JP5379024B2 - 電気炉用インサート - Google Patents

Description

第１形態において、本発明は、電気炉用のインサートに関し、一方では、外部と内部を有する絶縁シェルであって、少なくとも最後に記した１つは、中心軸の回りの回転対称形状を有する絶縁シェルを備え、他方では、シェル内に配置されたヒーター素子であって、シェルの回転対称形状に対応する全体形状を有する連続ループ（輪）状に複数回巻きの状態で延伸するヒーター素子を備えるタイプのインサートに関する。

追加的形態において、本発明はまた、そのようなヒーター素子に関する。

電気的方法で加熱される炉は、耐火性および熱絶縁性シェルの形状のインサートおよび、その内部に搭載され、電流が供給されると熱エネルギーを放射する能力を有する抵抗要素を形成するのに適している電導性材料から製造される１つ以上のヒーター素子から構築されることが多い。実際は、シェルはほとんどの場合、１つ以上の層におけるセラミックファイバーのようなセラミック材から構成されており、一方、ヒーター素子は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌのような特殊合金、または、Ｍｏ−Ｓｉ₂のような金属間材料、または金属間合成材料から製造されるワイヤから構成されてもよい。多くの種類の炉においては、温度分布が、処理のために材料が装填された炉空間において均一に保たれるということは非常に重要なことである。このため、例えば拡散炉が使用される特定の用途においては、炉空間内の異なる個所の温度差は、０．１℃を超えてはならないという条件が付けられる。これらの条件を満たすためには、ヘリカル加熱ワイヤ、いわゆるヘリックス（ｈｅｌｉｃｅｓ）が特に好適であり、その理由は、ヘリックスにはそれほどの不規則性なく、均一なピッチを与えることができるからである。内部の巻き数に依存して相当な全長を有する可能性のある加熱ワイヤの特徴は、発生する温度変動に依存して交互に膨張と収縮を行うことである。経験則からいえば、ワイヤは、温度が室温から、普通は１，０００℃を超える動作温度に上昇すると少なくとも１％は膨張する。言い換えれば、ワイヤは、直線距離で１メートルにつき少なくとも１０ｍｍ延伸し、このことは例えば、５０ｍの長さのワイヤは、５００ｍｍも膨張（および収縮）することを意味する。ワイヤが自由に移動可能であると、そのような長さの変動は、軸方向および半径方向の膨張により吸収することができる。しかし、絶縁シェル内に搭載されたワイヤの可動性は、種々に制限される。ワイヤがその直径を、軸方向の延伸部分に沿って大きくなることができなければ、通常は均一に分布されている膨張は、局部的により大きな変形として吸収されなければならない。このことは、ワイヤが塑性変形するか、絶縁物質内に押し出される結果になる。例えば、拡散炉のような、ある炉構築物においては、ワイヤループはシェル内の円筒形内部に、ある半径方向の距離を置いて搭載されている。ワイヤループを加熱ゾーンに分割するために、例えば、平坦な鉄のような溶接時電流出口が、ワイヤループから半径方向に突出し、絶縁体内を半径方向に延伸する。この場合、ワイヤループが半径方向に膨張するためには、シェル内部に向かう膨張空間が十分に大きいことが必要となり、一方、軸方向に膨張すると、出口に隣接する部分に応力が存在するという結果になる。

本発明の目的は、以前から知られている炉のインサートの上記の欠点をなくすことであり、改良されたインサートを提供することである。従って、本発明の第１の目的は、炉のインサートであって、その加熱ワイヤが、ワイヤ全体における不可避の長さの膨張の累積が抑えられ、より正確にいえば、加熱ワイヤと絶縁シェルとの接触を避け、出口に発生する応力を回避するように絶縁シェル内に搭載される、炉のインサートを提供することである。

本発明によれば、上記の目的は、独立請求項１の特徴付けの記述により定義される特徴により達成される。本発明によるインサートの好適な実施の形態は、従属請求項２−９において更に定義される。

追加的形態において、本発明はまた、そのようなヒーター要素にも関連する。前記ヒーター要素の特徴は、独立請求項１０において見られる。本発明によるヒーター要素の好適な実施の形態は、従属請求項１１−１５において更に定義される。

〔従来技術の更なる説明〕
米国特許第６００８４７７号により、絶縁シェルとコイルヒーター要素を備える電気炉用のインサートが既知である。要素ワイヤの膨張の累積を防止するために、要素ワイヤには、複数の固定部材が設けられており、固定部材は、要素ワイヤから突出して、絶縁体に直接固定されるか、支持部材と接触しており、この支持部材は、要素ワイヤが支持部材に対して依然として動くことができるように絶縁体に固定される。しかし、この場合、ループには、複数の湾曲部は設けられていない。

