説明

高分子発熱体

【課題】電極部や抵抗体部に外部から変形応力が加わり、電力集中などにより異常過熱が発生した場合においても、安心して使用することのできる高分子発熱体を提供することを目的とする。
【解決手段】電気絶縁性基材2上に配設されたPTC特性を有する高分子抵抗体4に接続された一対の電極3a,3bの一部に過熱保護手段5a,5bを接続したものである。したがって、高分子抵抗体4がある一定以上の温度になった際に、過熱保護手段5a,5bが高分子抵抗体4と接続した電極3a,3bへの電流供給を遮断することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高分子抵抗体のジュール熱を利用した高分子発熱体に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から面状発熱体の発熱部として、カーボンブラックや金属粉末、グラファイトなどの導電性物質を樹脂に分散して得られたものが知られている。なかでも導電性物質と樹脂との組合せにより、自己温度制御機能を示すPTC(Positive Temperature Coefficient)発熱体を用いた場合には、温度制御回路が不要となり、部品点数を少なくできるなど、メリットのあるデバイスとして知られている。
【0003】
具体的には、図9,10に示すように、セラミックや絶縁処理された金属板など、筺体構造としての機能を有するベース材101上に導電性インキ組成物の印刷あるいは塗布により電極102a,102bを形設するとともに、これにより給電される位置に抵抗体インク組成物の印刷あるいは塗布により抵抗体103を設けたものであった。
【0004】
従来から、印刷により高分子抵抗体を形成してこれを発熱体として用いた例としては、露・霜除去用として自動車のドアミラーや洗面台のミラー、床暖房器具などがある(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2002−371699号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
通常面状発熱体においては、発熱部に対して一対の電極が存在する。発熱体に対して外部から変形応力が加わらず、耐屈曲性や耐柔軟性を必要としない場合、発熱部となる抵抗体や電源供給部となる電極は、加工時から形状変形が生じない。
【0007】
一方、柔軟性、屈曲性を要求されるような用途の場合、抵抗体や電極が外部からの変形応力に対して充分に対応できる能力が要求されることとなり、材料的な観点からもそのような配合を提案する必要がある。
【0008】
抵抗体や電極に想定以上の負荷が加わった場合には、断線が生じ、結果として発熱しない状態となるが、過渡状態として電極の一部が切れかかることにより、電流集中を発生する可能性が生じるが、この現象を起こさない工夫も極めて重要である。
【0009】
例えば、抵抗体が外部からの応力により屈曲を余儀なくされ、電極部が断線状態あるいは断線に近い状態になった場合、断線部分と給電側との間の部分には通常の電圧が印加され、断線部分から先の部分には給電されないことから、瞬間的な電圧降下が生じ断線部での電極の接触、非接触の状況によりスパーク現象が生じ、局部的な温度過熱を引き起こす。
【0010】
特に、PTC特性を有する面状発熱体においては、高温時には抵抗値が高く、低温時には抵抗値が低くなるため、低温環境下で電流供給を開始した場合には、発熱体自身が温度上昇した後と比べると大きな突入電流が流れることになる。
【0011】
発熱体の材料組成や周囲温度にも依存するが、安定時の電流値に対して2倍から5倍程度の差異が生じる場合がある。
【0012】
電極線の強度や構造を見直すことにより数アンペア程度の電流が流れても問題はないが、電極部の一部に断線あるいは断線に近い状態が発生した場合には、その部位に電流集中が発生し、また周辺材料がPTC特性を示すため、更に抵抗値上昇による電流集中が生じ、異常過熱となった場合には、その後の状態により発煙発火に至る可能性が想定される。
【0013】
そのため、電流検知センサを用いて電流を制御する方法や、温度検知センサを電極部周辺に設けるなどの対策を行うことが容易に考えられるが、それらセンサを設けるための設置場所やそのための回路が必要となってくるため、部品点数を少なくできるPTC発熱体の優位性が失われてしまうことになる。
【0014】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、快適で省エネ性に配慮した安全な高分子発熱体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
前記従来の課題を解決するための本発明の高分子発熱体は、電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材上に配設されたPTC特性を有する高分子抵抗体と、前記高分子抵抗体と接触する一対の電極と、前記電極の少なくとも一部に接続された過熱保護手段とを具備したものである。
【0016】
したがって、高分子抵抗体がある一定以上の温度になった際に、過熱保護手段が高分子抵抗体と接続した電極への電流供給を遮断することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば高分子発熱体に対する安全性を高め、しかも低コスト化で提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の実施の形態1における高分子発熱体の平面図
【図2】図1のX―Y断面図
【図3】本発明の実施の形態2における高分子発熱体の平面図
【図4】図3のX―Y断面図
【図5】本発明の実施の形態3における高分子発熱体の平面図
【図6】図5のX―Y断面図
【図7】本発明の実施の形態4における高分子発熱体の平面図
【図8】図7のX―Y断面図
【図9】従来の高分子発熱体を示す平面図
【図10】図9のX―Y断面図
【発明を実施するための形態】
【0019】
第1の発明は、電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材上に配設されたPTC特性を有する高分子抵抗体と、前記高分子抵抗体と接触する一対の電極と、前記電極の少なくとも一部に接続された過熱保護手段とを具備したものであり、高分子抵抗体がある一定以上の温度になった際に、過熱保護手段が高分子抵抗体と接続した電極への電流供給を遮断することができる。
【0020】
過熱保護手段の形状や構造、電極との接続形態などは特に限定しないが、例えば、一対の電極の近傍に印刷方式などを用いて線形状として配置する方法などが挙げられる。
【0021】
第2の発明は、特に、前記第1の発明において、過熱保護手段は、所定の温度で溶融して電極への電流供給を遮断するようにしたるものであり、PTC特性を有する高分子抵抗体と、一対の電極とからなる高分子発熱体において、前記一対の電極に対して電流供給側に近い位置に過熱保護手段を設けてなり、断線などの不具合が生じ、電極近傍の温度過熱が生じた場合に、過熱保護手段の自己溶融現象を利用することにより、安全に回路遮断を行うことができる。
【0022】
第3の発明は、特に、前記第1または第2の発明において、過熱保護手段を電極と10mm以下の間隔で配設したもので、断線発生または断線寸前時に発熱体が異常過熱した場合においても電流供給部位近傍に設けた過熱保護手段にもすばやく熱が伝達されることにより、速やかに回路遮断することが可能となるものである。
【0023】
第4の発明は、特に、前記第2の発明において、過熱保護手段は、150℃以下の融点を有する樹脂と導電性粒子の導電性樹脂とからなるものであり、加工性に優れ、また、安価かつ簡便な過熱保護手段を提供することができる。
【0024】
第5の発明は、特に、前記第4の発明において、樹脂成分として共重合ポリエステル樹脂、エチレン−メタクリル酸共重合樹脂のいずれかを含むものであり、過熱保護手段を線状や面状など、どのような形態でも精度良く、また簡便に加工することができるため、面状発熱体の快適性を損なうことなく安全な発熱体を提供することができる。
【0025】
第6の発明は、特に、前記第4の発明において、導電性粒子として、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボン繊維、導電性セラミック繊維、導電性ウィスカ、金属繊維、導電性無機酸化物、導電性ポリマー繊維、金属粉の少なくとも一種から選ばれる導電体を含むものであり、発熱体の電極として用いられる導電性部材と同等レベルの導電性を示すと共に、柔軟可能性にも適しており、面状発熱体の快適性を保持しながら信頼性の高い発熱体を提供することができる。
【0026】
第7の発明は、特に、前記第1の発明において、電気絶縁性基材、電極、高分子抵抗体および過熱保護手段が柔軟性を有するものであり、発熱させたい部材などに制約を受けることなく、どのような場所にも適用させることができるとともに、長期にわたり性能劣化することのない高分子発熱体を提供することができる。
【0027】
第8の発明は、特に、前記第1または第7の発明において、電気絶縁性基材は、樹脂フィルム、織布、不織布の少なくとも1種からなり、材料が安価に入手できると共に加工安定性に優れ、極めて薄くかつ軽量化材料によりデバイス化が可能となるため、使用感や長期信頼性に優れた高分子発熱体を得ることができる。
【0028】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【0029】
(実施の形態1)
図1,2において、高分子発熱体1は、電気絶縁性基材2上に一対の電極3a,3b、高分子抵抗体4および過熱保護手段5a,5bを設けて構成されている。
【0030】
より具体的には、前記電気絶縁性基材2としては、ファインエンボス加工したポリエステル繊維からなる不織布を用いた。
【0031】
そして、電気絶縁性基材2の片側面に高分子抵抗体4を熱融着により配置し、その後、
電極3a,3bおよび過熱保護手段5a,5bをこの高分子抵抗体4に熱融着させたものである。
【0032】
電極3aと過熱保護手段5a、電極3bと過熱保護手段5bはそれぞれ5mmの一定間隔で直線状に配置した。
【0033】
高分子抵抗体4は下記の材料、手順により混練物を作成後、カレンダー加工により電気絶縁性基材2上にシート状に熱融着加工することにより形成した。
【0034】
すなわち、高分子抵抗体4は、結晶性樹脂として、エチレン・メタアクリル酸メチル共重合体[商品名「アクリフトCM5021」、融点67℃、住友化学(株)製]30部と、エチレン・メタアクリル酸共重合体[商品名「ニュクレルN1560」、融点90℃、三井・デュポンポリケミカル(株)製]30部と、エチレン・メタアクリル酸共重合体金属配位物[商品名「ハイミラン1702」、融点90℃、三井・デュポンポリケミカ(株)製]40部とで構成した。
【0035】
この結晶性樹脂35重量%と、反応性樹脂[商品名「ボンドファースト7B」、住友化学(株)製]2重量%と、2種類の導電体として、カーボンブラック(商品名「プリンテックスL」、1次粒子径21nm、デグサ社製)25重量%と、グラファイト[商品名「GR15」、鱗状黒鉛、日本黒鉛(株)製]18重量%と、難燃剤[商品名「レオフォスRDP」、リン酸エステル系液状難燃剤、味の素(株)製]20重量%により混練物Aを作製した。
【0036】
次に、エラストマーとして、スチレン系熱可塑性エラストマー[商品名「タフテックM1943」、旭化成エンジニアリング(株)製]40重量%と、カーボンブラック[商品名「#10B」、1次粒子径75nm、三菱化学株製]45重量%と炭化タングステン[井澤金属(株)製]13重量%と、溶融張力向上剤として、メタアクリル酸アルキル・アクリル酸アルキル共重合物と4フッ化エチレン共重合物との混合物[商品名「メタブレンA3000」、三菱レーヨン(株)製]2重量%から混練物Bを作製した。
【0037】
そして、混練物Aと混練物Bとを等量とし、離型剤として変性シリコーンオイル2重量%と、流動性付与剤としてメタアクリル酸アルキル・アクリル酸アルキル共重合物2重量%とを混練して高分子抵抗体4を作製した。
【0038】
また、電極3a,3bとしては、幅0.5mm、厚み0.1mmの錫メッキ銅平線を用いた。さらに過熱保護手段5a,5bとしては、エチレン−メタアクリル酸共重合体[商品名「ニュクレルN1560」、融点90℃、三井・デュポンポリケミカル(株)製]40部と、カーボンブラック(商品名「プリンテックスL」、1次粒子径21nm、デグサ社製)50重量%と難燃剤(商品名「レオフォスRDP」、リン酸エステル系液状難燃剤、味の素(株)製)10重量%により混練物を作製し、押出機を用いて線径0.5mmからなる導電性樹脂を得、電極3a,3bと共に高分子抵抗体4上に熱融着した。
【0039】
電極3a,3bは、相対向するように幅の広い一対(電気的に正側と負側)を高分子抵抗対4の長手方向の外側部に沿って配置したもので、前記高分子抵抗体4に電流を流すことにより、発熱させる。
【0040】
本実施の形態において、高分子抵抗体4はPTC特性を有し、温度が上昇すると抵抗値が上昇し、所定の温度になるように自己温度調節機能を有するもので、温度コントロールが不要で安全性の高い高分子発熱体1としての機能を有するようになる。
【0041】
本実施の形態の高分子発熱体1においては、過熱保護手段5a,5bを介して電極3a,3bに電流供給されることにより、高分子抵抗体4が発熱する。電極3a,3bの一部が断線もしくは断線寸前状態になった場合には、その部分に電流集中が発生するために高分子抵抗体4は局部的に温度上昇し、約100℃以上では過熱保護手段5a,5bがその構成材料である樹脂成分が融点以上となるために、一部が溶断し、その結果、電流供給が遮断される。このように平面状でかつ柔軟性を有する温度上昇保護手段5a,5bを極めて簡易に得ることができた。
【0042】
(実施の形態2)
図3,4において、高分子発熱体11は、電気絶縁性基材12の片側面に、一対の電極13,13bおよび高分子抵抗体14を、別の片側面に過熱保護手段15a,15bを有する。
【0043】
本実施の形態においては電気絶縁性基材12としては、ニードルパンチ加工したポリエステル繊維からなる不織布を用いた。
【0044】
そして、電気絶縁性基材12の片側面に高分子抵抗体14を熱融着により配置し、その後電極13a,13bおよび過熱保護手段15a,15bを電気絶縁性基材12に熱融着させた。
【0045】
電極13a,13bと過熱保護手段15a,15bは上側部で接触するように電気絶縁性機材12及び高分子抵抗体14をはさんで相対するようにそれぞれ直線状に配置されており、下側部から過熱保護手段15a,15bを介して電極13a,13bに電流を供給するようにした。
【0046】
高分子抵抗体14、電極13a,13bおよび過熱保護手段15a,15bは実施の形態1で得たものと同様の素材を同様の加工法で作成した。
【0047】
電極13a,13bは、相対向するように幅の広い一対(電気的に正側と負側)を高分子発熱体11の長手方向の外側部に沿って配置され、高分子抵抗体14に電流を流すことにより発熱させる。
【0048】
本実施の形態において、高分子抵抗体14はPTC特性を有し、温度が上昇すると抵抗値が上昇し、所定の温度になるように自己温度調節機能を有するようになり、温度コントロールが不要で安全性の高い面状発熱体1としての機能を有するようになる。
【0049】
本高分子発熱体11においては、過熱保護手段15a,15bを介して電極13a,13bに電流が供給されることにより高分子抵抗体14が発熱する。電極13a,13bの一部が断線もしくは断線寸前状態になった場合には、その部分に電流集中が発生するため高分子抵抗体14は局部的に温度上昇し、約100℃以上では過熱保護手段15a,15bがその構成材料である樹脂成分が融点以上となるために、一部が溶断し、その結果電流供給が遮断される。
【0050】
このように平面状でかつ柔軟性を有する温度上昇保護手段15a,15bを極めて簡易に得ることができた。
【0051】
また、電気絶縁性基材12が電極13a,13bと過熱保護手段15a,15bとの間に存在するために両者の接触状況について特に慎重になる必要はなく、柔軟性発熱体を得ることができるものである。
【0052】
(実施の形態3)
図5,6において、高分子発熱体21は、電気絶縁性基材22の片側面に一対の電極23a,23b、高分子抵抗体24および過熱保護手段25a,25bを有する。
【0053】
本実施の形態においては電気絶縁性基材22として、ポリエチレンテレフタレートフィルム(フィルム厚み:125μm)を用いた。
【0054】
電気的に正側と負側となる一対の電極23a,23bは、電気絶縁性基材22に導電性ペーストを印刷、乾燥することによって形成した。導電性ペーストは共重合ポリエステル樹脂中に導電性付与材として銀粉末を分散したものを使用した。
【0055】
また、高分子抵抗体24は、発熱温度が約40℃程度に成るように作製されており、エチレン酢酸ビニル共重合体を2種類組み合わせ、カーボンブラックを混練・架橋したものにアクリロニトリルブチルゴムをバインダーとして溶剤でインク化することにより得、電極23a,23bが形成された面に印刷、乾燥して形成したものである。
【0056】
電極23a,23bは、相対向するように幅の広い一対の主電極部と、それぞれの主電極部から交互に相手側の主電極部に向かって複数の枝電極部を導出した櫛形形状になっており、これに重なるように高分子抵抗体24を配設することにより、多数の枝電極部より給電すると抵抗体に電流が流れ発熱するようになっている。
【0057】
過熱保護手段25a,25bとしては、共重合ポリエステル樹脂[商品名「バイロンGM920」、融点106℃、東洋紡(株)製]30部と、導電体として導電性ウィスカ[商品名「FTL−110」、針状酸化チタン、石原産業(株)製]35重量%、カーボンブラック(商品名「プリンテックスL」、1次粒子径21nm、デグサ社製)25重量%、難燃剤[商品名「レオフォスRDP」、リン酸エステル系液状難燃剤、味の素(株)製]10重量%により混練物を作成し、押出機を用いて線径0.5mmからなる導電性樹脂を得、図6に示すように、電極23a,23bの主電極部の長手方向と平行になるように電気絶縁性基材22上に熱融着させ、高分子発熱体21を得た。
【0058】
本実施の形態において、高分子抵抗体24はPTC特性を有し、温度が上昇すると抵抗値が上昇し、所定の温度になるように自己温度調節機能を有するようになり、温度コントロールが不要で安全性の高い面状発熱体1としての機能を有するようになる。
【0059】
本高分子発熱体21においては、過熱保護手段25a,25bを介して電極23a,23bに電流供給されることにより、高分子抵抗体24が発熱する。
【0060】
電極23a,23bの一部が断線もしくは断線寸前状態になった場合には、その部分に電流集中が発生するため高分子抵抗体24は局部的に温度上昇し、約120℃以上では過熱保護手段25a,25bがその構成材料である樹脂成分が融点以上となるために、一部が溶断し、その結果電流供給が遮断される。
【0061】
このように平面状でかつ柔軟性を有する温度上昇保護手段を極めて簡易に得ることができた。
【0062】
(実施の形態4)
図7,8において、高分子発熱体31は、電気絶縁性基材32の片側面に、一対の電極33a,33b、高分子抵抗体34を、別の片側面に過熱保護手段35a,35bを有する。
【0063】
本実施の形態においては電気絶縁性基材32として、ポリエチレンテレフタレートフィルム(フィルム厚み:125μm)を用いた。
【0064】
