JP4941802B2 - 熱処理炉用カーボンヒーター - Google Patents

Description

本発明は、熱処理炉用のカーボンヒーターに関するもので、具体的にはヒーター全体の温度分布を均一化して使用特性を改善した熱処理炉用カーボンヒーターに関するものである。

従前知られているＵターン型ヒーターの発熱部は、当該発熱部の中心軸線に直交する向きの何処を切ってもその切断端面の形状が同じで、同一の断面積になっているものであった。

このため、上記Ｕターン型ヒーターの発熱部は、次に述べるような理由によって、発熱部の端子側に位置する個所の温度が同発熱部の中間に位置する個所より低くなり、また先端折り返し側に位置するＵ型先端部近傍の温度は高くなるという使用特性、すなわち部位によって温度分布が不均一になる使用特性を有していた。

上記端子側個所の温度が低くなる原因としては、端子接続部の銅製クランプが水冷されているために低くなることを挙げることができる。また、Ｕ型先端部近傍は逆に放熱要素が少なく、温度が上昇する傾向にあることが挙げることができる。

そこで、本発明者は、温度分布を均一化して、使用特性を改善することを課題として鋭意研究を行った結果、ヒーター本体の端子側に近い個所が細く、折り返しのＵ型先端部側が太くなるように、その中間部を段付き構造にすることが有効であり、また端子部の材質を従来の端子材質よりも熱伝導率が低くかつ固有抵抗が大きな材質とすることが有効であることを見出した。

そして、上記知見に基づく実施により、段付き構造にしたことで端子側個所の断面積を減らして抵抗値を増加させ得たこと、当該抵抗値の増加により端子側個所の発熱温度を高くして同端子側からの放熱分を補い得たことが確認できた。また併せて、端子部の材質を変更したことで発熱部の熱量が端子側に放散することを防ぎ得たこと、端子部も僅かの発熱をすることが確認できた。

なお、本出願人は、ヒーター本体の端子側個所が細く、Ｕ型先端部側が太くなるような中間段付き構造をもつ熱処理炉用カーボンヒーターについて、先行技術文献を調査したが、これらに関連する先行技術文献は見出すことができなかった。

図４（イ）は、従来の熱処理炉用Ｕ型カーボンヒーターを炉内に挿入設置した状態の断面的な正面説明図で、被加熱品の進行方法正面から見た図であり、図４（ロ）は図４（イ）の位置関係に対応した炉内の温度分布を示すグラフであり、図４（ロ）には従来のカーボンヒーターを使用した場合と本発明に係るカーボンヒーターを使用した場合の炉内温度分布の両方を比較表示してある。

図４（イ）において、符号１はカーボンヒーター、２及び３は該ヒーター１を構成するヒーター本体、４はヒーター１の折り返しのＵ型先端部、５及び６はヒーター端子部、１１は炉体、１２は断熱材、１３はグラファイトマッフル、１４は端子ボックスである。

図４（ロ）において、従来品を示す点線の折れ線グラフでは、端子５，６側とＵ型先端部４側とでは略５０℃の差があり、被加熱品が通過する有効加熱帯（Ａ〜Ｂの部分）ではＵ型先端部４側に向って温度が漸増する傾斜カーブ状態を呈している。これに対し、本発明品を示す実線の折れ線グラフは、端子５，６側とＵ型先端部４側（折り返し側）とでは略同じ温度であり、有効加熱帯（Ａ〜Ｂ）では略同じ温度の横ばい状態を示していることが分かる。従って、これらのことから、本発明を実施することによって、温度の均一化が達成された発明品を確実に提供し得ることが容易に理解できる。

ここで、発熱部の発熱について述べる。すなわち、発熱部の単位長さの発熱量は、当該発熱部の中心軸線に直交する向きで切った断面積により決まる。つまり、同じ電流が流れる場合、狭い断面積部分の方が広い断面積部分の方よりも発熱量が多くなるので、端子側個所の方が高い温度になり易いのである。

本発明は、発熱部全体の温度分布を均一化して使用特性の改善ができた新規の熱処理炉用カーボンヒーターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る熱処理炉用カーボンヒーターは、ヒーター本体と端子部を備えた熱処理炉用カーボンヒーターに関し、ヒーター本体の端子側に近い個所の断面積を減らして同端子側個所の抵抗値を大きくしたものである。

そして、端子側個所の断面積を減らす方法としては、例えばＵターン型ヒーターでは、ヒーター本体の端子側に近い中間個所に、ヒーター本体の端子側を細く、Ｕ型の先端折り返し側を太くした段付き構造部１０を設ける。

従って、本発明に係る熱処理炉用カーボンヒーターにあっては、端子側個所の発熱温度が上記抵抗値の増大により高くなる。その結果、同端子側からの放熱ロスは補填され、上記温度分布の均一化の達成を可能にする。

また、本発明に係る熱処理炉用カーボンヒーターは、後記実施例に記載される通り、上記端子部はその固有抵抗を１５００〜１９００μΩ・ｃｍである材質とし、ヒーター本体の固有抵抗はそれより低く、またＵ型先端部の固有抵抗は更に該ヒーター本体の固有抵抗より低くして、ヒーター全体が上記ヒーター端子部から上記Ｕ型先端部に向かって順次その抵抗値が低くなるように構成してなり、本発明では、ヒーター本体自体は上記の通り中間の段付き構造部の前後で大小２種類の抵抗値となるようにしているので、ヒーター全体としては全部で４種類の抵抗値となるように配置構成し、これにより、炉内の温度分布を均一化している。

これにより、本発明に係る熱処理炉用カーボンヒーターは、端子部も僅かに発熱して発熱部の熱量が端子側に放散することを防ぎ得るので、結果として、均一な温度分布の実現が可能となるのである。

なお、本発明に係る熱処理炉用カーボンヒーターは、端子接続部側が低くなり、Ｕ型の先端折り返し側が上昇するような傾向にある温度環境において主に使用される。

本発明に係る熱処理炉用カーボンヒーターは、ヒーター本体の端子側個所の断面積を減らして抵抗値を大きくしたので、端子側個所の発熱温度を高くすることができ、結果として、同端子側からの放熱ロスを補填でき、上記温度分布の均一化を達成することができる。

また、本発明に係る熱処理炉用カーボンヒーターは、端子部を固有抵抗が１５００〜１９００μΩ・ｃｍである材質としたので、端子側に放散する熱量を減少させることができるのみならず、上記材質の端子部は使用時には発熱する熱量が減少するので、結果として、均一な温度分布の実現が容易にできるのである。

以下、本発明に係る実施例を図１〜図３に基づいて説明する。なお、図１はカーボンヒーター全体を示す一部断面正面図であり、図２は同じく一部断面側面図であり、図３は図１のＡ部分を示す拡大図である。

この実施例に係る熱処理炉用カーボンヒーター１は、２本のグラファイト製ヒーター本体２、３を構成し、これらヒーター本体２、３の一方端を互いにＵ型先端部（連結部）４により連結すると共に、各ヒーター本体２、３の他方端にはヒーター端子５，６を装着することにより得たＵターン型ヒーターである。

上記ヒーター本体２、３は、固有抵抗１１００μΩ・ｃｍのカーボンであり、外径φ５１ｍｍ／内径φ３８ｍｍの管体である。そして、これら各ヒーター本体２、３において完成後に端子側個所８として機能する部分の外周面を切削加工により切除して外径φ４９ｍｍとして、ヒーター本体２、３の中間個所７と端子側に近い個所８との連続部９に段付き構造部１０を設け、よって端子側個所８の中心線に直交する切断端面の断面積を減らして、当該端子側個所８の抵抗値を大きくなるようにしてある。

また、上記Ｕ型先端部４は、固有抵抗８００μΩ・ｃｍのカーボンであり、ヒーター本体２、３に連結装着してあるものである。

また、上記ヒーター端子５，６は、例えば固有抵抗１７００μΩ・ｃｍのカーボンであり、各ヒーター本体２、３にはネジ込み（図示せず）により装着してある。なお、当該ヒーター端子５，６の固有抵抗は、１５００〜１９００μΩ・ｃｍであることが望ましく、１５００μΩ・ｃｍ以下である場合、あるいは１９００μΩ・ｃｍ以上である場合には、前記したような効果が得られない。

ちなみに、炉温１３００℃で、Ｕターン型のヒーター端子５，６に固有抵抗が８５０μΩ・ｃｍの従来品と、固有抵抗が１７００μΩ・ｃｍの本発明品に関して、それぞれその端子損失熱量を測定した結果、従来品では損失熱量２８４０Ｋcal／時・本に対し、本発明品では損失熱量２２２０Ｋcal／時・本と、損失熱量が明らかに少ないことが分かった。

本発明の実施例を示す一部断面正面図である。 同じく一部断面側面図である。 図１のＡ部分を示す拡大図である。 従来のＵターン型カーボンヒーターを炉内に挿入設置した状態の断面的な正面説明図（イ）とその位置関係に対応した炉内の温度分布を示すグラフ（ロ）であり、図４（ロ）には従来のカーボンヒーターを使用した場合（点線で表示）と本発明に係るカーボンヒーターを使用した場合（実線で表示）の炉内温度分布の両方を比較表示してある。

１−熱処理炉用カーボンヒーター
２、３−ヒーター本体
４−Ｕ型先端部（連結部）
５、６−ヒーター端子
７−中間個所
８−端子側個所
９−連続部
１０−段付き構造部
１１−炉体
１２−断熱材
１３−グラファイトマッフル
１４−端子ボックス

Claims (1)

1. ２本のヒーター本体の一方端を互いにＵ型先端部により連結し、両ヒーター本体の他方端にはそれぞれヒーター端子を装着してなるＵターン型の熱処理炉用カーボンヒーターにおいて、各ヒーター本体中間部の端子部側個所を段付き構造に形成して、ヒーター本体の端子部側を細く、上記Ｕ型先端部側を太くして、該端子部側の方の抵抗値を大きくするようにし、上記端子部の固有抵抗は１５００〜１９００μΩ・ｃｍとし、ヒーター本体の固有抵抗はそれより低く、また上記Ｕ型先端部の固有抵抗はヒーター本体の固有抵抗よりも更に低くして、ヒーター全体が上記ヒーター端子部から上記Ｕ型先端部に向かって順次その抵抗値が低くなるように構成してなることを特徴とする熱処理炉用カーボンヒーター。

Images