JPH09320809A

JPH09320809A - チタン酸バリウム系半導体磁器組成物およびそれを用いたヒータ装置

Info

Publication number: JPH09320809A
Application number: JP8137229A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nishi; 哲也西
Original assignee: Sekisui Plastics Co Ltd
Current assignee: Sekisui Kasei Co Ltd
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】実使用条件下（たとえば、１００Ｖの電圧を印
加した状態）において、実使用環境（たとえば−２０℃
〜０℃）下で良好なＰＴＣ特性を示すことができるチタ
ン酸バリウム系半導体磁器組成物、それを用いたヒータ
素子ならびにヒータ装置を提供する。【解決手段】チタン酸バリウムを主成分とする正の抵抗
温度特性を有する半導体磁器組成物が用いられる。この
チタン酸バリウム系半導体磁器組成物は、バリウム原子
が２０〜３０ mol％のストロンチウム原子および０〜１
８ mol％のカルシウム原子で同時に置換されており、さ
らに、マンガンを０．０５〜０．１０ mol％含有してい
る。この組成物を用いて構成されたヒータ素子１は、複
数個が、所定の間隔で並列接続され、さらに絶縁樹脂４
で被覆されて、ヒータ装置１０を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正の抵抗温度特性
（以下「ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）
特性」という。）を有する半導体磁器組成物に関し、特
にキュリー点を室温以下の低温に持つチタン酸バリウム
系半導体磁器組成物に関する。また、本発明は、その組
成物を用いたヒータ素子に関する。さらに、本発明は、
そのヒータ素子を用いて構成され、たとえば水道管や産
業用配管等の凍結防止用ヒータなどとして適用すること
ができるヒータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から正の抵抗温度係数を有する半導
体磁器として、チタン酸バリウム系半導体磁器が広く知
られている。また、このチタン酸バリウム系半導体磁器
の電気的特性を向上するために、希土類元素であるＴ
ａ、ＮｂまたはＳｂを含有するチタン酸バリウム系半導
体磁器組成物にＳｉＯ₂を添加し、酸素の存在下で焼成
することも提案されている（特開昭53− 59888号公報参
照）。このような半導体磁器原料を１３００℃以上の高
温で焼成することによって、正の抵抗温度係数を有する
半導体磁器組成物とすることができる。

【０００３】また、特公昭41− 17783号公報には、キュ
リー点（転移温度）を０℃以下に有するチタン酸バリウ
ム系磁器半導体が開示されている。さらに、特公昭42−
3855号公報には、キュリー点を任意に移動させることが
できるチタン酸バリウム系磁器半導体が開示されてお
り、特公昭47− 45792号公報には、キュリー点の存在す
る広い範囲において大きな絶縁破壊電圧を有するチタン
酸バリウム系磁器半導体が開示されている。さらに、特
公昭55−2881号公報には、キュリー点が０℃付近にある
磁器半導体として、ＢａサイトをＳｒおよびＰｂで同時
置換し、さらにＴｉサイトをＳｎで同時置換した組成物
に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂を所定量添加した
チタン酸バリウム系半導体磁器組成物についての開示が
ある。

【０００４】上述のような正の抵抗温度係数を有する磁
器半導体においては、キュリー点以下の温度では抵抗値
が小さく、キュリー点付近において抵抗値が急激に増大
する。そこで、このような特性を利用して、浴室の防曇
鏡ヒータなどに用いる定温発熱体、カラーテレビのブラ
ウン管枠の自動消磁用素子、および電子回路の過電流保
護用の電流制御素子などが、チタン酸バリウム系半導体
磁器組成物を用いて構成される場合がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】発熱体の用途の一つと
して、外気温が−１０℃ないし−２０℃になるような極
寒地域における水道管等の凍結防止用ヒータがある。水
道管の凍結防止のためのヒータとしては、導電性粒子を
混在させた樹脂製のものがすでに存在する。しかし、電
気的耐久性などに疑問を残していると同時に、環境温度
が変化しても消費電力（発熱量）が一定であるか、また
は、消費電力の環境温度に対する変化が少なく、無駄な
電力を消費してしまうという難点がある。

【０００６】そこで、チタン酸バリウム系半導体磁器組
成物の抵抗値が温度依存性を有していることを利用し
て、この組成物を用いて水道管の凍結防止用ヒータ装置
を構成することが考えられる。ところが、上記従来のチ
タン酸バリウム系半導体磁器には、キュリー点が０℃付
近に設定されているものはあるものの、抵抗値が実際に
立ち上がる温度は用途によってかなり限定されており、
実使用状態において、室温以下の温度で抵抗値が立ち上
がるものは存在しない。

