JP3601079B2 - Ceramic heater - Google Patents
Ceramic heater Download PDFInfo
- Publication number
- JP3601079B2 JP3601079B2 JP20023694A JP20023694A JP3601079B2 JP 3601079 B2 JP3601079 B2 JP 3601079B2 JP 20023694 A JP20023694 A JP 20023694A JP 20023694 A JP20023694 A JP 20023694A JP 3601079 B2 JP3601079 B2 JP 3601079B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heating element
- support
- ceramic
- amount
- oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims description 101
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 98
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 41
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 24
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 17
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 4
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 3
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical group O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);ytterbium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Yb+3].[Yb+3] UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 claims 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims 1
- 229940075624 ytterbium oxide Drugs 0.000 claims 1
- 229910003454 ytterbium oxide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 51
- 229910016006 MoSi Inorganic materials 0.000 description 22
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 5
- 238000004901 spalling Methods 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 4
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YXTPWUNVHCYOSP-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)molybdenum Chemical compound [Si]=[Mo]=[Si] YXTPWUNVHCYOSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910021344 molybdenum silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
- C04B41/5053—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials non-oxide ceramics
- C04B41/5062—Borides, Nitrides or Silicides
- C04B41/5071—Silicides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/90—Electrical properties
- C04B2111/94—Electrically conducting materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Resistance Heating (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はセラミックヒータに関し、特に、ディーゼルエンジンのセラミックグロープラグ等に好適に使用されるセラミックヒータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの始動を補助するために、燃焼室内にセラミックグロープラグを配置し、発熱部に通電加熱して燃料の着火、燃焼を促すことが行なわれている。この発熱部を構成するセラミックヒータとしては、従来より種々のものが提案されており、例えば、特開昭62−140386号公報には、サイアロン焼結体中に導電性の窒化チタンを分散させた複合焼結体を用いたヒータが開示されている。
【0003】
また、絶縁性セラミックよりなる支持体の先端に、導電性セラミックよりなる発熱体を設けたセラミックヒータが知られ、例えば、窒化珪素、酸化アルミニウム等よりなる棒状の絶縁性セラミックの先端に、窒化珪素と珪化モリブデンの混合体等よりなるU字状の導電性セラミックを設けた構成のものがある。
【0004】
ところが、上記従来のセラミックヒータは、支持体と発熱体の熱膨張係数差から、急速な昇温、または冷却により両者の間に熱応力が発生し、接合部を破損するおそれがあった。そこで本出願人は、先に、支持体と発熱体とをいずれも導電性の珪化モリブデン(MoSi2 )と絶縁性の窒化珪素(Si3 N4 )の混合体で構成し、支持体においては導電性のMoSi2 粒子がこれを包む絶縁性のSi3 N4 粒子により互いに分断されることにより絶縁性を示し、発熱体においては、互いに連続する導電性のMoSi2 粒子で絶縁性のSi3 N4 粒子を包むことにより導電性を示すようになしたセラミックヒータを提案した(特開昭63−96883号公報)。具体的には、支持体と発熱体の基本成分をいずれも70Si3 N4 −30MoSi2 (重量%)とし、これらの総量に対し焼結助剤として、例えば酸化イットリウム(Y2 O3 )を7重量%、酸化アルミニウム(Al2 O3 )を3重量%添加しており、支持体と発熱体を同一組成とすることで、熱応力が大幅に緩和される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、セラミックヒータの速熱性をさらに向上し、エンジン始動までの待ち時間を短縮しようとする要求が高まっており、これに伴いヒータの温度を従来の1000℃〜1100℃から1200℃〜1300℃にする必要が生じている。
【0006】
しかしながら、最高温度を1300℃に設定した上記構成のセラミックヒータをエンジンで使用したところ、次のような問題が生じた。その1つは、長時間の使用で抵抗値が上昇することで、飽和温度が低くなってエンジンの始動性が悪くなる。もう1つは、セラミックヒータの、燃料が直撃する部分にクラックが発生する場合があることで、このクラックが進展すると、ヒータの一部がエンジン内に脱落し、エンジンが損傷するおそれがある。
【0007】
これらの原因につき調査した結果、以下のことが判明した。先ず、抵抗値上昇については、長時間使用して抵抗値が上昇したヒータを軸方向に切断し、発熱体およびその近傍を調査した結果、発熱体のU字状に屈曲する先端部の、正または負電極よりの端部で発熱体が最高温度になること、このうち負電極側の最高温度部にイットリウム(Y)が集中し、逆に正電極側にはYがほとんど存在せず、モリブデン(Mo)の酸化物が多くなっていることがわかった。また、発熱体の両最高温度部間に位置する支持体においても、同様に、負電極側でYが多く、次第にYが減少して正電極側ではYがほとんど存在していなかった。
