JP2009525570A

JP2009525570A - 熱風装置の加熱素子

Info

Publication number: JP2009525570A
Application number: JP2008552719A
Authority: JP
Inventors: ジー−ウェイ，チェン
Original assignee: ライスタープロセステクノロジーズ
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2009-07-09
Also published as: EP1814362A1; WO2007085415A1; WO2007085415A8; CN101375634A; TW200812422A; BRPI0700137A; US20110309068A1

Abstract

本発明は、電気エネルギーを熱に変換する少なくとも１つの加熱導体（４、４′）及び加熱導体（４、４′）の耐熱性の担体（５、５′）を含んで構成され、空気流（Ｌ）中に配置して少なくとも１つの空気流路（１４、１４′、１４″）を備えた加熱抵抗（３、３′）を配置した熱風装置の加熱素子（１）であって、加熱素子（１）は完全にセラミック製であり、担体（５、５′）は絶縁性セラミック製で加熱導体（４、４′）は導電性セラミック製であり、担体（５、５′）及び加熱導体（４、４′）のセラミックは互いに強固に結合していることを特徴とする。

Description

本発明は、電気エネルギーを熱に変換する少なくとも１つの加熱導体及びその加熱導体用の耐熱性を備えた担体を含んで構成される、気流中に配置された加熱抵抗を有する熱風装置の加熱素子に関する。

例えば、空気加熱機又は熱風溶接機に見られるように、このような加熱素子は、熱風機器、モジール又はシステムとしての熱風装置において知られており、市販されている。空気又はガス流中に設置されるこの種の加熱素子本体は、セラミック製又は他の熱抵抗のある材料製であり、例えば一方から空気又はガスが吹き込まれる加熱円筒内に設置されることが多い。加熱素子は、例えば空気流入側に配置された止め具に中心のピンにより保持される。本体の担体に収容されている加熱抵抗は、この止め具を介して電気的に連結される。加熱素子の空気流出側には通常、空気流路を有するセラミックの保護ディスクが配置されている。保護ディスクは可動であり担体からは分離されており、ピン型の止め具に据えられている。加熱抵抗の加熱導体としては、螺旋状の加熱線が担体から所定の間隔を保って固定され互いを絶縁して用いられることが多い。加熱線は、空気流入側から空気流出側まで伸張している担体の空気流路内か又は、担体の外套に配置してもよい。加熱線に電圧が印加されると、空気及び担体が加熱される。

この種の装置は、独国出願特許公開第１９８３９０４４Ａ１号明細書に開示されており、加熱線は螺旋状に担体の空気流路内に配置されている。このような加熱素子は製造にコストが掛かり、結果として装置のコストが高くなる。また、取り扱いが適切でないと、例えば空気流入口又は流出口が制限されることにより空気の流量が低下し、その結果として加熱線が焼き切れるため加熱素子が破壊されることが多い。そのため、市販の熱風機器には好ましくない過熱を防ぐために、センサが付加されている。

英国出願特許公開第１５６４６３０Ａ号明細書には、少なくとも三層の隣接したセラミック材が並列に連結された熱風装置用の高負荷の電気加熱素子が開示されている。これらの層に元素を添加すると、添加しない層に比べて、電気抵抗が低下する。セラミックはよく知られている酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物又はケイ化物が用いられる。加熱素子の電気的特性は、元素添加層と不添加層の間に高純度セラミックのバリア層からの三層構造により決まる。

本発明は、高信頼性の加熱抵抗を有する改良された加熱素子を提供することにあり、特に加熱導体から空気への熱伝達が良好でその結果、効率に良い加熱素子を提供することを目的としている。

課題は、請求項１に記載の特徴を有する加熱素子により解決され、その他の利点は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、加熱抵抗は、円筒状の担体が径方向に所定の間隔を保って配置された少なくとも２つの同心円状の加熱素子を有し、それにより軸方向に空気流路が形成される。加熱導体を備えた円筒の数量に応じて、電流路、従って電気抵抗が変化する。例えば、２本の圧肉の円筒の代わりに、数本の薄肉の円筒を用いてもよい。このことは、導電性セラミックを備えている従来の構造を有する加熱素子に対して有利である。円筒自体は円筒間に空気の通る空気流路を形成し、加熱導体の担体として作用する。上述のように、円筒はその内面及び外面に、加熱導体として供される導電性セラミック層を有している。円筒形状の空気流路は断面積が大きいので、空気流に対して好ましい流れ抵抗を有し、空気は担体に殆ど妨げられずに流れる。加熱抵抗の円筒の加熱された外面上及び内面上を流れる空気が加熱され、加熱素子の吹出口を通って熱を運び去る。

