JP2011530150A - 加熱装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で被加熱媒体を加熱しうる加熱装置、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】加熱装置を、電気抵抗が正の温度係数をもち、かつ互いに異なる組成を有する複数のセラミックス材料からなる少なくとも２つの部位をもつ成形体から構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置およびその製造方法に関する。

流体等の被加熱媒体は、電気抵抗が正の温度係数（ＰＴＣ；Positive Temperature Coefficient）をもつ加熱装置（ＰＴＣヒータ）に接触させることによって加熱することができる。これまで、このようなＰＴＣヒータは、ただ１種のＰＴＣ材料から、ディスク状または方形に形成されていた。

しかし、このようなディスク状または方形のＰＴＣヒータは、構造上アクセスが困難な領域に一体となるように取り付けることができないため、加熱が必要な領域に密接させて、被加熱媒体を短時間だけ加熱したり、弱く加熱したりすることができなかった。

本発明の目的は、高効率で被加熱媒体を加熱しうる加熱装置を提供することである。

上記の課題は、電気抵抗が正の温度係数をもつセラミックス材料を含み、少なくとも１つの第１部位と少なくとも１つの第２部位とからなる成形体を有する加熱装置であって、前記第１部位は、第１の組成をもつセラミックス材料からなり、前記第２部位は、前記第１の組成とは異なる第２の組成をもつセラミックス材料からなっている加熱装置（請求項１）によって解決される。請求項２以下には、この加熱装置の種々の態様、およびこの加熱装置の製造方法が記載されている。

本発明の一実施形態によれば、電気抵抗が正の温度係数をもつセラミックス材料を含む成形体からなる加熱装置が提供される。この成形体は、第１の化学組成をもつセラミックス材料からなる少なくとも１つの第１部位、および第２の化学組成をもつセラミックス材料からなる少なくとも１つの第２部位を有する。第１および第２の化学組成は、互いに異なる。

したがって、本発明に係る加熱装置は、少なくとも２種の化学組成を有するセラミックス材料を含む。本発明においては、電気抵抗が正の温度係数をもつセラミックス材料を用いるため、電圧を印加すると発熱してこの熱を周囲に放散する成形体を得ることができる。この際、成形体は自己制御的な挙動を示す。成形体の温度が臨界値に達すると、成形体の電気抵抗が上昇し、成形体に流れる電流は少なくなる。したがって、成形体がそれ以上発熱するのは回避され、別個に出力制御を行う必要はなくなる。

１個の成形体に少なくとも２種のセラミックス材料を用いると、この成形体に２つの発熱特性を発現させることができる。例えば、第１部位を遅く発熱させ、第２部位を早く発熱させる等である。最高の発熱温度も、第１部位と第２部位では異なる。

本発明に係る成形体は、射出成形によって形成しうるため、この成形体を組み込んで使用する加熱装置の構造的な環境に合わせて、どのような幾何形状にすることもできる。したがって、このような成形体は、構造的にアクセスするのが困難な領域にも配置することができる。このため、被加熱媒体は、低出力でも、ごく短時間で効率的に加熱することができる。

本発明の加熱装置は、互いに発熱特性を異にする少なくとも２つの部位を有する成形体を用いるのであり、成形体全体としてみれば、両部位の組成成分は混じり合っていない。また、この成形体においては、各部位が、互いに干渉し合うことなく、固有の機能を発揮する。

被加熱媒体は、成形体のどの部位によって加熱されるかに応じて、複数の温度に、または複数の昇温速度で加熱される。したがって、被加熱媒体が、成形体の各部位が配置されている順序に沿って進むならば、段階的に加熱される。

本発明に係る成形体の第１部位および第２部位を構成するセラミックス材料は、化学量論的な組成を有する。この組成は、セラミックス材料が替われば変化するし、化学量論的に変化することもある。また、両者がともに代わることによっても変化する。いずれにしても、第１部位と第２部位は互いに異なる化学組成を有し、特性も互いに異なる。

本発明においては、成形体の第１部位および第２部位は、互いに発熱特性および／または電気特性が異なる。よって、所与の同一の電気的条件下において、両部位の昇温速度および最高到達温度を互いに異ならせることができる。他方、所与の温度下において、電気抵抗を互いに異ならせることもできる。また、第１部位と第２部位は、昇温速度および最高到達温度、ならびに電気抵抗のすべてを同時に異ならせることもできる。セラミックス材料の発熱特性と電気特性の関連は、発熱温度を抵抗率の関数として表す抵抗率−温度特性曲線により明らかにすることができる。

したがって、本発明に係る成形体は、これを構成するセラミックス材料の電気特性と発熱特性に応じて、少なくとも２つの部位において局所的に異なる機能を発揮する。例えば、１つの成形体において、複数の温度分布を発現させることができる。

本発明に係るセラミックス材料の化学式は、Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３である。ここで、ｘ＝０〜０．５，ｙ＝０〜０．０１、ａ＝０〜０．０１、ｂ＝０〜０．０１である。また、Ｍは２価のカチオンとなりうる元素、Ｄは３価または４価のカチオンとなりうる元素、Ｎは５価または６価のカチオンとなりうる元素である。このような化学式をもつ本発明に係るセラミックス材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する。例えば、Ｍはカルシウム、ストロンチウム、鉛等、Ｄはイットリウム、ランタン等、Ｎはニオブ、アンチモン等である。この成形体は、１０ｐｐｍ未満であれば、金属不純物を含んでもよい。ごく少量であるため、成形体のＰＴＣ特性が影響を受けることはない。

この成形体の第１部位および第２部位は、ともに、−３０℃〜３４０℃のキュリー温度を有する。また、両部位ともに、２５℃において、３〜１０００００Ωｃｍの抵抗率を示す。

本発明に係る成形体の第１部位および第２部位は、キュリー温度を同一にする一方で、２５℃における抵抗率を互いに異ならせることができる。また、２５℃における抵抗率を同一にする一方で、キュリー温度を互いに異ならせることもできる。さらに、両方を互いに異ならせることもできる。したがって、成形体の２つの部位は、電気特性が互いに異なるため、もしくは発熱特性が互いに異なるため、または電気特性と発熱特性の両方が異なるために、その発熱温度が互いに異なる。本発明のように、局所的に異なる複数の発熱特性をもつ成形体を用いれば、被加熱媒体が段階的に最適温度に移行するよう、被加熱媒体の加熱に係る出力を調整することもできる。

本発明に係る成形体の第１部位と第２部位の間には、両部位の各セラミックス材料が共焼結されたインターフェースが存在する。

本発明に係る加熱装置は、上記の成形体に通電するための電気接続部を設けることもできる。この電気接続部は、成形体の表面に設けられ、成形体の形状に適合して、外部の電気端子と電気的に接合される電極を構成する。

電気接続部の設置箇所は、成形体のいずれの部位にも通電されるように定める。したがって、成形体のいずれの部位も、セラミックス材料のＰＴＣ特性に従って発熱する。

電気接続部は、成形体の少なくとも２つの部位のそれぞれと接触するように設ける。例えば、半円筒形の２つの部位を、成形体全体として円筒形となるように配置する場合には、２つの電気接続部を、互いに成形体の反対側に位置するように各部位に設けることにより、両部位と電気接続部とを接触させる。この場合、各部位の抵抗率−温度特性曲線には、電気接続部が形成された面から平行に延びる方向に沿って勾配が生ずる。

他方、円筒形の２つの部位を軸方向に並べて配置するとともに、２つの電気接続部を、成形体の側面の両側に、両部位に跨るように設けることもできる。この場合、２つの部位は並列に接続されることになる。

さらに、上記のような円筒形の２つの部位は、２つの電気接続部の間に配置して、２つの電気接続部を、それぞれ別の部位と接続させることもできる。例えば、円筒形の２つの部位を軸方向に並べ、第１の電気接続部を第１の部位に、第２の電気接続部を第２の部位に接続する。このとき、２つの電気接続部は、軸方向において互いに反対側に位置する。したがって、２つの部位は直列に接続されることになる。この場合、各部位の抵抗率−温度特性曲線には、電気接続部が形成された面と直交する方向に沿って勾配が生ずる。成形体は、それぞれ電気−発熱特性が異なる３つまたはこれを超える数の部位を、軸方向に順番に有することもできる。この場合、電流がすべての部位を通過するように、一番外側の２つの部位にだけ電気接続部を設ける。

成形体は、被加熱媒体（例えば流体）が通過しうる形状とする。例えば、パイプまたはノズル状である。この外、被加熱媒体が成形体の周囲を流れるようにすることもできる。この場合、成形体は、どのような形状にすることもできる。

