JP2013098138A - コード状発熱線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１線式コード状発熱線でありながら、温度検知素線および短絡検知素線を高分子層の外周に交互に一定のピッチで螺旋状に巻き、温度制御回路と線間短絡保護回路とを分離することにより、精度が高く安定した温度制御機能とバラツキが少なく安全性の高い線間短絡保護機能を得ることができ、経済的にも優れたコード状発熱線装置を提供する。
【解決手段】巻芯１に発熱素線２を螺旋状に巻回する。その回りに高分子層３を形成し、その外周に温度検知素線４と短絡検知素線６とを交互に一定のピッチを保ち、且つ高分子層３に食込む形で螺旋状に巻き、さらにその上に絶縁被覆層５を形成する。温度検知素線４と短絡検知素線６は空間的に分離され、これにより温度検知素線４による温度制御および短絡検知素線６による線間短絡保護を各々独立して高精度でバラツキなく行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられるコード状発熱線装置に関する。

一般に電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられるコード状発熱線はよく知られており、特に当初電気カーペットに用いられていたコード状発熱システムの形態は、コード状のセンサ線とコード状のヒータ線からなる２線式と呼ばれる構成であり、その構造を図３に示す。

同図に於いて、コード状センサ線１００はポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１ａと、巻芯１ａの外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した内側電極素線２ａと、内側電極素線２ａの外周に高分子感熱樹脂を押出し成形してなる高分子感熱層３ａと、高分子感熱層３ａの外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した外側電極素線４ａと、最外周にポリ塩化ビニル樹脂等を押出し成形した絶縁被覆層５ａとからなっている。

なお、必要に応じて外側電極素線４ａと絶縁被覆層５ａの間にポリエステルテープを螺旋状に捻回し、絶縁被覆層５ａからの可塑剤移行に対するバリア層が設けられる場合がある。また、内側電極素線２ａと外側電極素線４ａが逆配置のものや、内電側極素線２ａと外側電極素線４ａが特殊な合金等で形成されているものが一部見受けられる。

ここで、高分子感熱層３ａの温度に対する電気的特性は、温度上昇に伴い交流インピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ特性の形を示し、感度性能を表すＢ定数は概ね８０００Ｋから１１０００Ｋ程度を有する。なお、高分子感熱層３ａは必ずしも固有の融点を持つ必要はない。

このような構成のコード状センサ線１００に於いて、温度変化による交流インピーダンスの変化は内側電極素線２ａと外側電極素線４ａの両端から電気信号として取り出され温度制御用として利用される。

次に、コード状ヒータ線１０１は、図３と同様の形状をしているが、使用する材料が異なる。同図に於いて、ポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１ｂと、巻芯１ｂの外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２ｂと、発熱素線２ｂの外周に高分子樹脂を押出し成形してなる高分子層３ｂと、高分子層３ｂの外周に銅或いは銅合金の導体を螺旋状に捻回した短絡検知素線４ｂと、最外周にポリ塩化ビニル樹脂等を押出し成形した絶縁被覆層５ｂとからなっている。

ここで、高分子層３ｂは固有の融点を持ち、過熱状態になると高分子層３ｂは溶融し、発熱素線２ｂと短絡検知素線４ｂが接触し、所謂線間短絡保護機能の一部として働く。尚、ここで言う線間短絡保護機能とは、線間短絡時に温度ヒューズなど他の部品と組み合わせて大もとの電源を非復帰の形で遮断し、異常過熱による火災などを防止する機能を言う。

尚、必要に応じて短絡検知素線４ｂと絶縁被覆層５ｂの間にポリエステルテープを螺旋状に捻回し、絶縁被覆層５ｂからの可塑剤移行に対するバリア層が設けられる場合がある。また、発熱素線２ｂと短絡検知素線４ｂが逆配置のものが一部見受けられる。

これら２条のコード状センサ線１００とコード状ヒータ線１０１は略平行して布線され温度制御部に接続され、図４に示す回路接続により温度制御と線間短絡保護の動作が実現される。

図４に於いて、コード状センサ線１００からの信号は抵抗器Ｒ１、Ｒ２で低電圧に分圧され、更にダイオードＤ３とコンデンサＣ１により平滑され、小さな直流成分として電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力され、予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され電圧比較器Ｕ１より出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２ｂへの通電が制御される。
ここで符号ＳＴＢは、低電圧化された安定化電源であり温度制御部に供給される。（以下、同様とする。）

一方、コード状ヒータ線１０１の線間短絡保護動作は、図４に示すように短絡検知素線４ｂの両端が短絡され、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１と２つのダイオードを介して、ＡＣ１００Ｖの各々の極に接続され、線間短絡保護回路が構成される。
ここで、Ｆ１は温度ヒューズ、ＲＦ１は温度ヒューズ一体形抵抗器、Ｄ１，Ｄ２は整流ダイオードである。

図４に示すコード状ヒータ線１０１の線間短絡保護回路の動作は次の通りである。
コード状センサ線１００の接続された温度制御部が破損し制御不能に陥った場合、電力制御スイッチＳＷがＯＮのままとなり、コード状ヒータ線１０１の発熱素線２ｂへの通電が連続となり全体が過熱状態になるので、高分子層３ｂが固有の融点で溶融し、発熱素線２ｂと短絡検知素線４ｂが接触し、「ＡＣ電源Ｎ点→２ｂ→４ｂ→ＲＦ１→Ｄ１→Ｆ１→ＡＣ電源Ｈ点」と「ＡＣ電源Ｈ点→Ｆ１→２ｂ→４ｂ→ＲＦ１→Ｄ２→ＡＣ電源Ｎ点」の２つの経路で交流半波電流が流れ、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１が大きな電力で加熱され所定時間内に温度ヒューズが溶断し電源が遮断され、火災の発生を防止する最終的保護回路が構成される。
ここで、ＡＣ電源のＨ点、Ｎ点は回路図上の位置を示す呼称であり、電気的意味は含まない。尚、ダイオードＤ１及びＤ２の方向が各々逆向きに接続されても同様の動作となる。

