JP3588233B2 - セラミックヒータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は液体中に浸漬し加熱するためのセラミックヒータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、セラミックヒータは、アルミナセラミックス等の基体の内部にタングステン、モリブデン等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設し、これに接続するリード端子を備えて構成され、上記発熱抵抗体に通電して発熱させるようになっている。
【0003】
このセラミックヒータはさまざまな分野に用いられるが、例えばボイラー等の高圧水中で使用される温水ヒータや、腐食性溶液の加熱用ヒータなど、液体中に浸漬して加熱する用途に用いることもできる。
【0004】
ところが、上記セラミックヒータの基体を成すアルミナセラミックスには10重量%程度のガラス質が存在するため、例えば強アルカリ溶液等に浸漬して使用すると、基体を成すセラミックスの結晶粒界が浸食されてガラス質が溶出し、微小空洞が形成されて発熱抵抗体の短絡や漏電を引き起こす等の問題があった。
【0005】
そこで、本件出願人は、基体の先端側表面に耐食性金属層を被覆したセラミックヒータを提案した(特開平6−223956号公報参照)。
【0006】
このセラミックヒータは、図4(a)に示すように、アルミナ等のセラミックスからなる基体1に発熱抵抗体を埋設し、その後端部にリード線3を接合し、先端側表面にニッケル、金、銀等の耐食性金属層4を被覆したものである。そのため、図4(b)に示すように、容器20内の液体21内にセラミックヒータを浸漬しても、上記耐食性金属層4の存在によって基体1の浸食によるガラス質の溶出を防止することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図4に示すようなセラミックヒータを用いる場合、これを保持するために図4(c)に示すように基体1の側面にフランジ部材6を接合する必要が生じることがある。この場合、接着剤等による接合では強度、シール性の点で不十分であることから、ロウ材7を用いてロウ付けする必要がある。
【0008】
しかし、上記耐食性金属層4上に金属製のフランジ部材6を配置し、両者の間をロウ付けしようとすると、ロウ材7が耐食性金属層4上に広がってしまい、大量のロウ材7が必要になるだけでなく、肝心のフランジ部材6との隙間にロウ材7を高密度に存在させることができず、接合強度が低くなるという問題があった。そのため、使用時にフランジ部材6が脱落する恐れがあった。
【0009】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、後端側に上記耐食性金属層とは分離した接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とする。
【0010】
即ち、本発明では、基体上における耐食性金属層とは分離した位置に接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことによって、ロウ材が耐食性金属層上に広がることを防止し、少ないロウ材で強固にフランジ部材を接合できるようにしたものである。
【0011】
また、本発明では、上記セラミックヒータにおいて、基体における耐食性金属層と接合用金属層の間の表面を上記フランジ部材で覆い、かつフランジ部材と基体とのの隙間に樹脂を充填したことを特徴とする。
【0012】
即ち、本発明のセラミックヒータは、耐食性金属層と接合用金属層が分離しており、両者の間で基体の表面が露出するため、この部分を樹脂で覆うことによって、耐食性を向上させたものである。
【0013】
さらに、本発明では、上記セラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、該耐食性金属層の後端部以外にロウ材と濡れにくい材質を被覆し、上記後端部にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。
【0015】
図1に示すセラミックヒータは、セラミックスからなる円柱状の基体1に発熱抵抗体を埋設し、これと接続するリード線3を基体1の後端部に接合したものである。また、基体1の先端側の表面は耐食製金属層4で被覆するとともに、これよりも後端側に、一定の間隔をあけて分離した状態で、接合用金属層5を形成してある。そして、この接合用金属層5上に、ロウ材7を介してフランジ部材6をロウ付けしてある。
【0016】
フランジ部材6は、基体1の周囲を覆う円筒状体であり、基体1における耐食製金属層4と接合用金属層5の間の露出面1aを覆うように配置し、その端部の接合部6aで上記接合用金属層5とロウ付けしてある。また、フランジ部材6の側面には注入孔6bを形成し、この注入孔6bから樹脂8を注入してロウ付け部分以外のフランジ部材6と基体1の隙間を樹脂8で充填してある。
