JPH0210557B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、例えばデイーゼル機関のグロープラ
グに適用して好都合なセラミツクヒータに関する
ものである。 従来のヒータはNi−Cr合金などの発熱線を備
えているが、温度の高い雰囲気で使用すると酸化
してしまうという問題がある。 そこで、本発明は以下に詳述する発明者の鋭意
研究の結果を基に提案されたものであつて、電気
絶縁性セラミツクで構成した中心部材の外面に
MoSi₂（珪化モリブデン）とSi₃N₄（窒化珪素）と
を含む発熱体を設け、中心部材をSi₃N₄とAl₂O₃
（酸化アルミニウム）を含む材料で構成し、中心
部材の窒化珪素の占める割合を10モル％〜70モル
％に設定することで耐酸化性がよく、耐熱衝撃性
もよいなどの種々の利点を有したセラミツクヒー
ターを提供することを目的とするものである。 以下に本発明の案出過程も含めて本発明を詳細
に説明する。 発明者らは、グロープラグの外表面に露出して
用いる発熱体としての適正をみるために珪化モリ
ブデン、その他種々の高融点材料について耐酸化
テストを行なつた。共通の大きさに切出したテス
ト品を1000℃、15時間大気中に放置し、重量変化
により耐酸化性を調査した。結果を第１表に示
す。

【表】 第１表より知られるように、重量変化が極めて
少なく耐酸化性にすぐれているのはSiCとMoSi₂
である。これらに比べ耐熱金属系統は耐酸化性に
劣り、グロープラグの外表面発熱体として使用し
た場合、経時変化が大きく実用的とはいえない。
Ptは耐酸化テスト結果は良好であるが、高価な
ため量産品には適さない。SiCは酸化テスト結果
は良好であるが抵抗が200Ω−cmと高く、グロー
プラグのように小型発熱体で入力電圧が12〜24V
という低いものには使用不能である。これに対し
てMoSi₂は、4.2×10^-5Ω−cmと抵抗も低く、グ
ロープラグのように小型の発熱体で要求抵抗値が
0.1〜1.5Ωを充分達成することができる。また
MoSi₂は耐酸化性も良好で、グロープラグの外表
面発熱体として充分に使用できる。 グロープラグ用発熱体としては、抵抗温度係数
が大きい方が望ましい。抵抗温度係数が大きい場
合、通電初期に大電流が流れ発熱体の温度上昇と
ともに抵抗が上昇して電流値が制限され、過熱が
防止される。グロープラグでなくても、かかる特
性を要求されるヒータ装置は種々ある。第１図は
抵抗温度係数が異る発熱体の温度と通電時間の関
係を示すもので、抵抗温度係数が大きいもの（線
ａ）は小さいもの（線ｂ）に比べ、初期に大電流
を流すことができ急速過熱が可能である。 次に主たる高融点材料の抵抗温度係数を第２表
に示す。

【表】 第２表で知られるようにMoSi₂は大きな抵抗温
度係数を有し、従来のNi−Cr発熱体に比べ初期
電流値を大きくして急速加熱することが可能とな
る。 このようにMoSi₂はすぐれた耐酸化性を有し、
比抵抗も低く、抵抗温度係数も大きく急速加熱が
可能であり、発明者らのテスト結果では、MoSi₂
は外表面発熱方式のグロープラグの発熱体として
実用に適した唯一のものであると認められた。 しかしながらMoSi₂は高温強度が低く、また熱
膨張係数も7.7×10^-6℃^-1と大きく急熱急冷が繰
返されるグロープラグに使用する場合、高温強度
の向上と熱膨張係数を低下させ熱衝撃に強いもの
に改善する必要がある。発明者らはMoSi₂に窒化
珪素（Si₃N₄）を混入することで上記欠点を解決
した。表３にMoSi₂とSi₃N₄を種々の割合で混入
した場合の耐酸化テスト重量変化率、高温強度、
熱膨張係数及び常温比抵抗を示す。テスト条件は
次のとおりである。 耐酸化テスト：1000℃×15hr、空気中 高強強度：試料40×３×４mm、 荷重速度0.5mm／min 1300℃、空気中の３点曲げ試験で、試料が破
壊もしくは大幅に変形した際の荷重を示す。 熱膨張係数：室温〜800℃の平均熱膨張係数 表３よりSi₃N₄の混入によつて高温破壊強度が
向上し熱膨張係数が低下していることが判明す
る。この効果はSi₃N₄の混入量が多い程大きいが
Si₃N₄の混入により逆に比抵抗が増加する傾向に
ある。そのためSi₃N₄の発熱体への混入量は、10
モル％程度から70モル％程度までの範囲が望まし
い。また、Si₃N₄の混入により耐酸化性が劣るよ
うなことはない。

