JP2001035638A - 赤外線ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 赤外線ヒータにおいて、炭素質発熱体と内部
リード線との接続部でリード線に炭素が溶解していく、
浸炭現象が起こらないようにするものである。 【解決手段】 通電コイル部５の炭素質発熱体２と内部
リード線３の表面にコーティング層９、１０を形成する
構成とした。この構成により、両者間にはコーティング
層９、１０を介しているため直接接触することはない。
従ってリード線の内部に炭素が溶解していく、カーバイ
ド化がなくなりリード線がボロボロになって脆化した
り、炭素質発熱体２が痩せて線径が減少して通電コイル
部５で隙間ができて接触抵抗が増大し、異常発熱によっ
て生ずるリード線の溶解や発熱体の断線等を防ぐことが
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、オーブンレンジ等
の調理器の加熱源として使用される高い赤外線放射率を
有する炭素質物質を発熱体とした赤外線ヒータに関し、
発熱体とリード線との接続部での侵炭現象を防止した赤
外線ヒータを提供しようするものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の赤外線ヒータとしては、真空にし
た石英管などの透明パイプに発熱体としてタングステン
線等をスパイラル状にしたフィラメントを挿入した石英
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封入したハロゲンランプヒータ（略
してハロゲンヒータ）、結晶化ガラスにＦｅ−Ｃｒ−Ａ
ｌ線のコイルを挿入したヒータ等が一般的であった。
この種のいずれのヒータも発熱体として金属線を用いた
ものばかりであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】加熱調理器用の発熱体
としては、『炭』に代表されるような遠赤外線の放射率
が大きいものほど望ましいことは言うまでもない。

【０００４】しかしながら、上記のような従来の金属材
料を発熱体とする赤外線ヒータにあっては、肝心の赤外
線放射率が約３５％程度と低いこと、いずれも高抵抗で
あることから発熱時に膨張してたわみが起こり長手方向
に温度分布ができること、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、断線が起こり易
いこと等の課題があった。

【０００５】その点、炭素質物質は耐熱性や耐食性、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
も高く、融点も３８００℃と非常に高いため発熱体とし
ては理想的なものである。

【０００６】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
時の突入電流も小さく、家庭用の加熱調理器や暖房器用
の発熱体としては最適なものと云えるものである。

【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
接続する部分ではリード線との抵抗差が大きくなり、通
電時にリード線の温度が上昇して高温になる等の不都合
が生じる。

【０００８】また大きな抵抗差のある部分で繰り返しの
使用において僅かな隙間ができるようなことが発生すれ
ばそのその部分での接触抵抗が増大して放電を起こし異
常発熱によってリード線を溶かす原因となるものであっ
た。

【０００９】発熱体を構成する炭素材料とリード線の金
属材料を高温下で接触させた状態で使用すると、その部
分では侵炭現象が起こる。

【００１０】これは高温下で金属材料の中に炭素が溶け
込んで行く現象である。

【００１１】発熱体に電気を通すためには当然リード線
を接続させなければならず、両者が接触する部分での、
いわゆるヒータの心臓部分とも言うべき所での現象であ
って炭素質物質を発熱体とするヒータにとってはまさし
く致命的な問題であった。

【００１２】材料的には、ハンセンの状態図からも明ら
かなように、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のほうが少な
い位であり、炭素との相溶性がない金属としては銅、
銀、金、パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ル
テニウムなどが炭素との相溶性がない金属として挙げら
れる程度である。

【００１３】侵炭と温度の関係について、フィラメント
やその支持材等の照明用材料、電気炉用発熱体などに広
く使用されているタングステンについて言えば、Ｈ．Ｍ
ｏｉｓｓａｎらの研究事例（omptrend.116,1893,p349;A
nn.chim.etphys,8,1896,p559）によると、酸素がない雰
囲気では概ね８５０℃以上になると炭素物質との反応が
開始するとしており、温度の上昇とともに次第に炭素が
タングステンに吸収されカーバイド化していくと指摘し
ている。

【００１４】金属と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℃、Ｍｏの場合は更に
低く４００℃から５００℃程度と言われており特に侵炭
を起こしやすい金属と言える。Ｎｉ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
他のものに比べて高いようである。

【００１５】以上のように、侵炭現象は温度依存性が大
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、この通電部分の温度を低くして如何に
炭素物質と金属との反応である侵炭現象を防止し、汎用
性のある金属材料の使用を可能にするかが本系ヒータの
実用性、信頼性、長期の耐久性を左右するポイントとな
るものである。

【００１６】

【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、炭素質発熱体の両端にリード
線を電気的には導通するように接続しながら、この接続
部分では前記炭素質発熱体と前記リード線とが直接的に
は接触しないような構成としたものである。

【００１７】また、炭素質発熱体とリード線の接続部で
の温度を前記炭素質発熱体の発熱部のそれより低くした
ものである。

【００１８】このような構成にすることによって、リー
ド線が高温下で炭素と反応しないようにすることが可能
となる。

【００１９】これによって、接続部での炭素質発熱体の
線径の変化や、リード線の温度上昇を防止することがで
き、又リード線に高価な金属材料を使用するようなこと
もなくなり信頼性、経済性を著しく向上させることがで
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】上記の課題を解決するために請求
項１記載の発明は、赤外線に対して透明な外装体と、前
記外装体内に封入された炭素質発熱体と、前記炭素質発
熱体の両端に接続されたリード線とを備え、前記炭素質
発熱体と前記リード線を接続する接続部では、前記炭素
質発熱体と前記リード線の両方もしくはいずれか一方の
表面にコーティング層を形成したものである。

【００２１】そして、炭素質発熱体に通電して発熱し高
温になった時にリード線はコーティング層を介している
ことによって炭素質発熱体とは直接的には接触しない構
成としているためリード線の中に炭素が溶解しカーバイ
ド化していく侵炭現象の発生を防ぐことができる。

【００２２】また請求項２記載の発明は、赤外線に対し
て透明な外装体と、前記外装体内に封入された炭素質発
熱体と、前記炭素質発熱体の両端に接続されたリード線
とを備え、前記炭素質発熱体は前記リード線を巻回した
接続部と発熱部とから構成され、前記接続部の温度を前
記発熱部の温度より低くしたものである。

【００２３】そして、この構成により炭素質発熱体とリ
ード線を接続する接続部の温度を炭素質発熱体の発熱部
の温度よりも著しく低くしているためリード線に炭素が
溶解していく反応がなくなって浸炭を防ぐことができる
ものである。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００２５】（実施例１）図１は本発明の実施例１の赤
外線ヒータを示す概略断面図、図２は同赤外線ヒータの
要部拡大断面図である。

【００２６】図１、図２において、１は赤外線には透明
で、透過が良好な外装体であり、本実施例では石英ガラ
スパイプが使用されており、内部は真空に保持されてい
る。石英ガラスパイプ１内には、黒鉛やアモルファス炭
素、抵抗制御用フィラー等の混合物からなる炭素質発熱
体２が不活性ガスと共に封入されている。

【００２７】炭素質発熱体２はここでは、直径が２．１
mm、固有抵抗２１．６００μΩ・cm、発熱長２８０mmを
用い、消費電力は１００Ｖ、６６０Ｗとしている。

【００２８】３は内部リード線であり、内部リード線３
の一端は炭素質発熱体２が発熱した時の長手方向の伸縮
を吸収するためにその吸収手段としてスプリングコイル
部４が形成され、通電コイル部５により炭素質発熱体２
に接続されている。

【００２９】これらは当然連続した一本の線でリード線
を形成しており、タングステン線としている。

【００３０】内部リード線３の他端はモリブデン箔を用
いたリード線接続部７で外部リード線８と繋がり、外部
へ導出されている。そしてこのリード線接続部７で石英
ガラスパイプ１をバーナーで加熱して溶融せしめ、溶融
している時に周囲から加圧接着させ封止部６としてい
る。

【００３１】炭素質発熱体２に電気を流すために通電コ
イル部５が接続されているが、図２に示すように炭素質
発熱体２と通電コイル部５の表面にはそれぞれコーティ
ング層９、コーティング層１０が形成されている。 こ
れによって炭素質発熱体２と通電コイル部５は電気的に
は導通しているものの表面的には直接接触することはな
い。

【００３２】ここでは、炭素質発熱体２のコーティング
層９と通電コイル部５のコーティング層１０の材料とし
ては、いずれも銅を用いている。そしてその処理方法と
してはコーティング層９は銅を含む溶液に浸せきし、加
熱焼成により銅の単体を表面に析出させたものである。
また通電コイル部５のコーティング層１０はメッキによ
り得たものである。いずれのコーティング層も電気的に
良導体であることは言うまでもない。

【００３３】次に動作、作用について説明する。

【００３４】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。赤外
線に対して殆ど透明といえる石英ガラスパイプ１を用い
ているため、赤外線は効率よく透過される。

【００３５】そして、この時炭素質発熱体２の温度は中
央部の最も高温部で１２００℃にも達する。

【００３６】炭素質発熱体２は石英ガラスパイプ１に不
活性ガスとともに真空状態であるため熱的に変化するこ
ともなく、内部リード線３のタングステンは融点が３３
８７℃、またリード線接続部７のモリブデンは同２６１
０℃であって耐熱的には全く問題なく使用できるもので
ある。

【００３７】炭素質発熱体２が１２００℃程度の温度ま
で上昇した時には当然長手方向に膨張することになる。
上記消費電力で通電した際に、炭素質発熱体２は長手方
向に約３mm強の伸びが発生して通電コイル部５に相当の
力が加わることになるが、ここではスプリングコイル部
４が形成されているため、その伸び分を効果的に吸収し
て通電コイル部５や封止部６、リード線接続部７にも余
計な負荷が直接かかることは全くない。

【００３８】高温下で炭素質発熱体２と内部リード線３
に用いたモリブデンとが直接接触すると炭素がタングス
テンの中に溶解していくことになって、内部リード線３
が脆化しボロボロの状態となり著しく強度が低下した
り、炭素が溶解していくことにより炭素質発熱体２の線
径が細くなって通電コイル部５との間に隙間が生じ、接
触抵抗が増大してアーク放電による異常発熱で通電コイ
ル部５が溶融する等の極めて不都合な問題が発生するこ
とになるが、両者の表面にはコーティング層９、１０が
形成されて両者は表面的には直接接触することがないた
め、炭素質発熱体２の中央部の温度が１２００℃以上に
まで上昇した時、通電コイル部５の近傍でも約９５０℃
まで上昇した。しかしこのような高温下でも両者が反応
して起こる浸炭現象は全く認められなかった。

【００３９】当然ながらこの時コーティング層９、１０
は十分な耐熱性を有しているためこの熱による変化も起
こっていない。

【００４０】ここで、本発明の実施例１に示す発熱体を
用いた赤外線ヒータについての耐久信頼性試験の結果に
ついて説明する。

【００４１】２分通電、２分停止の繰り返し試験を行っ
たものである。通電後の安定時で発熱体中央部の温度は
１２３５℃となっていた。

【００４２】その結果、通電と停止の積算時間が３９０
０時間でも発熱体の断線を起こすこともなく、通電コイ
ル部に隙間の発生やコイルの溶融等の問題も全く認めら
れなかった。

【００４３】この時間は１日１時間使用したとすると１
０年以上の寿命にも相当する時間である。更に消費電力
の経時変化も初期値に比べても１％以内であった。

【００４４】比較のために同発熱体で炭素質発熱体２に
直接リード線を巻回したもので同様の試験を実施したと
ころ、２９３回目で発熱体の断線が発生した。

【００４５】この結果からも明らかなように本発明の赤
外線ヒータは優れた耐久信頼性を有していることが明ら
かである。

【００４６】なお、本実施例においては、炭素質発熱体
２は線径２．１mm、固有抵抗２１６００μΩ・cm、発熱
長２８０mmで、消費電力を６６０Ｗとしているが、線径
や固有抵抗を変え消費電力を調節することも可能であ
り、特にこれに限定するものではない。

【００４７】そして両者を直接接触させないために炭素
質発熱体２の表面にコーティング層９、通電コイル部５
の表面にはコーティング層１０を形成し、材料として銅
を用い、加熱焼成法、メッキ法で得ているが材料的には
耐熱性があって、電気的に良導体であり炭素との相溶性
がないもの、更には炭素質発熱体２への処理の場合には
炭素との濡れ性のよいものの中から任意に選択すること
が可能である。処理方法も実施例に限定するものではな
い。

【００４８】また炭素質発熱体２、通電コイル部５のい
ずれにも表面処理を施しているがいずれか一方の処理の
みでも充分可能なものである。

【００４９】炭素質発熱体２を封入する石英ガラスパイ
プ１も耐熱性が高く、赤外線の透過が良好なものであれ
ば特に石英ガラスに限定するものではない。

【００５０】炭素質発熱体２の発熱による伸びの吸収手
段としてスプリングコイル部４を用いている。このスプ
リングコイル部４も含めて内部リード線３にタングステ
ン線を使用し、内部リード線３と外部リード線８とのリ
ード線接続部７にはモリブデン箔を用いているが、特に
耐熱性の面で問題がなければ他の金属材料にすることも
可能である。

【００５１】また、通電部はコイル状で通電コイル部５
を形成している。炭素質発熱体２とリード線を確実に密
着させておくことができる方法であればコイルでなくて
もよい。

【００５２】（実施例２）図３は本発明の実施例２の赤
外線ヒータを示す概略断面図、図４は同赤外線ヒータの
要部拡大断面図である。

【００５３】実施例１と異なる点は、炭素質発熱体２は
内部リード線３を両端に巻回した接続部１２とそれ以外
の部分の発熱部１１からなるものであり、接続部１２の
直径を発熱部１１の直径より大きくしたところである。

【００５４】ここでは炭素質発熱体２の発熱部１１の直
径が２．１mm、内部リード線３との接続部１２の直径を
４．２mm、２倍の直径とした。

【００５５】なお実施例１と同一符号のものは同一構造
を有し、説明は省略する。

【００５６】次に動作、作用について説明する。

【００５７】上記構成の赤外線ヒータに通電すると、炭
素質発熱体２が発熱し炭素質発熱体２の発熱部１１の特
に中央部分では１２３５℃の赤熱状態となった。

【００５８】しかし接続部１２では、直径を発熱部１１
の直径よりも大きくしているために抵抗が小さくなり、
また直径が大きくなった分放熱も良くなったことによっ
て接続部１２では温度上昇が低く抑えられるものであ
る。

【００５９】この時の接続部１２の温度は約７８０℃で
あった。

【００６０】浸炭現象は温度の依存性が大きいことは前
述の通りであるが、接続部１２の直径を発熱部１１の直
径よりも大きくすることでこのような低い温度レベルを
実現したものである。

【００６１】この温度では、炭素質発熱体２に直接内部
リード線３を巻回したとしても浸炭については全く問題
とはならないものである。

【００６２】なお、本実施例においては接続部１２の直
径を発熱部１１比で２倍としているが発明者らの検討に
よれば発熱部１１の直径より５０％以上大きくしておれ
ば同様の結果が得られており、本実施例の２倍に限定す
るものではない。

【００６３】

【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、従来の金属線フィラメントに代えて炭素質物質を
発熱体としているものであり、赤外線の放射率が非常に
大きく、かつ赤外線に対して透明なガラスパイプに封入
しているので発熱体からの強力な赤外線がガラスを透過
する際に弱められることもない。

【００６４】発熱体に通電するための、その接続部分と
なる接続部では発熱体とリード線間に表面処理層を設け
て両者が直接、接触しないような構造としているためリ
ード線に炭素分が溶解し、カーバイド化していく浸炭現
象も起こらないという極めて優れた効果がある。

【００６５】また、リード線との接続部の直径を発熱部
のそれより大きくしているため抵抗が小さくなって発熱
温度が下がり、かつ放熱効果が高まったことと相俟って
浸炭現象が問題にならないレベルまで接続部の温度を低
減したものである。

【００６６】そのため通電部での異常発熱やリード線の
溶融、ひいては発熱体の断線などが起こることもなく、
安定した性能を有する、実用的価値の高い赤外線ヒータ
を提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における赤外線ヒータの概略
断面図

【図２】同赤外線ヒータの要部拡大断面図

【図３】本発明の実施例２における赤外線ヒータの概略
断面図

【図４】同赤外線ヒータの要部拡大断面図

【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 ９ コーティング層 １０ コーティング層 １１ 発熱部 １２ 接続部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K092 PP03 QA02 QB14 QB15 QB24 QB59 QB61 QB66 QB69 QB74 QC02 QC16 QC20 QC42 QC43 QC45 QC65 QC66 RA03 RB14 RB23 RD11 SS32 TT36 VV08 VV40

Claims (2)

【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
   体内に封入された炭素質発熱体と、前記炭素質発熱体の
   両端に接続されたリード線とを備え、前記炭素質発熱体
   と前記リード線を接続する接続部では、前記炭素質発熱
   体と前記リード線の両方もしくはいずれか一方の表面に
   コーティング層を形成した赤外線ヒータ。
2. 【請求項２】赤外線に対して透明な外装体と、前記外装
   体内に封入された炭素質発熱体と、前記炭素質発熱体の
   両端に接続されたリード線とを備え、前記炭素質発熱体
   は前記リード線を巻回した接続部と発熱部とから構成さ
   れ、前記接続部の温度を前記発熱部の温度より低くした
   赤外線ヒータ。