JP5095349B2 - 高温用シースヒータ - Google Patents

Description

本発明は、金属シース内に発熱線を保持したシースヒータに関し、特に、１０００℃を超える高温仕様のシースヒータに関するものである。

シースヒータは、ニクロム線をコイル状に巻回した発熱線を金属シース内に保持し、その金属シースと発熱線の隙間に、マグネシア（ＭｇＯ）の粉末を、絶縁材として高密度に充填したものが一般的である。

この種のシースヒータは、発熱線が、使用環境の空気やガスから完全に遮断されているために酸化や腐食することが少なく、裸線に比べて寿命が長く経済的であり、しかも扱い易い。

詳しくは、(ａ)金属シース内に発熱線が電気的に絶縁された状態で収納されているため、絶縁を考慮せずに配置することができる。それにより、装着構造が簡単になり装着や取り外しが容易に行なえる。また、金属シースを所望の形状に曲げることができるため、屈曲させなければならない複雑な箇所に対しても取り付けることができる。

(ｂ)金属シースと発熱線が絶縁されているため、水、油等の被加熱物に直接、接触させて加熱することができる。

(ｃ)金属シースと発熱線との間にマグネシアが高密度に充填されているため、金属シースと発熱線との間の熱伝導が良く、また、シースが金属製であるためにシースと被加熱物との間の熱伝導も良い。それにより、熱効率が高くランニングコストが安い。

(ｄ)化学的に安定した高純度マグネシアで発熱線が絶縁され、且つ気密が保たれているため、長時間使用しても発熱線の酸化や劣化が少なく、絶縁材の吸湿、化学変化による絶縁性低下が生じにくい。また、振動を受ける箇所や腐食性環境下で使用しても発熱線が直接、これらの影響を受けることがなく長寿命である。

しかしながら、上記した従来のシースヒータでは、使用上限温度を高く設定することができないという不都合がある。

シースヒータの発熱線であるニクロム線の融点は約１４００℃であり、使用においてはこの温度に安全率としての温度余裕を見込む必要がある。また、絶縁材としてのマグネシア粉末の充填率を高め、発熱線と金属シースとの間の熱伝導を最大限に高めたとしても、発熱線と金属シースとの間に温度勾配が生じ、温度差が生じることは避けられない。

この温度差は、被加熱物への伝熱量によって変化するが、上記発熱線の融点に対する温度余裕に、上記発熱線と金属シースとの間に生じる温度差を加えた、金属シース表面温度の発熱線融点に対する最終的な温度余裕は、通常、実績上から妥当な値として４００℃が用いられ、金属シース表面温度の使用上の上限は、ニクロム発熱線の場合、約１０００℃（１４００℃−４００℃）となる。

また、発熱線に通電するための電極として、電路材で汎用されている、電気抵抗の小さい銅を使用すると、銅の融点は約１０８３℃であり上記発熱線に比べて低いことから、発熱線と電極との接合部分における銅の溶解を避けるために、金属シースの表面温度は上記１０００℃よりさらに３００℃程度低い温度に制限せざるを得ない。

このような使用上限温度の制限を少なくするために、特に、温度制限の厳しい電極部について、各種の電極材、電極構造のシースヒータが試作されている。その代表例を図５および図６に示す。

図５はそのシースヒータの断面構造を示したものであり、図６はシースヒータ端末部の断面構造を示している。

なお、両図に示すシースヒータは、発熱線が金属シース内で往復する構成のため、２つの電極がシースヒータの一方端部に設けられているが、シースヒータの両端部にそれぞれ電極を１つずつ設けたものもある。

両図に示されるように、シースヒータ３０は、金属シース３１内に発熱線３２を収納している。この発熱線３２は二重コイル構造となっており、先端部（図の左側）は金属キャップ３３側端部で接合されている。なお、シースヒータの両端に電極を設けたものは、発熱線が往復しないため、一重コイル構造である。

