JP6027289B2 - Heater and ignition device - Google Patents
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Description
本発明は、ヒータおよび点火装置に関するものである。 The present invention relates to a heater and an ignition device.
ガスレンジ、車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、セラミック体の内部に発熱体が設けられたヒータ(セラミックヒータ)が知られている。セラミックヒータとしては、例えば、特許文献1に開示されたセラミックヒータが挙げられる。
A heater (ceramic heater) in which a heating element is provided inside a ceramic body is known as a heater used for a gas range, an in-vehicle heating device, an oil fan heater, a glow plug of an automobile engine, or the like. As a ceramic heater, the ceramic heater disclosed by
特開2000−156275号公報(以下、特許文献1という)に開示されたセラミックヒータは、セラミック構造体と、セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続されてセラミック構造体の表面に引き出された給電線とを備えている。 A ceramic heater disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-156275 (hereinafter referred to as Patent Document 1) includes a ceramic structure, a heating resistor embedded in the ceramic structure, and a ceramic structure connected to the heating resistor. And a power supply line drawn out on the surface.
特許文献1に記載されたセラミックヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合に給電線にクラックが生じる場合があった。特に、このクラックが給電線のうちセラミック構造体の表面に露出している領域に生じた場合には、外気が給電線の内部に入り込む場合があった。そのため、給電線が外気と反応することによって、給電線の抵抗値が変化してしまい、局所的に異常な発熱をしてしまう場合があった。その結果、セラミックヒータを高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることが困難であった。
When the ceramic heater described in
ヒータは、複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体と、前記セラミック層間に設けられて両端が前記セラミック積層体の側面に引き出された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック層間で前記発熱抵抗体の両方の端部上に積層されてそれぞれ一端が前記側面に引き出された帯状の導電層とを備えており、該導電層は、前記側面に引き出された第1導電層および該第1導電層に隣り合う第2導電層を有しており、前記第1導電層および前記第2導電層が複数の粒子から成るとともに、前記第1導電層の粒子の平均粒径が前記第2導電層の粒子の平均粒径よりも小さい。 The heater includes a ceramic laminate formed by laminating a plurality of ceramic layers, a belt-like heating resistor provided between the ceramic layers and having both ends drawn to the side surfaces of the ceramic laminate, and the heating resistor between the ceramic layers. A strip-shaped conductive layer laminated on both ends of the body and having one end drawn to the side surface, the conductive layer including the first conductive layer drawn to the side surface and the first conductive layer. A second conductive layer adjacent to the first conductive layer, wherein the first conductive layer and the second conductive layer are composed of a plurality of particles, and the average particle size of the particles of the first conductive layer is the second conductive layer. Smaller than the average particle size of the particles.
以下、ヒータ10について図面を参照して説明する。
Hereinafter, the
図1〜図3に示すように、ヒータ10は、複数のセラミック層11が積層されてなるセラミック積層体1と、隣り合うセラミック層11間に設けられた発熱抵抗体2と、発熱抵抗体2に積層された導電層3とを備えている。ヒータ10は、例えば、自動車エンジンのグロープラグまたはガスレンジ等に用いることができる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
セラミック積層体1は、内部に発熱抵抗体2および導電層3が埋設された部材である。セラミック積層体1の内部に発熱抵抗体2および導電層3を設けることによって、発熱抵抗体2および導電層3の耐久性を向上させることができる。セラミック積層体1は、例えば、棒状または板状の部材である。
The
セラミック積層体1は、例えば絶縁性セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、セラミック積層体1は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。
The
窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体1は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として5〜15質量%のY2O3、Yb2O3またはEr2O3等の希土類元素酸化物、0.5〜5質量%のAl2O3および焼結体に含まれるSiO2の量が1.5〜5質量%となるように量が調整されたSiO2を混合する。そして、所定の形状に成形した後に1650〜1780℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体1を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。The
セラミック積層体1の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック積層体1の長さは例えば20〜100mmに設定される。また、セラミック積層体1の断面は、例えば厚さ1〜6mm、幅2〜40mmの四角形に設定される。
When the shape of the
発熱抵抗体2は、電圧が加えられることによって発熱する層状の部材である。発熱抵抗体2は、隣り合うセラミック層11間に設けられている。発熱抵抗体2に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体2が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック積層体1の内部を伝わって、セラミック積層体1の表面が高温になる。そして、セラミック積層体1の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ10が機能する。セラミック積層体1の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。
The
発熱抵抗体2は、両端がセラミック積層体1の後端側の側面に引き出されている。発熱抵抗体2は、縦断面(発熱抵抗体2の長さ方向に対して平行な断面)の形状が、例えば折り返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体2は、2つの隣り合って並んだ直線状部分と外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって2つの直線部分を折り返して繋ぐ連結部分とを有している。発熱抵抗体2はセラミック積層体1の先端付近で折り返している。発熱抵抗体2の全長は、例えば35〜100mmに設定される。
Both ends of the
発熱抵抗体2は、セラミック積層体1の先端側において大きく発熱するように設計されている。具体的には、セラミック積層体1の後端側において、発熱抵抗体2の両方の端部上には導電層3が積層されている。そのため、セラミック積層体1の後端側においては電流が発熱抵抗体2にも導電層3にも流れるようになる。この結果、セラミック積層体1の後端側においては発熱抵抗体2の発熱が小さくなる。逆に、セラミック積層体1の先端側においては電流が発熱抵抗体2にのみ流れる。この結果、セラミック積層体1の先端側においては発熱抵抗体2の発熱が大きくなる。
The
発熱抵抗体2は、例えば、タングステン(W)、モリブデン(Mo)またはチタン(Ti)等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック積層体1が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体2の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック積層体1の熱膨張率と発熱抵抗体2の熱膨張率とを近付けることができる。
The
導電層3は、セラミック積層体1の後端側、つまり発熱抵抗体2がセラミック積層体1の側面に引き出される部位の近傍において、発熱抵抗体2の発熱量を調整するための部材である。図1においては、導電層3を破線で示している。なお、図1においては、図面を見やすくするために、導電層3を示す破線と発熱抵抗体2を示す実線とをずらして記載しているが、実際には導電層3と発熱抵抗体2とはほぼ同一の幅を有するとともに、導電層3と発熱抵抗体2とは幅が揃うように積層されている。図2および図3に示すように、導電層3は、セラミック層11間であって発熱抵抗体2の両方の端部上に積層されて、それぞれ一端がセラミック積層体1の側面に引き出されている。このように、発熱抵抗体2のうち外部の回路と接続されることになる両方の端部上を導電層3で覆うことによって、セラミック積層体1の後端側における発熱を低減することができる。そのため、外部の回路とヒータ10との接続の信頼性を向上させることができる。
The
導電層3は、セラミック積層体1の側面に引き出された第1導電層31および第1導電層31に隣り合う第2導電層32を有している。第1導電層31および第2導電層32は複数の粒子から成る。そして、第1導電層31の粒子の平均粒径が第2導電層32の粒子の平均粒径よりも小さい。このように外側に位置する第1導電層31が平均粒径の小さい粒子からなることによって、第1導電層31の密度を高めることができる。その結果、第1導電層31の空隙率が低くなるので、外気が導電層3に入り込むことを低減できる。
The
また、導電層3だけではなく発熱抵抗体2もセラミック積層体1の側面に引き出されていることによって、側面に引き出された部分を2層構造にすることができる。そのため、導電層3または発熱抵抗体2の一方にクラックが生じたとしても、他方にクラックが進展するおそれを低減できる。
Further, not only the
また、第2導電層32が平均粒径の大きい粒子からなることによって、第2導電層32における粒子の粒界を減らすことができるので、第2導電層32の抵抗値を小さくすることができる。これにより、導電層3において生じる不要な発熱を低減することができる。
In addition, since the second
これらの結果、ヒータ10はヒートサイクル下で使用した際の長期信頼性が向上している。
As a result, the
具体的には、例えば、上述のヒータ10とは異なり、導電層の平均粒径の大きさが部位に関わらず一定の場合には以下のような問題がある。すなわち、導電層の平均粒径の大きさを単純に小さくしただけの場合には、外気が導電層に侵入することは低減できても、導電層自体の抵抗が大きくなってしまうので、導電層において不要な発熱が生じてしまうことになる。反対に、導電層の平均粒径の大きさを単純に大きくしただけの場合には、導電層における不要な発熱を低減できても、外気が導電層に侵入しやすくなってしまう。これに対して、上述のヒータ10のように、第1導電層31の粒子の平均粒径を第2導電層32の粒子の平均粒径よりも小さくすることによって、外気の進入を低減しつつ、導電層3における不要な発熱を低減できる。
Specifically, for example, unlike the above-described
さらに、図2に示すように、第1導電層31と第2導電層32とが部分的に重なっていることが好ましい。これにより、第1導電層31と第2導電層32とが重なっていない場合と比較して、導電層3を長さ方向で見たときに、導電層3の熱膨張率を段階的に変化させることができる。その結果、ヒートサイクル下において導電層3にクラックが生じる可能性を低減できる。
Furthermore, as shown in FIG. 2, it is preferable that the first
さらに、第1導電層31が第2導電層32と発熱抵抗体2との間に位置しており、第2導電層32と発熱抵抗体2との間に位置している部分において、第1導電層31が他端に向かうにつれて薄くなっていることが好ましい。これにより、導電層3の熱膨張率をゆるやかに変化させることができる。その結果、ヒートサイクル下において導電層3にクラックが生じる可能性をさらに低減できる。
Further, the first
なお、上述のヒータ10においては、導電層3が第1導電層31および第2導電層32のみから成っているが、これに限られない。導電層3が第1導電層31および第2導電層32以外の部分を有していてもよい。例えば、図4に示すように、導電層3が、第1導電層31および第2導電層32に加えて、第3導電層33を有していてもよい。第3導電層33は、第2導電層32のうち第1導電層31とは反対側で隣り合っている。
In the
第3導電層33として用いられる層としては、特に、限定されない。例えば、第3導電層33の粒子の平均粒径が第2導電層32の粒子の平均粒径よりも小さくてもよい。これにより、第3導電層33における粒子の結晶粒界が増加する。そのため、第3導電層33における抵抗値を第2導電層32における抵抗値よりも大きくすることができる。これにより、発熱抵抗体2の発熱量を段階的に変化させることができる。そのため、ヒータ10の表面の温度を段階的に変化させることができる。その結果、セラミック積層体1において局所的に大きな熱応力が発生することを低減できる。
The layer used as the third
第1導電層31乃至第3導電層33は、例えば、モリブデン(Mo)、タングステン(W)またはレニウム(Re)等の耐熱性に優れた金属材料から成る。特に熱膨張率をセラミック積層体1に近付けるために、MoSi2およびWSi2等を混合しておくことが好ましい。第1導電層31の長さは、発熱抵抗体2の長さ方向に沿った部分の長さが2〜10mm程度に設定される。第1導電層31の厚みは5〜30μm程度に設定される。また、第2導電層32の長さは、発熱抵抗体2の長さ方向に沿った部分の長さが5〜20mm程度に設定される。第2導電層32の厚みは25〜75μm程度に設定される。また、第1導電層31と第2導電層32とが重なっている場合には、この領域の長さは、例えば500μm程度に設定される。The first
第1導電層31および第2導電層32の粒径は、以下のように調整できる。具体的には、第1導電層31および第2導電層32が共にWから成る場合には、出発原料のWの粉末の粒径を異ならせることによって、第1導電層31および第2導電層32の粒径を調整できる。例えば、第1導電層31に用いるWの粉末の平均粒径を0.2μmに、第2導電層32に用いるWの粉末の平均粒径を1.2μmに設定すればよい。これにより、第1導電層31の平均粒径を0.2〜2μmに、第2導電層32の平均粒径を1.2〜12μmに設定することができる。
The particle sizes of the first
特に、第1導電層31の平均粒径が1μm未満であることが好ましい。これにより、粒子間から外気が浸入することを低減できるので、第1導電層31に外気が入り込む可能性を低減できる。また、このとき、第1導電層の空隙率は、20%未満であることが好ましい。これにより、第1導電層31への外気の進入を低減できる。
In particular, the average particle diameter of the first
導電層3の平均粒径は、例えば以下の方法で確認することができる。具体的には、ヒータ10をダイヤモンドカッターを用いて、導電層3を通る導電層3に垂直な方向の面で切断した後に、ダイヤモンド粉末を用いて表面の研磨を行なう。その後、走査型電子顕微鏡または金属顕微鏡を用いて第1導電層31および第2導電層32を観察すればよい。より具体的には、走査型電子顕微鏡または金属顕微鏡によって得られた画像に、任意の5本の直線を引く。そして、この5本の直線を横切った粒子10個分の距離の平均値を求める。この平均値を粒子の数である10で割ることによって、平均粒径を求めることができる。また、画像解析装置(ニレコ社製:LUZEX−FS)を用いて平均粒径を算出してもよい。第1導電層31の空隙率を測定する際にも、上記の画像解析装置を用いることができる。
The average particle diameter of the
ヒータ10は、例えば、図5に示すような点火装置100として用いられる。点火装置100は、ヒータ10とヒータ10に気体燃料を流す流路20とによって構成されている。流路20は、例えば、ガスバルブ21と噴出口23を有する通風管22とによって構成される。ガスバルブ21は、気体燃料の流量を制御する機能を有している。ガスバルブ21から供給される気体燃料としては、例えば、天然ガスまたはプロパンガス等が挙げられる。通風管22は、ガスバルブ21から供給された気体燃料を噴出口23からヒータ10に向かって噴出する。そして、噴出されている気体燃料に対してヒータ10を加熱することにより点火することができる。点火装置100は、長期信頼性が向上したヒータ10を有していることによって、気体燃料の点火の安定性が向上している。
The
1:セラミック積層体
11:セラミック層
2:発熱抵抗体
3:導電層
31:第1導電層
32:第2導電層
10:ヒータ
20:流路
21:ガスバルブ
22:通風管
23:噴出口
100:点火装置1: Ceramic laminate 11: Ceramic layer 2: Heating resistor 3: Conductive layer 31: First conductive layer 32: Second conductive layer 10: Heater 20: Channel 21: Gas valve 22: Ventilation pipe 23: Jet outlet 100: Ignition device
Claims (6)
該導電層は、前記側面に引き出された第1導電層および該第1導電層に隣り合う第2導電層を有しており、前記第1導電層および前記第2導電層が複数の粒子から成るとともに、前記第1導電層の粒子の平均粒径が前記第2導電層の粒子の平均粒径よりも小さいヒータ。Both a ceramic laminate in which a plurality of ceramic layers are laminated, a belt-like heating resistor provided between the ceramic layers and having both ends drawn to the side surfaces of the ceramic laminate, and the heating resistor between the ceramic layers And a strip-shaped conductive layer that is laminated on the end of each of the layers and one end of which is drawn to the side surface,
The conductive layer has a first conductive layer drawn out to the side surface and a second conductive layer adjacent to the first conductive layer, and the first conductive layer and the second conductive layer are formed of a plurality of particles. And a heater in which the average particle size of the particles of the first conductive layer is smaller than the average particle size of the particles of the second conductive layer.
前記第2導電層と前記発熱抵抗体との間に位置している部分において、前記第1導電層が他端に向かうにつれて薄くなっている請求項2に記載のヒータ。In the portion where the first conductive layer and the second conductive layer overlap, the first conductive layer is located between the second conductive layer and the heating resistor,
The heater according to claim 2, wherein the first conductive layer becomes thinner toward the other end in a portion located between the second conductive layer and the heating resistor.
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