JP4572160B2

JP4572160B2 - カートリッジヒータ

Info

Publication number: JP4572160B2
Application number: JP2005326392A
Authority: JP
Inventors: 正樹中島
Original assignee: KAWAI ELECTRIC HEATER CO., LTD.
Current assignee: KAWAI ELECTRIC HEATER CO., LTD.
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP2007134171A

Description

本発明は、カートリッジヒータに関する。

従来、カートリッジヒータは、家庭用あるいは工業用の電気機械器具類などの加熱源として広く利用されている。従来のカートリッジヒータとして、例えば、図５、６に示すような形態のものが知られている（例えば、特許文献１など）。図５は軸方向の断面概要を示す図であり、図６はそのＤ視横断面を示す。

カートリッジヒータ１００は、金属製の外装管１１０に発熱部１２０を収容し栓体１３０で封止して形成されている。発熱部１２０は絶縁部材１２４とこの絶縁部材の外周部に巻回保持された通電発熱体１２２とからなっている。通電発熱体１２２の端部１２２ａ、１２２ｂは絶縁部材１２４に挿通されているターミナルピン１２６ａ、１２６ｂにそれぞれ接続されている。ターミナルピン１２６は栓体１３０から突出して設けられているので、図示しない電源と接続することで通電して通電発熱体１２２を発熱させることができる。

一般に、このようなカートリッジヒータにおいては、ターミナルピン１２６はニッケルなどの剛直な単線が用いられている。しかし、外部からの振動や衝撃、あるいは屈曲などが加わる可能性がある場合に好適な図７に示すようなカートリッジヒータ２００が開発されている。このカートリッジヒータ２００は、予めターミナルピン１２６に変形自在のリード線１４０を溶接などで接合しておき、リード線により外部からの振動や衝撃を緩和しようとするものである。

図７のカートリッジヒータ２００では、ターミナルピン１２６とリード線１４０との接合部１５０は栓体１３０と位置決め部材１１５との間に設けられている。一般にリード線１４０はニッケルなどの撚り線であり、また前記のようにターミナルピン１２６はニッケルなどの単線であるので、溶接接合により形成される接合部１５０は弾性に乏しく強度的にも不安定となることがある。このためリード線１４０を介して接合部１５０へ加わる振動や衝撃によって接合部１５０が破断して通電できなくなるという問題が生じることがある。
特開２００３−０８６３３６号公報

本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、図７に示すカートリッジヒータ２００の改良に関する発明であり、ターミナルピンとリード線との接合部が破断することのない信頼性の高いカートリッジヒータを提供することを課題とする。

本発明のカートリッジヒータは、圧延可能な棒状の絶縁部材およびこの絶縁部材の外周面に巻回保持された通電発熱体とからなる発熱部と、この発熱部を収容する有底金属管と、発熱部と有底金属管との間に介在する絶縁粉末と、通電発熱体と接続し絶縁部材を軸方向に貫通する第１および第２の導電部材と、これらの導電部材と接合し外部に延出する第１および第２の導線と、これらの導線が挿通される第１および第２の挿通孔を有し有底金属管の開口部を閉塞する栓体とを備え、発熱部を含む有底金属管が縮径一体化処理されるカートリッジヒータであって、絶縁部材は互いに間隔を隔てて軸方向に延びる少なくとも第１〜第４の４個の貫通孔を有し、第１導電部材と通電発熱体の一端部とが第１貫通孔内で接触し、第１導電部材の端部と第１導線の一端部とが絶縁部材の端部で接合されるとともに、この第１導線の他端部は第２貫通孔を貫通し栓体の第１挿通孔を介して外部へ延出しており、また、第２導電部材と通電発熱体の他端部とが第３貫通孔内で接触し、第２導電部材の端部と第２導線の一端部とが絶縁部材の端部で接合されるとともに、この第２導線の他端部は第４貫通孔を貫通し栓体の第２挿通孔を介して外部へ延出していることを特徴とする。

ここで、上記の導線は撚り線であることが望ましい。また、絶縁部材の端部に導電部材と導線との接合部を収容する溝部を有することができ、導電部材と導線とは溶接により接合されていることが好ましい。

