JP2017117546A

JP2017117546A - ヒータ

Info

Publication number: JP2017117546A
Application number: JP2015249200A
Authority: JP
Inventors: 健太大釜; Kenta Ogama
Original assignee: Coorstek KK
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-29

Abstract

【課題】発熱体の発熱時においても、被発熱体に対する加熱の斑の発生を抑制できるヒータを提供する。【解決手段】給電により発熱する発熱体２がガラス管３の中空内に収容されたヒータ１であって、前記ガラス管の端部側に設けられ、前記発熱体に給電する導電線７と、前記発熱体の少なくとも一端側において前記発熱体と前記導電線との間に設けられ、前記発熱体と前記導電線とを電気的に接続する接続線５とを備え、前記接続線は、前記ガラス管の管軸方向に伸縮自在な弾性部５ｃを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体がガラス管に収容されたヒータに関し、例えばカーボンワイヤー発熱体が長尺のガラス管に収納されたヒータに関する。

本願発明者らは、発熱体をガラス管中に封入したヒータを特許文献１において提案している。特許文献１に記載されたヒータについて、図２を参照しながら説明する。図２はヒータの断面図である。

図２に示すヒータは、カーボンワイヤー発熱体１２と、前記カーボンワイヤー発熱体１２を収納する、両端が開放された長尺かつ大径のシリカガラス管１３とを有する。前記大径のシリカガラス管１３の両端部１３ａ，１３ｂには、より小径のシリカガラス管１４ａ，１４ｂが収納され、この小径のシリカガラス管１４ａ，１４ｂの内部にワイヤーカーボン材２０が圧縮収納されている。また、前記両端部１３ａ，１３ｂの外側端部は、封止端子部１８ａ，１８ｂにより封止され閉塞されている。

前記封止端子部１８ａ，１８ｂは、円筒状のシリカガラスからなる封止部材１５ａ，１５ｂを有し、その一端は前記シリカガラス管１３の両端部１３ａ，１３ｂに融着されている。
前記封止部材１５ａ，１５ｂ内には、カーボンワイヤー発熱体１２に電力を供給する接続線１６ａ，１６ｂが配設され、接続線１６ａ，１６ｂの一部外周面には該接続線１６ａ，１６ｂの径方向に熱膨張係数が変化する熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂが形成されている。

前記封止部材１５ａ，１５ｂは、小径部１５ａ１，１５ｂ１と、大径部１５ａ２，１５ｂ２と、前記小径部１５ａ１，１５ｂ１と大径部１５ａ２，１５ｂ２とを接続する立上がり部１５ａ３，１５ｂ３とが形成された円筒状体である。
前記小径部１５ａ１，１５ｂ１の内周面は、前記熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂの外周面に融着され、前記大径部１５ａ２，１５ｂ２の端面は、前記大径のシリカガラス管１３の両端部１３ａ，１３ｂの端面に融着される。これによりシリカガラス管１３内が封止されている。

前記接続線１６ａ，１６ｂはＭｏ（モリブデン）、あるいはＷ（タングステン）棒からなる。この接続線１６ａ，１６ｂは、小径シリカガラス管１４ａ，１４ｂ内に圧縮収納されるワイヤーカーボン材２０に対し容易に接続ができるように、その先端部が尖っている。

また、前記したように封止端子部１８ａ，１８ｂにおいて接続線１６ａ，１６ｂの外周面には熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂが形成される。この熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂは、接続線１６ａ，１６ｂの外周面上に形成されるタングステンガラス層１７ａ１，１７ｂ１と、その上に積層される例えば熱膨張係数が８×１０^-7／℃（０〜３００℃）の９６％珪酸ガラス層１７ａ２，１７ｂ２とからなる。即ち、接続線１６ａ，１６ｂの径方向に熱膨張係数が小さくなるように、熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂが形成されている。

このような構造を有するヒータによれば、接続線１６ａ，１６ｂの外周面に径方向に熱膨張率の変化する熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂを備え、前記接続線１６ａ，１６ｂは熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂを介してガラス部材（小径部１５ａ１，１５ｂ１）に取り付けられるため、熱膨張による歪みを緩和することができる。また、外力に対する機械的強度が強くなり、取り扱いが便利である。

