DE112021006821T5

DE112021006821T5 - Heizelement zum erwärmen einer fahrzeugkabine, heizeinheit, heizsystem und heizelement zum reinigen einer fahrzeugkabine

Info

Publication number: DE112021006821T5
Application number: DE112021006821.0T
Authority: DE
Inventors: Yukio Miyairi; Masaaki Masuda; Yoshifumi TAKAGI; Hirofumi Yamaguchi; Toru Hayase; Takuya Nakashima
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2024-01-18
Also published as: US20230354479A1; WO2022153594A1; JPWO2022153594A1; CN116685484A

Abstract

Ein Heizelement 100 enthält Folgendes: eine Wabenstruktur 10, die eine Außenumfangswand 11 und Trennwände 12, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand 11 angeordnet sind, besitzt, wobei die Trennwände 12 mehrere Zellen 14 definieren, die jeweils einen Strömungsweg von einer ersten Stirnfläche 13a zu einer zweiten Stirnfläche 13b bilden, und die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 aus einem Material hergestellt sind, das eine PTC-Eigenschaft aufweist; und ein Paar Elektrodenschichten 20, die an einer Oberfläche der Außenumfangswand 11 vorgesehen sind. Die Wabenstruktur 10 besitzt eine Form, die in einem Querschnitt senkrecht zu einer zentralen Achse X1 eine lange Achse X2 und eine kurze Achse X3 besitzt. Die Elektrodenschichten 20 des Paars sind in einer Bandform gebildet, die parallel zur zentralen Achse X1 verläuft, und sind an der Oberfläche der Außenumfangswand 11 derart angeordnet, dass sie einander über die lange Achse X2, die einen Schwerpunkt der Wabenstruktur 10 im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 durchläuft, zugewandt sind. Das Heizelement 100 enthält ferner ein plattenförmiges Außenverbindungselement 30, das auf einer Stirnabschnittseite jeder der Elektrodenschichten 20 angeordnet ist, wobei das plattenförmige Außenverbindungselement 30 mit jeder der Elektrodenschichten 20 in ebenem Kontakt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, eine Heizeinheit, ein Heizsystem und ein Heizelement zum Reinigen einer Fahrzeugkabine.
[Technischer Hintergrund]
In den letzten Jahren wurde ein Heizsystem als ein Heizsystem zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine eines Elektrofahrzeugs verwendet. Das Heizsystem verwendet eine Dampfkompressionswärmepumpe als eine Hauptheizvorrichtung, wobei ergänzend eine Heizvorrichtung unter Verwendung von Joulescher Wärme verwendet wird, wenn beim Start des Fahrzeugs oder dann, wenn die Außentemperatur extrem niedrig ist, ein rasches Erwärmen erforderlich ist.
Als Heizvorrichtung, die Joulesche Wärme verwendet und im Heizsystem verwendet wird, schlägt Patentliteratur 1 ein Heizelement unter Verwendung einer Wabenstruktur vor, das kompakt ist und eine Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit erhöhen kann. Das Heizelement enthält Folgendes: eine Wabenstruktur, die eine Außenumfangswand besitzt, Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren und jede Zelle einen Strömungsweg von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bildet; und ein Paar Elektrodenschichten, die an der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche angeordnet sind, wobei das Heizelement durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Paar Elektroden, um Elektrizität in einer Richtung des Strömungswegs zu leiten, Wärme erzeugen kann.
Allerdings kann es sein, dass das Heizelement, das in Patentliteratur 1 beschrieben wird, nicht ausreichend zuverlässig ist, weil die Elektroden dem Strömungsweg des Gases zugewandt sind, was das Risiko hervorruft, dass die Elektroden korrodieren.
Deshalb schlägt Patentliteratur 2 ein Heizelement vor, das ein Paar Elektrodenschichten besitzt, die an einer Oberfläche einer Außenumfangswand einer Wabenstruktur angeordnet sind. Dieses Heizelement kann die Korrosion der Elektrodenschichten verhindern, weil die Elektrodenschichten dem Strömungsweg des Gases nicht zugewandt sind.
[Entgegenhaltungsliste]
[Patentliteratur]

[PTL 1] WO 2020/036067 A1
[PTL 2] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2020-59443 A

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Allerdings verbindet das Heizelement, das in Patentliteratur 2 beschrieben wird, die Elektrodenschichten mit der Außenseite (z. B. einer Batterie) durch elektrische Drähte. Bei diesem Heizelement besteht das Problem, dass eine Menge elektrischer Leistung, die von außerhalb zugeführt wird, wegen einer kleineren Kontaktfläche zwischen dem elektrischen Draht und der Elektrodenschicht beschränkt ist, was in unzureichender Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit resultiert. Außerdem ist die Wabenstruktur, die im Heizelement von Patentliteratur 2 verwendet wird, aus einem Material hergestellt, das keine PTC-Eigenschaften besitzt, und steuert den Strom durch eine Erhöhung des elektrischen Widerstands aufgrund einer Erhöhung einer Temperatur der PTC-Materialschicht in Kontakt mit der Außenumfangswand der Wabenstruktur. Deshalb ist die Empfindlichkeit einer Temperatursteuerung auch niedriger als dann, wenn die Wabenstruktur aus einem Material hergestellt ist, das PTC-Eigenschaften besitzt.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, das eine Leistungsmenge, die von außerhalb zugeführt wird, erhöhen und eine Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit verbessern kann, und eine Heizeinheit und ein Heizsystem zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine unter Verwendung dieses Heizelement zu schaffen. Außerdem ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Heizelement zu schaffen, das auch zum Reinigen einer Fahrzeugkabine verwendet werden kann.
[Lösung des Problems]
Die oben beschriebenen Probleme werden durch die vorliegende Erfindung, die unten beschrieben wird, gelöst und die vorliegende Erfindung ist wie folgt spezifiziert:
Dementsprechend bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, das Folgendes umfasst:

eine Wabenstruktur, die Folgendes umfasst: eine Außenumfangswand und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, die jeweils einen Strömungsweg von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, und die Außenumfangswand und die Trennwände ein Material umfassen, das eine PTC-Eigenschaft aufweist; und
ein Paar Elektrodenschichten, die an einer Oberfläche der Außenumfangswand vorgesehen sind, wobei
die Wabenstruktur eine Form besitzt, die in einem Querschnitt senkrecht zu einer zentralen Achse eine lange Achse und eine kurze Achse besitzt,
die Elektrodenschichten des Paars in einer Bandform gebildet sind, die zur zentralen Achse parallel verläuft, und an der Oberfläche der Außenumfangswand derart angeordnet sind, dass sie über die Längsachse, die einen Schwerpunkt der Wabenstruktur im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse durchläuft, einander zugewandt sind, und
das Heizelement ferner ein plattenförmiges Außenverbindungselement umfasst, das auf einer Stirnabschnittseite jeder der Elektrodenschichten angeordnet ist, wobei das plattenförmige Außenverbindungselement mit jeder der Elektrodenschichten in ebenem Kontakt ist.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Heizeinheit zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, wobei die Heizeinheit zwei oder mehr der Heizelemente umfasst und
die Heizelemente derart gestapelt sind, dass Oberflächen der Außenumfangswände der Wabenstrukturen, die lange Seiten der ersten Stirnflächen und der zweiten Stirnflächen enthalten, einander gegenüberliegen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Heizsystem zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, das Folgendes umfasst:

die Heizeinheit;
eine Zustromleitung für eine Kommunikation zwischen einem Außenlufteinleitungsabschnitt oder einer Fahrzeugkabine und einem Zustromanschluss der Heizeinheit;
eine Batterie zum Anlegen einer Spannung an die Heizeinheit und
eine Abstromleitung für eine Kommunikation zwischen einem Abstromanschluss der Heizeinheit und der Fahrzeugkabine.

Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Heizelement zum Reinigen einer Fahrzeugkabine, das Folgendes umfasst:

eine Wabenstruktur, die Folgendes umfasst: eine Außenumfangswand und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind,
wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, die jeweils einen Strömungsweg von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, und die Außenumfangswand und die Trennwände ein Material umfassen, das eine PTC-Eigenschaft aufweist;
ein Paar Elektrodenschichten, die an einer Oberfläche der Außenumfangswand vorgesehen sind; und
eine funktionsmaterialhaltige Schicht, die an Oberflächen der Trennwände vorgesehen ist, wobei
die Wabenstruktur eine Form besitzt, die in einem Querschnitt senkrecht zu einer zentralen Achse eine lange Achse und eine kurze Achse besitzt,
die Elektrodenschichten des Paars in einer Bandform gebildet sind, die zur zentralen Achse parallel verläuft, und an der Oberfläche der Außenumfangswand derart angeordnet sind, dass sie über die Längsachse, die einen Schwerpunkt der Wabenstruktur im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse durchläuft, einander zugewandt sind, und
das Heizelement ferner ein plattenförmiges Außenverbindungselement umfasst, das auf einer Stirnabschnittseite jeder der Elektrodenschichten angeordnet ist, wobei das plattenförmige Außenverbindungselement mit jeder der Elektrodenschichten in ebenem Kontakt ist.

[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, das eine Leistungsmenge, die von außerhalb zugeführt wird, erhöhen und eine Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit verbessern kann, sowie eine Heizeinheit und ein Heizsystem zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine unter Verwendung dieses Heizelement zu schaffen. Außerdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Heizelement zu schaffen, das auch zum Reinigen einer Fahrzeugkabine verwendet werden kann.
[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Heizelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine schematische Querschnittansicht des Heizelements von 1, die zu einer zentralen Achse einer Wabenstruktur senkrecht liegt;
3 ist eine schematische Querschnittansicht eines weiteren Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer zentralen Achse einer Wabenstruktur senkrecht liegt;
4 ist eine schematische Querschnittansicht eines weiteren Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer zentralen Achse einer Wabenstruktur senkrecht liegt;
5 ist eine schematische Querschnittansicht eines weiteren Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer zentralen Achse einer Wabenstruktur senkrecht liegt;
6 ist eine schematische Querschnittansicht eines weiteren Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer zentralen Achse einer Wabenstruktur senkrecht liegt;
7 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Wabenstruktur im Heizelement von 2;
8 ist eine schematische Querschnittansicht eines Wabenverbundkörpers, der fünf Wabensegmente besitzt, die zu einer zentralen Achse senkrecht liegt;
9 ist eine schematische teilweise vergrößerte Querschnittansicht eines weiteren Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer zentralen Achse einer Wabenstruktur senkrecht liegt;
10 ist eine schematische Frontansicht einer Heizeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesehen von einer ersten Stirnflächenseite eines Heizelements;
11 ist eine schematische Frontansicht einer weiteren Heizeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesehen von einer ersten Stirnflächenseite des Heizelements;
12 ist eine schematische Frontansicht einer weiteren Heizeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesehen von einer ersten Stirnflächenseite des Heizelements;
13 ist eine schematische Ansicht, die ein Anordnungsbeispiel eines Heizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist eine schematische Querschnittansicht eines Wabenverbundkörpers eines Heizelements, das in Beispiel 1 hergestellt wird, die zu einer zentralen Achse senkrecht liegt;
15 ist eine schematische Ansicht eines Bewertungskastens, der in Beispielen verwendet wird; und
16 zeigt Stromdichteverteilungsergebnisse für Heizelemente, die in den Beispielen 1 und 2 hergestellt werden.

[Genaue Beschreibung der Erfindung]
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen konkret beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist und diejenigen, die zu den folgenden Ausführungsformen auf der Grundlage des Wissens eines Fachmanns geeignet hinzugefügte Änderungen, Verbesserungen und dergleichen aufweisen, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
(1. Heizelement)
Ein Heizelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als ein Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine eines Fahrzeugs geeignet verwendet werden. Das Fahrzeug enthält, ohne darauf beschränkt zu sein, Automobile und Elektroschienenfahrzeuge. Nicht einschränkende Beispiele der Automobile enthalten ein Benzinfahrzeug, ein Dieselfahrzeug, ein Gaskraftstofffahrzeug unter Verwendung von CNG (komprimiertem Erdgas) oder LNG (verflüssigtem Erdgas), ein Brennstoffzellenfahrzeug, ein Elektrofahrzeug und ein Plug-in-Hybridfahrzeug. Das Heizelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann insbesondere für ein Fahrzeug, das keine Brennkraftmaschine besitzt, wie z. B. Elektrofahrzeuge und Elektroschienenfahrzeuge geeignet verwendet werden.
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Heizelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 ist eine schematische Querschnittansicht des Heizelements von 1.
Ein Heizelement 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält Folgendes: eine Wabenstruktur 10, die eine Außenumfangswand 11 und Trennwände 12, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand 11 angeordnet sind, besitzt, wobei die Trennwände 12 mehrere Zellen 14 definieren, die jeweils einen Strömungsweg von einer ersten Stirnfläche 13a zu einer zweiten Stirnfläche 13b bilden; und ein Paar Elektrodenschichten 20, die an einer Oberfläche der Außenumfangswand 11 angeordnet sind. Die Wabenstruktur 10 besitzt eine Form, die in einem Querschnitt senkrecht zu einer zentralen Achse X1 eine lange Achse X2 und eine kurze Achse X3 besitzt. Die Elektrodenschichten 20 des Paars sind in einer Bandform gebildet, die parallel zur zentralen Achse X1 verläuft, und sind an der Oberfläche der Außenumfangswand 11 derart angeordnet, dass sie einander über die lange Achse X2, die einen Schwerpunkt der Wabenstruktur 10 im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 durchläuft, zugewandt sind. Außerdem enthält das Heizelement 100 ferner ein plattenförmiges Außenverbindungselement 30, das auf einer Stirnabschnittseite jeder der Elektrodenschichten 20 angeordnet ist und das mit jeder der Elektrodenschichten 20 in ebenem Kontakt ist. Durch ein derartiges Anordnen der Elektrodenschichten 20 und der Außenverbindungselemente 30 sind die Elektrodenschichten 20 und die Außenverbindungselemente 30 in Oberflächenkontakt und kann eine Leistungsmenge, die von außerhalb zugeführt wird, einfach erhöht werden, derart, dass die Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit verbessert werden kann.
Sämtliche Elemente, die das Heizelement 100 bilden, werden unten genau beschrieben.
(1-1. Wabenstruktur 10)
Die Wabenstruktur 10 ist nicht besonders beschränkt, solange sie eine Form besitzt, die im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 die lange Achse X2 und die kurze Achse X3 besitzt. Als die Form der Wabenstruktur 10 kann z. B. der Querschnitt (die äußere Form) senkrecht zur zentralen Achse X1 rechteckig, oval (eiförmig, elliptisch, elliptisch, abgerundet rechteckig usw.), polygonal (Sechseck, Achteck und dergleichen, die mindestens zwei gegenüberliegende Seiten besitzt, die größer als die weiteren Seiten sind) und dergleichen sein. Unter diesen ist der Querschnitt bevorzugt rechteckig. Es ist festzuhalten, dass die Stirnflächen (die erste Stirnfläche 13a und die zweite Stirnfläche 13b) dieselbe Form wie der Querschnitt aufweisen.
Wenn der Querschnitt rechteckig ist, besitzt der Querschnitt kurze Seiten 15 und lange Seiten 16. Das Paar Elektrodenschichten 20 sind auf beiden Oberflächen der Außenumfangswand 11 angeordnet, die die langen Seiten 16 enthält.
Ein Verhältnis der Länge der kurzen Seite 15 zur Länge der langen Seite 16 ist bevorzugt im Bereich von 1:2 bis 1:15 und stärker bevorzugt im Bereich von 1:2 bis 1:10 und nochmals stärker bevorzugt im Bereich von 1:3 bis 1:8, obwohl es nicht besonders darauf beschränkt ist. Die Steuerung des Verhältnisses zu einem derartigen Bereich ermöglicht, dass die Größe der Wabenstruktur einfach an die Größe des Heizelements, das in einer bestehenden Heizeinheit verwendet wird, angepasst wird.
Die Länge der langen Seite 16 kann z. B. im Bereich von 30 mm bis 250 mm liegen. Außerdem kann die Länge der kurzen Seite 15 z. B. im Bereich von 5 mm bis 200 mm liegen. Insbesondere ermöglicht eine verringerte Entfernung zwischen dem Paar Elektrodenschichten 20 derart, dass eine Länge der kurzen Seite 15 von 10 mm oder weniger vorliegt, ein Erwärmen selbst bei einer niedrigen Spannung von etwa 10 V.
Die Form jeder Zelle 14 im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 ist nicht beschränkt, kann jedoch bevorzugt ein Viereck (ein Rechteck, ein Quadrat), ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination davon sein. Unter diesen sind das Viereck und das Sechseck bevorzugt und ist das Sechseck stärker bevorzugt. Durch Bilden der Zellen 14 in einer derartigen Form ist es möglich, den Druckverlust während des Durchleitens von Gas zu verringern.
Es ist festzuhalten, dass 1 und 2 Beispiele der Wabenstruktur 10 sind, wobei im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse 1 der Querschnitt rechteckig ist und die Form jeder Zelle 14 quadratisch ist.
Hier zeigen 3 bis 6 Beispiele von Heizelementen, die mit Wabenstrukturen 10 versehen sind, die weitere Formen besitzen.
3 zeigt ein Beispiel eines Heizelements 200, das eine Wabenstruktur 10 enthält, wobei im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 der Querschnitt ein abgerundetes Rechteck (rennbahnförmig) ist und jede Zelle 14 quadratisch ist.
4 zeigt ein Beispiel eines Heizelements 300, das eine Wabenstruktur 10 enthält, wobei im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 der Querschnitt elliptisch ist und jede Zelle 14 rechteckig ist.
5 zeigt ein Beispiel eines Heizelements 400, das eine Wabenstruktur 10 enthält, wobei im einem Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 der Querschnitt ein abgerundetes Rechteck (eine Rennbahnform) ist und jede Zelle 14 sechseckig ist.
6 zeigt ein Beispiel eines Heizelements 500, das eine Wabenstruktur 10 enthält, wobei im einem Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 der Querschnitt eine sechseckige Form besitzt, in der zwei gegenüberliegende Seiten, die mit den Elektrodenschichten 20 versehen sind, größer als die weiteren Seiten sind und jede Zelle 14 rechteckig ist.
Jedes der Heizelemente 200, 300, 400 und 500, die oben beschrieben sind, ist mit einem Paar Heizelemente 20 an der Oberfläche der Außenumfangswand 11 derart versehen, dass sie über die lange Achse X2, die den Schwerpunkt der Wabenstruktur 10 im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 durchläuft, einander zugewandt sind, und ist mit dem plattenförmigen Außenverbindungselement 30 auf der Stirnabschnittseite jeder Elektrodenschicht 20 derart versehen, dass es mit jeder Elektrodenschicht 20 in ebenem Kontakt ist.
Obwohl unten hauptsächlich das Heizelement 100 beschrieben wird, gelten dieselben Beschreibungen für die Heizelemente 200, 300, 400 und 500.
Die Wabenstruktur 10 besitzt bevorzugt nicht die Trennwände 12 parallel zur langen Achse X2 im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1. Eine derartige Konfiguration ermöglicht, dass die Zellen 14 während der Verwendung gleichförmig erhitzt werden, und ermöglicht außerdem, dass eine Verformung und ein Reißen der Zellen 14 verhindert werden.
Hier zeigt 7 eine vergrößerte Teilansicht der Wabenstruktur 10 im Heizelement 100 von 2. Wie in 7 gezeigt ist, weisen die Trennwände 12 Winkel α und β in Bezug auf die lange Achse X2 auf. Die Winkel α und β liegen bevorzugt im Bereich von 30 bis 60°. Durch Steuern der Winkel α und β der Trennwände 12 in Bezug auf die lange Achse X2 zu den oben beschriebenen Bereichen kann die Wirkung des Verhinderns einer Verformung und eines Reißens der Zellen 14 während der Verwendung mit Erwärmen stabil erhalten werden.
Die Wabenstruktur 10 kann ein Wabenverbundkörper sein, der mehrere Wabensegmente und Verbindungsschichten zum Verbinden der mehreren Wabensegmente miteinander besitzt. Die Verwendung des Wabenverbundkörpers kann zu einer Erhöhung der Gesamtquerschnittfläche der Zellen 14 führen, was wichtig ist, um eine Gasdurchflussmenge sicherzustellen, während die Erzeugung von Rissen verhindert wird.
Hier zeigt als Beispiel 8 eine schematische Querschnittansicht eines Wabenverbundkörpers, der fünf Wabensegmente besitzt, die senkrecht zur zentralen Achse X1 ist.
Wie in 8 gezeigt ist, besitzt der Wabenverbundkörper 17 die fünf Wabensegmente 18 und die Verbindungsschichten 19 zum Verbinden der Wabensegmente 18 miteinander. Jedes Wabensegment 18 besitzt die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12, die auf der Innenseite der Außenumfangswand 11 angeordnet sind und die mehreren Zellen 14 definieren, die jeweils einen Strömungsweg von der ersten Stirnfläche 13a zur zweiten Stirnfläche 13b bilden.
Jede Verbindungsschicht 19 kann unter Verwendung eines Verbindungsmaterials gebildet sein. Das Verbindungsmaterial ist nicht besonders beschränkt, jedoch kann ein pastenartiges Keramikmaterial, das durch Hinzufügen eines Lösungsmittels wie z. B. Wasser erhalten wird, verwendet werden. Das Verbindungsmaterial kann Keramiken enthalten, die eine PTC-Eigenschaft besitzen oder kann dieselben Keramiken wie die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 enthalten. Zusätzlich zur Rolle des Verbindens der Wabensegmente 18 miteinander kann das Verbindungsmaterial auch als ein Außenumfangsbeschichtungsmaterial nach dem Verbinden der Wabensegmente 18 verwendet werden.
Eine Fläche jeder Stirnfläche der Wabenstruktur 10 kann z. B. im Bereich von 20 bis 500 cm² liegen, obwohl sie nicht besonders darauf beschränkt ist. Außerdem kann eine Länge der Wabenstruktur 10 (die Strömungsweglänge jeder Zelle 14) z. B. im Bereich von 3 bis 40 mm liegen, obwohl sie nicht besonders darauf beschränkt ist.
(1-1-1. Material der Wabenstruktur 10)
Die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 der Wabenstruktur 10 sind aus einem Material gebildet, das durch elektrisches Leiten Wärme erzeugen kann. Deshalb kann ein Gas wie z. B. Außenluft oder Fahrzeugkabinenluft durch Wärmeübertragung von der heizenden Außenumfangswand 11 und Trennwänden 12 erhitzt werden, während das Gas in der ersten Stirnfläche 13a strömt, die mehreren Zellen 14 passiert und aus der zweiten Stirnfläche 13b herausströmt.
Ferner sind die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 aus einem Material gebildet, das eine PTC-Eigenschaft (eine Eigenschaft eines positiven Temperaturkoeffizienten) besitzt. Das heißt, die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 weisen eine Eigenschaft auf, dass, während die Temperatur derart erhöht wird, dass sie den Curie-Punkt überschreitet, ein Widerstandswert sich rasch erhöht, was in Schwierigkeiten dafür resultiert, dass Elektrizität fließt. Da die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 die PTC-Eigenschaft aufweisen, ist der Strom, der durch sie fließt, beschränkt, wenn das Heizelement 100 heiß wird, derart, dass eine übermäßige Wärmeerzeugung des Heizelements 100 verhindert wird.
Vom Standpunkt, in der Lage zu sein, aufgrund elektrischen Leitens Wärme zu erzeugen, und die PTC-Eigenschaft aufzuweisen, sind die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 bevorzugt aus Keramiken gebildet, die aus einem Material hergestellt sind, das Bariumtitanat-basierte (BaTiO₃-basierte) Kristallpartikel enthält, wobei ein Teil Ba durch ein oder mehrere Seltenerdelemente substituiert ist, als eine Hauptkomponente. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „Hauptkomponente“ eine Komponente, in der ein Verhältnis der Komponente zur Gesamtkomponente größer als 50 Massen-% ist. Der Gehalt der BaTiO₃-basierten Kristallpartikel kann z. B. durch fluoreszierende Röntgenanalyse, EDAX-Analyse (energiedispersive Röntgenstrahlanalyse) oder dergleichen bestimmt werden.
Die Summenformel von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln, in denen ein Teil Ba durch das Seltenerdelement substituiert ist, kann als (Ba_1-xA_x)TiO₃ ausgedrückt werden. In der Summenformel repräsentiert das Symbol A mindestens ein Seltenerdelement und 0,0001 ≤ x ≤ 0,010.
Das Symbol A ist nicht besonders beschränkt, solange es das Seltenerdelement ist, jedoch kann es bevorzugt eines oder mehrere, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Eu, Gd, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und stärker bevorzugt La sein. Der x-Wert ist bezüglich des Verhinderns eines übermäßig hohen elektrischen Widerstands bei Raumtemperatur bevorzugt 0,001 oder mehr und stärker bevorzugt 0,0015 oder mehr und nochmals stärker bevorzugt 0,002 oder mehr. Andererseits ist x bezüglich des Verhinderns, dass der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur aufgrund unzureichenden Sinterns zu hoch wird, bevorzugt 0,001 oder weniger und stärker bevorzugt 0,009 oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 0,008 oder weniger.
Die BaTiO₃-basierten Kristallpartikel, in denen ein Teil Ba durch das Seltenerdelement substituiert ist, weisen bevorzugt ein (Ba + Seltenerdelement)/Ti-Verhältnis von 1,005 bis 1,050 auf. Durch Steuern des (Ba + Seltenerdelement)/Ti-Verhältnis zu einem derartigen Bereich kann der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur stabil verringert werden. Das Elementverhältnis Ba, des Seltenerdelements und Ti kann z. B. durch Röntgenfluoreszenzanalyse und ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie) bestimmt werden.
Die BaTiO₃-basierten Kristallpartikel, in denen ein Teil Ba durch das Seltenerdelement substituiert ist, weisen bevorzugt eine durchschnittliche Kristallkorngröße im Bereich von 5 bis 200 µm und stärker bevorzugt im Bereich von 5 bis 180 µm und nochmals stärker bevorzugt im Bereich von 5 bis 160 µm auf. Durch Steuern der durchschnittlichen Kristallkorngröße zu einem derartigen Bereich kann der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur stabil verringert werden.
Die durchschnittliche Kristallkorngröße der BaTiO₃-basierten Kristallpartikel kann wie folgt gemessen werden. Eine quadratische Probe, die 5 mm × 5 mm × 5 mm aufweist, wird aus den Keramiken ausgeschnitten und mit einem Harz gekapselt. Die gekapselte Probe wird durch mechanisches Polieren hochglanzpoliert und durch SEM betrachtet. Die SEM-Betrachtung wird unter Verwendung z. B. eines Modells S-3400N der Firma Hitachi High-Tech bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und bei Vergrößerungen von 3000 ausgeführt. Im SEM-Betrachtungsbild (30 µm Länge × 45 µm Breite) wurden vier Geraden, die jeweils eine Dicke von 0,3 µm besitzen, in Intervallen von 10 µm über die gesamte vertikale Richtung des Sichtfelds gezogen und wird die Anzahl von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln, die diese Linien selbst teilweise durchlaufen, gezählt. Ein Durchschnitt der SEM-Bilder bei vier oder mehr Positionen, bei denen die Länge der Gerade durch die mehreren BaTiO₃-basierten Kristallpartikel unterteilt wird, ist als die durchschnittliche Kristallkorngröße definiert.
Der Gehalt der BaTiO₃-basierten Kristallpartikel, in denen ein Teil Ba durch das Seltenerdelement substituiert ist, in den Keramiken ist nicht besonders beschränkt, solange es als die Hauptkomponente bestimmt wird, kann jedoch bevorzugt 90 Massen-% oder mehr und stärker bevorzugt 92 Massen-% oder mehr und nochmals stärker bevorzugt 94 Massen-% oder mehr sein. Die Obergrenze des Gehalts der BaTiO₃-basierten Kristallpartikel ist nicht besonders beschränkt, kann jedoch im Allgemeinen 99 Massen-% und bevorzugt 98 Massen-% sein.
Der Gehalt der BaTiO₃-basierten Kristallpartikel kann z. B. durch fluoreszierende Röntgenanalyse oder EDAX-Analyse (energiedispersive Röntgenstrahlanalyse) gemessen werden. Weitere Kristallpartikel können auf dieselbe Weise wie dieses Verfahren gemessen werden.
Die Keramiken, die für die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 verwendet werden, enthält bevorzugt Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikel. Das Vorliegen von Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikeln in den Keramiken kann den elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur verringern. Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikel während eines Brennvorgangs verflüssigt werden, um eine Neuanordnung, ein Kornwachstum und eine Verdichtung von BaTiO₃-basierten Kristallpartikel zu begünstigen, wodurch der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur verringert wird.
Der Gehalt der Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikel in den Keramiken kann im Bereich von 1,0 bis 10,0 Massen-% und bevorzugt im Bereich von 1,2 bis 8,0 Massen-% und nochmals stärker bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 6,0 Massen-% liegen. Der Gehalt der Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikel von 1,0 Massen-% oder mehr kann eine Wirkung des Vorliegens der Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikel (d. h. eine Wirkung des Verringerns des elektrischen Widerstands bei Raumtemperatur) schaffen. Ferner kann der Gehalt der Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikel von 10,0 Massen-% oder weniger die PTC-Eigenschaft sicherstellen.
Die Keramiken, die für die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 verwendet werden, können ferner BaCO₃-Kristallpartikel enthalten. Die BaCO₃-Kristallpartikel sind diejenigen, die aus BaCO₃-Pulver, das ein Rohmaterial für die Keramiken ist, stammen.
Die BaCO₃-Kristallpartikel müssen in den Keramiken nicht enthalten sein, weil sie Wesentlichen keine Wirkung auf den elektrischen Widerstand der Keramiken bei Raumtemperatur aufweisen. Allerdings kann, wenn der Gehalt von BaCO₃-Kristallpartikeln in den Keramiken zu hoch ist, dieser den elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur beeinträchtigen und kann die Anzahl von weiteren Kristallpartikeln abnehmen, derart, dass gewünschte Eigenschaften nicht erhalten werden müssen. Deshalb ist der Gehalt der BaCO₃-Kristallpartikel bevorzugt 2,0 Massen-% oder weniger und stärker bevorzugt 1,8 Massen-% oder weniger und nochmals bevorzugt 1,5 Massen-% oder weniger. Die Untergrenze des Gehalts von BaCO₃-Kristallpartikeln ist nicht besonders beschränkt, jedoch kann sie im Allgemeinen 0,1 Massen-% und bevorzugt 0,2 Massen-% sein.
Die Keramiken, die für die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 verwendet werden, können zusätzlich zu den oben beschriebenen Kristallpartikeln ferner eine oder mehrere Komponenten enthalten, die PTC-Materialien herkömmlicherweise hinzugefügt werden. Eine derartige Komponente enthält Zusatzstoffe wie z. B. Schieber, eigenschaftenverbessernde Agenten, Metalloxide und Leiterpulver, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Hinsichtlich einer Verringerung der Umweltbelastung ist es wünschenswert, dass die Keramiken, die für die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 verwendet werden, im Wesentlichen frei von Blei (Pb) sind. Insbesondere besitzen die Keramiken bevorzugt einen Pb-Gehalt von 0,01 Massen-% oder weniger und stärker bevorzugt 0,001 Massen-% oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 0 Massen-%. Der geringere Pb-Gehalt kann z. B. ermöglichen, dass erhitzte Luft auf Organismen wie z. B. Personen durch Berühren der Keramiken sicher aufgebracht wird. In den Keramiken ist der Pb-Gehalt umgewandelt in PbO bevorzugt kleiner als 0,03 Massen-% und stärker bevorzugt kleiner als 0,01 Massen-% und nochmals bevorzugt 0 Massen-%. Der Bleigehalt kann z. B. durch fluoreszierende Röntgenanalyse, ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie) oder dergleichen bestimmt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Keramiken, die für die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 verwendet werden, im Wesentlichen frei von Alkalimetall, das den elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur beeinträchtigen kann, sind. Insbesondere bevorzugt besitzen die Keramiken einen Alkalimetallgehalt von 0,01 Massen-% oder weniger und stärker bevorzugt 0,001 Massen-% oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 0 Massen-%. Durch Steuern des Gehalts des Alkalimetalls zu einem derartigen Bereich kann der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur stabil verringert werden. Der Alkalimetallgehalt kann z. B. durch fluoreszierende Röntgenanalyse, ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie) oder dergleichen bestimmt werden.
Das Material, das die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 bildet, weist bezüglich des effizienten Erwärmens der Luft für eine Heizanwendung bevorzugt einen Curie-Punkt von 100 °C oder mehr und stärker bevorzugt 110 °C oder mehr und nochmals stärker bevorzugt 125 °C oder mehr auf. Ferner ist die Obergrenze des Curie-Punkts bezüglich der Sicherheit als eine Komponente, die in der Fahrzeugkabine oder in der Nähe der Fahrzeugkabine angeordnet ist, bevorzugt 250 °C und bevorzugt 225 °C und nochmals stärker bevorzugt 200 °C und nochmals stärker bevorzugt 150 °C.
Der Curie-Punkt des Materials, das die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 bildet, kann durch den Typ des Schiebers und eine Menge des Schiebers, der hinzugefügt wird, eingestellt werden. Zum Beispiel beträgt der Curie-Punkt von Bariumtitanat (BaTIO₃) etwa 120 °C, jedoch kann der Curie-Punkt durch Substituieren eines Teils von Ba und Ti durch Sr und/oder Sn und/oder Zr zur Seite niedrigerer Temperatur verschoben werden.
In der vorliegenden Erfindung wird der Curie-Punkt durch das folgende Verfahren gemessen. Eine Probe wird zur Messung an einem Probenhalter angebracht, der in einem Messungsbehälter (z. B. MINI-SUBZERO MC-810P von ESPEC) montiert ist, und wird eine Änderung des elektrischen Widerstands der Probe als eine Funktion einer Temperaturänderung, wenn die Temperatur von 10 °C erhöht wird, unter Verwendung eines Gleichstromwiderstandsmessers (z. B. des Multimeters 3478A von YHP) gemessen. Auf der Grundlage eines Diagramms des elektrischen Widerstands gegen die Temperatur, das durch die Messung erhalten wird, wird eine Temperatur, bei der der Widerstandswert zweimal der Widerstandswert bei Raumtemperatur (20 °C) ist, als der Curie-Punkt definiert.
(1-1-2. Dicke der Trennwand 12 der Wabenstruktur 10)
Vom Standpunkt des Unterdrückens des Anfangsstroms ist es vorteilhaft, den Strompfad zu verringern und den elektrischen Widerstand zu erhöhen. Deshalb ist die Dicke der Trennwände 12 in der Wabenstruktur 10 bevorzugt 0,3 mm oder weniger und stärker bevorzugt 0,25 mm oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 0,2 mm oder weniger. Andererseits ist vom Standpunkt des Sicherstellens der Festigkeit der Wabenstruktur 10 die Dicke der Trennwände 12 bevorzugt 0,02 mm oder mehr und stärker bevorzugt 0,04 mm oder mehr und nochmals stärker bevorzugt 0,06 mm oder mehr. Die Dicke der Trennwände 12 bezieht sich auf eine Länge eines Liniensegments, das die Trennwand 12 kreuzt, wenn die Schwerpunkte von benachbarten Zellen 14 in einem Querschnitt orthogonal zur Strömungswegrichtung der Zelle 14 verbunden werden. Die Dicke der Trennwände 12 bezieht sich auf eine durchschnittliche Dicke aller Trennwände 12.
Vom Standpunkt des Verstärkens der Wabenstruktur 10 ist die Dicke der Außenumfangswand 11 bevorzugt 0,05 mm oder mehr und stärker bevorzugt 0,06 mm oder mehr und nochmals stärker bevorzugt 0,08 mm oder mehr. Allerdings ist die Dicke der Außenumfangswand 11 von den Standpunkten des Erhöhens des elektrischen Widerstands, des Unterdrückens des Anfangsstroms und des Verringerns des Druckverlusts, wenn das Gas durchströmt, bevorzugt 1,0 mm oder weniger und stärker bevorzugt 0,5 mm oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 0,4 mm oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 0,3 mm oder weniger. Die Dicke der Außenumfangswand 11 bezieht sich auf eine Länge von einer Begrenzung zwischen der Außenumfangswand 11 und der äußersten Zelle 14 oder der Trennwand 12 zu einer Seitenfläche der Wabenstruktur 10 in der Normalrichtung der Seitenfläche im Querschnitt senkrecht zum Strömungsweg der Zellen 14.
(1-1-3. Zellendichte und Zellenabstand der Wabenstruktur 10)
Die Zellendichte der Wabenstruktur 10 ist bevorzugt 93 Zellen/cm² oder weniger und stärker bevorzugt 62 Zellen/cm² oder weniger. Außerdem ist der Zellenabstand der Wabenstruktur 10 bevorzugt 1,0 mm oder mehr und stärker bevorzugt 1,3 mm oder mehr. Durch Steuern der Zellendichte oder Zellenabstands zu einem derartigen Bereich kann der Luftweiterleitungswiderstand niedergehalten werden und kann eine Leistung eines Gebläses niedergehalten werden.
Obwohl die Untergrenze der Zellendichte der Wabenstruktur 10 nicht besonders beschränkt ist, kann sie bevorzugt 10 Zellen/cm² und stärker bevorzugt 20 Zellen/cm² sein. Die Obergrenze des Zellenabstands der Wabenstruktur 10 ist auch nicht besonders beschränkt, kann jedoch bevorzugt 3,0 mm und stärker bevorzugt 2,0 mm sein.
Die Zellendichte der Wabenstruktur 10 ist ein Wert, der durch Teilen der Anzahl von Zellen durch die Fläche jeder Stirnfläche der Wabenstruktur 10 erhalten wird. Ferner bezieht der Zellenabstand der Wabenstruktur 10 sich auf eine Länge eines Liniensegments, das die Schwerpunkte von zwei benachbarten Zellen 14 an jeder Stirnfläche der Wabenstruktur 10 verbindet.
(1-1-4. Spezifischer Durchgangswiderstand der Wabenstruktur 10)
Die Wabenstruktur 10 (die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12) besitzt einen spezifischen Durchgangswiderstand im Bereich von 0,5 bis 1000 Ω·cm bei Raumtemperatur (25 °C). Der spezifische Durchgangswiderstand in einem derartigen Bereich kann als ein niedrigere elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur bestimmt werden. Der niedrigere elektrische Widerstand bei Raumtemperatur kann eine Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit sicherstellen, die zum Erwärmen erforderlich ist, und kann eine Erhöhung der Leistungsaufnahme verhindern. Insbesondere ist, wenn das Paar Elektrodenschichten 20 an der Oberfläche der Außenumfangswand 11 der Wabenstruktur 10 vorgesehen ist, eine Entfernung zwischen den Elektroden größer als in dem Fall, in dem das Paar Elektrodenschichten 20 an den Stirnflächen (der ersten Stirnfläche 13a, der zweiten Stirnfläche 13b) der Wabenstruktur 10 vorgesehen ist. Allerdings kann der spezifische Durchgangswiderstand in einem derartigen Bereich eine Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit bereitstellen, die zum Erwärmen erforderlich ist.
Wenn die maximale Spannung, die von einer Stromversorgung angelegt wird, eine höhere Spannung im Bereich von 100 V bis 800 V ist, ist der spezifische Durchgangswiderstand der Wabenstruktur bei Raumtemperatur (25 °C) bevorzugt im Bereich von 10 bis 1000 Ω·cm. Ferner ist dann, wenn die höchste Spannung, die von der Leistungsquelle angelegt wird, eine niedrigere Spannung im Bereich von 12 V bis 60 V ist, der spezifische Durchgangswiderstand der Wabenstruktur bei Raumtemperatur (25 °C) bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 100 Ω·cm.
Der spezifische Durchgangswiderstand der Wabenstruktur 10 kann wie folgt gemessen werden. Zwei oder mehr Proben, die jeweils eine Ausdehnung von 30 mm × 30 mm × 15 mm besitzen, werden zufällig geschnitten und aus der Wabenstruktur 10 gesammelt. Der elektrische Widerstand bei der Messtemperatur wird dann durch das Zweipolverfahren gemessen und der spezifische Durchgangswiderstand wird aus Formen der Proben berechnet. Ein Durchschnittswert der spezifischen Durchgangswiderstände von allen Proben ist als ein gemessener Wert bei einer Messtemperatur definiert.
(1-1-5. Öffnungsverhältnis der Wabenstruktur 10)
Die Wabenstruktur 10 besitzt bevorzugt ein Öffnungsverhältnis von 80 % oder mehr und stärker bevorzugt 85 % oder mehr. Durch Steuern des Öffnungsverhältnisses zu dem Bereich kann der Druckverlust während des Gasdurchgangs niedergehalten werden.
Obwohl die Obergrenze des Öffnungsverhältnisses der Wabenstruktur 10 nicht besonders beschränkt ist, kann es bevorzugt 95 % und stärker bevorzugt 90 % sein. Durch Steuern des Öffnungsverhältnisses zu dem Bereich kann die Festigkeit der Wabenstruktur 10 aufrechterhalten werden.
Das Öffnungsverhältnis der Wabenstruktur 10 wird durch Teilen der Fläche der Zellen 14 durch die Fläche des gesamten Querschnitts (die Gesamtfläche der Außenumfangswand 11, der Trennwände 12 und der Zellen 14) im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 der Wabenstruktur 10 und Ausdrücken des resultierenden Werts als ein Prozentsatz bestimmt.
(1-2. Elektrodenschicht 20)
Das Heizelement 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt ein Paar Elektrodenschichten 20, die an der Oberfläche der Außenumfangswand 11 angeordnet sind. Die Elektrodenschichten 20 des Paars sind in einer Bandform gebildet, die parallel zur zentralen Achse X1 der Wabenstruktur 10 verläuft. Ferner ist das Paar Elektrodenschichten 20 an der Oberfläche der Außenumfangswand 11 derart angeordnet, dass sie einander über die lange Achse X2, die den Schwerpunkt der Wabenstruktur 10 im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1 der Wabenstruktur 10 durchläuft, zugewandt sind. Durch Anlegen einer Spannung durch das derart angeordnete Paar Elektrodenschichten 20 kann Wärme in der Wabenstruktur 10 durch Joulesche Wärme erzeugt werden.
Die Elektrodenschicht 20, die hier verwendet werden kann, enthält ein Metall oder eine Legierung, die mindestens eines enthält, das aus Cu, Ag, Al, Ni und Si gewählt ist, ist jedoch nicht besonders darauf beschränkt. Es ist auch möglich, eine ohmsche Elektrodenschicht zu verwenden, die zu einem ohmschen Kontakt mit der Außenumfangswand 11 und/oder den Trennwänden 12, die eine PTC-Eigenschaft aufweisen, in der Lage ist. Die ohmsche Elektrodenschicht enthält z. B. mindestens eines, das aus Au, Ag und In gewählt ist, als ein Grundmetall und enthält mindestens eines, das aus Ni, Si, Ge, Sn, Se und Te gewählt ist, als einen Dotierstoff für Halbleiter des n-Typs. Ferner kann die Elektrodenschicht 20 eine Schicht oder zwei oder mehr Schichten aufweisen. Wenn die Elektrodenschicht 20 zwei oder mehr Schichten besitzt, können Materialien der jeweiligen Schichten vom selben Typ oder von verschiedenen Typen sein.
Die Dicke jeder Elektrode 20 ist nicht besonders beschränkt und sie kann gemäß dem Verfahren zum Bilden der Elektrodenschichten 20 geeignet gesetzt werden. Das Verfahren zum Bilden der Elektrodenschichten 20 enthält Metallabscheidungsverfahren wie z. B. Sputtern, Gasphasenabscheidung, Elektrolytabscheidung und chemische Abscheidung. Alternativ können die Elektrodenschichten 20 durch Aufbringen einer Elektrodenpaste und ihr anschließendes Backen gebildet werden. Darüber hinaus können die Elektrodenschichten 20 durch thermisches Spritzen gebildet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Dicke jeder Elektrodenschicht 20 etwa im Bereich von 5 bis 30 µm zum Backen der Elektrodenpaste und etwa im Bereich von 100 bis 1000 nm für Trockenbeschichtung wie z. B. Sputtern und Gasphasenabscheidung und etwa im Bereich von 10 bis 100 µm für thermisches Spritzen und etwa im Bereich von 5 µm bis 30 µm für Nassbeschichtung wie z. B. Elektrolytabscheidung und chemische Abscheidung beträgt.
(1-3. Außenverbindungselement 30)
Das Heizelement 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt ein Außenverbindungselement 30, das eine Plattenform besitzt und auf einer Stirnabschnittseite jeder Elektrodenschicht 20 derart angeordnet ist, dass es mit jeder Elektrodenschicht 20 in ebenem Kontakt ist. Durch Bereitstellen eines derartigen plattenförmigen Außenverbindungselements 30 an jeder Elektrodenschicht 20 kann eine Leistungsmenge, die von außerhalb zu den Elektrodenschichten 20 zugeführt wird, einfach erhöht werden, derart, dass die Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit verbessert werden kann.
Wie hier verwendet bedeutet „die Stirnabschnittseite jeder Elektrodenschicht 20“ einen Bereich vom Ende jeder Elektrodenschicht 20 bis zu 30 % der gesamten Länge jeder Elektrodenschicht 20 in einer Richtung der langen Achse X2, die den Schwerpunkt der Wabenstruktur 10 durchläuft.
Das Außenverbindungselement 30 kann auf der Stirnabschnittseite jeder Elektrodenschicht 20 angeordnet sein und muss nicht notwendigerweise mit dem Ende jeder Elektrode 20 in Kontakt sein. Zum Beispiel kann, wie in 4 gezeigt ist, das Außenverbindungselement 30 mit einem gebogenen Abschnitt versehen sein und kann der gebogene Abschnitt mit jeder Elektrodenschicht 20 verbunden sein.
Das Außenverbindungselement 30 besitzt bevorzugt im Wesentlichen dieselbe Breite wie der Endabschnitt der Elektrodenschicht 20 auf der Seite, auf der das Außenverbindungselement 30 angeordnet ist. Eine derartige Konfiguration kann eine Kontaktfläche der Elektrodenschicht 20 mit dem Außenverbindungselement 30 erhöhen, derart, dass die Wirkung des Verbesserns der Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit verbessert wird.
Wie hier verwendet bedeutet die Wortverbindung „im Wesentlichen dieselbe Breite wie der Endabschnitt der Elektrodenschicht 20“, dass die Breite innerhalb von ±20 % der Breite des Endabschnitts der Elektrodenschicht 20 ist.
Es ist bevorzugt, dass jedes der Außenverbindungselemente 30 auf einer Stirnabschnittseite der Elektrodenschicht 20 parallel zur zentralen Achse X1 angeordnet ist. Eine Stirnabschnittseite, auf der das Außenverbindungselement 30 angeordnet ist, kann dieselbe Seite (z. B. 1 bis 5) oder eine verschiedene Seite (z. B. 6) in der Richtung der langen Achse X2 der Wabenstruktur 10 sein. Eine Stirnabschnittseite ist stärker bevorzugt dieselbe Seite. Es ist bevorzugt, dass jedes der Außenverbindungselemente 30 von der Stirnabschnittseite in derselben Richtung nach außen verläuft. Eine derartige Konfiguration kann zu einem kompakten Heizelement 100 führen, wenn die Wabenstruktur 10 auf das Heizelement 100 angewendet wird.
Das Außenverbindungselement 30 kann z. B. aus einem Metall hergestellt sein, obwohl es nicht darauf beschränkt ist. Das Metall, das hier verwendet werden kann, enthält ein einzelnes Metall, eine Legierung und dergleichen. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, des elektrischen Widerstands und der Längenausdehnungsrate kann z. B. das Metall bevorzugt eine Legierung sein, die mindestens eines enthält, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Cr, Fe, Co, Ni, Cu und Ti besteht, und stärker bevorzugt Edelstahl, Fe-Ni-Legierungen und Federbronze.
Die Form und die Größe des Außenverbindungselements 30 sind nicht besonders beschränkt, jedoch können sie gemäß der Struktur der Heizeinheit, die hergestellt werden soll, geeignet eingestellt werden.
Ein Verfahren zum Verbinden jedes Außenverbindungselements 30 mit jeder Elektrodenschicht 20 ist nicht besonders beschränkt, solange sie miteinander elektrisch verbunden sind. Sie können z. B. durch Diffusionsverbinden, einen mechanischen Druckbeaufschlagungsmechanismus, Schweißen oder dergleichen verbunden werden.
(1-4. Verfahren für Herstellen des Heizelements 100)
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Heizelements 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Wenn das Material der Wabenstruktur 10, die das Heizelement 100 bildet, Keramik ist, ein enthält Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 10 einen Formungsschritt und einen Brennschritt.
Im Formungsschritt wird ein Grünkörper, der ein Keramikrohmaterial enthält, das BaCO₃-Pulver, TiO₂-Pulver und Seltenerdnitrat oder Hydroxidpulver enthält geformt, um einen Wabenformkörper anzufertigen, der eine relative Dichte von 60 % oder mehr besitzt.
Das Keramikrohmaterial kann durch Trockenmischen der Pulver derart, dass sie eine gewünschte Zusammensetzung aufweisen, erhalten werden.
Der Grünkörper kann durch Hinzufügen eines Dispergiermediums, eines Bindemittels, eines Weichmachers und eines Dispergiermittels zum Keramikrohmaterial und ihr Kneten erhalten werden. Der Grünkörper kann Zusatzstoffe wie z. B. Schieber, Metalloxide, eigenschaftenverbessernde Agenten und Leiterpulver wahlweise enthalten.
Die Mischungsmenge der Komponenten außer dem Keramikrohmaterial ist nicht besonders beschränkt, solange die relative Dichte des Wabenformkörpers 60 % ist.
Wie hier verwendet bedeutet die „relative Dichte des Wabenformkörpers“ ein Verhältnis der Dichte des Wabenformkörpers zur wahren Dichte des gesamten Keramikrohmaterials. Insbesondere kann die relative Dichte durch die folgende Gleichung bestimmt werden: $\begin{array}{l} relative Dichte des Wabenformk \ddot{o} rpers (%) = Dichte des Wabenformk \ddot{o} rpers \\ ({g/cm}^{3}) /wahre Dichte des gesamten Keramikrohmaterials ({g/cm}^{3}) \times 100. \end{array}$
Die Dichte des Wabenformkörpers kann durch das Archimedes-Verfahren unter Verwendung reinen Wassers als Medium gemessen werden. Ferner kann die wahre Dichte des gesamten Keramikrohmaterials durch Teilen der Gesamtmasse der jeweiligen Rohmaterialien (g) durch das Gesamtvolumen der tatsächlichen Volumen der jeweiligen Rohmaterialien (cm³) erhalten werden.
Beispiele des Dispergiermediums enthalten Wasser oder ein gemischtes Lösungsmittel aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel wie z. B. Alkohol und stärker bevorzugt Wasser.
Beispiele des Bindemittels enthalten organische Bindemittel wie z. B. Methylzellulose, Hydroxypropoxylzellulose, Hydroxyethylzellulose, Carboxymethylzellulose und Polyvinylalkohol. Insbesondere ist bevorzugt, Methylzellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylzellulose zu verwenden. Das Bindemittel kann allein oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden, jedoch ist bevorzugt, dass das Bindemittel kein Alkalimetallelement enthält.
Beispiele des Weichmachers enthalten Polyoxyalkylenalkylether, polycarbonsäurebasierte Polymere und Alkylphosphatesther.
Das Dispergiermittel, das hier verwendet werden kann, enthält Tenside wie z. B. Polyoxyalkylenalkylether, Ethylenglykol, Dietrin, Fettsäureseifen und Polyalkohol. Das Dispergiermittel kann allein oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden.
Der Wabenformkörper kann durch Extrudieren des Grünkörpers hergestellt werden. In der Extrusion kann eine Matrize, die eine gewünschte Gesamtform, Zellenform, Trennwanddicke, Zellendichte und dergleichen besitzt, verwendet werden.
Die relative Dichte des Wabenformkörpers, der durch Extrusion erhalten wird, ist 60 % oder mehr und bevorzugt 61 % oder mehr. Durch Steuern der relativen Dichte des Wabenformkörpers zu einem derartigen Bereich kann der Wabenformkörper verdichtet werden und kann der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur verringert werden. Die Obergrenze der relativen Dichte des Wabenformkörpers ist nicht besonders beschränkt, jedoch kann sie im Allgemeinen 80 % und bevorzugt 75 % sein.
Der Wabenformkörper kann vor dem Brennschritt getrocknet werden. Nicht einschränkende Beispiele des Trocknungsverfahrens enthalten herkömmlicherweise bekannte Trocknungsverfahren wie z. B. Heißlufttrocknen, Mikrowellentrocknen, dielektrisches Trocknen, Trocknen unter verringertem Druck, Trocknen in Unterdruck und Gefriertrocknen. Unter diesen ist ein Trocknungsverfahren, das das Heißlufttrocknen mit dem Mikrowellentrocknen oder dem dielektrischem Trocknen kombiniert, dahingehend bevorzugt, dass der gesamte Formkörper rasch und gleichförmig getrocknet werden kann.
Der Brennschritt enthält ein Halten des Keramikformkörpers bei einer Temperatur im Bereich von 1150 bis 1250 °C und dann ein Erhöhen der Temperatur zu einer Höchsttemperatur im Bereich von 1360 bis 1430 °C mit einer Heizrate im Bereich von 20 bis 500°C/Stunde und ein Halten der Temperatur für im Bereich von 0,5 bis 10 Stunden.
Das Halten des Wabenformkörpers bei der Höchsttemperatur im Bereich von 1360 bis 1430 °C für im Bereich von 0,5 bis 5 Stunden kann die Wabenstruktur 10 schaffen, die BaTiO₃-basierte Kristallpartikel als eine Hauptkomponente enthält, in denen ein Teil Ba durch das Seltenerdelement substituiert ist.
Ferner kann das Halten bei der Temperatur im Bereich von 1150 bis 1250 °C ermöglichen, dass die Ba₂TiO₄-Kristallpartikel, die im Brennvorgang erzeugt werden, einfach entfernt werden, derart, dass die Wabenstruktur 10 verdichtet werden kann.
Ferner kann die Heizrate im Bereich von 20 bis 500°C/Stunde von der Temperatur im Bereich von 1150 bis 1250 °C zur Höchsttemperatur im Bereich von 1360 bis 1430 °C ermöglichen, dass im Bereich von 1,0 bis 10,0 Massen-% Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikel in der Wabenstruktur 10 gebildet werden.
Die Haltezeit bei im Bereich von 1150 bis 1250 °C ist nicht besonders beschränkt, sie kann jedoch bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 10 Stunden liegen. Eine derartige Haltezeit kann zu einer stabilen und einfachen Beseitigung von Ba₂TiO₄-Kristallpartikeln, die im Brennschritt erzeugt werden, führen.
Der Brennschritt enthält bevorzugt ein Halten bei im Bereich von 900 bis 950 °C für im Bereich von 0,5 bis 5 Stunden. Das Halten bei im Bereich von 900 bis 950 °C für im Bereich von 0,5 bis 5 Stunden kann zu einer ausreichenden Zersetzung von BaCO₃ führen, derart, dass die Wabenstruktur 10, die eine vorgegebene Zusammensetzung besitzt, einfach erhalten werden kann.
Vor dem Brennschritt kann ein Entfettungsschritt zum Entfernen des Bindemittels durchgeführt werden. Der Entfettungsschritt kann bevorzugt in einer Luftatmosphäre durchgeführt werden, um die organischen Komponenten vollständig zu zerlegen.
Außerdem kann die Atmosphäre des Brennschritts bezüglich Steuerns von elektrischen Eigenschaften und Produktionskosten bevorzugt die Luftatmosphäre sein.
Ein Brennofen, der in dem Brennschritt und dem Entfettungsschritt verwendet wird, ist nicht besonders beschränkt, kann jedoch ein Elektroofen, ein Gasofen oder dergleichen sein.
Die Elektrodenschichten 20 werden an einer vorgegebenen Oberfläche der Außenumfangswand 11 der Wabenstruktur 10, die somit erhalten wird, gebildet. Die Elektrodenschichten 20 können gemäß dem Verfahren, das oben beschrieben ist, gebildet werden. Die Elektrodenschicht 20 kann eine einzelne Schicht sein oder kann mehrere Schichten sein, die verschiedene Zusammensetzungen besitzen.
Die Außenverbindungselemente 30 werden dann mit den Elektrodenschichten 20 verbunden. Als ein Verfahren zum Verbinden der Elektrodenschichten 20 mit den Außenverbindungselementen 30 kann das oben beschriebene Verfahren verwendet werden.
(1-5. Verfahren zum Verwenden des Heizelements 100)
Das Heizelement 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann z. B. Wärme durch Anlegen einer Spannung mittels des Paars Elektrodenschichten 20 von den Außenverbindungselementen 30 erzeugen. Vom Standpunkt eines raschen Erwärmens ist es hinsichtlich der angelegten Spannung bevorzugt, eine Spannung von 200 V oder mehr anzulegen, und ist es stärker bevorzugt, eine Spannung von 250 V oder mehr anzulegen.
Wenn das Heizelement 100 aufgrund des Anlegens der Spannung Wärme erzeugt, kann das Gas erhitzt werden, indem ermöglicht wird, dass das Gas durch die Zellen 14 strömt. Eine Temperatur des Gases, das in die Zellen 14 strömt, kann z. B. im Bereich von -60 °C bis 20 °C und typischerweise im Bereich von -10 °C bis 20 °C liegen.
Durch Anordnen der Elektrodenschichten 20 und der Außenverbindungselemente 30, die oben beschrieben sind, kann das Heizelement 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leistungsmenge, die zu den Elektrodenschichten 20 von außerhalb zugeführt wird, einfach erhöhen, wodurch die Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit verbessert wird. Ferner besitzt das Heizelement 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine einfachere Struktur als ein bestehendes Heizelement, in dem ein PTC-Element und eine Aluminiumlamelle mittels einer Isolationskeramikplatte integriert sind, und kann verhindern, dass die Heizeinheit größer wird. Ferner ist im bestehenden Heizelement das PTC-Element nicht in direktem Kontakt mit dem Gas, was in einer unzureichenden Heizrate (Heizzeit) des Gases resultiert, wohingegen im Heizelement 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Wabenstruktur 10, in der die Außenumfangswand 11 und die Trennwände 12 aus einem Material hergestellt sind, das die PTC-Eigenschaft aufweist, in direktem Kontakt mit dem Gas ist, was in einer erhöhten Heizrate des Gases resultiert.
In einem weiteren Aspekt kann das Heizelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch als ein Heizelement zum Reinigen einer Fahrzeugkabine eines Fahrzeugs geeignet verwendet werden.
Nun ist unter Bezugnahme auf 9 eine teilweise vergrößerte schematische Querschnittansicht der Wabenstruktur 10 des Heizelements, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, gezeigt, die senkrecht zur zentralen Achse ist.
Wie in 9 gezeigt ist, enthält das Heizelement, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, ferner eine funktionsmaterialhaltige Schicht 40, die an den Oberflächen der Trennwände 12 der Wabenstruktur 10 vorgesehen ist. Mit dem Heizelement, das eine derartige Konfiguration besitzt, wird ermöglicht, dass Luft, die Komponenten, die entfernt werden sollen, wie z. B. Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Duftkomponenten enthält, durch die Zellen 14 fließt, wodurch die Komponenten, die entfernt werden sollen, durch die funktionsmaterialhaltige Schicht 40 abgeschieden werden. Es ist festzuhalten, dass das Heizelement, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, dieselbe Struktur besitzt, wie das Heizelement 100, das oben beschrieben ist, außer, dass das erstgenannte ferner die funktionsmaterialhaltige Schicht 40 enthält, und deshalb werden seine genauen Beschreibungen ausgelassen.
Ferner sind in dem Heizelement, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, die Elektrodenschichten 20 des Paars in der Bandform gebildet, die parallel zur zentralen Achse X1 verläuft, und sind an der Oberfläche der Außenumfangswand 11 derart angeordnet, dass sie einander über die lange Achse X2 im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse X1, die den Schwerpunkt der Wabenstruktur 10 durchläuft, zugewandt sind. Deshalb kann die Wabenstruktur 10 im Vergleich zu einem Modus, in dem das Paar Elektrodenschichten 20 an beiden Stirnflächen (der ersten Stirnfläche 13a, der zweiten Stirnfläche 13b) der Wabenstruktur 10 vorgesehen sind, gleichförmig erhitzt werden, derart, dass die funktionsmaterialhaltige Schicht 40 gleichförmig erhitzt werden kann, um die Funktion des Funktionsmaterials wirksam aufzuweisen. Der Grund dafür, dass eine derartige Wirkung erzeugt wird, wird abgeleitet wie folgt. Im Heizelement, in dem das Paar Elektrodenschichten 20 an beiden Stirnflächen (der ersten Stirnfläche 13a und der zweiten Stirnfläche 13b) der Wabenstruktur 10 vorgesehen sind, wird eine Temperatur der Wabenstruktur 10 auf der Seite eines Einlasses (z. B. der ersten Stirnfläche 13a) verringert, wenn die Luft von der Einlassseite der Wabenstruktur 10 eingespeist wird. Als Ergebnis wird die Wabenstruktur 10 ungleichförmig erhitzt und wird das Funktionsmaterial auf der Einlassseite nicht zu seiner Aktivierungstemperatur erhitzt, was es schwierig gestaltet, dass das Funktionsmaterial seine Funktion aufweist. Andererseits wird durch Bereitstellen des Paars Elektrodenschichten 20 an der Oberfläche (der Seitenfläche) der Außenumfangswand 11 die Wabenstruktur 10 auf der kalten Einlassseite (z. B. der ersten Stirnfläche 13a) einen niedrigeren Widerstand aufweisen, wenn eine Spannung abgesenkt wird, was in einer Konzentration von Strom resultiert, während die relativ warme Auslassseite (z. B. die zweite Stirnfläche 13b) einen höheren Widerstand aufweisen wird, was in einer Beschränkung des Stroms resultiert. Dies würde es einfacher gestalten, die gesamte Wabenstruktur 10 gleichförmig zu erwärmen, und die Funktion des Funktionsmaterials könnte wirksam aufgewiesen werden.
Das Funktionsmaterial, das in der funktionsmaterialhaltigen Schicht 40 enthalten ist, kann Adsorptionsmittel, Katalysatoren und dergleichen enthalten, ist jedoch nicht besonders darauf beschränkt.
Die funktionsmaterialhaltige Schicht 40 enthält z. B. bevorzugt das Adsorptionsmittel. Indem das Adsorptionsmittel enthalten ist, können die Komponenten, die aus der Luft in der Fahrzeugkabine entfernt werden sollen, aufgenommen werden.
Die funktionsmaterialhaltige Schicht 40 kann den Katalysator enthalten. Unter Verwendung des Katalysators können die Komponenten, die entfernt werden sollen, gereinigt werden. Zum Zweck des Verbesserns der Fähigkeit des Adsorptionsmittels, Komponenten abzuscheiden, die entfernt werden sollen, können das Adsorptionsmittel und der Katalysator gemeinsam verwendet werden.
Das Adsorptionsmittel besitzt bevorzugt die Funktion des Adsorbieren der Komponenten, die entfernt werden sollen (z. B. Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Duftkomponenten), und weist stärker bevorzugt Funktionen des Adsorbierens der Komponenten, die entfernt werden sollen, bei im Bereich von -20 bis 40 °C und ihres Lösens bei einer hohen Temperatur von 60 °C oder mehr auf. Die Adsorptionsmittel, die derartige Funktionen besitzen, enthalten Zeolith, Siliziumoxidgel, aktivierten Kohlenstoff, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Ton mit niedrigem Kristallgehalt, amorphe Aluminiumsilikatkomplexe und dergleichen. Der Typ des Adsorptionsmittels kann abhängig von Typen von Komponenten, die entfernt werden sollen, geeignet gewählt werden.
Der Katalysator besitzt bevorzugt eine Funktion, die die Oxidationsreduktionsreaktion begünstigen kann. Die Katalysatoren, die derartige Funktionen besitzen, enthalten Metallkatalysatoren wie z. B. Pt, Pd und Ag und Oxidkatalysatoren wie z. B. CeO₂ und ZrO₂.
Die zu entfernenden Komponenten, die in der Luft in der Fahrzeugkabine enthalten sind, sind z. B. Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Duftkomponenten. Konkrete Beispiele der Duftkomponenten enthalten Ammoniak, Essigsäure, Isovaleriansäure, Nonenal, Formaldehyd, Toluol, Xylol, Paradichloridbenzol, Ethylbenzol, Styrol, Chlorpyrifos, di-n-Butylphthalat, Tetradecan und di-2-Ethylhexylphthalat, Diazinon, Azetaldehyd, 2-(1-Methylpropyl)Phenyl-N-Methylcarbamat und dergleichen.
In der Wabenstruktur 10 des Heizelements, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, ist die Dicke der Trennwände 12 vom Standpunkt des Tragens einer ausreichenden Menge des Funktionsmaterials an der Wabenstruktur 10 bevorzugt 0,125 mm oder weniger und stärker bevorzugt 0,10 mm oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 0,08 mm oder weniger. Aus derselben Sichtweise ist die Zellendichte bevorzugt 100 Zellen/cm² oder weniger und stärker bevorzugt 70 Zellen/cm² oder weniger und nochmals stärker bevorzugt 65 Zellen/cm² oder weniger und ist der Zellenabstand bevorzugt 1,0 mm oder mehr und stärker bevorzugt 1,2 mm oder mehr und nochmals stärker bevorzugt 1,3 mm oder mehr.
(2. Heizeinheit)
Die Heizeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als eine Heizeinheit zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine eines Fahrzeugs geeignet verwendet werden. Insbesondere kann, da die Heizeinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Heizelement 100 verwendet, das eine höhere Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit besitzt, die Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit der Heizeinheit verbessert werden. Ferner ist es, da das Heizelement 100 kompakt hergestellt werden kann, möglich, zu verhindern, dass die Heizeinheit größer wird.
10 ist eine schematische Frontansicht einer Heizeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesehen von der ersten Stirnflächenseite des Heizelements.
Wie in 10 gezeigt ist, enthält eine Heizeinheit 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr Heizelemente 100. Ferner sind in der Heizeinheit 600 die Heizelemente 100 derart gestapelt, dass die Oberflächen der Außenumfangswände 11 der Wabenstrukturen 10, die die langen Seiten 16 der ersten Stirnflächen 13a und der zweiten Stirnflächen 13b enthalten, einander gegenüberliegen. Eine derartige Konfiguration kann eine kompakte Heizeinheit 600 erzeugen.
Die Heizeinheit 600 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Gehäuse (ein Gehäuseelement) 610 enthalten.
Das Gehäuse 610 kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das z. B. Metalle und Harze enthält, jedoch nicht darauf beschränkt ist. Unter diesen ist das Material des Gehäuses 610 bevorzugt das Harz. Das Gehäuse 610, das aus dem Harz hergestellt ist, kann einen Stromschlag ohne Erdung verhindern.
Die Form und die Größe des Gehäuses 610 sind nicht besonders beschränkt, jedoch kann sie dieselbe wie die der bestehenden Heizeinheit sein.
Die Heizeinheit 600 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner Isolationsmaterialien 620 enthalten, die jeweils zwischen den Heizelementen 100, die gestapelt sind, angeordnet sind. Eine derartige Konfiguration kann einen elektrischen Kurzschluss zwischen den mehreren Heizelementen 100 verhindern.
Die Isolationsmaterialien 620, die hier verwendet werden können, enthalten Plattenmaterialien, Matten, Kleidung und dergleichen, die aus einem Isolationsmaterial wie z. B. Aluminiumoxid oder Keramiken gebildet sind.
Die Heizeinheit 600 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt eine Verdrahtungsstruktur, die die Heizelemente 100 steuern kann. Insbesondere kann die Heizeinheit 600 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner Verdrahtungen 630 enthalten, die mit den Außenverbindungselementen 30 des Heizelements 100 verbunden sind.
Die Verdrahtungsstruktur ist nicht besonders beschränkt, sie kann jedoch, wie in 10 gezeigt ist, eine Verdrahtungsstruktur sein, in der jedes der Heizelemente 100 unabhängig steuerbar ist. Insbesondere kann die Verdrahtung 630 mit jedem der Außenverbindungselemente 30 des Heizelements 100 verbunden sein. Die Verdrahtungen 630 sind mit einer externen Leistungsquelle (die nicht gezeigt ist) verbunden. Eine derartige Verdrahtungsstruktur kann ermöglichen, dass die Heizelemente 100 jeweils unabhängig gesteuert wird, wodurch eine Temperaturfeinabstimmung ermöglicht wird.
Wie in 11 gezeigt ist, kann die Verdrahtungsstruktur eine Parallelverdrahtungsstruktur sein, in der zwei oder mehr Heizelemente 100 gemeinsam gesteuert werden können. Insbesondere kann die parallele Verdrahtung 640a mit einem der Außenverbindungselemente 30 jedes Heizelements 100 verbunden sein und kann eine parallele Verdrahtung 640b mit dem weiteren Außenverbindungselement 30 verbunden sein. Eine derartige Verdrahtungsstruktur kann die Leistungsaufnahme der Heizeinheit 700 niederhalten.
Ferner kann sie, wie in 12 gezeigt ist, eine Parallelverdrahtungsstruktur sein, wobei zwei oder mehr Heizelemente 100 unter Verwendung der Elektrodenschichten 20 zwischen den gestapelten Heizelementen 100 als eine für die gestapelten Heizelemente 100 gemeinsame Elektrodenschicht 20 gemeinsam gesteuert werden können. Insbesondere kann jedes Außenverbindungselement 30 beim Ende jeder Elektrodenschicht 20 angeordnet sein, kann die parallele Verdrahtung 640a mit einem der Außenverbindungselemente 30 jedes Heizelements 100 verbunden sein und kann eine parallele Verdrahtung 640b mit dem weiteren Außenverbindungselement 30 verbunden sein. Eine derartige Struktur kann eine Notwendigkeit beseitigen, das Isolationsmaterial 620 zwischen den gestapelten Heizelementen 100 anzuordnen, derart, dass die Heizeinheit 800 kompakt hergestellt werden kann und die Leistungsaufnahme niedergehalten werden kann.
(3. Heizsystem)
Das Heizsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als ein Heizsystem zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine eines Fahrzeugs geeignet verwendet werden. Insbesondere wird im Heizsystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Heizeinheit 600, die eine hohe Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit besitzt, verwendet, derart, dass die Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit des Heizsystems verbessert werden kann. Ferner kann die Heizeinheit 600 kompakt hergestellt werden, derart, dass es möglich ist, zu verhindern, dass das Heizsystem größer wird. Es ist festzuhalten, dass Heizeinheiten 700, 800 anstelle der Heizeinheit 600 verwendet werden können.
13 ist eine schematische Ansicht, die ein Anordnungsbeispiel eines Heizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 13 gezeigt ist, enthält ein Heizsystem 900 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Folgendes: die Heizeinheit 600 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Zustromleitungen 920a, 920b für eine Kommunikation zwischen einem Außenlufteinleitungsabschnitt oder einer Fahrzeugkabine 910 und einem Zustromanschluss 650 der Heizeinheit 600; eine Batterie 940 zum Anlegen einer Spannung an die Heizeinheit 600 und einer Abstromleitung 930 für eine Kommunikation zwischen einem Abstromanschluss 660 der Heizeinheit 600 und der Fahrzeugkabine 910.
Die Heizeinheit 600 kann konfiguriert sein, z. B. durch Verbinden mit der Batterie 940 mit einem elektrischen Draht 950 und Einschalten eines Netzschalters in der Mitte der Verdrahtung gespeist zu werden und Wärme zu erzeugen.
Auf der stromaufwärts liegenden Seite der Heizeinheit 600 kann eine Dampfkompressionswärmepumpe 960 angeordnet sein. Im Heizsystem 900 ist die Dampfkompressionswärmepumpe 960 als eine Haupterwärmungsvorrichtung konfiguriert und ist die Heizeinheit 600 als eine Hilfsheizvorrichtung konfiguriert. Die Dampfkompressionswärmepumpe 960 kann mit einem Wärmetauscher versehen sein, der Folgendes enthält: einen Verdampfer 961, der arbeitet, um während des Kühlens Wärme von außerhalb zu absorbieren, um ein Kältemittel zu verdampfen; und einen Kondensator 962, der arbeitet, um während des Erwärmens ein Kältemittelgas zu verflüssigen, um Wärme zur Außenseite abzugeben. Die Dampfkompressionswärmepumpe 960 ist nicht besonders beschränkt und eine Dampfkompressionswärmepumpe, die im Stand der Technik bekannt ist, kann verwendet werden.
Auf der stromaufwärts liegenden Seite und/oder der stromabwärts liegenden Seite der Heizeinheit 600 kann ein Gebläse 970 installiert sein. Hinsichtlich des Sicherstellens der Sicherheit durch Anordnen von Hochspannungsteilen so weit wie möglich von der Fahrzeugkabine 910 entfernt, ist das Gebläse 970 bevorzugt auf der stromaufwärts liegenden Seite der Heizeinheit 600 installiert. Wenn das Gebläse 970 angetrieben wird, strömt Luft von innerhalb oder außerhalb der Fahrzeugkabine 910 über die Zustromleitungen 920a, 920b in die Heizeinheit 600. Die Luft wird während des Durchlaufens der Erwärmungseinheit 600, die Wärme erzeugt, erhitzt. Die erhitzte Luft strömt aus der Heizeinheit 600 und wird über die Abstromleitung 930 in die Fahrzeugkabine 910 abgegeben. Der Auslass der Abstromleitung 930 kann in der Nähe der Füße eines Insassen angeordnet sein, derart, dass die Heizwirkung selbst in der Fahrzeugkabine 910 besonders hoch ist, oder der Leitungsauslass kann in einem Sitz angeordnet sein, um den Sitz von innerhalb zu wärmen, oder kann in der Nähe eines Fensters angeordnet sein, um eine Wirkung des Verhinderns des Beschlagens des Fensters aufzuweisen.
Die Zustromleitung 920a und die Zustromleitung 920b sind in der Mitte zusammengeführt. Die Zustromleitung 920a und die Zustromleitung 920b können mit Ventilen 921a bzw. 921b auf der stromaufwärts liegenden Seite des Zusammenflusses versehen sein. Durch Steuern des Öffnens und Schließens der Ventile 921a, 921b ist es möglich, zwischen einem Modus, wobei die Außenluft in die Heizeinheit 600 eingeleitet wird, und einem Modus, wobei die Luft in der Fahrzeugkabine 910 in die Heizeinheit 600 eingeleitet wird, zu wechseln. Zum Beispiel resultiert das Öffnen des Ventils 921a und das Schließen des Ventils 921b in dem Modus, in dem die Außenluft in die Heizeinheit 600 eingeleitet wird. Es ist auch möglich, sowohl das Ventil 921a als auch das Ventil 921b zu öffnen, um die Außenluft und die Luft in der Fahrzeugkabine 910 gleichzeitig in die Heizeinheit 600 einzuleiten.
[Beispiele]
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele genauer beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Ein Heizelement A1 wurde hergestellt, wobei der Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse des Wabenverbundkörpers die Form hatte, die in 14 gezeigt ist. Speziell wurde das Heizelement A1 hergestellt wie folgt:

Als Keramikrohmaterialien wurden BaCO₃-Pulver, TiO₂-Pulver und La(NO₃)₃·6H₂O Pulver angefertigt. Diese Pulver wurden derart abgewogen, dass sie nach dem Brennen die vorgegebene Zusammensetzung aufweisen, und trocken gemischt, um ein gemischtes Pulver zu erhalten. Das Trockenmischen wurde 30 Minuten lang ausgeführt. Anschließend wurden im Bereich von 3 bis 30 Gewichtsteile Wasser, ein Bindemittel, ein Weichmacher und ein Dispergiermittel insgesamt auf der Grundlage von 100 Massenteilen des erhaltenen gemischten Pulvers in einer geeigneten Menge hinzugefügt, derart, dass ein Keramikformkörper, der eine relative Dichte von 64,8 % besitzt, nach einer Extrusion erhalten wurde, und dann geknetet, um einen Grünkörper zu erhalten. Als das Bindemittel wurde Methylzellulose verwendet. Als Weichmacher und Dispergiermittel wurde Polyoxyalkylenalkylether verwendet.

Jeder Grünkörper wurde in eine Strangpresse eingebracht und unter Verwendung einer vorgegebenen Matrize extrudiert, um ein Wabensegment zu bilden, in dem der Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse nach dem Brennen die Form hatte, die in 14 gezeigt ist, wodurch ein Wabenformkörper (der Ausdehnungen von 32 mm × 32 mm × 14 mm nach dem Brennen besitzt) erhalten wurde. Die Dichte des Wabenformkörpers wurde dann gemäß dem oben beschriebenen Verfahren gemessen.
Anschließend wurde der erhaltene Wabenformkörper dielektrischem Trocknen und Heißlufttrocknen unterworfen und dann in einer Luftatmosphäre (450 °C für 4 Stunden) in einem Brennofen entfettet und dann in einer Luftatmosphäre gebrannt, um ein Wabensegment zu erhalten. Das Brennen wurde durch Halten bei 950 °C für 1 Stunde, Erhöhen einer Temperatur zu 1200 °C, Halten bei 1200 °C für 1 Stunde, Erhöhen der Temperatur zu 1400 °C (Höchsttemperatur) bei 200° C/Stunde und Halten bei 1400 °C für 2 Stunden sequenziell ausgeführt.
Details des erhaltenen Wabensegments sind wie folgt:

Gehalt von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln: 95,0 Massen-%;
Gehalt von Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikeln: 4,0 Massen-%;
Gehalt von BaCO₃-Kristallpartikeln: 1,0 Massen-%;
La-Atomverhältnis (x-Wert) von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln: 0,001;
(Ba + La)/Ti-Verhältnis von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln: 1,030; und

₃

Zusätzlich wurde der Gehalt jedes Kristallpartikels unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers identifiziert. Als das Röntgendiffraktometer wurde ein Mehrfunktionspulverröntgenstrahl-Diffraktometer (D8Avance von Bruker) verwendet. Die Bedingungen für die Röntgenbeugungsmessung waren: eine CuKα-Strahlungsquelle; 10 kV; 20 mA; 2θ = 5 bis 100°. Die erhaltenen Röntgenbeugungsdaten wurden dann durch das Rietveld-Verfahren unter Verwendung einer Analysesoftware TOPAS (von BrukerAXS) analysiert, um die Kristallpartikel zu identifizieren.
Der Gehalt jedes Kristallpartikels wurde unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers gemessen. Als das Röntgendiffraktometer, wurden das gleiche Gerät und die gleiche Analysesoftware verwendet, die oben beschrieben sind, und der Gehalt jedes Kristallpartikels wurde durch das Rietveld-Verfahren bestimmt.
Die chemische Zusammensetzung der Keramiken wurde durch ICP-Emissionsspektroskopie analysiert, um Atomverhältnisse von Elementen wie z. B. La, Ba und Ti zu bestimmen.
Die durchschnittliche Kristallkorngröße von Keramiken wurde gemäß dem oben beschriebenen Verfahren gemessen. Die SEM-Betrachtung wurde unter Verwendung eines Modells S-3400N, das durch die Firma Hitachi High-Technologies hergestellt wurde, bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und bei Vergrößerungen von 3000 durchgeführt.
Die oben beschriebenen Messbedingungen waren für die folgenden Beispiele gleich.
Fünf der oben beschriebenen Wabensegmente wurden dann angefertigt und eines Verbindungsmaterial wurde auf die Seitenflächen der Wabensegmente aufgebracht und sie miteinander verbunden, um einen Wabenverbundkörper zu erhalten. Als das Verbindungsmaterial wurde eine Paste verwendet, die durch Hinzufügen eines Lösungsmittels wie z. B. Wasser zu einem Keramikmaterial hergestellt wird.
Die Details des erhaltenen Wabenverbundkörpers sind wie folgt. Es ist festzuhalten, dass die Werte physikalischer Eigenschaften durch die Verfahren, die oben beschrieben worden sind, gemessen wurden.
Form des Wabenverbundkörpers im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse: rechteckig;
Form jeder Zelle im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse: quadratisch; Dicke von Trennwänden: 0,10 mm;
Zellendichte: 64 Zellen/cm²;
Zellenabstand: 1,27 mm;
Querschnitt senkrecht zur Zellenausdehnungsrichtung: 32 mm × 180 mm; Länge in der Zellenausdehnungsrichtung: 14 mm;
Stirnflächenfläche: 57,6 cm²;
Winkel der Trennwände in Bezug auf die Längsachse: 0° und 90°;
spezifischer Durchgangswiderstand bei Raumtemperatur (25 °C): 14 Ω cm; Öffnungsverhältnis: 85 %; und
Curie-Punkt: 120 °C.
Als nächstes wurden Elektrodenschichten auf beiden Seiten der Außenumfangswand gebildet, die die langen Seiten enthält, die den rechteckigen Querschnitt der Wabenstruktur besitzen. Im Hinblick auf die Elektrodenschichten wurde zunächst ein Al-Ni-Elektrodenpaste auf beide Seiten der Außenumfangswand aufgebracht und wurde dann eine Silberelektrodenpaste aufgebracht und bei 700 °C gebacken, um Al-Ni-Elektrodenschichten und Silberelektrodenschichten zu bilden.
Ein plattenförmiges Außenverbindungselement, das aus Federbronze hergestellt ist, wurde mit einem Ende jeder Elektrodenschicht verbunden, um ein Heizelement A1 zu erhalten.
(Beispiel 2)
Ein Heizelement A2 wurde durch dasselbe Verfahren wie das von Beispiel 1 hergestellt, außer, dass ein Wabenverbundkörper, der die Form besitzt, die in 8 gezeigt ist, als der Wabenverbundkörper verwendet wurde. Speziell wurde das Heizelement A2 hergestellt wie folgt:

Als Keramikrohmaterialien wurden BaCO₃-Pulver, TiO₂-Pulver und La(NO₃)₃·6H₂O Pulver angefertigt. Diese Pulver wurden derart abgewogen, dass sie nach dem Brennen die vorgegebene Zusammensetzung aufweisen, und trocken gemischt, um ein gemischtes Pulver zu erhalten. Das Trockenmischen wurde für 30 Minuten ausgeführt. Anschließend wurden im Bereich von 3 bis 30 Gewichtsteile Wasser, ein Bindemittel, ein Weichmacher und ein Dispergiermittel insgesamt auf der Grundlage von 100 Massenteilen des erhaltenen gemischten Pulvers in einer geeigneten Menge hinzugefügt, derart, dass ein Keramikformkörper, der eine relative Dichte von 63,6 % besitzt, nach der Extrusion erhalten wurde, und dann geknetet, um einen Grünkörper zu erhalten. Als das Bindemittel wurde Methylzellulose verwendet. Als Weichmacher und Dispergiermittel wurde Polyoxyalkylenalkylether verwendet.

Jeder Grünkörper wurde in eine Strangpresse eingebracht und unter Verwendung einer vorgegebenen Matrize extrudiert, um ein Wabensegment zu bilden, in dem der Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse nach dem Brennen die Form hatte, die in 8 gezeigt ist, wodurch ein Wabenformkörper (der nach dem Brennen Ausdehnungen von 32 mm × 32 mm × 14 mm aufweist) erhalten wird. Die Dichte des Wabenformkörpers wurde gemäß dem oben beschriebenen Verfahren gemessen.
Anschließend wurde der erhaltene Wabenformkörper dielektrischem Trocknen und Heißlufttrocknen unterworfen und dann in einer Luftatmosphäre (450 °C für 4 Stunden) in einem Brennofen entfettet und dann in einer Luftatmosphäre gebrannt, um ein Wabensegment zu erhalten. Das Brennen wurde durch Halten bei 950 °C für 1 Stunde, Erhöhen einer Temperatur zu 1200 °C, Halten bei 1200 °C für 1 Stunde, Erhöhen der Temperatur zu 1400 °C (Höchsttemperatur) bei 50°C/Stunde und Halten bei 1400 °C für 2 Stunden sequenziell ausgeführt.
Details des erhaltenen Wabensegments sind wie folgt:

Gehalt von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln: 97,3 Massen-%;
Gehalt von Ba₆Ti₁₇O₄₀-Kristallpartikeln: 3,9 Massen-%;
Gehalt von BaCO₃-Kristallpartikeln: 1,0 Massen-%;
La-Atomverhältnis (x-Wert) von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln: 0,002;
(Ba + La)/Ti Verhältnis von BaTiO₃-basierten Kristallpartikeln: 1,010 und

₃

Fünf der oben beschriebenen Wabensegmente wurden dann angefertigt und eines Verbindungsmaterial wurde auf die Seitenflächen der Wabensegmente aufgebracht und sie miteinander verbunden, um einen Wabenverbundkörper zu erhalten, um einen Wabenverbundkörper zu erhalten, wie in 8 gezeigt ist. Hinsichtlich des Verbindungsmaterials wurde eine Paste verwendet, die durch Hinzufügen eines Lösungsmittels wie z. B. Wasser zu einem Keramikmaterial hergestellt wird.
Die Details des erhaltenen Wabenverbundkörpers sind wie folgt. Es ist festzuhalten, dass die Werte physikalischer Eigenschaften durch die Verfahren, die oben beschrieben sind, gemessen wurden.
Form des Wabenverbundkörpers im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse: rechteckig;
Form jeder Zelle im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse: quadratisch; Dicke von Trennwänden: 0,10 mm;
Zellendichte: 64 Zellen/cm²;
Zellenabstand: 1,27 mm;
Querschnitt senkrecht zur Zellenausdehnungsrichtung: 32 mm × 180 mm;
Länge in der Zellenausdehnungsrichtung: 14 mm;
Stirnflächenfläche: 57,6 cm²;
Winkel der Trennwand in Bezug auf die Längsachse: 45°;
spezifischer Durchgangswiderstand bei Raumtemperatur (25 °C): 30 Ω cm; Öffnungsverhältnis: 85 %; und
Curie-Punkt: 120 °C.
Als nächstes wurden Elektrodenschichten auf beiden Seiten der Außenumfangswand gebildet, die die langen Seiten enthält, die den rechteckigen Querschnitt der Wabenstruktur besitzen. Im Hinblick auf die Elektrodenschichten wurde zunächst ein Al-Ni-Elektrodenpaste auf beide Seiten der Außenumfangswand aufgebracht und wurde dann eine Silberelektrodenpaste aufgebracht und bei 700 °C gebacken, um Al-Ni-Elektrodenschichten und Silberelektrodenschichten zu bilden.
Ein plattenförmiges Außenverbindungselement, das aus Federbronze hergestellt ist, wurde mit einem Ende jeder Elektrodenschicht verbunden, um ein Heizelement A2 zu erhalten.
(Beispiel 3)
Unter Verwendung desselben Grünkörpers wie in Beispiel 1 wurde ein Heizelement A3 hergestellt, wobei der Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse der Wabenstruktur die Form besitzt, die in 2 gezeigt ist. Speziell wurde das Heizelement A3 hergestellt wie folgt:

Eine Wabenstruktur wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 erhalten, außer, dass die Wabenstruktur derart extrudiert wurde, dass der Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse die Form hatte, die in 2 gezeigt ist.

Die Details der erhaltenen Wabenstruktur sind wie folgt. Es ist festzuhalten, dass die Werte physikalischer Eigenschaften durch die Verfahren, die oben beschrieben sind, gemessen wurden.
Form der Wabenstruktur im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse: rechteckig;
Form jeder Zelle im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse: quadratisch; Dicke von Trennwänden: 0,13 mm;
Zellendichte: 64 Zellen/cm²;
Zellenabstand: 1,30 mm;
Querschnitt senkrecht zur Zellenausdehnungsrichtung: 32 mm × 175 mm; Länge in der Zellenausdehnungsrichtung: 14 mm;
Stirnflächenfläche: 57,6 cm²;
Winkel der Trennwand in Bezug auf die Längsachse: 45°;
spezifischer Durchgangswiderstand bei Raumtemperatur (25 °C): 14 Ω cm; Öffnungsverhältnis: 85 %; und
Curie-Punkt: 120 °C.
Als nächstes wurden Elektrodenschichten auf beiden Seiten der Außenumfangswand gebildet, die die langen Seiten enthält, die den rechteckigen Querschnitt der Wabenstruktur besitzen. Im Hinblick auf die Elektrodenschichten wurde zunächst eine Al-Ni-Elektrodenpaste auf beide Seiten der Außenumfangswand aufgebracht und wurde dann eine Silberelektrodenpaste aufgebracht und bei 700 °C gebacken, um Al-Ni-Elektrodenschichten und Silberelektrodenschichten zu bilden.
Ein plattenförmiges Außenverbindungselement, das aus Federbronze hergestellt ist, wurde mit einem Ende jeder Elektrodenschicht verbunden, um ein Heizelement A3 zu erhalten.
(Bewertung des Heizelements)
Die Heizelemente A1 und A2, die oben erhalten wurden, wurden in einem Bewertungskasten angeordnet, der einen Zustromanschluss und einen Abstromanschluss für ein Gas besitzt, wie in 15 gezeigt ist. Eine elektrische Erwärmungsprüfung wurde durch Anlegen von 200 V an die Heizelemente A1 und A2 durchgeführt, während das Gas aus dem Zustromanschluss für das Gas bei 400 L/min in den Bewertungskasten geströmt wurde.
In der elektrischen Erwärmungsprüfung wurde die Temperatur des Gases bei dem Abstromanschluss für das Gas gemessen. Der Messungspunkt war eine Position, bei der eine Entfernung L zu den Enden der Heizelemente A1 und A2 100 mm war.
Als Ergebnis erreichte das Heizelement A1 60 °C in 10 Sekunden. Außerdem erreichte das Heizelement A2 80 °C in 10 Sekunden.
Dieselbe Prüfung wurde bei einer Gasdurchflussmenge von 400 L/min und bei einer angelegten Spannung von 200 V für das Heizelement A3 durchgeführt. Als Ergebnis hat die Temperatur 80 °C in 10 Sekunden erreicht.
Ferner bestand in der elektrischen Erwärmungsprüfung ein Zyklus aus elektrischem Erwärmen für eine Stunde und Kühlen für 30 Minuten durch Zirkulieren des Gases bei Raumtemperatur (25 °C) und wurde der Widerstandswert zwischen den Außenverbindungselementen nach 100 Zyklen gemessen. Als Ergebnis wurde der Widerstandswert des Heizelements A1 zweifach erhöht, vom Anfangswert (100 Ω) zu 200 Ω, während der Widerstandswert des Heizelements A2 bei 100 Ω verblieb.
Darüber hinaus wurde 2,5 Sekunden, nachdem die Spannung während der elektrischen Erwärmungsprüfung angelegt worden ist, die Stromdichteverteilung des Wabenverbundkörpers in einem Querschnitt bei einer Position 1 mm von der Stirnfläche des Wabenverbundkörpers, der die Heizelemente A1 und A2 bildet, geschätzt. Die Ergebnisse sind in 16 gezeigt. In 16 zeigt (A) die Ergebnisse der Stromdichteverteilung der Wabenstruktur des Heizelements A1 und zeigt (B) die Ergebnisse der Stromdichteverteilung der Wabenstruktur des Heizelements A2.
Wie in 16 gezeigt ist, floss im Wabenverbundkörper des Heizelements A2, der Strom zu allen Trennwänden in einer im Allgemeinen gleichförmigen Weise, wohingegen im Wabenverbundkörper des Heizelements A1 der Strom bei den Trennwänden bei 90° in Bezug auf die Längsachse konzentriert wurde und der Strom in den Trennwänden bei 0° (parallel) zur Längsachse nicht ausreichend geflossen ist. Deshalb wird angenommen, dass das Heizelement A2 den Wabenverbundkörper gleichförmiger als das Heizelement A1 erwärmen kann.
Ferner sind als Ergebnis einer kontinuierlichen Anwendung elektrischer Leistung in der elektrischen Erwärmungsprüfung eine Verformung und ein Reißen in den Trennwänden in der Nähe der Elektrodenschichten am Heizelement A1 aufgetreten, wohingegen derartige Verformung und Reißen für das Heizelement A2 nicht aufgetreten sind. Deshalb wird angenommen, dass das Heizelement A2 ferner eine Verformung und ein Reißen der Trennwände der Wabenstruktur verhindern kann.
Wie aus den oben beschriebenen Ergebnissen ersichtlich ist, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, das eine Leistungsmenge, die von außerhalb zugeführt wird, erhöhen und eine Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit verbessern kann, sowie eine Heizeinheit und ein Heizsystem zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine unter Verwendung dieses Heizelement zu schaffen. Außerdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Heizelement zu schaffen, das auch zum Reinigen einer Fahrzeugkabine verwendet werden kann.
[Beschreibung der Bezugszeichen]

10: Wabenstruktur
11: Außenumfangswand
12: Trennwand
13a: Erste Stirnfläche
13b: Zweite Stirnfläche
14: Zelle
15: Kurze Seite
16: Lange Seite
17: Wabenverbundkörper
18: Wabensegment
19: Verbindungsschicht
20: Elektrodenschicht
30: Außenverbindungselement
40: Funktionsmaterialhaltige Schicht
100, 200, 300, 400, 500: Heizelement
600: Heizeinheit
610: Aufnahme
620: Isolationsmaterial
630: Verdrahtung
640a, 640b: Parallele Verdrahtung
650: Zustromanschluss
660: Abstromanschluss
700, 800: Heizeinheit
900: Heizsystem
910: Fahrzeugkabine
920a, 920b: Zustromleitung
921a, 921b: Ventil
930: Abstromleitung
940: Batterie
950: Elektrischer Draht
960: Dampfkompressionswärmepumpe
961: Verdampfer
962: Kondensator
970: Gebläse
X1: Zentrale Achse
X2: Lange Achse
X3: Kurze Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020/036067 A1 [0005]

Claims

Heizelement zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, das Folgendes umfasst: eine Wabenstruktur, die Folgendes umfasst: eine Außenumfangswand und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, die jeweils einen Strömungsweg von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, und die Außenumfangswand und die Trennwände ein Material umfassen, das eine PTC-Eigenschaft aufweist; und ein Paar Elektrodenschichten, die an einer Oberfläche der Außenumfangswand vorgesehen sind, wobei die Wabenstruktur eine Form besitzt, die in einem Querschnitt senkrecht zu einer zentralen Achse eine lange Achse und eine kurze Achse besitzt, die beiden Elektrodenschichten in einer Bandform gebildet sind, die zur zentralen Achse parallel verläuft, und an der Oberfläche der Außenumfangswand derart angeordnet sind, dass sie über die Längsachse, die einen Schwerpunkt der Wabenstruktur im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse durchläuft, einander zugewandt sind, und das Heizelement ferner ein plattenförmiges Außenverbindungselement umfasst, das auf einer Stirnabschnittseite jeder der Elektrodenschichten angeordnet ist, wobei das plattenförmige Außenverbindungselement mit jeder der Elektrodenschichten in ebenem Kontakt ist.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei das Außenverbindungselement eine im Wesentlichen gleiche Breite wie ein Endabschnitt der Elektrodenschicht besitzt, an der das Außenverbindungselement angeordnet ist.
Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Außenverbindungselemente auf einer Stirnabschnittseite der Elektrodenschicht parallel zur zentralen Achse angeordnet ist und von der Stirnabschnittseite in derselben Richtung nach außen verläuft.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wabenstruktur einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse besitzt und die Elektrodenschichten des Paars auf beiden Seiten der Außenumfangswand angeordnet sind, die lange Seiten des rechteckigen Querschnitts enthält.
Heizelement nach Anspruch 4, wobei der rechteckige Querschnitt ein Verhältnis einer kurzen Seitenlänge zu einer langen Seitenlänge im Bereich von 1:2 bis 1:15 besitzt.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wabenstruktur keine Trennwände parallel zur Längsachse im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse besitzt.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wabenstruktur einen Winkel jeder der Trennwände in Bezug auf die Längsachse im Bereich von 30 bis 60° im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse besitzt.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Trennwände der Wabenstruktur eine sechseckige Zellenform im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse definieren.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wabenstruktur eine Dicke der Trennwände von 0,3 mm oder weniger, eine Zellendichte von 93 Zellen/cm² oder weniger und einen Zellenabstand von 1,0 mm oder mehr besitzt.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Außenumfangswand und die Trennwände einen spezifischen Durchgangswiderstand im Bereich von 0,5 bis 1000 Ω·cm bei Raumtemperatur aufweisen.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Außenumfangswand und die Trennwände aus einem Material hergestellt sind, das Bariumtitanat als eine Hauptkomponente enthält, wobei das Material im Wesentlichen frei von Blei ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Wabenstruktur ein Wabenverbundkörper ist, der zwei oder mehr Wabensegmente und Verbindungsschichten zum Verbinden der Wabensegmente miteinander aufweist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Wabenstruktur ein Öffnungsverhältnis von 80 % oder mehr besitzt.
Heizeinheit zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, wobei die Heizeinheit zwei oder mehr der Heizelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst und die Heizelemente derart gestapelt sind, dass Oberflächen der Außenumfangswände der Wabenstrukturen, die lange Seiten der ersten Stirnflächen und der zweiten Stirnflächen enthalten, einander gegenüberliegen.
Heizeinheit nach Anspruch 14, die ferner ein Isolationsmaterial umfasst, das zwischen den gestapelten Heizelementen angeordnet ist, wobei die Heizeinheit eine Verdrahtungsstruktur besitzt, die jedes der Heizelemente unabhängig steuern kann.
Heizeinheit nach Anspruch 14, die ferner ein Isolationsmaterial umfasst, das zwischen den gestapelten Heizelementen angeordnet ist, wobei die Heizeinheit eine Parallelverdrahtungsstruktur besitzt, die zwei oder mehr der Heizelemente gemeinsam steuern kann.
Heizeinheit nach Anspruch 14, wobei die Elektrodenschicht zwischen den gestapelten Heizelementen eine den gestapelten Heizelementen gemeinsame Elektrodenschicht ist und die Heizeinheit eine Parallelverdrahtungsstruktur besitzt, die zwei oder mehr der Heizelemente gemeinsam steuern kann.
Heizsystem zum Erwärmen einer Fahrzeugkabine, das Folgendes umfasst: die Heizeinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 17; eine Zustromleitung für eine Kommunikation zwischen einem Außenlufteinleitungsabschnitt oder einer Fahrzeugkabine und einem Zustromanschluss der Heizeinheit; eine Batterie zum Anlegen einer Spannung an die Heizeinheit und eine Abstromleitung für eine Kommunikation zwischen einem Abstromanschluss der Heizeinheit und der Fahrzeugkabine.
Heizelement zum Reinigen einer Fahrzeugkabine, das Folgendes umfasst: eine Wabenstruktur, die Folgendes umfasst: eine Außenumfangswand und Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, die jeweils einen Strömungsweg von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, und die Außenumfangswand und die Trennwände ein Material umfassen, das eine PTC-Eigenschaft aufweist; ein Paar Elektrodenschichten, die an einer Oberfläche der Außenumfangswand vorgesehen sind; und eine funktionsmaterialhaltige Schicht, die an Oberflächen der Trennwände vorgesehen ist, wobei die Wabenstruktur eine Form besitzt, die in einem Querschnitt senkrecht zu einer zentralen Achse eine lange Achse und eine kurze Achse besitzt, die beiden Elektrodenschichten in einer Bandform gebildet sind, die zur zentralen Achse parallel verläuft, und an der Oberfläche der Außenumfangswand derart angeordnet sind, dass sie über die Längsachse, die einen Schwerpunkt der Wabenstruktur im Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse durchläuft, einander zugewandt sind, und das Heizelement ferner ein plattenförmiges Außenverbindungselement umfasst, das auf einer Stirnabschnittseite jeder der Elektrodenschichten angeordnet ist, wobei das plattenförmige Außenverbindungselement mit jeder der Elektrodenschichten in ebenem Kontakt ist.
Heizelement nach Anspruch 19, wobei die funktionsmaterialhaltige Schicht ein Funktionsmaterial umfasst, das eine Funktion des Adsorbierens eines oder mehrerer besitzt, die aus Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Duftkomponenten gewählt sind.