JP2010003487A - 長尺帯状抵抗発熱体および面状ヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】 帯状金属箔の、面分布とする折り返し部での割れ、断線の防止。温度の均一化。任意の大きさ，面にも適用可能であって経済的。
【解決手段】 直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体１。該発熱体１を折り返しにより平面又は曲面に分布した面状ヒーター。前記折り返しは、前記発熱体１の平面に平行な面に対して発熱体１を垂直に起こし又は倒し更に該面に平行に倒す又は起こす折り曲げである。前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、前記面に沿う角度θは、９０度である。又は、９０度と異なる折り曲げにより発熱体１が略曲線を描く折れ線状に分布する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、長尺帯状金属箔を用いた抵抗発熱体および面状ヒーターに関し、特に金属箔の折り返し部での均一加熱に優れ、任意の大きさが経済的に製造可能な抵抗発熱体および面状ヒーターに関する。本発明は例えば、各種の容器，便座，車の座席，床，壁，融雪道路，土壌（例えば野菜，果物育成土壌）等の加熱，保温に用いることができ、特に、複雑な形状や大きな曲率にも、経済的に適用できる。

特開平１０−３２１３４８号公報 特開平９−２８９０７５号公報 特開２００６−２３６９０４号公報 特開２００６−３２４０８１号公報。

従来から、適当な電気抵抗を有するステンレス，アルミ，ニクロム等の帯状金属箔で、箔平面と平行な平面に沿って「己」が縦に連続した蛇行状パターンの抵抗発熱体をプレス抜き又は打ち抜き又は蝕刻で形成し、この抵抗発熱体をテフロン（登録商標），シリコン，ポリイミド等のフィルムまたはシート状の絶縁体に貼り付け絶縁した面状ヒーターが知られている（例えば特許文献３，４）。

このような面状ヒーターにおいては、所定の温度分布を得るために所定の面積内で帯状金属箔を折り返す必要がある。この折り返し部を得るためにエッチング，打ち抜き，蒸着等により帯状金属箔を製造している。

図１６に、従来の面状ヒーターの折り返し部の例を示す。帯状金属箔１は折り返し部２で、金属箔平面と同一平面の方向に１８０度折り返している。この場合、帯状金属箔１がストレート部では電流分布は均一であるが、折り返し部２では帯状金属箔の内側縁１４に電流が集中し、外側縁１５には電流は流れにくい。そのため、電流分布が不均一になり、熱歪が生じて割れ、断線が発生しやすい問題がある。そこで、特許文献１に示すように折り返し部の太さを他の部分よりも太くしたり、特許文献２に示すように折り返し部の形状を丸くしたりしているが、均一加熱が難しく、金属箔平面と同一平面の方向に折り返す加工も困難である。また、特許文献３に示すように、帯状金属箔に、折り返し部で別の金属箔を連結して蛇行状とする形態が知られている。折り返し部の具体的記述が不明であるが、折り返し部では同様な問題が生じる。

また、特許文献４に示すように、打ち抜きにより加工した薄板発熱体の蛇行部を、薄板平面と直交する方向に起こしそして平行になるように捩ることにより、薄板発熱体の延びる方向を変える面状ヒーターが知られている。この方法では任意の大きさが製造可能であるが、薄板発熱体の基本形態が、薄板の打ち抜きによる「己」が縦に連続した矩形ジグザグパターンであって、予め方向を変える直線部を設けておく必要があるので、用途に応じてパターンを変更する必要がある。打ち抜き設備やパターンに応じて抜き刃やダイが必要になり、経済的でない。また、パターン全体を絶縁シートで被覆しているので、複雑な形状や曲率の大きな面には貼ることが難しい。

また、従来の面状ヒーターは、エッチング，打ち抜き，蒸着による場合は、その製造方法からして特別な装置が必要であり、経済的でない。特に、１ｍ以上になるような大きな面状ヒーターは製造が極めて困難であり、連結する必要があるため、製造コストが極めて高くなる。また、折り返し部を溶接や蝋付けで連結する方法も生産性が悪く、加工費用が極めて高くなる。また、絶縁シートまたはフィルムで金属箔パターン全体を挟む方式では複雑な形状や大きな曲率面には適用が困難である。

本発明は、上記の問題点を解消し、折り返し部で割れ、断線の発生がなく、均一な温度が得られ、任意の大きさと、特に複雑な形状や大きな曲率を有する面にも適用可能であって経済的な長尺帯状抵抗発熱体および面状ヒーターを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体を用いる。特に、該長尺帯状抵抗発熱体を、その平面に対して垂直に起こし又は倒し更に該平面に平行に倒す又は起こす折り曲げ、折り曲げ位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、該平面に沿う角度θによって、長尺帯状抵抗発熱体の面分布パターンを定めることを特徴とする。本発明は具体的には、次の通りである。なお、括弧内には、対応する実施形態を示す図番を、例示として参考までに付記した。

（１）直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体（図１〜図５）。

（２）直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体が、折り返しによりｘ，ｙ平面に分布した面状ヒーター（図１，図１３，図１５）。

（３）前記折り返しは、前記長尺帯状抵抗発熱体の平面に平行なｘ，ｙ平面に対して該長尺帯状抵抗発熱体を垂直に起こし又は倒し更にｘ，ｙ平面に平行に倒す又は起こす折り曲げである；上記（２）に記載の面状ヒーター（図１，図１３）。

（４）前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、ｘ，ｙ平面に沿う角度θは、９０度である；上記（３）に記載の面状ヒーター（図１）。

（５）前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、ｘ，ｙ平面に沿う角度θが、９０度と異なり、前記折り曲げにより長尺帯状抵抗発熱体が略曲線を描く折れ線状に分布する；上記（３）に記載の面状ヒーター（図１３）。

（６）前記長尺帯状抵抗発熱体の平面がｘ，ｙ平面に垂直であり、前記折り返しの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の平面がｘ，ｙ平面に垂直であって相対向する；上記（２）に記載の面状ヒーター（図１５）。

（７）直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体が、折り返しにより基体面に分布し貼り付けられた面状ヒーター（図５，図９，図１０，図１１，図１２，図１３）。

（８）前記折り返しは、前記長尺帯状抵抗発熱体の平面が貼り付けられる前記基体面に対して該長尺帯状抵抗発熱体を垂直に起こし又は倒し更に前記基体面に平行に倒す又は起こす折り曲げである；上記（７）に記載の面状ヒーター（図５，図９，図１０，図１１，図１２，図１３）。

（９）前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、基体面に沿う角度θは、９０度である；上記（８）に記載の面状ヒーター（図５，図９，図１１，図１２）。

（１０）前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、基体面に沿う角度θが、９０度と異なり、前記折り曲げにより長尺帯状抵抗発熱体が略曲線を描く折れ線状に分布する；上記（８）に記載の面状ヒーター（図１０，図１３）。

