JPS62296386A - 電気的抵抗加熱エレメント及び電気ヒータ - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、強磁性体材料を用いた温度自己調節機能を有
するヒータに関する。より具体的には、性能を向上させ
るための補助的な層を有する強磁性体材料で作製された
自己調節型ヒータに関する。

〔従来の技術〕

本発明は、ＣａｒｔｅｒおよびＫｒｕｍｍｅの米国特許
第４．２５６，９４５号に記載されているような形式の
自動調節機能を有する強磁性体ヒータに関し、上記米国
特許の記載内容の一部である表皮効果（５ｋｉｎ　ｅｆ
ｆｅｃｔ）　、侵入度（５ｋｉｎ　ｄｅｐｔｈ　）　、
自動調節比（ａｕｔｏｒｅｇｕｌａＬｉｎｇ　ｒａｔｉ
ｏ　）等の概念は本発明においても援用されるものであ
る。

低抵抗の非磁性体材料から成る基板上に高抵抗且つ高透
磁率の磁性体材料から成る表面層を設けた自動調節型ヒ
ータは、多くの分野において利用される段階まで開発が
なされている。これらのヒータの作動が良好な理由は、
上記磁性体の表面層中を電流が流れ、且つこの表面層が
高い抵抗率を有するため加熱層としての役割も果たして
いるということに起因するものである。従って、磁性体
表面層としては、高い透磁率番先臣高い抵抗率を有する
ものが要求される。更にまた、所望の利用分野に対応し
得る適切なキュリー温度を有することも要求される。然
しなから、このような構成にしたときの一つの欠点は、
高出力レベルにおいて上記磁性体表面層内の磁場が極め
て高くなり、エルステッド値が高くなると飽和現象を生
じて実効透磁率が相対的に低下することである。

更にまた、キュリー温度以下においては上記磁性体表面
層の発熱部分のインピーダンスの力率（ＰＦ）が、例え
ば０．７というように比較的低くなり、そのため同調回
路内に無効力率補正エレメントを設ける必要がある。ヒ
ータの形状を改善し、磁性体層の厚さを増加させても、
力率は最大０．７０７程度にまでしか達しない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上記の構造体に対して更に別の層を追
加することにより上記の制約を克服する手段を提供する
ことにある。このような追加層を設けることによって次
のような多くの改善がなされる。即ち、キュリー温度以
下において高い力率が得られること、インピーダンスマ
ツチングが容易になること、全体的な形状としてさまざ
まな形態のものが可能となること等々であり、その場合
においても、磁性体層の実効透磁率は高く保持され、広
い周波数レンジにおいて良好な性能、即ち、高い自己調
節比（Ｓ／Ｒ）と高力率が確保されるものである。

而して、上記自己調節比（Ｓ／Ｒ）は、本発明にか＼る
自動調節ヒータを設計する上で重要なパラメータとなる
。この比率は、実効キュリー温度以下におけるヒータの
全抵抗と実効キュリー温度以上におけるヒータの抵抗と
の比率と密接な関連性を有している。電流が一定に保た
れているときにこのような抵抗の変化が生じると、ヒー
タの温度がキュリー温度を超えるとき、当該一定電流に
おける発熱量が急激に減少する。従って、上記自己調節
比（Ｓ／Ｒ）の値が自動調節性能を決定するものである
。

ＪａｃｋｓｏｎおよびＲｕ５ｓｅｌｌは、米国特許第２
．１８１．２７４号において磁性体基板上に非磁性体材
料（真鍮が好適とされている。）のシーズを設けたもの
を開示している。彼等はこれを誘導電流で作動させるよ
う提案しており、その場合の最大効率若しくは最大力率
を得るための条件、即ち、効率と力率の最も良好な組合
せを達成するための条件を開示している。然しながら、
Ｊａｃｋｓｏｎはオーム結合で使用できるヒータは開示
しておらず、また、自己調節機能についても何ら言及し
ていない。低周波を用いるＪａｃｋｓｏｎの発明は、キ
ュリー温度前後における自己調節機能について何ら考慮
しておらず、また、自動調節効果の重要なファクタであ
る強磁性体材料の実効透磁率の向上がもたらす利点につ
いても何ら言及していない。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明の前記の目的は、電気的抵抗加熱エレメントにお
いて、所定の温度範囲内でその抵抗値が固有の変化特性
に従って変化することにより上記温度範囲内で温度調節
するための手段と、上記範囲の上限域において上記加熱
エレメントの実効リアクタンスを減少せしめる手段と、
を備えた上記の電気的抵抗加熱エレメントによって達成
される。

また、本発明の目的は、自己調節型ヒータにおいて、当
該ヒータの電気抵抗値の固有の変化特性に基づいてその
抵抗加熱による最大発熱量を自動調節する手段と、抵抗
値の顕著な変化特性を維持しつ＼上記自動調節型ヒータ
の力率を改善する手段と、を備えた上記の自動調節型ヒ
ータによって達成される。

更にまた、本発明の目的は、電気的抵抗加熱エレメント
において、高い熱伝動性及び導電性を有する非磁性体基
板と、上記基板に対し熱的及び電気的に緊密な接触状態
を保った第１の平面を有する強磁性体層と、上記強磁性
体層の反対側の平面に対して熱的及び電気的に緊密な接
触状態を保った高い導電率を有する非磁性体層と、を備
えた上記の電気的抵抗加熱エレメントによって達成され
る。

また、本発明の目的は、自己調節型ヒータの力率を比較
的高い値に保つための方法において、高抵抗層に電気的
および熱的に接触せしめられた磁性体層が実効キュリー
温度以下にある当初の期間中は、電流の大部分を電気的
高抵抗層に集中して通過させるステップと、上記磁性体
層の温度がそのキュリー温度に達したときには電流の大
部分を低抵抗材料中に拡散させて通過させるステップと
、から成る上記の方法によって達成し得る。

更にまた、本発明の目的は、非磁性体から成る低抵抗の
層と高抵抗の屓並びにこれらの層と電気的な接触を保っ
てこれらの層の間に設けられる磁性体層とから成る自己
調節型の多層構造の加熱エレメントの力率を高く保持す
る方法において、上記磁性体の実効キュリー温度以下に
おいては電流の大部分を上記高抵抗層に集中せしめ、上
記磁性体層がその実効キュリー温度に達したときには電
流の大部分が低抵抗層を流れるように切り換えることを
特徴とする上記の方法によって達成し得る。

而して、本発明の第１の実施例においては、強磁性体材
料から成る層に高抵抗の非磁性体材料から成る表面層が
取り付けられる。これら２つの層に平行に高周波電源が
接続され、供給電力の抵抗加熱によって熱が発生する。

而して、上記の如く強磁性体材料に高周波電流を通じる
と、その磁気特性に基づいて表皮効果を生じ、電流の大
部分は上記構造体の表面の浅い領域に集中して流れる。

高抵抗の非磁性体表面層が存在しない場合には、電流の
大半は上記強磁性体層の表面の狭い領域に集中する。従
って、その場合の力率および発熱量は、上記強磁性体材
料の電流の大半が流れる部分の抵抗率とりアクタンスに
よって決定される。

而して、上記構造体に非磁性体表面層が追加されると、
電流の大半は表皮効果によって上記非磁性体表面層にシ
フトされる。上記表面層として、より好適な抵抗値およ
びリアクタンス特性を有するものを選択することにより
、上記構造体全体の抵抗加熱の力率を向上させることが
可能となる。

強磁性体材料は、実効キュリー温度を有しており、この
温度おいて実質的に非磁性体になる。この温度に達する
と表皮効果は減退し、そのため電流は強磁性体層を含む
構造体全体に均等に分配されて流れるようになり、多く
の電流が強磁性体層中をも流れるようになる。上記構造
体を流れる全電流は常時実質的に一定のレベルに保たれ
るようになっている。

上記の如く、電流の流れる領域の断面積が増加しても電
流の供給量を一定に保持しておくことにより、抵抗加熱
によって発生する熱量を減少させることができる。これ
によって予め設定された実効キュリー温度付近における
自動調節機能が達成されるものである。

上記構造体に供給する電流に関して、本明細書中で用い
られる“定電流”もしくはこれに類する用語は、電流が
増加することができないという意味ではなく、次の式に
従って導かれる電流のことを指している。

この式の詳細については、Ｒｏｄｎｅｙ　Ｄｅｒｂｙｓ
ｂｉｒｅの米国特許出願筒５６８，２２０号に記載され
ており、その記載内容は本発明にも援用されるものであ
る。

具体的には、自動調節機能を達成するためには、キュリ
ー温度以上において負荷に与えられる電力が、キュリー
温度以下において負荷に与えられる電力よりも少なくな
ければならない。若し、電流が一定不変に保たれるなら
ば、電流を減少させて電力供給を制御する場合は別とし
て、最も良好な電力調節比が得られるものである。電力
を実効キュリー温度以上の温度に維持するのに必要な発
熱量以下に減少させるならば、電流を若干増加させても
差し支えなく、その場合でも温度自動調節機能は達成さ
れる。従って、大きな自動調節比を必要としない場合に
は、電流制御の程度についての抑制を弱めることにより
電源装置のコストを安くすることができる。

本発明の第２の実施例においては、単一の磁性体層の周
囲を、低抵抗の非磁性体から成る内側の層と、その外側
の高抵抗の非磁性体層によって被覆する。上記磁性体層
は、表皮効果の作用により、実効キュリー温度以下にお
いては電流の大部分が　。

上記高抵抗の領域を流れるようにし、キュリー温度以上
においては電流の大部分が上記低抵抗の領域を流れるよ
うに切り換える役割を果たす。どの場合においても、電
流の大部分が上記磁性体層を流れることはない。

この第２の形態のものにおいては、実効キュリー温度以
下において最大の抵抗加熱が必要とされるときに、上記
高抵抗層において高い力率が得られるものである。そし
て、電流の大部分が上記低抵抗層に切り換えられたとき
には、抵抗加熱は大幅に減少し、これにより自動調節機
能が向上するものである。

強磁性体を用いた自己調節型ヒータの形状に関する通常
の要件はこの場合においても通用されるものであり、被
覆されていない磁性体電流経路の厚さに対する幅の比率
（約５０：１）についても通常の要件が通用され、これ
によって強磁性体材料の高透磁率もその最大値若しくは
それに近い値に維持されるものである。上記ヒータにＡ
Ｃ電流を通じる手段としては誘導形式のものも採用し得
る。

上記構造体の形状は、改善された所望の力率と共に、妥
当な自己調節電力比等のヒータに必要な他の特性も保持
されるように設計されなければならない。上記抵抗層を
追加することによって自己調節比は低下するが、それで
もなお充分な自己調節比が得られるものであるから、殆
どの場合において問題は生じない。

抵抗層を追加することによってキュリー温度以下におけ
るヒータの抵抗値は減少するが、自己調節比との間でそ
れほど重大な競合関係を生じるものではない。

ヒータの特性、即ち力率や自己調節比は、層の選択され
たバラメーク、即ち透磁率、抵抗率、誘電定数、厚さに
依存し、また選定されたＡＣ周波数（通常はＭＨｚのレ
ンジ）に依存する。