本発明のカートリッジヒータは、通電発熱体に接触する導電部材と電源と接続される導線とが発熱部の絶縁部材の底部で接合されている。そして、導電部材と導線とは絶縁部材に形成されている貫通孔の各々別の貫通孔に挿通されている。そして、有底金属管に収容されている発熱部は、有底金属管とともに縮径一体化処理を施されるので、各貫通孔も縮径され、通電発熱体と導電部材とは密着するとともに絶縁部材中に緊密に固定される。導線もまた同様に絶縁部材中に緊密に固定されるので、外部からの振動や衝撃は導電部材との接合部まで伝わることがことがない。従って、導電部材と導線との接合部が破損することがなく通電発熱体に安定した通電を確保することができる。

本発明のカートリッジヒータの好適な実施の形態を図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施形態のカートリッジヒータの軸方向中央部分の横断面を示す概要図であり、図２は図１のＡ視縦断面を示す概要図である。また、図３は、カートリッジヒータの発熱部の構成を示す説明図であり、（ａ）は栓体側から見た（図２のＢ視）斜視図であり、（ｂ）は底部側から見た（図２のＣ視）斜視図である。

カートリッジヒータ１は、圧延可能な棒状の絶縁部材３２およびこの絶縁部材３２の外周面に巻回保持された通電発熱体３４とからなる発熱部３と、この発熱部３を収容する有底金属管２と、発熱部３と有底金属管２との間に介在する絶縁粉末４と、通電発熱体３４と接続し絶縁部材３２を軸方向に貫通する導電部材５（以後、ターミナルピンともいう）と、これらの導電部材５と接合し外部に延出する導線（以後、リード線ともいう）６と、これらの導線６が挿通される挿通孔を有し有底金属管２の開口部を閉塞する栓体７とを備え、発熱部３を含む有底金属管２が縮径一体化処理されるカートリッジヒータである。

有底金属管２は、剛性及び耐久性を備え高温での使用に耐え、内部に配置された発熱部３などを保護する。有底金属管２は、ステンレスなどの合金鋼、インコネル、インコロイなどの超耐熱合金、あるいはチタン系金属などの耐熱性が高い耐食性金属よりなり、所定の全長、外径、内径の有底円筒が用いられる。そして円筒２ａの一端側開口に断面円弧状の底板２ｂを配置しその全周囲を溶接し、円筒２ａに一体化したものである。なお、有底金属管２としては、深絞りなど一体成形したものを用いてもよい。

発熱部３は、圧延可能な棒状の絶縁部材３２とこの絶縁部材３２の外周面に螺旋状に巻回保持された通電発熱体３４とからなり、その軸線が有底金属管２の軸線に一致するように有底金属管２の中央部に有底金属管２の内周面と隙間を隔てて収容されている。

有底金属管２と発熱部３との隙間には絶縁粉末４が充填され絶縁層を形成しており、有底金属管２と通電発熱体３４とを絶縁している。絶縁粉末４は、電気的には絶縁体で熱的には高い熱伝導率を有するものが望ましく、高純度のマグネシアなどの粉末を用いるとよい。

絶縁部材３２は、セラミックスを用いて形成された変形可能な円柱状の棒体であり、本実施形態の絶縁部材３２には、図１に示すように互いに間隔を隔てて軸方向に平行に延びる第１〜第４の４個の貫通孔３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄが形成されている。

通電発熱体３４は、通電することによって発熱するものであればよいが、コイル状のニクロム線（Ｎｉ８０／Ｃｒ２０）を好適に用いることができる。通電発熱体３４の一端部３４ａは、通電用の第１導電部材５ａとともに第１貫通孔３６ａ内に第１貫通孔３６ａの軸方向のほぼ全長にわたって相互に密着するように配置されている。そして、第１導電部材５ａは、第１導線６ａの一端部と絶縁部材３２の底部３２ｂで接合部３８ａを形成して接合されている。この第１導線６ａの他端部は、第２貫通孔３６ｂを貫通し栓体７の第１挿通孔７ａを介して外部へ延出されている。

また、通電発熱体３４の他端部３４ｂは通電用の第２導電部材５ｂとともに第３貫通孔３６ｃ内に第３貫通孔３６ｃの軸方向のほぼ全長にわたって相互に密着するように配置されている。そして、第２導電部材５ｂは第２導線６ｂの一端部と絶縁部材３２の底部３２ｂで接合部３８ｂを形成して接合されている。この第２導線６ｂの他端部は第４貫通孔３６ｄを貫通し栓体７の第２挿通孔７ｂ（図示しない）を介して外部へ延出されている。

ここで、導電部材５は、高温の通電発熱体３４の端部と接触して通電発熱体３４に電源からの電力を通電するものであるから、耐熱性が高く通電性に優れているニッケルなどの耐熱金属を用いることが望ましい。

