JP2003217804A - 管状ヒータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い伝熱効率を保持しつつ長寿命化が可能
で、かつ製造コストが低減できる管状ヒータ（シーズヒ
ータ）及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 金属製の素管の内部にＭｇＯ粉末等の絶
縁材を介してニクロム線等の発熱線３を封入した後に、
素管の外周を連続ダイス成形法等により機械的に順次加
圧して波形部を有する波形管１を形成するとともに絶縁
材を圧密する。これを加熱炉等で加熱して絶縁材２を焼
結して管状ヒータ（シーズヒータ）とする。波形部がフ
ィンとして機能するため高い伝熱効率が得られるととも
に、従来のフィンシーズヒータのようなロウ付けや溶接
等を不要とすることから、加熱・冷却の繰り返しによる
損傷が防止されて長寿命化し、かつ製造コストも低減さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種気体、液体及
び固体を加熱するための管状ヒータ及びその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、管状ヒータとしては所謂シーズ
ヒータと呼ばれるものが知られている。このヒータは最
も汎用されている発熱体で、金属製の管（メタルシー
ス）に絶縁材としてマグネシア（ＭｇＯ）等を高密度に
充填し、メタルシースの中央に発熱線を固定したもので
ある。絶縁材がメタルシース内で緻密に充填されている
ため熱伝導率が高く、発熱線とメタルシースの温度差が
小さく高寿命であり、また発熱線がメタルシースで保護
されているため耐震性に優れ、さまざまな形状に曲げ加
工ができる等の多くの利点を有しており広範囲に使用さ
れている。

【０００３】さらに、図６に示すように、シーズヒータ
にフィンを螺旋状に巻き付け、ヒータと緊密一体化した
所謂フィンシーズヒータも商品化されている。このヒー
タは、より迅速な熱交換を可能とすることから、乾燥
機、ダクトヒータ、エアコンなど各種暖房機器の送風加
熱用ヒータなどとして広く用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図６に示す
ようなフィンシーズヒータは、一般に先ず通常のフィン
のないシーズヒータを製作後、メタルシース５１の外周
に金属性のフィン５２を巻き付け、メタルシース５１と
フィン５２とをロウ付けや溶接等により接合して製造さ
れる。

【０００５】そのためフィンシーズヒータは、実際の使
用時における加熱・冷却の繰り返しによりメタルシース
５１とフィン５２との接合部が損傷しやすく、伝熱効率
の低下や寿命が短くなるなどの問題がある。また、フィ
ンのない通常のシーズヒータに比べて、熟練を要するロ
ウ付けや溶接等の作業が余分に必要とされるため、格段
に製造コストが高くなる問題がある。

【０００６】そこで本発明は、高い伝熱効率を保持しつ
つ長寿命化が可能で、かつ製造コストが低減できるシー
ズヒータ（管状ヒータ）およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、金属
製の波形管の内部に絶縁材を介して発熱線を封入してな
ることを特徴とする管状ヒータである。

【０００８】請求項２の発明は、内部に絶縁材を介して
発熱線を封入した金属製の直管の外周面に、金属製の波
形管を嵌合してなることを特徴とする管状ヒータであ
る。

【０００９】請求項３の発明は、前記波形管の波形部が
螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１又は
２に記載の管状ヒータである。

【００１０】請求項４の発明は、前記波形管の波形部が
環状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２
に記載の管状ヒータである。

【００１１】請求項５の発明は、螺旋状波形管の波形部
外周の谷部に沿って発熱線を巻き付けて固定したことを
特徴とする管状ヒータである。

【００１２】請求項６の発明は、金属製の波形管の内部
に絶縁材を介して発熱線を封入してなる管状ヒータの製
造方法であって、素管の内部に絶縁材を介して発熱線を
封入した後に、該素管の外周を機械的に順次加圧して波
形部を形成することを特徴とする管状ヒータの製造方法
である。

【００１３】（作用）本発明の管状ヒータは、金属製の
波形管の内部に絶縁材を介して発熱線を封入してなるも
のであることから、発熱線の発熱時の熱が効率よく速や
かに波形管の谷部から山部先端へと伝導することにより
伝熱効率が高まるとともに、ロウ付け部や溶接部等が存
在しないため損傷が少なく、長寿命化が可能となる。ま
た、フィンを後で巻き付けてロウ付けや溶接等で接合す
る代わりに波形管を用いるので、従来のフィンシーズヒ
ータに比べ格段に製造コストが低減される。

【００１４】あるいは、本発明の管状ヒータが、内部に
絶縁材を介して発熱線を封入した金属製の直管の外周面
に、金属製の波形管を嵌合してなるものであってもよ
い。ともに金属製の直管と波形管とが緊密に接触してい
るので、直管から波形管の波形谷部を経由して波形山部
先端へと伝導することにより上記と同様伝熱効率が高ま
るとともに、ロウ付け部や溶接部が存在しないため損傷
が少なく長寿命化が可能となる。また、波形管を直管に
嵌め込むだけでよいので、ロウ付けや溶接作業等が不要
となり製造コストが低減される。

【００１５】波形管の波形部の形状は、螺旋状であって
も環状であってもよい。いずれの形状でも伝熱効率を高
める効果、損傷を低減する効果、製造コスト低減効果と
も得られるからである。

【００１６】あるいは、本発明の管状ヒータが、螺旋状
波形管の波形部外周の谷部に発熱線を巻き付けて固定し
たものであってもよい。波形管内部に流体を流通させる
ことにより、螺旋状の波形部内面で流体が乱流化される
とともに表面積の大きい波形部を介して伝熱されるため
効率的に流体が加熱される。また、上記と同様、ロウ付
け部や溶接部が存在しないため、波形管の損傷が低減さ
れる。さらに、螺旋状の波形部外周の谷部に沿って発熱
線を巻き付けて固定することにより、発熱線を容易かつ
確実に波形管に固定できるので、製造コストの著しい上
昇が防止できる。

【００１７】金属製の波形管の内部に絶縁材を介して発
熱線を封入してなる本発明の管状ヒータを製造する方法
として、素管の内部に絶縁材を介して発熱線を封入した
後に、素管の外周を機械的に順次加圧して波形部を形成
する方法を用いることが推奨される。この製造方法によ
り、波形部を形成しつつ、加圧により絶縁材を圧縮して
その充填密度を上昇させることができ、さらに伝熱効率
を高めることが可能となる。なお、従来のフィンシーズ
ヒータを製造するには、素管の内部に絶縁材を介して発
熱線を封入した後に、絶縁材の充填密度を高めるためロ
ールミル等により減径加工を行ってフィンのないシーズ
ヒータを製作し、その後にさらにフィンを取り付ける工
程を必要とした。これに対し、本発明の管状ヒータの製
造方法によれば、減径加工の代わりに波形部を形成する
工程を設けるだけでよく、フィンをロウ付けや溶接等で
取り付ける工程を省略できるため、製造コストが大幅に
低減できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１９】〔第一実施形態〕本発明の第一実施形態に
係る管状ヒータは、例えば図１に示すように、軸方向断
面（縦断面）が波形（すなわち蛇腹状）であるステンレ
ス鋼製などの金属製の波形管（メタルシース）１の内部
にＭｇＯ焼結体などの絶縁材２を介して（すなわち電気
的に絶縁されて）螺旋状にコイリングされたニクロム線
などの発熱線３が封入されて構成される。そして、発熱
線３の両端末にはピン状の端子（ターミナルピン）４が
取り付けられ、波形管１の両端の開口部がガラスなどの
封口材５で封口されている。

【００２０】金属製の波形管（メタルシース）１の材質
は、ステンレス鋼に限られず、銅、鉄、耐熱鋼、チタ
ン、アルミニウム、耐熱合金等などから用途、使用条件
等に合わせて適宜選択することが好ましい。

【００２１】また発熱線３の材質は、ニクロムに限られ
ず、ステンレス鋼、インコロイ、インコネルなどから用
途、使用条件等に合わせて適宜選択することが好まし
い。

【００２２】また封口材５の材質は、ガラスに限られ
ず、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などから用途、使用
条件等に合わせて適宜選択することが好ましい。、

【００２３】絶縁材２は、高温でも絶縁抵抗が高く、熱
伝導が良いマグネシアが推奨されるが、これに限られる
ものではなく、用途、使用条件（特に使用温度）等に応
じてその他のセラミックス、シリコンゴムなどを用いる
ことができる。

【００２４】このような管状ヒータを製造する工程につ
いて説明する。

【００２５】［工程１］先ず金属製の素管内中心部に、
螺旋状にコイリングされ、ピン状の端子（ターミナルピ
ン）４を接続した発熱線３を挿入したのち、発熱線３の
周りにマグネシア粉末などの絶縁材２を充填する。

【００２６】［工程２］次に、素管の外周を例えば図２
に示すような公知の連続ダイス成形法により機械的に順
次加圧して波形部を成形する。すなわち、図２に示すよ
うに、ベアリング１４を介装させたダイスホルダ１２に
取り付けた波付けダイス１３の中に素管１１を通し、素
管１１の中心とダイス１３の中心を偏心させて支持す
る。そして、ダイス１３を素管１１の中心の回りに回転
させながらダイス１３の突起１３ａを素管１１に食い込
ませ連続的に螺旋溝（波形部）を形成する。

【００２７】［工程３］螺旋溝（波形部）を形成した管
１１を加熱炉等内に挿入し所定温度で所定時間加熱して
管１１内部の絶縁材を焼結させる。

【００２８】［工程４］次いで、ガラス等の封口材で管
１１の両端を封口する。

【００２９】［工程５］最後に、所定の口元処理を施し
て製品である管状ヒータとする。

【００３０】ここに従来のフィンシーズヒータの製造工
程は、上記本発明の第一実施形態に係る管状ヒータの製
造工程と比較すると、上記工程１、３、４および５は本
発明と共通であるが、工程２において、波形部の形成に
代えて、ロールミル等を用いて減径加工を行う点と、工
程４と工程５との間に管の外周面にフィンを巻き付けて
ロウ付けや溶接等で固定する工程４’が余分に必要であ
る点で異なる。工程２における波形部の形成と減径加工
とはほぼ同等の手間を要する作業であることから、本発
明の方が、高コストのロウ付けや溶接等の熟練作業を含
む工程４’を不要とできる分大幅に製造コストを低減で
きる。

【００３１】なお工程２において、連続ダイス成形法に
代えて、図３に示すような公知のロール成形法を用いて
もよい。すなわち図３（ａ）、（ｂ）に示すように、図
示しない成形ヘッドに円周状に取り付けた複数の成形ロ
ーラ２２を、成形ヘッドの中心の孔を通る素管２１の周
囲に遊星状に配置し、成形ヘッドとともに高速で素管２
１の周囲を回転させながら素管２１の軸心に向かって進
行させ、所定の深さに素管２１をへこませてＶ字形の溝
２３をつくる。必要によりこのＶ字形溝２３の加工中に
溝２３の前部と後部とで素管２１を掴んで軸方向に圧縮
して溝をＵ字状としてもよい。以上の操作を素管２１の
長手方向に順次繰り返すことにより平行波付け（環状波
形部の形成）を行うことができる。

【００３２】〔第二実施形態〕本発明の第二実施形態に
係る管状ヒータは、例えば図４に示すように、ステンレ
ス鋼などの金属製である直管３０の外周面に、縦断面が
波形であるステンレス鋼などの金属製の波形管３１が嵌
合され、直管３０の内部にＭｇＯ粉末などの絶縁材３２
を介して（すなわち電気的に絶縁されて）螺旋状にコイ
リングされたニクロム線などの発熱線３３が封入されて
構成される。そして、発熱線３３の両端末にはピン状の
端子３４が取り付けられ、直管３０の両端の開口部がガ
ラスなどの封口材３５で封口されている。

【００３３】金属製の直管３０および波形管３１の材質
は、ステンレス鋼に限られず、銅、鉄、耐熱鋼、チタ
ン、耐熱合金等などから用途、使用条件等に合わせて適
宜選択することが好ましい。なお、直管３０と波形管３
１の材質は、加熱・冷却時における熱膨張量・収縮量の
差による熱応力や熱歪みの発生を防止するため、同じ材
質とすることが好ましい。

【００３４】また発熱線３３の材質は、ニクロムに限ら
れず、ステンレス鋼、インコロイ、インコネルなどから
用途、使用条件等に合わせて適宜選択することが好まし
い。

【００３５】また封口材３５の材質は、ガラスに限られ
ず、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などから用途、使用
条件等に合わせて適宜選択することが好ましい。

【００３６】絶縁材３２は、高温でも絶縁抵抗が高く、
熱伝導が良いマグネシア（ＭｇＯ）が推奨されるが、こ
れに限られるものではなく、用途、使用条件等に合わせ
てその他のセラミックス、シリコンゴムなどを用いるこ
とができる。

【００３７】このような管状ヒータを製造する工程につ
いて説明する。

【００３８】［工程１］先ず金属製の直管３０内中心部
に、螺旋状にコイリングされ、ピン状の端子（ターミナ
ルピン）３４を接続した発熱線３３を挿入したのち、発
熱線３３の周りにマグネシア粉末などの絶縁材３２を充
填する。

【００３９】［工程２］次に、直管３０の外周をロール
ミル等により機械的に加圧して減径加工する。

【００４０】［工程３］減径加工した直管３０の外周面
に、予め波形部を形成した波形管３１を勘合させる。

【００４１】［工程４］嵌合後の直管３０と波形管３１
とからなる複合管を加熱炉等内に挿入し所定温度で所定
時間加熱して直管３０内部の絶縁材を焼結させる。

【００４２】［工程５］次いで、ガラス等の封口材で直
管３０の両端を封口する。

【００４３】［工程６］最後に、所定の口元処理を施し
て製品である管状ヒータとする。

【００４４】ここに従来のフィンシーズヒータの製造工
程は、上記本発明の第二実施形態に係る管状ヒータの製
造工程と比較すると、上記工程１、２、４、５および６
は本発明と共通であるが、工程３において、直管に波形
管を勘合させることに代えて、直管にフィンを巻き付け
てロウ付けや溶接等して固定する点が異なる。本発明の
方が別途波形管を必要とするものの、高コストのロウ付
けや溶接等の作業を波形管の嵌め合わせという簡単な作
業に代替できるため、格段に製造コストを低減できる。

【００４５】なお、工程３で用いる波形管３１は、同様
の作用効果が奏されるので螺旋状であっても環状であっ
てもよい。また、波形管３１の製造方法は特に限定され
るものではなく、スクリューチューブ法、液圧成形法、
ロール成形法、連続ダイス成形法などから用途、使用条
件等に応じて適宜選択することができる。

【００４６】〔第三実施形態〕本発明の第三実施形態に
係る管状ヒータは、例えば図５に示すように、シリコン
ゴム製やステンレス鋼製などの螺旋状波形管４１の波形
部４６の谷部４６ａに沿ってニクロム線などの発熱線４
３が巻き付けられ、少なくとも谷部４６ａ全体がシリコ
ンゴム等の絶縁材（被覆材）４２で充填されて構成され
ている（図５（ａ）参照）。これにより、発熱線４３を
谷部４５ａに確実に固定しつつ絶縁不良の発生等を防止
するとともに、使用環境による発熱線の酸化や腐食をも
防止することができる。谷部４６ａだけでなく山部４６
ｂをも含めて波形部４６全体をシリコンゴム等で一体的
に被覆することがさらに好ましい（図５（ｂ）参照）。
波形部４６全体を一体的に被覆することにより、波形部
４６の山部４６ｂからの放熱を抑制でき、さらに、ステ
ンレス鋼など金属製の波形管４１を用いた場合に使用環
境によるその酸化や腐食を防止できるからである。な
お、同一材料の絶縁材（被覆材）４２のみで波形部４６
全体を覆うことに代えて、谷部４６ａ全体の充填を第一
の絶縁材（被覆材）４２ａ（例えばシリコンゴム）で行
い、その第一の絶縁材（被覆材）４２ａと波形部４６全
体とを異なる材料である第二の絶縁材（被覆材）４２ｂ
（例えばナイロン樹脂）で一体的に覆うようにしてもよ
い（図５（ｃ）参照）。

【００４７】波形管４１の材質は、シリコンゴムやステ
ンレス鋼に限られず、フッ素樹脂などの絶縁材料、およ
び銅、鉄、耐熱鋼、チタン、アルミニウム、耐熱合金等
など金属製等の導電性材料から用途、使用条件等に合わ
せて適宜選択できる。なお、波形管４１に絶縁材料を用
いる場合には発熱線との絶縁が容易であり問題ないが、
導電性材料を用いる場合には発熱線との絶縁に注意が必
要である。すなわち導電性材料を用いる場合には、波形
管４１と発熱線４３との絶縁を完全かつ容易に実現する
ため、例えば裸の発熱線の代わりに細径のシーズヒータ
を巻き付ける方法等を採用することが好ましい。

【００４８】発熱線４３の材質は、ニクロムに限られ
ず、ステンレス鋼、インコロイ、インコネルなどから用
途、使用条件等に合わせて適宜選択することが好まし
い。

【００４９】絶縁材（被覆材）４２は、前述のシリコン
ゴムやナイロン樹脂に限られるものではなく、用途、使
用条件等に合わせてフッ素樹脂、マグネシア、その他の
セラミックスなどを用いることができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明の管状ヒータを用いることによ
り、波形部がフィンとして作用するため、高い伝熱効率
を保持できる。さらに、ロウ付けや溶接等を不要とする
ことから加熱・冷却の繰り返しによっても損傷が少なく
長寿命化が可能で、かつコストが大幅に低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係る管状ヒータを示す
縦断面図である。

【図２】本発明の実施に係る管状ヒータの製造方法（連
続ダイス成形法）を説明する縦断面図である。

【図３】本発明の実施に係る管状ヒータの製造方法（ロ
ール成形法）を説明する、（ａ）は横断面図、（ｂ）は
縦断面図である。

【図４】本発明の第二実施形態に係る管状ヒータを示す
縦断面図である。

【図５】本発明の第三実施形態に係る管状ヒータを示す
縦断面図である。

【図６】従来のフィンシーズヒータを示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１、３１、４１…波形管（メタルシース） ２、３２…絶縁材 ３、３３、４３…発熱線 ４、３４…端子（ターミナルピン） ５、３５…封口材 １１…素管（波形部を形成した管） １２…ダイスホルダ １３…ダイス １４…ベアリング ２１…素管 ３０…直管 ４２…絶縁材（被覆材） ４２ａ…第一の絶縁材（被覆材） ４２ｂ…第二の絶縁材（被覆材） ４６…波形部 ４６ａ…谷部 ４６ｂ…山部 ５１…メタルシース ５２…フィン

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製の波形管の内部に絶縁材を介して
   発熱線を封入してなることを特徴とする管状ヒータ。
2. 【請求項２】 内部に絶縁材を介して発熱線を封入した
   金属製の直管の外周面に、金属製の波形管を嵌合してな
   ることを特徴とする管状ヒータ。
3. 【請求項３】 前記波形管の波形部が螺旋状に形成され
   ていることを特徴とする請求項１又は２に記載の管状ヒ
   ータ。
4. 【請求項４】 前記波形管の波形部が環状に形成されて
   いることを特徴とする請求項１又は２に記載の管状ヒー
   タ。
5. 【請求項５】 螺旋状波形管の波形部外周の谷部に沿っ
   て発熱線を巻き付けて固定したことを特徴とする管状ヒ
   ータ。
6. 【請求項６】 金属製の波形管の内部に絶縁材を介して
   発熱線を封入してなる管状ヒータの製造方法であって、
   素管の内部に絶縁材を介して発熱線を封入した後に、該
   素管の外周を機械的に順次加圧して波形部を形成するこ
   とを特徴とする管状ヒータの製造方法。