JP2007035656A - ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータを従来より高い温度で使用できるようにする。
【解決手段】クロムおよびアルミニウムを含有する金属製の発熱体（２）とこの発熱体（２）を密閉するカバー（３、５、６）との間に酸化物からなる電気絶縁材料（４）が充填され、前記発熱体（２）のリード線（７、８）が前記カバー（３、５、６）のうち電気絶縁体の部分（５、６）を貫通しているヒータにおいて、前記発熱体（２）の表面に酸化アルミニウムの酸化膜が形成されていること。さらに、前記カバー（３、５、６）のうち前記電気絶縁体の部分（５、６）以外の部分がニッケルおよびクロムを含有するシース用金属パイプ（３）であり、このシース用金属パイプ（３）の表面に酸化膜が形成されていること。これにより、ヒータを塑性成形の金型等に使用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シーズヒータ、カートリッジヒータ等に関するものであり、特に、シーズヒータ、カートリッジヒータ等を従来より高温で使用可能にする技術に関するものである。

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酸化マグネシウム等の酸化物からなる電気絶縁材料を備えている。前記カバーは金属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、前記発熱体にジュール熱が発生する。
通常、ニッケル、クロムおよび鉄が前記発熱体およびカバーのうち金属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部分が酸化する。この酸化により密封されたヒータ内の残存空気中の酸素および前記電気絶縁材料の酸素が奪われるので、密封された前記カバーの内部が減圧する。この減圧により、前記発熱体およびカバーのうち金属部分のニッケル、クロムおよび鉄の成分の蒸発・飛散が加速される。
その際、ニッケル・クロム・鉄系の発熱体および前記カバーの金属部分では、高温使用によりその表面に酸化クロムが形成され、前記酸化クロム、クロム、ニッケルおよび鉄が蒸発して前記電気絶縁材料中に拡散する。

このため、前記電気絶縁材料の還元反応と、前記発熱体および前記カバーの金属部分から蒸発して遊離した導電性あるクロム、酸化クロム、ニッケルおよび鉄の前記電気絶縁材料への飛散による前記電気絶縁材料のいわゆる黒化現象とが発生し、加速度的に前記電気絶縁材料の絶縁抵抗が劣化する。
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部分に局部的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、前記クロム、ニッケルおよび鉄の成分の遊離により細くなった発熱体が断線するおそれがあるとともに、前記カバーの溶断・破裂が発生するおそれがあるという問題がある。

本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を従来より高温で使用可能とすることである。

本発明では、クロムおよびアルミニウム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アルミニウムからなる酸化膜が形成されているので、この酸化アルミニウムからなる酸化膜により前記発熱体の表面が電気的に絶縁されるとともに、この酸化膜により前記発熱体の発熱状態において前記発熱体からクロム等の蒸気が発生することが少なくなる。このため、前記発熱体から蒸発して遊離した導電性あるクロム等の前記電気絶縁材料への飛散による前記電気絶縁材料のいわゆる黒化現象が少なくなるとともに、クロム等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絶縁抵抗の劣化が少なくなる。

さらに、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およびクロムを含む金属部分であるので、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部分の温度が上昇してこの部分からニッケルおよびクロムの蒸気が発生することが少なくなる。このため、前記カバーのうち金属部分から蒸発して遊離した導電性あるクロムおよびニッケルの前記電気絶縁材料への飛散による前記電気絶縁材料のいわゆる黒化現象が少なくなるとともに、このニッケルおよびクロム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絶縁抵抗の劣化が少なくなる。

さらに、前記発熱体の表面に形成された電気絶縁性酸化膜により、前記発熱体が螺旋状に巻かれた線状に形成されるときに、前記発熱体の巻きピッチを狭くすることができる。このため、発熱体を所定の抵抗値にするときに、発熱体の径を大きくし、それに応じて発熱体の長さを長くすることにより、発熱体の断線を少なくすることができる。

さらに、発熱体の径を大きくすることにより、発熱体の表面の単位面積当りの発熱量が小さくなるので、発熱体から前記カバーに熱が伝わり易くなる結果、発熱体の表面の温度に対する発熱体の中心の温度上昇が少なくなるので、発熱体の断線を少なくすることができる。
なお、この場合、発熱体の電流密度および発熱体の表面の単位面積当りの発熱量（発熱体の表面負荷密度）をそれぞれ従来の約半分にすることができる。
さらに、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およびクロムを含むシース用筒状金属部分であり、このシース用筒状金属部分の表面に酸化膜が形成されると、発熱体とこのシース用筒状金属部分との間に電気絶縁材料を充填することが容易になる。

さらに、前記シース用筒状金属部分が円筒状であると、発熱体とこのシース用筒状金属部分との間に電気絶縁材料を充填して、発熱体とこのシース用筒状金属部分との間の電気的絶縁を確保することが一層容易になる。

以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明の第１の実施の形態に係るシーズヒータの正面を一部分切り欠いて示し、第２図は第１図に示すものの左側面を示す。
第１図において、シーズヒータ１は、螺旋状等の線状のクロムおよびアルミニウムを含有する金属製の発熱体２、この発熱体２を覆うニッケルおよびクロムを含有するシース用の金属製のパイプ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。なお、パイプ３と第１および第２の鉛ガラス５、６とが、カバーを構成する。

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アルミニウムの酸化膜が形成され、パイプ３の表面には酸化クロム等の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、第２図に示すように、パイプ３は円筒状である。

第１の実施の形態に係るシーズヒータ１の製造方法は以下のとおりである。
まず、シース用の金属性のパイプ３を用意する。パイプ３の材質は、たとえばインコロイ８００（商品名）である。インコロイ８００は、重量比でニッケルとコバルトとの合計量を３０〜３５％、クロムを１９〜２３％、鉄を３９．５％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の寸法は、たとえば外形７．５mmφ、長さ１０００mmである。

パイプ３を電気炉により１１００℃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。パイプ３の表面に形成された酸化膜は、酸化クロム等を含むものである。
つぎに、線状の発熱体２を用意する。発熱体２は、たとえば鉄・クロム・アルミニウム系合金である。具体的には、発熱体２の材質は、たとえばＪＩＳＦＣＨ−１のＮＴＫNo.３０（商品名）である。ＮＴＫNo.３０は、重量比でクロムを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、たとえば、径が０．８mmφであり、長さが６４００mmである。

発熱体２をたとえば巻芯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。このため、線状の発熱体２をコイル状に巻いたときに、巻きピッチを従来より狭くすることができるので、一定の範囲に巻くことができる発熱体２の長さを長くすることができるとともに、発熱体２の径を大きくすることができる。また、抵抗値は、発熱体２の長さに比例し、発熱体２の断面積に反比例する。このため、一定の範囲に巻くことができる一定の抵抗値の発熱体２の断線を少なくすることができる。
つぎに、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する。その後に、常温にてプレス等によりパイプ３を圧延して、パイプ３の減径を行って、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。前記パイプ３の圧延減径により、電気絶縁材料４の密度を高くすることができるので、電気絶縁材料４の熱伝導度を向上させることができる。このため、発熱体２の温度がパイプ３の温度より異常に高くなることを防ぐことができ、発熱体２の温度が高くなることによる発熱体２の断線を少なくすることができる。

このシーズヒータ１の未完成品を８５０℃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の両端部分を第１および第２の鉛ガラス５、６で完全に封口し、第１および第２のリード線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。このため、シーズヒータ１は、カバーとなるパイプ３および第１および第２の鉛ガラス５、６により密封されている。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。
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。

つぎに、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線状の発熱体で試作したシーズヒータ）についても測定したので、対比して下の表１に示す。なお、表１および後述する表２において、「実施品」は発明の実施品であるシーズヒータ１である。

同様にして、パイプ３の表面温度を変えた場合の絶縁抵抗を測定すると、表２のようになった。

上述のようにパイプ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、電気絶縁材料４の絶縁の劣化が少なくなるので、シーズヒータ１を超高温域（９００ないし１１００℃）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。なお、上記表１および表２の効果は、後述するカートリッジヒータ１１においても同様である。
第３図は、本発明の第２の実施の形態に係るカートリッジヒータのリード線側を拡大して示し、第４図は第３図のIV−IV断面構造を若干縮小して示し、第５図は第４図のV−V断面構造を拡大して示し、第６図は第４図のVI−VI断面構造を拡大して示している。
第３図に示すように、カートリッジヒータ１１において、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。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り、後述する発熱体１２のリード線である。
第４図に示すように、カートリッジヒータ１１は、セラミックコア１３に螺旋状に巻いたコイル状の発熱体１２に第１および第２のリード線１９、２０（第３図参照）を接続したものをシース用の金属製のパイプ１４（底板１４ａが溶接されている。）内に入れた状態で、電気絶縁材料１５をパイプ１４内に充填し、鉛ガラス１６でパイプ１４のリード線１９、２０の出口部分を封止したものである。

なお、第４図は、第３図の第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第４図のかっこ内に示す。
第６図に示すように、４本の貫通孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄがセラミックコア１３内にて平行に形成されている。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２０ａは貫通孔１３ｃを挿通し、撚り線２０ｂは貫通孔１３ｄを挿通している。撚り線１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは電気的接続用の導電性のものである。

第４図に示すように、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、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（第５図参照）。
撚り線１９ａ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１２の図示右端部分１２ａに接続されている。
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１２ｂに接続されている。
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。

第２の実施の形態に係るカートリッジヒータ１１の製造方法は以下のとおりである。
まず、パイプ１４を用意する。パイプ１４は、たとえば材質がインコロイ８００であり、外径が１２mmφであり、長さが１２０mmである。このパイプ１４の図４における右端部分にパイプ１４と同じ材質の底板１４ａを溶接し、電気炉により１１００℃にて１．５時間加熱して、パイプ１４および底板１４ａの表面に酸化膜を形成する。
つぎに、発熱体１２を用意する。発熱体１２の具体的材質は、たとえばカンタル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（たとえば５ないし６mmφ、長さ６０mm）の外周に線状（たとえば外径０．３mmφ）の発熱体１２をたとえばピッチ０．４mm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３時間加熱し、発熱体１２の表面に酸化膜を形成する。この場合の酸化膜は、その材質が酸化アルミニウムであるので、電気絶縁体である。そして、第１および第２のリード線１９、２０を上述の撚り線１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを用いて発熱体１２に接続する。

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１０−０．０５mmφまで研磨する。
つぎに、電気炉により８５０℃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の出口部分を鉛ガラス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（第４図参照）。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（第３図参照）。
このようにして、カートリッジヒータ１１（たとえば直径Ｍが１０mmであり、長さＮが１２０mmであり、定格が１２０ボルト、４００ワットである。）を製作した。

第７図はカートリッジヒータ１１を使用する金型を縮小して示し、第８図はカートリッジヒータ１１の特性の測定方法を示す。
第７図および第８図において、金型２１の寸法は、内径Ｔ（金型２１の中心の貫通孔２２の径）が５０mmφであり、外径Ｑが１１０mmφであり（第７図参照）、長さＰが９０ｍｍである（第８図参照）。第７図に示すように、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。
その各貫通孔２３にカートリッジヒータ１１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、第８図においては、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２００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。
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は設定温度をたとえば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１０００℃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。
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。
なお、上記実施の形態において、カバーのシース用金属部分の断面は、円形であるが、これに限定されることなく、カバーのシース用金属部分の断面をたとえば、六角形、八角形等の多角形、楕円形等とすることができる。また、上記実施の形態において、シース用金属部分の内部に一つのヒータを設置しているが、これに限定されることなく、シース用金属部分の内部に複数の発熱体を並列に設置するようにしてもよい。

以上のように、本発明に係るヒータは、従来より高温の１１００℃で使用できるので、ヒータを従来より高い温度に加熱する用途に使用できるようにするとともに、ヒータの寿命を延ばすことに役立つものである。
このため、本発明に係るヒータは、塑性成形の金型、半導体ウェーハ製造工程、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、金属の焼入れおよび焼戻し用電気炉、液晶パネルのガラス板を熱処理する焼成炉、ヒータ付きの電子レンジ、複写機等に使用できる。

本発明の第１の実施の形態に係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。 第１図に示すものの左側面を示す側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係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。 第３図のIV−IV断面構造を若干縮小して示す断面図である。 第４図のV−V断面構造を拡大して示す断面図である。 第４図のVI−VI断面構造を拡大して示す断面図である。 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。 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。

Claims (5)

1. クロムおよびアルミニウムを含有する金属製の発熱体（２、１２）とこの発熱体（２、１２）を密閉するカバー（３、５、６、１４、１４ａ、１６）との間に酸化物からなる電気絶縁材料（４、１５）が充填され、前記発熱体（２、１２）のリード線（７、８、１９、２０）が前記カバー（３、５、６、１４、１４ａ、１６）のうち電気絶縁体の部分（５、６、１６）を貫通しているヒータにおいて、前記発熱体（２、１２）の表面に酸化アルミニウムからなる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１に記載したヒータにおいて、前記カバー（３、５、６、１４、１４ａ、１６）のうち前記電気絶縁体の部分（５、６、１６）以外の部分（３、１４、１４ａ）がニッケルおよびクロムを含む金属部分であり、この金属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ヒータ。
3. 請求項１に記載したヒータにおいて、前記発熱体（２、１２）が螺旋状に巻かれている線状に形成されていることを特徴とするヒータ。
4. 請求項２に記載したヒータにおいて、前記カバー（３、５、６、１４、１４ａ、１６）のうち前記電気絶縁体の部分（５、６、１６）以外の部分（３、１４、１４ａ）が筒状であり、この筒状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ヒータ。
5. 請求項４に記載したヒータにおいて、前記カバー（３、５、６、１４、１４ａ、１６）のうち前記電気絶縁体の部分（５、６、１６）以外の部分（３、１４、１４ａ）が円筒状であり、この円筒状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ヒータ。
   

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