JPH06104072A

JPH06104072A - 発熱素子およびそれを用いた面状発熱体

Info

Publication number: JPH06104072A
Application number: JP25116892A
Authority: JP
Inventors: Masaki Ikeda; 正樹池田; Masahiro Hiraga; 将浩平賀; Haruhiko Handa; 晴彦半田; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】電気絶縁性、耐熱性、耐久性に優れた発熱素子
と面状発熱体を提供することる。【構成】電気抵抗発熱素子１と、その表面に電気泳動電
着法によって、結晶化ガラス粒子を被覆、焼成して形成
された結晶化ガラス層２とを備えた発熱素子である。従
って、高温における焼成により形成される結晶化ガラス
材料を直接、電気泳動電着によって電気抵抗発熱素子１
に形成するため、耐熱性、絶縁耐力も非常に高い値を示
している。さらにガラス層２は緻密に被覆されているた
め、水中での絶縁性に優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気エネルギーを熱源
とした各種暖房器や調理機器に用いられる発熱素子およ
び面状発熱体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、面状発熱体として樹脂フィルムで
電気発熱体を挟着したものが多用されているが、樹脂フ
ィルムの耐熱性が低いため、２００℃以上では使用でき
ない。

【０００３】さらに耐熱性を上げたものとして、耐熱
性、絶縁性にすぐれたマイカ板で電気抵抗発熱素子を挟
持したヒータが市販されている。しかし、マイカ板は耐
湿特性に劣るため、高湿雰囲気では絶縁性が著しく劣化
するため使用できなかった。

【０００４】そこで、特開昭６１−１２８４８７号公報
に示されているような、ホーロ鋼板上に、絶縁性ホーロ
層を形成した後、そのホーロ層中に箔状の電気発熱素子
を一体に埋設した面状発熱体が提案されている。

【０００５】この面状発熱体の構成を図６に示す。図６
（ａ）は一部きり欠き斜視図であって、図（ｂ）は、そ
の矢視Ａ−Ａ断面図である。図に於て、１０は金属基体
で、その表面に絶縁性ホーロ層１１が被覆してある。そ
の上に、チタン乳白ガラスからなるホーロ層１２が形成
されている。電気抵抗発熱素子１３をホーロ層１２の表
面におき、その上から、ホーロ層１３を形成するスリッ
プを塗布し、焼成してホーロ層１３を形成する。こうし
てホーロ層１３によって被覆され、金属基体１０と一体
に結合された面状発熱体が得られる。この面状発熱体は
電気絶縁性に比較的優れているので、１５０℃〜３００
℃の中高温度域で使用するのに適し、しかも薄型で長寿
命が期待できるなどの長所を有する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、耐湿性に優れ
たヒータにするためには、ホーロ層１３の膜厚を厚くす
る必要があるが、加熱時にそのホーロ層１３の剥離等が
発生し現実的ではなかった。さらに、加熱サイクル寿命
特性から、絶縁性ホーロ層１１に膨張率が適合した金属
基材１０の選択が必要不可避で、この構成では基板材料
に選択自由度がなかった。

【０００７】また、電気用品規格には、絶縁抵抗が使用
時１ＭΩ以上、絶縁耐力１ｋＶ以上と規定しているが、
このタイプの面状発熱体の最大の課題は上記特性の安定
化にある。

【０００８】面状発熱体の絶縁抵抗は次式によって表さ
れる。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここでＲは面状発熱体の絶縁抵抗、ρ_tは
ホーロ層の体積固有抵抗、Ａは電気発熱素子の面積、ｄ
はホーロ層の膜厚を示す。

【００１１】ホーロ層の膜厚ρ_tはホーロ密着性の観点
から決定されるもので、たかだか１００〜３００μｍ程
度である。面状発熱体の絶縁抵抗を向上させるには、体
積固有抵抗の優れたガラスフリットで絶縁ホーロ層を形
成すれば良い。ガラスフリットの体積固有抵抗はガラス
中のアルカリ成分（Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｌｉ₂Ｏ）によっ
て大きく影響を受ける。アルカリ成分量の少ないガラス
フリットの選択によって絶縁抵抗の安定化が達成でき
る。

