JP3351573B2 - セラミック発熱体 - Google Patents

セラミック発熱体

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック発熱体に関
する。本発明のセラミック発熱体は、例えばディーゼル
エンジン用のセラミックグロープラグ等に用いられる。
【0002】
【従来の技術】従来より、発熱部として高融点金属のフ
ィラメントを用いたセラミック発熱体、及び、先端部に
導電性セラミックを露出して配置させたセラミック発熱
体が種々提案されている。また、特開平1ー31717
0号公報は、オールセラミック構造のセラミック発熱体
を開示している。すなわち、このセラミック発熱体は、
円形断面を有する絶縁性セラミック体の内部に断面U字
形の導電性セラミック体のヒータが埋設されており、更
に、絶縁性セラミック体に埋設されたタングステンの電
極の先端が導電性セラミック体の両端に接続されてい
る。
【0003】例えばセラミックグロープラグに適用され
る上記セラミック発熱体の導電性セラミック体は、原料
を均一に混合し、成形の後、焼成されるため、導電性セ
ラミック体は通電経路の全長にわたって、ほぼ均一な比
抵抗を有している。また、導電性セラミック体の断面積
は一定に形成されているので、導電性セラミック体はそ
の全長にわたってほぼ均一に発熱する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
導電性セラミック体はその全長にわたってほぼ均一に発
熱するが、絶縁性セラミック体の中間部に埋設された導
電性セラミック体の部分(以下、先端側ヒータ部と呼
ぶ)は、絶縁性セラミック体の先端部に埋設された導電
性セラミック体の部分(以下、中間側ヒータ部と呼ぶ)
に比較して放熱しやすく、そのために、中間側ヒータ部
は先端側ヒータ部に比較して低温となる。
【0005】すなわち、上記中間側ヒータ部は、電極を
有する絶縁性セラミック体の根部すなわち先端部と反対
側へ固体伝熱により速やかに放冷し、低温となる。それ
に比較し、上記先端側ヒータ部はガス(空気)に接する
ために境界層が形成されたりして大きな熱抵抗が形成さ
れ、そのために先端側ヒータ部は中間側ヒータ部に比べ
て高温となることがわかった(図4の点線参照)。
【0006】この温度差は、本発明者らの実験結果、通
電初期に最も大きく、時間が経過するとともに縮小す
る。しかし、グロープラグでは、通電後できるたけ短時
間にエンジン始動可能温度まで昇温する必要があり、上
記のような温度傾斜を持つセラミック発熱体では、燃焼
室内にて着火スポットが先端部に限定されて狭いために
着火性が低下し、エンジン始動性が低下する場合があ
る。
【0007】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、発熱時の温度分布の平坦化を実現したセラミック
発熱体を提供することを、その目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のセラミック発熱
体は、先端側から順に先端部、中間部、根部に区画され
る棒状の絶縁性セラミック体と、前記絶縁性セラミック
体の前記先端部及び前記中間部に埋設されて発熱体とし
て機能する導電性セラミック体と、前記導電性セラミッ
ク体の根部に埋設されて前記導電性セラミック体の両端
に接続される一対の電極とを備えるセラミック発熱体に
おいて、前記導電性セラミック体の内、前記絶縁性セラ
ミック体の前記先端部に埋設された部分は、前記絶縁性
セラミック体の前記中間部に埋設された部分よりも大き
な断面積を有することを特徴としている。
【0009】
【作用及び発明の効果】本発明では、セラミック発熱体
の電熱線として機能する導電性セラミック体の先端部に
位置する先端側ヒータ部が、前記先端ヒータ部に隣接す
る中間側ヒータ部よりも大きな断面積を有し、低電気抵
抗を有するので、通電時に中間側ヒータ部の発熱量が先
