JP4529111B2

JP4529111B2 - ヒューズ機能を有するｐｔｃ面状発熱体

Info

Publication number: JP4529111B2
Application number: JP2001109698A
Authority: JP
Inventors: 実香川; 知樹田村
Original assignee: ハニー化成株式会社
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2021-04-09
Also published as: JP2002313541A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正の抵抗温度係数（いわゆる「ＰＴＣ」）を有するＰＴＣ面状発熱体の発熱層に隣接して熱膨張性層を設けたヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＴＣ特性を有する樹脂組成物を用いた面状発熱体については、これまで多数のものが開示されている（特開２００１−１１３５４号公報など）。しかしながら、従来提案されている発熱体は、所定の温度を越えて高温域に達すると、ＰＴＣ特性がＮＴＣ特性（負の抵抗温度特性）に変わり、電気抵抗が低くなることによって過剰の電流が流れて発熱、発火に到る危険性があった。この現象をＰＴＣの暴走現象と称している。このような現象に対し、面状発熱体の系の温度を調整する制御回路を設置することが試みられているが、ＰＴＣの暴走現象が局部的なものである場合には、異常な温度上昇を検知できなかった。
【０００３】
また、特開平７−３７６７９号公報には、ＰＴＣ発熱体の中に熱膨張性物体である微小中空体を含ませたものが開示されている。この発熱体では、ＰＴＣの暴走現象が起きた時に加熱膨張して電気回路を遮断する。しかしながら、この発熱体は、熱可塑性樹脂により構成された外壁を有する微小中空体が発熱体中に含有されているため、発熱体を作る際の使用溶剤が限定され、かつ暴走現象がごく局部的なものである場合には、電気回路を完全に遮断できないという欠点を有していた。
【０００４】
また、電気回路を完全に遮断する機能（いわゆるヒューズ機能）を持たせる方法として、高分子材料が軟化溶融する性質を利用する方法が知られている。すなわち、一定温度以上になると高分子材料が軟化、溶融して電気回路を遮断することを利用する方法が知られている。しかしながら、この方法は電気の流れが単純な線状のニクロム線には適しているが、面状の発熱体には有効ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
面状発熱体の場合、一部分に不具合が生じても電流はその部分を迂回して流れるので、瞬時に不具合部分を消去する必要がある。また、ヒューズ機能を作動させる前に、ＰＴＣ面状発熱体そのものが安定であることも必須である。したがって、面状発熱体においては、局部的な異常温度上昇を速やかに感知し、電気回路を完全に遮断する（いわゆるヒューズ機能）ことが、面状発熱体の安全性、信頼性を高め、実用化の必須項目となっている。
【０００６】
本発明は、従来の技術における上記のような問題点を解決することを目的としてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、異常温度上昇を速やかに感知し、電気回路を完全に遮断することが可能なＰＴＣ面状発熱体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、検討の結果、ＰＴＣ特性を有する面状発熱体の片面または両面に、所定の温度以上に上昇した場合、急激に熱膨張して異常過熱の部分を破壊させ、電気回路を瞬時に遮断させる層を設けることにより、全面ヒューズ機能を持つものが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち，本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体は、シート状基体上にＰＴＣ特性を有する面状発熱層を有するものであって、この発熱層の片面または両面に、熱膨張性球状体または熱分解性化合物を含有する熱膨張性層を設けたことを特徴とする。
【０００９】
