JP2007227327A - 片端子型炭化珪素発熱体の電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張が発生しても炭化珪素発熱体の端子側端部と端子部材間の安定した電気的接触状態を維持することができる片端子型炭化珪素発熱体の電極構造を提供する。
【解決手段】炭化珪素発熱体の端子側端部１を一方に位置させ、この端子側端部１の対向空間２に絶縁部材７を介在させ、対向空間２によって隔てられた各分割端部３，４の外周面に金属製端子部材９をそれぞれ接触配置することからなる片端子型炭化珪素発熱体の電極構造において、炭化珪素発熱体の端子側端部１の周囲に円筒状の絶縁性セラミックス体５を配置し、この絶縁性セラミックス体５の内周面と金属製端子部材９の外面との間に、一方面が絶縁性セラミックス体５の内周面に、他方面が金属製端子部材９の外面にそれぞれ圧接する状態で金属製固定部材１０を設けたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、片端子型炭化珪素発熱体の電極構造に関し、詳しくは、片端子型炭化珪素発熱体の端子側端部への金属製端子部材の取り付け構造に関する。

従来、片端子型炭化珪素発熱体の一形態であるスパイラル型炭化珪素発熱体の電極構造として、下記特許文献１には、略半円筒状の各端子側端部に板状のニッケル金属からなる端子部材を嵌合し、この嵌合部をニッケルメタライズ処理するとともに、ニッケル金属板からなる端子部材にニッケル編組線を固定し、前記嵌合部の外方にセラミックカラーを被せ、このセラミックカラーと前記嵌合部との間にセラミックセメントを充填することからなる炭化珪素発熱体の電極構造が開示されている。
特開平１０−３０２９４０号公報

炭化珪素発熱体の端子側端部は、通電中に、発熱部からの熱伝導及び端子側端部自体の発熱等により４００℃〜５００℃の温度に昇温することになり、また、電極構造の各部位も昇温することになる。特許文献１の電極構造では、ニッケル金属板からなる端子部材と炭化珪素発熱体の端子側端部との嵌合部をニッケルメタライズ処理により接合することから、ニッケル金属板の線膨張係数（１５．２×１０^−６／℃）と炭化珪素発熱体の線膨張係数（１１．２×１０^−６／℃）との差、すなわち、高温時（通電時）における熱膨張量の相違に起因して接合部が剥離するおそれがあり、また、前記嵌合部におけるニッケルメタライズ処理の不均一性にも起因して、安定した電気的接触を確保できないという問題があった。

すなわち、前記熱膨張量の差に起因して炭化珪素発熱体の端子側端部と端子部材（ニッケル板）との接合面に隙間が形成され、これにより局部過熱あるいは異常放電が発生して、端子部材（ニッケル板）の溶損や炭化珪素発熱体の破損が生じ、通電不良となるという問題があった。

そこで、前記問題を解決すべく本発明は、電極を構成する各部位に熱膨張差が発生しても炭化珪素発熱体の端子側端部と端子部材間の安定した電気的接触状態を維持することができる片端子型炭化珪素発熱体の電極構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、炭化珪素発熱体の端子側端部を一方に位置させ、この端子側端部の対向空間に絶縁部材を介在させ、前記対向空間によって隔てられた各端部の外周面に金属製端子部材をそれぞれ接触配置することからなる片端子型炭化珪素発熱体の電極構造において、
前記炭化珪素発熱体の端子側端部の周囲に円筒状の絶縁性セラミックス体を配置し、この絶縁性セラミックス体の内周面と前記金属製端子部材の外面との間に、一方面が前記絶縁性セラミックス体の内周面に、他方面が前記金属製端子部材の外面にそれぞれ圧接する状態で金属製固定部材を設けたことを特徴とするものである。

この構成によれば、金属製端子部材が片端子型炭化珪素発熱体の端子側端部の外周面に金属製固定部材によって圧接状態に保持され、また、その圧接面を金属製端子部材の表面と同一にすることが可能になるため、安定した電気的接触状態を確保できる。また、通電中においては、金属製固定部材及び金属製端子部材の熱膨張量が絶縁性セラミックス体及び前記端子側端部の熱膨張量より大きくなることから、金属製固定部材によって金属製端子部材を端子側端部に押し付ける圧接力がさらに増加し、端子側端部の外周面と金属製端子部材との安定した電気的接触状態を維持することができる。その結果として、端子側端部と金属製端子部材間の接触部における異常放電や過熱を回避でき、安定した通電を確保できる。

本発明の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造において、前記金属製固定部材が互いにテーパー面で接触する一対の金属部材からなり、前記金属部材の一方が前記金属部材の他方に対して前記テーパー面上で摺動可能であってもよい。

