JPS60105189A - 発熱体の製造法 - 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の製造法に関するもので、暖房器
、調理器、乾燥器などの電気エネルギーを利用した熱源
を提供するものである。

従来例の構成とその問題点 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１、被加熱物への熱伝達が悪
く、電気発熱材が封目されていないので、耐湿特性に問
題があり、使用条件が限定されていた。また、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があるが、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。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、これらは、樹脂フィルムの耐熱性が
低いため、通常６０〜１２０℃で使用され、２００’Ｃ
以上では使用できなかった。また寿命にも問題があつた
０ さらに、最近、金属基板にホーロ層を形成し、そのホー
ロ層表面に、さらにホーロ層によって発熱素子を被覆し
て被着した、言わゆる発熱素子をホーロ層でサンドイッ
チにした発熱体が提案されている。この発熱体は、発熱
素子を被覆するホーロ層力頌１熱性に優れるので、１０
０〜４００’Ｃ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、この発熱体を実用化するためには、発熱素子と
金属基板との間の電気絶縁特性の課題を解決する必要が
ある。

仁の種発熱体のように、高温で使用される物品には、電
気絶縁抵抗の観点から、金属基板に形成するホーロ層は
、一般に使用されているホーロフリットを用いることが
できない。

その理由は、一般に使用されているホーロフリットは、
フリット中にＮａ２Ｏ，に２０．Ｌ１２０などのアルカ
リ金属を２０〜３６重量係含有しており、このため、２
００℃以上の高温で使用した場合、前述のアルカリ成分
のイオンの移動が起こり、絶縁抵抗が著しく劣化する。

その意味から、発熱体を構成するホーロ層は、アルカリ
成分の少ない（１０重量係以下）低アルカリフリットも
しくは無アルカリフリットで形成する必要がある。

しかし、前述の低アルカリフリットｌまたは無アルカリ
フリットは、易溶性成分としてすぐれているアルカリ成
分の含有量が少ないため、８００〜８６０℃の焼成温度
でホーロ焼成を行っても、ホーロとしての流動性に乏し
く、いわゆる半流動状態でホーロ層が形成されるため、
どうしてもホーロ層中にボイドが存在することになる。

このボイドを除去する目的で、さらに高温（９ｏｏ℃以
−Ｊ二）で焼成を行っても、さほど効果がない。

電気的特性、特に絶縁耐圧の観点から、とのボイドの存
在は重要な意味を持っており、とのボイドの大きさ、量
が大であればあるほど、絶縁破壊を起こしやすくなる。

すなわち、ボイドを少なくできるかどうかが、前述の発
熱体の商品化、　ｉｆｆ：産化が可能かどうかに大いに
関係する。

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埋め込ん
だ発熱体において、ホーロ層、特に金属基板と発熱素子
間のホーロ層中に存在するボイドの問題を解決し、電気
的特性、特に絶縁耐圧を改善し、信頼性、量産性に適し
た発熱体を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は、金属基板の表面に、非酸化性雰囲気中で焼成
して第１のホーロ層を形成した後、前記ホーロ層の表面
に第２のホーロ層によって発熱素子を被覆して結合する
ことを特徴とする。

実施クリの説明 第１図は本発明による発熱体の基本構成を示す。

１１ｄ金属板で、その両面もしくは片面に第１の絶縁性
ホーロ層２を形成している。３Ｉ′ｉ薄帯状金属発熱素
子であり、これをホーロ層２の表面に設置し、さらに第
２のホーロ層４で被捷することにより発熱素子３をホー
ロ層２，４で挾持した構造にな−）でいる。

以下、各構成要素について説明する。

（１）金属基拐 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、加工性より決定され、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。

（２１電子発熱素子 電気発熱素子は基本的には、薄帯状のものである。電気
発熱素子の表面にホーロ層４を完全に被覆する必要があ
り、例えば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４の膜厚が大となる。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、電気発熱素子が霜量して
し捷う。

発熱素子薄帯の厚みは１０〜２００μｍが適当であり、
好寸しくは３０〜１００　ｐｍの範囲である０ 金属の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利用できる。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。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
は、定格電力。

発熱面積、温度分布などを考慮して、膜厚、パターン形
状を設定する。

電気発熱素子の材料には各種の電気発熱材を用いること
ができるが、発熱素子の形状（パターンの１１１．長さ
、厚み）などを決定する因子となる固有抵抗や熱膨張係
数が適当な値を有し、しかもホーロ層との密着性や、加
工性などに優れたものが選択される。これらの観、点か
ら、２０℃における固有抵抗６０１ｘＱ−α、１００℃
における熱膨張係数が１０４　Ｘ　１０−”ｄｅｑ−’
のフェライト系ステンレス鋼が最も好ましい。

（３Ｊ　絶縁ホーロ層 発熱体の電気的性質を決定するファクターとして、発熱
素子と金属基板の間に介在する絶縁ホーロ層の電気的性
質（絶縁抵抗、絶縁耐圧等）が重要なポイントとなる０ 絶縁抵抗を決定する重要な因子としては、ホーロ層の膜
厚の他に、ガラスフリットの体積固有抵抗がある。それ
は次の式によって表されるＯＲ：絶縁抵抗 ρ　：体積固有抵抗 Ａ：発熱素子面積 ｄ：ホーロ層の膜厚 ここで、ホーロ層の膜厚は、ホーロ密着性の観点から決
定されるもので、たかだか１００〜５００μｍ程度であ
る。この点から絶縁ホーロ層の絶縁抵抗を向上させるた
めには、体積固有抵抗のすぐれたガラスフリットで絶縁
ホーロ層を構成する必要があり、ガラスフリットの選択
が重要となってくる０ 次に具体例について説明する０ まず、ホーロ層を形成するフリントは、アルカリ成分が
５重量％の日本フリット社製低アルカリフリットＸＧ−
４を用いた。

このフリットを第１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、スリップとした。これらス
リップを前処理した大きさ１００Ｘ１００＋ａ＋ｎのホ
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６分間焼成を行い、絶縁ホー
ロ層とした。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２
６０μｍ）を設置し、その上から、さらに絶縁ホーロ層
に用いたホーロスリップをスプレーガンで約１６０μｍ
の厚さに塗布し、乾燥後、所定温度で６分間焼成して発
熱素子被覆ホーロ層とした。

第　１　表 フリット　１００重量部 粘土（９号）　２　〃 亜硝酸バリウム　０．１〃 水　６０　〃 この時、ホーロ焼成雰囲気を種々変化させて、発熱素子
と鋼板との間の絶縁耐圧を測定した。その結果を第２表
に示す。ここで絶縁耐圧は電気用品取締り法に規定しで
ある絶縁耐圧試験法に準じて測定した。

第　２　表 第２表中の空気雰囲気中の焼成は通常のノ＜ノチ炉を用
いたものであり、本発明の非酸化性雰囲気中での焼成は
、窒素、アルゴン、水素などを流した焼成炉中で焼成し
たものである。

第２表から、明らかなように、従来の酸化性雰囲気中で
焼成した面状発熱体の絶縁耐圧は１ｋｖ以下と低く、ま
たホーロ層のボイドを除去する意味で焼成温度を上げた
ものはそれほど効果を示さなかった。それに対し、本発
明の非酸化性雰囲気中で焼成した発熱体は、従来一般に
使用されている酸化雰囲気中で焼成したものに比べ、著
しく絶縁耐圧の向上が図れた。

なお、上側では第１．第２のホーロ層の焼成条件を同じ
にしたが、煮３〜８については、第２のホーロ層を空気
中で焼成しても絶縁耐圧は同様の特性を示した。

絶縁耐圧の向上した理由を解析するために、それらの断
面写真を取った。第３図にその結果を図示した。第３図
（ａ）は酸化性雰囲気中で焼成した発熱体の断面であり
、（ｂ）は非酸化性雰囲気中で焼成したそれである。第
３図から明らかなように、ホーロ層中のボイド６の大き
さ、数とも、著しく異なり、従来の酸化性雰囲気中で焼
成したホーロ層中のボイドの大きさ、数とも大であるこ
とがわかる。

非酸化性雰囲気としては、アルゴン１．”ヘリウム。

窒素、水素、真空中などが考えられるが、コスト。

量産性、安全性の観点から窒素中が好ましい。

酸化雰囲気中で焼成した場合のボイドの発生要因として
は、１）鋼板中の９の酸化によるＣＯ２ガスの発生、２
）焼成過程時の鋼板の熱酸化によるガラス粒子の軟化流
動の阻害が挙げられる。要因１において、低アルカリガ
ラスを用いているため、軟化流動性に乏しく、発生した
ＣＯ２ガスがホーロ層中に残存することになる。

上記２）のボイド発生機構を第４図に図示した。

酸化性雰囲気中では、焼成時にガラス粒（−６の軟化流
動の開始と同時に、鋼板の酸化物層７の成長が開始され
る。この時、鉄の酸化物がガラス中に溶解、拡散し始め
る。鉄の酸化物がガラス中に溶解すると、軟化点が上昇
するようになり、所定温度では溶けにくくなり、半焼結
状態でホーロ層中にボイドが混入したままとなる。この
ボイドを除去する意味で、焼成温度をさらに上げると、
鉄の酸化物層が逆に増加する一方となり、より溶けにく
くなり、それほど効果を示さなくなる理由がこれである
。

本発明のように、非酸化性雰囲気で焼成を行うと、鋼板
の酸化物層の発生がなくなり、それにより、ガラスフリ
ットの軟化温度を上昇させることなく、所定温度で軟化
流動し、ボイドの混入を避けることができる。

以上の理由により、本発明は従来の方法に比べて、ホー
ロ層中のボイドの大きさ、量とも少なくなり、絶縁耐圧
が向上するものと考えられる。

本発明の方法は、前述の絶縁耐圧の向上のほかに、発熱
素子のリード取り出し部の熱酸化がなく、スポット溶着
性あるいは寿命特性にすぐれた効果を示すとともに、従
来の方式では熱酸化のにめに、片面ホーロは不可能であ
ったが、本発明の方法において、第２のホーロ層をも非
酸化性雰囲気で焼成すると、片面ホーロが可能となる。

その実施例を第６図に示す。第６図（ａ）は従来法によ
る構成、（ｂ）は本発明法による構成を示す。すなわち
従来法では熱酸化、腐食の観点から両面ホーロ加工は必
須であるが、本発明法では、焼成中に暴利の熱酸化を受
けないため、片面ホーロが可能となる。これにより、軽
量化が可能となる。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、電気的特性。

特に絶縁耐圧を著しく改善することができる。また、発
熱素子のリード部の熱酸化防止が可能となり、リード線
のスポット溶接性、寿命を向上することができ、さらに
従来不可能であった片面ホーロも可能とすることができ
る。

また、本発明の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
房かり能となる。またホットウオーマに用いると輻射伝
熱を行うので、底部の断熱制を少なく構成でき、軽量化
とコストダウンがｂ」能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による発熱体の基本構成を示す要部断面
図、第２図は発熱素子のノくターン例を示ず平面図、第
３図は発熱体の要部の断面を比較した図、第４図はボイ
ドの発生機構を説明する図、第６図は発熱体基本構成の
比較を示す要部断面図ハ 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。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名手続
補正書 １事件の表示 昭和５８年特許願第２１２７３９号 ２発明の名称 発熱体の製造法 ３ｔ１１自Ｊ三をする名゛ 事件との１９ｊ係　特　許　出　願　人任　所　大阪府
門真市太字門真１００６番地名　称　（５８２）松下電
器産業株式会社代表者　山　下　俊　彦 ４代理人　〒５７１ 住　ｊＪｉ　大阪府門真市大字門真１００６番地松下電
器産業株式会社内 ５補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属基板上に第１のホーロ層を形成する工程と、
   前記ホーロ層上に、第２のホーロ層によって電気発熱素
   子を被覆結合する工程とを有し、前記第１のホーロ層の
   焼成を非酸化性雰囲気中で行うことを特徴とする発熱体
   の製造法。
2. （２）非酸化性雰囲気が窒素、アルゴン、ヘリウム。 水素または真空である特許請求の範囲第１項記載の発熱
   体の製造法。
3. （３）前記第２のホーロ層の焼成を非酸化性雰囲気中で
   行う特許請求の範囲第１項記載の発熱体の製造法。