(57)【要約】  【課題】  ヒータにおいて電極と金属ケースとの間の絶縁性を高める。  【解決手段】  本発明のヒータ１００は、金属ケース１と、金属ケース１の内側に配置されたセラミック体４と、セラミック４体の内部に設けられた発熱抵抗体７と、セラミック体４の外面に設けられて発熱抵抗体７に電気的に接続された電極５と、金属ケース１の外側に引き出されたリード３と、電極５を覆うように設けられた絶縁部材６と、セラミック体４の外面と金属ケース１の内面との間に充填された充填剤２とを備えている。絶縁部材６が設けられていることによって、リード３および電極５と金属ケース１との間に絶縁破壊が生じる可能性を低減できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ケースと、該金属ケースの内側に配置されたセラミック体と、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面に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極と、該電極に一端が接続されるとともに他端が前記金属ケースの外側に引き出されたリードと、前記電極を前記リードの一端とともに覆うように設けられた絶縁部材と、前記セラミック体の外面と前記金属ケースの内面との間に充填された充填剤とを備えていることを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記絶縁部材が前記セラミック体の少なくとも一部も覆っ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】
前記絶縁部材と前記電極との間に空隙があ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】
前記リードの一端と前記電極とが接合されているとともに、接合部が前記空隙に面していることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
【請求項５】
前記空隙が前記リードの軸方向の延長線上に位置していることを特徴とする請求項４に記載のヒータ。
【請求項６】
前記セラミック体が棒状であって、前記セラミック体の長さ方向において前記発熱抵抗体と前記電極とが離れているとともに、前記空隙の厚みが前記発熱抵抗体から遠ざかるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項３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】
本発明は、例えば、流体加熱用ヒータまたは気体加熱用ヒータ等に利用されるヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体加熱用ヒータまたは気体加熱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に記載のヒータ装置が知られている。特許文献１に記載のヒータ装置は、金属製ケースと、金属製ケースに挿入されたセラミックヒータとを備えている。セラミックヒータは、一端が金属製ケースの外側に位置しているとともに、この一端に設けられた電極にリードが取り付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２２７７４号公報
【特許文献２】特開平１０−２４７５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のヒータ装置を用いて、被加熱物を従来よりも高い温度にまで加熱しようとすると、セラミックヒータの内部に大きな温度差が生じる場合があった。具体的には、セラミックヒータのうち金属製ケースに挿入された部分と金属製ケースの外側に位置する部分との間に大きな温度差が生じる場合があった。このため、セラミックヒータの内部に熱応力が生じる場合があった。その結果、セラミックヒータの耐久性が低下する可能性があった。
【０００５】
そこで、セラミックヒータに生じる温度差を低減するために、セラミックヒータの全体を金属製ケースの内側に挿入することが考えられる。この場合、リードの一端を金属ケースの内側に位置させて、リードの他端を金属製ケースの外側に位置させる。そして、リードおよび電極と金属製ケースとの間の絶縁性を保つために、金属製ケースの内部に特許文献２に記載されたような絶縁性粉体を充填することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、上述の構成を採用した場合には、外部から振動が伝わってくる環境下において、金属製ケースの内部でセラミックヒータと絶縁性粉体とが振動によって移動してしまい、リードおよび電極と金属製ケースとの間に絶縁破壊が生じる可能性があった。
【０００７】
