JP4741923B2 - 赤外線電球及び加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種装置における加熱手段の熱源として使用される赤外線電球に関し、特に発熱体として炭素系物質を使用した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ものである。

電気ストーブ、調理器、乾燥機、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の各種装置における熱源としては、例えば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を加えた炭素系物質を棒状又は板状に成形した発熱体を用いた赤外線電球が広く使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
上記のような炭素系物質を用いた板状の発熱体は、可撓性がほとんどなく、衝撃に弱く、破損しやすい構成であるため、取り扱い上及び使用上において注意が必要であった。したがって、赤外線電球を熱源として使用する装置において、可撓性を有し、優れた耐衝撃性を持つ発熱体の開発が望まれていた。
そこで、可撓性を有する炭素繊維を発熱体として用いた赤外線電球の開発が進められている。例えば、炭素繊維の表面に樹脂を塗布して焼成することにより炭化層を形成し、可撓性を損なうことなく発熱特性の調整が可能な発熱体が開発されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００１−３５１７６２号公報 特開２００１−２５７０５８号公報

しかしながら、従来の赤外線電球において、炭素繊維を用いた発熱体は炭素系物質を棒状又は板上に形成した発熱体に比べて抵抗値が小さいため、同じ仕様においては高い温度にならないという問題がある。また、従来の赤外線電球では、炭素繊維織物を用いて発熱体が構成されているため、抵抗値が安定せず、製品間において発熱量にばらつきがあり、同一の熱源を構成することが非常に困難であった。

本発明は、従来の炭素繊維により構成された発熱体を有する赤外線電球が持つ問題点を解消させることを課題とし、高出力で均一な発熱量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を提供することを目的とする。

本発明における第１の観点の赤外線電球は、上記の課題を解決し、上記の目的を達成するために、
黒鉛結晶構造を持つ繊維状の炭素物質で形成された炭素繊維を有し、前記炭素繊維が縦糸と横糸による織物状態とし、充填剤を塗布して焼成した炭素繊維帯体により構成され、長手方向に延びて形成された発熱体と、
前記発熱体の長手方向における両端部分に電気的に接続された保持手段と、
前記発熱体と前記保持手段を不活性ガスとともに封入する絶縁管と、
前記保持手段に電気的に接続され前記絶縁管から導出されたリード手段と、を有して構成され、
前記発熱体は、前記発熱体の長手方向と直交するように前記発熱体の両側面から内側に向かって切り込みが形成された放熱領域と、前記発熱体の長手方向に繋がった前記横糸の炭素繊維を有し、当該横糸の炭素繊維が電流流路となる発熱領域と、により構成されている。このように構成された赤外線電球は、発熱体がばらつきのない安定抵抗を有すると共に、発熱体が可撓性を有し、強度的にも強いため、張力や熱ストレス等による変形、ねじれ、伸びに対応可能な構成となる。なお、硝子管の中に封入されている不活性ガスとしては、例えばアルゴンガス、窒素ガス、又はアルゴンガスと窒素ガスの混合ガスを封入する構成としても良い。このように構成した赤外線電球は、アーク放電しにくく炭素繊維により構成された発熱体の酸化が防止され、寿命の長い熱源となる。

本発明における第２の観点の赤外線電球は、前記第１の観点における前記発熱体の両側面から内側に向かって形成された切り込みが、当該発熱体における長手方向と平行な中心線を超えない位置に形成されている。このように構成された赤外線電球は、放熱領域と発熱領域が発熱体に形成され、優れた放熱効果を有する発熱体を構成することができる。

本発明における第３の観点の赤外線電球は、前記第１の観点における前記発熱体の両側面から内側に向かって形成された切り込みを、互い違いに形成しても良い。

本発明における第４の観点の赤外線電球は、前記第１の観点における前記発熱体の両側面から内側に向かって形成された切り込みを、当該発熱体における長手方向と平行な中心線に対して対称の位置に形成しても良い。

本発明における第５の観点の赤外線電球は、黒鉛結晶構造を持つ繊維状の炭素物質で形成された炭素繊維を有し、前記炭素繊維が縦糸と横糸による織物状態とし、充填剤を塗布して焼成した炭素繊維帯体により構成され、長手方向に延びて形成された発熱体と、
前記発熱体の長手方向における両端部分に電気的に接続された保持手段と、
前記発熱体と保持手段とを不活性ガスとともに封入する絶縁管と、
前記保持手段に電気的に接続され前記絶縁管から導出されたリード手段と、を有して構成され、
前記発熱体は、前記発熱体における長手方向と平行な中心線上に貫通した開口が形成され、且つ前記発熱体の両側面側において前記発熱体の長手方向に繋がった前記横糸の炭素繊維が電流流路となる発熱領域と、により構成されている。このように構成された赤外線電球は、発熱体が可撓性を有すると共に、強度的にも強いため、張力や熱ストレス等による変形、ねじれ、伸びに対応可能な構成となる。

本発明における第６の観点の赤外線電球は、前記第１の観点乃至第５の観点の構成において、前記充填剤が軟性充填剤として導電性粒子を用いて形成しても良い。

本発明における第７の観点の赤外線電球は、前記第６の観点の構成における前記軟性充填剤としての導電性粒子が、グラファイト又はカーボンブラックのいずれかであっても良い。

本発明における第８の観点の赤外線電球は、前記第１の観点乃至第５の観点の構成において、前記充填剤が軟性充填剤として不揮発性の高分子化合物を用いて形成しても良い。

本発明における第９の観点の赤外線電球は、前記第８の観点の構成における前記軟性充填剤としての不揮発性の高分子化合物が、不揮発性のオリゴマー又はポリマー化合物のいずれかであっても良い。

本発明における第１０の観点の赤外線電球は、前記第１の観点乃至第５の観点の構成における前記充填剤が前記軟性充填剤としてデンプン、ポリエチレン、又はカルボキシメチルセルロースのいずれかを用いて形成しても良い。

本発明における第１１の観点の赤外線電球は、前記第１の観点乃至第５の観点の構成における前記保持手段が、前記発熱体との接合部分に熱伝導性を有する放熱部を持つ構成でも良い。このように構成した赤外線電球は、保持手段における発熱部との接合部分の温度上昇を抑えることができ、発熱体と保持手段との取付け部分の信頼性が飛躍的に向上する。

本発明における第１２の観点の加熱装置は、前記第１の観点乃至第１１の観点の赤外線電球と、前記赤外線電球に電力を供給制御する制御手段と、を有して構成される。このように構成された加熱装置は、赤外線電球の発熱体がばらつきのない安定抵抗を有すると共に、発熱体が可撓性を有し、強度的にも強いため、張力や熱ストレス等による変形、ねじれ、伸びに対応可能な、信頼性の高い熱源装置となる。

本発明における第１３の観点の加熱装置は、前記第１２の観点の前記赤外線電球における帯状の発熱体の平面側を、加熱対象と対向するよう当該加熱装置の正面側に配置し、前記赤外線電球の背面側に反射手段を設けて、前記赤外線電球からの熱を当該加熱装置から加熱対象に対して効率高く放射するよう構成とすることが可能である。

本発明によれば、発熱体を構成する炭素繊維の少なくとも一部が繋がった状態で発熱体の両端部分にある保持手段により吊設され、発熱体に放熱領域が形成されているため、発熱体が可撓性を有し、強度的にも強く、抵抗値のばらつきのない安定した値に構成でき、熱源としての安定した赤外線電球及び加熱装置を提供することができる。また、本発明によれば、張力、熱ストレス等による発熱体の変形、ねじれ、伸びが吸収され、発熱体の破損が防止され、寿命の長い赤外線電球及び加熱装置を提供することができる。

以下、本発明に係る赤外線電球の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。

《実施の形態１》
図１は本発明に係る実施の形態１の赤外線電球の構成を示す側面図である。図１において、実施の形態１の赤外線電球は、長い帯状の発熱体１と、この発熱体１の両端を保持する保持手段１０が絶縁管である硝子管２の内部に収納され、不活性ガス９が封入されている。各保持手段１０にはリード手段１１が接続されており、このリード手段１１の一部は硝子管２の両端側から外部に導出している。

図１に示すように、保持手段１０は、発熱体１の両端に接続された保持部材３ａ，３ｂと、保持部材３ａ，３ｂの外周面に巻着された放熱部４ａ，４ｂと、弾性を有するスプリング部５ａ，５ｂと、により構成されている。リード手段１１は、スプリング部５ａ，５ｂに接続された内部リード線６ａ，６ｂと、硝子管２の外部に導出される外部リード線８ａ，８ｂと、硝子管２の封止部分に埋設され内部リード線６ａ，６ｂと外部リード線８ａ，８ｂとを接続するモリブデン箔７ａ，７ｂにより構成されている。なお、放熱部４ａ，４ｂとスプリング部５ａ，５ｂと内部リード線６ａ，６ｂは、例えばモリブデンやタングステン等の金属線により一体的に形成されている。

