JP4741924B2 - 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。）。
また、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

前述のように、従来の赤外線電球の発熱体には、結晶化炭素、アモルファス炭素、炭素繊維等の炭素系物質を含むものが用いられている。最近、このような発熱体に対して、小型化及び高発熱化を目的として電流経路を細くするため、切り込み、スリット、孔等の加工が施されている。
発熱体に電流流路を細くするための上記のような加工を施すことにより、発熱体は発熱時の膨張と発熱停止時の収縮による伸縮動作に加え、熱ストレスに起因して、破損しやすい構造となり、耐久性の点で問題があった。特に、炭素繊維を用いた赤外線電球においては、発熱体となる炭素繊維の抵抗値が低いため、電流流路を細く長く形成して抵抗値を高くする工夫がなされており、特に耐久性の点で問題があった。
上記のように、従来の赤外線電球においては、電流流路が細く長く形成された発熱体と、この発熱体を保持する保持部分との間において、発熱体の発熱時の膨張と発熱停止時の収縮による伸縮動作と熱ストレスに起因して断線や破損が発生するという問題を有していた。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、優れた耐久性を有する発熱体の開発が望まれていた。

本発明は、従来の赤外線電球における問題を解決することを課題として、発熱体における発熱部分と保持部分との間において生じる熱ストレスを軽減し、電源のオン／オフ動作の繰り返しによる断線、破損の発生を防止し、信頼性高く寿命の長い赤外線電球および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、従来における課題を解決し、上記の目的を達成するために、
繊維状の炭素物質を縦糸および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、長手方向に延びる発熱体と、
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、前記発熱体の中央部分に形成された発熱領域と、前記発熱領域の両側に形成された熱緩衝領域と、前記発熱領域に前記熱緩衝領域を介して接続され、電流経路の電流路方向に直交する断面積が前記発熱領域に比して大きい保持領域とを有し、前記熱緩衝領域における電流経路の電流路方向に直交する断面積が発熱領域側から保持領域側に行くに従い徐々に大きくなるとともに、前記熱緩衝領域と前記放熱領域の接合部が、電流経路の電流路方向に直交する断面の中間位置で繋がるよう構成されている。このように構成された本発明の赤外線電球においては、発熱体における発熱部分と保持部分との間において生じるストレスが軽減され、電源のオン／オフ動作の繰り返しによる断線、破損の発生が防止される。

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発熱領域が蛇行形状を有する構成としても良い。

本発明における第３の観点の赤外線電球は、前記第１の観点及び第２の観点における前記発熱体における熱緩衝領域に開口が形成された構成でも良い。

本発明における第４の観点の赤外線電球は、前記第３の観点における前記発熱体の開口の内側縁が曲面により形成された構成でも良い。

本発明における第５の観点の赤外線電球は、前記第１の観点乃至第４の観点における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構成でも良い。

本発明における第６の観点の赤外線電球は、前記第５の観点における前記軟性充填剤としての導電性粒子が、黒鉛又はカーボンブラックのいずれかでも良い。

本発明における第７の観点の赤外線電球は、前記第１の観点乃至第４の観点の観点における前記充填剤が軟性充填剤として不揮発性のオリゴマー又はポリマー化合物、若しくはそれらの混合物を用いて形成されても良い。

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４の観点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、若しくはそれらのうちのいずれかの混合物を用いて形成されても良い。

本発明における第９の観点の赤外線電球は、前記第１の観点乃至第８の観点における前記保持手段において、前記発熱体との接合部分に熱伝導性を有する放熱部を設けた構成でも良い。

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９の観点における前記絶縁管が、石英、ガラス、セラミックス、コージライト、ムライト、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、カルシア、及びシリカのグループから選択した少なくとも１つを含む構成でも良い。

本発明における第１１の観点の加熱装置は、前記第１の観点乃至前記第１０の観点の赤外線電球、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。このような構成された本発明の加熱装置においては、赤外線電球の発熱体における発熱部分と保持部分との間において生じるストレスが軽減され、電源のオン／オフ動作の繰り返しによる断線、破損の発生が防止される。

本発明における第１２の観点の加熱装置は、前記第１１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構成でも良い。

