KR102229299B1 - 세라믹 히터 - Google Patents

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유스케 마키노
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

유체 가열용의 세라믹 히터에 있어서, 세라믹 히터의 표면으로의 스케일의 부착을 억제할 수 있도록 한다.
세라믹 히터는 세라믹체와 코팅층을 구비한다. 세라믹체는 발열 저항체를 가진다. 코팅층은 유리를 주체로 하며, 세라믹체의 표면을 피복하도록 구성된다. 코팅층은 세라믹체의 표면을 평활화하는 기능을 가진다.

Description

세라믹 히터
본 개시는, 예를 들면 온수 세정 편좌(溫水洗淨便坐), 전기 온수기, 24시간 욕조 등에 이용되는 세라믹 히터에 관한 것이다.
온수 세정 편좌에는 통상 수지제의 용기인 열교환기와 세라믹 히터를 가지는 열교환 유닛이 구비되어 있다. 세라믹 히터는 열교환기 내에 수용된 세정수를 따뜻하게 하기 위해서 이용된다.
하기한 특허문헌 1에는 이러한 종류의 세라믹 히터로서, 원통형상의 세라믹제의 지지체에 히터 배선을 인쇄한 세라믹 시트를 감아 붙이고서 일체로 소성함에 의해서 구성한 것이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허 제3038039호 공보
그런데, 온수 세정 편좌용의 세라믹 히터는 항시 물 등의 유체 내에 있기 때문에, 사용하는 과정에서 세라믹 히터의 표면에 카르시아, 마그네시아 등에 유래하는 스케일(scale)이 부착된다는 문제점이 있다. 이것은 세라믹의 표면에 결정립 레벨로 요철이 존재하기 때문에 스케일이 부착되는 것이라 생각되고 있다.
이 스케일은 연수(軟水)보다도 경수(硬水) 쪽이 많이 발생하는 것으로 알려져 있으며, 물의 가열에 의해서 세라믹 히터의 표면에 석출된다. 세라믹 히터의 표면으로의 스케일의 부착이 진행되면, 석출된 스케일이 세라믹 히터에서 벗겨져 떨어짐으로써 수로계(水路係)에서의 막힘을 유발할 우려가 있다.
본 개시의 일 측면은, 유체 가열용의 세라믹 히터에 있어서, 세라믹 히터의 표면으로의 스케일의 부착을 억제할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 개시의 일 측면의 세라믹 히터는 세라믹체와 코팅층을 구비한다. 세라믹체는 발열 저항체를 가진다. 코팅층은 유리를 주체로 하며, 세라믹체의 표면을 피복하도록 구성된다.
코팅층은 세라믹체의 표면을 평활화하는 기능을 가진다. 구체적으로는, 코팅층의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)는 세라믹체의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)보다도 작게 되도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 세라믹체의 표면이 유리를 주체로 하는 코팅층으로 피복됨에 의해서, 세라믹의 표면에 결정립 레벨로 존재하는 요철을 메움으로써 세라믹체의 표면을 평활화할 수 있다. 그러므로, 세라믹 히터 표면으로의 스케일의 부착을 억제할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 코팅층은 유약의 성분을 포함하도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 유약을 도포하고서 소성함에 의해서 코팅층을 생성할 수 있기 때문에, 코팅층을 생성하는 공정을 간소화할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 코팅층은 이 코팅층의 굴복점이 당해 세라믹 히터 사용시의 최고 온도 이상이 되도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 코팅층의 굴복점이 세라믹 히터 사용시의 최고 온도 이상의 온도이기 때문에, 세라믹 히터의 사용시에 코팅층이 연화(軟化)되기 어렵게 할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터는, 삽입구멍을 가지며, 세라믹체를 삽입구멍에 삽입한 상태에서 접합재에 의해서 세라믹체와 접합하도록 구성된 플랜지를 더 구비하고, 코팅층은 이 코팅층의 굴복점이 접합재의 굴복점 또는 융점 이상의 온도가 되도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 코팅층의 굴복점이 접합재의 굴복점 또는 융점 이상의 온도이기 때문에, 플랜지를 세라믹체에 접합할 때에 접합재에 열을 가하였다 하더라도 코팅층이 연화되기 어렵게 할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 코팅층은 세라믹체보다도 열팽창율이 작게 되도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 세라믹 히터의 소성 후의 냉각 과정에 있어서, 코팅층은 세라믹체의 수축에 의한 압축응력이 부여된 상태가 된다. 