(57)【要約】  本発明は、突入電流が低減されたＰＴＣヒーターに関する。ヒーターは、ＰＴＣ材料で構成される基体を含む。ヒーターの２つの電極は、互いの距離が最短ではない対向する側に設けられる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＴＣ材料で構成され、長さＬ、幅Ｂ及び高さＨを有する基体（ＧＫ）と、
導電材料で構成される第１電極（ＥＬ１）及び第２電極（ＥＬ２）と、を有する、低減された突入電流を有するＰＴＣヒーター（ＨＺ）であって、
Ｌ、Ｂ及びＨに、Ｌ≧Ｂ≧Ｈが適用され、
前記電極（ＥＬ１、ＥＬ２）は、互いの距離ｄにｄ＞Ｈが適用されるように、前記基体（ＧＫ）に固定されるＰＴＣヒーター。
【請求項２】
Ｌ≧Ｂ＞Ｈが適用される請求項１に記載のＰＴＣヒーター。
【請求項３】
前記基体（ＧＫ）は、直方体、円柱体、薄膜又は楕円体形状を有する請求項１又は２に記載のＰＴＣヒーター。
【請求項４】
前記基体（ＧＫ）はドープされたＢａＴｉＯ３を有する請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項５】
前記基体（ＧＫ）は、Ｓｒ、Ｐｂ、及び／又は、Ｃａを含む請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項６】
前記基体（ＧＫ）は、希土類元素、Ｍｎ、Ｆｅ、及び／又は、Ａｌを含む請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項７】
２．５ｃｍ≦Ｌ≦５ｃｍ、１ｃｍ≦Ｂ≦４ｃｍ、及び１００μｍ≦Ｈが適用される請求項１〜６のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項８】
保持体（ＴＲ）をさらに含み、当該保持体に前記基体（ＧＫ）が設けられる請求項１〜７のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項９】
前記電極（ＥＬ１、ＥＬ２）は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、及び／又は、Ａｕを含む請求項１〜８のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項１０】
前記基体（ＧＫ）の一方の側面に位置する誘電体層（ＩＳ）をさらに有する請求項１〜９のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項１１】
前記誘電体層（ＩＳ）は酸化物セラミックスを含む請求項１〜１０のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【請求項１２】
前記基体（ＧＫ）に接続されると共に、基体（ＧＫ）で放散された熱を周囲に放出するための冷却体（ＫＫ）をさらに含む請求項１〜１１のいずれかに記載のＰＴＣヒーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、突入電流が低減されたＰＴＣヒーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＴＣヒーターは、ＰＴＣ（ＰＴＣ＝Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ＝正温度係数）材料で構成される変換素子を有し、即ち、ＰＴＣ材料の抵抗は、温度の上昇に伴い大きくなり、このようなヒーターは、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するために用いられることができる。
【０００３】
既知のＰＴＣヒーターでは、ＰＴＣ材料は、比較的薄い層に含まれる。この薄い層は２つの電極の間に設けられる。電流は、一方の電極からＰＴＣ材料を通り他方の電極に流れ、エネルギーをＰＴＣ材料に蓄積させ、当該エネルギーは熱エネルギーに変換される。ここで、電極のうち少なくとも一方は、通常、結合素子でもあり、ＰＴＣ材料は、当該結合素子により外部と熱結合する。このため、この電極は、生じた熱を周囲に排出するために用いられる。また、電極間の距離をできるだけ小さくすることで、ＰＴＣ材料は、所定の体積で、電極の表面、さらにエネルギーを周囲に放出するための表面を比較的大きくする。ＰＴＣ材料の厚みが小さいので、ヒーターの熱抵抗は低い。
