JP2025143753A - セラミックヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】強度に優れたセラミックヒータを提供する。
【解決手段】軸線Ｏ方向に延びる柱状のセラミック製の支持体１７と、支持体の先端側の外周に巻き付けられ、発熱抵抗体４０が埋設されたセラミックシート１９と、を有するセラミック体１３と、ガラスを主体とし、セラミック体の表面を被覆するように構成されたコート層５０と、を備えたセラミックヒータ１１であって、コート層は、セラミックシートのうち発熱抵抗体が埋設された領域Ｒ１を少なくとも覆うように構成され、コート層の厚みをｔとし、コート層のうちセラミック体との界面から０．１×ｔの厚み部分をＡ領域５１とし、コート層のうち最表面から０．１×ｔの厚み部分をＢ領域５３としたとき、セラミック体の熱膨張係数Ｃ１＞Ａ領域の熱膨張係数Ｃ２＞Ｂ領域の熱膨張係数Ｃ３の関係を満たす。
【選択図】図４

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、発熱抵抗体となるヒータ配線回路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。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。
また、セラミックヒータの外面にガラス製の平滑なコート層を被覆し、セラミックヒータ表面へのスケールの付着を抑制した技術が報告されている（特許文献１参照）。

特開2018-92880号公報

ところで、セラミックヒータはシーズヒータ等に比べて液体を急速加熱できるが、加熱したヒータ表面に冷たい液体が局所的に接触する熱衝撃や、物理的（機械的）衝撃によりヒータが破損するおそれがある。

そこで、本発明は、強度に優れ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、軸線方向に延びる柱状のセラミック製の支持体と、前記支持体の先端側の外周に巻き付けられ、発熱抵抗体が埋設されたセラミックシートと、を有するセラミック体と、ガラスを主体とし、前記セラミック体の表面を被覆するように構成されたコート層と、を備えたセラミックヒータであって、前記コート層は、前記セラミックシートのうち前記発熱抵抗体が埋設された領域Ｒ１を少なくとも覆うように構成され、前記コート層の厚みをｔとし、前記コート層のうち前記セラミック体との界面から０．１×ｔの厚み部分をＡ領域とし、前記コート層のうち最表面から０．１×ｔの厚み部分をＢ領域としたとき、前記セラミック体の熱膨張係数Ｃ１＞前記Ａ領域の熱膨張係数Ｃ２＞前記Ｂ領域の熱膨張係数Ｃ３の関係を満たすことを特徴とする。

このセラミックヒータによれば、セラミック体、Ａ領域及びＢ領域のうち、最表面に位置して最も熱膨張係数が小さいＢ領域に圧縮応力が残存するので、Ｂ領域の強度が向上する。
これにより、セラミック体の外面を覆うＢ領域に対し、熱衝撃や機械的衝撃が加わっても、これら衝撃に耐えてセラミックヒータの破損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、前記コート層は、前記領域Ｒ１に繋がりつつ、前記セラミック体の先端向き面を覆ってもよい。
このセラミックヒータによれば、セラミック体の先端向き面の熱衝撃や機械的衝撃にも耐えることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記セラミック体は筒状であり、前記コート層は、前記セラミック体の先端向き面に繋がりつつ、前記支持体の内面の少なくとも一部を覆ってもよい。
このセラミックヒータによれば、支持体の内面の熱衝撃や機械的衝撃にも耐えることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記Ａ領域のガラス転移点Ｔ２＞前記Ｂ領域のガラス転移点Ｔ３の関係を満たしてもよい。
このセラミックヒータによれば、ガラス転移点の高いＡ領域を形成して焼成した後、Ａ領域の上にガラス転移点の低いＢ領域を形成して焼成することができる。

本発明のセラミックヒータは流体加熱用であってもよい。
このセラミックヒータによれば、加熱したヒータ表面に冷たい流体が局所的に接触する熱衝撃が生じやすい流体加熱時に本発明を有効に適用できる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記Ｂ領域のアルカリ金属酸化物含有量が５．４１ｗｔ％以下であってもよい。
このセラミックヒータによれば、セラミックヒータの加熱対象として硬水を加熱した時の、コート層からガラス成分の溶出を軽減することができ、セラミックヒータの寿命を延長できる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記Ｂ領域のアルミナ含有量が１０ｗｔ％以下であってもよい。
このセラミックヒータによれば、Ｂ領域の表面ゼータ電位のプラス値が低減するので、表面ゼータ電位がマイナスである硬水中の炭酸カルシウムとの吸着を軽減し、コート層へのスケールの付着を抑制できる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記コート層の厚み方向に前記Ａ領域と前記Ｂ領域との間に、中間領域が存在し、前記中間領域の熱膨張係数Ｃ４は、Ｃ２＞Ｃ４＞Ｃ３の関係を満たしてもよい。
このセラミックヒータによれば、Ａ領域とＢ領域との間が厚み方向に傾斜組成となって、Ａ－Ｂ領域の間に、組成、ひいては熱膨張が傾斜して変化する中間領域を形成した場合も含めることができる。

