JP6322610B2 - カートリッジヒータ及びその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、発熱の監視、調整のための温度センサを内蔵したカートリッジヒータ及びその製作方法に関するものである。

カートリッジヒータは、カートリッジという名が示すように被加熱物に設けられた孔などにはめ込んで使用するヒータであって、一般に、先端が密閉された金属製の鞘管内にコイル状の発熱線が無機絶縁材を介在して収容され、発熱線の両端に繋がれた２本のリード線が鞘管の後端から外部に出ている構造をしており、このリード線から発熱線に電流を流して発生させたジュール熱により被加熱物を加熱するものである。

カートリッジヒータには、温度の制御と監視のための温度センサを内蔵したものが多くあり、温度センサとしては熱電対素線が専ら使用されてきた。図８にその一般的な構成を示す。図８は従来のカートリッジヒータ２の断面図であり、具体的には、図８（ａ）は図８（ｃ）のＹ―Ｙ断面図、図８（ｂ）は図８（ｃ）のＺ―Ｚ断面図で、図８（ｃ）は図８（ａ）のａ−ａ断面図である。

カートリッジヒータ２は、先端が金属製の先端蓋５で密閉された金属製の鞘管４の中に、コイル状の発熱線６と２本のリード線８、及び一対の熱電対素線２１が、無機絶縁材粉末７を介在して収容されており、発熱線６の先端部は１本のリード線８に、発熱線６の末端部は他方のリード線８に其々図８（ａ）中の６１、６２の箇所で接合されていて、一対の熱電対素線２１の先端は接合されて測温点２２となっている。また、鞘管４の末端には、絶縁材を材質とする末端栓９が設けられていて、これを貫通してリード線８と熱電対素線２１が外部に出ている。発熱線６とリード線８の接合は、溶接か発熱線６をリード線８に巻き付けて締結するかにより、一対の熱電対素線２１の先端の接合は、溶接により行われるのが一般的である。なお、測温点２２は、図中の位置に限らず、熱電対素線２１の経路上の任意の位置とすることができる。

使用においては、外部に出たリード線８から発熱線６に電流を流し、発熱線６にジュール熱を発生させてカートリッジヒータ２を高温にする。カートリッジヒータ２を望む温度に保つために、発熱線６に流す電流値は、熱電対素線２１の出力温度が予め決められた温度となるように外部に設けた温度制御器によって制御されるのが通常の使用法である。また通常、誤って過大な電流が流されるとカートリッジヒータ２や被加熱物が過度に高温化して損傷に至るので、熱電対素線２１の出力温度を監視し、規定温度以上になった場合には電流を遮断するなどの措置がとられる。

温度センサを内蔵したカートリッジヒータとしては図８以外にも、特許文献１乃至３に示されるものがあり、以下これらについて説明する。部材名称は本明細書で使用の名称を用い、括弧内に各特許文献での符号を示す。

特許文献１に示されるカートリッジヒータは、同特許文献の第２図に示されるように、一対の熱電対素線のマイナス側素線の代わりに金属製の鞘管（２’ａ）をマイナス側素線として併用し、プラス側の熱電対素線（１’ｃ）の先端を鞘管の先端蓋（１’）に接合して当部の温度を測定する構造のものであり、特許文献２に示されるカートリッジヒータは、同特許文献の第１図及び第２図に示されるように、熱電対素線を二対（４及び５）内蔵し、鞘管の先端蓋（４１）とコイル状の発熱線（２）の軸線上中央部（５１）との２箇所の温度を測定できる構造のものである。

特許文献３に示されるカートリッジヒータは、同特許文献の図２乃至図９に示されるように、一対の熱電対素線を内蔵したカートリッジヒータの鞘管の末端栓（８）を、ガラス部材（９）、シリコーンゴム（１０）、アルミナ磁器碍子（１２）及び陶器製碍子（１４）等により密閉構造としたことを特徴とするものである。

なお、鞘管の末端栓については、価格を抑えるために、密閉構造ではなく絶縁セメントのような空気の流入を微小に制限する材質を用いたものもある。さらには、特許文献１の第１図、第２図、及び特許文献３の図１０に示されるように、シース末端栓が設けられていないものもあるが、無機絶縁材が空気中の湿分を吸着して絶縁抵抗が早期に低下することから、また、無機絶縁材が散逸しやすいことから、現在では用いられることが稀である。

以上のように、従来のカートリッジヒータは、構造の違いはあれ、温度の制御と監視のために内蔵する温度センサとして熱電対素線が用いられてきた。

実願昭５６−１２１７０３号（実開昭５８−０２７８８７号）のマイクロフィルム 実願昭５９−１６２７１３号（実開昭６１−０７７５８７号）のマイクロフィルム 特開平０８−３３００５８号公報

熱電対素線を空気等の酸化雰囲気中において高温で使用すると、酸化し易い元素が選択的に酸化されて消費されるために、熱電対素線の組成が変化して温度測定誤差が発生することが知られている。特に、Ｋ熱電対素線などの酸素との親和力が大きいクロム元素を含む熱電対素線を高温の酸化雰囲気中で使用すると、グリーンロットと呼ばれるクロム元素が選択的に酸化された緑色酸化物が析出する現象が生じることがあり、これが生じた場合には比較的大きな温度測定誤差が発生するのも公知のとおりである。

カートリッジヒータに内蔵されている温度センサとして、熱電対素線が用いられてきたが、この熱電対素線はカートリッジヒータの発熱で高温になる領域で使用されるため、酸化による上述の温度測定誤差が生じる問題があった。

つまり、鞘管の末端栓が密閉構造であっても、鞘管内の無機絶縁材粉末の隙間に存在する空気に含まれる酸素が内蔵された熱電対素線を酸化し、温度測定誤差を生じさせる。また、鞘管の末端栓が密閉機能のない絶縁セメントのような材質で作られておれば、鞘管内への空気の出入りがあるので、長期間使用すると内蔵されて熱電対素線の酸化が進んで、末端栓が密閉構造の場合より大きな温度測定誤差が生じる。

さらに、末端栓よりカートリッジヒータを出た直後の外気に触れた状態の熱電対素線は、鞘管内ほどではないにしても高温になるので、長期間使用すると外気中の酸素による酸化が進んで温度測定誤差を発生させる。なお、熱電対の熱起電力は温度勾配のある場所で発生するので、測温点以外の場所での酸化も温度測定誤差の発生要因となる。通常、熱電対素線の温度勾配が最も大きいのは、鞘管の末端栓を貫通する部分とその近傍であり、末端栓よりカートリッジヒータを出た直後の熱電対素線の酸化は、末端栓が密閉構造か否かに係わりなく、少なからざる温度測定誤差を発生させる要因となる。

本発明は、かかる酸化による温度測定誤差がカートリッジヒータに内蔵された熱電対素線に生じる課題の解決を目的としてなされたものである。

（１）上述の課題を解決するために、
金属製の鞘管と、
鞘管の先端開口に鞘管の外径より突出しない状態で全周溶接により取り付けられ、鞘管の先端開口を密閉する金属製の先端蓋と、
コイル形状であって、コイルの中心軸が鞘管の中心軸と略一致する状態で鞘管内に設けられた、電気抵抗の大きい金属を材質とする発熱線と、
略直線状であって、末端が鞘管の末端から外部に出た状態で鞘管内に２本設けられ、２本中の１本は発熱線の先端部が接合され、他の１本は発熱線の末端部が接合された、金属製のリード線と、
略直線状であって、末端が鞘管の末端から外部に出た状態で鞘管内に設けられており、金属製で管状のシースの中に無機絶縁材粉末を介在させて一対または複数対の熱電対素線が収容され、シースの先端は溶接により密閉され、シースの末端はシール材により熱電対素線が貫通した状態で密閉されていて、各対の熱電対素線は該シース内の先端近くで接合されて測温点が形成されている構造を持つシース熱電対と、
２本のリード線及びシース熱電対が貫通した状態で鞘管の末端開口に設けられた、絶縁材を材質とする末端栓と、
鞘管内の発熱線、リード線、シース熱電対、先端蓋、末端栓ならびに鞘管の相互間の隙間に充填された無機絶縁材粉末と、を有し、
鞘管、先端蓋、発熱線及びリード線は、鞘管と先端蓋との全周溶接部、及び発熱線の先端と末端のリード線との接合部を除き互いに接触しない位置、またシース熱電対は、発熱線及びリード線と接触しない位置に設けられたカートリッジヒータとした。

