JP3199959U - セラミックヒータ - Google Patents

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栄二 石部
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Abstract

【課題】簡易な方法で管状部品の端面をより均一に加熱するセラミックヒータを提供する。【解決手段】樹脂製管状部品の対向端面を溶着する溶着継手装置に用いられ、一対の対向端面を熱溶融させるセラミックヒータ10であって、板状に形成されたヒータ本体11と、ヒータ本体11の厚み方向視において、ヒータ本体11の一方の側端部に配置される第1の電極12と、他方の側端部に配置される第2の電極13と、を有し、第1の電極12及び第2の電極13の高さ方向における中央部に対応した電極中央部は、ヒータ本体11の高さ方向における中央部に対応したヒータ中央部よりもヒータ本体11の下端側に位置しており、ヒータ本体11の高さ方向における長さをh、ヒータ本体11の上面から電極中央部までの長さをt、第1の電極12及び第2の電極13の高さ方向における長さをwとしたとき、0.5h≰w≰0.7h及び/又は4/7h≰t≰5/7hを満足する。【選択図】図1

Description

本考案は、熱融着可能な樹脂製管状部品の溶着に用いられるセラミックヒータに関するものである。
薬品産業、食品産業、半導体産業、バイオテック産業、化学産業、住宅産業などの分野では、耐薬品性、クリーン性に優れた高品質の樹脂からなる配管材料が求められている。配管の施工方法として、一対の熱融着可能な樹脂製の管状部品を互いに水平方向に隙間を空けた状態で対向配置するとともに、この隙間に設置されたヒータによる遠赤外線加熱により管状部品の端面を互いに熱溶融させた後、突き合わせて自然冷却することにより溶着する方法が知られている。
特許文献1には、切削部により切削された端面を溶融させる一対の赤外線透過性のガラス板によりサンドウィッチ状に挟まれた板状タングステンヒータを具備し、この板状タングステンヒータにより溶融された一方の管状部品を、板状タングステンヒータにより溶融された他方の管状部品側に相対的に近づけて互いに融着させる技術が開示されている。また、特許文献1には、板状タングステンヒータの位置にかかわらずほぼ均一に管状部品の端面を加熱する方法として、ガラス板の表面に熱線を散乱させる手段が開示されている。
また、特許文献1には、熱線を散乱させる手段として、スリガラス状にガラス表面に傷を付ける方法、縦横又はランダムに溝を付ける方法、ガラスを溶かすことができる溶接剤(例えば、東亜合成化学工業株式会社が販売する商品名「アロンセラミック」)をガラス面に塗布し、加熱硬化後、この溶接剤を除去して、散乱性に優れる不規則な横断面をガラス面に形成する方法などが開示されている。
特開平8−156102号公報
しかしながら、特許文献1に記載された方法は、ガラス表面に傷をつけたり、溶接剤を塗布したりする必要があるため、作業工程が煩雑で、コストが増大する。
そこで、本考案は、管状部品の端面における加熱温度のバラツキを簡易な工夫で抑制したセラミックヒータを提供することを目的とする。
本考案者は、図3に図示するセラミックヒータを用いて樹脂製管状部品の端面を熱溶融して溶着することを検討した。図3は従来のセラミックヒータの正面斜視図であり、X軸、Y軸及びZ軸は互いに直交する三軸である。X軸、Y軸及びZ軸はそれぞれセラミックヒータの長さ方向、厚み方向及び高さ方向に対応している。X軸、Y軸及びZ軸の定義は他の図面においても同様である。
図3を参照して、セラミックヒータ100は板状に形成された本体部101、第1の電極部102及び第2の電極部103を含む。第1の電極部102及び第2の電極部103の高さ方向における中心は、本体部101の中心と略同じ高さに位置する。つまり、矢印Z方向における本体部101の寸法をhとしたとき、第1の電極部102及び第2の電極部103は本体部101の上端(本体部101の下端)からh/2だけ離隔した位置に配設されている。
この従来のセラミックヒータ100を用いて樹脂製管状部品の端面を加熱したところ、端面における加熱温度のバラツキが大きく、溶着不良が生じた。本明細書における溶着不良とは、溶着部の接合強度が低いことを意味する。そこで、本考案者は、セラミックヒータ100の温度分布を調べたところ、水平配置されたセラミックヒータ100の温度分布と、垂直配置されたセラミックヒータ100の温度分布との間に違いがあることを発見した。ここで、水平配置とは、セラミックヒータ100の厚み方向が上下方向となる向きにセラミックヒータ100を設置することである。垂直配置とは、セラミックヒータ100の厚み方向が水平方向となる向きにセラミックヒータ100を設置することである。管状部品の継手装置では、一般的にセラミックヒータ100が垂直配置される。
セラミックヒータ100を水平配置した場合には、平面方向における中央が最も高温になり、そこから放射状に順次温度が低くなることがわかった。
一方、セラミックヒータ100を垂直配置した場合には、最高温度部が中央から上側にシフトして、上下の温度差が大きくなることがわかった。つまり、樹脂製管状部品の端面のうちより上側の領域は加熱温度が高くなり、より下側の領域は加熱温度が低くなるため、溶着不良が生じることを発見した。