加熱素子の担体は絶縁性セラミック材料であり、加熱導体は導電性セラミック材料であり、担体のセラミックと加熱導体のセラミックは強固に結合されている。本発明による加熱素子の加熱抵抗はセラミック１００％である。この新しい構造により製造工程が簡素化、特に工程数が減じ、その結果コストが低くなる。本発明は、最新のセラミック技術を用いた新しい加熱素子の使用し、その製造過程において、加熱導体を担体に強固に結合させて熱伝達の良好な“一体型”の加熱抵抗の生成を可能とする。このため、生成された熱が加熱導体から担体へ迅速且つ均一に伝達されることにより、大きな面を通して加熱抵抗から空気へと熱を伝達することが可能となる。これにより、加熱導体が焼き切れる危険が減じると共に、ブロワーの駆動系への機械的負荷が軽減されて好ましい空気流が得られる。

加熱導体に対しては、耐食性、耐摩耗性及び熱伝導性に関して優秀な特性を有するのみならず、特に高い電気伝導性を備えた、例えばＳｉＣ又はＭｏＳｉ_２−Ａｌ_２Ｏ_３が用いられる。このようなセラミックを加熱抵抗に用いるには、導電性セラミックの電気抵抗値を調整する必要がある。これは、セラミックの導電度を下げるか又は加熱導体の形状を選ぶことにより、実現される。従って、セラミックの導電性は、導電性と非導電性の材料の比率により変動する。また、装置に組み込む加熱導体の断面を減じることにより、その電気抵抗を高めることができる。

通常、加熱抵抗は加熱導体用の互いに連結された数個のディスク形状の担体又は、整列された数個の長い担体を有している。担体は、自身に形成された空気流路を有するか、又は担体間に形成された流路を有する。担体が１つの場合は簡単であるが、担体が複数の場合にはその数に応じて、多少コストの掛かる機械的な取り付け及び／又は電気的な連結を行う必要がある。加熱抵抗の担体は、絶縁性セラミックの円筒を用い、その内面及び／又は外面に導電性セラミック層としての加熱導体を塗布して用いることが好ましい。円筒は、加熱導体の担体として作用すると共に、その内部空間は空気の通過する空気流路として作用する。加熱導体の導電性セラミック層は、円筒の大面積の表面並びに小面積の断面にも塗布される。導電性セラミック層の面積が大きく強固に結合していることにより、担体への熱及び担体から空気への熱が良好に伝達される。導電性セラミック層の厚さを変えることにより、加熱導体の電気抵抗値を製造中に間単に調整できる。

本発明による一実施例では、熱風装置の加熱抵抗の空気流出側の担体の端面が、円筒の外面及び内面に塗布されたセラミック層に包まれ、それぞれのセラミック層は突き合されて互いに電気的に連結されている。これにより、空気流出側の加熱抵抗の端面において、内面と外面の導電性セラミック層を電気的に連結するのに特殊な連結装置は必要なくなる。内面と外面の導電セラミック層を一体化することにより、組み立てコストが下げられ、コスト単価が下げられる。

本発明による加熱素子の別の実施例では、互いに内筒と外筒を形成する内面及び外面が導電性セラミック層により塗布された少なくとも２つの円筒が、連結部材により空気流出側において電気的に連結されている。連結部材は円筒形状の空気流路内に挿入され、互いに向き合った導電性セラミック層を電気的に連結する。連結部材は、例えば金属板から打抜かれ曲げられてバネ性を付与される。従って、バネ力により連結されるので、組み立てが簡単で、耐久性及び信頼性の高い電気的連結が可能となる。

更に別に実施例では、担体の内面及び外面の導電性セラミック層は、空気流入側に電力を供給する電極を備えている。電極と加熱導体の導電性セラミック層との電気的連結は、当業者が周知の技術を用いて行うことができる。

単一の円筒では、加熱電流は内側の電極から円筒の内側の面構造として加熱導体を介して空気流出側へと流れ、そこから端面の導電性セラミック層及び円筒の外側の面構造としての加熱導体を介して外側の電極へと戻って流れる。同心円状に配置された２つの円筒では、例えば、内筒の内側に内側の電極並びに外筒の外側に外側の電極が配置され、それぞれの円筒は加熱導体に電気的に連結されており、２つの円筒は上記の連結部材により直列に連結されている。その結果、加熱電流は、加熱素子の加熱抵抗の２つの円筒の内面及び外面を流れる。

