JP6408693B2 - ヒータ - Google Patents

Description

本開示は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータ、酸素センサ用ヒータまたは半田ごて用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。

ヒータとして、例えば実開平６−６９２４１号公報（以下、特許文献１ともいう）に記載されたセラミックフランジ構造体が知られている。特許文献１に記載のセラミックフランジ構造体は、内部にヒータが設けられたセラミック円筒体と、セラミック円筒体に接合材を介して接合されたフランジとを備えている。

一態様のヒータは、柱状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の外周面に周方向に沿って設けられた金属層と、該金属層に接合材を介して接合されたフランジとを備えている。前記接合材は、前記金属層から前記フランジにかけて広がるメニスカス部を有し、該メニスカス部内に、前記セラミック体の外周面に周方向に沿って金属線がさらに設けられている。

ヒータの一実施形態の側面図である。 ヒータのうち発熱抵抗体を示す透過側面図である。 図１に示すヒータの部分拡大図である。 変形例のヒータのうち金属線を示す模式図である。 変形例のヒータのうち金属線を示す模式図である。 変形例のヒータの部分拡大図である。

以下、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はヒータ１０を示す側面図である。図１に示すように、ヒータ１０は、セラミック体１とフランジ７とを備えている。ヒータ１０は、例えば、流体である液体（水等）を被加熱物とする液体加熱用ヒータとして用いることができる。さらに、図２に示すように、セラミック体１の内部には発熱抵抗体２が設けられている。

本実施形態のセラミック体１は、内側の空間が流体の流路となる筒状の部材である。なお、本実施形態のヒータ１０においては、セラミック体１が筒状であるが、これに限られない。具体的には、セラミック体１が柱状であってもよい。この場合には、ヒータ１０は、セラミック体１の外周面に被加熱物を接触させて、発熱抵抗体２から発せられた熱をセラミック体１の外周面から伝えることによって、被加熱物を加熱するようにして用いられる。

本実施形態のヒータ１０におけるセラミック体１は、長さ方向を有する円筒状の部材である。セラミック体１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の絶縁性のセラミックスから成る。具体的には、セラミック体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のセラミックスから成る。中でも、耐酸化性の観点から、セラミック体１がアルミナ質セラミックスから成ることが好ましい。

セラミック体１の寸法は、例えば以下の通りに設定することができる。具体的には、長さ方向の全長を４０〜１５０ｍｍ程度に、外径を４〜３０ｍｍ程度に、内径を１〜２８ｍｍ程度に設定することができる。

図２に示すように、セラミック体１の内部には発熱抵抗体２が設けられている。発熱抵抗体２は、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の内部に流路に沿って埋設されている。なお、図２には示しきれていないが、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側（図中の左側）において、セラミック体１の外周面に沿って周方向にも設けられている。より具体的には、発熱抵抗体２は、蛇行しながら流路を囲むように設けられている。

発熱抵抗体２は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはレニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体から成る。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ程度に、厚みを０．０１〜０．１ｍｍ程度に、全長を５００〜５０００ｍｍ程度に設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体２の発熱温度および発熱抵抗体２に加える電圧等によって適宜設定される。

セラミック体１の後端側（図中の右側）の表面には、電極２０が設けられている。電極２０は、外部の電源と発熱抵抗体２とを電気的に接続するための部材であって、セラミック体１の後端側の２か所にそれぞれ設けられている。電極２０は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。電極２０は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料から成る。

フランジ７は、セラミック体１を外部機器に取り付けやすくするための部材である。外部機器としては、例えばシャワートイレ等が挙げられる。本実施形態のヒータ１０がシャワートイレに用いられる場合には、シャワートイレにおけるシャワー用の水がセラミック体１の内部（筒の内周面を壁面とする流路）を通過して加熱されることによって温水になるように用いられる。具体的には、例えば、セラミック体１の後端側から水が導入され、この水がセラミック体１の内部の流路を通過する間に発熱抵抗体２によって加熱された後に、セラミック体１の先端側から温水となって放出される。このとき、セラミック体１の先端側から放出される温水は、セラミック体１の外表面に付着する可能性があるが、この水がセラミック体１の後端側に設けられた電極２０に触れてしまうことによって漏電が生じることを防ぐ必要がある。ヒータ１０をシャワートイレに用いた場合には、フランジ７は、温水が電極２０に付着することを防止することで、結果として漏電を防止するための役割も有している。

なお、ヒータ１０による水（被加熱物）の加熱は、セラミック体１の内部の流路だけではなく、セラミック体１の外表面によって行なわれてもよい。また、ヒータ１０による水（被加熱物）の加熱は、セラミック体１の内部の流路と外表面との両方によって行なわれてもよい。

