JP2000294362A - 赤外線ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は赤外線ヒータに関するもので、炭素
質発熱体と内部リード線を接続する通電部の異常温度上
昇により、浸炭が起こらないようにする。 【解決手段】 固有抵抗が炭素質発熱体２のそれよりも
小さく、かつリード線３のそれよりも大きい、炭素質物
質からなる部材６を炭素質発熱体２上に配置し、部材６
上でリード線３を接続する構成とした。この構成により
通電部では大きな固有抵抗差のギャップが緩和され、炭
素質発熱体２と内部リード線３間で段階的とすることが
できる。これにより炭素質発熱体２と内部リード線３で
接触抵抗が増大して異常発熱することもなく、内部リー
ド線３の温度上昇も低く抑えられリード線に炭素が溶解
する、侵炭がおこることもないので、リード線の溶断や
炭素質発熱体２の断線も防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加熱調理器や暖房器
用の加熱源として使用される、高い赤外線放射率を有す
る、特に炭素質物質を発熱体とする赤外線ヒータに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の赤外線ヒータとしては、
真空にした石英ガラス管にタングステン線をスパイラル
状にしたものを発熱体とした石英管ヒータや、同ガラス
管にハロゲン化物とともにタングステンフィラメントを
密封したハロゲンランプヒータ（略してハロゲンヒー
タ）、または結晶化ガラスのパイプにＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ
線を挿入したヒータ等が一般的であった。

【０００３】これらはいずれも発熱体としては金属線を
用いたものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この種の発熱体として
は、炭火に代表されるように赤外線の放射率が大きいも
のほど望ましい。

【０００５】しかしながら上記のような従来の赤外線ヒ
ータにあっては、赤外線の放射率が低いこと、例えばタ
ングステン線の場合では、その平均的な赤外線放射率は
３５％前後である。また、いずれも高抵抗金属線であり
発熱時にはコイルが膨張してたわむためヒータの長手方
向の温度が不均一になるという欠点もあった。更に金属
は低温ほど抵抗が小さいので通電と同時に突入電流が生
じ、場合によっては発熱体の断線が起こる等の課題もあ
った。

【０００６】その点、炭素質物質は耐熱性、耐食性、耐
熱衝撃性に優れ、赤外線放射率があらゆる材料の中で最
も大きく、融点も３８００℃と非常に高いため発熱体と
しては理想的な物質である。また、温度に対する電気抵
抗値が１０００℃〜１２００℃を極小値とする放物曲線
となるため通電時の突入電流も無視できる程度と小さ
く、家庭用の調理器や暖房器用の発熱体としては最も適
したものと云える。

【０００７】しかしながら、ヒータとして必要な発熱量
を得るためには発熱体の固有抵抗を大きくする、発熱体
の線径を太くする必要がある。しかし発熱体の固有抵抗
を大きくするほど発熱体に接続する通電部ではリード線
との抵抗差も大きくなる訳であって、通電時においては
リード線の温度が上昇し、高温となる等の不都合も生じ
る。

【０００８】また大きな抵抗差のある材料間で僅かでも
通電の繰り返しによって隙間ができれば、通電した時に
その部分の接触抵抗が増大して放電をおこし異常発熱し
てリード線材料を溶かす等の原因となるものであった。

【０００９】高温下で炭素物質と金属のリード線を接触
させた状態で使用するとその部分では金属に炭素が溶解
していく現象、いわゆる侵炭が起こる。

【００１０】侵炭現象については、ハンセンの状態図か
らも明らかなようにまず材料的には、殆どの金属が高温
下で炭素との化合物を作るとしており、炭素との相溶性
がない金属としては銅、銀、金、白金、イリジウム、パ
ラジウム、ロジウム、ルテニウム等が挙げられている。

【００１１】侵炭と温度の関係については、Ｈ．Ｍｏｉ
ｓｓａｎらの研究事例(Comptrend.116,1893,p349;Ann.c
him.etphys,8,1896,p559）よると、電球のフィラメント
や電気炉用発熱体等に広く使用されているタングステン
について云えば、酸素がない雰囲気では概ね８５０℃以
上になると炭素との反応が始まり、温度の上昇とともに
反応しやすくなり炭素がタングステンに吸収され、カー
バイト化していくと指摘している。

【００１２】他の金属の炭素との反応について言えば、
ＭｏやＦｅ、Ｍｎ等が炭素との反応開始温度が比較的低
く、Ｆｅでは７２３℃、Ｍｎは７２７℃であり、Ｍｏの
場合は更に温度が低くなり４００℃〜５００℃程度と言
われており、特に侵炭をおこしやすい材料と言える。Ｎ
ｉも炭素との共晶化合物を生成すると言われているが温
度的には１１００℃と他のものに比べると若干高いよう
である。

【００１３】侵炭反応は温度の依存性が大きいというこ
とであり、したがって炭素質発熱体とリード線が接触す
る、この通電部分においては如何に温度を低くするか、
如何に炭素とリード線金属との反応、侵炭を防止するか
が本系ヒータの実用性、信頼性を左右する大きなポイン
トとなるものであった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の赤外線ヒータは
上記課題を解決するため、炭素質発熱体とリード線を接
続する通電部分では、炭素質発熱体の固有抵抗より小さ
く、リード線金属の固有抵抗よりも大きな固有抵抗を有
する部材を炭素質発熱体上に配置し、この部材にリード
線を接続する構成にした。

【００１５】このような構成にすることにより、炭素質
発熱体とリード線との固有抵抗のギャップが段階的とな
り、抵抗差を緩和することが可能になった。

【００１６】それによって、通電部では発熱体とリード
線間での異常発熱等が起こることもなくなり、そしてリ
ード線の温度上昇も大幅に抑えることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の赤外線ヒータは赤外線に
対して透明な外装体と、前記外装体内に密封された炭素
質発熱体とを備えた赤外線ヒータであって、前記炭素質
発熱体に前記リード線を接続する通電部に、その固有抵
抗が前記炭素質発熱体のそれより小さく、かつ前記リー
ド線のそれより大きな部材を介して前記リード線と前記
通電部とを電気的に接続する構成とした。

【００１８】また、炭素質発熱体にリード線を接続する
通電部に、その固有抵抗が前記炭素質発熱体のそれより
小さく、かつ前記リード線のそれより大きい部材を前記
炭素質発熱体上に配置し、前記リード線を前記部材に接
続するようにしたものであって、前記部材を炭素質物質
として前記通電部を構成した。

【００１９】また、炭素質発熱体に接続するリード線は
前記炭素質発熱体の熱による伸縮を吸収するための吸収
手段を前記炭素質発熱体の左右いずれか一方もしくは両
端に備えた。

【００２０】そして、ヒータに電気を流すための通電部
では、炭素質発熱体と部材とリード線のような構成にす
ることによって、固有抵抗も段階的になり炭素質発熱体
とリード線間の抵抗差の大きなギャップを解消すること
ができる。

【００２１】部材を炭素質物質としているため、発熱時
に熱膨張の差によって炭素質発熱体と部材間に歪みが発
生するようなこともない。

【００２２】発熱体が発熱した際、熱膨張による伸びが
発生するがその伸びが吸収されるため炭素質発熱体とリ
ード線の接続部分に過剰な引っ張りの力が加わることも
全くない。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を用い
て説明する。

【００２４】（実施例１）図１は本発明の実施例の赤外
線ヒータの主要部分を示す断面図、図２は同赤外線ヒー
タの通電部の拡大断面図、図３は本発明の実施例の赤外
線ヒータの耐久信頼性試験の結果を走査電子顕微鏡写真
で示した図である。

【００２５】図１、図２において、１は外装体であり、
ここでは透明の石英ガラスを用いている。

【００２６】そしてこの石英ガラス１にはアルゴンや窒
素ガスなどの不活性ガスとともに炭素質発熱体２が密封
されている。炭素質発熱体２は黒鉛、アモルファス炭
素、抵抗制御材料などの混合によって固有抵抗を調整し
ているが、本実施例では２１８００μΩ・cmのものを用
いた。線径はΦ２．２mm、発熱長は２８０mmとしてい
る。

【００２７】なお、消費電力は６６０Ｗとした。

【００２８】３は内部リード線であり、内部リード線３
の一方は炭素質発熱体２が通電されて、発熱した際に発
生する長手方向の伸縮を吸収するためのスプリングコイ
ル部４と通電コイル部５とを備えている。勿論、これ等
スプリングコイル部、導電コイル部は別々に独立して設
け、後に接続してもよい。

【００２９】炭素質発熱体２に電気を通すために通電コ
イル部５が接続される訳であるが、炭素と金属との固有
抵抗の差は極めて大きく、そのため炭素質発熱体２上に
は炭素質発熱体２と金属の内部リード線３の固有抵抗差
を緩和するために部材６を配置している。そして部材６
上に内部リード線３の端部をコイル状にした、通電コイ
ル部５を設けている。

【００３０】炭素質発熱体２と部材６の固定は、外径形
５．３mm、内径２．２mm筒状にした部材６に雌ネジ、炭
素質発熱体２に雄ネジを設け、部材６に炭素質発熱体２
をネジ方式で挿入して固定、密着させている。

【００３１】内部リード線３は線径０．４４５mmのタン
グステン線としている。タングステン線の固有抵抗は３
０μΩ・cm、部材６は黒鉛、ピッチ等を主体とする炭素
質物質でありその固有抵抗は１８００μΩ・cmとしてい
る。

【００３２】内部リード線３の他方側は、モリブデン箔
を用いたリード線接続部７を介して外部リード線８と接
続している。これにより外部リード線の材質の選択がで
き外部配線との接続を容易にすることができる。このリ
ード線接続部７はバーナーで加熱して石英ガラス１を溶
融せしめ、その時周囲から加圧して溶着させ封止部９を
形成したものである。

【００３３】なお、必要に応じて内部リード線をそのま
ま延長して外部配線との接続をしてもよい。この時は本
実施例でいう外部リード線８は不要となる。

【００３４】次に動作、作用について説明する。

【００３５】上記構成の赤外線ヒータに通電すると炭素
質発熱体２が発熱して強力な赤外線を放射する。この時
の炭素質発熱体２の中央部の温度は１２００℃にも上昇
するが石英ガラスパイプ１で赤外線は効率よく透過され
るため放射強度が低下することもない。

【００３６】また石英ガラスパイプ１は耐熱性に優れ、
内部にも熱がこもることもないため熱的には全く問題な
く使用できる。

【００３７】内部リード線３のタングステン線、リード
線接続部７のモリブデンも融点は３３８７℃、２６１０
℃であり問題ないものである。

【００３８】炭素質発熱体２が１２００℃にも温度上昇
した時には当然炭素質発熱体２は熱膨張により伸びが発
生するがこの伸びをスプリングコイル部４が吸収するた
め通電コイル部５部分や封止部９、リード線接続部７な
どに過度の負荷がかかることがない。

【００３９】また、通電部コイル部５は炭素質発熱体２
に直接巻き付けられておらず、部材６を介しており、部
材６やスプリングコイル部４からの放熱によって温度上
昇も低く抑えられている。この部分の温度測定によれ
ば、部材６で約８００℃、通電コイル部５で７５０℃以
下であった。

【００４０】上記のような構成にすることによって、侵
炭現象の発生を殆ど無視できる温度レベルを実現してい
る。

【００４１】また、部材６には炭素質発熱体２と同材質
の炭素質物質を用いているため、温度上昇時の熱膨張量
の違いによって両者の間に隙間が生じたり、歪みが発生
することもない。

【００４２】従って、接触抵抗が増大してアーク放電に
より異常発熱する心配も全くない。

【００４３】炭素質発熱体２と部材６と内部リード線の
タングステン線間での大きな固有抵抗の差が段階的とな
ったことにより、上記のような不都合が解消されたもの
である。

【００４４】ここで、本発明の赤外線ヒータについて耐
久信頼性試験結果について説明する。 発熱体として
は、炭素質物質の固有抵抗が２１８００μΩ・cm、線径
はΦ２．２mm、発熱長は２８０mmのものを用いた。

【００４５】尚、この時の発熱温度は１００Ｖ、６６０
Ｗで１２３５℃であった。

【００４６】このサンプルについて、２分ＯＮ／２分Ｏ
ＦＦの繰り返し試験を行った結果通電の積算時間が３９
００時間でも発熱体が断線を起こすこともなく、通電部
分に何ら変化も認められなかった。この時間は仮に１日
１時間使用したと仮定すれば１０年以上の寿命に相当す
る時間である。

【００４７】更に消費電力の経時変化も初期に比べて１
％以内に収まる結果であった。

【００４８】比較として同様の発熱体の仕様で、通電部
は炭素質発熱体にタングステンリード線を直接巻き付け
た構成としたヒータについて同様の試験を実施したとこ
ろ、２９３回で発熱体の断線が発生した。

【００４９】図３は繰り返し試験を実施した後の炭素質
発熱体とタングステンリード線の接続部分を拡大した走
査電子顕微鏡写真で示した図である。図３（ａ）のよう
に本発明によればタングステン線への炭素の吸収拡散は
全く認められず、侵炭現象が防止されているのが解る。
一方、図３（ｂ）は両者を直接接触させた構成としたヒ
ータについて同様の試験を実施し、断線に至ったもので
ある。写真のように炭素がタングステンの内部に溶解
し、激しい侵炭が起こっている。

【００５０】この結果からも明らかなように、本発明の
赤外線ヒータは耐久信頼性の極めて高いものである。

【００５１】なお、前記実施例においては外装体１に石
英ガラスを用いているが、例えば９６％シリカガラスの
ような耐熱性が高く、赤外線に対する透過特性が良好な
ものであれば他の材料を使用することは充分可能であ
る。

【００５２】炭素質発熱体２の発熱時に発生する伸びの
吸収手段としてスプリングコイル部４は、特にこの方式
に限定するものではない。

【００５３】更にこの実施形態においては炭素質発熱体
２の両端の内部リード線３についてもタングステン線を
コイル状に巻き付けて使用しているが、確実に密着させ
ることができるものであれば何もこの接続方法に限った
ものではなく、耐熱性や熱膨張などを勘案して他の金属
線を使用することができる。またその線径についても発
熱体の抵抗値、消費電力などから任意に決定することが
できるものである。

【００５４】炭素質発熱体２と部材６の固定方法とし
て、本実施例ではネジ方式としているが、これ以外に例
えば炭素質系の接着剤等を使用して固定する方法や部材
６側の内径を僅かに小さくして炭素質発熱体２を押し込
んで固定する方法等の方法によって密着させ、固定する
ことも可能なものである。

【００５５】更には、リード線接続部７にモリブデン箔
を用いて内部リード線３と外部リード線８を接続してい
るが、この場合も耐熱性や外装体１との熱膨張率の面で
問題がなければ他の材料の使用も可能なものである。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の赤外線ヒー
タは、炭素質発熱体に電気を通すための通電部を炭素質
発熱体と金属リード線との固有抵抗のギャップを緩和
し、異常発熱やリード線の発熱も低く抑えられているた
め炭素がリード線の内部に溶解していく、いわゆる侵炭
現象が発生することはない。

【００５７】更に、その部材も炭素質発熱体と同種の材
料としているため温度上昇時の熱膨張の差で両者間に隙
間が発生して密着が損なわれることもなく信頼性が高
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における赤外線ヒータの主要
部分の断面図

【図２】同赤外線ヒータの通電部の拡大断面図

【図３】（ａ）同赤外線ヒータの耐久信頼性試験の結果
を示す走査電子顕微鏡写真 （ｂ）従来方式による赤外線ヒータの耐久信頼性試験の
結果を走査電子顕微鏡写真

【符号の説明】

１ 石英ガラスパイプ（外装体） ２ 炭素質発熱体 ３ 内部リード線（リード線） ４ スプリングコイル（吸収手段） ６ 部材

フロントページの続き (72)発明者 胡桃沢 利光 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 口野 邦和 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3K092 PP03 PP06 QA01 QB14 QB24 QC02 RC04 RC13 RD11 TT01 TT22 VV08 VV40

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】赤外線に対して透明な外装体と、前記外装
   体に密封した炭素質発熱体と、前記炭素質発熱体に接続
   したリード線とを備えた赤外線ヒータであって、前記炭
   素質発熱体に前記リード線を電気的に接続する通電部
   に、その固有抵抗が前記炭素質発熱体のそれより小さ
   く、かつ前記リード線のそれより大きい部材を介して前
   記リード線と前記通電部とを電気的に接続する構成とし
   た赤外線ヒータ。
2. 【請求項２】固有抵抗が炭素質発熱体のそれより小さ
   く、かつリード線のそれより大きい部材は炭素質物質か
   らなる構成とした請求項１記載の赤外線ヒータ。
3. 【請求項３】炭素質発熱体に接続されたリード線は、前
   記炭素質発熱体の熱による伸縮を吸収するための吸収手
   段を前記炭素質発熱体の左右いずれか一方もしくは両端
   に備えた請求項１または２記載の赤外線ヒータ。