JP2008213661A - 車両用面状発熱体及びこれを用いた車両暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧の車載バッテリーから給電することができ、面状発熱体全体が一様に発熱し、かつ柔軟性に富んで座席の坐り心地を損なうことの無い面状発熱体を提供する。
【解決手段】ＰＴＣ特性を有するシート状の抵抗体を絶縁被覆内に収容した面状発熱体であって、前記抵抗体の表裏ほぼ全面に金属薄膜が形成され、この両金属薄膜それぞれの外側のほぼ全面を覆って金属細線からなる金網が接着され、該金網を電極として通電されるように構成されている車両用面状発熱体。また、金属薄膜として厚みが１５μｍ以下のアルミニウムの蒸着膜を用い、金網の金属細線として線径が０，０５〜０．２ｍｍの銅線又はアルミニウム線を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の座席等を直接暖房するのに好適な車両用面状発熱体とこれを用いた車両暖房装置に関する。

車両用暖房装置は通常、エンジンの熱を放熱するために設けられたヒーターコアの温水を熱源として利用している。すなわち、エンジンの冷却水をヒーターコア内で循環させるとともに、ヒーターコアの周囲に空気を流して、ヒーターコア内の温水と熱交換し、暖まった空気を車室内に送りこむという暖房方式（送風暖房）である。

しかし、かかる送風暖房には、いくつかの問題がある。まず、第一に即効性に欠けるという問題である。乗員が暖房スイッチを入れても、エンジンの温度がある程度上昇しないと温水が得られないので、暖房が効き始めるまでに相当の時間を要する。冬の寒い朝など冷え切った車内で暖房が効き始めるのを待つのは、かなりの辛抱を要する。
また、暖房を強くする手段はファンの風量を増すことに限られるが、ファンの風量を大きくすると、騒音が大きくなるばかりでなく、ファンの動力も大きくなって好ましくないという問題もある。

また、送風暖房は暖房効果にムラが生じ易いという問題がある。すなわち、温風の吹出し口付近は暖まり易いが、乗員の足元はなかなか暖まらないことが多い。また、温風の吹出し口を設け易い前部座席は暖房効果が良いが、これを設けにくい後部座席は暖房効果が良くないのが通例である。
さらに、送風暖房には車内の空気が乾燥し易いという問題もある。気温の低い冬季の空気は水分含有量が少ないので、これをヒーターコアで温めると相対湿度が著しく低くなる。したがって、送風暖房を継続して長時間運転すると、咽喉や気管を痛めることも少なくない。

そのため、かかる送風暖房に代えて、又はこれを補完して、ヒーターコアの温水を熱源としない車両暖房の方法がいくつか提案されている。
例えば、特許文献１及び２には、基布に発熱線を蛇行させて逢着したヒーターユニットを座席の表皮部の内側又は外側に配する車両用ヒーターユニットが開示されている。このうち特許文献１では、発熱線としてＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有するものを用いることが示されている。これは、所定間隔で平行に配置された一対の電極線を、正抵抗係数を有する抵抗体で被覆し、さらにその外側を絶縁材で被覆して両電極線に通電する発熱線である。

このようなヒーターユニットは、如何にして柔軟性を確保するか、或いは座席の坐り心地に悪影響を与えないようにするかが課題となる。そのため、特許文献３には、発泡ウレタンフォーム層内に発熱線を埋没させた座席用ヒーターユニットが開示されている。また、特許文献４には、「絶縁性基材上に形成され、線状電極により給電される高分子抵抗体からなる面状発熱体において、その適所に柔軟性を付与するように複数の貫通孔を配設した面状発熱体」が開示されている。

一方、ヒーターユニットを座席に配する方法以外に、輻射熱を利用する車両暖房方式も提案されている。例えば、特許文献５には、「車室内の内装品に取り付けられた光を放射するフィラメント（ランプ）の放射光から可視光を除去した赤外光を、車室内の乗員に照射する車両用暖房装置」が開示されている。
また、特許文献６には、「車室内の内装部材の表面に沿って配置される面状の電気ヒーターと、その表面に配置され、熱放射率の高い材料により構成される熱放射部材とを備え、電気ヒーターの発熱により熱放射部材を加熱して、その表面から赤外線を放射する車両用輻射暖房装置」が開示されている。

特開平６−１７６８５７号公報 特開平８−１３１２９４号公報 特開２００３−３４７０１６号公報 特開２００５−２９３８９５号公報 特開２００６−１９３０６７号公報 特開２００５−２１２５５６号公報

ＰＴＣ特性を有するシート状抵抗体を用いた面状ヒーターは、床暖房や屋根融雪装置に多用されている。この面状ヒーターは、柔軟性に富み曲げ加工し易く、ＰＴＣ特性のため安全性に富むことから、車両の座席ヒーターとして用いるのに好適である。
しかし、床暖房や屋根融雪用の面状ヒーターを車両に転用するには、電極構造や通電方式の見直しが必要である。床暖房等では１００Ｖ又は２００Ｖの商用電源を用いるのに対して、車両用ヒーターは車載バッテリーから給電され、電源電圧が１０Ｖ前後と著しく低いためである。

市販の床暖房用面状ヒーター（例えばミサト(株)製プラヒート（登録商標））は、幅２００〜３００ｍｍ、厚み１〜５ｍｍ、長さ数ｍの帯状の抵抗発熱体に、その幅方向両端の全長に亘って一対の電極線を接着し、電極線が２００〜３００ｍｍ離れた状態で１００Ｖ以上で通電する。かかる電極構造のものを車両用に用いたのでは、抵抗値が過大となってほとんど電流が流れない。

従来から、電極間の間隔を小さくする電極構造として、櫛歯状電極を用いる方法がある。これは、シート状抵抗発熱体の片面の両側端部に一対の主電極を対向して配し、これから櫛歯状に枝電極を内側に伸ばし、枝電極を所定の間隔で交互に噛み合うように配置して、枝電極間に電流を流すというものである。この電極構造は、ミラーや窓の曇り防止ヒーターに多用されており、通常は絶縁基材上に電極パターンを銀インク等で印刷して電極を形成するという方法がとられている。
しかし、車両の座席ヒーターでは、繰返し曲げ応力を受けるため、電極自体にある程度の強度が必要で、上記のような電極構造を採用することは難しい。

また、シート状抵抗発熱体の表裏全面を金属の箔又はシートで覆って、これを両電極として、発熱体の厚み方向に電流を流す電極構造も考えられる。かかる構造では、櫛歯状電極よりも抵抗発熱体に一様に電流が流れるため、発熱ムラが少ないという利点がある。しかし、電極にある程度の強度を要することから、極端に薄い箔を電極として用いることができない。そのため、電極材料による柔軟性の低下が問題となる。すなわち、シート状抵抗発熱体は高分子材料であり、十分な柔軟性のあるものを用いることができるが、その表裏にやや厚めの金属シートを貼り付けることによって、ヒーター全体の柔軟性が失われ、これを座席に配置したときの坐り心地が問題となる。

そこで本発明は、ＰＴＣ特性を有するシート状抵抗体を用いた面状発熱体であって、低電圧の車載バッテリーから給電することができ、面状発熱体全体が一様に発熱するような電極構造を有し、かつ柔軟性に富んで座席の坐り心地を損なうことの無い面状発熱体とこれを用いた車両暖房装置を提供することを課題としている。

本発明者らは、シート状抵抗発熱体の柔軟性を損なうこと無く、その両面全面を電極材料で被覆する方法について検討し、極く細い金属線で目の粗い金網を作成し、これを電極としてシート状発熱体の両面に接着して通電すれば、シート状発熱体の柔軟性にほとんど悪影響が無いことを知見した。しかし、金網と高分子材料の接着力が弱いため、座席用ヒーターとして用いると、繰返し応力を受けて接着部が剥離して好ましくないことが知れた。また、金網の目を粗くすると、網目の中央付近は電流が流れにくく、面状発熱体全体を一様に発熱させるのが難しいという問題がある。

