JP2015088336A - 加熱装置および加熱炉 - Google Patents
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Abstract
【課題】製作が容易で、ヒータを断熱材に安定して固定できる方法及び加熱装置および加熱炉を提供する。【解決手段】断熱材１１と、断熱材１１の表面に埋設されて存在するヒータ１２と、ヒータ１２から断熱材１１中に延在するフック１３を有し、断熱材１１がフック１３を含むヒータ１２と一体成型された、加熱装置１０。断熱材１１中に埋設された電気絶縁性支持部材を有し、断熱材１１中においてフック１３が電気絶縁性支持部材を抱きかかえ、電気絶縁性支持部材が中空体であり、その中を耐熱ロッドが貫通して断熱材１１を支持する。ヒータ１２が金属板にその両側縁から交互のスリットを設けて蛇行形状に形成されたものであり、金属板のスリットを形成する部分を金属板から曲げ加工して交互に対向する複数のフックが形成されており、金属板から形成される交互に対向する両側の列のフックがそれぞれ１個、合計２個の電気絶縁性支持部材を抱きかかえている。【選択図】図２
Description
本発明は、高温の加熱炉に用いる加熱装置と、その加熱装置を用いた加熱炉に関する。
７００℃以上、特に１０００℃以上の高温の加熱炉で用いられるヒータは、断熱材の表面にステープルや止めピンが用いられて固定される。図１を参照すると、断熱材１の表面に線状ヒータ２が蛇行形状で配置され、セラミック製のピン３を断熱材１に差し込んで固定している。さらに、金属製ピン5によっても固定している。線状ヒータ２の両端部は電極端子４であり、断熱材１に設けた貫通口を貫通して裏側に通じている。
このようなヒータでは、高温で固定点以外で容易に変形したり、垂れが起こり、また加熱・冷却を繰り返すと脱落が起きやすく、寿命が短いのみならず、ピン打ちや、ステープル打ちのための製造工程の負担が大きいという問題があった。
この問題に対処するために、ヒータの一部を断熱材に埋設し、あるいは差し込んで固定する方法が提案されている（特許文献１〜２）。
しかしながら、これらの方法でも、ヒータの安定性がまだ不十分であり、またその作製の負担に改良の余地がある。
炭化ケイ素、炭素などのセラミックヒータのほか、NiCr, FeCrAl, Mo, Wなどの金属製ヒータも用いられる。
７００℃以上、特に１０００℃以上の高温の加熱炉で用いられる電気加熱式ヒータは、炉内を直接に加熱できるように断熱材の表面に保持して使用されることが多い。
従来、断熱材にヒータを保持する方法としては、図１に示すように、線材からなるヒータをステープルや止めピンが用いられている。
そこで、本発明は上記の従来技術の課題を解決し、製作が容易であり、ヒータを断熱材に安定して固定できる方法を開発し、そうして得られる加熱装置および加熱炉を提供することを目的とする。
本発明によれば、上記目的を達成するために、下記を提供する。
（１）断熱材と、前記断熱材の表面にまたは表面付近に埋設されて存在するヒータと、前記ヒータから前記断熱材中に延在するフックを有し、前記断熱材が前記フックを含む前記ヒータと一体成型されたものであることを特徴とする加熱装置。
（２）さらに前記断熱材中に埋設された電気絶縁性支持部材を有し、前記断熱材中において前記フックが前記電気絶縁性支持部材を抱きかかえている、上記（１）に記載の加熱装置。
（３）前記電気絶縁性支持部材が中空体であり、前記電気絶縁性支持部材を貫通する耐熱部材をさらに有し、前記耐熱部材が前記断熱材の外部まで延在している、上記（２）に記載の加熱装置。
（４）前記ヒータが、金属板にその両側縁から交互のスリットを設けて蛇行形状に形成されたものであり、前記金属板の前記スリットを形成する部分を前記金属板から曲げ加工して交互に対向する複数のフックが形成されており、前記金属板から形成される交互に対向する両側の前記フックが、両側のフックで１個の前記電気絶縁性支持部材を抱きかかえているか、または、それぞれ１個、合計２個の前記電気絶縁性支持部材を抱きかかえている、上記（２）〜（４）に記載の加熱装置。
