JPH07107870B2 - 正抵抗温度係数発熱体 - Google Patents

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 ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、アイオノ
マー、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン等の結晶
性重合体に、カーボンブラック等の導電性微粉末を分散
した組成物は、その融点近傍において、結晶部分が無定
形化するさいの急激な物性変化によって抵抗値が急激に
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、いわゆる自己制御発熱体としての検討がなされて
きた。

第４図は、特公昭55−40161号公報に代表される、従来
技術に基づく正抵抗温度係数発熱体の例を示すものであ
り、図において１は電気絶縁性と熱伝導性に優れたセラ
ミック基板であり、2a及び2bは電極である。そして、３
は結晶性重合体とカーボンブラックを主成分とする正抵
抗温度係数抵抗体である。一般に、セラミック系の焼結
体は電気絶縁体でありながら極めて良好な熱伝導特性を
示すため、正抵抗温度係数抵抗体のほぼ全面において一
様な温度分布を維持する能力が高く、それに伴って、正
常な抵抗値分布と電位分布による安定な発熱状態を保持
する事が可能であり、高出力の正抵抗温度係数発熱体を
構成する場合に非常に有利であった。一例を示すと、熱
伝導率が29kcal/mh℃と極めて優れているアルミナ焼結
体を用いた場合には、1W/cm²を越える電力密度も可能で
あった。しかし、大面積の発熱体や、長尺の発熱体を構
成する場合には、アルミナ焼結体等のセラミック系の材
料は製造技術的にも、強度的にも実用に供し得るもので
はなかった。そこで、セラミック系の基板材料に代わる
ものとして、特公昭57−43995号公報あるいは、第５図
に示したような電気絶縁フィルム４と金属均熱板５から
成る複合材料基板が用いられてきたが、樹脂の熱伝導率
はセラミックに比べて約２桁程低く、複合材料の熱伝導
率がセラミックを上回ることはなかった。したがって、
これらの発熱体の電力密度は0.3W/cm²が上限であった。
その結果、多くの用途において、発熱体の出力が不充分
であるか、もしくは発熱体の装架面積が必要以上に大き
くなり、誘導による漏れ電流が危険な水準に達したり、
材料コストが代替え手段を大幅に上回ったりして、用途
が極めて限定されていた。

そこで、正抵抗温度係数発熱体の構造に着目して、特開
昭60−28195号公報や第６図に示すように、一対の電極2
a,2b間の距離を互いに接近させることにより、基板の均
熱効果に依存しないで、抵抗体３自身の熱の拡散能力を
大幅に高める方法が検討されるようになり、応用範囲の
広い、高出力の正抵抗温度係数発熱体を実現する道が開
かれた。

発明が解決しようとする問題点 第６図に示したような正抵抗温度係数発熱体は、高出力
を発生するための構造としては非常に優れていたが、カ
ーボンブラック系正抵抗温度係数抵抗体の耐電圧破壊特
性や、必要と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課題が山積していた。ま
ず、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カーボンブラ
ック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、正抵抗温度特性の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非常に重要な
課題となった。また、体積固有抵抗値も従来の10⁰〜10²
Ωcmに対して、10³〜10⁵Ωcmの半導体領域が必要とな
り、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、より低温域の線膨張係数による
と思われる不安定な成分をより多く含むようになった。
その結果、室温における抵抗値とピーク抵抗値との比が
４〜６桁となるような材料組成を選択すると、室温にお
ける抵抗値と安定温度域における抵抗値との比が不必要
に高まり、大電力を要する機器においては突入電力が許
容値を大幅に上まわって、電流ブレーカが誤作動する可
能性が非常に高まり、この方式による正抵抗温度係数発
熱体の応用範囲が限定されていた。

本発明は上記問題点に鑑み、高出力化を達成するととも
に電流が安定する正抵抗温度係数発熱体を提供するもの
である。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するため、結晶性重合体に
導電性微粉末を分散してなる正抵抗温度係数を有する組
成物を主成分とする厚みが1mm以下の薄肉抵抗体層から
なる抵抗体と、前記抵抗体の対向する面に設けられた一
対の電極体層と、前記抵抗体もしくは前記電極体に対し
て薄肉電気絶縁物を介して密着して設けられた箔状もし
くは線状の固定抵抗体と、前記固定抵抗体を保持もしく
は絶縁被覆する外装材とからなり、前記一対の電極体の
間に構成される正抵抗温度係数抵抗体と前記固定抵抗体
との間を電気的に直列に結線してなる構成である。

