(57)【要約】【課題】  前述の面状発熱体の設計および製造工程における煩雑さを解消するとともに、発熱体の面積によらずに熱効率を安定して向上させ、消費電力の軽減を実現する面状発熱体を提供する。【解決手段】  網状基材１１０は、＃４０双糸程度の繊維素材１１１，１１２が縦横に略直交するように、網状に編み込まれて形成されている。これら互いに隣接する各繊維素材１１１，１１２の縦横方向の間隔は、５ｍｍ〜１００ｍｍとなるように構成されているので、繊維素材１１１，１１２上に形成された発熱体１２１、１２２が発熱するときに、消費電力の軽減を実現し、十分な光透過性を備えることができる。また、縦導電体素材１１５を用いることによって、局部発熱や局部加熱の問題を回避できるようになった。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦繊維素材と横繊維素材を所定間隔で網状に織り込んでなる網状基材に導電性溶液を塗布又は含浸させて構成される面状発熱体であって、
前記横繊維素材は、前記網状基材の縦の端に設けられた導電体に接続されることを特徴とする面状発熱体。
【請求項２】
縦繊維素材と横繊維素材を所定間隔で網状に織り込んでなる網状基材に導電性溶液を塗布又は含浸させて構成される面状発熱体であって、
前記横繊維素材は、前記網状基材の縦の端に設けられた導電体に接続され、
前記縦繊維素材は、導電体素材からなることを特徴とする面状発熱体。
【請求項３】
前記繊維素材は、５ｍｍ〜１００ｍｍの間隔で織り込まれて形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の面状発熱体。
【請求項４】
前記導電性溶液は、導電材料としての黒鉛またはカーボンブラックに、架橋型高分子と線状高分子化合物とアルカン系の直鎖炭化水素とを複合してなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の面状発熱体。
【請求項５】
前記導電性溶液は、導電材料としての黒鉛またはカーボンブラックに、架橋型高分子、線状高分子を主体とする低次元物質および無機化合物を複合させてなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の面状発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面状発熱体に関し、特に、約１００℃以下の低温領域で自己温度制御機能を有し、電力の消費効率を向上させた面状発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の抵抗値を有する抵抗体に電流を流すと、ジュール熱が発生して発熱する。このようなジュール熱による発熱を利用したものの１つに薄いシート状の面状発熱体がある。この面状発熱体は、その特殊な形状から場所をとらないこともあって、床暖房、融雪機又は育苗用の過熱機等、様々な用途で広く用いられている。【０００３】
この面状発熱体は、その製造方法により数種類に分けられる。その１つに、肌理の細かい布状の基材にＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性をもつ感温材料あるいは導電性溶液を塗布又は含浸するタイプの面状発熱体がある。ＰＴＣ特性は、抵抗素子に通電させることで、抵抗素子が発熱し、温度が高くなるとともに、その抵抗値が高くなり、電流が減少することで、温度を一定に保つことができるものである。【０００４】
このタイプの面状発熱体は、製造が簡易であるとともに、発熱体の抵抗を容易に調整することができるため、広く利用されている。【０００５】
このような布状の基材にＰＴＣ特性をもつ感温材料あるいは導電性溶液を塗布又は含浸するものの１つとして、特許文献１が開示するところの面状発熱体の製造法が提案されている。【０００６】
特許文献１の面状発熱体は、属薄膜がコーティングされた炭素粉末とシリコン樹脂を有機溶剤と混合してなる混合物を、耐熱性絶縁性基体の表面に塗布し、次いでこれを２５０℃〜４５０℃の温度で焼成して得られるものである。【０００７】
特許文献１の面状発熱体は、このように製造することにより、火災や異常加熱の起こらない安全性を備えるとともに、発熱体の抵抗値を自由に調節できるようになっている。
【特許文献１】特開平９−１９０８７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述の特許文献１に開示される面状発熱体には、以下のような問題点がある。【０００９】
まず、最初の問題点は、単純に基材上に導電性溶液を塗布又は含浸するだけなので、その導電性溶液の使用量が適量以上に必要となり、コスト面でデメリットが生じるという点である。【００１０】
次の問題点は、その面状発熱体を床暖房などに使用する場合、前述のように過度の導電性溶液を基材上に塗布しているため、面状発熱体の表面温度を適温（例えば４０℃）に保つための所要電力が高くなり、省電力の立場からデメリットが生じるという点である。【００１１】
更なる問題点は、その面状発熱体をビニールハウスの天井や壁面に設置してその面状発熱体が発する遠赤外線を植物栽培などに利用しようとするときに、従来の面状発熱体では光線の透過が難しく、ハウス内に日光が十分に当らなくなってしまうために、植物の生育をかえって阻害してしまうという点である。【００１２】