保持部材３ａ，３ｂは、円筒状の形状を有し、発熱体１の端部を挟着できるようスリットがその一端に形成されている。発熱体１の両端部は保持部材３ａ，３ｂの一端に形成されたスリットに挿入され接着剤により固着されている。保持部材３ａ，３ｂは、発熱体１からの熱を放熱する機能を有し、導電性と熱伝導性を有する材料、例えば黒鉛等により形成されている。保持部材３ａ，３ｂは、発熱体１からの熱を放熱し、コイル状の放熱部４ａ，４ｂへの熱伝導を抑制するよう構成されている。保持部材３ａ，３ｂは、モリブデンやタングステン等の弾性を有する金属線を螺旋状に成形した放熱部４ａ，４ｂに挿入され固着される。放熱部４ａ，４ｂは保持部材３ａ，３ｂの外周面に対して密着して巻き付けられており、両者は電気的に接続状態である。放熱部４ａ，４ｂは弾性を有するスプリング部５ａ，５ｂを経て内部リード線６ａ，６ｂに接続されている。内部リード線６ａ，６ｂと放熱部４ａ，４ｂとの間にスプリング部５ａ，５ｂを設けることにより、発熱体１の膨張による寸法変化を吸収する構成である。

発熱体１は、黒鉛結晶構造を持つ繊維状の炭素物質で形成されている。実施の形態１の発熱体１は、ＰＡＮ系炭素繊維で形成されており、樹脂繊維を耐炎化処理、炭素化処理したものであり、縦糸と横糸による織物状態の炭素繊維帯体により構成されている。発熱体１は複数本の縦糸と複数本の横糸を格子状に織られた織物に添着剤を塗布して焼成したものである。この発熱体１の寸法は、例えば、帯幅Ｗが７ｍｍ、帯厚Ｔが１．２ｍｍ、長さが４００ｍｍである。発熱体１は、帯厚と帯幅との比が１：５以上であるのが望ましい。帯板幅Ｗを帯厚Ｔより大きくすることにより、板幅Ｗを有する面から出る熱が板厚Ｔを有する面から出る熱より多くなり、熱源としての発熱体１は指向性を有する放熱が可能となる。

上記のように構成された実施の形態１の赤外線電球においては、発熱体１が、その長手方向と直交するように、帯状の発熱体の両側面（図１における発熱体１の上下の側面）から内側に向かって切り込み（スリット）１ａが互い違いの位置に形成されている。この切り込み１ａの最奥位置は発熱体１の長手方向の中心線を超えない位置である。

以下の実施の形態１の説明において、発熱体１に切り込み１ａが形成された両側の領域を発熱体１の放熱領域Ｂ（図２参照）と呼ぶ。また、発熱体１の両端部分に設けられた保持部材３ａ，３ｂにより、繋がった炭素繊維が吊設される領域を発熱領域Ａ（図２参照）と呼ぶ。したがって、発熱体１は帯体における両側面側の放熱領域Ｂと、これらの放熱領域Ｂに挟まれた領域であって炭素繊維が発熱体１の両端部分（図１における発熱体１の左右端）まで繋がった炭素繊維で構成された発熱領域Ａとにより構成されている。図２は発熱体１の部分拡大図であり、図２において左右方向が発熱体１の長手方向である。

図２は本発明に係る実施の形態１における発熱体１の一部を模式的に拡大して示した図である。図２に示すように、発熱体１は複数の炭素繊維で帯状に構成された縦糸群と横糸群とを交差させて交互に織られたものであり、発熱領域Ａの横糸群における各横糸は発熱体１の両端部分まで繋がった状態で配設されている。また、発熱領域Ａの両側面側には放熱領域Ｂが形成されている。この放熱領域Ｂは、発熱体１の長手方向と直交するように、発熱体１の両側面から内側に向かって切り込み１ａが形成された領域であり、発熱領域Ａの両側面側の領域である。このように構成された発熱体１は、発熱体１の両端部分に設けられた保持手段１０により吊設されて、電力が供給されるよう構成されている。

図３は図２におけるIII−III線による断面図である。図３に示すように、発熱体１の両側面側には放熱領域Ｂが形成されており、この放熱領域Ｂにおける横糸群の炭素繊維は切り込み１ａにおいて切断されている。放熱領域Ｂの間に形成された発熱領域Ａにおいては炭素繊維の横糸群が繋がった状態であり、電流流路がこれらの繋がった横糸群の炭素繊維により確保されている。なお、図２，３においては、説明を容易なものとするため、発熱体１を構成する縦糸群と横糸群とを単純な構成で記載している。

実施の形態１の赤外線電球では、炭化処理された炭素繊維の織物により帯状に形成される発熱体１が軟性充填剤として導電性粒子、例えば、グラファイト、カーボンブラック等を用いて形成されている。なお、発熱体１は、軟性充填剤として不揮発性の高分子化合物、例えば、デンプン、ポリエチレン、カルボキシメチルセルロース等の不揮発性のオリゴマー又はポリマー化合物を用いても形成することもできる。