本発明によれば、発熱体における発熱部分と保持部分との間において生じるストレスを軽減し、電源のオン／オフ動作の繰り返しによる断線、破損の発生を防止し、信頼性が高く寿命の長い赤外線電球及び加熱装置を提供することが可能となる。

以下、本発明に係る赤外線電球及び加熱装置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の赤外線電球の構造を示す正面図である。図１において、実施の形態１の赤外線電球は、全体的に帯状であり、その中央部分に蛇行形状を有する発熱体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の一部が硝子管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、導電性と熱伝導性の高い材料、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できる構成である。

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、帯幅が７ｍｍ、帯厚が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。帯幅を帯厚より大きくすることにより、帯幅を有する面から出る熱が帯厚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。

実施の形態１の赤外線電球において、発熱体１はその両側以外の中央部分が蛇行形状に形成されている。即ち、発熱体１の長手方向と直交する方向に発熱体１の両側面（図１における発熱体１の上下側面）から内側に向かって複数の切り込み（スリット）が互い違いに形成されている。この切り込みの最奥位置は発熱体１の長手方向の中心線を超えて形成されている。このように発熱体１を蛇行形状に構成することにより、炭素繊維で形成された発熱体１の抵抗値を所望の値に設定することが可能となり、当該発熱体１からの熱量を所定の値とすることが可能となる。

次に、本発明に係る実施の形態１の赤外線電球における発熱体１について説明する。図２は図１に示した発熱体１において符号Ａの丸で囲む領域近傍を拡大して示した正面図である。
図１及び図２に示すように、発熱体１は蛇行形状の発熱領域１Ａと、その両側に形成された熱緩衝領域１Ｂと、さらにその外側に形成された保持領域１Ｃとを有して構成されている。発熱領域１Ａは、発熱体１の中央部分に配設された発熱部１ａにより構成されており、蛇行形状により抵抗値が大きくなるよう電流経路が細く形成されている。保持領域１Ｃは保持部材３ａ，３ｂにより挟着される部分であり、保持部１ｃで構成される。そして、熱緩衝領域１Ｂは発熱領域１Ａと保持領域１Ｃとの間をつなぐ領域であり、熱緩衝部１ｂにより構成されている。熱緩衝部１ｂは、発熱領域１Ａにおいて生じた熱を保持領域１Ｃに直接そのまま伝導しないよう徐々に冷却して伝える熱緩衝機能を有している。

上記のように、実施の形態１の赤外線電球における発熱体１は、小型の熱源で所定の熱量を発生させるため、発熱部１ａの形状を互い違いの位置に複数の切り込み（スリット）を形成し抵抗値を高くできる蛇行形状としている。したがって、所定の電流が流れる発熱部１ａは高温となり、その発熱部１ａに繋がる熱緩衝部１ｂに大きな熱量が流れ込む構造である。また、熱緩衝部１ｂは保持部１ｃに繋がっており、保持部１ｃからの振動等のストレスを受ける構造である。

実施の形態１の赤外線電球における発熱体１の熱緩衝部１ｂは、図２に示すように、発熱体１の長手方向（図２における左右方向）に対して直交する長さ（図２における上下方向の長さ）が発熱体１の端部に向かって徐々に長くなっている。即ち、熱緩衝部１ｂの長手方向に対して直交する断面積が、発熱部１ａから保持部１ｃに向かって徐々に増大するように形成されている。また、実施の形態１における発熱体１においては、蛇行した発熱部１ａと熱緩衝部１ｂとは最下端部分で繋がるよう構成されている。

上記のように構成された発熱体１においては、発熱部１ａの細い部分から保持部１ｃの太い部分（厚みは実質的に同じである）までの熱緩衝領域１Ｂにおいて徐々に断面形状が大きくなる滑らかな電流経路が形成されている。図２に示すように、発熱領域１Ａから保持領域１Ｃに至るまでの熱緩衝領域１Ｂにおいては、全てのコーナー部分が滑らかな曲面により形成されている。なお、実施の形態１において、発熱領域１Ａの発熱部１ａにおけるコーナー部分は略直角に形成された例で示しているが、これらのコーナー部分も曲面に形成しても良い。

