JP2005079490A

JP2005079490A - 金属被覆セラミック抵抗体

Info

Publication number: JP2005079490A
Application number: JP2003310991A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Shimoyama; 暢善下山; Shigeru Kimura; 繁木村
Original assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【目的】温度上昇が低く抑えられて負荷電力を大きくすることができ、とくに、間接冷却式、水冷式、あるいは風冷などの冷却条件下において、電子制御用のインバーター保護用の大電力回路に好適に使用できるセラミック抵抗体を提供する。
【構成】熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミック基材に抵抗温度係数が０〜５０ｐｐｍ／℃の特性を有するＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆が施され且つ両端に電極を設けてなり、冷却条件下で使用されるセラミック抵抗体であって、該抵抗体が複数個に分割され、これらが並列状態に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子制御用のインバーター保護用に使用されるセラミック抵抗体であり、とくに大電力回路に使用して好適な金属被覆セラミック抵抗体に関する。

インバーター保護回路の容量の増大に伴って、抵抗体の高容量化が進んでいるが、抵抗体に長時間、高容量を負荷していると、抵抗体から発生するジュール熱によって両端の電極部、電極部に接する金属端子の接触面が酸化変質して接触抵抗が増加し、抵抗体に割れや変形が生じ、抵抗器の特性を阻害するという問題がある。

この問題を解決し、抵抗体の表面温度の上昇を抑え、負荷率を大きくするために、各種の冷却方式が提案されている。例えば、出願人は先に、図６に示すように、アルミノケイ酸を主とするセラミック抵抗体１の両端の電極面２に高熱伝導ペースト３を塗布し、銅、アルミニウムなどの金属製の水冷式冷却端子４を重ね、さらに固定板５を配置して、ガラス繊維入りエポキシ樹脂製、アルミナ製などの絶縁ボルト６で締結した構成とし、この構成により、抵抗体に均一の荷重をかけ、抵抗体と水冷式冷却端子の密着性を良くすることで、抵抗体の発生熱吸収を大きくして表面温度の上昇を抑え、高負荷に耐えるようにした間接冷却式抵抗器を提案した（特許文献１参照）。

上記の抵抗器は、抵抗器において高冷却を得るための冷却構造について検討した結果としてなされたものであるが、発明者らは、さらに、セラミック抵抗体の特性が冷却効果に大きな影響を与えることを知見し、従来のものよりもさらに高負荷時の温度上昇が抑えられ、負荷電力を大きくすることを可能とする金属被覆セラミック抵抗体を提案した（特許部文献２参照）。
特開平１１−１７６６０１号公報特願２００２−１５７０８４号

特許文献２のセラミック抵抗体は、１個できわめて高い負荷電力を吸収することができるが、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・ｋ以上の高熱伝導セラミック基材をベースとするために高価であり、コスト面で実用化に問題がある。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、熱伝導率が低い安価なセラミック基材をベースとして、さらに優れた特性を有する金属被覆セラミック抵抗体を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の請求項１による金属被覆セラミック抵抗体は、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミック基材に抵抗温度係数が０〜５０ｐｐｍ／℃の特性を有するＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆が施され且つ両端に電極を設けてなり、冷却条件下で使用されるセラミック抵抗体であって、該抵抗体が複数個に分割され、これらが並列状態に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、高熱伝導セラミックを基材としたものよりも温度上昇を低く抑えることができるから、負荷電力をさらに大きくすることを可能とするセラミック抵抗体が提供される。当該セラミック抵抗体は、電子制御用のインバータ保護用の大電力回路に好適に使用できる。

本発明の金属被覆セラミック抵抗体は、セラミック基材にＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆が施され且つ両端に電極を設けてなり、風冷、水冷などの冷却条件下で使用されるものであり、抵抗体のセラミック基材としては、アルミナなど、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・ｋ以上の安価なセラミックで、Ｎｉ−Ｗ−Ｐ（ニッケル−タングステン−リン）の固有比抵抗値よりも高い固有比抵抗値を有するものが適用される。

セラミック基材は、ディスク状、棒状、平板状など、任意の形状に成形し、このセラミック基材は、Ｎｉ−Ｗ−Ｐの被覆との密着性を高めるために、サンドブラスト、エッチング、切削、研磨などの処理を行い、処理面に、無電解メッキ法によってＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆を形成する。

乾燥後、２００〜２５０℃の温度で熱処理し、被覆上に金属溶射、ろう付け、導電性ペーストの焼付け、メッキ、蒸着などの手段により、基材両面にアルミニウムなど、金属からなる電極用の導電膜を形成し、抵抗体を得る。

本発明においては、上記の構成において、図１〜４（抵抗体の端面図を示す）に示すように、抵抗体１が複数個に分割され、これら分割された抵抗体１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、・・・、１ｋ、１ｌ、１ｐが並列状態に配置されていることを特徴とする。円板状のセラミック基材を円板の中心を通る線で４分割（図２）、６分割、８分割（図３）、１６分割（図４）など均等に分割する形態とするのが好ましく、分割数が多いほど使用時の温度上昇をより低く抑えることができる。

Ｎｉ−Ｗ−Ｐは、抵抗温度係数が０〜５０ｐｐｍ／℃の特性をそなえたもので、セラミック抵抗体は、Ｎｉ−Ｗ−Ｐの金属被覆を形成することによって、抵抗温度係数がきわめて小さい正特性を有し、上記のセラミック基材との組合わせにより、冷却下で使用した場合、抵抗体の温度上昇は効果的に抑制され、負荷電力を大きくすることが可能となる。抵抗温度係数が５０ｐｐｍ／℃を越えた場合には、十分な温度上昇抑制効果が得難くなる。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

外径１０ｍｍ、厚さ５．３ｍｍの熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋを有するアルミナ基材１２個を、平面切削または平面研磨して、厚さ５ｍｍ±０．０２５ｍｍ、平面度・平行度±５０μｍ以内に仕上げた。さらに、アルミナ基材を、化学エッチングで粗面化した後、無電解メッキ法によりＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆を形成した。その後、被覆面に溶射によりアルミニウムの皮膜を形成して基材の両面に電極を形成し、金属被覆セラミック抵抗体を得た。得られた抵抗体の電極部に高熱伝導ペースト（信越化学工業株式会社製オイルコンパウンドＫＳ６０９）を塗布し、図１に示すように、これらの抵抗体１ａ、１ｂ、・・・、１ｋ、１ｌを並列状態に配置して図６に示すような構造に組み立て、間接水冷式抵抗器とした。

外径４０ｍｍ、厚さ５．２ｍｍの熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋを有するアルミナ基材を、平面切削または平面研磨して、厚さ５ｍｍ±０．０２５ｍｍ、平面度・平行度±５０μｍ以内に仕上げた。ついで、外径４０ｍｍの円板状アルミナ基材を、中心を通る線で均等に４分割し、化学エッチングで粗面化した後、無電解メッキ法によりＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆を形成した。その後、被覆面に溶射によりアルミニウムの皮膜を形成して基材の両面に電極を形成し、金属被覆セラミック抵抗体を得た。得られた抵抗体の電極部に高熱伝導ペースト（信越化学工業株式会社製オイルコンパウンドＫＳ６０９）を塗布し、図２に示すように、これらの抵抗体１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを並列状態に配置して図６に示すような構造に組み立て、間接水冷式抵抗器とした。

外径４０ｍｍ、厚さ５．２ｍｍの熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋを有するアルミナ基材を、平面切削または平面研磨して、厚さ５ｍｍ±０．０２５ｍｍ、平面度・平行度±５０μｍ以内に仕上げた。ついで、外径４０ｍｍの円板状アルミナ基材を、中心を通る線で均等に８分割し、化学エッチングで粗面化した後、無電解メッキ法によりＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆を形成した。その後、被覆面に溶射によりアルミニウムの皮膜を形成して基材の両面に電極を形成し、金属被覆セラミック抵抗体を得た。得られた抵抗体の電極部に高熱伝導ペースト（信越化学工業株式会社製オイルコンパウンドＫＳ６０９）を塗布し、図３に示すように、これらの抵抗体１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈを並列状態に配置して図６に示すような構造に組み立て、間接水冷式抵抗器とした。

外径４０ｍｍ、厚さ５．２ｍｍの熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋを有するアルミナ基材を、平面切削または平面研磨して、厚さ５ｍｍ±０．０２５ｍｍ、平面度・平行度±５０μｍ以内に仕上げた。ついで、外径４０ｍｍの円板状アルミナ基材を、中心を通る線で均等に１６分割し、化学エッチングで粗面化した後、無電解メッキ法によりＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆を形成した。その後、被覆面に溶射によりアルミニウムの皮膜を形成して基材の両面に電極を形成し、金属被覆セラミック抵抗体を得た。得られた抵抗体の電極部に高熱伝導ペースト（信越化学工業株式会社製オイルコンパウンドＫＳ６０９）を塗布し、図４に示すように、これらの抵抗体１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、・・・、１ｎ、１ｏ、１ｐを並列状態に配置して図６に示すような構造に組み立て、間接水冷式抵抗器とした。

比較例１

外径４０ｍｍ、厚さ５．２ｍｍの熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋを有するアルミナ基材を、平面切削または平面研磨して、厚さ５ｍｍ±０．０２５ｍｍ、平面度・平行度±５０μｍ以内に仕上げた。ついで、外径４０ｍｍの円板状アルミナ基材を化学エッチングで粗面化した後、無電解メッキ法によりＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆を形成した。その後、被覆面に溶射によりアルミニウムの皮膜を形成して基材の両面に電極を形成し、金属被覆セラミック抵抗体を得た。得られた抵抗体の電極部に高熱伝導ペースト（信越化学工業株式会社製オイルコンパウンドＫＳ６０９）を塗布し、図６に示すような構造に組み立て、間接水冷式抵抗器とした。

比較例２

前記特開平１１−１７６６０１号公報の実施例に記載されるように、木節粘土４０重量％と熱膨張係数５０×１０^-7％／℃以上、軟化点７００℃以上のホウケイ酸ガラス２５重量％とＳｉＣ１５重量％とＳｉ粉末２０重量％を配合した混合物を水和捏合後、円板状に成形し、乾燥後、大気中１３００℃で焼成することにより絶縁性のガラス質保護膜でコートされた外径４０ｍｍ、厚さ５．１ｍｍのセラミック抵抗体を得た。

得られたセラミック抵抗体の両端面のガラス質保護膜を平面切削または平面研磨で除去して、厚さ５ｍｍ、平面度・平行度±５０μｍ以内に仕上げた熱伝導率２Ｗ／ｍ・Ｋを有するセラミック抵抗体とした。さらに、セラミック抵抗体の両端面に溶射によりアルミニウムの皮膜を形成して、基材の両面に電極を形成し、電極部に高熱伝導ペースト（信越化学工業株式会社製オイルコンパウンドＫＳ６０９）を塗布し、図６に示すような構造に組み立て、間接水冷式抵抗器とした。

比較例３

外径４０ｍｍ、厚さ５．２ｍｍの熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋを有する炭化珪素基材を、平面切削または平面研磨して、厚さ５ｍｍ±０．０５ｍｍ、平面度・平行度±５０μｍ以内に仕上げた。ついで、外径４０ｍｍの円板状炭化珪素基材をサンドブラスト、化学エッチングで粗面化した後、無電解メッキ法によりＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆を形成した。その後、被覆面に溶射によりアルミニウムの皮膜を形成して基材の両面に電極を形成し、金属被覆セラミック抵抗体を得た。得られた抵抗体の電極部に高熱伝導ペースト（信越化学工業株式会社製オイルコンパウンドＫＳ６０９）を塗布し、図６に示すような構造に組み立て、間接水冷式抵抗器とした。

なお、上記実施例、比較例の電解メッキ法によるＮｉ−Ｗ−Ｐ被覆における浸漬時間は２０分、被覆厚さは約２μｍであった。実施例１〜４のＮｉ−Ｗ−Ｐ被覆の皮膜断面積および抵抗値を比較例１と対比して表１に示す。皮膜断面積は皮膜厚さ２μｍとして算出し、図１〜４に示す分割部（切断部）は加味していない。

上記実施例、比較例で組立てられた間接水冷式抵抗器に電流を流し、冷却帯に水道水を６リットル／分の割合で流しながら、複数の抵抗体からなる抵抗器に５００Ｗづつ負荷を増大させて抵抗体の表面温度を測定した。負荷を２０００Ｗとした時の抵抗体の表面温度を表２に示し、印加電力と表面温度との関係を図５に示す。

図１および表２にみられるように、本発明の実施例１〜４によるセラミック抵抗体では、比較例１のセラミック抵抗体と比べて温度上昇が少ない。すなわち、抵抗体が複数個に分割され、これらを並列に配置した場合には、分割しない抵抗体と比べて温度上昇を低く抑えることができ、負荷電力を大きくすることが可能であることがわかる。また、分割数が多いほど使用時の温度上昇をより低く抑えることができ、１６分割された場合（実施例４−図４）には、高熱伝導率のセラミック基材を用いた場合（比較例３）より温度上昇の抑制効果が大きくなることが確認された。

本発明による金属被覆セラミック抵抗体は、温度上昇が低く抑えられて、負荷電力を大きくすることができるから、間接冷却式、水冷式、あるいは風冷などの冷却条件下において、電子制御用のインバーター保護用の抵抗体として有用であり、とくに大電力回路に好適に使用できる。

本発明のセラミック抵抗体（小径円板状基材を並べたもの）の実施例を示す端面図である。本発明のセラミック抵抗体（円板状基材を４等分したもの）の実施例を示す端面図である。本発明のセラミック抵抗体（円板状基材を８等分したもの）の実施例を示す端面図である。本発明のセラミック抵抗体（円板状基材を１６等分したもの）の実施例を示す端面図である。実施例および比較例のセラミック抵抗体に対する印加電力と表面温度との関係を示すグラフである。本発明の実施例および比較例のセラミック抵抗体を用いて組立てた抵抗器を示す断面図である。

符号の説明

１セラミック抵抗体
２電極
３高熱伝導ペースト
４水冷式冷却端子
５固定板
６絶縁ボルト

Claims

熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミック基材に抵抗温度係数が０〜５０ｐｐｍ／℃の特性を有するＮｉ−Ｗ−Ｐの被覆が施され且つ両端に電極を設けてなり、冷却条件下で使用されるセラミック抵抗体であって、該抵抗体が複数個に分割され、これらが並列状態に配置されていることを特徴とする金属被覆セラミック抵抗体。