JP6386859B2 - heater - Google Patents

heater Download PDF

Info

Publication number
JP6386859B2
JP6386859B2 JP2014203819A JP2014203819A JP6386859B2 JP 6386859 B2 JP6386859 B2 JP 6386859B2 JP 2014203819 A JP2014203819 A JP 2014203819A JP 2014203819 A JP2014203819 A JP 2014203819A JP 6386859 B2 JP6386859 B2 JP 6386859B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ceramic body
heater
filler
metal cylinder
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014203819A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016072201A (en
Inventor
健太郎 奥本
健太郎 奥本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2014203819A priority Critical patent/JP6386859B2/en
Publication of JP2016072201A publication Critical patent/JP2016072201A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6386859B2 publication Critical patent/JP6386859B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。   The present invention relates to a heater used for a liquid heating heater, a powder heating heater, a gas heating heater, an oxygen sensor heater, and the like.

液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ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に開示されたヒータ装置が知られている。特許文献1に開示されたヒータ装置は、金属製ケースと、金属製ケースに挿入されたセラミックヒータと、金属製ケースの内面とセラミックヒータの表面との間に鋳込みによって形成された金属層とを備えている。   As a heater used for a liquid heating heater, a powder heating heater, a gas heating heater, an oxygen sensor heater, and the like, for example, a heater device disclosed in Patent Document 1 is known. The heater device disclosed in Patent Document 1 includes a metal case, a ceramic heater inserted into the metal case, and a metal layer formed by casting between the inner surface of the metal case and the surface of the ceramic heater. I have.

また、セラミックヒータとして、例えば特許文献2に開示されたセラミックヒータが知られている。特許文献2に開示されたセラミックヒータは、セラミックヒータの長さ方向に沿った溝部を有している。   As a ceramic heater, for example, a ceramic heater disclosed in Patent Document 2 is known. The ceramic heater disclosed in Patent Document 2 has a groove along the length direction of the ceramic heater.

特開平9−22774号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-22774 特開2001−257062号公報JP 2001-257062 A

特許文献1に開示されたヒータ装置に用いられるセラミックヒータとして、特許文献2に開示されたセラミックヒータを用いた場合には、ヒータ装置の長期信頼性を向上させることが困難であった。具体的には、鋳込みによって金属層を形成する際に、セラミックヒータの溝部に金属層が入り込む場合がある。この状態で、ヒータ装置を使用すると、溝部の内部に位置する金属層と溝部との間で大きな熱応力が発生するおそれがあった。その結果、セラミックヒータにおいて溝部を起点とするクラックが発生してしまうおそれがあった。   When the ceramic heater disclosed in Patent Document 2 is used as the ceramic heater used in the heater device disclosed in Patent Document 1, it is difficult to improve the long-term reliability of the heater device. Specifically, when the metal layer is formed by casting, the metal layer may enter the groove portion of the ceramic heater. When the heater device is used in this state, there is a possibility that a large thermal stress is generated between the metal layer located inside the groove and the groove. As a result, there is a possibility that a crack starting from the groove portion may occur in the ceramic heater.

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータ装置において長期信頼性を向上することにある。   This invention is made | formed in view of this problem, The objective is to improve long-term reliability in a heater apparatus.

本発明の一態様のヒータは、外周面に長さ方向に沿った溝部を有する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、前記セラミック体のうち前記発熱抵抗体が設けられた部分が挿入された金属筒と、前記セラミック体の外周面および前記金属筒の内周面の間に充填された金属材料から成る充填剤とを備え、前記溝部において、前記セラミック体と前記充填剤との間に空隙部を有しており、前記充填剤の熱膨張率が前記金属筒の熱膨張率よりも高いことを特徴とする。 A heater according to an aspect of the present invention includes a columnar or cylindrical ceramic body having a groove portion along a length direction on an outer peripheral surface, a heating resistor provided inside the ceramic body, and the ceramic body among the ceramic bodies. A metal cylinder in which a portion provided with a heating resistor is inserted, and a filler made of a metal material filled between the outer peripheral surface of the ceramic body and the inner peripheral surface of the metal cylinder, There is a gap between the ceramic body and the filler, and the thermal expansion coefficient of the filler is higher than the thermal expansion coefficient of the metal cylinder .

本発明の一態様のヒータによれば、ヒータの長期信頼性を向上させることができる。   According to the heater of one embodiment of the present invention, long-term reliability of the heater can be improved.

本発明のヒータの一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the heater of this invention. 本発明のヒータのうちセラミック体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a ceramic body among the heaters of this invention. 本発明のヒータのうちセラミック体の溝部近傍を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the groove part vicinity of a ceramic body among the heaters of this invention.

本発明の一実施形態のヒータ10について詳細に説明する。   The heater 10 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

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、柱状または筒状のセラミック体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のうち発熱抵抗体2が設けられた部分が挿入された金属筒3と、セラミック体1の外周面および金属筒3の内周面の間に充填された金属材料から成る充填剤4とを備えている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a heater 10 of the present invention. As shown in FIG. 1, the heater 10 is provided with a columnar or cylindrical ceramic body 1, a heating resistor 2 provided inside the ceramic body 1, and a heating resistor 2 of the ceramic body 1. A metal cylinder 3 in which a portion is inserted and a filler 4 made of a metal material filled between the outer peripheral surface of the ceramic body 1 and the inner peripheral surface of the metal cylinder 3 are provided.

