JP5441653B2 - 電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉 - Google Patents

Description

本発明は、電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉に関する。さらに詳しくは、スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する支持体とを備えた電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉に関する。

従来、上述の如き電気ヒーターとして、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。この電気ヒーターは、発熱体の上側端を支持体に固定し下側端を固定せず移動可能な状態で発熱体を吊り下げ支持している。これにより、発熱体の発熱・冷却による膨張・収縮の熱変形を下端部に誘導でき、発熱体の脱落を防止する点で優れている。しかし、下側端が固定されていないため、発熱体の支持が不十分となる点が懸念される。

特開２００５−１５０１０１号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、発熱体の両側端を支持しながら熱変形を合理的に吸収し発熱体を安定させることの可能な電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電気ヒーターの特徴は、スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する支持体とを備えた構成において、前記スリットに沿う幅方向に位置する一対の幅方向端部の中間に位置する電流路には貫通孔を設けてあり、前記発熱体は、この貫通孔を貫通する前記支持体により少なくとも厚み方向及び前記幅方向に対する移動を規制されて支持され、前記一対の幅方向端部は端部貫通孔又は前記スリットを貫通する前記支持体により各々前記発熱体の厚み方向に対する移動が規制されると共に前記幅方向に対する移動が許容されていることにある。

上記構成によれば、発熱体は、支持体によって幅方向の中間部及び一対の幅方向端部で支持される。ここで、幅方向の中間部に位置する支持体は、発熱体の厚み方向及び幅方向の移動を規制するので、この支持体を中心に発熱体を安定して支持することができる。しかも、幅方向端部に位置する支持体は、発熱体の幅方向に対する移動を許容するので、熱変形を幅方向へ分散することができる。従って、熱変形が生じても発熱体を安定して支持することができる。なお、前記端部貫通孔は前記幅方向に沿う長孔に形成するとよい。

また、前記支持体は、碍子を介して固定部材に固定されると共にこの固定部材から前記発熱体側に突出するピンを有するとよい。係る場合、前記ピンは、ボルトとナットより構成することが望ましい。これらにより、発熱体の組み付けを容易に行うことができる。

前記発熱体は、前記幅方向が鉛直方向と同一方向となるように支持させてもよい。上記いずれかに記載の電気ヒーターは、これを備えた炉として実施することができる。

上記本発明に係る電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉の特徴によれば、発熱体の両側端を支持しながら熱変形を合理的に吸収し発熱体を安定させることが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明の第一実施形態に係る電気ヒーターの概略正面図である。 電気ヒーターの概略側面図である。 本発明の第一実施形態に係る炉の概略断面図である。 発熱体の部分拡大正面図である。 中央支持体近傍の部分拡大図である。 端部支持体近傍の部分拡大図である。 本発明の第二実施形態における電気ヒーターの概略正面図である。 本発明の第二実施形態に係る炉の概略断面図である。 本発明の第二実施形態における図６相当図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る炉の部分拡大断面図である。

次に、図１〜６を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。
図１，２に示すように、本発明の第一実施形態に係る電気ヒーター１は、大略、板状の発熱体１０と、発熱体１０を支持する支持体２０とを備える。この支持体２０は、発熱体１０をその中間部１０ｍで支持する中央支持体（第一支持体）３０と、発熱体１０の一対の幅方向端部１３，１３近傍をそれぞれ支持する端部支持体（第二支持体）４０，４０とからなる。これら各支持体３０，４０は、固定部材としての金属製のインナー部材５０に固定されている。

この電気ヒーター１は、例えば図３に模式的に示す如く、例えば炉１００の壁部に設置されるものであり、加熱ユニット１１０を構成する。この加熱ユニット１１０は、例えば、発熱体１０及びインナー部材５０が同心円状に配置され、鉛直方向Ｚに複数段積み上げられて炉１００の加熱装置を構成する。本例では、インナー部材５０が炉１００の壁部の一部を構成し、発熱体１０に覆われる炉内部となる加熱空間Ｓには、加熱処理される被処理物が投入される。

図１，４に示すように、発熱体１０は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやニッケルクロム合金等の導電性材料よりなる薄板部材により製作される。この発熱体１０は、複数のスリット１１を鉛直方向Ｚに幅方向Ｗから交互に切り込むことで、蛇行状の電流路１２を有するように構成されている。

この蛇行状の電流路１２は、スリット１１に沿う幅方向Ｗの両端（上下端）に位置する一対の幅方向端部１３，１３の中間に位置する直線状部１２ａと、幅方向端部１３で隣接する直線状部１２ａを連通させる略方形の連通部１２ｂとからなる。この直線状部１２ａの幅方向Ｗの中央１０ｎには、後述の中央支持体３０を貫通させる略円形の貫通孔１４が形成されている。また、連通部１２ｂの一方の角部には、後述の端部支持体４０を貫通させる端部貫通孔１５が形成されている。この端部貫通孔１５は、幅方向Ｗに沿う長孔である。なお、図示省略するが、発熱体１０は、リード部材を介して外部の温度制御装置に接続されている。

ここで、発熱体１０は自身の発熱及び冷却によって膨張及び収縮し、その変形応力は自重によって主に鉛直方向Ｚに作用する。また、発熱体１０は、経年使用による膨張及び収縮の繰り返しにより鉛直方向Ｚに伸びていく。よって、幅方向端部１３に長孔の端部貫通孔１５を設けることで、鉛直方向Ｚに作用する熱変形を内径分だけ許容される。これにより、熱変形が生じても発熱体１０を安定して支持することができる。

図５に示すように、中央支持体３０は、大略、発熱体１０をその中央１０ｎで固定するピン３１と、インナー部材５０を挟んで対向する一対の第一碍子３４，３４とを備える。このピン３１は、金属製のボルト３２及び複数のナット３３により構成され、第一碍子３４，３４を介してインナー部材５０に取り付けられている。

ボルト３２は、このインナー部材５０の外側からインナー部材５０の貫通孔５１を貫通して発熱体１０側へ突出し、発熱体１０の貫通孔１４を貫通する。発熱体１０の幅方向Ｗの中央１０ｎは、ナット３３，３３に挟持されてボルト３２に固定される。これにより、発熱体１０は厚み方向Ｙ及び幅方向Ｗの熱変形による移動が規制され、中央支持体３０により発熱体１０を安定して支持することができる。また、発熱体１０の熱変形は幅方向Ｗに分散される。

図１，５に示すように、第一碍子３４は略円板形を呈し、例えばアルミナ質、アルミナシリカ質、ムライト質、ジルコン質又はコージライトを主体とするセラミックスや炭化けい素、窒化けい素等の絶縁材料により構成される。この第一碍子３４の中央には、先のボルト３２を貫通させる貫通孔３４ａが形成されている。また、第一碍子３４の中央部には突出部３４ｂが形成されている。この突出部３４ｂはインナー部材５０の貫通孔５１とほぼ同径であり、貫通孔５１に嵌合可能に形成されている。この突出部３４ｂにより第一碍子３４のインナー部材５０に対する位置決めがなされ、第一碍子３４の貫通孔３４ａとインナー部材５０の貫通孔５１とが同心上に位置する。

第一碍子３４は、ボルト３２及びナット３３によりインナー部材５０に固定される。ここで、第一碍子３４の貫通孔３４ａは、インナー部材５０の貫通孔５１に比べ小径に形成されている。よって、発熱体１０を固定支持するボルト３２がインナー部材５０と接触することはなく、第一碍子３４及び各貫通孔３４ａ，５１により絶縁が確保される。

端部支持体４０は、図１，２，６に示すように、大略、発熱体１０の幅方向端部１３を貫通するピン４１と、インナー部材５０を挟持する略円板状の第一碍子４４と、発熱体１０の厚み方向Ｙに対する移動を規制する第二碍子４５とを備える。ここで、ピン４１及び第一碍子４４は、中央支持体３０のピン３１及び第一碍子３４と同様の構成である。

第二碍子４５は略円板状を呈し、上述の第一碍子３４と同様の絶縁材料により構成される。第二碍子４５の中央には、先のボルト４２を貫通させる貫通孔４４ａが形成されている。また、第二碍子４５の一側には、円弧状の凸部４５ｂが形成されている。第二碍子４５は、発熱体１０を挟んで凸部４５ｂを対向させてナット４３によりボルト４２に固定されている。第二碍子４５の間には、空隙４６が形成されている。幅方向端部１３は、この空隙４６分だけ厚み方向Ｙへ移動が許容されるので、分散された熱変形が端部支持体４０によって不測に変形することを防止する。また、空隙４６以上の厚み方向Ｙへの移動は規制されるため、熱変形した発熱体１０とインナー部材５０との接触による発熱体１０の断線も防止される。

