JP2013037985A

JP2013037985A - 浸漬ヒーター

Info

Publication number: JP2013037985A
Application number: JP2011174835A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Saito; 信一斎藤; Katsuhiro Suzuki; 勝洋鈴木; Manabu Takahashi; 学高橋
Original assignee: Japan Metals and Chemical Co Ltd
Current assignee: Japan Metals and Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102932978A; JP4914945B1

Abstract

【課題】実効出力が高く、コンパクトで取り扱いやすく、特に補助的ヒーターとして用いるに好適な浸漬ヒーターを提供すること。
【解決手段】絶縁性セラミックス製有底外筒チューブと該外筒チューブに収納されるコイル状電熱線とから構成される浸漬ヒーターであって、前記外筒チューブの発熱部の内壁面が、該発熱部の開口部側内径が底部側内径より大きいテーパー形状を有し、かつ、前記コイル状電熱線が、そのコイル側部が少なくとも発熱時に前記外筒チューブの発熱部の内壁面に接する形状を有し、該内壁に支持されることを特徴とする浸漬ヒーター。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム、亜鉛等の非鉄金属溶湯中に投入し、溶湯を加熱する溶融金属用浸漬ヒーターに関し、特に補助的加熱源として好適に使用できるコンパクトな溶融金属用浸漬ヒーターに関する。

アルミニウムや亜鉛などの非鉄金属溶湯を加熱保持するために用いられる非鉄金属溶湯保持炉は、炉内溶湯中に、セラミック等の耐火物製保護管（外筒チューブ）内に発熱体を装備した浸漬ヒーターを具えている。
このような浸漬ヒーターは、通電加熱により加熱される発熱体を溶湯との反応から保護しかつ溶湯と絶縁するため高い絶縁性を有するセラミックスチューブで構成されているのが一般的である。従来、窒化珪素などの耐熱性絶縁材に発熱体を収納したアルミニウム溶湯用浸漬ヒーターが知られている。セラミックスチューブ内に収納される発熱体は棒状ヒーターであったり、Ｕ字型ヒーターであったり、螺旋あるいはコイル状ヒーターであったりといった様々の形状のヒーターが知られている。ヒーター素材としては炭化ケイ素質や、ニクロム線やケイ化モリブデンのような金属発熱体等、様々の材料が使われる。
このような浸漬ヒーターとしては、上部を溶湯容器の上蓋に懸垂支持してその下部を溶湯中に浸漬して用いる直筒形ヒーターや、上記保持炉の溶湯容器の側壁を貫通させて容器内の底寄りに水平に架設して用いるものなどが知られている。こうした浸漬ヒーターは保持炉の一部を構成している。

これらの浸漬ヒーターは、熱源として比較的大きな電気容量が要求され、結果として比較的大きなサイズの浸漬ヒーターと大きな電源を必要としている。浸漬ヒーターの容量は、溶湯を保持する炉体の大きさと断熱性に大きく依存する。
すなわち、断熱性が劣り、熱容量が大きな炉体ほど、大きな容量のヒーターが必要となる。近年、炉体そのものの断熱性が向上し、徐々に、必要とされるヒーター容量も小さくなってきており、コンパクトで取り扱いやすい浸漬ヒーターが望まれている。
一方、保持炉やメッキ槽等においては、汲出し口などの開口部からの放熱による溶湯の温度低下を補うため、部分的に金属溶湯を加熱・保温する補助的な浸漬ヒーターが望まれている。

コンパクトで取り扱いやすく、特に補助的な加熱に利用する浸漬ヒーターとしては、ヒーターのみを容易に移動できるコンパクトさ、かつ高出力であること、さらに電源として大きな変圧器が不要で、配線も容易であることが望ましい。さらに、ニーズに応じて、出力及び形状に柔軟に対応でき、安価に提供できることも重要である。
電源に関しては、１００Ｖあるいは２００Ｖの通常の電源を特別の変圧器等を用いずに、出力制御は例えばサイリスタのみで行うことができるようにすることが望ましい。ニクロム線や鉄クロムアルミ合金線のような一般的な金属電熱素線をコイル状にして絶縁性セラミックスチューブ内に収容した構成が上記目的に合致する。

この種の浸漬ヒーターでは、電熱素線はチューブ内にコイル状に巻いて収納されているが、電熱素線自体の耐熱性、耐酸化性の制約から、電熱素線そのものの温度が上がりすぎると、ヒーター寿命が極端に短くなる、このため、この種の浸漬ヒーターではヒーター内部温度を計測し、許容される温度を超えないように電力負荷を抑制するようにしている。したがって、電熱素線で発生した熱が効率的に溶湯に伝達されないと、電熱素線の全抵抗値と最大負荷電圧から算出する設計出力容量より実際の使用環境ではかなり小さい出力しか負荷することができない。この実環境で負荷できる出力容量を以後「実効出力」と記す。従来知られているこの種の浸漬ヒーターにはコンパクトで実効出力が高出力という要求に十分応えられるものは無かった。

