JP2003516609A - 熱可塑性積層生地ヒーターおよびそれを製造する方法 - Google Patents

熱可塑性積層生地ヒーターおよびそれを製造する方法

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fabric
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アンドリュー ジェイ ミラー
ジェフ アール パーキン
ジョン エイ ロールズ
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サーミオン システムズ インターナショナル
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、積層生地ヒーター素子、ヒーター、および前記ヒーター素子ならびにヒーターを製造するための処理に関する。前記ヒーターは、母線に取り付けられた電気伝導性生地層を具備し、ヒーター・アセンブリを形成する二つの熱可塑性フィルムの間に挟まれる。ヒーター素子またはヒーターを作る処理において、ヒーター・アセンブリの層は、粘着樹脂を使わずに、フィルムおよび生地の層を単一のシート・ヒーターに統合して強化することによって作る。前記ヒーターは、可変的な形状、電気供給電圧および電力で作ることができ、従来のヒータよりも、より機械的、化学的、紫外線放射、および他の環境的ストレスに耐えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、ヒーター素子（heater element）、ヒーター、および前記ヒーター
素子ならびにヒーターを製造するための処理に関する。特定的には、前記ヒータ
ーは、２層のグラス・ファイバ強化熱可塑性フィルムの間に積層された、電気伝
導性生地層を具備する。前記ヒーターはさらに、母線および電気リード線を具備
し、それはフィルムと生地の層を、単一のシート・ヒーターへと統合して強化す
ることによって製造される。前記ヒーターは、可変的形状、電気供給電圧および
電力を有するように製造されることができる。本発明のヒーターは、従来のヒー
ターに比べ、より機械的、化学的、紫外線放射および他の環境的ストレスに対し
て耐性を有することができるので、従来のヒーターよりも耐久性がある。
【０００２】 （背景技術） 従来技術の積層またはフィルム・ヒーターは、構成している層を接合するため
に、前記層の間に樹脂を用いて積層された、金属箔、ワイヤおよび電気伝導性生
地を用いて作られていた。ワイヤおよび箔から製造されるヒーターは、以前は産
業上使用されていた。特に、そのようなワイヤおよび箔が、例えば航空宇宙産業
で、飛行機の翼やジェット・エンジンの吸気口等の構造物の除氷のために使用さ
れる場合、使用中の疲労破壊に苦しみ、それは生地と比較すると、寿命を著しく
短くする。さらに、特に箔ヒーターは、製造するのにコストがかかり、柔軟性に
欠ける。
【０００３】 その柔軟性、軽量性、および均等な熱配分特性のために、従来の積層生地ヒー
ターは、当業界では、金属箔ヒーターよりも、多くの応用に好まれてきた。航空
宇宙産業において、例えば、生地ヒーターは、飛行機の翼、ジェット・エンジン
吸気口およびアンテナ・ディッシュ（antenna dishes）等の構造物を除氷するた
めに使用され、建築産業においては、床、カウンター、パイプおよびタンク等の
堅固な構造物を熱するために使用され；食物産業においては、食べ物の容器を熱
するために使用され；および海運産業ならびに海洋構造物においては、生物付着
物を避けるために使用される。例えば、アメリカ合衆国特許第５，３４４，６９
６号；５，９２５，２７５号；５，９３２，１２４号；５，９４２，１４０号；
５，９５４，９７７号；５，９６６，５０１号および；５，９８１，９１１号を
参照。
【０００４】 従来技術の積層生地ヒーターは、繊維を含む織物または不織布で作られており
、それらは炭素繊維等の電気伝導性繊維およびポリエステル等の非伝導性繊維で
ある。ヒーターで使用するための非伝導性繊維は通常、それらが金属被覆を介し
て電流を伝導することができるように、金属で被覆されており、または前記繊維
は、カーボン・ブラックまたは鉄粒子等の伝導性粒子を含む樹脂に拡散されてい
る。伝導性繊維も、その伝導性特性を向上させるために、金属で覆われることが
できる。
【０００５】 ランダムな、不織布またはヴェールへと統合されて強化された炭素繊維が、電
磁障害からの保護のために、当業界で使用されてきた。航空宇宙構造物の除氷お
よび凍結防止のためのヒーターで使用される伝導性生地は、例えば、Ｈａｓｔｉ
ｎｇｓらのアメリカ合衆国特許第５，３４４，６９６号に開示されており、それ
は積層が接合される航空機の表面を熱的に制御するために使用される、構成的に
接合された積層を開示する。前記特許は、生地の使用が、飛行機の翼を除氷し、
および熱するための従来の方法に対して、多くの利点を有することを説明する；
例えば、伝導性繊維は軽量であり、および／または航空力学に関しておよび／ま
たは航空力学でのノミナル・イントルージョン（nominal intrusion）を可能に
する；ワイヤおよび箔に比べて、扱いやすく、最も特筆すべきは、それによって
熱の均等な配分が可能になる。これらの要素は、エネルギーのより効率的な使用
に寄与する。航空機アプリケーションの除氷および凍結防止は、製品の要件に関
して極端であることを必要とする。航空機は、大変制約された電気リソースで、
および極端な大気条件で動作するので、システムは、効率的であると同時に、保
護を供給するために強くなければならない。前記特許も、しかしながら、積層生
地ヒーターが、積層層を接合するために粘着樹脂を使用して製造されることを開
示する。
