WO1985002086A1

WO1985002086A1 - Ptc heating wire

Info

Publication number: WO1985002086A1
Application number: PCT/JP1984/000500
Authority: WO
Inventors: Syuji Yamamoto; Yoshio Kishimoto; Seishi Terakado; Hideho Shinoda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1985-05-09
Also published as: EP0160100A4; DE3482301D1; EP0160100B1; EP0160100A1; US4661690A; JPS6091583A

Description

明細書

発明の名称

p τ σ発熱線

技術分野

この発明は、暖房器具及び一般の加熱装置として有用な P T C ( Positive Temperature Coefficient )発熱線に関するものであ 1?、その使用条件に応じた適切な電極抵抗値を設定し、安全性を確保するとともに、使勝手の良い P τ c発熱線を提供するものである o

背景技術

従来の P T G発熱線は第 1 図または第 2図に示すように構成されていた。すなわち第 1 図に示すものは、芯糸 ¹ . ¹ '上に金属箔からなる電極 ² . ²をスパイラルに卷き、その外側を P T G 抵抗体 3 と絶緣外装体 ⁴ とで順次被覆している。また第 ²図で示すものは、芯糸 1 の外周方向に、電極 2 と P T C抵抗体³ と電極²'と絶緣外装体⁴ とを順次設けたものである o このような P T G発熱線に通電を行うとき、すなわち、電極 2 と ²'の間に電圧を印加するとき、 P T C抵抗体³は勿論のこと、電極² . 2'部においても発熱をする。そして、この電極 2 . 2 '部での発熱は電極抵抗と電流値によりその大きさが決ま、電極発熱は電 ε印加部に近い部分ほど大きくなる。これは、電極 ² . ^2/から P T G抵抗体 3への漏れ電流のため電極 2 , 内を.流れる電流が電圧印加部近傍ほど大きいためと考えられる。よって、単位長さ当の電極抵抗値が大きい場合、 P T C抵抗体³への漏れ電流が多く、電極発熱の分布は大きくるる ο 第³図は電極抵抗による電 E降下を最小にし、発熱線各部の発熱不均一を最小にするための結線方法を示した図であ、図に示す如く一方の電極 2の一端と、他方の電極²'の他端との間に電 Eを印加している。このような結線方法においても P T C抵抗値に対する電極抵抗値の比が大きい場合、発熱密度分布は大きいものとなる。この接続方法での P T C発熱線は第⁴図に示すごとくモデル化される。すなわち P T C発熱線は、電極² と ²'の抵抗と P T G抵抗体 3の抵抗との、「はしご形回路」と ¾る。ここで、発熱線を単位長さ当に切断して考えるとき、 R _K は片方の電極の単位長さ当の抵抗値、 R_{P T C} は単位長さ当の P τ c抵抗体 3の安定時体積固有抵抗値をそれぞれ表わしている。なお、 Lは通電経路単位での P T C発熱線長さを意味している。第 4 図のモデル化において、この分布は R_{P T C} に比べ R _s が大きいほど大きく、分布が大き過ぎた場合、 P C発熱線として実使用に耐えないものとなる。

さらに、電極抵抗値が大きい場合、電極発熱が大きぐ ¾ 、安全面において問題が生じる。特に、このような長尺の P T C 発熱線を高電気容量の商品に使用するとき、電極 2 ， ²'部での発熱量は自己温度制御機能を有していいため、異常断熱保温下では高温となり、安全性が保証できるくなる。

これらの問題点を補うには、電極抵抗を小さくする必要があるが、無制に小さくすると、使用条件によっては別の問題が発生する。その問題は 2点ある ₀ まず 1 点目は、電極 2 ， 2' として導電性を良くするには電極形状を大きくしなければならず、実装が困難に; 5：るということである。そして、電極 2 . 2'

OMPI 形状を大きくすることは単に実装を困難にするだけでなく、折曲げによ ? P T C抵抗体 3を傷つけた ]?、電極 2 , 2 自身を破損する可能性が非常に高くなるのである。

つぎに 2点目である力^ これは実装面の制約を解除してもなお残る問題点である。以下それについて述べる。

電極抵抗を小さくした場合、確かに電極 2 , ^による電 E降下は小さくな発熱分布も小さくなるが、一方、電極発熱そのものが小さく ¾ P T C発熱線の発熱の大半が P T C抵抗体 3 での発熱となる。このとき、この P T C発熱線を流れる電流は P T G抵抗体 3の抵抗値に大きく依存し、通電開始時の突人電

'流と通電安定時の電流との比率（以下、突入電流比と称す）は P T C特性にゆだねられる。このような長尺構造の P T G発熱線に通電開始時の突入電流を安定時の ²倍以上流すことは、部分的異常を生じやすくし、 P T C発熱線の破壌，発火につながる安全上重大な問題となる。例えば、この P T G発熱線を一般家庭用暖房機器に使用し、その P T G抵抗体³の P T C特性が第 5図に示すように 7 0でと 2 Oでの抵抗値で約 ³倍の温度係数を有する場合、安定時電気容量がァ O O Wのとき ² Oでの突入電力は 2 O O O Wを越える値と ¾ 1?、しかも、発熱分布は非常に大きい。しからば、 P T C抵抗体³の温度係数が第 ⁵図のものよ小さな P T G抵抗体 3を用いるという対策が考えられるが、これは P T G発熱線の最大の利点である自己温度制御機能を弱めることであり、電 E変動 .室温変動 .負荷変動 ¾どに対する安定性を欠き、 P T C特性を利用した発熱線として当然とるべき方策ではな。

OMPI • この様に、 P T G発熱線の電極抵抗は大き過ぎた場合発熱分布が大きくな実使用に耐えなく、かつ、異常断熱保温下では高温と安全性が保証できないとう問題点を有する。また電極抵抗が小さ過ぎると実装面及び安全面において前述の

5 よう問題が生じる。

- 発明の開示

この発明は、暖房器具及び一般の加熱装置として有用 PTG 発熟線に関するものであ、 P T G発熱線の発熱分布、突入電流比及び異常断熱保温下での安全性と電極抵抗値との関係を明

₁₀ 確にし、使い勝手が良く、安全性が高い P c発熱線をつくる -- ものである。

そして、これのためにこの発明は対向する一対の電極と、この一対の電極間に設けられた大きな正の抵抗温度係数をもつ

P T C抵抗体と、前記電極と抵抗体の外周に設けた絶緣外装材

15 とを具備した、紐伏もしくは帯状構造をもつ P τ c発熱線において、前記電極の単位長さ当りの抵抗値を R_B 〔 iiZ 〕とし, 通電経路単位での P T C発熱線の長さを L 〔〕とし、前記

P T G抵抗体の P T C特性を 7 Oででの抵抗値と ²0ででの抵抗値との比 R_{7 ()}ZR₂₀ で表わすときに任意の R₇₀ R₂₀ 及び

20 Lに対して、

0.1

る関係を満たす R_K の値をとるようにしたものである。

25 以下、その一実施例を添付図面とともに説明する o 図面の簡単な説明

第 1 図は本発明の一実施例の P T C発熱線の溝造図、第²図は本発明の他の実施例の P T C発熱線の構造図、第³図は本発明の一実施例における P T C発熱線の端末部結線図、第 ⁴図は本発明の一実施例における P τ C発熱線のモデル図、第⁵図は本発明の一実施例における P T C発熱体の特性図、. 第 ⁶図は本発明の一実施例における P T C発熱線を用いた製品の構成図、第 7図は本発明の一実施例における P τ C発熱体の特性図、第

8図は本発明の従来例における電極内電位分布，発熱量分布，温度分布及び P τ c抵抗値分布を示した図、第⁹図は本発明の努熱体における発熱不均一の度合と R_s ' L ²ZR_{P T C}の関係図、第