このような浸漬ヒーターとしては、例えば、特許文献１には耐熱性セラミックスチューブ内に高熱伝導性の粉末に発熱体を埋設して収納した浸漬ヒーターが提案されている。金属シース型ヒーターは同じ考え方で製作されているが、金属シース型では、金属シース内に電熱線と高熱伝導性の粉末を充填した後、金属シースを絞り、中に充填した粉末を圧密状態にして、電熱線で発生した熱の被加熱物への熱移動（伝熱効率）を向上させる目的を達成している。
また、特許文献２には外筒管が輻射効率の優れた導電性セラミックス材料により形成され、外筒自体に通電して発熱させる外筒管において発生した熱を、金属溶湯に直接放熱させ、効率よく該金属溶湯を加熱又は保温する浸漬ヒーターが提案されている。

特開平１１−１７６５６４号公報特開２００８−２６９８０８号公報

しかしながら、特許文献１記載の浸漬ヒーターでは、シースに相当するチューブがセラミック製であるため、発熱体を埋設する粉末を圧密させることができず、粉体層は多くの気孔を含有した状態のまま存在し、粉末粒度及び充填率によっては逆に粉体層が保温材として働く場合もあり、伝熱効率を向上させるという目的を達することは容易ではない。また、特許文献２記載の浸漬ヒーターでは、導電性を有しかつ溶融金属溶湯に対して耐食性の高いセラミックス材料が無く、また、溶湯にも導電性があるので、感電事故を起こしやすく、現実的ではない。
本発明は、上記要求に応えるために、コンパクトで取り扱いやすく、特に補助的ヒーターとして用いるに好適な浸漬ヒーターを提供することを課題とする。
また、本発明は、アルミニウムや亜鉛等の非鉄鋳造部品の製造やメッキの安定操業に寄与できる、実効出力の高いコンパクトな浸漬ヒーターを安価に提供することを課題とする。

本発明者らは、絶縁性セラミックス製外筒チューブ（以下、単に「外筒チューブ」ということがある）とコイル状電熱線（以下、「電熱線コイル」ということがある）の形状、及び外筒チューブ内への電熱線コイルの収納方法に着目することにより、本発明の上記課題を解決するに至った。すなわち、本発明は、絶縁性セラミックス製有底外筒チューブと該外筒チューブに収納されるコイル状電熱線とから構成される浸漬ヒーターであって、前記外筒チューブの発熱部の内壁面が、該発熱部の開口部側内径が底部側内径より大きいテーパー形状を有し、かつ、前記コイル状電熱線が、そのコイル側部が少なくとも発熱時に前記外筒チューブの発熱部の内壁面に接する形状を有し、該内壁に支持されることを特徴とする浸漬ヒーターに関する。

本発明により、コンパクトで取り扱いやすく、特に補助的ヒーターとして用いるに好適な浸漬ヒーターを提供することができる。
また、本発明により、アルミニウムや亜鉛等の非鉄鋳造部品の製造やメッキの安定操業に寄与できる、実効出力の高い浸漬ヒーターを安価に提供することが可能となる。

本発明の浸漬ヒーターの一例を示す概略断面図である。浸漬ヒーターの実効出力とヒーター内部温度との関係を示すグラフである。

従来の浸漬ヒーターは絶縁性セラミックス直管中に電熱線コイルが収納されている形状であるが、電熱線コイルの金属電熱素線の熱膨張率は外筒チューブを構成するセラミックスのそれよりも大きいため、該熱膨張率の差を考慮して、電熱線コイルの外径は外筒チューブの内径より小さくしておく必要があった。また、高温下では電熱線コイルが変形しやすいため、外筒チューブ内でコイル形状を保持する支持碍子やコイルの短絡を防ぐためのスペーサーが必要であり、さらに、外筒チューブの内径および電熱線コイルの外径は、製造上バラツキが生じやすいことから、外筒チューブに電熱線コイルを容易に収納できるように外筒チューブの内径より電熱線コイルの外径を数ｍｍ〜数十ｍｍ小さくした設計にせざるを得なかった。電熱線コイルの電熱素線において発生した熱は、外筒チューブを介して金属溶湯に伝わることになるが、このような場合、電熱線コイルと外筒チューブの間にできる隙間（空気層）が熱伝達を阻害し、伝熱効率を低下させていると考えられる。

