JP2004047393A

JP2004047393A - 自己温度制御型面状ヒータ

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Publication number: JP2004047393A
Application number: JP2002206475A
Authority: JP
Inventors: Kiichi Kameda; 亀田　喜一
Original assignee: KAMEDA DENKI KK
Current assignee: KAMEDA DENKI KK
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: JP3957580B2

Abstract

【課題】自己温度制御型の面状ヒータに於いて、被加熱体が低温で大熱容量の場合に、被加熱体に接触する側の発熱体表層部の発熱量が十分に増加せずに、これと逆の側の表層部の発熱量が増加するという現象を防止し、被加熱体側の発熱体表層部の発熱量（即ち温度）が迅速且つ斑なく上昇するようにする。
【解決手段】高熱伝導性と耐熱性を有する合成樹脂とカーボン粉末の混合体から形成した導電性合成樹脂から成る板状発熱体と、当該発熱体の一側に固設した金属製の平板状電極と、前記発熱体の他側に固設した金属製の網状電極とから構成した自己温度制御型面状ヒータに於いて、前記発熱体を形成する合成樹脂をＰＥＥＫ樹脂とすると共にカーボン粉体の含有率を３５〜５０ｗｔ％とし、発熱体が略Ｕ字形又は略Ｖ字形の抵抗温度特性曲線を具備するものとする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己温度制御特性を備えた面状ヒータの改良に関するものであり、低温の被加熱体を接触させた側の温度を迅速且つ斑なく上昇させることができ、被加熱体を斑なく均一に加熱することを可能にした自己温度制御型面状ヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
所謂面状ヒータは融雪器や保温器等の発熱体として広く利用されており、その中でも、正の抵抗温度係数を備えた発熱体を用いた自己温度制御型の面状ヒータは、安全性に優れているため広く実用に供されている。
【０００３】
而して、この種面状ヒータとしては、薄板状の導電性プラスチック（導電性プラスチックシート）の両側表層部に金属シート状の電極板を固設した構造のものや、薄板状の導電性プラスチック（導電性プラスチックシート）の両側表層部に、複数本の金属線条（又は金属網体）から成る電極板を固設した構造のものが開発され、実用化されている。
また、前記導電性プラスチック材としては可撓性を有する耐熱性樹脂材にカーボン等を混合したものが多く利用されており、且つその厚さは１ｍｍ〜３ｍｍに選定されている。
更に、前記導電性プラスチック材は耐熱性や伝熱性に優れており、通常は正の抵抗温度係数を具備していて、所謂自己温度制御特性を備えている。
【０００４】
上記従前の自己温度制御型面状ヒータは、被加熱体の外表面の囲繞性や密着性に優れているだけでなく、安全性が高いと云う優れた実用的効用を有するものである。
しかし、当該自己温度制御型面状ヒータにも解決すべき多くの問題が残されており、その中でも発熱体の両側表面の放熱条件に大きな差異があると、昇温したい側の発熱量が減少して温度が迅速に上昇しなかったり、或いは、昇温したい側の発熱量に部分的な斑が生じると云う問題が、早急に解決すべき問題点として残されている。
