JP2018077963A - 面状発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維シートの可撓性を損なうことなく電極との接続強度を高めることができる面状発熱体を提供する。【解決手段】本発明の面状発熱体は、矩形状の平面形状を有する炭素繊維シート１と、炭素繊維シート１の相対向する両端部に配置された一対の電極３と、これら電極３に接続されたリード電線４と、炭素繊維シート１と電極３を被覆する一対の絶縁シート５，６とを備えており、炭素繊維シート１の両端部に複数の貫通孔７が設けられていると共に、電極３が炭素繊維シート１を挟んで対向する表側金属板８と裏側金属板９からなり、これら表側金属板８と裏側金属板９を抵抗溶接により貫通孔７を介して接合するようにした。【選択図】図３

Description

本発明は、給湯器や暖房器具もしくは凍結防止用ヒータ等の加熱源として使用される面状発熱体に係り、より詳しくは、発熱組成物として炭素繊維シートを用いた面状発熱体に関するものである。

面状発熱体は、シート状の発熱組成物の両端部に電極を設け、この電極に接続されたリード電線に電流を流すと、ジュール熱によって発熱組成物が発熱するというもので、給湯器や暖房器具もしくは凍結防止用ヒータ等の加熱源として広く用いられている。

発熱組成物としては従来から種々のものが知られており、その一例として、熱可塑性樹脂にカーボンブラックやグラファイト等の導電性フィラーを添加してシート状に成形した発熱シート材や、ガラスクロス等からなるシート状基体に導電性塗料を含浸させた発熱シート材がある。これらの発熱シート材は機械的強度が比較的高く、かしめ固定や印刷等の多様な手段を用いて容易に電極を形成することが可能であるが、可撓性に乏しいため、小径の配管や凹凸面を有する被加熱物に適用しにくいという難点がある。

また、布織物を炭素化した炭素繊維シートからなる発熱組成物も知られており、この発熱シート材は、可撓性に富んでいるため被加熱物の接触面の形状に沿って柔軟に曲げることができ、発熱体が炭素そのものであるため発熱効率や熱分布の均一性も良く、しかも軽量である等の優れた利点を有しているが、その一方で、脆くて取扱いが困難で電極を容易に接続できないという技術的課題がある。

炭素繊維シートを用いた面状発熱体の従来例としては、特許文献１に記載されているように、矩形状に形成された炭素繊維シートを一対の絶縁シート間に挟み込み、一方の絶縁シートの両側部における表裏両面にメッキ処理によって電極を形成すると共に、これら表裏両面の電極どうしをスルーホール導体を介して導通し、裏面側の電極を炭素繊維シートに接続して表面側の電極にリード電線を接続するという構成が提案されている。

このように構成された面状発熱体では、一方の絶縁シートの表裏両面にスルーホール導体を介して導通された電極がメッキ形成され、この絶縁シートと他方の絶縁シートとの間に炭素繊維シートを挟み込んだ状態で両絶縁シートを熱プレスすることにより、一方の絶縁シートの裏面側に形成された電極を炭素繊維シートに接続させているため、直接ハンダ付けや溶接を行うことができない炭素繊維シートに対して電極を容易に接続させることができる。

特開２００５−３８７８８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、一対の絶縁シートを熱プレスしたときの圧着力によって電極が炭素繊維シートに接続されているため、電極と炭素繊維シートの接続強度を高めることができず、面状発熱体を湾曲した状態で使用した場合などに、電極と炭素繊維シートとの間の接触抵抗が上昇してしまうという問題がある。また、絶縁シートの表面側に露出する電極にリード電線が接続されているため、電極とリード電線の接続箇所を外部環境から保護する場合は、電極が形成された絶縁シートをさらに別の絶縁シートで覆う必要があり、製造工程が煩雑化してしまうという問題もある。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、炭素繊維シートの可撓性を損なうことなく電極との接続強度を高めることができる面状発熱体を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の面状発熱体は、矩形状の平面形状を有する炭素繊維シートと、前記炭素繊維シートの相対向する両端部に配置された一対の電極と、これら電極に接続されたリード電線と、前記炭素繊維シートと前記電極を被覆する絶縁シートとを備え、前記炭素繊維シートの両端部に貫通孔が設けられており、前記電極は前記貫通孔を介して接合された表側金属板と裏側金属板からなることを特徴としている。

