JP4183186B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明は、石油ファンヒータ、ガスボイラー等の各種燃焼機器の点火用ヒータ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。

従来よりガスや灯油等を使用する各種燃焼機関の点火用及び各種加熱機器の加熱用ヒータとして、アルミナセラミック中に高融点金属の発熱体を埋設したアルミナセラミックヒータ、導電性セラミックである炭化珪素を発熱体とした炭化珪素ヒータが一般的であるが、アルミナセラミックヒータは１１００℃以上で使用されると耐熱衝撃性や高温強度が低い。一方、炭化珪素ヒータは耐衝撃性や強度が低く、炭化珪素自体が導電性であるため感電等の安全性に劣る。

そこで、窒化珪素質セラミックスを母材とし、セラミックヒータの耐久性を良好にするために、発熱抵抗体に高融点で熱膨張計数が母材に近いＷＣを用い、さらに熱膨張係数をセラミックヒータの基材に近づけるためＢＮや窒化珪素粉末を添加している（特許文献１参照）。

一方、母材については、ＭｏＳｉ_２やＷＣ等のセラミックス導電材料を添加することにより発熱抵抗体に熱膨張率を近づけるような調整を行った高温用ヒータが使用されている。
特開平７−１３５０６７号公報

しかしながら、発熱抵抗体の熱膨張率に近づける目的で添加するＭｏＳｉ_２やＷＣ等のセラミックス導電材料によりセラミックヒータ１の基材の絶縁性が低下する。通常の国内で使用される１００Ｖ程度の電圧及び着火温度の低い石油ファンヒータの点火用であれば問題ないが、ガスを使用する各種燃焼機器の点火用となると着火温度はさらに高くなる。

さらに電圧変動により高電圧が印加されることもあり、高温、高電圧下で使用すると発熱を繰り返すうちに焼結助剤としての、イッテルビウム（Ｙｂ）、イットリウム（Ｙ）、エルビウム（Ｅｒ）等がイオン移動によるマイグレーションによりパターン間における焼結助剤の蜜度が疎になり絶縁破壊にいたる。

絶縁破壊を防ぐためには、発熱抵抗体３のパターン間距離を十分に離して絶縁破壊が生じないようにしなければならないため、必要以上に大きなセラミックヒータ１となる。

また、セラミック体をなす基材中のＭｏＳｉ_２やＷＣ等のセラミックス導電材料の添加量を減らすと基材と発熱抵抗体３の熱膨張率差により発熱抵抗体３にクラックが生じて異常発熱し、最後には溶損、断線に至る。

また、これまでは電圧変動を考慮し高電圧がセラミックヒータ１に印加されないようにコントローラー等を用いて電圧を制御してセラミックヒータ１の耐久性を良好にする方法も採られていたが、燃焼機器のコストを下げるためにコントローラー等の制御装置を使用せずに、電圧変動により高電圧が印加されても耐久性が良好なワイドレンジ仕様のセラミックヒータが望まれている。

また、図５の発熱抵抗体３の溶融によりショートして発生する絶縁破壊８は、電位差が高く温度が６００℃以上となる箇所において発生し、パターン間７の距離が狭いとさらに発生しやすい。通常絶縁破壊８は、焼結助剤であるイッテルビウム（Ｙｂ）、イットリウム（Ｙ）、エルビウム（Ｅｒ）等が高電圧印加によるイオン移動によるマイグレーションにより電位差の高いパターン間７において前記記載の焼結助剤の密度が疎になり、図５に示すように、電位差の高いパターン間７を起点として発生し、リード部４を含めた形で絶縁破壊する。

本発明のセラミックヒータは、セラミック体中に発熱抵抗体を先端部からリード部までの間で折り返しを繰り返して往復するように蛇行状に埋設するとともに前記発熱抵抗体に電力を供給するための前記リード部を埋設してなるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体は前記リード部側の折り返し部分におけるパターン間距離が前記先端部側の折り返し部分におけるパターン間距離よりも長く、前記発熱抵抗体に１２０Ｖの電圧を印加したときの該発熱抵抗体パターン間に発生する電界強度を１２０Ｖ／ｍｍ以下となるようにしたことを特徴とする。

また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記発熱抵抗体のパターン間距離を前記先端部側の折り返し部分から前記リード部側の折り返し部分にかけて連続的に変化させたことを特徴とする。

本発明によれば、良好な耐久性を有するセラミックヒータを得ることができる。

その結果、長期の使用に際しても抵抗値の変化が小さく、安定した着火が維持できる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

図１は、セラミックヒータ１の一例を示す分解斜視図である。

また図４は、本発明のセラミックヒータ１の一例を示したものである。

セラミックヒータ１はセラミック体２中に発熱抵抗体３とリード部４と電極引出部５が埋設され、電極引出部５が不図示のロウ材を介して電極金具６に接続されている。

本発明のセラミックヒータ１は、セラミック体２中に発熱抵抗体３及び該発熱抵抗体３に電力を供給するためのリード部４を埋設してなり、発熱抵抗体３を先端部からリード部までの間で折り返しを繰り返して往復するように蛇行状に埋設したセラミックヒータ１において、発熱抵抗体３は、発熱抵抗体３のリード部４側の折り返し部分におけるパターン間距離Ｗ１が先端部側の折り返し部分におけるパターン間距離Ｗ２よりも長い、すなわち蛇行状に埋設された前記発熱抵抗体３の電位差の高い側のパターン間距離Ｗ１を広く、電位差の低い側のパターン間距離Ｗ２を狭くしたことを特徴とする。

そこで、図２に示すようにパターン間７の距離を広くし電界強度を１２０Ｖ／ｍｍ以下にすることでパターン間７の絶縁距離を保つことにより焼結助剤のイオン移動によるマイグレーションが抑制される。

ここで示す電界強度とは、上記方法で得られたセラミックヒータ１を１４００℃に保持する印加電圧をＶ０、発熱抵抗体３の電位差の高い側のパターンの長さをＬ１、発熱抵抗体３の全長をＬ０、電位差の高い側のパターン間７にかかる電位差をＶ１、パターン間距離をＷ１とした場合に、以下のように得られる。

Ｖ１＝Ｌ１／Ｌ０×Ｖ０
電界強度＝Ｖ１／Ｗ１
そして本発明のセラミックヒータ１は、蛇行状に埋設された発熱抵抗体３の電位差の高い側のパターン間距離Ｗ１を広く、電位差の低い側のパターン間距離Ｗ２を狭くすることにより電位差の高い側の電界強度を８０Ｖ／ｍｍ以下に確保することができ、セラミックヒータ１を取り付ける設備等の小型化に適し、コスト的にも有効となる。

また、本発明のセラミックヒータは、蛇行状に埋設された発熱抵抗体３の電位差の高い側の広いパターン間距離Ｗ１と電位差の低い側の狭いパターン間距離Ｗ２を連続的に変化させたことを特徴とする。電位差が高い方から低い方へ連続的に低下していくのに伴い絶縁距離も連続的に狭くしていくことで電位差と絶縁距離の関係が保たれ、焼結助剤のイオン移動によるマイグレーションが抑制されセラミックヒータ１の破壊モードが絶縁破壊より発熱抵抗体損傷に変化する。

セラミック成形体２ａの表面に発熱抵抗体３、リード部４および電極引出部５をプリントした後、セラミック成形体２ｂを重ねて、１６５０〜１７８０℃の温度でホットプレス焼成して得られたセラミック体２に電極金具６を取り付けることにより、図４のセラミックヒータ１を作製することができる。

セラミック体２のセラミックス基材としては、高強度、高靱性、高絶縁性、耐熱性の観点で優れている、窒化珪素質セラミックスを用いることが好適で、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤として３〜１２重量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ_２Ｏ_３、１．５〜５重量％のＳｉＯ_２を添加混合して原料粉末を調整した後、プレス成形法等によって所定形状に成形したセラミック成形体２ａにタングステンやモリブデン、レニウム等、或いはこれらの炭化物、窒化物等に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合した発熱体ペーストを発熱抵抗体３とリード部４および電極引出部５としてスクリーン印刷法等によりプリントし、その上面にセラミック成型体２ｂを重ねて密着させ、約１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することにより得ることができる。ここで示すＳｉＯ_２量とは、セラミック体２をなす基材中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ_２および添加したＳｉＯ_２の合計量である。

また、セラミック体２をなす基材にＭｏＳｉ_２やＷＳｉ_２を分散させ熱膨張率を発熱抵抗体３の熱膨張率に近づけることにより、発熱抵抗体３の耐久性を向上させることが可能である。

また、発熱抵抗体３としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉの炭化物、窒化物、珪化物を主成分とするものを使用することが可能であるが、中でもＷＣが熱膨張率、耐熱性、比抵抗の面から発熱抵抗体３の材料として優れている。

また、前記発熱抵抗体３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３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３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、４〜１２重量％とすることが良い。

また、発熱抵抗体３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３の熱膨張率を母材の窒化珪素に近づけることができる。

本発明の有効性を確認するために、テスト品を作って、下記試験を実施して、従来の構造のものと比較した。
〈実施例１〉
ここでは、発熱抵抗体３のパターン間距離Ｗ１の電界強度を１６０から１００Ｖ／ｍｍの間で変更した。

更に発熱抵抗体３の電位差の高い側のパターン間距離Ｗ１を広く、電位差の低い側のパターン間距離Ｗ２を狭くし、電位差の高い側のパターン間距離Ｗ１の電界強度を１２０から６０Ｖ／ｍｍの間で変更して、通電耐久試験における抵抗変化を評価した。

通電耐久試験については、セラミックヒータ１に通電し、１４００℃昇温保持１分後、通電を止めて外部冷却ファンにより１分強制冷却するサイクルを１サイクルとして、１００００サイクルの耐久試験を実施した。

なお、１４００℃に保持するための印加電圧は１４０〜１６０Ｖでパターン間距離Ｗ１の電界強度を１６０から６０Ｖ／ｍｍになるようにセラミックヒータ１の抵抗値を調整している。

まず、セラミックヒータ１の製法について、図１を用いて説明する。
まず、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）、イットリウム（Ｙ）、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤と発熱抵抗体３に熱膨張率を近づけるようなＭｏＳｉ_２やＷＣ等のセラミックス導電材料を添加したセラミック原料粉末を周知のプレス成型法等でセラミック成形体２ａを得た。
図１に示すように、セラミック成形体２ａの上にＷＣとＢＮを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体３とリード部４及び電極引出部５をプリント法によりセラミック成形体２ａの表面に形成した。
その後、これらの蓋となるセラミック成形体２ｂを重ねて密着させ、セラミック成形体２ａ、２ｂのグループ数十本と炭素板を交互に段重ねし、円筒の炭素型に入れた後、還元雰囲気下、１６５０〜１７８０℃の温度、３０〜５０ＭＰａの圧力でホットプレスにより焼成した。

このようにして得られた焼結体の表面に露出した電極引き出し部５に電極金具６をロウ付けしてセラミックヒータ１を得た。
テスト品の寸法とし、セラミック部分の厚みを２ｍｍ、幅を５ｍｍ、全長を５０ｍｍとしたセラミックヒータ１を作製し、１２０Ｖを通電したときにおける発熱抵抗体３のパターン間距離Ｗ１、Ｗ２別の電界強度と抵抗変化率を評価した。

測定数は各水準について１０本評価して、その平均値をデータとした。

結果を表１に示す。

表１に示す通り、発熱抵抗体３の電界強度が１２０Ｖ／ｍｍより大きいＮｏ．１〜２は、１０００〜５０００サイクルで絶縁破壊を起こした。これに対して発熱抵抗体３の電界強度が１２０Ｖ／ｍｍ以下のＮｏ．３〜８は、安定した耐久性を得ることができた。

また、発熱抵抗体３の電位差の高い側のパターン間距離Ｗ１を広く、電位差の低い側のパターン間距離Ｗ２を狭くし、電位差の高い側をパターン間距離Ｗ１の電界強度を８０Ｖ／ｍｍ以下のＮｏ．７〜８は、特に安定した耐久性を得ることができた。

本発明のセラミックヒータの展開斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の発熱抵抗体のパターンの印刷例でを示す概念図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の発熱抵抗体のパターンの印刷例を示す概念図である。 通常のセラミックヒータの例を示す斜視図である。 従来のセラミックヒータの絶縁破壊状態の一例を示す概念図である。

符号の説明

１：セラミックヒータ
２：セラミック体
２ａ、２ｂ：セラミック成型体
３：発熱抵抗体
４：リード部
５：電極引出部
６：電極金具
７：パターン間
８：絶縁破壊
Ｗ１：電位差の高いパターン間距離
Ｗ２：電位差の低いパターン間距離
Ｖ０：１４００℃に保持する印加電圧
Ｖ１：電位差の高い側のパターン間にかかる電位差
Ｌ０：発熱抵抗体３の全長
Ｌ１：発熱抵抗体の電位差の高い側のパターンの長さ

Claims (2)

1. セラミック体中に発熱抵抗体を先端部からリード部までの間で折り返しを繰り返して往復するように蛇行状に埋設するとともに前記発熱抵抗体に電力を供給するための前記リード部を埋設してなるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体は前記リード部側の折り返し部分におけるパターン間距離が前記先端部側の折り返し部分におけるパターン間距離よりも長く、前記発熱抵抗体に１２０Ｖの電圧を印加したときの該発熱抵抗体パターン間に発生する電界強度を１２０Ｖ／ｍｍ以下となるようにしたことを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記発熱抵抗体のパターン間距離を前記先端部側の折り返し部分から前記リード部側の折り返し部分にかけて連続的に変化させたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。

Images