JPH025392A - ガラス―セラミック加熱素子及びその製造方法 - Google Patents

ガラス―セラミック加熱素子及びその製造方法

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JPH025392A
JPH025392A JP63293730A JP29373088A JPH025392A JP H025392 A JPH025392 A JP H025392A JP 63293730 A JP63293730 A JP 63293730A JP 29373088 A JP29373088 A JP 29373088A JP H025392 A JPH025392 A JP H025392A
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ユーグ・ボドリー
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マルク・モヌレー
Claude Morhaim
クロード・モルエ
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    • H05B3/74Non-metallic plates, e.g. vitroceramic, ceramic or glassceramic hobs, also including power or control circuits
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ガラス−セラミック板上に設けた平らな電
気加熱部材を少なくともそなえるガラス−セラミック加
熱素子に関する。
この発明は、維持が容易で650℃以上の高温で動作す
る熱源に用いるガラス−セラミック板が必要な家庭用具
を提供するのに用いられる。
フランス国特許第2410790号明細書には、電気こ
んろ(hot plate)の下につる巻線として配設
した電気加熱部材及び調理面域内で電気こんろに熱的に
結合する恒温センサをもそなえるガラス−セラミック調
理ユニ7)が開示される。調理面の外側域にはセンサの
熱的結合(thermal coupling)のため
の非加熱域を設け、調理面の残部を二線加熱部材でおお
い、その接続を調理面の周囲に配置する。しかし、この
ような構造の電気こんろは、若干の不利益点を有する。
第一に、加熱デバイスがその構造が複雑なためまだ高価
である。更に、該デバイスがガラス−セラミック板から
若干距離を置いて設けられるので、熱損失がある。した
がって、これは、主として空気の熱伝導が劣ることちよ
る冷及び熱時定数の影響を受け、これがこの型の電気こ
んろの使用を、例えば調節可能な焔を有する調理器具よ
り柔軟性でなくする。
この発明の目的は、この形の不利益点ヲ有しない加熱素
子を提供することである。
この発明に従って、これらの問題は、電気加熱部材を、
ガラス−セラミック板の作用面と区別するために下面と
呼ぶ面上にスクリーン印刷層を堆積することにより形成
し、これらの層が高温でガラス−セラミック材料に近い
膨張係数を有し、かつこれらの層を熱散逸により650
℃の程度の温度に加熱しうること、並びに該加熱部材を
、この下面から出発して、高温において電気絶縁体を構
成する材料の第1層21、加熱部材の入力及び出力用の
2本の電流供給線自及びC2を形成する導電性材料の第
2層22並びに全熱源面にわたって熱を均一に分散させ
つるような設計の回路の形で、線C3と02との間に配
置した加熱抵抗体Rを構成する5秀電体材料の第3層2
3により形成することを特徴とする冒頭に述べた形の加
熱素子により解決される。
このように設計する場合、この発明は、前記問題に加え
て若干の他の問題を解決する。実際、技術の現状では、
セラミック(AI。03)基板上にスクリーン印刷によ
り製造され、約150℃の程度の温度に到達しろる抵抗
体が既に知られている。これろの温度は、650 ℃程
度の温度が必要である調理目的用電気こんろを提供する
には絶対に不十分である。
この発明は、この問題を耐高温ペースト用新規配合を提
供することにより解決する。しかし、またこのペースト
の膨張係数が調理温度において、又は動作温度において
、できるだけガラス−セラミック墓坂の膨張係数(これ
はほとんどゼロである。)に近いことも必要である。こ
れは、伝導性は子を含有する抵抗材料にとって実現が困
難である。しかし、この発明は、この問題を解決する。
この発明は、現在まで業界で全く知られていなかった問
題を提起し、かつ同時に解決する。
すなわち、電気抵抗体をガラス−セラミック材料上にス
クリーン印刷し、次いで電流を供給して熱伝達による加
熱素子を提供した場合、電気こんろで使用されるこれら
の高温ではガラス−セラミック材料支持体が導体になる
ようである。したがって、スクリーン印刷高温電気抵抗
体とガラス−セラミック材料との組合せを一般用途の調
理用レンジに適用することは、安全基準を満たさないで
あろうから、恐らく不可能と思われる。また、ゼロ値の
膨張係数を有する絶縁材を探す場合、高温で電気的に非
絶縁であることが分かっているガラス−セラミック材料
自体の配合に実際到達するであろうと思われるので、ガ
ラス−セラミック板とスクリーン印刷抵抗体の間に配置
するスクリーン印刷絶縁層は、用いることができないよ
うに思われる。
しかし、この発明は、このような高温でのガラス−セラ
ミック支持体に十分整合して適合する膨張係数を有する
、高温での電気的絶縁層用の配合を提供することにより
この問題を解決する。
従来技術からスクリーン印刷ペーストを提供するために
ガラス層とセラミック層のコンパウンドを通常用いるこ
とが知られている。絶縁層を形成しうるコンパウンドの
探索中、別の問題が起こった。抵抗体を得るために、選
ばれた材料は、考えている温度範囲に対して抵抗の正又
はゼロの温度係数を有さねばならない。しかも、この抵
抗の係数は、電気こんろのエージングの間、時間ととも
に変わってはならない。絶縁層に対してかなりのガラス
柑を有する材料、又はセラミック相が高温で分解してガ
ラスになる材料を選択した場合、このガラスが抵抗層中
に上がり、導電性粒子を包む傾向があり、温度係数を減
少させ、この結果、この温度係数をゼロより小さくする
ことさえ起こる。
これは、加熱素子の迅速な劣化を起こし、抵抗体の分解
に至る。この発明は、高温で抵抗層と反応しない絶縁層
を提供することによりこの問題を解決する。
したがって、抵抗体は高温で完全に絶縁され、その温度
係数は正であり、全デバイスはエージング過程に十分耐
える。この発明とその作用は、添付図面を参照して次の
説明からいっそうよく理解されるであろう。
第1図の断面図に示すように、この発明に従うガラス−
セラミック加熱素子は、上面11が作用部として役立つ
ガラス−セラミック板支持体10及びその下面12上に
設けた加熱素子用基板20をそなえる。
このような加熱素子は、極めて滑らかな作用部、したが
って調理なべからの固体又は液体食物粒子が、例えば、
とどまりうる溝がないので、清浄化が容易な作用部をそ
なえるという利点を有する。
この滑らかで平らな面は、調理なべを極めて安定した仕
方で作用部上に保ち、これにより良好な熱交換を可能に
するので、有利である。
ガラス−セラミック板の下面12は、第2図に平面図で
示す型の加熱素子により構成される少なくとも熱源によ
りおおわれる。
現在まで、ガラス−セラミック材料は、美的理由、前記
実用特性及びなかんずく耐熱衝撃性を極めて大きくする
ゼロの膨張係数を有するという事実によって電気こんろ
用に選ばれた。他方、この材料は、むしろ劣った熱伝導
体であり、したがって、加熱素子が加熱すべき表面から
若干距離を置いて存在する場合、かなりの温度勾配が空
気中につくられるという不利益点を有する。この点に、
ガラス−セラミック板と直接接続して熱抵抗を減少させ
る熱源を電気こんろに実現することを可能にするこの発
明の利点が存する。
ガラス−セラミック材料の熱伝導率が劣ることは、電気
こんろ間に各電気こんろの外部で、熱くなく、任意に電
気接点を伝統的な、したがって安価なはんだ付は材料を
用いて設けることができる領域を保つ利点として用いら
れる。
この発明に従って、仮のガラス−セラミック材料におけ
る、300℃より高い温度では無視し得ない電気伝導現
象の発生を防止するために絶縁層21を最初に面12上
に直接堆積させる。この材料は、第一に板10の膨張係
数に、より高くなった層23の膨張係数に、かつより高
温での係数にほぼ等しい膨張係数を有する型である。ま
た、この材料は、これらの同じ高温ですぐれた電気絶縁
を与える型のものでもある。最後にこの材料は、抵抗層
23に拡散せず、調理温度でも、高温でも拡散しない型
のものであり、かくしてエージング中抵抗層の温度係数
(TC)の変化を防止する。
第5a図の曲線C,は、絶縁材21の相対的線形変化Δ
1/Iを温度Tの関数として示し、第5b図の曲線Cv
は、同じ温度におけるガラス−セラミック材料10の対
応する変化を示す。これら二曲線は、両方共0に極めて
近い。
第2図に示すように、絶縁材21は、電気こんろの熱源
を構成する帯域の全面に堆積される。
第2図のそれぞれI−1軸及び■−■軸断面略図である
第3図及び第4図は、絶縁層21が100μm以上の厚
さの均一層であることを示す。
加熱素子に電流を供給する電流供給線C1及びC2は、
印加電圧及び所望温度によるが、約50μmの厚さの層
として絶縁層210表面上に堆積されたスクリーン印刷
条片の形でつくられる。これらの線は、導電性コンパウ
ンド22でつくられる。
抵抗コンパウンド23でつくられ、約10〜50μmの
厚さのスクリーン印刷層として堆積された条片Rが層2
1の表面上、電流供給線22の間に延在する。
層23を構成する抵抗材料は、高温でガラス−セラミッ
ク材料の膨張係数にできるだけ近い膨張係数を有するも
のである。
第2図は、これらの抵抗条片Rを電力供給線の間に堆積
させた2枚の有利な図面を示す。これらの図面は、この
発明に従う加熱素子を無差別に使うことができ、この型
の回路に対して絶対的にすべての型の構造を提供するこ
とができることを理解させるために、例として示しただ
けである。
しかし、回路の動作寿命の改良のために抵抗条片の製造
において鋭角を有する路の使用をできるだけ避けること
が有利である。
回路は、このようにして第2b図に示すような正方形帯
域、長方形、楕円形又は第2a図に示すような円形帯域
を形成して電気こんろをおおう。更に、消費者、すなわ
ち顧客の希望に従って異なる形状の若干の電気こんろを
そなえる調理場を提供することが望ましい。更に、現在
市販されている二つの標準径の表面だけでなく、任意所
望の表面積の電気こんろを実現することができる。
この発明に従う回路がガラス−セラミック調理域の下面
12に設けられるので、作用域として役立つ上面11に
は何もない。
この発明に従う加熱素子の別の利用として、浸漬ヒータ
ーとして使用するため別に回路をガラス−セラミック支
持体上に小さい寸法で形成することができる;例えば液
体を迅速に所定温度に加熱するのに使われる。液体中で
の電流損失を避けるために、回路を層21と類似の上部
絶縁層でおおうことができる。
浸漬ヒーター素子におけるこの使用のために、浸漬ヒー
ターの任意の型のように供給端子にも不滲透の絶縁スリ
ーブを設けることができる。
また、他の適用において、この発明に従う加熱素子を熱
空気対流炉又は熱風循環炉又はマイクロ波オーブン中の
頂部又は底部加熱板(底又は天井)を実現するにも用い
ることができる。
導体のろう付は接続を電気こんろの加熱域から離すよう
に、線C1及びC2は、それらの端部が比較的冷たい帯
域に確実に位置するように十分な程度延在される。ガラ
ス−セラミック材料の熱伝導率がかなり低いことを考え
れば、ガラス−セラミック材料支持体が絶対に電流導体
として作用しないことが確実なように温度が常に十分低
い帯域中に数CIOの距離、線C1及びC2を位置させ
ることで十分である。線自及びC2がこのいわゆる冷域
に達した場合、絶縁層21を層22の下で中断しこれら
の端子ではこの層22がガラス−セラミック材料と直接
接触するようにする。
このレイアウトは、必須ではなくて、線C1及びC2の
端部と、加熱抵抗体Rのための供給電流を導くための導
体との間のはんだ接続を設けるのが有利である。実際、
層22は、直接ガラス−セラミック材料に設けられる場
合、いっそうしっかりと固定され、いっそう良好な機械
抵抗を有する。これは、上記型の接続を実現することを
可能にする。
この発明に従って、層21.22及び23は、以下に述
べる配合のコンパウンドを用いるスクリーン印刷技術を
用いてつくられる。
高温絶縁スクリーン印刷ペーストがつくられ、窒素中で
焼成される絶縁組成物用の出発混合物は、欧州特許00
16498号明細書に開示された従来技術から知られ、
該明細書に前記混合物が次のモル比の酸化物; S+0□       30〜55% Zn0       20〜40% 8203       0〜20% Ah03      0〜10% SrO,Ban、 Can    5〜40%0000
〜10% により構成されるガラス柑と、ZnO’、−CoOによ
り構成されるセラミック材とを有し、混合物容量中ガラ
ス相が85〜60%、セラミック相が15〜40%を占
めることが記載されている。
しかし、この混合物は、高温においてアルミニウムの膨
張係数に近い、すなわちガラス−セラミック材料自体の
それとは極めて遠い膨張係数を有する。
このため、この発明に従って、層21に好適な、すなわ
ち、高温で絶縁性があり、同時にガラス−セラミック材
料に近い膨張係数を有し、しかもより高くなった抵抗層
に拡散しないスクリーン印刷ペースト用出発混合物は、
まず次のモル比の酸化物: 2nO+ Meo       50〜65%8203
10〜20% A1□0,0〜10% SiO□         40〜50%(式λleO
は、MgO,CaOのような耐火性酸化物から選ばれた
酸化物である。) で構成されるガラス相を有し、MenはZnO十!4e
O比が前記ガラス相の50〜65モル%を構成するよう
にZnOと関連してガラス相全体のモル比0〜10%を
占める。
一例において、次のモル比の酸化物: ZnO+ MeO62% B20317% 5in221% から構成されるガラス相が見られる。
別の例において、次のモル比の酸化物;7nO+)、l
eo      62%8203        12
% Al2035% 5102        21% から構成されるガラス相が見られる。
このような絶縁コンパウンド用の出発混合物は、更に無
定形相を有する。ガラス相と無定形相は、次のような容
量比で関係するニ ガラス相 3〜13%、好ましくは5%無定形相97〜
87%、好ましくは95%この発明に従って、無定形相
は、低膨張係数のため選ばれた無定形二酸化ケイ素によ
り構成される。
この発明に従う絶1縁スクリーン印刷ペーストを適当に
実現するために、前記組成物又は示した例の一つに相当
するモル比のガラスを最初につくった。このようにして
得られたガラスをミルにかける。このミル作業中に無定
形相を形成する粉末を選ばれた容量比で混合して均一な
混合物とする。
ミル粉砕は、液体剤、例えば水、の中で行うことができ
る。次いで、ミル作業生成物を乾燥し、有機媒質中に分
散させる。
この出発混合物をスクリーン印刷に適するようにする適
当な有機媒質として、重合体含有溶液、例えばテルピネ
オール又はテルピネオール基質混合物中のエチルセルロ
ース溶液を用いることができる。この有機媒質は、焼成
前、スクリーン印刷ペーストの重量の10〜40%を占
めることができる。
ペーストに対する有機媒質の比は、所望のレオロジー特
性の関数として選ばれる。
この場合、ガラス−セラミック上の加熱デバイス用に選
ばれた材料は、どれも空気中で酸化が起こる危険がない
ので、ペーストの焼成は、開放空気中で行われる。した
がって、有機媒質は、空気中の酸素の助けにより消費さ
れる。約900℃における焼成作業が約10分間コンベ
ヤー炉中で行われる。
他方、欧州特許第0048063号明細書は、±100
10−6℃−1の程度の抵抗の温度係数を有する抵抗コ
ンパウンド用の出発混合物を開示する。このコンパウン
ドは、二価及び/又は三価金属の六ホウ化物と、ホウ酸
カルシウム及び、恐らく、二酸化ケイ素よりなるガラス
フリットとの混合物により形成される活性相よりなる。
しかし、この抵抗ペーストにおいて、ガラス組成物は、
その目的が加熱抵抗体、いっそう詳細にはジュール効果
によって650℃に上げることができ、しかも何年にも
わたって保持される正の温度係数の抵抗を有する加熱抵
抗体ではない。
したがって、この発明に従って、この特性とガラス−セ
ラミック材料に近い膨張係数とを有する層23の実現に
好適なスクリーン印刷ペースト用出発混合物は、まず第
一に全混合物に対し次の容量比の化合物: Ru0z 15〜40%、好ましくはz30%CuO0
〜5% で構成される活性相と、溶融硬化ガラス−セラミックの
組成と同様な組成を有し、上記混合物に補足的な容1比
のガラス相とを有する。したがって、賢明な熱サイクル
によって、結合剤として作用するガラス基質は、その後
、同じサイクル中にガラス−セラミックに再結晶する。
このようにしてつくられたガラス−セラミックは、適当
な膨張係数を付与することを可能にする。
他方、この抵抗体の抵抗の温度係数は、適当な比を与え
られた場合、 20〜30  ℃  +520 ppmt−’300〜
650℃  +150 ppm″C,−1である。
抵抗スクリーン印刷ペーストを得るために、ガラスト目
をミル処理し、活性相を形成する酸化物を絶縁ペースト
の実現の場合の前記仕方で混入する。
この後、混合物を既に述べたレオロジービヒクル中に混
入する。
この発明に従って、層22における線C1及びC2をつ
くるのに適したスクリーン印刷ペーストは、−例におい
て銀粉末(八g)プラスパラジウム(Pd)若しくは白
金(Pt)で、又は他の例で少量の酸化銅(Cub)を
添加した銀粉末(Ag)だけでつくられ、次いでこの粉
末を前記と同様なレオロジービヒクル中に混入する。
次の表は、層21.22及び23用の出発混合物組成を
表示する。
表  1 絶縁層21用出発混合物 表■ 抵抗層23用出発混合物 表■ 導電層22用出発混合物
【図面の簡単な説明】
第1図は、加熱累子の断面略図、 第2a図及び第2b図は、この発明に従う電気抵抗体回
路の二つの例の回路平面図、 第3図は、第2図のI−I軸断面略図、第4図は、第2
図の■−■軸断面略図、第5a図は、温度Tと絶縁材の
相対的線形変化Δ1/1の関係を示すグラフ、 第51〕図は、温度Tとガラス−セラミック材料のt目
射的線形変化Δ1/1の関係を示すグラフである。 10・・・ガラス−セラミック板支持体11・・・土面
       12・・・下面20・・・加熱素子用基
板  21・・・絶縁層22・・・電流供給線    
23・・・抵抗層CI、 C2・・・電流供給線  R
・・・加熱抵抗体FIG、 2a IG 2b

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ガラス−セラミック板上に設け、周囲温度と約65
    0℃の間の温度に加熱して熱源を形成することができる
    平らな電気加熱部材を少なくともそなえるガラス−セラ
    ミック加熱素子において、前記電気加熱部材を、ガラス
    −セラミック板の作用面と区別するために下面と呼ぶ面
    上にスクリーン印刷層を堆積することにより形成し、こ
    れらの層が高温でガラス−セラミック材料に近い膨張係
    数を有し、かつこれらの層を熱散逸により650℃の程
    度の温度に加熱しうること、並びに該加熱部材を、この
    下面から出発して高温において電気絶縁体を構成する材
    料の第1層21、加熱部材の入力及び出力用の2本の電
    流供給線C_1及びC_2を形成する導電性材料の第2
    層22並びに 全熱源面にわたって熱を均一に分布させうるような設計
    の回路の形で、線C_1とC_2の間に配置した加熱抵
    抗体Rを構成する誘電体材料の第3層23により形成す
    ることを特徴とするガラス−セラミック加熱素子。 2、層21が熱源の面を基礎板から完全に絶縁し、導電
    層22を互いに絶縁され、熱源の周囲の両側に配置され
    た二つの条片C_1及びC_2として設け、抵抗層23
    を線C_1から線C_2に延在し、互いに間隔を置いて
    位置し、かつ熱源の全表面を加熱するように分布させた
    請求項1記載の加熱素子。 3、導電層22の条片が線状であり、抵抗層23の条片
    が線状で平行であり、熱源が正方形又は長方形形状であ
    る請求項2記載の加熱素子。 4、導電層22の条片が円弧であり、抵抗層23の条片
    が円弧であり、熱源が円形又は楕円形に近い形状を有す
    る請求項2記載の加熱素子。 5、出発混合物が次のモル比の酸化物: ZnO+MeO:50〜65% B_2O_3:10〜20% Al_2O_3:0〜10% SiO_2:40〜50% (式MeOは、MgO、CaOのような耐火性酸化物か
    ら選ばれた酸化物である。) で構成されるガラス相を有し、MeOはZnO+MeO
    比が前記ガラス相の50〜65モル%を構成するように
    ZnOと関連してガラス相全体のモル比0〜10%を占
    め、かつ出発混合物が無定形二酸化ケイ素により形成さ
    れる無定形相を有しガラス相が無定形相と関連してガラ
    ス相として3〜13容量%、無定形相として97〜87
    容量%を占める請求項1ないし請求項4のいずれか一つ
    の項に記載の加熱素子の層21の形成に適する絶縁ペー
    スト用出発混合物。 6、ガラス相が次のモル比の酸化物: ZnO+MeO:62% SiO_2:21% B_2O_3:17% から構成される請求項5記載の出発混合物。 7、ガラス相が次のモル比の酸化物: ZnO+MeO:62% SiO_2:21% B_2O_3:12% Al_2O_3:5% から構成される請求項5記載の出発混合物。 8、全混合物に対してガラス相が5容量%の比で無定形
    相が95容量%の比である請求項5ないし請求項7のい
    ずれか一つの項に記載の出発混合物。 9、出発混合物が全混合物に対し容量比でRuO_2:
    15〜40%、CuO:0〜5%で構成される活性相と
    、ガラス−セラミックの組成と同様な組成で残りの容量
    比で形成されるガラス相とを有する請求項1ないし請求
    項4のいずれか一つの項に記載の熱源の抵抗層23を得
    るのに適した抵抗ペースト用出発混合物。 10、出発混合物が銀粉末(Ag)と酸化銅(CuO)
    のそれぞれ80〜100%及び20〜0%の容量比で形
    成された、請求項1ないし請求項4のいずれか一つの項
    に記載の加熱素子用熱源の導電層22を得るのに適した
    導電性ペースト用出発混合物。 11、出発混合物が銀粉末(Ag)とパラジウム(Pd
    )又は白金(Pt)のそれぞれ80〜100%及び20
    〜0%の容量比で形成された、請求項1ないし請求項4
    のいずれか一つの項に記載の加熱素子用熱源の導電層2
    2を得るのに適した導電性ペースト用出発混合物。 12、少なくとも次の段階: a)請求項5ないし請求項8のいずれか一つの項に記載
    の出発混合物を、スクリーン印刷ペーストの重量の10
    〜40%比のレオロジー媒質、例えばテルピネオール混
    合物に混入してつくった抵抗ペーストによって絶縁層2
    1に対して選んだ形状に従ってスクリーン印刷によって
    絶縁層21を堆積させること、 b)この層をコンベヤー炉の中で空気中約900℃の温
    度で約10分間焼成すること、 c)請求項10又は請求項11に記載の出発混合物をス
    クリーン印刷ペーストの重量の10〜40%の比の、テ
    ルピネオール混合物のようなレオロジー媒質に混入して
    つくった導電性ペーストを用いて電流供給線C_1及び
    C_2を形成するように選んだ形状に従ってスクリーン
    印刷によって導電層22を堆積させること、 d)この層をコンベヤー炉の中で空気中約900℃の温
    度で約10分間焼成すること、 e)スクリーン印刷ペーストの全重量の10〜40%の
    比の、テルピネオール混合物のようなレオロジー媒質に
    請求項9記載の出発混合物を混入してつくった抵抗ペー
    ストを用いて加熱抵抗体Rを形成するように選んだ形状
    に従ってスクリーン印刷によって抵抗層23を堆積させ
    ること、 f)この層をコンベヤー炉の中で空気中約900℃の温
    度で約10分間焼成することよりなる請求項1ないし請
    求項4のいずれか一つの項に記載の加熱素子の製造方法
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