JPS6041432B2 - 面状加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、プラスチックサーミスター（合成樹脂製感熱
体）を使用した全面の温度検出機能を有する面状発熱体
、特に発熱体層と感熱体層とが直接密着してなる簡略な
構造でありながら、容易に温度を検出して制御し得る熱
感応性面状発熱体を備えた面状加熱装置に関するもので
ある。

従来より電気カーペットや床暖房用等の面状発熱体とし
て第１図の如く、発熱体層２と感熱体層（またはプラス
チックサーミスター）６とを電気的に絶縁して分離した
構造とし、発熱体層２に商用電力を供給し、感熱体層６
にも商用電力から変圧した商用周波数の電圧を印加して
温度を検出、制御したものが知られているが、第１図で
わかるように、絶縁体層１（例えばポリエステルフィル
ム）、発熱体層２（例えばアルミニウム箔を線状にエッ
チングしたものや導電性カーボン膜等）、接着剤層３（
例えばポリエチレンのようなホットメルト接着剤）、絶
縁体層４（例えばポリエステルフィルム）、信号導体層
５（例えばアルミニウム箔）、感熱体層６（例えばポリ
アミド、ポリ塩化ビニール等）、信号導体層７（例えば
アルミニウム箔）、絶縁体層８（例えばポリエステルフ
ィルム）の如き複雑な多層構造となり、柔軟性が損われ
たり、使用材料や製造工程が多くてコストが高い等の問
題があった。

一方、かかる問題を回避する方法として、発熱体層２と
感熱体層６とを直接密着させた簡略な構造、即ち第２図
の如く、絶縁体層１、発熱体層２、感熱体層６、信号導
体層７、絶縁体層８としたものが考えられるが、実際に
かかる構造のもので発熱体層２に商用電力を供給して発
熱させ、該発熱体層２と信号導体層７間に商用電力から
変圧した商用周波数の電圧を印加して感熱体層６の温度
に対応するインピーダンスを電位差として検出しようと
すると、感熱体層６のインピーダンスが普通のプラスチ
ックスに比べて小さく、特に高温時は非常に小さくなる
ために、発熱体層２に供給した商用電力（通常は５０又
は６０ＨＺ、１００又は２００Ｖ）が感熱体層６を通過
して、いわゆる漏れ電圧、漏れ電流として信号導体層７
に混入して温度検出回路の電圧に車畳して大きな雑音と
なり、正確な温度検出ができない問題があった。

かかる簡略な構造の面状発熱体における前述の問題を解
決する方法としては、発熱体層に商用電力を供給するの
に対し、感熱体層には直流または高周波電圧を印加して
やれば、感熱体層の温度に対応する信号には、直流また
は高周波成分の外、商用周波成分も含まれるので、不要
な商用周波成分を除去し、必要な直流または高周波成分
のみを検出することができるが、前者の直流電圧を印加
する場合は、発熱体層には徴量不純物としてイオン性物
質や、意図的に混入した熱安定剤等が含まれているため
直流電圧の印加によって直流分極を起こして非可逆的に
移動してしまい、温度〜電気特性（抵抗値）が隆時的に
変化して実用にならず、また後者の高周波電圧を印加す
る場合は、温度〜電気特性（抵抗値）が低下し温度制御
精度を低下させるなどの欠点があった。

本発明者等は、かかる状況に鑑みて鋭意研究の結果本発
明に至ったものである。

本発明の目的は、上記従釆技術の欠点を解消せしめ、簡
略な構造で柔軟性に優れ、かつ温度制御精度の高い面状
加熱装置を提供せんとするものである。

そして、上記目的を達成するため本熱明の構成は、発熱
体層、感熱体層、信号導体層の順に積層された積層構造
を有する面状発熱体と、該面状発熱体の発熱体層と信号
導体層に温度検出回路が接続され、かつ発熱体層に制御
回路が接続され商用電力の供給で制御動作する温度制御
器とからなる面状加熱装置において、前記面状発熱体の
感熱体層がハロゲン化鋼または／およびハロゲン化鋼の
銭塩を銅として２００〜３０蛇ｐｍ含有してなるポリア
ミドからなると共に、前記温度制御器の温度検出回路に
前記感熱体層の温度に対応するインピーダンスの値を高
周波の信号として検出するための高周波電源回路と炉波
回路とを具備した面状加熱装置を特徴とするものである
。

以下図面に基づいて本発明の具体的な説明をする。

第２図において、絶縁体層１，８としては、ポリエステ
ル、ポリカーポネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリ
アミド・イミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ
スルホン、ポリスチレン、その他の各種合成樹脂フィル
ムが使用できるが、耐熱性、耐薬品性及び接着性等の点
で、二髄配向ポリエステルフィルム、ポリィミドフィル
ム、ポリアミドィミドフィルム等が好適である。又シー
ト状物としては合成繊維基布あるいはガラス繊維基布等
にメラミン樹脂、ェポキシ樹脂、シリコーン樹脂の如き
各種合成樹脂を含浸・包埋したような複合シートも使用
できる。次に発熱体層（この場合信号導体層をも兼ねる
。

以下同じ）２としては、アルミニウム箔の如き金属箔を
適当な電気抵抗となるように帯状にエッチングしたもの
や、ニクロム線の如き抵抗線や炭素繊維等を織物にした
ものや、通常の織物やガラス繊維の織物に導電性塗料を
含浸したものや、あるいはフィルムやシート状基材に導
電性塗料をコーティングしたり、金属を真空蒸着、メッ
キしたものや、ゴムあるいはプラスチックスに導電性微
粒子を練込んだ導電性シート等があり、要は面状発熱体
として発熱せしめうる程度の電気抵抗、例えば数Ｑ／口
〜数１００Ｑ／口あれば、感熱体層の電気特性検出のた
めの信号導体層としても十分作動するものであり、材料
、構造等で特に限定されるものではない。なお本発明で
いう発熱体層２には、導電性塗料を含浸あるいは塗布し
たものや導電性微粒子を練り込んだシートの如く、通電
発熱さす上で、テープ状の金属電極帯例えば電極テープ
を２本以上設けてあるものは、これを含めるものである
。

ここで、該面状発熱体に接続する電源電圧や使用温度に
より、単位面積当りの電気抵抗は数○／口〜数１０００
／口となり、一般的に１００Ｖの商用電源で数１０ｑｏ
〜１００００程度で使用する場合には数１００／口〜数
１０００／口が適当である。この程度の電気抵抗を得る
には、前述の種々の発熱体層の中、例えば導霧性カーボ
ン塗料をフィルム上にコーティングしたものでは、各種
のカーボンブラックの中でも、ＡＳＴＭＤ１７６５−６
髪等で示されている名称で表わした場合、ＣＦ（Ｃｏｎ
ｄ肥ｔｉｖｅ ＦｍＭｃｅ），ＳＣＦ（Ｓｕｐｅｒ Ｃ
ｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｕｒｎａｃｅ），ＥＣＦ（Ｅ幻
ｒａＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＦｍ雌ｃｅ）等のファーネス
ブラツクや、ＣＣ（ＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＣｈａｎｎｅ
ｌ）といったチヤンネルブラツク、あるいはアセチレン
ブラック、“ケツチエンブラツク”（ライオン・アクゾ
■の商標）等の導電性のよいカーボンブラックが望まし
く、又グラフアィト等も使れるが、特にストラクチャー
の発達したアセチレンブラックが好適であり、２種類以
上のカーボンブラックやグラフアイトを併用してもよい
。一方、これ等の導電性付与物質同志及び絶縁体層１と
を結合するバインダー樹脂としてはコープィング方式の
場合、絶縁性基村との接着力が強く、塗膜の強度、伸度
が大きく、柔軟で弾性があり、耐熱性、耐薬品性がよい
ものが好ましく、特に正の抵抗温度係数を得る点で、使
用するカーボンブラックよりも熱膨張係数の大きいもの
が好ましく、メラミン樹脂、ェポキシ樹脂、シリコーン
樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、その他任
意のものを適宜選択して用いればよく、実際には前述の
導電怪力ーボンとこれ等樹脂の一種類あるいは数種類と
、必要に応じて硬化剤、分散剤等の添加剤を加え、有機
溶剤と共に振動ミル等で分散混合して導電柱カーボン塗
料とし、リバースコーター、グラビヤコーター、ナイフ
コータ−等の適宜の塗布装置で絶縁性基材上に均一に塗
布し、加熱、乾燥、硬化せしめることにより、平滑な導
電性カーボン発熱層が得られる。

ここで、該発熱層中に占める導電性カーボンの割合は、
使用する導電性カーボンにより異なるが、アセチレンブ
ラックの場合を例にとると数％〜数１０％（以下全て重
量％で表わす）が望ましく、特に１５％〜３５％が好適
であり、少な過ぎると電気抵抗が大きくなり過ぎて、前
述の発熱体としての数○／口〜数１０００／口が得られ
ない。又多過ぎると塗膜が脆くなり、プラスチックスサ
ーミスターとの接合作業が難しくなったり、剥脱してし
まう。又、塗膜の厚さは１０‐１Ａオーダーから数１０
ムオーダーまで可能であるが、実際の塗布作業性及び均
一性等の点で、数仏〜３０山程度が好ましい。なお、導
電性カーボン層の種類としては前述の如く、導電性カー
ボン塗料とそして塗布する他に、導電性カーボンと適宜
のゴムあるいはプラスチック、例えばポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボ
ネート、ポリスルホン、ポリスチレン等と、重合段階、
粉末あるいはチップ段階、溶融押出し段階等で適宜の方
法で混合して、Ｔ型ダイス等から押出したり、あるいは
カレンダーリング加工等により平滑な導電性シートを作
り、絶縁性基村と接合して導電怪力ーボン発熱層として
もよい。

又焼成法にかるカーボンシートも同様に使用することが
できる。次に藤Ｖ熱体層６としては、ハロゲン化鋼ある
いは／およびハロゲン化銅の鍔塩を銅として２００〜３
００倣ｐｍ含有してなるポリアミドが、高周波領域、す
なわち約５００ＨＺ以上、好ましくは８００ＨＺ以上で
の温度〜インピーダンス即ちインピーダンスＢ定数が大
きく好ましい。

ここでハロゲン化鋼あるいはハロゲン化鋼鈴塩はョウ化
銅、臭化銅、塩化第一銅、ョウ化鋼とキシリレンジアミ
ンの鍔塩、ョウ化鋼と２ーメルカプトベンズィミダゾー
ルの錆塩、臭化鋼とペンズイミダゾールとの錆塩などを
挙げることができる。

いかなる形の銅化合物であっても電気的特性の付与効果
があるわけではなく、ハロゲン化鋼あるいはハロゲン化
鋼の錯塩に限って効果が認められる。これら鋼化合物の
添加量は銅として２００〜３００岬ｐｍである。

一般にハロゲン化鋼あるいはハロゲン化鋼の鎖塩はポリ
アミドの耐熱、耐膜剤として知られているが耐熱、耐候
剤として使用される場合は銅としては１０〜１００ｐｐ
ｍ程度の範囲であり、添加量を増大してもより以上の耐
熱性の向上は見られないばかりでなく好ましくない着色
が見られる、製糸性が悪くなるといった問題が生成する
。ところが電気的特性に着目すると銅としては２００ｐ
ｐｍ以下の添加量では高周波数城におけるインピーダン
スの温度依存性が小さく温度検出感度が十分でない。一
方、３０００ｐｐｍを越す大量の添加を行なっても、よ
り以上の効果は期待できず、しかも機械的性質の低下な
ど好ましくない副効果が生起する。

ハロゲン化銅あるいはハロゲン化鋼の錯塩をポリアミド
樹脂へ添加する方法は特に制限されない。ポリアミドの
重合段階で添加する方法、ポリアミドの粉末と銅化合物
を機械的に混合する方法あるいはポリアミドチップと混
合後押出機で溶融濃練する方法など任意の方法で実施で
きるがポリアミドチップと混合潟練する方法が適当であ
る。本発明で使用するポリアミドに特に限定はないが、
吸湿性の小さいポリアミド例えばポリウンデカソアミド
、ポリドデカンアミドなどが好ましく使用される。なお
面状発熱体においては、隣接する界面との接着力が強く
、且つ長期間維持する必要があるので、ポリアミドとし
てｔポリウンデカンアミドあるいはポリドデカンアミド
に他のポリアミド形成性単量体を共重合した接着性の優
れた共重合ポリアミドが特に好ましく使用される。

該共重合ポリアミドの共重合組成比に特に制限はないが
、通常ポリウンデカンアミドあるいはポリドデカンアミ
ドを主成分とし、他の共重合成分を５〜３の重量％共重
合せしめた共重合ポリアミドが特に適している。この感
熱体層の厚さは、使用する感熱体の種類、面状発熱体の
面積、利用する電気特性、例えば抵抗変化か容量変化か
といったこと、あるいは温度検出精度等により種々異な
るが、通常のＴ型ダイスによる溶融押出いこより、数Ａ
〜数１００仏が可能である。次に信号導体層７としては
、電気抵抗の小さいものであればよく、金、銀、銅、ア
ルミニウム等の金属箔がよく、特にアルミニウム箔が安
価で化学的にも安定なので好適である。

但しこれら金属箔は塑性変形して雛になり易くて取扱い
難いので、予め接着剤を用いて絶縁体層８と接合してお
くのがよい。なお該信号導体層７としては、これ等の他
に、前述の発熱体層２も使用できることは言うまでもな
い。

本発明は以上の如き要素を基本とし、その製造手順は任
意であるが、一例としては、前述の如く二軸配向ポリエ
ステルフィルムの如き絶縁体層１上に、アセチレンブラ
ックとポリエステル樹脂その他よりなる導霞性カーボン
塗料をリバースコーターで塗布し、加熱、乾燥して導電
性カーボン層を設け更に通電用電極として銅箔テープを
中方向両端部のやや内側に長さ方向に設けて発熱体層と
なし、一方、絶縁体層８にも絶縁体層１と同じ二軸配向
ポリエステルフィルムを用い、ポリウレタン系接着剤を
介して前述の発熱体層２よりも広中のアルミニウム箔を
ラミネー夕−で貼合せて信号導体層７となせばよい。

このようにして得られた絶縁体層８と信号導体層７の接
合シートと、絶縁体層１と発熱体層２とが一体となった
シートとの間に、前述の感熱体層６をェクストルージョ
ンラミネート法あるいはシート状のそれを熱圧着法等で
密着積層すればよい。

以上のようにして形成された積層構造を有する面状発熱
体は第３図のように接続されて温度制御される。

すなわち、第３図において、９は発熱体層２、感熱体層
６、信号導体層７が積層された面状発熱体、１８は温度
検出回路１４と制御回路１７等を有する温度制御器で、
面状発熱体９の発熱体層２と信号導体層７とは温度検出
回路１４に各々接続され、また発熱体層２は制御回路１
７を介して商用電源１０‘こ接続されている。そして、
発熱体層２と信号導体層７とに挟まれた感熱体層６に、
可変抵抗器１２を介して商用周波を高周波に変換する高
周波電源回路１１の高周波電圧を印加すると、感熱体層
６のインピーダンスによって電圧降下が生じる。電圧降
下として生じた電圧信号は炉波回路１３で商用周波成分
が除去され高周波成分のみが出力信号となる。この出力
信号は、感熱体層６の温度に対応した高周波信号である
。さらにこの出力信号は制御回路１７の温度設定信号と
対比されて偏差信号となり、制御素子１６を作動させる
ので、発熱体層２に流れる電流が制御される。したがっ
て、感熱体層６の温度、すなわち発熱体層２の温度は所
定値に制御される。ただし、温度制御器１８は第３図の
方式のものに限定されるものでなく、感熱体層６の温度
に対応するインピーダンスの値を高周波の電流によって
検出する方式のものであればよい。なお、本発明の面状
加熱体は柔軟性があるので特に、タンク、パイプ等の曲
面の多い個所に適用するとその曲面との密着率を高くす
ることができる。

以上の如く本発明の面状発熱体は主要構造として、発熱
体層（信号導体層をも兼ねる）と、特定の添加物を含有
せるポリアミド系感熱体層と、信号導体層とからなり、
発熱体層には商用電力を供給して発熱させ、感熱体層に
は高周波電圧を印加して温度検出し、その結果によって
温度制御器で供給電力を制御して温度制御せしめる面状
加熱装置であるので、構造が簡略で柔軟性に富み、使用
材料や製造工程が少なくてコストが安く、且つ温度検出
精度が高いなどの優れた効果を奏するものである。

以下実施例にて説明する。

実施例 １ 発熱体層２の一例とそして導電性カーボン塗料を塗布し
たポリエステルフィルムを得るべく、まず導電性カーボ
ンブラックとして平均粒蓬４２０Ａ、吸油量１１５泌／
１００夕、電気抵抗０．２３０・弧（圧力５０ｋ９／塊
時）のアセチレンブラック９部と、バインダー樹脂とな
る熱可塑性樹脂として線状飽和ポリエステル樹脂１１部
と、溶剤とそしてトルェン／メチルエチルケトン／酢酸
ブチル＝８／１／５の有機溶剤７５部とを振動ボールミ
ルに投入し、８時間混合分散して導電性カーボン塗料べ
−スを得た。

これを異物炉過後、耐熱性及び可擬性向上添加剤として
メトキシメラミン３部と、硬化剤として該線状飽和ポリ
エステル樹脂の両末端水酸基と化学反応しうるところの
トリメチロールプロパンとトリレンジィソシアネートと
の付加物からなる分子量が約６６０のィソシアネートを
過剰となるよう化学当量の約７倍の２部を添加してホモ
ミキサ−で２０分間燭拝し、濃度２５肌％、樹脂中の導
電性カーボンブラック含有率３５ｗｔ％の硬化剤入り導
電性カーボンブラック塗料を得た。次に３本リバースコ
ーターを使用して該塗料を絶縁体層１としての厚さ５０
仏の二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム（東
レ■製“ルミラー”）上に乾燥後の厚さが１５りとなる
ように塗布し、１７０００の熱風中を３分間通過させて
乾燥、硬化せしめ、表面電気抵抗が３５００／口の導電
性被膜を得た。次に２条の銅箔テープと該導電性被膜を
有する２軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムと
を、被膜面が接するように重ねて一方がゴムロール、一
方が金属ロールからなる熱プレスロールで温度１４００
０、線圧力１５ｋ９／係にて約１秒間熱圧着し発熱体層
を得た。

この場合の金属箔テープ間隔は３０ｃのであり、金属箔
テープ接着後の電気抵抗は３５８０／口であった。次に
信号導体層７として厚さ２０一のアルミニウム箔を用意
し、絶縁体層８としての厚さ５０仏の二重由配向ポリエ
ステルフィルムにウレタン系接着剤を塗布してうミネー
ターで貼合せ、信号導体層７と絶縁体層８とが予め接着
されたものを準備した。

次に感熱体層として、ナイロン１２チップ（東レ■製）
にョウ化鋼として２０００ｐｐｍ添加し、ヘンシェルミ
キサーで混合してからェクストルーダーでべレタィズし
てチップ状にした。

次にこのチップをェクストルージョンラミネー夕−でＴ
ダィを用いて厚さ１００山の溶融膿として押出し、前記
のポリエステルフィルム上に設けた導電性力−ボン塗膜
発熱体層と、ポリエステルフィルムに貼合せたアルミニ
ウム箔信号導体層とを両側からニップロールで圧着して
、第２図の如き簡略な構造の面状発熱体を得た。

該面状発熱体を熱風オープン中に入れ、ｌｋＨＺにおけ
る温度〜インピーダンスを調べたところ、第４図の曲線
Ａの如く勾配の大きく、８０におけるサーミスターＢ定
数は７００ぴＫと大きく、感度のよい特性が得られた。

次に該面状発熱体を第３図の如く絹線し、発熱体層には
温度制御器を介して商用６０ＨＺ，１００Ｖの電力を供
給し、感熱体層にはｌｋＨＺ，１２Ｖの電圧を印加し、
設定温度７０午○で十分満足な温度制御ができた。特に
面状発熱体（広さ：１．８仇×１．８ｗ）の一部分を綿
の座ふくとん（広さ：０．４仇×０．４の）で局部保温
しても１１０００までしか昇温せず、安全性の高いもの
であった。実施例 ２ 実施例１において、感熱体層として、ラウロラクタムと
カプロラクタムとを重量比で８５：１５にして重合した
ナイロン１２′年氏重合体を作製し、ョウ化銅と２−メ
ルカプトベンズィミダゾールの１：１錆塩を銅として１
５０妙ｐｍ添加して、実施例１と同様に面状発熱体を作
製した。

該面状発熱体のｌｋＨＺにおける温度〜インピーダンス
特性は実施例１の曲線Ａとほぼ同様であり、感度のよい
特性が得られた。

また実施例１と同様の条件で加熱制御した結果、実施例
１と同様に良好な温度制御精度を得た。なお本実施例２
のナイロン１２′年共重合体の場合は、感熱体層とアル
ミニウム箔信号導体層との接着力が１００夕／肌と大き
く、特に好ましかった。比較実施例 １ 実施例１において、ナイロン１２チップにハロゲン化鋼
あるいは／およびハロゲン化鋼の緒塩を混入しないこと
以外は実施例１と全く同様にして面状発熱体を作り、ｌ
ｋＨＺにおける温度〜インピーダンス特性を調べたとこ
ろ、第３図の曲線Ｂのようになり、本発明のものに比べ
て勾配が緩く、８０℃におけるサーミスターＢ定数は３
００００Ｋと小さく、感度の悪いものであった。

又該面状発熱体を実施例１と同様に結線し、７０００の
設定で通電したところ、平常時はほぼ７０ｑｏに維持で
きるが、実施例１と同様の条件で局部保温すると、その
部分の温度が１５０００以上に昇温してしまい危険で実
用にならなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の発熱体層と感熱体層との間が電気的に
絶縁された面状発熱体の例を示す断面図、第２図は、本
発明に適用される発熱体層と感熱体層とが密着した面状
発熱体の例を示す断面図、第３図は、本発明による面状
加熱体の加熱、温度制御回路を示すブロックダイヤグラ
ム、第４図は、感熱体層の温度〜インピーダンスの関係
を示すグラフである。 １，４，８：絶縁体層、２：発熱体層、３：接着材層、
５，７：信号導体層、６：感熱体層、９：面状発熱体、
１０：商用周波電源、１１：高周波電源回路、１３：炉
波回路、１４：温度検出回路、１７：制御回路、１８：
温度制御器。 第１図第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発熱体層、感熱体層、信号導体層の順に積層された
   積層構造を有する面状発熱体と、該面状発熱体の発熱体
   層と信号導体層に温度検出回路が接続され、かつ発熱体
   層に制御回路が接続され商用電力の供給で制御動作する
   温度制御器とからなる面状加熱装置において、前記面状
   発熱体の感熱体層がハロゲン化銅または／およびハロゲ
   ン化銅の錯塩を銅として２００〜３００ｐｐｍ含有して
   なるポリアミドからなり、前記温度制御器の温度検出回
   路に前記感熱体層の温度に対応するインピーダンスの値
   を高周波の信号として検出するための高周波電源回路と
   濾波回路とを具備してなることを特徴とする面状加熱装
   置。