JP4324453B2 - 赤外線電球及び加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線電球及び加熱装置に関するものであり、特に、発熱体として炭素系物質を使用し、熱源として優れた機能を有する赤外線電球及びその赤外線電球を用いた加熱装置に関する。

近年、棒状又は板状に成形した炭素系物質の焼結体を発熱体として使用する赤外線電球が開発されている。炭素系物質の赤外線放射率は７８〜８４％と高いため、炭素系物質を発熱体として用いることで赤外線電球の赤外線放射率が高くなる。国際公開第ＷＯ０１／０４１５０７号パンフレットに従来例の赤外線電球及びその赤外線電球を用いた加熱装置が開示されている。従来例の赤外線電球は、板状の発熱体を封入したガラス管の外面に半円筒形状の反射膜を有する。又は、反射膜の代わりに板状の発熱体を封入したガラス管の後方に半円筒形状の反射板を有する。反射膜又は反射板が発熱体の放射する赤外線を反射することにより、赤外線の輻射強度を所定の方向において局所的に大きくすることができる。

国際公開第ＷＯ０１／０４１５０７号パンフレット

従来例の赤外線電球は、反射膜及び反射板が半円筒形状であったため、赤外線の輻射強度は発熱体単体と比較して所定の方向において最大約１．５倍が限度であった。赤外線の輻射強度を大きくするためには発熱体を複数個用いる必要があり、赤外線電球及びその赤外線電球を用いた加熱装置の外形が大きくなるという問題があった。
本発明は、上記の問題を解決するためになされるものであり、赤外線電球の輻射分布を改善し、赤外線輻射強度が大きい構成を有する小型の赤外線電球及びその赤外線電球を用いた加熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は下記の構成を有する。請求項１に記載の発明は、長手方向に延びる形状を有する１又は複数個の発熱体と、前記発熱体を封止した、長手方向に垂直の断面の一部が放物線であるガラス管と、を有し、前記ガラス管の外周上の断面が放物線の部分に、長手方向に反射膜が形成されるとともに前記長手方向に垂直な断面の前記発熱体中心軸が、前記放物線両端部を結ぶ略直線上で且つ前記反射膜の焦点に位置していることを特徴とする赤外線電球である。
本発明は、容易に正確な放物線の反射膜を形成することができ、所定の方向に大きな輻射強度を有する赤外線電球を実現できる。放物線形状の反射板を構成することによっても赤外線の輻射強度の大きい赤外線電球は実現できるが、反射板を利用する加熱装置は外形が大きくなる。本発明によれば、輻射強度の大きい小型の赤外線電球を実現できる。

請求項２に記載の発明は、複数個の発熱体を有し、複数個の前記発熱体が、前記反射膜が放射するほぼ平行な光にほぼ垂直な面に、並置されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球である。
本発明によれば、所定の方向において輻射強度の大きい赤外線電球を実現できる。

請求項３に記載の発明は、前記発熱体は板状であって、前記発熱体の最も面積が広い面が、前記反射膜が放射するほぼ平行な光にほぼ垂直に配置されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球である。
本発明によれば、所定の方向において輻射強度の大きい赤外線電球を実現できる。

請求項４に記載の発明は、前記発熱体は、前記反射膜が放射するほぼ平行な光の進行方向に向かって凸状又は凹状に湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球である。
本発明によれば、局所的に輻射強度の大きい、又は広い範囲を均一的に加熱できる赤外線電球を実現できる。

請求項５に記載の発明は、前記発熱体は、炭素系物質で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球である。
本発明によれば、加熱効率が高い赤外線電球を実現できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の赤外線電球を有する加熱装置である。
本発明によれば、所定の方向において輻射強度の大きい小型の加熱装置を実現できる。

本発明は、赤外線電球の輻射分布を改善し、赤外線放射強度が高く、指向性のある電球において長期間使用できる構成を有する小型の赤外線電球及びその赤外線電球を用いた加熱装置を実現できるという有利な効果が得られる。

以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。

《実施の形態》
図１を用いて、実施の形態の赤外線電球及び加熱装置について説明する。図１は本発明の実施の形態の赤外線電球の構造を示す正面図（ａ）及び長手方向に垂直の断面図（ｂ）である。図１（ａ）は、赤外線電球の一方の端部を表したものであり、もう一方の端部は同じ構成であるため省略している。実施の形態の赤外線電球は、ガラス管１、発熱体２、放熱ブロック３、内部リード線４、モリブデン箔５、外部リード線６、反射膜７を有する。
ガラス管１は石英ガラス（例えば、ダウコーニング社製バイコールガラス（品番 ＃７１９０））の非晶質ガラスである。ガラス管１は、発熱体２と放熱ブロック３と内部リード線４とを封入している。本発明のガラス管１は、長手方向に垂直の断面の一部が放物線形状である。

