JPH046079B2 - - 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面状発熱体に関するもので、
この発熱体は、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として用いられる
ものである。 従来例の構成とその問題点 従来、電気エネルギーを利用した発熱体として
はシーズヒータ、石英管ヒータ、面状発熱体など
が知られている。シーズヒータ、石英管ヒータは
各種の用途に用いられているが、被加熱物を均一
に加熱するには適していない。 一方、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
浴びるようになつてきた。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、被加熱物への熱伝達が悪く、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つた。
しかも、これらはコストが高くかつ、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。その他に、有機質フイルム
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、これらの発熱体は200℃以上では
使用できなかつた。また寿命的にも問題があつ
た。 さらに最近、ホーロ層表面に発熱素子を設置
し、この発熱素子をさらにホーロ層で被覆した、
言わゆる発熱素子をホーロ層でサンドイツチにし
た面状発熱体が提案されている。 この発熱体は、ホーロ層が耐熱性に優れ、電気
絶縁性にも比較的優れているので、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、上記のような構成ではホーロ層間の密
着性に問題があり、さらには発熱素子と金属基材
との間の絶縁性も悪く、実用にはいたつていな
い。 発明の目的 本発明は、上記のように、発熱素子をホーロ層
によつて挾持した構成の面状発熱体の問題を解決
し、金属基板と電気発熱素子との間の電気絶縁抵
抗が実用適値を有し、耐久強度の優れた面状発熱
体を提供することを目的とする。 発明の構成 本発明の面状発熱体は、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
絶縁ホーロ層によつて被覆して結合した電気発熱
素子とを有する面状発熱体であつて、前記第１及
び第２の絶縁ホーロ層を構成するガラスフリツト
の軟化点をそれぞれT₁℃及びT₂℃としたとき、
式０＜T₂−T₁50を満足するようにガラスフリ
ツトを選択したことを特徴とする。 実施例の説明 第１図は本発明による面状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のホーロ層２（以下ホーロ層という）を形
成している。３は金属の薄帯よりなる発熱素子で
ある。この発熱素子３は第２のホーロ層４（以下
ホーロ層という）によつて被覆され、しかもホ
ーロ層によつてホーロ層に固着されている。 以下、各構成要素について詳しく説明する。 (1) 金属基板 面状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
板あるいはステンレス鋼板が使用され、その選
択にあたつては使用条件、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。 (2) 電気発熱素子 本発明に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。電気発熱素子はホー
ロ層によつて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、電気発熱素子が露出してしまう。 本発明で用いる薄帯の厚みは10〜200μｍが
適当で、好ましくは30〜100μｍの範囲である。
10μｍ以下の薄帯は、薄帯にするための加工が
困難であるとともに、面状発熱体を製造する時
に、薄帯が破れたり、折れたり、曲がつたりし
て、作業性が著しく悪い。また200μｍ以上で
は、前述した理由の他に、面状発熱体にヒート
サイクルを加えると、ホーロ層に亀裂が入つた
りして好ましくない。 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決定すること
ができる。 (3) 電気発熱素子の材料 第１表は本発明者らが検討した各種発熱薄帯
材料の物理的性質および面状発熱体としての性
質を示した。

【表】

【表】 表中の固有抵抗は発熱素子の形状（パターン
長、パターン巾、薄帯の厚み）を決定するメジ
ヤーとなる。表中の鉄とインコネルの例にとつ
て比較すると、後者の固有抵抗は前者の約10倍
である。すなわち、薄帯の厚みを一定とする
と、鉄はインコネルに比べて、パターン長を10
倍にするか、またはパターン巾を1/10にする必
要がある。パターン巾、パターン長を一定にし
た場合、鉄はインコネルに比べ、厚みを1/10に
しないと、同一ワツト数が得られなくなる。す
なわち固有抵抗値が小さい材料は、形状がより
複雑になるが、厚みがより薄くなることを示し
ている。このことは面状発熱材料としての加工
性、作業性に大きく影響する。表中の面状発熱
材の作業性、加工性は、この点に着目し、面状
発熱材のパターン形成時およびホーロ面に設置
する作業時の歩留りにより、○、△、×で表示
した。○は歩留りが80％以上、△は30〜80％、
×は30％以下である。 この結果から、表中のNo.１〜４の歩留りが悪
く、好ましくない材料である。 表中のホーロ層との密着性は、面状発熱素子
とホーロ層の密着性を指すものであり、特に、
実使用時に、リード線が引つぱられる場合があ
り、その時、面状発熱素子とホーロ層の密着が
悪いと、ホーロ面から簡単に面状発熱素子が剥
離する場合があり、両者の密着性の強弱は製品
に大きな影響を及ぼす。ここで密着性の強弱
は、第２図に示した発熱素子パターンを用い
て、ホーロ層によつて発熱素子を被覆したサン
プルを作製し、端子部をバネバカリで接合し、
垂直方向に引つぱり、発熱体がホーロ層から剥
離する時のバネバカリが示す重量をメジヤーと
して評価したものである。表中の○は３Kg以
上、△は３〜１Kg、×は１Kg以下である。この
結果からNo.１〜３の材料はホーロ層との接合強
度が強いことを示している。金属材料とホーロ
層が接合する条件の一つとして、熱酸化あるい
はホーロスリツプ（通常アルカリ性）と反応し
て、腐食するものでなければ、密着性が悪いと
言われている。その点からすると、No.１〜３は
ホーロ層とよく密着し、No.６〜９は密着性が悪
いという結果は妥当であると思われる。それに
対し、No.５のステンレス鋼はホーロ層の種類に
よつては異なるが、○〜×と大きくバラツイて
いる。これはホーロフリツトの組合せによるも
のであるが、詳細は後述する。 以上の結果より、本発明の面状発熱素子の材
料はフエライト系ステンレス鋼が好ましい。 (4) ホーロ層

【表】

【表】 第３表 スリツト 100重量部 粘土（９号） ５ 〃 亜硝酸ソーダ 0.1 〃 水 50 〃 第２表に本発明者らが検討したホーロフリツト
の使用品番（いずれも日本フリツト(株)のもの）、
軟化温度、基準焼成温度を示した。これらフリ
ツトを第３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。これらスリツプを前処理したホーロ用
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５分間焼成を行い、
ホーロ層を形成した。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
SUS430製発熱素子（厚み：60μｍ）を設置し、
その上から、さらに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、所
定温度で５分間焼成してホーロ層を形成し
た。 ホーロ層、の実験割付けは第４表のよう
にした。

【表】

【表】 第４表イ欄はホーロ層、に使用したフリツ
トNo.（第２表のNo.）、ロ欄はホーロ層、に
用いたフリツトの軟化点の差T₂−T₁を示す。
ハ欄は前述の第１表で示した密着性試験法によ
り評価した密着性を示す。ニ欄は金属基板と発
熱素子との間の絶縁耐圧を示す。絶縁耐圧は電
気用品取締り法に規定してある絶縁耐圧試験法
に準じて測定し、絶縁耐圧が1.5KV以上のもの
を○、それ以下のものを×で表した。ホ欄はホ
ーロ端部の状態を目視で観察した結果を示し、
端部にヒケがあるものを×、ないものを○で表
わした。 第４表の結果から、密着性はホーロ層と
を構成するガラスフリツトの軟化点の差が−30
℃以上なければ、発熱素子とホーロ層もしくは
ホーロ層との間の密着が悪くなり、好まし
くないことが判かる。さらに電気絶縁性は、軟
化点差が０℃以下のものは好ましくないことが
判かる。その理由は、ホーロ層に生成する泡構
造が起因するものと推定される。 第４図はホーロ層を断面にして顕微鏡観察した
模式図を示す。第４図ａはホーロ層のみの断面
であるが、微小の泡５を有している。この泡は焼
成の途中で金属とスリツプ中の水分が反応して発
生する水素や鉄中の炭素の酸化による炭酸ガスが
主因となつている。すなわち、ホーロ層は泡の存
在をさけて通ることができない。この泡が、絶縁
耐圧に大きく影響する。 第４図ｂ，ｃは第４表のｇおよびｉの条件での
断面構造である。すなわち絶縁耐圧の悪いものは
発熱素子下部のホーロ層に大きな泡を包含して
おり、それに対し、絶縁耐圧の良好なものは、小
さな泡にとどまつていることがわかる。 この理由を以下に説明する。第２表に示したよ
うに、ガラスフリツトの軟化温度は基準焼成温度
と密接な関係がある。第４図ｂ，ｃに示したよう
に、ホーロ層を焼成により形成した後、金属発
熱素子を設置し、ホーロ層を焼成して形成する
いわゆる２度焼成では、層の焼成温度（軟化温
度）が層の焼成温度（軟化温度）より低い場合
（第４図ｂ、層の焼成時に層が半流動状態に
なり（層のガラス粘性が高い状態）、層中の
泡が十分ぬけきらず、さらに発熱素子にしやへい
され、泡が発熱素子の下部に集中すると同時に泡
がさらに成長し、大きくなるものと考えられる。 それに対し、層の焼成温度（軟化温度）が層
の焼成温度（軟化温度）より高い場合（第４図
ｃ）、層を焼成する際、層が第４図ｂに比べ、
より流動状態になり（層のガラス粘性が低い状
態）、層中の泡が十分ぬけきる状態になる。す
なわち発熱素子を介して、層、層を個々に焼
成する方式では、絶縁耐圧の観点から、層の泡
を十分ぬけきるような状態にしてやることが必要
であることが判明した。 上記要件に対して、例えば層、層を同一フ
リツトを用いて、(1)層のみを焼成温度を高くす
るか、(2)層の焼成時間を極端に長くしたりする
方式も考えられる。本発明者らは、その点につい
ても検討した。(1)の場合、たしかに層に存在す
る泡は少なくなるが、層のガラスの流動が大き
くなり、発熱素子端部が露出して、電気用品的に
使用することができない。また(2)の場合も、層
の泡は少なくなる傾向にあるが、逆に耐圧が著し
く悪くなつた。その理由は、極端に焼成時間を長
くすると、基材金属の鉄がホーロ層に拡散し、
有効ホーロ厚みが見掛上薄くなり、絶縁性が劣化
することによるものと考えられる。 以上の点から、絶縁耐圧的には、層と層の
軟化点差があることが必要であるが、その差が50
℃を超えると、耐圧が劣化する。その理由は前述
の鉄の拡散によるものと推定される。また、それ
と同時に、ホーロ端部のヒケも発生し始める。す
なわち、層とに使用するフリツトの軟化点は
式０＜T₂−T₁≦50を満足するものでなくてはな
らない。 発明の効果 以上のように、本発明によれば、実用的な電気
絶縁性と耐久強度を有するホーロ被覆面状発熱体
を得ることができる。 本発明の面状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が可能となる。またホツ
トウオーマに用いると輻射伝熱を行うので、底部
の断熱材を少なく構成でき、軽量化とコストダウ
ンが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の面状発熱体の構成を示す要部
の断面図、第２図はその発熱素子の構成例を示す
平面図、第３図は発熱体の要部の断面を示す模式
図である。 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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の絶縁ホーロ層によつて
   被覆して結合した電気発熱素子とを有する面状発
   熱体であつて、前記第１及び第２の絶縁ホーロ層
   を構成するガラスフリツトの軟化点をそれぞれ
   T₁℃及びT₂℃としたとき、式０＜T₂−T₁≦50を
   満足する関係にあることを特徴とする面状発熱
   体。 ２ 前記電気発熱素子がフエライト系ステンレス
   鋼である特許請求の範囲第１項記載の面状発熱
   体。