【0008】
この現象は、通電により生じる電界の作用により、高温部のY2 O3 が分解されてYが負電極側に移動し、正電極側では残った酸素がMoSi2 を酸化して、MoSi2 よりなる電流パスが細化または断線したことを意味する。特に、1300℃という高温状態では、上記のYの移動が起こりやすくなって、これが抵抗値上昇の原因になったものと考えられる。
【0009】
一方、クラックの発生については、未使用のヒータを軸方向に切断し、詳細に観察すると、発熱体にポアが認められた。上記構成のセラミックヒータは熱応力が小さくなるように支持体と発熱体とを同一組成としているが、それぞれに絶縁性または導電性という相反する特性を付与するため、セラミック粒子の粒径を変えており、発熱体では、平均粒径13μm のSi3 N4 と0.9μm のMoSi2 を、支持体では平均粒径0.6μm のSi3 N4 と平均粒径0.9μm のMoSi2 を用いている。従って、セラミック粒子の粒径の差により支持体と発熱体の最適焼結条件にずれを生じ、発熱体が焼結不足になってポアが生じたものと考えられる。そして、1300℃という新たな温度条件において、このポアがクラックを誘発する要因となり、表面と内部および軸方向での温度差や噴霧燃料による冷却等により熱応力が作用し、耐熱衝撃性を低下させたものと思われる。
【0010】
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、1300℃以上の高温条件下でも抵抗値の変化が小さく、かつクラックの生じない耐熱衝撃性に優れたセラミックヒータを提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の構成を図1で説明すると、セラミックヒータ1は、電気絶縁性の支持体3と、その先端部に一体に形成される導電性の発熱体2を備え、上記支持体3および上記発熱体2はいずれも導電性セラミックと絶縁性セラミックの混合焼結体よりなる。上記支持体3は、導電性セラミック粒子がこれを包む絶縁性セラミック粒子により互いに分断されることにより絶縁性を示し、上記発熱体2は、互いに連続する導電性セラミック粒子で絶縁性セラミック粒子を包むことにより導電性を示している。そして、上記発熱体2は、焼結助剤として少なくとも酸化アルミニウム(Al2 O3 )を、上記支持体3は、焼結助剤として少なくとも希土類元素の酸化物およびAl2 O3 を含有し、かつ上記発熱体2のAl2 O3 添加量を上記支持体3のAl2 O3 添加量よりも多くしてある(請求項1)。
【0012】
また、上記発熱体2は、焼結助剤として、Al2 O3 に加え希土類元素の酸化物を含有していてもよく、この場合は、上記支持体3の希土類元素の酸化物の添加量を上記発熱体2のそれより多く、上記発熱体2のAl2 O3 添加量を上記支持体3のそれよりも多くする(請求項3)。
【0013】
上記発熱体2において、導電性セラミックおよび絶縁性セラミックの総量に対するAl2 O3 添加量は0.1〜15重量%とすることが好ましい(請求項2)。また、希土類元素の酸化物を含有する場合の、導電性セラミックおよび絶縁性セラミックの総量に対する添加量は0.1〜19.5重量%とし、かつこれら焼結助剤の添加総量を25重量%以下とするのがよい(請求項4)。
【0014】
上記支持体3においては、導電性セラミックおよび絶縁性セラミックの総量に対する希土類元素の酸化物の添加量を0.1〜20重量%、Al2 O3 の添加量を0.1〜14.5重量%とし、これら焼結助剤の添加総量を25重量%以下とすることが望ましい(請求項5)。
【0015】
上記支持体3の希土類元素の酸化物の添加量は、上記発熱体2より0.5重量%以上多くし、上記発熱体2のAl2 O3 添加量は、上記支持体3より0.5重量%以上多くするのがよい(請求項6)。
【0016】
上記希土類の酸化物としては、酸化イットリウム(Y2 O3 )、または酸化イッテルビウム(Yb2 O3 )等が挙げられる(請求項7)。上記絶縁性セラミックとしては、窒化珪素が好適に使用される。また、上記導電性セラミックとしては、金属の炭化物、珪化物、窒化物、またはホウ化物が使用でき、これらより選ばれた少なくとも1種を使用すればよい(請求項8)。
【0017】
【作用】
発熱体2は、U字状に屈曲する先端部の、正または負電極よりの端部(図1のaまたはbの部分)で最高温度になる。本発明のセラミックヒータ1は、支持体3の希土類元素の酸化物、例えばY2 O3 添加量が、発熱体2のY2 O3 添加量より多いので、発熱体2の上記aまたはbで示される部分の間にY2 O3 の多い支持体3が存在することになる(図1のcの部分)。通電時、ヒーター材に電界が作用すると、発熱体2の負電極側の最高温度部へ向けてYの移動が生じるが、まず、その近傍のY2 O3 の多い支持体3からYが移動し、Yが移動した部位には、その周囲の支持体3からさらにYが移動する。この時、発熱体2の正電極側の最高温度部の周囲には、Y2 O3 の多い支持体3が存在するため、発熱体2中のYの移動は起こりにくい。そして、支持体3中のYがある程度移動し、発熱体2のY2 O3 量とほぼ同量となるまで、発熱体2の正電極側におけるYの移動は起こらず、抵抗値の上昇が抑制される。
【0018】
また、Al2 O3 は低融点で焼結を促進する作用を有する。本発明のセラミックヒータ1は、このAl2 O3 の発熱体2への添加量が支持体3より多いので、発熱体2の焼結が促進され、焼結不足が解消される。従って、焼結体中のポアが大幅に減少し、クラックの発生を防止する。
【0019】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
図2には本発明を適用したディーゼルエンジンのグロープラグを示す。6は両端開口の筒状金属ハウジングであり、その下端開口内に筒状金属部材61が固着してある。上記ハウジング6内には下方より本発明のセラミックヒータ1が挿通され、その中間部を、上記筒状金属部材61に嵌合固定してある。ハウジング6の中央部外周には取付けネジ62が形成してあり、グロープラグは該取付けネジ62にて図略のエンジンに取付けられる。
【0020】
上記セラミックヒータ1の上端部には、電源接続用の金属キャップ7が固定してあり、金属キャップ7は、上記ハウジング6の上半部内に挿通された金属製の中軸8と、金属線71により接続されている。上記ハウジング6上端部の、中軸8周りにはガラスシール9が配設され、さらに上方より絶縁ブッシュ10が嵌着されて、上記中軸8を電気的に絶縁している。中軸8の基端部には、図略の電源に接続される雄ネジ81が形成してあり、上記絶縁ブッシュ10は上記雄ネジ81に螺着されたナット82にて固定される。
【0021】
図1には上記セラミックヒータ1の詳細を示す。図において、セラミックヒータ1は、断面円形の棒状体である支持体3と、支持体3の先端部内に埋設される断面U字形の発熱体2からなる。発熱体2の一端には電極線4の先端41が埋設され、電極線4の他端は支持体3の基端部へ延びて支持体3の外周表面に露出する端子部42を形成している。また発熱体2の他端には電極線5の先端51が埋設され、電極線5の他端は支持体3の中間部で支持体3の外周表面に露出する端子部52を形成している。なお、上記電極線4、5はタングステン、モリブデン等の高融点金属またはその合金からなる。
【0022】
上記電極線4、5の端子部42、52が露出する支持体3の外周表面にはニッケルメッキが施されている。しかして、セラミックヒータ1をハウジング6内に挿通すると(図2)、上記支持体3は、このニッケルメッキ層を介して上記筒状金属部材61内周面にロウ付けされる。上記筒状金属部材61はセラミックヒータ1を保持するとともに、上記電極線5の端子部52と電気的に接続される。一方、支持体3の基端部に露出する上記電極線4の端子部42は、上記金属キャップ7の内周面にロウ付けされ、金属線71より中軸8を経て電源に接続している。かくして図示しない電源より、中軸8、金属線71、金属キャップ7、電極線4、発熱体2、電極線5、筒状部材61、ハウジング6を経て、図示しないエンジンブロックへ通電が可能となる。
【0023】
