JP7210019B2

JP7210019B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP7210019B2
Application number: JP2019103208A
Authority: JP
Inventors: 正治神原; 善行鎌田; 幸乃齋藤; 義人葛岡
Original assignee: 株式会社リミックス
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2023-01-23
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: JP2020198203A

Description

本発明は、密閉したケース内にＰＴＣサーミスタ素子を収納したヒータに関する。

従来より、ヒータの分野では、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特性を利用したＰＴＣサーミスタ素子が用いられている。これはＰＴＣサーミスタ素子が低温で固有の抵抗値を持つために発熱体として作用し、かつ、所定温度（キュリー温度）以上では急激に抵抗値が増大して通電をカットするという自己温度制御機能を有しているために安全性が極めて高いからである。

このＰＴＣサーミスタ素子は、例えば、チタン酸バリウムに希土類元素を微量添加して半導体化した半導体セラミック板に一対の電極を配設した構成を有している。ところが、このようなＰＴＣサーミスタ素子は、特殊な環境雰囲気で使用したり、異物が半導体セラミック板に付着すると、半導体セラミック板を構成する酸化物が還元されてしまい、自己温度制御機能を損失して、電気的短絡に至る場合があった。そのため、従来は、例えば、半導体セラミック板をケースの中に収納して還元を抑制する絶縁型構造としたり（例えば、特許文献１参照）、半導体セラミック板の空隙にシリコーンを含浸することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９－１４８０５０号公報特開２０１５－１７７１３３号公報

しかしながら、半導体セラミック板をケースの中に収納した絶縁型構造においても、特性が劣化してしまう場合があった。これは、ＰＴＣサーミスタ素子から発せられる熱により、ケースを密閉している樹脂やゴムパッキンなどから還元ガスが発生し、半導体セラミック板が還元されてしまうためであると考えられる。他にも、液体加熱用ヒータでは、液体を遮断するために必然的にＰＴＣサーミスタ素子を密閉環境下で使用することになり、しかも、ケース内に樹脂封止した集積回路（ＩＣ）を収納することもあるために、同様の劣化が生じるものと考えられる。

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、密閉されたケース内に収納したＰＴＣサーミスタ素子の特性劣化を改善することができるヒータを提供することを目的とする。

本発明のヒータは、密閉されたケース内にＰＴＣサーミスタ素子が収納されたものであって、ケースの少なくとも一部に樹脂又はゴムが用いられているか、又は、ケースの内部に樹脂又はゴムが存在し、ＰＴＣサーミスタ素子は、半導体セラミック板と、この半導体セラミック板に対して配設された一対の電極とを有し、半導体セラミック板の空隙にはシリコーンが含浸されているものである。

本発明によれば、半導体セラミック板の空隙にシリコーンを含浸させるようにしたので、樹脂又はゴムから還元ガスが発生しても、半導体セラミック板の還元を抑制することができる。よって、密閉したケース内にＰＴＣサーミスタ素子を収納して用いる液体加熱用ヒータや絶縁型ヒータ等において、特性の劣化を改善することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るヒータの構成を表す図である。図１に示した半導体セラミック板の結晶構造を模式的に表す図である。本発明の第２の実施の形態に係るヒータの外観構成を表す図である。図３に示したＩ－Ｉ線に沿った断面構成を表す図である。図３に示したＩＩ－ＩＩ線に沿った断面構成を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒータ１の構成を表すものである。このヒータ１は、液体加熱用ヒータであり、例えば、密閉されたケース１０の内部にＰＴＣサーミスタ素子２０が収納されている。ケース１０は、例えば、内部に収納空間を有し、一部に開口が設けられた本体部１１と、本体部１１の開口を閉鎖する閉鎖部材１２とを有している。本体部１１と閉鎖部材１２とは、例えば、樹脂又はゴムにより接着されるか、又は、樹脂又はゴムを間に挿入して接合されており、これによりケース１０は密閉されて、内部に液体が入らないように構成されている。すなわち、ケース１０の少なくとも一部に樹脂又はゴムが用いられている。

樹脂は天然樹脂でも合成樹脂でもよく、例えば、ガスケット材に用いられるシリコーン樹脂が好ましく挙げられる。ゴムは天然ゴムでも合成ゴムでもよく、例えば、Ｏリングに使用されるニトリルゴム、シリコーンゴム、又は、フッ素ゴムが好ましく挙げられる。本体部１１及び閉鎖部材１２は、例えば、アルミニウム等の金属、熱可塑性樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、又は、ポリブチレンテレフタレート樹脂により構成することができる。

ＰＴＣサーミスタ素子２０は、例えば、単板型であり、半導体セラミック板２１と、この半導体セラミック板２１に対して配設された一対の電極２２，２３とを備えている。半導体セラミック板２１の形状及び大きさは限定されないが、例えば、縦が５ｍｍから５０ｍｍ、横が５ｍｍから５０ｍｍ、厚みが１ｍｍから３ｍｍ程度の角板状に形成されている。一対の電極２２，２３は、例えば、銀又はアルミニウムにより構成されており、半導体セラミック板２１の厚み方向において対向する面にそれぞれ設けられている。また、電極２２，２３には、それぞれ、図示しない電線が電気的に接続されている。

半導体セラミック板２１は、例えば、主成分としてチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系化合物を含む焼結体により構成されている。半導体セラミック板１１の主成分の具体的な組成としては、例えば、ＢａＴｉＯ_３のＢａサイトの一部を、他の２価の金属、すなわちベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びラジウムからなる群から選択される少なくとも１種の元素で置換し、Ｔｉサイトの一部を、他の４価の金属、すなわちジルコニウム、ハフニウム及びラザホージウムからなる群から選択される少なくとも１種の元素で置換したものが挙げられる。また、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ、３価の金属、又は、５価の金属等の他の副成分を含んでいてもよい。

図２は、半導体セラミック板２１の電極２２，２３が配設されずに露出している表面の結晶構造、例えば、図１において破線丸印で示した部分の表面の結晶構造を模式的に表すものである。半導体セラミック板２１は、例えば、ＢａＴｉＯ_３系化合物の結晶粒２１Ａが焼結された構造を有している。結晶粒２１Ａの粒界三重点の一部には、アモルファス相２１Ｂが存在している。また、半導体セラミック板２１の表面には、結晶粒２１Ａの間に空隙２１Ｃが存在している。この空隙２１Ｃは、半導体セラミック板２１を成型、焼結する時に形状を保持するために添加するポリビニルアルコール等の樹脂が、焼結過程においてガスとなって飛散することにより形成されたオープンポアである。

この空隙２１Ｃの少なくとも一部にはシリコーンが含浸されており、これにより半導体セラミック板２１の還元を抑制することができるようになっている。具体的には、半導体セラミック板２１の電極２２，２３が配設されずに露出している表面に存在する空隙２１Ｃの少なくとも一部には、シリコーンが含浸されている。なお、図２では、分かりやすくするために、アモルファス相２１Ｂには右下斜線のハッチングを付し、シリコーンが含浸されている空隙２１Ｃには網掛けのハッチングを付して示している。半導体セラミック板２１の空隙率は、例えば、０．０５％から３０％である。また、空隙２１Ｃの平均粒径は、例えば、２０μｍから１００μｍ程度である。

なお、このＰＴＣサーミスタ素子２０は、例えば、半導体セラミック板２１を作製し、一対の電極２２，２３を配設したのち、半導体セラミック板２１の空隙２１Ｃにシリコーンを真空含浸させ、表面に付着しているシリコーンを洗浄により除去して、電極２２，２３の表面を露出させることにより製造することができる。

また、このヒータ１は、ケース１０の内部に、ＰＴＣサーミスタ素子２０の動作を制御する制御基板３０が収納されていてもよい。制御基板３０は、例えば、樹脂封止した集積回路を基板に配置した構成を有している。集積回路を封止する樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、又は、フェノール樹脂が挙げられる。

このヒータ１では、例えば、制御基板３０によりＰＴＣサーミスタ素子２０への通電を制御する。ＰＴＣサーミスタ素子２０は、通電により発熱する。これにより、ケース１０を密閉している樹脂又はゴムや、制御基板３０に配置されている集積回路の樹脂が加熱され、還元ガスが発生するが、半導体セラミック板２１の空隙にはシリコーンが含浸されているので、半導体セラミック板２１の還元が抑制される。

このように本実施の形態によれば、半導体セラミック板２１の空隙にシリコーンを含浸させるようにしたので、ケース１０に用いられている樹脂又はゴム、又は、ケース１０の内部に存在する樹脂又はゴムから還元ガスが発生しても、半導体セラミック板２１の還元を抑制することができる。よって、密閉したケース１０の内部にＰＴＣサーミスタ素子２１を収納して用いる液体加熱用ヒータにおいて、特性の劣化を改善することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るヒータ２の構成を表すものである。図４は、図３に示したＩ－Ｉ線に沿った断面構成を表すものである。図５は、図３に示したＩＩ－ＩＩ線に沿った断面構成を表すものである。このヒータ２は、絶縁型ヒータであり、例えば、ＰＴＣサーミスタ素子４１をケース４２の内部に収納したヒータユニット４０を２つ備えている。なお、図５では、１つのヒータユニット４０についてのＩＩ－ＩＩ線に沿った断面構成を表している。

各ヒータユニット４０は、例えば、ケース４２の内部に複数のＰＴＣサーミスタ素子４１を有している。各ＰＴＣサーミスタ素子４１は、例えば、ステンレス等の金属よりなる一対の電極板４３の間に並べて配設され、一対の電極板４３に対して並列にそれぞれ接続されている。複数のＰＴＣサーミスタ素子４２を間に挟んだ一対の電極板４３の外周は、例えば、絶縁材料よりなる絶縁フィルム４４で覆われている。これにより、一対の電極板４３及び各ＰＴＣサーミスタ素子４１と、ケース４２とは、電気的に絶縁されている。

各ＰＴＣサーミスタ素子４１は、例えば、半導体セラミック板４１Ａに一対の電極４１Ｂ，４１Ｃが配設されており、一対の電極４１Ｂ，４１Ｃにはそれぞれ一対の電極板４３が当接して配設された構成を有している。半導体セラミック板４１Ａ及び電極４１Ｂ，４１Ｃの材料、及び、半導体セラミック板４１Ａの結晶構造は第１の実施と同様である。また、第１の実施の形態と同様に、半導体セラミック板４１Ａの空隙の少なくとも一部にはシリコーンが含浸されている。

一対の電極板４３の各一端部には、例えば、一対の端子部４３Ａがそれぞれ設けられている。一対の端子部４３Ａには、例えば、一対の電線４５がそれぞれ接続されている。これにより、一対の電線４５は、一対の電極板４３を介して、ＰＴＣサーミスタ素子４１の一対の電極４１Ｂ，４１Ｃに対して電気的にそれぞれ接続されている。電線４５は、例えば、導線４５Ａを被覆材４５Ｂで被覆した構成を有しており、端子部４３Ａに接続されている側の端部では、被覆材４５Ｂから導線４５Ａが露出され、加締めなどにより導線４５Ａが端子部４３Ａに接合されている。被覆材４５Ｂは、例えば、電気絶縁性、防水性、及び、可撓性を有する樹脂材料により構成されることが好ましい。

ケース４２は、例えば、角筒状の本体部４２Ａを有している。本体部４２Ａは、アルミニウム等の高い熱伝導性及び加工容易性を有する材料により構成されている。本体部４２ＡとＰＴＣサーミスタ素子４１とは、例えば、ＰＴＣサーミスタ素子４１の半導体セラミック板４１Ａと電極４１Ｂ，４１Ｃとの積層方向において、電極板４３及び絶縁フィルム４４を介して、接触していることが好ましい。本体部４２Ａの両端部は、例えば、開口されており、一方の開口から一対の電線４５がそれぞれ引き出されている。本体部４２Ａの両端部の開口は、例えば、樹脂又はゴムよりなる封止部材４２Ｂが配設されることにより閉鎖されている。封止部材４２Ｂを構成する樹脂又はゴムとしては、例えば、シリコーン樹脂、又は、エポキシ樹脂が挙げられる。

ケース４２の外側には、例えば、絶縁フィルム４４及び電極板４３を介してＰＴＣサーミスタ素子４１と接触している一対の側部に、ヒートシンク４６がそれぞれ設けられている。なお、図５では、ヒートシンク４６の表示を省略している。ヒートシンク４６は、例えば、板材を山部と谷部とが繰り返される形状に折り曲げた蛇腹部４６Ａと、この蛇腹部４６Ａのケース４２と反対側に設けられた板状部４６Ｂとを有している。ヒートシンク４６は、例えば、アルミニウム等の高い熱伝導性を有する材料により構成されている。

各ヒータユニット４０は、例えば、ヒートシンク４６が設けられている対向方向に、並べて配置されている。各ケース４２の両端部には、例えば、並べて配置された各ケース４２を連結して覆うように、樹脂製のブラケット４７がそれぞれ配設されている。なお、図３では、２つのヒータユニット４０を連結したヒータ２を示したが、１つのヒータユニット４０により構成するようにしてもよく、また、３以上のヒータユニット４０を連結して構成するようにしてもよい。

このヒータ２においても、第１の実施の形態と同様に、ＰＴＣサーミスタ素子４１が通電により発熱すると、ケース４２を密閉している樹脂又はゴムから還元ガスが発生するが、半導体セラミック板４１Ａの空隙にはシリコーンが含浸されているので、半導体セラミック板４１Ａの還元が抑制される。よって、絶縁型ヒータにおいても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（実施例１）
まず、ＢａＴｉＯ_３系化合物を含む半導体セラミック板２１を作製し、一対の電極２２，２３を配設したのち、半導体セラミック板２１の空隙２１Ｃにシリコーンを真空含浸させ、一対の電極２２，２３に図示しない電線を接続した。次いで、このようにして得た単板型のＰＴＣサーミスタ素子２０について、密閉したケース１０の内部に、樹脂封止した集積回路を基板に配置した制御基板３０と共に収納し、電圧４００Ｖの連続負荷を与え、通電開始からＰＴＣサーミスタ素子２０がショートするまでの時間を測定した。

（比較例１）
半導体セラミック板の空隙にシリコーンを含浸させないことを除き、他は実施例１と同様にしてＰＴＣサーミスタ素子を作製し、実施例１と同様にして、密閉したケースの内部に、樹脂封止した集積回路を基板に配置した制御基板と共に収納し、電圧４００Ｖの連続負荷を与え、通電開始からＰＴＣサーミスタ素子がショートするまでの時間を測定した。

（参考例１）
実施例１と同様にして半導体セラミック板の空隙にシリコーンを含浸させたＰＴＣサーミスタ素子を作製したのち、実施例１とは異なり、ケースに入れずに解放された大気中に置き、近傍に樹脂封止した集積回路を基板に配置した制御基板を配置して、実施例１と同様に、電圧４００Ｖの連続負荷を与え、通電開始からＰＴＣサーミスタ素子がショートするまでの時間を測定した。

（参考例２）
半導体セラミック板の空隙にシリコーンを含浸させないことを除き、他は実施例１と同様にしてＰＴＣサーミスタ素子を作製したのち、参考例１と同様にして、ケースに入れずに解放された大気中に置き、近傍に樹脂封止した集積回路を基板に配置した制御基板を配置して、電圧４００Ｖの連続負荷を与え、通電開始からＰＴＣサーミスタ素子がショートするまでの時間を測定した。

得られた結果を表１に示す。表１に示したように、実施例１によれば試験開始から３００時間経過しても破壊しなかったのに対して、比較例１では試験開始から３０分でショートしてしまった。また、参考例１，２を見ると、大気中に開放した状態の場合、シリコーンを含侵してもしなくても、試験開始から３００時間経過後も破壊しないことから、密閉されたケースの少なくとも一部に樹脂又はゴムが用いられているか、又は、密閉されたケースの内部に樹脂又はゴムが存在している場合に劣化が生じてしまうと考えられる。よって、半導体セラミック板２１の空隙２１Ｃにシリコーンを含浸させるようにすれば、ＰＴＣサーミスタ素子２０を密閉されたケース１０の内部に収納し、ケースの少なくとも一部に樹脂又はゴムが用いられているか、又は、ケースの内部に樹脂又はゴムが存在していても、特性の劣化を改善できることが分かった。

以上、実施の形態及び実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、ＰＴＣサーミスタ素子１０の形状、材料等について具体的に説明したが、他の形状、材料により構成するようにしてもよい。また、上記実施の形態では、ヒータ１，２の構成要素について具体的に説明したが、全ての構成要素を備えていなくてもよく、また、他の構成要素を備えていてもよい。

ＰＴＣサーミスタ素子を用いたヒータに用いることができる。

１，２…ヒータ、１０…ケース、１１…本体部、１２…閉鎖部材、２０…ＰＴＣサーミスタ素子、２１…半導体セラミック板、２１Ａ…結晶粒、２１Ｂ…アモルファス相、２１Ｃ…空隙、２２，２３…電極、３０…制御基板、４０…ヒータユニット、４１…ＰＴＣサーミスタ素子、４１Ａ…半導体セラミック板、４１Ｂ，４１Ｃ…電極、４２…ケース、４２Ａ…本体部、４２Ｂ…封止部材、４３…電極板、４３Ａ…端子部、４４…絶縁フィルム、４５…電線、４５Ａ…導線、４５Ｂ…被覆材、４６…ヒートシンク、４６Ａ…蛇腹部、４６Ｂ…板状部、４７…ブラケット

Claims

密閉されたケースの内部にＰＴＣサーミスタ素子が収納されたヒータであって、
前記ケースの少なくとも一部に樹脂又はゴムが用いられているか、又は、前記ケースの内部に樹脂又はゴムが存在し、
前記ＰＴＣサーミスタ素子は、半導体セラミック板と、この半導体セラミック板に対して配設された一対の電極とを有し、前記半導体セラミック板の空隙にはシリコーンが含浸されている
ことを特徴とするヒータ。
液体加熱用であることを特徴とする請求項１記載のヒータ。