JP4112169B2 - 赤外線電球 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の抵抗温度係数を有する炭素系物質よりなる発熱体用いた赤外線電球に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来ヒーターの発熱体としては、タングステン線やニクロム線が主に使われている。タングステン線は、空気中では酸化するため石英ガラス管等に封入し、内部に不活性ガスを密封したランプタイプのものが、ニクロム線は、コイルの保護として不透明石英ガラス管等に挿入し空気雰囲気で使うタイプのものが製品化されている。しかし、タングステン線は点灯時の電気抵抗値に比べ無点灯時の抵抗値が低いため、点灯時に過大なラッシュ電流が流れ周辺機器に妨害を与え、また、ニクロム線は昇温速度が遅いため速熱性が悪いという課題をそれぞれ有している。これらの課題を解決するために炭素系物質の発熱体が発明されている。例えば、特開平１０−８５９５２６号に炭素と金属或いは半金属化合物（金属炭化物、金属窒化物、金属硼化物、金属珪化物、金属窒化物、金属酸化物、半金属窒化物、半金属炭化物）の焼結体を発熱体に用いるものが開示されている。その実施例によれば塩素化塩化ビニル樹脂、フラン樹脂の混合樹脂系に天然黒鉛微粉末と窒化硼素及び可塑剤を加え、ヘンシェル・ミキサーで分散後、二本ロールで混練りし、ペレタイザーでペレット化し、これをスクリュウー型押出機で棒状に押出し、乾燥後、窒素ガス中で焼成し作製している。これらの炭素系物質の焼結体を発熱体としたものは、炭素の放射率が黒体に近いため理想的な輻射光用発熱体と記述されている。従来の炭素発熱体は、エジソンが発明した純炭素材を用いたものが公知であるが、炭素自体の固有抵抗が小さいため高抵抗の発熱体が得にくかったが、前記発明では、金属或いは半金属化合物を混合し、焼結した材料を用いているため、その固有抵抗値が純炭素の数倍から数十倍に変えられるものが得られるようである。また、これらの炭素系物質の焼結体を発熱体とした赤外線電球が特開平１１−５４０９２号に開示されている。その構造を第５図を用いて説明する。
【０００３】
第５図において、炭素系物質よりなる抵抗発熱体１の一端部に、タングステン線よりなる内部リード線３１の端部のコイル状部３２が、前記発熱体１に密なる嵌合で取付られており、該内部リード線の途中には別のコイル状部３３が形成されており、前記内部リード線３１の他端部には、モリブデン箔６が、該モリブデン箔の他端部には外部リード線７がそれぞれ溶接接合されている。前記密なる嵌合で発熱体１に取り付けられているコイル状部３２の外周部には、鉄・ニッケル合金よりなる金属スリーブ３４がカシメ固定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平１０−８５９５２６号に開示された、炭素系物質と金属或いは半金属化合物との混合物から焼結法で生成された発熱体は、その温度上昇と電気抵抗値に関する記述はなく抵抗温度特性が不明である。しかし、特開平１１−５４０９２号に開示されている赤外線電球に用いられている発熱体は、温度上昇とともに電気抵抗値が低下する負の抵抗温度特性であるため、点灯時のラッシュ電流がないという特徴を明記している。
【０００５】
即ち、公開されている炭素系物質よりなる発熱体を用いた赤外線電球は、負の温度特性であるが、その抵抗温度特性値は不明であり、あまり検討されてないようである。しかし、発熱体の抵抗温度特性は、ヒーターを作製するとき非常に重要なファクターであり、その値が一定しない場合には、その特性値を製造ロット毎に確認し、その特性値に従って発熱体の断面積或いは発熱長を変えワット数を合わさなければならない。これは、実質的に目的とする赤外線電球が量産できないことを意味する。また、抵抗温度特性の値が安定したものが作製できたとしても、その絶対値が重要となる。すなわち、無点灯時の電気抵抗値に対して、点灯時の電気抵抗値が小さいとラッシュ電流は流れないが、発熱体の温度が上昇するにつれ抵抗値が減少し、更に温度が上昇するという危険な状態が想像される。すなわち、発熱体が使用時に劣化した場合、抵抗値がさらに負になる危険性をはらんでいる。また、反対に点灯時の電気抵抗値が高い場合には、その値が小さい場合には問題ないが、大きくなるとラッシュ電流が流れる現象が生じ、タングステン線を用いた従来の電球と同じ問題となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して得られた板状の中間生成物に対して、前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気で所定の再熱処理温度で再熱処理を行って形成された板状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球であって、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度であり、
−２０％から２０％の範囲内の前記変化率を有する板状の前記炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されていることを特徴とする赤外線電球である。
【０００７】
これにより、常温〜点灯時における炭素系発熱体の電気比抵抗の変化率がほぼ零となるので、その炭素系発熱体を用いた赤外線電球は、点灯時のラッシュ電流がなく、かつ、発熱体の寿命末期における死に際が、抵抗値の変化が起こらず、発熱温度も変化なく発熱体が断線する事が確認でき、寿命末期においても安全な赤外線電球が提供できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して得られた板状の中間生成物に対して、前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気で所定の再熱処理温度で再熱処理を行って形成された板状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球であって、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度であり、
−２０％から２０％の範囲内の前記変化率を有する板状の前記炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されていることを特徴とする赤外線電球である。このように構成された本発明によれば、常温〜点灯時における炭素系発熱体の電気比抵抗の変化率が−２０％から２０％の範囲内となるので、その炭素系発熱体を用いた赤外線電球は、点灯時のラッシュ電流がなく、かつ、発熱体の寿命末期における死に際が、抵抗値の変化が起こらず、発熱温度も変化なく発熱体が断線する事が確認でき、寿命末期においても安全な赤外線電球が提供できる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、金属或いは半金属化合物は、金属炭化物、金属硼化物、金属珪化物、金属窒化物、金属酸化物、半金属窒化物、半金属酸化物または半金属炭化物であり、前記物質を１種類あるいは２種類以上含有する炭素系発熱体を用いたことを特徴とする赤外線電球であり、前記物質を１種或いは２種以上炭素系発熱体の材料に含有させ、その配合比或いは炭素系発熱体の形状、長さを変えることにより任意の固有抵抗を有する炭素系発熱体が形成できる。特に炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素を使用すると、抵抗値の制御がやりやすく好ましい抵抗発熱体が形成でき、該材料を用いて形成した抵抗発熱体を用いた赤外線電球は、種々のＷ（ワット）数のものを容易に実現することが可能となった。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、組成物は、樹脂を含む材料を用いた赤外線電球であり、不活性ガス雰囲気中で焼成することにより炭素化する有機材料を使用する際、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリアミド等の熱可塑性材料、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等の熱硬化性樹脂等が有効であり、これらの材料を含有する炭素系物質よりなる抵抗発熱体を用いた赤外線電球は、発熱体の表面が炭素材料であるため、発熱時の放射率が純炭素材料とほぼ等しい０．８７を得ることとなって輻射効率の高いランプが実現でき、暖房、調理、保温、乾燥、焼成、医療機器、焙煎等に最適の赤外線電球が提供できる。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、前記組成物は、カーボンブラック、黒鉛及びコークス粉から選ばれた１種または２種以上の炭素粉末が含有されている材料を用いた赤外線電球であり、炭素粉末を含有量しているため、前述と同様に放射率が黒体に近い赤外線電球が提供できる。また、その熱は従来の炭火に近いものであり調理に使うと美味しい調理物が提供出来る。特に黒鉛粉末が好ましい。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１〜４記載の炭素系発熱体の両端部に、リード線が電気的に接続された部材を有し、前記部材の固有抵抗が前記炭素系発熱体の固有抵抗より小さく、かつ前記リード線の固有抵抗より大きい部材を介して前記リード線と前記通電部とを電気的に接続し、前記リード線の端部が石英ガラス管外に導出されるように前記部材が石英ガラス管内に挿入され、内部に不活性ガスを密封した構造を有することを特徴とする赤外線電球であり、本発明の赤外線電球は、電気比抵抗が常温のそれに対する変化率が好ましくは、実質的に零の炭素系物質を含有する発熱体を用いて作製したもので、ラッシュ電流がほとんど無く、かつ、発熱体の劣化時でも温度上昇の起こらない、炭素系発熱体の断線状態となる死に際の安全な赤外線電球が実現できた。
