JP4236261B2 - ヒータ - Google Patents

Description

本発明はヒータに関し、より詳細には、カーボンワイヤー発熱体をガラス部材中に封入したヒータに関する。

本願発明者らは、既にカーボンワイヤー発熱体をガラス管中に封入したヒータを特許文献１（特開２０００―２２８２７１号公報）において提案している。この公報に記載されたヒータの概要を図７、図８に基づいて説明する。なお、図７はヒータの側面図であり、図８は図７に用いられている封止端子部の斜視図である。
図７に示されているヒータ２１は、カーボンワイヤー発熱体２２と、前記カーボンワイヤー発熱体２２を収納する、両端が開放されたＵ字状の小径の石英ガラス管２３と、前記小径の石英ガラス管２３の両端部２３ａ、２３ｂに圧縮収納されたワイヤーカーボン材Ａと、前記小径の石英ガラス管２３を収容すると共に、一端が閉塞されかつ他端が開放された大径の石英ガラス管２４と、前記大径の石英ガラス管２４の開放された端部に取り付けられた、カーボンワイヤー発熱体２２と接続される接続線３２ａ、３２ｂとを備える封止端子部３０とから構成されている。
なお、前記小径の石英ガラス管２３は、その頂部において大径の石英ガラス管２４の内部に固定部２５を介して固定されている。

更に、封止端子部３０の構成を、図８に基づいて説明すると、封止端子部３０を構成するガラス管３１は、即ち、大径石英ガラス管２４と融着してあるいは溶接して一体化するガラス管３１は、大径石英ガラス管２４との融着側から、石英ガラス部３１ａ、グレイデッド（Graded）シール部３１ｂ、タングステン（Ｗ）ガラス部３１ｃによって構成されている。
そして、小径の石英ガラス管２３内に圧縮収納されているカーボンワイヤーに接続されるタングステン（Ｗ）からなる接続線３２ａ、３２ｂは、タングステン（Ｗ）ガラス部３１ｃのピンチシール部３１ｄでピンチシールされる。

すなわち、ピンチシール部３１ｄを、接続線を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成すると共に、大径石英ガラス管２４との融着側を石英ガラスで形成されている。
このように、ピンチシール部３１ｄを、接続線を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成することにより、接続線３２ａ、３２ｂの高温時熱膨張に伴うガラス部（ピンチシール部３１ｄ）の破損を防止している。
特開２０００―２２８２７１号公報

ところで、前記したように封止端子部３０を構成するガラス管３１は、石英ガラス部３１ａ、グレイデッド（Graded）シール部３１ｂ、タングステン（Ｗ）ガラス部３１ｃによって構成されている。そのため、このガラス管３１の製造には熟練を要し、特に低コスト製品の量産には適さないという技術的課題があった。特に、自動化による大量生産に適さないものであった。

本発明者等は、このヒータの封止端子部に着目し、接続線とガラス管との間の封止構造について鋭意研究した。その結果、接続線とガラス管との間をセラミックス接着剤、あるいはセラミックス充填剤を用いて封止することにより、使用状態において破損等することなく、しかも量産に適していることを知見し、本発明を想到するに至った。

本発明は、前記した技術的課題を解決するためになされたものであり、容易に封止端子部を形成することができ、しかも量産に適した、特には一般産業用として有益な、封止端子部を有するヒータを提供することを目的とする。

上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかるヒータは、第一のガラス管と、前記第一のガラス管内に収納されたカーボンワイヤー発熱体と、前記第一のガラス管の内部に収納された第二のガラス管部と、前記第二のガラス管部の内部に充填され、前記カーボンワイヤー発熱体の端部を保持するワイヤーカーボン部材と、前記ワイヤーカーボン部材に保持された電力供給用の接続線とを備え、前記ワイヤーカーボン部材の一部が第二のガラス管部から突出し、前記突出したワイヤーカーボン部材は、少なくとも、前記第一のガラス管の端部を封止するセラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接するように構成されていることを特徴としている。

このように、前記第一のガラス管の端部を、セラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤を用いて封止するように構成したため、石英ガラス部、グレイデッド（Graded）シール部、タングステン（Ｗ）ガラス部を有するガラス管を用いる必要がなく、ヒータを容易に製造でき、しかも量産することができる。

