JP2529888B2 - サ―ミスタ特性を有する発熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 a. 産業上の利用分野 本発明は、サーミスタ特性を有する発熱体に関する。

b. 従来の技術 第２図は従来技術による抵抗体を用いた発熱体のため
の電気回路である。

このような回路で発熱体としての抵抗素子R_Lに流れる
電流を、抵抗素子R_Lと直列に結合された制御抵抗R_Cの抵
抗値を制御することは可能であるが、制御抵抗R_C自体が
発熱するという問題点がある。また抵抗体材料の代表的
なものはニクロム線等の金属であるので、固有抵抗（又
は抵抗率）があまり大きくなく、かつ小さな形状の発熱
体であって高電圧を印加できるものを形成することは困
難である。

厚膜抵抗体用には高抵抗率の材料があるがこれを用い
た場合、耐熱温度に制限があり発熱体としての使用には
あまり好ましいものではない。

PTCという正特性のサーミスタがあり、ある温度以上
は高抵抗へと自己制御する能力を持つが、温度設定に上
限があり、300℃以上に設定することは困難である。ま
た、PTCの場合、大きな突入電流が問題となる事もあ
る。さらに高抵抗率材料であって、抵抗の温度係数が０
または正のものは実用上ほとんどない。

c. 発明が解決しようとする課題 高い抵抗率材料に着目すると、金属酸化物を主体とす
る半導体系のいわゆるサーミスタ特性を有する材料から
成る抵抗体がある。

サーミスタ特性を有する抵抗体を自己発熱をさせるた
めに電圧を印加すると、この時流れるジュール熱で自ら
の抵抗を減じる。これにより電流が増加し、ジュール熱
がさらに増加し、さらに抵抗が減少し、やがて破壊に至
るまでこのくり返しが続き、いわゆる熱暴走を起こす。
これを制御する為、定電流電源装置を用いるか、単なる
熱暴走を防止する為の電流制限用の固定抵抗を直列に接
続する方法がとられている。

このようにサーミスタ特性を有する発熱体を制御する
ために定電流電源装置を使用すると高価になり、抵抗に
よる電流制限では低温時の立上がりが遅く、あるいは発
熱時に固定抵抗側の発熱も無視できない等の問題があ
る。

d. 課題を解決するための手段 上記課題は、抵抗値の温度係数が負であるいわゆるサ
ーミスタ特性を有する材料から成る発熱素子と、この素
子に直列に接続されたコンデンサから成る発熱体によっ
て解決された。

e. 作 用 コンデンサに抵抗体を直列に接続した交流回路の場
合、抵抗体の抵抗値を変えると、この回路に流れる電流
は抵抗値と、コンデンサの容量と電圧と周波数により決
まる。この時、抵抗値の比較的小さい領域に対しては、
この電流変化が小さくなり、いわゆる定電流の特性が発
現する。

従って、発熱体の発熱が進行し、抵抗値が減少して
も、流れる電流値が一定であるので、熱暴走を起こすこ
とがない。また電流が一定であるので、発熱が進んで抵
抗値が減少することによる発熱体両端電圧が低下し、発
熱体に印加される電力量が低下し、発熱を抑制する方向
へと進む。すなわち、これによって熱暴走が防止され
る。

f. 実施例 コンデンサによる定電流制御能力が安定的に発現する
のは、発熱素子が低抵抗の領域においてである。

本発明の有効的な例としては、室温では定電流領域に
入らないが発熱すると定電流領域に入る程度の抵抗値の
発熱素子を用いる。このとき電源投入時に、電源電圧の
ほとんどを発熱素子側に印加する事が可能となり、抵抗
の温度係数にもよるが、電圧と電流の積により与えられ
る電力は、電源投入時に最大を示したり、投入後発熱ま
での間に最大電力を示す様な特性となり、しかもその後
の発熱によりしだいに電力を減じ、自己制御方向へ向か
う特性を得る事が可能となる。また、抵抗値等の条件の
選定のしかたによっては飽和温度に最大電力を出す設定
も可能となる。

この様な特性はPTCを持つ自己制御性に近いものであ
る。しかしながら、PTCと異なる点はPTCは発熱素子自体
で制御温度が決まってしまうのに対し、コンデンサとサ
ーミスタ特性を有する発熱素子の場合は、平衡点はコン
デンサ容量と抵抗値、Ｂ定数により選定でき、たとえば
同じ発熱体でも条件しだいで100℃以下でも200℃以上で
も設定できる。さらにPTCで設定不能であった温度領域
である300℃以上であっても発熱素子の耐熱性さえ問題
なければ設定可能である。