実施の形態１の赤外線電球における硝子管２には、不活性ガス９、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、アルゴンガスと窒素ガスの混合ガス等が封入されている。このため、アーク放電が発生しにくく、炭素繊維により構成された発熱体１の酸化が防止され、長寿命の赤外線電球となる。
なお、実施の形態１の赤外線電球において、発熱体１の具体的な寸法は、長さが４００ｍｍ、帯幅が７ｍｍ、帯厚が１．２ｍｍであった。また、発熱体１における、切り込み１ａの幅（Ｇ）は０．１５ｍｍ、切り込み１ａの長さ（Ｄ）は２．２ｍｍ、切れ込み１ａの間隔（Ｈ）は３．８ｍｍであった。

上記のように構成された実施の形態１の赤外線電球において、発熱体１の長手方向の中心線上の中央領域である発熱領域Ａにおいては、横糸の炭素繊維が繋がった状態である。すなわち、炭素繊維が切断されていない領域が電流流路となり、発熱領域Ａとなる。この結果、実施の形態１の赤外線電球は、発熱体１が強度的に強いのは勿論のこと、可撓性を有しているため、発熱体１に対する張力や熱ストレスによる変形、ねじれ、伸び等の力を吸収して破損することがない。

さらに、実施の形態１の赤外線電球の発熱体１においては、発熱領域Ａの両側に放熱領域Ｂが形成されているため、発熱領域Ａを流れる電流により生じた熱が、電流のほとんど流れない放熱領域Ｂに熱伝導して、放熱されるよう構成されている。したがって、実施の形態１の発熱体１を構成する炭素繊維の直径を細く構成して抵抗値を大きく設定し、高温度の熱量を発生させることが可能な熱源となる。

実施の形態１において用いた発熱体１において帯体の幅（Ｗ）７ｍｍ、帯厚１．２ｍｍに対する切込み１ａの深さ（Ｄ）２．２ｍｍ、切れ込み１ａの間隔（Ｈ）３．８ｍｍとしたがこの寸法に限るものではなく製品仕様に応じ任意に設定しても本発明の効果に影響するものではない。

実施の形態１における発熱体１は、充填剤や添着剤が添加されて形成された炭素繊維による帯体で構成されており、炭素繊維間には充填剤や添着剤が形成されている。したがって、もし、発熱体の両端部分の間を炭素繊維が繋いだ状態でない場合、炭素繊維間の点接触と充填剤や添着剤を介して発熱体の両端部分の間が接続された状態となる。このような接続状態においては、発熱体の抵抗値の不均一が発生し、また強度的にも弱く、張力や熱ストレス等による変形、ねじれ、伸び等の力により破損するという問題が発生する。しかし、本発明に係る実施の形態１においては、発熱体１の発熱領域Ａにおいては、発熱体１の両端部分間を炭素繊維のみにより繋いだ状態であるため、発熱体１の抵抗値が均一化し、強度的にも強く、張力や熱ストレス等による変形、ねじれ、伸び等に起因して破損する大幅に抑制されている。

上記のように、実施の形態１における発熱体１では、炭素繊維における充填剤や添着剤を介して接続状態を確保するのではなく、発熱領域Ａにおいて繋がった炭素繊維のみにより電流流路が確保されているため、電流流路が充填剤や添着剤の添加量に影響されることがなく、安定した抵抗値を設定することができる。したがって、充填剤や添着剤の添加を精度高く行う必要が無くなり、発熱体製造における充填剤や添着剤の添加量の管理が容易になる。

また、実施の形態１における発熱体１の長手方向と平行な中心線近傍の発熱領域Ａにおいてのみ炭素繊維が繋がった状態であり、この発熱領域Ａが実質的な電流流路となり、発熱する。一方、発熱領域Ａの外側にある放熱領域Ｂには炭素繊維が繋がった状態ではないため実質的な電流流路とはならず発熱せず、発熱領域Ａからの熱を放熱する機能を有する。

実施の形態１の赤外線電球においては、発熱体１が発熱領域Ａと放熱領域Ｂとを有する構成であるため、発熱体１に用いる炭素繊維の直径を細く設定することが可能となり、発熱領域Ａの電流流路における抵抗値を高くして、高温度の赤外線電球を提供することが可能となる。また、実施の形態１の赤外線電球においては、発熱体１の電流流路が発熱領域Ａの繋がった炭素繊維のみにより構成されているため、電流流路の抵抗値が安定し、製品間にばらつきのない信頼性の高い赤外線電球を供給できる。

《実施の形態２》
図４は本発明に係る実施の形態２の赤外線電球の構成を示す側面図である。図４に示す実施の形態２の赤外線電球において、前述の図１に示した実施の形態１の赤外線電球と異なる点は、発熱体１３における切り込み（スリット）１３ａの形成位置である。したがって、実施の形態２の説明においては、実施の形態１の赤外線電球における要素と同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付して、その説明は実施の形態１の説明を適用する。

