JPS61502918A - 電気ヒ−タ - 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】 Ｗ」 本発明は電気ヒータに関する。

電気ヒータは、例えば、産業用ブラントにおけるパイプの温度を、要求されるレ ベルに保持するような、種々の目的のため用いられる。該ヒータは通常、加熱さ れるべきバイブの周囲に包まれ、かつ適当な電源に接続されたテープの形状を有 する。

最も知られた加熱テープは、該テープの縦方向に延びた２個もしくはそれより多 くの導体または母線および該母線の間に電不的に接続された抵抗加熱媒体を具備 する。一般に、該テープは２つのカテゴリの１つに帰着すると考えられ得る。

第１のカテゴリは、該抵抗加熱媒体が、該テープの幅を横切って該母線間に単に 接続されているものであり、第２のカテゴリは、該抵抗加熱媒体が分離した部分 をなすものであり、核分離した部分は、それが母線に接続されている点の間で、 該テープの長さに沿って相対的に短い距離伸びている。第１のカテゴリには多く の例がある。一般的に、加熱媒体は、母線が埋め込まれた押し出された塊りの形 状にある。このような加熱テープは英国特許明細書第１５２１４６０号に記載さ れている。該押し出された塊りは、例えば炭素を加えた重合体であってよい。第 ２のカテゴリの１つの例は、英国特許明細書第１５２３１２９号に記載されてい る。

加熱テープのうちのあるものは、温度が上昇すると電気抵抗もまた上昇するとい う特性を有する、それにより、加熱テープが一部をなしているシステムにおける 故障の場合の過熱を避ける。このような特性を有するテープは、自己制限加熱テ ープとして知られている。多くの自己制限加熱テープはテープの第１カテゴリに 属し、温度依存抵抗に帰する１つの成分を含む重合体材料の押し出された塊の形 状の加熱媒体を具備する。該材料は正の温度係数を有し、このような材料は以後 ＰＴＣ材料として参照される。このようなＰＴＣ加熱媒体を混合した抵抗ヒータ は英国特許第１４４９２６１号に記載されている。

第１カテゴリの知られた自己制限テープの構造は、１つの母線からその他の母線 への電気通路が一般に６から１２ミリメートルの間である。このことは、熱出力 に対して、寸法の精度および化学的配合を臨界的にする。この立場は、炭素の満 たされた重合体成形品は押し出しの方向よりも押し出しの方向に対する横方向に おいて、はるかに同質性が少ないものであるという知られた現象により一層複雑 になる。従って、出力における大きな変化が要因の組み合わせによって、テープ に沿った点から点へ起こり得るということが発見される。このことは、危険な過 熱および／またはエネルギーの多（の量の浪費のいずれかまたは双方に結論され 得る。要求される同質性の許容量および程度の極端な例は、米国特許第４１１７ ３１２号の１つの実施例から説明されることができる。この加熱テープは母線の １つに適用されたＰＴＣ材料の被覆物を有する。

この被覆物の抵抗は成る温度で非常に鋭く増加し、温度スイッチとして動作すべ きである。しかしながら、効果があるためには、この切替えは狭い温度範囲内で 起こるべきであり、このようにして、ＰＴＣ材料は殆ど完全に同質であるべきで あり、該被覆物の厚さは母線の全長に沿って同じであるべきである。この被覆物 が、全テープにわたって、このような厳しい許容値内に製造し、適用され得ると いうことは極めて見込のないことであろう。

第１カテゴリの自己制限テープに関連する前述の問題は認識され、代るべきテー プの構造が提案された。例えば、英国特許明細書第２１２０９０９号には、一対 の電力供給導体の周囲にらせん状にされ、かつ間隔をおいて配置された電力導体 に電気的に接続された延長するＰＴＣストリップ（細長い一片）の使用が記載さ れている。このようにして、英国特許明細書第２１２０９０９号に記載された構 造は第２カテゴリのものであり、標準的に加熱要素として用いられる簡単な抵抗 材料が従来型のＰＴＣ材料によって置き換えられたものにすぎない。

