JPH02304892A - 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、暖房器具や一最加熱器具に用いられる、有機
材料を基材とす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 従来の正の抵抗温度係数をもつ発熱体は、例えば特公昭
５７−４３９９５号公報や特公昭５５−４０１６１号公
報に示されているような構成であり、一対の電極間の抵
抗体の正抵抗温度特性により適宜な温度に自己制御され
ているものであった。

しかし、特に大きな電力密度が要求される場合において
は、有機材料を基材とする発熱体は熱伝導率が不十分で
あるために、熱を取り出すことができないばかりか、局
部的な熱の集中により発熱体自体が破壊する現象が発生
し、高出力化の道は閉ざされていた。その解決策として
特公昭６２−５９５１５号公報や第３図に示すように、
一対の電橋間距離を互いに極端に接近させて、熱抵抗を
大幅に低減する構造が考案されている。第３図において
、１．２は互いに接近して設けられた一対の平行平板電
極であり、この間に結晶性重合体に導電性微粉末を混合
分散して形成した抵抗体３を配することにより高出力の
正抵抗温度係数発熱体を現出しようとするものである。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような従来の正抵抗温度係数発熱体
は、高出力を現出するための構造としては非常に優れて
いたが、接近した一対の電極間に構成される抵抗体材料
にはより多くの課題が課せられた。

それらをまとめると、 （１）近接電極構造で一般家庭用の１００Ｖの電圧に対
応するためには、１０’〜１０’ΩＣ１の半導体領域の
体積固有抵抗値の抵抗体を形成する必要があるが、この
抵抗値領域は導電性微粉末の添加量に対する抵抗値の依
存性が極めて大きく、一般的な加工方法では抵抗値の制
御が困難である。

（２）近接電極構造で一般家庭用の１００Ｖの電圧に対
応するためには、ＩＫＶ〜５ＫＶ／ｃｍレバーの電圧勾
配に余裕をもって耐える必要があり、また、異極間に並
列に接続された抵抗体のどの異極間においても抵抗特性
の異常による電圧破壊を防止しなければならない。これ
も、一般的な加工方法では抵抗特性を微細な部分まで均
一に管理することは不可能である。

（３）　　ｔｏ３〜１０ＳΩｃｍの半導体領域の体積固
有抵抗値を考慮すると、導電性微粉末の組成比を大幅に
低減する必要がある。その結果、導電性微粉末同志の接
触点の数も激減し、抵抗温度特性が結晶性重合性の融点
近傍の急激な体積膨張のみによって制御されるだけでは
なく、より低温域の熱膨張。

内部応力、熱応力等の影響をより顕著に受けるようにな
って、正抵抗温度特性に望ましくないゆらぎが発生する
傾向が強まる。

（４）同様に、経時変化において、結晶性重合体の結晶
成長２発熱体各部の熱応力、あるいは導電性微粉末の凝
集等によって、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、温度と電力の安定性に欠け、非常に短
い発熱寿命であったり、異常過熱１発煙９発火等の危険
性がある。

このように、導電性微粉末の組成比を調整するだけのレ
ベルでは、接近した一対の電極間に形成される抵抗体と
しての機能を満すことに程遠く、特に、１００ｖ電源で
の使用を前提とし、体積固有抵抗値１０”０ｃｍ以上の
抵抗体を用いた高出力かつ高信頼性の正抵抗温度係数発
熱体を作り出すことができなかった。

本発明はかかる課題を解消すると共に、機械変形にも耐
え得る、より高信頼性の正抵抗温度係数発熱体を提供す
るものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために、本発明の正抵抗温度係数発
熱体は、結晶性重合体とカーボンブラ・ンクを主成分と
する導電性組成物を電子線あるいは有機過酸化物等で架
橋した後に細分化して形成される正抵抗温度係数を有す
る導電性組成物微粉末と、カーボンブラックを適量添加
してなる結合樹脂との複合組成物からなる正抵抗温度係
数抵抗体と、前記抵抗体と一体に形成される一対の電極
体と、これら全体を被覆するｗＡ縁外装体とから構成す
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、結晶性重合体中にカーボンブラックを高圧率
で分散したものを、電子線もしくは有機過酸化物によっ
て架橋した後、細分化して、導電性組成物微粉末を一旦
形成する。この導電性組成物微粉末は正抵抗温度特性を
有するとともに、カーボンブラックよりも数桁高い体積
固有抵抗値を示し、正抵抗温度特性の導電フィラーとい
うべき素材となる。この導電フィラーを結合樹脂中に分
散してなる組成物は、４電フイラーの直列および撞列結
合の抵抗ネットワークを構成するから、より高い体積固
有抵抗値の正抵抗温度特性抵抗体組成物となる。この抵
抗ネットワークの結合点は結合樹脂を介しての導電フィ
ラー界面の接触結合であるから、熱応力や曲げ等による
変位に対しては必ずしも安定とは言えず、その不安定個
所への電圧集中印加によって導電バスが破壊されやすく
なる。

結合樹脂に適量添加されているカーボンブラックは、そ
れ自身が主体的な導電パスを形成するだけの添加量では
ないが、導電フィラー同志の接触界面の接触抵抗を大幅
に低減するとともに安定化し、電圧集中印加によるミク
ロ的な破壊現象の進行を未然に防止することができる。

この結果、特に、近接した一対の電極間に高体積固有抵
抗値の正抵抗温度特性抵抗体を配置して、高出力を発生
させるような用途において、導電フィラー形成方式によ
る初期抵抗値の制御性を生かし、一方では、その欠点と
される導電ネットワークのミクロ破壊現象を大幅に遅延
化するため、使用可能時間を長時間保証することが可能
となる。この作用により、高出力ながら機械変形が加わ
る等の過酷な使用環境においても信鎖性を保証できる正
抵抗温度係数発熱体を構成できる。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。例えば、第１図に示すように、厚さ０．６閣の正抵
抗温度係数抵抗体４の上下面に金属箔電極５，６が装着
され、さらに両者を外装材７゜８によって外装されてい
る。第１図のような構成の発熱体において１００　Ｖを
印加し、発熱を得るためには、固を抵抗値が１０４Ωｃ
ｍレベルを上回る高抵抗領域の正抵抗温度係数抵抗体が
不可欠である。

結晶性重合体組成物に導電性微粉末を１０’ΩｃＩＩＩ
の固有抵抗値になるように調整しつつ添加するだけでは
安定な材料とはなり得ない。そこで、正抵抗温度係数抵
抗体４は次の手順により作製した。

実施例（１） 低密度ポリエチレン４５部とファーネスブランク５５部
を１４５°Ｃの加熱ミキシングロールで混練しつつ、架
橋剤としてジクミールバーオキサイドを混練物１００部
に対して３，５部添加し、十分に分散させた。混練物を
シート状に取り出した後、１６０°Ｃで１時間の熱処理
を施すことによって架橋反応を完了させた。さらに、冷
凍粉砕によって平均粒子径１０ｐｍの導電性組成物微粉
末を得た。一方、これとは別に高密度ポリエチレン８０
部とファーネスブランク２０部を１６０°Ｃの加熱ミキ
シングロールで混練し、低導電性高密度ポリエチレンを
作製した。

ついで、この低導電性高密度ポリエチレン４０部と導電
性組成物微粉末６０部を１６０°Ｃの加熱ミキシングロ
ールで混練し、正抵抗温度特性抵抗体組成物を得た。こ
のシートを２００°Ｃの熱プレスでｗ４箔／抵抗体０．
６！ＩＩ／銅箔の積層構造素子を作製した。

次いで、ポリエステルフィルム／アイオノマー樹脂積層
フィルムで熱融着外装し、１７０°Ｃで３時間のアニー
ルを施し、所定の抵抗特性を有する正抵抗温度係数発熱
体を得た。なお従来技術に基づく比較例として、カーボ
ンブラックを添加しない高密度ポリエチレン３３部と導
電性組成物微粉末６７部の正抵抗温度特性抵抗体組成物
を作製し、同様にして正抵抗温度係数発熱体を作製した
。またファーヱスブラック２０部の低Ｓ電性高密度ポリ
エチレンについても、同様の加工を施し、発熱体形状サ
ンプルを得た。

