JP4048655B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、燃焼式ヒータの着火源やディーゼルエンジンのグロープラグ等に用いられるセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のセラミックヒータとしては、例えば、ディーゼルエンジンの冷却水（温水）を加熱する燃焼式ヒータの着火源として用いられるものがある。このものは、一般に、通電によって発熱する発熱部を一端側に有し、この発熱部から他端側に延設された通電用のリード部を有するセラミック発熱体と、一端よりセラミック発熱体の一端側が露出し、他端よりセラミック発熱体の他端側が露出するように、セラミック発熱体を被覆する金属製のハウジングとを備えている。そして、このセラミックヒータの燃焼式ヒータへの取付は、燃焼室内に発熱部を露出させるように、ハウジングを燃焼式ヒータの適所へ固定することで行われる。
【０００３】
ここで、セラミック発熱体のリード部の一部（例えば、リード部における発熱部との接続側と反対側の端部）は、ハウジングの他端側に直接ろう付け等にて電気的に接続されたり、ハウジングの他端側に直接ろう付け等にて接合された取り出し部材に、直接電気的に接続されており、それによって、リード部と外部との電流の流通が可能となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のリード部の接続構成では、燃焼室内の熱や発熱部の自己発熱による熱が、ハウジングを介してリード部に直接伝達される。そのため、リード部が熱を受け、熱応力によってろう材が劣化するなどして、リード部がハウジングからはがれるという問題が発生する。また、ハウジングの他端側に直接ろう付け等にて接合された取り出し部材においても、同様にはがれの問題が生じる。
【０００５】
このような問題に対して、従来より、金属製リング状の電極取り出し部材にセラミック発熱体の他端側が挿入されるように、該電極取り出し部材をセラミック発熱体にはめ込み、この電極取り出し部材にリード部を接続させるとともに、該電極取り出し部材をハウジングから離し、ハウジングと接触させない構成としたものがある。この構成によれば、ハウジングからの熱をリード部に直接伝達させないことができる。
【０００６】
しかし、この電極取り出し部材を用いた構成では、該電極取り出し部材とハウジングとが非接触であるため、該電極取り出し部材がリード部との接続部位に位置するように、該電極取り出し部材をセラミック発熱体へ取り付けることが困難であった。即ち、電極取り出し部材とセラミック発熱体との位置決めが困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、通電用のリード部を有するセラミック発熱体をハウジングで被覆してなるセラミックヒータにおいて、該リード部に接続するためのリング状の電極取り出し部材をセラミック発熱体へ取り付ける際の位置決めを容易としつつ、該電極取り出し部材とハウジングとを直接接触させることのない構成を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、一端側に設けられた発熱部（２２）から他端側に向かって通電用のリード部（２３、２４）が延設されてなるセラミック発熱体（２０）と、このセラミック発熱体の他端側に設けられ該リード部の一部に電気的に接続されたリング状の電極取り出し部材（３０）と、両端より該セラミック発熱体の両端部が露出するように該セラミック発熱体を被覆するハウジング（１０）とを備えるセラミックヒータであって、該電極取り出し部材と該ハウジングとの間に、該ハウジングよりも熱伝導率が小さいスペーサ部材（６０）を、該電極取り出し部材及び該ハウジングに当接するように介在させたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、ハウジングよりも熱伝導率が小さいスペーサ部材を電極取り出し部材とハウジングとの間に介在させているため、ハウジングからの熱が直接電極取り出し部材に伝達されることなく、また、スペーサ部材はハウジングよりも熱伝導率が小さいため、ハウジングから電極取り出し部材への熱伝導が抑制される。
【００１０】
さらに、スペーサ部材を、電極取り出し部材及びハウジングに当接させているから、ハウジングに当接しているスペーサ部材に当接するまで電極取り出し部材をセラミック発熱体にはめ込めば、電極取り出し部材を所望の位置に配することができる。従って、本発明によれば、電極取り出し部材をセラミック発熱体へ取り付ける際の位置決めを容易としつつ、該電極取り出し部材とハウジングとを直接接触させることのない構成を実現することができる。
【００１１】
ここで、請求項２の発明のように、スペーサ部材（６０）を、セラミック発熱体（２０）の他端側が挿入可能なリング形状とすれば、該スペーサ部材をセラミック発熱体の他端側からはめ込むだけで、簡単に、スペーサ部材をセラミック発熱体に装着することができる。さらに、このようなリング状のスペーサ部材（６０）において、請求項３の発明のように、径方向の断面を略円形とすれば、スペーサ部材とセラミック発熱体及びハウジングとの接触面積を小さくすることができ、ハウジングからスペーサ部材及びセラミック発熱体への伝熱量をさらに低減できる。
【００１２】
また、請求項４の発明では、ハウジング（１０）に、その他端側の端面に開口する空間部１０ｃを形成し、スペーサ部材（６０）を、該空間部の開口部を覆うように該ハウジングに当接させたことを特徴としている。それによって、ハウジングにおけるスペーサ部材との当接部分に形成された空間部の分だけ、スペーサ部材とハウジングとの当接面積を減らして小さくすることができるため、ハウジングからスペーサ部材への伝熱量を小さくすることができる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態は、寒冷地等においてディーゼル車のエンジン冷却水（温水）を加熱する燃焼式ヒータの着火源に用いられるセラミックヒータに本発明を具体化したものとして説明する。図１は本実施形態に係るセラミックヒータ１００の全体構成を示す概略断面図である。
【００１５】
セラミックヒータ１００は、切削加工等により形成された略筒状をなす耐熱性金属製（例えばステンレス製）のハウジング１０を有している。このハウジング１０の外周面には、セラミックヒータ１００を燃焼式ヒータの適所に固定するための雄ねじ部（取付部）１１及び六角部１２が形成されている。
【００１６】
また、ハウジング１０の内部に支持された棒状（本実施形態では円柱状）のセラミック発熱体２０は、ハウジング１０の一端１０ａよりセラミック発熱体２０の一端２０ａ側が露出し、ハウジング１０の他端１０ｂよりセラミック発熱体２０の他端２０ｂ側が露出するように、ハウジング１０により被覆されている。
【００１７】
セラミック発熱体２０は、その本体を区画形成する耐熱性及び絶縁性を有する耐熱性絶縁部２１と、この耐熱性絶縁部２１の内部に埋設された、導電性を有するＵ字状の発熱部２２及び発熱部２２の両端に接続された２本のリード線（本発明でいうリード部）２３、２４とから構成されている。発熱部２２は、セラミック発熱体２０の一端２０ａ側に配置され、２本のリード線２３、２４は、発熱部２２からセラミック発熱体２０の他端２０ｂ側に向かって直線状に延びている。各リード線２３、２４は、例えばタングステン等の導電性の線材よりなる。
【００１８】
ここで、セラミック発熱体２０の詳細構成を述べておく。セラミック発熱体２０の発熱部２２及び耐熱性絶縁部２１は、いずれも導電性セラミック粉末（本実施形態では、珪化モリブデンＭｏＳｉ2 粉末）と絶縁性セラミック粉末（本実施形態では、窒化珪素Ｓｉ3 Ｎ4 粉末）の混合物よりなり、且つ配合割合を同一にした焼結体により構成されている。但し、発熱部２２ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれよりも小さく、耐熱性絶縁部２１ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれと同じ若しくはそれよりも大きくしてある。即ち、各粉体の粒径を変更することにより発熱部２２と耐熱性絶縁部２１とを作り分けるようにしている。
【００１９】
上記構成を有するセラミック発熱体２０において、発熱部２２では、小径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）が大径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック粉末）を取り囲んで互いに連なっており、それにより発熱部２２に電流が流れ、発熱部２２が発熱される。一方、耐熱性絶縁部２１では、大径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）間に小径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック）が介在するため、両者は直列に並んだ状態となり発熱部２２に比べて抵抗が大きく絶縁層を形成する。
【００２０】
ここで、セラミック発熱体２０の製造方法としては、まず、ＭｏＳｉ2 粉末とＳｉ3 Ｎ4 粉末との混合物にバインダーを混練してペースト化し、発熱部２２及び耐熱性絶縁部２１を各々所望の形状に射出成形する。そして、発熱部２２にリード線２３、２４を接続したものを、耐熱性絶縁部２１で包み込むように配置して１７００〜１８００℃にてホットプレスした後、セラミック発熱体２０として円柱状に削り出す。さらに、セラミック発熱体２０の先端部において、耐熱性絶縁部２１を球状に切削加工する。これにより、発熱部２２はその全体が耐熱性絶縁部２１に埋設される。
【００２１】
このように製造されたセラミック発熱体２０においては、発熱部２２及びリード線２３、２４は、耐熱性絶縁部２１内に埋設されて強固に絶縁保持されている。そして、耐熱性絶縁部２１は、その外周面がハウジング１０の内周面に接合され、ハウジング１０に固定保持されている。ハウジング１０と耐熱性絶縁部２１との接合に用いる接合部材としては、ろう材（銀ろう、パラジウムろう、金ろう等）を用いることができる。
【００２２】
また、セラミック発熱体２０において発熱部２２に通電するための２本のリード線２３、２４は、それぞれ、ハウジング１０の他端１０ｂより露出するセラミック発熱体２０の他端２０ｂ側において、耐熱性絶縁部２１から一端が裸出している。ここで、一方のリード線２３は、他方のリード線２４よりもハウジング１０の他端１０ｂ寄りの部位に裸出している。
【００２３】
そして、耐熱性絶縁部２１のうち一方のリード線２３の一端が裸出する部位の外周には、金属製（例えばステンレス製）のリング（本発明でいう電極取り出し部材）３０が設けられ、耐熱性絶縁部２１のうち他方のリード線２４の一端が裸出する部位の外周には、金属製（例えばステンレス製）リング状のキャップ３１が設けられている。ここで、リング３０はセラミック発熱体２０（耐熱性絶縁部２１）に挿入されて配置され、キャップ３１はセラミック発熱体２０の他端２０ｂに被せられて配置されている。
【００２４】
そして、各リード線２３、２４は上記裸出部位において、それぞれリング３０、キャップ３１に銀ろう材等によって電気的に接続されている。また、セラミック発熱体２０（つまり耐熱性絶縁部２１）とリング３０及びキャップ３１とは銀ろう材等によってろう付けされている。
【００２５】
また、これらリング３０及びキャップ３１は、それぞれ導電性線材よりなる配線部材４０、４１と溶接やろう付け等によって電気的に接続されている。これら配線部材４０、４１は、図示しないが他の配線部材等を介して上記ディーゼル車のＥＣＵ等の外部回路に電気的に接続されるようになっている。また、５０はリング３０及びキャップ３１を被覆保護し、且つ、リング３０及びキャップ３１と配線部材４０、４１との接続部を被覆保護するためのチューブである。
【００２６】
さらに、本実施形態では、上記構成に加えて、リング３０とハウジング１０との間に、ハウジング１０よりも熱伝導率が小さいスペーサ（本発明でいうスペーサ部材）６０を介在させ、このスペーサ部材６０をリング３０及びハウジング１０に当接させた独自の構成としている。
【００２７】
本例では、スペーサ６０は、セラミック発熱体２０の他端２０ｂ側が挿入可能なリング形状で、その径方向断面が略矩形状となっている。また、ハウジング１０の他端１０ｂ即ち六角部１２の端面には、当該端面に開口する円環状の空間部１０ｃが形成されており、この空間部１０ｃによって、六角部１２の内周面とセラミック発熱体２０の外周面とが離間している。そして、スペーサ６０はセラミック発熱体２０に挿入され、空間部１０ｃの開口部を覆うように当該空間部１０ｃ内に収納されている。
【００２８】
このようなスペーサ６０の配置形態は次のようである。スペーサ６０の下端面の縁部が上記空間部１０ｃに形成された段部１０ｄに当接し、また、スペーサ６０の外周面が六角部１２の内周面と当接している。また、スペーサ６０の上端面はリング３０の下端面と当接している。即ち、スペーサ６０はリング３０及びハウジング１０に当接し、それによって支持されることで、両部材１０、３０の間に介在固定されている。よって、リング３０とハウジング１０とは直接接していない。
【００２９】
ここで、スペーサ６０は、アルミナ磁器、ガラス、石こう、陶器、れんが等のセラミックよりなり、焼結成形等にて作られる。また、金属製（例えばステンレス製）のリング３０及びハウジング１０は切削加工等にて作られる。本例では、スペーサ６０としてアルミナ磁器（熱伝導率は６ｋｃａｌ／ｍｈ℃）、リング３０及びハウジング１０としてＳＵＳ４３０（熱伝導率は７３．７ｋｃａｌ／ｍｈ℃）を採用している。なお、ハウジング１０が取り付けられる燃焼式ヒータの被取付部としては、例えばアルミニウム（熱伝導率は１７５ｋｃａｌ／ｍｈ℃）が用いられる。
【００３０】
次に、上記構成を有するセラミックヒータ１００の製造方法について、ろう材（銀ろう、パラジウムろう、金ろう等）を用いて各部材を接合する例を述べる。まず、発熱部２２がハウジング１０の一端１０ａから所定長さ露出するように、セラミック発熱体２０をハウジング１０に挿入し、治具等にて両者の位置を固定する。次に、ハウジング１０の空間部１０ｃにおける開口部から、ろう材を当該空間部１０ｃ内に配置する。
【００３１】
続いて、セラミック発熱体２０の他端２０ｂ側から、セラミック発熱体２０にスペーサ６０をはめ込んでいき、該空間部１０ｃ内にスペーサ６０を配置する。次に、セラミック発熱体２０の他端２０ｂ側から、スペーサ６０と当接するまでセラミック発熱体２０に対してリング３０をはめ込み、リング３０の上端面にろう材を配置する。さらに、セラミック発熱体２０の他端２０ｂにリング状のキャップ３１をはめ込み、当該他端２０ｂの端面にろう材を配置する。
【００３２】
この後、上記のようにろう材が各部に配置されたものを、熱処理する。すると、各部に配置されたろう材が、部材間の隙間に流れて当該隙間に行き渡る。そして、各部材間の隙間に行き渡ったろう材が固まることで、セラミック発熱体２０は、ハウジング１０、リング３０及びキャップ３１と接合される。このろう付け後、配線部材４０、４１のターミナルを、それぞれリング３０、キャップ３１に溶接する。
【００３３】
こうして、配線部材４０、４１とセラミック発熱体２０との電気的接合が為され、図１に示すセラミックヒータ１００が出来上がる。なお、セラミック発熱体２０とハウジング１０との接合は、耐熱性絶縁部２１の外周面にガラスコーティングを施したものをハウジング１０に挿入し、このガラスを溶融させることで行っても良い。
【００３４】
かかるセラミックヒータ１００においては、例えば、リング３０を介して一方のリード線２３と接続された配線部材４０をマイナス側、キャップ３１を介して他方のリード線２４と接続された配線部材４１をプラス側として、上記外部回路より電流を流す。すると、該電流が、配線部材４１、キャップ３１、リード線２４、発熱部２２、リード線２３、リング３０、配線部材４０の順に流れ、発熱部２２が通電され発熱するようになっている。
【００３５】
また、このセラミックヒータ１００は、上記燃焼式ヒータの被取付部（図示せず）に対して、燃焼室（図示せず）内に発熱部２２を露出させるように、ハウジング１０のねじ部１１を利用して取り付けられる。そして、上記の通電方法によって発熱部２２が通電により発熱することで、上記燃焼室内に存在する燃料（軽油）を燃焼させ、その燃焼熱によってディーゼル車のエンジン冷却水（温水）を加熱するようになっている。
【００３６】
ところで、本実施形態によれば、ハウジング１０よりも熱伝導率が小さいスペーサ６０をリング３０とハウジング１０との間に介在させているため、上記燃焼式ヒータの燃焼室内に発生する熱や発熱部２２の熱が、ハウジング１０から直接リング３０に伝達されることがない。また、スペーサ６０はハウジング１０よりも熱伝導率が小さいため、ハウジング１０からリング３０への熱伝導が抑制される。そのため、リング３０に接続された一方のリード線２３が熱応力によってリング３０から剥がれることを防止できる。
【００３７】
さらに、上述のように、スペーサ６０を、ハウジング１０に当接しているスペーサ６０に当接するまでセラミック発熱体２０にはめ込むことにより、リング３０を所望の位置である一方のリード線２３の上記裸出部位に位置させることができる。このように、本実施形態によれば、リング３０をセラミック発熱体２０へはめ込む際の両者の位置決めを容易としつつ、リング３０とハウジング１０とを直接接触させることのない構成を実現することができる。
【００３８】
また、図１に示すセラミックヒータ１００では、スペーサ６０をセラミック発熱体２０の他端２０ｂ側が挿入可能なリング形状としているため、スペーサ６０をセラミック発熱体２０の他端２０ｂ側からはめ込むことで、簡単に、スペーサ６０のセラミック発熱体２０への装着が為される。
【００３９】
また、図１に示すセラミックヒータ１００では、ハウジング１０に、その他端側の端面に開口する空間部１０ｃを形成し、スペーサ６０を、該空間部１０ｃの開口部を覆うようにハウジング１０に当接して配置している。そのため、ハウジング１０におけるスペーサ６０との当接部分に形成された空間部１０ｃの分だけ、スペーサ６０とハウジング１０との当接面積を減らして小さくすることができるため、ハウジング１０からスペーサ６０への伝熱量を小さくすることができる。
【００４０】
ここで、本実施形態におけるスペーサ６０の構成（形状及び配置形態）の変形例を図２及び図３に示す。図２は、スペーサ６０近傍の拡大概略断面図であり、図２において（ａ）は第１変形例、（ｂ）は第２変形例、（ｃ）は第３変形例を示す。図３は、第４変形例を示すもので、（ａ）はハウジング１０の他端１０ｂの端面を上方からみた図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面においてスペーサ６０の構成を示した図である。なお、図２及び図３共、チューブ５０は省略してある。
【００４１】
図２（ａ）に示す第１変形例では、ハウジング１０に、スペーサ６０とハウジング１０との当接面積を減らすための上記空間部を形成せずに、ハウジング１０の他端１０ｂの端面上にスペーサ６０を当接させて配置している。これにより、上記空間部の効果は持たない代わりに、上記空間部の形成が不要となるため、ハウジング１０の加工を簡素化できる。
【００４２】
また、図２（ｂ）に示す第２変形例では、リング形状のスペーサ６０において、径方向断面を上記図１のような矩形とせず、略円形としている。それにより、スペーサ６０とセラミック発熱体２０及びハウジング１０との接触面積を、図１よりも更に小さくすることができ、ハウジング１０からスペーサ６０及びセラミック発熱体２０への伝熱量を更に低減できる。
【００４３】
また、図２（ｃ）に示す第３変形例では、スペーサ６０を、図１に示すものと比べてハウジング１０の空間部１０ｃから一部がはみ出す程度まで大きいものとしている。それによって、熱伝導率の小さいスペーサ６０の効果が図１に比べて大きくなり、スペーサ６０からリング３０への伝熱量を、更に小さくすることができる。
【００４４】
また、図３に示す第４変形例では、ハウジング１０に形成される空間部１０ｃを、上記図１のようにセラミック発熱体２０周りの全周に形成した円環状とせず、セラミック発熱体２０周りの一部分に形成している（図示例では３個）。この場合も、ハウジング１０におけるスペーサ６０との当接部分に形成された空間部１０ｃの分だけ、スペーサ６０とハウジング１０との当接面積を減らして小さくすることができるため、ハウジング１０からスペーサ６０への伝熱量を小さくすることができる。なお、空間部１０ｃは、六角部１２の内周面とセラミック発熱体２０の外周面とが離間するように形成する必要はなく、ハウジング１０の他端１０ｂの端面を凹ました凹部として形成されていても良い。
【００４５】
（他の実施形態）
なお、スペーサ６０はリング状でなくとも、セラミック発熱体２０の外周面を挟むように設置でき、ハウジング１０とリング３０との間に介在して両部材１０、３０に当接できる形状であれば、どのような形状でも良い。例えば、スペーサ６０は半円形状、馬蹄形状、Ｕ字形状、Ｖ字形状等としてもよく、更には、円が複数の部位で分断された形の複数個のものから構成されていても良い。また、スペーサ６０は、導電性を有するものであっても導電性を有しないものでも良い。
【００４６】
また、本発明は、上記実施形態にて述べた燃焼式ヒータの着火源以外にも、ディーゼルエンジンの副燃焼室に取り付けられ余熱源として使用されるグロープラグ等に用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るセラミックヒータの全体概略断面図である。
【図２】上記実施形態の第１〜第３変形例を示す図である。
【図３】上記実施形態の第４変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０…ハウジング、１０ｃ…空間部、２０…セラミック発熱体、
２２…発熱部、２３、２４…リード線、３０…リング、６０…スペーサ。

Claims (5)

1. 通電によって発熱する発熱部（２２）を一端側に有し、この発熱部から他端側に延設された通電用のリード部（２３、２４）を有するセラミック発熱体（２０）と、
   このセラミック発熱体の他端側が挿入されるとともに、前記リード部の一部に電気的に接続されたリング状の電極取り出し部材（３０）と、
   一端より前記セラミック発熱体の一端側が露出し、他端より前記電極取り出し部材が露出するように、前記セラミック発熱体を被覆保持するハウジング（１０）とを備えるセラミックヒータであって、
   前記電極取り出し部材と前記ハウジングとの間には、前記ハウジングよりも熱伝導率が小さいスペーサ部材（６０）が介在しており、
   このスペーサ部材は、前記電極取り出し部材及び前記ハウジングに当接していることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記スペーサ部材（６０）は、前記セラミック発熱体（２０）の他端側が挿入可能なリング形状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。
3. 前記スペーサ部材（６０）は、径方向の断面が略円形であることを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ。
4. 前記ハウジング（１０）には、その他端側の端面に開口する空間部（１０ｃ）が形成されており、
   前記スペーサ部材（６０）は、前記空間部の開口部を覆うように前記ハウジングに当接していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のセラミックヒータ。
5. 前記ハウジング（１０）は耐熱性金属よりなり、前記スペーサ部材（６０）はセラミックよりなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のセラミックヒータ。

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