(57)【要約】  被加熱物に対する効率的な加熱が可能であり、且つ、熱分布を均一にすることが可能な発熱装置を提供すること。  本発明の発熱装置は、電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子（１）と、第一電極端子（１１，２１）と、第二電極端子（１２，２２）と、正特性サーミスタ発熱素子（１）を収容するホルダー（２）と、熱伝導シート（３）とを含み、熱伝導シート（３）は、黒鉛粒子および高分子化合物を含み、黒鉛粒子の長軸方向は、正特性サーミスタ発熱素子（１）の面に対して略直交しており、正特性サーミスタ発熱素子（１）及びホルダー（２）は、熱伝導シート（３）に対して圧力を加えるように付勢された状態で組み付けられている。
2019004193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一電極端子と、第二電極端子と、前記正特性サーミスタ発熱素子を収容するホルダーと、熱伝導シートとを含む発熱装置であって、
前記熱伝導シートは、黒鉛粒子および高分子化合物を含み、前記黒鉛粒子の長軸方向が、前記正特性サーミスタ発熱素子との当接面に対して略直交しており、
前記正特性サーミスタ発熱素子及び前記ホルダーは、前記熱伝導シートに対して圧力を加えるように付勢された状態で組み付けられている、発熱装置。
【請求項２】
前記第一電極端子は第一バネ端子を含み、
前記第二電極端子は第二バネ端子を含み、
前記第一バネ端子及び前記第二バネ端子の弾性力により、前記正特性サーミスタ発熱素子及び前記ホルダーは、前記熱伝導シートに対して圧力を加える、請求項１記載の発熱装置。
【請求項３】
前記第一バネ端子及び前記第二バネ端子は、
金属板で形成され、支持部と、少なくとも一端に形成された付勢部とを有し、
前記付勢部は、第一屈曲部と、前記第一屈曲部と逆方向に屈曲された第二屈曲部と、前記支持部の長手方向と略直交し、かつ前記支持部と反対側の端部に向かって延在するように形成された端部平面部と、を含み、
前記第一バネ端子における第一屈曲部の屈曲方向と、前記第二バネ端子における第一屈曲部の屈曲方向が逆向きになるように、配置されている、請求項２記載の発熱装置。
【請求項４】
前記正特性サーミスタ発熱素子、前記第一電極端子、前記第二電極端子、前記ホルダー及び前記熱伝導シートは、少なくとも一面が開口した筐体内に配置され、
前記筐体の開口には、パッキンを介して蓋部が配置され、
前記筐体と前記蓋部がネジによって固定され、
ネジの締め込み量とパッキンの弾性力とによって付勢の圧力を調整できる構造が形成される、請求項１記載の発熱装置。
【請求項５】
前記電極層は、一対の電極層で構成され、
前記第一電極端子は、第一バネ端子及び第一クリップ端子を有し、
前記第二電極端子は、第二バネ端子と第二クリップ端子を有し、
前記一対の電極層は、
それぞれ前記正特性サーミスタ発熱素子の一の主面に形成され、前記第一クリップ端子、前記第二クリップ端子及び接着剤によって覆われている、請求項２〜請求項４何れか１項に記載の発熱装置。
【請求項６】
前記ホルダーは、炭化ケイ素により形成され、外面に酸化膜が設けられている、請求項１〜請求項５何れか１項に記載の発熱装置。
【請求項７】
前記ホルダーは、前記熱伝導シートに接する面については少なくとも一部の前記酸化膜が剥離された状態である、請求項６記載の発熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、保温や加熱、採暖、凍結防止などの目的で使用される正特性サーミスタ（以下ＰＴＣとして参照する）発熱装置に関し、特に、被加熱物への効率的な加熱が可能であり、且つ、熱分布を均一にすることができる発熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱体の分野において、ＰＴＣ発熱素子が利用されている。これは、ＰＴＣ発熱素子が所定温度（キュリー温度）未満の温度で固有の抵抗値を有するために発熱素子として作用し、所定温度（キュリー温度）以上で急激に抵抗値が増大して通電をカットするという自己温度制御機能を有し、安全性が極めて高いからである。このような特性を有するＰＴＣ発熱素子に一対の電極端子を接続し、適宜絶縁処理を施したり、当該ＰＴＣ発熱素子を各種筐体内に配置したりすることで、各種機器の保温加熱用ヒータ、凍結防止用ヒータなどの好適なＰＴＣ発熱装置を得ることができる。そして、このようなＰＴＣ発熱装置は、液体や気体等を移送するための配管に取り付けられ、配管の保温や加熱、採暖、凍結防止等の用に供することもできる。本発明に関連する従来技術として、例えば、特許文献１〜５等が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−３３３５８号公報
