(57)【要約】      （修正有）【課題】冷熱サイクルがかかった場合でも、セラミックヒータの先端が後退変位せず、点火位置または火炎検知位置が変位しない堅牢な構造を提供する。【解決手段】  セラミック体８及び保持金具２を固定用金具５に固定する押さえつけ手段６を備えたセラミックヒータ１であって、セラミックヒータユニットには、前記保持金具の外径と比較して、中心軸からの距離の小さい段付き面４が形成され、前記段付き面を前記押さえつけ手段により押さえて固定することで、前記セラミックヒータが後退変位するのを防止した。【選択図】図１
2007085725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に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とを埋設してなるセラミック体と、該セラミック体の外周に固着された保持金具と、を備えたセラミックヒータユニットと、
該セラミックヒータユニットが挿入され、かつ、前記保持金具をあてて位置決めするための段部を備えている固定用金具と、
前記セラミックヒータユニットを前記固定用金具に固定する押さえつけ手段と、
を備えたセラミックヒータであって、
前記セラミックヒータユニットには、前記保持金具の外径と比較して、中心軸からの距離の小さい段付き面が形成され、前記段付き面を前記押さえつけ手段により押さえて固定することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記段付き面が平坦であ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】
前記段付き面が前記セラミックヒータと同心のリング状曲面の形状であり、前記段付き面の曲面形状にマッチングした形状の金属製プレートを介して前記押さえつけ手段により固定されてい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４】
前記段付き面が、前記保持金具に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
内部に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とを埋設してなり、かつ、軸の径の大きい第１の領域と軸の径の小さい第２の領域が形成されているセラミック体と、該セラミック体の第２の領域上に固着された保持金具と、を備えたセラミックヒータユニットと、
該セラミックヒータユニットが挿入され、また、前記保持金具をあてて位置決めするための段部を備えている固定用金具と、
前記保持金具を前記固定用金具に固定する押さえつけ手段と、
を備えたセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼式車載暖房器の点火または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。
【背景技術】
【０００２】
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９に示す（例えば、特許文献１参照）。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１２の周囲に供給される。支持部材１３は燃焼筒１４に固定されており、その中央には燃焼温度検知サーミスタ１５が設置されており、上部には点火栓１２を挿通させる孔が設けられている。
【０００４】
更に支持部材１３には液体燃料を保持する蒸発媒体１６が嵌着されている。
【０００５】
燃料の点火は、電流により熱を発生する金属製の発熱抵抗体を円筒形のステンレスで被覆された発熱部１７を有する点火栓１２により行われる。すなわち、点火栓１２の抵抗体に一定時間通電することにより発熱部が高温に赤熱される。その後、燃料ポンプから点火栓１２の周りに液体燃料が供給され蒸発媒体１６に浸透される。同時に空気供給ブロア１８から空気が送られ燃焼用空気が送り込まれる。そして、点火栓１２の周りに浸透した燃料が蒸発して赤熱した発熱部で点火される。
【０００６】
点火栓１２で発生した炎は蒸発媒体１６の全面を覆うようになる。この火炎により蒸発媒体１６の表面から燃料蒸発量が増大し燃焼量が増大するがその燃焼量に見合うように供給燃料および燃焼用空気量が増やされる。
【０００７】
定常燃焼状態でコントローラー１９は車両からの操作信号および燃焼温度検知サーミスタ１５の信号により、燃料ポンプ、空気供給ブロア１８の動作を制御する。
【０００８】
燃焼筒１４内の燃焼室で発生したガスは熱交換部２０で冷却水を加熱する。
【０００９】
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が車両室内に送られ車内の暖房が行われる。
【００１０】
また、上記点火栓１２の代わりにセラミックヒータを用いることも行われている。
【００１１】
図７に、従来の車載用暖房装置の点火栓として使用されているセラミックヒータ１の層構成図を示すように、発熱抵抗体９を内蔵し、Ｎｉからなるリード線３をロウ付けしてセラミックヒータ１を構成している。そして図８に示すように、前記セラミックヒータ１の外表面に保持金具２をロウ付けし、燃焼筒１４に固定した固定用金具５に挿入して保持金具２をネジ６により固定する。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５ａが形成されており、該段部５ａ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る。このようにしてガス流中の最適位置で燃焼ガスが点火されるようなシステムが組まれている。また、保持金具２のロウ付けは、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で磁器部を把持する構造としていた。
【特許文献１】特開平１１−１７３５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、電力のアップが必要となってきている。
【００１３】
ところが、セラミックヒータの小型、高電力化により、ロウ付け部が高温になることによって、前記図８に示す保持構造を用いたセラミックヒータ１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、保持金具２にセラミックヒータ１を把持する構造においては、冷熱サイクルがかかった場合、まず、高温になった時、保持金具２が熱膨張し発熱部側へ伸びる。次に、冷却された時、その位置で金具２がセラミックヒータ１を捕まえてしまった後セラミックヒータ１より大きく収縮するので、セラミックヒータ１はリード側へ、あたかも「しゃくとり虫」の如き状態で後退してしまうことになる。また、ネジ締め部についても、冷熱サイクルにより上記のような理由でネジ６の締め付けが緩くなってしまい、冷熱サイクルの繰り返しにより、セラミックヒータ１の先端部が初期に設定された位置から後退変位して点火できなくなったり、または火炎検知できなくなってしまうという問題があった。
【００１４】
なお、セラミックヒータ１が上向きに取り付けられている場合においては、セラミックヒータの自重が下向きに働くために、セラミックヒータ１先端の後退変位量はさらに大きくなってしまう。
【００１５】
上記従来の手法では、曲面部分でネジ締めしていたため、冷熱サイクルの繰り返しによる緩みの問題がより発生しやすい状況であったと考えられる。
【００１６】
本発明の目的は、冷熱サイクルがかかった場合でも、セラミックヒータ１の先端が後退変位せず、点火位置または火炎検知位置が変位しない堅牢な構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者等が検討した結果、内部に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とを埋設してなるセラミック体と、該セラミック体の外周に固着された保持金具と、を備えたセラミックヒータユニットと、該セラミックヒータユニットが挿入され、かつ、前記保持金具をあてて位置決めするための段部を備えている固定用金具と、前記セラミックヒータユニットを前記固定用金具に固定する押さえつけ手段と、を備えたセラミックヒータであって、前記セラミックヒータユニットには、前記保持金具の外径と比較して、中心軸からの距離の小さい段付き面が形成され、前記段付き面を前記押さえつけ手段により押さえて固定することにより、上記課題を解決できることを見出した。
【００１８】
また、前記段付き面が平坦であることが好ましい。また、前記段付き面が前記セラミックヒータと同心のリング状曲面の形状であり、前記段付き面の曲面形状にマッチングした形状の金属製プレートを介して前記押さえつけ手段により固定されていることが好ましい。更に、前記段付き面が、前記保持金具に形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、内部に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とを埋設してなり、かつ、軸の径の大きい第１の領域と軸の径の小さい第２の領域が形成されているセラミック体と、該セラミック体の第２の領域上に固着された保持金具と、を備えたセラミックヒータユニットと、該セラミックヒータユニットが挿入され、また、前記保持金具をあてて位置決めするための段部を備えている固定用金具と、前記保持金具を前記固定用金具に固定する押さえつけ手段と、を備えることで上記課題を解決できることを見出した。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、前記セラミックヒータユニットには、前記保持金具の外径と比較して、中心軸からの距離の小さい段付き面が形成され、前記段付き面を前記押さえつけ手段により押さえて固定することにより、冷熱サイクルがかかった場合でもセラミックヒータの先端が後退変位せず、点火位置または火炎検知位置が変化しない堅牢な構造の車載暖房用セラミックヒータを提供することができる。
【００２１】
また、前記段付き面が平坦であるときには、セラミックヒータの回転を防止することができる。また、前記段付き面が前記セラミックヒータと同心のリング状曲面の形状であり、前記段付き面の曲面形状にマッチングした形状の金属製プレートを介して前記押さえつけ手段により固定されているときには、ネジ等による締めつけ応力の緩和を図ったときには、セラミックヒータのクラックの発生を防止できる。さらに、前記段付き面が、前記保持金具に形成されているときには、前記押さえつけ手段とセラミックヒータとの間に金属である保持金具が存在することで、応力の緩和を図ることが出来る。
【００２２】
また、内部に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とを埋設してなり、かつ、軸の径の大きい第１の領域と軸の径の小さい第２の領域が形成されているセラミック体と、該セラミック体の第２の領域上に固着された保持金具と、を備えたセラミックヒータユニットと、該セラミックヒータユニットが挿入され、また、前記保持金具をあてて位置決めするための段部を備えている固定用金具と、前記保持金具を前記固定用金具に固定する押さえつけ手段と、を備えることで、別途金属プレートを用いることなく、保持金具によって、ネジ等による締めつけ応力の緩和を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施形態を、図１〜６を用いて詳しく説明する。
【００２４】
図１は、本発明のセラミックヒータ１を車載暖房機に取り付けた状態を示す断面図である。このセラミックヒータ１は車載用暖房装置に使用される点火または火炎検知に使用されている。
【００２５】
セラミックヒータ１は、その一部に形成された段付き面４を、押さえつけ手段の一つであるネジ６により押さえつけて燃焼筒１４に設置された固定金具５に固定されている。このようにセラミックヒータ１自体に段付き面４を形成し、ここを押さえて固定することにより、セラミックヒータ１が使用中の温度サイクルにより移動することを防止することができる。そして、セラミックヒータ１は、リード線３に通電することにより発熱し、燃焼筒１４内に供給された燃料を点火する。この点火に関しては最適位置があり、上記固定構造とすることでこの最適位置のずれを防止できる。
【００２６】
図２にセラミックヒータ１の要部拡大図を示すように、セラミックヒータ１には、保持金具２がロウ付けされており保持金具２からセラミックヒータ１まで達するように研削することにより段付き面４を形成し、固定金具５にネジ６により固定している。
【００２７】
また、他の実施形態を図３に示すように、前記ネジ６の先端とセラミックヒータ１に設けた段付き面４の間に金属製プレート７を介して、段付き面４を押さえることによって、セラミックヒータ１を傷つけることなく強固に固定することができる。
【００２８】
この段付き面４の寸法としては、セラミックヒータ１の径方向の幅が１．５〜３ｍｍ程度、全長方向の寸法がネジ６外径＋０．５〜１．０ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００２９】
図４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１の断面図である。前記の平坦な段付き面４の代わりに、例えばセラミックヒータ１の中心と同芯のリング状曲面の段付き面４’を形成して、該段付き面４’にその曲面にマッチングした金属製リングプレート７を敷いて、ネジ６で押さえることによって、セラミックヒータ１のズレを防止するとともにネジ６先端の応力を緩和させ、セラミック部分にクラックが発生することを防止する構造としてある。
【００３０】
図５および図６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５は、セラミックヒータ１の外周に保持金具２がロウ付け等の手法で固着されていて、保持金具２のリード側端面のセラミック外周に設けた段付き面４を押さえてセラミックヒータ１のズレを防止する構造となっている。また図６は、保持金具２を固定する部分のセラミックヒータ１の外径を発熱部側より細く研削して曲面形状の段付き面４’を形成し、この段付き面４’に金属プレートの代わりに保持金具２を介してネジ６により固定する構造とした例である。
【００３１】
また、段付き面４、４’の形成にあたり、その角部の曲率半径を０．０５ｍｍ以上とすることが好ましい。この曲率半径が０．０５ｍｍ未満であると、急加熱による熱衝撃や車の振動等で前記角部にクラックが発生する場合がある。
【００３２】
また、セラミックヒータ１の冷始動時の突入電力は、７０Ｗ以上とすることが好ましい。これは、該突入電力が７０Ｗ未満であれば、燃料を安定して点火させることができなくなってしまうからである。単に温度を上げるだけであれば、セラミックヒータ１の径を細くし熱容量を小さくすれば良いが、供給される空気流の影響を加味するとセラミックヒータ１についてもある程度の熱容量が必要であり、点火温度まで早急に加熱するためには７０Ｗ以上の突入電力とすることが好ましい。
【００３３】
次に、セラミックヒータ１の製法について図７を用いて説明する。まず、セラミック生成形体８の上に発熱抵抗体９と取出電極１１をプリント法により形成する。その後、タングステン（Ｗ）ピンからなるリード部１０を前記発熱抵抗体９、取出電極１１と接続するように設置し、前記セラミック生成形体８とこれらの蓋となるセラミック生成形体８’を重ねて密着させ、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１１にリード線３をロウ付けしてセラミックヒータ１を得る。
【００３４】
また、図７では、発熱抵抗体９を１層形成した例を示しているが、昇温特性を改善するために発熱抵抗体９を複数の層形成したセラミックヒータ１としても構わない。
【００３５】
その後、セラミックヒータ１の外周に保持金具２をロウ付けし、保持金具２の一部に研削等の手法で段付き面４を形成する。
【００３６】
上記実施形態において、セラミックヒータ１の段付き面４を押さえる押さえつけ手段としてネジ６を使用した場合を示したが、ネジ６の代わりにリベット、キー止め、金具の加締め等により段付き面４を押さえつけて固定することもできる。また、セラミックヒータ１の形状は円柱状のものに限らず他のさまざまな形状のものを用いることができる。
【００３７】
さらに、セラミックヒータ１の固定方法を詳細に説明する。図１に示すように、セラミックヒータ１は、固定用金具５の段付き部５ａに保持金具２の先端を合わせ、セラミックヒータ１に形成された段付き面４とネジ６の位置を合わせた後ネジ６を締めこむことによりセラミックヒータ１を固定用金具５に固定されている。そして、燃焼筒１４に供給される燃料を、支持部材１３に形成された多孔質の蒸発媒体で気化させ、この気化した燃料をセラミックヒータ１の発熱により点火する。さらに、点火後は、昇温による発熱抵抗体９の抵抗値の変化を検出することで火炎検知を行うことができる。
【００３８】
セラミックヒータ１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。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。
【００３９】
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量が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。
【００４０】
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。
【００４１】
発熱抵抗体９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、リード部１０については、タングステン以外でも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を用いるのが望ましい。
【００４２】
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。固定用金具５及びネジ６については、耐熱性と剛性のある材料であれば特に限定する要素はない。
【実施例】
【００４３】
本発明の有効性を確認するために、テスト品を作って、下記の冷熱サイクルを負荷し、従来の構造のものと比較した。
【００４４】
実施例  １  
ここでは、車載暖房用セラミックヒータ１の固定用の段付き面４の形状とその固定の信頼性の関係を調査した。まず、セラミックヒータ１の製法について図７を用いて説明する。窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末に酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等の希土類元素酸化物やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）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形法等で成形し、セラミック生成形体８を得た。そして、セラミック生成形体８の上にＷＣを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体９と取出電極１１をプリント法により形成した。その後、リード部１０としてタングステンピンを前記発熱抵抗体９と取出電極１１が導通するように設置し、前記セラミック生成形体８を２層とこれらの蓋となるセラミック生成形体８’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、焼結体を外径３．４ｍｍ、全長２０ｍｍの円柱状に加工し、表面に露出した取出電極１１にＮｉリード線３をロウ付けしてセラミックヒータ１を得た。
【００４５】
その後、セラミックヒータ１の外周に保持金具２をロウ付けし、保持金具２の一部に研削等の手法で図１、３〜６に示すような段付き面４、４’を形成した。そして、固定用金具５の段付部５ａに保持金具２の先端を合わせ段付き面４、４’とネジ６の位置を合わせた後、ネジ６を締め込むことによりセラミックヒータ１を保持金具２に固定した。
【００４６】
また、比較例として、段付き面４を形成しない従来のサンプルを作製した。
【００４７】
そして、冷熱サイクルによるセラミックヒータ１のズレの有無について評価を実施した。まず、セラミックヒータ１に通電し１１００℃に昇温させ保持５分後通電停止し、その後、強制エア冷却２分の工程を１サイクルとしてこれを５００回繰り返し、冷却取り外し後、セラミックヒータの先端から保持金具の端面までの長さを測定することによりズレの有無を調べた。ズレの大きさについては、０．５ｍｍ以上のズレが認められたものを不良と判断した。
【００４８】
これらの結果を表１に示した。
【表１】
2007085725.tif 000003
【００４９】
表１から判るように、従来例はテストした１００個中３５個のズレが発生した。これに対し、本発明の実施例である図１、３、４、５、６に示した構造のＮｏ．１〜５はズレは発生しておらず、有効性が確認できた。
【００５０】
実施例  ２  
実施例１と同様の方法で、セラミックヒータ１を形成し、段付き面４の形成に際し、研削時の角部の曲率半径を０．０１〜０．５ｍｍまで変化させて作製し、実施例１と同様の方法でセラミックヒータを固定用金具に固定して、セラミックヒータの最高温度部が１１００℃となる電圧を５分印加し、その後、強制エア冷却２分を１サイクルとしてこの熱サイクルを１０００回繰り返し、角部のクラックの有無を調べた。結果を表２に示した。
【表２】
2007085725.tif 000004
【００５１】
表２に示したように、研削時の角部４ａの局率半径を０．０１ｍｍにしたＮｏ．１は５０個中１２個にクラックが発生したが、角部のＲを０．０５ｍｍ以上にしたＮｏ．２〜６は、クラックが発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の車載暖房用セラミックヒータの実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す車載暖房用セラミックヒータのイ方向の矢視図である。
【図３】本発明の車載暖房用セラミックヒータの他の実施形態を示す横断面図である。
【図４】本発明の車載暖房用セラミックヒータの他の実施形態を示す要部拡大図である。
【図５】本発明の車載暖房用セラミックヒータの他の実施形態を示す要部拡大図である。
【図６】本発明の車載暖房用セラミックヒータの他の実施形態を示す要部拡大図である。
【図７】本発明のセラミックヒータの層構成図である。
【図８】従来の車載暖房用セラミックヒータを示す断面図である。
【図９】従来の車載暖房機を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：セラミックヒータ
２：保持金具
３：リード線
４、４’：段付き面
４ａ：角部
５：固定用金具
５ａ：段付き部
６：ネジ
７：金属プレート
８：セラミック生成形体
９：発熱抵抗体パターン
１０：タングステンピン
１１：取出電極
１２：点火栓
１３：支持部材
１４：燃焼筒
１５：温度検知サーミスタ
１６：蒸発媒体
１７：発熱部
１８：空気供給ブロア
１９：コントローラー
２０：熱交換部フォーム
【図１】
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【図２】
2007085725.tif 000006
【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】
2007085725.tif 000011
【図８】
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【図９】
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