JP2023155692A - ヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】筒に収納された帯をなす発熱体により放射加熱を行い、かつ発熱体から筒に熱伝導される熱エネルギーがより少なくされたヒーターの提供。【解決手段】ヒーター１０は、放射加熱を実現させる高温状態とされる帯をなす発熱体１１と、内部に発熱体１１を収納する筒１２とを備える。発熱体１１には、その帯に対して筒１２の周方向にひねりが入れられる。【選択図】図４

Description

本開示は、放射加熱によって対象物を加熱するヒーターに関する。

従来、放射加熱によって対象物を加熱するヒーターとして、筒の内部に収納された導体の帯に電流を流し、これをジュール熱の発熱体とするものが公知であった（例えば下記の特許文献１を参照）。

米国特許第６０５７５３２号明細書

この種のヒーターにおいては、発熱体は、放射加熱が実現されるほどの高温状態（特許文献１によれば６００［℃］～１８００［℃］）とされるため、筒の内部にて熱膨張してたわみ変形を起こし、筒の筒璧に接触することがある。この接触は、放射加熱における熱放射に使われるべき熱エネルギーを筒の筒璧に熱伝導させ、もって発熱体の筒璧への接触範囲周辺における熱放射を不十分なものとする。

本開示は、筒の内部に収納された帯をなす発熱体により放射加熱を実現させるヒーターにおいて、発熱体から筒の筒璧に熱伝導される熱エネルギーをより少なくすることを可能とするものである。

本開示における１つの特徴によると、放射加熱によって対象物を加熱するヒーターが提供される。このヒーターは、一方側から他方側に延びる帯をなして、放射加熱を実現させる高温状態とされる発熱体を備えている。また、ヒーターは、上記帯の両縁に沿って一方側から他方側に延びる筒璧を有して、その内部に発熱体を収納する筒を備えている。ここで、発熱体には、その帯に対して筒の周方向にひねりが入れられている。

本開示者は、帯をなす部材が熱膨張してたわみ変形を起こす場合、その変位が帯の面外方向（帯の両縁が向く方向と直交する方向）に向けてなされることに着目して、本開示に至ったものである。すなわち、上記のヒーターによれば、帯をなす発熱体は、そのひねりによって帯の面外方向とされる方向が部位により異なるものとされるため、熱膨張してたわみ変形を起こす場合の変位の方向が発熱体の部位によって異なるものとなる。このため、上記のヒーターは、その発熱体がたわみ変形を起こす場合の各部位の変位による影響を相殺し、もって発熱体が筒の筒璧に接触するおそれを低減させる。また、上記のヒーターでは、発熱体における一部の部位が筒の筒璧側に向かって変位してこの筒璧と接触状態になった場合でも、発熱体における別の部位の変位が筒の筒璧側に向かうものとならないため、この別の部位が筒璧と接触することがさけられる。このため、上記のヒーターは、その発熱体が筒の筒璧と接触する場合でも、その接触範囲を局所的なものにとどめる。これにより、上記のヒーターは、発熱体から筒の筒璧に熱伝導される熱エネルギーをより少なくすることができる。

上記のヒーターは、筒璧が、放射加熱における熱放射の電磁波に対する透明性と、高温状態において安定した物性を維持する耐熱性とを兼ね備えた素材によって構成されているものであってもよい。

上記のヒーターによれば、発熱体を高温状態に維持しながら、この発熱体から放射される熱放射の電磁波をそのまま対象物を加熱する用に供することができる。これにより、上記のヒーターは、対象物の放射加熱を制御する必要がある場合に、その制御のパフォーマンスを向上させることができる。

上記のヒーターは、筒璧において上記周方向に沿って広がる領域に、放射加熱における熱放射の電磁波を反射する反射層が設けられているものであってもよい。

帯をなす発熱体が高温状態となって熱放射を行う場合、放射される電磁波は帯の面外方向の両側に指向性を持つ。ここで、上記のヒーターによれば、発熱体の部位により指向性が異なるものとされた熱放射の電磁波を反射層に反射させることで、筒の外部に放射される電磁波の放射方向を特定することができる。これにより、もっぱら特定の方向に向かって放射加熱を行うヒーターを提供することができる。

本開示によれば、筒の内部に収納された帯をなす発熱体により放射加熱を実現させるヒーターにおいて、発熱体から筒の筒璧に熱伝導される熱エネルギーをより少なくすることができる。

第１の実施形態にかかるヒーター１０が適用されたサーキュレーションヒーター９０を表した正面図である。 図１のサーキュレーションヒーター９０を表した右側面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面矢視図である。 図１のヒーター１０を単体で表した正面図である。 図４のＶ－Ｖ線断面矢視図である。 図５のＶＩ－ＶＩ線断面矢視図である。 第２の実施形態にかかるヒーター２０を表した要部横断面図である。

以下に、本開示を実施するための形態について、図面を用いて説明する。

〈第１の実施形態〉
始めに、本開示の第１の実施形態にかかるヒーター１０について、図１ないし図６を用いて説明する。このヒーター１０は、図１ないし図３に示すように、複数本（図２では４本）が１セットとされて、サーキュレーションヒーター９０に適用される。このサーキュレーションヒーター９０は、水道用パイプライン（図示せず）の途中に設置されて、この水道用パイプラインから流入される液体の水９１（図２参照）を加温するものである。なお、以下においては、水９１の流れにおいて上流側となる側を「一方側」とし、同じく下流側となる側を「他方側」として説明を行う。

サーキュレーションヒーター９０は、図１に示すように、その一方側の端に設けられた２つの流入口９０Ａと、同じく他方側の端に設けられた２つの流出口９０Ｂとを、円筒状容器をなすきょう体９０Ｃで繋いだ構造を有する。これにより、サーキュレーションヒーター９０は、水道用パイプラインを流下する水９１（図２参照）を流入口９０Ａから取り込んでこれをきょう体９０Ｃの内部に充満させる。また、サーキュレーションヒーター９０は、きょう体９０Ｃの内部の水９１を流出口９０Ｂから水道用パイプラインに戻す。本実施形態においては、各流入口９０Ａおよび各流出口９０Ｂは、それぞれエルボージョイントによって形成され、きょう体９０Ｃの円筒の側面上に旋回が可能な態様で取り付けられる。

また、サーキュレーションヒーター９０は、図３に示すように、上記１セットをなす各ヒーター１０を、きょう体９０Ｃの内部にて一方側から他方側に延びる状態に備える。本実施形態においては、各ヒーター１０は、これらヒーター１０間の離間距離、および、きょう体９０Ｃの側壁からの離間距離が、それぞれ１［ｃｍ］以上となるように配設される。このため、各ヒーター１０は、きょう体９０Ｃの内部に水９１が充満されているときに、１［ｃｍ］以上の厚さの水膜によって覆われた状態とされる。

ヒーター１０は、図３および図４に示すように、一方側から他方側に延びる１本の帯をなす発熱体１１を備えている。本実施形態においては、発熱体１１は、ステンレス鋼（具体的には例えばＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼）によって形成された長尺の帯である。この帯には、必要に応じて適宜コーティングなどの表面処理が施される。

また、発熱体１１は、その帯の一方側の端および他方側の端（図４参照）に、これらの端がそれぞれ丸められることで形成された圧着端子１１Ａを備えている。これらの圧着端子１１Ａは、それぞれ、リード線１０Ａの端部をかしめて保持する。これらのリード線１０Ａは、それぞれがサーキュレーションヒーター９０のきょう体９０Ｃから外部に延びだされて外部の電源装置（図示せず）に接続され、もってこの電源装置が供給する電気エネルギーを発熱体１１に印加することを実現させる。

これに対し、発熱体１１は、印加された電気エネルギーを消費してジュール熱を発生させ、もってきょう体９０Ｃ内の水９１の放射加熱を実現させる高温状態となる。すなわち、ヒーター１０は、外部の電源装置（図示せず）から供給される電気エネルギーを消費し、きょう体９０Ｃ内の水９１を加熱の対象物とした放射加熱を行う。

ここで、上記電源装置は、ヒーター１０に供給する電力の大きさが前もって設定されたものである。この電力の大きさは、ヒーター１０への電力の供給にあたり、その発熱体１１の放射温度が８００［℃］を超えることがないように設定される。言いかえると、発熱体１１が放射加熱を実現させる高温状態は、放射温度が８００［℃］以下となる高温状態として設定される。

本実施形態においては、上記電力の大きさは、発熱体１１による放射加熱の熱放射が、もっぱら中赤外線または遠赤外線に分類される電磁波によってなされるように設定される。この電磁波は、２［ｍｍ］以上の厚さの水膜に対してはほぼ１００［％］が透過することなく吸収されるものである。

また、ヒーター１０は、図４および図５に示すように、その内部に発熱体１１を収納する筒１２を備えている。この筒１２は、発熱体１１がなす帯の両縁に沿って一方側から他方側に延びる円筒形状の筒璧１２Ａを有している。この筒璧１２Ａと発熱体１１の帯との間には、すきま１２Ｂが設定されている。

本実施形態においては、筒１２は、その筒璧１２Ａを含む全体が石英ガラスによって一体形成された石英管である。ここで、上記石英ガラスは、少なくとも可視光線～中赤外線の波長領域の電磁波に対する透明性と、放射温度が８００［℃］以下となる高温状態でも安定した物性を維持する耐熱性とを兼ね備えるように調製される。したがって、筒１２の筒璧１２Ａは、ヒーター１０の放射加熱における熱放射の電磁波に対する透明性と、上記高温状態において安定した物性を維持する耐熱性とを兼ね備えた素材によって構成されることになる。

なお、石英ガラスは、一般的には中赤外線および遠赤外線に対して不透明な素材とされているものの、これらに対して透明性を有するとされる製品も市販されているものである。

また、発熱体１１は、その帯に対して筒１２の周方向にひねりが入れられた状態で、この筒１２に収納されている。ここで、発熱体１１には、そのひねり角度が１８０［°］の倍数（本実施形態では９００［°］、すなわち２回転半）となるようにひねりが入れられる。このひねりは、発熱体１１の帯を、周回１回分の長さであるピッチが常に一定となる仮想的な常らせん面（図示せず）に沿って配設された状態とする。

ところで、筒１２に収納される発熱体１１は、図３および図４に示すように、その圧着端子１１Ａが耐熱接着剤１０Ｃによって筒璧１２Ａに接着されることで筒１２に固定される。ここで、耐熱接着剤１０Ｃは、放射温度が８００［℃］以下となる高温状態でも安定した物性を維持する耐熱性を有する。また、耐熱接着剤１０Ｃは、筒１２における一方側および他方側の端にある開口をふさぐことで、この筒１２をシールする。

また、筒１２における一方側および他方側の端には、それぞれソケット１０Ｂが取り付けられている。これらのソケット１０Ｂは、それぞれリード線１０Ａをホールドすることで、これらリード線１０Ａの抜け止めを行う。

上述したヒーター１０によれば、帯をなす発熱体１１は、そのひねりによって帯の面外方向とされる方向が部位により異なるものとされるため、熱膨張してたわみ変形を起こす場合の変位の方向が発熱体の部位によって異なるものとなる。このため、ヒーター１０は、その発熱体１１がたわみ変形を起こす場合の各部位の変位による影響を相殺し、もって発熱体１１が筒１２の筒璧１２Ａに接触するおそれを低減させる。

ここで、上述したヒーター１０では、図５および図６に仮想線で示すように、発熱体１１における一部の部位が筒１２の筒璧１２Ａ側に向かって変位してこの筒璧１２Ａと接触状態になる事態も想定しうる。しかるに、上述したヒーター１０によれば、このような場合でも発熱体１１における別の部位の変位が筒１２の筒璧１２Ａ側に向かうものとならないため、この別の部位が筒璧１２Ａと接触することがさけられる。このため、ヒーター１０は、その発熱体１１が筒１２の筒璧１２Ａと接触する場合でも、その接触範囲１１Ｂを局所的なものにとどめる。

これらにより、上述したヒーター１０は、発熱体１１から筒１２の筒璧１２Ａに熱伝導される熱エネルギーをより少なくすることができる。

また、上述したヒーター１０によれば、発熱体１１を高温状態に維持しながら、この発熱体１１から放射される熱放射の電磁波をそのまま水９１を加熱する用に供することができる。これにより、ヒーター１０は、水９１の放射加熱を制御する必要がある場合に、その制御のパフォーマンスを向上させることができる。

また、上述したヒーター１０によれば、発熱体１１のひねりのひねり角度が１８０［°］の倍数となる。これにより、発熱体１１においてその帯の面外方向の両側に指向性を持つ熱放射を、筒１２の周方向で見た３６０［°］全周に均等に分散させることが可能となる。

〈第２の実施形態〉
続いて、本開示の第２の実施形態にかかるヒーター２０について、図７を用いて説明する。第２の実施形態にかかるヒーター２０は、第１の実施形態にかかるヒーター１０を変形した実施形態である。したがって、上記第１の実施形態にかかるヒーター１０の各構成と共通する構成については、第１の実施形態にかかるヒーター１０の各構成に付した符号から、その十の位の数字を「２」に置き換えた符号を付して対応させ、その詳細な説明を省略する。

第２の実施形態にかかるヒーター２０は、自動車の車体（図示せず）に施された塗装を対象物として、この塗装を放射加熱によって加熱して乾燥させる用に供されるヒーターである。このヒーター２０は、自動車車体用の塗装乾燥ブースの壁面（図示せず）に取り付けられて、この壁面に対して自動車の車体が位置される側（図７では左側）に向かって熱放射を行う。

ここで、ヒーター２０の筒２２には、その筒璧２２Ａの外表面において筒２２の周方向に沿って広がる領域に、アルミニウム層２２Ｃが設けられている。このアルミニウム層２２Ｃは、ヒーター２０の放射加熱において発熱体２１から放射される熱放射の電磁波を反射する反射層として機能する。本実施形態においては、アルミニウム層２２Ｃは、筒璧２２Ａの外表面において上記壁面側（図７では右側）となる半周部分の全体を覆い、発熱体２１から上記壁面側に向かって放射される熱放射の電磁波を上記車体が位置される側に向けて反射する。

上述したヒーター２０によれば、発熱体２１の部位により指向性が異なるものとされた熱放射の電磁波をアルミニウム層２２Ｃに反射させることで、筒２２の外部に放射される電磁波の放射方向を上記車体が位置される側に特定することができる。これにより、もっぱら特定の方向（上記車体が位置される側）に向かって放射加熱を行うヒーター２０を提供することができる。

本開示は、上述した第１および第２の実施形態で説明した外観、構成に限定されず、本開示の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、以下のような各種の形態を実施することができる。

（１）本開示にかかるヒーターの用途は、上述した第１および第２の実施形態で説明したものに限定されない。すなわち、本開示は、例えば重油あるいはシリコンウェーハの洗浄用薬液など、適宜選択した液体を放射加熱する用に供されるヒーターに適用することができる。また、本開示は、例えば熱可塑性プラスチックシートを放射加熱し、もってこの熱可塑性プラスチックシートをシートフォーミングできるように軟化させる用に供されるヒーターに適用することができる。また、本開示は、例えば含浸剤が含浸された状態の対象物を放射加熱して含浸剤を固める用に供されるヒーターに適用することができる。これらの場合において、ヒーターが熱放射する電磁波の波長領域は、放射加熱の対象物に応じて適宜に変更してもよい。この変更は、放射加熱を実現させる発熱体の高温状態の温度設定を変えることによって行うことができる。

（２）本開示において、帯をなす発熱体は、この帯が仮想的な常らせん面に沿って配設されるように、１８０［°］の倍数となるひねり角度でひねりを入れられたものに限定されない。すなわち、発熱体の帯のひねり角度は、適宜に変更することができる。また、発熱体の帯は、例えば周回１回分の長さであるピッチが部位によって異なるようにひねりが入れられたものであってもよい。この場合において、発熱体の帯は、ひねりが入れられた部位と、ひねりが全く入っていない部位との両方を有するものであってもよい。また、発熱体の帯は、例えばそのひねりの向きが部位によって異なるようにされたものであってもよい。

（３）本開示において、筒は、少なくとも可視光線～中赤外線の波長領域の電磁波に対する透明性を有する石英ガラスによって全体が一体形成された石英管に限定されない。すなわち、筒を形成する素材は、放射加熱を実現させる発熱体の高温状態の温度設定に応じて、適宜に決定した素材に変更することができる。ここで、上記「適宜に決定した素材」の具体例には、例えば中赤外線および遠赤外線に対して不透明な石英ガラスが含まれる。また、上記「適宜に決定した素材」の具体例には、例えばカルコゲナイドガラスなどの、可視光線および赤外線の両方に対して透明な素材が含まれる。また、上記「適宜に決定した素材」の具体例には、例えばシリコンやゲルマニウムなどの、可視光線に対しては不透明だが赤外線に対しては透明な素材が含まれる。また、筒は、複数枚の筒璧を組み合わせて構成されたアッセンブリであってもよい。

１０ ヒーター
１０Ａ リード線
１０Ｂ ソケット
１０Ｃ 耐熱接着剤
１１ 発熱体
１１Ａ 圧着端子
１１Ｂ 接触範囲
１２ 筒
１２Ａ 筒璧
１２Ｂ すきま
２０ ヒーター
２１ 発熱体
２２ 筒
２２Ａ 筒璧
２２Ｂ すきま
２２Ｃ アルミニウム層（反射層）
９０ サーキュレーションヒーター
９０Ａ 流入口
９０Ｂ 流出口
９０Ｃ きょう体
９１ 水（対象物）

Claims (3)

1. 放射加熱によって対象物を加熱するヒーターであって、
   一方側から他方側に延びる帯をなして、前記放射加熱を実現させる高温状態とされる発熱体と、
   前記帯の両縁に沿って一方側から他方側に延びる筒璧を有して、その内部に前記発熱体を収納する筒と、
   を備え、
   前記発熱体には、その前記帯に対して前記筒の周方向にひねりが入れられている、
   ヒーター。
2. 請求項１に記載されたヒーターであって、
   前記筒璧が、前記放射加熱における熱放射の電磁波に対する透明性と、前記高温状態において安定した物性を維持する耐熱性とを兼ね備えた素材によって構成されている、
   ヒーター。
3. 請求項１または請求項２に記載されたヒーターであって、
   前記筒璧において前記周方向に沿って広がる領域に、前記放射加熱における熱放射の電磁波を反射する反射層が設けられている、
   ヒーター。

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