JP5859827B2

JP5859827B2 - ヒータ

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Publication number: JP5859827B2
Application number: JP2011262237A
Authority: JP
Inventors: 昭津川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP2013114995A

Description

本発明は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用ヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータ、測定機器の加熱用ヒータ等に利用されるヒータに関するものである。

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は、セラミック絶縁基体の内部に高融点金属の抵抗体を埋設して形成されている。通常、これらのヒータは、セラミックグリーンシートを積層またはプレス成型するなどして成型して焼成されるため、板状，角柱状，円柱状といった比較的単純な形状を呈する（例えば、特許文献１を参照）。

特開平２−２４２０２０号公報

天然ガス、プロパンガスのようなガスを使用する各種燃焼機器においてはガスの着火温度は１１００℃以上と非常に高温になる。耐熱性の高いセラミックを使用した場合においても、経時的に組織の劣化が進み、耐久性が不十分となり寿命が短くなってしまう。そのため、着火温度を下げる必要がある。

本発明の目的は、燃料点火時のセラミックヒータの温度を比較的低温に設定しても、ガスなどの燃料を確実に着火でき、これにより耐久性が向上し長寿命であるヒータを提供することである。

本発明のヒータは、主面と、長手方向に延びて対向する両側面とを有する、長尺板状の絶縁基体と、該絶縁基体の内部に埋設され、前記主面に沿って折り返すパターンの折返し部と、該折返し部の両端から前記両側面に沿って延びる形状の直線部とからなる抵抗体とを含み、前記絶縁基体の前記両側面のうちの少なくとも一方であって前記抵抗体の側方に位置して、前記長手方向に垂直な断面で見たときに曲線となる曲面状の凹面があることを特徴とするものである。

また本発明のヒータは、上記の構成において、前記凹面の前記抵抗体に近接する部位が最も深く凹んだ形状であることを特徴とするものである。

また本発明のヒータは、上記の構成において、前記凹面が前記側面の幅方向の端から端にかけて形成されたものであることを特徴とするものである。

また本発明のヒータは、上記の構成において、前記凹面が前記側面の長さ方向の端から端にかけて形成されたものであることを特徴とするものである。

また本発明のヒータは、上記の構成において、前記絶縁基体の前記両側面に前記凹面があることを特徴とするものである。

また本発明のヒータは、上記の構成において、前記絶縁基体の前記両側面のうちの一方に前記凹面があり、他方に凸面があることを特徴とするものである。

本発明のヒータによれば、一度暖められたガスが、ヒータ裏面まで回りこみ、ヒータ裏面で再加熱される。したがって、ヒータの温度を低く設定でき、ヒータの寿命を延ばすことができる。

（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すヒータの内部透視図である。図１（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図である。本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す斜視図である。本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。

以下、本発明のヒータについて実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すヒータの内部透視図であり、図２は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図である。

図１および図２に示す本実施の形態のヒータ１は、絶縁基体２と、絶縁基体２の内部に埋設された抵抗体３とを含み、絶縁基体２の側面に曲面状の凹面２１があることを特徴とする。

絶縁基体２は、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，炭化物セラミックス等の絶縁性を備えたセラミックスからなり、例えば、アルミナ質セラミックス，窒化珪素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。耐熱性の点からは、窒化珪素質セラミックスを用いることが好ましい。

絶縁基体２の形状としては、例えば矩形板状、長尺板状、角柱状、円柱状などの形状が挙げられ、図１に示すような長尺板状の場合、例えば幅４〜２０ｍｍ、厚み１〜２０ｍｍ、長さ３０〜１００ｍｍの寸法のものが採用される。

絶縁基体２の内部には抵抗体３が埋設されている。この抵抗体３は、例えば縦断面の形状が折返し形状をなす部分を有していて、通電することによって折返し形状をなす部分が発熱するようになっている。この抵抗体３は絶縁基体２の先端側に埋設されていて、折返し形状をなす部分の先端から後端までの距離は例えば２〜１５ｍｍに形成される。なお、抵抗体３の横断面の形状は、円、楕円、矩形などいずれの形状でもよく、通常は後述するリード４よりも断面積が小さくなるように形成される。

抵抗体３の形成材料としては、絶縁基体２との同時焼成によって作製が可能なＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものが好ましい。そして、抵抗体３の熱膨張率を絶縁基体２の熱膨張率に近づけて、ヒータ１の昇温時および降温時の熱膨張率の差による応力を緩和するために、絶縁基体２の成分が含まれていてもよい。

また、図１に示す例では、絶縁基体２の内部に一対のリード４および一対の引出電極５が埋設されている。このものは、一端から他端にかけて折返し形状をなす抵抗体３の両端部（一方の端部および他方の端部）にそれぞれリード４が接合されている。そして、それぞれのリード４は、一端側で抵抗体３と電気的に接続され、他端側で引出電極５と電気的に接続されている。また、引出電極５は、一端側でリード４と電気的に接続され、他端側で絶縁基体２の表面に導出されている。

このリード４および引出電極５は、抵抗体３と同様の材料で形成され、例えば、抵抗体３よりも断面積を大きくしたり、絶縁基体２の形成材料の含有量を抵抗体３よりも少なくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているものである。

絶縁基体２の表面には、図１（ａ）に示すように、導出された引出電極５と電気的に接続されるように絶縁基体２と熱膨張率の近い金属、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金とＮｉ等の軟質金属からなる電極金具６が取り付けられ、この電極金具６を介して外部回路（図示せず）に接続される。なお、電極金具６は通常絶縁基体２の端部に取り付けられ、この電極金具６と電気的に接続されるように、引出電極５、リード４および抵抗体３のパターンが決められる。

そして、図２に示すように、絶縁基体２の側面には曲面状の凹面２１がある。曲面状の凹面２１があることによって、一度暖められたガス（例えば、天然ガス、プロパンガス）が、図に示す矢印のようにヒータ裏面まで回りこみ、ヒータ裏面で再加熱される。したがって、ヒータ１の温度を低く設定でき、ヒータ１の寿命を延ばすことができる。なお、図２〜図７に示す矢印はガスの流れを示している。

ここで、曲面状の凹面２１があるとは、凹面２１が設けられた側面を正面から見て、円形または楕円形の凹面２１が複数点在する場合や、側面の長手方向に沿って長く延びる形状の凹面２１が存在する場合などが挙げられる。なお、凹面２１は、側面の幅（厚み）に対して、少なくとも３０％以上の幅、例えば３００μｍ以上の幅であるのがよく、また１０μｍ以上の深さであるのがよい。

通常、ヒータ１は絶縁基体２の主面（面積の広い面）がガスの流れに対して垂直となるようにして配置され、面積の狭い側面はガスの流れに対して平行となるように配置される（図２に示す矢印を参照）。そして、図２に示すように、この側面に曲面状の凹面２１が設けられていることにより、ガスの流れに対して主面が垂直、側面が平行となるようにヒータ１を配置したときに、ヒータ１の側面付近を通過するガスの流れが乱され、ヒータ１の裏面までガスが流れ込み、ガスとヒータ１との接触時間が長くなる。したがって、ヒータ１の温度を低く設定でき、ヒータ１の寿命を延ばすことができる。また、ガスに対して抗力が大きくなり、発生した乱流によってガスと空気が混合されて着火しやすくなり、ガスの使用量を減らすこともできる。

またヒータ１は、図１および図２に示すように、絶縁基体２が長尺板状であり、絶縁基体２の長手方向に延びて対向する両側面のうちの少なくとも一方であって抵抗体３の側方に位置して、長手方向に垂直な断面で見たときに曲線となる凹面２１があるのが好ましい。この構成によれば、再加熱する主面（裏面）の幅が側面の幅より長い為、大きく回り込むガスも再加熱することができ、より多くのガスを再加熱でき、ヒータ温度を低く設定でき、寿命が延びる。

またヒータ１は、図３に示すように、凹面２１の抵抗体３に近接する部位が最も深く凹んだ形状であることを特徴とするものであるのが好ましい。例えば、抵抗体３が絶縁基体
２の厚み方向（側面で見たときの幅方向）の中央にある場合は、凹面２１の最も深く凹んだ部位は側面の幅方向の中央にあるのがよい。この構成によれば、ヒータ１の側面における凹面２１付近でもよく加熱され、より着火しやすい状態になり、ヒータ温度を低く設定でき、寿命が延びる。

またヒータ１は、図４に示すように、凹面２１が側面の幅方向の端から端にかけて形成されたものであるのが好ましい。この構成によれば、側面を通過する際にガスの回り込みによるガスの乱れが大きくなることで、ヒータ１裏面のガスの流れが遅くなり、着火しやすくなる。

またヒータ１は、図５に示すように、凹面２１が側面の長さ方向の端から端にかけて形成されたものであるのが好ましい。この構成によれば、ヒータ１の側面の長さ方向の全領域でガスの回り込みによる渦が発生するため、ガスの回り込みが起きやすくなり、ヒータ温度を低く設定でき、寿命が延びる。

またヒータ１は、図６に示すように、絶縁基体２の両側面に凹面２１があるのが好ましい。この構成によれば、両側面で暖められたガスが、両側面からほぼ均等にヒータ裏面まで回りこみ、ヒータ裏面で再加熱されることになるので、ヒータ温度を低く設定でき、寿命が延びる。

またヒータ１は、図７に示すように、絶縁基体２の両側面のうちの一方に凹面２１があり、他方に凸面２２があるのが好ましい。この構成によれば、例えば凹面２１の側からガスを導入し、凸面２２の側から空気（図に示す点線矢印）を導入した場合に、それぞれの側面付近を通過する気体の流れに差ができることによって、ガスと空気が混合されて燃焼しやすい状態でガスを再加熱することができ、ヒータ温度を低く設定でき、寿命が延びる。また、凹面２１側から流れてきたガスの進行方向への流れの勢いが凸面２２側からのガスの流れによって抑えられてより裏面付近に滞留することでも、ヒータ温度を低く設定でき、寿命を延ばすことができる。

次に、本実施の形態のヒータの製造方法について説明する。

絶縁基体２としては、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，炭化物セラミックス等の絶縁性を備えたセラミックスを用いる。具体的には、アルミナ質セラミックス，窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。耐熱性の点からは、窒化珪素質セラミックスを用いることが好ましい。

このようなセラミックスからなる絶縁基体２を作製するため、上記のセラミックス成分にＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２等の焼結助剤を含有させて粉体を作製する。

その粉体をプレス成型にて成型体を作製する。あるいは、粉体をセラミックスラリーに調製し，シート状に成形して、セラミックグリーンシートを作製する。

そして、成型体あるいはセラミックグリーンシートの一方の主面に、抵抗体３となる導電性ペースト、リード４となる導電性ペーストおよび引出電極５となる導電性ペーストのパターンをそれぞれスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。このとき、ヒータの用途に応じて、抵抗体３となる導電性ペーストおよびリード４となる導電性ペーストのパターンの長さや線幅、抵抗体３の折り返しパターンの距離，間隔などを変更することにより、抵抗体３の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定する。なお、抵抗体３となる導電性ペーストおよびリード４となる導電性ペーストは、絶縁基体２との同時焼成によって作製が可能
なＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とし、これらの高融点金属に上記のセラミックス，バインダー，有機溶剤等を調合し混練することで作製したものを用いることができる。

この導電性ペーストのパターンが形成された成型体にさらに同一材質の成型体を重ね合わせることで、内部に抵抗体３およびリード４を有する絶縁基体２となる成型体が得られる。

セラミックグリーンシートとする場合は、導電性ペーストのパターンが形成されたセラミックグリーンシートに、さらに同一材質のセラミックグリーンシートを積層して密着液を用いて密着させることにより、内部に抵抗体３およびリード４を有する絶縁基体２となるセラミックグリーンシート積層体が得られる。

次に、得られた成形体を複数配置して隣り合う成型体の間（成型体の周囲）に付着防止用の離型材を塗布した仕切り板を挿入するここで、仕切り版の表面の少なくとも一部には、凹面２１に対応する凸面のパターン形状が形成されている。これにより、成形体が焼成収縮する際に、仕切り板の表面形状が転写され、所望の形状を得る。ここで、仕切り板の形状を変えることで、さまざまな凹面のある表面形状にすることができる。

次に、得られた成形体を例えば１５００〜１８００℃で焼成することにより、ヒータを作製することができる。なお、焼成は、不活性ガス雰囲気中、もしくは還元雰囲気中で行なうことが好ましく、圧力を加えた状態で焼成することが好ましい。

最後に、得られた焼結体に電極金具６を取り付ける。具体的には、絶縁基体２の表面に導出された引出電極５と電気的に接続されるように、絶縁基体２の端部に電極金具６を取り付ける。

以上の方法によって、本発明のヒータが得られる。

本発明の実施例ヒータを以下のようにして作製した。

まず、Ｓｉ_３Ｎ_４を主成分とし、焼結助剤としてイッテリビウム（Ｙｂ）、イットリウム（Ｙ）、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類酸化元素の酸化物と抵抗体に熱膨張率を近づけるようなＭｏＳｉ_２およびＷＣを添加したセラミック原料粉体を作製した。

そして、前記粉体をプレス成型にて成型し、成型体を得た。

次に、高融点金属であるＷＣとセラミック原料粉体，バインダー，有機溶剤等を調合した抵抗体用の導電性ペーストを用いて抵抗体のパターンをスクリーン印刷等の手法を用いて成型体の上に形成した。同様に、リード用の導電性ペーストを用いてリードのパターンをスクリーン印刷等の手法を用いて成型体の上に形成した。さらに、引出電極用の導電性ペーストを用いて引出電極のパターンをスクリーン印刷等の手法を用いて成型体の上に形成した。

この導電性ペーストによるパターンが形成された成型体にさらに同一材質の成型体を重ね合わせ、得られた成形体の周囲に付着防止用の離型材を塗布した仕切り板を挿入し、還元雰囲気下、１７００℃、３５ＭＰａの圧力でホットプレス焼成を行った。

ここで、種々の形状の仕切り板を用意して、異なる凹面を有するヒータ（試料１〜試料
７）を作製した。なお、各試料は同じ条件で同時に焼成した。各試料の寸法は厚み１．３ｍｍ、幅４．７ｍｍ、長さ４０ｍｍで、側面の形状だけが異なっている。

具体的には、試料１は、側面（１．３ｍｍ×４０ｍｍ）の一方に、開口径６００μｍ、深さ２０μｍの凹面をランダムに一面に設けた。

試料２は、側面（１．３ｍｍ×４０ｍｍ）の一方に、開口面の幅６００μｍ、深さ２０μｍ、長さ２０ｍｍの凹面を抵抗体に近接する部位が最も深く凹んだ形状となるように設けた。

試料３は、側面（１．３ｍｍ×４０ｍｍ）の一方に、深さ２０μｍ、長さ２０ｍｍの凹面を幅方向の端から端にかけて設けた。

試料４は、側面（１．３ｍｍ×４０ｍｍ）の一方に、幅６００μｍ、深さ２０μｍの凹面を長さ方向の端から端にかけて設けた。

試料５は、側面（１．３ｍｍ×４０ｍｍ）の両方に、開口面の幅６００μｍ、深さ２０μｍ、長さ２０ｍｍの凹面を長さ方向に沿って設けた。

試料６は、側面（１．３ｍｍ×４０ｍｍ）の一方に開口面の幅６００μｍ、深さ２０μｍの凹面を長さ方向に沿って設け、他方には幅６００μｍ、高さ２０μｍの凸面を設けた。

また、試料７として、比較評価用に側面が平坦な従来のヒータを準備した。

準備したヒータ（試料１〜試料７）について、着火温度が下がり、耐久性が向上するかどうかを確認した。

具体的には、ガス暖房機に試料をセットし、暖房機が着火する温度を調べた。また、着火した温度にて３０秒間通電し，その後６０秒間通電を停止するサイクルにて、繰返しＯＮ−ＯＦＦ試験を実施した。

その結果、試料１〜６のヒータでは、着火温度が試料７よりも下がり、耐久寿命（サイクル数）が２８００００サイクル以上となった。これに対し、試料７のヒータでは、耐久寿命（サイクル数）が約５００００サイクルとなった。

本発明のヒータ（試料１）は従来のヒータ（試料７）に比べ、耐久寿命が約６倍になることが分かる。

１：ヒータ
２：絶縁基体
２１：凹面
２２：凸面
３：抵抗体
４：リード
５：引出電極
６：電極金具

Claims

主面と、長手方向に延びて対向する両側面とを有する、長尺板状の絶縁基体と、
該絶縁基体の内部に埋設され、前記主面に沿って折り返すパターンの折返し部と、該折返し部の両端から前記両側面に沿って延びる形状の直線部とからなる抵抗体とを含み、
前記絶縁基体の前記両側面のうちの少なくとも一方であって前記抵抗体の側方に位置して、前記長手方向に垂直な断面で見たときに曲線となる曲面状の凹面があることを特徴とするヒータ。
前記凹面は前記抵抗体に近接する部位が最も深く凹んだ形状であることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記凹面は前記側面の幅方向の端から端にかけて形成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記凹面は前記側面の長さ方向の端から端にかけて形成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記絶縁基体の前記両側面に前記凹面があることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記絶縁基体の前記両側面のうちの一方に前記凹面があり、他方に凸面があることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。