【００１３】
更に抵抗発熱体とそれに接続されるリード線間に抵抗値の小さい、材料を挟んで接続する構造なので、該部分が熱の放熱部としての役割を有するのでリード線部が高温になることを抑制し該部分の劣化や炭素材料との反応も抑制され、より信頼性の高い赤外線電球が実現できる。特にその形状が円形のものは、リード線を巻き付けて接続出来るので最適である。
【００１４】
本発明の赤外線電球は、ラッシュ電流のほとんど無い、死に際の安全な赤外線電球を提供出来るとともに、発熱体とリード線との間に固有抵抗の小さい、熱伝導度の大きい部材を介して用いると、前記リード線接合部の温度上昇が低く抑えられ、該部分の信頼性の高い赤外線電球を提供する事ができる。
【００１５】
また、該部材を円柱形状にすれば、平板状の発熱体でも丸棒状発熱体でも赤外線電球が構成できる。すなわち、前記部材にスリットを形成し平板を挿入し接合、また、丸穴を形成し丸棒発熱体を挿入し接合する事により達成できる。内部リード線は前記円柱状部材に密なる嵌合で巻き付ける構成なので接続部の信頼性は確認ずみであり、好みの発熱体形状の赤外線電球が実現できる。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の発明は、部材が炭素系物質からなることを特徴とする赤外線電球。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の発明は、前記リード線が、タングステン線、モリブデン線或いはステンレス線からなることを特徴とする赤外線電球であり、前記炭素系発熱体或いは炭素系部材に接続するリード線が、タングステン、モリブデン或いはステンレス材料なので融点が大きく、材料の剛性も大きいので密なる嵌合で巻き付けた状態が長時間維持できる。また、ステンレス線はタングステン線或いはモリブデン線に比べ高温におけるバネ弾性の劣化が少ないため、リード線巻き付け部の温度が上昇する高ワット赤外線電球に適している。
【００１８】
本発明の請求項８に記載の発明は、石英ガラス管内のリード線の一方或いは両方において、石英ガラス管の内径にほぼ近い径のスプリング部を有し、炭素系発熱体に引っ張り力が働くように構成したことを特徴とする赤外線電球であり、前記スプリング部の径が石英ガラス管の内径に近いため、発熱体を石英ガラス管の中心部に担時することができる。また、スプリング部で発熱体部に引っ張り力が働くように構成しているので、点灯時発熱体が熱膨張で伸び、たわむのを防ぐ機能をもかねそなえている。また、常に張力が発熱体に働いているので、振動や衝撃に強い赤外線電球が実現できる。
【００１９】
本発明の請求項９に記載の発明は、前記記載の赤外線電球において、石英ガラス管の内部にアルゴン或いは窒素或いはアルゴン・窒素の混合ガスが密封されたことを特徴とする赤外線電球であり、密封した石英ガラス管内にアルゴン或いは窒素その混合ガスを含有させているので、アーク放電しにくく、炭素系物質よりなる発熱体の酸化が生じず、長寿命の赤外線電球が実現できる。好ましくは、密封したガスの内圧は、負圧に成るようにすることである。即ち、点灯時石英ガラス管の内部が高温度になっても内圧がわずかに負圧になるようにガス圧を調整して封入するのが好ましい。
また、本発明の請求項１０に記載の発明は、炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されている赤外線電球の製造方法であって、
賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して板状の中間生成物を形成する工程、
前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気において前記中間生成物を所定の再熱処理温度で再熱処理を行って板状の前記炭素系発熱体を形成する工程、を有し、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度である。
（実施の形態１）以下に、本発明の実施の形態について表及び図面を用いて説明する。まず、本発明に使用する炭素系物質よりなる抵抗発熱体について説明する。
【００２０】
下記に示す（表１）は、異なる複数からなる熱処理温度で再熱処理された炭素系物質の焼結体よりなる各抵抗発熱体の温度が、２０℃及び１２００℃の温度にそれぞれ設定されたときの各抵抗発熱体の電気比抵抗及びその変化率を実験的に得たものである。
【００２１】
【表１】
【００２２】
この実験における炭素系物質の焼結体よりなる各抵抗発熱体すなわち各炭素系発熱体は、開示されている特開平１０−８５９５２６号の実施例３に従って作製した。即ち、塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイド社製Ｔ−７４１）４５重量部、フラン樹脂（日立化成社製ヒタフランＶＦ−３０２）１５重量部、の混合樹脂系に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛社製平均粒度５μｍ）１０重量部を含有させた組成物と窒化硼素（信越化学社製平均粒度２μｍ）３０重量部に対し、可塑剤としてジアリルフタレートモノマーを２０重量部添加し、分散、混合し、押出成形を行い、その後窒素ガス雰囲気中で焼成し、円柱状の炭素系発熱体を得た。
【００２３】
得られた炭素系発熱体は、直径１．５０ｍｍの丸棒状の形状であり、このようにして得られた丸棒状の炭素系発熱体を１×１０−２ Pa以下の真空中で再熱処理を行った。この再熱処理における熱処理温度は、（表１）に示した如く、熱処理温度を１５００℃〜１９００℃の温度で行った。このようにして作製した炭素系発熱体を、後述する実施の形態３のごとき構成の赤外線電球に仕上げその抵抗温度特性を測定した。該赤外線電球にＡＣ１００Ｖを印加すると炭素系発熱体の色温度は１２００℃を示した。
【００２４】
２０℃及び１２００℃の各温度での各電気比抵抗は、下記に示す計算式（数１）で求めることとする。
【００２５】
【数１】
【００２６】
この（数１）により、各熱処理温度で処理した炭素系発熱体で作製した赤外線電球について、２０℃及び１２００℃（炭素系発熱体の表面色温度）の電気比抵抗を求め、１２００℃の電気 比抵抗の２０℃の電気比抵抗値に対する変化率を求めた。
【００２７】
その結果、（表１）に示した如く、再熱処理における熱処理温度が低い場合には変化率が負、即ち２０℃の電気比抵抗に比べ１２００℃の電気比抵抗が小さい特性を示し、熱処理温度が高くなるに従って変化率が正の方向に変化し、熱処理温度が１８００℃近辺で変化率が０％となり、それ以上の熱処理温度では正になる、即ち２０℃の電気比抵抗に比べ１２００℃の電気比抵抗が大きくなるとこが実験で確認できた。
【００２８】
本実験結果より、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率の調整は、炭素系発熱体に対する再熱処理時の熱処理温度調節によって可能であることが判った。これは非常に重要なことであり、再熱処理を行うことにより２０℃と１２００℃、或いは常温と高温時で常温に対する電気比抵抗の変化率が０％に近い炭素系発熱体が作製できることであり、該炭素系発熱体を用いた抵抗温度特性がフラットな赤外線電球が実現できることである。
【００２９】
次に、（表１）と同様な実験（但し、再熱処理の温度条件は若干異なる）を行うことにより得られた（表２）の結果を用いて本発明に用いた別な炭素系発熱体について説明する。
【００３０】
【表２】
【００３１】
この（表１）では、丸棒状の炭素系発熱体の再熱処理における電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率を示したが、（表２）には板状の炭素系発熱体の再熱処理による電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率を、各熱処理温度について実験した結果である。
【００３２】
その基になる炭素系発熱体は、実施例の形態１と同じ組成、同じ作製条件で作った。但し、炭素系発熱体の焼成後の形状は、幅６．１ｍｍ、厚み０．５ｍｍの板状である。尚、丸棒状、板状は押出成形機の押出部のダイス形状を変えることにより如何なる形状のものも作製できる。
