JP2011527494A - 加熱装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

加熱装置及び加熱装置を製造する方法が明記される。加熱装置は、媒体の案内に適し且つ外面を有したパイプ（１０）と、このパイプ（１０）の外面上における少なくとも１つの射出成形の成形体（２０）とを備える。成形体（２０）は電気抵抗に関し、正の抵抗温度係数を有した材料を含み且つパイプ（１０）の外面に適合している。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、加熱装置及びその製造方法に関する。

例えば流体等の媒体は、電気抵抗に関して正の抵抗温度係数を有する材料（ＰＴＣ材料）との熱接触を介して加熱可能である。

従来、ＰＴＣ材料はディスク又は矩形の要素として成形可能である。媒体がＰＴＣ材料に直接に接触しないなら、媒体は容器、即ち、ハウジング内に置かれる。ハウジングが湾曲した面を有するなら、ＰＴＣ材料とハウジングとの間の接触面積は減少される。ＰＴＣ材料とハウジングとの間の小さな接触面積は、体積に対する表面積の比が不利となり、効率を低くする。現在まで、例えば流体を流す丸いパイプは低効率のＰＴＣ材料を介して加熱されている。
達成されるべき１つの目的は、高効率を有した加熱装置を提供することにある。

この目的は請求項１の加熱装置によって達成される。他の請求項は加熱装置の他の実施例や、その加熱装置を製造する方法に関する。
１つの実施例によれば、加熱装置が提供され、この加熱装置は外面を有し、媒体の案内に適したパイプと、このパイプの外面上における少なくとも１つの射出成形の成形体とを備えている。この場合、成形体はその形態に関してパイプの外面に適合し、電気抵抗に関して正の抵抗温度係数を有する材料を含む。

それ故、例えば連続流のヒータとして使用可能な加熱装置が提供され、この加熱装置はパイプを通じて案内される媒体を効率良く加熱する。成形体に電圧が印加される結果、成形体はその正の抵抗温度係数のために加熱され、この熱をパイプに放出することができる。成形体の温度が臨界値に達するなら、成形体の抵抗は上昇し、成形体を通じて流れる電流が減少する。従って、成形体の更なる加熱は阻止され、この結果、加熱パワーの付加的な電気的規制を必要としない。この加熱装置によれは、パイプを通じて案内される媒体は成形体によって間接的に加熱可能である。

射出成形の成形体を使用することは、通常の加熱装置と比較して、加熱装置の効率を改善させることができる。何故なら、外面の形態に拘わらず、パイプは広い領域に亘って成形体と熱的に接触し、従って、体積に対する表面積の比が有利になる。
更にまた、パイプによって案内され且つ加熱されるべき媒体と成形体との間に直接的な接触はない。従って、加熱されるべき媒体による成形体の腐食や溶解及び／又はその媒体による成形体の材料の汚染を阻止可能となる。

更にまた、加熱装置のパイプは、少なくとも部分的領域に湾曲した外面を有することができる。それ故、円筒状のパイプや断面楕円のパイプ、更にはその湾曲が曲げによって中断された対称又は非対称の所望形状のパイプ使用が可能となる。

異なる幾何学的形状のパイプの使用は、パイプの外面に適合した射出成形の成形体を使用することで可能となる。更にまた、パイプは所望の長さ、例えば５〜１０ｃｍの長さを有することができ、このパイプに対して射出成形の成形体が適合される。円筒形が選択されるなら、パイプの直径は所望通りに、例えば５ｍｍまでのサイズで選択される。パイプはその機械的強度を確保すべく選択された壁厚を有することができ、成形体の熱はパイプの壁を介して確実に伝達される。例えば、壁厚は１ｍｍ又は１／２ｍｍよりも薄くできる。パイプの直径に対するパイプの長さの比は、パイプを流れる媒体の通過時間がパイプの内面近傍やパイプの中心にて媒体を均一に加熱するうえで十分に長くなるように選択可能である。

パイプは高い熱伝導の材料を含むことができる。この材料は、金属又は電気絶縁材料のグループから選択可能である。電気絶縁材料は同時に高い熱伝導性を有する。例えば、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムがパイプの材料として選択可能である。パイプのために金属に代えて電気絶縁材料が選択されるならば、例えば電力供給系の電圧に好適したものとする場合、電位伝達(potential-carrying)媒体を避けるために電気絶縁を達成可能となる。パイプの材料としての酸化アルミニウムの使用は高い熱伝導パイプを得、このパイプは酸や塩基に対して不活性であり、また、汚染されてはならない媒体、つまり、食品に対して適合する。

