JP6100633B2

JP6100633B2 - ヒータ

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Publication number: JP6100633B2
Application number: JP2013135771A
Authority: JP
Inventors: 朝島袋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2015011839A

Description

本発明は、例えば、流体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータ等または酸素センサ用ヒータ等に利用されるヒータに関するものである。

流体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータまたは酸素センサ用ヒータ等に利用されるヒータとして、例えば特許文献１に記載のセラミックシーズヒータが知られている。特許文献１に記載のセラミックシーズヒータは、金属製の有底筒状体と、有底筒状体の内部に設けられたセラミックヒータとを備えており、有底筒状体とセラミックヒータとの間には高熱伝導性を有する絶縁粉体が充填されている。

特開平１０−２４７５８４号公報

特許文献１に記載のセラミックシーズヒータを用いた際に、有底筒状体の外周面のみを流体等の被加熱物に接触させて被加熱物を加熱した場合には、セラミックヒータから有底筒状体の端面に伝わった熱は、被加熱物の加熱に寄与せずに、放熱等によって逃げてしまうことになる。そのため、被加熱物の加熱に用いる有底筒状体の外周面の温度上昇に時間がかかる可能性があった。その結果、セラミックシーズヒータにおいて電力の無駄が生じる可能性があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミックシーズヒータにおいて電力の無駄が生じる可能性を低減することにある。

本発明の一態様のヒータは、筒部および該筒部の一端側の開口を覆う蓋部を備えたセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック体の少なくとも前記一端側が挿入された金属筒とを備えており、前記蓋部の表面が前記開口側に向かって凹んでいるとともに、前記金属筒に前記蓋部に対向する金属板が設けられており、前記金属板は、部分的に前記蓋部に接しており、前記蓋部に接していない部分を有していることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、蓋部の表面が開口側に向って凹んでいることによって、蓋部の表面のうち凹んでいる部分が外部と接触しにくくなる。これにより、蓋部の表面から外部に熱が逃げてしまうことを抑制できる。そのため、被加熱物の加熱に寄与せずに逃げてしまう熱の発生を抑制できる。その結果、ヒータにおいて電力の無駄が生じる可能性を低減できる。

本発明のヒータの一実施形態の断面図である。図１に示したヒータのＡ−Ａ’断面の断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例１を示す断面図である。図１に示したヒータのＢ−Ｂ’断面の断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例２を示す断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例３を示す断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例４を示す断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例５を示す断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例６を示す断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例７を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るヒータ１０について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明のヒータ１０の実施形態の一例を示す断面図である。図１に示すように、このヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１が挿入された金属筒３と、金属筒３の端部を塞ぐ金属板４とを備えている。

＜セラミック体の構成＞
セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するために設けられる部材である。セラミック体１は、筒部１１および蓋部１２を備えている。筒部１１は、例えば円筒状または角筒状である。図１に示すヒータ１０においては、筒部１１は円筒状である。蓋部１２は、筒部１１の一端側の開口１３を覆うように設けられている。蓋部１２の形状は、例えば、筒部１１の開口１３の形状に対応している。具体的には、筒部１１が円筒状であって、筒部１１の開口１３の形状が円形状の場合には、蓋部１２の形状は円板状である。この例においては、筒部１１および蓋部１２は一体的に形成されている。

セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。これらのうち製造のしやすさの観点からは、アルミナを用いることが好ましい。筒部１１が円筒状であって、蓋部１２が円板状の場合には、筒部１１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに、内径を１４ｍｍに設定することができる。この場合の蓋部１２の寸法は、外径を１４ｍｍに設定することができる（厚みに関しては後述する）。すなわち、本実施形態においては、筒部１１の外径と蓋部１２の外径とが等しくなっており、筒部１１の外周面と蓋部１２の側面とが連続している。

