JP2001068254A - セラミックヒータ - Google Patents

セラミックヒータ

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JP2001068254A
JP2001068254A JP23633799A JP23633799A JP2001068254A JP 2001068254 A JP2001068254 A JP 2001068254A JP 23633799 A JP23633799 A JP 23633799A JP 23633799 A JP23633799 A JP 23633799A JP 2001068254 A JP2001068254 A JP 2001068254A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 通電用のリード線を有するセラミック発熱体
をハウジングで被覆してなるセラミックヒータにおい
て、該リード部に接続するためのリングをセラミック発
熱体へ取り付ける際の位置決めを容易としつつ、該リン
グとハウジングとを直接接触させることのない構成を実
現する。 【解決手段】 セラミックヒータ100は、一端側の発
熱部22から他端側に向かってリード線23、24が延
設されてなるセラミック発熱体20と、セラミック発熱
体20の他端側にはめ込まれて一方のリード線23に電
気接続されたリング30と、セラミック発熱体20の両
端部が露出するようにセラミック発熱体20を被覆保持
するハウジング10とを備える。ここで、リング30と
ハウジング10との間には、ハウジング10よりも熱伝
導率が小さいアルミナ等よりなるリング状のスペーサ6
0が、リング30びハウジング10に当接して介在して
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、燃焼式ヒ
ータの着火源やディーゼルエンジンのグロープラグ等に
用いられるセラミックヒータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種のセラミックヒータとして
は、例えば、ディーゼルエンジンの冷却水(温水)を加
熱する燃焼式ヒータの着火源として用いられるものがあ
る。このものは、一般に、通電によって発熱する発熱部
を一端側に有し、この発熱部から他端側に延設された通
電用のリード部を有するセラミック発熱体と、一端より
セラミック発熱体の一端側が露出し、他端よりセラミッ
ク発熱体の他端側が露出するように、セラミック発熱体
を被覆する金属製のハウジングとを備えている。そし
て、このセラミックヒータの燃焼式ヒータへの取付は、
燃焼室内に発熱部を露出させるように、ハウジングを燃
焼式ヒータの適所へ固定することで行われる。
【0003】ここで、セラミック発熱体のリード部の一
部(例えば、リード部における発熱部との接続側と反対
側の端部)は、ハウジングの他端側に直接ろう付け等に
て電気的に接続されたり、ハウジングの他端側に直接ろ
う付け等にて接合された取り出し部材に、直接電気的に
接続されており、それによって、リード部と外部との電
流の流通が可能となっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
リード部の接続構成では、燃焼室内の熱や発熱部の自己
発熱による熱が、ハウジングを介してリード部に直接伝
達される。そのため、リード部が熱を受け、熱応力によ
ってろう材が劣化するなどして、リード部がハウジング
からはがれるという問題が発生する。また、ハウジング
の他端側に直接ろう付け等にて接合された取り出し部材
においても、同様にはがれの問題が生じる。
【0005】このような問題に対して、従来より、金属
製リング状の電極取り出し部材にセラミック発熱体の他
端側が挿入されるように、該電極取り出し部材をセラミ
ック発熱体にはめ込み、この電極取り出し部材にリード
部を接続させるとともに、該電極取り出し部材をハウジ
ングから離し、ハウジングと接触させない構成としたも
のがある。この構成によれば、ハウジングからの熱をリ
ード部に直接伝達させないことができる。
【0006】しかし、この電極取り出し部材を用いた構
成では、該電極取り出し部材とハウジングとが非接触で
あるため、該電極取り出し部材がリード部との接続部位
に位置するように、該電極取り出し部材をセラミック発
熱体へ取り付けることが困難であった。即ち、電極取り
出し部材とセラミック発熱体との位置決めが困難であっ
た。
【0007】そこで、本発明は上記事情に鑑み、通電用
のリード部を有するセラミック発熱体をハウジングで被
覆してなるセラミックヒータにおいて、該リード部に接
続するためのリング状の電極取り出し部材をセラミック
発熱体へ取り付ける際の位置決めを容易としつつ、該電
極取り出し部材とハウジングとを直接接触させることの
ない構成を実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の発明では、一端側に設けられた発熱
部(22)から他端側に向かって通電用のリード部(2
3、24)が延設されてなるセラミック発熱体(20)
と、このセラミック発熱体の他端側に設けられ該リード
部の一部に電気的に接続されたリング状の電極取り出し
部材(30)と、両端より該セラミック発熱体の両端部
が露出するように該セラミック発熱体を被覆するハウジ
ング(10)とを備えるセラミックヒータであって、該
電極取り出し部材と該ハウジングとの間に、該ハウジン
グよりも熱伝導率が小さいスペーサ部材(60)を、該
電極取り出し部材及び該ハウジングに当接するように介
在させたことを特徴としている。
【0009】本発明によれば、ハウジングよりも熱伝導
率が小さいスペーサ部材を電極取り出し部材とハウジン
グとの間に介在させているため、ハウジングからの熱が
直接電極取り出し部材に伝達されることなく、また、ス
ペーサ部材はハウジングよりも熱伝導率が小さいため、
ハウジングから電極取り出し部材への熱伝導が抑制され
る。
【0010】さらに、スペーサ部材を、電極取り出し部
材及びハウジングに当接させているから、ハウジングに
当接しているスペーサ部材に当接するまで電極取り出し
部材をセラミック発熱体にはめ込めば、電極取り出し部
材を所望の位置に配することができる。従って、本発明
によれば、電極取り出し部材をセラミック発熱体へ取り
付ける際の位置決めを容易としつつ、該電極取り出し部
材とハウジングとを直接接触させることのない構成を実
現することができる。
【0011】ここで、請求項2の発明のように、スペー
サ部材(60)を、セラミック発熱体(20)の他端側
が挿入可能なリング形状とすれば、該スペーサ部材をセ
ラミック発熱体の他端側からはめ込むだけで、簡単に、
スペーサ部材をセラミック発熱体に装着することができ
る。さらに、このようなリング状のスペーサ部材(6
0)において、請求項3の発明のように、径方向の断面
を略円形とすれば、スペーサ部材とセラミック発熱体及
びハウジングとの接触面積を小さくすることができ、ハ
ウジングからスペーサ部材及びセラミック発熱体への伝
熱量をさらに低減できる。
【0012】また、請求項4の発明では、ハウジング
(10)に、その他端側の端面に開口する空間部10c
を形成し、スペーサ部材(60)を、該空間部の開口部
を覆うように該ハウジングに当接させたことを特徴とし
ている。それによって、ハウジングにおけるスペーサ部
材との当接部分に形成された空間部の分だけ、スペーサ
部材とハウジングとの当接面積を減らして小さくするこ
とができるため、ハウジングからスペーサ部材への伝熱
量を小さくすることができる。
【0013】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、寒冷地等においてデ
ィーゼル車のエンジン冷却水(温水)を加熱する燃焼式
ヒータの着火源に用いられるセラミックヒータに本発明
を具体化したものとして説明する。図1は本実施形態に
係るセラミックヒータ100の全体構成を示す概略断面
図である。
【0015】セラミックヒータ100は、切削加工等に
より形成された略筒状をなす耐熱性金属製(例えばステ
ンレス製)のハウジング10を有している。このハウジ
ング10の外周面には、セラミックヒータ100を燃焼
式ヒータの適所に固定するための雄ねじ部(取付部)1
1及び六角部12が形成されている。
【0016】また、ハウジング10の内部に支持された
棒状(本実施形態では円柱状)のセラミック発熱体20
は、ハウジング10の一端10aよりセラミック発熱体
20の一端20a側が露出し、ハウジング10の他端1
0bよりセラミック発熱体20の他端20b側が露出す
