JP2016173990A - 金属発熱体および発熱構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、長手方向に対する垂直断面直径が、前記金属製平板の横幅の0.5〜5倍であるとともに前記金属製平板の厚みの8〜27倍であり、かつ20〜35mmであることを特徴とする金属発熱体である。
【選択図】図1
Description
このため、上記波形平板は、例えば、永久膨張によって壁面から外れ易くなったり、波形平板の隣接する山部同士または谷部同士が接触し過熱状態を生じて切断し易くなり、波形平板の寿命が低下するとともに均一な加熱が困難になってしまう。
一方、本発明者等の検討によれば、上記長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回して中空線条化してなる金属発熱体においても、加熱−冷却処理を繰り返す度に熱膨張および熱収縮を生じ、この熱膨張および熱収縮の程度は螺旋状に巻回された金属製平板の内周側と外周側で異なることから、熱膨張および熱収縮に伴って金属製平板に亀裂を生じることが判明した。
そこで、本発明者等がさらに検討を加えたところ、長手方向に対する垂直断面直径(垂直断面外径)が、金属製平板の横幅や厚みとの関係で所定の関係で規定されてなるものであることにより、金属製平板の内周側と外周側の熱膨張および熱収縮の差によって生じる亀裂の発生を抑制し得ることを見出し、本知見に基づいて本初発明を完成するに至った。
(1)被処理物を加熱するための金属発熱体であって、
長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、
長手方向に対する垂直断面直径が、前記金属製平板の横幅の0.5〜5倍であるとともに前記金属製平板の厚みの8〜27倍であり、かつ20〜35mmである
ことを特徴とする金属発熱体、
(2)前記金属製平板の横幅が5〜30mmであり、前記金属製平板の厚みが0.3〜3.0mmである上記(1)に記載の金属発熱体、
(3)前記螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅が、前記金属製平板の横幅の0.2〜4倍である上記(1)または(2)に記載の金属発熱体、
(4)断熱材からなる基体と、該基体に固定された上記(1)〜(3)のいずれかに記載の金属発熱体とを有することを特徴とする発熱構造体
を提供するものである。
また、本発明によれば、金属発熱体の長手方向に対する垂直断面直径が、金属製平板の横幅や厚みとの関係で規定されてなるものであることから、金属製平板の内周側と外周側の熱膨張および熱収縮の差によって生じる亀裂の発生を効果的に抑制することができる。
さらに、本発明によれば、金属発熱体が長尺状の金属製平板(帯線)を螺旋状に巻回して中空線条化してなるものであることから、同一の断面直径を有する太線に比較して折り曲げ加工時の加工性が高くなり、このために加工の自由度を効果的に向上させることができる。
加えて、本発明によれば、金属発熱体を細線ではなく幅広な金属製平板(帯線)により構成するものであることから、単位長さあたりの表面積が増加するばかりか、断面積Aが増加するために、細線の巻回物と同じ巻回数であっても(長さLが同じであっても)、式R=ρ(L/A)に基づいて抵抗Rが低減し、このために、式P=V2/Rに基づいて電力P(単位時間あたりの仕事量)が増加して、短時間かつ高温で加熱することが可能になる。
従って、本発明によれば、より高温でかつ短時間に被処理物を加熱し得るとともに、永久膨張を抑制し、長寿命で成形の自由度の高い金属発熱体および発熱構造体を提供することができる。
本発明の金属発熱体は、長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、長手方向に対する垂直断面直径が、前記金属製平板の横幅の0.5〜5倍であるとともに前記金属製平板の厚みの8〜27倍以上であり、かつ20〜35mmであることを特徴とするものである。
本発明の金属発熱体においては、図2(a)に示すように、長尺状の金属製平板Fの横幅Wが、5〜30mmであることが好ましく、5〜25mmであることがより好ましい。
また、本発明によれば、金属発熱体の長手方向に対する垂直断面直径が、金属製平板の横幅や厚みとの関係で規定されてなるものであることから、金属製平板の内周側と外周側の熱膨張および熱収縮の差によって生じる亀裂の発生を効果的に抑制することができる。
本発明の発熱構造体は、断熱材からなる基体と、該基体に固定された長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなる金属発熱体とを有することを特徴とするものである。
空隙率(%)=〔1−断熱材の嵩比重/断熱材の真比重〕×100
断熱材の空隙率が上記範囲内にあることにより、熱容量が小さく、熱伝導率が低く、軽量で熱衝撃に強い発熱構造体を容易に得ることができる。
嵩密度が1.5g/cm3を超えると、熱伝導率及び熱容量が大きくなるため断熱材として好適に使用し難くなる。
なお、本出願書類において、熱膨張係数は、JIS−R1618「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」により測定した値を意味するものとする。
なお、本出願書類において、曲げ強度は、JIS A 9510に準じて測定した値を意味する。
本発明の金属発熱体の詳細は、上述したとおりである。
本発明の発熱構造体としては、金属発熱体の脱落を抑制する上で、断熱材からなる基体の壁面に設けられた溝部に金属発熱体が嵌め込みないし埋設されてなるものが好ましい。
この場合、発熱構造体は、金属発熱体1が単に溝内に嵌め込まれて固定されてなるものであってもよいし、金属発熱体1が溝内に嵌め込まれるとともにピン等の固定具により固定されてなるものであってもよい。
この場合においても、発熱構造体は、金属発熱体1が単に溝内に嵌め込まれてなるものであってもよいし、金属発熱体1が溝内に嵌め込まれるとともにピン等の固定具により固定されてなるものであってもよい。
本発明の発熱構造体において、金属発熱体が、基体の壁面に設けられた内部から表面に向かって拡幅する溝内に固定されてなるものであることにより、金属発熱体から基体の外部へ効果的に放熱することができる。
この場合、発熱構造体は、金属発熱体1が単に溝内に埋め込まれて固定されてなるものであってもよいし、金属発熱体1が溝内に埋め込まれるとともにピン等の固定具により固定されてなるものであってもよいが、ピン等の固定具を使用することなく、埋め込みのみでも壁面に十分に固定することができる。
