JPH0612689B2

JPH0612689B2 - 正抵抗温度係数発熱体

Info

Publication number: JPH0612689B2
Application number: JP59266669A
Authority: JP
Inventors: 誠之寺門; 和典石井; 康友船越; 忠坂入
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-12-18
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1994-02-16
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPS61143988A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は採暖器具および一般の加熱装置等として有用な
正抵抗温度係数発熱体（以下ＰＴＣ発熱体と称す）に関
するものである。

従来の技術従来から結晶性高分子中に導電性微粉末を分散した抵抗
体組成物が顕著なＰＴＣ特性を示すことが知られてい
て、この組成物を用いて自己温度制御性を有する発熱体
を構成する試みがなされてきた。この方式の利点は抵抗
体の形状加工性が優れていて任意の形状が容易に得られ
ること、可撓性に優れていること、抵抗値の調整範囲が
広いことにあり、これまでに比較的低電力密度の面状発
熱体および長尺可撓性発熱体として用いられてきた。

しかし、大きな電力密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の均熱板が不可欠
となり、従来のＰＴＣ発熱体においては第５図に示すよ
うに、熱伝導性の良好なアルミナ焼結体から成る電気絶
縁基板１の上に、導電性微粉末を結晶性高分子中に分散
した材料を主成分とするＰＴＣ抵抗体２を密着して構成
し、その両端部に１対の電極３，４を設ける等の対策が
講じられていた。（特公昭５５−４０１６１号公報）発明が解決しようとする問題点このような従来の高電力密度ＰＴＣ発熱体では均熱板が
不可欠であって、均熱板がなけれが電圧集中による局部
異常発熱現象を生じ、正常な発熱特性が得られなくな
る。また、均熱板があっても、アルミナ焼結体のような
電気絶縁材料の熱伝導率には限界があり、電圧集中発生
を防止するための十分な余裕がなかった。さらに、アル
ミナ焼結体のようなセラミック材料は可撓性がなく、被
加熱物との密着性が不十分であったり、最大加工寸法の
制約から一体で構成される発熱体の寸法形状にも限界が
あった。セラミック系の均熱板に代わる材料として、ア
ルミニウム等の高熱伝導率金属板とポリエステルフィル
ム等の電気絶縁板との貼り合わせ均熱板が考案されてい
るが、耐電圧特性を十分に満足するだけの電気絶縁板の
厚みを設けると、アルミナ焼結体を上まわる均熱効果を
得ることは困難であり、大きな電力密度を得ることがで
きなかった。

このように、従来の高電力密度ＰＴＣ発熱体は均熱板に
起因する諸問題が山積していて、これ以上の発展の余地
がなかった。

問題点を一挙に解決するためには均熱板に依存する必要
のないＰＴＣ発熱体を導入することが重要であった。こ
の点に着目して検討を進めた結果、電圧集中現象が発生
している部分の幅が数ミリメートル以下であることを見
出し、その範囲内に一対の電極を設置すれば、電極間の
電圧勾配および発熱分布がほぼ一様になるものと推定さ
れた。さらに検討を進めた結果、ＰＴＣ抵抗体の表面に
微細くし形電極を設けると、電極の占める面積が相当大
きくなり、有効発熱部がほとんどなくなって、それ程大
きな電力密度が得られないことがわかった。その解決策
としてＰＴＣ抵抗体の厚さ方向への電圧印加方式を導入
し、実験を積み重ねた結果抵抗体の厚さが５mm以下であ
れば極端な電圧集中現象は観測されなかった。また、厚
さ１mm以下では、大きな放熱負荷のもとに２Ｗ／cm
²（６０℃昇温）の発熱時にも異常がみられなかった。
この結果から、厚さ５mm以下の薄肉状ＰＴＣ抵抗体の両
面に電極を設けた発熱体は、電極間の熱拡散能力が高
く、本質的に電圧集中現象が発生し得ないとの結論に達
した。しかしながら、電圧集中による抵抗体の破壊現象
は生じないものの、大きな熱負荷に対しては、発熱体電
極間に意外に大きな電圧勾配分布と温度分布が存在し、
局部的な抵抗体組成物の熱劣化が発生したり、熱の伝達
損失が生じるので、抵抗体の厚さは少なくとも３mm以
下、好ましくは１mm以下であることが判明した。この構
造の発熱体は非常にシンプルな構成であり、均熱板に起
因する様々な制約から解放されるので、性能面、構造
面、工法面で大きな飛躍が得られるものと期待された。

