WO2015115585A1 - ヒータ - Google Patents

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WO2015115585A1
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heater
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ceramic
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修 ▲浜▼田
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heater used for, for example, a fluid heating heater or a gas heating heater.
  • Patent Document 1 As a heater used for a fluid heating heater or a gas heating heater, for example, a ceramic sheathed heater described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-247484 (hereinafter referred to as Patent Document 1) is known.
  • the ceramic sheathed heater described in Patent Literature 1 includes a bottomed cylindrical body made of metal and a ceramic body that is inserted into the bottomed cylindrical body and includes a heating resistor therein.
  • This ceramic sheathed heater includes an insulating powder between a bottomed cylindrical body and a ceramic body.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to improve durability by reducing thermal stress generated in a ceramic body in a ceramic sheathed heater.
  • the heater is disposed between the ceramic body and the metal cylinder, a columnar or cylindrical ceramic body, a heating resistor provided inside the ceramic body, a metal cylinder in which the ceramic body is inserted, And an insulating member having a cylindrical portion whose inner peripheral surface is in contact with the outer peripheral surface of the ceramic body and whose outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the metal cylinder.
  • the heater 100 includes a columnar ceramic body 1, a heating resistor 2 provided inside the ceramic body 1, a metal cylinder 3 into which the entire ceramic body 1 is inserted, and a ceramic body 1. And an insulating member 4 having a cylindrical portion 40 disposed between the metal cylinders 3.
  • the ceramic body 1 is a member provided to protect the heating resistor 2.
  • the shape of the ceramic body 1 is columnar or cylindrical. Examples of the columnar shape include a columnar shape or a prismatic shape. In addition, the column shape here includes a case where it looks like a plate shape depending on how it is viewed.
  • the ceramic body 1 has a columnar shape with a main surface being rectangular.
  • examples of the cylindrical shape include a cylindrical shape and a rectangular tube shape.
  • the ceramic body 1 is formed of a sintered body formed by molding an insulating ceramic material into a predetermined shape and firing it.
  • the insulating ceramic body include an alumina sintered body, a silicon nitride sintered body, and an aluminum nitride sintered body.
  • the dimensions of the ceramic body 1 may be set such that, for example, the length of the main surface is 30 mm, the width of the main surface is 3 mm, and the thickness in the direction perpendicular to the main surface is 1 mm. it can.
  • the heating resistor 2 is a resistor for generating heat, and generates heat when a current flows.
  • the heating resistor 2 is provided inside the ceramic body 1. That is, the heating resistor 2 is embedded in the ceramic body 1. Moreover, the shape of the heating resistor 2 is linear.
  • the heating resistor 2 in the heater 100 of the present embodiment has a folded shape on one end side with respect to the center of the ceramic body 1 and is connected to the two lead-out portions 5 on the other end side.
  • the lead-out unit 5 is a member for electrically connecting the heating resistor 2 and an external power source.
  • the lead-out portion 5 has one end connected to the heating resistor 2 and the other end drawn to the surface of the ceramic body 1.
  • the other end side of the lead-out portion 5 drawn to the surface of the ceramic body 1 is connected to an electrode 6 provided on the surface of the ceramic body 1.
  • the heating resistor 2 and the lead-out part 5 are made of a metal material.
  • the metal material include W, Mo, Re, and the like.
  • the dimensions of the heating resistor 2 can be set, for example, to a width of 0.3 mm, a total length of 30 mm, and a thickness of 25 ⁇ m.
  • the dimensions of the lead-out part 5 can be set, for example, to a width of 0.7 mm, a total length of 10 mm, and a thickness of 30 ⁇ m.
  • the electrode 6 is a member for electrically connecting the lead-out part 5 and the lead 7.
  • the electrodes 6 are provided at two locations on the outer surface of the ceramic body 1 on the other end side. Specifically, the electrodes 6 are provided on both main surfaces of the ceramic body 1.
  • the electrode 6 has a quadrangular shape in a direction parallel to the main surface of the ceramic body 1.
  • the dimensions of the electrode 6 can be set, for example, such that the length in the direction parallel to the length direction of the ceramic body 1 is 5 mm, the length in the vertical direction is 2.5 mm, and the thickness is 20 ⁇ m.
  • the electrode 6 is electrically connected to the heating resistor 2 via the lead-out part 5.
  • the electrode 6 is made of, for example, W, Mo, Re, or the like.
  • the lead 7 is a member for transmitting electricity from the external power source to the heating resistor 2.
  • the lead 7 is provided separately for each electrode 6.
  • One end of the lead 7 is connected to the electrode 6, and the other end is drawn out of the metal cylinder 3.
  • the lead 7 drawn out of the metal cylinder 3 is connected to an external power source (not shown).
  • the lead 7 and the electrode 6 are joined by a brazing material 8.
  • As the brazing material 8 for example, silver brazing, gold-copper brazing, or silver-copper brazing can be used.
  • the lead 7 is made of Ni, for example.
  • a region other than the portion joined to the electrode 6 or the portion connected to the external power source in the lead 7 is covered with an insulating tube 9.
  • the tube 9 is made of, for example, a resin material.
  • the tube 9 is preferably made of a fluororesin having excellent heat resistance.
  • the diameter can be set to 0.4 mm and the length can be set to 50 mm.
  • the dimensions of the tube 9 used for the lead 7 can be set, for example, to an outer diameter of 1 mm and a length of 45 mm. Further, the length of the portion of the lead 7 exposed from the tube 9 in the vicinity of the electrode 6 can be set to about 2 mm, for example.
  • the metal cylinder 3 is a member that is used to heat an object to be heated in contact.
  • Examples of the object to be heated by the heater 100 include liquids such as water or petroleum, or gases such as air or nitrogen.
  • the metal cylinder 3 is cylindrical.
  • the entire ceramic body 1 is inserted into the metal cylinder 3. That is, the inner diameter of the metal cylinder 3 is larger than the outer diameter of the ceramic body 1, and the insulating cover 10 and the cylindrical portion 40 are provided between the inner peripheral surface of the metal cylinder 3 and the outer peripheral surface of the ceramic body 1. A gap that allows the member 4 to be provided is formed.
  • One end of the metal cylinder 3 is closed with a metal lid 11.
  • the shape of the metal lid 11 is a disk shape having the same diameter as the outer diameter of the metal tube 3.
  • the dimensions of the metal cylinder 3 can be set, for example, to an inner diameter of 4 mm, an outer diameter of 5 mm, and a length of 40 mm.
  • the metal cylinder 3 is made of a metal material such as stainless steel, aluminum, copper, or titanium. In particular, stainless steel is preferably used from the viewpoints of workability, strength, and heat resistance.
  • the insulating cover 10 is a member for ensuring insulation between the lead 7 and the electrode 6 and the metal cylinder 3.
  • the insulating cover 10 is provided so as to surround each electrode 6 together with one end of the lead 7.
  • the insulating cover 10 is a sheet-like member.
  • the insulating cover 10 is made of an insulating material such as a fluororesin.
  • the dimensions of the insulating cover 10 can be set, for example, to a thickness of about 0.2 mm and a length of about 6 mm.
  • the insulating cover 10 is not necessarily limited to a sheet shape.
  • the insulating cover 10 may have a tube shape.
  • the insulating cover 10 is solid in this embodiment, it is not restricted to this.
  • a semi-solid such as a gel may be used, or a cured one may be used.
  • the insulating member 4 is a member for preventing the ceramic body 1 and the metal cylinder 3 from contacting each other.
  • the insulating member 4 has a cylindrical portion 40 with an inner peripheral surface in contact with the outer peripheral surface of the ceramic body 1 and an outer peripheral surface in contact with the inner peripheral surface of the metal tube 3.
  • the insulating member 4 is made of a ceramic material such as alumina or aluminum nitride.
  • the insulating member 4 includes, for example, a ceramic body 1 inserted into a metal cylinder 3, and an inorganic adhesive, water, and a powder of the above ceramic material (such as alumina or aluminum nitride) in a gap between the ceramic body 1 and the metal cylinder 3.
  • inorganic cured product that is formed by filling a solution mixed with and then drying and curing, thereby causing the ceramic material and the components of the inorganic adhesive to come into contact and strongly adhere to each other.
  • the inorganic adhesive for example, water-dispersed silica sol or water-dispersed alumina sol can be used.
  • the porosity of the insulating member 4 is preferably larger than the porosity of the ceramic body 1.
  • the insulating member 4 is deformed, so that the thermal stress can be absorbed.
  • a possibility that a crack may occur in the ceramic body 1 can be reduced.
  • the comparison of the porosity can be performed by the following method. Specifically, the insulating member 4 and the ceramic body 1 are cut to obtain a cross section. And the porosity can be calculated
  • an organic adhesive such as an epoxy resin or a silicone resin can be used.
  • the material of the insulating member 4 can be appropriately selected according to the use environment of the heater 100. However, when the insulating member 4 is formed using the above-described inorganic adhesive, the temperature reaches about 800 ° C. It is preferable because it can withstand.
  • the inner diameter of the cylindrical portion 40 is set to 3 mm ⁇ 1 mm which is equal to the outer diameter of the ceramic body 1, the outer diameter is set to 4 mm which is equal to the inner diameter of the metal cylinder 3, and the length is set to 20 mm. be able to.
  • the insulating member 4 is provided instead of the insulating powder between the metal cylinder 3 and the ceramic body 1, so that the number of portions is increased or decreased due to vibration like the insulating powder.
  • it can be prevented from being biased so as to exist.
  • the possibility that the metal tube 3 and the ceramic body 1 are partially in contact with each other can be reduced, so that the possibility that a large temperature difference occurs on the surface of the ceramic body 1 can be reduced. Therefore, the possibility of generating thermal stress in the ceramic body 1 can be reduced. As a result, the durability of the heater 100 can be improved.
  • the insulating member 4 is made of a bonding layer as described above.
  • the adhesion between the insulating member 4 and the ceramic body 1 and the adhesion between the insulating member 4 and the metal cylinder 3. Can be improved. Therefore, heat transfer from the ceramic body 1 to the metal cylinder 3 can be performed better. As a result, the temperature raising performance of the heater 100 can be improved.
  • the adhesive the above-described inorganic adhesive or organic adhesive can be used. Therefore, the inorganic cured product using the inorganic adhesive can join the ceramic body 1 and the metal cylinder 3.
  • the insulating member 4 preferably contains ceramic powder. Thereby, the strength of the insulating member 4 can be increased. As a result, the long-term reliability of the heater 100 can be improved.
  • the ceramic powder contained in the insulating member 4 and the ceramic body 1 are preferably made of the same ceramic material. Thereby, the thermal expansion difference between the insulating member 4 and the ceramic body 1 can be reduced. As a result, the thermal stress generated in the heater 100 when the temperature is raised or lowered can be reduced.
  • the contact between the metal tube 3 and the ceramic body 1 is not preferable from the viewpoint of the durability of the heater 100. This is due to the following reason.
  • the ceramic body 1 when a crack is generated due to a thermal stress caused by a difference in thermal expansion from the metal cylinder 3, the crack progresses to the heating resistor 2 provided inside. there is a possibility. In this case, the resistance value of the heating resistor 2 may change. As a result, the heater 100 may not be able to generate heat at a desired temperature.
  • a gap 12 is secured between the metal lid 11 that closes one end of the metal tube 3 and the ceramic body 1.
  • the length of the gap 12 is 0.2 mm or more, even if the ceramic body 1 and the metal lid 11 are thermally expanded when the heater 100 is heated, the ceramic body 1 and the metal lid 11 are in contact with each other. It is possible to reduce the possibility of the occurrence.
  • the insulating member 4 has a cylindrical shape with both ends opened, but is not limited thereto. Specifically, the insulating member 4 may have a shape in which one end, the other end, or both ends are closed. In other words, the insulating member 4 may have a tubular portion 40 and a portion that closes one end, the other end, or both ends of the tubular portion 40. As shown in FIG. 2, in the heater 100 of the first modification, one end of the insulating member 4 is in contact with the entire inner surface of the metal lid 11. The other end of the insulating member 4 is provided up to the opening at the other end of the metal tube 3.
  • the insulating member 4 surrounds the ceramic body 1 together with the insulating cover 10, the electrode 6, and a part of the tube 9 of the lead 7, and comes into contact with the other end portion of the ceramic body 1. It is provided without gaps.
  • the ceramic body 1 can be hermetically sealed by covering the entire ceramic body 1 with the insulating member 4. As a result, the environmental resistance of the ceramic body 1 in the heater 100 can be improved.
  • the heater 100 includes the insulating cover 10 as in the above-described embodiment, but is not limited thereto. Specifically, the heater 100 may not include the insulating cover 10 and the insulating member 4 may directly cover the electrode 6. This is because the insulating member 4 covers the entire ceramic body 1 together with the electrode 6, thereby ensuring insulation between the electrode 6 and the metal tube 3.
  • the heater 100 does not include the gap 12, but is not limited thereto. Similar to the above-described embodiment, the gap 12 may be provided. Thereby, the thermal stress resulting from the thermal expansion difference between the ceramic body 1 and the metal lid 11 can be reduced.
  • the insulating member 4 in this modification can be formed as follows. Specifically, the lead 7 is disposed on the electrode 6 provided on the ceramic body 1 and bonded using silver copper brazing or silver brazing. Thereafter, the fluororesin insulating cover 10 is disposed so as to cover the electrode 6 including the brazed portion. As described above, the ceramic body 1 to which the electrode 6, the lead 7 and the insulating cover 10 are attached is positioned in the metal tube 3, and then the ceramic (powder of ceramics) such as alumina or aluminum nitride is crushed (inorganic). An adhesive and water are mixed to form a slurry solution, which is filled up to the upper surface of the metal tube 3 so that no bubbles are formed in the gap between the ceramic body 1 and the metal tube 3.
  • preliminary drying is performed for about 30 minutes at a temperature of 100 ° C. or lower, and water in the slurry solution is slowly evaporated. Rapid drying at 100 ° C. or higher causes bubbles to form inside due to boiling of water, leading to a decrease in strength and appearance.
  • the temperature for preliminary drying is preferably 70 to 80 ° C.
  • the inorganic adhesive component is dried at 250 ° C. for 30 minutes for curing, thereby curing them.
  • the insulating member 4 can be formed.
  • the insulating member 4 may be made of ceramics or an organic adhesive.
  • the insulating member 4 is one member, but is not limited thereto.
  • the tubular portion 40 of the insulating member 4 may include a tubular first portion 41 and a second portion 42, respectively.
  • the tubular portion 40 of the insulating member 4 includes a first portion 41 and a second portion 42.
  • the first portion 41 is provided on one end side of the metal tube 3, and the second portion 42 is provided on the other end side of the metal tube 3.
  • the first portion 41 and the second portion 42 are each cylindrical, and the end surface of the first portion 41 and the end surface of the second portion 42 are in contact with each other.
  • the insulating member 4 is composed of a plurality of parts, even if a crack occurs in one part (for example, the first portion 41) of the insulating member 4, the progress of the crack is reduced to two parts ( Since it can stop between the 1st part 41 and the 2nd part 42), possibility that a crack will advance to another site
  • the heating resistor 2 is provided on one end side of the ceramic body 1, and the first portion 41 surrounds the entire portion of the ceramic body 1 where the heating resistor 2 is provided. Is arranged in. Since the first portion 41 surrounds the heating resistor 2, most of the heat generated by the heating resistor 2 is transmitted to the first portion 41. Furthermore, since the insulating member 4 is formed separately in the first portion 41 and the second portion 42, an interface exists between the first portion 41 and the second portion 42. The transfer of heat from the portion 41 to the second portion 42 is reduced. Therefore, it can be reduced that the heat generated by the heating resistor 2 is transmitted through the second portion 42 and escapes to the other end side of the heater 100.
  • the first portion 41 and the second portion 42 can be formed of the same material, but may be formed of different materials.
  • the thermal conductivity of the first portion 41 is preferably larger than the thermal conductivity of the second portion 42. Due to the high thermal conductivity of the first portion 41, the heat generated from the heating resistor 2 can be quickly transferred to the metal cylinder 3. Further, since the thermal conductivity of the second portion 42 is small, it is possible to reduce the heat generated from the heating resistor 2 from escaping from the lead 7 side to the outside. As a result, the heating rate of the heater 100 can be improved.
  • the amount of ceramic powder included in the inorganic adhesive is set to the first part 41 and the second part 42. Just change it. More specifically, for example, when the inorganic adhesive is a water-dispersed silica sol and the ceramic is alumina, the amount of alumina in the first portion 41 may be larger than the amount of alumina in the second portion 42. Further, the thermal conductivity may be adjusted by making the ceramic powder or the inorganic adhesive material different between the first portion 41 and the second portion 42.
  • the ratio of bubbles in the inorganic adhesive is set to be higher than that of the first portion 41 to the second portion. What is necessary is just to adjust so that 42 may become larger.
  • the thermal conductivity of the second portion 42 can be reduced.
  • the number of bubbles in the second portion it is possible to easily absorb the thermal stress in the second portion, and thus the possibility that the generated thermal stress reaches the lead 7 and the like can be reduced. As a result, the long-term reliability of the heater 100 can be improved.
  • the heater 100 includes the insulating cover 10 as in the above-described embodiment, but is not limited thereto. Specifically, the heater 100 may not include the insulating cover 10 and the insulating member 4 may directly cover the electrode 6. This is because the insulating member 4 covers the entire ceramic body 1 together with the electrode 6, thereby ensuring insulation between the electrode 6 and the metal tube 3.
  • the heater 100 does not include the gap 12, but is not limited thereto. It is preferable that the gap 12 is provided in the same manner as in the above-described embodiment, so that the thermal stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic body 1 and the metal lid 11 can be reduced.
  • the first part 41 and the second part 42 can be manufactured as follows. First, the electrode ceramic body 1 to which the electrode 6, the lead 7, and the insulating cover 10 are attached is inserted into the metal tube 3 whose one end is closed with the metal lid 11. Thereafter, one end of the metal cylinder 3 is filled with a mixture of an inorganic adhesive and water mixed with ceramic (powder of ceramics) such as alumina or aluminum nitride and made into a slurry solution. Then, after the water
  • the insulating member 4 may be made of ceramics or an organic adhesive.
  • heater 1 ceramic body 2: heating resistor 3: metal cylinder 4: insulating member 40: cylindrical portion 41: first portion 42: second portion 5: lead-out portion 6: electrode 7: lead 8: brazing material 9: Tube 10: Insulating cover 11: Metal lid 12: Air gap

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Abstract

　ヒータは、柱状または筒状のセラミック体と、セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、セラミック体の全体が挿入された金属筒と、セラミック体の少なくとも一部および金属筒の間に配置され、内周面が前記セラミック体の外周面に、および外周面が金属筒の内周面に接している筒状部を有する絶縁性部材とを備えている。

Description

ヒータ
　本発明は、例えば、流体加熱用ヒータまたは気体加熱用ヒータ等に利用されるヒータに関するものである。
　流体加熱用ヒータまたは気体加熱用ヒータ等に利用されるヒータとして、例えば特開平１０－２４７５８４号公報（以下、特許文献１という）に記載のセラミックシーズヒータが知られている。特許文献１に記載のセラミックシーズヒータは、金属製の有底筒状体と、この有底筒状体に挿入されて、内部に発熱抵抗体を備えたセラミックス体とを備えている。このセラミックシーズヒータは、有底筒状体とセラミックス体との間に絶縁性粉体を備えている。
　特許文献１に記載のセラミックシーズヒータを外部から振動が伝わってくるような環境下において使用した場合には、有底筒状体の内部でセラミックス体に対して絶縁性粉体が振動によって移動してしまう可能性があった。そのため、絶縁性粉体が、多いところと少ないところが存在するように、偏って位置してしまう場合があった。その結果、絶縁性粉体が少なくなった箇所でセラミックス体と有底筒状体が部分的に接触してしまう可能性があった。この状態で発熱抵抗体を発熱させると、セラミックス体のうち有底筒状体に接触している部分は絶縁性粉体に接触している部分よりも熱引きが良いことから、セラミックス体の表面に温度差が生じる場合があった。特に、従来よりも高い温度でセラミックシーズヒータを発熱させた場合には、セラミックス体に大きな熱応力が生じる場合があり、その結果、セラミックシーズヒータの耐久性が低下する可能性があった。
　本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミックシーズヒータにおいてセラミックス体に生じる熱応力を低減して耐久性を向上させることにある。
　ヒータは、柱状または筒状のセラミック体と、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金属筒と、前記セラミック体および前記金属筒の間に配置され、内周面が前記セラミック体の外周面に、および外周面が前記金属筒の内周面に接している筒状部を有する絶縁性部材とを備えている。
ヒータの一実施形態を示す断面図である。 ヒータの変形例１を示す断面図である。 ヒータの変形例２を示す断面図である。
　以下、一実施形態に係るヒータ１００について、図面を参照しながら説明する。
　図１に示すように、ヒータ１００は、柱状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の全体が挿入された金属筒３と、セラミック体１および金属筒３の間に配置された筒状部４０を有する絶縁性部材４とを備えている。
　＜セラミック体の構成＞
　セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するために設けられる部材である。セラミック体１の形状は、柱状または筒状である。柱状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう柱状としては、見方によっては板状に見える場合も含む。本実施形態のヒータ１００においては、セラミック体１は主面が長方形の柱状である。また、筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。
　セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料を所定形状に成形し、焼成して形成した焼結体から成る。絶縁性のセラミック体としては、例えばアルミナ質焼結体、窒化珪素質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体が挙げられる。特に、製造のしやすさの観点からは、アルミナ質焼結体を用いることが好ましい。セラミック体１が柱状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば主面の長さを３０ｍｍに、主面の幅を３ｍｍに、主面に垂直な方向の厚みを１ｍｍに設定することができる。
　＜発熱抵抗体の構成＞
　発熱抵抗体２は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック体１に埋設されている。また、発熱抵抗体２の形状は線状である。本実施形態のヒータ１００における発熱抵抗体２は、セラミック体１の中央よりも一端側で折り返し形状を有するとともに、他端側で２つの導出部５に接続されている。導出部５は、発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に接続するための部材である。導出部５は、一端側が発熱抵抗体２に接続されるとともに、他端側がセラミック体１の表面に引き出されている。セラミック体１の表面に引き出された導出部５の他端側は、セラミック体１の表面に設けられた電極６に接続されている。
　発熱抵抗体２および導出部５は金属材料から成る。金属材料としては、例えばＷ、ＭｏまたはＲｅ等が挙げられる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を０．３ｍｍに、全長を３０ｍｍに、厚みを２５μｍに設定することができる。導出部５の寸法は、例えば幅を０．７ｍｍに、全長を１０ｍｍに、厚みを３０μｍにそれぞれ設定することができる。
　＜電極の構成＞
　電極６は、導出部５とリード７とを電気的に接続するための部材である。電極６は、セラミック体１における他端側の外面の２か所に設けられている。具体的には、電極６は、セラミック体１の両主面に設けられている。電極６はセラミック体１の主面に平行な方向の形状が四角形状である。電極６の寸法は、例えばセラミック体１の長さ方向に対して平行な方向における長さを５ｍｍに、垂直な方向の長さを２．５ｍｍに、厚みを２０μｍに設定することができる。電極６は、導出部５を介して発熱抵抗体２と電気的に接続されている。電極６は、例えばＷ、ＭｏまたはＲｅ等から成る。
　＜リードの構成＞
　リード７は、外部の電源から発熱抵抗体２に電気を伝えるための部材である。リード７は、それぞれの電極６に別々に設けられている。リード７は、一端が電極６に接続されており、他端が金属筒３の外部に引き出されている。金属筒３の外部に引き出されたリード７は、外部電源（図示せず）に接続される。リード７と電極６とはろう材８によって接合されている。ろう材８としては、例えば銀ろう、金－銅ろうまたは銀－銅ろうを用いることができる。リード７は例えばＮｉから成る。リード７のうち電極６と接合される部分または外部電源に接続される部分以外の領域は、絶縁性のチューブ９によって覆われている。チューブ９は、例えば樹脂材料から成る。特に、チューブ９が、耐熱性に優れるフッ素樹脂から成ることが好ましい。
　リード７の寸法は、線状であれば、例えば径を０．４ｍｍに、長さを５０ｍｍに設定することができる。このリード７に用いるチューブ９の寸法は、例えば外径を１ｍｍに、長さを４５ｍｍに設定することができる。また、リード７のうち電極６の近傍においてチューブ９から露出している部分の長さは、例えば２ｍｍ程度に設定することができる。
　＜金属筒の構成＞
　金属筒３は、被加熱物に接触させて加熱するのに用いられる部材である。ヒータ１００によって加熱される被加熱物としては、水もしくは石油等の液体または空気もしくは窒素等の気体等が挙げられる。本実施形態のヒータ１００においては、金属筒３は円筒状である。金属筒３には、セラミック体１の全体が挿入されている。すなわち、金属筒３の内径はセラミック体１の外径よりも大きく、金属筒３の内周面とセラミック体１の外周面との間には、絶縁カバー１０および筒状部４０を有する絶縁性部材４を設けることができる程度の隙間が形成されている。金属筒３の一端は、金属蓋１１によって塞がれている。金属蓋１１の形状は、金属筒３の外径と径が等しい円板状である。
　金属筒３の寸法は、例えば内径を４ｍｍに、外径を５ｍｍに、長さを４０ｍｍに設定することができる。金属筒３は、ステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等の金属材料から成る。特に加工性、強度および耐熱性の観点からは、ステンレスを用いることが好ましい。
　＜絶縁カバーの構成＞
　絶縁カバー１０は、リード７および電極６と金属筒３との間の絶縁性を確保するための部材である。絶縁カバー１０は、それぞれの電極６をリード７の一端とともに囲むように設けられている。本実施形態のヒータ１００においては、絶縁カバー１０はシート状の部材である。絶縁カバー１０は、例えばフッ素樹脂等の絶縁材料から成る。絶縁カバー１０の寸法は、例えば厚さを０．２ｍｍ程度に、長さを６ｍｍ程度に設定することができる。なお、絶縁カバー１０は必ずしもシート状に限られない。例えば、絶縁カバー１０はチューブ状であっても構わない。また、本実施形態において絶縁カバー１０は固体であるが、これに限られない。絶縁カバー１０としては、例えばジェル状等の半固体を用いても構わないし、これを硬化させたものを用いても構わない。
　＜絶縁性部材の構成＞
　絶縁性部材４は、セラミック体１と金属筒３とが接触することを防ぐための部材である。絶縁性部材４は、内周面がセラミック体１の外周面に、および外周面が金属筒３の内周面に接しており、筒状部４０を有している。絶縁性部材４は、例えばアルミナまたは窒化アルミニウム等のセラミック材料から成る。絶縁性部材４は、例えば金属筒３内にセラミック体１を挿入し、セラミック体１と金属筒３との隙間に無機接着剤と水と上述のセラミック材料（アルミナまたは窒化アルミニウム等）の粉体とを混合した溶液を充填した後に、これを乾燥させて硬化させることによりセラミック材料や無機接着剤の成分が接触して相互作用により強くくっついて形成される無機硬化物からなる。無機接着剤としては、例えば、水分散シリカゾルまたは水分散アルミナゾル等を用いることができる。
　無機接着剤を用いて絶縁性部材４を形成した場合には、絶縁性部材４における空隙率がセラミック体１における空隙率よりも大きいことが好ましい。これにより、ヒータ１００において、金属筒３よりも内側で熱応力が生じたときに絶縁性部材４が変形することによって、熱応力を吸収できる。これにより、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。空隙率の比較は、以下の方法で行なうことができる。具体的には、絶縁性部材４およびセラミック体１を切断して断面を得る。そして、単位面積当たりに存在する空隙の面積の割合を算出することによって、空隙率を求めることができる。
　また、絶縁性部材４のその他の材料としては、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等の有機接着剤を用いることができる。絶縁性部材４の材料は、ヒータ１００の使用環境に応じて適宜選択することができるが、上記の無機接着剤を用いて絶縁性部材４を形成した場合には、８００℃程度の温度にまで耐えられるようになるために好ましい。
　絶縁性部材４の寸法は、例えば、筒状部４０の内径をセラミック体１の外径と等しく３ｍｍ×１ｍｍに、外径を金属筒３の内径と等しく４ｍｍに、長さを２０ｍｍに設定することができる。
　本実施形態のヒータ１００においては、金属筒３とセラミック体１との間に絶縁性粉体ではなく絶縁性部材４を備えていることによって、絶縁性粉体のように振動によって多いところと少ないところが存在するように偏って位置してしまうことを防止できる。その結果、金属筒３とセラミック体１とが部分的に接触してしまう可能性を低減できるので、セラミック体１の表面に大きな温度差が生じる可能性を低減できる。そのため、セラミック体１に熱応力を生じる可能性を低減できる。その結果、ヒータ１００の耐久性を向上させることができる。
　さらに、上述の通り絶縁性部材４が接合層から成ることが好ましい。この場合には、絶縁性部材４がセラミック体１と金属筒３とを接合することができるので、絶縁性部材４とセラミック体１との密着性および絶縁性部材４と金属筒３との密着性を向上させることができる。そのため、セラミック体１から金属筒３への熱の伝達をより良好に行なうことができる。その結果、ヒータ１００の昇温性能を向上できる。接着剤としては、上述の無機接着剤または有機接着剤を用いることができる。そのため、無機接着剤を用いた無機硬化物は、セラミック体１と金属筒３とを接合することができる。
　さらに、上述した通り、絶縁性部材４は、セラミックスの粉体を含んでいることが好ましい。これにより、絶縁性部材４の強度を高くすることができる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上できる。また、絶縁性部材４に含むセラミックスの粉体とセラミック体１との主成分が同じセラミック材料から成ることが好ましい。これにより、絶縁性部材４とセラミック体１との熱膨張差を低減できる。その結果、昇温時または降温時にヒータ１００に生じる熱応力を低減できる。
