对加热器的制造方法的一例进行说明。需要说明的是，在本例子，对陶瓷体由氧化铝质陶瓷构成的情况进行说明。

首先，为了制作由以Al₂O₃为主要成分的氧化铝质陶瓷构成的陶瓷体1，使Al₂O₃含有SiO₂、CaO、MgO、ZrO₂等烧结助剂进行调制，将由此得到的陶瓷料浆成形为片状，从而制作成为陶瓷体1的表层部13的陶瓷生片。

在该陶瓷生片的一方的主面，使用丝网印刷等方法而形成成为发热电阻体2的电阻体膏的图案。另外，在陶瓷生片的与形成发热电阻体2的面相反一侧的面，与发热电阻体2的形成同样地，将成为电极焊盘5的导体膏形成为规定的图案形状。另外，在陶瓷生片进行孔加工以及导体膏的填充，该孔加工用于将发热电阻体2与电极焊盘5电连接，该导体膏的填充用于形成作为引出部的通孔导体。

这里，发热电阻体2的图案以下述方式进行图案形成，例如如图4所示，从共用焊盘51并列配置多个电阻体(包括第一电阻体21以及第二电阻体)的图案，设置多个电阻体的图案上下来回往复的第一区域31，并且以仅最外侧的电阻体(第一电阻体21)的图案上下往复的方式设置第二区域32。

电阻体膏以及导体膏能够通过以下方法制作：向能够通过与陶瓷体的同时烧成而制作的W、Mo、Re等高熔点金属调合陶瓷原料、粘合剂、有机溶剂等并进行混炼。此时，根据加热器的用途，变更成为电阻体的电阻体膏或导电性膏的图案的长度、折返图案的距离或间隔、以及图案的线宽，从而能够将发热电阻体2的发热位置、电阻值设定为所希望的值。

另一方面，通过挤出成型，成型成为芯材12的圆柱状或圆筒状的氧化铝质陶瓷成型体。

然后，向该芯材12涂敷分散有相同组成的氧化铝质陶瓷的密合液，将成为前述的表层部13的氧化铝质陶瓷生片卷绕并密合于该芯材12，从而能够得到成为陶瓷体1的氧化铝质一体成型体。

需要说明的是，对于在陶瓷体1的外周面(侧面)设置沿长度方向延伸的狭缝状的凹部11(槽部)，在卷绕于芯材12的氧化铝质陶瓷生片(表层部13)的端部与端部之间设置间隙即可。

将这样得到的氧化铝质一体成型体在氢气、或氮气与氢气的混合气体(成形气体)等非氧化性气体环境中例如以1500～1600℃进行烧成，并在陶瓷体1的外周面的电极焊盘5上例如通过电解镀覆设置Ni镀膜，从而制作氧化铝质一体烧结体。

此外，使用Ag焊料、焊锡等作为焊料，将作为供电部的例如由Ni构成的引线端子与电极焊盘5接合。可以预先在引线端子涂覆绝缘材料，并仅将接合所需的部分的绝缘材料去除，然后将该去除了绝缘材料的部分与电极焊盘5连接。另外，也可以在将Ni线与电极焊盘5连接后，在Ni线设置绝缘管。

能够通过以上的方法得到本实施方式的加热器。

附图标记说明

1：陶瓷体

11：狭缝状的凹部

12：芯材

13：表层部

2：发热电阻体

21：第一电阻体

22：第二电阻体

31：第一区域

32：第二区域

5：电极焊盘

51：第一焊盘

52：第二焊盘

53：第三焊盘。

Claims

1.一种加热器，其中，具备：

陶瓷体，其呈棒状或筒状且在外周面具有从前端朝向后端延伸的狭缝状的凹部；以及

发热电阻体，其埋设于所述陶瓷体的内部，

所述发热电阻体包括并列配置的第一电阻体以及第二电阻体，且具有：第一区域，在该第一区域中，所述第一电阻体以及所述第二电阻体在所述陶瓷体的所述前端与所述后端之间沿着周向并行地来回往复折返；以及第二区域，其是接近所述狭缝状的凹部的区域，且在该第二区域中仅往复有所述第一电阻体。

2.根据权利要求1所述的加热器，其中，

所述第一电阻体的电阻值比所述第二电阻体的电阻值小。

3.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述第一电阻体的线宽比所述第二电阻体的线宽粗。

4.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，

所述第一电阻体的电阻率比所述第二电阻体的电阻率小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的加热器，其中，

所述第一电阻体随着接近所述狭缝状的凹部而线宽逐渐地或阶段性地变细。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的加热器，其中，

所述第一电阻体随着接近所述狭缝状的凹部而图案间的间隔逐渐地或阶段性地变窄。