セラミックヒータ1の上記支持体3は、導電性セラミックであるMoSi2 と、絶縁性セラミックであるSi3 N4 を基本成分とし、焼結助剤としてY2 O3 およびAl2 O3 を添加したセラミック焼結体よりなる。また、Y2 O3 に代えて他の希土類元素の酸化物、例えばYb2 O3 等を用いてもよく、その一種またはそれ以上を使用すればよい。そして、Si3 N4 の粒径を、MoSi2 と同じかやや小さくすることにより、導電性のMoSi2 粒子が絶縁性のSi3 N4 粒子で囲まれて分断された組織となり、絶縁性を発現する。具体的には、例えば、平均粒径0.9μm のMoSi2 と、平均粒径0.6μm のSi3 N4 を用いることができる。
【0024】
上記発熱体2は、MoSi2 等の導電性セラミックと、Si3 N4 等の絶縁性セラミックを基本成分とし、焼結助剤として少なくともAl2 O3 を添加したセラミック焼結体よりなる。焼結助剤として、さらにY2 O3 またはYb2 O3 等の希土類元素の酸化物を添加してもよい。そして、Si3 N4 の粒径をMoSi2 より大きくすることにより、絶縁性のSi3 N4 粒子が、互いに連続する導電性のMoSi2 粒子で包まれた組織となり、導電性を発現する。具体的には、例えば、平均粒径0.9μm のMoSi2 と、平均粒径13μm のSi3 N4 を用いることができる。
【0025】
上記発熱体2または支持体3における導電性セラミックとしては、上記したMoSi2 以外の金属の炭化物、珪化物、窒化物、またはホウ化物を用いてもよく、これらの少なくとも一種を使用する。導電性セラミックと絶縁性セラミックの配合割合は、例えば10〜40:90〜60(重量%)とすればよく、発熱体2、支持体3で同一またはそれに近い配合割合とすれば熱膨張係数等の差が小さくなるのでより好ましい。焼結助剤としては、Y2 O3 、Yb2 O3 、またはAl2 O3 以外の他の焼結助剤を少量添加することも可能である。
【0026】
本発明では、上記支持体3の希土類元素の酸化物の添加量を、上記発熱体2よりも多くすること、および上記発熱体2のAl2 O3 の添加量を上記支持体3のAl2 O3 の添加量より多くすることを必須要件とする。具体的には、例えば、Si3 N4 とMoSi2 の総量に対する希土類元素の酸化物の添加量を、支持体3は7重量%、発熱体2は3重量%とすることで、長時間使用による抵抗値の上昇を防止できる。また、Al2 O3 の添加量を、支持体3は3重量%、発熱体2は7重量%とすることで、クラックの発生が抑制できる。
【0027】
次に、この希土類元素の酸化物とAl2 O3 の添加量の違いによる効果を確認するための試験を行なった。
(1)まず、以下のようにして試験用の試料を作成した。支持体と発熱体の基本成分をいずれも70Si3 N4 −30MoSi2 (重量%)とし、支持体は平均粒径が0.9μm のMoSi2 と平均粒径が0.6μm のSi3 N4 を、発熱体には平均粒径が0.9μm のMoSi2 と平均粒径が13μm のSi3 N4 を使用した。Si3 N4 とMoSi2 の総量に対する焼結助剤の添加量を、発熱体はY2 O3 3重量%、Al2 O3 7重量%とし、支持体はY2 O3 7重量%、Al2 O3 3重量%として、上記図1の構成のセラミックヒータを作成した(試料No1)。次いで、Y2 O3 とAl2 O3 の添加量を、表1のように変更し、支持体のAl2 O3 添加量が発熱体より多いもの、発熱体のY2 O3 添加量が支持体より多いもの、これらを組合せたものについてそれぞれ試料を作成して試料No2〜4とした。さらに、発熱体、支持体ともにY2 O3 7重量%、Al2 O3 3重量%とした従来の組成によるヒータを作成し、比較用の試料No5とした。
【0028】
焼成は、アルゴンガス雰囲気下、1気圧で、圧力は500Kgf/cm2 とし、焼結助剤量の変更による焼成条件の変化に対しては、各々の最適な焼成条件となるように、焼成温度を1560℃〜1850℃の範囲内で変えて行なった(以下に説明する試料は全て、各々の最適な焼成条件となるように、焼成温度を適宜変更して作成した)。
【0029】
上記試料No1〜5のセラミックヒータを用いて上記図2に示したグロープラグを作成し、以下の試験を行なった。まず、通電の繰り返しによる抵抗値変化を調べるため、通電1分、非通電1分の繰り返しを1サイクルとした冷熱試験を行なった。このときのヒータ温度は初期に通電時の発熱による飽和温度を1300℃にし、非通電時はファンでヒータを100℃以下に冷却した。評価は各試料につき4本づつ同様の試験を実施して、そのうちの1本が抵抗値上昇により通電時のヒータ飽和温度が100℃低下して1200℃になったサイクル数を寿命サイクルとした。表1に結果を示す。
【0030】
次に、クラックの発生に関し、水中スポーリング試験を行なった。これは、グロープラグに通電し、所定の飽和温度に発熱させた後、20℃の水中に金属パイプから突出しているヒータ先端部を浸漬させ、表面に発生するクラックの有無を調査する試験で、具体的には、飽和温度が500℃で水中スポーリング試験を行ない、クラックが発生していなければ、飽和温度を100℃上げ、600℃として水中スポーリング試験を行なった。このようにして1300℃まで、もしくはクラックが発生するまで、100℃づつ温度を上げて評価した。評価は各試料について4本づつ同様の試験を実施し、結果を表1に併記した。
【0031】
表1より、冷熱試験については、発熱体のY2 O3 添加量(3重量%)を支持体の添加量(7重量%)より少なくした試料No1、2が、従来組成の試料No5に比べ、寿命が向上している。また、水中スポーリング試験については、発熱体のAl2 O3 添加量(7重量%)を支持体の添加量(3重量%)より多くした試料No1、3が試料No5に比べ改良されていることがわかる。この結果、通電の繰り返しによる抵抗値変化とクラックの発生に対して共に効果があるのは、試料No1の場合、つまり、発熱体のY2 O3 添加量が支持体より少なく、かつ発熱体のAl2 O3 添加量が支持体より多い場合であることがわかる。
【0032】
(2)次に、この関係が添加量の多少にかかわらず成り立つかどうかを調べた。表2に示すように、試料No6〜9では、Al2 O3 添加量を一定(発熱体:7重量%、支持体:3重量%)とし、Y2 O3 添加量を、支持体が発熱体より常に多くなるように保ったまま増減した。試料No10〜13では、Y2 O3 添加量を一定(発熱体:3重量%、支持体:7重量%)とし、Al2 O3 添加量を発熱体が常に多くなるように保ったまま増減した。上記(1)と同様にして試料を作成し、評価を行なった。結果を表2に併記する。
【0033】
表2の結果を従来組成の試料No5(表1)と比較すると、全試料で冷熱試験結果が向上しており、クラックの発生も見られない。なお、寿命サイクルは市場での信頼性を考慮すると10000サイクル以上であることがより好ましく、特に、支持体のY2 O3 添加量、または発熱体のAl2 O3 添加量が比較的少ない試料No6〜8、試料No10〜12で12000〜15000サイクルと高く、良好な結果が得られた。支持体のY2 O3 添加量を25重量%とした試料No9と、発熱体のAl2 O3 添加量を20重量%とした試料No13では冷熱試験の寿命サイクルがやや低い値となった。
【0034】
Y2 O3 およびAl2 O3 の増量は、マトリックスを構成するMoSi2 とSi3 N4 の粒界のガラス層が増えることを意味する。試料No9は冷熱試験の温度条件で粒界のガラスが支持体表面へ溶出したものであり、試料No13は粒界のガラス層が多いためMoSi2 の導電パスが不安定になり、冷熱の繰り返しにより抵抗値が上昇したものと考えられる。
【0035】
以上より、支持体については、Y2 O3 添加量を20重量%以内で発熱体より多くし、発熱体については、Al2 O3 添加量を15重量%以内で支持体より添加量を多くすることがより望ましいといえる。
【0036】
(3)次にY2 O3 とAl2 O3 の添加量がある範囲を越えると、冷熱試験での寿命が短くなるという(2)の結果に基づき、添加総量の最適範囲を確認する試験を行なった。Y2 O3 とAl2 O3 の添加量を表3のように変更した以外は上記(1)と同様にして試料No14〜17を作成し、評価を行なった。結果をガラス溶出の有無とともに表3に併記する。
【0037】
