JP7142146B2 - セラミック発熱体およびその製造方法ならびに用途 - Google Patents

Description

本発明は発熱装置の分野に関し、より具体的には、セラミック発熱体およびその製造方法ならびに用途に関する。

セラミック加熱体は高効率で熱分布が均一でかつ熱伝導性に優れた加熱器であり、熱面温度の均一製を確保して、設備の熱点および冷点を除去することができ、また、セラミック加熱体は寿命が長く、保温性能が良く、機械性能が強く、耐腐食で、耐磁場であるなどの利点を有する。現在、セラミックス加熱体は主に２種があり、それぞれＰＴＣセラミック発熱体とＭＣＨセラミック発熱体である。この２種の製品は、材質がまったく異なるが、完成品はセラミックに似ているため、総じて「セラミック発熱体」と呼ばれている。ＰＴＣセラミック発熱体はサーミスタであり、ＰＴＣセラミックス発熱素子とアルミ管から構成され、熱抵抗が小さく、熱交換効率が高い利点を有し、自動恒温かつ省電力の電気加熱器である。ＭＣＨセラミック発熱体が使用するアルミナセラミックスは、ＰＴＣセラミック発熱体と比較して、同じ加熱効果の場合、２０－３０％の電気エネルギーを節約できる、高効率で環境に優しく省エネルギー性に優れた新型セラミック発熱素子である。

現在の低温シガレット分野では、ＭＣＨセラミック発熱体を発熱素子として採用することが多い。具体的には、ＭＣＨセラミック発熱体は、スクリーン印刷法により金属発熱層をセラミックス基層上に印刷し、即ち、モリブデンやタングステン等の高温に強い高融点金属を発熱回路の内電極とし、一連の特殊な製造プロセスにより、１４００℃から１８００℃までの還元雰囲気下で共焼成して高効率で省エネルギーの金属セラミック発熱体を得る。中でも一般的には絶縁層と基質としてアルミナキャスト素材を用いて、製造した高温金属厚膜ペースト配線を素材の一面に印刷し、さらに上下のアルミナセラミック基層を積層、スライスし、水素還元炉で高温焼結後にリード線を溶接することによって、ＭＣＨ発熱体を製造する。しかし、内電極が両側のアルミナセラミックスの中間に含まれ、アルミナセラミックスの吸熱により、内電極の発熱効率が高くなく、そして、セラミック発熱体全体の効率が高くなく、しかも、外部の素材を加えることにより、セラミック発熱体が太くなり、低温シガレット中では抜き差しにくい。従来技術には様々な発熱素子を製造する電子ペースト製品が存在しているが、従来技術における電子ペーストから製造された発熱素子はロットの違いにより抵抗温度係数の偏差が非常に大きく、抵抗制御の難度が極めて高く、生産製品の不良品率が極めて高く、製品の抵抗温度係数の誤差が非常に大きく、回路プログラムは正確に温度を制御することができない。また、従来の電子ペースト製品では、抵抗温度係数の誤差を満足させるとともに、低抵抗温度係数を達成することは困難である。

発明の概要

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を克服するために、発熱が速く、低温シガレット中で容易に抜き差し可能であり、異なるロットでも信じられないほど均一かつ低抵抗温度係数を有するセラミック発熱体を提供することにより、本発明を完成することである。

本特許の発明者は、多数の試験を経て、非常に驚くべきことに、ある成分の電子ペーストで製造された各ロットの製品が信じられないほど一致した抵抗温度係数を有し、かつ抵抗温度係数が十分低いことを発見して、本発明を獲得する。

上記目的を達成するために、本発明は、セラミック発熱体を提供し、前記セラミック発熱体は、セラミック棒ベースを含み、前記セラミック棒ベースの表面には、抵抗発熱素子が設けられ、前記抵抗発熱素子は、タングステンと、マンガンと、ルテニウム、テルル、ゲルマニウムおよびバナジウムかなる群から選択される少なくとも１つとを含む合金である。

