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      陶瓷加熱器的制作方法

      文檔序號:8137110閱讀:573來源:國知局
      專利名稱:陶瓷加熱器的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及陶瓷加熱器。
      背景技術(shù)
      以往,陶瓷加熱器例如以煤油扇形加熱器的點火用加熱器或輔助柴油發(fā)動機起動所使用的電熱塞等為首,用于各種用途。該陶瓷加熱器構(gòu)成為例如在由絕緣性陶瓷構(gòu)成的基體中埋設(shè)由導(dǎo)電性陶瓷構(gòu)成的發(fā)熱體。在這種陶瓷加熱器中,作為構(gòu)成發(fā)熱體的原料,已知使用以鉬或鎢的硅化物、氮化物及碳化物中的至少一種為主成分的原料,而且,作為構(gòu)成基體的原料,已知以氮化硅為主成分的原料。但是,通常情況下,構(gòu)成發(fā)熱體的原料的熱膨脹系數(shù)比構(gòu)成基體的原料的熱膨脹系數(shù)大,因此,有可能因發(fā)熱時在兩者之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力而導(dǎo)致基體上產(chǎn)生裂紋。于是,為了減小兩者的熱膨脹系數(shù)之差而提出在基體中含有稀土類成分、鉻的硅化物及鋁成分的技術(shù)(例如參照專利文獻1)。專利文獻1 日本特開2007-335397號公報但是,在如上所述的現(xiàn)有的陶瓷加熱器中,即便發(fā)熱體的熱膨脹系數(shù)和基體的熱膨脹系數(shù)之差變小,由于在產(chǎn)生異常時大電流流動而產(chǎn)生大的熱應(yīng)力,因此也存在基體破壞這樣的應(yīng)解決的課題。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明是為了解決上述的現(xiàn)有的陶瓷加熱器所存在的課題而作出的,其目的在于提供一種耐久性優(yōu)良的陶瓷加熱器,該陶瓷加熱器能夠抑制因發(fā)熱體和由陶瓷構(gòu)成的基體之間的熱膨脹差而導(dǎo)致基體產(chǎn)生裂紋或破壞的情況。本發(fā)明的陶瓷加熱器通過在由陶瓷構(gòu)成的基體中埋設(shè)發(fā)熱體而構(gòu)成,其特征在于,所述發(fā)熱體在表面具有所述陶瓷進入的凹陷部。另外,在本發(fā)明的陶瓷加熱器中,優(yōu)選所述發(fā)熱體在最高發(fā)熱部具有所述凹陷部。 并且,優(yōu)選所述發(fā)熱體在朝向所述基體表面?zhèn)鹊谋砻婢哂兴霭枷莶俊A硗?,?yōu)選所述發(fā)熱體具有多個所述凹陷部。根據(jù)本發(fā)明的陶瓷加熱器,由于發(fā)熱體在表面具有基體的陶瓷進入的凹陷部,因此,進入發(fā)熱體的凹陷部中的陶瓷作為基體與發(fā)熱體之間的緊密固定的支柱起作用,從而在基體和發(fā)熱體之間發(fā)揮錨定效果。因此,即便處于當產(chǎn)生異常時大電流流動而在發(fā)熱體和由陶瓷構(gòu)成的基體之間因熱膨脹差而產(chǎn)生大的熱應(yīng)力的情況下,也可以在該熱應(yīng)力較大作用的發(fā)熱體的長度方向上抑制發(fā)熱體和基體之間產(chǎn)生間隙,從而可以防止在基體上產(chǎn)生裂紋或加熱器的前端部破壞而飛散。另外,當發(fā)熱體在最高發(fā)熱部具有凹陷部時,存在于最高發(fā)熱部的由陶瓷構(gòu)成的基體的體積與凹陷部的大小相應(yīng)地增加,因此,電壓施加時的高溫強度增加,從而提高振動時的耐久性。