この発明によれば、強度に優れ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を示す部分断面図である。 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２に含まれるヒータ配線回路を簡略に示す展開図である。 コート層近傍の部分断面図である。

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を示す部分断面図、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２に含まれるヒータ配線回路４０ａ、４０ｂを簡略に示す展開図である。
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、発熱抵抗体４０が内部に埋設された筒状の基体（セラミック体）１３と、接合部材２０を介してセラミック体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、コート層５０と、を備える。
セラミック体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Ｏ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。
なお、「柱状」の支持体とは、中実だけでなく、上記した筒状も含まれる。

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Ｏ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複数のヒータ配線回路４０ａ、４０ｂ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の各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂは、互いに軸線Ｏ方向に沿って延びる複数の配線部４０Ｌ（図３の上図参照）の両端の折り返し部４０ｍが幅方向に延び、隣接する配線部４０Ｌの端部に接続される形態をなす。そして、各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂの両末端の配線部が軸線Ｏ方向の一端でパッド状の３個の接続端子４１、４２ａ、４２ｂに一体に接続されている。

具体的には、図３に示すように、ヒータ配線回路４０ａの両端の配線部４０Ｌ１，４０Ｌ２は、それぞれ共通グランドとなる接続端子４１と、プラス側の接続端子４２ａとに接続されている。同様に、ヒータ配線回路４０ｂの両端の配線部４０Ｌ３，４０Ｌ４は、それぞれは、接続端子４１と、プラス側の接続端子４２ｂとに接続されている。
そして、この接続端子４１、４２ａ、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（図２の裏面）に形成された３個の（図１では２個のみ表示）外部端子４３にそれぞれ電気的に接続されている。
発熱抵抗体４０及び接続端子４１、４２ａ、４２ｂ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。

なお、セラミックシート１９のヒータ配線回路４０ａ、４０ｂ側に、図示しない別のセラミックシートを積層し、支持体１７の外面側にこれら積層シートを巻き付け、全体を焼成することで、セラミックシート１９に発熱抵抗体４０が埋設された形態となる。
また、ヒータ配線回路の構成は限定されず、例えばヒータ配線回路が１つからなり、１対の接続端子を有する形態でもよい。

次に、図１、図４を参照し、発熱抵抗体４０（各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂ）について説明する。図４はコート層５０近傍の部分断面図である。
図４に示すように、コート層５０はガラスを主体とし、セラミック体１３（セラミックシート１９）の表面を被覆している。また、コート層５０は、セラミックシート１９のうち発熱抵抗体４０が埋設された領域Ｒ１を少なくとも覆っている。

ここで、図４に示すように、コート層５０の厚みをｔとし、コート層５０のうちセラミック体１３との界面から０．１×ｔの厚み部分をＡ領域５１とし、コート層５０のうち最表面から０．１×ｔの厚み部分をＢ領域５３とする。
このとき、セラミック体１３の熱膨張係数Ｃ１＞Ａ領域５１の熱膨張係数Ｃ２＞Ｂ領域５３の熱膨張係数Ｃ３の関係を満たす。

このようにすると、セラミック体１３、Ａ領域５１及びＢ領域５３のうち、最表面に位置して最も熱膨張係数が小さいＢ領域５３に圧縮応力が残存するので、Ｂ領域５３の強度が向上する。
これにより、セラミック体１３の外面を覆うＢ領域５３に対し、熱衝撃や機械的衝撃が加わっても、これら衝撃に耐えてセラミックヒータ１１の破損を抑制することができる。

コート層５０としては、例えばホウ珪酸ガラス、珪酸系ガラスを使用することができる。

また、図１に示すように、本例では、コート層５０は領域Ｒ１に繋がりつつ、セラミック体１３の先端向き面を覆っている。
このようにすると、セラミック体１３の先端向き面の熱衝撃や機械的衝撃にも耐えることができる。

さらに、図１に示すように、本例では、セラミック体１３は筒状であり、コート層５０は、セラミック体１３の先端向き面に繋がりつつ、支持体１７の内面の少なくとも一部を覆っている。
このようにすると、支持体１７の内面（貫通孔１７ｈ側）の熱衝撃や機械的衝撃にも耐えることができる。
なお、支持体１７の内面の最奥部まで液体や異物が接触する割合は小さいので、支持体１７の内面側のコート層５０は、領域Ｒ１よりも先端側に形成されていてもよい。

