JPS61143988A - 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のとに、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、均熱板がなければ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シ、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、アルミナ焼結体をと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、これ以との発展の余地
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２　Ｗ　
／　ａｍ２（６０ｄａｇ　　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、木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
であシ、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、取付は構造、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＠ある
いは長尺の加工が著しく困難という課題があシ、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
１ｍｍ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
と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Ｋ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
設定せ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。

問題点を解決するだめの手段 本発明は上記問題点を解決するため、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３
ｍｍ以下の薄肉ＰＴＣ抵抗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から成る発熱
素子の両面に放熱板を配置して成るものである。

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３ｍｍ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
よく熱を取シ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シ、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
、セラミツ゛り系のＰＴＣ抵抗材料に比べて熱伝導率が
１桁程変低い有機材料系の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
。

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
、８および９はアルミニウム板から成る放熱板である。

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となるだめに、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、ＰＴ
Ｃ抵抗体５の熱伝導率が０．２　Ｋ　ｃ　ａ　ｌ　／ｍ
ｈ　’Ｃであシ、放熱板８，９から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２
１．６℃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−
はどではなく、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、両面均熱板は片面均熱板に対して、熱の取出
し特性において、４倍を太きくｊ：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。

（実施例２） 第２図において、抵抗体５、電極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シートから成る
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、−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。

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る構造の相乗効
果によシ、従来では考えられなかった水準の出力を取シ
出すことを可能とするものである。その結果得られるＰ
ＴＣ発熱体は、従来の有機系ＰＴＣ抵抗体とは比較にな
らない程の高出力と、従来のセラミック系のＰＴＣ抵抗
体とは比較にならない程の生産性を合せ持つもので、非
常に応用範囲が広く、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図は本発明の第１の実施例のＰＴＣ発熱体の斜視図
、第２図は本発明の第２の実施例のＰＴ−Ｃ発熱体の斜
視図、第３図は本発明の他の実施例５・・・・・・ＰＴ
Ｃ抵抗体、６，７・・・・・・電極、８，９．１２・・
・・・・放熱板、１０・・・・・・外装材、１１・・・
・・・熱的結合部材。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 ｗＩＳ図 ＝３５９

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （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３ｍｍ以下の薄肉正抵抗温度係数
   抵抗体と、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から成る発熱素子の両面に、放
   熱板を配置してなる正抵抗温度係数発熱体。
2. （２）放熱板間に放熱板同志の熱的結合を可能とする熱
   的結合部材を設けた特許請求の範囲第１項記載の正抵抗
   温度係数発熱体。
3. （３）発熱素子と放熱板との間、あるいは熱的結合部材
   と放熱板との間の少なくとも１箇所以上を電気絶縁性と
   した特許請求の範囲第２項記載の正抵抗温度係数発熱体
   。
4. （４）放熱板のうちの少なくとも１枚が、他の１枚との
   熱的結合部を構成すべく加工された特許請求の範囲第２
   項、または第３項記載の正抵抗温度係数発熱体。