JP5263224B2 - サーミスタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーミスタ素子を内蔵するサーミスタ装置に関する。

サーミスタ素子を円筒ケースに内蔵した温度センサが知られている（特許文献１参照）。このような温度センサを用いて、冷蔵庫などの測温対象物であるパイプの温度（冷媒温度）を測定する場合には、通常、パイプと円筒ケースとを結束バンドなどで取付けている。

しかしながら、結束バンドで円筒ケースを取付けても、測温対象物の位置に対して円筒ケースがずれ動く場合がある。また、測温結果にばらつきが生じてしまうこともあった。

特開平９−６９４１４号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、測温対象物に対する感温特性が向上し、しかも取付けおよび位置決めが容易なサーミスタ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るサーミスタ装置は、
リード線が接続されたサーミスタ素子と、
前記サーミスタ素子が内部に配置された筒状ケースとを有するサーミスタ装置であって、
前記筒状ケースの外周面に、前記筒状ケースの軸芯に平行に延びる凹部が形成してあることを特徴とする。

本発明のサーミスタ装置では、筒状ケースの外周面に、筒状ケースの軸芯に平行に延びる凹部が形成してあるので、凹部に対応する形状を有する測温対象物に対して、筒状ケースの接触面積を広く確保することができる。したがって、熱伝導効率を高めることができ、感温特性を向上させることができると共に、サーミスタ装置の取付けおよび位置決めが容易になる。

好ましくは、前記サーミスタ素子は、長手方向に前記リード線が延びるように接続されており、前記サーミスタ素子の長手方向の中心線が、前記筒状ケースの前記軸芯に平行であり、しかも前記軸芯からずれている。

長手方向にリード線が延びるように接続されたサーミスタ素子（アキシャル型）を円筒ケースにコンパクトに内蔵する場合には、円筒ケースの軸芯からずれた位置にサーミスタ素子を配置せざるを得ない。凹部を形成していないサーミスタ装置では、取付け位置によって熱応答性（時間−温度特性）にばらつきがあり、感温性が安定しない。本発明のサーミスタ装置では、サーミスタ素子の長手方向の中心線が、筒状ケースの軸芯からずれている。しかし、上述した凹部が測温対象物と面接触するので、サーミスタ素子から測温部までの最短距離を一定に保つことが可能となり、サーミスタ装置の取付け位置によって測温値にばらつきが生じることはない。したがって、サーミスタ装置の感温性が安定し、冷蔵庫など冷媒を用いる機器の冷却性能を高めることができ、省エネルギー特性にも優れる。

好ましくは、前記筒状ケースを前記軸芯に垂直な横断面で見た場合に、前記凹部は、前記横断面に表れる一対のリード線を結ぶ直線の中点を通る垂直な線上にある。

上記の凹部が、このような位置に形成されている場合には、特に、熱応答性がリニアになることが、本発明者等により見いだされた。すなわち、測温対象物の温度を変化させ、サーミスタ装置がその温度を安定して検出できるまでの時間、すなわち、熱応答特性を測定したところ、その熱応答特性が直線的であることが判明した。熱応答特性がリニアになることにより、感温特性を安定させるための回路設計が容易になる。

好ましくは、前記凹部の形状は、測温対象物に表れる凸形状と略一致している。凹部の形状が、測温対象物に表れる凸形状と一致していれば、熱伝導性がさらに向上し、より感温性が安定する。また、サーミスタ装置の測温対象物への保持効果もより高まる。

図１は、本発明の一実施形態に係るサーミスタ装置の外観図である。 図２は、図１に示すサーミスタ装置を銅管に結束した状態を示す概略外観図である。 図３は、図２のIII−III断面図である。 図４は、図３のIV−IV断面図である。 図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。 図６は、図４のVI−VI断面図である。 図７（Ａ）は、図１に示すサーミスタ装置の正面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すサーミスタ装置の左側面図、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）に示すサーミスタ装置の右側面図である。 図８（Ａ）は、図７（Ａ）に示すサーミスタ装置の背面図、図８（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すサーミスタ装置の平面図、図８（Ｃ）は、図７（Ａ）に示すサーミスタ装置の底面図である。 図９（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るサーミスタ装置の正面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すサーミスタ装置の左側面図、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）に示すサーミスタ装置の右側面図である。 図１０（Ａ）は、図９（Ａ）に示すサーミスタ装置の背面図、図１０（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すサーミスタ装置の平面図、図１０（Ｃ）は、図９（Ａ）に示すサーミスタ装置の底面図である。 図１１は、本発明の他の実施形態に係るサーミスタ装置の断面図である。 図１２は、本発明の他の実施形態に係るサーミスタ装置の断面図である。 図１３は、実施例および比較例におけるサーミスタ装置の温度−時間特性を示すグラフである。 図１４（Ａ）は、実施例１におけるサーミスタ装置の概略断面図、図１４（Ｂ）は、比較例１におけるサーミスタ装置の概略断面図、図１４（Ｃ）は、比較例２におけるサーミスタ装置の概略断面図、図１４（Ｄ）は、比較例３におけるサーミスタ装置の概略断面図である。

第１実施形態
図１に示すように、本発明に係るサーミスタ装置１は、筒状ケース２と、筒状ケース２の端部２４から延出するように配置される一対の被複線１６，１６とを有している。筒状ケース２の外周面には、筒状ケース２の軸芯Ｐ０に沿って延びる凹部２２が形成してある。

なお、本実施形態において、筒状ケース２の軸芯Ｐ０と平行な方向をＺ軸で表し、図５に示すように、筒状ケース２をＺ軸に垂直な断面で見た場合に表れる一対のリード線３６，３６を結ぶ直線に平行な方向をＸ軸で表し、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な方向をＹ軸で表すものとする。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に垂直になっている。

図２に示すように、サーミスタ装置１は、筒状ケース２が結束バンド４２により銅管４０に取り付けられて使用される。

図４に示すように、サーミスタ装置１は、底が一体に成形された筒状ケース２を有している。筒状ケース２を構成する樹脂としては、本実施形態ではＡＢＳ樹脂を用いているが、ＡＢＳ樹脂に限定されず、エポキシ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂などを用いることができる。

筒状ケース２の内側には、サーミスタ素子３０と、リード線３６と、一対の被複線１６の先端部１６ａが配置され、これらを位置決めするように、封止樹脂２６が充填してある。封止樹脂としては、エポキシ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＴ樹脂などを用いることができる。

サーミスタ素子３０は、素子本体３と、一対の引出電極６と、ガラス管８とを有している。素子本体３は、たとえばＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタ特性を有している。

素子本体３は、たとえば金属酸化物（たとえば、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｌ等の酸化物）の焼結体で構成してある。素子本体３の両端面には、一対の端子電極４が形成してあり、各端子電極４は、たとえば、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ又はＡｇ−Ｐｄ合金等で構成してある。各端子電極４には、引出電極６が接続してある。

引出電極６は、たとえばジュメット線で構成してある。ジュメット線は、４２％Ｆｅ−Ｎｉ芯線の回りをＣｕ材で被覆した複合線であり、素子本体３の各端子電極４に対して溶接またはロー付けなどで接続してある。

本実施形態では、ガラス管８の内部に、素子本体３と、それを挟むように接続してある一対の引出電極６とが密封してあり、全体として細長い円柱形状のサーミスタ素子３０を構成している。ガラス管８の内部に素子本体３および引出電極６を密封するためには、たとえば引出電極６の外周面をガラス管８の内周面に対して反応接合させればよい。

ガラス管８の外径は、特に限定されないが、好ましくは１．５〜２．０ｍｍであり、その長手方向長さは、好ましくは２．０〜４．０ｍｍである。

ガラス管８で被覆された引出電極６には、それぞれリード線３６の基端３６ａが接続してあり、リード線３６は、ガラス管８の長手方向（Ｚ軸方向）の両端からサーミスタ素子３０の軸芯Ｐ１と一致するように、それぞれ反対側に飛び出している。一方の引出電極６に接続されたリード線３６はＺ軸方向に延びるように配置され、筒状ケース２の内側で、一方の導線１４の先端部１４ａとカシメ止めされている。他方の引出電極６に接続されたリード線３６はＺ軸方向に延び、筒状ケース２の底２ａ近傍で湾曲し、Ｚ軸方向に延びるように配置され、他方の導線１４の先端部１４ａとカシメ止めされている。一対の導線１４は、それぞれ被覆層１２で覆われて被複線１６を構成している。

リード線３６は、たとえば、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｆｅまたはこれらの合金などの導電線によって形成されている。リード線３６の線径は、特に限定されないが、好ましくは０．４〜０．５ｍｍである。

図４に示すように、サーミスタ素子３０の長手方向の中心線Ｐ１は、筒状ケース２の軸芯Ｐ０に平行であり、しかも軸芯Ｐ０からずれている。

図５に、図４のＶ−Ｖ断面図を示す。筒状ケース２の外径Ｄ１は、好ましくは３．０〜１５．０ｍｍであり、凹部２２が形成されている。凹部２２を形成する半径をＲとし、銅管４０の外径をＤ０とし、誤差をαとした場合に、Ｒ＝Ｄ０／２±αであり、好ましくは、３ｍｍ≦Ｒ≦２０ｍｍである。誤差αは半径Ｒの１〜１０％であることが好ましい。

筒状ケース２の内周面２８は、Ｘ−Ｙ平面において円形になっており、内周面２８で形成される領域が封止樹脂２６で充填・硬化してある。筒状ケース２の内周面２８の内径Ｄ２は、特に限定されないが、好ましくは１．５〜１３．５ｍｍである。また、Ｘ−Ｙ平面における筒状ケース２の厚さｔ１＝０．２〜２．０ｍｍであることが好ましい。筒状ケース２の厚さｔ１は、最も薄い所でも、ｔ１＝２．０ｍｍ以上であることが好ましい。また、筒状ケース２のＹ軸方向の幅Ｗ１は、特に限定されないが、好ましくは３．０〜１５．０ｍｍである。

Ｘ−Ｙ平面における凹部２２の形状は、銅管４０の形状と略一致していることが好ましい。本実施形態では、筒状ケース２の外表面に形成される凹部２２の横断面は、好ましくは円弧形状をしている。

図５に示すように、筒状ケース２を軸芯Ｐ０に垂直な横断面（Ｘ−Ｙ平面）で見た場合に、凹部２２は、横断面に表れる一対のリード線３６を結ぶ直線の中点を通る垂直な線α上に凹部２２の最深部（中央部）が位置するように形成されている。凹部２２は、底付きの筒状ケース２が射出成形により形成される際に同時に形成される。

図６に、図４のVI−VI断面図を示す。本実施形態では、素子本体３から銅管４０までの最短距離Ｌ０が一定になる。

図７（Ａ）および図８（Ａ）に示すように、筒状ケース２の長手方向の長さＬ１は、好ましくは１５〜５０ｍｍである。一対の被複線１６は、被複線１６同士の外表面で密接しているが、筒状ケース２の端部２４から長手方向に沿って長さＬ２の範囲では、被複線１６同士は互いに隙間Ｌ３で離れている。被複線１６同士が離れている長さＬ２は特に限定されないが、好ましくは１０〜５０ｍｍであり、隙間Ｌ３は、好ましくは１〜１０ｍｍである。被複線１６の外径は１〜５ｍｍであり、被複線１６の長さＬ４は特に限定されないが、好ましくは１５０ｍｍ〜３ｍである。

本実施形態のサーミスタ装置１では、筒状ケース２の外周面に、筒状ケース２の軸芯Ｐ０に沿って延びる凹部２２が形成してあるので、凹部２２に対応する形状を有する測温対象物（本実施形態では、銅管４０）に対して、筒状ケース２の接触面積を広く確保することができる。したがって、熱伝導効率を高めることができると共に、サーミスタ装置１の取付けおよび位置決めが容易になる。

凹部を形成していないサーミスタ装置では、取付け位置によって熱応答性（時間−温度特性）にばらつきがあり、感温性が安定しない。本実施形態のサーミスタ装置１では、サーミスタ素子３０の長手方向の中心線Ｐ１が、筒状ケース２の軸芯Ｐ０からずれている。しかし、上述した凹部２２が銅管４０と面接触するので、サーミスタ素子３０の素子本体３から測温部までの最短距離Ｌ０を一定に保つことが可能となり、サーミスタ装置１の取付け位置によって測温値にばらつきが生じることはない。したがって、サーミスタ装置１の感温性が安定し、冷蔵庫など冷媒を用いる機器の冷却性能を高めることができ、省エネルギー特性にも優れる。

また、凹部２２の形状が、銅管４０に表れる凸形状と一致しているので、熱伝導性がさらに向上し、より感温性が安定する。また、サーミスタ装置１の銅管４０への保持効果もより高まる。

本実施形態のように、長手方向にリード線が延びるように接続されたサーミスタ素子（アキシャル型）は、長手方向に垂直に２本の平行なリード線が接続するラジアル型のサーミスタ素子に比較して、水分の侵入防止などの点において信頼性が高い。アキシャル型のサーミスタ素子では、リード線間の距離が確保されるので、絶縁不良が起きにくい。

なお、素子本体３は、ＮＴＣサーミスタに限定されず、ＰＴＣサーミスタであっても良い。

また、筒状ケース２に形成される凹部２２の形状は、測温対象物の形状と略一致していれば良く、例えば測温対象物が多角形であれば、凹部２２は測温対象物の形状と一致する多角形状をしていても良い。

また、図９および図１０に示すように、筒状ケース２は、筒状ケース２の軸芯Ｐ０に垂直な断面が円形から外れた異形形状であっても良い。

第２実施形態
本実施形態のサーミスタ装置１ａは、以下に述べる以外は、上述した第１実施形態と同様であり、重複する説明を省略する。

図１１に示すように、それぞれ被覆線１６で覆われている導線１４は、被覆線１６の最先端部分１６ｂからＺ軸方向に延びるように配置され、各先端部１４ａ，１４ａが、サーミスタ素子３０ａの素子本体３に形成された端子電極４，４に、たとえば半田により接続してある。

サーミスタ素子３０ａは、導線１４の先端部１４ａが接続された素子本体３を、第１密封層３７ａで密封する形状となっている。第１密封層３７ａは、たとえば素子本体３を樹脂で浸漬するなどにより形成されている。サーミスタ素子３０ａの中心位置は、筒状ケース２の軸芯Ｐ０と略一致している。

第１密封層３７ａの外側には、第１密封層３７ａと等しい成分の第２密封層３７ｂが形成されている。第２密封層３７ｂは、第１密封層３７ａを樹脂で浸漬するなどにより形成され、被覆線１６の最先端部分１６ｂをも密封するようになっている。

なお、それぞれの被覆線１６の端部１６ａ同士は、筒状ケース２の内側でも互いに接合されている。

第３実施形態
本実施形態のサーミスタ装置１ｂは、以下に述べる以外は、上述した第１実施形態と同様であり、重複する説明を省略する。

図１２に示すように、それぞれ被覆線１６で覆われている導線１４は、被覆線１６の最先端部分１６ｂからＺ軸方向に延びるように配置され、各先端部１４ａ，１４ａが、リード線３８に、たとえば半田により接続してある。リード線３８はＺ軸方向に延びるように配置され、接続部分３８ａ，３８ａが、サーミスタ素子３０ｂの素子本体３に形成された端子電極４，４に接続してある。この実施形態のリード線３８は、ジュメット線で構成されている。

サーミスタ素子３０ｂは、第１実施形態と同様にして、素子本体３をガラスで密封する形状となっている。サーミスタ素子３０ｂの中心位置は、筒状ケース２の軸芯Ｐ０と略一致している。

第２密封層３９ｂは、第１密封層３９ａを樹脂で浸漬するなどにより形成されている。第２密封層３９ｂは、リード線３８と導線１４との接続部をも密封するように形成されている。

なお、それぞれの被覆線１６の端部１６ａ同士は、筒状ケース２の内側でも互いに接合されている。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例１
素子本体としてＮＴＣサーミスタ３を準備し、ＮＴＣサーミスタ３の両端面に端子電極４を形成した。リード線３６が接続されたジュメット線６を準備した。各端子電極４に対して、溶接によりジュメット線６を接続した。次に、ジュメット線６の外周面をガラス管８の内周面に対して反応接合させ、リード線３６が両端に接続されたサーミスタ素子３０を得た。

次に、ＡＢＳ樹脂を用いて射出成形により、凹部２２が形成された筒状ケース２を形成した。凹部２２は、筒状ケースの軸芯Ｐ０に沿って形成した。筒状ケース２の外径Ｄ１を６．８ｍｍとし、筒状ケース２の内周面２８の内径Ｄ２を４．４ｍｍとし、筒状ケース２の長手方向長さＬ１を２５ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅Ｗ１を６．６ｍｍとし、凹部２２のＲを２０ｍｍとした。

次に、外径１．５ｍｍの被複線１６を２本準備し、各々の被複線１６の先端部で導線１４の先端部１４ａを露出させ、リード線３６の先端部３６ａと、導線１４の先端部１４ａとをカシメ止めした。

筒状ケース２の内側で、サーミスタ素子３０と、リード線３６と、一対の被複線１６の先端部１６ａが、図４〜図６に示す位置関係になるように支持した状態で、筒状ケース２の内側にエポキシ樹脂を充填し、固化させた。すなわち、図５に示すように、筒状ケース２を軸芯Ｐ０に垂直な横断面で見た場合に、横断面に表れる一対のリード線３６を結ぶ直線の中点を通る垂直な線α上に凹部２２の最深部（中央部）が位置するように形成した。

なお、被複線１６同士の隙間Ｌ３を１．５ｍｍとし、この隙間Ｌ３を、長さＬ２＝３０ｍｍで保つようにし、被複線１６を、筒状ケース２の端部２４からの距離Ｌ４＝１ｍの位置で、被複線１６を切断し、サーミスタ装置１を得た。

サーミスタ装置１を、不図示の温度データ収録装置に接続した。そして、サーミスタ装置１を、外径Ｄ０が４０ｍｍの銅管４０に対し、図２に示すように結束バンド４２で取付けた。この際に、図１４（Ａ）に示すように、筒状ケース２の凹部２２と銅管４０とが接触するように取付けた。

実験室内の温度を２０度に維持した。そして、銅管４０の温度を変化させ、サーミスタ装置１がその温度を安定して検出できるまでの時間、すなわち、熱応答特性を温度データ収録装置で測定した。２０度から８０度までの異なる温度条件で、サーミスタ装置１の熱応答特性の測定を行った。その結果を図１３に示す。

比較例１
筒状ケース２’の軸芯Ｐ０に垂直な断面が外径６．８ｍｍの円形になるように、筒状ケース２’を成形した以外は、実施例１と同様にしてサーミスタ装置を製造した。図１４（Ｂ）に示すように、素子本体３が銅管４０の外周面に最も近くなる位置に結束バンドで取付けた。そして、実施例１と同様の測定を行った。その結果を図１３中の△のプロットで示す。

比較例２
比較例１と同様にしてサーミスタ装置を製造した。図１４（Ｃ）に示すように、素子本体３を比較例１の位置から９０度回転させた位置に結束バンドで取付けた。そして、実施例１と同様の測定を行った。その結果を図１３中の○のプロットで示す。

比較例３
比較例１と同様にしてサーミスタ装置を製造した。図１４（Ｄ）に示すように、素子本体３を比較例１の位置から１８０度回転させた位置に結束バンドで取付けた。そして、実施例１と同様の測定を行った。その結果を図１３中の□のプロットで示す。

評価
実施例１のように、凹部２２の中央部が、筒状ケース２の横断面に表れる一対のリード線３６を結ぶ直線の中点を通る垂直な線α上に形成されている場合には、特に、サーミスタ装置１の熱応答性がリニアになることが判明した。すなわち、その熱応答特性（温度−時間特性）が直線的であることが判明した。熱応答特性がリニアになることにより、感温特性を安定させるための回路設計が容易になる。これに対し、比較例１〜３では、熱応答性がリニアではなく、感温特性が安定しない。

１…サーミスタ装置
２…筒状ケース
２２…凹部
３０…サーミスタ素子
３６…リード線
４０…銅管

Claims (4)

1. リード線が接続されたサーミスタ素子と、
   外周面に測温対象物が接触し且つ前記サーミスタ素子が内部に配置された筒状ケースとを有するサーミスタ装置であって、
   前記筒状ケースの前記外周面に、前記筒状ケースの軸芯に平行に延びる凹部が形成してあることを特徴とするサーミスタ装置。
2. 前記サーミスタ素子は、長手方向に前記リード線が延びるように接続されており、
   前記サーミスタ素子の長手方向の中心線が、前記筒状ケースの前記軸芯に平行であり、しかも前記軸芯からずれていることを特徴とする請求項１に記載のサーミスタ装置。
3. 前記筒状ケースを前記軸芯に垂直な横断面で見た場合に、前記凹部は、前記横断面に表れる一対のリード線を結ぶ直線の中点を通る垂直な線上にあることを特徴とする請求項１または２に記載のサーミスタ装置。
4. 前記凹部の形状は、前記測温対象物に表れる凸形状と略一致していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサーミスタ装置。

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