JP5371784B2 - 浸漬型ヒータ - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、アルミ保持炉などの溶融金属用加熱設備に使用する浸漬型ヒータに関し、詳しくは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金等の金属発熱体を備えた浸漬型ヒータに関する。
従来、アルミ溶湯などの溶融金属を加熱するための浸漬型ヒータとして、金属発熱体を採用したものがある。例えば、特許文献１には、有底円筒形状のセラミック製保護管（浸漬管）内に吊り下げ配置された絶縁性円筒体と、この絶縁性円筒体の外周部に形成された螺旋溝内に配置された断面円形の線状発熱体（発熱部）と、前記セラミック製保護管の開口端を塞ぐ絶縁性蓋体とを有し、前記線状発熱体に一端がそれぞれ接続された各端子棒の他端が前記絶縁性蓋体を貫通してなる浸漬型ヒータが開示されている。
実公平５−２１２７５号公報
しかしながら、上記特許文献１の浸漬型ヒータは、線状発熱体が嵌め込まれる絶縁性円筒体を保護管内に吊り下げ保持する構成であるため、金属発熱体として螺旋状に巻かれた帯状のものを採用し、かつ、帯状発熱体の平面部が互いに対向する螺旋状の発熱部とした場合には、次のような問題が生じ得る。
すなわち、保護管と円筒体との芯ずれが生じると、螺旋状に巻かれた帯状発熱体の外周縁が保護管内壁に押し付けられることになり、その結果、この押圧部において発熱体が変形して隣接する発熱体と接触するという不具合が生じる可能性がある。特に、横浸漬方式では、浸漬型ヒータの後端部を炉側壁で支持する水平片持ち支持となることから、発熱部も同様に水平片持ち支持となることに加えて、円筒体および発熱体の自重による下方への撓みが生じるため、螺旋状発熱体の下方（炉床側）の外周縁が保護管内壁に押し付けられ易い状態になり、上述したような不具合が生じる可能性がより高くなる。
そこで、本発明は、螺旋状発熱体の外周縁が保護管の内壁に押圧されることを完全に回避して、隣接する発熱体同士の接触による断線防止を図ることができる浸漬型ヒータを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の浸漬型ヒータは、セラミック製有底保護管と、前記セラミック製有底保護管内に挿入された絶縁性円筒体と、前記絶縁性円筒体の外周面に形成した螺旋溝内に保持された金属発熱体と、前記セラミック製有底保護管の開口部を塞ぐ絶縁性蓋体と、前記金属発熱体の先端部と後端部とに一方端部がそれぞれ接続されるとともに他方端部が前記絶縁性蓋体を貫通して前記セラミック製有底保護管外に位置している第１、第２端子棒とからなる浸漬型ヒータにおいて、
前記金属発熱体が帯状をなしており、この帯状金属発熱体の一方のエッジ部が前記螺旋溝内に挿入保持されて螺旋状の発熱部を形成し、
前記セラミック製有底保護管の内径より小径で、かつ、螺旋状の発熱部の外周径よりも大径である径を有するとともに前記絶縁性円筒体の中空部に嵌合する円筒体支持部材が前記絶縁性円筒体の先端および後端の各開口にそれぞれ配置され、
前記先端側の円筒体支持部材に前記金属発熱体の先端部に接続される前記第１端子棒が貫通する貫通孔とこの第１端子棒の先端に連結固定された接続板が挿通する切欠部を、また、前記後端側の円筒体支持部材に前記第１端子棒が貫通する貫通孔と前記第２端子棒の先端に連結固定された接続板が挿通する切欠部を形成した、ことを特徴とするものである。
前記金属発熱体が帯状をなしており、この帯状金属発熱体の一方のエッジ部が前記螺旋溝内に挿入保持されて螺旋状の発熱部を形成し、
前記セラミック製有底保護管の内径より小径で、かつ、螺旋状の発熱部の外周径よりも大径である径を有するとともに前記絶縁性円筒体の中空部に嵌合する円筒体支持部材が前記絶縁性円筒体の先端および後端の各開口にそれぞれ配置され、