1 o図は一般的な採暖器具における発熱線長さと電力との関係図である o

発明を実施するための最良の形態

本発明実施例品は、上述の第 1 図あるいは第 2図に示すごとく、基本的には芯糸 1 . ^と電極 2 , 2'と電極 2 , 2'間の P T G 抵抗体³ とその外周の絶縁外装体⁴とで構成され、これら Ρ τ σ 発熱線を応用した暖房器具は、第⁶図に示す様な電気力—ぺッ卜が挙げられる ο 第 6図において、カーぺットの本体 ^{1 1} には P T C発熱線 1 2及び ^{1 3}を 2分割して蛇行配置し、本体^{1 1} の一角に設けられたコード口部 1 4にて電源コード 1 5 と P T C 発熱線 1 2 , 1 3 と接続してる。ここで、前記 P T C発熱線 1 2及び ¹ 3の電極と電源コードとの接続は第 3図に示す如く一方の電極 2の一端と他の電極 2'の他端との間に電源電圧を印加するように行う。この接続方法は前述の通 P T G抵抗体 3 への漏れ電流による発熱線各部での発熱不均一を最小にするための接続方法であ、かつ、その P T C発熱線 ^{1 2} , ^{1 3}は第

4図に示すようにモデル化される。

この P T C発熱線 1 2 , 1 3を第 6図で示すような電気カーペットに使用した場合、前記電気カーペットの通電開始時電流値と、通電安定時電流値の比率（すなわち、突入電流比）は、 P T G特性と大きく関連性をもち、しかも、通電経路単位での

P T C発熱線 ¹ 2 . 1 3の長さや電極抵抗値と関係があると考えられる。そこで、 P T G特性、発熱線長さ及び電極抵抗の間に突入電流比を押さえるための一つの関連性を実験的に見いだした。第 7図が実験結果である。通電経路单位での長さが ⁴ O で、各種の電極抵抗値 R_s をもつ電極と、各種の P T C抵抗値及び P T G特性（ 7 oででの抵抗値と ² oででの抵抗値との比率 R₇₀ R₂₀ で代用する）をもつ P T G抵抗体 1 2 , 1 3 との組合せ条件でできる各種の P T G発熱線を、前記電気カーべットに組み込み通電試験を行った結果、突入電流比が 2倍となる R₇₀/R₂₀ と R_B との関係をプロットしたのが第 7図 (な)に示す「 · 」印点である。同様に長さが 2 Οττΐで、電極抵抗と PTC 特性の各種組合せからなる P C発熱線の組込み後通電試験桔果から、突入電流比が 2倍とる値のみをプロつトしたのが、同図 09)に示す「X」印点である ο これらの結果をもとに、 R_{7 0} R_{2 Q} と Ri 及び Lの関係式を導き出して次の結果を得た。

0.1

1.4 4 - = ^O g LXRj ) g(R 7 ₀ZR _{2 0} ) - o.2 o

この関係式ば第 7図の実験結果と非常に良く一致し、一般化に成功できた。ここで、突入電流比が 2倍以下が制約条件である故に、前記関係式も

1.44 一

とる。この関係式を用いると、例えば、 P T G抵抗体の PTC 特性が第 5図に示すように R_{7 Q}^R_{2 Q} = ³,oの材料を用い、

P T C発熱線長さが 4 2 のとき、突入電流比が²倍以下となるための電極抵抗の下限値は 0.2 9 〔 Ω/771〕とるる。

—方、電極抵抗値が大きい P T C発熱線（ = 1.6〜 2.0 ^ノ771 ) ¾第6図に示すょうな電気カーぺットに組込み、その採暖効果を確認したところ、カーペットの周辺部と中央部とでその表面温度が大きく異な ?、採暖を行う場所によつてその暖感覚が異なるという非常に使い縢手の悪いものであった。これは、 P T G発熱線の発熱密度が発熱線端部と中央部で大きく異なるためと考えられ、それは前述のように P τ C抵抗体³への漏れ電流があるため、電極 ² ，内を流れる電流が電圧印加部ほど多いことに起因すると考えられた。これを防ぐには、電極抵抗を小さくする必要があるが、どの程度小さくすると良いのかという問題が^に生じた。そこで、電極内電位分布，ヒータ温度 . 発熱量などについて詳細に測定を試みた。第 ⁸図は、電極の単位長さ当りの抵抗値が o.⁴ ( ii Z ) で P T C抵抗体の P T G特性が第 5図に示されるものを用いて設計した P T C発熱体を第 6図に示すようにカーペット本体に組込み、電極内電位分布，ヒータ温度 . 発熱分布などについて測定した結果である。なお、 B線は P T C発熱体³の発熱量、 C線は電極 ² , の発熱量、 D線はそのトータル発熱量である。またヒータ長さは ⁴ O ( ) であ、第 3図に示す接続方法にて A C 1 o o (7) を印加した。つま、 P T C発熱体の両端から相対向する電極 2 ， 2'間に A C 1 0 0 (V)を印加したわけであるが、電極抵抗に