本発明者らは電熱線コイルと外筒チューブの内壁面との間の隙間を可能な限り狭くなるよう試作を繰返し、この隙間を小さくすることが伝熱効率を向上させるために有効であることを確認した。しかしながら、電熱線コイルと外筒チューブ内壁との間の隙間を小さくして伝熱効率を向上させるためには、高度なセラミックス加工と高精度な電熱素線のコイル巻加工が必要であるため大幅なコストアップとなる。そこで、本発明者らは、高度な加工を要しないでこの間隙を可能な限り小さくする方法について検討し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、絶縁性セラミックス製有底外筒チューブと該外筒チューブに収納されるコイル状電熱線とから構成される浸漬ヒーターであって、前記外筒チューブの発熱部の内壁面が、該発熱部の開口部側内径が底部側内径より大きいテーパー形状を有し、かつ、前記コイル状電熱線が、そのコイル側部が少なくとも発熱時に前記外筒チューブの発熱部の内壁面に接する形状を有し、該内壁に支持されることを特徴とする浸漬ヒーターに関するものである。

すなわち、電熱線コイルが収納される外筒チューブの発熱部の内壁面を該発熱部の開口部側内径が底部側内径より大きいテーパー形状とし、かつ電熱線コイルの外形を、外筒チューブの発熱部の内壁面に接する形態のテーパー形状とすることによって、外筒チューブ内径の製造上のばらつきを吸収でき、外筒チューブの内壁面と電熱線コイルを密着設置でき、かつ、外筒チューブ内壁のテーパーを利用して電熱線コイルの支持も実現できることとなった。このようにすることで、電熱線コイルの金属電熱素線と外筒チューブとの熱膨張率の差も、電熱線コイルが該外筒チューブのテーパー状内壁面に沿って上下動することにより吸収されている。

本発明の浸漬ヒーターは、電熱線コイル側部が外筒チューブ発熱部内壁のテーパー面に接するものであればよい。電熱線コイルの「コイル側部」とは、ほぼ円錐あるいは円錐台形状の電熱線コイルを形成する金属電熱素線が構成する側部外表面をいい、「コイル側部が前記外筒チューブの発熱部の内壁面に接する」とは、少なくとも発熱時に、上記電熱線コイルの金属電熱素線で形成される側部外表面が外筒チューブの発熱部の内壁のテーパー面と接するようなテーパー形状を有することをいう。こうした側部外表面がテーパー形状を有する電熱線コイルは、例えば、外筒チューブの発熱部の内壁のテーパー角と同じ角度を有するマンドレルに金属素線を巻きつけることにより容易に製作できる。また、「少なくとも発熱時に接する」とは、発熱時に接していれば、発熱時以外の状態については特に制限はないことをいう。発熱時に電熱線コイルが外筒チューブのテーパー状内壁面に沿って上下動しうる点を考慮すれば、電熱線コイルは発熱時以外において、外筒チューブの発熱部の内壁面と部分的に接触する状態であってもよいからである。

図１は、本発明の浸漬ヒーターの一例を示す概略断面図である。本発明の浸漬ヒーターの一例を図1で詳細に説明する。
本発明の浸漬ヒーターは、有底の絶縁性セラミックス製外筒チューブａに電熱線ヒーターが収納されており、下部に発熱体である電熱線コイルｄが収納されている発熱部γと、上部に電熱線コイルｄに電気を供給するリード線ｂが収納されているリード部βで構成されている。浸漬ヒーターは、発熱部γの上端が溶湯の湯面より下側２０ｍｍ以上の位置に設置され、非鉄金属溶湯に発熱部γを完全に浸漬させて使用される。浸漬ヒーターは垂直に設置するのが電熱線コイルを安定に支持するために望ましいが、４５度程度あるいはそれ以下の角度で傾斜させて設置しても差し支えない。

発熱部γにおいては、絶縁性セラミックス製外筒チューブの開口側（上部）の内径が底側（下部）の内径より大きいテーパー形状とされている。テーパー形状は製作しようとする浸漬ヒーターの内径、及び発熱部γの長さによって最適の角度を設定することができる。本発明においては、テーパー角度（絶縁性セラミックス製外筒チューブの中心垂線と内壁面が形成する角度αの２倍）は小さいほうが、浸漬ヒーターのリード部の直径を小さくでき、ヒーターとしてコンパクトに製作できるが、１．０度未満の小さいテーパー角αでは、コイル状電熱線上端の外径と下端の内径の差が小さくなり、コイルの支持効果が無くなるため好ましくない。テーパー角度２αを大きく取ることに制限はないが、大きすぎるとリード部βの直径が大きくなりコンパクト性が失われ、またリード部βからの熱の散逸が激しくなるため、５度を超えるテーパー角は極めて特殊な場合に限定される。本発明においては、テーパー角度２αは、１．０度〜５．０度が好ましく、１．０度〜３．０度がより好ましい。リード部βのセラミックス管形状は、発熱部γのテーパー管の延長としても良いが、浸漬ヒーターをコンパクトにするため、リード部は発熱体コイルを容易に挿入できる直径の直管形状とするのが好ましい。

高温で絶縁抵抗の高い絶縁性セラミックスとしては、高温で高強度、高硬度、高耐食性を有するのみならず、高温で良好な熱伝導性を示し、更に、高温で良好な電気絶縁性を示すものを採用することができる。本発明においては、例えば、窒化珪素やサイアロン、窒化硼素等やそれらの複合セラミックスを用いることができる。特に窒化珪素は８００℃以上の高温になっても絶縁抵抗の低下が少なく、アルミニウムや亜鉛等の非鉄金属溶湯に対する耐食性も優れ、耐熱衝撃性にも優れており、好適に用いることができる。

発熱体である電熱線コイルの電熱素線は市販されているニクロム線や鉄クロムアルミ合金線等を用いることができ、更に、絶縁性皮膜を表面に形成させた電熱素線が最も好適に用いられる。また、電熱素線をコイル状に巻いた後に絶縁被覆を施しても良い。
電熱線コイルに負荷をかけ過ぎると、電熱素線の温度が過度に上昇し、寿命を短くしてしまう。これを防ぐため、浸漬ヒーター内部の発熱部に熱電対ｃを設置してヒーター出力を制御することが好ましい。

次に、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例１〜３、比較例１，２
２００Ｖで８ＫＷの容量の電熱素線を用いて、表1に示す形状の電熱線コイルを作成した。比較品としてテーパーのない通常のコイルも作成した。各ターン間の絶縁を確保するため、コイルに巻いた後、アルミナ系絶縁処理剤で絶縁処理をした。
電熱線コイルが収納される発熱部が電熱線コイルと同じテーパー角度を有する窒化ケイ素製チューブを製作し、前記の電熱線コイルを収納し、また、浸漬ヒーターの内部温度を計測するため浸漬ヒーター発熱部の中心に熱電対をセットした。

ガスバーナー加熱式のルツボ炉を用い、アルミニウム金属を１４０ｋｇ溶解し、製作した浸漬ヒーターを溶湯中にセットした。ガスバーナーで溶湯温度を７００℃とし、溶湯全体が温度的に平衡状態になったところで、ガスバーナー加熱を停止し、浸漬ヒーターに通電した。浸漬ヒーターの内部に設置した熱電対の指示する温度とヒーター出力の関係を調べた。表１に示す本発明品１〜３であるテーパー型浸漬ヒーター３本（実施例１〜３）と、比較品１、２である直管型浸漬ヒーター２本（比較例１，２）について同じ試験を行った。その結果を図２に示す。表１には試験を行った浸漬ヒーターの諸元と各浸漬管の溶湯中への容積及び溶湯と接する伝熱面積及び溶湯温度７００℃環境での浸漬ヒーター内部温度が１０５０℃となった時の、ヒーター出力とを比較して示す。

図２及び表１からわかるように、本発明の浸漬ヒーター（実施例１〜３）は、溶湯中への浸漬容積及び溶湯接触面積がほぼ同等である比較例１（直管型浸漬ヒーター）に比べ、２０％以上の大きな実効出力を負荷することができた。比較例１は高度な加工を施すことによって製作した浸漬ヒーターであり、通常は比較例２のような諸元となる。比較例２と実施例１〜３を比較すると、本発明品の容積が小さい、すなわちコンパクトであるにもかかわらず、５０％以上大きな実効出力を出せることがわかる。

本発明の浸漬ヒーターは、アルミニウム、亜鉛等の非鉄金属溶湯中に投入し、溶湯を加熱する溶融金属用浸漬ヒーターとして使用でき、特に、実効出力が高く、コンパクトで取り扱いやすいことから、補助的ヒーターとして好適に使用することができる。

ａ絶縁性セラミックス製有底外筒チューブ
ｂリード線
ｃ熱電対
ｄ電熱線コイル
ｅ固定金具
ｆ端子箱
α 絶縁性セラミックス外筒チューブの内壁面と外筒チューブの中心軸方向垂線とが形成する角度
β リード部
γ 発熱部

Claims

絶縁性セラミックス製有底外筒チューブと該外筒チューブに収納されるコイル状電熱線とから構成される浸漬ヒーターであって、前記外筒チューブの発熱部の内壁面が、該発熱部の開口部側内径が底部側内径より大きいテーパー形状を有し、かつ、前記コイル状電熱線が、そのコイル側部が少なくとも発熱時に前記外筒チューブの発熱部の内壁面に接する形状を有し、該内壁に支持されることを特徴とする浸漬ヒーター。
前記絶縁性セラミックス製有底外筒チューブの発熱部の内壁面のテーパー角度２αが１．０〜５．０度の範囲である請求項１記載の浸漬ヒーター。