前記先端側の円筒体支持部材に前記金属発熱体の先端部に接続される前記第１端子棒が貫通する貫通孔とこの第１端子棒の先端に連結固定された接続板が挿通する切欠部を、また、前記後端側の円筒体支持部材に前記第１端子棒が貫通する貫通孔と前記第２端子棒の先端に連結固定された接続板が挿通する切欠部を形成した、ことを特徴とするものである。
この構成からなる浸漬型ヒータによれば、金属発熱体に帯状のものを採用することで、発熱体表面積を大きくすることができるため、線状発熱体に比べて同一出力でも発熱体の温度を低く抑えることができ、焼き減りの抑制等で耐久性が向上する。
また、帯状発熱体を螺旋状の発熱部として保持する円筒体の両端に取り付けられた円筒体支持部材が保護管内径より小径で、かつ、螺旋状の発熱部の外周径よりも大径である径を有することから、帯状発熱体の外周縁と保護管の内壁面との間に隙間が確実に形成されるため、螺旋状発熱部の外周縁が保護管の内壁に押圧されることを回避することができ、その結果、帯状発熱体の外周縁の押圧による変形が生じることなく、隣接する帯状発熱体同士の接触による断線を確実に回避することができる。
また、帯状発熱体を螺旋状の発熱部として保持する円筒体の両端に取り付けられた円筒体支持部材が保護管内径より小径で、かつ、螺旋状の発熱部の外周径よりも大径である径を有することから、帯状発熱体の外周縁と保護管の内壁面との間に隙間が確実に形成されるため、螺旋状発熱部の外周縁が保護管の内壁に押圧されることを回避することができ、その結果、帯状発熱体の外周縁の押圧による変形が生じることなく、隣接する帯状発熱体同士の接触による断線を確実に回避することができる。
また、前記構成からなる浸漬ヒータによれば、接続板と金属発熱体の接続作業が容易に行うことができるとともに、電気的接続が確実にできる。
本発明の浸漬型ヒータでは、前記保護管内部であって前記後端側の円筒体支持部材と前記蓋体との間の空間に断熱材が充填されてもよい。
この構成からなる浸漬型ヒータによれば、螺旋状発熱部から端子部への熱移動が抑制されて端子棒の熱膨張による変形を防止できるとともに、横浸漬方式においては、保護管の破損時、溶融金属が外部に流出することを防止することができる。
また、前記セラミック製有底保護管の開口端部側の外周部が、先端に向かって細くなるテーパ形状に形成されていてもよい。
この構成からなる浸漬型ヒータによれば、炉側壁に浸漬型ヒータを取り付ける際に、炉側壁にテーパ状の外周部に係合するヒータ取付口を設けることで、ヒータの正確な位置決めと堅固な取り付けが可能になる。
また、本発明の浸漬型ヒータでは、前記金属発熱体の先端部に接続されるように前記先端側の円筒体支持部材に固定された前記端子棒が前記円筒体、前記後端側円筒体支持部材および前記蓋体を貫通して延伸し、前記蓋体の外部において前記端子棒に設けられた止め金具と前記蓋体との間に圧縮ばねが配置されていてもよい。
この構成からなる浸漬型ヒータによれば、端子棒に対して常に引っ張り力が付与されることになり、端子棒の熱膨張による変形を抑制できる。
また、本発明の浸漬型ヒータによれば、前記金属発熱体の先端部に接続される前記端子棒がパイプ状をなし、かつ、熱電対が前記パイプ状の端子棒内に挿入配置されてもよい。
この構成からなる浸漬型ヒータによれば、パイプ状端子棒内に熱電対を挿入配置することにより、発熱部を有する円筒体内での正確な温度測定が可能になる。
この場合、前記パイプ状の端子棒の先端開口に断熱材が充填されることで、保護管の先端部の破損時、溶融金属がパイプ状端子棒の内部を通って外部に流出することを防止することができる。
この場合、前記パイプ状の端子棒の先端開口に断熱材が充填されることで、保護管の先端部の破損時、溶融金属がパイプ状端子棒の内部を通って外部に流出することを防止することができる。
また、本発明の浸漬型ヒータによれば、絶縁性円筒状スペーサが前記端子棒を収納した状態で前記後端側の円筒体支持部材と前記蓋体との間に配置されていてもよい。
この構成からなる浸漬型ヒータによれば、円筒状スペーサの一端部が後端側の円筒体支持部材に、また、その他端部が蓋体にそれぞれ当接し、これにより保護管内における円筒体および発熱部の位置を正確に一定にすることができる。
さらに、本発明の浸漬型ヒータによれば、前記絶縁性円筒体の周壁に複数の貫通孔が形成されていてもよい。
この構成からなる浸漬型ヒータによれば、帯状発熱体の輻射熱が前記貫通孔を介して直に与えられることで、熱電対による温度測定の応答性が向上するとともに、貫通孔が形成されることで発熱体を保持する円筒体の熱容量が小さくなって消費電力の低減を図れる。
１…浸漬型ヒータ
２…保護管
３…テーパ部材
４…蓋体
６…円筒体
７…螺旋溝
８…発熱体
９…発熱部
１０…貫通開口
１１…円筒体支持部材
１２…第１端子棒
１３…接続板
１４…スペーサ
１５…第２端子棒
１６…充填材
１８…止め金具
１９…コイルばね（圧縮ばね）
２０…熱電対
２…保護管
３…テーパ部材
４…蓋体
６…円筒体
７…螺旋溝
８…発熱体
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１０…貫通開口
１１…円筒体支持部材
１２…第１端子棒
１３…接続板
１４…スペーサ
１５…第２端子棒
１６…充填材
１８…止め金具
１９…コイルばね（圧縮ばね）
２０…熱電対
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である浸漬型ヒータ１の長手方向（軸方向）断面図である。なお、浸漬型ヒータ１を説明するにおいて、便宜上、炉装着時に炉内に挿入される側の端部を「先端」、その反対側端部を「後端」という。
図１は、本発明の一実施形態である浸漬型ヒータ１の長手方向（軸方向）断面図である。なお、浸漬型ヒータ１を説明するにおいて、便宜上、炉装着時に炉内に挿入される側の端部を「先端」、その反対側端部を「後端」という。
浸漬型ヒータ１は、セラミック製の保護管２を備えている。保護管２は窒化珪素質系等のファインセラミックからなり、先端が閉塞し他端が開口した有底円筒体として形成されている。保護管２の後端部外周部には、テーパ部材３が保護管２の一部をなすように固定されている。テーパ部材３は、保護管２と同様にセラミック製のものであり、外周面が先端側に向かって先細り状のテーパ形状をなしている。このテーパ部材３の外周テーパ形状は、浸漬型ヒータ１が装着される炉側壁（図示せず）のヒータ取付口の内周面のテーパ形状に対応している。これにより、外部から炉側壁に浸漬型ヒータを取り付ける際に、ヒータ取付口のテーパ形状内周面に前記保護管２のテーパ部材３のテーパ形状外周面が係合することで、浸漬型ヒータ１の正確な位置決めと堅固な取り付けが可能になる。なお、テーパ部材３は、保護管２と予め一体成形されていてもよい。
保護管２の後端開口部は、ガラス繊維強化複合材等の絶縁性断熱材料からなる蓋体４によって塞がれている。蓋体４は、図２の正面図および側面図に示すように、保護管２の開口部に挿入される小径の円盤状挿入部４ａと、保護管２の開口縁部に当接する大径のフランジ部４ｂとを有している。蓋体４には、後述する端子棒１２，１５を貫通させるための貫通孔５ａ，５ｂが形成されている。一方の貫通孔５ａは、略円盤状をなす蓋体４の中心に形成され、他方の貫通孔５ｂは蓋体４の外周寄りに形成されている。
