(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、後端側に上記耐食性金属層とは分離した接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
上記基体における耐食性金属層と接合用金属層の間の表面を上記フランジ部材で覆うとともに、フランジ部材と基体との隙間に樹脂を充填したことを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、該耐食性金属層の後端部以外にロウ材と濡れにくい材質を被覆し、上記後端部にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とするセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体中に浸漬し加熱するためのセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックヒータは、アルミナセラミックス等の基体の内部にタングステン、モリブデン等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設し、これに接続するリード端子を備えて構成され、上記発熱抵抗体に通電して発熱させるようになっている。
【０００３】
このセラミックヒータはさまざまな分野に用いられるが、例えばボイラー等の高圧水中で使用される温水ヒータや、腐食性溶液の加熱用ヒータなど、液体中に浸漬して加熱する用途に用いることもできる。
【０００４】
ところが、上記セラミックヒータの基体を成すアルミナセラミックスには１０重量％程度のガラス質が存在するため、例えば強アルカリ溶液等に浸漬して使用すると、基体を成すセラミックスの結晶粒界が浸食されてガラス質が溶出し、微小空洞が形成されて発熱抵抗体の短絡や漏電を引き起こす等の問題があった。
【０００５】
そこで、本件出願人は、基体の先端側表面に耐食性金属層を被覆したセラミックヒータを提案した（特開平６−２２３９５６号公報参照）。
【０００６】
このセラミックヒータは、図４（ａ）に示すように、アルミナ等のセラミックスからなる基体１に発熱抵抗体を埋設し、その後端部にリード線３を接合し、先端側表面にニッケル、金、銀等の耐食性金属層４を被覆したものである。そのため、図４（ｂ）に示すように、容器２０内の液体２１内にセラミックヒータを浸漬しても、上記耐食性金属層４の存在によって基体１の浸食によるガラス質の溶出を防止することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示すようなセラミックヒータを用いる場合、これを保持するために図４（ｃ）に示すように基体１の側面にフランジ部材６を接合する必要が生じることがある。この場合、接着剤等による接合では強度、シール性の点で不十分であることから、ロウ材７を用いてロウ付けする必要がある。
【０００８】
しかし、上記耐食性金属層４上に金属製のフランジ部材６を配置し、両者の間をロウ付けしようとすると、ロウ材７が耐食性金属層４上に広がってしまい、大量のロウ材７が必要になるだけでなく、肝心のフランジ部材６との隙間にロウ材７を高密度に存在させることができず、接合強度が低くなるという問題があった。そのため、使用時にフランジ部材６が脱落する恐れがあった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、後端側に上記耐食性金属層とは分離した接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とする。
【００１０】
即ち、本発明では、基体上における耐食性金属層とは分離した位置に接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことによって、ロウ材が耐食性金属層上に広がることを防止し、少ないロウ材で強固にフランジ部材を接合できるようにしたものである。
【００１１】
また、本発明では、上記セラミックヒータにおいて、基体における耐食性金属層と接合用金属層の間の表面を上記フランジ部材で覆い、かつフランジ部材と基体とのの隙間に樹脂を充填したことを特徴とする。
【００１２】
即ち、本発明のセラミックヒータは、耐食性金属層と接合用金属層が分離しており、両者の間で基体の表面が露出するため、この部分を樹脂で覆うことによって、耐食性を向上させたものである。
【００１３】
さらに、本発明では、上記セラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、該耐食性金属層の後端部以外にロウ材と濡れにくい材質を被覆し、上記後端部にフランジ部材をロウ付けしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。
【００１５】
図１に示すセラミックヒータは、セラミックスからなる円柱状の基体１に発熱抵抗体を埋設し、これと接続するリード線３を基体１の後端部に接合したものである。また、基体１の先端側の表面は耐食製金属層４で被覆するとともに、これよりも後端側に、一定の間隔をあけて分離した状態で、接合用金属層５を形成してある。そして、この接合用金属層５上に、ロウ材７を介してフランジ部材６をロウ付けしてある。
【００１６】
フランジ部材６は、基体１の周囲を覆う円筒状体であり、基体１における耐食製金属層４と接合用金属層５の間の露出面１ａを覆うように配置し、その端部の接合部６ａで上記接合用金属層５とロウ付けしてある。また、フランジ部材６の側面には注入孔６ｂを形成し、この注入孔６ｂから樹脂８を注入してロウ付け部分以外のフランジ部材６と基体１の隙間を樹脂８で充填してある。
【００１７】
このセラミックヒータでは、耐食性金属層４を備えていることにより、この部分を液体に浸漬して使用しても、基体１の浸食によるガラス質の溶出を防止できる。しかも、接合用金属層５と耐食性金属層４を分離してあることにより、ロウ付け時にロウ材７は基体１の表面には付着しないため、接合用金属層５の上のみに広がり、これよりも広い範囲に流れてしまうことがない。その結果、少ないロウ材７でフランジ部材６の接合部６ａと接合用金属層５の間に高密度にロウ材７を介在させることができ、フランジ部材６を強固に、かつシール性を維持して接合することができる。
【００１８】
しかも、基体１における耐食性金属層４と接合用金属層５との間の露出面１ａはフランジ部材６で覆うとともに、樹脂８を充填してあるため、使用時にこの露出面１ａに溶液が付着することを防止できる。
【００１９】
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法を説明する。
【００２０】
まず、基体１の材質としては、アルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム等を主成分とするセラミックスを用いるが、一般的には８０〜９４重量％のＡｌ２  Ｏ３  を主成分とし、残部がＳｉＯ２  、ＭｇＯ、ＣａＯ等からなるアルミナセラミックスを用いる。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、このセラミックスを棒状に成形した芯材１１とグリーンシート１２をそれぞれ作製し、グリーンシート１２上に、タングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属の単体、又はこれらの炭化物、窒化物等からなるペーストを所定形状に塗布して発熱抵抗体２とその端部にパッド２ａを形成する。一方、芯材１１の後端部には凹部１１ａを形成しておき、この芯材１１の側面に上記グリーンシート１２を発熱抵抗体２が内側となるようにして、パッド２ａが芯材１１の凹部１１ａと一致するように巻き付ける。
【００２２】
この状態で全体を焼成して基体１を得た後、図２（ｂ）に示すように、その先端側表面に耐食性金属層４を、これよりも後端側に所定間隔をあけてリング状の接合用金属層５をそれぞれ形成する。
【００２３】
耐食性金属層４は、例えば図２（ｃ）に示すように、基体１側から、タングステン、モリブデン等のメタライズ層４ｃ、ニッケル等のメッキ層４ｂ、及び銀、金、白金等の耐食層４ａから構成することができる。この場合は、まず基体１上にメタライズ層４ｃを成す金属ペーストを所定パターンで塗布しておいて、焼成し、その上にメッキ層４ｂ、耐食層４ａをそれぞれ被覆すれば良く、このような構造としておくことによって、基体１と耐食性金属層４の接合強度を高くすることができる。
【００２４】
なお、耐食性金属層４の最表面は、銀、金、白金等の耐食性金属からなる耐食層４ａを形成しておく必要があり、この耐食層４ａの厚みは１μｍ以上、好ましくは５μｍ以上とする。
【００２５】
また、接合用金属層５についても、これと同様に、タングステン、モリブデン等のメタライズ層を形成し、この表面にニッケル等のメッキ層を形成することによって構成される。
【００２６】
次に、ステンレス等の金属からなるフランジ部材６を基体１の周囲に配置し、図１（ｂ）に示すように、フランジ部材６の接合部６ａと接合用金属層５の間を銀ロウや金ロウ等のロウ材７でロウ付けする。その後、フランジ部材６の注入孔６ｂからエポキシ系樹脂、フッ素系樹脂等の樹脂８を注入し、隙間に充填する。
【００２７】
一方、基体１の後端部では、芯材１１の凹部１１ａに当たる部分に発熱抵抗体２のパッド２ａが露出するため、このパッド２ａにニッケル等をメッキしておいて、リード線３をロウ付けすることにより、本発明のセラミックヒータを得ることができる。
【００２８】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
【００２９】
図３（ａ）（ｂ）に示すセラミックヒータは、図１に示すものと同様であるが、耐食性金属層４と接合用金属層５の間の基体１の露出面１ａをフランジ部材６で覆っておらず、樹脂による被覆も行っていない点で相違する。
【００３０】
即ち、使用時に液体中へ浸漬する範囲が少ないような場合は、上記露出面１ａを樹脂等で被覆する必要がない。
【００３１】
この実施形態でも、耐食性金属層４と分離して接合用金属層５を備えたため、フランジ部材６をこの接合用金属層５にロウ付けすれば、ロウ材７の広がりを防止して、少ないロウ材７で強固に接合することができる。
【００３２】
さらに他の実施形態を説明する。
【００３３】
図３（ｃ）に接合部分のみを示すように、このセラミックヒータは、耐食性金属層４の後端部４ａ以外の部分にロウ材７と濡れにくい材質からなる被覆層８を形成してある。そのため、後端部４ａにフランジ部材６をロウ付けすれば、ロウ材７が広がることを防止して、良好にロウ付けすることができる。
【００３４】
なお、被覆層８の材質は、ロウ材７と濡れにくい材質であれば良く、例えば、ロウ材と反応しない金属材としてＮｉ，Ａｌ，Ｔｉ等、あるいはガラス、セラミックセメント等を用いる。また、被覆層８は上記後端部４ａ近傍部のみに形成しておけば良いが、後端部４ａ以外の全ての耐食性金属層４上に形成すれば保護層としての作用も成す。
【００３５】
さらに、以上の実施形態において、基体１は円柱状のものを示したが、これに限らず、筒状体や角柱状等さまざまな形状とすることができる。さらに、本発明のセラミックヒータは、ヒータ自体を液体に浸漬して加熱するような用途に広く使用することができ、例えばボイラー用ヒータや、腐食性溶液の加熱用ヒータ等として使用することができる。
【００３６】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００３７】
図１に示すセラミックヒータを試作した。基体１としてＡｌ２  Ｏ３  ９３重量％のアルミナセラミックスを用い、その寸法は直径１２ｍｍ、長さ１８５ｍｍとした。また発熱抵抗体２はＷ，Ｍｏにより形成し、その抵抗値は３４．６Ωとした。
【００３８】
耐食性金属層４は、図２（ｃ）に示すようにタングステンのメタライズ層４ｃ、ニッケルのメッキ層４ｂ、及び銀の耐食層４ａから形成し、基体１の先端から１６２ｍｍの位置まで形成した。これから７ｍｍ後端側に、タングステンのメタライズとニッケルのメッキ層からなる接合用金属層５を幅５ｍｍで形成した。
【００３９】
一方、鉄にＮｉメッキを施しフランジ部材６の接合部６ａを銀ロウからなるロウ材７を用いて接合用金属層５にロウ付けし、フランジ部材６と基体１の間にエポキシ系接着剤８を充填した。
【００４０】
このセラミックヒータをボイラーの加熱装置に組み込んで、液体加熱試験を行ったところ、ＡＣ２００Ｖの電圧を印加すると９００Ｗで発熱し、充分に液体を加熱することができた。また、加熱と冷却を繰り返すヒートサイクルテストを５０００回行っても、フランジ部材６の脱落や、基体１の浸食による短絡や漏電の恐れは全くなく、長期間にわたって良好に使用できることが確認できた。
【００４１】
【発明の効果】
このように本発明によれば、セラミックス製基体の内部に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体に接続するリード端子を基体の後端部に備えてなるセラミックヒータにおいて、上記基体の先端側表面を耐食性金属層で被覆するとともに、後端側に上記耐食性金属層とは分離した接合用金属層を備えて、この上にフランジ部材をロウ付けしたことによって、液体に浸漬しても基体が浸食されることを防止し、かつロウ付け時にロウ材が耐食性金属層上に広がらないため少ないロウ材で強固にフランジ部材を接合することができる。
【００４２】
また、上記耐食性金属層と接合用金属層の間の基体表面を樹脂で被覆すれば、基体の露出面が液体で浸食されることを防止し、さらに耐食性を向上させることができる。
【００４３】
その結果、本発明によれば、長期間にわたって良好に使用することのできる液体加熱用のセラミックヒータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のセラミックヒータを示す側面図、（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は本発明のセラミックヒータの製造工程を示す斜視図、（ｃ）は耐食性金属層の拡大断面図である。
【図３】（ａ）は本発明のセラミックヒータの他の実施形態を示す側面図、（ｂ）は（ａ）中のＹ−Ｙ線断面図、（ｃ）はさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図４】（ａ）は従来のセラミックヒータの側面図、（ｂ）はその使用形態を示す概略図、（ｃ）はフランジ部材を接合した部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：露出面
２：発熱抵抗体
２ａ：パッド
３：リード線
４：耐食性金属層
５：接合用金属層
６：フランジ部材
７：ロウ材
８：樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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