JP5279447B2 - セラミックヒータ - Google Patents
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Description
本発明はセラミックヒータに関するものである。
従来から、セラミックヒータは、例えば石油ファンヒータの着火用ヒータやディーゼルエンジンの始動補助に使用するグロープラグなどを始めとして種々の用途に用いられている。このセラミックヒータは、例えば、導電性セラミックスからなる発熱体が絶縁性セラミックスからなる基体中に埋設されて構成される。このようなセラミックヒータにおいて、発熱体を構成する素材としては、モリブデンやタングステンの珪化物，窒化物および炭化物のうち少なくとも１つを主成分としたものを用いることが、また、基体を構成する素材としては、窒化珪素を主成分としたものが知られている。
しかし、一般的に発熱体を構成する素材の方が基体を構成する素材よりも熱膨張係数が大きいため、発熱時に両者間の間で生じる熱応力に起因して基体に亀裂が生じるおそれがある。そこで、両者の熱膨張係数の差を少なくするべく、基体中に、希土類成分，クロムの珪化物およびアルミニウム成分を含有するといった技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開2007−335397号公報
しかしながら、上記のような従来のセラミックヒータでは、発熱体の熱膨張係数と基体の熱膨張係数との差が少なくなっていても、異常時に大電流が流れた場合には大きな熱応力が発生するため、それによって基体が破壊するという解決すべき課題があった。
本発明はこのような従来のセラミックヒータにおける課題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、発熱体とセラミックスからなる基体との熱膨張差によって基体に亀裂や破壊が発生するのを抑制することができる、耐久性に優れたセラミックヒータを提供することにある。
本発明のセラミックヒータは、セラミックスからなる基体中に発熱体が埋設されてなるセラミックヒータにおいて、前記発熱体は、表面に前記セラミックスが入り込んだ窪みを有することを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータにおいて、前記発熱体は、最高発熱部に前記窪みを有する。また、前記発熱体は、前記基体の表面側に向いた表面に前記窪みを有する。また、前記発熱体は、複数の前記窪みを有することが好ましい。
本発明のセラミックヒータによれば、発熱体が表面に基体のセラミックスが入り込んだ窪みを有することから、発熱体の窪みの中に入り込んだセラミックスが、発熱体との密着固定における支柱の役割を果たし、基体と発熱体との間でアンカー効果を発揮するので、異常時に大電流が流れて発熱体とセラミックスからなる基体との間に熱膨張差により大きな熱応力が発生した場合であっても、その熱応力が大きくかかる発熱体の長手方向においても発熱体と基体との間に隙間が生じるのを抑制することができ、基体に亀裂が発生したり、ヒータの先端部が破壊して飛散したりしてしまうことを防ぐことができる。
また、発熱体が最高発熱部に窪みを有することによって、最高発熱部に存在するセラミックスからなる基体の体積が窪みの分だけ増加することで、電圧印加時の高温強度が増加し、振動時の耐久性が向上する。
また、発熱体が基体の表面側に向いた表面に窪みを有することによって、窪みから基体表面までの周方向への距離が、窪みを有しない部分から基体表面までの距離に近づくので、ヒータの周方向の温度分布を均一にすることができる。
また、発熱体が複数の窪みを有するときには、発熱体の複数のそれぞれ発熱体との密着固定における支柱の役割を果たし、その支柱の数が増えることから、基体と発熱体との間でアンカー効果がより効果的に発揮されるので、異常時に大電流が流れて発熱体とセラミックスからなる基体との間に熱膨張差により大きな熱応力が発生した場合であっても、その熱応力が大きくかかる発熱体の長手方向においても発熱体と基体との間に隙間が生じるのを抑制することができ、基体に亀裂が発生したり、ヒータの先端部が破壊して飛散したりしてしまうことを防ぐことができる。
以下、図面を参照しながら、本発明のセラミックヒータの実施の形態の例について詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明のセラミックヒータの実施の形態の一例を示す内部を透視した平面図であり、図１（ｂ）はその要部拡大図である。なお、図１において、透視した発熱体２についてはハッチングを施してある。また、図２は図１に示す例のＸ−Ｘ線における断面図である。