【００１２】しかしながら、絶縁耐力については、上記
の絶縁抵抗ほど明確な関係が得られず、使用するガラス
フリットの種類、膜厚、焼成条件等によってその特性が
著しく変化する。本発明者らは特開昭６１−１２８４８
７の図５の１２のホーロ層にチタン乳白フリットを用い
れば、絶縁耐力の向上化が達成できることを見いだし
た。しかしながら、この方法だけでは、絶縁耐力の安定
化には問題がある。特に、ヒートサイクル試験（４００
℃〜水中急冷）を行うとホーロ層に亀裂が生じるため、
絶縁抵抗や絶縁耐力の劣化が課題であった。

【００１３】以上のように、本発明は、このような従来
の面状発熱体の課題を考慮し、耐熱性、絶縁耐力が良く
且つ安定し、耐湿性に優れ、面状発熱体を構成する基材
の選択自由度に優れている面状発熱体を提供することを
目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気抵抗発熱
素子表面に電気泳動電着法等の方法で結晶化ガラス粒子
を被覆、焼成して結晶化ガラス層を形成したものであ
る。

【００１５】また、その発熱素子と板状基体とを一体化
したものである。

【００１６】

【作用】本発明では、例えば、アルカリ成分（Ｌｉ
₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ）を全く含まない無アルカリ結晶
化ガラスを用いることにより、電気絶縁性が飛躍的に向
上する。また、このガラスは焼き付けるときに無数の微
結晶が析出するので、セラミックスに近く、耐熱性（９
００℃程度）が大幅に向上する。それに比べて通常用い
られるガラスはアモルファスであるため耐熱温度（６０
０℃程度）が低い。例えば、電気抵抗発熱素子が７００
℃に加熱すると、アモルファスガラスは耐熱温度以上で
はガラスが、軟化、流動するので、ガラス中の小さな泡
が成長して大きな泡となる。その結果、その大きな泡が
原因となって絶縁耐力の低下を招く。それに対して無ア
ルカリ結晶化ガラスは、結晶の析出により耐熱性が向上
するので電気発熱素子を８００℃で加熱されても、結晶
化ガラス層が軟化、流動することがなく、結晶化ガラス
層中の泡が大きく成長することがない。故に、絶縁耐力
も高い値を示す。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１８】図１は本発明の実施例にかかる電気抵抗発
熱素子の断面図、図２はその発熱素子の平面図であっ
て、１は電気抵抗発熱素子自体、２はそれを被覆する結
晶化ガラス層である。

【００１９】（１）電気抵抗発熱素子本実施例に用いられる電気抵抗発熱素子は、基本的には
薄帯状、ラス網状、コイル状のＦｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ
−Ｃｒ，ステンレス鋼などの各種電気抵抗発熱材が好ま
しい。

【００２０】（２）結晶化ガラス層本実施例の構成要素の一つである結晶化ガラス層は、電
気絶縁性、耐熱性の観点から、無アルカリ結晶化ガラス
（焼成によって、たとえば MgO系の結晶相を析出）で構
成されるほうが好ましい。そのガラス組成は、特に MgO
が16−50重量％,SiO₂が7−30重量％, B₂O₃が5−34重量
％、BaOが0−50重量％,La₂O₃が0−40重量％,CaOが0−20
重量％,P₂O₅が0−5重量％,MO₂が0−5重量％（但し MはZ
r,Ti,Snのうち少なくとも一種の元素）からなるときが
より好ましい。

【００２１】このように、結晶化ガラス材料が選択され
る理由の１つは、ガラス層の耐熱温度が高くなるためで
ある。すなわち、本実施例の発熱素子は通電加熱される
ため電気抵抗発熱素子を被覆するガラス層の耐熱温度は
少なくとも900℃以上必要である。本実施例に用いるガ
ラス材料は結晶化させることにより耐熱温度が900℃以
上（900℃でもガラスが流動しないので、電気発熱素子
を通電加熱しても、ガラス層内の泡が大きく成長しな
い。その結果絶縁耐力は劣化しない）になる。それに対
して一般の非晶質ガラスは、再加熱しても結晶化しない
ので耐熱性（約600℃以上でガラスが流動するので、電
気発熱素子を800℃以上で形成すると、ガラス層内の泡
が大きく成長して絶縁耐力の低下を招く）は向上しな
い。

