(57)【要約】  流体チャネル２、流体入口３および流体出口４を備えた加熱システム１であって、さらに、該加熱システムはＰＴＣセラミックからなり、電圧を印加したときに加熱システムが加熱され、流体チャネルを通って流れる流体が従って加熱可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体チャネル、流体入口および流体出口を有する成形体であって、さらに、前記成形体はＰＴＣセラミックからなり、電圧を印加したときに前記成形体が加熱され、前記流体チャネルを通って流れる流体が従って加熱可能である、成形体。
【請求項２】
前記流体入口が前記流体出口よりも大きい、請求項１に記載の成形体。
【請求項３】
前記流体チャネルが第１の小区分および第２の小区分を有し、前記第１の小区分の断面積が前記第２の小区分の断面積よりも大きい、請求項１に記載の成形体。
【請求項４】
前記流体チャネルの前記第１の小区分における成形体の内部表面が、前記内部表面に幾何学的な突出部を提供することによって拡大される、請求項３に記載の成形体。
【請求項５】
各突出部が薄板形状を有する、請求項４に記載の成形体。
【請求項６】
前記突出部がリブを有する、請求項５に記載の成形体。
【請求項７】
前記リブが螺旋形である、請求項６に記載の成形体。
【請求項８】
前記流体チャネルを通って流れる流体が流れの軸のまわりを回転させられるように、前記成形体の前記内部表面が形成される、請求項１に記載の成形体。
【請求項９】
前記成形体が複数の流体出口を有する、請求項１に記載の成形体。
【請求項１０】
前記流体が液体である、請求項１に記載の成形体。
【請求項１１】
前記ＰＴＣセラミックの組成が前記液体の沸点を考慮して選択される、請求項１０に記載の成形体。
【請求項１２】
前記液体がその主成分としてエタノールを含む、請求項１０に記載の成形体。
【請求項１３】
前記ＰＴＣセラミックがその主成分としてＢａＴｉＯ３を含む、請求項１に記載の成形体。
【請求項１４】
前記ＰＴＣセラミックの抵抗が、前記ＰＴＣセラミックを通る電流が減少して前記ＰＴＣセラミックのさらなる加熱を妨げるレベルに達するように、前記ＢａＴｉＯ３がドーピングされる、請求項１３に記載の成形体。
【請求項１５】
前記ＰＴＣセラミックの組成式が以下の式：ＡＢＯ３＋ＳｉＯ２で与えられ、
ＡがＢａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｐｂから選択された１つ以上の元素であり、ＢがＴｉ、Ｍｎから選択された１つ以上の元素であり、両方の成分の和に対するＳｉの割合が０．５から４．５モル％である、請求項１に記載の成形体。
【請求項１６】
Ａがモル％にして以下の成分：Ｂａ８０〜８５％、Ｃａ１０〜１５％、Ｓｒ１〜５％、Ｙ０．１〜１％からなり、Ｂがモル％にして以下の成分：Ｔｉ９９．８〜９９．９９％、Ｍｎ０．０１〜０．２％からなる、請求項１５に記載の成形体。
【請求項１７】
前記ＰＴＣセラミックのいかなる金属不純物の濃度も１０ｐｐｍより小さい、請求項１に記載の成形体。
【請求項１８】
前記成形体が射出成形されたものである、請求項１に記載の成形体。
【請求項１９】
前記成形体がその内部表面および外部表面上に電気伝導層を有する、請求項１に記載の成形体。
【請求項２０】
前記成形体の内部表面が不動態層を有する、請求項１に記載の成形体。
【請求項２１】
前記流体が燃料である、請求項１０に記載の成形体。
【請求項２２】
前記燃料がその主成分としてエタノールを含む、請求項２１に記載の成形体。
【請求項２３】
請求項１に記載の成形体と、
ノズルと、を含む装置であって、
前記流体が最初に前記成形体を通って流れ、そして前記ノズルによって噴出される、装置。
【請求項２４】
弁が前記ノズルと前記成形体との間に配置される、請求項２３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、燃焼エンジン用の燃料噴射システムに関し、特に燃料用のヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