米国特許第４５５３２４６号により、円筒形基本形状を有し、そこに多数の全体的に雷文形状（ジグザグ形状、曲がりくねった形状）のヒーター要素が多数搭載されているインサートを備える電気炉が既知である。しかし、この場合、雷文形状は、インサートの円筒形基本形状に関して軸方向には方位しておらず、接線方向に方位しており、個々の雷文部分は真っ直ぐであり、湾曲していない。

図１は、円筒形絶縁シェルとその内部のヒーター要素を有する炉のインサートを示す部分断面透視図である。 図２は、インサートの上方から見た平面図である。 図３は、ヒーター要素のみの側面図である。 図４は、ヒーター要素用ホルダーの側面図である。 図５は、想像上の、延伸した状態におけるヒーター要素を示す概略平面図である。 図６は、ヒーター要素の代替実施の形態の平面図である。 図７は、図６によるヒーター要素の側断面図である。 図８は、ヒーター要素の追加的代替実施の形態の透視図である。 図９は、図８によるヒーター要素の側面図である。

図１−４に示されている炉のインサートは、絶縁シェル１と、その内部に配置されたヒーター要素２を含み、両者は、中心軸Ｃの回りの回転対称基本形状を有している。図１−２において、絶縁シェル１は、純粋に円筒形に描かれており、その内部３ばかりでなく、その外部４もまた円筒形であり、シェルはその軸方向の反対側端部において開口している。しかし、これに関連して、シェルの外部４の幾何学的形状は、本発明との関連において重要でないことを指摘しておく。更に、絶縁シェルは、円錐形のような、他の回転対称基本形状を有することもできるということを指摘しておく。

例において、ヒーター要素２は、全体として円筒形状を有するループ状に複数回巻きして延伸するワイヤの形状を有している。当業者には、このタイプのヒーター要素、つまり、コイル形状で複数回巻きして延伸するループからなるヒーター要素は、しばしばヘリックスと称される。この図示した場合においては、加熱ワイヤ２は、絶縁シェル１の内部３内において、所定の距離を置いて設置されている。言い換えれば、加熱ワイヤと絶縁シェルは、リング形状の間隙５により間隔を置いて離れている。加熱ワイヤには、出口６が接続され、それは例えば、平坦な鉄であり、ワイヤから半径方向に突出しており、絶縁シェル１と交差する。

絶縁シェル１の材料は、熱絶縁性を有するばかりでなく、耐火性も有している。実際には、材料は、例えば、セラミックファイバーのようなセラミック材から構成されていてもよい。加熱ワイヤ２の材料は、抵抗素子を形成するのに適している任意の電導性材料から構成されていてもよく、通常はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌのようなある特殊合金の形状か、またはＭｏ−Ｓｉ₂のような金属間材料の形状である。ワイヤは（その必要はないが）、多くのワイヤに対して、３−１０ｍｍの範囲（インサートの寸法による）内で変動する直径を有する丸い断面形状を有してもよい。示されている例においては、インサートは軸方向においての延伸は比較的制限されており、所望の数の同じタイプのモジュールと一緒に構築できるモジュールを形成する。直径は、例えば、１００−４００ｍｍの範囲内で変動してもよく、一方、長さは１００−１,２００ｍｍの範囲内であってよい。もちろん、加熱ワイヤ２の全長は、インサートの寸法に依存して変動する。しかし、多くの場合、ワイヤは１０ｍから１００ｍ、またはそれ以上の間の長さを有する。

今まで示され、記載されてきたインサートについては、すべての基本的なものは、以前から知られているものと同じである。

図１−４に示されている本発明によるインサートの実施の形態の新規性と特徴は、加熱ワイヤ２に、間隔を置いて離れている複数の湾曲部が形成されているということで、この場合、この湾曲部はＵ字形状をしており、対のように隣接している部分においてループ（輪）の向きが変えられ、この部分は、個々のＵ字形状湾曲部から反対方向に延伸している。このループは好ましくは、例えば、図１において見ることができる中心軸Ｃに関して、同じ、またはほぼ同じ直径を有している。図３において、３個所のそのようなＵ字形状湾曲部には、７ａ、７ｂ、７ｃの符号が付けられている。Ｕ字形状湾曲部７ｂから、ワイヤ部分２ｂがＵ字形状湾曲部７ａへ向けて延伸し、同様に、ワイヤ部分２ｅがＵ字形状湾曲部７ｃに向けて延伸している。このようにして、ワイヤループは雷文形状、より正確には、曲線状で、回転対称な全体形状を有する雷文形状が与えられる。これは、ループがヒーター要素の軸方向の延伸部分において、雷文形状を有していることを示しており、従って、絶縁シェルの延伸部分においても同様の形状を有していることを意味している。好適な実施の形態によれば、ワイヤループは、曲線状で、円筒形の全体形状を有する雷文形状を有している。この回転対称な構成においては、隣接するワイヤ部分２ｄ、２ｅは、基本的に相互に平行な平面に位置しており、その平面は、回転対称形状の中心軸（例えば、円筒の中心軸）に対して直交しており、お互いに軸方向に間隔を置いて離れている。より正確には、２つの隣接ワイヤ部分は、Ｕ字形状湾曲部７の円弧半径により定められる空間により間隔を置いて離れている。

加熱ワイヤの幾何学的形状を更に明確にするために、ワイヤが延伸した状態で示され、その最終円筒形状がまだ与えられていない図５を参照する。この図から、個々のワイヤ部分２ｄ、２ｅはすべて同じ長さであることが分かり、そのため、すべてのＵ字形状湾曲部７ａ、７ｂ、７ｃなどは、共通中心平面Ｐから等しく大きな距離に位置しており、ワイヤは、軸方向の対向端部間において雷文形状で延伸している。実際、ワイヤは、最初、図５による平面状の雷文形状が与えられ、そして、熱加工により、図１と図３のような円筒形の全体形状に製造される。従って、最後に記載した状態においては、ワイヤは、絶縁シェル１と同じ回転対称の全体形状を有している、つまり、円筒形である。

図３から、間隙または空間８は、対向して面しているＵ字形状湾曲部７の間に存在していることが分かる。これは、個々のワイヤ部分、例えば、部分２ｄが、１巻き分よりも多少短い円弧の長さを有しているという事実により与えられる。加熱ワイヤは、ホルダー（保持部）９により絶縁シェル１内の定位置に保たれており、このホルダー９は電気的絶縁性材料から製造されており、この示されている好適な例においては、レールのような断面形状を有するバーから構成されている。このバーは間隙８内に挿入され、より正確には、ワイヤループの異なるＵ字形状湾曲部が、バーの対向する側にそれぞれ押さえ付けられるように挿入される。図４から分かるように、バーには、Ｕ字形状湾曲部の数に対応する数の、Ｕ字形湾曲部が係合する座部または皿穴１０が形成されると有利である。そして、前記座部はＵ字形状湾曲部の変位に対抗して作用し、それにより、バーに沿うワイヤループの位置を決定する。

炉のインサートは、図１においては垂直または直立状態で示されているが、水平または横たわった状態であってもよい。この場合、保持または支持バー９は、円筒の下部、適切には、中心軸Ｃの垂直方向下部に位置すべきである。この最後の場合、バーは単に、絶縁シェルに固定せずに絶縁シェルに挿入できる。

ここで図６と図７を参照する。図６と図７は、加熱ワイヤループの代替実施の形態を概略的に例示している。この場合、すべての第２ワイヤ部分は、隣接するワイヤ部分よりも長い。例えば、ワイヤ部分２ｄは、隣接する部分２ｅよりも短く、その結果、隣接するＵ字形状湾曲部７ｂ、７ａは、ワイヤ部分に直交する基準面Ｐから異なる大きな距離に位置することになる。従って、平面状の雷文形状のワイヤに円筒形状が与えられると、間隙は、円筒の中心軸Ｃに関して螺旋状（前述した場合の軸方向ではなく）に延伸するスロット８ａを形成する。

開示された加熱ワイヤにおいては、不可避の膨張は局部的に個々の、ワイヤ部分の対が接続されたＵ字形状湾曲部に吸収され、前記対における力は、Ｕ字形状湾曲部内でお互いに反発し、そのため、ワイヤのピッチを均一に保つ働きをする。言い換えれば、膨張は、限られた長さのワイヤ部分の個々の対に隔離され、他のワイヤ部分に伝播したり、累積されたりすることはできない。

図８と９において、本発明による加熱ワイヤの追加的代替実施の形態が示されている。この場合、連続ワイヤ２は螺旋状であり、複数のＺ字形状湾曲部１１が形成され、この湾曲部１１によりワイヤが、対応する数の個々の部分２ａ、２ｂなどに分割される。この場合、ワイヤ内で起こる熱膨張は、個々の部分に隔離される。言い換えれば、個々のワイヤ部分の熱膨張は、他の部分に伝播したり、累積されたりすることなく、個々のＺ字形状湾曲部１１に吸収される。これらの図においても、ループの個々の部分２ａ、２ｂなどは、それらが同じ、またはほぼ同じ直径をヒーター要素の中心軸の回りに有するように延伸部を有する。

図８と９による実施の形態において、加熱ワイヤは、絶縁シェル内の定位置に、ステープル（Ｕ字形の針）１２形状の複数のホルダー部材により保持されており、ホルダー部材は、絶縁シェル内に固定されており、その内部から突出している。前記ステープル１２は、ワイヤ湾曲部１１に設置されており、最後に記載したワイヤ湾曲部１１はステープル１２内を自由に延伸し、固定されていない。

図１、２および８から明確に分かるように、上記に記載した実施の形態は、加熱ワイヤ部分はヒーター要素の中心軸の回りの回転対称基本形状の延伸部を有し、ヒーター要素の中心軸は、絶縁シェルの中心軸に一致するという共通の特徴を有している。

〔本発明の実現可能な変形例〕
本発明は、上記に記載され、図に示された実施の形態に制限されない。例えば、加熱ワイヤは、真円ではない断面形状を有してもよく、炉空間の中央に向かって、内部に面している最も広い表面を含むことができる。例えば、ワイヤは断面が長方形であってもよい。そのようすれば、炉の内部に向かうワイヤの放熱は最適化される。ヒーター要素はまた、例において示されているように、軸方向に変位して位置するのではなく、お互いを向いているＵ字形湾曲部がお互いの真正面に位置するようにすることもできる。更に、絶縁シェルが、円筒形状ではなく、特に円錐形のような別の回転対称形状を有することも実現可能である。この場合、ヒーター要素もまた、その軸方向において円錐形状になる。また、絶縁シェルが、溝が設けられた内部を有して、その溝の中をヒーター要素の要素ワイヤが延伸することも実現可能である。前記溝の主要な目的は、ヒーター要素が、絶縁シェルに対して、軸方向に動き過ぎるのを防止することである。

Claims (4)

1. 電気炉用インサートであって、一方では、
   外部（４）と内部（３）を有する絶縁シェル（１）であって、少なくとも前記内部（３）は、中心軸（Ｃ）の回りの回転対称形状を有する絶縁シェル（１）と、他方では、
   ヒーター要素（２）であって、前記シェルの内部に配置され、前記絶縁シェルの回転対称形状に対応する全体形状を有する連続ループ状に複数回巻の状態で延伸するヒーター要素（２）と、を備え、
   前記ヒーター要素（２）と前記絶縁シェル（１）とが離れ、
   前記ループは、間隔を置いて離れている複数の湾曲部（７、１１）を備え、前記湾曲部は前記ループを複数の個々の部分（２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｅ、など）に分割し、発生した熱膨張が前記部分に局部的に隔離され、前記部分は、前記中心軸の回りで回転対称の全体形状の延伸部を有し、
   前記湾曲部（７）は、Ｕ字形状であり、対のように隣接する部分において前記ループの
   向きを変え、前記部分は、個々のＵ字形状湾曲部から反対方向に延伸して、前記インサートの軸方向の延伸部において見ると雷文形状を前記ループに与えるインサートにおいて、
   互いに向き合うＵ字形状湾曲部は、間隙（８）により間隔を置いて離れており、前記間隙（８）には、Ｕ字形状湾曲部が押し付けられていて且つ電気的絶縁物質から製造されるホルダー要素（９）が配置され、
   前記ホルダー要素（９）は、前記ホルダー要素（９）に沿って間隔を置いて離れている複数対のＵ字形状湾曲部（７）のための支持体として機能するために、細長くなっていることを特徴とする電気炉用インサート。
2. 前記ホルダー要素（９）には皿穴形状座部（１０）が設けられており、前記皿穴形状座部（１０）は、前記ホルダー要素（９）に沿って前記Ｕ字形状湾曲部（７）を位置させることを目的とすることを特徴とする請求項１に記載のインサート。
3. 共通Ｕ字形状湾曲部（７）から２つの他のＵ字形状湾曲部に延伸する、２つのヒーター要素部分（２ｄ、２ｅ）は長さが等しく、お互いに向き合うＵ字形状湾曲部の対の間の個々の間隙（８）は共に、細長いスロット、より正確には、前記中心軸（Ｃ）に平行に延伸する直線状スロットを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のインサート。
4. 共通Ｕ字形状湾曲部（７）から２つの他のＵ字形状湾曲部に延伸する、２つの部分（２ｄ、２ｅ）は長さが異なり、お互いに向き合うＵ字形状湾曲部の対の間の個々の間隙（８）は共に、前記中心軸（Ｃ）に対して螺旋状に延伸するスロット（８ａ）を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のインサート。

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