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、常温抵抗値が10³〜10⁵Ωcmの非常に不安定な領域に
ある抵抗体は、結晶性重合体の融点の近傍において顕著
な正抵抗温度係数を示すだけでなく、より低温域におい
ても正抵抗温度係数を示す傾向にある。このような抵抗
体を薄肉シート状に成形して、それぞれの対抗する面に
一対の電極を設けることによって構成される発熱体は、
常温の抵抗値に比べ、安定温度域の抵抗値が非常に大き
くなる傾向があるが、抵抗体の電極間方向の熱の移動が
非常に容易な構造であるために、常温の抵抗値を相当低
めに設定しても安定に発熱することが可能である。した
がって、この発熱体は突入電力の大きな、速熱性に優れ
た正抵抗温度係数発熱体として機能することができる。
この正抵抗温度係数発熱体と電気的に絶縁されると共に
熱的に結合する位置関係に設けられた固定抵抗体は、正
抵抗温度係数発熱体と直列に結線されているために、不
必要に大きな突入電力を制限すると共に、熱を正抵抗温
度係数発熱体に伝え、固定抵抗体の温度が異常に昇温す
るのを防止する作用がある。

実 施 例 以下、実施例を添付図面にもとづいて説明する。第１図
において、６は厚さ1mmの正抵抗温度係数抵抗体で、7,8
は正抵抗温度係数抵抗体６に接合された一対の金属板電
極である。９は正抵抗温度係数抵抗体６の下面を外装絶
縁するポリエステルフィルムである。そして10は同じく
上面を外装絶縁するポリエステルフィルムである。さら
に、ポリエステルフィルム10には、粘着剤層11を介し
て、アルミ箔エッチングヒータ12が設けられ、金属板電
極８に設けられた端子13aとアルミ箔エッチングヒータ
の端子14aとは、リード端子15を介して接続され、端子1
3b,14bには電源に接続されるためのリード線16,17が結
線されている。正抵抗温度係数抵抗体６は、低密度ポリ
エチレンにサーマルブラックを混練することにより、ピ
ーク抵抗値と常温抵抗値の比が、６桁を上回る正抵抗温
度特性を得たものを用いた。しかし、固有抵抗値が10⁴
Ωcm以上と非常に高い為に、20℃と安定温度域である80
℃の抵抗値の変化倍率は15倍を大きく越え、固有抵抗値
が10⁰〜10²Ωcmの場合からは想像もできない値となっ
た。その結果、安定時500Wのヒータを組み込んだ機器を
想定した場合においては、突入電力が7.5KWとなってし
まい、電流ブレーカが作動する可能性があった。そこ
で、アルミ箔エッチングヒータ12の抵抗値を、正抵抗温
度係数発熱体の単位長さ毎に調整する事により、20℃と
80℃の抵抗値の比を、固有抵抗値が10⁰〜10²Ωcmの場合
とほぼ同一の、３倍になるように設定した。その結果、
このヒータを組み込んだ安定時500Wの機器においても、
突入電力は1.5KW程度となり、実用上さしつかえない値
になった。また、アルミ箔エッチングヒータ12の温度は
逐次、正抵抗温度係数抵抗体６に伝達されるような構成
になっているために、アルミ箔エッチングヒータ12の温
度が所定の温度に達すると、正抵抗温度係数抵抗体６の
温度の増大と共に抵抗値が急激に増大し、電気的に直列
に接続されているアルミ箔エッチングヒータ12の電流を
自動的に制限するメカニズムが働くようになっている。
したがって、正抵抗温度係数発熱体としての自己温度制
御機能がいささかも損なわれることはない。

第２図は本発明に基づく第２の実施例を示すものであ
る。図において、18は厚さ1mmの正抵抗温度係数抵抗体
で、19,20は正抵抗温度係数抵抗体18に接合された一対
の金属板電極である。21は正抵抗温度係数発熱体18の下
面を外装絶縁するポリエステルフィルムである。そし
て、ポリエステル芯糸22の外周にステンレス線材23をス
パイラル状に巻き付け、絶縁被覆材24を施すことにより
構成した固定抵抗体25を、金属板電極20に接するが如く
配置し、ステンレス線材23の一端を金属板電極20の一端
に半田接続した後に、正抵抗温度係数発熱体18の上面全
体をポリエステルフィルム26で外装絶縁したものであ
る。

