JP2022047168A - ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】部品を削減できるヒータを提供する。【解決手段】ヒータは、中軸と、中軸の先端を収容するチューブと、中軸とチューブとの間に介在し閉じた空間を形成する内シール材と、空間内に配置され中軸とチューブとを電気的に接続する発熱体と、空間に充填される絶縁粉末と、を備え、ヒータ取付部を介して取付対象体に取り付けられる。ヒータ取付部は、チューブの軸線方向の中間位置に設けられると共に内シール材の先端よりも先端側に位置し、チューブのうちヒータ取付部より後端側に設けられた第１のフランジと、第１のフランジの先端向き面よりも先端側で、かつ、ヒータ取付部よりも後端側に配置されると共にチューブの外周に接する外シール材と、を備え、先端向き面は、内シール材が配置された位置よりも先端側に位置する。【選択図】図１

Description

本発明は発熱体がチューブで覆われたヒータに関するものである。

発熱体と絶縁粉末がチューブに封入されたヒータにおいて、特許文献１の技術では、筒状の主体金具がチューブに接合されている。ヒータは、容器などの取付対象体に、主体金具を介して取り付けられる。

特開２０１９－１８４０８６号公報

先行技術において部品削減の要求がある。

本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、部品を削減できるヒータを提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明のヒータは、軸線に沿って延びる中軸と、中軸の先端を少なくとも収容すると共に自身の先端が閉じたチューブと、中軸とチューブとの間に介在し、中軸およびチューブと閉じた空間を形成するように設けられる内シール材と、空間内に配置されると共に中軸とチューブとを電気的に接続する発熱体と、空間に充填される絶縁粉末と、を備え、ヒータ取付部を介して取付対象体に取り付けられる。ヒータ取付部は、チューブの軸線方向の中間位置に設けられると共に内シール材の先端よりも先端側に位置し、チューブのうちヒータ取付部より後端側に設けられた第１のフランジと、第１のフランジの先端向き面よりも先端側で、かつ、ヒータ取付部よりも後端側に配置されると共にチューブの外周に接する外シール材と、を備え、先端向き面は、内シール材が配置された位置よりも先端側に位置する。

第１の態様によれば、ヒータは、中軸の先端を収容するチューブの軸線方向の中間位置に設けられたヒータ取付部を介して取付対象体に取り付けられる。ヒータ取付部は、チューブに閉じた空間を形成する内シール材の先端よりも先端側に位置する。チューブのうちヒータ取付部より後端側に第１のフランジが設けられる。第１のフランジの先端向き面は、内シール材が配置された位置よりも先端側に位置する。外シール材は、第１のフランジの先端向き面よりも先端側で、かつ、ヒータ取付部よりも後端側に配置される。チューブのうち絶縁粉末が充填された部分は変形し難い。この部分に第１のフランジの先端向き面、外シール材およびヒータ取付部が設けられるので、ヒータ取付部を介して取付対象体にヒータを取り付けたときの外シール材の接触応力を確保できる。特許文献１の主体金具が無くても、チューブの外周に接する外シール材の密封性を確保できるので、主体金具（部品）を削減できる。

第２の態様によれば、第１のフランジの先端向き面は、発熱体が配置された位置よりも後端側に位置する。取付対象体は第１のフランジの先端向き面よりも先端側に設けられるので、第１の態様の効果に加え、発熱体は取付対象体の内部を効率良く加熱できる。

第３の態様によれば、外シール材よりも先端側に位置する第２のフランジが、チューブに設けられる。よって第２の態様の効果に加え、第２のフランジによって外シール材の抜けを防止できる。

第４の態様によれば、第２のフランジの後端向き面は、発熱体が配置された位置よりも後端側に位置する。よって第３の態様の効果に加え、発熱体から外シール材が受ける熱を低減できる。

第５の態様によれば、外シール材は第２のフランジの後端向き面と第１のフランジの先端向き面とに接する。外シール材の複数の部分に接触応力が作用するので、第４の態様の効果に加え、外シール材の密封性を向上できる。

第１実施の形態におけるヒータの断面図である。 取付対象体に取り付けられたヒータの断面図である。 第２実施の形態におけるヒータの断面図である。 第３実施の形態におけるヒータの断面図である。 取付対象体に取り付けられたヒータの断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１を参照して第１実施の形態におけるヒータ１０について説明する。図１はヒータ１０の軸線Ｏを含む断面図である。図１では、紙面下側をヒータ１０の先端側、紙面上側をヒータ１０の後端側という（図２から図５においても同じ）。