従来のカートリッジヒータが内蔵する温度センサとして熱電対素線を用いていたのに対し、本発明によるカートリッジヒータは内蔵する温度センサとしてシース熱電対を用いることを特徴とする。シース熱電対とは、上述のように、金属製で管状のシースの中に無機絶縁材粉末を介在させて一対または複数対の熱電対素線を収容し、シースの先端は溶接により密閉され、シースの末端は絶縁性のシール材により熱電対素線が貫通した状態で密閉されていて、各対の熱電対素線はシース内の先端近くで接合されて測温点を形成している温度センサを意味し、本発明に使用のシース熱電対もこの温度センサを意味している。

本発明によるカートリッジヒータは、従来と同様、外部に出たリード線から発熱線に電流を流し、ジュール熱を発生させて当カートリッジヒータを高温にする。リード線と発熱線は鞘管、先端蓋及びシース熱電対とは接触していないこと、及び末端栓は絶縁材を材質としていることから、電流が外部に漏れることはない。

使用時は、シース熱電対の出力温度が予め決められた温度となるように、外部に設けた温度制御器で発熱線に流す電流値を制御することによって、本発明によるカートリッジヒータを望む温度に保つことができる。また、誤って過大な電流が発熱線に流れると、当カートリッジヒータや被加熱物が過度に高温化して損傷に至ることがあるが、シース熱電対の出力温度を監視し、規定温度以上になった場合には電流を遮断するなどの措置を取ることにより、過大電流による損傷を防止するこができる。

本発明のカートリッジヒータにおいて、熱電対素線が収容されているシース熱電対内部は前述のように外気に対して密閉されているので、シース熱電対内の熱電対素線に触れる空気は、シース内の無機絶縁材粉末の隙間に存在する空気のみである。一方、熱電対素線を内蔵した従来のカートリッジヒータでは、鞘管内の熱電対素線に触れる空気は、鞘管の末端栓が密閉構造であれば鞘管内の無機絶縁材粉末の隙間に存在する空気で、末端栓が密閉構造でない場合はさらに多くの空気が触れる。本発明に使用されるシース熱電対は、鞘管内に発熱線及びリード線と接触しない状態で設けられるので、そのシース熱電対は必然的に鞘管の径に比べて径が大幅に細いものとなるため、シース熱電対の末端が鞘管の末端から外に出ていて長いことを考慮しても、シース熱電対内の熱電対素線に触れる空気量は、従来の熱電対素線を内蔵したカートリッジヒータの熱電対素線が触れる空気量に比べて極めて少ない。このため本発明のカートリッジヒータに使用されるシース熱電対内の熱電対素線の酸化は、従来のカートリッジヒータ内の熱電対素線に比べて生じ難い。

さらに、従来のカートリッジヒータの熱電対素線において、前述のように末端栓より出た直後の熱電対素線は高温で外気に触れた状態のために酸化が進んで温度測定誤差の発生要因となるが、本発明のカートリッジヒータでは、シース熱電対の末端は鞘管の末端から外部に出ているために、末端栓を出た直後のシース熱電対内の熱電対素線は高温ではあっても外気に触れて酸化することはない。

以上のように、本発明のシース熱電対を温度センサとして使用したカートリッジヒータは、従来の熱電対素線を温度センサとしたカートリッジヒータに比べて、温度測定誤差を発生させる熱電対素線の酸化量が極めて少なく、そのために温度測定誤差の発生が抑制される。

（２）次に、シース熱電対の設置位置に関し、略直線状のシース熱電対を、中心軸が鞘管の中心軸と略平行でかつ発熱線のコイルの内側に設け、先端が発熱線のコイルの軸方向の略中央に位置するように設置したカートリッジヒータとすることにより、カートリッジヒータ内のほぼ最高温度となる部分の温度をこのシース熱電対で測定することができ、当温度を前述した制御、監視の対象とすることができる。

（３）略直線状のシース熱電対を、中心軸が鞘管の中心軸と略平行でかつ発熱線のコイルの内側に設け、先端が先端蓋の内面と接するように設置すれば、被加熱物と接触する先端蓋の温度をこのシース熱電対で測定することができ、当温度を制御、監視することができる。

（４）また、被加熱物と接触する鞘管の温度の制御、監視が必要な場合は、シース熱電対を、中心軸が鞘管の中心軸と略平行でかつ鞘管内面に沿った位置に設置することにより、その測定温度はほぼ鞘管の温度になり、当温度を制御、監視することができる。

（５）さらに、シース熱電対が複数本設置されたカートリッジヒータとすることにより、複数個所の温度監視をすることができ、またこれらシース熱電対の複数の温度測定箇所の内から温度制御をしたい箇所を選択することができる。

以上の本発明によるカートリッジヒータは、試行錯誤の結果、製作可能な方法を見出して実現した。以下に、その製作方法を説明する。

（６）略直線状のシース熱電対の中心軸が、鞘管の中心軸と略平行でかつコイル状の発熱線のコイル内側にあり、シース熱電対の先端はコイル軸方向の略中央部に位置した本発明のカートリッジヒータは次の方法により製作できる。

外側面に発熱線が巻き付けられた外径が鞘管の下記縮径前の内径より小さい円柱形であって、末端面から軸方向の略中央まで軸方向に穿たれたシース熱電対挿入穴、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた円柱碍子と、鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子と、鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子と、を無機絶縁材粉末と水の混合物を焼成して製作する、碍子製作工程と、
ここで、末端部碍子のシース熱電対貫通孔の末端部碍子の中心軸からの距離は、円柱碍子のシース熱電対挿入穴の円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、また、先端部碍子の２つのそれぞれのリード線挿入穴の先端部碍子の中心軸からの距離、及び末端部碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の末端部碍子の中心軸からの距離は、円柱碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、
碍子製作工程に続いて、剛性を有する太さの２本のリード線を円柱碍子の２つのリード線貫通孔にそれぞれ挿通し、円柱碍子の外側面に発熱線をコイル状に巻き付け、発熱線の先端部を１本のリード線の円柱碍子の先端面から出た部分と接合し、発熱線の末端部を他の１本のリード線の円柱碍子の末端面から出た部分に接合し、次に、末端部碍子の２つのリード線貫通孔にリード線の末端部をそれぞれ挿通して当リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定するとともに、シース熱電対を末端部碍子のシース熱電対貫通孔に先端から挿通し、次いでシース熱電対の先端が円柱碍子のシース熱電対挿入穴の底面に接するまで挿入して末端部碍子のシース熱電対貫通孔ならびに円柱碍子のシース熱電対挿入穴に絶縁性接着剤で固定し、続いて２本のリード線の先端を先端部碍子の２つのリード線挿入穴にそれぞれ嵌め込んで絶縁性接着剤で嵌め込み部を固定することにより内装物に組み立てる、内装物組立工程と、
続いて、内側方向または外側方向に滑らかな凸形状をした円盤状の先端蓋を、鞘管の先端開口に鞘管の外径より突出しない状態で全周溶接により取り付け、鞘管の末端開口より、内装物組立工程において組み立てた内装物を、内装物の先端側から先端部碍子が先端蓋に達するまで挿入し、鞘管の先端を下にして略鉛直に立て、無機絶縁材粉末を末端部碍子の切り欠き部より、その下方の鞘管、先端蓋、及び内装物の相互間の隙間に充填する、全体組立工程と、
続いて、鞘管の外部から機械的な力を鞘管の径方向に加えて鞘管を縮径することによって、鞘管の内部の円柱碍子、先端部碍子及び末端部碍子が粉砕された無機絶縁材粉末と、全体組立工程で鞘管に充填した無機絶縁材粉末とにより、鞘管内に無機絶縁材が高密度に充填された状態とし、次に、鞘管の末端開口に末端栓を取り付ける、仕上げ工程とによる製作方法で製作する。