코팅층에 인장응력이 가해지기 어렵게 할 수 있기 때문에, 코팅층의 열충격에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 세라믹체는 세라믹제의 지지체와, 지지체의 외주에 감아 붙여지며 발열 저항체를 매설하여 구성된 세라믹 시트를 더 구비하여도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 지지체에 세라믹 시트를 감아 붙임에 의해서 세라믹체를 얻을 수 있기 때문에, 세라믹체의 넓은 범위를 가능한 한 균일하게 발열시키는 구성으로 할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 코팅층의 두께는 세라믹 시트의 두께보다도 얇게 되도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 코팅층의 두께는 세라믹 시트의 두께보다도 얇게 구성되어 있기 때문에, 발열 저항체에서 발생하는 열을 더 효율적으로 유체에 전도시킬 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 코팅층은 세라믹 시트 중 발열 저항체가 배치된 영역의 전체를 덮도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 코팅층이 세라믹 시트 중 발열 저항체가 배치된 영역의 전체를 덮기 때문에, 발열 저항체의 발열에 의해서 세라믹 시트가 신축하여 세라믹 시트에 벗겨지려고 하는 힘이 작용하였다 하더라도 코팅층이 세라믹 시트를 덮고 있기 때문에, 세라믹 시트의 박리를 억제할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 세라믹 히터의 형상은 통형상 또는 기둥형상이 되도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 세라믹 히터의 형상이 통형상 또는 기둥형상이기 때문에, 간소한 형상으로 세라믹체의 표면적을 크게 할 수 있다. 따라서, 발열 저항체에서 발생하는 열을 더 효율적으로 유체에 전도시킬 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 세라믹 히터의 형상은 통형상으로 구성되고, 코팅층은 적어도 세라믹체의 표면 중 외주면을 피복하도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 코팅층이 외주면을 피복하기 때문에, 외주면으로의 스케일의 부착을 억제할 수 있다. 발열 저항체가 세라믹체의 외주를 따라서 배치된 경우, 더 고온이 되는 외주면을 코팅층으로 피복하기 때문에, 스케일의 부착을 억제하는 효과를 얻기 쉽게 할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 코팅층은 세라믹체의 표면 중 외주면 및 내주면을 피복하도록 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 코팅층이 외주면 및 내주면을 피복하기 때문에, 세라믹체의 내측을 통과하는 유체에 의해서 세라믹체의 내주면에 석출되는 스케일도 억제할 수 있다.
또, 본 개시의 일 측면의 세라믹 히터에 있어서, 코팅층은 무연(無鉛)물질로 구성되어도 좋다.
이러한 세라믹 히터에 의하면, 코팅층이 무연물질로 이루어지기 때문에, 환원 분위기 중에서 납이 존재하는 것에 의한 변색을 억제할 수 있다.
도 1은 실시형태에 있어서의 세라믹 히터의 정면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도.
도 3은 세라믹 시트를 전개하여 나타내는 설명도.
도 4는 세라믹 히터의 제조방법을 나타내는 설명도(1).
도 5는 세라믹 히터의 제조방법을 나타내는 설명도(2).
도 6은 세라믹 히터의 제조방법을 나타내는 설명도(3).
도 7은 세라믹 히터의 제조방법을 나타내는 설명도(4).
도 8은 도 1의 Ⅷ-Ⅷ 단면도.
도 9는 플랜지의 평면도.
도 10은 세라믹 히터의 선단 영역에 있어서의 단면 구조를 나타내는 부분 단면도.
이하, 도면을 참조하면서 본 개시의 실시형태를 설명한다.
[1. 실시형태]
[1-1. 구성]
본 실시형태의 세라믹 히터(11)는, 예를 들면 온수 세정 편좌의 열교환 유닛의 열교환기에 있어서, 세정수를 따뜻하게 하기 위해서 이용되는 것이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 이 세라믹 히터(11)는 원통형상을 이루는 세라믹제의 히터 본체(13)와, 히터 본체(13)에 외측 끼움되는 플랜지(15)를 구비하고 있다. 플랜지(15)는 예를 들면 알루미나 등의 세라믹스에 의해서 형성되어 있다. 또, 히터 본체(13)와 플랜지(15)는 유리 납땜재(23)에 의해서 접합되어 있다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 히터 본체(13)는 원통형상을 이루는 세라믹제의 지지체(17)와, 지지체(17)의 외주에 감아 붙여진 세라믹 시트(19)를 구비하여 구성되어 있다. 지지체(17)는 축선방향에 걸쳐서 관통하는 관통구멍(17A)(도 9, 도 10 참조)을 구비한 원통형상으로 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 지지체(17) 및 세라믹 시트(19)는 알루미나(Al2Ｏ3) 등의 세라믹으로 이루어진다. 알루미나의 열팽창 계수는 50×10-7/K∼90×10-7/K의 범위 내이며, 본 실시형태에 있어서는 70×10-7/K(30℃∼380℃)로 되어 있다.
또, 본 실시형태에서는, 지지체(17)의 외경이 12㎜, 내경이 8㎜, 길이가 65㎜로 설정되고, 세라믹 시트(19)의 두께가 0.5㎜, 길이가 60㎜로 설정되어 있다. 또한, 세라믹 시트(19)는 지지체(17)의 외주를 완전하게는 덮고 있지 않다. 그렇기 때문에, 세라믹 시트(19)의 맞닿음부(20)에는 지지체(17)의 축선방향을 따라서 연장되는 슬릿(21)이 형성되어 있다. 또, 본 실시형태에 있어서, 지지체(17) 및 세라믹 시트(19)의 표면 중 적어도 일부는 유약층(61)에 의해서 덮여져 있다.
유약층(61)은 Si를 SiO2 환산으로 60∼74 중량%, Al을 Al2O3 환산으로 16∼30 중량% 함유한 유리 세라믹으로 하여 구성된다. 즉, 유약층(61)은 무연(無鉛)물질로 구성된다. 여기서, "무연물질"이란 납을 포함하지 않는 물질을 나타낸다. 다만, 무연물질은 완전하게 납을 포함하지 않는 물질에 한하지 않고, 환원 분위기에 노출되었을 때에 납을 포함하는 것에 의한 변색을 볼 수 없는 정도라면, 극히 미량의 납이 포함되는 물질이어도 좋다.
또, 유약층(61)은 도포된 유약을 소성함에 의해서 형성된다. 본 실시형태의 유약층(61)에 이용하는 유약에는 전이점 830℃, 굴복점 900℃ 이상, 융점 1128℃의 것이 이용된다.
여기서, "전이점(transition point)"이란, 열팽창 곡선의 기울기가 급격하게 변화되는 온도를 나타낸다. 또, "굴복점(屈伏點, deformation point)"이란, 열팽창 측정에 있어서 유리의 연화에 의해서 유리의 성장을 검출할 수 없게 되어, 열팽창 곡선의 굴곡점으로서 나타나는 온도를 나타낸다.
또, 유약층(61)의 열팽창 계수는 60×10-7/K(30℃∼700℃)의 것을 이용하고 있다. 즉, 유약층(61)은 히터 본체(13)의 지지체(17)보다도 열팽창율이 작게 되도록 구성되어 있으면 좋다.
유약층(61)은 자신의 굴복점이 당해 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도 이상이 되도록 재료가 선택된다. 또한, 유약층(61)의 굴복점에 따라서 히터 배선(41)의 사양이 결정되어도 좋다. 여기서, "세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도"란, 예를 들면 당해 세라믹 히터(11) 사용시의 최대 출력으로 히터 배선(41)을 발열시켰을 때의 히터 배선(41)의 온도를 의미한다.
즉, 유약층(61)이 히터 배선(41)에 의해서 유약의 굴복점 이상의 온도가 되지 않도록 유약이나 히터 배선(41)의 출력 등이 설정된다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 세라믹 시트(19)에는 사행(蛇行)하는 패턴형상의 히터 배선(41)과 1쌍의 내부 단자(42)가 내장되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 히터 배선(41) 및 내부 단자(42)는 텅스텐(W)을 주성분으로 하여 포함하고 있다. 또한, 각 내부 단자(42)는 도시하지 않은 비아 도체 등을 통해서, 도 1에 나타내는 바와 같이 세라믹 시트(19)의 외주면에 형성된 외부 단자(43)에 전기적으로 접속되어 있다.
또, 히터 배선(41)은 지지체(17)의 축선방향을 따라서 연장되는 복수의 배선부(44)와, 인접하는 배선부(44)끼리를 접속하는 접속부(45)를 구비하고 있다. 세라믹 시트(19)를 두께방향에서 보았을 때에 양 단부에 위치하는 1쌍의 배선부(44)는, 도 2에 나타내는 세라믹 시트(19)의 맞닿음부(20)를 사이에 두고서 서로 반대측에 배치되어 있으며, 제 1 단이 내부 단자(42)에 접속됨과 아울러 제 2 단이 접속부(45)를 통해서 인접하는 배선부(44)의 제 2 단에 접속되어 있다.
여기서, "제 1 단"이란 도 3에서의 상단을 나타내고, "제 2 단"이란 도 3에서의 하단을 나타낸다. 또, 세라믹 시트(19)를 두께방향에서 보았을 때에 상기한 1쌍의 배선부(44) 사이에 위치하는 배선부(44)는, 제 1 단이 접속부(45)를 통해서 인접하는 배선부(44)의 제 1 단에 접속됨과 아울러, 제 2 단이 접속부(45)를 통해서 인접하는 배선부(44)의 제 2 단에 접속되어 있다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 배선부(44)는 선폭(W1)이 0.60㎜, 두께가 15㎛로 설정되어 있다. 마찬가지로 본 실시형태의 접속부(45)도 선폭(W2)이 0.60㎜, 두께가 15㎛로 설정되어 있다. 즉, 배선부(44)의 선폭(W1)은 접속부(45)의 선폭(W2)과 동일하게 되어 있다. 또, 배선부(44)의 두께도 접속부(45)의 두께와 동일하기 때문에, 배선부(44)의 단면적은 접속부(45)의 단면적과 동일하게 되어 있다.
또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 세라믹 시트(19)에 있어서, 나중에 히터 배선(41)이 되는 배선부(44)의 표면(46)에서부터 세라믹 시트(19)의 외주면(47)까지의 두께(t)는 0.2㎜로 되어 있다. 또, 맞닿음부(20)에 있어서, 배선부(44)의 단부 가장자리에서부터 세라믹 시트(19)의 단면(48)까지의 거리(w)는 0.7㎜이다. 여기서, "거리(w)"란 원통형상을 이루는 지지체(17)의 둘레방향을 따르는 길이를 말한다. 또한, 맞닿음부(20)를 사이에 두고서 서로 반대측에 배치되는 1쌍의 배선부(44) 간의 거리(L)는 2.4㎜이다. 여기서, "거리(L)"란 1쌍의 배선부(44)의 단부 가장자리를 잇는 직선의 길이를 말한다. 또한, 맞닿음부(20)에 형성된 슬릿(21)의 폭은 "L-2w"의 식으로부터 도출되는 것이며, 본 실시형태에서는 1㎜로 되어 있다.
