JPS60187545A - 発熱セラミクス - 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】 本発明はセラミクスに係シ、特に発熱体と熱良導性絶縁
セラミクスが密着、複合一体化した発熱セラミクスに関
する。

従来から用いられてきた暖房機器や調理器等熱機器は、
熱の対象物への伝達手段で分類すると、（１）王として
対流または輻射を利用するもの、（２）主として伝導を
利用するものとなる。このうち（１）にはニアコンディ
ショナーをはじめ電気、ガス、石油などのストーブやレ
ンジの大部分が含まれてお如、゛熱機器として汎用性の
高いものが多い。これに対して（２）には電気毛布、電
気カーペット、アイロン、調理用ナベ、オンド／ｌ／々
とが営まれる。風呂は風呂ガマから水への熱伝導と温水
の浴槽への対流を利用している。これら熱伝達手段の違
いから、熱利用個所において所望の熱量を得る罠は、（
１）の場合熱混が局所的に配置でれているため高温発熱
が必要であり、（２ｊの場合熱利用個所に匹敵する広面
積の熱源が必要である。今、暖Ｎ椴器を対象に考えると
、（１）のタイプは高温ヒートザイクルの繰返し使用に
よって熱源の特性が次第に劣化して熱効率が低下すると
いう問題点と、熱機器の大型化に伴い設置スペースが必
要になるという難点かある。一方（２）のタイプでは寒
冷地で以前よく用いられていたオンドル等は工事費がか
さみ、また熱効率にも問題があるという理由から近年あ
まシ用いられなくなシ、現在では主として家庭用の電気
毛布、電気カーペット、足温器などが普及している。こ
れらは人体に近接して使用される一種のパネルヒーター
であり、比較的低温加熱でも所期の目的を述してはいる
が、ヒーター被覆物の伝熱特性が悪く熱効率が低いとい
う欠点をもっている。

本発明の発熱セラミクスは、上記した従来の暖房機器が
もつ欠点を解消することを主な目的として開発されたも
のである。本発明の別の目的は、熱調理器等の分野で従
来の陶磁器が果していた以上の新しい機能を付与したセ
ラミクスを開示することにある。

これらの目的を達成するために本発明では、熱良導性絶
縁セラミクス板上または該セラミクス板内部に導電性発
熱体を密着配置して成る熱放射性基体上に熱反射板を介
するか或いは直接断熱板を密着させ、前記導電性発熱体
から発した熱が前記熱良導性絶縁セラミクス板側一方向
から外に放出されるようなパネルヒーターを開示する。

このパネルヒーターは固定型の場合壁面床面という建造
物本体や机、椅子などの家具類表面に配置して用いうる
ので暖房機器としての設置スペースを必要としないだけ
でなく、構造上きわめて熱効率および安全性が高い。ま
た放熱面が硬質セラミクスで構成されているため耐摩耗
性２機械的強度にすぐれてお）長寿命である。更に熱調
理器などの移動型製品に用いる場合には、ガス等を用い
ないクリーンな高効率熱調理器をはじめ、「外側が熱く
なく、さめにくい」食器類など従来の陶磁器の性能を越
えた新製品として活用することができる。

本発明の発熱セラミクスは、本来上記（２）のタイプの
熱機器に属するため暖房機器に応用する場合は熱源面積
が広く発熱温度を高くする必要がないので発熱体の劣化
はきわめて少ない。しかし、これをたとえば熱調理器等
に応用して高温加熱しても、（１）伝熱板（熱良導性絶
縁セラミクス）と導電性発熱部が密着一体化構造であ！
０、（ＩＩ）伝熱板が高い熱伝導性を有し、（Ｉｌｌ）
熱反射構造によシ単面熱放射型であるため、熱応答が速
くまた熱効率が高く、したがって発熱部の劣化は従来の
熱機器よシはるかに少ない。

本発明の発熱セラミクスと機能的に類似の家庭用熱機器
、たとえばホットプレートや電磁フライパン、電気アイ
ロン、或いは流体加熱に用いられるヒートパイプは放熱
板表面が不銹性材質、たとえばテフロンなどの絶縁性樹
脂で被覆されており、熱伝導性が悪く、更に樹脂保護の
ため比較的低い温度（約２５０℃）までしか加熱できな
いし、機械的強度も弱い。これら製品の性能限界は、本
発明の発熱セラミクスによって容易に踏破できる。

一方、本発明の発熱セラミクスと構造的にやや類似した
製品にプリンター用薄膜サーマルヘッドがある。該サー
マルヘッドは、表面をガラスで被覆したいわゆるグレー
ズドアルミナを基板とし、この上に発熱体薄膜、絶縁性
酸化防止膜、耐摩耗層をこの順で積層した構造になって
いる。熱はグレーズドアルミナ側ではなく、耐摩耗層側
から外に放出される。サーマルヘッドは印刷用小面積部
位（耐摩耗層）を急速（１−１０ｍ　ｓｅｃ　）　、高
温（〜５００℃）、繰返し加熱する目的で開発されてい
るため、導電性発熱体の酸化による劣化防止を重視して
おシ、したがって本発明の場合とは異なシ熱伝導性を犠
牲にして発熱体上に酸化防止膜（絶縁性被膜）を配し、
更にその上の熱放出部、すなわち耐摩耗層として既形成
の低融点グレーズ層や電極層への配慮からやはシ熱伝導
性を犠牲にして低温形成可能なＳｉＣや５１０２を配し
ている。これら熱伝導性の悪さのために、耐摩耗層表面
（印刷部位）で所定の温度を得るためには発熱体を一層
高温まで加熱しなくてはならず、発熱体下面のグレーズ
層に伝わった熱は直下のアルミナ基板から放熱されるＫ
しても発熱体の寿命は短かくなることが避けられない。

これに対して本発明の発熱セラミクスは上記したような
放熱特性を最重視しておシ放熱面が熱良導性セラミクス
で形成されている点が根本的に異なる。

以下本発明の実施例に基すいて詳細に述べる。

（実施例１）　この実施例は第１図に示される。

放熱部を形成する熱良導性絶縁セラミクス１の材料とし
て９６チｈｔ２ｏ５粘土を厚さ１　ｃｍ　、面積３０×
蜀ｄに成形し、その片面に深さ約３　ｍ　、幅１．２調
の蛇行溝をピッチ４嗣、折返し点間距離約２９．５　ｃ
ｒｎで彫）、これを１４００℃以上の高温で焼成後取出
す。

該蛇行溝に沿って密着させて導電性発熱体２として線径
１簡のカンタル線（円形断面）を第１図（イ）に示す如
く配置し、この上に厚さ４瓢２面積（９）×３０ｃｄの
９２％ｈｔ２ｏ　３粘土板を重ねて圧着し、再び１３０
０℃で焼成して積層タイルを形成する。本実施例の如く
、線状発熱体を用いる場合には、該発熱体２を熱良導性
絶縁セラミクスｌ中に埋込み固定した構造とすることが
、熱伝導性、耐衝撃性の点で重要である。次に積層タイ
ルに埋込まれたカンタル線の両端に銅合金金具５をそれ
ぞれと９つける。すなわち予め９２％Ａｔ２０５粘土板
に設けられていた幅５　ｍ　、長さ１ｃｒｎの切込みを
利用して、片端はタイル内約１ｃｎ１の深さに銅合金よ
構成る内径約２咽の円筒孔５２が形成されるように、ま
た他端はタイル外約１ｔｙｎに突出した直径約２咽（前
記円筒孔５２にピッタリ密着装填できる太さ）の調合金
棒５１から成る。この図を第１図（ロ）に示す。５１お
よび５２が銅合金金具５を構成する。次に前記９６　％
　Ａｔ２０５セラミクス表面に釉薬７を塗布し９００℃
で焼成する。しかる後前記９２％ｈｔ２ｏ５セラミクス
板上に前記銅合金金具５とは接触しないようにして厚さ
約１ｗｍの銅板を熱反射板として接着し、該熱反射板３
上に厚さ約５間のイソライトレンガを断熱材４として接
着することにより発熱セラミクスが完成する。

この発熱セラミクスを複数個接続して通電すると大形パ
ネルヒーターとして有用である。たとえば３Ｘ３ｍ’の
壁面に貼布する場合、１０枚の該発熱セラミクスを前記
調合金棒５１が隣接するセラミクスの銅合金円筒孔５２
内に挿入固定される如くして横一列に配列し、これを１
０段繰返せば、壁面を埋めることができる。隣接する発
熱セラミクスとの間隙は従来のタイル貼シと同様メジを
塗布して固着する。各段横一列の直列接続抵抗値は室温
で約４２０であった。各段を並列接続してこれを１次側
２００　Ｖ　、容量１５　ＫＶＡの交流スライダック２
次側の負荷とする。乾燥後２次側を昇圧していくと各段
横一列の直列接続セラミクス群には１００ｖで約２．５
Ａ　、　２００Ｖ−ｒ５Ａ近い電流か流れる。室温１８
℃。

室内空気自然対流の場合この壁面セラミクスに１００ｖ
印加すると、５分後壁面温度は２２℃に、１００分後３
４．１５５分後４４，２０分後４８℃に達し、はぼ（資
）℃で飽和した。一方、２００ｖ印加時には５分後４５
℃、　１００分後７４，１５分後９１℃に達しほぼ１０
５℃で飽和した。壁面に沿って天井側より室内空気を下
降させるような強制対流を採用した場合、２００ｖ印加
時でも強い風速下では壁面温度は５５℃で飽和した。こ
の条件下では３×３×１０ｆｆ／の容積をもつ室内の温
度は、当初の１８℃から１０分間経過後約３２℃に達す
る。これは非常に効率のよい温熱脱房機器といえる。

上記例では述べなかったが、周知の温度センサーやＳＣ
Ｒと組合ぜて一定温度に調節することも勿論可能である
。またザーミスタなどと組合せれば、壁面全体が所定温
度迄もつとも短時間で加熱されるような効率的通電方法
を採用することもできる。

このように大型パネルヒーターであるが、壁面や床面の
一部を成しているため、設置場所がとられず、また発熱
体自身の温度が低くてすむ上に完全にセラミクス被覆さ
れているためゴミ、ホコリ等の付着もなく１０年間以上
というきわめて長期間高い熱効率を維持することができ
る。

（実施例２）　この実施例を第２図に示す。熱良導性絶
縁セラミクス１の原料として焼結性にすぐれた活性アル
ミナ９２％含有の粘土を厚さ５　ｍｍ　、　３１Ｘ５０
ｄの板状に成形し、１４００℃で焼成して磁器板を作る
。片面を研磨してやや平滑とし、この研磨面に第２図（
イ）に示すように幅１６℃１間隙１ｃｒｎのストライプ
状導電膜Ｉｎ２Ｏ５−５ｎＯ２−５ｂ２０３を化学スプ
レー法によシ数μｍの厚みに形成する。本発熱セラミク
スにおいては、このストライプ状導電膜が発熱体２とな
る。該導電膜面の真上に形成する断熱膜４の端部に貫通
穴ｌＯを設ける。この貫通穴１０は、第２図（ロ）に示
す如く長手方向両端近くに前記ストライプ状導電膜パタ
ーンにあわせて直径５咽の穴を貫通させた構成となる（
導電膜上に穴の位置がくる）。断熱膜４は厚さ１　ｃｍ
　、面積３１Ｘ５０ｍのイソライトレンガであシ、断熱
材として接着し、周辺部は樹脂モールドして防湿する。

次に銅帯板１１に直径３趣、長さ１　ａｎのＳｎｎｉ２
を前記イソライトレンガ孔にあわせて１ｔｙｎ間隔で鉛
直にハンダ付けし、各Ｓｎ線１２の先端にＩｎペレット
を貼９つける。

このＳｎｉ付銅付板帯板１１記イソライトレンガ両端近
くに配置し、各５ｎａｌ１２をイソライトレンガ孔に挿
入してＩｎペレットをストライプ状導電膜上に接触させ
る。約２００℃に加熱するとＳｎ先端のＩｎペレットが
溶けてＩｎ　−Ｓｎ合金として前記ストライプ状導電膜
に活着する。両端の銅帯板１１にそれぞれ被覆導線をハ
ンダ付けすると、１６本のストライプ導電膜は互いに並
列接続されたことになる。銅帯板１１を含むインライト
レンガ表面全体を樹脂モールドして防水、絶縁構造とす
る。しかる後この発熱セラミクスを反転し熱良導性絶縁
セラミクス１表面を土にして床に敷く。ストライプ状溝
Ｎ１膜の抵抗値は膜組成、製造条件、厚みなどによって
異なるが、通常１本のストライプは３〜１０Ωである。

上記被覆導線間に電圧を印加して各ストライプに０．５
〜ＩＡの電流を流すと、空気に強制対流を与えない場合
当初１８℃であった室内では熱良導性絶縁セラミクス（
アルミナ磁器板）１表面は飽和温度約７０℃まで加熱さ
れる。本発熱セラミクスの場合も前実施例の場合同様各
セラミクスを複数枚直並列接続して用いることができる
。実際、防水工事をした上でこの発熱セラミクスパネル
（直並列接続体）を街路に敷きつめれば、冬期の暖房や
寒冷地における路上積雪の防止に役立てることができる
。

（実施例３）　放熱板用熱良導性絶縁セラミクス１の原
料として９６％アルミナを選び、厚さ約１＋ｍｎの平板
粘土生地を作る。この上に発熱体２として厚さ約１調の
Ｔａ−８ｉ系サーメツト粘土生地を重ね、更にその上に
厚さ約１ｍのジルコン（ＺｒＯ２・５ｉＯ２）粘土生地
を重ね、最上層に熱反射性断熱材４として厚さ約１間の
コージェライト（２Ｍｇ０・２Ａｔ２０３・５Ｓｉ０２
）粘土生地を重ね圧延して全体を約２閣の厚みにした後
、前記９６チアルミナ粘土を内側として底径２０　ｃｍ
　、深さ５ｃｒｎのナベ形状に加工し、これを１４００
℃で焼成後徐冷して取出すと第３図に示す如く発熱セラ
ミクスナベが出来る。このナベに水を入れて電磁調理台
（電磁発振管装填）にかけ、電力を投入する。この結果
、前記Ｔａ−８ｔ系ザ一メツト層に渦電流が生じてジュ
ール加熱される。熱はナベ内側のアルミナ磁器側にはよ
く伝導するが、コージェライト磁器は熱伝導度がアルミ
ナ磁器の約ｙ２ｏであシ熱伝導が阻害される。ジルコン
磁器は熱伝導率、熱膨張係数などがアルミナとコージェ
ライトの中間値をとり、セラミクス昇温時熱歪の発生を
緩和する。さて、上記したようにコージェライト磁器は
断熱材４として働くが、同時に光屈折率がアルミナの約
半分であシ、したがって熱はコージェライト面で反射さ
れるので熱反射板３としても作用する。以上のような機
能をもつ積層セラミクスナベでは、ナベ内部の水が沸騰
してもナベ外壁は５５℃程度で６Ｊ）、素手でされるこ
とができろうこれは又、本発熱セラミクスの熱効率が非
常に高いことを意味し、調理時間が短かくなると同時に
、出来上った料理がさめにくいという特質をもっている
。

本発熱セラミクスで湯飲みを作シ、同一サイズの通常の
磁器製湯飲みと比較すると、８５℃の湯を同一量だけ注
ぎ込んだ場合５０℃まで低下する時間は前者が後者の約
５倍も長いことが確かめられた。

（実施例４）　第４図にこの実施例を示す。（イ）図は
円径方向の断面図、（ロ）図はＡ−Ａ’断面図である。

熱良導性絶縁セラミクス１用原料として９５ｑ６アルミ
ナを選びその粘土を直径１０ｍｍの円筒棒状に仕上げる
。これを発熱体２である内径１０．５ｍｍ、外径１４．
５調のＳｔＣ焼結体円筒内に挿入する。該ＳｉＣ焼結体
は両端部が金属Ｓｌ処理されてお９、中間部分よシ抵抗
率が約２桁低く加工されている。該ＳｉＣ焼結体中空円
筒の外側に、上記低抵抗のＳＩＣ両端部を除外して厚み
約２１＋ｌＩ＋１の８０チアルミナ粘土を圧着した後、
内径１６．５調の円筒状金型に入れる。

ｓｔｃ円筒の内側にある９５％アルミナ粘土層の中心に
直径６簡の貫通孔をあける。金型から取り出した後、こ
の中空多層円筒を１４００℃で焼成する。得られた複合
セラミクス管の中空部に７タをして無電界メッキによシ
外側９５チアルミナ管表面に十数μｍの厚みで銅をメッ
キする。この上に内径１７簡の中空パイレックスガラス
管をかぶせて約９００℃に加熱し、軟化させながら溶着
して徐冷する。この結果、内側からみテ９５％Ａｔ２０
５　／　ＳｉＣ／　８０％Ａｚ２ｏ５　／　Ｃｕ　／　
パイレックスという積層セラミクス管が出来る。ｓｉｃ
の両端部（金属Ｓｉ処理によって低抵抗化している個所
）にＳｎ電極をつけて通電すると、該ｓｉｃ管が発熱す
る。熱はアルミナ磁器側に伝導するが、ＳｉＣより外側
のアルミナに伝導した熱はＣｕ面で反射し再び内側へ戻
る。すなわちＣｕは熱反射板３として働く。また最外層
のバイレックスは良好な断熱効果を示し、断熱板４とし
て好適である。このヒートパイプの内側中空部に流体、
たとえば水を通せば、従来のヒートパイプよりはるかに
効率よく加熱することが出来、省エネルギーに貢献する
ことができる。また、この磁器ヒートパイプは耐酸耐ア
ルカリ性にすぐれ、更に１（２８などの腐蝕性ガスにも
安定であるため、化学薬品（流体）の加熱には最適であ
シ耐久性抜群である。

以上実施例で述べたように本発明の発熱セラミクスは ■　放熱板−発熱板−（熱反射板）−断熱板の全固体積
層構造であって機械的強度、耐震性にすぐれている。

■　放熱板は熱伝導率の高い絶縁セラミクスがら成シ、
熱放射特性にすぐれまた耐摩耗性にすぐれている。

■　熱反射板や断熱板の採用によって放射板からの単面
放熱効率が高い。

■　セラミクス構造のため高温発熱可能であり、長寿命
である上に焼成前に任意形状加工することが出来る。

■　抵抗加熱型は単一パネルを直並列接続させることに
よシ太面積加熱板として大型化することができ、設置性
にすぐれた暖房機器として活用することができる。

というすぐれた利点を有している。

なお、以上の実施例では本発明の発熱セラミクスにおけ
る発熱体が電気発熱体である場合のみを述べた。しかし
既述の発熱セラミクスの構造から明らかなごとく、発熱
体部を中空伝熱パイプで構成し、内部に加熱された流体
を通して該流体から発する熱を利用することも原理的に
可能である。

更に、放熱板の材料としてはアルミナ以外に窒化物、例
えはアルミニウムナイトライド、シリコンナイトライド
、ボロンナイトライド等も使用できる。熱反射板の材料
としては金属以外にフッ化カルシウム、ガラス、アスフ
ァルト、グラスチック等がある。

本発明の発熱セラミクスにより、高効率清浄無騒音長寿
命の暖房機器が達成さ九、壁面、床面暖房だけですく、
椅子、ベンチ、ベッド、温水槽。

植木鉢、屋根瓦、乾燥器、調理器など幅広い製品に応用
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１〜第４図はそれぞれ本発明の別の実施例を説明する
ための図である。図においてｌは熱良導性絶縁セラミク
ス、２は発熱体、３は熱反射板、４は断熱材、５は銅合
金金具、６は銅帯板、７は釉薬（ガラス）である。 特許出願人　株式会社　ポリトロニクス代理人　弁理士
　秋　本　正　実 第１図 （イ） （ロ） ７ 第２因 （ｏ） 第３図 第４Ｎ Ａ′ （ロ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱良導性絶縁セラミクス板上または該セラミクス板
   内部に導電性発熱体を密着配置して成る熱放射性基体に
   、熱反射板を介するか或いは直接断熱板を密着させ、前
   記導電性発熱体から発した熱が前記セラミクス板一方向
   から外に放出されるようにしたことを特徴とする発熱セ
   ラミクス。 ２、特許請求の範囲第１項に記載しｌこ発熱セラミクス
   において、前記導電性発熱体に対する給電用接続端子を
   該セラミクスに設け、複数個の発熱セラミクスを直並列
   接続して成る発熱セラミクス。