WO2016068242A1 - セラミックヒータ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2016068242A1
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flange
heater
ceramic
ceramic heater
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祥太郎 中村
牧野　友亮
伊藤　則之
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日本特殊陶業株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a ceramic heater used in, for example, a hot water washing toilet seat, a fan heater, an electric water heater, a 24-hour bath, and the like, and a method for manufacturing the ceramic heater.
  • the 24-hour bath is a circulating bath that circulates hot water between the bathtub and the heating device. When the temperature of the hot water to be circulated decreases, the bath can be always bathed by heating as necessary. It is a bath.
  • a warm water toilet seat uses a heat exchange unit having a resin container (heat exchanger), and this heat exchange unit has a long length for warming wash water contained in the heat exchanger.
  • a pipe-shaped ceramic heater is attached.
  • a cylindrical ceramic heater body is externally fitted with an annular ceramic flange made of a flat plate, and the heater body and the flange are joined with glass is known. Yes.
  • the cylindrical ceramic heater body is made of an annular metal made of a flat plate.
  • a flange is externally fitted and the heater body and the flange are joined by a brazing material (see Patent Documents 1 and 2).
  • a ceramic heater according to one aspect of the present disclosure is a ceramic heater including a ceramic cylindrical heater main body and a metal annular flange that is externally fitted to the heater main body.
  • the glass reservoir in the concave portion of the flange is filled with glass, and the glass is welded to the heater body and the flange. Therefore, when manufacturing a ceramic heater having this structure, for example, a glass material may be filled in a glass reservoir, and the glass may be welded to a heater body or a flange, compared with a conventional brazing joining method. Its manufacture is easy.
  • this ceramic heater has a glass disposed in the glass reservoir portion along the axial direction as compared with a case where, for example, a (conventional) flat flange is joined only by an inner peripheral surface having a narrow through hole. Over the wide area, it is welded to the outer peripheral surface of the heater body and the inner peripheral surface of the flange. Thereby, there is an effect that the airtightness and bonding strength between the heater body and the flange are high.
  • the said glass reservoir part is a part (part filled with glass and stored) among the said recessed parts which can store glass.
  • the flange may be made of a plate material and may have a cup shape having the concave portion.
  • the flange may be bent into a cup shape so that the plate has a concave portion.
  • This ceramic heater can easily manufacture a flange by bending a plate material into a cup shape by, for example, pressing.
  • the thermal expansion coefficient of the metal constituting the flange may be larger than the thermal expansion coefficient of the ceramic constituting the heater body and the thermal expansion coefficient of the glass.
  • the thermal expansion coefficient of the metal constituting the flange is larger than the thermal expansion coefficient of the ceramic constituting the heater body and the thermal expansion coefficient of the glass, the temperature at the time of glass welding (the welding temperature). For example, when the temperature drops to room temperature, stress can be applied to the inner glass and the heater body from the outer flange. Thereby, airtightness and joint strength can be improved.
  • each thermal expansion coefficient mentioned above is a thermal expansion coefficient in the welding temperature of glass.
  • the thermal expansion coefficient of the metal constituting the flange a range of 100 ⁇ 10 ⁇ 7 to 200 ⁇ 10 ⁇ 7 / K can be employed.
  • the range of 50 ⁇ 10 ⁇ 7 to 90 ⁇ 10 ⁇ 7 / K can be adopted as the thermal expansion coefficient of the ceramic constituting the heater body and the thermal expansion coefficient of the glass.
  • the thermal expansion coefficient of glass is larger than the thermal expansion coefficient of a ceramic. Thereby, airtightness and bonding strength are further improved.
  • compressive residual stress may be applied to the glass and the heater body by the flange.
  • This ceramic heater has an advantage that airtightness and bonding strength are high when compressive residual stress is applied to the inner glass and the heater body by the outer flange.
  • the flange may be made of a metal containing Cr, and the Cr content on the surface of the flange may be larger than the Cr content inside the flange.
  • the Cr on the surface of the flange includes not only Cr but also an oxide of Cr.
  • the flange may be made of stainless steel.
  • the surface of the heater body has a groove along the axial direction, and the groove on the inner peripheral surface of the through-hole through which the heater body of the flange is inserted. You may provide the protrusion part fitted in.
  • This ceramic heater may have a groove (slit) along the axial direction on the surface of the heater body, and may have a protrusion on the inner peripheral surface of the through hole of the flange so as to be fitted into the groove.
  • the gap between the heater body and the flange is smaller in the groove portion than in the case without the projection. Therefore, when the glass is welded, the molten glass easily flows along the inner peripheral surface of the groove and the outer peripheral surface of the protruding portion, so that the glass is sufficiently filled between the heater body and the flange. Thereby, higher airtightness is obtained.
  • the glass of the glass reservoir has a glass concave portion on the surface in the axial direction exposed to the outside, and the radius of curvature (R) of the glass concave portion is the inner diameter of the flange.
  • the clearance may be 1/2 to 3/2 of the clearance between the heater body and the outer diameter of the heater body.
  • the radius of curvature (R) of the glass concave portion (the portion where the glass surface is recessed) on the glass surface is 1/2 to 3/2 of the clearance between the inner diameter of the flange and the outer diameter of the heater body.
  • a method for manufacturing a ceramic heater according to another aspect of the present disclosure is the above-described method for manufacturing a ceramic heater, wherein the flange is externally fitted to the heater body, and the glass material is disposed in a glass reservoir portion of the flange. The glass material is welded to the flange and the heater main body by cooling the glass material after heating it to the welding temperature and melting it.
  • a flange is fitted on the heater body, a glass reservoir is filled with a glass material, the glass material is heated to a welding temperature and melted, and then cooled. Can be welded to the flange and the heater body.
  • the welding temperature is a temperature at which glass can be melted and joined to surrounding members, and corresponds to the melting temperature of glass.
  • the glass welding temperature is in the range of 900 to 1100 ° C.
  • the flange may be made of a metal containing Cr, and Cr may be deposited on the surface of the flange by heating the glass to the welding temperature.
  • a ceramic used for the heater body alumina, aluminum nitride, silicon nitride, zirconia, mullite, or the like may be employed.
  • a heating element made of tungsten or the like may be employed.
  • the ceramic heater body a ceramic main body may be adopted.
  • a range of 1 to 20 mm may be adopted.
  • the glass depth may be 2 mm or more.
  • B 2 O 3 ⁇ SiO 2 ⁇ Al 2 O 3 type, SiO 2 ⁇ Na 2 O type, SiO 2 ⁇ PbO type, SiO 2 ⁇ Al 2 O 3 ⁇ BaO type glass, etc. are adopted. May be.
  • FIG. 1A is a front view of the ceramic heater of Example 1
  • FIG. 1B is a front view showing a part of the flange and glass of the ceramic heater broken along the axial direction. It is a top view which permeate
  • FIG. It is explanatory drawing which expand
  • FIG. 4A is a plan view showing a flange of the ceramic heater of Example 1, and FIG. 4B is a sectional view taken along the line IVB-IVB of FIG. 4A. It is explanatory drawing which fractures
  • FIG. 6A, FIG. 6B, FIG. 6C, FIG. 6D, FIG. 6E, and FIG. 6F are explanatory views showing a method for manufacturing the ceramic heater of Example 1. It is a top view which permeate
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the apparatus which investigates the leak amount of He of Experimental example 1.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the firing temperature of the flange made of SUS304 and the mass% of each material on the surface of the flange after firing
  • FIG. 9B is the firing temperature of the flange made of SUS430 and each material on the surface of the flange after firing. It is a graph which shows the relationship with the mass%. 10A, FIG.
