JP2020087549A - Heater unit and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正温度係数（Positive Temperature Coefficient, ＰＴＣ）セラミック素子を発熱源に用いたヒーターユニットおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a heater unit using a positive temperature coefficient (PTC) ceramic element as a heat source and a manufacturing method thereof.
従来、定温ヒーターや局所加熱ヒーターとして、自己温度制御機能を有するＰＴＣセラミック素子を発熱源に用いたヒーターユニットが様々な分野で使用されている。その一例として、特許文献１には、平板状を有するＰＴＣセラミック素子と、その両主面上に設けられたアルミニウムからなる電極とを備えた車載用のヒーターユニットが開示されている。このヒーターユニットでは、ＰＴＣセラミック素子と電極とがシリコーン系接着剤を介して接着されている。 Conventionally, as a constant temperature heater or a local heating heater, a heater unit using a PTC ceramic element having a self-temperature control function as a heat source has been used in various fields. As an example thereof, Patent Document 1 discloses a vehicle-mounted heater unit including a PTC ceramic element having a flat plate shape and electrodes made of aluminum provided on both main surfaces thereof. In this heater unit, the PTC ceramic element and the electrode are bonded together via a silicone adhesive.
また、ＰＴＣセラミック素子上への電極の形成方法に関しては、特許文献２により、溶線式フレーム溶射、粉末式フレーム溶射、溶棒式フレーム溶射、高速フレーム溶射、電気式溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、線爆溶射、コールドスプレー溶射等の手法を用いるこことも知られている。
Regarding the method of forming the electrode on the PTC ceramic element, according to
しかしながら、シリコーン系接着剤を用いた電極の形成は、製造工程が多段階となるため、製造コストの増加が避けられないとの問題があった。また、各種溶射による電極の形成は、ヒーターユニットとして使用する際に必要とされる、ＰＴＣセラミック素子と形成した電極との間の接合強度および電極表面の平滑性が得られにくいとの問題があった。 However, the formation of an electrode using a silicone-based adhesive has a problem in that an increase in manufacturing cost cannot be avoided because the manufacturing process has multiple stages. Further, the formation of electrodes by various thermal spraying has a problem that it is difficult to obtain the bonding strength between the PTC ceramic element and the formed electrodes and the smoothness of the electrode surface, which are required when using as a heater unit. It was
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、製造工程がシンプルで、しかも、ＰＴＣセラミック素子−電極間の接合強度および電極表面の平滑性が優れたヒーターユニットおよびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention that the manufacturing process is simple and the bonding strength between the PTC ceramic element and the electrode and the smoothness of the electrode surface are excellent. It is to provide a heater unit and a manufacturing method thereof.
本発明者は、種々検討を行った結果、上記各種溶射のうちのコールドスプレー溶射であれば、使用する金属粉の粒径と電極の厚みとを調整することにより満足のいく接合強度および平滑性が同時に得られることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of various investigations, the present inventor has found that, in the case of cold spraying among the various types of thermal spraying described above, satisfactory bonding strength and smoothness can be obtained by adjusting the particle size of the metal powder used and the thickness of the electrode. The present invention has been completed by finding that the above can be obtained at the same time.
すなわち、本発明に係るヒーターユニットの製造方法は、正温度係数セラミック素子を準備する素子準備工程と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により正温度係数セラミック素子に電極を形成する電極形成工程とを備え、電極形成工程は、金属粉のメジアン径が２０μｍ以下であり、かつ電極の厚みが４０μｍ以下となるようにコールドスプレー溶射の溶射時間が設定されていることを特徴とする。 That is, the heater unit manufacturing method according to the present invention comprises an element preparation step of preparing a positive temperature coefficient ceramic element and an electrode formed on the positive temperature coefficient ceramic element by cold spray spraying using a metal powder made of aluminum or an aluminum alloy. In the electrode forming step, the median diameter of the metal powder is 20 μm or less, and the thermal spraying time of cold spraying is set so that the thickness of the electrode is 40 μm or less. To do.
また、本発明に係るヒーターユニットは、平板状の正温度係数セラミック素子と、正温度係数セラミック素子の両主面上に位置する電極とを備え、電極は、メジアン径が２０μｍ以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により形成されたものであり、４０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする。 The heater unit according to the present invention includes a flat positive temperature coefficient ceramic element and electrodes located on both main surfaces of the positive temperature coefficient ceramic element, and the electrode is aluminum or aluminum having a median diameter of 20 μm or less. It is formed by cold spray spraying using a metal powder made of an alloy, and is characterized by having a thickness of 40 μm or less.
本発明によれば、製造工程がシンプルで、しかも、ＰＴＣセラミック素子−電極間の接合強度および電極表面の平滑性が優れたヒーターユニットおよびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a heater unit having a simple manufacturing process, excellent bonding strength between the PTC ceramic element and the electrode, and smoothness of the electrode surface, and a manufacturing method thereof.