この構成によれば、円筒状の絶縁性セラミックス体と端子側端部に接触させた金属製端子部材との間に設置された金属製固定部材について、一方の金属部材を他方の金属部材に対してテーパー面上で摺動させることで金属製固定部材の厚みを増加させることができる。これにより、金属製端子部材を端子側端部の外周面に圧接状態に固定する際の作業が容易になり、かつ、金属製端子部材の固定時における圧接力を容易に調整することができる。

また、本発明の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造において、前記端子側端部の外周面に平坦面を形成し、この平坦面に板状の前記金属製端子部材を接触配置してもよい。

この構成によれば、端子側端部の外周面に形成された平坦面に板状の金属製端子部材を確実に圧接した状態で保持することができる。

さらに、本発明の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造において、前記金属製端子部材が編組線からなってもよい。

この構成によれば、金属製端子部材は端子側端部の湾曲した外周面に沿って従順に変形可能であるので、端子側端部に平坦面を形成しなくても金属製端子部材を端子側端部に対して確実に圧接した状態で保持することができる。

上記のように、本発明の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造によれば、端子側端部と金属製端子部材との圧接状態を容易かつ確実に実現及び維持することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１実施形態である片端子型炭化珪素発熱体の電極構造の正面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面（ボルトを除く）を示す。本実施形態の電極構造において、炭化珪素発熱体の端子側端部１は、軸方向に延在する平板状の空間（対向空間）２によって隔てられた略半円柱状の２つの端部（以下、分割端部と称す）３，４に分割形成されている。なお、図１において点線の円形１３は、炭化珪素発熱体の円筒状発熱部の内周面を示している。

前記炭化珪素発熱体の端子側端部１の周囲には、例えば窒化珪素からなる円筒の絶縁性セラミックス体５が配置されている。絶縁性セラミックス体５は、端子側端部１の周囲を取り囲む円筒部６と、この円筒部６の直径に沿って延在するように前記円筒部６と一体成形された平板部（絶縁部材）７とからなっている。前記絶縁性セラミックス体５の平板部７は、前記空間２に挿入されて、前記各分割端部３，４間を絶縁するように介在させてある。

なお、本実施形態では、絶縁性セラミックス体５は円筒部６と平板部７とで一体に構成されているが、円筒部と平板部とが別部材として構成されてもよい。

前記各分割端部３，４の外周面には、平坦面８がそれぞれ形成されており、各平坦面８に例えばニッケル金属板からなる金属製端子部材９がそれぞれ接触配置されている。

前記絶縁性セラミックス体５の円筒部６の内周面と、前記各分割端部３，４の平坦面８に接触配置された金属製端子部材９の外面との間には、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属製固定部材１０がそれぞれ設置されている。金属製固定部材１０は、後述するように、一方面が絶縁性セラミックス体５の円筒部７の内周面に、他方面が金属製端子部材９の外面にそれぞれ圧接されるようになっている。

金属製固定部材１０は、一対の金属部材、すなわち、内側摺動部材１１と外側摺動部材１２とからなっている。各摺動部材１１，１２は、炭化珪素発熱体の軸方向に対して傾斜したテーパー面１１ａ，１２ａをそれぞれ有しており、前記各テーパー面１１ａ，１２ａで互いに摺動可能に接触している。内側摺動部材１１と外側摺動部材１２とは、内側摺動部材１１に形成された貫通穴を遊嵌状態で貫通するボルト１４の先端が、外側摺動部材１２に形成された雌ネジに螺合することによって、一体に組み付けられている。これにより、一体に組み付けられた金属製固定部材１０を絶縁性セラミックス体５の円筒部６の内面と金属製端子部材９との間に配置した状態でボルト１４を締め付けると、ボルト１４のヘッドによって内側摺動部材１１が押されて外側摺動部材１２に対して相対移動する。その結果、内側摺動部材１１と外側摺動部材１２とが各テーパー面１１ａ，１２ａ上で摺動しつつ互いを押しのけ合う楔として作用するので、金属製固定部材１０の厚み寸法が増加することになる。このようにして金属製固定部材１０の厚みが増加することで、外側摺動部材１２の外面が絶縁性セラミックス体５の円筒部６の内周面に圧接されるとともに、内側摺動部材１１の内面が端子部材９の外面に圧接される。これにより、金属製端子部材９は、各分割端部３，４に圧接した状態で固定され、安定した電気的接触状態を確保できる。

このように、ボルト１４を締め付けることでテーパー面１１ａ，１２ａ上で内側摺動部材１１及び外側摺動部材１２を互いに摺動させて厚み寸法が増加する金属製固定部材１０を用いたことで、端子部材９を炭化珪素発熱体の分割端部３，４の外周面に圧接状態に固定する際の作業が容易になり、かつ、金属製端子部材９の固定時における圧接力を容易に調整することができる。

両金属製端子部材９を介して炭化珪素発熱体に通電すると、炭化珪素発熱体の発熱部が発熱すると同時に、炭化珪素発熱体の発熱部からの伝熱及び端子側端部１自体の発熱によって端子側端部１、金属製端子部材９、金属製固定部材１０及び絶縁性セラミックス体５もまた例えば４００〜５００℃の高温に晒され、炭化珪素発熱体の端子側端部１、絶縁性セラミックス体５、金属製端子部材９及び金属製固定部材１０は、温度上昇に伴って熱膨張することになる。ここで、炭化珪素発熱体の端子側端部１の温度を５００℃と想定すれば、炭化珪素発熱体の分割端部３，４の線膨張係数は４．０×１０^−６／℃、ニッケルからなる金属製端子部材９の線膨張係数は１５．２×１０^−６／℃、窒化珪素からなる絶縁性セラミックス体５の線膨張係数は３．６×１０^−６／℃、ＳＵＳ３０４からなる金属製固定部材１０の線膨張係数は１１．２×１０^−６／℃である。

また、炭化珪素発熱体の分割端部３の厚みはＬ１＝２２．０ｍｍ、金属製端子部材９の厚みはＬ２＝２．０ｍｍ、絶縁性セラミックス体５の円筒部６の厚みはＬ３＝７．５ｍｍ、金属製固定部材１０の厚みはＬ４＝１４．５ｍｍである。

よって、各構成要素の熱膨張による厚みの増加量（伸び）は、分割端部３ではΔＬ１＝４４．０×１０^−３ｍｍ、金属製端子部材９ではΔＬ２＝１５．２×１０^−３ｍｍ、絶縁性セラミックス体５の円筒部６ではΔＬ３＝１３．５×１０^−３ｍｍ、金属製固定部材１０ではΔＬ４＝８１．２×１０^−３ｍｍとなる。

炭化珪素発熱体の分割端部３と絶縁性セラミックス体５の円筒部６の熱膨張量を合計すると、ΔＬ１＋ΔＬ３＝５７．５×１０^−３ｍｍであり、金属製端子部材９と金属製固定部材１０の熱膨張量を合計するとΔＬ２＋ΔＬ４＝９６．４×１０^−３ｍｍである。つまり、分割端部３及び円筒部６の熱膨張量の合計に対して、金属製端子部材９及び金属製固定部材１０の熱膨張量の合計の方が大きくなる。これはすなわち、高温による熱膨張で、金属製端子部材９は金属製固定部材１０によって分割端部３，４に対してさらに強く押圧されることになる。

上述したように、本実施形態の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造によれば、金属製端子部材９が片端子型炭化珪素発熱体の端子側端部１の外周面に金属製固定部材１０によって圧接状態に保持され、また、その圧接面を金属製端子部材９の表面と同一にすることが可能になるため、安定した電気的接触状態を確保できる。また、通電中においては、金属製固定部材１０及び金属製端子部材９の熱膨張量が絶縁性セラミックス体５及び炭化珪素発熱体の端子側端部１の熱膨張量より大きくなることから、金属製固定部材１０によって金属製端子部材９を端子側端部１に押し付ける圧接力がさらに増加し、各分割端部３，４の外周面と金属製端子部材９との安定した電気的接触状態を維持することができる。その結果として、各分割端部３，４と金属製端子部材９間の接触部における異常放電や過熱を回避でき、安定した通電を確保できる。

本発明では、炭化珪素発熱体の端子側端部１及び絶縁性セラミックス体５の熱膨張量に比して、金属製端子部材９及び金属製固定部材１０の熱膨張量を大きくすることを利用して、通電時、炭化珪素発熱体の各分割端部３，４と金属製端子部材９との接触状態を良好に維持することを特徴としている。絶縁性セラミックス体５は、窒化珪素の他、アルミナ質等の他の絶縁性セラミックスで形成してもよい。また、金属製端子部材９は、ニッケルの他、ニッケル基合金、ステンレス、モリブデン、モリブデン基合金、タングステン、タングステン基合金などで形成してもよい。さらに、金属製固定部材１０は、ＳＵＳ３０４を含むステンレスの他、ニッケル、ニッケル基合金などで形成してもよい。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態である片端子型炭化珪素発熱体の電極構造について説明する。図３は第２実施形態の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造の正面図であり、図４は図３におけるＢ−Ｂ線断面（ボルトを除く）を示す。ここでは、第１実施形態と異なる構成について主に説明する。

