JP2007323910A

JP2007323910A - 面状発熱体及びその製造方法

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Publication number: JP2007323910A
Application number: JP2006151836A
Authority: JP
Inventors: Takanori Yoshii; 隆徳吉井; Tokuaki Takeda; 篤明武田; Yusuke Toyoda; 祐輔豊田
Original assignee: Japan Pionics Ltd
Current assignee: Japan Pionics Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】２５０℃〜１０００℃の高温の領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、しかも所望の曲面形状及び大きさで容易に製造することができる面状発熱体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】複数枚のマイカシートのいずれかの間隙に可撓性を有する発熱素子が挟持された複合シートを、曲面状に保持された状態で加熱することにより、マイカシートを硬化させるとともに該複合シートを一体成形して面状発熱体を製作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気エネルギーを利用する面状発熱体及びその製造方法に関するものである。更に詳細には、２５０℃〜１０００℃の高温の領域を含む広い温度領域内において、例えば配管の外側面等の曲面に適用させて使用することが可能で、しかも容易に製造することができる面状発熱体及びその製造方法に関するものである。

従来から、床暖房、サウナ、洗面化粧台の防曇鏡等の分野で、面状発熱体として、各種の面状の発熱素子を電気絶縁層で被覆した構造のものが広く利用されている。このような面状の発熱素子として、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、あるいは金属酸化物粉末等を含む合成樹脂（導電性樹脂）を用いて、ガラスクロスに含浸させたもの、前記のような導電性樹脂をポリエステルシート、ポリイミドシート、マイカ等の基材に塗布または印刷により保持させたもの、金属箔をエッチングして回路としたもの、あるいは金属抵抗線を用いて、マイカ等の絶縁基板に張り巡らして回路としたもの等が使用されている。

これらのうちでも、発熱素子として、金属箔をエッチングして回路としたもの、金属抵抗線を用いてマイカ等の絶縁基板に張り巡らして回路としたもの、あるいは導電性樹脂を用いてガラスクロスに含浸させたものは、２００℃以上の比較的高い温度で使用できる利点がある。
これらの利用分野の一部では、面状発熱体が高い温度の領域で使用されることから、発熱素子を被覆する電気絶縁材料として、シリコーンゴムシート、ポリイミド樹脂シート、マイカ等が使用されている。

また、半導体等の分野で、２００℃〜１０００℃の比較的に高温の領域内で使用される面状発熱体として、電気絶縁基板の表面に、抵抗発熱体を設けた構造のものが広く利用されている。このような面状発熱体としては、電気絶縁基板として、アルミナ、シリカ、チタニア等のセラミックが使用され、抵抗発熱体として、酸化錫、酸化インジウム、酸化バナジウム、酸化クロム等の酸化金属が使用され、例えば、コーティング法、溶射法、ＣＶＤ法等により、電気絶縁基板の表面に、抵抗発熱体が形成されている。

特開平１−５７５８５号公報特開平６−６８９５９号公報特開平７−２２６２８９号公報特開平７−２３０８７６号公報

しかしながら、発熱素子を、シリコーンゴムシート、ポリイミド樹脂シート、マイカ等の電気絶縁材料で被覆した面状発熱体については、シリコーンゴムシート、ポリイミド樹脂シートは、柔軟性があるが使用温度の限界が比較的に低い（２５０℃以下）という不都合があり、マイカは使用温度の限界が比較的に高いが柔軟性に乏しく曲面を有する面状発熱体を製造することが困難であるという不都合があった。

また、セラミック電気絶縁基板の表面に、抵抗発熱体を設けた面状発熱体は、優れた耐熱性を有するが、可撓性、柔軟性がなく、曲面を有する面状発熱体を製造することが困難であるという不都合があった。
従って、本発明が解決しようとする課題は、２５０℃〜１０００℃の高温の領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、しかも所望の曲面形状及び大きさで容易に製造することができる面状発熱体及びその製造方法を提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、可撓性を有するマイカシート（集成マイカシート）、好ましくは複数枚のマイカシート（集成マイカシート）を、各々可撓性の発熱素子の両面に重ね合わせ、これを加圧面が所望の曲面を有する複数個の治具、金型等に挟み、加熱加圧してマイカシートを硬化させるとともに一体成形することにより、発熱素子の両面がマイカで電気絶縁された優れた耐熱性を有する面状発熱体が、所望の曲面形状及び大きさで容易に製造できることを見出し、本発明の面状発熱体及びその製造方法に到達した。