5 よる電 Ε降下は電圧印加部に近い程大きくな、 P T C抵抗体

3にかかる電 £ (第 8図中破線 Aで表示）は中央部で最も小さくなる。この電位分布測定結果よ電極発熱を計算し、温度分布測定結果と第 5図の P T G特性よ j? P T C抵抗体の抵抗値を求め、さらに、 P T C抵抗体にかかる電 Eより P T G発熱量を i o 求めている o 電極発熱は電 E印加部と中央部とで大きく異 ]?、その発熱量の差異によヒータ温度は約 1 Oでもの分布が生じている。その温度差によ P T G抵抗値にも分布が生じ中央部で低くなつているが、 P T C抵抗体にかかる電も中央部で低いため P . T G発熱量にはあまり分布は生じていない。よって、

15 このようにヒータ温度に約 1 Οでもの大き分布を生じさせている原因は P T G抵抗体 3への漏れ電流による電極通過電流の分布と考えられ、これを解消するには電極抵抗値を小さくすれば良ぐ、 P T C抵抗体 3の安定時体積固有抵抗値及び発熱体の長さに対する電極抵抗の値によ、本 P T C発熱線の発熱分布 0 の大小が決まると考えられる ₀

そこで、電極抵抗 . P T C抵抗体，発熱線長さをそれぞれ変化させ幾通かの組合せのもとで同様の実験を行った o その結杲、発熱体中央部と電 E印加部の発熱量の比は、つぎに示す^ 次元数によ支配される—ことが明らかになった。

5 R L R τ c

OMPI ここに、 R jt は片側電極の単位長さ当りの抵抗値〔 Z 〕 Lは P T C発熱線の通電経路単位での長さ〔〕、 R_{PT C} は P T C抵抗体³の安定時体積固有抵抗値〔 Ω · 771 〕である。

お、安定時体積固有抵抗値とは P τ C発熱線が電 Ε印加後、熱的に飽和したときの体積固有抵抗値の空間的平均値を意味する。

この無次元数と発熱分布との関係を示したものが第⁹図である。 Β_Β .L²/ _{pT C}の値が約 0.4 よ j9大きくるると発熱分布は急に大きくなることがわかる。また、この無次元数と発熱分布との関係は、印加電 ,保温条件， P T C抵抗体の PTG特性にはほとんど影響を受けず常に成立することが明らかになつた。

よって、 P T G発熱線の中央部発熱と端部発熱の比を ⁸ 5 % 以上にするためには、の関係を満足する必要がある。このとき、カーぺット表面温度は端部と中央部で約³' C以下の差異になり、実用上問題は ¾い。

R _E ' L ²ZR p _{T c}の値が O.4を越えると発熱分布は急に大きくなり、実用に耐え ¾いものとなる。

この様に発熱不均一の度合が、電極抵抗値と P T C発熱線長さと P T G抵抗体 3の安定時体積固有抵抗値とから算出できる無次元数で表わせることは、あらゆる条件下及び、 P T C材料の各種特性のときにも P T C発熱線電極の電極抵抗値の最適値がすぐに見出せるという効果がある。第 1 o図は代表的な採暧器具について使用されている発熱線の長さと電力の関係を見たものであるが、これらの器具に本 P τ c発熱線を使用する場合にも簡単にその電極抵抗値を決定できるという効果がある。例

, . - OMPI • えば、電気カーぺット Eに本 P T G発熱線を利用する場合、適当 ¾採暖温度が得られ、かつ、均一温度にするという制約条件下では、ヒータ長が約 4 o ( )必要であ、その電力が約

3 2 0 W必要とる。このとき、安定時体積固有抵抗値が約

1 5 θ Ο ( Ω · 77Ι ) の P T C抵抗体 3を使用するとした場合、その電極抵抗値は、 0.3 7 5 〔 i /m )以下となる o お、 F はフロアーヒータ、 &は電気毛布、 Hは電気ひざかけ、 Iは電気座ぶとん、 Jはあんかである。

