JP2001237054A - ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱体とカバーとの間に充填された電気絶縁
材料の特性の劣化を少なくし、シーズヒータ等の寿命を
長くすること。 【解決手段】 シーズヒータ１において、ニッケルを含
有する金属製の発熱体２と発熱体２を密閉するニッケル
を含有する金属製のパイプ３、第１の鉛ガラス５および
第２の鉛ガラス６との間に酸化物からなる電気絶縁材料
４が充填されている。発熱体２の第１のリード線７が第
１の鉛ガラス５を貫通し、発熱体２の第２のリード線８
が第２の鉛ガラス６を貫通している。発熱体２の表面に
酸化膜が形成され、パイプ３の表面に酸化膜が形成され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明はシーズヒータ、カ
ートリッジヒータ等に関し、特に、従来よりシーズヒー
タ、カートリッジヒータ等の寿命を延ばす技術に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からシーズヒータやカートリッジヒ
ータが使用されている。これらのヒータは、金属線状の
発熱体と、この発熱体を密閉するカバーと、前記発熱体
とカバーとの間に充填された電気絶縁材料を備えてい
る。前記カバーは金属製の部分と前記発熱体のリード線
が貫通する電気絶縁体の部分とからなる。そして、この
リード線により前記発熱体に通電することにより、前記
発熱体のジュール熱が発生する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常、ニッケルが前記
発熱体およびカバーのうち金属製の部分の組成の一部に
使用されているので、前記発熱体およびカバーのうち金
属製の部分が８５０℃以上の高温で長時間使用されてい
る間に、前記発熱体およびカバーのうち金属製の部分か
らニッケルの蒸気が発生する。また、前記電気絶縁材料
はマグネシア（酸化マグネシウム）等の酸化物であるの
で、このニッケルの蒸気が前記電気絶縁材料としての酸
化物の酸素を奪うことになる。このため、酸素を奪われ
た前記電気絶縁材料の耐電圧特性および絶縁抵抗が劣化
する。

【０００４】その結果、シーズヒータやカートリッジヒ
ータの使用時に、前記発熱体から前記電気絶縁材料を通
って前記カバーの金属製の部分に異常に大きな漏洩電流
が流れる場合には、前記発熱体が局部的に大きなジュー
ル熱を発生することにより局部的に異常に高い温度とな
って、断線するおそれがあるという問題がある。

【０００５】本願発明はこのような点に鑑みてなされた
ものであり、その課題は、発熱体とカバーとの間に充填
された電気絶縁材料の耐電圧特性および絶縁抵抗の劣化
を少なくすることにより、シーズヒータやカートリッジ
ヒータ等のヒータの寿命を長くすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願の第１の発明の構成は、請求項１記載のとおり
である。上記第１の発明の構成により、前記発熱体の表
面に酸化膜が形成されているので、前記発熱体の発熱状
態において前記発熱体からニッケルの蒸気が発生するこ
とが少なくなる。このため、このニッケルの蒸気により
前記発熱体とカバーとの間の電気絶縁材料としての酸化
物の酸素が奪われることが少なくなる。この結果、前記
電気絶縁材料の耐電圧特性および絶縁抵抗の劣化が少な
くなる。

【０００７】さらに、第２の発明の構成は、請求項２記
載のとおりである。上記第２の発明の構成により、上記
第１の発明の作用とともに、前記カバーのうち金属製の
部分により、カバーの熱伝導性を良好にするとともに、
前記カバーのうち金属製の部分の表面に酸化膜が形成さ
れているので、発熱体の発熱時に前記カバーのうち金属
製の部分の温度が上昇してこの部分からニッケルの蒸気
が発生することが少なくなる。このため、このニッケル
の蒸気により前記発熱体とカバーとの間に充填された電
気絶縁材料としての酸化物の酸素が奪われることが少な
くなる。この結果、前記電気絶縁材料の耐電圧特性およ
び絶縁抵抗の劣化が少なくなる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本願発明における実施の形
態を図面にもとづいて説明する。図１は本願発明の第１
の実施の形態に係わるシーズヒータの正面を一部切り欠
いて拡大して示し、図２は図１に示すものの左側面を示
す。

【０００９】図１において、シーズヒータ１は、線状の
ニッケルを含有する金属製の発熱体２、この発熱体２を
覆うニッケルを含有する金属製のパイプ３、発熱体２と
パイプ３との間を電気的に絶縁する電気絶縁材料４、発
熱体２の図示左端に接続された第１のリード線７、発熱
体２の図示右端に接続された第２のリード線８、パイプ
３の図示左端部分を封止する第１の鉛ガラス５およびパ
イプ３の図示右端部分を封止する第２の鉛ガラス６を備
えている。

【００１０】なお、第１のリード線７は第１の鉛ガラス
５を貫通し、第２のリード線８は第２の鉛ガラス６を貫
通している。発熱体２の表面には電気絶縁性がある酸化
膜が形成され、パイプ３の表面には酸化膜が形成されて
いる。シーズヒータ１の直径Ｄはたとえば６．５mmであ
り、シーズヒータ１の長さＬはたとえば１０００mmであ
る。また、図２に示すように、パイプ３は円筒状であ
る。

【００１１】第１の実施の形態に係わるシーズヒータ１
の製造方法は以下のとおりである。まず、寸法外形７．
５mmφ、長さ１０００mmの金属性のパイプ３を用意す
る。パイプ３の材質は、インコロイ８００（商品名）で
ある。インコロイ８００は、重量比でニッケルおよびコ
バルトを３０〜３５％、クロムを１９〜２３％、鉄を３
９．５％以上、炭素を０．１％以下、マンガンを１．５
％以下、イオウを０．０１５％以下、シリコンを１．０
％以下、銅を０．７５％以下、アルミニウムを０．１５
〜０．６％、チタンを０．１５〜０．６％それぞれ含有
する合金である。パイプ３を電気炉により１０００℃に
て１．５時間加熱し、パイプ３の表面に酸化膜を形成す
る。

【００１２】次に、線状の発熱体２を用意する。発熱体
２の材質は、ＪＩＳＦＣＨ−１のＮＴＫNo.３０（商品
名）である。ＮＴＫNo.３０は、重力比でクロムを２３
〜２６％、アルミニウムを４〜６％、炭素を０．１０％
以下、シリコンを１．５％以下、マンガンを１．０％以
下それぞれ含有し、残部が鉄である合金である。発熱体
２は、径が０．８mmφであり、長さが６４００mmであ
る。発熱体２を巻芯１．２mmφにて巻き加工してコイル
状にした後に、洗浄して乾燥後、電気炉で１１００℃に
て３時間加熱して、発熱体２の表面に酸化膜を形成す
る。この酸化膜の材質は酸化アルミニウムであるので、
この酸化膜は電気絶縁体である。

【００１３】次に、酸化膜を形成した発熱体２を酸化膜
を形成したパイプ３内に入れ、パイプ３と発熱体２との
間隙に電気絶縁材料４としてのマグネシア粉末を充填し
た後に、常温にてプレス等によりパイプ３を圧延して、
パイプ３の減径をおこなって、パイプ３の直径Ｄを６．
５mmφにしてシーズヒータ１の未完成品を作る。このシ
ーズヒータ１の未完成品を６５０℃の大気中で４時間加
熱処理して電気絶縁材料４中の水分を少なくした後に、
パイプ３の両端部分を鉛ガラス５、６で完全に封口し、
リード線７、８がそれぞれ第１の鉛ガラス５、第２の鉛
ガラス６を貫通するようにする。このようにして、長さ
Ｌが１０００mmであるシーズヒータ１を試作した。

【００１４】第１のリード線７と第２のリード線８との
間に電圧を加えて、発熱体２に通電し、発熱体２を発熱
させ、パイプ３の表面温度が９５０℃に達し、充分に安
定した後（約１時間後）に、第１のリード線７（または
第２のリード線８）とパイプ３との間の絶縁抵抗を測定
した。次に、発熱体２の通電を止めて、パイプ３の表面
温度が常温に復帰後に、第１のリード線７（または第２
のリード線８）とパイプ３との間の耐電圧を測定した。
なお、比較のために、従来品（酸化膜処理を施さないパ
イプおよび発熱線で試作したシーズヒータ）について測
定したので、下の表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】以上により、パイプ３の表面および発熱体
２の表面に予め大気中で酸化膜を生成させているため
に、発熱体２の発熱時にパイプ３および発熱体２から発
生するニッケルの蒸気が少なくなり、電気絶縁材料４と
しての酸化物の酸素が奪われることが少なくなる。この
ため、シーズヒータ１を超高温域（９００ないし９５０
℃）で使用することを可能にし、著しくシーズヒータ１
の寿命を延ばすことができる。

【００１７】図３は、第２の実施の形態に係わるカート
リッジヒータのリード線側を拡大して示し、図４は図３
に示すもののIV−IV断面構造を若干縮小して示し、図５
は図４に示すもののV−V断面構造を拡大して示し、図６
は図４に示すもののVI−VI断面構造を拡大して示してい
る。

【００１８】図４に示すように、カートリッジヒータ１
１の構造の概略は、コイル状の発熱体１２をセラミック
コア１３に巻いて金属製のパイプ１４内に入れて電気絶
縁材料１５を発熱体１２と金属製のパイプ１４の間に充
填し、発熱体１２に第１および第２のリード線１９、２
０を接続し、鉛ガラス１６でパイプ１４のリード線１
９、２０の出口部を封止したものである。なお、図４は
第１のリード線１９を通る断面を示しているが、第２の
リード線２０を通る断面の場合の符号を図４のかっこ内
に示す。図６に示すように、４本の貫通孔１３ａ、１３
ｂ、１３ｃ、１３ｄがセラミックコア１３内にて平行に
形成されている。

【００１９】図４に示すように、第１のリード線１９お
よび第２のリード線２０は金属製の棒状体である。電気
的接続用の導電性の撚り線１９ａ、１９ｂの図示左端部
分が第１のリード線１９の図示右端部分１９ｘに溶接さ
れ、電気的接続用の導電性の撚り線２０ａ、２０ｂの図
示左端部分が第２のリード線２０の図示右端部分２０ｘ
に溶接されている（図５参照）。

【００２０】撚り線１９ａは貫通孔１３ａを挿通し、撚
り線１９ｂは貫通孔１３ｂを挿通している。撚り線１９
ａの図示右端部分と撚り線１９ｂの図示右端部分は貫通
孔１３ａ、１３ｂの右側で接続され、さらに、発熱体１
２の図示右端部分１２ａに接続されている。撚り線２０
ａは貫通孔１３ｃを挿通し、撚り線２０ｂは貫通孔１３
ｄを挿通している。撚り線２０ａと撚り線２０ｂは貫通
孔１３ｃ、１３ｄの右側で接続されているとともに、貫
通孔１３ｃ、１３ｄの左側で発熱体１２の左端部分１２
ｂに接続されている。

【００２１】パイプ１４と同じ材質の底板１４ａがパイ
プ１４の右端部分を覆うように溶接されている。パイプ
１４の左端部分は鉛ガラス１６で封口され、口もとガイ
シ１８がセラミック接着剤１７により鉛ガラス１６およ
びパイプ１４に固定されている。図３に示すように、第
１のリード線１９は口もとガイシ１８の貫通孔１８ａを
挿通し、第２のリード線２０は口もとガイシ１８の貫通
孔１８ｂを挿通している。

【００２２】第２の実施の形態に係わるカートリッジヒ
ータの製造方法は以下のとおりである。まず、材質イン
コロイ８００、外径１２mmφ、長さ１２０mmのパイプ１
４を用意する。このパイプ１４の図示右端部分にインコ
ロイ８００の底板１４ａを溶接し、電気炉により１００
０℃にて１．５時間加熱し、パイプ１４の表面に酸化膜
を形成する。

【００２３】つぎに、発熱体１２を用意する。発熱体１
２の材質はカンタルＡＦ線（商品名）である。カンタル
ＡＦ線は、重量比でクロムを２２％、アルミニウムを
５．３％それぞれ含有し、残部は鉄である合金である。
セラミックコア（５ないし６mmφ、長さ６０mm）の外周
に線状（外径０．３mmφ）の発熱体１２をピッチ０．４
mmで巻き加工を行い、洗浄して乾燥した後に、電気炉に
より１１５０℃にて加熱し、発熱体１２の表面に酸化膜
を形成する。この場合の酸化膜の材質も酸化アルミニウ
ムであるので、この場合の酸化膜は電気絶縁体である。

【００２４】つぎに、前記パイプ１４の中心部に発熱体
１２を巻き加工したセラミックコア１３を挿入し、セラ
ミックコア１３および発熱体１２とパイプ１４との間隙
に電気絶縁材料１５となるマグネシアを充填後に、プレ
スでパイプ１４を１０．２mmφまで減径し、さらに、研
磨機にてパイプ１４を１０＋０ないし１０−０．０５mm
φまで研磨する。

【００２５】つぎに、電気炉により６５０℃で４時間乾
燥して電気絶縁材料１５中の水分を少なくした後に、パ
イプ１４の第１および第２のリード線１９、２０の出口
部を鉛ガラス１６で封口する。その後、セラミック接着
剤１７により口もとガイシ１８を鉛ガラス１６の図示左
側に固定する（図４参照）。口もとガイシ１８には貫通
孔１８ａ、１８ｂが形成されているので、第１のリード
線１９は貫通孔１８ａを挿通し、第２のリード線２０は
貫通孔１８ｂを挿通する。このようにして、カートリッ
ジヒータ１１（直径Ｍが１０mmで、長さＮが１２０mm
で、定格が１２０ボルト、４００ワットである。）を製
作した。

【００２６】図７はカートリッジヒータを使用する金型
を縮小して示し、図８はカートリッジヒータの特性の測
定方法を示す。図７および図８において、金型２１の寸
法は、内径Ｔ（金型２１の中心の貫通孔２２の径）が５
０mmφであり、外径Ｑが１１０mmφであり（図７参
照）、長さＰが９０ｍｍである（図８参照）。金型２１
のうち８０mmφの円周（貫通孔２２と同心円となる円
周）上に孔径１０.１mmφの貫通孔２３を２０個形成す
る。

【００２７】その各貫通孔２３にカートリッジヒータ１
１を１本づつ挿入する。定格１２０ボルト、４００ワッ
トのカートリッジヒータ１１を２本直列に接続したもの
を１組とし、１０組のカートリッジヒータ１１を並列に
位相制御回路３１の出力端子（Ｕ−Ｖ間）に接続する。
なお、図８においては、便宜上１組のカートリッジヒー
タ１１のみを示す。位相制御回路３１は、その入力端子
（Ｒ−Ｓ間）に印加された入力交流電圧（実効値で２０
０ボルト）を位相制御してその出力端子（Ｕ−Ｖ間）に
入力交流電圧より低い出力電圧（実効値）を出力する。
可変抵抗３６はこの出力電圧の大きさを調節するもので
あり、この場合、出力電圧（実効値）を入力交流電圧
（実効値）の７０％にセットしている。

【００２８】温度センサ３４は金型２１の温度を測定す
るものであり、たとえば熱電対である。温度調節計３５
は設定温度を１０００℃にしている。温度調節計３５
は、この設定温度と温度センサ３４で測定した金型２１
の温度との温度差を求め、この温度差が零になるように
位相制御回路３１をＰＩＤ制御する。なお、この場合、
ＰＩＤ制御は、比例制御（Ｐ）、積分制御（Ｉ）および
微分制御（Ｄ）の３つの制御を組合わせて前記温度差が
零になるように制御することである。カートリッジヒー
タ１１に通電してから約４５分間で金型２１の温度が１
０００℃に安定した。この状態で連続７２０時間の耐久
試験を行っても発熱体１２の断線等の異常が認められな
かった。

【００２９】なお、この場合、カートリッジヒータ１１
の１本当りの印加電圧を７０ボルトとすると、カートリ
ッジヒータ１１の１本当りにて、電流１．９４アンペ
ア、消費電力１３６ワットとなる。このため、２０本の
カートリッジヒータ１１では約２．７キロワットの消費
電力となる。

【００３０】

【発明の効果】本願の第１の発明に係るシーズヒータ、
カートリッジヒータ等のヒータは、従来例の使用温度よ
り高い温度である９５０℃程度で使用できるとともに、
ヒータの寿命が延びる。このため、第１の発明に係るヒ
ータは、塑性成形の金型、半導体ウェファ製造工程、チ
タン板の成形等のホットサイジング成形工程、プラスチ
ックの成形工程等において使用できるものとなる。

【００３１】さらに、第２の発明によれば、上記第１の
発明の効果とともに、ヒータのカバーの金属製部分によ
り、このカバーの熱伝導性を良好にすることによって、
ヒータの熱をヒータの外部に伝え易くすることができ
る。さらに、ヒータの寿命が一層延びる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の第１の実施の形態に係わるシーズヒ
ータの正面を一部分切り欠いて示す正面図である。

【図２】図１に示すものの左側面を示す側面図である。

【図３】第２の実施の形態に係わるカートリッジヒータ
のリード線側を拡大して示す側面図である。

【図４】図３に示すもののIV−IV断面構造を若干縮小し
て示す断面図である。

【図５】図４に示すもののV−V断面構造を拡大して示す
断面図である。

【図６】図４に示すもののVI−VI断面構造を拡大して示
す断面図である。

【図７】カートリッジヒータを使用する金型を縮小して
示す正面図である。

【図８】カートリッジヒータの特性の測定方法を示す説
明図である。

【符号の説明】

１ シーズヒータ ２ 発熱体 ３ パイプ ４ 電気絶縁材料 ５ 第１の鉛ガラス ６ 第２の鉛ガラス ７ 第１のリード線 ８ 第２のリード線 １１ カートリッジヒータ １２ 発熱体 １３ セラミックコア １４ パイプ １４ａ 底板 １５ 電気絶縁材料 １６ 鉛ガラス １９ 第１のリード線 ２０ 第２のリード線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニッケルを含有する金属製の発熱体とこ
   の発熱体を密閉するカバーとの間に酸化物からなる電気
   絶縁材料が充填され、前記発熱体のリード線が前記カバ
   ーのうち電気絶縁体の部分を貫通しているヒータにおい
   て、 前記発熱体の表面に酸化膜が形成されていることを特徴
   とするヒータ。
2. 【請求項２】 前記カバーのうち前記電気絶縁体の部分
   以外の部分がニッケルを含有する金属製の部分であり、
   この金属製の部分の表面に酸化膜が形成されていること
   を特徴とする請求項１記載のヒータ。