JP2005322552A

JP2005322552A - ヒータランプ

Info

Publication number: JP2005322552A
Application number: JP2004140689A
Authority: JP
Inventors: Tadayoshi Tanigawa; 忠義谷川
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】設計の自由度が大きく、しかも被加熱物を均一に加熱することのできると共に、長い使用寿命が得られるヒータランプを提供すること。
【解決手段】ヒータランプは、ガラスバルブ内に発熱体が配置されてなるヒータランプにおいて、前記発熱体が、複数本の炭化繊維糸による撚糸を素線とし、４本以上の素線によって構成されてなるパイプ状の編紐体よりなることを特徴とする。ヒータランプにおいては、発熱体が、その両端部の各々において、発熱体の外周面に装着されたスリーブ部材と、当該発熱体の内部に挿入された、金属コイルが巻回されてなるコイル巻回部を有する給電用部材とに挟持されることによって固定保持されていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータランプに関し、更に詳しくは、例えば食品乾燥処理や塗装乾燥処理に用いられる加熱源、暖房あるいは水を加熱するための加熱源などとして用いられるヒータランプに関する。

従来、ヒータランプとしては、ガラスバルブ内に発熱体が配置されてなる構成を有するものが知られている。
このようなヒータランプを構成する発熱体としては、例えば植物繊維が積層されてなる構成を有する、通常、不織布と称されるフェルト体が炭化処理されてなるもの（例えば、特許文献１参照。）、炭素系物質を混合した成形材料を押出成形することによって得られる成形体が炭化処理されてなるもの（例えば、特許文献２参照。）、カーボンファイバよりなるもの（例えば、特許文献３および特許文献４参照。）などが用いられている。

しかしながら、発熱体として、フェルト体が炭化処理されてなる構成のものや、黒鉛が圧縮成形されてなる構成のものを備えてなるヒータランプにおいては、当該発熱体が柔軟性の小さいものであり、例えばガラスバルブの形状に応じて折曲させることや、ヒータランプの製造工程において適宜に変形させることが困難であるため、その形状に異形部を有する、直管状以外の形状のガラスバルブを用いることが難しい、という問題がある。

また、特に、フェルト体が炭化処理されてなる構成の発熱体を備えてなるヒータランプにおいては、当該発熱体として角柱状のもの（図７参照）が広く用いられているが、このような角柱状の発熱体は、中央部に電流が流れやすいことから、側辺部の周辺領域における発熱効率が当該周辺領域以外の側面部領域に比して極めて小さくなり、表面に温度ムラが生じることとなるため、被加熱物を均一に加熱することができない、という問題がある。また、発熱体の材料であるフェルト体に、その製造工程において積層ムラが生じるため、これに起因して発熱体毎に特性のばらつきが生じる、という問題もある。具体的に、フェルト体が炭化処理されてなる構成の発熱体を備えてなるヒータランプを量産した場合には、作製されたヒータランプのいずれもが同一の全長を有する発熱体を備え、同一の仕様を有するものであっても、その特性について±８％の電力差が生じてしまう。

また、発熱体として、フェルト体が炭化処理されてなる構成のものや、複数本のカーボンファイバがロープ状に束ねられてなる構成のものを備えてなるヒータランプにおいては、当該発熱体の内部温度が外表面温度に比して高くなることから、外表面を必要とする温度とした場合であっても内部温度が高温となり、これに起因して溶断が生じることがあるため、長い使用寿命が得られない、という問題がある。

また、発熱体として、らせん状に巻かれたカーボンファイバー製のリボン体よりなるものを備えてなるヒータランプにおいては、ガラスバルブの管軸方向に一定間隔で当該発熱体を構成するリボン体の巻条間に間隙が生じることとなるため、被加熱物を均一に加熱することができない、という問題がある。

特開２００２−１７０６５３号公報特開２００２−１８４５６１号公報特開２００２−６３８７０号公報特開２００２−１５１２３７号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、設計の自由度が大きく、しかも被加熱物を均一に加熱することのできると共に、長い使用寿命が得られるヒータランプを提供することにある。

本発明のヒータランプは、ガラスバルブ内に発熱体が配置されてなるヒータランプにおいて、
前記発熱体が、複数本の炭化繊維糸による撚糸を素線とし、４本以上の素線によって構成されてなるパイプ状の編紐体よりなることを特徴とする。

本発明のヒータランプにおいては、発熱体が、その両端部の各々において、発熱体の外周面に装着されたスリーブ部材と、当該発熱体の内部に挿入された、金属コイルが巻回されてなるコイル巻回部を有する給電用棒状部材とに挟持されることによって固定保持されていることが好ましい。

本発明のヒータランプによれば、発熱体が、炭化繊維糸による撚糸が４本以上編み込まれてなる構成のパイプ状の編紐体よりなるものであるため、当該発熱体に電流が均一に流れ、その表面全域において均一に高い発熱効率が得られることから、外表面に温度ムラが生じることがなく、また、その内部が局所的に高温となることがないことから、発熱体自体に長い使用寿命が得られると共に、当該発熱体に、ガラスバルブの形状に応じて折曲させることや当該ヒーターランプの製造工程において適宜に変形させることのできる柔軟性が得られるため、ガラスバルブの設計の自由度が大きくなる。
従って、本発明のヒータランプによれば、設計の自由度が大きく、しかも被加熱物を均一に加熱することができると共に、長い使用寿命が得られる。

以下、本発明のヒータランプについて説明する。
図１は、本発明のヒータランプの一例における構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１のヒータランプを構成する発熱体を、当該発熱体を固定支持すると共に電流導入部を形成する部材と共に示す説明図であり、図３は図２の発熱体の任意の断面の概略を示す説明図である。
このヒータランプ１０は、両端にピンチシール部１３、１３が形成された全体が略直管状のガラスバルブ１２を具え、このガラスバルブ１２の直管状部分の内部には、発熱体２０がガラスバルブ１２の管軸方向に沿って伸びるよう配設されていると共に、例えば窒素ガス、アルゴンガスなどの封入ガスが適宜の封入量で封入されており、また、発熱体２０の両端部は、各々、後述する給電用棒状部材２７およびスリーブ部材２６によって形成される電流導入部および扁平なピンチシール部１３に気密に封着されて埋設された、例えばモリブデン箔などの導電性箔１６を介して、ピンチシール部１３の端面より突出して伸びる、例えばモリブデン線よりなる外部リード棒１７に接続されている構成を有するものである。
このヒータランプ１０には、ガラスバルブ１２の外周面にチップ部１９が形成されている。

ここに、「チップ部」とは、ヒータランプ１０の製造工程において、ガラスバルブ１２とされる、その両端がピンチシールされたバルブ形成材料の内部空間から不要なガスを排気すると共に、当該内部空間に封入ガスを導入するために、当該バルブ形成材料に取り付けられたガス排気導入管の残留部のことをいう。

そして、発熱体２０は、複数本の炭化繊維糸が撚り合わされてなる撚糸を素線２２とし、４本以上の素線、図の例においては、合計８本の素線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇ、２２Ｈによって構成されてなるパイプ状の編紐体よりなるものである。

発熱体２０を構成する編紐体は、４本以上の素線２２により構成されていることから、中空を有するパイプ状の形状が保持されているが、このようなパイプ状形状を保持する自己保形性を有するものであれば、４本以上の素線２２によって形成される編み目の形態が特に限定されるものではない。

発熱体２０を構成する編紐体において、複数本の素線２２（図の例においては、素線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇ、２２Ｈ) が編み込まれることによって形成されている周壁２３は、その最大厚みが３．５ｍｍ以下であることが好ましい。
周壁２３の最大厚みが３．５ｍｍ以下であることにより、発熱体２０の外表面全域において均一に高い発熱効率を確実に得ることができ、これにより、ヒータランプ１０により高い効率で被加熱物を均一に加熱することができる。

また、周壁２３によって囲繞されている内部空間２４は、編紐体の任意の断面において、周壁２３の占有面積に対する当該内部空間２４の占有面積の比が１．７％以上である大きさを有するものであることが好ましい。

このような構成の発熱体２０は、例えば下記の手法によって製造される。
先ず、炭化処理されることによって炭化繊維糸とされる材料繊維糸を複数本撚り合わせてなる材料撚糸を複数本（図の例においては８本）用意し、次いで、これらの材料撚糸を組み合わせて編み込むことによってパイプ状の編込体を形成し、得られた編込体を炭化処理して材料撚糸を構成する材料繊維糸を炭化させることにより、複数本の素線２２が編み込まれてなる周壁２３によって略円柱状の内部空間２４が形成されてなる構成の編紐体よりなる発熱体２０が得られる。

材料繊維糸としては、外径５〜４０μｍのものを用いることができ、例えばシルク繊維糸などを好適に用いることができる。

このような材料繊維糸よりなる材料撚糸においては、その外径および当該材料撚糸を構成する材料繊維糸の本数は、例えば形成すべき発熱体の寸法、材料繊維糸の種類などによって適宜に設定される。

パイプ状の編込体を形成するための編込み手法としては、例えば隣り合う材料撚糸であって互いに交差状態にない２本の材料撚糸を、交差状態にある材料撚糸との関係において形成すべき編込体における内表面側に位置している材料撚糸が外表面側に、そして外表面側に位置している材料撚糸が内表面側に位置するよう交差させる編込み操作を繰り返す手法（以下、「特定交差編み」ともいう。）が用いられる。

特定交差編みについて、図を用いて具体的に説明すると、図４の（イ）に示す編込み工程においては、材料撚糸３１Ａと材料撚糸３１Ｂ、材料撚糸３１Ｃと材料撚糸３１Ｄ、材料撚糸３１Ｅと材料撚糸３１Ｆ、および材料撚糸３１Ｇと材料撚糸３１Ｈの各々が交差されるが、これらのうち、材料撚糸３１Ａと材料撚糸３１Ｂとの交差関係について詳しく説明すると、材料撚糸３１Ａは互いに隣り合う材料撚糸３１Ｈと交差状態にあって当該材料撚糸３１Ｈとの関係において形成すべき編込体における内表面側（図において内側）に位置しており、一方、材料撚糸３１Ｂは互いに隣り合う材料撚糸３１Ｃと交差状態にあって当該材料撚糸３１Ｃとの関係において形成すべき編込体における外表面側（図において外側）に位置していることから、材料撚糸３１Ａが外表面側に、材料撚糸３１Ｂが内表面側に位置するようにして交差される。
このような一の編込み操作によって編み目が形成された後には、図４の（ロ）に示すように、材料撚糸３１Ａと材料撚糸３１Ｄ、材料撚糸３１Ｃと材料撚糸３１Ｆ、材料撚糸３１Ｅと材料撚糸３１Ｈ、および材料撚糸３１Ｇと材料撚糸３１Ｂの各々を交差する編込み操作によって編み目を形成し、次いで図４の（ハ）に示すように、材料撚糸３１Ａと材料撚糸３１Ｆ、材料撚糸３１Ｃと材料撚糸３１Ｈ、材料撚糸３１Ｅと材料撚糸３１Ｂ、および材料撚糸３１Ｇと材料撚糸３１Ｄの各々を交差する編込み操作によって編み目を形成するというように、このような編み込み操作を繰り返すことによって編込体が形成される。

炭化処理としては、例えば窒素雰囲気中または真空中において、３〜５時間かけて温度を５００〜７００℃に上昇させ、この温度において加熱時間１〜２時間の条件で加熱処理することによって予熱処理した後、例えばロータリーポンプなどによって圧力１０^-3〜１０^-2Ｔｏｒｒ（１３３×１０^-3〜１３３×１０^-2Ｐａ）とした真空中において、３〜５時間かけて温度を９００〜１２００℃に上昇させ、この温度において加熱時間１〜２時間の条件で加熱処理する手法を用いることができる。

また、ヒータランプ１０において、発熱体２０は、図５に示すように、その両端部の各々において、当該発熱体２０の外周面に装着されたスリーブ部材２６と、当該発熱体２０の内部空間２４内に挿入された、金属コイル２７Ａが巻回されてなるコイル巻回部を有する給電用棒状部材２７とに挟持されることによって固定保持されている。

スリーブ部材２６としては、発熱体２０の外径に適合した内径を有する、例えばモリブデン線などよりなる金属コイルなどが用いられる。

給電用棒状部材２７としては、タングステン線よりなる棒状体２７Ｂの先端部に、発熱体２０の内径に適合した外径を有する、例えばタングステン線などよりなる金属コイル２７Ａが溶接されることによって接続されて巻回されてなるコイル巻回部を有する構成のものが用いられる。

また、給電用棒状部材２７は、その基端が、例えば溶接されることによって導電性箔１６に電気的に接続されている。

このようなスリーブ部材２６と給電用棒状部材２７とは、発熱体２０の両端の各々において、先ず、スリーブ部材２６を当該発熱体２０の端部における外周面に装着し、次いで、このスリーブ部材２６が装着された状態の発熱体２０の端部に対して、その内部空間２４内に、給電用棒状部材２７のコイル巻回部をねじ込むようにして挿入することにより当該発熱体２０の端部を挟み込む状態を形成し、これにより、当該発熱体２０を固定保持している。

以上のようなヒータランプ１０によれば、発熱体２０が、炭化繊維糸による撚糸よりなる４本以上の素線２２が編み込まれてなるパイプ状の編紐体よりなるものであるため、当該発熱体２０に電流が均一に流れ、その表面全域において均一に高い発熱効率が得られることから、外表面に温度ムラが生じることがなく、また、その内部が局所的に高温となることがないことから、発熱体２０自体に長い使用寿命が得られ、また、発熱体２０には、ガラスバルブ１２の形状に応じて折曲させることや当該ヒーターランプの製造工程において適宜に変形させることのできる柔軟性が得られることから、ガラスバルブ１２の設計の自由度が大きくなる。
従って、ヒータランプ１０によれば、設計の自由度が大きく、しかも被加熱物を均一に加熱することができると共に、長い使用寿命が得られる。

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。
例えばヒータランプは、発熱体がガラスバルブの形状に応じて折曲させることやヒーターランプの製造工程において適宜に変形させることのできる柔軟性を有するものであることから、直管型のものに限定されず、円環状や矩形状などの形状を有するものであっても、またその形状に異形部を有するものなどの直管状以外の形状を有するものであってもよい。

また、ヒータランプは、複数本の炭化繊維糸による撚糸を素線とし、この素線４本以上によって構成されてなるパイプ状の編紐体よりなる発熱体を備えてなるものであれば、その他の構成は特に制限されるものではない。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明がこれによって制限されるものではない。

＜実施例１＞
図１に示す構成に従い、石英ガラス製の外径１３ｍｍ、直管状部分の全長９０ｍｍのガラスバルブ内に、発光長４０ｍｍの発熱体が配設され、窒素ガスが封入されており、外径０．７ｍｍのモリブデン線よりなる外部リード棒および当該外部リード棒の基端部が溶接によって電気的に接続されたモリブデン箔よりなる導電性箔を備えてなる構成のヒータランプ（以下、「ヒータランプ（１）」ともいう。）を作製した。

ヒータランプ（１）の発熱体としては、外径５〜４０μｍ（平均外径２０μｍ）のシルク繊維を複数本撚り合わせた、単位長さ当たりの質量が０．６ｇ／ｍの材料撚糸を８本用意し、これらの材料撚糸を特定交差編みによって編み込んでパイプ状の編込体を形成し、この編込体を、窒素雰囲気中において、４時間かけて温度を６００℃に上昇させ、この温度において加熱時間１時間の条件で加熱処理することによって予熱処理した後、ロータリーポンプによって圧力１０^-3Ｔｏｒｒ（１３３×１０^-3Ｐａ）とした真空中において、４時間かけて温度を１１００℃に上昇させ、この温度において加熱時間１時間の条件で加熱処理することにより炭化処理した、外径３．５ｍｍ、周壁の最大厚みが１．５ｍｍ、周壁の占有面積に対する内部空間の占有面積の比が１．７％であるパイプ状の編紐体を用いた。

また、この発熱体は、両端の各々において、外径０．７ｍｍのモリブデン線が１０ターンされてなる内径３．０ｍｍのコイルよりなるスリーブ部材と、外径０．７ｍｍのタングステン線の先端部に、外径０．３８ｍｍのタングステン線が２０ターンされてなる内径０．８ｍｍの金属コイルが溶接されることによって巻回されたコイル巻回部を有する給電用棒状部材とに挟持されて固定保持されている。
このスリーブ部材と、給電用棒状部材とは、発熱体の両端の各々において、先ず、スリーブ部材を当該発熱体の端部における外周面に装着し、次いで、このスリーブ部材が装着された状態の発熱体の端部に対して、その内部空間内に、給電用棒状部材のコイル巻回部をねじ込むようにして挿入することによって所期の状態に配設した。

作製したヒータランプ（１）を、定格電圧２５Ｖ、消費電力１６０Ｗの条件で点灯させ、発熱体の外表面におけるヒータランプの管軸方向の温度分布を、当該発熱体から放射される光の相対強度（測定された最も大きな光強度を基準として１００％とした強度）を測定することによって確認した。結果を図６に曲線（イ）として示す。

また、ヒータランプ（１）と同様の仕様を有するヒータランプを１００本作製し、これらのヒータランプの特性を調べたところ、その電力差が±２％の範囲内にあることが確認された。
更に、ヒータランプ（１）において、発熱体の全長を２３５ｍｍとし、ガラスバルブの直管状部分の全長を３８０ｍｍとし、定格電圧６０Ｖ、消費電力４００Ｗの条件で点灯させるヒータランプを１００本作製し、これらのヒータランプの特性を調べたところ、その電力差も±２％の範囲内にあることが確認された。

＜比較例１＞
ヒータランプ（１）において、図７に示すような植物繊維が積層されてなる角柱状のフェルト体を炭化処理することによって得られた、一辺３．５ｍｍ、全長１４５ｍｍの角柱状体よりなる発熱体４０を用い、当該発熱体４０に応じた固定保持用の部材を用いて電流導入部を形成し、ガラスバルブの直管状部分の全長を２５５ｍｍとしたこと以外はヒータランプ（１）と同様の構成を有するヒータランプ（以下、「比較用ヒータランプ（１）」ともいう。）を作製し、この比較用ヒータランプ（１）を、定格電圧１００Ｖ、消費電力２５０Ｗの条件で点灯させ、発熱体４０の外表面温度、具体的には側辺部４１の周辺領域Ｓ１における表面温度および当該周辺領域Ｓ１以外の側面部領域Ｓ２における表面温度を、当該発熱体４０から放射される光の相対強度を測定することによって確認した。図６に、発熱体４０の長さ４０ｍｍの中央部分の周辺領域Ｓ１における温度分布を曲線（ロ）として示し、側面部領域Ｓ２における温度分布を曲線（ハ）として示す。
図６において、比較用ヒータランプ（１）に係る相対強度は、ヒータランプ（１）の測定において測定された最も大きな光強度を基準として１００％とした強度である。

また、この比較用ヒータランプ（１）を連続点灯させ、その使用寿命をヒータランプ（１）の使用寿命と比較したところ、当該比較用ヒータランプ（１）には発熱体に溶断が生じ、ヒータランプ（１）に比して使用寿命が短いものであることが確認された。

更に、比較用ヒータランプ（１）と同様の仕様を有するヒータランプを１００本作製し、これらのヒータランプの特性を調べたところ、±８％の電力差が生じることが確認された。

＜比較例２＞
ヒータランプ（１）において、発熱体として、外径５〜４０μｍ（平均外径２０μｍ）のシルク繊維を複数本撚り合わせた、単位当たりの質量０．６ｇ／ｍの材料撚糸を８本用意し、これらの材料撚糸を更に撚り合わせることによって図８に示すような８本の材料撚糸５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ、５１Ｅ、５１Ｆ、５１Ｇ、５１Ｈよりなる撚糸束体５０を形成し、この撚糸束体５０を実施例（１）に係る炭化処理と同様の条件によって炭化処理したロープ状体よりなるものを用い、当該発熱体に応じた固定保持用の部材を用いて電流導入部を形成したことたこと以外はヒータランプ（１）と同様の構成を有するヒータランプ（以下、「比較用ヒータランプ（２）」ともいう。）を作製し、この比較用ヒータランプ（２）を、定格電圧１００Ｖ、消費電力２５０Ｗの条件で点灯させ、発熱体の表面温度分布を、当該発熱体から放射される光の相対強度を測定することによって測定した。結果を図６に曲線（ニ）として示す。
図６において、比較用ヒータランプ（２）に係る相対強度は、ヒータランプ（１）の測定において測定された最も大きな光強度を基準として１００％とした強度である。

また、この比較用ヒータランプ（２）を連続点灯させ、その使用寿命をヒータランプ（１）の使用寿命と比較したところ、当該比較用ヒータランプ（２）には発熱体に溶断が生じ、ヒータランプ（１）に比して使用寿命が短いものであることが確認された。

本発明のヒータランプの一例における構成の概略を示す説明図である。図１のヒータランプを構成する発熱体を、当該発熱体を固定支持すると共に電流導入部を形成する部材と共に示す説明図である。図２の発熱体の任意の断面の概略を示す説明図である。パイプ状の編込体を形成するための編込み方法を示す説明用断面図である。図２の発熱体を固定支持するための部材の構成を示す説明用断面図である。発熱体の表面におけるヒータランプの管軸方向の温度分布図である。比較例１に係るヒータランプを構成する発熱体を示す説明用斜視図である。比較例２に係るヒータランプを構成する発熱体を得るために作製される撚糸束体の任意の断面の概略を示す説明図である。

符号の説明

１０ヒータランプ
１２ガラスバルブ
１３ピンチシール部
１６導電性箔
１７外部リード棒
１９チップ部
２０発熱体
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇ、２２Ｈ素線
２３周壁
２４内部空間
２６スリーブ部材
２７給電用棒状部材
２７Ａ金属コイル
２７Ｂ棒状体
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ、３１Ｇ、３１Ｈ材料撚糸
４０発熱体
４１側辺部
５０撚糸束体
５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ、５１Ｅ、５１Ｆ、５１Ｇ、５１Ｈ材料撚糸

Claims

ガラスバルブ内に発熱体が配置されてなるヒータランプにおいて、
前記発熱体が、複数本の炭化繊維糸による撚糸を素線とし、４本以上の素線によって構成されてなるパイプ状の編紐体よりなることを特徴とするヒータランプ。
発熱体が、その両端部の各々において、発熱体の外周面に装着されたスリーブ部材と、当該発熱体の内部に挿入された、金属コイルが巻回されてなるコイル巻回部を有する給電用棒状部材とに挟持されることによって固定保持されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータランプ。