JP2003257595A - セラミックヒータおよびそれを用いた車載暖房機点火用セラミックヒータ - Google Patents
セラミックヒータおよびそれを用いた車載暖房機点火用セラミックヒータInfo
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Abstract
温度係数のばらつきが大きく、安定した着火あるいは着
火検知が出来なくなるという問題があった。 【解決手段】窒化珪素セラミックス中に高融点金属もし
くはその導電性セラミックスからなる発熱抵抗体と、該
発熱抵抗体に電力を供給させるためのリード部を埋設し
てなるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体の抵
抗温度係数のばらつきを25%以下とする。
Description
置の点火あるいは炎検知用ヒータ、自動車用グロープラ
グ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒー
タ、酸素センサ等の各種センサの各種センサや測定機器
の加熱用ヒータなどに利用されるセラミックヒータに関
するものである。
に可能とするための熱源または車両室内暖房の補助熱源
として、液体燃料を用いる車載暖房機が使用されてい
る。また、電気自動車においてはバッテリの容量の制限
により電力消費を少なくすることが要求されており、暖
房装置の熱源としてこの液体燃料を用いた車載暖房機の
利用が見込まれている。
す。(特開平11−173511参照)液体燃料は図示
していない燃料ポンプにより燃料タンクから点火栓10
の周囲に供給される。支持部材11は燃焼筒12に固定
されており、その中央には燃焼温度検知サーミスタ13
が設置されており、上部には点火栓10を挿通させる孔
が設けられている。更に支持部材11には液体燃料を保
持する蒸発媒体14が嵌着されており、燃料の着火は、
円筒形のステンレスで被覆された金属製の発熱部15を
有する点火栓10により行われる。すなわち、点火栓1
0の抵抗体に一定時間通電することにより発熱部15が
高温に赤熱される。その後、燃料ポンプから点火栓10
の周りに液体燃料が供給され蒸発媒体14に浸透され
る。同時に空気供給ブロア16から空気が送られ燃焼用
空気が送り込まれる。そして、点火栓10の周りに浸透
した燃料が蒸発して赤熱した発熱部15で着火される。
全面を覆うようになる。この火炎により蒸発媒体14の
表面から燃料蒸発量が増大し燃焼量が増大するがその燃
焼量に見合うように供給燃料および燃焼用空気量が増や
される。
からの操作信号および燃焼温度検知サーミスタ13の信
号により、燃料ポンプ、空気供給ブロア16の動作を制
御する。
交換部18で冷却水を加熱する。この熱交換部で加熱さ
れる水はエンジン冷却水であるがその水は図示していな
い熱交換器で空気を加熱する。その加熱された空気は車
両室内に送られ車内の暖房が行われる。
装置の着火または着火検知に使用されているセラミック
ヒータ1の構造を説明する。図1から判るように発熱抵
抗体7を内蔵し、Niからなる電極金具3を取出電極1
0にロウ付けしたセラミックヒータ1が、前記セラミッ
クヒータ1の外表面にロウ付けされた保持金具2で該セ
ラミックヒータ1を外部装置に固定するための固定用金
具4にネジ5により固定された状態を示している。固定
用金具4の先端部にはセラミックヒータ1の位置決めの
ために、段部が形成されており、該段部に保持金具2を
当てて位置合わせをし、ネジ5で固定するようにしてい
る。このようにしてガス流中の最適位置で燃焼ガスが着
火するようなシステムが組まれている。
小型化が望まれており、それに伴い、セラミックヒータの
小型化、セラミックヒータとサーミスタとの一体化が必
要となってきている。燃焼及び燃焼温度を確認する方法
としては、サーミスタの高温抵抗値を読み取り、その高
温抵抗値を換算して確認する方法が採られている。
る場合、セラミックヒータの耐久性が良好で長期の使用
に際しても抵抗値の変動が少なくなければならない。
に高融点で熱膨張計数が母材に近いWCを用い、さらに
熱膨張計数をセラミックヒータの基材に近づけるためB