本発明の好ましい実施形態において、前記セラミック棒ベースの材料は、アルミナ、窒化けい素、ガラス、窒化アルミニウム、および炭化けい素のうちの少なくとも１つである。

本発明の好ましい実施形態では、前記抵抗発熱素子は、タングステン、マンガン、添加剤および有機担体を含み、前記添加剤は、ルテニウム、テルル、ゲルマニウムとバナジウムかなる群から選択される少なくとも１つである電子ペーストをデカール印刷することにより製造される。

本発明の好ましい実施形態では、前記セラミック棒ベースの一端はテーパ状であり、前記セラミック棒ベースの長手方向におけるテーパに近い端部の抵抗発熱素子のサイズは、他端よりも大きいことが好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、前記タングステンとマンガンの重量比は、７：３－９．５：０．５である。本発明の１つの好ましい実施形態では、前記添加剤の含有量は、前記タングステンとマンガンの総重量に対して０．５－５重量％である。本発明の好ましい実施形態において、前記有機担体は、テルピネオール、エチルセルロースおよび無水エタノールの混合物であり、好ましくは、前記タングステンとマンガンの総重量に対して、前記有機担体の含有量は５－２０重量％である。

一方、本発明は、前記セラミック発熱体を製造する方法をさらに提供し、前記方法は、電子ペーストをセラミック棒ベースにデカール印刷することを含む。

本発明の好ましい実施形態では、前記デカール印刷は、紙ベースフィルム上に電子ペーストを印刷してデカール紙を製造することを含み、好ましくは、前記印刷によって電子ペーストの紙ベースフィルムの一端における印加量は他端における印加量よりも大きいようにする。

本発明の好ましい実施形態では、前記紙ベースフィルムは、ティッシュペーパー、木材パルプ紙、炭繊維紙、合成繊維紙、天然繊維紙などのうちの少なくとも１つによって製造される。

本発明の好ましい実施形態では、前記デカール印刷は、前記デカール紙を酸塩基処理されたセラミック棒ベースに貼り付けることをさらに含み、好ましくは、前記デカール紙を貼り付けたセラミック棒ベースを１２００℃－１８００℃の温度で１－４ｈ焼成することをさらに含む。

本発明の好ましい実施形態では、前記方法は、前記デカール印刷の後に釉薬を浸し掛けを行い、その後、１０００－１２００℃の温度で焼成することをさらに含む。

さらに、本発明は、前記セラミック発熱体および前記の方法により製造されたセラミック発熱体の新型タバコ製品用発熱器における用途をさらに提供し、好ましくは、前記セラミック発熱体および前記の方法により製造されたセラミック発熱体の新型タバコ製品用発熱器、特に低温シガレット用発熱器における用途を提供する。

以上のように、本発明のセラミック発熱体および上記方法に基づいて製造したセラミック発熱体は、発熱が速く、低温シガレット中でも抜き差しやすいという利点がある。また、本発明の電子ペーストがデカール印刷されたセラミック発熱体を使用すると、異なるロット間の抵抗温度係数が意外に一致して低いため、その抵抗制御が異常に容易となり、生産品の不良品率が極めて低い。低抵抗温度係数の優れた性能を有し、本発明の電子ペーストを金属セラミック発熱体に応用した場合、意外に一致かつ低抵抗温度係数の優れた性能を得ることができ、各ロットで焼成された後の製品の抵抗温度係数が一致することを確保することができ、使用中において抵抗の温度変化が小さく、回路が簡単で、全体の発熱信頼性が高い。

以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。ここで説明する具体的な実施形態は、本発明の説明および解釈のみを目的としたものであり、本発明を限定するものではないことを理解されたい。

ここに開示された範囲の端点および任意の値は、当該正確な範囲または値に限定されず、これらの範囲または値は、これらの範囲または値に近い値を含むものとして解釈されるべきである。数値範囲については、各範囲の端点の値の間、各範囲の端点の値と個々の点の値の間、および個々の点の値の間を組み合わせて、１つまたは複数の新しい数値範囲を得ることができ、これらの数値範囲は、ここで具体的に公開されているものとみなすべきである。

