JPH05174949A - セラミックスヒータ - Google Patents
セラミックスヒータInfo
- Publication number
- JPH05174949A JPH05174949A JP3341192A JP34119291A JPH05174949A JP H05174949 A JPH05174949 A JP H05174949A JP 3341192 A JP3341192 A JP 3341192A JP 34119291 A JP34119291 A JP 34119291A JP H05174949 A JPH05174949 A JP H05174949A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heating element
- aluminum nitride
- heat
- sintered body
- heater
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【目的】電力密度が高く、急速加熱が可能で、かつ均熱
性の高いセラミックスヒータを提供する。 【構成】Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌステンレス鋼の３０μ
ｍ厚さの箔を用い、エッチングにより大きさ４５×２５
ｍｍ、抵抗６０Ωの面状発熱体を製作し、５０ｍｍ×３
０ｍｍ×厚さ１ｍｍ、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫの窒化ア
ルミニウム焼結体に圧力２００ｇ／ｃｍ2 をかけて挾み
込んだセラミックスヒータ。
性の高いセラミックスヒータを提供する。 【構成】Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌステンレス鋼の３０μ
ｍ厚さの箔を用い、エッチングにより大きさ４５×２５
ｍｍ、抵抗６０Ωの面状発熱体を製作し、５０ｍｍ×３
０ｍｍ×厚さ１ｍｍ、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫの窒化ア
ルミニウム焼結体に圧力２００ｇ／ｃｍ2 をかけて挾み
込んだセラミックスヒータ。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、通電加熱用に供される
セラミックスヒータに関する。
セラミックスヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックスヒータは、小型軽量である
こと、形状の自由度の高いこと、比較的電力密度を高く
とれることから、近年用途が急速に拡大している。セラ
ミックスヒータの構造は、ニクロム線やタングステン膜
などの通電加熱用の発熱体を、絶縁兼支持部材であるア
ルミナ焼結体に埋込んだり巻き付けたりして取付けたも
のが一般的である。
こと、形状の自由度の高いこと、比較的電力密度を高く
とれることから、近年用途が急速に拡大している。セラ
ミックスヒータの構造は、ニクロム線やタングステン膜
などの通電加熱用の発熱体を、絶縁兼支持部材であるア
ルミナ焼結体に埋込んだり巻き付けたりして取付けたも
のが一般的である。
【０００３】しかしながら、アルミナ焼結体を絶縁兼支
持部材としてヒータ用に使用する場合、アルミナは熱伝
導率が悪いこと、熱膨張率がセラミックスとしては比較
的大きいことが理由で、耐熱衝撃性が悪く、急速加熱に
よって簡単に破損してしまうという重大な欠点があっ
た。したがって加熱上昇速度に大きな制約があり、高い
電力密度で実用に供する場合には、スタート時の電圧値
の立上がりの傾斜を緩やかにしたり、空炊き防止などの
措置が不可欠であった。
持部材としてヒータ用に使用する場合、アルミナは熱伝
導率が悪いこと、熱膨張率がセラミックスとしては比較
的大きいことが理由で、耐熱衝撃性が悪く、急速加熱に
よって簡単に破損してしまうという重大な欠点があっ
た。したがって加熱上昇速度に大きな制約があり、高い
電力密度で実用に供する場合には、スタート時の電圧値
の立上がりの傾斜を緩やかにしたり、空炊き防止などの
措置が不可欠であった。
【０００４】さらに、アルミナ焼結体は、熱伝導率が悪
いために、ヒータの均熱性が悪く、発熱体からの距離に
よって温度分布ができるので、使用上不便であるばかり
か、局部加熱による破損のおそれがあるため、高温での
使用にも限界があった。
いために、ヒータの均熱性が悪く、発熱体からの距離に
よって温度分布ができるので、使用上不便であるばかり
か、局部加熱による破損のおそれがあるため、高温での
使用にも限界があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
問題点を克服し、電力密度が高く、急速加熱が可能で、
かつ均熱性の高いセラミックスヒータを提供することに
ある。
問題点を克服し、電力密度が高く、急速加熱が可能で、
かつ均熱性の高いセラミックスヒータを提供することに
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点を克服すべく鋭意研究の結果、通電によって発熱する
抵抗体材料を、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アル
ミニウム焼結体に接触させた構造のセラミックスヒータ
によって、電力密度が高く、急速加熱が可能で、かつ均
熱性の高いヒータが得られることを知見し、標記発明に
到達した。特に、常温のみならず、通電中の高温下でも
発熱体と窒化アルミニウム焼結体とが密着し続けること
がより高負荷通電を可能にすることを知見して、本発明
を完成した。
点を克服すべく鋭意研究の結果、通電によって発熱する
抵抗体材料を、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アル
ミニウム焼結体に接触させた構造のセラミックスヒータ
によって、電力密度が高く、急速加熱が可能で、かつ均
熱性の高いヒータが得られることを知見し、標記発明に
到達した。特に、常温のみならず、通電中の高温下でも
発熱体と窒化アルミニウム焼結体とが密着し続けること
がより高負荷通電を可能にすることを知見して、本発明
を完成した。
【０００７】一般に、金属製の発熱体を使用するときに
は、表面の熱負荷がどの程度なのかが問題になる。これ
は、通電による発熱体内部の発熱と発熱体表面からの抜
熱とのバランスにより発熱体の温度が決まり、この温度
が高温になりすぎると酸化反応、変形、溶融を起こし急
激な劣化により焼き切れてしまうからである。発熱はジ
ュール熱によるため高負荷通電を可能とするには、より
効率的な抜熱が必要である。抜熱は、（１）発熱体表面
からの電磁波による輻射、（２）対流など発熱体からこ
れらを取巻く気相への伝熱、（３）発熱体から他の固体
（液体）への伝導、によって起こる。（１）の輻射、
（２）の気相への伝熱は発熱体の表面積、温度、設置条
件によって決まるもので発熱体の種類等の変更によって
変化させることは困難である。（３）の伝熱について
は、従来のセラミックスヒータは熱伝導性の悪いセラミ
ックスを使用していたためほとんど考慮されていなかっ
た。
は、表面の熱負荷がどの程度なのかが問題になる。これ
は、通電による発熱体内部の発熱と発熱体表面からの抜
熱とのバランスにより発熱体の温度が決まり、この温度
が高温になりすぎると酸化反応、変形、溶融を起こし急
激な劣化により焼き切れてしまうからである。発熱はジ
ュール熱によるため高負荷通電を可能とするには、より
効率的な抜熱が必要である。抜熱は、（１）発熱体表面
からの電磁波による輻射、（２）対流など発熱体からこ
れらを取巻く気相への伝熱、（３）発熱体から他の固体
（液体）への伝導、によって起こる。（１）の輻射、
（２）の気相への伝熱は発熱体の表面積、温度、設置条
件によって決まるもので発熱体の種類等の変更によって
変化させることは困難である。（３）の伝熱について
は、従来のセラミックスヒータは熱伝導性の悪いセラミ
ックスを使用していたためほとんど考慮されていなかっ
た。
【０００８】本発明は、（３）の他の固体への伝導に注
目して達成された。高絶縁性で、熱伝導率の高い窒化ア
ルミニウム焼結体に発熱体を常温から高温に至るまで密
着し続けることで効率的な伝導による抜熱を可能にする
ことができるようになる。窒化アルミニウム焼結体と金
属製の発熱体とを接触させることで、伝熱による放熱を
増加させるのみならず、金属製の発熱体の熱が窒化アル
ミニウム焼結体を加熱、窒化アルミニウム焼結体表面か
らの輻射、対流等による抜熱が加わるため、金属製の発
熱体の温度低下に寄与するのである。
目して達成された。高絶縁性で、熱伝導率の高い窒化ア
ルミニウム焼結体に発熱体を常温から高温に至るまで密
着し続けることで効率的な伝導による抜熱を可能にする
ことができるようになる。窒化アルミニウム焼結体と金
属製の発熱体とを接触させることで、伝熱による放熱を
増加させるのみならず、金属製の発熱体の熱が窒化アル
ミニウム焼結体を加熱、窒化アルミニウム焼結体表面か
らの輻射、対流等による抜熱が加わるため、金属製の発
熱体の温度低下に寄与するのである。
【０００９】また、窒化アルミニウム焼結体は、高熱伝
導性に加えて、熱膨張係数が小さいため耐熱衝撃性に優
れ、高電力密度入力による高速昇熱が可能となる。本発
明は、金属製の面状発熱体を、２枚の窒化アルミニウム
焼結体の間に密着介装したことを特徴とするセラミック
スヒータであり、また、金属製の面状発熱体を窒化アル