また、第二のガラス管部から突出したワイヤーカーボン部材が、少なくとも、前記第一のガラス管の端部を封止するセラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接するように構成されている。
そのため、セラミックス接着剤、セラミックス充填剤が固化する前に、セラミックス接着剤、セラミックス充填剤に含まれている気体（気泡）を、ワイヤーカーボン部材側に溶剤（例えば水）と共に毛細管現象により、引き寄せることができる。その結果、固化したセラミックス接着剤、セラミックス充填剤（封止部）には、外部と内部に連通する細孔がなく、ヒータの耐久性を向上させることができる。

また、前記した封止部の構造は、第一のガラス管と、前記第一のガラス管の内部に収納された第二のガラス管部と、前記第二のガラス管内に収納されたカーボンワイヤー発熱体と、前記第二のガラス管部の内部に充填され、前記カーボンワイヤー発熱体の端部を保持するワイヤーカーボン部材と、前記ワイヤーカーボン部材に保持された電力供給用の接続線とを備えるヒータにも適用することができる。

ここで、前記セラミックス接着剤は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミックス粉末とその溶媒である水またはアルコールおよび接着成分であるアクリルエマルジョンまたは水ガラスからなる接着剤であることが、耐熱性の観点から好ましい。
また、前記セラミックス充填剤は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミックス粉末とその溶媒である水またはアルコールからなる充填剤であることが、耐熱性の観点から好ましい。
なお、前記セラミックス接着剤、セラミックス充填剤は、３００ｃｐｓ〜２００００ｃｐｓ、より好ましくは１０００ｃｐｓ〜１５０００ｃｐｓの粘性を有していることが好ましい。

また、前記ワイヤーカーボン部材と前記カーボンワイヤー発熱体はそれぞれ複数のカーボン繊維を束ねて一本のカーボン繊維束とし、このカーボン繊維束を複数本編み上げてなる編紐または組紐であって、前記ワイヤーカーボン部材が前記第二のガラス管に圧縮状態で収納されると共に、接続線がワイヤーカーボン材間に圧接状態で収容されていることが好ましい。

このように、ワイヤーカーボン部材として、複数のカーボン繊維を束ねたものが用いられているため、ワイヤーカーボン部材の一部が、セラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接すると、毛管現象によってセラミックス接着剤、セラミックス充填剤に含まれている気体（気泡）を、迅速に引き寄せることができ、これらの乾燥・固化時に接着剤層（封止部）もしくは充填剤層（封止部）に気体を残存させることなく通気性を低減できると共に、また強度をより高めることができる。
また、ワイヤーカーボン材間に接続線が圧接状態で収容されるため、ワイヤーカーボンの炭素成分が還元性の作用をし、接続線の酸化の増大を抑制することができる。その結果、接続線の酸化に伴うスパークの発生を防止することができる。また、ワイヤーカーボン材が圧縮収納された部分に、カーボンワイヤー発熱体及び接続線が取り付けられるため、カーボンワイヤー発熱体によって高温になっても、接続が緩んでしまうことがなく、良好な電気的接続状態が維持される。

以上のように本発明にかかるヒータは、容易に封止端子部を形成することができ、しかも量産に適した封止端子部を有するヒータを得ることができる。

以下に、本発明にかかる第一の実施形態について図１乃至図５に基づいて説明する。なお、図１は、本発明にかかる両端に接続線を有するヒータの実施形態を示す断面図であり、図２は、図１の封止端子部を示す断面図、図３は、カーボンワイヤーを示す平面図、図４はカーボンワイヤー発熱体と接続線の接続状態を示す断面図、図５は図４の横断面図である。

図１に示されているヒータ１は、カーボンワイヤー発熱体２と、前記カーボンワイヤー発熱体２を収納する、両端が開放された大径の石英ガラス管３と、前記大径の石英ガラス管３の両端部３ａ、３ｂに収納された小径の石英ガラス管４ａ、４ｂと、この小径の石英ガラス管４ａ，４ｂの内部に圧縮収納されたワイヤーカーボン材Ａと、前記大径の石英ガラス管３の端部を封止し、閉塞する封止部５ａ、５ｂと、前記封止部５ａ、５ｂを貫通し、前記ワイヤーカーボン材Ａを介してカーボンワイヤー発熱体２と接続される接続線６ａ、６ｂとから構成されている。

ここで、前記カーボンワイヤー発熱体２としては、図３に示すような複数本のカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束用いてワイヤー状に編み込んだもの等が用いられる。このカーボンワイヤー発熱体２は、図４、図５に示すように小径の石英ガラス管４ａ，４ｂの内部に圧縮収納された複数本のワイヤーカーボン材Ａ間に、圧縮状態で埋設されている。