まだ冷たいエンジン内に適切な温度で燃料を供給する必要がある。この問題は、燃料が主成分としてメタノールまたはエタノールを含む場合に特に発生する。この場合、外部の温度が低くエンジンが加熱されたハウジング内に位置していない、自動車のエンジンなどのようなときには、適切な方法で燃料を噴霧することは難しい。燃料が最低限の温度を有しておらず、燃料の噴霧が十分に細かくない場合は、結果として燃焼室内の燃料と空気との混合が不十分となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
正の温度係数を有するセラミック、いわゆるＰＴＣセラミックを含む成形体の形態をとる、流体を加熱するシステムが記載される。セラミックは例えばペロブスカイト形（ＡＢＯ３）のセラミックである、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を主成分としてよい。セラミックは、例えばキュリー温度Ｔｃを考慮してドーピングすることができる。それは、例えば、加熱されるべき液体の沸点を考慮してユーザの側で選択されてもよい。ＳｒによるＢａＴｉＯ３セラミックのドーピングはキュリー温度を減少させるのに対し、Ｐｂによるドーピングはキュリー温度を増加させる。さらにＴｉＯ２およびＳｉＯ２がセラミックに加えられてもよい。
【０００４】
加熱システムはＰＴＣセラミックから射出によって成形されることができる。加熱される流体は、成形体を通って流れるにつれて加熱システムによって熱せられる。加熱システムは、好ましくは流体を排出するノズルに隣接して位置する。燃料がノズルに到達する前に燃料を予熱することによって、より良好な品質の、ノズルから排出される噴霧を得ることができる。この観点から、温度は、好ましくは燃料の沸点またはその噴霧温度を考慮して調整される。ＰＴＣセラミックおよび成形体に印加する電圧は、好ましくはこの態様に基づいて選択される。
【０００５】
ＰＴＣセラミックは自動調整特性を有する。加熱システムの温度が重大なレベルに達した場合、ＰＴＣセラミックの抵抗もまた上昇し、したがってそこを流れる電流を弱める。結果として、成形体のＰＴＣセラミックは熱くなることをやめ、冷えることができるようになる。したがって、流体が達する最大の温度に関する流体の観点から、ＰＴＣセラミック材料が選択される場合、外部調整システムの必要がなくなる。このことはまた、システムがしばらくの間作動する場合など、さらに熱がエンジンから来る場合、システムがそれ自身を回帰的に調整することを意味する。
【０００６】
加熱システムは、２つの主な理由により急速な応答をする。第一に、加熱システムは急速にあたたまり、第二に、流体が成形体に直接接触しているため、熱は流体へと急速に転移可能である。成形体に直接接触していることは、加熱システムが流体が流れているチャネルまたは管の周りに位置するシステムと比べて、流体へのエネルギーの急速かつ効率的な転移を可能にする。
【０００７】
熱転移の速度を増加させるために、好ましくは、成形体の内部表面は幾何学的な成形を行うことによって拡大される。
【０００８】
成形体と流体チャネルを通って流れる流体との間の高度な熱転移を達成するために、流体は好ましくは加熱システムの少なくとも一部を緩やかな速度で流れる。したがって、流体チャネルの断面は好ましくは変化する。流体チャネルの注入口側により大きな断面、注出口側により小さな断面を設けることが、成形体の第１の部分において流体の流速を遅くして高度な熱転移を達成し、加熱システムの端部において流速を速くすることを可能にし、ここで加熱システムは好ましくは噴霧処理のためのものである。したがって、成形体の少なくとも１つの小区分において、流体チャネルの断面を小さくすることが好ましい。この目的に導く形状および形態が、射出成形によって達成可能である。
【０００９】
射出成形処理のために、セラミック充填材、充填材を結合する母材および１０ｐｐｍ未満の含有量の金属不純物を含む原料が使用されうる。１つの可能なセラミック充填材は以下の組成式で表示されうる。
Ｂａ１−ｘ−ｙＭｘＤｙＴｉ１−ａ−ｂＮａＭｎｂＯ３
