JPS6325466B2

JPS6325466B2 -

Info

Publication number: JPS6325466B2
Application number: JP19163182A
Authority: JP
Inventors: Tadami Suzuki; Atsushi Nishino; Masaki Ikeda; Yoshihiro Watanabe
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1988-05-25
Also published as: JPS5979988A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は、暖房器、調理器、乾燥機器などに利
用される面状の電気発熱体に関する。従来例の構成とその問題点従来、ジユール熱を利用した熱源としては、シ
ーズヒータ、石英管ヒータ、赤外線電球、面状発
熱体などが知られている。シーズヒータは、金属管の中に電熱コイルを挿
入し、MgOなどの絶縁物を充填して、ズエージ
ング加工により縮径し、絶縁物の充填密度を高
め、端末を封口処理して作成されている。このヒ
ータの特徴は、耐熱性が高く、耐食性に優れてい
ることであるが、棒状であるため、被加熱物を均
一に加熱しにくく、また熱容量が大きいので立上
り特性が悪いなどの欠点がある。石英管ヒータ
は、石英管の中に伝熱コイルを挿入しただけの簡
単な構成であり、コストが安いので電気オーブン
などに多用されているが、機械的衝撃に弱く、ま
た端末の封口がないので、耐湿性に問題があり、
使用条件が限定されるとともに被加熱物の均一加
熱にも問題がある。赤外線ランプは、近赤外領域の波長を多く放射
するので被加熱物への吸収が悪く、エネルギーの
利用効率が劣る。またタングステン線、不活性ガ
スの封入などでコストが非常に高く、民生用機器
への適用はおのずと限界がある。面状発熱体は、近年、機器の薄型化、均一加熱
などのニーズに合つた発熱体として脚光をあびる
ようになつてきた、しかし、従来の面状発熱体の
多くは、雲母などの絶縁基板にヒータを巻回した
構造であり、被加熱物への熱伝導が悪く、電気発
熱材が封口されていないので、耐湿特性に問題が
あつた。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導体ペーストを用いて導電パ
ターンを形成し、シートを貼り合せて焼結した面
状発熱体があるが、焼結温度が高く、電極の取り
出しなどに問題があつた。また、発熱体の熱容量
が大きく、立上り時間が長いなどの欠点がある。
しかも、これらの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つ
た。その他、シリコン樹脂、ポリイミド等の有機質
フイルムの間にカーボン等のベーストで導電パタ
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、また寿命特性にも問題が
あつた。上記の問題を解決するため、本発明者等は先に
電気発熱体と、少なくとも前記発熱体を固定する
面が電気絶縁性である耐熱性基板と、前記発熱体
を被覆して前記基板へ固定したガラスフリツトを
主成分とする発熱体被覆層（ホーロ層）とからな
る面状発熱体について提案した。この提案は赤外
線の効用を考慮して、遠赤外放射効率、熱容量、
電気的特性、寸法精度、均一加熱などの特性を大
巾に改善しようとするものである。しかし、面状
発熱体の欠点として、裏面からの熱放散があり、
被加熱物に対して放射エネルギーを有効に利用す
ることが困難であつた。つまり、面状であるため
に片面からの放射であり、被加熱物に対して1/2
の放射エネルギーの供給しかできない。残りの1/
２は裏面から放熱される。発明の目的本発明は、前記のようにホーロ層中に発熱体を
一体化した面状発熱体における裏面からの熱放散
を防止し、加熱面側の放射エネルギーの改善され
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基本的な構成は、ホーロ層中に電気発
熱体を一体化した面状発熱体の裏面に放射抑制層
を設けることである。この種の発熱体のホーロ層は遠赤外領域の放射
