ヒーター素子
【課題】 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。
【解決手段】 本発明のヒーター素子１００は、少なくとも２本の導体１Ａ、１Ｂと、導体１Ａ、１Ｂのそれぞれと接触する様に設けられるＰＴＣ部材３と、導体１Ａ、１ＢとＰＴＣ部材３とを包囲する第１樹脂層５と、を備え、第１樹脂層５は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有することを特徴とする。このように構成することで、加熱対象物に対しては、ヒーター素子１００からの熱伝導による加熱と、ヒーター素子１００から放出される遠赤外線による加熱とが行われることになり、加熱対象物を効率よく加熱することができる。
【解決手段】 本発明のヒーター素子１００は、少なくとも２本の導体１Ａ、１Ｂと、導体１Ａ、１Ｂのそれぞれと接触する様に設けられるＰＴＣ部材３と、導体１Ａ、１ＢとＰＴＣ部材３とを包囲する第１樹脂層５と、を備え、第１樹脂層５は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有することを特徴とする。このように構成することで、加熱対象物に対しては、ヒーター素子１００からの熱伝導による加熱と、ヒーター素子１００から放出される遠赤外線による加熱とが行われることになり、加熱対象物を効率よく加熱することができる。
【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る。この様なヒーター素子として、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。
【０００３】
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。この特許文献に記載のヒーター素子は、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るＰＴＣ部材と、このＰＴＣ部材を包囲する絶縁層とを備える。ＰＴＣ部材の樹脂中には、カーボンブラック等の導電性粒子が所定量分散される。
【０００４】
このヒーター素子においては、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。このように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ながら、ＰＴＣ部材で発生する熱が絶縁層を介してヒーター素子の外部に放出され、加熱対象物が加熱される。
【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】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載のヒーター素子は、加熱対象物を効率よく加熱する点で改善の余地を有していた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、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】
【０００７】
本発明者らは、加熱対象物を効率よく加熱する自己制御型のヒーター素子ついて鋭意研究を重ねた結果、上記特許文献１に記載のヒーター素子は、ヒーター素子から発生する熱を外部に放出して、この放出される熱のみによって加熱対象物を加熱しているため、加熱の効率に改善の余地があることを突き止め本発明をするに至った。
【０００８】
すなわち本発明のヒーター素子は、少なくとも２本の導体と、前記導体のそれぞれと接触して設けられるＰＴＣ部材と、前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第１樹脂層と、を備え、前記第１樹脂層は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有することを特徴とするものである。
【０００９】
このような構成のヒーター素子によれば、２本の導体間に電圧が印加されると、ＰＴＣ部材に電流が流れ、その電流によりＰＴＣ部材が自己温度制御を行いながら発熱する。そして、ＰＴＣ部材が発熱することで、ＰＴＣ部材を包囲する第１樹脂層の温度が上昇して、ヒーター素子が発熱する。さらに、第１樹脂層の温度が上昇すると、第１樹脂層中に分散される多孔性セラミック粒子から遠赤外線が放出される。このため、加熱対象物に対しては、ヒーター素子からの熱伝導による加熱と、ヒーター素子から放出される遠赤外線による加熱と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、加熱対象物を効率よ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しているためであると推測している。
【００１０】
さらに、前記ヒーター素子において、前記第１樹脂層と前記ＰＴＣ部材との間に設けられると共に、前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第２樹脂層と、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との間に設けられると共に、前記第２樹脂層を包囲する金属層と、を更に備えることが好適である。
【００１１】
このような構成のヒーター素子によれば、第１樹脂層の内側に金属層を設けているので、多孔質セラミックスが分散される第１樹脂層にＰＴＣ部材からの熱を効率的に伝熱させることができる。このため、ヒーター素子から遠赤外線をより多く放出させることができる。従って、加熱対象物をより効率よく加熱することができる。さらに、第１樹脂層の内側に金属層を設けているので、ヒーター素子の機械的強度をより向上させることができる。
【００１２】
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適である。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、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】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒーター素子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、互いに所定の間隔を隔てて略平行に配置される２本の導体１Ａ、１Ｂと、導体１Ａ、１Ｂと接触して設けられ、導体１Ａ、１Ｂのそれぞれの外周面を覆うＰＴＣ部材３と、ＰＴＣ部材３を包囲する筒状の第１樹脂層５とを備える。
【００１７】
第１樹脂層５は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有する。
【００１８】