図４に示すように、実施の形態２の赤外線電球において、発熱体１３には、その長手方向と直交するように、帯状の発熱体１３の両側面（図４における発熱体１３の上下の側面）から内側に向かって切り込み１３ａが対向する位置に形成されている。すなわち、帯状の発熱体１３の両側面において、その長手方向の中心軸に関して対称の位置に切り込み１３ａが形成されている。この切り込み１３ａの最奥位置は発熱体１３の長手方向の中心線を超えない位置であり、対向する両側の切り込み１３ａの最奥位置は所定距離を有して対向している。

実施の形態２においては、上記のように発熱体１３において切り込み１３ａが形成されている両側の領域を放熱領域Ｂと呼び、両側の放熱領域Ｂに挟まれた中心軸近傍の領域を発熱領域Ａと呼ぶ。発熱領域Ａは、繋がった炭素繊維により形成されており、発熱体１３の両端部分に設けられた保持部材３ａ，３ｂにより吊設されている。
上記のように、実施の形態２における発熱体１は、帯体における両側面側の放熱領域Ｂと、これらの放熱領域Ｂに挟まれた領域であって炭素繊維が発熱体１３の両端部分（図４における発熱体１３の左右端）繋がった炭素繊維で構成された発熱領域Ａとにより構成されている。図５は実施の形態２における発熱体１３の部分拡大図であり、図５において左右方向が発熱体１３の長手方向である。なお、図５においては、説明を容易なものとするため、発熱体１３を構成する縦糸群と横糸群とを単純な構成で記載している。

図５に示すように、実施の形態２における発熱体１３は複数の炭素繊維で帯状に構成された縦糸群と横糸群とを交差させて交互に織られたものであり、発熱領域Ａの横糸群における各横糸は発熱体１３の両端部分まで繋がった状態で配設されている。また、発熱領域Ａの両側面側には放熱領域Ｂが形成されている。この放熱領域Ｂは、発熱体１３の長手方向と直交するように、発熱体１３の両側面から内側に向かって切り込み１３ａが形成された領域であり、発熱領域Ａの両側面側の領域である。このように構成された発熱体１３は、発熱体１３の両端部分に設けられた保持手段１０により吊設されている。

なお、実施の形態２の赤外線電球において、発熱体１３の具体的な寸法は、長さが４００ｍｍ、帯幅が７ｍｍ、帯厚が１．２ｍｍであった。また、発熱体１３ａにおける、切り込み１３ａの幅（Ｊ）は０．１５ｍｍ、切り込み１３ａの長さ（Ｅ）は２．２ｍｍ、切れ込み１３ａの間隔（Ｋ）は３．８ｍｍであった。

上記のように構成された実施の形態２の赤外線電球においては、前述の実施の形態１の赤外線電球における効果と同様の効果を奏すると共に、発熱体１３の両側面から内側に向かって対向する位置に切り込み１３ａが形成されているため、発熱領域Ａと放熱領域Ｂとの区分けが明確となる。実施の形態２においては、対向する切り込み１３ａにおける最奥位置が所定距離を有して対向しており、電流流路が対向する切り込み１３ａにより明確に規定されている。このため、電流流路と発熱領域Ａが確実に一致しており、放熱領域Ｂには電流流路が形成されない構成である。この結果、実施の形態２における発熱体１３においては、放熱領域Ｂが放熱機能のみを有する構成となる。

また、実施の形態２の赤外線電球における発熱体１３は、上記のように構成されているため、実施の形態１の構成と同様の強度を有し、発熱体１３に対する張力や熱ストレスによる変形、ねじれ、伸び等の力を素早く吸収して破損することがなく、優れた特性を有する。特にねじれに対しては実施の形態１の構成に比べより優れた特性を有する。

さらに、実施の形態２の赤外線電球の発熱体１３においては、発熱領域Ａの両側に放熱領域Ｂが形成されているため、発熱領域Ａを流れる電流により生じた熱が、電流のほとんど流れない放熱領域Ｂに熱伝導して、放熱されるよう構成されている。したがって、実施の形態２の発熱体１３を構成する炭素繊維の直径を細く構成して抵抗値を大きく設定し、高温度の熱量を発生させることが可能な熱源となる。

実施の形態２において用いた発熱体１において帯体の幅（Ｗ）７ｍｍ、帯厚１．２ｍｍに対する切込み１３ａの幅（Ｊ）０．１５ｍｍ、切れ込み１３ａの長さ（Ｅ）２．２ｍｍ、切れ込み１３ａの間隔（Ｋ）３．８ｍｍとしたがこの寸法に限るものではなく製品仕様に応じ任意に設定しても本発明の効果に影響するものではない。

