JP2007250448A

JP2007250448A - 可撓性面状発熱体

Info

Publication number: JP2007250448A
Application number: JP2006074932A
Authority: JP
Inventors: Akira Uehara; 明上原
Original assignee: Hakko Electric Machine Works Co Ltd
Current assignee: Hakko Electric Machine Works Co Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】被加熱物に接していない面からの放熱による熱損失を小さくした、省エネルギーを考慮した可撓性面状発熱体を提供すること。
【解決手段】発熱素子１をシリコーンゴム等のシート状可撓性樹脂からなる絶縁材２に挟持した面状発熱体において、該面状発熱体の一方側の面（被加熱物に接していない面）に、５０〜３００°Cの温度条件下で、波長３〜２５μｍの赤外線の放射率が０．２以下となるアルミニウムの箔等の放熱防止材３を設けて構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、抵抗加熱器具に関し、詳しくは、発熱体を高分子材料よりなる絶縁性外皮材で挟持して構成される可撓性の面状発熱体に関する。

発熱線や箔により形成する発熱体を、ゴムやプラスチックのような高分子材料からなる絶縁性外皮材（以下、絶縁材）で挟持し、シート状に形成する可撓性面状発熱体として、該絶縁材としてシリコーン樹脂を含んで形成されるシリコンラバーヒーターが知られている。（例えば、特許文献１）通常、このシリコンラバーヒーターは、適当なパターンに形成したニッケル−クロム合金等からなる抵抗発熱体８を、絶縁材９としてガラスクロス９２で補強したシート状のシリコーンゴム９１、２枚で挟持、加圧・加熱し、未加硫ゴムで一体化して構成しており、その柔軟性により、金属円筒容器などの被加熱物に密着させ巻回したり、貼付けたりして使用されることが多い。（図５、従来のシリコンラバーヒーターの構成図、６、その断面図参照）

しかし、前記のように被加熱物に巻回、あるいは、貼付けて使用する多くの場合、面状発熱体の被加熱物に接していない面は、大気にさらされており、放熱による熱損失が大きく省エネルギーの観点から問題となる。そこで、この熱損失を低減する方法として、一般的には、該面状発熱体の被加熱物に接していない面に断熱材が使用される。
実開昭６０−６９４９５号公報

しかし、従来の断熱材を用いて、被加熱物に接していない面を覆う手段では、次のような問題点がある。
・面状発熱体の厚さの増大
断熱効果を得るためには、断熱材にある程度の厚さが必要となるが、これは薄くシート状に形成されている面状発熱体のメリットを損なうことになる。
・断熱材による粉塵の発生
高温で使用される断熱材として一般的な、無機繊維系のものでは粉塵が発生する可能性があり、使用状況によっては必ずしも好ましくない。
・コストの上昇
前記の粉塵発生のない断熱材として、例えば前記シリコンラバーヒーターの場合、シリコーンスポンジが使用される場合があるが、高価な材料でありコストを上昇させる懸念がある。

そこで、本発明は、可撓性面状発熱体の厚さの増大、粉塵の発生、コストの上昇を抑え、かつ、被加熱物に接していない面からの放熱による熱損失を小さくした省エネルギーを考慮した可撓性面状発熱体を提供することを課題とした。

これらの問題を解決する手段として、面状発熱体表面からの放射熱損失に着目して解決手段とした。
本発明の可撓性面状発熱体は、発熱素子をシート状の可撓性樹脂よりなる絶縁材に挟持した面状発熱体において、該面状発熱体の一方側の面（被加熱物に非接触となる面）に、５０〜３００°Cの温度条件下で、波長３〜２５μｍの赤外線の放射率が０．２以下となる放熱防止材を設けて構成した。

前記可撓性面状発熱体の具体的な構成として、絶縁材はシリコーンゴムを含んで形成し、前記放熱防止材は金属とし、なかでも好ましくは表面を研磨面あるいは光沢面とした金属により形成した。
また、前記金属の具体的なものとしてアルミニウムが好適となる。

前記放熱防止材を、前記可撓性面状発熱体の表面に設ける手段は、以下のいずれかの手段とした。
１．該放熱防止材を箔状とし、絶縁材成形時に一体化して形成する。
２．該放熱防止材を箔状とし、面状発熱体に接着して形成する。
３．該放熱防止材を顔料とした塗料を、絶縁材に塗布して形成する。
４．該放熱防止材を蒸着して形成する。

