JP2007234566A - ヒーターランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 各種形状のヒーターランプの製作が可能で、しかも均等な発熱分布を可能にし、さらに確実に端子を取り付けることのできるヒーターランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 石英ガラス管４の内部に発熱体が配置されてなるヒーターランプにおいて、前記発熱体が、複数本の炭素繊維糸２１を撚り合わせた撚糸からなるカーボン体２であって、前記カーボン体２をコイル状に形成し、前記カーボン体２の両端部の外周に端子３を取り付けるとともに、端子部３にて前記石英ガラス管４を加熱圧着して該石英ガラス管４内に前記カーボン体２を封入するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、暖房機器、調理機器、乾燥機器など各種機器の熱源として使用されるヒーターランプに関する。

従来より、この種の熱源（発熱体）として棒状の固形カーボンを用いたものや、フェルト状カーボンを用いたものがある。
これらはいずれも石英ガラス管内に固形カーボンまたはフェルト状カーボンを挿入して両端の端子部で石英ガラス管を圧着封止し、端子部へ導通することで固形カーボンまたはフェルト状カーボンを発熱するものである（特許文献１，２）。
特開２００１−３５６３８号公報 特開２００２−１７０６５３号公報

しかしながら、棒状の固形カーボンを用いたものは可撓性がなく、ヒーターランプの形状を直管にするしかなく、湾曲形状など各種形状のヒーターランプを製作することができない。
また、フェルト状カーボンを用いたものは、繊維の密度が不均一であって、フェルト状カーボンの発熱分布が不均等となって正確な温度コントロールが困難であるほか、同一の仕様を有するものであっても、その特性について電力差が生じる問題がある。
さらにフェルト状カーボンは、材質が軟質のスポンジ状であるため、端子の取り付けに難点がある。

本発明は、上記したような従来の問題点に鑑みて考えられたもので、各種形状のヒーターランプの製作が可能で、しかも均等な発熱分布を可能にし、さらに確実に端子を取り付けることのできるヒーターランプを提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、本発明のヒーターランプは、石英ガラス管の内部に発熱体が配置されてなるヒーターランプにおいて、前記発熱体が、複数本の炭素繊維糸を撚り合わせた撚糸からなるカーボン体であって、前記カーボン体をコイル状に形成し、前記カーボン体の両端部の外周に端子を取り付けるとともに、端子部にて前記石英ガラス管を加熱圧着して該石英ガラス管内に前記カーボン体を封入するようにしたことを特徴とするものである。
また端子は、カーボン体の両端部の外周を金属板で挟み、カシメて構成している。
またカーボン体を棒状のガラス体に巻き付けてコイル状に形成してもよく、この場合は端子は、カーボン体の両端部の外周に一端がリード線であるコイル状線材を密に巻着して取り付けてもよい。

上記課題解決手段による作用は、次のとおりである。
炭素繊維糸を複数本撚り合わせてカーボン体とし、このカーボン体をコイル状に形成して発熱体を構成し、その終端部に端子を取り付け、石英ガラス管に封入してなるので、端子にリード線などを介して導通することによって発熱体が発熱する。
炭素繊維糸を複数本撚り合わせた撚糸からなるカーボン体のため、密度が均一で温度分布が均等になる。
またカーボン体は可撓性があり、湾曲形状の石英ガラス管等にも挿着でき、各種形状のヒーターランプを形成する。
カーボン体の一端を金属板で挟み、カシメて端子を構成したので、確実に端子が取り付く。

本発明は、以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜イ＞発熱体が炭素繊維糸を複数本撚り合わせた撚糸からなるカーボン体のため、可撓性があり、各種形状のヒーターランプを製作することができる。
＜ロ＞発熱体が炭素繊維糸を複数本撚り合わせた撚糸からなるカーボン体のため、密度が均一であり、均等な発熱分布を可能にしたヒーターランプを提供することができる。
＜ハ＞炭素繊維糸を複数本撚り合わせたカーボン体の一端を金属板で挟み、カシメて端子を構成したので、確実に端子を取り付けることのできるヒーターランプを提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。
図１〜図３は、各種形状のヒーターランプを示す説明図であり、図４及び図５は、図１〜図３のヒーターランプの端子部の構造を示す概略図である。

＜イ＞ヒーターランプ
ヒーターランプ１は、コイル状に形成したカーボン体２からなる発熱体と、このカーボン体２の終端部２２に取り付けた端子部３と、さらにカーボン体２を封入する石英ガラス管４とから構成される。
端子部３に接続する外部リード線３３を介して導通することによって、カーボン体２が発熱する構造である。

＜ロ＞カーボン体
カーボン体２は、例えばポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系炭素繊維素線を多数束ねてＰＡＮ系炭素繊維糸２１とし、このＰＡＮ系炭素繊維糸２１を複数本撚り合わせて構成した撚糸からなるものである（図５（Ｂ）参照）。
このようにＰＡＮ系炭素繊維糸２１を多数撚り合わせてなるカーボン体２は、高弾性・高強度の特性があるが、発熱体としての充分な耐熱性及び強度を保つためには、太さ（直径）を１ｍｍ〜５ｍｍ程度とすることが望ましい。
本発明の大きな特徴は、発熱体であるカーボン体２をコイル状に形成したことにある。
コイル状に形成することによって、発熱体の表面積が直線状のカーボン体に比べて数倍以上も大きくなり、発熱量が増大することになる。
またコイル状に形成することによって、実質的にカーボン体の長さを長くすることができ、抵抗値が大きくなって１００Ｖ、２２０Ｖのいずれにも対応可能となる。
さらにコイル状に形成することによって、コイル弾性が膨張、収縮などから生じる内部応力を吸収し、直線状のものに比べて発熱動作に伴う歪を吸収する。
コイリングなどの加工性を向上させるために、カーボン体２を液状樹脂等に浸して硬化させておくのが良い。
また、カーボン体２を液状樹脂等に浸すことによって、表面がコーティングされて滑らかになる。

＜ハ＞端子部
このようにコイル状に形成したカーボン体２の両端には、固定端子３０、内部リード線３１、モリブデン箔３２、外部リード線３３とからなる端子部３，３が設けられている（図１、図４（Ｂ）参照）。
固定端子３０は、例えば図４（Ａ）に示すように両サイドを折り曲げて断面コの字形をした金属板であって、これにカーボン体２の一端２２をのせ、両サイドをさらに折り曲げてカーボン体２を挟み、カシメ等で押圧固定する。
固定端子３０には、カーボン体２との結合力を増大させるために凹凸部材を相互対向するように設けてもよい。
また固定端子３０と内部リード線３１をモリブデンなどの耐熱性素材にすれば、外部リード線３３への伝熱が小さく、ヒーターランプ１を用いた製品の耐久性が向上する。

図５に固定端子の別の例を示す。
固定端子６は、例えば、カーボン体２の両端部２２の外周に図５（Ａ）に示すようなＴ字形の金属板６０を巻き付け、これを図５（Ｂ）のようにカシメて構成する。
巻き付けてない個所は、平板（直線）状に延びる突出片６１となっており、この突出片６１の先端がモリブデン箔３２に溶接され、モリブデン箔３２から先は外部リード線３３を接続する。
また、金属板６０をモリブデンで構成し、そのまま外部リード線３３を接続してもよい。

固定端子は、これまで述べたものに限ることなく、例えば帯状の金属板を巻き付けるなどカーボン体２の終端部２２を束ねて固定できる端子であれば何でもよい。

＜ニ＞石英ガラス管
石英ガラス管４は、コイル形状のカーボン体２を真空状態または不活性ガス雰囲気中で封入するための密閉容器である。
コイル形状のカーボン体２を内部に収容できるように、石英ガラス管４は直径８〜１２ミリメートルの筒状となっている。
カーボン体２を挿入した石英ガラス管４を、モリブデン箔３２の箇所で圧着封止４１し、内部を真空にするか、不活性ガスで置換することで、図１に示すように左右両端に端子３，３を有するヒーターランプ１が構成される。

カーボン体２は、可撓性があって変形自在のため、石英ガラス管４の各種形状に沿って挿着することができ、例えば石英ガラス管４を折り曲げて環状（馬蹄形、楕円形、円形、オメガ形など）、コの字形などに屈曲させ、この屈曲した石英ガラス管４にカーボン体２を挿着し、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すような各種形状のヒーターランプ１を構成することができる。
図において３４は、石英ガラス管４の封止部４１と外部リード線３３の接続部に取り付けられた碍子である。
また同様のコイル形状のカーボン体２を用い、図３（Ａ），（Ｂ）に示すようにコイル形状のカーボン体２の一端には長い内部リード線３１ａを用い、他端には短い内部リード線３１ｂを用いることで両リード線が同方向になるように配置し、一端が閉じてある石英ガラス管４に挿入してモリブデン箔３２の部分で封着し、片側に端子３，３を設けたヒーターランプ１ａ，１ｂとすることができる。
これら各種形状のヒーターランプ１は、これを用いる機器によって適宜選択できる。

＜ホ＞ヒーターランプの製造
本発明のヒーターランプ１の製造に際しては、カーボン体２を構成する炭素繊維糸２１を複数本撚り合わせてカーボン体２とし、液状樹脂等に浸して硬化させ、所定のコイル径、コイル長を有するようにコイリングする。
コイリングされたカーボン体２の両端には押圧固定用の固定端子３０で固定し、固定端子３０に内部リード線３１の一端をスポット溶接し、内部リード線３１の他端をモリブデン箔３２にスポット溶接し、さらにモリブデン箔３２に外部リード線３３を接続する（図４参照）。
このように予備製造したカーボン体２を、両端開きの石英ガラス管４内に挿入し、石英ガラス管４の両端を加熱プレスし、モリブデン箔３２の箇所で封止４１するとともに碍子３４を取り付けて、中央部にカーボン体２を内蔵した直管状のヒーターランプ１を製造する（図１、図４（Ｂ）参照）。

カーボン体２は、空気中で発熱させると燃えてしまうため、石英ガラス管４の内部を真空にした状態でカーボン体２を収納するか、あるいは石英ガラス管４の内部を不活性ガスで置換する。
この場合、カーボン体２の部分が空気中に曝されないようにしながら、モリブデン箔３２の箇所で石英ガラス管４を加熱溶封し、次いで他端から脱気し、真空にしながら上記と同様にして他方の端子部３を溶封する。
なお、一端を溶封した後、他端から窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガス等で置換してもよい。

＜ヘ＞作用
上記のように構成したヒーターランプ１に通電すると、外部リード線３３、モリブデン箔３２、内部リード線３１、固定端子３０を介してカーボン体２に電流が流れ、カーボン体２が発熱する。
カーボン体２が、炭素繊維糸２１を複数本撚り合わせた撚糸よりなるため、カーボン体２には電流が均一に流れ、その表面全域において均一に高い発熱効率が得られる。
このため外表面に温度ムラが生じることがなく、カーボン体２を使用した機器の寿命が大幅に延びる。
またカーボン体２には、石英ガラス管４の形状に応じて折曲させることや、製造工程において適宜に変形させることのできる可撓性、柔軟性が得られることからヒーターランプ１の設計の自由度が大きくなる。
カーボン体の抵抗値はカーボン体の断面積に反比例し、長さに比例するため、撚り合わせる炭素繊維糸の本数の増減や、コイルの巻き数の増減等によって必要な出力を設計することができる。
発熱源の最大出力を大きくする場合は、カーボン体のコイル形状の巻き数を多く形成すればよく、ヒーターランプの大型化を抑制することができる。

次に図６及び図７に基づき、本発明の他の実施形態を説明する。

棒状のガラス体５と、このガラス体５の表面に炭素繊維撚糸を密に巻き上げてコイル形状をなしたカーボン体２とをもって発熱体を形成し、さらにカーボン体２の一端２２にそれぞれコイル状線材３５を密に巻き付けて電気的に接続し、コイル状線材３５と一体の内部リード線３６をモリブデン箔３２に接続し、さらに外部リード線３３を接続する。
コイル状線材３５を、ガラス体５とカーボン体２の外周にねじ込むように挿入しながら、カーボン体２をコイル状線材３５とガラス体５とで押圧固定保持する。
このように予備製造した発熱体を、両端開きの石英ガラス管４内に挿入し、モリブデン箔３２の箇所で石英ガラス管４を加熱圧着４１し、碍子３４を取り付けてカーボン体２を内蔵したヒーターランプ１ｃを形成する。
コイル状線材３５を用いた場合は、コイル弾性がカーボン体２の発熱時の長手方向伸縮を吸収することができる。

ヒーターランプを示す説明図。 他のヒーターランプを示す説明図。 さらに他のヒーターランプを示す説明図。 図１〜図３のヒーターランプの端子部の構造を示す概略図。 図１〜図３のヒーターランプの別の端子部の構造を示す概略図。 他のヒーターランプを示す説明図。 図６のヒーターランプの端子部の構造を示す概略図。

符号の説明

１・・・・ヒーターランプ
２・・・・カーボン体
２１・・・炭素繊維糸
３・・・・端子部
３０・・・固定端子
３１・・・内部リード線
３２・・・モリブデン箔
３５・・・コイル状線材
４・・・・石英ガラス管
５・・・・棒状ガラス体

Claims (4)

1. 石英ガラス管の内部に発熱体が配置されてなるヒーターランプにおいて、
   前記発熱体が、複数本の炭素繊維糸を撚り合わせた撚糸からなるカーボン体であって、
   前記カーボン体をコイル状に形成し、
   前記カーボン体の両端部の外周に端子を取り付けるとともに、端子部にて前記石英ガラス管を加熱圧着して該石英ガラス管内に前記カーボン体を封入するようにしたことを特徴とする、ヒーターランプ。
2. 請求項１に記載するヒーターランプにおいて、前記端子は、カーボン体の両端部の外周を金属板で挟み、カシメて構成したことを特徴とする、ヒーターランプ。
3. 請求項１または請求項２に記載するヒーターランプにおいて、前記カーボン体を棒状のガラス体に巻き付けてコイル状に形成したことを特徴とする、ヒーターランプ。
4. 請求項３に記載するヒーターランプにおいて、前記端子は、カーボン体の両端部の外周に一端がリード線であるコイル状線材を密に巻着して該カーボン体を棒状のガラス体に取り付けてなることを特徴とする、ヒーターランプ。

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