JP5731381B2 - 成形体、この成形体を用いる加熱装置、およびこの成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形体、この成形体を用いる加熱装置、およびこの成形体の製造方法に関する。

上記のような加熱装置においては、流体等の被加熱体は、電気抵抗が正の温度係数（ＰＴＣ特性）をもつ加熱器と接触することにより加熱される。これまで、このようなＰＴＣ特性をもつ加熱器は、正の温度係数をもつシート状または方形の素子として形成されていた。

本発明の課題は、電気抵抗が正の温度係数をもつとともに、機械的強度が高く、かつ化学的安定性をも有する成形体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ち且つペロブスカイト構造を有するエレクトロセラミックスからなる第１部位と、酸化物系セラミックスであるセラミック構造材からなる第２部位と、前記第１部位および第２部位の間に位置し、エレクトロセラミックスおよびセラミック構造材が互いに焼結し合った接合部位とを有する成形体から構成され、成形体に電流を流すための電気接点領域が成形体の第１部位に設けられ、第１部位及び第２部位は、流体を通すように適合したパイプ状をなすとともに、第１部位が第２部位を取り囲んでいることを特徴とする加熱装置（請求項１）によって解決される。請求項２以下には、上記加熱装置、およびこの加熱装置の製造方法が記載されている。

本発明の一態様に係る成形体は、第１部位、第２部位および両者の接合部位を有する。第１部位は、電気抵抗が正の温度係数をもつエレクトロセラミックスからなり、他方、第２部位は、セラミック構造材からなる。接合部位においては、エレクトロセラミックスとセラミック構造材とが接合するように焼結される。こうすると、エレクトロセラミックスとセラミック構造材が一体となった成形体が得られる。したがって、成形体の形状を保持することのみを目的とする部位と、成形体の形状を保持することに加えて成形体に機能を付加することも目的とする部位とが、一つの成形体にまとめられる。

成形体の第１部位を構成するエレクトロセラミックスは、ペロブスカイト型やＢａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３型の結晶構造を有する。ここで、ｘは０〜０．５，ｙは０〜０．０１、ａは０〜０．０１、ｂは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価のアニオンとなりうる元素、Ｎは５価または６価のアニオンとなりうる元素である。すなわち、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。このエレクトロセラミックスは、１０ｐｐｍ以下の金属不純物を含むことがあるが、非常に少量であるため、エレクトロセラミックスのＰＴＣ特性が影響を受けることはない。この外、このエレクトロセラミックスは、−３０℃〜３４０℃のキュリー温度を有する。また、２５℃において、３〜１０００００Ωｃｍの電気抵抗率を示す。

本発明に係る成形体は、正の温度係数をもつエレクトロセラミックスを用いるため、電圧を印加すると発熱し、この熱を周囲に放散する。この際、エレクトロセラミックスからなる第１部位は、自動制御的な挙動を示す。すなわち、第１部位の温度が閾値まで上昇すると、この部位における電気抵抗は上昇し、第１部位を通過する電流は減少する。よって、第１部位における温度上昇は自動的に抑えられるため、第１部位の発熱を導く出力を電子的に制御する機構を設ける必要はない。

本発明に係る成形体の第２部位を構成するセラミック構造材には、酸化物系セラミックスを用いることができる。酸化物系セラミックスは、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯからなる群より選択することができるが、これら以外の酸化物系セラミックスも用いることができる。これらの酸化物系セラミックスは、耐摩耗性が強く、また、酸および塩基に対する高い化学耐性を示す。さらに、これらの酸化物系セラミックスは、食品その他の汚染が許されない製品に対しても適用可能であり、これらの製品に接触させつつ、製品を安全に加熱することができる。

本発明に係る成形体を加熱装置に用いる場合、成形体の第２部位は、製品と接触する位置や、強い摩擦を受ける位置を占めるように形成される。

上記のように、本発明に係る成形体においては、被加熱体を電気的に加熱する機能を発揮する第１部位と、成形体の構造的な安定性を保つ機能を発揮する第２部位とが分けられている。

