WO2021241276A1 - ヒータ - Google Patents

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WO2021241276A1
WO2021241276A1 PCT/JP2021/018402 JP2021018402W WO2021241276A1 WO 2021241276 A1 WO2021241276 A1 WO 2021241276A1 JP 2021018402 W JP2021018402 W JP 2021018402W WO 2021241276 A1 WO2021241276 A1 WO 2021241276A1
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WO
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ceramic substrate
heater
flange portion
axial direction
wall member
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/018402
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English (en)
French (fr)
Inventor
良樹 ▲濱▼名
将詞 嵜山
Original Assignee
京セラ株式会社
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Publication date
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Priority to US17/925,708 priority patent/US20230199915A1/en
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    • HELECTRICITY
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    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02Details
    • H05B3/06Heater elements structurally combined with coupling elements or holders
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A24TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24FSMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/40Constructional details, e.g. connection of cartridges and battery parts
    • A24F40/46Shape or structure of electric heating means
    • HELECTRICITY
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    • H05B3/14Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds
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    • H05B3/42Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/46Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor mounted on insulating base
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    • H05B3/48Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
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    • H05B2203/014Heaters using resistive wires or cables not provided for in H05B3/54

Definitions

  • This disclosure relates to heaters.
  • Patent Document 1 An example of the prior art is described in Patent Document 1.
  • the heater of one aspect of the present disclosure is fixed to a cylindrical ceramic substrate, a heat generating resistor provided on the ceramic substrate, and an outer peripheral surface of the ceramic substrate, and extends in a direction away from the outer peripheral surface.
  • the heater member including the flange and A peripheral wall member that surrounds the heater member in the axial direction and the circumferential direction is provided.
  • One flange portion is located on one side of the axial center of the ceramic substrate, and the other flange portion is located on the other side of the axial center of the ceramic substrate.
  • a tubular heater provided in a heating device for heating an object to be heated such as tobacco, food or a pharmaceutical product
  • a heating device for heating an object to be heated such as tobacco, food or a pharmaceutical product
  • the outer peripheral surface of the heater and the inner peripheral surface of the housing are fixed by a plurality of flanges (see, for example, Patent Document 1).
  • FIG. 1 is a vertical sectional view showing a heater according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a heater.
  • the heater 100 of the present embodiment includes a heater member 10 and a peripheral wall member 20.
  • the heater member 10 is fixed to a cylindrical ceramic substrate 11, a heat generating resistor 12 provided on the ceramic substrate 11, and an outer peripheral surface 11s of the ceramic substrate 11, and a plurality of flange portions extending in a direction away from the outer peripheral surface. Includes 13, 14 and.
  • the peripheral wall member 20 surrounds the heater member 10 in the axial direction and the circumferential direction.
  • the object T to be heated which is shown by a virtual line in FIG. 1, is, for example, a cylindrical cigarette.
  • the heater 100 can insert the object T to be heated into the cylindrical ceramic substrate 11 and heat it by the heat generated by the heat generation resistor 12.
  • the ceramic substrate 11 is a tubular member, and in the longitudinal direction (vertical direction toward the paper surface of FIG. 1), one end portion (also referred to as a first end portion) 11a and the other end portion (hereinafter referred to as “1st end portion”) 11a. It also has a second end) 11b.
  • the shape of the ceramic substrate 11 may be, for example, a cylindrical shape, a polygonal cylinder shape, or any other shape. In this embodiment, the shape of the ceramic substrate 11 is cylindrical.
  • the ceramic substrate 11 is made of an electrically insulating ceramic material.
  • the ceramic material for example, oxide ceramics such as alumina and zirconia, nitride ceramics such as aluminum nitride, carbide ceramics such as silicon carbide, silicon nitride ceramics and the like can be used.
  • the heat generation resistor 12 is a member that generates heat when energized, and is provided inside or on the surface (inner peripheral surface or outer peripheral surface) of the ceramic substrate 11.
  • the heat generation resistor 12 may have a take-out portion for connecting to an external wiring at its end, and can be energized via the take-out portion.
  • the heat generation resistor 12 is made of, for example, tungsten, molybdenum, chromium, carbides thereof, or a metal such as gold, silver, or palladium.
  • the heat generation resistor 12 may contain alumina, silicon nitride, or the like as a component other than the metal.
  • the shape of the heat generation resistor 12 is not particularly limited as long as it is configured to be distributed over the entire ceramic substrate 11 and generate heat.
  • the heat generation resistor 12 may have a spiral shape coaxial with the axis of the ceramic substrate 11, for example, a plurality of linear portions parallel to the axis of the ceramic substrate 11 and a plurality of connecting portions connecting the ends of the linear portions. It may be in the shape of a meander (serpentine line) having and.
  • the ceramic substrate 11 is fixed to the peripheral wall member 20 via a plurality of flange portions 13 and 14.
  • the heater member 10 has two flange portions 13, 14.
  • One of the two flange portions 13 and 14 (first flange portion) 13 is located on one side of the center in the axial direction of the ceramic substrate 11, and the other flange portion (second flange portion).
  • Reference numeral 14 is located on the other side of the center in the axial direction of the ceramic substrate 11.
  • the flange portions 13 and 14 are made of, for example, a ceramic material, a metal material or a resin material.
  • a ceramic material for example, oxide ceramics such as alumina and zirconia, nitride ceramics such as aluminum nitride, carbide ceramics such as silicon carbide, silicon nitride ceramics and the like can be used.
  • the resin material for example, PEEK (polyetheretherketone), PAI (polyamideimide), PTFE (polytetrafluoroethylene) and the like can be used.
  • the metal material for example, stainless steel, aluminum alloy, titanium alloy, nickel alloy, magnesium alloy and the like can be used.
  • the first flange portion 13 may be made of a ceramic material, a metal material, or a resin material.
  • the second flange portion 14 may be made of a ceramic material, a metal material, or a resin material.