【０００７】たとえば、特公昭41− 17783号公報、特公
昭41− 17784号公報および特公昭55−2881号公報には、
抵抗値の立上がり温度が室温以下に設定されたチタン酸
バリウム系半導体磁器の組成についての開示がある。し
かしながら、これらの公告公報において述べられている
２５℃における比抵抗や抵抗温度係数の値は、いずれも
無負荷状態での値であり、実際に使用される条件下での
具体性が明確ではない。すなわち、たとえば、商用交流
電圧である１００Ｖの電圧を印加した場合における特性
は必ずしも明らかではなく、極寒地域における水道管の
凍結防止用ヒータを構成する組成物として適切なもので
あるかどうかは明確でない。

【０００８】そこで、本発明の目的は、実使用条件下
（たとえば、１００Ｖの電圧を印加した状態）におい
て、実使用環境（たとえば−２０℃〜０℃）下で良好な
ＰＴＣ特性を示すことができるチタン酸バリウム系半導
体磁器組成物、それを用いたヒータ素子、およびこのヒ
ータ素子を用いたヒータ装置を提供することである。ま
た、本発明の他の目的は、実使用環境（たとえば、−２
０〜０℃）において１００Ｖの電圧を印加したときの抵
抗温度係数が高く、これにより、良好な省電力効果を有
することができるチタン酸バリウム系半導体磁器組成
物、それを用いたヒータ素子、およびこのヒータ素子を
用いたヒータ装置を提供することである。

【０００９】また、本発明のさらに他の目的は、極寒地
域における水道管の凍結防止用ヒータとして好適に用い
ることができ、消費電力を効果的に低減しつつ凍結を確
実に防止できるヒータ装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願発明者は、上記課題
に応えるために鋭意検討を重ね、通常の水道管（たとえ
ば、鉄管の内面に塩化ビニルのライニングを施したも
の。管径は１０．８５mm程度、管厚は３．１０mm程度）
の表面に配置された発熱体の消費電力が、−２０℃の環
境下においては１ｍ当たり６Ｗ（バルブ部分等における
露出などを考慮すると、好ましくは−１０℃において１
ｍ当たり６Ｗ）であれば、管内の水の凍結を防止できる
ことを見出した。そして、半導体磁器を構成するチタン
酸バリウム系セラミックス組成を室温以下のキュリー点
を持つ組成にすべく、バリウム（Ｂａ）原子の位置をス
トロンチウム（Ｓｒ）で２０〜３０ mol％およびカルシ
ウム（Ｃａ）で０〜１５ mol％だけ同時に置換すること
により、−２０℃または−１０℃の実環境下において１
００Ｖの電圧を印加した場合における半導体磁器の発熱
量を、管内を不凍に保てる値（６Ｗ／ｍ）に設定できる
ことを見出した。

【００１１】すなわち、請求項１記載の発明は、チタン
酸バリウムを主成分とする正の抵抗温度特性を有する半
導体磁器組成物であって、この半導体磁器組成物のバリ
ウム原子が２０〜３０ mol％のストロンチウム原子およ
び０〜１８ mol％（好ましくは、０〜１５ mol％）のカ
ルシウム原子で同時に置換されており、さらに、マンガ
ンを０．０５〜０．１０ mol％含有していることを特徴
とするチタン酸バリウム系半導体磁器組成物である。

【００１２】バリウム原子の位置をストロンチウムで置
換することにより、キュリー点を低温側に移動させる効
果がある。また、バリウム原子の位置をカルシウムで置
換することにより、半導体磁器を形成した場合の粒径が
小さくなり、組織を緻密にすることができる。これによ
り、半導体磁器に電圧をかけた場合に、全体から均一に
発熱するので、電荷の集中を防止することができ、磁器
の寿命を限りなく長くすることができる。また、マンガ
ンは、半導体磁器における粒界障壁を高くする効果を有
し、その添加量の調整によって、半導体磁器の比抵抗値
の制御が可能である。

【００１３】バリウムサイトをストロンチウムに置換す
る量を２０〜３０ mol％とすることにより、実使用環境
（たとえば、−２０℃〜０℃）の下で１００Ｖの電圧を
当該組成物を用いて構成された半導体磁器に印加した場
合に、良好なＰＴＣ特性を発揮させることができる。バ
リウムサイトをストロンチウムに置換する量が上記の範
囲よりも少ない場合には、−２０℃の環境下において過
剰に発熱し、実使用環境における抵抗温度係数が小さ
く、環境温度が上昇したときの省電力効果が少なくな
る。バリウムサイトをストロンチウムに置換する量が上
記の範囲を越えると、抵抗温度係数が高くなるが、素子
の抵抗値も高くなり、０℃以下の環境下において発熱量
が不足する。

