(57)【要約】  【課題】  ヒータ１０の耐久性を高めることができる。  【解決手段】  ヒータ１０は、板状のセラミック体１と、該セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２と、前記セラミック体１の一部が挿入される筒状部材３と、該筒状部材３の内側に前記セラミック体１を固定する接合材４とを備えており、前記セラミック体１の主面に垂直であって、前記セラミック体１および前記筒状部材３を通る断面を見たときに、前記筒状部材３の内周面は、前記セラミック体１の主面の一部および側面に沿った第１部分３１と、前記セラミック体１の中央部を中心として前記セラミック体１の主面から離れる方向に凸の弧状である第２部分３２とを有しており、前記セラミック体１と前記筒状部材３との間には、前記接合材４が充填されていることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面および側面を有する板状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック体の一部が一端側から内側に挿入される筒状部材と、該筒状部材の内側に前記セラミック体を固定する接合材とを備えており、
前記セラミック体の主面に垂直であって、前記セラミック体および前記筒状部材を通る断面を見たときに、
前記筒状部材の内周面は、前記セラミック体の主面の一部および側面に沿った第１部分と、前記セラミック体の中央部を中心として前記セラミック体の主面から離れる方向に凸の弧状である第２部分とを有しており、
前記セラミック体と前記筒状部材との間には、前記接合材が充填されていることを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記断面を見たときに、
前記第１部分は、前記セラミック体の側面から主面にかけて滑らかに連続していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記断面を見たときに、
前記第１部分と前記第２部分とが滑らかに繋がっ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。
【請求項４】
前記断面を見たときに、
前記筒状部材の内径は、前記セラミック体の主面に垂直な方向よりも、前記セラミック体に平行な方向が大きい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。
【請求項５】
前記断面を見たときに、
前記セラミック体は、一方の側面と他方の側面とを有し、
前記筒状部材の内周面は、一方の側面に沿った一方の第１部分と、他方の側面に沿った他方の第１部分とを有し、
前記一方の第１部分および前記他方の第１部分は、前記セラミック体の主面に沿った部分の幅が、前記セラミック体の側面に沿った部分の幅よりも広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。
【請求項６】
前記筒状部材のうち前記一端側の端面を見たときに、前記筒状部材の内周面は、全体が前記セラミック体に沿っていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃焼ガス中雰囲気中で用いられるヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、例えば特許文献１に記載のヒータが挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載のヒータは、板状のセラミック体と、セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、セラミック体の一端が挿入された筒状部材と、筒状部材のうちセラミック体が挿入された端部をセラミック体とともに封止する封止材とを備えている。
【０００４】
このようなヒータにおいて、筒状部材の内周面の形状は、セラミック体の主面に垂直な断面で見たときに、セラミック体の形状に合わせて長方形状になっている。また、発熱抵抗体がセラミック体の両側面側に偏って設けられていたため、特に電極取り出し口近傍においては、ヒータの両側面側が熱くなっていた。近年、ヒータは小型化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４１８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなヒータにおいては、セラミック体の主面の幅が小さくなるに伴って、セラミック体のうち両側面側よりも中央部が熱くなるおそれがあった。このときに、筒状部材の内周面の形状がセラミック体の形状に合わせた長方形状である場合は、セラミック体の中央部近傍に位置する封止材に熱応力が集中することによって、封止材にクラックが破損してしまうおそれがあった。
【０００７】
