CN110650551A - 碳线材加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳线材加热器，该碳线材加热器包含玻璃部件以及被收容在所述玻璃部件的内部且通过供电而发热，所述碳线材发热体通过将捆扎了碳单纤维而成的多个碳纤维束编织成线状而形成，所述碳线材发热体的每个单位长度的重量在1g/m～5.1g/m的范围内，在所述编织成的由多个碳纤维束形成的空间部内不存在碳纤维束。

Description

碳线材加热器

技术领域

本发明涉及将碳线材发热体收容在玻璃部件中的碳线材加热器，特别是涉及抑制了碳线材发热体中的电流集中的碳线材加热器。

背景技术

针对碳线材加热器，本申请人提出了专利文献1中记载的技术方案。针对该专利文献1中记载的碳线材加热器，参照图6至图9进行说明。

图6所示的加热器具有：碳线材发热体12；和长条且小径的石英玻璃管13(简称玻璃管13)，该玻璃管收纳所述碳线材发热体12且两端开放。在所述玻璃管13的两端部13a、13b收纳有较大径的玻璃管14a、14b，并且在该大径的玻璃管14a、14b的内部压缩收纳有线材碳材料20。另外，所述两端部13a、13b的外侧端部被密封端子部18a、18b密封且堵塞。

所述密封端子部18a、18b具有包含圆筒状的石英玻璃的密封部件15a、15b，并且其一端被熔接在所述玻璃管13的两端部13a、13b。

在所述密封部件15a、15b内配设有向碳线材发热体12供给电力的连接线16a、16b，并且在连接线16a、16b的一部分外周面形成有热膨胀倾斜部17a、17b，在该连接线16a、16b的径向上该热膨胀倾斜部17a、17b的热膨胀系数改变。

所述密封部件15a、15b是圆筒状体，并且形成有：小径部15a1、15b1；大径部15a2、15b2；和立起部15a3、15b3，其将所述小径部15a1、15b1与大径部15a2、15b2连接。

所述小径部15a1、15b1的内周面与所述热膨胀倾斜部17a、17b的外周面熔接，所述大径部15a2、15b2的端面与所述大径的玻璃管13的两端部13a、13b的端面熔接。由此，玻璃管13内被密封。

所述连接线16a、16b包括Mo(钼)或者W(钨)棒。该连接线16a、16b的前端部是尖的，从而能够容易与压缩收纳在大径的玻璃管14a、14b中的线材碳材料20连接。

另外，如前所述地在密封端子部18a、18b中，在连接线16a、16b的外周面形成有热膨胀倾斜部17a、17b。该热膨胀倾斜部17a、17b包括：形成在连接线16a、16b的外周面上的钨玻璃层17a1、17b1以及在其上层叠的例如热膨胀系数为8×10^-7/℃(0～300℃)的96％硅酸玻璃层17a2、17b2。即，以热膨胀系数在连接线16a、16b的径向变小的方式形成有热膨胀倾斜部17a、17b。

根据具有这样的结构的加热器，在连接线16a、16b的外周面具有热膨胀率在径向上改变的热膨胀倾斜部17a、17b，所述连接线16a、16b经由热膨胀倾斜部17a、17b而安装在玻璃部件(小径部15a1、15b1)，因此，能够由于缓解热膨胀而引起的变形。另外，对外力的机械强度变强，操作便利。

另外，在图6所示的加热器中，在收容于玻璃管13内的碳线材发热体12中使用碳线材，该碳线材如图7的侧面图(玻璃管以截面示出)所示地，使用8束的捆扎了约3000根至3500根左右的直径2至15μm的碳纤维例如直径7μm的碳单纤维而成的纤维束12a编织成直径约2mm的编带形状或者编织形状。在这种情况下，线材的编织跨度是2至5mm左右。

另外，图8是示意性地示出如上所述地编织成的纤维束12a(为了表示内部，仅以虚线表示轮廓)的内部的侧面图。如图所示，在编织成的多个纤维束12a的内部配置有芯线19，该芯线19包含2～3束的笔直(直线状)的纤维束。

这样，现有技术通过在编织成的多个纤维束12a的内部配置芯线19从而确保强度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-294007号公报

