JP3428857B2 - 自己温度調節面状発熱体 - 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、外部からの温度制
御を必要としない自己温度調節ヒーターの範疇に含まれ
る自己温度調節面状発熱体に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の自己温度調節面状発熱体６は、図
１に示すように、電気を通すための導電性粒子１と、こ
の導電性粒子１を保持するための高分子(マトリックス
高分子)２と、そして発熱体本体に電力を均等に供給す
るための電極３とが、最低限必要となる。前記構成要素
に加えて発熱体本体の絶縁や保護を図るための外皮や、
電極へのリード線等も準構成要素となるが、機能上重要
なものは(1)導電性粒子、(2)高分子、(3)電極である。
印刷法による面状発熱体の基板は準構成要素である外皮
の範疇に入る。 【０００３】こうした面状発熱体における自己温度調節
(スイッチング)の原理については、ポリエチレングリコ
ール系の唯一の例外を除き、すべて(2)高分子の熱膨張
により説明することができる。高分子中には、一定濃度
以上で導電性粒子が分散している。前記濃度は、導電性
粒子が直接接触して数珠繋ぎとなる連鎖から電極間に導
電性の経路を形成するのに必要な最低濃度であり、この
濃度をパーコレーション閾値という。導電性粒子がパー
コレーション閾値を越えると発熱体の抵抗値が急激に低
下し、スイッチングが明確に現れる。これらの発熱体に
おいては、導電性粒子の濃度がパーコレーション閾値を
越えていることが重要である。この条件が満たされてい
ると、電極間に粒子連鎖による導電回路が形成され、通
電する。この通電によるジュール熱が発熱体の温度を上
昇させ、高分子を熱膨張させる。このとき、高分子に固
定されていた導電性粒子も高分子の膨張に従って位置を
変えるので、接触していた導電性粒子間に間隙が生じ、
低温時に形成されてた導電経路が切断される。これが自
己温度調節(スイッチング)の原理である。「スイッチン
グ」いう呼び方は、低温時に導電回路ができているので
「入」の状態に、高温時に前記導電回路が切断されるので
「切」の状態にあることから名づけられた。 【０００４】このような自己温度調節の原理は、次のよ
うにも表現することができる。発熱体の構成要素は、導
電性粒子、高分子及び電極である。自己温度調節(スイ
ッチング)は、前記構成要素のうち、高分子の熱膨張特
性を利用している。ここで、自己温度調節(スイッチン
グ)に必要な高分子の熱膨張特性について述べる。鋭敏
な自己温度調節(スイッチング)機能を発現させるために
は、以下に示すように、スイッチング温度(Ｔs)でマト
リックス高分子が急激に膨張することが必要である。言
い換えれば、スイッチング温度で高分子密度が急激に低
下することが必要である。このような特性は、結晶性の
高い高分子に現れる。これを図２(a)に示す。一方、結
晶性の低い無定形高分子では密度変化が緩やかである。
これを図２(b)に示す。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】従来の面状発熱体にお
いて、構成要素である高分子が無定形高分子であるとシ
ャープな密度変化がないので、スイッチングは現れな
い。このことは、従来の面状発熱体に用いる高分子に対
して選択の制限を加える。すなわち、面状発熱体の構成
要素は、導電性粒子、結晶性のマトリックス高分子及び
電極でなければならなかった。ただし、マトリックスは
あえて高分子である必要はない。例えば、高分子のポリ
エチレンの代わりにワックス等を用いることは理論上可
能である。しかし、実用に耐えなければならないという
条件をつければ、やはり高分子にならざるをえない。実
用性を離れた点からいっても、従来の自己温度調節面状
発熱体にはマトリックスとして結晶性物質が不可欠であ
る。 【０００６】前述のように、結晶性の高分子中に導電性
粒子を分散させて面状発熱体を構成するわけであるが、
押出機を用いる場合でも高分子が無定形の場合の方が何
かと作業性が良い。結晶性の高分子では作業できないと
いうわけではないが、印刷による製造法の場合、結晶化
度の高い高分子ではインクの製造ができない。この問題
を解決するものとして、無定形の部分と結晶性の部分と
をもつ共重合体を用いる方法が提案されている(特願平8
-348608号)が、この方法は結晶性の特性をある程度犠牲
にする必要がある。やはり、印刷法には無定形の高分子
を用いる方が、すべての点で有利である。しかし、無定
形高分子では自己温度調節面状発熱体を製作することは
不可能であった。 【０００７】面状発熱体の特性面からは、局部線状発熱
という厄介な問題から逃れることができず、これに対す
る何らかの対策が不可欠であった。自己温度調節の機能
を極端に弱くすれば前記対策は不要になるが、それでは
自己温度調節ではなくなってしまう。具体的な対策とし
て、面状発熱体表面にアルミ等の均熱板を張ったり、電
極間距離を短くすること等があったが、いずれの場合も
コスト増加を伴うし、対策が不十分であると安全性に問
題が生じてくる場合があった。 【０００８】自己温度調節面状発熱体は、確かにそれ自
身で固有の温度を維持するが、結晶性高分子を決定すれ
ば相転移温度も決まってしまうわけで、任意の固有温度
を有する自己温度調節面状発熱体を作るにはかなりの制
約がある。高分子ではなく、結晶性低分子物質を実用面
から使用することができれば、発熱体の固有温度の選択
はきわめて広くなる。従来の技術では実験的に結晶性低
分子の使用は可能であったが、実用に供する面状発熱体
を結晶性低分子物質から製造することは不可能であっ
た。 【０００９】 【課題を解決するための手段】自己温度調節の原理は、
ポリエチレングリコール-グラファイト系を除いて、す
べて結晶性高分子の熱膨張で説明されている。従って、
結晶性高分子又は結晶性低分子物質そのものを排除する
ことはできない。このように、結晶性物質そのものは用
いるわけであるが、これを発熱体本体から除外すること
を考えた。そして、従来の構成要素であるマトリックス
高分子に代えて、無定形高分子を用いることを意図し
た。もしも無定形高分子を用いることができれば、押出
機を使用する際の作業性も良くなり、印刷法が可能とな
る上、局部線状発熱の回避も可能になると考えられる。 【００１０】結晶性物質を発熱体の構成要素から排除し
て発熱体の本体外部で使用することができれば、結晶性
低分子を用いる可能性も出てくる。そうすればスイッチ
ング温度も幅広く選択できるようになり、低温度発熱の
自己温度調節面状発熱体も可能になる。 【００１１】以上述べたことから、課題解決の手段とし
て、発熱体本体から結晶性マトリックス高分子を除外
し、代わりに無定形高分子を構成要素として使用しつ
つ、結晶性物質を面状発熱体の本体外部で用いた面状発
熱体を開発した。すなわち、導電性粒子及び無定形高分
子組成物からなる発熱部と、この発熱部の発熱量を制御
する結晶性物質からなる制御部とを直接又は間接的に密
着一体化してなり、発熱部の熱を受けて熱膨張し、この
制御部に密着している発熱部の電気抵抗が急増すること
により発熱部の温度調節をする自己温度調節面状発熱体
である。 【００１２】導電性粒子には、黒鉛、カーボンブラッ
ク、カーボン繊維、カーボンウィスカー、金属粒子、金
属箔片、微小金属条、又はPVD(物理的蒸着)、CVD(化学
的蒸着)、無電解メッキ等によりチタン酸カリウムやマ
イカ等の絶縁性微粒子の表面に金属を付与したものを用
いることができる。 【００１３】無定形高分子には、ポリ塩化ビニル、シリ
コーンポリマー、ポリエチレンテレフタレート、アクリ
ル樹脂、ポリ酢酸ビニル、γ線重合によるポリアルデヒ
ド、ゴム及びこれらの誘導体を用いることができる。 【００１４】結晶性物質には、ポリエチレン、ナイロ
ン、ポリアセタール、ポリトリオキサン、ポリエチレン
グリコール等の結晶性高分子や、ワックス、ｎ-ヘキサ
トリアコンタン、テトラコサン等の脂肪族アルカン、ビ
フェニル、ナフタレン等の芳香族化合物、ｔ-ブタノー
ル、ネオペンタノール等の結晶性低分子であり、いずれ
も実用上の温度範囲に転移点をもつ結晶性化合物を用い
ることができる。また、無機結晶も使用可能で、例えば
硫化カリウム５水和物、硫酸ナトリウム、硫酸ナトリウ
ム10水和物、ホスホン酸ナトリウム５水和物、リン酸水
素２ナトリウム12水和物、リン酸２水素ナトリウム２水
和物、４ホウ酸ナトリウム10水和物、メタホウ酸ナトリ
ウム４水和物、酢酸ナトリウム３水和物等がある。 【００１５】 【発明の実施の形態】上述のように、自己温度調節面状
発熱体の構成要素から結晶性マトリックス高分子を排除
し、これに代えて無定形高分子を発熱部として用いた。
結晶性高分子は、制御部として面状発熱体の本体外部に
配置した。ただし、この結晶性高分子からなる制御部と
無定形高分子からなる発熱部とは、直接又は間接的に密
着一体化せしめ、結晶性物質が膨脹すれば発熱体も膨脹
するようにした。発熱部の熱が制御部を加熱し、この発
熱部外の制御部の熱膨張が発熱部をも膨脹せしめるよう
にした。具体的には次のような方法がある。 【００１６】先ず最初に、結晶性高分子を制御部(基盤)
４として用い、その制御部４上に導電性粒子１を混入し
た無定形高分子からなる発熱部５を接着した例の面状発
熱体６を図３に示す。制御部４である結晶性高分子、特
にポリエチレン等は接着性に乏しいが、ポリエチレン表
面をプラズマエッチングで処理したり、トリクロロエチ
レン等の蒸気に曝したり、テトラリン、デカリン等の溶
媒に浸漬する等して表面を荒らせば、接着が可能にな
る。発熱部５は無定形高分子をマトリックスに用いてい
るので、単独で使用すれば自己温度調節の機能は発現し
ない。ところが、制御部４のポリエチレンが加熱される
と融点でシャープな熱膨張を示すので、この上に接着さ
れている発熱部５も熱膨張し、発熱体６としての自己温
度調節機能が発現する。 【００１７】図４の例は、結晶性物質からなる制御部４
が直接発熱部５に接着されているのではなく、間接的に
発熱部５に接着されている面状発熱体６の例である。こ
の場合、制御部４となる結晶性物質が外皮７に覆われて
いて、前記外被７と発熱部５とを接着している点が図３
の例と異なっている。この図３の例では、結晶性物質と
して、低分子物質を用いたり、常温で液体である物質も
使用可能である。この場合、低温度の自己温度調節面状
発熱体６が実現できる。 【００１８】 【実施例】 実施例１ シリコーン(セメダイン、バスコーク)70重量部に黒鉛
(日本黒鉛、J-SP)30部を加えてよく混合してからトルエ
ンを少量加えたものを低密度ポリエチレン(三井石油化
学ハイゼックス5001、100×50×１mm)に塗布し、厚さ0.
6mmの塗膜(発熱部、シリコーンと黒鉛との混合物)を形
成した。ポリエチレン基板(制御部)は、予めテトラリン
に室温で24時間浸漬した後、ソックスレーでテトラリン
を抽出しておいた。こうして作成した試料を100℃で12
時間加熱した後、銀ペイント(藤倉化成ドーダイト550)
で電極を形成した。電極は長さ100mm、電極間距離16m
m、電極幅17mmとした。比較のために、シリコーン-黒鉛
組成物を直径20mm、厚さ2.0mmにテフロン皿を用いてキ
ャスト成型し、同じく銀ペイントで電極を設けた。この
二つの試料を空気恒温槽内に置き、デジタルマルチメー
ターを用いて温度抵抗特性を測定した。その結果を図５
に示した。図５において、結晶性高分子ポリエチレン基
板に塗布した試料(○)においては110℃近くから抵抗値
の急増、すなわちスイッチング特性が見られることが確
認できた。一方、基板を用いないキャスト試料(□)の場
合はスイッチング特性はまったく見られない。これは、
シリコーンが無定形高分子であるから当然のことであ
る。このように、結晶性の基板に接着させれば無定形高
分子を用いた発熱体においてもスイッチング特性が得ら
れることが確認された。 【００１９】実施例２ シリコーンとしては東レ・ダウコーニングのSE9176を用
い、実施例１と同様に２通りの試料を作製し、各々の温
度抵抗特性を測定した。ポリエチレン(PE)基板に塗布し
た試料の場合は80℃から抵抗値が顕著に増加しはじめ、
スイッチング特性が明瞭に現れている。一方、キャスト
試料の場合はスイッチング特性がまったく見られない。
従って、本実施例においても無定形マトリックス高分子
を用いた発熱部(シリコーンと黒鉛との混合物)単独では
スイッチング特性はまったく現れないが、結晶性高分子
(制御部)をこの発熱部に密着させることによりスイッチ
ング特性が現れることが確認できた。 【００２０】実施例３ 今度は無定形マトリックス高分子としてポリブタジエン
を用いた。ポリブタジエン(JSRBR01)７ｇをトルエン140
mLに溶解し、これに黒鉛(日本黒鉛J-SP)３ｇを加えよく
混合して得られる発熱部を、前述の低密度ポリエチレン
及びPETフィルム(制御部)に印刷し、60℃で６時間乾燥
した。実施例１及び実施例２と同様に２つの試料につい
て温度抵抗特性を測定し、図７に示した。ポリブタジエ
ンは無定形高分子であることはよく知られている。この
