JP3317895B2 - 温度自己制御機能ヒータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度自己制御機能
ヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のヒータとしては、ニクロム線や銅
合金線等のコイル抵抗を利用したものや、発熱体の温度
上昇に伴って抵抗が増大するＰＴＣ特性のみを有するヒ
ータが公知であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ニクロム線や
銅合金線等によるヒータは、長さの増加に比例して電気
抵抗が増加し、発熱量も変化するので、電気カーペット
等の設計にあたって長さの決定が困難であった。また、
供給する電圧が一定である限り、その電圧に相応した電
力を消費し続けるので、エネルギーの無駄が大きかっ
た。さらに、一定の温度を保持するために温度調節器を
設ける必要があった。

【０００４】また、ＰＴＣ特性のみを有するヒータは、
結晶性の高い高分子化合物を基材として、カーボンブラ
ック、グラファイト又は金属粉等の導電性物質を大量に
混入した抵抗体を発熱体とし、温度上昇によって発熱体
の体積膨張変化や導電性粒子のトンネル電導効果の盛衰
によって電流を調節するものであり、予め設定した温度
に達すれば発熱体の抵抗が増大して電流が流れなくな
り、自らが出力を制限し、一定の温度を保持するといっ
た温度自己制御機能を有していた。

【０００５】ところが、従来のＰＴＣ特性のみを有する
ヒータは、次のような欠点を有していた。 導電性カ
ーボンブラックは、加工時の剪断によってストラクチャ
が破壊するため、加工条件によって抵抗値が著しく変化
してしまう。 グラファイトは、ストラクチャ構造を
もたないので加工による影響は少ないが、カーボンブラ
ックに比べて粒子が大きいので通電中に電気的破壊を生
ずる危険性があり、さらに、カーボンブラックに比べて
導電性が低いので大量に混入する必要があり、そのため
発熱体が硬くて脆くなり、可撓性を要請される用途には
不向きである。しかも、脆いので薄膜を成型することは
できない。 導電性物質の混入が多くなると高分子基
材とグラファイト等の導電性物質との熱膨張の差が大き
くなるため、抵抗値／温度特性の勾配が小さくなる傾向
にあり、温度自己制御機能が低下する。 通電時に発
熱体中に局部的な異常発熱による高温部が発生し易く、
一旦、高温部が発生すると、それが波及的に拡大し、温
度は更に上昇して、ついには発熱体の融点以上に達して
ヒートピークを起こし、焼損する事故が発生する。
経時的劣化が速く、長期的安定性に欠ける。その原因は
明らかではないが次のように推測することができる。即
ち、導電性物質の分散不良や、高分子基材と導電性物質
との熱膨張係数のアンバランスから空間的な隙間が発生
する。又は、吸湿その他の化学変化による気泡が発生
し、接触抵抗の増加によって界面でのミクロ的スパーク
が発生して高分子組成を破壊し、もしくは電極を破壊す
ることが考えられる。

【０００６】そこで、本発明は、上述の問題を解決し
て、温度制御器が不要であり、かつ、安全性に優れると
共に、種々の用途に於て設計上の自由度が高い温度自己
制御機能ヒータを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係る温度自己制御機能ヒータは、プラス
チック等の高分子化合物から成る基材にＰキャリヤとＮ
キャリヤが添加されると共に温度が上昇するに連れて電
気抵抗が増大するＰＴＣ特性と温度が上昇するに連れて
電気抵抗が減少するＮＴＣ特性とを有しかつ所定温度に
てＰＴＣ特性とＮＴＣ特性の勢力が同等となるサーミス
タから成る発熱体を備え、さらに、一対の電極導体を、
上記発熱体に一体状に設けたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳説する。

【０００９】図１は本発明に係る温度自己制御機能ヒー
タの実施の一形態に於ける断面図を示し、この温度自己
制御機能ヒータは、全体が線条状に形成され、最内層を
成す耐熱繊維２と、その耐熱繊維２に螺旋状に巻設され
る第１電極線３ａと、耐熱繊維２及び第１電極線３ａを
包囲するように形成される発熱体１と、発熱体１の外周
面に螺旋状に巻設される第２電極線３ｂと、発熱体１及
び第２電極線３ｂを包囲するように設けられるセパレー
タ４と、そのセパレータ４を被覆して最外層を成す外装
絶縁体５と、を備えている。つまり、第１電極線３ａと
第２電極線３ｂにて、発熱体１に電力を供給するための
一対の電極導体３，３が構成され、その電極導体３，３
が、発熱体１に一体状に設けられている。

【００１０】しかして、発熱体１は、プラスチック等の
高分子化合物から成る基材に熱に敏感な速効性のＰキャ
リヤと熱に鈍感な遅効性のＮキャリヤが添加されると共
に温度が上昇するに連れて電気抵抗が増大するＰＴＣ特
性と温度が上昇するに連れて電気抵抗が減少するＮＴＣ
特性とを有し、かつ、所定温度ｔにてＰＴＣ特性とＮＴ
Ｃ特性の勢力が同等となるサーミスタから成る。

