JP6835604B2

JP6835604B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP6835604B2
Application number: JP2017012278A
Authority: JP
Inventors: 祥二井筒
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2037-01-26
Also published as: JP2018120794A

Description

本発明は、燃焼ガス中雰囲気中で用いられるヒータに関するものである。

車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、例えば特許文献１に記載のセラミックヒータが挙げられる。

特許文献１に記載のセラミックヒータは、セラミック製の筒状のヒータ本体と、ヒータ本体に取り付けられている金属製のフランジとを備えている。ヒータ本体とフランジとはガラスによって接合されている。

国際公開第２０１６／０６８２４２号

特許文献１に記載のセラミックヒータは、ヒータ本体の外周全体とフランジの内周全体とが密着している。そのため、ヒートサイクル下において、ヒータ本体とフランジとの間に熱応力が発生したときに、ヒータ本体にクラックが生じるおそれがあった。

本発明の１つの態様に基づくヒータは、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て固定されており、外周面に長さ方向
に沿って伸びる線状の突部を複数有するセラミック筒と、前記セラミック筒が挿入された環状の金具とを備えており、前記金具と前記セラミック筒は、前記金具の内周面と前記突部とが接していることによって固定されているとともに、前記金具の内周面と前記セラミック筒の外周面のうち前記突部が設けられていない領域との間に隙間があり、前記金具は前記突部と接する領域に前記突部を固定する凹部を有していることを特徴とする。

本発明の他の態様に基づくヒータは、柱状または筒状であって、外周面に長さ方向に沿って伸びる線状の突部を複数有するセラミック体と、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、前記金具と前記セラミック体は、前記金具の内周面と前記突部とが接していることによって固定されているとともに、前記金具の内周面と前記セラミック体の外周面のうち前記突部が設けられていない領域との間に隙間があり、前記金具は前記突部と接する領域に前記突部を固定する凹部を有していることを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、金具とセラミック筒は、金具の内周面と突部とが接していることによって固定されているとともに、金具の内周面とセラミック筒の外周面のうち突部が設けられていない領域との間に隙間がある。これにより、セラミック筒と金具との間に熱応力を低減できる。その結果、セラミック筒にクラックが生じるおそれを低減できる。

本発明の他の態様に基づくヒータによれば、金具とセラミック体は、金具の内周面と突部とが接していることによって固定されているとともに、金具の内周面とセラミック体の
外周面のうち突部が設けられていない領域との間に隙間がある。これにより、セラミック体と金具との間に生じる熱応力を低減できる。その結果、セラミック体にクラックが生じるおそれを低減できる。

本発明の一実施形態のヒータを示す断面図である。図１に示すヒータのうちセラミック筒を示す斜視図である。図１に示すヒータの端面図である。図１に示すヒータの変形例のうち突部近傍を示す拡大図である。図１に示すヒータの変形例を示す端面図である。本発明の別の実施形態のヒータを示す断面図である。図６に示すヒータの端面図である。

図１に示すように、実施形態の例のヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２と、セラミック体１の一端（以下、後端ともいう）の表面に設けられた導体層３と、セラミック体１の一端が挿入されたセラミック筒４と、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された端部をセラミック体１と共に封止する封止材５と、セラミック筒４が挿入された金具７とを備えている。ヒータ１０は、例えば、ガス暖房、ガスレンジの点火用や、自動車エンジンのグロープラグ等に用いることができる。具体的には、ヒータ１０はセラミック体１の他端（以下、先端ともいう）が燃焼ガス雰囲気中に配置されて用いられる。

セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２が埋設された部材である。セラミック体１の内部に発熱抵抗体２を設けることによって、発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。セラミック体１は、例えば棒状または板状の部材である。

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電気的な絶縁性を有する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から成る。

セラミック体１は、特に窒化珪素質セラミックスから成ることが好ましい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているためである。窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合して、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。

なお、セラミック体１に窒化珪素質セラミックスを用いて、さらに後述する発熱抵抗体２にＭｏまたはＷ等の化合物を用いる場合には、セラミック体１に、さらにＭｏＳｉ_２またはＷＳｉ_２等を混合しておくことが好ましい。発熱抵抗体２に用いる金属の珪化物をセラミック体１に分散させておくことによって、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

セラミック体１の形状が板状である場合は、セラミック体１の長さは、例えば３０〜６
０ｍｍに設定され、幅は４．７〜９ｍｍ、厚みは１．３〜６ｍｍに設定される。

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１に埋設されている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。セラミック体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。

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。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な断面）の形状が、例えば折返し形状になっている。なお、発熱抵抗体２の横断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な面）の形状は、円形状、楕円形状または矩形状等に設定することができる。

