JP7032954B2

JP7032954B2 - ヒータ

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Publication number: JP7032954B2
Application number: JP2018032971A
Authority: JP
Inventors: 洋介赤木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-03-09
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019149272A

Description

本開示は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用もしくは炎検知用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用のヒータ、ディーゼルエンジンのグロープラグ用のヒータ、酸素センサ等の各種センサ用のヒータまたは測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータに関するものである。

ヒータとして、例えば、特許文献１に記載のグロープラグが知られている。特許文献１に開示されたグロープラグは、棒状の基体と、基体内に配置され、一端が基体の外周に引き出される発熱体と、基体のうち発熱体が引き出された部位を囲む金属の外筒とを有している。

特開２０１７－５８０３２号公報

このようなグロープラグにおいては、外筒に振動等の外力が加わったときに、基体のうち発熱体が引き出された部位に応力が生じるおそれがあった。そのため、基体の外周に引き出された部位において、発熱体が破損してしまうおそれがあった。その結果、発熱体と外筒との電気的接続の信頼性を高めることが困難であった。

本開示の一態様のヒータは、棒状であって先端および後端を有するセラミック体と、該セラミック体に埋設され、少なくとも一端が前記セラミック体の後端側の側面に引き出された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続され前記セラミック体の側面の一部を囲むように設けられた第１筒状金具と、該第１筒状金具に電気的に接続され該第１筒状金具の少なくとも後端を囲む第２筒状金具とを備えており、前記第１筒状金具は、前記第２筒状金具が固定された筒状の第１部分と、該第１部分の後端に隣り合って位置しており、前記第１部分よりも外径が小さい筒状の第２部分とを有しているとともに、該第２部分は、前記セラミック体の側面のうち前記発熱抵抗体の前記一端が引き出された部分を覆っており、前記第２部分の外周面と前記第２筒状金具の内周面との間には隙間があり、前記第２筒状金具は、前記第１筒状金具よりも熱膨張係数が小さいことを特徴とする。

本開示のヒータによれば、発熱抵抗体と第１筒状金具との電気的接続の信頼性を高めることができる。

ヒータの一例を示す断面図である。ヒータの他の例を示す断面図である。ヒータの他の例を示す断面図である。ヒータの他の例を示す断面図である。ヒータの他の例を示す断面図である。ヒータの他の例を示す断面図である。

本開示のヒータ１０の一例について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本開示の一例であるヒータ１０を示す断面図である。図１に示すように、ヒータ１０は、棒状のセラミック体１と、セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に電気的に接続されセラミック体１の側面の一部を囲むように設けられた第１筒状金具３と、第１筒状金具３の少なくとも後端を囲む第２筒状金具４とを備えている。

セラミック体１は、棒状の部材である。セラミック体１は、先端と後端とを有している。セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２を有している。セラミック体１は、例えば角棒状または丸棒状である。セラミック体１の材質は、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックスまたは窒化珪素質セラミックス等の電気的に絶縁性を有するセラミックスにすることができる。セラミック体１の寸法は、例えばセラミック体１の形状が丸棒状のときは、長さを２０～５０ｍｍに、直径を２～５ｍｍにすることができる。

発熱抵抗体２は、通電によって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、一端２１と他端２２とを有している。発熱抵抗体２は、例えば線状の部材であって、折返し形状を有している。発熱抵抗体２は、例えばセラミック体１の先端側において折返し部を有していてもよい。発熱抵抗体２は、セラミック体１の後端側において、少なくとも一端２１がセラミック体１の側面に引き出されている。発熱抵抗体２は、Ｗ，ＭｏまたはＴｉなどの炭化物、窒化物または珪化物などを主成分とすることができる。なお、ここでいう主成分とは、発熱抵抗体２を形成する成分のうち最も含有量が多い成分を意味している。発熱抵抗体２は、セラミック体１の主成分を一成分として含んでいてもよい。発熱抵抗体２の寸法は、例えば全長を１～１５ｍｍ、断面積を０．１５～０．８ｍｍ^２にすることができる。

発熱抵抗体２は、一端２１および他端２２がセラミック体１の側面に引き出されていてもよい。この場合は、一端２１が第１筒状金具３に電気的に接続され、他端２２が第１筒状金具３以外の部材に電気的に接続される構成とすることで、電気的な接続を確保することができる。また、発熱抵抗体２は、例えば一端２１がセラミック体１の側面に引き出されており、他端２２がセラミック体１の後端面に引き出されていてもよい。また、発熱抵抗体２の他端２２は、セラミック体１の後端面において電極端子７に電気的に接続されていてもよい。この場合は、筒状金具と電極端子７とがショートしない程度に距離を確保しつつ、筒状金具の内径を小さくすることができる。その結果、ヒータを小型化することができる。

また、発熱抵抗体２は、セラミック体１の後端側の側面に引き出された部位において、単位長さ辺りの抵抗値が低くなっていてもよい。これにより、第１筒状金具３に熱が伝わるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。具体的には、発熱抵抗体２は、セラミック体１の後端側の外周面に引き出された部位において、折返し部よりも断面積を大きくしたり、セラミック体１の形成材料の含有量を折返し部よりも少なくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くすることができる。

第１筒状金具３は、セラミック体１を保持するための部材である。第１筒状金具３は筒状の部材であって、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。第１筒状金具３は、セラミック体１の側面の一部を囲むように位置している。第１筒状金具３は、セラミック体１の側面のうち発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部分を覆っている。第１筒状金具３は、例えばセラミック体１の側面のうち発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部分より、セラミック体１の後端まで設けられていてもよいし、セラミック体１の先端側まで設けられていてもよい。第１筒状金具３は、内周面がセラミック体１の側面に嵌め合わされて、セラミック体１に固定されていてもよい。また、第１筒状金具３は、ロウ材５または樹脂製の接合材等によって固定されていてもよい。

第１筒状金具３の材質は、例えば鉄、クロムまたはニッケル等の金属からなる。第１筒状金具３の寸法は、例えば内径を２～５ｍｍに、外径を２．５～７ｍｍに、セラミック体１の軸方向の長さを２～５ｍｍにすることができる。第１部分３１が厚みを有していることによって、電極端子７と第２筒状金具４との距離を取ることができる。そのため、電極端子７と第２筒状金具４との間で短絡が生じてしまうおそれを低減することができる。

第２筒状金具４は、第１筒状金具３とともにセラミック体１を保持するための部材である。第２筒状金具４は、第１筒状金具３に電気的に接続されている。第２筒状金具４は、第１筒状金具３の少なくとも後端を囲む位置に固定されている。また、第２筒状金具４は、例えば第１筒状金具３の全体を囲む位置に固定されていてもよい。また、第２筒状金具４は、例えばセラミック体１の後端より後方まで伸びていてもよい。

第２筒状金具４は、例えば内周面が第１筒状金具３の外周面に嵌め合わされて、第１筒状金具３に固定されていてもよい。また、第２筒状金具４は、接合材等によって第１筒状金具３に固定されていてもよい。第２筒状金具４の材質は、例えば鉄、クロムまたはニッケル等の金属からなる。第２筒状金具４の寸法は、例えば内径を２．５～７ｍｍに、外径を５～１５ｍｍに、セラミック体１の軸方向の長さを５～２０ｍｍにすることができる。第２筒状金具４は、第１筒状金具３と同じ部材であってもよいし、違う部材であってもよい。第２筒状金具４が第１筒状金具３と異なる部材からなる場合は、例えば第２筒状金具４を、第１筒状金具３よりも熱膨張係数が小さい部材とすることで、かしめ効果が大きくなり、第１筒状金具３と第２筒状金具４との接合強度を高めることができる。このときに、例えば第２筒状金具４をＦｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金、第１筒状金具３をＦｅ－Ｎｉ－Ｃｒ合金にすることができる。

本開示のヒータ１０によれば、第１筒状金具３は、第２筒状金具４が固定された筒状の第１部分３１と、第１部分３１の後端に隣り合って位置しており、第１部分３１よりも外径が小さい筒状の第２部分３２とを有しているとともに、第２部分３２は、セラミック体１の側面のうち発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部分を覆っており、第２部分３２の外周面と第２筒状金具４の内周面との間には隙間がある。これにより、第２筒状金具４に振動等の外力が加わったときに、第２筒状金具４が隙間部分において撓むことができる。そのため、第２筒状金具４において、応力を緩和することができる。これにより、第２筒状金具４に生じた外力が、セラミック体１に伝わるおそれを低減することができる。そのため、セラミック体１のうち発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部分に生じる応力を低減することができる。これにより、セラミック体１の側面に引き出された部分において、発熱抵抗体２が破損してしまうおそれを低減することができる。その結果、発熱抵抗体２と第１筒状金具３との電気的接続の信頼性を高めることができる。

第２部分３２の外径は、例えば図１に示すように、第１部分３１に向かうにつれて大きくなっており、第１部分３１の外周面と、第２部分３２の外周面とが、繋がっていてもよい。この場合は、例えば第１部分３１の外径を２．５～７ｍｍに、第２部分３２の外径を０．５～３ｍｍにすることができる。また、第１部分３１のセラミック体１の軸方向の長さを２～５ｍｍに、第２部分３２のセラミック体１の軸方向の長さを３～１０ｍｍにすることができる。

第１筒状金具３の第１部分３１のうち第２筒状金具４に接する部位は、セラミック体１の先端に向かうにつれて外径が大きくなっていてもよい。これにより、第２筒状金具４を第１筒状金具３の後端側から嵌め込むときに、第１筒状金具３と第２筒状金具４とのより
強固に固定することができる。

また、図２に示すように、セラミック体１の側面と第１筒状金具３の内周面とはロウ材５によって接合されているとともに、セラミック体１の側面のうち発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部位にはメタライズ層６が設けられており、メタライズ層６を介して発熱抵抗体２が引き出された部位と第１筒状金具３の内周面とが接合されていてもよい。これにより、メタライズ層６およびロウ材５によって発熱抵抗体２と第１筒状金具３との電気的接続の信頼性を高めることができる。加えて、隙間部分において第２筒状金具４が撓むことによって、第２筒状金具４において、応力を緩和することができる。これにより、第２筒状金具４に生じた外力が、メタライズ層６に伝わるおそれを低減することができる。そのため、メタライズ層６が破損してしまうおそれを低減することができる。その結果、発熱抵抗体２と第１筒状金具３との電気的接続の信頼性を高めることができる。

メタライズ層６は、セラミック体１の側面のうち少なくとも発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部分に設けられている。メタライズ層６は、例えばセラミック体１を周方向に囲むように設けられている。これにより、ロウ材５がセラミック体１に広がりやすくすることができるため、セラミック体１と第１筒状金具３との接合強度を高めることができる。メタライズ層６は、例えばＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉにニッケルを被覆して拡散させた材料またはニッケル等の材料からなる。メタライズ層６は、例えば厚みを０．０１～０．２ｍｍに、セラミック体１の軸方向の長さを１０～４０ｍｍにすることができる。

ロウ材５は、セラミック体１と第１筒状金具３とを接合するための部材である。ロウ材５は、セラミック体１の側面と第１筒状金具３の内周面とに接しながらメタライズ層６を覆うように位置している。ロウ材５は、メタライズ層６と第１筒状金具３とを電気的に接続している。ロウ材５は、メタライズ層６を覆う部分からメタライズ層６よりも先端側まで設けられていてもよいし、メタライズ層６より後端側まで設けられていてもよい。ロウ材５は、例えば銀銅ろうまたは金銅ろうにすることができる。

また、ロウ材５は、セラミック体１の側面と第１筒状金具３の内周面との間の全体に設けられていてもよいし、部分的に設けられていてもよい。ロウ材５が部分的に設けられている場合は、セラミック体１と第１筒状金具３を固定しつつ、第１筒状金具３とセラミック体１の間に隙間を設けることができる。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱がセラミック体１を介して第１筒状金具３に伝わるおそれを低減することができる。そのため、第１部分３１の熱膨張によってセラミック体１との間に熱応力が生じ、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

また、図３に示すように、セラミック体１の軸方向を含む断面を見たときに、第１部分３１の外周面と第２部分３２の外周面との間に段差があってもよい。セラミック体１の軸方向を含む断面を見たときに、第１部分３１の外周面と第２部分３２の外周面との間に段差があることによって、第１部分３１の外周面と第２部分３２の外周面とが滑らかに繋がっている場合と比べて、第２部分３２から第１部分３１に熱が伝わりにくくすることができる。そのため、発熱抵抗体２で生じた熱が第２部分３２を介して第１部分３１に伝わり、第１部分３１が熱膨張するおそれを低減することができる。これにより、第１部分３１の熱膨張によってセラミック体１との間に熱応力が生じ、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

第１部分３１の外周面と第２部分３２の外周面との間には、図３に示すように、階段状
の段差があってもよい。このような場合は、第１部分３１と第２部分３２との接する面積を低減しつつ、第１部分３１の後端面と第２筒状金具４との接点に応力が集中するおそれを低減することができる。これにより、第１部分３１の熱膨張によってセラミック体１との間に熱応力が生じ、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減しつつ、第２筒状金具４が破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

また、図４に示すように、段差になっている部分がセラミック体１の軸方向に長さを有していてもよい。このような場合においては、第１筒状金具３のうち、外径が変化しない部分と外径が小さくなる部分との境界を、第１部分３１と第２部分３２との境界とすることができる。

また、図５に示すように、セラミック体１の軸方向を含む断面を見たときに、第１部分３１および第２部分３２の形状がそれぞれ長方形状であってもよい。これにより、第２部分３２と第２筒状金具４との間の隙間を広く確保しつつ、第１部分３１の後端面を、第２部分３２と第２筒状金具４との間の空間に露出させることができる。そのため、第２部分３２と第２筒状金具４との間の隙間に流れ込む空気の対流によって、第１筒状金具３を冷却することができる。さらに、第１部分３１の後端面が露出していることによって、第１部分３１の後端面に直接空気が触れるため、効率的に第１筒状金具３を冷却することができる。その結果、第１筒状金具３の熱膨張によってセラミック体１との間に熱応力が生じ、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