（５）前記ヒータが、蛇行形状に形成された複数の金属板を含み、その複数の蛇行形状の金属板の間を溶接してなり、かつ、前記ヒータの表面は前記断熱材の表面と一面をなしている、上記（４）に記載の加熱装置。
（６）前記耐熱部材がセラミック製または金属製である、上記（３）〜（５）に記載の加熱装置。
（７）上記（１）〜（６）に記載の加熱装置を具備する加熱炉。
本発明の加熱装置によれば、ヒータの変形、脱落を防止でき、製作が容易であるという効果が得られる。また、好ましい態様では、パネルをロッドを用いて簡単に支持できる、ヒータの面内密度を高くすることができるなどの効果も奏される。
図２は、本発明の加熱装置と、加熱装置を構成するヒータの1例を示す。
本発明の加熱装置は、ヒータ１２の一部を断熱材１１内部に向かって延在するフック１３として形成し、そのフック１３を有するヒータ１２と断熱材１１を一体成型で作製することを特徴とする。１４は電極端子である。
この加熱装置１０では、蛇行形状のヒータ１２を形成する際に断熱材１１内部に向かって延在するように形成したフック１３と、ヒータ１２本体を埋め込むように、断熱材１１をヒータ１２本体およびフック１３と一体成型されている。フック１３は、ヒータ１２本体から断熱材１１内部に向かって延在するのみならず、その先端部がヒータ１２と並行な方向に曲げられていて、しかも断熱材１１と一体成型されるので、フック１３が断熱材１１中にしっかりと固定され、抜けにくい。このフックの断熱材に対する固定効果を高めるには、フックの先端の平行に曲げられた部分の面積を大きくすること、フックの数を多くすることが望ましい。
また、本発明の加熱装置１０では、ヒータ１２本体も断熱材１１と一体成型されるので、断熱材１１に直接に埋め込まれるように固定されて、安定化の効果がある。またヒータ１２が断熱材１１の表面と一面であり、突き出ていないので、加熱炉内に被加熱体をヒータに接近して配置することができ、均熱特性を向上させることができる。また、用途によっては断熱材１１表面よりいくらか埋設させて一体成型することも可能である。
図３および図４に、本発明の好適な加熱装置の例を示す。
この加熱装置２０では、ヒータ２２から延在するフック２３が電気絶縁性支持部材２４、２５を抱きかかえる形で、断熱材２１、フック２３を含むヒータ２２、電気絶縁性支持部材２４、２５が一体成型されている。
ヒータとしては、金属製ヒータが好適であり、高温加熱用としては、たとえば、NiCr, FeCrAl, Mo, Wなどを用いることができる。高温加熱が可能であり、耐酸化性にも優れるFeCrAlが好適である。
ヒータ２２は金属板の両側縁から交互にスリットを形成することで蛇行形状の帯状ヒータとして成形されており、そのスリットを形成する金属部分を曲げ加工して金属板の両側縁側にそれぞれフック２３−１、２３−２を形成している。図４に蛇行形状のヒータ２２を平面図で示す。このように蛇行形状のヒータを形成する金属板の余分な部分（スリット部分）を利用してフックを形成すると、フックを形成するために余分の材料を用いる必要がない。しかも、蛇行形状の折り返し毎にフックが形成されるので、ヒータを安定に保持できる効果がある。
図３では、２枚の金属板を用いてそれぞれ蛇行形状のヒータが形成されて、その間を通常ヒータと同一材料の金属部材２７を介して溶接で連結しているので材料の無駄が少ないが、全体を一枚の金属板から形成してもよいことはいうまでもない。図３の各々の金属板の両側縁側にそれぞれ形成される２列のフック２３−１、２３−２は、それぞれ１本の電気絶縁性支持部材２４，２５に保持されている。このようにヒータ２２の幅方向の２列のフック２３−１、２３−２が2本の電気絶縁性支持部材２４，２５によって保持されることで、ヒータ２２が幅方向においてもより安定に保持される効果がある。このようにフックが電気絶縁性支持部材によって保持される場合には、フックの先端の平行に曲げられた部分の面積を拡幅しなくても、電気絶縁性支持部材のよってフック、ひいてはヒータをしっかり保持することができる。
