JP4151545B2

JP4151545B2 - ヒータランプ

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Publication number: JP4151545B2
Application number: JP2003337287A
Authority: JP
Inventors: 忠義谷川
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005108501A

Description

本発明は発光管の内部に発熱体を具備したヒータランプに係り、特に発熱体の保持構造に関わる。

例えば、工業用乾燥炉、暖房器具の熱源としてニクロム発熱体などが一般に知られているが、近年、炭素繊維からなる発熱体を用いてなるヒータランプが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）。
係る炭素繊維からなる発熱体は、水の吸収帯と重なる２〜５μｍの近赤外領域放射エネルギーに優れ人体に対しては暖め易く冷め難いという特徴を有しており、例えば暖房器具や家庭用調理器、その他工業用加熱装置等の分野で有用といわれている。
特開２００３−２２９２３５号公報大阪府立産業技術総合研究所発行 Technical Sheet No.00027

このような炭素繊維からなる発熱体を用いたヒータランプは、更なる実用化が望まれるが、例えば従来のニクロム等の発熱体を用いたヒータランプに比較して普及していないのが実情である。これは、発熱体が炭素繊維からなるため、これを安定的に保持しかつ該発熱体から均一な熱放射を得るよう給電することが困難であるからと考えられる。例えば、特許文献１記載のもののように発熱体を保護管内に収容して該保護管をバルブの内壁で間接的に支持する構造では、ヒータランプの生産性が低くて高コストとなってしまううえ、ランプ形状も制約されるため汎用性が極めて乏しいものとなる。

そこで本発明は、上記事情に鑑み、弾性を有する炭素繊維からなる発熱体を用いたヒータランプであっても、ランプの長さ方向でほぼ一様な熱放射特性を得ることができることは勿論、係る発熱体を確実に保持することができ、しかもその作業性が良好で高い生産性を有するヒータランプを提供することを目的とする。

本発明は、ガラスバルブ内に発熱体が配置されたヒータランプであって、前記発熱体は弾性を有する炭素繊維からなり、該発熱体は、その端部において筒状の保持部を有し外部リード棒と電気的に接続された金属製の保持部材に、該発熱体の最外端部が前記筒状保持部よりも軸方向外部に突出するように該筒状保持部内に挿入されて、保持されており、前記発熱体の最外端部の断面積をＡ、保持部材の筒状保持部内部の断面積Ｂとしたとき、Ｂ／Ａの値が０．５≦Ｂ／Ａ≦０．８であることを特徴とする。

本発明に係るヒータランプによれば次のような効果が奏される。すなわち、発熱体を、筒状の保持部を有する保持部材を用い、発熱体の端部を前記筒状の保持部内に挿入して保持しているため、発熱体の保持構造を簡素化できてその作業性も良好で、ランプの生産性を高めることができる。
しかも、発熱体の最外端部の断面積をＡ、保持部材の筒状保持部内部の断面積Ｂとしたとき、Ｂ／Ａの値が０．５≦Ｂ／Ａであるので、発熱体の保持部における異常な温度上昇がなく、ヒータの長さ方向で均一な発熱状態が得られるようになり、発熱体の異常発熱を抑制することができる。よって、ランプの短寿命化を回避でき、使用寿命が長いヒータランプを提供することができる。
また、上記Ｂ／Ａの値がＢ／Ａ≦０．８であるので、発熱体が筒状保持部から抜け落ちることがなく、該発熱体を確実に安定的に保持することができる。
したがって、発熱体が弾性を有する炭素繊維からなるヒータランプであっても、生産性が良好で、発熱不良などの異常が発生することがなく、使用寿命の長い、汎用性に富むヒータランプを提供することができるようになる。

以下、本発明を図１に従って詳述する。図１は、本発明の一実施形態を示すヒータランプで、家庭用調理器，暖房器または工業用加熱装置等の発熱体として用いられるものであり、同図はヒータランプの説明用断面図である。

ガラスバルブ１０は、石英ガラス等により管状に形成される。ガラスバルブ１０の長手方向両端部にはピンチシール法等により気密シール部１１，１１’が形成され、ガラスバルブ１０の内部には密閉された発熱体収納空間が形成される。

発熱体２０は、炭素繊維の不織布よりなり、断面が略正方形で長い柱状に成形されている。係る発熱体２０は、例えばシルク等の繊維を積層してシート体に成形し、このシート体を幾つか重ねて圧縮成形したのち、所要の条件で焼成することによりある程度厚みをもった炭素繊維の不織布を得て、係る炭素繊維の不織布を所定の寸法に切断して成形することにより、製作したものである。

このようにして得られる発熱体２０は、優れた発熱能を得るという観点からは、密度が１５０ｍｇ／ｃｍ^３程度あるいはそれ以下であることが好ましく、より好ましくは５０〜１００ｍｇ／ｃｍ^３である。このように密度を低くすると、見かけの体積が大きくなるので赤外線量が多くなり、優れた発熱特性を得ることができる。
また、炭素繊維の繊維径も特に限定されるものではないが、発熱機能を有効に発揮させる観点からは、１〜５０μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは５〜２０μｍ程度である。

上記発熱体２０の両端近傍には保持部材３０，３０’が接続されている。係る保持部材３０，３０’は、先端部に設けられた小コイル部からなる筒状保持部３１，３１’と、該筒状保持部３１，３１’の外端に連設された発熱体の伸びを緩衝するための大コイル部からなる緩衝部３２，３２’と、該緩衝部３２，３２’の後端に連設し、基端部が気密シール部１１，１１’に埋設された軸部３３，３３’とよりなる。軸部３３，３３’における基端部は、気密シール部に埋設されたモリブデン等からなる金属箔３４，３４’に接続されており、該金属箔３４，３４’には外端に外部リード棒３５，３５’が接続され、発熱体収納空間外部に導出されている。

この実施形態において、上記保持部材３０，３０’はいずれも、１本のモリブデンからなる線材を用い、所定寸法の小コイル部と大コイル部を設けることにより、筒状保持部３１，３１’、緩衝部３２，３２’及び軸部３３，３３’を形成して製作されたものである。

無論、保持部材３０，３０’はこのような形態に限定されることなく適宜変更可能である。例えば筒状保持部３１，３１’を金属板製のスリーブを用いて構成してもよい。
緩衝部３２，３２’は、発熱体２０，２０’の最外端部２０ａ，２０ａ’に内接しないようコイル径が比較的大きく形成されており、また、適当な伸縮性を具備している。したがって、発熱体２０，２０の温度が上昇してガラスバルブとの間に熱膨張差が生じたとしても、この緩衝部３２，３２’を構成するコイルが伸縮することにより、当該発熱体２０，２０’が発熱体収納空間内で撓むようなことがなく、熱放射特性が偏倚することを回避することができる。

発熱体２０は、その両方の最外端部２０ａ，２０ａ’が筒状保持部３１，３１’を貫通して軸方向外部に突出し、該筒状保持部３１，３１’に拘持された状態で，保持部材３０，３０’によって保持されている。

ここで、発熱体２０の最外端部２０ａ，２０ａ’の断面積をＡ（ｍｍ^２）、保持部材３０，３０’の筒状保持部３１，３１’内部の断面積Ｂ（ｍｍ^２）としたとき、Ｂ／Ａの値が、０．５≦Ｂ／Ａ≦０．８とされる。すなわち、上記Ｂ／Ａの値が０．５≦Ｂ／Ａであるので、発熱体２０が筒状保持部３１，３１’で拘持された部位にも異常な温度上昇などが発生することなく、その長さ方向でほぼ均一な発熱状態が得られるようになる。
その結果、発熱体２０の異常発熱を抑制できてランプの短寿命化を回避でき、使用寿命が長いヒータランプを提供できるようになる。しかも、上記Ｂ／Ａの値がＢ／Ａ≦０．８であるので、発熱体２０が筒状保持部３１，３１’から抜け落ちることがなく、確実に安定的に保持することができ、信頼性高い、高生産性を有するヒータランプを提供できる。

以上のように、本発明に係るヒータランプによれば、炭素繊維からなる不織布より構成された発熱体であっても保持部材で確実に保持することができ、生産性が良好で使用寿命が長いヒータランプを提供することができるようになる。なお、発熱体の断面が矩形状であると、その断面図における角部は非導電部であるため非発熱部となる。よって、筒状保持部によって発熱体角部が圧潰されたとしても、筒状保持部における熱放射特性はその略中央部とほとんど差異を生じることがないため、発熱領域を十分に確保することができるようになる。

ここで、上記ヒータランプにおける発熱体の保持部を、図２、図３を参照し、具体的数値を挙げて説明する。なお図２は図１中のＬ−Ｌの矢視断面図である。また図３は、図２における発熱体の最外端部断面の外周と筒状保持部の内周の関係を説明する図である。なお、先に図１で説明した構成と同じ構成については同符号を用いて示し説明を省略する。

図２、図３において、発熱体２０は、最外端部２０ａの断面形状が略正方形であり、その１辺の長さｄは、例えば３〜５ｍｍであり、係る寸法は保持部材３０で保持されていないフリーの状態の時と同じである。保持部材３０における筒状保持部３１の内周３１ａの形状は略円形であり、その直径ｒが例えば２．４〜５ｍｍである。なお、この筒状保持部３１の内周３１ａにより形成される形状は限定されないが、好ましくは略円形であり、望ましくは正円である。

発熱体２０は、上述したように炭素繊維からなる弾性を有するものであるため、手先で押圧するのみでも、容易に筒状保持部３１の内部に挿入することができる。筒状保持部３１よりも軸方向外部に突出した発熱体２０の最外端部２０ａは、原形のフリーの状態に復元されるため、図２に示すように最外端部２０ａが筒状保持部３１と係合し、両者の軸方向及び半径方向の移動が規制され、発熱体２０が保持されるようになる。無論、発熱体２０の最外端部２０ａの断面積をＡ、保持部材３０の筒状保持部３１内部の断面積ＢとしたときのＢ／Ａの値は、０．５≦Ｂ／Ａ≦０．８とされる。なお、筒状保持部３１内部の断面形状または寸法が当該筒状保持部の長さ方向で変化している場合は最小値となる内部面積を採用し、これを断面積Ｂとする。つまり、「断面積Ｂ」を換言すると、筒状保持部３１内部の最小断面積である。

以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態における保持部材に緩衝部を設けることは必須ではない。例えばランプ点灯時における発熱体とガラスバルブ間の熱膨張差を無視できるものであれば係る構成は不要である。無論、緩衝部を設ける場合もコイル状のものに限定されることなく適宜である。
また、筒状保持部の断面形状も略円形に近似した形状であれば円形に限定されるものではなく例えば多角形でもよいし長円形とすることも可能で、更には、筒状保持部内部の断面形状または寸法が長さ方向で変化していても構わない。

下記の要領で、図１〜２に示したような構成を有する本発明に係るヒータランプを作製した。以下、これについて詳述する。
〔保持部材〕
保持部材(30)は、筒状保持部(31,31')、緩衝部(32,32')及び軸部(33,33')を一体に、素線径がφ０．４ｍｍのモリブデンからなる線材を用いて作製した。この線材の先端部に内径が３．１ｍｍ、コイルピッチ０．４ｍｍ、１０ターン巻回して小コイル部を形成して筒状保持部(31,31')を設け、その後方に、小コイル部の軸と同軸となるよう内径が６．５ｍｍ、コイルピッチ０．５ｍｍで１０ターン巻回して大コイル部を形成して緩衝部(32,32')を設けた。緩衝部(32,32')の後方には小コイル部及び大コイル部の軸と略同軸に延伸する軸部(33,33')を長さ３０ｍｍ設けた。軸部(33,33')における基端部に、予め外部リード棒(35,35')が接続されたモリブデン製の金属箔(34,34')の一端部を溶接して接続し、組立体を作製した。
〔発熱体〕
発熱体(20)には密度が７０ｍｇ／ｃｍ^３の炭素繊維からなる不織布を用いた。発熱体(20)は、保持部材(30,30')を装着していない段階において、断面形状が縦３ｍｍ、横３ｍｍの正方形であり、長さが１６０ｍｍの角柱状であった。
この実施例では、発熱体(20)の断面積が９ｍｍ^２であり、保持部材(30,30')における筒状保持部(31,31')の内部断面積が４．９ｍｍ^２であり、つまり、発熱体の断面積に対する筒状保持部の内部断面積の割合が０．５４であった。

この発熱体(20)の両方の端部近傍を圧縮して該発熱体(20)の最外端部(20a,20a')が筒状保持部(31,31')よりも軸方向外部に突出するようその中空内部に挿入し、該発熱体(20)を拘持して保持した。これを、ガラスバルブ内に挿入して気密シール部(11,11')を形成し、定格消費電力２５０Ｗのヒータランプを作製した。

上記実施例に係るヒータランプを、交流電源を用いて電圧１００Ｖ、電流２．５Ａで５０００時間連続点灯したところ、温度が異常に上昇するようなことはなく、ランプの長さ方向、半径方向で熱放射特性が一様な安定した点灯状態を示した。
なおこの実施例のランプはその製造中及び完成品とした後も発熱体が保持部から外れるような不具合を発生することはなかった。

＜試験例＞
筒状保持部を構成する小コイル部の寸法を変えたことの他は、実施例と同様にしてヒータランプの作製を試み、更に発熱体の保持状態を確認した。また、作製したヒータランプを実際に点灯して発熱状態を確認した。この結果を、「筒状保持部内部の断面積／発熱体の断面積」の値とあわせて図４にまとめて示す。

図４に示すように、筒状保持部内部の断面積／発熱体断面積の値が、０．４５未満である場合は筒状保持部内に発熱体を挿入することができず、ヒータランプを作製することが不可能であった。これが０．４５以上になると筒状保持部内に発熱体を挿入することができるようになったが、０．５未満では発熱体の拘束が固いため、ランプを点灯したときの電気抵抗が大きく、過熱するものがあった。つまり、筒状保持部内部の断面積／発熱体断面積の値が０．４５以上０．５未満ではランプは発熱不良を生じることがある。
係る筒状保持部内部の断面積／発熱体断面積の値が０．５以上であれば、発熱体の保持部における異常な温度上昇が発生せず、ヒータの長さ方向で均一な発熱状態が得られた。またこの値が０．８以下であると、作業中及びランプの点灯中も発熱体が筒状保持部から抜け落ちることがなく、確実に安定的に保持することができると判明した。
筒状保持部内部の断面積／発熱体断面積の値が０．８を超えると、一部のランプに筒状保持部から発熱体の抜けが発生し、安定的に発熱体を保持することが困難であることが分かった。つまり、ランプ作製が不可であると認められた。
更に筒状保持部内部の断面積／発熱体断面積の値を大きくし、０．９を超えた場合には、発熱体は筒状保持部から容易に抜け落ちてしまいヒータランプを作製することができなかった。

以上の試験例の結果、筒状保持部内部の断面積／発熱体断面積の値が、０．５以上０．８以下であるのが良好であると確認された。なお、この筒状保持部内部の断面積／発熱体断面積の値は、最終形状としたヒータランプの発熱体の最外端部の断面積をＡ、筒状保持部内部の断面積ＢとしたときのＢ／Ａの値に相当する。

本発明の一実施形態を示すヒータランプの説明用断面図である。図１中のＬ−Ｌの矢視断面図である。図２における発熱体の最外端部断面の外周と筒状保持部の内周の関係を説明する図である。試験例の結果をまとめた図である。

符号の説明

１０ガラスバルブ
１１，１１’ 気密シール部
２０発熱体
２０ａ，２０ａ’ 最外端部
３０，３０’ 保持部材
３１，３１’ 筒状保持部
３２，３２’ 緩衝部
３３，３３’ 軸部
３４，３４’ 金属箔
３５，３５’ 外部リード棒

Claims

ガラスバルブ内に発熱体が配置されたヒータランプであって、
前記発熱体は弾性を有する炭素繊維からなり、該発熱体はその端部において、筒状の保持部を有し外部リード棒と電気的に接続された金属製の保持部材に、該発熱体の最外端部が前記筒状保持部よりも軸方向外部に突出するように該筒状保持部内に挿入されて、保持されており、
前記発熱体の最外端部の断面積をＡ、保持部材の筒状保持部内部の断面積Ｂとしたとき、
Ｂ／Ａの値が０．５≦Ｂ／Ａ≦０．８であることを特徴とするヒータランプ。