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るヒーターユニットおよびその製造方法について説明する。 Hereinafter, a heater unit and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図１に示すように、本発明に係るヒーターユニット１は、平板状のＰＴＣセラミック素子２と、その両主面上に位置する電極３ａ，３ｂとを備えている。ＰＴＣセラミック素子２は、キュリー温度が２４０℃で、寸法が２４ｍｍ（縦）×１５ｍｍ（横）×２ｍｍ（厚み）である。電極３ａ，３ｂは、純度９９．７％のアルミニウム粉を使用したコールドスプレー溶射により形成したもので、寸法が２３ｍｍ（縦）×１４ｍｍ（横）である。上記の構成は、以下に説明する全ての実施例および比較例において共通している。
As shown in FIG. 1, the heater unit 1 according to the present invention includes a flat PTC
［実施例１］
実施例１では、メジアン径が１０μｍのアルミニウム粉を使用するとともに、電極３ａ，３ｂの厚みが１８μｍとなるように溶射時間を設定した。
[Example 1]
In Example 1, aluminum powder having a median diameter of 10 μm was used, and the thermal spraying time was set so that the thickness of the
［実施例２，３］
実施例２，３では、実施例１と同様、メジアン径が１０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、実施例２では、電極３ａ，３ｂの厚みが２６μｍとなるように溶射時間を設定し、実施例３では、電極３ａ，３ｂの厚みが３０μｍとなるように溶射時間を設定した。
[Examples 2 and 3]
In Examples 2 and 3, as in Example 1, aluminum powder having a median diameter of 10 μm was used. In Example 2, the thermal spraying time was set so that the thickness of the
［実施例４］
実施例４では、メジアン径が２０μｍのアルミニウム粉を使用するとともに、電極３ａ，３ｂの厚みが１８μｍとなるように溶射時間を設定した。
[Example 4]
In Example 4, aluminum powder having a median diameter of 20 μm was used, and the thermal spraying time was set so that the thickness of the
［実施例５−７］
実施例５−７では、実施例４と同様、メジアン径が２０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、実施例５では、電極３ａ，３ｂの厚みが２８μｍとなるように溶射時間を設定し、実施例６では、電極３ａ，３ｂの厚みが３４μｍとなるように溶射時間を設定し、実施例７では、電極３ａ，３ｂの厚みが４１μｍとなるように溶射時間を設定した。
[Example 5-7]
In Example 5-7, aluminum powder having a median diameter of 20 μm was used as in Example 4. In Example 5, the thermal spraying time was set so that the thickness of the
［比較例１−５］
比較例１−５では、実施例４と同様、メジアン径が２０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、比較例１では、電極３ａ，３ｂの厚みが５１μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例２では、電極３ａ，３ｂの厚みが６５μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例３では、電極３ａ，３ｂの厚みが７３μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例４では、電極３ａ，３ｂの厚みが８２μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例５では、電極３ａ，３ｂの厚みが１０２μｍとなるように溶射時間を設定した。
[Comparative Example 1-5]
In Comparative Example 1-5, similarly to Example 4, aluminum powder having a median diameter of 20 μm was used. In Comparative Example 1, the thermal spraying time was set so that the thickness of the
［比較例６］
比較例６では、メジアン径が３０μｍのアルミニウム粉を使用するとともに、電極３ａ，３ｂの厚みが４０μｍとなるように溶射時間を設定した。
[Comparative Example 6]
In Comparative Example 6, aluminum powder having a median diameter of 30 μm was used, and the thermal spraying time was set so that the thickness of the
［比較例７，８］
比較例７，８では、比較例６と同様、メジアン径が３０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、比較例７では、電極３ａ，３ｂの厚みが５０μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例８では、電極３ａ，３ｂの厚みが６２μｍとなるように溶射時間を設定した。
[Comparative Examples 7 and 8]
In Comparative Examples 7 and 8, similarly to Comparative Example 6, aluminum powder having a median diameter of 30 μm was used. Further, in Comparative Example 7, the thermal spraying time was set so that the thickness of the
このようにして製造した実施例１−７および比較例１−８に係るヒーターユニット１に対し、接合強度に関する第１試験と、熱伝達特性に関する第２試験とを行った。
（第１試験）
この試験では、ＰＴＣセラミック素子２と電極３ａ，３ｂとの間の接合強度を評価するために、電極３ａ，３ｂの表面に貼り付けたセロハンテープ（セキスイ社製、型番：Ｎｏ．２５２）を素早くめくり上げ、電極３ａ，３ｂの少なくとも一部がＰＴＣセラミック素子２から剥がれたか否かを確認した。
（第２試験）
この試験では、ヒーターユニット１を０．３ｍｍ厚の一対のＳＵＳ板で挟み込んで該ＳＵＳ板と電極３ａ，３ｂとを圧接させ、ＳＵＳ板−電極３ａ−ＰＴＣセラミック素子２−電極３ｂ−ＳＵＳ板間の熱伝達特性を評価するために、ＳＵＳ板にＡＣ１００Ｖを印加し続けたときの該ＳＵＳ板の表面温度の変化を熱電対で測定した。
The heater unit 1 according to Example 1-7 and Comparative Example 1-8 manufactured in this manner was subjected to a first test regarding bonding strength and a second test regarding heat transfer characteristics.
