JP3817488B2

JP3817488B2 - 複合発熱体およびその設計方法

Info

Publication number: JP3817488B2
Application number: JP2002046081A
Authority: JP
Inventors: 宏幸八木; 雅夫戸田
Original assignee: 株式会社キョーテック
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003249402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、暖房器具や一般加熱器具に用いられる正抵抗温度係数を保持する抵抗体または温度にかかわらず抵抗値がほぼ一定である定抵抗体を組み合わせてなる複合発熱体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
正抵抗温度係数を保持する抵抗体は所定の温度でその抵抗値が急激に増大することが知られている。そして、その特性を応用して、所定の温度に達すると電力が急激に低下し、温度の暴走を発熱体自身が防止すると共に、熱負荷の変動に応じて、温度を一定に保つ方向に電力が自動的に制御される。いわゆるサーモスタットなどの温度調節機構を不要とする自己温度制御発熱体としての検討がなされてきた。
【０００３】
従来、正抵抗温度係数を有する発熱体を得るためには結晶性重合体及び導電性微粉末等の材料を混練することなどによって、所定の正抵抗温度係数を保持する抵抗体を入手し、含浸あるいはコーティング、スクリーン印刷などの塗設方法を使用して１種類の抵抗体で構成された発熱体を得ていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
暖房器具などの用途においては、その使用条件が多岐に渡ることから、それぞれの使用条件に適した正抵抗温度係数を選択する必要がある。
【０００５】
しかし、混練法などによって得られた種々の正抵抗温度係数を保持する抵抗体を多数種類保有することは、材料となる抵抗体の保管寿命などの問題があった。また、所望の正抵抗温度係数を保持する抵抗体を必要の都度混練するのは、リードタイムが長くなりすぎるなどの問題があった。
【０００６】
また、所望の正抵抗温度係数を保持する抵抗体を混練法などによって小きざみに得ること自体が難しく、本来必要な正抵抗温度係数とは異なっていても、それに近い抵抗体を選択することで妥協を余儀なくされてきた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による複合発熱体は、第１および第２の電極回路と、第１および第２の電極回路に接触し、正抵抗温度係数を保持する第１の面状抵抗体と、第１および第２の電極回路に接触することにより第１の面状抵抗体と並列に接続され、温度にかかわらず抵抗値がほぼ一定である第２の面状抵抗体と、シート状基材とを備え、第１および第２の面状抵抗体はシート状基材上に形成されたことを特徴とする。これにより、任意の正抵抗温度係数を一体に形成した複合発熱体を得るものであり、暖房器具などの多岐にわたる用途それぞれに対して最も適した正抵抗温度係数を有する複合発熱体を提供するものである。
【０００８】
複合発熱体はさらに、シート状基材に貼り合わされた均熱板を備えていてもよい。
【００１０】
あるいは、複合発熱体は、上記シート状基材の代わりに、互いに積層された第１および第２のシート状基材を備え、第１の面状抵抗体は前記第１のシート状基材上に形成され、第２の面状抵抗体は第２のシート状基材上に形成されていている。
【００１１】
あるいは、複合発熱体は、上記シート状基材の代わりに、立体基材を備え、第１および第２の面状抵抗体は立体基材上に形成されていている。