これらの問題点を解決する手段について種々検討し、以下の手段により解決可能なことを見出した。すなわち、シート状発熱体の表面にごく薄い金属膜を形成し、その上に金網を接着すれば、剥離の問題と電流分布の不均一性の問題が一挙に解決され、かつ発熱体の柔軟性にほとんど影響を及ぼすことがない。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。

上記の知見に基づく本発明の車両用面状発熱体は、
柔軟性のあるベースポリマー中にカーボンブラック、金属粉末、グラファイト等の導電性粒子を分散させた正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有するシート状の抵抗体を絶縁被覆内に収容した面状発熱体であって、前記抵抗体の表裏ほぼ全面に金属薄膜が形成され、この両金属薄膜それぞれの外側のほぼ全面を覆って金属細線からなる金網が接着され、該金網を電極として通電されるように構成されていることを特徴とするものである。

また、この面状発熱体においては、前記金属薄膜がアルミニウムの蒸着膜で形成され、その厚みが１５μｍ以下であることが好ましい。アルミニウムが好ましい理由は、電気伝導性が良く、高分子シート上に蒸着膜を形成し易いためであり、蒸着膜が好ましい理由は、シートの柔軟性に影響しないような薄膜の形成が容易なためである。

さらに、この面状発熱体においては、前記金網の金属細線が銅線又はアルミニウム線からなり、その線径が０．０５〜０．２ｍｍであって、金網の網目間隔が５ｍｍ以上であることが好ましい。
これにより、金網の柔軟性とある程度の強度を保証することができ、繰返し曲げ応力を受けても、破損することが無い。

本発明の車両暖房装置は、上記のいずれかの面状発熱体を車両座席の座部及び／又は背部に配して、該面状発熱体に車両用発電機又は蓄電池から給電することを特徴とするものである。

本発明により、ＰＴＣ特性を有するシート状抵抗体を用いた面状発熱体であって、低電圧の車載バッテリーから給電することができ、面状発熱体全体が一様に発熱するような電極構造を有し、かつ柔軟性に富んで座席の坐り心地を損なうことの無い面状ヒーターを提供することが可能になった。本発明の面状発熱体は座席ヒーターに好適で、これを車両用暖房装置として用いれば、エンジンを掛けなくても暖房を行うことができる。また、ファンで多量の風を送らなくても暖房効果が得られるため、省エネルギー効果を期待することができる。

図１は、本発明の一実施例である面状発熱体の構造を示す図、図１(ａ)は一部を破断して示す斜視図、図１(ｂ)は図１(ａ)のＡ−Ａ矢視断面図、図１(ｃ)は図１(ｂ)のＢ部拡大図である。この面状発熱体１は、シート状抵抗体２の両面に金属薄膜層３が形成され、その両外側に金属細線の金網４が接着され、その外側を絶縁シート５で被覆してなるもので、両側の金網４には、それぞれ相反する方向に給電端子６が取り付けられている。図２は、この面状発熱体の構成を分解して示す斜視図である。シート状抵抗体２の両側に、その全面を覆うように、金属薄膜層３、金属細線の金網４及び絶縁シート５が積層されてなることを示している。

シート状抵抗体２には、ＰＴＣ特性（抵抗の温度係数が正の特性）を有するものを用いる。これは、ポリエチレン等の結晶性樹脂をベースポリマーとし、カーボンブラック、金属粉末、グラファイト等の導電性微粒子を分散させたものである。導電性微粒子の濃度によって、その比抵抗をかなり広範囲に変化させることができる。
本発明におけるシート状抵抗体２には、厚みが１〜３ｍｍ程度のものを用いることが好ましく、１平方メートル当りの発熱量は５０Ｗ程度以下で十分な温もりを感じることができる。電源電圧は約１２Ｖであるから、電流密度が約４Ａ／ｍ²になるような比抵抗の抵抗体を選択する。比抵抗ρは、ρ＝（電位勾配Ｖ／ｌ）／（電流密度）で表される。電位勾配は４千〜１万Ｖ／ｍであるから、ρが１，０００〜２，５００Ω・ｍ程度になるような材料を選択すれば良い。

金属薄膜層３は、発熱体１の柔軟性を損なわないようになるべく薄いもの、例えば厚み１５μｍ以下のものであることが好ましい。また、給電という目的から、この金属薄膜層３はシート状抵抗体２の表面に密着したものであることが好ましい。かかる金属薄膜層３を形成するには、蒸着法によるのが最も簡便かつ確実である。金属の種類は、導電性がよく蒸着しやすいという観点から、アルミニウムが好適である。
かかる薄膜の形成方法はとくに限定を要せず、各種の物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）を適用することができるが、設備や操作が比較的簡便な真空蒸着法がとくに好適である。

金網４は、ヒーターの柔軟性を損なわないという観点から、線径０．０５〜０．２のものを用いることが好ましい。金属としては、電気伝導性が高く、加工が容易なアルミニウム又は銅が好適である。とくに、下地の金属薄膜層３がアルミニウムからなるときは、これと接着し易いアルミニウム線を用いることが好ましい。また、金網の目開きが小さいとその剛性が高くなるので、金網の網目間隔が５ｍｍ以上であることが好ましい。これより網目間隔を小さくしても、金網の剛性が高くなるのみで、何ら有利な点がないからである。
金網４を金属薄膜層３に接着する方法はとくに限定を要しない。例えば、導電性ペーストを用いて接着する方法や、加熱圧着による方法等のいずれでもよい。

絶縁シート５には、従来の面状ヒーターの絶縁に用いられているポリマー、例えばポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂を用いることができる。その厚みは０．０５ｍｍ程度あれば十分な絶縁性と強度を確保することができる。絶縁シート５の被覆は、通常はシート状抵抗体２よりやや大きいものを用い、その周囲を糊代として、熱溶融圧着するような方法がとられるが、本発明の面状ヒーターにおいても、同様な方法で絶縁シート５の被覆を行えば良い。

本発明の面状発熱体は、車両座席のヒーターとしても、足元を暖房する床敷きヒーターとしても、車室内の天井や側壁面に配置して輻射熱で暖房するヒーターとしても用いることができる。座席ヒーターとして用いる場合は、座席の座部及び／又は背もたれ部の表皮材の内側に配置してもよく、或いは表皮材の上に止めバンド等で取り付ける構造のヒーターとして用いることができる。足元を暖房する場合には、床敷きマットの内部に本発明の面状発熱体を組み込んで用いることができる。また、車室内の輻射熱源として用いる場合には、絶縁シート５の外側を赤外線放射率の高い材料で被覆することにより、加熱効率を高めることができる。

本発明の一実施例である面状発熱体の構造を示す図である。 図１の面状発熱体の構成を分解して示した斜視図である。

符号の説明

１ 面状発熱体
２ シート状抵抗体
３ 金属薄膜
４ 金網
５ 絶縁シート
６ 給電端子

Claims (4)

1. 柔軟性のあるベースポリマー中にカーボンブラック、金属粉末、グラファイト等の導電性粒子を分散させた正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有するシート状の抵抗体を絶縁被覆内に収容した面状発熱体であって、前記抵抗体の表裏ほぼ全面に金属薄膜が形成され、この両金属薄膜それぞれの外側のほぼ全面を覆って金属細線からなる金網が接着され、該金網を電極として通電されるように構成されていることを特徴とする車両用面状発熱体。
2. 前記金属薄膜がアルミニウムの蒸着膜で形成され、その厚みが１５μｍ以下である請求項１に記載の車両用面状発熱体。
3. 前記金網の金属細線が銅線又はアルミニウム線からなり、その線径が０，０５〜０．２ｍｍであって、金網の網目間隔が５ｍｍ以上である請求項１から３のいずれかに記載の車両用面状発熱体。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の面状発熱体を車両座席の座部及び／又は背部に配して、該面状発熱体に車両用発電機又は蓄電池から給電することを特徴とする車両用暖房装置。

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