JP2012066260A - 浸漬電気ヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】外筒が破裂し難く、しかも製造コストが低廉な浸漬電気ヒーターを提供する。
【解決手段】溶湯Ｙ内に下部が浸漬され、下端が閉じられた試験管状の外筒３１と、外筒３１の内周壁面に取付けられ、供給された電力により発熱する発熱体３３と、を備え、溶湯Ｙを加熱する浸漬電気ヒーター３０において、外筒３１の中央にセラミックス繊維からなる弾性体３５を配置し、弾性体３５と外筒３１の内周壁面との間に窒化アルミニウム粉末３４を充填するとともに、発熱体３３に上方及び下方から互い違いにスリット３６を形成し、外筒３１の内部に窒素ガスを負圧で封入した。
【選択図】図１

Description

本発明は、軽金属等の溶湯に浸漬され、その溶湯を加熱する浸漬電気ヒーターに関するものである。

従来、アルミニウム合金等の非鉄金属の製品は、多くが一旦溶解して各種鋳造法により製造されている。その溶湯を加熱する装置として、図５に示すような浸漬電気ヒーター１０が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この浸漬電気ヒーター１０は、溶湯Ｙ内に下部が浸漬される外筒１１と、外筒１１の内部に嵌め込まれる内筒１２と、内筒１２の表面に形成された溝内に螺旋状に巻かれた発熱体１３と、を備える。
しかし、この浸漬電気ヒーター１０には、発熱体１３は外筒１１の内周壁面に対して非接触であるために、発熱体１３の内側部分の熱が溶湯Ｙまで十分に伝わらないという問題があった。

この問題に対応するため、図６に示すように、外筒１１の内部に、絶縁体でありかつ、良好な熱伝導率を備えるセラミックス粉末１４をコイル１３の周りに充填した浸漬電気ヒーター１０が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
しかし、この粉末１４で高い熱伝導を可能とするには、セラミックス粉末１４を高密度に充填しなければならず、そのためにコイル１３間を縫うようにして治具によって少しずつセラミックス粉末１４を補充しては突き固める必要がある。この作業で、粉末１４は粗密を生じて層状に堆積するので、コイル１３にも粗密が生じることが避けられない。それに伴い、コイル１３が過大に伸びた箇所では通電加熱により塑性変形し、大きな熱応力を生じて疲労的な破断を引き起こす原因となる。なお、図６における外筒１１の中央部に配置されているものは、熱電対保護管１５である。

そこで、図７に示すような、浸漬電気ヒーター２０が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
この浸漬電気ヒーター２０は、薄板状の発熱体２３を外筒２１の内周壁面に沿うように配置している。
このような浸漬電気ヒーター２０によると、発熱体２３が外筒２１に密着するので、発熱体２３で発生した熱を効率よく外筒２１外に伝達することができる。
また、通電加熱によって、この発熱体２３を円周方向に膨張させ、あるいは酸化させることで、発熱体２３を外筒２１の内周壁面により密着できる。
また、発熱体２３は薄板状であり、コイル１３のように細線ではないので、発熱体２３は破断し難い。

さらに、図８に示すように、外筒２１内部であって薄板状の発熱体２３の内側に、外筒２１の熱膨張係数より高い熱膨張係数を有するセラミックス粉末２４を充填した浸漬電気ヒーター２０も開示されている（例えば、特許文献４参照）。
この浸漬電気ヒーター２０によると、外筒２１とセラミックス粉末２４の膨張差によって、薄板状の発熱体２３の外表面を外筒２１の内周壁面に確実に密着させることができるので、より高い発熱が可能となっている。

実開平２−１４７９３号公報 登録実用新案第３０３３１９７号公報 特開平８−２９３３８０号公報 特許第４０４６４４０号公報

しかしながら、このような浸漬電気ヒーター１０，２０には、以下のような課題がそれぞれにある。
（１）外筒が破裂する
図６に示す、コイル状の発熱体１３の内外をセラミックス粉末１４で高密度に充填している浸漬電気ヒーター１０の場合、発熱体１３を、特に急速加熱、あるいは繰り返し加熱すると、その発熱体１３の急膨張、あるいは膨張収縮の繰り返しにより、外筒１１の内圧が上昇し、外筒１１が破裂する恐れがある。
さらに、外筒１１の破裂の他の原因として、発熱体１３が途中で短絡すると、発熱体１３が瞬時に蒸発し、それに伴って一瞬にして内圧が上昇してしまうことがある。あるいは、高温で酸化性の強いセラミックス粉末１４、例えば窒化ホウ素の場合、酸素が存在すると１０００℃以上では酸化燃焼するので、これにより外筒１１は爆発的に破裂することも危惧される。
そしてまた、セラミックス粉末１４の密度が不十分なために、発熱体１３で発生した熱が速やかに外部に伝達しない場合、発熱体１３のまわりに熱が籠って発熱体１３の熱膨張量が過大になると、急激に熱応力が発生する。このことも外筒１１の破裂原因となり得る。