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、ヒータ装置において耐久性を向上させつつリードおよび電極と金属製ケースとの間の絶縁性を保つことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様のヒータは、金属ケースと、該金属ケースの内側に配置されたセラミック体と、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面に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極と、該電極に一端が接続されるとともに他端が前記金属ケースの外側に引き出されたリードと、前記電極を前記リードの一端とともに覆うように設けられた絶縁部材と、前記セラミック体の外面と前記金属ケースの内面との間に充填された充填剤とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様のヒータによれば、セラミック体が金属ケースの内側に位置していることによって、セラミック体に生じる温度差を低減できる。このため、セラミックヒータの内側に生じる熱応力を低減できる。その結果、ヒータの耐久性を向上できる。さらに、充填剤とは別に、リードおよび電極を覆う絶縁部材が設けられていることによって、リードおよび電極と金属ケースとの間に絶縁破壊が生じる可能性を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のヒータの一実施形態の斜視図である。
【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】図１に示すヒータのＢ−Ｂ´断面を示す断面図である。
【図４】図２に示すヒータのＣ−Ｃ´断面を示す断面図である。
【図５】本発明のヒータの変形例１を示す断面図である。
【図６】本発明のヒータの変形例２を示す断面図である。
【図７】本発明のヒータの変形例３を示す断面図である。
【図８】図７に示すヒータのＤ−Ｄ´断面を示す断面図である。
【図９】図８に示すヒータのＥ−Ｅ´断面を示す断面図である。
【図１０】図９に示すヒータのＦ−Ｆ´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、本発明の一実施形態に係るヒータ１００について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、ヒータ１００の構成を示す斜視図である。図１に示すように、ヒータ１００は筒状の金属ケース１と、金属ケース１の内側を封止する充填剤２と、金属ケース１の内側から外側にかけて設けられたリード３とを備えている。図２は、図１に示すヒータ１００のＡ−Ａ´断面を示す断面図である。図２に示すように、ヒータ１００は、金属ケース１の内側に、さらに、セラミック体４と電極５と絶縁部材６とを備えている。なお、図２においては、図面の見やすさを優先して、充填剤２を除いて示している。また、電極５とリード３と絶縁部材６との位置関係を明確にするために、電極５およびリード３のうち絶縁部材６に覆われている部分ならびに電極５とリード３とを接続するろう材８を破線で示している。図３は、図１に示すヒータ１００のＢ−Ｂ´断面を示す断面図である。図３に示すように、ヒータ１００は、セラミック体４の内部に発熱抵抗体７をさらに有している。
【００１３】
＜セラミック体４の構成＞
セラミック体４は、発熱抵抗体７を保護するために設けられる部材である。セラミック体４の形状は、棒状または筒状等である。棒状としては、例えば、円柱状または角柱状等が挙げられる。筒状としては、例えば、円筒状または角筒状が挙げられる。本実施形態のヒータ１００においては、図２に示すように、セラミック体４は、主面が長方形の棒状である。
【００１４】
セラミック体４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。特に、製造のしやすさの観点から、アルミナを用いることが好ましい。セラミック体４が棒状の場合には、セラミック体４の寸法は、例えば主面の長さを３０ｍｍに、主面の幅を３ｍｍに、主面に垂直な方向の厚みを１ｍｍに設定することができる。
【００１５】
＜発熱抵抗体７の構成＞
発熱抵抗体７は、発熱す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。図３に示すように、発熱抵抗体７はセラミック体４の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体７はセラミック体４に埋設されている。また、発熱抵抗体７の形状は線状である。本実施形態のヒータ１００における発熱抵抗体７は、セラミック体４の中央よりも一端側で折り返し形状を有するとともに、他端側で電極５に接続されている。
【００１６】
発熱抵抗体７は金属材料から成る。金属材料としては、例えばＷ、ＭｏまたはＲｅ等が挙げられる。発熱抵抗体７の寸法は、例えば幅を０．７ｍｍに、全長を２０ｍｍに、厚みを２０μｍに設定することができる。
【００１７】
＜電極５の構成＞
電極５は、発熱抵抗体７とリード３とを電気的に接続するための部材である。図３に示すように、電極５は、セラミック体４における他端側の外面の２か所に設けられている。具体的には、電極５は、セラミック体４の両主面に設けられている。図２に示すように、電極５はセラミック体４の主面に平行な方向の形状が四角形である。電極５の寸法は、例えば、セラミック体４の長さ方向に対して平行な方向における長さを５ｍｍに、垂直な方向の長さを２．５ｍｍに、厚みを２０μｍに設定することができる。電極５は、発熱抵抗体７と電気的に接続されている。電極５は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＲｅ等から成る。
【００１８】
＜リード３の構成＞
リード３は、外部の電源から発熱抵抗体７に電気を伝えるための部材である。図３に示すように、リード３はそれぞれの電極５に別々に設けられている。リード３は、一端が電極５に接続されており、他端が金属ケース１の外部に引き出されている。金属ケース１の外部に引き出されたリード３は、外部電源に接続される（図示せず）。リード３と電極５とはろう材８によって接合されている。ろう材８としては、例えば銀ろう、金−銅ろうまたは銀−銅ろうを用いることができる。リード３は例えばＮｉから成る。リード３のうち電極５と接合される部分または外部電源に接続される部分以外の領域は、絶縁性のチューブ９によって覆われている。チューブ９は、例えばフッ素樹脂から成る。
【００１９】
リード３の寸法は、例えば、径を０．４ｍｍに設定することができる。チューブ９の寸法は、例えば、外径を１ｍｍに設定することができる。また、リード３のうち電極５の近傍においてチューブ９から露出している部分の長さは２ｍｍ程度にすることができる。
【００２０】
＜金属ケース１の構成＞
金属ケース１は、被加熱物に接触させて用いられる部材である。図２に示すように、金属ケース１は、筒部１０と筒部１０の一端側の開口を塞ぐ底部１１とから成る。本実施形態のヒータ１００においては、筒部１０は円筒状であるとともに、底部１１は筒部１０の外径と径が等しい円板状である。金属ケース１には、セラミック体４の全体が挿入されている。すなわち、金属ケース１の内径はセラミック体４の外径よりも大きく、金属ケース１の内周面とのセラミック体４の外面との間には、絶縁部材６および充填剤２を設けることができる程度の隙間が形成されている。
【００２１】
金属ケース１の寸法は、例えば、筒部１０の内径を４ｍｍに、筒部１０の外径を５ｍｍに、筒部１０の長さを４０ｍｍに設定することができる。金属ケース１は、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。特に加工性、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。
【００２２】
＜絶縁部材６の構成＞
絶縁部材６は、リード３および電極５と金属ケース１との間の絶縁性を確保するための部材である。図２、３に示すように、絶縁部材６は、それぞれの電極５をリード３の一端とともに覆うように設けられている。本実施形態のヒータ１００においては、絶縁部材６はシート状の部材である。絶縁部材６は、例えば、フッ素樹脂等の絶縁材料から成る。図
４に示すように、絶縁部材６は、セラミック体４および電極５に接触させて設けられている。絶縁部材６の寸法は、例えば、厚さを０．２ｍｍ程度に設定することができる。なお、絶縁部材６は必ずしもシート状に限られない。例えば、チューブ状であっても構わない。また、本実施形態においては、絶縁部材６は、固体であるがこれに限られない。例えば、ジェル状等の半固体を用いても構わないし、これを硬化させたものを用いても構わない。
【００２３】
＜充填剤２の構成＞
充填剤２は、セラミック体４と金属ケース１との間の熱伝導を良好にするための部材である。充填剤２は、セラミック体４の表面および金属ケース１の内周面の間に充填されている。充填剤２としては、例えば、アルミナまたは窒化アルミニウムを主成分とする無機接着剤を用いることができる。また、酸化マグネシウム等の酸化物を用いることができる。
【００２４】
酸化マグネシウム等のような粉末を充填剤２として用いる場合には、酸化マグネシウムを金属ケース１に充填した後に、金属ケース１の開口を塞ぐように板状の部材で蓋をする。蓋としては、金属板またはセラミック板を用いることができる。蓋には、チューブ９が通る貫通孔が２か所に設けられている。２つのチューブ９は２か所の貫通孔を通って外部に引き出される。なお、貫通孔とチューブ９との間に隙間が生じた場合には、ジェル状のフッ素樹脂等の部材で埋めることによって、充填剤２が漏れることを防止できる。
【００２５】
さらに、絶縁部材６によって電極５およびリード３が覆われていることによって、電極５およびリード３と金属ケース１との間の絶縁性を確保しやすくできることから、充填剤２に熱伝導に優れる導電性の粉末を用いることができる。導電性の粉末としては、例えば、銅または青銅等の金属粉末を用いることができる。充填剤２として、金属粉末を用いた場合にも、上述したような蓋を用いて金属ケース１の開口を塞ぐことによって、充填剤２が漏れることを防止できる。
【００２６】
本実施形態のヒータ１００においては、セラミック体４が金属ケース１の内側に位置していることによって、セラミック体４に生じる温度差を低減できる。このため、セラミックヒータ１００の内部に生じる熱応力を低減できる。その結果、ヒータ１００の耐久性を向上できる。さらに、リード３および電極５を覆う絶縁部材６が設けられていることによって、リード３および電極５と金属ケース１との間に絶縁破壊が生じる可能性を低減できる。
【００２７】
さらに、本実施形態のヒータ１００においては、絶縁部材６がセラミック体４の少なくとも一部を覆っている。これにより、リード３および電極５と金属ケース１との間の絶縁距離が長くなるため、リード３および電極５と金属ケース１との間に絶縁破壊が生じる可能性をさらに低減できる。
【００２８】
＜変形例１＞
本発明のヒータ１００の変形例１について説明する。前述の実施形態のヒータ１００においては、絶縁部材６がそれぞれの電極５に対応して設けられていたが、これに限られない。具体的には、絶縁部材６が１つのみ設けられている構成であっても構わない。図５に示すように、変形例１のヒータ１００においては、絶縁部材６がセラミック体４の一部を周方向に囲んで覆っている。これにより、リード３および電極５と金属ケース１との間の絶縁距離が長くなるため、リード３および電極５と金属ケース１との間に絶縁破壊が生じる可能性をさらに低減できる。変形例１においては、絶縁部材６はセラミック体４の軸方向に延びているチューブ状である。チューブ状の絶縁部材６でセラミック体４を覆うことによって、シート状の絶縁部材６を設ける場合と比較して、絶縁部材６がセラミック体４
から剥がれてしまう可能性を低減できる。さらに、変形例１においては、絶縁部材６が熱収縮性を有している。熱収縮性を有した絶縁部材６によってセラミック体４を周方向に囲み、加熱することによって、絶縁部材６を緩み無くセラミック体４に取り付けることができる。
【００２９】
＜変形例２＞
本発明のヒータ１００の変形例２について説明する。前述の実施形態のヒータ１００においては、絶縁部材６が、リード３、電極５、ろう材８またはセラミック体４に隙間無く取り付けられていたが、これに限られない。具体的には、変形例２のヒータ１００においては、絶縁部材６と電極５との間に空隙１２が設けられている。これにより、ヒータ１００の使用時に電極５が熱膨張したとしても、この空隙１２があることで電極５に熱応力が発生することを低減できる。その結果、ヒータ１００の耐久性を向上させることができる。
【００３０】
空隙１２は以下の方法で形成することができる。具体的には、空隙１２を設けたい部分に予め針状のピンを設けておく。この状態で絶縁部材６を設ける。その後、ピンを抜くことで、空隙１２を形成することができる。
【００３１】
さらに、変形例２においては、リード３の一端と電極５とが接合されているとともに、この接合部が空隙１２に面している。このように、ヒートサイクル下において、最も熱応力が集中する部分である接合部を空隙１２に面して配置しておくことによって、ヒータ１００の耐久性をさらに向上させることができる。なお、ここでいう「接合部」とは、リード３と電極５とがろう材８によって接合されている変形例２においては、リード３と電極５との接触部およびこの周囲に位置しているろう材８を意味している。すなわち、「接合部が空隙１２に面している」とは、リード３と電極５との接触部またはこれらを接合しているろう材８の少なくとも一方が空隙１２に面していることを意味している。
【００３２】
また、リード３と電極５とが溶接によって接合されている場合には、リード３と電極５との接触部が空隙１２に面していることを意味している。
【００３３】
また、変形例２においては、空隙１２がリード３の軸方向の延長線上に位置している。これにより、ヒータ１００の使用時にリード３が熱膨張したとしても、リード３に生じる熱応力を低減できる。本変形例においては、空隙１２とリード３との間にろう材８が位置しているが、この状態であっても、リード３に生じる熱応力を低減することが可能である。また、リード３の一端側の端面の少なくとも一部を、ろう材８と接触させずに、空隙１２に露出させてもよい。これにより、さらに熱応力を低減することが可能になる。
【００３４】
＜変形例３＞
本発明のヒータ１００の変形例３について説明する。変形例３のヒータ１００は、前述の実施形態のヒータ１００と同じく、セラミック体４が棒状であって、セラミック体４の長さ方向において発熱抵抗体７と電極５とが離れている。なお、ここでいう「発熱抵抗体７と電極５とが離れている」とは、必ずしも発熱抵抗体７の全体が電極５の全体から離れている必要はなく、発熱抵抗体７と電極５とが部分的に離れていない状態であってもよい。すなわち、発熱抵抗体７の大部分が電極５から離れていれば、「発熱抵抗体７と電極５とが離れている」と見なすことができる。
【００３５】
このような構成のヒータ１００を使用する場合には、電極５のうち発熱抵抗体７に近い部分では、電極５が高温になるために、電極５の熱膨張量が大きくなる。反対に、電極５のうち発熱抵抗体７から遠い部分では、電極５が低温になるために、電極５の熱膨張量が小さくなる。また、空隙１２の大きさを過度に大きくすると、セラミック体４から金属ケ
ース１に熱が伝わりにくくなってしまい、ヒータ１００の機能が低下する可能性がある。そこで、変形例３においては、図７〜１０に示すように、絶縁部材６と電極５との間の空隙１２の厚みが、発熱抵抗体７から遠ざかるにつれて小さくなっている。これにより、熱膨張量が大きい部分においては空隙１２を大きくすることによって熱応力を低減するとともに、熱膨張量が小さい部分においては空隙１２を小さくすることによってセラミック体４から金属ケース１に熱を良好に伝えることができる。これらの結果、ヒータ１００の機能を維持しつつ耐久性を向上させることができる。
【００３６】
なお、ここでいう、「空隙１２の厚み」とは、リード３の軸方向に垂直な断面を見たときに、セラミック体４の主面に対して垂直な方向において、絶縁部材６と電極５との間の空隙１２の長さが最大となる部分の長さを意味している。つまり、図８〜１０に示すヒータ１００においては、空隙１２のうち最もリード３に近い部分のセラミック体４の主面に対する垂直な方向における長さが「空隙１２の厚み」となる。
【符号の説明】
【００３７】
１００：ヒータ
１：金属ケース
２：充填剤
３：リード
４：セラミック体
５：電極
６：絶縁部材
７：発熱抵抗体
８：ろう材
９：チューブ
１０：筒部
１１：底部
１２：空隙
【図１】
2015026577.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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