【０００４】
【特許文献１】特許第５２４７４０１号公報
【０００５】
【特許文献１】特許第３８０４６９５号公報
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３０６４６９号公報
【０００７】
【特許文献１】特許第５３８１１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のようなＰＴＣ発熱装置は、自己温度制御が可能であり小型化できるため、既に上市され実用化されている。しかし、ＰＴＣ発熱素子は可撓性を有しないため、配管等の被加熱部への効率的な加熱や、熱分布の均一化の点で充分でなく、この点を解決することが望まれていた。【０００９】
本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、被加熱物への効率的な加熱が可能であり、且つ、熱分布を均一にすることが可能な発熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するべく、本発明の一態様による発熱装置は、電極層を備えた正特性サーミスタ発熱素子と、第一電極端子と、第二電極端子と、正特性サーミスタ発熱素子を収容するホルダーと、熱伝導シートとを含む発熱装置であって、熱伝導シートは、黒鉛粒子および高分子化合物を含み、黒鉛粒子の長軸方向は、正特性サーミスタ発熱素子の面に対して略直交しており、正特性サーミスタ発熱素子及びホルダーは、熱伝導シートに対して圧力を加えるように付勢された状態で組み付けられている。【００１１】
また、第一電極端子が第一バネ端子を有し、第二電極端子が第二バネ端子を有し、第一バネ端子及び第二バネ端子の弾性力により、正特性サーミスタ発熱素子及びホルダーが、熱伝導シートに対して圧力を加えるように付勢された状態にしてもよい。【００１２】
さらに、第一バネ端子及び第二バネ端子が、金属板で形成され、支持部と、少なくとも一端に形成された付勢部とを有しており、ここで、付勢部は、第一屈曲部と、第一屈曲部と逆方向に屈曲された第二屈曲部と、支持部の長手方向と略直交し、かつ前記支持部と反対側の端部に向かって延在するように形成された端部平面部とを含み、第一バネ端子における第一屈曲部の屈曲方向と、第二バネ端子における第一屈曲部の屈曲方向が逆向きになるように、配置してもよい。【００１３】
さらに、正特性サーミスタ発熱素子、第一電極端子、第二電極端子、ホルダー及び熱伝導シートが、少なくとも一面が開口した筐体内に配置され、筐体の開口には、パッキンを介して蓋部が配置され、筐体と蓋部がネジによって固定され、ネジの締め込み量とパッキンの弾性力とによって付勢の圧力を調整できる構造としてもよい。【００１４】
さらに、電極層は一対の電極層で構成することができ、第一電極端子が第一バネ端子及び第一クリップ端子を有し、第二電極端子が第二バネ端子と第二クリップ端子を有し、一対の電極層が、それぞれ正特性サーミスタ発熱素子の一の主面に形成されており、一対の電極層が、第一クリップ端子、第二クリップ端子及び接着剤によって覆われてもよい。【００１５】
さらに、ホルダーは、炭化ケイ素により形成され、外面に酸化膜が設けられてもよい。【００１６】
さらに、ホルダーは、熱伝導シートに接する面については少なくとも一部の酸化膜が剥離された状態でもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による発熱装置は、熱伝導シートを使用し、この熱伝導シートに対して圧力を加えることにより、熱伝導に係る熱損失を低減して、且つ、熱伝導率を高めることができる。これにより、本発明による発熱装置は、被加熱物の効率的な加熱が可能となり、且つ、熱分布を均一に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一態様に従う発熱装置を被加熱物に取り付けた状態の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様に従う発熱装置の組立て状態の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の一態様に従うＰＴＣ発熱素子を示す平面図である。
【図４】本発明の一態様に従う第一バネ端子又は第二バネ端子を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１〜図４を参照して本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態では、被加熱物として配管を想定し、この配管に本発明による発熱装置を取り付けた例を説明する。