ミニウム焼結体と他のセラミックスとの間に密着介装し
たことを特徴とするセラミックスヒータである。
導性に加えて、熱膨張係数が小さいため耐熱衝撃性に優
れ、高電力密度入力による高速昇熱が可能となる。本発
明は、金属製の面状発熱体を、２枚の窒化アルミニウム
焼結体の間に密着介装したことを特徴とするセラミック
スヒータであり、また、金属製の面状発熱体を窒化アル
ミニウム焼結体と他のセラミックスとの間に密着介装し
たことを特徴とするセラミックスヒータである。
【００１０】本発明において面状発熱体とは薄膜又は薄
板などのように両面が平面状をなし、格子状、網目状、
スリット状などの空所を有する形状の発熱体をいう。
板などのように両面が平面状をなし、格子状、網目状、
スリット状などの空所を有する形状の発熱体をいう。
【００１１】
【作用】金属製の面状発熱体をヒータエレメントとし
て、それを高熱伝導性絶縁体である窒化アルミニウム焼
結体の間に挾み込むことによって、発熱体からのより効
率的な抜熱が達成され、より高負荷通電をすることが可
能となる。発熱体を金属製の面状発熱体とすることによ
って以下の利点が生まれる。 （１）窒化アルミニウム焼結体との接触面積を大きくす
ることができる。 （２）窒化アルミニウム焼結体との良好な接触状態を作
り出すことが容易である。 （３）金属製の発熱体の熱膨張率は窒化アルミニウム焼
結体に比べて大きいが、面状発熱体では膨張しても面内
の膨張のため、窒化アルミニウム焼結体との接触を発熱
中に保持することが容易である。このため、伝導による
より効率的な抜熱が可能となる。
て、それを高熱伝導性絶縁体である窒化アルミニウム焼
結体の間に挾み込むことによって、発熱体からのより効
率的な抜熱が達成され、より高負荷通電をすることが可
能となる。発熱体を金属製の面状発熱体とすることによ
って以下の利点が生まれる。 （１）窒化アルミニウム焼結体との接触面積を大きくす
ることができる。 （２）窒化アルミニウム焼結体との良好な接触状態を作
り出すことが容易である。 （３）金属製の発熱体の熱膨張率は窒化アルミニウム焼
結体に比べて大きいが、面状発熱体では膨張しても面内
の膨張のため、窒化アルミニウム焼結体との接触を発熱
中に保持することが容易である。このため、伝導による
より効率的な抜熱が可能となる。
【００１２】線状発熱体やリボン状発熱体でも窒化アル
ミニウム焼結体と組合わせることによってそれなりの効
果を上げることはできるが、接触面積が小さく、良好な
接触状態を作り出すことが難しい。また熱膨張差のた
め、線状、リボン状発熱体ではいったん作り出した接触
を発熱中に保持することが困難である。金属製の面状発
熱体は、耐熱性を有する金属の箔等から、エッチング又
は打ち抜きなどにより抵抗体回路を形成することによっ
て作製される。耐熱性金属としては、ニクロム、カンタ
ル、耐熱性ステンレス鋼、白金などを使用することがで
きるが、窒化アルミニウムと反応しないものであればそ
の他の金属も使用可能である。
ミニウム焼結体と組合わせることによってそれなりの効
果を上げることはできるが、接触面積が小さく、良好な
接触状態を作り出すことが難しい。また熱膨張差のた
め、線状、リボン状発熱体ではいったん作り出した接触
を発熱中に保持することが困難である。金属製の面状発
熱体は、耐熱性を有する金属の箔等から、エッチング又
は打ち抜きなどにより抵抗体回路を形成することによっ
て作製される。耐熱性金属としては、ニクロム、カンタ
ル、耐熱性ステンレス鋼、白金などを使用することがで
きるが、窒化アルミニウムと反応しないものであればそ
の他の金属も使用可能である。
【００１３】窒化アルミニウム焼結体は、熱伝導率８０
Ｗ／ｍＫ以上のものが望ましいが、より好ましくは１２
０Ｗ／ｍＫ以上のものである。熱伝導率が小さいと効果
的な抜熱ができないからである。金属製の面状発熱体を
窒化アルミニウム焼結体の間に密着するように挾み込む
ことによって良好な接触が保持される。望ましくは、バ
ネ等により適当な圧力で押え込んでおくことがよい。こ
の圧力は特に限定するものではないが、一般的には数十
ｇ／ｃｍ2 から数十ｋｇ／ｃｍ2 の圧力が好ましい。弱
ければ充分に密着しないし、強すぎればセラミックスが
破壊する恐れがでてくる。
Ｗ／ｍＫ以上のものが望ましいが、より好ましくは１２
０Ｗ／ｍＫ以上のものである。熱伝導率が小さいと効果
的な抜熱ができないからである。金属製の面状発熱体を
窒化アルミニウム焼結体の間に密着するように挾み込む
ことによって良好な接触が保持される。望ましくは、バ
ネ等により適当な圧力で押え込んでおくことがよい。こ
の圧力は特に限定するものではないが、一般的には数十
ｇ／ｃｍ2 から数十ｋｇ／ｃｍ2 の圧力が好ましい。弱
ければ充分に密着しないし、強すぎればセラミックスが
破壊する恐れがでてくる。
【００１４】焼結体の厚さは特に限定しないが、０．２
ｍｍから２０ｍｍ程度のものを使用することができる。
薄くなると強度が落ち、使用しずらい。厚すぎると経済
的でなくなる。好ましくは、０．５ｍｍから１５ｍｍで
ある。一方、ヒータの片側の面のみに放熱しようとする
とき、挾み込む焼結体の一方を他のセラミックスにする
ことができる。この場合、両面に放熱する場合に比べて
抜熱量が減少するため、特に熱伝導性の高い窒化アルミ
ニウム焼結体を使用することが望ましい。また、熱伝導
率の低いセラミックスは一般的には耐熱衝撃性に劣るた
め、それに対する考慮が必要となる。また、片側への放
熱をねらい、一旦窒化アルミニウム焼結体で挾み込んだ
のち、片側の面に熱伝導性の悪い焼結体を張り付けるこ
ともできる。
ｍｍから２０ｍｍ程度のものを使用することができる。
薄くなると強度が落ち、使用しずらい。厚すぎると経済
的でなくなる。好ましくは、０．５ｍｍから１５ｍｍで
ある。一方、ヒータの片側の面のみに放熱しようとする
とき、挾み込む焼結体の一方を他のセラミックスにする
ことができる。この場合、両面に放熱する場合に比べて
抜熱量が減少するため、特に熱伝導性の高い窒化アルミ
ニウム焼結体を使用することが望ましい。また、熱伝導
率の低いセラミックスは一般的には耐熱衝撃性に劣るた
め、それに対する考慮が必要となる。また、片側への放
熱をねらい、一旦窒化アルミニウム焼結体で挾み込んだ
のち、片側の面に熱伝導性の悪い焼結体を張り付けるこ
ともできる。
【００１５】
〔実施例１〕Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌステンレス鋼の３
０μｍ厚さの箔を用い、エッチングにより大きさ４５×
２５ｍｍ、抵抗６０Ωの面状発熱体を製作し、５０ｍｍ
×３０ｍｍ×厚さ１ｍｍ、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫの窒
化アルミニウム焼結体に圧力２００ｇ／ｃｍ2 をかけて
挾み込み、セラミックスヒータを製作した。
０μｍ厚さの箔を用い、エッチングにより大きさ４５×
２５ｍｍ、抵抗６０Ωの面状発熱体を製作し、５０ｍｍ
×３０ｍｍ×厚さ１ｍｍ、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫの窒
化アルミニウム焼結体に圧力２００ｇ／ｃｍ2 をかけて
挾み込み、セラミックスヒータを製作した。
【００１６】このヒータに常温から一定電圧を加え、６
００℃まで上昇したら保持するような急速昇温試験を行
い、電圧を徐々に増加させてセラミックスが熱応力破壊
する限界電圧を求めた。上述の窒化アルミニウム製ヒー
タの場合、２００Ｗまでかけた。この際、６００℃まで
の昇温時間は概略１秒であったが破壊しなかった。 〔比較例１〕実施例１に用いた面状発熱体を実施例１と
同一サイズで熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのアルミナ焼結体
に挾み込んでセラミックスヒータを作製し、実施例１と
同様に昇温試験を実施した。アルミナヒータの場合、６
０Ｖかけたところでセラミックスが熱応力破壊した。
００℃まで上昇したら保持するような急速昇温試験を行
い、電圧を徐々に増加させてセラミックスが熱応力破壊
する限界電圧を求めた。上述の窒化アルミニウム製ヒー
タの場合、２００Ｗまでかけた。この際、６００℃まで
の昇温時間は概略１秒であったが破壊しなかった。 〔比較例１〕実施例１に用いた面状発熱体を実施例１と
同一サイズで熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのアルミナ焼結体
に挾み込んでセラミックスヒータを作製し、実施例１と
同様に昇温試験を実施した。アルミナヒータの場合、６
０Ｖかけたところでセラミックスが熱応力破壊した。
【００１７】〔実施例２〕Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌステ
ンレス鋼の３０μｍ厚さの箔を用い、エッチングにより
大きさ１９０×１９０ｍｍ、抵抗５Ωの面状メッシュ発
熱体を作製した。発熱部の面積は４７ｃｍ2 で、□１９
０ｍｍの１３％であった。これを２００×２００ｍｍ×
厚さ１０ｍｍの窒化アルミニウム焼結体に５００ｇ／ｃ
ｍ2 の圧力で挾み、セラミックスヒータを作製した。
ンレス鋼の３０μｍ厚さの箔を用い、エッチングにより
大きさ１９０×１９０ｍｍ、抵抗５Ωの面状メッシュ発
熱体を作製した。発熱部の面積は４７ｃｍ2 で、□１９
０ｍｍの１３％であった。これを２００×２００ｍｍ×
厚さ１０ｍｍの窒化アルミニウム焼結体に５００ｇ／ｃ
ｍ2 の圧力で挾み、セラミックスヒータを作製した。
【００１８】このヒータを用いて、電圧を徐々に上げ、