加熱抵抗の加熱導体の導電性セラミック層は、導電性物質と絶縁性物質を混合して構成することが好ましく、加熱導体の導電性は絶縁性物質の含有量により調整される。このようにして、加熱抵抗に周知の市販されているセラミック材料を用い、担体に塗布することが可能である。加熱抵抗の抵抗値が形状のみで調整できない場合には、適切な抵抗値になるまで、セラミック材料の導電性を変えることにより調整できる。

塗布のやり方によっては、単一の導電性セラミック層では、所望の抵抗値が得られないことがある。このため、本発明では、少なくとも２つの導電性セラミック層を塗り重ねようにする。

このため、加熱抵抗の加熱導体用の導電性セラミック材料を液相にして準備し、その液に絶縁性セラミック材料製の担体が１回又は数回浸漬される。これにより、加熱抵抗の内面、外面及び空気流出側の端面が導電性セラミック材料により被覆され、その後の焼結により導電性セラミック材料の被覆は、担体と強固に結合する。導電性セラミック材料の液相への浸漬及び取出し速度により、導電セラミック層の厚さが変動する。しかし、導電性セラミック層の厚さ、即ち抵抗値は、導電性セラミック材料の液相の粘性によっても変動する。浸漬及び取出し速度を一定として、その浸漬・取出しを繰り返して塗り重ねても、所望の厚さを得ることができる。

また別の実施例では、加熱した際の担体の熱膨張及び加熱抵抗の加熱導体のセラミック層の熱膨張ほぼ同一である。そのためには、担体用のセラミック材料及び加熱導体ようのセラミック材料にほぼ同じ熱膨張係数を備えたセラミックを選定することにより、全作動温度域において持続性のある結合が確実となる。このことは、加熱導体における割れ目の形成に対しても効果があり、抵抗値の変化も防ぐことができる。これにより、熱風装置を適切に使用すれば、加熱素子は殆ど破壊しない。

本発明による円筒状の加熱素子は、空気流を生成する装置を内部又は外部に備えた熱風装置に組み込むのに適している。その空気流出口を有するハウジングは、加熱素子を受容できるように円筒部分を備え、それに隣接して例えば、ブロワー、次いで、ブロワーを駆動するモータと共に、加熱素子及び／又はモータの制御機構を配したハンドル部を備えている。モータ及びハウジングを除いた電子機構を付加して、外部から空気を用いて熱風装置を駆動させることもできる。このように構成された熱風装置では、加熱素子の信頼性が高くその寿命が長い。

以下図面を用いて本発明の詳細を説明する。

図１には、空気流Ｌの流入口側１０から見た本発明による加熱抵抗３、３′を有する加熱素子１が示されている。一方が他方に挿入されている円筒状の加熱抵抗３、３′が、保持円筒２内に配置されており、加熱抵抗は担体５、５′及び加熱導体４、４′を備えている。

保持円筒２及び担体５、５′と同様に、加熱導体４、４′は完全にセラミック製である。保持円筒２及び担体５、５′は絶縁性セラミックであり、加熱導体４、４′の導電性セラミック層６、６′は導電性セラミックである。導電性セラミック層６、６′の断面積は小さく、内面７、７′、外面８、８′及び加熱素子１に加熱抵抗３、３′の空気流出側１１の端面９、９′にまで伸長している。

加熱抵抗３、３′には、電圧を印加する電極１２、１２′並びに加熱抵抗３、３′を直列に連結する連結部材１３が装着されている。図５に示されるように、電極１２、１２′及び連結部材１３は加熱素子１の空気流入側口１０に位置している。電流は、電極１２から内側の加熱抵抗３の導電性セラミック層６、６′を介して内部の担体５を経て、更に連結部材１３を介して外側の加熱抵抗３′の導電性セラミック層６、６′から電極１２′へと流れか又は、逆に流れる。加熱工程では、直列に連結されている加熱抵抗３、３′のそれぞれの内面７、７′及び外面８、８′は均一に加熱される。

加熱抵抗３、３′は互いに所定の間隔を保って配置されると同時に保持円筒２からも所定の間隔が保たれている。この配置により、加熱素子１の空気流入側１０から空気流出側１１まで伸張する軸に同心円状の空気流路１４、１４′、１４″が形成される。

図２には、内側の加熱抵抗３が単独で示されている。その担体５は、内面導電性セラミック層６及び外面導電性セラミック層６′を有し、空気流出側１１において電気的に連結され、これらの導電性セラミック層が担体５の端面９をＵ字状に包む構成となっている。空気流入側１０においては、導電性セラミック層６、６′は担体５の端面２３からは少々隔たっており、加熱抵抗３の空気流入側１０では導電性セラミック層は互いに電気的に絶縁されている。もし導電性セラミック層６、６′が連結されると、空気流入口側にも電流が流れ、担体５の内面７及び外面８が均一に加熱されることになる。

