JP3816587B2 - 面状発熱体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱部分及び電極の柔軟性が優れており、発熱部分と電極の接触面積が大きな面状発熱体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より面状発熱体は、平面状であることを利用して床暖房や椅子等の暖房用を初めとする様々な分野において使用されている。この面状発熱体としては、ポリエチレングリコールと黒鉛等の導電性物質との混合系が有するＰＣＴサーミスター特性を利用したものが知られている。このような面状発熱体としては、ポリエチレングリコールと黒鉛粉末を薄い織布、不織布、スポンジシート、木綿ガーゼ等に含浸坦持させ、電極として導線を埋設したものを、２枚の非導電性シートで密封被覆したもの（特開昭５９−２１９８８６号公報）、ポリエチレングリコールと黒鉛粉末を薄い織布、不織布、スポンジシート、ガラス繊維等に含浸坦持させ、電極として銅の薄板を埋設したものを、ポリエチレン樹脂等の可とう性材料で被覆したもの（特開昭６２−１２２０８３号公報）、ガラス板上に予め電極として網状のシールド線を置き、トルエンに溶解させたポリエチレングリコールと黒鉛とを流延し、乾燥させて面状の発熱体に成形したものを、発泡ウレタンシート等で被覆したもの（特開平２−１７２１７９号公報）、ポリエチレングリコールに炭素粉末を分散させてなる感熱電気抵抗組成物を線状の電極と混在させて面状に圧延成形した面状発熱素子を、軟質性材料により被覆したもの（特開平７−２４９４７６号公報）等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
面状発熱体に要求される特性のうちの重要なものの一つとして、柔軟性が優れていることを挙げることができる。これは、面状発熱体を様々な用途に適用する際には、製造時における丸めたり、折り曲げたりする加工成形、更に用途によっては使用時における同様の変形にも十分対応できることが要求されるからである。そして、この柔軟性は、発熱部分だけでなく、発熱部分に通電する電極部分も含めた発熱体全体に要求されるものである。また、面状発熱体における電極には、良好な通電状態を確保するため、通電対象となる発熱部分との接触面積が大きいことも要求される。
【０００４】
しかし、上記した従来技術においては、電極部分における変形等の外力に対する柔軟性や発熱体の加工成形性等の点で問題がある。例えば、特開昭５９−２１９８８６号公報に記載の面状発熱体の場合には、不織布等を用いているため発熱部分の柔軟性はあるが、電極として導線を用いているため、折り曲げ等の外力が繰り返し加わるような場合には、電極とポリエチレングリコール及び黒鉛粉末とが部分的に剥離し、通電不良となるおそれがある。また、同様に特開昭６２−１２２０８３号公報に記載の面状発熱体の場合も発熱部分の柔軟性はあるものの、電極として銅の薄板を用いているため、電極も含めた柔軟性に乏しく、同様の剥離による通電不良のおそれもある。よって、このような問題を解決するためには、特開平２−１７２１７９号公報及び特開平７−２４９４７６号公報に記載の面状発熱体のように、外力による衝撃を緩和したり、変形を容易にしたりするために、軟質の被覆材で被覆しなければならない。しかし、このような場合にはどうしても厚みが増すため、用途が限定されたり、成形加工性が低下したりする。更に、構成部材の増加により製造工程が煩雑になり、コストの上昇を招くという問題がある。また、線状や板状の電極の場合、電極と通電対象となる発熱部分との接触面積を増大させようとすると、電極自体の長さや大きさを増大させることになり、電極と発熱部分との剥離が生じて通電不良となる可能性をより増大させるという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解決し、電極も含めた面状発熱体全体の柔軟性を向上させて加工成形性を向上させ、更に電極自体を大きくすることなく、電極と通電対象となる発熱部分との接触面積を増大させることにより、通電不良を防止できる面状発熱体を提供することを目的とする。また、本発明は、前記面状発熱体の製造方法を提供することを他の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成する手段として、不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールが一体化されている基材と、基材上に隔離して配置され、基材と一体化されている面状メッシュ電極とを有することを特徴とする面状発熱体を提供するものである。更に本発明は、上記目的を達成する他の手段として、不織布が三次元網状構造を有するものである前記の面状発熱体を提供するものである。