JP2849415B2 - 面状発熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は加熱電流によって発熱面がジュール発熱する
面状発熱体に関する。

従来の技術 面状発熱体は面としての拡がりをもって発熱面の全面
が発熱する。そのため、面状発熱体は、シート材の熱処
理や、加熱温度の一様性が重視される半導体基板の加熱
など、種々の分野で不可欠な加熱熱源とされている。

従来の典型的な面状発熱体は、渦巻き状の電熱線を２
枚の金属板で挟んだサンドイッチ構造のものである。し
かし、このサンドイッチ構造によれば、電熱線と金属板
との間の熱伝達（熱伝導）が完全でなく、発熱面となる
金属板の面上での温度分布が悪い。しかも、電熱線が加
熱して焼損し易いばかりでなく、均温化のための金属板
の熱容量に起因して、昇温時や降温時の応答特性が遅く
なるという欠点をもっていた。しかも、最近では、1000
℃以上に高温加熱できる面状発熱体の要請が高まってい
る。

そこで、従来のサンドイッチ構造の面状発熱体に替え
て、１枚シートで形成した面状発熱体が使用されつつあ
る。このシート状の面状発熱体は、モリブデンやカーボ
ンなどの高温耐熱性に富んだ発熱材料を用い、１枚の発
熱材料を平板や円筒に形成して発熱面を構成し、被加熱
物を主として輻射加熱するものである。

発明が解決しようとする課題 ところが、上記の従来技術によれば、１枚のシートの
発熱材料で形成した面状発熱体は、高温加熱と高速応答
の要請には応えるものの、例えば裏面から無駄な熱放散
が多く、多大な加熱電流が必要である。しかも、発熱面
内での温度分布の均温性に欠けるという問題があった。
１枚シートの発熱面は、その表裏両面から熱を放散する
からであり、高融点金属や炭素材は高い導電率を持って
いるからである。加熱電流を少なく抑えるために、１枚
シートの面内にスリットを切り込むことも可能だが、当
然ながらスリット部分は発熱しないので、発熱面の面内
での温度分布が劣悪になってしまう。

本発明は、従来技術が未解決に残していた上記の課題
に鑑み、少ない加熱電流で高温に発熱し、しかも、発熱
面の温度分布の均温性に優れた面状発熱体を提供するこ
とを目的とする。

課題を解決するための手段 上記の目的を達成するために、請求項（１）記載の面
状発熱体は、複数本のスリットを同一方向に切り込んで
ジグザグ状の加熱電流路を形成した複数の発熱面と、こ
れら複数の発熱面を平行に間隔をあけて重ねるため、発
熱面間に配置された複数のコマとを有し、前記重ねられ
た複数の発熱面は、相対向する発熱面どうしのスリット
が直交するように配置され、かつ、前記複数のコマのう
ち、相対向する発熱面の前記加熱電流路どうしを直列接
続するコマを導電性とし、その他のコマを絶縁性とした
構成としてある。

また、請求項（２）記載の面状発熱体は、スリットを
渦巻状に切り込んで渦巻状の加熱電流路を形成した二つ
の発熱面と、これら二つの発熱面を平行に間隔をあけて
重ねるための、発熱面間に配置された複数のコマとを有
し、前記重ねられた二つの発熱面のうち、一方の発熱面
の中央部分に広い流路を形成し、かつ、前記複数のコマ
のうち、前記二つの発熱面の加熱電流路どうしを直列接
続するコマを導電性とし、その他のコマを絶縁性とした
構成としてある。

作用 上記の構成によれば、加熱電流のジュール熱によって
自己発熱した発熱面は、熱を周囲に放散し、平行に重な
る他の発熱面を加熱（補助加熱）する。そして、該他の
発熱面は自己のジュール発熱に加えて補助加熱を受け、
少ない加熱電流でも容易に高温になる。しかも、平行に
向きあった発熱面の間では、上記の自己発熱と補助加熱
により、両者がほぼ同等の温度で熱を輻射しあうととも
に、お互いが他の発熱面からの熱輻射に対しては、熱を
反射しあう作用をする。そして、平行に向きあった発熱
面同志が協調して発熱し、面状発熱体から外部へ漏れる
無駄な熱損失を防ぎながら発熱面の面内での熱的均衡を
保つ働きをする。

また、発熱面に形成された、周辺部分が中央部分より
高温に加熱する発熱面の流路は、面状発熱体の発熱面縁
端からの熱放散に対して、それを補うように作用し、発
熱面の面上での温度分布を均温化する働きをする。

実 施 例 以下、本発明のいくつかの実施例について、図面を参
照して説明する。なお、以下の図面の説明において、同
一要素には同一符号を付し、その説明の重複をさけてい
る。

第１図は、本発明の第一の実施例の要部構成を示す構
造図であり、同図（ａ）は一部を切り欠いた上面図、同
図（ｂ）は側面図を示している。図において、面状発熱
体10は、間隔をあけて平行に重ねた３枚の発熱面１（1
a、1b、1c）と、発熱面１（1a、1b、1c）を電気的に直
列接続する導電性の接続コマ３（3a、3b）と、発熱面１
（1a、1b、1c）を3mm間隔に支持する絶縁性の支持コマ
４（4a、4b）により構成されている。発熱面１（1a、1
b、1c）は、一辺の長さが約100mmの概ね正方形の板状体
であり、板厚が3mmの炭素／炭素繊維複合材料（以下、c
/c）の板材から切り出されている。そして、発熱面１
（1a、1b、1c）には、幅が3mmのスリット21（21a、21
b、21c）が切り込まれ、発熱面１（1a、1b、1c）の面上
には、ジグザグ状の加熱電流流路２（2a、2b、2c）が形
成されている。発熱面１（1a、1b、1c）の電気抵抗値
は、1000℃に加熱した時、約0.3Ωである。面状発熱体1
0全体での抵抗値は、約１Ωである。そして、発熱面1
a、1cに接続されている電極５（5a、5b）経由で面状発
熱体10に加熱電流を流したところ、電流値が35Aのと
き、発熱面1aの温度は1000℃になった。

この実施例の構成によれば、発熱面１（1a、1b、1c）
の流路２（2a、2b、2c）は、加熱電流のジュール熱によ
り自己発熱する。そして、発熱面1aは、発熱面1aの自己
発熱に加えて発熱面1b、1cからも補助加熱を受ける。こ
のため、発熱面1aは、発熱面1b、1cなしで発熱面1aのみ
が単独で発熱する場合に比べ、低い加熱電流値で高温に
なる。ちなみに、発熱面1b、1cを取付けずに発熱面1aの
みに加熱電流を加えた場合には、発熱面1aを1000℃に加
熱するために、65A以上の加熱電流が必要であった。

そして、上記のように、本発明によれば面状発熱体の
加熱電流を少なくできるので、電極５（5a、5b）に要求
される許容電流定格を低減でき、電極の構造を簡素化で
きる。しかも、加熱電流を供給する電源装置や制御装置
の負担や定格を大幅に軽減することもできる。

また、上記の実施例の構成によれば、発熱面1aのスリ
ット21aと発熱面1bの流路2bは直交している。そして、
発熱面1aのスリット21aを通過して発熱面1bから熱が発
熱面1aの面上に放射する。その結果、実質的に発熱面1a
から放射する熱を均質化し、発熱面1a上に設置される図
示されぬ被加熱物を均温で加熱して加熱ムラを生じな
い。

さらにまた、発熱面1bは発熱面1aが輻射する熱の一部
を反射して発熱面1aにもどす。同様に、発熱面1cも発熱
面1bの輻射熱を反射して発熱面1bにもどす。その結果、
発熱面1aは累積的な反射を受けて短時間で高温になる。

発熱面1cの温度を発熱面1a、1bより低くすることで外
部への熱の放散（損失）を抑えることもできる。すなわ
ち、上記の実施例の説明では、発熱面１（1a、1b、1c）
の抵抗値は同じとして例示したが、これらの発熱面１
（1a、1b、1c）の抵抗値を違えることで可能である。発
熱面1cの抵抗値を発熱面1aの抵抗値より小さく設定すれ
ば、発熱面1cの加熱温度は発熱面1aの加熱温度よりも低
くなる。その結果、発熱面1cから外部に放散する熱量を
少なくでき、面状発熱体の発熱効率を一段と高くするこ
とができる。

次に第２図に示す構造図を参照して第二の実施例を説
明する。なお、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は側面
図を示している。そして、この第二の実施例の構造が第
一の実施例の構成と異なる主な点は、発熱面1d、1eが２
枚の円板で形成されており、しかも、発熱面1eには中央
部分を中空部とするＣ字状の流路2eが形成されている点
である。なお、発熱面1d、1eは板厚が3mmのc/c板から切
り出された外径が約90mmの円板である。そして、発熱面
1dにはスリット21dが切り込まれてジグザグパターン流
路2dが形成されている。

