JP2003017222A

JP2003017222A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2003017222A
Application number: JP2001197514A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kukino; 浩久木野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-17
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP4683774B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱抵抗体を埋設したセラミック体に保持金具
および電極金具を接合したセラミックヒータでは、発熱
させたとき、電極金具が高温になり、抵抗変化をもたら
すことによって安定した着火あるいは着火検知が出来な
くなるという問題があった。【解決手段】上記セラミック体と保持金具との間に隙間
を設けることにより、保持金具と電極部の温度を下げる
ようにしてセラミックヒータを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼式車載暖房器
の点火用または火炎検知用に用いられるセラミックヒー
タに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】寒冷地においてエンジンの始動を短期間
に可能とするための熱源または車両室内暖房の補助熱源
として、液体燃料を用いる車載暖房機が使用されてい
る。また、電気自動車においてはバッテリの容量の制限
により電力消費を少なくすることが要求されており、暖
房装置の熱源としてこの液体燃料を用いた車載暖房機の
利用が見込まれている。

【０００３】このような車載暖房機の従来例を図８に示
す（特開平１１−１７３５１１参照）。この車載暖房機
は、セラミックヒータからなる点火栓１３を固定した支
持部材１４が、燃焼筒１５に固定されており、液体燃料
が、図示していない燃料ポンプにより燃料タンクから前
記点火栓１３の周囲に設置された蒸発媒体１７に供給さ
れて蒸発し、空気供給ブロワ１９から供給される空気と
混合され、点火栓１３の熱により着火・燃焼する構造と
なっている。また、前記支持部材１４の中央には燃焼温
度検知用のサーミスタ１６が設置されており、サーミス
タ１６からの信号がコントローラ２０に供給され、該コ
ントローラ２０は車両からの操作信号および燃焼温度検
知サーミスタ１６の信号により、燃料ポンプ、空気供給
ブロア１９の動作を制御する。

【０００４】さらに、燃焼筒１５内の燃焼室で発生した
ガスは熱交換部２１で冷却水を加熱する。この熱交換部
で加熱される水はエンジン冷却水であるがその水は図示
していない熱交換器で空気を加熱する。その加熱された
空気は車両室内に送られ車内の暖房が行われる。

【０００５】最近は、前記点火栓１３と燃焼温度検知サ
ーミスタ１６としての機能を備え持った耐久性の良い窒
化珪素質セラミックヒータが提案されている。セラミッ
クヒータ１は、例えば図６に示すように、セラミック生
成形体７の一主面に発熱抵抗体８およびリード部９を形
成し、同様にして発熱抵抗体８およびリード部９を形成
したセラミック生成形体７を２層重ね、さらにその上に
別のセラミック生成形体７を重ねて３層を一体化し焼成
することにより得られる。このようにして得られたセラ
ミックヒータ１は、図７に示すように、取出電極１０に
電極金具３をロウ付けしたセラミックヒータ１が、その
全長方向中央部にロウ付けされた保持金具２で、車載暖
房用ヒータの支持部材１４に設けられた固定用金具５
に、ネジ６により固定された状態を示している。固定用
金具５の先端部にはセラミックヒータ１の位置決めのた
めに、段部が形成されており、該段部に保持金具２を当
てて位置合わせをし、ネジ６で固定するようにしていた。
このようにしてガス流中の最適位置で燃焼ガスが着火す
るようなシステムが組まれている。