この製作方法において、先端部碍子と末端部碍子には少なくとも２つの切り欠き部が設けてあるので、無機絶縁材粉末の充填の際に同無機絶縁材粉末が隙間に行き渡り易く、また、先端蓋は滑らかな凸形状の板であるので、縮径の際に外部から加えられる径方向の機械的な力は、凸形状面の高さが高くなることによって吸収され、縮径において先端蓋が壊れることがない。また、仕上がり状態では、無機絶縁材粉末は高密度に充填されているので、熱伝導がよく、発熱線の熱が被加熱物に伝わり易い利点がある。なお、内装物組立工程で固定に使用された絶縁性接着剤は仕上り状態では役目を終えており、粉砕された絶縁性接着剤は無機絶縁材粉末中に混合している。

（７）略直線状のシース熱電対の中心軸が鞘管の中心軸と略平行でかつコイル状の発熱線のコイル内側にあり、シース熱電対の先端は先端蓋の内面と接する本発明のカートリッジヒータは次の方法により製作できる。

外側面に発熱線が巻き付けられた外径が鞘管の下記縮径前の内径より小さい円柱形であって、軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた円柱碍子と、鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また軸方向のシース熱電対貫通孔、及び貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子と、鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子と、を無機絶縁材粉末と水の混合物を焼成して製作する、碍子製作工程と、
ここで、先端部碍子のシース熱電対貫通孔の先端部碍子の中心軸からの距離、及び末端部碍子のシース熱電対貫孔の末端部碍子の中心軸からの距離は、円柱碍子のシース熱電対貫通孔の円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、また、先端部碍子の２つのそれぞれのリード線挿入穴の先端部碍子の中心軸からの距離、及び末端部碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の末端部碍子の中心軸からの距離は、円柱碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、
碍子製作工程に続いて、剛性を有する太さの２本のリード線を円柱碍子の２つのリード線貫通孔にそれぞれ挿通し、円柱碍子の外側面に発熱線をコイル状に巻き付け、発熱線の先端部を１本のリード線の円柱碍子の先端面から出た部分と接合し、発熱線の末端部を他の１本のリード線の円柱碍子の末端面から出た部分に接合し、次に、末端部碍子の２つのリード線貫通孔にリード線の末端部をそれぞれ挿通して当リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定するとともに、シース熱電対を末端部碍子のシース熱電対貫通孔、次いで円柱碍子のシース熱電対貫通孔に先端から挿通して、末端部碍子のシース熱電対貫通孔ならびに円柱碍子のシース熱電対貫通孔に絶縁性接着剤で固定し、続いて先端部碍子のシース熱電対貫通孔にシース熱電対の先端を挿通するとともに、２本のリード線の先端を先端部碍子の２つのリード線挿入穴にそれぞれ嵌め込んで絶縁性接着剤で嵌め込み部を固定することにより内装物に組み立てる、内装物組立工程と、
続いて、内側方向または外側方向に滑らかな凸形状をした円盤状の先端蓋を、鞘管の先端開口に鞘管の外径より突出しない状態で全周溶接により取り付け、鞘管の末端開口より、内装物組立工程において組み立てられた内装物を、内装物の先端側からシース熱電対の先端が先端蓋に接するまで挿入し、鞘管の先端を下にして略鉛直に立て、無機絶縁材粉末を末端部碍子の切り欠き部より、その下方の鞘管、先端蓋及び内装物の相互間の隙間に充填する、全体組立工程と
続いて、鞘管の外部から機械的な力を鞘管の径方向に加えて鞘管を縮径することによって、鞘管の内部の円柱碍子、先端部碍子及び末端部碍子が粉砕された無機絶縁材粉末と、全体組立工程で鞘管に充填した無機絶縁材粉末とにより、鞘管内に無機絶縁材粉末が高密度に充填された状態とし、次に、鞘管の末端開口に末端栓を取り付ける、仕上げ工程とによる製作方法で製作する。

この製作方法においても、無機絶縁材粉末の充填の際に同無機絶縁材粉末が隙間に行き渡り易いこと、縮径の際に外部から加えられる径方向の機械的な力で先端蓋が壊れることがないこと、発熱線の熱が被加熱物に伝わり易い利点があること、及び仕上がり状態では絶縁性接着剤は無機絶縁粉末中に粉状となって混じっていることは、本発明の先に示した製作方法と同じである。

（８）次に、略直線状のシース熱電対を、その中心軸が鞘管の中心軸と略平行でかつ鞘管内面に沿った位置に設置した本発明のカートリッジヒータは次の方法により製作できる。

鞘管の下記縮径前の内面と略接する外径の円筒形であって、外側面に末端面から先端に向かって軸方向にシース熱電対設置溝が設けられた円筒碍子と、外側面に発熱線が巻き付けられた外径が円筒碍子の内径より小さい円柱形であって、軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた円柱碍子と、円筒碍子の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子と、円筒碍子の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子と、を無機絶縁材粉末と水の混合物を焼成して製作する、碍子製作工程と、
ここで、先端部碍子の２つのそれぞれのリード線挿入穴の先端部碍子の中心軸からの距離、及び末端部碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の末端部碍子の中心軸からの距離は、円柱碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、
碍子製作工程に続いて、剛性を有する太さの２本のリード線を円柱碍子の２つのリード線貫通孔にそれぞれ挿通し、円柱碍子の外側面に発熱線をコイル状に巻き付け、発熱線の先端部を１本のリード線の円柱碍子の先端面から出た部分と接合し、発熱線の末端部を他の１本のリード線の円柱碍子の末端面から出た部分に接合するとともに、２本のリード線を円柱碍子のリード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定し、次に、末端部碍子の２つのリード線貫通孔にリード線の末端部をそれぞれ挿通して当リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定し、次いで、２本のリード線の先端を先端部碍子の２つのリード線挿入穴にそれぞれ嵌め込んで絶縁性接着剤で嵌め込み部を固定することにより内装物に組み立てる、内装物組立工程と、
続いて、内側方向または外側方向に滑らかな凸形状をした円盤状の先端蓋を、鞘管の先端開口に鞘管の外径より突出しない状態で全周溶接により取り付け、鞘管の末端開口より、円筒碍子を先端側から先端蓋に接するまで挿入するとともに、円筒碍子のシース熱電対設置溝にシース熱電対を先端からシース熱電対設置溝の先端まで挿入し、続いて、内装物組立工程において組み立てた内装物を、内装物の先端側から先端部碍子が先端蓋に達するまで円筒碍子の内側に挿入し、鞘管の先端を下にして略鉛直に立て、無機絶縁材粉末を末端部碍子の切り欠き部より、その下方の鞘管、先端蓋及び内装物の相互間の隙間に充填する、全体組立工程と、
続いて、鞘管の外部から機械的な力を鞘管の径方向に加えて鞘管を縮径することによって、鞘管の内部の円筒碍子、円柱碍子、先端部碍子及び末端部碍子が粉砕された無機絶縁材粉末と、全体組立工程で鞘管に充填した無機絶縁材粉末とにより、鞘管内に無機絶縁材粉末が高密度に充填された状態とし、次に、鞘管の末端開口に末端栓を取り付ける、仕上げ工程とによる製作方法で製作する。

