JPH07282961A - ヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐熱性に優れ且つ発熱効率が良好で、安価で
信頼性の高くヒーターを提供することにある。 【構成】 基材１表面に溶射形成された絶縁層２面に、
金属箔またはカーボン繊維とカーボンとの混合物による
発熱層３を形成し、この発熱層３上に絶縁高熱伝導材に
よる被覆層４を設け、更に発熱層３の少なくとも何れか
一方の面に遠赤外発生物質層５を溶射またはコーティン
グ形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体を加熱するヒータ
ーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体加熱の一手段であるヒーターには、
周知のようにシーズヒーター、セラミックスヒーター、
炭化珪素ヒーター等、多種類が開発され、各方面で使用
されている。

【０００３】シーズヒーターは、簡便で安価である特徴
を有しており、また、セラミックスヒーターや炭化珪素
ヒーターは、耐熱性に優れ、赤外加熱に適している。

【０００４】また、最近では薄膜ヒーターとして、シリ
コーンやフッ素系の材料を用いたものがある。ここで
は、発熱体に金属箔を使用し、両面を樹脂系の絶縁層で
覆う構成であり、耐候性、耐薬品性に優れている。

【０００５】更には、アルミナセラミックスシートの間
に白金等による発熱体をスクリーン印刷し、その後一体
焼結した構成のヒーターも開発されており、薄膜で発熱
体の粗密設計が可能であるため、均一温度を確保するこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シーズ
ヒーターは電力密度が小さく耐熱性が劣り、５００℃ま
でが限度であり、特に高温では断線し易い欠点があっ
た。

【０００７】また、セラミックスヒーターや炭化珪素ヒ
ーターは、上述したように耐熱性に優れていて、約１２
００℃の熱にも耐えることができるが、割れ易く、複雑
な形状にできず、更にはその組成上均一とならないの
で、抵抗量にばらつきが生じるといった憾みがある。

【０００８】そして、シリコーンやフッ素系の材料を用
い、発熱体の両面に樹脂系の絶縁層を覆う構成の薄膜ヒ
ーターは、樹脂系を用いているために３００℃程度の熱
にしか耐えることができず、しかも電力密度が小さい問
題がある。

【０００９】更にアルミナセラミックスシートの間に白
金等をスクリーン印刷して一体焼結した構成のヒーター
は、発熱体とリード線との接合に対する信頼性や、アル
ミナと白金の熱膨張係数の差に伴う剥離の問題や、白金
自体が高価である、等々の欠点が存する。

【００１０】即ち、アルミナセラミックスは絶縁性に不
安が残る問題があり、電流が最も流れる物質部分が劣化
する欠点がある。そして、リード線は、その端子を発熱
体に締結して接続しているが、端子が酸化し易く、よっ
て接合の信頼性に欠けるのである。

【００１１】よって、本発明は、上述した従来技術の欠
点、不都合、問題点を解消し、要請に応えるべく提案さ
れたもので、耐熱性に優れ且つ発熱効率が良好で、安価
で信頼性の高くヒーターを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のヒーターは、基材表面に溶射形成された絶
縁層面に、金属箔による発熱層を形成し、この発熱層上
に絶縁高熱伝導材による被覆層を設けた構成である。

【００１３】また、基材表面に溶射形成された絶縁層面
に、金属箔による発熱層を形成し、この発熱層上に絶縁
高熱伝導材による被覆層を設け、更に発熱層の少なくと
も何れか一方の面に遠赤外発生物質層を、溶射またはコ
ーティング形成した構成である。

【００１４】発熱層として、カーボン繊維とカーボンと
の混合物を用いても良い。

【００１５】

【作用】本発明によるヒーターは、上述した構成となっ
ている。従って、基材の表面に形成される絶縁層は溶射
によって達成されているので、熱膨張率の相違及びヒー
ターのオンオフによる熱応力の発生に対し、基材が導電
製材料であっても剥離しにくく、また発熱層として用い
た場合の金属箔に対しても剥離しにくいものになる。

【００１６】即ち、溶射によって形成される皮膜層は、
その特性により多孔質でクラック状となり、熱応力の吸
収緩和が期待でき、しかも表面が凹凸状となるため、基
材や金属箔との面接合が確実であって、強い接着作用が
働き、剥離しにくなるのである。

【００１７】また、発熱層として金属箔を使用すると、
同一の製品を画一的に成形することができて、模様状と
なる電流の経路を形成するための所望の形態の加工が容
易に達成できる。

【００１８】つまり、効率の高い発熱が得られるよう
に、電流の経路となる発熱層は模様状となるように形成
されるのが通常であるが、この発熱層を例えば溶射によ
って形成しようとすると、同一形態の成形が困難で且つ
手間がかかり、もって製品ごとにその発熱特性にばらつ
きが生じてしまうのであるが、上述した金属箔によれば
このような問題は解決されることになる。

【００１９】更に発熱層として金属箔を使用したため、
リード線との接合をスポット溶接で簡単に達成でき、端
子の接合のための締結作業が省略できて、しかも接合強
度が極めて高くなり、更には端子部分の酸化を防ぐこと
ができる。

【００２０】発熱層としてカーボン繊維とカーボンとの
混合物を用いた場合には、この混合物は金属箔に比べて
抵抗値が高いので発熱効果がより高いものになる。

【００２１】そして、発熱層上に絶縁高熱伝導材による
被覆層を設けたので、安全性が確保されるばかりでな
く、発熱層が発生する高熱を高い高率で外部に放熱（除
熱）することが可能である。

【００２２】一方、通電により発生したジュール熱は、
速やかに被加熱物に熱移動させることが重要であり、そ
の熱移動を伝導伝熱とした場合、総括伝熱係数が大きい
ことが肝要となるが、上記構成によれば、膜厚が薄いこ
とから、各層間の熱抵抗が小さくなる作用がある。

【００２３】更に、膜厚が薄いことから、仮に熱伝導度
の小さいセラミックスであっても、伝熱抵抗は小さくな
る作用がある。即ち、除熱の効果が大きいため、発熱層
のパワーを大きくしても溶融破損しないのである。

【００２４】また、発熱層の少なくとも何れか一方の面
に遠赤外発生物質層を溶射またはコーティング形成すれ
ば、高い効率で遠赤外加熱が達成できる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って説明す
る。基材１は、金属系または導電性物質を使用した場合
にはコンデンサーの構造となる。仮にコンデンサーとな
った場合、絶縁層２の内で誘電率の小さい物質を用いた
方が静電容量が小さくて済むため、リーク電流が小さく
なる効果がある。

【００２６】基材１の表面に溶射形成される絶縁層２
は、アルミナ、グレーアルミナ、シリカ、ジルコン、ム
ライト、ステアタイト、フォルステライト、チタンヤ、
コーディエライト、ベリリカ、マグネシヤ、カルシヤ、
ジルコニヤ等を材料とし、更にはこれ等の混合物であっ
ても良い。

【００２７】絶縁層２は、基材１表面に溶射形成される
ので、その上面には凹凸が形成されることになり、図面
では波線にて示す。

【００２８】絶縁層２上面に乗載形成される発熱層３を
金属箔で形成した場合には、その形状は、加工が容易で
あるから自由に選択でき、従って効率の高い発熱が得ら
れるような電流の経路を形成すべく、単なる面だけでな
く、例えば蛇行状となった線によるパターン模様であっ
ても良いものとなる。

【００２９】絶縁層２上面に発熱層３を形成する従来の
具体的な手段としては、蒸着または印刷等によることが
多いが、図示実施例では直線状に示したこの発熱層３
は、実際には絶縁層２の上面に形成される。

【００３０】尚、絶縁層２上面に形成される発熱層３
は、図面では波線にて示した凹凸状の絶縁層２の上面に
ぴったりと接合していると、絶縁層２と発熱層３との膨
張係数の相違によりむしろ剥離し易くなってしまう。従
って、波線にて示した凹凸状の絶縁層２と発熱層３との
間には若干の間隙が形成され、膨張係数の相違を緩和し
て剥離しにくいものにする。

【００３１】発熱層３を形成する金属箔の材料として
は、ステンレス、白金、銅、黄銅、ニッケル等があり、
更にはこれ等の混合物であっても良い。

【００３２】さて、この絶縁層２の上面に発熱層３を乗
載する前、或いは乗載した状態で、発熱層３の少なくと
も何れか一方の面に公知の遠赤外発生物質層５を溶射ま
たはコーティング形成することにより、高効率の遠赤外
加熱を達成させることが可能であるが、この遠赤外発生
物質層５の形成は、用途に応じて選択される。

【００３３】絶縁層２の上面に発熱層３を乗載した状
態、或いは更にその上面に遠赤外発生物質層５を溶射ま
たはコーティング形成した状態で、絶縁高熱伝導材によ
る被覆層４を設ける。図示実施例では別の層として示し
ている上記した遠赤外発生物質層５は、この物質を被覆
層４に混合させることにより混在させて形成しても良い
ものである。

【００３４】尚、絶縁層２の上面に発熱層３を乗載した
状態では、発熱層３の上面が絶縁層２の上面の凹凸に対
応して凹凸の波線が形成されており、従ってこの波線を
利用してペースト状絶縁高伝導材による被覆層４が形成
され、発熱層３との接合を確固たるものにしている。

【００３５】絶縁高熱伝導材としては、例えば窒化硼
素、窒化アルミニウム等が挙げられ、ペースト状となっ
たこれ等の材料を塗布コーティングし、電気炉で焼成し
て固着させるものである。

【００３６】尚、リード線６は、発熱層３である金属箔
等に、電流が好ましい状態で流れることができる適宜位
置で一対、スポット溶接され、上述した如くして構成さ
れる遠赤外発生物質層５を含む絶縁層２から被覆層４ま
での層厚は、１mm以内程度にする。

【００３７】また、図２に、本発明のヒーターの製造工
程を示す一実施例の概略のフローチャートを示すが、こ
の工程に限定されるものではなく、例えば発熱層３であ
る金属箔を所定の治具により固定し、これに絶縁層２を
溶射形成する手段を採っても良いものである。

【００３８】処で、本発明のヒーターは、安全上から発
熱層３を絶縁層２と被覆層４とによって挟持する形態と
なっているが、流体等の被加熱物の加熱源として捉える
と、熱移動の問題を配慮しなければならない。従ってヒ
ーターの設計に際しては、ヒーターの発熱速度と放熱
（除熱）速度、つまり、加熱速度のバランスを考慮する
必要がある。

【００３９】即ち、生産効率を向上させるためには発熱
量（Ｐ）を大きくすることが重要であり、そのために
は、Ｐ＝Ｉ² Ｒから電流（Ｉ）が大きくとれる金属系を
発熱層３に用いることが必要となり、薄くて加工が容易
で安価な金属箔が妥当であり、前述したような材料から
適宜選択される。

【００４０】発熱層３として金属箔を用い、この金属箔
としてステンレスを採用した場合、このステンレスの抵
抗率は、１／１０⁴ Ωcm程度であって、抵抗値が低いた
め発熱効率は低いが、加工し易い利点がある。

【００４１】これに対して発熱層３としてカーボン繊維
とカーボンとの混合物を採用した場合、この混合物の抵
抗率は、１／１０¹ から１／１０² Ωcm程度であって、
発熱効率の高いものになる。

【００４２】一方、放熱（除熱）の点を配慮すると、熱
伝導率の大きい材料を用いるのが原則であるが、絶縁材
のセラミックス等を使用する場合には、これ等の物質は
熱伝導率が小さいのであるから、層厚自体を薄くするこ
とが重要である。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような構成とな
っている。従って、基材と絶縁層とは溶射によって剥離
しにくく、溶射絶縁皮膜と絶縁高熱伝導材による被覆層
との組合せにより、溶射皮膜の封入処理が自動的になさ
れ、ヒーターの熱サイクル及び異種材料の接合に際し、
溶射皮膜の熱応力吸収作用及び接着作用が確実に達成さ
れ、更に耐電圧、絶縁性が向上して信頼性と安全性が高
められた。

【００４４】発熱層として金属箔を使用したため、同一
特性の製品を所望の加工形態で容易に達成でき、リード
線をスポット溶接で簡単に強度高く接合できる。

【００４５】発熱層としてカーボン繊維とカーボンとの
混合物を採用した場合には、発熱効率の高いものを得る
ことができる。

【００４６】樹脂系の材料を用いてないため、或いは更
に加えて遠赤外発生物質層を溶射またはコーティング形
成したために、使用温度範囲が−３０から７００℃程度
まで可能であり、高い耐熱性を具備させることができ、
しかも任意の電力密度の製造が可能である。

【００４７】ヒーターは、全体として薄膜であるので、
ヒーター自身の重量即ち熱容量が小さく、必然的に省エ
ネルギーとなり、また、薄膜構成の一部に溶射皮膜があ
るため耐久性に優れ、大量生産が可能な製造工程を採る
ことができ、しかも安価である等、多くの優れた作用効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒーターの断面図である。

【図２】本発明の製造工程を示すフローチャート図であ
る。

【符号の説明】

１；基材、２；絶縁層、３；発熱層、４；被覆層、５；
遠赤外発生物質層、６；リード線。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材（１）表面に溶射形成された絶縁層
   （２）面に、金属箔による発熱層（３）を形成し、該発
   熱層（３）上に絶縁高熱伝導材による被覆層（４）を設
   けて成るヒーター。
2. 【請求項２】 基材（１）表面に溶射形成された絶縁層
   （２）面に、金属箔による発熱層（３）を形成し、該発
   熱層（３）上に絶縁高熱伝導材による被覆層（４）を設
   け、更に前記発熱層（３）の少なくとも何れか一方の面
   に遠赤外発生物質層（５）を溶射またはコーティング形
   成して成るヒーター。
3. 【請求項３】 発熱層（３）として、カーボン繊維とカ
   ーボンとの混合物を用いた請求項１、２に記載のヒータ
   ー。