Electrical resistance heating element having a honeycomb body

本発明は、正の温度係数を有する抵抗材料（ＰＴＣ抵抗）から成るハニカム体を有する電気的な抵抗加熱エレメントに関する。 このような加熱エレメントは、一方では、ハニカム体の流路を通じて導かれる流体が熱の発生箇所と密接に接触し得ることを利用し、それにより良好な熱伝達が達成され、他方では、ＰＴＣ抵抗の限流作用を利用し、この限流作用は、各々の追加的な制御手間を伴わずに抵抗加熱エレメントの各々の過熱を防止する。 動作電流が流体の流れ方向に対してほぼ横向きにハニカム体流路の壁部を通じて導かれ得る場合、使用可能な動作電圧インターバルは明らかに増大され且つ実質的に固有の素材パラメータに依存する。 寸法形成時にはより大きな自由度が存在し、その理由は、流路方向における電流の流れにおいて、供給電圧においてでも、実現可能な流路長が極めて制限されているためである。

ハニカム体に基づくものではないが、熱交換原理においてハニカム体に極めて近いものであり且つＰＴＣ抵抗をも含んでいる、周知となった技術的な解決策は、直方体形状のＰＴＣ体が蛇行形状の波形金属ストライプと交互に積層されていて共に押し付けられるというものである。 それらの金属ストライプは、一方ではＰＴＣ体のための電流供給部として用いられ、他方では熱交換器として用いられ、それは、流体が、これらの金属ストライプに対し、平面的に形成されている積重部に対して横向きに通流することによってである（David + Bader GmbH社（カンデル Kandel）の会社刊行物「ＰＴＣ・冷導体・加熱レジスタ、Typ HR 02（PTC-Kaltleiter-Heizregister, Typ HR 02）」）。 この装置には、装置として以下の双方の原理的な欠点がある：力拘束的な電気コンタクトは技術的に手間と費用がかかり、また冒頭で説明したＰＴＣ抵抗の自己制御作用にも拘らず接点抵抗のために不規則な温度配分を導いてしまうということである。 同様のことがＰＴＣ体から金属ストライプへの方向における熱流に当てはまり、この際、熱交換が熱の発生箇所では直接的に行われず、波形金属ストライプで間接的に行われるということも同時に明らかとなる。

更に、典型的に半導体であるセラミックスの波形層が金属又は黒鉛含有物質から成る波形層と交互にあり、それらが電流供給部として用いられるという電気加熱用ハニカム体が知られている（特許文献１）。 この刊行物の有利な実施例は、抵抗材料として、炭化珪素、炭化チタン、チタン珪化物を挙げていて、それらの電気抵抗は増加する電圧により減少し、その結果、それらの抵抗材料が上述の自己制限作用を欠いてしまうということは別として、異なる素材のそのような材料拘束的な結合は製造しずらいものであり、更に耐久性は個々の構成部分の様々な熱膨張特性のもとで損なわれ得る。

自動車・エアコンディショナで使用するためのものであり且つ内側にてあらゆる方面で金属被覆されている流路を備えたＰＴＣハニカム体も知られていて、この際、コンタクトは、一方ではハニカム体の外壁上の金属被覆部により、他方では各流路の開始領域内に達している接続ワイヤにより示唆されている（特許文献２）。 接続ワイヤによるコンタクトは、流路の寸法が小さい場合、製造技術的に極めて問題があり、不都合にも流路内の流れ状況をも妨害してしまう。

更に、通流するガスを加熱するためのものであり且つ内側にてあらゆる方面で金属被覆されている流路を備えたＰＴＣハニカム体も知られていて、このＰＴＣハニカム体では、金属被覆されている流路壁部の電気コンタクトが、流路壁部における同様に金属被覆されている端面側のスリットを介して行われ、この際、これらのスリットは、対角線方向で要求されるチェスボード・極性を実現するために流路を互いに接続している（特許文献３）。 この技術的な解決策は、同様に製造技術上の原因から及び流れ状況のために不利である。 更にはスリットの切欠き作用のためにハニカム体の剛性をも損なうことになる。

