JPWO2017130619A1 - ヒータ - Google Patents
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Abstract
本開示のヒータ１０は、セラミック体１１およびセラミック体１１の内部に埋設されるとともにセラミック体１１の後端側において側面に導出された発熱抵抗体１２を有する柱状のヒータ本体１と、ヒータ本体１の側面に取り付けられた筒状の支持金具２とを備え、支持金具２は、ヒータ本体１と接合材３を介して接合された第一領域２１およびヒータ本体１と離間された第二領域２２を有するとともに、後端側に向かって開口する形状を有し、ヒータ本体１と第二領域２２との間に、先端側の空間と後端側の空間とを仕切る蓋体４が設けられている。【選択図】 図１
Description
本開示は、例えば車載暖房などに用いられるヒータに関するものである。
ヒータとして、セラミック体および該セラミック体の内部に埋設されるとともにセラミック体の後端側において側面に導出された発熱抵抗体を有する柱状のヒータ本体と、該ヒータ本体の側面に取り付けられた筒状の支持金具とを備えたものが知られている（特許文献１、２を参照）。
ここで、北欧などの寒冷地ではアイドリング規制があり、ヒータを用いた車載暖房が使用されている。すなわち、氷点下の非常に寒い環境においても着火用のヒータを急速昇温する必要が生じているうえに、環境規制の強化に伴いさらなる急速昇温が求められている。
本開示のヒータは、セラミック体および該セラミック体の内部に埋設されるとともに該セラミック体の後端側において側面に導出された発熱抵抗体を有する柱状のヒータ本体と、該ヒータ本体の側面に取り付けられた筒状の支持金具とを備え、前記支持金具は、前記ヒータ本体と接合材を介して接合された第一領域および前記ヒータ本体と離間された第二領域を有するとともに、後端側に向かって開口する形状を有し、前記ヒータ本体と前記第二領域との間に、先端側の空間と後端側の空間とを仕切る蓋体が設けられていることを特徴とする。
以下、ヒータの実施形態の一例について図面を参照して説明する。
図１は、ヒータの実施形態の一例を示す概略縦断面図である。図１に示す例のヒータ１０は、セラミック体１１およびセラミック体１１の内部に埋設されるとともにセラミック体１１の後端側において側面に導出された発熱抵抗体１２を有する柱状のヒータ本体１と、ヒータ本体１の側面に取り付けられた筒状の支持金具２とを備え、支持金具２は、ヒータ本体１と接合材３を介して接合された第一領域２１およびヒータ本体１と離間された第二領域２２を有するとともに、後端側に向かって開口する形状を有し、ヒータ本体１と第二領域２２との間に、先端側の空間と後端側の空間とを仕切る蓋体４が設けられている。
ヒータ本体１は、例えば円柱状、角柱状などの柱状とされたものである。ヒータ本体１の長さは、例えば２０〜６０ｍｍに形成され、ヒータ本体１が断面円形の場合の直径は例えば２．５〜５．５ｍｍに形成される。
ヒータ本体１を構成するセラミック体１１の材料としては、例えば、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等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。具体的には、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，炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。特に、窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れていることから好適である。
なお、セラミック体１１には、発熱抵抗体１２に含まれる金属元素の化合物が含まれていてもよく、例えば発熱抵抗体１２にタングステンまたはモリブデンが含まれている場合は、ＷＳｉ２またはＭｏＳｉ２が含まれていてもよい。このようにすることで、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱抵抗体１２の熱膨張率に近づけることができ、ヒータの耐久性を向上させることができる。
セラミック体１１の内部には発熱抵抗体１２が埋設されている。発熱抵抗体１２の形成材料としては、耐熱性の材料が使用され、例えばタングステンまたは炭化タングステンが用いられる。図１に示す例では、先端側に縦断面（柱状のヒータ本体１の長さ方向に平行な断面）の形状が折返し形状をなす折返し部を有していて、折返し部の中央付近（折返しの中間点付近）が最も発熱する発熱部となっている。また、発熱抵抗体１２は、折返し部から後端側においては一対の直線状部となっていて、それぞれの直線状部の後端付近においてセラミック体１１後端側の側面に導出され、導電性接合材を介して後述するリード部材６と電気的に接続されている。発熱抵抗体１２の横断面の形状は、円、楕円、矩形などいずれの形状でもよい。