【００１４】また、バリウムサイトをカルシウムに置換
する量を０〜１８ mol％（より好ましくは、０〜１５ m
ol％）とすることにより、組成物を成形して半導体磁器
を作製した場合に、ヒータ素子として用いるのに充分に
緻密な構成とすることができる。すなわち、電荷の集中
を防止できる。バリウムサイトをカルシウムに置換する
量が上記の範囲を越えると、半導体磁器を構成する粒子
が微細化して、比抵抗値が大きくなったり、固溶限界を
越えて絶縁体化したりして、半導体磁器をヒータ素子と
して用いた場合に、必要な発熱量が得られないおそれが
ある。

【００１５】請求項２記載の発明は、上記半導体磁器組
成物に対して１００Ｖの電圧を印加した状態で測定した
抵抗−温度特性における−１０℃〜０℃の範囲の抵抗温
度係数が、１．５〜３．５％／℃であることを特徴とす
る請求項１記載のチタン酸バリウム系半導体磁器組成物
である。この組成物では、実用上必要な負荷（１００
Ｖ）におけるチタン酸バリウム系半導体磁器の特性のひ
とつである抵抗温度係数の範囲が１．５〜３．５％／℃
となっているので、−１０〜０℃の範囲において１５〜
３５％程度の電力消費を削減でき、０℃に近づくほど大
きな省電力効果を発揮できる。抵抗温度係数の範囲が上
記の範囲を下回る場合には、実用上有効な省電力効果を
得ることができない。また、抵抗温度係数が上記の範囲
を上回る場合には、水道管の凍結防止のためのヒータを
構成した場合に、−２０℃〜０℃の温度範囲において、
ヒータ素子抵抗が高くなるため、有効な電力が得られ
ず、水道管の凍結を確実に防止できない可能性がある。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項１または請
求項２記載のチタン酸バリウム系半導体磁器組成物を所
定の形状に形成した半導体磁器で構成されていることを
特徴とするヒータ素子である。この場合に、上記ヒータ
素子は、請求項４に記載のとおり、５〜２０mm角の範囲
の大きさ、かつ、０．５〜３mmの範囲の厚みに形成され
ていることが好ましい。

【００１７】このようにすれば、ヒータ素子を複数個並
列接続してヒータ装置を構成する場合に、ヒータ装置全
体を容易に柔軟な構成とすることができ、たとえば水道
管に沿わせて配置したり、水道管をスパイラル状に取り
巻くように配置したりすることができる。ヒータ素子の
大きさは、柔軟なヒータ装置を構成しやすくするために
は、２０mm角以下で３mm厚さ以内、好ましくは１５mm角
以下で２mm厚さ以下の形状、さらに好ましくは１０mm以
内×7mm 以内の角形で厚さ２mm以下の小型角形形状とす
ることが好ましい。また、素子の表面に形成されるべき
電極面積を小さくすることが好ましく（たとえば素子の
表面積の２５％以下）、これにより、素子を比較的高抵
抗（たとえば、２６．７ｋΩ〜４０．１ｋΩ）になるよ
う設計することができる。

【００１８】ヒータ素子の大きさが５mm角未満である
と、発熱素子としての有効面積が不足する。また、その
厚さが０．５mm未満になると、複数のヒータ素子の抵抗
値のばらつきが大きくなり、ヒータ装置の発熱バランス
がくずれるおそれがある。請求項５記載の発明は、請求
項３または請求項４記載のヒータ素子が複数個所定間隔
を開けて並列接続されており、さらに、上記複数のヒー
タ素子が電気絶縁性を有する柔軟な被覆部材によって被
覆されていることを特徴とするヒータ装置である。

【００１９】このように構成されたヒータ装置は、電気
的な絶縁性が充分であるので、水道管の凍結防止のよう
な用途に安全に用いることができる。その場合に、環境
温度に応じた適切な電力が消費されるから、良好な省電
力効果を有することができ、極めて経済的である。ま
た、複数のヒータ素子がたとえば等間隔に電気的に並列
に接続されているから、素子１個当たりの実抵抗を大き
く設計して、ＰＴＣ特性特有の突入電流をなるべく小さ
く抑える必要があるが、上記の組成物を適用することに
よって、ヒータ素子は、突入電流を抑制するのに充分な
実抵抗を有することができる。

【００２０】なお、請求項６に記載のとおり、上記ヒー
タ装置は、断熱材によって外装される被加熱部材の表面
に配置され、上記断熱材によって外装された状態で用い
られ、上記被加熱部材の温度を所定温度に保持するため
のものであってもよい。これにより、ヒータ装置から発
生した熱を良好に被加熱部材に与えることができ、この
部材の温度を確実に所要の値に保持することができる。