ステンレス線材23を用いた固定抵抗体25は、線径および
巻きピッチの調整による抵抗値の可変範囲が広く、正抵
抗温度係数発熱体18の抵抗値や寸法形状の制約を受ける
ことなく、用途に応じた最適な定数を設定できる点に特
徴がある。また、正抵抗温度係数発熱体18の内部に配線
するさいに、蛇行させたりすることによって、同一の仕
様の固定抵抗体25であっても、抵抗値を変更できるなど
有利な点が多い。しかしながら、高出力の正抵抗温度係
数発熱体18の突入電力を分担するには、固定抵抗体25単
体では余りにも熱容量が小さ過ぎ、温度の暴走が避けら
れなかった。そこで、金属板電極20の均熱効果に着目
し、固定抵抗体25を直接、金属板電極20に接するように
配置した後に、ポリエステルフィルム26で絶縁外装する
と共に、密着固定することを試みた結果、固定抵抗体25
の温度の暴走を完全に防止できることを確認したもので
ある。金属板電極20の材質は特に限定されるものではな
く、通常用いられるなかで最も薄い材質である35μｍの
電解銅箔でも充分にその効果がみられ、実用上何ら支障
がない。

第３図に、この発熱体を用いて、安定時電力500W、安定
時温度80℃の放熱パネルを構成した場合の突入電力特性
と温度特性を示した。図において、破線は固定抵抗体25
を用いない場合、一点鎖線は固定抵抗体25を金属板電極
20に直接接することなく構成した場合である。そして、
実線は本発明に基づく場合である。図から明らかなよう
に、実線においては突入電力が7.5KWと非常に大きく、
スイッチやサーモスタットの接点容量が問題となる。ま
た、一点鎖線では固定抵抗体25のピーク温度が200℃を
越え、構成材料の耐熱温度が問題となる。一方、実線は
昇温特性が若干低下する他、総合的に判断して特に問題
点は見当らず、正抵抗温度係数発熱体の特長を最大限に
生かすことができる。

発明の効果 以上に述べてきたように、本発明によれば、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
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に、抵抗温度特性の関連
で、突入時に比較して安定時の電力が非常に大きくなる
問題を解決することができる。その結果、これまで、高
出力化正抵抗温度係数発熱体の用途が、突入電力が問題
とならない小出力機器に限定されていたものを、パネル
ピータや床暖房機器等の大出力機器用途にも展開が可能
となった。また、高出力化正抵抗温度係数発熱体は装架
率を低くすることが可能であるために、大型機器を構成
した場合にも、発熱体からの誘導漏れ電流を低減するこ
とが可能であるという特長がある。これまで、この特長
を有効に生かすことができなかったが、本発明によっ
て、その最大の障害が取り除かれた。

これらの有効な特長を合わせ持つ、高出力化正抵抗温度
係数発熱体の用途は極めて広く、本発明は実用上非常に
価値のあるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すもので、正抵抗温度係
数発熱体の一部を切り出した状態の斜視図、第２図は本
発明の他の一実施例である正抵抗温度係数発熱体の一部
を切り出した状態の斜視図、第３図は第２図に示した正
抵抗温度係数発熱体の突入電力特性と温度特性を従来技
術と比較する特性図、第４図，第５図，第６図は従来技
術に基づく正抵抗温度係数発熱体の斜視図を示すもので
ある。 ６……正抵抗温度係数抵抗体、13a,13b……端子、7,8…
…金属板電極、14a,14b……端子、9,10……ポリエステ
ルフィルム、15……リード端子、12……アルミ箔エッチ
ングヒータ、16,17……リード線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶性重合体中に導電性微粉末を分散して
   なる正抵抗温度係数を有する組成物を主成分とする厚み
   が1mm以下の薄肉抵抗体層からなる抵抗体と、前記抵抗
   体の対向する面に設けられた一対の電極体層と、前記抵
   抗体もしくは前記電極体に対して薄肉電気絶縁物を介し
   て密着して設けられた箔状もしくは線状の固定抵抗体
   と、前記固定抵抗体を保持もしくは絶縁被覆する外装材
   とからなり、前記一対の電極体間に構成される正抵抗温
   度係数抵抗体と前記固定抵抗体との間を電気的に直列に
   結線してなる正抵抗温度係数発熱体。