自己制限材料を有する電気的表面加熱テープは、それらの加熱要素がそれらの熱 出力に対して大きい損失を有するから、開始状態から動作温度に劇的に降下する ことができる。例えばそれ等は１０℃においてメートル当り４０ワツトの出力を 有することができ、これは４０°Ｃにおいては、メートル当り１０ワツトに減少 する。これは、この温度範囲内で相対的にゆっくりと増加するそれらの抵抗のた めである。このことは、システムが低温、すなわちオンされた時、非常に多くの 流入電流があるということを意味する。このことは、また、過電流保護を備える ことは非常に難しく、かつ電源は、標準的な動作時より数倍大きいオンされた時 の電流需要を充分満足させねばならないということを意味する。

知られたＰＴＣ材料は、また、抵抗対温度の関係が長い期間にわたって変換でき るように、熱エージング／温度低落効果を有する。この問題は、ＰＴＣ材料の抵 抗は連続して循環変化するという事実による電圧ストレスによって太き（悪化さ れる。このことは、明らかに、テープが多年にわたり元の場所に残る時、重大な 問題であり、自己制限特性を備えることができる商業的意義をかなり減する。

従来技術によるテープの多くは、また、熱損失がより大きい高温において、より 高出力を有するテープを用いることが一般に望ましいのに対して、それらの標準 的な動作範囲内で、出力が温度の上昇と共に下降するから不利である。最大可能 動作温度における、もっと多くの急激な温度変化はより有用であろう。

米国特許明細書第４１１７３１２号には、オンされた時に大電流流入の問題を避 け、しかも自己制限特性を保持する配列について記載されている。米国特許明細 書第４１１７３１２号の１つの実施例は第２カテゴリの加熱テープであり、すな わち、それは一連の加熱電線を具備し、該電線はそれぞれ２つの電力供給導体の 間に接続され、しかも、各電線は、セラミックＰＴＣ材料から形成された小型の 接続要素によって電力供給導体に接続される。しかしながら、この設計は、テー プの全体に沿ったすべての可能性のある場所における個々の熱い箇所の検出を許 容しないから実際に満足できるものではない。もしその問題を緩和しようとして 、スポット検出器の数が増加されると、その製造が非常に困難になる。

Ｊ　、　Ｍｅｙｅｒによる（Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ 　５ｃｉｅｎｃｅ　。

１９７３年１１月、４６２〜４６８）　およびＦ　、　Ｂｕｅｃｈｅによる（Ｊ 、　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　４４巻　第１号、１９７３年１月、 ５３２〜５３３）文献の論文、および公開されたＰＣＴ出願第８４１０２０４８ 号、米国特許明細書第４４２６３３９号、第４３５２０８３号、第４３２９７２ ６号、第４３１７０２７号、第３９７６６００号、第３７６０４９５号、第３５ ９１５２６号、第３２４３７５３号および英国特許明細書第２１４４１３２号、 第２１３２４２６号、第２１２９８１４号、第２１２４６３５号、第２０９６３ ９３号、第２０７５９９２号、第２０７４５８５号、第２０７４３７７号、第２ ０７４３７６号、第２０７４３７５号、第２０３６７８４号、第２０３３７０７ 号、第１６０５００！５号、第１６０４７３５号、第１５９５１９８号、第１５ ６１３５５号、第１４４９２６２号、および第１４４９２６１号に示されるよう なＰＴＣ材料を頻繁に利用する改良された加熱装置を開発するため少なからぬ研 究努力がささげられた。また、上述の文書は多くの他の先行技術文書に対する前 後参照を含む。ＰＴＣ材料に対する該応用の多くにおいては、相対的に高い固有 抵抗が要求され、それにおいては、ＰＴＣ材料は加熱要素として用いられており 、従って、知られたＰＴＣ材料の固有抵抗は一般に相対的に高く、例えば、１０ ００オームセンチメートルまたはそれより大きい。

しかしながら、かなり低い固有抵抗値がＰＴＣ材料において知られており、所望 の固有抵抗を製造するため要求される技術がまた知られている。例として、前述 の英国特許明細書第２０７４５３５号は５０オ一ムセンチメートルより小さい固 有抵抗を有するＰＴＣ材料を参照している。

