JP7393928B2 - セラミックス体及びヒーターエレメント - Google Patents
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- Resistance Heating (AREA)
Description
組成式が(Ba1-x-yA1xA2y)TiO3(式中、A1は一種又は二種以上の希土類元素を表し、A2は一種又は二種以上のアルカリ金属元素を表し、0.001≦x≦0.01、0.001≦y≦0.01、0.002≦x+y≦0.02である。)で表されるセラミックスが90質量%以上を占めるセラミックス体。
[2]
希土類元素がLaであり、アルカリ金属元素がK及びNaの一方又は両方である[1]に記載のセラミックス体。
[3]
相対密度が60%~98%である[1]又は[2]に記載のセラミックス体。
[4]
Pb含有量が0~0.01質量%である[1]~[3]の何れか一項に記載のセラミックス体。
[5]
25℃での体積抵抗率に対する200℃での体積抵抗率の比率として定義される抵抗温度係数が100~1000000である[1]~[4]の何れか一項に記載のセラミックス体。
[6]
25℃で測定される体積抵抗率が10~10000Ω・cmである[1]~[5]の何れか一項に記載のセラミックス体。
[7]
25℃で測定される体積抵抗率が100~10000Ω・cmである[6]に記載のセラミックス体。
[8]
平均結晶粒径が0.3~15.0μmである[1]~[7]の何れか一項に記載のセラミックス体。
[9]
平均結晶粒径が0.3~3.0μmである[8]に記載のセラミックス体。
[10]
ウォールフロー型又はフロースルー型の柱状ハニカム構造を有する[1]~[9]の何れか一項に記載のセラミックス体。
[11]
25℃での体積抵抗に対し、2倍の体積抵抗となる温度が80~120℃である[1]~[10]の何れか一項に記載のセラミックス体。
[12]
[1]~[11]の何れか一項に記載のセラミックス体を備えたヒーターエレメント。
[13]
車室暖房用である[12]に記載のヒーターエレメント。
通電発熱可能であり、且つ、PTC特性を有するという観点から、本発明に係るセラミックス体は一実施形態において、チタン酸バリウムを主成分とする材料で構成される。そして、室温での電気抵抗を適度に高くすると共に、室温と200℃の間の抵抗温度係数を高くするという観点から、本発明に係るセラミックス体は一実施形態において、一種又は二種以上の希土類元素、及び、一種又は二種以上のアルカリ金属元素をそれぞれ微量に含有する。理論によって本発明が限定されることを意図するものではないが、希土類元素及びアルカリ金属元素を併用することで、希土類元素の固溶量が減り、析出した希土類元素のピン止め効果によって結晶粒の成長が抑制されると考えられる。そして、結晶粒が微細化することで、粒界抵抗が上昇すると考えられる。また、2価であるBaに比べ高価数の希土類元素により増加した電荷が低価数であるアルカリ金属に相殺されることによりキャリアが減少し、高抵抗化しているとも考えられる。但しアルカリ金属元素が過剰となると液相量が増大し粒成長を促進するため、希土類元素のピン止め効果は発現しないと考えられる。
本発明に係るセラミックス体は一実施形態において、相対密度が60%~98%である。相対密度の下限は、低い方がセラミックス体の電気抵抗は上昇しやすいが、強度も低下するので、60%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、80%以上であることが更により好ましい。相対密度の上限は、高過ぎると電気抵抗が低下しやすいことから、98%以下であることが好ましく、92%以下であることがより好ましく、86%以下であることが更により好ましい。
セラミックス体の平均結晶粒径は小さい方が、粒界抵抗が増加してセラミックス体の電気抵抗を上昇させることができるので望ましい。従って、本発明に係るセラミックス体は一実施形態において、平均結晶粒径の上限が15.0μm以下であり、好ましくは3.0μm以下であり、より好ましくは2.0μm以下であり、更により好ましくは1.0μm以下である。平均結晶粒径の下限は特に設定されないが、作り込みの容易性の観点から、通常は0.3μm以上である。
本発明に係るセラミックス体の一実施形態においては、室温(25℃)で測定される体積抵抗率が10~10000Ω・cmである。室温(25℃)で測定される体積抵抗率がこの範囲であることで、例えば、本発明に係るセラミックス体に通電したときの初期電流を抑制することができる。初期電流を抑制できることにより、例えば、周辺機器の設計を簡素化することができるという利点が得られる。また、暖房に必要な発熱性能は確保しながら、消費電力が大きくなるのを抑制することができる。
