JP3840040B2 - 赤外線電球及び加熱・暖房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱装置、暖房装置などの発熱機器に使用される赤外線電球及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来熱源として使用されている赤外線電球としては、ニクロム線（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ、Ａｌを含む合金）線やタングステン（Ｗ）線をらせん状に成形した発熱体を硝子管内に挿入し、空気中または、所定の雰囲気中で発熱させ、直接または反射板などを併用して熱を放射するものがある。
図１０は、従来の赤外線電球の正面図である。図において、らせん状に巻かれた発熱体６と内部リード４が硝子管１に封入され、硝子管１の端部の封止部の金属箔７を介して内部リード４と外部リード８が電気的に接続されている。図１１は発熱体６の中心軸方向の距離と温度の関係（発熱体温度分布）を示すグラフである。らせん状の発熱体６の中心軸に垂直な断面はどこでも均一な熱輻射強度を有するが、中心軸の方向では両端部の熱輻射強度が放熱のため中央部よりも低くなる傾向にある。らせん状に成形された発熱体において温度分布を変えるためにはらせんのピッチを変える。局部的に温度を上げるためにはらせんのピッチを狭くしなければならないが、あまり狭くしすぎると隣り合う線が接してしまうことがあった。
【０００３】
これらの問題点を解決するために、従来のらせん状の発熱体の代りに、棒状に成形した炭素系物質を発熱体として使用する赤外線電球が提案されている。炭素系物質は赤外線放射率が７８〜８４％と高いため、発熱体として炭素系物質を用いる赤外線電球の赤外線放射率も高くなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のらせん状の金属発熱体を有する赤外線電球においては次の問題を有している。図１０において、発熱体６のＢ、Ｃ間はほぼ均一な温度分布を示す。しかし、端部のＡ、Ｂ間及びＣ、Ｄ間は均一な温度分布を示さない。この状態を図１１に示す。端部の温度分布を均一にするには、巻線のピッチを端部で細かくする方法が採られているが、ピッチをあまり細かくすると隣り合う巻線が接触するおそれがある。また、巻線が発熱中は軟化して垂れ下がることもある。垂れ下がり（当技術分野ではサグ（sag）という）を防止するためには多数の保持部材（図示省略）を設ける必要がある。保持部材を設けることにより、コストが上昇するとともに信頼性が低下するおそれがある。
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成で、所望の発熱体温度分布が得られる低コストの赤外線電球を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の赤外線電球は、板厚と板幅との比が１：５以上である実質的に細長い板状に形成され、結晶化炭素の基材に抵抗値調整物質及びアモルファス炭素を加えた混合物からなる炭素系物質で形成された発熱体、
前記発熱体の両端に取り付けられ、導電性材料で形成された保持ブロック、
前記保持ブロックの外周面に密着して巻き付けられ、電気的に接続されたコイル部と、前記コイル部に繋がり弾性を有するスプリング部とを有する内部リード線、及び
前記発熱体と前記保持ブロックと前記内部リード線とを気密に封入し、前記内部リード線を外部に導出するための電極を両端に埋設した硝子管、を具備する赤外線電球であって、
前記発熱体が全長にわたって同じ板幅を有し、前記発熱体における板幅を規定する板幅面に当該板幅より短い板幅方向の開口を持つ凹み領域が形成されており、
