JPH0533509B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は採暖器具および一般の加熱装置等とし
て有用な正抵抗温度係数発熱体（以下PTC発熱
体と称す）に関するものである。

従来の技術 従来から結晶性高分子中に導電性微粉末を分散
した抵抗体組成物が顕著なPTC特性を示すこと
が知られていて、この組成物を用いて自己温度制
御性を有する発熱体を構成する試みがなされてき
た。この方式の利点は抵抗体の形状加工性が優れ
ていて任意の形状が容易に得られること、可撓性
に優れていること、抵抗値の調整範囲が広いこと
にあり、これまでに比較的低電力密度の面状発熱
体および長尺可撓性発熱体として用いられてき
た。

しかし、大きな電力密度が要求される場合にお
いては発熱体自体の温度分布を一様にするための
均熱板が不可欠となり、従来のPTC発熱体にお
いては第６図に示すように、熱伝導性の良好なア
ルミナ焼結体から成る電気絶縁基板１の上に、導
電性微粉末を結晶性高分子中に分散した材料を主
成分とするPTC抵抗体２を密着して構成し、そ
の両端部に１対の電極３，４を設ける等の対策が
講じられていた。（特公昭55−40161号公報） 発明が解決しようとする問題点 このような従来の高電力密度PTC発熱体では
均熱板が不可欠であつて、均熱板がなければ電圧
集中による局部異常発熱現象を生じ、正常な発熱
特性が得られなくなる。また、均熱板があつて
も、アルミナ焼結体のような電気絶縁材料の熱伝
導率には限界があり、電圧集中発生を防止するた
めの十分な余裕がなかつた。さらに、アルミナ焼
結体のようなセラミツク材料は可撓性がなく、被
加熱物との密着性が不十分であつたり、最大加工
寸法の制約から一体で構成される発熱体の寸法形
状にも限界があつた。セラミツク系の均熱板に代
わる材料として、アルミニウム等の高熱伝導率金
属板とポリステルフイルム等の電気絶縁板との貼
り合わせ均熱板が考案されているが、耐電圧特性
を十分に満足するだけの電気絶縁板の厚みを設け
ると、アルミナ焼結体を上まわる均熱効果を得る
ことは困難であり、大きな電力密度を得ることが
できなかつた。このように、従来の高電力密度
PTC発熱体は均熱板に起因する諸問題が山積し
ていて、これ以上の発展の余地がなかつた。

問題点を一挙に解決するためには均熱板に依存
する必要のないPTC発熱体を導入することが重
要であつた。この点に着目して検討を進めた結
果、電圧集中現象が発生している部分の幅が数ミ
リメートル以下であることを見出し、その範囲内
に一対の電極を設置すれば、電極間の電圧勾配お
よび発熱分布がほぼ一様になるものと推定され
た。さらに検討を進めた結果、PTC抵抗体の表
面に微細くし形電極を設けると、電極の占める面
積が相当大きくなり、有効発熱部がほとんどなく
なつて、それ程大きな電力密度が得られないこと
がわかつた。その解決策としてPTC抵抗体の厚
さ方向への電圧印加方式を導入し、実験を積み重
ねた結果抵抗体の厚さが５mm以下であれば極端な
電圧集中現象は観測されなかつた。また、厚さ１
mm以下では、大きな放熱負荷のものに2W／cm²
（60deg昇温）の発熱時にも異常がみられなかつ
た。この結果から、厚さ５mm以下の薄肉状PTC
抵抗体の両面に電極を設けた発熱体は、電極間の
熱拡散能力が高く、本質的に電圧集中現象が発生
し得ないとの結論に達した。しかしながら、電圧
集中による抵抗体の破壊現象は生じないものの、
大きな熱負荷に対しては、発熱体電極間に意外に
大きな電圧勾配分布と温度分布が存在し、局部的
な抵抗体組成物の熱劣化が発生したり、熱の伝達
損失が生じるので、抵抗体の厚さは少なくとも３
mm以下、好ましくは１mm以下であることが判明し
た。この構造の発熱体は非常にシンプルな構成で
あり、均熱板に起因する様々な制約から解放され
るので、性能面、構造面、工法面で大きな飛躍が
得られるものと期待された。

