JP6889029B2 - Heater unit and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、優れた昇温特性を有するヒーターユニット、特に正温度係数(Positive Temperature Coefficient, PTC)セラミック素子を発熱源に用いたヒーターユニットおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a heater unit having excellent temperature rising characteristics, particularly a heater unit using a positive temperature coefficient (PTC) ceramic element as a heat generating source, and a method for manufacturing the same.
これまでに、定温ヒーターや局所加熱ヒーターとして、自己温度制御機能を備えたPTCセラミック素子を発熱源に用いた平板状ヒーターが多くの分野で使用されてきており、例えば下記の特許文献1には、車載用ヒーターとして、電極面を有する発熱素子と、その電極面に接して発熱素子に重ね合わされた電極部材と、発熱素子と電極部材とを包む絶縁性シートと、絶縁性シートに包まれた発熱素子および電極部材を収容する中空部と発熱素子からの熱が伝導される放熱面とを有する筒体と、少なくともフィンを含み筒体の放熱面上に設けられた放熱体ユニットと、を備えたものが開示されている。
このような従来の平板状ヒーターは、図3に示されるように、PTCセラミック素子1と筺体や放電体ユニットとを絶縁するために、PTCセラミック素子1の主表面に形成した電極と金属電極板3を接着層6で接着し、その周りに絶縁性シート7(例えば、東レ・デュポン株式会社製のポリイミドシート、商品名:カプトン(登録商標))を巻いて絶縁し、さらに熱を伝えるために角形パイプ状の金属(筺体)8で圧接した構造を有しているが、このような構造であるために、熱抵抗が発生し、ヒーターの昇温特性に問題が有った。
So far, as constant temperature heaters and local heating heaters, flat plate heaters using a PTC ceramic element having a self-temperature control function as a heat generating source have been used in many fields. For example, in
As shown in FIG. 3, such a conventional flat plate heater has an electrode and a metal electrode plate formed on the main surface of the PTC
本発明は、従来技術における上記の問題点を解決し、優れた昇温特性を有する正温度係数セラミックを用いたヒーターユニット(PTCヒーターユニット)を提供することを課題とする。また、本発明の課題は、上記のヒーターユニットを製造するための方法を提供することでもある。
本発明者は、種々検討を行った結果、PTCセラミック素子の両主表面に形成された金属電極板の表面にさらに接着層を介して、ポリイミド層が電着により形成された金属放熱板、又は、ポリイミドフィルムと金属放熱板を積層することにより、金属放熱板とPTCセラミック素子との絶縁を確保し、かつPTCセラミック素子にて発生する熱を速やかに均一に被加熱物に伝達できるヒーターユニットが製造できることを見出して、本発明を完成した。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art and to provide a heater unit (PTC heater unit) using a positive temperature coefficient ceramic having excellent temperature rising characteristics. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the above-mentioned heater unit.
As a result of various studies, the present inventor has made a metal heat radiating plate in which a polyimide layer is formed by electrodeposition on the surface of a metal electrode plate formed on both main surfaces of a PTC ceramic element via an adhesive layer. By laminating the polyimide film and the metal heat dissipation plate, a heater unit that secures the insulation between the metal heat dissipation plate and the PTC ceramic element and can quickly and uniformly transfer the heat generated by the PTC ceramic element to the object to be heated. The present invention was completed by finding that it can be manufactured.
前記の課題を解決可能な本発明のヒーターユニットは、平板状の正温度係数セラミック素子の上下面に形成された金属電極板の表面と、金属放熱板の片面に形成された1〜200μmの厚みを有する電着ポリイミド層とが接着層を介して接合され、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とする。 The heater unit of the present invention capable of solving the above problems has a thickness of 1 to 200 μm formed on the surface of a metal electrode plate formed on the upper and lower surfaces of a flat plate-shaped positive temperature coefficient ceramic element and on one side of the metal heat dissipation plate. and electrodeposited polyimide layer having a are bonded through an adhesive layer, and the metal electrode plate and the metal heat dissipation plate is characterized in that it is insulated, without winding the insulating sheet.
