JP3725907B2 - チューブ型ヒータの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、製造工程を簡素化しながら温度立ち上がり時間を短縮し、かつ温度制御の応答特性にすぐれたチューブ型ヒータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シーズヒータに使用されている従来のチューブ型ヒータは、図８に示すような構造に製作されていた。すなわち、金属製の管材８１の内側に螺旋状（コイル状）に巻回した発熱線８２を挿入するが、この発熱線８２と管材８１とを電気的に絶縁するためマグネシア（MgO)粉末を細密充填し、さらにこのマグネシア粉末が吸湿性であるため、これを防湿するために両端に電気端子８４だけ突出させるようにパッキン８３を装着してシールするようにしていた。
【０００３】
しかし、マグネシアは熱伝導率が低いため、これを細密充填したヒータは構造的に熱容量が大きくなっている。そのため、スイッチ・オンから所定温度に立ち上がるまでの時間が長くなると共に、スイッチ・オフ後の冷却時間も長くなるという問題があった。また、発熱線と加熱面との温度差が大きくなるため、条件変動に応じて温度制御するとき、所定温度に収斂するときのオーバシュートが大きく、応答特性が悪いという問題があった。
【０００４】
また、従来のチューブ型ヒータは、熱による電気絶縁破壊を生じないように、マグネシア粉末に高純度のものを使用すること、かつマグネシア粉末を細密充填するとき、充填密度を高めると共に均等に充填するために機械振動を与えながら充填すること、また充填後には高い乾燥度に維持する加熱やシール等の処置が必要なことなど種々の管理項目が必要とされている。
したがって、このような多数の管理項目が生産性を低下させ、コスト上昇を招く原因になっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高機能を有するチューブ型ヒータの製造工程を簡略化した製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるチューブ型ヒータの製造方法は、中空の管材の外周面に耐熱性樹脂膜を被覆した発熱線を螺旋状に巻回し、この管材を該管材よりも径の大きな管材の内側に挿入し、次いで外側の管材を縮径させるか、または内側の管材を拡径させて、前記発熱線を前記内外両管材の周面に密着させることを特徴とするものである。
【００１０】
また、単一管材から製造する方法として、耐熱性樹脂膜を被覆した発熱線を螺旋状に成形し、該螺旋状の発熱線を中空の管材の内側に、該管材の内径より小さい螺旋外径にして挿入し、次いで該螺旋外径を拡径させて管材の内壁に密着させることを特徴とするものである。
いずれの製造方法も、電気絶縁を発熱線に耐熱性樹脂膜を被覆するだけで得られるため、従来のヒータ製造方法のように、マグネシア粉末を均一密度に充填するため機械振動を与える工程に付したり、防湿のための乾燥処理をしたり、パッキンを設けたりする複雑で厳密な管理が不要になり、製造工程を簡略化することができる。
【００１１】
本発明において、発熱線の材料としては、従来から使用されている電気抵抗の大きな金属がいずれも使用可能であり、特にニクロム線が最適である。発熱線の断面形状は一般には円形であるが、扁平断面にすることもできる。発熱線が扁平断面のときは、その扁平面を管材に密着させることによって一層接触面積を増大させ、熱効率の高いチューブ型ヒータにすることができる。
【００１２】
耐熱性樹脂膜の材料としては、ポリベンヅイミダゾール樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂が好ましい。なかでも、ポリベンヅイミダゾール樹脂が最適である。ポリベンヅイミダゾール樹脂は、熱変形温度が極めて高く（４３５℃）、かつ７６０℃という高温（瞬間）に対して不燃であるという超耐熱性を有すると共に、優れた耐薬品性を有し、かつアルミニウムや真鍮などと同等の熱膨張率であるからである。
【００１３】