特開２００５−２９４００７号公報

ところで、特許文献１に示されたヒータにあっては、カーボンワイヤー発熱体１８がガラス管１３の中空内に直線状に張架されている。
しかしながら、このヒータの構造にあっては、カーボンワイヤー発熱体１２が発熱し、その温度が上昇した際に、カーボンワイヤー発熱体１２が膨張して伸び、撓みが生じる虞があった。
そのため、カーボンワイヤー発熱体１２とガラス管１３とが接触し、ヒータ寿命が低下するという課題があった。
さらには、カーボンワイヤー発熱体１２と被加熱体との距離が一定にならず、結果として、被発熱体に対する加熱の斑ができるという課題があった。

本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、発熱体の発熱時において、発熱体とそれを収容するガラス管との接触を防止すると共に、被加熱体に対する加熱による斑の発生を抑制できるヒータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかるヒータは、給電により発熱する発熱体がガラス管の中空内に収容されたヒータであって、前記ガラス管の端部側に設けられ、前記発熱体に給電する導電線と、前記発熱体の少なくとも一端側において前記発熱体と前記導電線との間に設けられ、前記発熱体と前記導電線とを電気的に接続する接続線とを備え、前記接続線は、前記ガラス管の管軸方向に伸縮自在な弾性部を含むことに特徴を有する。
尚、前記発熱体と前記接続線との間に介在する中間部材を備え、前記中間部材は、筒状部材と、この筒状部材の内部に圧縮収納された複数本のカーボン材とを有し、前記圧縮収納された複数本のカーボン材に、前記発熱体の一端部と前記接続線の一端部とが埋設されていることが望ましい。
また、前記弾性部はスプリング状に形成されていることが望ましい。
また、前記発熱体は、カーボンワイヤーにより形成されていることが望ましい。

このように構成されていることにより、発熱体が電力供給により発熱し、膨張して伸びた場合であっても、その伸びた分を、接続線が吸収（縮む）することができ、発熱体の張り具合を一定に保つことができる。
したがって、発熱体が発熱により膨張して伸びた際に、撓むことがないため、発熱体とガラス管の内壁との接触を防止することができる。その結果、発熱体の劣化を抑制し、ヒータの寿命を延ばすことができる。
また、発熱体と被加熱体との距離を、一定に保つことができるため、被加熱体における斑の発生を抑えることができる。特に、複数のヒータを配置して、被加熱体を加熱する場合には、複数のヒータ個々による均一な加熱を行うことが可能となる。このため、加熱の斑を考慮したチューニング（調整）を容易に行うことができる。

本発明によれば、発熱体の発熱時において、発熱体とそれを収容するガラス管との接触を防止すると共に、被加熱体に対する加熱による斑の発生を抑制できるヒータを得ることができる。

図１は、本発明に係るヒータの実施形態であって、ヒータ端部を拡大して示す縦断面図である。図２は、従来のヒータの断面図である。

以下に、本発明に係るヒータの実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態に示すヒータは、図２に示したヒータと同様にシリカガラス管の中にカーボンワイヤー発熱体が収容されたものである。
図１は、本発明に係るヒータの実施形態であって、ヒータの端部を拡大して示す断面図である。尚、図１のヒータ端部は、一端部側のみを代表して示し、他端部側は同様の構成のため、図示を省略する。

図１に示すように、ヒータ１は、給電されることにより発熱するカーボンワイヤー発熱体２（発熱体）と、カーボンワイヤー発熱体２を中空内に収納し、両端に封止部３ａを有するガラス管３とを有する。前記ガラス管３は、例えば、シリカを含む管である。その内径は、例えば６．５ｍｍに形成され、外径は、例えば、９．０ｍｍに形成されている。
前記ガラス管３内において、カーボンワイヤー発熱体２の両端部には中間部材４の一端側が接続されている。また、前記中間部材４の他端側には接続線５の一端部５ａが接続されている。

また、前記ガラス管３の両端部３ａは、封止端子部９により封止され閉塞されている。前記封止端子部９は、円筒状のシリカガラスからなる封止部材１０を有し、その一端は前記ガラス管３の両端部３ａに融着されている。
前記封止部材１０内には、カーボンワイヤー発熱体２に電力を供給する接続線５（端部５ｂ）が配設され、その一部外周面には該接続線５の径方向に熱膨張係数が変化する熱膨張傾斜部１１が形成されている。