保護管２内には、アルミナ含有量が９０％以上のセラミック等の絶縁性耐熱材料からなる円筒体６が挿入配置されている。円筒体６の外周面には、図３Ａに示すように、先端から後端まで連続する螺旋溝７が形成されている。螺旋溝７は、図３Ｂに示すように、底部に向かって両側壁間の寸法が狭くなるようなテーパ状に形成されている。なお、実施例では、溝の深さＨ：４ｍｍ、表面側の溝幅Ｗ１：２．３ｍｍ、底部側の溝幅Ｗ２：１．７ｍｍ、溝のピッチＰ：４．８ｍｍであるが、これらに限定されない。
螺旋溝７には、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金等の金属からなる帯状（実施例では、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍであるが、これに限定されない。）の発熱体８の一方のエッジ部が保持され、発熱体８の他方のエッジ部は、円筒体６の外周面から、例えば、６〜７ｍｍ程度突出している。これにより、円筒体６の外周部には、先端から後端まで連続する螺旋状の発熱部９が構成される。
なお、帯状の発熱体８は、図３Ｃに示すように、予め平面部が互いに対向するように螺旋状に形成され、この螺旋状の発熱体８の先端を円筒体６の螺旋溝７内に位置させ、相対的に回転させることで螺旋溝７に装着する。
なお、帯状の発熱体８は、図３Ｃに示すように、予め平面部が互いに対向するように螺旋状に形成され、この螺旋状の発熱体８の先端を円筒体６の螺旋溝７内に位置させ、相対的に回転させることで螺旋溝７に装着する。
また、円筒体６の外周壁は、図３Ａに示すように複数の貫通開口１０が形成されている。本実施形態では、貫通開口１０を略楕円形の長孔形状とし、Ａ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面に示されるように軸方向に垂直な平面内において３つの貫通開口１０が円周方向に等ピッチで形成されている。なお、Ａ−Ａ断面とＢ−Ｂ断面とで、貫通開口１０の形成位置を６０度ずらしてあるのは、円筒体６の強度低下を抑制するためである。このような円周方向で３つ一組をなす貫通開口１０が円筒体６の軸方向において複数組形成されている。このように円筒体６に多数の貫通開口１０を形成することによって、発熱体８の輻射熱が貫通開口１０を介して、後述するように円筒体６内部に配置される熱電対２０に直に与えられることで、熱電対２０による温度測定の応答性が向上するとともに、貫通開口１０が形成されることで発熱体８を保持する円筒体６の熱容量が小さくなって消費電力の低減を図れる。なお、貫通開口１０の形状、大きさ、数、形成位置等は、上述のものに限定されず、適宜に変更可能である。
円筒体６の先端および後端には、アルミナ含有量が７０〜８０％のセラミック等の絶縁材料からなる円筒体支持部材１１がそれぞれ取り付けられている。円筒体支持部材１１は、図４の正面図および断面図に示すように、円筒体６の各端部開口から円筒体６の中空部に嵌合する円筒状嵌合部１１ａと、円筒体６の各端面に当接するフランジ部１１ｂとから構成されている。円筒体支持部材１１の中央には、後述する端子棒１２が挿通される貫通孔（挿通口）１２ａが形成されるとともに、フランジ部１１ｂの外周部には略矩形状の切欠部（挿通口）１２ｂが形成されている。円筒体６の先端に取り付けられる円筒体支持部材１１の切欠部１２ｂには、図６に示すように、後述する端子棒１２の接続板１３が挿通され、円筒体６の後端に取り付けられる円筒体支持部材１１の切欠部１２ｂには、図１に示すように、後述する端子棒１５が挿通される。
円筒体６の前後に取り付けられる各円筒体支持部材１１のフランジ部１１ｂは、保護管２の内径よりも小径で、かつ、螺旋状の発熱部９の外周径よりも大径である直径を有している。これにより、保護管２の内周面と発熱部９の外周縁との間に隙間が確実に形成され、発熱部９（すなわち、これを構成する帯状発熱体８）が保護管２の内周面に押し付けられるのを確実に防止することができる。
