JPWO2016068207A1 - ヒータおよびこれを用いた流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

ヒータは、柱状または筒状であって外周面に長さ方向に延びた溝部を有するセラミック体と、セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、セラミック体が挿入された環状の金具とを備えており、セラミック体と金具とが、セラミック体の表面に周方向に形成された金属層および金属層の表面に設けられたろう材を介して接合されているとともに、金属層は、溝部の内側における厚みが溝部の外側における厚みよりも大きい。

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータ、酸素センサ用ヒータまたは半田ごて用ヒータ等に用いられる管状ヒータに関するものである。

液体加熱用ヒータ等に用いられるヒータとして、例えば特開平１１−８７０２１号公報（以下、特許文献１という）に記載されたセラミックヒータが知られている。特許文献１に記載のセラミックヒータは、柱状のセラミック体と、このセラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えている。このセラミックヒータを流路内に配置し、発熱抵抗体に電流を流して発熱させることによって、流路を流れる液体を加熱することができる。特許文献１に記載されたセラミックヒータは、セラミックを主成分とする芯材の周りに、発熱抵抗体が設けられたセラミック積層体を巻きつけることによって、形成されている。

しかしながら、特許文献１に記載されたセラミックヒータにおいては、芯材に発熱抵抗体が設けられたセラミック積層体を巻き付ける際に、セラミック積層体の繋ぎ目に隙間ができてしまう傾向があった。その結果、セラミック体の表面に長さ方向に延びる溝が形成される場合があった。セラミックヒータは、例えば、環状の金具に挿入された状態で外部機器に取り付けられて用いられるが、セラミック体の表面に溝が形成されていると、セラミック体と環状の金具との間に隙間が形成されてしまうことになる。この隙間を埋めるために、ろう材等を隙間に充填した構成が考えられるが、この構成には以下のような問題があった。すなわち、熱膨張率が大きいろう材を隙間に充填した状態でセラミックヒータを使用すると、ろう材とセラミック体との間に大きな熱応力が発生するおそれがあった。そのため、セラミック体の表面の溝を起点とするクラックが生じてしまうおそれがあった。その結果、セラミックヒータの長期信頼性を向上させることが困難であった。

ヒータは、柱状または筒状であって外周面に長さ方向に延びた溝部を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体が挿入された環状の金具とを備えており、前記セラミック体と前記金具とが、前記セラミック体の表面に周方向に形成された金属層および該金属層の表面に設けられたろう材を介して接合されているとともに、前記金属層は、前記溝部の内側における厚みが前記溝部の外側における厚みよりも大きい。

ヒータの側面図である。 図１に示すヒータの断面図である。 図１に示すヒータのセラミック体を示す斜視図である。 図１に示すヒータをＡ−Ａ’線で切断した断面図である。 ヒータの変形例を示す断面図である。 ヒータの変形例を示す断面図である。 ヒータを用いた流体加熱装置を示す断面図である。

以下、ヒータ１００について、図面を参照しながら説明する。図１はヒータ１００を示す側面図である。図１に示すように、ヒータ１００は、セラミック体１と金具５とを備えている。ヒータ１００は、例えば、流体である液体（水等）を被加熱物とする液体加熱用ヒータとして用いることができる。

図２に示すように、セラミック体１は、内側の空間が流体の流路１０となる管状の部材である。被加熱物である流体を、流路１０内でヒータ１００に接触させて加熱する。あるいは、流路１０内およびセラミック体１の外周面に接触させることで流体を加熱する。なお、本例のヒータ１００においては、セラミック体１が管状であるが、これに限られない。具体的には、セラミック体１が柱状であってもよい。この場合には、ヒータは、セラミック体１の外周面に被加熱物を接触させて、発熱抵抗体２から発せられた熱をセラミック体１の外周面から伝えることによって、被加熱物を加熱するようにして用いられる。本例のようにセラミック体１が内部に流路１０を有する管状であると、流体を効率よく加熱できる。これは、セラミック体１の内部に流路１０があることによって、熱せられた流体から熱が外部に逃げにくくなるためである。

本例のヒータ１００におけるセラミック体１は、長さ方向を有する円筒状の部材である。セラミック体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の絶縁性のセラミックスから成る。具体的には、セラミック体１は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等のセラミックスから成る。中でも、耐酸化性の観点から、アルミナ質セラミックスを用いることが好ましい。

セラミック体１の寸法は、例えば以下の通りに設定することができる。具体的には、長さ方向の全長を４０〜１５０ｍｍ程度に、外径を４〜３０ｍｍ程度に、内径を１〜２８ｍｍ程度に設定することができる。