この第二の実施例の構成によれば、発熱面1dの流路2d
は発熱面1eの流路2eと直列に接続している。発熱面1eの
流路2eは、加熱電流によってドーナツ状に発熱する。そ
して、発熱面1dの周辺部分を補助加熱する働きをする。
このため、発熱面1dは自己発熱に加えて発熱面1eからも
熱を受け、発熱面1dの縁端部分で生じる放散を補うこと
になる。その結果、発熱面1eが無い場合には、発熱面1d
の面上温度分布が激しく山なりであったが、発熱面1eを
備えたことにより温度分布が均温化し、平坦な温度分布
が得られた。なお、発熱面1dの中央部に開いた中空部分
は、発熱板1dの中央部分からの熱の放散を容易にし、該
中央部分の温度を下げて温度分布を一段と平坦化する働
きをしている。

次に第３図を参照して、本発明の第三の実施例につい
て説明する。なお、図面（ａ）は平行に重ねて設けられ
る１の発熱体1fの上面図、同図（ｂ）は上記１の発熱体
1fと平行に設けられる他の発熱体1gの上面図を示してい
る。

この第三の実施例の構成が第２の実施例の構成と異な
る主な点は、次の通りである。すなわち、第１に、発熱
面1f、1gには渦巻状のスリット21f、21gが切り込まれて
いること、第２に、発熱面1gの中央部分には幅の広い流
路2g′が形成されていることである。なお、上記の幅の
広い流路2g′を除き、他の流路2f、2gは、幅が等しく形
成されている。そして、図示の発熱面1f、1gは互いに平
行に間隔をあけて積み重ねられ、これらの発熱面1f、1g
の流路2f、2g（2g′）は図示されぬ接続コマで直列に接
続されている。

この第三の実施例の構成によれば、加熱電流の供給を
受けた発熱面1gは、中央部分の幅の広い流路2g′を除い
て、その周辺をとり巻く流路2gのみが高温に発熱する。
そして、発熱面1gは、それに重なる発熱面1fの周辺部分
を集中的に補助加熱する。一方、発熱面1gの中央部分で
は、流路2g′の幅が広く抵抗値も小さい。このため、中
央部分の流路2g′は、高温には発熱せず、もっぱら発熱
面1fからの熱を受けてその一部を発熱面1fに反射する働
きをする。その結果、発熱面1fの温度分布は平坦にな
る。この第三の実施例によれば、発熱面1gの中央部分に
設けた流路2g′は、発熱面1fの熱を外部に逃さず反射す
る。そして、面状発熱体の裏面への熱の拡りを抑え、発
熱体周囲に断熱構造を簡易化可能にする効果がある。

なお、上記の本発明の実施例の説明では、発熱面を平
面状としたが、それに限らない。例えば、発熱面を円筒
状に形成して同軸状に筒状の発熱面を重ねることも可能
である。

さらにまた、発熱面に使用する材料は、c/cに限られ
ず、他の金属（例えば、モリブデンやタングステン）、
カーボン、あるいは、導電性のセラミックス材料を用い
ることもできる。

いずれにせよ、本発明は上記の実施例の説明に限定さ
れることなく、各種の改変が可能である。

発明の効果 本発明は以上のように構成したので、少ない加熱電流
で高温に発熱し、しかも温度分布が平坦で均温性に優れ
た面状発熱体を提供できる。さらに、この発明の面状発
熱体は均温化するための金属板を要しないので、無駄な
熱損失が少なく、昇温や降温を高速に行えるという顕著
な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の第一の実施例の構成
図、第２図（ａ）、（ｂ）は本発明の第二の実施例の構
造図、第３図（ａ）、（ｂ）は本発明の第三の実施例に
係る発熱面の上面図である。 １……発熱面、２……流路、３……接続コマ、 21……スリット、５……電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−190278（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−211888（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−103195（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−167396（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭50−156838（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭63−50829（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭51−30376（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭47−19608（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05B 3/20 305 H05B 3/22

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本のスリットを同一方向に切り込んで
   ジグザグ状の加熱電流路を形成した複数の発熱面と、 これら複数の発熱面を平行に間隔をあけて重ねるため、
   発熱面間に配置された複数のコマとを有し、 前記重ねられた複数の発熱面は、相対向する発熱面どう
   しのスリットが直交するように配置され、 かつ、前記複数のコマのうち、相対向する発熱面の前記
   加熱電流路どうしを直列接続するコマを導電性とし、そ
   の他のコマを絶縁性とした ことを特徴とする面状発熱体。
2. 【請求項２】スリットを渦巻状に切り込んで渦巻状の加
   熱電流路を形成した二つの発熱面と、 これら二つの発熱面を平行に間隔をあけて重ねるため
   の、発熱面間に配置された複数のコマとを有し、 前記重ねられた二つの発熱面のうち、一方の発熱面の中
   央部分に広い流路を形成し、 かつ、前記複数のコマのうち、前記二つの発熱面の加熱
   電流路どうしを直列接続するコマを導電性とし、その他
   のコマを絶縁性とした ことを特徴とする面状発熱体。