発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。さらに、炭化タングステンは、耐熱性に優れている。

さらに、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２は、炭化タングステンを主成分とするとともに、窒化珪素が２０質量％以上添加されていることが好ましい。発熱抵抗体２に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体２の熱膨張率とセラミック体１の熱膨張率とを近づけることができる。これにより、ヒータ１０の昇温時または降温時に発熱抵抗体２とセラミック体１との熱膨張差によって生じる熱応力を低減することができる。

ヒータ１０は、２つの導体層３を有している。導体層３は、発熱抵抗体２と外部電源（図示せず）をそれぞれ電気的に接続するための部材である。導体層３は、ヒータ１０の電極部分として機能している。導体層３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。導体層３は、セラミック体１の一端の表面に設けられている。導体層３は、ＡｇまたはＣｕ等の金属材料から成る。導体層３は、例えばスクリーン印刷等によって形成される。導体層３の表面の形状は、例えば四角形状である。導体層３の寸法は、例えばセラミック体１の長さ方向の長さを５ｍｍ、幅を６ｍｍ、厚みを１００μｍに設定することができる。

リード端子６は、外部電源から発熱抵抗体２に電気を伝えるための部材である。リード端子６は、それぞれの導体層３に別々に設けられている。リード端子６は、一端が導体層３に接続されており、他端がセラミック筒４の外部に引き出されている。セラミック筒４の外部に引き出されたリード端子６は、外部電源に接続される。リード端子６と導体層３とはろう材によって接合されている。ろう材としては、例えば銀ろう、金−銅ろうまたは銀−銅ろうを用いることができる。リード端子６は、例えばＮｉから成る。リード端子６のうち電極と接合される部分または外部電源に接続される部分以外の領域は、絶縁性のチューブによって覆われている。チューブは、例えば樹脂材料から成る。特に、耐熱性に優れるフッ素樹脂から成ることが好ましい。

セラミック筒４は、封止材５とともに、導体層３およびリード端子６を保護するための部材である。具体的には、セラミック体１の先端が燃焼ガス雰囲気中に配置されたときに、この燃焼ガスと導体層３およびリード端子６とが接してしまうことを防ぐために設けられている部材である。セラミック筒４は、例えば円筒状または四角筒状等の筒状の部材である。セラミック筒４には、セラミック体１の後端が挿入されている。セラミック筒４は、セラミック体１の後端を導体層３およびリード端子６ごと囲んでいる。セラミック筒４は、例えばアルミナまたはシリカ等のセラミック材料から成る。セラミック筒４が円筒状の場合には、その寸法は例えば長さを４２ｍｍ、内径を８ｍｍ、外径を１０ｍｍに設定することができる。なお、本実施形態のセラミック筒４は、セラミック体１が挿入された端部において内径が小さくなっている。これにより、セラミック体１を固定しやすくできる。

図１〜３に示すように、セラミック筒４は、外周面に長さ方向に沿って伸びる線状の突部４１を複数有している。突部４１は、セラミック筒４の外周面と金具７の内周面とを固定するために設けられている。突部４１は、例えば、セラミック筒４の周方向に等間隔に配置されている。

封止材５は、セラミック筒４とともに、導体層３およびリード端子６を保護するための部材である。封止材５は、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された端部に設けられている。封止材５は、セラミック体１と共にセラミック筒４の端部を封止している。これにより、セラミック体１の先端を燃焼ガス雰囲気中に配置したときに、この燃焼ガスがセラミック筒４の内部に進入することを防止できる。封止材５は、例えばアルミナまたはシリカ等といったセラミックス等の絶縁材料から成る。封止材５は、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された開口面を塞ぐように設けられている。封止材５のうち、セラミック体１の長さ方向の厚みは、例えば１０ｍｍに設定できる。

封止材５は、以下の方法で設けることができる。具体的には、セラミック筒４にセラミック体１を挿入した状態で、セラミック体１が挿入された側の端部に封止材５となる原料を流し込む。封止材５となる原料としては、無機系等のバインダー中にアルミナまたはシリカ等を分散させた物を用いることができる。セラミック筒４に封止材５となる原料を流し込んだ後に、２００℃以下の温度で加熱することによって、封止材５を設けることができる。

金具７は、セラミック筒４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、例えばガスレンジ等が挙げられる。金具７は、環状の部材であって、セラミック筒４が挿入されている。金具７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、金具７はステンレス鋼から成っていてもよい。金具７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、金具７の内周がセラミック筒４の突部４１のそれぞれと接触するように設定できる。

図１〜３に示すように、本実施形態のヒータ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が挿入されて固定されており、外周面に長さ方向に沿って伸びる線状の突部４１を複数有するセラミック筒４と、セラミック筒４が挿入された環状の金具７とを備えており、金具７とセラミック筒４は、金具７の内周面と突部４１とが接していることによって固定されているとともに、金具７の内周面とセラミック筒４の外周面のうち突部４１が設けられていない領域との間に隙間Ｃがある。これにより、金具７が熱膨張するときに隙間に向かって熱膨張することができるために、金具７からセラミック筒４に加わる熱応力を低減できる。その結果、セラミック筒４にクラックが生じるおそれを低減できる。

また、図４に示すように、突部４１は一端と他端とで厚みが異なっていてもよい。これにより、突部４１の厚みの小さい側からセラミック筒４を金具７に圧入したときに、金具７に突部４１を徐々に押し付けながら圧入を行なうことができる。そのため、圧入に伴う金具７の変形を低減しつつ、金具７とセラミック筒４との固定を強固に行なうことができ
る。なお、ここでいう突部４１の一端および他端とは、セラミック筒４の外周面に長さ方向に沿って伸びる突部４１のうち、長さ方向における両端のうち一方を一端として、他方を他端としている。

また、突部４１は一端から他端に向かって厚みが大きくなっていてもよい。これにより、金具７にセラミック筒４を一端側から圧入したときに、金具７と突部４１との間に生じる力を徐々に大きくしていくことができる。そのため、金具７に対するセラミック筒４の圧入をスムーズに行なうことができる。

また、突部４１の厚みが一定の場合には、金具７と内周面と突部４１との外径との寸法を近づけておかないと、金具７と突部４１との固定が良好に行なわれない場合がある。ここで、突部４１が一端から他端に向かって厚みが大きくなっていることによって、突部４１の厚みが薄い一端側から金具７へ圧入することによって、突部４１の厚みが最適になる位置（金具７に過度に応力を加えることなく、かつ、金具７とセラミック筒４とが強固に固定される位置）で圧入をやめることができる。そのため、金具７の変形を低減しつつ、金具７とセラミック筒４とが強固に固定されたヒータ１０とすることができる。

また、図５に示すように、金具７が突部４１と接する領域に突部４１を固定する凹部７１を有していてもよい。これにより、金具７の凹部７１に突部４１をはめ込むことができるので、金具７とセラミック筒４とが周方向に回転してずれてしまうおそれを低減できる。凹部７１の形状は、例えば、突部４１の形状に同様の形状にすることができる。

また、図５に示すように、端面視したときに突部４１の先端形状が弧状であってもよい。これにより、突部４１が丸みを帯びていることによって、突部４１の先端が欠けてしまうおそれを低減できる。その結果、金具７とセラミック筒４との固定の信頼性を向上できる。ここでいう、突部４１の先端とは、端面視したときに突部４１が伸びる（突出する）方向における端部を意味している。

上述の実施形態においては、セラミック体１が挿入されたセラミック筒４に突部４１が設けられていたが、これに限られない。例えば、図６、７に示すヒータ２０のように、セラミック体１の表面に突部１１が設けられていてもよい。なお、図６、７に示すヒータ２０においては、セラミック体１が円柱状である。

別に実施形態のヒータ２０は、柱状または筒状であって、外周面に長さ方向に沿って伸びる線状の突部を複数有するセラミック体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が挿入された環状の金具７とを備えており、金具７とセラミック体１は、金具７の内周面と突部１１とが接していることによって固定されているとともに、金具７の内周面とセラミック体１の外周面のうち突部１１が設けられていない領域との間に隙間Ｃがある。これにより、金具７が熱膨張するときに隙間Ｃに向かって熱膨張することができるために、金具７からセラミック体１に加わる熱応力を低減できる。その結果、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。なお、別の実施形態のヒータ２０においても、上述した実施形態で説明した各構成を採用することが可能である。すなわち、図６、７に示すヒータ２０においても、突部１１の厚みを一端と他端とで異ならせてもよいし、端から他端に向かって厚みが大きくなっていてもよいし、金具７が突部１１と接する領域に突部１１を固定する凹部を有していてもよい。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：導体層
４：セラミック筒
５：封止材
６：リード端子
７：金具
１１、４１：突部
７１：凹部
Ｃ：隙間
１０、２０：ヒータ

Claims

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て固定されており、外周面に長さ方向に沿って伸びる線状の突部を複数有するセラミック筒と、前記セラミック筒が挿入された環状の金具とを備えており、
前記金具と前記セラミック筒は、前記金具の内周面と前記突部とが接していることによって固定されているとともに、前記金具の内周面と前記セラミック筒の外周面のうち前記突部が設けられていない領域との間に隙間があり、前記金具は前記突部と接する領域に前記突部を固定する凹部を有していることを特徴とするヒータ。
柱状または筒状であって、外周面に長さ方向に沿って伸びる線状の突部を複数有するセラミック体と、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、
前記金具と前記セラミック体は、前記金具の内周面と前記突部とが接していることによって固定されているとともに、前記金具の内周面と前記セラミック体の外周面のうち前記突部が設けられていない領域との間に隙間があり、前記金具は前記突部と接する領域に前記突部を固定する凹部を有していることを特徴とするヒータ。
前記突部は一端と他端とで厚みが異な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。
前記突部は一端から他端に向かって厚みが大きくなっていることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
端面視したときに前記突部の先端形状が弧状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。