また、セラミックス粉末１４の充填工程では、粉末１４を高密度に充填するために、このセラミックス粉末１４を少量ずつ充填し、かつ突き固める必要があるが、突き固める荷重が外筒１１の強度に比べて過大な場合は、外筒１１を破壊し、あるいは先在する微小欠陥にダメージを与えてしまう。このダメージが蓄積され、一定以上になると破壊をもたらす恐れがある。
一方、その荷重が不足した場合には、外筒１１に対してはダメージを回避できるけれども、セラミックス粉末１４の密度が不足するので、十分な熱伝導率を得ることができない恐れが生じる。この場合、発熱体１４の周囲のみが局部的に加熱される結果、発熱体１３自体が断線するか、あるいはその寿命が短縮することとなる。

次に、図７に示す、薄板状の発熱体２３を備える浸漬電気ヒーター２０は、発熱体２３の円周方向への膨張によって外筒２１の内周壁面に発熱体２３の外側を密着させることを目的として、外筒２１より熱膨張率の高い薄板状の発熱体２３を外筒２１の内周壁面の円周上に配置することによりその内面との密着を図るものだが、その使用時の加熱冷却によって円周に配置した発熱体２３は熱膨張と収縮を繰り返すこととなる。その結果、発熱体２３自体がクリープ現象により徐々に塑性変形し、外筒２１内周壁面との密着力を持続できなくなり、接触伝熱が早期に喪失する恐れが高い。

また、発熱体２３が外筒２１内周壁面と密着しなくなることで発熱体２３からの放熱が抑制されるために、局部的な過熱を生じ、その結果、断線する可能性もある。さらに、この発熱体２３内側に空間があると、発熱体２３内側は放射伝熱となり、発熱体２３外側に比べて奪熱が適切に行われることが期待できないので、高出力の場合には、特に発熱体２３の望ましい表面負荷（ワット密度）の限度を越えてしまい易い。したがって、発熱体２３の早期消耗、断線等の可能性が高くなる。

さらには、発熱体２３形状を閉円形状とすることで、発熱体２３の熱膨張特性と相俟って外筒２１内周壁面と発熱体２３外表面とを密着させるものであるが、使用に際して、発熱体２３が一度に、あるいは繰り返し急加熱された場合には、この構造によって外筒２１には急激な内圧が一度、あるいは繰り返し加えられる結果、外筒２１が破壊に至るほどのダメージを付与する恐れもある。

また、一般的に外筒２１の耐内圧強度は、その外径に反比例して低下することが知られている。
ここで、一例として窒化ケイ素系セラミックスからなる外筒２１の許容内圧の試算例を図９に示すが、これからわかるように、外筒２１の外径が大きくなるにつれ許容内圧は大きく低下する。つまり、大きな浸漬電気ヒーター２０ほど外筒２１の耐内圧強度が低下するので、外筒２１の破裂対策が重要であることがわかる。
一方、内部に充填する膨張材２４の量は半径の二乗で増加するので、円周方向内圧も半径の二乗で急増する。
したがって、図８に示す、外筒２１の熱膨張係数に比較してより高い熱膨張係数を有するセラミックス粉末２４を充填した浸漬電気ヒーター２０においては、持続的に内圧を保持するために膨張材２４を用いることが、一方で外筒２１破壊のリスクを増長させる可能性を与えるということを示している。

（２）製造コストが高い
従来のセラミックス粉末１４，２４を充填する浸漬電気ヒーター１０，２０（図６又は図８）では、セラミックス粉末１４，２４が比較的高価であるので、材料費が高くなってしまうという問題がある。しかも、セラミックス粉末１４，２４を高密度となるまで突き固めているので、セラミックス粉末１４，２４の使用量が多くなってしまう。
また、材料費だけでなく、セラミックス粉末１４，２４を充填する浸漬電気ヒーター１０，２０では、生産工数の面でも製造コストが高くなる。すなわち、粉末充填工程では粉末１４，２４を少量ずつ充填しては突き固めるため、多大な工数を要する。

