WO2019004089A1 - ヒータ - Google Patents
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- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
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- H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
- H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
- H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
Definitions
- the present disclosure relates to, for example, a heater used for fluid heating, powder heating, gas heating, an oxygen sensor, a solder iron and the like.
- a heater comprising: a rod-like or cylindrical ceramic body; and a heating resistor located inside the ceramic body, the heating resistor including a first resistor and a second resistor disposed in parallel. It has been known.
- the heater of the present disclosure includes a rod-like or cylindrical ceramic body and a heating resistor located inside the ceramic body.
- the heat generating resistor includes a first resistor and a second resistor which are repeatedly folded back and forth between the front end and the rear end along the circumferential direction of the ceramic body, and arranged in parallel with each other. There is. And, the specific resistance of the first resistor and the specific resistance of the second resistor are different.
- FIG. 1 It is a schematic perspective view which shows an example of a heater. It is a partially broken perspective view of the heater shown in FIG. It is sectional drawing cut
- the resistance value of the first resistor and the resistance value of the second resistor arranged in parallel are set to the same value, and the variation of the adjustment of the setting temperature is small.
- This indication is made in view of the above-mentioned situation, and there are many variations of adjustment of preset temperature, and it aims at providing a heater which can raise a rate of temperature rise.
- FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a heater
- FIG. 2 is a partially broken perspective view of the heater shown in FIG.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III shown in FIG.
- FIG. 4 is a development view showing a pattern of the heating resistor shown in FIG.
- the heater of the present disclosure shown in FIGS. 1 to 4 includes a rod-like or cylindrical ceramic body 1 and a heating resistor 2 located inside the ceramic body 1.
- Heating resistor 2 includes first resistor 21 and second resistor 22 which are repeatedly folded back and forth between the front end and the rear end along the circumferential direction of ceramic body 1 and arranged parallel to each other. It is.
- the specific resistance of the first resistor 21 and the specific resistance of the second resistor 22 are different.
- the ceramic body 1 is a rod-like or cylindrical member having a longitudinal direction.
- rod shape cylindrical shape or prismatic shape etc. are mentioned, for example.
- the rod-like shape includes, for example, a plate-like shape elongated in a specific direction.
- cylindrical shape cylindrical shape or square cylinder shape is mentioned, for example.
- the ceramic body 1 is cylindrical.
- the length of the ceramic body 1 is set to, for example, 20 mm to 60 mm.
- the diameter in the case where the ceramic body 1 has a cylindrical outer diameter in cross section or a circular cross section is set to, for example, 2.5 mm to 5.5 mm.
- the heater is used to bring the object to be heated into contact with the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the ceramic body 1 for heating.
- the heater is used so as to bring the object to be heated into contact with the outer peripheral surface of the ceramic body 1 to heat it.
- the ceramic body 1 is made of an insulating ceramic material.
- the insulating ceramic material include alumina, silicon nitride and aluminum nitride. It is possible to use alumina, which has oxidation resistance and is easy to manufacture, silicon nitride in terms of high strength, high toughness, high insulation and heat resistance, and aluminum nitride in terms of excellent thermal conductivity.
- the ceramic body 1 may contain a compound of a metal element contained in the heating resistor 2. For example, when the heating resistor 2 contains tungsten or molybdenum, the ceramic body 1 may contain WSi 2 or MoSi 2 may be included.
- the ceramic body 1 has, for example, a rod-like or cylindrical core material 11 and a surface layer 12 provided so as to cover the side surface of the core material 11.
- the heat generating resistor 2 When the heat generating resistor 2 is embedded in the ceramic body 1 and the ceramic body 1 includes the core 11 and the surface layer 12, the heat generating resistor 2 may be, for example, the core 11 and the surface layer 12. Placed between.
- the heating resistor 2 generates heat when a current flows and heats the ceramic body 1.
- the heating resistor 2 is a conductor mainly composed of a high melting point metal such as tungsten (W), molybdenum (Mo), rhenium (Re), or the like.
- the dimensions of the heat generating resistor 2 are, for example, 0.3 mm to 2 mm in width and 0.01 mm to 0.1 mm in thickness, and the total length of the lengths of all the heat generating resistors 2 is set to 500 mm to 5000 mm. be able to. These dimensions are appropriately set depending on the heat generation temperature of the heat generating resistor 2, the voltage applied to the heat generating resistor 2, and the like.
- the heating resistor 2 is disposed so as to generate the most heat on the tip end side of the ceramic body 1.
- the heating resistor 2 has a folded portion (serpentine portion) provided along the circumferential direction while being repeatedly folded in the length direction on the tip side of the ceramic body 1 .
- the heat generating resistor 2 is a pair of linear portions on the rear end side of the folded portion, and is electrically connected to a lead-out portion described later at the rear end portions of the respective linear portions.
- the shape of the cross section of the heat generating resistor 2 may be any shape such as a circle, an ellipse, or a rectangle.
- the heating resistor 2 may not be a pattern in which the folded back portion is repeatedly folded only on the front end side, but may be a pattern in which the back end side repeatedly reciprocates between the front end side and the rear end side.
- the heating resistor 2 may be formed by using the same material as the folded-back portion on the front end side and the pair of linear portions on the rear end side. Moreover, in order to suppress unnecessary heat generation, the cross-sectional area of the linear part is made larger than the cross-sectional area of the folded part, or the content of the material of the ceramic body 1 contained in the linear part is reduced. The resistance per unit length of the linear portion may be smaller than that of the folded portion. It should be noted that whether or not it has such a configuration, the tip of the folded portion (a portion close to the tip of the ceramic body 1) and the portion adjacent to the lead portion of the linear portion are cut out. This can be determined by measuring the resistance value of.
- the lead-out portion is, for example, a through-hole conductor, one end of which is electrically connected to the rear end portion of the heat generating resistor 2 and the other end is drawn to the side surface on the rear end side of the ceramic body 1.
- the lead portion may be made of the same material as the heating resistor 2 or may be made of a material having a lower resistance than the heating resistor 2. In FIG. 1 to FIG. 4, the lead-out portion is omitted.
- An electrode pad 3 is provided on the side surface on the rear end side of the ceramic body 1 as necessary, and is electrically connected to a lead-out portion located inside the ceramic body 1. And a lead terminal is joined to electrode pad 3, and it electrically connects with an external circuit (external power supply).
- an external circuit external power supply
- the electrode pad 3 is provided at each part.
- the common pad is connected to one end of both the first resistor 21 and the second resistor 22 described later via the lead-out portion. It is the first pad 31.
- the second pad 32 is connected to the other end of the first resistor 21 described later via a lead-out portion, and the other end of the second resistor 22 described later is connected via the lead-out portion
- the third pad 33 is present.
- the electrode pad 3 may be made only of a conductor layer containing, for example, molybdenum (Mo) or tungsten (W), and the surface of the conductor layer may be provided with a plating layer containing, for example, Ni-B or Au.
- the electrode pad 3 has a thickness of, for example, 50 ⁇ m to 300 ⁇ m.
- the length and width of the electrode pad 3 are, for example, 5 mm to 10 mm.
- the heating resistor 2 is repeatedly folded back and forth between the front end and the rear end along the circumferential direction of the ceramic body 1, and the first resistors 21 arranged parallel to each other And a second resistor 22.
- the first resistor 21 is disposed on the tip end side of the ceramic body 1 as the pattern of the heating resistor 2, and the second resistor 22 is arranged along the first resistor 21. It is arranged parallel to the end side.
- the amount of heat generation can be increased by simultaneously applying a voltage to a plurality of heating resistors (the first resistor 21 and the second resistor 22) can do. That is, the calorific value can be adjusted. In the structure in which the first resistor 21 and the second resistor 22 are connected in parallel, more current flows and more heat is generated in the resistor having a low resistance value.
- the resistivity of the first resistor 21 and the resistivity of the second resistor 22 are different.
- the state in which only the first resistor 21 generates heat the state in which only the second resistor 22 generates heat, the first resistor 21 and the second resistor
- Three types of temperatures can be set in a state where both of the elements 22 generate heat. This makes it possible to more accurately control the temperature of an object such as a fluid, powder, or gas to be heated.
- the widths of the first resistor 21 and the second resistor 22 are used. It was difficult to make the thickness largely different due to the size of the ceramic body 1 and the arrangement of the heating resistor 2. For example, it has been difficult to make the heat generation temperature of the second resistor 22 considerably higher than the heat generation temperature of the first resistor 21. Therefore, when it was desired to rapidly raise the heater, it took time to reach the desired temperature.
- the heater of the present disclosure it is possible to set a combination of resistance values that improve the temperature rising rate.
- the resistance value of the second resistor 22 is set to a first resistance value.
- the resistance value of the resistor 21 can be set smaller.
- the ceramic body 1 may have a slit-like recess 13 extending from the front end to the rear end on the outer peripheral surface.
- the depth of the recess 13 (the thickness of the surface layer 12) is, for example, 0.1 mm to 1.5 mm.
- the opening width of the recess 13 is, for example, 0.3 mm to 2 mm.
- the opening width means the length of a curve along the outer diameter in the cross section of the ceramic body 1 when the ceramic body 1 has a cylindrical shape or a circular shape in cross section.
- the slit-like concave portion 13 is usually provided with a portion without a part of the surface layer portion 12 surrounding the core material 11, and is formed with a groove-like portion in which the surface of the core material 11 is exposed. Therefore, the heat generating resistor 2 (the first resistor 21 and the second resistor 22) is usually not disposed in the recess 13.
- the first resistor 21 is disposed to a position closer to the slit-like recess 13 than the second resistor 22 and the specific resistance of the first resistor 21 is the second resistance. It may be smaller than the specific resistance of the body 22.
- the slit-like recess 13 In the configuration in which the first resistor 21 and the second resistor 22 are arranged in parallel, if the resistance value of the resistor is small, a large amount of current flows, and the amount of heat generated is large. Therefore, when the specific resistance of the first resistor 21 located at a position close to the slit-like recess 13 is smaller than the specific resistance of the second resistor 22, the slit-like recess in which the heating resistor 2 is not disposed The temperature of 13 can be raised. Thereby, the temperature distribution on the outer peripheral surface of the ceramic body 1 is made uniform, and the thermal stress can be reduced, so that the durability is improved.
- the resistivity of the first resistor 21 is, for example, 20 to 80% of the resistivity of the second resistor 22.
- a material such as a tungsten-molybdenum alloy can be used as the first resistor 21, and a material such as a tungsten-rhenium alloy can be used as the second resistor 22.
- the conductor material may be the same, and more ceramic particles of the same component as the ceramic body 1 may be added to the second resistor 22 than to the first resistor 21.
- the specific resistance of the first resistor 21 can be made smaller than that.
- the ceramic particles having the same components as the ceramic body 1 are particles mainly composed of alumina when the ceramic body 1 is made of alumina, and particles mainly composed of silicon nitride when the ceramic body 1 is made mainly of silicon nitride.
- the ceramic body 1 is made of aluminum nitride, it means particles containing aluminum nitride as a main component.
- the conductor material is the same, and by making the conductor particles contained in the first resistor 21 finer than the conductor particles contained in the second resistor 22, it is possible to carry out rather than the second resistor 22.
- the specific resistance of the first resistor 21 can be reduced.
- the specific resistance of the first resistor 21 can be obtained.
- the specific resistance of the second resistor 22 may be smaller. According to this configuration, the temperature of the end portion of the ceramic body 1 which can easily dissipate heat can be increased, so that the temperature distribution on the outer peripheral surface of the ceramic body 1 can be made uniform and the thermal stress can be reduced. .
- the average particle diameter of the conductive particles constituting the first resistor 21 is the second resistor 22.
- the first resistor 21 includes the first conductor particles
- the second resistor includes the second conductor particles
- the average diameter of the first conductor particles is larger than the average diameter of the second conductor particles. It may be large.
- the first resistor 21 having a smaller specific resistance generates heat more rapidly than the second resistor 22, so the thermal stress due to the thermal expansion difference between the heating resistor 2 and the ceramic body 1 In the interface, it is easy to crack.
- the average particle diameter of the conductor particles constituting the first resistor 21 is larger than the average particle diameter of the conductor particles constituting the second resistor 22, a gap is formed between the conductor particles. The thermal stress can be absorbed easily by the gap, and the durability is improved.
- the conductor particles include tungsten particles and molybdenum particles.
- the average particle diameter of the conductor particles constituting the second resistor 22 is set to, for example, 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m. And when the average particle diameter of the conductor particle which comprises the 2nd resistor 22 is 1 micrometer, the average particle diameter of the conductor particle which comprises the 1st resistor 21 with respect to the said 2nd resistor 22 is for example It is set to 50% to 90%.
- the line width of the first resistor 21 may be narrowed (narrowed) gradually or stepwise as it approaches the slit-like recess 13.
- the amount of heat generated in the portion where the line width is smaller than the other portions is Become more.
- the temperature in the vicinity of the slit-like concave portion 13 becomes high, the temperature distribution on the outer peripheral surface of the ceramic body 1 becomes uniform, the thermal stress is alleviated, and the durability is improved.
- each part means a part in the circumferential direction of the ceramic body 1. If the position of the circumferential part is the same and the line width changes along the length direction, measure the line width at the tip of the length direction, the line width at the center, and the line width at the rear end. It is determined that the line width of the portion in the circumferential direction is determined as the average.
- the line width of the second resistor 22 is substantially constant throughout. Furthermore, the line width of the first resistor 21 located on the side closer to the slit-like recess 13 is thinner than the line width of the first resistor 21 located on the side farther from the slit-like recess 13. There is. Further, even the line width of the narrowest portion of the first resistor 21 is wider (wider) than the line width of the second resistor 22. Thereby, the amount of heat generated in the vicinity of the slit-like recess 13 can be increased.
- the form in which the line width is narrowed (narrowed) gradually or stepwise as the first resistor 21 approaches the slit-like recess 13 is not limited to the form shown in FIG. It may be applied when the line width of the body 21 is narrower (narrower) than the line width of the second resistor 22. At this time, the line width of the first resistor 21 may be narrower (narrower) than the line width of the second resistor 22 throughout. Further, the portion (central portion in FIG.
- farthest from the slit-like concave portion 13 in the first resistor 21 has a wider (wider) line width than the second resistor 22, and the first resistance
- the line width may be narrower (narrower) than that of the second resistor 22 at a portion close to the slit-like concave portion 13 in the body 21 (a portion where the line width becomes the narrowest).
- the first resistor 21 and the second resistor 22 have ceramic particles contained in the ceramic body 1.
- the second resistor 22 may have more ceramic particles than the first resistor 21.
- the ceramic body 1 is made of alumina ceramic.
- ceramic prepared contain a sintering aid such as ZrO 2
- the rally is formed into a sheet, and a ceramic green sheet to be the surface layer portion 12 of the ceramic body 1 is produced.
- a pattern of a resistor paste to be the heat generating resistor 2 is formed on one main surface of the ceramic green sheet using a method such as screen printing. Also, on the surface of the ceramic green sheet opposite to the surface on which the heat generating resistor 2 is formed, a conductor paste to be the electrode pad 3 is formed in a predetermined pattern shape in the same manner as the heat generating resistor 2. Further, the ceramic green sheet is subjected to hole processing for electrically connecting the heat generating resistor 2 and the electrode pad 3 and filling with a conductor paste for forming a through hole conductor as a lead-out portion.
- the patterns of the heating resistor 2 are arranged in parallel from the first pad 31 to the patterns of a plurality of resistors (the first resistor 21 and the second resistor 22).
- the loop is repeatedly folded back and forth between the front end and the rear end along the circumferential direction of the and arranged parallel to each other.
- the resistor paste and the conductor paste can be prepared by mixing and kneading a ceramic raw material, a binder, an organic solvent and the like with a high melting point metal such as W, Mo, Re which can be prepared by co-firing with the ceramic body 1.
- a high melting point metal such as W, Mo, Re which can be prepared by co-firing with the ceramic body 1.
- the heat generation position of the heat generating resistor 2 is changed by changing the length of the pattern of the resistor paste or conductive paste serving as the resistor, the distance / interval of the folded pattern, and the line width of the pattern according to the application of the heater.
- the resistance value can be set to a desired value.
- the first type of resistor paste is After screen printing so as to become the first resistor 21, wait for the resistor paste to dry, and screen print the second type of resistor paste so as to become the second resistor 22.
- a cylindrical or cylindrical alumina ceramic molded body to be the core material 11 is molded by extrusion molding.
- an adhesive liquid in which an alumina ceramic having the same composition is dispersed is applied to the core material 11 (alumina ceramic molded body), and the alumina ceramic green sheet to be the surface layer portion 12 described above is wound and adhered.
- the core material 11 alumina ceramic molded body
- the alumina ceramic green sheet to be the surface layer portion 12 described above is wound and adhered.
- the end of the alumina ceramic green sheet (surface layer 12) wound around the core 11 A gap may be provided between the end and the end.
- the alumina integrated molding thus obtained is fired, for example, at 1500 ° C. to 1600 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere such as hydrogen gas, a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas (forming gas), etc. Make a body.
- a Ni plating film is provided on the electrode pad 3 on the outer peripheral surface of the ceramic body 1 by, for example, electrolytic plating.
- a lead terminal made of, for example, Ni as a feeding portion is joined to the electrode pad 3 using Ag brazing, solder or the like as a brazing material.
- the lead terminal only the portion required for bonding may be removed from the insulating material coated in advance, and the removed portion may be connected to the electrode pad 3.
- an insulating tube may be provided on the Ni wire.
- the heater of this embodiment can be obtained by the above method.
Landscapes
- Resistance Heating (AREA)
Abstract
本開示のヒータは、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に位置する発熱抵抗体２とを備え、発熱抵抗体２は、セラミック体１の周方向に沿って先端と後端との間で繰り返し折り返して往復し、互いに並行に配置された第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２を含み、第１の抵抗体２１の比抵抗と第２の抵抗体２２の比抵抗とが異なっている。
Description
本開示は、例えば、流体加熱，粉体加熱，気体加熱，酸素センサ，半田ゴテ等に用いられるヒータに関する。
棒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位置する発熱抵抗体とを備え、該発熱抵抗体は並列に配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体を含む構成のヒータが知られている。
本開示のヒータは、棒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位置する発熱抵抗体とを備えている。また、発熱抵抗体は、前記セラミック体の周方向に沿って先端と後端との間で繰り返し折り返して往復し、互いに並行に配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体を含んでいる。そして、前記第１の抵抗体の比抵抗と前記第２の抵抗体の比抵抗とが異なっている。
従来のヒータは、並列に配置された第１の抵抗体の抵抗値および第２の抵抗体の抵抗値が同じ値に設定されており、設定温度の調整のバリエーションが少なかった。また、従来のヒータは、昇温時に所望の温度に到達するまでに時間がかかっており、さらなる昇温速度の向上が望まれていた。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、設定温度の調整のバリエーションが多く、昇温速度を向上させることのできるヒータを提供することを目的とする。
以下、本実施形態のヒータの一例について図面を参照して説明する。
図１はヒータの一例を示す概略斜視図、図２は図１に示すヒータの一部破断斜視図である。また、図３は図１に示すIII－III線で切断した断面図である。また、図４は図１に示す発熱抵抗体のパターンを示す展開図である。
図１～図４に示す本開示のヒータは、棒状または筒状のセラミック体１とセラミック体１の内部に位置する発熱抵抗体２とを備える。発熱抵抗体２は、セラミック体１の周方向に沿って先端と後端との間で繰り返し折り返して往復し、互いに並行に配置された第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２を含んでいる。そして、第１の抵抗体２１の比抵抗と第２の抵抗体２２の比抵抗とが異なっている。
セラミック体１は、長手方向を有する棒状または筒状の部材である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう棒状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。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。本例のヒータにおいては、セラミック体１は円筒状である。セラミック体１の長さは、例えば２０ｍｍ～６０ｍｍに設定される。セラミック体１が断面円筒状の外径または断面円形状の場合の直径は、例えば２．５ｍｍ～５．５ｍｍに設定される。
セラミック体１が筒状（円筒状）である場合には、ヒータはセラミック体１の内周面または外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。また、セラミック体１が棒状の場合は、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加熱するように用いられる。
セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ，窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。耐酸化性があって製造しやすいという点ではアルミナ、高強度，高靱性，高絶縁性および耐熱性に優れるという点では窒化珪素、熱伝導率に優れるという点では窒化アルミニウムを用いることができる。なお、セラミック体１には発熱抵抗体２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２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、セラミック体１にＷＳｉ2またはＭｏＳｉ2が含まれていてもよい。
セラミック体１は、例えば、棒状または筒状の芯材１１と、芯材１１の側面を覆うように設けられた表層部１２とを有している。
また、セラミック体１の内部には発熱抵抗体２が埋設されていて、セラミック体１が芯材１１と表層部１２とを含む構成の場合、発熱抵抗体２は例えば芯材１１と表層部１２との間に配置される。
発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱してセラミック体１を加熱するものである。発熱抵抗体２は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），レニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体である。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３ｍｍ～２ｍｍ、厚みを０．０１ｍｍ～０．１ｍｍとされ、全ての発熱抵抗体２の長さを合わせた全長が５００ｍｍ～５０００ｍｍと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。
また、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側で最も発熱するように配置される。図１～図４に示す例では、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側において長さ方向に繰り返して折り返しながら周方向に沿って設けられた折返し部（蛇行部）を有している。また、発熱抵抗体２は、折返し部の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部において後述する引出部と電気的に接続されている。発熱抵抗体２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。発熱抵抗体２は、繰り返して折り返す折返し部が先端側だけにあるパターンではなく、先端側と後端側との間を繰り返して往復するパターンであってもよい。
発熱抵抗体２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てもよい。また、不要な発熱を抑えるために、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１の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。なお、このような構成になっているかどうかは、折返し部のうちの先端部（セラミック体１の先端に近接する部位）と、直線状部のうちの引出部に隣接する部位とを切り出し、それぞれの抵抗値を測定することで判別できる。
セラミック体１の後端側には引出部が埋設されている。引出部は、例えばスルーホール導体で、一端が発熱抵抗体２の後端部と電気的に接続されているとともに他端がセラミック体１の後端側の側面に引き出されている。引出部は、発熱抵抗体２と同様の材料でもよく、発熱抵抗体２よりも抵抗値の低い材料でもよい。なお、図１～図４では、引出部は省略している。
セラミック体１の後端側の側面には、必要により電極パッド３が設けられて、セラミック体１の内部に位置する引出部と電気的に接続されている。そして、電極パッド３にリード端子が接合されて、外部回路（外部電源）と電気的に接続される。図１～図４に示す例では、引出部が引き出された部位が３箇所あって、それぞれの部位において電極パッド３が設けられている。ここで、図４における３箇所の電極パッド３のうち、後述する第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２の両方の一端に引出部を介して接続されているのが共通パッドとしての第１パッド３１である。また、後述する第１の抵抗体２１の他端に引出部を介して接続されているのが第２パッド３２、後述する第２の抵抗体２２の他端に引出部を介して接続されているのが第３パッド３３である。
電極パッド３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）を含む導体層のみからなるものでもよく、当該導体層の表面に例えばＮｉ－ＢまたはＡｕを含むメッキ層が設けられたものでもよい。この電極パッド３は、例えば５０μｍ～３００μｍの厚みとされている。電極パッド３の長さおよび幅は例えば５ｍｍ～１０ｍｍとされる。
そして、図４に示すように、発熱抵抗体２は、セラミック体１の周方向に沿って先端と後端との間で繰り返し折り返して往復し、互いに並行に配置された第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２を含んでいる。図４に示す例では、発熱抵抗体２のパターンとして、第１の抵抗体２１がセラミック体１の先端側に配置され、第２の抵抗体２２がこの第１の抵抗体２１に沿って後端側に並行に配置されている。
このような構成により、使用温度が低い場合は一方の発熱抵抗体（例えば第１の抵抗体２１）のみに電圧を印加して発熱量を抑えることができる。また、より高温で使用したり急速に昇温させたりする場合は、複数の発熱抵抗体（第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２）を同時に電圧印加することで発熱量を上げたりすることができる。すなわち、発熱量を調整できる。なお、第１の抵抗体２１と第２の抵抗体２２とが並列に接続された構造においては、抵抗値の低い抵抗体のほうが電流は多く流れ、より発熱するようになっている。
さらに、第１の抵抗体２１の比抵抗と第２の抵抗体２２の比抵抗とは異なっている。
第１の抵抗体２１の比抵抗と第２の抵抗体２２の比抵抗とが同じである従来構造のヒータにあっては、設定温度の調整のバリエーションが少なかった。例えば、第１の抵抗体２１または第２の抵抗体２２のいずれかが発熱する状態と、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２の両方が発熱する状態とで、２種類の温度の設定しかできなかった。
これに対し、本開示のヒータによれば、第１の抵抗体２１のみが発熱する状態と、第２の抵抗体２２のみが発熱する状態と、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２の両方が発熱する状態とで、３種類の温度を設定することができる。これにより、加熱される流体、粉体、気体など対象物の温度制御をより正確に行うことができる。
また、第１の抵抗体２１の比抵抗と第２の抵抗体２２の比抵抗とが同じである従来構造のヒータにあっては、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２の幅や厚みを大きく異ならせることがセラミック体１の大きさや発熱抵抗体２の配置の制限によって難しかった。例えば第１の抵抗体２１の発熱温度に対して第２の抵抗体２２の発熱温度をかなり高くすることが難しかった。したがって、ヒータを急速に昇温させたいときに、所望の温度に到達するのに時間がかかっていた。
これに対し、本開示のヒータによれば、昇温速度を向上させるような抵抗値の組み合わせを設定することができる。例えば、第１の抵抗体２１を主加熱パターンとし、第２の抵抗体２２を昇温速度を大きくするための補助加熱パターンとした場合に、第２の抵抗体２２の抵抗値を第１の抵抗体２１の抵抗値よりも小さく設定することができる。これにより、第１の抵抗体２１よりも第２の抵抗体２２に電流が多く流れ、第１の抵抗体２１の発熱量よりも第２の抵抗体２２の発熱量が多くなる。よって、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２の両方を発熱させて急速に昇温させたいときに、所望の温度に短時間で到達できる。したがって、ヒータの昇温速度が向上してより応答性がよくなる。
ここで、図１～図４に示すように、セラミック体１は、外周面に先端から後端に向かって伸びるスリット状の凹部１３を有していてもよい。このとき、凹部１３の深さ（表層部１２の厚み）は例えば０．１ｍｍ～１．５ｍｍとされる。また、凹部１３の開口幅は例えば０．３ｍｍ～２ｍｍとされる。なお、開口幅とは、セラミック体１が断面円筒状または断面円形状の場合は、セラミック体１の横断面における外径に沿った曲線の長さのことを意味する。
スリット状の凹部１３は、通常、芯材１１を取り囲む表層部１２の一部がない部分が設けられ、芯材１１の表面が露出するような溝状の部分ができてなるものである。したがって、凹部１３には、発熱抵抗体２（第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２）は配置されていないのが通常である。
このような場合において、第１の抵抗体２１が第２の抵抗体２２よりもスリット状の凹部１３に近い位置まで配置されており、第１の抵抗体２１の比抵抗のほうが第２の抵抗体２２の比抵抗よりも小さくなっていてもよい。
第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２が並列に配置された構成においては、抵抗体の抵抗値が小さいと電流が多く流れるため、発生する熱量が多くなる。したがって、スリット状の凹部１３に近い位置にある第１の抵抗体２１の比抵抗のほうが第２の抵抗体２２の比抵抗よりも小さいと、発熱抵抗体２が配置されていないスリット状の凹部１３の温度を上げることができる。これにより、セラミック体１の外周面の温度分布が均一化され、熱応力を低減できるため、耐久性が向上する。
このとき、第１の抵抗体２１の比抵抗は第２の抵抗体２２の比抵抗の例えば２０～８０％とされる。このような関係とするために、例えば、第１の抵抗体２１としてタングステン－モリブデン合金などの材料を用い、第２の抵抗体２２としてタングステン－レニウム合金などの材料を用いることができる。
また、導体材料は同じで、第１の抵抗体２１よりも第２の抵抗体２２にセラミック体１と同じ成分のセラミック粒子を多く添加してもよく、この構成によっても第２の抵抗体２２よりも第１の抵抗体２１の方の比抵抗を小さくできる。なお、セラミック体１と同じ成分のセラミック粒子とは、セラミック体１がアルミナからなる場合はアルミナを主成分とする粒子を、セラミック体１が窒化珪素からなる場合は窒化珪素を主成分とする粒子を、セラミック体１が窒化アルミニウムからなる場合は窒化アルミニウムを主成分とする粒子を意味する。
さらに、導体材料は同じで、第２の抵抗体２２に含まれる導体粒子よりも第１の抵抗体２１に含まれる導体粒子のほうを微粒にすることによっても、第２の抵抗体２２よりも第１の抵抗体２１の方の比抵抗を小さくできる。
また、図４に示すように、第１の抵抗体２１が第２の抵抗体２２よりもセラミック体１の先端に近い位置まで配置されている場合において、第１の抵抗体２１の比抵抗のほうが第２の抵抗体２２の比抵抗よりも小さくなっていてもよい。この構成によれば、放熱しやすいセラミック体１の先端部の温度を上げることができるので、セラミック体１の外周面の温度分布が均一化され、熱応力を低減できるため、耐久性が向上する。
また、第１の抵抗体２１の比抵抗のほうが第２の抵抗体２２の比抵抗よりも小さい場合において、第１の抵抗体２１を構成する導体粒子の平均粒径が第２の抵抗体２２を構成する導体粒子の平均粒径よりも大きくなっていてもよい。
言い換えると、第１の抵抗体２１は第１導体粒子を含み、第２の抵抗体は第２導体粒子を含むとともに、第１導体粒子の平均粒径が第２導体粒子の平均粒径よりも大きくてもよい。
発熱抵抗体２のうち、比抵抗の小さい第１の抵抗体２１のほうが第２の抵抗体２２よりも急激に発熱することから、発熱抵抗体２とセラミック体１との熱膨張差による熱応力でその界面にクラックが入りやすい。これに対し、第１の抵抗体２１を構成する導体粒子の平均粒径が第２の抵抗体２２を構成する導体粒子の平均粒径よりも大きいことで、それぞれの導体粒子間に隙間ができやすく、その隙間で熱応力を吸収することができ、耐久性が向上する。なお、導体粒子としては、タングステン粒子，モリブデン粒子などが挙げられる。
なお、第２の抵抗体２２を構成する導体粒子の平均粒径は例えば０．５μｍ～３μｍに設定される。そして、第２の抵抗体２２を構成する導体粒子の平均粒径が例えば１μｍのとき、当該第２の抵抗体２２に対して第１の抵抗体２１を構成する導体粒子の平均粒径が例えば５０％～９０％に設定される。
また、図５に示すように、第１の抵抗体２１は、スリット状の凹部１３に近づくにしたがって次第にまたは段階的に線幅が細く（狭く）なっていてもよい。
第１の抵抗体２１のうちで線幅が細くなっている部分（断面積が小さくなっている部分）があると、この線幅が細くなっている部分で他の部分よりも発生する熱量が多くなる。これにより、スリット状の凹部１３付近の温度が高くなって、セラミック体１の外周面の温度分布が均一化され、熱応力が緩和されて耐久性が向上する。
このような構成となっているかどうかは、例えば、スリット状の凹部１３から最も離れた部位（図５における中央部）と、スリット状の凹部１３に近接する部位とで、第１の抵抗体２１の線幅を対比することで、判別することができる。このとき、それぞれの部位とはセラミック体１の周方向における部位のことを意味します。そして周方向の部位の位置が同じであって長さ方向に沿って線幅が変化している場合は、長さ方向の先端の線幅，中央の線幅および後端の線幅を測定して平均化したものをその周方向における部位の線幅とするものとして判別する。
なお、図５においては、第２の抵抗体２２の線幅が全体にわたってほぼ一定である。さらに、スリット状の凹部１３に近接する側に位置する第１の抵抗体２１の線幅が、スリット状の凹部１３から遠い側に位置する第１の抵抗体２１の線幅よりも細くなっている。そして、第１の抵抗体２１の最も細い部位の線幅であっても、第２の抵抗体２２の線幅より太い（広い）構成になっている。これにより、スリット状の凹部１３付近において発生する熱量をより多くすることができる。
ただし、第１の抵抗体２１がスリット状の凹部１３に近づくにしたがって次第にまたは段階的に線幅が細く（狭く）なっている形態としては、図５に示す形態に限られず、第１の抵抗体２１の線幅が第２の抵抗体２２の線幅よりも細い（狭い）場合に適用されてもよい。このとき、第１の抵抗体２１の線幅が全体にわたって第２の抵抗体２２の線幅よりも細く（狭く）なっていてもよい。また、第１の抵抗体２１におけるスリット状の凹部１３から最も離れた部位（図５における中央部）では第２の抵抗体２２よりも太い（広い）線幅となっていて、第１の抵抗体２１におけるスリット状の凹部１３に近接する部位（最も線幅が細くなる部位）で第２の抵抗体２２よりも細い（狭い）線幅となるような構成であってもよい。
また、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２はセラミック体１に含まれるセラミック粒子を有している。そして、第２の抵抗体２２は第１の抵抗体２１よりも多くのセラミック粒子を有していてもよい。
第１の抵抗体２１の比抵抗を第２の抵抗体２２の比抵抗よりも小さくする方法として、第１の抵抗体２１よりも第２の抵抗体２２にセラミック体１と同じ成分のセラミック粒子を多く添加する方法が挙げられる。比抵抗の大きい発熱抵抗体２（第２の抵抗体２２）へのセラミック粒子の含有量を増やすことで、第２の抵抗体２２とセラミック体１との間の熱膨張差による熱応力を低減でき、耐久性が向上する。
次に、ヒータの製造方法の一例について説明する。なお、本例ではセラミック体１がアルミナ質セラミックスからなる場合について説明する。
