JP2010157430A - ヒーターユニット及び発熱体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的長尺の発熱体であっても加熱と自重による変形を抑制することの可能なヒーターユニット及び発熱体の製造方法を提供すること。
【解決手段】 蛇行状の電流路を有する発熱体３と、その発熱体３を保持する保持部４とを有する。電流路は、長尺板状でその長手方向に対し上方に向けて凸となる円弧状の主部３１と各主部３１間を接続する接続部とよりなる。各主部３１は長手方向Ｘに直交する幅方向Ｙに対し対称的に屈曲してある。保持部４は接続部を係止する溝を有する一対の絶縁体４０ａ，４０ｂよりなる。接続部又はその近傍部分を一対の絶縁体４０ａ，４０ｂの溝間に係止させて発熱体３を長手方向Ｘに対し円弧状に掛け渡す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒーターユニット及び発熱体の製造方法に関する。さらに詳しくは、蛇行状の電流路を有する発熱体と、その発熱体を保持する保持部とを有するヒーターユニット及び発熱体の製造方法に関する。

従来、上述の如きヒーターユニットとして、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。特許文献１では、折り曲げ部を設けて波状に形成した抵抗体板よりなる発熱体が記載されている。この発熱体は打ち抜き又はプレス加工で波状に形成し更に角筒状に形成して断熱容器に収容するものであり、比較的長尺の発熱体について考慮されていない。また、発熱体を波状に形成したことで、僅かな支持片で簡単に保持可能としているが、その詳細について十分に開示されていない。

一方、長尺の板状発熱体をその両端で長いスパンをおいて保持すると、その発熱体自身の自重及び加熱による変形に対し十分な強度が得られない。したがって、短いスパンで発熱体を設置せねばならず、ヒーターユニットの効率上限界があった。
実開平１−７５８００号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、比較的長尺の発熱体であっても加熱と自重による変形を抑制することの可能なヒーターユニット及び発熱体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヒーターユニットの特徴は、蛇行状の電流路を有する発熱体と、その発熱体を保持する保持部とを有する構成において、前記電流路は、長尺板状でその長手方向に対し上方に向けて凸となる円弧状の主部と各主部間を接続する接続部とよりなり、各主部は長手方向に直交する幅方向に対し対称的に屈曲し、前記保持部は前記接続部を係止する溝を有する一対の絶縁体よりなり、前記接続部又はその近傍部分を前記一対の絶縁体の溝間に係止させて前記発熱体を前記長手方向に対し円弧状に掛け渡したことにある。

上記特徴構成によれば、発熱体を一対の絶縁体間に円弧状に掛け渡すことで重力による鉛直負荷を分散させることができ、発熱体全体として強度に優れる。しかも、各主部をその長手方向に直交する幅方向に対し対称的に屈曲してあるので、発熱体の加熱及び自重による幅方向への変形に対する強度にも優れる。

さらに、ほぼ鉛直に配置された棒状のガイド体を前記主部の上方に固定配置し、前記主部に形成した孔にこのガイド体を挿入するとよい。ガイド体が発熱体の熱膨張等による変形を鉛直方向へ誘導し、主部の幅方向への変形をさらに抑制でき、隣接する主部同士の接触による短絡等を防止することができる。

係る場合、前記ガイド体の下端には前記発熱体の脱落を防止するピンが設けられていることが望ましい。これにより、仮に垂直方向に発熱体が大きく変形したとしても、ピンにより発熱体の垂れや落下を防ぐことができる。

また、前記発熱体における前記孔の周縁部に導電性部材を設けるとよい。導電性部材により孔近傍での電流路が確保されるため、孔周縁部での発熱が抑制される。これにより、発熱体の孔近傍での熱変形が他の主部に比べて抑制されると共に導電性部材による補強がなされるので、発熱体の幅方向への変形がさらに抑制される。

前記接続部は前記一対の絶縁体の溝に対し前記発熱体の端縁を中心とする揺動を許容するクリアランスをもって係止することが望ましい。このクリアランスが、発熱体の熱膨張による発熱体の端縁を中心とする揺動を許容し、発熱体の破損や落下を防止する。

