JPH02242580A

JPH02242580A - 面状ヒーター

Info

Publication number: JPH02242580A
Application number: JP6076989A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Shibata; 良一柴田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-03-15
Filing date: 1989-03-15
Publication date: 1990-09-26

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、溶射により形成した発熱抵抗層を有する面状
ヒーターに関し、特に調理器用や遠赤外線放射用などの
ヒータに適したものである。

［従来の技術］従来、面状ヒーターとしてはマイカ板に金属発熱帯を巻
き、それを絶縁性の材料で挟んだものや２枚の金属板の
間や管状の金属体の中に電熱線をコイル状またはパター
ンとして設置して、それをセラミック粉末で絶縁したも
の、さらにセラミック中に金属発熱抵抗体を埋設したも
の等が知られている。

例えば特開昭６２−１４３３８６号公報には表面にホー
ロー層を設けた基板上に、ガラスフリットとマイカ粉と
を主成分とする多孔質層を設け、その上に網目状の金属
箔体からなるヒーターエ１ノメンｌ−を被覆した面ヒー
ターが開示されている。しかし、基板上にガラスフリッ
トを含む多孔質層を介してヒータニレメン１〜を被覆し
た場合、面状ヒータの多孔質層は気密性がよいものの、
熱伝導率が低く、耐衝撃性にも欠りるため急熱急冷によ
る熱衝撃に弱（てクラックが発生し易く、高温での絶縁
性能が低下してしまうという問題がある。

［発明が解決しようとする課題１また、最近では金属表面に絶縁体を溶射し、その上に発
熱抵抗体を溶射して、ヒーターにしたものも知られてい
る（特開昭６２−８５２８０号公報）。

しかし、金属表面に絶縁層を介して発熱抵抗体を溶射形
成した従来のヒーターでは、金属表面に溶射形成した絶
縁層が微小なりラックや空隙を内在するため、高温時に
絶縁性能が大幅に低下してしまう恐れがある。

一方、金属表面に溶射した皮膜に耐溶剤性等を持たぜる
ため、溶射皮膜」二に溶剤に溶解したラダシリコーンを
塗布し、硬化させることが知られており（特開昭６０−
１３８０６４号公報）、また、円筒体表面に順に結合層
、絶縁層、発熱体層を設けたヒートロールにおいて、溶
射して形成した絶縁層の微小な隙間を電流が流れるのを
防止するため、絶縁層の微小な隙間に樹脂含浸する方法
も知られている（特開昭６１−１３２９７４号公報）。

しかし、前記のように絶縁層をラダーシリコンで被覆す
る技術や絶縁層に樹脂を含浸する技術を、調理器用途等
に用いられる面状ヒーターに適用しようとしても、それ
ら樹脂は５００°Ｃ以上で劣化して固くなってしまった
り、昇華したりする。

このため耐熱衝撃性や、高湿時の絶縁特性を劣化させて
しまうので、所望の効果を得ることが出来ない。

本発明者らは、　５００〜６００°Ｃ程度の中湿度領域
以上で使用される面状ヒータを実現すべく、絶縁層の熱
衝撃性や高温時の絶縁性を向上できないか鋭意研究した
結果、従来の面状ヒータにおける絶縁層は絶縁材の結晶
粒子のみを積層させているので、絶縁層に緻密性がなく
、熱衝撃性や高湿時の絶縁性を向−卜できないのではな
いかと推察した。

そこで本発明は、金属基板１−に溶射により絶縁層と発
熱抵抗体層とを設けた面状ヒーターにおいて、絶縁層を
改良することにより、熱衝撃に強（、かつ高湿時の絶縁
性に優れたものにすることを目的とする。

［課題を解決するための手段１上記目的を達成するために本発明は、金属基板上に溶射
により絶縁層を設けるとともに、絶縁層の上に抵抗体を
溶射して発熱抵抗層とした面状ヒーターであって、絶縁
層が硝子相を含有することを特徴とするものである。

本発明において、硝子相を含有する層は、硝子相粒子と
結晶材よりなる粒子とがミクロ的に混在したもの、ある
いは硝子相と結晶質相との混相粒子と、結晶材よりなる
粒子とがミクロ的に混在したもの等が考えられる。本発
明においては、このような層構造をミクロ的に積層され
た層ということがある。

また、本発明面状ヒーターにおいて、絶縁層は硝子相を
含有する層（硝子層）と実質的に結晶材のみよりなる層
（結晶層）とを積層した状態に作成してもよい。このよ
うに硝子層と結晶層とを積層する場合には硝子層と発熱
抵抗層との密着性が比較的良くないので、硝子層が内側
に、あるいは硝子層の両側に結晶層が位置するようにす
ることが好ましい。また、本発明においては、絶縁層を
構成する硝子層における硝子相の一部又は全部を熱処理
により結晶化させたものでもよい。−旦、硝子相を得た
後、これを高温の雰囲気で結晶化させてもその緻密性は
変わらないためであり、従来のように初めから全ての絶
縁層を結晶粒子で構成したものとはその緻密さが格段に
異なる絶縁層を構成することができる。

通常、本発明において絶縁層は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚ
ｒ。

Ｍｎ、Ｔｊ、Ｃｒの酸化物の一種以上を含有する組成の
ものが用いられるが、特にＳｉの酸化物と、Ａｌ、Ｍｇ
、Ｚｒ、　Ｍｎ、　Ｔｉ、　Ｃｒの酸化物のうちの１種
以上とを複合して含有することが、溶射時にその一部が
硝子相になりやすい点で望ましい。また発熱抵抗層とし
ては、公知の発熱抵抗体が使用可能であるが、特に、Ｆ
ｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を使用した場合には、抵抗体の温度
係数を正から負まで変化調整するのに都合がよい。ずな
わち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金においては例えば、その組
成で抵抗率及び温度係数が、第１表に示すような関係に
なるため、組成を変えることにより任意の温度係数を選
ぶことが可能である。

また、本発明においては、絶縁層と基板との間に結合層
を設けることにより、両層の結合をより強くすることが
できる。

基板材料としては、高温での機械的性質、耐酸化性等か
らステンレス鋼を用いるのが良い。なかでもマルデンサ
イト系またはフェライト系ステンレス鋼は、絶縁層及び
発熱抵抗層の熱膨張率αに近いので好ましい基板材料で
ある。例えばこれらの熱膨張率は以下の関係になる。

抵抗層　　Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ　　ａ　＝　１１〜１３Ｘ
　１０−’／／　　　　Ｎｉ−Ｃｒ　　　　　　　１７
Ｘ　１６−６絶縁層　　ＭｇＯ−３ｔ０２ｉｏ〜］、２
ＸｌＯ−’／／　　　　Ａｌ□０３７．５ｘ　１０−６
基板　　　Ａｌｚ０３−３ｉＯ□　　　　５Ｘ　１０−
６ステンレス　　　　ｌＯｘ　１０−６さらに、本発明においては、前述したように絶縁層は、
硝子相を含有する層と結晶材よりなる層とを複数積層さ
せてもよく、また、絶縁層と基体との間に結合層を介し
ても良いが、隣り合う両層か少なくとも１つの同一金属
元素を含有する場合には、同じ酸化物等を両層の境界領
域で共有するため、より接合性が良（なるものと考えら
れる。

またヒータの表面に例えばＺｒＯ□−３ｉ０２系の塗料
や、　ＭｇＯ□−３、ｉ　０２溶射膜などの遠赤外線発
生膜を設ければ、より一層放射効率のよいヒーターを実
現することか可能となる。

なお、通常、電気用品には、絶縁抵抗ＩＭΩ以上、絶縁
耐圧ＩＫＶ以上の特性が要求されるので本発明において
も同程度の絶縁特性を持つことを一応の目安とする。ま
た本発明面状ヒータは、５００〜６００℃程度の中温度
域で使用するものが主な対象であるが、この温度域に必
ずしも限定するものではない。

［作用］上記手段の本発明面状ヒーターでは、絶縁層を溶射形成
する時に硝子相形成成分が結晶相粒子相互の間隙を埋め
て、展延するため緻密性のある膜が形成されるものと推
測される。そして、この緻密性によりクラックが生じに
く（、かつ高温時の絶縁性が向上するものと考えられる
。

［実施例］以下、本発明を実施例に基づいて、更に詳細に説明する
。

（実施例１）金属基板として１００　Ｘ１００　Ｘｉ　ｍｍのｓ　ｕ
　Ｓ　４１０の板を用い、それにＮｉ−Ａｌをプラズマ
溶射して、結合層を形成した。次いで、第２表に示す各
種の材料配合の絶縁材料をそれぞれ溶射して、絶縁層を
形成した。なお、第２表において絶縁体原料粉の各酸化
物の配合比が１００ｗｔ％に満たぬものは少量の不純物
を含む原料を用いたためである。また３種類の比較例は
、絶縁体原料粉として結晶材のみのもの、または硝子相
形成成分を少量しか含まないものを用いて絶縁層を溶射
形成したものである。

絶縁材料を溶射する装置は、ＭＥＴＣＯ−ＩＮＣ。

の７ＭＧシステムを用い、ガンは同社の９ＭＢを使用し
た。溶射条件は、Ａｒ注入量４０１７分、水素注入量８
１／分、印加電圧６５〜７０Ｖ、電流５００Ａとし、絶
縁層の厚みは平均的に０．４　ｍｍとなるように溶射ガ
ンの移動装置をコントロールした。

得られた絶縁層に硝子相が含まれるか否かを、Ｘ線によ
る解析で検出した。その解析で結晶付特有の鋭いピーク
の現われ方が低下し、幅広いビクがみられるようになっ
たものを硝子相を含むものとし、ベースの１−り及びピ
ーク値の程度から総合的に判断して硝子相の含有量を強
、中、弱の３段階で相対評価した。

第１〜４図はＸ線解析結果の一例を示すものであり、例
えば第１図及び第３図に示すように、Ｘ線強度と回折角
度の関係において、鋭いピーク値Ａが観察されるものが
結晶相である。これに対し、第２図及び第４図に示すよ
うに鋭いピークが低下し、ベースＢが高くなっているも
のが硝子相である。第１図はｐｃ−ｓｐ原料粉末のＸ線
解析チャートであり、はとんど結晶である。第２図は前
記ＰＣ８Ｐ粉末を溶射して得られた絶縁層のＸ線解析チ
ャートであるが、結晶特有のピークが明らかに認められ
るので、結晶相が主体であり硝子相は少量存在している
程度であることがわかる。これに対し、第３図はＰＣ−
Ｍ２Ｓ粉末の溶射前のＸ線解析であり、はとんど結晶で
あるが、第４図に示すようにＰ（１ニー　Ｍ２Ｓ粉末を
溶射して得られた絶縁層は、そのＸ線解析チャートから
明らかなように結晶特有のピークは消え、ベースが上が
っていることから、ガラス相が主体であることがわかる
。

なお、第４図の縦軸（Ｘ線強度）は、第３図の縦軸の５
倍に拡大表示したが、それでも結晶特有の鋭いピークは
認められない。

また各絶縁層の絶縁特性を３０°Ｃ１湿度８５％で測定
して、第１表に示した。なお、絶縁抵抗と絶縁耐圧の測
定は、絶縁層の内側に５０Ｘ５０ｍｍの面積でＮｉ−Ａ
ｌ合金を厚さ３０〜１５０μｍ溶射して、その層と基板
の間の絶縁性能を測定して示した。

第２表かられかるように、硝子相を含む本発明の実施例
は絶縁性能が大幅に改善されている。また上記絶縁層を
大気中、９００°Ｃ１１時間の条件で加熱を行った後、
Ｘ線解析をしたところ硝子相特有の鋭いピークが出現し
たが、いづれも絶縁特性はほぼ同一のレベルをイ呆った
。このことから、旦、硝子相が含有され緻密な絶縁層が
形成されてしまうと、その後に硝子層が結晶化されても
、緻密性は変えられることがないためと考えられる。

第５図及び第６図は、本発明面状ヒータにおける緻密性
を説明するための金属組織写真である。

第５図は本実施例のＭｇＯ５ｉ０２溶射膜の組織を示し
、灰色部分はほとんど硝子相であり、黒い部分は空孔で
あり、濃い灰色の点が集まったところは結晶であり、全
体に緻密性があることがわかる。第６図は比較例のＡｌ
□０３−ＭｇＧの溶射膜の組織を示し、濃い灰色の点が
多数ある部分が結晶であって、黒い部分が空孔であり、
緻密性がないことがわかる。

（実施例２）絶縁層の組成および構成を第３表に示すように変えた以
外は実施例１と同様の方法で金属基板上に結合層及び絶
縁層を溶射して形成した後、絶縁層の上にＳＯＸ　５０
ｍｍの範囲でＦｅ−２５Ｃｒ−８Ａｌをガス溶射して厚
さ約（Ｌｌｍｍの発熱抵抗層を形成し、面状ヒータを作
成した。試料１．２は硝子相を含む絶縁層重の上に結晶
のみの絶縁層■を設け、試料３．４は絶縁層重のみとし
た。なお、試料１．２の絶縁層の厚さは０．２　ｍｍ、
試料３．４の厚さは０−４ｍｍを目標値として溶射形成
した。各発熱抵抗層の膜剥離（浮き上り　）は主として
溶射終了時におこるので、溶射直後の各発熱抵抗層の剥
離の状況を目視により観察して第３表に示した。また、
室温から５５０℃まで３分間で昇温し、放冷する工程を
１ｏｏｏ回くりかえした後に、絶縁層の絶縁抵抗と絶縁
耐圧とを測定した。その結果も第３表に示す。

第３表によれば、硝子相を含む絶縁層の上に結晶のみの
絶縁層を設けることにより、絶縁層と発熱抵抗層との付
着性能がよ（なるのが明らかである。この場合、硝子相
を含有する絶縁層、結晶のみよりなる絶縁層、及び発熱
抵抗層が少なくとも１つの金属元素を共通して含有して
いるので、その境界の接合性能を向上させることが出来
たものと考えられる。また各絶縁層の絶縁特性は、面状
ヒータにとって十分望ましいものであった。

（実施例３）実施例１と同様にして結合層を溶射した金属基板を使用
し、その金属基板上に第４表の試料５〜８に示す絶縁層
を実施例１と同様の条件で溶射することにより形成した
。試料５．６は、硝子相を含む絶縁層重、■間に結晶材
層をはさんだもので、各層の厚さはほぼ０．１５ｍｍを
目標値として溶射形成した。また試料７．８は、結晶材
層の上に硝子相を含む層を設けたもので、各層の厚さは
０．２　ｍｍを目標とし溶射形成した。得られた試料５
〜８の絶縁層の絶縁抵抗と絶縁耐圧を測定して第４表に
示した。第４表より、各絶縁層の絶縁特性は良いもので
あり、面状ヒーターに適したものであることがわかる。

また硝子相を含む絶縁層と発熱抵抗層の結合性を良好に
する場合には、第１層を硝子相を含む層とし、第２層を
結晶層としたり、硝子相を含む層と発熱抵抗層との間に
結晶のみの層をはさむようにしてもよい。

（実施例４）実施例１と同様の方法によりマルテンザイト系ステンレ
ス鋼Ｓ　Ｕ　Ｓ　４０３またはフェライト系のステンレ
ス鋼Ｓ　Ｕ　Ｓ　４３０よりなる基板に、第５表に示す
約０．４ｍｍ厚さの絶縁層を形成し、さらにその上に第
５表に示す約０．１ｍｍ厚さの発熱抵抗層を溶射により
形成して面状ヒーターを作成した。

第５表中Ａｌ２Ｏ３５Ｉ０２は、Ａｌ２０３７７％、５
Ｌ０２２２％のもの、Ａｌ□０３−３１０□粉とＣｌ７
２０３粉の比は７：３、Ｎｊ−Ｃｒ組成はｂａｌ　Ｎｉ
−２０Ｃｒ、　Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成はｂａｌＦｅ−２
５Ｃｒ−８Ａｌ　、Ｆｅ−Ｃｒ−ＡｌとＮｉ−Ｃｒの比
は１：１である。

第５表に示す各面状ヒーターを室温から５００℃まで３
分間で昇温し、放冷する工程を１０００回くりかえした
が、いずれも加熱状態に変化はみられず熱衝撃性を十分
に有していた。

これは基板材料であるマルテンザイト系またはフェライ
ト系のステンレス鋼の熱膨張係数が１．Ｏｘ　ｔｏ−６
付近であり、絶縁層を形成するＭｇＯ−３ｊＯ□合金の
熱膨張係数が０．８〜Ｉ−２Ｘｌ０−６であり、両者の
熱膨張係数が近いことにもよると考えられる。