그리고, 도 10에 나타내는 바와 같이, 유약층(61)은 외면 피복층(61A)과 내면 피복층(61B)을 구비하고 있다.
외면 피복층(61A)은 히터 본체(13){지지체(17), 세라믹 시트(19)}의 통형상 외표면 중 적어도 히터 배선(41)의 형성영역을 피복하도록 구성되어 있다. 내면 피복층(61B)은 히터 본체(13){지지체(17), 세라믹 시트(19)}의 통형상 내표면{관통구멍(17A)의 내표면} 중 적어도 히터 배선(41)이 배치된 영역(H)을 피복하도록 구성되어 있다.
또, 외면 피복층(61A)은 히터 본체(13){지지체(17), 세라믹 시트(19)} 중 히터 배선(41)이 배치된 영역(H)보다도 선단측에 위치하는 선단측 영역(F)의 적어도 일부를 덮도록 구성되어 있다. 또한, 외면 피복층(61A)은 선단측 영역(F)에 있어서의 자신의 두께 치수의 최대치(T2)가, 영역(H)에 있어서의 자신의 두께 치수의 최대치(T1)보다도 큰 구성이다(T2＞T1).
또, 히터 본체(13)는 영역(H)보다도 선단측의 선단측 영역(F)에 있어서 통형상 외표면에 단차부(19A)를 구비하고 있다. 단차부(19A)는 세라믹 시트(19)의 선단부에도 있고, 히터 본체(13)의 통형상 외표면 중 직경방향 치수가 변화하는 부위에도 있다.
그리고, 외면 피복층(61A)은 히터 본체(13)의 통형상 외표면 중 단차부(19A)에 있어서, 자신의 두께 치수가 최대치(T2)가 되는 구성이다.
[1-2. 제조방법]
이어서, 본 실시형태의 세라믹 히터(11)를 제조하는 방법을 설명한다.
우선, 알루미나를 주성분으로 하는 점토 형태의 슬러리를 종래 주지의 압출기(도시생략)에 투입하여 통형상 부재를 성형한다. 그리고, 성형된 통형상 부재를 건조시킨 후, 소정의 온도(예를 들면 약 1000℃)로 가열하는 가소성(假燒成)을 실시함에 의해서 도 4에 나타내는 지지체(17)를 얻는다.
또, 알루미나 분말을 주성분으로 하는 세라믹 재료를 이용하여 세라믹 시트(19)가 되는 제 1, 제 2 세라믹 그린시트(51, 52)를 형성한다. 또한, 세라믹 그린시트의 형성방법으로서는 독터 블레이드법 등의 주지의 성형법을 이용할 수 있다.
그리고, 종래 주지의 페이스트 인쇄장치(도시생략)를 이용하여 제 1 세라믹 그린시트(51)의 표면 상에 도전성 페이스트를 인쇄한다. 본 실시형태에서는 도전성 페이스트로서 텅스텐 페이스트를 채용한다. 그 결과, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제 1 세라믹 그린시트(51)의 표면 상에 히터 배선(41) 및 내부 단자(42)가 되는 미(未)소성 전극(53)이 형성된다. 또한, 미소성 전극(53)의 위치는, 예를 들면 히터 배선(41)의 위치에 대해서 소성시의 수축분을 더한 크기가 되도록 조정된다.
그리고, 도전성 페이스트의 건조 후, 제 1 세라믹 그린시트(51)의 인쇄면{즉, 미소성 전극(53)의 형성면} 상에 제 2 세라믹 그린시트(52)를 적층하고서 시트 적층방향으로 압압력을 부여한다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 각 세라믹 그린시트(51, 52)가 일체화되어 그린시트 적층체(54)가 형성된다.
또한, 제 2 세라믹 그린시트(52)의 두께는, 예를 들면 히터 배선(41)의 배선부(44) 중 가장 외측에 배치된 배선부(44)에서부터 세라믹 시트(19)의 외주면(47)까지의 두께(t)에 대해서 소성시의 수축분을 더한 크기가 되도록 조정된다. 또한, 페이스트 인쇄장치를 이용하여 제 2 세라믹 그린시트(52)의 표면 상에 도전성 페이스트를 인쇄한다. 그 결과, 제 2 세라믹 그린시트(52)의 표면 상에 외부 단자(43)가 되는 미소성 전극(55)이 형성된다.
