JP7458967B2

JP7458967B2 - ヒータ

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Publication number: JP7458967B2
Application number: JP2020205126A
Authority: JP
Inventors: 祥二井筒
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2024-04-01
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: JP2022092356A

Description

開示の実施形態は、ヒータに関する。

従来、セラミック体の内部に発熱抵抗体を有する柱状のヒータ本体を有するヒータが知られている。このヒータでは、ヒータ本体の外部に位置する支持金具の内部に、絶縁性の蓋体を挿通させる構成が提案されている。

国際公開第２０１７／１３０６１９号

しかしながら、例えば、所望の強度を維持しつつ支持金具を径方向に小型化する点で検討の余地があった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化に伴う強度低下を低減することができるヒータを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るヒータは、ヒータ本体と、支持部材と、リード線と、蓋体とを備える。ヒータ本体は、柱状であり、セラミック体および前記セラミック体の内部に位置する発熱抵抗体を有する。支持部材は、前記ヒータ本体の周面を囲む筒状をなしている。リード線は、前記ヒータ本体の周面に沿って位置するコイル部を有し、前記発熱抵抗体と電気的に接続される。蓋体は、前記コイル部と向かい合う前記支持部材の一端と前記コイル部との間に位置する。前記蓋体は、前記支持部材の外側に位置し、前記支持部材と接する平面形状の第１面を有する。前記支持部材は、前記第１面と向かい合う平面形状の一端面を有し、前記一端面の全面が前記第１面と接している。前記第１面は、前記一端面と接する第１部分と、前記第１部分の内側に位置し、前記一端面と接していない第２部分とを有する。

実施形態の一態様によれば、小型化に伴う強度低下を低減することができるヒータが提供可能となる。

図１は、実施形態に係るヒータを示す断面図である。図２は、実施形態の変形例１に係るヒータを示す断面図である。図３は、図２に示す蓋体および支持部材を蓋体側から見た説明図である。図４は、実施形態の変形例２に係るヒータを示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するヒータの実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。

＜実施形態＞
最初に、実施形態に係るヒータについて、図１を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係るヒータを示す断面図である。

図１に示すように、実施形態に係るヒータ１は、ヒータ本体１０と、支持部材２０と、接合材３０と、蓋体４０と、リード線５０，６０とを備える。かかるヒータ１は、例えば、グロープラグや車載暖房その他の用途に用いられる。

なお、説明を分かりやすくするために、図１には、ヒータ１の長さ方向に沿って延びるＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後出の説明に用いる他の図面でも示している。

ヒータ本体１０は、例えば、円柱状の部材である。ヒータ本体１０は、セラミック体１４と、発熱抵抗体１５とを有する。ヒータ本体１０の長さは、例えば、１ｍｍ～２００ｍｍ程度、特に、２０ｍｍ～６０ｍｍ程度とすることができる。また、ヒータ本体１０の外寸は、例えば、０．５ｍｍ～１００ｍｍ程度、特に、２．５～５．５ｍｍ程度とすることができる。なお、ヒータ本体１０の形状は、円柱状に限らず、例えば楕円柱状または角柱状であってもよい。

セラミック体１４の材料は、例えば、絶縁性を有するセラミックである。セラミック体１４の材料としては、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等を使用することができる。具体的には、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、炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。

また、発熱抵抗体１５は、セラミック体１４の内部に位置している。発熱抵抗体１５は、リード線５０に接続される第１端部１６と、リード線６０に接続される第２端部１７とを有する。また、発熱抵抗体１５は、第１部分１５ａと、第２部分１５ｂと、第３部分１５ｃとを有する。第１部分１５ａは、第１端部１６からヒータ本体１０の先端１２側に向けて長さ方向に延びる部分である。第２部分１５ｂは、第２端部１７からヒータ本体１０の先端１２側に向けて長さ方向に延びる部分である。第３部分１５ｃは、ヒータ本体１０の先端１２側に位置し、第１部分１５ａと第２部分１５ｂとを接続する部分である。

発熱抵抗体１５は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体１５は、例えば、タングステン、モリブデンなどを含む高抵抗の導体を含んでよい。なお、発熱抵抗体１５は、図示した形状に限られず、例えば、ヒータ１に要求される発熱特性に応じて適宜変更することができる。

支持部材２０は、ヒータ本体１０の周面１１を囲む筒状をなしている。支持部材２０は、ヒータ本体１０から離れて位置しており、周面１１との間に位置する空間２４を有している。空間２４は、蓋体４０と向かい合って位置する端面２２側に開口している。

端面２２は、ＸＹ平面に沿う平面形状であってよい。例えば端面２２と向かい合う蓋体４０の第１面４２が平面形状である場合、例えば支持部材２０と蓋体４０との熱膨張差に起因して支持部材２０と蓋体４０との接触位置がずれた場合であっても、蓋体４０は、端面２２と接している第１面４２の全体で応力を分散することができる。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、蓋体４０の絶縁性能を維持することができる。

なお、端面２２とは反対側に位置する端面２３は、ＸＹ平面に沿う平面形状であってもよく、曲面であってもよい。また、端面２３は、ＸＹ平面に対して傾斜していてもよい。

支持部材２０は、外部への固定に適した形状の外面２１を有している。支持部材２０は、例えば、図１に示すように、ヒータ１の先端側、すなわち、端面２３側に位置する外面２１の外径が、ヒータ１の後端側、すなわち、端面２２側に位置する外面２１の外径より小さくてもよい。また、支持部材２０は、端面２２から端面２３にわたり外面２１の外径が同じであってもよい。

支持部材２０の材料は、例えば、耐熱性を有する金属材料である。支持部材２０の材料としては、例えば、ＦｅやＮｉを含有する合金を使用することができる。具体的には、支持部材２０は、ステンレス鋼、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金、Ｎｉ系耐熱合金等を材料とすることができる。

接合材３０は、支持部材２０の空間２４内に位置しており、支持部材２０とヒータ本体１０とを接合する。接合材３０は、例えば、空間２４のうち、端面２３寄りに位置している。接合材３０は、周面１１と支持部材２０との間に、端面２２から端面２３にわたって位置してもよい。接合材３０としては、例えば、はんだまたは銀ろう等のろう材を用いることができる。

また、接合材３０は、支持部材２０の固定以外の用途に用いてもよい。具体的には、接合材３０は、リード線５０，６０の固定に使用してもよい。例えば、リード線５０，６０の後述するコイル部５１，６１とヒータ本体１０の周面１１との間に接合材３０を位置させて、ヒータ本体１０にコイル部５１，６１を固定させることができる。

蓋体４０は、支持部材２０とリード線５０との間に位置している。より詳細には、蓋体４０は、支持部材２０の端面２２とリード線５０のコイル部５１との間に位置している。

このように、蓋体４０が支持部材２０の空間２４内ではなく、支持部材２０の外に位置することにより、例えば支持部材２０を径方向に小型化した場合であっても、適した強度を有する蓋体４０を位置させることができる。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、小型化に伴う強度低下を低減することができる。

また、蓋体４０を支持部材２０の端面２２とコイル部５１との間に位置させることにより、例えば支持部材２０が長期にわたるヒートサイクルにより変形し、歪みが生じた場合であっても、蓋体４０にクラックを発生させるような外力を受けにくい。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、蓋体４０の絶縁性能を維持することができる。

蓋体４０は、例えば、支持部材２０の端面２２と同程度の外径を有する円盤状の部材であってよい。蓋体４０は、ＸＹ平面に沿う平面形状の第１面４２および第２面４３を有する。また、蓋体４０は、第１面４２および第２面４３の中心部分を貫通し、ヒータ本体１０が挿通される開口４４を有している。かかる開口４４は、ヒータ本体１０の周面１１から離れて位置していてもよい。蓋体４０がヒータ本体１０の周面１１から離れて位置する開口４４を有することにより、例えば、ヒータの加熱によりヒータ本体１０が急速に熱膨張した場合であっても、径方向に膨張したヒータ本体１０により蓋体４０にクラックを発生させるような外力を受けにくい。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、蓋体４０の絶縁性能を維持することができる。

蓋体４０は、支持部材２０とリード線５０とにそれぞれ接触していてもよい。より詳細には、蓋体４０の第１面４２は支持部材２０の端面２２に、第２面４３はリード線５０のコイル部５１に、それぞれ接触している。

支持部材２０およびリード線５０はそれぞれ、ヒータ本体１０に固定されている。また、蓋体４０の外面４１は、例えば、支持部材２０の端面２２に開口する空間２４の内径よりも大きい外径を有している。このため、支持部材２０とコイル部５１とにそれぞれ接触する蓋体４０は、例えば接合材３０を使用することなく、ヒータ本体１０の長さ方向への移動を規制することができる。これにより、例えば蓋体４０がヒータ本体１０の長さ方向に移動することによる異音の発生や、損傷による絶縁性能の低減を抑えることができる。また、例えばヒータ本体１０と蓋体４０との間に接合材３０を位置させないことにより、例えば蓋体４０が周方向に熱膨張した場合であっても、支持部材２０およびリード線５０に不具合を生じさせるような外力を与えにくい。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、例えば、ヒートサイクルに伴う性能低下を低減することができる。

蓋体４０の材料は、例えば、絶縁性を有するセラミックである。蓋体４０の材料としては、例えば、アルミナ、窒化ケイ素等であってよい。蓋体４０の材料は、セラミック体１４の材料と同じであってもよく、異なってもよい。

リード線５０，６０は、ヒータ本体１０の外部に位置している。リード線５０，６０はそれぞれ、ヒータ本体１０の周面１１に固定されている。リード線５０，６０は、一端が外部電源に接続され、他端が発熱抵抗体１５にそれぞれ電気的に接続されており、外部電源から供給された電力を発熱抵抗体１５に供給する。リード線５０，６０は、一方が陽極リード線であり、他方が陰極リード線である。

リード線５０，６０は、例えば、ニッケル、鉄またはニッケル系耐熱合金等の金属材料を含む線材である。リード線５０，６０の断面は、例えば円形状であってもよく、楕円形状、矩形状であってもよい。リード線５０，６０の外径は、例えば０．５～２．０ｍｍであってもよい。また、図示は省略するが、リード線５０，６０は、接合材３０を用いてヒータ本体１０の周面１１に固定されていてもよい。

リード線５０は、蓋体４０よりもヒータ１の後端側に位置している。リード線５０は、コイル部５１と端子部５２とを含む。コイル部５１は、ヒータ本体１０の周面１１に沿って巻回される部分であり、発熱抵抗体１５の第１端部１６に電気的に接続されている。ヒータ本体１０の周面１１に沿って螺旋状に位置するコイル部５１は、ヒータ本体１０に接触していてもよく、ヒータ本体１０の周面１１から離れて位置していてもよい。

リード線６０は、リード線５０よりもヒータ１の後端側に位置している。リード線６０は、コイル部６１と端子部６２とを含む。コイル部６１は、ヒータ本体１０の周面１１に沿って巻回される部分であり、発熱抵抗体１５の第２端部１７に電気的に接続されている。また、ヒータ本体１０の周面１１に沿って螺旋状に位置するコイル部６１は、ヒータ本体１０に接触していてもよく、ヒータ本体１０の周面１１から離れて位置していてもよい。また、コイル部５１，６１の巻き数は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。

端子部５２，６２は、リード線５０，６０の端部にそれぞれ位置している。端子部５２，６２の引出方向は、図示した形状に限らず、適宜変更することができる。

図１に示した例では、リード線５０，６０は、ヒータ本体１０の周面１１に位置する発熱抵抗体１５の端部に電気的に接続されているとして説明したが、これに限らず、例えば、発熱抵抗体１５とコイル部５１，６１とを電気的に接続する図示しない導体を介して発熱抵抗体１５とそれぞれ電気的に接続されていてもよい。

また、ヒータ本体１０の周面１１にメタライズ（不図示）を設け、メタライズの表面に接合材３０が接するように位置させてもよい。また、図示による説明は省略するが、接合材３０は、リード線５０，６０が有する各部位の固定を目的として使用されてもよい。

＜変形例１＞
つづいて、実施形態の変形例について、図２～図４を参照しながら説明する。なお、以下に示す変形例では、実施形態と同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略することがある。

図２は、実施形態の変形例１に係るヒータを示す断面図である。図３は、図２に示す蓋体および支持部材を蓋体側から見た説明図である。

図２、図３に示すヒータ１は、支持部材２０の外面２１の形状が、図１に示すヒータ１が有する外面２１の形状と相違する。具体的には、図２に示すように、支持部材２０は、蓋体４０から離れた端面２３側の外面２１に位置するねじ部２５を有する。ねじ部２５は、例えば車両など、図示しない固定部に固定される部分であり、例えば振動や温度変化に伴う応力を受けやすい箇所である。かかるねじ部２５を、蓋体４０から離れた支持部材２０の端面２３側に位置させると、例えば、蓋体４０は直接外力を受けにくい。このため、本変形例に係るヒータ１によれば、例えば、継続的な使用に伴う性能低下を低減することができる。

また、図２、図３に示すように、支持部材２０は、ねじ部２５よりも蓋体４０に近い端面２２側の外面２１に位置するナット部２６を有してもよい。このようにナット部２６を有することにより、例えばねじ締め等によるヒータの固定が可能となる。かかる場合、ナット部２６とヒータ本体１０との間に隙間を有するとよい。ヒータ本体１０がナット部２６から離れて位置することにより、例えばナット部２６のねじ締めにより支持部材２０に応力が加わった場合であっても、蓋体４０やヒータ本体１０は外力を受けにくい。このため、本変形例に係るヒータによれば、例えば、ヒータ１の固定に伴う性能低下を低減することができる。なお、図３に示した例では、ナット部２６は６角ナットとして示したが、これに限らず、例えば４角ナットや８角ナットであってもよい。

＜変形例２＞
図４は、実施形態の変形例２に係るヒータを示す断面図である。図４に示すように、支持部材２０は、ねじ部２５の内側に位置する内面２７が接合材３０でヒータ本体１０の周面１１に固定されており、ナット部２６の内側に位置する内面２７には接合材３０が設けられていなくてもよい。これにより、図示しない固定部に固定される部分であるねじ部２５においてヒータ本体１０との接合を強固にしつつ、ヒータ１の固定に伴う性能低下を低減することができる。

また、図４に示すように、支持部材２０は、ねじ部２５とナット部２６との間において内径が変化するテーパー部２８を有しており、接合材３０がテーパー部２８でメニスカス状に形成されていてもよい。これにより、接合材３０の端部における応力を分散することができる。その結果、ヒータ１の耐久性を高めることができる。

以上のように、実施形態に係るヒータ１は、ヒータ本体１０と、支持部材２０と、リード線５０と、蓋体４０とを備える。ヒータ本体１０は、柱状であり、セラミック体１４およびセラミック体１４の内部に位置する発熱抵抗体１５を有する。支持部材２０は、ヒータ本体１０の周面１１を囲む筒状をなしている。リード線５０は、ヒータ本体１０の周面１１に沿って位置するコイル部５１を有し、発熱抵抗体１５と電気的に接続される。蓋体４０は、コイル部５１と向かい合う支持部材２０の一端（端面２２）とコイル部５１との間に位置する。これにより、小型化に伴う強度低下を低減することができる。

また、実施形態に係る蓋体４０は、支持部材２０とコイル部５１とにそれぞれ接触している。これにより、小型化に伴う強度低下を低減することができる。

また、実施形態に係る支持部材２０は、コイル部５１とは反対側に位置する蓋体４０の第１面４２と接する平面形状の一端面（端面２２）を有する。これにより、蓋体４０の絶縁性能を維持することができる。

また、実施形態に係る支持部材２０は、蓋体４０から離れた他端（端面２３）側の外面２１に位置するねじ部２５を有する。これにより、継続的な使用に伴う性能低下を低減することができる。

また、実施形態に係る支持部材２０は、ねじ部２５よりも蓋体４０に近い一端（端面２２）側の外面２１に位置するナット部２６を有し、ナット部２６とヒータ本体１０との間に隙間を有する。これにより、ヒータ１の固定に伴う性能低下を低減することができる。

また、実施形態に係る蓋体４０は、ヒータ本体１０の周面１１から離れて位置する開口４４を有する。これにより、ヒータ本体１０の損傷をさらに低減することができる。

さらなる効果や他の態様は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本開示のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ヒータ
１０ヒータ本体
１５発熱抵抗体
２０支持部材
３０接合材
４０蓋体
５０，６０リード線
５１，６１コイル部
５２，６２端子部

Claims

セラミック体および前記セラミック体の内部に位置する発熱抵抗体を有する柱状のヒータ本体と、
前記ヒータ本体の周面を囲む筒状の支持部材と、
前記ヒータ本体の周面に沿って位置するコイル部を有し、前記発熱抵抗体と電気的に接続されるリード線と、
前記コイル部と向かい合う前記支持部材の一端と前記コイル部との間に位置する蓋体と
を備え、
前記蓋体は、前記支持部材の外側に位置し、前記支持部材と接する平面形状の第１面を有し、
前記支持部材は、前記第１面と向かい合う平面形状の一端面を有し、前記一端面の全面が前記第１面と接しており、
前記第１面は、前記一端面に接する第１部分と、前記第１部分の内側に位置し、前記一端面に接していない第２部分とを有するヒータ。
前記蓋体は、前記支持部材の前記一端面と前記コイル部とにそれぞれ接触している
請求項１に記載のヒータ。
前記支持部材は、前記蓋体から離れた他端側の外面に位置するねじ部を有する
請求項１または２に記載のヒータ。
前記支持部材は、
前記ねじ部よりも前記蓋体に近い一端側の前記外面に位置するナット部と、
前記ねじ部と前記ナット部との間において、前記ねじ部から前記ナット部に向かって内径が大きくなるテーパー部と
を有し、
前記テーパー部と前記ヒータ本体の周囲とは接合材で固定されており、
前記接合材は、前記テーパー部でメニスカス状に形成されている
請求項３に記載のヒータ。
前記支持部材は、前記ねじ部よりも前記蓋体に近い前記一端側の前記外面に位置するナット部を有し、
前記ナット部と前記ヒータ本体との間に隙間を有する
請求項３に記載のヒータ。
前記蓋体は、前記ヒータ本体の周面から離れて位置する開口を有する
請求項１～５のいずれか１つに記載のヒータ。