【００２０】
ＰＴＣ発熱素子１は、縦１４．０ｍｍ、横１８．５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの略角板状に形成されたチタン酸バリウム系セラミック素子を含み、二つの主面と四つの側面を有する。図３に示すように、ＰＴＣ発熱素子１の一つの主面には、銀ペーストを用いて、２つの電極が入れ違いの櫛歯状に形成され、これらの電極は、それぞれ電極層１ａ、電極層１ｂとして参照される。この電極層１ａ，電極層１ｂの内の一方が＋極であり、もう一方が−極である。尚、ＰＴＣ発熱素子の材料については、必要とされる発熱特性（例えば、キュリー温度等）に応じて適宜選択すればよい。
【００２１】
本実施の形態においては、第一電極端子は、第一クリップ端子１１と第一バネ端子２１とを含み、第二電極端子は、第二クリップ端子１２と第二バネ端子２２とを含む。第一クリップ端子１１及び第二クリップ端子１２は、バネ弾性に優れた厚さ０．１５ｍｍのりん青銅板で作られ、それらの断面形状は、先端部が基部よりもやや狭くなったコの字形状である。そのため、第一クリップ端子１１及び第二クリップ端子１２をＰＴＣ発熱素子１に取り付けた場合、これらのクリップ端子は、その復元力によってＰＴＣ発熱素子１に固定される。ＰＴＣ発熱素子１は、第一クリップ端子１１が電極層１ａと接し、かつ、第二クリップ端子１２が電極層１ｂと接するように、各クリップ端子のコの字形状の開口部に嵌め込まれる。
【００２２】
本実施の形態によるホルダー２は、炭化ケイ素で作られ、第一クリップ端子１１及び第二クリップ端子１２が取り付けられたＰＴＣ発熱素子１を収納するケース形状を有する。ＰＴＣ発熱素子１における電極層１ａ，１ｂが形成された面が、ホルダー２と接する。なお、ＰＴＣ発熱素子１とホルダー２は、シリコーン系接着剤のような接着剤５によって固定してもよい。特に、電極層１ａ，１ｂが、第一電極端子１１，２１、第二電極端子１２，２２及び接着剤５によって覆われていれば、電極層１ａ，１ｂを保護することができ、またマイグレーションを防止できるため好ましい。
【００２３】
ＰＴＣ発熱素子１を収容したホルダー２の底面には、熱伝導シート３が隣接して配置される。熱伝導シート３は、黒鉛粒子と高分子化合物を含んでおり、黒鉛粒子の長軸方向は、正特性サーミスタ発熱素子１の面に対して、略直交するように形成される。熱伝導シート３として、例えば、上記特許文献５に記載されたもの等を使用することができる。
【００２４】
本実施の形態で使用される筐体３１は、ナイロン６６で作られ、筐体３１の一面は開口しており、その開口面と平行するように貫通孔が形成されている。この貫通孔には、被加熱物４１として、断面が略方形状の銅管が嵌め込まれている。この貫通孔が形成された部分の外周には、他の配管部材と接続するための環状突起が形成されている。代替的に、フランジやネジ切り等の接続構造を当該外周に形成してもよい。
【００２５】
第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２は、バネ弾性に優れた厚さ０．３ｍｍのベリリウム銅板で形成され、図４に示すように、支持部２１ａ，２２ａと、少なくとも一端に形成された付勢部２１ｂ，２２ｂとを有している。付勢部２１ｂ，２２ｂは、支持部２１ａ，２２ａの長手方向に対して実質的に直角になるように形成された第一屈曲部２１ｃ，２２ｃと、支持部２１ａ，２２ａの長手方向と略直交するように形成された端部平面部２１ｅ，２２ｅと、第一屈曲部２１ｃ，２２ｃおよび端部平面部２１ｅ，２２ｅの間に形成され、第一屈曲部２１ｃ，２２ｃと逆方向に屈曲された第二屈曲部２１ｄ，２２ｄとを含み、端部平面部２１ｅ，２２ｅは、第二屈曲部から支持部２１ａ，２２ａと反対側の端部に向かって延在する。支持部２１ａ，２２ａは、付勢部２１ｂ，２２ｂの近位側が薄く、遠位側が厚い段付の形状を有する。この段付の部分は、切除によって形成してもよく、または、折曲げによっても形成することができる。段付の位置については、蓋部３２とＰＴＣ発熱素子１との距離、第一バネ端子２１や第二バネ端子２２の弾性力、及び熱伝導シート３に必要な圧力を勘案して設計される。
【００２６】
本実施の形態で使用される蓋部３２は、ナイロン６６で作られ、筐体３１の開口を覆う形状を有する。蓋部３２は、筐体３１の内壁に沿うように延在した部分を有している。蓋部３２の四隅には、筐体３１と蓋部３２を締結するためのネジ穴が形成されている。また、蓋部３２の略中央部には、第一バネ端子２１と第二バネ端子２２を挿入するための孔が形成されている。
【００２７】
