JP2023097507A - カーボンヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部の端部の変形を抑制することができるカーボンヒータを提供することである。
【解決手段】実施形態に係るカーボンヒータは、筒状部と；前記筒状部の両側の端部のそれぞれに設けられた封止部と；それぞれの前記封止部の内部に設けられた導電部と；前記筒状部の内部に設けられ、炭素を含み、コイル部と、前記コイル部の両側の端部のそれぞれに設けられたリード部と、を有する発熱部と；前記筒状部の内部に設けられ、前記リード部に接続された接続部と；前記導電部と、前記接続部と、に接続されたインナーリードと；を具備している。前記コイル部は、前記リード部が設けられ、螺旋状に巻かれた第１の部分と、前記第１の部分が設けられ、螺旋状に巻かれた第２の部分と、を有している。前記筒状部の管軸と、前記第１の部分の外面との間の長さは、前記管軸と、前記第２の部分の外面との間の長さよりも短い。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、カーボンヒータに関する。

輻射熱により対象物を加熱するヒータがある。この様なヒータにおいて、発熱部の材料が変われば、放射される光のスペクトルが変化する。例えば、炭素を含む発熱部を備えたカーボンヒータの場合には、２μｍから４μｍの波長範囲において、放射される光のエネルギーにピークが生じる。水の吸収スペクトルのピークは３μｍ付近にあるため、炭素を含む発熱部（カーボンヒータ）を用いれば含水率の高い対象物を効率よく加熱することができる。

一般的に、カーボンヒータは、バルブ、バルブの両側の端部に設けられた封止部、バルブの内部に設けられ、炭素を含む螺旋状の発熱部、発熱部の端部に電気的に接続された接続部、封止部の内部に設けられた薄膜状の導電部、接続部と導電部とに電気的に接続されたインナーリード、および、一端が導電部に電気的に接続され、他端が封止部から露出するアウターリードを備えている。

この様なカーボンヒータを製造する際に、発熱部の端部が、インナーリードを介して封止部に保持された接続部により、引っ張られたり、押されたりする場合がある。炭素を含む発熱部は、金属を含む発熱部などに比べて剛性が小さい。そのため、炭素を含む発熱部の端部に力が加わると、発熱部の端部が変形する場合がある。発熱部の端部が変形した際に、発熱部の、螺旋状に巻かれた部分同士が接触すると、短絡（ピッチショート）が生じて、ヒータの寿命が短くなるおそれがある。
そこで、発熱部の端部の変形を抑制することができるカーボンヒータの開発が望まれていた。

特開２００６－０４０８９８号公報

本発明が解決しようとする課題は、発熱部の端部の変形を抑制することができるカーボンヒータを提供することである。

実施形態に係るカーボンヒータは、筒状部と；前記筒状部の両側の端部のそれぞれに設けられた封止部と；それぞれの前記封止部の内部に設けられた導電部と；前記筒状部の内部に設けられ、炭素を含み、コイル部と、前記コイル部の両側の端部のそれぞれに設けられたリード部と、を有する発熱部と；前記筒状部の内部に設けられ、前記リード部に接続された接続部と；前記導電部と、前記接続部と、に接続されたインナーリードと；を具備している。前記コイル部は、前記リード部が設けられ、螺旋状に巻かれた第１の部分と、前記第１の部分が設けられ、螺旋状に巻かれた第２の部分と、を有している。前記筒状部の管軸と、前記第１の部分の外面との間の長さは、前記管軸と、前記第２の部分の外面との間の長さよりも短い。

本発明の実施形態によれば、発熱部の端部の変形を抑制することができるカーボンヒータを提供することができる。

本実施の形態に係るヒータ１を例示するための模式図である。 （ａ）は、比較例に係るコイル部の端部の近傍を例示するための模式図である。（ｂ）は、（ａ）における比較例に係る発熱部をＡ－Ａ線方向から見た模式図である。 （ａ）は、本実施の形態に係るコイル部を例示するための模式図である。（ｂ）は、（ａ）における発熱部をＥ－Ｅ線方向から見た模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本実施の形態に係るカーボンヒータ１（以下、単に、ヒータ１と称する）は、対象物や、対象物が置かれている空間を加熱することができる。例えば、ヒータ１は、印刷物などの乾燥工程においてインクなどを乾燥させたり、塗料の乾燥工程において塗料などを乾燥させたりする際に用いることができる。ただし、ヒータ１の用途は、これらに限定されるわけではない。