発熱線３２の右側には２つの電極３４が配置され、この電極３４の素材にはニッケルまたはニッケル合金棒が使用されている。なお、図中、３５は絶縁材としてのマグネシア粉末である。

上記電極３４は、発熱部Ｈに比べて導体断面積が大きいこと、及び発熱部Ｈのようにコイル状ではなく電路長が短いことから、発熱部Ｈに比べると、長手方向の単位長さ当たりの発熱量は少ない。

上記電極３４の長さをある程度長くすれば、発熱部Ｈからの熱伝導の影響も少なくなってシースヒータ３０の後端部３６の温度も下げることができるため、その後端部３６に、図６に示すようなシールスリーブ３７を溶接、カシメ等によって取り付けるようになっている。

このシールスリーブ３７内にて電極３４とリード線３８が接続され、接続後、シールスリーブ３７内に絶縁材としてマグネシア粉末３９が充填される。また、湿分の侵入による絶縁低下を防止するため、シールスリーブ３７の端部にはエポキシ樹脂等でシールが施され、シール部４０が形成される。なお、図中、４１はリード線絶縁被覆である。

図７は、図５に示したシースヒータ３０の製作方法を示したものであり、同図(ａ)は斜視図、同図(ｂ)は図７(ａ)のＡ−Ａ矢視断面図、同図(ｃ)は同じくＢ−Ｂ矢視断面図である。

これらの図において、仕上がり外径よりも太い径からなる金属シース３１を用意し、その金属シース３１内に、マグネシア粉末を円筒状に焼結した碍子筒３９ａを挿入し、この碍子筒３９ａ内にさらに、発熱線３２を巻き付けるとともに電極３４を組み込んだ碍子軸３９ｂを挿入する。

これをスエージングして金属シース３１の外径が所定の仕上がり寸法となるように絞ると、碍子筒３９ａおよび碍子軸３９ｂはともに破壊されて粉体化する。

次いで、金属シース３１の後端側端部を切断し、マグネシア粉末を除去すれば、図５に示したシースヒータ３０が得られる。

以上、図５乃至図７のシースヒータは、電極材として耐高温性のあるニッケルまたはニッケル合金を使用し、且つ、その断面積の拡大等によって発熱を抑えてリード線との接続部温度を下げ、これらにより、電極部により制限されていた使用上限温度の制限の緩和を図ったものである。

しかしながら、このようにして製作されたシースヒータは、発熱線３２と同等の電気抵抗率を持つ耐高温性のニッケルまたはニッケル合金の線材を電極３４として使用しているため、その電極３４においてもある程度、発熱が生じる。

前述のように、電極部では、リード線（導線及び絶縁被覆を含む）３８やシール部４０が損なわれない温度まで電極３４の温度を下げる必要があるが、シースヒータを１０００℃以上の高温仕様にする場合、ニッケルまたはニッケル合金の発熱のため、温度を下げるには、電極３４の長さを実用的でない長さまで延長しなければならないという問題が生じる。

さらに、発熱部Ｈ以外の部分で少なからず発熱があると、本来、被加熱物の加熱をしたくない部分が加熱されてしまうという弊害も発生する。

なお、電極３４を、高融点で且つ電気抵抗率の低い材料で構成すれば、上記問題を解消することができると考えられるが、そのような材料は現状では見当たらない。

本発明は以上のような従来のシースヒータにおける課題を考慮してなされたものであり、例えば１０００℃以上の高温で使用することができる高温用シースヒータを提供するものである。