【００３３】
焼結し、作製された炭素系板状発熱体を、１×１０−２Pa以下の真空中、１３００℃〜１８００℃の温度範囲で熱処理を行った。その発熱体を用い後述の実施例の形態に記載された赤外線電球に組立、２０℃、１２００℃における電気比抵抗を測定し、電気比抵抗の値の２０℃に対する変化率（％）を求めた。（表２）よりわかるように、再熱処理温度１６００℃以下の温度では、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率は負であったが、１６００℃以上で再熱処理を行うと正に変化し、再熱処理温度が高くなるにつれ変化率がより正の値を示す。
【００３４】
即ち、再熱処理温度が１６００℃を境に、処理温度が低くなると変化率はより負に、処理温度が高くなると変化率はより正になるというものであった。これは（表１）で説明したのと同様のことが言える。ただし、変化率が零になる熱処理温度は、炭素系発熱体の形状、組成、及び製造条件等により異なる。
【００３５】
重要なことは、炭素系発熱体の組成、形状を決定すると、変化率が零になる熱処理温度が存在し、その温度で処理すれば、変化率零の理想的な炭素系発熱体が供給出来ると言うことである。変化率が零近くであれば、点灯時のラッシュ電流は零であり、炭素系発熱体の温度が上昇しようとしても抵抗値は変化しないので、炭素系発熱体の温度が一定に保つという自己温度維持機能が生まれ、より安全な赤外線電球が提供できる。
【００３６】
本実施例では、点灯時の温度を１２００℃として検討したが、それより低い或いは高い発熱体温度でも本実施例の結果は、何等制限されることなく適用できることは実証済みである。また、変化率が零が一般的赤外線電球の発熱体としてはベストであるが、特殊な仕様として抵抗温度特性がより負のものやより正のものが熱処理温度を変えるだけで実現できる。
【００３７】
本発明の赤外線電球に適した変化率範囲は、−２０％〜＋２０％であり、最適は−１０％〜＋１０％であった。すなわち、−１０％〜＋１０％の範囲で有れば、炭素系発熱体の抵抗温度特性を無視して赤外線電球が設計でき、かつ製造時のランプ性能の許容誤差内のものが実現できる。
（実施の形態２）実施の形態１で説明した、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率が小さい炭素系発熱体を用いた赤外線電球について図面を用いて説明する。
【００３８】
第１図は赤外線電球の断平面図であり、その構成は、前述の実施の形態１で述べた方法にて熱処理し、その変化率が６．８％の炭素系物質の焼結体よりなる直径１．５５ｍｍの丸棒状の炭素系発熱体１（（表１）の１８００℃熱処理したもの）の両端部に、モリブデン線で形成された内部リード線４ａ、４ｂの一端に形成されたコイル状部３ａ、３ｂを前記炭素系発熱体１の両端部に密なる嵌合でねじ込み接続する。
【００３９】
前記内部リード線４ａ、４ｂには、少なくとも１ターン以上コイル状に巻いたスプリング部５ａ、５ｂを有している。前記内部リード線４ａ、４ｂの他端部は、厚み２０μｍのモリブデン箔６ａ、６ｂの一端部に、他端部にはモリブデン線よりなる外部リード線７ａ、７ｂがそれぞれ溶接接合されている。このように構成された組立物を透明の石英ガラス管２に挿入し、その両端部の前記モリブデン箔６ａ、６ｂの部分で前記石英ガラス管２を溶融し封着した。
【００４０】
石英ガラス管２内には、空気と置換し不活性ガスであるアルゴンガス８が大気圧より低い圧力で封入されている。このようにして形成された赤外線電球は、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率がほぼ０％に近いものを用いているため、点灯時のラッシュ電流は全く生じず、周辺機器へのノイズによる妨害は全く生じ無かった。
【００４１】
また、過電圧状態（定格電圧１００Ｖに対して、１２０Ｖ、１３０Ｖ、１５０Ｖ、２００Ｖ）で連続或いは断続寿命試験を行った結果、その死に際、即ち、炭素系発熱体１の断線状態は、その抵抗値が大きく上昇あるいは減少することなくわずかに電流値が上昇（発熱温度がわずかに上昇）して断線した。
【００４２】
しかし、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率がー２３．９％のもので前記条件で寿命試験したところ、死に際において抵抗値が低下し、即ち、発熱温度が２００℃以上上昇して断線した。これは危険な状態の死に際であり、温度上昇が更に上昇すれば、発熱体が垂れ下がり、石英ガラス管の内壁に接触し石英ガラス管が溶融し最悪の場合には破裂する危険性をはらんでいる。この主因は、前記した変化率が負であるためである。また、変化率が正でその値が２０％を越えたものは、ラッシュ電流が生じ無視できない値となる。
（実施の形態３）
第２図、第３図を用いて、本発明の実施の形態１による方法で作成した電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率が、０．９％の炭素系物質の焼結体よりなる幅６．１ｍｍ、厚み０．５ｍｍの板状の炭素系発熱体（（表２）の１６００℃熱処理のもの）を用いた赤外線電球について説明する。
【００４３】
第２図において、板状発熱体１１の両端部には炭素系発熱体のそれより小さく、かつリード線のそれより大きい炭素系物質で形成した円柱状の部材１２ａ、１２ｂが接合されている。その詳細は、第３図に示している。即ち、部材１２の一方の部分に、板状の炭素系発熱体１１の板厚よりわずかに幅の狭いか広いスリット２１を形成し、そのスリット２１に発熱体１１を差込、炭素系接着剤で接合した。
【００４４】
炭素系接着剤は、黒鉛微粉末を有機樹脂にブレンドしたペースト状のものを塗布し、乾燥後、不活性ガス雰囲気中１０００℃以上の温度で焼成し、有機樹脂分を炭化し接合する方法である。前記部材１２ａ、１２ｂには、モリブデン線よりなる内部リード線１４ａ、１４ｂの一端部に形成されたコイル状部１３ａ、１３ｂが密なる嵌合で巻き付けられており、該内部リード線の途中部にはコイル状のスプリング部１５ａ、１５ｂを有している。
【００４５】
該コイル状部の直径は石英ガラス管２の内径より少し小さい径を有しており、炭素系発熱体１１を石英ガラス管２の内部中央部に位置するように機能する。前記内部リード線１４ａ、１４ｂの他端部は、２０μｍ厚のモリブデン箔６ａ、６ｂの一端部に、該モリブデン箔６ａ、６ｂの他端部には、モリブデンよりなる外部リード線７ａ、７ｂがそれぞれスポット溶接で接合されている。
【００４６】
このようにして構成された組立物を透明石英ガラス管２に挿入し、内部をアルゴンガスに置換後、石英ガラス管の両端部、即ち、モリブデン箔６ａ、６ｂの部分で溶融密封した。前記石英ガラス管２の前記モリブデン箔６ａ、６ｂの部分で溶融封止するとき、前記スプリング部１５ａ、１５ｂが少し引っ張った状態で封止している。
【００４７】
その結果、炭素系発熱体１１には常に引っ張り張力がかかった状態であり、その結果、炭素系発熱体１１が発熱時熱膨張し伸びたとき垂れ下がるのを防止するとともに、振動、衝撃が発熱体に加わっても、それを吸収し振動、衝撃に強い赤外線電球が実現できる。このようにして形成された赤外線電球は、１００Ｖ印加すると、炭素系発熱体１１の温度は約１１００℃に約８秒で到達した。変化率が０．９％の板状の炭素系発熱体１１であったので、ラッシュ電流は零であった。また、１３０Ｖ、１５０Ｖ、２００Ｖで連続、断続の寿命試験したが、全ての試験条件で、実施の形態２で述べた如く、炭素系発熱体１１の死に際は、抵抗値がわずかに上昇し、炭素系発熱体１１の色温度が少し低下して断線した。
【００４８】
再熱処理する方法で作成した炭素系発熱体１１を用いた本発明の赤外線電球は、ラッシュ電流、死に際ともに安心して使用できる赤外線が提供できることがわかった。また、板状の炭素系発熱体１１においても、円柱状の部材１２を用いそれにスリットを入れそれに板状発熱体接合する構造としたため、板状の炭素系発熱体１１でも信頼性のある赤外線電球が実現した。
【００４９】
また、該部材は炭素系物質、好適には黒鉛材料、で形成しているので熱伝導性が良いため放熱ブロックとしても機能しており、前記内部リード線の嵌合部の温度を低く抑える効果を有しており、該接合部の信頼性が飛躍的に向上した。本接合方法は、実施の形態１で示した丸棒状の炭素系発熱体１にも何等問題なく適用できる。さらに、低ワットの丸棒状の炭素系発熱体１では、直接内部リード線を取り付けても問題はない。
（実施の形態４）
第４図を用いて、本発明の再熱処理を施した炭素系発熱体を用いた、更に別な構成の赤外線電球について説明する。
【００５０】
第４図において、板状（幅：６．１ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）の炭素系発熱体１１の両端部に実施の形態３で説明した黒鉛円柱材で形成した部材１２ａ、１２ｂを接合し、その一方の部材１２ａにはモリブデン線よりなる内部リード線１４ａの端部に形成したコイル状部１３ａ、を密なる嵌合で巻き付ける。
【００５１】
