JP2009176548A - 面状発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】シート全体としてＰＴＣ特性と柔軟性を併せ持つ抵抗の小さい面状発熱体を提供することを目的とする。
【解決手段】複数枚のカーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散した第１導電性樹脂シート４と、複数枚の非カーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散した第２導電性樹脂シート５とを電気的に接続して構成した。したがって、抵抗体全体として低抵抗かつ高ＰＴＣ特性を保持しつつ、柔軟性を付与することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、正抵抗温度特性を特徴とした面状発熱体、特に、低い抵抗値で、かつ高い変化倍率の特性を併せ持つ面状発熱体に関するものである。

従来から、正抵抗温度特性を有するＰＴＣ抵抗体を発熱体（ヒータ）として使用した面状発熱体が見受けられる。

正抵抗温度特性とは、抵抗体の抵抗値が温度の上昇に従って徐々に増加し、ある温度に達すると急激に増加するものをいう。ここで抵抗値の増加率を変化倍率とする。

ＰＴＣ抵抗体は、結晶性樹脂と導電性材料とを混合して形成させたものが広く知られている。

原理は、結晶性樹脂が結晶質から非晶質に転換する際の急激な体積膨張によって、その中に分散していた導電性材料の平均粒子間距離が増加することにより、結果として、抵抗値も増大するものと考えられている。

このような原理に基づくＰＴＣ抵抗体は、それ自身で自己温度制御機能を有するため、サーモスタット等の安全装置を設ける必要なく、部品点数を少なくできる利点がある。

図３において、従来の面状発熱体は、樹脂フィルム１１上に配置された電極１２に対してＰＴＣ抵抗体１７を印刷して乾燥させたものであった。さらにその上に、保護フィルムを張り合わせた構成もある。

しかしいずれの場合においても、面状発熱体は一種類の均一なＰＴＣ抵抗体のみで構成されている（例えば特許文献１）。
特開２００１−３５７９６６号公報

しかしながら、従来の構成では、一種類の樹脂組成物に、発熱性、導電性、柔軟性及び正抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有するように樹脂を選定及び混合する必要があり、その場合に全ての特性を同時に満たすことは困難であった。

特に、発熱体の抵抗値を下げるために導電性材料の充填量を多くすれば、柔軟性も低下する。

導電性材料として非カーボン系を使用すれば、導電性樹脂シートが硬くなり、さらに柔軟性が悪くなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＰＴＣ特性と導電性を有する部分（シート）、柔軟性を有する部分（シート）に分離し、それらを適切に配置して接続することで、シート全体としてＰＴＣ特性と柔軟性を併せ持つ抵抗の小さい面状発熱体を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、複数枚のカーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散した第１導電性樹脂シートと、複数枚の非カーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散した第２導電性樹脂シートとを電気的に接続して構成したものである。これにより簡便に、抵抗体全体として所望の特性を得ることができる。

本発明の面状発熱体は、電気特性、機械特性等の物性値が異なる導電性樹脂シートが直列接続されているため、全体としてそれらの特性を併せ持つ面状発熱体を簡便に作製することができる。

第１の発明は、複数枚のカーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散して成る第１導電性樹脂シートと、複数枚の非カーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散して成る第２導電性樹脂シートとを電気的に接続したものである。

これにより、第１導電性樹脂シートに柔軟性、第２導電性樹脂シートにＰＴＣ特性を分離して接続することにより、第１及び第２導電性樹脂シートを合わせた全体としてこれらの特性を付与することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第１導電性樹脂シートを面状発熱体の中央部分に多く配置したものである。

これにより、抵抗値の高いシートを中央部に配置することで、中央部の発熱量を多くすることができ、例えば、自動車用のシートヒータとして使用する場合、人体により近い位置で発熱させることができる。

