JP2006100024A

JP2006100024A - ヒータ

Info

Publication number: JP2006100024A
Application number: JP2004282004A
Authority: JP
Inventors: Akira Koike; 明小池; Yuichi Kimura; 裕一木村
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】ガラス管を介して液体に伝わる熱伝導を極力抑制することによって、エネルギー効率の良いヒータを提供する。
【解決手段】ガラス管２内に封入されたカーボンワイヤー発熱体３と、前記カーボンワイヤー発熱体３に電力を供給する二つの封止端子部４とを備え、前記封止端子部４近傍のガラス管２ｂの内径が、前記ガラス管の他部分２ｃの内径より小さく形成され、かつカーボンワイヤー発熱体３が、弛むことなく封止端子部４，４間に形成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明はヒータに関し、より詳細にはカーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータに関する。

カーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータとして、本願出願人は、例えば、特許文献１（特開２０００−２２８２７１号公報）に記載されたヒータを提案している。このカーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータは、金属ヒータと比較した場合、赤外線の発生割合が多いという特徴がある。

この提案したヒータについて、図７乃至図９に基づいて説明する。このヒータ３０は、大径ガラス管３１と、前記大径ガラス管３１と融着してあるいは溶接して一体化する、封止端子部４０を構成するガラス管３２と、前記大径ガラス管３１の内部に固定、収納されるＵ字状の小径のガラス管３３と、前記小径のガラス管３３の内部に収納されるカーボンワイヤー発熱体３４とを備えている。また、前記小径のガラス管３３の両端部３３ａ、３３ｂにはカーボンワイヤーＡが圧縮収納されている。

前記封止端子部４０を構成するガラス管３２は、大径ガラス管３１との融着側から、石英ガラス部３２ａ、グレイデッド（Graded）シール部３２ｂ、タングステン（Ｗ）ガラス部３２ｃによって構成されている。
また、前記カーボンワイヤー発熱体３４に電力を供給するタングステン（Ｗ）からなる接続線３５ａ、３５ｂはカーボンワイヤーＡに接続されると共に、前記ガラス管３２のピンチシール部３２ｄでピンチシールされている。

このヒータを製造するには、先ず、前記Ｕ字状の小径のガラス管３３の内部にカーボンワイヤー発熱体３４及びカーボンワイヤーＡを収納した後、大径ガラス管３１に対して固定部３６を介して取り付ける。一方、ガラス管３２に接続線３５ａ，３５ｂをピンチシールすることによって、封止端子部４０を製作する。
そして、前記ガラス管３２の開放端部と大径ガラス管３１の開放端部と合わせ、内部を減圧状態しながら溶着することによって、前記ヒータは製造される。

このヒータ３０にあっては、前記したようにガラス管３３の内部にカーボンワイヤー発熱体３４及びカーボンワイヤーＡを収納した後、大径ガラス管３１に対して、固定部３６を介して取り付けるため、製造が複雑であるという問題があった。

かかる問題を解決したヒータとして、図９に示すヒータが考えられる。尚、図９中、図７、図８に示された部材と同一または相当する部材は同一の符号を付する。
このヒータは、図７、図８に示された大径ガラス管３１を省略し、小径のガラス管３３の両端部に大径のガラス管部３３Ａ，３３Ｂを取付け、このガラス管３３Ａ，３３Ｂに、接続線３５ａ，３５ｂをピンチシールしたガラス管３２Ａ、３２Ｂを溶着したものである。したがって、前記した図７、図８に示したヒータのように、カーボンワイヤー発熱体３４及びカーボンワイヤーＡを収納した小径のガラス管３３を、大径ガラス管３１に対して固定部３６を介して取り付ける必要がなく、容易に製造することができる。
特開２０００−２２８２７１号公報

ところで、カーボンワイヤー発熱体は、カーボンワイヤー発熱体の温度が低くなると抵抗値が大きくなり、温度が高くなると抵抗値が低くなるという特質を有している。
したがって、このヒータを特に液体加熱用とした場合、温度の低い液体中に入れた際、カーボンワイヤー発熱体がガラス管に接していると、カーボンワイヤー発熱体の熱が、熱伝導によりガラス管を介して液体側に奪われる。その結果、カーボンワイヤー発熱体の抵抗が大きくなり、一定電圧の場合、流れる電流が小さくなる。
このように、カーボンワイヤー発熱体を流れる電流が小さくなるため、カーボンワイヤー発熱体の赤外線の発熱量は小さくなり、カーボンワイヤー発熱体温度（ヒータ温度）は低い値で均衡状態となる。

それ故、低い温度の液体中で、通常の環境（例えば、２０℃の大気中）における赤外線と同量の赤外線を発生させようとすれば、通常の環境よりも大きな電圧が必要であり、言い換えれば、大きな電力を必要とし、液体を加熱する際のエネルギー効率が悪いという技術的課題があった。

本発明は、上記した技術的課題を解決するためになされたものであり、ガラス管を介して液体に伝わる熱伝導を極力抑制することによって、エネルギー効率の良いヒータを提供することを目的とするものである。

上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかるヒータは、ガラス管内に封入されたカーボンワイヤー発熱体と、前記カーボンワイヤー発熱体に電力を供給する接続線を有する二つの封止端子部とを備え、前記封止端子部近傍の前記ガラス管の内径が、ガラス管の他部分の内径より小さく形成され、かつカーボンワイヤー発熱体が、弛むことなく封止端子部間に張設されていることを特徴としている。

このように、本発明にかかるヒータは、封止端子部近傍においてカーボンワイヤー発熱体はガラス管と接触し、他の部分ではカーボンワイヤー発熱体とガラス管との間には空間が存在し、両者は接触していないように構成されている。
したがって、熱伝導によりガラス管を介して液体側に奪われるカーボンワイヤー発熱体の熱を極力抑制でき、カーボンワイヤー発熱体の抵抗が増大するのを抑制できる。
その結果、カーボンワイヤー発熱体を流れる電流の減少を抑制でき、エネルギー効率の悪化を抑制できる。

ここで、前記封止端子部近傍のガラス管の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．１倍以上１．５倍未満に形成されていることが望ましい。
このように、封止端子部近傍のガラス管の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．１倍以上１．５倍未満に形成されているのは、ガラス管の内壁がカーボンワイヤー発熱体と接触し、カーボンワイヤー発熱体が弛まないようにカーボンワイヤー発熱体を支持するためである。１．１倍未満ではガラス管内にカーボンワイヤー発熱体を挿入あるいは封入する際に、当該発熱体を構成するカーボンワイヤーの部分的な切断が生じ、劣化が進行し易い傾向にある。

また、前記ガラス管の他部分の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．５倍以上に形成されていることが望ましい。
このように、ガラス管の他部分の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．５倍以上に形成されているのは、カーボンワイヤー発熱体がガラス管の内壁と接触しないようにするためである。即ち、両者の間に空間部を形成し、熱伝導によりガラス管を介して被加熱体（例えば、液体）側に奪われるカーボンワイヤー発熱体の熱を極力抑制するためである。

また、前記二つの封止端子部間のガラス管に少なくとも一つの屈曲部が形成され、前記屈曲部の内径が前記ガラス管の他部分の内径より小さく形成されていることが望ましい。このように、屈曲部の内径が前記ガラス管の他部分の内径より小さく形成されているのは、ガラス管の内壁がカーボンワイヤー発熱体と接触し、カーボンワイヤー発熱体を支持するためである。
なお、前記屈曲部の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．１倍以上１．５未満に形成されていることが望ましい。

以上のように本発明にかかるヒータは、カーボンワイヤー発熱体を収納しているガラス管との接触部分が少ないため、熱伝導によってカーボンワイヤー発熱体から被加熱体側に熱が奪われるのを抑制でき、カーボンワイヤー発熱体の抵抗が増大するのを抑制できる。その結果、カーボンワイヤー発熱体の赤外線の発熱量を維持でき、エネルギー効率の悪化を抑制できる。本発明にかかるヒータは、特に、液体加熱用ヒータとしてより有益なものである。

以下に、本発明を図面を参照して更に詳細に説明する。なお、図１は、本発明にかかるヒータの実施形態を示す一部断面図であり、図２は、図１の封止端子部示す断面図、図３は、カーボンワイヤー発熱体と接続線との接続状態を示す図であって、（ａ）は縦断面図（ｂ）は、横断面図、図４はカーボンワイヤーを示す図、図５は図１の断面図であって、図１のＡ−Ａ断面図、図１のＢ−Ｂ断面図、図６は本発明の実施形態の変形例を示す図である。

以下、本発明に係るヒータについて、より好ましい液体加熱用ヒータとして説明する。
図１に示した液体加熱ヒータ１は、Ｕ字状のガラス管２内に封入されたカーボンワイヤー発熱体３と、前記カーボンワイヤー発熱体３に電力を供給する接続線５を有する二つの封止端子部４とを備えている。

前記ガラス管２は、大径部２ａと、大径部２ａに続いて形成された小径部２ｂと、小径部２ｂよりも大きな内径で、前記小径部２ｂに続いて形成されたヒータ部２ｃと、前記ヒータ部２ｃに続いて形成された、小径の屈曲部２ｄとを備えている。

前記小径部２ｂ及び屈曲部２ｄの内径は、小径部２ｂ及び屈曲部２ｄにおいてカーボンワイヤー発熱体３がガラス管２の内壁と接触する寸法に設定される。一方、ヒータ部２ｃの内径は、カーボンワイヤー発熱体３がガラス管２に接触せず、両者の間に空間が形成される寸法に設定される。
即ち、前記小径部２ｂ及び屈曲部２ｄにおいて、カーボンワイヤー発熱体３を支持することによって、ヒータ部２ｃにおけるカーボンワイヤー発熱体３をガラス管２に接触させることなくかつ弛ませないようにする。
具体的には、図５（ｂ）に示すように、前記小径部２ｂ及び屈曲部２ｄの内径Ｄ_Bは、カーボンワイヤー発熱体３の直径ｄの１．１倍以上１．５倍未満に形成されている。

また、ヒータ部２ｃの内径Ｄ_Aは、図５（ａ）に示すように、カーボンワイヤー発熱体３がガラス管２の内壁に接触しないように大径であることが望ましく、少なくともカーボンワイヤー発熱体３の直径の１．５倍以上に形成される。
更に、大径部２ａの内径は、特に制限されるものでなく、封止端子部の寸法形状によって特定される。

また、図２，３に示すように、封止端子部４は、カーボンワイヤー発熱体３と接続線５とを接続するワイヤーカーボン材７と、前記ワイヤーカーボン材７が圧縮収納するガラス筒６と、前記ガラス筒６を収納すると共に、ガラス管２の大径部２ａの開放端部と溶着される封止ガラス管８とを備えている。

前記接続線５は、カーボンワイヤー発熱体３に電力を供給するものであって、Ｍｏ（モリブデン）、あるいはＷ（タングステン）棒からなり、その直径は１ｍｍ乃至３ｍｍに形成されている。
前記接続線５の直径は、必要に応じて適宜選択することができるが、直径が小さすぎる場合には、大きな電気抵抗となるため好ましくない。また直径が大きすぎる場合には、端子自体が大きくなるため好ましくない。なお、接続線５は、ガラス筒６内に圧縮収納されているワイヤーカーボン材７に容易に接続ができるように、その先端部は尖っている。

また、封止ガラス管８は、従来の場合と同様に、石英ガラス部、グレイデッドシール部、タングステンガラス部によって構成されて、タングステンガラス部によって接続線５をピンチングシールしている。

前記カーボンワイヤー発熱体３としては、図４に示すような複数本のカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束用いてワイヤー状に編み込んだもの等が用いられる。
このカーボンワイヤー発熱体３はガラス管２の内部を挿通させ、図１、図２に示すように、その大径部２ａまで延設される。
また、前記ガラス筒６には、図１、２、３に示すような複数本のワイヤーカーボン材Ａが圧縮収納され、図３（ｂ）に示すように、前記カーボンワイヤー発熱体３は、圧縮収納された複数本のワイヤーカーボン材７の中に圧縮された状態で埋設される。

前記カーボンワイヤー発熱体３の具体例としては、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバーを３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を９束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度であり、カーボンファイバーによる表面の毛羽立ちは０．５乃至２．５ｍｍ程度である。なお、前記毛羽立ちとは、図４の符号ａに示すような、カーボンファイバーが切断されたものの一部が、カーボンワイヤーの外周面から突出したものである。

また、ワイヤーカーボン材７の具体例について説明すると、前記したカーボンワイヤー発熱体３と同様な、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバーを３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を９束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度であり、カーボンファイバーによる表面の毛羽立ちは０．５乃至２．５ｍｍ程度である。なお、前記毛羽立ちとは、図３の符号ａに示すような、カーボンファイバーが切断されたものの一部が、カーボンワイヤーの外周面から突出したものである。

前記ワイヤーカーボン材７は、カーボンワイヤー発熱体３と同一もしくは、少なくともカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数編み上げてなる編紐あるいは組紐形状である点において同等の構成材料からなるのが好ましい。なお、同一の構成材料とは、カーボンファイバー直径、カーボンファイバーの束ねた本数、ファイバー束を束ねる束数、編み込み方、編み込みスパン長さ、毛羽立ち長さ、材質が同一であることが好ましい。

この液体加熱用ヒータは、以下のようにして製造される。
まず、ガラス管２内にカーボンワイヤー発熱体３を収納し、大径部２ａから外部に引き出す。引き出されたカーボンワイヤー発熱体３の端部を、ガラス筒６内に圧縮収納されたワイヤーカーボン材７内に埋設すると共に、前記ガラス管２内にガラス筒６を収納する。このとき、カーボンワイヤー発熱体３に所定の引張力作用させ、ヒータ部２ｃにおいて、カーボンワイヤー発熱体３が弛むことなく、またヒータ部２ｃのガラス管に接触が無いように、カーボンワイヤー発熱体３を取り付ける。

その後、接続線５をワイヤーカーボン材７に突き刺しながら、封止ガラス部８の開放端部とガラス管２の開放端部を合わせ、窒素ガス等を流しながら、酸水素バーナーで溶接する。最終的に、前記図示しない枝管から、ガラス管２及び封止ガラス管８内を１ｔｏｒｒもしくは２ｔｏｒｒ以下で減圧した後に、この枝管の接続側端部を酸水素バーナーで加熱し封じると共に、枝管を除去する。

このように構成された液体加熱ヒータは、封止端子部近傍の小径部２ｂ、また屈曲部２ｄにおいてカーボンワイヤー発熱体３はガラス管２と接触し、その内壁でカーボンワイヤー発熱体３を支持するように構成されている。一方、ヒータ部２ｃではカーボンワイヤー発熱体３とガラス管２との間には空間が存在し、カーボンワイヤ−発熱体３はガラス管２の内壁に接触しないように構成されている。
したがって、ヒータ部２ｃにおいては、カーボンワイヤー発熱体３はガラス管２の内壁に接触していないため、熱伝導によりガラス管２を介して液体側に奪われるカーボンワイヤー発熱体３の熱を極力抑制でき、カーボンワイヤー発熱体３の抵抗が増大するのを抑制できる。その結果、カーボンワイヤー発熱体３を流れる電流の減少を抑制でき、エネルギー効率の悪化を抑制できる。

なお、上記実施形態にあっては屈曲部２ｄが一つのヒータを示したが、図６に示すようにヒータ部２ｃを螺旋状に形成することによって、屈曲部２ｄが複数形成されたヒータであっても良い。なお、図６において、図１乃至図５に示された部材と同一または相当する部材は同一符号を付する。

以上の説明から明らかなように、本発明にかかるヒータは、半導体製造用以外に広く、特には液体を加熱するヒータとして好適に用いることができる。

図１は、本発明にかかるヒータの実施形態を示す一部断面図である。図２は、図１の封止端子部示す断面図である。図３は、カーボンワイヤー発熱体と接続線との接続状態を示す図であって、（ａ）は縦断面図（ｂ）は、横断面図である。図４はカーボンワイヤーを示す図である。図５は図１の断面図であって、図１のＡ−Ａ断面図、図１のＢ−Ｂ断面図である。図６は本発明の実施形態の変形例を示す図である。図７は従来のヒータを示す図である。図８は図７に示したヒータの封止端子部の斜視図である。図９は従来のヒータを改良したヒータを示す一部断面図である。

符号の説明

１ヒータ
２ガラス管
２ｂ小径部
２ｃヒータ部
２ｄ屈曲部
３カーボンワイヤー発熱体
４封止端子部
５接続線
６ガラス筒
７ワイヤーカーボン材
Ｄ_A ヒータ部内径
Ｄ_B 小径部内径、屈曲部内径
ｄカーボンワイヤー発熱体の直径

Claims

ガラス管内に封入されたカーボンワイヤー発熱体と、前記カーボンワイヤー発熱体に電力を供給する接続線を有する二つの封止端子部とを備え、
前記封止端子部近傍の前記ガラス管の内径が、ガラス管の他部分の内径より小さく形成され、かつカーボンワイヤー発熱体が、弛むことなく封止端子部間に張設されていることを特徴とするヒータ。
前記封止端子部近傍のガラス管の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．１倍以上１．５倍未満に形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
前記ガラス管の他部分の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．５倍以上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
前記二つの封止端子部間のガラス管に少なくとも一つの屈曲部が形成され、前記屈曲部の内径が前記ガラス管の他部分の内径より小さく形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載されたヒータ。
前記屈曲部の内径が、カーボンワイヤー発熱体の直径の１．１倍以上１．５未満に形成されていることを特徴とする請求項４に記載されたヒータ。