また、本発明に係る発熱体の製造方法の特徴は、上記いずれかの特徴構成に記載のヒーターユニットに用いられる発熱体の製造方法において、板状の複数の長尺部材を長手方向に直交する幅方向に対し屈曲し、屈曲させた前記複数の長尺部材の端部を接続して蛇行状の電流路を形成し、その電流路全体を前記長手方向に対し屈曲させることにある。

上記本発明に係るヒーターユニット及び発熱体の製造方法の特徴によれば、比較的長尺の発熱体であっても加熱と自重による変形を抑制し得るに至った。その結果、長いスパンで発熱体を設置することができ、均一な加熱を行うと共に加熱効率を向上させることが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１，２に示すように、本発明に係るヒーターユニット２は、大略、発熱体３と、発熱体３を保持する保持部４と、発熱体３の上面を覆う天井部材６と、これらを取り付けるフレーム７よりなる。保持部４は一対の絶縁体４０ａ，４０ｂよりなり、発熱体３をこの絶縁体４０ａ，４０ｂの間で長手方向Ｘに円弧状に掛け渡してある。また、ガイド部５はガイド体５０及び絶縁体６０よりなり、フレーム７の長手方向Ｘの略中央に設けられている。

図１，２に示すように、フレーム７は、幅方向Ｙ視で円弧状に形成した薄板の横フレーム７ａとＬ型アングルよりなる縦フレーム７ｂとを格子状に形成してあり、横フレーム７ａの両端に一対のサイドフレーム７ｃを設けてある。天井部材６は、複数の薄板部材を積層させて横フレーム７ａ及び縦フレーム７ｂに載置し、長手方向Ｘに湾曲させてサイドフレーム７ｃに取り付けてある。このヒーターユニット２は、例えば図３，４に示す如く、炉１００の天井壁１０１の下側に複数連続して幅方向Ｙに設置し、連結部１０を介して連結し天井構造体１を構成する。

図３，４に示すように、天井構造体１の連結部１０には、炉１００の中心部へ気体を導入するガス管１４を配置可能な間隙１１が形成されている。この間隙１１は閉塞部材１２により塞がれ、その閉塞部材１２の貫通孔１３にガス管１４を貫通させてある。この閉塞部材１２により、連結部１０から炉１００の中心部への天井壁１０１から生じる酸化物等の塵の混入を防いでいる。

発熱体３は、図１，２，５に示すように、直線状を呈し互いに平行な複数の主部３１と端部３３で各主部３１を接続した複数の接続部３４とからなる蛇行状の電流路３０を形成してある。発熱体３は、一対の絶縁体４０ａ，４０ｂで接続部３４を係止して保持してある。各主部３１を等間隔で平行に接続することで、均一な加熱が可能となり発熱体の加熱効率も向上する。主部３１は、その長手方向Ｘに直交する幅方向Ｙに対して略Ｖ字状に屈曲させて頂部３２を形成し、且つその長手方向Ｘに対し上側が凸となる円弧状に形成してある。円弧状に形成することで、重力による鉛直負荷を分散させることができ、発熱体３全体として強度に優れ、スパンの広い一対の絶縁体４０ａ，４０ｂ間で掛け渡すことができる。発熱体３は、通電加熱により熱膨張等の熱変形が生じると、主部３１に幅方向Ｙへ倒れ込む荷重が生じる。そのため、各主部３１を幅方向Ｙに対して中心面Ｓを中心に対称的に屈曲させることで、幅方向Ｙへの強度が増し、幅方向Ｙへの変形を抑制することができる。これら長手方向Ｘに対する円弧形状及び幅方向Ｙに対する屈曲により、発熱体３の幅方向Ｙ及び鉛直方向Ｚへの変形を抑制することができる。従って、発熱体の大型化が可能となる。電流路３０の両端部には発熱体３を通電させる通電部材８を接続してある。なお、本実施形態において、頂部３２は垂直方向Ｚにおいて天井壁１０１側に位置させてある。

