JP6228039B2

JP6228039B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP6228039B2
Application number: JP2014040572A
Authority: JP
Inventors: 誠三堂
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: JP2015167071A

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータ、酸素センサ用ヒータまたは半田ごて用ヒータ等に用いられる管状ヒータに関するものである。

液体加熱用ヒータ等に用いられるヒータとして、例えば特許文献１に記載された管状ヒータが知られている。特許文献１に記載の管状ヒータは、内部の空間が液体の流路となる管状のセラミック体と、このセラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えている。この発熱抵抗体に電流を流して発熱させることによって、流路を流れる液体を加熱することができる。特許文献１に記載された管状ヒータは、セラミック成形体に電極パターンが印刷されたシリコーンラバーを巻き付けることによって、円筒状のセラミック体を形成している。

特開２００４−１８５９２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された管状ヒータにおいては、セラミック成形体に電極パターンが印刷されたシリコーンラバーを巻き付ける際に、シリコーンラバーの繋ぎ目に隙間ができてしまう傾向があった。その結果、セラミック体の表面に長さ方向に延びる溝が形成される場合があった。管状ヒータは、例えば、セラミック体が環状の金具に挿入された状態で外部機器に取り付けられて用いられるが、セラミック体の表面に溝が形成されていると、セラミック体と環状の金具との間に隙間が形成されてしまうことになる。そして、外部機器に取り付けた際に、セラミック体と金具との間に隙間が形成されていることによって、その隙間から水漏れまたは空気漏れ等が生じるという問題点があった。

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、セラミック体と金具との間の隙間から水漏れまたは空気漏れが生じることを抑制できるヒータを提供することにある。

本発明の一態様のヒータは、柱状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体が挿入された環状の金具とを備えており、前記セラミック体は外周面に長さ方向に延びる溝部を有しており、前記金具は内周面に先端に向かうにつれて細くなる凸部を有するとともに該凸部が前記溝部に嵌まっており、該溝部と前記凸部との間には隙間があり、該隙間が、前記凸部の先端に向かうにつれて大きくなっている。

本発明の一態様のヒータによれば、金具が内周面に凸部を有するとともに、この凸部がセラミック体の外周面における溝部に嵌まっていることから、セラミック体と金具との間における隙間を小さくできる。これにより、セラミック体と金具との間の隙間から水漏れまたは空気漏れ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側面図である。図１に示すヒータの断面図である。図１に示すヒータのセラミック体を示す斜視図である。図１に示すヒータの金具を示す斜視図である。図２に示すヒータをＡ−Ａ’線で切断した断面図である。本発明のヒータの変形例を示す断面図である。本発明のヒータの変形例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１００について、図面を参照しながら説明する。図１はヒータ１００を示す側面図である。図１に示すように、ヒータ１００は、セラミック体１と金具５とを備えている。ヒータ１００は、例えば、流体である液体（水等）を被加熱物とする液体加熱用ヒータとして用いることができる。

図２に示すように、セラミック体１は、内側の空間が流体の流路１０となる管状の部材である。なお、本実施形態のヒータ１００においては、セラミック体１が筒状であるが、これに限られない。具体的には、セラミック体１が柱状であってもよい。この場合には、ヒータは、セラミック体１の外周面に被加熱物を接触させて、発熱抵抗体２から発せられた熱をセラミック体１の外周面から伝えることによって、被加熱物を加熱するようにして用いられる。

本実施形態のヒータ１００におけるセラミック体１は、長さ方向を有する円筒状の部材である。セラミック体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の絶縁性のセラミックスから成る。具体的には、セラミック体１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または炭化珪素質セラミックス等のセラミックスから成る。中でも、耐酸化性の観点から、アルミナ質セラミックスを用いることが好ましい。

セラミック体１の寸法は、例えば以下の通りに設定することができる。具体的には、長さ方向の全長を４０〜１５０ｍｍ程度に、外径を４〜３０ｍｍ程度に、内径を１〜２８ｍｍ程度に設定することができる。

図２に示すように、セラミック体１の内部には発熱抵抗体２が設けられている。発熱抵抗体２は、抵抗体に電流が流れることによって発熱するものである。図２に示すように、発熱抵抗体２は、セラミック体１の内部に流路１０に沿って埋設されている。なお、図２には示していないが、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側（図中の左側）において、セラミック体１の外周面に沿って周方向にも設けられている。

発熱抵抗体２は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはレニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体から成る。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ程度に、厚みを０．０１〜０．１ｍｍ程度に、全長を５００〜５０００ｍｍ程度に設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体２の発熱温度および発熱抵抗体２に加える電圧等によって適宜設定される。