【０００５】
例えば、いま図６に示すように、自己温度制御型面状ヒータＡの発熱体（導電性プラスチック）Ｈが、抵抗ｒａ（Ω）のＨａ部分と抵抗ｒｂ（Ω）のＨｂ部分とから構成されており、その両側表層部に固設した電極板Ｂ_１・Ｂ_２に電源電圧（図示省略）が印加されているとする。また、この発熱体Ｈは図７に示すような抵抗温度特性を具備しており、発熱体Ｈは自己温度制御型の特性を備えているものとする。
【０００６】
この自己温度制御型面状ヒータに被加熱体を接触させない状態下で通電（Ｅ＝１（ｖ））することにより、発熱体Ｈは図７のｒａ＝ｒｂ＝１（Ω）の点で熱的に平衡しているとする。
この状態下に於ける発熱体ＨのＨａ部分の発熱量Ｐａは、Ｐａ＝Ｉ^２×ｒａ＝（１／２）^２×１＝０．２５（ｗ）となり、また、Ｈｂ部分の発熱量Ｐｂは、Ｐｂ＝Ｉ^２×ｒｂ＝（１／２）^２×１＝０．２５（ｗ）となる。
【０００７】
次に、面状ヒータＡの一側面（Ｈｂ側）に低温の被加熱体Ｃを接触させることにより、発熱体ＨのＨｂ部分の温度が低下し、その結果Ｈｂ部分の抵抗ｒｂが１／３に低下したとする。
この状態下に於ける発熱体ＨのＨａ部分の発熱量Ｐａ′は、Ｐａ′＝（３／４）^２×１＝０．７５（ｗ）となり、また、Ｈｂ部分の発熱量Ｐｂ′は、Ｐｂ′＝（３／４）^２×１／３＝０．１８（ｗ）となる。即ち、発熱体Ｈａ部分の発熱量は増加して温度が急上昇するのに対して、発熱体Ｈｂ部分の発熱量は減少するため、急激な温度上昇が生じない。
【０００８】
一方、前記発熱体Ｈａ部分の温度が上昇すると、Ｈａ部分の抵抗ｒａが上昇し、その値ｒａ′がｒａ′＝２（Ω）に増加したとする。同様に、発熱体Ｈｂ部分の温度が若干低下することにより、Ｈｂ部分の抵抗ｒｂが低下し、その値ｒｂ′がｒｂ′＝１／２（Ω）に低下したとする。
この状態下に於ける発熱体ＨのＨａ部分の発熱量Ｐａ″＝（２／５）^２・２＝０．３２（ｗ）となる。また、発熱体ＨのＨｂ部分の発熱量Ｐｂ″は、Ｐｂ″＝（２／５）^２・１／２＝０．０８（ｗ）となり、発熱体ＨのＨａ部分とＨｂ部分の温度差がより大きくなることになる。
【０００９】
勿論、発熱体ＨのＨａ部分からＨｂ部分への熱移動があるため、上記Ｈａ部分とＨｂ部分との温度差は時間の経過と共に平衡値に達することになるが、低温の被加熱体Ｃの接触により、面状ヒータＡの片側面の温度が急激に下降すると、被加熱体Ｃと接触しない他側面の温度が急激に上昇するのに反して、被加熱体Ｃが接触する加温したい側の温度が逆に低下して、被加熱体Ｃの加熱が困難になると云う上記の如き事象は、屡々見られる現象である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の自己温度制御型面状ヒータに於ける上記の如き問題、即ち低温の被加熱体を接触させた場合に、加熱したい側の温度がなかなか上昇せずに、逆に、被加熱体が接触する側とは反対側の温度が上昇すると云う問題を解決せんとするものであり、低温の被加熱体を接触させた場合に、被加熱体が接触する側の温度を直ちに斑なく上昇させ得るようにした自己温度制御型面状ヒータを提供せんとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
而して、自己温度制御型面状ヒータに於ける上記の如き事象の発生を防止するには、面状ヒータＡを形成する発熱体Ｈの熱伝導率を高めること、発熱体Ｈの厚みを可能な限り薄くすること及び発熱体Ｈの抵抗温度特性の変化率を適宜に選定すること等の対策が考えられ、これ等の対策を取り入れした多くの面状ヒータＡが開発されている。
