JP3964305B2

JP3964305B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP3964305B2
Application number: JP2002315750A
Authority: JP
Inventors: 浩久木野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP2004152587A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼式車載暖房装置の点火あるいは炎検知用ヒータ、自動車用グロープラグ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータ、酸素センサ等の各種センサの各種センサや測定機器の加熱用ヒータなどに利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】
寒冷地においてエンジンの始動を短期間に可能とするための熱源または車両室内暖房の補助熱源として、液体燃料を用いる車載暖房機が使用されている。また、電気自動車においてはバッテリの容量の制限により電力消費を少なくすることが要求されており、暖房装置の熱源としてこの液体燃料を用いた車載暖房機の利用が見込まれている。
【０００３】
図４に示すように、液体燃料は図示していない燃料ポンプにより燃料タンクから点火栓３０の周囲に供給される。支持部材３１は燃焼筒３２に固定されており、その中央には燃焼温度検知サーミスタ３３が設置されており、上部には点火栓３０を挿通させる孔が設けられている。更に支持部材３１には液体燃料を保持する蒸発媒体３４が嵌着されており、燃料の着火は、円筒形のステンレスで被覆された金属製の発熱部３５を有する点火栓３０により行われる。すなわち、点火栓３０の抵抗体に一定時間通電することにより発熱部３５が高温に赤熱される。その後、燃料ポンプから点火栓３０の周りに液体燃料が供給され蒸発媒体３４に浸透される。同時に空気供給ブロア３６から空気が送られ燃焼用空気が送り込まれる。そして、点火栓３０の周りに浸透した燃料が蒸発して赤熱した発熱部３５で着火される。点火栓３０で発生した炎は蒸発媒体３４の全面を覆うようになる。この火炎により蒸発媒体３４の表面から燃料蒸発量が増大し燃焼量が増大するがその燃焼量に見合うように供給燃料および燃焼用空気量が増やされる。
【０００４】
定常燃焼状態でコントローラー３７は車両からの操作信号および燃焼温度検知サーミスタ３３の信号により、燃料ポンプ、空気供給ブロア３６の動作を制御する。燃焼筒３２内の燃焼室で発生したガスは熱交換部３８で冷却水を加熱する。この熱交換部で加熱される水はエンジン冷却水であるがその水は図示していない熱交換器で空気を加熱する。その加熱された空気は車両室内に送られ車内の暖房が行われる。
【０００５】
図５は、セラミックヒータ１を車載暖房機に用いた場合のセラミックヒータの装着部分の拡大断面図である。
【０００６】
図５に示すように、窒化物セラミックスからなる基体２５中に図２に示すように発熱抵抗体７、電極引出部９及び発熱抵抗体７と電極引出部９が導通するようにリードピン８を埋設し、基体２５から露出した電極引出部９の上にガラス、Ｎｉを主成分としたメタライズ層を形成し、その上にＮｉメッキを施した鉄あるいはステンレス材からなり、筒状の電極金具２３をロウ付けしてなる。
【０００７】
また、車載暖房装置の配線と電極金具２３とを接合するにはスポット溶接が用いられている。
【０００８】
上記セラミックヒータ２１の外表面にロウ付けされた保持金具２２で、該セラミックヒータ２１を外部装置に固定するため支持部材３１に設けられた固定用金具２４にネジ３３により固定されている。固定用金具２４の先端部にはセラミックヒータ２１の位置決めのために、段部が形成されており、該段部に保持金具２２を当てて位置合わせをしネジ３３で固定するようにしている。
【０００９】
このようにしてガス流中の最適位置で燃焼ガスが着火するようなシステムが組まれている（特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１７３５１１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
近年、車載暖房機の小型化及び着火速度の早急化が望まれており、それに伴いセラミックヒータの小型化、電力の増大、すなわち発熱部体積の増大が必要となってきている。
【００１２】