すなわち本発明は、複数枚のマイカシートのいずれかの間隙に可撓性を有する発熱素子が挟持された複合シートを、曲面状に保持された状態で加熱することにより、マイカシートを硬化させるとともに該複合シートを一体成形してなることを特徴とする面状発熱体である。
また、本発明は、複数枚のマイカシートのいずれかの間隙に可撓性を有する発熱素子が挟持された複合シートを、曲面状に保持された状態で加熱することにより、マイカシートを硬化させるとともに該複合シートを一体成形することを特徴とする面状発熱体の製造方法である。

本発明の面状発熱体は、可撓性、柔軟性を有する複数枚のマイカシート（集成マイカシート）に、金属箔抵抗体、金属線抵抗体、グラフトカーボン等をガラス繊維基材に含ませた抵抗体等の可撓性、柔軟性を有する発熱素子を挟み、所望の曲面状に保持した状態で外部から加熱加圧することにより一体成形するので、容易に所望の曲面形状及び大きさで面状発熱体を製造することができる。また、本発明の面状発熱体は、前記の発熱素子の両面がマイカで電気絶縁された構成なので、優れた耐熱性を有し、２５０℃以上の高温の領域を含む広い温度領域で使用することが可能である。

本発明の面状発熱体及びその製造方法は、曲面状の面を加熱するための電気エネルギーを利用した面状発熱体に適用されるが、特に曲面状の面を高い温度（２５０℃〜１０００℃）で加熱するための面状発熱体に好適に適用される。
以下、本発明の面状発熱体及びその製造方法を、図１に基づいて説明するが、本発明がこれにより限定されるものではない。尚、図１は、本発明の面状発熱体の一例を示す斜視図である。

本発明の面状発熱体は、図１に示すように、発熱素子１の両面がシート状のマイカ２、２’によって被覆された曲面を有する面状発熱体であり、複数枚のマイカシート（集成マイカシート）のいずれかの間隙に可撓性を有する発熱素子が挟持された複合シートを、予め定められた曲面状に保持された状態で外部から加熱加圧することにより、マイカシートを焼成させるとともに該複合シートを一体成形してなる面状発熱体である。

尚、本発明の面状発熱体の形状は、曲面を有する形状であれば特に限定されることはなく、図１に示すような円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように分割した形状のほか、楕円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように分割した形状、球面または楕球面の一部の形状、またはこれらに類似する形状、若しくは平面と前記のような曲面を合わせた形状等とすることができる。
しかしながら、例えば、円筒形、または円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように、２分割、３分割、または４分割した形状、若しくは楕円筒形、または楕円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように、２分割または４分割した形状が実用的である。
また、発熱素子は１枚に限定されることなく、例えば２枚（あるいは複数枚）の発熱素子と３枚（あるいは複数枚）のマイカシートを交互に重ね合わせて製造することもできる。

本発明の面状発熱体に用いられるマイカとしては、天然マイカ、合成マイカ、あるいはその種類等には特に限定されることがなく、一般式が下記の（１）または（２）で表わされる化合物を主成分とするマイカを用いることができる。（Ｘは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｂａ、またはＳｒ、Ｙは、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、またはＬｉ、Ｚは、（Ａｌ，Ｓｉ）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｆｅ、またはＢを表わす。）これらのうち、ＫＭｇ_３（ＯＨ）_２（ＡｌＳｉ_３Ｏ_１０）で表わされる化合物を主成分とする軟質マイカを用いることが好ましい。

本発明に使用されるマイカシートは、通常は前記のような天然マイカまたは合成マイカを粉砕し、必要に応じて分級、補強材の添加、接着剤の添加等を行ない、その後これを抄造して成形した集成マイカシートとすることにより製造される。しかし、これに限定されることなく、集成マイカシート以外のものであっても、可撓性、柔軟性を有し、加熱することにより硬化するマイカシートであれば、本発明に使用することができる。尚、前記の接着剤としては、セラミックス系接着剤等の耐熱性に優れた無機系接着剤が好ましいが、シリコン系樹脂、エポキシ系樹脂等の有機系接着剤を用いることもできる。また、本発明に使用されるマイカシートの形状は、テープ状であってもよい。このようにして得られるマイカシートの厚みは、通常は０．０５〜２．０ｍｍであり、可撓性、柔軟性を有するものである。