更に本発明は、上記目的を達成する他の手段として、面状メッシュ電極の面積に対する孔の占有面積が５〜３０％である前記の面状発熱体を提供するものである。更に本発明は、上記目的を達成する他の手段として、基材と面状メッシュ電極が、面状メッシュ電極の孔部分に導電性物質を含有するポリエチレングリコールが侵入することにより一体化されている前記の面状発熱体を提供するものである。更に本発明は、上記目的を達成する他の手段として、表面がプラスチックフィルムにより密封して被覆されている前記の面状発熱体を提供するものである。また、本発明は、上記他の目的を達成する手段として、不織布に導電性物質を含有するポリエチレングリコールを含浸させて基材を形成したのち、前記基材上に面状メッシュ金属を隔離して配置し、基材と面状メッシュ金属を同時に加熱プレスすることにより、面状メッシュ金属の孔部分に導電性物質を含有するポリエチレングリコールを侵入させることを特徴とする面状発熱体の製造方法を提供するものである。更に本発明は、上記他の目的を達成する他の手段として、更に、プラスチックフィルムで覆ったのち、加熱プレスする前記の面状発熱体の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の面状発熱体及びその製造方法について説明する。図１は面状発熱体の平面図であり、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う部分断面図である。
【０００８】
面状発熱体１は、基材２とその上に一体化して形成された、一対となる二つの面状メッシュ電極３、４とを有している。面状発熱体１の厚み、大きさ及び形状等は用途に応じて適宜設定することができ、例えば、長尺状の基材２に、二つで一対となる任意の偶数個の電極を配し、所望形状、大きさに切断、加工して、複数の面状発熱体１を得るようにすることもできる。
【０００９】
基材２は、不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールが一体化されてなるものである。
【００１０】
不織布は、天然繊維又は合成繊維のいずれを原料とするものでもよく、その製造方法も特に制限されるものではない。しかし、不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールとを、確実にかつ強固に一体化させ、同時に柔軟性を保持するようにするためには、不織布が三次元網状構造（立体網状構造）を有しているものであることが好ましい。本発明における三次元網状構造とは、１種又は２種以上の繊維が平面的かつ立体的に交錯し、交錯点が固着されてなり、繊維間に通気及び通水が可能な程度の間隙を有しているものである。このような三次元網状構造を有する不織布は、例えば、原料繊維からカードにより複数枚のウェブをつくり、それらのウェブを平板状の型に入れ、融点よりも低い温度で加熱成形し、交錯点を融着させることにより得ることができる。より具体的な例を挙げるならば、特開平５−９８５１６号公報６欄３７〜４４行目又は特開平８−９２８１８号公報１０欄２７〜３４行目に記載の平板型のクッション材の製造方法を応用することができる。即ち、特定の複合短繊維４０％とポリエチレンテレフタレート短繊維６０％とをカードにより混綿してウェブを得て、このウェブを重ねて所定厚みで所定密度になるように平板型の型に入れ、２００℃で１０分間加熱処理する方法である。本発明においては、このような三次元網状構造を有する不織布として、ポリエステル繊維製の不織布である登録商標「エルク」（帝人株式会社製）を用いることが好ましい。
【００１１】
ポリエチレングリコールは、その分子量を、例えば数百から２００００の範囲内で増減させることにより、面状発熱体１の発熱温度をある程度の範囲内（数度から数十度）で上下させることができるため、用途により要求される所望の発熱温度に応じて、異なる分子量のものを選択することができる。もちろん、本発明においては前記の分子量範囲内に制限されるものではなく、より低分子量のものから数万以上の高分子量のものまで用いることができる。導電性物質としては炭素粉末が好ましく、例えば、黒鉛粉末、黒鉛細片のような結晶性のもの、活性炭のような無定形のもの等を挙げることができる。ポリエチレングリコールに含有させる導電性物質の割合は、両成分の合計量中において５〜５０重量％が好ましい。
【００１２】
基材２においては、このような不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールとが、導電性物質を含有するポリエチレングリコールが不織布中に侵入した状態で若しくは不織布表面に密着した状態で又は両状態が混在した状態で、一体化されているものである。
【００１３】
面状メッシュ電極３、４は、正方形又は長方形等の平面形状のものに複数の孔を有するものであり、その限りにおいては、金属線又は金属繊維により織られた目の荒い布状のもの、金網状のもの、パンチドメタル状のもの等を挙げることができ、その形態は特に制限されるものではない。また、面状メッシュ電極３、４が有する孔の数や大きさは、面状発熱体１の大きさ等に応じて適宜設定されるものであるが、通電対象との接触面積を増大させるため、面状メッシュ電極３又は４の面積に対する孔の占有面積が５〜３０％であることが好ましい。このような面状メッシュ電極３、４は、板状電極に比べると柔軟性が大きく、線状電極に比べると破断が生じにくくなる。
【００１４】
面状メッシュ電極３、４は、二つが一対となって、同一面上又は異なる面上の所望の位置に隔離して配置され、基材２と一体化されている。ここで面状メッシュ電極３、４は、基材２上の全面において対向して配置されていることが好ましい。また、この一体化とは、基材２と面状メッシュ電極３、４とが強固に密着していることを意味するものであるが、図２において示すように、面状メッシュ電極３、４の孔部分に導電性物質を含有するポリエチレングリコール５が侵入して、一体化されていることが好ましい。例えば図２に示すような侵入状態にすることにより、面状メッシュ電極３、４と通電対象となる導電性物質を含有するポリエチレングリコール５との接触面積を増大させることができ、基材２と面状メッシュ電極３、４との結合力を高めることもできる。更に、面状メッシュ電極３、４自体も補強されるため、面状メッシュ電極３、４と導電性物質を含有するポリエチレングリコール５との剥離による通電不良が起こりにくくなるし、部分的に剥離が起こった場合でも接触面積が大きいため、通電不良となることがない。
【００１５】
このような面状発熱体１は、防水性や防湿性を付与するため、それらの特性を有するプラスチックフィルムでその表面を密封して被覆することができる。
【００１６】
次に、上記した面状発熱体の製造方法について説明する。まず、ポリエチレングリコール中に炭素粉末等の導電性物質を含有させた液状物を得る。ポリエチレングリコールは分子量が７００以下の場合には液状であるため、そのまま又は必要に応じて水、芳香族系の溶剤に溶解させたのち、所定量の導電性物質を添加、混合する。また、ポリエチレングリコールが液状でない場合には、加熱溶解するか又は水、芳香族系の溶剤に溶解させたのち、所定量の導電性物質を添加、混合する。
【００１７】
次に、不織布の表面にポリエチレングリコール中に炭素粉末等の導電性物質を含有させた液状物を刷毛塗り法により塗布するか又は不織布を前記液状物中に浸漬する方法等により、不織布に導電性物質を含有するポリエチレングリコールを含浸させて基材を得る。そのほかにも、前記液状物を例えばＴダイのようなものから押し出してシート状に成形した（固化した）ものに、不織布を重ね合わせ、加熱プレスする方法によっても基材を得ることができる。この工程の含浸処理において、上記した「エルク」のような三次元網状構造を有する不織布を用いた場合には、導電性物質を含有するポリエチレングリコールが繊維間の間隙に容易に侵入するため、不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールとが確実にかつ強固に一体化された基材を得ることができる。よって、繰り返し外力が加わるような場合でも、不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールが剥離したり、基材表面にクラックが生じたりすることがない。更に、一体化後においても三次元網状構造は維持されているため、引き続き優れた柔軟性を発揮することができる。一方、三次元網状構造を有していない不織布を用いた場合には、導電性物質を含有するポリエチレングリコールを内部にまで十分に侵入させるためには、吸引操作等が必要となり、処理後の柔軟性も三次元網状構造の場合と比べると劣ってしまう。
【００１８】
次に、基材上の所望の位置に、電極となる金網、目の粗い織物等の二つの面状メッシュ金属を隔離して配置したのち、一面から又は両面方向から、基材と二つの面状メッシュ金属を同時に加熱プレスし、面状発熱体を得る。このように基材と二つの面状メッシュ金属を同時に加熱プレスすることにより、基材に含浸させた導電性物質を含有するポリエチレングリコールを溶融させ、面状メッシュ金属の孔部分に侵入させることができる。
【００１９】
