JP6924729B2

JP6924729B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP6924729B2
Application number: JP2018133197A
Authority: JP
Inventors: 直也中西; 敦俊杉山; 牧野　友亮; 友亮牧野
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2038-07-13
Also published as: JP2019135713A

Description

本発明は、例えば温水洗浄便座、ファンヒータ、電気温水器、２４時間風呂、半田ごて、ヘアアイロン等に用いられるセラミックヒータに関する。

従来、例えば温水洗浄便座には、樹脂製の容器（熱交換器）を有する熱交換ユニットが用いられており、この熱交換ユニットには、熱交換器内に収容された洗浄水を暖めるために、長尺のパイプ状のセラミックヒータが配置されている。
図７に示すように、このセラミックヒータとしては、円筒状のセラミック製碍管１３０にヒータ配線回路４００を印刷したセラミックシート１９０を巻き付け、一体焼成したものが用いられている（特許文献１参照）。
そして、熱交換器の内壁と、セラミックヒータの外周との隙間に流れる水がセラミックヒータで加熱される。

特許第３０３８０３９号公報

ところで、セラミックヒータが小型化したり、ヒータ配線回路４００が複数になると、セラミックシート１９０に配線できる配線の本数が制限される。又、ヒータ配線回路４００の１回路あたりの電気抵抗値は配線長で決まるが、狭い面積でヒータの抵抗値を一定に保つために配線長を長くすると、それだけ折り返し数が増え、配線密度が高くなる。
この場合、ヒータ配線回路４００の線間隔を狭くする必要があるが、配線をスクリーン印刷する際のインクペーストのにじみを考慮すると、線間隔の狭小化には限界がある（例えば、０．３ｍｍ程度）。

そこで、線間隔を一定値以上に維持しながら、ヒータ配線回路４００の折り返し数を増やすことになる。この場合、ヒータ配線回路４００に通電する１対の外部端子４３０、４３０は、セラミックシート１９０の巻合わせ部１９１を挟んで、セラミックシート１９０の外表面に形成されている。そして、各外部端子４３０、４３０は、巻合わせ部１９１を挟んで近接するヒータ配線回路４００の末端配線４０１、４０２にそれぞれ接続されている。
しかしながら、上述のようにヒータ配線４００回路の折り返し数を増やすと、末端配線４０１、４０２の間隔Ｔが狭くなる。この状態で、断水等の乾燥状態でセラミックヒータが通電される（気中加熱される）と、極性の異なる各外部端子４３０、４３０から電力が供給された末端配線４０１、４０２間の巻合わせ部１９１でアークＡｒが発生しやすくなり、セラミックヒータが破損する虞がある。

そこで、本発明は、複数のヒータ配線回路を有するセラミックヒータにおけるアーク発生を抑制したセラミックヒータの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体を備え、該発熱抵抗体は、セラミック製の支持体の外周に巻きつけられたセラミックシートに形成されてなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの巻合わせ部には、前記支持体の軸線方向に沿って延びるスリットが形成され、前記発熱抵抗体の同一面上に、それぞれ外部電源に接続される接続端子を有する複数のヒータ配線回路が、該接続端子が並び前記セラミックシートの周に沿う方向に各ヒータ配線回路が重なるように設けられ、前記ヒータ配線回路は、温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上の材料を含み、前記複数のヒータ配線回路は、前記接続端子のうち一つの共通したグランド端子に接続され、前記接続端子のうち前記グランド端子と、前記グランド端子以外の接続端子とが前記巻合わせ部を挟んで対向し、前記接続端子にそれぞれ接続された前記ヒータ配線回路の両末端の配線部が前記巻合わせ部を挟んで近接していることを特徴とする。

このセラミックヒータによれば、温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上の材料を含むので、ヒータ配線回路の線幅が一定の場合にその回路長を、温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上の材料を含まない場合に比べて短くすることができ、それに伴って従来よりもヒータ配線回路の折り返し数を低減できる。ひいては、接続端子間の距離を広くできるので、距離が狭くなることによるアーク発生を抑制することができる。
なお、「発熱抵抗体の同一面上」とは、発熱抵抗体を展開したときに同一面であって、発熱抵抗体を巻回したセラミックヒータの場合は、同一の径を有する面をいう。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記温度係数が３８００ｐｐｍ／℃超、４３００ｐｐｍ／℃未満であってもよい。
このセラミックヒータによれば、接続端子間の距離をさらに広くできるので、アーク発生をより一層抑制することができる。

この発明によれば、複数のヒータ配線回路を有するセラミックヒータにおけるアーク発生を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るセラミックヒータを示す正面図である。セラミックヒータのセラミックシートを示す展開図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２に含まれるヒータ配線回路を簡略に示す展開図である。本発明に該当しないヒータ配線回路を示す展開図である。ヒータ配線回路の高温及び低温における電気抵抗値と、抵抗体インクの温度係数との関係を示す図である。従来のセラミックヒータのヒータ配線回路を示す部分断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の実施形態に係るセラミックヒータ１１を示す正面図、図２はセラミックヒータ１１のセラミックシート１９を示す展開図、図３は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は図２に含まれるヒータ配線回路４０ａ、４０ｂを簡略に示す展開図、図５は本発明に該当しないヒータ配線回路５０ａ、５０ｂを示す展開図である。
本発明の実施形態に係るセラミックヒータ１１は、例えば温水洗浄便座の熱交換ユニットの熱交換器において、洗浄水を温めるために用いることができる。

図１に示すように、セラミックヒータ１１は、発熱抵抗体４０が内部に埋設された筒状のセラミック基体１３と、接合部材２０を介してセラミック基体１３の外周に接合され、環状又は有端環状のセラミック製のフランジ３０と、を備える。
セラミック基体１３は、円筒状のセラミック製の支持体１７と、支持体１７の外周に巻きつけられたセラミックシート１９とを備え、支持体１７はその軸線Ｏ方向に貫通孔１７ｈを有してなる。そして、熱交換器にて、貫通孔１７ｈの内部に流れる水がセラミックヒータ１１で加熱され、さらに熱交換器の内壁と、セラミックヒータの外周との隙間の水もセラミックヒータ１１で加熱される。
支持体１７及びセラミックシート１９は例えばアルミナから形成することができる。なお、セラミックシート１９は支持体１７の外周を完全に覆わず、セラミックシート１９の巻合わせ部１９ａには、支持体１７の軸線Ｏ方向に沿って延びるスリット１３ｓが形成されている。

一方、図２に示すように、セラミックシート１９には、蛇行したパターン形状の複数のヒータ配線回路４０ａ、４０ｂからなる発熱抵抗体４０が印刷等で形成されている。発熱抵抗体４０の各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂは、互いに軸線Ｏ方向に沿って延びる複数の配線部４０Ｌ（図４の上図参照）の両端の折り返し部４０ｍが幅方向に延び、隣接する配線部４０Ｌの端部に接続される形態をなす。そして、各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂの両末端の配線部が軸線Ｏ方向の一端でパッド状の３個の接続端子４１、４２ａ、４２ｂに一体に接続されている。

具体的には、図４に示すように、ヒータ配線回路４０ａの両端の配線部４０Ｌ１，４０Ｌ２は、それぞれ共通グランドとなる接続端子４１と、プラス側の接続端子４２ａとに接続されている。同様に、ヒータ配線回路４０ｂの両端の配線部４０Ｌ３，４０Ｌ４は、それぞれは、接続端子４１と、プラス側の接続端子４２ｂとに接続されている。このように、接続端子４１を共通のグランド端子とすることで、ヒータ配線回路の個数が増えても、接続端子ひいては外部端子の個数を低減することができる。
そして、この接続端子４１、４２ａ、４２ｂは、図示しないビア導体等を介して、セラミックシート１９の外周面（図２の裏面）に形成された３個の（図１では２個のみ表示）外部端子４３にそれぞれ電気的に接続されている。
発熱抵抗体４０及び接続端子４１、４２ａ、４２ｂは、例えばタングステンを主成分として形成することができる。

ここで、図３に示すように、本実施形態では、セラミックシート１９の巻合わせ部１９ａには、接続端子４１と接続端子４２ｂとが対向し、これらの接続端子４１、４２ｂにそれぞれ接続されたヒータ配線回路４０ｂの両末端の配線部４０Ｌ３，４０Ｌ４が巻合わせ部１９ａを挟んで近接することになる。
従って、巻合わせ部１９ａにおける配線部４０Ｌ３，４０Ｌ４間のアークを抑制することが必要となる。

次に、図４〜図５を参照し、各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂについて説明する。
図４に示すように、各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂは、発熱抵抗体４０の同一面上に、接続端子４１、４２ａ、４２ｂが並ぶ方向Ｓ（軸線Ｏ方向に交差する方向）に重なるように設けられている。
一方、図５に示すように、発熱抵抗体１４０の各ヒータ配線回路１４０ａ、１４０ｂは、接続端子５１、５２ａ、５２ｂが並ぶ方向Ｓに重ならず、本発明に該当しない。
これは、図５の例では、方向Ｓ（つまり、セラミックシート１９の巻回方向であって、セラミックシート１９の幅が狭い方向）に各ヒータ配線回路１４０ａ、１４０ｂが独立して配置されているので、ヒータ配線回路を複数にしても、幅狭の方向Ｓの配線密度Ｄが高くならず、巻合わせ部１９ａにおけるアーク発生等の問題がそもそも生じ難いからである。
これに対し、図４に示す各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂは方向Ｓに重なるので、方向Ｓの配線密度Ｄが高くなって、巻合わせ部１９ａにおけるアークが発生し易くなる。

なお、「複数のヒータ配線回路が、接続端子が並ぶ方向Ｓに重なる」とは、少なくとも各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂの折り返し部４０ｍが方向Ｓに重なることを意味し、図５のように接続端子５１，５２ａ、５２ｂに接続される各ヒータ配線回路１４０ａ、１４０ｂの末端部の配線部５０Ｌ１，５０Ｌ２のみが方向Ｓに重なる場合を含まない。

そして、本発明においては、ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂは、温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上の材料を含むことで、各ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂが方向Ｓに重なって配線密度が高くなっても、巻合わせ部１９ａにおけるアークの発生を抑制することができる。
この理由について、図６を参照して説明する。
なお、「ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂが、温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上の材料を含む」ようにする方法として、一般的には、ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂを印刷等で形成するための抵抗体インクの温度係数を３５００ｐｐｍ／℃以上に規定することが挙げられる。従って、以下では、抵抗体インクの温度係数に着目した場合について説明する。

図６に示すように、ヒータの加熱能力の観点から、加熱温度（使用温度）Ｈにおけるヒータ配線回路の電気抵抗値ＲＨは、抵抗体インクの温度係数ｋに関わらず一定である必要がある。一方、ヒータ配線回路の抵抗体インクの温度係数ｋを大きくすれば、加熱温度Ｈより低温Ｌ（例えば室温）でのヒータ配線回路の電気抵抗値Ｒ１を、温度係数が小さい場合の電気抵抗値Ｒ２よりも小さくすることができる。
ここで、ＲＨ＝ＲＬ×｛１＋ｋ×（Ｈ−Ｌ）｝（１）
で表される。ＲＬは温度Ｌにおけるヒータ配線回路の電気抵抗値（Ｒ１，Ｒ２）である。
ヒータ配線回路の表面抵抗率（シート抵抗）Ｒｓは同様に、
ＲｓＨ＝ＲｓＬ×｛１＋ｋ×（Ｈ−Ｌ）｝（２）
で表される。ＲｓＨ、ＲｓＬは、それぞれ温度Ｈ，Ｌにおけるヒータ配線回路の表面抵抗率であり、ＲｓＬ＝一定とみなす。

いま、ヒータ配線回路の回路長をＣＬとし、ヒータ配線回路の配線部の線幅をＷとすると、
ＣＬ＝（ＲＨ/ＲｓＨ）×Ｗ（３）
で表されるが、ＲＨとＷは一定であるので、
ＣＬ∝（１/ＲｓＨ）（４）
となる。
ここで、式（２）より温度係数ｋが大きいほど、ＲｓＨの値も大きくなるから、式（４）より温度係数ｋが高いほど、ＣＬが短くなることになる。

つまり、抵抗体インクの温度係数ｋ（つまり、ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂの温度係数ｋ）を従来よりも高く設定することで、加熱温度（使用温度）Ｈにおける狙いの電気抵抗値ＲＨを実現するための回路長ＣＬを短くすることができ、それに伴って従来よりヒータ配線回路の折り返し数を低減できる。ひいては、巻合わせ部１９ａの接続端子間の距離Ｔを広くできるので、距離Ｔが狭くなることによるアーク発生を抑制することができる。

一方、ヒータ配線回路４０ａ、４０ｂの抵抗体インクの温度係数が３５００ｐｐｍ／℃未満であると、回路長ＣＬを十分に短くすることが困難となり、巻合わせ部１９ａの接続端子間の距離Ｔが狭くなってアークが発生しやすくなる。
特に、温度係数が３８００ｐｐｍ／℃超、４３００ｐｐｍ／℃未満であると好ましい。温度係数が４３００ｐｐｍ／℃以上になると、室温時の抵抗値が小さくなりすぎ、突入電流が過大となることがある。例えば、家庭で他の家電製品と電源を共有する場合、他の家電製品の入力電流が急激に低下する虞がある。

抵抗体インクとしては、タングステン粉末とモリブデン粉末とを、必要に応じてセラミック粉末（アルミナ等）と混ぜ、バインダーとなる樹脂粉末を溶媒で溶解した溶液を加えてスラリー状にしたメタライズインクが挙げられる。メタライズインク中のセラミック粉末の割合を増やすことで抵抗値を高くすることができる。又、タングステン粉末とモリブデン粉末との混合比を変えることで、温度係数を調整できる。
具体的には、タングステン重量／（タングステン重量＋モリブデン重量）を７０％以上とすると、温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上となる。又、タングステン重量／（タングステン重量＋モリブデン重量）を８５％〜１００％とすると、温度係数が３８００ｐｐｍ／℃超、４３００ｐｐｍ／℃未満となる。
従って、特許請求の範囲の「温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上の材料」としては、抵抗体インクを焼結後に残存するタングステン粉末やモリブデン粉末が挙げられる。

セラミックヒータ１１は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、アルミナ等のセラミック粉末のスラリーから、支持体１７となる部材を押出成形し、仮焼成する。また、上記同様のスラリーから、セラミックシート１９となるグリーンシートを形成し、その表面に図２に示すような発熱抵抗体４０及び接続端子４１、４２ａ、４２ｂとなる上記メタライズインクを印刷して乾燥させる。そして、このグリーンシートの印刷面に他のグリーンシートを積層して押圧し、発熱抵抗体４０及び接続端子４１、４２ａ、４２ｂを両グリーンシートの間に埋設させる。さらに、両グリーンシートの積層体の片面にビアを設けてビア導体を充填し、直上に外部端子４３となる導電性ペーストを印刷して乾燥させる。
そして、両グリーンシートの積層体の反対面にセラミックペーストを塗布し、支持体１７に巻き付けて接着し、全体を焼成する。
また、アルミナ等のセラミック粉末を金型にて加圧成形し、焼成することによりフランジ３０を得る。

このようにして製造したセラミック基体１３及びフランジ３０を、接合部材２０となる固形の接合材料２０（ガラス）をセラミック基体１３とフランジ３０との隙間に配置してガラスの溶融温度以上に加熱し、セラミック基体１３の外周にフランジ３０を接合する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
ヒータ配線回路の個数や形状は限定されない。
抵抗体インク、すなわちヒータ配線回路を構成する材料の材質も限定されない。

１１セラミックヒータ
４０発熱抵抗体
４０ａ、４０ｂヒータ配線回路
４１、４２ａ、４２ｂ接続端子
Ｏ軸線
Ｓ接続端子が並ぶ方向

Claims

発熱抵抗体を備え、該発熱抵抗体は、セラミック製の支持体の外周に巻きつけられたセラミックシートに形成されてなるセラミックヒータにおいて、
前記セラミックシートの巻合わせ部には、前記支持体の軸線方向に沿って延びるスリットが形成され、
前記発熱抵抗体の同一面上に、それぞれ外部電源に接続される接続端子を有する複数のヒータ配線回路が、該接続端子が並び前記セラミックシートの周に沿う方向に各ヒータ配線回路が重なるように設けられ、
前記ヒータ配線回路は、温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上の材料を含み、
前記複数のヒータ配線回路は、前記接続端子のうち一つの共通したグランド端子に接続され、
前記接続端子のうち前記グランド端子と、前記グランド端子以外の接続端子とが前記巻合わせ部を挟んで対向し、前記接続端子にそれぞれ接続された前記ヒータ配線回路の両末端の配線部が前記巻合わせ部を挟んで近接していることを特徴とするセラミックヒータ。
前記温度係数が３８００ｐｐｍ／℃超、４３００ｐｐｍ／℃未満である請求項１に記載のセラミックヒータ。