【００２１】たとえば、断熱材を用いることなくヒータ
装置単独で水道配管の凍結防止のために用いても、周囲
の環境温度に顕著に影響され、放熱のためＰＴＣ特性を
反映させた目的（省電力効果）を満たすことができな
い。したがって、たとえば熱伝導率が０．０５０Ｗ／ｍ
Ｋより小さい断熱材によって外装される被加熱部材の加
熱・保温に上記のヒータ装置が用いられることが好まし
い。さらには、熱伝導率が０．０４０Ｗ／ｍＫよりも小
さい断熱材が用いられることが、より好ましい。

【００２２】なお、請求項７に記載のとおり、上記被加
熱部材は流体流通路を形成する管であり、上記ヒータ装
置は上記管の外表面に配置されてこの管の内表面の温度
を所定温度に保持するためのものであってもよい。した
がって、たとえば、請求項８に記載のとおり、上記管内
を流通する流体の凍結を防止するために、上記ヒータ装
置を適用することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下では、本発明の実施の形態を
具体的に説明する。この実施の形態に係るチタン酸バリ
ウム系半導体磁器組成物は、バリウムサイトを、キュリ
ー点移動物質であるストロンチウムと粒径制御物質であ
るカルシウムとで置換したチタン酸バリウム系基体組成
物に、半導体化剤、鉱化剤さらに液相生成物質を添加し
て焼成したものである。

【００２４】上記半導体化剤としては、酸化ディスプロ
シウム（Ｄｙ₂Ｏ₃）を、鉱化剤としては、炭酸マンガ
ン（ＭｎＣＯ₃）を、それぞれ用いることができる。ま
た、上記液相生成物質としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ
₂）と過剰分の酸化チタン（ＴｉＯ₂）とを用いること
ができる。なお、液相生成物質としての二酸化ケイ素お
よび過剰のチタンは、これらの合計添加量が１．５mol
％の範囲とされることが好ましく、この範囲を越える
と、最終的に得られる半導体磁器における室温時の比抵
抗値が大きくなりすぎ、特に、３．３mol ％を越える
と、焼結時に用いられる酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）
等の敷き粉と反応して、焼結性の劣化による焼成不良等
の不都合が生じる。

【００２５】次に、上記チタン酸バリウム系半導体磁器
組成物およびそれを用いたヒータ素子、ならびにその素
子を用いたヒータ装置の製造方法について説明する。ま
ず、チタン酸バリウム系基体組成物の粉体を、通常のセ
ラミックスの固相反応により、９００〜１２００℃で仮
焼し、微粉砕により平均粒径３μm 以下の仮焼粉体を得
る。続いて、上記仮焼粉体を所定形状に成形して、酸化
雰囲気中で、１３００〜１４００℃で本焼成することに
より、チタン酸バリウム系半導体磁器組成物からなるヒ
ータ素子を得ることができる。

【００２６】このヒータ素子は、たとえば、１０mm以内
×７mm以内の角形で２mm以下の厚さの全体として扁平な
直方体をなす。この素子の長さ方向の両端にそれぞれ端
辺からたとえば１．５mmずつ両面にオーミック性の銀ペ
ーストおよびカバー用銀ペーストを焼き付けて電極を形
成する。上記のヒータ素子を複数個作成し、この複数個
の素子を、たとえば、５cm間隔で導電線に並列に接続す
る。この複数の素子および導電線を含む構造物は、電気
絶縁性を有する柔軟な樹脂で被覆され、これにより、防
水性の高いヒータ装置が完成する。

【００２７】図１は、ヒータ装置の構成の概略を一部切
り欠いて示す平面図であり、図２は図１の切断面線II−
IIにおける断面図である。上述のようなチタン酸バリウ
ム系半導体磁器組成物からなる複数のヒータ素子１は、
それぞれの両端において一対の導電線３１，３２に接続
されており、全体としてはしご状の構造物を形成してい
る。このはしご状の構造物は、電気絶縁性の樹脂４（被
覆部材）によって被覆されており、これにより、テープ
状のヒータ装置１０が構成されている。導電線３１，３
２は、ケーブル１８を介して商用交流電源（１００Ｖ）
７に接続され、並列接続されたヒータ素子１のそれぞれ
に１００Ｖの電圧が印加されるようになっている。ヒー
タ装置１０の先端においては、導電線３１，３２は、た
とえば、ケース５０およびその内部に充填された絶縁性
の樹脂で封止されており、また、ヒータ装置１０の基端
部においても、導電線３１，３２とケーブル１８との接
続部が同様に樹脂封止されている。ただし、図１におい
ては、導電線３１，３２とケーブル１８との間の樹脂封
止部については、図示を省略した。

【００２８】図３は、ヒータ素子１と導電線３１，３２
との結合構造を示す斜視図である。ヒータ素子１は、扁
平な直方体形状に構成されており、最大面積を有する一
対の面の長手方向両端部付近に、電極１７がそれぞれ形
成されている。この電極１７を挟み込むように、金属端
子８が設けられており、この金属端子８は、導電線３
１，３２に結合されている。より具体的には、金属端子
８は、ヒータ素子１の電極１７の部分を把持するための
４つの素子把持部３３と、導電線３１，３２を把持する
ための一対の電線把持部３４とを有している。これによ
り、ヒータ素子１は一対の電極１７によって挟まれてお
り、素子の体積全体にわたって電流が均一に流れるよう
になっている。金属端子８の電線把持部３４は、導電線
３１，３２に半田１１によって結合されている。また、
素子把持部３３と電極１７とは、導電性を有する粘着テ
ープまたは接着材を用いて接着したり、半田付けされた
りして、結合されている。

【００２９】複数のヒータ素子１は、一定の間隔（たと
えば５cm）を開けて配列されており、これにより、単位
長さ当たりに必要な熱量を発生でき、かつ、水道管に沿
ってヒータ装置１０を曲げることができるように充分な
柔軟性が確保されるように考慮されている。ヒータ素子
１は、たとえば、−２０℃の環境下において、水道管の
エルボ部（屈曲部）で凍結が生じないように設定された
間隔で配置されればよい。。

【００３０】図４は、上述のテープ状のヒータ装置１０
の使用状態を示す断面図である。このテープ状ヒータ装
置１０は、たとえば、水道管９（被加熱部材）の外表面
９ａに密着し、水道管９が延びる方向に沿って配置され
る。水道管９は、鉄製の管本体９１と、管本体９１の内
面に形成された塩化ビニル製のライナ９２とからなる。
ヒータ装置１０が水道管９の外表面に密着された状態
で、このヒータ装置１０と水道管９を覆うように断熱材
１３が外装されている。断熱材１３は、ほぼ管状に形成
されており、長手方向に沿う切り込み１４の部位を開い
て展開することができるようになっている。断熱材１３
を展開してその内部にヒータ装置１０および水道管９を
収容し、切り込み１４を閉じたうえでシール部材１５に
よって切り込み１４の部位をシールすることによって、
断熱材１３の水道管９への取付けが達成される。

【００３１】水道管９の管本体９１の厚みは、たとえ
ば、３．１０mmであり、ライナ９２の厚みは、たとえ
ば、１．１０mmである。この場合に、断熱材１３の外側
の環境温度がたとえば、−２０℃のときに、水道管９を
通って流通する水に接触する内側のライナ９２の内表面
の温度を０℃に保持するためには、ヒータ装置１０の消
費電力を１ｍ当たり６Ｗに設定する必要がある。たとえ
ば、ヒータ素子１が５cm間隔で設けられているとする
と、１個のヒータ素子１の消費電力を６／２０Ｗとすれ
ばよい。

【００３２】図５は、ヒータ素子１の電力−温度特性を
簡略化して示す図である。たとえば、導電性粒子を樹脂
中に混在させた樹脂からなるヒータでは、直線Ｌ１で示
すとおり、消費電力に温度依存性はない。これに対し
て、ヒータ素子１は、曲線Ｌで示すとおり、−２０℃か
ら０℃までの温度範囲において、消費電力が低下してい
る。

【００３３】たとえば、−１０℃から０℃までの温度変
化に対して、１．５〜３．５％／℃の割合で消費電力が
減少するとすれば、１０℃の温度変化に対して、１５〜
３５％の省電力効果を見込むことができる。図６は、ヒ
ータ素子１の抵抗値Ｒの温度変化を表す特性図である。
ヒータ素子１に負荷を加えない状態では、曲線Ｓ０で示
すとおり、キュリー点Ｔｃ付近において抵抗値Ｒが急増
する。これに対して、ヒータ素子１に１００Ｖの電圧を
印加した実際の使用状態では、曲線Ｓ１００で示すとお
り、抵抗値Ｒの変化は緩慢になる。このように、無負荷
時（０Ｖ）の抵抗−温度特性と、通常の使用時（１００
Ｖ印加）の抵抗−温度特性とには、著しい差異がある。
したがって、従来のように無負荷時の特性を調整するの
ではなく、通常の使用時における特性を所望の特性に調
整する必要がある。具体的には、−１０℃〜０℃の環境
温度範囲における抵抗温度係数αが１．５〜３．５％／
℃となるように定めることが好ましく、これにより、−
１０℃〜０℃の範囲のいずれの温度においても水道管の
凍結を防止するのに必要充分な発熱量を得ることがで
き、さらに、１０℃の温度変化に対して、１５〜３５％
の省電力効果がある。

【００３４】抵抗温度係数αは、次のようにして計算さ
れる。

【００３５】

【数１】

【００３６】ただし、Ｂはサーミスタ定数であり、ま
た、添え字は環境温度設定値を表し、Ｔは実測した環境
温度を表す。つまり、たとえば、Ｔ₀は、環境温度設定
値が０℃のときの実測した環境温度を表す。なお、本発
明は種々の実施の形態をとり得るものであり、たとえ
ば、ヒータ素子の形状は角形である必要はなく、円形や
楕円形であってもよい。また、ヒータ装置を構成する際
に、ヒータ素子を等間隔で配置する必要はなく、素子間
の間隔を種々異ならせてもよい。

【００３７】さらに、本発明のヒータ装置は、水道管用
の凍結防止ヒータとして用いることができるだけでな
く、産業用配管の凍結防止や、その他、極低温環境下に
おいて保温が必要な任意の部材の加熱・保温のために適
用することができる。このような場合に、ヒータ素子に
必要な熱量を発生させるためには、ヒータ素子の抵抗値
を適宜調整すればよい。たとえば、ヒータ装置を配置す
べき水道管の管径が太いほど、抵抗値を低くすればよ
く、また、管厚が厚いほど抵抗値を低くすればよい。さ
らに、産業用配管などでは、内部を通る液体の種類に応
じて抵抗値を調整することにより、内部を流通する液体
の凍結を防止できる。

【００３８】ヒータ素子の抵抗値は、ストロンチウムの
配合量、マンガンの配合量、焼結時の冷却時間、素子の
形状、電極面積、素子の厚さなどによって調整すること
ができる。すなわち、ストロンチウムの配合量を多くす
るほど抵抗値を高くできる。また、マンガンの配合量を
多くするほど抵抗値を高くできる。さらに、冷却時間を
長くするほど抵抗値を高くできる。また、素子形状を小
さくするほど抵抗値は高くなり、電極面積を小さくする
ほど抵抗値は高くなる。さらには、素子の厚みを厚くす
るほど抵抗値が高くなる。抵抗値の調整は、すなわちヒ
ータ装置の電力の調整であり、適切な条件下で計算する
ことにより求められる。

【００３９】

【実施例】次に、より具体的な実施例について説明す
る。高純度の炭酸バリウム、酸化チタン、炭酸ストロン
チウム、炭酸カルシウム、酸化ディスプロシウム、炭酸
マンガン、および二酸化ケイ素を表１および表２に記載
した組成比となるようにそれぞれ配合した粉体材料を、
イオン交換水とナイロンコーティングした鉄球とともに
ボールミル中に投入して２４時間湿式混合した。ただ
し、表１の配合に従って作製される組成物のみが本発明
の実施例であり、表２の配合に従って作製される組成物
は、比較例である。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】次に、湿式混合した上記混合物をろ過、乾
燥し、９００〜１２００℃の温度で１〜５時間仮焼し
た。仮焼後の試料を、平均粒径３μm 以下となるように
微粉砕した後、その微粉体をポリビニルアルコール（Ｐ
ＶＡ）を２重量％含むバインダーと混練してスラリーと
し、そのスラリーをスプレードライヤーにて造粒乾燥し
て造粒体を得た。

【００４３】上記造粒体を、１．０トン/cm²の圧力で、
たとえば１０mm×７．３mmの角形で２．０mmの厚さの扁
平な直方体形状に成形して成形品を得た。その成形品を
焼成鞘に詰め、電気炉で３℃/minの昇温速度で昇温し、
１３００〜１４００℃にて０．５〜１０時間焼成した
後、１０００℃まで０．２〜１０時間、２００℃まで３
〜０．５℃/minで降温して、表３、表４、表５および表
６に示す試料Ｎｏ．１〜１７をそれぞれ作製した。尚、
上記成形品を焼成鞘に詰めるとき、焼成後の離型性を高
めるための敷き粉として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）
の粉末を用いた。

【００４４】

【表３】

【００４５】

【表４】

【００４６】

【表５】

【００４７】

【表６】

【００４８】表３、表４、表５および表６に示された試
料番号は、配合と冷却時間とを表すために、数字とアル
ファベットからなっている。すなわち、数字は、表１ま
たは表２に示された試料番号を表し、したがって、原料
の配合を表す。そして、アルファベットは、冷却時間の
相違を表す。番号が１５以降の試料は比較例である。焼
成工程の内、焼成温度から１０００℃までの冷却時間
は、抵抗値に直接反映している。すなわち、短くすると
抵抗値が低下し、同時に温度係数も低下する。逆に、長
くすると、抵抗値も温度係数も高くなる。

【００４９】なお、温度係数および抵抗値の冷却時間の
相違による変化の度合いは、組成物の配合組成により大
きく異なる。上記のようにして得られた試料は、たとえ
ば、８．３mm×６．１mmの角形で１．７mmの厚さの扁平
な直方体形状の素子であり、最大面積を有する一対の面
において、その長さ方向の両端付近には、それぞれ端辺
から１．５mmまでの範囲にオーミック性の銀ペーストお
よびカバー用銀ペーストを焼き付けて電極を形成した。

【００５０】０℃〜−２０℃において、１００Ｖの電圧
を印加したときの素子抵抗を測定し、同時に電力および
抵抗温度係数（この係数は、省電力係数と考えることも
できる。）を上記第(1) 式によって計算した。それらの
結果を表３ないし表６に示した。また、上記の表３ない
し表６において、判定欄に「◎」または「○」を付与し
た試料は、−１０℃および／または−２０℃において６
Ｗ／ｍの消費電力を達成しうるものであって、１．５〜
３．５％／℃の範囲の抵抗温度係数を持つものである。
「◎」を付した試料は、−１０℃で６Ｗ／ｍの消費電力
を達成しうるものであり、「○」を付与した試料は、少
なくとも−２０℃で６Ｗ／ｍの消費電力を達成しうるも
のである。「×」が付与された試料は、水道管の凍結防
止の用途には適さないものであり、判定欄に記号が付与
されていない試料は、焼成方法によっては備考欄に記し
たような可能性がある試料である。なお、備考欄には、
焼成温度から１０００℃までの冷却時間に関し、水道管
の凍結防止の用途に適する特性を実現することができる
条件が示されている。

【００５１】なお、上記実施例としての試料（素子）
を、素子間隔５cm（２０個／ｍ）で導電線に並列に接続
して、図１ないし図３に示すようなテープ状ヒータを作
製した。素子の間隔を５cmとしたのは、特に水の滞留し
やすい水道管のエルボの部分を不凍に維持するための最
も有効な熱設計に基づいて決定された。すなわち、５cm
以内では過剰電力となり経済的に不適であり、５cm以上
では部分凍結部が発生し、技術的に不適である。

【００５２】−２０℃で６Ｗ／ｍあるいは−１０℃で６
Ｗ／ｍの消費電力とするためには、試料１個当たりの抵
抗は、素子間のばらつきを２０％以内であるものとし
て、２６．７〜４０．１ｋΩ、好ましくは２８〜３８ｋ
Ω、さらに好ましくは３３．４ｋΩであればよく、この
ような抵抗値であれば、突入電流も１００ｍＡ以下に抑
制することが可能である。

【００５３】以上の結果、−１０〜０℃に変化するとき
の抵抗温度係数は、従来の凍結防止ヒータでは無変化な
のに対して、実施例の試料では、１．５〜３．５％／℃
と高く設定できることが判る。また、試料Ｎｏ．１５の
抵抗温度係数が１．１４％／℃であるのに対して、実施
例の試料では、はるかに高い抵抗温度係数が達成される
ことが判る。なお、比較例のうち試料番号１６のものに
ついては、焼成温度から１０００℃までの冷却時間を
０．２時間未満とすることによって所要の物性を実現で
きる可能性があるが、冷却時間をあまり短くすると、大
量に焼成した場合に電気炉内の温度が制御温度に追随し
ないので、量産には適さない。

【００５４】上記のように、上記実施例の構成は、市販
の凍結防止ヒータの出力が温度に対して変化しないのに
対して、−１０〜０℃までの温度変化で１．５〜３．５
％／℃、すなわち、１０℃の温度変化に対して１５〜３
５％の省電力を可能とすることができ、環境温度が０℃
に近づくほど省エネルギーに大きく貢献できることが判
る。

【００５５】一般に温度係数が大きいほど省電力効果が
高いが、素子形状を上述のようにした場合には、抵抗温
度係数３．５％／℃が上限であった。しかし、素子形状
または電極塗布の形状もしくは面積を変更することによ
って、３．５％／℃よりも大きな抵抗温度係数を発揮さ
せることがとできると考えられる。なお、上記実施例の
構成では、出発原料として炭酸塩および酸化物を用いた
例を挙げたが、上記に特に限定されることはなく、焼成
時に熱分解等により所定の成分比を与える原料を用いれ
ばよい。

【００５６】次に、上記の各試料の諸物性の測定方法に
ついて説明する。 (1) １００Ｖ印加時の抵抗温度特性の測定試料の両端にリード線をハンダ付けし、リード線をワニ
口クリップの一端に固定して、試料を測定槽（タバイエ
スペック社製、商品名:MINISUBZERO MC-810P）内に配置
した。測定槽内の温度を２５℃から−３０℃までの温度
範囲で変化させる一方で、ワニ口クリップの他端に１０
０Ｖの電圧が直にかかるように配線し、同時にリード線
の両端の印加電圧および電流値をそれぞれマルチメータ
ー（電圧の測定には、3878A YHP 製を用い、電流の測定
には、ADVANTEST 製のものを用いた。）を用いて測定
し、試料の抵抗値を計算した。

【００５７】また、このときの０℃および−１０℃のと
きの各抵抗値および実測温度により抵抗温度係数を計算
した。 (2) 素子表面温度の環境温度依存性の測定上記(1) で作製したリード線付き素子を、抵抗温度特性
の測定の場合と同様に、ワニ口クリップの一端に接続
し、この素子を測定槽内に配置した。そして、測定槽内
の温度を２５〜−３０℃の温度範囲で変化させる一方、
ワニ口クリップの他端に１００Ｖの電圧が直にかかるよ
うに配線した。そして、素子表面に温度センサ（データ
コレクタ AM-7002、安立製）の温度検出部を素子の両端
の電極部に同時に接触することがないように、シリコン
樹脂で絶縁したクリップで固定し、検出温度を読んだ。

【００５８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、実使用条
件下（たとえば、１００Ｖの電圧を印加した状態）にお
いて、実使用環境（たとえば−２０℃〜０℃）下で良好
なＰＴＣ特性を示すことができるチタン酸バリウム系半
導体磁器組成物、ヒータ素子およびヒータ装置が実現さ
れる。

【００５９】また、本発明によれば、実使用環境（たと
えば、−２０〜０℃）において１００Ｖの電圧を印加し
たときの抵抗温度係数を高くすることができ、これによ
り、良好な省電力効果を有することができるチタン酸バ
リウム系半導体磁器組成物、ヒータ素子、およびヒータ
装置を実現できる。また、本発明によれば、極寒地域に
おける水道管の凍結を低消費電力で確実に防止できるヒ
ータ装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係るヒータ装置の概略
構成を一部切り欠いて示す平面図である。

【図２】図１の切断面線II−IIにおける断面図である。

【図３】ヒータ素子と導電線との結合状態を示す斜視図
である。

【図４】水道管にヒータ装置を配置した状態を示す断面
図である。

【図５】ヒータ素子の電力−温度特性を示す図である。

【図６】ヒータ素子の抵抗−温度特性を示す図である。

【符号の説明】

１ヒータ素子４絶縁樹脂９水道管１０ヒータ装置１３断熱材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタン酸バリウムを主成分とする正の抵抗
温度特性を有する半導体磁器組成物であって、この半導
体磁器組成物のバリウム原子が２０〜３０ mol％のスト
ロンチウム原子および０〜１８ mol％のカルシウム原子
で同時に置換されており、さらに、マンガンを０．０５
〜０．１０ mol％含有していることを特徴とするチタン
酸バリウム系半導体磁器組成物。
【請求項２】上記半導体磁器組成物に対して１００Ｖの
電圧を印加した状態で測定した抵抗−温度特性における
−１０℃〜０℃の範囲の抵抗温度係数が、１．５〜３．
５％／℃であることを特徴とする請求項１記載のチタン
酸バリウム系半導体磁器組成物。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のチタン酸バ
リウム系半導体磁器組成物を所定の形状に形成した半導
体磁器で構成されていることを特徴とするヒータ素子。
【請求項４】５〜２０mm角の範囲の大きさ、かつ、０．
５〜３mmの範囲の厚みに形成されていることを特徴とす
る請求項３記載のヒータ素子。
【請求項５】請求項３または請求項４記載のヒータ素子
が複数個所定間隔を開けて並列接続されており、さら
に、上記複数のヒータ素子が電気絶縁性を有する柔軟な
被覆部材によって被覆されていることを特徴とするヒー
タ装置。
【請求項６】断熱材によって外装される被加熱部材の表
面に配置され、上記断熱材によって外装された状態で用
いられ、上記被加熱部材の温度を所定温度に保持するた
めのものであることを特徴とする請求項５記載のヒータ
装置。
【請求項７】上記被加熱部材は流体流通路を形成する管
であり、上記ヒータ装置は上記管の外表面に配置されて
この管の内表面の温度を所定温度に保持するためのもの
であることを特徴とする請求項６記載のヒータ装置。
【請求項８】上記管内を流通する流体の凍結を防止する
ためのものである請求項７記載のヒータ装置。