CN108886840B - 陶瓷加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够通过防止在加热器布线中产生的绝缘破坏来提高可靠性的陶瓷加热器。本发明的陶瓷加热器包括卷绕于支承体(17)的外周并内置有加热器布线(41)的陶瓷片(19)。加热器布线(41)具有沿着支承体(17)的轴线方向延伸的布线部(44)和将相邻的布线部(44)彼此连接的连接部。在自加热器布线(41)的表面(46)起到陶瓷片(19)的外周面(47)为止的厚度设为t、将施加于加热器布线(41)的电压设为V、将自加热器布线(41)的端缘起到陶瓷片(19)的端面(48)为止的距离设为w、将隔着卷合部(20)配置于彼此相反侧的一对布线部(44)之间的距离设为L时，满足t≥0.2mm的关系且满足L/V≥9/500和w/V≥3/500中的至少一个关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于例如温水清洗坐便器、暖风机、电热水器、24小时浴盆、焊烙铁、烫发器等的陶瓷加热器，尤其是涉及一种在支承体的外周卷绕内置有加热器布线的陶瓷片的构造的陶瓷加热器。
背景技术
一般情况下，在温水清洗坐便器中使用具有树脂制的容器(热交换器)的热交换单元。为了对收纳于热交换器内的清洗水进行加热，在该热交换单元安装有筒状的陶瓷加热器。
作为这种陶瓷加热器，公知一种通过在圆筒状的陶瓷制的支承体卷绕印刷有加热器布线的陶瓷片并进行一体烧结而构成的陶瓷加热器(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3038039号公报(图1等)
发明内容
发明要解决的问题
此外，温水清洗坐便器用的陶瓷加热器始终处于水中，因此几乎不会在干燥状态下被通电、加热。另一方面，在断水、配管发生故障时，有可能在干燥状态下被通电、加热。但是，若在干燥状态下被加热，则有可能在隔着陶瓷片的卷合部地位于彼此相反侧的位置的一对加热器布线之间产生电位差而发热，存在于发热的加热器布线附近的陶瓷片中的玻璃成分熔融。在该情况下，由于电子易于运动，因此，会在隔着卷合部地位于彼此相反侧的一对加热器布线之间发生局部放电，以至绝缘破坏。并且，因在局部放电时产生的火花导致在陶瓷片中存在的陶瓷成分也熔融，因此存在陶瓷加热器发生破损这样的问题。
本发明是鉴于上述课题而做出的，其目的在于，提供一种能够通过防止在加热器布线中产生的绝缘破坏来提高可靠性的陶瓷加热器。
用于解决问题的方案
并且，作为用于解决上述课题的技术方案(技术方案1)，存在一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括陶瓷制的支承体和卷绕于所述支承体的外周并内置有加热器布线的陶瓷片，该陶瓷加热器的特征在于，所述加热器布线具有沿着所述支承体的轴线方向延伸的多个布线部和将相邻的所述布线部彼此连接的连接部，在将所述陶瓷片中自所述加热器布线的表面起到所述陶瓷片的外周面为止的厚度设为t(mm)、将施加于所述加热器布线的电压设为V(V)、将在所述陶瓷片的卷合部处自所述加热器布线的端缘起到所述陶瓷片的端面为止的距离设为w(mm)、将隔着所述卷合部配置于彼此相反侧的一对所述布线部之间的距离设为L(mm)时，满足t≥0.2mm的关系且满足L/V≥9/500和w/V≥3/500中的至少一个关系。
因而，采用技术方案1所述的发明，通过满足t≥0.2mm的关系且满足L/V≥9/500和w/V≥3/500中的至少一个关系，能够提高绝缘破坏强度。其结果，能够防止在卷合部附近的陶瓷片中存在的玻璃成分的熔融，因此能够防止在隔着卷合部位于彼此相反侧的一对加热器布线之间的绝缘破坏，并且能够防止陶瓷加热器的破损。因此，能够提高陶瓷加热器的可靠性。