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の形状は、柱状または筒状である。柱状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう柱状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。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、セラミック体1は円柱状である。   The ceramic body 1 is a member provided to protect the heating resistor 2. The shape of the ceramic body 1 is columnar or cylindrical. Examples of the columnar shape include a columnar shape or a prismatic shape. In addition, the column shape here includes, for example, a plate shape extending long in a specific direction. Examples of the cylindrical shape include a cylindrical shape and a rectangular tube shape. In the heater 10 shown in FIG. 1, the ceramic body 1 has a cylindrical shape.

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。熱伝導率に優れるという観点からは窒化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、窒化アルミニウムを用いる場合には、セラミック体1の熱伝導率を150W/(m・K)と高くできるので、セラミック体1の内部に形成した発熱抵抗体2で発生した熱を充填剤4に効率良く伝えることができる。したがって、ヒータ10の急速昇温が可能となる。また、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。セラミック体1が円柱状の場合には、セラミック体1の寸法は、例えば長さを100mmに、外径を20mmに設定することができる。また、セラミック体1が板状の場合には、セラミック体1の寸法は、例えば長さを80mmに、幅を50mmに、厚みを2mmに設定することができる。セラミック体1が円筒状の場合には、セラミック体1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。   The ceramic body 1 is made of an insulating ceramic material. Examples of the insulating ceramic material include alumina, silicon nitride, and aluminum nitride. From the viewpoint of excellent thermal conductivity, it is preferable to use aluminum nitride. In particular, when aluminum nitride is used, the thermal conductivity of the ceramic body 1 can be increased to 150 W / (m · K), so the heat generated in the heating resistor 2 formed inside the ceramic body 1 can be used as the filler 4. Can communicate efficiently. Accordingly, the heater 10 can be rapidly heated. From the viewpoint of ease of production, it is preferable to use alumina. When the ceramic body 1 is cylindrical, the dimensions of the ceramic body 1 can be set, for example, to a length of 100 mm and an outer diameter of 20 mm. When the ceramic body 1 is plate-shaped, the dimensions of the ceramic body 1 can be set, for example, to a length of 80 mm, a width of 50 mm, and a thickness of 2 mm. When the ceramic body 1 is cylindrical, the dimensions of the ceramic body 1 can be set, for example, to a length of 100 mm, an outer diameter of 20 mm, and an inner diameter of 14 mm.

図2に示すように、セラミック体1は外周面に長さ方向に沿った溝部11を有している。本実施形態においては、セラミック体1の一方の端から他方の端にかけて溝部11が設けられている。図3に示すように、溝部11の断面形状は、例えば、底面12が円弧状になるように形成される。このような場合の溝部11の寸法は、例えば、深さを0.2〜0.8mm程度、幅を0.4〜2.4mm程度に設定できる。   As shown in FIG. 2, the ceramic body 1 has a groove portion 11 along the length direction on the outer peripheral surface. In the present embodiment, a groove 11 is provided from one end of the ceramic body 1 to the other end. As shown in FIG. 3, the cross-sectional shape of the groove part 11 is formed so that the bottom face 12 becomes circular arc shape, for example. The dimensions of the groove 11 in such a case can be set, for example, to a depth of about 0.2 to 0.8 mm and a width of about 0.4 to 2.4 mm.

発熱抵抗体2は、電流が流れることによって発熱する抵抗体である。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。本実施形態のヒータ10における発熱抵抗体2は折り返し形状を有している。発熱抵抗体2の両端部は引出電極21に接続されている。引出電極21は、セラミック体1の一方の端部へと引き出されており、端部においてセラミック体1の外周面に引き出されている。本実施形態においては、引出電極21はセラミック体1のうち金属筒3よりも外側に位置している部分で外部に引き出されている。   The heating resistor 2 is a resistor that generates heat when a current flows. The heating resistor 2 is provided inside the ceramic body 1. That is, the heating resistor 2 is embedded in the ceramic body 1. The heating resistor 2 in the heater 10 of the present embodiment has a folded shape. Both ends of the heating resistor 2 are connected to the extraction electrode 21. The extraction electrode 21 is extracted to one end portion of the ceramic body 1, and is extracted to the outer peripheral surface of the ceramic body 1 at the end portion. In the present embodiment, the extraction electrode 21 is extracted to the outside at a portion of the ceramic body 1 located outside the metal cylinder 3.

本実施形態においては、発熱抵抗体2の折り返し部がセラミック体1の他方の端部に設けられている。すなわち、引出電極21は、セラミック体1のうち発熱抵抗体2の折り返し部とは反対側の領域に設けられている。発熱抵抗体2の両端部は、引出電極21を介して、セラミック体1の外周面に設けられた電極層6に電気的に接続されている。   In the present embodiment, the folded portion of the heating resistor 2 is provided at the other end of the ceramic body 1. That is, the extraction electrode 21 is provided in a region of the ceramic body 1 opposite to the folded portion of the heating resistor 2. Both end portions of the heating resistor 2 are electrically connected to the electrode layer 6 provided on the outer peripheral surface of the ceramic body 1 via the extraction electrode 21.

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
ンまたはレニウム等が挙げられる。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。引出電極21は、発熱抵抗体2と同じ金属材料を用いて、発熱抵抗体2と同時に形成することができる。また、引出電極21は、発熱抵抗体2とは異なる材料を用いて別々に形成することもできる。
The heating resistor 2 is made of a metal material. Examples of the metal material include tungsten, molybdenum, rhenium, and the like. The dimensions of the heating resistor 2 can be set, for example, to a width of 1 mm, a total length of 3000 mm, and a thickness of 0.02 mm. The extraction electrode 21 can be formed simultaneously with the heating resistor 2 by using the same metal material as that of the heating resistor 2. The extraction electrode 21 can also be formed separately using a material different from that of the heating resistor 2.

電極層6はセラミック体1の表面に形成されている。本実施形態においては、電極層6はセラミック体1のうち金属筒3よりも外側に位置している部分に形成されている。電極層6は、セラミック体1が円柱状または角柱状の形状の場合にはその外周面に形成される。一方、セラミック体1が円筒状や角筒状の形状の場合には、その内周面にも形成することができる。この場合には、電極層6をセラミック体1のうち金属筒3の内側に位置している部分に形成することもできる。さらに、金属筒3の内側において、引出電極21をセラミック体1の外周面に引き出すこともできる。電極層6は金属材料からなる。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等が挙げられる。電極層6の寸法は、例えば長さを9mmに、幅を5mmに、厚みを0.02mmに設定することができる。   The electrode layer 6 is formed on the surface of the ceramic body 1. In the present embodiment, the electrode layer 6 is formed in a portion of the ceramic body 1 that is located outside the metal cylinder 3. The electrode layer 6 is formed on the outer peripheral surface when the ceramic body 1 has a cylindrical or prismatic shape. On the other hand, when the ceramic body 1 has a cylindrical shape or a rectangular tube shape, it can also be formed on the inner peripheral surface thereof. In this case, the electrode layer 6 can also be formed in a portion of the ceramic body 1 located inside the metal tube 3. Further, the extraction electrode 21 can be drawn out to the outer peripheral surface of the ceramic body 1 inside the metal cylinder 3. The electrode layer 6 is made of a metal material. Examples of the metal material include tungsten, molybdenum, rhenium, and the like. The dimensions of the electrode layer 6 can be set, for example, to a length of 9 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.02 mm.

金属筒3は、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は底部を有する円筒状である。本実施形態のヒータ10においては、金属筒3には、セラミック体1のうち少なくとも、発熱抵抗体2が形成された部分の全体が挿入されている。すなわち、金属筒3の内径はセラミック体1の外径よりも大きく、金属筒3の内周面とセラミック体1の外周面との間には、充填剤4を充填することができる程度の隙間が形成されている。また、本実施形態においては、金属筒3の底部とセラミック体1との間にも隙間が形成されている。金属筒3の底部とセラミック体1との間にも充填剤4を充填することによって、セラミック体1から充填剤4を介して金属筒3へと伝わる熱の偏りを低減できる。そのため、金属筒3の表面における均熱性を向上できる。   The metal cylinder 3 is a member used in contact with an object to be heated. The metal cylinder 3 is a cylindrical member. Examples of the cylindrical shape include a cylindrical shape and a rectangular tube shape. In the heater 10 shown in FIG. 1, the metal cylinder 3 has a cylindrical shape having a bottom. In the heater 10 of the present embodiment, at least the entire portion of the ceramic body 1 where the heating resistor 2 is formed is inserted into the metal cylinder 3. That is, the inner diameter of the metal cylinder 3 is larger than the outer diameter of the ceramic body 1, and a gap that allows the filler 4 to be filled between the inner peripheral surface of the metal cylinder 3 and the outer peripheral surface of the ceramic body 1. Is formed. In the present embodiment, a gap is also formed between the bottom of the metal tube 3 and the ceramic body 1. By filling the filler 4 between the bottom of the metal cylinder 3 and the ceramic body 1, it is possible to reduce the bias of heat transmitted from the ceramic body 1 to the metal cylinder 3 via the filler 4. Therefore, the heat uniformity on the surface of the metal cylinder 3 can be improved.

金属筒3は、金属材料からなる。金属材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅、青銅またはチタン等が挙げられる。軽量化の観点からは、金属材料としては、アルミニウムを用いることが好ましい。また、耐腐食性の観点からは、金属材料としては、チタンを用いることが好ましい。特に加工性、耐久性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。ステンレスを用いる場合には、金属筒3の熱伝導率は、例えば16W/(m・K)程度になる。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。   The metal cylinder 3 is made of a metal material. Examples of the metal material include stainless steel, aluminum, brass, bronze, and titanium. From the viewpoint of weight reduction, it is preferable to use aluminum as the metal material. From the viewpoint of corrosion resistance, it is preferable to use titanium as the metal material. In particular, stainless steel is preferably used from the viewpoint of workability, durability, and heat resistance. When stainless steel is used, the thermal conductivity of the metal tube 3 is, for example, about 16 W / (m · K). When the metal cylinder 3 is cylindrical, the dimensions of the metal cylinder 3 can be set, for example, to a length of 120 mm, an outer diameter of 25 mm, and an inner diameter of 23 mm.

