JP2011003329A - 高分子発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】使用時の快適性を損なうことなく、熱伝達性能の優れた高分子発熱体を提供することを目的とする。
【解決手段】ベース側電気絶縁性基材２とカバー側電気絶縁性基材３に挟持された一対の電極４ａ，４ｂと、これら電極４ａ，４ｂ間に配設されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体５とを備え、前記ベース側電気絶縁性基材２、カバー側電気絶縁性基材３の少なくとも一方に保温性素材を用いたものである。これにより、高分子発熱体５から発せられた熱を効率よく伝えることが可能となり、省エネ性に優れ、環境にも配慮したものとなる。
【選択図】図２

Description

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。

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。

具体的には、図７，８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を印刷、あるいは塗布して得られる電極１０２と、これにより給電される位置に抵抗体インク組成物を印刷、あるいは塗布して得られる抵抗体１０３を設け、さらにこれら電極１０２および抵抗体１０３を被覆するカバー材１０４から発熱体１０５を形成していた。

電極１０２および抵抗体１０３は、ベース材１０１やカバー材１０４により外界から隔離して、長期信頼性をたかめているものであった。

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、床暖房器具等がある（例えば、特許文献１参照）。また、これら発熱体を高分子フィルムや繊維状の柔軟性材料を用いて構成することにより柔軟性機能を付与させたものも見受けられる（例えば、特許文献２，３参照）。

特開２００２−３７１６９９号公報 特開２００３−１０９８０４号公報 特開２００５−１７４６２９号公報

従来の発熱体では柔軟性を発現させるための構成材料として、発熱体を保護、被覆する役目と風合いなどを考慮して一般的な織布や不織布などが多用されている。

例えば、座席用ヒータなどに用いられる場合は、織布や不織布で被覆された発熱体はさらにクッション材などを介し、人体と接触する場合が多かった。

しかしながら、人体に直接接触する部位への応用も今後益々増大することから、更なる快適性、熱伝達性にも考慮した材質を選択する必要がある。

特に、省エネ性にも充分配慮した使用を想定した場合、発熱体からの熱を効率よく外部に伝える素材を選定する必要があるが、現状では発熱体自体の開発が中心であり、周辺部材に関する充分な検討はなされていなかった。

一方、地球環境への配慮の点から省エネ性を実現するための素材が数多く登場している
。具体的には、クールビズやウォームビズといった素材に関するものであり、様々な素材が提案されている。

上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、使用時の快適性を損なうことなく、熱伝達性能の優れた高分子発熱体を提供することを目的とするもので、特に、ヒータの表皮材の素材や構成を検討することにより有効となることを見出したものである。

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、ベース側電気絶縁性基材とカバー側電気絶縁性基材に挟持された一対の電極と、これら電極間に配設されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体とを備え、前記ベース側電気絶縁性基材、カバー側電気絶縁性基材の少なくとも一方に保温性素材を用いたものである。

これにより、高分子発熱体から発せられた熱を効率よく伝えることが可能となり、省エネ性に優れ、環境にも配慮したものを提供できる。

本発明の高分子発熱体は、保温性を示す電気絶縁性基材を外皮材とするもので、人体などと直接接触させる際にも、或いは直接人体と接触させない場合においても、高分子発熱体からの熱を少ない損失で効率よく伝えることができ、省エネ性能高めることができるものである。

本実施の形態１における高分子発熱体の平面図 図１のＸ−Ｙ断面図 本実施の形態２における高分子発熱体の平面図 図３のＸ−Ｙ断面図 本実施の形態３における高分子発熱体の平面図 図５のＸ−Ｙ断面図 従来の高分子発熱体の平面図 図７のＸ−Ｙ断面図

本発明は、ベース側電気絶縁性基材とカバー側電気絶縁性基材に挟持された一対の電極と、これら電極間に配設されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体とを備え、前記ベース側電気絶縁性基材、カバー側電気絶縁性基材の少なくとも一方に保温性素材を用いたもので、高分子発熱体から発せられた熱を効率よく伝えることが可能となり、省エネ性に優れ、環境にも配慮したものを提供できる。

保温性素材とは、素材に対して形状や機能の改良を加えることにより保温性能が改善された素材を意味する。

一般には、人体からの熱を逃がしにくくする役割として保温性素材が用いられる場合が多いが、これらの保温性素材を高分子発熱体の表皮材に用いた場合、用いない場合に比較すると、快適性に優れ、軽量性であり、風合い感を損なわずに、高分子発熱体からの熱を効率よく伝えることができるとともに、発熱体への電源供給切られた後でも、素材の有する保温性機能により快適な暖かさを長時間持続することが可能となり、結果として省エネに大きく寄与できる。

このように保温性を向上させた素材を用いることによって、高分子発熱体から発せられた熱を無駄に損失することなく、被吸熱体へ熱を効率よく伝えることが可能となる。

素材の保温性を知るための指標として、「ある一定の条件下で、生地未着用事に温度が低下しないために必要な熱量（Ａ）を基準に生地着用時に温度が低下しないために必要な熱量（Ｂ）との差を割合で表す」、保温率（（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００）が定義される場合もあるが、本発明においては高分子発熱体の被覆材として使用するものであり、周辺材料、雰囲気により熱量Ａ及び熱量Ｂが変動することから定量化定義は行わないが、下記に示すような素材を利用した際に保温性能が改善される場合、それらを保温性素材と定義することにする。

つまり、具体的には、中空構造や超極細素材により軽量保温性を実現した素材や蓄熱保温性の素材や遠赤外線放射性の素材、吸湿して発熱する素材などといった発熱する素材や、あるいは相変換物質を利用した温度調整可能な素材を利用することができる。

軽量保温素材としては、例えば、ポリエステル中空糸により形成して、ソフトな風合いを兼ね備えるものとすることができる。

蓄熱保温素材としては、例えば、炭化ジルコニウムを練り込んだ繊維が、遠赤外線放射素材としては、例えば、セラミックスをポリエステルに練り込んだ繊維が、吸湿発熱素材としては、例えば、アクリル繊維、ポリエステル繊維の少なくともいずれか一方を含むものが、温度調整素材としては、相変化物質を封入したマイクロカプセルを織編物に加工した素材がそれぞれ考えられよう。

また、ベース側電気絶縁性基材、カバー側電気絶縁性基材の少なくとも一方を保温性素材層と絶縁性フィルム層の多層構造とすれば、高分子抵抗体材料の製法、例えば、印刷方式や押し出し方式の如何に関わらず、絶縁性基材として用いることが可能であり、柔軟性、快適性、省エネ性に優れた高分子発熱体を提供することが可能となる。

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。

（実施の形態１）
図１，２において、高分子発熱体１は、ベース側電気絶縁性基材２とカバー側電気絶縁性基材３に一対の電極４，４ｂと、これら電極４ａ，４ｂの間に配設され、しかも接続されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体５とを挟持した構成である。

前記ベース側電気絶縁性基材２およびカバー側電気絶縁性基材３は、軽量保温素材として東レ（株）の商品名「セボナーサムロン」を用いた。本素材は予め２つの成分からなる繊維を作り織編物状にしたから片方の成分を溶かすことによって中空化したものであり、軽量性とソフトな風合い感を有するものである。

ここで、作製手順を述べれば、ベース側電気絶縁性基材２の片側面に高分子抵抗体５を熱融着により配置し、その後、電極４，４ｂを高分子抵抗体５の両側部に熱融着させ、最後にカバー側電気絶縁性基材３を熱融着させて高分子発熱体１とする。

電極４，４ｂとしては、直径０．０６ｍｍの錫メッキ銅線を１９本撚って得たものである。なお、電極４，４ｂに給電するためのリード線は省略した。

高分子抵抗体５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ベー
ス側電気絶縁性基材２上にシート状に熱融着加工する。

すなわち、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。

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。

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％とから混練物Ｂを作製した。

そして、混練物Ａと混練物Ｂとを等量と、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５を作製した。

電極４ａ，４ｂは、相対向するように幅の広い一対（電気的に正側と負側）をベース側電気絶縁性基材２、カバー側電気絶縁性基材３の長手方向の外側部に沿って配置してあり、高分子抵抗体５に電流を流すことにより、これを発熱させる。

本実施の形態において、高分子抵抗体５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高分子発熱体１としての機能を有するようになる。

なお、ベース側電気絶縁性基材２とカバー側電気絶縁性基材３との両方に軽量保温素材を用いたが、必ずしもこれに特定されることはなく、例えば、人体と接触する一方に配置した場合においても、熱ロスが少なく、柔軟性、風合い性の良好な高分子発熱体１となろう。

通常の保温性を考慮していない同一厚みの織布を基材として用いた場合に比較すると、約５％の省エネ性能を示すことがわかった。

（実施の形態２）
図３，４において、高分子発熱体１１は、ベース側電気絶縁性基材１２とカバー側電気絶縁性基材１３に一対の電極１４ａ，１４ｂと、これら電極１４ａ，１４ｂに接続して配設され、しかも接続されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体１５とを挟持した構成である。

前記電極１４ａ，１４ｂは主電極部より相手方向に交互に複数の副電極を分岐した櫛歯
状に設定してある。

ベース側電気絶縁性基材１２およびカバー側電気絶縁性基材１３は、保温性素材層と絶縁性フィルム層の２層構造からなるものを用いた。

保温性素材層としては、ベース側電気絶縁性基材１２、カバー側電気絶縁性基材１３の両方とも、ユニチカ（株）の商品名「サーモトロン」を用いた。

この素材は人体から発生する熱を反射する機能も有しており、発熱体からの熱もあわせ優れた保温性能を示す。

絶縁性フィルム層としては、インフレーション法を用いて作成したもので、オレフィン系の熱可塑性樹脂（ＰＰと優れた相溶性を示すＰＰの軟質化材を含む樹脂）と、耐熱性を発現させるための熱可塑性樹脂（エチレン及びプロピレンを直接反応させて得られた重合型ＴＰＯ）と、電極や抵抗体との接触特性が良好となるオレフィン系の接着性樹脂（無水マレイン酸成分を含むエチレン成分を含む樹脂）の混練物からなり、合計３種の樹脂ブレンドからなるフィルムで、貼り合わせ後のフィルムの厚みとしては６０−７０ミクロンのものを得、保温性素材の片側面に熱融着させることによりベース側電気絶縁性基材１２、カバー側電気絶縁性基材１３を得た。

図４では、それら２層構造がわかるように保温性素材層に相当する部分を白枠線で、絶縁性フィルム層に相当する部分を黒太線で図示した。

このベース側電気絶縁性基材１２上に銀ペーストの印刷・乾燥により一対の電極１４ａ，１４ｂと、これら電極１４ａ，１４ｂにより給電される位置にＰＴＣ抵抗体インクの印刷・乾燥により高分子抵抗体１５を作製した。

高分子抵抗体１５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、カバー側電気絶縁性基材１３を前述した電極１４ａ，１４ｂおよび高分子抵抗体１５に貼り合わせた。

本高分子発熱体１１においては、ベース側電気絶縁性基材１２とカバー側電気絶縁性基材１３の両面ともに保温性素材層と絶縁性フィルム層を有する２層構造としたが、必ずしもこれに特定されることはなく、例えば、人体と接触する一方に配置した場合においても、熱ロスが少なく、柔軟性、風合い性の良好な高分子発熱体１１となろう。

通常の保温性を考慮していない同一厚みの繊維素材層と絶縁性フィルム層からなる基材を用いた場合と比較すると、約６％の省エネ性能を示すことがわかった。

（実施の形態３）
図５，６において、高分子発熱体２１は、ベース側電気絶縁性基材２２とカバー側電気絶縁性基材２３に一対の電極２４ａ，２４ｂと、これら電極２４ａ，２４ｂに接続して配設され、しかも接続されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体２５とを挟持した構成である。

前記電極２４ａ，２４ｂは主電極部より相手方向に交互に複数の副電極を分岐した櫛歯状に設定してある。

ここで、ベース側電気絶縁性基材２２としては、保温性素材層と絶縁性フィルム層の２層構造からなるものを、カバー側電気絶縁性基材２３としては絶縁性フィルム層のみからなるものを用いた。