また、本発明は、上記の特徴を有したヒーターユニットにおいて、前記金属放熱板の厚みが0.1〜0.5mmであることを特徴とするものである。 Further, the present invention is characterized in that, in the heater unit having the above-mentioned characteristics, the thickness of the metal heat radiating plate is 0.1 to 0.5 mm .
更に、本発明は、前記のヒーターユニットを製造するための方法であって、当該方法が、以下の工程:
平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程、
金属放熱板の片面にポリイミドを電着塗装し、当該片面に1〜200μmの厚みを有する電着ポリイミド層を形成させる工程、および
接着剤を介して、前記金属放熱板の片面に形成された前記電着ポリイミド層と、前記金属電極板を積層する工程
を含むことで、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とする。
Further, the present invention is a method for manufacturing the above-mentioned heater unit, and the method is described in the following steps:
A process of laminating metal electrode plates on the upper and lower surfaces of a flat plate-shaped positive temperature coefficient ceramic element,
Polyimide electrodeposition coating on one surface of the metal heat radiating plate, a step to form electrodeposition polyimide layer having a thickness of 1~200μm to the one side, and an adhesive, formed on one side of the metal heat dissipating plate wherein By including the step of laminating the electrodeposited polyimide layer and the metal electrode plate , the metal electrode plate and the metal heat radiating plate are insulated without wrapping an insulating sheet .
更に、本発明は、上記の特徴を有したヒーターユニットの製造方法において、前記金属放熱板の厚みが0.1〜0.5mmであることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that, in the method for manufacturing a heater unit having the above characteristics, the thickness of the metal heat radiating plate is 0.1 to 0.5 mm .
本発明によれば、接着層を介してポリイミド層が金属電極板に積層されているので、金属放熱板とPTCセラミック素子との絶縁を確保し、かつ金属放熱板を通じてPTCセラミック素子の発熱を速やかに被加熱物に伝えることができる層構成により、従来例より昇温特性の優れたヒーターユニットが得られる。 According to the present invention, since the polyimide layer is laminated on the metal electrode plate via the adhesive layer, the insulation between the metal heat radiating plate and the PTC ceramic element is ensured, and the PTC ceramic element generates heat quickly through the metal heat radiating plate. Due to the layer structure that can be transmitted to the object to be heated, a heater unit having better heating characteristics than the conventional example can be obtained.
以下、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。
図1に示される本発明のヒーターユニットにおいては、平板状のPTCセラミック素子1の上面および下面(両電極面)にそれぞれ接着層2を介して金属電極板3が積層されており、この金属電極板3のさらに外側には、表面にポリイミド層4が形成された金属放熱板5が、接着層2’を介して積層されている。
Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the heater unit of the present invention shown in FIG. 1, a metal electrode plate 3 is laminated on the upper surface and the lower surface (both electrode surfaces) of the flat plate-shaped PTC
本発明における平板状のPTCセラミック素子1は、キューリー点以上の温度になると急激に抵抗が増加して通電する電流を抑制する結果、それ以上の温度上昇が制限される機能を有している。PTCセラミック素子1の上記機能により、温度制御回路や過熱防止回路を省略することができ、消費電力を小さくすることができる。
また、上記のPTCセラミック素子1の上面および下面に設けられる接着層2は、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤を用いて形成されることが好ましく、金属電極板3はアルミニウムやステンレスなどから成る金属板であり、金属電極板3の厚みとしては0.1〜0.5mmが好ましい。
The flat plate-shaped PTC
Further, the adhesive layer 2 provided on the upper surface and the lower surface of the PTC
図1に例示した本発明のヒーターユニットにおけるポリイミド層4は、電着により形成された電着ポリイミド層で、金属放熱板5の表面に直接、即ち、接着層を介さずに積層されており、この層厚みは1〜200μmであることが好ましい。ポリイミド層4の電着は金属放熱板5の片側表面にのみ施される。
本発明では、ポリイミド含有電着溶液に金属放熱板5を浸漬させ外部から電圧を印加することで金属放熱板5の表面にポリイミド層を形成させることができ、この際、電着条件(電圧、通電時間など)を適宜選択することによってポリイミド層4の厚みを制御することができる。
上記のポリイミド層4が形成された金属放熱板5と、前記の金属電極板3とを接合している接着層2’を形成するのに使用される接着剤としては、前記接着層2と同様に、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤が好ましい。
The polyimide layer 4 in the heater unit of the present invention illustrated in FIG. 1 is an electrodeposited polyimide layer formed by electrodeposition, and is laminated directly on the surface of the metal
In the present invention, the polyimide layer can be formed on the surface of the metal
The adhesive used to form the adhesive layer 2'that joins the metal heat-
なお、本発明における金属放熱板5としては、例えばアルミニウムやステンレスなどの熱伝導性に優れた金属からなるものが一般的であり、好ましい厚みは0.1〜0.5mmである。
本発明では、金属放熱板5上に電着されたポリイミド層を接着層を介在させて金属電極板3と接合することによって、絶縁性シートを使用しなくても、金属電極板3と絶縁された金属放熱板5を設けることができる。また、上記構成により、従来技術に比較して金属放熱板に必要とされる剛性(要求される板厚)を大幅に低減することができ、金属放熱板5の厚みも最小限(好ましくは0.1mm以上、0.5mm以下)に薄くすることができる。その結果、PTCセラミック素子1から金属放熱板5を通じて被加熱部までの距離を従来よりも小さくすることができ、ヒーターユニットの昇温特性を向上させることができる。
The metal
In the present invention, the polyimide layer electrodeposited on the metal
また、図2に示される本発明のヒーターユニットにおいては、平板状のPTCセラミック素子1の上面および下面にそれぞれ接着層2を介して金属電極板3が積層されており、この金属電極板3の表面に、接着層2’を介してポリイミド層(ポリイミドフィルム)4が積層されており、さらにこのポリイミド層4の表面に、接着層2”を介して金属放熱板5が積層されている。
図2に例示した本発明のヒーターユニットにおけるポリイミド層4としてのポリイミドフィルムの厚みは1〜200μmであることが好ましく、市販品が利用できる。
このようなポリイミドフィルムと金属放熱板5とを接合している接着層2”を形成するのに使用される接着剤としては、前記接着層2および2’と同様に、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤が好ましい。
Further, in the heater unit of the present invention shown in FIG. 2, a metal electrode plate 3 is laminated on the upper surface and the lower surface of the flat polyimide
The thickness of the polyimide film as the polyimide layer 4 in the heater unit of the present invention illustrated in FIG. 2 is preferably 1 to 200 μm, and a commercially available product can be used.
The adhesive used to form the adhesive layer 2 "bonding the polyimide film and the metal
図1に示される層構成を有したヒーターユニットを製造するための本発明の第1の製造方法は、接着剤を介して、平板状のPTCセラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程と、金属放熱板の片側表面にポリイミドを電着して、当該表面に1〜200μmの厚みを有する電着ポリイミド層を形成させる工程と、接着剤を介して、前記金属放熱板の表面に形成された前記電着ポリイミド層と前記金属電極板を積層する工程を含む。この際、使用される接着剤としてはシリコン系接着剤が好ましく、貼り合わせを行った後には、温度140〜160℃(好ましくは150℃)で0.5〜2時間(好ましくは1時間)加熱を行ってシリコン樹脂を熱硬化させ、接着層を形成させる。
上記の製造方法により得られるPTCヒーターユニットにおいては、電着ポリイミド層が金属放熱板の片側にのみ存在しており、この電着ポリイミド層と金属電極板とが接着剤(好ましくはシリコン系接着剤)により接着されているので、優れた昇温特性、即ち、短時間で所定の温度に達する速熱性を有している。
In the first manufacturing method of the present invention for manufacturing a heater unit having the layer structure shown in FIG. 1, metal electrode plates are laminated on the upper surface and the lower surface of a flat polyimide ceramic element via an adhesive. A step, a step of electrodepositing polyimide on one side surface of the metal heat radiating plate to form an electrodeposited polyimide layer having a thickness of 1 to 200 μm on the surface, and a step of forming an electrodeposited polyimide layer on the surface of the metal heat radiating plate via an adhesive. The step of laminating the formed electrodeposited polyimide layer and the metal electrode plate is included. At this time, a silicon-based adhesive is preferable as the adhesive to be used, and after bonding, the adhesive is heated at a temperature of 140 to 160 ° C (preferably 150 ° C) for 0.5 to 2 hours (preferably 1 hour). Is performed to heat-cure the silicone resin to form an adhesive layer.
