JP2001060489A

JP2001060489A - 面状炭素発熱体

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Publication number: JP2001060489A
Application number: JP11272896A
Authority: JP
Inventors: Sachio Matsui; 幸智男松井; Shinya Kawakami; ▲しん▼也川上; Sakae Minato; 栄湊; Takeshi Hirohata; 健広畑
Original assignee: MINATO GIKEN KK; NIPPON KARU KK; eTec Co Ltd; Osaka Prefecture
Current assignee: MINATO GIKEN KK; NIPPON KARU KK; eTec Co Ltd; Osaka Prefecture
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-06
Also published as: KR20010080861A

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術の問題点を解決乃至大幅に軽減するこ
とにより、高抵抗率の炭素粉末含有抵抗体から電極構造
を工夫することにより発熱体を得る技術を提供すること
を主な目的とする。さらに、本発明は高抵抗率の発熱体
を用いることにより消費電力の小さな発熱体を得る技術
を提供することをも目的とする。また、本発明は、温度
分散性に優れた発熱体を得る技術を提供することをも目
的とする。【解決手段】炭素粒子とバインダーを混合し、その配合
量から抵抗率が１〜１０^８Ω・ｃｍの範囲となるように
調製して成形し、電極を貼り付け又は塗布することによ
り、みかけの抵抗値を１０〜１０００Ωにすることを特
徴とする炭素粉末含有発熱体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高抵抗を持つシート
状発熱体およびその製造方法に関する。このような発熱
体は、屈曲性があって、大面積化しても、その表面温度
差が小さく、いわゆる温度分散性に優れるため、定常加
熱が可能となり、その結果として、小電力で、発熱体と
しての目的を達成することができる。すなわち、本発明
による発熱体は、従来の局部加熱型の発熱体と違って、
全面が発熱体であり、このような発熱体は融雪用、壁、
床暖房として最適なものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、面状発熱体と称されるものの多
くは、ニクロム線を電気絶縁板に蛇行させて貼り付け、
その上に、更に電気絶縁板等で覆って、これを面状発熱
体として用いているものが多い。この場合、面状発熱体
としての要求温度は低くても、ニクロム線自体は高温と
なり、ニクロム線以外の部分は輻射熱や熱伝導によって
暖められるにすぎない。即ち、ニクロム線を用いた面状
発熱体は部分加熱である局部加熱型の面状発熱体であ
り、局部のみが高温になるため、被覆する電気絶縁物が
木や樹脂等の有機物では発火や焦げが生じたり、場合に
よっては火事の危険もあった。そこで、このような場合
にはセラミックス板等の耐熱性や耐火性に優れる材料が
使用されるが、セラミックス材料は屈曲性が劣るという
新たな問題が出て来る。そこで、ガラス繊維等の無機繊
維の織物などの使用が考えられるが、デザイン、重量、
価格、生産性等何れの場合も使用が限られる等の問題が
あった。

【０００３】また、ニクロム線以外の発熱体としてよく
用いられるのは、炭素系発熱体がある。面状発熱体とし
てよく使用されるのは炭素繊維であるが、これを線状に
してニクロム線の場合と同様に使用すれば、上記したの
と同様の問題が生じる。従って、炭素繊維の織物を使用
するのが一般的であるが、この場合、炭素繊維のモノフ
ィラメントが細いために、電位差により熱酸化されて切
れやすく、長期間にわたって安定して使用できない問題
がある。このため、カーボンブラック等の炭素微粒子を
樹脂等のバインダーと混合してシート状に成形して、こ
れを発熱体として使用する方法が考えられるが、発熱体
として使用するには炭素粒子を大量に含有させなければ
導電性を付与できないこと、および炭素粒子を大量に含
有させると成形が困難であるとともに、機械的強度が極
端に小さくなり、実用に供し得なかった。この他、例
えば、開示された方法として特開昭５７−１５１１８６
があり、この方法では、炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂
を含浸させて成形した面状発熱体に関するものである
が、この方法で得られる面状発熱体は屈曲性に乏しく、
定められた形状にしか使用できない。

