JP2004510067A - 温度依存性電気抵抗糸 - Google Patents

Abstract

芯、鞘、および絶縁体を有する正可変性の抵抗糸である。前記鞘は、熱膨張性で低導電性のマトリクス内に混合された個別の導電体を含む。糸の温度が上昇するにつれて、前記鞘の抵抗が上昇する。

Description

【０００１】
背景
本発明は、一般的には導電性の糸に関し、特には温度によって変動する抵抗を提供する導電性の糸に関する。
導電体は、織編物又は織布といった生地における発熱体として利用されている。該導電体が、生地に組み込まれ、そして電気がその導電体を通じる。それゆえ、生地のような商品に使用される糸のような導電体が必要とされている。
【０００２】
詳細な説明
図１を参照して、本発明の１つの実施形態を示す温度依存性電気抵抗糸１０が示されている。糸１０は、一般的には、芯糸１００および正の抵抗温度係数（ＰＴＣＲ）を有する鞘２００からなる。糸１０は、ＰＴＣＲ鞘２００を覆う絶縁体３００を含むことも可能である。図面で示されるように、温度可変性抵抗糸１０は円形の断面である；しかしながら、糸１０が、楕円形、平形等といった生地の形状に適した他の断面を有することが可能であることが予想される。
【０００３】
芯糸１００は、一般的には、生地糸に好適な柔軟性および強度を提供する任意の材料である。芯糸１００は、ポリエステル、ナイロン、アクリル、レーヨン、ケブラー、ノーメックス、ガラス等といった合成糸から形成可能であり、あるいは綿、羊毛、シルク、麻等の天然線維から形成可能である。芯糸１００は、モノフィラメント、マルチフィラメント、または短繊維等から形成可能である。更に生地に使用される平糸、紡績糸、または他の形状の糸となり得る。１つの実施の形態において、芯糸１００は、非導電性の材料である。
ＰＴＣＲ２００は、温度が上昇するにつれて増大する電気抵抗提供する材料である。本発明の実施の形態において、図１で示されるが、鞘２００は、一般的には熱膨張性で低導電性（ＴＥＬＣ）マトリクス２２０内部に混合した個別の導電体２１０を含む。
【０００４】
個別の導電体２１０は、ＰＴＣＲ鞘２００を通じる導電路を提供する。個別の導電体２１０は、好ましくは導電性材料からなる粒子といった粒子、導電性にコートしたスフェア、導電性フレーク、導電性ファイバ等である。導電性の粒子、ファイバ、またはフレークは、カーボン、グラファイト、金、銀、銅、または他の任意の同様の導電性材料といった材料から形成可能である。該コートしたスフェアは、ガラス、セラミック、銅といった材料からなり、カーボン、グラファイト、金、銀、銅、または他の同様の導電性材料といった導電性材料でコートされたスフェアであり得る。スフェアはマイクロスフェアであって、１つの実施の形態において、該スフェアは、直径が約１０〜約１００ミクロンである。
【０００５】
ＴＥＬＣマトリクス２２０は、導電性粒子２１０よりも高い膨張係数を有する。ＴＥＬＣマトリクス２２０の材料は、温度により膨張するよう選ばれ、それによりＴＥＬＣマトリクス２２０内部で様々な導電性粒子２１０が分離している。導電性粒子２１０の分離によりＰＴＣＲ鞘２００の電気抵抗は上昇する。ＴＥＬＣマトリクス２２０はまた、糸に組み込むのに必要な程度まで柔軟である。１つ実施の形態において、ＴＥＬＣマトリクス２２０は、エチレンエチルアクリレート（ＥＥＡ）、またはＥＥＡとポリエチレンとの組み合わせである。ＴＥＬＣマトリクス２２０として使用される材料の必要条件を満たす他の材料としては、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリエチレンのハロ誘導体、熱可塑性もしくは熱硬化性材料が挙げられるが、それに限定されるわけではない。
