JPH0221601A - 正抵抗温度係数発熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 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
度係数を有する発熱体に関するものである。

従来の技術 従来の正の抵抗温度係数をもつ発熱体は、例えば特公昭
５７−４３９９５号公報や特公昭５５４０１６１号公報
に示されているような構成であり、一対の電極間の抵抗
体の正抵抗温度特性により適宜な温度に自己制御されて
いるものであった。

しかし、特に大きな電力密度や高温度が要求される場合
においては、発熱体自体の温度分布を一様にするために
一対の電極間方向の温度分布を常に良好にすることが不
可欠であり、その解決策として特公昭６２−５９５１５
号公ｆＩ１や第２図に示すように一対の電極間距離を互
いに接近させて構成する方法が講じられた。第２図にお
いて、１゜２は互いに接近して設けられた一対の平行平
板電極であり、この間に結晶性重合体に導電性微粉末を
混合分散して形成した抵抗体３を配することにより高出
力の正抵抗温度係数発熱体を現出する可能性が見出され
た。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような従来の正抵抗温度係数発熱体
は、高出力を現出するための構造としては非常に優れて
いたが、カーボンブランク等の比較的低抵抗の導電性微
粉末を分散することによって構成される正抵抗温度係数
抵抗体の耐電圧破壊特性や、非常に高抵抗が要求される
体積固有抵抗値の領域を考慮すると、解決しなければな
らない多くの課題を有していた。すなわち電極間隔が非
常に接近した正抵抗温度係数発熱体を構成するためには
耐電圧破壊特性に優れた導電性微粉末を選定するだけで
なく、充分な抵抗温度特性を得ることによって、ピーク
抵抗値を越えて暴走することのないように配慮すること
が不可欠であった。また、体積固有抵抗値も従来の１０
°〜１０２Ωｃｍに対して、１０３〜１０５Ωｃｍの半
導体領域が必要となり、導電性微粉末の組成比を大幅に
低減しなければならな（なった。その結果、導電性微粉
末同志の接触点の数も激減し、抵抗温度特性が結晶性重
合体の融点のみによって制御されるだけではなく、より
低温域の熱膨張、熱収縮等による各種構成材料の熱応力
によると想定される不安定な成分が飛躍的に増大するこ
とにより、極めて不安定な特性になった。さらに、経時
変化において、結晶性重合体の結晶成長、発熱体各部の
熱応力、あるいは導電性微粉末の凝集等によって、抵抗
値や抵抗温度係数の大幅な変化が生じるようになり、温
度と電力の安定性に欠け、非常に短い発熱寿命であった
り、異常過熱、発煙、発火等の危険性を有したりしてお
り、実用上の許容範囲から大幅に外れるものであった。

このように、導電性微粉末の組成比を調整するだけでは
固有抵抗値１０３Ωｃｍ以上の有用な正抵抗温度係数発
熱体を作り出すことができなかった。

本発明はかかる課題を解消し、実用に耐え得る優れた抵
抗安定性を実現できる正抵抗温度係数発熱体の材料構成
を提供するものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明の正抵抗温度係数発熱
体は、融点１．の結晶性重合体組成物中に導電性微粉末
を分散してなる導電性組成物を電子線あるいは有機過酸
化物等で架橋した後、細分化してなる粒子状導電性組成
物を融点り、よりも少なくとも１０℃以上高温の融点ｔ
２を有する結晶性重合体組成物中に混合分散した薄肉状
の正抵抗温度係数抵抗体組成物と、その厚さ方向に電圧
を印加すべく設けられた一対の電極体とを備えたもので
ある。

作用 この技術的手段による作用は次のようになる。

すなわち、正抵抗温度係数抵抗体の材料構成を結晶性重
合体中に導電性微粉末を高比率で分散される部分と殆ど
分散されていない部分とに分離して、両者を海島状に配
してなる構成にするものであり、結晶性重合体中に導電
性微粉末を混合分散してなる導電性組成物を架橋し細分
化してなる粒子状導電性組成物は、前者の部分であり、
体積固有抵抗値が１０°Ωｃｍレベルであってよ＜、極
めて安定しており、また電子線もしくは有機過酸化物に
よって架橋されているために、導電性微粉末は粒子状導
電性組成物中で確実に固定されて、経時的にも安定した
抵抗特性を示すことが可能となる。しかし、特に後者の
部分の結晶性重合体における発熱による融点近傍での比
容の急激な増大、機械物性の低下、結晶状態の変化等に
よって経時的に粒子状導電性組成物相互の網目状組織に
微細な変位が生じ、アニール時の粒子状導電性組成物の
凝集構造が破壊され、導電経路減少することになり高抵
抗化していくが、粒子状導電性組成物を構成する結晶性
重合体よりも少なくとも１０℃以上融点が高い結晶性重
合体中に粒子状導電性組成物を分散することにより、融
点近傍での比容の急激な増大、機械物性の低下、結晶状
態の変化等による導電径路の減少メカニズムを大幅に緩
和するため、極めて安定した抵抗値を保持することが可
能となる。

こうして、体積固有抵抗値１０３Ωｃｌ！１以上におよ
ぶ高抵抗値領域の正抵抗温度係数抵抗体の抵抗値の安定
性を図ることができ、高出力の正抵抗温度係数発熱体が
実現できる。

実廁例 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。本実施例の正抵抗温度係数発熱体は、例えば、第１
図に示すように、厚さｌ　ｉｎの正抵抗温度係数抵抗体
４の上下面に金属箔電極５，６が装着され、さらに両者
を外装材７，８によって外装されている。第１図のよう
な構成の発熱体において１００Ｖを印加し、発熱を得る
ためには、固有抵抗値が１０４Ω■レベルを上回る高抵
抗領域の正抵抗温度係数抵抗体が不可欠である。結晶性
重合体組成物に導電性微粉末を１０４Ωｃｍの固有抵抗
値になるように調整しつつ添加するだけでは安定な材料
とはなり得ない。そこで、正抵抗温度係数抵抗体４は次
の手順により作製した。

まず、低密度ポリエチレン４５部とファーネスブラック
５５部を加熱ミキシングロールで混練しつつ、架橋剤と
してジクミールパーオキサイドを混練物１００部に対し
て３．５部添加し、熱処理を施すことによって架橋反応
を完了させた後に、冷凍粉砕によって平均粒子径７０μ
ｍの粒子状導電性組成物を得た。その後、この粉砕物を
高密度ポリエチレン中にカーボンブランク組成比３５％
の比率で混練した後、２００°Ｃの熱プレスで銅箔／抵
抗体／銅箔の積層構造体を作製した。さらにポリエステ
ルフィルムからなる外装材７．８で被覆した後、１９０
℃の窒素雰囲気中で３時間のアニールを施すことによっ
て体積固有抵抗値１０４Ωｃｍの抵抗体組成物からなる
正抵抗温度係数発熱体を得た。なお、この本発明の有効
性を調べるために、以下の表１に示す材料組成組合せに
おいても上記のように加工しサンプルを得た。これらの
サンプルについて通電試験を行い、その発熱温度の変化
を比較した。なお、各組成についてはカーボンブランク
の組成比を調整することにより体積固有抵抗値を調整し
、通電モードについては温度サイクルによる促進要因を
加味するために１０分毎の断続通電による評価としてい
る。

以下余白 表１．　　　　　　　（サンプル数ｎ＝３）表１におい
て漱２〜５が本発明例に基づくものであり、１）ｈ３が
本実施例である。表１から明らかなように、粒子状導電
性組成物中の結晶性重合体の融点よりも、粒子状導電性
組成物を分散保持する結晶性重合体の融点が高く、その
差が大きい稈長寿命であることは明らかである。また、
その温度差が１０℃以上あれば有意な効果が得られてい
る。

これは、粒子状導電性組成物の一個一個が正抵抗温度係
数抵抗体であり、これを構成する結晶性重合体の融点近
傍での急激な抵抗値の増大により、その融点以上に昇温
することはあり得す、一方、粒子状導電性組成物を取り
巻く結晶性重合体の融点はその上限温度よりも１０℃以
上高温度であるために、粒子状導電性組成物相互の微小
な変位を防止するだけの保持能力が維持できるからであ
る。

こうして体積固有抵抗値が１０３Ωｃｍ以上におよぶ高
抵抗値領域の正抵抗温度係数抵抗体においても、長時間
にわたる抵抗値の安定化を図ることができ、高出力の正
抵抗温度係数発熱体が実現できるようになる。

なお、結晶性重合体としては、ここに記したものに限定
されるものではなく、中密度ポリエチレン、ポリブテン
、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリアミド、
ポリエステル、ポリフッ化ビニリデン、さらには、アク
リル酸やマレイン酸等の有機酸グラフト結晶性重合体、
エチレン・エチルアクリレート等の共重合体あるいはア
イオノマ等の３Ａ　ｉ体等全て利用可能である。また導
電性微粉末としてはチャンネルブラック、サーマルブラ
ック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボ
ンブランクの中で顕著な正抵抗温度特性を示すものが利
用可能である。そして特に有用な材料として、カルボキ
シル基を含有するアイオノマ、エチレン酢酸ビニル共重
合体、エチレン・エチルアクリレート、マレイン酸等を
グラフトしたポリエチレンやポリプロピレン等があげら
れる。

これらの材料は、導電性微粉末との親和性や架橋時の反
応性に優れているだけでな（、電極との接着性を確保す
るためにも非常に有利である。一般には、電極との接着
性が重要であり、その場合には粒子状導電性組成物を分
散保持する方の結晶性重合体にカルボキシル基を含む材
料を選定することが望ましい。

粒子状導電性組成物中の結晶性重合体と粒子状導電性組
成物を分散保持する結晶性重合体の組合わせとしては、
親和性のある材料同志が多くの場合に良好な結果をもた
らす。粒子状導電性組成物を分散保持する結晶性重合体
に高密度ポリエチレンを用い、粒子状導電性組成物中の
結晶性重合体に中密度、リニア低密度、低密度、共重合
ポリエチレン等を用いれば、架橋による物性変化はマク
ロ的なものであるため、ミクロな部分では粒子状導電性
組成物とそれを分散保持する結晶性重合体との間の親和
性が形成され、極めて安定な正抵抗温度係数抵抗体組成
物を得ることができる。そして多くの場合、粒子状導電
性組成物とこれを分散保持する結晶性重合体との間で、
粒子状導電性組成物よりも高温度域における第２の正抵
抗温度特性を副次的に得ることが可能である。これらの
正抵抗温度特性を複合した結果、抵抗温度特性の変化桁
数と変化温度レンジ幅において、飛躍的な改善を図るこ
とができる。そしてさらにこの高密度ポリエチレンにマ
レイン酸をグラフトしたものを用いれば金属系の電極と
の接着性を容易に得ることができる。また高密度ポリエ
チレンの高結晶性による内部応力、粒子状導電性組成物
の移動、成形性、寸法安定性が問題となる場合には、結
晶成長の核となる材料を適量分散させることにより解消
することが可能である。結晶核材料は１０４Ωｃｍ以上
の体積固有抵抗値の領域においては、多くの場合におい
て極めて有用である。

外装材材料と抵抗体材料との組合わせに関しては、抵抗
体全体を密閉被覆する外装材が望ましいが、経時的に外
装材の熱応力が抵抗体に加わるような場合には抵抗値が
大きく変化し、一般に短寿命となる。このため外装材を
樹脂層で密閉被覆する場合には、外装材の最内層に粒子
状導電性組成物を分散保持する結晶性重合体の融点ｔ２
よりも低い融点ｔ３の熱溶融層を一層介在させ、発熱時
の抵抗体の強度を外装材が上回ることのないような配慮
が必要となる。また、外装材の最内層の融点ｔ３が最高
発熱温度を下回ることは好ましいことではなく、その観
点から粒子状導電性組成物中の結晶性重合体の融点む、
よりも高い融点であることが望ましい。−例を示せば、
粒子状導電性組成物は低密度ポリエチレン（ｔ、　＝　
１）０℃）、粒子状導電性組成物を分散保持する結晶性
重合体は高密度ポリエチレン（ｔＺ＝１３０℃）、外装
材の最内層は中密度ポリエチレン（ｔ３＝１２０℃）で
ある。

発明の効果 以上に述べてきたように、正抵抗温度係数抵抗体材料を
非常に接近した電極間で発熱させることにより高出力化
を達成しようとする場合等に、半導体領域に近い固有抵
抗値を有する正抵抗温度係数抵抗体材料が必要となるが
、単に組成比を調整しただけでは導電性微粉末同志の接
触点の数が大幅に減少するために、抵抗温度特性は結晶
性重合体の融点のみによって制御されるだけではなく、
より低温度域の熱膨張、熱収縮等による各種構成材料の
熱応力によると想定される不安定な成分が飛躍的に増大
することになり、極めて不安定な特性になり、非常に短
い発熱寿命であったり、異常過熱、発煙、発火等の危険
性を有していたが、本発明の正抵抗温度係数発熱体は、
こうした課題を解決するものである。すなわち、架橋に
より導電性微粉末を粒子状導電性組成中に固定し、また
、この粒子状導電性組成物を、粒子状導電性組成物が発
熱可能な温度よりも１０℃以上融点の高い結晶゛性重合
体中に分散保持することにより、高固有抵抗値ながら、
長期にわたる抵抗値の安定性に優れた正抵抗温度係数抵
抗体組成物を実現し、この組成物を応用することにより
、高出力で長寿命の正抵抗温度係数発熱体を供するもの
である。さらに本発明の副次的効果である抵抗温度特性
の変化桁数とその温度レンジの拡大効果は、電極間隔が
近接した正抵抗温度係数発熱体の安全性を大いに高める
ものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の正抵抗温度係数発熱体の斜
視図、第２図は従来技術に基づく正抵抗温度係数発熱体
の斜視図である。 ４・・・・・・正抵抗温度係数抵抗体、５．６・・・・
・・金属板電極、７，８・・・・・・外装材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）融点ｔ＿１の結晶性重合体組成物中に導電性微粉
   末を分散してなる導電性組成物を電子線あるいは有機過
   酸化物等で架橋した後、細分化してなる粒子状導電性組
   成物を、融点ｔ＿１よりも少なくとも１０℃以上高温の
   融点ｔ＿２を有する結晶性重合体組成物中に混合分散し
   た薄肉状の正抵抗温度係数抵抗体組成物と、その厚さ方
   向に電圧を印加すべく設けられた一対の電極体とを備え
   た正抵抗温度係数発熱体。
2. （２）請求項（１）記載の正抵抗温度係数発熱体を外装
   材で覆い、この外装材の最内層の少なくとも１層に融点
   ｔ＿２よりも低い融点ｔ＿３を有する熱溶融層を設けた
   正抵抗温度係数発熱体。