図１に示すようにヒータ１０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の中軸１１と、中軸１１の先端側を収容するチューブ１４と、中軸１１とチューブ１４とを電気的に接続する発熱体１８と、中軸１１とチューブ１４との間に介在しチューブ１４の内側に閉じた空間を作る内シール材１９と、チューブ１４に充填された絶縁粉末２１と、を備えている。

中軸１１は、軸線Ｏに沿って配置される金属製（例えばステンレス鋼）の導体である。中軸１１は、一部が、チューブ１４から後端側に突出した状態で配置されている。中軸１１には、中軸１１の先端側の部分よりも太い拡径部１２が設けられている。中軸１１の後端部には接続部１３が設けられている。接続部１３の外周にはおねじが設けられている。接続部１３は、電力を供給する配線（図示せず）が接続される部位である。

チューブ１４は先端１５が閉じ、後端が開放した円筒形である。チューブ１４の外周１６は円筒面である。チューブ１４は金属製である。チューブ１４の材料はヒータ１０の用途に応じて適宜設定される。チューブ１４の材料は鋼、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ニッケル合金が例示される。チューブ１４の先端１５には、金属が溶けて固まった溶融部１７が設けられている。

発熱体１８は導体を螺旋状に巻いたコイルであり、軸線Ｏに沿って配置されている。発熱体１８の先端部は、チューブ１４の溶融部１７に接続されている。発熱体１８の後端部は中軸１１に接続されている。発熱体１８の材料はヒータ１０の用途に応じて適宜設定される。発熱体１８の材料はＦｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ及びＣｏ等の金属、並びにこれらの元素のいずれかを主成分とする合金が例示される。

内シール材１９は、中軸１１の拡径部１２とチューブ１４との間に挟まれた円筒形の絶縁部材である。内シール材１９は中軸１１及びチューブ１４から径方向の圧縮荷重を受けている。内シール材１９は、中軸１１とチューブ１４との間隔を維持し、中軸１１とチューブ１４との間を密閉する。内シール材１９の材料は、シリコーンゴムやフッ素ゴム等のゴムや合成樹脂（エラストマ）が例示される。中軸１１及び内シール材１９によって密閉されたチューブ１４には絶縁粉末２１が充填されている。

絶縁粉末２１は熱伝導性を有し、且つ、高温下で電気絶縁性を有する粉末である。絶縁粉末２１には、発熱体１８からチューブ１４へ熱を移動させる機能、発熱体１８とチューブ１４との短絡を防ぐ機能、発熱体１８を振動し難くして断線を防ぐ機能、チューブ１４の外周１６の変形を防ぐ機能がある。絶縁粉末２１の材質に制限はないが、例えばＭｇＯ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣａＯ，ＺｒＯ_２及びＳｉＯ_２等の酸化物粉末やＳｉ等の粉末が挙げられる。

チューブ１４の後端部には、第１のフランジ２２が設けられている。第１のフランジ２２には、円錐面からなる先端向き面２３が設けられている。先端向き面２３は、内シール材１９の先端２０よりも先端側に位置する。先端向き面２３は、発熱体１８が配置された位置よりも後端側に位置する。本実施形態では、第１のフランジ２２はチューブ１４の一部からなる。

内シール材１９の後端側に、内シール材１９に隣接して絶縁体２４が配置されている。絶縁体２４は、多角形の外形をもつ環状の部材である。絶縁体２４の外形は六角形や四角形が例示される。絶縁体２４の材料は電気絶縁性を有する合成樹脂が例示される。絶縁体２４の後端側、且つ、接続部１３の先端側に、絶縁体２４に隣接して金属製のリング２５が配置されている。リング２５は、絶縁体２４に接した状態で中軸１１に加締められている。これにより絶縁体２４及びリング２５の軸線方向の位置が、中軸１１に固定される。絶縁体２４によってリング２５とチューブ１４との間の絶縁距離が確保される。

第１のフランジ２２の先端向き面２３よりも先端側に、チューブ１４の外周１６に接する外シール材２６が配置されている。外シール材２６は環状であれば形状に制限はない。外シール材２６は、断面形状が異なるＯリング、角リング、Ｄリング、Ｘリングが例示される。外シール材２６は、Ｘリングのようにリップが設けられていても良い。外シール材２６の材料は、シリコーンゴムやフッ素ゴム等のゴムや合成樹脂（エラストマ）が例示される。

ヒータ１０は、チューブ１４の軸線方向の中間位置に、ヒータ取付部２７が設けられている。ヒータ取付部２７は、取付対象体３０（後述する）に取り付けられる部位である。ヒータ取付部２７は、内シール材１９の先端２０及び第１のフランジ２２よりも先端側に設けられている。外シール材２６は、ヒータ取付部２７よりも後端側に配置されている。

ヒータ１０は、例えば次のようにして製造される。所定の組成を有する抵抗発熱線をコイル状に加工し、発熱体１８を得た後、溶接により発熱体１８を中軸１１に接合する。一方、チューブ１４の外周１６の直径よりも外径が大きな、所定の組成を有する金属管を準備し、金属管を加工して、先端が開口し先が窄んだ筒状体を得る。

中軸１１と一体となった発熱体１８を筒状体に挿入し、先が窄んだ筒状体の開口に発熱体１８の先端部を配置する。筒状体の先端部を溶融して形成した溶融部１７に発熱体１８の先端部を接合し、溶融部１７で筒状体を閉塞する。これによりチューブ１４の溶融部１７に発熱体１８が接続された仕掛品が得られる。

仕掛品のチューブ１４に絶縁粉末２１を充填した後、チューブ１４と中軸１１との間に内シール材１９を挿入して、チューブ１４を封止する。次いで、チューブ１４の外周１６が所定の直径になるまで仕掛品にスウェージング加工を施す。スウェージング加工において絞りの小さな部分が第１のフランジ２２となり、絞りの大きな部分がヒータ取付部２７を含むチューブ１４となる。スウェージング加工後の仕掛品の中軸１１の後端部に絶縁体２４及びリング２５を配置し、リング２５で中軸１１を加締め、チューブ１４に外シール材２６を配置してヒータ１０を得る。

図２は取付対象体３０に取り付けられたヒータ１０の断面図である。本実施形態では、取付対象体３０は、内部３８に流体（液体や気体）が収容された容器の壁３１を含む。図２では壁３１の一部の図示が省略されている。ヒータ１０は容器の内部３８に収容された流体を加熱する。

壁３１を貫通する穴３２にチューブ１４のヒータ取付部２７が圧入され、チューブ１４は壁３１の内側に突き出している。ヒータ１０の発熱体１８は壁３１の内側に配置されている。チューブ１４のうち壁３１の内側に突き出した部分には、壁３１に接する留め具３７が固定されている。留め具３７は、溶接などによってチューブ１４に取り付けられている。留め具３７は、チューブ１４のうち壁３１の内側に突き出した部分に設けたおねじに結合するナットでも良い。留め具３７は、チューブ１４を押えてチューブ１４に固定される締め具でも良い。留め具３７は穴３２よりも大きいので、ヒータ１０の抜けを防ぐことができる。留め具３７は省略できる。

ハウジング３３は、電気絶縁性を有する合成樹脂製の部材である。ハウジング３３を貫通する穴３４を壁３１の穴３２の位置に一致させて、壁３１にハウジング３３が固定されている。ハウジング３３の穴３４の大きさは、壁３１の穴３２の大きさよりも大きい。

ヒータ１０の接続部１３には回路基板３５が配置されている。接続部１３に取り付けられたナット３６は、回路基板３５を接続部１３に固定する。回路基板３５は、チューブ１４の温度を検出する熱電対（図示せず）が接続されている。ヒータ１０は、回路基板３５に接続された配線（図示せず）により、リング２５とチューブ１４との間に電圧が印加される。電流が流れた発熱体１８が発熱し、絶縁粉末２１及びチューブ１４を介して容器の内部３８を加熱する。

第１のフランジ２２の先端向き面２３は、発熱体１８が配置された位置よりも後端側に位置する。取付対象体３０（壁３１）は第１のフランジ２２の先端向き面２３よりも先端側に設けられるので、発熱体１８は壁３１の内側を効率良く加熱できる。

外シール材２６は、壁３１と第１のフランジ２２の先端向き面２３（図１参照）との間に挟まれ、圧縮され、チューブ１４に押し付けられて接触応力が生じる。絶縁粉末２１が充填されたチューブ１４は変形し難いので、外シール材２６の密封性を確保できる。よって外シール材２６は、壁３１の穴３２から容器の内部３８の流体の漏洩を防ぐ。

ヒータ１０は、特許文献１の主体金具が無くても、チューブ１４の外周１６に接する外シール材２６の密封性を確保できるので、主体金具（部品）を削減できる。チューブ１４は一体成形品なので、主体金具を設ける場合に必要な重ね合わせ継手の溶接を不要にできる。

外シール材２６は、ハウジング３３の穴３４に押されて径方向に圧縮されている。ハウジング３３を設けると、外シール材２６の接触応力が生じる部分を増やすことができる。よって容器の内部３８の圧力が高くても外シール材２６の密封性を確保できる。ハウジング３３は省略できる。

図３を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施形態では、スウェージングによってチューブ１４の外周１６を成形するときに、第１のフランジ２２を一緒に成形する場合について説明した。これに対し第２実施の形態では、第１のフランジ４３をチューブ１４に取り付けたヒータ４０について説明する。第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図３は第２実施の形態におけるヒータ４０の軸線Ｏを含む断面図である。

ヒータ４０は、中軸１１の拡径部１２とチューブ１４との間に内シール材４１が挟まれている。内シール材４１は円筒形の絶縁部材である。ヒータ取付部２７は、内シール材４１の先端４２よりも先端側に位置する。

チューブ１４のうちヒータ取付部２７よりも後端側に第１のフランジ４３が取り付けられている。第１のフランジ４３は円環状の部材である。チューブ１４への第１のフランジ４３の取り付けは、チューブ１４と第１のフランジ４３とのはめ合い、チューブ１４と第１のフランジ４３との溶接やろう接、接着が例示される。チューブ１４と第１のフランジ４３とのはめ合いは、すきまばめ、しまりばめ、又は、とまりばめを採り得る。すきまばめにより、チューブ１４と第１のフランジ４３との間に隙間があっても、第１のフランジ４３の後端側に配置された絶縁体２４が第１のフランジ４３に接するので、第１のフランジ４３の後端側への移動が制限される。

第１のフランジ４３には先端向き面４４が設けられている。本実施形態では、先端向き面４４は軸線Ｏに垂直な面であるが、これに限られるものではない。先端向き面４４は、内シール材４１の先端４２よりも先端側に位置する。先端向き面４４は、発熱体１８が配置された位置よりも後端側に位置する。外シール材２６は、先端向き面４４よりも先端側で、かつ、ヒータ取付部２７よりも後端側に配置されている。これによりヒータ４０は、第１実施形態におけるヒータ１０と同様の作用効果が得られる。

図４及び図５を参照して第３実施の形態について説明する。第１実施形態および第２実施形態では、外シール材２６が、第１のフランジ２２，４３と取付対象体３０（壁３１）との間で軸線方向に圧縮される場合について説明した。これに対し第３実施形態では、外シール材２６が、第１のフランジ４３と第２のフランジ５１との間で軸線方向に圧縮される場合について説明する。第１実施形態または第２実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図４は第３実施の形態におけるヒータ５０の軸線Ｏを含む断面図である。

図４に示すようにヒータ５０は、外シール材２６よりも先端側のチューブ１４に第２のフランジ５１が配置されている。第２のフランジ５１は、チューブ１４のヒータ取付部２７に取り付けられている。第２のフランジ５１は円筒状の部材である。チューブ１４への第２のフランジ５１の取り付けは、チューブ１４と第２のフランジ５１とのはめ合い、チューブ１４と第２のフランジ５１との溶接やろう接、接着が例示される。チューブ１４と第２のフランジ５１とのはめ合いは、しまりばめが例示される。

第２のフランジ５１には後端向き面５２が設けられている。本実施形態では、後端向き面５２は軸線Ｏに垂直な面であるが、これに限られるものではない。外シール材２６は、第２のフランジ５１の後端向き面５２と第１のフランジ４３の先端向き面４４との間に位置する。外シール材２６はチューブ１４の外周１６に接している。第２のフランジ５１によって外シール材２６の抜けを防止できる。

第２のフランジ５１の後端向き面５２は、発熱体１８が配置された位置よりも後端側に位置する。よって発熱体１８から外シール材２６が受ける熱を低減できる。

本実施形態では、外シール材２６は後端向き面５２と先端向き面４４とに接している。これにより外シール材２６に軸線方向の接触応力が生じる。

第２のフランジ５１の外周には、第２のフランジ５１の先端から後端側に向かっておねじ５３が設けられている。おねじ５３の後端は、後端向き面５２と離間している。第２のフランジ５１の外径（おねじ５３の外径）は、外シール材２６の外径よりも小さい。

図５は取付対象体５４に取り付けられたヒータ５０の軸線Ｏを含む断面図である。取付対象体５４は、流体（液体や気体）が収容された場所５７を区画する壁である。図５では取付対象体５４の一部の図示が省略されている。取付対象体５４を貫通する穴５５の一部に、めねじ５６が設けられている。

取付対象体５４の穴５５に、ヒータ５０の第２のフランジ５１が配置されている。絶縁体２４の外形にレンチ（図示せず）を取り付け、軸線Ｏの周りにヒータ５０を回転し、穴５５に設けられためねじ５６に、第２のフランジ５１のおねじ５３をねじ込む。取付対象体５４に第１のフランジ４３が押し付けられると、ねじの締め付け軸力が生じるので、ヒータ５０は、ヒータ取付部２７及び第２のフランジ５１を介して取付対象体５４に固定される。取付対象体５４の穴５５は外シール材２６に接している。これにより外シール材２６に径方向の接触応力が生じる。

外シール材２６は、取付対象体５４の穴５５、第１のフランジ４３の先端向き面４４及び第２のフランジ５１の後端向き面５２に圧縮され、接触応力が生じる。外シール材２６の複数の部分に接触応力が作用するので、取付対象体５４の内側の圧力が高くても外シール材２６の密封性を確保できる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明はこの実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

第１実施形態では、取付対象体３０の穴３２にヒータ１０のチューブ１４を圧入する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。別の手段によって取付対象体３０にヒータ１０を固定することは当然可能である。例えば、チューブ１４の外周１６にねじを設け、取付対象体３０の穴３２に設けためねじに、チューブ１４のねじを結合するものが挙げられる。

取付対象体３０の穴３２とヒータ１０のチューブ１４とをはめ合わせる場合に、穴３２とチューブ１４との間に締め代が無く、穴３２とチューブ１４との間に隙間があっても構わない。壁３１に留め具３７が接するようにチューブ１４に留め具３７を取り付ければ、ヒータ１０の抜けを防止できるからである。

第３実施形態では、第２のフランジ５１に設けたおねじ５３を取付対象体５４の穴５５に設けためねじ５６に結合する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第２のフランジ５１のおねじ５３及び取付対象体５４のめねじ５６を省略することは当然可能である。この場合には、第２のフランジ５１を穴５５に圧入してヒータ５０を取付対象体５４に固定できる。

取付対象体５４の穴５５とヒータ５０の第２のフランジ５１とをはめ合わせる場合に、穴５５と第２のフランジ５１との間に締め代が無く、穴５５と第２のフランジ５１との間に隙間があっても構わない。第１実施形態で説明した留め具３７（穴５５より大きなもの）を、壁５４に接するようにチューブ１４に取り付ければ、ヒータ５０の抜けを防止できるからである。

１０，４０，５０ ヒータ
１１ 中軸
１４ チューブ
１５ チューブの先端
１６ チューブの外周
１８ 発熱体
１９，４１ 内シール材
２０，４２ 内シール材の先端
２１ 絶縁粉末
２２，４３ 第１のフランジ
２３，４４ 先端向き面
２６ 外シール材
２７ ヒータ取付部
３０，５４ 取付対象体
５１ 第２のフランジ
５２ 後端向き面
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 軸線に沿って延びる中軸と、
   前記中軸の先端を少なくとも収容すると共に自身の先端が閉じたチューブと、
   前記中軸と前記チューブとの間に介在し、前記中軸および前記チューブと閉じた空間を形成するように設けられる内シール材と、
   前記空間内に配置されると共に前記中軸と前記チューブとを電気的に接続する発熱体と、
   前記空間に充填される絶縁粉末と、を備え、ヒータ取付部を介して取付対象体に取り付けられるヒータであって、
   前記ヒータ取付部は、前記チューブの前記軸線方向の中間位置に設けられると共に前記内シール材の先端よりも先端側に位置し、
   前記チューブのうち前記ヒータ取付部より後端側に設けられた第１のフランジと、
   前記第１のフランジの先端向き面よりも先端側で、かつ、前記ヒータ取付部よりも後端側に配置されると共に前記チューブの外周に接する外シール材と、を備え、
   前記先端向き面は、前記内シール材が配置された位置よりも先端側に位置するヒータ。
2. 前記先端向き面は、前記発熱体が配置された位置よりも後端側に位置する請求項１記載のヒータ。
3. 前記チューブに設けられた第２のフランジを備え、
   前記第２のフランジは、前記外シール材よりも先端側に位置する請求項２記載のヒータ。
4. 前記第２のフランジの後端向き面は、前記発熱体が配置された位置よりも後端側に位置する請求項３記載のヒータ。
5. 前記外シール材は、前記後端向き面と前記先端向き面とに接する請求項４記載のヒータ。

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