第３の発明は、非カーボン系の導電性材料として、タングステン化合物を含有したものである。

タングステン及びタングステン化合物は金属又はセラミックスであるため燃えない。またカーボンより導電性が高いことによって抵抗値を下げることができ、ＰＴＣ特性も高いものである。

したがって、シート全体として、抵抗値を下げることができ、高いＰＴＣ特性を得ることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明のタングステン化合物が、タングステンカーバイドであるものである。

タングステンカーバイドは、タングステン単体及びタングステン化合物の中でも、特にシートを低抵抗化することができることが検討の結果、分かった。

また、カーボン系のシートとの接合においても界面抵抗を抑えることができた。これにより、シート全体として、抵抗値を著しく低下させることができ、高いＰＴＣ特性を得ることができる。

第５の発明は、非カーボン系の導電性材料がタングステンカーバイドである第２導電性樹脂シートであり、前記第２導電性樹脂シートの総面積が全体の４５％以上であることを特徴としたものである。

（実施の形態１）
図１において、面状発熱体１は、不織布からなる基材２と、この基材２に定着させた電極３と、その上に成型した第1導電性樹脂シート４と、この第１導電性樹脂シート４に電気的に接続した第２導電性樹脂シート５によって構成されている。

そして、電極や電源（図示せず）に繋がるリード線（図示せず）が接続されている。

基材２の材質は問わず、耐熱性と平滑性がある不織布が良い。また、耐熱性の樹脂フィルムを使用することもできる。

本実施の形態では、ポリエステル繊維で作製されたニードルパンチタイプで、難燃剤が含浸処理された難燃性不織布を用いている。

電極３には直径０．１ｍｍを２０本縒った錫メッキ銅線を使用した。そして糸で部分的に縫い付けて固定させている（図示せず）。

第１導電性樹脂シート４は、第１熱可塑性樹脂としてエチレン酢酸ビニル共重合体、カーボン系の導電性材料として１次粒子径が２０〜４０ｎｍのカーボンブラックを１７０℃の加熱式のオープンロールで混練して作製した。カーボンブラックの配合量は２５重量％である。

なお、熱可塑性樹脂としてエチレン酢酸ビニル共重合体に限定されるものでなく、ＰＴＣ発現物質であり、かつ低融点の材料であれば、例えばエチレンアクリルエステル共重合体、エチレンメタクリル酸メチル共重合体等でも良い。

また、導電性材料としてカーボンブラックに限定されるものでなく、グラファイト、又はカーボンブラックとグラファイトとの混合でも良い。

第２導電性樹脂シート５には、第２熱可塑性樹脂としてエチレン酢酸ビニル共重合体、非カーボン系の導電性材料として１次粒子径が１μｍ程度のタングステンカーバイドを１７０℃のオープンロールで混練して作製した。

タングステンカーバイドの配合量は９０重量％である。なお、熱可塑性樹脂としてエチレン酢酸ビニル共重合体に限定されるものでない。

次に、各導電性樹脂シートを２００℃の熱プレス機によって５０〜８０μｍのシートを作製し、１０〜２０ｍｍ程度のピースに切断する。

そして図１のように、第１導電性樹脂シート４と第２導電性樹脂シート５を並べて、直列回路を構成させ、熱プレスによって不織布２に固定させ、最後にリード線を接続する。並べるピースの大きさとそれぞれの量すなわち面積比は、全体シートの抵抗値をどうするかによって設計することができるという自由度もある。

本実施の形態では、プレス成型によって作製したが、押出成型法によって作製しても良い。

以上のように作製した面状発熱体の抵抗値を測定し、各温度でのＰＴＣ特性を算出した。その結果を（表１）に示す。

（表１）のサンプルＡは第１導電性樹脂シートのみ、サンプルＢは第２導電性樹脂シートのみ、サンプルＣは前記ＡとＢの各ピースを張り合わせ、Ｂの総面積が６４％となる場合、サンプルＤはＢの総面積が４５％となる場合である。測定条件である雰囲気温度は、２０〜８０℃の１０℃毎である。