ここで、パラメータはｘ＝０から０．５、ｙ＝０から０．０１、ａ＝０から０．０１、ｂ＝０から０．０１である。この組成式において、Ｍは２価の陽イオン、例えばＣａ、ＳｒまたはＰｂなどを表し、Ｄは３価または４価のドナー、例えばＹ、Ｌａまたは希土類元素を表し、Ｎは５価または６価の陽イオン、例えばＮｂまたはＳｂを表す。したがって、非常に様々なセラミック材料が使用可能であり、そのことによって、後に焼結されるセラミックの必要な電気的特性に応じて、セラミックの組成を選択することができる。原料のセラミック充填材は、抵抗率が低く抵抗−温度曲線の傾きが急なＰＴＣセラミックに交換可能である。そのような原料からつくられたＰＴＣセラミックの抵抗率は、セラミック充填材の組成および原料を焼結する間の条件に応じて、２５℃で３Ωｃｍから３００００Ωｃｍの範囲にあることができる。抵抗が増加しはじめる特徴的な温度Ｔｂは、−３０℃から３４０℃の範囲にある。不純物の量がより多くなると、成形されたＰＴＣセラミックの電気的特性を損なう可能性があるため、原料中の金属不純物の量は１０ｐｐｍ未満である。
【００１０】
原料中の金属不純物はＦｅ、Ａｌ、Ｎｉ、ＣｒおよびＷを含んでもよい。原料の調製の間に用いられる工具の摩耗による、原料中のそれらの含有量は、互いに合計してまたはそれぞれで、１０ｐｐｍ未満である。
【００１１】
射出成形のための原料を調製する方法が記載される。該方法は、Ａ）焼結によってＰＴＣセラミックに変換可能なセラミック充填材を調製する、Ｂ）セラミック充填材を、該充填材を結合させるための母材と混合する、Ｃ）充填材および母材を含む粒子を生成する、の各ステップを含む。
【００１２】
本方法は、有する摩耗の程度が小さいため、前記摩耗によって発生する不純物が１０ｐｐｍ未満である原料が調製される、工具を用いることを含む。したがって、摩耗で発生した金属不純物の量が少ない射出成形可能な原料の調製が、成形されたＰＴＣセラミックの所望の電気的特性の損失なしに達成される。
【００１３】
ステップＡ）において、充填材の基材は混合され、か焼（ｃａｌｃｉｎａｔｅ）され、粉末に挽かれてもよい。約１１００℃の温度で約２時間の間行われうるか焼の間に、組成式Ｂａ１−ｘ−ｙＭｘＤｙＴｉ１−ａ−ｂＮａＭｎｂＯ３、ｘ＝０から０．５、ｙ＝０から０．０１、ａ＝０から０．０１、ｂ＝０から０．０１のセラミック材料が形成され、ここでＭは２価の陽イオンを表し、Ｄは３価または４価のドナー、例えばＹ、Ｌａまたは希土類元素を表し、Ｎは５価または６価の陽イオン、例えばＮｂまたはＳｂを表す。このセラミック材料は粉末に挽かれて乾燥され、セラミック充填材が得られる。
【００１４】
基材として、ＢａＣＯ３、ＴｉＯ２、Ｍｎイオンを含む溶液およびＹイオンを含む溶液、およびＳｉＯ２、ＣａＣＯ３、ＳｒＣＯ３およびＰｂ３Ｏ４からなる群からの少なくとも１つが、セラミック充填材を調製するのに用いられてもよい。これらの基材から、例えば（Ｂａ０．３２９０Ｃａ０．０５０５Ｓｒ０．０９６９Ｐｂ０．１３０６Ｙ０．００５）（Ｔｉ０．５０２Ｍｎ０．０００７）Ｏ１．５０４５などの組成のセラミック材料が調製されうる。このセラミック材料の焼結体は、１２２℃の特徴的な参考温度Ｔｂと、焼結の間の条件に応じて、４０から２００Ωｃｍにわたる抵抗率とを有する。
【００１５】
この方法の実施によれば、ステップＢ）は１００℃から２００℃の温度で実行される。第１に、セラミック充填材および母材は室温で混合され、その後でこの冷たい混合物は、１００℃から２００℃、好ましくは１２０℃から１７０℃、例えば１６０℃の温度に熱せられるホットミキサーに入れられる。セラミック充填材および該充填材を結合する母材は、温度上昇中においてホットミキサー中で一様な濃度になるように捏ねられる。ミキサーまたは混合装置として、双ロールのミルまたはその他の捏ねる／砕くための装置も使用されうる。
【００１６】
好ましくは、双ロールのミルは、調整可能なニップ（ｎｉｐ）を有し、異なる速度で互いに反対向きに回転する２つのローラからなり、セラミック充填材および母材がニップを通り過ぎるとき、それらに激しい剪断応力を及ぼす。さらに、スクリュー１つまたはスクリュー２つの押し出し機がボールミルまたはブレード形のミキサーと同様に、母材およびセラミック充填材を含む混合物を調製するように用いられることができる。