【表】

【表】 かかる発熱体を外表面発熱方式として使用する
に際し、本発明者は第２図のものを考えた。これ
は耐熱電気絶縁性セラミツクよりなる中心部材１
２の先端外周に上記発熱体１１を接合し、中心部
材１２に埋設した金属線１３を電源の正極に、発
熱体１１の外面を電源の負極に各々電気的に接続
したものである。 このように絶縁セラミツクよりなる中心部材１
２の外周部に発熱体１１を接合した構造のグロー
プラグを実際に製作しようとする場合、発熱体１
１にMoSi₂とSi₃N₄の混合体を使用し、中心部材
１２を代表的なセラミツクである酸化アルミニウ
ム；アルミナ（Al₂O₃）あるいはSi₃N₄単独で構
成し、両者を接合しようとするとクラツクが発生
する。発明者らはその原因が両者の熱膨張係数の
違いにあることをつきとめ、Si₃N₄とAl₂O₃との
混合体で中心部材１２を構成することで発熱体１
１と中心部材１２との接合に成功した。表４に
Si₃N₄の混合体の熱膨張係数を示す。

【表】 熱膨張係数は、Si₃N₄の％が増加するほど減少
していく。中心部材と発熱体との熱膨張係数はで
きるだけ一致させるのが望ましく、発熱体への
Si₃N₄への添加量は10モル％〜70モル％が望まし
いので、この熱膨張係数に合致させるには、中心
部材のSi₃N₄の添加量は10〜70モル％となる。 第３図は発熱体と中心部材との組付構造を、グ
ロープラグに適用した場合を示すものである。第
３図に示すようにMoSi₂とSi₃N₄の混合体の焼結
板１１ａ，１１ｂ、電気絶縁セラミツク材である
Si₃N₄とAl₂O₃の焼結板１２ａ，１２ｂおよび耐
熱性金属、例えばタングステンよりなる金属線１
３ａ，１３ｂにより構成されている。焼結板１２
ａ，１２ｂには段部が形成され基端側が厚肉とな
つている。また一方の焼結板１２ｂの表面には縦
方向に溝１２１ｂが形成されている。金属線１３
ａ，１３ｂの先端には直角方向の折曲部１３１
ａ，１３１ｂが形成されている。 そして、製造に際しては、金属線１３ａ，１３
ｂを焼結板１２ｂの溝１２１ｂにセツトしてその
上に焼結板１２ａを重ねる。そのとき金属線１３
ａ，１３ｂを折曲部１３１ａ，１３１ｂを焼結板
１２ａ，１２ｂの先端に設けた孔１２２ａ，１２
２ｂにそれぞれ貫通させ、先端を折り曲げる。こ
のようにして重ねられた焼結板１２ａ，１２ｂの
上下の先端側に焼結板１１ａ，１１ｂを重ね、は
さみつける方向に加圧焼成（ホツトプレス）する
ことにより焼結板１１ａ，１２ａ，１２ｂ，１１
ｂを互に接合一体化せしめる。 このようにして得られた発熱部１を組付けた第
４図に示すグロープラグにおいて、取付け部２は
主としてエンジンヘツドに取付け得るように構成
した金属性ハウジング２１とその内部に絶縁材２
２を介して固定された正端子２３とよりなる。発
熱部１はその基端がハウジング２１の先端開口に
挿入され、金属カバー２４を介して発熱体たる焼
結板１１ａ，１１ｂとのハウジング２１と開口と
が固着され、ボデーアースを構成している。ハウ
ジング２１内に挿入された発熱部１の基端には焼
結板１２ａ，１２ｂの端面に金属キヤツプ２５が
金属線１３ａ，１３ｂと接触するように接合さ
れ、またこのキヤツプ２５と上記正端子２３とは
ステンレス線により電気的に接続されている。 しかして上記構造のプラグにおいて、電流は正
端子２３よりステンレス線２６、金属キヤツプ２
５、金属線１３ａ，１３ｂを通じて発熱体たる焼