るように、ハウジング10により被覆されている。
【0017】セラミック発熱体20は、その本体を区画
形成する耐熱性及び絶縁性を有する耐熱性絶縁部21
と、この耐熱性絶縁部21の内部に埋設された、導電性
を有するU字状の発熱部22及び発熱部22の両端に接
続された2本のリード線(本発明でいうリード部)2
3、24とから構成されている。発熱部22は、セラミ
ック発熱体20の一端20a側に配置され、2本のリー
ド線23、24は、発熱部22からセラミック発熱体2
0の他端20b側に向かって直線状に延びている。各リ
ード線23、24は、例えばタングステン等の導電性の
線材よりなる。
【0018】ここで、セラミック発熱体20の詳細構成
を述べておく。セラミック発熱体20の発熱部22及び
耐熱性絶縁部21は、いずれも導電性セラミック粉末
(本実施形態では、珪化モリブデンMoSi2 粉末)と
絶縁性セラミック粉末(本実施形態では、窒化珪素Si
3 N4 粉末)の混合物よりなり、且つ配合割合を同一に
した焼結体により構成されている。但し、発熱部22で
はMoSi2 粉末の平均粒径がSi3 N4 粉末のそれよ
りも小さく、耐熱性絶縁部21ではMoSi2 粉末の平
均粒径がSi3 N4 粉末のそれと同じ若しくはそれより
も大きくしてある。即ち、各粉体の粒径を変更すること
により発熱部22と耐熱性絶縁部21とを作り分けるよ
うにしている。
【0019】上記構成を有するセラミック発熱体20に
おいて、発熱部22では、小径のMoSi2 粉末(導電
性セラミック粉末)が大径のSi3 N4 粉末(絶縁性セ
ラミック粉末)を取り囲んで互いに連なっており、それ
により発熱部22に電流が流れ、発熱部22が発熱され
る。一方、耐熱性絶縁部21では、大径のMoSi2粉
末(導電性セラミック粉末)間に小径のSi3 N4 粉末
(絶縁性セラミック)が介在するため、両者は直列に並
んだ状態となり発熱部22に比べて抵抗が大きく絶縁層
を形成する。
【0020】ここで、セラミック発熱体20の製造方法
としては、まず、MoSi2 粉末とSi3 N4 粉末との
混合物にバインダーを混練してペースト化し、発熱部2
2及び耐熱性絶縁部21を各々所望の形状に射出成形す
る。そして、発熱部22にリード線23、24を接続し
たものを、耐熱性絶縁部21で包み込むように配置して
1700〜1800℃にてホットプレスした後、セラミ
ック発熱体20として円柱状に削り出す。さらに、セラ
ミック発熱体20の先端部において、耐熱性絶縁部21
を球状に切削加工する。これにより、発熱部22はその
全体が耐熱性絶縁部21に埋設される。
【0021】このように製造されたセラミック発熱体2
0においては、発熱部22及びリード線23、24は、
耐熱性絶縁部21内に埋設されて強固に絶縁保持されて
いる。そして、耐熱性絶縁部21は、その外周面がハウ
ジング10の内周面に接合され、ハウジング10に固定
保持されている。ハウジング10と耐熱性絶縁部21と
の接合に用いる接合部材としては、ろう材(銀ろう、パ
ラジウムろう、金ろう等)を用いることができる。
【0022】また、セラミック発熱体20において発熱
部22に通電するための2本のリード線23、24は、
それぞれ、ハウジング10の他端10bより露出するセ
ラミック発熱体20の他端20b側において、耐熱性絶
縁部21から一端が裸出している。ここで、一方のリー
ド線23は、他方のリード線24よりもハウジング10
の他端10b寄りの部位に裸出している。
【0023】そして、耐熱性絶縁部21のうち一方のリ
ード線23の一端が裸出する部位の外周には、金属製
(例えばステンレス製)のリング(本発明でいう電極取
り出し部材)30が設けられ、耐熱性絶縁部21のうち
他方のリード線24の一端が裸出する部位の外周には、
金属製(例えばステンレス製)リング状のキャップ31
が設けられている。ここで、リング30はセラミック発
熱体20(耐熱性絶縁部21)に挿入されて配置され、
キャップ31はセラミック発熱体20の他端20bに被
せられて配置されている。
【0024】そして、各リード線23、24は上記裸出
部位において、それぞれリング30、キャップ31に銀
ろう材等によって電気的に接続されている。また、セラ
ミック発熱体20(つまり耐熱性絶縁部21)とリング
30及びキャップ31とは銀ろう材等によってろう付け
されている。