本発明は、コイル状の発熱線が金属シース内で往復した状態で配線され、上記金属シースと上記発熱線の隙間に粉末絶縁材が充填され、上記金属シースの端部に上記発熱線の各端部に通電するための２つの電極が設けられているシースヒータにおいて、
上記各電極が、上記発熱線に接続され、その発熱線を複数本撚り合わせた撚り線電極部と、
上記撚り線電極部に接続され、上記撚り線電極部に比べ、電気抵抗率が同等で融点の低い材料からなり、上記撚り線電極部よりも大きな断面積を有する第一棒状電極部と、
上記第一棒状電極部に接続され、上記第一棒状電極部よりもさらに電気抵抗率が低く且つ融点の低い材料からなり、上記第一棒状電極部と略同じ断面積を有する第二棒状電極部とから構成され、
上記第一棒状電極部及び上記第二棒状電極部は、円柱体をその軸方向に半割りにすることにより形成され、上記発熱線の各端部はそれぞれ上記各撚り線電極部に接続されている高温用シースヒータである。

本発明において、上記第一棒状電極部は、ニッケルまたはニッケル合金から構成することができる。

本発明において、上記第二棒状電極部は、銅または銅合金から構成することができる。

本発明において、上記発熱線は白金ロジウムから構成することができる。

本発明において、上記粉末絶縁材は窒化ホウ素から構成することができる。

本発明は、上記高温用シースヒータの端末構造として、上記金属シースの端部にシールスリーブが接続され、このシールスリーブ内で上記第二棒状電極部がリード線と接続され、上記シールスリーブ内に窒化ホウ素が充填されシール材によって封止されている高温用シースヒータである。

本発明によれば、例えば１０００℃以上の高温用として使用することができる高温用シースヒータを提供することができる。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１(ａ)は、本発明に係る高温用シースヒータの構成を示す縦断面図であり、同図(ｂ)は図１(ａ)のＣ−Ｃ断面図である。

１ シースヒータの構成
両図において、シースヒータ１は、金属シース２内に、二重コイル構造の発熱線３を備えており、発熱線３の先端側（図の左側）は金属キャップ４側の端部で接合されている。

５は絶縁材粉末であり、発熱線３に流れる電気を絶縁し、熱のみを伝導するために充填されている。なお、上記二重コイル構造とは図５で説明した二重コイル構造と同じものである。

上記金属シース２は、１０００℃以上の高温に耐えるニッケル基耐熱鋼で構成されている。

上記発熱線３は白金ロジウムからなり、この白金ロジウム（白金割合６０〜９５％）の融点は約１９００℃である。

上記絶縁材粉末５は、マグネシアに比べて熱伝導率の高い窒化ホウ素が用いられている。

上記シースヒータ１の電極６は、撚り線電極部７と、ニッケルまたはニッケル合金を材質とするニッケル棒電極部（第一棒状電極部）８と、銅または銅合金を材質とする銅棒電極部（第二棒状電極部）９とから構成され、各電極部は溶接によって接続されて１つの電極６を構成している。また、上記撚り線電極部７は、発熱線３と同じ材質である白金ロジウム素線を６本程度束ねて撚り線にしたものから構成されている。

上記ニッケル棒電極部８は、電極用円柱素材をその軸方向に半割りして一対の電極片８ａ及び８ｂとし、それら電極片８ａ及び８ｂの対向面８ｃ及び８ｄを削り取ることにより、隙間Ｄが確保されるようになっている。この隙間Ｄは、後述する、碍子板５ｃを挿入するための挿入通路Ｅとして機能するようになっている。

上記銅棒電極部９は上記ニッケル棒電極部８と同様に、電極用円柱素材をその軸方向に半割りして一対の電極片９ａ及び９ｂとし、それら電極片９ａ及び９ｂの対向面を削り取ることにより、上記挿入通路Ｅと連絡する挿入通路Ｆが確保されるようになっている。

２ シースヒータ端末部の構成
図２はシースヒータ端末部の構成を拡大して示した縦断面図である。

同図において、シースヒータ端末部には金属製のシールスリーブ１０が溶接されている。

このシールスリーブ１０内にて、電極６の銅棒電極部９とリード線導体１１が接続され、接続後、シールスリーブ１０内に絶縁材として粉末窒化ホウ素１２が充填される。また、湿分の侵入による絶縁低下を防止するため、シールスリーブ１０の端部は、エポキシ樹脂等でシールが施され、シール部１３が形成されている。なお、図中、１４はリード線絶縁被覆である。