図１は、本実施の形態に係るヒータ１を例示するための模式図である。
図１に示すように、ヒータ１には、例えば、バルブ１０、発熱部２０、導電部３０、アウターリード４０、インナーリード５０、および接続部６０が設けられている。

バルブ１０は、例えば、筒状部１１、封止部１２、および突起部１３を有する。筒状部１１、封止部１２、および突起部１３は、一体に形成することができる。バルブ１０は、例えば、石英ガラスから形成される。この場合、バルブ１０は、例えば、透明、すなわち着色されていない石英ガラスから形成することができる。なお、バルブ１０は、着色されている石英ガラスから形成することもできる。

筒状部１１は、例えば、円筒状を呈している。筒状部１１は、筒状部１１の外径である管外径Ｄに比べて全長Ｌ（管軸１１ａの方向の長さ）が長い形態を有する。この場合、筒状部１１の内壁の管壁負荷が高くなり過ぎると、筒状部１１の温度が高くなり過ぎて、筒状部１１が変形したり、筒状部１１の耐久性が低下したりするおそれがある。そのため、ヒータ１の電力に応じて、所定の管壁負荷を超えないように、筒状部１１の管外径Ｄ、および全長Ｌを適宜決定することができる。

また、筒状部１１の外周面に反射膜を設けることもできる。反射膜が設けられていれば、対象物が置かれている方向に向けて赤外線を含む光を反射させることができる。そのため、照射効率を向上させることができる。反射膜は、例えば、金、酸化アルミニウムなどを含むことができる。

筒状部１１の内部には、ガスを封入することができる。ガスは、発熱部２０において発生した熱が筒状部１１に伝わり難くするために封入される。そのため、ガスは、熱伝導率の低いガスとすることが好ましい。ガスは、例えば、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、ネオン（Ｎｅ）などのうちの１種類、あるいは複数種類を組み合わせた混合ガスなどとすることができる。

筒状部１１の内部の２５℃におけるガスの圧力（封入圧力）は、例えば、０．６ｂａｒ（６０ｋＰａ）以上、０．９ｂａｒ（９０ｋＰａ）以下とすることができる。なお、筒状部１１の内部の２５℃におけるガスの圧力（封入圧力）は、気体の標準状態（ＳＡＴＰ（Standard Ambient Temperature and Pressure）：温度２５℃、１ｂａｒ）により求めることができる。

封止部１２は、筒状部１１の、管軸１１ａの方向における両側の端部のそれぞれに設けられている。筒状部１１の両端に封止部１２が設けられていれば、筒状部１１の内部を気密に封止することができる。例えば、一対の封止部１２は、ピンチシール法やシュリンクシール法を用いて形成することができる。なお、図１に例示をした封止部１２は、ピンチシール法を用いて形成された板状の封止部である。

突起部１３は、筒状部１１の外面に設けられている。突起部１３は、ヒータ１を製造する際に、筒状部１１の内部を排気したり、筒状部１１の内部に前述したガスを導入したりするために設けられる。例えば、突起部１３は、排気およびガスの導入後に、石英ガラスから形成された管を焼き切ることで形成されたものである。

発熱部２０は、筒状部１１の内部に設けられている。発熱部２０は、例えば、コイル部２１、およびリード部２２を有する。リード部２２は、コイル部２１の両側の端部のそれぞれに設けられている。例えば、コイル部２１、およびリード部２２は、一体に形成することができる。

発熱部２０（コイル部２１およびリード部２２）は、炭素を含んでいる。炭素を含む発熱部２０とすれば、通電時に発熱するとともに赤外線を含む光を放射することができる。この場合、発熱部２０から放射される光のエネルギーのピークは、２μｍから４μｍの波長範囲において生じる。水の吸収スペクトルのピークは３μｍ付近にあるため、炭素を含む発熱部２０を用いれば含水率の高い対象物を効率よく加熱することができる。

コイル部２１は、螺旋状を呈している。例えば、コイル部２１は、炭素を含む帯状のメッシュ構造体や、炭素繊維を含む線状体を螺旋状に巻くことで形成される。例えば、コイル部２１は、筒状部１１の内部の中央を筒状部１１の管軸１１ａに沿って延びている。
コイル部２１は、リード部２２が設けられ、螺旋状に巻かれた第１の部分２１ａ（第１の部分の一例に相当する）と、部分２１ａが設けられ、螺旋状に巻かれた部分２１ｂ（第２の部分の一例に相当する）と、を有している。部分２１ｂは、部分２１ａと部分２１ａとの間に設けられている。
なお、部分２１ａ、および部分２１ｂに関する詳細は後述する。