本例のセラミックヒータ10は、セラミックスからなる基体１と、基体１中に埋設された発熱体２であって、並置された２つの対向部２ａ，２ｂおよびこれらを円弧状に繋ぐ接続部２ｃを含む発熱体２と、この発熱体２のそれぞれの端部に接続された一対のリード部３ａ，３ｂとを備えている。発熱体２は、基体１の中で平行に配置された２つの対向部２ａ，２ｂと、これらを繋ぐ円弧状の接続部２ａとからなるＵ字状の形状を有している。この発熱体２にリード部３ａ，３ｂを介して電流を流すことにより、発熱体２が発熱する。
本例において、リード部３ａ，３ｂは、発熱体２と同様の材料により２つの対向部２ａ，２ｂのそれぞれと一体化されて略同一方向に形成されており、発熱体２に比較して大きい径に形成され、不要な発熱を抑えるために発熱体２よりも単位長さ当たりの抵抗が低くなっている。発熱体２の対向部２ａと繋がった部分と反対側のリード部３ａの端面は、基体１の端面に露出して、電極取り出し部４ａを構成している。また、発熱体２の対向部２ｂと繋がった部分と反対側のリード部３ｂの端面は、基体１の側面に露出して、電極取り出し部４ｂを構成している。
図２は、図１に示すＸ−Ｘ線の箇所でセラミックヒータ10を切断したときの断面図である。図２に示すように、セラミックヒータ10の、基体１における発熱体２には、基体１の材料であるセラミックスが入り込んだ窪み５が形成されている。これにより、基体１の材料であるセラミックスが入り込んだ窪み５を備えていない従来のセラミックヒータと比較して、本例のセラミックヒータ10は、動作開始直後に大電流が突入して流れてしまった場合等の異常時であっても、発熱体２と基体１という異種の材料間に基体１の材料であるセラミックスが入り込んだ発熱体２の窪み５が存在することで、２種類の材料間でアンカー効果を得ることができ、それによって、発熱体２と基体１との瞬間的な熱膨張の差により、特に発熱体２の長手方向において、基体１との間に隙間が生じたり基体１に亀裂が入ったりするのを防ぐことができる。
ここでいう窪み５は、発熱体２の対向部２ａ，２ｂおよび接続部２ｃのうちの１箇所もしくは複数箇所の表面に位置して形成されている。この窪み５の深さは、窪み５が存在する位置の発熱体２（２ａ，２ｂ，２ｃ）の直径（断面が楕円形の発熱体２の場合は長径）の５％以上あることが、アンカー効果を引き出すのに好ましく、発熱体２の局所発熱を防ぐためには直径（長径）の30％以下であることが好ましい。さらに、発熱体２の長手方向における窪み５の大きさは、窪み５を設ける発熱体２の対向部２ａ，２ｂまたは接続部２ｃの各々の長さに対して１／10以上の長さがあることが好ましく、１／２以下の長さであることが、アンカー効果を引き出すのに好ましい。さらに、発熱体２の幅方向に対する窪み５の大きさは、発熱体２の対向部２ａ，２ｂまたは接続部２ｃの各々の幅に対して１／10以上の幅であることが好ましく、１／２以下の幅であることがアンカー効果を引き出すのに好ましい。例えば、断面が直径１ｍｍの円形状で対向部２ａの長さが10ｍｍの発熱体２では、窪み５の形状としては対向部２ａに沿った細長いもので、深さは50μｍ以上300μｍ以下が好ましく、長さは１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、幅は100μｍ以上500μｍ以下の大きさのものが好ましい。
また、発熱体２に窪み５を設ける位置については特に制限はなく、セラミックヒータ10の仕様に応じてその耐久性を高めることができる位置に設ければよい。例えば、石油ファンヒータの着火用ヒータや、ディーゼルエンジンの始動補助に使用するグロープラグ等におけるセラミックヒータは、概ねセラミックスからなる基体の先端側に最高発熱部を有することで使用される用途が多いため、窪み５を発熱体２の先端から１ｍｍから５ｍｍ位までの間に設けることがよい。
さらに、窪み５の形状については、発熱体２上に形成することができれば種々の形状を採用することができるが、通常は平面視して円形状，長円形状，楕円形状，長方形状であれば、形成するのが容易であり、しかも十分な効果を得ることができる。
以下、本発明のセラミックヒータ10を構成する好ましい材料について説明する。
セラミックスからなる基体１を構成する材料としては、高温での絶縁特性が優れている点からアルミナ質セラミックスまたは窒化珪素質セラミックスが好ましいが、特に急速昇温時の耐久特性が高い点で窒化珪素質セラミックスがより好ましい。窒化珪素質セラミックスの組織は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする主結晶相粒子が、焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。主結晶相は珪素（Ｓｉ）あるいは窒素（Ｎ）の一部がアルミニウム（Ａｌ）あるいは酸素（Ｏ）で置換され、さらに、主結晶相中にＬｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｙ等の金属元素が固溶したものであってもよい。本例における基体１は、窒化珪素粉末にイッテルビウム（Ｙｂ），イットリウム（Ｙ）またはエルビウム（Ｅｒ）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用いて、発熱体２と同様に、周知のプレス成形法等により成形することができる。なお、成形体の形状が金型に倣って自由に決められる射出成形法により基体１を成形するのが、所望の形状の基体１を得る上で好ましい。