【０００６】 Ｋｒａｕｓらのアメリカ合衆国特許第４，５３４，８８６号は、伝導性繊維お
よび非伝導性繊維の不織シートで構成された電気伝導性織物を開示する。前記シ
ートは伝導性粒子を含んだ分散が充満し、そして乾燥される。Ｋｒａｕｓらのヒ
ーター素子は、主に加熱パッドに使用される。前記特許は、生地ヒーター層が、
エポキシ樹脂を用いて積層されることも開示する。
【０００７】 Ｌａｗｓｏｎのアメリカ合衆国特許第５，９２５，２７５号は、電気伝導性合
成加熱アセンブリを開示する。前記アセンブリは、ファイバーグラスおよび他の
誘電体の層の間に積層された電気伝導性不織繊維層を有する。前記アセンブリは
さらに、耐磨耗性外層を有する。前記ヒーター素子は、大変荒い航空宇宙環境で
遭遇する、繰り返される機械的ストレスおよびサーマル・サイクル（thermal cy
cle）に耐えるために、氷保護システムとして、航空宇宙構造物において使用さ
れる。この特許は、生地ヒーターが前記ヒーター・アセンブリの層を接合するた
めに接着樹脂を用いて製造されることも開示する。
【０００８】 Ｇｅｒｒａｒｄのイギリス特許出願第２，２８５，７２９号に開示されている
伝導性生地ヒーターは、段階的処理で、織られた重合体生地を、大変高い温度に
焼くことによって製造される。その結果の生地ヒーターは、抵抗の目標における
柔軟性によって制約され、およびさらには、その抵抗の温度係数（Temperature
Coefficients of Resistance）の可変性を欠く。例えば、前記特許は、生地ヒー
ターが低電圧源オペレーションに第一に有用であることを開示する。
【０００９】 接着樹脂を用いて作られた積層生地ヒーターは、当業界である程度の成功を収
めつつ使用されてきた一方で、これらの種類のヒーターを使用する不利な点は、
使用される接着樹脂による。そのような積層ヒーターを作り、または接合するた
めに使用される接着樹脂は、硬化しなければならず、前記処理は時間がかかり、
関係する物質の毒性により危険になる。さらに、接着樹脂は、積層生地ヒーター
を作るために幅広く使用される一方で、一定時間でのこれらの種類のヒーターか
らの熱の出力は樹脂を乾燥させ、この層のひび割れ（cracking）につながり、最
終的には、前記ヒーターは薄片に裂け、機能を失う。そのため、当業界は常に、
新しいヒーターを開発し、または現存のヒーターを改良しようと努めている。
【００１０】 さらに、Ｋｒａｕｓ、ＨａｓｔｉｎｇｓおよびＬａｗｓｏｎが述べているよう
なヒーター設計は、高価な製造方法と、低い動作温度に苦しむ。機械の設置は、
特に、エポキシおよび他の樹脂を使用することによって、異なるアプリケーショ
ンのために変更することが難しく、それはコスト、貯蔵寿命（shelf life）、動
作温度、および化学的制約、長い硬化サイクルおよび毒性予防措置等、克服する
ことが困難な問題を有する。カーボン・ブラック粒子、ポリアラミド繊維（poly
aramid fibers）（１）、伝導性接着剤（３）、および段階的層処理（２）の追
加は、複雑さの、そしてそれゆえにヒーター・コストの一因となる一方で、動作
温度、複雑な設計に対する適性、および高ボリューム−低コストの生産を制約す
る。
【００１１】 （発明の開示） 本発明は、積層生地ヒーター素子、ヒーター、および前記ヒーター素子ならび
にヒーターを製造するための処理のためのものである。本発明のヒーターは、薄
く、柔軟であり、より均一な温度を産生し、高い疲労寿命を有し、より少ないコ
ストで大量に生産されうるという点で、従来技術のヒーターに対して多くの有利
な点を有する。さらに、本発明のヒーターは、交流または直流電力供給からの、
ミリボルトから約６００ボルトにわたる範囲の電圧で動作されうる。
【００１２】 特に、前記ヒーター素子は、統合され強化された、電気伝導性生地層、二つの
母線、および二つの熱可塑性層を具備し；各母線は、前記伝導性生地層と強化さ
れた電気伝導性生地層の向かい合った縁と接触しており、および前記母線は、単
一のシートを形成する、熱可塑性層の間に挟まれている。
【００１３】 本発明の積層生地ヒーターの電気伝導性生地層は、様々な伝導性繊維から選択
されてもよい。しかしながら、本発明の好ましい実施例において、電気伝導性生
地層は、ニッケル被覆炭素繊維を具備する。
【００１４】 前記積層生地ヒーター素子はさらに、前記ヒーターを形成するために、母線に
おいて電気リード線に取り付けられうる。積層ヒーターの母線は、銅、真鍮、ま
たは銀箔等、様々な物質で作ることができる。しかしながら、好ましい実施例に
おいては、母線は銅箔で作られている。
【００１５】 他の実施例においては、本発明の積層生地ヒーターはさらに、前記ヒーターが
単一のシートに形成される前に、ヒーター・アプリケーションに対する要件によ
って、さらに強化するために、熱可塑性層の外側表面に配されたグラス・ヴェー
ルを具備しうる。
【００１６】 本発明のヒーターにおいて、熱可塑性フィルムは、市販のソースから入手する
ことができる。あらゆる熱可塑性フィルムが使用されうる一方で、本発明のヒー
ターは、好ましくは、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ
エーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、アセトブチルシレン
（acetobutylsyrene）、酸化ポリフェニレン、およびポリアミドで製造される。
【００１７】 積層生地ヒーターはさらに、回路を作成するため、およびヒーターの抵抗を、
アプリケーションによって所望の値に増やすため、ジグザグ式に、母線のうち少
なくとも一つに対し垂直な、およびそれを通るカットを具備しうる。
【００１８】 他の実施例において、本発明の積層生地ヒーターはさらに、ヒーターの絶縁耐
力を向上させるために、熱可塑性物質またはシリコン・ゴムの外層を具備する。
【００１９】 本発明の積層生地ヒーターを作るための処理は、以下の通りである：前記ヒー
ターが組み立てられるべき表面での第一の熱可塑性層である。前記電気伝導性生
地の層は、第一の熱可塑性層に配される。母線は、好ましくは、銅箔で作られて
おり、電気伝導性生地層に接触し、および互いに平行になるように、電気伝導性
生地層の向かい合った縁に配される。母線は、伝導性生地に接触すると、それら
は、貫通リベッタ装置を使用して、前記母線および生地に穴を貫通させることに
よって、前記伝導性生地に取り付けられることができる。貫通動作によって、穴
を形成するために配された金属は生地の下で丸まったり平らになったりし、それ
によって母線を生地に固定する。その後、第二の熱可塑性層が、ヒーター・アセ
ンブリを形成するために、電気伝導性生地層および母線に配される。ヒーター層
が組み立てられると、ヒーター・アセンブリは、熱可塑性フィルム層に挟まれた
伝導性生地層を統合して強化するために、適切な温度で、規定の厚みに熱せられ
、それによって単一のシート・ヒーターを形成する。前記層、特に伝導性生地層
の強化の後、ヒーターを、その最大の強化状態で冷却するために、前記ヒーター
は冷却チャンバに運ばれる。グラス・ファイバ強化層は、強化の前に、およびヒ
ーター出力要件によって、熱可塑性層の外側表面に配されうる。
【００２０】 上述の処理は、液圧プレスを用いて、小数の小さなヒーターを作るために、小
さなスケールで実行されうる一方で、前記処理は、ローラー積層装置を用いて、
高ボリュームでヒーター素子およびヒーターを製造するように適応しうる。ロー
ラー積層において、ヒーター素子は、不確定な長さおよび幅の単一の長いシート
で製造され、前記長さおよび幅は、使用される開始物質および機械の長さおよび
幅によってのみ制約される。ローラー積層を通して作られたヒーター素子は、ロ
ール状に保存することができ、およびヒーターは、要求に応じて、ヒーター素子
の区分から作られうる。本発明のこの実施例において、前記処理は、ロール・サ
プライ（roll supply）からの電気伝導性生地の層を、二つの金属箔母線と結合
させることを含み、前記母線は、前記ロールの方向に、伝導性生地の向かい合っ
た縁において互いに平行になるように配置され、および前記伝導性生地と接触す
る。前記母線は、上述のとおり、貫通リベッタ装置で両方のコンポーネントを貫
通することによって、伝導性生地と母線に穴を開けることによって、伝導性生地
に固定される。母線が生地に固定されると、母線を含む伝導性生地層は、サンド
イッチ・タイプ構造アセンブリを形成する２層の熱可塑性フィルムの間に引っ張
られる。ヒーター・アセンブリ・サンドイッチは、ピンチ・ローラーを通され、
それは、熱可塑性層のゲル化を生じさせるために、予め決められた温度に予め熱
せされており、および予め決められた圧力に設定されている。熱可塑性層のゲル
化によって、熱可塑性物質の一部は、伝導性生地を通って流れ、フィルムを溶か
し、伝導性繊維を単一のシート・ヒーター素子に統合して強化する。強化が生じ
ると、その結果の単一シート生地ヒーターは、前記層の最大の強化が維持される
ように、冷却チャンバに引っ張られる。ツーリング・ダイ（tooling die）また
はウォータ・ジェット・カッタ（water jet cutter）で、ヒーター・シート・ロ
ールから一部を切ることによって、超音波溶接によって電気リード線を取り付け
ることによって、および熱可塑性物質の一層とそれをもう一回積層することによ
って個別のヒーターを作ることができ、それによって、ダイまたはウォーター・
ジェットによって切られるギャップ（gap）を維持し、最終的な誘電層を供給す
る。
【００２１】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明のヒーター素子は、伝導性生地の層、二つの熱可塑性物質の外層の間に
挟まれた生地の向かい合った縁に配置された二つの母線を具備する。伝導性生地
は、様々な物質で作ることができ、それらは当業界では公知であり、および電気
伝導性繊維を含む。好ましい実施例において、前記伝導性生地は、電気伝導性繊
維、および最も好ましい炭素繊維、特にニッケル被覆炭素繊維を含む。この実施
例において、伝導性繊維は、切り刻まれた繊維であり、および紙を作る技術を用
いて不織伝導性生地に変えられる。生地における繊維をつなぎ合わせるために、
有機結合剤が使用される。生地の厚み、繊維被覆の密度（density fiber coatin
g）および支配的な繊維方向のすべてが、ヒーターの最終的抵抗率を決定する。
求められるヒーターのサイズおよび電力出力量によって、生地層の適切な長さが
、サプライ・ロールから切られることができ、またはロール全体が、ヒーター素
子を大量生産するために使用されることができる。本発明の好ましい実施例にお
いて、電気伝導性生地層は統合されて強化される。強化された伝導性生地層は、
積層処理の間の強化ステップから生まれる。
【００２２】 強化は、それによってヒーターの熱可塑性層が、ヒーターの接合中、圧力下で
ゲル状態にされ、および予め決められた厚みにされる処理であり、これによって
、伝導性生地の電気伝導性繊維は、積層処理を通して互いに密接に接触するよう
になる。
【００２３】 炭素フィラメントは、不活性な環境内で、高温および高圧下で、ポリマ繊維か
ら製造される。前記繊維は、ニッケル、真鍮、銀または他の適切な金属あるいは
その組み合わせ等の金属で被覆されてもよく、いくつかの処理の一つによって、
抵抗の温度係数（媒体の電気抵抗が、温度変化の結果、変わる速度）および最終
的生地の抵抗率を合わせる。繊維は、トウ（tow）に結合され、そして約３ミリ