【００１７】
ステップＣ）において、母材およびセラミック充填材の混合物は室温まで冷却され、小片へと細かくされうる。混合物は冷却されると硬化し、それを小片へと細かくすることによって原材料の粒子が形成される。
【００１８】
本方法の実施によれば、方法のステップＡ）、Ｂ）およびＣ）において用いられる工具は硬い材料の被覆を有する。被覆は任意の硬い金属、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）などを含んでもよい。そのような被覆は、セラミック充填材および母材の混合物に接触している際の工具の摩耗の程度を減少させ、前記摩耗によって発生する金属不純物の量が少ない原料の調製を可能にする。金属不純物はＦｅであってもよいが、Ａｌ、ＮｉまたはＣｒであってもよい。工具がＷＣなどの硬い被覆で覆われているとき、Ｗの不純物が原料に入ることがある。しかしながら、これらの不純物は含有量が５０ｐｐｍ未満である。この濃度では、焼結されたＰＴＣセラミックの所望の電気的特性に影響を与えないことが判明している。
【００１９】
射出成形が成形体を形成するために用いられる場合、ＰＴＣセラミックの性能が損なわれないことを保証するように成形体内の金属不純物に関して注意が払われなければならない。セラミック材料のＰＴＣ効果は温度Ｔの関数としての電気抵抗率ρの変化を含む。ある温度範囲においては温度Ｔの上昇に対する抵抗率ρの変化は小さいものの、いわゆるキュリー温度Ｔｃからは、抵抗率ρは温度の上昇とともに急速に増加する。この第２の温度範囲においては、温度係数、すなわち所与の温度における抵抗率の相対的な変化は、５０％／Ｋから１００％／Ｋの範囲にあることができる。キュリー温度において急速な上昇がない場合、成形体の自己調整特性は不十分である。
【００２０】
成形体に望ましい効率を与えるために、好ましくは、成形体の全体が流体に熱を転移させるのに適している。したがって、電流は好ましくは、成形体のマスの全体またはほとんど全体を通って流れる。それゆえ、成形体の内側および外側の全体またはほとんど全体の表面には電気的接点が備えられる。成形体の一実施形態によれば、電気伝導層が成形体の内側表面および外側表面上に備えられる。
【００２１】
成形体の内側にはさらに、一実施形態によれば、相互作用、例えば流体とＰＴＣセラミックまたは電気的接触層との間の化学反応を妨げる不動態層がある。
【００２２】
複数の実施形態が以下の図面に示されている。実施形態の説明は概略的である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＰＴＣセラミックを有する成形体の好ましい実施形態の断面図である。
【図２ａ】図１の実施形態における液体の予熱過程を示す図である。
【図２ｂ】図１の実施形態における液体の予熱過程を示す図である。
【図２ｃ】図１の実施形態における液体の予熱過程を示す図である。
【図３】円筒形でない形状と、１つより多い流体出口を有する実施形態の図である。
【図４】複数の流体チャネルを有する実施形態の内部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、流体チャネル２、流体入口３および流体出口４を有する成形体１を示す。成形体は３つの小区分に分けられることができる。流体入口３にある第１の小区分１０、流体出口４にある第２の小区分２０、そして第１の小区分と第２の小区分の間にある小区分１５である。この実施形態において、第１の小区分１０の断面は第２の小区分２０の断面よりも大きく、流体入口３は流体入口４よりも大きい。したがって、流体チャネル２を通って流れる流体の速さは第１の小区分においてより遅く、それによって成形体から流体への熱転移を改善する。
【００２５】
第１の小区分１０の内部表面は幾何学的な突出部５によって拡大される。この実施例では、幾何学的な突出部５はリブとして成形される。成形体１の内部表面がより広くなると、加熱システムはより効率的になる。それは、熱が成形体からそこを通って流れる流体へとより速く転移されることができるからである。リブは螺旋形であることができ、そして流体チャネル２を通って流れる流体は流れの軸のまわりを回転させられる。
【００２６】
成形体１は以下の組成式：ＡＢＯ３＋ＳｉＯ２のＰＴＣセラミックから射出成形される。ここで、ＡはＢａ８３．５４モル％、Ｃａ１３．５モル％、Ｓｒ２．５モル％、Ｙ０．４モル％からなり、ＢはＴｉ９９．９４モル％、Ｍｎ０．０６モル％からなる。Ｓｉの分量は両方の構成要素の合計に対して２モル％である。この組成は、例えばエタノール用の予熱システムのために使用されうる。いかなる金属不純物の濃度も１０ｐｐｍより小さい。
【００２７】
成形体１はその内部表面および外部表面上に電気伝導層を備える。内部表面はさらに不動態層６を備える。この不動態層６は例えば低融点ガラスまたは複合ナノラッカーを含んでもよい。複合ナノラッカーは以下の複合材料：ＳｉＯ２ポリアクリレート複合材料、ＳｉＯ２ポリエーテル複合材料、ＳｉＯ２シリコーン複合材料のうちの１つ以上を含む。
【００２８】
図２ａ〜図２ｃは、図１による成形体の実施形態における液体の予熱過程を示す。小区分２０の中央部の３つの断面図（左）および小区分１０の中央部の３つの断面図（右）が示される。小区分２０は２．５ｍｍの一定の外径および１ｍｍの一定の内径を有する。小区分１０は６ｍｍの一定の外径およびリブを除いて４．５ｍｍの一定の内径を有する。
【００２９】
予熱過程は液体が−４０℃の温度、成形体１が１０５℃（１００）の温度から始まる。図２ａは２秒後の、図２ｂは５秒後の、図２ｃは１０秒後の予熱過程を示す。すでに２秒後に（図２ａ）、リブ（５）の間の液体は最低でも５０℃（１１０）の温度を有する。小区分１０の中央部の中心における液体の温度はまだ−３５℃（１２０）である。５秒後（図２ｂ）、小区分２０の中央部の中心における流体は成形体それ自身の温度、１０５℃（１００）にほぼ到達している。１０秒後（図２ｃ）、小区分１０の中央部のリブ（５）の間の流体もまた１０５℃（１００）の温度に到達している。
【００３０】
図３は１つより多い流体入口３と１つより多い流体出口４を有するさらなる実施形態を示す。成形体は非円筒形の形態と、９つの流体入口３と、９つの流体出口４とを有する。このような実施形態の形状の利点は、小さい装置内で大きな量の流体を加熱することができることである。この実施形態は、燃料消費が多いトラックのエンジンのために用いられうる。
【００３１】
図４は複数の流体チャネル２、特に４つの流体チャネルを有する非円筒形形態の成形体の内部の図を概略的に示す。ここで、流体チャネル２は成形体１の長手方向全体にわたって狭まっていく。
【００３２】
成形体１は、例えばノズルを有する装置において用いられうる。そのような装置は、燃焼エンジン内の燃料を予熱するために用いられうる。燃料は予熱システムに入る前には低温であるにもかかわらず、予熱された燃料は、加熱効率のおかげで数秒のうちに良好な噴霧効果を確実にする。したがって、そのような装置は特に、燃料としてエタノールまたはメタノールを用いるエンジンの常温始動において役立つ。ノズルの近くに成形体１を配置することで、流体が所望の温度でノズルの噴霧端に達することを確実にする。エタノールの場合、この温度は満足のいく噴霧結果が得られるように１３℃より上でなければならない。いくつかの場合には、流体が流れの軸のまわりで回転しながらノズルに到達する場合、噴霧は改善されうる。したがって、流体がこのように回転させられるように、成形体１の内部表面が形成されうる。
【００３３】
成形体１は、好ましくは、弁およびノズルをさらに有する装置の要素を構成する。燃料は、燃料を噴霧するノズル中に弁によって投入される前に、成形体１によって予熱される。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2011506812.tif 000009
2011506812.tif 000010
2011506812.tif 000011