JP2008508664A5

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Publication number: JP2008508664A5
Application number: JP2007522901A
Authority: JP
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2025-07-15

Description

PTC厚膜電気回路制御の電熱素子

本発明はPTC厚膜電気回路制御の電熱素子、特にPTC厚膜電気回路制御の電熱素子にかかわるものである。

電熱製品が家電、工業電気、電気設備、自動車産業などの諸領域で日々に普及されてくるとともに、電熱素子の応用範囲は広くなってきて、人々は電熱素子の各方面の性能への要求は高くなっている。

既存技術である電熱素子（ニクロムワイヤーを主にした）にはいくつの欠点がある。出力密度は小さく、普通15ワット/cm ²くらいで、人々の高性能低電圧に対する要求を満たすことができない；起動速度は遅く、しかも多くは熱の惰性を持つ；機械の強度は低く、振動と熱の衝撃に抵抗する能力は弱い；素子の容積は大きくて、大きいスペースを占用して、しかもインストールも不便である；温度制御の材料及び電熱の材料の共平面化、共曲面化を実現することが容易でない；温度制御の効果は著しくなくて、省エネルギーの効果は理想的ではない；それらの寿命は普通は比較的に短くて、その上副作用があり、体によくない；腐食に耐える方面も理想的ではない；技術性はわりに劣る。

従来のPTC（つまりPostitive Temperatare Coefficientの略称）加熱器は次の通りの問題が存在している：

伝統PTC加熱器は若干の円盤式、ハチの巣式のPTC素子を繋ぐか挟んで散熱器とつながって、電極を引き出して、発熱装置モジュールを形成する。粘接式タイプのPTCの発熱装置モジュールは波紋式の散熱ストリップをシリカゲルでくっついて繋いでいる。このような構造は仕事率の不安定及び素子が老化しやすいような問題をもたらして、仕事率の衰弱は厳重であり、しかも本体は帯電して、電器のショートを引き起こすかもしれなく、火災を起こす可能性まである。

機械で挟む方式によって粘接方式を取り替えて、整体翼式の散熱を選択し、散熱の効果を高め、粘接式のPTCが存在するゴムの開くことや老化や本体帯電などの安全問題を解決した。しかしPTC電熱素子の表面温度は普通250℃ぐらいだから、あわせと電極の引き出しは非常に重要となる。接触不良、ショート、電界の分布が不均等によって起きる電撃等の問題の発生を防止する他、接触不良による局部過熱が機械を貫通することを防止しなければならない。

多数の素子が直列である場合、素子の特性が一致しにくいため、素子は温度の上昇が異なっていて、ボルテージドロップの分布は迅速に変化して、そして悪循環を生んで、ボルテージドロップが大きくなれば、温度の上がる素子は貫通するかもしれなく、しかも連鎖的に発生する。そのため、直列の場合、素子の厳選はとても重要である。

多数の素子が並列である場合、一定の限度以内でシステムの仕事率を増大することができる、しかしシステムが確定した後、多数の素子の発熱パワーは単独の素子の発熱する総計ではなく、実際よりずっと小さい。並列接続の時、通電後の数秒内でわりに大きいバルスチックガルバノが現れて、素子の離散的な特性のため、各素子の温度の上昇スピードは異なっていて、そのため、バルスチックガルバノは単独の素子のバルスチックガルバノのスーパーインポーズではなく、普通はスーパーインポーズの総和より小さい。それでも、並列接続の時バルスチックガルバノがより小さい素子を選抜すべきである。

国際的の要求に応じて、PTC発熱体の信頼性実験は無風状態で、規定の電圧を1000時間通して、仕事率の衰えは8%より小さい；実際的には、現在多数のメーカーの製品の仕事率の衰えは15%より大きい。以上の問題のため、直列あるいは並列接続式のPTCヒーターの応用は多く限られている。

その他、既存の厚膜電気回路の発熱素子は抵抗で、自身は温度の制御性を持たず、使われている基板は2種類で、そのひとつは「高温下焼結セラミック電熱素子」で、すなわち直接酸化アルミニウムのセラミックのクリーンコンパクトの上で抵抗のペーストを印刷し、ラミネーションとバッチ処理の後に、1600℃上下の高温で共に焼結することによってできた新世代の中低温の発熱素子であって、それは合金の電熱の糸、電熱の管、PTC加熱素子を継いだまた１つのモデル・チェンジ製品である。これらの96AI₂O₃ セラミックを基板にする発熱素子は粤科清華の最新成果で、しかしセラミックの基板の公有の欠点はもろさが大きく、機械と熱のショックへの抵抗力は弱く、長さ≦120mm 広さ≦100mm 厚さ0.5〜1.5という外形の寸法を成し遂げることしかできない、技術に制限されて、現在製品の規K分103の種類だけ。実際に測る熱の平面のパワーはすべて≦25w/cm₂。セラミックの基板の寸法は有限で、しかも機械の加工性は悪く、広面積の印刷、切断と装着が不便であり；セラミックの基板の作用は単一で、マグネチックディスターバンスに抵抗などといった機能の多元化の問題を解決することができない。応用範囲はとても大きい制限を受ける。今にまで潮流を導き、普及に使うことができない。別の1種類は430ステンレス（国の規格が1Cr17）の基板で、現在、米国Dupont 、EstとドイツHeraeusなどのきわめて少数の会社はすでに米国の商標の430（ステンレスのCr17の）厚膜の電気回路の基板の一連のパルプの調合の技術を掌握した。しかも前記一連のペーストはすべてPTC電子ペーストとは関連なく、製造した電熱素子は抵抗式の電熱素子で、そのため自身は温度のコントロール性を持たない。

1Cr17はただ普通の純度である高いフェライト（F）の型のステンレスのため、その炭素の品質の点数は0.1%ぐらい、そして少量の窒素を含んで、それは常用するオルドビス系型のステンレスと比べて、欠点は材質が比較的に脆い、機械加工の技術と溶接技術性は皆わりに劣って、極めて大きくその応用を制限した。オルドビス系型の1Cr18Ni9シリーズのステンレスは、とてもよい可塑性と強靭性を持って、それによって良好なクネリ、カール、ブツカル成形性を持ち、機械加工の性能は優良で、各種フィルムライブラリーの形の部材、容器あるいはパイプを製造しやすい、そのため1Cr18Ni9シリーズのステンレスを基板とする厚膜の電気回路制御の電熱素子はこの技術の発展の必然的な成り行きだった。

当発明の目的は温度の可制御、反応が速くて、自動的な恒温、パワーの密度が大きくて、低圧のスタート、コストが低くて、体積の小さくて、安全、便利で、節電の1Cr18Ni9シリーズの基板に基づくPTC厚膜の電気回路制御の電熱の素子を提供することにある。

当発明は以下の方案を通じて前記目的を実現してきた：
この電熱素子は基板、一連の電子ペーストを含み、一連の電子ペーストは基板上に設けられており、上記の一連の電子ペーストは誘電体ペースト、電極ペーストとPTCペーストから構成され、前記基板は1Cr18Ni9シリーズのステンレスの基板であり、一連の電子ペーストは厚膜の電気回路の形式で基板の上に設けられ、一連の電子ペーストはすべて機能相、無機粘着相と有機キャリヤーから構成され、
前記誘電体ペーストの無機粘着相は硼珪酸塩、アルミニウム珪酸塩で、その有機キャリヤーは主な溶剤であるテルピネオールとクエン酸トリブチル；機能的な相の組成は次の通り：CaO−Al₂O₃−SiO₂−B₂O₃と添加TiO₂：2〜10%、ZrO₂：2〜8%、CaO：35〜45%；（一定の温度の下で酸化カルシウムの含有量），添加剤の含有量を通じて、異なる膨張係数の誘電体ペーストを製造でき、誘電体ペーストと一連のオルドビス系のステンレスとによって一連の絶縁の放熱の製品の基板を製造することができ、誘電体ペーストと一連のフェライトのステンレスとによって、一連の絶縁の放熱の製品の基板も製造することができる；
前記PTCペーストの無機粘着相は酸化物CuO、Co₂O₃ であり、有機キャリヤーは増粘剤であるエチル・セルロースとニトロセルロースで、その機能相の組成は次の通り：主な組成（Ba：50〜63%、Pb：20〜33%、Ca：4〜13%）のTiO₃+X% Nb₂O₅あるいはY₂O₃で、その中Xがモル比率であり、しかもX=0.14〜0.18と微量の添加剤AST（つまり微結晶ガラス）、Sb₂O₃、Li₂CO₃、Mn(NO₃)₂；異なる不純物の添加を通じてZr、Sr、Cu、Pb、Snなど元素で主な相BaTiO₃の中のBaを置換して、キュリー温度を高温側あるいは低温側に変動させ、30〜400℃の範囲の内で一連のPTC厚膜の電気回路可制御の素子の製品を製造できる。

前記電極ペーストの無機粘着相は酸化物と微結晶ガラスの混合物で、有機キャリヤーは補助溶剤；電極ペーストの有機的なキャリヤーの補助溶剤は表面活性剤と“チキソトロピック剤”（thixotropic agent）を採用する。機能相の組成は次の通り：Bi₂O₃(TiO₂)：2〜6%、Ag（粉末）：60〜70%、Ag（片状）：20〜40%、Pd（粉末）：2〜9%。

前記組成の調合に基づくPTC誘電体ペースト、PTC抵抗ペースト、PTC導体ペースト、その構成の特徴は機能の相の成分と無機粘着相、有機の溶剤のキャリヤーを組成成分の比率に基づいて調合の技術によって得ることで、そして厚膜の電気回路の形式で1Cr18Ni9シリーズのステンレスの基板の上で設けることで、ステンレスの基板に基づくPTC厚膜電気回路可制御の電熱素子を得る。

当発明と伝統の電熱素子は比較して多くの性能の上の優位を持つ：PTC厚膜の電気回路制御の電熱素子の俗称は自動的な温度制限電熱体（あるいは自動恒温電熱体）で、それが発熱する過程中で加熱される体系の実際的な温度に基づいて自動的に出力パワーを調節する、保温と温度の制御といった目的を実現して、付加的な設備をいらない、1種類の知能の材料で、とてもよい発展の見込みを持つ。

1、パワーの密度が大きい。PTC厚膜の電気回路の電熱素子のパワーの密度は普通は40〜60W/cm²で、強制的冷却の条件下で、そのパワーの密度は200W/cm²にも達して、家庭用電熱の器具の中での合金の電熱の材料の10倍近くで、大きいパワーの密度は同じパワーの厚膜の電気回路の電熱素子がより小さい外形の寸法を持つほか、低い電圧でスタートすることができるが独特な特徴である。

2、反応スピードが速い。厚膜の電気回路の電熱素子起動速度はとても速く、テストによると、抵抗のフィルムの表面の加熱のスピードは200〜300℃/sに達することができて、これは電熱の合金の素子にとっては達成できないのである。このような優位は厚膜電気回路の電熱素子を速い加熱の器具に応用させることができて、例えば電気ヒーター、電気湯沸器と低電圧の電器、例えば12V、24V、48Vなど。

3、機械的な強さが高くて、振動と熱のショックに抵抗する能力が強い。この種類の厚膜の電気回路の電熱素子は合金の電熱の材料みたいに高温のもろさを生むことはなく、そのフィルム層とステンレスの基板の結合力は強くて、だから機械と熱のショックに抵抗することができて、適当でない支えと装着あるいは自重のため変形し、倒壊する現象を引き起こす心配はない。

4、加温の温度領域を制御することができる。PTC厚膜の電気回路の電熱素子の電気回路の軌道は随意に設計することができて、このように加熱する器具の需要に基づいて温度領域の均等性を制御することができて、加熱の死角が存在しない。

5、加熱の温度は制御することができて、自動的な恒温、自動的な定温、運行の安全は信頼できる。PTC厚膜の電気回路の特徴にもとづいて、異なった電熱素子のTC（キュリー）点の温度のシリーズ製品を設計して、ユーザーが恒温、定温に対し異なった需要を満たすことができる。

6、無作為のコントロール、自ら温度の補償を行うことができる。各種の外部の要素が系統の温度に大幅な波動をもたらす時、PTC厚膜の電気回路の加熱器自身は迅速に発熱のパワーを調整して、自動的に正、負の補償を行って、恒温を維持する。

7、外形の構造はすきがない。電熱素子は平たくて極めて薄い外形の寸法を持ち、LTCC（low temperature cofiredceramic）の技術が応用された後、厚膜の電気回路の電熱素子は更に曲面に製造することができて、立体の加熱、装着と使用はすべてとても便利で、もし抵抗の厚膜の電気回路と結び付けるなら厚膜可制御の電熱素子の応用領域を大いに広げて、厚膜の可制御の電気回路電熱素子の自動制御の程度と応用範囲を高めることができる。

8、使用寿命は長い。従来の合金の電熱素子は使用中で酸化しやすい、その使用寿命は普通は3000時間を越えることはなく、しかし厚膜の電気回路の電熱素子の使用寿命は１．５万時間以上に達することができる。

9、省エネルギー。ステンレスの伝導性を利用して、電熱の構造の最適化の設計を結び付けて、厚膜の電気回路の電熱素子の発生の熱量は最大限度に利用できて、熱量の浪費は少ない、従来の電熱素子（例えば電熱の管、PTC素子、電気ストーブなど）と比較して、省エネルギーは10〜30%に達する。

以下は添付図と具体的実施形態とを結び付けて、当発明に対してさらなる説明を行う。

図１に示すように、当発明は1Cr18Ni9ステンレスの基板１、前記一連の電子ペーストを含んで、一連の電子ペーストを述べて誘電体ペースト２を含む、PTCペースト３、電極ペースト４；誘電体ペースト２は電気回路の形式で1Cr18Ni9ステンレスの基板１の表面で印刷して、そして焼結して一定の厚さの緻密なフィルムの層を持って、それを提供されるPTC層と導体の層とステンレスの基板１の絶縁の層にして、PTCペースト３は誘電体ペースト２の外表面に設けられ；電極ペースト４は電気回路の両端、PTCペースト３の外表面に設けられ、主に抵抗と抵抗及び抵抗と外接の電源の接続を行う。

一連の電子ペーストはすべて機能相、無機粘着相と有機キャリヤーから構成され、その中、一連の電子ペーストの無機粘着相と有機キャリヤーはすべて現有のペーストの通常の採用した成分を採用して、例えば誘電体ペースト２の無機粘着相は硼珪酸塩、珪酸アルミニウムで、その有機キャリヤーは主な溶剤のテルピネオール、クエン酸トリブチル；電極ペースト４の無機粘着相は酸化物とガラスの混合物で、有機キャリヤーは補助溶剤で、その補助溶剤は表面活性剤と“チキソトロピック剤”（thixotropic agent）を採用することができる；当発明はここで詳しく述べない；誘電体ペースト２の機能相の組成は次の通り：CaO−Al₂O₃−SiO₂−B₂O₃（ガラスの成分の組成成分の比率によって、電子天秤で必要の酸化物の使用量を量る、酸化物の規格が化学純度あるいは分析純度）と添加剤TiO₂：3%、ZrO₂：7%、CaO：40%；前記PTCペースト３の組成は次の通り：主な組成（Ba：50〜63%、Pb：20〜33%、Ca：8〜13%）のTiO₃+X% Nb₂O₅あるいはY₂O₃（Xがモル比率で、X=0.14〜0.18）と微量の添加剤AST、Sb₂O₃、Li₂CO₃、Mn(NO₃)₂（国産の分析純度の原料を採用する）；前記電極ペースト４の機能相の組成は次の通り：Ag（細かい、つまり粉末の形、市販）：60〜68%、Ag（切れ、すなわち、片状、市販）：25〜34%、Pd（細かい、つまり粉末の形、市販）：0.8〜4%。上述の組成の調合に基づく誘電体ペースト、PTCペースト、導体のペースト、その構成の特徴は固相の成分と無機粘着剤、有機の溶剤のキャリヤーから組成成分の比率で調合の技術によって得るので、そして厚膜の電気回路の形式で1Cr18Ni9シリーズのステンレスの基板上に設けられ、ステンレスの基板に基づくPTC厚膜の電気回路化制御の電熱素子を得る。

電気の性能の指標は国際標準のGB4706.1ー98《家庭用と類似用途の電気の安全通用要求》という標準に達する。具体的にいえば：
貫通する強さ：＞1500VAC
絶縁抵抗：＞20MΩ（500VDC）
漏洩電流：≦2MA（250VDC）

当発明の採用するオルドビス系型の1Cr18Ni9シリーズのステンレスはとてもよい可塑性と強靭性を持って、それによって良好なクネリ、カール、ブツカル成形性を持って、機械加工の性能は優良で、各種の形の部材、容器あるいはパイプを製造しやすい。まさに上述の原因に基づいて、本発明は1Cr18Ni9シリーズのステンレスをシックフィル制御電気回路の基板として、1Cr18Ni9シリーズのステンレスの基板に直接に応用することができる一連の厚膜の電子ペーストを開発する、その厚膜の電子パルプは誘電体ペースト、PTCペーストと導体のペーストを含む。

当発明PTC厚膜の電気回路の可制御の電熱素子はPTC一連のペーストの調合の厚膜の電気回路の電熱素子を指すので、１種の正の温度の係数の半導体の発熱素子で、それはチタン酸バリウム（BaTiO₃）の一連の化合物に属して、そして微量の希土類元素を混ぜて、厚膜の電気回路の製造技術を採用して、シンターしてきたのである。普通の半導体は温度の上昇に従って抵抗が下がって、NTC特性を呈して、つまり負温効果。PTC素子の温度がある特定の範囲（キュリーの近くをつける）に達する時、抵抗は急激に増加することができて、いくつのレベルの変化が発生して、このようなインピーダンスの異常な変化はPTC効果と称されて、PTC電熱の素子の表面の温度は多く250℃ぐらいにある。PTC厚膜の電気回路の電熱素子のキュリーは異なっている不純物を添加することを通じて、その他の元素でチタン酸バリウムの中のバリウムを置換してキュリーを高温側あるいは低温側に移して、30〜400℃の範囲の内で一連のPTC厚膜の電気回路制御電熱素子の製品を製造できる。まさに上述の原因に基づいて、本発明はPTCペーストを選んでそしてそれを厚膜の電気回路の形式にしてステンレスの基板の上に設け、1Cr18Ni9シリーズのステンレスの基板に基づく一連の厚膜の電気回路電熱素子を製造できる。このようなPTC効果の一連の厚膜の電気回路可制御電熱素子を作るのはいまだかつてない実践と探求である。

本発明の構造の説明図である。

Claims

1種のPTC厚膜電気回路制御電熱素子であって、
基板と、一連の電子ペーストとを含んでおり、一連の電子ペーストは基板上に設けられており、前記一連の電子ペーストは誘電体ペースト、及び電極ペーストを含み、一連の電子ペーストはすべて機能相、無機粘着相及び有機キャリヤーから構成され、前記誘電体ペーストの無機粘着相は、硼珪酸塩、珪酸アルミニウムであり、その有機キャリヤーは主溶剤であり、前記電極ペーストの無機粘着相は酸化物とガラスとの混合物であり、有機キャリヤーは補助溶剤である、PTC厚膜電気回路制御電熱素子において、
一連の電子ペーストはさらに、機能相、無機粘着相及び有機キャリヤーから構成されるPTCペーストを含み、前記基板は1Cr18Ni9シリーズのステンレスの基板であり、一連の電子ペーストは厚膜の電気回路の形で基板の上に設けられており、
前記誘電体ペーストの機能相の組成は次の通り: CaO−Al₂O₃−SiO₂−B₂O₃と添加剤TiO₂：2〜10%、ZrO₂：2〜8%、CaO：35〜45%、そして前記誘電体ペーストは一連のオルドビス系のステンレスとによって、一連の絶縁の放熱の基板を製造でき、また、前記誘電体ペーストは一連のフェライトのステンレスとによって、一連の絶縁の放熱の基板をも製造することができ、
前記PTCペーストの無機粘着相は酸化物であり、その有機キャリヤーは増粘剤であり、機能相の組成は次の通り：主組成（Ba：50〜63%、 Pb：20〜33%、Ca：8〜13%）TiO₃+X%のNb₂O₅ もしくはY₂O₃、その中Xがモル比率であり、しかもX=0.14〜0.18、及び微量の添加剤Sb₂O₃、Li₂CO₃、Mn(NO₃)₂ 、異なる不純物の添加を通じて、また、主相中のBaTiO₃の中のBaを置換することで、キュリー温度を高温側あるいは低温側に変動させ、30〜400℃の範囲の内で一連のPTC厚膜の電気回路制御電熱素子を製造することができ、
前記電極ペーストの機能相の組成は次の通り：Bi₂O₃(TiO₂)：2〜6%、Ag（粉末）：60〜70%、Ag（片状）：20〜40%、Pd（粉末）：2〜9%、
を特徴とするPTC厚膜電気回路制御電熱素子。

前記PTCペーストの無機粘着相の酸化物はCuO、Co₂O₃であり、その有機キャリヤー増粘剤はエチル・セルロース、ニトロセルロースであり、誘電体ペーストの有機キャリヤーの主な溶剤はテルピネオール、クエン酸トリブチルであり、電極ペーストの有機キャリヤーの補助溶剤としては表面活性剤と“チキソトロピック剤”（thixotropic agent）を採用することを特徴とする、請求項１に記載のPTC厚膜電気回路制御電熱素子。