この結論のもとに具体的な検討に着手すると、ＰＴＣ抵
抗体組成物の耐電圧特性、絶縁距離の確保、端子処理方
法、取付け構造、熱の取出方法等に関する諸問題が山積
し、実用に程遠い状態にあった。代替手段としてチタン
酸バリウム焼結体のようなセラミック系のＰＴＣ抵抗体
を検討した結果では、電力密度、耐熱性、耐電圧特性、
熱伝導率に優れ、小型の加熱ユニットを構成するうえに
おいて基本的な問題点はないと判断された。しかしなが
ら、焼結体であるために可撓性が全くなく、大面積ある
いは長尺の加工が著しく困難という課題があり、従来の
面状発熱体や長尺可撓性発熱体のような薄肉、大面積、
均一発熱、可撓性、連続長尺加工といった機能を満すこ
とは困難であった。これらの点から判断して、セラミッ
ク系ＰＴＣ抵抗体は断念し、有機系ＰＴＣ抵抗体を用い
た場合の諸問題を解決するのが唯一の道であることを確
認した。以下、本発明が解決しようとしている具体的問
題について説明する。

有機材料を主成分とし、厚さが３mm以下、好ましくは１
mm以下の薄肉状ＰＴＣ抵抗体の厚さ方向に電圧を印加す
る方式のＰＴＣ発熱体は、電圧集中現象が容易に発生し
ないために、単位面積当りの出力を大きく設定できる特
長がある。そして、その大きな出力を発生させるために
は、出力に見合った熱拡散機構が不可欠であり、鉄板等
の放熱板上にＰＴＣ発熱体を配置し、放熱板を介して熱
を伝達する方法が考えられる。しかし、このような放熱
機構では、ＰＴＣ発熱体の片面からの放熱となるので、
ＰＴＣ抵抗体の厚み方向に温度勾配が生じ、放熱板に接
しない部分が最高温部となる。そして、その最高温部が
最も高抵抗となり、電力密度も最大になるという現象を
生じる。この結果、薄肉の抵抗体であっても想像以上の
温度差と電力差が生じ、結局は抵抗体の厚さを介して伝
達される熱の比率が相当高まることになる。したがっ
て、ＰＴＣ抵抗体の一端は高温で高抵抗であるが、放熱
板に接する側はさほど高温でも高抵抗でもなくなり、放
熱板に至っては、さらに温度が低下し、所定の出力が得
られないという問題点があった。また、ＰＴＣ抵抗体の
最高温部の温度はＰＴＣ特性によってほぼ一定にコント
ロールされるとしても、放熱板の温度が熱負荷の変動に
よって大きく変動し、ＰＴＣ発熱体を用いるメリットの
１つである温度の安定性が損なわれるという問題もあっ
た。さらに、放熱板の温度に比べ、ＰＴＣ抵抗体の最高
温度は相当高く、結晶性高分子を主体とした有機系抵抗
材料の耐熱限界温度を考慮すると、放熱板温度は低く設
定さざるを得ないという問題点があった。これら、３つ
の問題点は、薄肉状ＰＴＣ抵抗体の厚み方向に電圧を印
加する方式の発熱体の長所を大きく損なうもので、実用
化を阻む要因の一つであった。

問題点を解決するための手段本発明は上記問題を解決するため、結晶性高分子中に導
電性微粉末を分散させた組成物を主成分とする厚さ１mm
以下の薄肉正抵抗温度係数発熱体と、前記抵抗体の厚さ
方向に電圧を印加すべく設けられた一対の電極体と、前
記抵抗体及び前記電極体の全体を電気絶縁する薄肉の外
装材と、前記外装材の一つの平面に密着して熱拡散をす
る前記外装材より幅広の平板状で金属材料からなる第１
の放熱路経路と、前記外装材の前記密着平面を除く全部
位に密着して熱拡散をする前記外装材より幅広で金属材
料からなる第２の放熱経路と、前記第１及び第２の放熱
経路のうちの前記外装材に密着しない幅広の部分を相互
に密着してなるものである。

