JPH0116317B2 - - Google Patents

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発熱体の製造法に関するもの
で、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を提供するものである。 従来例の構成とその問題点 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つて発熱素子を
被覆して被着した、言わゆる発熱素子をホーロ層
でサンドイツ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が耐
熱性に優れるので、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、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発熱特性の課題を
解決する必要がある。こ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ツ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
ツトは、フリツト中にNa₂O，K₂O，Li₂Oなどの
アルカリ金属酸化物を20〜35重量％含有してお
り、このため、200℃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移動が起こり、絶縁
抵抗が著しく劣化するからである。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％以下）低アルカリフリツトも
しくは無アルカリフリツトで形成する必要があ
る。 しかし、前述の低アルカリフリツトまたは無ア
ルカリフリツトは、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、800〜850
℃の温度でホーロ焼成を行つても、ホーロとして
の流動性に乏しく、なんらかの要因で発生するボ
イドが十分ぬけきらず、どうしても一般ホーロに
比べて、ホーロ層中にボイドが存在する確率が高
くなる。電気的特性，特に絶縁耐圧の観点から、
このボイドの存在は重要な意味を持つており、こ
のボイドの大きさ、量が大であればあるほど、絶
縁ホーロ層の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，量産化が可能かどうかに大いに
関係する。 このボイドの発生要因について検討した結果を
以下に詳述する。 通常、前述のフリツトを金属基材に塗布する方
法としては、フリツトを適当な水で粉砕し、混合
した泥しよう物（スリツプという）をスプレーあ
るいはデイツピングで塗着する方法が採られる。
ここで、フリツトに水を加えただけでは、水とフ
リツトは短時間に分離し、フリツトは沈澱してし
まうので、スリツプ中に粘土を添加している。粘
土には、一般に不純物の少ない蛙目粘土が用いら
れる。粘土添加の目的は、フリツトを浮遊させる
ための懸濁剤の働きをさせることと、スリツプの
乾燥塗膜の強化にある。 このように粘土は、その材料特有の可塑性によ
つて、従来のスプレー法、デイツピング法ではス
リツプにはなくてはならない材料である。この粘
土は、120℃付近および、550〜600℃付近に吸熱
ピークを持つている。前者の吸熱ピークは粘土の
吸着水、後者は粘土の結晶水によるものである。 ホーロ加工の工程において、スリツプ塗着後、
80〜150℃の乾燥工程、800〜900℃の焼成工程の
順にライン構成されており、スリツプ中の水分あ
るいは前述の粘土吸着水は乾燥工程中に除去され
るが、粘土中の結晶水は乾燥工程を経ても、まだ
残存している。この結晶水は焼成時に急激に膨張
し、ホーロ層中にボイド発生させる。前述したよ
うに、使用するガラスフリツトが一般ホーロ用フ
リツトに比べ、アルカリ成分量が少いため、ホー
ロの流動性に乏しく、前述の粘土結晶水に起因す
るボイドが十分ぬけきらず、ホーロ層中にボイド
を残す結果となる。 このように、スリツプ中の粘土がボイドの発生
に大きく起因することが判明した。 このボイドの発生をなくすため、シリカゲルや
ベントナイトのような粘土代替品の使用も考えら
れるが、スリツプの安定性や寿命の観点から、粘
土にかわるほどの特性を示さず、未だ不十分なも
のであつた。 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、電気発熱素子を埋め込むホーロ層の
絶縁ホーロ層を、含有するアルカリ成分が10重量
％以下のガラスフリツト粉末を電気泳動法で被着
し、焼成して構成すことを特徴とする。 実施例の説明 第１図は本発明の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の絶
縁性ホーロ層２を形成している。３は薄帯状金属
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で被覆することによ
り発熱素子３をホーロ層２，４で挾持した構造に
なつている。 以下、各構成要素について説明する。 (1) 金属基材 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、アルミダイキヤスト、鋳鉄、アル
ミナイズド鋼、低炭素鋼、ホーロ用鋼板、亜鉛メ
ツキ鋼板あるいはステンレス鋼板が使用される。 金属基材は絶縁ホーロ層の密着性の観点から、
必要に応じて前処理が施される。例えば、金属基
材としてステンレス鋼を用いる場合は、サンドブ
ラスト法、化学エツチング法による表面拡大化処
理が必要である。アルミナイズド鋼の場合は、ホ
ーロ層とアルミメツキ層が相互に拡散するため、
アルカリ脱脂だけで良い。 鋼板を用いる場合、通常のホーロ加工に用いら
れる酸洗処理、ニツケル処理のほかに、亜鉛メツ
キ工程も必要に応じて行われる。その理由は、後
述するように、電気泳動法では、被着する金属基
材が正極として作用するため、鉄イオンが溶出す
るので、鋼よりもイオン化傾向の大きな亜鉛を被
覆する工程も条件によつては必要である。 (2) 電気発熱素子 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。発熱素子の表面にホーロ層を完全
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、外的なシヨツクで簡単にホ
ーロ層が剥離し、発熱素子が露出してしまう。発
熱素子薄帯の厚みは10〜200μmが適当であり、好
ましくは30〜100μmの範囲である。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。発熱
素子の膜厚、形状は、定格電力、発熱面積、温度
分布などを考虜して設定する。 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℃
における固有抵抗が60μΩ・cm、100℃における熱
膨張係数が104×10^-7deg^-1のフエライト系ステン
レス鋼が最も好ましい。 (3) 絶縁ホーロ層のガラスフリツト 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（電気抵抗、絶縁耐圧等）が重要
である。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、ガラスフリツトの体
積固有抵抗がある。ホーロ層の膜厚は、ホーロ密
着性の観点から決定され、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
ガラスフリツトを用いる必要があり、ガラスフリ
ツトの選択が重要となつてくる。 前述のように、一般ホーロに用いられる高アル
カリのホーロフリツトは、体積固有抵抗が小さ
く、使用することができない。本発明ではアルカ
リ成分の少ないフリツトを用いる。 (4) 絶縁ホーロ層の形成方法 本発明の特徴は、発熱体の絶縁ホーロ層の形成
に際して、ガラスフリツトを電気泳動法により塗
着することにある。第２図に電気泳動法の原理を
示した。電気泳動法は、スリツプ５中に対向電極
６と被施釉物７をつり下げ、前者を負極、後者を
正極として、直流電圧電源８により直流電圧を加
えると、フリツト粒子は負に帯電しているので、
正極に向かつて移動し、被施釉物７に沈積、被着
する方法である。スリツプは、ガラスフリツト微
末（平均粒径約10〜5μm）と適当な分散媒（水あ
るいは、イソプロピルアルコールやブチルアルコ
ールなどのようなアルコール類）とで構成さてお
り、フリツトの沈降防止の意味で、スターラー９
で撹拌されている。 電気泳動法は、粘土を用いないでも、被着形成
が可能なことが特徴である。すなわち、前述した
ように、ボイド発生材料である粘土を用いないた
め、本発明の方法で被着形成したホーロ層中には
ボイドがほとんどなく、それにより絶縁ホーロ層
の絶縁耐圧が著しく向上する。 電気泳動施釉法の条件については、スリツプの
濃度は10〜40重量％、スリツプ粘土は１〜3CP
で、その電気泳動被着条件はフリツトの種類によ
つても、異なるが、0.1〜10A／dm²の範囲が好ま
しい。 被施釉物に被着する量は、クーロン量に比例す
るため、必要に応じて電流値、時間をコントロー
ルする。 次に具体例を説明する。 フリツトには、アルカリ成分が５重量％の日本
フリツト社製低アルカリフリツトXG―４を用い
た。このフリツトをらいかい機で５時間乾式粉砕
した後、濃度が20重量％になるように、フリツト
粉末に水を加えて、ボールミルで12時間ミル引き
して、サンプルスリツプとした。次に、第２図の
ような装置を用い、前処理を施した大きさ100×
100mmのホーロ用鋼板を正極、大きさ100×100mm
のステンレス鋼板を負極として、前述のスリツプ
中で電気泳動被着を行つた。この時、電流密度は
1A／dm²で１分間通電し、その後、ホーロ用鋼
板をスリツプから引き上げ、水洗，乾燥後、820
℃の温度で５分間焼成して絶縁ホーロ層とした。
この時の絶縁ホーロ層の厚みは200μmである。 また、比較例として、前述と同様なフリツトを
用いて、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、サンプルスリツプと
した。このスリツプを前処理した大きさ100×100
mmのホーロ用鋼板にスプレーガンで約200μmの厚
さに塗布し、乾燥後、820℃の温度で５分間焼成
して絶縁ホーロ層とした。

【表】 次に、上記実施例及び比較例の絶縁ホーロ層上
にステンレス鋼SUS430製発熱素子（厚み：
60μm）を設置し、その上からさらに第１表のホ
ーロスリツプをスプレーガンで約150μmの厚さに
塗布し、乾燥後、820℃で５分間焼成して発熱素
子被覆ホーロ層とした。 以上のようにして得た実施例Ａおよび比較例Ｂ
の発熱体各10枚の絶縁耐圧を測定した結果を第２
表に示す。 測定方法としては、電気用品取締り法に規定し
てある絶縁耐圧試験法に準じて、発熱素子と鋼板
との間の絶縁耐圧を測定した。

【表】 第２表から明らかなように、比較例の発熱体の
絶縁耐圧は1KV以下と低いのに対し、本発明の
発熱体は5KV以上と高く、著しく絶縁耐圧の向
上が図れた。 第３図ａ，ｂは各々上記発熱体Ａ，Ｂの断面を
示す模式図である。第３図から明らかなように、
ホーロ層中のボイド５の大きさ、数とも、著しく
異なり、従来の発熱体はボイドの数、大きさとも
大であり、高電圧がかかるとホーロ層が絶縁破壊
を起こし、絶縁耐圧が悪くなるのである。 発明の効果 以上のように、本発明によれば、金属基板と発
熱素子との間の絶縁耐圧性を著しく改善すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の発熱体の基本構成を示す要部
断面図、第２図は電気泳動法の原理を示す略図、
第３図は発熱体の断面を比較した模式図である。 １……金属基板、２……絶縁ホーロ層、３……
発熱素子、４……ホーロ層。

Claims (1)

【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のホーロ層によつて被覆結
   合した電気発熱素子とを有する発熱体の製造法で
   あつて、金属基板上に、含有するアルカリ成分が
   10重量％以下のガラスフリツト粉末を電気泳動法
   で被着した後焼成して前記第１の絶縁ホーロ層を
   形成することを特徴とする発熱体の製造法。