メートルから１２ミリメートルの間、またはそれより長い所望の長さに切り刻ま
れる。繊維の長さは、生地の抵抗、柔軟性、および構造的適合および熱の均等性
を決定する主な要因である。
【００２４】 本発明のヒーターで使用するための熱可塑性フィルムは、様々な種類でもよく
、および市販されている。好ましい実施例においては、熱可塑性フィルムおよび
ポリエーテルイミド（ＵｌｔｅｍTM、Ｗｅｓｔｌａｋｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，Ｉ
ｎｃ．，ＰＡ）、ポリエーテルケトン（ＶｉｃｔｒｅｘTM，Ｗｅｓｔｌａｋｅ
Ｐｌａｓｔｉｃｓ．Ｉｎｃ．ＰＡ）、ポリアミド（ＫａｐｔｏｎTM、Ｅ．Ｉ．Ｄ
ｕｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ，ＤＥ）、ポリエーテルスルホン、スルホン
、ポリフッ化ビニリデン（ＫｙｎａｒTM、ＰＶＤＦ，Ｗｅｓｔｌａｋｅ Ｐｌａ
ｓｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．，ＰＡ）、アセトブチルスチレン（Ｃｙｃｏｌａｃ，ＡＢ
Ｓ，Ｗｅｓｔｌａｋｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．，ＰＡ）、酸化ポリフェニ
レン（ＮｏｒｙｌTM，Ｗｅｓｔｌａｋｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．，ＰＡ）
等である。熱可塑性フィルムは、異なるゲル化温度を有する。そのため、本発明
の処理において、ピンチ・ローラーまたは液圧プレスが設定される温度は、使用
される熱可塑性フィルムの種類によって決定される。本発明のヒーターを製造す
る処理において、ＵｌｔｅｍTMはおよそ摂氏２７５度の温度で使用され、Ｖｉｔ
ｒｅｘTMは摂氏３５０度で使用される。
【００２５】 前記処理および本発明のヒーター素子ならびにヒーターは、図を参照して説明
することができる。図１は、本発明の積層生地ヒーターを作るのに有用である高
ボリューム生産プロセスを示す。図１に見られる通り、前記処理は、ローラー積
層装置を伴う。開始物質（starting materials）、すなわち伝導性生地１０、母
線ストリップ１２，１４、熱可塑性フィルム１６，１８および必要とされれば、
グラフ・ファイバ・ヴェール２０，２２は、すべてロールで供給される。
【００２６】 図１に記載の通り、ロール・スタック・オペレーション（roll stack operati
on）において、伝導性生地および銅箔、または他の適した金属は、グラフ・ファ
イバ強化熱可塑性フィルムに積層され、給電ワイヤが取り付けられ、およびヒー
ター全体が最終的に包まれ保護される。好ましい実施例において、前記処理は、
伝導性生地１０のロール、熱可塑性フィルムの二つのロール１６，１８、銅箔の
二つのロール１２，１４、およびグラス・ファイバ・ヴェールの二つのロール２
０，２２で開始する。伝導性生地１０は、ロールから引っ張られ、厚みが２ミリ
の銅箔１２，１４と結合され、予め決められた距離だけ離され、および互いに平
行に付けられ、伝導性生地と接触し、および伝導性生地ロール１０と同じ方向で
あるが、他の方向でも可能である。好ましくは、銅箔母線は、ロールのフリー・
エッジ（free edges）に近い。
【００２７】 銅箔母線１２，１４および伝導性生地１０は、貫通リベッタ２４を通って一緒
に引っ張られ、前記貫通リベッタによって、穴の開いた上および下の支持板は、
生地および銅箔母線１２，１４を近くに維持し、および銅の幅と比較して、小さ
な寸法の、ピンのように先の細い針が、銅箔および伝導性生地に押し通される。
前記針は引き抜かれ、貫通した穴の周辺部分は圧縮される。圧縮は、ローラーか
一対のローラー、または両側からクランプで固定するプレス・ロッド・フィクス
チャ（press rod fixture）の形式を取ってもよい。前記銅を貫通する動作は、
前記銅を、まさに花のように、いくつかの花弁に分割する。前記針の先細りが開
口部へと続くと、前記花弁は丸まり、離れていき、局部的な繊維を捕らえる。圧
縮されると、前記繊維は永久に保持され、および前記銅は、しっかりと生地に取
り付けられる。前記処理のこの部分は任意であるが、銅の配置が増える。
【００２８】 銅箔母線の貫通／リベット動作から、最終生成物は、熱可塑性フィルム１６，
１８を用いた第一の積層に対する準備ができる。伝導性生地１０は、銅箔母線を
取り付けられた状態で、伝導性生地１０よりもやや幅が広い（約１乃至６ミリメ
ートル）熱可塑性フィルム１６，１８の２層の間に引っ張られる。銅箔母線への
ワイヤの取り付けを簡単にするために、熱可塑性フィルム１６の最上層は、第一
の積層処理の前に、穴を開けられてもよい。熱可塑性フィルムの上および外側に
、グラス・ファイバ・ヴェール２０，２２が、積層スタックの両側に加えられる
。
【００２９】 銅箔母線を伴う伝導性繊維層は、図２の横断面に記載されたとおり、ファイバ
・グラス・ヴェールとともに、または伴わず、熱可塑性フィルムに挟まれ、ピン
チ・ローラー１５，１７を通るように一緒に引っ張られ、それらは予め決められ
た温度に予め熱せられており、使用される熱可塑性フィルムおよび生地の種類お
よび厚みによって、予め決められた距離に設定されている。乾燥した物質の層は
ピンチ・ローラーによって熱せられ、および一緒に、正確な厚みの強化されたシ
ートへと溶合される。温度および圧力は、熱可塑性物質が、伝導性生地、貫通し
た銅母線およびグラス・ファイバ・ヴェールを通って流れるのに十分に熱くなる
ようなものである。ピンチ・ローラー分離は、シート、および最も重要なのは伝
導性生地の適切な強化を達成するように設定される。強化されると、伝導性生地
は、その最終的抵抗率を達成する。伝導性生地、熱可塑性フィルム、およびグラ
ス・ファイバ・ヴェールのあらゆる一定の組み合わせに関して、強化は常に、熱
可塑性フィルムの厚みの、少なくとも１１０％に圧縮されなければならないこと
を実験が示唆した。第一の積層処理が完了すると、生成物は選別されて、将来の
使用のために保存することができ、またはさらに予め決められた設計のカット・
ヒーター（cut heater）へと処理されることができる。強化されると、シート・
ヒーターは、最大の強化度合いを維持するために、冷却チャンバ１９へと運ばれ
る。
【００３０】 ヒーターの抵抗を上げるために、垂直カット２６は、図３に記載の通り、母線
の少なくとも一つを通る積層を通してなされることができる。これは、ストック
から、またはシート・ヒーターを冷却した後のランニング処理中に実行されるこ
とができる。連続的積層シートは、切断装置またはスリット装置（slitting dev
ice）を通して引っ張られる。前記装置は、所望の形状に作られたダイ・カッタ
ーか、または市販されているウォーター・ジェットあるいはレーザー・カッター
等の動的カッターでもよい。必要な切断工具で、蛇行またはジグザグ等の回路パ
ターンが切られることができ、それによってさらに、電気パス（electrical pat
h）を増やすことによって、前記抵抗を所望の値に上げる。第一のカットは、銅
の縁の外側から銅の縁の外側へ、だが熱可塑性層の最大幅の中でなされる。この
ようなカット２６は、開始および停止縁部を定義する。銅の縁の内側から銅の縁
の外側へ、ロールを横断する交互の様式で、およびロールを下って互いに特定の
距離がある追加的カットは、電流が、このジグザグ・パターンで移動するように
作られることができる回路を形成する。これらのカットは、熱可塑性層縁部のシ
ョートも終わらせる。最終的に、カットは、第一のカットと類似した方法でなさ
れ、それは前記回路の最終的な幅を定義する。最後のカットを次の一連の最初の
カットとして使用して、パターン処理は、積層ヒーター・ロール全体に関して継
続することができる。回路設計を変えるために、交互である中間切断（intermed
iate cuts）は、４ミリくらいの狭さ、または設計が必要とするくらいの広さで
、様々な間隔で実行されうる。一つの設計内の間隔を変えることで、設計者は、
回路内の各ストリップに関する熱出力を変えることができる。熱可塑性縁部より
短いカットは本来、回路を組み立て、ストリップを正しい位置に保持しつつ、ワ
イヤが取り付けられ、最終的積層が完了する。
【００３１】 図３乃至５は、偶数または奇数のストリップの回路がどのように作られ、そし
てワイヤの配置に影響を与えうるかを示す。偶数の番号のストリップ回路に関し
て、各ヒーターのためのワイヤ取り付けは、一方の側で実行されるであろう。奇
数番号のストリップ回路に関して、前記ワイヤは反対側に取り付けられるであろ
う。ワイヤの形式である電気リード線は、熱可塑性物質を通して、または熱可塑
性物質内の穴を通して、およびジグザグ・パターンの始まりと終わりを定義する
場所において、銅箔母線に取り付けられうる。取り付けは、はんだ、蝋付け、超
音波溶接、またはクリンプ（crimping）等、現在公知の方法で達成され、および
前記ヒーターの温度、ならびに電気的アプリケーション要件を満たすであろう。
【００３２】 図３乃至６は、ワイヤ・リード線が取り付けられると、ヒーターは、素子スト
リップを正しい位置に保持し、ヒーターの絶縁耐力を向上させ、および回路とワ
イヤ取り付け点を保護するために、最終的に包まれ保護される。好ましい実施例
においては、最終的保護層は、追加的熱可塑性層であるか、またはシリコン・ゴ
ム等、他の適した誘電性物質でよい。熱可塑性フィルムが保護層として使用され
る場合、連続的な、積層ヒーター・シートは、熱可塑性物質の追加的層が回路の
各側面に溶合され、回路とワイヤ取り付け点を保護する、他のロール・スタック
積層機械へと引っ張られる。より厚い熱可塑性フィルムの追加の層は、局所的に
、ワイヤ取り付け点の周辺のヒーターを強化するために、同時に積層スタックに
加えられてもよい。トップ・ローラーは、熱可塑性フィルムの上部が、持ち上げ
られたワイヤ取り付け点の上部を覆って保護されるようにするために、熱抵抗性
ゴム、例えばシリコン・ゴムの層で覆われるべきである。
【００３３】 図５は、処理の最終切断段階も示す。必要とされるヒーターのアプリケーショ
ンおよびサイズによって、ヒーターを互いに離すために、シート製品を通して横
方向のカットが実行される。回路切断段階におけるように、これは、ダイ切断技
術、ウォーター・ジェット、またはレーザー切断方法を使用して達成されうる。
【００３４】 さらに、抵抗を上げるために、および／または他の媒体への保護を容易にする
ために、図７に記載の通り、穴は、積層内の予め決められた場所に開けられるこ
とができる。保護を容易にするために、穴が積層ヒーターに供給される場合、熱
可塑性フィルムまたはシリコン・ゴムの追加の層が、穴とともに追加され、また
は第二の保護が完了した後に追加される。開口部の周囲の誘電層に対する必要性
がある場合、第二の層の穴は、やや小さい寸法である。
【００３５】 本発明のヒーターは、熱の要件によって、複数のアプリケーションで使用され
うる。電力は、単回使用電池、充電可能電池、電源アダプタ、およびウォール・
サプライ（wall supply）、携帯発電機、太陽エネルギおよび工業用変圧器等の
、発電機由来のシステムによって届けられることができる。ミリボルトから約５
ボルトの、やや低電圧のアプリケーションでの本発明のヒーターの例は、加熱カ
ード、コースター、およびアイ・マスク（eye mask）等のノヴェルティ・ギフト
（novelty gift）；台所セット等の玩具；加熱および除氷のための電子センサー
；ヘア・カーラー（hair curlers）等の個人用充電可能器具および耳当て、手袋
、靴下、帽子等の個人用ウォーマーを含む。
【００３６】 約６から２８ボルトの中電圧を必要とするヒーター・アプリケーションは、例
えば、フロア・マット、ステアリング・ホイール（steering wheel）、シート、
ドア・パネルおよびミラー・デフロスタ（mirror defrosters）等の自動車部品
およびアクセサリ；オートバイのグリップ、ミラー、シート・パッド（seat pad
）タンクおよびヘルメット；航空機の翼、プロペラ、フロア、シート、器具、コ
ントロール、内部パネル、調理室およびトイレ・シート；船舶においては、フェ
リー・シート、デッキ、手すり、調理室およびトイレを含む；レクリエーション
用自動車（recreational vehicles）においては、ウォーミング・カウンタ（war
ming counter）およびゴミタンク；他のアプリケーションにおいては、太陽電池
加熱パネル、枕、電気コンポーネント／キャビネット・ヒーター、食物調理アプ
リケーションを含む。
【００３７】 約１１０から約２５０ボルト単相の高電圧を必要とするヒーター・アプリケー
ションは、例えば航空機の翼、プロペラ、ローター、カウリング（cowling）、
吸気口；器具、ルーム・ヒーター（壁および床）、調理台ウォーマー、薪プリヒ
ーター／ドライヤー、通路、車道、階段、アンテナ台、食べ物調理等の家財；お
よび液体ドラム・ヒーター、オーブン、店舗空間、機械プロセス、ツール／ダイ
、等の商業／工業用品を含む。約２０８から６００ボルト多相の、最高電圧を必
要とするヒーター・アプリケーションは、液体ドラム（バンド）ヒーター、オー
ブン、店舗空間、機械プロセス、ツール／ダイ、反射アンテナのトランスミッタ
／レシーバ、電気（信号）リレー／コンポーネント・キャビネット；部品の除氷
をするための、大型商業用および軍事用航空機ヒーター等の商業／工業用品を含
む。
【００３８】 例１ 少量のハッチ処理による、名刺サイズのノヴェルティ・ヒーターの構築 前記ヒーターは、１１．３８ミリメートルの幅の４つのストリップを有し、２
４ボルトから２．８８ワットの電力を産出し、および室温で、１平方センチメー
トル当たり０．０８ワットを発する。空気中での最大温度は、およそ摂氏１２０
度であろう。すべての必要な物質は適切な大きさに切断される。４つの熱可塑性
フィルム、好ましくは厚み７５ミクロンのポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、およ
び１平方メートル当たり２０グラムのグラス・ファイバー・ヴェールは９１ミリ
メートル×５３ミリメートルに切断される。さらに、一番上のグラス・ファイバ
ー・ヴェールは、７９ミリメートル×５７ミリメートルに切断される。厚み５０
ミクロンに３ミリメートル×５７ミリメートルの二つの柔らかい銅箔ストリップ
が用意され、ハンドヘルド・ローラーで滑らかにすることによって、尖った縁を
取り除く。
【００３９】 以下の属性を有する伝導性ヴェールのロールから（Ｔｈｅｒｍｉｏｎ Ｓｙｓ
ｔｅｍｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｓｔｒａｔｆｏｒｄ，ＣＴによって
供給され、ＴＨＥＲＭＩＯＮとして知られるものであり、５％ニッケル被覆炭素
、６ミリメートル繊維および１平方メートル当たり８グラム、６．７ｏｈｍｓ／
ｓｑ表面抵抗率を有する）、５３ミリメートル幅のロールの最後から一片が切り
取られ、確かに、前記カットは、可能な限り、前記ロールの軸に平行に実行され
る。一つの端部は四角く揃えられ、８５ミリメートルの長さの一片が前記ストリ
ップから切り取られる。
【００４０】 積層プレス・プレート等、部品のサイズの４倍の、および２ミクロンに削られ
た、適した金属支持板の上で、強化および冷却が達成されると、完成した部分の
除去に加えられるように、滑らかな表面にドライ・テフロン（登録商標）潤滑油
等の離型剤が塗られる。離型剤を塗った後、余分な物質を除去するために前記表
面を研磨する。二つのグラス・ファイバ・ヴェールのうち大きいほうは、処理さ
れた表面に配され、十分な隙間を前記板の縁に残す。切断されたＰＥＩフィルム
の一つは、同様に方向に、グラス・ファイバ・ヴェールの上に配される。
【００４１】 伝導性生地は、８５ミリメートルの長さの向かい合った端部に銅箔を方向付け
、銅を生地の上に置くことによって用意される。銅箔は、伝導性生地の幅を均一
に超えて伸び、および前記生地に接触することができるように、前記端部を中心
にして配される。これは、銅の適切な分離を維持することを助け、ヒーター層の
組み立て中に銅が移動する可能性を排除する。プラスチック等の平らな板に作ら
れた１ミリメートルの小さな穴に対して、前記生地の４角に、小さな針で銅箔と
伝導性生地を貫通し；それは互いにおよそ１ミリメートルである。これは各角に
関して繰り返される。生地は、銅の側を下にして、硬く清潔な表面へと裏返され
る。短く平らに終わっている棒で、前記領域は軽く圧縮され、それによって貫通
処理は完了する。この圧縮は、強化中、前記銅を生地に保持する。
【００４２】 伝導性繊維生地は、取り付けられた銅箔で、前記支持板にすでに配されたグラ
ス・ファイバ・ヴェールと熱可塑性フィルムとの層に配置される。銅側が上を向
いた伝導性生地は、他の層に合わせ調整される。銅ストリップの最も端部におい
て、最後の１乃至２ミリメートルは、３０乃至４５度上方へ、軽く、および少し
だけ曲げられる。これは、グラス・ファイバの最上層を配列するのを助ける。第
二の熱可塑性フィルム層は、最上層のグラス・ファイバ・ヴェール層がその後に