このように構成された面状発熱体では、可撓性に富む炭素繊維シートに設けられた貫通孔を介して表側金属板と裏側金属板が接合されているため、表側金属板と裏側金属板からなる電極が炭素繊維シートに対して高い強度で接続され、炭素繊維シートの可撓性を損なうことなく電極との接続強度を高めることができる。

上記の面状発熱体において、炭素繊維シートの片面に絶縁性の補強シートが貼着されており、この補強シートと炭素繊維シートに貫通孔が設けられていると、補強シートによって炭素繊維シートの脆さが補われるため、表側金属板と裏側金属板の接合時に炭素繊維シートが損傷してしまうことを確実に防止できて好ましい。

また、上記の面状発熱体において、表側金属板と裏側金属板は別体であっても良いが、これら表側金属板と裏側金属板が炭素繊維シートを挟持するように２つ折りされた一枚の金属板であると、表側金属板と裏側金属板の位置ずれがなくなって接合作業を容易に行うことができる。

この場合において、リード電線が炭素繊維シートの両端部に隣接する側端面と金属板の折り返し部分との間に配置されていると、リード電線を炭素繊維シートと重なり合うことなく電極に接続することができる。

また、上記の面状発熱体において、リード電線を貫通孔の内部で表側金属板と裏側金属板の接合部分に接続することも可能であり、このようにすると、表側金属板と裏側金属板を貫通孔を介して接合するのと同時にリード電線を接続することができる。

また、上記の面状発熱体において、表側金属板および裏側金属板の材質とリード電線の材質が異なると共に、表側金属板と裏側金属板が抵抗溶接で接合されていると、リード電線と両金属板の接合部分に溶接電流が大きく流れるため、より強固な接続構造を実現することができる。

本発明の面状発熱体によれば、炭素繊維シートの可撓性を損なうことなく電極との接続強度を高めることができる。

本発明の実施形態例に係る面状発熱体の外観図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 該面状発熱体の分解斜視図である。 該面状発熱体の製造方法を示すフローチャートである。 リード電線と電極の接続状態の変形例を示す断面図である。

発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１〜図３に示すように、本発明の実施形態例に係る面状発熱体は、矩形状の平面形状を有する炭素繊維シート１と、炭素繊維シート１の裏面に貼着された絶縁性の補強シート２と、炭素繊維シート１の相対向する両端部に配置された一対の電極３と、これら電極３に接続された一対のリード電線４と、炭素繊維シート１と電極３を被覆する一対の絶縁シート５，６とによって主に構成されている。

炭素繊維シート１は布織物を炭素化したシート状の発熱組成物であり、この炭素繊維シート１の裏面に貼着された補強シート２はポリイミドフィルム等からなる耐熱性に優れた粘着テープである。炭素繊維シート１と補強シート２は積層・一体化されており、この積層体の両端部にはそれぞれ複数の貫通孔７が設けられている。これら貫通孔７は直径Ｄ１（Ｄ１＝２．５ｍｍ）の丸孔であり、各貫通孔７は炭素繊維シート１の短辺に沿って所定間隔（例えば１．７５ｍｍ）を存して列状に配置されている。

電極３は、炭素繊維シート１の表面に露出する表側金属板８と、補強シート２の裏面に露出する裏側金属板９とによって構成されており、これら表側金属板８と裏側金属板９はニッケル銅合金からなる。本実施形態例の場合、帯状に連続する一枚の金属板を２つ折りした表側金属板８と裏側金属板９が用いられており、図２に示すように、表側金属板８と裏側金属板９は複数の貫通孔７を介して接合されている。この接合手段には抵抗溶接が用いられており、かかる抵抗溶接は、貫通孔７を介して重ね合わせた表側金属板８と裏側金属板９を一対の溶接電極（タングステン）で挟み、適当な加圧力を加えながら溶接電極に電流を流し、溶接部位の接触抵抗に発生するジュール熱で表側金属板８と裏側金属板９を溶融接着させる金属接合法である。ここで、表側金属板８と裏側金属板９の接合部分の直径をＤ２とすると、直径Ｄ２は貫通孔７の直径Ｄ１よりも小さい値（Ｄ２＝２．０ｍｍ）に設定されているため、溶接電極が正規の位置に対して多少ずれたとしても、接合部分が炭素繊維シート１を挟み込まないようになっている。

リード電線４は、錫メッキ軟銅線からなる導線４ａをシリコーンゴムとガラス編組で被覆した耐熱電線であり、図２に示すように、導線４ａは抵抗溶接を用いて表側金属板８と裏側金属板９の折り返し部分に接続されている。すなわち、リード電線４は炭素繊維シート１と平面的に重なっておらず、炭素繊維シート１の側端面に配置されて表側金属板８と裏側金属板９に接続されており、リード電線４は炭素繊維シート１と補強シート２の厚み寸法内に収められている。また、かかる抵抗溶接に際して、表側金属板８と裏側金属板９はニッケル銅合金からなるが、リード電線４の導線４ａはそれらと材質を異にする錫メッキ軟銅線からなるため、両金属板８，９と導線４ａの接合部分に溶接電流が大きく流れることで、リード電線４は表側金属板８と裏側金属板９に対して強固に接続される。

一対の絶縁シート５，６はポリイミドフィルム等からなる耐熱性に優れた粘着テープであり、これら絶縁シート５，６は炭素繊維シート１と補強シート２よりも一回り大きい外形サイズとなっている。炭素繊維シート１と補強シート２および電極３（表側金属板８と裏側金属板９）は一対の絶縁シート５，６によって覆われており、電極３に接続されたリード電線４は両絶縁シート５，６から外部に導出されている。

次に、上記の如く構成された面状発熱体の製造方法を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、図４のステップＳ１に示すように、炭素繊維シート１の裏面全体に補強シート２を貼り付けることにより、炭素繊維シート１と補強シート２が一体化された積層体を形成する。

次に、図４のステップＳ２に示すように、この積層体の相対向する両端部に複数の貫通孔７を穿設する。これにより、炭素繊維シート１と補強シート２のそれぞれに同一形状の貫通孔７が複数形成される。

次に、図４のステップＳ３に示すように、２つ折りにした表側金属板８と裏側金属板９の間に積層体を挟み、これら表側金属板８と裏側金属板９を貫通孔７を介して抵抗溶接する。また、それに前後して、表側金属板８と裏側金属板９の２つ折りされた折り返し部分にリード電線４の導線４ａを挟み込むことにより、リード電線４を挟んで表側金属板８と裏側金属板９を抵抗溶接する。

最後に、図４のステップＳ４に示すように、炭素繊維シート１の上面と補強シート２の下面に一回り大きいサイズの絶縁シート５，６を貼り付けることにより、炭素繊維シート１と補強シート２および電極３（表側金属板８と裏側金属板９）を一対の絶縁シート５，６によって被覆する。これにより、電極３に接続されたリード電線４が両絶縁シート５，６から外部に導出され、図１に示すような面状発熱体が得られる。

以上説明したように、本実施形態例に係る面状発熱体は、可撓性に富む炭素繊維シート１に設けた貫通孔７を介して表側金属板８と裏側金属板９が接合されているため、表側金属板８と裏側金属板９からなる電極３を炭素繊維シート１に対して強固に接続することができ、炭素繊維シート１の可撓性を損なうことなく電極３との接続強度を高めることができる。

