JP2016072201A

JP2016072201A - ヒータ

Info

Publication number: JP2016072201A
Application number: JP2014203819A
Authority: JP
Inventors: 健太郎奥本; Kentaro Okumoto
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: JP6386859B2

Abstract

【課題】溝部を起点とするクラックの発生を低減する。
【解決手段】本発明のヒータ１０は、外周面に長さ方向に沿った溝部１１を有する柱状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１のうち発熱抵抗体２が設けられた部分が挿入された金属筒３と、セラミック体１の外周面および金属筒の内周面の間に充填された金属材料から成る充填剤４とを備え、溝部１１において、セラミック体１と充填剤４との間に空隙部４１を有している。これにより、溝部１１に熱応力が集中することを低減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。

液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータとして、例えば特許文献１に開示されたヒータ装置が知られている。特許文献１に開示されたヒータ装置は、金属製ケースと、金属製ケースに挿入されたセラミックヒータと、金属製ケースの内面とセラミックヒータの表面との間に鋳込みによって形成された金属層とを備えている。

また、セラミックヒータとして、例えば特許文献２に開示されたセラミックヒータが知られている。特許文献２に開示されたセラミックヒータは、セラミックヒータの長さ方向に沿った溝部を有している。

特開平９−２２７７４号公報特開２００１−２５７０６２号公報

特許文献１に開示されたヒータ装置に用いられるセラミックヒータとして、特許文献２に開示されたセラミックヒータを用いた場合には、ヒータ装置の長期信頼性を向上させることが困難であった。具体的には、鋳込みによって金属層を形成する際に、セラミックヒータの溝部に金属層が入り込む場合がある。この状態で、ヒータ装置を使用すると、溝部の内部に位置する金属層と溝部との間で大きな熱応力が発生するおそれがあった。その結果、セラミックヒータにおいて溝部を起点とするクラックが発生してしまうおそれがあった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータ装置において長期信頼性を向上することにある。

本発明の一態様のヒータは、外周面に長さ方向に沿った溝部を有する柱状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体のうち前記発熱抵抗体が設けられた部分が挿入された金属筒と、前記セラミック体の外周面および前記金属筒の内周面の間に充填された金属材料から成る充填剤とを備え、前記溝部において、前記セラミック体と前記充填剤との間に空隙部を有していることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、ヒータの長期信頼性を向上させることができる。

本発明のヒータの一実施形態を示す断面図である。本発明のヒータのうちセラミック体を示す斜視図である。本発明のヒータのうちセラミック体の溝部近傍を示す部分断面図である。

本発明の一実施形態のヒータ１０について詳細に説明する。

図１は、本発明のヒータ１０の実施形態の一例を示す断面図である。図１に示すように、このヒータ１０は、柱状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１のうち発熱抵抗体２が設けられた部分が挿入された金属筒３と、セラミック体１の外周面および金属筒３の内周面の間に充填された金属材料から成る充填剤４とを備えている。

セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するために設けられる部材である。セラミック体１の形状は、柱状または筒状である。柱状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう柱状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、セラミック体１は円柱状である。

セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。熱伝導率に優れるという観点からは窒化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、窒化アルミニウムを用いる場合には、セラミック体１の熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高くできるので、セラミック体１の内部に形成した発熱抵抗体２で発生した熱を充填剤４に効率良く伝えることができる。したがって、ヒータ１０の急速昇温が可能となる。また、製造のしやすさの観点からはアルミナを用いることが好ましい。セラミック体１が円柱状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに設定することができる。また、セラミック体１が板状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを８０ｍｍに、幅を５０ｍｍに、厚みを２ｍｍに設定することができる。セラミック体１が円筒状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに、内径を１４ｍｍに設定することができる。

図２に示すように、セラミック体１は外周面に長さ方向に沿った溝部１１を有している。本実施形態においては、セラミック体１の一方の端から他方の端にかけて溝部１１が設けられている。図３に示すように、溝部１１の断面形状は、例えば、底面１２が円弧状になるように形成される。このような場合の溝部１１の寸法は、例えば、深さを０．２〜０．８ｍｍ程度、幅を０．４〜２．４ｍｍ程度に設定できる。

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する抵抗体である。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック体１に埋設されている。本実施形態のヒータ１０における発熱抵抗体２は折り返し形状を有している。発熱抵抗体２の両端部は引出電極２１に接続されている。引出電極２１は、セラミック体１の一方の端部へと引き出されており、端部においてセラミック体１の外周面に引き出されている。本実施形態においては、引出電極２１はセラミック体１のうち金属筒３よりも外側に位置している部分で外部に引き出されている。

本実施形態においては、発熱抵抗体２の折り返し部がセラミック体１の他方の端部に設けられている。すなわち、引出電極２１は、セラミック体１のうち発熱抵抗体２の折り返し部とは反対側の領域に設けられている。発熱抵抗体２の両端部は、引出電極２１を介して、セラミック体１の外周面に設けられた電極層６に電気的に接続されている。

発熱抵抗体２は金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデ
ンまたはレニウム等が挙げられる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を１ｍｍに、全長を３０００ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。引出電極２１は、発熱抵抗体２と同じ金属材料を用いて、発熱抵抗体２と同時に形成することができる。また、引出電極２１は、発熱抵抗体２とは異なる材料を用いて別々に形成することもできる。

電極層６はセラミック体１の表面に形成されている。本実施形態においては、電極層６はセラミック体１のうち金属筒３よりも外側に位置している部分に形成されている。電極層６は、セラミック体１が円柱状または角柱状の形状の場合にはその外周面に形成される。一方、セラミック体１が円筒状や角筒状の形状の場合には、その内周面にも形成することができる。この場合には、電極層６をセラミック体１のうち金属筒３の内側に位置している部分に形成することもできる。さらに、金属筒３の内側において、引出電極２１をセラミック体１の外周面に引き出すこともできる。電極層６は金属材料からなる。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。電極層６の寸法は、例えば長さを９ｍｍに、幅を５ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。

金属筒３は、被加熱物に接触させて用いられる部材である。金属筒３は、筒状の部材である。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、金属筒３は底部を有する円筒状である。本実施形態のヒータ１０においては、金属筒３には、セラミック体１のうち少なくとも、発熱抵抗体２が形成された部分の全体が挿入されている。すなわち、金属筒３の内径はセラミック体１の外径よりも大きく、金属筒３の内周面とセラミック体１の外周面との間には、充填剤４を充填することができる程度の隙間が形成されている。また、本実施形態においては、金属筒３の底部とセラミック体１との間にも隙間が形成されている。金属筒３の底部とセラミック体１との間にも充填剤４を充填することによって、セラミック体１から充填剤４を介して金属筒３へと伝わる熱の偏りを低減できる。そのため、金属筒３の表面における均熱性を向上できる。

金属筒３は、金属材料からなる。金属材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅、青銅またはチタン等が挙げられる。軽量化の観点からは、金属材料としては、アルミニウムを用いることが好ましい。また、耐腐食性の観点からは、金属材料としては、チタンを用いることが好ましい。特に加工性、耐久性および耐熱性の点から、ステンレスを用いることが好ましい。ステンレスを用いる場合には、金属筒３の熱伝導率は、例えば１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度になる。金属筒３が円筒状の場合には、金属筒３の寸法は、例えば長さを１２０ｍｍに、外径を２５ｍｍに、内径を２３ｍｍに設定することができる。

金属筒３は、切削加工または鋳込み成形等の方法で作製することができる。金属筒３の表面には、所望により、被加熱物への伝熱性を向上するための凹凸または放熱フィンを設けることができる。凹凸を設ける場合には、金属筒３の表面に切削加工をすることによって凹凸を形成することができる。また、放熱フィンを設ける場合には、切削加工、溶接または鋳込み成形等によって放熱フィンを形成することができる。

充填剤４はセラミック体１と金属筒３との間の熱伝導を良好にするための部材である。充填剤４はセラミック体１の外周面および金属筒３の内周面の間に充填されている。充填剤４はセラミック体１のうち少なくとも発熱抵抗体２が設けられた部分を覆うように充填されている。充填剤４としては、例えば、アルミニウム、亜鉛、錫等の金属に銅、マグネシウムおよびケイ素等を添加したものを鋳込みで充填したものを用いることができる。金属粉を充填した場合と比べて、充填率が高く、熱伝導性に優れるため、金属筒３の外周面の温度上昇にかかる時間を短くできる。

図３に示すように、本実施形態のヒータ１０は、溝部１１において、セラミック体１と
充填剤４との間に空隙部４１を有している。これにより、ヒータ１０を使用した際に充填剤４が大きく熱膨張したとしても、充填剤４が空隙部４１を埋めるように熱膨張することができるので、溝部１１と充填剤４との間で発生する熱応力を低減できる。そのため、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

さらに、壁面１３と底面１２とが連続する部分に空隙部４１を有していることが好ましい。より詳しくは、本実施形態においては、壁面１３と底面１２とが連続する部分が角部になっており、この角部に空隙部４１を有している。これにより、溝部１１のうち特に熱応力が集中しやすい壁面１３と底面１２との間の部分に生じる熱応力を低減できる。そのため、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。溝部１１の深さが０．４ｍｍ、幅が０．８ｍｍの場合には、例えば、空隙部４１が壁面１３および底面１２の境界から見て、壁面１３および底面１２それぞれの方向に沿って０．０５ｍｍ以上の長さを有していることが好ましい。なお、本実施形態においては、壁面１３と底面１２とが連続する部分の形状が角部であったが、これに限られない。具体的には、壁面１３と底面１２とが連続する部分が緩やかな曲線であってもよい。

さらに、空隙部４１が溝部１１の長さ方向に延びていることが好ましい。これにより、溝部１１の長さ方向における溝部１１近傍の均熱性を高めることができる。これにより、溝部１１のうち特定の部位において熱応力が集中するおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。さらに、空隙部４１は溝部１１の長さ方向における全体に形成されていることが好ましい。これにより、熱応力の集中をさらに低減することができる。

さらに、空隙部４１が壁面１３および底面１２に沿って広がっていることが好ましい。言い換えると、溝部１１のうち壁面１３および底面１２に沿った部分以外には充填剤４が入り込んでいる。これにより、溝部１１における熱応力の発生を低減しつつも、セラミック体１から金属筒３への熱の伝達を良好に行なうことができる。

さらに、充填剤４の熱膨張率が金属筒３の熱膨張率よりも高いことが好ましい。これにより、充填剤４と金属筒３との密着性を向上できる。これにより、セラミック体１から金属筒３への熱の伝達を良好に行なうことができる。

セラミック体１としてアルミナを、充填剤４として錫合金を、金属筒３としてステンレスを用いた場合には、セラミック体１の熱膨張率を７×１０^６／ｐｐｍに、充填剤４の熱膨張率を２０×１０^６／ｐｐｍに、金属筒３の熱膨張率を１６×１０^６／ｐｐｍにすることができる。

さらに、溝部１１において、壁面１３のうち開口側の端部に空隙部４１を有していることが好ましい。開口側の端部はセラミック体１の外周面と溝部１１の壁面１３とによって角部が形成されていることから、ヒートサイクル下において熱応力が集中しやすい傾向にある。この開口側の端部に空隙部４１を設けておくことによって、角部に生じる熱応力を低減できる。なお、本実施形態においては、空隙部４１が溝部１１の底面１２および壁面１３から開口部の端部にかけて設けられているが、これに限られない。具体的には、空隙部４１が、底面１２に設けられておらず、開口部の端部にのみ設けられていてもよい。

接合材７は、電極層６上にリード端子５を取り付けるために用いられる。接合材７は、導電性の材料で、給電のためのリード端子５を固定できるだけの接着力と、温度変化に耐え得る耐久性とを有するものが選択される。このような材料として、例えば導電性接着剤、半田またはろう材等を用いることができる。耐熱性に優れるという観点からは、接合材
７としては銀および銅からなるろう材を用いることが望ましい。

リード端子５は電極層６に電流を流すためまたは電流を取り出すための部材である。リード端子５としては、ニッケルまたは銅の金属からなる線材または板材を用いることができる。リード端子５は、電極層６の表面上に接合材７を用いて取り付けることができる。リード端子５が線材の場合には、単線またはより線を用いることができる。線材または板材の材質や形状は、ヒータ１０の使用時の電流値を考慮して決定される。

封止材８は、セラミック体１が挿入される金属筒３の開口部において生じるセラミック体１と金属筒３との隙間を埋めるように充填される。封止材８は、充填剤４を外気から遮断するために設けられる。封止材８は、例えばシリコーンもしくはエポキシ等の接着剤、アルミナ等のセラミックス粉体と無機ポリマーを混合した無機系の接着剤またはセメント等を用いることができる。温度変化に対応するために必要である適度な弾性および耐熱性を有するという点からは、シリコーンから成る接着剤を用いることが望ましい。封止材８を設けることによって、充填剤４を外気から遮断し、外気による充填剤４の腐食を抑制できるので、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

上述の実施形態においては、セラミック体１の一部が金属筒３の外部に位置していたが、これに限られない。具体的には、セラミック体１の全体が金属筒３の内部に位置していてもよい。このような場合には、電極層６およびリード端子５を絶縁性のシートで覆うことによって、充填剤４との間の絶縁性を確保すればよい。これにより、充填剤４を介して漏電が起きてしまうおそれを低減できる。

本実施の形態のヒータ１０の製造方法について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。

そして、このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体２となる所定のパターンを形成する。発熱抵抗体２の形成方法としてはスクリーン印刷法、転写法、抵抗体埋設法、その他の方法として金属箔をエッチング法などにより形成する方法またはニクロム線をコイル状に形成して埋設する方法等があるが、製造コストおよび品質面での安定性を考慮すると、スクリーン印刷法を用いることが望ましい。また、引出電極２１は、発熱抵抗体２と同時に一体的に形成することができる。

セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２を形成する面とは反対側の面に、電極層６となる所定のパターンを発熱抵抗体２の形成の場合と同様に形成する。また、セラミックグリーンシートのそれぞれ異なる面に形成される発熱抵抗体２と電極層６とを電気的に接続するために、セラミックグリーンシートに孔を空けてスルーホール導体となる導体ペーストを充填する。

発熱抵抗体２、電極層６およびスルーホール導体を形成するための材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とする導電ペーストを用いることができる。

一方、押出成形にて円柱状のアルミナ質セラミック成形体を成形する。そして、この円柱状のアルミナ質セラミック成形体に前述のアルミナ質セラミックグリーンシートを巻き付け、同一の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布して密着させることで、セラミック体１となるアルミナ質一体成形体を得ることができる。

こうして得られたアルミナ質一体成形体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中（窒素雰囲気）で焼成することで、アルミナ質一体焼結体（セラミック体１）を作製することができる。

以上のようにして、円柱状のセラミック体１を得ることができる。そして、セラミック体１のうちアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけた際に形成された溝部１１の底面１２および壁面１３に、充填剤４が溝部１１に濡れにくくなるための薬剤を塗布する。具体的には、充填剤４として、錫合金等の金属材料を用いた場合には、窒化ホウ素系の薬剤を塗布しておくことが好ましい。これにより、充填剤４を充填したときに、溝部１１の底面１２および壁面１３に沿った空隙部４１を形成することができる。

そして、このセラミック体１を同径方向の隙間が均等になるように金属筒３内に挿入する。セラミック体１を挿入する金属筒３の材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、青銅またはチタン等を用途に応じて選択できる。このセラミック体１と金属筒３との隙間に充填剤４として錫合金を鋳込みで流し込む。このとき、セラミック体１の外周面と金属筒３の内周面との間に充填剤４が行き渡ることになるが、溝部１１の壁面１３および底面１２においては窒化ホウ素系の薬剤が塗布してあることから、充填剤４が溝部１１の底面１２および壁面１３に濡れにくくなる。その結果、溝部１１の底面１２および壁面１３に沿った空隙部４１を形成することができる。

また、セラミック体１が挿入される金属筒３の開口部を閉じるように封止材８が充填される。封止材８は、例えばシリコーンもしくはエポキシ等の接着剤、アルミナ等のセラミック粉体と無機ポリマーとを混合した無機系の接着剤またはセメント等を用いることができる。温度変化に対応する適度な弾性および耐熱性を有するという点からは、シリコーン接着剤を用いることが望ましい。

以上のようにして、本発明のヒータ１０を得ることができる。

溝部１１に形成された空隙部４１を確認する方法としては、以下の方法が挙げられる。具体的には、冶具にヒータ１０を挟み回転させながらＸ線ＣＴで撮影を行ない、これを画像処理して３次元化する。この３次元化した画像を確認することによって空隙の有無を確認できる。

１：セラミック体
１１：溝部
２：発熱抵抗体
２１：引出電極
３：金属筒
４：充填剤
４１：空隙部
５：リード端子
６：電極層
７：接合材
８：封止材
１０：ヒータ

Claims

外周面に長さ方向に沿った溝部を有する柱状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体のうち前記発熱抵抗体が設けられた部分が挿入された金属筒と、前記セラミック体の外周面および前記金属筒の内周面の間に充填された金属材料から成る充填剤とを備え、前記溝部において、前記セラミック体と前記充填剤との間に空隙部を有していることを特徴とするヒータ。
前記溝部において、壁面と底面とが連続する部分に前記空隙部を有していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記空隙部が前記溝部の長さ方向に延びていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記空隙部が前記壁面および前記底面に沿って広がっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒータ。
前記充填剤の熱膨張率が前記金属筒の熱膨張率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
前記溝部において、壁面のうち開口側の端部に前記空隙部を有していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。