本発明の面状発熱体に用いられる可撓性を有する発熱素子は、所望のパターンに成形した金属箔抵抗体（図１）、金属線抵抗体、または、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、金属酸化物粉末から選ばれる少なくとも１種を合成樹脂に分散させた導電性樹脂を、ガラス繊維基材に含浸させた抵抗体である。発熱素子の厚みは、通常は０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．３ｍｍである。厚みが０．０１ｍｍ未満の場合は強度が弱く、０．５ｍｍを超えると可撓性、柔軟性が失われる虞が生じる。

尚、前記のガラス繊維基材は、低温度で熱分解するバインダーを含まないようにするか、予め加熱処理してバインダーを熱分解しておくか、あるいはバインダーを使用しないようにすることが好ましい。低温度で熱分解するバインダーが含まれる場合、発熱素子が高温になるとバインダーが熱分解し、面状発熱体が劣化する不都合が生じる。このようなガラス繊維基材は、通常はガラスクロスとされる。また、ガラス繊維基材は、強度及び耐熱性を向上させるために、セラミック繊維、炭素繊維等を含ませてもよいが、これらの含有量が大きくなると可撓性、柔軟性が失われる虞があるので、これらを含ませる場合は、基材全量に対して３０ｗｔ％以下であることが好ましい。

本発明の面状発熱体は、例えば、発熱素子の両面にマイカシートを重ね合わせた複合シートを、加圧面が曲面である２個以上の治具、金型等に挟み加熱加圧することにより、マイカシートを硬化させるとともに複合シートを一体成形して製造される。あるいは、曲面を有する型の表面に、マイカシートまたはマイカテープを巻き、その上に発熱素子を重ね、さらにその上にマイカシートまたはマイカテープを巻いて形成した複合シートを加熱することにより、マイカシートまたはマイカテープを硬化させるとともに複合シートを一体成形し、その後、型を取り外して製造される。尚、一体成形の際の加圧は、治具、金型等のほか、シートまたはテープによる締め付けにより行なうこともできる。

本発明の面状発熱体の製造方法においては、発熱素子の両面に各々１枚のマイカシートを重ねて硬化及び一体成形を行なってもよいが、厚みが薄いマイカシートを用いて、発熱素子の少なくとも片面、好ましくは両面に各々複数枚のマイカシートを重ねて硬化及び一体成形を行なった方が、容易に曲げやすい点、曲率半径が小さい面状発熱体が得られる点で好ましい。また、硬化及び一体成形の際には、予めマイカシートと発熱素子の間隙、マイカシート同士の間隙に、接着剤を介在させることができる。

前記の接着剤としては、セラミックス系接着剤等の耐熱性に優れた無機系接着剤が好ましいが、シリコン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アルキッド系樹脂、ポリイミド系樹脂等の有機系接着剤を用いることもできる。尚、本発明に使用されるセラミックス系接着剤としては、ポリカルボシラン樹脂、ポリシラスチレン樹脂、ポリチタノカルボシラン樹脂、ポリシラザン樹脂、ポリボロシロキサン樹脂等、加熱によって分解し、セラミックス化するものを含む。
また、発熱素子として金属箔抵抗体または金属線抵抗体を用いた場合、これらの抵抗体同士の間隙にマイカ紛、シリコン粉等の充填剤を充填してもよい。硬化及び一体成形の際の温度は、通常は１４０℃〜８００℃であり、加圧は、通常は０．１ＭＰａ〜５ＭＰａ（相対圧力）である。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

（複合シートの製作）
合成樹脂フィルムからなる基材の表面に、エッチングにより縦１１ｃｍ、横１８ｃｍの範囲内で形成した蛇行状の金属箔抵抗体（線幅１．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を、合成マイカを粉砕し接着剤を添加した後、抄造して成形した集成マイカシートの表面に、基材である合成樹脂フィルムを剥がしながら転移させた。また、金属箔抵抗体の端部に電極端子を接続した。次に、前記の集成マイカシートと同様のマイカシートを用いて、発熱素子の両面に各々２枚のマイカシートを重ねて複合シートを製作した。尚、集成マイカシートは、縦１２ｃｍ、横１９ｃｍ、厚さ０．５ｍｍであった。

（面状発熱体の製作）
前記の複合シートを一体成形するための金型として、直径７．７ｃｍ、高さ３０ｃｍの円柱を切断面が中心軸と平行方向となるように２分割した形状の半円柱金型、及びこの半円柱金型の曲面部に対応する内径を有する半円筒金型を製作した。これらの金型を６００℃に加熱した後、前記の複合シートをこれらの金型の間に挟み、約０．５ＭＰａの圧力で１０分間加圧して、マイカシートを硬化させるとともに複合シートを一体成形して図１に示すような半円筒の面状発熱体を得た。

（面状発熱体の検査）
以上のようにして得られた面状発熱体５枚について、２００Ｖの交流電圧を通電し、発熱体の表面温度が４００℃となるように温度調節しながら６０分間通電後、６０分間室温下で放置する加熱サイクルを繰り返し、面状発熱体の耐久性を観察した。また、６００℃、８００℃における検査も同様に実施した。その結果、繰り返し回数５００回後において、いずれの面状発熱体も、抵抗値の変化、マイカシートの剥がれ、及び変形は認められなかった。

（複合シートの製作）
カーボンブラックとビニル系のモノマーを混合しグラフト重合させて得られたグラフトカーボン（登録商標、菱有工業（株）製）を、合成樹脂液に分散させて導電性の塗液を調製した。この塗液を縦１０ｃｍ、横１８ｃｍ、厚さ０．１ｍｍの耐熱性ガラスクロスに均一に含浸させた後、乾燥、加熱処理して発熱素子を製作した。この発熱素子の対向する二辺に銅箔を重ねて電極とした後、発熱素子の両面に各々２枚の実施例１と同様の集成マイカシートを重ねて複合シートを製作した。

（面状発熱体の製作及び検査）
前記の複合シート及び実施例１と同様の金型を用いて、実施例１と同様にして半円筒の面状発熱体を製作した。この面状発熱体５枚について、２００Ｖの交流電圧を通電し、発熱体の表面温度が２５０℃となるように温度調節しながら６０分間通電後、６０分間室温下で放置する加熱サイクルを繰り返し、面状発熱体の耐久性を観察した。また、３００℃における検査も同様に実施した。その結果、繰り返し回数１０００回後において、いずれの面状発熱体も、抵抗値の変化、マイカシートの剥がれ、及び変形は認められなかった。

以上のように、本発明の実施例の面状発熱体は、２５０℃〜１０００℃の高温の領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、しかも所望の曲面形状及び大きさで容易に製造することができる。

本発明の面状発熱体の一例を示す斜視図

符号の説明

１発熱素子
２マイカ
２’マイカ
３電源コード

Claims

複数枚のマイカシートのいずれかの間隙に可撓性を有する発熱素子が挟持された複合シートを、曲面状に保持された状態で加熱することにより、マイカシートを硬化させるとともに該複合シートを一体成形してなることを特徴とする面状発熱体。
マイカシートが、天然マイカまたは合成マイカを粉砕し、該粉砕されたマイカを抄造して成形した集成マイカシートである請求項１に記載の面状発熱体。
発熱素子の両面に、各々複数枚のマイカシートを重ねて一体成形した請求項１に記載の面状発熱体。
曲面状が、円筒形、または円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように分割した形状である請求項１に記載の面状発熱体。
曲面状が、楕円筒形、または楕円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように分割した形状である請求項１に記載の面状発熱体。
曲面状が、球面または楕球面の一部の形状である請求項１に記載の面状発熱体。
可撓性を有する発熱素子が、金属箔抵抗体、金属線抵抗体、または、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、金属酸化物粉末から選ばれる少なくとも１種をガラス繊維基材に含ませた抵抗体である請求項１に記載の面状発熱体。
複数枚のマイカシートのいずれかの間隙に可撓性を有する発熱素子が挟持された複合シートを、曲面状に保持された状態で加熱することにより、マイカシートを硬化させるとともに該複合シートを一体成形することを特徴とする面状発熱体の製造方法。
マイカシートに接着剤を含侵させた後、硬化及び一体成形を行なう請求項８に記載の面状発熱体の製造方法。
マイカシートと発熱素子の間隙及び／またはマイカシート同士の間隙に、接着剤を介在させて硬化及び一体成形を行なう請求項８に記載の面状発熱体の製造方法。