（１１）前記基体面は、平板の板面である；上記（７）乃至（１０）のいずれか１つに記載の面状ヒーター（図５，図１３）。

（１２）前記基体面は、裁頭円錐状容器の円錐面である；上記（７）乃至（１０）のいずれか１つに記載の面状ヒーター（図９，図１０，図１１）。

（１３）前記基体面は、球状容器の球面である；上記（７）乃至（１０）のいずれか１つに記載の面状ヒーター（図１２）。

本発明によれば、絶縁体で被覆された任意の肉厚，幅，長さの帯状金属箔が使用できるので任意の面分布の形状，大きさが容易に得られる。また、折り返しが、長尺帯状抵抗発熱体の平面に対して垂直に起こし又は倒し更に該平面に平行に倒す又は起こすものであるので、電流経路長が長尺帯状抵抗発熱体の幅方向のどの位置においても同じ長さになり、均一な電流分布となる。そのため、熱歪による割れ，断線がなく、均一な温度分布が得られる。また、折り返し部に別体の帯状金属箔を連結する必要もなく、単に折り曲げるだけであるので任意のサイズの面状ヒーターを経済的に製造できる。また、絶縁体で被覆された帯状金属箔は容易に変形するので、複雑な形状および大きな曲率を有する面にもきちんと貼ることができる。以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施形態の平面図である。長尺帯状抵抗発熱体１は、折り返し部２において、該発熱体１の平面に平行なｘ，ｙ平面に対して垂直に起こし更にｘ，ｙ平面に平行に倒して９０度方向を変え、次に、垂直に倒し更にｘ，ｙ平面に平行に曲げて９０度方向を変えることにより、平行に折り返えされている。すなわち、９０°の角度で２回折り曲げられて１８０°の方向転換している。

長尺帯状抵抗発熱体１には、電流を流すための接続コード３が連結されている。連結は圧着，市販のロウ付け，半田付けで行う。このような形状であるので、長尺帯状抵抗発熱体１が２次元分布（面広がり）した面状ヒーターが得られ、折り返し回数を増加することにより、任意の大きさが得られる。

図２に、図１に示す長尺帯状抵抗発熱体１の、IIａ−IIａ線拡大断面図を示す。直線状長尺連続体である帯状金属箔８は、可撓性を有する電気絶縁材９で被覆されている。帯状金属箔８には、適当な電気抵抗を有するアルミ，アルミ銅合金，ステンレス，ニクロム等の金属箔を用いる。

帯状金属箔８の寸法は、加熱面積と加熱温度により異なるが、肉厚は５μｍ〜３００μｍが望ましい。５μｍ未満は圧延加工が難しく、品質の確保が難しい。３００μｍ以上になると所定の電気抵抗が得にくく、曲げ加工による厚みが大きくなる。幅は、用途により変更になるが、２〜３０ｍｍ程度が加工上望ましい。幅２ｍｍ未満になると後で製造方法について説明するが、長尺材のスリット加工が難しい。幅３０ｍｍ以上になると所定の電気抵抗が得にくい。

電気絶縁材９には、使用温度に応じて可撓性を有するポリイミド，テフロン（登録商標），シリコン，合成ゴム，ウレタンゴム，エポキシ樹脂等を使用する。電気絶縁材９の厚みは、安定した電気絶縁を確保するため、１０μｍ以上が望ましく、曲げ可撓性から１００μｍ以下が望ましい。

図３に、図１の折り曲げ部２の最初の折り曲げ部IIIａを拡大して示す。図４には、図３上の５ｂと６ｂ間の断面図を示す。折り返した帯状金属箔８の全ての周囲は可撓性を有する電気絶縁材９で被覆されている。図４において、折り曲げ部の曲げＲは、帯状金属箔８の肉厚ｔに対して０．５ｔ以上が望ましい。０．５ｔ未満の曲げ加工を行うと帯状金属箔８と電気絶縁材９に割れが発生しやすくなる。曲げＲの上限は用途上の寸法規制により決定される。

図３に示す幅方向位置５ａでスタートした電流は、電気抵抗が最小になる電流回路を流れるので、６ａで折り返して７ａに向かう。同様に幅方向位置５ｂでスタートした電流は、６ｂで折り返して７ｂに向かう。幅方向位置５ｃでスタートした電流は６ｃで折り返して７ｃに向かう。すなわち、幅方向の電流分布はどの位置でも一定になるので、均一な温度分布が得られる。

帯状抵抗発熱体１は、図にない被加熱体に直接接着される場合と、図５に示すように基体である基板１０を介して被加熱体１１に接着される場合がある。基板１０は、電子部品や便座用のように、より均一な加熱を行うために熱伝導性の良いアルミ箔，銅箔の他に電気絶縁材９と同じ材料が使用できる。

図６および図７に、本発明の長尺帯状抵抗発熱体１の、帯状金属箔８を製造する装置の側面図および平面図を示す。コイル状金属箔１２は、図示を省略したアンコイラーで巻き戻されて広幅金属箔１７となり、案内ロール１３，１３’で案内され、軸１８に設けられたロール刃１４，１４’で長手方向に連続してせん断加工により分割されて帯状金属箔８になる。この加工は、一般的にスリット加工と呼ばれ、長さが数千ｍもある長尺品を容易に加工できる。帯状金属箔８の幅は、ロール刃１４，１４’の厚みで決まり、現状の技術では２ｍｍ未満は厳しい。図７は４条のスリット加工の場合を示す。スリット加工によりえられた帯状金属箔８は、軸１９に設けられたロール案内板１５，１５’により案内されてコイル状に巻かれ、帯状金属箔８のコイル１６となる。

図８に、帯状金属箔８に電気絶縁体９を塗装する装置の側面図を示す。帯状金属箔８のコイル１６を、図示を省略したアンコイラーで巻き戻し、巻き戻した帯状金属箔８を洗浄乾燥装置２０で洗浄，乾燥し、塗装機２１で絶縁体９を塗装する。これにより帯状金属箔８は帯状抵抗発熱体１となる。帯状抵抗発熱体１は、図示を省略したリコイラ−で巻き取られて、帯状抵抗発熱体のコイル２２となる。洗浄は、市販のイオン水あるいは炭化水素系洗浄液を用いて行えば十分である。塗装は、市販の電着塗装，静電塗装又は樹脂コーティングが使用できる。なお、電気絶縁体９は上記の塗装以外にも、帯状金属箔８よりも幅が広い電気絶縁体のフィルムを帯状金属箔に貼り付けることによっても可能である。

図９に、本発明の第２実施形態を示す。これは、帯状抵抗発熱体１を、基体である円錐状の容器に貼り付けた形態である。帯状抵抗発熱体１を円錐状容器２３の周囲に巻き付けており、２４，２４’は２回の折り曲げ部、２５，２５’は１回の折り曲げ部である。電流は、電池２６から接続コード３，３’を通して流される。電流のオンオフは図に無いスイッチで行う。また、一定温度を得るためにサーモスタットも使用できる。このように本発明による帯状抵抗発熱体１は、円錐形に容易に装着できる。従来法による絶縁シートで挟んだ面状ヒーターではきれいに貼ることが難しいし、事前に特別な形状の設計を必要とする。

図１０に示す本発明の第３実施形態および図１１に示す第４実施形態は、図９に示す第２実施形態と同じく、帯状抵抗発熱体１を円錐状の容器に使用する場合の変形形態である。図１０は、帯状抵抗発熱体１を容器２３螺旋形に巻き、折り曲げ部２７で逆方向に折り返して螺旋巻きにしている。図１１は、帯状抵抗発熱体１を螺旋播きにして、折り曲げ部２８で９０°方向転換している。一部重なる部分ができるが、容器の加熱用途には問題ない。このように折り曲げ角度あるいは巻き方を変えることにより、円錐面や曲面に容易に貼り付けることができ、帯状抵抗発熱体１の面分布パターンすなわち加熱パターンを変更できる。

図１２に、本発明の第５実施形態を示す。これは、帯状抵抗発熱体１を球形あるいは樽形の、曲面を有する容器に使用する例である。樽形容器３０の周囲には、帯状抵抗発熱体１を２５と２５’で１回折り曲げ、２４と２４’で２回折り曲げてて貼り付けている。電流は、電池２６から接続コード３，３’を通して流される。このように本発明による帯状抵抗発熱体１は、樽形でも容易に対応できる。従来法による絶縁シートで挟んだ面状ヒーターでは、球形あるいは樽形にきれいに貼ることが難しい。

図１３に、本発明の第６実施形態を示す。これは、帯状抵抗発熱体１を、穴３０を有する円板２９に貼り付けたものである。帯状抵抗発熱体１をリング状にするために、すなわち、曲線を描くように分布させるために、折り曲げ部３１，３２，３３，３４等で折り曲げ角度θを９０°より大きくし、２重丸とする折り返し部３５は、９０°２回の折り曲げでもよいが、折り曲げ角度θを９０°より小さくして１回の折り曲げとしている。このようにすれば、円板形も均一な加熱分布が容易に得られる。

図１４に、折り返し部の変形形態を示す。図９から図１３までで明らかなように、帯状抵抗発熱体１の折り返し部２は任意の角度θで折り返して使用できる。折り返し部での帯状金属箔１は全面絶縁されているので任意の角度θで折り返しても電流分布は均一になり、均一な加熱ができる。

図１５に、本発明の第７実施形態を示す。これは、土中等のように大きな容積を帯状抵抗発熱体１で加熱する場合の使用例である。電流を流す接続コード３，３’と接続された帯状抵抗発熱体１は、任意の形で土中に埋められ、方向転換部３５は折り曲げるか、または単に任意の半径で曲げただけで使用できる。帯状抵抗発熱体１の長さは数千ｍにもできるので、方向転換部間の長さおよび帯状抵抗発熱体１の折り返し回数は、用途により、任意に設計でき、実施できる。従来の面状ヒーターでは、このような用途には容易には対応できない。

以下、本発明の実施例を示す。図１に示す本発明の面状ヒーターにおいて、帯状金属箔８は、材質ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４ステンレス鋼で、表１に示す肉厚と幅の寸法を用い、各帯状金属箔の間隔は帯状金属箔の幅をとった。従来法も同じ材質，寸法，間隔であるが、折り返し部はエッチング法で図１６に示すように一様な丸みをつけた。電気絶縁材９の材質および肉厚は、表１に示す。本発明の帯状金属箔８の長さは１ｍ，１０ｍ，５０ｍ，１００ｍについて調査したが、折り曲げ部での温度差に変化はなかった。

表１の面状ヒーターにおいて、電気絶縁材９の材質がエポキシのものは、折り返し部の温度が２０秒で１００℃に達するように電流を流し、一部が１００℃に達したときの温度差を調査した。温度は面状の温度分布が測定できる市販の赤外線サーモトレーサーで測定した。同様に電気絶縁材の材質がポリイミドのものは、折り返し部の温度が４０秒で２００℃に達するように電流を流し、一部が２００℃に達したときの温度差を調査した。その結果、本発明の帯状抵抗発熱体は、いずれの条件でも１℃以内と非常に均一な温度が得られた。一方、従来法では折り曲げ部の内部温度よりも外部温度が低くなり、４℃から１２℃の差が認められた。

本発明によれば、任意の大きさの面状ヒーターを経済的に製造でき、複雑な形状や大きな曲率を有する面にも容易に適用できる。したがって、容器，座席シート，床，壁の暖房，融雪道路，直物用土壌等の加熱，保温に極めて有効である。

本発明の第１実施形態の面状ヒーターの平面図である。 図１の帯状抵抗発熱体１のIIａ−IIａ線拡大断面図である。 図１の折り返し部IIIａの拡大平面図である。 図３の幅方向位置５ｂと６ｂの拡大断面図、すなわち、IVａ−IVａ線拡大断面図である。 図１に示す面状ヒーターを基板１０に装着した態様の、ｙ方向切断面の拡大断面図である。 図１に示す面状ヒーターの素材である長尺帯状抵抗発熱体１の要素である帯状金属箔８の製造装置の側面図である。 図に示す製造装置の拡大平面図である。 帯状金属箔８に電気絶縁体９で被覆して長尺帯状抵抗発熱体１を製造する装置の側面図である。 本発明の第２実施形態の面状ヒーターの正面図である。 本発明の第３実施形態の面状ヒーターの正面図である。 本発明の第４実施形態の面状ヒーターの正面図である。 本発明の第５実施形態の面状ヒーターの正面図である。 本発明の第６実施形態の面状ヒーターの正面図である。 本発明の長尺帯状抵抗発熱体１の折り曲げ形態の一例を示す拡大平面図である。 本発明の第７実施形態の面状ヒーターの斜視図である。 従来の面状ヒーターの折り返し部の平面図である。