なお、ここでいう長方形状とは、厳密な意味での長方形状に限定されず、例えば角部が面取りされており、丸みを帯びていてもよい。また、第１部分３１のうち第２筒状金具４の内周面に接する部位は、セラミック体１の先端に向かうにつれて外径が大きくなっていてもよい。具体的には、第１部分３１の先端の厚さと後端の厚さとの差が１０％以内であれば、長方形状であるとすることができる。

また、図５に示すように、第２部分３２は、第２筒状金具４よりも薄くてもよい。これにより、第２部分３２の熱容量を低減することができる。そのため、発熱抵抗体２で生じた熱が第２部分３２を介して第１部分３１に伝わるおそれを低減することができる。これにより、第１部分３１の熱膨張によってセラミック体１との間に熱応力が生じ、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

また、この構成によれば、第２筒状金具４は第２部分３２よりも厚い。これにより、例えばヒータ１０をグロープラグとして使用するとき等、第２筒状金具４を別の部材によって保持する場合において、第２筒状金具４が変形するおそれを低減することができる。

また、図６に示すように、ヒータ１０は、発熱抵抗体２に電気的に接続されセラミック体１の側面の一部を囲むように設けられた筒状金具８とを有しており、筒状金具８は、セラミック体１の側面のうち発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部分を覆う筒状の第１部位８１と、第１部位８１の先端に隣り合って位置しており、第１部位８１よりも外径が大きい筒状の第２部位８２と、第２部位８２の後端に隣り合って位置しており、第１部位８１を隙間を介して囲む筒状の第３部位８３とを有していてもよい。これにより、第３部位８３に振動等の外力が加わったときに、第３部位８３が隙間部分において撓むことができる。そのため、第３部位８３において、応力を緩和することができる。これにより、セラミック体１のうち発熱抵抗体２の一端２１が引き出された部分に生じる応力を低減することができる。これにより、セラミック体１の側面に引き出された部分において、発熱抵
抗体２が破損してしまうおそれを低減することができる。その結果、発熱抵抗体２と第１部位８１との電気的接続の信頼性を高めることができる。

このときに、第１部位８１の外径を２．５～７ｍｍに、第２部位８２の外径を５～１５ｍｍに、第３部位８３の内径を４．５～１４．５ｍｍに、第３部位８３の外径を５～１５ｍｍにすることができる。また、第１部位８１のセラミック体１の軸方向の長さを２～５ｍｍに、第２部位８２のセラミック体１の軸方向の長さを３～１５ｍｍに、第３部位８３のセラミック体１の軸方向の長さを５～２０ｍｍにすることができる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２１：一端
２２：他端
３：第１筒状金具
３１：第１部分
３２：第２部分
４：第２筒状金具
５：ロウ材
６：メタライズ層
７：電極端子
８：筒状金具
８１：第１部位
８２：第２部位
８３：第３部位
１０：ヒータ

Claims

棒状であって先端および後端を有するセラミック体と、該セラミック体に埋設され、少なくとも一端が前記セラミック体の後端側の側面に引き出された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続され前記セラミック体の側面の一部を囲むように設けられた第１筒状金具と、該第１筒状金具に電気的に接続され該第１筒状金具の少なくとも後端を囲む第２筒状金具とを備えており、
前記第１筒状金具は、前記第２筒状金具が固定された筒状の第１部分と、該第１部分の後端に隣り合って位置しており、前記第１部分よりも外径が小さい筒状の第２部分とを有しているとともに、
該第２部分は、前記セラミック体の側面のうち前記発熱抵抗体の前記一端が引き出された部分を覆っており、
前記第２部分の外周面と前記第２筒状金具の内周面との間には隙間があり、
前記第２筒状金具は、前記第１筒状金具よりも熱膨張係数が小さいことを特徴とするヒータ。
前記セラミック体の側面と前記第１筒状金具の内周面とはロウ材によって接合されているとともに、
前記セラミック体の側面のうち前記発熱抵抗体が引き出された部位にはメタライズ層が設けられており、該メタライズ層を介して前記発熱抵抗体の前記一端が引き出された部位と前記第１筒状金具の内周面とが接合されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記セラミック体の軸方向を含む断面を見たときに、前記第１部分の外周面と前記第２部分の外周面との間に段差があ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。
前記セラミック体の軸方向を含む断面を見たときに、前記第１部分および前記第２部分の形状がそれぞれ長方形状であ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。
前記第２部分は、前記第２筒状金具よりも薄い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。
前記第２筒状金具は、前記第１筒状金具の全体を囲んでいることを特徴とする請求項１
乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。