JPS63264886A - 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、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、温度の暴走を抵抗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応用され
てきた。

第３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。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４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極めて低水準にあった。その結果
、多くの用途において、発熱体の出刃が不充分であるか
、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５図に示すように、一対
の電極間２ａ　、２ｂ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。

しかしながら、第５図に示したような正抵抗温度係数発
熱体は、高出力を発生するだめの構造しては非常に優れ
ていたが、カーボンブラック等の比較的低抵抗の導電性
微粉末を分散することによって構成される正抵抗温度係
数抵抗体の耐電圧破壊特性や、非常に高抵抗が要求され
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導電性微粉末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１０〜１ｏＱｃＩＩｌに対して、１
０〜１０　Ω儒の半導体領域が必要となり、導電性微粉
末の組成比を大幅に低減しなければならなくなった。そ
の結果、導電性微粉末同志の接触点の数も檄減し、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。さらに、
経時変化において、結晶性重合体の結晶成長や導電性微
粉末の凝集によって、抵抗値や抵抗温度係数の大幅な変
化が生じるようになり、様々な障害が生じた。例えば、
室温における抵抗値とピーク抵抗値との比が４〜６桁と
なるような優れた正抵抗温度特性を示す材料組成を選択
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避けられなかった。また、経時変
化において、温度と電力の安定性に欠け、実用上の許容
範囲から大幅に外れるようになった。このように、導電
性微粉末の組成比を調整するだけでは固有抵抗値１ｏ５
Ω１以上、ピーク抵抗値／常温抵抗値１０’以上の有用
な正抵抗温度係数抵抗体を作り出すことができなかった
。

一方、以上に述べた開発の流れとは別に、正抵抗温度係
数抵抗体と固定抵抗体を積層することにより出力の増大
と抵抗値の安定化を発熱体の構成で解決しようとした試
みが、特開昭６１−７６６４７号公報に示されている。

この主眼は電極間の熱拡散よりも構成面にあるのである
が、高出力かつ高安定性の正抵抗温度係数発熱体を実現
するためには、電極間距離を非常に近接させることは不
可欠であり、そのだめの詳細な検討が不充分であった。

発明が解決しようとする問題点 以上に述べたように、高出力の正抵抗温度係数発熱体を
構成するためには、電極間隔を接近させることが非常に
有効であった。また、発熱体の突入電力を低減し、抵抗
値の安定化をはかるためには、より所となる定抵抗層を
電気的に直列に介在させることも非常に有効であると考
えられる。しかしながら、このような薄肉構造の抵抗体
を多層構造とするためには、構成材料や加工法等に多く
の課題が存在した。正抵抗温度係数抵抗体に関しては既
に述べたとうジであるが、これに積層される定抵抗層に
関しては、より所となり得る安定した抵抗層を形成する
こと、正抵抗温度係数抵抗体層との間の安定な境界面を
形成し、相互に混合し合わないことの２つの課題があっ
た。

まず、安定した抵抗層を形成することに関しては、体積
固有抵抗値が正抵抗温度係数抵抗体とほぼ同水準の１０
４Ω百と非常に高抵抗領域であることと、求められる特
性値が固定抵抗であり、充分な精度と安定度を要求され
ることから、正抵抗温度係数抵抗体と同じようなカーボ
ンブラックを用いることは容易なことではなかった。カ
ーボンブラックは素材自身の体積固有抵抗値が相当像い
ため、１０４Ωαの値を比すためには、非常に少ない添
加量が要求され、微妙なカーボンブラック組成比の調整
が必要であるばかりでなく、そのカーボンブラックの配
列を崩さないためにも極めて高精度の加工法が不可欠で
あった。そして、長期の使用に際しても、発熱体として
機能するためｋ、多くの安全基準を満たさなければなら
なかった。

そして、正抵抗温度係数抵抗体層との間の境界面に関し
ては、それぞれの抵抗体層が非常に薄膜であるために、
材料の移行現象、あるいは、境界面の拡散現象によって
、電気的に直列に接続されていなければならないのが、
局所的な並列接続箇所が発生して、正抵抗温度特性が極
一部であっても失なわれることは絶対に避けなくてはな
らない。

しかし、抵抗体の加工後に正規の抵抗値を得るために実
施するアニール工程等においては、ある程度のカーボン
ブラックの拡散は避けられず、これを未然に防止するた
めには、抵抗体材料構成上の対策が不可欠であった。