実施例では、２つの試料はともに基板に印刷して作製さ
れた。すなわち、一方は結晶性のPE、他方は無定形のPE
T基板に印刷された。図７からわかるように、結晶性基
板(制御部)に印刷された場合(○)は顕著にスイッチング
特性が現れるのに対し、無定形の基板の場合(△)スイッ
チングは現れない。 【００２１】実施例４ 170×100×0.1mmのPETフィルムに印刷面160×90mmをと
り、36wt％の黒鉛(J-SP)-シリコーン(東レ・ダウコーニ
ングSE9176)組成物を少量のトルエンで適当な粘度に調
整して得られる発熱部を、このPETフィルム(制御部)に
印刷した。電極は前述の銀ペイントで長さ160mm、幅５m
m、80mmとした。印刷膜は厚さ0.1mmであった。これを10
0℃で３時間加熱した。一方、深さ２mm、165×90mmの四
角な窪みを持つ厚さ0.1mmのPETフィルムを用意し、この
窪みにぴったり入るように前述の低密度ポリエチレン
(厚さ２mm)を２枚重ねて入れ、先に印刷したPETフィル
ムを上に載せ、周囲の四辺を接着した。こうして作成し
た試料の温度抵抗特性を図８に示した。このように、結
晶性ポリエチレンをPETフィルムに閉じこめ、これに無
定形高分子マトリックスの面状発熱体を印刷しても、前
述の実施例と同様にスイッチング機能が発現することが
確認できた。 【００２２】実施例５ 実施例４で用いたのと同じ試料にDC24Ｖを印加し、電極
に対して垂直な直線上の温度分布を熱電対を用いて測定
した。この測定結果を図９に示した。図９に示されてい
るように、面状発熱体の両側縁では幾分温度が低いもの
の、局部発熱を示している部分はまったくなかった。通
電直後は当然直線上の点で温度が低く、時間経過ととも
に上昇してほぼ一定値に到達したが、どの時点において
も異常に高い温度を示すことはなかった。従って、本発
明の面状発熱体は、従来の面状発熱体の局部線状発熱の
問題がまったくないことが確認できた。 【００２３】 【発明の効果】すでに述べたように、従来の自己温度調
節面状発熱体においては結晶性マトリックス高分子が構
成要素の一つとして不可欠であり、押出機の場合では作
業性の低下を招き、印刷法による場合にはスイッチング
特性を幾分切り捨てる以外に方法がなかった。また、発
熱体固有の性質である局部線状発熱も回避することは不
可能で、均熱板を設ける等、追加的対策を強いられてき
た。 【００２４】本発明による面状発熱体、すなわち構成要
素の一つであるマトリックス高分子に代えて無定形の高
分子を用い、結晶性物質は発熱部に密着一体化する制御
部として使用するようにしたことにより、実施例１〜５
に示されたように、無定形マトリックス高分子を用いて
いても優れたスイッチング特性が得られることが明らか
になった。そして、従来の自己温度調節面状発熱体では
不可避の問題であった局部線状発熱も実施例５に見られ
るように、本発明においては本質的に起こらないことが
確認された。

【図面の簡単な説明】 【図１】従来の面状発熱体の基本構成を示す断面図であ
る。 【図２】(a)結晶性高分子の密度-温度特性と(b)無定形
高分子の密度-温度特性を示すグラフである。 【図３】本発明による面状発熱体の構成を示す断面図で
ある。 【図４】本発明による別例の面状発熱体の構成を示す断
面図である。 【図５】実施例１の温度抵抗特性を示すグラフである。 【図６】実施例２の温度抵抗特性を示すグラフである。 【図７】実施例３の温度抵抗特性を示すグラフである。 【図８】実施例４の温度抵抗特性を示すグラフである。 【図９】実施例４の電極に対して垂直な直線上の温度分
布を示したグラフである。 【符号の説明】 １ 導電性粒子 ２ (マトリックス)高分子 ３ 電極 ４ 制御部(基盤） ５ 発熱部 ６ 自己温度調節面状発熱体 ７ 外皮

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 導電性粒子が無定形高分子中に分散混合
   された組成物からなる面状の発熱部を、該発熱部の発熱
   量を制御する結晶性物質からなる面状の制御部としての
   基板上に直接又は間接的に密着一体化してなり、該制御
   部としての基板が発熱部の熱を受けて熱膨張し、前記制
   御部としての基板に密着している発熱部の電気抵抗が急
   増することにより発熱部の温度調節をすることを特徴と
   する自己温度調節面状発熱体。