ヒータの切断する電力を求めた。６ｋＷまで入力した
が、何らの異常がなかった。この時の窒化アルミニウム
焼結体の表面温度は約８００℃であった。 〔比較例２〕実施例２の発熱体を空中に保持し、実施例
２と同様の負荷試験を実施した。この場合、３．１ｋＷ
まで電力を増加した時、発熱体が溶断した。
ヒータの切断する電力を求めた。６ｋＷまで入力した
が、何らの異常がなかった。この時の窒化アルミニウム
焼結体の表面温度は約８００℃であった。 〔比較例２〕実施例２の発熱体を空中に保持し、実施例
２と同様の負荷試験を実施した。この場合、３．１ｋＷ
まで電力を増加した時、発熱体が溶断した。
【００１９】〔比較例３〕実施例２と同様の試験を、同
一サイズのアルミナ焼結体を用いて実施した。この場
合、４．７ｋＷまで負荷したとき、アルミナセラミック
スが割れたので実験を中止した。発熱体を調べたところ
酸化が著しかった。
一サイズのアルミナ焼結体を用いて実施した。この場
合、４．７ｋＷまで負荷したとき、アルミナセラミック
スが割れたので実験を中止した。発熱体を調べたところ
酸化が著しかった。
【００２０】
【発明の効果】以上のように、本発明になる金属製の面
状発熱体を高熱伝導性絶縁体である窒化アルミニウム焼
結体の間に密着するように挾み込んだセラミックスヒー
タは、急速加熱が可能となり、また、高負荷密度の入熱
が可能となる。そのため、従来のセラミックスヒータで
は適用できなかった用途や分野におけるセラミックスヒ
ータの適用が可能となり、産業に及ぼす効果は莫大であ
る。また、窒化アルミニウム焼結体は高熱伝導性である
ため均熱性がよく、均熱板としても作用するため、従来
使用していた均熱板が不要となる効果もある。
状発熱体を高熱伝導性絶縁体である窒化アルミニウム焼
結体の間に密着するように挾み込んだセラミックスヒー
タは、急速加熱が可能となり、また、高負荷密度の入熱
が可能となる。そのため、従来のセラミックスヒータで
は適用できなかった用途や分野におけるセラミックスヒ
ータの適用が可能となり、産業に及ぼす効果は莫大であ
る。また、窒化アルミニウム焼結体は高熱伝導性である
ため均熱性がよく、均熱板としても作用するため、従来
使用していた均熱板が不要となる効果もある。
Claims (1)
- 【請求項１】 金属製の面状発熱体を、２枚の窒化アル
ミニウム焼結体の間又は窒化アルミニウム焼結体と他の
セラミックスとの間に密着介装したことを特徴とするセ
ラミックスヒータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3341192A JPH05174949A (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | セラミックスヒータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3341192A JPH05174949A (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | セラミックスヒータ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05174949A true JPH05174949A (ja) | 1993-07-13 |
Family
ID=18344081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3341192A Pending JPH05174949A (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | セラミックスヒータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05174949A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006077315A (ja) * | 2004-09-13 | 2006-03-23 | Juki Corp | ミシンの糸切り装置 |
-
1991
- 1991-12-24 JP JP3341192A patent/JPH05174949A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006077315A (ja) * | 2004-09-13 | 2006-03-23 | Juki Corp | ミシンの糸切り装置 |
| JP4546793B2 (ja) * | 2004-09-13 | 2010-09-15 | Ｊｕｋｉ株式会社 | ミシンの糸切り装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19991221 |