JP2010021031A

JP2010021031A - 面状ヒータ

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Publication number: JP2010021031A
Application number: JP2008180841A
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; Ryoyu Industrial Corp
Current assignee: Japan Pionics Ltd; Ryoyu Industrial Corp
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP5133159B2

Abstract

【課題】円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための面状ヒータにおいて、１５０℃以上の比較的高い温度の領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、優れた耐熱性を有し、ヒータマットが配管に固着する等の不都合を防止できる面状ヒータを提供する。
【解決手段】発熱素子の片面または両面にガラスクロスが配置されその網目の一部が露出して電気絶縁ゴムシートにより埋設されたヒータマット、該ヒータマットの外周側に弾性樹脂層、及び該弾性樹脂層を貫通して該ヒータマットに接続された電気配線結合用の樹脂部材を備えてなる面状ヒータとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する配管を加熱するための電気エネルギーを利用する面状ヒータに関するものである。更に詳細には、１５０℃〜３００℃の高温領域を含む広い温度領域の加熱が可能で、優れた耐熱性、断熱性を有し、発熱素子が電気絶縁ゴムシートにより被覆されてなるヒータマットが配管に固着する等の使用上の不都合を防止できる面状ヒータに関するものである。

従来から、各種の配管、継手等の外側に取付けて、これらを加熱するための面状ヒータ（マントルヒータ、ジャケットヒータ）が広く利用されている。
このようなヒータの発熱素子としては、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、ポリイミド、マイカ等の絶縁基材シート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絶縁基板シートに張り巡らして回路としたもの等が使用されている。

前記のような発熱素子の両面は、シリコーンゴムシート、ポリイミド樹脂シート、マイカシート等の電気絶縁材により被覆してヒータマットとされ、さらにその外周側に、各種ゴム、各種発泡材、あるいはガラスマット等の断熱材により被覆して面状ヒータとされる。このような面状ヒータとしては、例えば特許文献１〜３に記載されたヒータを挙げることができる。
特開平１０−６４６６７号公報特開２００２−２９５７８３号公報特開２００３−６８４３０号公報

発熱素子として金属箔抵抗体あるいは金属線抵抗体等を用い、その両面にガラスクロスを配置し、これらをシリコーンゴム等の電気絶縁ゴムシートで埋設したヒータマットは、１５０℃以上の比較的高い温度で使用でき、優れた可撓性、耐熱性を有するという特長がある。しかしながら、このようなヒータマットを有する面状ヒータを、比較的高い温度で金属製の配管の加熱に使用した場合、ヒータマットの電気絶縁ゴムシートが配管に固着しやすいという不都合があった。また、比較的高い温度で使用するとヒータの寿命が短くなる傾向があるが、その場合は面状ヒータを一括して交換するのではなく、ヒータマットのみをその外周側の断熱材から取外し、新規のものと交換できることが望ましい。そのほか、断熱材は耐熱性に優れ、厚みが薄いものが好ましい。

従って、本発明が解決しようとする課題は、１５０℃以上の比較的高い温度（１５０℃〜３００℃程度）の領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、優れた耐熱性を有し、前記のようにヒータマットが配管に固着する等の不都合を防止できる面状ヒータ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、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する配管を加熱するための面状ヒータにおいて、ヒータマットの構成を、発熱素子の片面または両面にガラスクロスが配置されその網目の一部が露出して電気絶縁ゴムシートにより埋設された構成とすることにより、優れた耐熱性有し、ヒータマットが配管に固着する等の不都合を防止できることを見出し、本発明の面状ヒータに到達した。

すなわち本発明は、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する配管を加熱するための面状ヒータであって、発熱素子の片面または両面にガラスクロスが配置されその網目の一部が露出して電気絶縁ゴムシートにより埋設されたヒータマット、該ヒータマットの外周側に弾性樹脂層、及び該弾性樹脂層を貫通して該ヒータマットに接続された電気配線結合用の樹脂部材を備えてなることを特徴とする面状ヒータである。