【０００４】
しかし、このようなＰＴＣヒーターの特徴は、突入電流が比較的高いことであり、さらに、降伏電圧が比較的小さいことである。また、これらの電気パラメータは、ヒーターの製造期間のプロセス変動と大きく関連する。それに応じて、ヒーターの製造中の不良率をできるだけ低いレベルに維持するために、高い製造コストをかける必要がある。
【発明の概要】
【０００５】
したがって、ＰＴＣヒーターに対して、突入電流が小さくなり、降伏電圧が高くなり、ヒーターの品質と製造期間のパラメータ変動との関連性が小さくなることが望まれる。
【０００６】
独立項である請求項１には、上記要望に応じて改善されたＰＴＣヒーターが開示されている。従属項には、有益な実施形態が開示されている。
【０００７】
ＰＴＣヒーターは、長さＬ、幅Ｂ及び高さＨを有する基体を有する。当該基体は、ＰＴＣ材料、即ち正温度係数を有する材料で構成される。当該ＰＴＣ材料の比抵抗は温度の上昇に伴い大きくなる。当該ＰＴＣヒーターは、第１電極及び第２電極をさらに有する。これらの２つの電極は、導電材料で構成される。長さ、幅及び高さに、Ｌ≧Ｂ≧Ｈが適用される。即ち、所定の形状を有する基体について、長さ、幅及び高さの計測時には、幅≧高さ、長さ≧幅とするように計測方向を互いに合わせる。また、長さは、当該基体の２つのポイントの間の取り得る最大の距離である。電極は、その距離ｄに、ｄ＞Ｈが適用されるように、基体に固定される。
【０００８】
即ち、電極がヒーターの高さより大きい距離だけ互いに離間しているＰＴＣヒーターを提供する。長さ、幅、高さの３つのサイズのうち、高さは最小の値を有する。このため、扁平な基体の場合、基体の高さは略その厚みである。したがって、電極の距離が基体の厚みに等しくないことは、電極はヒーターの対向する「大面積かつ扁平な」側面に設けられていないという事実に相当する。
【０００９】
既知のＰＴＣヒーターでは、基体の形状及び電極の位置は、基体を通るできるだけ短い経路を電流が流れるように選択されるが、現在、電極は、電流が別の経路を流れるように設けることが求められている。ＰＴＣヒーターのＰＴＣ材料は、著しい電圧依存抵抗特性を備えるバリスタ材料であってもよい。この場合に、比抵抗は印加される電圧に関連する。このような材料は、伝統的なＰＴＣヒーターに応用されてもよい。このような材料には、焼結されたセラミックス成分を含んでもよい。ＰＴＣ材料の総抵抗は、焼結されたセラミックス成分の体積に対応する抵抗と、焼結されたセラミックス成分の粒界に対応する抵抗比率との和に等しい。粒界には、電流のキャリア、例えば自由電子が拡散し隣接する領域に入ることを防止するように自由電子をブロックする電気障壁が形成される。比較的高い動作電圧を有するＰＴＣヒーターの場合に、これらの障壁を対応的に高く設計する必要がある。これによって、総抵抗のうち粒界によるものの比率が大きくなる。このようなＰＴＣヒーターの抵抗は、印加される電圧と明らかに関連するものである。（特に電源投入操作において）高い動作電圧が印加されると、障壁の高さは、電圧依存抵抗特性によって小さくなり、ヒーターの抵抗は著しく小さくなる。しかし、ヒーターの温度は比較的低いままである。よって、突入電流は非常に高い。突入電流が高いと、ヒーターの回路における電気又は電子回路素子に対して悪影響を与える。
【００１０】
非線形特性は、電圧の上昇又は電界強度の増加に伴い大きくなるものである。一定電圧下で、電極の距離が大きくなり、さらにバリスタ材料の内部の電界強度が小さくなるので、非線形効果が低下する。伝統的なＰＴＣヒーターとは異なり、電極の位置の移動によって、抵抗のばらつきを低減する。デバイスの総導電能力の変動はそれに応じて小さくなる。それに対応して、ＰＴＣ材料の抵抗と製造期間のばらつき又は変化との関連性が小さくなり、また、要求される規格を満たさないＰＴＣヒーターの不良品はさらに少なくなる。