本発明において、熱膨張性層は、線状、格子状または点状に設けられてもよい。熱膨脹性層は、１００℃以上で熱膨張する平均粒子径５〜５０μｍの球状体または１００℃以上で熱分解して気体を発生する熱分解性化合物と、水溶性または水分散性バインダー樹脂とより構成されるのが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体について図面を参照して説明する。図１は、本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体の一例の断面図である。シート状基体１の上には、櫛型電極３が印刷により設けられて、その上に熱膨張性層５が設けられている。更にその上にＰＴＣ特性を有する発熱層４が積層されている。図２は、本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体の他の一例の断面図である。この図においては、ＰＴＣ特性を有する発熱層４の上に熱膨張性層５が設けられている。図３は、本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体の更に他の一例の断面図である。この図においては、発熱層４の両面に熱膨張性層５Ａおよび５Ｂが設けられている。なお、他の符号は図１の場合と同意義を有する。
【００１１】
本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体のベースとなるシート状基体としては、公知のものならば如何なるものでも使用することができ、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステルフィルム、ポリイミドフィルム等の合成樹脂フィルムが使用される。
【００１２】
ＰＴＣ特性を有する発熱層は、主成分として、カーボン粒子（ａ）、ウレタン樹脂（ｂ）及びワックス（ｃ）から構成されるものが好ましい。カーボン粒子（ａ）としては、具体的には、黒鉛、カーボンブラック、カーボンウイスカー等の炭素粒子を使用することができ、その形状は、柱状または円盤状であって、その径が１〜３０μｍ、かつ、高さが０．１〜１０μｍであるのが好ましい。径が１μｍ未満であると発熱し難くなるという不都合があり、３０μｍを越えると所望のＰＴＣ特性が発現し難くなるという不都合がある。また、高さが０．１μｍ未満であると発熱し難くなるという不都合があり、１０μｍを越えると所望のＰＴＣが発現し難くなるという不都合が生じる。
【００１３】
発熱層におけるカーボン粒子（ａ）の含有量は、３０〜６０重量％の範囲に設定すればよい。カーボン粒子の含有量が３０重量％未満であると発熱を十分に行うことができず、また、６０重量％を越えると、所望のＰＴＣ特性が発現され難くなるという不都合が生じるので、上記の範囲が好ましい。
【００１４】
発熱層の構成成分であるウレタン樹脂（ｂ）としては、公知のものであれば如何なるものでも使用することができ、その含有量は、２０〜６０重量％の範囲に設定すればよい。含有量が２０重量部未満の場合には、シート状基体との密着が悪くなり、６０重量部を越えると発熱が十分に行えないという不都合を生じるので、上記の範囲が好ましい。
【００１５】
発熱層の他の構成成分であるワックス（ｃ）としては、ポリエチレンワックス、エステルワックス、エーテルワックス等の合成ワックス、およびパラフィンワックス、モンタンワックス、カルナバワックス等の天然ワックスが使用でき、軟化点が４０℃ないし１２０℃の範囲であるものが好ましく使用される。例えば、日本精蝋社製パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、クラリアントジャパン社製ポリオレフィンワックス等があげられる。ワックスの軟化点が４０℃未満の場合には、ＰＴＣ特性が発現し難くなり、１２０℃を越える場合には、面状発熱体を一般暖房用としての用途には適さなくなるので、軟化点は上記の範囲が好ましい。
【００１６】
発熱層におけるワックスの含有量は、１０〜５０重量％の範囲にあればよい。ワックスの含有量が１０重量部未満の場合には十分なＰＴＣ特性が得られず、５０重量部を越える場合にはシート状基体への密着が悪くなるという不都合を生じるので、上記の範囲が好ましい。発熱層には、その他、スペーサー等を含有させてもよい。また、発熱層形成用塗布液を作製のために、溶剤、分散剤等を用いることができる。
【００１７】
上記ＰＴＣ特性を有する発熱層の片面または両面に設ける熱膨張性層は、バインダー樹脂中に熱膨張性球状体または熱分解性化合物を含有するものであって、熱膨張性球状体または熱分解性化合物としては、所定の温度、例えば、１００℃の温度を感知するものとする場合には、１００℃以上で熱膨張するものが使用される。
【００１８】
熱膨張性の球状体としては、一般的にマイクロカプセル或いはマイクロバルーンと称されるものの中で、平均粒子径が５〜５０μｍであるものが使用される。平均粒子径が５μｍ未満の場合には、膨張した層の厚さが薄くなり、ヒューズ機能が不十分になりやすく、５０μｍを越える場合には、シート状基体及び発熱層との密着性が悪くなるので、上記の範囲が好ましい。本発明において、熱膨張性の球状体は、熱膨張性の高い有機物を高分子素材でカプセル化した構造を有するものであって、熱膨張性の高い有機物としては、イソブタン、ｎ−ペンタン、イソペンタン、ｎ−ヘキサン、石油エーテル等が使用され、高分子素材としては、（メタ）アクリル共重合体、アクリロニトリル共重合体、塩化ビニリデン共重合体等が使用される。具体的には、例えば、日本フィライト社製ＥＸＰＡＮＣＥＬ、松本油脂製薬社製マイクロスフェアー等があげられる。
【００１９】
また、熱分解性の化合物としては、常温では安定であって、熱により化学分解を起こして気体を発生する有機化合物が用いられるが、本発明においては、塩化ビニル、ゴム、ポリエチレンなどのプラスチックに配合してスポンジ製品を製造するために用いられる発泡剤の中で、１００℃以上で熱分解するものが使用できる。具体的には、４，４′−オキシビス（ベンゼンスルホニルヒドラジド）、アゾビスイソブチロニトリル、アゾジカルボンアミド等があげられる。
【００２０】
バインダー樹脂としては、発熱体層との密着性が良好なポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂の中から選択された少なくとも１種が使用できるが、これらのうち、水溶性または水分散性樹脂が好ましい。何故ならば、油溶性樹脂は有機溶剤を使用するために、発熱層の上に設ける場合、その有機溶剤が発熱層を溶解するのに対して、水溶性または水分散性樹脂はそのような問題がないからである。
【００２１】
上記熱膨張性球状体または熱分解性化合物は、ヒューズ機能を持たせるためには、バインダー樹脂１００重量部に対し少なくとも５０重量部含有されることが必要である。その含有量が５０重量部よりも少ないと、ヒューズ機能が不完全になって完全には断線せず、発熱が続くことになる。また、含有量が４００重量部よりも多い場合には、フィルム状基体等に対する接着性が不十分になって、剥離が生じるようになる。したがって、本願発明においては、熱膨張性球状体または熱分解性化合物は、バインダー樹脂１００重量部に対して５０〜４００重量部の範囲で含有させればよい。
【００２２】
本発明において、上記熱膨張性層は、発熱層の片面に上層（オーバーコート）または下層（アンダーコート）として設けてもよく、また発熱層の両面にサンドイッチ構造となるように設けてもよい。しかしながら、フィルム状基体と発熱層の間に熱膨張性層が存在する構造のもの、すなわち、アンダーコートおよびサンドイッチ構造の場合がより好ましい。また、熱膨張性層は、線状、格子状、点状等のパターン状に設けてもよい。
【００２３】
本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体は、例えば、シート状基体上に、上記の成分を含有する発熱層形成用塗布液、上記の成分を含有する熱膨張性層形成用塗布液、および櫛型電極用の塗布液を、例えばスクリーン印刷法などによって塗布することによって容易に作製することができる。発熱層の膜厚は、通常１０〜５０μｍの範囲に設定され、熱膨張性層の膜厚は、通常２０〜２００μｍの範囲に設定される。
【００２４】
【実施例】
以下の例において、「部」はすべて重量部を意味する。また、ワックスの軟化点は、柳本製作所製の融点測定機：ＭＩＣＲＯＭＥＬＴＩＮＧＰＯＩＮＴＡＰＰＡＲＡＴＵＳＭｏｄｅｌ−ＭＰを用いて測定した。
【００２５】
製造例１
攪拌棒及び温度計をセットした４つ口フラスコに、数平均分子量２０００のポリエステルポリオール（クラポールＰ−２０１０、クラレ社製）２０００部及びイソホロンジイソシアネート６６６部を加え、窒素雰囲気下８０〜９０℃で反応を行い、さらに溶剤：ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）７８５部および３，９−ビス（１，１−ジメチルー２−ヒドロキシエチル）−２，４，８，１０−テトラオキサスピロ「５，５」ウンデカン（スピログリコール、日本ヒドラジン工業社製）３０４部を加え、７０〜８０℃で２時間反応を行った。次いで、ジメチルホルムアミド１４１３部および溶剤（ソルベッソ１５０、エクソン化学社製）９４２部を加えて希釈した後、イソホロンジアミン１７０部を加え、３０〜５０℃において粘度４０Ｐａ・ｓｅｃ／３０℃になるまで反応させて鎖延長を行い、固形分５０％のポリウレタン樹脂を得た。
【００２６】
製造例２
冷却用コンデンサ付きの２リットル４つ口フラスコに、溶剤（ソルベッソ１５０）１９６ｇ、ワックス（ＨＮＰ−９：軟化点７６℃、日本精蝋社製）３３．８ｇを仕込み、７５℃まで加熱攪拌した。ワックスの溶解確認後、３０℃まで冷却を行い、平均粒子径３μｍのカーボン（ＪＳＰ、日本黒鉛社製）１６２ｇを混合した後、製造例１で作製したポリウレタン樹脂４７３ｇを添加混合して、固形分５０％の発熱層形成用インクを得た。
【００２７】
製造例３
２リットルフラスコに、水溶性ポリエステル樹脂（ＰＥ−６０：フタバファインケミカル社製、樹脂分３０％）３３３．３部を仕込み、攪拌した。次いで、攪拌しながら熱膨張性の球状体（ＥＸＰＡＮＣＥＬ００９ＤＵ８０、日本フェライト社製）１００部を徐々に加えて混合し、熱膨張性層形成用のインクを得た。
【００２８】
実施例１
製造例２で得られた面状発熱体用インクを、銀ペーストの印刷により形成された膜厚９μｍの電極を有する厚さ１５０μｍのＰＥＴフィルム上に、乾燥後の膜厚が２０μｍになるようにスクリーン印刷機にて塗布し、乾燥して、面状発熱体を作製した。図４はその場合を示すものであって、ＰＥＴフィルムよりなるシート上基体１の上には、銀ペーストにより、集合電極部分２Ａ，２Ｂと幅２ｍｍの櫛形部分３Ａ，３Ｂを有する２つの櫛形電極が、櫛形部分において互いに２５ｍｍの間隔で対向するように印刷されており、その櫛形部分の上に、上記インクをスクリーン印刷機によって塗布して発熱層４を形成した。得られた面状発熱体のスイッチング温度は６０℃であった。さらに、この上に製造例３で得られた熱膨張性層形成用インクを、乾燥後の膜厚が５０μｍになるようスクリーン印刷機にて塗布し、乾燥して図２に示す構造のヒュ−ズ機能を有する面状発熱体を作製した。
【００２９】
実施例２
ＰＥＴフィルム上に、まず熱膨張性層形成用インクを塗布し、次いで櫛型電極を印刷し、次に面状発熱体用インクを塗布した以外は、実施例１と同様のものを用い、同様にして図１に示す構造のヒュ−ズ機能を有する面状発熱体を作製した。
実施例３
ＰＥＴフィルム上に、まず熱膨張性層形成用インクを塗布し、次いで櫛型電極を印刷し、次に面状発熱体用インクを塗布し、さらにその上に熱膨張性層形成用インクを塗布した以外は、実施例１と同様のものを用い、同様にして図３で示す構造のヒュ−ズ機能を有する面状発熱体を作製した。
【００３０】
実施例４
実施例１の熱膨張性層形成用インクにおいて、水溶性ポリエステル樹脂の代わりに水溶性ポリウレタン樹脂（パスコールＶ−３０００、明成化学工業社製、樹脂分４０％）２５０部を用い、さらに熱膨張性の球状体の代わりに、熱分解性化合物：４，４′−オキシビス（ベンゼンスルホニルヒドラジド）（セルマイクＳ、三協化成社製）１００部を用いた以外は、実施例１と同様にして図２で示す構造のヒュ−ズ機能を有する面状発熱体を作製した。
実施例５
熱膨張性層形成用インクとして、実施例１における水溶性ポリエステル樹脂の代わりに水溶性ポリウレタン樹脂（パスコールＶ−３０００、明成化学工業社製、樹脂分４０％）２５０部を用い、さらに熱膨張性の球状体の代わりに、熱分解性化合物：４，４′−オキシビス（ベンゼンスルホニルヒドラジド）（セルマイクＳ、三協化成社製）１００部を用いたものを使用し、その他は実施例３と同様にして図３で示す構造のヒュ−ズ機能を有する面状発熱体を作製した。
【００３１】
比較例１〜４
熱膨張性層形成用インクにおける熱膨張性球状体の量を、０部（比較例１）、２０部（比較例２および３）、４５０部（比較例４）に代えた以外は、実施例２又は３と同様にして面状発熱体を作製した。
比較例５
熱分解性層形成用インクにおける熱分解性化合物の量を２０部に変更した以外は実施例５と同様にして面状発熱体を作製した。
【００３２】
上記実施例１〜５および比較例１〜５の面状発熱体について、ヒューズ機能を評価した。その結果を表１および２に示す。これらの表におけるヒューズ機能の評価基準は、次の通りである。
○：完全に断線し、発熱しない。△：ごく微小の電流が流れるが、発熱しない。
×：完全には断線せず、発熱が続く。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
【発明の効果】
本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体は、上記の構成を有するから、発熱層が所定温度以上に上昇した場合、異常温度上昇を速やかに感知して熱膨張性層が急激に熱膨張し、異常過熱の部分を破壊して電気回路を瞬時にかつ完全に遮断する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体の一例の断面図である。
【図２】本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体の他の一例の断面図である。
【図３】本発明のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体の更に他の一例の断面図である。
【図４】実施例１において、熱膨張性層を形成する前の面状発熱体の平面図である。
【符号の説明】
１…シート状基体、２Ａ，２Ｂ…集合電極部分、３，３Ａ，３Ｂ…櫛型電極、４…発熱層、５，５Ａ，５Ｂ…熱膨張性層。

Claims

シート状基体上にＰＴＣ特性を有する面状発熱層を有する面状発熱体において、該発熱層の片面または両面に、熱膨張性球状体または熱分解性化合物を含有する熱膨張性層を設けたことを特徴とするヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
熱膨張性層が、線状、格子状または点状に設けられたことを特徴とする請求項１記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
熱膨張性層が、１００℃以上で熱膨張する平均粒子径５〜５０μｍの球状体または１００℃以上で熱分解して気体を発生する熱分解性化合物と、バインダー樹脂とよりなることを特徴とする請求項１記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
熱膨張性球状体または熱分解性化合物の含有量が、バインダー樹脂１００重量部に対し５０〜４００重量部である請求項１記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
バインダー樹脂が、水溶性または水分散性のポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂およびアクリル樹脂から選択された少なくとも１種よりなることを特徴とする請求項３記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
発熱層の主成分が、カーボン粒子（ａ）、ウレタン樹脂（ｂ）及びワックス（ｃ）からなる請求項１記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
発熱層の主成分が、カーボン粒子（ａ）３０〜６０重量％、ウレタン樹脂（ｂ）２０〜６０重量％、ワックス（ｃ）１０〜５０重量％からなる請求項６記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
カーボン粒子（ａ）の形状が柱状または円盤状であって、径が１〜３０μｍかつ高さが０．１〜１０μｍである請求項６記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。
ワックス（ｃ）の軟化点が４０℃ないし１２０℃である請求項６記載のヒューズ機能を有するＰＴＣ面状発熱体。