そこで、本発明の目的とするところは、外筒が破裂し難く、しかも製造コストが低廉な浸漬電気ヒーターを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の浸漬電気ヒーター（３０）は、溶湯（Ｙ）内に下部が浸漬され、下端が閉じられた試験管状の外筒（３１）と、前記外筒（３１）の内周壁面に取付けられ、供給された電力により発熱する発熱体（３３）と、を備え、溶湯（Ｙ）を加熱する浸漬電気ヒーター（３０）において、前記外筒（３１）の内部に窒化アルミニウム粉末（３４）を充填したことを特徴とする。

また、請求項２に記載の浸漬電気ヒーター（３０）は、前記外筒（３１）の中央にセラミックス繊維からなる弾性体（３５）を配置し、前記弾性体（３５）と前記外筒（３１）の内周壁面との間に前記窒化アルミニウム粉末（３４）を充填したことを特徴とする。

また、請求項３に記載の浸漬電気ヒーター（３０）は、前記外筒（３１）の内部に窒素ガスを負圧で封入したことを特徴とする。

また、請求項４に記載の浸漬電気ヒーター（３０）は、前記発熱体（３３）に、上方及び下方から互い違いにスリット（３６）を形成したことを特徴とする。

また、請求項５に記載の浸漬電気ヒーター（３０）は、前記発熱体（３３）の上方に、くの字状に折り曲げられ上下方向に撓むことができる導通可能なプレート板（３９）を接続したことを特徴とする。

また、請求項６に記載の浸漬電気ヒーター（３０）は、前記弾性体（３５）の表面に、前記窒化アルミニウム粉末（３４）の内部への侵入を防ぐ保護層を形成したことを特徴とする。

ここで、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明の請求項１に記載の浸漬電気ヒーターによれば、溶湯内に下部が浸漬され、下端が閉じられた試験管状の外筒と、外筒の内周壁面に取付けられ、供給された電力により発熱する発熱体と、を備え、外筒の内部に窒化アルミニウム粉末を充填することで、発熱体で発生した熱が外部まで伝わり易くなり、外筒の破裂を防ぐことができる。すなわち、窒化アルミニウムは、従来の浸漬電気ヒーターに用いられていたセラミックス粉末よりも熱伝導率が高いので、窒化アルミニウム粉末を発熱体に接触させておくことで、発熱体のまわりに熱が籠らず、急激な熱応力の発生を防ぐことができる。
しかも、窒化アルミニウムは従来のセラミックス粉末よりも熱伝導率が高いので、窒化アルミニウム粉末の充填密度が低くて済む。つまり、窒化アルミニウム粉末を突き固めながら充填しなくても所定の熱伝導率を得ることができるので、窒化アルミニウム粉末の充填時に衝撃が外筒に加わらず、外筒にダメージを受け難い。よって、より外筒が破裂し難い。

また、窒化アルミニウムは従来のセラミックス粉末に比べて相対的に安価であるので、浸漬電気ヒーターの材料費が低廉となる。
さらに、窒化アルミニウムは熱伝導率が高く充填密度が低くて済むので、窒化アルミニウム粉末の充填に掛かる工数が減少する。しかも充填密度が低くて済む分、窒化アルミニウム粉末の使用量も少なくなるので、材料費はより低廉となる。よって、浸漬電気ヒーターの製造コストが低廉となる。

また、請求項２に記載の浸漬電気ヒーターによれば、請求項１に記載の発明の作用効果に加え、外筒の中央にセラミックス繊維からなる弾性体を配置し、弾性体と外筒の内周壁面との間に窒化アルミニウム粉末を充填したので、発熱時に発熱体及び窒化アルミニウム粉末が熱膨張しても、その分弾性体が縮む。よって、外筒の内圧が上昇し過ぎないので、外筒が破裂し難い。
また、弾性体の弾性力によって、外筒には適度な内圧がかかるので、外筒の内周壁面と発熱体の外表面との隙間がなくなり、発熱体からの熱を外筒の外へ速やかに放出することができる。
また、弾性体の体積の分だけ、弾性体よりも高価な窒化アルミニウム粉末の使用量が減るので、材料費はより低廉となる。

また、請求項３に記載の浸漬電気ヒーターによれば、請求項１又は２に記載の発明の作用効果に加え、外筒の内部に窒素ガスを負圧で封入したので、浸漬電気ヒーター使用前の長期の保存時等における吸湿を防止することができる。よって、水蒸気による窒化アルミニウムの分解が防止され、窒化アルミニウムの絶縁性を保つことができるので、漏電防止となり、外筒の破裂を防止することができる。
また、外筒の内部にモリブデンからなる部材を配置する場合、窒素ガスを負圧で封入した雰囲気とすることによって、モリブデン特有の昇華を防止することができる。さらには、鉄系材料の酸化を抑制することも期待できる。

