JP5870998B2 - スパイラル管状ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、長手方向に相互に間隔をあけて配置された複数の線状またはテープ状の発熱体を有し、特にパイプやホースの加熱、保温などの目的に好適に使用できるスパイラル管状ヒータに関する。

従来より、パイプやホースの加熱、保温などを目的としたスパイラル管状のヒータが製造されている。例えば、特許文献１には、スパイラル状物の内側層を形成するテープ状耐熱性樹脂フィルム、中間層を形成する接着剤層および外側層を形成するテープ状耐熱性樹脂フィルムの構成を有する積層体の中間部に長手方向の両端間に導電性を与える可とう性の導電性基材が一体として設けられている形状保持性のスパイラル管状ヒータが開示されている。

また、例えば、特許文献２には、二枚の耐熱性樹脂製テープを接着剤を用いて積層した積層体の中間に、長手方向に複数の線状またはテープ状の発熱体が相互に絶縁されて配設されているテープ状ヒータが開示されている。

特開平１１−７４０６６号公報 特開２００１−１５２５４号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載のスパイラル管状ヒータは、発熱体である導電性基材が一つのリード線と接続しているため、温度制御が全体としてしか行うことができず、また、発熱体が断線してしまうと正確な温度制御ができず、安全上の問題を有する可能性がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、幅広い領域にわたる温度制御を正確に行うことができ、また、発熱体の断線による安全上の問題を低減したスパイラル管状ヒータを提供することを目的とする。

本発明者らは、以上の目的を達成するために、鋭意検討した結果、耐熱性樹脂テープに挟まれた２以上の発熱体を、互いに絶縁させた状態で配列させ、それぞれ独立して外部からの異なるリード線に接合させることによって、幅広い領域にわたる温度制御を正確に行うことができ、また、発熱体の断線による安全上の問題を低減できることを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は、第１の耐熱性樹脂テープと第２の耐熱性樹脂テープが、長手方向に延びる２以上の発熱体を挟んだ状態で接着剤層を介して積層されたスパイラル管状ヒータであって、前記２以上の発熱体は、互いに絶縁された状態で配列され、それぞれ独立して外部からの異なるリード線に接合されていることを特徴とするスパイラル管状ヒータに関する。

本発明において、前記２以上の発熱体の前記リード線との接合部分のうち、隣接する一の接合部分と第１の耐熱性樹脂テープとの間、及び他の接合部分と第２の耐熱性樹脂テープとの間に一の接着剤シートが配置され、その後前記接着剤層を介して第１の耐熱性樹脂テープと第２の耐熱性樹脂テープとが積層されていることが好ましく、前記２以上の発熱体は、前記リード線との接合部分の長手方向の相対的な位置が、少なくとも隣接する他の発熱体と異なるように設けられていることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、複数の発熱体がそれぞれ独立して存在しているため、被加熱体の温度制御を効率よく正確に行うことができ、また、１つの発熱体が断線しても他の発熱体により温度制御が可能であるため、より安全なヒータとして使用することができる。したがって、本発明によれば、幅広い領域にわたる温度制御を正確に行うことができ、また、発熱体の断線による安全上の問題を低減したスパイラル管状ヒータを提供することができる。

本発明に係るスパイラル管状ヒータの一実施形態を示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 発熱体とリード線との接合部分を示す一部切欠概略図である。 接着剤付きの第１の耐熱性樹脂テープを丸棒に巻き付ける一例を示す概略図である。 発熱体であるニクロム線を第１の耐熱性樹脂テープ上に巻き付ける一例を示す概略図である。 接着剤付きの第２の耐熱性樹脂テープを丸棒に巻き付ける一例を示す概略図である。 積層体にステンレス製ワイヤーを巻き付ける一例を示す概略図である。 耐熱性樹脂テープの端部を剥がして発熱体にリード線を取り付ける一例を示す概略図である。 隣接する発熱体とリード線との接合部分を絶縁させて接着させる一例を示す概略図である。 図９におけるＢ−Ｂ’線に沿った断面図において、剥がした耐熱性樹脂テープの端部を再び接着させる工程の一例を示す概略図である。

