自己制御ヒーター

正温度係数加熱素子（PTC 加熱素子）、または自己制御ヒーターは、温度に応じて抵抗が大幅に増加する電気抵抗ヒーターです。自己制御ヒーターという名前は、このような加熱素子が所定の電圧を供給されると一定の温度を維持する傾向があることに由来しています。

PTC 加熱素子はサーミスタの一種です。

PTC加熱素子は大きな正の抵抗温度係数を持ち、つまり一定の電圧が印加されると、素子の温度が低いときには大量の熱を発生し、温度が高いときには少量の熱を発生します。比較すると、ほとんどの電気加熱素子も正の温度係数を持ちますが、それらの係数は非常に小さいため、素子は温度に関係なくほぼ同じ量の熱を発生します。^[1]

一部のPTC加熱素子は、特定の温度で抵抗が急激に変化するように設計されています。これらの素子は、印加電圧^[1]または熱負荷^[2]が変化してもその温度を維持する傾向があるため、自己制御型と呼ばれます。その温度より低い場合、素子は大量の加熱電力を生成し、加熱素子の温度を上昇させる傾向があります。その温度より高い場合、素子は加熱電力をほとんど生成せず、冷却される傾向があります。

いくつかの用途では、この自己制御特性により、サーモスタットや過熱保護回路なしでPTCヒーターを使用することができます。 ^[1]自己制御加熱要素の非常に重要な用途の1つは、加熱要素がそれ自体またはヒーターの他の部分を損傷するほど熱くならないようにすることです。加熱要素が加熱されるアイテムに直接接続されているいくつかの用途では、自己制御ヒーターは加熱されるアイテムの適切な温度制御も提供します。

ただし、多くのアプリケーションでは 2 つの温度の制御が必要です。たとえば、スペース ヒーターでは、加熱する部屋よりもはるかに高温の加熱要素を使用します。これらのアプリケーションでは、サーモスタットの方が加熱対象物の温度を感知して制御できる場合があります。それでも、加熱要素がヒーター自体やヒーターの他の部品を損傷しないように、自己制御加熱要素が使用される場合があります。

希望する温度を維持するために必要な熱量が分かっている場合は、希望する温度で適切な量の熱を供給する PTC 加熱要素を選択できます。このような加熱要素は、低温でより多くの熱を生成するため、すぐに温まります。対照的に、希望する温度で適切な量の熱を生成する従来の加熱要素は、低温でも同じ量の熱を生成するため、温まるまでに時間がかかります。

アプリケーションによっては、温度を調節するのではなく、熱出力（通常はワットで測定）を調節することが望ましい場合があります。電気加熱要素の熱出力は、電力入力を調節することで調節できます。PTC 加熱要素も間接的に調節できます。たとえば、特定の温度で抵抗が急激に変化する PTC 加熱要素には、定電圧源と可変速ファンを取り付けることができます。ファンを低速に設定すると、加熱要素はわずかな電流しか消費しないため、熱出力は低くなります。ファンを高速に設定すると、空気がより多くの熱を奪い、加熱要素はより多くの熱を生成して応答します。^{[引用が必要]}

一定の温度を保持することよりも、温度を調整できることの方が重要な場合は、温度に応じて抵抗が滑らかに変化する PTC 材料を使用できます。このような材料が保持する温度は、印加電圧を変更することで調整できます。

PTC 加熱エレメントは、従来の加熱エレメントよりも多様な形状に作ることができます。従来の加熱エレメントは、電流の独占を防ぐために、長くて細い (多くの場合、スペースを節約するためにコイル状) に制約されています。エレメントが厚く作られていたり、形状が不規則だったりすると、電流の経路が複数存在することになります。抵抗が最も少ない経路は、エレメントの残りの部分よりも熱くなりがちです。深刻な場合、抵抗が最も少ない経路が過熱して故障し、電流がエレメントの他の部分にリダイレクトされて、それらの部分も過熱して故障するという連鎖故障が発生します。

PTC 素子は厚くしたり不規則な形にしたりすることができます。これは、素子を通る 1 つの経路が他の経路よりも熱くなると、経路の抵抗が増加し、過熱することなく電流の方向を変えるためです。^{[引用が必要]}

特殊な形状の加熱素子の用途の 1 つは、加熱素子の表面積を増やすことです。表面積が大きいということは、素子がより低い温度で動作し、大量の熱を放出できることを意味します。温度が低いほどヒーターは安全になります。ただし、他の安全対策により、従来のヒーターの安全性を確保できます。^{[引用が必要]}

特殊な形状の加熱要素のもう 1 つの用途は、加熱される物体の形状にぴったり合うようにすることです。これにより、物体が加熱要素と同じ温度に近く維持されることが保証されます。^{[引用が必要]}

正温度係数の加熱要素は、いくつかの材料で作ることができます。

最も一般的に利用できるセラミック材料は電気絶縁体ですが、正の温度係数で電気を伝導するものもあります。このようなPTCセラミック発熱体は「ストーン」と呼ばれることがよくあります。^{[1] [3]}

いくつかのポリマーはPTC加熱材料として適しています。これらはインクの形で作ることができるという便利な特性を持っています。複雑な形状の加熱要素は印刷技術を使用して簡単に製造できます。インクを柔軟な基板に印刷すると、加熱要素全体を柔軟にすることができます。^[4]

ポリマーの一種にPTC ゴムがあり、これはシリコーンゴムの一種です。

PTC 加熱素子はサーミスタの一種であるため、動作原理は同じです。詳細は材料の種類によって異なりますが、広く使用されている材料の 1 つは結晶セラミックです。製造中にドーパントが追加され、材料に半導体特性が与えられます。これらの材料は低温および高温でやや負の温度係数を持ちますが、その間の温度範囲では有効な正の温度係数を持ちます。これらの材料には、抵抗率が著しく変化する臨界温度があります。この温度は、材料の磁気特性も著しく変化するため、キュリー温度と呼ばれます。

PTC 加熱要素の温度係数は、一般に温度の関数です。この関数を近似するには、 Steinhart-Hart 方程式がよく使用されます。ヒーターが狭い温度範囲でのみ使用されるアプリケーションでは、単純な線形方程式で十分な場合があります。

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