JP2016031822A - ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータにおいて気体燃料の点火を素早く行うことのできるヒータを提供する。
【解決手段】ヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、セラミック体１の表面にグラファイト粒子５が分散して固着している。これにより、点火に際してセラミック体の表面近傍において、グラファイト粒子５が吸着した酸素を効果的に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック体とその内部に設けられた発熱抵抗体とを備えているヒータに関するものである。

ガスレンジ、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、例えば特許文献１に開示されたセラミックヒータが挙げられる。

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、セラミック基体と、セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続されてセラミック構造体の表面に引き出された電極部とを備えている。

特開平１０−２８４２１９号公報

特許文献１に開示されたセラミックヒータを用いて気体燃料を燃焼させるためには、まず気体燃料に点火を行なう必要がある。気体燃料の点火は、発熱させたセラミックヒータの表面近傍に気体燃料と酸素とを供給することによって行なうことができる。このとき、気体燃料に比較して酸素の比率が少ない場合には、セラミックヒータの表面に酸素を十分に供給することができず、気体燃料の点火に長い時間を要する場合があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、気体燃料の点火を素早く行なうことができるヒータを提供することにある。

本発明の１つの態様に基づくヒータは、セラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、前記セラミック体の表面にグラファイト粒子が分散して固着していることを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、セラミック体の表面にグラファイト粒子が分散して固着している。このように、グラファイト粒子が分散して固着していることによって、酸素をグラファイト粒子に吸着させることができる。その結果、点火に際してセラミック体の表面近傍において、グラファイト粒子が吸着した酸素を効果的に供給することができるので、気体燃料の点火を容易に行なうことができる。

本発明の実施形態の例のヒータを示す平面図である。 図１に示すヒータを発熱抵抗体が通る面で切った断面図である。

以下、本発明の実施形態の例のヒータについて図面を参照して説明する。

図１または図２に示すように、本発明の実施形態の例のヒータ１０は、内部に層構造を有するセラミック体１と、セラミック体１の層間に設けられた発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に接続された電極３とを備えている。ヒータ１０は、例えば自動車エンジンのグロープラグまたはガスレンジ等に用いることができる。

セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２が埋設された絶縁性の部材である。セラミック体１は、複数のセラミック層が積層されてなる。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。

セラミック体１は、例えば絶縁性セラミックス、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。

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Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合する。そして、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。

セラミック体１の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック体１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、セラミック体１の厚みを１〜６ｍｍ、幅を２〜４０ｍｍに設定できる。

発熱抵抗体２は、電圧が加えら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の層間に設けられている。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、例えば天然ガス等が挙げられる。

発熱抵抗体２は、両端がセラミック体１の一端側の側面に引き出されている。なお、図２においては、発熱抵抗体２はセラミック体１の側面に引き出されていないように見えるが、実際には紙面に対して垂直な方向に引き出されている。発熱抵抗体２は、断面の形状が、例えば折り返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２は、２つの平行な直線状部分と、外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって２つの直線部分を折り返して繋ぐ連結部分とを有している。発熱抵抗体２はセラミック体１の他端付近で折り返している。発熱抵抗体２の全長は、例えば１０〜５０ｍｍに設定される。

発熱抵抗体２は、セラミック体１の他端側において大きく発熱するように設計されている。具体的には、発熱抵抗体２はセラミック体１の他端側において一端側よりも厚みが薄くなるように形成されることによって、他端側における単位長さ当たりの抵抗が大きくなっている。

発熱抵抗体２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはチタン（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の熱膨張率とを近付けることができる。

電極３は、リード４と共に外部電源と発熱抵抗体２とを電気的に接続するための部材である。電極３は、セラミック体１の一端側のうち発熱抵抗体２の引き出された部分のそれぞれに設けられており、それぞれが発熱抵抗体２の端部に電気的に接続されている。電極３は、例えば、鉄にニッケルを配合した合金から成る。電極３は、ロウ付けすることによってセラミック体１に設けられる。また、電極３にはリード４が取り付けられている。リード４は、例えば、ニッケルまたは銅等から成る棒状の部材である。リード４は溶接によって電極３に接合されている。

本実施形態のヒータ１０は、セラミック体１の表面にグラファイト粒子５が分散して固着している。グラファイト粒子５は、球状の塊であって、大きさが例えば、１〜１００μｍ、好ましくは１５〜２５μｍ程度である。また、ヒータ１０の表面を見たときに、セラミック体１を構成するセラミック材料の粒子１０〜１００個に対してグラファイト粒子５が１個存在している程度の割合で、グラファイト粒子５は分散している。

本実施形態のヒータ１０は、セラミック体１の表面にグラファイト粒子５が分散して固着していることによって、酸素をグラファイト粒子５に吸着させることができる。その結果、点火に際してセラミック体１の表面近傍において、グラファイト粒子５が吸着した酸素を効率的に供給することができるので、気体燃料の点火を容易に行なうことができる。

これは以下の理由によるものであると考えられる。具体的には、ｓｐ^２の混成軌道を有するグラファイトは、表面を安定化させるために、表面のダングリングボンドと周囲の酸素原子との間で（−Ｃ−Ｏ−Ｃ−）結合を形成する。このときに、グラファイト粒子５が酸素を取り込むことになる。さらに、上記の結合を切断して酸素をグラファイト粒子５から離脱させるためには約５００℃以上の熱エネルギーが必要となるために、常温の環境下においては、安定して酸素原子を保持することができる。一方、気体燃料の点火を行なうために発熱抵抗体２を発熱させたときには、５００℃以上の熱エネルギーを与えることによって、保持した酸素原子を容易に取り出すことができる。これらの理由から、セラミック体１の表面にグラファイト粒子５を設けることによって、酸素を吸着しておくことができ、かつ、点火の際には酸素を取り出すことができる。その結果、気体燃料の点火を容易に行なうことができる。

さらに、グラファイト粒子５は、ヒータ１０の表面の温度が常温の場合には、周囲に酸素があれば容易に酸素を取り込んで再びダングリングボンドを形成する性質がある。そのため、ヒータ１０を繰り返し使用したとしても上記の効果を得ることができる。

また、グラファイト粒子５は、セラミック体１のうち電極３が設けられた一端側よりも他端側において多く固着している。一端側においてグラファイト粒子５を少なくしておくことによって、グラファイト粒子５を介して２つの電極３間でショートしてしまうおそれを低減できる。また、他端側においてグラファイト粒子５を多くしておくことによって、電極３から離れたところにおいて、点火を行ないやすくすることができる。そのため、電極３の耐久性を向上させることができる。

なお、図１に示すヒータのように、２つの電極３がセラミック体１の同一面上に設けられている場合には、セラミック体１の表面のうち２つの電極３の間の領域には、グラファイト粒子５が存在していないことが好ましい。これにより、グラファイト粒子５を介して２つの電極３間がショートしてしまうおそれを低減できる。セラミック体１のうち２つの電極３の間の領域においてグラファイト粒子５が存在しないようにするための方法として
は、例えば、セラミック体１の表面にグラファイト粒子５を設けてから、２つの電極３の間の領域に対してサンドブラスト等の処理を施してグラファイト粒子５を除去すればよい。

グラファイト粒子５は、以下の方法でセラミック体１に固着させることができる。まず、平均粒径２０μｍのグラファイト粒子を紙の上に付着させたシートを準備する。また、焼成後にセラミック体１となるグリーンシートの積層体を準備する。そして、積層体の表面のうちグラファイト粒子５を固着させたい部分にシートのうちグラファイト粒子５が付着している面が接するようにして、シートを積層体に密着させる。この状態でホットプレスによって焼成する。このとき、焼成前のセラミック体１のセラミック粒子の粒径よりもグラファイト粒子５の粒径を大きくしておくことによって、セラミック体１が焼結するのに合わせてグラファイト粒子５をセラミック体１の表面に固着させることができる。

これは、以下の理由によるものである。具体的には、焼成前のセラミック体１の表面の粒子間の隙間にグラファイト粒子５を入り込ませて、この状態で焼成を行なうと、グラファイト粒子５がセラミック体１に挟みこまれた状態で焼結する。そして、グラファイト粒子５とセラミック体１との熱膨張率の差から、グラファイト粒子５を保持するような力がセラミック体１に発生することになる。そのため、グラファイト５がセラミック体１から容易に外れることを防ぐことができる。このようにして、グラファイト粒子５をセラミック体１の表面に固着させることができる。

また、グラファイト粒子５を分散させておくことによって、グラファイト粒子５をセラミック体１の表面の全体に設ける場合と異なり、セラミック体１の表面において電流が流れてしまうことを抑制できる。具体的には、気体燃料を点火して燃焼させると炎の中にプラズマが形成されることになるが、このときにセラミック体１の表面の全体にグラファイト粒子５が設けられていると、グラファイト粒子５を介してヒータの表面にプラズマが広がることになる。この状態が長時間続くと、セラミック体１の表面がプラズマでエッチングされて、セラミック体１の表面に凹凸ができてしまうおそれがある。セラミック体１の表面に凹凸ができてしまうと、この凹凸を起点としてマイクロクラックが生じるおそれが高まり、ヒータ１０の長期信頼性が低下してしまうおそれがある。逆に、グラファイト粒子５を分散させて設けることによって、セラミック体１の表面にプラズマが広がることを抑制できるので、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

また、グラファイト粒子５は、亀裂を有することが好ましい。これにより、グラファイト粒子５の表面積を増やすことができるので、より多くの酸素を取り込みやすくすることができる。グラファイト粒子５に亀裂を設ける方法としては、例えば、ホットプレスによる焼成を行なう前に、あらかじめグラファイト粒子５に物理的に力を加えることによって亀裂を生じさせておけばよい。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：電極
４：リード
５：グラファイト粒子
１０：ヒータ

Claims (2)

1. セラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、前記セラミック体の表面にグラファイト粒子が分散して固着していることを特徴とするヒータ。
2. 前記セラミック体が棒状であって、該セラミック体の一端側に前記発熱抵抗体に接続された電極を有するとともに、前記グラファイト粒子が前記セラミック体の前記一端側よりも他端側において多く固着していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。

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