JPH06174231A - セラミック発熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高温で長時間の連続稼動が可能な耐久性と信頼
性に優れたセラミック発熱体を提供する。 【構成】窒化珪素質焼結体２中に発熱抵抗体３を埋設し
たセラミック発熱体１であって、最高発熱部４より先端
側の発熱抵抗体３が、コイル状の発熱抵抗線５と該コイ
ル状の発熱抵抗線５が形成する軸心方向の空間部６に略
Ｕ字形状のピン７を組み込むか、あるいはコイル状の発
熱抵抗線５が少なくとも一部で互いに接触させて構成し
たセラミック発熱体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンの始
動補助用グロープラグや、各種燃焼機器の点火用及び各
種加熱機器用のヒーター等に用いられる高温用のセラミ
ック発熱体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりディーゼルエンジンの始動促進
に用いられるグロープラグや各種点火用及び加熱用ヒー
ターとして、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成る発熱抵抗
体を埋設したシーズヒーターや、高電圧の火花放電を利
用する各種点火装置が使用されていた。

【０００３】しかしながら、前記シーズヒーターは耐熱
金属製のシース内に充填された耐熱絶縁粉末を介して発
熱抵抗体の熱を伝えるため、短時間の急速昇温が困難で
ありその上、耐摩耗性や耐久性に劣るという問題がある
他、前記火花放電を利用した各種点火装置も、点火時に
雑音等の電波障害を生じたり、確実な点火という観点か
らの信頼性に欠け、未着火の場合の安全性に問題がある
等の欠点があった。

【０００４】そこで、短時間の急速昇温が可能で、電波
障害が発生せず、しかも確実に点火して安全性を確保
し、雰囲気を問わず長時間の使用が可能であり、耐摩耗
性と耐久性に優れた信頼性の高い発熱体として、無機導
電材から成る発熱抵抗体をセラミック焼結体中に埋設し
たセラミック発熱体が、広く利用されるようになってき
た。

【０００５】なかでも、図４に示すように耐熱衝撃性及
び高温強度が他のセラミックスよりも著しく優れた窒化
珪素質焼結体１６をヒーターの基体として使用し、一般
にタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点
金属もしくはこれらの化合物より成る線材を発熱抵抗体
１７として基体中に埋設して一体化したものが、１００
０℃前後のヒーターとして内燃機関のグロープラグをは
じめ、広く利用されている（特開平４−２５７６１５号
公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記セ
ラミック発熱体１８は、Ｕ字形状とコイル状の２種類の
発熱線１９、２０を直列接続して発熱抵抗体１７を構成
したものであり、窒化珪素質焼結体１６等の基体中に埋
設して一体化する際、先端部のＵ字形状の発熱線１９に
は加圧焼成時の圧力が直接負荷され、前記コイル状の発
熱線２０を巻き付けたＵ字形状の発熱線１９の接続部近
傍には歪みが残留することになる。

【０００７】係るセラミック発熱体１８を高温用として
使用した場合、一般にその温度は点火時には１０００〜
１３００℃程度であるが、点火した火炎に曝され、なか
には１３５０℃以上の高温となり、長時間の稼動により
前記Ｕ字形状の発熱線１９の残留応力に更に熱膨張差に
よる応力が加わり、該Ｕ字形状の発熱線１９に金属疲労
によるクラックが発生して電気抵抗値が増大し、最終的
にコイル状の発熱線２０を巻き付けたＵ字形状の発熱線
１９の接続部近傍から断線するという欠点があった。

【０００８】更にセラミック発熱体の発熱効率を良くす
るために、該セラミック発熱体の先端を研削して発熱抵
抗体を窒化珪素質焼結体の表面近傍に位置するようにし
た場合には、特に前記クラック、電気抵抗値の増大及び
断線が極めて顕著に、かつ短時間に起こり耐久性が著し
く劣るという課題があった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は前記欠点に鑑み開発されたもの
で、その目的は耐金属疲労性を向上させ、高温での長時
間の連続稼動が可能である耐久性に優れたセラミック発
熱体を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミック発熱
体は、無機導電材から成る発熱抵抗体を窒化珪素質焼結
体中に埋設したセラミック発熱体において、前記セラミ
ック発熱体の最高発熱部より先端側の発熱抵抗体が、コ
イル状に捲回した無機導電材から成る発熱抵抗線と、略
Ｕ字形状のピンを前記コイル状の発熱抵抗線が形成する
軸心方向の空間部に組み込んで成るもの、あるいは少な
くとも一部が互いに接触したコイル状の発熱抵抗線から
成るものであることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本願発明のセラミック発熱体は、セラミック発
熱体の最高発熱部より先端側の発熱抵抗体として、略Ｕ
字形状のピンをコイル状の発熱抵抗線が形成する軸心方
向の空間部に組み込んだもの、あるいは少なくともコイ
ル状の発熱抵抗線の一部が互いに接触していることか
ら、発熱抵抗体先端部への応力の集中を緩和し、かつ加
圧焼成時の加圧力を分散し、更に電気抵抗値を小さくし
てセラミック発熱体の先端部の発熱を抑制するように作
用する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明のセラミック発熱体を図面に基
づき詳細に説明する。図１は、本発明のセラミック発熱
体をディーゼルエンジンの始動補助用に使用されるグロ
ープラグに適用した一実施例を示す断面図であり、図２
は図１のグロープラグの要部を拡大した断面図を示し、
図３は本発明のセラミック発熱体の他の実施例を示す要
部の断面図である。

【００１３】図１及び図２において、１は窒化珪素質焼
結体２中に発熱抵抗体３を埋設したセラミック発熱体
で、セラミック発熱体１の最高発熱部４より先端側の発
熱抵抗体３は、コイル状に捲回した無機導電材から成る
発熱抵抗線５と、該コイル状の発熱抵抗線５が形成する
軸心方向の空間部６に装着した略Ｕ字形状のピン７で構
成されている。

【００１４】次に、前記セラミック発熱体１には、筒状
金具８を外嵌めして一方の電極端子として導出し、該筒
状金具８と取付金具９をろう接して負電極とし、セラミ
ック発熱体１の後端部には電極取り出し金具１０をろう
接して他方の電極端子として導出するとともに導線１１
を介して端子棒１２と接続して正電極とし、端子棒１２
にベークライト等の絶縁性ワッシャー１３を挿通してナ
ット１４で固定することにより、取付金具９の負電極と
端子棒１２の正電極とが絶縁されたグロープラグ１５が
構成されている。

【００１５】尚、発熱抵抗体３を構成する無機導電材か
ら成るコイル状の発熱抵抗線５とピン７は、タングステ
ン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等の
高融点金属またはその合金の他、例えばタングステンカ
ーバイド（ＷＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、モリブデン
シリサイド（ＭｏＳｉ₂ ）や硼化ジルコニウム（ＺｒＢ
₂ ）等の第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭化物または
窒化物等から成る線材、あるいは薄層状に形成したもの
が好適である。

【００１６】また、前記コイル状の発熱抵抗線５とピン
７が同種の場合にはピン７の線径を太く設定し、異種の
場合にはコイル状の発熱抵抗線５よりピン７の電気抵抗
が低くなるように設定することが好ましく、ピン７の表
面に低抵抗の導電材を被覆したりすることも可能であ
り、前記ピン７の線径は０．２〜０．６ｍｍ、とりわけ
０．２５〜０．５５ｍｍが、また略Ｕ字形状のピン７の
ストレート部の長さは１〜３ｍｍ、とりわけ１．５〜
２．５ｍｍ程度が好適である。

【００１７】また、図３において、１は窒化珪素質焼結
体２中に発熱抵抗体３を埋設したセラミック発熱体で、
セラミック発熱体１の最高発熱部４より先端側の発熱抵
抗体３は、少なくとも一部が互いに接触したコイル状の
発熱抵抗線５で構成されており、コイル状の発熱抵抗線
５を少なくとも一部で互いに接触させるためには、捲回
する間隔を狭くすることが必要であり、その間隔は略Ｕ
字形状に曲げた状態で隣り合うコイル状の発熱抵抗線５
が一個所でも接触できれば良い。

【００１８】更に、前記最高発熱部４より先端側のコイ
ル状の発熱抵抗線５に、低抵抗の導電材を被覆しておけ
ばより効果的である。

【００１９】本発明のセラミック発熱体を評価するにあ
たり、先ず、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄）を主成分とする原
料粉末の混合物から成る造粒体を使用してプレス成形法
により棒状の窒化珪素質成形体を作製する。

【００２０】次に、該成形体上に、直径が０．４５ｍ
ｍ、Ｕ字形状のストレート部の長さが２ｍｍのピンをそ
の先端部に組み込んだ直径が０．１８ｍｍのタングステ
ン線を捲回したコイル状の発熱抵抗線と、該発熱抵抗線
に接続したリード線部を構成するタングステン線とから
成る発熱抵抗体、及び直径が０．１８ｍｍのタングステ
ン線を従来より狭い０．６ｍｍの間隔で捲回したコイル
状の発熱抵抗線と、該発熱抵抗線に接続したリード線部
を構成するタングステン線とから成る発熱抵抗体をそれ
ぞれ載置し、該発熱抵抗体を挟むように前記同形状の別
の窒化珪素質成形体を重ねて加圧焼成した。

【００２１】かくして得られた焼結体の側面を研磨して
前記リード線の一部を露出させ、少なくとも該露出部に
メタライズ法やメッキ法等によりニッケル（Ｎｉ）等の
金属被膜を形成した後、筒状金具を外嵌めし、還元ガス
雰囲気中で銀ろうにて接合して負電極とし、一方、前記
焼結体の端部に露出したリード線に、線材またはキャッ
プ状の金具より成る電極取り出し金具を同様に銀ろうに
て接合して正電極として接続し、正負の電極を導出した
直径約３．４ｍｍの評価用のセラミック発熱体を作製し
た。

【００２２】また、前記同寸法のＵ字形状とコイル状の
発熱抵抗線を直列接続した発熱抵抗体から成るセラミッ
ク発熱体を比較例として前記同様に作製した。

【００２３】次いで、前記評価用のセラミック発熱体を
使用し、１４Ｖの直流を１分間通電して１４００℃まで
急速昇温した後、通電を停止して１分間圧搾空気を吹き
つけ強制冷却する工程を１サイクルとする高負荷耐久試
験を、断線して発熱しなくなるまで継続した。

【００２４】その結果、Ｕ字形状とコイル状の２種類の
発熱抵抗線を直列接続して発熱抵抗体を構成した比較例
のセラミック発熱体では、約３０００サイクルで断線し
たのに対し、本願発明のセラミック発熱体では、ピンを
組み込んだ構成のセラミック発熱体で約１５１００サイ
クルまで、また、従来より狭い間隔で捲回してコイル状
の発熱抵抗線の一部が接触した構成のセラミック発熱体
で約１４７００サイクルまでの耐久試験に耐えた。

【００２５】一方、ピンをモリブデン線とし、コイル状
の発熱抵抗線をタングステン線としたセラミック発熱
体、或いは逆のピンをタングステン線とし、コイル状の
発熱抵抗線をモリブデン線としたセラミック発熱体で
は、それぞれ約１４２００サイクル、１３４００サイク
ルまで断線することなく発熱した。

【００２６】

【発明の効果】叙上の如く、本発明のセラミック発熱体
は、窒化珪素質焼結体中に埋設したセラミック発熱体の
最高発熱部より先端側の発熱抵抗体を、コイル状の発熱
抵抗線と該発熱抵抗線が形成する軸心方向の空間部に組
み込んだ略Ｕ字形状のピン、あるいは少なくとも一部が
互いに接触したコイル状の発熱抵抗線で構成したことか
ら、短時間で断線することは全くなく、耐金属疲労性を
向上させた高温で長時間の連続稼動が可能な耐久性と信
頼性に優れたセラミック発熱体を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック発熱体をディーゼルエンジ
ンの始動補助用に使用されるグロープラグに適用した一
実施例を示す断面図である。

【図２】図１のグロープラグの要部を拡大した断面図で
ある。

【図３】本発明のセラミック発熱体の他の実施例を示す
要部の断面図である。

【図４】従来のセラミック発熱体の要部を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ セラミック発熱体 ２ 窒化珪素質焼結体 ３ 発熱抵抗体 ４ 最高発熱部 ５ コイル状の発熱抵抗線 ６ 空間部 ７ ピン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無機導電材から成る発熱抵抗体を窒化珪素
   質焼結体中に埋設したセラミック発熱体において、前記
   セラミック発熱体の最高発熱部より先端側の発熱抵抗体
   を、コイル状に捲回した発熱抵抗線と該発熱抵抗線が形
   成する軸心方向の空間部に装着したピンとで構成したこ
   とを特徴とするセラミック発熱体。
2. 【請求項２】無機導電材から成る発熱抵抗体を窒化珪素
   質焼結体中に埋設したセラミック発熱体において、前記
   セラミック発熱体の最高発熱部より先端側の発熱抵抗体
   を、少なくとも一部が互いに接触したコイル状に捲回し
   た発熱抵抗線で構成したことを特徴とするセラミック発
   熱体。