另外，优选的是，上述陶瓷加热器满足t/V≥1/500和w/t≥3中的至少一个关系。并且，优选的是，在卷合部形成有沿着支承体的轴线方向延伸且使支承体的外周面暴露的狭缝，在将狭缝的宽度设为自式子L－2w导出的值时，满足0.2≤L－2w≤1.5的关系。若如以上那样设定，则能更可靠地提高绝缘破坏强度，因此能够可靠地防止隔着卷合部位于彼此相反侧的一对加热器布线之间的绝缘破坏，且能够可靠地防止陶瓷加热器的破损。因此，能进一步提高陶瓷加热器的可靠性。
上述陶瓷加热器具有陶瓷制的支承体和卷绕于支承体的外周的陶瓷片。作为用于形成支承体和陶瓷片的陶瓷，例如能够列举氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氧化锆、二氧化钛、莫来石等作为恰当的例子。特别是，支承体和陶瓷片优选由氧化铝制成。这样，能够以低成本制造耐热性、耐化学药品性以及强度优异的陶瓷加热器。此外，陶瓷片具有例如利用钨、钼、钽等制成的发热体(加热器布线)。另外，优选的是，加热器布线含有钨和钼中的至少一种作为主要成分。这样，能够使加热器布线相对于陶瓷片可靠地紧贴，因此能够进一步提高陶瓷加热器的可靠性。
附图说明
图1是本实施方式中的陶瓷加热器的主视图。
图2是表示陶瓷加热器的俯视图。
图3是图1的A－A线剖视图。
图4是将陶瓷片展开示出的说明图。
图5的(a)～图5的(d)是表示陶瓷加热器的制造方法的说明图。
图6是表示另一实施方式中的陶瓷加热器的制造方法的说明图。
具体实施方式
以下，基于附图来说明将本发明具体化了的一实施方式的陶瓷加热器和其制造方法。
本实施方式的陶瓷加热器11用于在例如温水清洗坐便器的热交换单元的热交换器中对清洗水进行加热。
如图1、图2所示，该陶瓷加热器11具有呈圆筒状的陶瓷制的加热器主体13和外嵌于加热器主体13的金属制的圆环状的凸缘15。凸缘15是通过将例如不锈钢等的金属板弯曲而形成的圆环状的构件，其中央部分呈凹状(杯形状)。
在本实施方式中，如图2所示，凸缘15的凹状部分中的、由加热器主体13的外周面14和凸缘15的内表面包围的空间成为玻璃贮存部35。在玻璃贮存部35填充有玻璃33，借助该玻璃33将加热器主体13和凸缘15熔接固定。另外，在图2中，以阴影表示玻璃33的部分。
如图1～图3所示，加热器主体13由呈圆筒状的陶瓷制的支承体17和卷绕于支承体17的外周的陶瓷片19构成。在本实施方式中，支承体17和陶瓷片19由氧化铝(Al2O3)等的陶瓷制成。氧化铝的热膨胀系数处于50×10-7/K～90×10-7/K的范围内，在本实施方式中为70×10-7/K(30℃～380℃)。此外，在本实施方式中，支承体17的外径设定为12mm，内径设定为8mm，长度设定为65mm，陶瓷片19的厚度设定为0.5mm，长度设定为60mm。另外，陶瓷片19未完全覆盖支承体17的外周。因此，在陶瓷片19的卷合部20形成有狭缝21，该狭缝21沿支承体17的轴线方向延伸，并且使支承体17的外周面18暴露。
如图3、图4所示，在陶瓷片19内置有蜿蜒曲折的图案形状的加热器布线41和一对内部端子42。在本实施方式中，加热器布线41和内部端子42含有钨(W)作为主要成分。另外，各内部端子42经由未图示的导通导体等与形成于陶瓷片19的外周面的外部端子43(参照图1)电连接。
此外，加热器布线41具有沿着支承体17的轴线方向延伸的多个布线部44和将相邻的布线部44彼此连接的连接部45。从厚度方向观察陶瓷片19时位于两端部的一对布线部44隔着陶瓷片19的卷合部20(参照图3)地配置于彼此相反侧，该一对布线部44的第1端(在图4中为上端)与内部端子42相连接，且该一对布线部44的第2端(在图4中为下端)经由连接部45与相邻的布线部44的第2端相连接。另外，在从厚度方向观察陶瓷片19时位于上述一对布线部44之间的布线部44的第1端经由连接部45与相邻的布线部44的第1端相连接，且布线部44的第2端经由连接部45与相邻的布线部44的第2端相连接。
如图3、图4所示，本实施方式的布线部44的线宽W1设定为0.60mm，厚度设定为15μm。同样地，本实施方式的连接部45的线宽W2也设定为0.60mm，厚度也设定为15μm。即，布线部44的线宽W1与连接部45的线宽W2相同。另外，布线部44的厚度也与连接部45的厚度相同，因此，布线部44的截面积与连接部45的截面积相同。
此外，如图3所示，在陶瓷片19中，自布线部44(加热器布线41)的表面46起到陶瓷片19的外周面47为止的厚度t为0.2mm。另外，在卷合部20中，自布线部44(加热器布线41)的端缘起到陶瓷片19的端面48为止的距离w是0.7mm。在此，“距离w”指的是沿着呈圆筒状的支承体17的周向的长度。并且，隔着卷合部20配置于彼此相反侧的一对布线部44之间的距离L为2.4mm。在此，“距离L”指的是将一对布线部44的端缘彼此连结起来的直线的长度。此外，形成于卷合部20的狭缝21的宽度是从式子L－2w导出的值，在本实施方式中为1mm。
接下来，说明用于制造本实施方式的陶瓷加热器11的方法。
首先，将以氧化铝为主要成分的粘土状的浆料投入以往周知的挤出机(省略图示)，成形筒状构件。然后，使已成形的筒状构件干燥后，进行加热到预定的温度(例如约1000℃)的预烧结，从而制得支承体17(参照图5的(a))。
此外，使用以氧化铝粉末为主要成分的陶瓷材料，形成成为陶瓷片19的第1陶瓷生片51和第2陶瓷生片52。另外，作为陶瓷生片的形成方法，能够使用刮刀法等周知的成形法。并且，使用以往周知的糊剂印刷装置(省略图示)在第1陶瓷生片51的表面上印刷导电性糊剂(在本实施方式中为钨糊剂)。其结果，在第1陶瓷生片51的表面上形成了成为加热器布线41和内部端子42的未烧结电极53(参照图5的(b))。另外，未烧结电极53的位置例如调整为，在加热器布线41的位置的基础上加上了烧结时的收缩量而得的位置。
然后，在导电性糊剂干燥后，在第1陶瓷生片51的印刷面(形成未烧结电极53的面)上层叠第2陶瓷生片52，并在片层叠方向上施加按压力。其结果，各陶瓷生片51、陶瓷生片52一体化，形成生片层叠体54(参照图5的(c))。此外，第2陶瓷生片52的厚度例如调整为，在自加热器布线41的外侧布线部46起到陶瓷片19的外周面47为止的厚度t的基础上加上了烧结时的收缩量而得的大小。并且，使用糊剂印刷装置在第2陶瓷生片52的表面上印刷导电性糊剂。其结果，在第2陶瓷生片52的表面上形成成为外部端子43的未烧结电极55。
接着，在生片层叠体54的单侧面涂布陶瓷糊剂(氧化铝糊剂)，使生片层叠体54卷绕并粘接于支承体17的外周面18(参照图5的(d))。这时，对生片层叠体54的尺寸进行调节以使生片层叠体54的端部彼此不重叠。接着，按照周知的方法进行干燥工序、脱脂工序等之后，加热到使生片层叠体54(陶瓷生片51、陶瓷生片52以及未烧结电极53、未烧结电极55)的氧化铝和钨能够烧结的预定的温度(例如1400℃～1600℃左右)，同时进行烧结。其结果，陶瓷生片51、陶瓷生片52中的氧化铝和导电性糊剂中的钨同时烧结，生片层叠体54成为陶瓷片19，未烧结电极53成为加热器布线41和内部端子42，未烧结电极55成为外部端子43。然后，对外部端子43实施镀镍，从而做成加热器主体13。
接着，利用模具对由不锈钢制成的板材进行冲压成形，形成杯状的凸缘15。然后，将凸缘15外嵌于加热器主体13的预定的安装位置。然后，借助玻璃33将加热器主体13和凸缘15熔接固定，完成陶瓷加热器11。
<实验例>
以下，说明为了评价本实施方式的陶瓷加热器11的性能而进行的实验例。
首先，如下那样准备了测量用样品。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品A，即：自加热器布线(布线部)的表面起到陶瓷片的外周面为止的厚度t(参照图3)为0.18mm，自加热器布线(布线部)的端缘起到陶瓷片的端面为止的距离w(参照图3)为0.6mm，隔着卷合部配置于彼此相反侧的一对布线部之间的距离L(参照图3)为1.4mm，形成于卷合部的狭缝的宽度L－2w为0.2mm。另外，准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品B，即：厚度t为0.18mm，距离w为1mm，距离L为3mm，宽度L－2w为1mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品C，即：厚度t为0.2mm，距离w为0.5mm，距离L为3mm，宽度L－2w为2mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品D，即：厚度t为0.2mm，距离w为0.7mm，距离L为1.6mm，宽度L－2w为0.2mm。准备以下那样的陶瓷加热器、即与本实施方式的陶瓷加热器11相同的陶瓷加热器并将其作为样品E，即：厚度t为0.2mm，距离w为0.7mm，距离L为2.4mm，宽度L－2w为1mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品F，即：厚度t为0.2mm，距离w为1mm，距离L为3mm，宽度L－2w为1mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品G，即：厚度t为0.3mm，距离w为1mm，距离L为2.4mm，宽度L－2w为0.4mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品H，即：厚度t为0.3mm，距离w为1mm，距离L为3mm，宽度L－2w为1mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品I，即：厚度t为0.4mm，距离w为1.3mm，距离L为3mm，宽度L－2w为0.4mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品J，即：厚度t为0.4mm，距离w为1.3mm，距离L为3.8mm，宽度L－2w为1.2mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品K，即：厚度t为0.4mm，距离w为1.5mm，距离L为4.5mm，宽度L－2w为1.5mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品L，即：厚度t为0.5mm，距离w为1.3mm，距离L为3mm，宽度L－2w为0.4mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品M，即：厚度t为0.5mm，距离w为1.5mm，距离L为3.8mm，宽度L－2w为0.8mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品N，即：厚度t为0.5mm，距离w为1.3mm，距离L为3mm，宽度L－2w为0.4mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品O，即：厚度t为0.5mm，距离w为1.5mm，距离L为4.3mm，宽度L－2w为1.3mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品P，即：厚度t为0.5mm，距离w为1.5mm，距离L为4.3mm，宽度L－2w为1.3mm。准备了以下那样的陶瓷加热器并将其作为样品Q，即：厚度t为0.5mm，距离w为1.5mm，距离L为4.5mm，宽度L－2w为1.5mm。此外，样品A～样品Q各自均准备了10个。