本明細書で述べたように、「電子ペースト」という用語は金属セラミック発熱体を製造する基礎材料であり、固体粉末と液体溶剤を三ロールにより圧延し、均一に混合したペースト状物であり、その中、用途によって、電子ペーストは媒体ペースト、抵抗ペーストと導体ペーストに分けることができ、基板の種によって、電子ペーストはセラミックス基板、ポリマー基板、ガラス基板、金属絶縁基板電子ペーストなどに分けることができ、焼結温度によって、電子ペーストは高温、中温と低温の乾燥電子ペーストに分けることができ、用途によって、電子ペーストは通用電子ペーストと専用電子ペーストに分けることができ、導電相の価格によって、電子ペーストも貴金属電子ペーストと卑金属電子ペーストに分けることができる。

本明細書で使用されるように、「抵抗温度係数」（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、略称ＴＣＲ）という用語は、温度が１度変化する時、抵抗値の相対変化（すなわち抵抗値変化がその抵抗に対する変化率）を表し、計算式はＴＣＲ＝（Ｒ_Ｔ２－Ｒ_Ｔ１）／[（Ｔ_２－Ｔ_１）×Ｒ_Ｔ１]であり、単位はｐｐｍ／℃であり、ここでは、Ｔ_１は第１温度を示し、Ｔ_２は第２温度を示し、Ｒ_Ｔ１は第１温度での抵抗値を示し，Ｒ_Ｔ２は第２温度での抵抗値を示す。抵抗温度係数は金属のミクロ構造と密接に関連するパラメーターであり、欠陥がない場合、それは理論上の最大値を持つ。つまり、抵抗温度係数自体の大きさは、ある程度金属プロセスの性能を表している。新技術プロセスの研究開発過程或いはオンライン監視測定において、抵抗温度係数を利用して金属の信頼性に早期に監視測定と快速評価を行うことができる。

本明細書で使用されているように、「デカール印刷」という用語は、セラミック顔料を印刷プロセスにより、設計されたパターンで特定の紙またはプラスチックフィルム表面に印刷した後、パターンのついた紙をベース表面に貼り付けてから、高温焼結を行うと、デカールは永続的にベース表面に付着することを意味する。

一方、本発明は、セラミック発熱体を提供し、そのうち、前記セラミック発熱体は、セラミック棒ベースを含み、前記セラミック棒ベースの表面に電子ペーストがデカール印刷されている。

本発明が解決しようとしている従来技術における欠点によれば、本発明が提供するセラミック発熱体は、通常、新型タバコ製品、特に低温シガレットに用いられる棒状セラミック発熱体であるため、通常は、セラミック棒ベースを含めてその基本形状を提供するが、セラミック棒ベースの材料には特に制限がなく、本分野でよく見られるセラミックス基材とすることができる。１つの好ましい実施形態では、前記セラミック棒ベースの材料は、アルミナ、窒化けい素、ガラス、窒化アルミニウム、および炭化けい素のうちの少なくとも１つである。

タングステン系ペーストのうち、タングステンは主な発熱元素であるが、タングステンの抵抗温度係数が高いため、電子ペースト全体の抵抗温度係数が非常に高くなり、抵抗温度係数が一致して信頼性のある発熱素子を得ることが困難となる。しかしながら、本発明者の研究により、適切なタングステン系ペーストの組成を選択することにより、製造された各ロット製品は信じられないほど、一致した抵抗温度係数を有し、かつ電子ペーストの抵抗温度係数を大幅に低下させることができ、セラミック発熱体の抵抗温度係数が低いという有益な効果を実現することが明らかである。従って、１つの好ましい実施形態では、前記電子ペーストは、タングステン、マンガン、添加剤および有機担体を含み、前記添加剤は、ルテニウム、テルル、ゲルマニウムとバナジウムかなる群から選択される少なくとも１つである。さらに好ましくは、前記添加剤の含有量は０．５－５重量％（例えば、１．５重量％、２重量％、または２．５重量％）であってもよい。

また、本発明の電子ペースト中の有機担体の種および含有量について特に制限することなく、本分野によく見られる有機担体の種類および含有量とすることができる。本発明の好ましい実施形態において、前記有機担体は、テルピネオール、エチルセルロースおよび無水エタノールの混合物であってもよく、例えば、９０－９５重量％（例えば９４重量％）テルピネオール、３－５重量（例えば５重量％）エチルセルロース和１－３重量％（例えば１重量％）無水エタノールであり、好ましくは、前記タングステンとマンガンの総重量に基づき、前記有機担体の含有量は５－２０重量％であってもよい。

本発明によれば、セラミック発熱体を低温シガレット中でよりよく抜き差せるように、セラミック棒ベースの一端を鋭利な形状にし、セラミック発熱体の低温シガレット中での通常の挿入方式に応じて、鋭利な形状の一端を挿入端としてよりシガレット構造に近づけ、他端をより電源に近づけ、セラミック発熱体を効率的にシガレットを燃焼させる状況で、可能な限り電源を保護するために、当該他端の電子ペーストはより少なくなり、それにより、他端の温度をより低くする。従って、好ましい実施形態では、前記セラミック棒ベースの一端はテーパ状であり、前記セラミック棒ベースの長手方向におけるテーパに近い端部の電子ペーストの濃度は他端の電子ペーストの濃度よりも高くなってもよい。

一方、本発明は、前記セラミック発熱体を製造する方法をさらに提供し、前記方法は、電子ペーストをセラミック棒ベースにデカール印刷することを含む。

本発明のセラミック発熱体の製造方法におけるセラミック棒ベースと電子ペーストについて、前記セラミック棒ベースの材料と形状、および前記電子ペーストの組成等の好ましい実施形態は、先に述べたものと同様とすることができるので、ここでは説明しない。

本発明によれば、セラミック発熱体は、発熱が速く、低温シガレット中で容易に抜き出しやすいという利点を有するため、本発明の製造方法において、電子ペーストをセラミック棒ベースにデカルデカール印刷することで、セラミック発熱体の厚さを効果的に低下させることができるだけでなく、印刷回路（即ち、電子ペースト）を直接セラミック発熱体表面に露出させることもできるため、発熱効率を大幅に向上させ、また、先ほどと同じように電源を保護することを考慮に入れると、同様に、一端の電子ペーストをより少なくして、当該端の動作温度をより低くすることもできる。また、デカール印刷を採用する過程において、平面上でパターン設計を行うため、必要に応じて異なる印刷回路パターンを容易に設計することができ、製造されたセラミック発熱体に所望の外観を持たせることができる。本発明の好ましい実施形態では、前記デカール印刷は、紙ベースフィルム上に電子ペーストを印刷（例えば印刷抜け、塗布等）してデカール紙を製造することを含んでもよく、好ましくは、前記印刷によって電子ペーストの紙ベースフィルムの一端における濃度は他端における濃度よりも大きいようにする。

本発明によれば、紙ベースフィルムの組成に特に制限がなく、本分野でよく見られる原料で製造することができる。好ましい実施形態では、前記紙ベースフィルムは、ティッシュペーパー、木材パルプ紙、炭繊維紙、合成繊維紙、天然繊維紙などのうちの少なくとも１つによって製造される。

本発明によれば、本発明の電子ペーストのデカール紙を製造した後に、このデカール紙をセラミック棒ベースに移転させることができ、後続の加工によって電子ペーストをセラミック棒ベース表面に完全に付着させることができる。好ましい実施形態では、前記デカール印刷は、前記デカール紙を酸塩基処理されたセラミック棒ベースに貼り付けることをさらに含み、好ましくは、前記デカール紙を貼り付けたセラミック棒ベース（好ましくはＨ_２とＮ_２の混合ガス下）を１２００℃－１８００℃の温度で１－４ｈ焼成することをさらに含む。１つのより好ましい実施形態では、前記デカール印刷は、焼成プロセスの前に、デカール紙を貼り付けたセラミック棒ベースを１００℃－１５０℃で乾燥させ、３００℃－６００℃で脱バインダすることをさらに含む。

本発明によれば、絶縁、強度向上、加熱器保護の役割を果たすために、セラミック発熱体の表面にも釉薬層を設けることができる。従って、好ましい実施形態では、前記方法は、前記デカール印刷の後に釉薬を浸し掛けを行い、その後、１０００℃－１２００℃の温度で焼成することをさらに含む。焼成した後に、セラミック発熱体にリード線を設置することができるので、本発明の方法はセラミック発熱体に溶接点で表面処理を行い、溶接線治具を利用してリード線を溶接点、はんだをと固定して加熱炉に入れて７００℃程度の条件でリード線溶接を行い、完成品にすることもできる。

