(57)【要約】【課題】従来のセラミックヒータを点火兼火炎検知装置として用いると、セラミックヒータが高温度の火炎に長時間曝された状態で使用されるため、使用中の抵抗値の上昇に伴う抵抗温度特性の変化により安定した点火および火炎検知機能が得られないという問題があった。【解決手段】燃焼式車載暖房機の点火用セラミックヒータにおいて、１３００℃、２分通電−１分冷却を１サイクルとした断続通電耐久試験で１００００サイクル後の初期抵抗値に対する変化率が１０％以下とし、点火及び火炎検知機能を有するセラミックヒータとした。【選択図】　　図１
2004006367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体の内部に高融点金属からなる発熱抵抗体と該発熱抵抗体に電力を供給させるためのリード部を埋設してなり、前記セラミック基体における三重点粒界相の８０％以上が実質的に結晶相として存在していることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
上記セラミック基体が窒化珪素を主成分として希土類元素（ＲＥ）を含有し、前記結晶相がＲＥ２Ｏ３・ＳｉＯ２で表されるモノシリケートおよび／又はＲＥ２Ｏ３・２ＳｉＯ２で表されるダイシリケートからなる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】
前記三重点粒界相のハロゲン元素含有量が０．２重量％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は点火や火炎検知等に用いられるセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
寒冷地においてエンジンの始動を短期間に可能とするための熱源または車両室内暖房の補助熱源として、液体燃料を用いる車載暖房機が使用されている。また、電気自動車においては、バッテリの容量の制限により電力消費を少なくすることが要求されており、暖房装置の熱源としてこの液体燃料を用いた車載暖房機の利用が見込まれている。
【０００３】
このような車載暖房機の従来例を図５に示す。液体燃料は図示していない燃料ポンプにより燃料タンクから点火栓２３に接して位置する蒸発媒体２４に供給される。燃料の点火は、耐熱金属製のシース内に耐熱絶縁粉末を充填し、該耐熱絶縁粉末中にニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）等を主体とする高融点金属線からなる発熱抵抗体を埋設したシーズヒータや、電気絶縁性セラミック焼結体中に、捲回した高融点金属の線材から成る発熱抵抗体を埋設したセラミックグロープラグを発熱させることにより行われる。
【０００４】
すなわち、点火栓２３の発熱抵抗体に一定時間通電することにより発熱部２５が高温に赤熱される。その後、燃料ポンプから供給された液体燃料が、点火栓２３に接して位置するに蒸発媒体２４に浸透される。同時に図示されない空気供給ブロアから空気が送られ燃焼用空気が送り込まれる。そして、蒸発媒体に浸透した燃料が赤熱した発熱部２５で着火される。点火栓２３で発生した炎は蒸発媒体２４の全面を覆うようになる。この火炎により蒸発媒体２４の表面から燃料蒸発量が増大し燃焼室での燃焼量が増大する。燃焼による火炎の認識は電気絶縁性セラミック焼結体中に正の抵抗温度特性を有する高融点金属を埋設した火炎検知機２６によって行われる。燃焼室２７で発生したガスは図示しない熱交換部で冷却水を加熱する。この熱交換部で加熱される水はエンジン冷却水であるがその水は図示していない熱交換器で空気を加熱する。その加熱された空気は車両室内に送られ車内の暖房が行われようにしている。
【０００５】
また特許文献１には、蒸発式バーナーを備えた車両補助暖房装置の始動時に火炎を検知するための方法が開示されている。この蒸発式バーナーは液体燃料を供給される蒸発媒体２４と、燃料を点火するための点火装置と、点火装置に組み合わされた火炎検知装置とを備え、火炎検知装置の電気抵抗変化が火炎認識信号として評価装置に導かれる。
【０００６】
図６には、車載暖房機のヘッド部分が、車両暖房装置の部分縦断面図として示してある。前記車載暖房機は蒸発媒体２８を備えており、この蒸発媒体２８の一方の端面は、燃焼管２９内に設けられた燃焼室３０を形成している。また、図示しないポンプによって燃料管３１から液体燃料がこの蒸発媒体２８に供給され燃焼室３０側で蒸発し、点火装置３２によって点火される。前記点火装置３２はセラミックヒータ３３によって形成されている。