Ａ領域のガラス転移点Ｔ２＞Ｂ領域のガラス転移点Ｔ３の関係を満たしてもよい。
このようにすると、ガラス転移点の高いＡ領域を形成して焼成した後、Ａ領域の上にガラス転移点の低いＢ領域を形成して焼成することができる。

Ｂ領域のアルカリ金属酸化物含有量が５．４１ｗｔ％以下であってもよい。
このようにすると、セラミックヒータ１１の加熱対象として硬水を加熱した時の、コート層５０からガラス成分の溶出を軽減することができ、セラミックヒータ１１の寿命を延長できる。

Ｂ領域のアルミナ含有量が１０ｗｔ％以下であってもよい。
このようにすると、Ｂ領域の表面ゼータ電位のプラス値が低減するので、表面ゼータ電位がマイナスである硬水中の炭酸カルシウムとの吸着を軽減し、コート層５０へのスケールの付着を抑制できる。

本発明のセラミックヒータにおいて、コート層５０の厚み方向にＡ領域とＢ領域との間に、中間領域が存在し、中間領域の熱膨張係数Ｃ４は、Ｃ２＞Ｃ４＞Ｃ３の関係を満たしてもよい。
このセラミックヒータによれば、Ａ領域とＢ領域との間が厚み方向に傾斜組成となって、Ａ－Ｂ領域の間に、組成、ひいては熱膨張が傾斜して変化する中間領域を形成した場合も含めることができる。

コート層５０は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、コート層５０のＡ領域及びＢ領域のスラリーとして、ガラスを主体とするスラリーを用意する。このスラリーは、所定の組成比のシリカ原料、アルカリ土類酸化物原料、アルカリ金属酸化物原料、アルミナ原料やほう酸などを水とともにミルに投入して得られる。
「ガラスを主体」とは、コート層５０全体に対し、ガラスの質量が５０ｗｔ％を超えることをいう。

ガラスとしては、ホウ珪酸ガラスが挙げられ、例えば珪酸６５ｗｔ％、ホウ酸１９ｗｔ％、アルミナ７ｗｔ％、残部がアルカリ金属およびアルカリ土類金属の組成が例示できる。
ガラスとしては、珪酸系ガラスも挙げられ、例えば珪酸７２ｗｔ％、アルミナ２０ｗｔ％、残部がアルカリ金属およびアルカリ土類金属の組成が例示できる。
なお、Ａ領域及びＢ領域で熱膨張係数を変えるためには、ガラスの組成を変化させればよい。例えば、熱膨張係数は、ガラス中のアルミナやアルカリ金属の質量割合の増加に伴い大きくなり、珪酸やホウ酸の質量割合が増加すると小さくなる傾向にある。

そして、Ａ領域のスラリーに、セラミック体１３を、領域Ｒを覆うように浸漬塗布する。これを一旦乾燥させ、加熱炉で焼き付け後、同様にして、Ｂ領域のスラリーに、Ａ領域で被覆されたセラミック体１３を浸漬塗布し、さらに加熱炉で低温にて焼き付け、コート層５０を形成する。
ここで、Ｂ領域を焼成するための２度目の加熱によりＢ領域のガラススラリーが溶融するが、その際にＢ領域に隣接するＡ領域の組成も分子レベルで混ざる。これにより、通常は中間領域が形成される。

又、Ａ領域及びＢ領域の熱膨張係数の測定方法は、実際のコート層５０のＡ領域５１とＢ領域５３の表面の組成分析を行い、測定結果と同組成のガラスサンプルを作製して、そのサンプルをＳＥＭ観察して行う。具体的には、ＪＩＳ－Ｒ１６１８：２００２に従ってサンプルを作製し、熱膨張係数を測定する。
セラミック体１３の熱膨張係数の測定方法は、ＪＩＳ‐Ｒ１６１８（2002年）に従って作製した円柱サンプルの熱膨張係数を測定する。

又、Ａ領域及びＢ領域のガラス転移点の測定方法は、Ａ領域、Ｂ領域それぞれで任意の点組成を分析し、同一組成のサンプルを作成のうえ、この模擬サンプルにつきJIS R3103-3に沿って円柱サンプルを作製し、測定する。