（作用）
可撓性面状発熱体は、５０〜３００°C程度の温度で使用されることが多く、この温度範囲で物体が放射する電磁波のピーク波長は、５〜９μｍで、範囲は、長波長の赤外線領域の３〜２５μｍ程度である。
そして、従来のシリコンラバーヒーターを代表とする、可撓性面状発熱体の絶縁材としては通常高分子材料が使用されており、これらの使用温度５０〜３００°Cの条件下での３〜２５μｍ程度の赤外線の放射率は、おおよそ０．６〜０．９程度となっている。
一方、研磨面あるいは光沢面を有する金属の同条件の放射率は、おおよそ０．０２〜０．２程度（具体例として、光沢のあるアルミニウム研磨面では、０．０４〜０．０６程度）であり、両者を比較すると、従来の高分子材料を用いた絶縁材は高く、これが、面状発熱体の大気にさらされている面からの放射熱損失を大きくする要因となっていた。
そこで、本手段のように、前記条件下での長波長の赤外線域（３〜２５μｍ）の放射率が０．２以下となるような放熱防止材を面状発熱体の大気にさらされる側の表面に設けることで、該表面からの放射熱損失を低下させることができる。
また、熱エネルギーを電磁波として放出する放射熱損失は絶対温度の４乗に比例して大きくなるため、物質の温度が高くなるほど、放射熱損失の割合が大きくなり、この放射率を低下させることは、高温で使用することが多い発熱体では大きなメリットとなる。

本発明の可撓性面状発熱体によれば、前記した作用により面状発熱体の大気にさらされている側の面からの放射熱損失を低下することができ、省エネルギーの面状発熱体を提供することができる。
また、該面状発熱体に放熱防止材を設ける具体的な手段として、薄く、粉塵等の発生が無く、安価なアルミニウム等の金属箔等を前記したように設けることにより、該面状発熱体の厚さの増大、粉塵の発生、コストの上昇といった従来の断熱材で覆うことにより生じる問題のない可撓性面状発熱体とすることができる。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参考に詳細に説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態の可撓性面状発熱体の構成図で、図２は、その断面図を示している。
本実施の形態の可撓性面状発熱体は、ガラスクロス２２で補強したシリコーンゴム２１により電熱線１を挟持して構成された、従来のシリコンラバーヒーターの一方表面に、アルミ箔３を貼付して構成される。
本例の従来のシリコンラバーヒーターは、ガラスクロス２２で補強したシリコーンゴム２１により形成される２枚のシート状の絶縁材２で、面状発熱体全面に適当にパターン配置し、両端をリード線１１に接続したニッケル−クロム系金属よりなる発熱線１を、両面から挟持して、加圧・加熱加硫し溶着して一体として形成される。
そして、該シリコンラバーヒーターの被加熱物に接しない側の面に、光沢面を有するアルミ箔３をシリコーンゴム系の接着剤、あるいは、シリコーン系粘着剤などを使用した両面テープ３１で接着して本実施の形態の可撓性面状発熱体を構成した。

図３は、本発明の実施の第二の形態の可撓性面状発熱体の構成図で、図４は、その断面図を示している。
本実施の形態の可撓性面状発熱体は、前記の第一の形態と同様に２枚の絶縁材２（シリコーンゴム２１とガラスクロス２２により構成）で発熱線１（ニッケル−クロム系金属を適当にパターン配置して形成）を挟持したシリコンラバーヒーターの一方側表面に、アルミ箔４を凹凸状に形成し一体化して構成されるが、該一方側（被加熱物に接触しない側）の絶縁材２０を成形するさい、絶縁材２０表面にアルミ箔４を密着させ、アルミ箔表面に凹凸が形成されるように加圧・加熱加硫し、絶縁材２０とアルミ箔４を接着一体化して形成している。また、この絶縁材２０とアルミ箔４の一体化の段階は、発熱体１を２枚の絶縁材２で挟持して加圧・加熱加硫するさいに、一方側の絶縁材２０にアルミ箔４を密着させ全体を同時に一体化させても良い。
尚、アルミ箔４表面を凹凸状に形成することにより、アルミ箔（放熱防止材）が該凹凸による余裕により伸縮しやすくなるため、面状発熱体の可撓性低下を防止することができる。