一方、本発明による複合発熱体の設計方法は、正抵抗温度係数を保持する第１の抵抗体と、第１の抵抗体と並列に接続され、温度にかかわらず抵抗値（Ｒ_ｃ）がほぼ一定である第２の抵抗体とを備えた複合発熱体の設計方法である。まず、所望の第１の設定温度（Ｔ１）と、第１の設定温度（Ｔ１）における所望の第１の消費電力と、第１の設定温度（Ｔ１）よりも高い所望の第２の設定温度（Ｔ２）と、第２の設定温度（Ｔ２）における所望の第２の消費電力とを決定し、かつ第１の設定温度（Ｔ１）における第１の抵抗体の比抵抗値（ρ_ｐＴ１）に対する第２の設定温度（Ｔ２）における第１の抵抗体の比抵抗値（ρ_ｐＴ２）の比（ρ_ｐＴ２／ρ_ｐＴ１）を第１の抵抗体の特性から決定する。次に、第１および第２の抵抗体に印加される所定電圧と第１の消費電力とに基づいて第１の設定温度（Ｔ１）における第１および第２の抵抗体の合成抵抗値（Ｒ_Ｔ１）を算出し、かつ所定電圧と第２の消費電力とに基づいて第２の設定温度（Ｔ２）における第１および第２の抵抗体の合成抵抗値（Ｒ_Ｔ２）を算出する。そして、第１および第２の設定温度（Ｔ１，Ｔ２）における合成抵抗値（Ｒ_Ｔ１，Ｒ_Ｔ２）ならびに比抵抗値の比（ρ_ｐＴ２／ρ_ｐＴ１）を次式（１）および（２）に代入して第１の設定温度（Ｔ１）における第１の抵抗体の抵抗値（Ｒ_ｐＴ１）および第２の抵抗体の抵抗値（Ｒ_ｃ）を算出する。
【数２】

【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、正抵抗温度係数を保持する抵抗体と、温度にかかわらず抵抗値がほぼ一定である定抵抗体を並列接続したものとからなり、用途に応じて正抵抗温度係数抵抗体と定抵抗体との抵抗比を調整することにより目的の正抵抗温度係数を有した複合発熱体を提供するものである。
【００１３】
本発明に用いられる正抵抗温度係数を有する抵抗体は特開昭51-76647号、特開平10-183039号公報などに代表される方法で作製された正抵抗温度係数を保持する材料を含浸あるいはコーティング、スクリーン印刷などの塗設方法を使用して形成することによって得ることができる。
【００１４】
また、本発明に用いられる温度にかかわらず抵抗値がほぼ一定である定抵抗体は黒鉛、カーボンブラック、カーボン繊維、金属粒子、金属箔片などや、それらのものと樹脂などを周知の混練技術などを用いてペースト化したものなどを含浸あるいはコーティング、スクリーン印刷などの塗設方法を使用して形成することによって得ることができる。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の複合発熱体の実施例につき説明する。以下、実施例の塗設方法はスクリーン印刷にて行ったものであるが、必ずしもスクリーン印刷に限定するものではない。また、使用したPETフィルムについても限定するものではなく、不織布、紙、布などシート状基材であれば良い。
【００１６】
１００Ｖの電圧を加えたとき、０℃（＝Ｔ１）における消費電力が１２４Ｗかつ５５℃（＝Ｔ２）における消費電力が７８Ｗとなるような複合発熱体を、使用上限温度が８０℃で、５５℃（＝Ｔ２）における比抵抗値ρ _ｐＴ２が０℃（＝Ｔ１）における比抵抗値ρ _ｐＴ１の５．６倍（＝ρ _ｐＴ２／ρ _ｐＴ１）となる正抵抗温度係数を保持する抵抗体と定抵抗体を使用して作製する事例について述べる。このときの複合発熱体の抵抗値は、０℃（＝Ｔ１）における抵抗値Ｒ _Ｔ１が８０Ω（≒１００ _［Ｖ］ ^２／１２４ _［Ｗ］）、５５℃（＝Ｔ２）における抵抗値Ｒ _Ｔ２が１２８Ω（≒１００ _［Ｖ］ ^２／７８ _［Ｗ］）になれば良いことになる。
【００１７】
設定温度Ｔ１における正抵抗温度係数を保持する抵抗体の抵抗値をＲ _ｐＴ１とし、定抵抗体の抵抗値をＲ _ｃとし、設定温度Ｔ１における正抵抗温度係数を保持する抵抗体の比抵抗値をρ _ｐＴ１とし、設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＜Ｔ２）における正抵抗温度係数を保持する抵抗体の比抵抗値をρ _ｐＴ２とすると、設定温度Ｔ１における複合発熱体の設計抵抗値（並列合成抵抗値）Ｒ _Ｔ１は次の式（１）で表され、設定温度Ｔ２における複合発熱体の設計抵抗値（並列合成抵抗値）Ｒ _Ｔ２は次の式（２）で表される。