前記カーボンワイヤー発熱体２の具体例としては、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバーを３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を９束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。
前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度であり、カーボンファイバーによる表面の毛羽立ちは０．５乃至２．５ｍｍ程度である。なお、前記毛羽立ちとは、図３の符号ａに示すような、カーボンファイバーが切断されたものの一部が、カーボンワイヤーの外周面から突出したものである。

また、前記ワイヤーカーボン材Ａは、カーボンワイヤー発熱体２と同一もしくは、少なくともカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数編み上げてなる編紐あるいは組紐形状である点において同等の構成材料が用いられる。
なお、同一の構成材料とは、カーボンファイバー直径、カーボンファイバーの束ねた本数、ファイバー束を束ねる束数、編み込み方、編み込みスパン長さ、毛羽立ち長さ、材質が同一であることを意味している。

また、小径の石英ガラス管４ａ、４ｂに収容されるワイヤーカーボン材Ａの本数は、カーボンワイヤー発熱体２の本数以上が収容されるのが良い。より好ましくは、カーボンワイヤー発熱体２の本数の５倍以上の本数が、ワイヤーカーボン材Ａとして収容されているのが良い。具体的に説明すれば、例えばカーボンワイヤー発熱体２が１本のときワイヤーカーボン材Ａが１４本、あるいはカーボンワイヤー発熱体２が２本のときワイヤーカーボン材Ａが１２本等、５倍以上の本数がワイヤーカーボン材Ａとして用いられるのが好ましい。

前記のように、カーボンワイヤー発熱体２とワイヤーカーボン材Ａとして例示した、直径７μｍのカーボンファイバーを３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を９束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーの電気抵抗は、室温で略１０Ω／１ｍ・１本、１０００℃で５Ω／１ｍ・１本である。
また、前記カーボンワイヤーを５本束ねたときの電気抵抗は、室温で略２Ω／１ｍ・１本、１０００℃で１Ω／１ｍ・１本である。

したがって、ワイヤーカーボン材Ａとして、小径石英ガラス管４ａ、４ｂに前記カーボンワイヤーが５本、圧縮収容されている場合には、前記したように室温で略２Ω／１ｍ・１本、１０００℃で１Ω／１ｍ・１本となり、電気抵抗が１／５（１／本数）となり、低下する。
その結果、ワイヤーカーボン材Ａによる発熱を、カーボンワイヤー発熱体２の発熱に比べ、極端に低下させることができる。

また、カーボンワイヤー発熱体２と後述する接続線６ａ、６ｂとの間にワイヤーカーボン材Ａが介在するために、カーボンワイヤー発熱体２の熱が接続線６ａ、６ｂに極力伝わらないようにすることができ、封止部５ａ、５ｂの高温劣化を防止することができる。即ち、ワイヤーカーボン材Ａが断熱材として機能し、封止部５ａ、５ｂの高温劣化を防止することができる。

ここで、ワイヤーカーボン材Ａの長さは４０ｍｍ以上、より好ましくは４５ｍｍ以上に設定される。一般にヒータ温度が１２００℃、ワイヤーカーボン材Ａの長さが３５ｍｍとした場合、封止部５ａ，５ｂの温度は２５０℃程度となる。封止部５ａ，５ｂの温度が２７０℃を超えた場合、熱膨張差により封止部５ａ、５ｂにクラックが入るため、断熱材としてのワイヤーカーボン材Ａの長さは４０ｍｍ以上、より好ましくは４５ｍｍ以上に設定する必要がある。

また、ワイヤーカーボン材Ａ間に接続線６ａ、６ｂが圧接状態で収容されるため、ワイヤーカーボンＡの炭素成分が還元性の作用をし、接続線６ａ，６ｂの酸化の増大を抑制することができる。その結果、接続線６ａ、６ｂの酸化に伴うスパークの発生を防止することができる。また、ワイヤーカーボン材Ａが圧縮収納された部分に、カーボンワイヤー発熱体２及び接続線６ａ、６ｂが取り付けられるため、カーボンワイヤー発熱体２によって高温になっても、接続が緩んでしまうことがなく、良好な電気的接続状態が維持される。

また、前記接続線６ａ、６ｂはＭｏ（モリブデン）、あるいはＷ（タングステン）棒からなり、その直径は１ｍｍ乃至３ｍｍに形成されている。前記接続線６ａ、６ｂの直径は、必要に応じて適宜選択することができるが、直径が小さすぎる場合には、大きな電気抵抗となるため好ましくない。また直径が大きすぎる場合には、端子自体が大きくなるため好ましくない。
なお、接続線６ａ、６ｂは、小径石英ガラス管４ａ，４ｂ内に圧縮収納されているワイヤーカーボン材に容易に接続ができるように、その先端部は尖っている。

また、前記大径の石英ガラス管３ａ、３ｂの端部を閉塞し、封止する封止部５ａ、５ｂは、セラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤によって形成される。
ここで、セラミックス接着剤は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミックス粉末とその溶媒である水またはアルコールおよび接着成分であるアクリルエマルジョンまたは水ガラスからなる接着剤が用いられる。このようにセラミック接着剤は、耐熱性の観点から好ましい。
また、前記セラミックス充填剤は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミックス粉末とその溶媒である水またはアルコールからなる充填剤が用いられる。このセラミックス充填剤は、耐熱性の観点から好ましい。
なお、前記セラミックス接着剤、セラミックス充填剤は共に、３００ｃｐｓ〜２００００ｃｐｓの粘性を有していることが好ましい。
粘性が３００ｃｐｓ未満の場合には、接着剤または充填剤がガラス管４ａ（４ｂ）と３ａ（３ｂ）の隙間に入り込み水分の抜けを妨げたり異常発熱を発生し断線に至ることがある。またワイヤーカーボン材Ａ内に浸透することでワイヤーカーボン材Ａの持つ断熱効果を妨げるという弊害が生じ、粘性が２０００ｃｐｓを超えた場合には、ワイヤーカーボン材からはみ出したｙ部分が接着剤または充填剤内と充分に接することができなくなり同時にｙ部分を埋没させることができないという弊害が生じるためである。

また、前記セラミックス充填剤、セラミックス接着剤は、溶媒（例えば、水）が蒸発することによって硬化が進み、最終的に固まる。その際、セラミックス接着剤、セラミックス充填剤に含まれている気体（気泡）によって、ガラス管内部と外部とを連通する細孔が形成される場合がある。
このようにガラス管内部と外部とが連通すると、ガラス管内部に不活性ガスを封入し、密閉状態にしておくことができず、ヒータの寿命を短くする。

そのため、図２に示すように、小径のガラス管部４ａ、４ｂからワイヤーカーボン部材Ａを突出させ、少なくとも、前記セラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接するように形成する。尚、突出したワイヤーカーボン部材Ａを、前記セラミックス接着剤内あるいはセラミックス充填剤内に埋設するように形成しても良い。
そして、セラミックス接着剤、セラミックス充填剤が固化する前に、セラミックス接着剤、セラミックス充填剤に含まれている気体（気泡）を、ワイヤーカーボン部材側に溶媒（例えば水）と共に毛細管現象により、引き寄せる。
これによって、固化したセラミックス接着剤、セラミックス充填剤（封止部５ａ、５ｂ）に、外部から内部に連通する細孔の発生を防止でき、ヒータの耐久性を向上させることができる。

なお、突出したワイヤーカーボン部材Ａが封止部５ａ，５ｂを越えて、大径のガラス管３の外部に突出すると、連続的な細孔が形成されるため好ましくない。また、ワイヤーカーボン部材Ａの一部が、セラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接しない場合には、前記した毛細管現象を期待することができないため、好ましくない。

また、突出したワイヤーカーボン部材Ａは、小径のガラス管４ａ，４ｂの軸線に沿って直線状に突出するのみではなく、小径のガラス管４ａ，４ｂの径方向にも突出するのが好ましい。
このように、ワイヤーカーボン部材Ａを小径のガラス管４ａ，４ｂの径方向に突出させることによって、低粘性のセラミックス接着剤、セラミックス充填剤を用いた場合にも、前記セラミックス接着剤、セラミックス充填剤が、大径ガラス管３（３ａ，３ｂ）と小径ガラス管（４ａ，４ｂ）の間隙に侵入するのを抑制できる。

また、ワイヤーカーボン部材Ａが小径のガラス管４ａ，４ｂから突出する長さｙとし、小径のガラス管４ａ，４ｂに収納されているワイヤーカーボン部材Ａの長さをｘとすると、ｙ／ｘが０．１〜０．９、より好ましくは０．４〜０．８に設定される。
ワイヤーカーボン部材Ａの突出量が０の場合、充填剤が、大径のガラス管と、小径のガラス管の間に流れ込んでしまう傾向がある。また、ワイヤーカーボン部材Ａが封止部の長さを超えた場合には、ヒータ内外に連続的な気孔ができるため断線する可能性が高い。

次に、本発明にかかる第二の実施形態について、図６に基づいて説明する。尚、図１乃至図５、図７に記載された部材と同一または相当する部材は、同一符号を付することにより、その詳細な説明は省略する。
このヒータ１０は、大径の石英ガラス管３と、前記大径の石英ガラス管３の内部に収納された小径の石英ガラス管４と、前記小径の石英ガラス管４内に収納されたカーボンワイヤー発熱体２と、前記小径の石英ガラス管４の端部４ａ、４ｂに充填され、前記カーボンワイヤー発熱体２の端部を保持するワイヤーカーボン部材Ａと、前記ワイヤーカーボン部材Ａに保持された電力供給用の接続線６ａ、６ｂとを備えている。
即ち、この形態のヒータ１０にあっては、カーボンワイヤー発熱体２が小径のガラス管４に収納され、該小径のガラス管４の端部４ａ，４ｂにワイヤーカーボン部材Ａが充填されている点に特徴がある。

このような構成のヒータ１０においても、前記ワイヤーカーボン部材Ａの一部を小径のガラス管４（４ａ，４ｂ）から突出させ、前記突出したワイヤーカーボン部材Ａを、少なくとも、前記大径のガラス管３の端部を封止するセラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接するように構成することにより、前記した第一の実施形態と同様の効果を得ることができる。
尚、前記したように、突出したワイヤーカーボン部材Ａを、前記セラミックス接着剤内あるいはセラミックス充填剤内に埋設するように構成しても、同様の効果を得ることができる。

以上のように本発明にかかるヒータは、あらゆる分野に用いられているヒータに、特に好ましくは一般産業用ヒータに適用することができる。

図１は、本発明にかかる第１の実施形態を示す断面図である。 図２は、図１の封止端子部を示す断面図である。 図３は、カーボンワイヤー発熱体、ワイヤーカーボン材を示す平面図である。 図４は、カーボンワイヤー発熱体と接続線の接続状態を示す断面図である。 図５は、図４の横断面図である。 図６は、第二の実施形態を示す側面図である。 図７は、従来のヒータを示す側面図である。 図８は、図７の封止端子部の拡大斜視図である。

符号の説明

１ ヒータ
２ カーボンワイヤー発熱体
３ 大径の石英ガラス管
３ａ 大径の石英ガラス管の端部
３ｂ 大径の石英ガラス管の端部
４ 小径の石英ガラス管
４ａ、４ｂ 小径の石英ガラス管
５ 封止部
５ａ、５ｂ 封止部
６ａ，６ｂ 接続線
１０ ヒータ
Ａ ワイヤーカーボン材
ａ 毛羽立ち

Claims (5)

1. 第一のガラス管と、前記第一のガラス管内に収納されたカーボンワイヤー発熱体と、前記第一のガラス管の内部に収納された第二のガラス管部と、前記第二のガラス管部の内部に充填され、前記カーボンワイヤー発熱体の端部を保持するワイヤーカーボン部材と、前記ワイヤーカーボン部材に保持された電力供給用の接続線とを備え、
   前記ワイヤーカーボン部材の一部が第二のガラス管部から突出し、
   前記突出したワイヤーカーボン部材は、少なくとも、前記第一のガラス管の端部を封止するセラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接するように構成されていることを特徴とするヒータ。
2. 第一のガラス管と、前記第一のガラス管の内部に収納された第二のガラス管部と、前記第二のガラス管内に収納されたカーボンワイヤー発熱体と、前記第二のガラス管部の内部に充填され、前記カーボンワイヤー発熱体の端部を保持するワイヤーカーボン部材と、前記ワイヤーカーボン部材に保持された電力供給用の接続線とを備え、
   前記ワイヤーカーボン部材の一部が第二のガラス管部から突出し、
   前記突出したワイヤーカーボン部材は、少なくとも、前記第一のガラス管の端部を封止するセラミックス接着剤あるいはセラミックス充填剤と接するように構成されていることを特徴とするヒータ。
3. セラミックス接着剤は、セラミックス粉末とその溶媒である水またはアルコールおよび接着成分であるアクリルエマルジョンまたは水ガラスからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒータ。
4. セラミックス充填剤は、セラミックス粉末とその溶媒である水またはアルコールからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒータ。
5. 前記ワイヤーカーボン部材と前記カーボンワイヤー発熱体は、それぞれ複数のカーボン繊維を束ねて一本のカーボン繊維束とし、このカーボン繊維束を複数本編み上げてなる編紐または組紐であって、
   前記ワイヤーカーボン部材が前記第二のガラス管に圧縮状態で収納されると共に、接続線がワイヤーカーボン材間に圧接状態で収容されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたヒータ。

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