本考案者は、上記課題を鋭意検討し、従来よりも電極の配設位置を下げることで、セラミックヒータにおける上下の温度差を縮小して、溶着不良を抑制できることを知見した。すなわち、本願考案は(1)互いに水平方向において対向する一対の熱融着可能な樹脂製管状部品の対向端面を熱溶融させた後に突き合わせて溶着する溶着継手装置に用いられ、前記一対の対向端面の間に配置されるとともに、遠赤外線による非接触加熱により前記一対の対向端面を熱溶融させるセラミックヒータであって、板状に形成されたヒータ本体と、前記ヒータ本体の厚み方向視において、前記ヒータ本体の一方の側端部に配置される第1の電極と、他方の側端部に配置される第2の電極と、を有し、前記第1の電極及び前記第2の電極の高さ方向における中央部に対応した電極中央部は、前記ヒータ本体の高さ方向における中央部に対応したヒータ中央部よりも前記ヒータ本体の下端側に位置しており、前記ヒータ本体の高さ方向における長さをh、前記ヒータ本体の上面から前記電極中央部までの長さをt、前記第1の電極及び前記第2の電極の高さ方向における長さをwとしたとき、0.5h≦w≦0.7h及び/又は4/7h≦t≦5/7hなる条件式を満足することを特徴とする。
(2)上記(1)に記載のセラミックヒータにおいて、前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記ヒータ本体の高さ方向における位置が同じであってもよい。
(3)上記(1)又は(2)に記載のセラミックヒータにおいて、前記ヒータ本体は、ヒータ素子材質としてアルミノケイ酸塩を主要成分とする絶縁性材料に対し、SiまたはFeSiからなる導電性粉末を含有するセラミック質から構成することができる。
本考案によれば、0.5h≦w≦0.7h及び/又は4/7h≦t≦5/7hなる条件式を満足するように、電極の配設位置を下げることで、セラミックヒータにおける上下の温度差を縮小することができる。これにより、管状部品の端面における溶着不良が抑制され、接合強度を高めることができる。
セラミックヒータの正面斜視図である。 溶着継手装置に用いられるセラミックヒータの配置を模式的に示す模式図である。 従来の板状セラミックヒータの正面斜視図である。
図1は本考案の一実施形態であるセラミックヒータの正面斜視図である。図2は、溶着継手装置に用いられるセラミックヒータの配置を模式的に示す模式図である。
これらの図を参照して、セラミックヒータ10は、ヒータ本体11、第1の電極12及び第2の電極13を含む。ヒータ本体11は板状に形成されており、ヒータ素子材質としてアルミノケイ酸塩を主要成分とする絶縁性材料に対し、SiまたはFeSiからなる導電性粉末を含有するセラミック質を用いることができる。11A,11Bは、ヒータ本体11の厚み方向における両端面であり、セラミックヒータ10の発熱面となる主面を構成している。主面11Aは、水平方向(Y軸方向)において一方の管状部材20と向き合っている。主面11Bは、水平方向(Y軸方向)において他方の管状部材30と向き合っている。
C1はヒータ本体11の高さ方向(Z軸方向)における中央部を示す仮想的なヒータ中央面であり、X軸及びY軸を含む平面方向に延在している。このヒータ中央面C1上に軸部が重なるように管状部材20,30は設置されており、管状部材20の開口端面20A(対向端面に相当する)及び管状部材30の開口端面30A(対向端面に相当する)は互いに水平方向(Y軸方向)において対向する位置に配置されている。
管状部材20,30とセラミックヒータ10との間には隙間が形成されており、この隙間は例えば1mm〜10mmに設定することができる。隙間が小さくなりすぎると、加熱時の管状部材20,30の膨張によりその端面がセラミックヒータ10に接触するおそれがある。隙間が大きくなりすぎると、セラミックヒータ10による加熱温度が不十分になるおそれがある。
管状部材20,30には、ポリフロロアルコキシ,ポリビニリデンフルオロライド等のフッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド,ポリエーテルエーテルケトンなどのスーパーエンジニアリングプラスチックを用いることができる。
C2は第1の電極12及び第2の電極13の高さ方向における中央部を示す仮想的な電極中央面であり、X軸及びY軸を含む平面方向に延在している。第1の電極12は、ヒータ本体11の左側面(側端部に相当する)11C側に設けられており、高さ方向(Z軸方向)における寸法がヒータ本体11のそれよりも小さく設定されている。第1の電極12はヒータ本体11の一部をブラスト処理した後に穴あけ加工し、ここにアルミニウムを溶射することによって形成されている。そして、この溶射皮膜とアルミニウム板(不図示)とでリード線(不図示)を挟持し、アルミニウム板をボルト止めすることでヒータ端子が形成される。
第2の電極13は、ヒータ本体11の右側面(側端部に相当する)11D側に設けられており、高さ方向(Z軸方向)における寸法が第1の電極12と略同様に設定されている。第2の電極13の形成方法は、第1の電極12と基本的には同様であるから、詳細な説明を省略する。なお、第1の電極12及び第2の電極13には、図示しない電源から交流電力が供給される。