上記線間短絡保護回路の優れている点は次の通りである。
（１）短絡検知素線４ｂの抵抗値は温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１よりずっと小さくでき、工業的には発熱素線２ｂの抵抗値以下に小さくすることも可能であり、線間短絡時の温度ヒューズ溶断時間のバラツキを非常に小さくすることもできるが、どの程度まで小さくするかはコストとの兼ね合いによる。
（２）短絡検知素線４ｂの両端を接続して使うことにより、短絡検知素線４ｂの合成抵抗は短絡位置にかかわらず両端開放の元の抵抗値の１／４以下になるので、前記第（１）項に示す短絡検知素線４ｂの低抵抗化を図ることは、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値に対して４倍以上の大きな縮小効果をもたらす。
（３）温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１には、２つの経路で交流半波電流が流れるので、線間短絡位置や電力制御スイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦ状態による消費電力のバラツキを小さくすることができるうえに、コード状ヒータ線１０１はコード状センサ線１００と空間的に離れているので、電気的相互干渉がなく極めて安全性が高く安定した線間短絡機能を提供することができる。

次に、図４に基づき温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力の概略計算値を表３に示す。
ここで、発熱素線２ｂの抵抗値を２８．６Ω、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値を１８０Ω、短絡検知素線４ｂの抵抗値は温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値の１／２程度と云う目安及びコストとを考慮し、発熱素線２ｂの抵抗値の３倍程度に相当する９０Ωとする。尚、ダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧降下分は僅かなので計算から省略する（以降同様とする）。

表３によれば、２線式コード状ヒータ線１０１（従来例１）に於いては、線間短絡位置や電力制御スイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦ状態の各モードによる温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力は、実使用上では１３．９Ｗ÷９．６Ｗ＝１．４倍の違いしか発生しない。

上記は、線間短絡保護機能が電力制御スイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦに関係なく機能するので、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力は各モードでの最大値が有効に働くことによる。
ここで、温度ヒューズＦ１の溶断時間が消費エネルギーによると仮定すると、消費電力１３．９Ｗに対し９．６Ｗの場合の溶断時間は１．４倍しか増加しないと予想されるが、実測された溶断時間は上記の予想に対し、概ね妥当な値が得られている。

このようにコード状センサ線とコード状ヒータ線よりなる従来の２線式コード状発熱線の形態は、温度制御機能と安全保護機能を完全に分離できる優れた構成になっており、線間短絡位置による溶断時間の差は許容できる範囲に余裕を持って収めることができ、極めて安全性の優れた形態であるが、２本の線条を使うのでコストが非常に高く経済的でない上に、高分子感熱層３ａの経時変化が大きいため、長期間にわたって安定した温度制御ができないと云う大きな問題があった。
上記説明と外観や構成が類似するものとして特許文献１〜６が挙げられる。

特開昭４８−５５４８０号公報 特開昭５−３０７１号公報 特開昭５−３０６８１９号公報 特開平６−５１７５号公報 特開平６−１２４７７１号公報 特開平７−２１６１７４号公報

近年、電気毛布や電気カーペットに於いて大面積化とともに視覚や感触の面から生地やカバーが厚手になる一方、単位面積当たりのコード状発熱線の布線密度は少なめにすると云う市場の強いコストダウンと長期にわたる経時変化の少ない安定した温度制御と云う要求により、急速に１線式コード状発熱線と呼ばれる発熱線構造が普及してきたが、前記２線式に比べ異常過熱時の線間短絡保護機能にバラツキが多く、火災の発生を防止する最終的保護機能が十分な安全性を保有しておらず大きな問題になっている。

図３に示す１線式コード状発熱線１０２は、ポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１ｃと、巻芯１ｃの外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２ｃと、発熱素線２ｃの外周に高分子樹脂を押出成形してなる高分子層３ｃと、高分子層３ｃ外周にニッケルなどの導体を螺旋状に捻回した温度検知素線４ｃと、最外周にポリ塩化ビニル樹脂等を押出成形した絶縁被覆層５ｃとからなっている。

なお、必要に応じて温度検知素線４ｃと絶縁被覆層５ｃの間にポリエステルテープを螺旋状に捻回し、絶縁被覆層５ｃからの可塑剤移行に対するバリア層が設けられる場合がある。また、発熱素線２ｃと温度検知素線４ｃが逆配置のものが一部見受けられる。

このような構造のコード状発熱線１０２に於いて、加熱による温度変化が正の温度係数を有するニッケルからなる温度検知素線４ｃの抵抗値を変化させ、その変化は電気信号に変換されて取り出され温度制御用として利用される。尚、ニッケル線による温度検知素線は、イオン性伝導を使う高分子感熱層と異なり、その抵抗値も温度係数も精度が高く安定しており、長期間にわたって安定した精度の高い温度制御を実現できている。

コード状発熱線１０２に於いて、高分子層３ｃは固有の融点を持ち、過熱状態になると高分子層３ｃは溶融し、発熱素線２ｃと温度検知素線４ｃが接触する、所謂線間短絡保護機能として働く。即ち、１線式コード状発熱線１０２に於いては、温度検知素線４ｃは短絡検知素線を兼ねている。
又、高分子層３ｃには、温度上昇に伴いインピーダンスが減少する負温度係数サーミスタ特性を持たせたものがある。