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、厚さ１mm以下の薄肉ＰＴＣ抵抗体の厚さ方向に電圧
を印加する方式のＰＴＣ発熱体は、単位面積当りの出力
が相当増大しても、発熱体崩壊につながる電圧集中現象
等が発生しない特長がある。したがって、効率よく熱を
取り出す方法が見出されれば、大出力ＰＴＣ発熱体とし
ての活路が開かれる。しかし、単に、放熱板に貼り付け
ただけでは、ＰＴＣ抵抗体の厚さ方向の熱流が極めて大
きいために、薄肉であるにもかかわらず、その両端面で
比較的大きな温度差を発生し、その温度差によって抵抗
値差、さらに電力密度差が発生する。そこで、ＰＴＣ発
熱体の両面に設けられた放熱板は、放熱板へ向う抵抗体
中の熱流を、抵抗体厚さの中央で２つの方向へ分割する
ので、熱流が通過する抵抗体厚さおよび抵抗体中の熱流
密度が共に半減する。その結果、熱的には、抵抗体の厚
みを２分の１とし、さらに抵抗体装架面積を倍にしたの
と同じことになり、抵抗体からの熱の伝わりやすさが４
倍、抵抗体の温度勾配が４分の１となる。しかも、電気
的には、抵抗体の厚みには手を加えていないので抵抗体
の耐電圧特性が低下する等のデメリットは全くなく、熱
的な特性のみが大幅に改善される。したがって、セラミ
ック系のＰＴＣ抵抗材料に比べて熱伝導率が１桁程度低
い有機材料系のＰＴＣ抵抗体であっても、耐電圧特性を
確保しつつ、大出力を取り出すことができる。そして、
この取り出された大出力は２枚の放熱板、すなわち、２
つの放熱経路に分離されているが、これらの第１及び第
２の放熱経路をＰＴＣ発熱体のない部分で結合すること
によって集結させて取り扱うことができる。また、この
放熱板の１枚を平面形状にするとともに、他方をＰＴＣ
発熱体の外表面に沿うように密着させる構成によって、
ＰＴＣ発熱体に熱の溜場を形成することなく、あまさず
取り出すことができる。さらに、被加熱体に面接触にて
熱を伝えることができる。

実施例以下実施例を添付図面にもとづいて説明する。

（実施例１）第１図は本発明を部分的に説明するものであり、第１図
において、５は厚さ１mmのＰＴＣ抵抗体、６および７は
ＰＴＣ抵抗体に密着して設けられた金属板電極体、８お
よび９はアルミニウム板から成る放熱板であり、第１及
び第２の放熱経路を形成している。この構成において、
ＰＴＣ抵抗体５の中央部分が最も高温になろうとする
が、熱流が放熱板８ないし９の方向に２分割されること
と、その熱流が流れる距離が厚みの半分の0.5mmとなる
ために、大きな温度差を生じ得ない。いま、抵抗体５が
５Kw/m²の発熱をしていて、ＰＴＣ抵抗体５の熱伝導率
が0.2Kcal/mh℃であり、放熱板８，９からも最も遠い位
置で局部的に発熱しているとすると、放熱板８か９のい
ずれか一方がなければ、ＰＴＣ抵抗体５の厚み方向の温
度差が21.6℃であるのに対し、第１図の構成においては
5.4℃と計算される。一般的なＰＴＣ抵抗体において、2
1.6℃という温度差は抵抗値に換算すると相当大きく、
仮定通りの局部的な発熱現象が生じる可能性が大であ
る。一方、5.4℃の温度差は抵抗値に換算してもさほど
ではなく、仮定通りの局部的な発熱現象には至らず、む
しろ、均一発熱方向に近づくものと考えられる。したが
って、両面放熱構造は片面放熱構造に対して、熱の取出
し特性において、４倍を大きく上まわる能力を持つもの
と考えられる。これは、見た目においてはせいぜい２倍
の能力であるのに対して、大きな発見であり、進歩であ
る。

なお、第３図に示したように、ＰＴＣ抵抗体５および電
極体６，７の全体を電気絶縁外装材１０で被覆した後
に、放熱板８，９を設けることも可能で、この場合、熱
伝達は若干低下するが、全体の電気絶縁を施すことを考
えれば非常に有利な方法である。