【０００７】
このセラミックヒータ３３は燃焼室３０内に挿入された部分が、内部のグローフィラメント３４と、このグローフィラメント３４を取り巻くセラミックス３５から構成され、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ挙動）を有している。従って、燃焼室３０内の温度が上昇すると、セラミックヒータ３３の電気抵抗も増大する。すなわち、燃焼室３０内の温度によって左右されるセラミック発熱体３３の抵抗は、その変化した電気抵抗を介して電圧変化を生じる。このセラミックヒータ３３の電圧変化で、燃焼室３０内の火炎の存在または非存在を一義的に知ることができる。このように、組み合わされた点火兼火炎検知装置によって車両暖房装置における火炎の発生の確実な認識と火炎の確実な監視が可能となった。これにより、車両暖房装置全体のコストが、点火装置と別個の火炎検知装置を備えた従来のものより大幅に低減され、また装置の小型化が可能となった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−３１５０３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示す従来技術においては、点火兼火炎検知装置として用いるセラミックヒータが高温度の火炎に長時間曝された状態で使用されるため、使用中の抵抗値の上昇に伴う抵抗温度特性の変化により安定した点火および火炎検知機能が得られないという問題があった。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、その目的は高温度の火炎中で長時間曝された状態で通電使用されても、抵抗値および抵抗温度特性の変化が小さく、安定した点火および火炎検知機能が得られる通電耐久性能に優れたセラミックヒータを提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、セラミック基体の内部に高融点金属からなる発熱抵抗体と該発熱抵抗体に電力を供給させるためのリード部を埋設してなり、前記セラミック基体における三重点粒界相の８０％以上が実質的に結晶相として存在していることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のセラミックヒータは、上記セラミック基体が窒化珪素を主成分として希土類元素（ＲＥ）を含有し、前記結晶相がＲＥ２Ｏ３・ＳｉＯ２で表されるモノシリケートおよび／又はＲＥ２Ｏ３・２ＳｉＯ２で表されるダイシリケートからなることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明のセラミックヒータは、前記三重点粒界相のハロゲン元素含有量が０．２重量％以下であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックヒータを車載暖房機に応用した例について図１〜４を用いて詳しく説明する。
【００１５】
本発明のセラミックヒータ１は、図１に示すごとく、セラミック発熱体２と該セラミック発熱体２を装着する金具３とからなり、従来例と同様の車載暖房装置の蒸発式バーナーに取り付けて使用される。上記セラミック発熱体２は、電気絶縁性のセラミック基体４と該セラミック基体４の内部に設けられた発熱抵抗体５及び該発熱抵抗体５の両端に電気的に接続されているリード部６と、さらに絶縁体４の外部に導出するための引出部７を有する。
【００１６】
そして、燃料を供給しながら上記発熱抵抗体５に通電し発熱させれば点火することができる。
【００１７】
また、火炎検知については、発熱抵抗体５の抵抗変化を利用して、火炎があるかどうかの判定を行う。火炎の温度は、１０００〜１３００℃にまで達するので、発熱抵抗体５の抵抗値が室温時の数倍にまで増加する。この抵抗変化を、利用して火炎の有無を検知する。具体的には発熱抵抗体５の抵抗温度係数は、１０００〜４０００ｐｐｍ／℃程度であるので、２〜６倍程度変化することになる。ちなみに、発熱抵抗体５の抵抗温度係数が２６００ｐｐｍ／℃のＷＣ（タングステンカーバイド）を用いた場合、抵抗変化は３．６〜４．４倍に達することになる。
【００１８】
図２は、前記セラミック発熱体２の発熱部断面の一例を示した図である。略平行な独立した少なくとも２層の無機導電材からなる発熱抵抗体５はスクリーン印刷法等で形成され、電気絶縁性のセラミック基体４中に埋設して焼成することにより一体化したものである。
【００１９】
本発明のセラミックヒータは、１３００℃、２分通電１分冷却を１サイクルとした断続通電耐久試験で１００００サイクル後の初期抵抗値に対する変化率が１０％以下である。これは、上記断続通電耐久試験において、セラミックヒータ１の初期抵抗に対する耐久試験後の抵抗変化率が１０％を越えると、車載暖房機を使用中にセラミックヒータ１の抵抗が大きく変化するので、使用中に点火性能が劣化したり、火炎検知が正確にできなくなってしまうためである。
【００２０】
また、本発明のセラミックヒータは、前記セラミック基体４における三重点粒界相の８０％以上が実質的に結晶相として存在していることを特徴とする。
【００２１】
前記三重点粒界相のうち実質的に結晶化しているものが８０％未満であると、上記断続通電耐久テスト後において、発熱抵抗体５の抵抗値が耐久初期に較べて１０％を越えて変化し、これにより点火性能が劣化し点火不良を起こしたり、燃焼中の火炎検知が出来なくなったりするので好ましくない。
【００２２】
図３は、本発明のセラミックヒータのセラミック基材４における断面組織のＴＥＭ写真の模式図である。この図３に示した白い部分が窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）結晶相８であり、黒い部分が二面間粒界相９および三重点粒界相１０である。ここで、ニ面間粒界相９とは２つの窒化珪素結晶に挟まれた粒界相を意味し、三重点粒界相１０とは３つ以上の結晶に囲まれた粒界相を意味する。このうち、二面間粒界相９は、非常に厚みが薄く結晶性を確認するのが困難なので、本発明においては、比較的厚みがあって結晶性を判定しやすい三重点結晶相１０の結晶性を調べ、三重点結晶相１０の結晶化率とセラミックヒータ１の耐久性の間の相関を調査した。
【００２３】
三重点粒界相１０の結晶化度はセラミック発熱体２の任意の発熱断面における三重点粒界相１０の１００個所をＴＥＭにて分析し、該三重点粒界相１０が結晶相か否かの判断を行い上記１００個所中結晶相となっているものの割合を結晶化度とした。三重点粒界相１０が結晶相か否かの判断は、電子線回折のスポットが表示されれば結晶相、ハローが表示されればガラス相として判断した。
【００２４】
そして、本発明では上記結晶化度を８０％以上としたものである。
【００２５】
また、上記セラミック基体４は窒化珪素質セラミックスからなり、焼結助剤として希土類元素酸化物を１種以上含有したものを用いる。そして、本発明のセラミック発熱体２においては、三重点粒界相１０に存在する結晶相がＲＥ（ＲＥは希土類元素）のシリケートから成る結晶相ＲＥ２Ｏ３・ＳｉＯ２で表されるモノシリケートおよび／又はＲＥ２Ｏ３・２ＳｉＯ２で表されるダイシリケートから成る結晶相を有することが好ましい。
【００２６】
これに対し、Ｓｉ３Ｎ４−ＲＥ２Ｏ３−ＳｉＯ２系の状態図からみて生成する可能性のあるアパタイトやＹＡＭ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）相の結晶が少しでも生成すると、使用中の熱サイクルによりセラミック基材４中の窒化珪素が低温酸化して、セラミックヒータ１が破壊してしまうので好ましくない。
【００２７】
なお、結晶相の同定については、Ｘ線回折により評価する。
【００２８】
また、本発明のセラミックヒータは、前記三重点粒界相１０が含有するハロゲン元素量が０．２重量％以下さらに好ましくは０．１重量％以下であることが好ましい。ハロゲン元素は、原料合成時もしくは焼成中の不純物として窒化珪素原料中に混入してくる。本発明者等は鋭意検討した結果、これらの不純物の混入を防止することにより、三重点粒界相１０に含有されるＦ、Ｃｌ等のハロゲン元素量を０．２重量％以下に減少させた。
【００２９】
前記三重点粒界相１０中に含有されるハロゲン元素量が０．２重量％を越えると、粒界相が液相化しやすくなり、結晶相の生成が阻害されるので、セラミックヒータ１の耐久性が劣化する。
【００３０】
なお、ハロゲン元素の分析には、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析装置：ＰＨＩＴＲＩＦＴ２；ＵＬＶＡＣ社製）およびＡＥＳ（オージェ：ＰＨＩ　６８０；ＵＬＶＡＣ社製）を用いた。ハロゲン元素の有無の確認についてはＳＩＭＳを用い、定量についてはＡＥＳを用いた。
【００３１】
三重点粒界相１０の結晶化をさらに促進するためには、原料中の酸素量、とりわけ窒化珪素原料中の酸素量を極力低減し、焼結助剤として添加するＲＥ２Ｏ３の量も１０．５〜１５％程度に増加させ、さらにＮａ、Ｃａ、Ｍｇ等の原料中の不純物量も酸化物換算で０．１重量％以下と可能な限り低減することが有効である。
【００３２】
一般にセラミックヒータがディーゼルエンジン用の始動補助に用いられるグロープラグ、および燃焼式車載暖房の点火ヒータとして使用される場合、１０００℃以上の高温状態及び直流電源下で使用されるため、粒界相の軟化によりイオン移動が起こり、前記絶縁体及び発熱抵抗体が組織劣化を引き起こし、抵抗値の変化が発生する。
【００３３】
それは、ディーゼルエンジンがエンジンヘッドの水冷および燃焼ガスで発熱部が風冷されるため実際の使用温度が単体通電時より１００℃から１５０℃冷却されて１０００℃付近で使用されるのに対し、車載暖房機の点火用ヒータでは、バーナーの火炎に曝された状態で常時１２００℃を越える高温で使用されるためである。つまり、燃焼式車載暖房機の点火用ヒータとして使用される場合、より粒界相の結晶化が重要となるのである。従来においては、前記粒界相に低融点のガラス相成分が多く存在することから、通電により助剤成分のイオン移動が起こり、発熱抵抗体５の抵抗変化を生じ、安定した点火及び火炎検知機能が得られない状況が発生していた。
【００３４】
尚、本発明のセラミック基体４を成す窒化珪素質焼結体に用いられる希土類元素（ＲＥ）としては、イットリウム（Ｙ）やランタノイド元素があげられるが、耐酸化性の点からはイオン半径が小さいＹｂまたはＹ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｌｕを使用することが好ましく、とりわけＹｂが最も好ましい。
【００３５】
本発明のセラミックヒータ１においては、上記理由により優れた通電耐久性能を有しており、直流電源下の高温状態で長時間使用されても、抵抗値の上昇および抵抗温度特性の変化が小さく安定した点火および火炎検知機能が得られるセラミックヒータ１が得られる。
【００３６】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する
実施例　１
セラミックヒータ１の製法について図４を用いて説明する。まず、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤を添加したセラミック原料粉末を周知のプレス成型法等でセラミック生成形体１４を得る。セラミック生成形体１４の上にＷＣを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体５と取出電極７をスクリーン印刷法により形成する。その後、タングステンピンからなるリード部６を前記発熱抵抗体５と取出電極７が電気的に導通するように設置し、前記セラミック生成形体１４を２層とこれらの蓋となるセラミック生成形体１４’を重ねて密着させ、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７５０℃の温度でホットプレスにより焼成した後、得られた焼結体を円柱状に加工し、表面に露出した取出電極７にＮｉリード線１２を、また、セラミック発熱体２の外周に保持金具３をロウ付けしてセラミックヒータ１を得た。
そして、それぞれのサンプルについて、点火及び火炎検知機能を有するセラミックヒータ１に必要とされる十分な通電耐久性能を１３００℃、２分通電−１分冷却を１サイクルとして１００００サイクル後の初期抵抗値に対する変化率の上限の目安を１０％として耐久性能を判断した。本発明のセラミックヒータと従来のセラミックヒータの評価結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2004006367.tif 000003
【００３８】
表１に示すように、上記通電耐久テスト後の抵抗変化率が１０％を越えるＮｏ．１〜１０は、火炎検知がうまくできなくなり、さらに抵抗変化率が２５％を越えるＮｏ．１〜７は、点火性能が低下しうまく出来なくなった。
【００３９】
これに対し、前記抵抗変化率が１０％以下であるＮｏ．１１〜１９は、火炎検知および点火性能に劣化は見られず、良好な特性を示した。
【００４０】
実施例　２
ここでは、セラミックヒータ１のセラミック基材４中の三重点粒界相１０の結晶化率と、通電耐久耐久性能、点火性能、火炎検知性能との関係を調査した。セラミックヒータ１については、各々のセラミック基材４組成を変更し、三重点粒界相１０の結晶化率の異なるサンプルを作製し、それぞれの性能を評価した。
【００４１】
通電耐久性能は、実施例１と同様の条件で評価した。
【００４２】
また、三重点粒界相１０の結晶化度はセラミック発熱体２の任意の発熱断面における三重点粒界相１０の１００個所をＴＥＭにて分析し、該三重点粒界相１０が結晶相か否かの判断を行い結晶相の割合を結晶化度とした。三重点粒界相１０が結晶相か否かの判断は、電子線回折像を調べてスポットがあれば結晶相、電子線回折像にハローがでるものはガラス層と判断した。
【００４３】
結果を表２に示した。
【００４４】
【表２】
2004006367.tif 000004
【００４５】
表２から判るように、三重点粒界相１０の結晶化率が８０％未満であるＮｏ．１〜６は耐久評価後の抵抗変化率が１０％を越え火炎検知能力が低下し、該結晶化率が７０％未満であるＮｏ．１〜４はさらに点火性能も低下してしまった。
【００４６】
これに対し、前記結晶化率が８０％以上であるＮｏ．７〜１１は、通電耐久評価後の抵抗変化率が１０％以下であり、良好な点火性能、火炎検知性能を示した。
【００４７】
実施例　３
ここでは、セラミックヒータ１のセラミック基材４中の三重点粒界相１０の結晶相と低温酸化の関係を調査した。表３に示すような組成のセラミックヒータ１を準備し、自己発熱により酸化雰囲気中で５００℃、７００℃、９００℃で各々１００時間づつ処理し、低温酸化の発生の有無を評価した。
【００４８】
結果を表３に示した。
【００４９】
【表３】
2004006367.tif 000005
【００５０】
表３から判るように、三重点粒界相１０に生成する結晶の中で、Ｘ線回折ピークが一番高くなる主結晶相がＹＡＭであるＮｏ．９、１０は、低温酸化によりセラミックヒータ１にクラックが発生した。
【００５１】
これに対し、前記主結晶相がモノシリケートおよび／またはダイシリケートであるＮｏ．１〜８は、良好な耐久性を示した。
【００５２】
実施例　４
ここでは、三重点粒界相１０に含有されるハロゲン元素量と、三重点粒界相１０の結晶化の割合および耐久性の相関を調査した。耐久性の評価は、実施例１と同様にした。
【００５３】
ハロゲン元素の有無の確認はＳＩＭＳ（２次イオン質量分析装置：ＰＨＩＴＲＩＦＴ２；ＵＬＶＡＣ社製）、ハロゲン元素の定量についてはＡＥＳ（オージェ：ＰＨＩ　６８０；ＵＬＶＡＣ社製）を用いて分析した。
【００５４】
結果を表４に示した。
【００５５】
【表４】
2004006367.tif 000006
【００５６】
表４から判るように、三重点粒界相１０のハロゲン元素含有量が０．２重量％を越えるＮｏ．１〜４は、耐久性評価後の抵抗変化率が１０％を越え、火炎検知性能が不良となった。また、ハロゲン元素含有量が０．４重量％を越えるＮｏ．１〜３は、抵抗変化率が３０％近くとなり、さらに点火性能も劣化した。
【００５７】
これに対し、三重点粒界相１０のハロゲン元素含有量が０．２重量％以下であるＮｏ．６、７は、抵抗変化率が１０％以下であり、良好な点火性能および火炎検知性能を示した。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック基体の内部に高融点金属からなる発熱抵抗体と該発熱抵抗体に電力を供給させるためのリード部を埋設してなり、前記セラミック基体における三重点粒界相の８０％以上が実質的に結晶相として存在していることによって、耐久性良好なセラミックヒータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータを用いた車載暖房機の断面図である。
【図２】本発明のセラミックヒータの発熱部の断面図である。
【図３】本発明のセラミックヒータのセラミック基体の結晶組織を示す模式図である。
【図４】本発明のセラミックヒータのセラミック発熱体の展開斜視図である。
【図５】従来の車載暖房機の断面図である。
【図６】従来の車載暖房機の断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：セラミック発熱体
３：金具
４：セラミック基体
５：発熱抵抗体
６：リード部
７：引出部
８：窒化珪素結晶相
９：二面間粒界相
１０：三重点粒界相
１２：リード線
１４：セラミックグリーンシート
【図１】
2004006367.tif 000007
【図２】
2004006367.tif 000008
【図３】
2004006367.tif 000009
【図４】
2004006367.tif 000010
【図５】
2004006367.tif 000011
【図６】
2004006367.tif 000012