少なくもと１つの成形体及びパイプは互いに熱的に接触可能である。更にまた、パイプと少なくとも１つの成形体との間に熱伝導ペーストを配置することができる。両者の場合、パイプと成形体との間に良好な熱的接触が確保され、成形体とパイプとの間での熱移動は最適化される。熱移動は、射出成形によるパイプに適合した成形体の形態により更に改善される。何故なら、この場合、成形体とパイプとの間に広い熱的接触が提供される。

パイプと成形体との間の接続は弾性的にしっかりとした組み合うものとすることができる。パイプと成形体との間の弾性的な接続を得るため、パイプと成形体との間に熱伝導ペーストが配置されている。熱伝導ペーストのためにはポリマ中に粒子が組み込まれた材料を選択可能である。例えば、粒子は熱伝導金属粒子又は酸化アルミニウム粒子を含むことができる。このような粒子はパイプと成形体との間に配置されたペーストに良好な熱伝導を提供する。

パイプと成形体との間の弾性的な接続は、加熱処理過程での温度変化中に生じるパイプ及び／又は成形体における容積変化の可能性を補償し、これにより、パイプと成形体との間の機械的ストレス及び／又はパイプ又は成形体のストレスクラックが回避される。

更にまた、少なくとも１つの成形体は長手方向に延びることができる。従って、成形体は長手方向の延長部を有する。それ故、成形体がパイプの延長部に適合しているので、パイプは少なくとも１つの成形体により、その長手軸線に沿って完全又は少なくとも広い領域に亘って囲繞され得る。この結果、パイプの広い領域は成形体によって熱的に接触され、成形体に電圧が印加されたとき加熱される。

成形体はクランプ又は接着剤を介してパイプに固定可能である。接着剤が使用されるとき、成形体、パイプ又は接着剤における材料の体積変化に起因する熱誘発のストレスクラックを回避するため、プラスチック接着接続を選択可能である。更にまた、クランプ及び接着剤は同時に、パイプに対して成形体を固定するのにも使用可能である。

接着剤はパイプと成形体との間に配置することができる。接着剤はパイプ上又は成形体の内面に取り付け可能である。
接着剤は、エポキシ類、ポリアミド類及びシリコン類ベースの接着剤のグループから選択された材料を含むことができる。更に、これら材料は、銀及び／又はニッケル及び／又は酸化アルミニウムの粉末を含むことができ、これら粉末は接着剤の熱伝導を改善する。

パイプは円筒状の外面を有することができ、少なくとも１つの成形体はその外面にしっかりと組み合うように適合されている。このような適合はパイプと成形体との間のエアギャップを減少させ、パイプと成形体との間の良好な熱的接触が提供される。

更にまた、パイプの外面上には、パイプの周方向に沿い複数の成形体を配置可能である。この結果、一例として、円筒状パイプの両側にハーフシェル形の成形体を配置可能である。更にまた、パイプの四半分や、更に小さな部分領域を対応した成形体で覆うこともでき、従って、互い結合して並ぶ複数の成形体はパイプを周方向に覆うことができる。また、長いパイが成形体によって覆われるように、成形体はパイプ上にてその長手方向の前後に配置することもできる。

更にまた、複数のパイプは互いに平行にして並列的に配置でき、これらパイプは成形体によって囲繞可能である。この場合、平行に配置されたパイプに適合した単一の成形体、又は、多数のパイプを個々に囲繞するように構成された複数の成形体の一体化構を考えることできる。一例として、相互に結合されたハーフシェルを成形体として構成でき、一方のハーフシェル内にパイプがそれぞれ配置され、そして、他方のハープシェルがパイプの他方側に配置され、一方のハーフシェル上に配置される。代替的には、成形体によって囲繞された個々のパイプを並列に配置可能である。

パイプは流体の案内に適したものにできる。従って、パイプを通じて案内される流体はパイプ内にて加熱可能である。流体はガス及び液体、例えば水を含むことができる。同様に、ゲル又は粉体もパイプを通じて案内され得る。