金属筒3は、切削加工または鋳込み成形等の方法で作製することができる。金属筒3の表面には、所望により、被加熱物への伝熱性を向上するための凹凸または放熱フィンを設けることができる。凹凸を設ける場合には、金属筒3の表面に切削加工をすることによって凹凸を形成することができる。また、放熱フィンを設ける場合には、切削加工、溶接または鋳込み成形等によって放熱フィンを形成することができる。   The metal cylinder 3 can be produced by a method such as cutting or casting. If desired, the surface of the metal tube 3 can be provided with unevenness or heat radiation fins for improving the heat transfer to the object to be heated. When unevenness is provided, the unevenness can be formed by cutting the surface of the metal tube 3. Moreover, when providing a radiation fin, a radiation fin can be formed by cutting, welding, or casting.

充填剤4はセラミック体1と金属筒3との間の熱伝導を良好にするための部材である。充填剤4はセラミック体1の外周面および金属筒3の内周面の間に充填されている。充填剤4はセラミック体1のうち少なくとも発熱抵抗体2が設けられた部分を覆うように充填されている。充填剤4としては、例えば、アルミニウム、亜鉛、錫等の金属に銅、マグネシウムおよびケイ素等を添加したものを鋳込みで充填したものを用いることができる。金属粉を充填した場合と比べて、充填率が高く、熱伝導性に優れるため、金属筒3の外周面の温度上昇にかかる時間を短くできる。   The filler 4 is a member for improving the heat conduction between the ceramic body 1 and the metal cylinder 3. The filler 4 is filled between the outer peripheral surface of the ceramic body 1 and the inner peripheral surface of the metal cylinder 3. The filler 4 is filled so as to cover at least a portion of the ceramic body 1 where the heating resistor 2 is provided. As the filler 4, for example, a material obtained by casting and adding a metal such as aluminum, zinc, or tin with copper, magnesium, silicon, or the like can be used. Compared with the case where the metal powder is filled, since the filling rate is high and the thermal conductivity is excellent, the time required for the temperature rise of the outer peripheral surface of the metal tube 3 can be shortened.

図3に示すように、本実施形態のヒータ10は、溝部11において、セラミック体1と
充填剤4との間に空隙部41を有している。これにより、ヒータ10を使用した際に充填剤4が大きく熱膨張したとしても、充填剤4が空隙部41を埋めるように熱膨張することができるので、溝部11と充填剤4との間で発生する熱応力を低減できる。そのため、セラミック体1にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ10の長期信頼性を向上できる。
As shown in FIG. 3, the heater 10 of the present embodiment has a gap 41 between the ceramic body 1 and the filler 4 in the groove 11. As a result, even when the filler 4 undergoes a large thermal expansion when the heater 10 is used, the filler 4 can be thermally expanded so as to fill the gap 41, so that the gap between the groove 11 and the filler 4 can be reduced. The generated thermal stress can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the risk of cracks occurring in the ceramic body 1. As a result, the long-term reliability of the heater 10 can be improved.

さらに、壁面13と底面12とが連続する部分に空隙部41を有していることが好ましい。より詳しくは、本実施形態においては、壁面13と底面12とが連続する部分が角部になっており、この角部に空隙部41を有している。これにより、溝部11のうち特に熱応力が集中しやすい壁面13と底面12との間の部分に生じる熱応力を低減できる。そのため、ヒータ10の長期信頼性を向上できる。溝部11の深さが0.4mm、幅が0.8mmの場合には、例えば、空隙部41が壁面13および底面12の境界から見て、壁面13および底面12それぞれの方向に沿って0.05mm以上の長さを有していることが好ましい。なお、本実施形態においては、壁面13と底面12とが連続する部分の形状が角部であったが、これに限られない。具体的には、壁面13と底面12とが連続する部分が緩やかな曲線であってもよい。   Furthermore, it is preferable to have the space | gap part 41 in the part which the wall surface 13 and the bottom face 12 continue. More specifically, in the present embodiment, a portion where the wall surface 13 and the bottom surface 12 are continuous is a corner portion, and a void portion 41 is provided at the corner portion. Thereby, the thermal stress which arises in the part between the wall surface 13 and the bottom face 12 in which a thermal stress tends to concentrate especially among the groove parts 11 can be reduced. Therefore, the long-term reliability of the heater 10 can be improved. In the case where the depth of the groove 11 is 0.4 mm and the width is 0.8 mm, for example, the gap 41 is 0. 0 along the direction of the wall 13 and the bottom 12 as viewed from the boundary between the wall 13 and the bottom 12. It preferably has a length of 05 mm or more. In addition, in this embodiment, although the shape of the part which the wall surface 13 and the bottom face 12 continue was a corner | angular part, it is not restricted to this. Specifically, the portion where the wall surface 13 and the bottom surface 12 are continuous may be a gentle curve.