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。

図１に示すセラミックヒータ１１を製造した。
まず、セラミックヒータの原料セラミックとして、アルミナ粉および焼結助材となるガラス成分粉をミルで水と粉砕混合し、バインダを混ぜて粘土状の混合体を得た。これを押出機にて中子を設置した口金にて押出し、筒状の支持体１７を形成して所定長さに切断し、仮焼した。支持体１７の外径および長さは焼成収縮率を考慮し対応した。
一方でセラミックシート（アルミナグリーンシート）１９上にタングステン、モリブデンペーストでヒータパターンおよびこれに繋がってシート反対面に繋がる端子部を印刷、形成した。ヒータ印刷エリアのサイズはセラミック焼成時の収縮率を加味して寸法を規定した。ヒータパターンは高温時の抵抗値、温度上昇分の抵抗変動量（抵抗温度係数×温度差×初期抵抗値）から室温時の抵抗値を算出し、形成した。また、シートサイズも同様に焼成収縮率を考慮し準備、切断した。

既定のサイズに切断した印刷済みセラミックグリーンシート１９を仮焼済みの支持体１７に巻付け、一体焼成し、完成時のヒータ全長ＬＭ＝１４０mm、最大外径Ｄ＝１６mmとし、発熱抵抗体が埋設された領域Ｒ１の軸線方向の長さを１２０mmとし、セラミックヒータの室温抵抗値を９Ωとしたセラミック体１３を得た。

次に、コート層５０のＡ領域及びＢ領域のスラリーとして、所定の組成比のシリカ原料、アルカリ土類酸化物原料、アルカリ金属酸化物原料、アルミナ原料やほう酸などを水とともにミルに投入した。
まずＡ領域のスラリーに、上記セラミック体１３を、領域Ｒを覆うように浸漬塗布した。これを一旦乾燥させ、加熱炉で焼き付けた。その後、同様にして、Ｂ領域のスラリーに、Ａ領域で被覆されたセラミック体１３を浸漬塗布し、さらに加熱炉で低温にて焼き付け、コート層５０を形成した。

コート層５０で被覆されたセラミック体１３の露出端子部にＮｉメッキを施し、Ｎｉ製リード部をＡｇロウにてロウ付け接合した。さらに、リード部にリード線をカシメた。
一方、アルミナ粉を加圧成形し、焼成したドーナツ形状（円板形状）のセラミック焼成体からなるフランジ３０を準備した。フランジ３０をセラミック体１３に挿通し、治具にて位置固定した。外部端子４３側を下向きにしてセラミックヒータ１１を立て、フランジ３０が所定の位置になるように支持した。フランジ３０とセラミック体１３の隙間にガラス材を充填し、還元雰囲気炉にて１２００度にて加熱し、ガラス溶融接合を施し、セラミックヒータ１１を得た。

１１ セラミックヒータ
１３ セラミック体
１７ 支持体
１９ セラミックシート
４０ 発熱抵抗体
５０ コート層
５１ Ａ領域
５３ Ｂ領域
Ｏ 軸線

Claims (8)

1. 軸線方向に延びる柱状のセラミック製の支持体と、前記支持体の先端側の外周に巻き付けられ、発熱抵抗体が埋設されたセラミックシートと、を有するセラミック体と、
   ガラスを主体とし、前記セラミック体の表面を被覆するように構成されたコート層と、
   を備えたセラミックヒータであって、
   前記コート層は、前記セラミックシートのうち前記発熱抵抗体が埋設された領域Ｒ１を少なくとも覆うように構成され、
   前記コート層の厚みをｔとし、前記コート層のうち前記セラミック体との界面から０．１×ｔの厚み部分をＡ領域とし、前記コート層のうち最表面から０．１×ｔの厚み部分をＢ領域としたとき、
   前記セラミック体の熱膨張係数Ｃ１＞前記Ａ領域の熱膨張係数Ｃ２＞前記Ｂ領域の熱膨張係数Ｃ３の関係を満たすことを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記コート層は、前記領域Ｒ１に繋がりつつ、前記セラミック体の先端向き面を覆う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. 前記セラミック体は筒状であり、
   前記コート層は、前記セラミック体の先端向き面に繋がりつつ、前記支持体の内面の少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ。
4. 前記Ａ領域のガラス転移点Ｔ２＞前記Ｂ領域のガラス転移点Ｔ３の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
5. 流体加熱用であ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。
6. 前記Ｂ領域のアルカリ金属酸化物含有量が５．４１ｗｔ％以下であ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。
7. 前記Ｂ領域のアルミナ含有量が１０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項６に記載のセラミックヒータ。
8. 前記コート層の厚み方向に前記Ａ領域と前記Ｂ領域との間に、中間領域が存在し、
   前記中間領域の熱膨張係数Ｃ４は、Ｃ２＞Ｃ４＞Ｃ３の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。