また、請求項４に記載の浸漬電気ヒーターによれば、請求項１乃至３に記載の発明の作用効果に加え、発熱体に、上方及び下方から互い違いにスリットを形成したので、スリットから発熱体内側より発生した熱を外筒の外部へ放出し易い。よって、局部的な熱応力が発生し難いので、外筒の破裂を防止できる。
また、スリットがあるので、そのスリット間にも窒化アルミニウム粉末が充填される。つまり、発熱体の変形を防止できるとともに、窒化アルミニウムは絶縁体であるので、ショート防止となり、ショートによる局部的な温度上昇が発生し難く、外筒の破裂を防止することができる。
また、上方及び下方から互い違いにスリットを形成したので、発熱量増大に伴う発熱体の径方向の膨張を円周方向に、つまりスリットに逃がすことができる。さらには、当然のことながら発熱体の円周方向の膨張もスリットに逃がすことができる。このように、スリットを形成することで膨張量を軽減することができるので、外筒の内圧上昇を抑制でき、外筒が破損し難い。

また、請求項５に記載の浸漬電気ヒーターによれば、請求項１乃至４に記載の発明の作用効果に加え、発熱体の上方に、くの字状に折り曲げられ上下方向に撓むことができる導通可能なプレート板を接続したので、プレート板により発熱体の軸方向の膨張による大きな変位を吸収することができ、発熱体の上下方向の膨張による浸漬電気ヒーターの破損を防止できる。

また、請求項６に記載の浸漬電気ヒーターによれば、請求項１乃至５に記載の発明の作用効果に加え、弾性体の表面に、窒化アルミニウム粉末の内部への侵入を防ぐ保護層を形成したので、弾性体が所定の弾力を保つことができ、外筒の破裂を防止することができる。
すなわち、弾性体の内部に窒化アルミニウム粉末が侵入してしまうと、弾性体の縮み量が小さくなるので、発熱体及び窒化アルミニウム粉末が熱膨張したときに、その膨張を弾性体が吸収しきれず外筒の内圧が上昇し過ぎ、外筒が破裂し易くなる。さらに、発熱体の外筒内周壁面への密着に必要な弾性力を維持できないので、発熱体外面が外筒内周壁面より離れて、外筒外への伝熱が阻害され、発熱体及び外筒にダメージを与える。
一方、窒化アルミニウム粉末が弾性体内部に侵入していない場合には、弾性体は所定の縮み量を保つことができるので、発熱体及び窒化アルミニウム粉末が熱膨張したときに、その膨張を弾性体が吸収でき、確実に外筒の破裂を防止することができる。

なお、本発明の浸漬電気ヒーターのように、外筒の内部に窒化アルミニウム粉末を充填する点は、上述した特許文献１乃至４には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係る浸漬電気ヒーターを示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係る浸漬電気ヒーターを示す、図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る浸漬電気ヒーターにおける発熱体を示す構造図である。 弾性体を有さない浸漬電気ヒーターに窒化アルミニウム粉末を充填した場合の、窒化アルミニウム粉末の膨張量を示す図である。 従来例に係る浸漬電気ヒーターを示す縦断面図である。 他の従来例に係る浸漬電気ヒーターを示す縦断面図である。 さらに他の従来例に係る浸漬電気ヒーターを示す横断面図である。 さらに他の従来例に係る浸漬電気ヒーターを示す横断面図である。 窒化ケイ素からなる外筒の外径と許容内圧との関係を示す図である。

図１乃至図４を参照して、本発明の実施形態に係る浸漬電気ヒーター３０を説明する。
この浸漬電気ヒーター３０は、主に外筒３１と、発熱体３３と、弾性体３５と、窒化アルミニウム粉末３４と、を備え、溶湯Ｙを加熱するものである。

外筒３１は、溶湯Ｙ内に下部が浸漬され、下端が閉じられた試験管状であり、高純度の窒化ケイ素系セラミックスからなる。この素材は溶湯Ｙ（溶解アルミニウム）が付着し難く、付着しても離れ易いという性質がある。
溶湯Ｙの量や必要な熱量によって様々な直径の外筒３１が選択され、例えば直径２８ｍｍ、５５ｍｍ、１００ｍｍのもの等がある。