また、発熱抵抗体１２は、先端側の折返し部と後端側の一対の直線状部とが同様の材料を用いて形成されるが、不要な発熱を抑えるために、例えば、直線状部の断面積を折返し部の断面積よりも大きくしたり、直線状部に含まれるセラミック体１１の形成材料の含有量を少なくしたりすることによって、折返し部よりも直線状部の単位長さ当たりの抵抗値を小さくしてもよい。さらに、発熱抵抗体１２は、図１に示す形状の折返し部と後端側の一対の直線状部とからなる構成に限られず、例えば折返し部が複数回繰り返して折り返すパターンであってもよく、また図１に示す形状のパターンが２層積層されていてもよい。
セラミック体１１の表面（側面）には、必要により、セラミック体１１の内部に埋設された発熱抵抗体１２と電気的に接続された電極層５が設けられている。この電極層５は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）からなり、例えば５０〜３００μｍの厚みとされたものである。電極層５は、セラミック体１１の表面のうちの発熱抵抗体１２が引き出された部位およびその近傍領域のみに設けられてもよく、後述するリード部材６を構成するコイル部６１に対向するように全周にわたって設けられてもよい。なお、図１に示す例では、発熱抵抗体１２が引き出された部位が２箇所あって、それぞれの部位において電極層５が全周にわたって設けられている。なお、２箇所の発熱抵抗体１２が引き出された部位は長手方向に関して異なる位置にあることから、互いに電気的に導通されないように電極層５を設けることができる。さらに、電極層５は、表面に例えばＮｉ−ＢまたはＡｕからなるメッキ層が設けられたものであってもよい。
セラミック体１１の周囲には、電極層５を覆うように金属線が複数回巻かれてなるコイル部６１を有するリード部材６が設けられている。リード部材６は、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｎｉ系耐熱合金などからなり、例えば直径０．５〜２．０ｍｍの太さとされたものである。図１に示す例では、リード部材６は２個設けられている。それぞれのリード部材６は、金属線が複数回巻かれてなるコイル部６１を有していて、コイル部６１は通常金属線が２〜６回巻かれた構成になっている。電極層５とリード部材６のコイル部６１とは、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａｕなどからなるろう材を介して電気的に接続されている。
また、ヒータ本体１の側面には、例えばグロープラグとして使用する際に外部に固定するための支持部材として、筒状の支持金具２が取り付けられている。支持金具２は、例えばＦｅやＮｉからなる合金が用いられ、具体的にはステンレス（ＳＵＳ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＮｉ系耐熱合金等の材料が用いられる。
この支持金具２は、ヒータ本体１と接合材３を介して接合された第一領域２１およびヒータ本体１と離間された第二領域２２を有している。また、支持金具２は後端側に向かって開口する形状を有している。図に示す例では、支持金具２の内面および外面が第一領域２１から第二領域２２にかけて段差状に広がる形状になっていることで、支持金具２が後端側に向かって開口している形状となっている。この支持金具２の形状について特に限定はなく、例えば、支持金具２の内面のみに段差がある形状、支持金具２の内面のみが後端側に向かって徐々に径の拡がる形状、円筒形状等であってもよい。
ヒータ本体１（セラミック体１１）と第一領域２１とを接合する接合材３としては、ろう材や半田あるいはガラス系の材料が用いられるが、接合強度を向上させるためにはろう材が好ましく、例えばＡｇ−Ｃｕ等のろう材が用いられる。この際、ヒータ本体１（セラミック体１１）の表面に金属層７を形成してろう付けすると、ヒータ本体１（セラミック体１１）と支持金具２（第一領域２１）との接合部の接合性が向上する。
なお、第一領域２１の内径は、接合材３を第一領域２１の内側に十分に行き渡らせて適度な接合力を得るようにするために、例えば第一領域２１が設けられる部位のヒータ本体１の外径（セラミック体１１の直径と金属層７の厚みとの合計の値）の１０１〜１２０％の範囲、好ましくは１０５〜１１５％の範囲に設定される。また、第二領域２２の内径は、第一領域２１の内径の１００％以上に設定される。
そして、ヒータ本体１と第二領域２２との間に、先端側の空間と後端側の空間とを仕切る蓋体４が設けられている。ヒータ本体１の外面と支持金具２を構成する第二領域２２の内面との間には空間が設けられていて、この空間内にヒータ本体１の長手方向に垂直に配置された円板状の蓋体４が設けられている。蓋体４は、中央部にヒータ本体１が挿通可能な孔を有しており、ヒータ本体１に挿着されて固定されている。蓋体４の厚さは例えば０．５〜４ｍｍに設定される。なお、図示していないが、蓋体４の位置決めのために、第二領域２２の内壁に、突起、リブ、段差形状などが設けられていてもよい。
