JP2019160545A - セラミックヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】直流用と交流用の２つの発熱抵抗体を有し、直流通電によるヒータ特性の低下を抑制すると共にコンパクト化を図ったセラミックヒータを提供する。【解決手段】軸線Ｌ方向に延びる筒状のセラミック製の支持体と、支持体の外周に配置された発熱抵抗体４１，４２と、を少なくとも備えるセラミックヒータにおいて、発熱抵抗体として、外部の交流電源に接続される交流用発熱抵抗体４１と、外部の直流電源に接続される直流用発熱抵抗体４２と、を備え、軸線方向に垂直であって発熱抵抗体を含む断面で見たとき、交流用発熱抵抗体の両端をなす第１両端４１ｅが周方向に隣接して配置される。【選択図】図２

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。
図４に示すように、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１３０にヒータ配線回路となる発熱抵抗体４００を印刷したセラミックシート１９０を巻き付け、一体焼成したものが用いられている（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や、セラミック製碍管内に流れる水がセラミックヒータで加熱される。

ところで、断水時等にセラミックヒータが乾燥状態で加熱されると、セラミックシート１９０の巻合わせ部１９１を挟んで対向する発熱抵抗体４００の末端配線４０１、４０２間に電位差が生じて発熱し、この付近のセラミックシート１９０中に存在するガラス成分が溶融するおそれがある。この場合、セラミックシート１９０中のセラミック成分および配線インク成分がイオン化し、移動するマイグレーションＭが生じ、ヒータ特性が低下することがある。
そこで、特許文献１記載のヒータでは、巻合わせ部１９１を挟んで対向する末端配線４０１、４０２の寸法や、印加電圧等を規定して上記電位差を抑制している。

特開２０１７−１８３０７０号公報（図４、段落００２９、００３８）

ところで、特許文献１記載のヒータは交流で使用されるが、このヒータを直流で使用してもよいことが記載されている。ヒータを直流で使用する場合とは、例えば家庭用の発電装置（燃料電池、太陽光発電）等による直流発電からの電力供給が想定され、ヒータを交流で使用する場合とは、発電装置停止時の交流電源からの電力供給が想定される。
しかしながら、特許文献１記載のヒータを直流で使用すると、上述のマイグレーションが顕著になるおそれがある。これは、交流であれば、セラミックシート１９０中のセラミック成分および配線インク成分がイオン化しても、交流で逆極性に印加された際にイオンが反対方向に戻り、マイグレーションが低減する効果がある。一方、直流の場合、極性が一定であるので、イオンが戻る効果が生じず、マイグレーションが徐々に進行する。

つまり、ヒータに直流を印加する場合、発熱抵抗体となる回路を、マイグレーションが低減するように設計する必要がある。一方、１つの温水洗浄便座内に、直流用のヒータと交流用のヒータを別箇に配置することは、スペース上困難であり、コストアップにも繋がる。
そこで、本発明は、直流用と交流用の２つの発熱抵抗体を有し、直流通電によるヒータ特性の低下を抑制すると共にコンパクト化を図っ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、軸線方向に延びる筒状のセラミック製の支持体と、前記支持体の外周に配置された発熱抵抗体と、を少なくとも備えるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体として、外部の交流電源に接続される交流用発熱抵抗体と、外部の直流電源に接続される直流用発熱抵抗体と、を備え、前記軸線方向に垂直であって前記発熱抵抗体を含む断面で見たとき、前記交流用発熱抵抗体の両端をなす第１両端が周方向に隣接して配置されることを特徴とする。

このセラミックヒータによれば、断水時等にセラミックヒータが乾燥状態で加熱された際、直流用発熱抵抗体の両端をなす第２両端間に電位差が生じても、第２両端間の距離が第１両端によって遠ざけられる。従って、第２両端付近のセラミックシートの発熱が減少し、マイグレーションによるヒータ特性の低下を抑制することができる。又、第２両端間に第１両端が介在することによっても、マイグレーションが低減する。
さらに、直流用と交流用に２つのセラミックヒータを設置する必要がなく、ヒータのコンパクト化を図ると共にコストを低減できる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記支持体の外周に接して配置されるセラミックシートをさらに備え、前記発熱抵抗体は、前記セラミックシートに埋設されていてもよい。

