JP4046440B2

JP4046440B2 - 浸漬式ヒーター及びヒーターユニット

Info

Publication number: JP4046440B2
Application number: JP11501599A
Authority: JP
Inventors: 公男北村; 健司田中
Original assignee: Teitokusha Co Ltd
Current assignee: Teitokusha Co Ltd
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: JP2000306658A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアルミニウムや亜鉛用の溶解保温炉などに用いる浸漬式ヒータに関し、詳しくは、電気抵抗発熱体を支持体に取り付けて外筒内に挿入してある浸漬式ヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上述の浸漬式ヒータの一例としては、特開平８−２９３３８０号公報に記載の如く、外筒内に板状の発熱体を沿うように屈曲させて設けたものが知られている。同従来技術においては、通電による発熱体の熱膨張で、この発熱体を外筒内面に接触させている。
【０００３】
しかし、同従来技術では発熱体同士の間に配置した碍子に発熱体の両端部を当接させて発熱体を熱膨張させることで、発熱体を外筒内面に接触させているので、この碍子に当接する部分では発熱体の外筒内面に対する密着が一部不十分となる可能性があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の技術に鑑みて、本発明は、発熱体をより広範囲で外筒内面に密着させることで発熱体から外筒に対する伝熱効率を向上させ得る浸漬式ヒーター及びヒーターユニット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】
上記目的を達成するため、本発明にかかる浸漬式ヒーターの第一の特徴構成は、電気抵抗発熱体を支持体に取り付けて外筒内に挿入し、薄板を前記外筒内面の曲面に沿うように屈曲させて前記発熱体を形成し、前記支持体に前記外筒よりも熱膨張率の大きな材料の部材を設けたことにある。
【０００６】
同特徴によれば、薄板を外筒内面の曲面に沿うように屈曲させて発熱体を形成することで、発熱体が全面的に外筒内面に密着可能となる。そして、支持体に外筒よりも熱膨張率の大きな材料の部材を設けることで、発熱体への通電時における加熱で支持体を外筒よりも熱膨張させ、これによって発熱体をその内面全面から外筒に向かって押圧することが可能となる。特に、発熱体に変形しやすい薄板状のものを用いることで、発熱体が外筒内面に馴染んで密着しやすく、支持体の熱膨張と相まって、押圧力を加えた状態で発熱体のほぼ全面を外筒内面に密着させることが可能となる。
【０００７】
前記支持体を作成するに際しては、筒状体とこの筒状体内に充填する前記外筒よりも熱膨張率の大きな充填材とで構成するとよい。充填材が発熱体と外筒との間に回り込んで伝熱効率が低下するのを防ぐことができるからである。また、筒状体を塑性変形又は弾性変形の可能な材料、例えばセラミックペーパ又はセラミッククロス等により構成することで、発熱体の保持と充填材の過度膨張に対する干渉材としての機能を持たせることができる。また、支持体内に介在物を設けることでも充填材を減量させて充填材の過度膨張を防止することができる。
【０００８】
前記発熱体はプレス成形等で薄板にスリットを形成するとよいが、この薄板にスリットを千鳥状に形成することで前記発熱体の電流路を蛇行状に構成し、外筒内という一定の面積内で抵抗値を調節することが可能となる。
【０００９】
発熱体の一側に突起を突出させ、この突起を支持体側に配向することで、支持体に発熱体を係止して発熱体を保持することが可能となる。
【００１０】
上述の如き浸漬式ヒーターに用いるヒーターユニットの特徴は、支持体を構成する筒状体の外面に発熱体を貼り付けたことにあり、外筒への挿入前に外径を外筒の内径よりも若干小さく形成することで、外筒への挿入が容易となる。
【００１１】
【発明の効果】