  • the first flange portion 13 and the second flange portion 14 may be made of the same material or may be made of different materials.
  • the peripheral wall member 20 is a tubular member that surrounds the heater member 10 in the axial direction and the circumferential direction.
  • the shape of the peripheral wall member 20 may be, for example, a cylindrical shape, a polygonal cylinder shape, or any other shape.
  • the peripheral wall member 20 of the present embodiment has a bottomed tubular shape in which one in the axial direction is open and the other in the axial direction is closed by the bottom surface, and has a tubular portion 21 and a bottom surface portion 22.
  • the first end portion 11a of the ceramic substrate 11 is located on the open side of the peripheral wall member 20, and the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 is the bottom surface portion of the peripheral wall member 20. It is located so as to face the 22 side. Further, for example, a space can be provided between the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 and the bottom surface portion 22 of the peripheral wall member 20, and a power source such as a battery and a power supply control circuit can be arranged in this space.
  • the end portion of the heat generation resistor 12 may be exposed to the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 to provide a connection terminal, and the power supply control circuit and the connection terminal may be connected by wiring.
  • peripheral wall member 20 may be only the cylindrical portion 21 and the other in the axial direction may be open.
  • a power supply and a power supply control circuit may be arranged outside the peripheral wall member 20 and connected to the end portion of the heat generation resistor 12 exposed on the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 by wiring. ..
  • the material of the peripheral wall member 20 is not limited as long as it can support the heater member 10, and for example, a metal material or a resin material can be used.
  • a metal material for example, stainless steel, aluminum alloy, titanium alloy, nickel alloy, magnesium alloy and the like can be used.
  • resin material a silicon resin, a polyimide resin, or the like can be used. Further, a metal material and a resin material may be combined.
  • the temperature distribution of the ceramic substrate 11 due to the heat generated by the heat generation resistor 12 becomes high in the central portion in the axial direction and lower in the direction from the central portion in the axial direction toward both ends in the axial direction.
  • the first flange portion 13 and the second flange portion 14 are located closer to the end portion in the axial direction than the central portion in the axial direction of the ceramic substrate 11.
  • the central portion in the axial direction is, for example, a portion located at the center when the axial length of the ceramic substrate 11 is divided into three equal parts.
  • the heat transfer path from the ceramic substrate 11 to the peripheral wall member 20 by the flange portions 13 and 14 is a path that passes through the low temperature portions near both ends in the axial direction while avoiding the central portion in the axial direction, so that heat escape is reduced. As a result, the heating performance of the heater 100 is improved.
  • the first flange portion 13 is located at the first end portion 11a of the ceramic substrate 11.
  • the second flange portion 14 is located between the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 and the central portion.
  • the first end portion 11a of the ceramic substrate 11 is a portion having the lowest temperature between the central portion and the first end portion 11a in the temperature distribution of the ceramic substrate 11. Since the first flange portion 13 is located at a portion of the ceramic substrate 11 where the temperature becomes low, heat escape is further reduced.
  • the inner diameter of the ceramic substrate 11 is made the same as or slightly smaller than the outer diameter of the object T to be heated so that the object T to be heated easily adheres to the inner peripheral surface of the ceramic substrate 11. doing.
  • the heater 100 when the user inserts the object to be heated T into the ceramic substrate 11, the external force applied to the ceramic substrate 11 often deviates from the axial direction. In particular, a larger external force is applied to the first end portion 11a of the ceramic substrate 11 on the insertion side of the object to be heated T. Therefore, by supporting the ceramic substrate 11 with the first flange portion 13, the position of the heater member 10 is displaced due to the external force, and the peripheral wall is formed. It is possible to suppress the detachment of the heater member 10 from the member 20 and the like.
  • the first flange portion 13 By providing the first flange portion 13 on the first end portion 11a of the ceramic substrate 11, the first flange portion 13 can be kept away from the central portion where the temperature of the ceramic substrate 11 becomes high. Therefore, the heat transfer path from the ceramic substrate 11 to the peripheral wall member 20 can be lengthened as compared with the case where the first flange portion 13 is not provided on the first end portion 11a. As a result, heat escape is reduced, so that the rate of temperature rise can be further increased.
  • the inner diameter of the ceramic substrate 11 can be set according to the application of the heater 100.
  • the ceramic substrate 11 is matched to the average size of the food to be heated (for example, yakitori, dumplings, sausages, etc.).
  • the inner diameter of the can be set to, for example, about 5 cm.
  • the inner diameter of the ceramic substrate 11 can be set to, for example, about 1 cm according to the size of the cigarette to be heated.
  • the heater 100 is used for a heating device such as a needle (acupuncture) of a medical device for acupuncture and moxibustion treatment
  • the inner diameter of the ceramic substrate 11 can be set to, for example, about 2 cm.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view showing a heater according to the second embodiment.
  • the heater 100A of the second embodiment is the same as the heater 100 of the first embodiment except that the second flange portion 14 is located at the second end portion 11b of the ceramic substrate 11, and therefore the second flange portion 100A is the same as the heater 100 of the first embodiment.
  • the description of the configuration other than the unit 14 will be omitted.
  • the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 is the portion having the lowest temperature between the central portion and the second end portion 11b in the temperature distribution of the ceramic substrate 11. Since the second flange portion 14 is located at a portion of the ceramic substrate 11 where the temperature becomes low, heat escape is further reduced.
  • the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 is, for example, a place where the heat generation resistor 12 is exposed as described above and is connected to the power supply circuit by wiring.
  • the second end of the ceramic substrate 11 is displaced from the displacement of the first end 11a.
  • the displacement of the portion 11b becomes large. If the second end portion 11b is repeatedly displaced due to the insertion and removal of the object to be heated T, the connection between the power supply circuit and the heat generation resistor 12 may be defective, such as disconnection of the wiring or disconnection of the wiring.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the heater according to the third embodiment.
  • the heater 100B of the third embodiment is the same as the heater 100 of the first embodiment except that the second flange portion 14 is fixed to the outer peripheral surface 11s of the ceramic substrate 11 with the glass material 15.
  • the description of the structure other than the glass material 15 will be omitted.
  • the glass material 15 for example, borosilicate glass, quartz glass, or the like can be used.
  • the glass material 15 is interposed between the second flange portion 14 and the ceramic substrate 11.
  • a part of the glass material 15 is on the axial center side of the ceramic substrate 11 from the second flange portion 14, and the other part of the glass material 15 is on the other side of the ceramic substrate 11 in the axial direction from the second flange portion 14 ( It is on the second end 11b side).
  • the amount of the portion 15a on the central side of the glass material 15 is smaller than the amount of the portion 15b on the second end portion 11b side. Since the glass material 15 can also serve as a heat transfer path, heat escape can be reduced by reducing the portion 15a on the central side. By increasing the number of portions 15b on the second end portion 11b side, the fixing strength between the second flange portion 14 and the ceramic substrate 11 can be increased.
  • the first flange portion 13 can be made of a resin material and the second flange portion 14 can be made of a ceramic material.
  • a larger external force is likely to be applied to the first end portion 11a of the ceramic substrate 11 on the insertion side of the object to be heated T.
  • the first flange portion 13 located at the first end portion 11a with a resin material, it is possible to disperse an external force by the elastic force of the resin material and allow a minute displacement of the first end portion 11a.
  • the second end portion 11b of the ceramic substrate 11 is more likely to be displaced than the first end portion 11a.
  • the displacement of the second end portion 11b can be suppressed. Further, if a minute displacement of the first end portion 11a is allowed, the displacement of the second end portion 11b is further suppressed. As a result, it is possible to suppress poor connection between the heat generation resistor 12 and the power supply circuit.
  • FIG. 5 is a vertical sectional view showing a heater according to a fourth embodiment.
  • FIG. 6 is a developed view showing the shape of the heat generation resistor. Since the heat generation resistor 12 is provided in a cylindrical shape along the ceramic substrate 11, it is shown in a developed view in FIG. 6 in order to make the shape easy to understand. The vertical direction toward the paper surface is the axial direction of the ceramic substrate 11. As shown in FIG. 6, the shape of the heat generation resistor 12 of the present embodiment is a meander shape having a plurality of linear portions parallel to the axis of the ceramic substrate 11 and a plurality of connecting portions connecting the ends of the linear portions. Is.
  • the heat generation resistor 12 has a take-out portion 12b for electrically connecting to the outside.
  • the take-out portion 12b has a wider width and a lower resistance than the wiring in the high temperature region 12a, thereby suppressing the amount of heat generated.
  • the first flange portion 13 and the second flange portion 14 do not overlap with the high temperature region 12a of the heat generation resistor 12. It is out of alignment.
  • the heat transfer path from the ceramic substrate 11 to the peripheral wall member 20 by the flange portions 13 and 14 is a path that avoids the high temperature portion, so that heat escape is reduced, and as a result, the temperature rise performance of the heater 100C is reduced. Is improved.
  • the first flange portion 13 and the second flange portion 14 are made of a metal material, and the peripheral wall member 20 may also be made of a metal material.
  • the first flange portion 13 and the second flange portion 14 made of metal are fixed to the outer peripheral surface 11s of the ceramic substrate 11 with a brazing material.
  • the bonding layer 16 may be provided on the outer peripheral surface 11s of the ceramic substrate 11.
  • the bonding layer 16 may use one or more metal materials such as Mo, W, Mn, Ag, Cu, and Ti.
  • the bonded layer 16 can be formed as a so-called metallized layer, and can be formed by, for example, a refractory metal method such as Mo-Mn metallizing or W metallizing, or an active metal method such as Ag-Cu-Ti metallizing. Further, a metal plating layer such as gold or nickel may be formed on the bonding layer 16 in order to improve the wettability with the brazing material. By brazing through the bonding layer 16, the bonding force between the first flange portion 13 and the second flange portion 14 and the ceramic substrate 11 can be increased.
  • the bonding layer 16 may be continuously provided on the outer peripheral surface 11s of the ceramic substrate 11 in a band shape along the circumferential direction, or may be provided intermittently and partially at equal intervals along the circumferential direction.
  • the bonding layer 16 is continuously provided on the outer peripheral surface 11s of the ceramic substrate 11 in a strip shape along the circumferential direction, and the first flange portion 13 and the second flange portion 14 and the peripheral wall member 20 are also bonded by, for example, a brazing material.
  • the space surrounded by the first flange portion 13 and the second flange portion 14, the ceramic substrate 11, and the peripheral wall member 20 can be a closed space.
  • a heat insulating effect can be obtained.
  • heat dissipation from the central portion of the ceramic substrate 11 in the axial direction which becomes a relatively high temperature, is suppressed, and as a result, the temperature rising performance of the heater 100C is improved.
  • the take-out portion 12b of the heat generation resistor 12 may be exposed from the ceramic substrate 11.
  • the ceramic substrate 11 is configured to include the inner portion 110 and the outer portion 111. Both the inner portion 110 and the outer portion 111 have a cylindrical shape, and the heat generation resistor 12 is located between the inner portion 110 and the outer portion 111.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of the ceramic substrate.
  • the inner portion 110 is longer than the outer portion 111, and the inner portion 110 protrudes on the second end portion 11b side of the ceramic substrate 11.
  • the outer peripheral surface of the inner portion 110 is exposed, and at least a part of the take-out portion 12b of the heat generation resistor 12 is located on the outer peripheral surface. Since the take-out portion 12b has a portion not covered by the outer portion 111, it can be electrically connected to the external wiring.
  • a metal plating layer such as gold or nickel may be formed on the exposed portion of the take-out portion 12b.
  • FIG. 8 is a vertical cross-sectional view of the ceramic substrate.
  • the outer portion 111 is longer than the inner portion 110, and the outer portion 111 projects on the second end portion 11b side of the ceramic substrate 11.
  • the inner peripheral surface of the outer peripheral portion 111 is exposed, and at least a part of the take-out portion 12b of the heat generation resistor 12 is located on the inner peripheral surface. Since the take-out portion 12b has a portion not covered by the inner portion 110, it can be electrically connected to the external wiring.
  • a metal plating layer such as gold or nickel may be formed on the exposed portion of the take-out portion 12b.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view showing the heater according to the fifth embodiment
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the heater according to the fifth embodiment.
  • the heater 100D of the present embodiment is provided with a connection terminal 17 on the outer peripheral surface 11s of the ceramic substrate 11 in order to electrically connect the take-out portion 12b of the heat generation resistor 12 to the external wiring.
  • the connection terminal 17 may be configured to be electrically connected to the take-out portion 12b innerly layered on the ceramic substrate 11. For example, a conductor that penetrates from the outer peripheral surface 11s of the ceramic 11 to the take-out portion 12b is provided.
  • connection terminal 17 is provided on the outer peripheral surface 11s of the ceramic 11 so as to cover the conductor, and the connection terminal 17 and the take-out portion 12b are electrically connected. By electrically connecting the external wiring to the connection terminal 17, the external wiring and the take-out portion 12b are electrically connected.
  • the connection terminal 17 is a metallized layer similar to the bonding layer 16, and a metal material such as Mo, W, Mn, Ag, Cu, or Ti may be used. A metal plating layer such as gold or nickel may be formed on the connection terminal 17.
  • the take-out portion 12b of the heat generation resistor 12 is located on the second end portion 11b side of the ceramic substrate 11, and the connection terminal 17 is also provided on the outer peripheral surface 11s on the second end portion 11b side of the ceramic substrate 11 in the same manner. ..
  • the second flange portion 14 is located, for example, on the center side of the ceramic substrate 11 with respect to the connection terminal 17.
  • the heater 100D of the present embodiment is provided with a through hole 21a in the peripheral wall member 20.
  • the through hole 21a is provided, for example, in the cylindrical portion 21 of the peripheral wall member 20.
  • the through hole 21a communicates the external space and the internal space of the peripheral wall member 20.
  • the through hole 21a functions as an exhaust port.
  • the through hole 21a functions as an intake port.
  • a through hole 21a is provided near the bottom surface portion 22 of the cylindrical portion 21.
  • the pressure in the internal space of the heater 100D decreases, and the outside air flows in from the through hole 21a near the bottom surface portion 22.
  • the area around the connection terminal 17 can be cooled by the outside air flowing in from the through hole 21a.
  • the temperature of the heat generation resistor 12 taking out portion 12b may rise due to heat transfer from the high temperature region 12a, and further may rise to the connection terminal 17 connected to the taking out portion 12b.
  • the external wiring is joined to the connection terminal 17 with solder or the like, and the joint portion may generate heat.
  • connection terminal 17 is partially peeled off from the ceramic substrate 11 or the external wiring is partially disconnected from the connection terminal 17. There is a risk.
  • the through holes 21a may be provided, for example, at equal intervals along the circumferential direction of the tubular portion 21, or may be provided unevenly in the vicinity of the connection terminal 17.
  • through holes in the thickness direction may be provided in the first flange portion 13 and the second flange portion 14.
  • the heat transfer resistance can be increased in the heat transfer path from the ceramic substrate 11 to the peripheral wall member 20, and the heat escape can be reduced.
  • the heating device provided with the heater of each embodiment may include a housing for accommodating the heater, and the peripheral wall member 20 may be a housing.
  • the heater housed in the housing is the heater 100D of the fifth embodiment, a through hole may be provided in the housing as well. The outside air outside the housing flows into the housing and further into the peripheral wall member 20.
  • the heater of one aspect of the present disclosure is fixed to a cylindrical ceramic substrate, a heat generating resistor provided on the ceramic substrate, and an outer peripheral surface of the ceramic substrate, and extends in a direction away from the outer peripheral surface.
  • a heater member including a flange portion and a peripheral wall member that surrounds the heater member in the axial direction and the circumferential direction are provided.
  • One flange portion is located on one side of the axial center of the ceramic substrate, and the other flange portion is located on the other side of the axial center of the ceramic substrate.
  • the heat generated in the heater member is conducted through the flange portion provided closer to the end portion than the center in the axial direction, so that the heat escape from the heater member is reduced. , The temperature rise performance is improved.