本願発明者は、従前の面状ヒータを構成する発熱体Ｈの抵抗温度特性の利用範囲に関する思考方法を完全に破棄し、加熱温度の低い範囲に於いては発熱体Ｈに負の抵抗温度特性を具備せしめ、また、逆に加熱温度の高い範囲に於いては、発熱体Ｈに正の抵抗温度特性を具備せしめることを新たに想到し、これ等の条件を満たす抵抗温度特性を備えた各種の発熱体Ｈを開発し製作すると共に、これを用いた面状ヒータＡについて数多くの加熱特性試験を実施した。
【００１２】
本発明は、上述の如き多数の面状ヒータに係る試験の結果に基づいて創作されたものであり、請求項１に記載の発明は、高熱伝導性と耐熱性を有する合成樹脂とカーボン粉末の混合体から形成した導電性合成樹脂から成る板状発熱体と、当該発熱体の一側に固設した金属製の平板状電極と、前記発熱体の他側に固設した金属製の網状電極とから構成した自己温度制御型面状ヒータに於いて、前記発熱体を形成する合成樹脂をＰＥＥＫ樹脂とすると共にカーボン粉体の含有率を３５〜５０ｗｔ％とし、発熱体が略Ｕ字形又は略Ｖ字形の抵抗温度特性曲線を具備するものとしたことを発明の基本構成とするものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、平板状電極をステンレス鋼板製とすると共に、網状電極を銅製網体とするようにしたものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、カーボン粉体の含有率を４０〜４３ｗｔ％とすると共に網状電極を発熱体の一側の表層部へ埋設固定し、更に発熱体の網状電極側の外表面へ被加熱体を接触させるようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る自己温度制御型面状ヒータの断面概要図の一部を示すものであり、図に於いて１は面状ヒータ、１ａは面状ヒータの発熱体、１ｂは被加熱体２の側に位置する網状電極、１ｃは平板状電極である。
【００１６】
当該面状ヒータ１は、例えば図１に示すように、前記網状電極１ｂ側の外表面が被加熱体（缶体その他）２に接触するか、若しくは被加熱体２の外表面を囲繞する状態で使用され、両電極１ｂ・１ｃ間に所定の電圧が印加される。
【００１７】
前記発熱体１ａは厚さ約１．０〜２ｍｍの四角状のシート体に形成されており、一辺の寸法は１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度に選定されている。
また、当該発熱体１ａは、耐熱・高熱伝導性の合成樹脂にカーボン粉体を混練した混合体を原料とし、これをシート状に圧縮成形することにより形成されている。
更に当該発熱体１ａを形成する前記混合体の合成樹脂とカーボン粉体の混合率は、発熱体１ａの抵抗温度特性が、図２に示す略Ｕ字形（又は略Ｖ字形）となるように選定されている。
【００１８】
前記発熱体１ａの構成材である合成樹脂材としては、熱伝導性と耐熱性を有し、更に炭素粉体の混入により導電性が賦与され且つ抵抗温度特性が略Ｕ字形又は略Ｖ字形になるものであれば、如何なる合成樹脂であってもよく、本実施形態に於いては所謂ＰＥＥＫ樹脂が使用されている。
尚、前記ＰＥＥＫ樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン樹脂の略称であり、下記のような構造式で表わされる分子構造を有するものである。また、当該ＰＥＥＫ樹脂は、英国のアイ・シー・アイ社が１９７７年に合成に成功し、且つ英国のビクトレックス社が現在製造・販売をしている熱可塑性の超耐熱樹脂である。
【００１９】
【化１】

【００２０】
更に、当該ＰＥＥＥＫ樹脂の諸物性値は、比重が１．３、吸水率が０．１４％（２３℃、２４時間）、引張強度９９０ｋｇ／ｃｍ^２（２３℃）、４２０ｋｇ／ｃｍ^２（２００℃）、圧縮強度１３００ｋｇ／ｃｍ^２（２３℃）、熱変形温度１５２℃（１８．６ｋｇ／ｃｍ^２）、融点３３４℃、熱伝導率６×１０^−６ｃａｌ／ｓｅｃ・ｃｍ・℃、比熱０．３２ｃａｌ／℃・ｇ、誘電率３．２〜３．３（０℃〜１５０℃、５０Ｈｚ〜１０^１０Ｈｚ）、体積固有抵抗１０^１５（Ω・ｃｍ）等である。
【００２１】
また、前記被加熱体２側に位置する網状電極１ｂとしては、ステンレスや銅等の線条を網状に編成加工したものでも、或いはステンレスや銅等の線条を格子状に一定間隔で並列配置したものであってもよく、本実施形態では銅線からなる平面状の網状体が電極１ｂとして使用されている。
尚、当該網状電極１ｂは、混合体から発熱体１ａを成形加工する時に予かじめ発熱体１ａ内へ若干入り込んだ位置に配設しておくことにより、発熱体１ａと一体化されており、その結果、網状電極１ｂが被加熱体２へ直接接触することは無い。
【００２２】
前記平板電極１ｃは、銅又はステンレス製の薄板から形成されており、本実施形態に於いてはステンレス鋼製の四角形薄板が電極１ｃとして使用されている。尚、当該平板状電極１ｃは、網状電極１ｂの場合と同様に、発熱体１ａの成形時に、予かじめ電極１ｃを発熱体１ａの内方へ若干入り込んだ位置にセットしておくことにより、発熱体１ａと一体化されている。
【００２３】
図２を参照して、両電極１ｂ・１ｃ間へ通電する前は、合成樹脂シートから成る発熱体１ａは低温状態にあり、その結果発熱体１ａの抵抗値は、図２の抵抗温度特性曲線上のＰ_１点に位置している。
【００２４】
今、ここで電極１ａ・１ｂ間へ通電されると、発熱体１ａの平板状電極１ｃ側は、その外表面が空気に接しているため熱容量が比較的小さく、直ちに温度が上昇する。その結果、平面電極１ｃ側の発熱体１ａの温度は、Ｐ_１点からＰ_２点へ移動する。
【００２５】
これに対して、発熱体１ａの網状電極１ｂ側の発熱量は、網状電極１ｂそのものの抵抗値が平板状電極１ｃより大きいために、平板状電極１ｃ側の発熱量よりも大きくなる。しかし、発熱体１ａの網状電極１ｂ側の外表面には熱容量の比較的大きな被加熱体２が接触しているため、発熱体１ａの網状電極１ｂ側の温度は比較的緩やかに上昇し、Ｐ_１点からＰ_３点へ移行する。
【００２６】
一方、発熱体１ａの前記平板状電極１ｃ側は、その温度が上昇することにより抵抗値が減少し、温度は緩やかに上昇して、抵抗温度特性曲線上のＰ_４点に達することになる。
また、発熱体１ａの網状電極１ｂ側の温度は、被加熱体２の温度が上昇するにつれて上昇する。これにより、その抵抗が下降し、電流即ち発熱量が増加することにより抵抗温度特性曲線上のＰ_５点に達する。
【００２７】
その後、発熱体１ａの網状電極１ｂ側及び平板状電極１ｃ側の温度が上昇すると、発熱体１ａの抵抗が上昇することになり（Ｐ_６及びＰ_７）、その結果電流の増加が抑制されて温度上昇も制約されることになる。
【００２８】
図２からも明らかなように、本発明の実施形態に係る面状ヒータ１によれば、発熱体１ａの網状電極１ｂ側の温度は、従前の面状ヒータのように低温の被加熱体２の接触によって温度上昇が阻害されるようなことは全く無く、所定の温度にまで斑なく連続的に上昇すると共に、所定の温度を越えると自動的に温度上昇が制限されることになる。
【００２９】
（実施例１）
図３は、本発明の実施例に係る自己温度制御型面状ヒータ１の断面概要図である。発熱体１ａは、ＰＥＥＫ樹脂とカーボンの混合体（カーボン粉体の混合率４２．５ｗｔ％）から成型されており、その外形寸法は厚さ約１．５ｍｍ、横幅２５ｍｍ、縦幅１５ｍｍとされている。
また、平板状電極１ｃは厚さ１．６ｍｍのステンレス鋼板（２５ｍｍ×１５ｍｍ）により形成されており、発熱体１ａの一側の外表面へ固設されている。
更に、網状電極１ｂは、外径０．６ｍｍφのニッケルメッキ銅線から成る２５ｍｍ×１５ｍｍの網状体（格子間隔１．５ｍｍ×１．５ｍｍ）から形成されており、発熱体１ａの一方の外表面から約０．５ｍｍ内部へ入り込んだ位置に発熱体１ａと一体的に固設されている。
【００３０】
表１は、図３に示した面状ヒータ１の両電極１ｂ・１ｃ間へ電圧Ｅ（ｖ）を印加した場合の測定値を示すものであり、網状電極１ｂ及び平板状電極１ｃ側の温度は放射温度計（（株）堀場製作所製）により測定したものである。
【００３１】
【表１】

【００３２】
また、図４は、前記表１をグラフ化したものであり、曲線Ｔａは網状電極１ｂ側の発熱体１ａの外表面温度（℃）、Ｔｂは平板状電極１ｃ側の発熱体１ａの外表面温度（℃）、Ｒは発熱体抵抗（Ω）を示すものである。
【００３３】
（実施例２）
【表２】

表２は、前記図３の自己温度制御型面状ヒータに於いて、網状電極１ｂの材料をステンレス鋼製（外径０．６ｍｍφ、格子間隔１．５ｍｍ×１．５ｍｍ）とした場合の発熱体１ａの抵抗温度特性の測定値であり、発熱体１ａの温度は網状電極１ｂ側の発熱体１ａの外表面温度を示すものである。
また、発熱体１ａを形成する混合体のカーボン粉体の含有率は４２．３ｗｔ％に選定されている。
【００３４】
図５は前記表２の測定値をグラフ化したものであり、発熱体１ａの抵抗温度特性は略Ｕ字形を呈している。
【００３５】
ＰＥＥＫ樹脂とカーボン粉体の混合体のカーボン粉体の含有率を、４２．５ｗｔ％（実施例１）及び４２．３ｗｔ％（実施例２）としているが、カーボン粉体の含有率は３５〜５０ｗｔ％、望ましくは４０〜４３ｗｔ％とするのがよい。含有率が５０ｗｔ％を超えると導電性が高かくなり過ぎ発熱体としての利用が困難になる。また、逆に含有率が３５ｗｔ％以下になると、Ｕ字形又はＶ字形の抵抗温度特性曲線を得ることが困難となる。
【００３６】
尚、前記実施例１及び実施例２に於ける抵抗温度特性の測定（表１及び表２）では、発熱体１ａの網状電極１ｂ側の温度を測定するに際して被加熱体を網状電極１ｂ側の発熱体１ａの外表面へ接触させることはしていないが、被加熱体を網状電極１ｂ側の外表面へ直接接触させた場合には、その熱容量に応じて、外表面側温度が平衡状態に達するまでに時間がかかるものの、抵抗温度特性曲線そのものの形状は図４及び図５の場合と同様に、略Ｕ字形（又は略Ｖ字形）の形状となることが実験により確認されている。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に於いては、自己温度制御型の面状ヒータを構成する発熱体をＰＥＥＫ樹脂とカーボン粉体の混合体から成る導電性合成樹脂製とすると共に、カーボン粉体の含有率を３５〜５０ｗｔ％として発熱体が略Ｕ字形状又は略Ｖ字形状の抵抗温度特性曲線を具備するようにしている。
その結果、低温で且つ熱容量の大きな被加熱体を加熱する場合であっても、発熱体の被加熱体側の表層部温度は、常に迅速且つ斑なく所定の温度にまで上昇することになり、従前のこの種自己温度制御型面状ヒータのように、加熱の途中で昇温したい側の発熱量が減少してその表層部温度が迅速に上昇しなかったり、或いは温度上昇に部分的な斑を生ずるようなことが略皆無となる。
【００３８】
また、本発明に於いては、発熱体の抵抗温度特性曲線の形状を略Ｕ字形状又は略Ｖ字形状となるようにしているため、発熱体そのものは高温に自己制御性を発揮することになり、面状ヒータとしての安全性が損われることは全くない。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自己温度制御型面状ヒータの断面概要図の一部を示すものである。
【図２】本発明に係る面状ヒータで用いる加熱体の抵抗温度特性を示すものである。
【図３】本発明の実施例に係る自己温度制御型面状ヒータの断面概要図である。
【図４】図３に係る面状ヒータの特性曲線図である。
【図５】第２実施例に係る面状ヒータの抵抗温度特性曲線である。
【図６】従前の自己温度制御型面状ヒータの断面概要図である。
【図７】従前の自己温度制御型面状ヒータの抵抗温度特性を示す曲線である。
【符号の説明】
１は自己温度制御型面状ヒータ、１ａは発熱体（導電性合成樹脂シート）、１ｂは網状電極、１ｃは平板状電極、２は被加熱体、Ｔａは発熱体の網状電極側の温度、Ｔｂは発熱体の平板状電極側の温度、Ｒは発熱体の抵抗、Ｒｔは発熱体の抵抗温度特性曲線。

Claims

高熱伝導性と耐熱性を有する合成樹脂とカーボン粉末の混合体から形成した導電性合成樹脂から成る板状発熱体と、当該発熱体の一側に固設した金属製の平板状電極と、前記発熱体の他側に固設した金属製の網状電極とから構成した自己温度制御型面状ヒータに於いて、前記発熱体を形成する合成樹脂をＰＥＥＫ樹脂とすると共にカーボン粉体の含有率を３５〜５０ｗｔ％とし、発熱体が略Ｕ字形又は略Ｖ字形の抵抗温度特性曲線を具備するものとしたことを特徴とする自己温度制御型面状ヒータ。
平板状電極をステンレス鋼板製とすると共に網状電極を銅製網体とするようにした請求項１に記載の自己温度制御型面状ヒータ。
カーボン粉体の含有率を４０〜４３ｗｔ％とすると共に網状電極を発熱体の一側の表層部へ埋設固定し、更に発熱体の網状電極側の外表面へ被加熱体を接触させる構成とした請求項１又は請求項２に記載の自己温度制御型面状ヒータ。