保温性素材層としては、温度調整素材として住友スリーエム（株）の商品名「ジェネサーモネオ」を用いた。

本素材は常温域で固体と液体に容易に変化する相変化物質を加工した素材であり、外気温が変化した場合でも素材表面近傍の温度変化が少なく、快適な暖感覚を得ることができる。

また、ベース側電気絶縁性基材２２の絶縁性フィルム層およびカバー側電気絶縁性基材２３の絶縁フィルム層は、シート押出成形装置を用いて作成したもので、オレフィン系の熱可塑性樹脂（ＰＰと優れた相溶性を示すＰＰの軟質化材を含む樹脂）と、耐熱性を発現させるための熱可塑性樹脂（エチレン及びプロピレンを直接反応させて得られた重合型ＴＰＯ）と、電極や抵抗体との接触特性が良好となるオレフィン系の接着性樹脂（無水マレイン酸成分を含むエチレン成分を含む樹脂）の混練物からなり、合計３種の樹脂ブレンドからなるフィルムであって、貼り合わせ後のフィルムの厚みとしては５０−６０ミクロンのものを得、保温性素材の片側面に熱融着させることによりベース側電気絶縁性基材２２を得た。

図６では、それら２層構造がわかるように保温性素材層に相当する部分を白枠線で、絶縁性フィルム層に相当する部分を黒太線で図示した。

このベース側電気絶縁性基材２２上に銀ペーストの印刷・乾燥により一対の電極２４ａ，２４ｂと、これら電極２４ａ，２４ｂにより給電される位置にＰＴＣ抵抗体インクの印刷・乾燥により高分子抵抗体２５を作製した。

高分子抵抗体２５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、前述の方法で得た絶縁性フィルム層からなるカバー側電気絶縁性基材２３を電極２４ａ，２４ｂおよび高分子抵抗体２５に貼り合わせた。

本高分子発熱体２１においては、ベース側電気絶縁性基材２２のみが保温性素材層と絶縁性フィルム層を有する２層構造からなるものであり、こちらの面を人体と接触するように配置したところ、熱ロスが少なく、柔軟性、風合い性の良好な高分子発熱体となることがわかった。

通常の保温性を考慮していない同一厚みの繊維素材層と絶縁性フィルム層からなる基材を用いた場合と比較すると、約８％の省エネ性能を示すことがわかった。

以上のように本発明にかかる高分子発熱体は、熱を少ない損失で効率よく伝えることができ、省エネ性能高めることができるものであり、自動車の座席装置の暖房用熱源などに装着することが可能である。

１，１１，２１ 高分子発熱体
２，１２，２２ ベース側電気絶縁性基材
３，１３，２３ カバー側電気絶縁性基材
４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ 電極
５，１５，２５ 高分子抵抗体

Claims (9)

1. ベース側電気絶縁性基材とカバー側電気絶縁性基材に挟持された一対の電極と、これら電極間に配設されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体とを備え、前記ベース側電気絶縁性基材、カバー側電気絶縁性基材の少なくとも一方に保温性素材を用いた高分子発熱体。
2. 保温性素材は、軽量保温素材、発熱素材、あるいは温度調整素材の少なくとも１種を含む請求項１記載の高分子発熱体。
3. 発熱素材は、蓄熱保温素材、遠赤外線放射素材、あるいは吸湿発熱素材の少なくとも１種を含む請求項２記載の高分子発熱体。
4. 軽量保温素材は、ポリエステル中空糸より構成した請求項２記載の高分子発熱体。
5. 蓄熱保温素材は、炭化ジルコニウムを練り込んだ繊維から構成した請求項３記載の高分子発熱体。
6. 遠赤外線放射素材は、セラミックスをポリエステルに練り込んだ繊維より構成した請求項３記載の高分子発熱体。
7. 吸湿発熱素材は、アクリル繊維、ポリエステル繊維の少なくともいずれか一方を含むものである請求項３記載の高分子発熱体。
8. 温度調整素材は、相変化物質を封入したマイクロカプセルを織編物に加工した素材から構成した請求項２記載の高分子発熱体。
9. ベース側電気絶縁性基材、カバー側電気絶縁性基材の少なくとも一方が保温性素材層と絶縁性フィルム層の多層構造からなる請求項１記載の高分子発熱体。