JPS59201384A - 面状発熱体 - Google Patents

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、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、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 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２７　−・ 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
のニーズに合った発熱体として脚光を浴びるようになっ
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
」二はすぐれており、高温でのイ丈用が可能であるが、
焼結温度が高く、電極の取り出しなどに問題があった。

しかも、これらはコストが高くかつ、多くは抵抗値のバ
ラツキが太き、＜、製造の作業性、生産性などにも問題
があった。その他に、有機質フィ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、これらは、樹３
１１−ζ・ 脂フィルムの耐熱性が低いため、通常５０〜１２０℃で
使用され、２ｏＯ℃以上では使用できなかった。

また寿命的にも問題があった。

さらに、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っ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ッ
チにした面状発熱体が提案されている。乙の発熱体は、
発熱素子を被覆するホーロ層が耐熱性に優れるので、１
ｏｏ〜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、この発熱体を実用するには、発熱素子と金属基
板との間の電気絶縁性に問題がある。すなわち、金属基
板に形成するホーロ層の主成分であるガラスホーロフリ
ットは、ホーロを焼きつけるだめの焼成温度、基材金属
の膨張率に適合させルタメニ、７　’）　ッ）　中Ｋ　
Ｎ　ａ　２０１　Ｋ２０　＋　Ｌ　１２０などのアルカ
リ金属を２０〜３６重量％含有している。このため、２
ｏｏ℃以上の高温で使用した場合、前述のアルカリ成分
のイオンの移動が生起し、特開昭５９−２０１３８４（
２） 絶縁抵抗、絶縁耐圧などの電気的特性が著しく劣化する
。

これらの電気的特性を改善する目的で、ホーロ層中に、
例えば絶縁性のアルミナ、ジルコン、酸化マグネシウム
などの材料をミル添加材として加える方法も考えられる
が、添加量が多くなると、ホーロの性質を欠き、例えば
ピンホールが多数発生し、逆に絶縁耐圧が低下するとい
う欠点が生じる。また逆に、添加量が少ない場合、電気
的性質がホーロのそれに近似し、この方法では改善する
ことができない。

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埋め込ん
だ発熱体の問題を解決し、電気的特性に優れ、量産に適
した面状発熱体を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は、電気発熱素子を埋め込むホーロ層のうち、少
なくとも発熱素子と金属基板との間に介在するホーロ層
を形成するガラスフリットをチタ５７２、 ン再結晶析出型のフリットで構成したことを特徴とする
。

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°
挾持した構造になっている。

以下、各構成要素について説明する。

０）金属基材 本発明の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、アルミダイキャスト。

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、その選択にあたって
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。

６７　　・ （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。電気発熱素子の表面にホーロ層４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４の膜厚が
犬となる。それにより、ホーロ層の密着性が極端に低下
し、外的なショックで、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。

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。１０μｍ以
下の薄帯は薄帯にするだ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、曲がったりして、作業性が著しく悪くなる。また２
００μｍ以上では前述した理由の他に、面状発熱体にビ
ートサイクルを加えると、ホーロ層に亀裂が入ったりし
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利用でき７１　Ｓ・ 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。

電気発熱素子は、定格電力１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。

電気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（パターンの巾、長さ、厚
み）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、２
０℃における固有抵抗が６０μΩ・備、１００’Ｃにお
ける熱膨張係数が１０４ｘ１０−’ｄｅｇ−１のフェラ
イト系ステンレス鋼が最も好ましい。

（３）絶縁ホーロ層 本発明の面状発熱体の電気的性質を決定するファクター
として、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（絶縁抵抗、絶縁耐圧等）が重要なポイ
ントとなる。

本発明者らは種々検討した結果、電気的性質、例えば絶
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、ガラスフリットの体積固有抵抗があることに着
目した。それは次の式によって表される。

Ｒｖ　：絶縁抵抗 ρＶ　：体積固有抵抗 Ａ　：発熱素子面積 ｄ　：ホーロ層の膜厚 ここで、ホーロ層の膜厚は、ホーロ密着性の観点から決
定されるもので、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ットで絶縁
ホーロ層を構成する必要があり、ガラスフリットの選択
が重要となってくる。

第１表に本発明者らが検討をしたホーロフリット９／ｚ
〜 を示した（品番はいずれも日本フェロ−社のものである
。）。

第１表 １０、　　　・ これらフリットを第２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、サンプルスリップとしだ
。これらスリップを前処理した大きさ１０ｏ×１０ＯＬ
＋ＩＩ＋＋のホーロ用鋼板にスプレーガンで約１５０μ
ｍの厚さに塗布し、乾燥後、所定の温度で６分間焼成を
行い、絶縁ホーロ層とした。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５ＵＳ４３０製発
熱素子（厚み＝６０μｍ）を設置し、その上から、さら
に絶縁ホーロ層に用いたホーロスリップをスプレーガン
で、約１６０μｍの厚さに塗布し、乾燥後、所定温度で
６分間焼成して発熱素子被覆ホーロ層としだ。

第　　　２　　　表 フリット　　　　　１００重量部 粘土（９号）　　　　　６　〃 亜硝酸ソーダ　　　　０．１〃 水　　　　　　　　　　６０　　　Ｎ この時のホーロ層の乳白度Ｗ値の測定を行った。

Ｃ，Ｉ　、Ｅ表示による色刺激値ｘ、　ｙ、　　ｚより
求めだ１１昌ン Ｌ、　　ａ、　　ｂを色差計を用いて測定し、乳白度（
Ｗ値）を下に示す式により算出した。

Ｗ＝１ｏｏ−８τｇｖ Ｗ値は、値が大きいほど、白味を帯びる。このＷ値を第
１表に示した。

これらの発熱体試料を用いて、絶縁ホーロ層の体積固有
抵抗を（１）式を用いて求めた。絶縁抵抗の測定には高
抵抗計を用い、ＤＣ６ｏｏ■を印加して、１分後の抵抗
値を読み取った。測定温度は電気炉を用いて、１００℃
、１６０℃、２００℃。

２５０℃にした。こうして求めた体積固有抵抗と、使用
温度の絶縁温度Ｔの逆数との相関をプロットした結果の
一部を第３図に示しだ。この図から、チタン乳白フリッ
トを用いた場合（８）の体積固有抵抗は、他のホーロフ
リットを用いた場合（Ｂ）に比べ１０〜１０００倍高い
。従ってこのチタン乳白フリットを用いれば、３ｏＯ〜
４００℃の中高温度域で体積固有抵抗を改善し、サーミ
スタＢ定数を改善することができることが判明した。

チタン乳白フリットは再結晶析出型フリットとも呼ばれ
、ガラス中に約１７〜２０重量％のＴ　１０２を溶融さ
せておいたフリットが、８００〜８５０℃の温度で再加
熱すると、微細なＴ　１０２結晶となってガラス中に析
出するフリットである。前述の体積固有抵抗値が他のフ
リットに比して著しく良好な理由ケよ、この微細なＴ　
ＩＯ２結晶粒子に起因するものと推定される。一般にＴ
　１０２結晶粒子の大きさは０．１２〜０．２μｍと非
常に微結晶である。

次に、第４図のイオンマイグレーションモデルを用いて
説明する。第４図（−）はチタン乳白フリット以外のフ
リットを用いた場合であり、金属基板１と発熱素子３の
間の絶縁抵抗は、ホーロ層２中のアルカリイオンのイオ
ンマイグレーションに関係し、イオンは最短距離を移動
する。す々わち、絶縁抵抗値はホーロ層２の厚みに大い
に関係する。

それに対し、チタン乳白フリットを用いた場合は、第４
図０））のように、ホーロ層中に微小のＴ　ｉ０２粒子
６が多数析出するため、アルカリイオンが最短距離を移
動することが困難で、曲がりくねった状１３１１づ・ 態で移動する。すなわち、Ｔｉ○２乳白フリットは、見
掛は膜厚が同じでも、電気特性的な実効膜厚は著しく大
きくなるため、絶縁抵抗が著しく向上するものと考えら
れる。

このように、絶縁ホーロ層を形成するガラスフリットに
チタン再結晶析出型フリットを用いることによって電気
的特性を改善することができる。

前述のように、絶縁ホーロ層中に析出するチタン粒子が
電気的特性に大いに関係する。すなわち、ホーロ層中の
チタン粒子の大きさ、析出数に関係する。これは、とり
もなおさず、ホーロ層の光学的性質（乳白度）に関係す
る。この乳白度は、焼成条件、ミル添加条件等によって
変わるものである。

次にこの乳白度と電気的特性について調べた結果を説明
する。第１表に示したフリッ）　（（Ｊ）を用いて、第
２表のミル添加組成として焼成条件（焼成温度９時間）
を変えて、Ｗ値と絶縁抵抗の関係を求めた。発熱素子は
第２図のパターンのものを用い、金属基板と発熱素子間
の絶縁抵抗が２５０℃１４゜ で１ＭΩ以下の場合は×、それ以上の場合は○で表した
。

第３表 第３表より、絶縁ホーロ層のＷ値は８０以上が電気特性
的には好ましい。

なお、第３表のＷ値は顔料未添加のフリット本来の乳白
度によるものである。絶縁ホーロ層には顔料等を添加し
て着色することも可能である。しかし、ミル添加時に顔
料を添加した場合（通常０．１〜６重量％）は、当然、
乳白度が低下してぐる。この場合の好ましいＷ値は６０
以上であった。

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
の間に介在する絶縁ホーロ層を形成するガラスフリット
としてチタン再結晶析出型フリットを用いることにより
、電気的特性、実用使用温１５　　ｌ；−４ 度域の向上を著しく改善することができる。

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。またホッ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図は本発明の発熱体の基本構成を示す要部断面図、
第２図は発熱素子のパターンの例を示す平面図、第３図
は各種フリットを用いだホーロ層の温度と体積固有抵抗
との関係を示す図、第４図はホーロ層中のイオンの移動
を説明するモデル図である。 １・・・・・・金属基板、２・・・・・・第１のホーロ
層、３・・・・・・電気発熱素子、４・・・・・・第２
のホーロ層。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
区 第２図 手続補正書 昭和５９年６　月　４日 昭和５８年特許願第　５４３５６　　号２発明の名称 面状発熱体 ３補正をする者 事件との関係　　　　　　特　　　許　　　出　　　願
　　大佐　所　　大阪府門真市大字門真１００６番地名
　称　（５８２）松下電器産業株式会社代表者　　　　
山　　下　　俊　　彦 ４代理人　〒５７１ 住　所　　大阪府門真市大字門真１００６番地松下電器
産業株式会社内 ３８８−

Claims (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のホーロ層によっ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って、前記第１のホ
   ーロ層を形成するガラスフリットがチタン再結晶型フリ
   ットであることを特徴とする面状発熱体。