《実施の形態３》
図６は本発明に係る実施の形態３の赤外線電球の構成を示す側面図である。図６に示す実施の形態３の赤外線電球において、前述の図１に示した実施の形態１の赤外線電球と異なる点は、発熱体１４の形状である。実施の形態３における発熱体１４には、切り込み（スリット）が設けられておらず、開口１４ａが形成されている。したがって、実施の形態３の説明においては、実施の形態１の赤外線電球における要素と同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付して、その説明は実施の形態１の説明を適用する。

図６に示すように、実施の形態３の赤外線電球において、発熱体１４には複数の開口１４ａが形成されている。複数の開口１４ａは発熱体１４の長手方向の中心線に沿って一列に形成されており、その形状は長孔形状である。開口１４ａは、その長孔の長軸方向が発熱体１４の長手方向と同一方向である。図７は実施の形態３の赤外線電球における発熱体１４の開口１４ａの近傍を拡大して示した側面図である。なお、図７においては、説明を容易なものとするため、発熱体１４を構成する縦糸群と横糸群とを単純な構成で記載している。

上記のように実施の形態３における発熱体１４が構成されているため、帯状の発熱体１４における両側面（図６及び図７における発熱体１４の上下の側面）側にある両側面側の領域が繋がった横糸を有しており、２つの電流流路が形成される。この結果、実施の形態３の構成においては、発熱体１４の両側面側の領域が発熱領域Ａとなる。また、実施の形態３においては、発熱体１４の中心線上（中央領域）に複数の開口１４ａが１列に並んで形成されているため、この中央領域には実質的な電流流路が形成されず、両側面側の領域である発熱領域Ａからの熱を効率的に放熱する放熱領域Ｃとなる。さらに、この放熱領域Ｃを発熱体１４の中央領域に形成することにより、帯状の発熱体１４が両側面側の領域にある繋がった炭素繊維により、実質的に上下２カ所において吊設される構成となる。この結果、実施の形態３の赤外線電球においては、発熱体１４に対する張力や熱ストレスによる変形、ねじれ、伸び等の力に対して優れた対応力を有し、特にねじれに対しては前述の実施の形態１，２の構成に比してさらに優れた効果を有する。

上記のように、実施の形態３における発熱体１４では、炭素繊維における充填剤や添着剤を介して電気的な接続状態を確保するのではなく、２つの発熱領域Ａにおいて繋がった炭素繊維のみにより電流流路が確保されているため、電流流路が充填剤や添着剤の添加量に影響されることがなく、安定した抵抗値を設定することができる。したがって、充填剤や添着剤の添加を精度高く行う必要が無くなり、炭素繊維製造における充填剤や添着剤の添加量の管理が容易になる。

実施の形態３における発熱体１４は、その長手方向と平行な両側面近傍の２つの発熱領域Ａにおいてのみ炭素繊維が繋がった状態であり、これらの発熱領域Ａが実質的な電流流路となり、発熱する。２つの発熱領域Ａの間にある放熱領域Ｃには炭素繊維が繋がった状態ではないため実質的な電流流路とはならず発熱せず、放熱の機能とともに変形、ねじれ、伸び等のストレスに対する吸収機能を有する。

実施の形態３の赤外線電球においては、発熱体１４が発熱領域Ａと放熱領域Ｃとを有する構成であるため、発熱体１４に用いる炭素繊維の直径を細く設定することが可能となり、発熱領域Ａの電流流路における抵抗値を高くして、高温度の赤外線電球を提供することが可能となる。また、実施の形態３の赤外線電球においては、発熱体１４の電流流路が発熱領域Ａの繋がった炭素繊維のみにより構成されているため、電流流路の抵抗値が安定し、製品間にばらつきのない信頼性の高い赤外線電球を供給できる。

実施の形態３において用いた発熱体１において帯体の幅（Ｗ）７ｍｍ、帯厚１．２ｍｍに対する開口１４ａの間隔（Ｍ）４．５ｍｍ、長軸側の長さ（Ｌ）４．５ｍｍ、短軸側の長さ２．５ｍｍとしたがこの寸法に限るものではなく製品仕様に応じ任意に設定しても本発明の効果に影響するものではない。

《実施の形態４》
図８は本発明に係る実施の形態４の加熱装置を示す斜視図である。図８に示す実施の形態４の加熱装置においては、前述の実施の形態１から実施の形態３において説明した赤外線電球のいずれの構成でも用いることができる装置である。
実施の形態４の加熱装置は、熱源としての赤外線電球１２と、赤外線電球１２の背面側から放射された熱線を反射して、正面側に対して実質的に平行に放射する反射板１５と、電源に接続され、赤外線電球１２の入力電流を制御する制御部１６とを有して構成されている。