この製作方法においても、無機絶縁材粉末の充填の際に同無機絶縁材粉末が隙間に行き渡り易いこと、縮径の際に外部から加えられる径方向の機械的な力で先端蓋が壊れることがないこと、発熱線の熱が被加熱物に伝わり易い利点があること、及び仕上がり状態では絶縁性接着剤は無機絶縁粉末中に粉状となって混じっていることは、本発明の先に示した製作方法と同じである。

（９）以上示した３つの製作方法において、リード線と、リード線が挿通される円柱碍子ならびに末端部碍子のリード線貫通孔との固定、リード線と、リード線が挿入される先端部碍子のリード線挿入穴との固定、シース熱電対と、シース熱電対が挿入される円柱碍子のシース熱電対挿入穴、またはシース熱電対が挿通される円柱碍子のシース熱電対貫通孔との固定、及び、シース熱電対と、シース熱電対が挿通される先端部碍子のシース熱電対貫通孔との固定を行う絶縁性接着剤としてセラッミク系接着剤を用いることが望ましい。セラミック系接着剤は、無機絶縁材の粉末をベースとした接着剤であるので、粉砕された後、無機絶縁材粉末中に異質でない材料として混合する。

（１０）さらに、リード線と、リード線が挿通される円柱碍子ならびに末端部碍子のリード線貫通孔との固定、リード線と、リード線が挿入される先端部碍子のリード線挿入穴との固定、シース熱電対と、シース熱電対が挿入される円柱碍子のシース熱電対挿入穴、またはシース熱電対が挿通される円柱碍子のシース熱電対貫通孔との固定、及び、シース熱電対と、シース熱電対が挿通される先端部碍子のシース熱電対貫通孔との固定を、絶縁性接着剤を用いず、これらの貫通孔径、穴径を細く作ることによって、摩擦力による固定を確実にすることができる場合は、接着剤が不要であるので、この摩擦力による固定が望ましい。

（１１）また、上述した３つの製作方法における碍子製作工程の混合物は、無機絶縁材粉末と水とバインダーからなる混合物としてもよい。碍子を製作する装置がバインダーの混合を必要とする場合もあるからである。なお、焼成時、高温になった際にバインダーは燃焼するため、バインダーを混合しても製作した碍子には残らない。

従来のカートリッジヒータは内蔵する温度センサとして熱電対素線を用いてきたが、熱電対素線の酸化によって温度測誤差が発生する問題が生じることがあったのに対し、内蔵する温度センサとしてシース熱電対を使用した本発明によるカートリッジヒータは、この酸化による温度測定誤差が従来のものより発生し難い効果を持つ。

本発明によるカートリッジヒータの第１の実施形態の断面図 本発明によるカートリッジヒータの第２の実施形態の断面図 本発明によるカートリッジヒータの第３の実施形態の断面図 シース熱電対の断面図 本発明の第１の実施形態のカートリッジヒータの製作方法を示す断面図 本発明の第２の実施形態のカートリッジヒータの製作方法を示す断面図 本発明の第３の実施形態のカートリッジヒータの製作方法を示す断面図 従来のカートリッジヒータの断面図

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１に沿って説明する。図１は本発明によるカートリッジヒータの第１の実施形態の断面図で、具体的には、図１（ａ）は図１（ｃ）のＡ−Ａ断面を示す図、図１（ｂ）は図１（ｃ）のＢ−Ｂ断面を示す図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す図である。図１において、図８に示した従来のカートリッジヒータ２と同一の部品は同じ符号としており、また、シース熱電対３は見易くするために外形で示している。また、シース熱電対３の断面は図４に示すとおりである。

本発明による第１の実施形態のカートリッジヒータ１ａは図１に示すように、金属製の鞘管４と、鞘管４の先端開口に鞘管４の外径より突出しない状態で全周溶接により取り付けられ、鞘管４の先端開口を密閉する金属製の先端蓋５と、コイル状であって、コイルの中心軸が鞘管４の中心軸と略一致する状態で鞘管４内に設けられた、電気抵抗の大きい金属を材質とする発熱線６と、略直線状であって、１本には発熱線６の先端部が図中６１において接合され、他の１本には発熱線６の末端部が図中６２において接合されていて、末端が鞘管４の末端から外部に出た状態で鞘管４内に設けられた金属製の２本のリード線８と、略直線状であって、末端が鞘管４の末端から外部に出た状態で鞘管４内に設けられたシース熱電対３と、２本のリード線８及びシース熱電対３が貫通した状態で鞘管４の末端開口に設けられた、絶縁材を材質とする末端栓９と、鞘管４内の発熱線６、リード線８、シース熱電対３、先端蓋５、末端栓９ならびに鞘管４の相互間の隙間に充填された無機絶縁材粉末７とから構成されている。

鞘管４、先端蓋５、発熱線６及びリード線８は、鞘管４と先端蓋５との全周溶接部、及び発熱線６の先端と末端のリード線８との接合部を除き、互いに接触しない状態、またシース熱電対３は、発熱線６及びリード線８と接触しない位置に設けられている。

発熱線６のリード線８への接合は、溶接によってもよいし、発熱線６をリード線８に巻き付けて締結することによってもよい。図１は前者を図示している。

ここで、シース熱電対３は、図４に示すように、金属製で管状のシース３１の中に無機絶縁材粉末３３を介在させて一対の熱電対素線３２を収容し、シース３１の先端は溶接により密閉され、シース３１の末端は絶縁性のシール材３５により熱電対素線３２が貫通した状態で密閉されていて、一対の熱電対素線３２はシース３１内の先端近くで接合されて測温点３４を形成している。なお、収容されている熱電対素線３２は一対ではなく複数対であってもよく、シース３１末端のシール部は図４以外にも、例えば特開２００８−１０７１１５公報の図３に示される構造のものを始め、種々の構造のものがある。

カートリッジヒータ１ａは、従来と同様、外部に出たリード線８から高電気抵抗の発熱線６に電流を流し、ジュール熱を発生させて当カートリッジヒータ１ａを高温にする。リード線８と発熱線６は鞘管４、先端蓋５及びシース熱電対３とは接触していないこと、及び末端栓９は絶縁材を材質としていることから、電流が外部に漏れることはない。

使用時は、シース熱電対３の出力温度が予め決められた温度となるように、外部に設けた温度制御器（図示略）で発熱線６に流す電流値を制御することによって、カートリッジヒータ１ａを望む温度に保つことができる。また、誤って過大な電流が発熱線６に流れると、カートリッジヒータ１ａや被加熱物が過度に高温化して損傷に至ることがあるが、シース熱電対３の出力温度を監視し、規定温度以上になった場合には電流を遮断するなどの措置を取ることにより、過大電流による損傷を防止することができる。

本実施形態では、シース熱電対３の設置位置は、図１に示すように、シース熱電対３の中心軸が発熱線６のコイル中心軸と略一致し、シース熱電対３の測温点がある先端は発熱線６のコイル軸方向の略中央に位置するように設置されているので、カートリッジヒータ１ａ内の最も高温となる部分の温度を測定してこれを上述の制御、監視の対象とすることができる。なお、シース熱電対３の中心軸は発熱線６のコイル中心軸と略一致していなくとも、シース熱電対３の中心軸が同コイルの内側にあり、先端が発熱線６のコイル軸方向の略中央に位置しておれば、カートリッジヒータ１ａ内のほぼ最高温度となる部分の温度を測定してこれを制御、監視の対象とすることができる。