表3に明らかなように、いずれの試料も上記試料No5より冷熱試験における寿命サイクルが向上している。特に、発熱体および支持体のいずれも添加総量を25重量%とした試料No16、17はガラスの溶出がなく、良好な結果が得られた。発熱体のY2 O3 とAl2 O3 の添加総量を30重量%とした試料No14、15はガラスの溶出が見られ、試料No14は、寿命サイクルがやや短い。以上より、好ましくは、Y2 O3 とAl2 O3 の添加総量を発熱体、支持体ともに25重量%以下とするのがよい。
【0038】
(4)さらに、発熱体、支持体におけるY2 O3 またはAl2 O3 の添加量の差が寿命サイクル、クラックの発生にどのように影響するかを確認するための試験を行なった。表4に示すように、Al2 O3 添加量を一定(発熱体:7重量%、支持体:3重量%)とし、Y2 O3 添加量を変更して試料No18〜20を作成した。また、Y2 O3 添加量を一定(発熱体:3重量%、支持体:7重量%)とし、Al2 O3 添加量を表のように変更して試料No21〜23を作成した。それぞれの試料につき、上記(1)と同様の試験を行ない、結果を表4に併記した。
【0039】
表4の結果を上記試料No5と比較すると、冷熱試験における寿命サイクルはいずれも向上しており、発熱体より支持体のY2 O3 添加量が多ければ抵抗値変化に対し効果があることがわかる。特に、Y2 O3 添加量の差が0.5重量%以上ある試料では寿命サイクルが10000サイクルを越えており、より高い効果が得られる。また、クラックの発生に関しては、Al2 O3 添加量の差を0.5重量%以上とした試料No21、22ではクラックが全く発生しなかった。このように、Y2 O3 、Al2 O3 ともに発熱体、支持体における添加量の差を0.5重量%以上とすることが好ましく、より高い効果が得られる。
【0040】
(5)次に、発熱体のY2 O3 添加量、支持体のAl2 O3 添加量の下限を確認するための試験を行なった。表4に示すように、Al2 O3 添加量を一定(発熱体:7重量%、支持体:3重量%)とし、Y2 O3 添加量を表のように変更して試料No24〜26を作成した。また、Y2 O3 の添加量を一定(発熱体:3重量%、支持体:7重量%)とし、Al2 O3 添加量を表のように変更して試料No27〜29を作成した。それぞれの試料につき、上記(1)と同様の試験を行ない、結果を表5に併記した。
【0041】
表5の結果を上記試料No5と比較すると、冷熱試験における寿命サイクルは、発熱体のY2 O3 添加量を0重量%とした試料No24においても他の試料と同等の効果が見られた。また、水中スポーリング試験に関しては、支持体のAl2 O3 添加量が0重量%の試料No27ではクラックの発生が見られるが、Al2 O3 を0.1重量%添加した試料No28ではクラックが発生しなかった。従って、発熱体には必ずしもY2 O3 を添加する必要はなく、支持体においてはAl2 O3 を0.1重量%以上添加することが望ましいことがわかる。
【0042】
(6)なお、上記実施例では導電性セラミックとして、MoSi2 の場合について述べたが、導電性セラミックを他の金属の炭化物、窒化物、ホウ化物としてもよく、同様の効果が得られる。これを確認するため、表6に示すように、導電性セラミックをWC、TaC、TiN、ZrB2 に変更し、それぞれについて、Y2 O3 、Al2 O3 の添加量を上記試料No1、試料No5と同じにした試料を作成して(試料No30〜36)、上記(1)と同様の試験を行なった。結果を表6に併記する。表中、試料No30、32、34、36が試料No1と、試料No31、33、35、37が試料No5と助剤の添加量を同じにした例である。表に明らかなように、導電性セラミックの種類を変更した場合においても、支持体のY2 O3 添加量を発熱体より多く、発熱体のAl2 O3 添加量を支持体より多くすることで、寿命サイクルが大きく改善され、クラックの発生が抑制されていることがわかる。
【0043】
さらに、焼結助剤として、Y2 O3 と同様の汎用性のあるYb2 O3 を用いた場合の効果を調べた。上記(1)の試料No1〜5のY2 O3 の代わりにYb2 O3 を用いた以外は同様にして5種類の試料を作成し(試料No38〜42)、試験を行なった。結果を表7に示す。表に明らかなように、Yb2 O3 を用いた場合でも、寿命サイクル、クラックの発生に対し同様の効果が得られることがわかる。
【0044】
以上の結果に明らかなように、発熱体、支持体ともに、焼結助剤として希土類元素の酸化物とAl2 O3 を添加し、かつ支持体の希土類元素の酸化物の添加量を発熱体より多くし、発熱体のAl2 O3 量を支持体より多くすることにより、通電の繰り返しによる抵抗値変化と、クラックの発生に対し効果があることがわかる。さらに、発熱体において、導電性セラミックおよび絶縁性セラミックの総量に対し、希土類元素の酸化物の添加量を0〜19.5重量%、Al2 O3 の添加量を0.1〜15重量%とし、かつこれら焼結助剤の添加総量が25重量%以下とすること、支持体においては、導電性セラミックおよび絶縁性セラミックの総量に対し、希土類元素の酸化物の添加量を0.1〜20重量%、Al2 O3 の添加量を0.1〜14.5重量%とし、かつこれら焼結助剤の添加総量を25重量%以下とすることでより大きな効果が得られる。
【0045】
【表1】
【0046】
【表2】
【0047】
【表3】
【0048】
【表4】
【0049】
【表5】
【0050】
【表6】
【0051】
【表7】
【0052】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、高温で使用しても抵抗値の変化が小さく、かつ、クラックの発生しない耐熱衝撃性に優れたセラミックヒータが得られる。従って、グロープラグ等に適用されてその信頼性を大きく向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すセラミックヒータの断面図である。
【図2】本発明のセラミックヒータを適用したグロープラグの全体断面図である。
【符号の説明】
1 セラミックヒ−タ
2 発熱体
3 支持体
4、5 電極線[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a ceramic heater, and more particularly to a ceramic heater suitably used for a ceramic glow plug of a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
In order to assist the start of a diesel engine, a ceramic glow plug is disposed in a combustion chamber, and a heating section is energized and heated to promote ignition and combustion of fuel. Various types of ceramic heaters have been proposed as the ceramic heater constituting the heat generating portion. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-140386 discloses that a conductive titanium nitride is dispersed in a sialon sintered body. A heater using a composite sintered body is disclosed.
[0003]
Further, a ceramic heater in which a heating element made of a conductive ceramic is provided at the tip of a support made of an insulating ceramic is known. For example, silicon nitride, silicon oxide is attached to the tip of a rod-shaped insulating ceramic made of aluminum oxide, or the like. There is a configuration provided with a U-shaped conductive ceramic made of a mixture of manganese and molybdenum silicide.
[0004]
However, in the above-described conventional ceramic heater, a thermal stress is generated between the support and the heating element due to a rapid temperature rise or cooling due to a difference in thermal expansion coefficient between the support and the heating element, and there is a possibility that the joint may be damaged. Therefore, the present applicant has previously constructed both the support and the heating element with a mixture of conductive molybdenum silicide (MoSi 2 ) and insulating silicon nitride (Si 3 N 4 ). by conductive MoSi 2 particles are separated from each other by insulating the Si 3 N 4 particles enveloping it shows insulating properties in the heating element, Si 3 insulating a conductive MoSi 2 particles succeed one another It proposed a ceramic heater None to exhibit conductivity by wrapping the N 4 particles (JP 63-96883 JP). More specifically, the basic components of the support and the heating element are both 70Si 3 N 4 -30MoSi 2 (% by weight), and for the total amount thereof, for example, yttrium oxide (Y 2 O 3 ) is used as a sintering aid. 7% by weight and 3% by weight of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are added, and by using the same composition for the support and the heating element, thermal stress is greatly reduced.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent years, there has been an increasing demand for further improving the quick heating property of the ceramic heater and shortening the waiting time until the engine is started. Accordingly, the temperature of the heater has been increased from the conventional 1000 ° C. to 1100 ° C. to 1200 ° C. to 1300 ° C. ° C.
[0006]
However, when the ceramic heater having the above-described configuration in which the maximum temperature was set to 1300 ° C. was used in an engine, the following problem occurred. One of them is that the resistance value increases after long-term use, which lowers the saturation temperature and deteriorates the startability of the engine. The other is that a crack may be generated in a portion of the ceramic heater where fuel directly hits, and when the crack progresses, a part of the heater may fall into the engine and damage the engine.
[0007]
As a result of investigating these causes, the following was found. First, regarding the increase in the resistance value, the heater whose resistance value has been increased for a long time was cut in the axial direction, and the heating element and its vicinity were examined. Or, the heating element has the highest temperature at the end from the negative electrode. Among these, yttrium (Y) concentrates on the highest temperature part on the negative electrode side, and conversely, there is almost no Y on the positive electrode side, and molybdenum It was found that the oxide of (Mo) was increased. Similarly, in the support located between the highest temperature portions of the heating element, the amount of Y was similarly large on the negative electrode side, gradually decreased, and almost no Y was present on the positive electrode side.
[0008]
This phenomenon is due to the action of an electric field caused by energization, Y 2 O 3 of high-temperature portion is decomposed and moved Y is the negative electrode side and oxygen remaining in the positive electrode side is oxidized to MoSi 2, from MoSi 2 Means that the current path is thinned or disconnected. In particular, in a high temperature state of 1300 ° C., the above-mentioned movement of Y is likely to occur, which is considered to have caused a rise in the resistance value.
[0009]
On the other hand, regarding the generation of cracks, when an unused heater was cut in the axial direction and observed in detail, pores were observed in the heating element. In the ceramic heater having the above configuration, the support and the heating element have the same composition so that the thermal stress is reduced.However, in order to impart contradictory properties of insulating or conductive to each, the particle size of the ceramic particles is changed. In the heating element, Si 3 N 4 having an average particle diameter of 13 μm and MoSi 2 having an average particle diameter of 0.9 μm are used. As the support, Si 3 N 4 having an average particle diameter of 0.6 μm and MoSi 2 having an average particle diameter of 0.9 μm are used. ing. Therefore, it is considered that the optimum sintering conditions of the support and the heating element were shifted due to the difference in the particle diameter of the ceramic particles, and the heating element was insufficiently sintered and pores were generated. Under a new temperature condition of 1300 ° C., these pores cause cracks, and thermal stress acts due to a temperature difference between the surface and the inside and in the axial direction, cooling by the spray fuel, etc., and the thermal shock resistance is reduced. It seems to have been.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a ceramic heater having a small resistance change even under a high temperature condition of 1300 ° C. or more and having excellent thermal shock resistance without cracks. Things.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the present invention will be described with reference to FIG. 1. A ceramic heater 1 includes an electrically insulating
[0012]
Further, the
[0013]
In the
[0014]
In the
[0015]
The amount of the rare earth element oxide added to the
[0016]
Examples of the rare earth oxide include yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ). Silicon nitride is preferably used as the insulating ceramic. Further, as the conductive ceramic, metal carbide, silicide, nitride, or boride can be used, and at least one selected from these may be used (claim 8).
[0017]
[Action]
The
[0018]
Further, Al 2 O 3 has a function of promoting sintering at a low melting point. In the ceramic heater 1 according to the present invention, since the amount of Al 2 O 3 added to the
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.
FIG. 2 shows a glow plug of a diesel engine to which the present invention is applied.
[0020]
A
[0021]
FIG. 1 shows details of the ceramic heater 1. In the figure, a ceramic heater 1 includes a
[0022]
The outer peripheral surface of the
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
As the conductive ceramic in the
[0026]
In the present invention, the addition of the oxide of a rare earth element of the
[0027]
Next, a test was performed to confirm the effect of the difference in the amount of the rare earth element oxide and Al 2 O 3 added.
(1) First, a test sample was prepared as follows. The basic components of the support and the heating element were both 70Si 3 N 4 -30MoSi 2 (wt%), and the support was MoSi 2 having an average particle size of 0.9 μm and Si 3 N 4 having an average particle size of 0.6 μm. MoSi 2 having an average particle diameter of 0.9 μm and Si 3 N 4 having an average particle diameter of 13 μm were used for the heating element. Si of 3 N 4 and the addition amount of sintering aid to the total amount of MoSi 2, heating element Y 2 O 3 3% by weight, and Al 2 O 3 7 wt%, the support is Y 2 O 3 7% by weight, A ceramic heater having the configuration shown in FIG. 1 was prepared with 3% by weight of Al 2 O 3 (sample No. 1). Then, Y the amount of 2 O 3 and Al 2 O 3, and changed as shown in Table 1, those Al 2 O 3 addition amount of the support is larger than the heating element, Y 2 O 3 addition amount of the heating element Samples were prepared for each of more than the support and those obtained by combining these, and Sample Nos. 2 to 4 were obtained. Further, a heater having a conventional composition in which both the heating element and the support were 7% by weight of Y 2 O 3 and 3 % by weight of Al 2 O 3 was prepared, and a sample No. 5 for comparison was prepared.
[0028]
The firing was performed under an argon gas atmosphere at 1 atm and a pressure of 500 kgf / cm 2, and the firing temperature was adjusted so that the optimum firing conditions would be obtained with respect to changes in firing conditions due to changes in the amount of the sintering aid. Was carried out within the range of 1560 ° C. to 1850 ° C. (all the samples described below were prepared by appropriately changing the firing temperature so as to obtain the optimum firing conditions).
[0029]
The glow plug shown in FIG. 2 was prepared using the ceramic heaters of Sample Nos. 1 to 5, and the following tests were performed. First, in order to examine a change in resistance value due to repetition of energization, a cooling / heating test was performed in which repetition of 1 minute of energization and 1 minute of non-energization were defined as one cycle. At this time, the heater temperature was initially set to a saturation temperature of 1300 ° C. due to heat generation during energization, and the heater was cooled to 100 ° C. or less by a fan when no current was applied. For the evaluation, the same test was performed on four samples for each sample, and the life cycle was defined as the number of cycles in which one of the samples decreased the heater saturation temperature during energization by 100 ° C. to 1200 ° C. due to an increase in the resistance value. Table 1 shows the results.
[0030]
Next, an underwater spalling test was performed for the occurrence of cracks. This is a test to energize the glow plug and generate heat to a predetermined saturation temperature, then immerse the heater tip protruding from the metal pipe in water at 20 ° C, and investigate the presence or absence of cracks generated on the surface. Specifically, an underwater spalling test was performed at a saturation temperature of 500 ° C., and if no crack was generated, the underwater spalling test was performed at a saturation temperature of 100 ° C. and 600 ° C. In this way, the temperature was increased by 100 ° C. until 1300 ° C. or cracks occurred, and the evaluation was performed. For the evaluation, the same test was performed for each of the four samples, and the results are shown in Table 1.
[0031]
From Table 1, in the thermal test, Sample Nos. 1 and 2 in which the amount of Y 2 O 3 added to the heating element (3% by weight) was smaller than the amount of the support added (7% by weight) were compared with Sample No. 5 of the conventional composition. , Life is improved. In the underwater spalling test, Samples Nos. 1 and 3, in which the amount of Al 2 O 3 added to the heating element (7% by weight) was larger than the amount of support added (3% by weight), were improved as compared with Sample No. 5. You can see that. As a result, both the resistance value change and the occurrence of cracks due to the repetition of energization are effective in the case of sample No. 1, that is, the amount of Y 2 O 3 added to the heating element is smaller than that of the support, and It can be seen that this is the case where the added amount of Al 2 O 3 is larger than that of the support.