これらのサンプルについて曲率２００鴫に曲げて、応力
を発生させた状態にして、連続通電試験を実施した。試
験結果を第２図および表（１）に示す。第２図において
、従来仕様のサンプルは約１２５０　ｈ　後に温度が大
きく低下し、ライフエンドの様相を示している。しかし
ながら、本発明に恭づくサンプルは４０００　ｈ時点に
おいても温度の低下傾向が見られていない。この結果は
応力の存在下における促進試験であるが、実用状態にお
いても、同様以上の差異が生じるものと考えられる。こ
のように、結合樹脂部分へのカーボンブラックの添加に
よって、発熱体の寿命はさらに大きく延長されることは
明らかである。また、表（１）から明らかなように、低
導電性高密度ポリエチレンの体積固有抵抗値は掻めて高
く、１０７Ω印レヘルであり、発熱体の抵抗特性を支配
するには至らないことも明らかである。

表（１） （サンプル幅＝１０間、長さ：２００嘘、厚さ：０．６
−）実施例（２） 低密度ポリエチレン４５部とファーネスブラック５５部
を１４５°Ｃの加熱ミキシングロールで混練しつつ、架
橋剤としてジクミールパーオキサイドを混練物１００部
に対して３．５部添加し、十分に分散させた。混練物を
シート状に取り出した後、　１６０”Ｃで１時間の熱処
理を施すことによって架橋反応を完了させた。さらに、
冷凍粉砕によって平均粒子径７０μｍの導電性組成物微
粉末を得た。この導電性組成物微粉末６０部と高密度ポ
リエチレン３２部を１６０°Ｃの加熱ミキシングロール
で混練し、高抵抗の正抵抗温度係数抵抗体組成物を得た
０次いで、ファーネスブラック８部を追加添加して混練
を完了した。同様にして、ファーネスブラックを４部追
加添加したもの、１５部追加添加したものを作製した。

こうして得られた正抵抗温度係数抵抗体３組成を２００
’Ｃの熱プレスで銅箔／抵抗体０．６ｍｓ／銅箔の積層
構造素子を作製した。次いで、ポリエステルフィルム／
アイオノマー樹脂積層フィルムで熱融着外装し、１７０
°Ｃで３時間のアニールを施し、３水準の抵抗特性を有
する正抵抗温度係数発熱体を得た。

これらのサンプルについて曲率２００ｍに曲げて、応力
を発生させた状態にして、連続通電試験を実施した。試
験結果を第３図および表（２）に示す。第３図において
、ファーネスブラック８部を追加添加したものは、組成
比率において実施例（１）と同一であり、４０００　ｈ
時間経過時点で温度が大きく低下する傾向は見られず、
混練手順の影響は比較的少ないといえる。これに対し、
ファーネスブランク４部を追加添加したものは寿命の延
長効果が顕著ではなく、導電経路の安定化に寄与できる
だけのカーボンブラック添加量に達していないことが明
らかである。一方、ファーネスブラック１５部を追加添
加したものは表（２）から明らかなように低抵抗であり
、導電性組成物微粉末にほぼ匹敵する導電経路を形成し
ているものと考えられる。この組成では導電性組成物微
粉末の種々の優位性が失われることは明らかである。こ
のように、結合樹脂部分への適度のカーボンブラックの
添加によって、導電性組成物ｖｌ！粉末の特長が生かさ
れるといえる。

結合樹脂部分の体積固有抵抗値は導電性組成物微粉末部
分の少なくとも２倍以上が望ましく、好ましくは１桁以
上が適切であるといえる。

表（２） （サンプル幅：ｌｏｍ、長さ：２００Ｍ、厚さ：０．６
ａｍ）なお、結晶性重合体としては、ここに記したもの
に限定されるものではなく、中密度ポリエチレン、高密
度ポリエチレン、ボリブデン、ポリプロピレン、ポリメ
チルペンテン、ポリアミド、ポリエステル、ポリフッ化
ビニリデン、さらには、アクリル酸やマレイン酸等の有
機酸グラフト結晶性重合体、エチレン・エチルアクリレ
ート等の共重合体あるいはアイオノマ等の誘導体等全て
利用可能である。導電性微粉末としてはチャンネルブラ
ック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ランプ
ブランク等のカーボンブラックの中で顕著な正抵抗温度
特性を示すものが利用可能である。

そして、結合樹脂としては、上記の結晶性重合体が利用
できるだけではなく、さらに、ニトリルゴム、ブチルゴ
ム、アクリルゴム等の各種エラストマ、ポリエステル等
の各種樹脂、各種熱可塑エラストマ等、極めて多くの材
料の中から選定可能である。そして、結晶性重合体と結
合樹脂を同一の材料から選定することも可能である。そ
して、特に有用な材料として、カルボキシル基を含有す
るアイオノマ、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン
・エチルアクリレート、マレイン酸等をグラフトしたポ
リエチレンやポリプロピレン等があげられる。これらの
材料は、導電性微粉末との親和性や架橋時の反応性に優
れているだけでな（、電極との接着性を確保するために
も非常に有利である。一般には、電極との接着性が重要
であり、その場合には結合樹脂にカルボキシル基を含む
材料を選定することがぞましい、架橋剤に関しては、ジ
クミールバーオキサイドに限定されるものではなく、結
晶性樹脂の融点に合わせて半減１Ｉｌｌ温度の適切な材
料が選定できる。

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
非常に接近した電橋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導電性微粉末同志の
接触点の数が大幅に減少するために、抵抗温度特性は結
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
、より低温度域の熱膨張、熱収縮等による各種構成材料
の熱応力によると想定される不安定な成分が飛躍的に増
大することになり、多くの改良がなされたにもかかわら
ず、半永久といえるだけの長期の寿命特性を確保するこ
とが不可能であった０本発明の正抵抗温度係数発熱体は
、こうした問題を解決するものである。すなわち、架橋
によりカーボンブラックを導電性組成物微粉末中に固定
し、また、この導電性組成物微粉末相互をカーボンブラ
ックを適量添加した半導電性結合樹脂によって電気的に
安定に結合するという新規の抵抗体構造を導入すること
により、１０’〜１０”ΩＣ＋ａレベルの固有抵抗値は
もちろん、１０’〜１０５ΩＣ−の領域までにおいて、
抵抗値の制御性と長期にわたる寿命特性を保証し得る、
高信鎖性の正抵抗温度係数抵抗体組成物を実現した。こ
の組成物を応用することにより、高出力で長寿命の正抵
抗温度係数発熱体を提供するものである。この結果、融
雪用の発熱体や床暖房用の発熱体として住宅に組み込む
ような用途においても、住宅に比較して寿命が大幅に見
劣りすることがなくなり、メンテナンスの面での不安要
素を解消することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の正抵抗温度係数発熱体の斜
視図、第２図は本発明の実施例（１）に示す正抵抗温度
係数発熱体の寿命特性を示す図、第３図は本発明の実施
例（２）に示す正抵抗温度係数発熱体の寿命特性を示す
図、第４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。 ４・・・・・・正抵抗温度係数抵抗体、５，６・・・・
・・金属箔電極、７．８・・・・・・外装材。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名４−正抵ス
Ａ７！Ｌ、ｒ示数抵祝朱 ｓ、　ｇ−一金Ａ分電」反 ７、８−−一舛ザ頼」才 第１図 １２図 ！！轡間（尤）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）結晶性重合体とカーボンブラックを主成分とする
   導電性組成物を電子線あるいは有機過酸化物等で架橋し
   た後に細分化して形成される正抵抗温度係数を有する導
   電性組成物微粉末と、カーボンブラックを適量添加して
   なる結合樹脂との複合組成物からなる正抵抗温度係数抵
   抗体と、前記抵抗体と一体に形成される一対の電極体と
   、これら全体を被覆する絶縁外装体とからなる正抵抗温
   度係数発熱体。
2. （２）結晶性重合体と結合樹脂が共に結晶性のポリオレ
   フィンである請求項（１）記載の正抵抗温度係数発熱体
   。
3. （３）カーボンブラックを適量添加してなる結合樹脂単
   独での体積固有抵抗値が、カーボンブラックを含まない
   結合樹脂と導電性組成物微粉末の体積固有抵抗値よりも
   少なくとも１桁以上高抵抗値である請求項（１）または
   （２）記載の正抵抗温度係数発熱体。
4. （４）正抵抗温度係数抵抗体の体積固有抵抗値が１０＾
   ３Ωｃｍ以上であり、かつ一対の電極間の距離が１ｍｍ
   以下である請求項（１）から（３）のいずれかに記載の
   正抵抗温度係数発熱体。