成形体がノズル（すなわち一方の端部がテーパ付けされたパイプ）状である場合、このノズルを通過する流体が段階的に加熱されるよう、電気−発熱特性が互いに異なる複数の部位を順に並べることができる。これらの部位は、ノズルの軸方向に沿って順番に並べるか、または軸方向と直交するように並べて、流体がＳ字状に曲がりくねって進むようにする。

成形体の広い領域または全領域を、パシベーション層（表面安定化層）によって囲むことができる。このパシベーション層の材料は、ガラス、プラスチック、シリコーン、および成形体を構成するセラミックス材料とは別のセラミックス材料の中から選択する。この場合、成形体と被加熱媒体とが直に接することはない。したがって、成形体が被加熱媒体によって腐食したり、被加熱媒体に溶解したりする事態は避けられる。一方、被加熱媒体の方も、成形体の構成材料によって汚染されるのを防ぐことができる。

本発明は、上記の加熱装置を製造する方法も提供する。この方法は、以下の工程からなる。
Ａ）射出成形により焼結素材を得る。
Ｂ）前記焼結素材を焼結し、成形体を形成する。
Ｃ）前記成形体に電気接続部を設ける。

この方法によれば、工程Ａ）において、電気抵抗が、互いに異なる正の温度係数をもつ少なくとも２つのセラミックス材料を順次射出成形し、焼結素材を得る。このように、焼結素材は、ただ１つの工程により得ることができる。この焼結素材は、ついで、工程Ｂ）において焼結し、電気−発熱特性が互いに異なる少なくとも２つの部位をもつ成形体を焼成する。

工程Ａ）には、焼結素材を得るためのセラミックス出発材料（Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３の組成式で表される中心的なセラミックス材と充填材からなる）を用意する工程も含まれる。

金属不純物が１０ｐｐｍ未満のセラミックス出発材料を得るには、研磨防止用のハードコーティングが施されたツールを用いる。このハードコーティングの材料は、タングステンカーバイド等である。ツールのセラミックス材料と接しうるすべての面に、ハードコーティングを施す。

焼結によって電気抵抗が正の温度係数をもつ成形体（ＰＴＣセラミックス）に転換される中心的なセラミックス材は、充填材と混合した上で顆粒にする。この顆粒を、さらなる処理のために射出成形にかけるのである。

中心的なセラミックス材と混合される充填材（中心的なセラミックス材よりも融点が低い）の混合割合は、中心的なセラミックス材に対して２０容量％未満である。この充填材は、ワックス、樹脂、熱可塑性プラスチック、水溶性ポリマーからなる群より選択する。酸化防止剤、可塑剤等の添加剤を加えてもよい。

前記工程Ａ）は、さらに以下の工程に細分される。
Ａ１） セラミックス出発材料を用意する工程、
Ａ２） 前記セラミックス出発材料を射出成形して、成形体の焼結素材を得る工程、
Ａ３） 充填材を除去する工程。

前記工程Ｂ）（焼結工程）において、前記セラミックス出発材料は、電気抵抗が正の温度係数をもつ成形体に転換される。

この焼結工程中に、前記少なくとも２つの部位の間には、各部位のセラミックス材料が共焼結したインターフェースが形成される（一旦固溶体になった後に形成される）。このインターフェースの厚さは、１〜２００μｍであり、セラミックス材料の種類によって決まる。ただし、２つの部位のセラミックス材料が、全体的に混じり合うのは回避される。このインターフェースは、各部位を互いにつなぎ合わせて一体的な成形体を形作るとともに、部位から部位への組成的な移行を連続的なものにする役割を果たす。したがって、部位同士をつなぎ合わせるための固定手段は不必要である。

本発明の第１の実施形態に係る加熱装置の模式的な側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る加熱装置の模式的な側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る加熱装置の模式的な斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る加熱装置の一部を切り欠いた模式的な斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る加熱装置に用いるセラミックス材料の抵抗率−温度特性曲線を表すグラフである。

以下、添付の図面と実施形態を基に、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る加熱装置の模式的な側面図である。この加熱装置を構成する成形体３０は、それぞれ半円筒形状をなす第１部位１０および第２部位２０からなっている。両部位は、ともに電気抵抗が正の温度係数をもち、かつＢａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３型の結晶構造を有するセラミックス材料からなっているが、両部位の化学組成は互いに異なる。

第１部位１０および第２部位２０には、それぞれ、円筒形成形体の両側部に位置するように、両部位を互いに電気的に接続するための電気接続部４０，４０が設けられている。したがって、両電気接続部４０，４０は、電気的接続手段を用いれば、互いに電気的に接続することができる。両部位１０，２０をこのように配置すると、加熱装置の電気−発熱特性は、電気接続部が形成された面から、垂直方向に徐々に変化する。この特性変化の方向は、図中に白抜きの矢印で模式的に示してある。両部位１０，２０は、セラミックス材料の化学組成の違いにより、キュリー温度、２５℃における抵抗率等の発熱特性や電気特性が異なる。なお、第１部位１０と第２部位２０の間、または、いずれか一方の部位の上方および／または下方に、両部位のいずれとも化学組成が異なる第３部位、第４部位等を設けることができる（図示せず）。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る加熱装置の模式的な側面図である。この加熱装置においては、第１部位１０と第２部位２０は、軸方向に並んでいるが、両部位を電気的に接続するための電気接続部４０，４０は、前述の第１の実施形態と同じように、成形体の両側部に位置している。この実施形態に係る加熱装置の電気−発熱特性は、電気接続部４０，４０が形成された面と平行に延びる方向に徐々に変化する。この特性変化の方向は、白抜きの矢印で模式的に示してある。なお、第１部位１０および第２部位２０と同じくさらに軸方向に並び、電気接続部４０，４０を介して両部位と電気的に接続しうる第３部位、第４部位等を設けることができる（図示せず）。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る加熱装置の模式的な斜視図である。この加熱装置は、第１部位１０および第２部位２０が軸方向に並んだノズル状に形成されている。図を見やすくするため、電気接続部４０，４０は、この図には示していない。電気接続部４０，４０は、例えば、成形体３０の外側表面および内側表面に密接するように設けることができる。被加熱媒体を、このノズル状の加熱装置に通す場合には、第１部位１０で予熱を加え、第２部位２０で所望の最終温度まで加熱するよう、加熱温度を段階的に調整することができる。この場合、第１部位１０および第２部位２０と同じくさらに軸方向に並ぶ第３部位、第４部位等を設け、被加熱媒体を加熱する温度をさらに細かく段階的に調整することもできる。

図４は、本発明の第４の実施形態に係る加熱装置の一部を切り欠いた模式的な斜視図である。この実施形態においても、加熱装置はノズル状である。また、このノズル状加熱装置の前面側は、構造を捉えやすくするために、一部を切り欠いてある。この実施形態においては、加熱装置を通過する被加熱媒体が第２部位２０とだけ接するように、第１部位１０は加熱装置の外側に配置してある。この場合、第１部位１０に用いるセラミックス材料の化学組成は、電圧を印加しても低い温度に止まるものとし、他方、第２部位２０に用いるセラミックス材料の化学組成は、電圧印加時に高温になるものとする。すなわち、加熱装置のうち、被加熱媒体により近い第２部位２０だけが高温になる。電気接続部４０，４０（図示せず）は、例えば、ノズル状加熱装置の内側と外側に設けることができる。

本発明のさらに他の実施形態に係る加熱装置の電気−発熱特性（両特性の相互関係）を明らかにするため、図５に、この加熱装置に用いうる複数のセラミックス材料（Ｍｎのドーピング割合は種々に異なる）の抵抗率−温度特性曲線（ＲＴ(Resistivity-Temperature)特性曲線）が描かれたグラフを掲げる。このグラフにおいては、温度（単位：℃）と抵抗率（単位：Ωｃｍ）の関係がプロットしてある。本発明に係る加熱装置に用いるセラミックス材料の基本的な組成は、Ｂａ_０．９Ｓｒ_０．１ＴｉＯ_３であり、図中の曲線ａはＭｎがドーピングされていないセラミックス材料、以下、曲線ｂはＭｎのドーピング割合が０．０２％のセラミックス材料、曲線ｃは同０．０４％のもの、曲線ｄは同０．０６％のもの、曲線ｅは同０．０８％のもの、および曲線ｆは同０．１％のものをそれぞれ示す。このグラフから、温度の上昇とともに抵抗率が上昇する温度範囲にあっては、セラミックス材料中のＭｎのドーピング割合が高くなればなるほど、抵抗率ρが高くなることが分かる。この温度範囲よりも高い温度範囲においても、概ね同様である。

上記の添付図面を参照して説明した実施形態は、所望の態様に変更することができる。本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本明細書に記載していない態様をも含みうることに留意すべきである。

１０ 第１部位
２０ 第２部位
３０ 成形体
４０ 電気接続部
ａ ＭｎがドーピングされていないＢａ_０．９Ｓｒ_０．１ＴｉＯ_３のＲＴ曲線
ｂ Ｍｎが０．０２％ドーピングされたＢａ_０．９Ｓｒ_０．１ＴｉＯ_３のＲＴ曲線
ｃ Ｍｎが０．０４％ドーピングされたＢａ_０．９Ｓｒ_０．１ＴｉＯ_３のＲＴ曲線
ｄ Ｍｎが０．０６％ドーピングされたＢａ_０．９Ｓｒ_０．１ＴｉＯ_３のＲＴ曲線
ｅ Ｍｎが０．０８％ドーピングされたＢａ_０．９Ｓｒ_０．１ＴｉＯ_３のＲＴ曲線
ｆ Ｍｎが０．１％ドーピングされたＢａ_０．９Ｓｒ_０．１ＴｉＯ_３のＲＴ曲線

Claims (15)

1. 電気抵抗が正の温度係数をもつセラミックス材料を含み、少なくとも１つの第１部位（１０）と少なくとも１つの第２部位（２０）からなる成形体（３０）を有する加熱装置であって、前記第１部位（１０）は、第１の組成をもつセラミックス材料からなり、前記第２部位（２０）は、前記第１の組成とは異なる第２の組成をもつセラミックス材料からなっている加熱装置。
2. 前記第１および第２の組成は、セラミックス材料の種類によって、または化学量論的に定まることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記成形体（３０）の第１部位（１０）および第２部位（２０）は、互いに電気−発熱特性が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱装置。
4. 前記セラミックス材料は、Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３（ここで、ｘ＝０〜０．５，ｙ＝０〜０．０１、ａ＝０〜０．０１、ｂ＝０〜０．０１である。また、Ｍは２価のカチオンとなりうる元素、Ｄは３価または４価のカチオンとなりうる元素、Ｎは５価または６価のカチオンとなりうる元素である）で表される構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の加熱装置。
5. 前記成形体（３０）の第１部位（１０）および第２の組成（２０）は、−３０℃〜３４０℃のキュリー温度を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の加熱装置。
6. 前記成形体（３０）の第１部位（１０）および第２部位（２０）は、２５℃において３〜１０００００Ωｃｍの抵抗率を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の加熱装置。
7. 前記成形体（３０）の第１部位（１０）および第２部位（２０）は、同一のキュリー温度および互いに異なる抵抗率（温度２５℃におけるもの）を有するか、同一の抵抗率（温度２５℃におけるもの）および互いに異なるキュリー温度を有するか、または互いに異なるキュリー温度および抵抗率（温度２５℃におけるもの）を有するかのいずれかであることを特徴とする請求項５または６に記載の加熱装置。
8. 前記成形体（３０）は、この成形体（３０）に通電するための複数の電気接続部（４０）を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の加熱装置。
9. 前記複数の電気接続部（４０）は、前記成形体（３０）の各部位に通電しうるように配置されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の加熱装置。
10. 前記複数の電気接続部（４０）は、それぞれ、前記成形体（３０）の少なくとも２つの部位（１０，２０）のいずれかと接続するように配置されることを特徴とする請求項８または９に記載の加熱装置。
11. 前記成形体（３０）の複数の部位は、複数の電気接続部（４０）間に、各電気接続部（４０）が異なる部位と接続するように配置されることを特徴とする請求項８または９に記載の加熱装置。
12. 前記成形体（３０）は、ノズル形状であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の加熱装置。
13. 前記成形体（３０）上には、パシベ―ション層が設けられることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の加熱装置。
14. 加熱装置の製造方法であって、
    Ａ）射出成形により焼結素材を得る工程と、
    Ｂ）前記焼結素材を焼結し、成形体（３０）を形成する工程と、
    Ｃ）前記成形体（３０）に電気接続部（４０）を設ける工程とを含み、
    前記工程Ａ）は、前記射出成形のために、電気抵抗が正の互いに異なる温度係数をもつ少なくとも２種のセラミックス材料からなる部位を用意する工程を含む方法。
15. 前記工程Ｂ）において、前記少なくとも２種のセラミックス材料からなる部位の間に、これらのセラミックス材料が共焼結したインターフェースが形成されるようになっていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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