【０００４】現在使用されている面状発熱体は何れも低
抵抗体であり、その材質の比抵抗は１０^−４〜１０^−２
Ω・ｃｍである。このため、サイズの小さな省電力タイ
プの発熱体を製造することは困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、従
来技術の問題点を解決乃至大幅に軽減することにより、
屈曲性に優れ、温度均一性に優れたシート状面状発熱体
の技術を提供することを主な目的とする。

【０００６】さらに、本発明は、高抵抗のシート状面状
発熱体の技術を提供することをも目的とする。

【０００７】また、本発明は、電極の取り付け方による
高抵抗のシート状面状発熱体の技術を提供することをも
目的とする。

【０００８】さらに、また、本発明は、省電力タイプの
発熱体の技術を提供することをも目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、シート状に
成形が容易で、屈曲性に優れ、発熱体として温度分布が
均一であり、しかも省電力を目的として、種々工夫を重
ねた結果、流れ性のよい樹脂と少量でも一定の抵抗分散
性をもつ炭素粒子から高い電気的抵抗率を有するシート
状に成形し、該シート材に電極板の貼り付け方により、
みかけの電極間の抵抗値を任意にすることができること
を見出し、本発明の発熱体を作製するに至った。

【００１０】すなわち、従来の導電性粒子を樹脂に練り
込んだシート状面状発熱体では、導電効率を上げるた
め、充填物としての導電性粒子を多量に用いねばなら
ず、成形の困難さとともに、機械的強度が小さくなり、
屈曲性も小さいため使用が限られていたが、本発明では
充填物としての炭素粒子は少量で可能なためバインダー
としてのゴムまたは樹脂分が多く、結果として機械的強
度が大きく、屈曲性も大きくなる。ここで用いる炭素粒
子は特に限定するわけではないが、木炭、石油および石
炭ピッチ等を焼成して得られる天然物系の炭のみならず
樹脂を炭化させた樹脂炭、またはこれらを２５００℃以
上の高温処理して得られる天然および人工黒鉛も使用す
ることができる。また、これら黒鉛を酸で処理した後熱
処理して得られる膨張黒鉛も使用できる。

【００１１】発熱体として導電性が必要なため、炭素粒
子は相互に多少は接触する必要がある。充填する炭素粒
子を少なくするために、シート状に成形するときに炭素
粒子そのものが展延性をもつものがより望ましく、膨張
黒鉛等のソフトカーボンがこれに相当する。

【００１２】このようにして得たシート材は高抵抗であ
るため、電極面積を大きくすることにより電極間のみか
けの抵抗値および接触抵抗を小さくさせることにより、
従来の炭素粒子が高充填・低抵抗型発熱体とは異なった
低充填・高抵抗型発熱体を得るに至った。

【００１３】発明者のこのような知見は、従来のニクロ
ムのような低抵抗率の材質を用いて長さでみかけの抵抗
値を制御する方法からは到底予測し難いものである。

【００１４】すなわち本発明は下記の高抵抗型面状炭素
発熱体に関する技術を提供するものである。

【００１５】１．平均粒径５０〜３０００ミクロンの炭
素粒子とバインダーを混合し、その抵抗率が１〜１０^８
Ω・ｃｍの範囲となるように調製した組成物をシート状
に成形し、該シート材に電極を取り付け、その電極間の
見かけの抵抗値が１０〜１０００Ωとなり、かつ、通電
時のシート材全面の温度差が２０％以内になるように抵
抗体全面積に対し１０〜２００％電極面積を取り付けま
たは導電性塗料を塗布してなることを特徴とする面状炭
素発熱体。

【００１６】２．抵抗率が１〜１０^８Ω・ｃｍの範囲と
なるように、平均粒径５０〜３０００ミクロンの炭素粒
子とバインダーを混合し、これを０．１〜３．０ｍｍの
シート状に成形し、該シート材に電極を取り付け、その
電極間の見かけの抵抗値が１０〜１０００Ωとなり、か
つ、通電時のシート材全面の温度差が２０％以内になる
ように電極として金属箔を該シート材の全面積に対し１
０〜２００％の電極面積となるように等間隔に貼り付け
てなることを特徴とする面状炭素発熱体。

【００１７】３．抵抗率が１〜１０^８Ω・ｃｍの範囲と
なるように、炭素粒子とバインダーを混合し、これを
０．１〜３．０ｍｍのシート状に成形し、電極として金
属箔を該シート材の上下に全面に貼り付けて、電極間の
見かけの抵抗値が１０〜１０００Ωとなり、かつ、通電
時のシート材全面の温度差が２０％以内になることを特
徴とする面状炭素発熱体。

【００１８】４．電極として導電性塗料を塗布してなる
ことを特徴とする上記項２および上記項３に記載の面状
発熱体。

【００１９】５．炭素粒子として膨張黒鉛粉末および／
または膨張黒鉛粉砕物を用いることを特徴とする上記項
２および／または上記項３および／または上記項４に記
載の面状炭素発熱体。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明においては、炭素粒子を１
００重量部（本明細書の以下の記載において「％」およ
び「部」とあるのは、それぞれ「重量％」および「重量
部」を意味する。）に対し、バインダー樹脂４３〜２５
０部を加え、熱ローラー等でよく混練りした後、厚さ
０．１〜３ｍｍのシートを作製する。該シート材の抵抗
率を測定し、抵抗率に合わせて該シート材の面積および
厚さに対する電極面積を決定する。即ち抵抗率が低く厚
みが大きい場合は電極面積を小さく、抵抗率が高く厚み
が薄い場合は、電極面積を大きくすれば電極間のみかけ
の抵抗値を一定にすることができる。抵抗率の高い材料
では電極部と該シート材間の接触抵抗が高すぎることが
あり、この場合は導電性接着剤を使用することもできる
が、電極面積を大きくすれば接触抵抗を減じることがで
き、また接触抵抗による熱も拡散することができるため
いわゆる熱拡散効率を高めることができる。

【００２１】電極部に導電性塗料を用いる場合は電極の
形状はより簡単に塗布でき、印刷する方法によっても該
シート材表面に電極部を形成することができる。

【００２２】従来の低抵抗率型の面状発熱体の電極部が
面の端部に平行に２本形成するのに対し、本発明におい
ては、従来の面状発熱体に比べて抵抗率が高いので図１
〜図４に示す番号１のように電極材料を貼りつけるか又
は塗布する方法が用いられる。電極材料の貼り付け又は
塗布する方法としては該シート材表面の一方側のみなら
ず両面に形成しても良い。図４に示すように該シート材
表面の両側全面に電極材料を貼り付けることもできる。
特に抵抗率が１０^７Ω・ｃｍ以上の材料に有効である。

【００２３】使用する炭素粉末はカーボンブラック、木
炭粉、黒鉛粉末、膨張黒鉛粉末、ガラス状炭素粉末等炭
素および有機化合物の炭化物でも導電性があれば何でも
使用できる。粉末粒径としては特に限定するわけではな
いが、５０〜３０００ミクロンが好ましく、より好まし
くは１００〜２０００ミクロンが使用し易い。５０ミク
ロン以下では該シート材の炭素粉末配合量を７５％以上
にしなければ抵抗率１０^８Ω・ｃｍ以下にならないた
め、製造が難しく、３０００ミクロン以上では炭素粉末
配合量は少なくても抵抗率の点で満足するものが得られ
るが、成形が困難であり、配合均一化が困難となり成形
ムラも生じる。

【００２４】本発明においてはバインダーとしては特に
限定するわけではないが、合成ゴム、合成樹脂や膠、松
ヤニ、ピッチ等の天然樹脂、天然ゴムおよびガラス、石
膏等の無機材料も使用でき、炭素粉末を配合させたとき
に成形可能であれば何でも使用できる。２００℃以下
を目的とする面状発熱体の場合はバインダーとしては合
成樹脂が好ましく、特に限定する訳ではないが、例え
ば、塩化ビニル、ナイロン、ポリプロピレン、フェノー
ル樹脂等の成形時の流れ性の良いものがより好ましい。
１５０℃以下で屈曲性、耐寒性を望む場合はゴムが使用
でき、加橋剤を入れた液状ゴムと炭素粉末をよく混合し
て成形した後熱等で加橋を進めて目的の面状発熱体を得
る。ここで使用するゴムは特に限定する訳ではないが、
例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、
スチレン・ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン・プ
ロピレンゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、クロロ
プレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポ
リエチレン、エピクロルヒドリンゴム、ニトリルゴム、
ニトリル・イソプレンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴ
ム、多硫化ゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムなどがあ
る。

【００２５】４００〜１０００℃で使用する場合はガラ
スまたは石膏、セラミック等の無機系バインダーを使用
できるが、屈曲性は乏しくなる。このような無機系バイ
ンダーを使用しても充填する炭素材料が膨張黒鉛粉末の
場合は屈曲性を改善することができる。例えば上記した
無機系バインダー単独使用の場合は脆性材料のため、曲
げたわみ率は通常１％以下であるが、膨張黒鉛粉末を１
０％配合したものはたわみ率１〜３％程度まで改善する
ことができ、本発明の如く７０％配合すればたわみ率６
〜８％程度まで屈曲性が改善する。

【００２６】該シート材表面に貼り付ける電極材料とし
ては該シート材料よりは導電性に優れたものが好ましく
一般金属類、黒鉛等が該当する。より好ましくは銅、
銀、アルミニウム等の金属箔のような導電性に優れてい
るものが良い。該シート材表面に塗布する場合は上記し
た金属の粉末または炭素粉末等を塗料に混合分散させた
ものを使用することもできる。この場合使用する塗料は
水性、油性の両方とも使用できるが、塗布後速やかに溶
剤等が揮散するものがより好ましい。

【００２７】

【実施例】以下に実施例を示し、本発明の特徴とすると
ころを一層明らかにする。尚、以下の実施例および比較
例において設定温度の測定は製作した面状発熱体の中心
部をＫ熱電対にポリイミド系テープで貼り付けた。

【００２８】実施例１膨張黒鉛粉砕物を８４０〜１６８０μｍ、平均粒径１２
６０μｍにふるい分けした後、これを１００部に対し、
ポリプロピレン４３部を加え、ドライブレンドしてから
テストローラを用いて２００℃でよく混練した後に平均
厚さ０．６ｍｍのシートを作製した。該シートを１３×
１０ｃｍにハサミで切り、図１のように厚さ０．１ｍ
ｍ。幅１ｃｍの銅箔をポリイミド系フィルムで貼り付け
電極とした。このようにして作製したシート状発熱体の
６ケ所にＫ熱電対を貼り付け、各温度毎の温度分散、消
費電力を江藤電器（株）製サーモダックモデル５００
１Ａを用いて測定した。

【００２９】実施例２膨張黒鉛粉砕物１００部に対し、ポリプロピレン６６部
にし、電極を図４の様にする以外は実施例１と同様にし
て行った。

【００３０】実施例３市販工業用ゴム（エチレン・プロピレンゴム）をポリプ
ロピレンの代わりに使う以外は実施例１と同様にして行
った。

【００３１】実施例４市販工業用ゴム（エチレン・プロピレンゴム）をポリプ
ロピレンの代わりに使い、膨張黒鉛粉砕物１００部に対
しエチレン・プロピレンゴム２３３部にする以外は実施
例１と同様にして行った。

【００３２】実施例５市販工業用ゴム（エチレン・プロピレンゴム）をポリプ
ロピレンの代わりに使い、膨張黒鉛粉砕物１００部に対
しエチレン・プロピレンゴム４００部にする以外は実施
例１と同様にして行った。