力率、自己調節比および抵抗レベルＲｓの相互間の聞合
関係は個々のヒータの設計目的に応じて異なってくる。

然しなから、本明細書においては、改善された自動調節
型ヒータを各種通用面に応じて設計する場合に必要且つ
充分な基本的原理を述べることにする。

〔作　用〕

上記の如き構成とすることにより、本発明に係るヒータ
によるときは、キュリー温度以下において高い力率が得
られること、インピーダンスマツチングが容易になるこ
と、全体的な形状としてさまざまな形態のものが可能と
なること等々であり、その場合においても、磁性体層の
実効透磁率は高り保持され、広い周波数レンジにおいて
良好な性能、即ち、高い自己調節比（Ｓ／Ｒ）と高い力
率が保持されるものである。

〔実　施　例〕

本発明の特質および目的を一層明瞭にするため、以下添
付図面を参照しつ＼詳細に説明する。なお、各図中間−
の参照番号を付したものは同等の構成要素を示している
。

第１図は、本発明にか＼る２層型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第２図は、オーバーラフピングコネクタの近接効果を利
用した本発明にか＼る２１ｉ型のヒータの望ましい実施
例を示す側方断面図、 第３図は、第２図に示した実施例の端部近くの断面図、 第４図は、本発明にか＼る３層型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第５図は、２層型ヒータにキュリー温度以下において１
０ＭＨｚの高周波電流を通じたときの電流密度をヒータ
の表面からの距離の関数として示すグラフ、 第６図は、２層型ヒータにキュリー温度以下において２
　Ｍｌｌｚの高周波電流を通じたときの電流密度をヒー
タの表面からの距離の関数として示すグラフ、 第７図は、自動調節比（Ｓ／Ｒ）と力率（Ｐ　Ｆ）との
関係を、外側の抵抗層の厚さの関数として示すグラフ、 第８図は、抵抗層の厚さおよび磁性体層の厚さとＳ／Ｒ
（自動調節比）との関係を示すグラフ、第９図は、抵抗
率と層の厚さとの比率がＳ／Ｒ（自動調節比）に対して
与える効果を示すグラフ、第１０図は、供給される電流
の周波数がＰＦ（力率）、Ｓ／Ｒ（自動調節比）および
表面層の抵抗値（Ｒｓ）に対して与える影響を示すグラ
フ、第１１Ａ図および第１１Ｂ図は、本発明の更に改良
されたヒータのもう一つの実施例を示す側方および端部
近くの側面図、 第１２図は、本発明にか＼るヒータのキュリー温度以下
におけ、るインピーダンスを示すグラフ、第１３図は、
異なった周波数におけるヒータの温度と抵抗の関係を示
すグラフ、 第１４図は、周波数と抵抗の関係を示すグラフ、第１５
図は、一定の周波数１３．６５ＭＨｚにおいて温度と抵
抗およびリアクタンスの関係を示すグラフ、第１６図は
、第３図および第４図に示した実施例の変更例を示す端
部近くの断面図、 第１７図は、所定の抵抗率を有する表面層の厚さとＳ／
Ｒ（自動調節比）、Ｒｓ（抵抗値）およびＰＦＣ力率）
との関係を示すグラフである。

なお、第５図ないし第１０図および第１７図のグラフは
実験データではなく計算値に基づくものである。

而して、第１図に示したような本発明の第１の実施例は
、強磁性体層２とこれを囲繞する高抵抗の非磁性体から
成る表面層１とから構成されている。これら２つの眉の
間に高周波電源１０が接続される。然るときは、これら
の眉に供給される電力の関数としての抵抗加熱による熱
が発生する。

そのとき、強磁性体層２の磁気特性と高周波電源１０に
よって“表皮効果（５ｋｉｎ　ｅｆｆｅｃｔ）　　”を
生じる。ＣａｒｔｅｒおよびＫｒｕｍｍｅの米国特許第
４．２５６，９４５号に詳細に述べられている如く、“
表皮効果”とは、高周波電流が導電体の内側の主体部よ
りもその表面領域に集中して流れる現象を指している。

導電体の表面領域への電流の集中度は周波数が高くなる
ほど顕著となる。然しなから、上記表皮効果は導電体の
透磁率にも依存している。平坦な表面と、厚さＴを有す
る“厚い”導電体に、その表面と平行な方向に電流が流
れるように高周波電源を接続した場合、表皮効果の影響
下における電流密度は、下記の式で示す如（、導電体の
表面からの距離に応じて指数関数的に減少する。

ｊ（Ｘ）　　”　　ｊｏｅ−必 （ここで、 ｊ　　（ｘ）は、導電体の表面からの距離Ｘにおける電
流密度（単位：Ａ／ｍ”）、 ｊｏは、表面の電流量、 Ｓは、ｍｋｓ単位系において下記式で示される“侵入度
（５ｋｉｎ　ｄｅｐｔｈ　）　”である。

ｓ＝２／μσω（ただし　Ｔ＞＞５）　　）ここで、μ
は導電体材料の透磁率、グは導電体材料の導電率、ωは
高周波電源の角周波数（ｒａｄｉａｎ　ｆｒｅｑｕｅｎ
ｃｙ　）である。材料の磁気特性と表皮効果の関係を論
じる場合には、相対透磁率μｒという概念を用いるのが
便利であり、ここでμｒは真空中の透磁率μｖ＝４πＸ
１０２Ｂヘンリー／メートルに標準化された透磁率を表
す。従って、μｒμ／μＶ＝μ／４π×１０２Ｂとなる
。非磁性体においてはμｒ＝１である。

前述の材料の表面からの距離の関数としての電流密度の
関係は、平面伏の厚い導電体について導かれたものであ
るが、侵入度Ｓに比べて極めて大きな曲率半径を有する
円筒状の導電体についても成立する。