本発明の面状ヒータは、ヒータマットの表面に露出されたガラスクロスの網目により、高温加熱あるいは長期使用によってヒータマットが配管に固着することを防止でき、またヒータに不具合が生じた場合、断熱材である弾性樹脂層からヒータマットを容易に取り外し新規のものと交換することができる。
本発明の面状ヒータは、さらに、断熱用の弾性樹脂層の内層側を耐熱性を重視した樹脂、外層側を断熱性を重視した樹脂からなる構成とすることにより、例えば同材質の樹脂では内層側に非発泡乃至低発泡樹脂、外層側には高発泡樹脂を用いることで、ヒータからの熱が外部に拡散し難く、エネルギー効率よく配管を加熱することができる。また、このような構成なので、弾性樹脂層の厚みを従来の面状ヒータより薄くすることができ省スペース化が可能である。

本発明の面状ヒータは、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する配管を加熱するための電気エネルギーを利用した面状ヒータに適用されるが、特に配管を比較的に高い温度（１５０℃〜３００℃）で効率よく加熱するための面状ヒータに好適に適用される。
以下、本発明の面状ヒータを、図１〜図６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、図５は、各々本発明の面状ヒータの一例を示す斜視図である。また、図２、図６は、各々本発明の面状ヒータの一例を示す断面図である。また、図３は、本発明に使用されるヒータマットの電気絶縁材の一例を示す断面図、図４は、本発明に使用されるヒータマットの例を示す断面図である。

本発明の面状ヒータは、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被配管を加熱するための面状ヒータであって、図１、図２に示すように、発熱素子４の片面または両面にガラスクロスが配置されその網目９の一部が露出するように電気絶縁ゴムシートにより埋設されたヒータマット１、該ヒータマット１の外周側に弾性樹脂層２、及び該弾性樹脂層を貫通して該ヒータマット１に接続された電気配線９の結合用の樹脂部材３を備えてなる面状ヒータである。

本発明の面状ヒータに用いられる発熱素子としては、例えば所望のパターンに成形した金属箔抵抗体、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種を合成樹脂に分散させた導電性樹脂を、ガラス繊維基材またはセラミック繊維基材に含浸させた抵抗体を用いることができる。このような発熱素子の厚みは、通常は０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．１ｍｍ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。また、その他の発熱素子としては、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種をシリコン樹脂等の耐熱性樹脂に混練させた抵抗体を用いることができる。カーボン粉末をシリコン樹脂に練り込ませた抵抗体は、１ｍｍ以上の厚みがあっても可撓性、柔軟性がある。

本発明の面状ヒータに用いられるヒータマット１としては、発熱素子の少なくとも片面に、図３に示すような、ガラスクロス５の網目の一部が表面に露出した状態で電気絶縁ゴムシート６により埋設された電気絶縁材シートが用いられる。発熱素子４の他の片面としても、電気絶縁ゴムシートが用いられるが、ガラスクロスの有無、埋設位置等に制限されることはなく、例えば、図４（２）に示すように、ガラスクロス５の全部が電気絶縁ゴムシート６により埋設されたもの、図４（４）に示すように、ガラスクロスが埋設されていないもの等を用いることができる。

本発明においては、ガラスクロスの網目の一部が露出する電気絶縁ゴムシートの材料として、例えば未加硫の電気絶縁ゴムシートの表面にガラスクロスをめり込ませたシート、未加硫のゴムをガラスクロスの片側表面に含浸させたシートが用いられる。本発明におけるヒータマットは、例えば前記のようなシート２枚、あるいは前記のようなシート１枚とガラスクロスが埋設された未加硫のゴムシート１枚、あるいは前記のようなシート１枚とガラスクロスが埋設されていない未加硫のゴムシート１枚を用い、これらを発熱素子が挟持されるように重ね合せ、加熱加圧接着することにより得られる。
尚、前記の電気絶縁ゴムシート６の構成材料としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム等の耐熱性ゴムを挙げることができるが、可撓性、柔軟性、耐熱性、加工性、材料価格等を総合的に評価して、シリコーンゴムを用いることが好ましい。

本発明においては、発熱素子の片面のいずれか、または両面にガラスクロスの網目の一部が露出するように電気絶縁ゴムシートを配置することができるが、図１に示すように、ガラスクロスの網目の一部が露出した面を、ヒータマット１の内周側にした場合は、高温加熱あるいは長期使用によってヒータマットが金属製、樹脂製、またはゴム製等の配管に固着することを防止できる。このような構成にした場合、ヒータマットの内周側の表面全体に対する露出したガラスクロスの網目の面積の割合（ガラスクロスの網目が見える面積の割合）は、通常は５〜８０％、好ましくは１０〜６０％である。ガラスクロスの網目の面積が、ヒータマットの内周側の表面全体の面積の５％未満の場合は、ヒータマットの配管との固着を防止できなくなる虞がある。また、ガラスクロスの網目の面積が、ヒータマットの内周側の表面全体の面積の８０％を超える場合は、配管への加熱効率が悪化する虞がある。また、ガラスクロスの網目の露出面は、均一に分散されていることが好ましいが、これに限定されることなく、例えばヒータマットの中央部あるいは周辺部等に設けられていてもよい。

また、ガラスクロスの網目の一部を、ヒータマット１の外周側に露出させた場合は、発熱素子に不具合が生じたときに、面状ヒータを一括して交換するのではなく、断熱材である弾性樹脂層からヒータマットを容易に取り外し新規のものと交換することができる。露出させるガラスクロスの網目の面積は前記と同様である。尚、露出しているガラスクロスの網目は、いずれの場合においても、通常は固着防止の効果を高めるためにヒータマットの表面から０．０５〜０．７ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ突出するようにされる。

本発明の面状ヒータにおいては、図５、図６に示すように、弾性樹脂層２の内層側７を高耐熱性樹脂、外層側８を低耐熱性樹脂からなる構成とすることにより、あるいは内層側７を低断熱性樹脂、外層側８を高断熱性樹脂からなる構成とすることにより、さらに好ましくは内層側７を高耐熱性かつ低断熱性の樹脂、外層側８を低耐熱性かつ高断熱性の樹脂からなる構成とすることにより、優れた耐熱性、断熱性を有する面状ヒータが得られる。図５、図６の面状ヒータの弾性樹脂層２は２層から構成されているが、本発明においてはこれに限定されることなく３層あるいはそれより多い層とし、外層側に向かってより耐熱性が低い樹脂、あるいはより断熱性が高い樹脂とすることができる。しかし、通常は２層または３層の構成である。

前記の弾性樹脂層において、内層側７の弾性樹脂層の構成材料としては、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等の耐熱性樹脂を挙げることができるが、適度な可撓性、柔軟性があり、優れた加工性を有することから、シリコン樹脂を使用することが好ましい。また、外層側８の弾性樹脂層の構成材料としては、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂等の発泡樹脂を挙げることができるが、適度な可撓性、柔軟性があり、優れた断熱性、加工性を有することから、メラミン樹脂を使用することが好ましい。また、内層側７及び外層側８の構成材料として、同種類の樹脂を用いることもできる。このような場合は、例えば内層側７には非発泡弾性樹脂または空隙率が１０％以下の低発泡弾性樹脂が用いられ、外層側８には空隙率が１０〜７０％程度の高発泡弾性樹脂を用いることができる。

弾性樹脂層２が、内層側７と外層側８の２層で構成される場合は、内層側７の厚みは、弾性樹脂層全体の厚みの１０〜５０％であることが好ましい。内層側７の厚みが弾性樹脂層全体の厚みの１０％未満である場合は、弾性樹脂層の耐熱性が減少し、高温度の使用により弾性樹脂層が早く劣化する（例えば弾力性を失う）虞がある。また、内層側７の厚みが弾性樹脂層全体の厚みの５０％を超える場合は、断熱性が悪くなり外部への熱拡散が大きくなる。
尚、弾性樹脂層には、次に説明する電気配線結合用の樹脂部材を通すための貫通孔または切欠部が設けられる。また、弾性樹脂層の外周側に適宜面状ヒータを配管等に固定するためのバンド等を取り付けることができる。

本発明の面状ヒータに用いられる電気配線結合用の樹脂部材３は、電気配線１０を保護するとともにヒータマット１に接続するものであり、通常は断面が円形、楕円形、半円形、三角形、四角形、多角形、またはこれらを組合せた形状の棒状部材で、内部に電気配線が通ったものである。樹脂部材３の外形は、前記の弾性樹脂層２の貫通孔または切欠部と嵌合するような大きさ及び形状となるようにされる。また、樹脂部材３の構成材料としては、通常はヒータマットの絶縁ゴムシートと同様な材料、好ましくはシリコーンゴムが使用される。樹脂部材３は、ヒータマット１と一体に成型または接着され、弾性樹脂層２とは一体化または接着されていないことが好ましい。このような構成とすることにより、ヒータマット１、弾性樹脂層２、及び樹脂部材３が互いに固定されるとともに、弾性樹脂層からヒータマットを容易に取り外すことが可能となる。

本発明の面状ヒータの製造方法については特に制限されることはないが、図２、図６に示すように、通常は平面の状態で、樹脂部材３と一体となった可撓性を有するヒータマット１と、可撓性を有する弾性樹脂層２を積層するとともに、弾性樹脂層２の貫通孔または切欠部に樹脂部材３を嵌合することにより製造することができる。その際、弾性樹脂層２と樹脂部材３を互いに接着剤等により接着することもできるが、本発明においては弾性樹脂層からヒータマットを容易に取り外すために接着しないほうが望ましい。

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。

［実施例１］
（ヒータマットの製作）
エッチングにより縦９ｃｍ、横２６．５ｃｍの範囲内で形成した蛇行状の金属箔抵抗体（線幅２．８ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を、未加硫のシリコーンゴムシート（縦１０ｃｍ、横２７．５ｃｍ、厚さ０．８ｍｍ）の表面にガラスクロスをめり込ませたシート２枚に、ガラスクロス面が外側となるように挟持させた後、１５０℃の温度で加熱加圧して硬化し、図４（１）に示すような構成のヒータマット（厚さ１．６ｍｍ）を得た。また、ヒータマットの中央部に電極部を設けた。このヒータマットは、両面ともガラスクロスの網目が全体にわたって均一に露出しており、その面積は各々ヒータマット片面の表面積の４０％であった。また、露出しているガラスクロスの網目は、ヒータマットの表面から０．２〜０．３ｍｍ突出していた。

（弾性樹脂層、電気配線結合用の樹脂部材の製作）
次に、縦１０ｃｍ、横３６．５ｃｍ、厚さ５ｍｍのシリコン樹脂シート（熱伝導率０．０５５ｗ／ｍｋ）と、縦１０ｃｍ、横３６．５ｃｍ、厚さ１０ｍｍのメラミン樹脂シート（熱伝導率０．０３５ｗ／ｍｋ）を貼り合せた。また、中央部に電気配線結合用の樹脂部材を通すための断面が楕円形の貫通孔（長径３２ｍｍ、短径１６ｍｍ）を設けて弾性樹脂層を製作した。
また、外形が前記の貫通孔と嵌合し電気配線が貫通する断面が楕円形の電気配線結合用のシリコン樹脂製の部材を製作した。

（面状ヒータの製作）
樹脂部材の電気配線をヒータマットの電極部に接続するとともに樹脂部材の端部をヒータマットの中央部で接着した。続いて樹脂部材が貫通するようにヒータマットの外周側に弾性樹脂層を配置し、図２に示すような面状ヒータを製作した。さらに、面状ヒータを配管に固定するためのバンドを取り付けた。この面状ヒータは、適度な可撓性、柔軟性があり、容易に図１に示すような円筒形に変形することが可能であった。

（面状ヒータの評価）
以上のようにして得られた面状ヒータを、ステンレス製の円筒管（長さ１０ｃｍ、直径８９．１ｃｍ、厚さ５ｍｍ）の周囲に取付け、室温２０℃の試験室において、１００Ｖの交流電圧を通電し、円筒管の内側中央部の表面温度が１８０℃となるように温度調節しながら２時間通電して弾性樹脂層の外層表面の温度、消費電力量を測定した。その結果を表１に示す。また、円筒管の内側中央部の表面温度が１８０℃となるように温度調節しながら１４０時間通電した後、円筒管から面状ヒータを取外し、その際にヒータマットの配管への固着があるか否か調査した。その結果を表１に示す。

［実施例２、３］
実施例１のヒータマットの製作において、露出しているガラスクロスの網目の面積を、各々ヒータマットの表面積の２５％（実施例２）、６０％(実施例３)としたほかは、実施例１と同様にしてヒータマットを製作した。
これらのヒータマットを使用したほかは実施例１と同様にして面状ヒータを製作し、実施例１と同様にして面状ヒータの評価を行なった。その結果を表１に示す。

［比較例１］
実施例１のヒータマットの製作において、ガラスクロスの網目が露出しないようにしたほかは、実施例１と同様にしてヒータマットを製作した。また、実施例１の弾性樹脂層の製作において、弾性樹脂層を全てシリコン樹脂シート（熱伝導率０．０５５ｗ／ｍｋ）としたほかは実施例１と同様にして弾性樹脂層を製作した。これらのヒータマットと弾性樹脂層を使用したほかは実施例１と同様にして面状ヒータを製作し、実施例１と同様にして面状ヒータの評価を行なった。その結果を表１に示す。

［比較例２］
比較例１と同様にしてヒータマットを製作した。また、比較例１の弾性樹脂層の製作において、弾性樹脂層を全てメラミン樹脂シート（熱伝導率０．０３５ｗ／ｍｋ）としたほかは比較例１と同様にして弾性樹脂層を製作した。これらのヒータマットと弾性樹脂層を使用したほかは実施例１と同様にして面状ヒータを製作し、実施例１と同様にして面状ヒータの評価を行なった。その結果を表１に示す。

以上のように、本発明の面状ヒータは、ヒータマットの表面に露出されたガラスクロスの網目により、ヒータマットが配管に固着することを防止でき、さらに、断熱用の弾性樹脂層の内層側を非発泡乃至低発泡樹脂、外層側を高発泡樹脂からなる構成とすることにより、内層側の樹脂による優れた耐熱性、外層側の樹脂による優れた断熱性が得られ、ヒータからの熱が外部に拡散し難く、エネルギー効率よく配管を加熱することができることがわかった。

本発明の面状ヒータの一例を示す斜視図本発明の面状ヒータの一例を示す断面図本発明に使用されるヒータマットの電気絶縁材の一例を示す断面図本発明に使用されるヒータマットの例を示す断面図本発明の図１以外の面状ヒータの一例を示す斜視図本発明の図２以外の面状ヒータの一例を示す断面図

符号の説明

１ヒータマット
２弾性樹脂層
３樹脂部材
４発熱素子
５ガラスクロス
６電気絶縁ゴムシート
７弾性樹脂層の内層側
８弾性樹脂層の外層側
９外部に露出したガラスクロスの網目
１０電気配線

Claims

円筒形、曲管形、または球形の形状を有する配管を加熱するための面状ヒータであって、発熱素子の片面または両面にガラスクロスが配置されその網目の一部が露出して電気絶縁ゴムシートにより埋設されたヒータマット、該ヒータマットの外周側に弾性樹脂層、及び該弾性樹脂層を貫通して該ヒータマットに接続された電気配線結合用の樹脂部材を備えてなることを特徴とする面状ヒータ。
弾性樹脂層が複数の層からなり、内層側が高耐熱性樹脂で構成され、外層側に向かってより耐熱性が低い樹脂で構成される請求項１に記載の面状ヒータ。
弾性樹脂層が複数の層からなり、外層側が高断熱性樹脂で構成され、内層側に向かってより断熱性が低い樹脂で構成される請求項１に記載の面状ヒータ。
弾性樹脂層が複数の層からなり、内層側が高耐熱性かつ低断熱性の樹脂で構成され、外層側に向かってより低耐熱性かつ高断熱性の樹脂で構成される請求項１に記載の面状ヒータ。
弾性樹脂層の最内層の樹脂がシリコン樹脂であり、弾性樹脂層の最外層の樹脂がメラミン樹脂である請求項４に記載の面状ヒータ。
電気絶縁ゴムが、シリコーンゴムである請求項１に記載の面状ヒータ。
ヒータマットの内周側の表面にガラスクロスが配置され、その網目の一部が露出している請求項１に記載の面状ヒータ。
露出しているガラスクロスの網目の面積が、ヒータマットの内周側の表面全体の面積の５〜８０％である請求項７に記載の面状ヒータ。
露出しているガラスクロスの網目が、ヒータマットの表面から０．０５〜０．７ｍｍ突出している請求項１に記載の面状ヒータ。
ヒータマットが、電気配線結合用の樹脂部材と固着され、弾性樹脂層とは固着されない構成である請求項１に記載の面状ヒータ。
発熱素子が、金属箔抵抗体または金属線抵抗体である請求項１に記載の面状ヒータ。
発熱素子が、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種を耐熱性樹脂に混練させた抵抗体である請求項１に記載の面状ヒータ。