JPS59180984A - 面状発熱体 - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は、電気絶縁性ホーロ層中に電気発熱素子を一体
に埋設した面状発熱体に関するもので、この発熱体は、
暖房器、調理器、乾燥機器などの電気エネルギーを利用
した熱源として用いられるものである。

従来例の構成とその問題点 従来、電気エネルギーを利用した発熱体としてはシーズ
ヒータ、石英管ヒータ、面状発熱体などが知られている
。シーズヒータ、石英管ヒータは各種の用途に用いられ
ているが、被加熱物を均一に加熱するには適していない
。

一方、面状発熱体は、近年、機器の薄型化、均一加熱な
どのニーズに合った発熱体として脚光を浴びるようにな
ってきた・しかし、従来の面状発熱体は、雲母などの絶
縁基板にヒータを巻回した構造であり、被加熱物への熱
伝達か悪く、電気発熱材が封口されていないので、耐湿
特性に問題があり、使用条件が限定されていた。まだ、
近年、アルミナなどの生シートにタングステンなどの高
価でかつ、高融点の導電ペーストを用いて導電パターン
を形成し、シートを貼り合わせて焼結した面状発熱体か
あるが、これは電気的特性上はすぐれており、高温での
使用が可能であるが、焼結温度が高く、電極の取り出し
などに問題があった。

しかも、これらはコストが高くかつ、多くは抵抗値のバ
ラツキが大きく、製造の作業性、生産性などにも問題が
あった。その他に、有機質フィルムの間にカーボン等の
ペーストで導電パターンを形成し、ラミネートなどの方
法で発熱体を構成したものもあるが、これらの発熱体は
耐熱温度が２５０℃までであり、捷だ寿命的にも問題が
あった。

さらに最近、ホーロ層表面に発熱素子を設置し、この発
熱素子をさらにホーロ層で被覆した、言わゆる発熱素子
をホーロ層でサンドイッチにした面状発熱体が提案され
ている。

この発熱体は、ホーロ層が耐熱性に優れ、電気絶縁性に
も比較的優れているので、１００〜４００℃程度の中高
温度域で使用するのに適し、しかも薄型で長寿命が期待
できるなどの特徴を有する。

しかし、北記のような構成ではホーロ層間の密着性に問
題があり、さらには発熱素子と金属基材との間の絶縁性
も悪く、実用にはいたっていない。

発明の目的 本発明は、上記のように、発熱素子をホーロ層によって
挾持した構成の面状発熱体の問題を解決し、金属基板と
電気発熱素子との間の電気絶縁抵抗が実用的値を有し、
耐久強度の優れた面状発熱体を提供することを目的とす
る。

発明の構成 本発明の面状発熱体は、第１の絶縁ホーロ層を形成した
金属基板と、前記ホーロ層上に、第２の絶縁ホーロ層に
よって被覆して結合した電気発熱素子とを有する面状発
熱体であって、前記第１及び第２の絶縁ホーロ層を構成
するガラスフリットの軟化点をそれぞれ１１℃及び１２
℃としたとき、式○〈Ｔ２−Ｔ１く５ｏを満足するよう
にガラスフリットを選択したことを特徴とする。

実施例の説明 第１図は本発明による面状発熱体の基本構成を示す。１
は金属基板で、その両面もしくは片面に第１のホーロ層
２（以下ホーロ層Ｉという）を形成している。３は金属
の薄帯よりなる発熱素子である。この発熱素子３は第２
のホーロ層４（以下ホーロ層■という）によって被覆さ
れ、しかもホーロ層■によってホーロ層■に固着されて
いる。

以下、各構成要素について詳しく説明する。

（１）金属基板 面状発熱体を構成するホーロ基板の金属基材には、アル
ミニウム、アルミダイキャスト、鋳鉄、アルミナイズド
鋼、低炭素鋼、ホーロ用鋼板あるいはステンレス鋼板が
使用され、その選択にあたっては使用条件、使用温度、
基材の形状、加工性よシ決定され、必要に応じて前処理
が行われる。

以後の説明にはホーロ用鋼板を中心に述べる。

翰）電気発熱素子 本発明に適用できる電気発熱素子は、基本的には薄帯状
のものである。電気発熱素子はホーロ層■によって完全
に被覆する必要があシ、例えはコイル状あるいは厚い帯
状の発熱素子を用いると、それだけホーロ層■の膜厚が
犬となる。それにより、ホーロ層の密着性が極端に低下
し、外的なショックで、簡単にホーロ層が剥離し、電気
発熱素子が露出してし壕う。

本発明で用いる薄槽の厚みは１０〜２００μｍが適当で
、好ましくは３０〜１００μｍの範囲である。１０μｍ
以下の薄帯は、薄帯にするだめの加工が困難であるとと
もに、面状発熱体を製造する時に、薄帯が破れたり、折
れたり、曲がったりして、作業性が著しく悪い。また２
００μｍ以上では、前述した理由の他に、面状発熱体に
ヒートサイクルを加えると、ホーロ層に亀裂が入ったり
して好丑しくない。

金属Ω薄帯化は、通常の冷間圧延、熱間圧延による方法
の他に、超急冷法による薄帯化も可能である。薄帯化し
た金属を所望のパターンに形成する方法としては、エツ
チング法、プレス加工法が適している。生産数量が少な
い場合はエツチング法、大量生産ではプレス加工法が適
用できる。第２図にパターン形成した電気発熱素子の一
例を示した。電気発熱素子の形状は、定格電力２発熱面
積、温度分布などを考慮して、膜厚、パターン形状を任
意に決定することができる。

（３）電気発熱素子の材料 第１表は本発明者らが検討した各種発熱薄帯材刺の物理
的性質および面状発熱体としての性質を示した。

以　　　下　　　余　　　白 表中の固有抵抗は発熱１砥の形状（パターン長、パター
ン巾、薄帯の厚み）を決定するメジャーとなる。表中の
鉄とインコネルの例にとって比較すると、後者の固有抵
抗は前者の約１０倍である。

すなわち、薄帯の厚みを一定とすると、鉄はインコネル
に比べて、パターン長を１０倍にするか、またはパター
ン巾を％にする必要がある。パターン巾、パターン長を
一定にした場合、鉄はインコネルに比べ、厚みを％にし
ないと、同一ワット数が得られなくなる。すなわち固有
抵抗値が小さい材料は、形状がより複雑に々るが、厚み
がより薄くなることを示している。このことは面状発熱
材料としての加工性２作業性に大きく影響する。表中の
面状発熱材の作業性、加工性は、この点に着目し、面状
発熱材のパターン形成時およびホーロ面に設置する作業
時の歩留りにより、Ｏ２△、×で表示した。Ｑは歩留り
が８０％以上、△は３０〜８０％、×は３ｏ％以下であ
る。

この結果から、表中の、６６１〜４は歩留りが悪く、好
１しくない材料である。

表中のホーロ層との密着性は、面状発熱素子とホーロ層
の密着性を指すものであり、特に、実使用時に、リード
線が引っばられる場合がちシ、その時、面状発熱素子と
ホーロ層の密着が悪いと、ホ゛−ロ面から簡単に面状発
熱素子が剥離する場合があり、両者の密着性の強弱は製
品に大きな影響を及ぼす。ここで密着性の強弱は、第２
図に示した発熱素子パターンを用いて、ホーロ層によっ
て発熱素子を被覆しだサンプルを作製し、端子部をバネ
バカリで接合し、垂直方向に引っばり、発熱体がホーロ
層から剥離する時のバネバカリが示す重量をメジャーと
して評価したものである。表中のＱは３に７以上、△は
３〜１に、、×は１に９以下である。この結果から蔦１
〜３の材料はホーロ層との接合強度が強いことを示して
いる。金属材料とホーロ層が接合する条件の一つとして
、熱酸化あるいはホーロスリップ（通常アルカリ性）と
反応（−で、腐食するもので々ければ、密着性が悪いと
言われている。その点からすると、届１〜３はホーロ層
とよく密着し、届６〜９は密着性が悪いという結果は妥
当であると思われる。それに対し、茄５のステンレス鋼
はホーロ層の種類によっては異なるが、○〜×と大きく
バラライでいる。これはホーロフリットの組合せによる
ものであるか、詳細は後述する。

以上の結果より、本発明の面状発熱素子の材料はフェラ
イト系ステンレス鋼が好捷しい。

（４）ホーロ層 第　　　２　　　表 第　　　３　　　表 フリット　　　　　１００重量部 粘土（９号）　　　　　５　〃 亜硝酸ソーダ　　　Ｑ、１ｒｔ 水　　　　　　　　　　５０　　ｎ 第２表に本発明者らか検討したホーロフリットの使用品
番（いずれも日本フリット（株）のもの）、軟化温度、
基準焼成温度を示した。これらフリットを第、３表のミ
ル配合組成にして、ボールミルでミル引きを２時間行い
、サンプルスリップとした。

これらスリップを前処理しだホーロ用鋼板にスプレーガ
ンで約１５０μｍの厚さに塗布し、乾燥後、所定の温度
で５分間焼成を行い、ホーロ層Ｉを形成した。さらにこ
のホーロ層上に第２図に示したパターンのステンレス鋼
５ＵＳ４３０製発熱素子（厚み二６０μｍ）を設置し、
その」二から、さらにホーロスリップをスプレーガンで
約１５０μｍの厚さに塗布し、乾燥後、所定温度で５分
間焼成してホーロ層■を形成した。

ホーロ層Ｉ、■の実験割付けは第４表のようにした。

第４表 第４表イ欄はホーロ層１．−１１に使用したフリットｊ
６（第２表の届）、口欄はホーロ層Ｉｆ、Ｉに用いたフ
リットの軟化点の差Ｔ２−Ｔ１を示す。ハ欄は前述の第
１表で示した密着性試験法により評価した密着性を示す
。二欄は金属基板と発熱素子との間の絶縁耐圧を示す。

絶縁面ｄ圧は電気用品取締り法に規定しである絶縁側圧
試験法（で準じて測定し、絶縁耐圧か１．５ｉ（Ｖ以上
のものをＯｌそれ以下のものをとで表した。ホ欄はホー
ロ端部の状態を目視て観察した結果を示し、端部にヒケ
があるものを×、ないものをＯで表わした。

第４表の結果から、密着性はホーロ層■と■を構成する
ガラスフリットの軟化点の差か一３０℃以上なけれは、
発熱素子とホーロ層もしく　ｌｄ、ホーロ層■と■の間
の密着が悪くなり、好ましくないことが判かる。さらに
電気絶縁性は、軟化点差が０℃以下のものは好捷しくな
いことが判かる。その理由は、ホーロ層に生成する泡構
造が起因するものと推定される。

第４図はホーロ層を断面にして顕微鏡観察した模式図を
示す。第４図（ａ）はホーロ層Ｉのみの断面であるが、
微小の泡５を有している。この泡は焼成の途中で金属と
スリップ中の水分が反応して発生する水素や鉄中の炭素
の酸化による炭酸ガスが主因となっている。す々わち、
ホーロ層は泡の存在をさけて通ることができ彦い。この
泡が、絶縁耐圧に大きく影響する。

第４図（ｂ）　、　（ｃ）は第４表のｑおよび１の条件
での断面構造である。すなわち絶縁耐圧の悪いものは発
熱素子下部のホーロ層１に大きな泡を包含しており、そ
れに対し、絶縁耐圧の良好なものは、小さな泡にとどま
っていることがわかる。

この理由を以下に説明する。第２表に示したように、ガ
ラスフリットの軟化温度は基準焼成温度と密接な関係が
ある。第４図（ｂ）　、　（Ｃ）に示しだように、ホー
ロ層Ｉを焼成により形成した後、金属発熱素子を設置し
、ホーロ層■を焼成して形成するいわゆる２度焼成では
、層■の焼成温度（軟化温度）が層ｌの焼成温度（軟化
温度）より低い場合（第４図（ｂ）、層■の焼成時に層
Ｉが半流動状態になシ（層Ｉのガラス粘性が高い状態）
、層Ｉ中の泡が十分ぬけきらず、さらに発熱素子にじゃ
へいされ、泡が発熱素子の下部に集中すると同時に泡が
さらに成長し、大きくなるものと考えられる。

それに対し、層Ｈの焼成温度（軟化温度）が層Ｉの焼成
温度（軟化温度）より高い場合（第４図（Ｃ））、層■
を焼成する際、層Ｉが第４図（ｂ）に比べ、より流動状
態になり（層Ｉのガラス粘性が低い状態）、層■中の泡
か十分ぬけきる状態になる。すなわち、発熱素子を介し
て、層１２層■を個々に焼成する方式では、絶縁耐圧の
観点から、層Ｉの泡を十分ぬけきるような状態にしてや
ることが必要であることが判明した。

上記要件に対して、例えば層Ｉ２層■を同一フリットを
用いて、（１）層■のみを焼成温度を高くするか、（２
）層■の焼成時間を極端に長くしたりする方式も考えら
れる。本発明者らは、その点についても検討した。（１
）の場合、たしかに層Ｉに存在する泡は少なくなるが、
層■のガラスの流動が大きくなり、発熱素子端部が露出
して、電気用品的に使用することができない。まだ（２
）の場合も、層Ｉの泡は少なくなる傾向にあるが、逆に
耐圧が著しく悪くなった。その理由は、極端に傾成時間
を長くすると、基材金属の鉄がホーロ層Ｉに拡散し、有
効ホーロ厚みが見掛上薄くなシ、絶縁性が劣化すること
によるものと考えられる。

以上の点から、絶縁耐圧的には、層■と層■の軟化点差
があることが必要であるが、その差が５Ｑ℃を超えると
、耐圧が劣化する。その理由は前述の鉄の拡散によるも
のと推定される。また、それと同時に、ホーロ端部のヒ
ケも発生し始める。すなわち、層■とＩに使用するフリ
ットの軟化点は式０〈Ｔ２−Ｔ１≦５０を満足するもの
でなくてはならない。

発明の効果 得ることができる。

本発明の面状発熱体をやぐらこたつの赤外線ランプに代
えれば、ヒータ部の大巾な薄型化が可能となるばかりで
なく、ホーロ層より、良質の遠赤外線を放射して健康暖
房が可能となる。１だホットウオーマに用いると輻射伝
熱を行うので、底部の断熱材を少なく構成でき、軽量化
とコストダウンが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の面状発熱体の構成を示す要部の断面図
、第２図はその発熱素子の狙手岨構成例を示す平面図、
第３図は発熱体の要部の断面を示す模式図である。 １・・・・金属基板、２・・・・・第１のホーロ層、３
・・・・・・発熱素子、４・・・・・第２のホーロ層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の絶縁ホーロ層を形成した金属基板と、前記
   ホーロ層上に、第２の絶縁ホーロ層によって被覆して結
   合した電気発熱素子とを有する面状発熱体であって、前
   記第１及び第２の絶縁ホーロ層を構成するガラスフリッ
   トの軟化点をそれぞれＴ℃及び１２℃としたとき、式ｏ
   ＜Ｔ２−Ｔ１≦５０を満足する関係にあることを特徴と
   する面状発熱体０ テ
2. （２）前記電気発熱傅いがフェライト系ステンレス鋼で
   ある特許請求の範囲第１項記載の面状発熱体。