【０００６】
ＰＴＣＲ鞘２００は、押し出し、コーティング、または芯糸１００に材料層を加える任意の他の方法により、芯糸１００に加えることが可能である。特定の種類の個別の導電体２１０（例えば、フレーク、ファイバ、スフェア等）の選択により、様々な温度抵抗特性を与えることが可能であり、そしてＰＴＣＲ鞘２００の力学的性質に影響を及ぼすことも可能である。ＴＥＬＣマトリクス２２０は、動作温度での軟化または融解を抑えたり回避したりするよう形成可能である。糸１０の有益な抵抗値は、所望される用途に依存し、約０．１オーム／インチ〜約２５００オーム／インチの範囲内であればいずれでも変動可能である。
【０００７】
ＰＴＣＲ鞘２００として好適となり得る材料の属性の説明は、米国特許第３，２４３，７５３号（Ｆｒｅｄ Ｋｏｈｌｅｒら、１９６６年３月２９日発行）においても見い出すことが可能であり、これは特定して参照することにより全体を出典明示で本明細書の一部とする。ＰＴＣＲ鞘２００として好適となり得る別の材料の属性の説明は、米国特許第４，８１８，４３９号（Ｂｌａｃｋｌｅｄｇｅら、１９８４年４月４日発行）においても見い出すことが可能であり、これは特定して参照することにより全体を出典明示で本明細書の一部とする。
【０００８】
本発明の１つの実施の形態において、ＴＥＬＣマトリクス２２０を、例えば、芯糸１００へ加えた後、例えば放射線照射によりその材料を架橋することにより固定することが可能である。別の実施の形態において、ＴＥＬＣマトリクス２２０を、熱硬化性ポリマーをＴＥＬＣマトリクス２２０として使用することにより固定することが可能である。別の実施の形態において、ＴＥＬＣマトリクス２２０は、特定の温度で軟化されて、指定温度の場所で、ＴＥＬＣマトリクス２２０の導電を遮断する内蔵型の「ヒューズ」を提供するようにすることが可能である。
【０００９】
絶縁体３００は、糸の柔軟性に適した非導電性材料である。１つの実施の形態において、膨張係数はＴＷＬＣマトリクス２２０に近似している。絶縁体３００は、熱可塑性物質、熱硬化性プラスチック、またはポリエチレンのように、処置により熱硬化性へと変化する熱可塑性物質であり得る。絶縁体３００に好適な材料としては、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。絶縁体３００は、絶縁体３００の材料の押し出し、コーティング、ラッピング、またはラッピングと加熱によりＰＴＣＲ鞘２００に加えることが可能である。
【００１０】
糸１０に渡ってかけられた電圧により、ＰＴＣＲ鞘２００を通じて流れる電流が生じる。糸１０の温度が上昇するにつれて、ＰＴＣＲ鞘２００の抵抗が上昇する。糸１０の抵抗の上昇は、ＴＥＬＣマトリクス２２０内で導電性粒子２１０が分離しているＴＥＬＣマトリクス２２０の膨張により得られ、それにより、糸１０の長さに沿った微細な通路が取り除かれてＰＴＣＲ鞘２００の総抵抗が上昇する。具体的な導電度と温度の関係は、特定用途に対して調整される。例えば、導電度が特定の地点までゆっくりと上昇し、遮断温度で瞬時に上昇してもよい。
本発明は、以下に続く実施例を参照することにより更に理解可能である：
【００１１】
実施例１