また、炭素繊維シート１の片面に絶縁性の補強シート２が貼着されており、この補強シート２と炭素繊維シート１に貫通孔７が設けられているため、この補強シート２によって炭素繊維シート１の脆さを補うことができ、表側金属板８と裏側金属板９の接合時に炭素繊維シート１が損傷してしまうことを確実に防止できる。

また、表側金属板８と裏側金属板９が一枚の金属板からなり、この金属板を２つ折りにした状態で表側金属板８と裏側金属板９が貫通孔７を介して接合されているため、表側金属板８と裏側金属板９の位置ずれがなくなって接合作業を容易に行うことができる。

また、表側金属板８と裏側金属板９を貫通孔７を介して接合する手段として抵抗溶接が用いられており、この抵抗溶接によってリード電線４を表側金属板８と裏側金属板９に接続するようにしたので、表側金属板８と裏側金属板９の接合作業とリード電線４の接続作業を連続的に行うことができる。その際、両金属板８，９の材質とリード電線４（導線４ａ）の材質が異なり、リード電線４と両金属板８，９の接合部分に溶接電流が大きく流れるため、リード電線４を表側金属板８と裏側金属板９に対して強固に接続することができる。

さらに、リード電線４が炭素繊維シート１の側方位置で表側金属板８と裏側金属板９の折り返し部分に接続されているため、リード電線４と炭素繊維シート１が平面的に重なることはなく、リード電線４を炭素繊維シート１と補強シート２の厚み寸法内に収めることができる。

なお、上記実施形態例では、炭素繊維シート１に重ならない側方位置でリード電線４が表側金属板８と裏側金属板９に接続されているが、表側金属板８と裏側金属板９に対するリード電線４の接続位置はこれに限定されず、貫通孔７の内部でリード電線４を表側金属板８と裏側金属板９に接続することも可能である。

すなわち、図５に示すように、リード電線４の導線４ａを炭素繊維シート１の上面から貫通孔７の内部に挿入し、この状態で表側金属板８と裏側金属板９の接合部分に接続するようにしても良い。このようにすると、表側金属板８と裏側金属板９を貫通孔７を介して接合するのと同時にリード電線４を接続することができ、リード電線４の接続作業が簡素化される。

また、上記実施形態例では、帯状に連続する一枚の金属板を２つ折りした表側金属板８と裏側金属板９が用いられているが、これら表側金属板８と裏側金属板９は予め２分された別部材であっても良い。

１ 炭素繊維シート
２ 補強シート
３ 電極
４ リード電線
４ａ 導線
５，６ 絶縁シート
７ 貫通孔
８ 表側金属板
９ 裏側金属板

Claims (6)

1. 矩形状の平面形状を有する炭素繊維シートと、前記炭素繊維シートの相対向する両端部に配置された一対の電極と、これら電極に接続されたリード電線と、前記炭素繊維シートと前記電極を被覆する絶縁シートとを備え、
   前記炭素繊維シートの両端部に貫通孔が設けられており、前記電極は前記貫通孔を介して接合された表側金属板と裏側金属板からなることを特徴とする面状発熱体。
2. 請求項１の記載において、前記炭素繊維シートの片面に絶縁性の補強シートが貼着されており、前記貫通孔が前記炭素繊維シートと前記補強シートに設けられていることを特徴とする面状発熱体。
3. 請求項１の記載において、前記表側金属板と前記裏側金属板は、前記炭素繊維シートを挟持するように２つ折りされた一枚の金属板からなることを特徴とする面状発熱体。
4. 請求項３の記載において、前記リード電線は前記炭素繊維シートの前記両端部に隣接する側端面と前記金属板の折り返し部分との間に配置されていることを特徴とする面状発熱体。
5. 請求項１の記載において、前記リード電線は前記貫通孔の内部で前記表側金属板と前記裏側金属板の接合部分に接続されていることを特徴とする面状発熱体。
6. 請求項１の記載において、前記表側金属板および前記裏側金属板の材質と前記リード電線の材質が異なると共に、前記表側金属板と前記裏側金属板が抵抗溶接で接合されていることを特徴とする面状発熱体。