【0025】また、これらリング30及びキャップ31
は、それぞれ導電性線材よりなる配線部材40、41と
溶接やろう付け等によって電気的に接続されている。こ
れら配線部材40、41は、図示しないが他の配線部材
等を介して上記ディーゼル車のECU等の外部回路に電
気的に接続されるようになっている。また、50はリン
グ30及びキャップ31を被覆保護し、且つ、リング3
0及びキャップ31と配線部材40、41との接続部を
被覆保護するためのチューブである。
【0026】さらに、本実施形態では、上記構成に加え
て、リング30とハウジング10との間に、ハウジング
10よりも熱伝導率が小さいスペーサ(本発明でいうス
ペーサ部材)60を介在させ、このスペーサ部材60を
リング30及びハウジング10に当接させた独自の構成
としている。
【0027】本例では、スペーサ60は、セラミック発
熱体20の他端20b側が挿入可能なリング形状で、そ
の径方向断面が略矩形状となっている。また、ハウジン
グ10の他端10b即ち六角部12の端面には、当該端
面に開口する円環状の空間部10cが形成されており、
この空間部10cによって、六角部12の内周面とセラ
ミック発熱体20の外周面とが離間している。そして、
スペーサ60はセラミック発熱体20に挿入され、空間
部10cの開口部を覆うように当該空間部10c内に収
納されている。
【0028】このようなスペーサ60の配置形態は次の
ようである。スペーサ60の下端面の縁部が上記空間部
10cに形成された段部10dに当接し、また、スペー
サ60の外周面が六角部12の内周面と当接している。
また、スペーサ60の上端面はリング30の下端面と当
接している。即ち、スペーサ60はリング30及びハウ
ジング10に当接し、それによって支持されることで、
両部材10、30の間に介在固定されている。よって、
リング30とハウジング10とは直接接していない。
【0029】ここで、スペーサ60は、アルミナ磁器、
ガラス、石こう、陶器、れんが等のセラミックよりな
り、焼結成形等にて作られる。また、金属製(例えばス
テンレス製)のリング30及びハウジング10は切削加
工等にて作られる。本例では、スペーサ60としてアル
ミナ磁器(熱伝導率は6kcal/mh℃)、リング3
0及びハウジング10としてSUS430(熱伝導率は
73.7kcal/mh℃)を採用している。なお、ハ
ウジング10が取り付けられる燃焼式ヒータの被取付部
としては、例えばアルミニウム(熱伝導率は175kc
al/mh℃)が用いられる。
【0030】次に、上記構成を有するセラミックヒータ
100の製造方法について、ろう材(銀ろう、パラジウ
ムろう、金ろう等)を用いて各部材を接合する例を述べ
る。まず、発熱部22がハウジング10の一端10aか
ら所定長さ露出するように、セラミック発熱体20をハ
ウジング10に挿入し、治具等にて両者の位置を固定す
る。次に、ハウジング10の空間部10cにおける開口
部から、ろう材を当該空間部10c内に配置する。
【0031】続いて、セラミック発熱体20の他端20
b側から、セラミック発熱体20にスペーサ60をはめ
込んでいき、該空間部10c内にスペーサ60を配置す
る。次に、セラミック発熱体20の他端20b側から、
スペーサ60と当接するまでセラミック発熱体20に対
してリング30をはめ込み、リング30の上端面にろう
材を配置する。さらに、セラミック発熱体20の他端2
0bにリング状のキャップ31をはめ込み、当該他端2
0bの端面にろう材を配置する。
【0032】この後、上記のようにろう材が各部に配置
されたものを、熱処理する。すると、各部に配置された
ろう材が、部材間の隙間に流れて当該隙間に行き渡る。
そして、各部材間の隙間に行き渡ったろう材が固まるこ
とで、セラミック発熱体20は、ハウジング10、リン
グ30及びキャップ31と接合される。このろう付け
後、配線部材40、41のターミナルを、それぞれリン
グ30、キャップ31に溶接する。
【0033】こうして、配線部材40、41とセラミッ
ク発熱体20との電気的接合が為され、図1に示すセラ
ミックヒータ100が出来上がる。なお、セラミック発
熱体20とハウジング10との接合は、耐熱性絶縁部2
1の外周面にガラスコーティングを施したものをハウジ
ング10に挿入し、このガラスを溶融させることで行っ
ても良い。
【0034】かかるセラミックヒータ100において
