セラミックヒータ

【課題】外形を変えず、且つ、材質によらずに伝熱能力を向上することができるセラミックヒータを提供する。
【解決手段】セラミックヒータ１は、発熱本体２と、発熱本体２に形成される穴３とを備える。穴３を画成する内側面３ａが加熱対象物Ｈに対して対向配置されており、加熱対象物Ｈに対面する対向面は内側面３ａである。従って、発熱本体２から加熱対象物Ｈに向かう輻射熱が増大し、加熱能力が向上する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電源に接続される金属製のシートと、このシートを挟むように設けられるセラミック板とで構成されるセラミックヒータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
セラミックヒータは、産業用ヒータ（例えば、半導体の製造過程で使用されるヒータ、ゴミの焼却に使用されるヒータ等）や民生用ヒータ（例えば、暖房として使用されるヒータ）として広く利用されている。
【０００４】
セラミックヒータが加熱対象物に熱を伝える能力、即ち伝熱能力は、セラミックヒータをある温度に設定したときに、そのセラミックヒータから単位時間に発生する総熱量として表される。従って、セラミックヒータをある温度に設定して加熱対象物を加熱する処理を、セラミックヒータを変えて行った結果、一のセラミックヒータでは加熱対象物がＴ１（℃）となったが、他のセラミックヒータでは加熱対象物がＴ２（℃）（Ｔ１＜Ｔ２）となった場合、他のセラミックヒータの方が、一のセラミックヒータよりも伝熱能力が高いことになる。なお、本願では、複数のセラミックヒータを対比する場合には、これらのセラミックヒータを同じ環境下で使用することを前提として、対比するものとする。ここで、「環境」には、セラミックヒータに対する加熱対象物の位置、加熱対象物の種類等が含まれる。
【０００５】
セラミックヒータの伝熱能力は、主に、セラミックヒータの表面積に依存する。即ち、セラミックヒータの伝熱能力は、セラミックヒータの表面積が大きいほど、大きくなる。従来は、セラミックヒータの大きさを調整することで、セラミックヒータの表面積を調整していた。即ち、加熱対象物が目標温度まで加熱されるために必要な伝熱能力の目標値を、セラミックヒータが使用される環境に基づいて設定し、セラミックヒータの伝熱能力がこの目標値となるように、セラミックヒータの大きさを調整していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−７６９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、セラミックヒータは、何らかの加熱装置に内蔵されるので、大きさ、具体的には外形が制限される。加熱装置内でセラミックヒータを設置できる空間の外形は制限されるからである。従って、セラミックヒータを加熱装置内で限界まで大きくしても、伝熱能力が目標値に届かない場合がある。
【０００８】
この問題を解決するために、セラミックヒータの材質を変更することが提案されている。セラミックヒータの材質を変更することによっても、セラミックヒータの伝熱能力が向上するからである。しかし、材質を変更することによる伝熱能力の向上は、セラミックヒータの表面積を変更する場合に比べるとわずかである。従って、この方法は、上記問題の対応策として不十分である。
【０００９】
一方、上記問題を解決するために、伝熱能力の不足分に応じてセラミックヒータの温度を上げることも提案されている。しかし、セラミックヒータの温度は、セラミックヒータの材質や、加熱装置の耐熱性によって制限されるので、必ずしも、当該不足分だけ上昇可能であるとは限らない。従って、この方法も、上記問題の対応策として不十分である。
【００１０】
上記の事情に鑑み、外形を変えず、且つ、材質によらずに伝熱能力を向上することができるセラミックヒータが強く望まれていた。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、外形を変えず、且つ、材質によらずに伝熱能力を向上することができるセラミックヒータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の特徴は、セラミックで構成されるとともに表面（表面２ａ）に穴（穴３）を形成した発熱本体（発熱本体２）を備えたセラミックヒータ（セラミックヒータ１）であって、前記穴は、加熱対象物（加熱対象物Ｈ）に対面する対向面（内側面３ａ，１３ａ，底面１３ｂ）を有することを要旨とする。
【００１３】
本発明では、穴を画成する対向面が加熱対象物に対して対向配置されており、対向面積が大きくなる。従って、発熱本体から加熱対象物に向かう輻射熱が増大し、加熱能力が向上する。そして、前記穴は、この嵌合孔部の近傍に配設されるため、低温になりやすい嵌合孔部の近傍において、加熱対象物に伝える加熱温度を上げることができる。従って、セラミックヒータの各部位において温度差が生じることがなく、加熱対処物全体を均一に加熱することができる。
【００１４】
本発明の他の特徴は、前記発熱本体（発熱本体２）には、電流が供給される端子（端子４）が嵌合される嵌合孔部（嵌合孔部５）が形成され、前記穴（穴３）は、この嵌合孔部の近傍に配設されることを要旨とする。
【００１５】
本発明の他の特徴は、前記穴（穴３）は発熱本体（発熱本体２）を貫通する貫通穴であり、前記対向面は、表面から裏面に向かうに従って徐々に内径が小さくなる略円錐台状に形成された内側面（内側面３ａ）であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の他の特徴は、前記穴（穴３）は、発熱本体（発熱本体２）の表面（表面２ａ）に設けられた凹部であり、前記対向面は、この凹部を画成する底面（底面１３ｂ）及び内側面（内側面１３ａ）であり、前記内側面は、表面から裏面に向かうに従って徐々に内径が小さくなる略円錐台状に形成されていることを要旨とする。
【００１７】
本発明の他の特徴は、前記穴（穴３）の内径（内径Ｄ０）は、前記発熱本体（発熱本体２）の厚さ（厚さＴ）の２倍よりも小さいことを要旨とする。
【００１８】
本発明の他の特徴は、前記穴（穴）の内径（内径Ｄ０）は、前記発熱本体（発熱本体２）の厚さ（厚さＴ）に等しいことを要旨とする。
【００１９】
本発明の他の特徴は、前記発熱本体（発熱本体２）は、炭化ケイ素を含むセラミックで構成されることを要旨とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るセラミックヒータによれば、発熱本体から加熱対象物に向かう輻射熱が増大して加熱能力が向上すると共に、外形を変えず、且つ、材質によらずに伝熱能力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態に係るセラミックヒータを示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係るセラミックヒータを示す平面図である。
【図３】第１の実施の形態に係るセラミックヒータを示す一部拡大図である。
【図４】第１の実施の形態に係るセラミックヒータを示す断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係るセラミックヒータを示す一部拡大図である。
【図６】第３の実施の形態に係るセラミックヒータを示す一部拡大図である。
【図７】第４の実施の形態に係るセラミックヒータの一部を示す平面図である。
【図８】第５の実施の形態に係るセラミックヒータを示す一部拡大図である。
【図９】第５の実施の形態に係るセラミックヒータを示す断面図である。
【図１０】第６の実施の形態に係るセラミックヒータを示す平面図である。
【図１１】第７の実施の形態に係るセラミックヒータを示す斜視図である。
【図１２】第８の実施の形態に係るセラミックヒータを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施の形態）
次に、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１の外観を示す斜視図であり、図２は、平面図であり、図３は図１の一部拡大図である。また、図４は第１の実施の形態に係るセラミックヒータを示す断面図である。
【００２３】
セラミックヒータ１は、発熱本体２と、穴３と、端子４とを備える。発熱本体２は、任意のセラミック（例えば、炭化ケイ素、酸化亜鉛等の導電性セラミックや、黒鉛等）で構成され、板状になっている。発熱本体２には、電源からの電流が供給される端子が嵌合される嵌合孔部５が形成され、穴３は、この嵌合孔部５の近傍に配設される。穴３の表面側における内径Ｄ０は、発熱本体２の板厚Ｔに一致する。端子４は、発熱本体２の両端に設けられ、電源に接続されている。従って、電源からの電流は、端子４を介して発熱本体２を流れる。セラミックヒータ１は、熱輻射を用いて加熱対象物を加熱したり、セラミックヒータ１に接触する加熱対象物を、熱の移動により加熱したりする。
【００２４】
また、図４に示すように、発熱本体２に設けた穴３は、発熱本体２の表面２ａから裏面２ｂに向けて貫通した貫通穴である。この穴３の内径は、発熱本体２の表面側がＤ０であり、裏面側の内径はＤ１である。従って、穴３の内側面３ａは、発熱本体２の表面２ａから裏面２ｂに行くに従って、内径寸法が小さく狭まった円錐台形状に形成されている。なお、内側面３ａは発熱本体２の板厚方向に対してθ０の傾斜角に設定されている。このように、貫通穴３の内側面３ａは、図４に二点鎖線で示した加熱対象物Ｈに対して対向配置されている。また、内側面３ａから発せられる矢印は輻射熱を示す。
【００２５】
以上により、セラミックヒータ１は、穴３が発熱本体２に形成されているので、セラミックヒータ１と同じ外形を有する従来のセラミックヒータ（ここでは、発熱本体２に穴３を形成しないもの、以下、「第１の従来セラミックヒータ」とも称する）よりも、セラミックヒータ１の表面積を大きくすることができる。
【００２６】
従って、セラミックヒータ１は、外形を変えず、且つ、材質によらずに伝熱能力を向上することができる。さらに、セラミックヒータ１と第１の従来セラミックヒータとをそれぞれ用いて、加熱対象物を同じ温度まで加熱した場合に、セラミックヒータ１の温度が第１の従来セラミックヒータの温度よりも低くなる。
【００２７】
これにより、第１の従来セラミックヒータには適用できなかった材質であっても、セラミックヒータ１には適用できる場合が生じる。ある材質でセラミックヒータ１と第１の従来セラミックヒータとをそれぞれ生成し、これらを当該材質の上限温度まで加熱した場合に、第１の従来セラミックヒータでは加熱対象物の目標温度に達しないが、セラミックヒータ１では加熱対象物の目標温度に達するという場合が生じうるからである。従って、セラミックヒータ１は、第１の従来セラミックヒータよりも広範な材質にて生成されることができる。さらに、セラミックヒータ１の寿命は、第１の従来セラミックヒータよりも長くなる。この効果は、セラミックヒータ１を腐食環境下で使用する場合や、セラミックヒータ１の材質が高温になるほど大きく腐食する場合に、特に顕著に現れる。
【００２８】
また、本発明では、穴３を画成する内側面３ａが加熱対象物Ｈに対して対向配置されており、加熱対象物Ｈに対面する対向面は内側面３ａである。具体的には、穴３の内側面３ａは、発熱本体２の表面２ａから裏面２ｂに行くに従って、内径寸法が小さく狭まった円錐台形状に形成されている。従って、加熱対象物Ｈに対面する対向面積が増大し、発熱本体２から加熱対象物Ｈに向かう輻射熱が増大し、加熱能力が向上する。
【００２９】
そして、穴３は、この嵌合孔部５の近傍に配設されるため、低温になりやすい嵌合孔部５の近傍において、加熱対象物Ｈに伝える加熱温度を上げることができる。従って、セラミックヒータ１の各部位において温度差が生じることがなく、加熱対処物全体を均一に加熱することができる。
【００３０】
さらに、セラミックヒータ１は、発熱本体２に電流が流れるので、特許文献１記載のセラミックヒータに対し、以下の効果を有する。即ち、セラミックヒータ１は、発熱本体２に電流が流れるので、電流のエネルギーを、発熱本体２を介して加熱対象物に伝える一方、特許文献１記載のセラミックヒータは、電流のエネルギーを金属製のシート（これが発熱本体となる）及びセラミック板を介して加熱対象物に伝える。従って、特許文献１記載のセラミックヒータでは、電流のエネルギーが発熱本体の加熱の他、セラミック板の加熱にも使用されてしまうので、セラミックヒータ１よりもエネルギー効率が悪くなる。言い換えれば、セラミックヒータ１は、特許文献１記載のセラミックヒータよりも、エネルギー効率が良い。
【００３１】
さらに、穴３は、貫通穴となっているので、放電加工や研削加工により容易に形成される。即ち、穴３は、穴３を止まり穴（即ち、凹部）とする場合よりも、容易に生成される。
【００３２】
さらに、穴３は、円柱形となっているので、穴３を角柱形とする場合よりも、セラミックヒータ１の耐久性が高くなる。即ち、穴３を角柱形とした場合、角の部分に応力が集中し、この部分からクラックが入る可能性があるが、穴３が円柱形であれば、穴３の特定の部位に応力が集中することがないので、穴３からクラックが入る可能性が低減される。
【００３３】
さらに、セラミックヒータ１は、穴３の内径Ｄが発熱本体２の板厚Ｔに一致するので、穴３の内径Ｄが発熱本体２の板厚Ｔと異なる場合よりも、セラミックヒータ１の表面積を大きくすることができる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を説明する。図５は、第２の実施の形態に係るセラミックヒータ１の一部拡大図である。第２の実施の形態に係るセラミックヒータ１と、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１とは、穴３の内径Ｄ０が異なる。即ち、第２の実施の形態では、発熱本体２の表面側における穴３の内径Ｄ０は、以下の式（１）を満たす。
【００３５】
Ｔ＜Ｄ０＜２＊Ｔ …（１）
即ち、穴３の内径Ｄ０は、板厚Ｔよりも大きいが、板厚Ｔの２倍よりも小さい。第２の実施の形態に係るセラミックヒータ１は、穴３の内径Ｄ０が板厚Ｔの２倍以上となる場合よりも、セラミックヒータ１の表面積を大きくすることができる。
【００３６】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態を説明する。図６は、第３の実施の形態に係るセラミックヒータ１の一部拡大図である。第３の実施の形態に係るセラミックヒータ１と、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１とは、穴３の内径Ｄ２が異なる。即ち、第３の実施の形態では、発熱本体２の表面側における穴３の内径Ｄ２は、板厚Ｔよりも小さい。第３の実施の形態も、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３７】
（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態を説明する。図７は、第４の実施の形態に係るセラミックヒータ１の一部を示す平面図である。第４の実施の形態に係るセラミックヒータ１と、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１とは、穴３の形状が異なる。即ち、第４の実施の形態に係るセラミックヒータ１では、穴３は角柱形となっており、穴３の内側面３ａは、発熱本体２の表面２ａから裏面２ｂに行くに従って、寸法が小さく狭まっている。第４の実施の形態も、第１の実施の形態と同様の基本的な効果が得られる。
【００３８】
（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態を説明する。図８は、第５の実施の形態に係るセラミックヒータ１の一部拡大図である。図９は、第５の実施の形態に係るセラミックヒータを示す断面図である。
【００３９】
第５の実施の形態に係るセラミックヒータ１と、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１とは、穴３の形状が異なる。即ち、第５の実施の形態に係るセラミックヒータ１では、穴３は円錐台状の止まり穴となっている。穴３は、発熱本体２の表面２ａと裏面２ｂとの両面に形成されても良いし、一方の面だけに形成されても良い。第５の実施の形態も、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。なお、図９に示すように、穴３は、内側面１３ａと底面１３ｂとから円錐台状に形成されている。即ち、内側面１３ａは、発熱本体２の厚さ方向の裏面側に向かうにつれて内径がＤ０からＤ３になるまで徐々に狭まるように形成されている。また、内側面１３ａが厚さ方向に対して傾斜する傾斜角はθ１である。本実施形態では、加熱対象物に対面する対向面は内側面１３ａ及び底面１３ｂである。また、内側面３ａから発せられる矢印は輻射熱を示す。
【００４０】
本実施形態によれば、発熱本体２から加熱対象物Ｈに向かう輻射熱が増大し、加熱能力が向上する。
【００４１】
（第６の実施の形態）
次に第６の実施の形態を説明する。図１０は、第６の実施の形態に係るセラミックヒータ１の平面図である。第６の実施の形態に係るセラミックヒータ１と、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１とは、発熱本体２の形状が異なる。即ち、第６の実施の形態に係る発熱本体２は、第１の実施の形態に係る発熱本体２がリング状に曲がった構造となっている。第６の実施の形態も、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
（第７の実施の形態）
次に第７の実施の形態を説明する。図１１は、第７の実施の形態に係るセラミックヒータ１の斜視図である。第７の実施の形態に係るセラミックヒータ１と、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１とは、発熱本体２の形状が異なる。即ち、第７の実施の形態に係る発熱本体２は、円柱構造となっている。第７の実施の形態も、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４３】
（第８の実施の形態）
次に第８の実施の形態を説明する。図１２は、第８の実施の形態に係るセラミックヒータ１の平面図である。第８の実施の形態に係るセラミックヒータ１と、第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１とは、発熱本体２の形状が異なる。即ち、第８の実施の形態に係る発熱本体２は、第１の実施の形態に係る発熱本体２が渦巻き状に曲がった構造となっている。第８の実施の形態も、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらの実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。即ち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【００４５】
例えば、第２実施形態〜第８実施形態では、穴３を発熱本体３に均等に配置したが、端子４を発熱本体２に嵌合する嵌合孔部５の近傍に集中して穴３を配置するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１…セラミックヒータ
２…発熱本体
３…穴
４…端子
５…嵌合孔部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックで構成されるとともに表面に穴を形成した発熱本体を備えたセラミックヒータであって、
前記穴は、加熱対象物に対面する対向面を有することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記発熱本体には、電流が供給される端子が嵌合される嵌合孔部が形成され、
前記穴は、この嵌合孔部の近傍に配設され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】
前記穴は発熱本体を貫通する貫通穴であり、
前記対向面は、表面から裏面に向かうに従って徐々に内径が小さくなる略円錐台状に形成された内側面であ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。
【請求項４】
前記穴は、発熱本体の表面に設けられた凹部であり、
前記対向面は、この凹部を画成する底面及び内側面であり、
前記内側面は、表面から裏面に向かうに従って徐々に内径が小さくなる略円錐台状に形成され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。
【請求項５】
前記穴の内径は、前記発熱本体の厚さの２倍よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記穴の内径は、前記発熱本体の厚さに等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
【請求項７】
前記発熱本体は、炭化ケイ素を含むセラミックで構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。

【図１】