発熱体３３は、図３に示すように、上方及び下方から互い違いにスリット３６を形成した薄板形状である。つまり、所定の線幅Ｗ１の発熱体３３が上端及び下端で折り返されて蛇行状になっている。この折り数は２〜４回とした。
そして、発熱体３３は外筒３１の内周壁面に密着するように取付けられ、供給された電力により、発熱体３３の外側（外筒３１側）と内側の両面が発熱する。発熱体３３に電力を供給するモリブデン棒である給電ロッド３７と発熱体３３との連結は、かしめ構造によって確実に行われている。
また、各相の発熱体３３の間隔Ｗ２を５ｍｍ、スリット３６間隔Ｗ３を５ｍｍというように、各間隔Ｗ２，Ｗ３を広めにした。また、発熱体３３の線幅Ｗ１を１０ｍｍ、板厚を０．５ｍｍとした。

なお、発熱体３３の板厚は以下のようにして決定した。
一般に、発熱体３３の寿命を左右する大きな要素は、発熱体３３の表面負荷（ワット密度）といわれており、放射加熱では１０Ｗ／ｃｍ²が許容表面負荷である。一方、本実施形態のような接触伝熱方式では、確かな数値ではないが経験上、許容表面負荷は４０Ｗ／ｃｍ²程度であることがわかっている。
まず、薄板形状の発熱体３３の場合、必要とする発熱量、つまり発熱体３３の抵抗値から発熱体３３の全長と断面積を決定する。折り数が０、１、２、３となると、それに伴って発熱体３３の全長は１、２、４、６倍となる。本実施形態においては、発熱体３３温度は９００℃とした。
そして、発熱体３３の出力が許容表面負荷内となるように、発熱体３３の線幅Ｗ１と板厚を決定するが、表面負荷を低くするために線幅Ｗ１を広くして、板厚を薄くし過ぎると、カンタル材であっても発熱体３３の酸化消耗を抑制できない。
一方、板厚を厚くすると、厚さ方向の膨張を増加させるとともに、加工性及び組み付け性が悪くなってしまう。
このようにして、発熱体３３の板厚は０．１〜１．０ｍｍが適していることがわかった。

また、必要とする出力は、電圧（もしくは電流）を一定とすると、主にヒーター素線の抵抗により決定される。一方、この抵抗はその材料の比抵抗と長さ及び断面積の組み合わせにより決定するが、発熱体３３の材料としては従来のカンタルやニクロム材以外に、高温で耐酸化性等の性質を有する金属材料、例えばチタン材等も用いることができる。

発熱体３３の製作において、板厚２０ｃｍの板材（原材料）を板厚が各０．５ｍｍとなるようにワイヤーカット加工すると、一度に４００枚の発熱体３３を製作可能であり、製造コストを下げることができる。発熱体３３の加工手段としては、熱的な影響を受けない工法である液中ワイヤーカットが妥当と思われるが、その他の工法、例えば、レーザー切断、電子ビーム切断等が、より高速の切断手段として考えられる。
また、発熱体３３の外筒３１への設置方法としては、例えば発熱体３３が磁性材料の場合には、外筒３１の外部から電磁石等で発熱体３３を外筒３１の内周壁面に沿わせて設置する。その他、治具を用いて外筒３１の内側から発熱体３３を押圧等して、外筒３１の内周壁面の所定位置に配置する方法もある。

ここで、発熱体３３と給電ロッド３７との上下方向の全長は、発熱体３３の加熱長Ｌによるが、１ｍ程度と大きくなってしまうため、特に上下方向への大きな熱膨張が避けられない。この熱膨張による上下方向の寸法変化に対応するために、図１に示すように、炉蓋３８上部において、給電ロッド３７の上端は導通可能なプレート板（継電銅プレート）３９の下端と接続している。このプレート板３９はくの字状に折り曲げられており、発熱体３３が上下方向に熱膨張した場合には、プレート板３９は上下方向に潰れるように撓むことができる。一方、浸漬電気ヒーター３０が常温となり発熱体３３が元の大きさまで縮んだ場合には、プレート板３９も元の形状に戻る。また、プレート板３９と給電ロッド３７との接合部を、上方向へは内部に充填した粉末と給電ロッド３７との摩擦はあるものの、上下に移動自在としている。なお、プレート板３９は可撓性を得られる形状であれば、ここで示した形状に限られるものではない。

弾性体３５は、高温において安定で、適度な弾力性を有するセラミックス繊維からなり、外筒３１底面から溶湯Ｙの湯面に対応する位置まで、外筒３１の平面視中央に配置されている。
弾性体３５の材質、かさ密度、繊維の形状、配列方向と高温での弾力性等は、主に窒化アルミニウム粉末３４の径方向の厚さにより最適なものを選定した。
この中でも弾性体３５の弾力性が重要であるが、適切な弾力性とは、浸漬電気ヒーター３０製造時における窒化アルミニウム粉末３４の充填によっては弾性体３５が縮み切らず、かつ発熱体３３及び窒化アルミニウム粉末３４の熱膨張によって縮む程度である。
また、この弾力によって発熱体３３が外筒３１の内周壁面に密着できる。
さらに、弾性体３５の表面に、窒化アルミニウム粉末３４が弾性体３５内部へ侵入してくることを防ぐ保護層を形成した。