Nや窒化珪素粉末を添加する。このとき、セラミックヒ
ータを作製する焼成工程にて基材のSiと発熱体中のW
Cが反応してWの珪化物であるWSi2もしくはW5Si
3を形成する。その反応度合いにばらつきがあり、W珪
化物とWCの比抵抗及び抵抗温度係数が異なるため、そ
の結果、室温抵抗がばらつく、あるいは抵抗温度係数が
ばらつき、燃焼及び燃焼温度の正しい検知が出来なくな
ってしまうという問題があった。
では、40〜1000℃間の抵抗温度係数が30〜50
%程度ばらついており、このように抵抗温度係数が大き
くばらついているものでは、燃焼温度の検知用に使用す
ることは出来ないという問題があった。
化に対する抵抗値変化の割合を示すパラメータであっ
て、40℃における抵抗値をR40、1000℃における
抵抗値をR1000とすると、抵抗温度係数=(R1000−R
40)÷(1000−40)で定義される。
ータかつ炎検知を一体化したセラミックヒータを長期に
渡って使用した場合でも、抵抗温度係数が安定し、その
結果、安定した着火検知が可能となるセラミックヒータ
を提供することを目的とする。
タは、窒化物セラミックス中に高融点金属もしくはその
導電性セラミックスからなる発熱抵抗体と、該発熱抵抗
体に電力を供給するためのリード部を埋設してなるセラ
ミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体の抵抗温度係数
のばらつきが25%以下であることを特徴とする。
り、該発熱抵抗体の断面部において、前記発熱抵抗体の
表面に形成される珪化層の面積比が50%以下であるこ
とを特徴とする。
くともセラミックヒータに直接触れる部分を、密度が
1.70〜1.95g/cm3、曲げ強度が30MPa
以上、熱伝導率が70W/m・K以上のカーボンで形成
したことを特徴とする。
と無機絶縁体のBNを主成分とし、BNの比率が4重量
%以上であることを特徴とする。
用点火用セラミックヒータとして、使用することができ
る。
レスに用いるカーボンで少なくともセラミックヒータに
直接ふれるものについて密度を1.70〜1.95g/
cm3、曲げ強度を30MPa以上、熱伝導率を70W
/m・Kとすることにより、カーボン型のシール性を向
上させると共に、ホットプレスの圧力によりカーボン型
が破損することを防止し、焼成時の熱がセラミックヒー
タに伝わりやすくなるので、焼成したセラミックヒータ
の常温抵抗、抵抗温度係数が安定する。さらに、内部に
埋設される発熱抵抗体について無機導電体のWCと無機
絶縁体のBNを主成分とし、BNの添加量を4重量%以
上にすることにより良好な耐久性を得ることができ、そ
の結果、長期の使用に際しても抵抗値が変化せず、安定
した着火及び着火検知性能が維持できる。
る。図1に本発明のセラミックヒータの断面図を示した。
図1のセラミックヒータ1は車載用暖房装置に使用され
る着火または着火検出に使用されている。まず、セラミ
ックヒータ1の製法について図2を用いて説明する。こ
の図は、2層の発熱抵抗体7を有するセラミックヒータ
1の例である。まず、セラミック生成形体6の上に発熱
抵抗体7と取出電極9をプリント法により形成する。そ
の後、タングステンピン8を前記発熱抵抗体7、取出電
極9が導通するように設置し、前記セラミック生成形体
6の2層とこれらの蓋となるセラミック生成形体6を重
ねて密着させ、ホットプレスにより焼成した後焼結体を
円柱状に加工し、表面に露出した取出電極9に電極金具
3をロウ付けしてセラミックヒータ1を得る。その後、セ
ラミックヒータ1の外周に保持金具2をロウ付けする。
こうして得られたセラミックヒータ1を、図1に示すよ
うに、車載暖房機の燃焼筒12のホルダ4にネジ5によ
り固定する。3は、セラミックヒータ1の電極金具であ
る。
火用ヒータとして使用する場合、前記発熱抵抗体7を温
度センサとして使用し、燃焼時の温度を発熱抵抗体7の
抵抗値から判断することができる。
抵抗体7の抵抗温度係数のばらつきが25%以下である
ことを特徴とする。この抵抗温度係数が25%を越えて
大きいと、燃焼温度を正確に検知することができなくな
り、燃料を加給し過ぎて、正確な暖房ができなくなるの
で好ましくない。さらに好ましくは18%以下、理想的
には16%以下とすることが好ましい。
Tiの炭化物、窒化物、珪化物を主成分とするものを使
用することが可能であるが、中でもWCが熱膨張率、耐
熱性、比抵抗の面から発熱抵抗体7の材料として優れて
いる。そして、発熱抵抗体7の主成分をWCとし、図3
に示すような発熱抵抗体7の断面部において、該発熱抵
抗体7の表面に形成される珪化層の面積比が50%以下
となるようにすることが好ましい。これにより、抵抗温
度係数のバラツキを25%以下に安定して制御すること
ができる。さらに好ましくは、前記珪化層の比率を15
%以下にすれば良い。
体7の珪化にある。珪化が進みすぎると、珪化部は強度
が弱く非常に脆い性質を持っているので、発熱抵抗体7
の耐久性が低下する。発熱抵抗体の耐久性の面からみて
も、抵抗温度係数のバラツキが25%を越えるものは、
耐久性が悪くなるので好ましくない。
るためには、前記セラミックヒータ1の焼成工程である
加圧焼成に用いるカーボン型のうち、少なくともセラミ
ックヒータ1に直接触れる部分を、その密度が1.70
〜1.95g/cm3、曲げ強度が30MPa以上、熱
伝導率が70W/m・K以上の特性を有するカーボンを
用いることが有効である。
満になると、カーボン型による雰囲気のシール性が低下
するため、窒化珪素の分解が進み、発熱抵抗体7の珪化
が進みやすくなるので好ましくない。特に、外周部の発
熱抵抗体の珪化が進む。発熱抵抗体7が珪化すると抵抗
温度係数が小さくなるので、珪化の度合いが進むにつれ
て抵抗温度係数のバラツキが大きくなる。
度が30MPa未満では、ホットプレス焼成時にカーボ
ン型にクラックが発生して発熱抵抗体7が断線したり、
抵抗値が高くなり耐久性が低下したりするので好ましく
ない。また、波及効果としてシール性が低下するので、
発熱抵抗体7の珪化が進み抵抗温度係数のバラツキが大
きくなってしまう。
満では、カーボン型の中のセラミックヒータへの熱伝達
が悪くなるので発熱抵抗体7の焼結が不充分となり、抵
抗値が狙いより大きくなってしまうので、好ましくな
い。
て大きくなると、原因は良く判らないが、発熱抵抗体7
の焼結が不充分となり、抵抗値を所望の範囲に調整する
ことが難しくなるので好ましくない。
ーとなる窒化珪素成形体を配置して焼成することによ
り、発熱抵抗体7の周囲の窒化珪素の分解を抑制するこ
とも、抵抗温度係数のバラツキを低減するために有効で
ある。
Cを主成分とし、これに添加するBNの比率が4重量%
以上となるように調整することが好ましい。窒化珪素セ
ラミックス中で、発熱抵抗体7となる導体成分は窒化珪
素に較べて熱膨張率が大きいため、通常は引張応力が掛
かった状態にある。これに対して、BNは、窒化珪素に
較べて熱膨張率が小さく、また発熱抵抗体7の導体成分
とは不活性であり、セラミックヒータ1の昇温降温時の
熱膨張差による応力を緩和するのに適している。また、
BNの添加量が20重量%を越えると抵抗値が安定しな
くなるので、20重量%が上限である。さらに好ましく
は、BNの添加量は、4〜10重量%とすることが良
い。
Nの代わりに窒化珪素を10〜40重量%添加すること
も可能である。窒化珪素の添加量を増すにつれ、発熱抵
抗体7の熱膨張率を母材の窒化珪素に近づけることがで
きる。
抵抗体7を用いたセラミックヒータを用いることも可能
である。Wコイルの珪化を低減することにより、抵抗温
度係数のバラツキを低減することが可能となる。
1は、図4に示したような車載暖房機点火用のセラミッ
クヒータ1として使用することができる。
質は、窒化珪素、窒化アルミニウム等の材質を用いるこ
とが可能である。中でも、窒化珪素が高強度、高靱性、高
絶縁性、耐熱性の観点で一番優れている。窒化珪素質焼結
体としては、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤として3
〜12重量%の希土類元素酸化物と0.5〜3重量%の
Al2O3、さらに焼結体に含まれるSiO2量として
1.5〜5重量%となるようにSiO2を混合し、16
50〜1750℃でホットプレス焼成することにより、
焼結体を得ることができる。ここで示すSiO2量とは、
窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するSi
O2と、他の添加物に含まれる不純物としてのSiO
2と、意図的に添加したSiO2の総和である。
i2を分散させることにより、母材の熱膨張率を発熱抵
抗体7の熱膨張率に近づけることにより、発熱抵抗体7
の耐久性を向上させることが可能である。また、セラミ
ックヒータの母材の材質として窒化アルミニウムを用い
る場合は、窒化アルミニウムに対して、焼結助剤として
Y2O3等の希土類元素酸化物やCaOを2〜8重量%添
加したものを使用する。
ある材質であれば他の材質を用いることも可能である
が、特にセラミック基材が窒化珪素の場合、Wを用いるの
が望ましい。保持金具2の材質としては、ステンレス鋼、
耐熱鋼、Fe−Ni−Cr合金、インコネル等の耐熱性
に優れたものが好適である。
を作って、下記試験を実施して、従来の構造のものと比
較した。 実施例 1 ここでは、セラミックヒータ1のホットプレス焼成時に
使用するカーボン型の密度、強度、熱伝導率を変化させ
て、各々の場合の発熱抵抗体7の導体成分であるWCの
珪化の度合いを調べるとともに、このようにして準備し
たセラミックヒータ1の室温における抵抗値バラツキ
と、抵抗温度係数を調査した。
図2を用いて説明する。まず、窒化珪素(Si3N4)粉
末にイッテリビウム(Yb)やイットリウム(Y)等の
希土類元素の酸化物からなる焼結助剤を添加したセラミ
ック原料粉末を周知のプレス成型法等でセラミック生成
形体6を得た。セラミック生成形体6の上にWCとBN
を主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体7と取出電
極9をプリント法により形成した。その後、タングステン
ピン8を前記発熱抵抗体7と取出電極9が導通するよう
に設置し、前記セラミック生成形体6を2層とこれらの
蓋となるセラミック生成形体6を重ねて密着させ、密着
させた生成形体数十本とカーボン板を交互に段重ねし
た。これを円筒のカーボン型に入れた後、還元雰囲気
下、1650℃〜1750℃の温度でホットプレスによ
り焼成する。前記カーボン板については、密度、曲げ強
度、熱伝導率の特性について3水準振った。焼成後焼結
体を円柱状に加工し、表面に露出した取出電極9にNi
からなる電極金具3をロウ付けしてセラミックヒータ1
を得た。その後、セラミックヒータ1の外周に保持金具2
をロウ付けした。
径を4.2mm、全長を40mmとしたセラミックヒー
タ1を作製し、それぞれの発熱抵抗体7厚みについて発
熱抵抗体7の珪化層が占める割合、抵抗値及び抵抗温度
係数のばらつきを評価した。これらの結果を表に示した。 なお、珪化層についてはセラミックヒータ1を、発熱抵
抗体7に垂直な断面で切断して4本見える発熱抵抗体7
の断面をEPMA(JXA8600M)にて観察した。
装置の測定条件としてD.Tim:30msec、Ac
c.V:15kV、P.Cur:5×10-8Aで測定。
Siのカウント値を0〜75、Wのカウント値を0〜1
25までとった。Siについてはカウント値を25以
上、Wについてはカウント値を50以上というしきい値
を設定してこの数値で多元素複合マップをとる。このと
き、マップ上でSiとWの重なる部分をSiとWの珪化
層とする。マップ中のWのしめる面積と珪化層の占める
面積を出し、珪化層の面積/(Wの面積+反応層の面
積)×100 という式で発熱抵抗体7中の珪化層の占
める割合をだした。測定数は抵抗値、抵抗温度係数につ
いては500本、反応層の割合については20本評価し
て、その中の最大値をデータとした。結果を表1に示し
た。
0〜1.64g/cm3とし、曲げ強度を25〜29M
Paとし、熱伝導率を58〜68W/m・KとしたN
o.1は、抵抗温度係数が34%バラツキ、室温の抵抗
値バラツキも32%と大きく、好ましくなかった。
1.90g/cm3、曲げ強度を30MPa以上、熱伝
導率を70W/m・K以上としたNo.2〜5、発熱抵
抗体7中のWの反応層の占める割合が少なく、抵抗値、
抵抗温度係数とも安定することが確認できた。 なお、表
中の値は平均値である。
を1〜15重量%の範囲で6水準振って、実施例1に記