前記発熱体において、前記凹み領域が形成されている第２の発熱部における長手方向に垂直な断面の断面積が、前記凹み領域が形成されていない第１の発熱部における長手方向に垂直な断面の断面積より小さく形成され、前記第１の発熱部と前記第２の発熱部との境界部が曲面又は斜面により形成され、そして前記境界部における長手方向に垂直な断面の断面積が長手方向に沿って徐々に変わるよう形成されており、通電により前記境界部における温度が長手方向に沿って徐々に変わる温度で指向性を有して発熱するよう構成されたことを特徴とする。第２の発熱部は、長手方向に垂直な断面の断面積が第１の発熱部の断面積より小さいので電気抵抗が大きい。従って発熱体を電流が流れるとき第２の発熱部は第１の発熱部より温度が高くなる。長い発熱体の端部は中央部より温度が低くなるので、端部に第２の発熱部を設けると、発熱体の全長にわたって温度分布を均一にすることができる。
【０００６】
本発明の加熱・暖房装置は、板厚と板幅との比が１：５以上である実質的に細長い板状に形成され、結晶化炭素の基材に抵抗値調整物質及びアモルファス炭素を加えた混合物からなる炭素系物質で形成された発熱体、
前記発熱体の両端に取り付けられ、導電性材料で形成された保持ブロック、
前記保持ブロックの外周面に密着して巻き付けられ、電気的に接続されたコイル部と、前記コイル部に繋がり弾性を有するスプリング部とを有する内部リード線、及び
前記発熱体と前記保持ブロックと前記内部リード線とを気密に封入し、前記内部リード線を外部に導出するための電極を両端に埋設した硝子管、を具備する赤外線電球を持つ加熱・暖房装置であって、
前記発熱体が全長にわたって同じ板幅を有し、前記発熱体における板幅を規定する板幅面に当該板幅より短い板幅方向の開口を持つ凹み領域が形成されており、
前記発熱体において、前記凹み領域が形成されている第２の発熱部における長手方向に垂直な断面の断面積が、前記凹み領域の形成されていない第１の発熱部における長手方向に垂直な断面積より小さく形成され、前記第１の発熱部と前記第２の発熱部との境界部が曲面又は斜面により形成され、そして前記境界部における長手方向に垂直な断面の断面積が長手方向に沿って徐々に変わるよう形成されており、通電により前記境界部における温度が長手方向に沿って徐々に変わる温度で指向性を有して発熱するよう構成され、
前記第１の発熱部の長手方向に垂直な断面の長辺に垂直な方向に被加熱物を配置するよう構成されたことを特徴とする。本発明の加熱・暖房装置は発熱体の全長にわたって均一な温度分布を有する赤外線電球を用いるので、被加熱物を均一に加熱することができる。
【０００７】
本発明の他の観点の赤外線電球は、前述の本発明の赤外線電球において、前記硝子管の壁面の一部に反射率の高い物質の膜を形成したことを特徴とする。硝子管に反射膜を設けることにより発熱体の熱を集中させることができる。
【０００８】
本発明の他の観点の加熱・暖房装置は、前述の本発明の加熱・暖房装置において、前記硝子管の壁面の一部に反射率の高い物質の膜を形成し、被加熱物に対して前記膜により反射された熱が集中するよう構成されたことを特徴とする。加熱・暖房装置は硝子管に反射膜を設けることにより発熱体の熱に指向性を有する構成となる。
【０００９】
前記赤外線電球に反射部材を設け、前記反射部材の反射面に対向して被加熱物を配置することにより加熱・暖房装置の効率が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の赤外線電球の好適な実施例について、添付の図１から図９を参照しつつ説明する。
《第１の実施例》
図１の（ａ）は本発明の第１の実施例における赤外線電球１８の構造を示す斜視図である。図１の（ａ）は赤外線電球１８の両端部のみを示し中央部分は図示を省略している。図１の（ｂ）及び（ｃ）は図１の（ａ）のＩｂ−Ｉｂ断面図の２つの例である。図２は、図１の（ａ）に示す赤外線電球１８の長手方向（以下、軸方向という）の温度分布を示すグラフである。
【００１３】
図１において、赤外線電球１８は、長い板状の発熱体２、保持ブロック３及び内部リード線１４が硝子管１内に封入されて構成されている。内部リード線１４は、モリブデン箔７を経て外部リード線８に接続されている。発熱体２は、長い棒状又は板状に成形された炭素系物質であり、黒鉛などの結晶化炭素の基材に窒素化合物の抵抗値調整物質、及びアモルファス炭素を加えた混合物からなる。この発熱体２の寸法は例えば、板幅Ｗが６ｍｍ、板厚Ｔが０．５ｍｍ、長さが３００ｍｍである。発熱体２は、板厚と板幅との比が１：５以上であるのが望ましい。板幅Ｗを板厚Ｔより大きくすることにより、板幅Ｗを有する面から出る熱が板厚Ｔを有する面から出る熱より多くなり、発熱体２の放熱に指向性を持たすことができる。発熱体２は、第１の発熱部１１と、第１の発熱部１１の中に部分的に形成され、第１の発熱部１１の板厚Ｔより板厚ｔの薄い長円形の領域である第２の発熱部１０とを有する。第２の発熱部１０を長円形にすることにより、第１の発熱部１１と第２の発熱部１０の境界部では軸方向（長手方向）に垂直な断面の断面積が長手方向に沿って徐々に変わることになる。
【００１４】
第２の発熱部１０の形状は長円形に限られるものではなく、ひし形、六角形など様々な形状にすることができる。第１の発熱部１１と第２の発熱部１０との境界部Ｒ０、すなわち前記長円形の縁部に図１の（ｃ）に示すように曲面や斜面を設けてもよい。第１の発熱部１１と第２の発熱部１０の境界部Ｒ０は図１の（ｄ）に示すように階段状の輪部を有するものでもよい。第２の発熱部１０は、発熱体２を成形した後、加工治具にて第１の発熱部１１の所定部分を切削して形成してもよい。円柱状の保持ブロック３は導電性材料で形成されており、発熱体２の両端に電気的に接続されるように取り付けられている。保持ブロック３は黒鉛等の、発熱体２の熱がコイル状の内部リード線４に伝わりにくい材料で作るのが好ましい。保持ブロック３は、モリブデンやタングステン等の弾性を有する金属線をらせん状に成形した内部リード線１４のコイル部５に挿入される。コイル部５は保持ブロック３の外周面に密着して巻き付き、両者は電気的に接続される。コイル部５は弾性を有するスプリング部６を経てリード線１４Ａにつながっている。リード線１４Ａとコイル部５との間にスプリング部５を設けることにより、発熱体２の膨張による寸法変化を吸収できる。
【００１５】
図２は、図１に示す赤外線電球の軸方向の温度分布を示すグラフである。温度の測定は、カラーメータによる色温度の測定又はサーモパイルによる輻射熱の測定によって行った。図２の横軸は赤外線電球の軸方向の距離を示し、原点０は図１の保持ブロック３とコイル部５の境界部に対応している。縦軸は温度を示す。図２によれば、第１の発熱部１１の温度がＫ０であり、第２の発熱部１０の温度はＫ０よりも高いＫ１である。第２の発熱部１０の板厚を第１の発熱部１１の板厚より薄くしたことにより、発熱体２の単位長当たりの抵抗は、第２の発熱部１０が第１の発熱部１１より大きい。そのため発熱体２を流れる電流による第２の発熱部１０の単位長当たりのジュール熱は第１の発熱部１１のジュール熱より多く、第２の発熱部１０の温度は第１の発熱部１１の温度より高くなる。
【００１６】
第２の発熱部１０の板厚ｔ、面積、形状を変えることにより、所望の温度分布を有する赤外線電球が実現できる。図３、図４、図５及び図６は、それぞれ異なる形状の第２の発熱部を有する発熱体２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄの斜視図である。図３の（ａ）の第２の発熱部１０ａは、断面図（ｂ）に示すように長円形の貫通孔１０ｅを有する。図３の（ｃ）に示すように貫通孔の周囲をゆるやかな曲面又は斜面にしてもよい。ゆるやかな斜面にすることにより、貫通孔の周囲の温度勾配をゆるやかにすることができる。
【００１７】
図４の（ａ）の第２の発熱部１０ｂは２個の円形の孔又は凹みを設けている。図４の（ｂ）に２個の円形の孔を設けたものの断面図を示す。また図４の（ｃ）に２個の円形の凹みを設けたものの断面図を示す。図４の（ｃ）に示すように、円形の凹みの周囲を曲面又はゆるやかな斜面にするのが望ましい。
図５の（ａ）の第２の発熱部１０ｃは、図５の（ｂ）の断面図に示すように発熱体２ｃの一部分の厚さを全幅にわたって薄くしている。薄くした部分と元の厚さの部分の境界部Ｒ３はゆるやかな斜面にして、熱勾配をゆるやかにしている。図６は、発熱体２ｄの幅Ｗを第２の発熱部１０ｄの部分で狭くしている。幅を狭くした部分と元の幅Ｗとの境界部Ｒ４は曲線でつながる形状にしている。これにより温度勾配をゆるやかにしている。
【００１８】
第２の発熱部の形状は前記図３から図６に示す形状に限られるものではなく、発熱体２の単位長当たりの抵抗が、軸方向で局部的に他の部分より大きくなるような形状であればどのような形状でもよい。
【００１９】
《第２実施例》
図７の（ａ）は本発明の第２実施例の赤外線電球の斜視図である。図７の（ａ）において、第１実施例のものとの差異は、硝子管１の内面又は外面に反射率の高い材料による反射膜１２を設けた点である。反射膜１２を斜線で示している。その他の構成は第１実施例のものと同じである。反射膜１２は、硝子管１の円周の２分の１程度の部分に設けるのが望ましい。反射膜１２の軸方向の長さは発熱体の長さとほぼ同じである。反射膜１２は、例えば、金箔を硝子管の壁面に張り付け焼成することによって形成することができる。この赤外線電球を用いるときは、硝子管１の反射膜１２を有しない面を被加熱物に向けて置く。この構成により、発熱体２から反射膜１２の方向に放射された熱は反射膜１２により反射され、被加熱物に与えられるので、赤外線電球の熱効率が高くなる。反射膜１２は、窒化チタン、銀、アルミニウム等の膜を用いてもよい。膜厚はある程度厚い方がよい。反射膜１２は硝子管１の内面、外面のいずれの面に設けてもよい。反射膜１２と発熱体２との関係については、図７の（ｂ）の断面図に示すように、反射膜１２の円弧の端を結ぶ線１２Ａと発熱体２の幅の広い面が平行になるように配置するのがよい。
【００２０】
《第３実施例》
図８の（ａ）は、本発明の第３実施例の、赤外線電球を用いた加熱・暖房装置の斜視図である。図８の（ａ）において赤外線電球１８は第１実施例のものと同じである。本実施例では断面が半円の反射板１３を赤外線電球１８の近傍に設けている。反射板１３の長さは発熱体２の長さとほぼ等しくなされている。反射板１３は、反射率が高くなるように鏡面になされたアルミニウム板、ステンレススチール板等が望ましい。また鉄板等の表面に、金、窒化チタン、銀、、アルミニウム等の皮膜を設けて鏡面にしたものでもよい。反射板１３と発熱体２との関係については、図８の（ｂ）の断面図に示すように、反射板１３の円弧の端部を結ぶ線１３Ａと発熱体２の幅の広い面とが平行になるように配置するのがよい。反射板１３を設けたことにより、発熱体２から反射板１３に向かって放射される熱は反射板１３で反射され、反射板１３を有しない方向に向けられる。その結果発熱体２から放射される熱を反射板１３を有しない方向に集中させることができ赤外線電球１３の熱の利用効率が向上する。
【００２１】
《第４実施例》
図９は本発明の第４実施例の、赤外線電球を用いた加熱・暖房装置の斜視図である。赤外線電球１８は第１実施例のものと同じである。本実施例では、硝子管１の外径より大きい内径を有する円筒状のケース２４の中に赤外線電球１８を挿入している。ケース２４の材質は、鉄、アルミニウムなどの金属、あるいは硝子、セラミック等が望ましい。低温の加熱・暖房装置ではケース２４を樹脂や紙等で形成してもよい。ケース２４の内面に熱吸収のよい皮膜、例えば黒色の皮膜等を設けるとケース２４の温度の上昇速度が速くなる。ケース２４の軸方向の温度分布が均一になるように、発熱体２の温度分布を設定する。そのために、発熱体２の適切な位置に第２の発熱部１０を設けるとよい。
【００２２】
本実施例の加熱装置は魚・肉など食品の加熱に用いることができる。食品を加熱すると、肉汁や塩分を含む液体が飛散することが多い。このような液体が硝子管１に付着すると、硝子管１の表面が汚れる。ときには硝子管１が割れる場合がある。本実施例では、ケース２４が硝子管１を保護するので上記の問題は起こらない。被加熱物は、ケース２４から離して配置してもよく、また、必要に応じてケース２４に接触させてもよい。
【００２３】
本発明の赤外線電球は暖房機器；例えばストーブ・コタツ・エアコン・脱衣場、浴室暖房・赤外線治療器等、乾燥機器；例えば衣類乾燥・布団乾燥・食品乾燥・生ゴミ処理機・加熱型消臭器、浴室乾燥器等、調理器；例えばオーブン・オーブンレンジ・オーブントースター・トースター・ロースター・保温器・焼き鳥器・コンロ・焙煎・冷蔵庫解凍用等、理容器；例えばドライヤー・パーマネント加熱器等、シートに文字や画像等を定着する機器；例えばＬＢＰ・ＰＰＣ・ファックスなどトナーを媒体として表示する機器や熱を利用してフィルム原本から被転写体へ熱転写する機器等の熱源として使用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上、各実施例で詳細に説明したところから明らかなように、本発明は次の効果を有する。
発熱体の第１の発熱部と第２の発熱部の温度を変えることができるので、赤外線電球の長手方向の温度分布を所望のものにすることができる。第１の発熱部と第２の発熱部の境界部の断面が徐々に変化するように、第２の発熱部を円などにしているので境界部の温度変化はゆるやかになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例における赤外線電球の斜視図である。
（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ断面図である。
（ｄ）は他の例の発熱体の部分図である。
【図２】第１図の赤外線電球の発熱体の軸方向の温度分布図である。
【図３】（ａ）は赤外線電球の発熱体の第１の発熱部、第２の発熱部の部分斜視図である。
（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）のIIIｂ−IIIｂ断面図である。
【図４】（ａ）は赤外線電球の発熱体の第１の発熱部、第２の発熱部の部分斜視図である。
（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）のIＶｂ−IＶｂ断面図である。
【図５】（ａ）は赤外線電球の発熱体の第１の発熱部、第２の発熱部の部分斜視図である。
（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ断面図である。
【図６】赤外線電球の発熱体の第１の発熱部、第２の発熱部の部分斜視図である。
【図７】（ａ）は本発明に係る第２の実施例における赤外線電球の斜視図である。
（ｂ）は（ａ）の中央部の断面図である。
【図８】（ａ）は本発明に係る第３の実施例における赤外線電球の斜視図である。
（ｂ）は（ａ）の中央部の断面図である。
【図９】本発明に係る第４の実施例における赤外線電球の斜視図である。
【図１０】 従来の赤外線電球の正面図である。
【図１１】第１０図の赤外線電球の軸方向の温度分布図である。
【符号の説明】
１ 硝子管
２ 発熱体
３ 導電性ブロック
４ 内部リード線
５ コイル状部
６ スプリング状部
７ モリブデン箔
８ 外部リード線
９ 温度曲線
１０ 第２の発熱部
１１ 第１の発熱部
１２ 反射膜
１３ 反射板
２４ ケース

Claims (7)

1. 板厚と板幅との比が１：５以上である実質的に細長い板状に形成され、結晶化炭素の基材に抵抗値調整物質及びアモルファス炭素を加えた混合物からなる炭素系物質で形成された発熱体、
   前記発熱体の両端に取り付けられ、導電性材料で形成された保持ブロック、
   前記保持ブロックの外周面に密着して巻き付けられ、電気的に接続されたコイル部と、前記コイル部に繋がり弾性を有するスプリング部とを有する内部リード線、及び
   前記発熱体と前記保持ブロックと前記内部リード線とを気密に封入し、前記内部リード線を外部に導出するための電極を両端に埋設した硝子管、を具備する赤外線電球であって、
   前記発熱体が全長にわたって同じ板幅を有し、前記発熱体における板幅を規定する板幅面に当該板幅より短い板幅方向の開口を持つ凹み領域が形成されており、
   前記発熱体において、前記凹み領域が形成されている第２の発熱部における長手方向に垂直な断面の断面積が、前記凹み領域が形成されていない第１の発熱部における長手方向に垂直な断面の断面積より小さく形成され、前記第１の発熱部と前記第２の発熱部との境界部が曲面又は斜面により形成され、そして前記境界部における長手方向に垂直な断面の断面積が長手方向に沿って徐々に変わるよう形成されており、通電により前記境界部における温度が長手方向に沿って徐々に変わる温度で指向性を有して発熱するよう構成された赤外線電球。
2. 前記硝子管の壁面の一部に反射率の高い物質の膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
3. 板厚と板幅との比が１：５以上である実質的に細長い板状に形成され、結晶化炭素の基材に抵抗値調整物質及びアモルファス炭素を加えた混合物からなる炭素系物質で形成された発熱体、
   前記発熱体の両端に取り付けられ、導電性材料で形成された保持ブロック、
   前記保持ブロックの外周面に密着して巻き付けられ、電気的に接続されたコイル部と、前記コイル部に繋がり弾性を有するスプリング部とを有する内部リード線、及び
   前記発熱体と前記保持ブロックと前記内部リード線とを気密に封入し、前記内部リード線を外部に導出するための電極を両端に埋設した硝子管、を具備する赤外線電球を持つ加熱・暖房装置であって、
   前記発熱体が全長にわたって同じ板幅を有し、前記発熱体における板幅を規定する板幅面に当該板幅より短い板幅方向の開口を持つ凹み領域が形成されており、
   前記発熱体において、前記凹み領域が形成されている第２の発熱部における長手方向に垂直な断面の断面積が、前記凹み領域が形成されていない第１の発熱部における長手方向に垂直な断面の断面積より小さく形成され、前記第１の発熱部と前記第２の発熱部との境界部が曲面又は斜面により形成され、そして前記境界部における長手方向に垂直な断面の断面積が長手方向に沿って徐々に変わるよう形成されており、通電により前記境界部における温度が長手方向に沿って徐々に変わる温度で指向性を有して発熱するよう構成され、
   前記第１の発熱部の長手方向に垂直な断面の長辺に垂直な方向に被加熱物を配置するよう構成されたことを特徴とする加熱・暖房装置。
4. 前記硝子管の壁面の一部に反射率の高い物質の膜を形成し、被加熱物に対して前記膜により反射された熱が集中するよう構成されたことを特徴とする請求項３に記載の加熱・暖房装置。
5. 前記赤外線電球に反射部材を設け、前記反射部材の反射面に対向して被加熱物を配置するよう構成した請求項３又は４に記載の加熱・暖房装置。
6. 前記赤外線電球を筒状のケースの中に挿入し、前記筒状のケースの近傍に被加熱物を配置した請求項３又は４に記載の加熱・暖房装置。
7. 前記筒状のケースが、アルミニウム系物質を含む材料、鉄系物質を含む材料、セラミックス系物質を含む材料のいずれかの材料で構成されたことを特徴とする請求項６に記載の加熱・暖房装置。

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