【００１１】
ヒーターの電極は、平面状基体の互いに近接する大きい表面ではなく、間隔のより遠い基体の末端に位置するので、特にヒーターの総抵抗が同じ場合に、突入電流が小さくなる。降伏電圧が高くなり、製造中の変動に対する感受性が小さくなる。所定の電圧下で、電界の強度は、電極の距離と反比例関係にあることもそれに寄与する。ＰＴＣヒーターの材料における電界が小さくなることによって、例えば粒界における非線形効果も同様に低減される。
【００１２】
長さ、幅及び高さに、Ｌ≧Ｂ＞Ｈ、即ち、幅が実質的に高さよりも大きいという形態を採用してもよい。
【００１３】
基体は、直方体、円柱体、薄膜又は楕円体の形状を有してもよい。基体が直方体形状、例えば非常に扁平な直方体形状を有すれば、最短の距離を有する対向する面は、完全に排熱に用いられることができる。しかし、直方体のこれらの側面は、基本的には電流輸送に用いられる側面ではない。
【００１４】
ひいては、基体は、当該基体が実質的に薄膜になるような扁平な設計を採用してもよい。しかし、この場合、電流は厚み方向に沿って薄膜を通って流れるのではなく、薄膜の一端から他端へ流れるのと同様であるが、薄膜の一方側から、薄膜が密着して隣接する他方側へは流れていない。
【００１５】
基体は、ドープされたＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）を含んでもよい。ただし、チタン酸バリウムは、ヒーターのＰＴＣ材料の出発材料である。チタン酸バリウムは、ストロンチウム、鉛、及び／又は、カルシウムといった他の元素を含んでもよい。ストロンチウムを添加することで、材料のキュリー温度を低くすることができる。鉛を添加することで、キュリー温度を高くすることができる。
【００１６】
ＰＴＣ材料の出発材料は、希土類、例えばスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、及び／又はルテチウムの添加、及び／又は、マンガン、鉄又はアルミニウムの添加によって最適化されることができる。これらの元素を添加することで、室温での開始抵抗値を調節することができる。
【００１７】
ＰＴＣヒーター、及び／又は、基体の長さは、２．５ｃｍ以上又は３．５ｃｍ以上であってもよい。最大の長さは、５ｃｍ以下であってもよい。ＰＴＣヒーター又は基体は、１ｃｍ以上４ｃｍ以下の幅を有してもよい。高さは１００μｍ以上であってもよい。４ｍｍ又は５ｍｍの高さを採用してもよい。
【００１８】
ＰＴＣヒーターは、保持体を有してもよい。基体は当該保持体上に設けられる。
【００１９】
特に、基体を薄膜として構成する場合に、保持体は、ＰＴＣヒーターに安定した形状を付与するために用いられる。また、保持体は、基体で放散されたエネルギーの周囲への放出にも寄与する。
【００２０】
電極は、クロム、ニッケル、チタニウム、アルミニウム、銀、銅、及び／又は、金を含んでもよい。
【００２１】
好ましくは、電極は、できるだけ小さい抵抗を有する。
【００２２】
電極は、クランプ電極として構成され、対応する末端において基体にクランプされることができる。
【００２３】
基体は、一つ又は複数の側面に誘電体層を有してもよい。
【００２４】
誘電体層は、電気的絶縁性を有しており、従来のヒーターでは電極の取り付けに用いられる面積の大きい側面を介して、放散された熱を放出する必要がある場合に、従来のヒーターの構造とは異なるので、当該誘電体層は必要なものである。
【００２５】
誘電体層は、酸化物セラミックス、例えば酸化アルミニウム（例えばＡｌ２Ｏ３）、酸化クロム又は酸化ニッケルに基づくものを有してもよい。
【００２６】
ＰＴＣヒーターは冷却体を有してもよい。当該冷却体は基体に接続されてもよい。当該冷却体は、基体で放散された熱を周囲に放出するのに好適である。
【００２７】
伝統的なＰＴＣヒーターでは、ＰＴＣ材料は、電極間の直接の短絡を防止する素子である。キャリアは、一方の電極から他方の電極への経路において薄い基体を通り、エネルギーを基体に蓄積させる必要がある。
【００２８】
電極が基体の縦方向の末端に位置し、基体の側辺に金属で構成された一つ又は複数の冷却体が設けられていると、冷却体は、電極に直接接続されない場合であっても、キャリアにとって一方の電極から他方の電極への好ましい電流経路になり得る。この場合に、電流は、第１セクターにおいて一方の電極から基体の一部を通り冷却体の一端に流れ込む。電流は、冷却体を通るが、ＰＴＣ材料中の長い経路を通らない。冷却体の他端において、電流は、基体の最後のセグメントを通り第２電極に流れる。
【００２９】
このような状況を回避するために、絶縁層としての誘電体層は、冷却体と電極、及び電極に接続される基体とを電気的に隔離するために用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
本発明のＰＴＣヒーターの核心とする特徴、本発明を制限しないいくつかの実施例の機能原理と詳細は、模式的な図面において詳細に説明されるものである。
【００３１】
【図１】図１は、ヒーターの透視図である。
【図２】図２は、長さ、幅、高さの概念の意味を示す図である。
【図３】図３は、電極の別の配置形態を示す図である。
【図４】図４は、既知の短い電流経路を有するヒーターを示す図である。
【図５】図５は、ヒーターの横断面図である。
【図６】図６は、別の電極形状を有するヒーターの横断面図である。
【図７】図７は、１つの絶縁層を有するヒーターの横断面図である。
【図８】図８は、２つの絶縁層を有するヒーターの横断面図である。
【図９】図９は、電極が基体の同一の面に設けられている形態を示す図である。
【図１０】図１０は、放熱を改善するために冷却体が設けられている形態を示す図である。
【図１１】図１１は、基体が保持体に設けられている形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、基本的な実施形態を示し、ヒーターＨＺは、第１電極ＥＬ１と第２電極ＥＬ２との間に設けられる基体ＧＫを含む。矢印は、電流の流れの可能な方向を示す。図１では、基体ＧＫは、例えば直方体の形状を有する。電極は、基体の末端に設けられ、これらの末端は、最短の距離を有する末端ではない。したがって、電流の経路が比較的長くなる。このようにすれば、基体における電界強度が小さくなり、電流が通らなければならない粒界の数が多くなる。
【００３３】
図２は、基体についての長さ、幅及び高さの概念の意味を示す。ここで、長さは、概ね基体ＧＫの対向する末端、セグメント又は面の取り得る最大の距離である。高さは、基体の対向する面、側、末端又はセグメントの取り得る最短の距離のサイズである。
【００３４】
基体の形状は、直方体又は直方体に類似した形状に制限されるものではない。長さ、幅及び高さがＬ≧Ｂ≧Ｈという関係を満たす形状であればよい。
【００３５】
図３は、基体が２つの電極間に位置し、電極間の距離は取り得る最大の距離ではない、配置形態を示す。ただし、既知のＰＴＣヒーターの上記欠陥を回避するために、電極同士の距離は、互いに取り得る最短の距離ではないことに注意されたい。
【００３６】
図４は、通常のＰＴＣヒーターの典型的な幾何的形状を示す。電極ＥＬ１、ＥＬ２は、電流が採用すべき経路（矢印）をできるだけ小さくするように、電極間に位置する基体に対して設けられる。この場合、電極自体は、面積ができるだけ大きい設計が採用可能であり、熱橋としても用いられ、周囲への良好な放熱を実現するために用いられる。
【００３７】
図５は、電極ＥＬ１、ＥＬ２の採用可能な形状を示す。また、電極の材料は、基体ＧＫの対向する末端の互いに反対の側面を覆っている。
【００３８】
図６は、電極の形状の別の実施態様を示す。これらの電極は、対向する端面のみに設けられることに制限されない。正確には、電極は、当該電極が基体の側面に当接している縁部からある程度延出する。電極は、クランプ電極として構成される場合、基体ＧＫの材料に比較的容易に固定でき、比較的安定した機械的接触を有する。電極の材料と基体の材料との境界領域において、抵抗もそれに応じて低くなる。
【００３９】
図７は、誘電体層を絶縁層ＩＳとして基体の少なくとも一方側に設けた形態を示す。
【００４０】
図８に示すように、互いにできるだけ小さい距離を有する２つの対向する面は、自身の備える絶縁層ＩＳによって被覆可能である。また、基体ＧＫにおける一点から基体の周囲への経路は、常に、絶縁層が設けられている側面を通る。それは、これらの側面が、まさに厚みを小さくして大面積となるように設計された側面であるからである。それに対応して、これらの面によって、放散された熱を良好に排出することができる。
【００４１】
一方の電極から他方の電極への電流も、基体ＧＫの周囲を通る抵抗のより小さい経路ではなく、実質的に基体ＧＫを通る経路をとるようにするために、基体ＧＫは、少なくとも外部との境界領域内において誘電体層によって絶縁される。
【００４２】
ただし、絶縁層を基体の片側のみ（図７に示す）に設けるか、又は基体の両側（図８に示す）に設けるかは、基体、及び／又は、ＰＴＣヒーターの外部環境による。
【００４３】
図９における透視図に例示的に示すように、基体の形状は、直方体に制限されるものではない。高さの低い円柱体、即ち円形プレートを採用してもよいが、他の形状、例えば平面視楕円形であるプレートを採用してもよい。
【００４４】
また、図９においてはさらに、電極は、所定の距離を隔てた基体の末端に設けられる必要があることが示されている。重要なのは、基体の面ではなく、電極の距離であるので、２つの電極が基体の同一の面に設けられても、提示したＰＴＣヒーターの上記の利点を実現することができる。
【００４５】
図１０は、冷却体ＫＫと基体ＧＫとを熱接触させる形態を示す。電極間の電流が冷却体ＫＫを通って流れることを防止するために、この冷却体は、誘電絶縁層ＩＳによって電気システムと電気的に隔離されることが好ましい。ただし、冷却体と絶縁層は、ＰＴＣヒーターの面積の大きい両側の一方に設けられても、両方に設けられてもよい。冷却体は、大きい表面を有し、例えば冷却フィンによって構成され、熱気流の抵抗を低いレベルに保つことが好ましい。
【００４６】
図１１は、基体が保持体ＴＲに設けられた形態を示す。
【００４７】
基体の上記配置によって、基体を薄膜として構成でき、薄膜を採用する場合であっても、十分な機械安定性を得るために、薄膜は保持体ＴＲに設けられ、それと接続されることができる。一方では保持体ＴＲによって、他方では冷却体によって、熱を周囲に放出することができる。
【００４８】
保持体ＴＲ又は冷却体ＫＫにおいて、さらにチャンバーを追加的に設けてもよく、該チャンバー内には高い比熱容量を有する液体、例えば冷却水を流すことができ、それによって放熱を改善するとともに、より高い熱出力の範囲を実現することができる。
【００４９】
また、熱出力の範囲は、数ワット（例えば２Ｗ）〜数百ワット（例えば３００Ｗ）の間にあってもよい。
【００５０】
また、典型的な電力は、約５０Ｗ、１００Ｗ、１５０Ｗ又は２００Ｗである。
【００５１】
対応するＰＴＣヒーターは、１００％に近い効率を有する。
【００５２】
上記ＰＴＣヒーターは、上述した特徴又は開示された実施例に制限されるものではない。ヒーターは、他の回路素子、センサー、熱結合素子又はそれらに類似したものを有してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
Ｂ  幅
ＥＬ１、ＥＬ２  電極
ＧＫ  基体
Ｈ  高さ
ＨＺ  ＰＴＣヒーター
ＩＳ  誘電絶縁層
ＫＫ  冷却体
Ｌ  長さ
ＴＲ  保持体
【図１】
2020506549.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020506549.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020506549.tif 000011
【図１０】
2020506549.tif 000012
【図１１】
2020506549.tif 000013
【国際調査報告】
2020506549.tif 000014
2020506549.tif 000015
2020506549.tif 000016
2020506549.tif 000017
2020506549.tif 000018
2020506549.tif 000019