JP2011507153A - 流体を加熱する方法および射出成形された成形体 - Google Patents

Abstract

金属不純物の含有量が１０ｐｐｍ未満であり正の温度係数を有するセラミック材料を含む、射出成形された成形体を供給するステップと、流体を加熱するために該射出成形された成形体を用いるステップと、を含む、流体を加熱するための方法が記載される。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックＰＴＣヒータを用いて流体を加熱する方法に関する。略語ＰＴＣは正の温度係数（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を表す。したがって、それらは、少なくとも限られた温度区間において、電気抵抗の温度係数が正である、ヒータである。本発明はまた、射出成形された成形体に関する。

流体を加熱するためのセラミックＰＴＣヒータは、一般に、圧縮された球体の形状や立方体などの簡単な幾何学的構造の形状でつくられる。セラミックＰＴＣ要素は、該ＰＴＣ要素に沿って流れる流体を加熱するための管の内部に配置される。これらの簡単な幾何学的構造のセラミックＰＴＣの体積と加熱面積との比率は、ある用途には不十分であることが判明している。

気体または液体などの流体を加熱するためのセラミックＰＴＣ要素から完全につくられた、簡単でない構造体を用いることによって、利点を得ることができる。圧縮または押し出し成形によって形成されることができない複雑な幾何学的形態が、好ましくは射出成形によって形成可能である。射出成形された構造体には、射出成形された成形体を通るいかなる直線に対しても、この直線に沿った並行移動によって互いに重なり合うことができない、この直線に垂直な少なくとも２つの断面領域が存在する。

対照的に、押し出し成形によって形成された幾何学的構造体は、構造体を通るある直線を有し、構造体全体がこの直線に沿って同じ断面を有する。

したがって、ダイを介した押し出しによって形成されることができない断面を有する幾何学的構造体を、押し出し成形によって得ることはできない。

射出成形のために用いられる原料は顆粒の形態でもたらされる。これらの顆粒は有機物の結合材と共にＢａＴｉＯ_３を含む粉末セラミック材料を有する。原料は高圧で溶かされて、製品の形状と逆な形状の型へと入れられる。

射出成形可能な原料は、好ましくはセラミック充填材、充填材を結合する母材、および好ましくは含有量１０ｐｐｍ未満の金属不純物を含む。

セラミックは例えばペロブスカイト形（ＡＢＯ_３）のセラミックである、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）を主成分としてよい。

射出成形処理のために、セラミック充填材、充填材を結合する母材および含有量１０ｐｐｍ未満の金属不純物を含む原料が用いられうる。１つの可能なセラミック充填材は以下の組成式で表示されうる。
Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３
ここで、パラメータはｘ＝０から０．５、ｙ＝０から０．０１、ａ＝０から０．０１、および、ｂ＝０から０．０１である。この組成式において、Ｍは２価の陽イオン、例えばＣａ、ＳｒまたはＰｂなどを表し、Ｄは３価または４価のドナー、例えばＹ、Ｌａまたは希土類元素を表し、Ｎは５価または６価の陽イオン、例えばＮｂまたはＳｂを表す。したがって、非常に様々なセラミック材料が使用可能であり、そのことによって、後に焼結されるセラミックの必要な電気的特性に応じて、セラミックの組成を選択することができる。

原料のセラミック充填材は、抵抗率が低く抵抗−温度曲線の傾きが急なＰＴＣセラミックに交換可能である。そのような原料からなるＰＴＣセラミックの抵抗率は、セラミック充填材の組成および原料を焼結する間の条件に応じて、２５℃で３Ωｃｍから３００００Ωｃｍの範囲にあることができる。抵抗が増加しはじめる特徴的な温度Ｔ_ｂは、−３０℃から３４０℃の範囲にある。不純物の量が多くなると、成形されたＰＴＣセラミックの電気的特性を損なう可能性があるため、原料中の金属不純物の量は１０ｐｐｍ未満である。

原料中の金属不純物はＦｅ、Ａｌ、Ｎｉ、ＣｒおよびＷを含んでもよい。原料の調製の間に用いられる工具の摩耗による、原料中のそれらの含有量は、互いに合計してまたはそれぞれで、１０ｐｐｍ未満である。

原料の調製は、有する摩耗の程度が小さいため、前記摩耗によって発生する不純物が１０ｐｐｍ未満である原料が得られる、工具を用いることを含む。したがって、摩耗で発生した金属不純物の量が少ない射出成形可能な原料の調製が、成形されたＰＴＣセラミックの所望の電気的特性の損失なしに達成される。

原料の調製のために用いられる工具は硬い材料のコーティングを有する。コーティングは任意の硬い金属、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）などを含んでもよい。そのようなコーティングは、セラミック充填材および母材の混合物に接触している際の工具の摩耗の程度を減少させ、前記摩耗によって発生する金属不純物の量が少ない原料の調製を可能にする。金属不純物はＦｅであってもよいが、Ａｌ、ＮｉまたはＣｒであってもよい。工具がＷＣなどの硬いコーティングで覆われているとき、Ｗの不純物が原料に入ることがある。しかしながら、これらの不純物は含有量が５０ｐｐｍ未満である。この濃度では、これらの不純物は焼結されたＰＴＣセラミックの所望の電気的特性に影響を与えないことが判明している。

射出成形が成形体を形成するために用いられる場合、ＰＴＣセラミックの性能が損なわれないことを保証するように成形体内の金属不純物に関して注意が払われなければならない。セラミック材料のＰＴＣ効果は温度Ｔの関数としての電気抵抗率ρの変化を含む。ある温度範囲においては温度Ｔの上昇に対する抵抗率ρの変化は小さいものの、いわゆるキュリー温度Ｔ_ｃからは、抵抗率ρは温度の上昇とともに急速に増加する。この第二の温度範囲においては、温度係数、すなわち所与の温度における抵抗率の相対的な変化は、１００％／Ｋの値を有することができる。キュリー温度において急速な上昇がない場合、成形体の自己調整特性は不十分である。

流体を加熱するための射出成形された成形体の特徴が、添付の図面と併せて考慮された場合、以下の詳細な説明とともにより詳細に示される。

セラミックＰＴＣヒータの第１の実施形態の図である。 セラミックＰＴＣヒータの第２の実施形態の図である。 セラミックＰＴＣヒータの第３の実施形態の図である。 セラミックＰＴＣヒータの第４の実施形態の図である。 図４を別の視点から見た、セラミックＰＴＣヒータの第４の実施形態の図である。 セラミックＰＴＣヒータの第５の実施形態の図である。

図１は流体を加熱するために用いられるセラミックＰＴＣヒータの実施形態を示す斜視図である。図１のセラミックＰＴＣヒータが主要管状体１を示し、それは管状体の一方の端部に少なくとも１つのフランジ２を有する。フランジ２はまた、セラミックＰＴＣヒータの横方向のいずれの場所にも位置しうる。フランジ２は２つの穴３を含む。穴３はセラミックＰＴＣヒータを管またはほかの何かに固定するために用いられうる。フランジ２は任意の個数の穴３を有することができ、フランジ２の穴３は２つに限られない。図１に示されるセラミックＰＴＣヒータは、好ましくは管を通って循環する流体のための加熱表面として用いられる。

管状体１は１つ以上の突出部を有する。この図において突出部はフィン４の形態をとる。少なくとも１つのフィン４はセラミックＰＴＣヒータの管状体１の内部に位置する。セラミックＰＴＣヒータは管状体１の内部に４つのフィン４を有する。

別の実施形態では、管状体１の内側のフィン４は横方向に延びることができ、延びた区間のフィンがもはや管状体１によって囲まれないようにできる。

図１に示された、セラミックＰＴＣヒータの第１の実施形態が、セラミックＰＴＣヒータの管状体１を通って循環する気体又は液体などの流体を加熱するために用いられる。管状区分１の内側のフィン４は、これらのフィン４に沿って循環する流体を加熱するためにより大きい表面積を提供する。

セラミックＰＴＣヒータの構造全体はセラミックＰＴＣ原料の射出成形によって、好ましくは単一のステップで形成される。セラミックＰＴＣ原料は好ましくは１０ｐｐｍ未満の金属不純物を含む。セラミックＰＴＣにおける金属不純物は、望ましくない形でセラミックＰＴＣの特性に影響を与える。

圧縮または押し出し成形によっては形成することができない複雑な幾何学的形状が、好ましくは射出成形によって形成されうる。射出成形された構造体は、射出成形された成形体を通るいかなる直線に対しても、この直線に沿った並行移動によって同一平面上に移してみても互いに重なり合うことができない、この直線に垂直な少なくとも２つの断面領域が存在する。

セラミックＰＴＣヒータは導電コーティングを有する少なくとも１つの領域を含む。導電コーティングは、好ましくはセラミックＰＴＣヒータの電気的接触のために用いられる。導電コーティングは、例えばＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇまたは任意の他の適切な材料を含むことができる。より大きい成形体に対しては、電気コーティングはセラミックＰＴＣヒータの２つの互いに反対側の領域に加えられるのが有利である。

より大きい成形体に対しては、セラミックＰＴＣヒータの内側表面上および外側表面上に電気コーティングを加えることが有利である。加熱効果は、好ましくは電気伝導コーティングの領域の周囲に現れる。したがって、より大きい成形体に対しては、図１に示されているもののように、管状体１とフィン４を含む内側表面全体に１つの電気コーティングを加え、管状体１の外側表面全体に別の電気コーティングを加えるのが好ましい。より小さい成形体に対しては、電気コーティングはセラミックＰＴＣヒータの表面上に小さいストリップとして加えられることができる。

腐食性物質、または有害な物質からのセラミックＰＴＣヒータの保護を可能にするために、流体に接触している成形体の表面は、好ましくは、不動態コーティングを施される。好ましい実施形態では、不動態コーティングは腐食保護を含む。腐食保護は、低融点ガラスまたは複合ナノラッカーコーティングによって、またはセラミックＰＴＣヒータに沿ってまたはセラミックＰＴＣヒータを通って循環する流体から成形体のセラミック表面を保護する任意の他のコーティングによって行われることができる。複合ナノラッカーは以下の複合材料の１つ以上を含みうる：ＳｉＯ_２ポリアクリレート複合材料、ＳｉＯ_２ポリエーテル複合材料、ＳｉＯ_２シリコーン複合材料。

セラミックＰＴＣヒータの別の実施形態では、管状体の内側のフィンはセラミックＰＴＣヒータを通って循環する流体が速さをもつように、ねじれた形態で提供されることができる。したがって、流体のより効率的な加熱が達成されうる。ねじれたフィンは流体の乱流を引き起こし、乱流はセラミックＰＴＣヒータから流体への熱転移の効率の程度をより高くする。

図２はセラミックＰＴＣヒータの第２の実施形態を示す斜視図である。図２のセラミックＰＴＣヒータは外部の管の中に配置されるように設計されている。セラミックＰＴＣヒータは、断面の中心において十字に似た形状を有する少なくとも１つのフランジ２を含む。十字はフィン４の形状における４つの突出部の前面によって構成される。フィン４は互いに垂直に配置される。フィン４の数は４つに限られない。任意の他の個数のフィン４が可能である。

セラミックＰＴＣヒータは、好ましくはセラミックＰＴＣヒータの一端に、少なくとも１つのフランジ２を有する。フランジ２はセラミックＰＴＣヒータの２つの端部の間にも配置されうる。したがって、セラミックＰＴＣヒータは、２つの管を通って流れる流体の加熱のために該２つの管の間に配置されうる。

セラミックＰＴＣヒータが２つのフランジ２を有し、１つのフランジ２が管の内部に合わさるように小さい断面積であり、もう１つがより大きいフランジ２であることも可能である。小さいほうのフランジ２はセラミックＰＴＣヒータを管の内部に接続するために、大きいほうのフランジ２は管の外側での接続のために用いられることができる。図２に示すフランジ２は２つの穴３を有する。フランジ２は任意の数の穴３を有してよい。穴３は管の別のフランジにセラミックＰＴＣヒータを接続するために用いられることができる。セラミックＰＴＣヒータの電気的接点は、好ましくはＰＴＣヒータのフィン４上の電気コーティングによって達成される。

腐食性物質、またはその他の有害な物質からのセラミックＰＴＣヒータの保護を行うために、流体に接触する成形体の表面には、好ましくは不動態コーティングが施されている。不動態コーティングは、ガラスコーティングによって、または、セラミックＰＴＣヒータに沿ってあるいはセラミックＰＴＣヒータを通って循環する流体から成形体のセラミック表面を保護する任意の他のコーティングによって、例えば実行されることができる腐食保護を含む。

図３に示された第３の実施形態は図２に示された第２の実施形態と同様である。セラミックＰＴＣヒータのフィン４はねじのねじ山と同様にねじれている。フィン４に沿って循環する流体はねじれたフィン４によって渦を巻く。したがって、セラミックＰＴＣヒータから流体へのより効率の高い熱転移が達成される。好ましくは射出成形によって形成されるこれらの複雑な幾何学的形状は、押し出し成形によっては形成されることができない。射出成形された複雑な幾何学的構造体には、射出成形された成形体を通るいかなる直線に対しても、この直線に沿った並行移動によって同一平面上に移してみても互いに重なり合うことができない、この直線に垂直な少なくとも２つの断面領域が存在する。穴３を有する少なくとも１つのフランジ２は、セラミックＰＴＣヒータの端部、または該端部の間の位置に配置されうる。

図４に示された実施形態は、プロペラの形状の体の前面図である。体は射出成形によってＰＴＣセラミックから形成される。プロペラは、駆動カラー６の周囲に規則正しく配置されたブレード５の形状の４つの突出部を有する。ブレード５は好ましくは後ろ向きにねじれている（ｓｗｉｖｅｌ）。

プロペラは、任意の理に適った数または形状の突出部を有する駆動カラー６を含むこともまた可能である。プロペラは２、３、４、５またはそれ以上のブレード５を駆動カラー６の周囲に有してもよい。図４の実施形態は４つのブレード５を有するプロペラを示すのみであるが、ほとんどいかなる他の個数のブレード５も可能である。後ろ向きにねじれているブレード５が、プロペラに沿って循環する流体の乱流を発生させる。したがって、効率の高い熱転移と流体の輸送が同時に達成される。セラミックＰＴＣのプロペラによって、効率的で連続的な流体の加熱が可能になる。

電気コーティングが、プロペラブレード５の主要表面に好ましくは加えられる。したがって、ブレード５の表面の最大限の面積が流体を加熱するために用いられうる。電気的接触が電気コーティングにより実施され、該電気コーティングはプロペラの駆動カラー６に延びる。ブレード５の縁部は好ましくは電気コーティングを欠いている。したがって、各側に電気コーティングが施されている各ブレード５が、好ましくは単独で１つの加熱要素として作動する。プロペラは好ましくは腐食防止のための不動態化コーティングを有する。

図５の実施形態は、視点を回転させているが、それ以外では図４に対応する図である。プロペラのブレード５は駆動カラー６の軸に沿って配置される。ブレード５は空気のより効率的な加熱および運搬を可能にするように後ろ向きにねじれている。

図６はセラミックＰＴＣヒータのさらなる実施形態を示す斜視図である。図６のセラミックＰＴＣヒータはプロペラの形状を有する。プロペラは好ましくは管状体１の外側の軸受と共に管状体１の内部に配置される。プロペラのブレード５は成形体を通って流れる流体のより効率的な加熱および輸送を可能にするように後ろ向きにねじれている。セラミックＰＴＣヒータは好ましくは射出成形によって形成される。

図６の実施形態はまた、インペラと呼ばれている。インペラは流体の圧力と流量を増加するように管または導管内に用いられる。インペラは通常、流体を押すか推進するようにブレードを形成する突出部と、駆動シャフトを受け入れるようにスプライン加工された中心を有する短い円筒である。効率的に作動するためには、インペラとハウジングの間にぴったりした嵌合がなければならない。ハウジングは管または導管であることができ、そこにインペラが加えられる。

図１から図６に記載された実施形態は、好ましくは自動車の空気調整システム内の流体を加熱するために適用されうる。

Claims (27)

1. 金属不純物の含有量が１０ｐｐｍ未満であり正の温度係数を有するセラミック材料を含む射出成形された成形体を供給するステップと、
   前記射出成形された成形体を、流体を加熱するために用いるステップと、を含む、
   流体を加熱する方法。
2. 射出成形された成形体を含み、前記射出成形された成形体を通るいかなる直線に対しても、この直線に垂直な少なくとも２つの断面領域が、この直線に沿った並行移動によって同一平面上に移してみても互いに重なり合うことができない、請求項１に記載の方法。
3. キュリー温度が２０℃と２５０℃の間である、請求項１に記載の方法。
4. ２５℃の温度における抵抗率が１Ωｃｍから５００Ωｃｍの範囲内である、請求項１に記載の方法。
5. 前記正の温度係数を有するセラミック材料がＢａＴｉＯ_３からなる、請求項１に記載の方法。
6. 前記正の温度係数を有するセラミック材料が、
   Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３
   からなり、
   ここで、
   ｘ＝０から０．５、
   ｙ＝０から０．０１、
   ａ＝０から０．０１、および、
   ｂ＝０から０．０１であり、
   Ｍが２価の陽イオンからなり、Ｄが３価または４価のドナーからなり、Ｎが５価または６価の陽イオンからなる、請求項１に記載の方法。
7. 前記流体が前記射出成形された成形体に沿って循環する、請求項１に記載の方法。
8. 前記射出成形された成形体が、導電コーティングを有する少なくとも１つの領域を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの領域が電気的接点を含む、請求項１に記載の方法。
10. 流体が循環する前記射出成形された成形体の少なくとも表面が不動態コーティングを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記不動態コーティングが腐食保護を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記射出成形された成形体がリブを含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記射出成形された成形体が円筒形のトルソを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記射出成形された成形体がプロペラの形状からなる、請求項１に記載の方法。
15. 前記射出成形された成形体がインペラの形状からなる、請求項１に記載の方法。
16. 前記流体が渦を巻く、請求項１５または１５に記載の方法。
17. 前記射出成形された成形体が接続のために少なくとも１つのフランジを有する、請求項１２または１３に記載の方法。
18. 前記射出成形された成形体が、周囲を流体が流れる円筒形のトルソ内に配置される、請求項１に記載の方法を含む加熱のための装置。
19. 請求項１８に記載の加熱のための装置を含む、自動車の加熱のための方法。
20. 金属不純物の含有量が１０ｐｐｍ未満であり正の温度係数を有するセラミック材料を含む射出成形された成形体であって、前記射出成形された成形体が、該射出成形された成形体を通るいかなる直線に対しても、この直線に沿った並行移動によって同一平面上に移してみても互いに重なり合うことができない、この直線に垂直な少なくとも２つの断面領域を有し、該射出成形された成形体の一部に流体が循環することができる、射出成形された成形体。
21. 少なくとも１つの突出部を有する、請求項２０に記載の射出成形された成形体。
22. 前記突出部がフィンの形状を有する、請求項２１に記載の射出成形された成形体。
23. 前記突出部がブレードの形状を有する、請求項２１に記載の射出成形された成形体。
24. 前記突出部の少なくとも一部が管状体によって囲まれている、請求項２１から２３に記載の射出成形された成形体。
25. 前記射出成形された成形体がプロペラの形状からなる、請求項２０に記載の射出成形された成形体。
26. 前記射出成形された成形体がインペラの形状からなる、請求項２０に記載の射出成形された成形体。
27. 前記ブレードが前記流体の加熱及び輸送のために同時に用いられる、請求項２５または２６に記載の射出成形された成形体。

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