JPS5836155Y2 - 発熱体装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は温度分布が均一でかつ発熱量の大なる、正特性
サーミスタを用いた発熱体装置に関するもので、特に風
等の流体を加熱するに適したものである。

正特性サーミスタ素子の発熱量を増加させるには、その
熱放散を良好にすればよいことは周知のことである。

一般にこの熱放散を良好にする手段としては、第１図に
示すように、放熱板を当接することが汎用されている。

図（、：おいて１は板状正特性サーミスタ素子、２，３
はこの素子１の側平面に付与された電極、４は一方の電
極２面に当接されてなる放熱板である。

ところがこのものにおいては、放熱板４によって素子１
の熱放散が良好となり、その発熱量は大きくなるものの
、これを温風用発熱体として用い、第１図の矢印Ａ方向
に風を供給すると、素子１の温度分布が第２図のように
、厚み方向下部が高温になる。

この高温部はいうまでもなく高抵抗の部分である。

ところがこのものにおいては、素子１の厚み方向に電流
を流すようにしているので、前記高抵抗部が厚み方向に
分布していると、流れる電流量が自ずと制限され、結果
として大きな電流を流し得ないこととなり、より大なる
発熱量を得ることができず、用途も制約されることにな
っていた。

また従来から第３図に示したような、素子１の対向側面
に電極２，３を付与し、素子１の長さ方向に電流を流す
ようにし、矢印Ａ方向に風を供給して使用するものであ
るが、この場合も第４図に示すように、やはり電流の流
れる方向に高温部（高抵抗部）が生じ、大なる電流を流
し得す、用途の制約を受けるものであった。

また第３図に示したような素子１、つまり相対向側面に
電極２，３を付与したものでは、その用いられる用途に
かかわちす、次のような欠点を有している。

すなわちこのものにおいては、その電極間距離が長いた
め、両電極間に電圧を印加して発熱させた場合、往々に
してその素子の表面温度が不均一になるのであった。

つまり素子に局部的に高抵抗部が生じるのであった。

これは例えば、成型された素子を焼成した後に、不可避
的に生じる気孔分布の不均質等により生じた一部の高抵
抗領域や、素子の放熱の悪い部分で、他の部分よりも温
度が高くなって高抵抗になる領域のことをいい、これは
−個所とは限らない。

この高抵抗部が生じる形態としては、先づ、第５図に示
したように、素子１の、電流の流れる方向（Ｘ方向）と
並行し、かつ両電極２，３にわたって生じる場合がある
。

この場合、前記高抵抗部５は高抵抗値で、その他の低抵
抗部は低抵抗値で、それぞれＸ方向における抵抗値は均
一である。

従ってこの素子１に電流を流すと、素子１のＸ方向の温
度分布は、その抵抗値が均一であることから均一となる
。

なお前記高抵抗部５の抵抗温度特性は第６図の曲線イの
ようになり、他の部分はそれは曲線口のようになる。

ところが電流を流し始めた当初においては、前記低抵抗
部には所定の電流が流れるものの、高抵抗部には余り電
流が流れることがなく、第７図の曲線Ａで示したように
、素子１の電流の流れる方向と直交する方向（Ｙ方向）
において温度分布が生じ、前記高抵抗部５の温度が他の
部分の温度よりも低くなることになる。

ところがこの素子においては、電流を流し始めてしばら
くすると、前記低抵抗部の温度がさらに上昇し、その抵
抗値がキュリ一点を越えて高くなり、前記高抵抗部５の
抵抗値と同様のレベルにまで達することになる。

この場合前記高抵抗部５は、他の部分よりも流れる電流
量が少ないために発熱が遅れ、容易に低抵抗部の抵抗上
昇による追随を許し、もはや高抵抗部は高抵抗部でなく
なってしまう。

この結果、最終的な動作安定時における素子１のＹ方向
の温度分布は、第７図の曲線Ｂのように、殆んど無視で
きる程度のものとなるのである。

この第７図の曲線Ｂにおいて僅かに温度が小さくなって
いる部分は、第６図の曲線イの動作安定点イ′と合致す
るものでありこれは曲線口の動作安定点口′よりも僅か
に温度が低くなっている程度のもので全く問題とはなら
ない。

従って素子１に、第５図のようなＸ方向の高抵抗部５が
生じる場合には、実用上全く問題になることはない。

単に動作安定状態に至るまでの時間に差があるだけであ
る。

素子１に高抵抗部５が生じる形態として、次に第８図に
示したように、素子１の、電流の流れる方向と直交する
方向（Ｙ方向）に両端面にわたって生じる場合がある。

この場合高抵抗部５は高抵抗値で、その他の低抵抗部は
低抵抗値で、それぞれＹ方向における抵抗値は均一であ
り、従ってこの素子１に電流を流した場合、素子１のＹ
方向の温度分布は均一となる。

ところがこの素子１の電流の流れる方向（Ｘ方向）では
、一部に高抵抗部５が必ず存在するため、両電極２，３
に電圧を印加すると、第９図に示すように、Ｘ方向の前
記高抵抗部５の部分に電圧の集中が起ることになる。

この結果、この高抵抗部５（電圧集中部分）の温度は他
の部分よりも高くなるので、そこに電圧集中の加速が生
じ（第１０図）、前記高抵抗部５の抵抗値がますます高
くなって、低抵抗部の抵抗値との差を拡げることになる
。

従って素子１のＸ方向における温度分布は、第１１図に
示したように、前記高抵抗部５の温度が極めて高いもの
となって均熱化できず、また電流の流入量も大きくでき
ず、実用上大きな問題となっていた。

素子１に高抵抗部５が生じるさらに別の形態として、第
１２図に示したように、電極２，３間のいずれか一部分
にのみ、点的に高抵抗部５が生じる場合がある。

この場合、高抵抗部５が僅かな領域にしか存在しないた
め、前述の第５図に示したもののように実用上無視でき
るかのように思われるが、実際には逆で、結果的には第
８図で示したもののようになってしまうのである。

以下順を追ってこの動作について説明する。

まず、電流の流れるＸ方向の、高抵抗部５の存在する領
域（Ｘ、領域）と、この部分にごく隣接した高抵抗部５
を含まない領域（Ｘ２領域）との関係をとってみると、
Ｘ１領域の抵抗値分布は第１３図ａのようになり、Ｘ２
領域の抵抗値分布は同図すのようになる。

この状態において電極２，３間に電圧を印加すると、本
来それぞれの抵抗値分布に応じた電圧分布となるが、実
際にはＸ１領域、Ｘ２領域が隣接しているために、相互
に干渉し合い、第１４図ａ、ｌ）のような電圧分布とな
る。

すなわち、Ｘ１領域の電圧分布のムラがＸ２領域によっ
て緩和されて小さくなり、逆にＸ２領域ではその反作用
によってムラが生じるのである。

これはＸ１領域の高電圧部の熱がＸ２領域に伝導し、そ
の部分の温度を高めて抵抗値をも高くするためである。

この結果Ｘ２領域の発熱速度はもはや均一とはならず、
そこに抵抗値の高い高抵抗部５が形成されたと同様にな
ってしまうことになる。

ところが前述の第８図のものの場合で説明したように、
電流の流れる方向に高抵抗部（高温部）が存在すると、
その部分の電圧集中が加速度的に生じ、高温部はさらに
高温になるので、Ｘ２領域において一旦高抵抗部が生し
ると、その部分における温度は加速度的に上昇すること
になるのである（第１５図）。

そしてこの高抵抗部（高温部）は瞬時に形成されるもの
であるため、同じ現象が次にはＸ２領域と近接する領域
に転移し、これがまた次の領域に転移し、というように
順次高抵抗部が形成され、遂には第１６図に示したよう
に、素子１の両端部にわたって、つまりＹ方向全域に高
抵抗部が形成されることになるのである。

この第１６図は、第８図に示したものと実質的に同じに
なってしまう。

従ってこれもまた素子１の均熱化は望めず、発熱量の大
なるものを得ることのできないものであった。

そこで従来よりこの欠点を除去せんとして、第１７図に
示すように、電極２，３間に存在する素子１表面上に、
均熱板６を当接させたものがあった。

しかしこの従来のものでは、素子１と均熱板６との密接
が困難であり、素子１の発生熱を有効に放散させる上で
問題となっていた。

またこの従来のものでは、正特性サーミスタ素子１より
取り出す熱は、均熱板６にてほぼ均熱化されるが、素子
１自身は均熱化されていないので、やはり局部的に高温
部が存在し、発熱体として使用する場合にはヒートサイ
クル等の点で種々不都合があった。