つぎに _¾ 電極抵抗値が大きい場合の第 2の問題点につて、その解決方法を述べる。電極抵抗値が大きい場合、前述のように発熱分布が大きくなるが、それと同時に電極発熱そのものが大きくなる o 電極 2 , 2'には P T G巷性がいため、その発熱量があま大きくな過ぎると異常断熱保温下では高温にな過ぎるという危険性がある o つま ]3、電極² , 部には P T C 抵抗体 3に見られるような自己温度制御機能がないため、その単位長さ当 1?の発熱量を制限するための考慮が必要となる。特に、 P T C発熱線の長さが長くな、高電気容量の商品に使用する場合、これは重要な問題と ¾る。第¹ o図に示したように、一般的な採暖器具においては、その採暖温度レベルゃ採暖温度の均一化のため少なくともその癸熱量は 5 ( W Z )必要であり、電気カーべットに使用する場合、その長さは少なくとも

4 o ( )必要となる o

そこで長さが 4 o ( ）で、発熱量が 5·ο ( W Zm ) の場合の電極 2 ， 2'部での発熱量と _fc 断熟保温条件下での発熱体温度との関係を明らかにするため、各種の電極抵抗値について実 • 験を行った。その結果、印加電 Eが ¹ o o〜 ^{1 2} o(V)では、電極抵抗値が¹. o ( i! Z )以上の高抵抗の場合、 P T C発熱体温度が 1 2 0でを越えることが明らかになった o また、印加電 E 2 o o〜 2 4 o( )では、電極抵抗値が⁴. o ( Ω / )以上のとき、発熱体温度は ¹ 2 0で以上となった。いずれも、電圧印加端子部近傍でのみその最高温度に達しているが、発熱体温度が 1 2 Oでを越えた場合、製品の安全性 .信頼性に欠けることはこれまでの経験よ明らかである。よって、印加電 Eが ¹〇o 〜 1 2 0(V)の条件下で本 P T G発熱線を使用する場合、電極抵抗値は "i.o il Zm )以下に設定する必要がぁ、印加電圧が 2 O O ~ 2 4 o (7)の条件下では、 ⁴.o 〔 Ω Z )以下にしなければなら ¾い。..ただし、発熱量を 5 ( W / ) よ更に高くする場合には、電極抵抗の上限値は、上記の値よ小さくな、厳密な上限値設定が必要と ¾る。

¾お、ここでは、第 3図に示したように一方の電極 ²の一端と他方の電極の他端との間に電 Eを印加する結線方法で発明の内容を説明したが、この第³図において、電極²の一端と他端を短絡し、電極の一端と他端とを短絡し、それぞれの電極

2 ， 2'の両端から電王を印加する方法においては、通電経路単位での発熱線の長さが見かけ上 L Z 2になったとすることによ

D本発明が同様に適用できる。

産業上の利用可能性

以上説明したように本発明は、 P T G発熱線の最適電極抵抗値を含む許容範囲を、数式から求められるようにしたため、その設計が容易にでき、 'かつ、安全性を高め、製品に実装しやす

OMPI WATlO く、使い勝手の良いものにすることができる

Claims

請求の範囲

1 - 対向する一対の電極と、この一対の電極間に設けられた大きな正の抵抗温度係数をもつ P T C C Positive Temperature Coefficient )抵抗体と、前記電極と抵抗体の外周に設けた絶

5 縁外装材とを具備した紐状もしくは帯状構造をもつ P τ c発熱線におて、前記電極の単位長さ当りの抵抗値を R_B 〔 ΩΖτη〕とし、通電経路単位での P T C発熱線の長さを L 〔〕とし、前記 P T C抵抗体の P T C特性を 7 0ででの抵抗値と 2 0 ^UCでの抵抗値との比 R₇₀/R₂₀ で表わすときに、任意の R₇₀ZR₂₀

ΙΟ 及び Lに对して、

O.1

44 - o g (LXR n )

R

)- 0.2 O

R 2 0

なる関係を満たす R _B の値をとる P T C発熱線。

15 2 - 請求の範囲第 1 項において、電極の単位長さ当の抵抗値を R_B 〔 /τη 〕とし、通電経路単位での P τ c発熱線の長さを L 〔〕とし、 P T C抵抗体の安定時体積固有抵抗値を R_PTC 〔 Ω · TO〕で表わすときに、任意の R_{P TC} と Lに対して

R . · L ²/R p _{T c} < 0.4 0 なる関係を満すの値をとる P T C発熱線。

3. 請求の範囲第 ²項において、電極の単位長さ当の抵抗値を R_B I： Ω Ζττι 〕とするとき、印加電 Εが 1 ο ο 2 O f V〕のとき、 Rn < 1.0 〔 2/ 〕なる値をと、 2 0 0〜2 4 0 〔 V 〕のとき、 1^ < 4.0 〔 ^ 771〕 ¾る値をとる？ 1： 0発熱5 霸 · Ο·ΜΡΙ一 ;

4.. 対向する一対の芯糸と、各芯糸上にスパイラルに巻いた電極と、これらの電極間に設けられた大きな正の抵抗温度係数をもつ P T G抵抗体と、前記電極と抵抗体の外周に設けた絶縁外装材とを具備した紐状もしくは帯状構造をもつ P τ c発熱線において、前記電極の単位長さ当の抵抗値を〔 βΖτ¾〕とし、通電経路単位での P T C発熱線の長さを L 〔〕とし、前記 P T G抵抗体の P T G特性を 7 Οででの抵抗値と ² Οででの抵抗値との比 R₇₀ R₂₀ で表わすときに、任意の R₇₀ H₂₀ 及び Lに対して、

0.1

1.44 —

R

og (- )- 0.2 O

R 20

なる関係を満たす R_B の値をとる P T G発熱線。

s. 請求の範囲第⁴項において、電極の単位長さ当！）の抵抗値を R_B 〔 iiZ 〕とし、通電経路単位での P T G発熱線の長さを L 〔〕とし、 P T C抵抗体の安定時体積固有抵抗値を R_PTC 〔 Ω · TO〕で表わすときに、任意の R_PTC と Lに対して

R_S -L R_{P T C} <O.4.

る関係を満す R_K の値をとる P T C発熱線。

6. 請求の範囲第 5項において、電極の単位長さ当 ]3の抵抗値を Ri 〔 i!Zm〕とするとき、印加電 Eが ι ο ο〜ΐ 2 θ 〔ν〕のとき、 Β， ≤ 1.0 〔 11 771 〕なる値をと ]5、 2 00〜2 4 0

〔 V 〕のとき、 < 4.0 〔 β Ζττι〕なる値をとる P T C発熱 ο

7· 芯糸上にスパイ-ラルに巻いた第 ¹ の電極と、この第 ¹ の電

OMPI 極上に設けられた大き ¾正の抵抗温度係数をもつ P T G抵抗体と、前記 P T C抵抗体の外周にスパイラルに巻いた第 ²の電極と、この第 2の電極の外周に設けた絶緣外装材とを具備した紐状もしくは帯状構造をもつ P T C発熱線におて、前記電極の単位長さ当 Uの抵抗値を Η_Β 〔 Ω Ζττι〕とし、通電経路単位での P T G 発熱線の長さ ¾ L 〔〕とし、前記 P T C抵抗体の

P T C特性を 70ででの抵抗値と ² Oででの抵抗値との比 H₇₀

/R₂₀ で表わすときに任意の R₇₀ZR₂₀ 及び Lに対して、

0.1

1.44 く 0 g (LXR _B )

R7 0 一

£og ——）— 0.2 o

^R2 0

る関係を満たす R_B の値をとる P T G発熱線。

8. 請求の範囲第 7項において、電極の単位長さ当の抵抗値を Η_Β 〔 Ω 〕とし、通電経路単位での P T G発熱線の長さを L 〔〕とし、 P T G抵抗体の安定時体積固有抵抗値を R_PTC 〔 Ω · 〕で表わすときに、任意の R_{PT C} と Lに対して

なる関係を満す R _E の値をとる P T C発熱線。

9. 請求の範囲第⁸項において、電極の単位長さ当 9の抵抗値を R_B C Ω /τη とするとき、印加電 Eが 1 ο ο〜 ι 20 〔V〕のとき、 R _s < 1.0 〔 Ω /77Ι 〕 ¾る値をとり、 2 0 0〜2 4 0 〔 V 〕のとき、 R_E < 4.ο 〔 Ω Ζττι 〕 ¾る値をとる P T C発熱