  • Heater member 11 Ceramic substrate 11a 1st end 11b 2nd end 11s Outer peripheral surface 12 Heat generation resistor 13 1st flange 14 2nd flange 15 Glass material 16 Bonding layer 17 Connection terminal 20 Peripheral wall member 21 Cylindrical part 21a Through hole 22 Bottom part 100, 100A, 100B, 100C, 100D Heater 110 Inner part 111 Outer part T Heated object

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

ヒータは、ヒータ部材および周壁部材を備えている。ヒータ部材は、筒状のセラミック基体と、セラミック基体に設けられた発熱抵抗体と、セラミック基体の外周面に固定されており、外周面から離れる方向に延びる複数のフランジ部と、を含む。周壁部材は、ヒータ部材を軸線方向および周方向に取り囲む。第1フランジ部は、セラミック基体の軸線方向中央よりも一方側に位置し、第2フランジ部は、セラミック基体の軸線方向中央よりも他方側に位置する。

Description

ヒータ
 本開示は、ヒータに関する。
 従来技術の一例は、特許文献1に記載されている。
特表2019-521656号公報
 本開示の一態様のヒータは、筒状のセラミック基体、該セラミック基体に設けられた発熱抵抗体、および前記セラミック基体の外周面に固定されており、前記外周面から離れる方向に延びる、複数のフランジ部を含むヒータ部材と、
 前記ヒータ部材を軸線方向および周方向に取り囲む周壁部材と、を備える。
 1つのフランジ部は、前記セラミック基体の軸線方向中央よりも一方側に位置し、他の1つのフランジ部は、前記セラミック基体の軸線方向中央よりも他方側に位置する。
 本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
第1実施形態に係るヒータを示す縦断面図である。 ヒータを示す分解斜視図である。 第2実施形態に係るヒータを示す縦断面図である。 第3実施形態に係るヒータを示す拡大縦断面図である。 第4実施形態に係るヒータを示す縦断面図である。 発熱抵抗体の展開図である。 セラミック基体の縦断面図である。 セラミック基体の縦断面図である。 第5実施形態に係るヒータを示す縦断面図である。 第5実施形態に係るヒータを示す横断面図である。
 本開示のヒータの基礎となる構成のヒータとして、例えばタバコ、食品または医薬品などの被加熱物を加熱する加熱装置が備える筒状のヒータが知られている。そのような加熱装置では、ヒータの外周面と、筐体の内周面とが、複数のフランジよって固定されている(例えば、特許文献1を参照)。
 以下、本開示のヒータの実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
 図1は、第1実施形態に係るヒータを示す縦断面図である。図2は、ヒータを示す分解斜視図である。本実施形態のヒータ100は、ヒータ部材10および周壁部材20を備えている。ヒータ部材10は、筒状のセラミック基体11と、セラミック基体11に設けられた発熱抵抗体12と、セラミック基体11の外周面11sに固定されており、外周面から離れる方向に延びる複数のフランジ部13,14と、を含む。周壁部材20は、ヒータ部材10を軸線方向および周方向に取り囲む。図1において仮想線で示される被加熱物Tは、たとえば、円柱状の紙巻タバコである。ヒータ100は、筒状のセラミック基体11に被加熱物Tを挿入し、発熱抵抗体12の発熱によってこれを加熱することができる。
 セラミック基体11は、筒状の部材であり、長手方向(図1の紙面に向かって上下方向)において、一方側の端部(第1端部ともいう)11aと他方側の端部(以下、第2端部ともいう)11bとを有している。セラミック基体11の形状は、例えば、円筒状、多角筒状であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形では、セラミック基体11の形状は、円筒状である。
 セラミック基体11は、電気絶縁性のセラミック材料から成る。セラミック材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物セラミックス、窒化アルミニウムなどの窒化物セラミックス、炭化ケイ素などの炭化物セラミックスまたは窒化珪素質セラミックスなどを用いることができる。
 発熱抵抗体12は、通電によって発熱する部材であり、セラミック基体11の内部または表面(内周面または外周面)に設けられている。発熱抵抗体12は、その端部に、外部配線と接続するための取り出し部を有していてもよく、取り出し部を介して通電することができる。発熱抵抗体12は、例えば、タングステン、モリブデン、クロムこれらの炭化物または金、銀、パラジウムなどの金属からなる。発熱抵抗体12は、金属以外の成分としてアルミナまたは窒化ケイ素などを含有していてもよい。発熱抵抗体12は、セラミック基体11の全体にわたって分布して発熱するように構成されていれば、形状などは特に限定されない。発熱抵抗体12は、例えば、セラミック基体11の軸線と同軸の螺旋状であってもよく、セラミック基体11の軸線に平行な複数の直線部分と直線部分の端部同士を接続する複数の接続部分とを有するミアンダ状(蛇行線状)などであってもよい。
 セラミック基体11は、複数のフランジ部13,14を介して周壁部材20に固定されている。本実施形態では、ヒータ部材10は、2つのフランジ部13,14を有している。2つのフランジ部13,14のうちの1つのフランジ部(第1フランジ部)13は、セラミック基体11の軸線方向中央よりも一方側に位置し、他の1つのフランジ部(第2フランジ部)14は、セラミック基体11の軸線方向中央よりも他方側に位置する。
 フランジ部13,14は、例えば、セラミック材料、金属材料または樹脂材料からなる。セラミック材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物セラミックス、窒化アルミニウムなどの窒化物セラミックス、炭化ケイ素などの炭化物セラミックスまたは窒化珪素質セラミックスなどを用いることができる。樹脂材料としては、例えば、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PAI(ポリアミドイミド)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などを用いることができる。金属材料としては、例えば、ステンレス、アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル合金、マグネシウム合金などを用いることができる。第1フランジ部13は、セラミック材料からなるものであってもよく、金属材料からなるものであってもよく、樹脂材料からなる物であってもよい。第2フランジ部14は、セラミック材料からなるものであってもよく、金属材料からなるものであってもよく、樹脂材料からなる物であってもよい。第1フランジ部13と第2フランジ部14とは、同じ材料からなるものであってもよく、異なる材料からなるものであってもよい。
 周壁部材20は、ヒータ部材10を軸線方向および周方向に取り囲む筒状の部材である。周壁部材20の形状は、例えば、円筒状、多角筒状であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態の周壁部材20は、軸線方向一方が開放され、軸線方向他方が底面で塞がれた有底筒状であり、筒状部21と、底面部22とを有している。
 本実施形態において、ヒータ部材10は、セラミック基体11の第1端部11aが、周壁部材20の開放された側に位置し、セラミック基体11の第2端部11bが、周壁部材20の底面部22側に向くように位置している。また、例えば、セラミック基体11の第2端部11bと、周壁部材20の底面部22との間に空間を設け、この空間に電池などの電源および電源制御回路を配置することができる。発熱抵抗体12の端部をセラミック基体11の第2端部11bに露出させて接続端子を設け、電源制御回路と接続端子とを配線接続してもよい。また、周壁部材20が筒状部21のみで、軸線方向他方も開放されていてもよい。この場合、例えば、周壁部材20の外部に、電源および電源制御回路を配置し、セラミック基体11の第2端部11bに露出した発熱抵抗体12の端部と、これらを配線接続してもよい。
 周壁部材20は、ヒータ部材10を支持できれば、材料は限定されず、例えば、金属材料または樹脂材料を用いることができる。金属材料としては、例えば、ステンレス、アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル合金、マグネシウム合金などを用いることができる。樹脂材料としては、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。また、金属材料と樹脂材料とを組み合わせてもよい。
 発熱抵抗体12の発熱によるセラミック基体11の温度分布は、軸線方向中央部が高温となり、軸線方向中央部から軸線方向両端部に向かうにつれて低温となる。第1フランジ部13および第2フランジ部14は、セラミック基体11の軸線方向中央部よりも軸線方向端部側に位置している。ここで、軸線方向中央部とは、例えば、セラミック基体11の軸線方向長さを三等分したときに中央に位置する部分である。これにより、フランジ部13,14によるセラミック基体11から周壁部材20への伝熱経路は、軸線方向中央部を避けて軸線方向両端部寄りの低温部分を通る経路となるため、熱逃げが低減され、その結果、ヒータ100の昇温性能が向上する。
 本実施形態では、第1フランジ部13は、セラミック基体11の第1端部11aに位置している。第2フランジ部14は、セラミック基体11の第2端部11bと、中央部との間に位置している。セラミック基体11の第1端部11aは、セラミック基体11の温度分布において、中央部から第1端部11aの間で最も低温となる部分である。第1フランジ部13が、セラミック基体11の低温となる部分に位置するので、さらに熱逃げが低減される。
 また、被加熱物Tを加熱するために、セラミック基体11の内径を被加熱物Tの外径と同じか僅かに小さくして、被加熱物Tがセラミック基体11の内周面に密着しやすくしている。ヒータ100の使用時には、使用者が被加熱物Tをセラミック基体11に差し込むときに、セラミック基体11に対して加わる外力が、軸線方向からずれた方向となることが多い。特に被加熱物Tの差し込み側であるセラミック基体11の第1端部11aには、より大きな外力が加わるので、第1フランジ部13で支持することで、外力によるヒータ部材10の位置ずれ、周壁部材20からのヒータ部材10の脱離などを抑制することができる。
 第1フランジ部13をセラミック基体11の第1端部11aに設けることにより、第1フランジ部13を、セラミック基体11の高温となる中央部から遠ざけることができる。そのため、第1フランジ部13が第1端部11aに設けられていない場合と比較して、セラミック基体11から周壁部材20への伝熱経路を長くすることができる。これにより、熱逃げが低減されるため、昇温速度をより高めることができる。
 なお、セラミック基体11の内径は、ヒータ100の用途に合わせて設定することができる。ヒータ100の用途が、キャンプ等のアウトドアで用いられる食品の携帯加熱器の場合は、被加熱物である食品(例えば焼き鳥、団子またはソーセージ等)の平均的な大きさに合わせて、セラミック基体11の内径を、例えば5cm程度にすることができる。また、ヒータ100の用途が、たばこの加熱装置の場合は、被加熱物であるたばこの大きさに合わせて、セラミック基体11の内径を、例えば1cm程度にすることができる。また、ヒータ100の用途が、鍼灸治療用医療機器の針(鍼)などの加熱装置の場合は、セラミック基体11の内径を、例えば2cm程度にすることができる。
 図3は、第2実施形態に係るヒータを示す縦断面図である。第2実施形態のヒータ100Aは、第2フランジ部14が、セラミック基体11の第2端部11bに位置していること以外は、第1実施形態のヒータ100と同じであるので、第2フランジ部14以外の構成については、説明を省略する。セラミック基体11の第2端部11bは、セラミック基体11の温度分布において、中央部から第2端部11bの間で最も低温となる部分である。第2フランジ部14が、セラミック基体11の低温となる部分に位置するので、さらに熱逃げが低減される。
 セラミック基体11の第2端部11bは、例えば、上記のように発熱抵抗体12を露出させて、電源回路と配線接続する箇所となる。使用者が被加熱物Tをセラミック基体11に差し込むときに、セラミック基体11に対して加わる外力が、軸線方向からずれた方向となると、第1端部11aの変位よりセラミック基体11の第2端部11bの変位が大きくなる。被加熱物Tの抜き差しで、第2端部11bの変位が繰り返されると配線の断線、配線が外れるなど電源回路と発熱抵抗体12との接続不良が生じる。本実施形態のように、第2フランジ部14がセラミック基体11の第2端部11bに位置することで、第2端部11bの変位を低減して、電源回路との接続不良を抑えることができる。
 図4は、第3実施形態に係るヒータを示す拡大断面図である。第3実施形態のヒータ100Bは、第2フランジ部14が、セラミック基体11の外周面11sに、ガラス材料15で固定されていること以外は、第1実施形態のヒータ100と同じであるので、ガラス材料15以外の構成については、説明を省略する。ガラス材料15としては、例えば、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどを用いることができる。
 ガラス材料15は、第2フランジ部14とセラミック基体11との間に介在している。ガラス材料15の一部は、第2フランジ部14よりセラミック基体11の軸線方向中央側にあり、ガラス材料15の他の一部は、第2フランジ部14よりセラミック基体11の軸線方向他方側(第2端部11b側)にある。本実施形態では、ガラス材料15のうちの中央側にある部分15aの量が、第2端部11b側にある部分15bの量より少ない。ガラス材料15も伝熱経路となり得るので、中央側にある部分15aを少なくすることで、熱逃げを低減することができる。第2端部11b側にある部分15bを多くすることで、第2フランジ部14とセラミック基体11との固定強度を大きくすることができる。
 第1~第3実施形態において、例えば、第1フランジ部13を樹脂材料で構成し、第2フランジ部14をセラミック材料で構成することができる。上記のとおり、被加熱物Tの差し込み側であるセラミック基体11の第1端部11aには、より大きな外力が加わりやすい。第1端部11aに位置する第1フランジ部13を樹脂材料で構成することで、樹脂材料の弾性力により外力を分散させるとともに、第1端部11aの微小な変位を許容することができる。上記のとおり、被加熱物Tの抜き差し時に、セラミック基体11の第2端部11bは、第1端部11aより大きく変位しやすい。第2フランジ部14をセラミック材料で構成することで、第2端部11bの変位を抑えることができる。また、第1端部11aの微小な変位が許容されると、第2端部11bの変位がさらに抑えられる。これにより、発熱抵抗体12と電源回路との接続不良を抑えることができる。
 図5は、第4実施形態に係るヒータを示す縦断面図である。図6は、発熱抵抗体の形状を示す展開図である。発熱抵抗体12は、セラミック基体11に沿って、筒状に設けられているので、形状をわかりやすくするために図6では、展開図で示している。紙面向かって上下方向が、セラミック基体11の軸線方向としている。図6に示すように、本実施形態の発熱抵抗体12の形状は、セラミック基体11の軸線に平行な複数の直線部分と直線部分の端部同士を接続する複数の接続部分とを有するミアンダ状である。ミアンダ状では、特に直線部分同士が隣接しており、直線部分と接続部分の接続部が屈折していることなどから、発熱量の多い高温領域12aが存在する。発熱抵抗体12は、外部と電気的に接続するために、取り出し部12bを有する。取り出し部12bは、高温領域12aの配線に比べて幅が広く低抵抗とすることで、発熱量を抑えている。
 本実施形態のヒータ100Cでは、ヒータ基体11の軸線に直交する方向から見たときに、第1フランジ部13と第2フランジ部14とは、発熱抵抗体12の高温領域12aと重ならずにずれている。これにより、フランジ部13,14によるセラミック基体11から周壁部材20への伝熱経路は、高温となる部分を避けた経路となるため、熱逃げが低減され、その結果、ヒータ100Cの昇温性能が向上する。
 本実施形態では、第1フランジ部13と第2フランジ部14とが金属材料で構成されており、周壁部材20も金属材料で構成されていてもよい。本実施形態のヒータ100Cは、金属製の第1フランジ部13と2フランジ部14が、セラミック基体11の外周面11sに、ろう材で固定されている。ろう材による接合強度を高めるために、セラミック基体11の外周面11sに接合層16を設けてもよい。接合層16は、Mo、W、Mn、Ag、Cu、Tiなどの金属材料を1種または2種以上用いてもよい。接合層16は、いわゆるメタライズ層として形成することができ、例えば、Mo-Mnメタライズ、Wメタライズなどの高融点金属法または、Ag-Cu-Tiメタライズなどの活性金属法で形成することができる。接合層16には、さらに、ろう材とのぬれ性などを向上させるために金またはニッケルなどの金属めっき層を形成してもよい。接合層16を介してろう付けすることにより、第1フランジ部13および2フランジ部14とセラミック基体11との接合力を高めることができる。接合層16は、セラミック基体11の外周面11sに、周方向に沿って帯状に連続的に設けてもよく、周方向に沿って、断続的に等間隔で部分的に設けてもよい。
 接合層16を、セラミック基体11の外周面11sに、周方向に沿って帯状に連続的に設け、かつ第1フランジ部13および第2フランジ部14と周壁部材20も、例えばろう材によって接合した場合、第1フランジ部13および第2フランジ部14と、セラミック基体11と、周壁部材20とで囲まれた空間は密閉空間とすることができる。この密閉空間を真空状態とすることで、断熱効果が得られる。これにより、比較的高温となる、セラミック基体11の軸線方向中央部からの放熱を抑制し、その結果、ヒータ100Cの昇温性能が向上する。
 発熱抵抗体12の取り出し部12bを外部配線と電気的に接続するために、取り出し部12bをセラミック基体11から露出させてもよい。この場合、セラミック基体11を、内側部分110と外側部分111とを含む構成とする。内側部分110および外側部分111は、いずれも筒状であり、内側部分110と外側部分111との間に発熱抵抗体12が位置している。
 図7は、セラミック基体の縦断面図である。図7に示すセラミック基体11の例では、内側部分110が外側部分111よりも長く、セラミック基体11の第2端部11b側において、内側部分110が突出している。内側部分110が突出することで、内側部分110の外周面が露出し、発熱抵抗体12の取り出し部12bの少なくとも一部は、この外周面上に位置する。取り出し部12bが、外側部分111に覆われていない部分を有するので、外部配線と電気的に接続することができる。取り出し部12bの露出部分には、例えば、金またはニッケルなどの金属めっき層を形成してもよい。
 図8は、セラミック基体の縦断面図である。図8に示すセラミック基体11の例では、外側部分111が内側部分110よりも長く、セラミック基体11の第2端部11b側において、外側部分111が突出している。外側部分111が突出することで、外側部分111の内周面が露出し、発熱抵抗体12の取り出し部12bの少なくとも一部は、この内周面上に位置する。取り出し部12bが、内側部分110に覆われていない部分を有するので、外部配線と電気的に接続することができる。取り出し部12bの露出部分には、例えば、金またはニッケルなどの金属めっき層を形成してもよい。
 図9は、第5実施形態に係るヒータを示す縦断面図であり、図10は、第5実施形態に係るヒータを示す横断面図である。本実施形態のヒータ100Dは、発熱抵抗体12の取り出し部12bを外部配線と電気的に接続するために、セラミック基体11の外周面11sに接続端子17を設けている。接続端子17は、セラミック基体11に内層された取り出し部12bと電気的に接続する構成とすればよい。例えば、セラミック11の外周面11sから取り出し部12bまで貫通する導体を設ける。接続端子17が、この導体を覆うようにセラミック11の外周面11sに設けられ、接続端子17と取り出し部12bとが電気的に接続される。外部配線を接続端子17に電気的に接続することで、外部配線と取り出し部12bとが電気的に接続される。接続端子17は、接合層16と同様のメタライズ層であって、Mo、W、Mn、Ag、Cu、Tiなどの金属材料を用いてもよい。接続端子17には、例えば、金またはニッケルなどの金属めっき層を形成してもよい。発熱抵抗体12の取り出し部12bは、セラミック基体11の第2端部11b側に位置しており、接続端子17も同様に、セラミック基体11の第2端部11b側の外周面11sに設けられる。第2フランジ部14は、例えば、接続端子17よりもセラミック基体11の中央側に位置する。
 本実施形態のヒータ100Dは、周壁部材20に貫通孔21aが設けられている。貫通孔21aは、例えば、周壁部材20の筒状部21に設けられている。貫通孔21aによって、周壁部材20の外部空間と内部空間とが連通する。貫通孔21aを介して周壁部材20の内部空間から外部空間へと気体が流出する場合は、貫通孔21aは、排気口として機能する。貫通孔21aを介して周壁部材20の外部空間から内部空間へと気体が流入する場合は、貫通孔21aは、吸気口として機能する。
 ヒータ100Dの用途が、たばこの加熱装置の場合は、例えば、貫通孔21aを筒状部21の底面部22寄りに設ける。ユーザが喫煙のために吸引すると、ヒータ100Dの内部空間の圧力が低下し、底面部22寄りの貫通孔21aから外気が流入する。貫通孔21aから流入する外気によって、接続端子17周辺を冷却することができる。発熱抵抗体12の取り出し部12bは、高温領域12aからの伝熱によって温度上昇する場合があり、さらに取り出し部12bと接続した接続端子17まで温度上昇する場合がある。また、外部配線は、接続端子17に、はんだなどで接合されており、接合部分が発熱する場合もある。このような温度上昇は、例えば、セラミック基体11から接続端子17が部分的に剥離したり、接続端子17から外部配線が部分的に外れるなど、取り出し部12bと外部配線との接続不良を生じさせるおそれがある。上記のように、貫通孔21aから外気が流入することで、外気によって外部配線を含む接続端子17周辺を冷却し、接続不良を抑制することができる。貫通孔21aは、例えば、筒状部21の周方向に沿って等間隔に設けられていてもよく、接続端子17の近傍に偏って設けられていてもよい。
 上記各実施形態の変形例として、例えば、第1フランジ部13、第2フランジ部14に厚さ方向の貫通孔を設けてもよい。貫通孔を設けることで、セラミック基体11から周壁部材20への伝熱経路において、伝熱抵抗を高くすることができ、熱逃げを低減することができる。
 各実施形態のヒータを備える加熱装置は、ヒータを収容する筐体を備えていてもよく、周壁部材20が筐体であってもよい。筐体に収容されるヒータが、第5実施形態のヒータ100Dの場合、筐体にも貫通孔を設けてよい。筐体外の外気が筐体内に流入し、さらに周壁部材20内に流入するように構成される。
 以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
 本開示は次の実施の形態が可能である。
 本開示の一態様のヒータは、筒状のセラミック基体、該セラミック基体に設けられた発熱抵抗体、および前記セラミック基体の外周面に固定されており、前記外周面から離れる方向に延びる、複数のフランジ部を含むヒータ部材と、前記ヒータ部材を軸線方向および周方向に取り囲む周壁部材と、を備える。1つのフランジ部は、前記セラミック基体の軸線方向中央よりも一方側に位置し、他の1つのフランジ部は、前記セラミック基体の軸線方向中央よりも他方側に位置する。
 本開示の一態様のヒータによれば、ヒータ部材で発生した熱が、軸線方向中央よりも端部寄りに設けられたフランジ部を介して伝導することで、ヒータ部材からの熱逃げが低減され、昇温性能が向上する。
 以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
 10  ヒータ部材
 11  セラミック基体
 11a 第1端部
 11b 第2端部
 11s 外周面
 12  発熱抵抗体
 13  第1フランジ部
 14  第2フランジ部
 15  ガラス材料
 16  接合層
 17  接続端子
 20  周壁部材
 21  筒状部
 21a 貫通孔
 22  底面部
 100,100A,100B,100C,100D ヒータ
 110 内側部分
 111 外側部分
 T   被加熱物

Claims (5)

  1.  筒状のセラミック基体、
     該セラミック基体に設けられた発熱抵抗体、および
     前記セラミック基体の外周面に固定されており、前記外周面から離れる方向に延びる、複数のフランジ部を含むヒータ部材と、
     前記ヒータ部材を軸線方向および周方向に取り囲む周壁部材と、を備えるヒータであって、
     1つのフランジ部は、前記セラミック基体の軸線方向中央よりも一方側に位置し、他の1つのフランジ部は、前記セラミック基体の軸線方向中央よりも他方側に位置する、ヒータ。
  2.  前記1つのフランジ部は、前記セラミック基体の前記一方側の端部に位置する、請求項1記載のヒータ。
  3.  前記他の1つのフランジ部は、前記セラミック基体の前記他方側の端部に位置する、請求項1または2記載のヒータ。
  4.  前記周壁部材は、軸線方向一方が開放され、軸線方向他方が底面で塞がれた有底筒状であり、
     前記ヒータ部材は、前記セラミック基体の前記一方側の端部が、前記周壁部材の開放された側に、前記セラミック基体の前記他方側の端部が、前記周壁部材の底面側に向くように位置し、
     前記1つのフランジ部は、樹脂材料で構成され、
     前記他の1つのフランジ部は、セラミック材料で構成される、請求項1~3のいずれか1つに記載のヒータ。
  5.  前記他の1つのフランジ部は、前記セラミック基体の前記外周面に、ガラス材料で固定されており、
     前記ガラス材料は、前記他の1つのフランジ部より前記セラミック基体の軸線方向中央側の量が、前記他の1つのフランジ部より前記セラミック基体の軸線方向他方側の量より少ない、請求項1~4のいずれか1つに記載のヒータ。
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