まず、Ａｌ2Ｏ3を主成分とするアルミナ質セラミックスのセラミック体１を作製するため、Ａｌ2Ｏ3にＳｉＯ2，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ2等の焼結助剤を含有させて調製したセラミックスラリーをシート状に成形して、セラミック体１の表層部１２となるセラミックグリーンシートを作製する。
このセラミックグリーンシートの一方の主面に、発熱抵抗体２となる抵抗体ペーストのパターンをスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。また、セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２を形成する面とは反対側の面に、電極パッド３となる導体ペーストを発熱抵抗体２の形成と同様に所定のパターン形状で形成する。また、セラミックグリーンシートには、発熱抵抗体２と電極パッド３とを電気的に接続するための孔加工および引出部としてのスルーホール導体を形成するための導体ペーストの充填を行う。
発熱抵抗体２のパターンは、例えば図４に示すように第１パッド３１から複数の抵抗体（第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２）のパターンを並列に配置し、セラミック体１の周方向に沿って先端と後端との間で繰り返し折り返して往復し、互いに並行に配置する。
抵抗体ペーストおよび導体ペーストは、セラミック体１との同時焼成によって作製が可能なＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属にセラミック原料，バインダー，有機溶剤等を調合し混練することで作製できる。このとき、ヒータの用途に応じて、抵抗体となる抵抗体ペーストまたは導電性ペーストのパターンの長さや折り返しパターンの距離・間隔やパターンの線幅を変更することにより、発熱抵抗体２の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定することができる。
なお、第１の抵抗体２１の比抵抗と第２の抵抗体２２の比抵抗とを異ならせるには、比抵抗の異なる抵抗体ペーストを２種類準備し、１種類目の抵抗体ペーストを第１の抵抗体２１になるようにスクリーン印刷後、抵抗体ペーストが乾燥するのを待ち、２種類目の抵抗体ペーストを第２の抵抗体２２になるようにスクリーン印刷する。このとき、比抵抗を異ならせるには、導電材料を異なるものを用いると良い。また、同じ導電材料を用いた場合でも、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２のそれぞれの抵抗体ペーストにセラミック体１と同じセラミック材料の粉末を異なる量で加えることにより、比抵抗を異ならせることができる。
一方、押し出し成型にて、芯材１１となる円柱状または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、この芯材１１（アルミナ質セラミック成型体）に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塗布し、前述の表層部１２となるアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけて密着させる。これにより、セラミック体１の内部に発熱抵抗体２および引出部となる抵抗体ペーストおよび導体ペーストが位置するアルミナ質一体成型体を得ることができる。
なお、セラミック体１の外周面（側面）に長手方向に延びるスリット状の凹部１３（溝状部）を設けるには、芯材１１に巻き付けたアルミナ質セラミックグリーンシート（表層部１２）の端と端との間に隙間を設けるようにすればよい。
こうして得られたアルミナ質一体成型体を水素ガス、窒素ガスと水素ガスとの混合ガス（フォーミングガス）等の非酸化性ガス雰囲気中で、例えば１５００℃～１６００℃で焼成し、アルミナ質一体焼結体を作製する。また、セラミック体１の外周面の電極パッド３上に例えば電解メッキにてＮｉメッキ膜を設ける。さらに、ロウ材としてＡｇロウ、はんだ等を用いて、給電部としての例えばＮｉ製のリード端子を電極パッド３に接合する。ここで、リード端子は、予め絶縁材がコートされたものを、接合に必要な部分だけ絶縁材を除去し、その除去した部分を電極パッド３に接続するようにしてもよい。また、Ｎｉ線を電極パッド３に接続後、絶縁チューブをＮｉ線に設けるようにしてもよい。
以上の方法により本実施形態のヒータが得られる。
１：セラミック体
１１：芯材
１２：表層部
１３：凹部
２：発熱抵抗体
２１：第１の抵抗体
２２：第２の抵抗体
３：電極パッド
３１：第１パッド
３２：第２パッド
３３：第３パッド
１１：芯材
１２：表層部
１３：凹部
２：発熱抵抗体
２１：第１の抵抗体
２２：第２の抵抗体
３：電極パッド
３１：第１パッド
３２：第２パッド
３３：第３パッド
Claims (6)
- 棒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位置する発熱抵抗体とを備え、該発熱抵抗体は、前記セラミック体の周方向に沿って先端と後端との間で繰り返し折り返して往復し、互いに並行に配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体を含み、
前記第１の抵抗体の比抵抗と前記第２の抵抗体の比抵抗とが異なるヒータ。 - 前記セラミック体は、外周面に先端から後端に向かって伸びるスリット状の凹部を有し、前記第１の抵抗体が前記第２の抵抗体よりも前記凹部に近い位置まで配置されており、前記第１の抵抗体の比抵抗が前記第２の抵抗体の比抵抗よりも小さい請求項１に記載のヒータ。
- 前記第１の抵抗体が前記第２の抵抗体よりも前記セラミック体の先端に近い位置に配置されており、前記第１の抵抗体の比抵抗が前記第２の抵抗体の比抵抗よりも小さい請求項１に記載のヒータ。
- 前記第１の抵抗体は第１導体粒子を含み、前記第２の抵抗体は第２導体粒子を含むとともに、
前記第１導体粒子の平均粒径が前記第２導体粒子の平均粒径よりも大きい請求項２または請求項３に記載のヒータ。 - 前記第１の抵抗体が線状であるとともに、
前記第１の抵抗体は、前記凹部に近づくにしたがって次第にまたは段階的に線幅が細い請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載のヒータ。 - 前記第１の抵抗体、前記第２の抵抗体および前記セラミック体は成分が同じセラミック粒子を有しているとともに、
前記第２の抵抗体は前記第１の抵抗体よりも多くの前記セラミック粒子を有している請求項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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Also Published As
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| JP6818886B2 (ja) | 2021-01-20 |
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