このようなヒーター素子１００によれば、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３中の導電性粒子によりＰＴＣ部材３に電流が流れ、その電流によりＰＴＣ部材３が自己温度制御を行いながら発熱する。ＰＴＣ部材３が発熱すると、ＰＴＣ部材３からの熱伝導により第１樹脂層５の温度が上昇して、ヒーター素子１００が発熱する。さらに、第１樹脂層の温度が上昇すると、第１樹脂層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、ヒーター素子１００の発熱による加熱と、ヒーター素子１００から放出される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、加熱対象物に対して遠赤外線による加熱が行われることにより、ＰＴＣ部材３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。
【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、ヒーター素子１００を地中に埋めて加熱対象物として地上に積雪した雪を加熱する場合を考えると、ヒーター素子１００により加熱される雪は、時間の経過とともにヒーター素子１００に近い側から融かされる。そのため雪に空洞が形成されヒーター素子１００から雪までの距離が次第に大きくなる場合がある。このような場合では、ＰＴＣ部材３自体の発熱だけでは、融雪し難くなることがあるが、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ため、比較的遠くに離れた雪であっても効率的に融雪することができる。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】
また、第１樹脂層５に多孔性セラミック粒子が含有されるため、第１樹脂層は、優れた耐熱性、耐摩耗性を有する。このため、ヒーター素子１００おいては、熱によりヒーター素子の表面が変形することが抑制され、また、摩擦等によりヒーター素子の表面が摩耗することが抑制される。
【００２１】
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。
【００２２】
導体１Ａ、１Ｂは、それぞれニッケルメッキが施された銅線等から構成される。なお、各導体１Ａ、１Ｂは、単線でも撚り線でもよい。
【００２３】
ＰＴＣ部材３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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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３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３は、ＰＴＣ部材３の温度上昇に対して、全体的に抵抗が緩やかに高くなる傾向にある。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。
【００２７】
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３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。
【００２８】
また、ＰＴＣ部材３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、樹脂１００重量部に対して、３〜３０重量部であることが、ＰＴＣ部材３の抵抗を得る観点から好ましい。
【００２９】
第１樹脂層５に用いられる樹脂は、難燃性の樹脂が好ましい。このような樹脂として、
ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）及びエチレンアクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）、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）などのエチレン系材料や、それらとポリプロピレン（ＰＰ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰゴム）、スチレン系エラストマなどのポリオレフィンをブレンドした複合樹脂等が挙げられる。
【００３０】
第１樹脂層５に含まれる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、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。
【００３１】
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であることが好ましく、特に５〜２０μｍであることが好ましい。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。
【００３２】
また、第１樹脂層５に含まれる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、樹脂１００重量部に対して、１０〜３０重量部であることが、遠赤外線放出の観点より好ましい。
【００３３】
なお、多孔性セラミック粒子は、波長が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第１樹脂層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。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。
【００３５】
図２は、本発明の第２実施形態に係るヒーター素子を示す断面図である。図２に示すように、ヒーター素子１１０は、ＰＴＣ部材３と第１樹脂層５との間に第２樹脂層７と金属層９とを備える点で第１実施形態のヒーター素子１００と異なる。
【００３６】
第２樹脂層７は、ＰＴＣ部材３の外周面を包囲するように設けられ、また、金属層９は、第２樹脂層７の外周面を包囲するように設けられている。
【００３７】
第２樹脂層７に用いられる樹脂としては、第１樹脂層５に用いられる樹脂と同様の樹脂が挙げられる。
【００３８】
金属層９は、ニッケル等の金属からなる金属編組から構成される。
【００３９】
このようなヒーター素子１１０によれば、第１樹脂層５の内側に金属層９を設けているので、多孔質セラミックスが分散される第１樹脂層５にＰＴＣ部材３からの熱を効率的に伝熱させることができる。このため、ヒーター素子１１０から遠赤外線をより多く放出させることができる。従って、加熱対象物をより効率よく加熱することができる。さらに、第１樹脂層５の内側に金属層９を設けているので、ヒーター素子１１０の機械的強度をより向上させることができる。
【００４０】
以上、本発明について、第１、第２実施形態を例に説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