前述の図４の説明のとおり、熱電対素線３２が収容されているシース熱電対３の内部は外気に対して密閉されているので、シース熱電対３内の熱電対素線３２に触れる空気は、シース３１内の無機絶縁材粉末３３の隙間に存在する空気のみである。一方、従来の図８に示した熱電対素線２１を内蔵したカートリッジヒータ２では、鞘管４内の熱電対素線２１に触れる空気は、鞘管４の末端栓９が密閉構造であれば鞘管４内の無機絶縁材粉末７の隙間に存在する空気で、末端栓９が密閉構造でない場合はさらに多くの空気が触れる。本発明に使用されるシース熱電対３は、鞘管４内に発熱線６及びリード線８と接触しない状態で設けられるので、そのシース熱電対３の径は必然的に鞘管４の径に比べて大幅に細いものとなるため、シース熱電対３の末端が鞘管４の末端から外に出ていて長いことを考慮しても、シース熱電対３内の熱電対素線３２に触れる空気量は、従来のカートリッジヒータ２に内蔵された熱電対素線２１が触れる空気量に比べて極めて少ない。このため本実施形態のカートリッジヒータ１ａに使用されるシース熱電対３内の熱電対素線３２の酸化は、従来のカートリッジヒータ２内の熱電対素線２１に比べて生じ難い。

さらに、従来のカートリッジヒータ２の熱電対素線２１において、末端栓９より出た直後の熱電対素線２１は高温で外気に触れた状態のために酸化が進んで、前述のように温度測定誤差の発生要因となるが、本実施形態のカートリッジヒータ１ａでは、シース熱電対３の末端は鞘管４の末端から外部に出ているために、末端栓９を出た直後のシース熱電対３内の熱電対素線は高温ではあっても外気に触れて酸化することはない。

以上のように、本実施形態のシース熱電対３を温度センサとして使用したカートリッジヒータ１ａは、従来の熱電対素線２１を温度センサとしたカートリッジヒータ２に比べて、温度測定誤差を発生させる熱電対素線の酸化量が極めて少なく、そのために温度測定誤差の発生が抑制される。

（第２の実施形態）
本発明によるカートリッジヒータの第２の実施形態の断面図を図２に示す。具体的には、図２（ａ）は図２（ｃ）のＤ−Ｄ断面を示す図、図２（ｂ）は図２（ｃ）のＥ−Ｅ断面を示す図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＦ−Ｆ断面を示す図である。図２において、図８に示した従来のカートリッジヒータ２と同一の部品は同じ符号としており、また、シース熱電対３は外形で示している。シース熱電対の断面は図４に示したとおりである。

図２に示すように、第２の実施形態のカートリッジヒータ１ｂは、図１に示した第１の実施形態のカートリッジヒータ１ａと異なり、シース熱電対３の先端の軸方向位置が先端蓋５の内面と接する位置にある。被加熱物と接触する先端蓋５の温度を測定して、この温度を前述の制御、監視の対象としたい場合に、本実施形態のカートリッジヒータ１ｂを適用することができる。

シース熱電対３の先端の軸方向位置が異なる他は、第１の実施形態と同じ構成であり、その特徴も同じであるので、説明は省略する。

（第３の実施形態）
本発明によるカートリッジヒータの第３の実施形態の断面図を図３に示す。具体的には、図３（ａ）は図３（ｃ）のＧ−Ｇ断面を示す図、図３（ｂ）は図３（ｃ）のＨ−Ｈ断面を示す図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のＩ−Ｉ断面を示す図である。図３において、図８に示した従来のカートリッジヒータ２と同一の部品は同じ符号としており、また、シース熱電対３は外形で示し、シース熱電対の断面図は図４に示したとおりである。

図３に示すように、第３の実施形態のカートリッジヒータ１ｃは、図１に示した第１の実施形態及び図２示した第２の実施形態のカートリッジヒータ１ａ、１ｂと異なり、シース熱電対３が鞘管４の内面に沿って設置されている。シース熱電対３による測定温度はほぼ鞘管４の温度であるので、被加熱物と接触する鞘管４の温度を測定して、この温度を前述の制御、監視の対象としたい場合に、本実施形態のカートリッジヒータ１ｃを適用することができる。

シース熱電対３の設置位置が異なる他は、第１及び第２の実施形態と同じ構成であり、その特徴も同じであるので、説明は省略する。

以上説明した第１乃至第３の実施形態のカートリッジヒータ１ａ、１ｂ、１ｃの製作例を挙げると、形状は鞘管２の外径を１０ｍｍ、長さを１００ｍｍとし、シース熱電対３は一対の熱電対素線３２を収容した外径０．５ｍｍのものとした。主要材質は、鞘管４及びシース熱電対３のシース３１をＳＵＳ３１６とし、シース熱電対３の熱電対素線３２の種類はＫ熱電対素線とした。また、無機絶縁材粉末７、３３の材質はマグネシアとした。もちろん形状、材質はこれらに限ったものではない。

なお、第１乃至第３の実施形態のカートリッジヒータ１ａ、１ｂ、１ｃでは、シース熱電対３を１本としたが、シース熱電対３を、例えば第１または第２の実施形態の位置と第３の実施形態の位置に２本設けたカートリッジヒータとしてもよく、さらには３本以上設けたカートリッジヒータとしてもよい。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、図１に示した第１の実施形態のカートリッジヒータ１ａの製作方法である。図５は本発明の第１の実施形態のカートリッジヒータ１ａの製作方法を示す断面図で、これに沿ってその製作方法を説明する。

図５（ａ）及び（ｂ）はカートリッジヒータ１ａ製作過程を、図５（ｃ）はカートリッジヒータ１ａの仕上がり状態を示す軸方向断面図、図５の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそれぞれ、図５（ａ）のＬ−Ｌ、Ｍ−Ｍ、Ｎ−Ｎ断面を示す図であり、図５（ａ）は図５（ｄ）のＯ−Ｏ断面を示す図である。図５（ｂ）、（ｃ）は、図５（ａ）と同一断面の製作進行に伴う変化を示しており、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において符号は原則としてその部品が最初に現れる箇所にのみ付している。また、図５においてシース熱電対３は外形で示しており、シース熱電対３の断面は図４に示したとおりである。

図５（ａ）に示すように、外側面に発熱線６を巻き付けても合わせた外径が後述する縮径前の鞘管４の内径より小さい径の円柱形であって、末端面から軸方向の略中央まで穿たれたシース熱電対挿入穴１３１、及びシース熱電対挿入穴１３１と離れた位置にある２つの軸方向のリード線貫通孔１４１とを持つ円柱碍子１２１と、鞘管４の後述する縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、少なくとも２箇所に軸方向に貫通した切り欠き部１８１が設けられ、また貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子１５１と、鞘管４の後述する縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、少なくとも２箇所に軸方向に貫通した切り欠き部１１１が設けられ、また軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子１０１と、を無機絶縁材粉末と水とバインダーとの混合物を焼成して先ず製作する（碍子製作工程）。ここで、末端部碍子１０１のシース熱電対貫通孔の末端部碍子１０１の中心軸からの距離は、円柱碍子１２１のシース熱電対挿入穴１３１の円柱碍子１２１の中心軸からの距離に等しく作られており、また、先端部碍子１５１の２つのそれぞれのリード線挿入穴の先端部碍子１５１の中心軸からの距離、及び末端部碍子１０１の２つのそれぞれのリード線貫通孔の末端部碍子１０１の中心軸からの距離は、円柱碍子１２１の２つのそれぞれのリード線貫通孔の円柱碍子１２１の中心軸からの距離に等しく作られている。