　なお、上述したように、金属筒３とセラミック体１とが接触してしまうことは、ヒータ１００の耐久性の観点から好ましくない。これは以下の理由によるものである。セラミック体１は、金属筒３との熱膨張差に起因して熱応力が生じることによってクラックが発生してしまった場合に、内部に設けられた発熱抵抗体２にまでクラックが進行してしまう可能性がある。この場合には、発熱抵抗体２の抵抗値が変化してしまう可能性がある。その結果、ヒータ１００を所望の温度で発熱させることができなくなってしまう可能性がある。
　これに対して、本実施形態のヒータ１００のように、絶縁性部材４の筒状部４０と金属筒３とを接触させておけば、仮に、絶縁性部材４にクラックが発生したとしても、絶縁性部材４とセラミック体１との間でクラックの進行を抑制することができる。そして、金属筒３とセラミック体１とが離して配置されていることによって、セラミック体１の表面に大きな温度差が生じクラックが発生してしまうおそれを低減できる。
　これらの結果、発熱抵抗体２の抵抗値がクラックの発生によって変化してしまい、ヒータ１００を所望の温度で発熱させることができなくなる可能性を低減できる。しかしながら、絶縁性部材４に生じたクラックが絶縁性部材４中を進行することによって絶縁性部材４に大きな変形が生じた場合には、絶縁性部材４とセラミック体１との熱膨張差に起因する熱応力がセラミック体１に局所的に集中してしまう可能性がある。この場合には、セラミック体１にクラックが発生してしまう場合がある。そのため、絶縁性部材４に関してもクラックの進行を低減できるような構成を採用しておくことが好ましい。この点に関しては後述する。
　さらに、本実施形態のヒータ１００においては、金属筒３の一端を塞ぐ金属蓋１１とセラミック体１との間に空隙１２が確保されている。これにより、発熱抵抗体２が発熱することによってセラミック体１の一端側が熱膨張したときに、セラミック体１と金属蓋１１との熱膨張差に起因して両者が接触することによりセラミック体１に生じる熱応力を低減できる。その結果、セラミック体１にクラックが生じる可能性を低減できるので、ヒータ１００の耐久性を向上させることができる。空隙１２の寸法は、セラミック体１の長さ方向の長さを、例えば０．２～２ｍｍに設定することができる。特に、空隙１２の長さが０．２ｍｍ以上であることによって、ヒータ１００を発熱させたときにセラミック体１と金属蓋１１とが熱膨張したとしても、セラミック体１と金属蓋１１とが接触してしまう可能性を低減できる。
　＜変形例１＞
　ヒータ１００の変形例１について説明する。前述の実施形態のヒータ１００においては、絶縁性部材４は両端が開口した筒状であったが、これに限られない。具体的には、絶縁性部材４の一端、他端または両端が塞がっている形状であってもよい。言い換えると、絶縁性部材４は、筒状部４０と筒状部４０の一端、他端または両端の開口を塞ぐ部分とを有していてもよい。図２に示すように、変形例１のヒータ１００においては、絶縁性部材４の一端が金属蓋１１の内面の全体に接している。そして、絶縁性部材４の他端が、金属筒３の他端の開口にまで設けられている。そして、金属筒３の他端側において、絶縁性部材４が絶縁カバー１０、電極６およびリード７のチューブ９の一部ごとセラミック体１を囲むとともに、セラミック体１の他端部に接触するように隙間なく設けられている。このように、セラミック体１の全体が絶縁性部材４に覆われていることによって、セラミック体１を気密に封止することができる。その結果、ヒータ１００におけるセラミック体１の耐環境性を向上させることができる。
　なお、本変形例においては、ヒータ１００が前述の実施形態と同様に絶縁カバー１０を備えているが、特にこれに限られない。具体的には、ヒータ１００が絶縁カバー１０を備えておらず、絶縁性部材４が直接的に電極６を覆っていてもよい。これは、絶縁性部材４がセラミック体１の全体を電極６ごと覆っていることによって、電極６と金属筒３との間の絶縁性を確保することができるためである。
　また、本変形例においては、前述の実施形態とは異なり、ヒータ１００が空隙１２を備えていないが、特にこれに限られない。前述の実施形態と同様に空隙１２を備えていてもよい。これにより、セラミック体１と金属蓋１１との熱膨張差に起因する熱応力を低減できる。
　本変形例における絶縁性部材４は、以下のように形成することができる。具体的には、セラミック体１上に設けられた電極６上にリード７を配置し、銀銅ろうまたは銀ろうを用いて接合する。その後、ろう付け部を含む電極６を覆うようにフッ素樹脂性の絶縁カバー１０を配置する。このように、電極６、リード７および絶縁カバー１０が取り付けられたセラミック体１を金属筒３内に位置させてから、アルミナまたは窒化アルミニウム等のセラミックスを粉砕したもの（セラミックスの粉体）に無機接着剤と水とを混合し、スラリー溶液状にしたものをセラミック体１と金属筒３の隙間に気泡ができないように金属筒３の上面まで充填する。充填後、１００℃以下の温度で３０分ほど予備乾燥を行いスラリー溶液中の水分をゆっくりと蒸発させる。１００℃以上の急激な乾燥は水分の沸騰により内部に気泡が発生し、強度、外観の低下を招くため予備乾燥の温度は７０～８０℃が好ましい。予備乾燥の後に、無機接着剤成分の乾燥のため２５０℃で３０分の乾燥を行って、これらを硬化させる。その結果、絶縁性部材４を形成することができる。なお、上述の実施形態のヒータ１００のように、絶縁性部材４がセラミックスから成っていてもよいし、有機接着剤から成っていてもよい。
　＜変形例２＞
　ヒータ１００の変形例２について説明する。前述の実施形態のヒータ１００においては、絶縁性部材４が１つの部材であったが、これに限られない。具体的には、絶縁性部材４の筒状部４０が、それぞれ筒状の第１部分４１および第２部分４２を備えていてもよい。図３に示すように、変形例２のヒータ１００においては、絶縁性部材４の筒状部４０が第１部分４１および第２部分４２を備えている。第１部分４１は、金属筒３のうち一端側に設けられているとともに、第２部分４２は、金属筒３のうち他端側に設けられている。第１部分４１と第２部分４２はそれぞれ筒状であって、第１部分４１の端面と第２部分４２の端面とが接している。このように、絶縁性部材４が複数の部位から成ることによって、絶縁性部材４のうち１つの部位（例えば、第１部分４１）にクラックが発生したとしても、クラックの進行を２つの部位（第１部分４１および第２部分４２）の間で止めることができるので、クラックが他の部位（例えば、第２部分４２）に進行してしまう可能性を低減できる。その結果、絶縁性部材４に生じたクラックが絶縁性部材４中を進行することによって絶縁性部材４に大きな変形が生じる可能性を低減できる。
　また、本変形例においては、発熱抵抗体２がセラミック体１の一端側に設けられているとともに、第１部分４１がセラミック体１のうち発熱抵抗体２が設けられている部分の全体を囲んで配置されている。第１部分４１が発熱抵抗体２を囲んでいることによって、発熱抵抗体２で発せられた熱の多くは第１部分４１に伝わる。さらに、絶縁性部材４は、第１部分４１と第２部分４２とに別々に形成されていることによって、第１部分４１と第２部分４２との間に界面が存在することから、第１部分４１から第２部分４２への熱の伝達が低減されている。そのため、発熱抵抗体２で発せられた熱が第２部分４２を伝わって、ヒータ１００の他端側に逃げてしまうことを低減できる。
　第１部分４１と第２部分４２とは、同じ材料によって形成することができるが、異なる材料によって形成されていてもよい。第１部分４１と第２部分４２とが異なる材料から成る場合には、例えば、第１部分４１の熱伝導率が第２部分４２の熱伝導率よりも大きいことが好ましい。第１部分４１の熱伝導率が大きいことによって、発熱抵抗体２から発せられた熱をすばやく金属筒３に伝えることができる。また、第２部分４２の熱伝導率が小さいことによって、発熱抵抗体２から発せられた熱がリード７側から外部に逃げてしまうことを低減できる。これらの結果、ヒータ１００の昇温速度を向上させることができる。
　第１部分４１の熱伝導率を第２部分４２の熱伝導率よりも大きくする方法としては、例えば、無機接着剤中に含めるセラミックスの粉体の量を第１部分４１と第２部分４２とで変えればよい。より具体的には、例えば、無機接着剤が水分散シリカゾルでありセラミックスがアルミナの場合には、第１部分４１におけるアルミナの量を第２部分４２におけるアルミナの量よりも多くすればよい。また、セラミックスの粉体または無機接着剤の材料を第１部分４１と第２部分４２とで異ならせることによって、熱伝導率を調整してもよい。
　さらに、第１部分４１の熱伝導率を第２部分４２の熱伝導率よりも大きくする別の方法としては、例えば、無機接着剤中の気泡の割合を、第１部分４１よりも第２部分４２の方が大きくなるように調整すればよい。無機接着剤中の気泡を多くすることによって、第２部分４２の熱伝導率を小さくすることができる。さらに、第２部分における気泡を多くすることによって、第２部分において熱応力を吸収しやすくすることができるので、生じた熱応力がリード７等に及ぶ可能性を低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上させることができる。
　なお、本変形例においては、ヒータ１００が前述の実施形態と同様に絶縁カバー１０を備えているが、特にこれに限られない。具体的には、ヒータ１００が絶縁カバー１０を備えておらず、絶縁性部材４が直接的に電極６を覆っていてもよい。これは、絶縁性部材４がセラミック体１の全体を電極６ごと覆っていることによって、電極６と金属筒３との間の絶縁性を確保することができるためである。
　また、本変形例においては、前述の実施形態とは異なり、ヒータ１００が空隙１２を備えていないが、特にこれに限られない。前述の実施形態と同様に空隙１２を備えていることが好ましく、これにより、セラミック体１と金属蓋１１との熱膨張差に起因する熱応力を低減できる。
　第１部分４１および第２部分４２は、以下のようにして作製することができる。まず、金属蓋１１で一端の開口を塞いだ金属筒３に、電極６、リード７および絶縁カバー１０が取付られた電極セラミック体１を挿入する。その後、金属筒３の一端側にアルミナまたは窒化アルミニウム等のセラミックスを粉砕したもの（セラミックスの粉体）に無機接着剤と水とを混合し、スラリー溶液状にしたものを充填する。その後、１００℃以下で３０分間スラリー溶液中の水分をゆっくりと蒸発させた後に、高温環境化で乾燥させて硬化させることによって第１部分４１を形成する。次に、アルミナまたは窒化アルミニウム等のセラミックスを粉砕したものに無機接着剤と水とを混合し、スラリー溶液状にしたものを充填した後に１００℃以下で３０分間スラリー溶液中の水分をゆっくりと蒸発させた後に、高温環境化で乾燥させて硬化させることによって第２部分４２を形成する。なお、上述の実施形態のヒータ１００のように、絶縁性部材４がセラミックスから成っていてもよいし、有機接着剤から成っていてもよい。
１００：ヒータ
１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：金属筒
４：絶縁性部材
４０：筒状部
４１：第１部分
４２：第２部分
５：導出部
６：電極
７：リード
８：ろう材
９：チューブ
１０：絶縁カバー
１１：金属蓋
１２：空隙

Claims (10)

  1. 　柱状または筒状のセラミック体と、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金属筒と、前記セラミック体および前記金属筒の間に配置され、内周面が前記セラミック体の外周面に、および外周面が前記金属筒の内周面に接している筒状部を有する絶縁性部材とを備えたヒータ。
  2. 　前記筒状部が、それぞれ筒状の第１部分および第２部分を備えるとともに、前記第１部分が前記セラミック体の一端側に配置されているとともに、前記第２部分が前記セラミック体の他端側に配置されている請求項１に記載のヒータ。
  3. 　前記発熱抵抗体が前記セラミック体の一端側に設けられているとともに、前記第１部分が前記セラミック体のうち前記発熱抵抗体が設けられている部分の全体を囲んで配置されている請求項１または請求項２に記載のヒータ。
  4. 　前記金属筒の一端を塞ぐ金属蓋を備えるとともに、前記金属蓋と前記セラミック体との間に空隙を有している請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
  5. 　前記セラミック体と前記金属筒とが前記絶縁性部材によって接合されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
  6. 　前記絶縁性部材における空隙率が前記セラミック体における空隙率よりも大きい請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
  7. 　前記絶縁性部材は、前記セラミック体の主成分と同じセラミック材料を含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。
  8. 　前記絶縁性部材が無機硬化物である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒータ。
  9. 　前記絶縁性部材が有機接着剤からなる接合層である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒータ。
  10. 　前記接合層中にセラミックスの粉体を含んでいる請求項９に記載のヒータ。
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