(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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するためのリード部を埋設してなるセラミック体と、これを保持するための保持金具と、前記リード部に接続された電極金具とを有し、前記セラミック体の全長が５０ｍｍ以下で、前記保持金具が前記セラミック体をロウ材を介して把持しているとともに、前記保持金具の内側に形成された段差により前記保持金具と前記セラミック体の発熱抵抗体側との間に、長さが３ｍｍ以上、幅が１ｍｍ以上である隙間が形成されているセラミックヒータであって、前記発熱抵抗体に通電して発熱部を１１００〜１３００℃にしたときの保持金具の温度が５５０℃未満であり、かつ電極金具の温度が３５０℃未満であることを特徴とする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使用される燃焼式車載暖房機の点火用または火炎検知用セラミックヒータ。
【請求項２】
前記セラミックヒータが、窒化珪素質セラミックスからな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。
【請求項３】
前記保持金具が暖房機保持部の外側に放熱部を有していることを特徴とする請求項１または２に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、燃焼式車載暖房器の点火用または火炎検知用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８に示す（特開平１１−１７３５１１参照）。この車載暖房機は、セラミックヒータからなる点火栓１３を固定した支持部材１４が、燃焼筒１５に固定されており、液体燃料が、図示していない燃料ポンプにより燃料タンクから前記点火栓１３の周囲に設置された蒸発媒体１７に供給されて蒸発し、空気供給ブロワ１９から供給される空気と混合され、点火栓１３の熱により着火・燃焼する構造となっている。また、前記支持部材１４の中央には燃焼温度検知用のサーミスタ１６が設置されており、サーミスタ１６からの信号がコントローラ２０に供給され、該コントローラ２０は車両からの操作信号および燃焼温度検知サーミスタ１６の信号により、燃料ポンプ、空気供給ブロア１９の動作を制御する。
【０００４】
さらに、燃焼筒１５内の燃焼室で発生したガスは熱交換部２１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る。
【０００５】
最近は、前記点火栓１３と燃焼温度検知サーミスタ１６としての機能を備え持った耐久性の良い窒化珪素質セラミックヒータが提案されている。セラミックヒータ１は、例えば図６に示すように、セラミック生成形体７の一主面に発熱抵抗体８およびリード部９を形成し、同様にして発熱抵抗体８およびリード部９を形成したセラミック生成形体７を２層重ね、さらにその上に別のセラミック生成形体７を重ねて３層を一体化し焼成することにより得られる。このようにして得られたセラミックヒータ１は、図７に示すように、取出電極１０に電極金具３をロウ付けしたセラミックヒータ１が、その全長方向中央部にロウ付けされた保持金具２で、車載暖房用ヒータの支持部材１４に設けられた固定用金具５に、ネジ６により固定された状態を示している。固定用金具５の先端部にはセラミックヒータ１の位置決めのために、段部が形成されており、該段部に保持金具２を当てて位置合わせをし、ネジ６で固定するようにしていた。
このようにしてガス流中の最適位置で燃焼ガスが着火するようなシステムが組まれている。
【０００６】
従来、保持金具２のロウ付けは、セラミックヒータ１の保持金具２を取り付ける部分にＡｇ、Ｃｕを主成分とし、活性金属を含んだメタライズを施した後、保持金具２の内側にセラミックヒータ１を挿入し、隙間にロウ材を流し込み、冷却時のセラミックヒータ１の磁器部と保持金具２の熱膨張差により、保持金具２の内周面全体で磁器部を把持する構造としていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、車載暖房装置の小型化及び着火スピードを上げることが望まれており、それに伴い、セラミックヒータの小型化と消費電力のアップが必要となってきている。
ところが、セラミックヒータの小型、高電力化により、電極部が高温になることによって、前記図７に示した保持構造を用いたセラミックヒータでは、長期の使用に際してその保持に大きな問題があることが判明した。即ち、電極金具３が高温になることにより、この部分に形成されたロウ材、あるいはロウ付け前にセラミックヒータ１の表面に施すメタライズが酸化し、電極金具３部分の抵抗値が上がり、点火できなくなったり、または着火検出出来なくなったりしてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、高出力で小型のセラミックヒータを長期に渡って使用した場合でも、電極金具が高温にならないようにし、これにより抵抗変化が小さく、安定した点火あるいは着火検知が可能となるセラミックヒータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が鋭意検討した結果、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するためのリード部を埋設してなるセラミック体と、これを保持するための保持金具と、前記リード部に接続された電極金具とを有し、前記セラミック体の全長が５０ｍｍ以下で、前記保持金具が前記セラミック体をロウ材を介して把持しているとともに、前記保持金具の内側に形成された段差により前記保持金具と前記セラミック体の発熱抵抗体側との間に、長さが３ｍｍ以上、幅が１ｍｍ以上である隙間が形成されているセラミックヒータであって、前記発熱抵抗体に通電して発熱部を１１００〜１３００℃にしたときの保持金具の温度が５５０℃未満であり、かつ電極金具の温度が３５０℃未満とすることにより、上記課題を解決できることを見出した。