非磁性体層１が存在しない場合には、電流の多くは強磁
性体層２の表面近くの狭い領域に集中して流れる。従っ
て、その場合の力率は、上記強磁性体層２の電流の流れ
ている部分の抵抗率および透磁率によって決定される。

上記の構造に対して、非磁性体層１が追加される場合に
は、層１の厚さは、電流の大部分が表皮効果によって層
１の側ヘシフトされるように適切に選定される。強磁性
体層２に対する表面層として、より望ましい抵抗率およ
び透磁率特性を有する材料を選定することによって、構
造全体において生じる抵抗加熱の力率を向上させること
ができる。

上記強磁性体材料２は、これが実質的に非磁性体となる
ような実効キュリー温度を有している。

従って、この温度に達したとき表皮効果は減少し、これ
によって電流は強磁性体層２全体に均等に分配され、こ
れによって強磁性体２内を電流の大部分が流れるように
なる。上記構造物中を流れる全電流は、常に実質的に一
定のレベルに保持されるようになっている。

電流を一定に保ち、しかも上記電流が流れる断面積が増
大する場合には、発生する抵抗熱は実質的に減少する。

従って、予め定められたキュリー温度近くにおける自動
温度調節機能が達成されるものである。上記層は層２よ
りも抵抗率の高いものを選択しなければならないから、
これらの層の相対抵抗率を考慮しなければならない。

第４図に示した変更実施例においては、単一の強磁性体
層８が、外側の高抵抗の非磁性体層７と内側の低抵抗の
非磁性体層９によってカバーされている。上記強磁性体
層８は、キュリー温度以下においては電流の大部分を高
抵抗領域７を流れるように切り換え、キュリー温度以上
においては低抵抗層９を流れるように切り換える役割を
果たす。

従って、強磁性体層８中を電流の大部分が流れることは
殆どない。

上記の如き形態においては、キュリー温度以下において
最大限の抵抗加熱が必要とされるときに、上記高抵抗層
７によって上記ヒータは高い力率を達成するものである
。そして、電流の大部分が低抵抗Ｆｉ９の側へ切り換え
られたときには、抵抗加熱は大幅に減少せしめられるも
のである。

即ち、キュリー温度以下においては、磁性体層８および
電流の周波数に起因して生じる表皮効果によってＡＣ電
流の大部分は表面の高抵抗層７を流れ、これによって比
較的高い力率を生じる。温度が上昇してキュリー温度に
達すると、磁性体層８の透磁率が減少し、上記のような
電流の分配はもはや効果的に保持されず、電流の大部分
は下側の層９を流れるようになり、その場合この層の抵
抗値が低いために僅かな熱しか発生しなくなる。

強磁性体による自己調節機能を有するヒータの設計上の
通常の配慮がこ＼でも適用されるが、その場合、平坦な
層を用い、且つ電流帰還路を設ける場合には、強磁性体
材料の消磁効果を回避するために強磁性体材料の寸法に
関して厚さに対する幅の比率に対する配慮がなされなけ
ればならない。

第２図には、平坦な層の使用を可能にするオーム接続が
示されている。

第１図に示したように、磁性体層２の厚さが厚い（Ｔ〉
〉δ）場合の電流分布の計算結果が第５図および第６図
に示されている。これらのグラフは、ヒータの表面から
の距離が増加するにつれてどのように電流が減少するか
を示している。曲線１２および１４はキュリー温度以下
における透磁率が３００の磁性体基板上に、厚さが１／
２ミルの１０μΩ・ｃｍの材料の層を設けたものを示し
ている。抵抗層における電流密度は、２　ＭＨｚおよび
１０ＭＨｚのいずれにおいても、またキュリー温度以下
若しくはキュリー温度以上においてもほぼ均一である。

第１図に示したような２層構造のヒータの２つの層にお
ける理論上の電流積分値１１および■２が、キュリー温
度以上および以下において（比率１２　／　Ｉ　ｒとし
て）第５図および第６図に示されている。いずれの場合
においても、キュリー温度以下においては電流の殆どが
抵抗層１に集中し、またキュリー温度以上においては磁
性体層２に集中することが理解される。

第１表には、第１図に示したような構造のヒータにおけ
る電気特性が掲げられている。即ち、磁性体の透磁率μ
２の値が２００から１の間の幾つかの場合について、表
面インピーダンスＲｓ＋ｊＸｓと自己調節比および力率
が一覧表にして示しである。この透磁率の範囲は、合金
４２や、インパール３６　（Ｉｎｖａｒ３６　）や、キ
ュリー温度が６０℃ないし４００℃の範囲にある他のニ
ッケル・鉄合金におけるそれと差程変わらない。磁性体
層の抵抗率ρ２の７５×１０″″８Ω・ｃｍという値は
、合金４２や、幾つかの他のニッケル・鉄合金のそれに
近似するものである。

磁性体層について選択されたこれら２つの抵抗率の値は
、オーステナイト系ステンレス鋼とニクロムのような材
料のそれぞれと対応するものである。

層の厚さを適切に選定すれば、第１表に示す如く、透磁
率の値が高い場合には力率は成る一定の値にまで増加す
るものであり、このことは第７図ないし第９図および第
１７図の様々なグラフにも示される通りである。従って
、ヒータの寸法を適切に設定することによって、入力イ
ンピーダンスは殆ど純粋な抵抗とみなすことが可能であ
り、多くの場合においてこれを所望の値に設定すること
が可能であり、これによってインピーダンスマツチング
のための回路は省略可能となる。

第１表には、また、表面層１の抵抗率が６０μΩ・ｃｍ
から　１００μΩ・ｃｍへ増加すると、１００μΩ・ｃ
ｍ且つμ２＝２００における力率が減少して、６０μΩ
・ｃｍにおける値より僅かに低くなり、その自己調節比
（μ２＝１における）は６０μΩ・ｃａｎにおけるもの
よりも４０％向上することが示されている。

これは重要な変化である。

第２表には、抵抗層を取り除いた単一の磁性体層におけ
る表面インピーダンス、力率および自己調節比の計算値
が示されている。この場合、自己調節比は向上するが、
μ２＝２００において力率は非常に低下し、そのためヒ
ータと電源を効率良く接続するためにインピーダンスマ
ツチングが必要となる。更にまた、第１表を比較、参照
すれば明らかな如く、第１表のμ２＝１．ρ１＝１００
μΩ・ｃｍにおける力率が６７．５％であり、これが第
２表のμｍ１における力率６８．９％よりも僅かに低下
しているという唯一の例外を除けば、抵抗層を設けた方
が力率は常に良好であることが理解される。

第１表 〔合金４２と同等の磁性体材料上に非磁性体抵抗層を設
けたヒータの自己調節比および力率の計算値〕μ２　ρ
１　　　Ｒｓ　　　Ｘｓ　　自動調節比　　力率Ｐ（μ
ｍ２００） −Ω・ｃｌＩｌ　　　Ω　　　Ω　　　／Ｐ　（μ）　
　％２００　６０ｘｌＯ”　　、０３５９　．００８０
５　　−　　　　９７．６１０　　”　　〃、０１７０
　．００９９９　２．１１　　　８６．２１〃〃、００
６１５　．００６１５　５．８　　　　７０．７２００
　１００ｘｌＯ′３．０５０２　．０１５９　　−　　
　　９５．３１０　　〃〃、０１８Ｂ　　、０１３３　
　２．７　　　　８１．４１　　〃〃、００６２　．０
０６Ｂ　　　８．１　　　　６７．５第２表 〔抵抗層を設けない単一層から成るヒータの自己調節比
および力率の計算値〕 μ２　ρＩ　　　Ｒｓ　　　ＸＳ　　自動調節比　　力
率Ｐ（μｍ２００） −Ω’　ｃｍ　　　Ω　　　Ω　　　／Ｐ　（μ）　　
％２００　７５Ｘ１０”　　、０８９７　．０８９６　
　−　　　　７０．６１０　　〃〃、０２００　．０２
００　　４．５　　　　７０．７１　　〃〃、００６１
　．００６４　１４．７　　　　６８．９第３表 〔２層構造の自己調節型ヒータに非磁性体層を追加した
ヒータの自己調節比および力率の計算値〕μ２　ρ＋　
　　　Ｒｓ　　　Ｘｓ　　自動調節比　　力率Ｐ（μｍ
２００） −Ω、。１　　Ω　　　Ω　　　／Ｐ　（μ）　　％２
００　６０Ｘ１０”　　、０３６　　．０Ｑ８Ｌ　　　
−９１３９〃〃、００５１　．０１２　　７．１　　　
　３８５　　〃〃、００２６　．００Ｂ３　１３．９　
　　　３０１　　〃〃、００１１　．００３５　３２．
７　　　　３０２００（層なし）　　　、０８７　　．
１−６６９　　　　　〃、００２２　　．０１５　　　
３９．６　　　　　　１５５　　　　〃　　　　　、０
０１５　　．００８　　　５８　　　　　　　　１８１
．００１０．００２２８７旧 複数の層から成るヒータにおける抵抗層の有効性は第３
表から明らかであり、その具体例を示す第４図において
、非磁性体から成る上部層７は、温度感応性の磁性体材
料から成る第２の層８と結合され、その下に非磁性体か
ら成る導電性の基板９が設けられている。上部層７は例
えば非磁性のステンレス鋼であり、第２の層８は合金４
２であり、第３の層９は銅である。最初の４つの計算値
はρ１＝６０μΩ・ｃｍについてのものである。次の４
つの計算値はρ厘＝１ｏ！Ｏの場合、即ち、上部層が存
在しない場合に等しい計算値である。ここでも、μ２＝
１の場合を除くすべての場合について、第３の層を設け
たことによって力率が自己調節比（Ｓ／Ｒ）を若干犠牲
にするだけで実質的に大幅に改善されていることが理解
される。

再度第５図および第６図を参照すれば、第１図に示した
実施例において、２　ＭＨｚの場合には自己調節比（Ｓ
／Ｒ）が１１．０であり、また１０Ｍｆｌｚにおいては
６．７であることが理解される。キュリー温度以下にお
いて１０ＭＨｚにおける力率（ＰＦ）は２ＭＨｚにおけ
る力率の値０．９４よりも若干良好な値、部ち０．９日
を示している。これは、自動調節比を僅かに犠牲にする
だけで達成されるものである。抵抗層なしで、このヒー
タは自動調節比１７．３を確保することができる。この
ように、厚さおよび表面抵抗率を適切に選定することに
よって、自己調節比Ｓ／Ｒを極めて僅かに減少させるだ
けで力率を実質的に増大させることが可能となるもので
ある。

第４図に示した第２の実施例は、磁性体層８の対向面に
、低抵抗且つ低透磁率の第３の層９を設けである。キュ
リー温度以下においては、（表皮効果により）電流の大
部分は高抵抗の表面層７中を流れる。キュリー温度以上
においては電流の殆どは低抵抗の第３の層９中を流れる
。表面抵抗および自己調節比Ｓ／Ｒの計算によれば、キ
ュリー温度以上において電流の大部分は第３の層９中を
流れることを示している。

３層構造のシステムにおいては、選択すべき設計上のパ
ラメータは多数存在する。３層構造のシステムの利点を
得るために２つの質的に異なった作動モードが可能であ
る。第１のモード、即ちモードＡにおいては、磁性体層
の厚さは侵入度の１倍ないし数倍の範囲に設定される。

他のモード、即ちモードＢにおいては、磁性体層の厚さ
は侵入度の１／３ないし２／３の範囲に設定される。こ
れらについて以下順次論述する。

第７図には、モードＡの場合が描かれており、このグラ
フでは、所定の材料で作製された磁性体層８の厚さｔ８
が約０．３１１Ｉｉ１、即ち侵入度の約１．５倍である
場合において、周波数ｆ　＝　１３．５６　ＭＨｚにお
いて上記Ｓ／ＲおよびＰＦが抵抗層７の厚さｔ７の関数
として描かれている。この場合（および磁性体層が更に
厚い場合）、Ｓ／Ｒは抵抗Ｎ７の厚さｔ７の単調な夜ダ
関数であり、力率は厚さｔ７の単調な１鳳関数である。

第７図は抵抗層の２つの異なった抵抗率ρ７　＝　　１
００μΩ・Ｃｌ１１と２００μΩ・Ｃｌ１１の計算値に
ついても示している。これら２つの曲線は、ρ７＝１０
０の厚さの軸（ｔ７）の目盛を拡張したとき、即ちｔ７
　（ρ７　＝１００　）　＝　１／２ｔ７　（ρ７＝２
００）としたときに、２つの曲線が互いに重なるような
状態となることを示している。

このような変換を行なった場合に両者が同じような曲線
を描くということの物理的な意味は、両者とも表面層７
の（底嚢が等しいということである。

換言すれば、層の抵抗率に対する層の厚さの比率が両者
を変更しても一定に保たれるということ、即ちｔ７／ρ
７＝一定というのが変換公式であり、これによってヒー
タの電気的特性を変えることなくこれら２つのパラメー
タを変更することが可能となることを示している。上記
式は３次元の一般法則の特殊な場合を示すものであり、
３次元の法則は１２／ρ−一定（こ＼でｌは外形の“ス
ケール”である。）となるものである。（なお、上記の
ような１次元の場合には直線次元であり、従って、ｔ７
は平方化されない。） 磁性体層の厚さを侵入度の約１．５倍より大きくしたこ
の“Ａ”モードの有用性は、例えばロールクラッド法、
スパッタリング法によって薄い磁性体層を形成するのが
困難な高周波領域において有用である。これによって、
キュリー温度以下における例えば０．９以上というよう
な高い力率を維持しつ＼大きな自動調節比（９０）を確
保することができる。

モードＢ　このモードにおいては、磁性体層は侵入度の
１倍よりも薄く形成される。表面の抵抗層７を追加する
ことによって、当該抵抗層７の厚さｔ７の増加に伴い当
初は自動調節比Ｓ／Ｒも１入するが、上記厚さｔ７が成
る上限値を超えると、それ以後は抵抗層７の厚さｔ７の
増大に伴ってモードＡの場合と同様にＳ／Ｒは次第に減
少する。

第８図には３つの異なった磁性体層８の厚さｔ８につい
ての状態が示されている。磁性体層の厚さが侵入度（δ
）の１倍より小さい場合には非常に高いＳ／Ｒ値が得ら
れる。この状態は、前述のモードへの作動において述べ
た切換え動作がモードＢにおいても適用されることを示
している。

モードＢの作動は、特に低い周波数において通用可能で
あり、その場合、δの見地から磁性体層８の厚さが薄い
ことが望ましい。

第９図は、厚さ０．１５ｍ１ｌの磁性体層に抵抗層を設
けた場合における抵抗層の厚さとＳ／Ｒおよび力率の関
係を示しており、抵抗層７の抵抗率の広い範囲において
高いＳ／Ｒが得られることを示している。更にまた、抵
抗率の値が低い場合には、抵抗層７の厚さｔ７と抵抗率
の比率を一定に保つことによって同等の効果が得られる
ことを示している。この点においては、前記モードへの
作動と同様である。

モードＢの作動は力率の観点からすれば、モードＡのそ
れほど良好ではない。力率０．９という値を得るために
、モードＡにおいてはＳ／Ｒ値が約１００となるが、モ
ードＢにおいてはＳ／Ｒ値は約５０である。

次に第１０図は、“モードＡ″の作動を周波数の関数と
して示しである。第１０図は、この形態のものにおいて
は一般的に１０ないし４０ＭＨｚの範囲の周波数が好適
であることを示している。この範囲において力率ＰＦは
０．９より大きく、表面抵抗値Ｒｓも充分に高く、Ｓ／
Ｒ値も５０より大きい。

周波数を上記帯域の下躍近くまで減少させると、δの見
地から上記磁性体層の厚さが薄くなり過ぎて効率良く電
流を切り換えることができなくなるためＳ／Ｒ値も減少
する。

第１１Ａ図は、誘導電流によって作動する本発明にか＼
るヒータの試験品の一例を示している。アニール処理さ
れたＴＣ３０−４合金１７から成る直径０．３４５“（
インチ）のシリンダ部材上に無電解メッキにより形成さ
れた厚さＱ、０Ｏ０５“のニッケル層１５が長さ３．７
５“にわたって設けられている。このメッキによって２
層構造の円筒状のヒータ１６が形成される。

上記２層構造のシリンダ部材１６の外周には２７回巻き
のヘリカルコイル１８が巻き付けられ、これに高周波電
流を通じることによりヒータに対して誘導電流が生じる
ようになっている。上記コイルは、その断面を第１１Ｂ
図に示す如く、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）製の絶縁被ｆ
ｆ１９を施した０、００３５“Ｘ　Ｏ，０４０／′の矩
形断面を有するワイヤ２０から成っている。上記巻線は
シリンダ部材１６の外周に実用上可能な累りきつく且つ
互いに密接して巻かれ、これによって磁場漏れリアクタ
ンスを最小限にし、最良の力率が確保されるようになっ
ている。

この試験回路の室温における微小信号によるインピーダ
ンスの測定値が第１２図に示されており、キュリー温度
以下における高力率特性が確認された。２０ＭＨｚ以上
の周波数における力率ＰＦの若干の減少は、コイル巻線
間のキャパシタンスに起因するものである。周波数の関
数としてのインピーダンスの変化は緩やかである点に着
目すべきであり、これはヒータにとって有益な特性であ
る。２ＭＨｚから１０ＭＨｚの間の区間では抵抗値は４
０％しか変化しない。

第１３図は、幾つかの異なった周波数における０℃から
７０℃の範囲内における温度の関数としての抵抗の測定
値を示している。これらの測定は、短いケーブルを用い
て試験すべきヒータを試験チャンバ内にセットし、上記
試験チャンバの外側に設けたベクトルインピーダンスメ
ータによって得られた値である。インピーダンスの測定
値は、ケーブルの影響のために補正しである。

第１４図にはＯ′Ｃと７０℃における抵抗値の比率が周
波数の関数として描かれている。第１２図を併わせで参
照することにより、高い力率と高い抵抗値比率との間に
は競合関係が存在することが理解される。

抵抗比率の最大値は透磁率の平方根と等しく、抵抗層の
厚さがＯの場合に発生する。ＴＣ３０−４の微小信号に
よる透磁率は約４００（予め測定された値）である。従
って、抵抗値比率の最大値は２０であり、予期した通り
抵抗層が加えられた場合よりも高くなっている。

第１５図のデータは、無線周波数（ＲＦ）電流の大部分
が抵抗層を流れることを示しており、また従って、磁性
体材料の実効透磁率は高力率下においては抵抗層を設け
ない場合に比べて高くなることを示している。６．７と
いう抵抗値比率の測定値は、微小信号条件下において測
定された比率（第１４図参照）よりも高くなっている。

この比率は磁性体基板の透磁率が約４００であることに
対応するものである。

第１０図および第１２図は、所定の構造（即ち、寸法お
よび電気的特性が一定のもの）を有するヒータが、は、
相当に広い周波数帯域において作動可能であり、その範
囲内で有用な使用特性を保持し得ることを示している。

然しなから、これらの曲線は非常に異なった周波数にお
いてどのようにすれば肌二夙電気的作動が得られるかに
ついては示していない。これを行なうためには、状況に
応じて電気的な類似性の法則を適用しなければならない
。これらの類似性若しくは比率の法則は、５Ｌｒａｔ　
ｔｏｎの論文（”　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　
Ｔｈｅｏｒｙ″　Ｓｅｃ　ｔ　ｉｏｎ　９．３＋　ｐｐ
４８８−４９０．　　ＭｃＧｒａｗ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏ、
、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　１９４１　）に記載されてお
り、この記載内容は本発明において援用されるものであ
る。

第１６図は、磁性体層が全体的に高抵抗層によって覆わ
れ、これらの２つの層が連続的に結合され、これによっ
て閉じられた層が形成された実施例を示している。具体
的には、銅の主体部２５の周囲に磁性体層２７が設けら
れ、その周囲に非磁性体材料から成る高抵抗層２９が設
けられている。このような構造のヒータの作動は第４図
に示した構造のものと殆ど同等であるが、磁性体層が連
続的に形成されているため、消磁のために悪影響を受け
ることがない。

このヒータの作動に対する磁性体層の厚さの影響は第１
７図に示しである。侵入度の約３倍に相当する０、７ｍ
１ｌの厚さにおいては、Ｓ／Ｒ比は外側の層Ｔ１の厚さ
の増加の関数として急速に低下する。即ち、Ｔ１が０か
ら０．４　ｍｉｌへ増加すると、Ｓ／Ｒは１１５から５
４まで低下する。一方、力率ＰＦは磁性体層に流れる電
流のパーセンテージが増大するのに伴って急速に増加す
る。即ち、０．５から０．９６、更にはプロット範囲を
超えて増加する。

なお、本発明はその目的の範囲内において様々な変更実
施例が可能であり、またこれまで詳しく述べた実施例の
範囲内においても様々な設計変更等が可能であるから、
上記の説明は単に例示的なものに過ぎず本発明の範囲を
限定するものと解してはならない。

〔発明の効果〕

本発明は叙上の如く構成されるから、本発明によるとき
は、キュリー温度以下において高い力率を有し、インピ
ーダンスマツチングが容易で、ヒータの全体的な形状と
してさまざまな形態のものが可能となること等々多くの
利点を有する自己調節型ヒータが提供されるものであり
、その場合においても、磁性体層の実効透磁率は高く保
持され、広い周波数レンジにおいて良好な性能、即ち、
高い自己調節比と高い力率を保持するヒータを提供し得
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にか＼る２Ｎ型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第２図は、オーバーラフピングコネクタの近接効果を利
用した本発明にか＼る２層型のヒータの望ましい実施例
を示す側方断面図、 第３図は、第２図に示した実施例の端部近くの断面図、 第４図は、本発明にか＼る３層型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第５図は、２層型ヒータにキュリー温度以下においてｌ
ＯＭＩＩｚの高周波電流を通じたときの電流密度をヒー
タの表面からの距離の関数として示すグラフ、 第６図は、２層型ヒータにキュリー温度以下において２
　ＭＨｚの高周波電流を通じたときの電流密度をヒータ
の表面からの距離の関数として示すグラフ、 第７図は、自動調節比（Ｓ／Ｒ）と力率（ＰＦ）との関
係を、外側の抵抗層の厚さの関数として示すグラフ、 第８図は、抵抗層の厚さおよび磁性体層の厚さとＳ／Ｒ
（自動調節比）との関係を示すグラフ、第９図は、抵抗
率と層の厚さとの比率がＳ／Ｒ（自動調節比）に対して
与える効果を示すグラフ、第１０図は、供給される電流
の周波数がＰＦ（力率）　、Ｓ／Ｒ（自動調節比）およ
び表面層の抵抗値（Ｒｓ）に対して与える影響を示すグ
ラフ、第１１Ａ図および第１１Ｂ図は、本発明の更に改
良されたヒータのもう一つの実施例を示す側方および端
部近くの側面図、 第１２図は、本発明にか＼るヒータのキュリー温度以下
におけるインピーダンスを示すグラフ、第１３図は、異
なった周波数におけるヒータの温度と抵抗の関係を示す
グラフ、 第１４図は、周波数と抵抗の関係を示すグラフ、第１５
図は、一定の周波数１３．６５ＭＨｚにおいて温度と抵
抗およびリアクタンスの関係を示すグラフ、第１６図は
、第３図および第４図に示した実施例の変更例を示す端
部近くの断面図、 第１７図は、所定の抵抗率を有する表面層の厚さとＳ／
Ｒ（自動調節比）、Ｒｓ（抵抗値）およびＰＦ（力率）
との関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電気的抵抗加熱エレメントにおいて： 所定の温度範囲内でその抵抗値が固有の変化特性に従っ
   て変化することにより上記温度範囲内で温度調節するた
   めの手段と、 上記範囲の上限域において上記加熱エレメントの実効リ
   アクタンスを減少せしめる手段と、を備えた上記の電気
   的抵抗加熱エレメント。 ２）自己調節型ヒータにおいて： 当該ヒータの電気抵抗値の固有の変化特性に基づいてそ
   の抵抗加熱による最大発熱量を自動調節する手段と、 抵抗値の顕著な変化特性を維持しつゝ上記自動調節型ヒ
   ータの力率を改善する手段と、 を備えた上記の自動調節型ヒータ。 ３）電気的抵抗加熱エレメントにおいて： 高い熱伝動性及び導電性を有する非磁性体基板と、 上記基板に対し熱的及び電気的に緊密な接触状態を保っ
   た第１の平面を有する強磁性体層と、上記強磁性体層の
   反対側の平面に対して熱的及び電気的に緊密な接触状態
   を保った高い導電率を有する非磁性体層と、 を備えた上記の電気的抵抗加熱エレメント。 ４）上記加熱エレメントが、 強磁性体材料を含む第１の層と、 上記強磁性体層に対して熱的及び電気的に緊密に接触せ
   しめられた高抵抗の非磁性体材料から成る第２の層と、 から成る特許請求の範囲第１項または第２項に記載の加
   熱エレメント。 ５）キュリー温度以下においては電流が表皮効果の作用
   によって実質的に上記低透磁率の抵抗層に集中して流れ
   る特許請求の範囲第４項記載の加熱エレメント。 ６）上記低抵抗層が、上記第１の層に対して、当該第一
   の層が上記外側の層と接触している側とは反対側の側面
   において熱的及び電気的に緊密な接触状態を保つよう取
   り付けられた特許請求の範囲第４項記載の加熱エレメン
   ト。 ７）実効キュリー温度近くにおいては、上記ヒータ中を
   流れる電流の大部分が上記高抵抗層から上記低抵抗層へ
   切り換えられる特許請求の範囲第６項記載の加熱エレメ
   ント。 ８）上記加熱エレメントが実効キュリー温度以下にある
   ときには、電流の大部分が上記高抵抗層へ集中せしめら
   れる特許請求の範囲第３項記載の加熱エレメント。 ９）上記加熱エレメントが実効キュリー温度に達したと
   き、上記強磁性体層が電流の流れを上記高抵抗層から低
   抵抗層へ切り換える特許請求の範囲第８項記載の加熱エ
   レメント。 １０）上記強磁性体層の厚さが、所定の作動周波数にお
   いて侵入度の１／３ないし２／３の範囲内に設定された
   特許請求の範囲第３項記載の加熱エレメント。 １１）上記外側の層の抵抗率が、６０μΩ・ｃｍないし
   ５０００μΩ・ｃｍの範囲内に設定された特許請求の範
   囲第３項記載の加熱エレメント。 １２）上記外側の層が非電解ニッケルから成る特許請求
   の範囲第３項記載の加熱エレメント。 １３）上記外側の層がニクロムとして知られているよう
   な高い抵抗率を有する各種の合金の一つから成る特許請
   求の範囲第３項記載の加熱エレメント。 １４）上記外側の層が導電性の有機ポリマーから成る特
   許請求の範囲第３項記載の加熱エレメント。 １５）自己調節型ヒータの力率を比較的高い値に保つた
   めの方法において、 高抵抗層に電気的および熱的に接触せしめられた磁性体
   層が実効キュリー温度以下にある当初の期間中は、電流
   の大部分を電気的高抵抗層に集中して通過させるステッ
   プと、 上記磁性体層の温度がそのキュリー温度に達したときに
   は電流の大部分を低抵抗材料中に拡散させて通過させる
   ステップと、 から成る上記の方法。 １６）非磁性体から成る低抵抗の層と高抵抗の層並びに
   これらの層と電気的な接触を保ってこれらの層の間に設
   けられる磁性体層とから成る自己調節型の多層構造の加
   熱エレメントの力率を高く保持する方法において、 上記磁性体の実効キュリー温度以下においては電流の大
   部分を上記高抵抗層に集中せしめ、上記磁性体層がその
   実効キュリー温度に達したときには電流の大部分が低抵
   抗層を流れるように切り換えることを特徴とする上記の
   方法。