JP2020047405A - シーズヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】電気抵抗を低減するとともに熱応力に起因する変形を抑制したシーズヒータを提供する。【解決手段】シーズヒータ１を、シース１０と、シースの一方の端部に設けられた第１、第２の端子２０，３０と、一方の端部４１が第１の端子２０に接続され、通電時に発熱する第１の導電部材４０と、一方の端部５１が第２の端子３０に接続され、端子側と反対側の端部において第１の導電部材と導通可能に接続された第２の導電部材５０とを備え、第２の導電部材は、第１の導電部材に対して電気抵抗が低くかつ少なくとも一部に弾性変形によりシースの長手方向に沿って伸縮可能な伸縮許容部を有する構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、筒状のシースの内部に通電時に発熱する導電部材を収容して構成されるシーズヒータに関し、特にシースの一方の端部に一対の端子が設けられるいわゆる片端子型のものに関する。

シーズヒータは、金属製のヒータパイプ（シース）の内部に、ニッケル−クロム系合金等からなる発熱線（電熱線）を収容するとともに、無機絶縁物の粉末を充填した電気ヒータである。
シーズヒータは、安全性、信頼性、経済性などに優れており、例えば産業用等のヒータとして広く普及している。

シーズヒータに関する従来技術として、例えば特許文献１には、ヒータパイプの一方の端部に電源が接続される一対の端子を設けるとともに、両端部が一対の端子にそれぞれ接続され、ヒータパイプの他方の端部で折り返される発熱線を有するカートリッジヒータが記載されている。

特開平 ５−１５２０６１号公報

筒状のシース（ヒータパイプ）の一方の端部に一対の端子が設けられるとともに、シースの内部で折り返すように、ニクロム線のコイルなどの発熱体を含む導電体が配置されるシーズヒータ（カートリッジヒータ）において、ヒータを高出力化するため、発熱体の抵抗値を低減することが要望されている。
発熱体の抵抗値を低減しようとした場合、材質を抵抗値が小さいものに変更したり、コイルの巻径を小さくするなどの方法があるが、このような手法による抵抗値の低減には物性的な限界があった。
これに対し、導電体を折り返した半分を、発熱体よりも抵抗値が低い例えばニッケルの棒材等の低抵抗部材（低発熱体）とした場合、導電体全体（回路全体）としての抵抗値を低下させ、供給電圧に対する電流を大きくしてヒータの高出力化を図ることができる。
しかし、この場合には、棒材等の低抵抗部材と他の部材との熱伸びの差に起因する熱応力により、加熱時にシースに曲げ、ねじれ等の変形が発生するという問題があった。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、電気抵抗を低減するとともに熱応力に起因する変形を抑制したシーズヒータを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、筒状に形成され内径側に絶縁体が収容されるシースと、前記シースの一方の端部に設けられた第１の端子及び第２の端子と、前記シースの内径側に前記シースの長手方向に沿って配置されるとともに一方の端部が前記第１の端子に接続され、通電時に発熱する発熱部を有する第１の導電部材と、前記シースの内径側に前記第１の導電部材と並行に配置されるとともに一方の端部が前記第２の端子に接続され、前記第２の端子側と反対側の端部において前記第１の導電部材の前記第１の端子側と反対側の端部と導通可能に接続された第２の導電部材とを備え、前記第２の導電部材は、前記第１の導電部材に対して電気抵抗が低くかつ少なくとも一部に弾性変形により前記シースの長手方向に沿って伸縮可能な伸縮許容部を有することを特徴とするシーズヒータである。
これによれば、シースの一方の端部に一対の端子が設けられる片端子型のシーズヒータにおいて、シース内に並行して配置される導電部材の一方（第２の導電部材）を、主に発熱に寄与する他方の導電部材（第１の導電部材）に対して電気抵抗を低くしたことによって、主に発熱に寄与する発熱部の長さを約半分にしてシーズヒータ全体としての抵抗値を低くし、供給される単位電圧あたりの電流を増加させてシーズヒータを高出力化することができる。
また、各導電部材に通電して発熱させた際の温度変化によるシースの熱伸びに応じて、第２の導電部材の伸縮許容部が弾性変形し、シースの長手方向に伸縮することによって、熱応力に起因するシースの変形を抑制することができる。
なお、本明細書、特許請求の範囲において、並行に配置されるとは、第１、第２の導電部材が完全に平行に配置された状態に限らず、ねじれ、曲げ等を伴って並んで配置される状態を含むものとする。

請求項２に係る発明は、前記伸縮許容部は、前記第１の導電部材の前記発熱部の全長にわたって並行して設けられることを特徴とする請求項１に記載のシーズヒータである。
これによれば、シースが加熱を受ける範囲の全体にわたって伸縮許容部による第２の導電部材の伸縮が可能であり、シースと第２の導電部材との熱伸び差に起因するシースの変形を確実に防止することができる。
請求項３に係る発明は、前記第１の導電部材は、少なくとも一部がニッケル−クロム系合金又は鉄−クロム系合金の線材からなるコイル部を有し、前記第２の導電部材の前記伸縮許容部は、前記第１の導電部材の前記コイル部の材料よりも電気抵抗が低い金属の線材からなるコイル部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシーズヒータである。
これによれば、既存のシーズヒータの製造設備等を利用可能な構成により上述した効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、電気抵抗を低減するとともに熱応力に起因する変形を抑制したシーズヒータを提供することができる。

本発明を適用したシーズヒータの実施形態の断面図である。 本発明の比較例であるシーズヒータの断面図である。 比較例のシーズヒータにおける使用時の変形を示す写真である。

以下、本発明を適用したシーズヒータの実施形態について説明する。
実施形態のシーズヒータは、例えば数メートル程度の長さを有するシース（ヒータパイプ）を、プレート状の基材に形成された溝部に沿って所定のパターンに屈曲させて埋め込んだヒータユニットなどに適用することが可能な、長尺かつ比較的小径のカートリッジヒータである。

図１は、実施形態のシーズヒータの断面図である。
図１（ａ）は、シース及び各端子の中心軸を含む平面に沿って切断した断面を示し、図１（ｂ）は、図１（ｂ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。（後述する図２において同じ）
シーズヒータ１は、シース１０、端子２０，３０、高発熱体４０、低発熱体５０、接続部材６０等を有する。

シース１０は、シーズヒータ１の本体部の筐体として機能するヒータパイプである。
シース１０は、例えば、アルミニウム系合金により円筒状に形成されている。
シース１０は、一例として、例えば５ｍｍ程度の外径と、２ｍ程度の長さを有する構成とすることができるが、これらの寸法は適宜変更することが可能である。
シース１０は、塑性変形させることにより、例えば、ヒータユニットの基材等の形状に応じて、湾曲あるいは屈曲させて使用することが可能である。

端子２０，３０は、高発熱体４０、低発熱体５０、接続部材６０からなる回路に電力を供給する電源が接続される部材である。
端子２０，３０は、例えば、ニッケルの丸棒材により形成されている。
端子２０，３０は、その長手方向がシース１０の中心軸と平行に配置されている。
端子２０，３０の長手方向における一部は、シース１０の内径側に挿入されている。
端子２０，３０の長手方向における他部は、シース１０の一方の端部から突出して配置され、図示しない電源に接続される。
端子２０，３０は、シース１０の長手方向から見たときに、シース１０の中心軸に対して対称となるように、シース１０の径方向に離間して配置されている。

高発熱体４０は、シース１０の内部に配置され、通電時にジュール熱を発生する熱源となる第１の導電部材である。
高発熱体４０は、例えば、ニッケル−クロム系合金（ニクロム）の帯線（帯状に形成された長尺の板状部材からなる線材）を、端子２０の中心軸と同心となるようにらせん状に巻き回したコイル状に形成されている。
高発熱体４０は、シース１０内において、シース１０の長手方向に沿って延びている。
高発熱体４０の両端部４１，４２を除く主要部分においては、帯線は線間密着しないよう、隣接する帯線間に間隔が設けられる所定のピッチで巻かれている。

高発熱体４０の一方の端部４１は、端子２０においてシース１０の内部に配置される端部の外周面に巻き回されるとともに、端子２０との間で導電可能な状態で固定されている。
高発熱体４０の端子２０側とは反対側の端部４２は、接続部材６０の高発熱体接続部６１の外周面に巻き回されるとともに、接続部材６０との間で導電可能な状態で固定されている。
端部４１，４２においては、帯線が線間密着するように密に巻かれた状態となっている。
高発熱体４０の端部４１，４２以外の領域である本体部は、通電時に主としてジュール熱を発生する発熱部として機能する。

低発熱体５０は、シース１０の内部に高発熱体４０と並行して配置された第２の導電部材である。
低発熱体５０は、材質、形状、寸法等の設定により、高発熱体４０に対して電気的な抵抗値が小さくされている。
低発熱体５０の抵抗値は、シーズヒータ１の使用温度において、高発熱体４０の抵抗値の５０％以下とすることが好ましく、より好ましくは３０％以下とするとよい。
低発熱体５０は、上記した抵抗値の設定により、端子２０，３０間に通電した際の発熱量が高発熱体４０に対して小さくなっている。

低発熱体５０は、高発熱体４０の材料よりも抵抗値が小さくかつ弾性を有する金属、例えば、ニッケルからなる帯線を、端子３０の中心軸と同心となるようにらせん状に巻き回したコイル状に形成されている。
低発熱体５０は、シース１０内において、シース１０の長手方向に沿って、高発熱体４０と間隔を隔てて並行して延びている。
低発熱体５０の両端部５１，５２を除く主要部分においては、帯線は線間密着しないよう、隣接する帯線間に間隔が設けられる所定のピッチで巻かれている。
低発熱体５０の本体部は、弾性変形によりシース１０の長手方向に沿って伸縮方向に弾性変形可能となっており、本発明にいう伸縮許容部として機能する。
低発熱体５０の本体部（端部５１，５２以外の領域）は、高発熱体４０の発熱部として機能する本体部（端部４１，４２以外の領域）の全長にわたって、並行して配置されている。

低発熱体５０の一方の端部５１は、端子３０においてシース１０の内部に配置される端部の外周面に巻き回されるとともに、端子３０との間で導電可能な状態で固定されている。
低発熱体５０の端子３０側とは反対側の端部５２は、導電部材６０の低発熱体接続部６２の外周面に巻き回されるとともに、接続部材６０との間で導電可能な状態で固定されている。
なお、図１においては、高発熱体４０、低発熱体５０は、それぞれストレートに形成され平行に配置されているが、実際にはシース１０の内部で、例えば規則的あるいは不規則な２条のらせん状などにねじれた状態となる場合もあり得る。

接続部材６０は、高発熱体４０における端子２０側と反対側の端部４２と、低発熱体５０における端子３０と反対側の端部５２とを、電気的に導通した状態で接続する部材である。
接続部材６０は、シース１０の内部における端子２０，３０側とは反対側の端部近傍に配置されている。
接続部材６０は、高発熱体接続部６１、低発熱体接続部６２、湾曲部６３を有する。
高発熱体接続部６１、低発熱体接続部６２、湾曲部６３は、例えば、１本のニッケルの棒材を湾曲部６３に相当する領域において曲げ加工することにより、一体に形成されている。

高発熱体接続部６１は、高発熱体４０の端部４２が接続される部分である。
高発熱体接続部６１の端部は、高発熱体４０の端部４２の内径側に挿入されるとともに、端部４２と電気的に導通した状態で固定されている。

低発熱体接続部６２は、低発熱体５０の端部５２が接続される部分である。
低発熱体接続部６２の端部は、低発熱体５０の端部５２の内径側に挿入されるとともに、端部５２と電気的に導通した状態で固定されている。

湾曲部６３は、高発熱体接続部６１、低発熱体接続部６２の端子２０，３０側とは反対側の端部を接続する部分である。
湾曲部６３は、例えば、高発熱体接続部６１、低発熱体接続部６２の軸間距離を直径とする半円の円弧に沿って、棒材を湾曲させて形成されている。

シース１０の内部において、端子２０，３０、高発熱体４０、低発熱体５０、接続部材６０により占有される領域以外は、例えばマグネシア等の絶縁体からなる粉末が充填されている。

以下、上述した実施形態の効果を、以下説明する本発明の比較例と対比して説明する。
比較例の説明において、上述した実施形態と同様の箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図２は、比較例のシーズヒータの断面図である。
比較例のシーズヒータ１Ａは、実施形態のシーズヒータ１の低発熱体５０に代えて、端子３０と、接続部材６０の低発熱体接続部６２との間を、例えばニッケルの棒材７０により接続したものである。
棒材７０は、シース１０の長手方向に沿って伸び、円形の断面形状を有する中実の丸棒である。
比較例において、端子３０、棒材７０、接続部材６０は、例えば一本のニッケルの棒材を、接続部材６０の湾曲部６３に相当する箇所で曲げ加工することによって、一体に形成されている。

このような比較例のシーズヒータ１Ａには、以下説明するような変形の問題があった。
図３は、比較例のシーズヒータにおける使用時の変形を示す写真である。
図３（ａ）は、通電開始前におけるシーズヒータ１Ａが常温である状態を示し、図３（ｂ）は、通電してシース１０の表面を４００℃まで昇温させた状態を示し、図３（ｃ）は、通電を終了した後、シース１０の表面が１５０℃まで冷却された状態を示している。

図３（ｂ）から明らかなように、比較例のシーズヒータ１Ａにおいては、加熱時（昇温時）に、シース１０はねじれ変形及び曲げ変形を示す。
また、図３（ｃ）から明らかなように、シース１０の形状は冷却されると変形前の状態に復元する。
このような変形は、主として棒材７０の熱伸び（熱膨張）が、シース１０等の他の部材の熱伸びと異なるために生じたものと考えられる。
これに対し、同様の試験を実施形態のシーズヒータ１で行った場合には、少なくとも目視により確認が可能なシース１０の変形は確認されなかった。
なお、実施形態のシーズヒータ１の通電時におけるシース１０の表面温度分布を測定した結果、高発熱体４０が設けられた側と低発熱体５０が設けられた側とで、実用上問題となるような温度差は検出されなかった。

以上説明した実施形態のシーズヒータ１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）シース１０内に並行して配置される導電部材の一方である低発熱体５０を、主に発熱に寄与する他方の導電部材である高発熱体４０に対して電気抵抗を低くしたことによって、高発熱体４０のコイルを過度に太線化したり、巻き径を縮小することなく、シーズヒータ１全体としての抵抗値を低くし、単位電圧あたりの電流を増加させてシーズヒータ１を高出力化することができる。
また、高発熱体４０に通電し、発熱させた際の温度変化によるシース１０の熱伸びに応じて、低発熱体５０のコイル状の本体部が弾性変形し、シース１０の長手方向に伸縮することによって、熱応力に起因するシース１０の変形を抑制することができる。
（２）低発熱体５０の本体部が高発熱体４０の本体部の全長にわたって並行して配置されることによって、シース１０が加熱を受ける範囲の全体にわたって低発熱体５０の伸縮が可能であり、シース１０と低発熱体５０との熱伸び差に起因するシース１０の変形を確実に防止することができる。
（３）高発熱体４０、低発熱体５０をそれぞれニッケル−クロム系合金とニッケルの帯線を巻きまわして形成されたコイル状としたことにより、既存のシーズヒータの製造設備等を利用した構成により、上述した効果を得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）シーズヒータ及びこれを構成する各部材の形状、構造、材質、製法、数量、寸法、配置等は、上述した実施形態に限定されることなく、適宜変更することが可能である。
（２）実施形態において、シースの材料は、例えばアルミニウム系合金であるが、これに限らず、例えば耐熱性を有するステンレス鋼などの他の材料を用いることもできる。
（３）実施形態において、高発熱体（第１の導電部材）の材質は、例えばニッケル−クロム系合金であったが、これに限らず、例えば鉄−クロム系合金などの他の材料を用いることもできる。
また、実施形態ではコイルを形成する線材として帯線を用いているが、これに限らず、例えば丸線などの他の断面形状を有する線材を用いることが可能である。
（４）実施形態において、低発熱体（第２の導電部材）の材質は、例えばニッケルであったが、これに限らず、低発熱体の抵抗値を高発熱体よりも低くでき、かつ、必要な耐熱性、弾性等を有する他の材料を用いることもできる。
また、実施形態ではコイルを形成する線材として帯線を用いているが、これに限らず、例えば丸線などの他の断面形状を有する線材を用いることが可能である。
（５）実施形態において、低発熱体の伸縮許容部は、一例として、線材をコイル状に巻き回した構成とされているが、伸縮許容部の構成はこれに限らず、例えばジグザグ状、蛇腹状など他の構成としてもよい。
（６）実施形態においては、高発熱体と低発熱体とをシースの長手方向における位置を一致させて配置されているが、少なくとも一方の端部の位置を、高発熱体と低発熱体とで異ならせてもよい。
（７）実施形態においては、シースの断面形状を円形としているが、これに限らず、シースの断面形状を円形以外の形状としてもよい。例えば、高発熱体と低発熱体との配列方向に沿った長軸を有する楕円、長円や、その他の形状とすることができる。

１ シーズヒータ（実施形態） １Ａ シーズヒータ（比較例）
１０ シース ２０ 端子
３０ 端子 ４０ 高発熱体
４１ 端部 ４２ 端部
５０ 低発熱体 ５１ 端部
５２ 端部 ６０ 接続部材
６１ 高発熱体接続部 ６２ 低発熱体接続部
６３ 湾曲部 ７０ 棒材

Claims (3)

1. 筒状に形成され内径側に絶縁体が収容されるシースと、
   前記シースの一方の端部に設けられた第１の端子及び第２の端子と、
   前記シースの内径側に前記シースの長手方向に沿って配置されるとともに一方の端部が前記第１の端子に接続され、通電時に発熱する発熱部を有する第１の導電部材と、
   前記シースの内径側に前記第１の導電部材と並行に配置されるとともに一方の端部が前記第２の端子に接続され、前記第２の端子側と反対側の端部において前記第１の導電部材の前記第１の端子側と反対側の端部と導通可能に接続された第２の導電部材とを備え、
   前記第２の導電部材は、前記第１の導電部材に対して電気抵抗が低くかつ少なくとも一部に弾性変形により前記シースの長手方向に沿って伸縮可能な伸縮許容部を有すること
   を特徴とするシーズヒータ。
2. 前記伸縮許容部は、前記第１の導電部材の前記発熱部の全長にわたって並行して設けられること
   を特徴とする請求項１に記載のシーズヒータ
3. 前記第１の導電部材は、少なくとも一部がニッケル−クロム系合金又は鉄−クロム系合金の線材からなるコイル部を有し、
   前記第２の導電部材の前記伸縮許容部は、前記第１の導電部材の前記コイル部の材料よりも電気抵抗が低い金属の線材からなるコイル部を有すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシーズヒータ。