JP3563566B2 - 小型電気炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はファイバ加熱用小型電気炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバに、融着、延伸などの加熱加工を施す目的で、加熱温度の制御性に優れるセラミックス発熱体を備えた小型電気炉が用いられる場合がある （例えば、特開平５−３４３１７０号参照）。電気炉の炉心管は、炉を構成する発熱体や断熱体からの蒸発物や落下物が被加熱物に付着するのを避けたり、被加熱部の雰囲気や圧力を制御したり、発熱体を支持する目的で使われてきた。
【０００３】
被加熱物の出し入れは炉心管の両端および片端からおこなわれるのが普通であるが、長いファイバの途中を真っ直ぐなままで加熱し、ファイバに張力を加えないで取り出す必要がある場合、炉心管の端からの出し入れは困難で、特開平３−１８７９３７号で示しているように、炉心中空部から外部へと連通した切り欠きを形成し、そこから出し入れをせざるを得ない。しかし、発熱体が加熱によって蒸発する場合、形成した切り欠きを通して被加熱物に蒸発成分が付着するのを防げなかった。
【０００４】
電気炉に使われる導電性セラミック発熱体の端子構造は、一般に発熱部より電気抵抗を下げた部分を炉壁から断熱材を通して炉外まで出し、出た部分に電極やリード線を形成し、電極やリード線の使用温度を発熱体温度に比べはるかに低くできた。しかし、特開平５−３４３１７０号のように端子部をほとんどなくし発熱体に限りなく近づけて電極を形成した構造では、発熱体の長さを短くするにつれ、電極の温度は発熱体の温度に近くなり電極やリード線の蒸発消耗も激しく接続不良や断線を起こすことがあった。また、この蒸発成分が炉外に位置するファイバに付着した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、被加熱物が蒸発成分によって汚染されるのを防ぎ、電極やリード線の蒸発消耗を抑える小型電気炉を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、両端が開口した中空状の導電性セラミックスの両端を端子部とし、該端子部間を発熱部とした発熱体と、該発熱体の外周を包んだ断熱体と、該発熱体の中空部内に装着した炉心管とを備え、該炉心管の中空部内を有効加熱室とし、該炉心管と該発熱体及び該断熱体の軸方向全長にわたって、中空部から外部に貫通した切り欠きを形成した小型電気炉において、該炉心管の切り欠き部につばを設け、且つ該炉心管の両端外周に耐熱性遮蔽板を取り付け、発熱体や電極、リード線から被加熱物をおく中空部を仕切り、該発熱体の端子部構造における電極材料及びリード線接合材料として、白金ロジウムにアルミナセラミックス粉を分散させたことを特徴とするものである。
【０００７】
また本発明は上記小型電気炉において、該断熱体または該断熱体と該発熱体に貫通孔を設けることを特徴とするものである。
【０００８】
すなわち本発明は、炉心管の切り欠き部につばを設け、且つ炉心管の両端外周に耐熱性遮蔽板を取り付けることにより、発熱体や電極、リード線から被加熱物をおく中空部を仕切り、蒸発成分が被加熱物をおく中空部内に回り込むのを抑えられる。
【０００９】
発熱体から断熱体に貫通孔を設けることにより、蒸発成分を積極的に炉外に逃がし、蒸発成分が被加熱物をおく中空部内に回り込むのを抑えられる。
電極材料及びリード線接合材料として、金属ペーストにセラミック粉を混ぜたものを使うことにより、高温では、はじめに表面の金属だけが蒸発し、やがて表面は残ったセラミックス成分で覆われるため、ふたの効果が生じ、電極やリード線の蒸発消耗が抑えられる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
［実施形態例１］
本発明の第１の実施形態例に係わる電気炉を図１、２に示す。図１において、導電性セラミック発熱体１は、長さ１９ｍｍ、内径４ｍｍの管状ランタンクロマイト系セラミックスからなり、その両端は外径８ｍｍ、長さ３ｍｍの端子部１ａで、また中央は外径６ｍｍ、長さ１３ｍｍの発熱部１ｄとで構成されている。
【００１１】
上記端子部１ａには幅１．５ｍｍ、深さ１ｍｍの溝１ｅを設け、溝１ｅに０．５ｍｍの白金ロジウム線を巻き付け、白金ロジウムペーストを充填して焼結し電極１ｂを形成することにより発熱部１ｄとリード線１ｃを結合させた。
【００１２】