率の高い材料で構成されるので、裏面からの熱放
射が大きく、エネルギーの利用効率を極端に低下
させていたが、本発明によれば、裏面に設けた放
射抑制層によつて裏面からの熱放射を減少させる
ことができる。実施例の説明第１図は本発明の面状発熱体の基本的な構成例
を示す。図において、１は耐熱性の基板、２は電
気発熱体、３はガラスフリツトを主成分とする発
熱体被覆層（ホーロ層）であり、これらによつて
発熱素子４が構成される。５は放射抑制層で、放
射率の低い材料で構成される。放射抑制層５は、ａにおいてはアルミウム、ス
テンレス鋼などの金属の薄帯であり、発熱体被覆
層３に一体化されている。ｂにおいては塗膜ある
いは金属溶射による被覆層である。またｃでは放
射抑制層５が基板１側に設けている。第２図は他の構成例を示すもので、ａは発熱体
被覆層３と放射抑制層５との間に断熱層６を形成
した例である。ｂは発熱素子４に断熱層６と、放
射抑制層５とを交互に積層した例である。ｃは素
子４に対して、空気層７を介して放射抑制層５を
設けた例である。この場合、発熱素子４と放射抑
制層５との間の空気層７は素子４に設けた対流熱
放出口８を除いて他を外部と隔絶した構造であ
る。対流熱放出口８は放射面側に向かつて開孔し
ているのが好ましく、その数および大きさについ
ては電気容量、設置条件等により任意に設定でき
る。ｄは素子４、空気層７、断熱層６、放射抑制
層５を積層した例であり、ｅはｄの空気層７と断
熱層６の間に放射抑制層５を設けた例である。以上のように発熱体被覆層３側に放射抑制層５
を設けて基板１側を放射面としたり、基板側に放
射抑制層を設けて発熱体被覆層３側を放射面とす
ることもできる。以下に、本発明の各構成要素について説明す
る。 (1) 面状発熱素子面状発熱素子は前記のように基板、電気発熱
体及びガラスフリツトを主成分とする発熱体被
覆層により構成される。 (A) 基板本発明に適用できる基板は、無機質材料から
なり、少なくとも発熱体を固定する面が電気絶
縁性である板状体であればよい。たとえば、ア
ルミナ，コージライト，ムライトなどのセラミ
ツク，ガラス，マイカ，ホーロ基板などである
が、機械的強度，電気的特性，熱容量，放射効
率などの観点からホーロ基板が最も適してい
る。第３図はホーロ層ａとステンレス鋼
SUS304bについて、各波長における放射エネ
ルギー強度を比較したもので、図から明らかな
ように、ホーロ層は遠赤外領域の放射特性に優
れ、面状発熱体の放射面として適している。 (B) 発熱体被覆層発熱体被覆層は、ガラスフリツトを主成分と
してセラミツク基板，ガラス基板あるいはホー
ロ基板などの絶縁性基板と薄帯状発熱体との接
合を行うと同時に、電気絶縁性および遠赤外線
放射性を付与する層である。発熱体被覆層に用いるフリツトとしては、作
業温度，膨張率は勿論のこと、面状発熱体の好
ましい要件、例えば面状発熱体の熱容量が小さ
いこと、寸法精度にすぐれること、熱酸化を受
けにくく、発熱体端子の取り出しが容易である
ことなどから判断して、好ましい低軟化点フリ
ツトの代表的な組成を第１表に示し、その代表
的組成例を第２表に示す。本発明の面状発熱体を構成する発熱体被覆層
としては、低軟化点フリツトを用いたものが適
当である。その理由を基材として鋼板を用いた
場合を例にして説明する。従来のホーロ加工は800〜900℃の高温で行わ
れており、この温度は鋼のA₁変態点（723℃）
以上である。鋼はA₁変態点以上になると、そ
の組織はα鉄からγ鉄に変態し、体積減少を伴
う。この温度以上でホーロ加工を行うと、鋼板
の焼成歪みが大きく、歪みや変形が発生する。
このため、従来のホーロ加工では素材の板厚の
選定が重要な因子となつてきており、0.6mm以
上の板厚の基材しか用いることができなかつ
た。これに対し、第２表に示した本発明の好ま
しいフリツト組成例からもわかるように、焼成
作業温度が前記のA₁変態点以下である低軟化
点フリツトを用いることにより、鋼の変態によ
る焼成歪みが少なく、0.6〜0.3mmの板厚の薄い
基材鋼板を使用することが可能であり、面状発
熱体の熱容量を低下させることができる。した
がつて、発熱体の立ち上り特性が著しく良好と
なる。また、前述のA₁変態点以下の焼成がで
きるため、加工歩留りが向上するとともに、寸
法精度にすぐれ、後加工が容易である。

【表】

【表】発熱体被覆層を形成する代表的な釉薬の配合
組成例（重量比）を第３表に示す。

【表】ａは通常の艷有りホーロ（光沢で80以上）の
配合組成例である。ｂは発熱体被覆層にさらに
電気的特性を向上する目的で、絶縁性物質であ
るAl₂O₃を添加したものである。この他絶縁性
物質として、TiO₂，ZrO₂，MgO，BeO，
MgAl₂O₄，SiO₂なども有効である。この絶縁
性物質の添加量はフリツト100重量部に対して、
50重量部以下が好ましい。その理由は50重量部
以上になると密着性が極端に低下し、実使用中
に、発熱体被覆層が剥離するためである。ｃは発熱体被覆層にさらに遠赤外線放射特性
を向上させる目的で、遠赤外線放射材料NiOを
添加したものである。この他に、遠赤外線放射
材料として、MnO₂，Co₃O₄，カーボン，
Cu₂O，Cr₂O₃，Fe₂O₃なども有効である。この
遠赤外線放射材料の添加量は、フリツト100重
量部に対して50重量部以下が好ましい。また、
絶縁性物質と併用した場合は、それらの総量が
50重量部以下である。その理由は前述の通り発
熱体被覆層の剥離が起こるためである。なお、
発熱体被覆層の熱膨脹係数は、発熱体の熱膨脹
係数を１としたとき、0.8〜1.5の範囲が好まし
い。 (C) 電気発熱材本発明に適用できる電気発熱材は金属の薄帯
である。発熱体被覆層に封入する場合、薄体で
なければ面状発熱体としての熱容量が大きくな
り、本発明の目的に反する。電気発熱材の材質は薄帯にできる金属、合金
はどれでも適用できるが、特にFe，Al，Fe−
Cr，Fe−Cr−Al，Ni−Cr，ステンレス鋼が適
している。中でも、Ｆ，Fe−Cr系、Ni−Cr
系、Fe−Cr−Ni系が優れている。金属アルミ
ニウム，鉄−クロム−アルミニウム系合金は発
熱体被覆層の焼成時に蒸発して発熱体被覆層に
ピンホールを発生しやすい。鉄系のものはカー
ボンの含量が少ない低炭素鋼が適している。材
質の選択にあたつては、耐熱性、発熱体被覆層
との整合性を考慮する必要がある。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可能で
ある。薄帯の膜厚は10〜150μｍが適用できる
が、好ましい範囲は20〜100μｍである。10μｍ
以下の薄帯は加工が困難であるとともに作業性
が悪い。また、150μｍ以上では、ヒートサイ
クルを加えると発熱体被覆層に亀裂が入つた
り、面状発熱体にそりが発生したりするなどの
問題がある。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４図にパターン形成した電気発熱材の実施
例を示す。電気発熱材の形状は定格電力、発熱
面積、温度分布などを考慮して、膜厚、パター
ン形状を任意に設定することができる。 (D) 面状発熱素子の製造法第５図に面状発熱素子の代表的な製造工程を
示す。絶縁基板の片面にあらかじめ調合された
ホーロスリツプを塗布し(ロ)、設計に基づいて製
作された電気発熱材を塗布面に配置する(ハ)。電
気発熱材を配置する時には塗布面が未乾燥の状
態がよい。これは電気発熱材が塗布面に一次的
に密着するので、電気発熱材の位置決めが容易
となるからである。次に、外側の発熱体被覆層を形成するため
に、ホーロスリツプを塗布し(ニ)、続いて風乾も
しくは50〜150℃で乾燥して水分を除く(ホ)。乾
燥終了後、550〜850℃で10分程度焼成する(ヘ)。
焼成温度はスリツプの組成により異なる。以上
の工程で本発明の面状発熱素子は完成する。 (2) 放射抑制層放射抑制層は放射率の低い材料からなり、薄
膜の方が好ましい。第４表に各種材料の全放射
率を示す。

【表】一般的に放射率の低い材料は、金属または合
金である。第４表から本発明に適用できる材料
として、アルミニウム，クロム，銅，金，白
金，銀，錫，SUS−304，鉄，アルミニウムペ
イントなどがあるが、クロム，銅，銀，鉄など
は酸化されやすく、金，白金などは高価であ
る。したがつて、実用上使用できる材料は金属
としてアルミニウム，錫，亜沿など合金として
ステンレス鋼，鉄との複合材として、トタン，
ブリキ，アルミナイズド鋼板、塗膜としてアル
ミニウムペイントなどである。 (3) 断熱層断熱層は熱伝導率の低い材料で、多孔質な構
造のものが適している。中でも合成樹脂発泡
体、無機質繊維，有機質繊維（動物質繊維，合
成繊維）などが優れている。これらの材料は使
用温度，使用雰囲気により任意に選択できる。
無機質繊維としては石綿、ロツクウール，ガラ
ス繊維，アルミナ繊維，シリカ繊維などがあ
り、高温用断熱層として適用できる。 (4) 放射抑制層の形成方法空気層を設けない場合の放射抑制層の形成方
法としては、金属の薄帯の片面に接着剤を塗布
し、発熱素子に貼り合わせる方法、アルミニウ
ムペイントなどの塗料を素子に吹きつけて塗膜
を形成する方法、プラズマ溶射、ガス溶射、電
気アーク溶射などにより金属の被膜を形成する
方法などがある。しかし、いずれの場合でも、
放射抑制層は多孔質に形成する必要がある。すなわち、気孔のない放射抑制層を用いる
と、第６図に示しているように、発熱素子４と
放射抑制層５の間に介在する空気が加熱により
膨脹し、放射抑制層がおし上げられてふくれを
生じ、操り返し加熱を加えると放射抑制層が剥
離してしまう。放射抑制層と発熱素子の間に断
熱層を介在させた場合も同様の現象が発生す
る。したがつて、本発明における放射抑制層は
発熱素子側から大気側に通じる細孔を有するも
のが好ましい。一方、発熱素子と放射抑制層との間に空気層
がある場合は、素子の放射面側に向かつて対流
熱放出口を設けるのが好ましい。以下、具体的実施例を説明する。比較例ホーロ基板の片面に、発熱体被覆層中に埋設し
た発熱体を設ける。これは第１図で説明した発熱
素子４に相当する。実施例１比較例の素子の発熱体被覆層側に無数の細孔を
有する厚さ20μｍのアルミニウム箔を結合して放
射抑制層とする。実施例２実施例１のアルミニウム箔の代わりに、アルミ
ニウムペイントを塗着して膜厚約50μｍの塗膜を
形成する。実施例３実施例１のアルミニウム箔の代わりに、プラズ
マ溶射により厚さ約50μｍのアルミニウム被膜を
形成する。実施例４実施例１の発熱体被覆層とアルミニウム箔との
間に、ガラスウールからなる厚さ２mmの断熱層を
設ける。実施例５実施例４の断熱層と放射抑制層とを交互に２層
ずつ設ける。これらの面状発熱体の大きさは150×150mmと
し、220Wの電力を投入して、放射面の飽和温度
を５点測定して平均値を比較した。その結果を第
５表に示す。

【表】なお、第５表の放射エヌルギーは次式のステフ
アンボルツマンの法則により求めた。Ｅ＝εσT⁴ σ：定数Ｔ：放射面の絶対温度(k) ε：放射率また、ここに用いた放射面のホーロ層の放射率
は0.92であつた。この実施例から明らかなように、ホーロ層中に
一体化された発熱素子の裏面に放射率の低い材料
よりなる放射抑制層を設けることにより、放射面
からの放射エネルギー強度を大巾に改善すること
ができるとともに放射面の温度分布も改善でき、
均一加熱ができるようになる。また、空気層を設ける構成についても検討した
が、空気層がない場合よりもさらに放射効率を向
上できることが明らかになつた。発明の効果以上のように、本発明によれば、放射効率を大
巾に改善でき、放射面の温度分布を均一化し、加
熱むらを減少することができる。また放射面裏側
上部の温度上昇を低減できるので、機器の構成を
容易にできるなど多くの特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の面状発熱体の基本的な構成を
示す断面図、第２図は他の構成例を示す断面図、
第３図はホーロ層と金属との放射エネルギー強度
を比較した図、第４図は実施例に用いた電気発熱
体のパターンを示す図、第５図は面状発熱素子の
製造工程図、第６図は放射抑制層が剥離した面状
発熱体を示す断面図である。１……基板、２……発熱体、３……ホーロ層、
５……放射抑制層、６……断熱層。

Claims

【特許請求の範囲】

１ホーロ層中に電気発熱体を埋設した面状発熱
素子の片面に、放射率の低い材料からなり、かつ
多孔性を有する金属の薄帯、溶射被膜で構成した
放射抑制層を設けたことを特徴とする面状発熱
体。