第１図は本発明に係る発熱体の回路図であり、第３図
はサーミスタ特性を有する発熱素子がR₂₅＝7KΩ,B定数
＝1,500Kであり、コンデンサの容量Ｃが１μＦの時の、
発熱素子の抵抗値Ｒ、発熱素子を流れる電流Ｉ、発熱素
子の両端電圧Ｖ、発熱素子における発熱電力Ｐ、発熱素
子の温度Ｔの時間変化を示す。

電流は、抵抗の高い領域では定電流動作をせず、抵抗
減少につれ徐々に増加しているが、やがて一定値に達し
ている。

又、発熱体両端電圧は抵抗値の減少につれ減少し、こ
れと電流の積として与えられる電力は温度が安定するま
での途中に最大点を形成し、その後減少して安定域に入
っている。

このような動作は、発熱体としては温度の立上りを早
める上で好ましいものである。又発熱体に対する熱負荷
により安定時の抵抗値が変化する場合、印加電力もそれ
に従って変化することを示している。すなわち、熱負荷
が大きくなり発熱体の温度が下がると抵抗値が上がりＰ
＝1²Rにより電力が増加する。又熱負荷が小さくなり、
発熱体温度が高くなると、抵抗値が下がり、同様に電力
が減少する。

PTCほど抵抗変化が急峻でない為定温制御とまでは行
かないが負荷変動に対し自己発熱量を修正する特性を持
っている。

第４図は、同じ発熱体（R₂₅約7KΩ、Ｂ定数1,500K）
のものでコンデンサ容量を半分の0.47μＦとした条件で
測定したものである。印加電力が半分以下になり発熱温
度も約200℃から約100℃となった。電力ピークの位置も
移動し、全体的に特性が変化している。

この様に同じ発熱体であっても制御側のコンデンサの
条件を変えることにより特性を変化させることが可能で
ある。

なおサーミスタ特性を有する抵抗体と、コンデンサを
同一基板上に形成することも可能であり、この時はコン
デンサの容量の温度変化を考慮しながら容量を定めるこ
とが好ましい。

g. 発明の効果 ｉ）従来制御がむずかしく発熱体として利用される事の
少なかったサーミスタ特性を有する発熱体をコンデンサ
により電流制御することにより熱暴走を防止、制御する
ことができる。

ii）同一の発熱素子を用いてもコンデンサの容量を変え
ることにより、設定発熱温度を変えることができる。

iii）環境の温度が下がると、発熱量が増加し、温度変
化が少なくなるように動作する。

iv）サーミスタ特性を有する抵抗体の抵抗値を小さく
し、コンデンサによる定電流域での制御状態とし、その
抵抗体の両端電圧の変化を温度変化の情報として、制御
に用いることができる。

ｖ）サーミスタ特性を有する発熱素子にあたる風量の変
化による発熱素子の温度変化をその発熱素子の両端電圧
の変化に変換し、風量変化の情報を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る発熱体の回路図、第２図は従来技
術による抵抗体を用いた発熱体の回路図、第３図と第４
図は本発明に係る発熱体における発熱素子の抵抗値Ｒ、
電流Ｉ、両端電圧Ｖ、発熱電力Ｐ、発熱温度Ｔの時間変
化を示すグラフである。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】抵抗値の温度係数が負であるサーミスタ特
   性を有する材料から成る発熱素子と、コンデンサと、該
   発熱素子と該コンデンサから成る直列回路に電力を供給
   する交流電源からなることを特徴とするサーミスタ特性
   を有する発熱体。
2. 【請求項２】上記発熱素子のインピーダンスの大きさよ
   り上記コンデンサのインピーダンスの方が大きいことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のサーミスタ特性
   を有する発熱体。
3. 【請求項３】抵抗値の温度係数が負であるサーミスタ特
   性を有する発熱素子に流れる電流をこの発熱素子に直列
   に接続されたコンデンサの容量を調節することにより、
   交流電流が流れるときの上記発熱素子における発熱量を
   制御することを特徴とするサーミスタ特性を有する発熱
   素子の制御方法。
4. 【請求項４】上記発熱素子のインピーダンスの大きさよ
   り上記コンデンサのインピーダンスの大きさの方が大き
   いことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のサーミ
   スタ特性を有する発熱素子の制御方法。
5. 【請求項５】上記発熱体の両端電圧を温度情報信号とし
   て利用することを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   のサーミスタ特性を有する発熱素子の制御方法。