また、このように弾性体３５は適度な弾力性を有するので、浸漬電気ヒーター３０の製造時に弾性体３５をそのまま外筒３１の上端から挿入すると、弾性体３５が途中で湾曲した状態になる。しかし、弾性体３５はその周面からの発熱体３３及び窒化アルミニウム粉末３４の熱膨張を均等に受ける必要があるので、弾性体３５が湾曲状態であることは好ましくない。したがって、製造時には筒状治具の内部に弾性体３５を入れ、その筒状治具を外筒３１に挿入することにより弾性体３５を外筒３１の中央に配置し、配置後その筒状治具のみを外筒３１から抜き取る。もちろん、弾性体３５を真っ直ぐ垂直状態で外筒３１中央に配置できるならば、一定の位置決め精度を有する空圧等を用いたエレベータ機構等の方法であってもよい。

窒化アルミニウム粉末３４は、超音波振動によって弾性体３５と発熱体３３内側との間に充填されている。もちろん、発熱体３３のスリット３６と外筒３１の内周壁面の間においても、窒化アルミニウム粉末３４が充填されている。この充填は、外筒３１の底面から弾性体３５の上端と略同じ高さ、又は弾性体３５の上端よりも＋２０ｍｍ程度となるまで行われる。ここで、発熱体３３外側と外筒３１内周壁面間に窒化アルミニウム粉末３４が嵌入したとしても、窒化アルミニウム粉末３４が高い熱伝導性を有するので、これの放熱性を大きく損ねる可能性は小さい。
なお、超音波振動による充填方法では、少量ずつ粉末を入れては突き固める充填方法に比べて充填密度が低くなるが、窒化アルミニウム粉末３４は、少なく見積もっても熱伝導率が従来の浸漬電気ヒーター１０，２０（図６又は図８）に係るセラミックス粉末１４，２４に比べて３倍以上であるので、超音波振動等充填であっても適切な粒度及び粒度の組み合わせと相俟って全体として必要な熱伝導は確保できる。
また、窒化アルミニウム粉末３４は従来の浸漬電気ヒーター１０，２０に係るセラミックス粉末１４，２４よりも安価である。
また、外筒３１の内部（窒化アルミニウム粉末３４が充填されている部分）の空気を吸引するとともに、高温で安定な高純度の不活性ガス、例えば窒素ガスを、吸引した空気の量よりも少量封入して、外筒３１の内部を外気の６０％程度の負圧とした。これによっても、外筒３１の耐内圧性を多少増すことができる。この負圧を実現するために、外筒３１と上部構造体との間に、耐熱性のシールを施している。

ここで、従来の浸漬電気ヒーター１０，２０に係るセラミックス粉末１４，２４に替えて窒化アルミニウム粉末３４を採用した浸漬電気ヒーター（弾性体３５無し）に関し、窒化アルミニウム３４の膨張量を計算すると、図４のようになる。つまり、窒化アルミニウム３４は熱伝導率が高いものの膨張率が窒化ケイ素の約１．５倍高く、よって膨張量も大きいので、外筒３１の内圧が高くなってしまう。したがって、単に従来のセラミックス粉末１４，２４を窒化アルミニウム粉末３４に置き換えただけでは、外筒３１の破裂の可能性が非常に高くなるので、特に直径が大きい外筒３１の場合には、何らかの処置なしでは窒化アルミニウム粉末３４を浸漬電気ヒーター３０における熱伝達媒体として採用できない。つまり、本実施形態においては、外筒３１が破裂しないように、極力窒化アルミニウム粉末３４の量を抑え、その体積を補うために中心部に弾性体３５を配置することで、その膨張量を小さくしている。

さらに、外筒３１内部であって給電ロッド３７上部の空間部には、高い絶縁抵抗を有するアルミナ系粉末４０を適度な密度で充填して、発熱体３３上部からの放熱を抑制するとともに、給電ロッド３７の円周方向への移動を防いでショートを防止する役割をもたせている。なお、アルミナ系粉末４０は比較的安価で、しかも高い断熱性が期待できる。
一連の製造工程では、可能な限り治具や工具を用いることで各作業における個人差をより小さくして、安定な寸法形状の確保と高い生産性を実現できる。