このように、上記本発明にかかる浸漬式ヒーター及びヒーターユニットの特徴構成によれば、薄板状の発熱体を通電時の加熱によりその内面全面から外筒に向かって押圧するので、従来よりも発熱体をより広範囲で外筒内面に密着させることができるようになった。その結果、発熱体から外筒に対する接触熱伝導効率を向上させることが可能となり、電気エネルギーの有効利用と浸漬式ヒーターの長期使用との双方を達成し得るようになった。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を参照しながら、本発明の第一実施形態を説明する。
本実施形態における浸漬式ヒ−ター１は、アルミニウムの溶解保温炉内にその長手方向を横向き又は縦向きで挿入して使用する。図示しない発熱体に対する入力端子は溶解保温炉の外側である上方又は測方に向けて配置される。外筒２は窒化けい素を主体とするセラミック製の筒状体であって、炉内側の先端が封止され、他端側には取付け用のフランジと入力端子とを有している。
【００１３】
外筒２の内部には支持体５の外面に発熱体１０を取り付けてなるヒ−ターユニット３を挿入してある。ヒ−ターユニット３は溶解保温炉内でアルミニウムの湯に漬かる部分に発熱体１０を配置するために、主として外筒２の先端側に配置され、炉外の入力端子からヒ−ターユニット３までの間は延長端子により接続される。図１、２はいずれもこの先端側部分の断面図等である。
【００１４】
発熱体１０は例えばＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ等の薄板にプレス成形等でスリット１１を打ち抜き形成したものである。スリット１１は長細い薄板の左右一方に解放されるように千鳥状に交互に形成され、蛇行状の電流路を構成する。もちろん、スリット１１は千鳥状以外のパターンで形成してもよいし、スリット１１を有さない発熱体１０としてもよい。発熱体１０は外筒２の内曲面に合わせて屈曲させるように薄型に形成することが望ましく、また、スリット１１の幅は絶縁性に問題がない程度の狭幅とすることが望ましい。なお、各発熱体１０はその長手方向を外筒２の長手方向に配向してあるので、発熱体１０自体が熱膨張により伸長してもこの発熱体１０の長手方向両端部を規制するものはなく、発熱体自体の熱膨張による不都合な変形は基本的に発生しない。
【００１５】
支持体５は筒状体５ａ内に熱膨張材としての粉体５ｂを充填してなる。粉体５ｂは発熱体１０への通電時における加熱で外筒２よりも大きく熱膨張することで発熱体１０の外面を外筒２内面に圧接し、発熱体１０から外筒２外部への伝熱効率を向上させる。筒状体５ａ内への熱膨張材は発熱体１０への均一な圧接力を得るために粒状又は粉体５ｂであることが望ましい。熱膨張材としての粉体５ｂには絶縁性、耐火性及びある程度の断熱性を備え、外筒２の材料よりも熱膨張率の大きな材料が適当であり、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）、マイカ及びジルコニア等を用いることが可能である。この粉体５ｂは筒状体５ａへの充填後に固化するものであってもよい。一方、外筒２の材料としては、窒化硅素、サイアロン、窒化アルミニウム等も用いることができる。
【００１６】
筒状体５ａはセラミックファイバ−を薄く紙状にまとめたセラミックペーパー６を丸めてなり、筒状体５ａ外への粉体５ｂの流出を防ぐために、継ぎ目６ｂでセラミックペーパー６の一部を重ねてある。本実施形態では四枚の発熱体１０を用いてあり、隣り合う各発熱体１０，１０の間には粉体５ｂの熱膨張によりセラミックペーパー６が変形してなる突出部６ａが位置しており、隣り合う発熱体１０，１０同士を絶縁してこれらの短絡防止に寄与している。筒状体５ａは、発熱体１０を外筒２の内面に均一に圧接すると共に粉体５ｂの過度の熱膨張に伴う外筒２の破損を防ぐために、適度に弾性変形又は塑性変形が可能な材料であることが望ましく、セラミックペーパー６の他にセラミッククロス、シリカクロスや、セラミックウールの筒状成形体等、セラミックファイバーの成形体を用いることができる。
【００１７】
粉体５ｂの熱膨張に伴う押圧力が外筒２の長手方向に解放されて外筒２内面に対する押圧力が減少することを防ぐ必要がある。そこで、図示省略するが、支持体５の一端を外筒２の先端側まで充填させると共に、支持体５の他端を発熱体１０よりも外筒２の他端側に長く延長してある。粉体５ｂの外部流出を防ぐために筒状体５ａの端部を閉じるか又はセラミック成形体やセラミックウールの蓋で筒状体５ａの端部を閉じることが望ましい。
【００１８】
発熱体１０は継ぎ目６ｂや接着剤により筒状体５ａ外面に固定すればよいが、さらに強固に発熱体１０を固定するための構造を図３に示す。発熱体１０にスリット１１を打ち抜き形成する場合には小さなバリ１０ａが突起として発生することがある。本実施形態ではこのバリ１０ａを意図的に筒状体５ａ側に配向し、バリ１０ａを筒状体５ａに食い込ませることで外筒２内面への接触とあいまって発熱体１０を筒状体５ａに固定し、しかも外筒２内面に対して発熱体１０をより密着させている。図面ではバリ１０ａが連続して発生しているが、このバリ１０ａを鋸状等に断続的に発生させてもよいし、さらに大きな突起として形成して筒状体５ａに食い込ませてもよい。
【００１９】
また、同図（ｂ）に示すように、スリット１１を打ち抜く際に薄板の一部を残して折り曲げることにより突起としての係止片１０ｂを形成し、これを筒状体５ａに食い込ませてもよい。なお、係止片１０ｂは発熱体１０を形成する薄板の側縁に形成することも可能であるが、材料効率の面からは係止片１０ｂをスリット１１内に形成する方が望ましい。これら突起１０ａ，１０ｂを設けておくことで、浸漬式ヒーター１への通電解除後の冷却時に伴う支持体５の熱収縮が発生しても発熱体１０を支持体５上に充分保持することが可能となる。
【００２０】
浸漬式ヒーター１の製造又は断線時におけるヒーターユニット３の交換に際しては、外筒２の内部に粉体５ｂを充填する前のヒーターユニット３を挿入する。このヒーターユニット３は、セラミックペーパー６を丸めてなる筒状体５ａの外面に発熱体１０を貼り付けたものであり、全体の外径を外筒２の内径よりも若干小さく形成することで、ヒーターユニット３を外筒２へ容易に挿入できるようにしている。図示省略するが、筒状体５ａの先端は外筒２の先端に到達する程度の長さを有すると共に塞いであり、筒状体５ａの他端は発熱体１０よりもさらに長く張り出させてある。
【００２１】
ヒーターユニット３の外筒２内への挿入後に筒状体５ａ内部に粉体５ｂを振動させ又は加圧しつつ充填すると、発熱体１０及び突出部６ａが外筒２内面に接触するように筒状体５ａは拡張する。少なくとも継ぎ目６ｂの部分にバインダー等を含浸させておくと、充填時にこの粉体５ｂが継ぎ目６ｂから漏れることを防ぐことができる。もちろん、制作時において筒状体５ａ全体にバインダー等を含浸させておいてもよい。
【００２２】
発熱体１０への通電に伴う加熱によって粉体５ｂは外筒２よりも大きく熱膨張し筒状体５ａを介して発熱体１０を外筒２内面に押し付ける。筒状体５ａは外筒２内面側に各発熱体１０，１０間の突出部６ａ及び各スリット１１間でより拡張して発熱体１０の位置ずれを防ぐように保持する。
【００２３】
次に、本発明の別の実施形態について以下列挙する。なお、上記第一実施形態と同様の部材には同様の符号を附してあり、特に言及しない構成については上記第一実施形態と同様であるものとする。
【００２４】
図４に示す第二実施形態では、四枚のセラミックペーパー６の小片をつなぎ合わせて筒状体５ａを構成している。また、各継ぎ目６ｂでは一方のセラミックペーパー６の端部に折り返し６ｃを設け、この折り返し６ｃを粉体５ｂの充填により突出部６ａとして活用している。図４（ａ）に示す粉体５ｂ充填前のヒーターユニット３の外径は外筒２の内径よりも第一実施形態と同様に小さく形成してある。そして、図４（ｂ）に示す粉体５ｂ充填後にヒーターユニット３の外径を拡張させて発熱体１０を外筒２に密着させている。
【００２５】
図５に示す第三実施形態は第一実施形態と基本的に同様の構成ではあるが、粉体５ｂ内に介在物たる内筒７を設けて粉体５ｂの充填量を減少させることにより、粉体５ｂによる過度の熱膨張を調整している。また、適当な熱膨張係数を有する部材により介在物を構成することで、発熱体の外筒への押し付け圧力を調整することが可能である。内筒７は外筒２と同様に剛性体の一例であるセラミックスで形成され、粉体５ｂが内部に侵入しないようにその両端部を塞いである。介在物としては、内筒７に限らず小塊を多数粉体５ｂ内に分散させてもよい。また、内筒７の周囲にセラミックウール等塑性変形や弾性変形の可能な材料を介在させたり、介在物自体を塑性変形や弾性変形の可能な材料で形成することにより、筒状体５ａをセラミックペーパー６で形成したのと同様に粉体５ｂによる過度の熱膨張を吸収することが可能となる。
【００２６】
上述の内筒７等の介在物には熱膨張係数が負である材料も用いることができる。また、上述の粉体５ｂとしても、熱膨張係数の大きな材料と熱膨張係数が小又は負の材料とを混合した全体として熱膨張係数が正の混合材料を用いてもよい。これら熱膨張係数が負である材料としては、ユークリプタイト、スポジュウメン、ペタライト、チタン酸アルミニウム等またはこれらの組み合わせを用いることが可能である。
【００２７】
上記各実施形態では筒状体５ａ内に充填する充填材として粉体５ｂを用いた。しかし、この充填材としてスラリーやゲル状の充填材を用いても構わない。また、充填材は充填後に粉体のままでもよいし、充填後や加熱後に固化するものであってもよい。
【００２８】
上記各実施形態では、細長い薄板状の発熱体１０をその長手方向を外筒２の長手方向に向けて円周方向に四枚配置した。その枚数は外筒２の内径に合わせて適宜変更が可能である。また、例えば１枚の発熱体を丸めて支持体５のほぼ全周にこの一枚の発熱体を配置してもよい。すなわち、発熱体は円周方向に対して一円周内に少なくとも一箇所の分断箇所があれば、発熱体の熱膨張による不要な変形を防ぐことができる。
【００２９】
本発明は、その技術的思想及び主要な特徴構成から逸脱することなく、他の種々の形で実施することができる。前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明を限定的に解釈してはならない。
【００３０】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、この記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる浸漬式ヒーターの横断面図であって、（ａ）はヒーターユニット挿入時、（ｂ）はヒーターユニット挿入後の状態をそれぞれ示すものである。
【図２】外筒を破砕した浸漬式ヒーター側面図である。
【図３】（ａ）は図２におけるＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態にかかる浸漬式ヒーターの横断面図であって、（ａ）はヒーターユニット挿入時、（ｂ）はヒーターユニット挿入後の状態をそれぞれ示すものである。
【図５】本発明の第三実施形態にかかる浸漬式ヒーターの横断面図である。
【符号の説明】
１浸漬式ヒーター
２外筒
３ヒーターユニット
５支持体
５ａ筒状体
５ｂ粉体（充填材）
６セラミックペーパー
６ａ突出部
６ｂ継ぎ目
６ｃ折り返し
７内筒（介在物）
１０発熱体
１０ａバリ（突起）
１０ｂ係止片（突起）
１１スリット。

Claims

電気抵抗発熱体（１０）を支持体（５）に取り付けて外筒（２）内に挿入し、薄板を前記外筒（２）内面の曲面に沿うように屈曲させて前記発熱体（１０）を形成し、前記支持体（５）に前記外筒（２）よりも熱膨張率の大きな材料の部材を設けてある浸漬式ヒーター。
前記支持体（５）が筒状体（５ａ）とこの筒状体（５ａ）内に充填する前記外筒（２）よりも熱膨張率の大きな充填材（５ｂ）とを有している請求項１に記載の浸漬式ヒーター。
前記筒状体（５ａ）がセラミックペーパ（６）又はセラミッククロス等により構成されている請求項２に記載の浸漬式ヒーター。
前記薄板にスリット（１１）を千鳥状に形成することで前記発熱体（１０）の電流路を蛇行状に構成してある請求項１〜３のいずれかに記載の浸漬式ヒーター。
前記支持体（５）内に介在物（７）を設けてある請求項２〜４のいずれかに記載の浸漬式ヒーター。
前記発熱体（１０）の一側に突起（１０ａ，１０ｂ）を突出させ、この突起（１０ａ，１０ｂ）を前記支持体（５）側に配向してある請求項１〜５のいずれかに記載の浸漬式ヒーター。
請求項１〜６のいずれかに記載の浸漬式ヒーターに用いるヒーターユニットであって、前記支持体（５）を構成する筒状体（５ａ）の外面に前記発熱体（１０）を貼り付けてあるヒーターユニット。