(57)【要約】【課題】  円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための面状発熱体において、１５０℃〜１０００℃の比較的高い温度領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、優れた可撓性、断熱性構造を有し、しかも廉価な面状発熱体を提供する。【解決手段】  発熱素子の両面が電気絶縁材で被覆されたヒータ、及び該ヒータの外周側に空隙ができるようにスペーサを介して保持された金属薄板を備えてなる面状発熱体とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための面状発熱体であって、発熱素子の両面が電気絶縁材で被覆されたヒータ、及び該ヒータの外周側に空隙ができるようにスペーサを介して保持された金属薄板を備えてなることを特徴とする面状発熱体。
【請求項２】
さらにヒータの内周側に金属薄板が備えられた請求項１に記載の面状発熱体。
【請求項３】
さらに金属薄板の外周側に断熱材が備えられた請求項１に記載の面状発熱体。
【請求項４】
スペーサの構成材料が、耐熱性樹脂、セラミック、または金属である請求項１に記載の面状発熱体。
【請求項５】
スペーサの形状が、角柱状、円柱状、格子状、波形板状、またはこれらに類似する形状である請求項１に記載の面状発熱体。
【請求項６】
ヒータと金属薄板の間隙が１〜２０ｍｍである請求項１に記載の面状発熱体。
【請求項７】
ヒータと金属薄板の間隙において、空隙が占める割合が２０〜９９％である請求項１に記載の面状発熱体。
【請求項８】
発熱素子が、金属箔抵抗体、金属線抵抗体、または、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、金属酸化物粉末から選ばれる少なくとも１種をガラス繊維基材またはセラミック繊維基材に含ませた抵抗体である請求項１に記載の面状発熱体。
【請求項９】
発熱素子が、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、金属酸化物粉末から選ばれる少なくとも１種を耐熱性樹脂に混練させた抵抗体である請求項１に記載の面状発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための電気エネルギーを利用する面状発熱体に関するものである。更に詳細には、１５０℃〜１０００℃の高温領域を含む広い温度領域の加熱が可能で、可撓性が優れており、外部への熱拡散が少ない面状発熱体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種の配管、継手等の外側に取付けて、これらを加熱するためのマントルヒータ（ジャケットヒータ）が広く利用されている。
このようなヒータの発熱素子としては、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、あるいは金属酸化物粉末等を含む合成樹脂（導電性樹脂）を用いて、ガラスクロスに含浸させたもの、前記のような導電性樹脂をポリエステル、ポリイミド、マイカ等の絶縁基材シートに塗布または印刷により保持させたもの、金属箔をエッチングして回路としたもの、あるいは金属抵抗線を絶縁基板シートに張り巡らして回路としたもの等が使用されている。
【０００３】
前記のような発熱素子の両面は、シリコーンゴムシート、ポリイミド樹脂シート、マイカシート等の電気絶縁材により被覆され、さらにその外周側は各種ゴム、各種発泡材、あるいはガラスマット等の断熱材により被覆されている。
【特許文献１】特開平１０−６４６６７号公報
【特許文献２】特開平１１−２８８９２７号公報
【特許文献３】特開２０００−１７３７５４号公報
【特許文献４】特開２００３−６８４３０号公報
【特許文献５】特開２００４−１１１２８６号公報
【特許文献６】特開２００４−１８５９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属箔をエッチングして回路としたもの、金属抵抗線を用いてマイカ等の絶縁基板シートに張り巡らして回路としたものは、１５０℃以上の比較的高い温度で使用できる利点がある。しかしながら、このような発熱素子を用いて被加熱物を高温に加熱する場合は、断熱材として耐熱性に優れたものを使用するとともに、外部への熱拡散を防止するために厚みを大きなものにする必要があり、可撓性に乏しく大きな面状発熱体になるという不都合、また断熱材の種類によっては高価な面状発熱体になるという不都合があった。
従って、本発明が解決しようとする課題は、１５０℃以上の比較的高い温度（１５０℃〜１０００℃程度）の高温の領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、優れた可撓性、断熱性構造を有し、しかも廉価な面状発熱体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための面状発熱体において、発熱素子の両面が電気絶縁材で被覆されたヒータの外周側に、断熱材層として空隙部（空気層）を設け、さらにその外周側に熱反射板として金属薄板を設けることにより、優れた可撓性、断熱性構造を有し、しかも廉価な面状発熱体が得られることを見出し、本発明の面状発熱体に到達した。
【０００６】
すなわち本発明は、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための面状発熱体であって、発熱素子の両面が電気絶縁材で被覆されたヒータ、及び該ヒータの外周側に空隙ができるようにスペーサを介して保持された金属薄板を備えてなることを特徴とする面状発熱体である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の面状発熱体は、断熱材層として空隙部（空気層）を設けた構成なので、高価な断熱材を多く用いることなく、優れた可撓性、断熱性を容易に付与することができる。また、空隙部（空気層）の外周に熱反射板として金属薄板を設けているので、ヒータからの熱が外部に拡散し難く、エネルギー効率よく被加熱物を加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の面状発熱体は、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための電気エネルギーを利用した面状発熱体に適用されるが、特に被加熱物を高い温度（１５０℃〜１０００℃）で効率よく加熱するための面状発熱体に好適に適用される。
以下、本発明の面状発熱体を、図１〜図７に基づいて説明するが、本発明がこれにより限定されるものではない。尚、図１〜図４は各々本発明の面状発熱体の一例を示す断面図である。図５は本発明におけるヒータ（電気絶縁材／発熱素子／電気絶縁材）の一例を示す斜視図である。図６、図７は各々本発明におけるスペーサと金属薄板の組合せの一例を示す斜視図である。
【０００９】
本発明の面状発熱体は、図１に示すように、円筒形、曲管形、または球形の形状を有する被加熱物を加熱するための面状発熱体であって、発熱素子１の両面が電気絶縁材２で被覆されたヒータ３、ヒータ３の外周側に空隙４ができるようにスペーサ５を介して保持された金属薄板６を備えてなる面状発熱体である。
本発明の面状発熱体は、図２に示すように、さらにヒータ（内側の電気絶縁材２）の内周側に金属薄板６を配置することもできる。また、図３に示すように、さらに金属薄板６の外周側に断熱材７を配置することもできる。面状発熱体の加熱時は、外周側の金属薄板６も比較的に高温になるので、通常はこのように断熱材７を配置して用いられる。さらに、スペーサ５は、空隙を形成できればその形状に特に制限されることはなく、例えば図４に示すように、断面が波形状のものであってもよい。
【００１０】
尚、本発明の面状発熱体の形状は、円筒形、曲管形のほか、円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように分割した形状（図６、図７に示すような形状）、楕円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように分割した形状、球面または楕球面の一部の形状、またはこれらに類似する形状、若しくは平面と前記のような曲面を合わせた形状等とすることができる。
しかしながら、例えば、円筒形、または円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように、２分割、３分割、または４分割した形状、若しくは楕円筒形、または楕円筒を切断面が中心軸と平行方向となるように、２分割または４分割した形状が実用的である。
【００１１】
本発明の面状発熱体に用いられる金属薄板は、通常は厚みが０．０３〜２ｍｍであり、アルミ薄板、ステンレス薄板、鉄薄板等のほか、アルミ箔、ステンレス箔、鉄箔等も使用可能である。金属薄板の厚みが０．１ｍｍ未満の場合は強度が弱くなるが、断熱材を兼ねた補強材として耐熱性樹脂板（発泡させたものも使用可）を併用することにより使用可能である。また、金属薄板の厚みが２ｍｍを超えると可撓性、柔軟性が失われ所望の曲面形状に形成できなくなる虞がある。金属薄板は、例えば、図６、図７に示すような角柱状のスペーサ５のほか、円柱状、格子状、波形板状、またはこれらに類似する形状のスペーサを介してヒータと接着される。尚、接着の際は、接着剤による固着のほか、リベットによる固着も行なうことができる。また、スペーサの構成材料としては、通常は耐熱性樹脂、好ましくは可撓性を有する耐熱性樹脂が用いられるが、後述するように空隙の条件によってはセラミック等の材料が使用可能であり、さらに波形板状のスペーサの場合には金属を用いることができる。
【００１２】
本発明の面状発熱体において、ヒータと金属薄板の間隙は、ヒータの大きさ、加熱温度等の条件にもよるが、通常は１〜２０ｍｍである。また、ヒータと金属薄板の間隙において、空隙が占める割合（体積）は通常は４０〜９９％、好ましくは５０〜９５％、さらに好ましくは６０〜９０％である。空隙が占める割合が９９％を超える場合は、スペーサが占める割合が１％未満となりヒータと金属薄板の結合強度が弱くなる不都合が生じる。
【００１３】
尚、空隙の割合が大きいほど、スペーサに要求される可撓性の条件が緩和され、種々の耐熱性材料からスペーサの構成材料を選定することができるようになる。このような耐熱性材料として、ヒータが高い温度（２５０℃以上）で使用される場合は、セラミックを用いることが好ましい。例えば、ヒータまたは金属薄板の表面に、セラミック塗料を塗布、乾燥後、微粉体の状態で固化、あるいは焼成することによりスペーサを形成させることができる。セラミック塗料としては、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マイカ等のセラミック原料、あるいはこれらの２種類以上のセラミック原料を、必要に応じて無機充填材、有機充填材とともに溶媒に溶かしたものを用いることができる。
【００１４】
本発明の面状発熱体において用いられる金属薄板のうち、被加熱物側に配置される金属薄板（図２）は、加熱面を均一にするために用いられる。また、被加熱物側と反対側に配置される金属薄板は、熱反射板としての効果（ヒータからの熱が外部に拡散し難く、優れたエネルギー効率が得られる効果）のほか、電気絶縁材等から発生する粉塵等の外部への飛散を防止する効果もあり、例えばクリーンルーム内で使用される面状発熱体の被覆材として好適である。
【００１５】
本発明の面状発熱体に用いられる可撓性を有する発熱素子としては、例えば所望のパターンに成形した金属箔抵抗体（図５）、金属線抵抗体、または、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、金属酸化物粉末から選ばれる少なくとも１種を合成樹脂に分散させた導電性樹脂を、ガラス繊維基材またはセラミック繊維基材に含浸させた抵抗体を用いることができる。このような発熱素子の厚みは、通常は０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．３ｍｍである。厚みが０．０１ｍｍ未満の場合は強度が弱く、０．５ｍｍを超えると可撓性、柔軟性が失われる虞が生じる。また、その他の発熱素子としては、グラフトカーボン、カーボン粉末、金属粉末、金属酸化物粉末から選ばれる少なくとも１種をシリコーン樹脂等の耐熱性樹脂に混練させた抵抗体を用いることができる。カーボン粉末をシリコーン樹脂に練り込ませた抵抗体は、１ｍｍ以上の厚みがあっても可撓性、柔軟性がある。
【００１６】
尚、前記のガラス繊維基材またはセラミック繊維基材は、低温度で熱分解するバインダーを含まないようにするか、予め加熱処理してバインダーを熱分解しておくか、あるいはバインダーを使用しないようにすることが好ましい。低温度で熱分解するバインダーが含まれる場合、発熱素子が高温になるとバインダーが熱分解し、面状発熱体が劣化する不都合が生じる。ガラス繊維基材を使用する場合は、通常はガラスクロスとされる。また、ガラス繊維及びセラミック繊維を混合した基材を用いることもできる。さらに、強度及び耐熱性を向上させるために、炭素繊維等を含ませてもよいが、これらの含有量が大きくなると可撓性、柔軟性が失われる虞があるので、これらを含ませる場合は、基材全量に対して３０ｗｔ％以下であることが好ましい。
【００１７】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
（ヒータの製作）
エッチングにより縦２０ｃｍ、横２５ｃｍの範囲内で形成した蛇行状の金属箔抵抗体（線幅３ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を、縦２４ｃｍ、横２８ｃｍ、厚さ０．８ｍｍの未加硫シリコーン樹脂を含浸させたガラスクロスシートで挟持した後、直径が約９０ｍｍの鉄製のパイプに巻き付け、１８０℃の炉に３０分間投入し１次硬化させた後、更に２００℃の炉に２時間投入して完全硬化させて、縦２４ｃｍ、内周２８ｃｍ、厚さ１．６ｍｍで約２ｍｍ幅のスリットが入った円筒状ヒータを製作し、図５に示すようなヒータ（但し、スリット入）（シリコーン／金属箔抵抗体／シリコーン）を得た。
【００１９】
（面状発熱体の製作）
次に、縦２３．５ｃｍ、横３２ｃｍ、厚さ０．５ｍｍのアルミ薄板を横方向が円になるように曲げ加工により直径約１０ｃｍのスリット入円筒を製作し、その外側に厚さ３ｍｍのウレタンスポンジを貼り合せて最外層の断熱構造体を得た。
前述のヒータの外周側に幅１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのシリコーンスポンジ製のスペーサを貼り合せ、さらにその外周側に前記の断熱構造体を貼り合せて、図３に示すような構成の面状発熱体（ヒータと金属薄板の間隙における空隙割合：８４．５％）を得た。
【００２０】
（面状発熱体の検査）
以上のようにして得られた面状発熱体を、ステンレス製の円筒管（長さ４０ｃｍ、直径９ｃｍ、厚さ３ｍｍ）の周囲に取付け、室温２２℃の試験室において、１００Ｖの交流電圧を通電し、円筒管の内側中央部の表面温度が１５０℃となるように温度調節しながら２時間通電して消費電力量を測定した。その結果、使用電力量は２７．０Ｗ時で、断熱構造体の外側の温度は５８℃であった。また、表面温度が２００℃となるように温度調節しながら２時間通電して消費電力を測定した。その結果、使用電力両は４２．５Ｗ時で、断熱構造体の外側の温度は７０℃であった。
【００２１】
［比較例１］
実施例１の面状発熱体の製作において、スペーサと金属薄板とウレタンスポンジからなる被覆物の替わりにシリコーンスポンジの被覆物（実施例１と同様の形状、大きさで、空隙はなし）を用いたほかは実施例１と同様にして面状発熱体を製作した。この面状発熱体について、実施例１と同様の条件で、面状発熱体の検査を行なった。その結果、円筒管の内側中央部の表面温度が１５０℃の時の使用電力量は３１．５Ｗ時で、断熱構造体の外側の温度は７６℃あった。また、表面温度が２００℃の時の使用電力量は４７．０Ｗ時で、断熱構造体の外側の温度は９３℃であった。
【００２２】
以上のように、前述の条件下において、本発明の実施例の面状発熱体は、比較例の面状発熱体に較べて、円筒管の内側中央部の表面温度が１５０℃の時の省エネ率は１４．３％、２００℃の時の省エネ率は９．６％となり、省エネ効果が得られ、高価な耐熱性樹脂等を多く用いることなく、１５０℃以上の高温の領域を含む広い温度領域で使用することが可能で、優れた可撓性、断熱性構造を有し、ヒータからの熱が外部に拡散し難く、エネルギー効率よく被加熱物を加熱できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の面状発熱体の一例を示す断面図
【図２】本発明の図１以外の面状発熱体の一例を示す断面図
【図３】本発明の図１、図２以外の面状発熱体の一例を示す断面図
【図４】本発明の図１〜図３以外の面状発熱体の一例を示す断面図
【図５】本発明におけるヒータの一例を示す斜視図
【図６】本発明におけるスペーサと金属薄板の組合せの一例を示す斜視図
【図７】本発明における図６以外のスペーサと金属薄板の組合せの一例を示す斜視図
【符号の説明】
【００２４】
１  発熱素子
２  電気絶縁材
３  ヒータ
４  空隙
５  スペーサ
６  金属薄板
７  断熱材
８  電源コード
【図１】
2009009835.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009009835.tif 000008
【図７】
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