発熱体２は、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の混合物からなる炭素系物質で形成されている。この発熱体２の形状は板状であり、例えば、幅６mm、厚み０．５mm、長さ３００mmに形成されている。炭素系物質の赤外線放射率は７８〜８４％と高いため、炭素系物質を発熱体として用いることで、赤外線電球の赤外線放射率が高くなる。また平板状であることから余分な加熱に要するエネルギーが必要でないなど大きな特徴を有している。炭素系物質は、温度と抵抗の関係を表す温度抵抗特性がわずかに負或いは正の特性を有しているため、通電開始の瞬間の突入電流が小さく、制御回路も簡単なものでよい。突入電流が小さいのでノイズによる周辺機器への影響も無い。

放熱ブロック３は黒鉛等の導電性材料で形成されており、発熱体２の一端に電気的に接続されている。放熱ブロック３自体の発熱は発熱体に比べて十分小さく無視できるものである。放熱ブロック３には発熱体２から熱が伝わってくるが、放熱ブロック３は表面積（輻射面積）が大きいため、その熱の一部を放熱ブロックの表面から発散する。そのため、放熱ブロック３と内部リード線４との接続部であるコイルバネ部４ａの温度上昇を防ぐことができる。

内部リード線４は、炭素の熱膨張係数に近似したタングステン線により形成され、内部リード線４の一端にコイルバネ部４ａが形成されている。内部リード線４のコイルバネ部４ａは放熱ブロック３の外周面に密着して巻回され電気的に接続されている。
コイルバネ部４ａに続いて弾性を有するスプリング部４ｂが形成されている。スプリング部４ｂは、放熱ブロック３の外周面から所定間隔を有して配置されており、発熱体２の膨張による寸法変化をその伸び縮みにより打ち消し吸収できるよう構成されている。
内部リード線４の他端には、モリブデン箔５が溶接して接続されている。モリブデン箔５には外部リード線６であるモリブデン線がそれぞれスポット溶接法により接合されている。内部リード線４は、モリブデン箔５を介して外部リード線６に接続される。

赤外線電球は、発熱体２と放熱ブロック３と内部リード線４をガラス管１内に挿入し、内部にアルゴンガス等の不活性ガスを満たした後、モリブデン箔５を含むガラス管１の端部を溶融し平板状に押しつぶして封止している。
外部リード線６に電力を印加すると、発熱体２に電流が流れ、その電流に対する発熱体の抵抗により熱が生じる。このとき、発熱体からは赤外線が放射される。赤外線電球は、発熱体２の発熱温度が１５００℃以下で定常状態になるように設計されている。

反射膜７は、ガラス管１の外周上の断面が放物線の部分に、長手方向に形成されている。
反射膜７はガラス管の外面状に約５μｍの厚みに蒸着された金の薄膜である。反射膜７の長さは発熱体２の発光長を覆う長さである。反射膜７は、発熱体２から輻射された赤外線を反射し、反射膜の背面はほとんど輻射されない。
本発明に係る実施の形態１の赤外線電球において、発熱体２は、発熱体の中心軸に垂直な断面において、放物線形状の反射膜７の焦点に配設される。放物線の焦点に配置された点光源から放射された光は、放物線によって反射されて平行光になる。好ましくは、反射膜７の幅方向の両端と発熱体２の中心軸とが略直線上に位置するのが良い。発熱体は板状であって、発熱体の最も面積が広い面が、反射膜が放射するほぼ平行な光にほぼ垂直に配置される。

図２は、図１の赤外線電球の長手方向に対して垂直の断面方向の輻射強度分布特性を表す分布図である。図２に示されているｘ軸及びｙ軸は、図１に示した発熱体２の長手方向に対して垂直な平面内における直交座標軸である。ｘ軸は、発熱体の最も面積が広い面に垂直な方向である。ｙ軸は、発熱体の最も面積が広い面の幅方向である。図２の中心に、発熱体２を封止したガラス管１を記載している。図２のグラフにおいて、半径方向の距離が赤外線の輻射強度を示し、円周方向が発熱体２の輻射方向（角度）を示している。
輻射強度分布曲線２１〜２３は、発熱体２に一定の電圧を印加したとき、発熱体２の中心軸から一定の距離の地点における微少な一定の面積内に到達する赤外線量を測定して得た。図２において、半径方向の単位はＷ／ｃｍ^２である。

図２の点線で示した輻射強度分布曲線２１は、幅６mm、厚み０．５mmの発熱体２の輻射分布である。輻射強度分布曲線２２は、従来例の半円筒形状の反射膜又は反射板を有する赤外線電球の輻射分布である。輻射強度分布曲線２３は、本発明の放物線形状の反射膜７を有する赤外線電球の輻射分布である。本発明の赤外線電球の輻射強度分布曲線２３は、発熱体２単体の輻射強度分布曲線２１と比較してｘ軸方向の輻射強度が約２倍であり、従来例の輻射強度分布曲線２２と比較して、約１．５倍である。発熱体２を近似的に反射膜の放物線の焦点に置くことにより、局所的に強い輻射を得ることができる。

本発明は、ガラス管１の放物線形状に形成された部分の外面に反射膜７を蒸着させることにより、正確な放物線形状の反射膜を容易に形成できる。本発明の発熱体２は炭素系物質の形状を棒状で厚みと幅の比を１：５以上とし、発熱面方向に差違を設け必要放射方向に熱輻射を可能にし、方向及び量の方向性をもたせる。ガラス管断面の一方向が放物線であるガラス管内の焦点にその発熱体を配設することにより、輻射強度の大きい小型の赤外線電球を実現できる。

なお、本発明の反射膜はガラス管の外面状に蒸着された金の薄膜を用いた例で説明したが、金だけに限定されるものでなく、銀、アルミニウム、ステンレス、ニッケル等の反射率の高い金属材料、又は窒化チタン、酸化アルミニウム等の反射性を有する物質で少なくとも反射面層が形成されるものであれば適用できる。反射膜の膜厚が薄い場合、赤外線の一部が膜を透過する。従って、反射膜がある程度の膜厚を有することが好ましい。
なお、実施の形態において、反射膜はガラス管外面に取り付けたが、これに代えてガラス管の内面に取り付けても、同一の効果が得られる。

なお、実施の形態においては、一つの発熱体をガラス管に封止した構造で説明したが、これに代えて複数の発熱体をガラス管に封入しても良い。この場合、複数の発熱体は、反射膜が放射するほぼ平行な光にほぼ垂直な面に並置される。複数の発熱体を用いることにより、所定の方向において輻射強度の大きい赤外線電球を実現できる。

なお、実施の形態において、発熱体は長手方向に対して直線状であったが、これに代えて、反射膜が放射するほぼ平行な光の進行方向に向かって凸状又は凹状に湾曲していても良い。これにより、更に局所的な加熱ができ、又は広い範囲を均一的に加熱することができる。指向性のある赤外線電球を実現できる。

本発明の実施の形態の赤外線電球は、暖房機器（例えばストーブ、コタツ、エアコン、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・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）等、熱源により非加熱物を加温することを目的とした加熱装置に適用できる。

本発明の赤外線電球は加熱装置の加熱源として有用であり、本発明の加熱装置は種々の用途に適している。

本発明の実施の形態の赤外線電球の構成を示す正面図（ａ）及び断面図（ｂ） 本発明の実施の形態の赤外線電球の輻射分布図

符号の説明

１ ガラス管
２ 発熱体
３ 放熱ブロック
４ 内部リード線
４ａ コイルバネ部
４ｂ スプリング部
５ モリブデン箔
６ 外部リード線
７ 反射膜

Claims (6)

1. 長手方向に延びる形状を有する１又は複数個の発熱体と、前記発熱体を封止した、長手方向に垂直の断面の一部が放物線であるガラス管と、を有し、
   前記ガラス管の外周上の断面が放物線の部分に、長手方向に反射膜が形成されるとともに前記長手方向に垂直な断面の前記発熱体中心軸が、前記放物線両端部を結ぶ略直線上で且つ前記反射膜の焦点に位置していることを特徴とする赤外線電球。
2. 複数個の発熱体を有し、複数個の前記発熱体が、前記反射膜が放射するほぼ平行な光にほぼ垂直な面に、並置されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
3. 前記発熱体は板状であって、前記発熱体の最も面積が広い面が、前記反射膜が放射するほぼ平行な光にほぼ垂直に配置されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
4. 前記発熱体は、前記反射膜が放射するほぼ平行な光の進行方向に向かって凸状又は凹状に湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
5. 前記発熱体は、炭素系物質で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線電球。
6. 請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の赤外線電球を有する加熱装置。

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