この結論のもとに具体的な検討に着手すると、
PTC抵抗体組成物の耐電圧特性、絶縁距離の確
保、端子処理方法、取付け構造、熱の取出し方法
等に関する諸問題が山積し、実用に程遠い状態に
あつた。代替手段としてチタン酸バリウム焼結体
のようなセラミツク系のPTC抵抗体を検討した
結果では、電力密度、耐熱性、耐電圧特性、熱伝
導率に優れ、小型の加熱ユニツトを構成するうえ
において基本的な問題点はないと判断された。し
かしながら、焼結体であるために可撓性が全くな
く、大面積あるいは長尺の加工が著しく困難とい
う課題があり、従来の面状発熱体や長尺可撓性発
熱体のような薄肉、大面積、均一発熱、可撓性、
連続長尺加工といつた機能を満すことは困難であ
つた。これらの点から判断して、セラミツク系
PTC抵抗体は断念し、有機系PTC抵抗体を用い
た場合の諸問題を解決するのが唯一の道であるこ
とを確認した。以下、本発明が解決しようとして
いる具体的問題点について説明する。

有機材料を主成分とし、厚さが３mm以下、好ま
しくは１mm以下の薄肉PTC抵抗体の厚さ方向に
電圧を印加する方式の発熱体は、電圧集中現象が
容易に発生しないために、単位面積当りの出力を
大きく設定できる特長がある。しかし、その反
面、被加熱物との熱の伝達状態が不完全ないし不
安定であると、十分な出力が得られなかつたり、
出力が不安定になる等の問題点があつた。その原
因は、高出力に設定されたPTC発熱体特有の現
象として、発熱体から奪う熱量が少なければ出力
が極端に制限され、その熱量が多ければ出力が大
幅に増大するという自己温度制御機能が生じる
が、その可変帯域が非常に大きいことのデメリツ
トによるものである。これらの欠点を克服して、
安定な高出力を得るためには、PTC発熱体の熱
を少しでも多く奪い取り、PTC抵抗体の温度を
少しでも低下させ、より多くの発熱量を得る必要
があり、また、熱の伝達経路をしつかりと構成
し、発熱体温度がゆらぐことを防止する必要があ
つた。しかしながら、高出力になればなる程発熱
体形状寸法が小型で済むことから、被加熱物の表
面のわずかの凹凸になじませて密着させようとし
ても、その変形スパンが小さいがための不完全に
密着状態しか得られなかつた。そして、さらに、
発熱体の発熱と冷却による熱歪や、長期使用によ
る経年的な形状変形が加わるために、その密着状
態は一層不完全なものになつて、所定の出力が得
られないばかりか、出力が不安定で変動幅が大き
かつた。この対策として、被加熱物の周囲に発熱
体を巻き付け、さらに、その外側からバンドで締
めつけるといつた方法も考えられるが、被加熱物
が柔軟物である場合や、凹部であつたり平面部で
あつたりする場合にはこの方法は使えず、有効な
対策はなかつた。

問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、結晶性高
分子中に導電性微粉末を分散させた組成物を主成
分とする厚さが１mm以下の薄肉帯状の正抵抗温度
係数抵抗体と、前記抵抗体の厚さ方向に電圧を印
加すべく設けられた一対の電極体からなる発熱素
子と、前記発熱素子の周囲を熱融着層を介して密
封被覆するとともに被覆部から幅方向に大きく広
がる接着助走部を有する薄肉の外装材よりなり、
前記外装材の伝熱面側を平面に沿う形状、他方を
発熱素子外表面に沿う形状になるように成形する
とともに、前記外装材の接着助走部が前記発熱素
子中央部に比較して可撓性をはるかに大にしてな
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、薄肉PTC抵抗体の厚さ方向に電圧を
印加する方式のPTC発熱体は単位面積当りの出
力が大きく、発熱素子そのものは小型化できる
が、取扱う熱量は非常に大きく、その熱量が見合
う安定した熱の伝達経路を形成する必要がある。
その伝達通路の形成のために、発熱素子の周囲を
熱融着層を介して密封被覆するとともに被覆部か
ら幅方向に大きく広がる密着助走部を有する薄肉
の外装材を設ける。その作用は、発熱素子の周囲
を熱融着層を介して密封被覆されてなる部分は小
型化されたことによつてスパンが小さくなり、単
独で被加熱面に密着させるには相当の押圧が必要
であるが、接着助走部を含む、全体では、可撓性
部分が案内板となつて、比較的弱い力で密着させ
ることができる。また、付加メリツトとして、こ
の接着助走部は熱拡散に大きく寄与し、被加熱物
との密着部分の熱抵抗を低下させることができる
し、接着剤等で固定する場合の密着度と強度を大
幅に向上することもできる。これらの相乗作用に
よつて、熱抵抗が低く、しかも安定した熱の伝達
経路が形成され、その結果、高出力を安定に得る
ことができる。

