JP2010251109A - ヒータ、ヒータに用いられる発熱体、及び発熱体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータとしての発熱量を確保しつつ、部位毎の発熱量の差をさらに抑制させたヒータ、ヒータに用いられる発熱体、及び発熱体の製造方法を提供すること。
【解決手段】電力の供給に伴って発熱する発熱体１０と、発熱体１０の両端部に接続され、電源からの電力を供給する端子２０と、を備えたヒータ１００であって、発熱体１０は、純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を成型するステップと、粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップとにより製造されること。
【選択図】図１

Description

本発明は、端子に両端が接続され、電力が供給される長尺状の発熱体、発熱体を備えたヒータ、及び発熱体の製造方法に関する。

従来、所定の工程又は装置において、裁断されたシート状又はロール状の紙や、フィルムを加熱するためにヒータが広く用いられている。このようなヒータには、セラミックスや金属により構成される長尺状の発熱体が備えられる。

このようなヒータにおいて、均一な温度分布を得るために、発熱体には、温度が上昇するほど体積抵抗率が下がる特性（ＮＴＣ： negative temperature coefficient以下、ＮＴＣ特性と適宜省略する）を有する炭素系の材料を用いる方法が広く知られている（特許文献１）。このような発熱体によれば、発熱体の中央部は、放熱しやすい両端部に比べて、温度が高くなるため、体積抵抗率が下がる。従って、発熱体の中央部は、発熱しにくくなり、発熱体の両端部と、発熱体の中央部との温度差が抑制される。

特開２００６−１５４８０２号公報（第９−１０頁、第８図）

しかしながら、上述した従来のヒータには、次のような問題があった。すなわち、発熱体の両端部には、発熱体に電力を供給する端子等が接続されるため、両端部に発生する熱は、端子を介して、発熱体以外の外部へ放熱されやすい。従って、両端部は、中央部よりも温度上昇が遅れやすく、一方で、中央部は、温度上昇するため、発熱体の両端部と、中央部との温度差を抑制するために、更に高いＮＴＣ特性が要求されていた。

しかしながら、発熱体のＮＴＣ特性を更に高めると、常温における体積抵抗率が、過度に高くなる。このため、一般の家庭用電源を用いて電力を発熱体に供給しても、発熱量が乏しく、ヒータに用いられる発熱体として適さない問題がある。つまり、発熱体は、要求されるＮＴＣ特性を充分に確保できず、部位毎の温度差を抑制できない問題がある。

そこで、本発明は、ヒータとしての発熱量を確保しつつ、部位毎の温度差をさらに抑制させたヒータ、ヒータに用いられる発熱体、及び発熱体の製造方法の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、電力の供給に伴って発熱する発熱体（発熱体１０）と、発熱体の両端部(端部１２ａ及び端部１２ｂ)に接続され、電源からの電力を供給する端子(端子２０)と、を備えたヒータ（ヒータ１００）であって、発熱体は、純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を成型するステップと、粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップとにより製造されることを要旨とする。

このような、製造方法においては、炭化珪素の純度が、９９．９９％以上であるため、焼成時に炭化珪素の結晶内に、容易に窒素が取り込まれる。このため、このような製法により得られた発熱体の体積抵抗率は、従来の発熱体の体積抵抗率よりも低抵抗となる。従って、一般の家庭用電源を用いて電力を発熱体に供給した場合に、発熱体は、ヒータとして機能する発熱量を確保できる。また、発熱体は、炭化珪素の純度が、９９．９９％以上であるため、高いＮＴＣ特性を示す。

従って、このような発熱体を備えるヒータによれば、一般の家庭用電源を用いて電力を発熱体に供給した場合に、ヒータとしての発熱量を確保しつつ、高いＮＴＣ特性により、部位毎の温度差をさらに抑制できる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り発熱体の窒素含有量は、０．１％以上であることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１または２の特徴に係り、標準室温における発熱体の体積抵抗率に対する、３００℃における前記発熱体の体積抵抗率の比率をρｖ（３００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）とすると、０．３０＜ρｖ（３００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．７０であることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、標準室温における発熱体の体積抵抗率に対する、２00℃における前記発熱体の体積抵抗率の比率をρｖ（200℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）とすると、０．４０＜ρｖ（２００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．８０であることを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、本発明の第１乃至４の特徴に係り、発熱体は、ＳｉＣ系複合材料、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料、Ｃ−ＳｉＣ系複合材料の何れか又はその組み合わせにより構成されることを要旨とする。

本発明の第６の特徴は、電力の供給に伴って発熱する発熱体であって、純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を成型するステップと、粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップとにより製造されることを要旨とする。

本発明の第７の特徴は、電力の供給に伴って発熱する発熱体と、発熱体の両端部に接続され、電源からの電力を供給する端子と、を備えたヒータに用いられる発熱体の製造方法であって、純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を準備するステップと、粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップとを備えることを要旨とする。

本発明の特徴によれば、ヒータとしての発熱量を確保しつつ、部位毎の温度差をさらに抑制させたヒータ、ヒータに用いられる発熱体、及び発熱体の製造方法を提供できる。

本発明の実施形態に係るヒータの斜視図である。 本発明の実施形態に係る発熱体の斜視図である。 本発明の実施形態に係る発熱体の体積抵抗率を示す図である。 本発明の実施形態に係る発熱体の体積抵抗率を示す図である。 本発明の実施形態に係る発熱体の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施例及び比較例に係る発熱体の表面温度の分布を示す図である。

次に、本発明に係るヒータ、発熱体、及び発熱体の製造方法について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）ヒータの全体構成、（２）発熱体の詳細構成、（３）発熱体の温度特性、（４）発熱体の製造方法、（５）比較評価、（６）作用・効果、（７）その他の実施形態について説明する。

なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。

したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（１）ヒータの全体構成
図１は、本発明の実施形態に係るヒータの斜視図である。図１に示すように、ヒータ１００は、発熱体１０と、端子２０と、絶縁体３０とを備える。端子２０は、ヒータ１００の長手方向Ｌに沿った発熱体１０の両端部に接続される。端子２０は、金属により構成され、電源からの電力を供給する。絶縁体３０は、２層以上の絶縁層により構成されている。絶縁体３０は、発熱体１０により加熱されるとともに発熱体１０と反対側に位置する接触面３２を備える。接触面３２は、被加熱体である紙や、有機フィルム、樹脂フィルム等に接触する。接触面３２の算術平均粗さＲａは、１μｍ以下である。

（２）発熱体の詳細構成
図２は、本発明の実施形態に係る発熱体の斜視図である。発熱体１０は、炭化珪素の多結晶体からなる。図２に示すように、発熱体１０は、板状に形成されている。例えば、発熱体１０の長手方向Ｌの長さは、２００ｍｍ以上に形成される。また、発熱体１０の幅方向Ｗの断面積は、２〜３０mm²に形成される。

発熱体１０は、純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を成型するステップと、粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップとにより製造されたセラミックスにより形成される。具体的には、炭化珪素の原料における窒素含有量は、０．１％以上である。また、発熱体１０は、ＳｉＣ系複合材料、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料、Ｃ−ＳｉＣ系複合材料の何れか又はその組み合わせにより構成される。

（３）発熱体の温度特性
次に本実施形態に係る発熱体の温度特性について、図３、４を用いて説明する。図３、図４は、本実施形態に係る発熱体の体積抵抗率を示す図である。図４は、本実施形態に係る発熱体の体積抵抗率を示す図である。具体的には、図３は、横軸が温度を示し、縦軸が、体積抵抗率を示す。図４は、横軸が温度を示し、縦軸が、標準室温における発熱体の体積抵抗率に対する、各温度における発熱体の体積抵抗率の比率を示す。

図３に示すように、発熱体１０の体積抵抗率ρｖと、従来例の発熱体の体積抵抗率ρｖとは、共に、ＮＴＣ特性を有することがわかる。発熱体１０の体積抵抗率ρｖは、従来例の発熱体の体積抵抗率ρｖよりも低抵抗となる。

図４に示すように、発熱体１０において、標準室温における発熱体１０の体積抵抗率ρｖに対する、２００℃における発熱体１０の体積抵抗率ρｖの比率をρｖ（２００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）とした場合、このような製法により得られた発熱体１０は、次の数式を満たす。なお、本実施形態における標準室温とは、２０〜２５℃の事を意味する。

［数１］
０．４０＜ρｖ（２００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．８０
また、同様に、標準室温における発熱体１０の体積抵抗率ρｖに対する、３００℃における発熱体１０の体積抵抗率ρｖの比率をρｖ（３００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）とした場合、このような製法により得られた発熱体１０は、次の数式を満たす。

［数２］
０．３０＜ρｖ（３００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．７０
（４）発熱体の製造方法
次に本実施形態に係る発熱体の製造方法について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る発熱体の製造方法を示すフローチャートである。具体的には、発熱体１０の製造方法は、（４．１）成型工程、（４．２）焼成工程を含む。

（４．１）成型工程
図５に示すように、ステップＳ１の成型工程では、純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を準備する。具体的には、炭化珪素の粉末は、炭化珪素の多結晶体からなり、粉末の平均粒径は、０．５μｍ以上、１０μｍ以下である。ステップＳ１の準備工程では、準備された炭化珪素の粉末を金型等で成型する。

（４．２）焼成工程
図５に示すように、ステップＳ２の焼成工程では、粉末を成型したものを窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成する。具体的には、ステップＳ１の準備工程において、窒素雰囲気において焼成する。上述した工程により、発熱体１０を製造する。

（５）比較評価
次に、本発明の効果を更に明確にするために、以下の比較例及び実施例に係る発熱体を用いて行った比較評価について説明する。具体的には、（５．１）評価方法、（５．２）評価結果について説明する。なお、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

（５．１）評価方法
比較例及び実施例の発熱体を用いて、表面温度分布の観察、部位毎の発熱量の差についての評価を行った。比較評価に用いた比較例及び実施例に係る発熱体について、具体的に説明する。各発熱体は、発熱体を構成する材料が異なる。具体的には、実施例に係る発熱体は、実施形態に係る発熱体１０と同一であり、純度が、９９．９９％以上の炭化珪素により形成される。比較例に係る発熱体１０Ａは、電気抵抗率の温度依存性をもつ金属、具体的にはニッケル−クロム合金により形成される。各発熱体について、２００℃における表面の温度分布を測定して発熱量の評価をした。また、最高温度と、最低温度との差を測定して、部位毎の温度差を評価した。

（５．２）評価結果
上述した比較例、及び実施例に係る発熱体を用いた評価結果について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、比較例に係る発熱体１０Ａの表面の温度分布である。図６（ｂ）は、実施例に係る発熱体１０の表面の温度分布である。なお、図６は、温度領域毎に異なるハッチングを用いている。つまり、同じ温度領域内には、同じハッチングを用いているため、ハッチングの面積が大きいことは、同じ温度領域の面積が大きいことを示す。

図６（ａ）に示すように、比較例に係る発熱体１０Ａは、最高温度と、最低温度との差が、４．５℃と大きく、発熱体１０Ａの両端部の温度が低下していた。図６（ｂ）に示すように、実施例に係る発熱体１０は、最高温度と、最低温度との差が、２．９６７℃と、比較例よりも小さく、両端部における温度の低下も抑制されていた。

（６）作用・効果
以上説明したように、本実施形態に係る発熱体１０によれば、炭化珪素の純度が、９９．９９％以上であるため、焼成時に炭化珪素の結晶内に、容易に窒素が取り込まれる。このため、このような製法により得られた発熱体１０の体積抵抗率ρｖは、従来の発熱体の体積抵抗率ρｖよりも低抵抗となる。具体的には、発熱体１０は、下記数式を満たすため、一般の家庭用電源を用いて電力を発熱体１０に供給した場合に発熱体１０は、ヒータ１００として機能する発熱量を確保できる。また、発熱体１０は、炭化珪素の純度が、９９．９９％以上であるため、下記数式を満たす高いＮＴＣ特性を示す。

［数３］
０．４０＜ρｖ（２００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．８０
［数４］
０．３０＜ρｖ（３００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．７０
従って、このような発熱体１０を備えるヒータ１００によれば、一般の家庭用電源を用いて電力を発熱体１０に供給した場合に、ヒータ１００としての発熱量を確保しつつ、高いＮＴＣ特性により、部位毎の温度差の差をさらに抑制できる。

従来の発熱体を備えるヒータでは、部位毎の温度差が、収まるまでに時間を有していた。これに対して、発熱体１０を備えるヒータ１００によれば、部位毎の温度差をさらに抑制できるため、このような時間を短縮できる。

本実施形態によれば、炭化珪素の原料における窒素含有量は、０．１％以上であるため、発熱体１０の体積抵抗率ρｖは、更に低抵抗となる。従って、発熱体１０は、ヒータ１００として機能する発熱量を充分に確保できる。

本実施形態によれば、発熱体１０は、ＳｉＣ系複合材料、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料、Ｃ−ＳｉＣ系複合材料の何れか又はその組み合わせにより構成されるため、更に高いＮＴＣ特性を示す。

（７）その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

上述した実施形態における発熱体の製造方法では、窒素雰囲気において、炭化珪素の粉末を焼成してが、これに限らず、例えば、アルゴンなどの不活性ガスに窒素ガスを混入してもよい。また、窒素ガスに限らず、炭化珪素の粉末に窒化珪素等の窒化物を混入することにより、炭化珪素の結晶内に窒素を取り込むこともできる。

上述した実施形態における発熱体の製造方法では、焼成工程において、粉末を発熱体１０の形に成型したものを焼成しているが、これに限らず、例えば、粉末の焼成体から切り出すことにより、発熱体１０を形成してもよい。

上述した実施形態における発熱体１０は、板状に形成されているが、これに限らず、例えば、長尺棒状に形成されていてもよい。

上述した実施形態におけるヒータ１００は、発熱体１０と、端子２０と、絶縁体３０とを備えているが、これに限らず、例えば、測温素子、温度ヒューズ等のヒューズなどを備えていてもよい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

Ｌ…長手方向、 Ｗ…幅方向、 １０…発熱体、 １２ａ、１２ｂ…端部、 ２０…端子、 ３０…絶縁体、 ３２…接触面、 １００…ヒータ

Claims (7)

1. 電力の供給に伴って発熱する発熱体と、
   前記発熱体の両端部に接続され、電源からの電力を供給する端子と、
   を備えたヒータであって、
   前記発熱体は、
   純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を成型するステップと、
   前記粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップとにより製造されるヒータ。
2. 前記炭化珪素の原料における窒素含有量は、０．１％以上である請求項１に記載のヒータ。
3. 標準室温における前記発熱体の体積抵抗率に対する、300℃における前記発熱体の体積抵抗率の比率をρｖ（３００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）とすると、
   ０．３０＜ρｖ（３００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．７０
   である請求項１又は請求項２に記載のヒータ。
4. 標準室温における前記発熱体の体積抵抗率に対する、２００℃における前記発熱体の体積抵抗率の比率をρｖ（２００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）とすると、
   ０．４０＜ρｖ（２００℃）／ρｖ（Ｒ．Ｔ．）＜０．８０
   である請求項３に記載のヒータ。
5. 前記発熱体は、ＳｉＣ系複合材料、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料、Ｃ−ＳｉＣ系複合材料の何れか又はその組み合わせにより構成される請求項１乃至４の何れか一項に記載のヒータ。
6. 電力の供給に伴って発熱する発熱体であって、
   純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を成型するステップと、
   前記粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップとにより製造される発熱体。
7. 電力の供給に伴って発熱する発熱体と、
   前記発熱体の両端部に接続され、電源からの電力を供給する端子と、
   を備えたヒータに用いられる発熱体の製造方法であって、
   純度が、９９．９９％以上の炭化珪素の粉末を成型するステップと、
   前記粉末を窒素雰囲気において、１７００℃以上で１時間以上焼成するステップと
   を備える発熱体の製造方法。

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