最終的には説明した形式の以下のような抵抗加熱エレメントが知られていて、即ちこれらの抵抗加熱エレメントでは、コンタクトが、コンタクトパターンによってのみ或いは連続的に平坦な端面上の平面的な他のコンタクト装置によってのみ行われ、即ち、直流のためには周知のチェスボード装置に対応してであり（特許文献４）、交流のためには、好ましくは（それに限られるものではないが）三角形又は六角形の横断面を有する流路において極めて特殊な金属被覆パターンを用いてである（特許文献５）。 この装置は以下の短所を有する：
− 端面上の導体パスの幅が、幾何学的な形状としてハニカム体の壁厚により制限されていて、この際、追加的に、電気的に反対極の流路に対して必要な絶縁間隔も維持されなくてはならない。
− 流路の内側コンタクトは、この種の抵抗加熱エレメントのより高い固有の電気出力を原則的に可能にするが、それにより必然的にコンタクトパターン内でより高い電流が前提とされていて、その結果、そこでは構成に起因して最も高い電流密度が発生する。
− コンタクトパターンの最大許容電流負荷は、さもなければ原則的に可能である、ハニカム体を有する抵抗加熱エレメントの出力スペクトルを制限する。
− コンタクトパターンのフィリグリー導体パスを取り付けるための製造方法は極めて手間と費用がかかり、導体パスの取付方法の製造誤差、並びにハニカム体の流路壁部の厚さの製造誤差のため、各導体パスは、反対極の電気絶縁のために本来必要であるよりも細長く実施されなくてはならない。

日本国特開平02-129887号要約書

米国特許第4866365号明細書

独国特許出願公開第3016725号明細書

独国特許出願公開第19804496号明細書

米国特許第4717813号明細書

本発明の基礎を成す課題は、前記の形式の電気的な抵抗加熱エレメントのためのより簡単な製造方法を可能とし、容積単位あたりの固有の電気出力に関し、従来技術におけるそのような抵抗加熱エレメントの備蓄を完全利用することを可能とすることである。

前記の課題は、特許請求項に記載した発明により解決される。

本発明により、以下の長所が達成される：
− 流路壁部の金属被覆部は、各々、一方の側でのみ端面に至るまで案内され、そこでコンタクトされている。 他方の側にて金属被覆部は端面前で特定の区間距離を終え、それにより絶縁部が得られている。 低電圧においてこの区間距離は１ｍｍで充分である。
− 流路の壁部の金属被覆部のコンタクト或いは非コンタクトはチェスボード状（チェス模様状、即ち碁盤目状）に入れ代わり、その結果、動作電圧は、各々、隣接する２つの流路の間に位置する。
− 本発明に従う端面の連続金属被覆部は、遥かに高い電流容量を導き、従ってこのタイプの電気的な抵抗加熱エレメントの出力スペクトルの要求される利用を可能にする。
− 本発明に従う端面の連続金属被覆部は、製造技術的に、本発明に対して最も近くにある従来技術で意図されているように繊細な導体パス構成を取り付けるよりも遥かに簡単である。
− 本発明の興味深い使用分野は、車両における加熱（ヒーティング）におけるものであり、例えば以下のことだけに限られているわけではない：
− 現代の経済的な内燃機関の廃熱がもはや加熱のために充分でない場合の自動車用補助加熱− 機関冷間時の迅速なフロントシールド加熱− 電気車両における全般的な加熱

同様に制限するものとして解釈すべきでない他の使用可能性は、自己制御式で迅速に応答する小型のルーム加熱ファンが挙げられる。

次に、実施形態により本発明を更に詳細に説明する。 添付の図面は本発明に従う抵抗加熱エレメントの概要斜視図である。

本発明の本質であるコンタクトの技術的な実施形態はさておき、先ずは例として適切なハニカム体素材及びその製造について説明する。 そのような素材はセラミックス素材であり、このセラミックス素材は以下の化学合計式に対応する：

Ｌａ _0.0028 Ｃａ _0.22 Ｂａ _0.7772 Ｔｉ _1.015 Ｓｉ _0.02 Ｍｎ _0.0006

出発素材（多くの場合、カーボネート、アセテートなどのような、酸化物に分解可能な化合物）は、集中的に混合され、その後、酸化物を形成するために慎重に赤熱される。 その後、細粉化が続き、最終的には通常の可塑剤と共にハニカム体への押出成形が続き、セラミックス仕上焼成が続けられる。

仕上げられたセラミックスは以下の電気特性を有する：
２０℃における固有抵抗：５０Ωｃｍ
Ｒ _ｍａｘ ／Ｒ _ｍｉｎ ：２.２ｘ１０ ^５
Ｔｃ：１００℃
Ｔ _ｍａｘ ：２３２℃
絶縁耐力（耐電圧性）：＞１５０Ｖ／ｍｍ

次に添付の図面それ自体について説明する。 概要として示唆されていて正方形の流路横断面を有するハニカム体は、図面上で灰色に影の付けられている金属被覆部を有し、即ち端面上では連続的にであり、これらの端面のうち図面上では必然的に１つが見られ、それには符号２が付けられていて、流路の壁部上のものも見ることができ、それには符号３が付けられている。 本発明の本質は、あけておかれた絶縁領域１であり、この際、当然のことであるが絶縁領域１の設けられていないところには符号３を有する流路におけるように金属被覆部２及び３との間の良好な電気接続のために配慮が成されているということが見てとれる。

本発明に従う抵抗加熱エレメントの概要斜視図である。

符号の説明

１ 絶縁領域 ２ 端面金属被覆部 ３ 金属被覆部