載の方法でセラミックヒータ1を作製し、セラミックヒ
ータ1の通電耐久性を評価した。 セラミックヒータ1に通電し、1300℃昇温保持3分
後、通電を止めて外部冷却ファンにより1分冷却。これ
を1サイクルとして30000サイクルの耐久試験を実
施した。各条件10本のサンプルを作製し、その平均値
をデータとした。これらの結果を、表2に示した。
量%添加したNo.1、2は、耐久テスト後の抵抗変化
率が10%を越えてしまい好ましくなかった。これに対
し、BNの添加量を4〜15重量%にしたNo.3〜6
は、安定した耐久性を得ることができた。
に高融点金属もしくはその導電性セラミックスからなる
発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電力を供給するためのリ
ード部を埋設してなるセラミックヒータにおいて、前記
発熱抵抗体の抵抗温度係数のばらつきが25%以下する
ことにより、この発熱抵抗体を燃焼装置の燃焼温度測定
用のセンサとして使用した場合において、燃焼状態を良
好に検知できるセラミックヒータとすることができる。
ち、少なくともセラミックヒータに直接触れる部分を、
密度が1.70〜1.95g/cm3、曲げ強度が30
MPa以上、熱伝導率が70W/m・K以上のカーボン
とすることにより、常温抵抗、抵抗温度係数を安定させ
ることができる。
いて無機導電体のWCと無機絶縁体のBNを主成分と
し、BNの添加量を4重量%以上にすることにより良好
な耐久性を有するセラミックヒータを提供することが出
来るようになる。その結果、長期の使用に際しても抵抗
値が変化せず、安定した着火及び着火検知性能が維持で
きる。
模式図である。
Claims (6)
- 【請求項1】窒化物セラミックス中に高融点金属もしく
はその導電性セラミックスからなる発熱抵抗体と、該発
熱抵抗体に電力を供給するためのリード部を埋設してな
るセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体の抵抗温
度係数のばらつきが25%以下であることを特徴とする
セラミックヒータ。 - 【請求項2】前記発熱抵抗体の主成分がWCであり、該
発熱抵抗体の断面部において、前記発熱抵抗体の表面に
形成される珪化層の面積比が50%以下であることを特
徴とする請求項1記載のセラミックヒータ。 - 【請求項3】加圧焼成に用いるカーボン型のうち、少な
くともセラミックヒータに直接触れる部分を、密度が
1.70〜1.95g/cm3、曲げ強度が30MPa
以上、熱伝導率が70W/m・K以上のカーボンで形成
したことを特徴とする請求項1記載のセラミックヒー
タ。 - 【請求項4】前記発熱抵抗体は無機導電体のWCを主成
分とし無機絶縁体のBNを4重量%以上含有することを
特徴とする請求項1記載のセラミックヒータ。 - 【請求項5】請求項1〜4のいずれかに記載のセラミッ
クヒータを用いた車載暖房機点火用セラミックヒータ。 - 【請求項6】前記発熱抵抗体を温度センサとして使用す
ることを特徴とする請求項5記載の車載暖房点火用セラ
ミックヒータ。
Priority Applications (1)
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JP2002052370A JP3924477B2 (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | セラミックヒータおよびそれを用いた車載暖房機点火用セラミックヒータ |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2005331486A (ja) * | 2004-05-21 | 2005-12-02 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 温度センサ |
WO2023226280A1 (zh) * | 2022-05-25 | 2023-11-30 | 重庆利迈科技有限公司 | 四线可测温电加热及点火装置 |
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