(57)【要約】  【課題】  セラミックヒーターに生じる熱応力を抑制する。  【解決手段】  セラミックヒーター１は、発熱体５と、発熱体５が埋設されたセラミック構造体２と、セラミック構造体２の表面を覆ったグラフェンシートの積層体３と、グラフェンシートの積層体３を覆った金属ケース４とを備えている。グラフェンシートの積層体３が設けられていることによって、熱の分布の偏りを低減し、熱応力の発生を抑制できる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、
前記発熱体が埋設されたセラミック構造体と、
前記セラミック構造体の表面を覆ったグラフェンシートの積層体と、
前記グラフェンシートの積層体を覆った金属ケースとを備えたセラミックヒーター。
【請求項２】
前記セラミック構造体の表面に第１めっき層が設けられているとともに、
前記グラフェンシートの積層体の前記セラミック構造体側の面に第２めっき層が設けられており、
前記第１めっき層と前記第２めっき層とがろう材によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒーター。
【請求項３】
前記グラフェンシートの積層体の前記金属ケース側の面に第３めっき層が設けられており、
前記第３めっき層と、前記金属ケースとがろう材によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒーター。
【請求項４】
発熱体と、
前記発熱体が埋設されたセラミック構造体と、
前記セラミック構造体の表面を覆った、炭素繊維の集合体と、
前記炭素繊維の集合体を覆った金属ケースとを備えたセラミックヒーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックヒーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セラミックヒーターとして、例えば、特許文献１に記載のセラミックヒーターが挙げられる。特許文献１に記載のセラミックヒーターは、内部に発熱パターンを有し、セラミック材料から成る絶縁基体と、絶縁基体を被覆する金属層とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２２３９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のセラミックヒーターにおいては、セラミックヒーターと被加熱物とが接したときに、金属層のうち被加熱物と接している部分の温度が被加熱物と接していない部分の温度と比較して、低くなることがあった。すなわち、金属層における温度の分布に偏りが生じることがあった。この偏った分布の熱が絶縁基体に伝わると、絶縁基体に熱応力が生じる可能性があった。
【０００５】
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、絶縁基体に生じる熱応力が低減されたセラミックヒーターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様のセラミックヒーターは、発熱体と、前記発熱体が埋設されたセラミック構造体と、前記セラミック構造体の表面を覆ったグラフェンシートの積層体と、前記グラフェンシートの積層体を覆った金属ケースとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様のセラミックヒーターによれば、セラミック構造体（絶縁基体）が面方向の熱伝導に優れるグラフェンシートの積層体で覆われていることによって、金属ケース（金属層）から伝わってきた熱の分布の偏りを低減してから、セラミック構造体に熱を伝えることができる。その結果、セラミック構造体に生じる熱応力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態のセラミックヒーターを示す斜視図である。
【図２】図１に示したセラミックヒーターにおけるＸ−Ｘ’断面の断面図である。
【図３】図１に示したセラミックヒーターの分解斜視図である。
【図４】図１に示したセラミックヒーターの分解斜視図である。
【図５】セラミックヒーターの変形例１を示す断面図である。
【図６】図５に示したセラミックヒーターのうちグラフェンシートの積層体のみを示した分解斜視図である。
【図７】セラミックヒーターの変形例２を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係るセラミックヒーター１について、図面を参照して説明する。セラミックヒーター１は、被加熱物と接することによって被加熱物を加熱するため
の部材である。ここでいう被加熱物とは、水等の液体、金属等の個体および空気等の気体を含む。セラミックヒーター１は、例えば、電気ボイラー用ヒーター、温水加熱ヒーターまたは石油ファンヒーター用の灯油気化ヒーター等に用いられる。図１に示すように、セラミックヒーター１は、円柱状である。また、図２に示すようにセラミックヒーター１は、主に、セラミック構造体２、グラフェンシートの積層体３および金属ケース４の３層から成る。
【００１０】
＜セラミック構造体２の構成＞
セラミック構造体２は、セラミックヒーター１の熱源として機能する部材である。セラミック構造体２は、円柱状の部材である。セラミック構造体２は、図２に示すようにグラフェンシートの積層体３に覆われている。図３は、セラミック構造体２の表面および内部構造ならびにグラフェンシートの積層体３の表面を示すために、セラミックヒーター１を分解した斜視図である。図３においては、図の見やすさを考慮して、セラミック構造体２および金属ケース４を部分的に切断した部分においてのみハッチングを施している。図３においては、セラミックヒーター１が露出しているように見えるが、実際にはグラフェンシートの積層体３によって覆われている。また、図３においては、グラフェンシートの積層体３が露出しているように見えるが、実際には金属ケース４によって覆われている。また、図１〜４には示されていないが、セラミック構造体２の両端面もグラフェンシートの積層体３によって覆われている。
【００１１】
図２および図３に示すように、セラミック構造体２は、内部に発熱体５が埋設されている。発熱体５は、電気が流れることによって発熱する部材である。発熱体５は、セラミック構造体２中に略円筒状に配置されている。これにより、セラミックヒーター１の発熱の偏りを低減できる。セラミック構造体２は、発熱体５に電気が流されることによって、発熱する。発熱体５は、外部に引き出されたリード端子６と接続されている。リード端子６を外部の電源に接続することによって、発熱体５に電気を流すことができる。
【００１２】
セラミック構造体２のうち、発熱体５以外の部分（以下、主部ともいう）は、セラミック材料から成る。主部に用いられるセラミック材料としては、例えば、アルミナが挙げられる。発熱体５は、金属材料から成る。発熱体５に用いられる金属材料としては、例えば、タングステンが挙げられる。リード端子６は、金属材料から成る。リード端子６に用いられる金属材料としては、例えば、ニッケルが挙げられる。セラミック構造体２は、発熱体５がセラミック材料から成る主部に覆われていることによって、発熱体５の耐環境性が向上している。
【００１３】
セラミック構造体２の表面には、メタライズ層が設けられている。メタライズ層には、例えば、タングステン等が用いられる。メタライズ層の表面には、第１めっき層が設けられている。第１めっき層には、例えば、ニッケル等が用いられる。セラミック構造体２の表面に第１めっき層が設けられていることによって、セラミック構造体２とグラフェンシートの積層体３との間の接合性を向上できる。
【００１４】
＜グラフェンシートの積層体３の構成＞
グラフェンシートの積層体３は、熱を分散させるための部材である。グラフェンシートの積層体３は、内部にセラミック構造体２を収納する空間を有する円柱状の部材である。グラフェンシートの積層体３は、セラミック構造体２の表面を覆っている。図４に示すように、グラフェンシートの積層体３は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して、これらの主面がセラミックヒーター１の長さ方向に平行になるように配列されている。なお、図４においては、図の見やすさを考慮して、セラミックヒーター１の長さ方向に垂直な面の断面におけるハッチングを省略している。また、グラフェンシートの積層体３のうちセラミックヒーター１の長さ方向に平行な断面には、断面を示すハッチングの代
わりに、炭素の配列を模式的に示した六角形の格子構造を記載している。ここでいうグラフェンシートとは、複数の炭素原子が六角形状に平面状に結合した格子構造を取った部材を意味している。グラフェンシートの主面とは、炭素原子が六角形の格子構造を取っている面と同一の面を意味している。つまり、グラフェンシートの主面がセラミックヒーター１の長さ方向に平行とは、図４に示すように、グラフェンシートの六角形の格子構造が、セラミックヒーター１の一端から他端に向って配列されていることを意味している。さらに、グラフェンシートの主面同士が互いに接しているとは、グラフェンシートが複数積層されているということを意味している。具体的には、隣り合うグラフェンシート間はファンデルワールス力によって結合されている。このように、グラフェンシートの積層体３を構成する各々のグラフェンシートにおける炭素原子の格子構造が、セラミックヒーター１の一端から他端に向かって配列されていることによって、グラフェンシートの積層体３において、熱を分散させることができる。具体的には、本実施形態においては、グラフェンシートの主面方向における熱伝導率を１７００Ｗ／ｍＫ程度、積層方向の熱伝導率を７Ｗ／ｍＫ程度にすることができる。
【００１５】
グラフェンシートの積層体３の内周面および外周面には、それぞれ第２めっき層および第３めっき層が形成されている。第２めっき層および第３めっき層は、グラフェンシートに無電解めっきまたは電界めっきを施すことによって設けることができる。めっき層としては、例えば、ニッケルめっきが用いられる。グラフェンシートの積層体３の内周面に第２めっき層が、外周面に第３めっき層が、それぞれ形成されていることによって、グラフェンシートの積層体３の接合性を向上できる。グラフェンシートの積層体３とセラミック構造体２とは、第１めっき層と第２めっき層とがろう材によって接合されることによって、固定されている。これにより、グラフェンシートの積層体３とセラミック構造体２との間の隙間を埋めることができるので、グラフェンシートの積層体３とセラミック構造体２との熱の伝達をしやすくできる。
【００１６】