【００１１】ここで、ＰＴＣ特性とは、正特性温度係数
（ポジティブサーミスタ）のことであり、図７に示すよ
うに、温度上昇に伴って電気抵抗が増大する特性のこと
を言う。また、ＮＴＣ特性とは、負特性温度係数（ネガ
ティブサーミスタ）のことであり、図８に示すように、
温度上昇に伴って電気抵抗が減少する特性のことを言
う。

【００１２】また、Ｐキャリヤとは、基材に添加すると
ＰＴＣ特性が得られるような物質のことを言い、例え
ば、ＴＣＮＱ塩（テトラシアノキノジメタン）が挙げら
れる。このＰキャリヤがアクセプターとして正孔を生成
してＰＴＣへの方向付けをする。さらに、Ｎキャリヤと
は、基材に添加するとＮＴＣ特性が得られるような物質
のことを言い、例えば、遅効性ノニオン界面活性剤が挙
げられる。このＮキャリヤは、ドナーとして自由電子を
生成し、又は熱イオンを励起してＮ（ネガ）型イオン電
導を発生させるので、その添加量によってＰＴＣの力を
抑えて調整する。

【００１３】しかして、基材としてポリオレフィン系の
ポリマーを使用する。つまり、基材として用いる高分子
化合物は絶縁体である。しかも、その絶縁体は誘電体で
あり、これに電場を印加すれば分極現象を起こし誘電性
の導電体となる。さらに、高分子中に含まれているイオ
ン性不純物の活動によってイオン導電性が支配的とな
る。このため、温度が上昇すると熱イオンの活動がいよ
いよ活発となり、抵抗値は次第に減少して、いわゆるＮ
ＴＣ現象を呈する。従って、基材に用いる高分子化合物
は特に双極子能率の小さいものを使用する。

【００１４】また、Ｐキャリヤとしては、低温で活性化
する性質のものを用いる。具体的には、ＴＣＮＱ塩と、
助剤として、Ａ形酸化チタン−錫−アンチモンと、導電
性亜鉛華と、二酸化珪素と、黒鉛と、を使用する。さら
に、Ｎキャリヤとしては、高温によって活性化する性質
のものを用いる。具体的には、遅効性ノニオン界面活性
剤と、ホウ素と、導電キャリヤ捕捉剤と、芳香族アミド
と、カップリング剤と、酸化防止剤と、を使用する。

【００１５】この発熱体１の成分構成比率の具体例を挙
げると、例えば、基材 100重量部に対して、Ｐキャリヤ
として、ＴＣＮＱ塩１〜３重量部、Ａ形酸化チタン−錫
−アンチモン５〜10重量部、導電性亜鉛華10〜15重量
部、二酸化珪素10〜15重量部、黒鉛10〜20重量部とす
る。また、Ｎキャリヤとして、遅効性ノニオン界面活性
剤２〜３重量部、ホウ素３〜５重量部、導電キャリヤ捕
捉剤３〜５重量部、芳香族アミド３〜５重量部、カップ
リング剤２〜５重量部、酸化防止剤１〜３重量部とす
る。

【００１６】しかして、基材とＰキャリヤとＮキャリヤ
の成分及び構成比率は、基材の種類と、ＰＮの強弱調節
等によって種々変化する。言い換えると、基材とＰキャ
リヤとＮキャリヤの成分及び構成比率を変化させること
により、所定温度ｔを調整できる。つまり、発熱体１
は、後述するように、温度自己制御機能により所定温度
ｔ（設定温度）に一定に保持されつつ発熱する。なお、
所定温度ｔは、例えば、60℃〜90℃程度に設定する。用
途によっては、その範囲外に設定する場合もある。な
お、Ｐキャリヤの主成分としては、ＴＣＮＱ塩以外に
も、基材の性質により、ＰＯＣＬ、ＰＰＲＬ、ＢＯＲＯ
Ｎ等を使用する場合がある。

【００１７】次に、図３は、この温度自己制御機能ヒー
タに通電した場合の発熱体１の電気抵抗及び温度と経過
時間との関係を示し、通電初期においては、発熱体１
は、常温又は常温に近い温度であり、このとき最も発熱
し易い弱抵抗体となっており、かつ、ＮＴＣ特性の勢力
よりもＰＴＣ特性の勢力が強いため、時間経過に略比例
して抵抗及び温度が上昇する。そして、時間ｓにて所定
温度ｔに達し、ＰＴＣとＮＴＣの勢力が同等となって抵
抗が一定となる。その後は、抵抗及び温度が一定に保持
される。つまり、所定温度ｔに達した後は水平な抵抗
（温度）均衡線となり、発熱体１が所定温度ｔに維持さ
れる。