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３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３は、導体１Ａ、１Ｂと接触していれば良く、ＰＴＣ部材３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３は、導体１Ａ、１Ｂと接触して、導体１Ａ、１Ｂの長手方向に沿って、導体１Ａ、１Ｂの間のみに配置されても良い。
【実施例】
【００４２】
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。
【００４３】
（実施例１〜４）
第１実施形態と同様のヒーター素子を作製した。
【００４４】
ＰＴＣ部材としては、結晶性樹脂中に、カーボンブラ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、１０重量部とした。
【００４５】
また、第１樹脂層としては、樹脂に多孔性セラミック粒子を分散させたものを用いた。樹脂としては、ＥＴＦＥを用いた。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、第１樹脂層の多孔性セラミック粒子の含有率は、樹脂１００質量部に対して、それぞれ表１に示す値とした。
【００４６】
また、ヒーター素子の厚さは、５．０ｍｍとした。
【００４７】
（比較例１）
第１樹脂層としては、樹脂に対する多孔性セラミック粒子の含有率を樹脂１００質量部に対して表１に示す値とした。それ以外は、実施例１と同様にしてヒーター素子を作製した。
【表１】
【００４８】
（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。
【００４９】
（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し、多孔性セラミック粒子の含有率が高いほど融雪率が高いことが分かった。
【００５０】
以上のことから、本発明のヒーター素子によれば、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】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るヒーター素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るヒーター素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１Ａ，１Ｂ・・・導体
３・・・ＰＴＣ部材
５・・・第１樹脂層
７・・・第２樹脂層
９・・・金属層
１００、１１０・・・ヒーター素子
【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る。この様なヒーター素子として、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。
【０００３】
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。この特許文献に記載のヒーター素子は、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るＰＴＣ部材と、このＰＴＣ部材を包囲する絶縁層とを備える。ＰＴＣ部材の樹脂中には、カーボンブラック等の導電性粒子が所定量分散される。
【０００４】
このヒーター素子においては、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。このように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ながら、ＰＴＣ部材で発生する熱が絶縁層を介してヒーター素子の外部に放出され、加熱対象物が加熱される。
【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】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載のヒーター素子は、加熱対象物を効率よく加熱する点で改善の余地を有していた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、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】
【０００７】
本発明者らは、加熱対象物を効率よく加熱する自己制御型のヒーター素子ついて鋭意研究を重ねた結果、上記特許文献１に記載のヒーター素子は、ヒーター素子から発生する熱を外部に放出して、この放出される熱のみによって加熱対象物を加熱しているため、加熱の効率に改善の余地があることを突き止め本発明をするに至った。
【０００８】
すなわち本発明のヒーター素子は、少なくとも２本の導体と、前記導体のそれぞれと接触して設けられるＰＴＣ部材と、前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第１樹脂層と、を備え、前記第１樹脂層は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有することを特徴とするものである。
【０００９】
このような構成のヒーター素子によれば、２本の導体間に電圧が印加されると、ＰＴＣ部材に電流が流れ、その電流によりＰＴＣ部材が自己温度制御を行いながら発熱する。そして、ＰＴＣ部材が発熱することで、ＰＴＣ部材を包囲する第１樹脂層の温度が上昇して、ヒーター素子が発熱する。さらに、第１樹脂層の温度が上昇すると、第１樹脂層中に分散される多孔性セラミック粒子から遠赤外線が放出される。このため、加熱対象物に対しては、ヒーター素子からの熱伝導による加熱と、ヒーター素子から放出される遠赤外線による加熱と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、加熱対象物を効率よ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しているためであると推測している。
【００１０】
さらに、前記ヒーター素子において、前記第１樹脂層と前記ＰＴＣ部材との間に設けられると共に、前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第２樹脂層と、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との間に設けられると共に、前記第２樹脂層を包囲する金属層と、を更に備えることが好適である。
【００１１】
このような構成のヒーター素子によれば、第１樹脂層の内側に金属層を設けているので、多孔質セラミックスが分散される第１樹脂層にＰＴＣ部材からの熱を効率的に伝熱させることができる。このため、ヒーター素子から遠赤外線をより多く放出させることができる。従って、加熱対象物をより効率よく加熱することができる。さらに、第１樹脂層の内側に金属層を設けているので、ヒーター素子の機械的強度をより向上させることができる。
【００１２】
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適である。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、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】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒーター素子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、互いに所定の間隔を隔てて略平行に配置される２本の導体１Ａ、１Ｂと、導体１Ａ、１Ｂと接触して設けられ、導体１Ａ、１Ｂのそれぞれの外周面を覆うＰＴＣ部材３と、ＰＴＣ部材３を包囲する筒状の第１樹脂層５とを備える。
【００１７】
第１樹脂層５は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有する。
【００１８】
このようなヒーター素子１００によれば、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３中の導電性粒子によりＰＴＣ部材３に電流が流れ、その電流によりＰＴＣ部材３が自己温度制御を行いながら発熱する。ＰＴＣ部材３が発熱すると、ＰＴＣ部材３からの熱伝導により第１樹脂層５の温度が上昇して、ヒーター素子１００が発熱する。さらに、第１樹脂層の温度が上昇すると、第１樹脂層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、ヒーター素子１００の発熱による加熱と、ヒーター素子１００から放出される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、加熱対象物に対して遠赤外線による加熱が行われることにより、ＰＴＣ部材３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。
【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、ヒーター素子１００を地中に埋めて加熱対象物として地上に積雪した雪を加熱する場合を考えると、ヒーター素子１００により加熱される雪は、時間の経過とともにヒーター素子１００に近い側から融かされる。そのため雪に空洞が形成されヒーター素子１００から雪までの距離が次第に大きくなる場合がある。このような場合では、ＰＴＣ部材３自体の発熱だけでは、融雪し難くなることがあるが、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ため、比較的遠くに離れた雪であっても効率的に融雪することができる。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】
また、第１樹脂層５に多孔性セラミック粒子が含有されるため、第１樹脂層は、優れた耐熱性、耐摩耗性を有する。このため、ヒーター素子１００おいては、熱によりヒーター素子の表面が変形することが抑制され、また、摩擦等によりヒーター素子の表面が摩耗することが抑制される。
【００２１】
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。
【００２２】
導体１Ａ、１Ｂは、それぞれニッケルメッキが施された銅線等から構成される。なお、各導体１Ａ、１Ｂは、単線でも撚り線でもよい。
【００２３】
ＰＴＣ部材３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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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３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３は、ＰＴＣ部材３の温度上昇に対して、全体的に抵抗が緩やかに高くなる傾向にある。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。
【００２７】
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３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。
【００２８】
また、ＰＴＣ部材３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、樹脂１００重量部に対して、３〜３０重量部であることが、ＰＴＣ部材３の抵抗を得る観点から好ましい。
【００２９】
第１樹脂層５に用いられる樹脂は、難燃性の樹脂が好ましい。このような樹脂として、
ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）及びエチレンアクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）、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）などのエチレン系材料や、それらとポリプロピレン（ＰＰ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰゴム）、スチレン系エラストマなどのポリオレフィンをブレンドした複合樹脂等が挙げられる。
【００３０】
第１樹脂層５に含まれる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、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。
【００３１】
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であることが好ましく、特に５〜２０μｍであることが好ましい。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。
【００３２】
また、第１樹脂層５に含まれる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、樹脂１００重量部に対して、１０〜３０重量部であることが、遠赤外線放出の観点より好ましい。
【００３３】
なお、多孔性セラミック粒子は、波長が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第１樹脂層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。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。