温度依存性電気抵抗糸を、５０％のカーボン製導電性粒子と５０％のＥＥＡからなるＰＴＣＲ鞘を有する５００デニールのマルチフィラメントのポリエステルからなる芯糸から形成した。糸のサイズの平均は、８１００デニールで、約４０ミルであった。ＰＴＣＲ鞘を芯糸上に押し出す前に、ＰＴＣＲ鞘用の材料を、１６５Ｆで少なくとも２４時間、予備乾燥した。糸は、約４７ミルのオリフィスを通じて約４３０Ｆの温度で、ＴＥＬＣ材料を芯糸上に約６６００プサイの圧力で押し出しコーティングすることにより形成した。コートした芯糸を、約８５Ｆの温度で水中において急冷した。糸の抵抗は、約７２Ｆで約３５０オーム／インチであった。最終的な糸は、強伸度が９．３ ｌｂｓで、破断時伸びが１２％であり、硬度は４．３グラム／デニール％を呈した。
【００１２】
実施例２
実施例１の糸を、ポリエチレンの絶縁層でコートした。ポリエチレンは、Ｅａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ からのＴｅｎｉｔｅ ８１２Ａであった。そのポリエチレンを約２３０Ｆの温度で、糸上に約８００プサイの圧力で押し出し、約７５Ｆの温度で水急冷した。絶縁糸の最終径は、約５３ミルであり、約１３，２５０デニールであった。その絶縁糸の抵抗は、約７５Ｆで約４００オーム／インチであった。
【００１３】
実施例３
実施例１の糸を、Ｄｏｗ ＰｌａｓｔｉｃｓからのＤｏｗ ９５５１であるポリエチレンの絶縁層でコートした。そのポリエチレンを約２３０Ｆの温度で、糸上に約８００プサイの圧力で押し出し、約７５Ｆの温度で水急冷した。絶縁糸の最終径は、約５３ミルであり、約１３，２５０デニールであった。その絶縁糸の抵抗は、約７５Ｆで約４００オーム／インチであった。
【００１４】
実施例４
温度依存性電気抵抗糸を、５０％のカーボン製導電性粒子と５０％のＥＥＡからなるＰＴＣＲ鞘を有する５００デニールのマルチフィラメントのポリエステルからなる芯糸から形成した。糸のサイズの平均は、約４６ミルであった。ＰＴＣＲ鞘を芯糸上に押し出す前に、ＰＴＣＲ鞘用の材料を、１６５Ｆで少なくとも２４時間、予備乾燥した。糸は、約５９ミルのオリフィスを通じて約４３０Ｆの温度でＴＥＬＣ材料を芯糸上に約５６００プサイの圧力で押し出しコーティングすることにより形成した。コートした芯糸を、約７０Ｆの温度で水中において急冷した。糸の抵抗は、約７２Ｆで約２５０オーム／インチであった。
【００１５】
実施例５
温度依存性電気抵抗糸を、５０％のカーボン製導電性粒子と５０％のＥＥＡからなるＰＴＣＲ鞘を有する１０００デニールのマルチフィラメントのケブラーからなる芯糸から形成した。糸のサイズの平均は、約４４ミルであった。ＰＴＣＲ鞘を芯糸上に押し出す前に、ＰＴＣＲ鞘用の材料を、１６５Ｆで少なくとも２４時間、予備乾燥した。糸は、約４７ミルのオリフィスを通じて約４１５Ｆの温度でＴＥＬＣ材料を芯糸上に約３９００プサイの圧力で押出しコーティングすることにより形成した。コートした芯糸を、約７０Ｆの温度で水中において急冷した。糸の抵抗は、約７２Ｆで約３９０オーム／インチであった。
【００１６】
実施例６
温度依存性電気抵抗糸を、５０％のカーボン製導電性粒子と５０％のＥＥＡからなるＰＴＣＲ鞘を有する１０００デニールのマルチフィラメントのケブラーからなる芯糸から形成した。糸のサイズの平均は、約３２ミルであった。ＰＴＣＲ鞘を芯糸上に押し出す前に、ＰＴＣＲ鞘用の材料を、１６５Ｆで少なくとも２４時間、予備乾燥した。糸は、約３６ミルのオリフィスを通じて約４１５Ｆの温度で、ＴＥＬＣ材料を芯糸上に約３７００プサイの圧力で押し出しコーティングすることにより形成した。コートした芯糸を、約７０Ｆの温度で水中において急冷した。糸の抵抗は、約７２Ｆで約１０００オーム／インチであった。
【００１７】
ここで図２を参照すると、実施例１で提供される糸の１インチを通じる電流の電圧の関数として示したグラフが示されている。室温で糸に対するＤＣ電圧を着実に増加させるために４つのプローブからなる抵抗設定を使用した。１インチの長さの糸にわたる電圧、および糸を通じる電流をモニタして図２にプロットした。図２は、本発明に係る糸が、総電流を制限するために使用可能であることを示している。電流の制限により、熱産生を制御し、かつ糸に対する熱応力の阻止を支援し、発熱体の故障する可能性を減少させる。図示のように、実施例１で提供される糸に対する電流は、糸あたり約１５ｍＡまで制限された。さらに糸が大きくなれば、より導電性の高い糸のように、より大きな電流が流れる。逆に、糸の導電性が小さくまたは弱くなれば、より電流の流れは小さくなる。
【００１８】
ここで図３を参照すると、本発明に従って作成される糸、および織布に導入され得る「従来の」誘導性材料の電気抵抗の様々な温度依存性を示したグラフが示されている。「ＴＤＥＲ糸」とは実施例１で提供される糸である。「銅線」とは、市販で入手可能な１４ゲージの１本鎖のワイヤである。銀コートしたナイロン」とは、銀でコートした３０デニールのナイロン糸であり、Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ（Ｓａｕｑｕｏｉｔ ｏｆ Ｓｃｒａｎｔｏｎ， Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）から入手可能である。「ステンレススティール糸」とは、外側周囲を４フィラメントのステンレススティールでより合わせたポリエステル糸であり、Ｂｅｋａｅｒｔ Ｆｉｂｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｍａｒｉｅｔｔａ， Ｇｅｏｒｇｉａ）から入手可能である。図３において、相対抵抗とは、材料の１００Ｆでの値に対する相対的な抵抗である。３種の従来の材料はすべて、非常に小さい温度係数を示す一方、ＴＤＥＲ糸の抵抗は、２５０Ｆで６倍以上に変化した。ポリマーベースのＰＴＣＲ材料には典型的に起こることであるが、更に加熱することにより抵抗は減少する。実際の使用において、製品を、動作中、この温度範囲に達しないようにデザインすることが可能である。
【００１９】
下の表１は、１５０Ｆ〜２００Ｆの範囲における各材料の温度係数を示している。最後のカラムから、本願発明者らは、ＴＤＥＲ糸が、他の典型的に生地の構成に好適で入手可能な導電性材料の５０倍以上の温度係数をを有することが分かる。
【表１】

【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、温度可変性の抵抗糸として示された、本発明の実施形態を示す拡大断面図である。
【図２】図２は、本発明の１つの実施形態にかかる糸の１インチを通過する電流を電圧の関数として示したグラフである。
【図３】図３は、本発明に従って作成される１つの実施形態に係る糸、および織布に導入され得る「従来の」誘導性材料の電気抵抗の様々な温度依存性を示したグラフである。
【符号の説明】
１０…糸１０、１００…芯糸、２００…ＰＴＣＲ鞘、２１０…導電体、２２０…ＴＥＬＣマトリクス、３００…絶縁体。

Claims (40)

1. 温度依存性電気抵抗糸であって：
   芯糸；
   正の抵抗温度係数を有する鞘、からなり；前記鞘が：
   マトリクス材料
   前記マトリクス中に混合された複数の個別の導電体、を含む、糸。
2. 前記糸が、更に円形断面からなる、請求項１に記載の糸。
3. 前記糸が、更に楕円形断面からなる、請求項１に記載の糸。
4. 前記糸が、更に平断面からなる、請求項１に記載の糸。
5. 前記芯糸が、合成糸からなる、請求項１に記載の糸。
6. 前記芯糸が、ポリエステル、ナイロン、アクリル、レーヨン、またはガラスから選ばれる材料を含む、請求項５に記載の糸。
7. 前記芯糸が、天然繊維糸からなる、請求項１に記載の糸。
8. 前記芯糸が、綿、羊毛、シルク、または麻から選ばれる材料を含む、請求項７に記載の糸。
9. 前記芯糸が、モノフィラメント糸からなる、請求項１に記載の糸。
10. 前記芯糸が、マルチフィラメント糸からなる、請求項１に記載の糸。
11. 前記芯糸が、平糸からなる、請求項１に記載の糸。
12. 前記芯糸が、紡績糸からなる、請求項１に記載の糸。
13. 前記芯糸が、短線維糸からなる、請求項１に記載の糸。
14. 前記芯糸が、非導電性の糸からなる、請求項１に記載の糸。
15. 前記導電体が、導電性粒子からなる、請求項１に記載の糸。
16. 前記導電性粒子が、以下に示す材料：カーボン、グラファイト、金、銀、または銅のうちの１つからなる、請求項１５に記載の糸。
17. 前記導電体が、導電性フレークからなる、請求項１に記載の糸。
18. 前記導電性フレークが、以下に示す材料：カーボン、グラファイト、金、銀、または銅のうちの１つからなる、請求項１７に記載の糸。
19. 前記導電体が、導電性ファイバからなる、請求項１に記載の糸。
20. 前記導電性ファイバが、以下に示す材料：カーボン、グラファイト、金、銀、または銅のうちの１つからなる、請求項１９に記載の糸。
21. 前記導電体が、導電性のコートしたスフェアである、請求項１に記載の糸。
22. 前記導電体が、導電性材料でコートしたスフェアである、請求項２１に記載の糸。
23. 前記スフェアが、以下に示す材料：ガラス、セラミックまたは銅のうちの１つからなる、請求項２２に記載の糸。
24. 前記導電性材料が、以下に示す材料：カーボン、グラファイト、金、銀、または銅のうちの１つからなる、請求項２２に記載の糸。
25. 前記スフェアが、約１０ミクロン〜約１００ミクロンの間である、請求項２１に記載の糸。
26. 前記マトリクス材料が、前記導電体よりも高い膨張係数を有する、請求項１に記載の糸。
27. 前記マトリクス材料が、温度が上昇するにつれて膨張する材料からなる、請求項１に記載の糸。
28. 前記マトリクス材料が、エチレンエチルアクリレートからなる、請求項１に記載の糸。
29. 前記マトリクス材料が、ポリエチレンを更に含む、請求項２８に記載の糸。
30. 前記マトリクス材料が、以下に示す材料：ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリエチレンのハロ誘導体のうちの１つからなる、請求項１に記載の糸。
31. 前記マトリクス材料が、熱可塑性物質からなる、請求項１に記載の糸。
32. 前記マトリクス材料が、熱硬化性物質からなる、請求項１に記載の糸。
33. 糸の抵抗値が、約０．１オーム／インチ〜約２５００オーム／インチである、請求項１に記載の糸。
34. 前記糸の材料が、架橋されたものである、請求項１に記載の糸。
35. 前記鞘を被覆する絶縁体を更に含む、請求項１に記載の糸。
36. 前記絶縁体の膨張係数が、鞘のマトリクス材料の膨張係数とほぼ同じである、請求項３５に記載の糸。
37. 前記絶縁体が、熱可塑性物質からなる、請求項３５に記載の糸。
38. 前記絶縁体が、熱硬化性プラスチックからなる、請求項３５に記載の糸。
39. 前記絶縁体が、ポリエチレンからなる、請求項３５に記載の糸。
40. 前記絶縁体が、ポリ塩化ビニルからなる、請求項３５に記載の糸。

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