【0017】
このセラミックヒータでは、耐食性金属層4を備えていることにより、この部分を液体に浸漬して使用しても、基体1の浸食によるガラス質の溶出を防止できる。しかも、接合用金属層5と耐食性金属層4を分離してあることにより、ロウ付け時にロウ材7は基体1の表面には付着しないため、接合用金属層5の上のみに広がり、これよりも広い範囲に流れてしまうことがない。その結果、少ないロウ材7でフランジ部材6の接合部6aと接合用金属層5の間に高密度にロウ材7を介在させることができ、フランジ部材6を強固に、かつシール性を維持して接合することができる。
【0018】
しかも、基体1における耐食性金属層4と接合用金属層5との間の露出面1aはフランジ部材6で覆うとともに、樹脂8を充填してあるため、使用時にこの露出面1aに溶液が付着することを防止できる。
【0019】
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法を説明する。
【0020】
まず、基体1の材質としては、アルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム等を主成分とするセラミックスを用いるが、一般的には80〜94重量%のAl2 O3 を主成分とし、残部がSiO2 、MgO、CaO等からなるアルミナセラミックスを用いる。
【0021】
図2(a)に示すように、このセラミックスを棒状に成形した芯材11とグリーンシート12をそれぞれ作製し、グリーンシート12上に、タングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属の単体、又はこれらの炭化物、窒化物等からなるペーストを所定形状に塗布して発熱抵抗体2とその端部にパッド2aを形成する。一方、芯材11の後端部には凹部11aを形成しておき、この芯材11の側面に上記グリーンシート12を発熱抵抗体2が内側となるようにして、パッド2aが芯材11の凹部11aと一致するように巻き付ける。
【0022】
この状態で全体を焼成して基体1を得た後、図2(b)に示すように、その先端側表面に耐食性金属層4を、これよりも後端側に所定間隔をあけてリング状の接合用金属層5をそれぞれ形成する。
【0023】
耐食性金属層4は、例えば図2(c)に示すように、基体1側から、タングステン、モリブデン等のメタライズ層4c、ニッケル等のメッキ層4b、及び銀、金、白金等の耐食層4aから構成することができる。この場合は、まず基体1上にメタライズ層4cを成す金属ペーストを所定パターンで塗布しておいて、焼成し、その上にメッキ層4b、耐食層4aをそれぞれ被覆すれば良く、このような構造としておくことによって、基体1と耐食性金属層4の接合強度を高くすることができる。
【0024】
なお、耐食性金属層4の最表面は、銀、金、白金等の耐食性金属からなる耐食層4aを形成しておく必要があり、この耐食層4aの厚みは1μm以上、好ましくは5μm以上とする。
【0025】
また、接合用金属層5についても、これと同様に、タングステン、モリブデン等のメタライズ層を形成し、この表面にニッケル等のメッキ層を形成することによって構成される。
【0026】
次に、ステンレス等の金属からなるフランジ部材6を基体1の周囲に配置し、図1(b)に示すように、フランジ部材6の接合部6aと接合用金属層5の間を銀ロウや金ロウ等のロウ材7でロウ付けする。その後、フランジ部材6の注入孔6bからエポキシ系樹脂、フッ素系樹脂等の樹脂8を注入し、隙間に充填する。
【0027】
一方、基体1の後端部では、芯材11の凹部11aに当たる部分に発熱抵抗体2のパッド2aが露出するため、このパッド2aにニッケル等をメッキしておいて、リード線3をロウ付けすることにより、本発明のセラミックヒータを得ることができる。
【0028】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
【0029】
図3(a)(b)に示すセラミックヒータは、図1に示すものと同様であるが、耐食性金属層4と接合用金属層5の間の基体1の露出面1aをフランジ部材6で覆っておらず、樹脂による被覆も行っていない点で相違する。
【0030】
即ち、使用時に液体中へ浸漬する範囲が少ないような場合は、上記露出面1aを樹脂等で被覆する必要がない。
【0031】
この実施形態でも、耐食性金属層4と分離して接合用金属層5を備えたため、フランジ部材6をこの接合用金属層5にロウ付けすれば、ロウ材7の広がりを防止して、少ないロウ材7で強固に接合することができる。
【0032】
さらに他の実施形態を説明する。
【0033】
図3(c)に接合部分のみを示すように、このセラミックヒータは、耐食性金属層4の後端部4a以外の部分にロウ材7と濡れにくい材質からなる被覆層8を形成してある。そのため、後端部4aにフランジ部材6をロウ付けすれば、ロウ材7が広がることを防止して、良好にロウ付けすることができる。
【0034】