は、例えば、リング30を介して一方のリード線23と
接続された配線部材40をマイナス側、キャップ31を
介して他方のリード線24と接続された配線部材41を
プラス側として、上記外部回路より電流を流す。する
と、該電流が、配線部材41、キャップ31、リード線
24、発熱部22、リード線23、リング30、配線部
材40の順に流れ、発熱部22が通電され発熱するよう
になっている。
【0035】また、このセラミックヒータ100は、上
記燃焼式ヒータの被取付部(図示せず)に対して、燃焼
室(図示せず)内に発熱部22を露出させるように、ハ
ウジング10のねじ部11を利用して取り付けられる。
そして、上記の通電方法によって発熱部22が通電によ
り発熱することで、上記燃焼室内に存在する燃料(軽
油)を燃焼させ、その燃焼熱によってディーゼル車のエ
ンジン冷却水(温水)を加熱するようになっている。
【0036】ところで、本実施形態によれば、ハウジン
グ10よりも熱伝導率が小さいスペーサ60をリング3
0とハウジング10との間に介在させているため、上記
燃焼式ヒータの燃焼室内に発生する熱や発熱部22の熱
が、ハウジング10から直接リング30に伝達されるこ
とがない。また、スペーサ60はハウジング10よりも
熱伝導率が小さいため、ハウジング10からリング30
への熱伝導が抑制される。そのため、リング30に接続
された一方のリード線23が熱応力によってリング30
から剥がれることを防止できる。
【0037】さらに、上述のように、スペーサ60を、
ハウジング10に当接しているスペーサ60に当接する
までセラミック発熱体20にはめ込むことにより、リン
グ30を所望の位置である一方のリード線23の上記裸
出部位に位置させることができる。このように、本実施
形態によれば、リング30をセラミック発熱体20へは
め込む際の両者の位置決めを容易としつつ、リング30
とハウジング10とを直接接触させることのない構成を
実現することができる。
【0038】また、図1に示すセラミックヒータ100
では、スペーサ60をセラミック発熱体20の他端20
b側が挿入可能なリング形状としているため、スペーサ
60をセラミック発熱体20の他端20b側からはめ込
むことで、簡単に、スペーサ60のセラミック発熱体2
0への装着が為される。
【0039】また、図1に示すセラミックヒータ100
では、ハウジング10に、その他端側の端面に開口する
空間部10cを形成し、スペーサ60を、該空間部10
cの開口部を覆うようにハウジング10に当接して配置
している。そのため、ハウジング10におけるスペーサ
60との当接部分に形成された空間部10cの分だけ、
スペーサ60とハウジング10との当接面積を減らして
小さくすることができるため、ハウジング10からスペ
ーサ60への伝熱量を小さくすることができる。
【0040】ここで、本実施形態におけるスペーサ60
の構成(形状及び配置形態)の変形例を図2及び図3に
示す。図2は、スペーサ60近傍の拡大概略断面図であ
り、図2において(a)は第1変形例、(b)は第2変
形例、(c)は第3変形例を示す。図3は、第4変形例
を示すもので、(a)はハウジング10の他端10bの
端面を上方からみた図、(b)は(a)のA−A断面に
おいてスペーサ60の構成を示した図である。なお、図
2及び図3共、チューブ50は省略してある。
【0041】図2(a)に示す第1変形例では、ハウジ
ング10に、スペーサ60とハウジング10との当接面
積を減らすための上記空間部を形成せずに、ハウジング
10の他端10bの端面上にスペーサ60を当接させて
配置している。これにより、上記空間部の効果は持たな
い代わりに、上記空間部の形成が不要となるため、ハウ
ジング10の加工を簡素化できる。
【0042】また、図2(b)に示す第2変形例では、
リング形状のスペーサ60において、径方向断面を上記
図1のような矩形とせず、略円形としている。それによ
り、スペーサ60とセラミック発熱体20及びハウジン
グ10との接触面積を、図1よりも更に小さくすること
ができ、ハウジング10からスペーサ60及びセラミッ
ク発熱体20への伝熱量を更に低減できる。
【0043】また、図2(c)に示す第3変形例では、
スペーサ60を、図1に示すものと比べてハウジング1
0の空間部10cから一部がはみ出す程度まで大きいも