１線式コード状発熱線１０２の温度制御と線間短絡保護の動作は、図５に示すような回路接続で実現される。
温度制御動作は、温度検知素線４ｃの抵抗変化が、抵抗器Ｒ１とＲ２で分圧され電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力され、予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され電圧比較器Ｕ１より出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２ｃへの通電が制御される。
ここで符号ＳＴＢは、低電圧化された安定化電源であり温度制御部に供給される。

線間短絡保護動作は、温度検知素線４ｃの両端にダイオードＤ１とＤ２のアノードが各々接続され、ダイオードＤ１，Ｄ２のカソードはまとめて温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の一端に接続され、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の他端がＡＣ１００Ｖの一端に接続されて構成される。

ここで、前記温度制御部が破損し制御不能に陥った場合は、電力制御スイッチＳＷがＯＮのままとなり、発熱素線２ｃへの通電が連続となり全体が過熱状態になるので、高分子層３ｃが固有の融点で溶融し、発熱素線２ｃと温度検知素線４ｃが接触し、「ＡＣ電源Ｎ点→２ｃ→４ｃ→Ｄ１又はＤ２→ＲＦ１→Ｆ１→ＡＣ電源Ｈ点」の経路で電流が流れ、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１が加熱され所定時間内に温度ヒューズが溶断し電源が遮断され、火災の発生を防止する最終的保護回路が構成される。

上記の線間短絡機能の中で特に重要な点は、コード状発熱線１０２のどの位置で線間短絡が発生してもバラツキの少ない状態で保護機能が働かなければならないことである。この要求を満たすため、図５に示す回路接続に於いて、温度検知素線４ｃと温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値を下げる方向で線間短絡位置の影響を低減し、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の均一な加熱による温度ヒューズＦ１の均一な溶断時間を確保する努力が払われてきたが、短絡検知素線を兼ねる温度検知素線４ｃの抵抗値を、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値より小さくすることは経済的に不可能に近い。

図５に基づき温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力の概略計算値を表３に示してある。ここで、温度検知素線４ｃの抵抗値を６０℃で１１７６Ω、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値を１８０Ω、発熱素線２ｃの抵抗を２８．６Ωとする。また、その他の条件は２線式の場合と同様である。

表３によれば、１線式コード状発熱線１０２（従来例２）に於いては、線間短絡位置や電力制御スイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦ状態の各モードによる温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力は、実使用上では１３．９Ｗ／１．９Ｗ＝７．３倍の違いが発生する。ここで、温度ヒューズＦ１の溶断時間が消費エネルギーによると仮定すると、消費電力１３．９Ｗに対し、１．９Ｗの場合の溶断時間は７．３倍になると予想されるが、実測された溶断時間は予想に対し概ね妥当な値が得られている。

更に、温度検知素線４ｃの６０℃の前記抵抗値１１７６Ωを１／２の５８８Ωまで下げると云う極端な場合を想定し、電力制御スイッチＳＷがＯＦＦの期間について試算すると、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力は３．９Ｗ程度となり、溶断時間は１３．９Ｗ／３．９Ｗ＝３．６倍にまで短縮されると予想され許容範囲に近づく。

しかしながら、温度検知素線４ｃの抵抗値を１／２にすれば、その温度信号は半減してしまうので、温度検知素線４ｃに流す電流を２倍にしなければならず、それは低電圧化する定電化電源部の発熱を増大させ、温度制御器の収納ケースの表面温度を上げ、使用上の違和感と安全上の問題を発生させる。

次に、１線式コード状発熱線の別の構造として、図６のような構造の発熱線が提案されている（特許文献５）。

同図に於いて、ポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１ｄと、巻芯１ｄの外周に銅または銅合金の導体を螺旋状に捻回した発熱素線２ｄと、発熱素線２ｄの外周に高分子感熱樹脂を押出し成形してなる高分子感熱層３ｄと、高分子感熱層３ｄの外周には絶縁被覆された温度検知素線４ｄと裸の過熱検知素線６ｄが相互の間隔を設けて一定のピッチで螺旋巻きされ、その外周が絶縁被覆層５ｄで絶縁されコード状発熱線１０３とされている。ここで高分子感熱層３ｄは、温度の上昇に伴いインピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ特性を有するものである。

図６の構造図に基づき、絶縁被覆された温度検知素線４ｄは他の部分と電気的に独立しており、純粋な温度検知信号のみを検出できるとともに、高分子感熱層３ｄの過熱信号は発熱素線２ｄと過熱検知素線６ｄの間から温度検知信号の混入なく純粋に過熱信号を検出できるので、過熱が進み高分子感熱層３ｄが溶融し発熱素線２ｄと過熱検知素線６ｄとが接触する所謂線間短絡の発生よりずっと手前の温度で前記過熱信号により発熱素線２ｄへの通電を遮断し、線間短絡を防止できることが示されている。

この様子を図７の回路図で具体的に更に詳しく説明する。
同図に於いて、絶縁被覆された温度検知素線４ｄからの信号は、抵抗器Ｒ１及びＲ２で分圧され電圧比較器Ｕ１−Ａのマイナス端子に入力され、予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され電圧比較器Ｕ１−Ａより出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２ｄへの通電が制御される。

次に、過熱検知素線６ｄからの信号は抵抗器Ｒ２及びＲ３で分圧され電圧比較器Ｕ１−Ｂのマイナス端子に入力され、線間短絡の発生よりずっと手前の予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較され電圧比較器Ｕ１−Ｂより出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２ｄへの通電が制御される。
このように、高分子感熱層３ｄが溶融し発熱素線２ｄと過熱検知素線６ｄ間の線間短絡の発生以前にそれを予防できるとするのが特許文献５の主目的である。