発熱体２の材料としては、発熱抵抗体として炭化タングステン（ＷＣ），二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）および二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等の周知の導電性セラミックスを用いることができる。ここで、発熱体２を形成するのに炭化タングステンを用いる場合を例に挙げて説明する。
ＷＣ粉末を準備する。このＷＣ粉末には、セラミックスからなる基体１との熱膨張係数の差を減少させるために、基体１の主成分となる窒化珪素質セラミックス等の絶縁性セラミックスを配合することが好ましい。このとき、絶縁性セラミックスと導電性セラミックスとの含有比率を変化させることにより、発熱体２の電気抵抗を所望の値に調整することができる。発熱体２は、ＷＣ粉末に基体１の主成分となる絶縁性セラミックスである窒化珪素質セラミックスを配合したセラミック原料粉末を、周知のプレス成形法等により成形して得ることができる。このとき、成形体の形状が金型に倣って自由に決められる射出成形法により発熱体２を成形することが好ましい。
以下、本発明の実施の形態の一例であるセラミックヒータ10における発熱体２の製造方法の一例について説明する。
まず、図３に断面図で一例を示すような、発熱体２を成形するための金型を準備する。この金型は、上金型20と下金型21とからなり、上金型20と下金型21とを合わせたときに、発熱体２（図３では対向部２ａ，２ｂ）の形状に対応した空洞（キャビティ）が形成されるようになっている。このような金型を用いて発熱体２に窪み５を形成するために、下金型21の金型内に、窪み形成ピン22が配置されている。なお、窪み形成ピン22は、下金型21の金型内に配置するだけでなく、上金型20および下金型21を縦方向もしくは横方向に貫通して、あるいは上金型20と下金型21との合わせ面に挟み込まれて空洞まで達するように配置してもよい。窪み形成ピン22を空洞内に突出するように抜き差しができるピンとして配置することで、空洞内に素材が充填されて成形される発熱体２に対して自由な方向からその表面に窪み形成ピン22の先端形状に対応した窪み５を形成することができる。また、窪み形成ピン32の大きさを自由に設定することで、窪み５の大きさを自由に設定することが可能である。さらに、窪み形成ピン22の長さを自由に設定することで、窪み５の深さを自由に設定することが可能である。
このような金型（上金型20，下金型21）を用いて射出成形法にて成形された発熱体２の成形体に、別金型で成形したリード部３ａ，３ｂの成形体を組み合わせ、さらにそれらを埋設するように別金型で成形した基体１の成形体を組み合わせたものが、セラミックヒータ10の生成形体となる。
出来上がった生成形体を、所定の温度プロファイルに従って、発熱体２およびリード部３ａ，３ｂが内部に埋設された基体１となるように焼成して、得られた焼結体を必要に応じて機械加工することで、図１に示したような本例のセラミックヒータ10が完成する。なお、焼成方法としては、基体１のセラミックスとして窒化珪素質セラミックスを用いる場合であれば、例えば、脱脂工程を経て、還元雰囲気下で1650〜1780℃程度の温度および30〜50ＭＰａ程度の圧力で焼成するホットプレスによる方法が挙げられる。
このような本例のセラミックスヒータ10によれば、セラミックスからなる基体１に埋設された発熱体２には、基体１の材料であるセラミックスが入り込んだ窪み５が表面に形成されていることにより、基体１の材料であるセラミックスが入り込んだ窪み５を有していない従来のセラミックヒータと比較して、動作開始直後に大電流が突入して流れてしまった場合のような異常時であっても、発熱体２とセラミックスからなる基体１という異種の材料間に基体１のセラミックスが入り込んだ発熱体２の窪み５が存在することで、２種類の材料間でアンカー効果が発生し、発熱体２と基体１との瞬間的な熱膨張の差により、特に発熱体２の長手方向に基体１との間に隙間が生じたり基体１に亀裂が入ったりするのを防ぐことができる。
発熱体２に形成される窪み５は、セラミックヒータ10に電流を流した時に発熱する最高温度に達する部分である、発熱体２の最高発熱部に有するように形成することが好ましい。これによれば、発熱体２の発熱により増加する基体１のセラミックスの体積が、発熱体２の最高発熱部に存在する窪み５に入り込んだ部分で最も増加するため、窪み５による２種類の材料間でのアンカー効果を効果的に得ることができ、電圧印加時の高温強度を増大させ、振動等に対する耐久性も向上させることができるものとなる。