電気絶縁性支持部材２４，２５は、ヒータ２２のフック２３を保持してヒータ２２を安定に保持するための部材であり、電気絶縁性材料からなるものであり、耐熱性の観点から、アルミナ、ムライト、シリモナイト、ジルコニア、マグネシア、窒化ケイ素などのセラミック材料が好ましい。
電気絶縁性支持部材２４，２５の形状は、自らは断熱材２１中に埋設されてフック２３を保持することで、ヒータ２２をフック２３だけで保持する場合よりもヒータ２２の保持が安定化される効果があるので、限定されない。しかし、図３に示すように棒状であることが、蛇行形状のヒータ２２のスリット部分で形成される一連のフック２３を保持するために簡単で好ましい。２列のフック２３−１、２３−２を保持する電気絶縁性支持部材２４，２５の形状および大きさは、同じでも、異なってもよい。
図３では2個の電気絶縁性支持部材２４，２５の１つは、中空管状として、その空洞内に耐熱性セラミックまたは金属製部材（ロッド）２６を貫通させて、断熱材２１の外側で加熱装置２０を加熱炉に保持あるいは固定する手段とすることができる。耐熱性セラミックとしは、電気非導電性のアルミナ、窒化ケイ素などのほか、電気導電性の炭化ケイ素でもよい。また、セラミック材料のほか、耐熱性があれば金属製部材でもよく、断熱されているので、ヒータと同材でもよい。
このようなフック２３を有するヒータ２２、電気絶縁性支持部材２４，２５と一体成型で断熱材を成形するには、真空成型法が好ましい。
図４を参照して真空成型法の例を説明すると、タンク３１内に、真空ポンプ（図示せず）に接続されている吸引装置３２と、その上に成形型３３を設置し、タンク３１内にセラミックファイバとバインダを溶解または分散させたスラリー３２を収容する。真空ポンプに接続されている吸引装置３２の上面は網状であり、その上に成形型３３が配置されて、成形型３３の内部は真空吸引可能である。このような成形型３３内にフック２３を有するヒータ２２と電気絶縁性支持部材２４，２５を所定の位置に設置した状態で、真空ポンプおよび吸引装置３２を介して成形型３３内に真空を適用すると、成形型３３内の網状底面上にセラミックファイバおよびバインダが吸引されて堆積することで、断熱材の形状に成形される。このとき、断熱材を形成するセラミックファイバおよびバインダは、ヒータ２２を底面とし、ヒータ２２とフック２３と電気絶縁性支持部材２４、２５を内包（埋設）する形で、一体成型される。断熱材が成型されたら、タンク内から取出し、乾燥させると、バインダがセラミックファイバを結着して、ヒータ２２とフック２３と電気絶縁性支持部材２４，２５を内包（埋設）した断熱材が、一体成型される。
こうして一体成型法で得られる断熱材は、底面がヒータ２２の表面と一面であり、またヒータ２２、フック２３、電気絶縁性支持部材２４，２５と断熱材の間も、基本的に密着する。ヒータ２２の表面に薄くスラリーが付着することがあるが、そのままでもよいし、除去してヒータを完全に露出させることもできる。また、ヒータの表面を意図的に埋設させることも可能である。中空管状の電気絶縁性支持部材２４、２５は、必要に応じて断熱材に穿孔して、耐熱性部材２６を貫通可能にする。
断熱材を形成するセラミックファイバ材料として、アルミナシリカのファイバ、バインダとしてコロイダルシリカ、溶媒として水からなるスラリーを用いることができるが、これに限定されない。
また、上記では真空成型法を用いたが、キャスト法など他の一体成型できる成形方法を用いることができる。
図５に、上記の如くして得られたパネルとしての加熱装置を示す。このような加熱装置では、次のような効果が得られる。