本発明のセラミックヒータにおいて、通電時に、少なくとも前記直流用発熱抵抗体が６００℃以上に昇温するとなっていてもよい。
通電時に直流用発熱抵抗体が６００℃以上となる場合、マイグレーションがより発生し易くなるので、本発明がさらに有効となる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記直流用発熱抵抗体の両端をなす第２両端には、前記第１両端よりも高い電圧が印加されてもよい。
第２両端に第１両端よりも高い電圧が印加される場合も、マイグレーションがより発生し易くなるので、本発明がさらに有効となる。

この発明によれば、直流用と交流用の２つの発熱抵抗体を有し、直流通電によるヒータ特性の低下を抑制すると共にコンパクト化を図ったセラミックヒータが得られる。

本発明の実施形態に係るセラミックヒータ、及び電源装置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Ａ−Ａ線に沿う断面図である。 従来のセラミックヒータの発熱抵抗体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は本発明の実施形態に係るセラミックヒータ１１、及び電源装置１００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Ａ−Ａ線に沿う断面図である。
本発明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は電源装置１００に接続され、電源装置１００から供給される直流電力及び交流電力により発熱するようになっている。
まず、電源装置１００は、交流電源１０２及び直流電源１０４を備え、交流電源１０２及び直流電源１０４は電源制御部１０６によって通電制御されている。又、交流電源１０２からの交流電線１０２ａ、及び直流電源１０４からの直流電線１０４ａが、それぞれセラミックヒータ１１に接続されている。
なお、電源装置１００は温水洗浄便座に設置されている。

セラミックヒータ１１は、後述する交流用発熱抵抗体４１及び直流用発熱抵抗体４２が内部に埋設され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、を備える。
セラミック基体１３は、軸線Ｌ方向に延びる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（図３参照）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状の溝部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、それぞれ蛇行したパターン形状の複数のヒータ配線回路４１ａ、４２ａを有する交流用発熱抵抗体４１、直流用発熱抵抗体４２が印刷等で形成されている。
具体的には、交流用発熱抵抗体４１を構成するヒータ配線回路４１ａは、互いに軸線Ｌ方向に沿って延びる複数の配線の両端の折り返し部が幅方向に延び、隣接する配線の端部に接続される形態をなす。そして、ヒータ配線回路４１ａの周方向の両端をなす２つの第１両端４１ｅが、軸線Ｌ方向の一端でパッド状の２個の接続端子４１ｂにそれぞれ一体に接続されている。
同様に、直流用発熱抵抗体４２を構成するヒータ配線回路４２ａは、互いに軸線Ｌ方向に沿って延びる複数の配線の両端の折り返し部が幅方向に延び、隣接する配線の端部に接続される形態をなす。そして、ヒータ配線回路４２ａの周方向の両端をなす第２両端４２ｅが、軸線Ｌ方向の一端でパッド状の２個の接続端子４２ｂにそれぞれ一体に接続されている。

そして、２個の接続端子４１ｂは、図示しないビア導体等を介して、セラミックシート１９の外周面に形成された２個の外部端子４３にそれぞれ電気的に接続されている。
同様に、２個の接続端子４２ｂは、図示しないビア導体等を介して、セラミックシート１９の外周面に形成された２個の外部端子４４にそれぞれ電気的に接続されている。
さらに、外部端子４３が交流電線１０２ａに接続されることにより、交流用発熱抵抗体４１に交流電流が流れる。又、図示しない外部端子４４が直流電線１０４ａに接続されることにより、直流用発熱抵抗体４２に直流電流が流れる。
交流用発熱抵抗体４１、直流用発熱抵抗体４２（接続端子４１ｂ、４２ｂ含む）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。

ここで、図２、図３に示すように、軸線Ｌ方向に垂直であって発熱抵抗体を含む断面で見たとき、２つの第１両端４１ｅが周方向に隣接して配置される。詳細には、２つの第１両端４１ｅが溝部１３ｓを挟んで対向すると共に、２つの第２両端４２ｅのそれぞれが、周方向に第１両端４１ｅよりも溝部１３ｓの反対側の（溝部１３ｓと遠ざかる）位置で対向する。
つまり、直流用発熱抵抗体４２を交流用発熱抵抗体４１と別箇に設け、その第２両端４２ｅと溝部１３ｓの間に第１両端４１ｅを配置する。
これにより、断水時等にセラミックヒータ１１が乾燥状態で加熱された際、第２両端４２ｅ間に電位差が生じても、第２両端４２ｅ間の距離が第１両端４１ｅによって遠ざけられる。従って、第２両端４２ｅ付近のセラミックシート１９の発熱が減少し、マイグレーションによるヒータ特性の低下を抑制することができる。又、第２両端４２ｅ間に第１両端４１ｅが介在することによっても、マイグレーションが低減する。
さらに、直流用と交流用に２つのセラミックヒータを設置する必要がなく、ヒータのコンパクト化を図ると共にコストを低減できる。
なお、交流が印加される交流用発熱抵抗体４１では、第１両端４１ｅ間で極性が交互に変化するので、第１両端４１ｅ間が近接してもマイグレーションの発生は少ない。

なお、図３に示すように、セラミックシート１９は有端環状をなし、支持体１７の外周に接して配置されている。又、セラミックヒータ１１がセラミックシート１９と支持体１７とを有する（つまり、セラミックシート１９と支持体１７とが区別できない一体物とは異なる）ことは、図３の断面で、セラミックシート１９と支持体１７との間に境界が観察されることからわかる。
又、図２に示すように、２つの第２両端４２ｅのそれぞれが、周方向に第１両端４１ｅよりも溝部１３ｓの反対側の位置で対向するためには、ヒータ配線回路４２ａがヒータ配線回路４１ａよりも内側に配置されている必要がある。但し、接続端子４２ｂは接続端子４１ｂと重ならければその位置は問わない。

通電時に、少なくとも直流用発熱抵抗体４２が６００℃以上となる場合、マイグレーションがより発生し易くなるので、本発明がさらに有効となる。
又、第２両端４２ｅに第１両端４１ｅよりも高い電圧が印加される場合も、マイグレーションがより発生し易くなるので、本発明がさらに有効となる。例えば、第２両端４２ｅに４００Ｖ程度の直流電圧を印加し、第１両端４１ｅに１００Ｖ程度の交流電圧を印加することができる。

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に示すような交流用発熱抵抗体４１、直流用発熱抵抗体４２となる上記メタライズインク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、交流用発熱抵抗体４１、直流用発熱抵抗体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ビアを設けてビア導体を充填し、直上に外部端子４３、４４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、接合部材２０となる固形の接合材料２０（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。

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。
交流用発熱抵抗体４１、直流用発熱抵抗体４２の形状は限定されない。
抵抗体インクの材質も限定されない。

１１ セラミックヒータ
１７ 支持体
１９ セラミックシート
４１ 発熱抵抗体（交流用発熱抵抗体）
４１ｅ 第１両端
４２ 発熱抵抗体（直流用発熱抵抗体）
４２ｅ 第２両端
１０２ 交流電源
１０４ 直流電源
Ｌ 軸線

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる筒状のセラミック製の支持体と、前記支持体の外周に配置された発熱抵抗体と、を少なくとも備えるセラミックヒータにおいて、
   前記発熱抵抗体として、外部の交流電源に接続される交流用発熱抵抗体と、外部の直流電源に接続される直流用発熱抵抗体と、を備え、
   前記軸線方向に垂直であって前記発熱抵抗体を含む断面で見たとき、
   前記交流用発熱抵抗体の両端をなす第１両端が周方向に隣接して配置されることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記セラミックヒータは、前記支持体の外周に接して配置されるセラミックシートをさらに備え、
   前記発熱抵抗体は、前記セラミックシートに埋設されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 通電時に、少なくとも前記直流用発熱抵抗体が６００℃以上となることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
4. 前記直流用発熱抵抗体の両端をなす第２両端には、前記第１両端よりも高い電圧が印加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。

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