実施例 以下実施例を添付図面にもとづいて説明する。

（実施例１） 第１図は本発明を捕捉的に説明するものであ
り、第１図において、５は厚さ0.3mmで幅５mmの
PTC抵抗体、６および７はPTC抵抗体５の両面
に密着するように構成された一対の銅板の電極で
ある。８はPTC抵抗体５と電極６および７から
成るPTC発熱素子の周囲を外装する軟質塩化ビ
ニル外装材であり、９は外装材８に一体に接着さ
れた軟質塩化ビニルシートから成る幅15mmの平面
部材である。９の平面部材は外装材８に対し、曲
げ剛性を大きく設定しているので、平面部材９の
変形形状を外装材８に反映することができる。一
方、平面部材９の幅寸法は15mmに設定しているの
で、一定のたわみを与えるのに必要な荷重は小さ
くて済み、平面部材９自体の歪を矯正しつつ、わ
ずかな曲率を伴う略平面状被加熱物の面に容易に
沿わせることができる。その結果、外装材８の部
分も外装材９に追従して変形するので、被加熱物
の面に密着することになる。また、平面部材９は
熱拡散板としても機能し、熱の伝達が不安定にな
りがちな被加熱物との接触面の熱抵抗を低減す
る。さらに、接着剤等で固定する場合に、接着強
度だけでなく、外装材８のスプリングバツクによ
る応力に対して粘着力が勝り、空気層の発生や浮
きを防止する機能もある。これらの機能の相乗作
用によつて、PTC抵抗体５から被加熱物へ至る
熱伝達経路の熱抵抗を大幅に低減できるし、取付
状態等による変動要素を排除して、安定な熱的結
合状態を得ることができる。

第２図も本発明を補足的に説明するものであ
り、第２図において、PTC抵抗体５および電極
６，７から成る発熱素子部分は第１図と同一であ
り、１０は第１図における外装材８と平面部材９
の機能を兼ね備える構成の平面部材で、半硬質塩
化ビニルを押出成型加工したものである。平面部
材１０は、可撓性を確保しつつ、その端面での変
形状態を発熱素子部分を伝えるためにテーパ断面
形状としている。この構成は構造がシンプルで加
工性が優れている点に特長がある。

第３図も本発明を補足的に説明するものであ
り、第３図において、PTC抵抗体５、電極６お
よび７部分は第１図と同一であり、１１は樹脂フ
イルムから成る外装材で、PTC抵抗体５の側面
と上面を覆うように加工されている。１２は樹脂
フイルムから成る平面部材であり、樹脂フイルム
１１と１２はその接合部分において熱融着シール
を処すことにより、一体に構成されている。ま
た、樹脂フイルム１２の厚さは樹脂フイルム１１
に対して1.5とし、曲げ剛性比３以上で平面度を
維持している。この構成は樹脂フイルムを用いる
ことにより、押出加工では容易でない薄肉加工を
可能とするものである。なお、平面部材１２は樹
脂フイルムだけでなく、マイカ等の高剛性無機材
料を用いることもできる。

第４図も本発明を実施例を説明するものであ
り、第４図において、５のPTC抵抗体、６およ
び７の電極部分は第１図と同一であり、１０は電
極６ないし７を介して密封被覆するとともに、被
覆部から幅方向に大きく広がる接着助走部を有す
る薄肉の外装材であり、下面は平面部材をなして
おり、第２図と同様の構成である。１３は溶融温
度の低い樹脂から成る熱融着層で、電極６ないし
７と平面部材１０との間を充填している。熱融着
層１３の効果は、加工時のクツシヨン材であり、
平面部材１０を平面に仕上げることを優先して
も、他の部分に加工歪が残らないようできる。ま
た、PTC抵抗体５と平面部材１０との間の空気
層をなくし、熱抵抗を低減する効果がある。さら
に、充填するだけでなく、接着性を付与すること
により、発熱体を完全に一体化することもでき
る。

実施例 ２ 第５図において、５のPTC抵抗体と６および
７の電極は第１図と同一である。１４は樹脂フイ
ルム外装材１５に貼り合わされた熱融着層で、
PTC抵抗体５の側面と上面を覆うように加工さ
れている。１６は樹脂フイルム平面部材１７に貼
り合わされた熱融着層で、外装材１５と平面部材
１７とは、熱融着層１４および１６を介して一体
に構成されている。平面部材１７は外装材１５に
対して、肉厚で２倍、曲げ剛性で８倍として平面
形状を保つている。この構成の特長は、押出加工
では困難であつた薄肉の外装材１５と平面部材１
７の加工を可能とすると共に、その加工と同時
に、熱融着層１４および１６によつて、抵抗体５
と外装材１５と平面部材１７とを一体化できる点
にある。

発明の効果 以上述べてきたように、本発明によれば、
PTC発熱体を被加熱物に装着する場合の熱の伝
達特性を大幅に改善するとともに、その変動要素
を極力低減することを可能とするものである。薄
肉PTC抵抗体の厚さ方向に電圧を印加する方式
のPTC発熱体自体は高出力に耐え得る構成であ
るが、その出力を有効に安定に取り出すために、
本発明は極めて有効であり、欠くことのできない
ものである。

この結果、下記に示す効果を奏するものであ
る。

(1) 被加熱物に接着した時の密着性が飛躍的に安
定するために熱の伝達特性が改善され、高出力
を安定に取り出すことができる。

(2) 被加熱物に接着した時の発熱素子の発熱と放
熱の不平衡箇所が発生しないために抵抗値の不
連続点が存在せず、極めて長寿命、高信頼性の
正抵抗温度係数発熱体を形成できる。

(3) 発熱素子の可撓性は小さいが、余白部分は十
分な大きさと可撓性を付与されているために装
着面の多少の凹凸にも柔軟に対応できるので接
着加工性が良好である。実装時においてもはる
かに高出力で、可撓性と加工性に優れたPTC
発熱体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のPTC発熱体
を補足説明する部分斜視図、第２図は本発明の第
１の実施例のPTC発熱体を補足説明する部分斜
視図、第３図は本発明の第１の実施例のPTC発
熱体を補足説明する部分斜視図、第４図は本発明
の第１の実施例のPTC発熱体の部分斜視図、第
５図は本発明の第２の実施例のPTC発熱体の部
分斜視図、第６図は従来のPTC発熱体の部分斜
視図である。 ５……PTC抵抗体、６，７……電極、８，１
１，１５……外装材、９，１０，１２，１７……
平面部材、３，１４，１６……熱融着層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 結晶性高分子中に導電性微粉末を分散させた
   組成物を主成分とする厚さが１mm以下の薄肉帯状
   の正抵抗温度係数抵抗体と、前記抵抗体の厚さ方
   向に電圧を印加すべく設けられた一対の電極体か
   らなる発熱素子と、前記発熱素子の周囲を熱融着
   層を介して密封被覆するとともに被覆部から幅方
   向に大きく広がる接着助走部を有する薄肉の外装
   材よりなり、前記外装材の伝熱面側を平面に沿う
   形状、他方を発熱素子外表面に沿う形状になるよ
   うに成形するとともに、前記外装材の接着助走部
   が前記発熱素子中央部に比較して可撓性をはるか
   に大にしてなる正抵抗温度係数発熱体。