接着，相对于各测量用样品(样品A～样品Q)的陶瓷片所具有的一对内部端子(加热器布线)焊接镍铬合金线，使各测量用样品处于干燥状态并设置于基台。然后，对一对内部端子之间施加6分钟电压V(交流100V、140V、200V、240V中的一种)，利用热感照相机测量出陶瓷片的表面温度。具体而言，对样品A～样品E施加了交流100V的电压，对样品F～样品H、样品L、样品M施加了交流140V的电压，对样品I、J、P施加了交流200V的电压，对样品K、N、O、Q施加了交流240V的电压。另外，对样品A～样品Q各自，均计算出t/V、w/t、L/V、w/V的值。并且，观察是否在隔着卷合部位于彼此相反侧的一对布线部之间发生了绝缘破坏，在发生了绝缘破坏的情况下，测量并记录其发生时间。然后，在各样品A～样品Q中，将绝缘破坏的发生率为60％以上的样品(即，在10个样品中有6个以上的样品发生绝缘破坏)判断为“×”，将绝缘破坏的发生率为30％～50％的样品(即，在10个样品中有3个～5个样品发生绝缘破坏)判断为“△”，将绝缘破坏的发生率为10％～20％的样品(即，在10个样品中有1个或两个样品发生绝缘破坏)判断为“○”，将绝缘破坏的发生率为0％的样品(即，10个样品全部未发生绝缘破坏)判断为“◎”。将以上的结果表示在表1中。
(表1)
其结果，确认到，在厚度t小于0.2mm的样品A、B中，绝缘破坏的发生率为60％以上，因此判断成为“×”。另外，确认到，在厚度t为0.2mm以上、而L/V小于9/500且w/V小于3/500的样品N中，绝缘破坏的发生率为60％以上。另一方面，确认到，在厚度t为0.2mm以上且L/V为9/500以上或w/V为3/500以上的样品C～样品M、样品O～样品Q中，绝缘破坏的发生率为50％以下。并且，确认到，在样品C～样品M、样品O～样品Q中的、t/V为1/500以上且w/t为3以上的样品D、E、G～J、M、O～Q中，绝缘破坏的发生率为20％以下。特别是，确认到，在样品D、E、G～J、M、O～Q中的、L/V为9/500以上且w/V为3/500以上的样品E、H、J、M、P、Q中，未发生绝缘破坏。
由以上证明了，若设定为同时满足t≥0.2mm、L/V≥9/500、w/V≥3/500、t/V≥1/500以及w/t≥3的关系，则能够防止绝缘破坏的发生。
因而，采用本实施方式，能够获得以下的效果。
(1)在本实施方式的陶瓷加热器11中，由于厚度t为0.2mm、距离w为0.7mm、距离L为2.4mm、电压为交流100V，因此满足t≥0.2mm的关系且满足L/V≥9/500和w/V≥3/500的关系，从而能够提高绝缘破坏强度。其结果，能够防止在卷合部20附近的陶瓷片19中存在的玻璃成分的熔融，因此能够防止在隔着卷合部20位于彼此相反侧的一对布线部44之间的绝缘破坏，并且能够防止陶瓷加热器11的破损。因此，能够提高陶瓷加热器11的可靠性。
(2)在本实施方式中，形成于陶瓷片19的一对内部端子42配置在比隔着陶瓷片19的卷合部20位于彼此相反侧的一对布线部44靠内侧的位置(参照图4)。因此，在将陶瓷片19卷绕于支承体17的外周时，两个内部端子42在支承体17的径向上位于彼此相反侧。其结果，两个内部端子42之间的距离变大，因此能够防止在两个内部端子42之间发生放电。
此外，也可以如以下那样改变本实施方式。
·在上述实施方式中，在生片层叠体54的单侧面涂布陶瓷糊剂，使生片层叠体54卷绕并粘接于支承体17的外周面18，但也可以是，如图6所示，利用陶瓷糊剂61的一部分来覆盖成为陶瓷片的生片层叠体62的端面和支承体63的外周面64。此外，在该情况下，距离w也为自加热器布线(未烧结电极65)的端缘起到陶瓷片(生片层叠体62)的端面为止的长度。
…在上述实施方式中，陶瓷加热器11的支承体17呈筒状，但支承体也可以呈棒状。即，陶瓷加热器也可以用于与温水清洗坐便器不同的设备(例如暖风机等)。
·针对上述实施方式的陶瓷加热器11，对一对内部端子42之间施加了交流电压，但也可以对一对内部端子42之间施加直流电压。
接着，除了技术方案所述的技术性思想之外，以下列举通过所述的实施方式掌握的技术性思想。
(1)一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括陶瓷制的支承体和卷绕于所述支承体的外周并内置有加热器布线的陶瓷片，该陶瓷加热器的特征在于，所述加热器布线具有沿着所述支承体的轴线方向延伸的多个布线部和将相邻的所述布线部彼此连接的连接部，在将所述陶瓷片中自所述加热器布线的表面起到所述陶瓷片的外周面为止的厚度设为t(mm)、将施加于所述加热器布线的电压设为V(V)、将在所述陶瓷片的卷合部处自所述加热器布线的端缘起到所述陶瓷片的端面为止的距离设为w(mm)、将隔着所述卷合部配置于彼此相反侧的一对所述布线部之间的距离设为L(mm)时，满足t≥0.2mm的关系，并且，满足L/V≥9/500和w/V≥3/500中的至少一个关系且满足t/V≥1/500和w/t≥3的关系。
(2)根据上述技术方案1的陶瓷加热器，其特征在于，所述布线部的线宽与所述连接部的线宽相同。
附图标记说明
11、陶瓷加热器；17、63、支承体；18、64、支承体的外周面；19、陶瓷片；20、卷合部；21、狭缝；41、加热器布线；44、布线部；45、连接部；46、加热器布线的表面；47、陶瓷片的外周面；48、陶瓷片的端面；L、隔着卷合部配置于相反侧的一对布线部之间的距离；t、自加热器布线的表面起到陶瓷片的外周面为止的厚度；V、电压；w、自加热器布线的端缘起到陶瓷片的端面为止的距离。
Claims (5)
1.一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括陶瓷制的支承体和卷绕于所述支承体的外周并内置有加热器布线的陶瓷片，该陶瓷加热器的特征在于，
所述加热器布线具有沿着所述支承体的轴线方向延伸的多个布线部和将相邻的所述布线部彼此连接的连接部，
在将所述陶瓷片中自所述加热器布线的表面起到所述陶瓷片的外周面为止的厚度设为t、将施加于所述加热器布线的电压设为V、将在所述陶瓷片的卷合部处自所述加热器布线的端缘起到所述陶瓷片的端面为止的距离设为w、将隔着所述卷合部配置于彼此相反侧的一对所述布线部之间的距离设为L时，满足t≥0.2mm的关系且满足15/500≥L/V≥9/500和5.36/500≥w/V≥3/500中的至少一个关系，
所述电压V的单位是伏特(V)，所述厚度t、所述距离w以及所述距离L各自的单位是毫米(mm)。
2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，
满足1.79/500≥t/V≥1/500和5≥w/t≥3中的至少一个关系。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其特征在于，
在所述卷合部形成有沿着所述支承体的轴线方向延伸且使所述支承体的外周面暴露的狭缝，
在将所述狭缝的宽度设为自式子L－2w导出的值时，满足0.2≤L－2w≤1.5的关系。
4.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，
所述支承体和所述陶瓷片由氧化铝制成。
5.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，
所述加热器布线含有钨和钼中的至少一种作为主要成分。
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Application publication date: 20181123 Assignee: CHANGZHOU LAMBDA CERAMIC INDUSTRY CO.,LTD. Assignor: NGK SPARK PLUG Co.,Ltd. Contract record no.: X2023990000974 Denomination of invention: Ceramic Heater Granted publication date: 20210507 License type: Common License Record date: 20231219 |
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