その結果、以下の点が明らかとなる。ここで、ＰＴＣ特性は、２０℃のときの抵抗値と５０℃のときの抵抗値の変化率で比較することができる。

サンプルＡは柔軟性があるものの抵抗値が高く、ＰＴＣ特性は低い。サンプルＢは抵抗値が低く、ＰＴＣ特性は高いものの柔軟性に欠ける。これらをオープンロールで混練して作成したシートは、抵抗値が高くてＰＴＣ特性は低いものであった。

しかし、複数枚の第１導電性樹脂シートと第２導電性樹脂シートを別々に作成し、並べて張り合わせることで、抵抗値を１００Ω程度と低く、ＰＴＣ特性を高く保持させることができる。

そして、このような特性を得るためには、第２導電性樹脂シートの総面積に対する比を４５％以上にしなければならないことがサンプルＤの結果から分かった。

以上より、特定の特性を有する樹脂組成物を混練することでは得られないが、本実施の形態のように各特性を有する樹脂組成物を割り合わせることによって、各特性を併せ持つ樹脂組成物を実現することができる。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２を示し、面状発熱体１の構成及び材料は、実施の形態１と同様であって、具体的な説明は実施の形態１のものを援用する。以下に、本実施の形態の作製方法を説明する。

各導電性樹脂シートを２００℃の熱プレス機によって５０〜８０μｍのシートを形成し、１０〜２０ｍｍ程度のピースに切断する。

そして、図２のように、中央部に第２導電性樹脂シート５が多くなるように配置し、回路を構成させ、熱プレスによって基材２に固定させる。

なお、本実施の形態では、プレス成型によって作製していたが、他の方法で作製しても良い。

以上のように作製した面状発熱体の２０℃〜８０℃の抵抗値を測定し、各温度でのＰＴＣ特性を算出した。

その結果、２０℃での抵抗値を１００程度にすることができ、かつ２０℃と５０℃の変化倍率を２．５倍以上とすることができた。

さらに、発熱状態を赤外線サーモグラフ（対象物から出ている赤外線放射エネルギーを検出し、見かけの温度に変換して、温度分布を画像表示する装置）によって観察した。

その結果、高抵抗の第２導電性樹脂シート５の発熱が多くなり、面状発熱体１の中央部を短時間で加熱することができた。

以上より、各特性を有する樹脂組成物を張り合わせることによって、各特性を併せ持つ樹脂組成物が得られ、さらに各シートの配置を設計することによって必要な箇所を短時間で加熱することができる。

以上のように、本発明にかかる面状発熱体は、抵抗値が低いので、１００Ｖ対応の家庭用のみでなく、１０〜２０Ｖ対応の自動車搭載用、数Ｖ程度の乾電池対応のヒータとして応用が可能となる。

（ａ）は本発明の実施の形態１における面状発熱体の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ概略断面図 （ａ）は本発明の実施の形態２における面状発熱体の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ概略断面図 （ａ）は従来の例における面状発熱体の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ概略断面図

符号の説明

１ 面状発熱体
３ 電極
４ 第１導電性樹脂シート
５ 第２導電性樹脂シート

Claims (5)

1. 複数枚のカーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散した第１導電性樹脂シートと、複数枚の非カーボン系の導電性材料を熱可塑性樹脂中に分散した第２導電性樹脂シートとを電気的に接続して構成した面状発熱体。
2. 第１導電性樹脂シートを中央部分に多く配置した請求項１記載の面状発熱体。
3. 非カーボン系の導電性材料として、タングステン化合物を含有した請求項１記載の面状発熱体。
4. タングステン化合物がタングステンカーバイドである請求項３記載の面状発熱体。
5. 非カーボン系の導電性材料がタングステンカーバイドである第２導電性樹脂シートの総面積を全体の４５％以上に設定した請求項１記載の面状発熱体。

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