フランジ７は、環状の部材であって、セラミック体１が挿入されている。本実施形態のヒータ１０においては、フランジ７は内周から外周に至る途中に２つの屈曲部を有している。具体的には、フランジ７は、金属層３から外周側に垂直に立ち上る第１部分７１と、第１部分７１の外周側の端部から後端側に延びる第２部分７２と、第２部分７２の後端から外周側に延びる第３部分７３とを有している。そして、第１部分７１と第２部分７２とによって、および、第２部分７２と第３部分７３とによって、２つの屈曲部が形成されている。

フランジ７は、例えばステンレス鋼または鉄−コバルト−ニッケル合金等の金属材料から成る。特に耐腐食性の観点からは、フランジ７はステンレス鋼から成ることが好ましい。フランジ７の寸法は、例えば以下の通り設定することができる。具体的には、第１部分７１の内径をセラミック体１の外径とほぼ等しく、第３部分７３の外径を８ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設定することができる。また、セラミック体１の長さ方向における長さ（第２部分７２の長さ）は、例えば０．３ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定できる。なお、本実施形態においては、フランジ７は金属材料から成るが、これに限られない。具体的には、その用途に応じて、セラミック材料または樹脂材料等も用いることができる。

図３に示すように、本実施形態のヒータ１０においては、セラミック体１の外周面のうちフランジ７が取り付けられる領域に金属層３が形成されているとともに、この金属層３とフランジ７とが接合材６によって接合されている。金属層３はセラミック体１の外周面に周方向に沿って設けられている。金属層３は、フランジ７とセラミック体１の間だけではなく、そこからセラミック体１の先端側および後端側にかけても設けられている。これにより、金属層３とフランジ７との接合領域を大きくすることができる。詳しくは、フランジ７のうちセラミック体１の先端側および後端側の両方と金属層３とを接合することができる。

言い換えると、セラミック体１の長さ方向を含む断面で見たときに、フランジ７の幅よりも金属層３の幅が大きい。これにより、金属層３の広範囲に接合材６を濡れ広がらせることができるので、フランジ７と金属層３との接合強度を向上できる。

金属層３としては、例えば、タングステンまたはモリブデン等から成るメタライズ層４を用いることができる。また、接合材６としては、金属層３とフランジ７とを接合するための材料を適宜選択することができる。本実施形態のヒータ１０においては、接合材６としてろう材を用いている。ろう材としては、例えば、銀または銀−銅ろう等を用いることができる。特に、図３に示すように、金属層３を上述のメタライズ層４およびめっき層５の複合層とすることによって、金属層３とろう材との濡れ性を向上させてもよい。これにより、セラミック体１とフランジ７との接合強度を向上できる。このようなめっき層５としては、例えば、ニッケル層を用いることができる。

さらに、本実施形態のヒータ１０においては、接合材６は金属層３からフランジ７にかけて広がるメニスカス部６０を有している。なお接合材６の全体の形状がメニスカス部６０であってもよいし、接合材６がメニスカス部６０以外の部分を有していてもよい。

そして、メニスカス部６０の内部にセラミック体１の外周面に周方向に沿って金属線８が設けられている。これにより、セラミック体１の全周において少ない接合材６で金属層３とフランジ７とを接合できる。また、セラミック体１の周方向に沿って金属線８を設けた後に接合材６を塗布することによって、金属線８に沿って接合材６を濡れ広がらせることができる。

これにより、接合材６の量を減らすことができるので、ヒートサイクル下における接合材６の熱膨張量を減らすことができる。これにより、接合材６とセラミック体１との間または接合材６とフランジ７との間に生じる熱応力を低減できる。そのため、接合材６にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

さらに、金属線８はセラミック体１よりも熱膨張率が大きいことが好ましい。金属層３とフランジ７とを接合するときに、併せて金属線８も接合されることになる。ここで金属線８と金属層３とが接合材６によって接合された後に高温から常温に冷却されると、金属線８からセラミック体１に圧縮応力がかかることになる。反対に金属線８がセラミック体１よりも熱膨張率が小さい場合には、金属線８から接合材６と金属層３とを介してセラミック体１を引っ張るような引張応力がかかることになる。セラミックスから成るセラミック体１は、引張応力に対する耐久性よりも圧縮応力に対する耐久性の方が大きい。上記のように金属線８がセラミック体１よりも熱膨張率が大きいようにしておくことによって、ヒートサイクル下における信頼性を向上できる。

特に、金属線８はセラミック体１よりも熱膨張率が大きく、金属線８がセラミック体１および金属層３の両方に接していることが好ましい。これにより、高温から常温に冷却されたときに、金属線８からセラミック体１に圧縮応力がかかったときに、金属線８が、セラミック体１とフランジ７とから成る角部を締め付けることになる。その結果、セラミック体１とフランジ７との間のシール性が向上したヒータ１０とすることができる。

さらに、金属線８が金属層３およびフランジ７に接していることが好ましい。接合材６は金属線８を伝わって広がることから、金属線８が金属層３およびフランジ７に接していることによって、接合材６をフランジ７の全周に行き渡らせることができる。その結果、セラミック体１とフランジ７との接合強度を向上できる。