前述のように実施の形態１から実施の形態３において説明した赤外線電球においては、発熱体が帯状であるため、帯体の平面側から放射される熱量が側面側から放射される熱量に比して飛躍的に大きいため、発熱体の平面側が加熱装置の正面側と背面側となるよう配置されている。したがって、実施の形態４の加熱装置においては、発熱体の平面側から放射される熱線が加熱装置の正面側から確実に放射される構成である。
なお、実施の形態４の加熱装置においては赤外線電球１２の背面側に反射板１５を配設した構成であるが、赤外線電球１２の硝子管背面に反射膜を直接形成した赤外線電球を用いて、反射板を不要とした加熱装置を構成することも可能である。

上記のように構成された実施の形態４の加熱装置は、実施の形態１乃至実施の形態３の赤外線電球を用いているため、高精度な温度管理が容易な熱源制御装置となる。また、実施の形態４の構成によれば、赤外線電球１２の発熱体が張力や熱ストレスによる変形、ねじれ、伸び等の力を素早く吸収する構成であるため、故障等の事故が発生しない信頼性の高い加熱装置となる。さらに、実施の形態４の構成によれば、加熱装置に対して振動や衝撃が加わった場合においても赤外線電球において振動や衝撃等を吸収できる構造を有しているため、安全性の高い加熱装置を提供することが可能となる。

本発明の赤外線電球は、実施の形態１から実施の形態３において説明したように、発熱体に切り込み（スリット）又は開口を形成して放熱領域Ｂ，Ｃを設ける構成であり、繋がった炭素繊維により発熱領域Ａが構成されている。このため、切り込み（スリット）又は開口の寸法精度が実質的に放熱バラツキに影響するのみで抵抗値のバラツキにはほとんど影響しないため、本発明の赤外線電球は、切り込み（スリット）又は開口の形成において高精度の加工を必要とせず、製作が容易な赤外線電球となる。
また、図１に示した実施の形態１及び図４に示した実施の形態２においては、発熱体１，１３に切り込み（スリット）を形成した構成で示したが、本発明は発熱体に切り込みやスリットを形成して放熱領域Ｂを形成したものに限定されるものではなく、炭素繊維を切断して放熱領域Ｂを形成する構成であれば、実施の形態１と実施の形態２の構成と同じ効果を得ることができる。

また、図６に示した実施の形態３においては、発熱体１４の中央領域に開口を形成して両側面側の領域において繋がった炭素繊維を設けた構造としたが、本発明はこのような構造に限定されるものではなく、発熱体１４の中央領域に形成される孔形状は炭素繊維を切断して放熱領域Ｃを形成する構成であれば、実施の形態３の構成と同じ効果を得ることができる。

本発明の赤外線電球は、図１に示した実施の形態１において説明した保持手段１０が保持部材３ａ，３ｂ、放熱部４ａ，４ｂ、及びスプリング部５ａ，５ｂにより構成された例で説明したが、このような構成に限定されるものではなく、発熱体を保持し振動を吸収できる構成であれば本発明に含まれる。また、実施の形態１においては保持手段１０を発熱体１０の両側に設けた例で説明したが、保持手段１０を発熱体の一方だけに設けて他方には単に発熱体とリード手段１１とを電気的に接続する構成でも良い。

本発明の赤外線電球は、繋がった炭素繊維で構成された発熱領域が発熱体において形成されているため、発熱体が強度的に強い構造を有している。この結果、本発明においては、従来における発熱体に用いられていた炭素繊維より細い炭素繊維を用いても、従来の炭素繊維を用いた発熱体と実質的に同じ抵抗値に設定することが可能となり、実質的に同じ電流を流すことができる。ただし、このように構成された本発明の赤外線電球における発熱体は、従来の発熱体と比べて抵抗値が実質的に同一であっても、実質的な体積が減少しているため、単位面積あたりの発熱温度が上昇する。しかし、このような温度上昇に対して、本発明の発熱体には発熱領域Ａに隣接して放熱領域Ｂ，Ｃが形成されているため、発熱領域Ａの温度上昇は確実に放熱領域Ｂ，Ｃに伝導され放熱される。したがって、本発明の赤外線電球における発熱体は、従来の赤外線電球の発熱体と同じ寸法であっても、同じ出力を安定して、信頼性高く形成することが可能となる。

また、実施の形態４において説明したように、本発明によれば、赤外線電球を熱源として使用することにより、強度的にも強く、変形、ねじれ、伸び等が発生してもこれらを低減することが可能であり、長寿命で且つ、安定した抵抗値を有する加熱装置を提供することが可能となる。

なお、本発明の加熱装置は実施の形態４の構成に限定されるものではなく、所望の方向を確実に熱を放射するための熱源を必要とする各種装置、例えば電気ストーブ、調理器、乾燥機、複写機、ファクシミリ、プリンタ等に適用することにより、それぞれの装置の機能、特性を向上させることが可能となる。

本発明は、赤外線電球を熱源とする装置、例えば電気ストーブ、調理器、乾燥機、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の各種装置に適用できる。

本発明に係る実施の形態１の赤外線電球の構成を示す側面図 本発明に係る実施の形態１における発熱体の一部を模式的に拡大して示した図 図２におけるIII−III線による断面図 本発明に係る実施の形態２の赤外線電球の構成を示す側面図 本発明に係る実施の形態２における発熱体の部分拡大図 本発明に係る実施の形態３の赤外線電球の構成を示す側面図 実施の形態３の赤外線電球における発熱体の開口の近傍を拡大して示した側面図 本発明に係る実施の形態４の加熱装置を示す斜視図

符号の説明

１ 発熱体
１ａ 切り込み
２ 硝子管
３ａ，３ｂ 保持部材
４ａ，４ｂ 放熱部
５ａ，５ｂ スプリング部
６ａ，６ｂ 内部リード線
７ａ，７ｂ モリブデン箔
８ａ，８ｂ 外部リード線
９ 不活性ガス
１０ 保持手段
１１ リード手段
１２ 赤外線電球
１３ 発熱体
１３ａ 切り込み
１４ 発熱体
１４ａ 開口
１５ 反射板
１６ 制御部

Claims (13)

1. 黒鉛結晶構造を持つ繊維状の炭素物質で形成された炭素繊維を有し、前記炭素繊維が縦糸と横糸による織物状態とし、充填剤を塗布して焼成した炭素繊維帯体により構成され、長手方向に延びて形成された発熱体と、
   前記発熱体の長手方向における両端部分に電気的に接続された保持手段と、
   前記発熱体と前記保持手段を不活性ガスとともに封入する絶縁管と、
   前記保持手段に電気的に接続され前記絶縁管から導出されたリード手段と、を有して構成され、
   前記発熱体は、前記発熱体の長手方向と直交するように前記発熱体の両側面から内側に向かって切り込みが形成された放熱領域と、前記発熱体の長手方向に繋がった前記横糸の炭素繊維を有し、当該横糸の炭素繊維が電流流路となる発熱領域と、により構成された赤外線電球。
2. 前記発熱体の両側面から内側に向かって形成された切り込みが、当該発熱体における長手方向と平行な中心線を超えない位置に形成された請求項１に記載の赤外線電球。
3. 前記発熱体の両側面から内側に向かって形成された切り込みが、互い違いに形成された請求項１に記載の赤外線電球。
4. 前記発熱体の両側面から内側に向かって形成された切り込みが、当該発熱体における長手方向と平行な中心線に対して対称の位置に形成された請求項１に記載の赤外線電球。
5. 黒鉛結晶構造を持つ繊維状の炭素物質で形成された炭素繊維を有し、前記炭素繊維が縦糸と横糸による織物状態とし、充填剤を塗布して焼成した炭素繊維帯体により構成され、長手方向に延びて形成された発熱体と、
   前記発熱体の長手方向における両端部分に電気的に接続された保持手段と、
   前記発熱体と保持手段とを不活性ガスとともに封入する絶縁管と、
   前記保持手段に電気的に接続され前記絶縁管から導出されたリード手段と、を有して構成され、
   前記発熱体は、前記発熱体における長手方向と平行な中心線上に貫通した開口が形成され、且つ前記発熱体の両側面側において前記発熱体の長手方向に繋がった前記横糸の炭素繊維が電流流路となる発熱領域と、により構成された赤外線電球。
6. 前記充填剤が軟性充填剤として導電性粒子を用いて形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線電球。
7. 前記軟性充填剤としての導電性粒子が、グラファイト又はカーボンブラックのいずれかである請求項６に記載の赤外線電球。
8. 前記充填剤が軟性充填剤として不揮発性の高分子化合物を用いて形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線電球。
9. 前記軟性充填剤としての不揮発性の高分子化合物が、不揮発性のオリゴマー又はポリマー化合物のいずれかである請求項８に記載の赤外線電球。
10. 前記充填剤が前記軟性充填剤としてデンプン、ポリエチレン、及びカルボキシメチルセルロースから選ばれた一つを用いて形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線電球。
11. 前記保持手段が、前記発熱体との接合部分に熱伝導性を有する放熱部を有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線電球。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の赤外線電球、及び
    前記赤外線電球に電力を供給制御する制御手段、を具備する加熱装置。
13. 前記赤外線電球における帯状の発熱体の平面側が加熱対象と対向するよう当該加熱装置の正面側に配置され、前記赤外線電球の背面側に反射手段が設けられた請求項１２に記載の加熱装置。

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