  • FIG. 10B, FIG. 10C, and FIG. 10D are graphs for explaining a simulation for obtaining the relationship between the radius of curvature of the glass concave portion of Example 4 and the tensile stress (surface principal stress) on the glass surface. It is a graph which shows the experimental result of the relationship between the curvature radius of the glass recessed part of Experimental example 4, and surface principal stress.
  • Example 1 a) First, the ceramic heater of Example 1 will be described.
  • the ceramic heater according to the first embodiment is used for warming washing water, for example, in a heat exchanger of a heat exchange unit of a warm water washing toilet seat.
  • the ceramic heater 1 of the first embodiment includes a cylindrical ceramic heater body 3 and an annular metal flange 5 that is externally fitted to the heater body 3. It has.
  • the heater body 3 is composed of, for example, a ceramic tube 7 having an outer diameter of ⁇ 10 mm ⁇ an inner diameter of ⁇ 8 mm ⁇ a length of 65 mm, and a ceramic layer 9 having a thickness of, for example, 0.5 mm ⁇ length of 60 mm covering almost the entire outer periphery of the ceramic tube 7. It is configured.
  • the ceramic layer 9 does not completely cover the ceramic tube 7, and a groove (slit) 11 having a width of 1 mm and a depth of 0.5 mm, for example, is formed along the axial direction.
  • This is a ceramic tube 7 and the ceramic layer 9 (and thus the heater main body 3), for example, is composed of alumina, 70 ⁇ within the scope of its thermal expansion coefficient, for example, 50 ⁇ 10 -7 ⁇ 90 ⁇ 10 -7 / K 10 ⁇ 7 / K (thermal expansion coefficient at 30 to 380 ° C. (that is, linear thermal expansion coefficient): hereinafter expressed in the same manner).
  • a serpentine heating element 11 and a pair of internal terminals 13 are formed on the inner peripheral surface (surface on the ceramic tube 7 side) or inside of the ceramic layer 9.
  • the internal terminal 13 is electrically connected to an external terminal 15 (see FIGS. 1A and 1B) at the end of the outer peripheral surface of the ceramic layer 9 through a through hole or via (not shown).
  • the flange 5 is an annular member such as stainless steel, for example, and the central portion of the plate material is bent in one direction (downward in FIG. 4B) to form a concave shape (cup shape). Is.
  • the flange 5 is made of, for example, a plate material having a thickness of 1 mm, and the inner diameter on one side (the upper side in FIG. 4B) where the concave portion 6 that is a concave portion is expanded is, for example, ⁇ 16 mm, and the inner diameter on the other side (that is, The outer diameter of the through hole 17 is, for example, ⁇ 12 mm.
  • the overall height H1 of the flange 5 (vertical direction in FIG. 4B) is, for example, 6 mm, a bottom portion 19 curved at a radius r (for example, 1.5 mm), and upward from the bottom portion 19 (perpendicular to the axial direction). And a cylindrical side portion 21 extending.
  • the height H2 of the bottom part 19 is 1.5 mm
  • the height H3 of the side part 21 is 4.5 mm.
  • the radius r is a radius in a cross section along the axial direction.
  • the flange 5 is made of SUS304 (main components are Fe, Ni, Cr), its thermal expansion coefficient is 178 ⁇ 10 ⁇ 7 / K (30 to 380 ° C.), and SUS430 ( In the case where the main component is composed of Fe, Cr), the thermal expansion coefficient is 110 ⁇ 10 ⁇ 7 / K (30 to 380 ° C.), for example, 100 ⁇ 10 ⁇ 7 to 200 ⁇ It is in the range of 10 ⁇ 7 / K (30 to 380 ° C.).
  • Example 1 in Example 1, as shown in an enlarged view in FIG. 5, the space surrounded by the outer peripheral surface of the heater body 3 and the inner peripheral surface of the flange 5 in the concave portion 6 of the flange 5 is the glass 23.
  • the glass reservoir 25 is filled with In FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 2, the glass 23 part is shown by the fine point.
  • the height H4 of the glass reservoir 25 (vertical direction in FIG. 5) is, for example, 5 mm within a range of 1 to 20 mm, for example, and the width at the side portion 21 of the glass reservoir 25 (ie, the upper opening in FIG. 5).
  • the radial length 6X in 6a is, for example, 2 mm within a range of 1 to 20 mm, for example.
  • the glass reservoir 25 is filled with the glass 23 to 1/3 or more of the height H4 of the glass reservoir 25 and welded to the heater body 3 and the flange 5.
  • the height H5 of the glass 23 (the height along the axial direction of the outer peripheral surface of the heater body 3) H5 is, for example, in the range of 1 to 19 mm.
  • the gap Y is also filled with glass 23, and a part of the glass 23 is made of the flange 5. For example, it extends about 1 mm below the lower surface of the plate.
  • the clearance (gap) C between the inner diameter of the flange 5 and the outer diameter of the heater body 3 increases toward the top of FIG.
  • the width X and the clearance C coincide with each other.
  • a glass concave portion 23a curved with a radius of curvature R (that is, a radius of curvature R in a cross section along the axial direction) is formed on the surface of the glass 23 of the glass reservoir 25 (surface exposed to the outside: the upper surface in FIG. 5). Is formed.
  • the radius of curvature R (for example, 1.5 mm) of the glass concave portion 23a is in the range of 1/2 to 3/2 of the clearance C between the inner diameter of the flange 5 and the outer diameter of the heater body 3.
  • the width X and the clearance C coincide with each other.
  • the glass 23 is, for example, Na 2 O ⁇ Al 2 O 3 ⁇ B 2 O 3 ⁇ SiO 2 -based glass of the so-called Al 2 O 3 ⁇ B 2 O 3 ⁇ SiO 2 -based glass of (borosilicate glass).
  • the thermal expansion coefficient of the glass 23 is, for example, 62 ⁇ 10 ⁇ 7 / K (30 to 380 ° C.) within a range of 50 ⁇ 10 ⁇ 7 to 90 ⁇ 10 ⁇ 7 / K (30 to 380 ° C.).
  • a pipe-like alumina ceramic tube 7 is formed by temporary firing.
  • a ceramic paste (alumina paste) is applied to the ceramic sheet 41, and the ceramic sheet 41 is wound around and adhered to the outer peripheral surface of the ceramic tube 7 as shown in FIG. Thereafter, Ni plating is applied to the external terminal 15. Thereby, the heater main body 3 is obtained.
  • the cup-shaped flange 5 is formed by press-molding stainless steel.
  • the flange 5 is externally fitted at a predetermined mounting position of the heater body 3 and fixed by a jig.
  • the glass material comprised from the said borosilicate glass is press-molded, it is set as a ring shape, and calcined at 640 degreeC for 30 minutes, and the calcined glass material 45 is produced.
  • a ring-shaped pre-baked glass material 45 is disposed in the glass reservoir 25 between the heater body 3 and the flange 5.
  • the calcined glass material 45 is melted by heating at a welding temperature (1015 ° C.) for 30 minutes in a reducing atmosphere (specifically, N 2 + 5% H 2). For example, the temperature is lowered to 25 ° C., and the glass 25 is welded to the heater body 3 and the flange 5 to complete the ceramic heater 1.
  • the glass reservoir 25 of the concave portion 6 of the flange 5 is filled with glass 23, and the glass 23 is welded to the heater body 3 and the flange 5.
  • the glass reservoir 25 is filled with the material of the glass 23, and the glass 23 is welded to the heater body 3 or the flange 5. In comparison, its manufacture is easy.
  • the flange 5 can be easily manufactured by bending the plate material into a cup shape by, for example, pressing. Moreover, in the first embodiment, the thermal expansion coefficient of the metal constituting the flange 5 is larger than the thermal expansion coefficient of the ceramic constituting the heater body 3 and the thermal expansion coefficient of the glass 23. Therefore, compressive residual stress is applied to the glass 23 and the heater body 3 by the flange 5. Thereby, there exists an advantage that airtightness and joining strength are high.
  • Example 1 In Example 1, more Cr is present (deposited) on the surface of the flange 5 than inside the flange 5. Thereby, since the wettability of the glass 23 is improved, the glass 23 is firmly bonded to the surface of the flange 5. Therefore, there are effects that airtightness and bonding strength are improved and corrosion resistance (for example, acid resistance) is improved.
  • the radius of curvature R of the glass concave portion 23 a on the surface of the glass 23 is in a range of 1/2 to 3/2 of the clearance C between the inner diameter of the flange 5 and the outer diameter of the heater body 3. Therefore, an excessive stress is not applied to the outer peripheral portion of the glass 23, and therefore there is an advantage that cracks are hardly generated.
  • Example 2 will be described.
  • the ceramic heater of Example 2 is the same as that of Example 1 except for the flange structure.
  • the ceramic heater 51 of the second embodiment has an annular cup shape (a shape in which one side in the axial direction is concave) on the cylindrical heater body 53, as in the first embodiment.
  • the flange 55 is externally fitted.
  • the glass reservoir 58 of the concave portion 56 of the flange 55 is filled with glass 67, and the glass 67 is welded to the heater body 53 and the flange 55.
  • the thermal expansion coefficient of the metal constituting the flange 55 is larger than the thermal expansion coefficient of the ceramic constituting the heater body 53 and the thermal expansion coefficient of the glass 67.
  • more Cr is present on the surface of the flange 55 than inside the flange 55.
  • the radius of curvature R of the glass concave portion 67 a on the surface of the glass 67 is in the range of 1/2 to 3/2 of the clearance C between the inner diameter of the flange 55 and the outer diameter of the heater body 53.
  • a protrusion 65 is formed on the inner peripheral surface of the through hole 59 in the bottom 57 of the flange 55 so as to fit into the groove 63 that is a gap between the ceramic layers 61.
  • Example 1 a leak test was performed on a glass joining portion (welding portion) using a known He leak detector, and the airtightness thereof was examined.
  • Example 1 the material shown in Table 1 below (Sample Nos. 1 to 4) is used as the flange material. Produced. Glass was evaluated in two production lots.
  • an O-ring 71 is disposed below the flange 5 of the ceramic heater 1 of this sample, and the flange 5 is pressed downward by a pressing member 73.
  • the upper end of the ceramic heater 1 was sealed with a plate material 75.
  • the pressure is reduced from the inside of the long hole 79 in which the lower part of the ceramic heater 1 is disposed (that is, the pressure is reduced to the order of 10 ⁇ 7 Pa), and He is introduced into the container 77 covering the upper part of the ceramic heater 1.
  • the amount of He leak was measured with a detector.
  • Example Nos. 5 and 6 a ceramic heater sample having a conventional metal flange was prepared, and the amount of leakage was measured in the same manner.
  • Ni plating is applied to an annular flange made of stainless steel composed of a flat plate, and after the metallization is formed on the outer periphery of the heater body, Ni plating is applied, and these are brazed and joined by Ag brazing. Is.
  • Table 1 The results are also shown in Table 1 below.
  • the samples (Nos. 1 to 4) of the present disclosure have a leak amount of 10 ⁇ 9 Pa ⁇ m 3 / sec or less, and the leak amount is extremely small.
  • a ceramic heater was fabricated using a sample (sample No. 7) used in the experiment having the same configuration as in Example 1 and using SUS304 as a flange material.
  • a ceramic heater sample (sample No. 8) having a conventional ceramic flange was prepared, and the punching strength was measured in the same manner.
  • This conventional ceramic heater is formed by joining alumina square flanges (one side 30 mm ⁇ inner diameter ⁇ 12 mm ⁇ thickness 4 mm) made of flat plate with glass on the inner peripheral surface thereof.
  • the ceramic heater of the present disclosure has a higher punching strength and therefore a higher bonding strength than the comparative example.
  • Example 3 In Experimental Example 3, an acid resistance test of a ceramic heater was performed. Specifically, a flange composed of SUS304 and SUS430 was prepared, and heated at 1015 ° C. for 30 minutes to prepare a sample for an experiment.
  • Example No. 9 As a sample (sample No. 9) used in the experiment, ten ceramic heaters were manufactured using SUS304 as a flange material while having the same configuration as in Example 1.
  • each sample was dropped into water at room temperature (water temperature 25 ° C.), and the occurrence of cracks in the glass was examined. Moreover, the same leak test as the said Experimental example 1 was done with respect to each sample dropped in water.
  • the ceramic heater of the present disclosure is excellent in thermal shock resistance.
  • Example 5 In Experimental Example 5, the change in the composition of the flange surface with the firing temperature was examined. Specifically, five flanges each composed of SUS304 and SUS430 were produced and heated at the firing temperature of the glass shown in FIGS. 9A and 9B for 30 minutes.
  • each sample was subjected to mass analysis of each element on the surface by energy dispersive X-ray analysis (EDS), and the mass% was obtained.
  • EDS energy dispersive X-ray analysis
  • Example 6 In Experimental Example 6, the change in the principal surface stress applied to the glass by simulation was examined. Specifically, stress simulation of the ceramic heater having the configuration of the present disclosure was performed using ANSYS APDL 15.0 as analysis software under the following conditions.
  • FIG. 10A to 10D show the simulation results.
  • a gray portion is a range where compressive stress (compressed residual stress) and a dark gray portion (fine mesh portion) is where tensile stress (surface principal stress) remains.
  • FIG. 11 and Table 4 show the tensile stress (surface principal stress) and the radius of curvature R of the glass concave portion.
  • the surface principal stress (HS) in FIG. 11 is a tensile stress applied near the surface of the outer peripheral portion of the glass (for example, a fine mesh portion indicated by an arrow in FIG. 10C).
  • FIG. 10A shows a case where the radius of curvature R is 1.2 mm, the width X of the glass reservoir is 2.4 mm, and the glass height H5 is 3 mm.
  • FIG. 10B shows a case where the radius of curvature R is 1.3 mm, the width X of the glass reservoir is 2.4 mm, and the glass height H5 is 3 mm.
  • FIG. 10C shows a case where the radius of curvature R is 2 mm, the glass reservoir width X is 2.4 mm, and the glass height H5 is 3 mm.
  • FIG. 10D shows a case where the radius of curvature R is 3 mm, the width X of the glass reservoir is 2.4 mm, and the glass height H5 is 3 mm.
  • the radius of curvature R of the glass concave portion is within a range of 1/2 to 3/2 of the clearance C between the inner diameter of the flange and the outer diameter of the heater body. It can be seen that the surface principal stress is small, that is, the glass is difficult to break.
  • Example 7 In Experimental Example 7, it was examined that compressive stress was applied to the glass and the heater body after the glass welding.
  • Example 1 Two types of samples having the same structure as the ceramic heater of Example 1 were prepared. That is, SUS304 or SUS430 was used as the material of the flange, and other configurations were the same as those in Example 1.
  • the residual stress inside the flange in the vicinity of the side end portion 5a in FIG. 5 was measured by micro X-ray measurement (side tilt method, ⁇ 0 constant method). In addition, each measurement was performed at six locations, and the average was obtained.
  • the residual stress averaged 337 MPa when the flange was SUS304, and the average residual stress was 150 MPa when the flange was SUS430, both of which were compressive stresses.
  • the thermal expansion coefficients of the glass and the heater main body are smaller than the thermal expansion coefficient of the flange, it is obvious that compressive stress is acting on the glass and the heater main body after glass welding.
  • Example etc. of this indication were explained, this indication is not limited to the above-mentioned example etc., and can take various modes.
  • the present disclosure can be applied to a ceramic heater used for a fan heater, an electric water heater, a 24-hour bath, and the like, and a method for manufacturing the ceramic heater, in addition to a warm water washing toilet seat.

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Abstract

本開示の一側面のセラミックヒータは、セラミック製の筒状のヒータ本体と、該ヒータ本体に外嵌されている金属製の環状のフランジと、を備えている。このセラミックヒータは、前記フランジは、前記ヒータ本体の軸方向における一方の側が該軸方向に沿って凹状となった形状の凹状部分を有している。また、前記凹状部分には、ガラスが充填されたガラス溜り部を有するとともに、前記ガラス溜り部に配置されたガラスが、前記フランジ及び前記ヒータ本体に溶着している。

Description

セラミックヒータ及びその製造方法 関連出願の相互参照
　本国際出願は、２０１４年１０月３１日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１４－２２３０４３号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１４－２２３０４３号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
　本開示は、例えば温水洗浄便座、ファンヒータ、電気温水器、２４時間風呂などに用いられるセラミックヒータと、そのセラミックヒータの製造方法に関する。
　ここで２４時間風呂とは、お湯を浴槽と加熱装置との間で循環させる循環式浴槽のことであり、循環させるお湯の温度が低下した場合に必要に応じて加熱することにより、常時入浴できる風呂のことである。
　例えば温水洗浄便座には、樹脂製の容器（熱交換器）を有する熱交換ユニットが用いられており、この熱交換ユニットには、熱交換器内に収容された洗浄水を暖めるために、長尺のパイプ状のセラミックヒータが取り付けられている。
　このセラミックヒータとしては、円筒状のセラミック製のヒータ本体に、平板から構成されている円環状のセラミック製のフランジを外嵌し、ヒータ本体とフランジとをガラスにて接合したものが知られている。
　また、近年では、ヒータ本体とフランジとの間の気密性や強度（接合強度）などを改善するために、円筒状のセラミック製のヒータ本体に、平板から構成されている円環状の金属製のフランジを外嵌し、ヒータ本体とフランジとをろう材によって接合したものが提案されている（特許文献１、２参照）。
特開平１１－７４０６３号公報 特開平９－２８３１９７号公報
　上述したヒータ本体とフランジとをろう材にて接合する場合には、接合工程が複雑であるという問題があった。
　具体的には、セラミック製のヒータ本体と金属製のフランジとをろう付け接合する場合には、ヒータ本体の接合部分にメタライズ層を形成した後に、メタライズ層上にメッキを施し、また、フランジの接合部分にもメッキを施し、その後、両部材のメッキ部分をろう付け接合する必要があった。
　そのため、セラミックヒータの製造に手間がかかり、その製造が容易ではないという問題があった。
　本開示の一側面においては、セラミックヒータとして十分な性能（例えば気密性や接合強度）を有するとともに、その製造が容易なセラミックヒータ及びセラミックヒータの製造方法を提供することが望ましい。
　（１）本開示の一つの局面におけるセラミックヒータは、セラミック製の筒状のヒータ本体と、該ヒータ本体に外嵌されている金属製の環状のフランジと、を備えたセラミックヒータにおいて、前記フランジは、前記ヒータ本体の軸方向における一方の側が該軸方向に沿って凹んだ形状の凹状部分を有し、前記凹状部分には、ガラスが充填されたガラス溜り部を有するとともに、前記ガラス溜り部に配置されたガラスが、前記フランジ及び前記ヒータ本体に溶着している。
　このセラミックヒータは、フランジの凹状部分のガラス溜り部には、ガラスが充填され、そのガラスがヒータ本体やフランジに溶着している。
　従って、この構成のセラミックヒータを製造する場合には、例えばガラス溜り部にガラスの材料を充填して、そのガラスをヒータ本体やフランジに溶着すればよく、従来のろう付けによる接合方法と比べて、その製造が容易である。
　また、このセラミックヒータは、例えば（従来の）平板状のフランジをその貫通孔の幅の狭い内周面のみで接合する場合に比べて、ガラス溜り部に配置されたガラスが、軸方向に沿って広い面積にわたって、ヒータ本体の外周面やフランジの内周面に溶着する。それによって、ヒータ本体とフランジとの間の気密性や接合強度が高いという効果がある。
　なお、前記ガラス溜り部とは、前記凹状部分のうち、ガラスを溜めることができる部分（ガラスが充填されて溜められている部分）である。
　（２）上述のセラミックヒータでは、前記フランジは、板材から構成され、前記凹状部分を有するカップ形状であっていてもよい。
　即ち、フランジは、板材が凹状部分を有するようにカップ形状に曲げられたものであってもよい。
　このセラミックヒータは、例えばプレス加工等により、板材をカップ形状に曲げることによって、フランジを容易に製造することができる。
　（３）上述のセラミックヒータでは、前記フランジを構成する金属の熱膨張係数は、前記ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数及び前記ガラスの熱膨張係数より大であってもよい。
　このセラミックヒータでは、フランジを構成する金属の熱膨張係数が、ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数及びガラスの熱膨張係数より大である場合には、ガラスの溶着の際の温度（溶着温度）から例えば常温に低下したときには、外側のフランジから内側のガラス及びヒータ本体に対して応力を加えることができる。これにより、気密性や接合強度を高めることができる。
　なお、上述した各熱膨張係数とは、ガラスの溶着温度における熱膨張係数である。
　ここで、フランジを構成する金属の熱膨張係数としては、１００×１０-7～２００×１０-7／Ｋの範囲を採用できる。ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数及びガラスの熱膨張係数としては、５０×１０-7～９０×１０-7／Ｋの範囲を採用できる。
　なお、ガラスの熱膨張係数は、セラミックの熱膨張係数より大であることが好ましい。これにより、気密性や接合強度が一層向上する。
　（４）上述のセラミックヒータでは、前記フランジによって、前記ガラス及び前記ヒータ本体に、圧縮残留応力が加わっていてもよい。
　このセラミックヒータでは、外側のフランジによって、内側のガラス及びヒータ本体に、圧縮残留応力が加わっている場合には、気密性や接合強度が高いという利点がある。
　（５）上述のセラミックヒータでは、前記フランジは、Ｃｒを含む金属から構成され、前記フランジの表面のＣｒ含有量は、前記フランジの内部のＣｒ含有量より大であってもよい。
　このセラミックヒータでは、フランジの表面にはフランジの内部より多くのＣｒが存在（析出）してもよい。このＣｒがあるとガラスの濡れ性が向上するので、ガラスがフランジの表面に強固に接合する。そのため、気密性や接合強度が向上する。また、金属製のフランジの表面にＣｒが多く存在する場合には、耐食性（例えば耐酸性）が高いという利点がある。
　なお、フランジの表面のＣｒとしては、ＣｒだけでなくＣｒの酸化物となっているものも挙げられる。
　（６）上述のセラミックヒータでは、前記フランジは、ステンレスから構成されていてもよい。
　このセラミックヒータでは、フランジの金属材料として、例えば耐熱性や耐食性に優れたステンレスを採用できる。
　（７）上述のセラミックヒータでは、前記ヒータ本体の表面には、軸方向に沿って溝を有するとともに、前記フランジの前記ヒータ本体が貫挿されている貫通孔の内周面には、前記溝に嵌り込む突出部を備えていてもよい。
　このセラミックヒータでは、ヒータ本体の表面に、軸方向に沿って溝（スリット）を有するとともに、この溝に嵌り込むように、フランジの貫通孔の内周面に突出部を備えていてもよい。この場合、突起部のないものに比べて、溝の部分において、ヒータ本体とフランジとの隙間が小さくなっている。従って、ガラスの溶着の際には、溝の内周面と突出部の外周面に沿って、溶融したガラスが流れ込み易いので、ヒータ本体とフランジとの間に十分にガラスで充填される。これにより、一層高い気密性が得られる。
　（８）上述のセラミックヒータでは、前記ガラス溜り部のガラスは、外部に露出する前記軸方向における表面にガラス凹状部を有し、該ガラス凹状部の曲率半径（Ｒ）は、前記フランジの内径と前記ヒータ本体の外径とのクリアランスの１／２～３／２の範囲であってもよい。
　このセラミックヒータでは、ガラスの表面のガラス凹状部（ガラスの表面が凹んだ部分）の曲率半径（Ｒ）は、フランジの内径とヒータ本体の外径とのクリアランスの１／２～３／２の範囲である場合には、後述する実験例から明らかなように、ガラスの外周部分に過度の応力がかからず、よって、クラックが生じにくいという利点がある。
　（９）本開示の他の局面のセラミックヒータの製造方法は、上述のセラミックヒータの製造方法であって、前記ヒータ本体に前記フランジを外嵌し、前記フランジのガラス溜り部に前記ガラスの材料を充填し、前記ガラスの材料を溶着温度に加熱して溶融させた後に冷却することによって、前記ガラスを前記フランジと前記ヒータ本体とに溶着させる。
　このセラミックヒータの製造方法では、ヒータ本体にフランジを外嵌し、フランジのガラス溜り部にガラスの材料を充填し、ガラスの材料を溶着温度に加熱して溶融させた後に冷却することによって、ガラスをフランジとヒータ本体とに溶着させることができる。
　ここで、溶着温度とは、ガラスを溶かして周囲の部材に接合できる温度であり、ガラスの溶融温度に相当するものである。
　なお、ガラスの溶着温度としては、９００～１１００℃の範囲が挙げられる。
　（１０）上述のセラミックヒータの製造方法では、前記フランジは、Ｃｒを含む金属から構成され、前記ガラスを前記溶着温度に加熱することによって、前記フランジの表面にＣｒを析出させてもよい。
　このセラミックヒータの製造方法では、ガラスを溶着温度に加熱することによって、ガラスに接触するフランジも同様に加熱されるので、フランジの表面にＣｒを析出させることができる。
　＜以下に、上述した各構成として採用できる構成について説明する＞
　・前記フランジに用いられる金属としては、金属単体や合金を採用してもよい。例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０などのステンレス（ＪＩＳで規定するステンレス鋼）を採用してもよいが、それ以外に、例えば、鉄、銅、クロム、ニッケル、クロム鋼、鉄－ニッケル、鉄－ニッケル－コバルトなどを採用してもよい。
　・前記ヒータ本体に用いられるセラミックとしては、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素、ジルコニア、ムライトなどを採用してもよい。
　このヒータ本体にて発熱する部材として、例えばタングステンなどから構成されている発熱体を採用してもよい。セラミック製のヒータ本体として、セラミックを主成分とするものを採用してもよい。
　・ガラスが溜められるガラス溜り部の深さ（軸方向における深さ）としては、１～２０ｍｍの範囲を採用してもよい。また、ガラスの深さとしては、２ｍｍ以上を採用してもよい。
　・前記ガラスとしては、Ｂ2Ｏ3・ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3系、ＳｉＯ2・Ｎａ2Ｏ系、ＳｉＯ2・ＰｂＯ系、ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3・ＢａＯ系のガラスなどを採用してもよい。
図１Ａは実施例１のセラミックヒータの正面図、図１Ｂはセラミックヒータの一部のフランジやガラスを軸方向に沿って破断して示す正面図である。 実施例１のセラミックヒータをガラス部分を透過して示す平面図である。 実施例１のセラミックヒータのセラミック層の発熱体側を展開して示す説明図である。 図４Ａは実施例１のセラミックヒータのフランジを示す平面図、図４Ｂは図４ＡのIVB－IVB断面図である。 実施例１のセラミックヒータのフランジ及びガラスの一部を軸方向に沿って破断して示す説明図である。 図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図６Ｅ、図６Ｆは、実施例１のセラミックヒータの製造方法を示す説明図である。 実施例２のセラミックヒータをガラス部分を透過して示す平面図である。 実験例１のＨｅのリーク量を調べる装置を示す説明図である。 図９ＡはＳＵＳ３０４からなるフランジの焼成温度と焼成後のフランジの表面における各物質の質量％との関係を示すグラフ、図９ＢはＳＵＳ４３０からなるフランジの焼成温度と焼成後のフランジの表面における各物質の質量％との関係を示すグラフである。 図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄは、実験例４のガラス凹状部の曲率半径とガラス表面の引張応力（表面主応力）との関係を求めるシミュレーションを説明するためのグラフである。 実験例４のガラス凹状部の曲率半径と表面主応力との関係の実験結果を示すグラフである。
　１、５１…セラミックヒータ
　３、５３…ヒータ本体
　５、５５…フランジ
　６、５６…凹状部分
　１１、６３…溝
　２３、５３、６７…ガラス
　２３ａ、６７ａ…ガラス凹状部
　２５、５８…ガラス溜り部
　６５…突出部
　以下、本開示が適用されたセラミックヒータ及びセラミックヒータの製造方法の実施例を説明する。
　ａ）まず、本実施例１のセラミックヒータについて説明する。
　本実施例１のセラミックヒータは、例えば温水洗浄便座の熱交換ユニットの熱交換器において、洗浄水を暖めるために用いられるものである。
　図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示す様に、本実施例１のセラミックヒータ１は、円筒形状のセラミック製のヒータ本体３と、ヒータ本体３に外嵌された環状の金属製のフランジ５とを備えている。
　このうち、ヒータ本体３は、例えば外径φ１０ｍｍ×内径φ８ｍｍ×長さ６５ｍｍのセラミック管７と、セラミック管７の外周のほぼ全体を覆う例えば厚み０．５ｍｍ×長さ６０ｍｍのセラミック層９とから構成されている。
　セラミック層９は、セラミック管７を完全覆っておらず、軸方向に沿って、例えば幅１ｍｍ×深さ０．５ｍｍの溝（スリット）１１が形成されている。
　このセラミック管７とセラミック層９とは（従ってヒータ本体３は）、例えばアルミナから構成され、その熱膨張係数は、例えば５０×１０-7～９０×１０-7／Ｋの範囲内の７０×１０-7／Ｋ（３０～３８０℃における熱膨張係数（即ち線熱膨張係数）：以下同様に表現する）である。
　図３に示すように、セラミック層９の内周面（セラミック管７側の面）又は内部には、蛇行状の発熱体１１及び一対の内部端子１３が形成されている。この内部端子１３は、セラミック層９の外周面の端部の外部端子１５（図１Ａ、図１Ｂ参照）と、スルーホール又はビア（図示せず）を介して電気的に接続されている。
　図４Ａ、図４Ｂに示すように、フランジ５は、例えばステンレス等の円環状の部材であり、板材の中央部分が一方向（図４Ｂの下方）に曲げられて凹状（カップ形状）となったものである。
　詳しくは、フランジ５は、例えば厚み１ｍｍの板材から構成され、その凹んだ部分である凹状部分６が広がった一方の側（図４Ｂの上方）の内径は例えばφ１６ｍｍ、他方の側の内径（即ち貫通孔１７の外径）は例えばφ１２ｍｍである。
　また、フランジ５の全体の高さＨ１（図４Ｂの上下方向）は例えば６ｍｍであり、半径ｒ（例えば１．５ｍｍ）にて湾曲した底部１９と、底部１９から上方に（軸方向と垂直に）延びる円筒状の側部２１とから構成されている。なお、例えば、底部１９の高さＨ２は１．５ｍｍであり、側部２１の高さＨ３は４．５ｍｍである。また、半径ｒは、軸方向に沿った断面における半径である。
　なお、フランジ５が、ＳＵＳ３０４（主成分がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）から構成されている場合には、その熱膨張係数は、１７８×１０-7／Ｋ（３０～３８０℃）であり、ＳＵＳ４３０（主成分がＦｅ、Ｃｒ）から構成されている場合には、その熱膨張係数は、１１０×１０-7／Ｋ（３０～３８０℃）であり、いずれも、例えば１００×１０-7～２００×１０-7／Ｋ（３０～３８０℃）の範囲内である。
　特に、本実施例１では、図５に拡大して示すように、フランジ５の凹状部分６のうち、ヒータ本体３の外周面とフランジ５の内周面とで囲まれた空間が、ガラス２３が充填されるガラス溜り部２５とされている。なお、図１Ａ、図１Ｂ及び図２では、ガラス２３部分を細かい点で示している。
　このガラス溜り部２５の高さＨ４（図５の上下方向）は、例えば１～２０ｍｍの範囲内の例えば５ｍｍであり、ガラス溜り部２５の側部２１における幅（即ち図５の上方の開口部６ａにおける径方向の長さ）Ｘは、例えば１～２０ｍｍの範囲内の例えば２ｍｍである。
　また、ガラス溜り部２５には、ガラス２３がガラス溜り部２５の高さＨ４の１／３以上に充填されて、ヒータ本体３とフランジ５に溶着している。詳しくは、ガラス２３の高さ（ヒータ本体３に外周面の軸方向に沿った高さ）Ｈ５は、例えば１～１９ｍｍの範囲である。
　なお、ヒータ本体３とフランジ５の下部の側端面５ａとの間には、例えば１ｍｍの隙間Ｙがあるが、この隙間Ｙにもガラス２３が充填されるとともに、一部のガラス２３はフランジ５の下面より下方にも、例えば１ｍｍ程度伸びている。
　ここで、フランジ５の内径とヒータ本体３の外径とのクリアランス（隙間）Ｃは、図５の上方ほど大きくなっている。なお、側部２１においては、前記幅ＸとクリアランスＣとは一致する。
　また、ガラス溜り部２５のガラス２３の表面（外部に露出する表面：図５の上面）には、曲率半径Ｒ（即ち軸方向に沿った断面における曲率半径Ｒ）にて湾曲したガラス凹状部２３ａが形成されている。
　このガラス凹状部２３ａの曲率半径Ｒ（例えば１．５ｍｍ）は、フランジ５の内径とヒータ本体３の外径とのクリアランスＣの１／２～３／２の範囲である。なお、側部２１においては、前記幅ＸとクリアランスＣとは一致する。
　前記ガラス２３は、例えばＮａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3・Ｂ2Ｏ3・ＳｉＯ2系のガラス、いわゆるＡｌ2Ｏ3・Ｂ2Ｏ3・ＳｉＯ2系のガラス（ホウケイ酸ガラス）である。このガラス２３の熱膨張係数は、例えば５０×１０-7～９０×１０-7／Ｋ（３０～３８０℃）の範囲内の６２×１０-7／Ｋ（３０～３８０℃）である。
　ｂ）次に、本実施例１のセラミックヒータ１の製造方法について説明する。
　まず、図６Ａに示すように、パイプ状のアルミナ質のセラミック管７を仮焼成により形成する。
　また、図６Ｂに示すように、アルミナ質のセラミックシート４１の表面又は積層したシート内部に、タングステン等の高融点金属を印刷して発熱体１１や内部端子１３や外部端子１５となるパターン４３などを形成する。
　次に、このセラミックシート４１にセラミックペースト（アルミナペースト）を塗布し、図６Ｃに示すように、セラミックシート４１をセラミック管７の外周面に巻き付けて接着して、一体焼成する。その後、外部端子１５にＮｉメッキを施す。これにより、ヒータ本体３が得られる。
　また、例えばステンレスをプレス成形して、カップ状のフランジ５を形成する。
　次に、図６Ｄに示すように、ヒータ本体３の所定の取付位置にフランジ５を外嵌して、治具により固定する。
　また、前記ホウケイ酸ガラスから構成されているガラス材料をプレス成形して、リング状とし、６４０℃で３０分仮焼して、仮焼済みガラス材４５を作製する。
　次に、図６Ｅに示すように、ヒータ本体３とフランジ５との間のガラス溜り部２５に、リング状の仮焼済みガラス材４５を配置する。
　次に、この状態で、仮焼済みガラス材４５を、還元雰囲気（詳しくは、Ｎ2＋５％Ｈ２）にて、溶着温度（１０１５℃）にて３０分間加熱して溶融させ、その後、常温（例えば２５℃）にまで温度を下げて、ガラス２５をヒータ本体３とフランジ５とに溶着して、セラミックヒータ１を完成する。
　ｃ）次に、本実施例１の効果について説明する。
　本実施例１では、フランジ５の凹状部分６のガラス溜り部２５には、ガラス２３が充填され、そのガラス２３がヒータ本体３やフランジ５に溶着している。
　従って、このセラミックヒータ１を製造する場合には、ガラス溜り部２５にガラス２３の材料を充填し、そのガラス２３をヒータ本体３やフランジ５に溶着すればよく、従来のろう付けによる接合方法と比べて、その製造が容易である。
　また、本実施例１では、従来の平板状のフランジを接合する場合に比べて、ガラス溜り部２５に配置されたガラス２３が、広い面積にわたってヒータ本体３やフランジ５に溶着しているので、気密性や接合強度が高いという効果がある。
　更に、本実施例１では、例えばプレス加工等により、板材をカップ形状に曲げることにより、容易にフランジ５を製造することができる。
　その上、本実施例１では、フランジ５を構成する金属の熱膨張係数は、ヒータ本体３を構成するセラミックの熱膨張係数及びガラス２３の熱膨張係数より大である。そのため、フランジ５によって、ガラス２３及びヒータ本体３に、圧縮残留応力が加わっている。これにより、気密性や接合強度が高いという利点がある。
　また、実施例１では、フランジ５の表面にはフランジ５の内部より多くのＣｒが存在（析出）している。これにより、ガラス２３の濡れ性が向上するので、ガラス２３がフランジ５の表面に強固に接合する。従って、気密性や接合強度が向上するとともに、耐食性（例えば耐酸性）が向上するという効果がある。
　更に、本実施例１では、ガラス２３の表面のガラス凹状部２３ａの曲率半径Ｒは、フランジ５の内径とヒータ本体３の外径とのクリアランスＣの１／２～３／２の範囲であるので、ガラス２３の外周部分に過度の応力がかからず、よって、クラックが生じにくいという利点がある。
　次に、実施例２について説明する。
本実施例２のセラミックヒータは、フランジの構造以外は、前記実施例１と同様である。
　図７に示すように、本実施例２のセラミックヒータ５１は、前記実施例１と同様に、円筒形状のヒータ本体５３に、円環状でカップ形状（軸方向における一方が凹状となった形状）のフランジ５５が外嵌している。
　詳しくは、実施例１と同様に、フランジ５５の凹状部分５６のガラス溜り部５８には、ガラス６７が充填され、そのガラス６７がヒータ本体５３やフランジ５５に溶着している。また、フランジ５５を構成する金属の熱膨張係数は、ヒータ本体５３を構成するセラミックの熱膨張係数及びガラス６７の熱膨張係数より大である。さらに、フランジ５５の表面にはフランジ５５の内部より多くのＣｒが存在している。しかも、ガラス６７の表面のガラス凹状部６７ａの曲率半径Ｒは、フランジ５５の内径とヒータ本体５３の外径とのクリアランスＣの１／２～３／２の範囲である。
　特に、本実施例２では、フランジ５５の底部５７の貫通孔５９の内周面には、セラミック層６１の間隙である溝６３に嵌り込むような突出部６５が形成されている。
　これによって、同図の細かい点にて示すガラス６７の溶着の際には、溝６３の内周面と突出部６５の外周面に沿って、溶融したガラス６７が流れ込み易いので、ヒータ本体５３とフランジ５５との間が隙間無くガラス６７で充填される。これにより、一層高い気密性が得られるという利点がある。
　＜実験例＞
　次に、本開示の効果を確認するために行った各種の実験例について説明する。
　（実験例１）
　本実験例１では、周知のＨｅリークディテクタを用いて、ガラスの接合部分（溶着部分）のリーク試験を行い、その気密性を調べた。
　具体的には、実験に用いる試料として、前記実施例１と同様な構成を有するとともに、フランジの材料として、下記表１に示す材料（試料No.１～４）を使用して、セラミックヒータを作製した。ガラスは、製造ロット２ロット分にて評価した。
　そして、図８に示すように、この試料のセラミックヒータ１のフランジ５の下部にＯリング７１を配置し、フランジ５を押圧部材７３によって下方に押圧する状態とした。なお、セラミックヒータ１の上端は、板材７５によって密閉した。
　この状態で、セラミックヒータ１の下部が配置された長孔７９内より減圧（即ち１０-7Ｐａオーダーに減圧）し、セラミックヒータ１の上部を覆う容器７７内にＨｅを導入して、Ｈｅリークディテクタによって、Ｈｅのリーク量を測定した。
　この測定では、各試料は材料毎に５個ずつ作製して、それぞれリーク量を測定した。その結果を、下記表１に記す。
　また、比較例として、従来の金属製のフランジを有するセラミックヒータの試料（試料No.５、６）を作製し、同様にリーク量を測定した。この従来のセラミックヒータは、平板から構成されているステンレス製の円環状のフランジにＮｉメッキを施し、ヒータ本体の外周にメタライズを形成した後にＮｉメッキを施し、それらをＡｇろうによってろう付け接合したものである。その結果を同じく下記表１に記す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　この表１から明らかなように、本開示の試料（No.１～４）は、リーク量が１０-9Ｐａ・ｍ3／ｓｅｃオーダー以下の値であり、リーク量が極めて少ないことが分かる。
　つまり、ろう付け接合したものと同程度の高い気密性を有していることが分かる。
　（実験例２）
　本実験例２では、ヒータ本体とガラスとの間の接合強度を調べた。
　具体的には、実験に用いる試料（試料No.７）として、前記実施例１と同様な構成を有するとともに、フランジの材料としてＳＵＳ３０４を使用して、セラミックヒータを作製した。
　次に、試料のセラミックヒータを垂直に保つとともに、フランジの底面を固定して、セラミック管を上方より打ち抜くように荷重を加えた。そして、そのセラミック管が打ち抜かれる際の荷重（打ち抜き強度）を調べた。
　また、比較例として、従来のセラミック製のフランジを有するセラミックヒータの試料（試料No.８）を作製し、同様に打ち抜き強度を測定した。この従来のセラミックヒータは、平板から構成されているアルミナ製の正方形型フランジ（一辺３０ｍｍ×内径φ１２ｍｍ×厚み４ｍｍ）を、その内周面にてガラスによって接合したものである。
　それらの結果を、下記表２に記す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　この表２から明らかなように、本開示のセラミックヒータは、比較例に比べて、打ち抜き強度が大きいこと、従って、接合強度が大きいことが分かる。
　（実験例３）
　本実験例３では、セラミックヒータの耐酸試験を行った。
　具体的には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０から構成されているフランジを作製し、１０１５℃にて３０分間加熱を行って、実験に供する試料を作製した。
　そして、各試料に対して、１０Ｌの密閉容器中に１０％濃度塩酸を１Ｌ入れ、各試料を該容器内の中空中に保持し、その塩酸蒸気雰囲気中に１００時間放置するという条件にて耐酸実験を行った。
　その結果、耐酸試験の前後で、外観及びＨｅリーク量に差は見られなかった。つまり、本開示で用いるフランジは高い耐酸性を有することが分かった。
　（実験例４）
　本実験例４では、セラミックヒータの熱衝撃試験を行った。
　具体的には、実験に用いる試料（試料No.９）として、前記実施例１と同様な構成を有するとともに、フランジの材料としてＳＵＳ３０４を使用して、セラミックヒータを１０個作製した。
　次に、試料のセラミックヒータを下記表３の所定温度毎に５個づつ加熱した後に、それぞれ常温（水温２５℃）の水中に投下し、ガラスのクラックの発生状態を調べた。また、水中に投下した各試料に対して、前記実験例１と同様なリーク試験を行った。
　その結果を下記表３に記す。なお、クラックの有無は目視で調べ、Ｈｅリーク量＞１×１０-8Ｐａ・ｍ3／ｓｅｃの場合をリーク不良とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 　この表３から明らかなように、本開示のセラミックヒータは、耐熱衝撃性に優れていることが分かる。
　（実験例５）
　本実験例５では、焼成温度によるフランジ表面の組成の変化を調べた。
　具体的には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０から構成されているフランジを各５個作製し、図９Ａ、図９Ｂに示すガラスの焼成温度にて３０分間加熱を行った。
　次に、各試料に対して、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）によって表面の各元素の質量分析を行い、その質量％を求めた。その結果を図９Ａ、図９Ｂに示す。
　この図９Ａ、図９Ｂから明らかなように、１０００℃付近で、Ｃｒ、Ｏの増加が確認された。これは、フランジの表面にＣｒの酸化物（Ｃｒの不動態）が生成したことを示していると考えられる。
　（実験例６）
　本実験例６では、シミュレーションによるガラスに加わる表面主応力の変化を調べた。
　具体的には、解析ソフトとして、ＡＮＳＹＳ　ＡＰＤＬ１５．０を用い、下記の条件にて、本開示の構成のセラミックヒータの応力シミュレーションを行った。
　＜セラミック（ヒータ本体）＞
　ヤング率：２８０ＧＰａ、ポアソン比：０．３、線膨張係数：６．８ｐｐｍ／Ｋ
　＜ガラス＞
　ヤング率：６０ＧＰａ、ポアソン比：０．３、線膨張係数：６．２ｐｐｍ／Ｋ
　＜金属（フランジ）＞
　ヤング率：２００ＧＰａ、ポアソン比：０．３、線膨張係数：１８．１ｐｐｍ／Ｋ
　＜解析条件＞
２次元軸対称モデル
　静的解析
　６９３℃（ガラス軟化点）を応力フリー（応力が加わらない状態）とし、２５℃に降温した際の応力を評価
　図１０Ａ－図１０Ｄにそのシミュレーションの結果を示す。図１０Ａ－図１０Ｄの灰色部分（斜線部分）が圧縮応力（圧縮残留応力）、濃い灰色部分（細かいメッシュ部分）が引張応力（表面主応力）が残留する範囲である。また、図１１及び表４に引張応力（表面主応力）とガラス凹状部の曲率半径Ｒを示す。なお、図１１の表面主応力（ＨＳ）とは、ガラスの外周部の表面近傍（例えば図１０Ｃの矢印で示す細かいメッシュ部分）にて加わる引張応力である。
　ここで、図１０Ａは、曲率半径Ｒが１．２ｍｍ、ガラス溜り部の幅Ｘが２．４ｍｍ、ガラスの高さＨ５が３ｍｍの場合を示している。図１０Ｂは、曲率半径Ｒが１．３ｍｍ、ガラス溜り部の幅Ｘが２．４ｍｍ、ガラスの高さＨ５が３ｍｍの場合を示している。図１０Ｃは、曲率半径Ｒが２ｍｍ、ガラス溜り部の幅Ｘが２．４ｍｍ、ガラスの高さＨ５が３ｍｍの場合を示している。図１０Ｄは、曲率半径Ｒが３ｍｍ、ガラス溜り部の幅Ｘが２．４ｍｍ、ガラスの高さＨ５が３ｍｍの場合を示している。
　なお、クリアランスＣ＝ガラス溜まり部の幅Ｘは、２．４ｍｍで一定である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 　この図１０Ａ－図１０Ｄ及び図１１及び表４から、曲率半径Ｒが大きいほど、表面主応力が大きいこと、即ち、ガラスが破損し易いことが分かる。
　また、図１０Ａ－図１０Ｄ及び図１１及び表４から、ガラス凹状部の曲率半径Ｒは、フランジの内径とヒータ本体の外径とのクリアランスＣの１／２～３／２の範囲であれば、表面主応力が小さいこと、即ち、ガラスが破損し難いことが分かる。
　　（実験例７）
　本実験例７では、ガラス溶着後のガラス及びヒータ本体に圧縮応力が加わっていることを調べた。
　具体的には、前記実施例１のセラミックヒータと同様な構造の２種の試料を作製した。つまり、フランジの材料としてＳＵＳ３０４又はＳＵＳ４３０を用い、その他の構成は実施例１と同様とした。
　そして、各試料に対して、前記図５の側端部５ａ近傍のフランジ内部の残留応力を、微小Ｘ線計測（側傾法、ψ０一定法）にて測定した。なお、測定はそれぞれ６箇所行い、その平均を求めた。
　その結果、フランジがＳＵＳ３０４の場合には残留応力は平均３３７ＭＰａ、ＳＵＳ４３０の場合には残留応力は平均１５０ＭＰａであり、いずれも圧縮応力であった。
　このように、ガラス及びヒータ本体の熱膨張係数はフランジの熱膨張係数より小さいので、ガラス溶着後のガラス及びヒータ本体に圧縮応力が働いていることは明白である。
　以上、本開示の実施例などについて説明したが、本開示は、前記実施例などに限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
　本開示は、温水洗浄便座以外に、ファンヒータ、電気温水器、２４時間風呂などに用いられるセラミックヒータと、そのセラミックヒータの製造方法に適用可能である。

Claims (10)

  1. 　セラミック製の筒状のヒータ本体と、該ヒータ本体に外嵌されている金属製の環状のフランジと、を備えたセラミックヒータにおいて、
    　前記フランジは、前記ヒータ本体の軸方向における一方の側が該軸方向に沿って凹んだ形状の凹状部分を有し、
    　前記凹状部分には、ガラスが充填されたガラス溜り部を有するとともに、前記ガラス溜り部に配置されたガラスが、前記フランジ及び前記ヒータ本体に溶着しているセラミックヒータ。
  2. 　前記フランジは、板材から構成され、前記凹状部分を有するカップ形状である請求項１に記載のセラミックヒータ。
  3. 　前記フランジを構成する金属の熱膨張係数は、前記ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数及び前記ガラスの熱膨張係数より大である請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
  4. 　前記フランジによって、前記ガラス及び前記ヒータ本体に、圧縮残留応力が加わっている請求項１～３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  5. 　前記フランジは、Ｃｒを含む金属から構成され、前記フランジの表面のＣｒ含有量は、前記フランジの内部のＣｒ含有量より大である請求項１～４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  6. 　前記フランジは、ステンレスから構成されている請求項１～５のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  7. 　前記ヒータ本体の表面には、軸方向に沿って溝を有するとともに、前記フランジの前記ヒータ本体が貫挿されている貫通孔の内周面には、前記溝に嵌り込む突出部を備えている請求項１～６のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  8. 　前記ガラス溜り部のガラスは、外部に露出する前記軸方向における表面にガラス凹状部を有し、該ガラス凹状部の曲率半径（Ｒ）は、前記フランジの内径と前記ヒータ本体の外径とのクリアランスの１／２～３／２の範囲である請求項１～７のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  9. 　前記請求項１～８のいずれか１項に記載のセラミックヒータの製造方法であって、
    　前記ヒータ本体に前記フランジを外嵌し、前記フランジのガラス溜り部に前記ガラスの材料を充填し、前記ガラスの材料を溶着温度に加熱して溶融させた後に冷却することによって、前記ガラスを前記フランジと前記ヒータ本体とに溶着させるセラミックヒータの製造方法。
  10. 　前記フランジは、Ｃｒを含む金属から構成され、前記ガラスを前記溶着温度に加熱することによって、前記フランジの表面にＣｒを析出させる請求項９に記載のセラミックヒータの製造方法。
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