また、このような面状発熱体の表面をプラスチックフィルムで密封、被覆する場合には、面状発熱体をプラスチックフィルムで完全に被包したのち、両面方向から加熱プレスする。なお、この被覆処理における加熱プレスは、前工程の処理における加熱プレスと兼用することができる。即ち、基材、面状メッシュ金属及びプラスチックフィルムを同時に加熱プレスして、面状発熱体を得ることができる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。
【００２１】
実施例１
まず、容器中において、分子量６０００のポリエチレングリコールを加熱溶解し、これに黒鉛粉末を３０重量％となる量添加し、混合した。次に、これをポリエステル繊維製の不織布であるエルク（縦１００mm，横２５mm，厚み１．６mm）上に流し出し、プレスして、黒鉛粉末を含有するポリエチレングリコールを含浸させたのち、冷却して、厚み１．４mmのシート状の基材を得た。次に、基材上に、二つの銅製織布（縦９５mm，横３．８mm，厚み０．４mm；孔の占有面積約１３％）を隔離して置き、基材面の両方向から、加熱しながら押圧して（温度約９０℃，圧力約０．１kg/cm2）、面状発熱体を得た。このようにして得られた面状発熱体の電極部分は、図２に示すように、電極自体がやや基材に埋め込まれた状態になっており、その孔部分には黒鉛粉末を含有するポリエチレングリコールが侵入していた。
【００２２】
この面状発熱体を、幅方向から見た形状が真円から楕円になるように長さ方向に丸め込み、その上から、人為的に断続的な力を繰り返し加えたが、基材及び電極にはまったく変化が見られなかった。また、面状発熱体の長さ方向の両端を持ち、水平方向に、人為的に断続的な力を繰り返し加えたが、やはり基材及び電極にはまったく変化が見られなかった。
【００２３】
この面状発熱体の二つの電極に導体を介して交流電源（１２ｖ）より通電したところ、緩やかに温度上昇して約５６℃に至り、その後は前記温度を保持できた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の面状発熱体は、基材として不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールが一体化されたものを用い、更に面状メッシュ電極を用いているため、電極を含む面状発熱体全体が優れた柔軟性を有している。また、面状メッシュ電極の孔部分に導電性物質を含有するポリエチレングリコールが侵入した構成にすることにより、電極の大きさを増大させることなく、電極と通電対象となる発熱部分との接触面積を増大させることができ、同時に電極と基材との結合力を高めることができる。このような本発明の面状発熱体は、柔軟性が優れているため、加工成形時にも発熱部分と電極が剥離を生じて通電不良となることがない。よって、従来における面状発熱体と同等の発熱特性を維持したまま、更に適用対象を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 面状発熱体の平面図である。
【図２】 図１に示す面状発熱体のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分断面図である。
【符号の説明】
１ 面状発熱体
２ 基材
３ 面状メッシュ電極
４ 面状メッシュ電極
５ 導電性物質を含むポリエチレングリコール

Claims (5)

1. 不織布と導電性物質を含有するポリエチレングリコールが一体化されている基材と、基材上に隔離して配置され、基材と一体化され孔部分を有する面状メッシュ電極とを有し、前記不織布は、１種又は２種以上の繊維が平面的かつ立体的に交錯し、交錯点が固着されてなり、繊維間に通気及び通水が可能な程度の間隙を有する三次元網状構造を有するものであって、基材と面状メッシュ電極が、面状メッシュ電極の孔部分に導電性物質を含有するポリエチレングリコールが侵入することにより一体化されていることを特徴とする面状発熱体。
2. 面状メッシュ電極の面積に対する孔の占有面積が５〜３０％である請求項１記載の面状発熱体。
3. 表面がプラスチックフィルムにより密封して被覆されている請求項１又は２記載の面状発熱体。
4. １種又は２種以上の繊維が平面的かつ立体的に交錯し、交錯点が固着されてなり、繊維間に通気及び通水が可能な程度の間隙を有する三次元網状構造を有する不織布に導電性物質を含有するポリエチレングリコールを含浸させて基材を形成したのち、前記基材上に面状メッシュ金属を隔離して配置し、基材と面状メッシュ金属を同時に加熱プレスすることにより、面状メッシュ金属の孔部分に導電性物質を含有するポリエチレングリコールを侵入させることを特徴とする面状発熱体の製造方法。
5. 更に、プラスチックフィルムで覆ったのち、加熱プレスする請求項４記載の面状発熱体の製造方法。

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