      另外,當發(fā)熱體在朝向基體表面?zhèn)鹊谋砻婢哂邪枷莶繒r,自凹陷部至基體表面的周向距離接近于自不具有凹陷部的部分至基體表面的距離,因此,可以使加熱器的周向溫度分布均勻。另外,當發(fā)熱體具有多個凹陷部時,多個凹陷部分別作為基體與發(fā)熱體之間的緊密固定的支柱起作用,由于該支柱的數(shù)量增加,因此在基體和發(fā)熱體之間可以更有效地發(fā)揮錨定效果,故即便處于當產(chǎn)生異常時大電流流動而在發(fā)熱體和由陶瓷構(gòu)成的基體之間因熱膨脹差而產(chǎn)生大的熱應(yīng)力的情況下,也可以在該熱應(yīng)力較大作用的發(fā)熱體的長度方向上抑制在發(fā)熱體和基體之間產(chǎn)生間隙,從而可以防止在基體上產(chǎn)生裂紋或加熱器的前端部破壞而飛散。


      圖1(a)是表示本發(fā)明的陶瓷加熱器的實施方式之一例的透視內(nèi)部的俯視圖,圖 1(b)是其主要部分放大圖。圖2是圖1所示的例子的X-X線的剖面圖。圖3是表示用于制作本發(fā)明的陶瓷加熱器中的發(fā)熱體的模具的一例的剖面圖。圖4是表示本發(fā)明的陶瓷加熱器的實施方式的其它例的剖面圖。圖5是表示本發(fā)明的陶瓷加熱器的實施方式的又一其它例的剖面圖。
      具體實施例方式以下參照附圖詳細說明本發(fā)明的陶瓷加熱器的實施方式的例子。圖1(a)是表示本發(fā)明的陶瓷加熱器的實施方式之一例的透視內(nèi)部的俯視圖,圖 1(b)是其主要部分放大圖。在圖1中,對透視的發(fā)熱體2用陰影線示出。另外,圖2是圖1 所示的例子的X-X線的剖面圖。本例的陶瓷加熱器10具有基體1,其由陶瓷構(gòu)成;發(fā)熱體2,其埋設(shè)于基體1中, 且包含并列配置的兩個對置部2a、2b及以圓弧狀連接所述對置部h、2b的連接部2c ;—對引出部3a、3b,其與該發(fā)熱體2的各自端部連接。發(fā)熱體2具有由在基體1中平行配置的兩個對置部2a、2b和將所述對置部2a、2b相連的圓弧狀的連接部2c構(gòu)成的U形形狀。電流經(jīng)由引出部3a、!3b流到該發(fā)熱體2,從而使發(fā)熱體2發(fā)熱。在本例中,引出部3a、!3b利用與發(fā)熱體2相同的材料分別與兩個對置部2a、2b構(gòu)成一體并沿著大致同一方向形成,引出部3a、!3b與發(fā)熱體2相比形成為更大直徑,并且為了抑制不需要的發(fā)熱,與發(fā)熱體2相比,所述引出部3a、3b的單位長度的電阻低。引出部3a 的處于與發(fā)熱體2的對置部加相連的部分的相反側(cè)的端面,在基體1的端面露出而構(gòu)成電極導(dǎo)出部如。另外,引出部北的處于與發(fā)熱體2的對置部2b相連的部分的相反側(cè)的端面, 在基體1的側(cè)面露出而構(gòu)成電極導(dǎo)出部4b。圖2是在圖1所示的X-X線的部位將陶瓷加熱器10剖開時的剖面圖。如圖2所示,在陶瓷加熱器10的發(fā)熱體2,形成有基體1的材料即陶瓷進入的凹陷部5。由此,與不具有基體1的材料即陶瓷進入的凹陷部5的現(xiàn)有的陶瓷加熱器相比,本發(fā)明的陶瓷加熱器 10即便處于諸如在剛開始工作后大電流流動等異常情況下,由于在發(fā)熱體2和基體1這樣的異種材料之間存在基體1的材料即陶瓷進入的發(fā)熱體2的凹陷部5,因此在兩者之間可以得到錨定效果,由此,可以防止因發(fā)熱體2和基體1之間的瞬間熱膨脹之差而導(dǎo)致的特別是在發(fā)熱體2的長度方向上發(fā)熱體2與基體1之間產(chǎn)生間隙或在基體1上產(chǎn)生裂紋的情況。