【００２２】結晶化ガラス材料が選択されるもう１つの
理由は、電気抵抗発熱素子とガラス層との密着性を強固
にするためである。特に、上記の組成のガラスは、密着
性が非常に強固である。

【００２３】（３）発熱素子の形成法上記結晶化ガラス層を電気抵抗発熱素子上に被覆する方
法として、通常のスプレー法、粉末静電塗装法、電気泳
動電着法等がある。しかし、被膜の緻密性、電気絶縁性
等の観点から、電気泳動電着法が、最も好ましい。

【００２４】この方法に用いられるスラリーは、ガラス
とアルコールおよび少量の水を入れてボールミル中で約
20時間粉砕、混合し、調製される。本実施例のスラリー
中のガラスの平均粒径は１〜５μm程度である。得られ
たスラリーを電解槽に入れて、液を循環する。そして、
電気抵抗発熱素子を、このスラリー中に浸漬し、100〜4
00Ｖで陰分極させることにより、電気抵抗発熱素子表面
にガラス粒子を析出させる。これを乾燥後、850〜900℃
で１０分〜１時間焼成する。これによって、ガラスの微
粒子が溶融すると共に、ガラスの成分と金属材料が、相
互拡散するため結晶化ガラス層と電気抵抗発熱素子との
強固な密着が得られる。

【００２５】なお、焼成は常温から徐々に昇温して上記
温度に到達させるほうが微細針状結晶が無数に析出し、
耐熱性がより向上する。

【００２６】本実施例の上記発熱素子はそのまま加熱用
熱源として使用することも可能であるが、板状体と一体
化して後述の面状発熱体として使用することも可能であ
る。

【００２７】（４）面状発熱体の構成面状発熱体として、使用する場合の構成を以下に示す。

【００２８】（ａ）板状体本実施例の面状発熱体に使用される板状体は鉄、ステン
レス、アルミニウム、銅、各種合金材、各種クラッド
材、各種メッキ鋼板などの金属材料あるいはそれらの金
属材料にホーロ層、耐熱塗料層、遠赤外線放射被膜層、
酸化被膜処理層、メッキ処理層を形成した材料も選択さ
れる。さらに、セラッミックス材料、マイカ材料、樹脂
材料なども有効である。その材料選択は面状発熱体の動
作温度によって決定される。

【００２９】材質が決定されれば、所望の形状加工、穴
加工等が通常の機械加工、エッチング加工、レーザ加工
等が施される。

【００３０】（ｂ）発熱素子と板状体との一体化本実施例の面状発熱体の発熱素子と板状体との一体化方
法としては、（イ）ガラス材料、耐熱性接着剤などの接
着剤で発熱素子を板状体に接合する方法、（ロ）発熱素
子を複数の板状体で挟持する方法などがある。

【００３１】次に、更に詳しい具体的な実施例について
説明する。（実施例１）（表１）のＮＯ７に示す組成の結晶化ガラ
スを用いて、前述のごとく作製した電着用スラリー中
に、図２に示したSUS430製電気抵抗発熱素子１を浸漬
し、基材表面を１５０Ｖ／ｃｍの電圧勾配で陰分極し、
表面に厚さ100μm電気泳動電着し、さらに880℃で10分
間焼成し本実施例の電着法サンプルとした。

【００３２】

【表１】

【００３３】さらに比較として、ＮＯ７組成のガラス10
0部に粘土４部、亜硝酸ソーダ0.1部、水３５部を添加、
１時間ボールミル粉砕し、ホーロスリップとした、これ
を、電気抵抗発熱素子表面にスプレーガンで約１００μ
ｍ形成し、880℃で10分間焼成しスプレー法サンプルと
した。スプレー法で作製したホーロスリップ中に電気抵
抗発熱素子を浸漬した後、同様に880℃で10分間焼成
し、ディップ法サンプルとした。これらサンプルの絶縁
性評価を行った。絶縁評価は発熱素子サンプルおよび対
極を水中に浸漬し、対極と発熱素子間の絶縁抵抗と絶縁
耐力を測定した。なお、絶縁抵抗は電圧５００Ｖ印加の
時の抵抗を測定した。絶縁耐力は国洋電機（株）製耐圧
絶縁自動試験器を用い、遮断電流を１０ｍＡに設定し、
１分間１０００Ｖ電圧印加し、その時のリーク状態を
○、×で評価した。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から明らかなように、本実施例の電着
法で形成した発熱素子は電気絶縁性に著しく優れている
ことが判明した。スプレー法、ディップ法はホーロを均
一に被膜化することは難しいため、ホーロ欠陥部が電気
絶縁性不良部となる。それに対し、本実施例である電着
法は、電気化学的にガラス層を均一に形成することがで
きるため、ホーロ欠陥部がなく、電気絶縁性に優れてい
る。（実施例２）図２に示したSUS430製電気抵抗発熱体の表
面に、（表１）、（表３）〜（表６）に示す組成の結晶
化ガラス層を厚さ100μm電気泳動電着し、880℃で10分
間焼成しサンプルの表面粗度、うねり性、耐熱性等の諸
特性を調べた。その結果を組成とともに（表１）、（表
３）〜（表６）に示している。

【００３６】

【表３】

【００３７】

【表４】

【００３８】

【表５】

【００３９】

【表６】

【００４０】なお、表面粗度はタリサーフ表面粗さ計で
測定し、表面中心線平均粗さRaで示し、絶縁耐圧は実施
例１の絶縁耐力評価と同じ方法で行なった。

【００４１】耐熱性は、サンプルを850℃の電気炉中に1
0分間入れ、炉から取り出し30分間、自然放冷を繰り返
すスポーリングテストを行って、サンプルのクラックや
剥離の状態を調べた。なお、クラックは赤インク中に浸
漬し、その後、表面を拭き取って、目視観察によって、
その有無を調べた。表中の○、△、×は、○が10サイク
ル以上行っても、異常が認められないもの、△は５〜９
サイクルで発生したもの、×は４サイクル以下で発生し
たものを示す。

【００４２】密着性は、基体の曲げ試験を行い、ガラス
層が剥離して金属部が露出したものを×、金属部が一部
だけ露出したものを△、金属部が露出していないものを
○とした。

【００４３】以上の評価にもとずき総合評価を行い、そ
の結果を○、△、×で示した。No１〜８は他の成分を一
定として、SiO₂とB₂O₃を変化させたもの、No９〜15は、
SiO₂/B₂O₃をほぼ一定にし、MgO量を変化させたもの、No
16〜19は同じく CaO量を変化させたもの。No20〜24は、
同じく、BaO量を変化させたもの。No25〜29は、同じくL
a₂O₃量を変化させたもの。No30〜42はそれぞれ、ZrO₂、
TiO₂、SnO₂、P₂O₅、ZnOの影響を示す。

【００４４】各表から明らかなように、いずれの組成で
も電着法で形成すれば、絶縁耐圧は問題なかったが、そ
の他の特性は組成によって変化した。SiO₂を増加させれ
ば、耐熱性は向上するが、表面性、および密着性が悪く
なる。逆に、B₂O₃量を増加させれば、表面性、密着性は
向上するが耐熱性は低下する。したがって、本発明で
は、SiO₂７〜30重量％、B₂O₃５〜34重量％の範囲内が好
ましい。

【００４５】MgO量は結晶性と相関があり、16重量％以
下では結晶析出が不十分で、耐熱性に劣る。また、50重
量％以上では、結晶が析出しやすく、ガラス溶融時に簡
単に結晶化し、均質なガラスを得ることが難しく、ま
た、表面粗度が大きくなる。

【００４６】CaO量は、20重量％以上入れると、表面性
が悪くなり好ましくない。

【００４７】BaO量は、50重量％以上では、耐熱性、お
よび密着性が劣化し好ましくない。

【００４８】La₂O₃は、40重量％以上では、耐熱性が劣
化し好ましくない。

【００４９】その他の添加可能な成分はZrO₂、TiO₂、Sn
O₂、P₂O₅、ZnOなどが挙げられるが、５重量％以下まで
なら添加可能である。（実施例３）２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．８ｍｍのホ
ーロ用鋼板基体を脱脂・水洗・酸洗・水洗・ニッケルメ
ッキ・水洗して基材の前処理を行った後、日本フェロー
社製１５５３Ｃ乳白フリットを用いて作製した釉薬スリ
ップをスプレーガンで基材の両面に約１００μｍ形成し
た。さらに８００℃の焼成炉中で７分間焼成し、板状体
とした。この板状体の上に、（表１）のＮＯ７の組成で
作製した電気抵抗発熱素子を配置し、さらに７５０℃で
再焼成し、板状体と発熱素子を一体化し、面状発熱体と
した。その断面図を図３に示した。ここで３は板状体、
４は接着層である。（実施例４）２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．５ｍｍのア
ルミニウム基体を脱脂・水洗した後、三重油脂製耐熱塗
料を約３０μｍ塗布した後、（表１）のＮＯ７の組成で
作製した発熱素子を配置し、５００℃で焼成し、塗料焼
き付けと発熱素子の一体化を同時に行い、面状発熱体と
した。その断面図を図４に示した。（実施例５）（表１）のＮＯ７の組成で作製した発熱素
子を、２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．５ｍｍのアルミニ
ウム基体と２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．５ｍｍのマイ
カ板で挟持し、リベットで固定し面状発熱体とした。そ
の断面図を図５に示した。

【００５０】以上の実施例３、４、５の面状発熱体につ
いて金属基体と電気発熱素子間の絶縁抵抗と絶縁耐力を
測定した。なお、絶縁抵抗は電圧５００Ｖ印加の時の抵
抗を測定した。絶縁耐力は国洋電機（株）製耐圧絶縁自
動試験器を用い、遮断電流を１０ｍＡに設定し、１分間
電圧印加し、ショートしたときの電圧で示した。また、
上記の面状発熱体を４００℃に加熱し、１０分間保持し
た後、水中に投入するヒートショック試験を２０サイク
ル行った。２０サイクル後の絶縁抵抗と絶縁耐力も測定
した。以上の結果を（表７）に示す。

【００５１】

【表７】

【００５２】以上のように本実施例の面状発熱体は４０
０℃〜水中急冷試験を行っても絶縁抵抗や絶縁耐力が劣
化しないことが判明した。さらに焼成温度が基材の融点
を越えるため、使用できなかったアルミニウム基材も使
用できる。

【００５３】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、高温における焼成により形成される結晶化ガ
ラス材料を電気泳動電着によって電気抵抗発熱素子に形
成するため、耐熱性、絶縁耐力も非常に高い値を示して
いる。

【００５４】また、ガラス層は緻密に被覆されているた
め、水中での絶縁性に優れている。

【００５５】また、面状発熱体を構成する基材の選択自
由度に優れるという長所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる電気抵抗発熱素子の
断面図である。

【図２】同実施例における電気抵抗発熱体の平面図であ
る。

【図３】本発明の一実施例における面状発熱体の断面図
である。

【図４】本発明の他の実施例における面状発熱体の断面
図である。

【図５】本発明の他の実施例における面状発熱体の断面
図である。

【図６】（ａ）は、従来の比較例における面状発熱体の
一部きり欠き断面図、（ｂ）はその断面図である。

【符号の説明】

１電気抵抗発熱体２結晶化ガラス層３板状体４接着層１０金属基体１１第１のホーロ層１２第２のホーロ層１３オーバーコート層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田昭彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気抵抗発熱素子と、その表面に、結晶
化ガラス粒子を被覆、焼成して形成された結晶化ガラス
層とを備えたことを特徴とする発熱素子。
【請求項２】結晶化ガラス層は電気泳動電着法で形成
されたものであることを特徴とする請求項１記載の発熱
素子。
【請求項３】結晶化ガラス層の材料の組成が、MgOが1
6−50重量％、SiO₂が7−30重量％、B₂O₃が5−34重量
％、BaOが0−50重量％、La₂O₃が0−40重量％、CaOが0−
20重量％、P₂O₅が0−5重量％、MO₂が0−5重量％（但
し、MはZr,Ti,Snのうち少なくとも一種の元素）である
ことを特徴とする請求項１記載の発熱素子。
【請求項４】請求項１、２又は３の発熱素子が板状体
に一体化されていることを特徴とする面状発熱体。
【請求項５】一体化は、接着材でなされていることを
特徴とする請求項４記載の面状発熱体。
【請求項６】板状体は、金属材料、セラミックス材
料、マイカ材料、あるいはそれら材料にホーロ層、耐熱
塗料層を被覆した材料から、任意に選択されていること
を特徴とする請求項４記載の面状発熱体。