【００３３】実施例６実施例４の様に作製した膨張黒鉛粉含有ゴムシートに粒
径５〜５０ミクロンの範囲で平均粒径１５ミクロンの銅
粉１００部を合成ゴム系樹脂塗料１００部に分散混合し
た導電性塗料を図１の様に電極として塗布し、乾燥した
ものを実施例１と同様にして評価した。

【００３４】実施例７エチレン・プロピレンゴムの代わりにシリコンゴムを使
い、実施例６と同様の導電性塗料を用いて電極を塗布
し、測定温度を２５０℃までにする以外は実施例４と同
様にして行った。

【００３５】実施例８平均粒子径２２．５ｎｍのカーボンブラック３０部を７
０部の水でペースト状に練ったもの１００部に対し、水
性ウレタン９４部、アニオン系分散剤１部、シリコン系
消泡剤１部、アクリル系アルカリ増粘剤２部、フッ素系
湿潤剤２部からなる発熱体用塗料を作製した。これを予
め塩ビフィルムで被覆した１３×１０×０．１（ｃｍ）
のアルミ板に２００ミクロンの厚さに塗布し、両端（１
３ｃｍ側）に幅１ｃｍの銅箔を当該発熱体用塗料を含浸
させた木綿布とともに貼り付け、これを電極とした。こ
れらを自然乾燥させることにより塗料タイプの発熱体を
得た。

【００３６】実施例９シリコンゴムのかわりにフッ素ゴムを使い、電極として
実施例６で用いた導電性塗料を図１のように塗布した後
同じ部分にアルミ箔をホットスタンプ法でフッ素ゴム基
板に貼り付け、測定温度の上限を３００℃にする以外は
実施例４と同様にして行った。

【００３７】比較例１実施例１と同じものの両端（１０ｃｍ側）にのみ幅１ｃ
ｍの銅箔電極をポリイミドフィルムテープで貼り合わら
せて形成したものは３００Ｖの電圧をかけても電流がほ
とんど流れず室温に対して約１℃上昇しただけであっ
た。

【００３８】比較例２実施例５と同じものの両端（１０ｃｍ側）にのみ幅１ｃ
ｍの銅箔電極をポリイミドフィルムテープで貼り合わら
せて形成したものは３００Ｖの電圧をかけても電流がほ
とんど流れず室温に対して約５℃上昇しただけであっ
た。

【００３９】比較例３実施例１と同じ膨張黒鉛粉末１００部に対し、ポリプロ
ピレン５０部を加えたものは添加する膨張黒鉛粉末が多
すぎて成形ができなかった。

【００４０】比較例４平均粒子径２２．５ｎｍのカーボンブラック３００部と
ノボラックタイプのフェノール樹脂１００部をよく混合
し、１００℃の熱ローラーで１分間練った後実施例１と
同様に成形し、電極を両端（１３ｃｍ側）にのみ幅１ｃ
ｍの電極を形成したものを実施例１と同様の方法で評価
した。

【００４１】比較例５実施例１と同じ膨張黒鉛粉末１００部に対し、市販工業
用ゴム（エチレン・プロピレンゴム）１００部からなる
ゴム板を作製し、比較例４と同様にして電極を形成して
評価した。

【００４２】比較例６市販ニクロム線（径０．３ｍｍ）を１．１２ｍを架橋前
シリコンゴム中に蛇行させた後１３×１０×１ｃｍの板
に架橋させて成形した。ニクロム線の両端に電圧をか
け、各設定温度における温度分散率およびそのときの保
持電力を求めた。

【表１】

【００４３】１）標準温度分散率（％）＝（面状部分の
各測定温度−設定温度）の絶対値の平均／設定温度×１
００

【００４４】２）電流が流れ難いので電圧として３００
Ｖをかけた。

【表２】

【００４５】１）充填物（黒鉛）を入れなかったときの
引っ張り強さを１００としたときの比較値

【００４６】２）設定温度まで達せず。

【００４７】３）６０℃までは達したが１００℃までは
達することができなかった。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、従来不可能とされてき
た高抵抗の発熱体の使用が電極部分の構成を工夫するこ
とにより可能となった。