図３に拡大して示されるように、導電性セラミック層６、６′は単一層である。しかし、例えば、図４に示すような三層構造２０、２０′を有する厚みのある導電性セラミック層６、６′も可能である。

図６は、加熱空気を用いた溶接機１５の一例を示す。溶接機は円筒状のハンドル部１６及びそれに隣接するブロワー部１７及び円筒状の加熱部１８を有する。本発明による加熱素子１は加熱部１８に装着される。加熱部１８には、駆動モータ２２を有するブロワー１９が接続されている。

本発明による加熱素子の斜視図図１に示される円筒状の加熱抵抗の軸方向断面図図２の加熱導体部の部分拡大図図３の加熱導体部とは別の形態を示す部分拡大図同心円状に配置され連結部により電気的に連結された２つの加熱円筒の軸方向断面図本発明による加熱素子を装着した熱風溶接機の斜視図

符号の説明

１加熱素子
２保持円筒
３加熱抵抗
４加熱導体
５担体
６導電性セラミック層
７（加熱抵抗）内面
８（加熱抵抗）外面
９（担体の空気流出側）端部
１０空気流入側
１１空気流出側
１２電極
１３連結部材
１４空気流路
１５熱風溶接機
１６ハンドル部
１７ブロワー部
１８円筒状加熱部
１９ブロワー
２０三層構造の導電性セラミック層
２２駆動モータ
２３（担体の空気流入側）端部
Ｌ空気流

Claims

電気エネルギーを熱に変換する少なくとも１つの加熱導体（４、４′）及び加熱導体（４、４′）の耐熱性の担体（５、５′）を含んで構成され、空気流（Ｌ）中に配置して少なくとも１つの空気流路（１４、１４′、１４″）を備えた加熱抵抗（３、３′）を配置した熱風装置の加熱素子（１）であって、
担体（５、５′）は絶縁性セラミック材料製で且つ加熱導体（４、４′）は導電性セラミック材料製であり、担体（５、５′）及び加熱導体（４、４′）のセラミック材料は互いに結合され、
加熱抵抗（３、３′）の担体（５、５′）は、導電性セラミック層（６、６′）として加熱導体（４、４′）が内面（７、７′）及び／又は外面（８、８′）に塗布された絶縁性セラミック製の円筒であり、
加熱素子（１）は少なくとも２つの互いに同心円状に配置された加熱抵抗（３、３′）を備え、該加熱抵抗の円筒状の担体（５、５′）は径方向に互いに間隔を保って配置されて同心円状に配列された空気流路（１４、１４′、１４″）を形成していることを特徴とする加熱素子。
円筒の内面及び外面に塗布された導電性セラミック層（６、６′）は、加熱素子（１）の加熱抵抗（３、３′）の空気流出側（１１）における担体（５、５′）の端面（９）を包み、該端面において導電性セラミック層（６、６′）が互いに突き合され電気的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
少なくとも２つの円筒の外面（８、８′）及び内面（７、７′）において互いに向き合っている導電性セラミック層（６、６′）は、空気流入側（１０）に備えられた連結部材（１３）により電気的に連結されていることを特徴とする請求項２に記載の加熱素子。
加熱抵抗（３、３′）の担体（５、５′）の内面及び外面上の導電性セラミック層（６、６′）は、空気流入側（１０）に加熱素子（１）の加熱抵抗（３、３′）に電力を供給する電極（１２、１２′）を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の加熱素子。
加熱導体（４、４′）の導電性セラミック層（６、６′）は、導電性及び絶縁性材料から構成され、加熱抵抗（３、３′）の加熱導体（４、４′）の導電性は絶縁性材料の比率により調整されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の加熱素子。
加熱導体（４、４′）の導電性セラミック層（６、６′）は、少なくとも２つ以上の複数の互いに重なり合ったセラミック層（２０、２０′、２０″）を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の加熱素子。
加熱抵抗（３、３′）の加熱導体（４、４′）の導電性セラミック層（６、６′）は、セラミック材料が含まれる液に担体（５、５′）を１回又は数回浸漬して塗布され、焼結により加熱導体（４、４′）の導電性セラミック層（６、６′）が担体（５、５′）と強固に結合することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の加熱素子。
加熱に際して担体（５、５′）と導電性セラミック層（６、６′）の熱膨張はほぼ同じであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の加熱素子。
加熱抵抗（３、３′）を有する少なくとも１つの加熱素子（１）が配置されたハウジング（２１）を備えた熱風装置（１５）であって、該ハウジングの内部又は外部に空気流発生装置（１９、２２）を備えた請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の加熱素子を備えた熱風装置。