JP2601854Y2 - 円筒状セラミックヒータ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は、スペースシャトル等
に搭載して宇宙での材料実験に用いる円筒状セラミック
ヒータの改良に関し、端子部を一箇所にしてコンパクト
化を図るとともに、温度分布が均一になるようにしたも
のである。

【０００２】

【従来の技術】宇宙空間の低重力を利用して種々の材料
実験を行うことが計画され、スペースシャトルに搭載し
た実験装置で幾つかの材料実験が行われている。

【０００３】この材料実験の中には、試料を高温状態に
加熱する必要がある場合も多く、種々の形式のヒータを
備えた加熱炉が作られており、その一つに試料を外側か
ら電気で加熱する円筒状セラミックヒータが用いられて
いる。

【０００４】これまで用いられている円筒状セラミック
ヒータは、図４に示すように、限られた空間のスペース
シャトルに搭載し、宇宙空間へ打ち上げるので軽量・コ
ンパクト化や配線などの簡素化を図る必要があり、絶縁
性セラミックであるボロンニトライド（ＰＢＮ）で円筒
状の母材（たとえば厚さ0.75mm程度）１を形成するとと
もに、該円筒状の母材１の端面の一箇所にそれの中心軸
と直交する扇状の端子部２を形成しておく。そして、こ
の円筒状の母材１の外周面に、図４（ｄ）に展開して示
すように、発熱性セラミックであるグラファイト（Ｐ
Ｇ）で軸方向中間部まで両端部から交互に絶縁部３を形
成したヒータ部（たとえば厚さ0.05mm程度）４を形成
し、端子部２を中央で絶縁してヒータ部４のそれぞれの
端部を一箇所の端子部２に接続するようにしてある。さ
らに、ヒータ部４の外周には、母材１と同一の絶縁性セ
ラミックのボロンニトライド（ＰＢＮ）でオーバコート
（たとえば厚さ0.3mm 程度）５が設けてある。

【０００５】このような円筒状セラミックヒータでは、
端子部２から電力を供給することで外周面のヒータ部４
がジュール熱で発熱して母材１を通して内周部の試料を
加熱する。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】ところが、従来の円筒
状セラミックヒータでは、ヒータ部４のヒータパターン
が連続したＳ字状態になっているため、内側と外側のコ
ーナー部分とで発熱量の差による温度差が生じ、均一に
加熱できないという問題がある。

【０００７】また、平均加熱温度を上げて高温状態で使
用する場合に、ヒータ部４の一部が平均加熱温度よりさ
らに高温となってヒータ部４を構成しているグラファイ
ト（ＰＧ）が昇華温度以上になって昇華してしまうとい
う問題がある。

【０００８】この考案は、かかる従来技術の課題に鑑み
てなされたもので、端子部を一箇所にしたまま高温状態
で使用しても温度分布を均一にできる円筒状セラミック
ヒータを提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
この考案の請求項１に記載の円筒状セラミックヒータ
は、絶縁性セラミックの円筒状の母材と、この母材の一
端部に形成した絶縁性セラミックの端子部と、この端子
部の表面に一端部が配置されて前記母材外周面に螺旋状
に形成されかつ他端が前記母材の他端面で折り返されて
母材内周面から前記端子部の裏面に接続されて形成され
る発熱性セラミックのヒータ部とでなることを特徴とす
るするものである。

【００１０】また、この考案の請求項２に記載の円筒状
セラミックヒータは、絶縁性セラミックの円筒状の母材
と、この母材の一端部に形成した絶縁性セラミックの端
子部と、この端子部の表面に一端部が配置されて前記母
材外周面に螺旋状に形成されかつ他端が前記母材の他端
面で折り返されて母材内周面に螺旋状に形成されて前記
端子部の裏面に接続されて形成される発熱性セラミック
のヒータ部とでなることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】請求項１の円筒状セラミックヒータによれば、
絶縁性セラミックの円筒状の母材の一端部に絶縁性セラ
ミックの端子部を形成し、母材外周面に螺旋状の発熱性
セラミックのヒータ部を形成し、ヒータ部の一端を端子
部の表面に配置して接続するとともに、ヒータ部の他端
を端子部と反対側の他端部で折り返して母材内周面から
端子部の裏面に配置して接続するようにしており、発熱
するヒータ部を螺旋状にして均一な加熱ができるように
し、母材の内周面を利用して一箇所の端子部への接続も
可能としている。

【００１２】また、請求項２の円筒状セラミックヒータ
によれば、絶縁性セラミックの円筒状の母材の一端部に
絶縁性セラミックの端子部を形成し、母材外周面に螺旋
状の発熱性セラミックのヒータ部を形成し、さらにヒー
タ部の一端を端子部の表面に配置して接続するととも
に、ヒータ部の他端を端子部と反対側の他端部で折り返
して母材内周面にも螺旋状のヒータ部を形成して端子部
の裏面に配置して接続するようにしており、発熱するヒ
ータ部を母材の内外周にそれぞれ螺旋状にして均一な加
熱ができるようにし、母材の内周面のヒータ部を利用し
て一箇所の端子部への接続も可能としている。

【００１３】

【実施例】以下、本願の各考案の一実施例を図面に基づ
き詳細に説明する。

【００１４】図１は第１の考案の円筒状セラミックヒー
タの一実施例にかかり、（ａ）は全体の側面図、（ｂ）
は全体の正面図、（ｃ）は（ａ）図中のＡ部の拡大図、
（ｄ）はヒータ部の展開図である。

【００１５】この円筒状セラミックヒータ１０では、絶
縁性セラミックであるボロンニトライド（ＰＢＮ）で円
筒状に形成された母材１１を備えており、内周部に装着
して加熱する試料に対応して、たとえば厚さが0.75mm程
度で直径が30mm程度、長さが20mm程度に形成されてい
る。

【００１６】この円筒状の母材１１の端面の一箇所に
は、中心軸と直交して環状の一部をなす端子部１２が母
材１１と同一材料で一体に形成してある。

【００１７】この端面の一箇所に端子部１２が形成され
た円筒状の母材１１の外周面には、図１（ｄ）に展開し
て示すように、発熱性セラミックであるグラファイト
（ＰＧ）で形成した螺旋状のヒータ部１３が設けられ、
たとえば厚さが0.05mm程度、幅が5mm 程度で母材１１の
一端面から他端面までの間に３巻程度形成してある。こ
のヒータ部１３の一端は端子部１２の表面まで一体にグ
ラファイト（ＰＧ）で形成され、他端は端子部１２の反
対側で母材１１の端面に沿って折り返して母材１１の内
周面全体に形成されたグラファイト（ＰＧ）で端子部１
２の裏面まで形成してある。

【００１８】したがって、このヒータ部１３は、母材１
１の表面の螺旋状の発熱部分と端子部１２に接続するた
めの母材１１の内周面の電導部分１５とで構成されるこ
とになり、端子部１２では、表面と裏面に導線部分が配
置されて間に挾まれる部分で絶縁性を確保するようにな
っている。

【００１９】なお、このようなヒータ部１３は、母材１
１の外側にグラファイト（ＰＧ）を蒸着した後、機械加
工で螺旋状の溝を形成したり、予め螺旋状の溝をマスキ
ングして蒸着するなどで形成することができる。

【００２０】さらに、ヒータ部１３を保護するととも
に、ヒータ部１３を構成するカーボンの昇華を抑えるた
め、ヒータ部１３の外側に母材１１と同一の絶縁性セラ
ミックのボロンニトライド（ＰＢＮ）のオーバコート１
４が設けてあり、たとえば外周部で厚さが0.3mm 程度、
内周部で厚さが0.2mm 程度となるように形成してある。

【００２１】このような円筒状セラミックヒータ１０で
は、端子部１２の表裏から電力を供給することで外周面
のヒータ部１３がジュール熱で発熱して母材１１を通し
て内周部の試料を加熱する。

【００２２】この加熱の際、ヒータ部１３が螺旋状に形
成してあり、矩形の折り曲がった部分がないので、ヒー
タ部１３の各部分に電位差分布が生じること無く、均一
に発熱することになり、加熱温度の均一化を図ることが
できる（なお、電位差分布については実測しており、従
来のものの測定結果に比べて非常に小さくなっているこ
とを確認している。）。

【００２３】これにより、平均加熱温度を上げて使用す
る場合でも、部分的に高温となることがなく、グラファ
イト（ＰＧ）の昇華を抑えることができる。また、端子
部１２へのヒータ部１３の接続を表裏で行うようにして
いるので、同一面に並べて溝を形成して接続する場合に
比べて絶縁性を高めることができると同時に、これまで
のように一箇所の端子部１２での配線もできる。

【００２４】次に、第２の考案の一実施例について図２
により説明する。この円筒状セラミックヒータ２０は、
第１の考案の円筒状セラミックヒータ１０とヒータパタ
ーンが異なるものであり、母材１１および端子部１２は
同一であるので説明は省略する。

【００２５】この円筒状セラミックヒータ２０の母材１
１の外周面のヒータ部２１は、図２（ａ）に展開して示
すように、上記実施例のヒータ部１３と同一であり、端
子部１２の表面から螺旋状に形成されて母材１１の他端
面まで形成してある。このヒータ部２１の外周面の他端
部からは、母材１１の端面に沿って折り返して母材１１
の内周面に導かれたのち、図２（ｂ）に展開して示すよ
うに、母材１１の内周面に沿って螺旋状に形成されて端
子部１２の裏側に接続するように形成してある。

【００２６】この母材１１の内周面に形成するヒータ部
２１も、発熱性セラミックであるグラファイト（ＰＧ）
で形成され、たとえば厚さが0.05mm程度、幅が5mm 程度
で母材１１の他端面から端子部１２側の一端面までの間
に３巻程度形成してある。

【００２７】なお、このようなヒータ部２１は、母材１
１の内外周に予め螺旋状の溝をマスキングしてグラファ
イト（ＰＧ）を蒸着したり、外周については、蒸着後に
機械加工で螺旋状の溝を形成すること等で形成すること
ができる。さらに、この内外周のヒータ部２１を保護す
るとともに、ヒータ部２１を構成するカーボンの昇華を
抑えるため、ヒータ部２１の外側に母材１１と同一の絶
縁性セラミックのボロンニトライド（ＰＢＮ）のオーバ
コートが設けられるのは、上記実施例と同一であり、た
とえば厚さが0.2 〜0.3mm 程度形成される。

【００２８】このような円筒状セラミックヒータ２０で
は、端子部１２の表裏から電力を供給することで内外周
面のヒータ部２１がジュール熱で発熱して母材１１の内
周部に置かれた試料を加熱する。この加熱の際、内外周
のヒータ部２１がいずれも螺旋状に形成してあり、矩形
の折り曲がった部分がないので、ヒータ部２１の各部分
に電位差分布が生じること無く、一層均一に発熱するこ
とになり、加熱温度の均一化を図ることができる。

【００２９】これにより、平均加熱温度を上げて使用す
る場合でも、一層部分的に高温となることがなく、グラ
ファイト（ＰＧ）の昇華を抑えることができる。また、
端子部１２へのヒータ部２１の接続を表裏で行うように
しているので、同一面に並べて溝を形成して接続する場
合に比べて絶縁性を高めることができると同時に、これ
までのように一箇所の端子部１２での配線もできる。

【００３０】次に、加熱用電源の交流成分による電磁干
渉を防止することができる参考例について図３により説
明する。この参考例の円筒状セラミックヒータ３０は、
第１および第２の考案の円筒状セラミックヒータ１０，
２０とヒータパターンが異なるが、母材１１および端子
部１２は上記各実施例と同一であるので説明は省略す
る。

【００３１】この円筒状セラミックヒータ３０では、図
３に展開して示すように、母材１１の端子部１２と反対
側の端面に導電性金属体３１が設けられており、円筒状
の母材１１の中心軸と直交して環状の一部をなすように
母材１１と一体に取付けてある。

【００３２】このような母材１１の外周面のヒータ部３
２は、図３に展開して示すように、第１ヒータ部３３と
第２ヒータ部３４とで構成されている。そして、第１ヒ
ータ部３３は、端子部１２の表面の片側部分から螺旋状
に形成されて母材１１の他端面の導電性金属体３１の片
側部分まで形成され、隣接する螺旋部分との間にこの第
１ヒータ部３３のヒータ幅に絶縁帯の幅を加えた間隔が
あけてある。

【００３３】第２ヒータ部３４は母材１１の他端面の導
電性金属体３１のもう一方の片側部分から第１ヒータ部
３３の間を螺旋状に形成されて母材１１の一端面の端子
部１２のもう一方の片側部分まで形成してある。

【００３４】すなわち、このヒータ部３２は、母材１１
の外周面に２条の螺旋状の発熱性セラミックの第１ヒー
タ部３３と第２ヒータ部３４を形成し、これら第１，第
２ヒータ部３３，３４の２条の一方の一端と２条の他方
の一端をそれぞれ端子部１２の表面の片側部分に配置し
て接続するとともに、第１，第２ヒータ部３３，３４の
２条の一方の他端と２条の他方の他端をそれぞれ端子部
１２と反対側の導電性金属体３１で接続する形状となっ
ており、このヒータ部３２には、第１ヒータ部３３と第
２ヒータ部３４とで互いに逆向きに電流が流れることに
なる。なお、この参考例の他の構成は上記各実施例と同
一であるので説明は省略する。

【００３５】このような参考例の円筒状セラミックヒー
タ３０では、端子部１２の両端から電力を供給すること
で外周面のヒータ部３２がジュール熱で発熱して母材１
１の内周部に置かれた試料を加熱する。

【００３６】この加熱の際、ヒータ部３２が２つの互い
に逆巻きの螺旋状の第１ヒータ部３３と第２ヒータ部３
４とで構成してあるので、加熱用電源が交流であった
り、直流中に交流分が含まれている場合でも電磁干渉が
防止され、周囲の機器への影響を防止することができ
る。

【００３７】また、ヒータ部３２が螺旋状に形成してあ
り、矩形の折り曲がった部分がないので、ヒータ部３２
の各部分に電位差分布が生じること無く、一層均一に発
熱することになり、加熱温度の均一化を図ることができ
る。これにより、平均加熱温度を上げて使用する場合で
も、一層部分的に高温となることがなく、グラファイト
（ＰＧ）の昇華を抑えることができる。

【００３８】なお、上記各実施例および参考例で説明し
た具体的な絶縁性セラミックや発熱性セラミックに限ら
ず、他の絶縁性や発熱性セラミックを用いることもでき
る。また、この考案の要旨を変更しない範囲で各構成要
素に変更を加えるようにしても良い。

【００３９】

【考案の効果】以上、一実施例とともに具体的に説明し
たようにこの考案の請求項１の円筒状セラミックヒータ
によれば、絶縁性セラミックの円筒状の母材の一端部に
絶縁部を形成し、ヒータ部の一端を端子部の表面に配置
して接続するとともに、ヒータ部の他端を端子部と反対
側の他端部で折り返して母材内周面から端子部の裏面に
配置して接続するようにしたので、発熱するヒータ部を
螺旋状にして均一な加熱ができるとともに、母材の内周
面を利用して一箇所の端子部への接続も可能となる。

【００４０】また、この考案の請求項２の円筒状セラミ
ックヒータによれば、絶縁性セラミックの円筒状の母材
の一端部に絶縁性セラミックの端子部を形成し、母材外
周面に螺旋状の発熱性セラミックのヒータ部を形成し、
さらにヒータ部の一端を端子部の表面に配置して接続す
るとともに、ヒータ部の他端を端子部と反対側の他端部
で折り返して母材内周面にも螺旋状のヒータ部を形成し
て端子部の裏面に配置して接続するようにしたので、発
熱するヒータ部を母材の内外周にそれぞれ螺旋状にして
一層均一な加熱ができるとともに、母材の内周面のヒー
タ部を利用して一箇所の端子部への接続も可能としてい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の考案の円筒状セラミックヒータの一実施
例にかかり、（ａ）は全体の側面図、（ｂ）は全体の正
面図、（ｃ）は（ａ）図中のＡ部の拡大図、（ｄ）はヒ
ータ部の展開図である。

【図２】第２の考案の円筒状セラミックヒータの一実施
例にかかり、（ａ）はヒータ部の外周面の展開図、
（ｂ）はヒータ部の内周面の展開図である。

【図３】参考例の円筒状セラミックヒータの一実施例に
かかるヒータ部の外周面の展開図である。

【図４】従来の円筒状セラミックヒータにかかり、
（ａ）は全体の側面図、（ｂ）は全体の正面図、（ｃ）
は（ａ）図中のＡ部の拡大図、（ｄ）はヒータ部の展開
図である。

【符号の説明】

１０ 円筒状セラミックヒータ １１ 絶縁性セラミックの母材 １２ 絶縁性セラミックの端子部 １３ 発熱性セラミックのヒータ部 １４ 絶縁性セラミックのオーバコート １５ 電導部分 ２０ 円筒状セラミックヒータ ２１ 発熱性セラミックのヒータ部 ３０ 参考例の円筒状セラミックヒータ ３１ 導電性金属体 ３２ 発熱性セラミックのヒータ部 ３３ 発熱性セラミックの第１ヒータ部 ３４ 発熱性セラミックの第２ヒータ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05B 3/46 H05B 3/02 H05B 3/14 H05B 3/62

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性セラミックの円筒状の母材と、こ
   の母材の一端部に形成した絶縁性セラミックの端子部
   と、この端子部の表面に一端部が配置されて前記母材外
   周面に螺旋状に形成されかつ他端が前記母材の他端面で
   折り返されて母材内周面から前記端子部の裏面に接続さ
   れて形成される発熱性セラミックのヒータ部とでなるこ
   とを特徴とする円筒状セラミックヒータ。
2. 【請求項２】 絶縁性セラミックの円筒状の母材と、こ
   の母材の一端部に形成した絶縁性セラミックの端子部
   と、この端子部の表面に一端部が配置されて前記母材外
   周面に螺旋状に形成されかつ他端が前記母材の他端面で
   折り返されて母材内周面に螺旋状に形成されて前記端子
   部の裏面に接続されて形成される発熱性セラミックのヒ
   ータ部とでなることを特徴とする円筒状セラミックヒー
   タ。