JP2015141858A - heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼ガス中雰囲気中で用いられるヒータに関するものである。 The present invention relates to a heater used in an atmosphere in combustion gas.
車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、例えば特許文献1に記載のセラミックヒータが挙げられる。
Ceramic heaters are known as heaters used for in-vehicle heating devices, petroleum fan heaters, or glow plugs of automobile engines. As a ceramic heater, the ceramic heater of
特許文献1に記載のセラミックヒータは、セラミック構造体と、セラミック構造体の先端側に埋設された発熱抵抗体と、セラミック構造体の後端側の表面に設けられた電極とを備えている。このセラミックヒータは、セラミック構造体の先端が燃焼ガス雰囲気中に設けられて用いられる。このセラミックヒータは、セラミック構造体の先端と後端との間に金具が取り付けられており、後端が気密に封止されている。これにより、後端に設けられた電極が燃焼ガスに接してしまうことによって、電極と燃焼ガスとが反応してしまう可能性が低減されている。
The ceramic heater described in
特許文献1に記載のセラミックヒータは、セラミックヒータの電極が、金具の内部で露出している。そして、セラミックヒータを用いる際に、従来よりも高い温度にまでセラミックヒータを発熱させた場合には、金具に大きな熱膨張が生じてしまうことで、金具による封止を保てなくなってしまうおそれがあった。その結果、電極と燃焼ガスとが反応してしまい、セラミックヒータを正常に動作させることができなくなってしまうおそれがあった。
In the ceramic heater described in
本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は電極の封止を保つことによって、電極と燃焼ガスとが反応してしまうことを抑制できるヒータを提供することにある。 The present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heater capable of suppressing the reaction between the electrode and the combustion gas by keeping the electrode sealed. It is in.
本発明の1つの態様に基づくヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック体の一端の表面に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された導体層と、前記セラミック体の前記一端が挿入されたセラミック筒と、該セラミック筒のうち前記セラミック体が挿入された端部を前記セラミック体と共に封止する、絶縁材料から成る封止材とを備えたことを特徴とする。 A heater according to one aspect of the present invention includes a rod-shaped ceramic body, a heating resistor embedded in the ceramic body, and provided on the surface of one end of the ceramic body and electrically connected to the heating resistor. A conductive layer, a ceramic cylinder in which the one end of the ceramic body is inserted, and a sealing material made of an insulating material that seals the end of the ceramic cylinder in which the ceramic body is inserted together with the ceramic body; It is provided with.
本発明の1つの態様に基づくヒータによれば、セラミック体の一端(後端)の表面に導体層が設けられており、さらに、セラミック体の一端が挿入されたセラミック筒と、セラミック筒のうちセラミック体が挿入された端部をセラミック体と共に封止する、絶縁材料から成る封止材とを備えている。これにより、従来よりも高い温度にまでヒータを発熱させたとしても、セラミック筒は金具のように大きな熱膨張を起こすことがないので、セラミック体の一端の気密を維持することができる。そのため、導体層が燃焼ガスに触れてし
まうことによって、導体層と燃焼ガスとが反応してしまう可能性を低減できる。その結果、ヒータの耐久性を向上させることができる。
According to the heater according to one aspect of the present invention, a conductor layer is provided on the surface of one end (rear end) of the ceramic body, and further, among the ceramic cylinder into which one end of the ceramic body is inserted, and the ceramic cylinder And a sealing material made of an insulating material for sealing the end portion into which the ceramic body is inserted together with the ceramic body. Thereby, even if the heater is heated to a temperature higher than that of the conventional case, the ceramic cylinder does not cause a large thermal expansion unlike the metal fitting, so that one end of the ceramic body can be kept airtight. Therefore, the possibility that the conductor layer and the combustion gas react due to the conductor layer touching the combustion gas can be reduced. As a result, the durability of the heater can be improved.
以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照して説明する。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、本発明の実施形態の例のヒータ10は、セラミック体1と、セラミック体1に埋設された発熱抵抗体2と、セラミック体1の一端(以下、後端ともいう)の表面に設けられた導体層3と、セラミック体1の一端が挿入されたセラミック筒4と、セラミック筒4のうちセラミック体1が挿入された端部をセラミック体1と共に封止する封止材5とを備えている。ヒータ10は、例えば、ガス暖房、ガスレンジの点火用や、自動車エンジンのグロープラグ等に用いることができる。具体的には、ヒータ10はセラミック体1の他端(以下、先端ともいう)が燃焼ガス雰囲気中に配置されて用いられる。
As shown in FIG. 1, the
<セラミック体の構成>
セラミック体1は、内部に発熱抵抗体2が埋設された部材である。セラミック体1の内部に発熱抵抗体2を設けることによって、発熱抵抗体2の耐環境性を向上させることができる。セラミック体1は、例えば棒状または板状の部材である。
<Configuration of ceramic body>
The
セラミック体1は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、セラミック体1は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。
The
セラミック体1は、特に窒化珪素質セラミックスから成ることが好ましい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているためである。窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体1は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として5〜15質量%のY2O3、Yb2O3またはEr2O3等の希土類元素酸化物、0.5〜5質量%のAl2O3および焼結体に含まれるSiO2の量が1.5〜5質量%となるように量が調整されたSiO2を混合して、所定の形状に成形した後に1650〜1780℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体1を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。
The
なお、セラミック体1に窒化珪素質セラミックスを用いて、さらに後述する発熱抵抗体2にMoまたはW等の化合物を用いる場合には、セラミック体1に、さらにMoSi2またはWSi2等を混合しておくことが好ましい。発熱抵抗体2に用いる金属の珪化物をセラミック体1に分散させておくことによって、セラミック体1の熱膨張率と発熱抵抗体2の熱膨張率とを近づけることができる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。
In addition, when using silicon nitride ceramics for the
セラミック体1の形状が板状である場合は、セラミック体1の長さは、例えば30〜60mmに設定され、幅は4.7〜9mm、厚みは1.3〜6mmに設定される。
When the shape of the
<発熱抵抗体の構成>
発熱抵抗体2は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体2は、セラミック体1に埋設されている。発熱抵抗体2に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体2が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体1の内部を伝わって、セラミック体1の表面が高温になる。そして、セラミック体1の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ10が機能する。セラミック体1の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。
<Configuration of heating resistor>
The
発熱抵抗体2は、セラミック体1の先端側に設けられている。発熱抵抗体2は、縦断面(発熱抵抗体2の長さ方向に対して平行な断面)の形状が、例えば折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体2はセラミック体1の先端付近で複数の折り返し部を有している。発熱抵抗体2の全長は、例えば28〜52mmに設定される。なお、発熱抵抗体2の横断面(発熱抵抗体2の長さ方向に対して垂直な面)の形状は、円形状、楕円形状または矩形状等に設定することができる。
The
発熱抵抗体2は、例えば、W、MoまたはTi等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック体1が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体2の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック体1の熱膨張率と発熱抵抗体2の熱膨張率とを近づけることができる。さらに、炭化タングステンは、耐熱性に優れている。
The
さらに、セラミック体1が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体2は、炭化タングステンを主成分とするとともに、窒化珪素が20質量%以上添加されていることが好ましい。発熱抵抗体2に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体2の熱膨張率とセラミック体1の熱膨張率とを近づけることができる。これにより、ヒータ10の昇温時または降温時に発熱抵抗体2とセラミック体1との熱膨張差によって生じる熱応力を低減することができる。
Further, when the
<導体層の構成>
ヒータ10は、2つの導体層3を有している。導体層3は、発熱抵抗体2と外部電源(図示せず)をそれぞれ電気的に接続するための部材である。導体層3は、ヒータ10の電極部分として機能している。導体層3は、発熱抵抗体2に電気的に接続されている。導体層3は、セラミック体1の一端の表面に設けられている。導体層3は、AgまたはCu等の金属材料から成る。導体層3は、例えばスクリーン印刷等によって形成される。導体層3の表面の形状は、例えば四角形状である。導体層3の寸法は、例えばセラミック体1の長さ方向の長さを5mm、幅を6mm、厚みを100μmに設定することができる。
<Configuration of conductor layer>
The
<リード端子の構成>
リード端子6は、外部電源から発熱抵抗体2に電気を伝えるための部材である。リード端子6は、それぞれの導体層3に別々に設けられている。リード端子6は、一端が導体層3に接続されており、他端がセラミック筒4の外部に引き出されている。セラミック筒4の外部に引き出されたリード端子6は、外部電源に接続される。リード端子6と導体層3とはろう材によって接合されている。ろう材としては、例えば銀ろう、金−銅ろうまたは銀−銅ろうを用いることができる。リード端子6は、例えばNiから成る。リード端子6のうち電極と接合される部分または外部電源に接続される部分以外の領域は、絶縁性のチューブによって覆われている。チューブは、例えば樹脂材料から成る。特に、耐熱性に優れるフッ素樹脂から成ることが好ましい。
<Configuration of lead terminal>
The
<セラミック筒の構成>
セラミック筒4は、封止材5とともに、導体層3およびリード端子6を保護するための部材である。具体的には、セラミック体1の先端が燃焼ガス雰囲気中に配置されたときに、この燃焼ガスと導体層3およびリード端子6とが接してしまうことを防ぐために設けられている部材である。セラミック筒4は、例えば円筒状または四角筒状等の筒状の部材である。セラミック筒4には、セラミック体1の後端が挿入されている。セラミック筒4は、セラミック体1の後端を導体層3およびリード端子6ごと囲んでいる。セラミック筒4は、例えばアルミナまたはシリカ等のセラミック材料から成る。セラミック筒4が円筒状の場合には、その寸法は例えば長さを42mm、内径を8mm、外径を10mmに設定することができる。
<Configuration of ceramic cylinder>
The
<封止材の構成>
封止材5は、セラミック筒4とともに、導体層3およびリード端子6を保護するための部材である。封止材5は、セラミック筒4のうちセラミック体1が挿入された端部に設けられている。封止材5は、セラミック体1と共にセラミック筒4の端部を封止している。これにより、セラミック体1の先端を燃焼ガス雰囲気中に配置したときに、この燃焼ガスがセラミック筒4の内部に進入することを防止できる。封止材5は、例えばアルミナまたはシリカ等といったセラミックス等の絶縁材料から成る。封止材5は、セラミック筒4のうちセラミック体1が挿入された開口面を塞ぐように設けられている。封止材5のうち、セラミック体1の長さ方向の厚みは、例えば10mmに設定できる。
<Configuration of sealing material>
The sealing
封止材5は、以下の方法で設けることができる。具体的には、セラミック筒4にセラミック体1を挿入した状態で、セラミック体1が挿入された側の端部に封止材5となる原料を流し込む。封止材5となる原料としては、無機系等のバインダー中にアルミナまたはシリカ等を分散させた物を用いることができる。セラミック筒4に封止材5となる原料を流し込んだ後に、200℃以下の温度で加熱することによって、封止材5を設けることができる。
The sealing
本実施形態のヒータ10は、セラミック体1の一端(後端)の表面に導体層3が設けられており、さらに、セラミック体1の一端が挿入されたセラミック筒4と、セラミック筒4のうちセラミック体1が挿入された端部をセラミック体1と共に封止する、絶縁材料から成る封止材5とを備えている。これにより、従来よりも高い温度にまでヒータ10を発熱させたとしても、セラミック筒4は金具のように大きな熱膨張を起こすことがないので、セラミック体1の一端の気密を維持することができる。そのため、導体層3と燃焼ガスとが反応してしまう可能性を低減できる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。
In the
<変形例1>
上述の実施形態のヒータ10においては、封止材5がセラミック筒4の開口面付近にのみ設けられていたが、これに限られない。図2に示すように、変形例1のヒータ10においては、封止材5が、セラミック体1を導体層3とリード端子6との接続部とともに覆っていてもよい。このように、導体層3とリード端子6との接続部を封止材5で覆うことによって、導体層3の気密封止を良好に行なうことができる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。
<
In the
<変形例2>
上述の実施形態のヒータ10においては、セラミック筒4の内径が一定であったが、これに限られない。図3に示すように、セラミック筒4は、セラミック体1が挿入された端部の全周においてセラミック体1に向かって張り出した張出部41を有していてもよい。これにより、封止材5の一部を張出部41によって覆うことができるので、封止材5を保護することができる。さらに、張出部41とセラミック体1との間にも封止材5が設けら
れている。このように、封止材5におけるセラミック筒4の張出部41に保護されていない部分のセラミック体1の長さ方向における厚みを大きくすることによって、封止材5の耐久性を向上させることができる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。
<
In the
張出部41は、例えば、セラミック筒4の内周面から3mm張り出させることができる。また、張出部41のうちセラミック体1の長さ方向の厚みは1mm程度に設定できる。張出部41は、例えば、射出成型によって形成することができる。
The overhanging
<変形例3>
変形例2のヒータ10においては、封止材5の表面と張出部41の表面とが面一になっていたが、これに限られない。図4に示すように、封止材5が張出部41の外表面に回り込んでいてもよい。これにより、ヒートサイクル下において、セラミック体1および封止材5が長さ方向に伸縮した結果、セラミック体1と封止材5とがずれたとしても、張出部41とセラミック体1との間に常に封止材5を介在させることができる。これにより、セラミック筒4の張出部41と封止材5との間に隙間ができてしまう可能性を低減できる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。
<
In the
1:セラミック体
2:発熱抵抗体
3:導体層
4:セラミック筒
41:張出部
5:封止材
6:リード端子
10:ヒータ
1: Ceramic body 2: Heating resistor 3: Conductor layer 4: Ceramic cylinder 41: Overhang portion 5: Sealing material 6: Lead terminal 10: Heater
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JP2014015123A JP2015141858A (en) | 2014-01-30 | 2014-01-30 | heater |
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