JP2019149331A

JP2019149331A - 浸漬ヒータ

Info

Publication number: JP2019149331A
Application number: JP2018034505A
Authority: JP
Inventors: 英紀北; Hidenori Kita; 誠司山下; Seiji Yamashita; 竜太辻井; Ryuta Tsujii; 享寛平田; Akihiro Hirata
Original assignee: Nagoya University NUC; Yamato Co Ltd
Current assignee: Nagoya University NUC; Yamato Co Ltd
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-05

Abstract

【課題】小型かつ高出力化した浸漬ヒータを提供する。【解決手段】浸漬ヒータ１００は、保護管１０１、発熱体１０３、および充填層１０５を備えている。保護管１０１は、電気絶縁性のセラミックスで構成されている。発熱体１０３は、炭化ケイ素で構成された中空の半割型片端子構造であり、発熱部１２１は二重螺旋形状である。保護管１０１内の空間には、電気絶縁性を有し且つ熱伝導性が高いセラミックス粉末が充填され、充填層１０５が形成される。発熱部１２１が充填層１０５中に埋設し、かつ充填層１０５の端面に耐熱封止１４３が形成されているので、空気による酸化進行を遅らすことができる。【選択図】図１

Description

本発明は浸漬ヒータに関し、特に小型化かつ高出力化に関する。

従来、アルミ合金等の溶湯保持炉や溶解金属保持炉の溶湯或いは溶液の浴槽等に貯留される液体を当該溶湯中や液体中に浸漬させて加熱或いは保温するために浸漬ヒータが使用される。

特許文献１には、略円筒状の炭化珪素系の非金属発熱体が窒化珪素等の電気絶縁性セラミック製保護管内に当該保護管の内周面と所定隙間（30ｍｍ〜40ｍｍ）をもって配設され、前記電気絶縁性セラミック製保護管を輻射伝熱で加熱することでアルミ合金等の溶湯に熱伝達する方式の浸漬ヒータが開示されている。

また、特許文献２には、Ni-Cr系等の金属発熱体が窒化珪素等の電気絶縁性セラミック製保護管内に螺旋状に配設され、Ni-Cr系等の金属発熱体を酸化マグネシウム粉末、窒化硼素粉末、酸化マグネシウムと窒化硼素との混合粉末等の電気絶縁性かつ高熱伝導率を有するセラミックス粉末がNi-Cr系等の金属発熱体の周辺に充填され、前記保護管を熱伝導で加熱することでアルミニウム等の溶湯に熱伝達する方式の浸漬ヒータが開示されている。

特許第2564138号公報特開平11-8049号公報

特許文献１の浸漬ヒータは、抵抗発熱体が非鉄金属発熱体（炭化珪素）であることから、抵抗発熱体の温度を金属発熱体の温度と比較して高温域（１０００〜１４００℃）で安定して使用でき、それ故に同一径の保護管であれば、金属発熱体と比較して溶湯への熱伝達が向上するという利点がある一方、発熱体の外周面が保護管の内周面と３０〜４０ｍｍ程度離間していること、及び保護管内に空間（保護管内周面と発熱体外周面とで形成される空間、及び発熱体の中空部等）が存在することから、熱伝達が悪く発熱体の熱量が十分に利用できず、必要以上に受熱面積、すなわち大径の保護管になるという問題がある。また、発熱体が焼成物であることから、操業中等の衝撃や振動が直接発熱体に影響して発熱体自体が破損する可能性があり、さらに発熱体の寿命に直接影響を与える表面酸化が生じるという問題がある。

特許文献２の浸漬ヒータは、保護管内の空間に電気絶縁性かつ高熱伝導率を有するセラミックス粉末の充填層が存在することから、熱伝導の向上を図ることができる。それ故に、同一の発熱体出力（KW）であっても充填層が存在しない浸漬ヒータと比べて小型化できるという利点がある一方、抵抗発熱体が金属発熱体であることから、抵抗発熱体自体の温度は１１００℃程度が限界であるとともに限界域での長期使用は発熱体の寿命を著しく低下し、また操業中はＯＮ―ＯＦＦ制御或いは高温―低温制御を実施することから、セラミックス粉末と発熱体との熱膨張率の差に起因して充填層に空隙が生じる結果、熱伝導効率が低下するという問題がある。

なお、特許文献１に開示する浸漬ヒータの保護管内に電気絶縁性かつ高熱伝導率を有するセラミックス粉末の充填は、セラミックス粉末充填層の存在により熱伝達の向上が図れる一方、発熱体の外周面が保護管内周面と離間（３０〜４０ｍｍ）しているため、発熱体出力の利用が不十分であるばかりか、高価なセラミックス粉末が多量に必要となるという問題がある。

本発明は、上記問題を解決し、高耐久性があり、小型化かつ高出力化した浸漬ヒータを提供することを目的とする。

１）本発明にかかる浸漬ヒータは、２分割円筒の端子部と二重往復螺旋状の発熱部、または３分割円筒の端子部と三重往復螺旋状の発熱部からなる中空円筒状の非金属発熱体と、当該非金属発熱体が収納され、一端に有底を有する電気絶縁性セラミックス保護管とからなる浸漬ヒータであって、前記発熱体が前記保護管の内周面に近接配置され、保護管内の空間の少なくとも発熱部に電気絶縁性且つ高熱伝導率を有するセラミックス粉末を充填し、この充填層の端子側端面上に耐熱性封止層を形成している。

したがって、前記非金属発熱体での発熱を前記保護管の内周面に効率的に伝達でき、かつ保護管内を低酸素雰囲気化の実現が可能となり、前記非鉄金属発熱体の表面酸化を抑制することができ、また発熱体と充填層との熱膨張差に起因する充填層の隙間を小さくできる。これにより、高出力かつ高耐久の小型化浸漬ヒータを提供することができる。

本発明にかかる浸漬ヒータ１００における軸方向に平行な面における断面図である。保護管１０１の構造を示す図である。発熱体１０３の構造を示す図である。図３のA-A断面、B-B断面の拡大図である。図１のA-A断面、B-B断面、C-C断面、D-D断面拡大図である。

図１に、本発明にかかる浸漬ヒータ１００を示す。浸漬ヒータ１００は、保護管１０１、略円筒状の発熱体１０３、充填層１０５、および耐熱封止層１４３を備えている。なお、図１では発熱体１０３は断面で示していない。

保護管１０１は、電気絶縁性を有するセラミックスで構成されており、図２に示すように、底部１１１、開口部１１２を有する試験管形状をしている。本実施形態においては、外径D1＝５０mm、内径D2＝４２mm、長さL＝８００mmの窒化ケイ素系ファインセラミックスを採用した。なお、窒化ケイ素系ファインセラミックスに代えて、炭化ケイ素系ファインセラミックス等の電気絶縁性ファインセラミックスを採用してもよい。

発熱体１０３は、炭化珪素系発熱体で構成されおり、図３に示すように、発熱部１２１と端子部１２２からなり、端子部１２２は中空の半割型片端子構造である。また、発熱部1２１は先端部から全長の約１／２あたりまで二重往復螺旋スリット１２３が形成され、二重往復螺旋状になっている（図３、図４Ａ参照）。また、端子部１２２は先端（発熱部側）が螺旋スリット１２３の後端（発熱部側）に接続する直線スリット１２４が形成され、半割円筒状になっている（図３、図４Ｂ参照）。

かかる発熱体の構造については、一般的な二重往復螺旋スリットが形成された発熱体と同じであるが、図３を用いて、簡単に説明する。発熱部１２１における中空部１３１は直径：３０mmであり、端子部１２２における中空部１３２は直径：２０mmである。

なお、端子部１２２は、SiC−Si複合材、SiC−MoSi2複合材などの比抵抗が低い材質で構成され、通電時における発熱を抑制している。

本実施形態においては、発熱体１０３として、外径：４０mm、発熱部長さ：３００mm、抵抗値：約１.３３オーム（１０００℃時）の東海高熱工業株式会社製のエレマ発熱体SGR型を採用したが、これに限定されない。また、本実施形態においては、非金属発熱体として、炭化ケイ素系発熱体を採用したが、これに限らず、黒鉛、ジルコニア、ランタンクロマイト等を使用してもよい。

発熱体１０３の外径は４０mmであり、保護管１０１の内径は４２mmである。したがって、保護管１０１の内周面と発熱体１０３の外周面との間には１mmの隙間空間が形成される。浸漬ヒータ１００のかかる隙間空間、中空部１３１，１３２、およびスリット１２３，１２４は酸化マグネシウム(MgO) と窒化ホウ素(BN) の混合粉末で構成された充填層１０５を設けている。また、充填層１０５の端面部には耐熱性無機接着剤でからなる耐熱封止層１４３が形成されている。

本実施形態においては、充填層１０５を、酸化マグネシウム(MgO) と窒化ホウ素(BN) の混合粉末で構成したが、いずれか一方の単体であってもよい。また、窒化アルミニウム、アルミナ等の単体、またはこれらとの混合粉末で構成してもよい。なお、充填層１０５としては、電気絶縁性を有し、かつ、熱伝導性が高い粉末であればどのようなものであってもよい。さらに、セラミック粉末の充填層は、発熱部１２１部のみでもよい。

本実施形態においては、保護管１０１の内周面と発熱体１０３の外周面との隙間が1mm程度と微小隙間の状態で近接して配置したが、隙間における充填層の耐久性と熱伝導の確保および浸漬ヒータ１００の易組み立て性の観点からぜんの隙間は、1〜5mmが好ましく、より好ましくは、1〜3mmである。かかる隙間、発熱体１０３内部の中空部１３１，１３２、及びスリット１２３，１２４に前記セラミックス粉末が充填されている。このように保護管内の空間に、電気絶縁性を有し、かつ、熱伝導性が高いセラミックス粉末が充填されていることにより、発熱体を高温域で安定して使用でき、また熱伝導を高くすることができる。すなわち、小径でかつ高出力な浸漬ヒータを提供できる。

また、発熱体１０３の発熱部１２１が充填層１０５中に埋設し、かつ充填層１０５の端面に耐熱封止１４３が形成されているので、空気による酸化進行を遅らすことができ、また運搬時における衝撃などによって発熱体１０３または保護管１０１が損傷するのを防ぐことができる。すなわち、耐久性及び衝撃性の高い浸漬ヒータを提供できる。

浸漬ヒータ１００の製法について説明する。垂直状態に堅持される保護管１０１内に略同心状態で発熱体１０３を挿入固定し、端子部１２２の中空部１３２から、酸化マグネシウム(粒径：数十μm程度) と窒化ホウ素(粒径：２μm程度) の混合のセラミックス粉末を溶剤にてスラリーとし、このスラリ−を流し込み後、溶剤を乾燥・揮発させる。これにより、保護管１０１内の空間（中空部１３１、１３２，スリット１２３，１２４、および保護管１０１と発熱体１０３との隙間）に前記セラミックス粉末が充填される。そして、充填層１０５の端面部に耐熱性無機接着剤でからなる耐熱封止層１４３が形成される。

その後、板状の相関絶縁碍子１４７をスリット１２４に挿入したのち、金網状のリード線１４５を端子部１２２に位置させたのち、押込碍子１０９を介して締付バンド１０７により相関絶縁碍子１４７およびリード線１４５を端子部に圧着固定する。

かかるセラミックス粉末の充填された後の状態を、図１の各部の断面図を図５A〜図５Dに示す。図５A，Bに示すように、保護管内の空間（中空部１３１、１４１，溝１２３，１２４、および保護管１０１と発熱体１０３との隙間）にセラミックス粉末が充填された充填層１０５が形成されている。

また、図５Ｃに示すように、充填層１０５の端部は耐熱性封止層１４３で封止されている。これにより、充填層１０５のセラミックス粉末が封止され、セラミックス粉末で構成された充填層への外気浸入を防止できる。

また、図５Ｄに示すように、発熱体１０３の端子部１２２の両端部は、相間絶縁碍子１４７で絶縁される。また、リード線１４５が端子部１２２に圧着され、リード線１４５から発熱体１０３に電力供給がなされる。

本発明に係る浸漬ヒータは、保護管１０１内の空間には電気絶縁性を有し、かつ、熱伝導性が高いセラミックス粉末が充填され、また充填層１０５の上端面が封止されている。したがって、保護管の小径化と高効率化が図ることができ、また、空気に触れる表面積が激減し、かつ充填層１０５内への外気の侵入が軽減するので、発熱体表面における酸化物の生成が抑制できる。

また、本実施形態においては、端子部１２２の中空部１３２まで充填層１０５が形成されているが、少なくとも、発熱部１２１に前記セラミックス粉末を充填していればよい。

本実施形態においては、二重螺旋構造としたが、特開2001-257056号公報記載の、三重螺旋構造についても同様に適用することができる。

１００・・・・・・浸漬ヒータ
１０１・・・・・・保護管
１０３・・・・・・発熱体
１０５・・・・・・充填層
１１１・・・・・・底部
１１２・・・・・・開口部
１２１・・・・・・発熱部
１２２・・・・・・端子部
１２３・・・・・・二重往復螺旋スリット
１２４・・・・・・直線スリット
１３１・・・・・・中空部
１３２・・・・・・中空部

Claims

２分割円筒の端子部と二重往復螺旋状の発熱部、または３分割円筒の端子部と三重往復螺旋状の発熱部からなる中空円筒状の非金属発熱体と、当該非金属発熱体が収納され、一端に有底を有する電気絶縁性セラミックス保護管とからなる浸漬ヒータであって、
前記発熱体が前記保護管の内周面に近接配置され、保護管内の空間の少なくとも発熱部に電気絶縁性且つ高熱伝導率を有するセラミックス粉末を充填し、この充填層の端子側端面上に耐熱性封止層を形成したことを特徴とする浸漬ヒータ。
請求項１の浸漬ヒータであって、
前記非鉄金属発熱体が炭化珪素質であること、
を特徴とする浸漬ヒータ。