この耐熱性樹脂は発熱線に薄い膜状にして被覆する。その耐熱性樹脂膜の厚さは３〜５０μｍ、さらに好ましくは１０〜３０μｍにするのがよい。ポリベンヅイミダゾール樹脂の場合、膜厚２０μｍで５ｋｖ・１分間の絶縁耐力を発揮することができ、交流１００Ｖや２００Ｖの電源に十分に耐えるものになる。
耐熱性樹脂膜の厚さを３μｍよりも薄くすると、膜にピンホールを発生することがあり、電気絶縁性を低下する恐れがある。耐熱性樹脂膜による電気絶縁性能は、厚さが５０μｍを超えるとほとんど飽和するので、それ以上に厚くしても高価な耐熱性樹脂を無駄に使用することになる。また、膜厚が増加した分だけ発熱線と加熱面との温度差が大きくなるので、スイッチ・オンからの温度立ち上がり時間が増加し、温度制御の応答性能も低下する。
【００１４】
耐熱性樹脂の被覆方法としては、耐熱性樹脂の溶液に発熱線を浸漬して被覆する方法や、或いは耐熱性樹脂を予めチューブ状に成形し、そのチューブを発熱線に被覆する方法などを採用することができる。
浸漬法により被覆する場合は、発熱線を耐熱性樹脂溶液の浴中に複数回にわたり走行させて浸漬を繰り返すようにするとよい。この浸漬法によれば、発熱線表面に浸漬１回当たり数μｍ程度の耐熱性樹脂膜を形成することができるので、この浸漬回数を３回以上、好ましくは５回以上繰り返すようにするとよい。
【００１５】
本発明において、中空の管材に使用する材料は加工性や温度制御の管理面などから金属が最も好ましい。その金属としては、アルミニウム、鋼、銅、真鍮などを使用することができ、なかでもアルミニウム、ステンレスは特に好ましい。しかし、金属以外の材料でも、ジルコニア系、イットリア系等のセラミック、石英等のガラスも使用することができ、また温度条件によっては、プラスチックの使用も可能である。
【００１６】
【実施例】
図１(A),(B) は、それぞれ本発明のチューブ型ヒータを構成するヒータユニットの一例を示す。
いずれのヒータユニットも、ステンレス製の管材１を芯管にし、その外側にアルミニウム製の管材２を同心の二重管構造になるように配置している。内側の管材１の外周面に、ポリベンヅイミダゾール樹脂からなる耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３が螺旋状に密着巻回されている。
【００１７】
発熱線３はニクロム線からなり、その発熱線３がアルミニウム製の管材２の表面に一部が没入するように圧着している。この没入によって接触面積が大きくなり、伝熱効率を一層良好にするようにしている。発熱線３に被覆した耐熱性樹脂膜４は管材１，２に対して電気絶縁を行うものであり、図３のように発熱線３の全長にわたって全周囲を被覆するようにしている。
【００１８】
上記ヒータユニットにおいて、発熱線３に交流または直流を流すと発熱し、その熱を耐熱性樹脂膜４を介して管材１，２にそれぞれ伝熱する。したがって、このヒータユニットは、管材１，２の両方を加熱面として利用することができる。また、発熱線３は薄い耐熱性樹脂膜４を介して管材１，２に密着するので、スイッチ・オンから管材１，２の温度を所定温度にするまでの立ち上がり時間を短くすることができ、さらに発熱線３と管材１，２の加熱面とはほとんど温度差を生じないため、温度制御の応答特性をシャープにすることができる。
【００１９】
これらヒータユニットの製造方法は、図１(A) の構造の場合は、まず発熱線３に耐熱性樹脂膜４を被覆し、この発熱線３を管材１の外周面に螺旋状に巻回したものを用意する。次いで、この管材１をこれよりも径の大きな管材２の中に挿入して仮止めする。
このように二重管構造に仮止めした管材に対し、外側の管材２を圧延ロールにより圧延することによって、その管材２の径を縮径させ、内側の管材１に向けて圧接させるようにする。この圧接によって発熱線３が内側の管材１と外側の管材２との間に挟み込まれ、図１(A) の構造になる。
【００２０】
また、上記圧接操作において、アルミニウム製の管材２はニクロム線の発熱線３よりも柔らかいので、発熱線３が管材２の表面を凹状に変形させて一部が埋没状態になる。この埋没状態によって接触面積が拡大するため、伝熱効率が向上する。
また、図１(B) のヒータユニットの場合は、上述のように耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３を巻回した管材１を径の大きな管材２の中に挿入して仮止め状態にしたのち、上記とは逆の操作をする。すなわち、芯管側の管材１を拡径することにより外側の管材２の内面に圧接させ、発熱線３を管材１と管材２との間には挟み込むようにするのである。この場合、拡径した後の管材１は、その両端部が拡径されないまま細い径になって残っている。
【００２１】
また、上述した図１(A),(B) のヒータユニットにおいて、耐熱性樹脂膜４を被覆たし発熱線３を内外の管材１，２の間に密着させる場合、その管材１，２のいずれか一方又は両方の表面にフッ素樹脂等の別の耐熱層を施して介在させ、その上に耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３を密着させた二重の電気的絶縁構造にしてもよい。この二重の電気的絶縁構造により安全性を向上すると同時に、機械的クッションをもたせることができる。
【００２２】
或いは、上記管材側に施す耐熱層として、ガラス繊維やプラスチック繊維などの断熱性の耐熱層を介在させると、非加熱面側への熱の流れを遮断することができるため、温度の立ち上がり速度を向上させることができる。すなわち、外管側を加熱面にする構成のときは、この断熱性耐熱層を内管側に施し、その内管内方への熱の流れを遮断し、また内管側を加熱面にする構成のときは、この断熱性耐熱層を外管側に施し、外管外方への熱の流れを遮断するようにするのである。
【００２３】
図２(A),(B) は、それぞれ図１(A),(B) の構造を一層簡略化したヒータユニットの他の例を示す。
図２(A) のヒータユニットは、管材１の内周面に耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３を螺旋状に密着するように配置したものであり、また図２(B) のヒータユニットは、管材１の外周面に耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３を螺旋状に巻回したものである。いずれのヒータユニットも、加熱面を形成する管材を１本だけに簡略化して構成したものである。
【００２４】
これらヒータユニットは、いずれも発熱線３が薄い耐熱性樹脂膜４を介して管材１に熱伝導するので、スイッチ・オンから管材１の温度が所定温度に達するまでの立ち上がり時間を短くすることができ、また温度制御の応答特性をシャープにすることは、図１(A),(B) のヒータの場合と同様である。
図２(A) のヒータユニットの製造法は、耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３を、予め管材１の内径とほぼ同じ大きさの螺旋径にするか、或いはやや大きめの螺旋径にした螺旋状（コイル状）に形成する。次いで、この螺旋状にした発熱線３を、その長手方向に伸長して螺旋径が管材内径よりも小さくなるまで縮径し、それを管材１の中に挿入する。次いで、このように挿入した発熱線３の伸長状態を解除すると、発熱線３は自身のスプリングバック性によって収縮し、その螺旋径が元の大きさに戻るので、管材１の内周面に密着状態になって図２(A) の構造になる。
【００２５】
或いは、他の方法としては、耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３を、管材１の内径よりも小さな螺旋径の螺旋状に形成し、これを管材１の中に通したのち、螺旋を撚りもどす方向に捩じる。発熱線３は、この螺旋の撚り戻しによって拡径するので、螺旋径が管材１の内壁に密着する大きさになったところで、接着剤等によって固定する。
【００２６】
一方、図２(B) の構造のヒータユニットは、管材１の外側に耐熱性樹脂膜４を被覆した発熱線３を螺旋状に巻きつければよいので、特に困難を伴うことなく製造することができる。
上述のように製作されたヒータユニットは、端末を加工することにより所定のチューブ型ヒータにする。例えば図１(A),(B) の構造の場合には、その用途に応じて、それぞれ図４〜図７のように端末加工する。
【００２７】
図４のヒータは、図１(A) のヒータユニットにおいて、発熱線３の端部３ａに絶縁材５，５’を介して電気端子６を接続し、さらに軸芯７を装着固定するようにしたものである。このチューブ型ヒータは、例えば加熱ロールとして使用することができる。
図５のヒータは、図１(B) のヒータユニットに対して、図４と同様の端部加工をしたものである。
【００２８】
図６のヒータは、図１(B) のヒータユニットを使用した図５のヒータ構成において、軸芯７を設けることなく、管材１の端部を外側に延長させたものである。このチューブ型ヒータは、内側の管材１の内面を加熱面にしている。
図７のヒータは、図１(A) のヒータユニットを使用した図４のヒータ構成において、温度制御機構を設けたものである。この温度制御機構は、内側の管材１の内壁に感熱板８を圧接すると共に、その内側に熱電対などの温度センサ９を配置し、その温度センサ９から導線１０を介して、軸芯７に取り付けたセンサ端子１１に接続したものである。
【００２９】
この温度センサ内蔵型のチューブ型ヒータに使用する温度センサとしては、熱電対のような熱起電力発生素子のほか、正特性サーミスタ，負特性サーミスタ、白金抵抗体等の温度による抵抗変化素子も使用可能である。
また、上述した図４、図５、図６、図７などで例示したヒータユニットの場合には、その両端又は片端にスリップリングを設けることにより回転型ヒータとして使用することができる。
【００３０】
上述した本発明によるチューブ型ヒータは、液体加熱用、気体加熱用、固体加熱用のいずれにも使用可能であり、静置型としてのほか、回転加熱ロールとしても使用することができる。また、アルミ鋳物に鋳込むシーズヒータとしての使用のほか、直接の加熱手段としても使用することができる。また、工業用生産プラントの加熱装置としてばかりでなく、家電製品の加熱装置としても使用することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によるチューブ型ヒータの製造方法は、発熱線に耐熱性樹脂膜を被覆するだけで電気絶縁性を得るので、従来のマグネシア粉末を充填するヒータのような均一充填や防湿処理などの複雑で厳密な管理が不要になり、製造工程を著しく簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (A),(B) は、それぞれ本発明のチューブ型ヒータを構成するヒータユニットを例示する縦断面図である。
【図２】 (A),(B) は、それぞれ本発明のチューブ型ヒータを構成する他のヒータユニットを例示する縦断面図である。
【図３】本発明に使用する発熱線を一部を断面にして示す側面図である。
【図４】本発明のチューブ型ヒータの端部を示す縦断面図である。
【図５】本発明の他の実施例からなるチューブ型ヒータの端部を示す縦断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例からなるチューブ型ヒータの端部を示す縦断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例からなるチューブ型ヒータの端部を示す縦断面図である。
【図８】従来のチューブ型ヒータの縦断面図である。
【符号の説明】
１，２ 管材 ３ 発熱線
４ 耐熱性樹脂膜 ５，５’ 絶縁材
６ 電気端子 ９ 温度センサ

Claims (3)

1. 中空の管材の外周面に耐熱性樹脂膜を被覆した発熱線を螺旋状に巻回し、この発熱線を巻回した管材を該管材よりも径の大きな管材の内側に挿入し、次いで外側の管材を縮径させるか、または内側の管材を拡径させて、前記発熱線を前記内外両管材の周面に密着させるようにするチューブ型ヒータの製造方法。
2. 前記耐熱性樹脂膜をポリベンヅイミダゾール樹脂、ポリイミド樹脂またはフッ素樹脂のいずれかから形成した請求項１に記載のチューブ型ヒータの製造方法。
3. 前記管材を金属、セラミックまたはガラスのいずれかから形成すると共に、少なくとも前記縮径または拡径させる管材を金属製にした請求項１に記載のチューブ型ヒータの製造方法。

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