のとしている。それによって、熱伝導率の小さいスペー
サ60の効果が図1に比べて大きくなり、スペーサ60
からリング30への伝熱量を、更に小さくすることがで
きる。
【0044】また、図3に示す第4変形例では、ハウジ
ング10に形成される空間部10cを、上記図1のよう
にセラミック発熱体20周りの全周に形成した円環状と
せず、セラミック発熱体20周りの一部分に形成してい
る(図示例では3個)。この場合も、ハウジング10に
おけるスペーサ60との当接部分に形成された空間部1
0cの分だけ、スペーサ60とハウジング10との当接
面積を減らして小さくすることができるため、ハウジン
グ10からスペーサ60への伝熱量を小さくすることが
できる。なお、空間部10cは、六角部12の内周面と
セラミック発熱体20の外周面とが離間するように形成
する必要はなく、ハウジング10の他端10bの端面を
凹ました凹部として形成されていても良い。
【0045】(他の実施形態)なお、スペーサ60はリ
ング状でなくとも、セラミック発熱体20の外周面を挟
むように設置でき、ハウジング10とリング30との間
に介在して両部材10、30に当接できる形状であれ
ば、どのような形状でも良い。例えば、スペーサ60は
半円形状、馬蹄形状、U字形状、V字形状等としてもよ
く、更には、円が複数の部位で分断された形の複数個の
ものから構成されていても良い。また、スペーサ60
は、導電性を有するものであっても導電性を有しないも
のでも良い。
【0046】また、本発明は、上記実施形態にて述べた
燃焼式ヒータの着火源以外にも、ディーゼルエンジンの
副燃焼室に取り付けられ余熱源として使用されるグロー
プラグ等に用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るセラミックヒータの全
体概略断面図である。
【図2】上記実施形態の第1〜第3変形例を示す図であ
る。
【図3】上記実施形態の第4変形例を示す図である。
【符号の説明】
10…ハウジング、10c…空間部、20…セラミック
発熱体、22…発熱部、23、24…リード線、30…
リング、60…スペーサ。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 通電によって発熱する発熱部(22)
    を一端側に有し、この発熱部から他端側に延設された通
    電用のリード部(23、24)を有するセラミック発熱
    体(20)と、 このセラミック発熱体の他端側が挿入されるとともに、
    前記リード部の一部に電気的に接続されたリング状の電
    極取り出し部材(30)と、 一端より前記セラミック発熱体の一端側が露出し、他端
    より前記電極取り出し部材が露出するように、前記セラ
    ミック発熱体を被覆保持するハウジング(10)とを備
    えるセラミックヒータであって、 前記電極取り出し部材と前記ハウジングとの間には、前
    記ハウジングよりも熱伝導率が小さいスペーサ部材(6
    0)が介在しており、 このスペーサ部材は、前記電極取り出し部材及び前記ハ
    ウジングに当接していることを特徴とするセラミックヒ
    ータ。
  2. 【請求項2】 前記スペーサ部材(60)は、前記セラ
    ミック発熱体(20)の他端側が挿入可能なリング形状
    であることを特徴とする請求項1に記載のセラミックヒ
    ータ。
  3. 【請求項3】 前記スペーサ部材(60)は、径方向の
    断面が略円形であることを特徴とする請求項2に記載の
    セラミックヒータ。
  4. 【請求項4】 前記ハウジング(10)には、その他端
    側の端面に開口する空間部(10c)が形成されてお
    り、 前記スペーサ部材(60)は、前記空間部の開口部を覆
    うように前記ハウジングに当接していることを特徴とす
    る請求項1ないし3のいずれか1つに記載のセラミック
    ヒータ。
  5. 【請求項5】 前記ハウジング(10)は耐熱性金属よ
    りなり、前記スペーサ部材(60)はセラミックよりな
    ることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに
    記載のセラミックヒータ。
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