JP5188506B2 - セラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents
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Description
本発明はセラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグに関する。
従来、セラミックヒータは、例えば石油ファンヒータの着火用ヒータなどの種々の用途に用いられている。このセラミックヒータは、例えば、棒状の絶縁性基体にＵ字型の発熱体がその端部に接続された電極リード部材とともに埋め込まれて構成される（例えば、特許文献１）。
特開2006−49279号公報
しかしながら、上記のような従来のセラミックヒータでは、図７にセラミックヒータの横断面図で示すように、セラミック基体64における周方向の温度分布が必ずしも均一ではないという課題があった。すなわち、横断面における、並置された発熱体の対向部62，63を結ぶ直線方向（領域Ｈの側）には熱は伝わりやすいが、この方向に垂直な方向（領域Ｃの側）には熱は伝わりにくい。
本発明のセラミックヒータは、並置された対向部を含む発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の端部に接続された一対のリード部と、前記発熱抵抗体および前記リード部が埋設されたセラミック基体とを備え、前記セラミック基体における前記対向部間に、前記セラミック基体よりも熱伝導性の高い高熱伝導性部材が配置されており、該高熱伝導性部材が前記対向部の少なくともいずれかに接しているとともに、前記高熱伝導性部材の延在方向と垂直な方向の幅が不均一であることを特徴とする。
さらに、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記高熱伝導性部材が前記対向部の長手方向に沿って延設されていることが好ましい。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記高熱伝導性部材がセラミックスを主成分とすることが好ましい。
さらに、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記高熱伝導性部材が前記対向部と同じ材料を主成分とすることが好ましい。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記高熱伝導性部材が異なる前記対向部にそれぞれ接しており、それぞれの対向部から延設された前記高熱伝導性部材間の最短距離が0.3ｍｍ以上であることがより好ましい。
本発明のグロープラグは、上記構成のセラミックヒータを備えたことを特徴とする。
本発明のセラミックヒータは、セラミック基体における対向部間に、セラミック基体よりも熱伝導性の高い高熱伝導性部材が配置されているので、セラミック基体の横断面における周方向の温度分布の均一性が優れている。また、高熱伝導性部材が対向部の少なくともいずれかに接していることから、熱が発熱抵抗体対向部から高熱伝導性部材に良好に伝わるので、セラミック基体の横断面における周方向の温度分布の均一性が向上する。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るセラミックヒータについて詳細に説明する。図１（ａ）は本実施形態にかかるセラミックヒータを示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。
本実施形態のセラミックヒータ100は、並置された対向部10ｂ，10ｃを含む発熱抵抗体10と、この発熱抵抗体10の端部に接続された一対のリード部11，12と、発熱抵抗体10およびリード部11，12が埋設されたセラミック基体２とを備えている。発熱抵抗体10は、対向部10ｂ，10ｃと、これらをつなぐ接続部10ａとからなるＵ字形状を有している。そしてリード部11，12を介して発熱抵抗体10に電流を流すことにより発熱抵抗体10が発熱する。
本実施形態において、リード部11，12は、発熱抵抗体10と同様の材料により対向部10ｂ，10ｃと一体化されて略同一方向に形成されるとともに発熱抵抗体10に比較して大きい径に形成され、発熱抵抗体10よりも単位長さあたりの抵抗が低くなっている。リード部11の発熱抵抗体10ｂと繋がった部分と反対側の端面は、セラミック基体２の端面に露出されて、電極取り出し部11ａが構成されている。リード部12の発熱抵抗体10ｃと繋がった部分と反対側の端面は、セラミック基体２の側面に露出されて、電極取り出し部12ａが構成されている。
図２（ａ）は、図１（ｂ）における発熱抵抗体10の断面を拡大した概略図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＹ−Ｙ線の箇所でセラミックヒータ100を切断したときの断面を示す概略図である。図１（ｂ）および図２（ａ），（ｂ）に示すように、セラミックヒータ100は、セラミック基体２の発熱抵抗体10における対向部10ｂ，10ｃ間に、セラミック基体２よりも熱伝導性の高い高熱伝導性部材21が配置されている。これにより、高熱伝導性部材を備えていない従来のセラミックヒータと比較して、本実施形態にかかるセラミックヒータ100は、図２（ｂ）に二点鎖線で示すように発熱抵抗体10からの熱Ｅが高熱伝導性部材21の付近に伝わりやすくなる。この熱Ｅが、従来、温度が比較的低くなりやすかった領域Ｃに伝わることで、セラミック基体２の横断面における周方向の温度分布の均一性が向上する。