続く伝導性生地の上に配される。以前に上方に曲げられた銅チップの間のヴェー
ルは配列され、調整される。
【００４３】 積層の反対側または好ましくは積層の周囲に、およそ１５０ミクロンのシム（
shim）が置かれる。代替的に、フレームの形式のシムが、積層を包囲するために
作られうる。積層およびシムの上に、離型剤を塗られた第二の積層板が配置され
る。スタックは、台が予め摂氏２７５度に熱せられた液圧プレスに置かれる。前
記スタックは、３分間、９００メートル・トンの負荷をかけられて圧縮される。
積層スタックは、負荷を維持したまま摂氏２００度に冷却される。温度が下がる
と、負荷およびスタックはプレスから取り除かれる。前記板は分離され、強化さ
れた部分が取り除かれ、室温に冷却することができる。強化された部分（ヒータ
ー）の長い縁は、銅に揃えて、幅４７ミリメートルに揃えられ、貫通された銅の
部分を取り除く。さらに、銅を超えた端部は、４７ミリメートル×８９ミリメー
トルの部分的大きさを達成し、銅を超えて２ミリメートルのＰＥＩを残すように
、揃えられる。
【００４４】 正しい大きさに設定されたダイ・カッターまたはウォーター・ジェット切断機
械を用いて、素子ストリップを作るために素子の隙間が切られる。各隙間は幅０
．５ミリメートルで、伝導性生地の長さ方向に下り、前記部分の縁に足りずに止
まる、一端における銅箔を通過して伸びる。機械は、一つの隙間につき、一つの
銅箔母線を切るだけであり、前記機械が各ストリップを作ると、それが切断する
母線（左または右）を交互にする。４７ミリメートル幅の積層から３つのカット
が実行され、その結果、およそ１１．３８ミリメートル幅のストリップができる
。このパターンにより、３×７９ミリメートルまたは２３７ミリメートルの電気
パスが作られる。
【００４５】 超音波ワイヤ溶接装置を用いて、一つのワイヤが、熱可塑性物質を通って、３
ミリメートル×１１．３８ミリメートルの二つの銅箔母線の各々に取り付けられ
る。これらは、電気パスが始まりおよび止まる、二つのエンド・ストリップ（en
d strip）であることが注目される。強化され、および切られたヒーターは、Ｐ
ＥＩフィルムの他の層の上へ、および積層板へと配される。再度、ＰＥＩフィル
ムの他の層は、前記部分へと配され、およそ１乃至５ミリメートルの高温シリコ
ン・ゴムで覆われる。最上層積層板は取り替えられ、さらに５分間、摂氏２６０
度で予め熱せられたプレスに挿入される。前記プレスは摂氏２００度に冷却され
、前記部分は取り除かれる。前記縁は５１ミリメートル削って８９ミリにされ、
誘電のために２ミリメートルを残し、および強化されたヒーターは仕上げられ、
または完成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ローラー積層装置で、本発明の積層生地ヒーターを作るための処理を
図で表したものである。
【図２Ａ】 図２Ａは、それぞれグラス・ファイバ・ヴェールを伴わない、および前記ヴェ
ールを伴う強化の前の様々な層を示している、本発明のヒーター素子の横断面で
ある。
【図２Ｂ】 図２Ｂは、それぞれグラス・ファイバ・ヴェールを伴わない、および前記ヴェ
ールを伴う強化の前の様々な層を示している、本発明のヒーター素子の横断面で
ある。
【図３】 図３は、ローラー積層処理を通して製造する様々な段階でのヒーターを図で表
したものである。
【図４】 図４は、ジグザグ式の、前記ヒーターを通るカットを示す、本発明のヒーター
の、切り離した図を示す図である。
【図５】 図５は、本発明のヒーターを製造する処理の様々な段階Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｈおよび
Ｊを示す図である。
【図６】 図６は、本発明のヒーターの横断面を示す図である。
【図７】 図７は、穴が積層を通して開けられる、本発明のヒーターを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 パーキン ジェフ アール アメリカ合衆国 コネチカット州 06757 ケント マウウィー ブルック ウェイ 18 (72)発明者 ロールズ ジョン エイ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10504 −1012 アーモンク フロッグ ロック ロード ４ (72)発明者 ガードナー アラン ディー アメリカ合衆国 コネチカット州 06497 ストラトフォード アクセス ロード 611 Ｆターム(参考） 3K034 AA05 AA09 AA15 AA22 BB08 BB13 BC16 BC17 CA02 CA17 CA29 CA39 JA01 3K092 QA06 QB16 QB31 QB45 QC05 QC20 QC42 RF02 RF14 RF26 RF27 VV31

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 積層生地ヒーターであって、強化された、電気伝導性生地層
    と、二つの母線と、および二つの熱可塑性層とを具備し；各母線は、前記伝導性
    生地層と前記強化電気伝導性生地層との、向かい合った縁と接触しており、およ
    び前記母線は、単一のシートを形成する前記熱可塑性層の間に挟まれていること
    を特徴とする、前記ヒーター。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の積層生地ヒーターであって、前記強化電気
    伝導性生地層は、ニッケル被覆炭素繊維を含むことを特徴とする前記ヒーター。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の積層ヒーターであって、前記母線に取り付