２本の剛性のあるリード線８を円柱碍子１２１の２つのリード線貫通孔１４１に挿通し、発熱線６を円柱碍子１２１の外側面にコイル状に巻きつけ、その発熱線６の先端側の端を１本のリード線８の円柱碍子の先端面から出た部分６１に、その発熱線６の末端側の端を他の１本のリード線８の円柱碍子１２１の末端面から出た部分６２に接合する。次に、末端部碍子１０１の２つのリード線貫通孔にリード線８の末端部を挿通して当リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定するとともに、シース熱電対３を末端部碍子１０１のシース熱電対貫通孔に先端から挿通し、次いでシース熱電対３の先端が円柱碍子１２１のシース熱電対挿入穴１３１の底面に接するまで挿入して末端部碍子１０１のシース熱電対貫通孔ならびに円柱碍子１２１のシース熱電対挿入穴１３１に絶縁性接着剤で固定し、続いて先端部碍子１５１の２つのリード線挿入穴に２本のリード線８の先端を嵌め込んで絶縁性接着剤で嵌め込み部を固定して内装物に組み立てる（内装物組立工程）。

続いて、内側方向に滑らかな凸形状となった円盤状の先端蓋５を、鞘管４の先端開口に全周溶接により鞘管４の外径より突出しない状態に取り付け、鞘管４の末端開口より、組み立てた内装物をその先端側から先端部碍子１５１が先端蓋５に接するまで挿入し、鞘管４の先端を下にして略鉛直に立てる。これが図５（ａ）に示す状態であり、引き続いて、無機絶縁材粉末７１を末端部碍子１０１の切り欠き部１１１より、その下方の鞘管４、先端蓋５及び内装物の相互間にある隙間に充填する（全体組立工程）。この状態が図５（ｂ）である。なお、本実施形態では、先端蓋５を内側方向に滑らかな凸形状としたが、これに限らず、外側方向に滑らかな凸形状としてもよい。

続いて、鞘管４の外部から機械的な径方向の力を加えて鞘管４を縮径し、これによって内部の円柱碍子１２１、先端部碍子１５１及び末端部碍子１０１が粉砕されて無機絶縁材粉末に戻ったものと、上記の鞘管４に充填された無機絶縁材粉末７１とが高密度に充填された状態の無機絶縁材粉末７とし、最後に、鞘管４の末端開口に末端栓９を取り付ける（仕上げ工程）。このようにして図５（ｃ）に示す第１の実施形態のカートリッジヒータ１ａを製作することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、図２に示した第２の実施形態のカートリッジヒータ１ｂの製作方法である。図６は本発明の第２の実施形態のカートリッジヒータ１ｂの製作方法を示す断面図で、これに沿ってその製作方法を説明する。

図６（ａ）及び（ｂ）はカートリッジヒータ１ｂの製作過程を、図６（ｃ）はカートリッジヒータ１ｂの仕上がり状態を示す軸方向断面図、図６の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそれぞれ、図６（ａ）のＰ−Ｐ、Ｑ−Ｑ、Ｒ−Ｒ断面を示す図であり、図６（ａ）は図６（ｄ）のＩ−Ｉ断面を示す図である。図６（ｂ）、（ｃ）は、図６（ａ）と同一断面の製作進行に伴う変化を示しており、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において符号は原則としてその部品が最初に現れる箇所にのみ付している。また、図６においてシース熱電対３は外形で示しており、シース熱電対３の断面は図４に示したとおりである。

図６（ａ）に示すように、外側面に発熱線６を巻き付けても合わせた外径が後述する縮径前の鞘管４の内径より小さい径の円柱形であって、軸方向のシース熱電対貫通孔１３２、及び当シース熱電対貫通孔１３２と離れた位置にある２つの軸方向のリード線貫通孔１４２を持つ円柱碍子１２２と、鞘管４の後述する縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、少なくとも２箇所に軸方向に貫通した切り欠き部１８２が設けられ、また軸方向のシース熱電対貫通孔、及び貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子１５２と、鞘管４の後述する縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、少なくとも２箇所に軸方向に貫通した切り欠き部１１２が設けられ、軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子１０２と、を無機絶縁材粉末と水とバインダーとの混合物を焼成して先ず製作する（碍子製作工程）。ここで、先端部碍子１５２のシース熱電対貫通孔の先端部碍子１５２の中心軸からの距離、及び末端部碍子１０２のシース熱電対貫孔の末端部碍子１０２の中心軸からの距離は、円柱碍子１２２のシース熱電対貫通孔１３２の円柱碍子１２２の中心軸からの距離に等しく作られており、また、先端部碍子１５２の２つのそれぞれのリード線挿入穴の先端部碍子１５２の中心軸からの距離、及び末端部碍子１０２の２つのそれぞれのリード線貫通孔の末端部碍子１０２の中心軸からの距離は、円柱碍子１２２の２つのそれぞれのリード線貫通孔１４２の円柱碍子１２２の中心軸からの距離に等しく作られている。

２本の剛性のあるリード線８を円柱碍子１２２の２つのリード線貫通孔１４２に挿通し、発熱線６を円柱碍子１２２の外側面にコイル状に巻きつけ、その発熱線６の先端側の端を１本のリード線８の円柱碍子１２２の先端面から出た部分６１に接合し、その発熱線６の末端側の端を他の１本のリード線８の円柱碍子１２２の末端面から出た部分６２に接合し、次に、末端部碍子１０２の２つのリード線貫通孔にリード線８の末端部を挿通して当リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定するとともに、シース熱電対３を末端部碍子１０２のシース熱電対貫通孔に、次いで円柱碍子１２２のシース熱電対貫通孔１３２に先端から挿通して末端部碍子１０２のシース熱電対貫通孔ならびに円柱碍子１２２のシース熱電対貫通孔１３２に絶縁性接着剤で固定し、続いて先端部碍子１５２のシース熱電対貫通孔にシース熱電対３の先端を挿通するとともに、先端部碍子１５２の２つのリード線挿入穴に２本のリード線８の先端を嵌め込んで絶縁性接着剤で嵌め込み部を固定して内装物に組み立てる（内装物組立工程）。

続いて、外側方向に滑らかな凸形状となった円盤状の先端蓋５を、鞘管４の先端開口に全周溶接により鞘管４の外径より突出しない状態に取り付け、鞘管４の末端開口より、組み立てた内装物をその先端側からシース熱電対３の先端が先端蓋１５２に接するまで挿入し、鞘管４の先端を下にして略鉛直に立てる。これが図６（ａ）に示す状態であり、引き続いて、無機絶縁材粉末７１を末端部碍子１０２の切り欠き部１１２より、その下方の鞘管４、先端蓋５及び内装物の相互間にある隙間に充填する（全体組立工程）。この状態が図６（ｂ）である。なお、本実施形態では、先端蓋５を外側方向に滑らかな凸形状としたが、これに限らず、内側方向に滑らかな凸形状としてもよい。

続いて、鞘管４の外部から機械的な径方向の力を加えて鞘管４を縮径し、これによって内部の円柱碍子１２２、先端部碍子１５２及び末端部碍子１０２が粉砕されて無機絶縁材粉末に戻ったものと、上記の鞘管４に充填された無機絶縁材粉末７１とが高密度に充填された状態の無機絶縁材粉末７とし、次に、鞘管４の末端開口に末端栓９を取り付ける（仕上げ工程）。このようにして図６（ｃ）に示す第２の実施形態のカートリッジヒータ１ｂを製作することができる。

カートリッジヒータ１ｂの本製作方法において、図６（ａ）に示すシース熱電対３の先端を発熱線６のコイル軸方向の略中央とし、その下部に、無機絶縁材粉末と水とバインダーとの混合物を焼成して作ったシース熱電対３と略同径の棒状の碍子を入れることにより、図１に示す第１の実施形態のカートリッジヒータ１ａを製作することもできる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、図３に示した第３の実施形態のカートリッジヒータ１ｃの製作方法である。図７は本発明の第３の実施形態のカートリッジヒータ１ｃの製作方法を示す断面図で、これに沿ってその製作方法を説明する。

