JP5828454B2

JP5828454B2 - ヒータ

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Publication number: JP5828454B2
Application number: JP2011273996A
Authority: JP
Inventors: 健太大釜
Original assignee: Coorstek KK
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: JP2013125663A

Description

本発明は、ヒータに関し、特に、発熱体がシリカガラス管に収納されたヒータに関する。

特許文献１に記載されているように、加熱源としてカーボンワイヤー発熱体を用い、このカーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータが知られている。
このヒータは、所定の形状に屈曲させたシリカガラス管の内部に、線状のカーボンワイヤー発熱体を収容、不活性ガスと共に封入したものであって、クリーンで高速昇温に優れたヒータとしての特徴を備えている。

ここで、特許文献１に記載されているヒータを図１２に基づいて説明する。
図示するように、ヒータ１００は、ヒータ部２００と、ヒータ部２００の両端に設けられた封止端子部３００とを備えている。
また、ヒータ部２００は、カーボンワイヤー発熱体２０５と、このカーボンワイヤー発熱体２０５を収容したシリカガラス管２１０とから構成されている。前記シリカガラス管２１０は、軸線Ｌを中心としてＸ１方向（軸線方向）に螺旋状に巻回された形状となされている。
そして、ヒータ１００は、シリカガラス管２１０に収容されたカーボンワイヤー発熱体２０５に通電して発熱させることにより、シリカガラス管２１０を介して輻射熱が外部に放射されるように構成されている。

図１２に示すヒータ１００にあっては、カーボンワイヤー発熱体２０５を収容するシリカガラス管２１０が螺旋構造であるため、カーボンワイヤー発熱体２０５の長さを長くすることができ、高い発熱量を実現することができる。
また、図示するように略円柱形状のヒータ部２００の周囲に加熱を行うことができるため、被加熱体が円柱形状の場合に、特に効果的に加熱処理を行うことができる。

特開２０１０−８６８１８号公報

しかしながら、図１２に示すヒータ１００にあっては、カーボンワイヤー発熱体２０５と共に螺旋構造となるシリカガラス管２１０の長さも長くなるため、Ｘ１方向（軸方向）の省スペース化（小型化）を図る上で限界があった。
また、カーボンワイヤー発熱体２０５からの発熱を効果的に行うために、螺旋状に形成されたシリカガラス管２１０の直径は、少なくとも３５ｍｍ程度必要となり、Ｙ１方向（径方向）の省スペース化（小型化）にも限界があった。即ち、このような螺旋構造のヒータにあっては、高い発熱量を得ることができるが、小型化には限界があるという課題があった。
また、ヒータ１００の製造時において、螺旋状に長く形成されたシリカガラス管２１０を所定形状に巻き取る作業は容易ではなく、故に巻取りに使用する治具も特殊形状・使い切りでコストが嵩張るという課題があった。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、シリカガラス管に発熱体を収容したヒータにおいて、容易に製作できると共に、発熱量を低下させずに省スペース化（小型化）を図ることができ、所望の領域を加熱することができるヒータを提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するためになされた、本発明に係るヒータは、ヒータ部がシリカガラス管に収納されたヒータであって、前記ヒータ部は、前記シリカガラス管内において、その軸方向に沿って延設されたシリカガラスからなる棒部材と、ワイヤー状に形成され、前記棒部材の周面に、螺旋状に巻回された発熱体とを備え、前記棒部材の周面には、軸方向と交差する方向に貫通する複数の貫通孔が、軸方向に所定間隔を空けて一列に設けられ、
前記発熱体は、前記貫通孔に挿通されて、前記棒部材の一部周面に巻回されていることに特徴を有する。尚、前記発熱体は、カーボンワイヤー発熱体であることが望ましい。
このように構成されたヒータによれば、ヒータ部の発熱量は前記発熱体の巻回数（ピッチ）により調整することができる。そのため、シリカガラス管と棒部材の径方向及び軸方向の長さを小さく形成しても、発熱体の巻回数を増加させて必要な発熱量を維持することができ、ヒータの径方向及び軸方向の省スペース化（小型化）を図ることができる。
また、発熱体は螺旋状であっても、その保護管であるシリカガラス管を螺旋状に形成する必要がないため、従来のような螺旋状に巻き取るための特別な治具が不要であり、コストを低減し、また、容易に製作することができる。