実施の形態１の赤外線電球における発熱体１は、上記のように構成されているため、発熱領域１Ａの抵抗率が高く、熱緩衝領域１Ｂにおいてその抵抗率が徐々に低下し、保持領域１Ｃの抵抗率が最も低くなるよう構成されている。その結果、発熱体１の熱緩衝領域１Ｂにおいて温度が徐々に低下し、熱ストレスの発生を抑制することができる。また、実施の形態１の赤外線電球においては、電源のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）動作の繰り返しに起因する発熱体１の断線、破損等の故障の発生を防止することができる。したがって、実施の形態１の赤外線電球においては、信頼性が高く寿命の長い赤外線電球を提供することができ、この赤外線電球を用いた加熱装置の安全性及び信頼性を高めることが可能となり、長寿命の加熱装置を実現することができる。

なお、実施の形態１の赤外線電球においては、保持手段１０における放熱部４ａ，４ｂやスプリング部５ａ，５ｂを発熱体１の両側に設けた例で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、保持手段の放熱部とスプリング部については発熱体の片側にだけ設けた構成でも上記の実施の形態１の構成における効果と同様の効果を奏する。

なお、実施の形態１の赤外線電球における発熱体１は、黒鉛結晶構造を持つ繊維状の炭素物質で形成された例で説明したが、黒鉛などの結晶化炭素、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しても良い。

また、実施の形態１の赤外線電球における発熱体１は、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た例で説明したが、炭素繊維による織布、不織布、又はフェルトにより構成されたものを用いることが可能である。

実施の形態１の赤外線電球における発熱体１は、軟性充填剤として導電性粒子、例えば黒鉛、又はカーボンブラック等を充填して構成している。また、発熱体１の軟性充填剤としては、不揮発性のオリゴマー又はポリマー化合物、またはその混合物を充填しても良く、あるいは発熱体の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、若しくはその混合物を充填しても良い。

実施の形態１の赤外線電球における絶縁管として硝子管２を用いた例で説明したが、石英、ガラス、セラミックス、コージライト、ムライト、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、カルシア、及びシリカから選択したいずれの材料を用いて形成された絶縁管を使用することができる。

《実施の形態２》
図３は本発明に係る実施の形態２の赤外線電球の構造を示す正面図である。実施の形態２の赤外線電球は、前述の図１に示した実施の形態１の赤外線電球と発熱体の構造のみが異なっており、その他の構造は同じである。したがって、以下に説明する実施の形態２の赤外線電球において、実施の形態１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、その説明は実施の形態１の説明を適用する。
図３に示すように、実施の形態２の赤外線電球の発熱体１２は、全体的に帯状であり、その中央部分が蛇行形状を有する発熱部１２ａと、発熱部１２ａに繋がる熱緩衝部１２ｂと、保持部材３ａ，３ｂにより挟着される保持部１２ｃとを有して構成されている。実施の形態２における発熱体１２は、発熱部１２ａと保持部１２ｃとを繋ぐ熱緩衝部１２ｂの形状が、実施の形態１の熱緩衝部１ｂと異なっている。

以下、実施の形態２の赤外線電球における発熱体１２について説明する。図４は図３に示した発熱体１２において符号Ｂの丸で囲む領域近傍を拡大して示した正面図である。
図３及び図４に示すように、実施の形態２における発熱体１２は蛇行形状の発熱領域１２Ａと、その両側に形成された熱緩衝領域１２Ｂと、さらにその外側に形成された保持領域１２Ｃとを有して構成されている。発熱領域１２Ａは、発熱体１２の中央部分に配設された発熱部１２ａにより構成されており、蛇行形状により抵抗値が大きくなるよう電流経路が細く形成されている。保持領域１２Ｃは保持部材３ａ，３ｂにより挟着される部分であり、保持部１２ｃで構成される。そして、熱緩衝領域１２Ｂは発熱領域１２Ａと保持領域１２Ｃとの間をつなぐ領域であり、熱緩衝部１２ｂにより構成されている。熱緩衝部１２ｂは、発熱領域１２Ａにおいて生じた熱を保持領域１２Ｃに直接そのまま伝導しないよう徐々に冷却して伝える熱緩衝機能を有している。