以下、本発明に係るスパイラル管状ヒータについて、実施形態を用いて説明するが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

先ず、本発明に係るスパイラル管状ヒータの一実施形態について説明する。本実施形態に係るスパイラル管状ヒータ１は、図１及び２に示すように、長手方向に延びる発熱体２が、積層された第１の耐熱性樹脂テープ４と第２の耐熱性樹脂テープ６との間に挟まれ、発熱体２が長手方向の端部でそれぞれ独立して異なるリード線８と接合されている。

発熱体２は、線状又は面状の発熱体を相互に絶縁されるように、長手方向に２〜５本配置していることが好ましく、本実施形態においては、線状の発熱体を３本配置している。３本の発熱体２ａ、２ｂ、２ｃは、端部（後の接合部分）３ａ、３ｂ、３ｃがそれぞれ独立してリード線８ａ、８ｂ、８ｃに接合されている。発熱体２の端部３をそれぞれ独立にリード線８と接続することによって、被加熱体の温度制御を効率よく正確に行うことができ、また、１つの発熱体が断線しても他の発熱体により温度制御が可能であるため、より安全なヒータとして使用することができる。また、発熱体２は、相互の絶縁を確実なものとするために、図３に示すように、発熱体２とリード線８との接合部分のうち、少なくとも隣接する一の接合部分と他の接合部分（例えば３ａと３ｂ）とを、長手方向の相対的な位置が異なるように設けられていること、すなわち短手方向に一直線上に並ばないようずらして配置することが好ましい。

発熱体２において、線状の発熱体としては、１本以上（通常１〜１０本程度）の金属線からなるものが挙げられる。この金属線としては、直径が１０〜５００μｍ、特に２０〜２００μｍのものが好ましい。また、面状の発熱体としては、金属箔や帯状の金属が挙げられ、厚みが５〜１００μｍ、幅が０．４〜４０ｍｍ程度のものが好ましい。

上記金属線、金属箔および帯状の金属を形成する金属としては、ニクロム、カンタル、インコネル、鋳鉄などの電気抵抗を有するものが挙げられ、特に抵抗率が３０×１０^−６Ωｃｍ以上のものが好ましい。上記の線状又は面状の発熱体は、相互に間隔をあけて複数配設され、該間隔は、ヒータの幅や線状又は面状の発熱体の配設数などにより異なるが、通常、１〜２０ｍｍ程度となるようにするのが好ましい。

第１の耐熱性樹脂テープ４と第２の耐熱性樹脂テープ６は、それぞれ積層体であるヒータの表面層を形成し、発熱体２を挟むように配置され、接着剤層１０を介して積層されている。第１の耐熱性樹脂テープ４及び第２の耐熱性樹脂テープ６は、ガラス転移温度あるいは融点が１８０℃以上であるポリイミドあるいはポリアミドからなり、厚みが１５〜２００μｍ、幅が３〜５０ｍｍのテープ状フィルムであることが好ましい。

これらの中でも、５０〜３００℃での線膨張係数（ＣＴＥ）が３〜５０×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（ｐｐｍで表示することもある）であって、引張弾性率が２００〜１４００ｋｇ／ｍｍ^２である芳香族ポリイミドフィルムあるいは芳香族ポリアミドフィルムが好適であり、特に、吸水率が４％以下、より好ましくは３％以下である芳香族ポリイミドフィルムが好適である。

上記の芳香族ポリイミドは、例えば３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、ピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物などの芳香族テトラカルボン酸二無水物とｐ−フェニレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテルなどの芳香族ジアミンとを重合、イミド化して得られる。特に、芳香族ポリイミドとして３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を芳香族テトラカルボン酸成分中１５モル％以上使用して得られるものが耐熱性、低線膨張係数、低吸水率であることから好ましい。

また、上記の芳香族ポリアミドは、例えば２−クロロテレフタル酸クロリド、２，５−ジクロロテレフタル酸クロリドなどの芳香族酸クロリドと２−クロロ−ｐ−フェニレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテルなどの芳香族ジアミンとの反応で得られる。

以下、第１の耐熱性樹脂テープ４及び第２の耐熱性樹脂テープ６の形成材料として用いられる上記芳香族ポリイミドフィルム及び上記芳香族ポリアミドフィルムの好ましい製造方法について、さらに詳しく説明する。
上記芳香族ポリイミドフィルムは、例えば以下のようにして製造することができる。先ず、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンとをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドやＮ−メチル−２−ピロリドンなどの有機極性溶媒中で重合して、ポリマーの対数粘度（測定温度：３０℃、濃度：０．５ｇ／１００ｍｌ溶媒、溶媒：Ｎ−メチル−２−ピロリドン）が１〜５、ポリマー濃度が１５〜２５重量％であり、回転粘度（３０℃）が５００〜４５００ポイズであるポリアミック酸（イミド化率：５％以下）溶液を得る。次いで、好適にはこのポリアミック酸１００重量部に対して０．０１〜１重量％のリン化合物、例えば（ポリ）リン酸エステルおよび／またはリン酸エステルのアミン塩などの有機系リン化合物あるいは無機リン化合物および、好適にはさらにポリアミック酸１００重量部に対して０．０２〜６重量部のコロイダルシリカ、窒化珪素、タルク、酸化チタン、燐酸カルシウムなどの無機フィラー（好適には平均粒径０．００５〜５μｍ、特に０．００５〜２μｍ）を添加してポリアミック酸溶液組成物を調製する。このポリアミック酸溶液組成物をそのままあるいは化学イミド化剤を加えて、平滑な表面を有する支持体表面に流延し、乾燥して固化フィルムを形成し、上記固化フィルムを支持体表面から剥離する。次いで、固化フィルムの片面または両面にアミノシラン系、エポキシシラン系あるいはチタネート系の表面処理剤を含有する表面処理液を塗布した後、さらに乾燥することもできる。上記のようにして得られた固化フィルムを、必要であれば両方向に延伸した後乾燥フィルムの幅方向の両端縁を把持した状態で、最高加熱温度：３５０〜５００℃の範囲内の温度で加熱して乾燥およびイミド化して芳香族ポリイミドフィルムとして好適に製造することができる。上記のようにして得られた芳香族ポリイミドフィルムを、好適には低張力下あるいは無張力下に２００〜４００℃程度の温度で加熱して応力緩和処理し、巻き取る。この芳香族ポリイミドフィルムは、そのままあるいはコロナ放電処理、プラズマ処理、紫外線照射、グロー放電処理、火炎処理で表面処理を施した後、接着性を改良した芳香族ポリイミドフィルムとして使用することができる。

また、上記芳香族ポリアミドフィルムは、例えば以下のようにして製造することができる。芳香族酸クロリドと芳香族ジアミンとを有機極性溶媒中で溶液重合、あるいは水系媒体を使用する界面重合することで合成される。ポリマー溶液は、単量体として酸クロリドとジアミンとを使用すると塩化水素が副生するため、これを中和するために水酸化カルシウムなどの無機の中和剤、またはエチレンオキサイドなどの有機の中和剤を添加する。また、イソシアネートとカルボン酸との反応は非プロトン性有機極性溶媒中、触媒の存在下で行われる。これらのポリマー溶液はそのままフィルムを形成する製膜原液にしてもよく、またポリマーを一度単離してから上記の溶媒に再溶解して製膜原液を調製してもよい。製膜原液には溶解助剤として、無機塩例えば塩化カルシウム、塩化マグネシウムなどを添加してもよい。製膜原液中のポリマー濃度は２〜３５重量％が好ましい。

第１の耐熱性樹脂テープ４と第２の耐熱性樹脂テープ６は、接着剤層１０を介して接着されていることが好ましい。接着剤層１０は、耐熱性の熱可塑性接着剤や熱硬化性接着剤からなり、好適には積層された際の乾燥状態での厚みが２〜１００μｍ、幅が３〜５０ｍｍである。この接着剤層１０は、第１の耐熱性樹脂テープ４および／または第２の耐熱性樹脂テープ６に接着剤を塗布して設けてもよいし、あらかじめ接着剤をシート状に成形したものを張り合わせることにより設けてもよいが、特に、第１の耐熱性樹脂テープ４および／または第２の耐熱性樹脂テープ６を接着剤付きのテープ状フィルムとすることにより設けることが好ましい。

接着剤層１０を形成する熱硬化性接着剤としては、エポキシ樹脂、ＮＢＲ−フェノール系樹脂、フェノール−ブチラール系樹脂、エポキシ−ＮＢＲ系樹脂、エポキシ−フェノール系樹脂、エポキシ−ナイロン系樹脂、エポキシ−ポリエステル系樹脂、エポキシ−アクリル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリアミド−エポキシ−フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリイミドシロキサン−エポキシ樹脂などが挙げられる。また、熱可塑性接着剤としては、ポリイミド系樹脂、ポリイミドシロキサン系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアミドイミドエーテル系樹脂、ポリイミドエステル系樹脂などが挙げられる。中でも、ポリイミドシロキサン系樹脂からなる熱硬化性接着剤が好ましい。

以下、本実施形態に係るスパイラル管状ヒータ１の製造方法について説明する。本実施形態に係るスパイラル管状ヒータ１は、被加熱体（被加熱体の形状は、断面円形または角形等任意の形状を有してよい。）と同一外形状を有する長尺の形状付与部材からなることが好ましい。製造方法としては、先ず、耐熱性の棒またはパイプ１４に、スパイラル状に巻いた際に内側層となる第１の耐熱性樹脂テープ４と、それと同じ幅か少し幅の狭い外側層となる第２の耐熱性樹脂テープ６と、その間に接着剤層１０及び線状又は面状の発熱体２を長手方向に２〜５本配置する。第１の耐熱性樹脂テープ４及び第２の耐熱性樹脂テープ６は、例えば好適にはテープ状芳香族ポリイミドフィルムが用いられる。次に、接着剤層１０に用いる接着剤が熱硬化性接着剤の場合には、溶媒を乾燥除去してＢステージの段階で硬化温度以上の温度に加熱することによって、また、接着剤層１０に用いる接着剤が熱可塑性接着剤の場合には、積層体に圧力を加えてガラス転移温度あるいは融点以上の温度に加熱し、冷却することによって、フィルムの内側層と外側層とを重ねたまま接着剤を硬化して積層一体化させる。接着剤層１０は、積層体においては中間層を形成する。次に、積層一体化させたスパイラル状積層体のそれぞれの発熱体２に、独立した異なるリード線８をそれぞれ接合することによって得られる。

上記の方法は、好適には、図４乃至７に示すように、例えば次のようにして実施できる。先ず、前記内側層となる第１の耐熱性樹脂テープ４および外側層となる第２の耐熱性樹脂テープ６の形成材料となる耐熱性樹脂フィルムの片面に接着剤層１０となる接着剤を塗布し、接着剤の乾燥厚みが２〜１００μｍである接着剤付きフィルムを得る。このフィルムを３〜５０ｍｍにスリットし、接着剤付きの第１の耐熱性樹脂テープ４および第２の耐熱性樹脂テープ６を製造する。この第１の耐熱性樹脂テープ４を、接着剤の付いた面を外側にして直径が５〜５０ｍｍの円状の棒またはパイプ１４にスパイラル状に巻きつけ、両端を固定する（図４）。次いで、その上に、線状の発熱体２を長手方向に２〜５本、スパイラル状に巻き付ける（図５）。次いで、さらにその上に、接着剤同士が重なるように、外側層となる接着剤付きの第２の耐熱性樹脂テープ６を巻き付け（図６）、必要であれば周囲をテープ状あるいは線状のワイヤー１６などで加圧・固定して（図７）、１５０〜４００℃の範囲内の温度に加熱して接着剤を硬化して積層一体化し、冷却した後、形成された積層体を棒またはパイプ１４から外し、スパイラル状積層体を得ることができる。

次いで、上記のようにして得られたスパイラル状積層体を適当な長さに切断し、複数配置された発熱体２について、端部をそれぞれ独立に異なるリード線８と接続することによって、本実施形態に係るスパイラル管状ヒータ１を得ることができる。発熱体２とリード線８の接続は、例えば、図８では、第１の耐熱性樹脂テープ４および第２の耐熱性樹脂テープ６の両端部を剥がして露出させた３本の発熱体２ａ、２ｂ、２ｃを、それぞれ独立して異なるリード線８ａ、８ｂ、８ｃに接合させる。発熱体２とリード線８とは、導電性が確保されるかぎり任意の接続方法で接続されている。接続方法としては、例えば、はんだ付け、ろう付け、溶接、金型打ち抜きなどが挙げられる。このとき、上述したように、隣接する発熱体２とリード線８との接合部分（例えば３ａ、３ｂ）は、絶縁を確実なものとするために、長手方向の相対的な位置が異なるように設けられていること、すなわち短手方向に一直線上に並ばないようずらして配置することが好ましい。また、図９に示すように、隣接する発熱体２とリード線８との接合部分３ａ、３ｂ、３ｃは、絶縁をより確実なものとするために、一の接合部分３ａ、３ｃと第１の耐熱性樹脂テープ４との間、及び他の接合部分３ｂと第２の耐熱性樹脂テープ６との間に一の接着剤シート１２が配置されていることが好ましい。すなわち、接着剤シート１２を介して上下互い違いになるよう配置することが好ましい。接着剤シート１２としては、第１の耐熱性樹脂テープ４と第２の耐熱性樹脂テープ６とを接着させる接着剤層１０を形成するものと同様の耐熱性の熱可塑性接着剤あるいは熱硬化性接着剤からなる接着剤をシート状に成形したものが好ましい。さらに、図１０に示すように、耐熱性樹脂テープを剥がした部分全体に亘って接着剤層１０を形成する接着剤シートを再度配置し、剥がした耐熱性樹脂テープを元に戻して全体を加熱あるいは圧力を加えるとともに加熱して、接合部全体を耐熱性樹脂テープで覆うことにより、接着剤層１０と同一材料からなる接着剤シート１２が接着剤層１０と一体となり、本実施形態に係るスパイラル管状ヒータ１が得られる。

以上、本実施形態に係るスパイラル管状ヒータ１の製造方法を示したが、上記製造方法は一例であって、例えば、第１の耐熱性樹脂テープ４、接着剤層１０、発熱体２、及び第２の耐熱性樹脂テープ６が積層した積層体をあらかじめ作製し、それをスパイラル状になるように成形することによって本実施形態に係るスパイラル管状ヒータ１を製造することなども可能である。

本実施形態に係るスパイラル管状ヒータは、熱をより均一に被加熱体に伝導させるために外側に熱伝導性の良い材料（例えば銅線）を編組することができる。また、保温の目的で外側を、シリコーン樹脂の発泡体、ガラス繊維、フッ素系樹脂の発泡体などから形成された耐熱性発泡シートや耐熱性多孔シートなどの保温材で覆ってもよい。

以下に本発明の実施例を示す。本実施例の各測定は、以下の通りに行った。
（１）抵抗測定
ＭＩＬ−ＳＴＤ−２０２Ｇ Ｍｅｔｈｏｄ ３０３に準拠して行った。
環境温度：２０℃±５℃
（２）絶縁抵抗測定
ＭＩＬ−ＳＴＤ−２０２Ｇ Ｍｅｔｈｏｄ ３０２に準拠して行った。
印加電圧：１０００Ｖ（直流）
印加時間：１分
（３）耐電圧測定
ＭＩＬ−ＳＴＤ−２０２Ｇ Ｍｅｔｈｏｄ ３０２に準拠して行った。
印加電圧：１０００Ｖ（交流５０Ｈｚ）
印加時間：１分
（４）通電試験
２５℃±５℃の環境下でヒータを冶具等に固定せず、フリーの状態で吊るし１６８時間規定の直流電圧を通電した。
（５）熱衝撃試験
気槽式熱衝撃試験器（楠本化成（株）製 ＷＩＮＴＥＣＨ ＮＴ１２００Ｗ）にて−６５℃、３０分、室温、５分、１５０℃、３０分の熱サイクルを５回行った。

実施例１
（スパイラル状積層体の製造）
ポリイミドフィルムの片面にポリイミドシロキサン系の熱硬化性接着剤を積層したフィルム（宇部興産株式会社製）を７ｍｍ幅にスリットして、長さ３６７ｍｍの接着剤付きテープＡ（第１の耐熱性樹脂テープ）およびテープＢ（第２の耐熱性樹脂テープ）を作製した。この接着剤付きテープＡを接着剤の付いた面を外側にして、外径６．３５ｍｍ、長さ１ｍのステンレス製の丸棒にピッチが２０ｍｍになるように螺旋状に巻き付け、両端を固定した。次に、その上に外径が０．１４ｍｍのニクロム線をテープ幅に対して均等な幅になるように３本（発熱体ａ、ｂ、ｃ）巻き付け、両端を固定した。更に、その上に接着剤付きテープＢを接着剤の付いた面を内側にして巻き付け、両端を固定した。そして、この積層体全体にステンレス製ワイヤーを隙間なく巻き付け、オーブン中で１００℃で１時間、続いて２００℃で１時間加熱して接着剤を硬化させた。冷却し、長さ２６０ｍｍのスパイラル状積層体を作製した。

（リード線の装着）
上記で作製したスパイラル状積層体をステンレス製の丸棒から外し、積層体の両端から約２０ｍｍを接着剤付きテープＡと接着剤付きテープＢの重なっている間から剥がしニクロム線を露出させた。そして、各ニクロム線を、被覆を剥がした電線（潤工社製 Ｍ２７５００２４ＴＮ３Ｕ００）の端に巻き付け、更に各ニクロム線と電線の接合部を１００μｍの幅２ｍｍ、長さ２ｍｍのニッケル箔で包み、ニッケル箔の中央部をスポット溶接した。このとき、電線と各ニクロム線の接合部が積層体の短手方向に一直線上に並ばないよう接合位置を調整した。

（接合部の絶縁・被覆）
ニクロム線と電線の接合部に、両端の接合部が下、中央の接合部が上となるように、幅７ｍｍ、長さ約１０ｍｍのポリイミドシロキサン系の熱硬化性接着剤シートを置き、更に、全接合部をカバーするように幅７ｍｍ、長さ約２０ｍｍのポリイミドシロキサン系の熱硬化性接着剤シートを置いて全ての層を重ね、２００℃のプレスにて５分間加圧して全ての層を接着して、スパイラル管状ヒータを得た。このヒータの初期の特性と通電試験及び熱衝撃試験後の特性を表２、３に示す。

実施例２〜４
実施例１と同様な方法で表１に示した仕様のヒータを作成した。

１ スパイラル管状ヒータ
２ 発熱体
４ 第１の耐熱性樹脂テープ
６ 第２の耐熱性樹脂テープ
８ リード線
１０ 接着剤層

Claims (2)

1. 第１の耐熱性樹脂テープと第２の耐熱性樹脂テープが、長手方向に延びる２以上の発熱体を挟んだ状態で接着剤層を介して積層されたスパイラル管状ヒータであって、
   前記２以上の発熱体は、互いに絶縁された状態で配列され、それぞれ独立して外部からの異なるリード線に接合されており、前記２以上の発熱体の前記リード線との接合部分のうち、隣接する一の接合部分と第１の耐熱性樹脂テープとの間、及び他の接合部分と第２の耐熱性樹脂テープとの間に一の接着剤シートが配置され、その後前記接着剤層を介して第１の耐熱性樹脂テープと第２の耐熱性樹脂テープとが積層されていることを特徴とするスパイラル管状ヒータ。
2. 前記２以上の発熱体は、前記リード線との接合部分の長手方向の相対的な位置が、少なくとも隣接する他の発熱体と異なるように設けられていることを特徴とする請求項１記載のスパイラル管状ヒータ。

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