JP6075781B2

JP6075781B2 - ヒータ

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Publication number: JP6075781B2
Application number: JP2013203217A
Authority: JP
Inventors: 朝島袋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015069847A

Description

本発明は、例えば、流体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータまたは酸素センサ用ヒータ等に利用されるヒータに関するものである。

流体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータまたは酸素センサ用ヒータ等に利用されるヒータとして、例えば特許文献１に記載のセラミックシーズヒータが知られている。特許文献１に記載のセラミックシーズヒータは、金属製の有底筒状体と、有底筒状体の内部に設けられたセラミックヒータとを備えており、有底筒状体とセラミックヒータとの間には高熱伝導性を有する絶縁粉体が充填されている。

特開平１０−２４７５８４号公報

特許文献１に記載のセラミックシーズヒータを用いた際に、有底筒状体の外周面のみを流体等の被加熱物に接触させて被加熱物を加熱した場合には、セラミックヒータから有底筒状体の端面に伝わった熱は、被加熱物の加熱に寄与せずに、放熱等によって逃げてしまうことになる。そのため、被加熱物の加熱に用いる有底筒状体の外周面の温度上昇に時間がかかる可能性があった。その結果、セラミックシーズヒータにおいて電力の無駄が生じる可能性があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミックシーズヒータにおいて電力の無駄が生じる可能性を低減することにある。

本発明の一態様のヒータは、筒部および該筒部の一端側の開口を覆う蓋部を備えたセラミック体と、該セラミック体の前記筒部に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック体の少なくとも前記筒部の一端側が挿入された、外周面で被加熱物を加熱する金属筒とを備えており、前記蓋部のうち前記開口を覆う表面が前記開口から前記筒部の内側に向かって突出していることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、蓋部のうち開口を覆う表面が開口から筒部の内側に向かって突出していることによって、蓋部の体積を増加させることができる。これにより、筒部から蓋部に伝わった熱を蓋部に留めやすくすることができる。このため、蓋部の表面から外部に熱が逃げてしまうことを抑制できる。そのため、被加熱部の加熱に寄与せずに逃げてしまう熱の発生を抑制できる。その結果、ヒータにおいて電力の無駄が生じる可能性を低減できる。

本発明のヒータの一実施形態の断面図である。図１に示したヒータのＡ−Ａ’断面の断面図である。本発明の実施形態のヒータの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るヒータ１０について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明のヒータ１０の実施形態の一例を示す断面図である。図１に示すように、このヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１が挿入された、外周面で被加熱物を加熱する金属筒３と、金属筒３の端部を塞ぐ金属板４とを備えている。

＜セラミック体の構成＞
セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するために設けられる部材である。セラミック体１は、筒部１１および蓋部１２を備えている。筒部１１は、例えば円筒状または角筒状である。図１に示すヒータ１０においては、筒部１１は円筒状である。蓋部１２は、筒部１１の一端側の開口１３を覆うように設けられている。蓋部１２の形状は、例えば、筒部１１の開口１３の形状に対応している。具体的には、筒部１１が円筒状であって、筒部１１の開口１３の形状が円形状の場合には、蓋部１２の形状は円板状である。この例においては、筒部１１および蓋部１２は一体的に形成されている。

セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。これらのうち製造のしやすさの観点からは、アルミナを用いることが好ましい。筒部１１が円筒状であって、蓋部１２が円板状の場合には、筒部１１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに、内径を１４ｍｍに設定することができる。この場合の蓋部１２の寸法は、外径を１４ｍｍに設定することができる（厚みに関しては後述する）。すなわち、本実施形態においては、筒部１１の外径と蓋部１２の外径とが等しくなっており、筒部１１の外周面と蓋部１２の側面とが連続している。

＜発熱抵抗体の構成＞
発熱抵抗体２は、発熱させるための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック体１に埋設されている。より具体的には、発熱抵抗体２は、筒部１１に埋設されている。また、発熱抵抗体２の形状は線状である。ヒータ１０における発熱抵抗体２は、筒部１１の一端側と他端側との間で繰り返し折り返した折返し形状を有しており、それぞれの端部がリード５に接続されている。リード５は、筒部１１の他端側の内周面に設けられており、外部に引き出されている。本実施形態においては、発熱抵抗体２の折返し部が筒部１１の一端側に設けられている。すなわち、リード５は、筒部１１のうち発熱抵抗体２の折返し部とは反対側の領域に設けられている。なお、図１においては、発熱抵抗体２が２本あるように見えるが、実際には筒部１１の内部に筒部１１の外周に沿ってほぼ全周に設けられた１本の線状体である。

発熱抵抗体２は金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウムが挙げられる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を１ｍｍに、全長を３０００ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。

＜金属筒の構成＞
金属筒３は、外周面を被加熱物に接触させて用いられる部材である。金属筒３は、筒状の部材である。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、金属筒３は円筒状である。金属筒３には、セラミック体１の少なくとも一端側が挿入されている。すなわち、金属筒３の内径はセラミック体１の外径よりも大きい。なお、金属筒３の内周面と筒部１１の外周面との間には、充填剤が充填されていてもよい。充填剤としては、例えば酸化マグネシウム等の酸化物あるいは銅またはアルミニ
ウム等の金属粉を用いることができる。これらのうち絶縁性および熱伝導性の観点から、酸化マグネシウムを用いることが好ましい。

金属筒３は、例えばステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等の金属材料から成る。これらのうち加工性、強度および耐熱性の観点から、ステンレスを用いることが好ましい。金属筒３が円筒状の場合には、金属筒３の寸法は、例えば長さを１２０ｍｍに、外径を２５ｍｍに、内径を２３ｍｍに設定することができる。

金属筒３のうち一端側の端面には、金属板４が設けられている。金属板４は、蓋部１２に対向して接するように設けられている。金属板４は、金属筒３に接合されている。接合には、例えば、溶接を用いることができる。金属板４は、板状の部材である。板状としては、例えば円板状または角板状が挙げられる。金属板４の形状は、金属筒３の一端側の端面の形状に対応していることが好ましい。具体的には、金属筒３が円筒状である場合には、金属板４が円板状であることが好ましい。

金属板４は、例えばステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等の金属材料から成る。これらのうち加工性、強度および耐熱性の観点から、ステンレスを用いることが好ましい。また、金属板４は金属板３と同じ材料から成ることが好ましい。金属板４が円板状の場合には、金属板４の寸法は、例えば、外径を２５ｍｍに、厚みを５ｍｍに設定することができる。

本実施形態のヒータ１０においては、蓋部１２のうち開口１３を覆う表面が開口１３から筒部１１の内側に向かって突出している。具体的には、蓋部１２は、筒部１１の内側に向かって直方体状に突出している。このため、蓋部１２の体積を増加させることができる。これにより、筒部１１から蓋部１２に伝わった熱を蓋部１２に留めやすくすることができる。このため、蓋部１２の表面から外部に熱が逃げてしまうことを抑制できる。そのため、被加熱部の加熱に寄与せずに逃げてしまう熱の発生を抑制できる。その結果、ヒータ１０において電力の無駄が生じる可能性を低減できる。

なお、金属筒３の外周面を用いて被加熱物を加熱する具体例としては、図１に示すように、ヒータ１０のうち金属筒３の外周面のみを外部の流路６の内部に露出するように設けるとともに、流路６に水等の液体を被加熱物として流して、この被加熱物をヒータ１０によって加熱する場合等が挙げられる。

流路６は、被加熱物を流すための部材である。流路６に被加熱物を流すことによって、被加熱物は筒部１１の外周面によって加熱される。図２に示すように、流路６は、金属筒３を囲むように設けられている。言い換えると、金属筒３の外周面のほぼ全面が流路６の内部に位置している。そして、金属筒３の外周面のうち流路６の内部に面している領域が、被加熱物を加熱するための領域である。

流路６は、筒部１１の一端側の近傍および他端側の近傍にそれぞれ開口を有している。それぞれの開口は外部の流路等に接続されており、一方の開口が流路の上流となり、他方の開口が流路の下流となる。流路６は、例えば、ステンレス等の金属材料から成る。

また、本実施形態のヒータ１０においては、蓋部１２の表面が開口１３の中央部において筒部１１の内側に向かって突出している。これにより、突出している部分と筒部１１との間隔が大きく開いてしまうことを抑制できるので、筒部１１から蓋部１２へと伝わった熱を突出している部分に伝えやすくすることができる。これにより、熱を蓋部１２に留めやすくすることができる。その結果、ヒータ１０において電力の無駄が生じる可能性をさらに低減できる。蓋部１２のうち周縁部の厚みは、例えば、１〜１．５ｍｍであり、この
ときの最も突出している部分の厚みは、例えば、２〜２．５ｍｍである。

また、図３に示すように、蓋部１２の表面が曲面状に突出していることが好ましい。蓋部１２の表面が曲面状に突出していることによって、蓋部１２の表面に段差が形成されるような場合、例えば、直方体状に突出している場合と比較して、蓋部１２の表面に局所的に熱応力が生じることを抑制できる。特に、蓋部１２の表面のうち筒部１１と接触する部分が平面であるとともに、接触していない部分の全体が下に凸であることが好ましい。これにより、より多くの熱を蓋部１２に留めることができる。

また、本実施形態のヒータ１０においては、金属板４が蓋部１２に対向して接するように金属筒３の端部に設けられている。これにより、蓋部１２および筒部１１を金属筒３および金属板４によって覆うことができる。その結果、ヒータ１０のうちセラミックスから成る蓋部１２が外部に露出しなくなることから、蓋部１２を誤って外部の固体または液体等に接触させてしまうことによって蓋部１２の温度が局所的に変化してヒートショックが生じる可能性を低減できる。

＜ヒータの製造方法＞
次に、本実施形態のヒータ１０の製造方法について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。

次に、このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、焼成後に発熱抵抗体２と成る所定のパターンを導体ペーストを用いて形成する。導体ペーストを用いた発熱抵抗体２と成るパターンの形成方法としては、スクリーン印刷法等を用いることができる。

また、セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２と成るパターンを形成する面とは反対側の面に、焼成後にリード５を取り付けるためのパッド電極と成るパターンを、発熱抵抗体２と成るパターンと同様の方法で形成する。さらに、パッド電極と発熱抵抗体２とを電気的に接続するためのスルーホールを形成する。スルーホールには導体ペーストを充填する。

発熱抵抗体２、パッド電極およびスルーホール導体に用いる導体ペーストとしては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とする導電性ペーストを用いることができる。

一方、押出成型によって円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。そして、この円筒状のアルミナ質セラミック成型体に前述のパターン等を形成したアルミナ質セラミックグリーンシートを、パターン等を形成した面を円筒状のアルミナ質セラミック成型体の表面に密着させるようにして巻き付けるとともに、同様の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布して密着させることによって、セラミック体１の筒部１１と成る成型体を得ることができる。このとき、円筒状のアルミナ質セラミック成型体のうちリード５が取り付けられる箇所には、パッド電極が円筒状のアルミナ質セラミック成型体の内周面側に露出するような孔を設けておく。

次に、蓋部１２と成るアルミナ質セラミックスの成型体をプレス加工によって作製する。このとき、蓋部１２の表面が筒部１１の内側に向かって突出するような金型を用いることによって、表面が突出した蓋部１２と成る成型体を得ることができる。また、切削加工によって蓋部１２の表面を一部が突出するように加工してもよい。

次に、得られた蓋部１２と成る成型体とアルミナ質一体成型体とを接着剤で接着する。

こうして得られた成型体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することによって、セラミック体１と発熱抵抗体２とパッド電極とを備えた焼結体を得ることができる。得られた焼結体のパッド電極にめっき等を施した後に、リード５を接続する。

次に、リード５を接続した焼結体を金属板４が設けられている金属筒３に挿入する。金属筒３および金属板４の材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等を用いることができる。

上記のようにして、上述の本実施形態のヒータ１０を得ることができる。

本発明のヒータ１０の実施例（試料１、２）について説明する。Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを準備し、この表面に、タングステンとモリブデンとを主成分とする発熱抵抗体２用の導体ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。

具体的には、発熱抵抗体２として、幅１ｍｍの折返し形状である発熱部のパターンとその両端部に接続された幅３ｍｍの引出し部のパターンとを形成した。また、このセラミックグリーンシートの裏面には、タングステンを主成分とするパッド電極用の導体ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。引出し部の端部にはφ０．４ｍｍのスルーホールを形成し、タングステンを主成分とした導電性ペーストを注入することによって、パッド電極と発熱抵抗体２とを電気的に接続するスルーホール導体を形成した。

次に、アルミナ質セラミックグリーンシートのうち発熱抵抗体２用の導体ペーストを形成した側の面に、同様の組成から成るアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布し、別に準備した円筒状のアルミナ質セラミック成型体の周囲に、導体ペーストを形成した側の面を密着させるように巻き付けて成型体を作製した。

次に、プレス加工によって蓋部１２と成る成型体を作製した。蓋部１２は、厚みが１０ｍｍ、外径が２０ｍｍであって、中心部を筒部１１の内側に突出させた。ここで、試料１においては、高さ０．５ｍｍの曲面状に中心部を突出させた。また、試料２においては、高さ１ｍｍの曲面状に中心部を突出させた。

次に、得られた蓋部１２と成る成型体とアルミナ質一体成型体とを接着剤で接着した後に、１５００〜１６００℃の窒素雰囲気中で焼成して焼結体を得た。得られた焼結体にリード５を接続した後に、金属板４が設けられた金属筒３に挿入して、試料１、２のヒータ１０を得た。また、比較例として、蓋部１２の表面が平坦であって、筒部１１の内側に突出していないヒータを作製した。

このようにした得た試料１、２および比較例に対して、発熱抵抗体２に一定の電圧を加えて、金属筒３の外周面に被加熱物として熱電対を接触させた状態で、金属筒３の温度を２５℃から３００℃まで上昇させて、これにかかる時間を測定した。その結果、試料１では１５秒、試料２では１３秒であった。また、蓋部１２の表面が筒部１１の内側に突出していない比較例のヒータでは、１８秒であった。これらの結果から、本発明の構成を採用することによって、電力の無駄が生じることを抑制できることが確認できた。これは、蓋部１２の表面が突出していることによって、蓋部１２から逃げる熱の量が低減されたためである。

１０：ヒータ
１：セラミック体
１１：筒部
１２：蓋部
１３：開口
２：発熱抵抗体
３：金属筒
４：金属板
５：リード
６：流路

Claims

筒部および該筒部の一端側の開口を覆う蓋部を備えたセラミック体と、該セラミック体の前記筒部に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック体の少なくとも前記筒部の一端側が挿入された、外周面で被加熱物を加熱する金属筒とを備えており、
前記蓋部のうち前記開口を覆う表面が前記開口から前記筒部の内側に向かって突出していることを特徴とするヒータ。
前記蓋部の前記表面が前記開口の中央部において前記筒部の内側に向かって突出していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記蓋部の前記表面が曲面状に突出していることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
前記金属筒の前記蓋部側の端部に、前記蓋部に対向して接する金属板が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。