本発明の前記各好ましい実施形態は、単独でまたは他の実施形態と組み合わせて使用することができる。特に好ましい実施形態では、本発明のセラミック発熱体の製造方法は、（１）製品の要求に応じて、セラミック棒ベースの直径、長さ、要求に応じた電子ペースト、印字重量および生産に必要な金型、治具を設計することと、（２）クリーンルームにおいて、精密シルク印刷機を利用して、製造された電子ペーストをスクリーン版の回路部分を通し、水溶性接着剤が塗布された紙ベース表面に印刷して、デカール紙を製造し、前記紙ベースは、ティッシュペーパー、木材パルプ紙、炭繊維紙、合成繊維紙、天然繊維紙などのうちの少なくとも一つで製造されることと、（３）酸塩基処理されたセラミック棒ベースに発熱回路が印刷されたデカール紙紙を貼り付けることと、（４）デカール紙が貼り付けられたセラミック棒を１００℃－１５０℃で乾燥させ、３００℃－６００℃で脱バインダさせることと、（５）脱バインダ後、全体がＨ_２とＮ_２混合ガス下および１２００℃－１８００℃の温度で１－４時間焼成することと、（６）焼成したセラミック加熱棒を釉薬を浸漬方式で透明な薄い薄い釉薬層を掛け、還元雰囲気炉に押し入れて、１０００－１２００℃の温度で高温焼成を行うことと、（７）焼成したセラミック発熱体を溶接点で表面処理した後、溶接線治具を利用してリード線を溶接点、はんだをと固定して加熱炉に入れて７００℃程度の条件でリード線溶接を行い、完成品を製造することとを含む。

さらに、本発明は、前記セラミック発熱体および前記の方法により製造されたセラミック発熱体の新型タバコ製品用発熱器における用途をさらに提供し、特に低温シガレット用発熱器における用途を提供する。

９４重量％のテルピネオール、５重量％のエチルセルロースと１重量％の無水エタノールの混合物を有機担体として、それは、テルピネオール、エチルセルロースと無水エタノールを比例で計量した後、磁力撹拌器により水浴温度が９０℃で均一に混合して製造する。９０重量部のタングステン粉末、１０重量部のマンガン粉末を秤量して均一に混合し、混合粉末と１０重部量の有機担体を混合した後、惑星ボールミルに入れて研磨し、ここでは、無水エタノールをボールミル媒体とし、混合物とボールミル媒体の重量比は１．５：１であり、ボールミル速度は５００ｒ／ｍｉｎであり、時間は１．５ｈであり、それにより電子ペースト組成物Ｃ１を製造する。同様にして５ロット分の電子ペースト組成物Ｃ１を得る。

表１に示すような含有量に応じて、上記と同様に電子ペースト組成物Ｃ２－Ｃ８を製造し、電子ペースト組成物毎に５ロットずつ製造した後、全てのロット分の電子ペースト組成物をスクリーン印刷等の本分野における従来の技術によりセラミックベースに印刷し、発熱素子を形成する。電子ペースト組成物Ｃ１－Ｃ８の各ロットで得られた発熱素子の２５℃、８３℃、１５０℃、および２３０℃での抵抗値を測定して、各ロットの抵抗値を最小二乗法と線形フィッティングにより抵抗温度係数を得る。電子ペースト組成物Ｃ１－Ｃ８のそれぞれについて、５ロットの抵抗温度係数ＴＣＲ１、ＴＣＲ２、ＴＣＲ３、ＴＣＲ４、およびＴＣＲ５に基づいて、５ロットの平均抵抗温度係数（平均ＴＣＲ）と、各ロットの抵抗温度係数偏差率ＴＣＲ（ＴＣＲｎ－平均ＴＣＲ）／平均ＴＣＲ（ｎは１、２、３、４または５）を算出し、さらに５ロットの抵抗温度係数の平均偏差率（５ロットの抵抗温度係数偏差率の平均値）を計算し、表２に示す。

上記実施例によれば、本発明の電子ペースト組成物（Ｃ５－Ｃ８）により、優れた性能を有する発熱素子を製造することができ、それにより、複数ロット間の抵抗温度係数の平均偏差が、他の他の電子ペースト組成物（Ｃ１－Ｃ４）が製造した発熱素子の抵抗温度係数の平均偏差より著しく低く、均一かつ低い抵抗温度係数の優れた性能を示す。

以上は、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態の具体的な詳細に限定されるものではなく、本発明の技術的な構想の範囲内で、本発明の技術的解決策に対して、本発明の保護範囲に属する複数の簡単な変形を行うことができる。

さらに説明する必要があるのは、上記実施形態で説明した各具体的な技術的特徴は、矛盾することなく任意の適切な方式で組み合わせることが可能であり、不必要な重複を回避するために、本発明は様々な可能な組み合わせ方式については別途説明しないことである。

また、本発明の様々な実施形態の間で任意の組み合わせが可能であり、本発明の精神に反しない限り、本発明が開示したものとみなすべきである。

Claims (12)

1. セラミック発熱体であって、前記セラミック発熱体は、セラミック棒ベースを含み、前記セラミック棒ベースの表面には、抵抗発熱素子が設けられ、前記抵抗発熱素子は、タングステンと、マンガンと、ルテニウム、テルル、ゲルマニウムとバナジウムかなる群から選択される少なくとも１つとを含む合金であり、前記セラミック棒ベースの材料は、アルミナ、窒化けい素、ガラス、窒化アルミニウム、および炭化けい素のうちの少なくとも１つであり、前記抵抗発熱素子は、タングステン、マンガン、添加剤および有機担体を含み、前記添加剤は、ルテニウム、テルル、ゲルマニウムとバナジウムかなる群から選択される少なくとも１つである電子ペーストをデカール印刷する、前記セラミック棒ベースの一端はテーパ状であり、前記セラミック棒ベースの長手方向におけるテーパ状に近い端部の抵抗発熱素子のサイズは、他端よりも大きいことを特徴とするセラミック発熱体。
2. 前記タングステンとマンガンの重量比は、７：３－９．５：０．５である
   ことを特徴とする請求項1に記載のセラミック発熱体。
3. 前記添加剤の含有量は、前記タングステンとマンガンの総重量に対して、０．５－５重量％であることを特徴とする請求項1から2のいずれか一項に記載のセラミック発熱体。
4. 前記有機担体は、テルピネオール、エチルセルロースおよび無水エタノールの混合物であり、前記有機担体の含有量は、前記タングステンとマンガンの総重量に対して、５－２０重量％であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のセラミック発熱体。
5. 請求項１から4のいずれか一項に記載のセラミック発熱体を製造する方法であって、前記方法は、電子ペーストをセラミック棒ベースにデカール印刷することを含むことを特徴とする方法。
6. 前記デカール印刷は、紙ベースフィルム上に電子ペーストを印刷してデカール紙を製造することを含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
7. 前記印刷によって電子ペーストの紙ベースフィルムの一端における印加量は他端における印加量よりも大きいようにすることを特徴とする請求項6に記載の方法。
8. 前記紙ベースフィルムは、ティッシュペーパー、木材パルプ紙、炭繊維紙、合成繊維紙、天然繊維紙などのうちの少なくとも１つによって製造されることを特徴とする請求項6または7に記載の方法。
9. 前記デカール印刷は、前記デカール紙を酸塩基処理されたセラミック棒ベースに貼り付けることをさらに含み、前記デカール印刷は、前記デカール紙を貼り付けたセラミック棒ベースを１２００℃－１８００℃の温度で１－４ｈ焼成することをさらに含むことを特徴とする請求項6または7に記載の方法。
10. 前記デカール印刷の後に浸し掛けを行い、続いて、１０００℃－１２００℃の温度で焼成することをさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
11. 請求項１から７のいずれか一項に記載のセラミック発熱体および請求項5から10のいずれか一項に記載の方法に基づいて製造されるセラミック発熱体の使用方法であって、前記使用方法は、セラミック発熱体を新型タバコ製品用発熱器に用いることであることを特徴とする使用方法。
12. 前記新型タバコ製品は低温シガレットであることを特徴とする請求項11に記載の使用方法。