次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、上記第一実施形態と同様の部材等には同一の符号を附してある。
第二実施形態に係る電気ヒーター１Ａは、図７に示すように、端部支持体６０をスリット１１の端部に貫通させる点で上記第一実施形態と異なる。幅方向端部１３に端部貫通孔１５を形成する必要がなく、発熱体１０の製作が容易となる。

図８に示すように、本実施形態に係る電気ヒーター１Ａを備えた炉１００Ａは、インナー部材５０の炉壁１０１側にセラミックボード等の断熱部材５２が設けられると共に、断熱部材５２の炉壁１０１側の中間部には遮熱体５３が設けられている。断熱部材５２は、フランジ部５９への伝熱を抑制する第二の断熱部材５２ａが設けられている。また、遮熱体５３は例えばステンレス材等の金属材によりなる３枚の薄板５４から構成され、薄板５４の両端部にセラミックペーパーやセラミッククロス等よりなるスペーサー５５を設けている。これにより、薄板５４間に空間５６を形成して加熱空間Ｓの断熱性を向上させている。

なお、断熱部材５２及び遮熱体５３の構成は、図８に示す如き態様に限られるものではない。例えば、図１０（ａ）に示すように、薄板５４の間にセラミックペーパーやセラミッククロス等の断熱材５５ａを設けることで、断熱性を向上させることも可能である。また、同図（ｂ）に示すように、遮熱体５３を設けることなく、インナー部材５０の炉壁１０１側に一体成型されたセラミックボード等の断熱部材５２’を設けても構わない。

図９に示すように、端部支持体６０は、大略、ピン６１と第二碍子６５とからなる。ピン６１は上記第一実施形態のピン３１，４１と同様の構成である。本実施形態において、ピン６１は、ボルト６２及びナット６３によりインナー部材５０に固定されている。本実施形態では、上記第一実施形態と異なりインナー部材５０への固定部分で絶縁を確保せず、第二碍子６５により発熱体１０の固定部分で絶縁を確保する。

第二碍子６５は略円板状を呈し、上記第一実施形態の各碍子と同様の絶縁材料により構成される。第二碍子６５の中央にはボルト６２を貫通させる貫通孔６５ａが形成されると共に、第二碍子６５の一側には凸部６５ｂが形成されている。この凸部６５ｂはスリット１１の幅とほぼ同等に形成され、スリット１１に挿入される。このスリット１１が熱変形を幅方向Ｗへ許容するので、熱変形が生じても発熱体１０を安定して支持することができる。しかも、金属製の発熱体１０とセラミック材料等よりなる第二碍子６５との間の摩擦抵抗は小さいので、幅方向Ｗに対する熱変形は円滑に行われる。

第二碍子６５は、発熱体１０Ａを挟んで凸部６５ｂを対向させてナット６３によりボルト６２に固定されている。これにより、凸部６５ｂが発熱体１０のスリット１１とボルト６２の間に介在し、発熱体１０の絶縁が確保される。また、第二碍子６５をスリット１１を介して対向させることで、幅方向端部１３の厚み方向Ｙへ移動を許容する空隙６６が形成される。これにより、端部支持体６０による不測の変形が防止される。また、空隙６６の間隔以上の厚み方向Ｙへの移動は第二碍子６５により規制されるため、熱変形した発熱体１０とインナー部材５０との接触による発熱体１０の断線も防止される。

最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記各実施形態において、一対の幅方向端部１３，１３間の中間に位置する電流路１２の各直線状部１２ａに中央支持体３０を貫通させる貫通孔１４を形成した。しかし、直線状部１２ａの全てに貫通孔１４を形成する必要はなく、発熱体１０の膨張率等を考慮して適宜箇所に設ければよい。

また、貫通孔１４を各直線状部１２ａのほぼ中央に略円形状に形成した。しかし、貫通孔１４の位置、個数及び形状は、これに限られるものではない。例えば、発熱体１０の中間部１０ｍに複数に設けても構わない。また、幅方向Ｗに沿う又は直交する楕円形状の貫通孔としてもよい。さらに、例えば貫通孔１４を有する直線状部１２ａと貫通孔を有さない直線状部とを交互に設けてもよい。すなわち、貫通孔１４及び中央支持体３０は、熱変形による座屈を生じないように発熱体１０を実質的に固定支持することができるのであれば、各電流路の中間部を固定することを要しない。

上記各実施形態において、発熱体１０の幅方向端部１３を略方形状に形成した。しかし、幅方向端部１３の形状は、これに限られるものではなく、例えば半楕円状又は半円状に形成しても構わない。

上記各実施形態において、インナー部材５０の加熱空間Ｓ側の表面には、光沢研磨処理や白金や金等の貴金属箔の貼着等により反射層を形成するとよい。これにより、発熱体１０からの輻射熱を加熱空間Ｓへ反射させることができ、加熱効率を向上させることができる。

上記各実施形態において、発熱体１０の幅方向Ｗが鉛直方向Ｚに配向されるように発熱体１０を支持した。しかし、発熱体１０の支持はこれに限られるものではなく、幅方向Ｗを水平方向に配向してもよく、幅方向Ｗを鉛直方向Ｚに対し傾斜させるように配向しても構わない。同様に、電気ヒーター１を炉１００の壁部に設置する場合の他、天井や床においても適用可能である。また、発熱体１０の幅方向Ｗを鉛直方向Ｚにほぼ平行となるようにほぼ平坦に形成した。しかし、発熱体１０の形状は、上記実施形態に限られるものではなく、例えば加熱空間Ｓ側に突出するなだらかな円弧状に形成しても構わない。

また、上記各実施形態における第二支持体は、組み合わせて実施することも可能である。

本発明に係る電気ヒーター及びこれを備えた炉は、例えばガラス、セラミック、金属、ウエハー等の加熱処理を要する被処理物を加熱する熱処理用のヒーター及び炉として利用することができる。

１：電気ヒーター、１０：発熱体、１０ｍ：中間部、１０ｎ：中央、１１：スリット、１２：電流路、１２ａ：直線状部、１２ｂ：連通部、１３：幅方向端部、１４：貫通孔、１５：端部貫通孔、２０：支持体、３０：中央支持体（第一支持体）、３１：ピン、３２：ボルト、３３：ナット、３４：第一碍子、３４ａ：貫通孔、３４ｂ：突出部、４０：端部支持体（第二支持体）、４１：ピン、４２：ボルト、４３：ナット、４４：第一碍子、４４ａ：貫通孔、４４ｂ：突出部、４５：第二碍子、４５ａ：貫通孔、４５ｂ：凸部、４６：空隙、５０：インナー部材（固定部材）、５１：貫通孔、５２，５２ａ：断熱部材、５３：遮熱体、５４：薄板、５５：スペーサー、５５ａ：断熱材、５６：空間、５９：フランジ部、６０：端部支持体（第二支持体）、６１：ピン、６２：ボルト、６３：ナット、６５：第二碍子、６５ａ：貫通孔、６５ｂ：凸部、６６：空隙、１００：炉、１０１：炉壁、１０１ａ：アウター部材、１０１ｂ：断熱部材、Ｓ：加熱空間、Ｗ：幅方向、Ｙ：厚み方向、Ｚ：鉛直方向

Claims (6)

1. スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する支持体とを備えた電気ヒーターであって、
   前記スリットに沿う幅方向に位置する一対の幅方向端部の中間に位置する電流路には貫通孔を設けてあり、
   前記発熱体は、この貫通孔を貫通する前記支持体により少なくとも厚み方向及び前記幅方向に対する移動を規制されて支持され、
   前記一対の幅方向端部は端部貫通孔又は前記スリットを貫通する前記支持体により各々前記発熱体の厚み方向に対する移動が規制されると共に前記幅方向に対する移動が許容されている電気ヒーター。
2. 前記端部貫通孔は前記幅方向に沿う長孔である請求項１記載の電気ヒーター。
3. 前記支持体は、碍子を介して固定部材に固定されると共にこの固定部材から前記発熱体側に突出するピンを有する請求項１又は２記載の電気ヒーター。
4. 前記ピンは、ボルトとナットよりなる請求項３記載の電気ヒーター。
5. 前記発熱体は、前記幅方向が鉛直方向と同一方向となるように支持されている請求項１〜４のいずれかに記載の電気ヒーター。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電気ヒーターを用いた炉。

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