端側ヒータ部のそれよりも増大し、そのために中間側ヒ
ータ部の放熱量が先端側ヒータ部のそれより多いにもか
かわらず、絶縁性セラミック体の表面各部の温度分布が
平坦となる。したがって、例えばこのセラミック発熱体
をグロープラグなどに用いた場合、絶縁性セラミック体
の表面各部の温度が均一化するために着火スポット(着
火可能領域)が広くなり、安定した着火を図ることがで
きる。
【0010】
【実施例】本発明の一実施例を具体的実施例により説明
する。図1は本発明のセラミック発熱体1の一構成例を
示す断面図である。このセラミック発熱体1は、略円形
断面を有する棒状の絶縁性セラミック体3の先端内部
に、略U字形状をなす導電性セラミック体2と、導電部
材であるタングステンよりなる一対の電極4、5が埋設
されている。
【0011】絶縁性セラミック体3は、電気絶縁性の耐
熱セラミックスを素材としており、先端部31と、根部
33と、先端部31と根部33との間の中間部32とに
区画される。導電性セラミック体2は、所定の抵抗率を
有する耐熱セラミックスを素材としており、絶縁性セラ
ミック体3の中間部32に埋設された両端部(中間側ヒ
ータ部)2bと、絶縁性セラミック体3の先端部31に
埋設されたU字部(先端側ヒータ部)2aとからなる。
特に本実施例では、U字部2aは両端部2bよりも大断
面積に形成されている。
【0012】電極4、5は、絶縁性セラミック体3の根
部33に埋設されており、それらの内端は導電性セラミ
ック体2の両端部2bに個別に接続されている。電極
4、5の外端4a、5aは図示しないリード線等と接続
するよう絶縁性セラミック体3の側面に一部表面を露出
するよう屈曲してある。次に、ディーゼルエンジン用の
セラミックグロープラグに本実施例のセラミック発熱体
1を用いた場合を例にとって、本実施例の効果につい
て、試験結果をもとに詳細に説明する。
【0013】まず、図2にこのグロープラグの一実施例
を示す。電極4の一端4aが露出する絶縁性セラミック
体3の根部33の中央部にはニッケルメッキが施されて
おり、このニッケルメッキ層(図示せず)を介して、金
属パイプ6が絶縁性セラミック体3の根部33の中央部
に嵌着され、ろう付け固定されている。金属パイプ6の
外周には、金属筒よりなるハウジング10の一端部が嵌
着され、ろう付けによって接合されている。ハウジング
10の径大な主部の外周には図示しないエンジンヘッド
への取り付けネジ10aが形成されている。これによ
り、絶縁性セラミック体3の根部33の側面に導出され
た電極4の一端4aは金属パイプ6と電気的に接続さ
れ、金属パイプ6は金属ハウジング10を介して図示し
ない内燃機関のブロックへ接地されている。
【0014】一方、ハウジング10内の孔部収容される
とともに電極5の一端5aが露出する絶縁性セラミック
体3の根部33の端部にもニッケルメッキが施されてお
り、このニッケルメッキ層(図示せず)を介して、金属
缶7が絶縁性セラミック体3の根部33の端部に嵌着さ
れ、ろう付け固定されている。これにより、絶縁性セラ
ミック体3の根部33の端部に導出された電極5の一端
5aは金属キャップ7と電気的に接続され、金属キャッ
プ7はハウジング10の孔部内にてリード線8を通じて
良導電金属からなる中軸9の内端に接続されている。ハ
ウジング10の孔部の図中上端開口は絶縁セラミックス
からなるスペーサ11、キャップ12により封栓されて
おり、スペーサ11、キャップ12は中軸9をハウジン
グ10から絶縁しつつ保持している。スペーサ11、キ
ャップ12から突出する中軸9の外端部は図示しない電
源に接続されている。
【0015】上記したセラミック発熱体1の性能を実証
するために、以下の試験品を作製した。この試験品の絶
縁性セラミック体3は主成分がSi3 4 からなり、直
径3.5mm、全長50mmとなっている。導電性セラ
ミック体2は主成分MoSi 2 からなり、そのU字部2
aの断面積は2.8mm2 、両端部2bの断面積は1.
8mm2 となっている。それぞれ電極4、5に接続され
る導電性セラミック体2の全長は約15mm、抵抗値は
0.7Ωであり、電圧12Vを印加した時に温度ピーク
が1200℃になるような設計をした。
【0016】次に比較例として、図3に示す形状のセラ
ミック発熱体1’を作製した。このセラミック発熱体
1’は、導電性セラミック体2’が図1の導電性セラミ
ック体2と同一形状を有するものの、各部断面積が等し
くなっている点が異なっている。ただし、両品の通電電
力を等しくするために、導電性セラミック体2’の抵抗
値は0.7Ωとなるように断面積を設計した。
【0017】なお、導電性セラミック体2、2’の表面
とその上に被っている絶縁性セラミック体3の表面との
間の距離(被覆厚さ)は約0.4mmとした。図4に、
通電4秒後の温度分布を示し、図5に通電8秒後の温度
分布を示す。これら温度は、絶縁性セラミック体3の表
面にて測定した。図4、図5から明らかなように、従来
品、本発明品とも先端から順次温度が上昇し、最高温度
部を経て、電極方向に温度が低下してゆくことが分か
る。しかし、試験品は、特にその両端部2bの表面部位
において、従来品より高温となっており、試験品のU字
部2a及び両端部2bの間の温度傾斜は従来品に比較し
て格段に平坦化されている。
【0018】すなわち、先端近傍の最高温度部と電極
4,5近傍の最低温度部の温度差を見ると、試験品は従
来品の半分以下となっており、各部温度の平均値も格段
に上昇していることがわかる。なお、図1の実施例にお
いて、両端部2bの断面積の削減率は、両端部2bの各
部の表面温度がU字部2aの表面温度にほぼ等しくなる
ように決定することが好ましい。 (変形態様1)図6に示すように、導電性セラミック体
2と電極4、5との結合をより確実にするため、結合部
2cの断面積を大きくしたものでもよい。 (変形態様2)図7に示すように、導電性セラミック体
2の両端部2bの片側のみ、狭小断面積としてもよい。 (変形態様3)更に、図4、図5の実線からわかるよう
に、先端部31の最下端部(図1参照)は先端部31の
上部(図1参照)より温度が多少低下している。これを
防止するために、U字部2aの最下端部の断面積を狭小
化して、更に一層の温度分布平坦化を図ることもでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例のセラミック発熱体を示す断面図であ
る。
【図2】本実施例のセラミック発熱体を備えたセラミッ
クグロープラグを示す断面図である。
【図3】従来のセラミック発熱体を示す断面図である。
【図4】図1のセラミック発熱体の温度分布を示すグラ
フである。
【図5】図1のセラミック発熱体の温度分布を示すグラ
フである。
【図6】変形態様を示す断面図である。
【図7】変形態様を示す断面図である。
【符号の説明】
1 セラミック発熱体 2 導電性セラミック体 3 絶縁性セラミック体 4 電極 5 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−124467(JP,A) 実開 平4−119990(JP,U) 特表 平4−507452(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05B 3/14 F23Q 7/00 H05B 3/10 H05B 3/48 H05B 3/18

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 先端側から順に先端部、中間部、根部に
    区画される棒状の絶縁性セラミック体と、前記絶縁性セ
    ラミック体の前記先端部及び前記中間部に埋設されて発
    熱体として機能する導電性セラミック体と、前記導電性
    セラミック体の根部に埋設されて前記導電性セラミック
    体の両端に接続される一対の電極とを備えるセラミック
    発熱体において、 前記導電性セラミック体の内、前記絶縁性セラミック体
    の前記先端部に埋設された部分は、前記絶縁性セラミッ
    ク体の前記中間部に埋設された部分よりも大きな断面積
    を有することを特徴とするセラミック発熱体。
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