これに対して、セラミック体の主面に垂直な断面で見たときに、筒状部材の内周の形状が円形状のヒータは、セラミック体の中央部近傍における封止材の量が多いため、セラミック体の中央部近傍に位置する封止材が破損するおそれを低減することができる。しかしながら、このようなヒータにおいては、封止材の熱伝導率が低いため、発熱抵抗体で生じた熱を筒状部材の外部に放出することが困難であった。これにより、リード端子近傍が高温にさらされてしまい、発熱抵抗体とリードとの接続部が破損してしまうおそれがあった。その結果、ヒータの耐久性を高めることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示のヒータは、主面および側面を有する板状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック体の一部が一端側から内側に挿入される筒状部材と、該筒状部材の内側に前記セラミック体を固定する接合材とを備えており、前記セラミック体の主面に垂直であって、前記セラミック体および前記筒状部材を通る断面を見たときに、前記筒状部材の内周面は、前記セラミック体の主面の一部および側面に沿った第１部分と、前記セラミック体の中央部を中心として前記セラミック体の主面から離れる方向に凸の弧状である第２部分とを有しており、前記セラミック体と前記筒状部材との間には、前記接合材が充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本開示のヒータによれば、筒状部材の内周面は、セラミック体の主面の一部および側面に沿った第１部分と、セラミック体の中央部を中心としてセラミック体の主面から離れる方向に凸の弧状である第２部分とを有しており、セラミック体と筒状部材との間には、接合材が充填されている。これにより、ヒータの耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ヒータの一例を示す断面図である。
【図２】図１に示すヒータのＡ―Ａ断面を示す断面図である。
【図３】他の例のヒータのＡ―Ａ断面を示す断面図である。
【図４】他の例のヒータのＡ―Ａ断面を示す断面図である。
【図５】他の例のヒータのＡ―Ａ断面を示す断面図である。
【図６】他の例のヒータのＡ―Ａ断面を示す断面図である。
【図７】他の例のヒータのＢ―Ｂ断面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、ヒータ１０について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１および図２に示すように、ヒータ１０は、セラミック体１と、発熱抵抗体２と、筒状部材３と、接合材４とを有している。
【００１３】
セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２が埋設された部材である。セラミック体１の内部に発熱抵抗体２を設けることによって、発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。セラミック体１は、主面および側面を有する板状の部材である。
【００１４】
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電気的な絶縁性を有するセラミックスからなる。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であってもよい。
【００１５】
セラミック体１は、窒化珪素質セラミックスであってもよい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているためである。窒化珪素質セラミックスからなるセラミック体１は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ２Ｏ３および焼結体に含まれるＳｉＯ２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ２を混合して、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。
【００１６】
なお、セラミック体１に窒化珪素質セラミックスを用いて、さらに後述する発熱抵抗体２にＭｏまたはＷ等の化合物を用いる場合には、セラミック体１に、さらにＭｏＳｉ２またはＷＳｉ２等が混合されていてもよい。発熱抵抗体２に用いる金属の珪化物をセラミック体１に分散させることによって、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。
【００１７】
セラミック体１の形状が板状である場合は、セラミック体１の長さは、例えば３０〜６０ｍｍに、幅は４．７〜９ｍｍ、厚みは１．３〜６ｍｍにすることができる。
【００１８】
発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１に埋設されている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流
れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。セラミック体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。
【００１９】
発熱抵抗体２は、例えば帯状の部材である。発熱抵抗体２は、例えば折返し形状を有している。発熱抵抗体２は、例えば全長を２８〜５２ｍｍにすることができる。なお、発熱抵抗体２の横断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な面）の形状は、円形状、楕円形状または矩形状等にすることができる。
【００２０】
発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とすることができる。セラミック体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンであってもよい。これにより、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。さらに、炭化タングステンは、耐熱性に優れている。
【００２１】
さらに、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合には、発熱抵抗体２は、炭化タングステンを主成分とするとともに、窒化珪素が２０質量％以上添加されていてもよい。発熱抵抗体２に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体２の熱膨張率とセラミック体１の熱膨張率とを近づけることができる。これにより、ヒータ１０の昇温時または降温時に発熱抵抗体２とセラミック体１との熱膨張差によって生じる熱応力を低減することができる。
【００２２】
発熱抵抗体２は、端部がセラミック体１の表面に引き出されていてもよい。また、発熱抵抗体２は、セラミック体１の表面において、リード端子５に電気的に接続されていてもよい。発熱抵抗体２とリード端子５とは、例えばメタライズ等の導体層によって接合されていてもよい。リード端子５は、例えば、樹脂製のチューブによって、覆われていてもよい。
【００２３】
筒状部材３は、セラミック体１を保護するための部材である。筒状部材３は、例えば円筒状または四角筒状等の部材である。筒状部材３は、一端と他端とを有しており、セラミック体１が一端側から内側に挿入されている。筒状部材３は、例えばセラミック体１の後端を導体層およびリード端子５ごと囲んでいてもよい。筒状部材３は、例えばアルミナまたはシリカ等のセラミック材料であってもよい。筒状部材３が円筒状の場合には、その寸法は例えば長さを４２ｍｍ、内径を８ｍｍ、外径を１０ｍｍにすることができる。
【００２４】
筒状部材３は、発熱抵抗体２とリード端子５との接合部を覆っていてもよい。これにより、セラミック体１の先端が燃焼ガス雰囲気中に配置されたときに、この燃焼ガスとリード端子５とが接してしまうおそれを低減することができる。
【００２５】
接合材４は、筒状部材３の内側にセラミック体１を固定するための部材である。接合材４は、例えば、筒状部材３のうちセラミック体１が挿入された端部に設けられている。接合材４は、例えば、セラミック体１と共に筒状部材３の端部を封止している。これにより、セラミック体１の先端を燃焼ガス雰囲気中に配置したときに、この燃焼ガスが筒状部材３の内部に進入することを防止できる。接合材４は、例えばアルミナまたはシリカ等といったセラミックス等の絶縁材料または樹脂材料にすることができる。接合材４は、例えば筒状部材３のうちセラミック体１が挿入された開口面を塞ぐように設けられている。接合材４の寸法は、セラミック体１の長さ方向の厚みを１０ｍｍにすることができる。また、接合材４は、例えば筒状部材３の一端から５ｍｍ以上の領域に設けることができる。また、接合材４は、筒状部材３の内側の全体に充填されていてもよい。これにより、接合強度を高めることができる。
【００２６】
接合材４は、以下の方法で設けることができる。具体的には、筒状部材３にセラミック体１を挿入した状態で、セラミック体１が挿入された側の端部に接合材４となる原料を流し込む。接合材４となる原料としては、無機系等のバインダー中にアルミナまたはシリカ等を分散させた物を用いることができる。筒状部材３に接合材４となる原料を流し込んだ後に、２００℃以下の温度で加熱することによって、接合材４を設けることができる。
【００２７】
本開示のヒータ１０は、セラミック体１の主面に垂直であって、セラミック体１および筒状部材３を通る断面（以下、前記断面とする。）を見たときに、筒状部材３の内周面は、セラミック体１の主面の一部および側面に沿った第１部分３１と、セラミック体１の中央部を中心としてセラミック体１の主面から離れる方向に凸の弧状である第２部分３２とを有しており、セラミック体１と筒状部材３との間には、接合材４が充填されている。
【００２８】
筒状部材３の内周面が、セラミック体１の中央部を中心としてセラミック体１の主面から離れる方向に凸の弧状である第２部分３２を有することにより、第２部分３２の内側に接合材４を設けることができる。そのため、セラミック体１の中央部近傍に位置する接合材４の量を増やし、接合材４の強度を高めることができる。これにより、セラミック体１の中央部近傍に位置する接合材４に熱応力が生じた場合に、接合材４が破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。
【００２９】
筒状部材３の内周面が、セラミック体１の主面の一部および側面に沿った第１部分３１を有することにより、第１部分３１の内側の接合材４の量を低減することができる。そのため、発熱抵抗体２で生じた熱を筒状部材３の外部に放出しやすくすることができる。これにより、リード端子５近傍が高温にさらされてしまい、発熱抵抗体２とリードの接続部が破損してしまうおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。
【００３０】
第１部分３１の寸法は、例えばセラミック体１の側面に沿った面の長さを２〜８ｍｍに、セラミック体１の主面の一部に沿った部分の長さを１〜７ｍｍにすることができる。第２部分３２の寸法は、セラミック体１の主面から離れる方向の長さを０．５〜３ｍｍに、セラミック体１の幅方向の長さを０．５〜３ｍｍにすることができる。第２部分３２のセラミック体１の幅方向の長さは、セラミック体１の幅よりも小さいことにより、第１部分３１のうちセラミック体１の主面に沿った部分からの放熱を増やすことができる。
【００３１】
具体的には、図１に示すヒータ１０においては、筒状部材３の内周面が、Ａ−Ａ断面を見たときに第１部分３１および第２部分３２を有していてもよい。また、図１に示すヒータ１０においては、筒状部材３の内周面が、Ｂ−Ｂ断面を見たときに第１部分３１および第２部分３２を有していてもよい。また、筒状部材３の内周面の形状は、セラミック体１が挿入された端部から、リード端子５が引き出される端部まで、第１部分３１および第２部分３２を有していてもよい。
【００３２】
また、図２に示すように、第１部分３１は、セラミック体１の一方の側面側および他方の側面側において、それぞれ設けられていてもよい。また、第２部分３２は、セラミック体１の一方の主面側および他方の主面側において、それぞれ設けられていてもよい。
【００３３】
ここで、「セラミック体１の中央部」とは、図２から図７に示す前記断面においてセラミック体１を横に５等分した場合の、セラミック体１の中心を含む領域である。
【００３４】
また、図３に示すように、前記断面を見たときに、第１部分３１は、セラミック体１の側面から主面にかけて滑らかに連続していてもよい。これにより、第１部分３１のうちセラミック体１の側面に沿った部分とセラミック体１の主面に沿った部分との間の角部に生じる応力を分散させることができる。そのため、第１部分３１の角部に応力が集中し、破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。なお、ここでいう「滑らかに連続」とは、第１部分３１と第２部分３２とが曲面を形成するように連続している状態を意味している。
【００３５】
また、図４に示すように、前記断面を見たときに、第１部分３１と第２部分３２とが滑らかに繋がっていてもよい。これにより、第１部分３１と第２部分３２との間の角部に生じる応力を分散させることができる。そのため、第１部分３１と第２部分３２との間の角部に応力が集中し、破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。
【００３６】
また、図５に示すように、前記断面を見たときに、筒状部材３の内径は、セラミック体１の主面に垂直な方向よりも、セラミック体１に平行な方向が大きくてもよい。これにより、第１部分３１の角部をセラミック体１から遠ざけることができる。そのため、第１部分３１の角部に生じる熱応力を低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。
【００３７】
また、筒状部材３の内径は、セラミック体１の主面に平行な方向よりも、セラミック体１に垂直な方向が小さいことにより、セラミック体１の側面に沿った方向において接合材４の体積を低減することができる。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱を放出しやすくすることができる。その結果、ヒータ１０の昇温速度を高めることができる。
【００３８】
また、図６に示すように、前記断面を見たときに、セラミック体１は、一方の側面と他方の側面とを有し、筒状部材３の内周面は、一方の側面に沿った一方の第１部分３１と、他方の側面に沿った他方の第１部分３１とを有し、一方の第１部分３１および他方の第１部分３１は、セラミック体１の主面に沿った部分の幅が、セラミック体１の側面に沿った部分の幅よりも広くてもよい。これにより、第１部分３１の角部をセラミック体１から遠ざけることができる。そのため、第１部分３１の角部に生じる熱応力を低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。
【００３９】
また、一方の第１部分３１および他方の第１部分３１は、セラミック体１の側面に沿った部分の幅が、セラミック体１の主面に沿った部分の幅よりも短いことにより、セラミック体１の側面に沿った方向において接合材４の体積を低減することができる。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱を放出しやすくすることができる。その結果、ヒータ１０の昇温速度を高めることができる。
【００４０】
また、図７に示すように、筒状部材３のうち一端側の端面を見たときに、筒状部材３の内周面は、全体がセラミック体１に沿っていてもよい。これにより、図７に示す断面においても筒状部材３の内周面が第２部分３２を有する場合と比較して、図７に示す断面における筒状部材３の内部の面積を低減することができる。そのため、接合材４が筒状部材３の外に流れ出るおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。
【００４１】
具体的には、図１に示すヒータにおいては、筒状部材３の内周面の形状は、図２に示すように、Ａ−Ａ断面を見たときに第１部分３１および第２部分３２を有しており、図７に示すように、Ｂ−Ｂ断面を見たときに全体がセラミック体１に沿った形状であってもよい。また、筒状部材３の内周面の形状は、筒状部材３のうち一端側の端面を見たときに、全体がセラミック体１に沿っており、かつ、筒状部材３のうちセラミック体１が挿入された端部以外の部位の全体において、第１部分３１および第２部分３２を有していてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：筒状部材
３１：第１部分
３２：第２部分
４：接合材
５：リード端子
１０：ヒータ
【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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