また、このように構成することにより、前記発熱体は、前記棒部材に設けられた複数の貫通孔を通って巻回されるため、容易に等間隔に巻回することができる。
また、棒部材の周面に軸方向に並ぶ複数の貫通孔のピッチによって、棒部材単位長さあたりの発熱体の巻回数が変化するため、容易に加熱量の粗密を調整することができる。
また、棒部材の周面において、複数の貫通孔を設ける位置により、発熱体が露出する面積（加熱部範囲）を変更することができるため、広範囲な被加熱領域から局所的な被加熱領域まで幅広く対応することができる。

また、前記棒部材は、透明なシリカガラスの中実棒により形成され、前記発熱体が巻回されない他の周面には不透明化処理が施されていることが望ましい。
或いは、前記棒部材は、透明なシリカガラスの管状の棒により形成され、前記発熱体が巻回されない他の外周面、またはそれに対応する内周面に不透明化処理が施されていてもよい。尚、前記不透明化処理は、シリカガラスの表面を粗面化する処理、またはシリカガラスの表面に少なくとも内側が反射面となる反射膜を形成する処理、またはシリカガラスの表面に遮光部材を貼付する処理、またはシリカガラスの表面に断熱部材を貼付する処理のいずれかを含むことが望ましい。
このように棒部材において発熱体が巻回されない側に不透明化処理を施すことによって、発熱体が巻回された側からの発熱量を向上させることができる。

また、前記棒部材は、不透明なシリカガラスの中実棒または管状の棒により形成されていてもよく、その場合には、棒部材内の熱伝導性が低下し、発熱体が巻回された側から前方への加熱を効率的に行うことができる。

本発明によれば、シリカガラス管に発熱体を収容したヒータにおいて、容易に製作できると共に、発熱量を低下させずに省スペース化（小型化）を図ることができ、所望の領域を加熱することができる。

図１は、本発明にかかるヒータの実施形態を示す断面図である。図２は、図１のヒータの封止端子構造を示す拡大断面図である。図３は、図１のヒータの封止端子を示す断面図である。図４は、図１の破線領域Ｄ１を示す一部拡大図である。図５は、図１の破線領域Ｄ２を示す一部拡大図である。図６は、図５の中実棒の横断面図である。図７は、図６の横断面図に対応する中実棒の他の形態を示す断面図である。図８は、図１のヒータに用いるカーボンワイヤーを示す平面図である。図９は、図１のヒータにおいて、カーボンワイヤー発熱体と接続線の接続状態を示す断面図である。図１０は、図９の横断面図である。図１１は、棒部材の他の形態を示す横断面図である。図１２は、カーボンワイヤー発熱体を用いた従来のヒータの構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について図面に基づいて説明する。ここで、図１は、本発明にかかるヒータの実施形態を示す断面図であり、図２は、図１のヒータの封止端子構造を示す拡大断面図、図３は、図１の封止端子を示す断面図である。なお、図２、図３では、ヒータの左右端部が同一形状であるため、一方の端部のみを図示すると共に、一の端部の説明をもって両端部の説明とする。

図１に示されているヒータ１は、ヒータ部２と、前記ヒータ部２を収納する、両端が開放された大径のシリカガラス管３と、前記大径のシリカガラス管３の両端部３ａ，３ｂに収納された小径のシリカガラス管４ａ，４ｂと、この小径のシリカガラス管４ａ，４ｂの内部に圧縮収納されたワイヤーカーボン材Ａと、前記大径のシリカガラス管３の端部を封止し、閉塞する封止端子部１０ａ，１０ｂとから構成されている。尚、シリカガラス管３内には不活性ガス（Ａｒ、またはＮ_２など）が封入されている。

この封止端子部１０ａ，１０ｂは、ヒータ部２に電力を供給する接続線６ａ，６ｂと、前記接続線６ａ，６ｂの外周面に形成された熱膨張傾斜部７ａ，７ｂと、大径のシリカガラス管３の両端部３ａ，３ｂに一端部が融着する共に、他端部が、接続線６ａ，６ｂの外周囲に形成された熱膨張傾斜部７ａ，７ｂの外周面に融着する円筒状のシリカガラスからなる封止部材５ａ，５ｂとを備えている。

この前記接続線６ａ，６ｂはＭｏ（モリブデン）、あるいはＷ（タングステン）棒からなり、その直径は１ｍｍ乃至３ｍｍに形成されている。前記接続線６ａ，６ｂの直径は、必要に応じて適宜選択することができるが、直径が小さすぎる場合には、大きな電気抵抗となる傾向があり、また直径が大きすぎる場合には、端子自体が大きくなる傾向がある。
なお、接続線６ａ，６ｂは、小径シリカガラス管４ａ，４ｂ内に圧縮収納されているワイヤーカーボン材Ａに容易に接続ができるように、その先端部は尖っている。

また、この接続線６ａ，６ｂの外周面には、図２、３に示すように、タングステンガラス層７ａ１が形成され、更に前記タングステンガラス層７ａ１上に、例えば熱膨張係数が８×１０^-7／℃（０〜３００℃）である９６％珪酸ガラス層７ａ２が積層、形成されている。即ち、接続線６ａ，６ｂの径方向に熱膨張係数が小さくなるように、熱膨張傾斜部７ａ，７ｂが形成されている。
また、図３に示すように、前記封止部材５ａは、小径部５ａ１と、大径部５ａ３と、前記小径部５ａ１と大径部５ａ３とを接続する立上がり部５ａ２が形成された円筒状体である。
そして、前記小径部５ａ１の内周面は、前記９６％珪酸ガラス層７ａ２の外周面に融着され、大径部５ａ３の端面は、前記大径のシリカガラス管３の両端部３ａの端面に融着される。

更に、熱膨張傾斜部７ａ（タングステンガラス層７ａ１及び前記９６％珪酸ガラス層７ａ２（より具体的には、コーニング社製、バイコール（登録商標）））の全体の厚さｔ３は、前記小径部５ａ１の厚さｔ１（肉厚）の０．２倍〜１倍に形成されている。
この熱膨張傾斜部７ａの厚さｔ３が封止部材５ａ（小径部５ａ１）の厚さｔ１の０．２倍未満である場合及び１倍を超える場合には熱膨張による歪みの吸収できず、破損する虞があるため、望ましくない。

続いて、ヒータ部２の構成について、図１に加え図４乃至図６を更に用いて説明する。図４は、図１のヒータ部２の破線領域Ｄ１を示す一部拡大図であり、図５は、破線領域Ｄ２を示す一部拡大図である。また、図６は、図５の横断面図である。
図１に示すように、ヒータ部２は、シリカガラス管３内において軸方向に延設された透明なシリカガラスの中実棒２０と、中実棒２０に螺旋状に巻回されたカーボンワイヤー発熱体２４とを有する。

前記中実棒２０は、その直径がシリカガラス内径に対して３ｍｍ〜５ｍｍ小さく、シリカガラス管３に略等しい長さに形成され、その両端部に設けられた支持棒２１によって、シリカガラス管３内に支持されている。
また、図６に示すように中実棒２０の周側面には、軸方向に交差する方向（図では直交方向）に貫通する貫通孔２２が形成され、この貫通孔２２は、図４，図５に示すように軸方向に沿って一列に、等間隔を空けて複数形成されている。尚、図では、中実棒２０の軸を水平方向としたときに、中実棒２０の下部に貫通孔２２が横一列に設けられた例を示している。
また、中実棒２０の両端部にあっては、図４に示すように、最も端の貫通孔２２Ａに連通する連通孔２３が中心軸に沿って形成されている。

前記貫通孔２２および連通孔２３の直径は、少なくとも前記カーボンワイヤー発熱体２４が挿通可能な大きさに形成されている。即ち、図示するように前記連通孔２３には、カーボンワイヤー発熱体２４が挿通され、最端の貫通孔２２Ａを通って中実棒２０の上側周面（一部周面）に巻回されている。そして、前記最端の貫通孔２２Ａから中実棒２０の上側周面を巻回されるカーボンワイヤー発熱体２４は、隣の貫通孔２２に通され、再び中実棒２０の上側周面に巻回されている。このようにして、カーボンワイヤー発熱体２４は、図１、図５に示すように中実棒２０の軸方向に沿って一列に形成された前記複数の貫通孔２２にそれぞれ通されて中実棒２０の上側周面に螺旋状に巻回されている。

また、このヒータ部２にあっては、図６に示すように中実棒２０においてカーボンワイヤー発熱体２４が巻回された一部周面（上側周面）が加熱部範囲Ｈとなる。一方、中実棒２０においてカーボンワイヤー発熱体２４が巻回されない他の周面（下側周面）が非加熱部範囲Ｎとなる。即ち、ヒータ部２は軸周りの全周方向への加熱をするのではなく、加熱方向に指向性を有している。
ここで、加熱部範囲Ｈから前方への発熱量を増加させるために、中実棒２０の非加熱部範囲Ｎの外周面（表面）を不透明化処理することが望ましい。具体的には、前記非加熱部範囲Ｎの表面をブラスト加工、或いは化学エッチング処理等により粗面化することにより不透明化させることができる。或いは、前記非加熱部範囲Ｎの表面に、内側（中実棒２０側）に熱反射するように反射膜を形成してもよい。或いは、非加熱部範囲Ｎの表面にシート状の遮光部材や断熱部材（黒鉛シートなど）を貼付してもよい。

尚、本実施形態においては、前記のように中実棒２０の軸を水平方向としたとき、中実棒２０の下部に貫通孔２２が設けられた例を示したが、被加熱領域の大きさに応じて、その形成位置を決めてよい。例えば、図７（ａ）に示すように貫通孔２２を中実棒２０の軸中心の高さに形成し、カーボンワイヤー発熱体２４の露出面積（即ち加熱部範囲Ｈ）をより小さくしてもよい。また、図７（ｂ）に示すように貫通孔２２を中実棒２０の上部に形成し、加熱部範囲Ｈをより狭くしてもよく、その場合には周方向に局所的な加熱を行うことができる。
また、このように構成されたヒータ部２によれば、直管状のシリカガラス管３内に配置された中実棒２０に、カーボンワイヤー発熱体２４を螺旋状に巻回させて配するため、カーボンワイヤー発熱体２４の巻回数（ピッチ）により発熱量を調整することができる。このため、発熱量を低下させずにヒータ１の軸方向および径方向を小さく形成したい場合には、前記複数の貫通孔２２のピッチを小さくしてカーボンワイヤー発熱体２４の巻回数を増加させればよい。

次にカーボンワイヤー発熱体２４について、図８、図９、図１０を用いて説明する。図８は、カーボンワイヤーを示す平面図、図９はカーボンワイヤー発熱体と接続線の接続状態を示す断面図、図１０は図９の横断面図である。
前記カーボンワイヤー発熱体２４としては、図８に示すような複数本のカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束用いてワイヤー状に編み込んだもの等が用いられる。このカーボンワイヤー発熱体２４は、図４、図５に示したように中実棒２０の連通孔２３及び貫通孔２２に挿通され、中実棒２０の一部周面に巻回されるが、その両端部は図９、図１０に示すように小径のシリカガラス管４ａ，４ｂの内部に圧縮収納された複数本のワイヤーカーボン材Ａ間に、圧縮状態で埋設されている。

前記カーボンワイヤー発熱体２４の具体例としては、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバーを１０００乃至３０００本程度束ねたファイバー束を１０束程度用いて直径約１．３〜２．５ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。
前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度であり、カーボンファイバーによる表面の毛羽立ちは０．５乃至１．５ｍｍ程度である。なお、前記毛羽立ちとは、図８の符号ａに示すような、カーボンファイバーが切断されたものの一部が、カーボンワイヤーの外周面から突出したものである。

また、前記ワイヤーカーボン材Ａは、カーボンワイヤー発熱体２４と同一もしくは、少なくともカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数編み上げてなる編紐あるいは組紐形状である点において同等の構成材料が用いられる。
なお、同一の構成材料とは、カーボンファイバー直径、カーボンファイバーの束ねた本数、ファイバー束を束ねる束数、編み込み方、編み込みスパン長さ、毛羽立ち長さ、材質が同一であることを意味している。

また、小径のシリカガラス管４ａ，４ｂに収容されるワイヤーカーボン材Ａの本数は、カーボンワイヤー発熱体２４の本数以上が収容されるのが良い。より好ましくは、カーボンワイヤー発熱体２４の本数の５倍以上の本数が、ワイヤーカーボン材Ａとして収容されているのが良い。具体的に説明すれば、例えばカーボンワイヤー発熱体２４が１本のときワイヤーカーボン材Ａが１４本、あるいはカーボンワイヤー発熱体２４が２本のときワイヤーカーボン材Ａが１２本等、５倍以上の本数がワイヤーカーボン材Ａとして用いられるのが好ましい。

また、カーボンワイヤー発熱体２４と後述する接続線６ａ，６ｂとの間にワイヤーカーボン材Ａが介在するために、カーボンワイヤー発熱体２４の熱が接続線６ａ，６ｂに極力伝わらないようにすることができ、封止端子部１０ａ，１０ｂの高温劣化を防止することができる。即ち、ワイヤーカーボン材Ａが断熱材として機能し、封止端子部１０ａ，１０ｂの高温劣化を防止することができる。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、直管状のシリカガラス管３内に配置された中実棒２０にカーボンワイヤー発熱体２４が巻回されてヒータ部２が構成され、ヒータ部２の発熱量は前記カーボンワイヤー発熱体２４の巻回数（ピッチ）により調整される。そのため、シリカガラス管３と中実棒２０の径方向及び軸方向の長さを小さく形成しても、カーボンワイヤー発熱体２４の巻回数を増加させて必要な発熱量を維持することができ、ヒータ１の径方向及び軸方向の省スペース化（小型化）を図ることができる。
また、カーボンワイヤー発熱体２４は、中実棒２０に設けられた複数の貫通孔２２を通って巻回されるため、容易に等間隔に巻回することができる。

また、中実棒２０の周面に軸方向に並ぶ複数の貫通孔２２のピッチによって中実棒２０の単位長さあたりのカーボンワイヤー発熱体２４の巻回数が変化するため、容易に加熱量の粗密を調整することができる。
また、中実棒２０の周面において、複数の貫通孔２２を設ける位置により、カーボンワイヤー発熱体２４が露出する面積（加熱部範囲Ｈ）を変更することができるため、広範囲な被加熱領域から局所的な被加熱領域まで幅広く対応することができる。
また、カーボンワイヤー発熱体２４の保護管であるシリカガラス管３を螺旋状に形成する必要がないため、従来のような螺旋状に巻き取るための特別な治具が不要であり、コストを低減し、また、容易に製作することができる。

尚、前記実施の形態においては、棒部材は透明なシリカガラスの中実棒２０としたが、中実棒に限らず図１１に示すようなパイプ状（管状）の棒部材３０であってもよい。
この場合、非加熱部範囲Ｎの外周面または内周面に不透明化処理が施されていることが望ましく、それにより貫通孔２２に挿通されたカーボンワイヤー発熱体２４から効果的に加熱部範囲Ｈ側に放熱させることができる。
また、前記のように中実棒２０或いは棒部材３０が透明なシリカガラスからなる場合に限らず、不透明のシリカガラスにより棒部材が形成されていてもよく、その場合には、加熱部範囲Ｈに巻回されたカーボンワイヤー発熱体２４から効果的に前方へ放熱することができる。

また、前記実施の形態においては、直管状のシリカガラス管３内に直棒の中実棒２０が配置された例を示したが、それに限らず、シリカガラス管３を所望の形状（例えば円環状）に形成し、その中に軸線に沿った形（例えば円環状）の中実棒２０を配置してもよい。
また、前記実施の形態においては、中実棒２０に複数の貫通孔２２を設け、カーボンワイヤー発熱体２４を前記貫通孔２２に挿通して中実棒２０の一部周面に巻回するものとした。しかしながら、それに限らず、中実棒２０に前記貫通孔２２を設けずに、カーボンワイヤー発熱体２４を中実棒２０の全周面に螺旋状に巻回するようにしてもよい。それにより中実棒２０の全周方向に放熱させることができる。

１ヒータ
２ヒータ部
３シリカガラス管
２０中実棒（棒部材）
２２貫通孔
２４カーボンワイヤー発熱体（発熱体）
３０棒部材
Ａワイヤーカーボン材

Claims

ヒータ部がシリカガラス管に収納されたヒータであって、
前記ヒータ部は、
前記シリカガラス管内において、その軸方向に沿って延設されたシリカガラスからなる棒部材と、
ワイヤー状に形成され、前記棒部材の周面に、螺旋状に巻回された発熱体とを備え、
前記棒部材の周面には、軸方向と交差する方向に貫通する複数の貫通孔が、軸方向に所定間隔を空けて一列に設けられ、
前記発熱体は、前記貫通孔に挿通されて、前記棒部材の一部周面に巻回されていることを特徴とするヒータ。
前記棒部材は、透明なシリカガラスの中実棒により形成され、前記発熱体が巻回されない他の周面には不透明化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
前記棒部材は、透明なシリカガラスの管状の棒により形成され、前記発熱体が巻回されない他の外周面、またはそれに対応する内周面には不透明化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
前記不透明化処理は、シリカガラスの表面を粗面化する処理、またはシリカガラスの表面に少なくとも内側が反射面となる反射膜を形成する処理、またはシリカガラスの表面に遮光部材を貼付する処理、またはシリカガラスの表面に断熱部材を貼付する処理のいずれかを含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載されたヒータ。
前記棒部材は、不透明なシリカガラスの中実棒または管状の棒により形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
前記発熱体が、カーボンワイヤー発熱体であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載されたヒータ。