第２図も本発明を部分的に説明するものであり、第２図
において、抵抗体５、電極体６および７、放熱板８と９
の間に、「電気絶縁性で高熱伝導性の薄肉の電気絶縁
体」から成る熱的結合部材１１を設けている。熱的結合
部材１１は放熱板８と９から成る第１及び第２の放熱径
路の間に熱負荷の差があって温度の差が生じたときに、
熱を融通し合う目的で設けたものであり、一面を放熱面
とし、他面を断熱面とするような用途においても、抵抗
体５の熱を低熱抵抗で取り出すことができる。熱的結合
部材１１の材料としては、シリコンゴム等にアルミナ焼
結体粉末等を充填した電気絶縁性の高熱伝導性の材料が
最も一般的であるが、第３図のように電気絶縁外被１０
が施されていれば、アルミニウムのような金属板であっ
ても良いし、第４図に示すように、放熱板１２を曲げ加
工して、放熱板と熱的結合部材とを兼ねることもでき
る。この場合、熱負荷に接しない側の放熱板は必ずしも
１枚の連続した板である必要はなく、熱的結合部を構成
した箇所において、熱負荷に接する側の放熱板に熱を伝
導する形で終っていても良い。第４図は本発明の一実施
例を示すものであり、５は厚さ１mmのＰＴＣ抵抗体、６
および７はＰＴＣ抵抗体に密着して設けられた金属板電
極体、１０はＰＴＣ抵抗体５および電極体６、７の全体
を被覆する薄肉の電気絶縁体の外装材、９はアルミニウ
ム等の金属からなる平面の放熱板で外装材１０の１つの
面に密着して形成されている、１２は外装材１０に沿う
ように曲げ加工されたアルミニウム等の金属からなる放
熱板で、放熱板９と放熱板１２とは外装材１０に密着し
ない部分で相互に密着している。このように、２枚の放
熱板、すなわち、第１及び第２の放熱経路を形成し、第
２の放熱経路の熱を第１の放熱経路へ伝達させる構成が
重要である。第１の放熱経路は放熱側、第２の放熱経路
は断熱側となる場合に、第２の放熱経路の熱を第１の放
熱経路に集結できるので非常に効果的である。また、第
１の放熱径路をなす放熱板９を平面形状にすることは、
被加熱体に面接触にて熱を伝えることができるのでこれ
も非常に効果的である。また、第２の放熱経路をなす放
熱板１２が外装材１０の外表面に沿うように密着させる
構成はＰＴＣ抵抗体５の熱をあますことなく取り出すの
で、抵抗体５の局部に熱の溜場が発生するのを防止す
る。これは単に抵抗体５の両面から熱を取り出すだけで
なく、側面からも取り出せる構造なのでその効果は絶大
である。

発明の効果以上述べてきたように、本発明によれば、有機系のＰＴ
Ｃ抵抗体は加工性に優れている反面、セラミック系のＰ
ＴＣ抵抗体のように大出力を発生させることが困難であ
ったが、薄肉抵抗体の厚さ方向へ電圧を印加する方式
と、その薄肉抵抗体の両面に放熱板を設け、一方の放熱
板の熱を他方の放熱板へ伝達する構造の相乗効果によ
り、従来では考えられなかった水準の出力を取り出すこ
とを可能とするものである。その結果得られるＰＴＣ発
熱体は、有機系抵抗体材料特有の長尺あるいは大面積等の加工
性と、セラミックに迫る高出力性能を兼備えた正抵抗温
度係数発熱体を製造することが可能となる。

高出力を発生させても抵抗体内部には大きな温度勾配
が発生しないので抵抗体に大きな電圧ストレスを与える
ことがなく、高信頼性の正抵抗温度係数発熱体を製造す
ることが可能となる。

抵抗体の裏表の放熱条件が放熱面と断熱面というよう
に大きく異なっていても抵抗体内部には大きな温度勾配
が発生せず、抵抗体に大きな電圧ストレスを与えること
がないので高信頼性の正抵抗温度係数発熱体を製造する
ことが可能となる。

以上に示したように、非常に有用なＰＴＣ発熱体を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の一部を示すＰＴＣ発熱体の斜
視図、第２図は本発明の実施例の一方を示すＰＴＣ発熱
体の斜視図、第３図は本発明の実施例の一部を示すＰＴ
Ｃ発熱体の斜視図、第４図は本発明の他の実施例のＰＴ
Ｃ発熱体の斜視図、第５図は従来例の斜視図である。５……ＰＴＣ抵抗体、６，７……電極、８，９，１２…
…放熱板、１０……外装材、１１……熱的結合部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者船越康友大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者坂入忠大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開昭48−49038（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−18837（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−122942（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−166015（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性高分子中に導電性微粉末を分散させ
た組成物を主成分とする厚さ１mm以下の薄肉正抵抗温度
係数発熱体と、前記抵抗体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、前記抵抗体及び前記電極
体の全体を電気絶縁する薄肉の外装材と、前記外装材の
一つの平面に密着して熱拡散をする前記外装材より幅広
の平板状で金属材料からなる第１の放熱経路と、前記外
装材の前記密着平面を除く全部位に密着して熱拡散をす
る前記外装材より幅広で金属材料からなる第２の放熱経
路と、前記第１及び第２の放熱経路のうちの前記外装材
に密着しない幅広の部分を相互に密着してなる正抵抗温
度係数発熱体。