図4に示す円筒状ヒータhは、拡散炉の加熱装置等として用いられるものであり、同図において、円筒状ヒータhは、断熱材からなる基体2と、本発明に係る金属発熱体からなるコイル状の電熱線1とを有し、断熱材からなる基体2が、電熱コイル1を被覆しつつ内部に収容する保持部材(支持部材)として機能している。
図4に示す態様において、電熱線1は、断熱材からなる基体2に被覆されることによって保持されている(支持されている)が、円筒状ヒータとしては、電熱線1が(図示しない)ステープルにより断熱材からなる基体2の内側表面に固定され保持されているものであってもよい。
図5は電熱線開放型パネルヒータの外観図(斜視図)であり、図6は同パネルヒータの製造工程における組み付け方法を一部を破断して示す側面図である。
また、図7は電熱線埋設型パネルヒータの側面の断面の模式図である。
図5および図6に示すように、溝孔5は、適宜のピッチで平行して多数併設されてなることにより、断熱材からなる基体2aの表面部4に、熱を外部に放出する放熱溝部(開口部)を形成してなる開放溝を成す。
本発明の発熱構造体を製造する方法としては、無機繊維を含むスラリーを脱水成形して成形体を作製した後、得られた成形体を乾燥処理して断熱材からなる基体を作製し、次いで金属発熱体を固定する方法を挙げることができる。
焼成時の焼成温度は、600〜1300℃であることが好ましく、700〜900℃であることがより好ましい。また、焼成時の雰囲気は、特に制限されないが、空気雰囲気、酸素雰囲気または窒素雰囲気であることが好ましい。焼成時間は、0.5〜4時間が好ましい。
焼成処理を施すことによって、成形物の脱脂及び実使用時の収縮を防止することができる。
また、(図示しない)ステープル等の固定具を用いて断熱材からなる基体の壁面に金属発熱体を固定することもできる。
本方法においては、断熱材からなる基体の作製時に金属発熱体を共存させることを除けば、上述した方法と同様にスラリーを調製し、脱水成形し、乾燥処理することにより、目的とする発熱構造体を得ることができる。
(1)金属発熱体の作製
図2に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
すなわち、図2(a)に示される横幅Wが10mm、図2(b)に示される厚さTが0.5mmの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Fを螺旋状に巻回することにより、図2(b)に示される長手方向に対する垂直断面直径D(垂直断面外径)が10mmであり、図2(b)に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Gが10mmであり、図2(b)に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Pが20mmである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体1を得た。
このとき、金属発熱体1の長手方向に対する垂直断面直径D(10mm)は、金属製平板の横幅W(10mm)の1.0倍に相当するとともに金属製平板の厚みT(0.5mm)の20倍に相当するものであった。また、金属発熱体1を構成する螺旋状に巻回された金属製平板F間に形成される隙間の幅G(10mm)は、上記金属製平板Fの横幅W(10mm)の1.0倍に相当するものであった。
図4に示す円筒状の形態を有する、アルミノシリケート繊維80質量%と、無機バインダーであるコロイダルシリカを5質量%と、アルミナ粒子15質量%とを含む断熱材からなり、内径400mm、外径500mm、長さ600mmの寸法形状を有する基体2の内側表面に、(1)で得られた金属発熱体1を螺旋状に巻回しつつ、ステープルにより固定することにより、発熱構造体(円筒状ヒータh)を作製した。
次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体2の内部の温度を1000℃迄20分間で昇温することができた。
上記発熱構造体(円筒状ヒータh)を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、1200℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、500サイクルの加熱−冷却処理を行った後の各金属発熱体の表面状態を観察したところ、異常は観察されなかった。
(1)金属発熱体の作製
図2に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
図2(a)に示される横幅Wが6mm、図2(b)に示される厚さTが0.5mmの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Fを螺旋状に巻回することにより、図2(b)に示される長手方向に対する垂直断面直径D(垂直断面外径)が5mmであり、図2(b)に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Gが10mmであり、図2(b)に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Pが20mmである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体1を得た。
このとき、金属発熱体1の長手方向に対する垂直断面直径D(5mm)は、金属製平板の横幅W(6mm)の0.8倍に相当するとともに金属製平板の厚みT(0.5mm)の10倍に相当するものであった。また、金属発熱体1を構成する螺旋状に巻回された金属製平板F間に形成される隙間の幅G(10mm)は、上記金属製平板Fの横幅W(6mm)の1.67倍に相当するものであった。
上記(1)で得られた金属発熱体1を用いた以外は、参考例1(2)と同様にして発熱構造体(円筒状ヒータh)を作製し、次いで、金属発熱体の両端にから通電して放熱したところ、基体2の内部の温度を1000℃迄30分間で昇温することができた。
上記発熱構造体(円筒状ヒータh)を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、1200℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、500サイクルの加熱−冷却処理を行った後の各金属発熱体の表面状態を観察したところ、異常は観察されなかった。
(1)金属発熱体の作製
図2に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
図2(a)に示される横幅Wが20mm、図2(b)に示される厚さTが1.0mmの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Fを螺旋状に巻回することにより、図2(b)に示される長手方向に対する垂直断面直径D(垂直断面外径)が20mmであり、図2(b)に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Gが15mmであり、図2(b)に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Pが30mmである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体1を得た。
このとき、金属発熱体1の長手方向に対する垂直断面直径D(20mm)は、金属製平板の横幅W(20mm)の1.0倍に相当するとともに金属製平板の厚みT(1.0mm)の20倍に相当するものであった。また、金属発熱体1を構成する螺旋状に巻回された金属製平板F間に形成される隙間の幅G(15mm)は、上記金属製平板Fの横幅W(20mm)の0.75倍に相当するものであった。
上記(1)で得られた金属発熱体1を用いた以外は、参考例1(2)と同様にして発熱構造体(円筒状ヒータh)を作製し、次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体2の内部の温度を1000℃迄15分間で昇温することができた。
上記発熱構造体(円筒状ヒータh)を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、1200℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、500サイクルの加熱−冷却処理を行った後の各金属発熱体の表面状態を観察したところ、異常は観察されなかった。
(1)金属発熱体の作製
図2に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
図2(a)に示される横幅Wが20mm、図2(b)に示される厚さTが2.5mmの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Fを螺旋状に巻回することにより、図2(b)に示される長手方向に対する垂直断面直径D(垂直断面外径)が10mmであり、図2(b)に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Gが15mmであり、図2(b)に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Pが30mmである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体1を得た。
このとき、金属発熱体1の長手方向に対する垂直断面直径D(10mm)は、金属製平板の横幅W(20mm)の0.5倍に相当するとともに金属製平板の厚みT(2.5mm)の4倍に相当するものであった。また、金属発熱体1を構成する螺旋状に巻回された金属製平板F間に形成される隙間の幅G(15mm)は、上記金属製平板Fの横幅W(20mm)の0.75倍に相当するものであった。
上記(1)で得られた金属発熱体1を用いた以外は、参考例1(2)と同様にして発熱構造体(円筒状ヒータh)を作製し、次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体2の内部の温度を1000℃迄20分間で昇温することができた。
上記発熱構造体(円筒状ヒータh)を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、1200℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、500サイクルの加熱−冷却処理を行ったところ、金属発熱体の表面に亀裂が生じていた。
外径2mmの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の丸線(細線)を金属発熱体とした。
上記金属発熱体1を用いた以外は、参考例1(2)と同様にして発熱構造体(円筒状ヒータh)を作製し、次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体2の内部の温度を1000℃迄昇温する迄45分間を要した。
上記発熱構造体(円筒状ヒータh)を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、1200℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、500サイクルの加熱−冷却処理を行おうとしたところ、100サイクル目の加熱−冷却処理により金属発熱体が破断してしまい、それ以降の加熱を行うことができなかった。
また、表1より、実施例1で得られた金属発熱体は、長手方向に対する垂直断面直径Dが、金属製平板の横幅Wの0.5〜5倍であるとともに金属製平板の厚みTの8〜27倍であり、かつ20mm〜35mmであることにより、15分間という短時間で被処理物を高温加熱し得るとともに、500サイクルの加熱−冷却処理を繰り返しても、表面に異常が認められないことから、永久膨張を抑制し、長寿命なものであることが分かる。
2 断熱材からなる基体
4 基材表面
5 溝孔
11 電熱線
12 断熱材からなる基体
13 ステープル
Claims (4)
- 被処理物を加熱するための金属発熱体であって、
長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、
長手方向に対する垂直断面直径が、前記金属製平板の横幅の0.5〜5倍であるとともに前記金属製平板の厚みの8〜27倍であり、かつ20〜35mmである
ことを特徴とする金属発熱体。 - 前記金属製平板の横幅が5〜30mmであり、前記金属製平板の厚みが0.3〜3.0mmである請求項1に記載の金属発熱体。
- 前記螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅が、前記金属製平板の横幅の0.2〜4倍である請求項1または請求項2に記載の金属発熱体。
- 断熱材からなる基体と、該基体に固定された請求項1〜請求項3のいずれかに記載の金属発熱体とを有することを特徴とする発熱構造体。
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