发明内容

发明欲解决的技术问题

然而，如图9的纵截面图所示，虽然覆盖芯线19周围的多个纤维束12a被编织，但是关于芯线19，是未编织而呈笔直的状态。

但是，对于笔直状态的芯线19，由于长度比编织线(纤维束12a)短，因此电阻值低，相应地，电流容易集中。因此，在芯线19中，存在温度容易上升，施加电流时芯线19的温度比编织线(纤维束12a)的温度还高这样的问题。

因此，相比于编织线(纤维束12a)，在芯线19中，存在作为碳线材主成分的碳(C)与从石英玻璃管蒸发出的SiO发生下式的反应而断线慢慢地恶化这样的问题。

[式1]

SiO(s)+C(s)→Si(s)+CO(g)

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种抑制碳线材发热体中发生电流集中并且实现了碳线材发热体的长寿命化的碳线材加热器。

用于解决问题的技术手段

为了达成上述目的而完成的本发明所涉及的碳线材加热器的特征在于，所述碳线材加热器包含：玻璃部件；以及碳线材发热体，被收容在所述玻璃部件的内部且通过供电而发热，所述碳线材发热体通过将捆扎了碳单纤维而成的多个碳纤维束编织成线状而形成，所述碳线材发热体的每个单位长度的重量在1g/m～5.1g/m的范围内，在由编织成的多个所述碳纤维束形成的空间部内不存在碳纤维束。

此外，优选地，所述碳线材发热体的特征在于，所述碳线材发热体通过编织5束至20束捆扎了直径5至15μm的所述碳单纤维而形成的所述碳纤维束而成，并且所述碳线材发热体在整体上由15000根至60000根碳单纤维形成。

这样，根据本发明，收容在玻璃部件内的碳线材发热体不像现有技术那样在内部包含笔直的芯线，而是构成为编织多根碳纤维束而成的结构。

由此，由于在电阻值低的芯线中不存在电流集中，因此能够使碳线材发热体中的发热均匀。

其结果，能够抑制由于化学反应而引起的断线的恶化，并且实现碳线材发热体的长寿命化。

另外，由于与包含芯线的情况相比，每单位长度的电阻值变高，因此在流过相同电流值时，与包含芯线的情况相比，能够提高输出。

另外，与包含芯线的现有碳线材发热体相比，能够便宜地制造。

发明效果

根据本发明，能够得到抑制碳线材发热体中发生电流集中并且实现了碳线材发热体的长寿命化的碳线材加热器。

附图说明

图1是示出本发明涉及的碳线材加热器的实施方式的侧面图(玻璃管以截面图示出)，是示出碳线材加热器的主要部分的图。

图2是图1的碳线材加热器的纵截面图。

图3的(a)和(b)是放大地示出在玻璃管中收容有的碳线材发热体的一部分表面的侧面图。

图4是示出本发明的实施例1、比较例1的结果的图表。

图5是示出本发明的实施例2、比较例2的结果的图表。

图6是示出将碳线材发热体封入到玻璃管中的现有加热器的截面图。

图7是示出图6的现有加热器所具有的碳线材发热体的结构的侧面图。

图8是示出图7的碳线材发热体所具有的芯线的侧面图。

图9是在图7、图8中示出的碳线材发热体的纵截面图。

符号说明

1 碳线材加热器

2 碳线材发热体

2a 碳纤维束

3 玻璃管

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明涉及的碳线材加热器的实施方式进行说明。图1是示出本发明涉及的碳线材加热器的实施方式的侧面图(玻璃管以截面示出)，是示出具有本发明涉及的碳线材加热器的特征的主要部分的图。图2是图1示出的碳线材加热器的纵截面图。另外，图3是放大地示出在玻璃管中收容有的碳线材发热体的一部分表面的侧面图。

而且，图1、图2中示出的碳线材加热器与图6示出的现有加热器同样地，是向收容在玻璃管中的碳线材发热体供电而使其发热的加热器，供电部能够采用与图6示出的结构同样的结构。

图1、图2所示的碳线材加热器1具有：碳线材发热体2，通过供电而进行发热；以及玻璃管3(玻璃部件)，该玻璃管将该碳线材发热体2收纳在管内并且在两端具有密封端子部(未图示)。所述玻璃管3例如是由石英玻璃形成的使光(辐射热)穿过的石英玻璃管。其内径例如被形成为2.6mm，外径例如被形成为5mm。

所述碳线材发热体2是如图3(a)或图3(b)所示地将多束碳纤维束2a编织成编带形状或者编织形状而制作成线状的发热体，该碳纤维束2a是捆扎了极细的碳单纤维而成的，与现有的金属制、SiC制的发热体相比，热容量小且升降温特性优异，而且在非氧化性气氛中，高温耐久性也优异。

另外，该碳线材发热体2是对多根细的碳单纤维的纤维束(碳纤维束2a)进行编织而制作成的，因此与包含实心碳材料的发热体相比，富于柔软性，形状变形适应性优异。

在本实施方式示出的例子中，使用将8束碳纤维束2a编织而成的加热器。如图2所示，编织成的8束碳纤维束2a的内部成为空洞，不像现有结构那样含有碳线材(碳纤维束)芯线。即，在编织成的由多个碳纤维束2a形成的空间部内不存在碳纤维束2a。这样，芯线不存在，则不发生电流向芯线集中，因此，芯线的温度不会局部地上升，能够实现碳线材发热体2的长寿命化。

另外，与包含芯线的情况相比，每个单位长度的电阻值变高，因此在流过相同电流值时，与包含芯线的情况相比，能够提高输出。

另外，与包含芯线的现有碳线材发热体相比，能够便宜地制造。

进一步地，针对所述碳线材发热体2，更详细地说明。如前所述，碳线材发热体2使用将多个(本实施方式中，是8束)碳纤维束2a编织成直径约2mm的编带状或者编织状而成的发热体。所述碳纤维束2a优选是将约3000根左右直径5μm至15μm的碳单纤维例如直径7μm的碳单纤维捆扎而成的碳纤维束。

此外，作为碳线材发热体2的整体，优选所述碳单纤维是15000根至60000根左右。例如，如果以3000根碳单纤维形成1束碳纤维束2a，则优选碳线材发热体2是编织5束至20束碳纤维束2a而形成。

在这种情况下，线材的编织跨度是2mm至5mm左右，另外，如图3(a)、(b)所示，碳纤维束2a的编织角度θ在10°至40°之间被设定为预定的角度。

即，在编织角度为10°(图3(a))那样小的情况下，每个单位长度(1m)的碳纤维束2a的长度变短，重量也为1g/1m左右。编织角度如果小于10°，则容易弯曲且无法保持形状，因此优选。

另一方面，在编织角度为40°(图3(b))那样大的情况下，每个单位长度(1m)的碳纤维束2a的长度变长，重量也为5.1g/m左右。

这样，如果例如增大编织角度，则每个单位长度中包含的线材量增加，电阻值上升。其结果，能够利用现有结构的装置使输出上升。此外，如果编织角度大于40°，则虽然刚性提高但是缺乏柔软性，难以拉绕，因此不优选。

如上所述地，在本发明的碳线材加热器中，碳线材发热体的每个单位长度的重量被设定在1g/m～5.1g/m的范围内。

在这样结构的碳线材加热器1中，如果对碳线材发热体2通电，使其发热，则从玻璃管3沿着碳线材发热体2的形状(本实施方式中，直线状)辐射出辐射热。

这样，根据本发明的碳线材加热器涉及的实施方式，被收容在玻璃管3内的碳线材发热体2在内部不含有笔直的芯线，并且被设定为编织多束碳纤维束2a而成的结构。

由此，能够抑制现有的在电阻值低的芯线中的电流集中，并且使碳线材发热体2中的发热均匀。

其结果，能够抑制由于化学反应而引起的断线的恶化，并且实现碳线材发热体2的长寿命化。

另外，与现有技术那样包含芯线的情况相比，每个单位长度的电阻值变高，因此在流过相同电流值时，与包含芯线的情况相比，能够使输出提高。另外，与包含芯线的现有碳线材发热体相比，能够便宜地制造。

此外，在所述实施方式中，说明了构成碳线材发热体2的碳纤维束2a的数量为8束的情况，但是编织的纤维束2a的数量没有限制。

另外，在所述实施方式中，说明了碳线材发热体2(以及收容其的玻璃管)为直线状的情况，但是不限于此，也可以是矩形、弯曲形状。

[实施例]

接着，根据实施例，对本发明的碳线材加热器进一步说明。

＜实验1＞

在实验1中，使用所述实施方式示出的碳线材加热器，验证与现有相比输出相对于供给电力是否提高。

(实施例1)

在实施例1中，使用了将捆扎了3000根直径7μm的碳单纤维而成的碳纤维束10束进行编织而形成的直径约2mm的碳线材发热体(合计30000根的碳单纤维)。编织角度设定为30°。

(比较例1)

作为现有结构的碳线材加热器，使用在碳线材发热体中包含2束含有笔直的碳纤维束的芯线的加热器作为比较例1。各芯线的碳纤维束由3000根碳单纤维形成。

另外，在该2束芯线的周围配置的编织线使用与实施例1同样条件的编织线。即，使用了将捆扎了3000根直径7μm的碳单纤维而成的碳纤维束10束编织而形成的编织线。编织角度设定为30°，作为碳线材发热体的直径与实施例1同样地设定为约2mm。

在本实验中，针对实施例1和比较例1的碳线材加热器，使供给电流从0A到25A阶段性地上升，测定此时的加热器输出(W)。作为本实验的结果，将实施例1和比较例1中的供给电流值(A)与加热器输出(W)的关系示于图4的图表。在图4的图表中，纵轴是加热器输出(W)，横轴是供给电流(A)。

如该图表所示，根据本发明的碳线材加热器(实施例1)，与现有结构的碳线材加热器(比较例1)相比，输出提高了约35％。可以认为这是因为，实施例1的结构与比较例1这样包含芯线的结构相比，每个单位长度的电阻值变高，因此在流过相同电流值时，输出进一步提高。

＜实验2＞

在实验2中，使用所述实施方式示出的碳线材加热器，验证与现有技术相比，寿命是否提高。

(实施例2)

在实施例2中，使用了将捆扎了3000根直径7μm的碳单纤维而成的碳纤维束10束编织而形成的直径约2mm、发热部长度200mm的碳线材发热体(合计30000根的碳单纤维)。编织角度设定为30°。

(比较例2)

作为现有结构的碳线材加热器，使用在碳线材发热体中包含2束含有笔直的碳纤维束的芯线作为比较例2。各芯线的碳纤维束由3000根碳单纤维形成。

另外，在该2根芯线的周围配置的编织线与实施例2同样地，使用了将捆扎了3000根直径7μm的碳单纤维而成的碳纤维束10束编织而得到的直径约2mm的编织线。编织角度设定为30°。与实施例2同样地，作为碳线材发热体的直径设定为约2mm，发热部的长度设定为200mm。

在本实验中，针对实施例2和比较例2的碳线材加热器，测定在维持各加热器的输出(500W、580W、680W、750W、780W)的状态下连续通电的情况下的断线时间。

将本实验的结果示于图5的图表。在图5的图表中，纵轴是断线时间(h)，横轴是加热器输出(W)。

如该图表所示，确认了：根据本发明的碳线材加热器(实施例2)，与现有结构的碳线材加热器(比较例2)相比，到断线为止的时间延长。

以上实施例的结果确认了：根据本发明的碳线材加热器，与现有技术相比，能够提高加热器输出，并且能够延长碳线材发热体的寿命。

本申请基于并要求2018年6月26日提出的日本专利申请愿2018-120817的优先权和权益，并将其全部结合与此作为参考。

Claims (2)

1.一种碳线材加热器，包括：玻璃部件；以及碳线材发热体，所述碳线材发热体被收容在所述玻璃部件的内部且通过供电而发热，

所述碳线材加热器的特征在于，

所述碳线材发热体通过将捆扎了碳单纤维而成的多个碳纤维束编织成线状而形成，

所述碳线材发热体的每个单位长度的重量在1g/m～5.1g/m的范围内，

在由编织成的多个所述碳纤维束形成的空间部内不存在碳纤维束。

2.根据权利要求1所述的碳线材加热器，其特征在于，

所述碳线材发热体通过编织5束至20束捆扎了直径5至15μm的所述碳单纤维而形成的所述碳纤维束而成，并且所述碳线材发热体在整体上由15000根至60000根碳单纤维形成。

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