그 다음, 도 7에 나타내는 바와 같이, 그린시트 적층체(54)의 편측 면에 알루미나 페이스트 등의 세라믹 페이스트를 도포하고, 그린시트 적층체(54)를 지지체(17)의 외주면(18)에 감아 붙여서 접착한다. 이 때, 그린시트 적층체(54)의 단부끼리가 겹치지 않도록 그린시트 적층체(54)의 사이즈를 조절한다.
그 다음, 미소성 전극(55)보다도 선단측의 소정의 영역에 대해서 유약을 도포하고, 주지의 수법에 따라서 건조 공정이나 탈지 공정 등을 실시한 후, 그린시트 적층체(54)의 알루미나 및 텅스텐이 소결될 수 있는 소정의 온도로 가열하는 동시 소성을 실시한다. 여기서의 소정의 온도에는, 예를 들면 1400℃∼1600℃ 정도의 온도를 채용할 수 있다.
그 결과, 세라믹 그린시트(51, 52) 중의 알루미나 및 도전성 페이스트 중의 텅스텐이 동시 소결되어, 그린시트 적층체(54)가 세라믹 시트(19)가 되고, 미소성 전극(53)이 히터 배선(41) 및 내부 단자(42)가 되고, 미소성 전극(55)이 외부 단자(43)가 된다. 또, 외부 단자(43)보다도 선단측의 소정의 영역에 있어서 유약층(61)이 형성된다.
이 때의 유약의 도포에 관해서는, 예를 들면 세라믹 시트(19)가 소결되는 지지체(17)를 이 지지체(17)의 선단측, 즉 지지체(17)에 있어서 외부 단자(43)에서부터 먼 측의 단부를 연직방향의 하측으로 향해서, 지지체(17)의 선단측에서부터 규정의 위치까지 유약이 담겨진 바스에 담금에 의해서 유약을 도포한다.
다만, "규정의 위치"란, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 세라믹 시트(19) 중 히터 배선(41)이 배치된 영역을 '영역(H)'라 하였을 때에, 이 영역(H)의 전체를 덮는 위치로서, 외부 단자(43)가 덮이지 않는 위치를 나타낸다. 도 1에서는 해칭된 영역이 유약층(61)을 형성한 영역을 나타낸다. 또한, 영역(H)은 히터 배선(41)이 되접어져서서 배치되는 범위 내를 나타낸다.
이 공정에 의해서, 유약은 히터 본체(13)의 표면 중 외주면 및 내주면에 도포되며, 이것을 소성함에 의해서 유약층(61)이 히터 본체(13)의 표면 중 외주면 및 내주면을 피복하게 된다.
또한, 유약층(61)의 두께는 유약의 점도를 조정함에 의해서 임의로 설정할 수 있다. 또, 유약을 도포하는 수법은 솔로 바르는 수법이나 분사 등 임의의 수법을 채용할 수 있다. 이러한 수법을 이용함으로써, 유약층(61)의 두께 치수에 관해서, 선단측 영역(F)에 있어서의 외면 피복층(61A)의 두께 치수의 최대치(T2)가, 영역(H)에 있어서의 외면 피복층(61A)의 두께 치수의 최대치(T1)보다도 큰 구성이 되도록(T2＞T1), 유약의 도포 상태를 조정한다. 본 실시형태에서는, 히터 본체(13)의 통형상 외표면 중 단차부(19A)에 있어서, 외면 피복층(61A)의 두께 치수가 최대치(T2)가 되도록 유약의 도포 상태를 조정한다. 또, 본 실시형태에서는, 히터 본체(13) 중 지지체(17)의 선단면(17B)에는 유약층(61)이 형성되지 않도록, 선단면(17B)에 도포된 유약을 소성 전에 제거하는 공정을 실시한다. 또한, 유약층(61)의 두께{상세하게는, 외면 피복층(61A) 및 내면 피복층(61B)의 각각의 최대 두께 치수}는 그린시트 적층체(54)의 두께보다도 얇게 되도록 도포시에 조정된다.
그 후, 외부 단자(43)에 니켈 도금을 실시하여 히터 본체(13)로 한다. 또한, 유약층(61)은 소결 후의 히터 본체(13)에 대해서 유약을 도포하고 이것을 소성함에 의해서 형성하여도 좋다.
그 다음, 알루미나제의 플랜지(15)를 히터 본체(13)의 소정의 장착 위치에 외측 끼움한다. 즉, 플랜지(15)는, 도 1 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 중앙에 삽입구멍(15A)을 가지는 원통형상으로 형성되어 있으며, 도 1 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 삽입구멍(15A)에 히터 본체(13)를 삽입한 상태로 유지된다.
이 때, 도 1에 나타내는 바와 같이, 유리 납땜재(23)를 통해서 히터 본체(13)와 플랜지(15)를 용착 고정하여 세라믹 히터(11)를 완성시킨다. 여기서, 유리 납땜재(23)에는, 예를 들면 일본전기초자(日本電氣硝子)제의 BH-W 등의 재료를 이용할 수 있다. 이 재료를 이용할 경우, 유리 납땜재(23)는 전이점 470℃, 굴복점 550℃가 된다.
즉, 유약 및 유리 납땜재(23)는 유약층(61)의 굴복점이 유리 납땜재(23)의 굴복점 이상의 온도가 되도록 설정된다.