符号の説明

１：長尺帯状抵抗発熱体
２：折り返し部
３：接続コード
４：最初の折り曲げ部
５ａ，５ｂ，５ｃ：帯状金属箔の折り曲げ前の部分における幅方向位置
６ａ，６ｂ，６ｃ：帯状金属箔の折り曲げ部における幅方向位置
７ａ，７ｂ，７ｃ：帯状金属箔の折り返し後の部分における幅方向位置
８：帯状金属箔
９：電気絶縁材
１０：基板
１１：被加熱体
１２：コイル状金属箔
１３，１３’：案内ロール
１４，１４’：ロール刃
１５，１５’：ロール案内板
１６：帯状金属箔のコイル
１７：広幅金属箔
１８，１９：軸
２０：洗浄乾燥機
２１：塗装機
２２：帯状抵抗発熱体のコイル
２３：円錐状容器
２４，２４’：２回折り曲げ部
２５，２５’，２７，２８：１回折り曲げ部
２６：電池
２７：樽形容器
２９：円板
３０：穴
３１，３２，３３，３４：折り曲げ角度の異なる折り曲げ部
３５：方向転換部

Claims (13)

1. 直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体。
2. 直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体が、折り返しによりｘ，ｙ平面に分布した面状ヒーター。
3. 前記折り返しは、前記長尺帯状抵抗発熱体の平面に平行なｘ，ｙ平面に対して該長尺帯状抵抗発熱体を垂直に起こし又は倒し更にｘ，ｙ平面に平行に倒す又は起こす折り曲げである；請求項２に記載の面状ヒーター。
4. 前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、ｘ，ｙ平面に沿う角度θは、９０度である；請求項３に記載の面状ヒーター。
5. 前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、ｘ，ｙ平面に沿う角度θが、９０度と異なり、前記折り曲げにより長尺帯状抵抗発熱体が略曲線を描く折れ線状に分布する；請求項３に記載の面状ヒーター。
6. 前記長尺帯状抵抗発熱体の平面がｘ，ｙ平面に垂直であり、前記折り返しの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の平面がｘ，ｙ平面に垂直であって相対向する；請求項２に記載の面状ヒーター。
7. 直線状長尺連続体の帯状金属箔を可撓性を有する電気絶縁体で被覆した長尺帯状抵抗発熱体が、折り返しにより基体面に分布し貼り付けられた面状ヒーター。
8. 前記折り返しは、前記長尺帯状抵抗発熱体の平面が貼り付けられる前記基体面に対して該長尺帯状抵抗発熱体を垂直に起こし又は倒し更に前記基体面に平行に倒す又は起こす折り曲げである；請求項７に記載の面状ヒーター。
9. 前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、基体面に沿う角度θは、９０度である；請求項８に記載の面状ヒーター。
10. 前記折り曲げの位置の前と後の長尺帯状抵抗発熱体の、基体面に沿う角度θが、９０度と異なり、前記折り曲げにより長尺帯状抵抗発熱体が略曲線を描く折れ線状に分布する；請求項８に記載の面状ヒーター。
11. 前記基体面は、平板の板面である；請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の面状ヒーター。
12. 前記基体面は、裁頭円錐状容器の円錐面である；請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の面状ヒーター。
13. 前記基体面は、球状容器の球面である；請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の面状ヒーター。

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