しかし、前述のような予防措置を講じても温度制御部が故障する場合もあり、高分子感熱層３ｄが溶融し発熱素線２ｄと過熱検知素線６ｄの間で線間短絡が発生した場合に備え線間短絡保護回路を設けることはできるが、「信号分離」と云う前記の主目的を堅持したまま可能となる線間短絡保護用の回路接続は、図７に示すように図３及び図５で説明した普及形の１線式コード状発熱線１０２を使った場合と同様にしか構成できず、バラツキの少ない線間短絡保護動作を得ることはできない。

勿論、過熱検知素線６ｄについて２線式のように２つの経路で交流半波電流が流れる感度の高い線間短絡保護専用として利用することも可能であるが、主目的の過熱信号による線間短絡の予防回路は構成できなくなる。従って、特許文献５の目的である温度検知素線４ｄの絶縁被覆処理はその機能を発揮する必要がなくなるので、特許文献５の構造で過熱検知素線を短絡検知素線専用として使用することは、極めて不経済とならざるを得ない矛盾を生じる。

本発明の目的は、１線式コード状発熱線でありながら、各々の部分が好適な材質で構成された温度検知素線および短絡検知素線を高分子層の外周に交互に一定のピッチを保ち、且つ高分子層に食込む形で螺旋状に巻き、温度制御回路と線間短絡保護回路とを強固に分離することにより、精度が高く安定した温度制御機能とバラツキが少なく安全性の高い線間短絡保護機能を得ることができ、経済的にも優れたコード状発熱線装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載のコード状発熱線装置は、巻芯に所定のピッチで螺旋巻きされ両端に交流が印加される発熱素線、前記発熱素線上に密着配置され、所定の温度で溶融する高分子層、前記高分子層の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチを保ち、且つ前記高分子層に食込む形で螺旋巻きされた温度検知素線と短絡検知素線とからなる２条の導体、及び前記２条の導体を絶縁する被覆層を具備したコード状発熱線装置であって、前記短絡検知素線の両端が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記抵抗器の他端が２つのダイオードを介して各々ＡＣ電源の両極に接続され、前記発熱素線と前記短絡検知素線が任意の位置で短絡した場合、前記発熱素線側に印加される交流が短絡した部分を通じ前記短絡検知素線に接続した線を通って前記温度ヒューズ一体形抵抗器に流れる経路が形成され、該経路に溶断にいたる大きさの電流が流れ加熱し、短時間で温度ヒューズを切断し安全性を確保することを特徴とする。

本発明による請求項２記載のコード状発熱線装置は、巻芯の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチを保ち螺旋巻きされた温度検知素線と短絡検知素線とからなる２条の導体、前記２条の導体が食込むよう押圧成形された高分子層、所定の温度で溶融する前記高分子層の外周に所定のピッチで螺旋巻きされ両端に交流が印加される発熱素線及び前記発熱素線を絶縁する被覆層を具備したコード状発熱線装置であって、前記短絡検知素線の両端が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記抵抗器の他端が２つのダイオードを介して各々ＡＣ電源の両極に接続され、前記発熱素線と前記短絡検知素線が任意の位置で短絡した場合、前記発熱素線側に印加される交流が短絡した部分を通じ前記短絡検知素線に接続した線を通って前記温度ヒューズ一体形抵抗器に流れる経路が形成され、該経路に溶断にいたる大きさの電流が流れ加熱し、短時間で温度ヒューズを切断し安全性を確保することを特徴とする。

本発明による請求項３記載のコード状発熱線装置は、請求項１または２記載のコード状発熱線装置に於いて、前記温度検知素線と前記短絡検知素線は各々厚さ或いは直径の１０％以上５０％以下が高分子層に食込む形で螺旋巻きされることを特徴とする。

本発明による請求項４記載のコード状発熱線装置は、請求項１，２または３記載のコード状発熱線装置に於いて、前記高分子層はポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物からなり、溶融温度が１３０℃以上１９０℃以下であることを特徴とする。

本発明による請求項５記載のコード状発熱線装置は、請求項１，２，３または４記載のコード状発熱線装置に於いて、前記温度検知素線は正の温度係数を有する金属線であることを特徴とする。

本発明による請求項６記載のコード状発熱線装置は、請求項１乃至５のいずれか記載のコード状発熱線装置に於いて、前記２つのダイオードは、その同極側が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記ダイオードの各々の他極側がＡＣ電源の各極へ接続され、前記温度ヒューズ一体形抵抗器の他端が短絡検知素線の両端に接続されることを特徴とする。

本発明による請求項７記載のコード状発熱線装置は、請求項１乃至６のいずれか記載のコード状発熱線装置に於いて、前記短絡検知素線は、その抵抗値が温度ヒューズ一体形抵抗器の抵抗値以下であることを特徴とする。

以下、本発明の構成につき詳細に説明する。
本発明のコード状発熱線装置に用いられる芯線は、ポリエステル繊維束、ポリイミド繊維束、ガラス繊維束などであるが、耐熱性、柔軟性及びコストの面からポリエステル繊維束が好適であり、用途に応じて耐熱性、柔軟性に優れた繊維束であれば特に限定されないし、また多種繊維の混合束であってもよい。

本発明のコード状発熱線装置に用いられる所定のピッチで螺旋巻きされた発熱素線は、材質として純銅線や銅と錫の合金線、または銅と銀の合金線などがあり、形状は丸線状や薄板状にすることも可能であり、それらは単線のままであったり、撚線にされたり、或いは多条に引き揃えられて螺旋巻きされるが、所定の寸法で所定の抵抗値を得るために、材質や形状の選択は何ら限定されるものではない。
ここで、発熱素線は、発熱のために電流を流す導体であるが、線間短絡時に短絡検知素線と接触する一方の電極として働くことも担う。