図７（ａ）及び（ｂ）はカートリッジヒータ１ｃの製作過程を、図７（ｃ）はカートリッジヒータ１ｃの仕上がり状態を示す軸方向断面図、図７の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそれぞれ、図７（ａ）のＴ−Ｔ、Ｕ−Ｕ、Ｗ−Ｗ断面を示す図であり、図７（ａ）は図７（ｄ）にＸ−Ｘで示す鎖線に沿った断面を示す図である。図７（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）と同一断面の製作進行に伴う変化を示しており、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において符号は原則としてその部品が最初に現れる箇所にのみ付している。また、図７においてシース熱電対３は外形で示しており、シース熱電対３の断面は図４に示したとおりである。

図７（ａ）に示すように、鞘管４の後述する縮径前の内面と略接する外径の円筒形であって、外側面に末端面から先端に向かって軸方向のシース熱電対設置溝１７３が切られた円筒碍子１６３と、外側面に発熱線６を巻き付けても合わせた外径が円筒碍子１６３の内径より小さい径の円柱形であって、２つの軸方向のリード線貫通孔１４３を持つ円柱碍子１２３と、円筒碍子１６３の内面に略接する外径の平らな円盤状で、少なくとも２箇所に軸方向に貫通した切り欠き部１８３が設けられ、また貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子１５３と、円筒碍子１６３の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部１１３が少なくとも２箇所に設けられ、また軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子１０３と、を無機絶縁材粉末と水とバインダーとの混合物を焼成して先ず製作する（碍子製作工程）。 ここで、先端部碍子１５３の２つのそれぞれのリード線挿入穴の先端部碍子１５３の中心軸からの距離、及び末端部碍子１０３の２つのそれぞれのリード線貫通孔の末端部碍子１０３の中心軸からの距離は、円柱碍子１２３の２つのそれぞれのリード線貫通孔１４３の円柱碍子１２３の中心軸からの距離に等しく作られている。

２本の剛性のあるリード線８を円柱碍子１２３の２つのリード線貫通孔１４３に挿通し、発熱線６を円柱碍子１２３の外側面にコイル状に巻きつけ、その発熱線６の先端側の端を１本のリード線８の円柱碍子１２３の先端面から出た部分６１に、その発熱線６の末端側の端を他の１本のリード線８の円柱碍子１２３の末端面から出た部分に接合するとともに、２本のリード線８を挿通した円柱碍子１２３のリード線貫通孔１４３に絶縁性接着剤で固定し、次に、末端部碍子１０３の２つのリード線貫通孔にリード線８の末端部を挿通して絶縁性接着剤でそのリード線貫通孔に固定し、次いで、先端部碍子１５３の２つのリード線挿入穴に２本のリード線８の先端を嵌め込んで絶縁性接着剤で嵌め込み部を固定して内装物に組み立てる（内装物組立工程）。

続いて、内側方向に滑らかな凸形状となった円盤状の先端蓋５を、鞘管４の先端開口に全周溶接により鞘管４の外径より突出しない状態に取り付け、鞘管４の末端開口より、円筒碍子１６３をその先端が先端蓋５に接するまで挿入するとともに、円筒碍子１６３のシース熱電対設置溝１７３にシース熱電対３を先端からシース熱電対設置溝１７３の先端まで挿入し、続いて、組み立てた内装物をその先端側から先端部碍子１５３が先端蓋５に接するまで円筒碍子１６３の内側に挿入し、鞘管４の先端を下にして略鉛直に立てる。これが図７（ａ）に示す状態であり、引き続いて、無機絶縁材粉末７１を末端部碍子１０３の切り欠き部１１３より、その下方の鞘管４、先端蓋５及び内装物の相互間にある隙間に充填する（全体組立工程）。この状態が図６（ｂ）である。なお、本実施形態では、先端蓋５を内側方向に滑らかな凸形状としたが、これに限らず、外側方向に滑らかな凸形状としてもよい。

続いて、鞘管４の外部から機械的な径方向の力を加えて鞘管４を縮径し、これによって内部の円筒碍子１６３、円柱碍子１２３、先端部碍子１５３及び末端部碍子１０３が粉砕されて無機絶縁材粉末に戻ったものと、上記の鞘管４に充填された無機絶縁材粉末７１とが高密度に充填された状態の無機絶縁材粉末７とし、次に、鞘管４の末端開口に末端栓９を取り付ける（仕上げ工程）。このようにして図７（ｃ）に示す第３の実施形態のカートリッジヒータ１ｃを製作することができる。

（第４乃至第６の実施形態共通）
以上の第４乃至第６の実施形態の製作方法において、先端部碍子１５１、１５２、１５３と末端部碍子１０１、１０２、１０３には少なくとも２つの切り欠き部が設けてあるので、無機絶縁材粉末７１の充填の際に同無機絶縁材粉末７１が隙間に行き渡り易く、また、充填においては、鞘管４に振動を与えれば、隙間により行き渡り易い。

碍子製作工程での碍子製作に関し、第４乃至第６の実施形態の製作方法では、無機絶縁材粉末と水とバインダーとの混合物を焼成して碍子を製作したが、製作装置がバインダーを必要としない型式であればバインダーを混ぜることは不要である。

次に、先端蓋５は滑らかな凸形状の板であるので、縮径の際に鞘管４へ外部から加えられる径方向の機械的な力が凸形状面の高さが高くなることによって吸収され、先端蓋５が縮径によって壊れることがない。この先端蓋５は、上述したように、内側方向に滑らかな凸形状としてもよいし、外側方向に滑らかな凸形状としてもよい。

この縮径の際に鞘管４の径方向に加える機械的な力は、例えばダイス引きやスエージングにより加えることができる。なお、縮径の際、内装されている末端部碍子１０１、１０２、１０３、円柱碍子１２１、１２２、１２３、先端部碍子１５１、１５２、１５３、円筒碍子１６３とこれら碍子が粉砕された無機絶縁材粉末、及び鞘管４内に充填された無機絶縁材粉末７１を経由して受ける圧縮力によって、発熱線６、リード線８及びシース熱電対３も細くなるが、これらの減径率は小さいので図４乃至図７には明示していない。

また、第４乃至第６の実施形態の製作方法で作ったカートリッジヒータ１ａ、１ｂ、１ｃは、無機絶縁材粉末７が高密度に充填されているので、熱伝導がよく、発熱線６の熱が被加熱物に伝わり易い利点を持つ。なお、製作過程で固定に使用された絶縁性接着剤は仕上り状態では役目を終えており、粉砕された同絶縁性接着剤は無機絶縁材粉末７の中に混合している。絶縁性接着剤としては例えばセラミック系接着剤が使用できる。さらには、絶縁性接着剤による固定ではなく、リード線８を嵌め込む先端部碍子１５１、１５２、１５３のリード線挿入穴、及びリード線８を挿通する末端部碍子１０１、１０２、１０３のリード線貫通孔と円柱碍子１２３のリード線貫通孔１４３の径を細くして、リード線８とこれら各挿入穴、各貫通孔との摩擦力によってリード線８を固定してもよい。シース熱電対３を挿通する末端部碍子１０１、１０２のシース熱電対貫通孔、及び円柱碍子１２１のシース熱電対挿入穴１３１と円柱碍子１２２のシース熱電対貫通孔１３２についても同様に径を細くして摩擦力によるシース熱電対３の固定をしてもよい。

第４乃至第６の実施形態のカートリッジヒータ１ａ、１ｂ、１ｃの製作方法において、発熱線６のリード線８への図５と図６の６１、６２、図７の６１の箇所での接合については、第１の実施形態で説明したように、溶接によってもよいし、発熱線６をリード線８に巻き付けて締結することによってもよい。なお、図７には、図５と図６の６２に相当する箇所は図示されていないが、その箇所の接合においても、上記と同様である。

