JP2018133167A

JP2018133167A - セラミックヒータ

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Publication number: JP2018133167A
Application number: JP2017024995A
Authority: JP
Inventors: 牧野　友亮; Tomosuke Makino; 友亮牧野; 直也中西; Naoya Nakanishi; 敦俊杉山; Atsutoshi Sugiyama
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: JP6845706B2

Abstract

【課題】筒状のセラミック基体とその外周に接合されるフランジとの芯ずれを抑制したセラミックヒータを提供する。【解決手段】発熱抵抗体４０が内部に埋設された、軸線Ｌ方向に延びる筒状のセラミック基体１３と、接合部材２０を介してセラミック基体の外周に接合され、環状又は有端環状のセラミック製のフランジ３０と、を備えるセラミックヒータ１１であって、接合部材に少なくとも一部が埋設された環状又は有端環状の金属部材５０を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、例えば温水洗浄便座、ファンヒータ、電気温水器、２４時間風呂、半田ごて、ヘアアイロン等に用いられるセラミックヒータに関する。

従来、例えば温水洗浄便座には、樹脂製の容器（熱交換器）を有する熱交換ユニットが用いられており、この熱交換ユニットには、熱交換器内に収容された洗浄水を暖めるために、長尺のパイプ状のセラミックヒータが配置されている。
このセラミックヒータとしては、円筒状のセラミック製碍管にヒータ配線を印刷したセラミックシートを巻き付け、一体焼成したものが用いられている。さらに、セラミックヒータ本体の外周にフランジがガラス等により接合され、フランジを介してセラミックヒータが熱交換器に固定されている（特許文献１参照）。
そして、熱交換器の内壁と、セラミックヒータの外周との隙間に流れる水がセラミックヒータで加熱される。

特開２００６−２３６６１７号公報

ところで、セラミックヒータ本体の軸心とフランジの軸心とがずれて（芯ずれして）取り付けられると、熱交換器の内壁とセラミックヒータとのクリアランスが狭くなる。このため、隙間を通る水の流れが滞り、水温が変動したり、局所的に水が一気に蒸発して泡が発生し、ヒータと樹脂製の熱交換器が接触すれば熱交換器が軟化し変形する虞がある。
そこで、本発明は、筒状のセラミック基体とその外周に接合されるフランジとの芯ずれを抑制したセラミックヒータの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体が内部に埋設された、軸線方向に延びる筒状のセラミック基体と、接合部材を介して前記セラミック基体の外周に接合され、環状又は有端環状のセラミック製のフランジと、を備えるセラミックヒータであって、前記接合部材に少なくとも一部が埋設された環状又は有端環状の金属部材を有することを特徴とする。

このセラミックヒータによれば、セラミック基体とフランジとの隙間を埋めるように両者の間に金属部材が配置されている。従って、セラミック基体にフランジを接合する際、予めセラミック基体とフランジとの隙間に金属部材を配置することで、当該隙間を埋めて芯ずれ（セラミック基体とフランジの軸心同士のずれ）を抑制することができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記金属部材は径方向外側に広がる複数の突起を有し、該突起が前記フランジの内周面に当接していてもよい。
このセラミックヒータによれば、フランジの内周面に当接した突起が、セラミック基体とフランジとの軸心が揃う（つまり、隙間が周方向でより均等になる）ように芯出しする力が働き、芯ずれをさらに抑制することができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記フランジの一方の面から内周面に向かい、径方向内側に向かって窄まる先細りのテーパ面を有し、前記金属部材が前記テーパ面及び前記セラミック基体の外周に当接していてもよい。
このセラミックヒータによれば、セラミック基体にフランジを接合する際、予めセラミック基体とフランジとの隙間に、テーパ面側から金属部材を配置し、テーパ面側に押圧すると、金属部材がテーパ面に沿ってテーパ面側へ移動し、セラミック基体の外周とテーパ面とに共に接したときに金属部材の移動が止まる。このとき、金属部材の軸心がフランジの軸心に丁度合うように芯出しする力が働き、セラミック基体とフランジの芯ずれをほぼ解消することができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記接合部材は、前記テーパ面の反対側にて前記セラミック基体と前記フランジと前記金属部材との間に介在してなってもよい。
このセラミックヒータによれば、金属部材のテーパ面よりも前記フランジの一方の面側に接合部材が介在せず、接合部材の使用量を削減できる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記金属部材は、全周の３/４以上の円弧をなす有端環状であってもよい。
このセラミックヒータによれば、金属部材が有端環状であるので径方向に撓み、セラミック基体とフランジとの隙間に配置し易い。また、金属部材が全周の３/４以上の円弧をなすことで、セラミック基体とフランジとの隙間のより多くの部位に金属部材が介在し、この隙間を確実に埋めることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記金属部材の線膨張係数が前記フランジの線膨張係数より大きくてもよい。
このセラミックヒータによれば、接合部材となる接合材料を加熱した際、金属部材が膨張してセラミック基体とフランジとの隙間をより埋めることができる、特に、金属部材が膨張してフランジの内周面に接触した場合には、セラミック基体とフランジが芯ずれしていても、これを矯正して芯出しする力を作用させることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記接合部材は、ガラス、エポキシ樹脂、又はロウ材からなってもよい。
これらの材料は、加熱することでセラミック基体とフランジとの隙間に容易に流動し、金属部材を埋設した状態で固化させることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記フランジは、アルミナからなってもよい。
この材料は、低コストであると共に、金属部材の線膨張係数よりもフランジの線膨張係数を確実に小さくすることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記金属部材は銅、ニッケル若しくはニッケル合金、チタン若しくはチタン合金、又はステンレスのいずれかからなってもよい。
これらの材料は、耐食性に優れると共に、接合部材としてガラスを用いた場合に溶融ガラスとの濡れ性に優れる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記接合部材のうち、前記軸線方向の最も先端側に位置する先端向き面上の点であって、前記軸線方向の最も後端側に近づく第１の点を通過する、前記軸線に垂直な仮想線Ａと、前記接合部材のうち、前記軸線方向の最も後端側に位置する後端向き面上の点であって、前記軸線方向の最も先端側に近づく第２の点を通過する、前記軸線に垂直な仮想線Ｂとの最短距離で表される前記接合部材の厚みＤ１が、前記フランジの最大厚みＤ２の１／２以上であってもよい。
このセラミックヒータによれば、接合部材がフランジの軸線方向の両面側を支持する部位のうち、厚みが薄くて強度が弱い厚みＤ１の部位を、Ｄ２の１／２以上に維持するので、セラミック基体にフランジを確実に接合できる。

この発明によれば、セラミックヒータにおける筒状のセラミック基体とその外周に接合されるフランジとの芯ずれを抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るセラミックヒータを示す正面図である。セラミックヒータのセラミックシートを示す展開図である。図１の軸線方向に沿う断面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。金属部材の外観を示す斜視図である。セラミック基体に金属部材を介してフランジを接合する方法を示す部分断面図である。本発明の第２の実施形態に係るセラミックヒータの軸線方向に沿う部分断面図である。本発明の第２の実施形態に係るセラミックヒータにおいて、セラミック基体に金属部材を介してフランジを接合する方法を示す部分断面図である。金属部材の変形例を示す部分断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係るセラミックヒータ１１を示す正面図、図２はセラミックヒータ１１のセラミックシート１９を示す展開図、図３は図１の軸線Ｌ方向に沿う断面図、図４は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は金属部材５０の外観を示す斜視図である。
本発明の第１の実施形態に係るセラミックヒータ１１は、例えば温水洗浄便座の熱交換ユニットの熱交換器において、洗浄水を温めるために用いることができる。

図１に示すように、セラミックヒータ１１は、発熱抵抗体４０が内部に埋設された筒状のセラミック基体１３と、接合部材２０を介してセラミック基体１３の外周に接合され、環状又は有端環状のセラミック製のフランジ３０と、環状又は有端環状の金属部材５０（図３参照）とを備える。
セラミック基体１３は、円筒状のセラミック製の支持体１７と、支持体１７の外周に巻きつけられたセラミックシート１９とを備え、支持体１７はその軸線Ｌ方向に貫通孔１７ｈを有してなる。そして、熱交換器にて、貫通孔１７ｈの内部に流れる水がセラミックヒータ１１で加熱され、さらに熱交換器の内壁と、セラミックヒータの外周との隙間の水もセラミックヒータ１１で加熱される。
支持体１７及びセラミックシート１９は例えばアルミナから形成することができる。なお、セラミックシート１９は支持体１７の外周を完全に覆わず、セラミックシート１９の巻合わせ部１９ａには、支持体１７の軸線Ｌ方向に沿って延びるスリット１３ｓが形成されている。

一方、図２に示すように、セラミックシート１９には、蛇行したパターン形状のヒータ配線からなる発熱抵抗体４０が印刷等で形成されている。発熱抵抗体４０のヒータ配線は、互いに軸線Ｌ方向に沿って延びる複数の配線部４０ａの両端が幅方向にも延び、隣接する配線部４０ａの端部に接続される形態をなす。そして、セラミックシート１９の幅方向両端の配線部４０ａが軸線Ｌ方向の一端でパッド状の内部端子４２に一体に接続されている。
そして、この内部端子４２は、図示しないビア導体等を介して、セラミックシート１９の外周面（図２の裏面）に形成された外部端子４３に電気的に接続されている。
発熱抵抗体４０及び内部端子４２は、例えばタングステンを主成分として形成することができる。

次に、図３〜図５を参照し、金属部材５０について説明する。
図５に示すように、金属部材５０は上面視Ｃ字状の有端環状をなし、周方向の一部が開口５０ｃを形成している。また、金属部材５０は、自身の外周面から径方向外側に広がる複数の突起５０ｐを、周方向に等間隔で４個有している。
なお、本実施形態では、金属部材５０はステンレス（ＳＵＳ３０４）板を環状に曲げて形成されると共に、軸方向の一端（図５では下端）をコ字状に切り欠いて切り欠き部５０ｄを設け、切り欠き部５０ｄの片を径方向外側に切り起こして突起５０ｐとしている。
そして、図３に示すように、金属部材５０は、自身の突起５０ｐがフランジ３０の内周面３０ｄに当接しつつ、接合部材２０に埋設されている。なお、フランジ３０の内周面３０ｄから軸線Ｌ方向の一端（図３では下端）に向かって段状に縮径するとともに、内周面３０ｄから軸線Ｌ方向の他端（図３では上端）に向かってテーパ状に拡径してテーパ部３０ａが形成されている。そして、接合部材２０となる接合材料２０ｘ（図６）を、セラミック基体１３とフランジ３０との隙間が広がったテーパ部３０ａ側から入れやすくなっている。

ここで、図４に示すように、金属部材５０は、セラミック基体１３とフランジ３０との隙間を埋めるように両者の間に配置されている。従って、セラミック基体１３にフランジ３０を接合する際、図６に示すように、予めセラミック基体１３とフランジ３０との隙間に金属部材５０を配置することで、当該隙間を埋めて芯ずれ（セラミック基体１３とフランジ３０の軸心同士のずれ）を抑制することができる。
そして、金属部材５０を配置した後、接合部材２０となる固形の接合材料２０ｘをセラミック基体１３とフランジ３０との隙間に（金属部材５０を覆って）挿入し、全体を加熱して接合材料２０ｘを溶融固化させる。これにより、金属部材５０が接合部材２０に埋設され、セラミック基体１３の外周にフランジ３０が接合される。

特に、本実施形態では、金属部材５０に複数の突起５０ｐを設け、この突起５０ｐをフランジ３０の内周面３０ｄに当接させるので、セラミック基体１３とフランジ３０との軸心が揃う（つまり、隙間Ｇ（図６参照）が周方向でより均等になる）ように芯出しする力が働き、芯ずれをさらに抑制することができる。

なお、図５に示すように、金属部材５０は、その周長５０Ｌが全周の３/４以上の円弧をなす有端環状であるとよい。有端環状であると、金属部材５０が径方向に撓むので、セラミック基体１３とフランジ３０との隙間に配置し易い。また、金属部材５０が全周の３/４以上の円弧をなすことで、セラミック基体１３とフランジ３０との隙間のより多くの部位に金属部材５０が介在し、この隙間を確実に埋めることができる。
また、金属部材５０の線膨張係数が、フランジ３０の線膨張係数より大きいとよい。これにより、接合部材２０となる接合材料２０ｘを加熱した際、金属部材５０が膨張してセラミック基体１３とフランジ３０との隙間をより埋めることができる、特に、金属部材５０が膨張してフランジ３０の内周面３０ｄに接触した場合には、セラミック基体１３とフランジ３０が芯ずれしていても、これを矯正して芯出しする力を作用させることができる。

このような観点から、金属部材５０を、銅、ニッケル若しくはニッケル合金、チタン若しくはチタン合金、又はステンレスのいずれかから形成するとよい。また、これらの材料は、耐食性に優れると共に、接合部材２０としてガラスを用いた場合に溶融ガラスとの濡れ性に優れる。
また、フランジ３０は、アルミナから形成するとよい。
また、接合部材２０は、ガラス、エポキシ樹脂、又はロウ材からなるとよい。
さらに、図３に示すように、接合部材２０のうち、軸線Ｌ方向の最も先端側に位置する先端向き面上の点であって、軸線Ｌ方向の最も後端側に近づく第１の点Ｐ１を通過する、軸線Ｌに垂直な仮想線Ａと、接合部材２０のうち、軸線Ｌ方向の最も後端側に位置する後端向き面上の点であって、軸線Ｌ方向の最も先端側に近づく第２の点Ｐ２を通過する、軸線Ｌに垂直な仮想線Ｂとの最短距離で表される厚みＤ１が、フランジ３０の最大厚みＤ２の１／２以上であると、セラミック基体１３にフランジ３０を確実に接合できる。
これは、Ｄ１は、接合部材２０がフランジ３０の軸線方向の両面側を支持する部位のうち、厚みが薄い箇所を表し、このＤ１がＤ２の１／２以上でないと接合強度を確保することが困難な場合があるからである。
又、第１の点Ｐ１をフランジ３０の両面を基準にしたときのＤ１をそれぞれ求め、そのうち最小の値をＤ１として採用する。図３の例では、フランジ３０の他の面（図３の上面）に臨む側から見ると第１の点はＰ２となるが、これを基準して求めたＤ１は、フランジ３０の一方の面（図３の下面）を基準した上述のＤ１と等しいから、いずれの値を採用してもよい。

セラミックヒータ１１は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、アルミナ等のセラミック粉末のスラリーから、支持体１７となる部材を押出成形し、仮焼成する。また、上記同様のスラリーから、セラミックシート１９となるグリーンシートを形成し、その表面に図２に示すような発熱抵抗体４０及び内部端子４２となる導電性ペーストを印刷して乾燥させる。そして、このグリーンシートの印刷面に他のグリーンシートを積層して押圧し、発熱抵抗体４０及び内部端子４２を両グリーンシートの間に埋設させる。さらに、両グリーンシートの積層体の片面に外部端子４３となる導電性ペーストを印刷して乾燥させる。
そして、両グリーンシートの積層体の反対面にセラミックペーストを塗布し、支持体１７に巻き付けて接着し、全体を焼成する。
また、アルミナ等のセラミック粉末を金型にて加圧成形し、焼成することによりフランジ３０を得る。

このようにして製造したセラミック基体１３及びフランジ３０を、図６に示すように金属部材５０を介して配置した後、接合部材２０となる固形の接合材料２０ｘ（ガラス）をセラミック基体１３とフランジ３０との隙間に配置してガラスの溶融温度以上に加熱し、セラミック基体１３の外周にフランジ３０を接合する。

次に、図７、図８を参照し、本発明の第２の実施形態に係るセラミックヒータについて説明する。なお、第２の実施形態に係るセラミックヒータは、フランジ３２及び金属部材５２の構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るセラミックヒータと同一であるので、同一構成部分の説明を省略する。また、第２の実施形態に係るセラミックヒータの全体構成は図１と略同一であるので、図７、図８はセラミックヒータの部分断面図として簡略にしている。

図７に示すように、フランジ３２の一方の面（図７の下面）から内周面に向かい、径方向内側に向かって窄まる先細りのテーパ面３２ｂが形成されている。また、フランジ３２の他の面（図７の上面）から内周面に向かい、径方向内側に向かって窄まる先細りのテーパ面３２ａが形成されている。
一方、金属部材５２は無端に繋がる断面円形のリングとなっている。
そして、金属部材５２がテーパ面３２ｂ及びセラミック基体１３の外周に当接している。また、接合部材２０は、テーパ面３２ｂの反対側にてセラミック基体１３とフランジ２と金属部材５２の間に介在してなる。つまり、金属部材５２の下面には接合部材２０が介在せず、金属部材５２の一部が接合部材２０に埋設されていることになる。
なお、金属部材５２をＣ字状の有端環状とした場合には、金属部材５２の切り欠き部から接合部材２０の溶融体が金属部材５２の下方まで流れ、金属部材５２の下部も接合部材２０に埋設されてもよい。

ここで、図８に示すように、セラミック基体１３にフランジ３２を接合する際、予めセラミック基体１３とフランジ３２との隙間に、テーパ面３２ｂ側から金属部材５２を配置し、治具１００等によりテーパ面３２ｂ側（上側）に所定の押圧力Ｆで押圧すると、金属部材５２がテーパ面３２ｂに沿って上方へ移動し、セラミック基体１３の外周とテーパ面３２ｂとに共に接したときに金属部材５２の移動が止まる。このとき、金属部材５２の軸心がフランジ３２の軸心に丁度合うように芯出しする力が働き、セラミック基体１３とフランジ３２の芯ずれをほぼ解消することができる。
そして、金属部材５２を配置した後、接合部材２０となる固形の接合材料２０ｘをセラミック基体１３とフランジ３２との隙間に（金属部材５２の上から）挿入し、全体を加熱して接合材料２０ｘを溶融固化させる。これにより、金属部材５２の上部が接合部材２０に埋設され、セラミック基体１３の外周にフランジ３２が接合される。
このように、第２の実施形態では、テーパ面３２ｂの作用により、セラミック基体１３とフランジ３２との隙間Ｇ（図８参照）が周方向でほぼ均等になる芯出し効果が働き、芯ずれをほぼ解消する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
金属部材の形状は限定されず、例えば図９に示すように、断面がＣ字状の金属板を環状に形成して径方向に撓む金属部材５４とし、セラミック基体１３とフランジ３４との隙間に密着するようにしてもよい。
フランジの形状も限定されない。

１１セラミックヒータ
１３セラミック基体
２０接合部材
３０、３２、３４フランジ
３０ｄフランジの内周面
３２ｂテーパ面
４０発熱抵抗体
５０、５２、５４金属部材
５０ｐ突起
Ｄ１接合部材の厚み
Ｄ２フランジの最大厚み
Ｌ軸線
Ｐ１第１の点
Ｐ２第２の点
Ａ，Ｂ仮想線

Claims

発熱抵抗体が内部に埋設された、軸線方向に延びる筒状のセラミック基体と、
接合部材を介して前記セラミック基体の外周に接合され、環状又は有端環状のセラミック製のフランジと、を備えるセラミックヒータであって、
前記接合部材に少なくとも一部が埋設された環状又は有端環状の金属部材を有することを特徴とするセラミックヒータ。
前記金属部材は径方向外側に広がる複数の突起を有し、該突起が前記フランジの内周面に当接している請求項１に記載のセラミックヒータ。
前記フランジの一方の面から内周面に向かい、径方向内側に向かって窄まる先細りのテーパ面を有し、前記金属部材が前記テーパ面及び前記セラミック基体の外周に当接している請求項１に記載のセラミックヒータ。
前記接合部材は、前記テーパ面の反対側にて前記セラミック基体と前記フランジと前記金属部材との間に介在してなる請求項３に記載のセラミックヒータ。
前記金属部材は、全周の３/４以上の円弧をなす有端環状である請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
前記金属部材の線膨張係数が前記フランジの線膨張係数より大きい請求項１〜５のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
前記接合部材は、ガラス、エポキシ樹脂、又はロウ材からなる請求項１〜６のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
前記フランジは、アルミナからなる請求項１〜７のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
前記金属部材は銅、ニッケル若しくはニッケル合金、チタン若しくはチタン合金、又はステンレスのいずれかからなる請求項１〜８のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
前記接合部材のうち、前記軸線方向の最も先端側に位置する先端向き面上の点であって、前記軸線方向の最も後端側に近づく第１の点を通過する、前記軸線に垂直な仮想線Ａと、前記接合部材のうち、前記軸線方向の最も後端側に位置する後端向き面上の点であって、前記軸線方向の最も先端側に近づく第２の点を通過する、前記軸線に垂直な仮想線Ｂとの最短距離で表される前記接合部材の厚みＤ１が、前記フランジの最大厚みＤ２の１／２以上である請求項１〜９のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。