図１を再度参照すると、浸漬型ヒータ１の内部には、その軸芯に沿って、例えば、ステンレス製パイプからなる第１端子棒１２が挿入配置されている。第１端子棒１２は、その先端が先端側の円筒体支持部材１１の貫通孔１２ａに挿入され、そこから円筒体６の内部を後方に延伸して、後端側の円筒体支持部材１１の貫通孔１２ａおよび蓋体４の貫通孔５ａを貫通している。第１端子棒１２は、蓋体４から後方に突出する後端部に、給電用端子板１２ｃを有している。また、図５Ａ及び図６に示すように、第１端子棒１２の先端には側面が略Ｌ字状をなす接続板１３が連結固定されており、接続板１３の端部が発熱体８の先端に電気的に接続されている。なお、図７に示すように、第１端子棒１２の先端開口に断熱材２１を充填しておくことで、万一保護管２の先端部が破損しても、溶融金属が第１端子棒１２の内部を通って外部に流出することを防止することができる。
また、第１端子棒１２は、後端側の円筒体支持部材１１と蓋体４との間で、絶縁性円筒状スペーサ１４に収納された状態になっている。スペーサ１４は、蓋体４と円筒体支持部材１１との間隔を規制する役割を果たすもので、これにより保護管２内における円筒体６および発熱部９の位置を正確に一定にすることができる。
蓋体４の外部において、第１端子棒１２には、例えば、金属ワッシャからなる止め金具１８が固定されており、この止め金具１８と蓋体４との間であって第１端子棒１２の外周にコイルばね（圧縮ばね）１９が圧縮状態で装着されている。これにより、第１端子棒１２に対して常に引っ張り力が付与されることになり、この引っ張り力が前後一対の円筒体支持部材１１，１１を介して円筒体６に作用することになるから、スペーサ１４の位置決め作用と相俟って円筒体６の固定が堅持できるとともに、第１端子棒１２の熱膨張による変形を抑制できる。
また、パイプ状の第１端子棒１２の内部には、熱電対２０が挿入配置されている。熱電対２０は、第１端子棒１２の後端部から挿入され、その先端が発熱部９を保持する円筒体６内に位置している。これにより、発熱部９を有する円筒体６内での正確な温度測定が可能になる。なお、熱電対２０を設けない場合には、第１端子棒１２は中実棒であってもよい。
浸漬型ヒータ１の内部には、さらに、例えば、ステンレス製棒からなる第２端子棒１５が挿入配置されている。第２端子棒１５は、蓋体４の貫通孔５ｂを貫通して後端側の円筒体支持部材１１の切欠部１２ｂ内まで挿通されており、図５Ｂに示すようにその先端に取り付けた接続板１５ａが帯状発熱体８の後端部に電気的に接続されている。また、第２端子棒１５は、後端部に給電用端子板１５ｂを有している。
保護管２内部であって後端側の円筒体支持部材１１と蓋体４との間の空間に、例えば、セラミックファイバーからなる断熱材１６が充填されている。これにより、螺旋状発熱部９から端子部への熱移動が抑制されて端子棒１５の熱膨張による変形を防止できるとともに、横浸漬方式の場合においては、保護管２の破損時、溶湯の流出を防止することができる。
上記構成からなる浸漬型ヒータ１は、例えば、アルミ保持炉の炉側壁に取り付けられ、アルミニウムの溶湯（溶融金属）内に浸漬された状態で、第１および第２端子棒１２，１５を介して給電されて発熱部９が発熱することで、溶湯を所望温度に維持することができる。
上述したように、本実施形態の浸漬型ヒータ１によれば、発熱体８に帯状のものを採用することで、発熱体８の表面積を大きくすることができるため、線状発熱体に比べて同一出力でも発熱体８の温度を低く抑えることができ、焼き減りの抑制等で耐久性が向上する。
また、帯状発熱体８を螺旋状の発熱部９として保持する円筒体６の両端に取り付けられた円筒体支持部材１１が保護管２の内径より小径で、かつ、螺旋状発熱部９の外周径よりも大径である径を有することから、帯状発熱体８の外周縁と保護管２の内壁面との間に隙間が確実に形成されるため、螺旋状発熱部９の外周縁が保護管２の内壁に押圧されることを回避することができ、その結果、帯状発熱体８の外周縁の押圧による変形が生じることなく、隣接する帯状発熱体８同士の接触による断線を確実に回避することができる。
また、帯状発熱体８を螺旋状の発熱部９として保持する円筒体６の両端に取り付けられた円筒体支持部材１１が保護管２の内径より小径で、かつ、螺旋状発熱部９の外周径よりも大径である径を有することから、帯状発熱体８の外周縁と保護管２の内壁面との間に隙間が確実に形成されるため、螺旋状発熱部９の外周縁が保護管２の内壁に押圧されることを回避することができ、その結果、帯状発熱体８の外周縁の押圧による変形が生じることなく、隣接する帯状発熱体８同士の接触による断線を確実に回避することができる。
Claims (8)
- セラミック製有底保護管と、前記セラミック製有底保護管内に挿入された絶縁性円筒体と、前記絶縁性円筒体の外周面に形成した螺旋溝内に保持された金属発熱体と、前記セラミック製有底保護管の開口部を塞ぐ絶縁性蓋体と、前記金属発熱体の先端部と後端部とに一方端部がそれぞれ接続されるとともに他方端部が前記絶縁性蓋体を貫通して前記セラミック製有底保護管外に位置している第１、第２端子棒とからなる浸漬型ヒータにおいて、
前記金属発熱体が帯状をなしており、この帯状金属発熱体の一方のエッジ部が前記螺旋溝内に挿入保持されて螺旋状の発熱部を形成し、
前記セラミック製有底保護管の内径より小径で、かつ、螺旋状の発熱部の外周径よりも大径である径を有するとともに前記絶縁性円筒体の中空部に嵌合する円筒体支持部材が前記絶縁性円筒体の先端および後端の各開口にそれぞれ配置され、
前記先端側の円筒体支持部材に前記金属発熱体の先端部に接続される前記第１端子棒が貫通する貫通孔とこの第１端子棒の先端に連結固定された接続板が挿通する切欠部を、また、前記後端側の円筒体支持部材に前記第１端子棒が貫通する貫通孔と前記第２端子棒の先端に連結固定された接続板が挿通する切欠部を形成した
ことを特徴とする浸漬型ヒータ。 - 前記保護管内部であって、前記後端側の円筒体支持部材と前記蓋体との間の空間に断熱材が充填されることを特徴とする請求項１に記載の浸漬型ヒータ。
- 前記セラミック製有底保護管の開口端部側の外周部が、先端に向かって細くなるテーパ形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の浸漬型ヒータ。
- 前記金属発熱体の先端部に接続されるように前記先端側の円筒体支持部材に固定された前記端子棒が前記円筒体、前記後端側の円筒体支持部材および前記蓋体を貫通して延伸し、前記蓋体の外部において前記端子棒に設けられた止め金具と前記蓋体との間に圧縮ばねが配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の浸漬型ヒータ。
- 前記金属発熱体の先端部に接続される前記端子棒がパイプ状をなし、かつ、熱電対が前記パイプ状の端子棒内に挿入配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の浸漬型ヒータ。
- 前記パイプ状の端子棒の先端開口に断熱材が充填されることを特徴とする請求項５に記載の浸漬型ヒータ。
- 絶縁性円筒状スペーサが前記端子棒を収納した状態で前記後端側の円筒体支持部材と前記蓋体との間に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の浸漬型ヒータ。
- 前記絶縁性円筒体の周壁に複数の貫通開口が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の浸漬型ヒータ。
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