セラミックス体に通電したときの熱暴走を防止するという観点からは、セラミックス体の高温(例:200℃)下での電気抵抗は十分に高いことが望ましい。この点、本発明に係るセラミックス体の一実施形態においては、室温(25℃)での体積抵抗率に対する200℃での体積抵抗率の比率として定義される抵抗温度係数を100~1000000の範囲にすることができる。抵抗温度係数の下限は、熱暴走の防止性能を高めるという観点から、100以上であることが好ましく、500以上であることがより好ましく、1000以上であることが更により好ましく、10000以上であることが更により好ましく、100000以上であることが最も好ましい。
本発明に係るセラミックス体の一実施形態においては、室温(25℃)での体積抵抗に対し、2倍の体積抵抗となる温度(T2)が80~120℃であり、典型的には85~115℃であり、より典型的には90~110℃である。T2は、用途に応じて適宜設定すればよく、シフターを用いて高温化してもよいし、低温化してもよい。
本発明に係るセラミックス体は、限定的ではないが、例えば、PTCヒーター、PTCスイッチ、過電流保護素子、温度検知器に利用可能である。中でも、暖房用のヒーターエレメントとして、とりわけ車室暖房用のヒーターエレメントとして好適に使用可能である。車両には、限定的ではないが、自動車及び電車が挙げられる。自動車としては、限定的ではないが、ガソリン車、ディーゼル車、燃料電池自動車、電気自動車及びプラグインハイブリッド自動車が挙げられる。本発明に係るヒーターエレメントは、とりわけ電気自動車及び電車のような内燃機関を持たない車両に好適に利用可能である。
本発明に係るセラミックス体の形状及び構造は、用途に応じて適宜選択すればよく、特段の制約はない。例えば、セラミックス体をヒーターエレメントとして利用することを考える場合、ウォールフロー型又はフロースルー型の柱状ハニカム構造を有することができる。
本発明に係るセラミックス体は一実施形態において、一対の電極118が取り付けられてもよい(図1参照)。電極118としては、例えばCu、Ag、Al及びSiから選択される少なくとも一種を含有する電極を使用することができる。セラミックス体とオーミック接触の得られるオーミック電極を使用することもできる。オーミック電極は、例えば、ベース金属としてAu、Ag及びInから選択される少なくとも一種を含有し、ドーパントとしてn型半導体用のNi、Si、Ge、Sn、Se及びTeから選択される少なくとも一種を含有するオーミック電極を使用することができる。
本発明に係るセラミックス体をヒーターエレメントとして使用する場合、例えば、一対の電極をセラミックス体に接合した上で、一対の電極間に電圧を印加することで発熱させることができる。印加電圧としては、急速加熱の観点から、200V以上の電圧を印加することが好ましく、250V以上の電圧を印加することがより好ましい。先述したように、本発明に係るセラミックス体は高電圧を印加したときにでも初期電流を抑えることができるので、安全性が高い。また、安全仕様が重くならないため、ヒーター周りの機器を低コストで製造可能である。
次に、本発明に係るセラミックス体を製造する方法について例示的に説明する。まず、狙いの組成となるようにセラミックス原料を乾式混合した後、分散媒、バインダー、可塑剤及び分散剤を添加して混ぜ合わせて原料組成物を調製する。先述したx及びyを定める希土類元素及びアルカリ金属元素の配合比及び種類は、セラミックス体の結晶粒径を制御するのに寄与する。原料組成物を混練して坏土を調製した後、坏土を押出成形してハニカム成形体を作製する。原料組成物中にはシフター、金属酸化物、特性改善剤、導電体粉末等の添加剤を必要に応じて配合することができる。押出成形に際しては、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚み、セル密度等を有する口金を用いることができる。
図3には、本発明の一実施形態に係る車室暖房用ヒーター200の構成が模式的に示されている。本実施形態に係るヒーターは、ヒーターエレメントとして使用される本発明の一実施形態に係る柱状ハニカム構造を有するセラミックス体100、外気又は車室130内空気とセラミックス体100の第1の底面114を連通する流入配管132(132a、132b)、セラミックス体100に電圧を印加するためのバッテリー134、及びセラミックス体100の第2の底面116と車室130内空気を連通する流出配管136を備える。
(1.セラミックス体の作製)
セラミックス原料として、表1に記載の原料紛を用意した。これらの原料紛を、試験番号に応じて所望の組成となるように秤量して、乾式混合して混合粉を得た。表中の「○」は、記載の原料紛を使用したことを表す。乾式混合は、30分間実施した。次いで、得られた混合粉100質量部に対して、水、バインダー、可塑剤、分散剤を、合計で3~30重量部の範囲で適量ずつ添加して混練し、坏土を得た。バインダーとしてはK及び/又はNaを含有するバインダーを使用した。可塑剤及び分散剤としてはポリオキシアルキレンアルキルエーテルを使用した。
この坏土を押出成形機に投入し、所定の口金を用いて押出成形することにより、直方体状のハニカム成形体を得た。
このハニカム成形体を得られたハニカム成形体を誘電乾燥及び熱風乾燥した後、所定の寸法となるように両底面を切断して、下記の試験に必要なだけの数のハニカム乾燥体を得た。
全体形状:30mm×30mm×高さ(セルの延びる方向)50mmの直方体状
セルの流路方向に垂直な断面におけるセル形状:正方形
セル密度(単位断面積当たりのセルの数):300cpsi(46.5セル/cm2)
隔壁厚み:4mil(0.10mm)
得られたセラミックス体の化学組成をICP発光分光法により分析した。結果を表1に示す。なお、何れの試験番号に係るセラミックス体においても原料紛にはPbを使用しておらず、得られたセラミックス体は何れもPbを含有していなかった。
得られたセラミックス体の結晶相を、X線回折装置を用いて同定した。X線回折装置としては、多機能粉末X線回折装置(Bruker社製、D8Advance)を用いる。X線回折測定の条件は、CuKα線源、10kV、20mA、2θ=5~100°とした。そして、解析ソフトTOPAS(BrukerAXS社製)を用いてリートベルト法により、得られたX線回折データを解析して各結晶相を同定した。表1に結果を示す。結晶相とは、主相を示していて、主相というのは材料全体の80質量%以上を占めている結晶相のことである。
得られたセラミックス体の平均結晶粒径を、先述した方法に従って測定した。SEM観察は、日立ハイテクノロジーズ社製の型式S-3400Nを使用し、加速電圧15kV、倍率3000で行った。結果を表1に示す。
得られたセラミックス体の相対密度を先述した方法に従って測定した。結果を表1に示す。
得られたセラミックス体の室温(25℃)における体積抵抗率を、先述した方法に従って測定した。次いで、試験片の温度を徐々に上昇させながら、5℃毎に試験片の体積抵抗率を測定し、室温に対して抵抗が2倍になる温度(T2)、200℃における体積抵抗率をそれぞれ求めた。また、室温における体積抵抗率に対する200℃における対する比である抵抗温度係数を算出した。なお、各温度における体積抵抗率の測定値は、すべての試験片の体積抵抗率の平均値とした。結果を表1に示す。
上記の結果から分かる通り、実施例に係るセラミックス体はPTC特性を有し、室温での体積抵抗率が適度に高く、室温と200℃の間の抵抗温度係数も高い。このような特性をもつセラミックス体は例えば暖房用のヒーターエレメントとして、とりわけ車室暖房用のヒーターエレメントとして好適に使用可能である。
112 外周側壁
113 隔壁
114 第1の底面
115 セル
116 第2の底面
118 電極
119 電線
130 車室
132(132a、132b) 流入配管
134 バッテリー
136 流出配管
138 送風機
139(139a、139b) バルブ
Claims (13)
- 組成式が(Ba1-x-yA1xA2y)TiO3(式中、A1は一種又は二種以上の希土類元素を表し、A2は一種又は二種以上のアルカリ金属元素を表し、0.001≦x≦0.01、0.001≦y≦0.01、0.002≦x+y≦0.02である。)で表されるセラミックスが90質量%以上を占めるセラミックス体。
- 希土類元素がLaであり、アルカリ金属元素がK及びNaの一方又は両方である請求項1に記載のセラミックス体。
- 相対密度が60%~98%である請求項1又は2に記載のセラミックス体。
- Pb含有量が0~0.01質量%である請求項1~3の何れか一項に記載のセラミックス体。
- 25℃での体積抵抗率に対する200℃での体積抵抗率の比率として定義される抵抗温度係数が100~1000000である請求項1~4の何れか一項に記載のセラミックス体。
- 25℃で測定される体積抵抗率が10~10000Ω・cmである請求項1~5の何れか一項に記載のセラミックス体。
- 25℃で測定される体積抵抗率が100~10000Ω・cmである請求項6に記載のセラミックス体。
- 平均結晶粒径が0.3~15.0μmである請求項1~7の何れか一項に記載のセラミックス体。
- 平均結晶粒径が0.3~3.0μmである請求項8に記載のセラミックス体。
- ウォールフロー型又はフロースルー型の柱状ハニカム構造を有する請求項1~9の何れか一項に記載のセラミックス体。
- 25℃での体積抵抗に対し、2倍の体積抵抗となる温度が80~120℃である請求項1~10の何れか一項に記載のセラミックス体。
- 請求項1~11の何れか一項に記載のセラミックス体を備えたヒーターエレメント。
- 車室暖房用である請求項12に記載のヒーターエレメント。
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