また、ＰＴＣ特性の面状発熱体を用いた機器では、局部発熱や局部加熱による異常を起こすことを回避するために、従来では、均熱板としてアルミ箔を貼付している。【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、網状に織り込んでなる網状基材に導電性溶液を塗布又は含浸することによって、消費電力の軽減を実現し、十分な光透過性を備え、また、局部発熱や局部加熱の問題を回避できるようにした面状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】
【００１４】
かかる目的を達成するため、縦繊維素材と横繊維素材を所定間隔で網状に織り込んでなる網状基材に導電性溶液を塗布又は含浸させて構成される面状発熱体であって、横繊維素材は、網状基材の縦の端に設けられた導電体に接続されることを特徴とする。【００１５】
第２の発明における面状発熱体は、縦繊維素材と横繊維素材を所定間隔で網状に織り込んでなる網状基材に導電性溶液を塗布又は含浸させて構成される面状発熱体であって、横繊維素材は、網状基材の縦の端に設けられた導電体に接続され、縦繊維素材は、導電性の素材からなることを特徴とする。【００１６】
例えば、その繊維素材は、５ｍｍ〜１００ｍｍの間隔で網状に織り込まれて形成されることを特徴とする。【００１７】
また、その導電性溶液は、導電材料としての黒鉛またはカーボンブラックに、架橋型高分子と線状高分子化合物とアルカン系の直鎖炭化水素とを複合してなることを特徴とする。【００１８】
また、その導電性溶液は、導電材料としての黒鉛またはカーボンブラックに、架橋型高分子、線状高分子を主体とする低次元物質および無機化合物を複合させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明によれば、縦繊維素材と横繊維素材を所定間隔で網状に織り込んでなる網状基材に導電性溶液を塗布又は含浸させて構成される面状発熱体であって、横繊維素材は、網状基材の縦の端に設けられた導電体に接続されることを特徴とする。これにより、網状基材を構成する縦繊維素材と横繊維素材の量、およびそれに塗布又は含浸される導電性溶液の量を低減することができるので、安価な製造コストおよび消費電力の軽減を実現することが可能となる。【００２０】
第２の発明によれば、縦繊維素材と横繊維素材を所定間隔で網状に織り込んでなる網状基材に導電性溶液を塗布又は含浸させて構成される面状発熱体であって、横繊維素材は、網状基材の縦の端に設けられた導電体に接続され、縦繊維素材は、導電体素材で構成されるので、導電性溶液が塗布又は含浸された横繊維素材の一部に大きな電流が流れることを回避することができる。これにより、面状発熱体の局部発熱や局部加熱の問題を回避することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
＜第１の実施形態＞
本実施形態における面状発熱体１００は、縦繊維素材と横繊維素材を網状に織り込んだ網状基材に導電体溶液を塗布又は含浸させて作成する面状発熱体であって、この網状の繊維素材の間隔を従来の布構造の面状発熱体と比べて、広い値にすることで、発熱時の消費電力の軽減と、光透過性の向上を実現するものである。以下、この面状発熱体１００について図を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の面状発熱体１００の外観を示す図である。【００２２】
図１に示すように、面状発熱体１００を構成する網状基材１１０は、横繊維素材１１１および縦繊維素材１１２が網状に織り込まれ、平面を構成する網状基材１１０の両端に導電体１１６が設けられる。通常、導電体１１６としては複数の導電体を平行に形成し、電流容量を確保している。【００２３】
図２は、本発明の第１の実施形態における網状基材１１０を拡大した図であり、網状基材１１０が、横繊維素材１１１と縦繊維素材１１２によって網状に織り込まれている様子を示している。横繊維素材１１１と縦繊維素材１１２は、それぞれ単芯の繊維でもよく、より糸で構成された繊維でも良い。横繊維素材１１１と縦繊維素材１１２の太さは、例えば、＃４０（４０番手）双糸程度の繊維素材を用いることができる。もちろん、その繊維素材の太さは、必要に応じて選択することができる。また、材質としては、綿や麻やプラスチック繊維、シリカ、ガラス繊維等が用いられる。縦繊維素材１１２間および横繊維素材１１１間は、５ｍｍ〜１００ｍｍ程度の間隔があけられる。従来の面状発熱体１００は布で構成されているので、これらの間隔は非常に小さいものが多い。なお、ここでいう間隔は、図２および図３（Ａ）に示すように、糸の中心から糸の中心までの垂直距離をいうものとする。【００２４】
図３は、本発明の第１の実施形態における網状基材に導電性溶液を塗布したときの拡大図である。図３（Ａ）は、網状基材に導電性溶液を塗布したときの拡大図であり、図３（Ｂ）は、横繊維素材１１１に導電性溶液を塗布したときの横発熱体１２１の拡大図である。図３（C）は、縦繊維素材１１２に導電性溶液を塗布したときの縦発熱体１２２の拡大図である。このように、横繊維素材１１１および縦繊維素材１１２に導電性溶液を塗布し乾燥すると、周囲には発熱体が塗布された横発熱体１２１および縦発熱体１２２が形成される。導電体１１６に接続された電極端子１３０に交流または直流の電源が供給されると、横発熱体１２１に電流が流れ、横発熱体１２１の温度が上昇する。縦発熱体１２２にも電流が流れるが、後述するように、実際には無視できるオーダである。【００２５】
図４は、本発明の第１の実施形態における面状発熱体の外観を示す図である。図４の面状発熱体１００は、図１に示す網状基材１１０に導電性溶液を塗布又は含浸させたものであり、図面としては、横繊維素材１１１および縦繊維素材１１２が、横発熱体１２１および縦発熱体１２２に変わってだけであり、他は図１と同じである。【００２６】
この面状発熱体１００においては、互いに隣接する横発熱体１２１および縦発熱体１２２の縦方向および横方向の間隔は、５ｍｍ〜１００ｍｍとなるように構成されているので、横発熱体１２１および縦発熱体１２２が発熱するときに、従来の問題点であった、横発熱体１２１および縦発熱体１２２間の間隔が狭過ぎるために過度に放熱したり、横発熱体１２１および縦発熱体１２２間の間隔が広過ぎるために期待していた熱量が得られなかったりといった不具合の発生を防止し、さらに導電性溶液が過度に塗布されるために生じる電力の浪費を容易に防止することができる。【００２７】
図５は、本発明の第１の実施形態の発熱部１２０の等価回路図を示している。図５において、１２１−１，１２１−２、…（以下、総称して１２１ともいう）は、横方向に張られた横発熱体を示し、１２２−１，１２２−２、…（以下、総称して１２２ともいう）は、縦方向に張られた縦発熱体を示す。【００２８】
横方向に張られた各横発熱体１２１−１において、縦繊維素材と横繊維素材との交点であるノードと隣接するノード間は抵抗成分Ｒ１１，Ｒ１２、…で表現できる。同様に、横方向に張られた各横発熱体１２１−２，１２１−３、…においても同様である。一方、縦方向に張られた各縦発熱体１２２−１において、縦繊維素材と横繊維素材との交点であるノード間は抵抗成分Ｒ１１１，Ｒ２１２、…で表現できる。同様に、縦方向に張られた各横発熱体１２２−２，１２２−３、…においても同様である。【００２９】
横発熱体１２１−１，１２１−２、…の両端には、電極端子１３０から電圧が印加されるので、各抵抗成分を介して電流が流れこの抵抗成分が発熱する。一方、本発明の第１の実施形態の発熱部１２０においては、縦方向に張られた縦発熱体１２２−１，１２２−２、…にも理論上は電流が流れるが、各ノードにキルヒホッフの法則を適用すると、縦方向の抵抗には隣接する横発熱体１２１からの電流でお互いに打ち消され、現実には縦発熱体１２２−１，１２２−２、…に流れる電流は非常に小さいので無視できる。【００３０】
したがって、本発明の第１の実施形態では、横発熱体１２１による発熱のみを考慮すればよい。例えば、横発熱体１２１−２、…の各抵抗成分は、それぞれ、縦発熱体１２２−１，１２２−２、…上のノードにより分割された抵抗成分Ｒ２１，Ｒ２２，〜Ｒ２ｎとなる。このときに、ＰＴＣ特性は、２つの導電体１１６間の抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２ｎ…等全体で実現されるため、各発熱体層の不均一が生じれば、局所的発熱が生じる。【００３１】
例えば、抵抗成分Ｒ２２の発熱が大きくなったとする。ＰＴＣ特性では、図１１に示すように、発熱体の温度が上昇すると、その抵抗値が大きくなるが、この場合には、ＰＴＣ特性は、上述のように、個々の抵抗成分ではなく、抵抗成分Ｒ２１，Ｒ２２，〜Ｒ２ｎ全体の抵抗に対して働く。したがって、抵抗成分Ｒ２２の発熱量が大きくなったときに、その抵抗成分Ｒ２２の抵抗値は大きくなるが、ＰＴＣ特性は抵抗成分Ｒ２２だけには働かない。したがって、抵抗成分Ｒ２２に流れる電流のみの減少はないので、抵抗成分Ｒ２２の温度は、さらに高温になる。【００３２】
全ての抵抗成分Ｒ１１〜Ｒｍｎについても、同様に、導電体１１６間で、ＰＴＣ特性が働くので、温度が上昇した発熱体の温度はますます高くなっていく。このため、局所的に温度が上昇することになる。【００３３】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、局所発熱や局部加熱のおそれがあるので、局部発熱や局所加熱を抑えるためのアルミ箔を貼り付けて熱の分散を行って局部の発熱の問題を状解決している。【００３４】
次に、網状基材１１０に塗布される導電性溶液について説明する。導電性溶液は、導電性黒鉛またはカーボンブラックを架橋型高分子と、線状高分子化合物とによって結合した発熱抵抗物質に、更にアルカンなどの低分子量有機化合物を複合したものである。このように構成したことにより、導電性溶液の導電抵抗を自由にコントロールできるばかりでなく、抵抗の安定性を著しく向上させることが可能となっている。【００３５】
発熱体１２１、１２２は、導電性黒鉛またはカーボンブラックに架橋型高分子のモノマーと低次元物質である線状高分子化合物の微粉末又は液状ポリマーおよび低分子量有機化合物を配合し、有機溶媒中でブレンドおよび熟成させた導電性溶液を、例えば綿＃４０双糸の綿織布である網状基材１１０に塗布又は含浸させて乾燥させることにより製造することができる。【００３６】
なお、この網状基材１１０は、綿織布に限らず有機・無機質を問わず、又板状、フィルム状、綿状、織布、不織布又緻密質、多孔質等その形質を問わない。自己温度制御性導電特性を損なわないものであればよい。【００３７】