本発明の目的は、上述の種々の問題を除去または軽減する、自己制限効果を備え るためのＰＴＣ材料を混合した、改善された電気ヒータを提供することにある。

本発明においては、少なくとも１つの延長する抵抗加熱要素、該受なくとも１つ の加熱要素に沿って延びている延長する抵抗器、該抵抗器は該受なくとも１つの 加熱要素と直列に接続されており、および電力源に対して直列に該受なくとも１ つの加熱要素と該抵抗器を接続する手段を具備し、該抵抗器は、該抵抗器の温度 が電気ヒータが動作をしようとする温度に等しい成るあらかじめ決められた温度 を実質的に超えない時、その電気抵抗が該加熱要素のそれよりも実質的により小 さいように、および該抵抗器温度が該あらかじめ決められた温度を実質的に超え た時、その電気抵抗が実質的に増加するように、正の温度係数を有する電気ヒー タが提供される。

このようにして、本発明によれば、ＰＴＣ材料に対して相対的に低い固有抵抗を 選択することによって、従来型の非自己制限ヒータおよび従来型の自己制■ヒー タの最良の特徴と合体した電気ヒータを提供することができる。

該抵抗器は、例えば、押し出されたまたはモールドされたＰＴＣ重合体のような 任意の便利な形状であってよい。ＰＴＣ導電性被覆物は適当な基板上に支持され るか、または延長するセラミックＰＴＣ材料が用いられる。該加熱要素もまた、 例えば、抵抗加熱電線または重合体混合物のような任意の便利な形状であってよ い。該電気ヒータは、その長さに沿って延びており、該抵抗器の一端と一方の導 体および該加熱要素の一端とその他の電力導体の間に適切な接続がなされた２つ の縦方向の電力導体と合体してもよい。

ＰＴＣ抵抗器は、過熱が検出される都度、電源から協働する加熱要素を絶縁する よう開路し、その効果は一度過熱の原因が除かれれば、該協働する過熱要素が再 度標準的に動作することができるように可逆的であるスイッチとして効果的に動 作する。

標準的な動作条件においては、本発明によるヒータの出力は一定の供給電圧を与 えられた実質的に一定である。従って、多くの自己制限加熱テープに関連するオ ンされた時の電流の大量の流入の問題は避けられる。熱エージングおよび温度低 落の問題もまたＰＴＣ抵抗器に対して選択された材料に依存する程度に軽減され る。その理由は、異常な状態においてのみ到達する高温における狭い帯域にわた り非常に迅速に該抵抗が変化するよう配列することができるからである。更に、 種々の構成要素の間の電気的接触の損失の危険を減少するように、非常に確実な 機械的な接続が該ヒータの種々の構成要素の間になされ得る。

本発明の実施例が以下に、例をあげて、添付の図面を参照して記載される。

第１図は英国特許明細書第１５２３１２９号に記載された型の従来技術の加熱テ ープの電気回路を説明する図、第２図は本発明の一実施例の電気回路を説明する 図、第３図は、知られた自己制限加熱テープにおいて用いられる型のＰＴＣ材料 に対する、および本発明の一実施例に用いて適当な特性を有するＰＴＣ材料に対 する固有抵抗と温度の間の関係を説明する図、 第４図は本発明の第１の実施例の切欠き略平面図、第５図および第６図は第４図 の実施例のそれぞれ線５−５および線６−６による断面を示す図、 第７図は本発明の第２の実施例の切欠き略平面図、第８図および第９図は第７図 の実施例のそれぞれ線８−８および線９−９による断面を示す図、および第１０ 図は本発明の第３の実施例の断面図である。

図面を参照すると、第１図は２つの導体１．２が加熱テープの縦方向に延びてい る従来技術の装置の電気回路を示す。

該テープは、該加熱テープに合体したテープに編み込まれた抵抗電線３をそれぞ れ具備する同一の一連の加熱要素に分割される。このようにして、該加熱テープ は、該加熱テープの長さに沿って間隔をあけた分離した一連の加熱要素を具備し 、各加熱要素の長さは該加熱テープの要求される熱出力の関数であり、典型的に は５０センチメートルのオーダーである。