グラフェンシートの積層体３の作製には、例えば、以下の方法を用いることができる。まず、グラフェンシートの集合体を準備する。グラフェンシートの集合体としては、例えば、MINTEQ International Inc 製のPYROID HT（登録商標）を用いることができる。次にグラフェンシートの集合体を、超音波加工またはダイヤモンドカッター等を用いて、複数の部材に刳り抜く。そして、これらの複数の部材を貼り合わせることによって、内部に空間を有し円柱状である、グラフェンシートの積層体３を作製することができる。
【００１７】
＜金属ケース４の構成＞
金属ケース４は、被加熱物と接触する部材である。金属ケース４は、内部にセラミック構造体２およびグラフェンシートを収納する空間を有する円柱状の部材である。金属ケース４は、グラフェンシートの積層体３を覆っている。金属ケース４は、例えば、ステンレス等の金属材料から成る。金属ケース４とグラフェンシートの積層体３とは、金属ケース４の内周面と第３めっき層とがろう材によって接合されることで、固定されている。これにより、グラフェンシートの積層体３と金属ケース４との間の隙間を埋めることができるので、グラフェンシートの積層体３と金属ケース４との熱の伝達をしやすくできる。セラミックヒーター１は、セラミック構造体２で発生した熱をグラフェンシートを介して金属ケース４に伝えて、金属ケース４から被加熱物に熱を伝えることによって、被加熱物を加熱する。
【００１８】
本実施形態のセラミックヒーター１は、金属ケース４とセラミック構造体２との間にグラフェンシートの積層体３を備えている。これにより、金属ケース４と被加熱物とが接したときに、金属ケース４のうち被加熱物と接している部分の温度が被加熱物と接していない部分の温度と比較して低くなったとしても、この温度の偏りがセラミック構造体２に伝わることを抑制できる。具体的には、金属ケース４からグラフェンシートの積層体３に伝
わった熱は、グラフェンシートの積層体３において、グラフェンシートの主面方向、つまり、本実施形態においてはセラミックヒーター１の長さ方向に分散される。そして、グラフェンファイバーの積層体において分散された熱がセラミック構造体２に伝わることになる。その結果、セラミック構造体２に熱応力が生じる可能性を抑制できる。
【００１９】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更または改良等が可能である。例えば、本実施形態においては、セラミックヒーター１の形状が円柱状であったが、これに限られない。具体的には、セラミックヒーター１の形状が板状であってもよい。この場合には、例えば、セラミック構造体２を板状に形成するとともに、セラミック構造体２の主面に対応するようにグラフェンシートの積層体３を設け、これらを外周が板状であり内部に空間を有する金属ケース４で覆えばよい。
【００２０】
また、本実施形態においては、グラフェンシートの積層体３のうちグラフェンシートのそれぞれの主面が平行に配置されていたが、これに限られない。具体的には、グラフェンシートの積層体３が、複数の板状のグラフェンシートの集合体を組み合わせたものであってもよい。具体的には、図５および図６に示すように、４つのグラフェンシートの集合体の主面が、セラミック構造体２を囲むように配置されていてもよい。なお、図６においては、図の見やすさを考慮して、セラミックヒーター１００の長さ方向に垂直な面の断面におけるハッチングを省略している。これにより、熱伝導のしやすさの異方性を低減できる。そのため、グラフェンシートの積層体３において、より効果的に熱を分散させることができる。その結果、セラミック構造体２に生じる熱応力をさらに抑制できる。なお、本変形例においては、セラミック構造体２とグラフェンシートの積層体３との間の熱伝達を良好にするために、セラミック構造体２の形状をグラフェンシートの積層体３の内周面に対応した、四角柱状に形成している。
【００２１】
また、本実施形態においては、グラフェンシートの積層体３を用いて、熱を分散させていたが、これに限られない。具体的には、グラフェンシートの積層体３の代わりに、炭素繊維の集合体７を用いてもよい。炭素繊維の集合体７は、グラフェンシートの主面とセラミックヒーター１の長さ方向とが平行になるように設けられることと同様に、図７に示すように、炭素繊維の長さ方向とセラミックヒーター２００の長さ方向とが平行になるように設けられる。なお、図７においては、図の見やすさを考慮して、セラミックヒーター２００の長さ方向に垂直な面の断面におけるハッチングを省略するとともに、炭素繊維の長さ方向を点線と矢印で表している。これにより、金属ケース４から炭素繊維の集合体７に伝わった熱は、炭素繊維の集合体７において、炭素繊維の長さ方向、つまり、本実施形態においてはセラミックヒーター２００の長さ方向に分散される。そして、炭素繊維の集合体７において分散された熱がセラミック構造体２に伝わることになる。その結果、セラミック構造体２に熱応力が生じる可能性を抑制できる。
【符号の説明】
【００２２】
１、１００、２００：セラミックヒーター
２：セラミック構造体
３：グラフェンシートの積層体
４：金属ケース
５：発熱体
６：リード端子
７：炭素繊維の集合体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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