本実施の形態においては、小径のパッキン３３ａと大径のパッキン３３ｂが使用される。これらはフッ素ゴムで作られ、小径のパッキン３３ａは、筐体３１の内壁が画定する開口に合致する環形状を有し、大径のパッキン３３ｂは、筐体３１の側壁上に配置可能環形状を有する。
【００２８】
これらの構成材料の組み立てについて以下に説明する。被加熱物４１である銅管が嵌め込まれた筐体３１は、この銅管が底部となり、この銅管の上に、熱伝導シート３と、ホルダー２と、第一クリップ端子１１及び第二クリップ端子１２が取り付けられたＰＴＣ発熱素子１とが順次配置される。上記の通り、ＰＴＣ発熱素子１における電極層１ａ，１ｂが形成された面が、ホルダー２と接する。パッキン３３ａは、筐体３１の内壁に沿うように、且つ、ＰＴＣ発熱素子１を取り囲むように、ホルダー２の上に配置される。パッキン３３ｂは、筐体３１の側壁上に配置される。また、蓋部３２に形成された孔に第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２を挿入し、第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２を蓋部３２の上下に延在させる。この際、第一バネ端子２１の第一屈曲部２１ｃの屈曲方向と、第二バネ電極２２の第一屈曲部２２ｃの屈曲方向が逆向きになるように、第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２を配置する。また、上記の通り、第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２の支持部２１ａ，２２ａは、段付の形状を有するため、この段付の部分がストッパーとして機能し、それを超えて第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２を挿入することができない。勿論、ピン打ち、折曲げ、接着等の段付以外の手法によりストッパーを形成してもよい。この状態で蓋部３２を筐体３１に被せるように配置し、蓋部３２の四隅に嵌め込まれたＭ２のインサートナット３５及び筐体３１の四隅に嵌め込まれたＭ２のインサートナット３６に、Ｍ２×長さ１０ｍｍの六角穴付のネジ３４をねじこみ、筐体３１と蓋部３２を締結固定する。なお、蓋部３２の上側に延在する第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２は、図示しないコネクタやリード線を介して、電源に接続される。
【００２９】
上記のような構成によれば、第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２の付勢部２１ｂ，２２ｂやパッキン３３ａ，３３ｂの弾性反発による付勢によって、第一バネ端子２１と第一クリップ端子１１が接し、第二バネ端子２２と第二クリップ端子１２が接し、更に、ＰＴＣ発熱素子１及びホルダー２を介して、熱伝導シート３が圧力を受けて圧縮される。この熱伝導シート３は、圧縮によって熱伝導性が高くなる。そのため、被加熱物４１とホルダー２の間の隙間を塞ぎつつ、熱伝導性が高まり、被加熱物４１への効率的な加熱が可能となる。また、第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２の付勢部２１ｂ，２２ｂやパッキン３３ａ，３３ｂによる弾性反発を利用することにより、ネジ３４の締め込み量による熱伝導シートへの圧力調整が容易となるとともに、圧力分布の偏りを抑制し、均一な圧力で付勢が可能となる。熱伝導シート３は圧縮度合いによって熱伝導率が変化するため、圧力分布を均一にすることにより、熱分布を均一とすることができる。特に、第一バネ端子２１における第一屈曲部２１ｃの屈曲方向と、第二バネ電極２２における第一屈曲部２２ｃの屈曲方向が、逆向きになるように、第一バネ端子２１および第二バネ電極２２が配置されていれば、熱伝導シート３が受ける圧力はより均一になる。
【００３０】
上記の実施の形態は一例であり、例えば、以下に示すような別の態様も考えられる。
【００３１】
上記の実施の形態では、被加熱物４１である銅管が筐体３１を貫通した状態で当該筐体に嵌め込まれているが、勿論、被加熱物が筐体の外部にあってもよい。その場合は、ＰＴＣ発熱素子と被加熱物の間に熱伝導シートが存するように発熱装置を構成する。
【００３２】
また、上記の実施の形態における被加熱物４１である銅管を、単なる均熱部材として使用し、この均熱部材の中に、別の管を被加熱物として配置してもよい。また、被加熱物４１として、上記特許文献１に示す複数の流路を有するような管を使用してもよい。
【００３３】