[0032]
(2) Next, it was examined whether this relationship holds regardless of the amount of addition. As shown in Table 2, in Samples Nos. 6 to 9, the addition amount of Al 2 O 3 was constant (heating element: 7% by weight, support: 3% by weight), and the addition amount of Y 2 O 3 was determined. Increased or decreased while always keeping more than the body. In Samples Nos. 10 to 13, the addition amount of Y 2 O 3 was fixed (heating element: 3% by weight, support: 7% by weight), and the addition amount of Al 2 O 3 was increased and decreased while the heating element was always increased. did. A sample was prepared and evaluated in the same manner as in the above (1). The results are also shown in Table 2.
[0033]
Comparing the results in Table 2 with Sample No. 5 (Table 1) of the conventional composition, the results of the thermal test were improved for all the samples, and no cracks were observed. The life cycle is more preferably 10,000 cycles or more in consideration of the reliability in the market. In particular, a sample in which the amount of Y 2 O 3 added to the support or the amount of Al 2 O 3 added to the heating element is relatively small. Nos. 6 to 8 and samples Nos. 10 to 12 were as high as 12000 to 15000 cycles, and good results were obtained. In Sample No. 9 in which the amount of Y 2 O 3 added to the support was 25% by weight and in Sample No. 13 in which the amount of Al 2 O 3 added to the heating element was 20% by weight, the life cycle of the thermal test was slightly lower.
[0034]
The increase in the amount of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 means that the glass layer at the grain boundaries of MoSi 2 and Si 3 N 4 constituting the matrix increases. In sample No. 9, the glass at the grain boundary was eluted to the surface of the support under the temperature condition of the cold test, and in sample No. 13, the conductive path of MoSi 2 became unstable due to the large number of glass layers at the grain boundary, and the repeated cooling and heating It is considered that the resistance value increased.
[0035]
As described above, for the support, the addition amount of Y 2 O 3 is set to be larger than that of the heating element within 20% by weight, and for the heating element, the addition amount of Al 2 O 3 is set to be larger than that of the support within 15% by weight. It is more desirable to do so.
[0036]
(3) Next, a test for confirming the optimum range of the total amount of addition based on the result of (2) that when the addition amounts of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 exceed a certain range, the service life in the thermal test becomes short. Was performed. Sample Nos. 14 to 17 were prepared and evaluated in the same manner as in (1) above, except that the addition amounts of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 were changed as shown in Table 3. The results are shown in Table 3 together with the presence or absence of glass elution.
[0037]
As is clear from Table 3, all of the samples have improved life cycles in the thermal test compared to Sample No. 5 described above. In particular, Sample Nos. 16 and 17, in which the total amount of both the heating element and the support was 25% by weight, had no glass elution, and good results were obtained. Samples Nos. 14 and 15 in which the total amount of the heating elements Y 2 O 3 and Al 2 O 3 were 30% by weight showed glass elution, and Sample No. 14 had a slightly shorter life cycle. From the above, it is preferable that the total amount of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 added be 25 wt% or less for both the heating element and the support.
[0038]
(4) Further, a test was conducted to confirm how the difference in the amount of Y 2 O 3 or Al 2 O 3 added between the heating element and the support affects the life cycle and the occurrence of cracks. As shown in Table 4, samples Nos. 18 to 20 were prepared with the amount of Al 2 O 3 added constant (heating element: 7% by weight, support: 3% by weight) and the amount of Y 2 O 3 added changed. Samples Nos. 21 to 23 were prepared with the addition amount of Y 2 O 3 being constant (heating element: 3% by weight, support: 7% by weight) and the addition amount of Al 2 O 3 changed as shown in the table. The same test as in the above (1) was performed for each sample, and the results are shown in Table 4.
[0039]
Comparing the results in Table 4 with Sample No. 5 above, the life cycles in the thermal test were all improved, indicating that the larger the amount of Y 2 O 3 added to the support than the heating element, the more effective the resistance value change. Understand. In particular, in the sample in which the difference in the amount of added Y 2 O 3 is 0.5% by weight or more, the life cycle exceeds 10,000 cycles, and a higher effect can be obtained. Regarding the occurrence of cracks, cracks did not occur at all in Sample Nos. 21 and 22 in which the difference in the amount of Al 2 O 3 added was 0.5% by weight or more. As described above, it is preferable that the difference between the amounts of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 added in the heating element and the support is 0.5% by weight or more, and a higher effect can be obtained.
[0040]
(5) Next, a test was performed to confirm the lower limit of the added amount of Y 2 O 3 of the heating element and the added amount of Al 2 O 3 of the support. As shown in Table 4, the amount of Al 2 O 3 added was fixed (heating element: 7% by weight, support: 3% by weight), and the amount of Y 2 O 3 added was changed as shown in the table, and Sample Nos. 24-26. It was created. Samples Nos. 27 to 29 were prepared with the addition amount of Y 2 O 3 being constant (heating element: 3% by weight, support: 7% by weight) and the addition amount of Al 2 O 3 changed as shown in the table. The same test as in the above (1) was performed for each sample, and the results are shown in Table 5.
[0041]
Comparing the results in Table 5 with Sample No. 5 above, the same life cycle as in the other samples was observed in Sample No. 24 in which the amount of Y 2 O 3 added to the heating element was 0% by weight in the thermal cycle test. Regarding the underwater spalling test, cracks were observed in sample No. 27 in which the amount of Al 2 O 3 added to the support was 0% by weight, but cracks were observed in sample No. 28 in which 0.1% by weight of Al 2 O 3 was added. Did not occur. Therefore, it is understood that it is not necessary to add Y 2 O 3 to the heating element, and it is desirable to add Al 2 O 3 to the support at 0.1% by weight or more.
[0042]
(6) In the above embodiment, the case where MoSi 2 is used as the conductive ceramic has been described. However, the conductive ceramic may be a carbide, nitride, or boride of another metal, and the same effect can be obtained. To confirm this, as shown in Table 6, the conductive ceramic WC, TaC, TiN, and change the ZrB 2, each, Y 2 O 3, Al 2 amount of the sample No1 of O 3, the sample Samples the same as No. 5 were prepared (samples Nos. 30 to 36), and the same test as in the above (1) was performed. The results are also shown in Table 6. In the table, Samples Nos. 30, 32, 34, and 36 are examples in which the additive amounts of the sample No. 1 and Sample Nos. 31, 33, 35, and 37 are the same as those of Sample No. 5 in the additive amount. As is clear from the table, even when the type of the conductive ceramic is changed, the amount of Y 2 O 3 added to the support is larger than that of the heating element, and the amount of Al 2 O 3 added to the heating element is larger than that of the support. It can be seen that the life cycle was greatly improved, and the occurrence of cracks was suppressed.
[0043]
Further, the effect of using Yb 2 O 3 having the same general versatility as Y 2 O 3 as a sintering aid was examined. Five kinds of samples were prepared in the same manner except that Yb 2 O 3 was used instead of Y 2 O 3 of samples Nos. 1 to 5 in (1) above (samples Nos. 38 to 42) and tested. Table 7 shows the results. As is clear from the table, even when Yb 2 O 3 is used, the same effect can be obtained on the life cycle and crack generation.
[0044]
As is clear from the above results, for both the heating element and the support, a rare earth element oxide and Al 2 O 3 were added as sintering aids, and the amount of the rare earth element oxide added to the support was adjusted to the heating element. It can be seen that increasing the number of heating elements and increasing the amount of Al 2 O 3 of the heating element as compared with the support has an effect on the change in resistance value due to repetition of energization and the occurrence of cracks. Further, in the heating element, the addition amount of the rare earth element oxide is 0 to 19.5% by weight and the addition amount of Al 2 O 3 is 0.1 to 15% by weight based on the total amount of the conductive ceramic and the insulating ceramic. And the total amount of these sintering additives is 25% by weight or less. In the support, the amount of the oxide of the rare earth element is 0.1 to 10% of the total amount of the conductive ceramic and the insulating ceramic. Greater effects can be obtained by setting the addition amount of Al 2 O 3 to 0.1 to 14.5% by weight and the total addition amount of these sintering aids to 25% by weight or less.
[0045]
[Table 1]
[0046]
[Table 2]
[0047]
[Table 3]
[0048]
[Table 4]
[0049]
[Table 5]
[0050]
[Table 6]
[0051]
[Table 7]
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a ceramic heater which has a small change in resistance value even when used at a high temperature and has excellent thermal shock resistance without cracks. Therefore, the present invention is applied to a glow plug or the like, and its reliability can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a ceramic heater showing one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an overall sectional view of a glow plug to which the ceramic heater of the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20023694A JP3601079B2 (en) | 1994-08-02 | 1994-08-02 | Ceramic heater |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20023694A JP3601079B2 (en) | 1994-08-02 | 1994-08-02 | Ceramic heater |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0845648A JPH0845648A (en) | 1996-02-16 |
| JP3601079B2 true JP3601079B2 (en) | 2004-12-15 |
Family
ID=16421079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20023694A Expired - Fee Related JP3601079B2 (en) | 1994-08-02 | 1994-08-02 | Ceramic heater |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3601079B2 (en) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3933345B2 (en) * | 1999-05-21 | 2007-06-20 | 日本特殊陶業株式会社 | Heating resistor, heating resistor for ceramic heater, method for manufacturing the same, and ceramic heater |
| JP3889536B2 (en) * | 1999-10-29 | 2007-03-07 | 日本特殊陶業株式会社 | Ceramic heater, method for manufacturing the same, and glow plug including the ceramic heater |
| JP2002179464A (en) | 2000-12-08 | 2002-06-26 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Silicon nitride / tungsten carbide composite sintered body |
| JP4808852B2 (en) * | 2001-01-17 | 2011-11-02 | 日本特殊陶業株式会社 | Silicon nitride / tungsten carbide composite sintered body |
| DE10136596B4 (en) * | 2001-07-30 | 2005-09-15 | Beru Ag | A method for connecting a rod-shaped heating element with a tubular housing of a glow plug and glow plug produced by this method |
| US7282670B2 (en) | 2002-04-26 | 2007-10-16 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Ceramic heater and glow plug having the same |
| KR101525634B1 (en) * | 2009-03-30 | 2015-06-03 | 엔지케이 인슐레이터 엘티디 | Ceramic heater and method for producing same |
-
1994
- 1994-08-02 JP JP20023694A patent/JP3601079B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0845648A (en) | 1996-02-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5304778A (en) | Glow plug with improved composite sintered silicon nitride ceramic heater | |
| JP5989896B2 (en) | Ceramic heater | |
| US7935912B2 (en) | Ceramic heater, and glow plug using the same | |
| CN101455118B (en) | Ceramic heater and glow plug | |
| US20110240625A1 (en) | Ceramic Heater | |
| CN100415061C (en) | Ceramic heater and glow plug having same | |
| EP1916480A1 (en) | Brazed structure, ceramic heater, and glow plug | |
| JP3601079B2 (en) | Ceramic heater | |
| JP3594660B2 (en) | Ceramic heater | |
| JP3078418B2 (en) | Ceramic heating element | |
| JP6312723B2 (en) | Spark plug | |
| JP2004061041A (en) | Ceramic glow plug | |
| JP3961847B2 (en) | Glow plug | |
| JP3269253B2 (en) | Ceramic heater | |
| JPH1025162A (en) | Ceramic sintered body | |
| JP4153849B2 (en) | Ceramic heater and glow plug using the same | |
| JP2735721B2 (en) | Ceramic heating element | |
| JP7677190B2 (en) | Spark plugs for internal combustion engines | |
| KR0148449B1 (en) | Ceramic Glow Plug with Spiral Heating Element Tip | |
| JP2003342655A (en) | Alloy, electrode containing the alloy, and ignition device | |
| JP3004141B2 (en) | Ceramic heating element | |
| JPH07151332A (en) | Ceramic glow plug | |
| JP2000021555A (en) | Ceramic heater and method of manufacturing the same | |
| JP3547154B2 (en) | Ceramic heating element | |
| JP2018096670A (en) | Glow plug |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040726 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040831 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040913 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101001 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111001 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121001 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121001 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131001 Year of fee payment: 9 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |
