JP2007087721A - ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ツヅラ状に形成されたガラス管内にカーボンワイヤー発熱体が封入されたヒータにおいて、カーボンワイヤー（発熱体）の間のピッチ間隔を狭めることができ、より均一な加熱を行なうことができるヒータを提供する。
【解決手段】 一の端子部３ｂから延設されたツヅラ状のガラス管２の第一の屈曲部２ａ〜２ｅが、第一の直線部２Ａ１と同一平面状に形成され、他の端子部３ａから延設されたツヅラ状のガラス管の第二の屈曲部２ｈ〜２ｌが、第二の直線部２Ａ２から傾斜して下方に形成され、前記第一の屈曲部２ａ〜２ｅが第二の屈曲部２ｈ〜２ｌより外側に位置すると共に、前記第二の直線部２Ａ２の間に第一の直線部２Ａ１が位置するように構成されている
【選択図】 図１

Description

本発明はヒータに関し、例えばシリカガラス管内にカーボンワイヤー発熱体が封入されたヒータに関する。

特許文献１に記載されているように、加熱源としてカーボンワイヤー発熱体を用い、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が知られている。
このヒータは、所定の形状に屈曲させた石英ガラス管の内部に、線状のカーボンワイヤー発熱体を収容、封入したものであって、クリーンで高速昇温に優れたヒータとしての特徴を備えている。

このカーボンワイヤー発熱体を封入したヒータの概略構成の一例を図１２に基づいて説明する。示す。このヒータ２０は、石英ガラス管２１を屈曲させることによって石英ガラス管２１をツヅラ状に形成し、更にその石英ガラス管２１の内部にカーボンワイヤー発熱体（図示せず）を配設したものであり、前記石英ガラス管２１の両端部には、端子部２２が取り付けられている。
特開２００４−６２２８号公報

ところで、前記石英ガラス管２１は、加熱して屈曲させることによってツヅラ状に形成される。この屈曲部２１ａの曲げ半径は、石英ガラス管２１の外径または内径と肉厚とにより決定される。即ち、図１３に示すように最小曲げ半径以下の半径で屈曲させると、屈曲部２１ａが潰れ、カーボンワイヤー発熱体を石英ガラス管２１内部に挿通させることができないという技術的課題があった。
具体的に説明すると、図１４に示すように、石英ガラス管２１の肉厚ｔが１．２ｍｍ、内径ｒが直径５ｍｍとすると、屈曲部２１ａに潰れが生じない屈曲部の最小曲げ半径Ｒは、８ｍｍ程度である。したがって、このヒータのカーボンワイヤー（発熱体）の間の最小ピッチＰ１は、１６ｍｍとなる。

この条件で、図１２に示すような平面加熱を目的としたツヅラ状のヒータを製作すると、前記したようにカーボンワイヤー発熱体間のピッチ間隔が１６ｍｍのヒータとなる。
このヒータを用いて、被加熱体を加熱した場合の表面温度分布を示すと図１５にようになる。この図１５において、符号２３は被加熱体であって、カーボンワイヤー発熱体Ｗの間のピッチに対応した温度分布が現れる。即ち、カーボンワイヤー発熱体Ｗの配設位置に対応し位置に高温部が現れ、カーボンワイヤー発熱体Ｗの間に対応した位置に低温部が現れ、そのピッチ間隔が１６ｍｍとなる。
したがって、このヒータにあっては，前記したように高温部と低温部が所定のピッチで現れるため、均一に加熱することができないという技術的課題があった。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体が封入されたヒータにおいて、カーボンワイヤー発熱体の間のピッチ間隔を狭めることができ、より均一な加熱を行なうことができるヒータを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかるヒータにあっては、直線部と屈曲部とが交互に形成されたツヅラ状のガラス管内にカーボンワイヤー発熱体が封入されたヒータにおいて、一の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第一の屈曲部が、第一の直線部と同一平面状に形成され、他の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第二の屈曲部が、第二の直線部から傾斜して下方に形成され、前記第一の屈曲部が第二の屈曲部より外側に位置すると共に、前記第二の直線部の間に第一の直線部が位置するように構成されていることを特徴としている。

このように、前記第二の直線部の間に第一の直線部が位置するように構成されているため、直線部間のピッチ間隔を狭くでき（カーボンワイヤー発熱体のピッチ間隔を狭くでき）、より均一に加熱することができる。また、第二の屈曲部が第二の直線部から傾斜して下方に形成されているため、第一の直線部と干渉することがなく、第二の直線部の間に第一の直線部を配置することができる。

ここで、一の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第一の屈曲部が、第一の直線部と同一平面状に形成されると共に、最後に位置する直線部から屈曲部を介して一の端子部側に向かう第一の反転部が形成され、かつ他の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第二の屈曲部が、第二の直線部から傾斜して下方に形成されると共に、最後に位置する直線部から屈曲部を介して他の端子部側に向かう第二の反転部が形成され、前記第一の反転部と第二の反転部とが結合されていることが望ましい。

このように、前記第一の反転部と第二の反転部とを結合することによって、一のツヅラ状のガラス管と他のツヅラ状のガラス管とを一体化しているため、本発明にかかるヒータを容易に製作することができる。

また、前記第二の屈曲部は、第二の直線部から傾斜して、前記第二の直線部からガラス管の外径以上の寸法をもって、下方に形成されていることが望ましい。このように第一の直線部と第二の直線部とを略同一平面状に配置することができる。

更に、第一の直線部が、第二の直線部の中間に位置することが望ましく、このように位置させることにより、より均一に加熱させることができる。
また、前記第一の屈曲部及び第二の屈曲部が、最小曲げ半径で屈曲していることが望ましい。このように第一の屈曲部及び第二の屈曲部が最小曲げ半径で屈曲させることにより、ガラス管に変形が生じることなく、しかも第一の直線部及び第二の直線部を密に配置することができ、より均一に加熱させることができる。

以上のように本発明によれば、ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体が封入されたヒータにおいて、カーボンワイヤー発熱体の間のピッチ間隔を狭めることができ、より均一な加熱を行なうことができるヒータを得ることができる。

本発明にかかるヒータの一実施形態について、図１乃至図４に基づいて説明する。尚、図１は一実施形態にかかるヒータの斜視図、図２はこのヒータの製造方法を示す図、図３は、カーボンワイヤー発熱体の概念図、図４は、図１に示したヒータを用いた場合の被加熱体の表面温度分布を示す図である。

図１に示すように、このヒータ１は、例えば、シリカ質のガラス管２を屈曲させることによってガラス管２をツヅラ状に形成し、更にそのガラス管２の内部にカーボンワイヤーＷ（図示せず）を配設したものであって、前記ガラス管２の両端部に端子部３ａ，３ｂが取り付けられている。

特に、このヒータ１はガラス管２のツヅラ状の屈曲に特徴があり、このガラス管２の屈曲について、図１及び図２について説明する。
図１に示すガラス管２は、二つのガラス管を結合したものであって、具体的には、図２（ａ）に示したガラス管と図２（ｂ）に示したガラス管とが結合し、一体化したものである。

具体的には、図２（ａ）に示すように、一のガラス管２は、端子部３ｂから直線状に延設された直線部２Ａ１と、前記直線部２Ａ１と同一平面状で屈曲する屈曲部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅと、最後に位置する直線部２Ａ１から屈曲部２ｆを介して端子部３ｂ側に向かう反転部２ｇとで構成されている。
なお、この屈曲部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ、２ｆは、前記屈曲部に潰れが生じない最小曲げ半径以上で屈曲している。

一方、他のガラス管２にあっては、図２（ｂ）に示すように、屈曲部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌは、直線状に延設された直線部２Ａ２と同一面に形成されておらず、下方に傾斜して屈曲している。即ち、この屈曲部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌの中心が、前記直線部２Ａ２からガラス管２の外径の寸法分、下方に位置するように、この屈曲部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌは傾斜して形成されている。
そして、最後に位置する直線部２Ａ２から屈曲部２ｍを介して、端子部３ａ側に向かう反転部２ｎが形成されている。
なお、この屈曲部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌ、２ｍは、前記屈曲部に潰れが生じない最小曲げ半径以上で屈曲している。

そして、図１に示すように、他のガラス管２の屈曲部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌの中心に、一のガラス管２の直線部２Ａ１の中心が位置するように配置される。即ち、前記一のガラス管２の屈曲部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、他のガラス管２の屈曲部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌよりも外側に位置するように配置される。
このとき、屈曲部部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌが直線部２Ａ２から傾斜して下方に形成されているため、直線部２Ａ１と干渉することがなく、直線部２Ａ２の間に直線部２Ａ１を配置することができる。また、屈曲部２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌの中心が、前記直線部２Ａ２からガラス管２の外径の寸法分、下方に位置するように形成されるため、前記直線部２Ａ１と直線部２Ａ２とを同一平面状に配置することができる。このように、直線部２Ａ１と直線部２Ａ２とを同一平面状に配置することにより、被加熱体からの距離を均一になすことができ、より均一に加熱することができる。

この状態において、一のガラス管２の反転部２ｇの先端部と、他のガラス管２の反転部２ｎの先端部とが融着し、一体化し、ガラス管２が形成されている。このように形成されたガラス管２の内部には、一端からカーボンワイヤーＷを挿入し、他端部から引き出すことによって、カーボンワイヤーＷが収容される。そして、ガラス管２の両端部に、端部に電極に付いた端子部３ａ，３ｂを融着し、ガラス管２の内部を密閉し、前記カーボンワイヤーＷを封入する。

ここで、前記カーボンワイヤー発熱体Ｗは、図３に示すように、極細いカーボン長繊維を束ねたカーボン繊維束を、編紐形状、あるいは組紐形状に複数束編み上げて作製したものであり、非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れている。また、細いカーボン長繊維の繊維束を複数本編んで作製されたものであるため、フレキシビリティに富み、形状変形順応性や加工性に優れている。

具体的には、前記カーボンワイヤー発熱体Ｗとしては、直径２乃至１５μｍのカーボン繊維、例えば、直径７μｍのカーボン長繊維を約３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を１０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程度である。

なお、前記編紐あるいは組紐形状のカーボンワイヤー発熱体Ｗは、表面にカーボン繊維の毛羽立ちＷａを有することが好ましく、前記毛羽立ちとは、カーボン繊維（長繊維）が切断されたものの一部が、カーボンワイヤー発熱体Ｗの外周面から突出したものである。

そして、このようなカーボンワイヤー発熱体Ｗを、ガラス管２の内部に収容した際、前記毛羽立ちＷａのみがガラス管２の内壁面と接触し、カーボンワイヤー発熱体Ｗの本体は実質的に接触しないように収容することが好ましい。
そのようにすることによって、例えばシリカ質ガラス（ＳｉＯ₂）とカーボンワイヤーの炭素（Ｃ）との高温下における反応が極力抑えられ、ガラスの劣化、カーボンワイヤーの耐久性の低下が抑制される。このカーボン繊維による表面の毛羽立ちは０．５乃至２．５ｍｍ程度であることが好ましい。

このように本発明にかかるヒータが構成されているため、屈曲部を最小屈曲半径で屈曲させても、前記直線部を通常の半分のピッチで配置することができる。
この場合においても、図４に示すように、カーボンワイヤー発熱体Ｗの間のピッチに対応した温度分布が現れる。即ち、カーボンワイヤー発熱体Ｗの配設位置に対応し位置に高温部が現れ、カーボンワイヤー発熱体Ｗの間に対応した位置に低温部が現れる。
しかしながら、カーボンワイヤー発熱体Ｗのピッチ間隔は従来の半分であるため、前記高温部と低温部の温度分布のばらつきが小さく、より均一に加熱することがきる。したがって、緻密な均熱を必要とする被加熱体を加熱する場合にも、このヒータを用いることができる。

次に、第二の実施形態について図５に基づいて説明する。
前記第一の実施形態のにあっては一のガラス管と他のガラス管とを一体化し、一つのヒータを形成した場合について説明したが、この第二の実施形態にあっては、一のガラス管で一つのヒータが形成され、他のガラス管で一つのヒータが形成されている点に特徴がある。
即ち、一つのヒータを構成する一のガラス管５は、一端部が端子部６ａに接続され、直線状に延設された直線部５Ａと、前記直線部５Ａと同一平面状で屈曲する屈曲部５ａが交互に形成され、最後に位置する直線部５Ａから屈曲部５ｂを介して端子部６ａ側に向かう反転部５ｃが形成されている。更に、反転部５ｃの先端部を前記直線部５Ａと並行になるように屈曲させ、先端に他の端子部６ｂが接続されている。
なお、この屈曲部５ａ，５ｂは、前記屈曲部に潰れが生じない最小曲げ半径以上で屈曲している。

一方、他のガラス管７にあっては、第一の実施形態と同様に、屈曲部７ａは、直線状に延設された直線部７Ａと同一面に形成されておらず、下方に傾斜して屈曲している。即ち、この屈曲部７ａの中心が、前記直線部７Ａからガラス管７の外径の寸法分、下方に位置するように、この屈曲部７ａは傾斜して形成されている。そして、最後に位置する直線部７Ａから屈曲部７ｂを介して、端子部８ａ側に向かう反転部７ｃが形成されている。更に、反転部７ｂの先端部を前記直線部部７Ａと並行になるように屈曲させ、先端に他の端子部８ｂが接続されている。
なお、この屈曲部７ａ，７ｂは、前記屈曲部に潰れが生じない最小曲げ半径以上で屈曲している。

このように、二つのヒータを形成した場合にも、カーボンワイヤー発熱体Ｗのピッチ間隔は従来の半分であるため、前記高温部と低温部の温度分布のばらつきが小さく、より均一に加熱することができる。したがって、緻密な均熱を必要とする被加熱体を加熱する場合にも、このヒータを用いることができる。
なお、上記実施形態にあっては、屈曲部の中心が直線部からガラス管の外径の寸法分、下方に位置するように、この屈曲部７ａを傾斜して形成しているが、ガラス管の外径の寸法分以上の距離をもって、下方に形成されていれば良い。
このようにガラス管の外径の寸法分以上の距離をもって、下方に形成された場合には、直線部５Ａと直線部７Ａとを同一平面状に配置することができ、被加熱体からの距離を均一になすことができ、より均一に加熱することができる。

更に、第三の実施形態について図６乃至図１１に基づいて説明する。この実施形態は第一の実施形態をより具体的になしたものであり、図１、図２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し、その詳細な説明は省略する。なお、図６は第三の実施形態にかかる正面図、図７は第三の実施形態にかかる背面図、図８は第三の実施形態にかかる平面図、図９は第三の実施形態にかかる底面図、図１０は第三の実施形態にかかる左側面図、図１１は第三の実施形態にかかる右側面図である。

この実施形態にあっては、直線状の直線部２Ａの補強材として、前記直線部２Ａの延設方向と直交する方向に補強材１０，１１が設けられ、また端子部３ａ，３ｂの間に補強材１４，１５が設けられ、更に補強部材１４と反転部２ｇ、２ｎの間に補強材１２，１３が設けられている点に特徴がある。

このように、この第三の実施形態にあっては補強部材１０，１１，１２，１３，１４，１５が設けられているため、ヒータ全体の機械的強度を増加させることができ、破損を防止できる。

本発明にかかるヒータは、あらゆる分野に用いることができ、特に平板状体の加熱処理分野において好適に用いることができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかるヒータの斜視図である。 図２は、図１に示したヒータの製造方法を示す斜視図である。 図３は、カーボンワイヤーを示す概念図である。 図４は、図１に示したＩ−Ｉ断面からみた、被加熱体の表面温度分布を示す図である。 図５は、本発明の第二の実施形態にかかるヒータの斜視図である。 図６は、本発明の第三の実施形態にかかるヒータの正面図である。 図７は、第三の実施形態にかかるヒータの背面図である。 図８は、第三の実施形態にかかるヒータの平面図である。 図９は、第三の実施形態にかかるヒータの底面図である。 図１０は、第三の実施形態にかかるヒータの左側面図である。 図１１は、第三の実施形態にかかるヒータの右側面図である。 図１２は、従来のヒータの斜視図である。 図１３は、ガラス管の潰れを示す断面図である。 図１４は、ガラス管の内径、肉厚、屈曲部、ピッチを示す断面図である。 図１５は、図１２に示したＩＩ−ＩＩ断面からみた、被加熱体の表面温度分布を示す図である。

符号の説明

１ ヒータ
２ ガラス管
２Ａ１ 直線部
２Ａ２ 直線部
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ 屈曲部
２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌ 屈曲部
３ａ 端子部
３ｂ 端子部
Ｗ カーボンワイヤー発熱体
５ ガラス管
５Ａ 直線部
５ａ 屈曲部
６ａ 端子部
６ｂ 端子部
７ ガラス管
７Ａ 直線部
７ａ 屈曲部
８ａ 端子部
８ｂ 端子部
１０，１１，１２，１３，１４，１５ 補強部材

Claims (5)

1. 直線部と屈曲部とが交互に形成されたツヅラ状のガラス管内にカーボンワイヤー発熱体が封入されたヒータにおいて、
   一の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第一の屈曲部が、第一の直線部と同一平面状に形成され、他の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第二の屈曲部が、第二の直線部から傾斜して下方に形成され、
   前記第一の屈曲部が第二の屈曲部より外側に位置すると共に、前記第二の直線部の間に第一の直線部が位置するように構成されていることを特徴とするヒータ。
2. 一の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第一の屈曲部が、第一の直線部と同一平面状に形成されると共に、最後に位置する直線部から屈曲部を介して一の端子部側に向かう第一の反転部が形成され、
   かつ他の端子部から延設されたツヅラ状のガラス管の第二の屈曲部が、第二の直線部から傾斜して下方に形成されると共に、最後に位置する直線部から屈曲部を介して他の端子部側に向かう第二の反転部が形成され、
   前記第一の反転部と第二の反転部とが結合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。
3. 前記第二の屈曲部は、第二の直線部から傾斜して、前記第二の直線部からガラス管の外径以上の寸法をもって、下方に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒータ。
4. 第一の直線部が、第二の直線部の中間に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたヒータ。
5. 前記第一の屈曲部及び第二の屈曲部が、最小曲げ半径で屈曲していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたヒータ。

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