本実施形態において、黒鉛またはカーボンブラックとしては、天然または人造黒鉛、アセチレンブラックなどが挙げられるが、更にファーネスブラックなどを加えてもよく、粒径１μ以下、特に０．１μ以下のものを使用するのが好ましい。【００３８】
架橋型高分子としては、三次元網状構造を形成する熱硬化樹脂、たとえばエポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂などとその変性樹脂などが用いられるが、配合に当たってはこれらのモノマーが好適に使用される。【００３９】
線状高分子化合物としてはポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体、アイオノマレジンなどが挙げられ、好ましいのは結晶性を有する微粉末ポリエチレンである。【００４０】
また、低分子量有機化合物としての代表例としては炭素数２０以上のアルカン系の直鎖炭化水素またはその脂肪酸が挙げられる。【００４１】
有機溶媒または反応誘導剤としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素、ｎ−ブタノール、ｎ−プロパノールなどのアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，４−ブタンジオールなどの脂肪族グリコール、シクロペンタン−１，２−ジオールなどの脂環族ジオール、ヒドロキノンなどのフエノール類、メチルエチルケトンなどのケトン類やテトラヒドロフランなどが挙げられる。【００４２】
本発明の自己温度制御特性をもつ面状発熱体の抵抗発熱素子の製造に際し、前述の関連物質の配合は、黒鉛等の導電材料と架橋型高分子とからなる導電性高次元物質１００部に対し、黒鉛等の導電材料は１０〜６０部、架橋型高分子は４０〜９０部の範囲とするのが適当である。【００４３】
架橋型高分子が９０部をこえると導電性が悪くなる。また、４０部より少ないと、すなわち黒鉛等の導電材料が６０部をこえても増量効果に乏しい、そして黒鉛又はカーボンブラックの配合は種類と量によって室温での基本導電率はそれぞれ違ってくるが、特定温度検知および自己温度制御特性に対しては一律的に決めてよい。又架橋型高分子もカーボンブラックとグラフト化すれば導電性物質のマトリックス（母体）となるから基本導電率はそれぞれ違ってくるが、やはり一律的に決められてよい。【００４４】
綿状（鎖状）高分子化合物は、導電性の安定化を図るため、上記架橋型高分子の配合量と黒鉛等の導電材料の配合量を合算した量１００部に対し５〜１００部の範囲で加えるのがよい。１００部をこえると、導電性が極度に低下し、実用範囲をこえる。【００４５】
低分子量有機化合物、例えば上記の炭化水素は３〜３０部の範囲とする。３０部をこえると製品の靭性が低下し、３部以下では特性の効果が乏しくなる。【００４６】
有機溶媒は、最少２５部以上必要であるが、溶媒として希釈の必要に応じて任意に増量し得る。【００４７】
本実施形態における発熱体１２１、１２２は、前記配合成分と順次混合する程でまず架橋型高分子モノマーが黒鉛等の導電材料にグラフトする前に線状高分子化合物と混同しており、熱処理によって架橋型高分子の重合が進むにつれて相互に絡み合って固定される。このことによって耐熱変形性と可撓性とのバランスがとれた発熱体が得られ、安定した発熱特性が長期間にわたって維持される。【００４８】
一方、アルカン系の炭化水素などの低分子量有機化合物は、熱処理に際して導電材料の黒鉛層間に侵入して層間化合物を形成するものと考えられ、導電材料の電気抵抗特性を変化させると同時に発熱体の自己温度制御特性を発現させるに役立つ。【００４９】
このような構成を有する本発明の面状発熱体は、低分子量有機化合物の融点よりもはるかに高い温度で使用しても、発熱特性の劣化が起こらない。【００５０】
以上説明したように、本実施形態における面状発熱体１００によれば、繊維素材間の間隔を５ｍｍ〜１００ｍｍに調整した網状基材１１０上に導電性溶液を塗布又は含浸させて発熱体を形成するので、導電性溶液を過度に塗布することなく、その使用量を削減でき、床暖房などの各用途において必要とする温度特性を得ることが可能となる。【００５１】
また、本実施形態における面状発熱体１００は、従来の面状発熱体と比較して網状基材１１０における繊維素材の密度が低く、これに伴って繊維素材同士の結び目箇所も少ないので、従来の面状発熱体よりも、その繊維素材における発熱体を均一に構成できるので、面状発熱体の温度むらを軽減することが可能となる。【００５２】
また、網状基材１１０における繊維素材間の間隔を５ｍｍ〜１００ｍｍに調整することにより光の透過性が十分に確保されるため、ビニールハウス又は温室等の天井や壁などに設置したときに、昼間は太陽光線、夜間は面状発熱体１００から発する遠赤外線照射により保温効果を得ることが可能となる。【００５３】
また、従来の赤外線ヒータ等をビルやホール等の広い場所の暖房として使用するときには、設置場所が点状であるため、局所的に暑い場所と寒い場所との差異が大きくなってしまうという短所があった。【００５４】
これに対し、本実施形態における面状発熱体１００をそのような広い場所に広範囲にわたって敷設することで、遠赤外線効果によりその場所全体を穏やかに暖めることができ、かつその消費電力を削減することが可能となる。【００５５】
また、本実施形態によれば、繰り返し使用によっても抵抗値の経時変化が極めて少なく、安定な温度−導電特性を有し、しかも局部過熱のおそれがなく、分子レベルのセンサとして種々の段階の自己温度感知および制御機能をもつ面状発熱体１００を提供することができる。【００５６】
また、この面状発熱体１００の発熱体は昇温時においても柔軟で弾性に富み、しかも適度の剛性を有するフレキシブルエラストマーとしての性質を備え、種々の形態に加工することができ、製造方法も容易かつ低コストで製造することが可能であり、巾広い用途が期待される。【００５７】
また、本実施形態における面状発熱体１００における網状基材１１０は、５〜１００ｍｍ間隔で繊維素材が織り込まれて形成されているので、従来の間隔が密な布状の基材と比べて、使用する繊維素材の量を大幅に削減することが可能となる。【００５８】
本実施形態における面状発熱体１００は、様々な分野で利用することが可能である。
例えば、床暖房、電気カーペット、畳床暖房、車載用シートヒーター等で用いられる面状採暖具や、電気ひざかけ、電気毛布、足温器、床暖房、壁暖房、天井暖房、畳床暖房、電気フトン、電気座布団、風呂用暖房マット、暖房ジャケット、暖房手袋、カバー付き暖房便座の他、湯沸器や炊飯器等で用いられる保温器等に利用可能である。【００５９】
また、この面状発熱体１００は、寒冷地において、路面の下層に設置することで道路の融雪に用いたり、屋根に設置することで積雪を防止したりすることができる。【００６０】
また、面状発熱体１００は、耕作地に敷くことにより育苗用又は栽培用の温熱シートとして利用したり、ビニールハウスの壁や天井等に貼り合わせてハウス内の温熱効果を高めたりする等、農業や園芸の分野でも有効利用することができる。
また、畜産用の暖房に使用することもできる。【００６１】
なお、本実施形態によれば、網状基材１１０の網目の形状を、図１，２に示すように正方形状に構成したが、これはあくまでも一例であり、ひし形、長方形、その他の多角形、円形等、その他様々な形状で実現可能であることはいうまでもない。【００６２】
また、前述したように、繊維素材の網目間隔を５〜１００ｍｍとなるように構成するものとしたが、この間隔は使用目的に応じて適宜決められる。【００６３】
例えば、寒冷環境において局所的に強力な加温・保温効果が求められる場合には、消費電力の軽減よりも一定以上の放熱量を確保することが優先されるので、その間隔を５ｍｍ程度にして構成するようにする。【００６４】
また、穏やかな保温・暖房効果だけ確保すればよく、省電力を第一の目的とする場合には、その網目間隔を１０〜１００ｍｍ程度にして構成すればよい。【００６５】
また、前述の導電性溶液の組成は、例えば以下の組成例１〜４のようにすることができる。なお、「部」は、重量部を示すものとする。【００６６】
（組成例１）
カーボンブラック（平均粒径０．１μ以下）  ４５部
アルキドメラミンレジンモノマー  ５５部
ｎ−パラフィン（平均粒径５μ以下の微粉末）  ２５部
高分子量ポリエチレン（平均粒径１５μ以下の粉末）  ２５部
トルエン  ４５部ＭＥＫ  ２５部
ｎ−ブタノール  ３０部【００６７】
（組成例２）
カーボンブラック（平均粒径０．１μ以下）  ３０部
アクリル−エポキシレジンモノマー  ７０部
アイオノマレジン  ３５部
ｎ−パラフィン（平均粒径５μ以下の粉末）  １５部
キシレン  ３５部
ＭＥＫ  １５部
ｎ−ブタノール  １５部
ダイアセトンアルコール  ２５部【００６８】
（組成例３）
黒鉛およびカーボンブラック  ４５部
アルキドメラミンレジンモノマー  ５５部
酸化イットリウム  １０部
ｎ−パラフィン（平均粒径５μ以下の微粉末）  １５部
高分子量ポリエチレン（平均粒径１５μ以下の粉末）  １０部
液状ポリブタジエン  １０部
トルエン  ４５部
ＭＥＫ  ２５部
ｎ−ブタノール  ３０部
キシレン  ５０部【００６９】
（組成例４）
黒鉛およびカーボンブラック  ６０部
アルキドメラミンレジンモノマー  ４０部
ｎ−パラフィン（平均粒径５μ以下の微粉末）  ３０部
高分子量ポリエチレン（平均粒径１５μ以下の粉末）  １０部
液状ポリブタジエン  ２０部
臭化カリウム  １０部
トルエン  ４５部
ＭＥＫ  ２５部
ｎ−ブタノール  ３０部
キシレン  ４０部
シクロヘキサノン  １０部【００７０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態の面状発熱体１００について説明する。第２の実施形態における面状発熱体１００と、第１の実施形態における面状発熱体１００とでは、発熱体１２１、１２２を構成する導電性溶液の成分が異なっている。【００７１】
第２の実施形態における導電性溶液は、導電性黒鉛またはカーボンブラックに架橋型高分子のモノマーと低次元物質である線状高分子化合物の微粉末又は液状ポリマーおよび低分子量有機化合物を配合し、さらに無機化合物を配合し、有機溶媒中でブレンドおよび重合させた液である。この導電性溶液を例えば綿＃４０双糸の綿織布である網状基材１１０に塗布又は含浸させて反応乾燥させることにより発熱体１２１、１２２を製造することができる。【００７２】
すなわち、第２の実施形態における導電性溶液は、第１の実施の形態における導電性溶液に、さらに無機化合物を配合するものである。【００７３】