なお、発熱体２の最高発熱部は発熱体２の仕様によって任意の箇所に種々の大きさとして設定されるので、窪み５を最高発熱部に形成する場合は、それに応じて適切な形状や大きさに窪み５を設定すればよい。最高発熱部においては、例えばディーゼルエンジンの始動補助に使用するグロープラグでは、最高発熱部は1250℃位にまで上昇し、最高発熱部からリード部３ａ，３ｂ側に２ｍｍ程度ずれることで温度は100℃程低下していくので、その温度差に応じたものとすればよい。
また、発熱体２に形成される窪み５は、図４に図２と同様の断面図で示すように、発熱体２の表面の中でも基体１の表面側に向いた表面に窪み５を有するように形成することが好ましい。これによれば、大電流が突入して流れてしまった場合のような異常時であっても、発熱体２の対向部２ａ，２ｂ間よりもセラミックスからなる基体１の熱膨張が大きい側である基体１の表面側に発熱体２の窪み５があることによって、窪み５によるアンカー効果をより有効に発揮させることができるので、発熱体２と基体１との間に隙間が生じたり基体１に亀裂が入ったりするのを防ぐことができる。また、発熱体２の窪み５からの基体１の表面までの最短距離と、発熱体２の窪んでいない部分からの基体１の表面までの最短距離とが近付くこととなることにより、それぞれの部分からの熱伝導の速度が近付くこととなるため、基体１の表面において全体の周方向の温度分布が均一になりやすく、セラミックヒータ10の均熱性が向上して温度ばらつきが少なくなる。
なお、基体１の表面側に向いた表面に窪み５を有する発熱体２として、図４では窪み５を発熱体２の対向部２ａ，２ｂのそれぞれ左右の外側に有している例を示したが、窪み５は発熱体２の上側に設けても、あるいは下側に設けてもよい。また、窪み５は対向部２ａ，２ｂに設けることに限られず、接続部２ｃの先端側、上側あるいは下側に設けてもよい。
さらに、図５に図２と同様の断面図で示すように、発熱体２が複数の窪み５を有することが好ましい。これによれば、発熱体２とセラミックスからなる基体１という異種の材料間に、発熱体２の表面にセラミックスが入り込んだ窪み５が複数存在することで、２種類の材料間でアンカー効果をそれぞれの窪み５において発生させて全体としてより顕著に発生させることができるので、発熱体２と基体１との瞬間的な熱膨張の差により発熱体２の長手方向に基体１との間で隙間が生じたり基体１に亀裂が入ったりするのをさらに効果的に防ぐことができる。
このように発熱体２が複数の窪み５を有するものとする場合に、それぞれの窪み５は、発熱体２の対向部２ａ，２ｂおよび接続部２ｃのうちの１箇所もしくは複数箇所の表面に複数個、形成されているものとすればよい。この窪み５の深さは、窪み５が存在する位置の発熱体２（２ａ，２ｂ，２ｃ）の直径（断面が楕円形の発熱体２の場合は長径）の５％以上あることが、アンカー効果を引き出すのに好ましく、発熱体２の局所発熱を防ぐためには直径（長径）の30％以下であることが好ましい。さらに、発熱体２の長手方向における窪み５の大きさは、窪み５を設ける発熱体２の対向部２ａ，２ｂまたは接続部２ｃの各々の長さに対して１／10程度の長さのものが複数個あることが好ましく、１／２以下の長さ内に３個から５個程あることが、アンカー効果を引き出すのに好ましい。さらに、発熱体２の幅方向に対する窪み５の大きさは、発熱体２の対向部２ａ，２ｂまたは接続部２ｃの各々の幅に対して１／10程度の幅のものが、１／２以下の幅内に２個から４個程あることが、アンカー効果を引き出すのに好ましい。
例えば、断面が直径１ｍｍの円形状で対向部２ａの長さが10ｍｍの発熱体２では、窪み５の形状として深さは50μｍ以上300μｍ以下が好ましく、長さが１ｍｍ程度の窪みが３個から５個長さ方向に並んでおり、幅は100μｍ程度で２個から４個幅方向に並んでいるものとすればよい。
１・・・基体
２・・・発熱体
２ａ，２ｂ・・・対向部
２ｃ・・・接続部
３ａ，３ｂ・・・リード部
５・・・窪み
２・・・発熱体
２ａ，２ｂ・・・対向部
２ｃ・・・接続部
３ａ，３ｂ・・・リード部
５・・・窪み
Claims (2)
- セラミックスからなる基体中に発熱体が埋設されてなるセラミックヒータにおいて、前記発熱体は、前記基体の表面側に向いた表面の最高発熱部に前記セラミックスが入り込んだ窪みを有することを特徴とするセラミックヒータ。
- 前記発熱体は、複数の前記窪みを有することを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
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