＜発熱抵抗体の構成＞
発熱抵抗体２は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック体１に埋設されている。より具体的には、発熱抵抗体２は、筒部１１に埋設されている。また、発熱抵抗体２の形状は線状である。本例のヒータ１０における発熱抵抗体２は、一端側と他端側との間で繰り返し折り返した折返し形状を有しており、それぞれの端部がリード５に接続されている。リード５は、筒部１１の他端側の内周面に設けられており、外部に引き出されている。本実施形態においては、発熱抵抗体２の折返し部が筒部１１の一端側に設けられている。すなわち、リード５は、筒部１１のうち発熱抵抗体２の折返し部とは反対側の領域に設けられている。なお、図１においては、発熱抵抗体２が２本あるように見えるが、実際には筒部１１の内部に筒部１１の外周に沿ってほぼ全周に設けられた１本の線である。

発熱抵抗体２は金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウムが挙げられる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を１ｍｍに、全長を３０００ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。

＜金属筒の構成＞
金属筒３は、外周面を被加熱物に接触させて用いられる部材である。金属筒３は、筒状
の部材である。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、金属筒３は円筒状である。金属筒３には、セラミック体１の少なくとも一端側が挿入されている。すなわち、金属筒３の内径はセラミック体１の外径よりも大きい。なお、金属筒３の内周面と筒部１１の外周面との間には、充填剤が充填されていてもよい。充填剤としては、例えば酸化マグネシウム等の酸化物あるいは銅またはアルミニウム等の金属粉を用いることができる。これらのうち絶縁性、熱伝導性の点から、酸化マグネシウムを用いることが好ましい。

金属筒３は、例えばステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等の金属材料から成る。これらのうち加工性、強度および耐熱性の点から、ステンレスを用いることが好ましい。金属筒３が円筒状の場合には、金属筒３の寸法は、例えば長さを１２０ｍｍに、外径を２５ｍｍに、内径を２３ｍｍに設定することができる。

金属筒３のうち一端側の端面には、金属板４が設けられている。金属板４は、蓋部１２に対向するように設けられている。金属板４は、金属筒３に接合されている。接合には、例えば、溶接を用いることができる。金属板４は、板状の部材である。板状としては、例えば円板状または角板状が挙げられる。金属板４の形状は、金属筒３の一端側の端面の形状に対応していることが好ましい。具体的には、金属筒３が円筒状である場合には、金属板４が円板状であることが好ましい。

金属板４は、例えばステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等の金属材料から成る。これらのうち加工性、強度および耐熱性の点から、ステンレスを用いることが好ましい。また、金属板４は金属板３と同じ材料から成ることが好ましい。金属板４が円板状の場合には、金属板４の寸法は、例えば、外径を２５ｍｍに、厚みを５ｍｍに設定することができる。

本実施形態のヒータ１０においては、蓋部１２の表面が開口１３側に向って凹んでいる。このため、蓋部１２の表面のうち凹んでいる部分が外部と接触しにくくなる。これにより、蓋部１２の表面から外部に熱が逃げてしまうことを抑制できる。そのため、被加熱物の加熱に寄与せずに逃げてしまう熱の発生を抑制できる。その結果、ヒータ１０において電力の無駄が生じる可能性を低減できる。

なお、金属筒３の外周面を用いて被加熱物を加熱する具体例としては、図１に示すように、ヒータ１０のうち金属筒３の外周面のみを外部の流路６の内部に露出するように設けるとともに、流路に水等の液体を被加熱物として流して、この被加熱物をヒータ１０によって加熱する場合等が挙げられる。

より具体的には、本実施形態のヒータ１０においては、蓋部１２の表面が開口１３側に向って凹んでいることによって、蓋部１２の全体が金属板４と接するのではなく、蓋部１２が部分的に金属板４と接している。言い換えれば、蓋部１２は、金属板４と接していない部分を有している。これにより、蓋部１２に伝わった熱が金属板４を介して外部に逃げてしまうことを低減できる。

また、本実施形態のヒータ１０においては、蓋部１２の表面が曲面状に凹んでいる。蓋部１２の表面が曲面状に凹んでいることによって、蓋部１２に熱応力が生じたときに、局所的に力が集中することを抑制できる。これにより、ヒータ１０の耐久性を向上できる。