また、放熱防止材を一方側の絶縁材に設ける別の手段として、該放熱防止材、例えば、アルミニウムを顔料として使用し、絶縁材としてシリコーンゴムを用いる場合では結合材としてシリコーンレジンを使用した塗料で、面状発熱体の一方側の表面を塗布する手段、または、一方側の絶縁材に真空蒸着によりアルミニウム等の皮膜を形成する手段を用いることもできる。

以下、本発明の有効性を確認するために実施した試験について説明する。
本発明の第一の実施形態のシリコンラバーヒーターである一方表面にアルミ箔を接着した面状発熱体と、表面積が同じ大きさの従来のシリコンラバーヒーターを２０°Cの静止空気中で通電し、各々の温度を測定し比較した。これを比較することにより、放熱は、「自然対流＋放射」によるため自然対流熱伝導率を一定とすると、放射率の違いにより温度に違いがでるため、温度測定の結果から放射率を推定することができる。

試験結果を表に示す。

尚、ワット密度は、ワット数（Ｗ）／ヒーター片面の面積（ｃｍ2 ）を示す。
また、この結果、面状発熱体からの放熱損失量の低下量と低下率は、
ヒーター表面温度２００°Cで、低下量１５００W／ｍ２、低下率５６％
ヒーター表面温度１５０°Cで、低下量９００W／ｍ２、低下率５０％
ヒーター表面温度１００°Cで、低下量４００W／ｍ２、低下率４４％
となった。
以上の結果から、前記自然対流による熱伝達率を７W／ｍ2K として計算すると、従来のシリコンラバーヒーターの表面のシリコーンゴムの放射率は、約０．７、本発明の表面のアルミ箔の放射率は、約０．０５で、この温度帯での放射率の差は約０．６５となり、本発明の有効な効果を確認することができた。

尚、前記数値を算出する数式を次に示す。

Ａ：物体の表面積（ｍ2 ）
Ｂ：表面の放射率
Ｃ：対流による熱伝達率（Ｗ／ｍ2 Ｋ）
Ｄ：表面温度（°Ｃ）
Ｅ：雰囲気の温度（°Ｃ）
σ：Ｓｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｔｚｍａｎ定数
Ｆ：対流熱損失（Ｗ）
Ｇ：放射熱損失（Ｗ）
Ｈ：熱損失計（Ｗ）
尚、静止大気中では、対流による熱伝達率Cは５〜１０（W／ｍ2Ｋ）程度のため７W／ｍ2Ｋとして計算した。

本発明の実施の形態の面状発熱体を示す構成図。前記実施の形態の断面図。本発明の別の実施の形態の面状発熱体を示す構成図。前記実施の形態の断面図従来の一般的なシリコンラバーヒーターを示す構成図。前記従来のヒーターの断面図。

符号の説明

１．発熱線
１１．リード線
２．絶縁材
２０・絶縁材（アルミ箔を設ける側）
２１．シリコーンゴム
２２．ガラスクロス
３．アルミ箔
３１．両面テープ
４．アルミ箔（凹凸）

Claims

発熱素子をシート状の可撓性樹脂よりなる絶縁材に挟持した面状発熱体において、該面状発熱体の一方側の面に、５０〜３００°Cの温度条件下で、波長３〜２５μｍの赤外線の放射率が０．２以下となる放熱防止材を設けたことを特徴とした可撓性面状発熱体。
前記面状発熱体の絶縁材はシリコーンゴムを含む請求項１の可撓性面状発熱体。
前記放熱防止材は、金属で、好ましくは、研磨面あるいは光沢面を有するものである請求項１乃至２の可撓性面状発熱体。
前記放熱防止は、アルミニウムである請求項３の可撓性面状発熱体。
前記放熱防止材を、前記面状発熱体の表面に設ける手段は、該放熱防止材を箔状とし、絶縁材成形時に一体化して形成する請求項１乃至４の可撓性面状発熱体。
前記放熱防止材を、前記面状発熱体の表面に設ける手段は、該放熱防止材を箔状とし、面状発熱体に接着して形成する請求項１乃至４の可撓性面状発熱体。
前記放熱防止材を、前記面状発熱体の表面に設ける手段は、該放熱防止材を顔料とした塗料を絶縁材に塗布して形成する請求項１乃至４の可撓性面状発熱体。
前記放熱防止材を、前記面状発熱体の表面に設ける手段は、該放熱防止材を蒸着して形成する請求項１乃至４の可撓性面状発熱体。