以下特記しない限り、第２の実施形態の面状発熱体１００においては、例えば、繊維素材間の間隔を５ｍｍ〜１００ｍｍに調整したことによる消費電力の軽減効果および光透過性の向上等は、第１の実施形態における面状発熱体１００と同様に得られる。【００７４】
以下、第２の実施形態における導電性溶液の特性についてより詳細に説明する。
第２の実施形態における導電性溶液における黒鉛またはカーボンブラックは、二次元の典型的六員環網目平面状の堅固な共有結合構造を有し、平面層間では結合力が比較的ゆるく、スリップを起こすことがある。また、黒鉛またはカーボンブラックは、かなりの吸着力を有して面間膨潤、縮退すること、および二次平面内ではいわゆる共役系共有結合として絶縁性を示すが、層面間はいわゆるπ電子雲の存在により金属と同様の導電性を示すことを構造面の特性として有する。【００７５】
第２の実施形態における導電性溶液は、このような黒鉛またはカーボンブラックの構造的特性を考慮して、この黒鉛またはカーボンブラックの層間に吸着特性の強い誘導体などを吸着させて層間距離を拡大するとともに、その上下の無機層間に結晶性低分子量有機化合物を浸入させ、吸着した誘導体の一部又は全量を置換し、又は無機層と直接吸着させて架橋化し、その架橋分子の長さを変えることにより層間の導電抵抗を自由にコントロールすることができ、さらに、これらに無機化合物たとえば酸化イットリウムを複合させることにより自己温度制御特性が格段に向上し、しかもより安定化しうるようにしたものである。【００７６】
前述の導電性溶液に加える無機化合物としては、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウムなどのアルカリ金属のハロゲン化物、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムなどのアルカリ金属の硫酸塩、炭酸バリウムなどのアルカリ土類金属の炭酸塩、塩化第二鉄、塩化亜鉛、四塩化チタン、四塩化スズなどの金属のハロゲン化物、酸化クロム、酸化チタン、酸化ジルコニウムなどの遷移金属の酸化物、硝酸などの酸素酸、塩化アンチモンなどのルイス酸があげられる。【００７７】
この無機化合物の配合量はとくに限定されず、感温素子の前記正特性を安定、強化する範囲で添加するが、架橋型高分子と黒鉛１００部に対し通常１〜２０部の範囲が適当である。たとえば、酸化イットリウムは２０部を超えると製品の靭性が極端に低下し、１部より少ないと特性の効果が乏しくなる。【００７８】
また、本実施形態の面状発熱体１００における上記関連物質の配合は、黒鉛と架橋型高分子とからなる導電性高次元物質１００部に対し、黒鉛は１０〜６０部、架橋型高分子は３０〜９０部の範囲とするのが適当である。【００７９】
架橋型高分子が９０部をこえると導電性が悪くなる。また、３０部より少ないと、すなわち黒鉛が７０部をこえても増量効果に乏しい、そして黒鉛又はカーボンブラックの配合は種類と量によって室温での基本導電率はそれぞれ違ってくるが、特定温度検知および自己温度制御特性に対しては一律的に決めてよい。又架橋型高分子もカーボンブラックとグラフト化すれば導電性物質のマトリックス（母体）となるから基本導電率はそれぞれ違ってくるが、やはり一律的に決められてよい。【００８０】
以上説明したように、第２の実施形態における導電性溶液は、前記配合成分と順次混合する過程でまず架橋型高分子モノマーが黒鉛にグラフト化され、そのモノマーに線状高分子化合物が混合されることにより形成される。そして、このポリマーは熱処理過程で架橋型高分子の重合反応と同時によじり合いブレンドされる。このことは、素子製品の均質性から判断される。また、素子製品に可撓性を与え、特性の安定化のために架橋型高分子の三次元化および重合度と関連して非常に重要な役割をしている。【００８１】
こうして、線状高分子化合物は、とかく硬くなりがちな三次元網状化合物に柔軟性とエントロピ−剛性を与え、低温でフレキシビリティーを付与し、高温で逆にゆるくなるのを防ぎ、しまりを与えて全系を安定化している。【００８２】
低分子有機化合物および無機化合物は、直接に或いは反応誘導剤との協働によって黒鉛層間に浸入し、或いはこれを拡大し、黒鉛層に強力に吸着して層間化合物を形成するものとみられる。【００８３】
これは、本実施形態における面状発熱体１００が反復高温加熱（低分子量有機化合物の融点よりもはるかに高い温度、例えば融点６５℃の配合物に対して１３０℃まで）にも耐え、特性が殆ど変化しないという実験結果から裏付けられる。【００８４】
また、無機化合物は、感温素子の比抵抗値に大きな影響を与えるから、その添加の有無により感温素子の昇温特性を変えることが容易になる。無機化合物は、その種類により初期のある温度範囲で負特性を示すものであるが、それ以上の温度ではいずれも正特性を示す。【００８５】
以上説明したように、本実施形態によれば、繰り返し使用によっても抵抗値の経時変化が極めて少なく、安定な温度−導電特性を有し、しかも局部過熱のおそれがなく、分子レベルのセンサとして種々の段階の自己温度感知および制御機能をもつ面状発熱体１００を提供することができる。【００８６】
また、この面状発熱体１００の発熱体１２１、１２２は昇温時においても柔軟で弾性に富み、しかも適度の剛性を有するフレキシブルエラストマーとしての性質を備え、種々の形態に加工することができ、製造方法も容易かつ低コストで製造することが可能であり、巾広い用途が期待される。【００８７】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６〜図１０は、本発明の第３の実施形態の面状発熱体に関するものである。本発明の第３の実施形態は、網状基材１１０の構造が第１の実施形態と異なっている。【００８８】
すなわち、本発明の第１の実施形態では、図１、図２に示したように、網状基材１１０は、横繊維素材１１１および縦繊維素材１１２が縦横に直交するように、網目格子状に編み込まれて形成されている。これに対して、この第３の実施形態における網状基材１１０は、図６、図７に示すように、横方向には繊維素材１１１を用い、縦方向には導電体素材１１５を用いるようにしている。図６、図７における網状基材１１０は、縦方向には導電体素材１１５を用いる以外は、図２の網状基材１１０と同様であるので、詳細な説明は省略する。このように、縦方向には導電体素材１１５を用いるようにしているので、局部発熱が回避できる。このことについて、以下に説明する。【００８９】
図８は、本発明の第３の実施形態における網状基材に導電性溶液を塗布したときの拡大図である。図８（Ａ）は、網状基材に導電性溶液を塗布したときの拡大図であり、図８（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ縦繊維素材１１２と導電体素材１１５に導電性溶液を塗布したときの横発熱体１２１および縦発熱体１２５の拡大図である。このように、縦繊維素材１１２と導電体素材１１５に導電性溶液を塗布し乾燥すると、縦繊維素材１１２と導電体素材１１５の周囲には発熱体が塗布された横発熱体１２１および縦発熱体１２２が製造される。導電体１１６に接続された電極端子１３０に交流または直流の電源が供給されると、横発熱体１２１および縦発熱体１２２に電流が流れ、横発熱体１２１および縦発熱体１２２の温度が上昇する。図８における発熱部１２０は、縦方向に導電体素材１１５を用いる以外は、図３の発熱部１２０と同様であるので、詳細な説明は省略する。【００９０】
図９は、本発明の第３の実施形態における面状発熱体の外観を示す図である。図９の面状発熱体１００は、図４に示す面状発熱体１００と同様であり、図４においては、縦発熱体１２２は縦繊維素材１１２に導電性溶液を塗布又は含浸させたものであるが、図９における縦発熱体１２５は導電体素材１１５に導電性溶液を塗布又は含浸させたものである点のみが異なっているだけで、他は図４と同じであるので、詳細な説明は省略する。【００９１】
図１０は、本発明の第３の実施形態の発熱部１２０の等価回路図を示している。図１０において、１２１−１，１２１−２、…（以下、総称して１２１ともいう）は、横方向に張られた横発熱体を示し、１２５−１，１２５−２、…（以下、総称して１２５ともいう）は、縦方向に張られた縦発熱体を示す。【００９２】
横方向に張られた各横発熱体１２１−１，１２１−２、…において、縦繊維素材と横繊維素材との交点であるノード間は抵抗成分Ｒ１１，Ｒ１２、…で表現できる。横発熱体１２１−１，１２１−２、…の両端には、電極端子１３０から電圧が印加されるので、各抵抗を介して電流が流れこの抵抗が発熱する。本発明の第３の実施形態の発熱部１２０においては、縦方向に張られた縦発熱体１２５−１，１２５−２、…は、内部が導電体素材１１５で構成されているので、各縦発熱体１２５−１，１２５−２、…は等電位面を形成する。【００９３】
本発明の第３の実施形態では、縦方向に導電体素材１１５、…を用いているため、横発熱体１２１−１，１２１−２、…の各抵抗成分は、それぞれ、縦発熱体１２５−１，１２５−２、…上のノードにより分割された抵抗成分Ｒ１１〜Ｒｍｎとなる。発熱部１２０においては、各抵抗成分Ｒ１１〜Ｒｍｎを単位として発熱が生じる。このときに、ＰＴＣ特性は、例えば、２つの縦発熱体１２５―１と縦発熱体１２５―２間の抵抗Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ３２，Ｒ４２，…等で実現されるため、各発熱体層の不均一が生じても、局所的発熱が起こらない。【００９４】
つまり、縦方向に張られた縦発熱体１２５１−１，１２５−２、…は内部が導電体素材１１５で構成されるので、それぞれ、どのノードも同電位となり、同一列の抵抗成分には、同一の電圧が印加される。例えば、同一列に並ぶ抵抗Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ３２、…は、縦発熱体１２５−１と縦発熱体１２５−２との間に接続されており、縦発熱体１２５−１の電位をＶ１、縦発熱体１２５−２の電位をＶ２とすると、全ての抵抗Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ３２、…に電圧差（Ｖ１−Ｖ２）が印加される。【００９５】
ここで、例えば、抵抗成分Ｒ２２の発熱が大きくなったとする。ＰＴＣ特性では、図１１に示すように、発熱体の温度が上昇すると、その抵抗値が大きくなるため、抵抗成分Ｒ２２の発熱量が大きくなると、その抵抗成分Ｒ２２が大きくなり、抵抗成分Ｒ２２に流れる電流が減少する。よって、抵抗成分Ｒ２２の温度は、所定の温度に抑えられる。【００９６】
全ての抵抗成分Ｒ１１〜Ｒｍｎについても、同様に、２つの縦発熱体間で、ＰＴＣ特性が働き、所定の温度に抑えられる。このため、集中して温度が高くなるような局所的な発熱が生じることがなくなる。【００９７】
以上説明したように、第３の実施形態によれば、縦方向に縦発熱体１２５を用いているので、局所発熱や局部加熱のおそれがなくなる。よって、局部発熱や局所加熱を抑えるためのアルミ箔が不要になり、両方向への輻射も可能になり、面状発熱体１００を透明にすることも可能になる。
【比較例】
【００９８】
次に、本発明の一実施例における面状発熱体１００と、従来の面状発熱体（比較例１，比較例２）との消費電力量について比較する。
【００９９】
本発明の一実施例における導電性溶液の組成を以下に示す。
カーボンブラック（平均粒径０．１μ以下）  ４５部
アルキドメラミンレジンモノマー  ５５部
ｎ−パラフィン（平均粒径５μ以下の微粉末）  ２５部
高分子量ポリエチレン（平均粒径１５μ以下の粉末）  ２５部
トルエン  ４５部ＭＥＫ  ２５部
ｎ−ブタノール  ３０部
【０１００】
本実施例における面状発熱体１００は、導電性黒鉛またはカーボンブラックに架橋型高分子のモノマーと低次元物質である線状高分子化合物の微粉末又は液状ポリマーおよび低分子量有機化合物を配合し、有機溶媒中でブレンドおよび熟成させた導電性溶液を、繊維素材間隔が縦横各１０ｍｍである網状基材１１０に塗布又は含浸・反応乾燥させて製造した。
【０１０１】
また、従来の面状発熱体である比較例１，比較例２の面状発熱体は、本実施例と同様の工程により作成したが、その繊維素材の間隔は、それぞれ１ｍｍ，２ｍｍというように本実施例と異なっている。
【０１０２】
以下、表１において、面状発熱体の表面を４０℃に維持させるための、面状発熱体１ｍ2当たりの消費電力量（ワット）について、本実施例と比較例１，２の値を示し、比較する。
【０１０３】
【表１】
2008023447.tif 000003
【０１０４】
表１に示すように、面状発熱体の表面を４０℃に維持させるために、比較例１，２では、それぞれ２４０Ｗ／ｍ2，１９０Ｗ／ｍ2の消費電力量が必要であった。
【０１０５】
これに対し、本実施例では、１４０Ｗ／ｍ2であり、比較例１，２と比べて、消費電力量を効果的に軽減可能であることが確認された。
【０１０６】
なお、上記の実施例は本発明の好適な実施の一例であり、本発明の実施例は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１の実施形態における面状発熱体の外観を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における網状基材を拡大した図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における網状基材に導電性溶液を塗布したときの拡大図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における面状発熱体の外観を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における発熱部の電気的等価図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における面状発熱体の外観を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における網状基材を拡大した図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における網状基材に導電性溶液を塗布したときの拡大図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における面状発熱体の外観を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態における発熱部の電気的等価図である。
【図１１】ＰＴＣ特性の説明に用いるグラフである。
【符号の説明】
【０１０８】
１００    面状発熱体
１１０    網状基材
１１１    横繊維素材
１１２    縦繊維素材
１１５    縦導電体素材
１１６    導電体
１２０    発熱部
１２１，１２１−１，１２１−２、…    横発熱体
１２２，１２１−１，１２１−２、…    縦発熱体
１２５，１２５−１，１２５−２、…    縦発熱体
１３０    電極端子
【図１】
2008023447.tif 000004
【図２】
2008023447.tif 000005
【図３】
2008023447.tif 000006
【図４】
2008023447.tif 000007
【図５】
2008023447.tif 000008
【図６】
2008023447.tif 000009
【図７】
2008023447.tif 000010
【図８】
2008023447.tif 000011
【図９】
2008023447.tif 000012
【図１０】
2008023447.tif 000013
【図１１】
2008023447.tif 000014
【国際調査報告】
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