本考案の主たる目的は、上記第８図、第１２図の各側で
示したような、正特性サニミスタ素子の電流の流れる方
向に高抵抗部があっても、この部分に電圧集中を行なわ
せないようにし、しかもこの素子の表面近傍には、高抵
抗部を生じさせないようにしたことを特徴とする発熱体
装置を提供せんとするものである。

以下本考案の一具体例を図面とともに詳述する。

第１８図において１１は、例えばチタン酸バリウム系磁
器半導体よりなる角板状正特性サーミスタ素子、１２．
１３はこの素子１１の相対向する側面に付与されてなる
一対の電極、１４は前記素子１１の一表面上の全域に付
与されてなる抵抗体であり、この抵抗体１４の抵抗値は
、前記素子１１全体が発熱した時の動作安定点の平均抵
抗値よりも高く、かつ前記電圧集中部分の単位長さあた
りの抵抗値よりも低く設定されている。

１５はこの抵抗体１４の付与されている素子１１表面に
、熱良導性絶縁物質（例えば絶縁シート）１６を介して
当接されてなる放熱板であり、その外表面は凹凸に形成
され、熱放散をさらに良好にしている。

なおこの熱放散を良好にする手段は、凹凸面にすること
をはじめとして、要するに粗面にしておけばよい。

また前記正特性サーミスタ素子１１と放熱板１５との当
接は、弾性体（図示せず）によって押圧させたり、熱伝
導良好な接着樹脂（図示せず）で接着させたり等して行
なえばよく、任意である。

さらに素子１１の両側面電極１２．１３が、互いに短絡
されないような適宜手段を構しること等はいうまでもな
い。

このような構成において、いまその両電極］２゜１３間
に電圧を印加したとすると、素子１１の抵抗値は抵抗体
１４のそれよりも低いため、その電流の殆んどは素子１
１に流れて発熱を開始する。

そして一定時間後、素子１１はそのキューり点を越えて
抵抗値が増大し、所定の抵抗値で安定する（動作安定点
）。

ところが、素子１１の電流の流れる方向に前述の高抵抗
部５が存在（点あるいは金山にわたって）していたとす
ると、その部分には集中して電圧が印加され、他の部分
の抵抗値よりも高温状態になろうとする。

しかしこの電圧集中部分の素子１１表面上には、この部
分の抵抗値よりも低い値の抵抗体１４が全域に付与され
ているので、この部分に印加される電圧は、抵抗体１４
の抵抗値に応じたものとなり、この部分に流れる素子１
１の電流は、抵抗体１４に主として流れて一定の発熱を
し、素子１１には電圧集中の加速現象が生ぜず、局部的
に発熱することはなく、均熱化できるものである。

また上記装置においては、素子１１に粗面化された放熱
板１５が当接されているので、例えばこの装置に矢印Ａ
方向に風を供給した場合、放熱板１５からの熱放散が良
好になり、その基板１１の温度分布は、第１９図に示し
たように、基板１１の厚み方向下部にのみ高温部（高抵
抗部）が生じることになるのである。

この場合高温部以外の部分の抵抗値がキューり点を越え
ているか否かは問題とならない。

つまり本来電流の流れる方向（素子１１の長さ方向）に
生じるべき高温部がほぼ９０°移行されるかの如くにな
るのである。

従って常に放熱板１５との当接部近傍の素子１１ Ｃに
は、大きな電流を流し得、その発熱量を大きくできるの
である。

なお素子１１の厚み方向下部１１Ｄは高温（高抵抗）と
なっており、電流が殆んど流れなくなるが、装置全体と
してみた場合にはこれは問題とはならない。

なお図面および上記実施例は、本考案の一具体例を示し
たものにすぎず、これに限定されることはない。

特に素子１１や電極１２．１３の形状は任意であり、例
えば円板素子を用いて、この素子の周面の相対向位置に
電極を付与すること等は、単なる設計的事項である。

また抵抗体１４の付与は素子１１の側平面に行ってもよ
いとともに、その両端を両電極１２．１３に直接接続さ
せてもよく、さらにその付与方法は塗布や貼着等、いか
なる方法を用いてもよい。

この場合、この抵抗体１４と素子１１とを、直接電気的
に接続させた場合には、素子１１の電極１２．１３と抵
抗体１４とを接続させる必要はない。

さらに抵抗体１４の形状も、素子１１全面に付与したも
のに限らず、第２０図、第２１図示のような帯状のもの
であってもよく、さらに図示はしないが、部分的に付与
したものでもよい。

要するに本考案においては、素子の表面に、前記高抵抗
部が生じても、良好にその部分に電圧集中が起らないよ
うな形態で抵抗体を付与しておくようにすればよいので
あり、上記各側のような形状に何らとられれる必要はな
い。

以上のように本考案は、素子の一平面に抵抗体を付与し
、この抵抗体の抵抗値を、素子全体が発熱した時の動作
安定点の平均抵抗値よりも高く、かつ素子の電圧集中部
分の単位長さあたりの抵抗値よりも低い値に設定し、素
子に生じる高抵抗部の電圧集中を良好に抑制しているの
で、素子が局部的に発熱することがなく、均熱化が図れ
、その使用用途が拡大されるという効果を有する。

また本考案では、素子の電流の流れる方向と平行する少
くとも一平面に粗面化された放熱板を当接させ、少くと
も放熱板と当接される素子平面近傍の、電流の流れる方
向に高温部を生じさせないようにしているので、これに
より大電流を常に流すことができ、大発熱量の得られる
ものにできたものであり、その用途、特に温風機用の発
熱体として用いることが容易となって、制約を受けたり
することがない。

しかも本考案では、大発熱量を容易に得られ、装置の小
型化が容易になるところからも、用途の拡大が図れ、取
り扱いやセットへの組み込みも容易になる。

また本考案においては、局部発熱を防止しているので、
ヒートサイクルによる素子のヒビ割れ等の問題も解消で
きるという効果を有する。

さらに本考案では、前記抵抗体の付与によって、これに
も若汗乍ら常時発熱させることができるので、全体とし
ての発熱量をさらに大きくできる。

また本考案では、抵抗体をあらかじめ付与しておくこと
ができるので、生産性を向上できるという効果をも有す
る等、実用上効果多大なる考案である。

なお実験によれば、本考案に用いている正特性サーミス
タ素子の平面に、粗面化されていない放熱板を当接させ
た場合は、電流の流れる方向に生じる高温部をほぼ９０
°移行させ難く、いま−歩実用性に欠けてことが確認さ
れた。

このことから本考案に用いる放熱板は、前記高温部をほ
ぼ９０°移行できるように十分粗面化しておく必要があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図は従来の発熱体装置の側面図、第２図、
第４図はそれぞれその温度分布図、第５図は本考案の背
景となる正特性サーミスタ素子の斜視図、第６図はその
抵抗温度特性図、第７図は第５図Ｙ方向の温度分布図、
第８図は本考案の背景となる他の正特性サーミスタ素子
の斜視図、第９図、第１０図はいずれも第８図Ｘ方向の
電圧分布図、第１１図は同じく温度分布図、第１２図は
本考案の背景となるさらに他の正特性サーミスタ素子の
斜視図、第１３図は第１２図のＸ方向の抵抗値分布図、
第１４図は同電圧分布図、第１５図は同温度分布図、第
１６図は第１２図の素子の動作安定時の斜視図、第１７
図は、従来の発熱体装置を示した側面図、第１８図は本
考案発熱体装置の形状例を示した側面図、第１９図は、
その厚み方向の温度分布図、第２０図、第２１図は本考
案の他の例を示した斜視図である。 １１−正特性サーミスタ素子、１２，１３−電極、１４
抵抗体、１５−放熱板、１６−絶縁物質。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 相対向する側面に電極が付与されてなる正特性サーミス
   タ素子と、この素子の少なくとも一平面に付与されてな
   る抵抗体と、この抵抗体の付与されている素子の表面に
   、熱良導性絶縁物質を介在させて当接されてなる、外表
   面が粗面化された放熱板とよりなり、前記抵抗体は、そ
   の抵抗値を、前記素子全体が発熱した時の動作安定点の
   平均抵抗値よりも高く、前記素子の電流の流れる方向に
   生じる電圧集中部分の単位長さ当りの抵抗値よりも低く
   設定し、前記素子に、その電流の流れる方向に電圧集中
   部が生じた場合に、その部分の電圧集中を抑制させるよ
   うにし、前記放熱板は、前記素子の放熱板との当接面近
   傍に高温部（高抵抗部）を生じさせないようにしたこと
   を特徴とする発熱体装置。