    けられた電気リード線をさらに具備する、前記ヒーター。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の積層ヒーターであって、前記母線は、銅箔
    で作られていることを特徴とする、前記ヒーター。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の積層生地ヒーターであって、前記ヒーター
    を単一のシートに形成する前に、前記第一の熱可塑性層の外側表面には第一のガ
    ラス・ヴェール（glass veil）を、および前記第二の熱可塑性層の外側表面には
    第二のガラス・ヴェールを配することをさらに含む、前記ヒーター。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の積層生地ヒーターであって、前記熱可塑性
    層は、ポリエーテルイミド（polyetherimide）、ポリエーテルエーテルケトン（
    polyetheretherketone）、ポリエーテルスルドン（polyethersuldone）、スルホ
    ン（sulfone）、ポリフッ化ビニリデン（polyvinylidine fluoride）、アセトブ
    チルシレン（acetobutylsyrene）、酸化ポリフェニレン（polyphenylene oxide
    ）およびポリアミド（polyamide）を含むグループから選択される熱可塑性フィ
    ルムであることを特徴とする、前記ヒーター。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の積層生地ヒーターであって、回路を作るた
    め、および前記ヒーターの抵抗を所望の値に上げるために、ジグザグ式に、前記
    母線の少なくとも一つに対して垂直な、およびそれを通るカット（cuts）をさら
    に含む、前記ヒーター。
  8. 【請求項８】 請求項３または７に記載の積層生地ヒーターであって、前記
    ヒーターの絶縁耐力を向上させるための熱可塑性物質またはシリコン・ゴムの外
    層をさらに具備する、前記ヒーター。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載の積層生地ヒーターであって、前記積層を通
    過する穴をさらに有する、前記ヒーター。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の積層生地ヒーターを作るための処理であ
    って： 第一の熱可塑性層を表面に配し； 前記第一の熱可塑性層に、電気伝導性生地の層を配し； 前記電気伝導性生地層の向かい合った縁に母線を配して、前記母線が前記電気
    伝導性生地層と接触するようにし； 前記電気伝導性生地層および母線に、第二の熱可塑性層を配し； 前記伝導性生地を強化するために、圧力下で、適切な温度で前記ヒーターを熱
    し；および 最大の強化が維持されるように、前記ヒーターを冷却チャンバに運ぶ ことを具備する前記処理。
  11. 【請求項１１】 ローラー積層装置で、請求項１に従って前記ヒーターを製
    造するための処理であって： ロール・サプライ（roll supply）からの電気伝導性生地の層を、二つの金属
    箔母線と結合させるステップであって、前記母線は互いに平行であり、および前
    記ロールの方向に、前記伝導性生地の向かい合った縁に配置され、および前記生
    地と接触することを特徴とする前記ステップと； 前記伝導性生地および母線に、貫通リベッタ（piercing rivetor）で穴を作る
    ことによって、前記伝導性生地に前記母線を固定するステップと； サンドイッチ構造を形成する熱可塑性フィルムの２層の間に母線を含む前記伝
    導性生地層を引っ張るステップと； 前記熱可塑性層のゲル化を生じさせるために、予め決められた温度および厚み
    で予め加熱されたピンチ・ローラー（pinch roller）を通して、前記サンドイッ
    チ構造を与えるステップと； 単一のシート・ヒーターを形成するために、前記伝導性繊維層を強化するステ
    ップと；および 冷却チャンバで、前記単一のシート・ヒーターを冷却するステップと； を具備する前記処理。
  12. 【請求項１２】 請求項１０または１１に記載の処理であって、前記ピンチ
    ・ローラーを通して前記サンドイッチ構造を与える前に、前記熱可塑性層にグラ
    ス・ファイバ強化層を供給するステップをさらに具備する、前記処理。
  13. 【請求項１３】 請求項１０または１１に記載の処理であって、電気リード
    線を母線に取り付けるステップをさらに具備する、前記処理。
  14. 【請求項１４】 請求項１０または１１に記載の処理であって、可変的電力
    出力の回路を作るために、前記母線の少なくとも一つに対して垂直に、およびそ
    れを通過して前記ヒーターを切断することをさらに具備する、前記処理。
  15. 【請求項１５】 請求項１０または１１に記載の処理であって、前記ヒータ
    ーの向かい合った表面に少なくとも一つの熱可塑性層を積層することをさらに具
    備する、前記処理。
  16. 【請求項１６】 請求項１０または１１に記載の処理であって、穴を作るた
    めに、前記積層に穴を開けることをさらに具備する、前記処理。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の処理であって、前記積層に、熱可塑性
    物質またはシリコン・ゴムの追加的な層を付けることをさらに具備する、前記処
    理。
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