また、上記の実施の形態においては、ＰＴＣ発熱素子１の一つの主面に２つの電極層、すなわち、電極層１ａ、電極層１ｂを形成したが、ＰＴＣ発熱素子の両主面それぞれに電極層１ａ、電極層１ｂを形成してもよい。この場合、第一クリップ端子１１又は第二クリップ端子１２の一方を省略することができる。また、ＰＴＣ発熱素子の一つの主面に形成した電極層と連続するように、ＰＴＣ発熱素子の側面及び反対側の主面に電極層を形成してもよい。こうすることで、第一クリップ端子１１又は第二クリップ端子１２の一方又は両方を省略することができる。また、電極層１ａ，１ｂの材料は銀ペーストに限定されず、例えば、金、銅、アルミニウム、導電樹脂等の種々材料を使用して、メッキ、蒸着のような他の方法によって電極層１ａ，１ｂを形成することができる。
【００３４】
第一クリップ端子１１、第二クリップ端子１２、第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２の材料は、バネ弾性を有し、かつ電極として機能するものであれば特に限定されない。例えば、ステンレス鋼板、りん青銅板、ベリリウム銅板、ニッケルメッキ真鍮板、スズメッキ真鍮板、銀メッキ真鍮板などの金属板を用いて、第一クリップ端子１１、第二クリップ端子１２、第一バネ端子２１及び第二バネ端子２２を形成することができる。これらの金属板の中でも、ステンレス鋼板、ベリリウム銅板、りん青銅板などは、長期間冷熱サイクルを受けた場合にも、そのバネ弾性を充分に保持することができるため、特に好ましい。
【００３５】
ホルダー２の材料は、例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、チッ化ケイ素等の各種のセラミックス、樹脂材料、ゴム材料などが使用できる。ホルダー２は、絶縁材料で作る方が好ましいが、特に低電圧使用の場合、熱伝導性の高さを優先して、半導体である炭化ケイ素等を使用することで、発熱装置の発熱特性をより向上させることが可能である。また、半導体材料や導電体材料の外面を絶縁材料でコーティングしたものを使用してホルダー２を形成してもよい。
【００３６】
例えば、ホルダー２を炭化ケイ素で形成する場合、炭化ケイ素の表面を酸化させてホルダー２の外面に酸化ケイ素の膜を形成する。これにより、ホルダー２の外面には、この酸化ケイ素膜によって１０７Ω程度の絶縁膜が形成される。また、このようにホルダー２の外面に酸化ケイ素膜を形成した場合においても、ホルダー２の面のうち熱伝導シート３に接する面については、少なくとも一部の酸化ケイ素膜を剥離するように研磨して面粗度を他の面よりも低くすることにより、ホルダー２の熱伝導率を高めることができる。
【００３７】
筐体３１及び蓋部３２の材料は、特に限定されないが、耐熱性に優れ、絶縁性を有するものであることが好ましい。例えば、ナイロン、アラミド、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート等、種々の樹脂材料を使用できる。
【００３８】
パッキン３３ａ，３３ｂの材料は、柔軟で弾性力があり、耐油性及び耐熱性に優れたものが好ましく、例えば、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム等の種々のゴム材料が挙げられる。
【００３９】
以上詳述したように本発明によれば、被加熱物に対する効率的な加熱が可能であり、且つ、熱分布を均一に近づけることが可能な発熱装置を提供することができる。このような発熱装置は、例えば、家電製品、住宅設備、自動車機関部、プラント、配管などの保温加熱用、採暖用、凍結防止用ヒータとして使用でき、また、芳香剤や各種薬剤などの液体蒸散用のヒータとして好適に使用することができる。
【００４０】
この出願は、２０１７年６月２８日に出願された日本出願特願２０１７−１２６３８２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００４１】
１  ＰＴＣ発熱素子
１ａ，１ｂ  電極層
２  ホルダー
３  熱伝導シート
５  接着剤
１１  第一クリップ端子
１２  第二クリップ端子
２１  第一バネ端子
２２  第二バネ端子
３１  筐体
３２  蓋部
３３ａ，３３ｂ  パッキン
４１  被加熱物
【図１】
2019004193.tif 000003
【図２】
2019004193.tif 000004
【図３】
2019004193.tif 000005
【図４】
2019004193.tif 000006
【国際調査報告】
2019004193.tif 000007
2019004193.tif 000008
2019004193.tif 000009
2019004193.tif 000010