実施の形態２の赤外線電球における発熱体１２は、小型の熱源で所定の熱量を発生させるため、発熱部１２ａの形状を互い違いの位置に複数の切り込み（スリット）を形成し抵抗値が高くなる蛇行形状としている。したがって、所定の電流が流れる発熱部１２ａは高温となり、その発熱部１２ａに繋がる熱緩衝部１２ｂに大きな熱量が流れ込む構造である。また、熱緩衝部１２ｂは保持部１２ｃに繋がっており、保持部１２ｃからの振動等のストレスを受ける構造である。

上記のように、実施の形態２の赤外線電球における発熱体１２の熱緩衝部１２ｂは、図４に示すように、発熱体１２の長手方向（図４における左右方向）に対して直交する長さ（図４における上下方向の長さ）が発熱体１２の端部に向かって徐々に長くなっている。即ち、熱緩衝部１２ｂの長手方向に対して直交する断面積が、発熱部１２ａから保持部１２ｃに向かって徐々に増大するように形成されている。また、実施の形態２における発熱体１２においては、蛇行した発熱部１２ａと熱緩衝部１２ｂとはその中間位置（図４における発熱部１２ａの上下方向の長さの中間部分）で繋がるよう構成されている。

上記のように構成された発熱体１２においては、発熱部１２ａの細い部分から保持部１２ｃの太い部分（厚みは実質的に同じである）までの熱緩衝領域１２Ｂにおいて徐々に断面形状が大きくなる滑らかな電流経路が形成されている。図４に示すように、発熱領域１２Ａから保持領域１２Ｃに至るまでの熱緩衝領域１２Ｂは、滑らかな曲面により形成されている。なお、実施の形態２において、発熱領域１２Ａの発熱部１２ａにおけるコーナー部分は略直角に形成された例で示しているが、これらのコーナー部分も曲面に形成しても良い。

実施の形態２の赤外線電球における発熱体１２は、上記のように構成されているため、発熱領域１２Ａの抵抗率が高く、熱緩衝領域１２Ｂにおいてその抵抗率が徐々に低下し、保持領域１２Ｃの抵抗率が最も低くなるよう構成されている。その結果、発熱体１２の熱緩衝領域１２Ｂにおいて温度が徐々に低下し、熱ストレスの発生を抑制することができる。また、実施の形態２の赤外線電球においては、発熱部１２ａと熱緩衝部１２ｂがその中間位置（発熱体１２における長手方向の中心線上の位置）で繋がるよう構成されているため、発熱体１２の熱膨張による伸縮に起因する発熱体１２におけるねじれの発生を抑制する効果がある。さらに、実施の形態２の赤外線電球においては、電源のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）動作の繰り返しに起因する発熱体１２の断線、破損等の故障の発生を防止することができる。したがって、実施の形態２の赤外線電球においては、信頼性が高く、寿命の長い赤外線電球を提供することができ、この赤外線電球を用いた加熱装置の安全性及び信頼性を高めることが可能となり、長寿命の加熱装置を実現することができる。

なお、実施の形態２の赤外線電球においては、保持手段１０を発熱体１２の両側に設けた例で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、保持手段のコイル部とスプリング部については発熱体の片側にだけ設けた構成でも上記の実施の形態２の構成における効果と同様の効果を奏する。

《実施の形態３》
図５は本発明に係る実施の形態３の赤外線電球の構造を示す正面図である。実施の形態３の赤外線電球は、前述の図１に示した実施の形態１の赤外線電球と発熱体の構造のみが異なっており、その他の構造は同じである。したがって、以下に説明する実施の形態３の赤外線電球において、実施の形態１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、その説明は実施の形態１の説明を適用する。

図５に示すように、実施の形態３の赤外線電球の発熱体１３は、全体的に帯状であり、その中央部分が蛇行形状を有する発熱部１３ａと、発熱部１３ａに繋がる熱緩衝部１３ｂと、保持部材３ａ，３ｂにより挟着される保持部１３ｃとを有して構成されている。実施の形態３における発熱体１３は、発熱部１３ａと保持部１３ｃとを繋ぐ熱緩衝部１３ｂの形状が、前述の実施の形態１の熱緩衝部１ｂと異なっている。

以下、実施の形態３の赤外線電球における発熱体１３について説明する。図６は図５に示した発熱体１３において符号Ｃの丸で囲む領域近傍を拡大して示した正面図である。
図５及び図６に示すように、実施の形態３における発熱体１３は蛇行形状の発熱領域１３Ａと、その両側に形成された熱緩衝領域１３Ｂと、さらにその外側に形成された保持領域１３Ｃと、を有して構成されている。発熱領域１３Ａは、発熱体１３の中央部分に配設された発熱部１３ａにより構成されており、蛇行形状により抵抗値が大きくなるよう電流経路が細く形成されている。保持領域１３Ｃは保持部材３ａ，３ｂにより挟着される部分であり、保持部１３ｃで構成される。そして、熱緩衝領域１３Ｂは発熱領域１３Ａと保持領域１３Ｃとの間をつなぐ領域であり、熱緩衝部１３ｂにより構成されている。熱緩衝部１３ｂは、発熱領域１３Ａにおいて生じた熱を保持領域１３Ｃに直接そのまま伝導しないよう徐々に冷却して伝える熱緩衝機能を有している。

実施の形態３の赤外線電球における発熱体１３は、小型の熱源で所定の熱量を発生させるため、発熱部１３ａの形状を互い違いの位置に複数の切り込み（スリット）を形成し抵抗値を高くできる蛇行形状としている。したがって、所定の電流が流れる発熱部１３ａは高温となり、その発熱部１３ａに繋がる熱緩衝部１３ｂに大きな熱量が流れ込む構造である。また、熱緩衝部１３ｂは保持部１３ｃに繋がっており、保持部１３ｃからの振動等のストレスを受ける構造である。

実施の形態３における発熱体１３においては、蛇行した発熱部１３ａと熱緩衝部１３ｂがその下端位置（図６における発熱部１３ａの上下方向の下端部分）において繋がる構成である。図６に示すように、実施の形態３の発熱体１３の熱緩衝部１３ｂには、開口１３ｄが形成されており、上下２本の電流経路が形成されている。開口１３ｄは略台形形状であり、その底辺側が発熱部１３ａの方向となり、頂辺側が保持部１３ｃの方向となるよう形成されている。このため、熱緩衝部１３ｂに形成された上下２本の電流経路は、その長手方向（図６における左右方向）に対して直交する断面積が発熱部１３ａから保持部１３ｃに向かって徐々に増大している。

上記のように構成された発熱体１３においては、発熱部１３ａの細い電流経路から保持部１３ｃの太い電流経路（厚みは実質的に同じである）までの熱緩衝領域１３Ｂにおいて徐々に断面形状が大きくなる電流経路が形成されている。
なお、図６に示すように、熱緩衝部１３ｂに形成された台形形状の開口１３ｄは、その内面縁のコーナー部分が滑らかな曲面により形成されている。なお、実施の形態３において、発熱領域１３Ａの発熱部１３ａにおけるコーナー部分は略直角に形成された例で示しているが、これらのコーナー部分も曲面に形成しても良い。

実施の形態３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、発熱領域１３Ａにおける電流経路の抵抗率が高く、熱緩衝領域１３Ｂにおいてその電流経路の抵抗率が外側に行くに従い徐々に低下し、保持領域１３Ｃにおける電流経路の抵抗率が最も低くなるよう構成されている。その結果、発熱体１３の熱緩衝領域１３Ｂにおいて温度が徐々に低下し、熱ストレスの発生を抑制することができる。また、実施の形態３の赤外線電球においては、電源のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）動作の繰り返しに起因する発熱体１３の断線、破損等の故障の発生を防止することができる。したがって、実施の形態３の赤外線電球においては、信頼性が高く寿命の長い赤外線電球を提供することができ、この赤外線電球を用いた加熱装置の安全性及び信頼性を高めることが可能となり、長寿命の加熱装置を実現することができる。

なお、実施の形態３の赤外線電球においては、保持手段１０を発熱体１３の両側に設けた例で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、保持手段のコイル部とスプリング部については発熱体の片側にだけ設けた構成でも上記の実施の形態３の構成における効果と同様の効果を奏する。
また、熱緩衝部１３ｂに形成する開口１３ｄの形状は、図６に示した略台形に限定されるものではなく、熱緩衝部１３ｂにおける電流経路の断面形状が徐々に大きくなる形状であれば本発明に含まれる。図７は、実施の形態３の赤外線電球の別の例であり、発熱体１４としてその一部を拡大して示した平面図である。図７に示し発熱体１４は前述の図６に示した発熱体１３と対応する領域を示している。

図７に示すように、発熱体１４における熱緩衝部１４ｂの開口１４ｄは略二等辺三角形形状であり、その底辺側が発熱部１４ａとなり、頂点側が保持部１４ｃとなるよう形成されている。このため、熱緩衝部１４ｂにおける上下２本の電流経路において、その長手方向（図７における左右方向）に対して直交する断面積は、発熱部１４ａから保持部１４ｃに向かって徐々に増大している。なお、図７に示した発熱体１４は、図６に示した発熱体１３と同様に、蛇行形状の発熱領域１４Ａと、その両側に形成された熱緩衝領域１４Ｂと、さらにその外側に形成された保持領域１４Ｃと、を有して構成されている。上記のように構成された図７に示す赤外線電球においては、熱緩衝部１４ｂの開口１４ｄが略二等辺三角形に形成されることにより、所望の電流経路が形成され、図５に示した赤外線電球と同様の効果を奏する。

《実施の形態４》
図８は本発明に係る実施の形態４の赤外線電球の構造を示す正面図である。実施の形態４の赤外線電球は、前述の図１に示した実施の形態１の赤外線電球と発熱体の構造のみが異なっており、その他の構造は同じである。したがって、以下に説明する実施の形態４の赤外線電球において、実施の形態１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、その説明は実施の形態１の説明を適用する。

図８に示すように、実施の形態４の赤外線電球の発熱体１５は、全体的に帯状であり、その中央部分に蛇行形状を有する発熱部１５ａと、発熱部１５ａに繋がる熱緩衝部１５ｂと、保持部材３ａ，３ｂにより挟着される保持部１５ｃとを有して構成されている。実施の形態４における発熱体１５は、発熱部１５ａと保持部１５ｃとを繋ぐ熱緩衝部１５ｂの形状が、前述の実施の形態１の熱緩衝部１ｂと異なっている。

以下、実施の形態４の赤外線電球における発熱体１５について説明する。図９は図８に示した発熱体１５において符号Ｄの丸で囲む領域近傍を拡大して示した正面図である。
図８及び図９に示すように、実施の形態４における発熱体１５は蛇行形状の発熱領域１５Ａと、その両側に形成された熱緩衝領域１５Ｂと、さらにその外側に形成された保持領域１５Ｃと、を有して構成されている。発熱領域１５Ａは、発熱体１５の中央部分に配設された発熱部１５ａにより構成されており、蛇行形状により抵抗値が大きくなるよう電流経路が細く形成されている。保持領域１５Ｃは保持部材３ａ，３ｂにより挟着される部分であり、保持部１５ｃで構成される。そして、熱緩衝領域１５Ｂは発熱領域１５Ａと保持領域１５Ｃとの間をつなぐ領域であり、熱緩衝部１５ｂにより構成されている。熱緩衝部１５ｂは、発熱領域１５Ａにおいて生じた熱を保持領域１５Ｃに直接そのまま伝導しないよう徐々に冷却して伝える熱緩衝機能を有している。

実施の形態４の赤外線電球における発熱体１５は、小型の熱源で所定の熱量を発生させるため、発熱部１５ａの形状を互い違いの位置に複数の切り込み（スリット）を形成し抵抗値を高くなる蛇行形状としている。したがって、所定の電流が流れる発熱部１５ａは高温となり、その発熱部１５ａに繋がる熱緩衝部１５ｂに大きな熱量が流れ込む構造である。また、熱緩衝部１５ｂは保持部１５ｃに繋がっており、保持部１５ｃからの振動等のストレスを受ける構造である。

実施の形態４における発熱体１５においては、蛇行した発熱部１５ａと熱緩衝部１５ｂがその長手方向（図９における左右方向）の中心線上の位置（図９における発熱部１５ａの上下方向の中間位置）において繋がる構成である。図９に示すように、実施の形態４の発熱体１５の熱緩衝部１５ｂには、開口１５ｄが形成されている。この開口１５ｄは略台形形状であり、その底辺側が発熱部１５ａの方向となり、頂辺側が保持部１５ｃの方向となるよう形成されている。このため、熱緩衝部１５ｂに形成された上下２本の電流経路は、その長手方向（図９における左右方向）に対して直交する断面積が、発熱部１５ａから保持部１５ｃに向かって徐々に増大している。

上記のように構成された発熱体１５においては、発熱部１５ａの細い電流経路から保持部１５ｃの太い電流経路（厚みは実質的に同じである）までの熱緩衝領域１５Ｂにおいて徐々に断面形状が大きくなる電流経路が形成されている。
なお、図９に示すように、熱緩衝部１５ｂに形成された台形形状の開口１５ｄは、その内面縁のコーナー部分が滑らかな曲面により形成されている。なお、実施の形態４において、発熱領域１５Ａの発熱部１５ａにおけるコーナー部分は略直角に形成された例で示しているが、これらのコーナー部分も曲面に形成しても良い。

実施の形態４の赤外線電球における発熱体１５は、上記のように構成されているため、発熱領域１５Ａにおける電流経路の抵抗率が高く、熱緩衝領域１５Ｂにおいてその電流経路の抵抗率が外側に行くに従い徐々に低下し、保持領域１５Ｃにおける電流経路の抵抗率が最も低くなるよう構成されている。その結果、発熱体１５の熱緩衝領域１５Ｂにおいて温度が徐々に低下し、熱ストレスの発生を抑制することができる。また、実施の形態４の赤外線電球においては、発熱部１５ａと熱緩衝部１５ｂがその中間位置（発熱体１５における長手方向の中心線上の位置）で繋がるよう構成されているため、発熱体１５の熱膨張による伸縮に起因する発熱体１５におけるねじれの発生を抑制する効果がある。さらに、実施の形態４の赤外線電球においては、電源のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）動作の繰り返しに起因する発熱体１５の断線、破損等の故障の発生を防止することができる。したがって、実施の形態４の赤外線電球においては、信頼性が高く寿命の長い赤外線電球を提供することができ、この赤外線電球を用いた加熱装置の安全性及び信頼性を高めることが可能となり、長寿命の加熱装置を実現することができる。

なお、実施の形態４の赤外線電球においては、保持手段１０を発熱体１５の両側に設けた例で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、保持手段のコイル部とスプリング部については発熱体の片側にだけ設けた構成でも上記の実施の形態４の構成における効果と同様の効果を奏する。
また、熱緩衝部１５ｂに形成する開口１５ｄの形状は、上記の図９に示した略台形に限定されるものではなく、熱緩衝部１５ｂにおける電流経路の断面形状が徐々に大きくなる形状であれば本発明に含まれる。図１０は、実施の形態４の赤外線電球の別の例であり、発熱体１６としてその一部を拡大して示した平面図である。図１０に示した発熱体１６は、前述の図９に示した発熱体１５と対応する領域を示している。

図１０に示すように、発熱体１６における熱緩衝部１６ｂの開口１６ｄは略二等辺三角形形状であり、その底辺側が発熱部１６ａとなり、頂点側が保持部１６ｃとなるよう形成されている。このため、熱緩衝部１６ｂにおける上下２本の電流経路においてその長手方向（図１０における左右方向）に対して直交する断面積は、発熱部１６ａから保持部１６ｃに向かって徐々に増大している。なお、図１０に示した発熱体１６は、図９に示した発熱体１５と同様に、蛇行形状の発熱領域１６Ａと、その両側に形成された熱緩衝領域１６Ｂと、さらにその外側に形成された保持領域１６Ｃと、を有して構成されている。上記のように構成された図１０に示す赤外線電球においては、熱緩衝部１６ｂの開口１６ｄが略二等辺三角形に形成されることにより、所望の電流経路が形成され、図８に示した赤外線電球と同様の効果を奏する。

本発明に係る赤外線電球は、上記の実施の形態１から実施の形態４において具体的に説明したように、発熱部分と保持部分間での熱ストレスを軽減し、電源のオン／オフ動作の繰り返しによる断線、破損の発生を防止し、加熱対象物を効率高く加熱する加熱装置、例えば、電気ストーブ、調理器、乾燥機、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の熱源として広く使用することが可能である。

《実施の形態５》
図１１は本発明に係る実施の形態５の加熱装置を示す斜視図である。図１１に示す実施の形態５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４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５の加熱装置は、熱源としての赤外線電球１７と、赤外線電球１７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１８と、電源に接続され、赤外線電球１７の入力電流を制御する制御部１９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４において説明した赤外線電球においては、発熱体の形状が実質的に帯状であるため、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５の加熱装置においては、発熱体の両方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５の加熱装置においては赤外線電球１７の背面側に反射板１８を配設した構成であるが、赤外線電球１７の絶縁管の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５の加熱装置は、実施の形態１から実施の形態４において説明した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５の構成によれば、赤外線電球１７の発熱体におけるストレス等に起因する破損、変形、ねじれ等の発生が抑制された構成であるため、故障等の事故が発生しない信頼性の高い長寿命の加熱装置となる。さらに、実施の形態５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。

なお、本発明の加熱装置は実施の形態５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正面図 実施の形態１における発熱体の一部を拡大して示した正面図 本発明に係る実施の形態２の赤外線電球の構成を示す正面図 実施の形態２における発熱体の一部を拡大して示した正面図 本発明に係る実施の形態３の赤外線電球の構成を示す正面図 実施の形態３における発熱体の一部を拡大して示した正面図 実施の形態３における他の構成の発熱体の一部を拡大して示した正面図 本発明に係る実施の形態４の赤外線電球の構成を示す正面図 実施の形態４における発熱体の一部を拡大して示した正面図 実施の形態４における他の構成の発熱体の一部を拡大して示した正面図 本発明に係る実施の形態５の加熱装置を示す斜視図

符号の説明

１，１２，１３，１４，１５，１６ 発熱体
１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ 発熱部
１ｂ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ 熱緩衝部
１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ 保持部
１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ，１６Ａ 発熱領域
１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂ 熱緩衝領域
１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃ，１６Ｃ 保持領域
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
１３ｄ，１４ｄ，１５ｄ，１６ｄ 開口
１７ 赤外線電球
１８ 反射板
１９ 制御部

Claims (12)

1. 繊維状の炭素物質を縦糸および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、長手方向に延びる発熱体と、
   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、前記発熱体の中央部分に形成された発熱領域と、前記発熱領域の両側に形成された熱緩衝領域と、前記発熱領域に前記熱緩衝領域を介して接続され、電流経路の電流路方向に直交する断面積が前記発熱領域に比して大きい保持領域とを有し、前記熱緩衝領域における電流経路の電流路方向に直交する断面積が発熱領域側から保持領域側に行くに従い徐々に大きくなるとともに、前記熱緩衝領域と前記放熱領域の接合部が、電流経路の電流路方向に直交する断面の中間位置で繋がるよう構成された赤外線電球。
2. 前記発熱体における発熱領域が蛇行形状を有する請求項１に記載の赤外線電球。
3. 前記発熱体における熱緩衝領域に開口が形成された請求項１又は２に記載の赤外線電球。
4. 前記発熱体における開口の内側縁が曲面により形成された請求項３に記載の赤外線電球。
5. 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４のいずれか一項に記載の赤外線電球。
6. 前記軟性充填剤としての導電性粒子が、黒鉛又はカーボンブラックのいずれかである請求項５に記載の赤外線電球。
7. 前記充填剤が軟性充填剤として不揮発性のオリゴマー又はポリマー化合物、若しくはそれらの混合物を用いて形成された請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線電球。
8. 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、若しくはそれらのうちのいずれかの混合物を用いて形成された請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線電球。
9. 前記保持手段において、前記発熱体との接合部分に熱伝導性を有する放熱部を設けた請求項１乃至８のいずれか一項に記載の赤外線電球。
10. 前記絶縁管は、石英、ガラス、セラミックス、コージライト、ムライト、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、カルシア、及びシリカのグループから選択した少なくとも１つを含む請求項１乃至９のいずれか一項に記載の赤外線電球。
11. 請求項１乃至１０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。
12. 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１１に記載の加熱装置。

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