[1-3. 실험예]
이하, 본 실시형태의 세라믹 히터(11)의 성능을 평가하기 위해서 실시한 실험예에 대해서 설명한다.
우선, 측정용 샘플을 다음과 같이 준비하였다. 히터 배선의 표면에서부터 세라믹 시트의 외주면까지의 두께(t)가 0.18㎜, 히터 배선의 단부 가장자리에서부터 세라믹 시트의 단면까지의 거리(w)가 0.6㎜, 맞닿음부를 사이에 두고서 서로 반대측에 배치되는 1쌍의 배선부 간의 거리(L)가 1.4㎜, 맞닿음부에 형성된 슬릿의 폭(=L-2w)이 0.2㎜가 되는 세라믹 히터를 준비하고, 이것에 유약층을 형성하여 샘플 A로 하였다. 또한, 두께(t), 거리(w), 거리(L)에 대해서는 도 2에 나타내는 정의에 따른다.
또, 비교예로서 유약층(61)을 구비하지 않는 세라믹 히터를 준비하고, 이것을 샘플 B로 하였다. 또한, 샘플 A, B의 차이는 유약층의 유무뿐이고, 그 외의 구성은 동일하다.
또, 샘플 A, B의 단면 SEM 화상을 촬상하고, 얻어진 단면 SEM 화상으로부터 유약층 및 세라믹 시트 표면의 산술평균 표면조도(Ra) 및 적층방향의 두께를 동정(同定)하였다. 이 때, 샘플 A의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)는 샘플 B의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)보다도 작았다. 이것에 의해서, 유약층의 산술평균 표면조도(Ra)는 세라믹 시트 표면의 산술평균 표면조도(Ra)보다도 작다라는 것을 알 수 있다. 또, 유약층(61)의 두께는 세라믹 시트의 두께보다도 얇았다.
샘플 A, B를 동일 조건에서 수도물 중에서 수도물을 유동시키면서 히터를 작동시킨 바, 샘플 B에 부착되는 스케일의 양에 대해서 샘플 A에 부착되는 스케일의 양이 감소한다라는 결과를 얻을 수 있었다.
[1-4. 효과]
이상 상기한 실시형태에 의하면, 이하의 효과를 가진다.
(1a) 세라믹 히터(11)는 히터 본체(13)와 유약층(61)을 구비한다. 히터 본체(13)는 히터 배선(41)을 가진다. 유약층(61)은 유리를 주체로 하며, 히터 본체(13)의 표면을 피복하도록 구성된다. 유약층(61)은 히터 본체(13)의 표면을 평활화하는 기능을 가진다. 구체적으로는, 유약층(61)의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)는 히터 본체(13)의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)보다고 작게 되도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 히터 본체(13)의 표면이 유리를 주체로 하는 유약층(61)으로 피복됨에 의해서, 세라믹의 표면에 결정립 레벨로 존재하는 요철을 메움으로써 히터 본체(13)의 표면을 평활화할 수 있다. 그러므로, 세라믹 히터(11) 표면으로의 스케일의 부착을 억제할 수 있다.
(1b) 세라믹 히터(11)에 있어서, 유약층(61)은 유약의 성분을 포함하도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약을 도포하고서 소성함에 의해서 유약층(61)을 생성할 수 있기 때문에, 유약층(61)을 생성하는 공정을 간소화할 수 있다.
(1c) 세라믹 히터(11)에 있어서, 유약층(61)은 이 유약층(61)의 굴복점이 당해 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도 이상이 되도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약층(61)의 굴복점이 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도 이상의 온도이기 때문에, 세라믹 히터(11)의 사용시에 유약층(61)이 연화되기 어렵게 할 수 있다.
(1d) 세라믹 히터(11)는, 삽입구멍(15A)을 가지며, 히터 본체(13)를 삽입구멍(15A)에 삽입한 상태에서 유리 납땜재(23)에 의해서 히터 본체(13)와 접합하도록 구성된 플랜지(15)를 더 구비하고, 유약층(61)은 이 유약층(61)의 굴복점이 유리 납땜재(23)의 굴복점 이상의 온도가 되도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약층(61)의 굴복점이 유리 납땜재(23)의 굴복점 이상의 온도이기 때문에, 플랜지(15)를 히터 본체(13)에 접합할 때에 유리 납땜재(23)에 열을 가하였다 하더라도 유약층(61)이 연화되기 어렵게 할 수 있다.
(1e) 세라믹 히터(11)에 있어서, 유약층(61)은 히터 본체(13)보다도 열팽창율이 작게 되도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 세라믹 히터(11)의 소성 후의 냉각 과정에 있어서, 유약층(61)은 히터 본체(13)의 수축에 의한 압축응력이 부여된 상태가 된다. 유약층(61)에 인장응력이 가해지기 어렵게 할 수 있기 때문에, 유약층(61)의 열충격에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
(1f) 세라믹 히터(11)에 있어서, 히터 본체(13)는 세라믹제의 지지체(17)와, 지지체(17)의 외주에 감아 붙여지며 히터 배선(41)을 매설하여 구성된 세라믹 시트(19)를 더 구비한다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 지지체(17)에 세라믹 시트(19)를 감아 붙임에 의해서 히터 본체(13)를 얻을 수 있기 때문에, 히터 본체(13)의 넓은 범위를 가능한 한 균일하게 발열시키는 구성으로 할 수 있다.