在此所指的凹陷部5位于發(fā)熱體2的對置部2a、2b及連接部2c中的一個部位或多個部位的表面而形成。為了獲得錨定效果,該凹陷部5的深度優(yōu)選為凹陷部5所處位置的發(fā)熱體W2a、2b、2c)的直徑(在發(fā)熱體為截面呈橢圓形的發(fā)熱體2時,是長徑)的5%以上,而為了防止發(fā)熱體2的局部發(fā)熱,所述凹陷部5的深度優(yōu)選為上述直徑(長徑)的30% 以下。并且,發(fā)熱體2長度方向上的凹陷部5的大小,相對于設(shè)置凹陷部5的發(fā)熱體2的對置部2a、2b或連接部2c的各自長度,優(yōu)選具有上述長度的1/10以上的長度,并且為了獲得錨定效果,優(yōu)選具有上述長度的1/2以下的長度。另外,發(fā)熱體2寬度方向上的凹陷部 5的大小,相對于發(fā)熱體2的對置部2a、2b或連接部2c的各自寬度,優(yōu)選具有上述寬度的 1/10以上的寬度,并且為了獲得錨定效果,優(yōu)選具有1/2以下的寬度。例如,對于截面為直徑Imm的圓形且對置部加的長度為IOmm的發(fā)熱體2而言,作為凹陷部5的形狀,構(gòu)成沿著對置部加的細長形狀,其深度優(yōu)選為50 μ m以上300 μ m以下,長度優(yōu)選為Imm以上5mm以下,寬度優(yōu)選為100 μ m以上500 μ m以下。另外,對于在發(fā)熱體2上設(shè)置凹陷部5的位置并未特別限定,只要根據(jù)陶瓷加熱器 10的規(guī)格而設(shè)置于能夠提高其耐久性的位置即可。例如,煤油扇形加熱器的點火用加熱器或輔助柴油發(fā)動機起動所使用的電熱塞等中的陶瓷加熱器,由于大多通過在由陶瓷構(gòu)成的基體前端側(cè)具有最高發(fā)熱部來使用,因此,可以將凹陷部5設(shè)置于相距發(fā)熱體2前端Imm至 5mm之間的位置。并且,對于凹陷部5的形狀,只要能夠形成在發(fā)熱體2上,可以采用各種形狀,但通常情況下若俯視時呈圓形、長圓形、橢圓形、長方形,則不僅容易形成,而且能夠得到足夠的效果。以下對構(gòu)成本發(fā)明的陶瓷加熱器10的優(yōu)選材料進行說明。作為構(gòu)成由陶瓷構(gòu)成的基體1的材料,從在高溫下具有良好的絕緣特性這方面來看,優(yōu)選氧化鋁陶瓷或氮化硅陶瓷,特別是在急速升溫時的耐久特性高這方面,更優(yōu)選氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷的組織形態(tài)是以氮化硅(Si3N4)為主成分的主晶相粒子利用源于燒結(jié)輔助劑成分等的晶界相進行結(jié)合而成的形態(tài)。主晶相可以構(gòu)成為,用鋁(Al)或氧(0)置換硅(Si)或氮(N)的一部分,進而在主晶相中固溶Li、Ca、Mg、Y等金屬元素。本例中的基體1可以使用在氮化硅粉末中添加由鐿 ( )、釔(Y)或鉺(Er)等稀土類元素的氧化物構(gòu)成的燒結(jié)輔助劑而構(gòu)成的陶瓷原料粉末, 與發(fā)熱體2同樣地利用公知的沖壓成型法等進行成型。另外,為了獲得所希望的形狀的基體1,優(yōu)選利用使成型體的形狀仿照模具而被自由確定的注塑成型法來成型基體1。作為發(fā)熱體2的材料,可以使用碳化鎢(WC)、二硅化鉬(MoSi2)及二硅化鎢(WSi2) 等公知的導(dǎo)電性陶瓷來作為發(fā)熱電阻體。在此,例舉使用碳化鎢來形成發(fā)熱體2的情況進行說明。準備WC粉末。為了減小其與由陶瓷構(gòu)成的基體1之間的熱膨脹系數(shù)之差,優(yōu)選向該WC粉末中摻合成為基體1的主成分的氮化硅陶瓷等絕緣性陶瓷。此時,通過改變絕緣性陶瓷和導(dǎo)電性陶瓷的含有比率,可以將發(fā)熱體2的電阻調(diào)節(jié)至所希望的數(shù)值。發(fā)熱體2可以利用公知的沖壓成型法等,對在WC粉末中摻合有成為基體1的主成分的絕緣性陶瓷即氮化硅陶瓷而構(gòu)成的陶瓷原料粉末進行成型而得到。此時,優(yōu)選利用使成型體的形狀仿照模具而被自由確定的注塑成型法來成型發(fā)熱體2。以下,對作為本發(fā)明實施方式的一例的陶瓷加熱器10中的發(fā)熱體2的制造方法的一例進行說明。首先,準備圖3中剖面圖所示一例那樣的、用于成型發(fā)熱體2的模具。該模具由上模20和下模21構(gòu)成,在使上模20和下模21合模時,形成與發(fā)熱體2 (在圖3中為對置部 2a,2b)的形狀對應(yīng)的空腔(腔室)。為了使用這種模具在發(fā)熱體2形成凹陷部5,在下模 21的模具內(nèi)配置有凹陷部形成頂針22。另外,凹陷部形成頂針22不僅可以配置于下模21 的模具內(nèi),而且可以配置成沿縱向或橫向貫通上模20及下模21、或者被夾入上模20和下模 21的合模面并到達空腔。通過使凹陷部形成頂針22作為以突出到空腔內(nèi)的方式能夠插入及抽出的頂針進行配置,相對于在空腔內(nèi)填充有原料而成型的發(fā)熱體2,可以從自由的方向在其表面形成與凹陷部形成頂針22的前端形狀對應(yīng)的凹陷部5。另外,通過自由設(shè)定凹陷部形成頂針22的大小,可以自由設(shè)定凹陷部5的大小。并且,通過自由設(shè)定凹陷部形成頂針22的長度,可以自由設(shè)定凹陷部5的深度。將由其它模具成型的引出部3a、!3b的成型體,與使用如上所述的模具(上模20、下模21)通過注塑成型法而成型的發(fā)熱體2的成型體組合,進而以將上述組合體埋設(shè)的方式與由其它模具成型的基體1的成型體組合,從而構(gòu)成陶瓷加熱器10的成型體生料。對生成的成型體生料,按照規(guī)定的溫度曲線進行燒成,以形成在內(nèi)部埋設(shè)有發(fā)熱體2及引出部3a、3b的基體1,并根據(jù)需要對得到的燒結(jié)體進行機械加工,從而完成圖1所示的本例的陶瓷加熱器10。另外,作為燒成方法,若作為基體1的陶瓷而使用氮化硅陶瓷, 則可以例舉如下方法,例如經(jīng)脫脂工序,在還原氣體環(huán)境下利用1650 1780°C左右的溫度及30 50Mpa左右的壓力進行燒成的熱壓方法。根據(jù)如上所述的本例的陶瓷加熱器10,在埋設(shè)于由陶瓷構(gòu)成的基體1的發(fā)熱體2 的表面形成有基體1的材料即陶瓷進入的凹陷部5,因此,與不具有基體1的材料即陶瓷進入的凹陷部5的現(xiàn)有的陶瓷加熱器相比,本發(fā)明的陶瓷加熱器10即便處于諸如在剛開始工作后大電流流動等異常情況下,由于在發(fā)熱體2和由陶瓷構(gòu)成的基體1這樣的異種材料之間存在基體1的陶瓷進入的發(fā)熱體2的凹陷部5,因此在兩種材料之間產(chǎn)生錨定效果,從而可以防止因發(fā)熱體2和基體1之間的瞬間熱膨脹之差而導(dǎo)致特別是在發(fā)熱體2的長度方向上發(fā)熱體2與基體1之間產(chǎn)生間隙或在基體1上產(chǎn)生裂紋的情況。形成于發(fā)熱體2的凹陷部5優(yōu)選形成為存在于電流流到陶瓷加熱器10時達到發(fā)熱的最高溫度的部分即發(fā)熱體2的最高發(fā)熱部。據(jù)此,因發(fā)熱體2的發(fā)熱而增加的基體1 的陶瓷體積在進入存在于發(fā)熱體2的最高發(fā)熱部的凹陷部5的部分增加得最大,因此,根據(jù)凹陷部5可以有效獲得兩者之間的錨定效果,從而可以增大電壓施加時的高溫強度,也可以提高相對于振動等的耐久性。另外,由于發(fā)熱體2的最高發(fā)熱部根據(jù)發(fā)熱體2的規(guī)格在任意部位設(shè)定為各種大小,因此,在將凹陷部5形成于最高發(fā)熱部時,只要與其對應(yīng)地將凹陷部5設(shè)定為合適的形狀和大小即可。在最高發(fā)熱部,例如對于輔助柴油發(fā)動機起動所使用的電熱塞而言,由于最高發(fā)熱部的溫度上升至1250°C,且自最高發(fā)熱部向引出部3a、北側(cè)位置偏移2mm左右,溫度降低100°C左右,因此,形成為與該溫度差對應(yīng)即可。 另外,如圖4中與圖2同樣的剖面圖所示,形成于發(fā)熱體2的凹陷部5優(yōu)選形成為在發(fā)熱體2表面中的朝向基體1表面?zhèn)鹊谋砻婢哂邪枷莶?。據(jù)此,即便處于諸如大電流流動之類的異常情況下,在與發(fā)熱體2的對置部h、2b之間相比、由陶瓷構(gòu)成的基體1的熱膨脹大的一側(cè)即基體1表面?zhèn)染哂邪l(fā)熱體2的凹陷部5,因此可以更有效地發(fā)揮凹陷部5的錨定效果,從而能夠防止發(fā)熱體2和基體1之間產(chǎn)生間隙或在基體1上產(chǎn)生裂紋的情況。
      另外,通過使自發(fā)熱體2的凹陷部5至基體1表面的最短距離接近自發(fā)熱體2的未凹陷部分至基體1表面的最短距離,來自各部分的熱傳導(dǎo)速度接近,因此在基體1的表面, 容易使整體的周向溫度分布均勻,從而提高陶瓷加熱器10的均熱性,減小溫度偏差。另外,作為在朝向基體1表面?zhèn)鹊谋砻婢哂邪枷莶?的發(fā)熱體2,在圖4中示出了在發(fā)熱體2的對置部2a、2b各自的左右外側(cè)具有凹陷部5的例子,但凹陷部5也可以設(shè)置于發(fā)熱體2的上側(cè),或設(shè)置于發(fā)熱體2的下側(cè)。而且,凹陷部5并不限于在對置部2a、2b上設(shè)置,也可以設(shè)置于連接部2c的前端側(cè)、上側(cè)或下側(cè)。并且,如圖5中與圖2同樣的剖面圖所示,優(yōu)選發(fā)熱體2具有多個凹陷部5。據(jù)此, 由于在發(fā)熱體2和由陶瓷構(gòu)成的基體1這樣的異種材料之間存在陶瓷進入到發(fā)熱體2表面的多個凹陷部5,因此在兩種材料之間可以在各凹陷部5產(chǎn)生錨定效果,且作為整體能夠產(chǎn)生更顯著的錨定效果,故可以更有效地防止因發(fā)熱體2和基體1之間的瞬間熱膨脹之差而導(dǎo)致在發(fā)熱體2的長度方向上該發(fā)熱體2與基體1之間產(chǎn)生間隙或在基體1上產(chǎn)生裂紋的情況。當構(gòu)成為如上所述使發(fā)熱體2具有多個凹陷部5時,各個凹陷部5在發(fā)熱體2的對置部2a、2b及連接部2c中的一個部位或多個部位的表面形成多個即可。為了獲得錨定效果,該凹陷部5的深度優(yōu)選為凹陷部5所處位置的發(fā)熱體W2a、2b、2c)的直徑(在發(fā)熱體為截面呈橢圓形的發(fā)熱體2時,是長徑)的5%以上,并且,為了防止發(fā)熱體2的局部發(fā)熱,優(yōu)選該凹陷部5的深度為上述直徑(長徑)的30%以下。另外,發(fā)熱體2的長度方向上的凹陷部5的大小優(yōu)選為如下大小,即相對于設(shè)置凹陷部5的發(fā)熱體2的對置部2a、2b或連接部2c的各自長度為1/10左右的凹陷部有多個,為了獲得錨定效果,優(yōu)選在1/2以下的長度內(nèi)具有三個至五個左右的凹陷部。并且,為了獲得錨定效果,優(yōu)選在發(fā)熱體2的對置部 2a,2b或連接部2c的各自寬度的1/2以下的寬度內(nèi)具有兩個至四個如下大小的凹陷部,即發(fā)熱體2的寬度方向上的凹陷部5的大小為相對于上述寬度的1/10左右的寬度。例如,對于截面為直徑Imm的圓形且對置部加的長度為IOmm的發(fā)熱體2而言,作為凹陷部5的形狀,深度優(yōu)選為50 μ m以上300 μ m以下,長度為Imm左右的凹陷部沿長度方向排列有三個至五個,寬度為100 μ m左右的凹陷部沿寬度方向排列有兩個至四個即可。附圖標記說明1 基體2發(fā)熱體2a、2b 對置部2c連接部3a、3b 引出部5凹陷部
      權(quán)利要求
      1.一種陶瓷加熱器,在由陶瓷構(gòu)成的基體中埋設(shè)有發(fā)熱體,其特征在于, 所述發(fā)熱體在表面具有所述陶瓷進入的凹陷部。
      2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器,其特征在于, 所述發(fā)熱體在最高發(fā)熱部具有所述凹陷部。
      3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器,其特征在于,所述發(fā)熱體在朝向所述基體表面?zhèn)鹊谋砻婢哂兴霭枷莶俊?br> 4.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器,其特征在于, 所述發(fā)熱體具有多個所述凹陷部。
      全文摘要
      本發(fā)明提供一種陶瓷加熱器。本發(fā)明所要解決的技術(shù)課題是當處于諸如剛開始工作后大電流突入并流動之類的異常情況時,因發(fā)熱體和基體之間的瞬間熱膨脹之差而導(dǎo)致產(chǎn)生間隙或在基體上產(chǎn)生裂紋。本發(fā)明的解決手段是在本發(fā)明的在由陶瓷構(gòu)成的基體(1)中埋設(shè)有發(fā)熱體(2)而構(gòu)成的陶瓷加熱器(10)中,發(fā)熱體(2)在表面具有陶瓷進入的凹陷部(5)。即便處于在發(fā)熱體(2)和基體(1)之間因熱膨脹差而產(chǎn)生大的熱應(yīng)力的情況下,由于具有基體(1)的陶瓷進入的凹陷部(5),因此,在該熱應(yīng)力較大作用的發(fā)熱體(2)的長度方向上也可以防止發(fā)熱體(2)和基體(1)之間產(chǎn)生間隙或在基體(1)上產(chǎn)生裂紋。
      文檔編號H05B3/48GK102204404SQ20098014250
      公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
      發(fā)明者山元堅 申請人:京瓷株式會社
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