【数３】

【００１８】
式（１）および（２）に示す方程式に各数値（Ｒ _Ｔ１＝８０，Ｒ _Ｔ２＝１２８，ρ _ｐＴ２／ρ _ｐＴ１＝５．６）を代入し方程式を解いたところ、正抵抗温度係数を保持する抵抗体は０℃（＝Ｔ１）の時に１７５．２Ω（＝Ｒ _ｐＴ１）を示すようにパターン設計し、定抵抗体は１４７．２Ω（＝Ｒ _ｃ）を示すようにパターン設計すれば良いことがわかる。式（１）および（２）は２ポイントの設定温度（Ｔ１，Ｔ２）に対して２種の並列抵抗回路を１つの抵抗回路とみなす時の基本式として導出したものであるが、さらに多くの設定温度や多種の並列抵抗回路においても同様に導出できることは言うまでもない。
【００１９】
実施例１
図１に示すように、厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムの上面にスクリーン印刷用導電ペーストを周知のスクリーン印刷方式を用いて櫛歯状に塗設し、電極回路２を形成した。
【００２０】
図２および図３に示すように、前記電極回路２上面の一部に抵抗値が１４７．２Ωになるように面状の定抵抗体４を上記塗設方法により塗設した。
【００２１】
さらに、電極回路２及び定抵抗体４が塗設されたシート上面の一部に前記の正抵抗温度係数を保持する面状の抵抗体３を０℃の時に１７５．２Ωとなるように上記塗設方法により塗設し、図２の複合面状発熱体を作製した。
【００２２】
この複合面状発熱体の抵抗変化率は図９で示すような測定結果となっており、０℃から５５℃で１．６倍となる。このように、正抵抗温度係数を保持する抵抗体３および定抵抗体４単独の抵抗変化率に比べて、それぞれを並列に組み合わせ抵抗比を調節することによって、任意の抵抗変化率を得ることが可能である。
【００２３】
さらに、図４に示すように、この複合面状発熱体にアルミニウムの均熱板５を貼り合わせた状態で１００Ｖの電圧を加えたところ、０℃における出力が１２４Ｗ、５５℃における出力が７８Ｗを示し、目的の正抵抗温度係数を有する複合面状発熱体が得られた。このように、温度差を減少させる目的で必要により均熱板５を付与することは、周知の技術であるが、アルミニウムに限定する必要はなく、熱伝導率の良好な材質であれば良い。
【００２４】
この時、各抵抗体３，４は並列に結線され、いずれの抵抗体３，４にも１００Ｖの電圧が加わるようになっており、各抵抗体３，４が発熱することによって抵抗体３，４自身の温度も上昇し、正抵抗温度係数を有する抵抗体３部分では上昇した温度に対して抵抗値も上昇し消費電力を低下させる。また、定抵抗体４部分では上昇した温度に対して抵抗値がほとんど変化しないため、消費電力もほとんど変化しないことになる。
【００２５】
この結果、発熱体全体として一定の温度で飽和することになり、図１０に示す特性が得られた。このように、正抵抗温度係数を保持する抵抗体１種類だけの発熱体に比べて飽和温度、温度上昇速度など自己温度制御特性の異なる複合面状発熱体を得られることが確認できた。
【００２６】
実施例２
図５に示すように、厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムの上面にスクリーン印刷用導電ペーストを周知のスクリーン印刷方式を用いて図１より幅広の櫛歯間隔にした電極回路２を形成した。
【００２７】
前記電極回路２上面に抵抗値が１４７．２Ωになるように定抵抗体４を幅広のパターンで塗設し、さらにその上に前記の正抵抗温度係数を保持する抵抗体３を０℃の時に１７５．２Ωとなるように定抵抗体４とほぼ同じパターンで塗設し、複合面状発熱体を作製した。
【００２８】