本発明のコード状発熱線装置に用いられる温度検知素線と短絡検知素線は、その表面が絶縁されず裸のまま高分子層の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチで螺旋巻きされるが、各々の素線の厚さ或いは直径の１０％以上５０％以下が高分子層に食込んだ形で螺旋巻きされ、上部の絶縁被覆層で強固に固定されるので、コード状発熱線が屈曲ストレスを受けても絶縁被覆されていない温度検知素線と過熱検知素線同士が接触しないようになっている。

本発明のコード状発熱線装置に用いられる高分子層は、電気毛布や電気カーペットなどの製品の表面温度やコード状発熱線の耐熱温度より、高分子層の溶融温度は１３０℃以上１９０℃以下、好ましくは１５０℃〜１７０℃で比較的急な溶融特性を示すポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物が好適である。

ここで、高分子層の溶融温度が１３０℃以下では、通常の温度制御に於いて発熱素線のピーク温度が瞬間的に１２０℃付近まで上昇する場合があり、これが繰り返し発生すると短期間で発熱素線と短絡検知素線が短絡してしまう可能性が高くなり、１９０℃以上では、発熱素線の過熱が進み発煙やコゲの発生が増加するので適切ではない。

また、温度検知素線と短絡検知素線の高分子層への食込み量と前記両素線を覆う絶縁被覆層の成形温度及び圧力との関係から、高分子層の溶融温度は前記と同じく１３０℃以上１９０℃以下、好ましくは１５０℃〜１７０℃の範囲が好適である。

更に、前記絶縁被覆層の成形温度が低目の場合でも前記高分子層への食込みを十分深くするため、本発明のコード状発熱線装置に用いられるポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーの混和物に、ポリアルキレン・オキサイドを加えても良いし、前記高分子層には導電剤を配合し、温度上昇に伴い電気的インピーダンスが減少する所謂負温度係数サーミスタ特性を持たせてもよい。

なお、万一温度検知素線と短絡検知素線が接触するような場合でも、短絡検知素線はダイオードと温度ヒューズ一体形抵抗器を介してＡＣ電源に接続されているので、温度検知素線の接触状態を制御回路が容易に検出し電源を遮断し安全を確保することができる。
従って、本発明による温度検知素線は、図６のように絶縁被覆する細密な工程はまったく必要ない。
本発明の図２に於いて温度検知素線と短絡検知素線間の短絡の有無によるＲ２の端子電圧は、適切な平滑回路を通して短絡なしの場合、約０．９Ｖ，短絡ありの場合、０．４〜０．５Ｖとなり、明確な弁別比を確保することができる。

本発明のコード状発熱線装置に用いられる温度検知素線は、正の温度係数を有する金属線であれば特に限定されないが、金属の中では温度係数が比較的高めで、伸線加工や巻線加工などの機械的ストレスを受けても抵抗値や温度係数が安定しているニッケルが利用され、正の温度係数を有し温度に対する抵抗特性が直線的で再現性に優れ経時変化の少ない温度検知素線とされる。

本発明のコード状発熱線装置に用いられる２つのダイオードは、その同極性側が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記ダイオードの他極性側の各々がＡＣ電源の各極に接続されるともに、前記温度ヒューズ一体形抵抗器の他端が短絡検知素線の両端に接続され、線間短絡時には前記温度ヒューズ一体形抵抗器へ２つの経路からの交流半波電流が流れ大きな電力印加による迅速な溶断が可能な線間短絡保護回路を構成する。ここで、前述の極性接続基準を保てば、前記２つのダイオードの正逆方向は特に限定されるものではない。

本発明のコード状発熱線装置に用いられる短絡検知素線は、その抵抗値が温度ヒューズ一体形抵抗器の抵抗値以下、好ましくは温度ヒューズ一体形抵抗器の抵抗値の１／２以下が好適である。本発明の場合、短絡検知素線の抵抗値は温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値よりずっと小さくでき、工業的には発熱素線の抵抗値以下に小さくすることも可能であるが、どの程度まで小さくするかはコストとの兼ね合いによる。

温度検知素線と短絡検知素線の外周に密着して電気絶縁性が高く、しなやかで且つ安価な塩化ビニル樹脂などの絶縁被覆層が押出し成形などにより形成され、コード状発熱線装置となる。

本発明によるコード状発熱線装置によれば、温度検知素線と短絡検知素線が高分子層の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチ保ち、且つ前記高分子層に食込む形で螺旋巻きされているので、発熱素線と短絡検知素線との間の線間短絡検知は、温度検知素線とは関係なく短絡検知素線単独で検知でき、迅速でバラツキの少ない線間短絡保護機能を働かせ、局部的な発煙やコゲを防止することができる。

本発明によるコード状発熱線装置によれば、温度検知素線と短絡検知素線が高分子層の厚さ或いは直径の１０％以上５０％以下、好ましくは２０％以上４０％以下が高分子層に食込んで螺旋巻きされ、上部の絶縁被覆層で強固に固定されるので、コード状発熱線が屈曲ストレスを受けても絶縁被覆されていない温度検知素線と短絡検知素線同士が接触しないようにすることができる。

本発明によるコード状発熱線装置によれば、高分子層の溶融温度が１３０℃以上１９０℃以下、好ましくは１５０℃以上１７０℃以下で比較的急峻な溶融特性を示すポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物から成っているので、食込み量や溶融温度、溶融時間に関し適切な品種と配合を選択することにより、最終的な線間短絡保護機能を柔軟に確保することができる。