【０００６】従来、保持金具２のロウ付けは、セラミッ
クヒータ１の保持金具２を取り付ける部分にＡｇ、Ｃｕ
を主成分とし、活性金属を含んだメタライズを施した
後、保持金具２の内側にセラミックヒータ１を挿入し、
隙間にロウ材を流し込み、冷却時のセラミックヒータ１
の磁器部と保持金具２の熱膨張差により、保持金具２の
内周面全体で磁器部を把持する構造としていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、車載暖房装置の
小型化及び着火スピードを上げることが望まれており、
それに伴い、セラミックヒータの小型化と消費電力のア
ップが必要となってきている。ところが、セラミックヒ
ータの小型、高電力化により、電極部が高温になること
によって、前記図７に示した保持構造を用いたセラミッ
クヒータでは、長期の使用に際してその保持に大きな問
題があることが判明した。即ち、電極金具３が高温にな
ることにより、この部分に形成されたロウ材、あるいは
ロウ付け前にセラミックヒータ１の表面に施すメタライ
ズが酸化し、電極金具３部分の抵抗値が上がり、点火で
きなくなったり、または着火検出出来なくなったりして
しまうという問題があった。

【０００８】本発明は、高出力で小型のセラミックヒー
タを長期に渡って使用した場合でも、電極金具が高温に
ならないようにし、これにより抵抗変化が小さく、安定
した点火あるいは着火検知が可能となるセラミックヒー
タを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等が鋭意検討し
た結果、高融点金属からなる発熱抵抗体と該発熱抵抗体
に電力を供給するためのリード部を埋設してなるセラミ
ック体と、これを保持するための保持金具と、上記リー
ド部に接続された電極金具を有するセラミックヒータで
あって、前記セラミック体の全長が５０ｍｍ以下で、上
記発熱抵抗体に通電して発熱部を１１００〜１３００℃
にしたときの保持金具の温度が５５０℃未満であり、か
つ電極金具の温度が３５０℃未満とすることにより、上
記課題を解決できることを見出した。

【００１０】即ち、該保持金具がセラミック体をロウ材
を介して把持しているとともに、前記保持金具の内側に
形成された段差により保持金具とセラミック体の発熱抵
抗体側との間に隙間が形成されていることを特徴とす
る。

【００１１】また、さらに保持金具の後端に放熱部を設
けることを特徴とする。

【００１２】また、前記隙間は、長さを３ｍｍ以上、幅
を１ｍｍ以上とすることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明において、セラミックヒータの外表面と
金属製の保持金具との間に隙間を設けることにより、セ
ラミックヒータの温度が下がった部分で、該セラミック
ヒータと保持金具とを接触させるようにできるので、保
持金具の温度を下げることが可能となり、これによりさ
らに電極金具の温度を下げることが可能となる。また、
電極金具側の保持金具に放熱部を形成することにより、
保持金具の温度をさらに低下させ、その結果としてさら
に電極金具の温度を下げることができる。これにより、
長期の使用に際して電極金具部の抵抗値が変化せず、安
定した点火および着火検出性能が維持出来る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明において、実施形態に基づ
いて詳しく説明する。

【００１５】図１は、本発明のセラミックヒータの断面
図である。図１のセラミックヒータは、車載用暖房装置
に使用される点火または着火検出に使用されている。燃
焼筒１５の一端に設けられた支持部材１４に、セラミッ
ク体１に備えた保持金具２が固定用金具５とネジ６によ
り固定されている。また、セラミック体１は、内部に不
図示の発熱抵抗体が設けられており、不図示の取出電極
の露出部に電極金具３が発熱抵抗体とは逆の端部付近に
設置してあり、さらにセラミック体１の全長方向中央部
に保持金具２が設置してある。そして、電極金具３に通
電することによりセラミック体１が発熱するようになっ
ている。

【００１６】また、前記保持金具２の内側には段差が形
成されており、該保持金具２がセラミック体１をロウ材
により接合もしくは把持しているとともに、前記段差に
より保持金具２とセラミック体１との間に形成される隙
間４が、セラミック体１の発熱抵抗体側に形成されてい
る。この隙間４により、セラミック体１の温度の低い部
分で保持金具２がセラミック体１を把持するようになる
ので、その分保持金具２の温度を下げることができる。
また、前記隙間４の上に被さる保持金具２は、その内側
のセラミック体１の温度を下げる効果もある。これらの
結果として電極金具３の温度が低下し、使用中の熱サイ
クルに対する電極金具３のロウ付け部の耐久性を向上さ
せることができる。

【００１７】これによって、発熱抵抗体に通電して発熱
部を１１００〜１３００℃にしたときでも、保持金具２
の温度を５５０℃未満、電極金具３の温度を３５０℃未
満とすることができる。

【００１８】図２、３は本発明の他の実施形態を示すセ
ラミックヒータの断面図である。前記保持金具２に放熱
部２ａを設けることによって電極金具３への熱伝達をさ
らに押さえている。なお、図２、３に示すように固定用
金具５と放熱部２ａとの間に隙間をあけることにより、
さらに保持金具２を効果的に冷却することができる。

【００１９】図４および図５は、本発明のさらに他の実
施形態を示すセラミックヒータの断面図である。図４に
示したセラミックヒータは、電極金具３を碍子１１で覆
いその中にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等を主成分とする無機接
着剤１２を充填した構造とすることにより、電極金具３
部分の熱容量を大きくして電極金具３の温度上昇を抑制
する。また、電極金具３の周囲を絶縁体で覆うことによ
り暖房機との絶縁性を向上させる効果もある。

【００２０】図５に示したセラミックヒータは、セラミ
ック体１と保持金具２との間の隙間４とロウ付け部の間
にさらに大きな空間を設けている。この空間により、ロ
ウ材が隙間４に流入して隙間４を小さくしてしまうこと
を防止することができる。

【００２１】以上の実施形態において、隙間４は長さが
３ｍｍ以上であり、隙間４のギャップは１ｍｍ以上とす
ることが望ましい。これは、セラミックヒータ１を保持
金具２で把持する部分が発熱抵抗体８から遠くなれば遠
くなるほど、保持金具２が接するセラミックヒータ１の
温度が低くなるから受ける熱は小さくなるためである。

【００２２】ここで、図６を用いて本発明のセラミック
ヒータの製法について説明する。この図は、２層の発熱
抵抗体８を有するセラミックヒータの例である。まず、
セラミック生成形体７の上に発熱抵抗体８と取出電極１
０をプリント法により形成する。その後、タングステン
ピンからなるリード部９を前記発熱抵抗体８、取出電極
１０が導通するように設置し、このようにして準備した
セラミック生成形体７を２層と、これらの蓋となるセラ
ミック生成形体７を重ねて密着させ、ホットプレスによ
り焼成した後、焼結体を円柱状に加工し、表面に露出し
た取出電極１０に電極金具３をロウ付けしてセラミック
ヒータを得る。その後、セラミックヒータの外周に、内
径に段差を持つ保持金具２を発熱抵抗体８側が大径部と
なるようにロウ付けする。

【００２３】また、セラミックヒータのセラミック基材
の材質は、窒化珪素、炭化珪素等の材質を用いることが
可能であるが、中でも、窒化珪素が高強度、高靱性、高
絶縁性、耐熱性の観点で一番優れている。窒化珪素質焼
結体としては、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤とし
て３〜１２重量％の希土類元素酸化物と０．５〜３重量
％のＡｌ₂Ｏ₃、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ₂量とし
て１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ₂を混合し、１
６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成することによ
り、焼結体を得ることができる。ここで示すＳｉＯ₂量と
は、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成する
ＳｉＯ₂と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉ
Ｏ₂と、意図的に添加したＳｉＯ₂の総和である。

【００２４】炭化珪素質焼結体としては、主成分の炭化
珪素に対し、焼結助剤として硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）を
含有した焼結体や、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤
としてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を
含有し１９００〜２２００℃で焼成した焼結体を用いる
ことができ、また、炭化珪素はα型を主体とするもの、
あるいはβ型を主体とするもののいずれであっても構わ
ない。