電極中央面C2は、ヒータ中央面C1よりも下側に位置する。つまり、第1の電極12及び第2の電極13は、ヒータ中央面C1を基準として、ヒータ本体11のより下面11F側に位置する。上述の構成によれば、ヒータ中央面C1よりも下側に電極中央面C2を配置することで、セラミックヒータ10の主面11A,11Bにおける温度分布の偏りを抑制できる。
ここで、ヒータ本体11の高さ方向(Z軸方向)における寸法をh(以下、ヒータ高さhと称する)、第1の電極12,第2の電極13の高さ方向(Z軸方向)における寸法をw(以下、電極幅wと称する)、ヒータ本体11の上面11Eから電極中央面C2までの距離をtとしたとき、以下の条件式(1)及び(2)のうち少なくとも一方を満足する必要がある。
0.5h≦w≦0.7h・・・・・・・(1)
4/7h≦t≦5/7h・・・・・・・(2)
電極幅wが0.5h未満になると、ヒータ本体11の全体に電流が流れにくくなり、温度分布の偏りを抑制する効果が低下する。電極幅wが0.7hを超えると、ヒータ中央面C1よりも下側に電極中央面C2を配設することによる効果(温度分布の偏りを抑制する効果)が低下する。
距離tが3.5/7h以下になると、ヒータ中央面C1及び電極中央面C2が同一平面に配設(つまり、図3に図示する構成となる)、或いはヒータ中央面C1よりも上側に電極中央面C2が配設されるため、最高温度部がヒータ中央面C1の上側となり、温度分布の偏りが大きくなる。距離tが3.5/7h超、かつ、4/7h未満になると、ヒータ中央面C1及び電極中央面C2が近接しているため、温度分布の偏りを十分に抑制することできない。距離tが5/7hを超過すると、十分な電極幅wを確保できないため、ヒータ本体11の全体に電流が流れにくくなり、温度分布に偏りが生じるおそれがある。
次に、セラミックヒータ10の使用方法について説明する。初期状態において、一対の管状部材20,30は図2に示す対向位置に位置決めされているものとする。また、セラミックヒータ10は図示しない移動装置に搭載されており、この移動装置は管状部材20,30の下方に設置されているものとする。
最初に移動装置を駆動することにより、セラミックヒータ10を一対の管状部材20,30の間に形成された隙間に向かって上動させ、ヒータ中央面C1及び一対の管状部材20,30の軸部が重なる位置(言い換えると、加熱位置)に位置決めする。次に、第1の電極12及び第2の電極13を介してセラミックヒータ10に電力を供給することにより、セラミックヒータ10による加熱動作を開始させる。これにより、セラミックヒータ10の主面11A及び主面11Bのそれぞれから管状部材20の開口端面20A及び管状部材30の開口端面30Aに向かって遠赤外線が照射される。
遠赤外線が照射されると、管状部材20(管状部材30)の開口端面20A(開口端面30A)は徐々に温度上昇して、溶融温度に到達する。溶融深さが所定量に達すると、セラミックヒータ10に対する電力供給を断ち加熱動作を停止させるとともに、移動装置を駆動してセラミックヒータ10を加熱位置から退避させる。
最後に、管状部材20及び管状部材30を互いに接近させて、溶融状態にある開口端面20A及び開口端面30Aを密着させるとともに、この密着状態を保ちながら管状部材20及び管状部材30を自然冷却する。これにより、管状部材20の開口端面20A及び管状部材30の開口端面30Aを溶着することができる。
ここで、上述したように、第1の電極12及び第2の電極13は電極中央面C2がヒータ中央面C1よりも下側となる位置に配設されているため、ほぼ均一な温度で開口端面20A(開口端面30A)を加熱することができる。したがって、ほぼ等しい溶融深さで開口端面20A(開口端面30A)を溶融状態とすることができ、溶着部分の気泡(ボイド)を飛躍的に減少させることができる。その結果、溶着不良を起こりにくくすることができる。より具体的には、溶着部の接合強度を管状部材20(管状部材30)の本体部分よりも高めることができる。
このように、本実施形態によれば、電極の配置位置を変更するだけで、管状部材20(管状部材30)の開口端面20A(開口端面30A)をほぼ均一に加熱できるため、簡易な方法で管状部材20及び管状部材30の接合強度を高めることができる。
(実施例)
次に、実施例を示して、本考案についてより具体的に説明する。アルミノケイ酸塩75重量部とシリコン25重量部を添加水とともに混錬して、幅50mm、厚さ5mm、長さ80mmの成形物を成形し、この成形物を約1260℃の温度で焼成することによりヒータ本体(図1のヒータ本体11に対応する)を製造した。そして、電極幅(図1の電極幅wに対応する)、電極の高さ方向における位置(図1の距離tに相当する)が異なる複数のセラミックヒータ(図1のセラミックヒータ10に対応する)を製造して、それぞれを溶着継手装置に搭載して一対の管状部材の開口端面を加熱,溶着した後に、接合部の接合強度を引張り試験により評価した。具体的には、図2に図示するように、セラミックヒータを垂直配置して、45Vの交流電圧を印加することによって一対の管状部材の開口端面を遠赤外線による非接触加熱により加熱した。管状部材には、フッ素樹脂(PFA)を使用した。管状部材の外径は38mm、内径は35mmとした。
管状部材の接合部以外における本体部分の引張強さを100%とし、本体部分で破断した場合には、接合部の相対的な引張強さが100%超であるため「good」で評価し、接合部で破断した場合には、接合部の相対的な引張強さが100%未満であるため「poor」で評価した。

実施例1乃至6は、ヒータ中央面(図1のヒータ中央面C1に対応)よりも下側に電極中央面(図1の電極中央面C2に対応)が配置されており、条件式(1)及び(2)のうち少なくとも一方を満足しているため、評価は「good」となった。
比較例1は、条件式(1)は満足するものの、ヒータ中央面よりも上側に電極中央面が配置されているため、評価は「poor」となった。比較例2は、条件式(1)は満足するものの、ヒータ中央面及び電極中央面が同一高さとなるため、評価は「poor」となった。
以上の試験結果から、ヒータ中央面C1よりも下側に電極中央面C2が配置されるように第1の電極12及び第2の電極13を配設するとともに、条件式(1)及び(2)のうち少なくとも一方を満足させることで、セラミックヒータ10の主面11A,11Bにおける温度分布の偏りを抑制できることがわかった。
10 セラミックヒータ
11 ヒータ本体
11A,11B 主面
11C 左側面
11D 右側面
11E 上面
11F 下面
12 第1の電極
13 第2の電極
20,30 管状部材
20A,30A 開口端面
C1 ヒータ中央面
C2 電極中央面

Claims (3)

  1. 互いに水平方向において対向する一対の熱融着可能な樹脂製管状部品の対向端面を熱溶融させた後に突き合わせて溶着する溶着継手装置に用いられ、前記一対の対向端面の間に配置されるとともに、遠赤外線による非接触加熱により前記一対の対向端面を熱溶融させるセラミックヒータであって、
    板状に形成されたヒータ本体と、
    前記ヒータ本体の厚み方向視において、前記ヒータ本体の一方の側端部に配置される第1の電極と、他方の側端部に配置される第2の電極と、を有し、
    前記第1の電極及び前記第2の電極の高さ方向における中央部に対応した電極中央部は、前記ヒータ本体の高さ方向における中央部に対応したヒータ中央部よりも前記ヒータ本体の下端側に位置しており、
    前記ヒータ本体の高さ方向における長さをh、前記ヒータ本体の上面から前記電極中央部までの長さをt、前記第1の電極及び前記第2の電極の高さ方向における長さをwとしたとき、以下の条件式(1)及び(2)のうち少なくとも一方を満足することを特徴とするセラミックヒータ。
    0.5h≦w≦0.7h・・・・・・・(1)
    4/7h≦t≦5/7h・・・・・・・(2)
  2. 前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記ヒータ本体の高さ方向における設置位置が同じであることを特徴とする請求項1に記載のセラミックヒータ。
  3. 前記ヒータ本体は、ヒータ素子材質としてアルミノケイ酸塩を主要成分とする絶縁性材料に対し、SiまたはFeSiからなる導電性粉末を含有するセラミック質からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のセラミックヒータ。


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