本発明によるコード状発熱線装置によれば、温度検知素線は正の温度係数を有する金属線であるため温度係数は小さいが、温度対抵抗特性が直線的で高分子感熱層に比べ経時変化が非常に小さいので、精密で安定性があり再現性に優れた温度制御が可能となる。

本発明によるコード状発熱線装置によれば、２つのダイオードは、その同極性側が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記ダイオードの他極性側の各々がＡＣ電源の各極に接続され、前記温度ヒューズ一体形抵抗器の他端が短絡検知素線の両端に接続され、線間短絡時には温度ヒューズ一体形抵抗器に２つの経路からの交流半波電流が流れ、大きな電力印加による線間短絡保護回路を構成できるので、温度ヒューズの溶断時間は短縮され、安全性の大幅な向上を確保することができる。

本発明によるコード状発熱線装置によれば、短絡検知素線は、その抵抗値が温度ヒューズ一体形抵抗器の抵抗値以下、好ましくは１／２以下とされるので、不要な抵抗損失分が低減され、線間短絡位置や電力制御スイッチのＯＮ、ＯＦＦ状態の影響を受け難く、バラツキの少ない溶断時間を実現し大幅な安全性の向上を図ることができる。

本発明によるコード状発熱線装置の実施の形態を示す図で、発熱線の一部を省略して示した構造図である。 本発明によるコード状発熱線装置の回路部分の実施の形態を示す回路図である。 ２線式の従来例１と１線式の従来例２のコード状発熱線の一例を示す図で、発熱線の一部を省略して示した構造図である。 ２線式の従来例１のコード状発熱線の回路部分の一例を示す回路図である。 １線式の従来例２のコード状発熱線の回路部分の一例を示す回路図である。 １線式の従来例３のコード状発熱線の一例を示す図で、発熱線の一部を省略して示した構造図である。 １線式の従来例３のコード状発熱線の回路部分の一例を示す回路図である。

以下、図面などを参照して本発明によるコード状発熱線の実施の形態を更に詳しく説明する。なお、本発明はその要旨を逸脱しない限り、以下の内容に限定されるものではない。
図１は、本発明の実施形態にかかるコード状発熱線１Ｈの一方端を示すもので、絶縁被膜層および高分子層などを一部省略して示した図である。

このコード状発熱線１Ｈは、ガラス繊維またはポリエステル繊維等の繊維束の巻芯１と、巻芯１の外周に銅或いは銅合金の平角導体を螺旋状に捻回した発熱素線２と、発熱素線２の外周に高分子感熱樹脂を押出し成形してなる高分子層３と、高分子層３の外周には相互の間隔を設けて一定のピッチで螺旋巻きされた温度検知素線４と短絡検知素線６と、最外周にポリ塩化ビニル等を押出し成形した絶縁被覆層５とから構成されている。

ここで、高分子層３はポリアミド樹脂の中でも吸水率の小さいナイロン１２とポリアミド・エラストマーの混和物が好ましく、絶縁被覆層５の成形温度が低目の場合は、前記混和物にポリエチレン・グリコールやポリエチレン・オキサイド等のポリアルキレン・オキサイドを添加し、高分子層３の軟化点を下げてもよい。これらの材料をニーダー、または多軸押出機にて混練し、混和物としての高分子層３が得られる。尚、これらの材料は一度に投入され混練される場合もあるが、順次投入され、複数回にわたり混練される場合もある。

又、高分子層３の外周には、温度検知素線４と短絡検知素線６とからなる２条の導体が、各々厚さ或いは直径の１０％以上５０％以下の部分が高分子層３に食込む状態で相互の間隔を設けて一定のピッチで螺旋巻きされる。この食込みの深さは通常巻線機のテンション管理により実現されるが、その手段のみならず絶縁被覆層５の押出し圧力を調整することにより、定量的に安定した食込み量を得ることができ、本発明を量産化に導く重要な工法であり核心の一つである。
尚、食込み量を決定するには絶縁被覆層の押出温度の調整と云う手段もあるが、押出温度は絶縁被覆層の材質により最適な流動性を確保する重要な手段であり、これを任意に変更することは好ましくない。

また、絶縁被覆層５のポリ塩化ビニル樹脂混和物に含まれる可塑剤が高分子層３へ移行するのを防止するため、温度検知素線４及び短絡検知素線６と絶縁被覆層５の間にポリエステルテープを縦添え形成したバリア層を設けてもよい。

図１に示した実施形態についての諸データは次の通りである。
巻芯１の材質 ：ポリエステル繊維束
発熱素線２の材質 ：０．７％錫銅合金
発熱素線２の寸法 ：断面０．０６０×０．４２０ｍｍ（平角導体）、ピッチ０．８６ｍｍ
高分子層３の材質 ：表１
高分子層３の寸法 ：厚さ０．３３ｍｍ
温度検知素線４の材質 ：ニッケル
温度検知素線４の寸法 ：断面径φ０．０８０ｍｍ（丸線状の導体）、ピッチ０．８６ｍｍ
短絡検知素線６の材質 ：０．７％錫銅合金
短絡検知素線６の寸法 ：断面径φ０．０８３ｍｍ（丸線状の導体）、ピッチ０．８６ｍｍ
絶縁被覆層５の材質 ：ポリ塩化ビニル樹脂混和物
絶縁被覆層５の寸法 ：厚さ０．４ｍｍ

尚、ポリ塩化ビニル樹脂混和物は、耐熱グレードのポリ塩化ビニル樹脂を用いた電源電線用の市販の混和物である（ＶＭ−１６３、アプコ製）、ポリアミド樹脂は、市販のナイロン１２（３０２０Ｘ１５、ＵＢＥ製）及びポリアミド１２エラストマー（９０４８Ｘ１、ＵＢＥ製）を使用した。