以上のように構成された浸漬電気ヒーター３０によれば、溶湯Ｙ内に下部が浸漬され、下端が閉じられた試験管状の外筒３１と、外筒３１の内周壁面に取付けられ、供給された電力により発熱する発熱体３３と、を備え、外筒３１の内部に窒化アルミニウム粉末３４を充填することで、発熱体３３で発生した熱が外部まで伝わり易くなり、外筒３１の破裂を防ぐことができる。すなわち、窒化アルミニウム３４は、従来の浸漬電気ヒーター１０，２０に用いられていたセラミックス粉末１４，２４、例えば窒化ホウ素よりも熱伝導率が高いので、窒化アルミニウム粉末３４を発熱体３３に接触させておくことで、発熱体３３のまわりに熱が籠らず、急激な熱応力が発生を防ぐことができる。
しかも、窒化アルミニウム３４は従来のセラミックス粉末（窒化ホウ素）１４，２４よりも熱伝導率が高いので、窒化アルミニウム粉末３４の充填密度が低くて済む。つまり、窒化アルミニウム粉末３４を突き固めながら充填しなくても所定の熱伝導率を得ることができるので、窒化アルミニウム粉末３４の充填時に衝撃が外筒３１に加わらず、外筒３１にダメージを受け難い。よって、より外筒３１が破裂し難い。

また、窒化アルミニウム３４は窒化ホウ素１４，２４に比べて相対的に安価であるので、浸漬電気ヒーター３０の材料費が低廉となる。
さらに、窒化アルミニウム３４は熱伝導率が高く充填密度が低くて済むので、窒化アルミニウム粉末３４の充填に掛かる工数が減少する。しかも充填密度が低くて済む分、窒化アルミニウム粉末３４の使用量も少なくなるので、材料費はより低廉となる。加えて、弾性体３５の体積の分だけ、弾性体３５よりも高価な窒化アルミニウム粉末３４の使用量が減るので、材料費はより低廉となる。よって、浸漬電気ヒーターの材料費及び窒化アルミニウム粉末３４の充填工数を低減できる。

また、外筒３１の中央にセラミックス繊維からなる弾性体３５を配置し、弾性体３５と発熱体３３との間に窒化アルミニウム粉末３４を充填したので、発熱体３３の発熱時に発熱体３３及び窒化アルミニウム粉末３４が熱膨張しても、その分弾性体３５が縮む。つまり、弾性体３５が発熱体３３及び窒化アルミニウム粉末３４の膨張を吸引する一種のリリーフ機能を有する。よって、外筒３１の内圧が上昇し過ぎないので、外筒３１が破裂し難い。
また、弾性体３５の弾性力によって、外筒３１には適度な内圧がかかるので、外筒３１の内周壁面と発熱体３３の外表面との隙間がなくなり、発熱体３３からの熱を外筒の外へ速やかに放出することができる。

また、外筒３１の内部に窒素ガスを負圧で封入したので、浸漬電気ヒーター３０使用前の長期の保存時等における吸湿を防止することができる。よって、水蒸気による窒化アルミニウム３４の分解が防止され、窒化アルミニウム３４の絶縁性を保つことができるので、漏電防止となり、外筒３１の破裂を防止することができる。さらにはこれにより、モリブデン棒である給電ロッド３７等の昇華や酸化を防止することもできる。

さらに、発熱体３３に、上方及び下方から互い違いにスリット３６を形成したので、スリット３６から発熱体３３内側より発生した熱を外筒３１の外部へ放出し易い。よって、局部的な熱応力が発生し難いので、外筒３１の破裂を防止できる。
しかも、スリット３６を広く取ることでスリット３６間にも窒化アルミニウム粉末３４が充填され、ショート防止となるので、ショートによる局部的な温度上昇が発生し難く、外筒３１の破裂を防止することができる。また、スリット３６間は窒化アルミニウム粉末３４が充填されるので、発熱体３３の変形を防止できる。
また、上方及び下方から互い違いにスリット３６を形成したので、発熱量増大に伴う発熱体３３の径方向の膨張を円周方向に、つまりスリット３６に逃がすことができる。さらには、当然のことながら発熱体３３の円周方向の膨張もスリット３６に逃がすことができる。このように、スリット３６を形成することで、膨張量を軽減することができるので、外筒３１の内圧上昇を抑制でき、外筒３１が破損し難い。

さらに、発熱体３３の上方に、くの字状に折り曲げられ上下方向に撓むことができる導通可能なプレート板３９を接続したので、プレート板３９により発熱体３３の軸方向の膨張による大きな変位を吸収することができ、発熱体３３の上下方向の膨張による浸漬電気ヒーター３０の破損を防止できる。

また、弾性体３５の表面に、窒化アルミニウム粉末３４の内部への侵入を防ぐ保護層を形成したので、弾性体３５が所定の弾力を保つことができ、外筒３１の破裂を防止することができる。
すなわち、弾性体３５の内部に窒化アルミニウム粉末３４が侵入してしまうと、弾性体３５の縮み量が小さくなるので、発熱体３３及び窒化アルミニウム粉末３４が熱膨張したときに、その膨張を弾性体３５が吸収しきれず外筒３１の内圧が上昇し過ぎ、外筒３１が破裂し易くなる。さらに、発熱体３３の外筒３１内周壁面への密着に必要な弾性力を維持できないので、発熱体３３外面が外筒３１内周壁面より離れて、外筒３１外への伝熱が阻害され、発熱体３３及び外筒３１にダメージを与える。
一方、窒化アルミニウム粉末３４が弾性体３５内部に侵入していない場合には、弾性体３５は所定の縮み量を保つことができるので、発熱体３３及び窒化アルミニウム粉末３４が熱膨張したときに、その膨張を弾性体３５が吸収でき、確実に外筒３１の破裂を防止することができる。

なお、本実施形態において、外筒３１の中央にセラミックス繊維からなる弾性体３５を配置したが、これに限られるものではなく、外筒３１の直径が小さい浸漬電気ヒーター３０であれば弾性体３５を発熱体３３の内側に配置しなくてもよい。これは図４からわかるように、小径であれば外筒３１の内圧が上昇し過ぎることがないためである。

また、外筒３１の内部に窒素ガスを負圧で封入したが、これに限られるものではなく、他の方法により外筒３１内部の水蒸気を排除してもよい。

また、発熱体３３に、上方及び下方から互い違いにスリット３６を形成したが、これに限られるものではない。
また、弾性体３５の表面に、窒化アルミニウム粉末３４の内部への侵入を防ぐ保護層を形成したが、この保護層は弾性体３５の外周表面の素材密度を上げて形成してもよいし、弾性体３５とは別素材であってもよい。さらには、保護層を有さなくてもよい。

また、外筒３１の内部に窒化アルミニウム粉末３４を充填したが、高い絶縁性と高い熱伝導率を有する粉末であれば、窒化アルミニウム３４に代えて充填することも可能である。
また、弾性体３５の弾性力によって、窒化アルミニウム粉末３４を介して発熱体３３を外筒３１の内周壁面に密着させたが、弾性体３５を直接発熱体３３に接触させて、発熱体３３を外筒３１の内周壁面に密着させる方法もある。

１０ 浸漬電気ヒーター
１１ 外筒
１２ 内筒
１３ 発熱体（コイル）
１４ セラミックス粉末
１５ 熱電対保護管
２０ 浸漬電気ヒーター
２１ 外筒
２３ 発熱体
２４ セラミックス粉末
３０ 浸漬電気ヒーター
３１ 外筒
３３ 発熱体
３４ 窒化アルミニウム粉末（窒化アルミニウム）
３５ 弾性体
３６ スリット
３７ 給電ロッド
３８ 炉蓋
３９ プレート板（継電銅プレート）
４０ アルミナ系粉末
Ｌ 加熱長
Ｗ１ 発熱体の線幅
Ｗ２ 各相の発熱体の間隔
Ｗ３ スリット間隔
Ｙ 溶湯

Claims (6)

1. 溶湯内に下部が浸漬され、下端が閉じられた試験管状の外筒と、
   前記外筒の内周壁面に取付けられ、供給された電力により発熱する発熱体と、を備え、溶湯を加熱する浸漬電気ヒーターにおいて、
   前記外筒の内部に窒化アルミニウム粉末を充填したことを特徴とする浸漬電気ヒーター。
2. 前記外筒の中央にセラミックス繊維からなる弾性体を配置し、前記弾性体と前記外筒の内周壁面との間に前記窒化アルミニウム粉末を充填したことを特徴とする請求項１に記載の浸漬電気ヒーター。
3. 前記外筒の内部に窒素ガスを負圧で封入したことを特徴とする請求項１又は２に記載の浸漬電気ヒーター。
4. 前記発熱体に、上方及び下方から互い違いにスリットを形成したことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の浸漬電気ヒーター。
5. 前記発熱体の上方に、くの字状に折り曲げられ上下方向に撓むことができる導通可能なプレート板を接続したことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の浸漬電気ヒーター。
6. 前記弾性体の表面に、前記窒化アルミニウム粉末の内部への侵入を防ぐ保護層を形成したことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の浸漬電気ヒーター。

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