前記封止部材１０は、小径部１０ａと、大径部１０ｂと、前記小径部１０ａと大径部１０ｂとを接続する立上がり部１０ｃとが形成された円筒状体である。
前記小径部１０ａの内周面は、前記熱膨張傾斜部１１の外周面に融着され、前記大径部１０ｂの端面は、前記大径のガラス管３の両端部３ａの端面に融着される。これによりガラス管３内が封止されている。

また、前記のように封止端子部９において接続線５の外周面には熱膨張傾斜部１１が形成される。この熱膨張傾斜部１１は、接続線５の外周面上に形成されるタングステンガラス層１１ａと、その上に積層される例えば熱膨張係数が８×１０^−７／℃（０〜３００℃）の９６％珪酸ガラス層１１ｂとからなる。即ち、接続線５の径方向に熱膨張係数が小さくなるように、熱膨張傾斜部１１が形成されている。

また、前記ガラス管３内に収容されるカーボンワイヤー発熱体２は、例えば、複数本のカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束用いてワイヤー状に編み込んだものが用いられる。より具体的には、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバーを１０００乃至３０００本程度束ねたファイバー束を１０束程度用いて直径約１．３〜２．５ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだカーボンワイヤーが用いられる。

また、前記中間部材４は、筒状部材４ａと、この筒状部材４ａの内部に圧縮収納された複数本のワイヤーカーボン材４ｂとを有する。
前記筒状部材４ａは、例えば、石英ガラスもしくはモリブデンを含むスリーブにより形成されている。
また、ワイヤーカーボン材４ｂは、例えば、カーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数編み上げてなる編紐あるいは組紐形状のものである。カーボンワイヤー発熱体２の端部は、前記ワイヤーカーボン材４ｂの中に埋設されている。
このように、カーボンワイヤー発熱体２と接続線５との間に、中間部材４のワイヤーカーボン材４ｂが介在するために、カーボンワイヤー発熱体２からの高熱が接続線５に極力伝わらないようにすることができる。

また、図示するように前記接続線５の一端部５ａは細長い棒状に形成され、その先端はワイヤーカーボン材４ｂに容易に挿入できるよう尖っている。前記接続線５の一端部５ａは中間部材４のワイヤーカーボン材４ｂに挿入されて埋設され、他端部５ｂは封止端子部９に保持されている。
また、接続線５において、その一端部５ａと他端部５ｂとの間にはスプリング状の弾性部５ｃが設けられている。この弾性部５ｃが設けられることにより、カーボンワイヤー発熱体２において膨張による伸びが発生した際、その伸びを吸収できるようになっている。

尚、前記接続線５は、図示するように、例えば１本のＭｏ（モリブデン）、あるいはＷ（タングステン）棒からなり、その直径Ｄ２は、例えば、１ｍｍ乃至３ｍｍに形成されている。前記Ｍｏ（モリブデン）、あるいはＷ（タングステン）棒の数は、１本に限定されず、複数本であってもよい。

このように本発明のヒータに係る実施の形態によれば、接続線５の弾性部５ｃが、スプリング状に形成されるため、接続線５が弾性を有することになる。
このため、カーボンワイヤー発熱体２が、導電線７からの電力供給により発熱し、膨張して伸びた場合であっても、その伸びた分を、接続線５が吸収（縮む）することができ、カーボンワイヤー発熱体２の張り具合を一定に保つことができる。
したがって、カーボンワイヤー発熱体２が発熱により膨張して伸びた際に、撓むことがないため、カーボンワイヤー発熱体２とガラス管３の内壁との接触を防止することができる。その結果、カーボンワイヤー発熱体２の劣化を抑制し、ヒータ１の寿命を延ばすことができる。

また、カーボンワイヤー発熱体２と被加熱体との距離を一定に保つことができるため、被加熱体における斑の発生を抑えることができる。特に、複数のヒータを配置して、被加熱体を加熱する場合には、複数のヒータ個々による均一な加熱を行うことが可能となる。このため、加熱の斑を考慮したチューニング（調整）を容易に行うことができる。