図２に示すように、セラミック体１の内部には発熱抵抗体２が設けられている。発熱抵抗体２は、抵抗体に電流が流れることによって発熱するものである。図２に示すように、発熱抵抗体２は、セラミック体１の内部に流路１０に沿って埋設されている。なお、図２には示していないが、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側（図中の左側）において、セラミック体１の外周面に沿って周方向にも設けられている。

発熱抵抗体２は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはレニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体から成る。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ程度に、厚みを０．０１〜０．１ｍｍ程度に、全長を５００〜５０００ｍｍ程度に設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体２の発熱温度および発熱抵抗体２に加える電圧等によって適宜設定される。

セラミック体１の後端側（図中の右側）の表面には、電極３が設けられている。電極３は、外部の電源と発熱抵抗体２とを電気的に接続するための部材であって、セラミック体１の後端側の２か所にそれぞれ設けられている。電極３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。電極３は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料から成る。

金具５は、セラミック体１を外部機器に取り付けやすくするための部材である。外部機器としては、例えば温水洗浄便座等が挙げられる。本例のヒータ１００が温水洗浄便座に用いられる場合には、洗浄用の水がセラミック体１の内部の流路１０を通過して加熱されることによって温水になるように用いられる。具体的には、例えば、セラミック体１の後端側から水が導入され、この水がセラミック体１の内部の流路１０を通過する間に発熱抵抗体２によって加熱された後に、セラミック体１の先端側から温水となって放出される。このとき、セラミック体１の先端側から放出される温水がセラミック体１の後端側に設けられた電極３に触れてしまうことによって漏電が生じることを防ぐ必要がある。そのためには、温水洗浄便座にヒータ１００が取り付けられた際に、セラミック体１と金具５との間で水漏れが生じることのないようにしておく必要がある。

金具５は、環状の部材であって、セラミック体１が挿入されている。金具５は、例えばステンレス鋼または鉄−コバルト−ニッケル合金等の金属材料から成る。特に耐腐食性の観点からは、ステンレス鋼から成ることが好ましい。金具５の寸法は、例えば以下の通り設定することができる。具体的には、内径をセラミック体１の外径とほぼ等しく、外径を８ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設定することができる。また、セラミック体１の長さ方向における長さは、例えば０．３ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定できる。

ここで、図３に示すように、セラミック体１は外周面に長さ方向に延びる溝部１１を有している。溝部１１は、例えば、セラミック体１を以下の方法によって製造することによって形成することができる。以下では、セラミック体１がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする例を用いて説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒ_２Ｏが合計で１０質量％以下になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。

次に、このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体２となる所定の抵抗体パターンを形成する。発熱抵抗体２の形成方法としては、抵抗体となる導電性ペーストを使ったスクリーン印刷法等を用いることができる。すなわち、アルミナ質セラミックグリーンシートの表面に発熱抵抗体２となる抵抗体パターンを形成する。

発熱抵抗体２となる抵抗体パターンは、ヒータ１００の長さ方向に沿って伸びた複数の直線部と、これらの直線部を繋ぐ複数の折り返し部とを備えている。アルミナ質セラミックグリーンシートには、内部の発熱抵抗体２と表面の電極３とを電気的に接続するためのスルーホール導体も設ける。スルーホール導体には、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とする導電性ペーストを用いることができる。

また、アルミナ質セラミックグリーンシートとは別に、円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。そして、この円筒状のアルミナ質セラミック成型体に、抵抗体パターンを形成したアルミナ質セラミックグリーンシートを、抵抗体パターンを形成した面がアルミナ質セラミック成型体に接触するように巻き付ける。このとき、同一の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液をアルミナ質セラミックグリーンシートに塗布しておいてアルミナ質セラミックグリーンシートとアルミナ質セラミック成型体とを密着させることで、アルミナ質一体成型体を得ることができる。

こうして得られた、アルミナ質一体成型体を１５００〜１６００℃の窒素雰囲気中で焼成することによって、内部に発熱抵抗体２を有するセラミック体１を得ることができる。

上述の工程の中で、アルミナ質セラミックグリーンシートをアルミナ質セラミック成型体に巻き付けるときに、アルミナ質セラミックグリーンシートをアルミナ質セラミック成型体の全周に隈なく巻き付けようとすると、アルミナ質セラミックグリーンシートの一部が重なるようにしてアルミナ質セラミック成型体に巻き付けられてしまう場合がある。そうすると、セラミック体１の外周面の形状が所望の滑らかな形状ではなくなるおそれが生じる。そこで、アルミナ質セラミックグリーンシートを巻き付ける際には、巻き付けの始めと終わりとに当たるアルミナ質セラミックグリーンシートの端部と端部との間に微小な隙間ができるように巻き付けることが好ましい。そうすると、この隙間が、図３に示すように、セラミック体１の外周面に溝部１１として残ることになる。

図３および図４に示すように、本例のヒータ１００においては、セラミック体１の外周面のうち金具５が取り付けられる領域に金属層４が形成されている。金属層４は、セラミック体１の表面に周方向に形成されている。金属層は、例えば、メタライズ層であって、印刷等によってセラミック体１の表面に形成されている。この金属層４と金具５とがろう材６によって接合されている。金属層４は、溝部１１以外の領域だけではなく、溝部１１の内部にも設けられている。これにより、ろう材６によってセラミック体１と金具５とを接合するときに、溝部１１の内部においてもろう材６を濡れ広がらせやすくすることができる。その結果、セラミック体１と金具５との間の隙間（溝部１１）にろう材６を充填させてこの隙間からの水漏れを防ぐとともに、セラミック体１と金具５との接合強度を向上させることができる。

さらに、本例のヒータ１００においては、金属層４が溝部１１の内側における厚み（ｔｉ）が溝部１１の外側における厚み（ｔｏ）よりも大きい。溝部１１における金属層４の厚みを大きくすることによって、溝部１１に充填されるろう材６の量を減らすことができる。そのため、ヒートサイクル下において生じる熱応力を低減できる。これにより、ヒートサイクル下において、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上できる。

なお、ここでいう「溝部１１の内側における厚み」とは、セラミック体１の長さ方向に垂直な断面を見たときに、溝部１１の表面に対して垂線を引いたときに、この垂線方向における金属層４の幅（厚み）を意味している。また、ここでいう「溝部１１の外側における厚み」とは、セラミック体１の長さ方向に垂直な断面を見たときに、セラミック体１の径方向における金属層４の幅（厚み）を意味している。

また、図４に示すように、ろう材６が溝部１１に入り込んでいてもよい。これにより、金具５が周方向に回転するような外力が加わったときに、ろう材６が溝部１１に引っかかることによって、金具５が回転するおそれを低減できる。

金属層４としては、例えばタングステンまたはモリブデンを用いることができる。金属層４の厚みは、例えば０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度に設定できる。特に、溝部１１の外側における金属層４の厚みが０．０３ｍｍの場合には、溝部１１における金属層４の厚みは０．３ｍｍに設定できる。ろう材６の熱膨張率は、金属層４の熱膨張率よりも大きい。具体的には、ろう材６としては、例えば銀または銀−銅等を用いることができる。金属層４として、例えば、タングステンを用いた場合には、熱膨張率を４．５×１０^−６／Ｋにすることができる。また、ろう材６として、銀を用いた場合には、熱膨張率を１９×１０^−６／Ｋにすることができる。上述したセラミック体１を成すセラミックスの熱膨張率は例えば７．１×１０^−６／Ｋであるので、溝部１１内における金属層４の厚みを大きくすることによって、溝部１１内において、セラミック体１の熱膨張率に近い熱膨張率を有する金属層４の割合が大きくなる。また、金属層４の外表面にめっき等の手法でニッケル層を設けてもよい。これにより、ニッケル層を介してろう材が金属層４に濡れ広がりやすくすることができる。その結果、セラミック体１と金具５との接合強度がさらに向上する。

さらに、図４に示すように、金属層４は、溝部１１の底面の隅部における厚みが溝部１１の底面の中央部における厚みよりも大きい構成であってもよい。このように、クラックの起点になりやすい溝部１１の隅部において、金属層４を厚く形成しておくことによって、ろう材６によって隅部に加わる応力を低減することができる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性をさらに向上できる。

また、図５に示すように、金属層４が溝部１１を埋めているとともに、溝部１１の幅方向において中央部に向かって厚みが大きくなっていてもよい。これにより、溝部１１の近傍におけるろう材６の量を減らすことができる。そのため、ろう付け時に発生する溝部１１における残留応力を小さくできるので、ヒートサイクル下においてクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上できる。

また、図５に示すように、金属層４が溝部１１を埋めているとともに、金属層４を囲むろう材６に金属層４が食い込んでいてもよい。具体的には、金属層４の表面のうち溝部１１を覆う部分が外周側（ろう材６側）に膨らんでおり、この膨らんでいる部分がろう材６に食い込んでいてもよい。これにより、金具５が周方向に回転するような外力が加わったときに、金属層４がろう材６に食い込んでいることによって、金具５が回転するおそれを低減できる。

また、図６に示すように、金属層４は、溝部１１の外側における厚みが、溝部１１に向かって大きくなっていてもよい。これにより、セラミック体１の外周のうち応力が特に集中しやすい溝部１１の開口の近傍において、ろう材６の量を減らすとともに溝部１１の開口を金属層４によって保護することができる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上できる。

また、図６に示すように、セラミック体１が溝部１１の内面とセラミック体１の溝部１１以外の外周面とからなる角部１２を有するとともに、金属層４が角部１２を覆う部分において突出していてもよい。これにより、セラミック体１のうち特に応力が集中しやすい角部１２を金属層４によって保護することができる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上できる。

次に上述のヒータ１００を備えた流体加熱装置２００について説明する。図７に示すように、流体加熱装置２００は、液状の流体が所定の方向に流れる流路部６３を有する本体部６と、金具５が本体部６に固定されてセラミック体１の一部が流路部６３内に配置された上述のヒータ１００とを備えている。なお、図７においては、流体の流れる方向を破線の白抜き矢印で示している。流体加熱装置２００においては、本体部６は、ヒータ１００を収容する空間と、ヒータ１００が挿入される貫通孔６１と、流体を流出させる開口部６２とを備えている。本体部６の内部のヒータ１００の周囲の空間が、流体が流れる流路部６３である。本体部６は、例えば、ステンレス等の金属材料から成る。貫通孔６１には金具５がニトリルゴム等から成るシールリング（図示せず）を介して固定されている。ヒータ１００は、セラミック体１の先端側が本体部６の内部に貫通孔６１から挿入されているとともに、セラミック体１の後端側が本体部６の外部に位置している。

液状の流体は、セラミック体１の後端側からセラミック体１の内部の空間（流路１０）を通ってセラミック体１の先端側から流路部６３の内部に流れる。そして、流路部６３の内部に流れた流体は、セラミック体１の外周面に接するようにして、セラミック体１の先端側から後端側に向かって流れた後に、開口部６２から流出する。セラミック体１の内部の空間から開口部６２までの間の空間が、流体加熱装置２００の流路といえる。

ヒータ１００のセラミック体１が図７に示すような管状ではなく、柱状である場合には、本体部６は、流体を流入させるための開口部をさらに備える。この流入用の開口部は、本体部６の内部に位置するセラミック体１の先端側の部分を、流体を流出させるための開口部６２とで挟むような位置に配置される図７に示すように、流体を流出させるための開口部６２がヒータ１００の上方かつ後端側に位置する（図面における右上に位置する）場合であれば、流入用の開口部は、例えば、ヒータ１００の下方かつ後端側に配置（図面における左下に配置）すればよい。

このような流体加熱装置２００は、セラミック体１の外周面にクラックが生じるおそれが低減されたヒータ１００を用いることによって、長期信頼性が向上している。

１：セラミック体
１０：流路
１１：溝部
２：発熱抵抗体
３：電極
４：金属層
５：金具
６：本体部
６１：貫通孔
６２：開口部
６３：流路部
１００：ヒータ
２００：流体加熱装置

Claims (8)

1. 柱状または筒状であって外周面に長さ方向に延びた溝部を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体が挿入された環状の金具とを備えており、
   前記セラミック体と前記金具とが、前記セラミック体の表面に周方向に形成された金属層および該金属層の表面に設けられたろう材を介して接合されているとともに、
   前記金属層は、前記溝部の内側における厚みが前記溝部の外側における厚みよりも大きいヒータ。
2. 前記金属層の熱膨張率は、前記ろう材の熱膨張率よりも小さい請求項１に記載のヒータ。
3. 前記金属層は、前記溝部の底面の隅部における厚みが前記溝部の底面の中央部における厚みよりも大きい請求項１または請求項２に記載のヒータ。
4. 前記ろう材が前記溝部に入り込んでいる請求項３に記載のヒータ。
5. 前記金属層は、前記溝部を埋めているとともに、該溝部において中央部に向かって厚みが大きくなっている請求項１または請求項２に記載のヒータ
6. 前記ろう材に前記金属層が食い込んでいる請求項５に記載のヒータ。
7. 前記金属層は、前記溝部の外側における厚みが、前記溝部に向かって大きくなっている請求項１または請求項２に記載のヒータ。
8. 液状の流体が流れる流路部を有する本体部と、前記金具が前記本体部に固定されて前記セラミック体の一部が前記流路部内に配置された請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒータとを備えた流体加熱装置。

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