なお、被覆層8の材質は、ロウ材7と濡れにくい材質であれば良く、例えば、ロウ材と反応しない金属材としてNi,Al,Ti等、あるいはガラス、セラミックセメント等を用いる。また、被覆層8は上記後端部4a近傍部のみに形成しておけば良いが、後端部4a以外の全ての耐食性金属層4上に形成すれば保護層としての作用も成す。
【0035】
さらに、以上の実施形態において、基体1は円柱状のものを示したが、これに限らず、筒状体や角柱状等さまざまな形状とすることができる。さらに、本発明のセラミックヒータは、ヒータ自体を液体に浸漬して加熱するような用途に広く使用することができ、例えばボイラー用ヒータや、腐食性溶液の加熱用ヒータ等として使用することができる。
【0036】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【0037】
図1に示すセラミックヒータを試作した。基体1としてAl2 O3 93重量%のアルミナセラミックスを用い、その寸法は直径12mm、長さ185mmとした。また発熱抵抗体2はW,Moにより形成し、その抵抗値は34.6Ωとした。
【0038】
耐食性金属層4は、図2(c)に示すようにタングステンのメタライズ層4c、ニッケルのメッキ層4b、及び銀の耐食層4aから形成し、基体1の先端から162mmの位置まで形成した。これから7mm後端側に、タングステンのメタライズとニッケルのメッキ層からなる接合用金属層5を幅5mmで形成した。
【0039】
一方、鉄にNiメッキを施しフランジ部材6の接合部6aを銀ロウからなるロウ材7を用いて接合用金属層5にロウ付けし、フランジ部材6と基体1の間にエポキシ系接着剤8を充填した。
【0040】
このセラミックヒータをボイラーの加熱装置に組み込んで、液体加熱試験を行ったところ、AC200Vの電圧を印加すると900Wで発熱し、充分に液体を加熱することができた。また、加熱と冷却を繰り返すヒートサイクルテストを5000回行っても、フランジ部材6の脱落や、基体1の浸食による短絡や漏電の恐れは全くなく、長期間にわたって良好に使用できることが確認できた。
【0041】
【発明の効果】
このように本発明によれば、セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、後端側に上記耐食性金属層とは分離した接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことによって、液体に浸漬しても基体が浸食されることを防止し、かつロウ付け時にロウ材が耐食性金属層上に広がらないため少ないロウ材で強固にフランジ部材を接合することができる。
【0042】
また、上記耐食性金属層と接合用金属層の間の基体表面を樹脂で被覆すれば、基体の露出面が液体で浸食されることを防止し、さらに耐食性を向上させることができる。
【0043】
その結果、本発明によれば、長期間にわたって良好に使用することのできる液体加熱用のセラミックヒータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明のセラミックヒータを示す側面図、(b)は(a)中のX−X線断面図である。
【図2】(a)(b)は本発明のセラミックヒータの製造工程を示す斜視図、(c)は耐食性金属層の拡大断面図である。
【図3】(a)は本発明のセラミックヒータの他の実施形態を示す側面図、(b)は(a)中のY−Y線断面図、(c)はさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図4】(a)は従来のセラミックヒータの側面図、(b)はその使用形態を示す概略図、(c)はフランジ部材を接合した部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
1:基体
1a:露出面
2:発熱抵抗体
2a:パッド
3:リード線
4:耐食性金属層
5:接合用金属層
6:フランジ部材
7:ロウ材
8:樹脂
Claims (3)
- セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、後端側に上記耐食性金属層とは分離した接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とするセラミックヒータ。
- 上記基体における耐食性金属層と接合用金属層の間の表面を上記フランジ部材で覆うとともに、フランジ部材と基体との隙間に樹脂を充填したことを特徴とする請求項1記載のセラミックヒータ。
- セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、該耐食性金属層の後端部以外にロウ材と濡れにくい材質を被覆し、上記後端部にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とするセラミックヒータ。
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