尚、前記実施の形態においては、接続線５の他端部５ｂを封止端子部９により保持し、接続線５が熱膨張傾斜部１１を介してガラス部材（小径部１０ａ）に取り付けられるものとした。これにより、熱膨張による歪みを緩和することができ、また、外力に対する機械的強度が強くなり、取り扱いが便利となる。

しかしながら、本発明に係るヒータにあっては、その形態に限定されるものではなく、ガラス管３の両端部の封止構造は、その他の一般的な封止構造も適用することができる。前記封止部３ｂは、シュリンクシール、フリットシール、グレーデッドシール、ピンチシール、モリブデン（箔）シール、ジュメット（ワイヤー）シールなど一般的なシール（封止）構造により形成することができる。

また、前記実施の形態においては、発熱体としてカーボンワイヤー発熱体２を例に説明したが、本発明のヒータにあっては、その形態に限定されるものではない。
また、前記実施の形態においては、接続線５の弾性部５ｃをスプリング状に形成されているものとしたが、その形態に限定されず、同等の抵抗値を有する金属布を弾性部として用いてもよい。

また、前記実施の形態においては、直棒状のガラス管３を有するヒータ１を例に説明したが、本発明のヒータにあっては、その形態に限定されるものではなく、Ｗ型のヒータや螺旋型のヒータであっても、ガラス管にストレート部があれば、そこに本発明を適用することができる。

また、前記実施の形態においては、好ましい形態としてヒータ１の両端側にそれぞれスプリング状の弾性部５ｃを有するものとしたが、本発明のヒータにあっては、その形態に限定されるものではない。例えば、ヒータの少なくとも一方の端部に弾性部５ｃを有する接続部材５を備えればよく、その場合、ヒータ１の他方の端部は、図２に示したような直棒状の接続線を用いてもよい。

本発明に係るヒータについて、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示したヒータを作製し、通電して被加熱体を加熱することにより検証した。
本実施例に用いたヒータにおいて、カーボンワイヤー発熱体は、直径７μｍのカーボンファイバーを３０００本程度束ねたファイバー束を１０束程度用いて直径約２．０ｍｍの編紐形状のものを使用した。
また、カーボンワイヤー発熱体の長さ（両端側の中間部材までの長さの合計）は３３０ｍｍとした。

また、接続線には、モリブデンを含む直径２．５ｓｑ（被覆を含む外径３．５ｍｍ）の電線を用い、スプリング状の中間部分の長さは３０ｍｍとした。
また、カーボンワイヤー発熱体を収容するガラス管には、シリカを含む直棒状の管を用い、その長さは５１２ｍｍとし、その内径は７ｍｍ、外径は９ｍｍとした。

また、中間部材は、モリブデン（Ｍｏ）を含む筒状部材と、その内部に圧縮収納された複数本のワイヤーカーボン材とにより構成した。この中間部材の長さは２８ｍｍとした。
また、導電線にはジイゲル線を用い、その長さは３００ｍｍとした。

このように構成されたヒータに対して、前記導電線から通電し評価を行った。この通電評価の内容は、サイクル（１５秒通電（ＯＮ）、１０秒遮断（ＯＦＦ））を連続して１００万回繰り返すというものである。
この実施例の結果、ガラス管の内壁に、カーボンワイヤー発熱体は接触せず、ヒータの寿命が改善されたことが確認できた。

１ヒータ
２カーボンワイヤー発熱体
３ガラス管
３ａ封止部
４中間部材
５接続線
６接続部材
７導電線
８ベース部材

Claims

給電により発熱する発熱体がガラス管の中空内に収容されたヒータであって、
前記ガラス管の端部側に設けられ、前記発熱体に給電する導電線と、
前記発熱体の少なくとも一端側において前記発熱体と前記導電線との間に設けられ、前記発熱体と前記導電線とを電気的に接続する接続線とを備え、
前記接続線は、前記ガラス管の管軸方向に伸縮自在な弾性部を含むことを特徴とするヒータ。
前記発熱体と前記接続線との間に介在する中間部材を備え、
前記中間部材は、
筒状部材と、この筒状部材の内部に圧縮収納された複数本のカーボン材とを有し、
前記圧縮収納された複数本のカーボン材に、前記発熱体の一端部と前記接続線の一端部とが埋設されていることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
前記弾性部はスプリング状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒータ。
前記発熱体は、カーボンワイヤーにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたヒータ。