(57)【要約】【課題】  より高い耐熱性を有し、かつ、加熱対象物の加熱を効率の良く行う、自己温度制御型のヒーター素子を提供する。【解決手段】  ヒーター素子１００は、少なくとも２つの導体１Ａ、１Ｂと、２つの導体１Ａ、１Ｂのそれぞれと接触する様に設けられたＰＴＣ部材５とを備え、ＰＴＣ部材５は、樹脂中に分散された、導電性粒子及び多孔性セラミック粒子とを含有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの導体と、２つの前記導体のそれぞれと接触する様に設けられたＰＴＣ部材とを備え、
前記ＰＴＣ部材は、樹脂中に分散された、導電性粒子及び多孔性セラミック粒子とを含有すること
を特徴とするヒーター素子。
【請求項２】
前記多孔性セラミック粒子は、アルミナ・シリカ系の複合酸化物から成ることを特徴とする請求項１に記載のヒーター素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒーター素子に関し、より詳細には、自己温度制御型のヒーター素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒーター素子は、床を暖める床暖房装置、道路や屋根に積もった雪を暖めて融かす融雪装置、鏡を暖めての曇りを防止する曇り防止装置、或いは、プラントの配管を一定温度に暖める装置等に用いられている。この様なヒーター素子として、導体に流れる電流により導体が発熱する電熱線ヒーターが用いられている。電熱線ヒーターには、ヒーター素子の過熱防止等の観点から、ヒーター素子の温度制御を行うサーモスタットや温度ヒューズ等が取り付けられる場合がある。
【０００３】
近年、電熱線ヒーターにサーモスタット等を取り付けずに、簡易にヒーター素子の温度制御を行わせる目的で、電熱線ヒーターに代わり、ＰＴＣ（Positive
Temperature Coefficient）特性を有する自己温度制御型のヒーター素子が用いられる場合がある。
【０００４】
下記特許文献には、このようなＰＴＣ特性を有する自己温度制御型のヒーター素子の一形態が記載されている。このヒーター素子は、平行な２本の導体と、これら導体に接触するように設けられたＰＴＣ部材とを有している。
【０００５】
このＰＴＣ部材においては、樹脂中にカーボンブラック等の導電性粒子が所定量分散されている。ヒーター素子が所定の温度以下の場合には、ＰＴＣ部材中の導電性粒子同士の接触により多数の導電パスが形成され、ＰＴＣ部材の抵抗は低く保たれる。このため、このヒーター素子の２本の導体間に電圧が印加されると、ＰＴＣ部材中に電流が流れ、ＰＴＣ部材の温度が上昇してヒーター素子が発熱する。こうしてＰＴＣ部材の温度が上昇すると、ＰＴＣ部材中の樹脂が膨張し、それに伴って一部の導電性粒子同士が離間する。このため導電パスの一部が切れて、ＰＴＣ部材の抵抗が高くなる。その結果、ＰＴＣ部材中に流れる電流が小さくなり、ＰＴＣ部材の温度は低くなる。このようにして、ヒーター素子の自己温度制御が行われる。
【特許文献１】米国特許第４，３３，１４８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ヒーター素子は、高い耐熱性を有し、且つ、加熱対象物を効率よく加熱できることが望ましい。ここで耐熱性とは、ヒーター素子に対して熱老化試験が行われる場合に長い寿命を有することを意味する。
【０００７】
しかし、上記特許文献１に記載のヒーター素子は、耐熱性の点で改善の余地を有していた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い耐熱性を有し、且つ、加熱対象物を効率良く加熱できるヒーター素子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】
【０００９】
本発明のヒーター素子は、少なくとも２つの導体と、２つの前記導体のそれぞれと接触する様に設けられたＰＴＣ部材とを備え、前記ＰＴＣ部材は、樹脂中に分散された、導電性粒子及び多孔性セラミック粒子とを含有することを特徴とするものである。
【００１０】
このような構成のヒーター素子によれば、当該ヒーター素子が加熱対象物に接するように設置され、２つの導体間に電圧が印加されると、ＰＴＣ部材中の導電性粒子によりＰＴＣ部材中に電流が流れ、その電流によりＰＴＣ部材が発熱する。このときＰＴＣ部材中の多孔性セラミック粒子からは遠赤外線が放出される。このため、加熱対象物に対しては、ＰＴＣ部材自体の発熱による加熱と、遠赤外線による加熱が行われることになる。従って、本発明のヒーター素子によれば、加熱対象物を効率良く加熱することができる。この遠赤外線が放出される理由については定かではないが、本発明者らはセラミック粒子が多孔性を有するためではないかと推測している。また、本発明のヒーター素子は、ＰＴＣ部材中に多孔性セラミック粒子が含まれることにより、高い耐熱性を有する。
【００１１】
また、本発明において、前記多孔性セラミック粒子が、アルミナ・シリカ系の複合酸化物から成ることが好ましい。
【００１２】
多孔性セラミック粒子が、アルミナ・シリカ系の複合酸化物から成ると、遠赤外線がより強く放出されるので、ヒーター素子は、加熱対象物の加熱をより効率良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかるヒーター素子によれば、より高い耐熱性を有し、かつ、加熱対象物の加熱を効率良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図１を用いて詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明のヒーター素子の一実施形態を示す断面図である。
【００１６】
図１に示すように、ヒーター素子１００は、所定の間隔を隔てて略平行な２本の導体１Ａ、１Ｂと、導体１Ａ、１Ｂと接触して、導体１Ａ、１Ｂのそれぞれの外周面を覆うＰＴＣ部材５と、ＰＴＣ部材５を被覆する絶縁層１０とを備えている。
【００１７】
ＰＴＣ部材５は、樹脂中に、導電性粒子及び多孔性セラミック粒子を分散した構成となっている。
【００１８】
本実施形態によるヒーター素子１００によれば、当該ヒーター素子１００が加熱対象物に接するように設置された状態で、２つの導体１Ａ、１Ｂに電圧（例えば交流電圧）が印加されると、ＰＴＣ部材５中の導電性粒子によりＰＴＣ部材５中に電流が流れ、その電流によりＰＴＣ部材５が発熱する。このときＰＴＣ部材５中の多孔性セラミック粒子からは遠赤外線が放出される。このため、加熱対象物に対しては、ＰＴＣ部材５自体の発熱による加熱と、遠赤外線による加熱が行われることになる。従って、ヒーター素子１００によれば、加熱対象物を効率良く加熱することができる。別言すると、ヒーター素子１００によれば、遠赤外線による加熱が行われることにより、ＰＴＣ部材５の発熱量を低く抑えることができる。よって、ヒーター素子１００によれば、消費電力を低く抑えることができる。この遠赤外線が放出される理由については定かではないが、本発明者らはセラミック粒子が多孔性を有するためではないかと推測している。また、ヒーター素子１００は、ＰＴＣ部材５中に多孔性セラミック粒子が含まれることにより、高い耐熱性を有する。
【００１９】
また、ヒーター素子１００によれば、ヒーター素子１００と加熱対象物が空間を隔てて離間している場合であっても、遠赤外線により加熱対象物を加熱することができる。例えば、加熱対象物が雪である場合、ヒーター素子１００により加熱された雪は、時間の経過とともに融かされ、その結果、雪とヒーター素子１００との間に空間が生じる場合がある。この場合、ＰＴＣ部材５自体の発熱だけでは、これ以降の融雪を効果的に行うことが困難であるが、ヒーター素子１００は、多孔性セラミック粒子からの遠赤外線を放出している。このため、ヒーター素子１００によれば、引き続き融雪を行うことができる。従って、ヒーター素子１００は、融雪に要する時間を十分に短縮することができる。
【００２０】
次にヒーター素子１００の各構成要素の材料について、説明をする。
【００２１】
ＰＴＣ部材５に用いられる樹脂は、結晶性樹脂が好ましく、具体的には、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂等を挙げることができる。
【００２２】
ポリオレフィン樹脂としては、例えば、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン等のポリエチレン類、アイソタクチックポリプロピレン、シンジオタクチックポリプロピレン等のポリプロピレン類、ポリブテン、４−メチルペンテン−１樹脂等を挙げることができる。ポリアミド系樹脂としては、例えば、ナイロン６、ナイロン８、ナイロン１１、ナイロン６６、ナイロン６１０等を挙げることができる。ポリアセタール樹脂は、モノマーによる単独重合体であっても、２種以上のモノマーによる共重合体であってもよい。ポリエステル樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等を挙げることができる。フッ素樹脂としては、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を挙げることができる。これら結晶性樹脂は、１種単独で用いてもよいし、２種以上をブレンドして併用してもよい。中でも、ポリオレフィン樹脂が、ヒーター素子１００を融雪装置に用いる観点から好ましい。
【００２３】
導電性粒子としては、カーボンブラック粒子、グラファイト粒子等の炭素系粒子、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の金属粒子、スズ添加酸化インジウム（Indium−Tin−Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、フッ素添加酸化スズ（Fluorine−Tin−Oxide：ＦＴＯ）、アンチモン添加酸化スズ（Antimony−Tin−Oxide：ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の導電性金属酸化物粒子等を挙げることができる。
【００２４】
これらの中でもカーボンブラック粒子、グラファイト粒子等の炭素系粒子が好ましい。導電性粒子として金属粒子を用いた場合には、ＰＴＣ部材５は、ある特定の温度で抵抗が急峻に高くなり、他の温度では抵抗の変化が非常に小さい傾向がある。このため、ヒーター素子１００の自己温度制御により一定に保たれる温度が、抵抗が急峻に高くなる温度以下に設定されると、抵抗の変化が小さいために自己温度制御が困難になる場合がある。これに対して、導電性粒子として炭素系粒子を用いると、ＰＴＣ部材５は、ＰＴＣ部材５の温度上昇に対して、全体的に抵抗が緩やかに高くなる。このため、炭素系粒子を用いたヒーター素子１００は、導体１Ａ、１Ｂに印加する電圧を調整することにより、容易に任意の温度で自己温度制御を行うことができるという利点がある。
【００２５】
炭素系粒子の平均粒径としては、特に制限されるものではないが、例えば、平均粒径が３０〜９０ｎｍであることが、電気伝導性の観点で好ましく、特に１５〜６０ｎｍであることが、ＰＴＣ部材５の抵抗を得る観点からより好ましい。なお、平均粒径は、電子顕微鏡による観察で測定した場合の値である。
【００２６】
また、ＰＴＣ部材５中の導電性粒子の含有率は、特に制限されるものではないが、例えば、３〜３０質量％であることが、ＰＴＣ部材５の抵抗を得る観点から好ましい。
【００２７】
多孔性セラミック粒子の材料としては、シリカ（ＳｉＯ２）アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）等の金属酸化物、或いは、これらの混合体や、ゼオライト（ＳｉＯ４・ＡｌＯ４）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ２ＴｉＯ５）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ４）、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）、スポジューメン（Ｌｉ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３・４ＳｉＯ２）等の複合酸化物が挙げられる。中でも、アルミナ及びシリカを含むアルミナ・シリカ系の複合酸化物からなる多孔性セラミックス粒子は、ＰＴＣ部材５の温度が上昇すると、遠赤外線をより強く放出するため、加熱対象物をより効率よく加熱できることから好ましい。
【００２８】
多孔性セラミック粒子の平均粒径は、特に制限されるものではないが、例えば、平均粒径は３〜３０μｍであることが、ＰＴＣ部材５の製造と耐久性の観点で好ましく、特に５〜２０μｍであることが、ＰＴＣ部材５の抵抗を得る観点から好ましい。なお、多孔性セラミック粒子の平均粒径の測定方法は、導電性粒子の平均粒径の測定方法と同様である。
【００２９】
また、ＰＴＣ部材５中の多孔性セラミック粒子の含有率は、特に制限されるものではないが、例えば、１０〜３０質量％であることが、遠赤外線放出の観点より好ましい。
【００３０】
なお、多孔性セラミック粒子は、３〜１２μｍの遠赤外線を放出することが、水を温める観点から好ましい。このような多孔性セラミック粒子を含有したＰＴＣ部材５を用いたヒーター素子１００が、融雪装置に用いられた場合、効率良く融雪を行うことができる。
【００３１】
導体１Ａ、１Ｂは、それぞれニッケルメッキが施された銅線等の単線あるいは撚り線から成っている。
【００３２】
絶縁層１０は、絶縁性材料で構成されている。絶縁性材料としては、樹脂が好ましく、難燃性の樹脂がより好ましい。
【００３３】
次に、ヒーター素子１００の製造方法について説明する。
【００３４】
まず、樹脂と、導電性粒子と、多孔性セラミック粒子とを少なくとも含む樹脂組成物含有液を調製する。樹脂としては、例えば結晶性樹脂が用いられる。調製は、はじめに、樹脂中に、予め乾燥処理を施した導電性粒子及び多孔性セラミック粒子を加え、例えばボールミル等の撹拌手段を用いて撹拌混合する。そして、撹拌混合と共に熱処理を行い、溶融混練を行う。このとき、熱処理の温度は、結晶性樹脂の融点以上の温度であることが好ましい。
【００３５】
この様にして得られた、樹脂組成物は、所定の間隔を隔てて略平行に配置された導体１Ａ、１Ｂのそれぞれと接触するようにして、導体１Ａ、１Ｂの周りに押出成型される。そして、樹脂組成物が冷却されて、固化し、ＰＴＣ部材５となる。その後、絶縁層１０がＰＴＣ部材５を被覆するように押出成型により設けられる。こうして、ヒーター素子１００が得られる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について、説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、２本の導体１Ａ、１Ｂが用いられているが、３本以上の導体が用いられても良い。また、上記実施形態では、ＰＴＣ部材５が導体１Ａ、１Ｂのそれぞれに接触して導体１Ａ、１Ｂの外周面を覆う様に設けられているが、ＰＴＣ部材５は、導体１Ａ、１Ｂと接触していれば良く、ＰＴＣ部材５は、必ずしも導体１Ａ、１Ｂの外周面を覆うように設けられる必要はない。例えば、ＰＴＣ部材５は、導体１Ａ、１Ｂの間のみに配置されても良い。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１〜４）
ＰＴＣ部材中に２本の導体が略平行に離間して配置されたヒーター素子を作製した。
【００３９】
ＰＴＣ部材としては、結晶性樹脂中に、カーボンブラック粒子及び多孔性セラミック粒子を分散させたＰＴＣ部材を用いた。結晶性樹脂としては、ポリオレフィンを用いた。また、カーボンブラック粒子としては、平均粒径が、３０ｎｍのものを用い、ＰＴＣ部材中のカーボンブラック粒子の含有率は、結晶性樹脂１００質量部に対して、それぞれ表１に示す値とした。また、多孔性セラミック粒子としては、平均粒径が、１０μｍの日本ＴＯＰＹ社製セラミックパウダーＴＷＰ（商品名）を用い、ＰＴＣ部材中の多孔性セラミック粒子の含有率は、結晶性樹脂１００質量部に対して、それぞれ表１に示す値とした。
【００４０】
（比較例１）
ＰＴＣ部材としては、カーボンブラック粒子及び多孔性セラミック粒子の含有率を結晶性樹脂１００質量部に対して表１に示す値としたこと以外は、実施例１と同様にしてヒーター素子を作製した。
【表１】
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【００４１】
（消費電力測定）
各実施例及び比較例１のそれぞれに対して、液体が流れる測定管を用意し、実施例１〜４及び比較例１の各ヒーター素子を１ｍ用意して、各測定管に張り付けた。そして、外側を断熱材で覆い、各ヒーター素子に２００Ｖの電圧を印加して、各測定管内を流れる液体の温度が１０度となり、さらに、ヒーター素子の発熱が一定となるように液体の流量を調整した。そして、この場合のヒーター素子１ｍ当たりの消費電力を測定した。この結果を表１に示す。表１に示すように、実施例１〜４のヒーター素子の消費電力は、比較例１のヒーター素子の消費電力よりも小さく、さらに、多孔性セラミック粒子の含有率が高い実施例ほど消費電力が小さい結果が得られた。
【００４２】
（融雪率測定）
各ヒーター素子を８ｍずつ用意して、それぞれコンクリートに埋設し、これを気温−５℃の環境に置いて、コンクリート上に７００ｇの雪を配置した。そして、各ヒーター素子の２つの導体間に２４０Ｖの交流電圧を３０分間印加し、融けた雪の重量を測定した。融雪率は、（融けた雪の重量）／７００ｇ×１００として計算した。この結果を表１に示す。表１に示すように実施例１〜４のいずれも比較例１よりも高い融雪率を示すことが分かった。
【００４３】
（耐熱性測定）
各ヒーター素子について熱老化試験を行い、耐熱性を評価した。熱老化試験は、平板状のヒーター素子を１２１℃の恒温室に１時間放置した後、重さ３００ｇ、直径９ｍｍの円柱状の重りをヒーター素子に載置して、更に１２１℃の恒温室に１時間放置し、ヒーター素子の重りが載置された部分の厚さを計測することで行った。この結果を表１に示す。表１において、ヒーター素子の重りが載置された部分の厚さが、元の厚さの５０％以上であったヒーター素子については、耐熱性があるとして「○」で表示し、７５％以上であったヒーター素子については、さらに耐熱性が高いとして「◎」で表示した。表１に示すように、実施例１〜４は、比較例１に比べて、より高い耐熱性を有することが分かった。
【００４４】
以上のことから、本発明のヒーター素子によれば、より高い耐熱性を有し、加熱対象物を効率よく加熱できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のヒーター素子の一実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１Ａ，１Ｂ・・・導体
５        ・・・ＰＴＣ部材
１０      ・・・絶縁層
１００    ・・・ヒーター素子
【図１】
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