本実施形態の電極構造は、炭化珪素発熱体の端子側端部１ａは、略円筒状をなし、軸方向に延在する平板状の空間２ａによって隔てられた２つの分割端部３ａ，４ａに分割形成されており、前記２つの分割端部３ａ，４ａ間の空間２ａには２つの平板部材（絶縁部材）７ａが挿入されて、前記２つの分割端部３ａ，４ａ間に介在している。ここで、平板部材７ａは、例えばベークライトで形成されるが、電気絶縁性を有し且つ例えば５００℃の高温に耐え得る材質のもの（例えばセラミックス）であれば何でもよい。

なお、本実施形態では、炭化珪素発熱体の温度測定のために端子側端部１ａの端面開口部から温度測定手段を挿入するのを妨げないように、分割端部３ａ，４ａ間を絶縁するための絶縁部材を２つの平板部材７ａで構成したが、一枚物の平板部材を絶縁部材として用いてもよい。

前記炭化珪素発熱体の端子側端部１ａの周囲には、例えば窒化珪素からなる円筒状の絶縁性セラミックス体５ａが配置されている。絶縁性セラミックス体５ａは、各分割端部３ａ，４ａの周囲を取り囲む円筒部材で構成されており、第１実施形態とは異なり、平板部材７ａとは別体をなしている。

前記各分割端部３ａ，４ａの外周面は、平坦面がない円弧状曲面をなしており、その外周面上に編組線からなる金属製端子部材９ａが接触配置されている。前記絶縁性セラミックス体５ａの内周面と、前記各分割端部３ａ，４ａの外周面に接触配置された金属製端子部材９ａの外面との間の空間には、例えばＳＵＳ３０４等からなる金属製固定部材１０ａがそれぞれ設置されている。金属製固定部材１０ａは、一方面が絶縁性セラミックス体５ａの内周面に、他方面が金属製端子部材９ａの外面にそれぞれ圧接されるようになっている。

金属製固定部材１０ａは、第１実施形態の金属製固定部材１０とほぼ同様であるが、内側摺動部材１１ｂの内面が、円弧状曲面である各分割端部３ａ，４ａの外周面に沿って金属製端子部材９ａを圧接させることができるように、湾曲面として形成される点だけが第１実施形態とは異なっている。

その他の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

第２実施形態の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。加えて、編組線からなる金属製端子部材９ａは端子側端部１ａの湾曲した外周面に沿って従順に変形可能であるので、端子側端部１ａに平坦面を形成しなくても金属製端子部材９ａを端子側端部１ａに対して確実に圧接した状態で保持することができる。

本発明の第１実施形態である片端子型炭化珪素発熱体の電極構造の正面図。 図１におけるＡ−Ａ線断面図。 本発明の第２実施形態である片端子型炭化珪素発熱体の電極構造の正面図。 図３におけるＢ−Ｂ線断面図。

符号の説明

１…片端子型炭化珪素発熱体の端子側端部
２…空間（対向空間）
３，４…分割端部
５…絶縁性セラミックス体
６…円筒部
７…平板部（絶縁部材）
８…平坦面
９…金属製端子部材
１０…金属製固定部材
１１…内側摺動部材（一対の金属部材）
１１ａ…テーパー面
１２…外側摺動部材（一対の金属部材）
１２ａ…テーパー面
１４…ボルト

Claims (4)

1. 炭化珪素発熱体の端子側端部を一方に位置させ、この端子側端部の対向空間に絶縁部材を介在させ、前記対向空間によって隔てられた各端部の外周面に金属製端子部材をそれぞれ接触配置することからなる片端子型炭化珪素発熱体の電極構造において、
   前記炭化珪素発熱体の端子側端部の周囲に円筒状の絶縁性セラミックス体を配置し、この絶縁性セラミックス体の内周面と前記金属製端子部材の外面との間に、一方面が前記絶縁性セラミックス体の内周面に、他方面が前記金属製端子部材の外面にそれぞれ圧接する状態で金属製固定部材を設けたことを特徴とする片端子型炭化珪素発熱体の電極構造。
2. 前記金属製固定部材が互いにテーパー面で接触する一対の金属部材からなり、前記金属部材の一方が前記金属部材の他方に対して前記テーパー面上で摺動可能であることを特徴とする請求項１に記載の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造。
3. 前記端子側端部の外周面に平坦面を形成し、この平坦面に板状の前記金属製端子部材を接触配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造。
4. 前記金属製端子部材が編組線からなることを特徴とする請求項１または２に記載の片端子型炭化珪素発熱体の電極構造。

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