JP3042893B2 - 絶縁コアを備えた管状加熱要素 - Google Patents

絶縁コアを備えた管状加熱要素

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    • H05B3/48Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、電気加熱要素の技術分野に関し、より詳し
くは、絶縁コアを備えた管状電気加熱要素に関する。
背景技術 金属シース内に封入された抵抗加熱ワイヤからなる加
熱要素は、当該技術分野において知られている。このよ
うな加熱要素の典型的なものとして、Naruo等の米国特
許第4,506,251号に開示されたシース形抵抗ヒータがあ
る。このシース形抵抗ヒータは、電気的絶縁パウダによ
り金属シース内に同軸に支持された加熱ワイヤからな
る。同様な加熱要素が、Neemanns等の米国特許第4,080,
726号、Neidhardt等の米国特許第3,621,204号およびRea
dの米国特許第1,127,281号に開示されている。
これらの電気ヒータ要素に付随する問題は、高温での
酸化および腐食に耐える金属合金の抵抗率が比較的小さ
いことである。従って、所望の抵抗を得るには、ヒータ
ワイヤの直径を比較的小さくするか、かなりの長さが必
要になる。ヒータワイヤの直径を小さくすると、ヒータ
ワイヤが酸化または腐食に対して比較的敏感になり、従
って故障し易くなる。また、ワイヤヒータの直径を減少
させると、所望の放射熱エネルギを得るのに必要とされ
る表面負荷も増大する。
或いは、所望の電気抵抗増大を達成すべくワイヤ長さ
を増大させると、必要とされるヒータワイヤの全量が増
大し、このため電気ヒータ要素のコストが増大する。ワ
イヤの長さの増大は、しばしば過度の嵩張りを招き、従
ってパッケージングの問題を引き起こす。
要請されるヒータ要素は、金属ヒータの抵抗率が有効
に増大され、従って長さを減少できかつ表面負荷を小さ
くできるヒータ要素である。
発明の要約 本発明は、絶縁セラミック材料を充填した金属チュー
ブからなるヒータ要素である。金属チューブの直径は、
所望の表面負荷が得られるように選択され、一方、金属
チューブの断面積およびその長さは、所望の抵抗および
所望の表面負荷が得られるように選択される。第2の実
施の形態では、ワイヤ要素は、ヒータ要素の構造的剛性
を増大させるため、セラミックパウダにより金属チュー
ブの中に同軸に支持される。
管状加熱要素の1つの長所は、所望の表面負荷を得る
ためその直径を選択できることである。
管状ヒータ要素の他の長所は、所望の線形抵抗率を作
るために金属チューブの断面積を選択できることであ
る。
管状ヒータ要素の他の長所は、同軸ワイヤを使用して
管状ヒータ要素の剛性を改善できることにある。
コイル形管状ヒータ要素の他の長所は、コイル形中実
ワイヤよりも構造的に剛性が大きいことにある。
更に別の長所は、金属ヒータチューブの中に硬化性ワ
イヤを同軸に支持して、熱処理により形成した後のヒー
タ要素の強度を高めることができることにある。
本発明の管状ヒータ要素のこれらのおよび他の長所
は、添付図面に関連して述べる本明細書の以下の記載を
読むことにより明らかになるであろう。
図面の簡単な説明 第1図は、本発明の管状加熱要素の第1実施例を示す
斜視図である。
第2図は、本発明の管状加熱要素の第2実施例を示す
斜視図である。
第3図は、本発明の管状加熱要素の第3実施例を示す
斜視図である。
第4図は、電源を用いた第1図の管状加熱要素の第1
回路構成を示すものである。
第5図は、電源を用いた第1図の管状加熱要素の第1
回路構成を示すものである。
第6図は、セラミックチューブの回りに巻回された管
状加熱要素を示すものである。
第7図は、自立コイル形構造をなす管状加熱要素を示
すものである。
発明の詳細な説明 第1図には、管状加熱要素の第1実施例の詳細が示さ
れている。管状加熱要素10は、酸化マグネシウムのよう
な絶縁性鉱物パウダ14が充填された金属チューブ12を有
する。別の構成として、金属チューブ12には、絶縁性鉱
物パウダの代わりに、PTC(postive temperature coeff
icient:正の温度係数)を有する導電性セラミックパウ
ダを充填することができる。金属チューブ12は、ほぼゼ
ロまたは僅かに正の温度抵抗係数をもつChromel−C合
