JP5475667B2 - 電気抵抗素子用の端子 - Google Patents

Description

本発明は、電気抵抗素子に電流を供給するための端子に関する。

このような素子については、周知であり、且つ、これらは、通常、ケイ化モリブデン及びこの材料の様々な合金から構成される。

このような素子は、ホットゾーンを具備し、このホットゾーンの２つの端部に端子が存在する。ホットゾーンが炉内に配置されるアプリケーションにおいては、炉の空洞を加熱するべく、端子が炉の壁を貫通している。これらの端子は、炉の空洞外部の導電体に接続される。端子は、通常、ホットゾーンと同一の材料から構成されるが、端子内における望ましくない電力消費（ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）を低減するべく、素子のホットゾーンを構成する部分よりも大きな直径を具備する。

通常比率の長さを有するホットゾーン及び端子に選択される断面は、供給される総電力の約１０％に相当する電力が端子内において消費されることをもたらす。

これらの素子には、高表面電力を印加可能であり、且つ、この結果、高電力密度を生成可能である。この高表面電力の存在は、高電流と、従って、端子内における更なる望ましくない電力消費に結び付く。

更には、端子内における電力消費は、絶縁壁の貫通部の長さを制限することになる。貫通コンポーネントの絶縁能力が高いほど、端子内における過熱の発生を防止するべく、長さが短縮される。従来の絶縁材料と共に経済的に使用可能である壁及び天井の厚さは、約３００〜４００ｍｍである。Ｋａｎｔｈａｌ Ｓｕｐｅｒ（登録商標）という名称の素子の場合には、炉壁の貫通部は、表面電力、素子の寸法、及び貫通コンポーネント内部の材料の選択肢に応じて、１５０〜２００ｍｍに制限されることになろう。壁又は天井の絶縁部の厚さが貫通部の長さよりも大きい場合には、絶縁部の厚さに差が生じ、これにより、貫通部において絶縁部の外部に存在するオープンスペースが、絶縁部を通じたエネルギーフローの増大、即ち、貫通部が絶縁部と同一の厚さ及び同一の絶縁能力を具備する場合よりも、大きなエネルギー損失をもたらすことになる。

更なる問題点は、端子が、特定のケースにおいては、そのＭｏＳｉ２合金に応じて、４００℃〜６００℃の温度を具備することになり、これらの温度においては、ペスト（ｐｅｓｔ）が形成されるという点にある。ペストとは、保護されていないＭｏＳｉ２の表面上に形成される低温酸化物である。ＭｏＳｉ２素子の通常の表面レイヤは、ＳｉＯ２であり、これは、酸化に対する保護機能を有する。この表面レイヤは、通常、無傷に維持することは不可能であり、従って、ペストが形成される。これは、多くの場合に、素子の寿命を制限する要因である。

端子の周りのシーリングは、セラミックガスケットを使用する雰囲気制御機能を有する装置において実現されるが、これらは、「ガス密」と見なすことはできない。端子の相対的に高い温度と、ＭｏＳｉ２のもろさ及び熱衝撃に対する脆弱性に起因し、伝統的な機械的解決法を使用して貫通部のシーリングを実現するのには、制限が伴う。

端子及びホットゾーンの断面の面積比は、通常、１：４である。従って、端子の材料コストは、相当なものであり、且つ、多くの場合に、これにより、絶縁部の厚さ及び絶縁部外部の突出の長さの選択肢が決定される。後者は、電気接続の高接点温度及び遷移抵抗値の増大に伴うリスクの増大に結び付く。絶縁部の厚さの最小値への低減と遷移抵抗の増大の両方が電力損失を増大させる。

素子は、素子が貫通部内に滑落することを防止するか、或いは、水平設置の場合には、熱膨張及び収縮の結果として滑動することを防止する素子ホルダを使用することにより、貫通部内の定位置に保持される。現在、ダブル及びシングルホルダが使用されている。ダブルホルダは、端子と接触するセラミック領域を具備し、シングルホルダは、接触用のセラミック又は金属領域を具備可能である。すべてのシステムにおいて、ホルダは、圧力を印加するねじ接続により、端子との接触状態になる。低過ぎる圧力の使用や熱効果の結果としての圧力の低減など、ねじ接続が、誤った方式によって接触状態となることが珍しくない。これは、１つ又は複数の端子のホルダ内への滑動及び素子の変形に結び付き、これらは、素子の障害に結び付く可能性がある。又、接点が炉の絶縁部の近傍に変位する可能性もあり、これにより、温度が上昇し、且つ、これは、接点の過熱と、従って、素子の障害に結び付く可能性がある。

従って、過熱した端子によって生じるいくつかの問題が存在する。

炉内において発生する特定のプロセスにより、ガスの形態の反応産物が生成されるが、これらは、低温において凝縮可能である。端子に沿った凝縮物の形成に伴って１つの問題点が発生し、且つ、これは、凝縮物のタイプに応じて、後続の問題点に結び付く可能性がある。このような問題点の１つは、端子が固定状態となり、この結果、熱膨張又は収縮を経験することが妨げられるという点にあり、且つ、これは、変形又は素子の障害に結び付く。更なる問題点は、凝縮物がＭｏＳｉ２と反応可能であるという点にあり、且つ、これは、縮小又は腐食と、これに続く素子の障害に結び付くことになる。第３の問題点は、凝縮物が導電性を有しており、従って、渦電流及び端子間の短絡を引き起こす可能性があるという点にある。

本発明は、前述の問題点に対する解決策を提示する。

従って、本発明は、ケイ化モリブデン又はこの材料の合金からなる電気抵抗素子用の端子に関し、これらの端子は、炉の壁又は炉の天井又は等価な絶縁壁を貫通するべく配置され、素子のホットゾーンのそれぞれの端部に位置する端子は、素子のホットゾーンの直径よりも大きな直径を具備し、且つ、端子コネクタがそれぞれの端子に接続され、且つ、端子コネクタは、アルミニウムから製造され、且つ、端子コネクタは、合計端子長の長さを完全に又は部分的に構成する長さを具備することを特徴とし、この場合に、合計端子長とは、素子の個々の端子及び端子コネクタの長さのことである。

以下、部分的に、添付の図面に示されている本発明の実施例との関連において、本発明について更に詳細に説明する。

第１の設計における本発明による抵抗素子用の端子及び端子コネクタの断面を示す。 第２の設計における本発明による抵抗素子用の端子及び端子コネクタの断面を示す。 陰影によって図示されている炉壁を貫通する組立完了後の端子を示す。

従って、図３は、ケイ化モリブデン又はこの材料の合金からなる電気抵抗素子２用の端子１を示す。端子１は、炉の壁３又は炉の天井又は対応する絶縁壁を貫通するべく配置される。抵抗素子は、２つの端子を具備する。図面にはその一部しか示されてはいない素子のホットゾーン４のそれぞれの端部に位置する端子１は、ホットゾーンの直径よりも大きな直径を具備する。

本発明によれば、端子コネクタ５がそれぞれの端子１に接続される。端子コネクタ５は、アルミニウムから製造される。更には、端子コネクタ５は、合計端子長の長さを完全に又は部分的に構成する長さを具備する。従来、端子は、端子１と端子コネクタ５の合計長に対応する長さを具備する。

従って、本発明による解決策は、アルミニウムの高い導電度と機能設計に対するその適合性の活用に基づくものであり、抵抗素子のケイ化モリブデン材料をアルミニウムに接合し、アルミニウムの部分が合計端子長のすべて又はその過半を構成している。

好適な一実施例によれば、端子１及び端子コネクタ５が互いに分離されている図１及び図２に示されているように、端子１と端子コネクタ５の間の接触面積６は、端子１の断面よりも大きい。これは、相対的に小さな遷移抵抗を付与する。

別の好適な実施例によれば、端子１の自由端７は、端子と端子コネクタの間の接合領域において狭くなっており、端子コネクタは、対応する相補的な形態を有する空洞８を具備する。

有利な接合方法の１つは、端子コネクタの接合表面６ａを溶解させ、次いで、端子の接合表面６ｂを端子コネクタの接合表面に適用し、この後に、溶解した材料を凝固させることによって端子を端子コネクタに装着するというものである。

図１に示されているものに代わる実施例においては、端子の自由端９が、端子の残りの部分の直径よりも小さな直径を有する円筒形であり、且つ、端子コネクタが、対応する穿孔された孔１０を具備している。

端子１には、溶射によって適用されると共に前述の形状を実現するべく加工されたアルミニウムが提供されることが好ましい。

好適な設計の１つは、前述の円筒形の部分９及び前述の穿孔された孔１０に、相互に螺合するねじ山を提供するというものである。この結果、機能しなくなった抵抗素子を端子コネクタから容易に除去可能であり、この後に、端子コネクタを再使用可能である。

端子コネクタへの端子の装着法の更なる代替肢は、端子及び端子コネクタを圧力によって接合するというものであり、この場合には、変形するのは、基本的に端子コネクタである。

装着構造の更なる代替肢は、図３に示されているように、端子１の端面１１及び端子コネクタ５の端面１２が、平坦であると共に、それぞれ、端子及び端子コネクタの長手方向の軸に対して垂直のプレーン内に位置しており、且つ、端面１１、１２が、摩擦圧接によって相互に装着されるというものである。

ケイ化モリブデンのすべて又はその大部分を同一断面を具備するアルミニウムによって置換した際には、端子のすべてが端子コネクタによって置換されるため、抵抗値は、最大で３５分の１に低減され、且つ、この場合には、平均温度は６００℃であって、熱伝導度は、７倍に増大する。

この電力消費の低減により、一般に、エネルギー損失が低減される。

又、電力消費の低減は、相対的に長い絶縁貫通部の使用と、従って、損失の低減をも可能にする。アルミニウムの高い熱伝導度を使用することにより、ケイ化モリブデンとアルミニウムの間の接合部をアルミニウムの融点よりも相当に高い周辺温度に配置することが可能になる。この結果、電流密度、周辺温度、及び６００℃を超過する温度において端子部分を動作させるべく提供可能な端子コネクタを通じたガス供給を考慮し、接合の位置を選択可能である。

非常に好ましい実施例によれば、端子コネクタ５には、１つ又は複数の内部チャネル１３、１４が提供されており、これらのチャネルには、注入口１５を通じて、空気、窒素、又はアルゴンなどの冷却ガスが供給され、この冷却ガスは、排出口１６、１７を通じて炉の空洞内に注入される。

アルミニウムの部分は、このガスの供給を通じて冷却され、且つ、ガスが同時に予熱されるのに伴って、相対的に高い熱伝導度の悪影響が制限される。端子の周りにおいて凝縮が発生するアプリケーションにおいては、端子を通じたガスの供給により、凝縮に伴う問題を低減又は除去可能である。

端子のすべて又は端子のかなりの部分がアルミニウムから構成されることから、アルミニウムに張力を印加した状態において定位置に固定可能であるため、ガス密の機械的貫通部を使用可能である。端子１において生じる熱運動は、柔軟なアルミニウムの部分に伝達されるが、これらのアルミニウム部分は、これらの運動を障害に結び付かせることなしに、変形可能である。水冷又はその他の強制冷却も可能であり、且つ、ガスの通過に対する最良のシーリングを付与するべく、ガスケット材料を選択可能である。

従って、導入部において言及した問題点を本発明によって解決可能である。

以上、いくつかの実施例について説明したが、例えば、端子コネクタ内においてアルミニウム合金を使用することが可能であることは明らかである。更には、接合の表面を別の方式において設計することも可能である。更には、前述の機能を逸脱することなしに、その他の変更を実施することも可能である。

従って、本発明は、添付の特許請求項の範囲内において変更可能であることから、前述の実施例に限定されるものと見なしてはならない。

Claims (10)

1. ケイ化モリブデン又はこの材料の合金からなる電気抵抗素子（２）用の端子（１）であって、炉の壁（３）又は炉の天井又は対応する絶縁壁を貫通するべく配列され、素子（２）のホットゾーン（４）のそれぞれの端部に配置され、且つ、素子のホットゾーン（４）の直径よりも大きな直径を具備する端子であって、
   端子コネクタ（５）が個々の端子（１）に接続され、
   端子コネクタ（５）は、アルミニウムから製造され、且つ
   端子コネクタ（５）は、合計端子長の長さを完全に又は部分的に構成する長さを具備し、合計端子長とは、素子の関連する端子（１）及び端子コネクタ（５）の長さであり、
   端子コネクタ５には、排出口（１６、１７）を通じて炉の空洞内に注入されるように準備された冷却ガスを注入口（１５）を通じて供給するべく配列された１つ又は複数の内部チャネル（１３、１４）が提供されることを特徴とする端子。
2. 端子（１）と端子コネクタ（５）の間の接触面積は、端子の断面よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の端子。
3. 端子（１）の自由端（７）は、端子（１）と端子コネクタ（５）の間の接合領域において狭くなっており、且つ、端子コネクタ（５）は、対応する相補的の形態を有する空洞（８）を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の端子。
4. 端子（１）は、端子コネクタの接合表面（６ａ）を溶解させ、次いで、端子の接合表面（６ｂ）を端子コネクタの接合表面に適用し、この後に、溶解した材料を凝固させることにより、端子コネクタ（５）に装着されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の端子。
5. 端子（１）の自由端（９）は、端子の残りの部分よりも小さな直径を有する円筒形であり、且つ、端子コネクタ（５）は、対応する穿孔された孔（１０）を具備することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の端子。
6. 端子（１）には、溶射によって適用されると共に形状を実現するべく加工されたアルミニウムが提供される請求項１〜５の何れか１項に記載の端子。
7. 円筒形部分（９）及び穿孔された孔（１０）には、相互に螺合するねじ山が提供されることを特徴とする請求項５又は６記載の端子。
8. 端子（１）及び端子コネクタ（５）は圧力によって接合され、基本的に、端子コネクタ（５）が変形することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の端子。
9. 端子（１）の端部表面及び端子コネクタ（５）の端部表面は、平坦であると共に、それぞれ、端子及び端子コネクタの長手方向の軸に垂直であるプレーン内に位置し、且つ、端部表面（１２）は摩擦圧接によって互いに装着されることを特徴とする請求項１に記載の端子。
10. 前記冷却ガスは空気、窒素、又はアルゴンであることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の端子。

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