JPS598293A - セラミツクヒ−タ - Google Patents

セラミツクヒ−タ

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JPS598293A
JPS598293A JP11743482A JP11743482A JPS598293A JP S598293 A JPS598293 A JP S598293A JP 11743482 A JP11743482 A JP 11743482A JP 11743482 A JP11743482 A JP 11743482A JP S598293 A JPS598293 A JP S598293A
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JP
Japan
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heating element
resistance
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coefficient
thermal expansion
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JP11743482A
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JPH0210557B2 (ja
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伊藤 信衛
欣也 渥美
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Soken Inc
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Nippon Soken Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばディーゼル機関のグロープラグに適用
して好都合なセラミックヒータに関するものである。
従来のヒータはN i −C,r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って、電気絶縁性セラミッ
クで構成した中心部材の外面に、MoS’i2 (珪化
モリブデン)と5i3N4(窒化珪素)とを含む発熱体
を設け、この2成分系中に占めるSi3N4の割合を1
0モル%〜70モル%に設定したことにより、#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
ラミックヒータ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の詳細な説明す
る。
発明者らは、グロープラグの外表面に露出してJIIL
’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っ
た。共通の大きさに切出したテスト品を1000°C1
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    1    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1.1えない。ptは耐酸化テスト結果
は良投了であるが、高価なため量産品には適さない。S
iCは酸化テスト結果は良好であるが抵抗が2 (1(
]Ω−cmと高く、グLff−プラグのように小型発熱
体で入力端子が12〜24Vという低いものには使用不
能である。これに対してMoSi 2は1.!、2X1
0−”Ω−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」二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(
綿a)は小さいもの(線b)に比べ、初期に入電流を流
すことができ急速加熱が可能である。
次に主たる高融点材料の抵抗温度係数を第2表に示す。
第    2   表 第2表で知られるようにM OS i 2は大きな抵抗
l黒度係数を有し、従来のN1−CrQ熱体に比べ初期
電流値を大きくして急速加熱することか可能となる。
−の才うにM o S i 2は−4ぐれた耐酸化性を
有1、IL低抵抗低く、抵抗l黒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、MoSi
2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は商l晶強度が低く、また熱膨
張係数も7.7XIO−6°C−l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−1JrAlji撃に強いもの
に改善する必要がある。発明者らはM。
Si2に窒化珪素(Si3N、り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、K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°(: X l 5 h r
、空気中商強強度:試料40X3x4mm、 荷重速度0.5wn/m1n 1300“〔゛、空気中の;)点曲げ試験’ −III
(V(l カ破IA’J <+ L(i;t 人幅ニ’
n、 Ifeした際の(f tRを1.4゜ 熱膨張係数:室温〜800 ’Cの平均熱膨張係数表3
よりS i 3 N 4の混入によって高温破壊強度が
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S i 3 N 4の混入量が多い程大きいが、
S i 3N4の混入により逆に比抵抗が増加するため
S i 3 N 4の混入量は制限される。
S i 3 N 4の混入効果は10モル%程度から表
れれ始め、クロモル%を超えると抵抗が上がりすぎグロ
ープラグ発熱体としては不向きなためSi3N4の混入
量は10〜70モル%の間に制限される。また、S i
 3 N 4の混入により耐酸化性が劣るようなことは
ない。
表  3 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。こねは耐熱電気絶縁
性セラミックよりなる中心部材12の先端外周に上記発
熱体11を接合し、中心911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
各々電気的に接縁したものである。
このように絶縁セラミックよりなる中心部材12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11にM OS i 2
とS i 3 N 4の混合体を使用し、中心部材12
を代表的なセラミックである酸化アルミニウム;アルミ
ナ(Al2O2)あるいはSi 3N4単独で構成し、
両者を接合しようとするとクラックが発生する。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、Si 3 N 4とA l 203との混合体
で中心部材12を構成することで発熱体11と中心部材
12との接合に成功した。表4にS i 3 N 4の
混合体の熱膨張係数を示す。
表  4 の下余白) 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、発熱体のMoSi2とS i 3
 N 4との1昆合体中のS i 3 N 4の添加量
により中心部材のSi3N4添加量も決まる。発熱体中
に占めるS i 3 N 4の量はIO〜70mo 1
%であり、この熱膨張係数に合致さセるには中心部材の
S ! 3N4添加量の範囲は、lθ〜70mo1%と
なる。具体的には発熱体にMosi270mo1%−3
i3N430mo1%の組成のものを使用した場合、中
心部材はA I 20375mo 1%Si:+N、+
25mo1%付近の組成のものを使用することで雨音の
熱膨張係数が一致できる。
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図に示ずよう
にM OS i 2と3 i 3N4の混合体の焼結板
11a、llb、電気絶縁セラミ’7り材であるS i
 3 N 4とA I 203の焼結板+2a12b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
3 ;J、l 3 +)により構成されている。焼結板
12a、12bには段部が形成され基端側が厚肉となっ
ている。また一方の焼結板12bの表面には縦方向に溝
121 ))が形成されている。金属線!38.+31
3の先端には直角方向の折曲部13]a、131bが形
成されている。
そして、製造に際しては、金属綿13a、13bを焼結
板12bの溝121bにセソトシてその1−に焼結板1
2aを重ねる。そのとき金属綿13a、13bを折曲部
131a、131bを焼結板12a、12I)の先端に
設けた孔122a、122b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]2a
、、+2bのに下の先端側に焼結板11a、llbを重
ね、はさみつける方向に加圧焼成(十ノドプレス)する
ことにより焼結板11a、12a、12b、l11)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、取付は部2は」巳としてエン
ジンヘッドに取付は得るように構成した金属製ハウジン
グ21とその内部に絶縁材22を介して固定された正端
子23とよりなる。発熱部lはその基端がハウジング2
1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、llbとのハウジング21と開口
とが固着され、ボデー7−スを構成している。ハウジン
グ21内に挿入された発熱部lの基端には焼結板12a
、12bの端面に金属キャップ25が金属線13a、1
3bと接触するように接合され、またこのキャップ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」コシ構造のプラグにおいて、電流は正端子2
3よりステンレス線26、金属キャップ25、金属線1
3a、13bを通して発熱体たる焼結@Ila、Ilb
の先端へ到り、該焼結板11a、Ilbを経てカバー2
4よりハウジング21ヘボデーアースされる。
l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、+2V印加し該表面が80
0°Cに到達する時間を測定したところ1.4秒と極め
て小さい値を小した。4+た発熱体核表面を1 (10
(ビ0に加fハし連続]111時間200時間の耐久テ
ストを行った後の抵抗値も全く変化−υず、耐酸化性も
よく、史にわ4続発熱が充分にiiJ能であった。
なお、発熱部の′IA造方法とし、−r、発熱材才2A
、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fi1層し1.j・ノドプレスにより加圧焼成
してもよい。
」コシ実施例において中心部材内部に金属綿を封入して
いるが、この場合、金属線と中心R1i材及び発熱体3
考の熱膨張係数を合ね一ピる必要がある。
例えば、金属綿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 ×I O−”°C−1のため、中
心部材、発熱体ともS ! 3 N 4の添加9と調整
し、これに近づけることが!シ・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【1字型の発熱体IIの両端から直接リードをとる
ことも可能である。電流はステンしス線26aを経てU
字型発熱部11を流れ、ステンレス線2(ibを通って
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
が両者の間に設けである。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1
1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、本発明のセラミックヒータはディーゼル機関のグ
ロープラグに限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」二詳述したように、本発明によれば、耐酸化性がよ
く、かつ耐熱衝撃性もよく、従って高温度ならびに急熱
、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vI図、第2図(al
、fblは本発明の案出過程において考え出したセラミ
ックヒータを示すものであって、第2図(alは正面図
、第2図(blは第2図(,11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(al、(bl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(al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。 代理人弁理士 岡 部   隆 時  間   □ 第2図 12a  122a 9/++b 第4図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)電気絶縁性セラミッ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、
    珪化モリブデンと窒化珪素との2成分系において窒化珪
    素の占める割合を10モル%〜70モル%に設定したセ
    ラミックヒータ。
  2. (2) #iミノ中心部材のセラミックは、酸化アルミ
    ニウムと窒化珪素とを含む材料で構成されており、この
    2成分系において窒化珪素の占める割合は10モル%〜
    70モル%である特許請求の範囲(1)記載のセラミッ
    クヒータ。
JP11743482A 1982-01-27 1982-07-05 セラミツクヒ−タ Granted JPS598293A (ja)

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JPH0210557B2 JPH0210557B2 (ja) 1990-03-08

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