本発明に係る成形体は、射出成形により、周囲の構造的な環境に合わせて、任意の幾何形状に形成することができる。この成形体を加熱装置に用いる場合には、第１部位は、構造的に外部からアクセスしにくい領域にも配置しうるように成形することができる。このような理由により、被加熱体が流体の場合、加熱に係る出力が低くても、ごく短時間で効率的に加熱される。

さらに、第１部位、第２部位および接合部位の各熱膨張係数は、２×１０^−６Ｋ^−１未満の範囲内であれば、互いに異なっていてもよい。この場合、第１部位と第２部位の間に位置する接合部位について、「適当な結晶」が形成されるように、各部位の材料の組み合わせを選択する。ここで、『結晶相』とは、エレクトロセラミックス材料とセラミック構造材材料の混晶を意味する。このような混晶は、例えば、第２部位のセラミック構造材材料としてジルコニウムを用いる場合には、バリウム、鉛およびジルコニウムの各チタン酸塩からなる混晶となる。他方、セラミック構造材材料として、Ａｌ₂Ｏ₃またはＭｇＯを用いる場合には、それぞれ、バリウムおよびアルミニウムの各チタン酸塩からなる混晶、またはバリウムおよびマグネシウムの各チタン酸塩からなる混晶となる。混晶の内部構造は、第１部位および第２部位までの距離が短くなるにつれて、それぞれ、エレクトロセラミックスおよびセラミック構造材の内部構造に徐々に近づいていく。また、上記「適当な結晶相」の語における『適当な』とは、接合部位の熱膨張係数が、隣接する第１部位および第２部位の各熱膨張係数と近似する値であることを意味する。３つの部位の各熱膨張係数は、加熱時に応力によるひび割れが生じないよう、相互に調整する。

成形体の接合部位は、エレクトロセラミックスとセラミック構造材の各構成物質が互いに他方へ拡散するのを防止する役割を果たす。ここでいう構成物質とは、エレクトロセラミックスとセラミック構造材中に存在するアニオンやカチオンを指す。すなわち、接合部位は、第１部位および第２部位が、その機能特性や構造特性を損ない合うのを防止する。

本発明によれば、上記の特徴をもつ成形体を用いる加熱装置も提供される。この場合、成形体には、成形体に電流を流すための電気接点領域を設ける。この電気接点領域は、成形体の第１部位に設けられ、第１部位に電流が流れる。

本発明に係る加熱装置は、第１セクション（機能セクション）と第２セクション（構造セクション）とを有するため、被加熱体とエレクトロセラミックスとが直接接触しないように構成することもできる。本発明に係る加熱装置は、機械的負荷（摩擦による負荷）に受けるセクションを、電気的な機能を発揮するセクションとは別個に設けるものである。本発明に係る加熱装置は、セラミック構造材からなる第２セクションを有しているため、汚染を避けなければならない被加熱体にも適用することができる。また、第１セクションと被加熱体との間に第２セクションを位置させた場合には、第１セクションの構成物質が液状の被加熱体中に溶解する事態も避けられる。

本発明によれば、上記成形体の製造方法も提供される。この方法は、以下の工程からなる。
Ａ）エレクトロセラミックスの出発物質を用意する。
Ｂ）セラミック構造材の出発物質を用意する。
Ｃ）エレクトロセラミックスの出発物質を含む第１部位と、セラミック構造材の出発物質を含む第２部位とからなる焼結素材を成形する。
Ｄ）エレクトロセラミックスの出発物質を、電気抵抗が正の温度係数をもつエレクトロセラミックスに転換させつつ、成形体製造のために焼結素材を焼結させる。

この方法によれば、機能特性を備える部位と構造特性を備える部位とが一体となった成形体を、単一の成形プロセスにより製造することができる。このように、成形体の複数の部位を一体的に形成すると、多数の部位を一つ一つ形状を定めつつ形成した上で、これらの部位を、成形体の全体形状を定めるために、さらに互いに固定する必要がなくなる。本発明に係る、エレクトロセラミックス材料とセラミック構造材材料の各出発物質を含む素材を一体的に成形・接合し、かつ一体的に焼結させる方法によれば、次の３つの効果が得られる。
１）所望の電気的・機械的特性を有する少なくとも２つの部位が１つの成形体に形成される。
２）上記少なくとも２つの部位が互いに密接して形成される。
３）上記少なくとも２つの部位が同時に形成される。

前記工程Ａ）においては、化学式Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３で表されるエレクトロセラミックスの出発物質を用意する。ここで、ｘは０〜０．５，ｙは０〜０．０１、ａは０〜０．０１、ｂは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価のアニオンとなりうる元素、Ｎは５価または６価のアニオンとなりうる元素である。この出発物質は、電気抵抗が正の温度係数をもつペロブスカイト構造型のエレクトロセラミックスに転換される。

上記エレクトロセラミックスの出発物質における金属不純物の含有量が１０ｐｐｍ以下のときには、適当なツールを用いて、耐摩耗性の硬質コーティングを施す。ここで硬質のコーティングとは、例えばタングステンカーバイドからなるものをいう。この場合、ツールのエレクトロセラミックス材料と接触する表面全体に、硬質コーティング材を塗布しておく。

上記エレクトロセラミックスの出発物質は、母材と混合され、顆粒状となるように処理された上で、焼結によってＰＴＣ特性をもつエレクトロセラミックスに転換される。顆粒状のエレクトロセラミックス材料は、さらなる処理にかけるために、射出成形される。

エレクトロセラミックスの出発物質と混合される母材（この出発物質よりも融点が低い）の構成比は、２０重量％未満でよい。この母材は、ワックス、樹脂、熱可塑性プラスチックおよび水溶性ポリマーからなる群より選択される物質を含むことができる。また、酸化防止剤、可塑剤等の添加物を含むこともできる。

前記工程Ｂ）におけるセラミック構造材の出発物質は、母材と混合され、さらに、顆粒状となるように処理される。顆粒状のセラミック構造材材料は、さらなる処理にかけるために、射出成形される。

セラミック構造材の出発物質と混合される母材（この出発物質よりも融点が低い）の構成比は、２０重量％未満でよい。この母材は、ワックス、樹脂、熱可塑性プラスチックおよび水溶性ポリマーからなる群より選択される物質を含むことができる。また、酸化防止剤、可塑剤等の添加物を含むこともできる。

前記工程Ｄ）の焼結中に、エレクトロセラミックスの出発物質は、正の温度係数をもつエレクトロセラミックスに転換する。一方、セラミック構造材の出発物質は、正の温度係数をもつセラミック構造材に転換する。この工程中に、それぞれの母材は除去される。

エレクトロセラミックスとセラミック構造材の各出発物質を選択する際には、成形時の特性と焼結条件を考慮して、最適なものを選択するようにしなければならない。例えば、両出発物質は、ほぼ同等の最高焼結温度、焼結保持時間および焼結終了後の冷却温度勾配を有するものでなければならない。エレクトロセラミックスの出発物質とセラミック構造材の出発物質を、同一の過程で一体的に焼結させるためには、適当な手段を講じて、焼結温度を、エレクトロセラミックスの出発物質については上昇させ、セラミック構造材については下降させる。適当な手段を講ずるとは、例えば、カルシウム、ストロンチウム、鉛またはジルコニウムの酸化物をエレクトロセラミックスの出発物質に、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属の酸化物、酸化チタンまたは酸化シリコンをセラミック構造材の出発物質に添加することである。こうすると、２つの出発物質の処理について共通の枠組みが得られるように、エレクトロセラミックスおよびセラミック構造材の各出発物質の物理的パラメータが改善される。

エレクトロセラミックスとセラミック構造材の各出発物質は、前記工程Ａ）と工程Ｂ）において、熱膨張係数の差が２×１０^−６Ｋ^−１以下に収まるように選択する。前記工程Ｄ）においては、エレクトロセラミックスとセラミック構造材の間に、エレクトロセラミックスとセラミック構造材の各出発物質が一体的に焼結された接合部位が形成される。この目的を実現するためには、焼結中に、接合部位において低融点の共融合金が過剰に生じてはならない。この点に留意すれば、十分な形状安定性をもつ成形体が形成される。

前記工程Ｃ）においては、焼結素材は、射出成形法、多層押出成形法またはフィルムキャスティング法を用いて成形する。このうち、射出成形法によれば、諸条件や周囲の環境に適合しうる任意の形状の成形体を得ることができる。

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斜視図である。

以下、添付の図面および例示的な態様に基づいて、本発明を説明する。

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。この加熱装置は、成形体３０を構成する第１部位１０および第２部位２０を備えている。第１部位１０は、電気端子１５，１５に接続された２つの電気接点領域４０，４５を有している。第１部位１０と第２部位２０は、これら２つの部位を新たに接合する過程を経なくても、成形体３０が一体として構成されるように、一まとめにして焼結される。

第１部位１０は、Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３型の結晶構造をもつエレクトロセラミックス材料からなっているが、カルシウム、ストロンチウム、鉛、ジルコニウム等の希土類元素を添加することもできる。このような構成のエレクトロセラミックス材料からなる第１部位の電気抵抗は、正の温度係数をもつ。

第２の部位２０は、酸化物系セラミックス（アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、チタン、シリコン、イットリウム、カルシウム、セリウム等を添加することもできる）等のセラミック構造材からなっている。

このようにして、セラミック構造材における機械的および化学的な負荷に対する耐性と、エレクトロセラミックス材料における電気的特性とが、１つの成形体３０に保持される。成形体３０を製造する際には、セラミック射出成形（ＣＩＭ）を用い、熱膨張係数が互いに符合するようにしたエレクトロセラミックス材料とセラミック構造材とを接合する。この場合、両者の熱膨張係数の差は、２×１０^−６未満にとどめる。これは、不純物を添加することによって、１２６０℃（固体のＢａＴｉＯ_３と液体のＢａＴｉＳｉＯ_５の混合物が存在する温度）から室温（液相焼結温度よりも低い）に至るすべての温度範囲において実現することができる。エレクトロセラミックス材料とセラミック構造材は、９４０℃〜１６７０℃で、どちらも液相となる。

大きな熱応力が発生する臨界温度においては、セラミックス材料は、例えば毎分０．２℃の割合で、徐々に冷却させる。この実施形態における成形体の焼結温度は、室温から１２６０℃の範囲である。

セラミック構造材の密度の９９％に至るまで焼結による特性向上を図るためには、焼結前のセラミック構造材の粒径を１μｍ未満にしておくか、またはＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＦｅＯ等の焼結助剤を用いる。こうすると、１４００℃未満の焼結温度でも、１２０分未満の焼結時間で焼結を完了することができる。

エレクトロセラミックス材料が相当量の鉛を含む場合には、エレクトロセラミックス材料とセラミック構造材材料を一体的に焼結させる接合部位においてセラミック構造材中における鉛の増量を防ぐため、１３００℃未満の非常に低い焼結温度で焼結を行う。

エレクトロセラミックス材料またはセラミック構造材に含有させる結合剤の量、および接合の際に加える力の大きさは、焼結・結合過程において、エレクトロセラミックス材料とセラミック構造材が、同等の収縮率を示すように設定される。このためには、結合剤の量は、１重量％を超える値とする。

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斜視図である。この実施形態においては、成形体３０の第１部位１０と第２部位２０は、パイプ状をなしており、第１部位１０が第２部位２０を取り囲んでいる。第１部位１０の両端部には、電気接点領域４０，４５が位置している。これらの電気接点領域４０，４５を電気的に接続するための電気端子１５は、全体を見やすくするため、本図においては省略してある。第１部位１０に電圧が印加された状態で、このようなパイプ状の成形体３０に流体を通すと、この流体は加熱される。一方、流体が成形体３０を通過する間、第２部位２０は、成形体３０の機械的・化学的安定性を保持する。被加熱流体と第１部位１０との間に第２部位２０が存在しているため、被加熱流体が汚染されたり、この被加熱流体と接触することによって第１部位が破損したりするのは防止される。

添付の図面を参照して説明した上記各実施形態は、適宜変更することができる。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本明細書に示されなかった改良を加えることも可能であることに留意すべきである。

１０ 第１部位
１５ 電気端子
２０ 第２部位
３０ 成形体
４０ 電気接点領域
４５ 電気接点領域

Claims (12)

1. 流体を加熱するための加熱装置であって、
   電気抵抗が正の温度係数をもち且つペロブスカイト構造を有するエレクトロセラミックスからなる第１部位（１０）と、
   酸化物系セラミックスであるセラミック構造材からなる第２部位（２０）と、
   前記第１部位（１０）および第２部位（２０）の間に位置し、エレクトロセラミックスおよびセラミック構造材が互いに焼結し合った接合部位と、を有する成形体（３０）を備え、
   前記成形体（３０）に電流を流すための電気接点領域（４０）が前記成形体（３０）の前記第１部位（１０）に設けられ、
   前記第１部位（１０）及び前記第２部位（２０）は、前記流体を通すように適合したパイプ状をなすとともに、前記第１部位（１０）が前記第２部位（２０）を取り囲んでいることを特徴とする加熱装置。
2. 前記エレクトロセラミックスは、Ｂａ_1-x-yＭ_xＤＴｉ_1-a-bＮ_aＭｎ_bＯ₃（ｘは０〜０．５，ｙは０〜０．０１、ａは０〜０．０１、ｂは０〜０．０１である。Ｍは２価のカチオンとなりうる元素、Ｄは３価または４価のアニオンとなりうる元素、Ｎは５価または６価のアニオンとなりうる元素である。）型の結晶構造を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記エレクトロセラミックスは、−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又は２に記載の加熱装置。
4. 前記エレクトロセラミックスは、２５℃において、３〜１０００００Ωｃｍの電気抵抗率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. 前記酸化物系セラミックスは、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯからなる群より選択されるであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
6. 前記第１部位（１０）、第２部位（２０）および接合部位の各熱膨張係数は、２×１０^-6Ｋ^-1未満の範囲内で互いに異な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. 前記接合部位は、エレクトロセラミックスとセラミック構造材の各構成物質が互いに他方へ拡散するのを防止する役割を果たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の加熱装置。
8. 流体を加熱するための請求項１に係る加熱装置の製造方法であって、
   Ａ）エレクトロセラミックスの出発物質を用意する工程と、
   Ｂ）セラミック構造材の出発物質を用意する工程と、
   Ｃ）エレクトロセラミックスの出発物質を含む前記第１部位（１０）と、セラミック構造材（２０）の出発物質を含む前記第２部位とからなる焼結素材を成形する工程と、
   Ｄ）前記エレクトロセラミックスの出発物質を、電気抵抗が正の温度係数をもち且つペロブスカイト構造を有するエレクトロセラミックスに転換させ、前記セラミック構造材の出発物質を、酸化物系セラミックスであるセラミック構造材に転換させ、前記エレクトロセラミックスおよび前記セラミック構造材が互いに焼結し合った接合部位を形成するように、成形体製造のために焼結素材を焼結させる工程とを含む加熱装置の製造方法。
9. 前記工程Ａ）と工程Ｂ）は、エレクトロセラミックスとセラミック構造材の各出発物質を、両熱膨張係数の差が２×１０^-6Ｋ^-1以下に収まるように選択する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の加熱装置の製造方法。
10. 前記工程Ｃ）は、焼結素材を、射出成形法、多層押出成形法またはフィルムキャスティング法を用いて成形する工程を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の加熱装置の製造方法。
11. カルシウム、ストロンチウム、鉛またはジルコニウムの酸化物を前記エレクトロセラミックスの出発物質に添加することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の加熱装置の製造方法。
12. アルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属の酸化物、セリウム、イットリウム、酸化チタンまたは酸化シリコンを前記セラミック構造材の出発物質に添加することを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の加熱装置の製造方法。

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