【００４９】本発明によれば、導電性物質である炭素粒
子を従来の発熱体よりも少量使用することにより高抵抗
になるが、機械的強度保持率が優れ、電気比抵抗が高い
ため流れる電流が小さく同じ温度を保持するのに少ない
消費電力が可能となった。すなわち、従来の発熱体は低
抵抗にしなければ発熱体としての機能を発揮しえなかっ
たので導電性物質をかなり多量に加えなければならず、
そのため強度保持率が極端に小さくなり、製造も限られ
た方法しか使用できなかったが、本発明により強度保持
率を大きくすることが可能となり、製造も従来と比べて
流れ性が大きいため成形が容易となる。

【００５０】また、本発明による発熱体は従来のニクロ
ム線を蛇行させた面状発熱体に比べ全面が電気抵抗体の
ため局部加熱現象が起こらず、いわゆる熱拡散効率が優
れている。このことは設定温度における標準温度分散率
が小さいほどバラツキが小さく、ニクロム線を蛇行させ
た局部加熱型面状発熱体では設定温度に対して３０〜６
０％の温度ムラが生じるが、本発明による発熱体では１
０〜１６％と安定している。

【図面の簡単な説明】

【図１】〜

【図４】は本発明の実施の態様を示す電極を付した説明
図。

【符号の説明】

１電極２抵抗体部分３電源部４結線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松井幸智男滋賀県野洲郡野洲町大字小篠原2101番地の２ (72)発明者川上 ▲しん▼也大阪府阪南市和泉鳥取619−22 (72)発明者湊栄大阪府大阪市赤川３−４−４ (72)発明者広畑健大阪府河内長野市美加の台１−35−３Ｆターム(参考） 3K092 PP20 QA05 QB14 QB15 QC02 QC10 QC25 QC26 RF26 VV19 VV22 VV40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒径５０〜３０００ミクロンの炭素粒
子とバインダーを混合し、その抵抗率が１〜１０^８Ω・
ｃｍの範囲となるように調製した組成物をシート状に成
形し、該シート材に電極を取り付け、その電極間の見か
けの抵抗値が１０〜１０００Ωとなり、かつ、通電時の
シート材全面の温度差が２０％以内になるように抵抗体
全面積に対し１０〜２００％電極面積を取り付けまたは
導電性塗料を塗布してなることを特徴とする面状炭素発
熱体。
【請求項２】抵抗率が１〜１０^８Ω・ｃｍの範囲となる
ように、平均粒径５０〜３０００ミクロンの炭素粒子と
バインダーを混合し、これを０．１〜３．０ｍｍのシー
ト状に成形し、該シート材に電極を取り付け、その電極
間の見かけの抵抗値が１０〜１０００Ωとなり、かつ、
通電時のシート材全面の温度差が２０％以内になるよう
に電極として金属箔を該シート材の全面積に対し１０〜
２００％の電極面積となるように等間隔に貼り付けてな
ることを特徴とする面状炭素発熱体。
【請求項３】抵抗率が１〜１０^８Ω・ｃｍの範囲となる
ように、炭素粒子とバインダーを混合し、これを０．１
〜３．０ｍｍのシート状に成形し、電極として金属箔を
該シート材の上下に全面に貼り付けて、電極間の見かけ
の抵抗値が１０〜１０００Ωとなり、かつ、通電時のシ
ート材全面の温度差が２０％以内になることを特徴とす
る面状炭素発熱体。
【請求項４】電極として導電性塗料を塗布してなること
を特徴とする請求項２および請求項３に記載の面状発熱
体。
【請求項５】炭素粒子として膨張黒鉛粉末および／また
は膨張黒鉛粉砕物を用いることを特徴とする請求項２お
よび／または請求項３および／または請求項４に記載の
面状炭素発熱体。