セラミック体１の後端側（図中の右側）の表面には、電極３が設けられている。電極３は、外部の電源と発熱抵抗体２とを電気的に接続するための部材であって、セラミック体１の一端側の２か所にそれぞれ設けられている。電極３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。電極３は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料から成る。

金具５は、セラミック体１を外部機器に取り付けやすくするための部材である。外部機器としては、例えばシャワートイレ等が挙げられる。本実施形態のヒータ１００がシャワートイレに用いられる場合には、シャワートイレにおけるシャワー用の水がセラミック体
１の内部の流路１０を通過して加熱されることによって温水になるように用いられる。具体的には、例えば、セラミック体１の後端側から水が導入され、この水がセラミック体１の内部の流路１０を通過する間に発熱抵抗体２によって加熱された後に、セラミック体１の先端側から温水となって放出される。このとき、セラミック体１の先端側から放出される温水は、セラミック体１の外表面に付着する可能性があるが、この水がセラミック体１の後端側に設けられた電極３に触れてしまうことによって漏電が生じることを防ぐ必要がある。そのためには、シャワートイレにヒータ１００が取り付けられた際に、セラミック体１と金具５との間で水漏れが生じることのないようにしておく必要がある。

金具５は、環状の部材であって、セラミック体１が挿入されている。金具５は、例えばステンレス鋼または鉄−コバルト−ニッケル合金等の金属材料から成る。特に耐腐食性の観点からは、ステンレス鋼から成ることが好ましい。金具５の寸法は、例えば以下の通り設定することができる。具体的には、内径をセラミック体１の外径とほぼ等しく、外径を８ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設定することができる。また、セラミック体１の長さ方向における長さは、例えば０．３ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定できる。

ここで、図３に示すように、セラミック体１は外周面に長さ方向に延びる溝部１１を有している。溝部１１は、例えば、セラミック体１を以下の方法によって製造することによって形成することができる。以下では、セラミック体１がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする例を用いて説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒ_２Ｏが合計で１０質量％以下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。

次に、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となる所定の抵抗体パターンを形成する。発熱抵抗体２の形成方法としては、抵抗体となる導電性ペーストを使ったスクリーン印刷法等を用いることができる。すなわち、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となる抵抗体パターンを形成する。

発熱抵抗体２となる抵抗体パターンは、ヒータ１００の長さ方向に沿って伸びた複数の直線部と、これらの直線部を繋ぐ複数の折り返し部とを備えている。アルミナ質セラミックグリーンシートには、内部の発熱抵抗体２と表面の電極３とを電気的に接続するためのスルーホール導体も設ける。スルーホール導体には、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。

また、アルミナ質セラミックグリーンシートとは別に、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、抵抗体パターンを形成したアルミナ質セラミックグリーンシートを、抵抗体パターンを形成した面がアルミナ質セラミック成型体に接触するように巻き付ける。このとき、同一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アルミナ質セラミックグリーンシートに塗布しておいてアルミナ質セラミックグリーンシートとアルミナ質セラミック成型体とを密着させることで、アルミナ質一体成型体を得ることができる。

こうして得られた、アルミナ質一体成型体を１５００〜１６００℃の窒素雰囲気中で焼成することによって、内部に発熱抵抗体２を有するセラミック体１を得ることができる。

上述の工程の中で、アルミナ質セラミックグリーンシートをアルミナ質セラミック成型体に巻き付けるときに、アルミナ質セラミックグリーンシートをアルミナ質セラミック成型体の全周に隈なく巻き付けようとすると、アルミナ質セラミックグリーンシートの一部が重なるようにしてアルミナ質セラミック成型体に巻き付けられてしまう場合がある。そ
うすると、セラミック体１の外周面の形状が所望の滑らかな形状ではなくなるおそれが生じる。そこで、アルミナ質セラミックグリーンシートを巻き付ける際には、巻き付けの始めと終わりとに当たるアルミナ質セラミックグリーンシートの端部と端部との間に微小な隙間ができるように巻き付けることが好ましい。そうすると、この隙間が、図３に示すように、セラミック体１の外周面に溝部１１として残ることになる。

本実施形態のヒータ１００においては、図４に示すように、金具５は内周面に凸部５１を有している。そして、この凸部５１がセラミック体１の溝部１１に嵌まっている。これにより、セラミック体１と金具５との間に形成される隙間を減らすことができるので、セラミック体１と金具５との間で隙間から水漏れまたは空気漏れ等が生じる可能性を低減できる。凸部５１の形状および寸法は、溝部１１に対応して設定される。具体的には、溝部１１の断面形状が三角形状である場合には、凸部５１の断面形状もそれに合わせた三角形状にすることができる。また、溝部１１の深さ（セラミック体１の外周面から底までの距離）が０．５ｍｍ程度および溝部１１の幅が０．５ｍｍ程度の場合には、例えば、凸部５１の高さ（金具５の内周面から頂部までの距離）を０．４ｍｍ程度、凸部５１の幅を０．４ｍｍ程度に設定できる。また、セラミック体１の長さ方向における凸部５１の長さは、０．５ｍｍ程度に設定できる。

ここでいう、「凸部５１がセラミック体１の溝部１１に嵌まっている」とは、必ずしも凸部５１とセラミック体１とが密着している必要はない。具体的には、凸部５１が溝部１１の内部に入り込んでいればよく、凸部５１と溝部１１との間にろう材等が存在していてもよい。

図３および図５に示すように、本実施形態のヒータ１００においては、セラミック体１の外周面のうち金具５が取り付けられる領域にメタライズ層４が形成されているとともに、このメタライズ層４と金具５とがろう材によって接合されている。メタライズ層４は、溝部１１以外の領域だけではなく、溝部１１の内部にも設けられている。これにより、ろう材によってセラミック体１と金具５とを接合するときに、溝部１１の内部においてもろう材を濡れ広がらせやすくすることができる。その結果、セラミック体１と金具５との接合強度を向上させることができる。メタライズ層４としては、例えばタングステンまたはモリブデンを用いることができる。メタライズ層４の厚みは、例えば０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度に設定できる。また、ろう材としては、例えば銀または銀−銅等を用いることができる。また、メタライズ層４にめっき等の手法でニッケル層を設けることにより、ろう材との濡れ性が向上し、セラミック体１と金具５との接合強度がさらに向上する。

本実施形態のヒータ１００においては、金具５に設けられた凸部５１が断面形状において先端に向かうにつれて細くなっていて、溝部１１との間に隙間がある。これにより、金具５が高温になった場合に、溝部１１の底部付近において凸部５１の熱膨張量を低減することができる。そのため、溝部１１の底部付近において凸部５１が周方向に熱膨張して溝部１１の壁面を圧迫する可能性を低減できる。その結果、溝部１１の壁面が圧迫されることによって生じるクラックの発生を低減できる。特に、溝部１１の壁面と凸部５１の側面との間の隙間が凸部５１の先端に向かうにつれて大きくなっていくことが好ましい。これにより、溝部１１の壁面が圧迫されることによって生じるクラックの発生をさらに低減できる。

本実施形態のヒータ１００においては、凸部５１の断面形状が三角形状であったがこれに限られない。例えば、図６に示すように凸部５１の先端が平坦面であってもよい。これにより、凸部５１が三角形状である場合と比較して、凸部５１の先端の鋭さを抑えることができる。そのため、ヒートサイクル下において凸部５１が熱膨張することによって、凸部５１の先端がセラミック体１の底部を圧迫することによって、セラミック体１の底部を
損傷させてしまう可能性を低減できる。

また、図７に示すように、凸部５１の断面形状が先端に向かうにつれて細くなる形状であるとともに、先端近傍において凸部５１の突出する方向と凸部５１の側面との成す角が大きくなるように変化していてもよい。これにより、凸部５１の先端の鋭さを抑えつつも、凸部５１の先端が平坦面である場合と比較して、溝部１１の奥にまで凸部５１を入れることができることから、セラミック体１と金具５との間に形成される隙間を効果的に減らすことができる。

また、本実施形態のヒータ１００においては、凸部５１は、セラミック体１の長さ方向における金具５の一部のみに設けられていたが、これに限られない。具体的には、凸部５１が、セラミック体１の長さ方向における金具５の全体に設けられていてもよい。これにより、セラミック体１と金具５との間の隙間から水漏れまたは空気漏れが生じる可能性をより効果的に低減することができる。

また、本実施形態のヒータ１００においては、凸部５１と溝部１１との間にメタライズ層４およびろう材が設けられていたが、これに限られない。例えば、メタライズ層４およびろう材を設けずに樹脂材料から成る接着剤を凸部５１と溝部１１との間に設けてもよい。

１：セラミック体
１０：流路
１１：溝部
２：発熱抵抗体
３：電極
４：メタライズ層
５：金具
５１：凸部
１００：ヒータ

Claims

柱状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体が挿入された環状の金具とを備えており、
前記セラミック体は外周面に長さ方向に延びる溝部を有しており、前記金具は内周面に先端に向かうにつれて細くなる凸部を有するとともに該凸部が前記溝部に嵌まっており、
該溝部と前記凸部との間には隙間があり、
該隙間が、前記凸部の先端に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とするヒータ。
前記凸部の突出する方向と前記凸部の側面とのなす角が、前記凸部の先端に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。