また、本実施形態のヒータ１０においては、金属板４は蓋部１２の周縁部に接しているとともに、蓋部１２の中央部から離れている。これにより、蓋部１２における熱分布の偏りを低減できる。具体的には、発熱抵抗体２が筒部１１に埋設されていることから、ヒー
タ１０の使用時には、蓋部１２のうち周縁部に発熱抵抗体２から発せられた熱が伝わりやすい。したがって、蓋部１２のうち周縁部が温まりやすく、中央部が温まりにくい。ここで、金属板４を蓋部１２の周縁部にのみ接するようにすることによって、温まりやすい周縁部から金属板４に放熱されることになる。これにより、蓋部１２の全体で見れば表面を凹ませることによって外部に逃げてしまう熱の発生を抑えながらも、蓋部１２において局所的に熱が集中してしまうことを抑制できる。その結果、蓋部１２に生じる熱応力を低減できる。

本実施形態のヒータ１０にはおいては、蓋部１２の表面の全体が曲面状に凹んでおり、断面視したときの形状を円弧状である。また、蓋部１２は中央部において最も凹んでいる。蓋部１２のうち周縁部の厚みは１０ｍｍであり、中央部の厚みは５ｍｍである。これにより、蓋部１２の中央部と金属板４との間には、５ｍｍ程度の隙間が形成されている。なお、前述したとおり、金属筒３の内周面と筒部１１の外周面との間には充填剤が充填されていてもよいが、この充填剤が蓋部１２と金属板４との間の隙間に入り込んでいても構わない。

＜変形例１＞
本発明のヒータ１０の変形例１について説明する。前述の実施形態のヒータ１０においては、筒部１１の外径と蓋部１２の外径とが等しくなっていたが、これに限られない。変形例１のヒータ１０においては、図３、４に示すように、蓋部１２の外径が筒部１１の外径よりも小さくなっている。これにより、ヒータ１０を用いて被加熱物を加熱する際に生じる熱応力による影響を低減できる。

具体的には、発熱した状態のヒータ１０における金属筒３の外周面に被加熱物が接触すると、金属筒３のうち被加熱物が接触した部分の温度が急激に低下する。このとき、筒部１１のうち温度が急激に低下した部分に接する領域の温度も低下することになる。この領域の近傍に筒部１１と蓋部１２との界面が存在すると、筒部１１と蓋部１２との間に熱応力が生じることになる。本変形例においては、蓋部１２の外径を小さくすることによって、筒部１１と蓋部１２との界面を上述した領域から遠ざけることができる。その結果、筒部１１と蓋部１２との間に生じる熱応力を低減できる。

本変形例においては、筒部１２の外径が２０ｍｍ、内径が１４ｍｍであって、蓋部１２の外径が１６ｍｍである。すなわち、蓋部１２と金属筒の内周面との間には、２ｍｍ程度の隙間が生じることになる。なお、この隙間に上述した充填剤が充填されていても構わない。

＜変形例２＞
本発明のヒータ１０の変形例２について説明する。前述の実施形態のヒータ１０においては、蓋部１２の形状が円板状であったが、これに限られない。変形例２のヒータ１０においては、図５に示すように蓋部１２の主面が長径と短径とを有する形状、いわゆる楕円状である。具体的には、蓋部１２の形状が、中央が凹んだ楕円形状である。本変形例の蓋部１２は、長径が筒部１１の外径と等しく、短径が筒部１１の外径よりも小さい。具体的には、本変形例においては、筒部１１の外径が２０ｍｍの場合には、蓋部１２の長径が２０ｍｍであり、短径が１８ｍｍである。さらに、蓋部１２は、短径の延長線上に流路６が位置するように配置されている。これにより、金属筒３のうち被加熱物が接触する部分から、筒部１１と蓋部１２との界面を遠ざけることができるので、変形例１の場合と同様に、ヒータ１０を用いて被加熱物を加熱する際に生じる熱応力による影響を低減できる。

＜変形例３＞
本発明のヒータ１０の変形例３について説明する。前述の実施形態のヒータ１０におい
ては、蓋部１２の中心が筒部１１の中心軸上に位置していたが、これに限られない。変形例３のヒータ１０においては、図６に示すように蓋部１２の中心１２ｃが筒部１１の中心軸１１ｃからずれている。具体的には、蓋部１２の中心１２ｃは筒部１１の中心軸１１ｃから、流路６から遠ざかるようにずれている。これにより、金属筒３のうち被加熱物が接触する部分から、筒部１１と蓋部１２との界面を遠ざけることができるので、変形例１の場合と同様に、ヒータ１０を用いて被加熱物を加熱する際に生じる熱応力による影響を低減できる。本変形例においては、蓋部１２の中心１２ｃは筒部１１の中心軸１１ｃから、２ｍｍずれている。なお、蓋部１２の表面が凹んでいることに関しては、前述の実施形態のヒータ１０と同様である。

＜変形例４＞
本発明のヒータ１０の変形例４について説明する。変形例４のヒータ１０においては、図７に示すように蓋部１２に切欠き部１２０が設けられている。切欠き部１２０は、蓋部１２の主面を貫通している。切欠き部１２０は、蓋部１２のうち、蓋部１２の中心１２ｃと流路６とを結ぶ直線上に設けられている。これにより、金属筒３のうち被加熱物が接触する部分から、筒部１１と蓋部１２との界面を遠ざけることができるので、変形例１の場合と同様に、ヒータ１０を用いて被加熱物を加熱する際に生じる熱応力による影響を低減できる。本変形例においては、切欠き部１２０は、円弧状に設けられている。切欠き部１２０は、蓋部１２の外周から２ｍｍ程度切り欠かれている。なお、蓋部１２の表面が凹んでいることに関しては、前述の実施形態のヒータ１０と同様である。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、図８に示すように、蓋部１２は、側面と底面とを有するような凹部を備えることによって、表面が凹んでいてもよい。また、図９に示すように、蓋部１２の表面が凹んでいるとともに、蓋部１２のうち筒部１１の内側に面する面が筒部１１側に突出していてもよい。また、図１０に示すように、蓋部１２は、表面の全体ではなく一部分だけが曲面状に凹んでいてもよい。

＜ヒータの製造方法＞
次に、本実施形態のヒータ１０の製造方法について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。

そして、このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体２と成る所定のパターンを導体ペーストを用いて形成する。導体ペーストを用いた発熱抵抗体２と成るパターンの形成方法としては、スクリーン印刷法等を用いることができる。

また、セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２と成るパターンを形成する面とは反対側の面に、リード５を取り付けるためのパッド電極と成るパターンを、発熱抵抗体２と成るパターンと同様の方法で形成する。さらに、パッド電極と発熱抵抗体２とを電気的に接続するためのスルーホールを形成する。スルーホールには導体ペーストを充填する。

発熱抵抗体２、パッド電極およびスルーホール導体に用いる導体ペーストとしては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とする導電性ペーストを用いることができる。

一方、押出成型によって円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。そして、この円筒状のアルミナ質セラミック成型体に前述のパターン等を形成したアルミナ質セラミックグリーンシートを、パターン等を形成した面を円筒状のアルミナ質セラミック成型体の表面に密着させるようにして巻き付けるとともに、同様の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布して密着させることによって、セラミック体１の筒部１１と成る成型体を得ることができる。このとき、円筒状のアルミナ質セラミック成型体のうちリードが取り付けられる箇所には、パッド電極が円筒状のアルミナ質セラミック成型体の内周面側に露出するような孔を設けておく。

次に、蓋部１２と成るアルミナ質セラミックスの成型体をプレス加工によって作製する。このとき、蓋部１２の表面が凹むような金型を用いることによって、表面が凹んだ蓋部１２と成る成型体を得ることができる。また、切削加工によって蓋部１２の表面に凹みを設けてもよい。

次に、得られた蓋部１２と成る成型体とアルミナ質一体成型体とを接着剤で接着する。

こうして得られた成型体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することによって、セラミック体１と発熱抵抗体２とパッド電極とを備えた焼結体を得ることができる。得られた焼結体に、にパッド電極にめっき等を施した後に、リード５を接続する。

次に、リード５を接続した焼結体を金属板４が設けられている金属筒３に挿入する。金属筒３および金属板４の材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等を用いることができる。

上記のようにして、上述の本実施形態のヒータ１０を得ることができる。

本発明のヒータ１０の実施例（試料１〜３）について説明する。Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを準備し、この表面に、タングステンとモリブデンとを主成分として成る発熱抵抗体２用の導体ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。

具体的には、発熱抵抗体２として、幅１ｍｍの折返し形状である発熱部とその両端部に接続された幅３ｍｍの引出し部とのパターンを形成した。また、このセラミックグリーンシートの裏面には、タングステンを主成分とするパッド電極用の導体ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。引出し部の端部にはφ０．４ｍｍのスルーホールを形成し、タングステンを主成分とした導電性ペーストを注入することによって、パッド電極と発熱抵抗体２とを電気的に接続するスルーホール導体を形成した。

次に、アルミナ質セラミックグリーンシートのうち発熱抵抗体２用の導体ペーストを形成した側の面に、同様の組成からなるアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布し、別に準備した円筒状のアルミナ質セラミック成型体の周囲に、導体ペーストを形成した側の面を密着させるように巻き付けて成型体を作製した。

次に、プレス加工によって蓋部１２と成る成型体を作製した。蓋部１２は、厚みが１０ｍｍ、外径が２０ｍｍであって、中心部に凹みを設けた。ここで、試料１においては、縦３ｍｍ、横３ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹みを設けた。試料２においては、縦３ｍｍ、横３ｍｍ、深さ１ｍｍの凹みを設けた。そして、試料３においては、縦３ｍｍ、横３ｍｍ、深さ１．５ｍｍの凹みを設けた。

次に、得られた蓋部１２と成る成型体とアルミナ質一体成型体とを接着剤で接着した後に、１５００〜１６００℃の窒素雰囲気中で焼成して焼結体を得た。得られた焼結体にリ
ード５を接続した後に、金属板４が設けられた金属筒３に挿入して、試料１〜３のヒータ１０を得た。また、比較例として、蓋部１２の表面が凹んでいないヒータを作成した。

このようにした得た試料１〜３および比較例に対して、発熱抵抗体２に一定の電圧を加えて、金属筒３の表面に被加熱物として熱電対を接触させた状態で、金属筒３の温度を２５℃から３００℃まで上昇させて、これにかかる時間を測定した。その結果、試料１では１６秒、試料２では１５秒、試料３では１４秒であった。また、蓋部１２の表面が凹んでいない比較例のヒータでは、１７秒であった。これらの結果から蓋部１２の表面が凹んでいることによって、蓋部１２から逃げる熱の量が低減されていることが確認できた。

１０：ヒータ
１：セラミック体
１１：筒部
１２：蓋部
１３：開口
２：発熱抵抗体
３：金属筒
４：金属板
５：リード
６：流路

Claims

筒部および該筒部の一端側の開口を覆う蓋部を備えたセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック体の少なくとも前記一端側が挿入された金属筒とを備えており、
前記蓋部の表面が前記開口側に向かって凹んでいるとともに、
前記金属筒に前記蓋部に対向する金属板が設けられており、前記金属板は、部分的に前記蓋部に接しており、前記蓋部に接していない部分を有していることを特徴とするヒータ。
前記蓋部の表面が曲面状に凹んでいることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記金属板は、前記蓋部の周縁部に接しているとともに、前記蓋部の中央部から離れてい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。
前記蓋部の外径が前記筒部の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。