３ シースヒータの製作方法
図３はシースヒータ１の製作方法を示した斜視図である。

同図において、仕上がり外径よりも太い径からなる金属シース２内に、窒化ホウ素粉末を焼結した碍子筒５ａを挿入し、この碍子筒５ａ内にさらに、碍子軸５ｂと碍子板５ｃとを一体にて挿入する。

上記碍子軸５ｂの胴部外面には、発熱線３を埋め込んだ状態で巻回するための二重螺旋溝５ｄ（図３(ｂ)参照）が形成されており、その二重螺旋溝５ｄに沿って発熱線３を嵌め込みながら巻回するようになっている。

また、碍子軸５ｂの後端部（図３(ａ)において右側）には、撚り線電極部７を位置決めするための直線溝５ｅ（図３(ｃ)参照）が形成されており、この直線溝５ｅに撚り線電極部７が嵌め込まれるようになっている。

なお、上記直線溝５ｅは、径方向については対向する状態で、碍子軸５ｂの軸方向については平行となるように形成されている。このように碍子軸５ｂに溝を形成した目的は、金属シース２内の隙間を極力無くして絶縁材粉末の充填率を高めるためである。

また、ニッケル棒電極部８および銅棒電極部９に形成されている挿入通路ＥおよびＦ（図１参照）には、窒化ホウ素粉末を焼結した碍子板５ｃが差し込まれる。

なお、発熱線３と撚り線電極部７とニッケル棒電極部８と銅棒電極部９は、碍子軸５ｂ、碍子板５ｃを挿入する前に予め溶接されており、ニッケル棒電極部８の前側端部には、撚り線電極部７を溶接するための２本の切欠部１５（図３(ａ)参照）が形成されている。

碍子軸５ｂの外径と、碍子板５ｃが差し込まれたニッケル棒電極部８、銅棒電極部９の外径（図中３(ｄ)参照）とは等しくなるように構成されており、これらを碍子筒５ａ内に挿入してさらに金属シース２内に挿入したものをスエージングする。

上記スエージングによって、金属シース２の外径が所定の仕上がり寸法になるように絞ると、碍子筒５ａ、碍子軸５ｂ、碍子板５ｃはそれぞれ破壊されて粉体化し、絶縁材粉末５となる。

次に、図４(ａ)に示すように、シースヒータ１端部の金属シース２を切り落とし、同図(ｂ)に示すように絶縁材粉末５を除去すると、同図(ｃ)に示すように、図１に示したシースヒータ１が得られる。

このシースヒータ１における銅棒電極部９、すなわち温度の下がった部位にシールスリーブ１０を溶接、カシメ等によって取り付け、銅棒電極部９とリード線導体１１とを接続する。

接続後、シールスリーブ１０内に絶縁材として粉末窒化ホウ素を充填し、シールスリーブ１０端部をエポキシ樹脂等でシールすれば、図２に示したシースヒータ端末構造が得られる。

上記構成を有するシースヒータ端末構造によって得られる効果は以下の通りである。

図２において、撚り線電極部７は、発熱線３を複数本撚り合わせた撚り線に構成することによって発熱線３よりも断面積が大きく形成され、発熱線３のようにコイル状ではなく発熱長が短いことから、発熱線３に比べ、長手方向の単位長さ当たりの発熱量は少ない。

それにより、撚り線電極部７における図中右端の温度は低くなっており、その撚り線電極部７に溶接されているニッケル棒電極部８が温度によって損傷する虞れはない。なお、ニッケルの融点は約１４５５℃である。

また、ニッケル棒電極部８の断面積は、撚り線電極部７の断面積よりも大きく形成されているため、電気抵抗を小さくすることができ、ニッケル棒電極部８の発熱量を抑制することができるようになっている。

このようにして、ニッケル棒電極部８の右端の温度はさらに低くなることから、そのニッケル棒電極部８に溶接されている銅棒電極部９が温度によって損傷することはない。なお、銅の融点は約１０８３℃である。

また、銅棒電極部９における電極片９ａ，９ｂの断面積は、ニッケル棒電極部８の電極片８ａ，８ｂと略同じサイズに形成されているため、撚り線電極部７の断面積よりも大きく、しかも、銅の電気抵抗率は極めて小さいため、この銅棒電極部９における発熱量は極めて小さく、従来のように電極の長さを長く取らなくとも、十分な温度降下を得ることができる。

このように、撚り線電極部７に対し、円柱を半割りして断面積が大きく確保できる棒状電極を接合し、この棒状電極を、耐高温性を有するニッケル棒電極部８と電気抵抗率の小さい銅棒電極部９との組み合わせで構成することにより、短い電極長さで、シールスリーブを構成しているシール材やリード線の許容温度まで電極部の温度を下げることが可能になる。また、電極部の発熱量を小さい値に抑えることができる。

これらにより、高温用シースヒータに構成しても、被加熱物の本来、加熱したくない部分が電極部によって加熱されるという弊害も改善される。

また、上記シースヒータ端末構造によれば十分な温度降下が得られるため、発熱線３として融点の高い白金ロジウムを使用した場合、前述した４００℃の温度余裕に、高温化による発熱線と金属シース表面との温度差の拡大を考慮して、発熱線融点に対する温度余裕を５００℃としても、金属シース表面温度は１４００℃まで使用可能となる。

さらに、上記絶縁材粉末５として、マグネシアに比べて熱伝導率の高い窒化ホウ素を用いているため、上記温度余裕そのものについても縮小されている。

なお、上記ニッケル棒電極部８および上記銅棒電極部９の断面積は、撚り線電極部７の断面積の約８倍あり、使用温度域での各部の電気抵抗率を比較すると、撚り線電極部７の白金ロジウムとニッケル棒電極部８のニッケルが同等であり、銅棒電極部９の銅はそれらの１／５程度である。

電気抵抗は材料の電気抵抗率に比例して断面積に反比例し、また、単位長さ当りの発熱量はその電気抵抗に比例するため、ニッケル棒電極部８における単位長さ当たりの発熱量は、白金ロジウムからなる撚り線電極部７の約１／８となり、銅棒電極部９の単位長さ当たりの発熱量は、白金ロジウムからなる撚り線電極部７の約１／４０となる。

図１に示したシースヒータの構成、図２に示したシースヒータ端末構造の実施例について説明する。

発熱部Ｈの長さ：２０ｍｍ
発熱線３の材質：白金ロジウム（白金８０％、ロジウム２０％）
発熱線３の外径：φ０．５ｍｍ
金属シース２の材質：ＮＣＦ６００
金属シース２の長さ：２７０ｍｍ
金属シース２の外径：φ９．２ｍｍ
シールスリーブ１０の材質：ＳＵＳ３０４
シールスリーブ１０の外径：φ３４ｍｍ
撚り線電極部７：発熱線６本を束ねた撚り線
撚り線電極部７の長さ：２０ｍｍ
半割れ棒状電極の材質：ニッケル（またはニッケル合金）及び銅（または銅合金）
半割れ棒状電極の外径（図１(ｂ)の外径Ｄ′参照）：５．７ｍｍ
半割れ棒状電極の長さ：１７５ｍｍ
上記した構成は、本発明の高温用シースヒータの一例を示したものであり、発熱線３の外径寸法、発熱部Ｈの長さ、発熱線材質における白金とロジウムの比率、金属シース及びシールスリーブの材質は、高温用シースヒータの使用対象に応じ適宜変更することができる。

上記実施例においては使用温度を１２００℃に想定しているため、金属シース２としてＮＣＦ６００を採用しているが、金属シース２の材質を別の耐高温性のもの、例えば、発熱線３と同材質のものにすれば、使用温度を１４００℃までさらに高めることができる。

また、本実施形態では２つの電極がシースヒータの後端部に設けられた構成について説明したものであるため、発熱線を二重コイル構造としたが、シースヒータの両端にそれぞれ１つの電極を設けたシースヒータにも本発明を適用することができる。ただし、この場合、発熱線が金属シース内で往復しないため、一重コイル構造となる。

(ａ)は本発明に係るシースヒータの構成を示す縦断面図、(ｂ)はそのＣ−Ｃ矢視断面図である。 本発明に係るシースヒータ端末部の構成を示す拡大縦断面図である。 (ａ)は本発明に係るシースヒータの製作方法を示す斜視図、(ｂ)はそのＩ−Ｉ矢視断面図、(ｃ)は同じくＪ−Ｊ矢視断面図、(ｄ)は同じくＫ−Ｋ矢視断面図である。 (ａ)〜(ｃ)は本発明に係るシースヒータの端部処理方法を示す説明図である。 従来のシースヒータの構成を示す縦断面図である。 従来のシースヒータ端末部の構成を示す拡大縦断面図である。 (ａ)は従来のシースヒータの製作方法を示す斜視図、(ｂ)はそのＡ−Ａ矢視断面図、(ｃ)は同じくＢ−Ｂ矢視断面図である。

符号の説明

１ シースヒータ
２ 金属シース
３ 発熱線
４ 金属キャップ
５ 絶縁材粉末
５ａ 碍子筒
５ｂ 碍子軸
５ｃ 碍子板
６ 電極
７ 撚り線電極部
８ ニッケル棒電極部
８ａ，８ｂ 電極片
９ 銅棒電極部
９ａ，９ｂ 電極片
１０ シールスリーブ
１１ リード線導体
１２ 粉末窒化ホウ素
１３ シール部
１４ リード線絶縁被覆

Claims (6)

1. コイル状の発熱線が金属シース内で往復した状態で配線され、上記金属シースと上記発熱線の隙間に粉末絶縁材が充填され、上記金属シースの端部に上記発熱線の各端部に通電するための２つの電極が設けられているシースヒータにおいて、
   上記各電極が、上記発熱線に接続され、その発熱線を複数本撚り合わせた撚り線電極部と、
   上記撚り線電極部に接続され、上記撚り線電極部に比べ、電気抵抗率が同等で融点の低い材料からなり、上記撚り線電極部よりも大きな断面積を有する第一棒状電極部と、
   上記第一棒状電極部に接続され、上記第一棒状電極部よりもさらに電気抵抗率が低く且つ融点の低い材料からなり、上記第一棒状電極部と略同じ断面積を有する第二棒状電極部とから構成され、
   上記第一棒状電極部及び上記第二棒状電極部は、円柱体をその軸方向に半割りにすることにより形成され、上記発熱線の各端部はそれぞれ上記各撚り線電極部に接続されていることを特徴とする高温用シースヒータ。
2. 上記第一棒状電極部が、ニッケルまたはニッケル合金から構成されている請求項１記載の高温用シースヒータ。
3. 上記第二棒状電極部が、銅または銅合金から構成されている請求項１または２に記載の高温用シースヒータ。
4. 上記発熱線が白金ロジウムから構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の高温用シースヒータ。
5. 上記粉末絶縁材が窒化ホウ素からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温用シースヒータ。
6. 上記高温用シースヒータの端末構造として、上記金属シースの端部にシールスリーブが接続され、このシールスリーブ内で上記第二棒状電極部がリード線と接続され、上記シールスリーブ内に窒化ホウ素が充填され、シール材によって封止されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の高温用シースヒータ。

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