また、導線６は、良好な電気伝導性と耐熱性とを有するものであれば特に限定はないが、銅あるいはニッケルなどを用いることが望ましく、さらに、外部からの衝撃や振動を吸収しやすいように多数の細線を撚り合わせた撚り線や変形自在のフレキシブル導線などを用いることが好ましい。

栓体７はアルミナなどのセラミック焼成体であり、導線６ａ、６ｂを挿通する挿通孔７ａ、７ｂと、有底金属管２に嵌入する段差部７ｃが一体的に形成されている。なお、段差部７ｃの外周部には耐熱性の絶縁シールなどを巻回するとよい。また、導線６ａ、６ｂはガラス編組などからなる耐熱性の絶縁スリーブなどを被覆してから挿通孔７ａ、７ｂに挿通するようにしてもよい。絶縁スリーブにより導線と挿通孔の内周面との隙間を緊密に埋めることで、導線に伝達される外部からの衝撃や振動を緩和することができる。また、栓体７を装着する空間に硬化性のセラミックやシリコンなどの絶縁材を充填して栓体７に代替することもできる。

また、絶縁部材３２の底部３２ａには接合部３８ａ、３８ｂの突出を避け、金属管２の底部２ａと絶縁を確実なものとするために接合部３８ａ、３８ｂを収容できる溝部３２ｅ、３２ｆを形成するとよい。

導電部材５と導線６とは良好な通電性と強固な接合力とを有する接合部３８を得るために溶接接合とすることが望ましい。

次に、以上の構成を持つ本実施形態のカートリッジヒータ１を製造する手順について説明する。

まず、絶縁部材３２の外周面に通電発熱体３４を螺旋状に巻回して端部３４ａと３４ｂとをそれぞれ貫通孔３６ａと３６ｃとに挿通する。次に、ターミナルピン５ａの一端部とリード線６ａの一端部とを溶接して接合部３８ａで接合する。同様にターミナルピン５ｂの一端部とリード線６ｂの一端部とを溶接して接合部３８ｂで接合する。

続いて、この接合されたターミナルピン５とリード線６とを絶縁部材３２に形成されている貫通孔に挿入して組み付ける。絶縁部材３２の底部３２ｂ側から貫通孔３６ａにターミナルピン５ａを、また、貫通孔３６ｂにリード線６ａを同時に挿入し、同様に、貫通孔３６ｃにターミナルピン５ｂを、また、貫通孔３６ｄにリード線６ｂを挿入する。なお、ターミナルピン５ａと５ｂとは、その一端側が絶縁部材３２の底部３２ｂに形成されている溝部３２ｅ、３２ｆに係止するようにＬ字状に曲折されており、他端側は絶縁部材３２の上面３２ｓに一致する長さで形成されている。このように組み付けることで、ターミナルピン５ａと５ｂは、それぞれ通電発熱体の端部３４ａと３４ｂと貫通孔３６ａと３６ｃの内部でその全長にわたって密着するように配置される。

以上のように構成した発熱部３の前後端に絶縁部材３２と同様のセラミックで形成した位置決め部材８、９を装着して、発熱部３を有底金属管２内に収納する。次いで、有底金属管２の内周面と発熱部３との隙間に絶縁粉末４としてパウダー状のマグネシアを充填し絶縁層を形成する。

この後、発熱部３の軸方向の全長に対応する範囲に有底金属管２とともに縮径一体化処理を施す。この処理を施すことで絶縁粉末４を充填した絶縁層が圧密化されて通電発熱体３４から有底金属管２への熱伝達が良好となる。またセラミックで形成されている圧縮変形可能な絶縁部材３２も圧密化されるとともに、貫通孔３６ａ〜ｄの径も縮径される。このため、挿通されているターミナルピン５と通電発熱体３４の端部とが密着固定されるとともに、リード線６が貫通孔３６ｂ、３６ｄ内に緊密に固定される。

そして、絶縁部材３２から突出しているリード線６ａ、６ｂをそれぞれ栓体７の挿通孔７ａ、７ｂに挿通して、栓体７の段差部７ｃを有底金属管２の開口部へ嵌入して有底金属管２を閉塞する。

栓体から外部に突出するリード線６ａ、６ｂは、それぞれ図略の電源に接続することができ、このリード線６ａ、６ｂからの通電によって通電発熱体３４が発熱し、この熱が絶縁部材４の絶縁層を介して有底金属管２の全域に熱伝達され、加熱対象物を加熱することができる。

ここで、加熱中に外部的な振動や衝撃などが生じてもターミナルピン５やリード線６は絶縁部材３２によって強固に固定されているので、絶縁部材３２の底部３２ｂに形成した接合部３８は破損することがない。よって、本実施形態のカートリッジヒータ１は極めて安定した加熱特性を有する信頼性の高いカートリッジヒータである。

なお、本発明のカートリッジヒータは上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変形することが可能である。例えば、上記の実施の形態では、絶縁部材３２に第１〜第４の４個の貫通孔を設けたが、さらに第５、第６の貫通孔を設けてもよい。例えば、所定長さよりも長いカートリッジヒータを所望する場合には、図４に例示すように発熱体３の絶縁部材にさらに第５の貫通孔３６ｅと第６の貫通孔３６ｆとを設ける。そして、第５の貫通孔３６ｅと第６の貫通孔３６ｆとにターミナルピン５’、５’を貫通させて、位置決め部材５０を介して当接するように配置された発熱体３’および発熱体３”を連結する。ここでターミナルピン５’、５’は、折り曲げ部５ａでＵ字状に折り曲げられて発熱体３のターミナルピン５に一体的に連続している。つまり、リード線６ａ、６ｂからの通電によって発熱体３の通電発熱体３４、発熱体３’の通電発熱体３４’および発熱体３”の通電発熱体３４”へ同時に通電することができるわけである。このように連結一体化された発熱体３、３’、３”を所定の有底金属管に封入して縮径一体化処理を施すことにより所望長さのカートリッジヒータを得ることができる。

本発明のカートリッジヒータは、家庭用あるいは工業用の電気機械器具類などの加熱源として好適に用いることができる。特に、溶着シール用熱盤、ダイスおよび刻印、ホットプレ−ト、各種ローラ、各種成形金型、あるいは液体や気体などを加熱する場合に好適に利用できる。

実施例のカートリッジヒータの横断面を示す概要図である。図１のＡ−Ａ断面を示す概要図である。実施例の発熱部について、（ａ）は栓体側の一部をＢ視した斜視図であり、（ｂ）は底部側をＣ視した斜視図である。６個の貫通孔を有する絶縁部材の一例を示す斜視図である。従来のカートリッジヒータの縦断面を示す概要図である。図５のＤ−Ｄ断面を示す概要図である。他の従来例を示す部分縦断面図である。

符号の説明

２：有底金属間３：発熱部４：絶縁粉体５：導電部材６：導線７：栓体８、９：位置決め部材３２：絶縁部材３４：通電発熱体３６：貫通孔３８：接合部３２ｅ、ｆ：溝部

Claims

圧延可能な棒状の絶縁部材および該絶縁部材の外周面に巻回保持された通電発熱体とからなる発熱部と、該発熱部を収容する有底金属管と、該発熱部と該有底金属管との間に介在する絶縁粉末と、該通電発熱体と接続し該絶縁部材を軸方向に貫通する第１および第２の導電部材と、該各導電部材と接合し外部に延出する第１および第２の導線と、該各導線が挿通される第１および第２の挿通孔を有し前記有底金属管の開口部を閉塞する栓体とを備え、前記発熱部を含む前記有底金属管が縮径一体化処理されるカートリッジヒータであって、
前記絶縁部材は互いに間隔を隔てて軸方向に延びる少なくとも第１〜第４の４個の貫通孔を有し、前記第１導電部材と前記通電発熱体の一端部とが前記第１貫通孔内で接触し、該第１導電部材の端部と前記第１導線の一端部とが前記絶縁部材の端部で接合されるとともに該第１導線の他端部は前記第２貫通孔を貫通し前記栓体の前記第１挿通孔を介して外部へ延出しており、前記第２導電部材と前記通電発熱体の他端部とが前記第３貫通孔内で接触し、該第２導電部材の端部と前記第２導線の一端部とが前記絶縁部材の端部で接合されるとともに該第２導線の他端部は前記第４貫通孔を貫通し前記栓体の前記第２挿通孔を介して外部へ延出していることを特徴とするカートリッジヒータ。
前記導線は撚り線である請求項１に記載のカートリッジヒータ。
前記絶縁部材の端部に前記導電部材と前記導線との接合部を収容する溝部を有する請求項１又は２に記載のカートリッジヒータ。
前記導電部材と前記導線とは溶接により接合されている請求項１〜３のいずれかに記載のカートリッジヒータ。