電気絶縁性基材32の片側面に実施の形態3と同様の印刷方法で、電極33a,33bおよび高分子抵抗体34を配置し、過熱保護手段35a,35bを図に示すような配置で電気絶縁性基材32に熱融着させた。
【0065】
電極33a,33bと過熱保護手段35a,35bは図で示す上側部で接触するように電気絶縁性機材32および高分子抵抗体34をはさんで相対するように直線状に配置され、下側部から過熱保護手段35a,35bを介して電極33a,33bに電流が供給されるようにした。
【0066】
なお、ここでは電極33a,33bと過熱保護手段35a,35bとの接続部は黒丸で示した。
【0067】
また、高分子抵抗体34、電極33a,33bおよび過熱保護手段35a,35bは実施の形態3で得たものと同様の素材を同様の加工法で作成した。
【0068】
電極33a,33bは、相対向するように幅の広い一対(電気的に正側と負側)を面状発熱体31の長手方向の外側部に沿って配置され、高分子抵抗体34に電流を流すことにより、発熱させる。
【0069】
本実施の形態において、高分子抵抗体34はPTC特性を有し、温度が上昇すると抵抗値が上昇し、所定の温度になるように自己温度調節機能を有するようになり、温度コントロールが不要で安全性の高い面状発熱体31としての機能を有するようになる。
【0070】
本面状発熱体31においては、過熱保護手段35a,35bを介して電極33a,33bに電流が供給されることにより高分子抵抗体34が発熱する。電極33a,33bの一部が断線もしくは断線寸前状態になった場合には、その部分に電流集中が発生するため、高分子抵抗体34は局部的に温度上昇し、約120℃以上では過熱保護手段35a,35bがその構成材料である樹脂成分が融点以上となるために、一部が溶断し、その結果電流供給が遮断される。
【0071】
このように平面状でかつ柔軟性を有する温度上昇保護手段を極めて簡易に得ることができた。また、図で示す構成の場合、電気絶縁性基材32が電極33a,33bと過熱保護手段35a,35bとの間に存在するために両者の接触状況について特に慎重になる必要はなく、柔軟性発熱体を得ることができるものである。
【産業上の利用可能性】
【0072】
以上のように、本発明にかかる高分子発熱体は、電極部や抵抗体部に外部から変形応力が加わった際に、電力集中などにより異常過熱が発生した場合においても、加熱保護手段が速やかに温度異常を簡易な手段で認識することができるため、安心して使用することが可能となるので、同様に入力電流が大きくなるような発熱機器の異常過熱保護手段などの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【0073】
11,21,31 高分子発熱体
2,12,22,32 電気絶縁性基材
3a,3b,13a,13b,23a,23b,33a,33b 電極
4,14,24,34 高分子抵抗体
5a,5b,15a,15b,25a,25b,35a,35b 過熱保護手段

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材上に配設されたPTC特性を有する高分子抵抗体と、前記高分子抵抗体と接触する一対の電極と、前記電極の少なくとも一部に接続された過熱保護手段とを具備した高分子発熱体。
【請求項2】
過熱保護手段は、所定の温度で溶融して電極への電流供給を遮断するようにした請求項1記載の高分子発熱体。
【請求項3】
過熱保護手段を電極と10mm以下の間隔で配設した請求項1または2記載の高分子発熱体。
【請求項4】
過熱保護手段は、150℃以下の融点を有する樹脂と導電性粒子の導電性樹脂とからなる請求項2記載の高分子発熱体。
【請求項5】
樹脂成分として共重合ポリエステル樹脂、エチレン−メタクリル酸共重合樹脂のいずれかを含む請求項4記載の高分子発熱体。
【請求項6】
導電性粒子として、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボン繊維、導電性セラミック繊維、導電性ウィスカ、金属繊維、導電性無機酸化物、導電性ポリマー繊維、金属粉の少なくとも一種から選ばれる導電体を含む請求項4記載の高分子発熱体。
【請求項7】
電気絶縁性基材、電極、高分子抵抗体および過熱保護手段が柔軟性を有する請求項1記載の高分子発熱体。
【請求項8】
電気絶縁性基材は、樹脂フィルム、織布、不織布の少なくとも1種からなる請求項1または7記載の高分子発熱体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2011−3328(P2011−3328A)
【公開日】平成23年1月6日(2011.1.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−143855(P2009−143855)
【出願日】平成21年6月17日(2009.6.17)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】