１）ヒータの変形を防止できる。
２）ヒータが断熱材から脱落しない。
３）ヒータが断熱材表面から突出していないので、ヒータ面に被加熱体を接近させることができ、均熱特性が向上する。
４）ピンやステープルを利用しないで、一体成型できるので、製作が容易である。
５）加熱装置をパネルとして、ロッド２６を用いて簡単に支持できる。
６）ヒータの変形を防止できるので、ヒータの面内密度を高くすることができる（隣接するヒータの間隔を狭くできる）。
７）比較的小型のパネルでの製作が可能である。
８）ピンやステープルの挿入代が不要であるので、断熱材パネルを薄くできる。
１）ヒータの変形を防止できる。
２）ヒータが断熱材から脱落しない。
３）ヒータが断熱材表面から突出していないので、ヒータ面に被加熱体を接近させることができ、均熱特性が向上する。
４）ピンやステープルを利用しないで、一体成型できるので、製作が容易である。
５）加熱装置をパネルとして、ロッド２６を用いて簡単に支持できる。
６）ヒータの変形を防止できるので、ヒータの面内密度を高くすることができる（隣接するヒータの間隔を狭くできる）。
７）比較的小型のパネルでの製作が可能である。
８）ピンやステープルの挿入代が不要であるので、断熱材パネルを薄くできる。
図６に、本発明の加熱装置の別の例を示す。この例では、1枚の金属板から蛇行形状を形成したヒータから延在する2列のフックによって、1本の中空管状の電気絶縁性支持部材を抱きかかえている。
図７は、本発明の加熱装置のさらに別の例を示す。上記では平面状のパネル形状の加熱装置であるが、シリンダ型のマッフル炉にも本発明の加熱装置は適用できる。図７では、１枚のヒータ２２に対して電気絶縁性支持部材２４が１本のみであり、コストを低減できるが、安定性からは２本の電気絶縁性支持部材２４を用いることができる。
図８は図７と同じシリンダ型のマッフル炉であるが、ヒータの曲げ向きが９０度逆である。図８では、ヒータ２２から延在するフック２３は電気絶縁性支持部材２４によって保持されていないが、電気絶縁性支持部材２４を抱きかかえさせて保持されることもできる。
本発明のパネル状の加熱装置を用いて加熱炉を構築することは公知の方法で実施することができる。
Claims (7)
- 断熱材と、前記断熱材の表面にまたは表面付近に埋設されて存在するヒータと、前記ヒータから前記断熱材中に延在するフックを有し、前記断熱材が前記フックを含む前記ヒータと一体成型されたものであることを特徴とする加熱装置。
- さらに前記断熱材中に埋設された電気絶縁性支持部材を有し、前記断熱材中において前記フックを前記電気絶縁性支持部材が支持している、請求項１に記載の加熱装置。
- 前記電気絶縁性支持部材が中空体であり、前記電気絶縁性支持部材を貫通する耐熱部材をさらに有し、前記耐熱部材が前記断熱材の外部まで延在している、請求項２に記載の加熱装置。
- 前記ヒータが、金属板にその両側縁から交互のスリットを設けて蛇行形状に形成されたものであり、前記金属板の前記スリットを形成する部分を前記金属板から曲げ加工して交互に対向する複数のフックが形成されており、前記金属板から形成される交互に対向する両側の列の前記フックが、両側のフックで１個の前記電気絶縁性支持部材を抱きかかえているか、または、それぞれ１個、合計２個の前記電気絶縁性支持部材を抱きかかえている、請求項２又は３に記載の加熱装置。
- 前記ヒータが蛇行形状に形成された複数の金属板を含み、その複数の蛇行形状の金属板の間は溶接で接続されており、かつ、前記ヒータの表面は前記断熱材の表面と一面をなしている、請求項４に記載の加熱装置。
- 前記耐熱部材がセラミック製または金属製である、請求項３〜５のいずれか1項に記載の加熱装置。
- 請求項１〜６のいずれか1項に記載の加熱装置を具備する加熱炉。
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