【００２５】発熱抵抗体８の材質は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ金
属およびこれらの金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ
化物を主成分としたものを使用することが可能である。
また、タングステンピン９については、耐熱性のある材
質であれば他の材質を用いることも可能であるが、特に
セラミック基材が窒化珪素の場合、Ｗの炭化物もしくは
珪化物を用いることが望ましい。また、保持金具２の材
質としては、ステンレス鋼、耐熱鋼、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ
合金、インコネル等の耐熱性に優れたものが好適であ
る。保持金具２および電極金具３を固定するためのロウ
材としては、Ａｇ−Ｃｕを主成分とする活性金属ロウも
しくは、これにさらにガラスを含有させたものを使用す
ることが好ましい。特に、電極金具３の固定に関して
は、取出電極１０との接合の信頼性を高めるため、７重
量％以上の活性金属を有するものとすることが好まし
い。活性金属としては、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｖ等の金属
を７〜１５重量％含有させることが好ましい。また、活
性金属の添加量を１〜７重量％とする場合は、ガラス等
を添加して、これによりセラミック体１との接合力を向
上させることが好ましい。

【００２６】特に５００℃程度の高温に繰り返し加熱さ
れる保持金具２の固定に際しては、活性金属を用いずに
ロウ付けし、ロウ付け後の冷却時の保持金具２とロウ材
の収縮による把持力を利用して固定しても構わない。

【００２７】また、保持金具２を電極金具３のひとつと
共用する場合は、保持金具２を固定するためのロウ材が
取出電極１０に与える影響を小さくするように、保持金
具２を固定するために使用するロウ材の中の活性金属の
添加量を５重量％以下となるようにし、保持強度を補う
ためガラス成分の量を増やしてやればよい。このように
して、保持金具２の温度が５００℃程度まで上がって
も、取出電極１０付近で発生する抵抗変化を小さくする
ことができる。

【００２８】

【実施例】ここでは、本発明の実施例について説明す
る。

【００２９】実施例１まず、セラミックヒータの製法について図６を用いて説
明する。まず、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末にイッテリビ
ウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元素の酸
化物からなる焼結助剤を添加したセラミック原料粉末を
周知のプレス成型法等でセラミック生成形体７を得る。
セラミック生成形体７の上にＷＣを主成分とするペース
トを用いて発熱抵抗体８と取出電極１０をプリント法に
より形成する。その後、タングステンピンからなるリー
ド部９を前記発熱抵抗体８と取出電極１０が導通するよ
うに設置し、前記セラミック生成形体７を２層とこれら
の蓋となるセラミック生成形体７を重ねて密着させ、還
元雰囲気下、１６５０℃〜１７５０℃の温度でホットプ
レスにより焼成した後焼結体を円柱状に加工し、表面に
露出した取出電極１０に電極金具３をロウ付けしてセラ
ミックヒータを得る。その後、セラミックヒータの外周
に保持金具２をロウ付けする。

【００３０】以上のように、セラミック体１の外径を
４．２ｍｍ、全長を４０ｍｍとしたセラミックヒータを
作製し、これに図１〜４に示すような内径に段差のある
保持金具２をロウ付けした。

【００３１】そして、セラミックヒータに通電し、１２
００℃昇温保持３分後、保持金具２と電極金具３の温度
を熱電対により調べた。なお、この評価はセラミックヒ
ータ１単体について実施し、熱電対の測定点は保持金具
２および電極金具３の全長方向中央で測定した。また、
比較例として図７に示した従来のセラミックヒータを同
時に評価した。これらの結果を表１に示した。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１に示すように、比較例は、保持金具２
の温度が６２０℃、電極金具３の温度が３８０℃になっ
たのに対し、本発明のセラミックヒータであるテスト番
号１〜４は保持金具２の温度が５０５〜５４１℃、電極
金具３の温度が３１５〜３４２℃と低くなっており、有
効性が確認できた。

【００３４】実施例２実施例１に記載の方法でセラミックヒータ１を形成し、
内径に段差のある図１に示す形状の保持金具２をロウ付
けした。段差があることにより生ずる隙間４について、
長さを１〜５ｍｍ、ギャップを０．５〜２ｍｍまで変化
させて作製し、実施例１と同様にセラミックヒータの最
高温度部が１２００℃となるように電圧を３分印加し、
保持金具２と電極金具３の温度を測定した。結果を表２
および３に示した。

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】表２から判るように、セラミックヒータ１
と保持金具２間に生ずる隙間の長さを１ｍｍとしたＮ
ｏ．１は保持金具２の温度が５８２℃、電極金具３の温
度が３６８℃と高めであったが、３ｍｍ以上としたＮ
ｏ．２、３は保持金具２の温度が５５０℃以下、電極金
具３の温度が３５０℃以下となり冷却できていることが
判った。

【００３８】また、表３から判るように、隙間４の幅を
０．５ｍｍとしたＮｏ．１は保持金具２の温度が５７０
℃、電極金具３の温度が３６２℃であるのに対し、隙間
４の幅を１ｍｍ以上にすることでロウ材が隙間４に入る
ことなく、保持金具２の温度が５４０℃以下、電極金具
３の温度が３４０℃以下と低くなっており有効性が確認
できた。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、高融点金属からなる発
熱抵抗体と該発熱抵抗体に電力を供給するためのリード
部を埋設してなるセラミック体と、これを保持するため
の保持金具と、上記リード部に接続された電極金具を有
するセラミックヒータであって、前記セラミック体の全
長が５０ｍｍ以下で、上記発熱抵抗体に通電して発熱部
を１１００〜１３００℃にしたときの保持金具の温度が
５５０℃未満であり、かつ電極金具の温度が３５０℃未
満とすることにより、セラミックヒータの長期の使用に
際して、抵抗変化が小さく安定した点火および着火検知
が可能となる。

【００４０】また、保持金具および電極金具の温度を下
げるためには、金属製の保持金具とセラミックヒータの
間に隙間を設けること、さらに保持金具に放熱部を設け
ることが有効であることを見出した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示すセラミックヒータの断
面図である。

【図２】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータ
の断面図である。

【図３】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータ
の断面図である。

【図４】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータ
の断面図である。

【図５】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータ
の断面図である。

【図６】本発明のセラミックヒータの層構成図である。

【図７】従来のセラミックヒータの断面図である。

【図８】従来の車載暖房機の断面図である。

【符号の説明】

１：セラミックヒータ２：保持金具２ａ：放熱部３：電極金具４：隙間５：固定用金具６：ネジ７：セラミック生成形体８：発熱抵抗体９：リード部１０：取出電極１１：碍子１２：無機接着剤１３：点火栓１４：支持部材１５：燃焼筒１６：温度検知サーミスタ１７：蒸発媒体１８：発熱部１９：空気供給ブロア２０：コントローラ２１：熱交換部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属からなる発熱抵抗体と該発熱抵
抗体に電力を供給するためのリード部を埋設してなるセ
ラミック体と、これを保持するための保持金具と、上記
リード部に接続された電極金具を有するセラミックヒー
タであって、前記セラミック体の全長が５０ｍｍ以下
で、上記発熱抵抗体に通電して発熱部を１１００〜１３
００℃にしたときの保持金具の温度が５５０℃未満であ
り、かつ電極金具の温度が３５０℃未満であることを特
徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】該保持金具がセラミック体をロウ材を介し
て把持しているとともに、前記保持金具の内側に形成さ
れた段差により保持金具とセラミック体の発熱抵抗体側
との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項
１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】前記隙間は、長さが３ｍｍ以上であり、幅
が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２記載のセ
ラミックヒータ。
【請求項４】前記セラミックヒータが、窒化珪素質セラ
ミックスからなることを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載のセラミックヒータ。
【請求項５】寒冷地においてエンジンの始動を短期間に
可能とするための熱源または車両室内暖房の補助熱源と
して使用される燃焼式車載暖房機の点火用または火炎検
知用セラミックヒータとして用いることを特徴とする請
求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項６】前記保持金具が暖房機保持部の外側に放熱
部を有していることを特徴とする請求項５記載のセラミ
ックヒータ。