成形体は電流の流れを発生させるため、電気的な接触接続を有することができる。この場合、接触接続は成形体に取り付けられた電極や接点要素を含み、この接点要素は電極や外部の電気接点に対して電気的に接続可能である。２つの電極を形成するため、一例として、成形体の内面及び外面に金属被膜を形成することができる。内側の金属被膜は第１電極を構成し、外側接点に接点要素、例えば角形の接待プレートを介して電気的に接続可能である。この目的のため、成形体には接点プレートを配置するための切欠が設けられている。接点プレートは、パイプの端側面又は成形体の端側面にて、パイプと成形体との間の内部空間から導き出すことができる。他方の金属被膜は第２電極を構成し、例えばパイプの外側に固定されたクランプによって電気的な接触接続が可能である。

パイプに２つ以上の成形体が配置されているならば、個々の成形体は金属被膜付き端側面を有することができる。個々の金属被膜付き端側面は接点要素に対して電気的な接触接続が可能である。更にまた、パイプに適合した単一の成形体の端側面もまた金属被膜で覆われ、接点要素を介して接触接続される。

成形体は０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲から選択された壁厚を有することができる。成形体の壁厚は、電極の外形や電極に印加される電圧に依存して選択される。更にまた、成形体の壁厚は成形体に取り付けられた電極間の距離に依存して選択可能である。従って、成形体のオーム抵抗を電極の配置や外形、そして、成形体の壁厚に依存して設定することができる。

一例として、電力供給系の電圧に好適したものとする場合、電極間の距離は２ｍｍにすることができる。また、電極間の距離はパイプのサイズに依存して大きくすることができる。
電極が成形体の端側面に取り付けられ、そして、２ｍｍの距離を有していれば、例えば、成形体の壁厚は０．２ｍｍとすることができる。

更にまた、加熱装置は、プラスチックの射出成形ハウジングを有することができ、このハウジングは加熱装置を断熱する。パイプはその端に、案内且つ加熱されるべき媒体のライン系統との接続に適した領域を有することができる。これら領域は例えば高融点の半田で半田付けされた金属リングを含み、これら金属リングは加熱装置とライン系統との間を密封接続する。

加熱装置の成形体はセラミック材料を含み、このセラミック材料はＢａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３の構造を有する。この構造は灰チタン石構造を含む。この場合、Xは０〜０．５の範囲を含み、Yは０〜０．０１の範囲を含み、ａは０〜０．０１の範囲を含み、ｂは０〜０．０１の範囲を含み、Ｍは２価の陽イオンを含み、Ｄは３価又は４価のドナーを含み、Ｎは５価又は６価の陽イオンを含む。Ｍは例えばカルシウム、ストロンチウム又は鉛であり、Ｄは例えば、イットリウム又はランタンである。Ｎの例はニオブ又はアンチモンである。成形体は１０ｐｐｍよりも少ない含有量にて金属不純物を含むことができる。金属不純物の含有量は成形体のＰＴＣ特性が影響されない程度に低い。

前記材料は−３０℃〜３４０℃の範囲のキュリー温度を有する。更にまた、成形体の材料は２５℃にて、３Ωｃｍ〜３００００Ωｃｍの範囲の抵抗を有する。
更にまた、上述の特性を有する加熱装置を製造する方法が提供される。この方法は、
Ａ）外面を有するパイプ（１０）を準備し、
Ｂ）前記パイプ（１０）の外面に合致する形状を有した少なくとも１つの成形体（２０）を射出成形し、
Ｃ）前記成形体（２０）を焼結し、
Ｄ）前記成形体（２０）に電極（３０）を配置し、
Ｅ）少なくとも１つの前記成形体（２０）及び前記パイプ（１０）を組付け且つ固定する、Ａ）〜Ｅ）の工程を備える。

この場合、Ｂ）の工程において、成形体はその収縮を考慮してパイプの外面に適合される。成形体における体積の収縮は、Ｃ）の工程中、成形体の材料の成分に依存して生じることがある。それ故、Ｂ）の工程において、成形体は射出成形され、焼結の前には、成形体が適合されるパイプにとっては大き過ぎる形態をなし、焼結後、パイプに適合される。

従って、成形体を射出成形することで、成形体が提供されたパイプに適合し、パイプと成形体との間に広い熱的な接触を確保する方法が提供される。個々に製造して提供される部分、つまり、パイプ及び少なくとも１つの成形体はクランプ又は接着剤を介して互いに固定可能である。