例えば、氷点下の非常に寒い環境においてヒータを急速昇温すると、支持金具２とセラミック体１１との接合部に熱衝撃が加わり、当該接合部にクラックが生じ、長期間の使用によりクラックが進展して抵抗値が低下するおそれがある。
これに対し、上記構成のヒータ１０によれば、ヒータ本体１と第二領域２２との間にある空間のうちの先端側の空間（接合部周囲の空間）と、後端側の空間（外部空間）とを蓋体４が仕切るため、支持金具２の第一領域２１とヒータ本体１（セラミック体１１）との接合部に冷気が流れ込むのを抑制することができる。また、ヒータ本体１および支持金具２からの熱伝導により、ヒータ本体１と第二領域２２との間にある空間のうちの先端側の空間（接合部周囲の空間）にある空気が暖められるが、この暖められた空気が入れ換わるのを蓋体４が遮って抑制することができる。したがって、ヒータ本体１（セラミック体１１）および支持金具２（第一領域２１）の接合部に熱衝撃がかかるのを抑制することができ、クラックの進展を抑制して長期間にわたって抵抗値の変化を抑制することができる。
蓋体４としては、金属、セラミックスなどを用いることができるが、例えばアルミナや窒化珪素等のセラミックスからなるのがよい。セラミックスは、金属に比べ絶縁性が高く、熱伝導率が低いので、蓋体４として優れている。特に、蓋体４の主成分とセラミック体１１の主成分とを同じくするのがよく、セラミック体１１を窒化珪素にして蓋体４をアルミナにするよりも熱膨張率をほぼ一致させることができる点でよい。
また、図２に示すように、蓋体４がヒータ本体１と第二領域２２との間に隙間４１を有して設けられていてもよい。このようなヒータ１０によれば、支持金具２の第二領域２２とヒータ本体１との間における先端側の空間にある空気が加熱により膨張したり冷却により収縮したりしても、この空気の圧力を外気の圧力とほぼ一定に保つことができる。それにより、蓋体４が破損することなく、長期間にわたって支持金具２の第一領域２１とヒータ本体１との接合部に熱衝撃がかかるのを抑制することができる。なお、ここでいう隙間４１とは、支持金具２の第一領域２１とヒータ本体１との接合部に冷気が流れ込むのを抑制するとともに、支持金具２の第二領域２２とヒータ本体１との間における先端側の空間にある暖められた空気が後端側の空間にある空気と入れ換わることも抑制する効果を維持しつつ、空気の圧力を調整するために設けられたもので、例えば０．１ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲の幅に設定される。なお、図２に示す例は、蓋体４と第二領域２２との間に隙間があるものであるが、この形態に限られず、蓋体４とヒータ本体１との間に同様の幅の隙間があってもよい。また、蓋体４と第二領域２２との間および蓋体４とヒータ本体１との間の両方に隙間があってもよい。この場合、両方の隙間の合計の幅が、例えば０．１ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲に設定される。
また、図３に示すように、支持金具２の内壁は、第二領域２２の先端側の内面形状（図に示す領域Ａの形状）がＲ形状となっていてもよい。このようなヒータ１０によれば、支持金具２が熱膨張、収縮を繰り返しても、第一領域２１と第二領域２２との間に応力を集中しにくくすることができる。
また、図４に示すように、支持金具２の内壁における第一領域２１と第二領域２２との境界に位置する角部がろう材８で覆われていてもよい。このようなヒータ１０によっても、ろう材８がやわらかいので、第一領域２１と第二領域２２との境界に生じる応力を分散または緩和することができる。
また、図５に示すように、ヒータ本体１の側面に導出された発熱抵抗体１２にリード部材６が電気的に接続されており、蓋体４とリード部材６とが接していてもよい。このようなヒータ１０によれば、通電加熱によって蓋体４が暖まるので、ヒータ本体１と第二領域２２との間における先端側の空間の空気が暖まって、ヒータ本体１（セラミック体１１）および支持金具２（第一領域２１）の接合部に熱衝撃がかかるのをさらに抑制することができる。
本実施形態のヒータの製造方法について説明する。
まず、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミック粉末に、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２等の焼結助剤を含有させてセラミック体１１の原料となるセラミック粉体を作製する。例えば、セラミック体１１が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２質量％のＹ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、０．５〜３質量％のＡｌ２Ｏ３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ２量として１．５〜５質量％となるようにＳｉＯ２を混合する。
次に、そのセラミック粉体をプレス成型にて成型体を作製するか、あるいは、セラミック粉体をセラミックスラリーに調製し、シート状に成形して、セラミックグリーンシートを作製する。ここで、得られた成型体またはセラミックグリーンシートは、半割状態のセラミック体１１となるものである。
次に、得られた成型体あるいはセラミックグリーンシートの一方の主面に、発熱抵抗体１２となる導電性ペーストのパターンをスクリーン印刷などにより形成する。ここで、導電性ペーストの材料としては、例えばセラミック体１１となる成型体との同時焼成が可能なＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とし、これらの高融点金属に上記のセラミックス，バインダー，有機溶剤等を調合し混練することで作製したものを用いることができる。
このとき、セラミックヒータの用途に応じて、導電性ペーストのパターンの長さ、線幅、折り返しパターンの距離・間隔などを変更することにより、発熱抵抗体１２の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定する。
この導電性ペーストのパターンが形成された成型体に、導電性ペーストの印刷されていない同一材質の成型体を重ね合わせることで、内部に導電性ペーストによるパターンが形成された成型体が得られる。
次に、得られた成形体を、例えば３０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力下で、１５００〜１８００℃で焼成することにより、ヒータ本体１を作製することができる。なお、焼成は不活性ガス雰囲気中、もしくは還元雰囲気中で行なうことが好ましい。また、圧力を加えた状態で焼成することが好ましい。
次に、得られた焼結体（ヒータ本体１）を棒状または板状の形状に加工し、電極層５および金属層７をスクリーニング印刷にて形成した後、例えば真空炉にて焼付けを行った後、Ｎｉ−Ｂメッキを施す。
さらに、例えばＮｉ系耐熱合金からなる支持金具２をヒータ本体１に嵌め込んで位置決めするとともに、所望の位置に蓋体４を嵌め込む。また、例えばφ１．０ｍｍのＮｉを主成分とする金属線をコイル状に成形し切断したリード部材６を、ヒータ本体１に嵌め込んで位置決めする。その後、金属層７と支持金具２とをろう付けするとともに、電極層５とリード部材６とをろう付する。
なお、蓋体４の大きさを調整することで、蓋体４と支持金具２との間に所望の隙間を設けることができる。
また、支持金具２の内壁における第二領域２２の先端側をＲ形状とするには、このような形状の金型で支持金具２を作製すればよい。
また、支持金具２の内壁における第一領域２１と第二領域２２との境界に位置する角部がろう材で覆われている構成とするには、接合部に流し込むろう材の量を調整すればよい。
また、ヒータ本体１の側面に導出された発熱抵抗体１２にリード部材６が電気的に接続されており、蓋体４とリード部材６とが接している構成とするには、位置決めの位置を接するように調整すればよい。
以上の方法により、本実施形態のヒータ１０を作製することができる。
１０：ヒータ
１：ヒータ本体
１１：セラミック体
１２：発熱抵抗体
２：支持金具
２１：第一領域
２２：第二領域
３：接合材
４：蓋体
５：電極層
６：リード部材
６１：コイル部
７：金属層
８：ろう材
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３：接合材
４：蓋体
５：電極層
６：リード部材
６１：コイル部
７：金属層
８：ろう材
Claims (6)
- セラミック体および該セラミック体の内部に埋設されるとともに該セラミック体の後端側において側面に導出された発熱抵抗体を有する柱状のヒータ本体と、
該ヒータ本体の側面に取り付けられた筒状の支持金具とを備え、
前記支持金具は、前記ヒータ本体と接合材を介して接合された第一領域および前記ヒータ本体と離間された第二領域を有するとともに、後端側に向かって開口する形状を有し、
前記ヒータ本体と前記第二領域との間に、先端側の空間と後端側の空間とを仕切る蓋体が設けられているヒータ。 - 前記蓋体は、セラミックスからなる請求項１に記載のヒータ。
- 前記蓋体が、前記ヒータ本体と前記第二領域との間に隙間を有して設けられている請求項１または請求項２に記載のヒータ。
- 前記支持金具の内壁は、前記第二領域の先端側がＲ形状とされている請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載のヒータ。
- 前記支持金具の内壁における前記第一領域と前記第二領域との境界に位置する角部がろう材で覆われている請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載のヒータ。
- 前記ヒータ本体の側面に導出された前記発熱抵抗体にリード部材が電気的に接続されており、前記蓋体と前記リード部材とが接している請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載のヒータ。
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