さらに、空隙部41が溝部11の長さ方向に延びていることが好ましい。これにより、溝部11の長さ方向における溝部11近傍の均熱性を高めることができる。これにより、溝部11のうち特定の部位において熱応力が集中するおそれを低減できる。その結果、ヒータ10の長期信頼性を向上できる。さらに、空隙部41は溝部11の長さ方向における全体に形成されていることが好ましい。これにより、熱応力の集中をさらに低減することができる。   Furthermore, it is preferable that the gap 41 extends in the length direction of the groove 11. Thereby, the thermal uniformity of the groove part 11 vicinity in the length direction of the groove part 11 can be improved. Thereby, the possibility that thermal stress concentrates in a specific part of the groove 11 can be reduced. As a result, the long-term reliability of the heater 10 can be improved. Furthermore, it is preferable that the gap portion 41 is formed in the entire length direction of the groove portion 11. Thereby, the concentration of thermal stress can be further reduced.

さらに、空隙部41が壁面13および底面12に沿って広がっていることが好ましい。言い換えると、溝部11のうち壁面13および底面12に沿った部分以外には充填剤4が入り込んでいる。これにより、溝部11における熱応力の発生を低減しつつも、セラミック体1から金属筒3への熱の伝達を良好に行なうことができる。   Furthermore, it is preferable that the gap 41 extends along the wall surface 13 and the bottom surface 12. In other words, the filler 4 enters the groove 11 other than the portions along the wall surface 13 and the bottom surface 12. Thereby, heat transfer from the ceramic body 1 to the metal tube 3 can be performed satisfactorily while reducing the generation of thermal stress in the groove 11.

さらに、充填剤4の熱膨張率が金属筒3の熱膨張率よりも高いことが好ましい。これにより、充填剤4と金属筒3との密着性を向上できる。これにより、セラミック体1から金属筒3への熱の伝達を良好に行なうことができる。   Furthermore, it is preferable that the thermal expansion coefficient of the filler 4 is higher than the thermal expansion coefficient of the metal cylinder 3. Thereby, the adhesiveness of the filler 4 and the metal cylinder 3 can be improved. Thereby, heat transfer from the ceramic body 1 to the metal cylinder 3 can be performed satisfactorily.

セラミック体1としてアルミナを、充填剤4として錫合金を、金属筒3としてステンレスを用いた場合には、セラミック体1の熱膨張率を7×10/ppmに、充填剤4の熱膨張率を20×10/ppmに、金属筒3の熱膨張率を16×10/ppmにすることができる。 When alumina is used as the ceramic body 1, tin alloy is used as the filler 4, and stainless steel is used as the metal cylinder 3, the thermal expansion coefficient of the ceramic body 1 is 7 × 10 6 / ppm, and the thermal expansion coefficient of the filler 4 is Can be 20 × 10 6 / ppm, and the coefficient of thermal expansion of the metal cylinder 3 can be 16 × 10 6 / ppm.

さらに、溝部11において、壁面13のうち開口側の端部に空隙部41を有していることが好ましい。開口側の端部はセラミック体1の外周面と溝部11の壁面13とによって角部が形成されていることから、ヒートサイクル下において熱応力が集中しやすい傾向にある。この開口側の端部に空隙部41を設けておくことによって、角部に生じる熱応力を低減できる。なお、本実施形態においては、空隙部41が溝部11の底面12および壁面13から開口部の端部にかけて設けられているが、これに限られない。具体的には、空隙部41が、底面12に設けられておらず、開口部の端部にのみ設けられていてもよい。   Furthermore, in the groove part 11, it is preferable to have the space | gap part 41 in the edge part by the side of an opening among the wall surfaces 13. FIG. Since the end portion on the opening side is formed with a corner portion by the outer peripheral surface of the ceramic body 1 and the wall surface 13 of the groove portion 11, thermal stress tends to concentrate under a heat cycle. By providing the gap 41 at the end on the opening side, the thermal stress generated in the corner can be reduced. In addition, in this embodiment, although the space | gap part 41 is provided from the bottom face 12 and the wall surface 13 of the groove part 11 to the edge part of an opening part, it is not restricted to this. Specifically, the gap 41 may not be provided on the bottom surface 12 but may be provided only at the end of the opening.

接合材7は、電極層6上にリード端子5を取り付けるために用いられる。接合材7は、導電性の材料で、給電のためのリード端子5を固定できるだけの接着力と、温度変化に耐え得る耐久性とを有するものが選択される。このような材料として、例えば導電性接着剤、半田またはろう材等を用いることができる。耐熱性に優れるという観点からは、接合材
7としては銀および銅からなるろう材を用いることが望ましい。
The bonding material 7 is used for attaching the lead terminal 5 on the electrode layer 6. As the bonding material 7, a conductive material is selected that has an adhesive force sufficient to fix the lead terminal 5 for power feeding and durability that can withstand temperature changes. As such a material, for example, a conductive adhesive, solder, brazing material, or the like can be used. From the viewpoint of excellent heat resistance, it is desirable to use a brazing material made of silver and copper as the bonding material 7.

リード端子5は電極層6に電流を流すためまたは電流を取り出すための部材である。リード端子5としては、ニッケルまたは銅の金属からなる線材または板材を用いることができる。リード端子5は、電極層6の表面上に接合材7を用いて取り付けることができる。リード端子5が線材の場合には、単線またはより線を用いることができる。線材または板材の材質や形状は、ヒータ10の使用時の電流値を考慮して決定される。   The lead terminal 5 is a member for passing a current through the electrode layer 6 or taking out a current. As the lead terminal 5, a wire or plate made of nickel or copper metal can be used. The lead terminal 5 can be attached on the surface of the electrode layer 6 using the bonding material 7. When the lead terminal 5 is a wire, a single wire or a stranded wire can be used. The material and shape of the wire or plate are determined in consideration of the current value when the heater 10 is used.

封止材8は、セラミック体1が挿入される金属筒3の開口部において生じるセラミック体1と金属筒3との隙間を埋めるように充填される。封止材8は、充填剤4を外気から遮断するために設けられる。封止材8は、例えばシリコーンもしくはエポキシ等の接着剤、アルミナ等のセラミックス粉体と無機ポリマーを混合した無機系の接着剤またはセメント等を用いることができる。温度変化に対応するために必要である適度な弾性および耐熱性を有するという点からは、シリコーンから成る接着剤を用いることが望ましい。封止材8を設けることによって、充填剤4を外気から遮断し、外気による充填剤4の腐食を抑制できるので、ヒータ10の長期信頼性を向上できる。   The sealing material 8 is filled so as to fill a gap between the ceramic body 1 and the metal cylinder 3 generated in the opening of the metal cylinder 3 into which the ceramic body 1 is inserted. The sealing material 8 is provided in order to block the filler 4 from the outside air. As the sealing material 8, for example, an adhesive such as silicone or epoxy, an inorganic adhesive obtained by mixing ceramic powder such as alumina and an inorganic polymer, cement, or the like can be used. In view of having the appropriate elasticity and heat resistance necessary to cope with temperature changes, it is desirable to use an adhesive made of silicone. By providing the sealing material 8, the filler 4 can be shielded from the outside air and corrosion of the filler 4 due to the outside air can be suppressed, so that the long-term reliability of the heater 10 can be improved.

上述の実施形態においては、セラミック体1の一部が金属筒3の外部に位置していたが、これに限られない。具体的には、セラミック体1の全体が金属筒3の内部に位置していてもよい。このような場合には、電極層6およびリード端子5を絶縁性のシートで覆うことによって、充填剤4との間の絶縁性を確保すればよい。これにより、充填剤4を介して漏電が起きてしまうおそれを低減できる。   In the above-described embodiment, a part of the ceramic body 1 is located outside the metal cylinder 3, but the present invention is not limited to this. Specifically, the entire ceramic body 1 may be located inside the metal cylinder 3. In such a case, the insulating property between the filler 4 and the filler 4 may be ensured by covering the electrode layer 6 and the lead terminal 5 with an insulating sheet. Thereby, the possibility that electric leakage may occur through the filler 4 can be reduced.

本実施の形態のヒータ10の製造方法について説明する。   A method for manufacturing the heater 10 of the present embodiment will be described.

まず、Alを主成分とし、SiO、CaO、MgOおよびZrO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。 First, an alumina ceramic green sheet having Al 2 O 3 as a main component and prepared so that SiO 2 , CaO, MgO, and ZrO 2 are within 10 mass% in total is produced.

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となる所定のパターンを形成する。発熱抵抗体2の形成方法としてはスクリーン印刷法、転写法、抵抗体埋設法、その他の方法として金属箔をエッチング法などにより形成する方法またはニクロム線をコイル状に形成して埋設する方法等があるが、製造コストおよび品質面での安定性を考慮すると、スクリーン印刷法を用いることが望ましい。また、引出電極21は、発熱抵抗体2と同時に一体的に形成することができる。   A predetermined pattern to be the heating resistor 2 is formed on the surface of the alumina ceramic green sheet. As a method for forming the heating resistor 2, there are a screen printing method, a transfer method, a resistor embedding method, and other methods such as a method of forming a metal foil by an etching method, a method of embedding a nichrome wire in a coil shape, and the like. However, it is desirable to use a screen printing method in consideration of manufacturing cost and quality stability. Further, the extraction electrode 21 can be integrally formed simultaneously with the heating resistor 2.

セラミックグリーンシートの発熱抵抗体2を形成する面とは反対側の面に、電極層6となる所定のパターンを発熱抵抗体2の形成の場合と同様に形成する。また、セラミックグリーンシートのそれぞれ異なる面に形成される発熱抵抗体2と電極層6とを電気的に接続するために、セラミックグリーンシートに孔を空けてスルーホール導体となる導体ペーストを充填する。   A predetermined pattern to be the electrode layer 6 is formed on the surface of the ceramic green sheet opposite to the surface on which the heating resistor 2 is formed in the same manner as in the case of forming the heating resistor 2. Further, in order to electrically connect the heating resistor 2 and the electrode layer 6 formed on different surfaces of the ceramic green sheet, a hole is formed in the ceramic green sheet and a conductive paste that becomes a through-hole conductor is filled.

発熱抵抗体2、電極層6およびスルーホール導体を形成するための材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とする導電ペーストを用いることができる。   As a material for forming the heating resistor 2, the electrode layer 6, and the through-hole conductor, for example, a conductive paste mainly composed of a refractory metal such as tungsten, molybdenum or rhenium can be used.

一方、押出成形にて円柱状のアルミナ質セラミック成形体を成形する。そして、この円柱状のアルミナ質セラミック成形体に前述のアルミナ質セラミックグリーンシートを巻き付け、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塗布して密着させることで、セラミック体1となるアルミナ質一体成形体を得ることができる。   On the other hand, a cylindrical alumina ceramic molded body is formed by extrusion molding. Then, the alumina ceramic green sheet is wound around the cylindrical alumina ceramic molded body, and an adhesive liquid in which the alumina ceramic of the same composition is dispersed is applied and brought into close contact, whereby alumina that becomes the ceramic body 1 is obtained. A quality-integrated molded body can be obtained.

こうして得られたアルミナ質一体成形体を1500〜1600℃の還元雰囲気中(窒素雰囲気)で焼成することで、アルミナ質一体焼結体(セラミック体1)を作製することができる。   By firing the alumina integrated molded body thus obtained in a reducing atmosphere (nitrogen atmosphere) at 1500 to 1600 ° C., an alumina integrated sintered body (ceramic body 1) can be produced.

以上のようにして、円柱状のセラミック体1を得ることができる。そして、セラミック体1のうちアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけた際に形成された溝部11の底面12および壁面13に、充填剤4が溝部11に濡れにくくなるための薬剤を塗布する。具体的には、充填剤4として、錫合金等の金属材料を用いた場合には、窒化ホウ素系の薬剤を塗布しておくことが好ましい。これにより、充填剤4を充填したときに、溝部11の底面12および壁面13に沿った空隙部41を形成することができる。   As described above, the cylindrical ceramic body 1 can be obtained. And the chemical | medical agent for the filler 4 to become difficult to get wet to the groove part 11 is apply | coated to the bottom face 12 and the wall surface 13 of the groove part 11 formed when the alumina ceramic green sheet was wound among the ceramic bodies 1. Specifically, when a metal material such as a tin alloy is used as the filler 4, it is preferable to apply a boron nitride-based chemical. Thereby, when the filler 4 is filled, the gap portion 41 along the bottom surface 12 and the wall surface 13 of the groove portion 11 can be formed.

そして、このセラミック体1を同径方向の隙間が均等になるように金属筒3内に挿入する。セラミック体1を挿入する金属筒3の材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、青銅またはチタン等を用途に応じて選択できる。このセラミック体1と金属筒3との隙間に充填剤4として錫合金を鋳込みで流し込む。このとき、セラミック体1の外周面と金属筒3の内周面との間に充填剤4が行き渡ることになるが、溝部11の壁面13および底面12においては窒化ホウ素系の薬剤が塗布してあることから、充填剤4が溝部11の底面12および壁面13に濡れにくくなる。その結果、溝部11の底面12および壁面13に沿った空隙部41を形成することができる。   Then, the ceramic body 1 is inserted into the metal cylinder 3 so that the gaps in the same diameter direction are uniform. As a material of the metal cylinder 3 into which the ceramic body 1 is inserted, for example, stainless steel, aluminum, bronze, titanium, or the like can be selected depending on the application. A tin alloy is poured into the gap between the ceramic body 1 and the metal cylinder 3 as a filler 4 by casting. At this time, the filler 4 spreads between the outer peripheral surface of the ceramic body 1 and the inner peripheral surface of the metal cylinder 3, but boron nitride based chemicals are applied to the wall surface 13 and the bottom surface 12 of the groove 11. For this reason, the filler 4 is less likely to wet the bottom surface 12 and the wall surface 13 of the groove 11. As a result, the gap 41 along the bottom surface 12 and the wall surface 13 of the groove 11 can be formed.

また、セラミック体1が挿入される金属筒3の開口部を閉じるように封止材8が充填される。封止材8は、例えばシリコーンもしくはエポキシ等の接着剤、アルミナ等のセラミック粉体と無機ポリマーとを混合した無機系の接着剤またはセメント等を用いることができる。温度変化に対応する適度な弾性および耐熱性を有するという点からは、シリコーン接着剤を用いることが望ましい。   Moreover, the sealing material 8 is filled so that the opening part of the metal cylinder 3 in which the ceramic body 1 is inserted may be closed. As the sealing material 8, for example, an adhesive such as silicone or epoxy, an inorganic adhesive obtained by mixing ceramic powder such as alumina and an inorganic polymer, cement, or the like can be used. It is desirable to use a silicone adhesive from the viewpoint of having an appropriate elasticity and heat resistance corresponding to a temperature change.

以上のようにして、本発明のヒータ10を得ることができる。   As described above, the heater 10 of the present invention can be obtained.

溝部11に形成された空隙部41を確認する方法としては、以下の方法が挙げられる。具体的には、冶具にヒータ10を挟み回転させながらX線CTで撮影を行ない、これを画像処理して3次元化する。この3次元化した画像を確認することによって空隙の有無を確認できる。   Examples of the method for confirming the gap 41 formed in the groove 11 include the following methods. Specifically, imaging is performed with X-ray CT while the heater 10 is sandwiched and rotated by a jig, and this is subjected to image processing to be three-dimensional. By confirming this three-dimensional image, the presence or absence of voids can be confirmed.

1:セラミック体
11:溝部
2:発熱抵抗体
21:引出電極
3:金属筒
4:充填剤
41:空隙部
5:リード端子
6:電極層
7:接合材
8:封止材
10:ヒータ
1: Ceramic body 11: Groove portion 2: Heating resistor 21: Extraction electrode 3: Metal tube 4: Filler 41: Gap portion 5: Lead terminal 6: Electrode layer 7: Bonding material 8: Sealing material 10: Heater

Claims (5)

外周面に長さ方向に沿った溝部を有する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、前記セラミック体のうち前記発熱抵抗体が設けられた部分が挿入された金属筒と、前記セラミック体の外周面および前記金属筒の内周面の間に充填された金属材料から成る充填剤とを備え、前記溝部において、前記セラミック体と前記充填剤との間に空隙部を有しており、
前記充填剤の熱膨張率が前記金属筒の熱膨張率よりも高いことを特徴とするヒータ。
A columnar or cylindrical ceramic body having a groove along the length direction on the outer peripheral surface, a heating resistor provided in the ceramic body, and a portion of the ceramic body where the heating resistor is provided An inserted metal cylinder, and a filler made of a metal material filled between the outer peripheral surface of the ceramic body and the inner peripheral surface of the metal cylinder, and in the groove portion, the ceramic body and the filler With a gap between them,
The heater characterized in that the thermal expansion coefficient of the filler is higher than the thermal expansion coefficient of the metal cylinder .
前記溝部において、壁面と底面とが連続する部分に前記空隙部を有していることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。   The heater according to claim 1, wherein in the groove portion, the gap portion is provided in a portion where the wall surface and the bottom surface are continuous. 前記空隙部が前記溝部の長さ方向に延び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。   The heater according to claim 1, wherein the gap portion extends in a length direction of the groove portion. 前記空隙部が前記壁面および前記底面に沿って広がっていることを特徴とする請求項に記載のヒータ。 The heater according to claim 2 , wherein the gap portion extends along the wall surface and the bottom surface. 前記溝部において、壁面のうち開口側の端部に前記空隙部を有していることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。   The heater according to claim 1, wherein the groove portion has the gap portion at an end portion on the opening side of the wall surface.
JP2014203819A 2014-10-02 2014-10-02 heater Active JP6386859B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014203819A JP6386859B2 (en) 2014-10-02 2014-10-02 heater

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014203819A JP6386859B2 (en) 2014-10-02 2014-10-02 heater

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016072201A JP2016072201A (en) 2016-05-09
JP6386859B2 true JP6386859B2 (en) 2018-09-05

Family

ID=55864924

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014203819A Active JP6386859B2 (en) 2014-10-02 2014-10-02 heater

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6386859B2 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57154787A (en) * 1981-03-20 1982-09-24 Hitachi Ltd Semiconductor heater
JPS6166890U (en) * 1984-10-05 1986-05-08
JP3297637B2 (en) * 1998-01-30 2002-07-02 京セラ株式会社 Wafer support member
JP2006222008A (en) * 2005-02-14 2006-08-24 Kyocera Corp Ceramic heater and heater-built-in electronic component

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016072201A (en) 2016-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4672597B2 (en) Substrate processing equipment
US10172186B2 (en) Ceramic cylindrical heater
JP6317469B2 (en) Heater and fluid heating apparatus using the same
EP3101997A1 (en) Heater
US11457513B2 (en) Ceramic heating element
JP6386859B2 (en) heater
JP6062821B2 (en) heater
JP6698398B2 (en) heater
JP6313155B2 (en) heater
JP6100642B2 (en) heater
JP2022188253A (en) Heat exchange unit and cleaning device including the same
JP6829022B2 (en) heater
JP6339413B2 (en) heater
JP6803396B2 (en) heater
JP6856334B2 (en) heater
JP6835946B2 (en) heater
JP6100633B2 (en) heater
JP6838957B2 (en) heater
JP2016134240A (en) Heater and method of manufacturing heater
JP6282877B2 (en) heater
JP6075781B2 (en) heater
JP6835623B2 (en) heater
JP6798812B2 (en) heater
JP2016103345A (en) Connection structure and heater comprising the same
JP6577362B2 (en) heater

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170421

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180220

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180413

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180717

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180810

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6386859

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150