JP2014199773A - MoSi2-BASED HEATER UNIT - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MoSi2系材料からなるヒーターモジュールを複数具備したMoSi2ヒーターユニットに関する。 The present invention relates to a MoSi 2 heater unit including a plurality of heater modules made of a MoSi 2 material.
MoSi2系材料を発熱体として用いた大口径管状炉ヒーターユニットは、MoSi2系のU字形状の素材を炉の内径に合わせて接合していくことで形成される半円筒型マルチシャンクヒーターが採用されている。炉床から天井までの距離が高い炉ではモジュールまたはヒーターを数ゾーンに分割し、それぞれゾーン毎に投入電力を制御することで温度分布の向上や温度勾配をつけるなどの温度管理を行っている。 A large-bore tubular furnace heater unit using MoSi 2 -based material as a heating element is a semi-cylindrical multi-shank heater formed by joining MoSi 2 -based U-shaped materials according to the inner diameter of the furnace. It has been adopted. In furnaces where the distance from the hearth to the ceiling is high, modules or heaters are divided into several zones, and the temperature control is performed by improving the temperature distribution and creating a temperature gradient by controlling the input power for each zone.
ただし、マルチシャンクヒーターユニットではシャンクの先端部分が向き合うことになるため、ゾーンの中央部と継ぎ目部分で温度差が生じやすくなっていた。さらに、MoSi2系材料の発熱体は、高温において可塑性を有するが、曲げが可能な曲率には限界があるため、密にヒーターを配置することは困難であった。 However, in the multi-shank heater unit, since the tip portions of the shanks face each other, a temperature difference is likely to occur between the central portion of the zone and the joint portion. Furthermore, although the heating element of the MoSi 2 material has plasticity at a high temperature, since there is a limit to the curvature that can be bent, it is difficult to arrange the heater densely.
これを改善するため、シャンクの先端部分が入れ子状になるように配置する方法が開示されている。しかし、シャンクがひとつ断線した場合でも、全ゾーンの交換が必要となり、ランニングコストの面で不利となっていた。 In order to improve this, the method of arrange | positioning so that the front-end | tip part of a shank may be nested is disclosed. However, even if one shank is disconnected, all zones must be replaced, which is disadvantageous in terms of running costs.
特許文献1には、金属ヒーターとMoSi2系ヒーターモジュールを組み合わせたものとして2層以上のゾーンで構成される電気炉が開示されている。 Patent Document 1 discloses an electric furnace composed of two or more zones as a combination of a metal heater and a MoSi 2 heater module.
特許文献2には、MoSi2系コイルヒーターのコイル内径とヒーター間距離との関係が適当な値をとることで管状ヒーターモジュールの耐久性と均熱性が優れることが記載されている。 Patent Document 2 describes that the durability and heat uniformity of the tubular heater module are excellent when the relationship between the coil inner diameter of the MoSi 2 coil heater and the distance between the heaters takes an appropriate value.
ところで、MoSi2系ヒーターユニットを、1000℃以上で運転するためには、抵抗発熱体に大きな電流を流す必要があり、且つ、ヒーターユニット外部からの通電用の端子部を発熱体両端に設ける必要があるため、端子部の電気抵抗によりエネルギーロスが生じる。これは、端子部長を短くするか、端子部径を大きくすることで回避が可能であるが、端子部自身がもつ熱容量と高熱伝導による配線側への熱流出ロスとそれに伴う均熱性の低下、さらには高温であるために生じる接触抵抗の増加等の問題が生じていた。 By the way, in order to operate the MoSi 2 system heater unit at 1000 ° C. or higher, it is necessary to pass a large current through the resistance heating element, and it is necessary to provide terminal portions for energization from the outside of the heater unit at both ends of the heating element. Therefore, energy loss occurs due to the electrical resistance of the terminal portion. This can be avoided by shortening the terminal part length or increasing the terminal part diameter, but the heat capacity of the terminal part itself and the heat flow loss to the wiring side due to high heat conduction and the resulting decrease in thermal uniformity, Furthermore, problems such as an increase in contact resistance due to the high temperature have occurred.
本発明では、ヒーターユニット内の均熱性を向上しエネルギーロスを低減したMoSi2系ヒーターモジュールを複数用いたヒーターユニットを提供する。 In the present invention, there is provided a heater unit using a plurality of MoSi 2 -based heater modules that improve the thermal uniformity in the heater unit and reduce energy loss.
本発明のヒーターユニットは、セラミックボードなどからなる断熱材と通電により発熱する抵抗発熱体とで構成されるヒーターモジュールを複数具備するヒーターユニットであって、ヒーターモジュールの抵抗発熱体は、MoSi2系材料からなる抵抗発熱部と断熱材の内部に配設され抵抗発熱部の端部に電気的に接続する端子部とで構成され、抵抗発熱体部の電気抵抗が、端子部の電気抵抗の4〜1000倍であることを特徴とする。 The heater unit of the present invention is a heater unit including a plurality of heater modules including a heat insulating material made of a ceramic board and the like and a resistance heating element that generates heat when energized. The resistance heating element of the heater module is based on MoSi 2. A resistance heating portion made of a material and a terminal portion disposed inside the heat insulating material and electrically connected to an end portion of the resistance heating portion, the resistance of the resistance heating element portion being 4 of the electrical resistance of the terminal portion. It is characterized by -1000 times.
本発明のヒーターユニットは、端子部が抵抗発熱部と同じ材料からなることを特徴とする。 The heater unit of the present invention is characterized in that the terminal portion is made of the same material as the resistance heating portion.
本発明のヒーターユニットは、複数のヒーターモジュールのそれぞれ投入電力が個別に制御されることを特徴とする。 The heater unit of the present invention is characterized in that the input power of each of the plurality of heater modules is individually controlled.
本発明のヒーターユニットは、断熱材が、ヒーターモジュール毎に分割が可能であることを特徴とする。 The heater unit of the present invention is characterized in that the heat insulating material can be divided for each heater module.
本発明のヒーターユニットは、セラミックボードなどの断熱材と通電により発熱する抵抗発熱体とで構成されるヒーターモジュールを複数具備し、ヒーターモジュールの抵抗発熱体は、MoSi2系材料からなる抵抗発熱部と断熱材の内部に配設された抵抗発熱部の両端に接続する端子部とで構成され、抵抗発熱体部の電気抵抗を、端子部の電気抵抗の4〜1000倍とすることで、ヒーターユニットのエネルギーロスを低減すると供に、均熱性を向上することができる。 The heater unit of the present invention includes a plurality of heater modules including a heat insulating material such as a ceramic board and a resistance heating element that generates heat when energized, and the resistance heating element of the heater module is a resistance heating part made of a MoSi 2 material. And a terminal portion connected to both ends of the resistance heating portion disposed inside the heat insulating material, and the resistance of the resistance heating element portion is set to 4 to 1000 times the electrical resistance of the terminal portion. In addition to reducing the energy loss of the unit, soaking can be improved.
本発明のヒーターユニットの端子部は、抵抗発熱部と同じ材料からなることで、抵抗発熱部と端子部とを一体で作製できるため、製造が容易である。 Since the terminal part of the heater unit of the present invention is made of the same material as that of the resistance heating part, the resistance heating part and the terminal part can be manufactured integrally, and therefore, manufacture is easy.
さらに、本発明のヒーターユニットの端子部は、抵抗発熱部と同じ材料からなり一体で作製することで、抵抗発熱部と端子部の接触抵抗を低減し、かつ、端子部の耐熱性を確保することが出来る。 Furthermore, the terminal part of the heater unit of the present invention is made of the same material as that of the resistance heating part, and is manufactured integrally, thereby reducing the contact resistance between the resistance heating part and the terminal part and ensuring the heat resistance of the terminal part. I can do it.
本発明のヒーターユニットは、複数のヒーターモジュールの投入電力を個別に制御することで、ヒーターユニット内の均熱性を向上することが出来る。 The heater unit of the present invention can improve the heat uniformity in the heater unit by individually controlling the input power of the plurality of heater modules.
本発明のヒーターユニットは、断熱材がヒーターモジュール毎に分割可能であるため、一部のヒーターモジュールに欠陥が生じた場合でも、そのヒーターモジュールと断熱材のみを交換することで修復が可能となるため、補修が容易となる。 In the heater unit of the present invention, since the heat insulating material can be divided for each heater module, even if a defect occurs in some of the heater modules, it can be repaired by replacing only the heater module and the heat insulating material. Therefore, repair becomes easy.
本発明のヒーターユニットの1形態を図1および図2を用いて説明する。 One embodiment of the heater unit of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
本発明のヒーターユニット100の1形態は、図1のように、セラミックスボード(セラミックファイバーの集合体)などからなる円筒状の断熱材101により、外部と炉内105とを断熱し、炉内105に配設されMoSi2系材料からなる抵抗発熱部300と、MoSi2系材料からなり抵抗発熱部300の両端に接続し断熱材101の内部に配設された端子部200とからなる、ヒーターモジュール600(図1におけるゾーンA(700)とゾーンB(701)に相当)を複数具備している。
As shown in FIG. 1, one form of the
本発明のヒーターユニット100の1形態の炉内105に配設された抵抗発熱部300は、炉内105の内壁に沿うようにらせん形状をしており、その両端は、それぞれ断熱体101を貫通する端子部200に接続している。
The
本発明のヒーターユニット100の1形態は、図1に示すように、ヒーターモジュール600を上下方向に重ねるように2つ有しており、円筒状の断熱材101は、図2に示すようにそれぞれのヒーターモジュール600に合わせて上下方向に分離されている。
As shown in FIG. 1, one form of the
本発明のヒーターユニット100の1形態の炉内105の外径(断熱材101の内径)は、500mmで、断熱材101の外径は700mm、高さは1000mmである。
The outer diameter (inner diameter of the heat insulating material 101) of the
本発明の1形態の抵抗発熱部300の電気抵抗は、端子部200の電気抵抗の4〜1000倍であり、これにより、端子部200におけるジュール熱の発生によるエネルギーロスを抑えるとともに端子部200における放熱ロスを防ぐことが出来る。
The electrical resistance of the
抵抗発熱部300の電気抵抗が端子部200の電気抵抗の4倍よりも小さいと、端子部200におけるジュール熱の発生が投入電力と比して相対的に大きいため、エネルギーロスが20%以上と大きくなることに加え、炉内105における端子部200付近の温度が、他の部分よりも急激に大きくなり均熱性が大幅に低下する。。
If the electric resistance of the resistance heating
一方、抵抗発熱部300の電気抵抗が、端子部200の電気抵抗の1000倍を超えると、端子部200を経由した放熱が大きくなり、エネルギーロスが20%以上と大幅に増大するとともに、端子部200付近の均熱性が急激に低下する。また、抵抗発熱部300の局所的な抵抗分布により、抵抗発熱部300の局所的な発熱ばらつきが生じ、結果として炉内105の均熱性が低下する。
On the other hand, if the electrical resistance of the resistance heating
本発明のヒーターユニット100の1形態は、2つのヒーターモジュール600に対し、それぞれ抵抗発熱部300と端子部200の電気抵抗および炉内105の形状等を考慮し、別々に投入電力を制御することが好ましい。これにより、炉内105の均熱性をより向上させることが出来る。
In one embodiment of the
本発明のヒーターユニット100の1形態の断熱体101は、内径:500mm、外径:700mm、高さ:1000mmとし、上下2つのゾーンに別れており、ゾーンA(700)、ゾーンB(701)(すなわち2つのヒーターモジュール600)で構成されている。抵抗発熱部300は、外径3mmの丸棒をらせん状に形成されている。らせんの間隔は、15mmとした。断熱体101の各ゾーンの継ぎ目の部分を図2のように直線ではなく抵抗発熱部300に沿った斜めの断面とすることで、各ゾーンの継ぎ目部分でも抵抗発熱部300の配置を均等にすることができた。
A
本発明のヒーターユニット100の1形態の抵抗発熱部300は、ヒーターモジュール1つにつき6Ωであり、それぞれのヒーターモジュールの端子部200の抵抗は両端合わせて0.006Ωから1.5Ωとなるようにした。端子部200の電気抵抗が、0.006Ωより小さい場合は、端子部200を介して炉内105の熱が外部に放出されてしまい、端子部200付近における均熱性が低下した。一方、端子部200の電気抵抗が1.5Ωを超える場合は、端子部200の通電によるジュール熱が発生し、炉内105の均熱性が低下するとともに、エネルギーロスが急激に増大した。特に、抵抗発熱部300の電気抵抗を端子部200の電気抵抗の10から60倍すなわち、抵抗発熱部300の電気抵抗6Ωに対して、端子部200の電気抵抗を0.6Ωから0.12Ωにした場合は、炉内105の端子部200付近における熱ばらつきが測定限界である0.1℃以下となり完全な均熱性を有したヒーターユニットとなった。このときの炉内105の設定温度は1500℃とし、端子部200は、抵抗発熱部300と同じ材料で一体成形により作製した。これにより端子部200の耐熱性が確保されると同時に抵抗発熱部300との接続箇所における信頼性も確保され、熱ひずみなどによる破壊は確認されなかった。ただし、端子部200は、炉内105の設定温度がたとえば1000℃以下の場合においては、耐熱性があり且つ電気抵抗が抵抗発熱部300に対して1000分の1〜4分の1となるようにステンレスなどで形成することも可能である。
The
一方、端子部200の電気抵抗0.006Ωに対し、抵抗発熱部300の外径を3mmから0.3mmに、抵抗発熱部300の長さを10倍にすることで、抵抗発熱部300の電気抵抗を600Ωに増加させた場合は、抵抗発熱部300の電気抵抗が、通電後すぐに、1kΩまで上昇し、さらにそのまま徐々に電気抵抗が上昇し続けた。これは、抵抗発熱部300と端子部200との間において、熱ひずみ等が生じやすくなり、欠陥が増幅されるものと考えられる。
On the other hand, the electrical resistance of the
なお、断熱体101は、抵抗発熱部300を断熱材101の内壁に設置できるように溝を形成した。通電条件としては、炉内105の温度が1500℃で、誤差±2.3℃以内で均一となることを条件とした。
In addition, the
本発明のヒーターユニットをヒーターモジュールを2つとした図1、2を用いて説明したが、端子部200の電気抵抗が、抵抗発熱部300の電気抵抗の4〜1000倍となるようにすれば、3つ以上でもよく、図1、2の形態に限定されるものではない。
Although the heater unit of the present invention has been described with reference to FIGS. 1 and 2 with two heater modules, if the electrical resistance of the
また、図1、2の形態において、断熱体101の厚さは、炉内105を十分に断熱できれば、任意に設定可能である。さらに熱応力による断熱材101の変形を防ぐため、断熱材101の周囲をステンレス等の金属フレームで覆ってもよい。
1 and 2, the thickness of the
本発明の別の実施の形態を図3、4を用いて説明する。 Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施の形態は、断熱体101が、円筒を縦割りするようにゾーンC(703)、ゾーンD(704)の2つに分割され、断熱体101の内壁には、図1、2の実施の形態と異なり、抵抗発熱部300が、つづら折り状の形状をなしており、一方の断熱体101には上下にそれぞれ1つずつ合計2つのヒーターモジュール600が配設されている。
In the present embodiment, the
本実施の形態においても、端子部200の電気抵抗が、抵抗発熱部300の電気抵抗の4〜1000倍となるように設計されており、ヒーターユニット100内におけるヒーターモジュール(ゾーンCおよびゾーンD)の配置が、図1、2の実施の形態と異なることを除けば図1、2の実施の形態と同じである。本実施の形態では、縦置きの大型のヒーターユニットに対して補修が容易であり、且つ、ヒーターモジュールの設計自由度が高く、より炉内105の均熱性高める設計が可能となる。
Also in the present embodiment, the electrical resistance of the
100 ヒーターユニット
101 断熱材
105 炉内
200 端子部
300 抵抗発熱部
600 ヒーターモジュール
700 ゾーンA
701 ゾーンB
703 ゾーンC
704 ゾーンD
DESCRIPTION OF
701 Zone B
703 Zone C
704 Zone D
Claims (4)
前記ヒーターモジュールの抵抗発熱体は、MoSi2系材料からなる抵抗発熱部と
前記断熱材の内部に配設され前記抵抗発熱部の端部と電気的に接続する端子部と
で構成され、
前記抵抗発熱体部の電気抵抗は、前記端子部の電気抵抗の4〜1000倍であることを特徴とするヒーターユニット。 A heater unit comprising a plurality of heater modules composed of a heat insulating material made of a ceramic board or the like and a resistance heating element that generates heat when energized,
The resistance heating element of the heater module includes a resistance heating part made of a MoSi 2 material and a terminal part disposed inside the heat insulating material and electrically connected to an end of the resistance heating part.
The heater unit according to claim 1, wherein an electric resistance of the resistance heating element is 4 to 1000 times greater than an electric resistance of the terminal part.
4. The heater unit according to claim 1, wherein the heat insulating material can be divided for each heater module.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2013075139A JP2014199773A (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | MoSi2-BASED HEATER UNIT |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2013075139A JP2014199773A (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | MoSi2-BASED HEATER UNIT |
Publications (1)
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JP2014199773A true JP2014199773A (en) | 2014-10-23 |
Family
ID=52356550
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2013075139A Pending JP2014199773A (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | MoSi2-BASED HEATER UNIT |
Country Status (1)
Country | Link |
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- 2013-03-29 JP JP2013075139A patent/JP2014199773A/en active Pending
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