さらに、図４、５に示すように、金属線８は、切れ目８０を有する環状であってもよい。これにより、金属線８が熱膨張したときに、金属線８が金属層３から浮いてしまうように変形することを低減できる。その結果、ヒータ１０の信頼性を向上できる。ここでいう、「切れ目を有する環状」とは、例えば、図４に示すように金属線８が断線されたものであってもよい。また、「切れ目を有する環状」とは、例えば、図５に示すように、金属線８が部分的に切りかかれたものであってもよい。言い換えると、金属線８が凹部を有する形状であってもよい。凹部は金属線８の外周面にあってもよい。金属線８のうち外周と内周とでは、外周のほうが熱膨張量が大きい。熱膨張が大きい外周面に凹部を設けることによって金属線８の変形を低減できる。

さらに、金属線８は接合材６よりも熱伝導率が低いことが好ましい。これにより、セラミック体１から伝わった熱をフランジ７に伝えにくくすることができる。その結果、ヒータ１０を使用したときにフランジ７から熱が逃げてしまうことを低減できる。

また、金属線８の全体が接合材６に覆われていてもよい。これにより、金属線８と接合材６との界面が外部に露出しなくなるので、金属線８と接合材６との界面から腐食が進行することを低減できる。

また、図６に示すように金属線８の一部が外部に露出していてもよい。金属線８を外部に露出させておくことによって、接合材６と金属線８との間に生じる熱応力を低減できる。これは、金属線８のうち接合材６に覆われていない部分が外部に対して熱膨張しやすくなるためである。なお、このような場合には、接合材６の表面のうちの一部に金属線８の一部が露出することになる。この場合も、接合材６の表面が大まかにはメニスカス形状を有しているのであれば、接合材６がメニスカス部６０を有している見なすことができる。

本実施形態のヒータ１０においては、金属線８はフランジ７よりも後端側に設けられている。言い換えると、金属線８はフランジ７よりも発熱抵抗体２から遠い位置にある。これにより、セラミック体１の先端側に設けられた発熱抵抗体２による熱の影響を受けにくくすることができる。その結果、金属線８に腐食等が生じるおそれを低減できる。特に、ヒータ１０を水の加熱に使用する場合には、金属線８をフランジ７よりも後端側に設けることによって、金属線８が水に濡れてしまうおそれを低減できる。

また、接合材６は、フランジ７から見て、後端側の方が先端側より多くてもよい。これにより、接合材６が発熱抵抗体２による熱の影響を受けにくくできる。その結果、接合材６にクラックが生じるおそれを低減できる。

また、本実施形態においては、金属線８がフランジ７よりも後端側にのみ設けられているが、これに限られない。具体的には、金属線８がフランジ７よりも先端側にのみ設けられていてもよいし、先端側と両端側の両方に別々に設けられていてもよい。

なお、本実施形態においては、接合材６がフランジ７のうち第１部分７１にのみ接触しているが、これに限られない。具体的には、フランジ７のうち第２部分７２に濡れ広がっていてもよい。このように、フランジ７のうち、後端側に延びる第２部分７２にも接合材６を濡れ広がらせることによって、フランジ７と金属層３との接合をより強固にできる。

金属線８としては、例えば、ニッケル線、鉄線またはコバルト合金線等を用いることができる。なお、金属線８の熱伝導率を接合材６の熱伝導率よりも低くする際には、例えば、金属線８をニッケル線で構成するとともに、接合材６として銀ろうを用いればよい。この場合には、金属線８の熱伝導率を９０．９Ｗ／ｍＫ程度に、接合材６の熱伝導率を４２０Ｗ／ｍＫ程度にすることができる。

金属線８の形状は、例えば、断面が円形状である。金属線８の寸法は、例えば、太さをΦ０．２〜０．８ｍｍ程度に、長さを２３〜１６０ｍｍ程度に設定できる。さらに、金属線８が上述の切れ目を有している場合には、切れ目のうち金属線８の周方向の寸法は、例えば、０．１〜３ｍｍ程度に設定できる。切れ目が凹部である場合には、凹部の深さは、例えば、金属線８の太さに対して、１０〜７０％程度に設定できる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：金属層
４：メタライズ層
５：めっき層
６：接合材
６０：メニスカス部
７：フランジ
８：金属線
１０：ヒータ

Claims (5)

1. 柱状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の外周面に周方向に沿って設けられた金属層と、該金属層に接合材を介して接合されたフランジとを備えており、
   前記接合材は、前記金属層から前記フランジにかけて広がるメニスカス部を有し、該メニスカス部内に、前記セラミック体の外周面に周方向に沿って金属線がさらに設けられていることを特徴とするヒータ。
2. 前記金属線は前記セラミック体よりも熱膨張率が大きいことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記金属線は前記金属層および前記フランジに接していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
4. 前記金属線は、切れ目のある環状であ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。
5. 前記金属線は前記接合材よりも熱伝導率が低いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。

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