発熱体

発熱体に使用される材料は、比較的高い電気抵抗率を有しており、これは材料が電流に抵抗する能力の尺度です。ある量の発熱体材料が持つ電気抵抗は、プイエの法則によって次のように定義されます。$${\displaystyle R=\rho {\frac {\ell }{A}}}$$どこ

• ${\displaystyle R}$は、材料の均一な試料の電気抵抗である。
• ${\displaystyle \rho }$は材料の抵抗率です
• ${\displaystyle \ell }$は標本の長さです
• ${\displaystyle A}$は試料の断面積である。

発熱体材料のワイヤ長あたりの抵抗（ Ω/m）は、ASTMおよびDIN規格で定義されています。 ^{[ 2 ]： 2 [ 3 ] [ 4 ]} ASTMでは、直径0.127mmを超えるワイヤは ±5%Ω/mの許容範囲内に収まるように規定されており、より細いワイヤは±8%Ω/mの許容範囲内に収まるように規定されています。

発熱体の性能は、多くの場合、発熱体の電力密度によって定量化されます。電力密度は、発熱体からの出力電力Pを発熱体の加熱表面積Aで割った値として定義されます。 ^{[ 5 ]}数式で表すと次のようになります。

${\displaystyle \Phi =P/A}$

電力密度は熱流束（Φで表される）の尺度であり、多くの場合、平方ミリメートルあたりのワット数または平方インチあたりのワット数で表されます。

低電力密度の発熱体は、高電力密度の発熱体よりも高価になる傾向があるが、寿命は長い。^{[ 6 ]}

米国では、電力密度はしばしば「ワット密度」と呼ばれます。また、「電線表面負荷」と呼ばれることもあります。

発熱体絶縁体は、抵抗ヒーターを環境や異物から電気的および熱的に絶縁する役割を果たします。^{[ 9 ]}一般的に、600 °C を超える温度で動作する発熱体には 、セラミック絶縁体が使用されます。^{[ 8 ] : 137}酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウムは、セラミック発熱体絶縁体によく使用される化合物です。低温の場合は、より幅広い材料が使用されます。

電気リード線は、発熱体を電源に接続するために使用されます。これらは一般的に、銅などの導電性材料でできており、活性抵抗材料ほど酸化に対する耐性が高くありません。^{[ 8 ]： 131-132}

発熱体端子は、活性抵抗材料をリード線から絶縁する役割を果たします。端子は、抵抗率が低い、または直径が大きいなどして、活性材料よりも抵抗値が低くなるように設計されています。また、活性材料よりも酸化耐性が低い場合もあります。^{[ 8 ]： 131～132}

管状または被覆された発熱体（ブランド名ではカルロッド^{[ 10 ]}とも呼ばれる）は、通常、電気絶縁体と金属製の管状の被覆またはケーシングで囲まれた細い抵抗線のコイルで構成されています。絶縁体は通常酸化マグネシウム粉末で、被覆は通常銅または鋼合金でできています。吸湿性の絶縁体から水分を遮断するために、両端にはセラミックやシリコーンゴムなどの絶縁材料のビーズ、またはそれらの組み合わせが取り付けられています。チューブはダイスを通して引き伸ばされ、粉末を圧縮して熱伝導を最大化します。これらは、まっすぐな棒状のもの（トースターオーブンなど）や、加熱する領域を覆うように曲げられたもの（電気コンロ、オーブン、コーヒーメーカーなど）があります。

セラミック絶縁金属（一般的には鋼鉄）板上にスクリーン印刷された金属セラミックトラックは、1990年代半ば以降、電気ケトルやその他の家庭用電化製品の部品として広く利用されている。

放射加熱素子（ヒートランプ）は、高出力の白熱電球を最大出力よりも低い出力で動作させ、可視光ではなく主に赤外線を放射するものです。これらは通常、放射式暖房器具や食品保温器に使用されており、細長い管状のものとR40反射ランプ型のものがあります。反射ランプ型は、発生する可視光を最小限に抑えるために赤く着色されていることが多く、管状のものはさまざまな形状があります。

• 金メッキ–フィリップスが特許を取得し製造したHeLeN石英赤外線ヒートランプ。内部には金色の二色性膜が堆積されており、可視光を低減し、短波長および中波長の赤外線の大部分を透過させます。これらの管状石英ランプは、照明以外の用途向けに設計されています。^{[ 11 ]} 
• ルビーコーティング–金メッキランプと同じ機能を持ちながら、価格ははるかに安価です。ただし、金メッキタイプに比べて眩しさがかなり強くなります。 
• 透明–コーティングなし。主に製造工程で使用される。 

着脱式セラミックコア素子は、コイル状の抵抗加熱合金線を1つまたは複数の円筒形セラミックセグメントに通して、出力に応じて必要な長さに成形します。中央ロッドの有無は選択可能です。片端が密閉された金属製のシースまたはチューブに挿入されるこのタイプの素子は、通常、加圧下での流体加熱といったプロセスを中断することなく、交換や修理を行うことができます。

エッチング箔素子は、一般的に抵抗線素子と同じ合金で作られていますが、連続した金属箔シートから複雑な抵抗パターンを形成する減法的なフォトエッチングプロセスによって製造されます。これらの素子は、医療診断や航空宇宙などの精密加熱用途で広く使用されています。

抵抗ヒーターは、温度の上昇とともに抵抗率が指数関数的に増加する導電性PTCゴム材料で作ることができます。 ^{[ 12 ]}このようなヒーターは、低温時には高出力を生成し、急速に一定温度まで加熱されます。抵抗率が指数関数的に増加するため、ヒーターはこの温度以上に加熱されることはありません。この温度を超えると、ゴムは電気絶縁体として機能します。温度はゴムの製造時に選択できます。一般的な温度は0～80 ℃（32～176 °F）です。  

これは、ポイントごとに自己制御および自己制限機能を備えたヒーターです。自己制御とは、ヒーターの各ポイントが電子制御回路を必要とせずに独立して一定温度を維持することを意味します。自己制限とは、ヒーターのどのポイントにおいても一定の温度を超えることがなく、過熱保護機能が不要であることを意味します。

厚膜ヒーターは、薄い基板上に印刷できる抵抗ヒーターの一種です。厚膜ヒーターは、従来の金属被覆抵抗素子に比べてさまざまな利点があります。一般的に、厚膜素子は、薄型形状、温度均一性の向上、熱容量が小さいため熱応答が速い、エネルギー密度が高い、電圧互換性の範囲が広いなどの特徴があります。通常、厚膜ヒーターは、さまざまなヒーターパターンで、平らな基板やチューブ上に印刷されます。これらのヒーターは、熱伝達条件に応じて、100  W/cm ²もの高い電力密度を達成できます。^{[ 13 ]}厚膜ヒーターのパターンは、印刷された抵抗ペーストのシート抵抗に基づいて高度にカスタマイズできます。

これらのヒーターは、金属または合金を充填した厚膜ペーストを使用して、金属、セラミック、ガラス、ポリマーなどのさまざまな基板上に印刷できます。^{[ 13 ]}厚膜ヒーターの印刷に使用される最も一般的な基板は、アルミニウム6061-T6、ステンレス鋼、白雲母または金雲母のシートです。これらのヒーターの用途と動作特性は、選択された基板材料に基づいて大きく異なります。これは主に基板の熱特性に起因します。

厚膜ヒーターには、従来からいくつかの用途があります。グリドル、ワッフルメーカー、コンロの電気加熱、加湿器、ティーケトル、ヒートシール装置、給湯器、衣類アイロンとスチーマー、ヘアアイロン、ボイラー、3Dプリンターの加熱ベッド、サーマルプリントヘッド、グルーガン、実験室の加熱装置、衣類乾燥機、ベースボードヒーター、ウォーミングトレイ、熱交換器、自動車のフロントガラス、サイドミラー、冷蔵庫の霜取りなどの除氷および曇り止め装置に使用できます。^{[ 14 ]}

ほとんどの用途において、熱性能と温度分布は2つの重要な設計パラメータです。基板全体に均一な温度分布を維持するために、抵抗回路の局所的な電力密度を変更することで回路設計を最適化できます。最適化されたヒーター設計は、加熱電力を制御し、ヒーター基板全体の局所的な温度を調整するのに役立ちます。比較的狭い領域に異なる電力密度を持つ2つ以上の加熱ゾーンが必要な場合、厚膜ヒーターを設計することで、単一の基板上にゾーン加熱パターンを実現できます。

厚膜ヒーターは、温度変化が素子の抵抗に及ぼす影響に基づいて、大きく2つのサブカテゴリ、すなわち負の温度係数（NTC）材料と正の温度係数（PTC）材料に分類できます。NTC型ヒーターは、ヒーター温度の上昇に伴って抵抗が減少する特性を持ち、一定の入力電圧に対して高温になるほど出力が高くなります。一方、PTC型ヒーターはこれとは逆の挙動を示し、高温になるほど抵抗が増加し、出力が低下します。PTC型ヒーターはこの特性により、一定の温度で出力が安定するため、自己制御が可能となります。一方、NTC型ヒーターは、ヒーターの暴走を制御するために、一般的にサーモスタットまたは熱電対を必要とします。これらのヒーターは、PTC型ヒーターよりも応答速度が速いため、あらかじめ設定された設定温度までヒーター温度を素早く上昇させる必要がある用途で使用されます。  

電極ボイラーは、水の流れに流れる電気を利用して蒸気を発生させます。動作電圧は通常、単相または三相交流で240～600ボルトです。^{[ 15 ]}

レーザーヒーターは、非常に高い温度を実現するために使用される加熱素子です。^{[ 16 ]}

抵抗加熱合金は 、空気中で600℃以上の電気加熱に使用できる金属です。これらは、主に600  ℃未満で動作する抵抗器に使用される抵抗合金とは区別されます。^{[ 8 ]}

これらの合金の原子の大部分は、その名称に記載されているものに対応していますが、微量元素も含まれています。微量元素は、加工性、形状安定性、酸化寿命などの機械的特性に大きな影響を与えるため、抵抗合金において重要な役割を果たします。^{[ 8 ]}これらの微量元素の中には、基本原料に含まれているものもあれば、材料の性能を向上させるために意図的に添加されるものもあります。微量元素を分類するために、汚染物質と強化物質という用語が使用されます。^{[ 9 ]}汚染物質は通常、寿命の低下や温度範囲の制限など、望ましくない影響を及ぼします。強化物質は製造業者によって意図的に添加され、酸化層の密着性の向上、形状保持能力の向上、高温での長寿命化などの改善をもたらす可能性があります。

発熱体に使用される最も一般的な合金には、以下のようなものがあります。

• 二ケイ化モリブデン（MoSi₂ _）は、モリブデンのケイ化物である金属間化合物で、主に加熱素子に使用される耐火セラミックです。密度は中程度で、融点は2030  ℃（3686  °F）であり、電気伝導性があります。高温では二酸化ケイ素の不動態層を形成し、それ以上の酸化を防ぎます。用途分野には、ガラス産業、セラミック焼結、熱処理炉、半導体拡散炉などがあります。
• 炭化ケイ素は、可燃性ガスに点火するために設計された発熱体である高温表面点火装置に使用され、ガスオーブンや衣類乾燥機でよく見られます。
• 窒化ケイ素は近年、ガス炉やディーゼルエンジンのグロープラグの表面点火剤として使用されている。このような発熱体やグロープラグは最高1400  ℃に達し、ガソリンや灯油を素早く点火する。この材料は、ディーゼルエンジンや火花点火エンジンの他の燃焼部品や摩耗部品にも使用されている。^{[ 19 ]}
• PTCセラミック素子：PTCセラミック材料は、正の熱抵抗係数（つまり、加熱すると抵抗が増加する）にちなんで名付けられています。ほとんどのセラミックは負の係数を持っていますが、これらの材料（多くの場合、チタン酸バリウムとチタン酸鉛の複合材料）は非常に非線形な熱応答を示し、組成に依存する閾値温度を超えると抵抗が急速に増加します。この挙動により、材料は自己制御ヒーターとして機能します。なぜなら、冷たいときは電流が流れ、熱いときは流れないからです。^{[ 20 ]} この材料の薄膜は、衣類の加熱^{[ 21 ]} 、自動車の後部窓のデフロストヒーター^{[ 22 ]}に使用され、ハニカム形状の素子は、より高価なヘアドライヤー、スペースヒーター、およびほとんどの最新のペレットストーブ に使用されています。このような発熱体は、950～1000 ℃の温度に達することができ、すぐに平衡状態に達することができます。 
• 石英ハロゲン赤外線ヒーターは、放射暖房を提供するのにも使用されます。