表１に示す３種類の実施例と２種類の従来例の各材料をニーダーまたは２軸押出機で混練し、図１に示す構造のコード状発熱線１Ｈとし、これを３６ｍの長さに切断し測定用の試料とした。

本発明の実施例に関する回路構成を図２に示し、各部品の電気的な値とその動作を簡単に説明する。
同図に於いて、全長３６ｍのコード状発熱線１Ｈの構成要素である発熱素線２の抵抗値は２８．６Ω、温度検知素線４の抵抗値は６０℃で１１７６Ω（温度係数は０．４４％／℃）、短絡検知素線６の抵抗値９０Ω、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の抵抗値は１８０Ωである。３は高分子層、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は固定抵抗であり、Ｒ１＝１．５ＫΩＦ，Ｒ２＝４７０ΩＦ，Ｒ３＝１０ＫΩである。Ｃ１は電解コンデンサであり、Ｃ１＝１０μＦ，耐圧１６Ｖ、Ｄ１，Ｄ２は整流ダイオード１Ｎ４００４、Ｕ１は電圧比較器、ＳＷは電圧比較器Ｕ１の結果により発熱素線２への通電を制御する電力制御スイッチであり、ＳＴＢはＡＣ１００Ｖから温度制御部へ直流Ｖｃｃ＝５Ｖを供給する安定化回路部である。

図２の回路の動作はつぎの通りである。
温度制御動作は、温度検知素線４の抵抗変化が、抵抗器Ｒ１とＲ２で分圧され電圧比較器Ｕ１のマイナス端子に入力され、予め設定された温度に相当する基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較され電圧比較器Ｕ１より出力され、電力制御スイッチＳＷの開閉が駆動され発熱素線２への通電が制御される。

線間短絡保護動作は、短絡検知素線６の両端が温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の一端に接続され、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の他端にはダイオードＤ１とＤ２の各々のアノードが接続され、ダイオードＤ１，Ｄ２のカソード側が各々ＡＣ電源の各極へ接続され、線間短絡が発生した場合には、温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１に２つの経路で交流半波電流が流れる。

図２に基づき温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力の概略計算値を表３に示してある。表３によれば、本発明による実施例１、２及び３のコード状発熱線１Ｈに於いては、線間短絡位置や電力制御スイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦ状態による温度ヒューズ一体形抵抗器ＲＦ１の消費電力は、２線式の場合と同じく実使用上では１３．９Ｗ÷９．６Ｗ＝１．４倍の違いしか発生しないと見積もられる。

［温度制御試験］
３６ｍのコード状発熱線１Ｈは、交差しないよう広げられ、上下をフェルトなどの断熱材で覆われ測定に供される。
温度検知素線４の平均温度が６５℃で制御されるよう、予め電圧比較器Ｕ１のプラス入力電圧Ｖｒｅｆ１を設定し、通電により温度制御されたコード状発熱線１Ｈの中央位置の表面に直接温度センサを接触させて温度を測定した。その結果を表２に示す。

［線間短絡保護試験］
コード状発熱線１Ｈの過熱による高分子層３の溶融に伴う発熱素線２と短絡検知素線６の間の線間短絡試験は擬似的に次のように実施した。図２の回路図に於いて、電力制御スイッチＳＷを表２の状態にし、発熱素線２と短絡検知素線６の片端Ａ２とＨ２の間を強制的に短絡した場合と、発熱素線２と短絡検知素線６の各々の中央部を強制的に短絡した場合について温度ヒューズＦ１の溶断時間を測定した。
実施例１，２，３と従来例１（発熱素線２ｂと短絡検知素線４ｂの短絡による），２（発熱素線２ｃと温度検知素線４ｃによる）についてそれらの溶断時間を表２に示す。

［素線の食込み量の測定］
実施例１，２，３及び従来例１，２に於いて、高分子層３（従来例１，２ではそれぞれ３ｂ，３ｃ）への温度検知素線４（従来例２では４ｃ）と短絡検知素線６（従来例１では４ｂ）の食込み量について、その断面を投影機で測定し素線径に対する平均的食込み量の百分率を表２に示す。また、１８０度屈曲試験１万回での前記両素線の接触の有無を表２に同時に示す。

［溶融温度試験］
コード状発熱線１Ｈの過熱による高分子層３の溶融・短絡試験は次のように実施した。長さ０．５ｍに切断したコード状発熱線１Ｈの中央部を弛ませた状態で両端を固定して恒温槽に入れ、１℃／１分のレートで昇温する。尚、発熱素線２と短絡検知素線６には延長線が接続され、恒温槽外で抵抗計に接続される。昇温過程で前記抵抗計がゼロオームとなり短絡を検知した時の恒温槽温度を読み取って溶融温度とした。実施例１，２，３と従来例１（高分子層３ｂ），２（高分子層３ｃ）についての溶融温度を表２に示してある。

各測定値についての評価はつぎの通りである。
［温度制御試験の評価］
表２の表面温度のバラツキを見ると、実施例と従来例の間には大きな差は見られず、本発明によりコード状発熱線の構造が変わっても、温度制御性能は従来に遜色ないことが実証できた。

［線間短絡保護試験の評価］
２線式の従来例１の温度ヒューズ溶断時間の値は伝統を引き継ぐ優れた値を示したが、１線式の従来例２はコード状発熱線の中央部の線間短絡に於いて、問題となっている値、溶断時間が遅い１８９秒を再現した。これに対し、本発明による実施例１，２，３の何れも２線式の従来例１と同様に、コード状発熱線の端部の線間短絡と中央部の線間短絡との間で大きなバラツキのない値を示し、高い安全性を確保したことを実証できた。