図５，８に示すように、主部３１の略中央には、ガイド体５０を貫通させる貫通孔３６を設けてあり、その貫通孔３６の周縁部上面に略方形の導電性部材３７を取り付けてある。この貫通孔３６近傍の主部３１は他の主部３１に比べ狭いため、通電により発熱しやすくなり熱変形が生じやすくなる。そのため、導電性部材３７を設けることで、貫通孔３６近傍での電流路を確保して当該部分での発熱を抑制する。これにより、貫通孔３６近傍での熱変形を主部３１の他の部分よりも抑制し、後述のガイド体５０による幅方向Ｙへの熱変形の抑制をより確実に機能させることができる。

また、図２，５に示すように、発熱体３全体が蛇行状の電流路３０を形成するように、端部３３を接続部材３５を介して交互に接続してある。接続部材３５は、図９（ａ）に示すように、端部３３の両面に取り付けてあり、接続部３４を構成する。接続部材３５も上述の導電性部材３７と同様に、接続部３４での発熱を抑制し、主部３１の部分よりも熱変形を抑制する。これにより、熱変形による端部３３の絶縁体４０ａ，４０ｂからの脱落を抑制することができる。

図６に示すように、絶縁体４０ａは、接続部３４を係止する溝４１を設けてある。この溝４１は、発熱体３の断面形状に沿うように山型に形成してある。また、図９に示すように、溝４１は発熱体３を係止させた状態において、接続部３４と溝４１との間でクリアランスＣを形成するように接続部３４の厚みより大きく形成してある。このクリアランスＣによって、発熱体３は端部３３の端縁３３ａを中心とする方向Ｍに対して揺動可能となる。これにより、クリアランスＣが発熱体３の熱膨張による垂直方向Ｚへの変動を吸収し、発熱体３の溝４１からの脱落や発熱体３の膨張圧力による破損を防止する。溝４１の一端には、発熱体３に接続する通電部材８を取り付ける接続部４２を形成してある。なお、絶縁体４０ｂは、絶縁体４０ａと同様に形成してあり、接続部４２を有していない点で異なる。

一対の絶縁体４０ａ，４０ｂは、図１，２に示すように、長手方向Ｘにおいて溝４１を対向させ、取付部材４３及び取付孔４４を介してサイドフレーム７ｃに傾斜させて取り付けてある。図９に示すように、発熱体３の円弧形状に対して、接続部３４が絶縁体４０ａ，４０ｂの溝底部４１ａに略垂直に挿入される。なお、本実施形態では、二組の絶縁体４０ａ，４０ｂにより発熱体３を保持してある。

図７に示すように、ガイド体５０は薄板よりなり、主部３１の上方に絶縁体６０により固定配置されると共にほぼ鉛直方向に垂下してある。ガイド体５０にはその一端に折曲部５１と他端に棒状のピン５３を取り付ける孔５２を設けてある。ガイド体５０は、図８に示すように、主部３１の貫通孔３６に挿入され、発熱体３の熱膨張を垂直方向Ｚへ誘導する。これにより、主部３１の幅方向Ｙへの熱変形を抑制し、主部３１同士の接触による短絡等を防止する。また、ピン５３は主部３１の形状に沿うように湾曲させてあり、発熱体３の自重及び加熱による発熱体３の垂れや発熱体３の脱落を防止する。

絶縁体６０は、ガイド体５０の折曲部５１を係止させる溝６１と、ボルト等の取付具６３を貫通させる取付孔６２とが複数形成されてある。溝６１上部は開口してあり、その開口からガイド体５０を溝６１の貫通孔６１ａに貫通して折曲部５１を溝６１に係止させる。そして、例えばセメント等の絶縁材料を充填して折曲部５１を固定する。なお、本実施形態において、絶縁体６０を幅方向Ｙに４体配列させて縦フレーム７ｂに固定してある。

ここで、図１０を参照しながら発熱体３の製造方法について説明する。
まず、図１０（ａ）に示す如き、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやニッケルクロム合金等で作成した長さ９５６ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚み１ｍｍの薄板長尺部材２００において、その略中央部に貫通孔３６を形成する。次に、同図（ｂ）（ｃ）に示す如く、その薄板長尺部材２００を幅方向Ｙの中心面Ｓに対し対称に角度θ約１２０°で略Ｖ字型に屈曲し頂部３２を形成する。そして、屈曲した薄板長尺部材２００’の貫通孔３６周縁部に同様に屈曲させた導電性部材３７を溶接にて取り付ける。

次に、上述と同様に屈曲した複数の薄板長尺部材２００’を平行に配置し、各端部２０１’を交互に接続部材３５で接続し、蛇行状の電流路３０を形成する。そして、接続した複数の薄板長尺部材２００’全体をその長手方向Ｘに対して円弧状に湾曲させて発熱体３を形成する。なお、本実施形態においては、２６本の薄板長尺部材２００により発熱体３を構成してある。

最後に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記実施形態において、主部３１は薄板長尺部材２００を約１２０°の角度でＶ字状に屈曲し、その頂部３２が天井壁１０１側に位置（上向き）するように配置した。しかし、頂部３２は炉１００の内部側に位置（下向き）させても構わない。また、屈曲はＶ字状に限らず、円弧状に湾曲させても構わない。

ここで、薄板長尺部材２００の屈曲について説明する。
発明者らの実験によれば、図１０（ｃ）に示すように、本実施形態の薄板長尺部材２００をＶ字状に屈曲した場合、屈曲後の薄板長尺部材２００’の幅Ｗを１００とすると、両端部２０１’を結ぶ水平面からの頂部３２の高さＨが１５以上５０以下であるとよいことが判明した。また、薄板長尺部材２００を湾曲させた（Ｒ曲げ）場合には、頂部３２の高さＨが薄板長尺部材２００’の幅Ｗ１００に対し、１０以上４０以下であるとよいことが判明した。この範囲内の屈曲であれば、垂直方向Ｚへの発熱体３の自重及び発熱による発熱体３の垂れや変形に対する強度を確保でき、且つ発熱体３の輻射効率も十分に確保できる。なお、この範囲は、頂部３２の位置が両側端部を結ぶ水平面より上側と下側のいずれに位置しても同じである。

上記実施形態において、導電性部材３７を主部３１の上面に溶接により固定した。しかし、導電性部材３７は主部３１の上面に限らず、下面側に取り付けてもよく、また両面にそれぞれ取り付けても構わない。また、接続部材３５は端部３３の両面にそれぞれ取り付けたが、上面又は下面のいずれか一方であっても構わない。

上記実施形態において、ガイド部５を発熱体３の長手方向Ｘの略中央に１カ所設けた。しかし、ガイド部５は長手方向Ｘにおいて複数設けても構わない。但し、ヒーターユニット２の部品点数及び組み立ての作業効率等を考慮すると、上記実施形態の如く長手方向Ｘの中央１カ所に設けることが望ましい。

上記実施形態において、ガイド部５のピン５３は棒状部材を湾曲させて形成した。しかし、発熱体３の自重及び熱変形による発熱体３の垂れや落下を防止し得る形状であれば、上記実施形態の形状に限られない。

上記実施形態における絶縁体４０ａ，４０ｂ，６０を構成する絶縁材料としては、アルミナ質、アルミナシリカ質、ムライト質、ジルコン質又はコージライトを主体とするセラミックスや炭化けい素、窒化けい素等の他、様々なものを用いることができる。また、これら絶縁材料を構成する材料の種類や配合は、発熱体の使用温度等に応じて適宜変更することができる。

また、上記実施形態において、絶縁体４０ａ，４０ｂを二組、絶縁体６０を４体用いたが、これらはヒーターユニット２の大きさに応じて長さや数量を適宜設定すればよい。また、発熱体３を薄板長尺部材２００を２６本接続して形成したが、薄板長尺部材２００の本数や寸法等もヒーターユニット２の大きさに応じ適宜設定すればよい。

上記実施形態において、蛇行状の電流路３０は、図１１（ａ）に示す如く、直線状の主部３１を等間隔をおいて互いに平行に接続して形成した。しかし、同図（ｂ）に示すように、各主部３１を不等間隔をおいて配置しても構わない。また、同図（ｃ）に示す如く、各主部３１を掛け渡す方向Ｘに平行に配置しなくても構わない。但し、上記実施形態の電流路が、発熱体の保持、製作、加熱効率等の点で優れている。

また、上記実施形態において、複数の薄板長尺部材２００を接続して蛇行状の電流路３０を形成した。しかし、例えば薄板を打ち抜き加工して接続して蛇行状の電流路を形成し、それら加工した薄板を接続して発熱体を作製しても構わない。

本発明に係るヒーターユニットは、ガラス、セラミック、サーメット、金属等の熱処理用ヒーターとして使用することができる。また、陶芸炉、反応炉、拡散炉等にも適用することができる。さらに、食品の加工や液体の処理に使用してもよい。

本発明に係るヒーターユニットの正面図である。 本発明に係るヒーターユニットの背面図である。 複数のヒーターユニットよりなる天井構造体を炉に取り付けた状態を模式的に示す炉の縦断面図である。 ガス管近傍の部分拡大平面図である。 発熱体の部分拡大平面図である。 （ａ）は絶縁体の側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は背面図である。 ガイド体を絶縁体に取り付けた状態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 発熱体主部の貫通孔近傍の部分拡大端面図である。 発熱体を保持部に係止させた状態を示す図であり、（ａ）は部分拡大断面図であり、（ｂ）は発熱体の接線方向視での拡大図である。 （ａ）は薄板長尺部材の平面図であり、（ｂ）は薄板長尺部材に折り曲げ加工を施し主部を形成した状態での平面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 発熱体を模式的に示す平面図であり、（ａ）は第一の実施形態に係る発熱体、（ｂ）は他の実施形態に係る発熱体、（ｃ）はさらに他の実施形態に係る発熱体である。

符号の説明

１：天井構造体、２：ヒーターユニット、３：発熱体、４：保持部、５：ガイド部、６：天井部材、７：フレーム、７ａ：横フレーム、７ｂ：縦フレーム、７ｃ：サイドフレーム、８：通電部材、１０：連結部、１１：間隙、１２：閉塞部材、１３：貫通孔、１４：ガス管、３０：電流路、３１：主部、３２：頂部、３３：端部、３３ａ：端縁、３４：接続部、３５：接続部材、３６：貫通孔（孔）、３７：導電性部材、４０ａ，４０ｂ：絶縁体、４１：溝、４１ａ：底部、４２：接続部、４３：取付部材、４４：孔、５０：ガイド体、５１：折曲部、５２：孔、５３：ピン、６０：絶縁体、６１：溝、６１ａ：貫通孔、６２：取付孔、６３：取付具（ボルト）、１００：炉、１０１：天井壁、２００：薄板長尺部材、Ｃ：クリアランス、Ｈ：高さ、Ｍ：揺動方向、Ｓ：中心面、Ｗ：幅、Ｘ：長手方向、Ｙ：幅方向、Ｚ：鉛直（垂直）方向

Claims (6)

1. 蛇行状の電流路を有する発熱体と、その発熱体を保持する保持部とを有するヒーターユニットであって、
   前記電流路は、長尺板状でその長手方向に対し上方に向けて凸となる円弧状の主部と各主部間を接続する接続部とよりなり、各主部は長手方向に直交する幅方向に対し対称的に屈曲し、前記保持部は前記接続部を係止する溝を有する一対の絶縁体よりなり、前記接続部又はその近傍部分を前記一対の絶縁体の溝間に係止させて前記発熱体を前記長手方向に対し円弧状に掛け渡したヒーターユニット。
2. ほぼ鉛直に配置された棒状のガイド体を前記主部の上方に固定配置し、前記主部に形成した孔にこのガイド体を挿入した請求項１記載のヒーターユニット。
3. 前記ガイド体の下端には前記発熱体の脱落を防止するピンが設けられている請求項２記載のヒーターユニット。
4. 前記発熱体における前記孔の周縁部に導電性部材を設けた請求項２又は３記載のヒーターユニット。
5. 前記接続部は前記一対の絶縁体の溝に対し前記発熱体の端縁を中心とする揺動を許容するクリアランスをもって係止してある請求項１〜４のいずれかに記載のヒーターユニット。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のヒーターユニットに用いられる発熱体の製造方法であって、
   板状の複数の長尺部材を長手方向に直交する幅方向に対し屈曲し、屈曲させた前記複数の長尺部材の端部を接続して蛇行状の電流路を形成し、その電流路全体を前記長手方向に対し屈曲する発熱体の製造方法。

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