(57)【要約】【課題】  昇温速度が速く、昇温上限温度が高く、消費電力が少なく、ひび割れせず、亀裂が入らない発熱体と、発熱ヒータを提供する。【解決手段】  発熱体は金属箔の表面にホウ素と腐植物質を含む半導体性発熱膜を備えたものである。この半導体性発熱膜はホウ素と、腐植物質が溶解された導電性発熱材水溶液が金属箔の表面に塗布され、その水溶液が乾燥して結晶化して金属箔に定着されている。半導体性発熱膜はケイ素含有の粘土鉱物を含むものであってもよい。この場合は、ホウ素と腐植物質と粘土鉱物が溶解された導電性発熱材水溶液が金属箔の表面に塗布され、その水溶液が乾燥して結晶化して金属箔に定着している発熱体である。発熱ヒータは前記発熱体を絶縁材、補強材、防水材等で被覆したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホウ素と腐植物質を含む導電性発熱材水溶液が金属箔の表面に塗布され、その導電性発熱材水溶液が前記金属箔上で乾燥して結晶化した半導体性発熱膜が、前記金属箔の表面に定着されている、
ことを特徴とする発熱体。
【請求項２】
ホウ素と腐植物質とケイ素含有の粘土鉱物を含む導電性発熱材水溶液が金属箔の表面に塗布され、その導電性発熱材水溶液が前記金属箔上で乾燥して結晶化した半導体性発熱膜が、前記金属箔の表面に定着されている、
ことを特徴とする発熱体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の発熱体において、
金属箔がμｍ単位の厚さであり、半導体性発熱膜がｎｍ単位の厚さである、
ことを特徴とする発熱体。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発熱体において、
金属箔がＳＵＳ材である、
ことを特徴とする発熱体。
【請求項５】
発熱体が外部被覆された発熱ヒータにおいて、
発熱体が請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発熱体であり、その発熱体の外側が絶縁材で被覆された、
ことを特徴とする発熱ヒータ。
【請求項６】
請求項５記載の発熱ヒータにおいて、
絶縁材の外側が補強材で被覆された、
ことを特徴とする発熱ヒータ。
【請求項７】
請求項６記載の発熱ヒータにおいて、
補強材の外側が樹脂コーティング層で被覆された、
ことを特徴とする発熱ヒータ。
【請求項８】
請求項６又は請求項７記載の発熱ヒータにおいて、
請求項６における補強材の外側、又は請求項７における樹脂コーティング層の外側に熱収縮チューブによる防水層が設けられた、
ことを特徴とする発熱ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種分野で利用可能な発熱体と、当該発熱体を使用した発熱ヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の水溶液をＳＵＳ箔に３μｍ〜７μｍ程度の厚さに塗布し、８００℃〜１２００℃で焼成して再結晶化させてシート状の発熱体を製造する方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−９７９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１記載の発熱体は、半導体を８００℃〜１２００℃もの高温で焼成して再結晶化させるものであるため、ひび割れが生じ易い、亀裂し易いなどの問題があることから、製品化困難であった。
【０００５】
本発明の解決課題は、昇温速度が速く、昇温最高温度が高く、消費電力が少なく、ひび割れや亀裂が発生しにくい発熱体と当該発熱体を使用した発熱ヒータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［発熱体］
本発明の発熱体は、箔状（フィルム状）の金属箔の外周面に、少なくとも、ホウ素と腐植物質を含む導電性発熱膜を備えたものである。この導電性発熱膜はホウ素と腐植物質を含む導電性発熱材水溶液を金属箔の表面に塗布し、当該水溶液を乾燥させて導電性発熱材水溶液中の導電性発熱材を結晶化した膜（定着した膜）である。導電性発熱膜はホウ素と腐植物質の他にケイ素含有の粘土鉱物を含むものであってもよい。この場合はケイ素をも含む導電性発熱材水溶液を金属箔の表面に塗布して乾燥させる。前記金属箔も導電性発熱膜もμｍ単位の厚さが望ましい。いずれの場合も、乾燥は自然乾燥或いは１００℃〜１５０℃程度の低温での強制加熱乾燥が望ましい。加熱温度が高いと結晶膜にひび割れや亀裂（クラック）が入り易くなる。
【０００７】
［発熱ヒータ］
本発明の発熱ヒータは、前記発熱体の外周が絶縁材で被覆されたものである。前記絶縁材の外周を補強材で被覆して補強し、補強材の外周に樹脂コーティング層を設け、更に、補強材又は樹脂コーティング層の外周に防水層を設けることもできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発熱体は次の効果を奏する。
（１）導電性発熱膜が塩基置換容量（電気伝導度）の向上に寄与する腐植物質を含んでいるため電気伝導度が向上する。
（２）電気伝導度が高いため、昇温速度が速く、昇温最高温度が高く、消費電力が少ない。
（３）導電性発熱材水溶液を、自然乾燥或いは１００℃〜１５０℃程度の低温での加熱乾燥であるため、結晶膜にクラックが入りにくい。
【０００９】
本発明の発熱ヒータは次の効果を奏する。
（１）発熱体の外周が耐熱性を備え、熱伝導しにくい性質の絶縁材で被覆されているため感電のおそれがない。
（２）絶縁材の外周が補強材で被覆されて補強されているので機械的強度に優れる。
（３）補強材の外周に樹脂コーティング層を設けてあるため、発熱体が曲げや折れに強く、導電性発熱膜に亀裂が生じたり破断したりしにくく、耐用性が向上する。
（４）補強材の外周又は樹脂コーティング層の外周に防水層を設けた場合は、防水性に優れ、水回りでの使用にも耐える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の発熱体の部分断面図。
【図２】（ａ）は本発明の発熱ヒータの側方断面図、（ｂ）は本発明の発熱ヒータの正面断面図、（ｃ）は本発明の発熱ヒータの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（発熱体の実施形態）
本発明の発熱体の実施形態について図面を参照して説明する。一例として図１に示す発熱体１はμｍ単位の厚さのフィルム状の金属箔２の表面に、導電性発熱膜３を備えたものである。金属箔２の長さ、幅は任意に設定することができる。
【００１２】
［金属箔］
金属箔２はＳＵＳ３０４箔が適するが、これ以外のＳＵＳ箔、例えば、アルミとクロムの配合比率を変えたＳＵＳ、その他の材質の箔を使用することもできる。用途によってはニクロム箔等を用いることもできる。金属箔２の厚さは１０μｍ〜６０μｍ程度が好ましい。１０μｍよりも薄い金属箔２は製造が困難（製品化困難）であり、６０μｍよりも厚い金属箔２は電流が流れ過ぎて消費電力が大きくなるおそれがある。金属箔２の幅は用途に合わせて任意に設計することができるが１ｍｍ〜１５ｍｍ程度が適する。１ｍｍよりも狭いと切れ易く、１５ｍｍよりも広いと消費電力が大きくなる。幅の広い金属箔２を使用して発熱体１を製造し、それを必要な幅に細く切断して使用することもできる。
【００１３】
金属箔２は導電性発熱膜３の定着性（アンカー効果）を高めるため、導電性発熱材水溶液を塗布する面（成膜面）を、機械的に或いは化学的に粗面加工するのが望ましい。粗面加工した成膜面は導電性発熱材水溶液を塗布する前に洗浄して付着物を洗い落としておくのが望ましい。
【００１４】
［導電性発熱膜］
導電性発熱膜３は、少なくとも、ホウ素と腐植物質が溶解している水溶液（導電性発熱材水溶液）を、前記金属箔２の表面に塗布する。導電性発熱材水溶液は前記したホウ素と、腐植物質の他に、ケイ素含有の粘土鉱物、鉄、金、銀、アルミ（軽金属）等の金属粉、水銀、パラジウム、イリジウムといったプラス電位を持つ金属粉（起電力向上材）を含有するものであってもよい。起電力向上材を含むことにより、塩基置換容量の向上、すなわち、電気伝導度（ＥＣ）の向上に作用する。前記導電性発熱材水溶液は、ケイ素含有の粘土鉱物を混合して、ケイ素を含んだものであってもよい。粘土鉱物は粘性があるため、金属箔２に塗布した導電性発熱材水溶液を金属箔２に付着し易くする。
【００１５】
導電性発熱材水溶液の塗布はシルクスクリーン印刷、その他の印刷、ロールコーティングといった各種方法で行うことができる。いずれの方法であっても膜厚は均一化するのが望ましい。塗布した導電性発熱材水溶液は自然乾燥、強制乾燥といった各種乾燥方法で乾燥させて、導電性発熱材水溶液中の導電性発熱材を結晶化させて導電性発熱膜３とする。強制乾燥は乾燥時間を短縮させるための手法である。本発明では、これ以外の乾燥、例えば、遠赤外線照射によって加熱乾燥させることもできる。遠赤外線照射によって乾燥させて結晶化することにより、金属箔２への導電性発熱膜３の食いつきが良好になり、べとつきもなくなる。
【００１６】
図１に示す発熱体は、導電性発熱膜３を金属箔２の片面のみに設ける場合を一例として示しているが、導電性発熱膜３は金属箔２の表裏両面に設けることも、外周面（縁）を含む全周に設けることもできる。導電性発熱膜３は金属箔の粗面化されている表面の凹部のみならず凸部をも被覆できる厚さで且つ表面が平滑になるように成膜する。導電性発熱膜３の厚さは数ｎｍ〜数μｍ、好ましくは２ｎｍ〜３μｍ程度が適する。２ｎｍよりも薄いと金属箔の凹凸面を十分に被覆しにくくなり、熱容量を十分に確保し難くなる。３μｍよりも厚いと伝熱しにくくなり、発熱効率が低下する。
【００１７】
前記導電性発熱材水溶液は、ホウ素含有液と、腐植物質含有液と、起電力向上材含有液と、粘土鉱物含有液の四種の液体を個別に重ね塗りしてもよい。前記ホウ素含有液と腐植物質含有液の二種を混合したものであってもよい。また、ホウ素含有液と腐植物質液と粘土鉱物液の三種を混合したものであってもよい。必要に応じて他の物質を混合したものであってもよい。前記起電力向上材と粘土鉱物は微粉末のままホウ素含有液又は腐植物質含有液のいずれかに混合することも、或いは両液の混合液に混合することもできる。
【００１８】
［半導体性発熱膜］
前記ホウ素含有液と、腐植物質含有液と、粘土鉱物含有液が混合されている導電性発熱材水溶液の場合、粘土鉱物含有液に含有されているケイ酸は、導電性発熱材水溶液中でケイ素（Ｓｉ）に還元される。このケイ素にホウ素含有液中のホウ素が不純物として添加される。この場合、導電性発熱材水溶液中のケイ素の量に比してホウ素の量が少ないと、導電性発熱材水溶液を金属箔２に塗布して乾燥させることにより、金属箔２の表面に半導体の性質を備えた発熱膜（半導体性発熱膜）が形成される。
【００１９】
発明者の実験によれば、前記発熱膜は、抵抗率：１０−４〜１０１０［Ω・ｃｍ］の範囲にあり、電気抵抗の温度係数が負であり、光電効果、ホール効果、整流作用などの現象があり、ステップテラス構造であり、半導体の特性を備えていることから半導体性発熱膜であることが確認された。この半導体性発熱膜は電子の少ないホウ素を含んでいるのでＰ型であるが、本発明の半導体性発熱膜は電子の多い不純物を含んだＮ型であってもよい。
【００２０】
前記ホウ素含有液中のホウ素も、粘土鉱物含有液中のケイ素も粘性があり、バインダの機能があるため、前記導電性発熱材水溶液は金属箔２に定着し易くなる。
【００２１】
［金属箔の粗面化］
金属箔２に導電性発熱材水溶液を塗布する前に、金属箔２の表面（成膜面）を粗面化して、導電性発熱材が金属箔２に付着し易く（食いつき易くする：アンカー効果を高める）のが望ましい。ＳＵＳ箔はミクロ的にはもともと表面が凹凸しているため、金属箔２にＳＵＳ箔を使用する場合は粗面化工程を省略することもできる。金属箔２には、ＳＵＳ箔以外の金属箔を用いることができる。
【００２２】
［金属箔への導電性発熱材水溶液塗布］
金属箔２への導電性発熱材水溶液を塗布するには、金属箔２の上に任意の塗膜方法で塗布する。いずれの方法で塗布した場合でも、導電性発熱材水溶液は均一厚にするのが望ましい。
【００２３】
［導電性発熱材水溶液の乾燥：結晶化］
金属箔２に塗布した導電性発熱材水溶液は加熱乾燥させて、導電性発熱材水溶液中の水分を蒸発させる。水分蒸発により導電性発熱材が結晶化して半導体性発熱膜となる。その半導体性発熱膜は結晶化しながら金属箔２の表面に定着する。加熱乾燥には遠赤外線照射が適する。遠赤外線照射するのは結晶化を促進させ、導電性発熱材のアンカー効果を高めるためである。前記乾燥は遠赤外線照射以外の方法、例えば、自然乾燥で行うこともできる。
【００２４】
（他の実施形態）
前記実施形態の手順、前記実施形態で用いた材料は一例であり、本発明の課題を解決可能であれば前記以外の手順、材料とすることもできる。
【００２５】
本発明の発熱体には電源接続用の電極を取付けるのが望ましい。電極には汎用の電極用金属材料を使用し、それを発熱体の電源入力側と出力側に取り付けることができる。
【００２６】
（実験例）
本件発明者は、本発明の発熱体と、ニクロム線について、同じ断面積の試験体を作って、両者を同じ条件下で、同じ電圧を印加して、発熱温度、温度上昇速度、発熱上限温度について実験を行った。この結果、本発明の発熱体はそれらいずれにおいてもニクロム線よりも優れ、同じ温度を得るための消費電力はニクロム線の場合よりも少ないことを確認することができた。この原因は定かでないが、前記半導体性発熱膜の形成に使用される前記導電性発熱材水溶液に、電気伝導度の向上に寄与する腐植物質を含んでいるため電気伝導度が向上し、それら導電性発熱材の相互作用により発熱が促進されて、前記実験結果が得られたものと思われる。また、消費電力が少ないのは、本発明の発熱体は起動時にニクロム線のような突入電流がないことが一因であるとも思われる。また、突入電流がないため、発熱体の寿命（耐用年数）も長くなる。本発明では金属箔の表面が粗面化されて表面積（発熱面積、放熱面積）が広くなっているため、発熱体１の表面から放射される遠赤外線の発熱量が向上する。
【００２７】
［抵抗率、発熱量］
発熱体の抵抗率は発熱体の断面積と長さによって異なり、発熱体の発熱量は抵抗率によって異なる。発熱体として汎用されているニクロム線の抵抗率は２．０５×１０−６Ωｍであるのに対し、本発明の発熱体の抵抗率は１．４１×１０−６Ωｍである。一例として厚さ５０μｍ、幅５ｍｍである本発明の発熱体に１００Ｖの商用電源電圧を印加したところ、長さに関係なく、長さ方向全体に一様に、電圧印加開始後２〜３秒程度（殆ど瞬時）に１０００℃近くまで発熱した。前記厚さと幅を変えた場合も同様の結果が得られた。ニクロム線の場合、長さにもよるが、１ｍ程度の長さの場合、最高発熱温度は２００℃程度であり、その温度への到達時間は電圧印加開始後１０数秒後である。本発明の発熱体は抵抗率がニクロム線に比して低いため、通電時の消費電力はニクロム線の場合よりも少ないが、前記実験により、ニクロム線よりも昇温最高温度が高く、発熱量が多く、昇温速度が速いことが確認された。その理由は定かではないが、前記したようにホウ素含有液と腐植物質液とケイ素を含む粘土鉱物液が混合されている導電性発熱材水溶液の場合、ケイ素の量に比してホウ素の量が少ないと、金属箔２に塗布して乾燥させることにより、金属箔２の表面に半導体の性質を備えた発熱膜（半導体性発熱膜）が形成される。この半導体性発熱膜を備えていることが一因かと思われる。また、発熱速度が速いことは、軽金属（アルミ）を含んでいることにも起因していると思われる。
【００２８】
（発熱ヒータの実施形態）
本発明の発熱ヒータ４の一例を、図面を参照して説明する。一例として図２（ａ）（ｂ）に示す発熱ヒータ４は、本発明の発熱体１の導電性発熱膜３の外側（外表面）が絶縁材５で被覆され、その絶縁材５の外側（外表面）が補強材６で被覆されて補強されたものである。絶縁材５には、例えば、シリコン、その他の樹脂を用いることができる。補強材６にはケプラ繊維を使用することができる。ケプラ繊維は可撓性があり、曲げても切断しにくく、伸縮性が乏しい特性を有するため、ケプラ繊維で被覆することによって、発熱体１の導電性発熱膜３に亀裂が生じたり、切断したり、伸縮により変形したりしにくくなる。
【００２９】
前記補強材６の外側（外表面）には、樹脂コーティング層７が設けられている。この樹脂コーティング層７によって、発熱体１の収縮が抑制され、発熱体１の切断を予防できる。
さらに、樹脂コーティング層７の外側に防水層８を設けて防水効果を高めることができる。防水層８は樹脂コーティング層７を設けることなく、補強材６の外側に直接設けることもできる。樹脂コーティング層７の樹脂にはエポキシ樹脂が適し、防水層８には樹脂製の熱収縮チューブを使用するのが適する。
【００３０】
図２（ｃ）に示すように、細長の発熱ヒータ４の長手方向（軸方向）両端部には接続端子（電極）９が設けられている。その接続端子９に電源線用のリード線１０を接続してある。接続端子９とリード線１０の接続箇所は絶縁チューブ１１で被覆してある。
【００３１】
発熱ヒータも電源印加用の電極を備えている。この電極には発熱体の前記電極を利用することもでき、前記電極と別に設けることもできる。いずれの場合も、外部電源を容易に接続できるようにしておく。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の発熱体及び発熱ヒータは、加温が必要な各種用途、例えば、乗り物、輸送機器、農業、融雪、住宅、プール、衣料、医療、その他の加熱や加温を必要とするあらゆる分野における各種製品や部品、ライフライン施設等々の加熱や加温に利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１      発熱体
２      金属箔（ＳＵＳ箔）
３      導電性発熱膜
４      発熱ヒータ
５      絶縁材
６      補強材
７      樹脂コーティング層
８      防水層
９      接続端子
１０    リード線
１１    絶縁チューブ
【図１】
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【図２】
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