そのため試料９〜１４の面状ヒーターは、１０００℃で
も使用可能になる。

また発熱抵抗層にＦｅ−０ｒ−Ａｌ系合金を使用し、絶
縁層にＡｌ２０３−３ｉＯ：＋等を使用しているので、
両省に同一金属元素が含まれており、接合に有利である
ことも考えられる。

（実施例５）実施例２の試料１と２で得られた面状ヒータの基板の反
対面側に市販の遠赤外線発生塗料（［株］日板研究所製
ＣＲＣ６００）を３０μｍ厚さに塗布した。このように
作成した面状ヒーターを５００°Ｃに加熱し、分光放射
率測定装置を用い、波長３μｍμｍトート射効率を測定
したところ０．８以上の値が得られた。なお、塗布しな
いものでは０．３であった。

［発明の効果］本発明の面状ヒーターは、その絶縁層が緻密性を有する
硝子相を含むので絶縁特性が向上し、しかも発熱抵抗層
や基板との結合性も向上して剥離しにくく、急熱急冷に
よる熱衝撃性にも強い。また基板材料や絶縁材料、発熱
抵抗材料を選択することにより熱膨張係数を近い関係に
したり、同一金属元素を互いに含むようにすることによ
り結合性をより優れたものにし、急熱急冷による熱衝撃
性をさらに向上させることができる。

以上により即熱性、組立性に優れた面状ヒータ、例えば
調理機用ヒーター、遠赤外線放射ヒーター、加熱炉用ヒ
ーター、保温ヒーター、熱定着および熱転写用加熱ヒー
ターとして優れたものを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図はそれぞれ溶射前の原料粉末及びそれを用い
て作成した絶縁層のＸ線解析結果を示す図、第５．６図
はそれぞれ本実施例と比較例の絶縁層の金属組織写真で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属基板上に溶射により絶縁層を設けるとともに
、絶縁層の上に抵抗体を溶射して発熱抵抗層とした面状
ヒーターにおいて、絶縁層が硝子相を含有することを特
徴とする面状ヒーター。
（２）金属基板上に溶射により絶縁層を設けるとともに
、絶縁層の上に抵抗体を溶射して発熱抵抗層とした面状
ヒーターにおいて、絶縁層は、硝子層を含有する層と結
晶材よりなる層とがミクロ的に積層されていることを特
徴とする面状ヒーター。
（３）金属基板上に溶射により絶縁層を設けるとともに
、絶縁層の上に抵抗体を溶射して発熱抵抗層とした面状
ヒーターにおいて、絶縁層は、硝子相を含有する層と結
晶材のみよりなる層とが積層されていることを特徴とす
る面状ヒーター。
（４）絶縁層が、Ｓｉの酸化物と、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒ、
Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒの酸化物の１種以上とを含有すること
を特徴とする請求項１、２又は３に記載の面状ヒーター
。
（５）絶縁層は、硝子相を含有する層と結晶材よりなる
層とが複数積層され、隣合う両層は少なくとも１つの同
一金属元素を含有することを特徴とする請求項１乃至４
に記載の面状ヒーター。
（６）金属基板上に溶射により絶縁層を設けるとともに
、絶縁層の上に抵抗体を溶射して発熱抵抗層とした面状
ヒーターにおいて、絶縁層を構成する硝子相の一部又は
全部が熱処理されて結晶化していることを特徴とする請
求項１乃至５に記載の面状ヒーター。
（７）金属基板と絶縁層との間に結合層を設けた請求項
１乃至６に記載の面状ヒータ。
（８）発熱抵抗層がＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金系よりなるこ
とを特徴とする請求項１乃至７に記載の面状ヒーター。
（９）金属基板がマルテンサイト系又はフェライト系ス
テンレス鋼よりなり、絶縁層の熱膨張係数が０．８〜１
．２×１０＾−＾６であることを特徴とする請求項１乃
至８に記載の面状ヒーター。
（１０）ヒーターの表面に遠赤外線発生膜を設けたこと
を特徴とする請求項１乃至９に記載の面状ヒーター。