該内部リード線１４ａの途中部には、コイル状に巻いたスプリング部１５ａを有している。前記発熱体１１の他端部の円柱形状の部材１２ｂには、モリブデン線よりなる内部リード線２５の端部に形成したコイル状部２６を、密なる嵌合で巻き付けられている。
【００５２】
該内部リード線２５には、前記内部リード線１４ａに形成されているスプリング部１５ａは無い構造である。このようにして組み立てた構成物を透明の石英ガラス管２に挿入し、その両端部のモリブデン箔部６ａ、６ｂの部分の石英ガラス管２を溶融し密封した。その石英ガラス管２の内部にはアルゴンガスが大気圧より低い圧力で封入されている。
【００５３】
本構成の特徴は、内部リード線２５にスプリング部１５ａ、１５ｂを有しない構成であるため、モリブデン線の使用量が削減出来るためコストダウンが実現する。但し、スプリング部１５ａの外径は、前記石英ガラス管２の内径に近い径なので炭素系発熱体１１を石英ガラス管２の内部中央部に位置させる機能は有しており、かつ、封止時該スプリング部１５ａを僅かに引っ張った状態で封止しているので、発熱体１１には常に引っ張り張力が働いており、実施の形態３で説明した機能は有している。
【００５４】
実施の形態２及び実施の形態３において、内部リード線４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂに形成しているスプリング部５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂは、２つの機能を有している。その一つは、該スプリング部の外径は、石英ガラス管の内径より少し小さい径にしており、そのため発熱体が常に石英ガラス管内の略中央にくるように機能している。
【００５５】
また、もう一つは、バネの役目をしており、石英ガラス管２の両端部に溶融封止するとき、両端部の外部リード線７Ａ、７Ｂを引っ張り、張力が発熱体にかかるようにした状態で封止している。即ち、完成した赤外線電球は、内部リード線４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂのスプリング部５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂにより、発熱体に引っ張り力がかかった状態で封入されている。その目的は、振動や衝撃による発熱体の振動を小さくするためと、点灯時、炭素系発熱体が熱膨張により長さが長くなり、張力がかかってないと炭素系発熱体にたるみが生じることを防ぐ機能を有している。
【００５６】
実施例では、内部リード線４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂの材質がモリブデン線を用いた物で説明したが、タングステン線でも何等問題なく使用できる。更に、モリブデンやタングステンより、より高温でもバネ性を保つステンレス線も使用でき、黒鉛で形成した部材部の温度が５５０℃以上になるものには有効である。
【００５７】
また、内部リード線として、線材を用いる実施例を示したが、線に制限するものではなく、薄い板状のタングステン、モリブデン、ステンレス材料も適用できる。
【００５８】
また、透明の石英ガラス管２を用いた実施例について説明したが、不透明石英ガラス管も何等問題なく使用できるし、石英ガラス管の表面をブラストにより磨りガラス状にしたものも適用できる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明の炭素系発熱体は、それを真空雰囲気中で再熱処理することにより、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率が自由に変えられる。その結果、変化率がほぼ零にちかい、即ち、抵抗温度特性がフラットな炭素系発熱体が供給できるこが実現した。
【００６０】
即ち、炭素系発熱体の材料組成を変えて炭素系発熱体の固有抵抗を変化させた場合や、炭素系発熱体の形状を変えた場合、その変化率は組成の違いや形状の違いによって変わっているので、変化率零近辺の炭素系発熱体は作れなかったが、各組成や形状において、それぞれに適した再熱処理温度を決定してやれば、どのような組成や形状の発熱体でも、その変化率が零に近い物が提供出来る。
【００６１】
電気比抵抗の２０℃に対する（高温時との）変化率が−２０％から２０％の炭素系発熱体が本発明の赤外線電球に使用出来るが、好ましくは電気比抵抗の２０℃に対する（高温時との）変化率が−１０％から１０％のものが最適である。即ち、この範囲内であれば、負の変化率でも室温時の抵抗値と発熱時の抵抗値が近接しているので、赤外線電球ｏｎ時でも発熱時に過大な電流が流れることがない。
【００６２】
また、正の変化率のものでも前記範囲内の変化率のものであれば、赤外線電球ｏｎ時にラッシュ電流もほとんど流れず、周辺機器への妨害もほとんど無いことが実証された。
【００６３】
そのようにして作成した変化率がほぼ零の発熱体を用いた赤外線電球は、点灯時のラッシュ電流がなく、かつ、発熱体の寿命末期における死に際が、抵抗値の変化が起こらず、発熱温度も変化なく発熱体が断線する事が確認でき、寿命末期においても安全な赤外線電球が提供できる。
【００６４】
また、赤外線電球の構成において、スプリング部を有する内部リード線を用い、該スプリング部をバネとして使用し、常に発熱体に引っ張り張力がかかるように赤外線電球が構成されているため、発熱時の熱膨張による発熱体の垂れ下がりが無く、また、張力が働いているので振動、衝撃に強い赤外線電球が実現できた。
【００６５】
また、スプリング部を両端部につけるのではなく一方部のみの構成も赤外線電球の基本特性を満足するので、電球のコスト低減に寄与できる。
【００６６】
また、再熱処理温度を選択することにより、変化率が零以外の炭素系発熱体も簡単に作成できるので、抵抗温度特性がフラットでない特殊仕様の赤外線も簡単に作成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の丸棒状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球の断平面図
【図２】本発明の板状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球の断平面図
【図３】第２図の赤外線電球における要部を示す一部切り欠き斜視図
【図４】本発明の板状の炭素系板状発熱体を用いた別構成の赤外線電球の断平面図
【図５】従来の赤外線電球における一部切り欠き断平面図
【符号の説明】
１、１１ 炭素系発熱体
２ 石英ガラス管
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ コイル状部
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２５ 内部リード線
５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ スプリング部
６ａ、６ｂ モリブデン箔
７ａ、７ｂ 外部リード線
８ アルゴンガス
１２、１２ａ、１２ｂ 部材
２１ スリット
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の抵抗温度係数を有する炭素系物質よりなる発熱体用いた赤外線電球に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来ヒーターの発熱体としては、タングステン線やニクロム線が主に使われている。タングステン線は、空気中では酸化するため石英ガラス管等に封入し、内部に不活性ガスを密封したランプタイプのものが、ニクロム線は、コイルの保護として不透明石英ガラス管等に挿入し空気雰囲気で使うタイプのものが製品化されている。しかし、タングステン線は点灯時の電気抵抗値に比べ無点灯時の抵抗値が低いため、点灯時に過大なラッシュ電流が流れ周辺機器に妨害を与え、また、ニクロム線は昇温速度が遅いため速熱性が悪いという課題をそれぞれ有している。これらの課題を解決するために炭素系物質の発熱体が発明されている。例えば、特開平１０−８５９５２６号に炭素と金属或いは半金属化合物（金属炭化物、金属窒化物、金属硼化物、金属珪化物、金属窒化物、金属酸化物、半金属窒化物、半金属炭化物）の焼結体を発熱体に用いるものが開示されている。その実施例によれば塩素化塩化ビニル樹脂、フラン樹脂の混合樹脂系に天然黒鉛微粉末と窒化硼素及び可塑剤を加え、ヘンシェル・ミキサーで分散後、二本ロールで混練りし、ペレタイザーでペレット化し、これをスクリュウー型押出機で棒状に押出し、乾燥後、窒素ガス中で焼成し作製している。これらの炭素系物質の焼結体を発熱体としたものは、炭素の放射率が黒体に近いため理想的な輻射光用発熱体と記述されている。従来の炭素発熱体は、エジソンが発明した純炭素材を用いたものが公知であるが、炭素自体の固有抵抗が小さいため高抵抗の発熱体が得にくかったが、前記発明では、金属或いは半金属化合物を混合し、焼結した材料を用いているため、その固有抵抗値が純炭素の数倍から数十倍に変えられるものが得られるようである。また、これらの炭素系物質の焼結体を発熱体とした赤外線電球が特開平１１−５４０９２号に開示されている。その構造を第５図を用いて説明する。
【０００３】
第５図において、炭素系物質よりなる抵抗発熱体１の一端部に、タングステン線よりなる内部リード線３１の端部のコイル状部３２が、前記発熱体１に密なる嵌合で取付られており、該内部リード線の途中には別のコイル状部３３が形成されており、前記内部リード線３１の他端部には、モリブデン箔６が、該モリブデン箔の他端部には外部リード線７がそれぞれ溶接接合されている。前記密なる嵌合で発熱体１に取り付けられているコイル状部３２の外周部には、鉄・ニッケル合金よりなる金属スリーブ３４がカシメ固定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平１０−８５９５２６号に開示された、炭素系物質と金属或いは半金属化合物との混合物から焼結法で生成された発熱体は、その温度上昇と電気抵抗値に関する記述はなく抵抗温度特性が不明である。しかし、特開平１１−５４０９２号に開示されている赤外線電球に用いられている発熱体は、温度上昇とともに電気抵抗値が低下する負の抵抗温度特性であるため、点灯時のラッシュ電流がないという特徴を明記している。
【０００５】
即ち、公開されている炭素系物質よりなる発熱体を用いた赤外線電球は、負の温度特性であるが、その抵抗温度特性値は不明であり、あまり検討されてないようである。しかし、発熱体の抵抗温度特性は、ヒーターを作製するとき非常に重要なファクターであり、その値が一定しない場合には、その特性値を製造ロット毎に確認し、その特性値に従って発熱体の断面積或いは発熱長を変えワット数を合わさなければならない。これは、実質的に目的とする赤外線電球が量産できないことを意味する。また、抵抗温度特性の値が安定したものが作製できたとしても、その絶対値が重要となる。すなわち、無点灯時の電気抵抗値に対して、点灯時の電気抵抗値が小さいとラッシュ電流は流れないが、発熱体の温度が上昇するにつれ抵抗値が減少し、更に温度が上昇するという危険な状態が想像される。すなわち、発熱体が使用時に劣化した場合、抵抗値がさらに負になる危険性をはらんでいる。また、反対に点灯時の電気抵抗値が高い場合には、その値が小さい場合には問題ないが、大きくなるとラッシュ電流が流れる現象が生じ、タングステン線を用いた従来の電球と同じ問題となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して得られた板状の中間生成物に対して、前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気で所定の再熱処理温度で再熱処理を行って形成された板状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球であって、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度であり、
−２０％から２０％の範囲内の前記変化率を有する板状の前記炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されていることを特徴とする赤外線電球である。
【０００７】
これにより、常温〜点灯時における炭素系発熱体の電気比抵抗の変化率がほぼ零となるので、その炭素系発熱体を用いた赤外線電球は、点灯時のラッシュ電流がなく、かつ、発熱体の寿命末期における死に際が、抵抗値の変化が起こらず、発熱温度も変化なく発熱体が断線する事が確認でき、寿命末期においても安全な赤外線電球が提供できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して得られた板状の中間生成物に対して、前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気で所定の再熱処理温度で再熱処理を行って形成された板状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球であって、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度であり、
−２０％から２０％の範囲内の前記変化率を有する板状の前記炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されていることを特徴とする赤外線電球である。このように構成された本発明によれば、常温〜点灯時における炭素系発熱体の電気比抵抗の変化率が−２０％から２０％の範囲内となるので、その炭素系発熱体を用いた赤外線電球は、点灯時のラッシュ電流がなく、かつ、発熱体の寿命末期における死に際が、抵抗値の変化が起こらず、発熱温度も変化なく発熱体が断線する事が確認でき、寿命末期においても安全な赤外線電球が提供できる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、金属或いは半金属化合物は、金属炭化物、金属硼化物、金属珪化物、金属窒化物、金属酸化物、半金属窒化物、半金属酸化物または半金属炭化物であり、前記物質を１種類あるいは２種類以上含有する炭素系発熱体を用いたことを特徴とする赤外線電球であり、前記物質を１種或いは２種以上炭素系発熱体の材料に含有させ、その配合比或いは炭素系発熱体の形状、長さを変えることにより任意の固有抵抗を有する炭素系発熱体が形成できる。特に炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素を使用すると、抵抗値の制御がやりやすく好ましい抵抗発熱体が形成でき、該材料を用いて形成した抵抗発熱体を用いた赤外線電球は、種々のＷ（ワット）数のものを容易に実現することが可能となった。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、組成物は、樹脂を含む材料を用いた赤外線電球であり、不活性ガス雰囲気中で焼成することにより炭素化する有機材料を使用する際、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリアミド等の熱可塑性材料、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等の熱硬化性樹脂等が有効であり、これらの材料を含有する炭素系物質よりなる抵抗発熱体を用いた赤外線電球は、発熱体の表面が炭素材料であるため、発熱時の放射率が純炭素材料とほぼ等しい０．８７を得ることとなって輻射効率の高いランプが実現でき、暖房、調理、保温、乾燥、焼成、医療機器、焙煎等に最適の赤外線電球が提供できる。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、前記組成物は、カーボンブラック、黒鉛及びコークス粉から選ばれた１種または２種以上の炭素粉末が含有されている材料を用いた赤外線電球であり、炭素粉末を含有量しているため、前述と同様に放射率が黒体に近い赤外線電球が提供できる。また、その熱は従来の炭火に近いものであり調理に使うと美味しい調理物が提供出来る。特に黒鉛粉末が好ましい。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１〜４記載の炭素系発熱体の両端部に、リード線が電気的に接続された部材を有し、前記部材の固有抵抗が前記炭素系発熱体の固有抵抗より小さく、かつ前記リード線の固有抵抗より大きい部材を介して前記リード線と前記通電部とを電気的に接続し、前記リード線の端部が石英ガラス管外に導出されるように前記部材が石英ガラス管内に挿入され、内部に不活性ガスを密封した構造を有することを特徴とする赤外線電球であり、本発明の赤外線電球は、電気比抵抗が常温のそれに対する変化率が好ましくは、実質的に零の炭素系物質を含有する発熱体を用いて作製したもので、ラッシュ電流がほとんど無く、かつ、発熱体の劣化時でも温度上昇の起こらない、炭素系発熱体の断線状態となる死に際の安全な赤外線電球が実現できた。
【００１３】
更に抵抗発熱体とそれに接続されるリード線間に抵抗値の小さい、材料を挟んで接続する構造なので、該部分が熱の放熱部としての役割を有するのでリード線部が高温になることを抑制し該部分の劣化や炭素材料との反応も抑制され、より信頼性の高い赤外線電球が実現できる。特にその形状が円形のものは、リード線を巻き付けて接続出来るので最適である。
【００１４】
本発明の赤外線電球は、ラッシュ電流のほとんど無い、死に際の安全な赤外線電球を提供出来るとともに、発熱体とリード線との間に固有抵抗の小さい、熱伝導度の大きい部材を介して用いると、前記リード線接合部の温度上昇が低く抑えられ、該部分の信頼性の高い赤外線電球を提供する事ができる。
【００１５】
また、該部材を円柱形状にすれば、平板状の発熱体でも丸棒状発熱体でも赤外線電球が構成できる。すなわち、前記部材にスリットを形成し平板を挿入し接合、また、丸穴を形成し丸棒発熱体を挿入し接合する事により達成できる。内部リード線は前記円柱状部材に密なる嵌合で巻き付ける構成なので接続部の信頼性は確認ずみであり、好みの発熱体形状の赤外線電球が実現できる。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の発明は、部材が炭素系物質からなることを特徴とする赤外線電球。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の発明は、前記リード線が、タングステン線、モリブデン線或いはステンレス線からなることを特徴とする赤外線電球であり、前記炭素系発熱体或いは炭素系部材に接続するリード線が、タングステン、モリブデン或いはステンレス材料なので融点が大きく、材料の剛性も大きいので密なる嵌合で巻き付けた状態が長時間維持できる。また、ステンレス線はタングステン線或いはモリブデン線に比べ高温におけるバネ弾性の劣化が少ないため、リード線巻き付け部の温度が上昇する高ワット赤外線電球に適している。
【００１８】
本発明の請求項８に記載の発明は、石英ガラス管内のリード線の一方或いは両方において、石英ガラス管の内径にほぼ近い径のスプリング部を有し、炭素系発熱体に引っ張り力が働くように構成したことを特徴とする赤外線電球であり、前記スプリング部の径が石英ガラス管の内径に近いため、発熱体を石英ガラス管の中心部に担時することができる。また、スプリング部で発熱体部に引っ張り力が働くように構成しているので、点灯時発熱体が熱膨張で伸び、たわむのを防ぐ機能をもかねそなえている。また、常に張力が発熱体に働いているので、振動や衝撃に強い赤外線電球が実現できる。
【００１９】
本発明の請求項９に記載の発明は、前記記載の赤外線電球において、石英ガラス管の内部にアルゴン或いは窒素或いはアルゴン・窒素の混合ガスが密封されたことを特徴とする赤外線電球であり、密封した石英ガラス管内にアルゴン或いは窒素その混合ガスを含有させているので、アーク放電しにくく、炭素系物質よりなる発熱体の酸化が生じず、長寿命の赤外線電球が実現できる。好ましくは、密封したガスの内圧は、負圧に成るようにすることである。即ち、点灯時石英ガラス管の内部が高温度になっても内圧がわずかに負圧になるようにガス圧を調整して封入するのが好ましい。
また、本発明の請求項１０に記載の発明は、炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されている赤外線電球の製造方法であって、
賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して板状の中間生成物を形成する工程、
前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気において前記中間生成物を所定の再熱処理温度で再熱処理を行って板状の前記炭素系発熱体を形成する工程、を有し、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度である。
（実施の形態１）以下に、本発明の実施の形態について表及び図面を用いて説明する。まず、本発明に使用する炭素系物質よりなる抵抗発熱体について説明する。
【００２０】
下記に示す（表１）は、異なる複数からなる熱処理温度で再熱処理された炭素系物質の焼結体よりなる各抵抗発熱体の温度が、２０℃及び１２００℃の温度にそれぞれ設定されたときの各抵抗発熱体の電気比抵抗及びその変化率を実験的に得たものである。
【００２１】
【表１】
この実験における炭素系物質の焼結体よりなる各抵抗発熱体すなわち各炭素系発熱体は、開示されている特開平１０−８５９５２６号の実施例３に従って作製した。即ち、塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイド社製Ｔ−７４１）４５重量部、フラン樹脂（日立化成社製ヒタフランＶＦ−３０２）１５重量部、の混合樹脂系に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛社製平均粒度５μｍ）１０重量部を含有させた組成物と窒化硼素（信越化学社製平均粒度２μｍ）３０重量部に対し、可塑剤としてジアリルフタレートモノマーを２０重量部添加し、分散、混合し、押出成形を行い、その後窒素ガス雰囲気中で焼成し、円柱状の炭素系発熱体を得た。
【００２３】
得られた炭素系発熱体は、直径１．５０ｍｍの丸棒状の形状であり、このようにして得られた丸棒状の炭素系発熱体を１×１０−２ Pa以下の真空中で再熱処理を行った。この再熱処理における熱処理温度は、（表１）に示した如く、熱処理温度を１５００℃〜１９００℃の温度で行った。このようにして作製した炭素系発熱体を、後述する実施の形態３のごとき構成の赤外線電球に仕上げその抵抗温度特性を測定した。該赤外線電球にＡＣ１００Ｖを印加すると炭素系発熱体の色温度は１２００℃を示した。
【００２４】
２０℃及び１２００℃の各温度での各電気比抵抗は、下記に示す計算式（数１）で求めることとする。
【００２５】
【数１】
この（数１）により、各熱処理温度で処理した炭素系発熱体で作製した赤外線電球について、２０℃及び１２００℃（炭素系発熱体の表面色温度）の電気比抵抗を求め、１２００℃の電気 比抵抗の２０℃の電気比抵抗値に対する変化率を求めた。
【００２７】
その結果、（表１）に示した如く、再熱処理における熱処理温度が低い場合には変化率が負、即ち２０℃の電気比抵抗に比べ１２００℃の電気比抵抗が小さい特性を示し、熱処理温度が高くなるに従って変化率が正の方向に変化し、熱処理温度が１８００℃近辺で変化率が０％となり、それ以上の熱処理温度では正になる、即ち２０℃の電気比抵抗に比べ１２００℃の電気比抵抗が大きくなるとこが実験で確認できた。
【００２８】
本実験結果より、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率の調整は、炭素系発熱体に対する再熱処理時の熱処理温度調節によって可能であることが判った。これは非常に重要なことであり、再熱処理を行うことにより２０℃と１２００℃、或いは常温と高温時で常温に対する電気比抵抗の変化率が０％に近い炭素系発熱体が作製できることであり、該炭素系発熱体を用いた抵抗温度特性がフラットな赤外線電球が実現できることである。
【００２９】
次に、（表１）と同様な実験（但し、再熱処理の温度条件は若干異なる）を行うことにより得られた（表２）の結果を用いて本発明に用いた別な炭素系発熱体について説明する。
【００３０】
【表２】
この（表１）では、丸棒状の炭素系発熱体の再熱処理における電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率を示したが、（表２）には板状の炭素系発熱体の再熱処理による電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率を、各熱処理温度について実験した結果である。
【００３２】
その基になる炭素系発熱体は、実施例の形態１と同じ組成、同じ作製条件で作った。但し、炭素系発熱体の焼成後の形状は、幅６．１ｍｍ、厚み０．５ｍｍの板状である。尚、丸棒状、板状は押出成形機の押出部のダイス形状を変えることにより如何なる形状のものも作製できる。
【００３３】
焼結し、作製された炭素系板状発熱体を、１×１０−２Pa以下の真空中、１３００℃〜１８００℃の温度範囲で熱処理を行った。その発熱体を用い後述の実施例の形態に記載された赤外線電球に組立、２０℃、１２００℃における電気比抵抗を測定し、電気比抵抗の値の２０℃に対する変化率（％）を求めた。（表２）よりわかるように、再熱処理温度１６００℃以下の温度では、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率は負であったが、１６００℃以上で再熱処理を行うと正に変化し、再熱処理温度が高くなるにつれ変化率がより正の値を示す。
【００３４】
即ち、再熱処理温度が１６００℃を境に、処理温度が低くなると変化率はより負に、処理温度が高くなると変化率はより正になるというものであった。これは（表１）で説明したのと同様のことが言える。ただし、変化率が零になる熱処理温度は、炭素系発熱体の形状、組成、及び製造条件等により異なる。
【００３５】
重要なことは、炭素系発熱体の組成、形状を決定すると、変化率が零になる熱処理温度が存在し、その温度で処理すれば、変化率零の理想的な炭素系発熱体が供給出来ると言うことである。変化率が零近くであれば、点灯時のラッシュ電流は零であり、炭素系発熱体の温度が上昇しようとしても抵抗値は変化しないので、炭素系発熱体の温度が一定に保つという自己温度維持機能が生まれ、より安全な赤外線電球が提供できる。
【００３６】
本実施例では、点灯時の温度を１２００℃として検討したが、それより低い或いは高い発熱体温度でも本実施例の結果は、何等制限されることなく適用できることは実証済みである。また、変化率が零が一般的赤外線電球の発熱体としてはベストであるが、特殊な仕様として抵抗温度特性がより負のものやより正のものが熱処理温度を変えるだけで実現できる。
【００３７】
本発明の赤外線電球に適した変化率範囲は、−２０％〜＋２０％であり、最適は−１０％〜＋１０％であった。すなわち、−１０％〜＋１０％の範囲で有れば、炭素系発熱体の抵抗温度特性を無視して赤外線電球が設計でき、かつ製造時のランプ性能の許容誤差内のものが実現できる。