(1g) 세라믹 히터(11)에 있어서, 유약층(61)의 두께는 세라믹 시트(19)의 두께보다도 얇게 되도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약층(61)의 두께는 세라믹 시트(19)의 두께보다도 얇게 구성되어 있기 때문에, 히터 배선(41)에서 발생하는 열을 더 효율적으로 유체에 전도시킬 수 있다.
(1h) 세라믹 히터(11)에 있어서, 유약층(61)은 세라믹 시트(19) 중 히터 배선(41)이 배치된 영역의 전체를 덮도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약층(61)이 세라믹 시트(19) 중 히터 배선(41)이 배치된 영역의 전체를 덮기 때문에, 히터 배선(41)의 발열에 의해서 세라믹 시트(19)가 신축하여 세라믹 시트(19)에 벗겨지려고 하는 힘이 작용하였다 하더라도 유약층(61)이 세라믹 시트(19)를 덮고 있기 때문에, 세라믹 시트(19)의 박리를 억제할 수 있다.
(1i) 세라믹 히터(11)에 있어서, 세라믹 히터(11)의 형상은 통형상 또는 기둥형상이 되도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 세라믹 히터(11)의 형상이 통형상 또는 기둥형상이기 때문에, 간소한 형상으로 히터 본체(13)의 표면적을 크게 할 수 있다. 따라서, 히터 배선(41)에서 발생하는 열을 더 효율적으로 유체에 전도시킬 수 있다.
(1j) 세라믹 히터(11)에 있어서, 세라믹 히터(11)의 형상은 통형상으로 구성되고, 유약층(61)은 적어도 히터 본체(13)의 표면 중 외주면을 피복하도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약층(61)이 외주면을 피복하기 때문에, 외주면으로의 스케일의 부착을 억제할 수 있다. 히터 배선(41)이 히터 본체(13)의 외주를 따라서 배치된 경우, 더 고온이 되는 외주면을 유약층(61)으로 피복하기 때문에, 스케일의 부착을 억제하는 효과를 얻기 쉽게 할 수 있다.
(1k) 세라믹 히터(11)에 있어서, 유약층(61)은 히터 본체(13)의 표면 중 외주면 및 내주면을 피복하도록 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약층(61)이 외주면 및 내주면을 피복하기 때문에, 히터 본체(13)의 내측을 통과하는 유체에 의해서 히터 본체(13)의 내주면에 석출되는 스케일도 억제할 수 있다.
(1l) 세라믹 히터(11)에 있어서, 유약층(61)은 무연물질로 구성된다.
이러한 세라믹 히터(11)에 의하면, 유약층(61)이 무연물질로 이루어지기 때문에, 환원 분위기 중에서 납이 존재하는 것에 의한 변색을 억제할 수 있다.
[2. 다른 실시형태]
이상, 본 개시의 실시형태에 대해서 설명하였으나, 본 개시는 상기한 실시형태에 한정되는 일 없이 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
(2a) 상기 실시형태에서는, 세라믹 히터(11)의 지지체(17)가 통형상을 이루고 있었으나 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 지지체(17)는 봉형상이나 판형상을 이루고 있어도 좋다. 즉, 세라믹 히터(11)는 예를 들면 전기 온수기, 24시간 욕조 등, 온수 세정 편좌와는 다른 것에 이용되어도 좋다.
(2b) 상기 실시형태에서는, 세라믹 히터(11)는 1쌍의 내부 단자(42) 간에 인가되는 전압의 종별에 대해서는 규정하고 있지 않지만, 교류 전압이 인가되어도 좋고, 직류 전압이 인가되어도 좋다.
(2c) 상기 실시형태에서는, 세라믹 히터(11)는 유약층(61)을 형성하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 유리를 주체로 하며, 철 등의 금속을 미량 혼합한 코팅층이어도 좋다.
(2d) 상기 실시형태에서는, 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도에 대해서, 당해 세라믹 히터(11) 사용시에 히터 배선(41)을 발열시켰을 때의 히터 배선(41)의 최고 온도라고 규정하였으나, 히터 배선(41)의 최고 온도가 유약층(61)의 굴복점의 온도를 넘었다 하더라도, 코팅층(61)의 온도가 유약층(61)의 굴복점 이하가 되면 좋다. 즉, 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도란 유약층(61)의 최고 온도이어도 좋다.
(2e) 상기 실시형태에서는, 유약층(61)의 굴복점이 유리 납땜재(23)의 굴복점이나 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도 이상의 온도가 되도록 설정하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 히터 본체(13)의 외주면에 메탈라이즈층을 형성하고, 당해 메탈라이즈층 상에 금속 납땜재를 이용하여 금속제 플랜지를 접합하는 형태에 있어서는, 유약층(61)의 굴복점이 금속 납땜재의 융점 이상이 되도록 설정하여도 좋다. 이 형태에 있어서는, 금속 납땜재가 산화되지 않도록 환원 분위기에서 실시되기 때문에, 납을 함유하는 유약에서는 변색이 생길 수 있지만, 본 실시예에서 이용한 유약층(61)은 무연물질로 이루어지기 때문에, 환원 분위기 중에서 납이 존재하는 것에 의한 변색을 억제할 수 있다. 또, 유약층(61)의 전이점이 유리 납땜재(23)의 전이점이나 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도 이상의 온도로 하여도 좋고, 유약층(61)의 연화점이 유리 납땜재(23)의 연화점이나 세라믹 히터(11) 사용시의 최고 온도 이상의 온도로 하여도 좋다.
(2f) 상기 실시형태에 있어서의 1개의 구성요소가 가지는 복수의 기능을 복수의 구성요소에 의해서 실현하거나, 1개의 구성요소가 가지는 1개의 기능을 복수의 구성요소에 의해서 실현하여도 좋다. 또, 복수의 구성요소가 가지는 복수의 기능을 1개의 구성요소에 의해서 실현하거나, 복수의 구성요소에 의해서 실현되는 1개의 기능을 1개의 구성요소에 의해서 실현하여도 좋다. 또, 상기 실시형태의 구성의 일부를 생략하여도 좋다. 또, 상기 실시형태의 구성 중 적어도 일부를 다른 상기 실시형태의 구성에 대해서 부가 또는 치환히여도 좋다. 또한, 특허청구범위에 기재된 문언에서 특정되는 기술사상에 포함되는 모든 형태가 본 개시의 실시형태이다.
(2g) 상기한 세라믹 히터(11) 외에, 당해 세라믹 히터(11)를 구성요소로 하는 시스템 등, 여러 가지 형태로 본 개시를 실현할 수도 있다.
[3. 문언의 대응관계]
"히터 배선(41)"은 "발열 저항체"의 일례에 상당하고, "히터 본체(13)"는 "세라믹체"의 일례에 상당한다. 또, "유약층(61)"은 "코팅층"의 일례에 상당하고, "유리 납땜재(23)"는 "접합재"의 일례에 상당한다.
11 - 세라믹 히터 13 - 히터 본체
15 - 플랜지 15A - 삽입구멍
17 - 지지체 17A - 관통구멍
17B - 선단면 18 - 외주면
19 - 세라믹 시트 19A - 단차부
20 - 맞닿음부 21 - 슬릿
23 - 유리 납땜재 41 - 히터 배선
61 - 유약층 61A - 외면 피복층
61B - 내면 피복층

Claims (13)

  1. 유체 가열용의 세라믹 히터로서,
    발열 저항체를 가지는 세라믹체와,
    유리를 주체로 하며, 상기 세라믹체의 표면을 피복하도록 구성된 코팅층과,
    삽입구멍을 가지며, 상기 세라믹체를 상기 삽입구멍에 삽입한 상태에서 접합재에 의해서 상기 세라믹체와 접합되도록 구성된 플랜지를 구비하고,
    상기 코팅층은 상기 세라믹체의 표면을 평활화하는 기능을 가지며,
    상기 코팅층은 유약의 성분을 포함하도록 구성되고,
    상기 유약은 이 유약의 굴복점이 상기 접합재의 굴복점 또는 융점 이상의 온도가 되도록 구성되고,
    상기 세라믹체는 세라믹제의 지지체와, 상기 지지체의 외주에 감아 붙여지며 상기 발열 저항체를 매설하여 구성된 세라믹 시트를 더 구비하고,
    상기 발열 저항체가 배치된 영역에 있어서의 상기 코팅층의 최대 두께(T1)와 상기 발열 저항체의 선단에서부터 상기 세라믹 시트의 선단까지의 영역에 있어서의 상기 코팅층의 최대 두께(T2)를 비교하였을 때 "T2＞T1"인 세라믹 히터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)는 상기 세라믹체의 표면의 산술평균 표면조도(Ra)보다도 작게 되도록 구성된 세라믹 히터.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유약은, 이 유약의 굴복점이 당해 세라믹 히터 사용시의 최고 온도 이상이 되도록 구성된 세라믹 히터.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 세라믹체보다도 열팽창율이 작게 되도록 구성된 세라믹 히터.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 상기 세라믹 시트의 두께보다도 얇게 되도록 구성된 세라믹 히터.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 세라믹 시트 중 상기 발열 저항체가 배치된 영역의 전체를 덮도록 구성된 세라믹 히터.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 히터의 형상은 통형상 또는 기둥형상이 되도록 구성된 세라믹 히터.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 히터의 형상은 통형상으로 구성되고,
    상기 코팅층은 적어도 상기 세라믹체의 표면 중 외주면을 피복하도록 구성된 세라믹 히터.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 세라믹체의 표면 중 외주면 및 내주면을 피복하도록 구성된 세라믹 히터.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층은 무연물질로 이루어지도록 구성된 세라믹 히터.
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