［溶融温度試験の評価］
表２の高分子層３（従来例１，２では３ｂ，３ｃ）の溶融温度を見ると、実施例１，２，３は、従来例１，２より低温側で溶融している。これはポリアミド・エラストマーの配合によるものであり、早めの溶融による早めの線間短絡を誘導しており、従来より安全性の向上を確保したことを実証できた。
［素線の食込み量の評価］
表１及び表２を対比すると、食込み量は素線の螺旋巻きテンションより、絶縁被覆層の押出し圧力、即ち押出しダイス径や押出し速度の調整により確実な値を得ることができ、その確実性と信頼性は屈曲試験の結果から十分に実証することができた。

以上の実施例１，２，３は、巻芯に発熱素線を螺旋巻きし、その周囲を密着配置した高分子層の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチを保ち、かつ高分子層に食込む形で温度検知素線と短絡検知素線とを螺旋巻きしその周囲に絶縁被膜層を形成する構造のコード状発熱線について説明したが、他の実施例として巻芯の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチを保ち螺旋巻きされた温度検知素線と短絡検知素線とからなる２条の導体、前記２条の導体が食込むよう押圧成形された高分子層、所定の温度で溶融する前記高分子層の外周に所定のピッチで螺旋巻きされた発熱素線及び前記発熱素線を絶縁する被覆層を具備したコード状発熱線でも適用することができる。
この、他の実施例は、実施例１，２，３の発熱素線と、温度検知素線および短絡検知素線の配置位置が内外逆であり、回路は図２に示す構成を採用するものである。

以上説明したように本発明によれば、１線式コード状発熱線でありながら、各々が好適な材質で構成された温度検知素線、および短絡検知素線が高分子層の外周に交互に一定のピッチを保ち、且つ高分子層に食込む形で螺旋状に巻かれ上部の絶縁被覆層で強固に分離固定されるので、温度制御回路では精度の高い安定した温度制御機能が得られるとともに、線間短絡保護回路では抵抗の高い温度検知素線をまったく介さず、短絡検知素線の低抵抗値化によりバラツキの少ない安全性の高い線間短絡保護機能が得られ、経済的にも優れたコード状発熱線装置を提供することが出来る。

電気毛布、電気カーペットなどの面状採暖具に用いられるコード状発熱線装置である。

１ 巻芯
１Ｈ コード状発熱線
２ 発熱素線
３ 高分子層
４ 温度検知素線
５ 絶縁被覆層
６ 短絡検知素線

Claims (7)

1. 巻芯に所定のピッチで螺旋巻きされ両端に交流が印加される発熱素線、前記発熱素線上に密着配置され、所定の温度で溶融する高分子層、前記高分子層の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチを保ち、且つ前記高分子層に食込む形で螺旋巻きされた温度検知素線と短絡検知素線とからなる２条の導体、及び前記２条の導体を絶縁する被覆層を具備したコード状発熱線装置であって、
   前記短絡検知素線の両端が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記抵抗器の他端が２つのダイオードを介して各々ＡＣ電源の両極に接続され、
   前記発熱素線と前記短絡検知素線が任意の位置で短絡した場合、前記発熱素線側に印加される交流が短絡した部分を通じ前記短絡検知素線に接続した線を通って前記温度ヒューズ一体形抵抗器に流れる経路が形成され、該経路に溶断にいたる大きさの電流が流れ加熱し、短時間で温度ヒューズを切断し安全性を確保することを特徴とするコード状発熱線装置。
2. 巻芯の外周に相互の間隔を設けて一定のピッチを保ち螺旋巻きされた温度検知素線と短絡検知素線とからなる２条の導体、前記２条の導体が食込むよう押圧成形された高分子層、所定の温度で溶融する前記高分子層の外周に所定のピッチで螺旋巻きされ両端に交流が印加される発熱素線及び前記発熱素線を絶縁する被覆層を具備したコード状発熱線装置であって、
   前記短絡検知素線の両端が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記抵抗器の他端が２つのダイオードを介して各々ＡＣ電源の両極に接続され、
   前記発熱素線と前記短絡検知素線が任意の位置で短絡した場合、前記発熱素線側に印加される交流が短絡した部分を通じ前記短絡検知素線に接続した線を通って前記温度ヒューズ一体形抵抗器に流れる経路が形成され、該経路に溶断にいたる大きさの電流が流れ加熱し、短時間で温度ヒューズを切断し安全性を確保することを特徴とするコード状発熱線装置。
3. 請求項１または２記載のコード状発熱線装置に於いて、
   前記温度検知素線と前記短絡検知素線は各々厚さ或いは直径の１０％以上５０％以下が高分子層に食込む形で螺旋巻きされることを特徴とするコード状発熱線装置。
4. 請求項１，２または３記載のコード状発熱線装置に於いて、
   前記高分子層はポリアミド樹脂とポリアミド・エラストマーとの混和物からなり、溶融温度が１３０℃以上１９０℃以下であることを特徴とするコード状発熱線装置。
5. 請求項１，２，３または４記載のコード状発熱線装置に於いて、
   前記温度検知素線は正の温度係数を有する金属線であることを特徴とするコード状発熱線装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載のコード状発熱線装置に於いて、
   前記２つのダイオードは、その同極側が温度ヒューズ一体形抵抗器の一端に接続され、前記ダイオードの各々の他極側がＡＣ電源の各極へ接続され、前記温度ヒューズ一体形抵抗器の他端が短絡検知素線の両端に接続されることを特徴とするコード状発熱線装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載のコード状発熱線装置に於いて、
   前記短絡検知素線は、その抵抗値が温度ヒューズ一体形抵抗器の抵抗値以下であることを特徴とするコード状発熱線装置。

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