セラミックヒータを小型化して、発熱部の体積を大きくするとメタライズ部が高温になり、従来の組成であるガラス、Ｎｉを主成分としたメタライズ部では、接合力が弱いため、電極引出部とメタラズ部との間の導通がとれなくなる問題があった。
【００１３】
そこで、メタライズ部に活性金属を含有した金属を用いることにより高温耐久性を良好にしている。
【００１４】
ところが、このようなメタライズを使用した場合、上記従来の筒状の電極金具２３を用いると、セラミックヒータ２１の基体２５と電極金具２３との熱膨張差により発生する応力のため、基体２５にクラックが生じるという問題があった。
【００１５】
本発明は、小型化されたセラミックヒータにおける電極金具が長期間高温に曝されても、抵抗値が安定し、安定した着火が可能となるセラミックヒータを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、窒化物セラミックスからなる基体中に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の両端に一部が基体の表面に露出する１対の電極引出部を形成し、該電極引出部の露出部にメタライズ層を介して電極金具を接続してなるセラミックヒータであって、上記電極金具がコイル状金具と、該コイル状金具を覆う筒状金具とからなることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のセラミックヒータは、上記筒状金具の厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明のセラミックヒータは、上記筒状金具がスリットを有することを特徴とする。
【００１９】
またさらに、本発明のセラミックヒータは、エンジンの始動用熱源または車両室内暖房の補助熱源として用いられる燃焼式車戴暖房機にて点火または災検知に用いることを特徴とする。
【００２０】
本発明のセラミックヒータによれば、電極引出部に活性金属を含有するメタライズ層を介してコイル状金具及び筒状金具を接続することから、金具とセラミックヒータの熱膨張差により発生する応力を緩和することができ、電極金具が長期間に渡り高温に曝されても抵抗値が変化せず、安定した着火性能が維持できる。
【００２１】
また、セラミックヒータを車載暖房機に組み付けるときに電を供給するための配線との接合はスポット溶接にて接合されるため、このスポット溶接面にロウ材の付着があると安定した溶接ができず、強度にばらつきが生じるが、コイル状金具の上に筒状金具を設置することにより、表面がロウ材の付着していない状態にできスポット溶接を容易に行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックヒータの実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
【００２３】
図１（ａ）は、本発明のセラミックヒータを車載暖房用セラミックヒータとして用いた際の断面図であり、（ｂ）は同図（ａ）のセラミックヒータを示す斜視図であり、図２はセラミックヒータにおける基体部分の製造工程段階の分解斜視図である。
【００２４】
図１、図２に示すように本発明のセラミックヒータ１は、窒化物セラミックスからなる基体５中に発熱抵抗体７を埋設し、該発熱抵抗体７の両端に一部が基体５の表面に露出する１対の電極引出部９を形成し、該電極引出部９の露出部にメタライズ層を介して電極金具３を接続してなるものである。
【００２５】
このセラミックヒータ１の外周に保持金具２をロウ付けし、車載暖房機の燃焼筒１２の支持部材１１に形成されたホルダ４にネジ１３により固定し、車載暖房機の着火あるいは上記発熱抵抗体７を温度センサとして使用し、燃焼時の温度を発熱抵抗体７の抵抗値から判断するものである。
【００２６】
このセラミックヒータ１の製造方法を図２の展開斜視図を用いて説明する。
【００２７】
ここでは２層の発熱抵抗体７を有するものであり、先ず各セラミック成形体６の上に発熱抵抗体７と電極引出部９をプリント法により形成する。その後、上記発熱抵抗体７と電極引出部９の間に両者が導通するようにリードピン８を設置し、セラミック成形体６とこれらの蓋となるセラミック成形体６を重ねて密着させ、ホットプレスにより焼成する。しかる後、得られた焼結体を円柱状に加工し、図１に示すように表面に露出した電極引出部９に不図示のメタライズ層を形成し、その上面に電極金具３をロウ付けしてセラミックヒータ１が得られる。
【００２８】
上記基体５は、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等の窒化物セラミックスからなり、中でも、窒化珪素質焼結体が高強度、高靱性、高絶縁性、耐熱性の観点で一番優れている。
【００２９】
窒化珪素質焼結体としては、主成分の窒化珪素に対し焼結助剤として３〜１２重量％の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ₂Ｏ₃、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ₂量として１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ₂を混合し、１６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。ここで示すＳｉＯ₂量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ₂と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉＯ₂と、意図的に添加したＳｉＯ₂の総和である。
【００３０】
また、母材の窒化珪素にＭｏＳｉ₂やＷＳｉ₂を分散させることにより、母材の熱膨張率を発熱抵抗体７の熱膨張率に近づけることにより、発熱抵抗体７の耐久性を向上させることが可能である。
【００３１】
さらに、上記基体５として窒化アルミニウムを用いる場合は、窒化アルミニウムに対して、焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物やＣａＯを２〜８重量％添加したものを使用する。
【００３２】
上記基体５に埋設された発熱抵抗体７は、無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加するＢＮの比率が４重量％以上となるように調整することが好ましい。窒化珪素セラミックス中で、発熱抵抗体７となる導体成分は窒化珪素に較べて熱膨張率が大きいため、通常は引張応力が掛かった状態にある。これに対して、ＢＮは、窒化珪素に較べて熱膨張率が小さく、また発熱抵抗体７の導体成分とは不活性であり、セラミックヒータ１の昇温降温時の熱膨張差による応力を緩和するのに適している。また、ＢＮの添加量が２０重量％を越えると抵抗値が安定しなくなるので、２０重量％が上限である。さらに好ましくは、ＢＮの添加量は、４〜１０重量％とすることが良い。
【００３３】
さらに、発熱抵抗体７への添加物として、ＢＮの代わりに窒化珪素を１０〜４０重量％添加することも可能である。窒化珪素の添加量を増すにつれ、発熱抵抗体７の熱膨張率を母材の窒化珪素に近づけることができる。
【００３４】
また、上記リードピン８については、耐熱性のある材質であれば他の材質を用いることも可能であるが、特にセラミック基材が窒化珪素の場合、Ｗを用いるのが望ましい。
【００３５】
ここで、本発明のセラミックヒータ１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように上記発熱抵抗体７を埋設した基体５の表面に露出した電極引出部９にメタライズ層を介してロウ付けによって接合された電極金具３は、コイル状金具３ａと、該コイル状金具３ａを覆う筒状金具３ｂとからなることが重要である。
【００３６】
上記コイル状金具３ａを電極引出部９に接合することにより、セラミックヒータ１が発熱、冷却され、それに伴い電極金具３とセラミックヒータ１の基体５との熱膨張差により発生する繰り返し応力を緩和することができる。
【００３７】
コイル状金具３ａの材質としては、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や４−２アロイ、インコロイ、インコネル、ステンレス、Ｎｉ等の熱膨張係数の小さい金属が好ましいが、車載暖房機に用いられるセラミックヒータ１には腐食耐性の良好なＮｉが多用されている。また、線径は発生する応力を小さくするため細い方が良く０．６ｍｍ〜１．２ｍｍとすることが好ましい。
【００３８】
電極引出部９に接合するメタライズ層は、高温耐性を増すために活性金属を含むＡｇ、Ｃｕを主成分とする金属主成分のメタライズ層を用いることが好ましい。一方、活性金属含まないガラスを主成分としたメタライズ層を使用すると、応力は緩和されるが高温になると接合力が弱いため電極引出部９とメタライズ層との間に隙間が生じて抵抗変化が生じやすい。
【００３９】
なお、Ａｇ−Ｃｕ合金を主成分とする場合、Ｃｕの比率はメタライズ層が硬くならないように５〜２０％とすることが好ましい。
【００４０】
上記コイル状金具３ａの上には、該コイル状金具３ａと同時に筒状金具３ｂがロウ材を用いて同時に接合されており、この筒状金具３ｂを接合することによって、ロウ材がコイル状金具３ａの表面に露出せずに車載暖房機等の配線と接続する際のスポット溶接が容易となる。
【００４１】
また、上記筒状金具３ｂは、その厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましく、さらには０．１〜０．３ｍｍが好ましい。厚みが０．１ｍｍ未満となると、車載暖房機の配線とのスポット溶接部が破れる、あるいは強度が劣化する可能性がある。一方、０．５ｍｍを超えると筒状金具３ｂによる応力が大きくなりすぎ、ロウ付けしているコイル状金具３ａに大きな影響を与えて、コイル状金具３ａが応力緩和のための作用をなさなくなる。さらに、筒状金具３ｂの材質としては、熱膨張係数がコイル状金具３ａに近いもの、かつロウ材が流れにくいものが好ましく、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、４−２アロイ、インコロイ、インコネル、ステンレス材等をもちいることが好ましい。
【００４２】
さらに、上記筒状金具３ｂにはスリット３ｃを形成することが好ましく、基体５と筒状金具３ｂとの熱膨張差による応力を緩和するために効果的である。また、筒状金具３ｂはスポット溶接を容易にすることが目的であり、溶接が可能であれば半円筒のような形状で構わない。
【００４３】
また、上記電極金具３は、１対の電極引出部９にそれぞれ接合されるため、電極金具３も同様に１対からなり、各電極金具３の距離は０．５〜５ｍｍ、更に好ましくは２〜５ｍｍとすることが好ましい。この距離が０．５ｍｍ未満では、電極金具３をロウ付けした際にロウ材が広がって短絡する可能性があり、一方、距離が５ｍｍを越えると、性能上は問題がないが、セラミックヒータ１の全長が長くなり、セラミックヒータ１を装着する装置全体の大きさに影響するので好ましくない。
【００４４】
そして、このセラミックヒータ１を保持するための保持金具２としては、ステンレス鋼、耐熱鋼、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、インコネル等の耐熱性に優れたものが好適である。
【００４５】
上記セラミックヒータ１は、エンジンの始動用熱源または車両室内暖房の補助熱源として用いられる燃焼式車戴暖房機にて点火または炎検知として好適に用いられる。上記セラミックヒータ１は、電極金具３としてコイル状金具３ａ、筒状金具３ｂを用いたことから、使用中の熱サイクルにより電極引出部９付近の抵抗値が増加したり、周辺の基体５にクラックが発生したりすることを防止することが可能となる。
【００４６】
また、通常、セラミックヒータ１を車載暖房機に組み付けるときは、電力を供給する配線と電極金具３との接合はスポット溶接にて接合されるため、このスポット溶接面にロウ材の付着があると安定した溶接ができず、強度にばらつきが生じるが、コイル状金具３ａの上に筒状金具３ｂを設置することにより、表面がロウ材の付着していない状態にできスポット溶接を容易に行うことができる。
【００４７】
なお、上述の実施形態では、円柱状のセラミックヒータ１を用いて説明したが、四角柱状等、種々の形状のセラミックヒータでもよく、電極金具３として基体の形状に沿うようにコイル状金具３ａ、筒状金具３ｂを接合すればよい。
【００４８】
【実施例】
本発明の有効性を確認するためにテスト品を作製し、下記試験を実施して従来の構造のものと比較した。
【００４９】
先ず、図３に示すセラミックヒータを作製するため、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤を添加したセラミック原料粉末をプレス成形法によってセラミック生成形体を得、セラミック生成形体の上面にＷＣとＢＮを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体と電極引出部をプリント法により形成した。
【００５０】
その後、リードピンを上記発熱抵抗体と電極引出部が導通するように設置し、上記セラミック生成形体を２層とこれらの蓋となるセラミック生成形体を重ねて密着させ、これを円筒のカーボン型に入れた後、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７５０℃の温度でホットプレスにより焼成した。
【００５１】
しかる後、焼結体を円柱状に加工し、表面に露出した１対の電極引出部にＡｇを主成分とするメタラズ層を形成し、Ｎｉからなるコイル状金具をロウ付けし、その上からＳＵＳ材からなる筒状金具を同時にロウ付けしてセラミックヒータの試料を作製した。
【００５２】
また、比較例として上述のセラミックヒータにおける電極金具として図６に示すような従来の筒状の電極金具を用いた試料を作製した。
【００５３】
各試料の寸法は、基体の外径を４．２ｍｍ、全長を４０ｍｍとし、電極金具の形状は表１に示す如くである。
【００５４】
得られたセラミックヒータ試料の電極部の高温耐熱性を冷熱サイクル炉を用いて評価した。セラミックヒータを冷熱サイクル炉に入れてそれぞれの筒状の電極金具が２分間で３００℃になるように設定し、その時点で炉から出して２分間冷却ファンを用いて１００℃未満にする。これを１サイクルとして３００００サイクル実施した。そして耐久試験後の抵抗値を４端子のマルチメーターを用いて測定し抵抗変化量を調査した。
【００５５】
これらの結果を表に示した。
【００５６】
【表１】

【００５７】
表１に示す通り、電極金具がコイル状金具及び筒状金具からなる試料（Ｎｏ．１〜１１）は、サイクル試験後の抵抗値増加量が小さく良好な耐久性を示した。
【００５８】
特に、筒状金具の厚みが０．５ｍｍ以下である試料（Ｎｏ．１〜１０）は、サイクル試験後の抵抗値増加量が２３ｍΩ以下と小さくすることができた。
【００５９】
また、試料（Ｎｏ．４）と試料（Ｎｏ．５）との比較、および試料（Ｎｏ．１２）と試料（Ｎｏ．１３）との比較から判るように、筒状金具にスリットを形成することにより、基体と電極金具の熱膨張差を緩和し、さらに抵抗値増加量を小さくできることが判った。
【００６０】
これに対し、電極金具が筒状金具のみからなる試料（Ｎｏ．１２、１３）は、サイクル試験後の抵抗値増加量が８０ｍΩ以上と大きくなることが判った。
【００６１】
従来のリング状の金具３３に対し、本発明に示す形状の電極金具３は抵抗変化量が少なく、高温耐久性に優れていることが確認できた。
【００６２】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒータによれば、窒化物セラミックスからなる基体中に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の両端に一部が基体の表面に露出する１対の電極引出部を形成し、該電極引出部の露出部にメタライズ層を介して電極金具を接続してなるセラミックヒータであって、上記電極金具がコイル状金具と、該コイル状金具を覆う筒状金具とからなることから、セラミックヒータ１が発熱、冷却され、それに伴い電極金具と基体との熱膨張差により発生する繰り返し応力を緩和することができ、コイル状金具の上面にさらに筒状金具３ｂを接合することによって、ロウ材がコイル状金具の表面に露出せずに車載暖房機等の配線と接続する際のスポット溶接を容易に行なうことができる。
【００６３】
また、筒状金具の厚みを０．１ｍｍ〜０．５ｍｍとし、さらにスリットを形成することによって、セラミックヒータと筒状金具との熱膨張差による応力を効果的に緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車載暖房機用のセラミックヒータを示す断面図である。
【図２】本発明のセラミックヒータの製造方法を説明するための基体部分の展開斜視図である。
【図３】（ａ）は本発明のセラミックヒータの斜視図であり、（ｂ）は電極金具の部分拡大断面図である。
【図４】従来の車載暖房機を示す断面図である。
【図５】従来の車載暖房機用のセラミックヒータを示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：保持金具
３：電極金具
４：固定用金具
５：基体
６：セラミック生成形体
７：発熱抵抗体
８：リードピン
９：取出電極
１０：点火栓
１１：支持部材
１２：燃焼筒
１３：ネジ

Claims

窒化物セラミックスからなる基体中に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の両端に一部が基体の表面に露出する１対の電極引出部を形成し、該電極引出部の露出部にメタライズ層を介して電極金具を接続してなるセラミックヒータであって、上記電極金具がコイル状金具と、該コイル状金具を覆う筒状金具とからなることを特徴とするセラミックヒータ。
上記筒状金具の厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
上記筒状金具がスリットを有す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。
請求項１乃至３の何れかに記載のセラミックヒータをエンジンの始動用熱源または車両室内暖房の補助熱源として用いられる燃焼式車戴暖房機にて点火または災検知に用いることを特徴とするセラミックヒータ。