(First test)
In this test, in order to evaluate the bonding strength between the PTC
(Second test)
In this test, the heater unit 1 was sandwiched by a pair of SUS plates having a thickness of 0.3 mm, and the SUS plate and the
第１試験および第２試験の結果をまとめると、表１および図２の通りとなる。
第１試験の結果は、ＰＴＣセラミック素子２と電極３ａ，３ｂとの間の接合強度が、電極３ａ，３ｂの厚みに関係していることを示している。より詳しくは、第１試験の結果は、電極３ａ，３ｂの厚みを５０μｍ以下とすれば、良好な接合強度が得られることを示している。
The results of the first test show that the bonding strength between the PTC
一方、第２試験の結果は、ＳＵＳ板−電極３ａ−ＰＴＣセラミック素子２−電極３ｂ−ＳＵＳ板間の熱伝達特性が、使用したアルミニウム粉のメジアン径および電極３ａ，３ｂの厚みの両方に関係していることを示している。より詳しくは、第２試験の結果は、使用するアルミニウム粉のメジアン径を２０μｍ以下とし、かつ電極３ａ，３ｂの厚みを４０μｍ以下とすれば、良好な熱伝達特性が得られることを示している。
On the other hand, the result of the second test shows that the heat transfer characteristics between the SUS plate-
ここで、アルミニウム粉のメジアン径および電極３ａ，３ｂの厚みを上記の通りにすることにより良好な熱伝達特性が得られるのは、電極３ａ，３ｂの表面の平滑性が向上し、電極３ａ，３ｂとＳＵＳ板との接触面積が増大するためだと考えられる。したがって、使用するアルミニウム粉のメジアン径を２０μｍ以下とし、かつ電極３ａ，３ｂの厚みを４０μｍ以下とすることは、十分に平坦な電極３ａ，３ｂを得るための条件であるとも言える。
Here, by setting the median diameter of the aluminum powder and the thickness of the
以上のように、メジアン径が２０μｍ以下のアルミニウム粉を用いたコールドスプレー溶射により４０μｍ以下の厚みを有する電極３ａ，３ｂを形成する実施例１−７によれば、ＰＴＣセラミック素子２と電極３ａ，３ｂとの間の接合強度が良好で、かつ電極３ａ，３ｂの表面が十分に平坦なヒーターユニット１を得ることができる。
As described above, according to the embodiment 1-7 in which the
なお、本発明は、上記実施例の構成に限定されない。例えば、ＰＴＣセラミック素子２の寸法および電極３ａ，３ｂの厚み以外の寸法は、任意に変更することができる。また、アルミニウムからなる金属粉の代わりにアルミニウム・亜鉛合金等のアルミニウム合金からなる金属粉を用いても、同様の効果を得ることができる。
The present invention is not limited to the configuration of the above embodiment. For example, the dimensions of the PTC
１ ヒーターユニット
２ ＰＴＣセラミック素子
３ａ，３ｂ 電極
1
Claims (2)
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により前記正温度係数セラミック素子に電極を形成する電極形成工程と、
を備え、
前記電極形成工程は、前記金属粉のメジアン径が２０μｍ以下であり、かつ前記電極の厚みが４０μｍ以下となるように前記コールドスプレー溶射の溶射時間が設定されていることを特徴とするヒーターユニットの製造方法。 An element preparation step of preparing a positive temperature coefficient ceramic element,
An electrode forming step of forming an electrode on the positive temperature coefficient ceramic element by cold spray spraying using a metal powder made of aluminum or an aluminum alloy,
Equipped with
In the electrode forming step, the thermal spraying time of the cold spray thermal spraying is set such that the median diameter of the metal powder is 20 μm or less and the thickness of the electrode is 40 μm or less. Production method.
前記正温度係数セラミック素子の両主面上に位置する電極と、
を備え、
前記電極は、メジアン径が２０μｍ以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により形成されたものであり、４０μｍ以下の厚みを有することを特徴とするヒーターユニット。 A plate-shaped positive temperature coefficient ceramic element,
Electrodes located on both main surfaces of the positive temperature coefficient ceramic element,
Equipped with
The heater unit is characterized in that the electrode is formed by cold spray spraying using a metal powder made of aluminum or aluminum alloy having a median diameter of 20 μm or less, and has a thickness of 40 μm or less.
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