また、高熱伝導性部材21は、対向部10ｂ，10ｃの少なくともいずれかと接している。高熱伝導性部材21が対向部10ｂ，10ｃの少なくともいずれかと接していることにより、熱Ｅが発熱抵抗体対向部10ｂ，10ｃから高熱伝導性部材21に良好に伝わるので領域Ｃへの熱の伝わりも良くなり、その結果、セラミック基体２の横断面における周方向の温度分布の均一性が向上する。
さらに、高熱伝導性部材21は、対向部10ｂ，10ｃの長手方向に沿って延設されていることが好ましい。高熱伝導性部材21を対向部10ｂ，10ｃの長手方向に沿って延設されていることにより、セラミック基体２のうち、発熱抵抗体10を被覆する部分の均熱性がより向上する。
以下、セラミックヒータ100を構成する好ましい材料について説明する。
発熱抵抗体10の材料としては、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）および二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等の周知の導電性セラミックスを用いることができる。
炭化タングステンを用いる場合を例に挙げて説明する。ＷＣ粉末を準備し、このＷＣ粉末に、セラミック基体２との熱膨張係数を減少させるためにセラミック基体２の主成分となる窒化珪素質セラミックスやアルミナ質セラミックスなどの絶縁性セラミックスを配合することが望ましい。絶縁性セラミックスと導電性セラミックスとの含有比率を変化させることにより、発熱抵抗体10の電気抵抗を所望の値に調整することができる。
発熱抵抗体10は、ＷＣ粉末にセラミック基体２の主成分となる窒化珪素質セラミックスやアルミナ質セラミックスを配合したセラミック原料粉末を、周知のプレス成形法等によりプレス成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる後述する射出成形により成形することが望ましい。
セラミック基体２を構成する材料は、高温での絶縁特性が優れている点からアルミナ質セラミックスまた又は窒化珪素質セラミックスが好ましいが、特に急速昇温時の耐久特性が高い点で窒化珪素質セラミックスがより好ましい。窒化珪素質セラミックスの組織は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする主相粒子が、焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。主相は珪素（Ｓｉ）あるいは窒素（Ｎ）の一部がアルミニウム（Ａｌ）あるいは酸素（Ｏ）で置換され、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであっても良い。本実施形態におけるセラミック基体は、窒化珪素粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（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を添加した上記セラミック原料粉末を、周知のプレス成形法等によりプレス成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる射出成形により成形するのがよい。
高熱伝導性部材21を構成する材料としては、セラミック基体２を構成する材料よりも熱伝導性の高いものであればよい。高熱伝導性部材21を構成する材料として絶縁性の材料を用いる場合には、幅Ｗ１（図２）を対向部10ｂ，10ｃ間の距離よりも大きくしても短絡することを防止できることに加え、幅Ｗ１を大きくすることで均熱性がより高められる。絶縁性の材料としては、例えばＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ダイヤモンド等の炭素化合物などが挙げられる。また、高熱伝導性部材21を構成する材料として対向部10ｂ，10ｃと同じ材料を用いる場合には、製造時に工程を簡略化できるのでコストダウンを図ることができる。
高熱伝導性部材21の幅Ｗ１は、好ましくは0.1〜１ｍｍ程度、より好ましくは0.3〜0.5ｍｍ程度であるのがよい。また、高熱伝導性部材21と対向部10ｂ（10ｃ）との最短距離Ｗ２は、対向部10ｂ，10ｃとの短絡を防止するという点で、好ましくは0.3ｍｍ以上、より好ましくは0.5ｍｍ以上であるのがよい。
以下、本発明に係る実施形態のセラミックヒータ100の製造方法の一例について説明する。まず、セラミックヒータ100を成形するための金型を準備する。この金型は、第１上金型と第１下金型からなり、第１上金型と第１下金型を合わせたときに、セラミックヒータ100の形状に対応した空洞が形成されるようになっている。この金型内の所望の位置に発熱抵抗体10および高熱伝導性部材21となる成形体を配置した状態で、射出成形により金型内にセラミック基体２の材料を供給すればよい。
図３（ａ）は，本発明の他の実施形態にかかるセラミックヒータにおける発熱抵抗体10の断面を拡大した概略図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＺ−Ｚ線の箇所でセラミックヒータを切断したときの断面を示す概略図である。図３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態における高熱伝導性部材23は対向部10ｂ，10ｃつながっており（接しており）、これらの対向部10ｂ，10ｃからセラミック基体２の中心部に向かって延設されている。また、高熱伝導性部材23は、対向部10ｂ，10ｃの長手方向に沿って延設されている。