更にまた、Ｂ）の工程においては、成形体の製造にセラミック出発材料が提供され、このセラミック出発材料はセラミック充填材料を含み、この充填材料は、Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３の構造及び母材を有する。
１０ｐｐｍよりも少ない金属不純物のセラミック出発材料を製造するため、セラミック出発材料はツールを使用して製造される。このツールは摩耗を避けるために硬化被膜を有する。硬化被膜は例えばタングステンカーバイトからなる。セラミック材料に接触するツールの全面は硬化被膜で覆うことができる。

このように焼結によってセラミックＰＴＣ材料に変換可能なセラミック充填材料は、母材と混合され、粒状体を形成すべく処理される。この粒状体は成形体を形成するために射出成形される。
セラミック充填材料が組み込まれる母材はセクラミック材料よりも低い溶融点を有し、この場合、セラミック材料に対して２０質量％よりも少ない割合を有する。母材はワッスク、樹脂、熱可塑性物質及び水溶性ポリマのグループから選択された材料を含むことができる。更に、材料は抗酸化剤又は可塑剤等の添加物もまた同様に含むことができる。

Ｂ）の工程は、
Ｂ１)セラミック出発材料を準備し、
Ｂ２）前記出発材料を型内にて射出成形し、
Ｂ３）母材を取り除く、Ｂ１)〜Ｂ３）の工程を含む。
Ｃ）の工程での焼結中、セラミック出発材料は正の電気抵抗温度整数を有した成形体の材料に変換される。
上述の主題は図面及び実施例に基づいてより詳細に説明される。

第１実施例の加熱装置の概略端面図を示す。 第１実施例の加熱装置の概略斜視図を示す。 第２実施例の加熱装置の概略端面図を示す。 第２実施例の加熱装置の概略斜視図を示す。 第３実施例の加熱装置の概略端面図を示す。

図１ａは、第１実施例の加熱装置の概略端面図を示す。パイプ１０は熱伝導ペースト４０で囲繞され、この熱伝導ペースト４０上に２つのハーフシェル形の成形体２０が配置されている。パイプ１０は円筒状をなし、このパイプ１０に対して成形体２０はしっかりと組み合うように適合されている。熱伝導ペースト４０はポリマを含み、このポリマには熱伝導粒子が組み込まれている。パイプ１０は熱伝導材料、例えば酸化アルミニウムからなる。成形体２０は電気抵抗に関して、正の抵抗温度係数を有し、Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３の構造を有した材料を含む。

成形体２０の端側面には電極３０が設けられ、これら電極３０は接点要素５０を介して外部との電気的な接触接続が可能である。成形体２０はクランプ６０によってパイプ１０に固定されている。代替又は付加的に、成形体２０は接着剤（図示せず）によってパイプ１０に固定することもできる。パイプ１０内には媒体を案内することができ、この媒体は電圧が印加されたとき、成形体２０のＰＴＣ効果により間接的に加熱可能である。電気的な接触接続の結果、加熱プロセスは成形体２０内に電流の流れが発生されると直ちに開始する。

図１ｂは図１ａの実施例の概略斜視図を示す。ここでは、成形体２０がクランプ６０及び電気的な接点要素５０とともに示されている。更に、パイプ１０には露出領域が設けられ、これら露出領域は媒体を案内するライン系統に接続可能である。

図２ａは、第２実施例の加熱装置の概略端面図を示す。パイプ１０上には熱伝導ペースト４０が同様に配置されている。この熱伝導ペースト４０上には２つのハーフシェル形の成形体２０が設けられている。ここで、成形体２０の内面及び外面には金属被膜が形成されている。この場合、これら金属被膜は電極を構成する。成形体２０の外面の金属被膜、即ち、外側電極３０ａはクランプ６０の切欠を通じ、外部に対して電気的に接触接続されている。同様に、内側電極３０ｂは接点要素によって外部に対し、接触接続可能であり、例えば、接点要素は角形接点プレート（図示しない）である。

図２ｂは、図２ａの実施例の概略斜視図を示す。ここには、外側及び内側電極３０ａ，３０ｂに接触する接点要素５０が明示されている。電気接続はパイプ１０における端の側面にてなされている。
図１，２の電極の異なる実施例の結果、成形体内での電流の流れ方向は異なる。図１の実施例では、成形体２０を流れる電流の流れはパイプ１０の外面と平行に走り、これに対し、図２の実施例での電流の流れはパイプ１０の外面とは直交する方向に走る。特に図１の実施例は成形体の厚みが薄くとも高い加熱パワーを達成する

図３は、第３実施例の加熱装置の端面を示す。ここでは、３つのパイプ１０の各々が熱伝導ペースト４０によって囲繞され、これらパイプ１０は互いに平行にして並列に配置されている。平行に配置されたパイプ１０に対して、２つの成形体２０がしっかりと組み合うべく適合され、これら成形体２０はパイプ１０の２つの側面に配置されている。成形体２０の接触接続は図１又は図２の実施例と同様にしてなすことができる。図３は一例として、電極３０を示し、これら電極３０は成形体２０の端側面に設けられている。簡略化を図るため、図３には、成形体との電気接続をなす接点要素５０や、パイプ１０に成形体２０を固定するクランプ６０は示されていない。

図示された実施例は所望の通りに変形可能である。更にまた、本発明は実施例に制約されるものではなく、ここでは提示されていないものの他の態様も可能である。

１０ パイプ
２０ 成形体
３０ 電極
３０ａ 外側電極
３０ｂ 内側電極
４０ ペースト
５０ 接点要素
６０ クランプ

Claims (15)

1. 外面を有し、媒体の案内に適したパイプ（１０）と、
   前記パイプ（１０）の外面に設けられ、電気抵抗に関して正の抵抗温度係数を有する材料を含み且つ前記パイプ（１０）の外面に適合する少なくとも１つの射出成形の成形体（２０）と
   を備えることを特徴とする加熱装置。
2. 前記パイプ（１０）の外面は少なくとも部分的領域に湾曲を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記パイプ（１０）は高い熱伝導材料を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱装置。
4. 少なくとも１つの前記成形体（２０）及び前記パイプ（１０）は互いに熱的に接触していることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の加熱装置。
5. 前記パイプ（１０）と少なくとも１つの前記成形体（２０）との間に熱伝導ペーストが配置されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の加熱装置。
6. 少なくもと１つの前記成形体（２０）は長手方向の延長部を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の加熱装置。
7. 前記成形体（２０）は、クランプ（６０）又は接着剤を介して前記パイプ（１０）に固定されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の加熱装置。
8. 前記パイプ（１０）は円筒状の外面を有し、少なくとも１つの前記成形体（２０）は前記外面にしっかりと組み合うべく適合していることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の加熱装置。
9. 前記パイプ（１０）の外面にはパイプ（１０）の周方向に沿って複数の成形体（２０）が配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の加熱装置。
10. 前記パイプ（１０）は流体の案内に適していることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の加熱装置。
11. 前記成形体（２０）は電流の流れを発生させる電気的な接触接続（５０）を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の加熱装置。
12. 少なくとも１つの前記成形体（２０）はセラミック材料を含み、このセラミック材料はＢａ_{１−ｘ−ｙ}Ｍ_ｘＤ_ｙＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＭｎ_ｂＯ_３の構造を有し、ここで、Xは０〜０．５、Yは０〜０．０１、ａは０〜０．０１、ｂは０〜０．０１、Ｍは２価の陽イオンを含み、Ｄは３価又は４価のドナーを含み、Ｎは５価又は６価の陽イオンを含むことを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の加熱装置。
13. 少なくとも１つの前記成形体（２０）は−３０℃〜３４０℃の範囲のキュリー温度を有することを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の加熱装置。
14. 少なくとも１つの前記成形体（２０）は２５℃にて、３Ωｃｍ〜３００００Ωｃｍの範囲の抵抗を有することを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載の加熱装置。
15. 請求項１〜１４の何れかの加熱装置を製造する方法であって、
    Ａ）外面を有するパイプ（１０）を準備し、
    Ｂ）前記パイプ（１０）の外面に合致する形状を有した少なくとも１つの成形体（２０）を射出成形し、
    Ｃ）前記成形体（２０）を焼結し、
    Ｄ）前記成形体（２０）に電極（３０）を配置し、
    Ｅ）少なくとも１つの前記成形体（２０）及び前記パイプ（１０）を組付け且つ固定する、Ａ）〜Ｅ）の工程を備えることを特徴とする加熱装置の製造方法。

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