結板１１ａ，１１ｂの先端へ到り、該焼結板１１
ａ，１１ｂを経てカバー２４よりハウジング２１
へボデーアースされる。 上記のように構成した本発明の実施例におい
て、発熱体抵抗を0.1Ωとした場合、12V印加し該
表面が800℃に到達する時間を測定したところ1.4
秒と極めて小さい値を示した。また発熱体該表面
を1000℃に加熱し連続通電時間200時間の耐久テ
ストを行つた後の抵抗値も全く変化せず、耐酸化
性もよく、更に継続発熱が充分に可能であつた。 なお、発熱部の製造方法として、発熱材および
絶縁材として粉末またはグリーンシートを用い、
所定形状の型内に発熱材、絶縁材、金属線、絶縁
材、発熱材と順次積層し、ホツトプレスにより加
圧焼成してもよい。 上記実施例において中心部材内部に金属線を封
入しているが、この場合、金属線と中心部材及び
発熱体３者の熱膨張係数を合わせる必要がある。
例えば、金属線としてタングステン線を使用した
場合、熱膨張係数は4.4×10^-6℃^-1のため、中心
部材、発熱体ともSi₃N₄の添加量と調整し、これ
に近づけることが必要である。 また、金属線を封入する方式ではなく、第５図
に示すようにＵ字型の発熱体１１の両端から直接
リードをとることも可能である。電流はステンレ
ス線２６ａを経てＵ字型発熱部１１を流れ、ステ
ンレス線２６ｂを通つてボデーアースされる。発
熱体１１と金属ボデー２１とは接触してはいけな
いため、アルミナよりなる絶縁材２７が両者の間
に設けてある。更に、第６図に示すように筒状の
発熱体１１の内部に中心部材１２を埋設する構造
も可能である。図中１３は金属線である。また、
発熱体１１を中心部材１２に設けた凹溝内に接合
してもよく、更に発熱体１１を螺旋状に中心部材
１２に巻回接合してもよい。 また、第７図に示すように発熱体１１の先端を
細くすることにより、発熱を先端に集中させるよ
うにしてもよい。 なお、本発明のセラミツクヒータはデイーゼル
機関のグロープラグに規定されることはなく、
種々の用途に展開でき、例えば暖房装置などの燃
焼器における燃料の着火用ヒータとして使うこと
ができる。 以上詳述したように、本発明によれば、耐酸化
性がよく、かつ耐熱衝撃性もよく、従つて高温度
ならびに急激、急冷が繰り返される雰囲気での使
用に充分耐えることができるという優れた効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の説明に供する特性図、第２図
ａ，ｂは本発明の案出過程において考え出したセ
ラミツクヒータを示すものであつて、第２図ａは
正面図、第２図ｂは第２図ａの右側面図、第３図
は本発明の一実施例を示す組付斜視図、第４図は
第３図のヒータを用いたグロープラグを示す断面
図、第５図は本発明の他の例を示す断面図、第６
図ａ，ｂは本発明の他の例を示すもので、第６図
ａは正面図、第６図ｂは第６図ａの右側面図、第
７図は本発明の更に他の例を示す断面図である。 １１……発熱体、１２……中心部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電気絶縁性セラミツクで構成した中心部材の
   外面に珪化モリブデンと窒化珪素とを含む発熱体
   を設け、前記中心部材のセラミツクは、酸化アル
   ミニウムと窒素珪素とを含む材料で構成されてお
   り、中心部材の窒素珪素の占める割合は10モル％
   〜70モル％であるセラミツクヒーター。