この複合面状発熱体を実施例１と同様に測定したところ、同一の性能が確認できた。
【００２９】
実施例３
図６に示すように、厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムの上面にスクリーン印刷用導電ペーストを周知のスクリーン印刷方式を用いて図１に示すような櫛歯状に塗設し、電極回路２を２個形成した。
【００３０】
そのうち１個については、前記電極回路２上面の一部に抵抗値が１４７．２Ωになるように定抵抗体４を上記塗設方法により塗設した。
【００３１】
電極回路２を櫛歯状に形成した残りの１個に対しては前記の正抵抗温度係数を保持する抵抗体３を０℃の時に１７５．２Ωとなるように上記塗設方法により塗設した。
【００３２】
この２つのシートを重ね合わせ、接続することで作製した複合面状発熱体を図６に示す。測定の結果、実施例１に記載の複合面状発熱体と同一性能の複合面状発熱体を得ることができた。このように、異なるシート上に形成された抵抗体３，４の重ねあわせによっても同様の効果を生むことが確認できた。また、重ね合わせに限らず、ラミネートなどその他方法で作製しても差し支えない。
【００３３】
実施例４
アルミニウムの均熱板５を貼付したプラスチック成形品に対して実施例３に記載の２つのシートを図７のように貼り合わせ、電気的に並列に接続した複合発熱体を作製した。この複合発熱体に１００Ｖの電圧を加えたところ、０℃における出力が１２４Ｗ、５５℃における出力が７８Ｗを示し、実施例１と同じ結果が得られた。
【００３４】
このように、立体状の構成物においても同様の効果がえられ、必ずしもシート状物体に限定されるものではないことが確認できた。
【００３５】
実施例４のアルミニウムの均熱板５を貼付したプラスチック成形品は熱伝導の良好な立体構成物としての事例であり、材質形状を限定するものではない。また、シートを貼り合わせる位置については、同一部位にシートを貼り合わせても良く場所を限定するものではない。また、シートを貼り合わせる方法に限定するものではなく、例えばコーティング、スクリーン印刷によって電極回路２や抵抗体３，４を直接塗設する方法であっても良い。これらの実施形態の一つとして例えばセラミックスのような絶縁物かつ均熱性を有する立体基材６に電極回路２および抵抗体３，４を直接塗設した事例として図８を示す。
【００３６】
【発明の効果】
この発明によって、使用可能温度上限以下において数箇所以上の任意の温度域で任意の抵抗値を有する複合発熱体をたやすく得ることが出来るようになり、広範な用途に対して最適な正抵抗温度係数を有する発熱体を得ることが出来るようになった。
【００３７】
また、面状発熱体として最適な正抵抗温度係数を得ることができる。
【００３８】
また、種類の異なる抵抗体間で熱の授受が容易となるため、温度変化への追従性を良くすることができる。
【００３９】
また、面状発熱体として最適な正抵抗温度係数を得ることに加え、複数種類のシート状基材を並行して製作できることにより、リードタイムを短くすることができる。
【００４０】
また、シート状に限らず立体状の構成物に対しても最適な正抵抗温度係数を得られることで、さらに幅広い用途に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１である複合面状発熱体の櫛歯状電極回路を示す構成図である。
【図２】本発明の実施例１で示した複合面状発熱体の構成図である。
【図３】本発明の実施例１で示した図２中のＡ−Ａから見た複合面状発熱体の構成断面図である。
【図４】本発明の実施例１で示した複合面状発熱体に均熱板を付与した構成断面図である。
【図５】本発明の実施例２に示す複合面状発熱体の構成断面図である。
【図６】本発明の実施例３で示した複合発熱体の構成断面図である。
【図７】本発明の実施例４で示した抵抗体を立体基材へ貼付した複合発熱体の構成図である（尚、この図は電極回路の記載を省略した図である）。
【図８】本発明の実施例４で示した事例の１つとして電極回路および抵抗体を立体基材へ直接塗設した複合発熱体の構成図である。
【図９】本発明の実施例１に示す複合面状発熱体の抵抗変化率を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例１に示す複合面状発熱体の飽和温度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１シート状基材
２電極回路
３正抵抗温度係数抵抗体
４定抵抗体
５均熱板
６立体基材

Claims

第１および第２の電極回路（２）と、
前記第１および第２の電極回路（２）に接触し、正抵抗温度係数を保持する第１の面状抵抗体（３）と、
前記第１および第２の電極回路（２）に接触することにより前記第１の面状抵抗体（３）と並列に接続され、温度にかかわらず抵抗値（Ｒ _ｃ）がほぼ一定である第２の面状抵抗体（４）と、
シート状基材（１）とを備え、前記第１および第２の面状抵抗体（３，４）は前記シート状基材（１）上に形成されたことを特徴とする複合発熱体。
前記複合発熱体はさらに、前記シート状基材（１）に貼り合わされた均熱板（５）を備えたことを特徴とする請求項１記載の複合発熱体。
第１および第２の電極回路（２）と、
前記第１および第２の電極回路（２）に接触し、正抵抗温度係数を保持する第１の面状抵抗体（３）と、
前記第１および第２の電極回路（２）に接触することにより前記第１の面状抵抗体（３）と並列に接続され、温度にかかわらず抵抗値（Ｒ _ｃ）がほぼ一定である第２の面状抵抗体（４）と、
互いに積層された第１および第２のシート状基材（１）とを備え、前記第１の面状抵抗体（３）は前記第１のシート状基材（１）上に形成され、前記第２の面状抵抗体（４）は前記第２のシート状基材（１）上に形成されたことを特徴とする複合発熱体。
第１および第２の電極回路（２）と、
前記第１および第２の電極回路（２）に接触し、正抵抗温度係数を保持する第１の面状抵抗体（３）と、
前記第１および第２の電極回路（２）に接触することにより前記第１の面状抵抗体（３）と並列に接続され、温度にかかわらず抵抗値（Ｒ _ｃ）がほぼ一定である第２の面状抵抗体（４）と、
立体基材（６）とを備え、前記第１および第２の面状抵抗体は前記立体基材（６）上に形成されたことを特徴とする複合発熱体。
正抵抗温度係数を保持する第１の抵抗体（３）と、前記第１の抵抗体（３）と並列に接続され、温度にかかわらず抵抗値（Ｒ_ｃ）がほぼ一定である第２の抵抗体（４）とを備えた複合発熱体の設計方法であって、
所望の第１の設定温度（Ｔ１）と、前記第１の設定温度（Ｔ１）における所望の第１の消費電力と、前記第１の設定温度（Ｔ１）よりも高い所望の第２の設定温度（Ｔ２）と、前記第２の設定温度（Ｔ２）における所望の第２の消費電力とを決定し、
前記第１の設定温度（Ｔ１）における前記第１の抵抗体（３）の比抵抗値（ρ_ｐＴ１）に対する前記第２の設定温度（Ｔ２）における前記第１の抵抗体（３）の比抵抗値（ρ_ｐＴ２）の比（ρ_ｐＴ２／ρ_ｐＴ１）を前記第１の抵抗体（３）の特性から決定し、
前記第１および第２の抵抗体（３，４）に印加される所定電圧と前記第１の消費電力とに基づいて前記第１の設定温度（Ｔ１）における前記第１および第２の抵抗体（３，４）の合成抵抗値（Ｒ_Ｔ１）を算出し、かつ前記所定電圧と前記第２の消費電力とに基づいて前記第２の設定温度（Ｔ２）における前記第１および第２の抵抗体（３，４）の合成抵抗値（Ｒ_Ｔ２）を算出し、
前記第１および第２の設定温度（Ｔ１，Ｔ２）における前記合成抵抗値（Ｒ_Ｔ１，Ｒ_Ｔ２）ならびに前記比抵抗値の比（ρ_ｐＴ２／ρ_ｐＴ１）を次式（１）および（２）に代入して前記第１の設定温度（Ｔ１）における前記第１の抵抗体（３）の抵抗値（Ｒ_ｐＴ１）および前記第２の抵抗体（４）の抵抗値（Ｒ_ｃ）を算出することを特徴とする複合発熱体の設計方法。