【００３５】
図２は、本発明の第２実施形態に係るヒーター素子を示す断面図である。図２に示すように、ヒーター素子１１０は、ＰＴＣ部材３と第１樹脂層５との間に第２樹脂層７と金属層９とを備える点で第１実施形態のヒーター素子１００と異なる。
【００３６】
第２樹脂層７は、ＰＴＣ部材３の外周面を包囲するように設けられ、また、金属層９は、第２樹脂層７の外周面を包囲するように設けられている。
【００３７】
第２樹脂層７に用いられる樹脂としては、第１樹脂層５に用いられる樹脂と同様の樹脂が挙げられる。
【００３８】
金属層９は、ニッケル等の金属からなる金属編組から構成される。
【００３９】
このようなヒーター素子１１０によれば、第１樹脂層５の内側に金属層９を設けているので、多孔質セラミックスが分散される第１樹脂層５にＰＴＣ部材３からの熱を効率的に伝熱させることができる。このため、ヒーター素子１１０から遠赤外線をより多く放出させることができる。従って、加熱対象物をより効率よく加熱することができる。さらに、第１樹脂層５の内側に金属層９を設けているので、ヒーター素子１１０の機械的強度をより向上させることができる。
【００４０】
以上、本発明について、第１、第２実施形態を例に説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
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３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３は、導体１Ａ、１Ｂと接触していれば良く、ＰＴＣ部材３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３は、導体１Ａ、１Ｂと接触して、導体１Ａ、１Ｂの長手方向に沿って、導体１Ａ、１Ｂの間のみに配置されても良い。
【実施例】
【００４２】
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。
【００４３】
（実施例１〜４）
第１実施形態と同様のヒーター素子を作製した。
【００４４】
ＰＴＣ部材としては、結晶性樹脂中に、カーボンブラ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、１０重量部とした。
【００４５】
また、第１樹脂層としては、樹脂に多孔性セラミック粒子を分散させたものを用いた。樹脂としては、ＥＴＦＥを用いた。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、第１樹脂層の多孔性セラミック粒子の含有率は、樹脂１００質量部に対して、それぞれ表１に示す値とした。
【００４６】
また、ヒーター素子の厚さは、５．０ｍｍとした。
【００４７】
（比較例１）
第１樹脂層としては、樹脂に対する多孔性セラミック粒子の含有率を樹脂１００質量部に対して表１に示す値とした。それ以外は、実施例１と同様にしてヒーター素子を作製した。
【表１】
【００４８】
（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。
【００４９】
（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し、多孔性セラミック粒子の含有率が高いほど融雪率が高いことが分かった。
【００５０】
以上のことから、本発明のヒーター素子によれば、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】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るヒーター素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るヒーター素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１Ａ，１Ｂ・・・導体
３・・・ＰＴＣ部材
５・・・第１樹脂層
７・・・第２樹脂層
９・・・金属層
１００、１１０・・・ヒーター素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２本の導体と、
前記導体のそれぞれと接触して設けられるＰＴＣ部材と、
前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第１樹脂層と、
を備え、
前記第１樹脂層は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有すること
を特徴とするヒーター素子。
【請求項２】
前記第１樹脂層と前記ＰＴＣ部材との間に設けられると共に、前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第２樹脂層と、
前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との間に設けられると共に、前記第２樹脂層を包囲する金属層と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のヒーター素子。
【請求項３】
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または２に記載のヒーター素子。
【請求項１】
少なくとも２本の導体と、
前記導体のそれぞれと接触して設けられるＰＴＣ部材と、
前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第１樹脂層と、
を備え、
前記第１樹脂層は、樹脂中に分散される多孔性セラミック粒子を含有すること
を特徴とするヒーター素子。
【請求項２】
前記第１樹脂層と前記ＰＴＣ部材との間に設けられると共に、前記導体と前記ＰＴＣ部材とを包囲する第２樹脂層と、
前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との間に設けられると共に、前記第２樹脂層を包囲する金属層と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のヒーター素子。
【請求項３】
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または２に記載のヒーター素子。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１５３２８３（Ｐ２０１０−１５３２８３Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３１９７９（Ｐ２００８−３３１９７９）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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