本発明は上記２点の課題に鑑み、非常に高抵抗であるた
めに不安定要因の増大した正抵抗温度係数抵抗体を補っ
て、固定抵抗体が有効に機能するようになり、実用に供
し得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 上記問題点を解決する本発明の技術的手段は、結晶性重
合体中に導電性微粉末を分散してなる薄肉正抵抗温度係
数抵抗体層と、前記結晶性重合体に接着可能な重合体中
に１０Ω口以上の固有抵抗値を有する導電性微粉末を分
散してなる抵抗温度係数が比較的小さい薄肉抵抗体層と
を電気的に直列に積層することにより構成された薄肉抵
抗体層と、前記薄肉抵抗体層の両面に設けられた一対の
金属板電極と、これを外装する電気絶縁体とからなる正
抵抗温度係数発熱体を適用するものである。

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、結晶性重合体中に導電性微粉末を分散するこ
とによって得られる、常温体積固有抵抗値が１０５Ωα
以上の非常に高抵抗領域にある薄肉状正抵抗温度係数抵
抗体組成物は、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、より低温域におけ
る線膨張係数による影響や、結晶性重合体の結晶成長も
しくは導電性微粉末の凝集等による組成物の微細構造の
影響を強く受けるようになり、安定性に欠け、単品では
実用に耐えられるものではなくなる。しかし、この薄肉
状正抵抗温度係数抵抗体に対して、１０ΩＧ以上の比較
的高い固有抵抗値を有する導電性微粉末を多量に含有し
てなる、正抵抗温度係数抵抗体とほぼ同一の抵抗値に調
整された安定性に優れた抵抗層を積層することにより、
その複合薄肉抵抗層は、合成抵抗値としてより安定な抵
抗値を示すようになる。この複合薄肉抵抗層のそれぞれ
の対抗する面に一対の電極を配置することにより、突入
電力が調整された、抵抗値の安定な正抵抗温度係数発熱
体を構成することができる。また、この複合薄肉抵抗層
は、アニール等の熱処理工程において、万一、導電性微
粉末が移行したとしても、非常に高抵抗の材料なので正
抵抗温度係数抵抗体の特性を左右することもない等の特
長があジ、それぞれの機能を独立に保持することができ
るものである。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとすいて説明す
る。第１図において、６は厚さ０．５＝の正抵抗温度係
数抵抗体で、７は６の正抵抗温度係数抵抗体と一体に構
成された厚さ０．５ｍｍの固定抵抗体である。８および
９は正抵抗温度係数抵抗体６もしくは固定抵抗体７に接
合された一対の金属板電極であり、１０は全体を絶縁被
覆する塩化ビニールの外装材である。正抵抗温度係数抵
抗体６は、高密度ポリエチレンにサーマルブラックを３
０重量％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
いている。固定抵抗体７は、高密度ポリエチレンに導電
性の酸化チタンを７５重量％分散することにより正抵抗
温度係数抵抗体６とほぼ同等の抵抗値としたものを用い
ている。酸化チタンは１０　Ωαの固有抵抗値で、平均
粒子径６μｍのものを用いた。第１図のような構成の発
熱体において１ｏＯｖを印加するためには、固有抵抗値
が１０４Ωαレベルの非常に高抵抗が抵抗体に要求され
るが、単に、カーボンブラックの添加量を調整するだけ
では、突入電力に対応する２０℃の抵抗値と安定温度域
である１００℃の抵抗値の変化倍率は１６倍を大きく越
え、固有抵抗値が１０°〜１０２Ωαの場合の抵抗温度
特性を平行移動することはできない。

次に、本発明の有効性を調べるために、正抵抗温度係数
抵抗体６を２層重ねた場合と、高密・度ポリエチレンに
ケッチェンブラックを混練することによジ正抵抗温度係
数をほとんど無くした固定抵抗体と正抵抗温度係数抵抗
体６とを２層重ねた場合と、本発明の方式によるものと
の３者の比較実験を行った。そのアニール後の結果を第
２図に示している。図から明らかなように、正抵抗温度
係数抵抗体６を２層重ねた場合は、２０℃と１００℃の
抵抗値の変化倍率は１５倍であるのに対して、本発明に
基づく場合は、８倍に改善されている。

また、カーボンブラック系の固定抵抗体を用いた場合は
、同じく８倍であるが、正抵抗温度特性のピーク抵抗値
の値が２桁程低下していて、２つの層の機能が独立でな
くなったことを示している。

これは、電極体８および９を接合する際、あるいは、ア
ニールする際に、カーボンブラックが拡散した結果であ
るものと思われる。

以上に示したように、本発明は、薄肉抵抗体構造の高出
力正抵抗温度係数発熱体の突入電力の低減に有効なもの
であるが、このような固定抵抗体の介在は、確固たる抵
抗値を固定化することになり、不安定な抵抗値領域で使
用される正抵抗温度係数発熱体の抵抗値の安定化に大い
に寄与するものである。

なお、正抵抗温度係数抵抗体を構成する材料としては、
高密度ポリエチレンとサーマルブラックとの組合わせに
限定されるものではすく、中密度ポリエチレン、低密度
ポリエチレン、リニアポリエチレン、エチレン酢酸ビニ
ル共ｉｔ合体、エチレンアクリル酸共重合体、アイオノ
マ、ポリアミド。

ポリ弗化ビニリデン、ポリエステル等の結晶性樹脂、さ
らに、チャンネルブラック、フ１−ネスブラック、アセ
チレンブラックランプブラック等のカーボンブランクの
中で顕著な正抵抗温度特性を示す導電材料との組合わせ
を用いても、同等の効果を有するものである。また、固
定抵抗体に関しては、上記の結晶性樹脂に接合可能な樹
脂と、１０Ωα以上の固有抵抗値を有し、正抵抗温度係
数をほとんど生じ得々い導電性粒子との組合わせにおい
て使用可能である。このような導電性粒子としては、チ
タン酸カリウムのような無機繊維フィラーに導電性酸化
チタンを処理したものや、炭化珪素粉末等、粒子状、繊
維状、ポーラス状、中空状の様々な形状の素材を用いる
ことが可能である。

また、抵抗値の組合わせにおいても、固定抵抗体の抵抗
値の比率を高めることによって、一層、抵抗値の安定化
が可能であり、その場合においても正抵抗温度係数発熱
体の発熱特性には余り影響がなく、むしろ、抵抗値の安
定化の面に大きく寄与する傾向が得られる。

発明の効果 以上に述べてきたように、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等に、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が必要となるが
、単に、組成比を調整しただけでは微粉末同志の接触点
の数が大幅に減少するために、正抵抗温度係数が異常に
増大したり、経時変化によって、抵抗値と抵抗温度特性
が大きく変動する等、不安定で実用に耐えられない発熱
体しか得られなかったが、本発明によれば、この点を克
服することが可能となった。その結果、電極間距離を接
近させることにより、高抵抗かつ高安定性の正抵抗温度
係数発熱体を実現することが可能となった。この構成を
用いた正抵抗温度係数発熱体は、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と、発熱温度並びに電
力の長期安定性の問題を解決することができ、発熱体の
用途として、パネルヒ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、これも可能となった。

【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斜視図である。第２図は本
発明に基づく抵抗体と従来技術に基づく抵抗体との抵抗
温度特性を比較した図である。第３図、第４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、７・・・・・・
固定抵抗体、８，９・・・・・・金属板電極、１０・・
・・・・外装材。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名１０
−ｍ−外液材 第２図 温度

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）結晶性重合体中に導電性微粉末を分散してなる薄
   肉正抵抗温度係数抵抗体層と、前記結晶性重合体に溶融
   密着可能な重合体中に１０Ωｃｍ以上の固有抵抗値を有
   する導電性微粉末を分散してなる抵抗温度係数が比較的
   小さい薄肉抵抗体層とを電気的に直列に積層することに
   より構成された薄肉抵抗体層と、前記薄肉抵抗体層の両
   面に設けられた一対の金属板電極と、これを外層する電
   気絶縁体とからなる正抵抗温度係数発熱体。
2. （２）正抵抗温度係数抵抗体の体積固有抵抗値が１０＾
   ３Ωｃｍよりも高抵抗値である特許請求の範囲第１項記
   載の正抵抗温度係数発熱体。
3. （３）積層された薄肉抵抗体層の総厚さが１ｍｍ以下で
   ある特許請求の範囲第１項または第２項記載の正抵抗温
   度係数発熱体。
4. （４）１０Ωｃｍ以上の固有抵抗値を有する導電性微粉
   末が、１μｍ以上の粒子径もしくは繊維長を有する特許
   請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１つに記載
   の正抵抗温度係数発熱体。