リード部２２は、線状を呈し、一対設けられている。一対のリード部２２のそれぞれは、コイル部２１の部分２１ａの端部と、接続部６０との間を延びている。

導電部３０は、それぞれの封止部１２の内部に少なくとも１つ設けることができる。図１に例示をした導電部３０は、１つの封止部１２に対して１つ設けられている。導電部３０の平面形状は、例えば、四角形である。導電部３０は、薄膜状を呈している。導電部３０は、例えば、モリブデン箔から形成される。

アウターリード４０は、１つの導電部３０に対して少なくとも１つ設けることができる。図１に例示をしたアウターリード４０は、１つの導電部３０に対して１つ設けられている。アウターリード４０は、線状を呈している。それぞれの封止部１２において、アウターリード４０の一方の端部側は導電部３０と接続され、他方の端部側は封止部１２から露出している。例えば、アウターリード４０は、導電部３０にレーザ溶接または抵抗溶接することができる。アウターリード４０は、例えば、モリブデンなどを含む線状体とすることができる。

アウターリード４０は、例えば、ハーネスなどを介して、ヒータ１の外部に設けられた点灯回路などに電気的に接続される。なお、アウターリード４０が電気的に接続される端子、コネクタ、口金などを封止部１２の外側に設けることもできる。

ここで、炭素を含む発熱部２０のリード部２２を、導電部３０に直接接続するのは困難である。そのため、発熱部２０のリード部２２は、インナーリード５０と接続部６０を介して、導電部３０に接続されている。

インナーリード５０は、１つの導電部３０に対して少なくとも１つ設けることができる。図１に例示をしたインナーリード５０は、１つの導電部３０に対して１つ設けられている。インナーリード５０は、導電部３０の、アウターリード４０側とは反対側に設けられる。インナーリード５０の一方の端部側は導電部３０と接続されている。例えば、インナーリード５０は、導電部３０にレーザ溶接または抵抗溶接することができる。インナーリード５０の他方の端部側は筒状部１１の内部において接続部６０と接続されている。すなわち、インナーリード５０は、導電部３０と接続部６０とに接続されている。インナーリード５０は、例えば、モリブデンなどを含む線状体とすることができる。

接続部６０は、筒状部１１の内部に設けられている。接続部６０は、発熱部２０のリード部２２と、インナーリード５０との間に設けられている。接続部６０は、例えば、耐熱性と導電性を有する材料から形成される。接続部６０は、例えば、ニッケルやニッケル合金などの金属から形成することができる。

例えば、接続部６０の一方の端部側は、発熱部２０のリード部２２と、機械的および電気的に接続される。例えば、発熱部２０のリード部２２を、接続部６０に設けられた板状部分に挟み込むことができる。この様にすれば、炭素を含む発熱部２０のリード部２２と、接続部６０とを接続することができる。

例えば、接続部６０の他方の端部側は、インナーリード５０と、機械的および電気的に接続される。例えば、インナーリード５０を、接続部６０に設けられた板状部分に挟み込んだり、接続部６０に設けられた孔に引っ掛けたり、接続部６０に溶接したりすることができる。

次に、コイル部２１の部分２１ａおよび部分２１ｂについてさらに説明する。
図２（ａ）は、比較例に係るコイル部１２１の端部の近傍を例示するための模式図である。
図２（ｂ）は、図２（ａ）における比較例に係る発熱部１２０をＡ－Ａ線方向から見た模式図である。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、比較例に係る発熱部１２０は、コイル部１２１、およびリード部２２を有している。発熱部１２０（コイル部１２１およびリード部２２）は、炭素を含んでいる。コイル部１２１、およびリード部２２は、一体に形成されている。

コイル部１２１は、螺旋状を呈している。コイル部１２１は、円筒のコイルである。すなわち、コイル部１２１の外径Ｄ１（筒状部１１の管軸１１ａに直交する方向におけるコイル部１２１の長さ）は、略一定となっている。
筒状部１１の管軸１１ａに直交する方向において、接続部６０は、筒状部１１の内部の中央に設けられている。

ここで、例えば、筒状部１１の両側の端部を加熱して封止部１２を形成する際などに、インナーリード５０に接続されている接続部６０の位置が変動する場合がある。接続部６０の位置が変動すると、接続部６０に接続されたリード部２２を介して、コイル部１２１の端部に力が加わる。例えば、接続部６０の位置の変動に伴い、リード部２２を介して、コイル部１２１の端部が、引っ張られたり、押されたりする場合がある。

コイル部１２１は、炭素を含む帯状体や線状体を螺旋状に巻くことで形成されている。そのため、コイル部１２１の剛性が小さくなるので、外力によるコイル部１２１の変形が生じ易くなる。
この場合、コイル部１２１の外径Ｄ１が略一定となっていると、コイル部１２１の端部にある螺旋状に巻かれた部分の長さＬ１が長くなる。例えば、長さＬ１は、外径Ｄ１とほぼ同じになる。そのため、リード部２２を介して、コイル部１２１の端部に力が加わると、コイル部１２１の端部にある螺旋状に巻かれた部分に作用するモーメントが大きくなる。また、長さＬ１が長くなると、コイル部１２１の端部にある螺旋状に巻かれた部分の剛性が小さくなる。

コイル部１２１の端部にある螺旋状に巻かれた部分に作用するモーメントが大きくなり、剛性も小さくなると、図２（ａ）に示すように、コイル部１２１の端部にある螺旋状に巻かれた部分が、傾き易くなる。そのため、図２（ａ）のＢ部に示すように、螺旋状に巻かれた部分同士が接触する場合がある。螺旋状に巻かれた部分同士が接触すると、短絡（ピッチショート）が生じて、ヒータの寿命が短くなるおそれがある。

図３（ａ）は、本実施の形態に係るコイル部２１（部分２１ａおよび部分２１ｂ）を例示するための模式図である。
なお、図３（ａ）は、図１におけるＣ部の模式拡大図である。
図３（ｂ）は、図３（ａ）における発熱部２０をＥ－Ｅ線方向から見た模式図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、筒状部１１の管軸１１ａと部分２１ａの外面との間の長さＲ１は、筒状部１１の管軸１１ａと部分２１ｂの外面との間の長さＲ２よりも短い。そのため、部分２１ａの長さＬ２を、短くすることができる。例えば、長さＬ２は、長さＲ１と長さＲ２の和とほぼ同じになる。そのため、リード部２２を介して、部分２１ａに力が加わった際に、部分２１ａに作用するモーメントを小さくすることができる。また、長さＬ２が短くなると、部分２１ａの剛性が大きくなる。部分２１ａに作用するモーメントが小さくなり、剛性も大きくなると、部分２１ａが傾くのを抑制することができる。すなわち、本実施の形態に係るコイル２１とすれば、発熱部２１の端部の変形を抑制することができる。そのため、部分２１ａと部分２１ｂが接触して、短絡（ピッチショート）が生じるのを抑制することができ、ひいては、ヒータ１の寿命が短くなるのを抑制することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ ヒータ、１０ バルブ、１１ 筒状部、１１ａ 管軸、１２ 封止部、２０ 発熱部、２１ コイル部、２１ａ 部分、２１ｂ 部分、２２ リード部、３０ 導電部、４０ アウターリード、５０ インナーリード、６０ 接続部

Claims (3)

1. 筒状部と；
   前記筒状部の両側の端部のそれぞれに設けられた封止部と；
   それぞれの前記封止部の内部に設けられた導電部と；
   前記筒状部の内部に設けられ、炭素を含み、コイル部と、前記コイル部の両側の端部のそれぞれに設けられたリード部と、を有する発熱部と；
   前記筒状部の内部に設けられ、前記リード部に接続された接続部と；
   前記導電部と、前記接続部と、に接続されたインナーリードと；
   を具備し、
   前記コイル部は、前記リード部が設けられ、螺旋状に巻かれた第１の部分と、前記第１の部分が設けられ、螺旋状に巻かれた第２の部分と、を有し、
   前記筒状部の管軸と、前記第１の部分の外面との間の長さは、前記管軸と、前記第２の部分の外面との間の長さよりも短いカーボンヒータ。
2. 前記第１の部分、前記第２の部分、および前記リード部は、一体に形成されている請求項１記載のカーボンヒータ。
3. 前記第１の部分、前記第２の部分、および前記リード部は、炭素を含む帯状のメッシュ構造体、または、炭素繊維を含む線状体から構成されている請求項１または２に記載のカーボンヒータ。

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