金または任意の他の合金のような金属合金から作ること
ができる。コンスタンタンおよび種々のニッケル−クロ
ム合金がこれらの基準に合致する。金属チューブ12の外
径(OD)および内径(ID)は、所望の線形電気抵抗率を
得るように選択される。加熱要素は、金属チューブの製
造に使用される任意の慣用的な方法を用いて作ることが
できる。好ましい実施例では、金属チューブ12は、Lewi
sの米国特許第4,269,639号で教示されているような既知
の溶接シーム管製造技術を用いて組立てられるセラミッ
ク充填形溶接シーム管である。組み立てた後、加熱要素
は、引き抜かれて所望の直径にされる。金属チューブ12
が所望の直径に引き抜かれる間に潰れてしまわないよう
に、絶縁性材料14が使用される。
管状加熱要素10の長所は、例えば、電気衣類ドライヤ
用加熱要素等の商業的用途について最も良く説明できる
であろう。慣用的に、このような加熱要素は、10Ωの冷
間抵抗および11Ωの作動温度抵抗をもつ16ゲージ(直径
0.0508)の中実Chromel−Cワイヤからなる。Chromel−
Cワイヤの冷間線形抵抗は約0.26Ω/ft.であり、従っ
て、所望の抵抗を得るには約38.5フィートの長さのChro
mel−Cワイヤが必要になる。この中実ワイヤ加熱要素
は約0.28ポンドの重量を有する。作動に際し、中実ワイ
ヤ加熱要素の両端に約240ボルトの電圧が印加され、5,2
00ワットの熱エネルギを発生する。表面負荷(すなわ
ち、この中実ワイヤ加熱要素の1平方インチ当たり表面
積からの放射熱)は70.5W/in2である。
これと同じ表面負荷が、金属チューブ12の全断面積の
約22%の断面積をもつChromel−C金属チューブを備え
た管状加熱要素10により達成される。例えば、金属チュ
ーブ12は、0.084インチのODおよび0.074インチのIDをも
つものでよい。この金属チューブの線形抵抗率は約0.42
7Ω/ft.であり、従って、所望の10Ωの全抵抗を得るの
に必要な長さは23.5フィートに過ぎない。この管状加熱
要素の重量は約0.1ポンドであり、これは、管状加熱要
素を作るのに必要な金属量を約64%減少できることを意
味する。
第2例では、金属チューブシースの断面積は、管状加
熱要素の全断面積の40%である。例えば、金属チューブ
12は0.067インチのODおよび0.052インチのIDをもつもの
でよい。この金属チューブの線形抵抗は約0.378Ωであ
り、所望の10Ωの抵抗を得るには27フィートの長さが必
要である。この管状加熱要素の重量は約0.14ポンドであ
り、これは、16ゲージ中実ワイヤから作られた均等加熱
要素の重量の約1/2である。
上記管状加熱要素の両実施例は中実加熱要素と同じ温
度で作動するが、これらの両実施例は直径が大きいた
め、中実加熱要素より寿命が長い。
管状加熱要素10の長所の別の例では、管状加熱要素10
であって、その金属チューブ12が、上記中実ワイヤ加熱
要素と同じ線形抵抗および同じ長さを有しかつ管状加熱
要素10の全断面積の22%である断面積を有する管状加熱
要素10を考察する。この実施例では、金属チューブ12が
0.109インチのODおよび0.096インチのIDを有する。金属
チューブの重量は中実Chromel−Cワイヤの重量と同じ
であるが、その表面負荷は約33W/in2に減少される。こ
の小さな表面負荷は、管状加熱要素10の表面温度を大幅
に低下させかつその寿命を大幅に増大させる。
管状加熱要素10の第2実施例が第2図に示されてい
る。この実施例では、ワイヤ16が金属チューブ12の中で
同軸に支持されており且つセラミックパウダ14により金
属チューブ12から電気的に絶縁されている。ワイヤ16
は、単一中実ワイヤ、複数のワイヤまたは編組ワイヤで
構成できる。このワイヤ16は下記の種々の機能を遂行す
る。ワイヤ16は、成形工程中に管状加熱要素10に剛性を
付与するのに使用できる。ワイヤ16は、室温および高温
で、管状加熱要素10に剛性を与える。また、ワイヤ16を
硬化性金属(hardenable metal)で作り、成形後の熱処
理により、完成後の管状加熱要素10の強度を高めるのに
使用することもできる。また、ワイヤ16は小さな電気抵
抗率を有する銅、任意の他の金属または合金等の金属で
作るか、第5図に関連して説明するように、破壊的加熱
を回避する温度制御を行なうのに使用される材料で作る
ことができる。
第3図に示すように、金属チューブ12には、任意の単
一合金のみから得られるよりも優れた性能が得られるよ
うにするため、種々の金属または合金からなる1つ以上
の層で積層することができる。第3図に示す実施例で
は、金属チューブ12は、内側チューブ18と、該チューブ
18上に配置された外側層20とからなる。所望に応じて、
付加層を使用できることは理解されよう。
第1例では、優れた耐熱強度を有する合金が内側チュ
ーブ18に選択され、かつ優れた酸化抵抗性または腐食抵
抗性を有する合金が外側層20に選択されている。外側層
20は、内側チューブ18を酸化および腐食から保護する。
別の構成として、外側層20を高耐熱合金で作り、内側チ
ューブ18を高価でない合金で作ることができる。
第3図に示す管状加熱要素は、第2図に関連して示し
かつ説明したような中実の同軸ワイヤ16を有していても
よく、或いは第1図に示したように中実の同軸ワイヤを
省略することもできる。
ここで第4図を参照すると、バッテリ22で例示する電
源が、管状加熱要素10の金属チューブ12の両端部に電気
的に接続されている。電源22としてバッテリを示した
が、交流発電機、或いは慣用的な商業用または家庭用交
流電源からの電力を利用することもできる。
第5図の例では、交流電源24の一方の出力ターミナル
が金属チューブ12の一端に接続され、電源24の他方のタ
ーミナルが同軸ワイヤ16の一端に接続されている。同軸
ワイヤ16の反対側の端部が金属チューブ12の反対側の端
部に接続され、電源24の両ターミナル間の回路を完成し
ている。この構成では、同軸ワイヤ16を、金属チューブ
を通って流れる電流が所定値に到達したときに溶融する
合金で作り、管状金属ヒータ10の破壊的故障を防止する
ことができる。或いは、ワイヤ16を正の温度抵抗係数を
もつ合金で作り、金属チューブ12を通る電流が所定値を
超えるとワイヤ16の抵抗率が急速に増大し、これによ
り、金属チューブ12を通る電流を、管状加熱要素10の破
壊的故障を引き起こすのに充分な電流より小さい値に維
持するように構成できる。
本発明の管状加熱要素10は、慣用的な中実ワイヤ加熱
要素と同じ態様で使用できる。第6図に示すように、管
状加熱要素はセラミックシリンダ26の回りに巻回する
か、コイル状にするか、或いは第7図に示すように螺旋
状に巻回して自立形ヒータを形成することもできる。
本願に開示する管状加熱要素は、従来の中実ワイヤ加
熱要素に比べ、次のような多くの作動上のおよび経済的
な長所を有している。
・管状加熱要素は、ほぼ同じ直径をもつ中実ワイヤ加熱
要素に比べ、高い線形抵抗をもたせることができる。
・管状加熱要素は、所望の抵抗および表面負荷をもつ加
熱要素を作るのに必要な高抵抗合金の量を減少すること
ができる。
・管状加熱要素は、所望の抵抗をもつヒータ要素の表面
負荷を減少することができる。
・管状加熱要素は、低い表面温度で作動し、従ってその
寿命を増大できる。
以上、本発明の種々の実施例を図示しかつ説明した
が、当業者ならば、請求の範囲に記載された管状加熱要
素を変更しおよび/または改良することができるであろ
う。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−87037(JP,A) 特開 平3−208283(JP,A) 米国特許3764718(US,A) 米国特許2472930(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05B 3/02 - 3/18 H05B 3/40 - 3/82

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の温度抵抗係数を有し、熱を発生する
    ために電流が通る予成形金属チューブと、 該予成形金属チューブ内に配置され且つ該予成形金属チ
    ューブを満たすセラミック材料と、 該セラミック材料によって前記金属チューブの全長に亘
    って該金属チューブの中に同軸に支持された単一の連続
    する金属ワイヤとを有し、 該金属ワイヤが、前記管状加熱要素に剛性を付与するた
    めに、前記金属チューブよりも大きな機械的強度を有す
    ることからなる管状加熱要素。
  2. 【請求項2】前記金属ワイヤが小さな電気抵抗率を有す
    る、請求の範囲第1項に記載の管状加熱要素。
  3. 【請求項3】前記金属ワイヤが前記金属チューブの温度
    抵抗係数よりも大きな正の温度抵抗係数を有する、請求
    の範囲第1項に記載の管状加熱要素。
  4. 【請求項4】前記金属ワイヤが経時硬化性材料からな
    る、請求の範囲第1項に記載の管状加熱要素。
  5. 【請求項5】前記予成形金属チューブが、少なくとも、
    第1合金からなる内側チューブ及しび第2合金からなる
    外側層を有し、該外側層が前記内側チューブの全長に亘
    って延びている、請求の範囲第1項に記載の管状加熱要
    素。
  6. 【請求項6】前記内側チューブが優れた耐熱強度を有す
    る合金から作られ、また、前記外側層が優れた酸化抵抗
    性を有する合金から作られている、請求の範囲第5項に
    記載の管状加熱要素。
  7. 【請求項7】前記内側チューブが優れた耐熱強度を有す
    る合金から作られ、また、前記外側層が優れた腐食抵抗
    性を有する合金から作りれている、請求の範囲第5項に
    記載の管状加熱要素。
  8. 【請求項8】前記外側層が特に優れた耐熱強度を有する
    合金から作られ、また、前記内側チューブが優れた加工
    性および引抜き性を有する合金から作られている、請求
    の範囲第5項に記載の管状加熱要素。
  9. 【請求項9】前記セラミック材料が酸化マグネシウムか
    らなる、請求の範囲第1項に記載の管状加熱要素。
  10. 【請求項10】所定の正の温度抵抗係数を有し、熱を発
    生するために電流が通る予成形金属チューブと、 該予成形金属チューブの全長に亘って該予成形金属チュ
    ーブの中に同軸に配置された単一の連続するワイヤと、 前記予成形金属チューブを満たして該予成形金属チュー
    ブ内に同軸に前記ワイヤを機械的に支持するセラミック
    材料とを有することからなる管状加熱要素。
  11. 【請求項11】前記金属チューブが、少なくとも、内側
    金属チューブと、該内側金属チューブ上に配置された外
    側金属層とを有し、該外側金属層が前記内側金属チュー
    ブの全長に亘って延びている、請求の範囲第10項に記載
    の管状加熱要素。
  12. 【請求項12】前記ワイヤが前記金属チューブよりも大
    きな機械的強度を有する、請求の範囲第10項に記載の管
    状加熱要素。
  13. 【請求項13】優れた耐熱強度を有する予成形内側金属
    チューブと、 該内側金属チューブ上にその全長に亘って設けられた、
    優れた腐食抵抗性を有する外側金属層と、 前記内側金属チューブを満たすセラミック材料とを有
    し、 前記内側金属チューブおよび外側金属層のうちの少なく
    とも一方が所定の温度抵抗係数を具備することからなる
    管状加熱要素。
  14. 【請求項14】前記内側金属チューブの中で該内側金属
    チューブの全長に沿って前記セラミック材料により同軸
    に支持されたワイヤを更に有する、請求の範囲第13項に
    記載の管状加熱要素。
  15. 【請求項15】前記内側金属チューブが優れた耐熱強度
    を有し、また、前記外側金属層が優れた酸化抵抗性を有
    する、請求の範囲第13項に記載の管状加熱要素。
  16. 【請求項16】前記予成形金属チューブの金属部分の断
    面積が、該予成形金属チューブの全断面積の20%よりも
    大きい、請求の範囲第14項に記載の管状加熱要素。
  17. 【請求項17】前記予成形金属チューブの金属部分の断
    面積が、前記管状加熱要素の全断面積の20%よりも大き
    い、請求の範囲第13項に記載の管状加熱要素。
  18. 【請求項18】前記金属部分の断面積が、前記管状加熱
    要素の全断面積の20〜40%の範囲にある、請求の範囲第
    17項に記載の管状加熱要素。
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EP0811303A1 (en) 1997-12-10
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CA2212342C (en) 2000-05-16
CA2212342A1 (en) 1996-08-29
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