第２図を参照すると、本発明の一実施例の回路が説明される。該説明された配列 においては、再び第１図の加熱要素に等価な寸法の一連の、間隔をおいた電線加 熱要素４があり、しかも、これらの加熱要素４の各々はＰＴＣ抵抗器５により直 列に接続されている。抵抗器５の抵抗は、標準的な動作温度において、導電体１ および２の間に印加された電圧の大部分が電線４に印加されるようになっている 。しかしながら、一度、抵抗器５が成るあらかじめ決められた温度に達すると、 直列に接続された電線４を効果的にオフするようその抵抗が急速に増加する。こ のようにして、テープの部分的な過熱は、その領域における加熱要素の熱出力が 急速に減少されるという結果になる。その他の加熱要素の動作は甚ただしくは影 響されない。

第３図を参照すると、曲線Ａは、例えばＰＣＴ出願第８４１０２０４８号のテー プのような従来技術の自己制限加熱テープにおいて用いられるような典型的なＰ ＴＣ材料に対する固有抵抗と温度の間の関係を図解する。このような応用におい て、相対的に高い固を抵抗は、２つの供給導体の間のＰＴＣ材料の距離が相対的 に小さいということが与えられると、必要となる。逆に、本発明の実施例におい ては、固有抵抗と温度の関係は、例えば曲線Ｂまたは曲線Ｃによって図解される ように、標準的な動作温度において、ＰＴＣ材料の抵抗は直列に接続されている 該電線の抵抗に比較して小さいように要求される。勿論、８１　Ｐ　Ｔ　Ｃ材料 の抵抗に対する調整は、その固有抵抗に対する調整と同様に、ＰＴＣ材料の長さ および断面積に対する調整によって達成され得るということは認められる。

第４図から第６図を参照すると、本発明の図解された実施例は、重合体被覆７に 包まれた内部重合体本体６の上に支持された第２図の構成要素１から５を具備す る。第４図に示されるように、第２図の電源４に対応する加熱要素４およびＰＴ Ｃ抵抗器５は互いに横付けに配列され、短かい「デッド」部分８によって次の加 熱要素の等価な構成要素から分離される。導体１および２°は、勿論、このデッ ド部分を横切って延びるが、これらの導体は第４図から省略されている。

第５図に示すように、抵抗器５の一端はリベット９により導体１へ接続され、要 素４の一端はりヘット１０によって導体２へ接続される。要素４および抵抗器５ のその他の端部は、第６図に示されるように、導体ストリップ１１およびリベッ ト１２および１３によって一緒に接続される。このようにして、電気回路は導体 １からリベット９を経由して抵抗器５へ、抵抗器５からリベット１２、ストリッ プ１１およびリベット１３を経由して要素４へ、そして要素４からリペソ）１０ を経由して導体２へと延長する。

第４図から第６図の実施例は任意の便利な方法で組立てられてよいが、図示しな いキャリヤストリップを用いると好適である。例えば、要素４は編組されたスト リップに合体した電線を具備することができ、抵抗器はＰＴＣ重合体材料の押し 出されたストリップ（細長い一片）の形状であってよい。

一連のストリップ１１は箔状キャリヤストリップ（図示せず）に沿って適当な間 隔で置かれてよく、更に、要素４および抵抗器５は適当な配置でキャリヤ箔の上 のストリップ１１を覆って置かれてよい。その後、リベット１２および１３は挿 入されてよく、結果としての構造は、導体１．２と構成要素４．５の間に配置さ れた重合体本体６の部分に対応する重合体ストリップによって覆われてよい。導 体１．２は更にそれらの上に積まれ、リベット９および１０が挿入される。重合 体本体６の上の部分に対応する更に１つの重合体ストリップは、それらの上に積 まれ、全集合体はモールドされた被覆７に収納される。このように、該実施例は 従来型の自動組立て技術を用いて、比較的容易に組立てることができる。

第７図から第９図に図解さた実施例に対して、第４図から第６図に示したものに 等価な構成要素は同じ参照番号が付されている。第７図を参照すると、導体１お よび２の位置はそれらの間に配置された抵抗器５と共に図解される。第８図およ び第９図に示されるように、加熱要素４は、導体１．２および抵抗器５の下方の テープの幅を横切って延びている纒組されたストリップに合体された抵抗電源を 具備する。

要素４の一端はリベット１４によって導体１へ接続され、要素４の他端はりベッ ト１５によって抵抗器５の一端へ接続される。抵抗器５の他端は、例えば超音波 溶接によって抵抗器５および導体２へ固定された導電性ストリップ１６によって ′４体２へ接続される。このようにして、各加熱回路は、導体１がらリベット１ ４を介して要素４へ、要素４がらリベット１５を介して抵抗器５へ、抵抗器５か らストリップ１６を介して導体２へと、延長する。

同様な組立て技術は、上述の第４図から第６図の実施例に関して記載されたよう に、第７図から第９図の実施例に対して用いられ得る。

第１０図は本発明の他の１つの実施例の断面であり、該実施例においては、導体 １および２は、加熱要素４および抵抗器５の間に、はさまれた絶縁ストリップ１ ７の内に支持される。

リベット１８および１９は加熱要素４を導体２へ、抵抗器５を導体１へ接続する 。リベット１８および１９は加熱要素の一端に互いに隣接して配置される。加熱 要素および抵抗器の他端は点線で示される導電性ストリップ２０によって電気的 に接続される。該集合体は次いで被覆に収納される。

添付の図面に図解されたものに代るべき構造が提供され得ることが認められるで あろう。リベット接続と合体する図解された配列は特に原文で信頼性があるが、 満足な生産品は、例えばそれらの間に、適当な電気的に絶縁および電気的に導通 する場所をもって種々の構成要素を単に横たえるような代るべき方法によって生 産され得る。

本発明の図解された実施例はすべて、複数の加熱要素が加熱テープの長さに沿っ て間隔をもって配置されている加熱テープを具備する。しかしながら、単一の加 熱要素および単一のＰＴＣ抵抗器から組立てられた本発明によるヒータを提供す ることも可能である。例えば、家庭用具としての小さな電気ヒータがこのような 方法で組立てられる。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも１つの延長する抵抗加熱要素、該少なくとも１つの加熱要素に沿 って延びている延長する抵抗器、該抵抗器は該少なくとも１つの加熱要素と直列 に接続されており、および電力源に対して直列に該少なくとも１つの加熱要素と 該抵抗器を接続する手段を具備し、該抵抗器は、該抵抗器の温度が電気ヒータが 動作をしょうとする温度に等しい或るあらかじめ決められた温度を実質的に超え ない時、その電気抵抗が該加熱要素のそれよりも実質的により小さいように、お よび該抵抗器温度が該あらかじめ決められた温度を実質的に超える時、その電気 抵抗が実質的に増加するように、正の温度係数を有する、電気ヒータ。
2. ２．該抵抗器は押し出されたＰＴＣ重合体の形状である請求の範囲第１項に記載 の電気ヒータ。
3. ３．該加熱要素は抵抗電線の形状である請求の範囲第１項または第２項に記載の 電気ヒータ。
4. ４．２個の電力導体が、該加熱要素および該抵抗器に平行に延びている該電気ヒ ータに合体され、一方の電力導体は該加熱要素の一端に接続され、その他の電力 導体は該抵抗器の一端に接続されている請求の範囲第１項から第３項のいずれか 一項に記載の電気ヒータ。
5. ５．該加熱要素および該抵抗器は並んで配置された平坦なストリップ形状であり 、それぞれの電力導体は該抵抗器の上に１つ、該加熱要素の上に１つ配置された 平坦なストリップ形状である請求の範囲第４項に記載の電気ヒータ。
6. ６．該加熱要素、抵抗器および電力導体は平坦なストリップ形状であり、該電力 導体および該抵抗器は該加熱要素を覆って並んで配置されている請求の範囲第４ 項に記載の電気ヒータ。
7. ７．該導体は絶縁ストリップの内部に支持された平坦なストリップ形状であり、 該加熱要素および抵抗器は該ストリップの反対側に支持されている請求の範囲第 ４項に記載の電気ヒーター。