【００１８】なお、理論的には、上記図３のようなグラ
フとなるが、実際は、図４に示すように、イの温度上昇
からロの山型のピークを経てハの均衡線となる。このよ
うに、グラフ線がロの如く山型となるのは、初期の温度
上昇の勢いによって、その余熱で一時的に温度が上昇す
るからである。

【００１９】しかして、この温度自己制御機能ヒータに
よれば、温度が設定温度（所定温度）に達すれば、消費
電力が少なくなるので、節電効果がある。さらに、長さ
の長短に関係なく設定温度における電気抵抗が同一かつ
一定となる。また、全体を軽量とすることができる。さ
らに、リレー回路等による電子制御が不要となり、温度
制御器を省略できるので、故障が少なく、かつ、コスト
を低減できる。しかも、温度が過度に上昇することを確
実に防止でき、安全性が高い。また、発熱体１が途中で
切れても電極導体３，３が断線しない限り、良品として
使用できる。さらに、折り曲げ、二重巻き、たすき掛け
等の重なる部分は、自己制御機能によって発熱量を調節
するので、安全便利である。

【００２０】また、本発明に係る温度自己制御機能ヒー
タの用途としては、家庭用として、電気カーペット、電
気毛布、電気布団、電気座布団、床暖房、足温器、便
器、アンカ、ペットの保温器等が挙げられ、工業用とし
て、製造機械・容器の加熱、材料の加熱又は保温、パイ
プ・タンクの保温又は凍結防止等が挙げられる。また、
農業用として、育苗温床、温室栽培、発酵及び醸造、家
畜の保温が挙げられ、防災用として、屋根の融雪・路面
の融雪及び凍結防止・水道管及び排水管の凍結防止等が
挙げられる。

【００２１】次に、図５の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、他の
実施の形態を示し、（ａ）は、中心の第１電極線３ａ
（電極導体３）と、その第１電極線３ａを被覆する発熱
体１と、発熱体１を被覆する第２電極線３ｂ（電極導体
３）と、第２電極線３ｂを被覆する外装絶縁体と、から
成る。また、（ｂ）は、発熱体１を、横断面長円状に形
成し、一対の断面円形の電極導体３，３を発熱体１の両
側縁部に相互に離間して設け、さらに、発熱体１に外装
絶縁体５を横断面円形となるように被覆したものであ
る。なお、発熱体１を横断面矩形状としてもよい。
（ｃ）は、外装絶縁体５を横断面長円状となるように形
成したものであり、他は（ｂ）と同様である。

【００２２】また、図６は、別の実施の形態を示し、発
熱体１が、平板状に形成され、かつ、一対の電極導体
３，３が、発熱体１に、相互に離間して設けられてい
る。即ち、発熱体１の両側縁部に、線条状の電極導体
３，３を埋設する。このようにすれば、発熱体１の断線
はほとんどあり得ない。

【００２３】

【発明の効果】本発明は上述の如く構成されているの
で、次に記載する効果を奏する。

【００２４】請求項１記載の温度自己制御機能ヒータに
よれば、温度制御器が不要となる。また、故障がほとん
ど発生せず、耐久性も優れる。さらに、温度が設定温度
（所定温度ｔ）に達すれば、消費電力が少なくなるの
で、節電効果がある。また、長さの長短に関係なく設定
温度における電気抵抗が一定となるので、種々の用途に
於て設計の自由度が高い。また、全体を軽量とすること
ができる。しかも、温度が過度に上昇することを確実に
防止でき、安全性が高い。また、Ｐキャリヤ、Ｎキャリ
ヤ等の配合を種々変更することにより、設定温度（所定
温度ｔ）を調整でき、種々の用途に応じた加温、加熱を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す要部説明図であ
る。

【図２】拡大断面図である。

【図３】グラフ図である。

【図４】グラフ図である。

【図５】他の実施の形態の拡大断面図である。

【図６】別の実施の形態の一部破断した斜視図である。

【図７】グラフ図である。

【図８】グラフ図である。

【符号の説明】

１ 発熱体 ３ 電極導体 ｔ 所定温度

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05D 23/00 - 23/32 H05B 3/02 - 3/18 H05B 3/40 - 4/82

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラスチック等の高分子化合物から成る
   基材にＰキャリヤとＮキャリヤが添加されると共に温度
   が上昇するに連れて電気抵抗が増大するＰＴＣ特性と温
   度が上昇するに連れて電気抵抗が減少するＮＴＣ特性と
   を有しかつ所定温度ｔにてＰＴＣ特性とＮＴＣ特性の勢
   力が同等となるサーミスタから成る発熱体１を備え、さ
   らに、一対の電極導体３，３を、上記発熱体１に一体状
   に設けたことを特徴とする温度自己制御機能ヒータ。