上記発熱体１の外周には、１９ｍｍ×２０ｍｍ×２５ｍｍのブロックに直径９ｍｍの穴をあけたアルミナセラミックファイバ成形体を断熱体２として装着した。
【００１３】
上記発熱体１の内周には、内径２ｍｍ、外径３．８ｍｍ、長さ２２ｍｍの高純度アルミナ管に長さ５ｍｍのつば部３ａを付けた炉心管３を設け、さらに炉心管３の両端外周に耐熱性遮蔽板５を装着した。遮蔽板５は、縦２０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ１ｍｍの高純度アルミナ板につば付きの炉心管３の断面形状と切り欠き部をくり貫いた。断熱体２にも、つば付き炉心管３を収容する空間をくり貫いた。
【００１４】
上記炉心管３の中空部から外部へと連通した切り欠き４を、炉心管３、発熱体１、断熱体２に形成した。
石英光ファイバを張力をかけずに水平に保持し、切り欠き４から中空部へファイバを炉心管３に触れないように挿入し、炉心温度を１６５０度にあげ１時間保持した。ファイバに付着する蒸発物を調べると、図５（Ｂ）に示す石英光ファイバ７の位置に目視では確認できないが分析の結果では付着物８の存在がわずかに確認できる程度であり、付着部の脆さは感じられなかった。
【００１５】
［実施形態例２］
本実施形態例で用いた電気炉を図３（ａ）、（ｂ）に示す。図３（ａ）の電気炉は、実施形態例１の電気炉の断熱体２に発熱体１に向けて直径１ｍｍの貫通孔６を設けた。図３（ｂ）の電気炉は、実施形態例１の電気炉の断熱体２と発熱体１に貫通孔６を設けた。
【００１６】
実施形態例１と同じ要領でファイバに付着する蒸発物を調べると、図３（ａ）、（ｂ）に示したいずれの電気炉を用いた場合でも、図５（Ｃ）に示すようになり、石英光ファイバ７には付着物が目視でも分析でも確認できなかった。
【００１７】
［比較例１］
本比較例では、上記の実施形態例１、２で示した炉心管のつば部、耐熱性遮蔽板、及び貫通孔のいずれも備えていない従来の電気炉を動作させた。
【００１８】
本比較例で用いた電気炉は図４に示すように、つば部分、耐熱性遮蔽板、及び貫通孔が無い点を除き図１〜３に示したものと同様な構造であり、図中、同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。ここで、炉心管３の長さは、耐熱性遮蔽板の装着代の分だけ実施形態例１、２の場合よりも短い１９ｍｍとして、導電性セラミック発熱体１、断熱体２の長さと揃えた。
【００１９】
実施形態例１、２の場合と同じ要領でファイバに付着する蒸発物を調べると、図５のＡに示したように炉から約５ｍｍほど外側を中心に約３ｍｍ幅でファイバ７に黒く付着物８がついた。付着部は破断しやすく脆くなった。付着物８は、分析の結果、発熱体１の蒸発物であるクロームと、電極・リード線の蒸発物である白金・ロジウムであった。
【００２０】
本比較例によって、炉心管切り欠き部のつば部、耐熱性遮蔽板、及び断熱体に設けた貫通孔によって、発熱体などからの蒸発物によるファイバへの汚染を防止できることが確認された。
【００２１】
［実施形態例３］
実施形態例１の電気炉において、電極１ｂの材料である白金ロジウムに２０Ｖｏｌ％のアルミナセラミック粉１ｆを混入させて、高温長時間使用での端子部１ａの電極１ｂとリード線１ｃの蒸発消耗の様子を観測した。使用前の電極１ｂの断面を図６（Ｃ）に示す。端子部１ａの溝１ｅにリード線１ｃが巻き付けられ電極１ｂで埋められている。電気炉を炉心温度１６５０度で２００時間連続運転した電極１ｂの断面を図６（Ｃ′）に示す。溝１ｅの電極１ｂの材料は２割から４割減少したもののリード線１ｃは原形をとどめた。
電極材料及びリード線接合材料として、金属ペーストにセラミック粉を混ぜたものを使うことにより、高温では、はじめに表面の金属だけが蒸発し、やがて表面は残ったセラミックス成分で覆われるため、ふたの効果が生じ、電極やリード線の蒸発消耗が抑えられる。
【００２２】
［比較例２］
実施形態例１の電気炉において、電極１ｂの材料を白金ロジウムペーストのみで構成する従来の電極として、高温長時間使用での端子部１ａの電極１ｂとリード線１ｃの蒸発消耗の様子を観測した。使用前の電極１ｂの断面を図６（Ａ）に示す。端子部の溝１ｅにリード線１ｃが巻き付けられ電極材で埋められている。電気炉を炉心温度１６５０度に保持した場合、端子部１ａや電極１ｂの温度は大体１５５０度になる。電気炉を炉心温度１６５０度に制御して２００時間連続運転した電極１ｂの断面を図６（Ａ′）に示す。溝１ｅを埋めていた電極１ｂが半分以上蒸発し、巻き付けたリード線１ｃも上部が細くなった。即ち、実施形態例１の電気炉では、炉心管のつば部や耐熱性遮蔽板の作用によって電極からの蒸発物がファイバに付着するのを防止できるものの、電極材自体は消耗していることが明らかになった。
【００２３】
［比較例３］
実施形態例２の電気炉の電極１ｂの材料の構成を溝を付けずにおこなって、高温長時間使用での端子部１ａの電極１ｂとリード線１ｃの蒸発消耗の様子を観測した。使用前の電極１ｂの断面を図６（Ｂ）に示す。端子部１ａにリード線１ｃが巻き付けられ電極材で塗り固められている。電気炉を炉心温度１６５０度で２００時間連続運転した電極１ｂの断面を図６（Ｂ′）に示す。電極１ｂはほとんど蒸発し、巻き付けたリード線１ｃも下部を残して細くなった。本比較例によって、溝を設けない場合には電極材の量が少ないために、電極材のみならずリード線までもが蒸発によって細ってしまうことが確認できた。
上記比較例２〜３により、電極材の金属にセラミックス粉を分散させることによって電極やリード線の蒸発消耗の防止に効果的であることが確認された。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、炉心管の切り欠き部につば部を設け、炉心管の両端に耐熱性遮蔽板を取り付けることにより、発熱体や電極、リード線から被加熱物をおく中空部を仕切り、蒸発成分が回り込むのを抑え、被加熱物であるファイバへの汚染を低減させる効果があった。また、耐熱性遮蔽板により、加熱室内の断熱性も向上するため、消費電力の低減も可能となり、炉のより長寿命化が達成できた。つば付きの炉心管と耐熱性遮蔽板の形状はこの限りではなく、仕切れる構造にできればよい。また、一体化しても良い。材質もこの限りではなく、公知の耐熱セラミックスから選択できる。炉心管の全長は発熱体の全長よりも長いことが好ましい。
【００２５】
断熱体または断熱体と発熱体に貫通孔を設けることにより、蒸発成分を積極的に炉外に逃がし、蒸発成分が被加熱物をおく中空部内に回り込むのを抑え、被加熱物であるファイバへの汚染を低減させる効果があった。断熱体は高密度セラミックと多孔質セラミックスの複合多層構造でも良い。貫通孔は複数箇所でも良い。
【００２６】
電極材の金属にセラミック粉を混ぜたものを使うことにより、高温では、はじめに表面の金属だけが蒸発し、やがて表面は残ったセラミック成分で覆われるため、ふたの効果が生じ、電極やリード線の蒸発消耗を抑える効果があった。電極材の金属とセラミック粉の材質はこの限りではなく各種耐熱材料から選択できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態例の一部を示す斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態例を示す断面図である。
【図４】本発明の比較例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態例で石英光ファイバに蒸発物が付着した結果を従来と比較して示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態例で電極構造と材質によって構成金属の蒸発消耗を比較観察した結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 発熱体
１ａ 端子部
１ｂ 電極
１ｃ リード線
１ｄ 発熱部
１ｅ 溝
１ｆ セラミックス粉
２ 断熱体
３ 炉心管
３ａ つば部
４ 切り欠き
５ 耐熱性遮蔽板
６ 貫通孔
７ 石英光ファイバ
８ 付着物

Claims (2)

1. 両端が開口した中空状の導電性セラミックスの両端を端子部とし、該端子部間を発熱部とした発熱体と、該発熱体の外周を包んだ断熱体と、該発熱体の中空部内に装着した炉心管とを備え、該炉心管の中空部内を有効加熱室とし、該炉心管と該発熱体及び該断熱体の軸方向全長にわたって、中空部から外部に貫通した切り欠きを形成した小型電気炉において、
   該炉心管の切り欠き部につばを設け、且つ該炉心管の両端外周に耐熱性遮蔽板を取り付け、発熱体や電極、リード線から被加熱物をおく中空部を仕切り、
   該発熱体の端子部構造における電極材料及びリード線接合材料として、白金ロジウムにアルミナセラミックス粉を分散させたことを特徴とする小型電気炉。
2. 該断熱体または該断熱体と該発熱体に貫通孔を設けることを特徴とする請求項１記載の小型電気炉。

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