（実施の形態２）実施の形態１で説明した、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率が小さい炭素系発熱体を用いた赤外線電球について図面を用いて説明する。
【００３８】
第１図は赤外線電球の断平面図であり、その構成は、前述の実施の形態１で述べた方法にて熱処理し、その変化率が６．８％の炭素系物質の焼結体よりなる直径１．５５ｍｍの丸棒状の炭素系発熱体１（（表１）の１８００℃熱処理したもの）の両端部に、モリブデン線で形成された内部リード線４ａ、４ｂの一端に形成されたコイル状部３ａ、３ｂを前記炭素系発熱体１の両端部に密なる嵌合でねじ込み接続する。
【００３９】
前記内部リード線４ａ、４ｂには、少なくとも１ターン以上コイル状に巻いたスプリング部５ａ、５ｂを有している。前記内部リード線４ａ、４ｂの他端部は、厚み２０μｍのモリブデン箔６ａ、６ｂの一端部に、他端部にはモリブデン線よりなる外部リード線７ａ、７ｂがそれぞれ溶接接合されている。このように構成された組立物を透明の石英ガラス管２に挿入し、その両端部の前記モリブデン箔６ａ、６ｂの部分で前記石英ガラス管２を溶融し封着した。
【００４０】
石英ガラス管２内には、空気と置換し不活性ガスであるアルゴンガス８が大気圧より低い圧力で封入されている。このようにして形成された赤外線電球は、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率がほぼ０％に近いものを用いているため、点灯時のラッシュ電流は全く生じず、周辺機器へのノイズによる妨害は全く生じ無かった。
【００４１】
また、過電圧状態（定格電圧１００Ｖに対して、１２０Ｖ、１３０Ｖ、１５０Ｖ、２００Ｖ）で連続或いは断続寿命試験を行った結果、その死に際、即ち、炭素系発熱体１の断線状態は、その抵抗値が大きく上昇あるいは減少することなくわずかに電流値が上昇（発熱温度がわずかに上昇）して断線した。
【００４２】
しかし、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率がー２３．９％のもので前記条件で寿命試験したところ、死に際において抵抗値が低下し、即ち、発熱温度が２００℃以上上昇して断線した。これは危険な状態の死に際であり、温度上昇が更に上昇すれば、発熱体が垂れ下がり、石英ガラス管の内壁に接触し石英ガラス管が溶融し最悪の場合には破裂する危険性をはらんでいる。この主因は、前記した変化率が負であるためである。また、変化率が正でその値が２０％を越えたものは、ラッシュ電流が生じ無視できない値となる。
（実施の形態３）
第２図、第３図を用いて、本発明の実施の形態１による方法で作成した電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率が、０．９％の炭素系物質の焼結体よりなる幅６．１ｍｍ、厚み０．５ｍｍの板状の炭素系発熱体（（表２）の１６００℃熱処理のもの）を用いた赤外線電球について説明する。
【００４３】
第２図において、板状発熱体１１の両端部には炭素系発熱体のそれより小さく、かつリード線のそれより大きい炭素系物質で形成した円柱状の部材１２ａ、１２ｂが接合されている。その詳細は、第３図に示している。即ち、部材１２の一方の部分に、板状の炭素系発熱体１１の板厚よりわずかに幅の狭いか広いスリット２１を形成し、そのスリット２１に発熱体１１を差込、炭素系接着剤で接合した。
【００４４】
炭素系接着剤は、黒鉛微粉末を有機樹脂にブレンドしたペースト状のものを塗布し、乾燥後、不活性ガス雰囲気中１０００℃以上の温度で焼成し、有機樹脂分を炭化し接合する方法である。前記部材１２ａ、１２ｂには、モリブデン線よりなる内部リード線１４ａ、１４ｂの一端部に形成されたコイル状部１３ａ、１３ｂが密なる嵌合で巻き付けられており、該内部リード線の途中部にはコイル状のスプリング部１５ａ、１５ｂを有している。
【００４５】
該コイル状部の直径は石英ガラス管２の内径より少し小さい径を有しており、炭素系発熱体１１を石英ガラス管２の内部中央部に位置するように機能する。前記内部リード線１４ａ、１４ｂの他端部は、２０μｍ厚のモリブデン箔６ａ、６ｂの一端部に、該モリブデン箔６ａ、６ｂの他端部には、モリブデンよりなる外部リード線７ａ、７ｂがそれぞれスポット溶接で接合されている。
【００４６】
このようにして構成された組立物を透明石英ガラス管２に挿入し、内部をアルゴンガスに置換後、石英ガラス管の両端部、即ち、モリブデン箔６ａ、６ｂの部分で溶融密封した。前記石英ガラス管２の前記モリブデン箔６ａ、６ｂの部分で溶融封止するとき、前記スプリング部１５ａ、１５ｂが少し引っ張った状態で封止している。
【００４７】
その結果、炭素系発熱体１１には常に引っ張り張力がかかった状態であり、その結果、炭素系発熱体１１が発熱時熱膨張し伸びたとき垂れ下がるのを防止するとともに、振動、衝撃が発熱体に加わっても、それを吸収し振動、衝撃に強い赤外線電球が実現できる。このようにして形成された赤外線電球は、１００Ｖ印加すると、炭素系発熱体１１の温度は約１１００℃に約８秒で到達した。変化率が０．９％の板状の炭素系発熱体１１であったので、ラッシュ電流は零であった。また、１３０Ｖ、１５０Ｖ、２００Ｖで連続、断続の寿命試験したが、全ての試験条件で、実施の形態２で述べた如く、炭素系発熱体１１の死に際は、抵抗値がわずかに上昇し、炭素系発熱体１１の色温度が少し低下して断線した。
【００４８】
再熱処理する方法で作成した炭素系発熱体１１を用いた本発明の赤外線電球は、ラッシュ電流、死に際ともに安心して使用できる赤外線が提供できることがわかった。また、板状の炭素系発熱体１１においても、円柱状の部材１２を用いそれにスリットを入れそれに板状発熱体接合する構造としたため、板状の炭素系発熱体１１でも信頼性のある赤外線電球が実現した。
【００４９】
また、該部材は炭素系物質、好適には黒鉛材料、で形成しているので熱伝導性が良いため放熱ブロックとしても機能しており、前記内部リード線の嵌合部の温度を低く抑える効果を有しており、該接合部の信頼性が飛躍的に向上した。本接合方法は、実施の形態１で示した丸棒状の炭素系発熱体１にも何等問題なく適用できる。さらに、低ワットの丸棒状の炭素系発熱体１では、直接内部リード線を取り付けても問題はない。
（実施の形態４）
第４図を用いて、本発明の再熱処理を施した炭素系発熱体を用いた、更に別な構成の赤外線電球について説明する。
【００５０】
第４図において、板状（幅：６．１ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）の炭素系発熱体１１の両端部に実施の形態３で説明した黒鉛円柱材で形成した部材１２ａ、１２ｂを接合し、その一方の部材１２ａにはモリブデン線よりなる内部リード線１４ａの端部に形成したコイル状部１３ａ、を密なる嵌合で巻き付ける。
【００５１】
該内部リード線１４ａの途中部には、コイル状に巻いたスプリング部１５ａを有している。前記発熱体１１の他端部の円柱形状の部材１２ｂには、モリブデン線よりなる内部リード線２５の端部に形成したコイル状部２６を、密なる嵌合で巻き付けられている。
【００５２】
該内部リード線２５には、前記内部リード線１４ａに形成されているスプリング部１５ａは無い構造である。このようにして組み立てた構成物を透明の石英ガラス管２に挿入し、その両端部のモリブデン箔部６ａ、６ｂの部分の石英ガラス管２を溶融し密封した。その石英ガラス管２の内部にはアルゴンガスが大気圧より低い圧力で封入されている。
【００５３】
本構成の特徴は、内部リード線２５にスプリング部１５ａ、１５ｂを有しない構成であるため、モリブデン線の使用量が削減出来るためコストダウンが実現する。但し、スプリング部１５ａの外径は、前記石英ガラス管２の内径に近い径なので炭素系発熱体１１を石英ガラス管２の内部中央部に位置させる機能は有しており、かつ、封止時該スプリング部１５ａを僅かに引っ張った状態で封止しているので、発熱体１１には常に引っ張り張力が働いており、実施の形態３で説明した機能は有している。
【００５４】
実施の形態２及び実施の形態３において、内部リード線４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂに形成しているスプリング部５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂは、２つの機能を有している。その一つは、該スプリング部の外径は、石英ガラス管の内径より少し小さい径にしており、そのため発熱体が常に石英ガラス管内の略中央にくるように機能している。
【００５５】
また、もう一つは、バネの役目をしており、石英ガラス管２の両端部に溶融封止するとき、両端部の外部リード線７Ａ、７Ｂを引っ張り、張力が発熱体にかかるようにした状態で封止している。即ち、完成した赤外線電球は、内部リード線４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂのスプリング部５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂにより、発熱体に引っ張り力がかかった状態で封入されている。その目的は、振動や衝撃による発熱体の振動を小さくするためと、点灯時、炭素系発熱体が熱膨張により長さが長くなり、張力がかかってないと炭素系発熱体にたるみが生じることを防ぐ機能を有している。
【００５６】
実施例では、内部リード線４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂの材質がモリブデン線を用いた物で説明したが、タングステン線でも何等問題なく使用できる。更に、モリブデンやタングステンより、より高温でもバネ性を保つステンレス線も使用でき、黒鉛で形成した部材部の温度が５５０℃以上になるものには有効である。
【００５７】
また、内部リード線として、線材を用いる実施例を示したが、線に制限するものではなく、薄い板状のタングステン、モリブデン、ステンレス材料も適用できる。
【００５８】
また、透明の石英ガラス管２を用いた実施例について説明したが、不透明石英ガラス管も何等問題なく使用できるし、石英ガラス管の表面をブラストにより磨りガラス状にしたものも適用できる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明の炭素系発熱体は、それを真空雰囲気中で再熱処理することにより、電気比抵抗の２０℃の値に対する変化率が自由に変えられる。その結果、変化率がほぼ零にちかい、即ち、抵抗温度特性がフラットな炭素系発熱体が供給できるこが実現した。
【００６０】
即ち、炭素系発熱体の材料組成を変えて炭素系発熱体の固有抵抗を変化させた場合や、炭素系発熱体の形状を変えた場合、その変化率は組成の違いや形状の違いによって変わっているので、変化率零近辺の炭素系発熱体は作れなかったが、各組成や形状において、それぞれに適した再熱処理温度を決定してやれば、どのような組成や形状の発熱体でも、その変化率が零に近い物が提供出来る。
【００６１】
電気比抵抗の２０℃に対する（高温時との）変化率が−２０％から２０％の炭素系発熱体が本発明の赤外線電球に使用出来るが、好ましくは電気比抵抗の２０℃に対する（高温時との）変化率が−１０％から１０％のものが最適である。即ち、この範囲内であれば、負の変化率でも室温時の抵抗値と発熱時の抵抗値が近接しているので、赤外線電球ｏｎ時でも発熱時に過大な電流が流れることがない。
【００６２】
また、正の変化率のものでも前記範囲内の変化率のものであれば、赤外線電球ｏｎ時にラッシュ電流もほとんど流れず、周辺機器への妨害もほとんど無いことが実証された。
【００６３】
そのようにして作成した変化率がほぼ零の発熱体を用いた赤外線電球は、点灯時のラッシュ電流がなく、かつ、発熱体の寿命末期における死に際が、抵抗値の変化が起こらず、発熱温度も変化なく発熱体が断線する事が確認でき、寿命末期においても安全な赤外線電球が提供できる。
【００６４】
また、赤外線電球の構成において、スプリング部を有する内部リード線を用い、該スプリング部をバネとして使用し、常に発熱体に引っ張り張力がかかるように赤外線電球が構成されているため、発熱時の熱膨張による発熱体の垂れ下がりが無く、また、張力が働いているので振動、衝撃に強い赤外線電球が実現できた。
【００６５】
また、スプリング部を両端部につけるのではなく一方部のみの構成も赤外線電球の基本特性を満足するので、電球のコスト低減に寄与できる。
【００６６】
また、再熱処理温度を選択することにより、変化率が零以外の炭素系発熱体も簡単に作成できるので、抵抗温度特性がフラットでない特殊仕様の赤外線も簡単に作成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の丸棒状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球の断平面図
【図２】本発明の板状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球の断平面図
【図３】第２図の赤外線電球における要部を示す一部切り欠き斜視図
【図４】本発明の板状の炭素系板状発熱体を用いた別構成の赤外線電球の断平面図
【図５】従来の赤外線電球における一部切り欠き断平面図
【符号の説明】
１、１１ 炭素系発熱体
２ 石英ガラス管
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ コイル状部
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２５ 内部リード線
５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ スプリング部
６ａ、６ｂ モリブデン箔
７ａ、７ｂ 外部リード線
８ アルゴンガス
１２、１２ａ、１２ｂ 部材
２１ スリット
Claims (10)
- 賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して得られた板状の中間生成物に対して、前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気で所定の再熱処理温度で再熱処理を行って形成された板状の炭素系発熱体を用いた赤外線電球であって、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度であり、
−２０％から２０％の範囲内の前記変化率を有する板状の前記炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されていることを特徴とする赤外線電球。 - 金属或いは半金属化合物の物質としては、金属炭化物、金属硼化物、金属珪化物、金属窒化物、金属酸化物、半金属窒化物、半金属酸化物または半金属炭化物であり、前記物質を１種類あるいは２種類以上含有する炭素系発熱体を用いたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
- 組成物は、樹脂を含む材料を用いたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
- 組成物は、カーボンブラック、黒鉛及びコークス粉から選ばれた１種または２種以上の炭素粉末が含有されている材料を用いたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
- 前記炭素系発熱体の両端部に、リード線が電気的に接続された部材を有し、前記部材の固有抵抗が前記炭素系発熱体の固有抵抗より小さく、かつ前記リード線の固有抵抗より大きい部材を介して前記リード線と前記通電部とを電気的に接続し、前記リード線の端部が石英ガラス管外に導出されるように前記部材が石英ガラス管内に挿入された構造を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線電球。
- 部材が炭素系物質からなることを特徴とする請求項５に記載の赤外線電球。
- 前記リード線が、タングステン線、モリブデン線或いはステンレス線からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線電球。
- 石英ガラス管内のリード線の一方或いは両方において、石英ガラス管の内径にほぼ近い径のスプリング部を有し、炭素系発熱体に引っ張り力が働くように構成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の赤外線電球。
- 石英ガラス管の内部にアルゴン或いは窒素或いはアルゴン・窒素の混合ガスが密封されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の赤外線電球。
- 炭素系発熱体の両端部にリード線の一端が電気的に接続されており、前記リード線の他端が石英ガラス管外に導出されるように、前記炭素系発熱体が石英ガラス管内に配置され、前記石英ガラス管内部に不活性ガスが密封されている赤外線電球の製造方法であって、
賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成物と、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上を所定の固有抵抗値を得るために混合し、押し出し成形し、不活性ガス雰囲気中で焼成して板状の中間生成物を形成する工程、
前記焼成時の雰囲気と異なる１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気において前記中間生成物を所定の再熱処理温度で再熱処理を行って板状の前記炭素系発熱体を形成する工程、を有し、
前記再熱処理温度は、前記炭素系発熱体温度が１２００℃時の電気比抵抗の値から前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値を引いた差値を、前記炭素系発熱体温度が２０℃時の電気比抵抗の値で割って得た変化率が−２０％から２０％の範囲内となるように設定された温度であることを特徴とする赤外線電球の製造方法。
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