In the PTC heater unit obtained by the above manufacturing method, the electrodeposited polyimide layer exists only on one side of the metal heat dissipation plate, and the electrodeposited polyimide layer and the metal electrode plate are bonded to each other (preferably a silicon-based adhesive). ), So that it has excellent temperature rise characteristics, that is, quick heating property that reaches a predetermined temperature in a short time.
また、図2に示される層構成を有したヒーターユニットを製造するための本発明の第2の製造方法は、接着剤を介して、平板状のPTCセラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程と、接着剤を介して、1〜200μmの厚みを有したポリイミドフィルムを貼り付ける工程と、ポリイミドフィルム上に接着剤を介して、前記金属電極板を積層する工程を含み、接着層の形成に使用される接着剤の種類や熱硬化条件は、第1の製造方法の場合と同じである。なお、金属放熱板とポリイミドフィルムとを接着剤を介して貼り合わせて積層体を得た後に、当該積層体のポリイミドフィルムと金属電極板とを接着剤を介して積層してもよい。
以下、本発明のヒーターユニットの製造例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
Further, in the second manufacturing method of the present invention for manufacturing the heater unit having the layer structure shown in FIG. 2, metal electrode plates are formed on the upper surface and the lower surface of the flat polyimide ceramic element via an adhesive. The bonding layer includes a step of laminating, a step of pasting a polyimide film having a thickness of 1 to 200 μm via an adhesive, and a step of laminating the metal electrode plate on the polyimide film via an adhesive. The type of adhesive and the heat-curing conditions used for forming the above are the same as in the case of the first production method. After the metal heat radiating plate and the polyimide film are bonded to each other via an adhesive to obtain a laminate, the polyimide film and the metal electrode plate of the laminate may be laminated via an adhesive.
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to a manufacturing example of the heater unit of the present invention, but the present invention is not limited thereto.
実施例1:電着ポリイミド層が積層された層構成を有する本発明のヒーターユニットの製造例
キュリー点が240℃のPTCセラミック素子(15mm×25mm、厚さ2mm)の両主表面に市販のシリコン系接着剤を塗布厚み約50μmにて塗布し、金属電極板(材質:アルミニウム、厚さ0.2mm)を貼り付けた。一方、金属放熱板(材質:アルミニウム、厚さ0.2mm)の片側の表面に、電着により50μmのポリイミド膜を形成させ、このポリイミド膜の表面にシリコン系接着剤(同上)を約50μmの塗布厚みにて塗布し、この塗布面に前記の金属電極板を貼り合わせた。
このようにして得られた積層体を150℃の温度で1時間加熱し、シリコン系接着剤を熱硬化することで、図1に示される層構成を有した本発明のPTCヒーターユニットを作製した。
Example 1: Manufacturing example of the heater unit of the present invention having a layer structure in which electrodeposited polyimide layers are laminated Commercially available silicon on both main surfaces of a PTC ceramic element (15 mm × 25 mm, thickness 2 mm) having a Curie point of 240 ° C. The system adhesive was applied to a coating thickness of about 50 μm, and a metal electrode plate (material: aluminum, thickness 0.2 mm) was attached. On the other hand, a 50 μm polyimide film is formed on the surface of one side of a metal heat dissipation plate (material: aluminum, thickness 0.2 mm) by electrodeposition, and a silicon-based adhesive (same as above) is applied to the surface of this polyimide film with a thickness of about 50 μm. The coating was applied to the coating thickness, and the metal electrode plate was attached to the coating surface.
The laminate thus obtained was heated at a temperature of 150 ° C. for 1 hour, and the silicon-based adhesive was thermoset to produce the PTC heater unit of the present invention having the layer structure shown in FIG. ..
実施例2:ポリイミドフィルムが積層された層構成を有する本発明のヒーターユニットの製造例
前記実施例1と同様にして、PTCセラミック素子の両主表面に市販のシリコン系接着剤を塗布し、金属電極板を貼り付けた。そして、この金属電極板の上にシリコン系接着剤を塗布した後、50μmの厚みの市販のポリイミドフィルムを貼りつけた。さらにこのポリイミドフィルムの上にシリコン系接着剤(同上)を約50μmの塗布厚みにて塗布し、この塗布面に、実施例1と同じ金属放熱板を貼り合わせた。
このようにして得られた積層体を150℃の温度で1時間加熱し、シリコン系接着剤を熱硬化することで、図2に示される層構成を有した本発明のPTCヒーターユニットを作製した。
Example 2: Manufacturing example of the heater unit of the present invention having a layer structure in which a polyimide film is laminated In the same manner as in Example 1, a commercially available silicon-based adhesive is applied to both main surfaces of the PTC ceramic element to form a metal. The electrode plate was attached. Then, after applying a silicon-based adhesive on the metal electrode plate, a commercially available polyimide film having a thickness of 50 μm was attached. Further, a silicon-based adhesive (same as above) was applied onto the polyimide film with a coating thickness of about 50 μm, and the same metal heat radiating plate as in Example 1 was attached to the coated surface.
The laminate thus obtained was heated at a temperature of 150 ° C. for 1 hour, and the silicon-based adhesive was thermoset to produce the PTC heater unit of the present invention having the layer structure shown in FIG. ..
従来例:金属製の角形チューブで圧接した構造を有する従来のヒーターユニットの製造
前記実施例1および2と同様にして、PTCセラミック素子の両主表面に、市販のシリコン系接着剤を塗布し、金属電極板を貼り付けた。このようにして得られた積層体を絶縁性シート(厚さ50μmのカプトン(登録商標)フィルム)を巻いて絶縁し、さらに金属製の角形チューブを被せ、この角形チューブに圧力を加えて上記絶縁性シートと圧接するようにし、図3に示される構成を有したPTCヒーターユニットを作製した。
Conventional example: Manufacture of a conventional heater unit having a structure pressed by a metal square tube In the same manner as in Examples 1 and 2, a commercially available silicon-based adhesive is applied to both main surfaces of the PTC ceramic element. A metal electrode plate was attached. The laminate thus obtained is insulated by winding an insulating sheet (Kapton (registered trademark) film having a thickness of 50 μm), and further covered with a metal square tube, and pressure is applied to the square tube to insulate the above. A PTC heater unit having the configuration shown in FIG. 3 was produced so as to be in pressure contact with the sex sheet.
図4には、上記で得られた本発明例(実施例1および2)と従来例の各昇温特性が示されている。
図4に示されるように、同じPTCセラミック素子を用いた場合でも、本発明例と従来例には昇温特性に大きな差が有り、本発明例の場合には、金属電極板と金属放熱板、それに加え接着層やポリイミドの絶縁層を必要最小の厚みとすることで、熱抵抗が小さくなる。その中でも、金属放熱板にポリイミドを電着させた実施例1のPTCヒーターユニットの方が、PTCセラミック素子から金属放熱板の距離を短くすることが可能であり、熱抵抗を小さくすることができる。
FIG. 4 shows the temperature rising characteristics of the above-mentioned examples of the present invention (Examples 1 and 2) and the conventional examples.
As shown in FIG. 4, even when the same PTC ceramic element is used, there is a large difference in temperature rise characteristics between the example of the present invention and the conventional example, and in the case of the example of the present invention, the metal electrode plate and the metal heat radiating plate are used. In addition, the thermal resistance is reduced by making the adhesive layer and the insulating layer of polyimide the minimum necessary thickness. Among them, the PTC heater unit of Example 1 in which polyimide is electrodeposited on the metal heat radiating plate can shorten the distance from the PTC ceramic element to the metal heat radiating plate, and can reduce the thermal resistance. ..
これに対し、従来例の場合には、角形のパイプ状の金属に圧力を加えて絶縁性シートに圧接させてこれを金属放熱板としていることにより、実施例1や実施例2のように、角形の金属製パイプを構成する金属放熱板の厚みを1.0mm以下に薄くすることはできない。もし、それ以下に厚みを薄くすると、角形パイプの剛性が低下し、ヒーターユニットの形状が保持できなくなるからである。さらに、この従来例には、角形パイプと絶縁性シートを圧接させる際に印加する圧力により、PTCセラミック素子にクラックが発生する恐れが有り、また、この圧接時に絶縁性シートが損傷して、絶縁が保てなくなる可能性もあった。
上記の比較試験からもわかるように、本発明は、従来例における問題点を解消できるものであり、また、本発明では、金属放熱板と金属電極板を、最短距離で熱抵抗を最小限にして熱結合できるため、速熱性が要求されるPTCヒーターユニットの構造として、従来例よりも優れている。
On the other hand, in the case of the conventional example, pressure is applied to the square pipe-shaped metal to bring it into pressure contact with the insulating sheet to form a metal heat radiating plate, so that the metal radiating plate is used as in the first and second embodiments. The thickness of the metal heat radiating plate constituting the square metal pipe cannot be reduced to 1.0 mm or less. This is because if the thickness is reduced to less than that, the rigidity of the square pipe is reduced and the shape of the heater unit cannot be maintained. Further, in this conventional example, the pressure applied when the square pipe and the insulating sheet are pressed together may cause cracks in the PTC ceramic element, and the insulating sheet is damaged during the pressing contact to insulate. There was a possibility that it could not be maintained.
As can be seen from the above comparative test, the present invention can solve the problems in the conventional example, and in the present invention, the metal heat dissipation plate and the metal electrode plate are minimized in thermal resistance at the shortest distance. The structure of the PTC heater unit, which is required to have high thermal performance, is superior to that of the conventional example because it can be thermally coupled.
本発明のヒーターユニットは、短時間で所定の温度に達して当該温度を維持し続ける優れた昇温特性を有しているので、自己温度制御機能を備えた各種製品(例えば、定温ヒーターや局所加熱ヒーターなど)に幅広く利用できる。 Since the heater unit of the present invention has an excellent temperature rising characteristic of reaching a predetermined temperature in a short time and maintaining the temperature, various products having a self-temperature control function (for example, a constant temperature heater or a local heater) Can be widely used for heaters, etc.).
1 PTCセラミック素子(正温度係数セラミック素子)
2、2’、2” 接着層
3 金属電極板
4 ポリイミド層
5 金属放熱板
6 接着層
7 絶縁性シート
8 角形パイプ状の金属
1 PTC ceramic element (positive temperature coefficient ceramic element)
2, 2'2 "Adhesive layer 3 Metal electrode plate 4
Claims (4)
平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程、
金属放熱板の片面にポリイミドを電着塗装し、当該片面に1〜200μmの厚みを有する電着ポリイミド層を形成させる工程、および
接着剤を介して、前記金属放熱板の片面に形成された前記電着ポリイミド層と、前記金属電極板を積層する工程
を含むことで、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とするヒーターユニットの製造方法。 The method for manufacturing the heater unit according to claim 1 or 2, wherein the method is the following step:
A process of laminating metal electrode plates on the upper and lower surfaces of a flat plate-shaped positive temperature coefficient ceramic element,
A step of electrodepositing polyimide on one side of a metal heat radiating plate to form an electrodeposited polyimide layer having a thickness of 1 to 200 μm on the one side, and
A step of laminating the electrodeposited polyimide layer formed on one side of the metal heat radiating plate and the metal electrode plate via an adhesive.
A method for manufacturing a heater unit, wherein the metal electrode plate and the metal heat radiating plate are insulated without wrapping an insulating sheet .
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