このような高熱伝導性部材23を備えていることで、高熱伝導性部材23を備えていない従来のセラミックヒータと比較して、発熱抵抗体10からの熱が対向部10ｂ，10ｃの間の領域にも伝わりやすくなる。この熱が、従来、温度が比較的低くなりやすかった領域Ｃに伝わることで、セラミック基体２における周方向の温度分布の均一性が向上する。
高熱伝導性部材23の幅Ｗ３は、好ましくは0.01〜0.5ｍｍ程度、より好ましくは0.02〜0.3ｍｍ程度であるのがよい。また、高熱伝導性部材23同士の最短距離Ｗ４は、対向部10ｂ，10ｃとの短絡を防止するという点で、好ましくは0.3ｍｍ以上、より好ましくは0.5ｍｍ以上であるのがよい。
なお、図３に示した高熱伝導性部材23は、図４（ａ）に示すように幅が不均一なもの（符号25）であってもよい。このような不均一であることで、使用時に外部から伝わる振動に対して共振が起こりにくくなるので、耐久性を向上させることができる。また、図４（ｂ）に示すように、対向部10ｂ，10ｃとセラミック基体２の表面との間の領域に高熱伝導性部材27がそれぞれ形成されていてもよい。ただし、このような高熱伝導性部材27の幅Ｗ５よりも高熱伝導性部材25の幅Ｗ３の方が大きいことが好ましい。これにより、発熱抵抗体10からの熱がセラミックヒータ100の表面側よりも内部側に伝わりやすくなるので、セラミックヒータ100の均熱性をより向上させることができる。より好ましくは図４（ａ）に示すように対向部10ｂ，10ｃ間にのみ高熱伝導性部材25が配置されているのがよい。
図５（ａ）は本発明のさらに他の実施形態にかかるセラミックヒータ100の断面を示す概略図である。図５（ａ）に示すように、本実施形態では、比較的低温になりやすい領域Ｃ，Ｃの近傍まで高熱伝導性部材29が延設されているので、セラミックヒータの均熱性をさらに高めることができる。また、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、高熱伝導性部材31，33は一つの部材からなる場合だけでなく、複数の部材からなるものであってもよい。図５（ｂ）に示す形態では、一方の領域Ｃから他方の領域Ｃに向かって複数の高熱伝導性部材31が配置されている。図５（ｃ）に示す形態では、対向部10ｂ，10ｃの一端側から他端側に向かって（対向部の長手方向に沿って）複数の高熱伝導性部材33が配置されている。
図６は、本発明の一実施形態にかかるグロープラグを示す断面図である。図６に示すように、このグロープラグ101は、上記したセラミックヒータ10と、これを先端部に保持しエンジンのシリンダヘッドに取付けられる管状のハウジング102と、このハウジング102先端でセラミックヒータ10を保持する金属製外筒103とを備えている。セラミックヒータ10は金属製外筒103にロウ付けされ、この金属製外筒103はハウジング102の先端部にロウ付けされている。
２・・・・・・・・・・・セラミック基体
１０・・・・・・・・・・・発熱抵抗体
１０ｂ，１０ｃ・・・・・・対向部
１１，１２・・・・・・・・リード部
２１・・・・・・・・・・・高熱伝導性部材
１００・・・・・・・・・・セラミックヒータ
１０・・・・・・・・・・・発熱抵抗体
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２１・・・・・・・・・・・高熱伝導性部材
１００・・・・・・・・・・セラミックヒータ
Claims (6)
- 並置された対向部を含む発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の端部に接続された一対のリード部と、前記発熱抵抗体および前記リード部が埋設されたセラミック基体とを備えたセラミックヒータにおいて、前記セラミック基体における前記対向部間に、前記セラミック基体よりも熱伝導性の高い高熱伝導性部材が配置されており、該高熱伝導性部材が前記対向部の少なくともいずれかに接しているとともに、前記高熱伝導性部材の延在方向と垂直な方向の幅が不均一であることを特徴とするセラミックヒータ。
- 前記高熱伝導性部材が前記対向部の長手方向に沿って延設されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
- 前記高熱伝導性部材がセラミックスを主成分と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。
- 前記高熱伝導性部材が前記対向部と同じ材料を主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- 前記高熱伝導性部材が異なる前記対向部にそれぞれ接しており、それぞれの対向部から延設された前記高熱伝導性部材間の最短距離が０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- 請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたグロープラグ。
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