【００１１】
また、保持金具の後端に放熱部を設けることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明において、セラミックヒータの外表面と金属製の保持金具との間に隙間を設けることにより、セラミックヒータの温度が下がった部分で、該セラミックヒータと保持金具とを接触させるようにできるので、保持金具の温度を下げることが可能となり、これによりさらに電極金具の温度を下げることが可能となる。また、電極金具側の保持金具に放熱部を形成することにより、保持金具の温度をさらに低下させ、その結果としてさらに電極金具の温度を下げることができる。これにより、長期の使用に際して電極金具部の抵抗値が変化せず、安定した点火および着火検出性能が維持出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において、実施形態に基づいて詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本発明のセラミックヒータの断面図である。図１のセラミックヒータは、車載用暖房装置に使用される点火または着火検出に使用されている。燃焼筒１５の一端に設けられた支持部材１４に、セラミック体１に備えた保持金具２が固定用金具５とネジ６により固定されている。また、セラミック体１は、内部に不図示の発熱抵抗体が設けられており、不図示の取出電極の露出部に電極金具３が発熱抵抗体とは逆の端部付近に設置してあり、さらにセラミック体１の全長方向中央部に保持金具２が設置してある。そして、電極金具３に通電することによりセラミック体１が発熱するようになっている。
【００１６】
また、前記保持金具２の内側には段差が形成されており、該保持金具２がセラミック体１をロウ材により接合もしくは把持しているとともに、前記段差により保持金具２とセラミック体１との間に形成される隙間４が、セラミック体１の発熱抵抗体側に形成されている。この隙間４により、セラミック体１の温度の低い部分で保持金具２がセラミック体１を把持するようになるので、その分保持金具２の温度を下げることができる。また、前記隙間４の上に被さる保持金具２は、その内側のセラミック体１の温度を下げる効果もある。これらの結果として電極金具３の温度が低下し、使用中の熱サイクルに対する電極金具３のロウ付け部の耐久性を向上させることができる。
【００１７】
これによって、発熱抵抗体に通電して発熱部を１１００〜１３００℃にしたときでも、保持金具２の温度を５５０℃未満、電極金具３の温度を３５０℃未満とすることができる。
【００１８】
図２、３は本発明の他の実施形態を示すセラミックヒータの断面図である。前記保持金具２に放熱部２ａを設けることによって電極金具３への熱伝達をさらに押さえている。なお、図２、３に示すように固定用金具５と放熱部２ａとの間に隙間をあけることにより、さらに保持金具２を効果的に冷却することができる。
【００１９】
図４および図５は、本発明のさらに他の実施形態を示すセラミックヒータの断面図である。図４に示したセラミックヒータは、電極金具３を碍子１１で覆いその中にＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2等を主成分とする無機接着剤１２を充填した構造とすることにより、電極金具３部分の熱容量を大きくして電極金具３の温度上昇を抑制する。また、電極金具３の周囲を絶縁体で覆うことにより暖房機との絶縁性を向上させる効果もある。
【００２０】
図５に示したセラミックヒータは、セラミック体１と保持金具２との間の隙間４とロウ付け部の間にさらに大きな空間を設けている。この空間により、ロウ材が隙間４に流入して隙間４を小さくしてしまうことを防止することができる。
【００２１】
以上の実施形態において、隙間４は長さが３ｍｍ以上であり、隙間４のギャップは１ｍｍ以上とすることが望ましい。これは、セラミックヒータ１を保持金具２で把持する部分が発熱抵抗体８から遠くなれば遠くなるほど、保持金具２が接するセラミックヒータ１の温度が低くなるから受ける熱は小さくなるためである。
【００２２】
ここで、図６を用いて本発明のセラミックヒータの製法について説明する。この図は、２層の発熱抵抗体８を有するセラミックヒータの例である。まず、セラミック生成形体７の上に発熱抵抗体８と取出電極１０をプリント法により形成する。その後、タングステンピンからなるリード部９を前記発熱抵抗体８、取出電極１０が導通するように設置し、このようにして準備したセラミック生成形体７を２層と、これらの蓋となるセラミック生成形体７を重ねて密着させ、ホットプレスにより焼成した後、焼結体を円柱状に加工し、表面に露出した取出電極１０に電極金具３をロウ付けしてセラミックヒータを得る。その後、セラミックヒータの外周に、内径に段差を持つ保持金具２を発熱抵抗体８側が大径部となるようにロウ付けする。
【００２３】
また、セラミックヒータのセラミック基材の材質は、窒化珪素、炭化珪素等の材質を用いることが可能であるが、中でも、窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性、耐熱性の観点で一番優れている。
窒化珪素質焼結体としては、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤として３〜１２重量％の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ2Ｏ3、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ2量として１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ2を混合し、１６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成することにより、焼結体を得ることができる。ここで示すＳｉＯ2量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ2と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉＯ2と、意図的に添加したＳｉＯ2の総和である。
【００２４】
炭化珪素質焼結体としては、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤として硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）を含有した焼結体や、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）とイットリア（Ｙ2Ｏ3）を含有し１９００〜２２００℃で焼成した焼結体を用いることができ、また、炭化珪素はα型を主体とするもの、あるいはβ型を主体とするもののいずれであっても構わない。
【００２５】
発熱抵抗体８の材質は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ金属およびこれらの金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ化物を主成分としたものを使用することが可能である。また、タングステンピン９については、耐熱性のある材質であれば他の材質を用いることも可能であるが、特にセラミック基材が窒化珪素の場合、Ｗの炭化物もしくは珪化物を用いることが望ましい。
また、保持金具２の材質としては、ステンレス鋼、耐熱鋼、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、インコネル等の耐熱性に優れたものが好適である。
保持金具２および電極金具３を固定するためのロウ材としては、Ａｇ−Ｃｕを主成分とする活性金属ロウもしくは、これにさらにガラスを含有させたものを使用することが好ましい。特に、電極金具３の固定に関しては、取出電極１０との接合の信頼性を高めるため、７重量％以上の活性金属を有するものとすることが好ましい。活性金属としては、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｖ等の金属を７〜１５重量％含有させることが好ましい。また、活性金属の添加量を１〜７重量％とする場合は、ガラス等を添加して、これによりセラミック体１との接合力を向上させることが好ましい。
【００２６】
特に５００℃程度の高温に繰り返し加熱される保持金具２の固定に際しては、活性金属を用いずにロウ付けし、ロウ付け後の冷却時の保持金具２とロウ材の収縮による把持力を利用して固定しても構わない。
【００２７】
また、保持金具２を電極金具３のひとつと共用する場合は、保持金具２を固定するためのロウ材が取出電極１０に与える影響を小さくするように、保持金具２を固定するために使用するロウ材の中の活性金属の添加量を５重量％以下となるようにし、保持強度を補うためガラス成分の量を増やしてやればよい。このようにして、保持金具２の温度が５００℃程度まで上がっても、取出電極１０付近で発生する抵抗変化を小さくすることができる。
【００２８】
【実施例】
ここでは、本発明の実施例について説明する。
【００２９】
実施例１
まず、セラミックヒータの製法について図６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７を得る。セラミック生成形体７の上にＷＣを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体８と取出電極１０をプリント法により形成する。その後、タングステンピンからなるリード部９を前記発熱抵抗体８と取出電極１０が導通するように設置し、前記セラミック生成形体７を２層とこれらの蓋となるセラミック生成形体７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焼結体を円柱状に加工し、表面に露出した取出電極１０に電極金具３をロウ付けしてセラミックヒータを得る。その後、セラミックヒータの外周に保持金具２をロウ付けする。
【００３０】
以上のように、セラミック体１の外径を４．２ｍｍ、全長を４０ｍｍとしたセラミックヒータを作製し、これに図１〜４に示すような内径に段差のある保持金具２をロウ付けした。
【００３１】
そして、セラミックヒータに通電し、１２００℃昇温保持３分後、保持金具２と電極金具３の温度を熱電対により調べた。なお、この評価はセラミックヒータ１単体について実施し、熱電対の測定点は保持金具２および電極金具３の全長方向中央で測定した。また、比較例として図７に示した従来のセラミックヒータを同時に評価した。これらの結果を表１に示した。
【００３２】
【表１】
0004683774.tif 000002
【００３３】
表１に示すように、比較例は、保持金具２の温度が６２０℃、電極金具３の温度が３８０℃になったのに対し、本発明のセラミックヒータであるテスト番号１〜４は保持金具２の温度が５０５〜５４１℃、電極金具３の温度が３１５〜３４２℃と低くなっており、有効性が確認できた。
【００３４】
実施例２
実施例１に記載の方法でセラミックヒータ１を形成し、内径に段差のある図１に示す形状の保持金具２をロウ付けした。段差があることにより生ずる隙間４について、長さを１〜５ｍｍ、ギャップを０．５〜２ｍｍまで変化させて作製し、実施例１と同様にセラミックヒータの最高温度部が１２００℃となるように電圧を３分印加し、保持金具２と電極金具３の温度を測定した。結果を表２および３に示した。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
【表３】
0004683774.tif 000004
【００３７】
表２から判るように、セラミックヒータ１と保持金具２間に生ずる隙間の長さを１ｍｍとしたＮｏ．１は保持金具２の温度が５８２℃、電極金具３の温度が３６８℃と高めであったが、３ｍｍ以上としたＮｏ．２、３は保持金具２の温度が５５０℃以下、電極金具３の温度が３５０℃以下となり冷却できていることが判った。
【００３８】
また、表３から判るように、隙間４の幅を０．５ｍｍとしたＮｏ．１は保持金具２の温度が５７０℃、電極金具３の温度が３６２℃であるのに対し、隙間４の幅を１ｍｍ以上にすることでロウ材が隙間４に入ることなく、保持金具２の温度が５４０℃以下、電極金具３の温度が３４０℃以下と低くなっており有効性が確認できた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、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するためのリード部を埋設してなるセラミック体と、これを保持するための保持金具と、前記リード部に接続された電極金具とを有し、前記セラミック体の全長が５０ｍｍ以下で、前記保持金具が前記セラミック体をロウ材を介して把持しているとともに、前記保持金具の内側に形成された段差により前記保持金具と前記セラミック体の発熱抵抗体側との間に、長さが３ｍｍ以上、幅が１ｍｍ以上である隙間が形成されているセラミックヒータであって、前記発熱抵抗体に通電して発熱部を１１００〜１３００℃にしたときの保持金具の温度が５５０℃未満であり、かつ電極金具の温度が３５０℃未満とすることにより、セラミックヒータの長期の使用に際して、抵抗変化が小さく安定した点火および着火検知が可能となる。
【００４０】
また、保持金具および電極金具の温度を下げるためには、保持金具に放熱部を設けることが有効であることを見出した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すセラミックヒータの断面図である。
【図２】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータの断面図である。
【図３】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータの断面図である。
【図４】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータの断面図である。
【図５】本発明の実施形態を示す他のセラミックヒータの断面図である。
【図６】本発明のセラミックヒータの層構成図である。
【図７】従来のセラミックヒータの断面図である。
【図８】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：保持金具
２ａ：放熱部
３：電極金具
４：隙間
５：固定用金具
６：ネジ
７：セラミック生成形体
８：発熱抵抗体
９：リード部
１０：取出電極
１１：碍子
１２：無機接着剤
１３：点火栓
１４：支持部材
１５：燃焼筒
１６：温度検知サーミスタ
１７：蒸発媒体
１８：発熱部
１９：空気供給ブロア
２０：コントローラ
２１：熱交換部
【図１】
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【図２】
0004683774.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004683774.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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