以上が本発明を実施するための形態であるが、本発明は、もとより上記実施形態によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。

熱電対素線を内蔵したカートリッジヒータは産業界で広く利用されているヒータであり、本発明によるカートリッジヒータはこれに代わるヒータとして利用できる。

１ａ 本発明によるカートリッジヒータ（第１の実施形態）
１ｂ 本発明によるカートリッジヒータ（第２の実施形態）
１ｃ 本発明によるカートリッジヒータ（第３の実施形態）
２ 従来のカートリッジヒータ
３ シース熱電対
４ 鞘管
５ 先端蓋
６ 発熱線
７ 無機絶縁材粉末
８ リード線
９ 末端栓
１０１ 末端部碍子（第１の実施形態）
１０２ 末端部碍子（第２の実施形態）
１０３ 末端部碍子（第３の実施形態）
１２１ 円柱碍子（第１の実施形態）
１２２ 円柱碍子（第２の実施形態）
１２３ 円柱碍子（第３の実施形態）
１５１ 先端部碍子（第１の実施形態）
１５２ 先端部碍子（第２の実施形態）
１５３ 先端部碍子（第３の実施形態）
１６３ 円筒碍子（第３の実施形態）

Claims (11)

1. 金属製の鞘管と、
   前記鞘管の先端開口に該鞘管の外径より突出しない状態で全周溶接により取り付けられ、該鞘管の先端開口を密閉する金属製の先端蓋と、
   コイル形状であって、該コイルの中心軸が前記鞘管の中心軸と略一致する状態で該鞘管内に設けられた、電気抵抗の大きい金属を材質とする発熱線と、
   略直線状であって、末端が前記鞘管の末端から外部に出た状態で該鞘管内に２本設けられ、該２本中の１本は前記発熱線の先端部が接合され、他の１本は該発熱線の末端部が接合された、金属製のリード線と、
   略直線状であって、末端が前記鞘管の末端から外部に出た状態で該鞘管内に設けられており、金属製で管状のシースの中に無機絶縁材粉末を介在させて一対または複数対の熱電対素線が収容され、該シースの先端は溶接により密閉され、該シースの末端はシール材により該熱電対素線が貫通した状態で密閉されていて、各対の該熱電対素線は該シース内の先端近くで接合されて測温点が形成されている構造を持つシース熱電対と、
   ２本の前記リード線及び前記シース熱電対が貫通した状態で前記鞘管の末端開口に設けられた、絶縁材を材質とする末端栓と、
   前記鞘管内の前記発熱線、前記リード線、前記シース熱電対、前記先端蓋、前記末端栓ならびに前記鞘管の相互間の隙間に充填された無機絶縁材粉末と、を有し、
   前記鞘管、前記先端蓋、前記発熱線及び前記リード線は、前記鞘管と前記先端蓋との前記全周溶接部、及び前記発熱線の先端と末端の前記リード線との接合部を除き互いに接触しない位置、また前記シース熱電対は、前記発熱線及び前記リード線と接触しない位置に設けられたカートリッジヒータ。
2. 前記シース熱電対は、中心軸が前記鞘管の中心軸と略平行でかつ前記発熱線のコイルの内側に設けられ、先端が前記発熱線のコイルの軸方向の略中央に位置するように設置された請求項１に記載のカートリッジヒータ。
3. 前記シース熱電対は、中心軸が前記鞘管の中心軸と略平行でかつ前記発熱線のコイルの内側に設けられ、先端が前記先端蓋の内面と接するように設置された請求項１に記載のカートリッジヒータ。
4. 前記シース熱電対は、中心軸が前記鞘管の中心軸と略平行でかつ該鞘管内面に沿った位置に設置された請求項１に記載のカートリッジヒータ。
5. 前記シース熱電対が複数本設置された請求項１に記載のカートリッジヒータ。
6. 外側面に前記発熱線が巻き付けられた外径が前記鞘管の下記縮径前の内径より小さい円柱形であって、末端面から軸方向の略中央まで軸方向に穿たれたシース熱電対挿入穴、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた円柱碍子と、前記鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子と、前記鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子と、を無機絶縁材粉末と水の混合物を焼成して製作する、碍子製作工程と、
   ここで、前記末端部碍子のシース熱電対貫通孔の該末端部碍子の中心軸からの距離は、前記円柱碍子のシース熱電対挿入穴の該円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、また、前記先端部碍子の２つのそれぞれのリード線挿入穴の該先端部碍子の中心軸からの距離、及び前記末端部碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の該末端部碍子の中心軸からの距離は、前記円柱碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の該円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、
   前記碍子製作工程に続いて、剛性を有する太さの２本の前記リード線を前記円柱碍子の２つのリード線貫通孔にそれぞれ挿通し、該円柱碍子の外側面に前記発熱線をコイル状に巻き付け、該発熱線の先端部を１本の該リード線の該円柱碍子の先端面から出た部分と接合し、該発熱線の末端部を他の１本の該リード線の該円柱碍子の末端面から出た部分に接合し、次に、前記末端部碍子の２つのリード線貫通孔に前記リード線の末端部をそれぞれ挿通して該リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定するとともに、前記シース熱電対を該末端部碍子のシース熱電対貫通孔に先端から挿通し、次いで該シース熱電対の先端が前記円柱碍子のシース熱電対挿入穴の底面に接するまで挿入して該末端部碍子のシース熱電対貫通孔ならびに該円柱碍子のシース熱電対挿入穴に絶縁性接着剤で固定し、続いて２本の前記リード線の先端を前記先端部碍子の２つのリード線挿入穴にそれぞれ嵌め込んで絶縁性接着剤で該嵌め込み部を固定することにより内装物に組み立てる、内装物組立工程と、
   続いて、内側方向または外側方向に滑らかな凸形状をした円盤状の前記先端蓋を、前記鞘管の先端開口に該鞘管の外径より突出しない状態で前記全周溶接により取り付け、該鞘管の末端開口より、前記内装物組立工程において組み立てた前記内装物を、該内装物の先端側から前記先端部碍子が前記先端蓋に達するまで挿入し、該鞘管の先端を下にして略鉛直に立て、無機絶縁材粉末を前記末端部碍子の前記切り欠き部より、その下方の前記鞘管、前記先端蓋、及び前記内装物の相互間の隙間に充填する、全体組立工程と、
   続いて、前記鞘管の外部から機械的な力を該鞘管の径方向に加えて該鞘管を縮径することによって、該鞘管の内部の前記円柱碍子、前記先端部碍子及び前記末端部碍子が粉砕された無機絶縁材粉末と、前記全体組立工程で鞘管に充填した無機絶縁材粉末とにより、該鞘管内に前記無機絶縁材が高密度に充填された状態とし、次に、前記鞘管の末端開口に前記末端栓を取り付ける、仕上げ工程と、を有する請求項２に記載のカートリッジヒータの製作方法。
7. 外側面に前記発熱線が巻き付けられた外径が前記鞘管の下記縮径前の内径より小さい円柱形であって、軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた円柱碍子と、前記鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また軸方向のシース熱電対貫通孔、及び貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子と、前記鞘管の下記縮径前の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、軸方向のシース熱電対貫通孔、及び軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子と、を無機絶縁材粉末と水の混合物を焼成して製作する、碍子製作工程と、
   ここで、前記先端部碍子のシース熱電対貫通孔の該先端部碍子の中心軸からの距離、及び前記末端部碍子のシース熱電対貫孔の該末端部碍子の中心軸からの距離は、前記円柱碍子のシース熱電対貫通孔の該円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、また、前記先端部碍子の２つのそれぞれのリード線挿入穴の該先端部碍子の中心軸からの距離、及び前記末端部碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の該末端部碍子の中心軸からの距離は、前記円柱碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の該円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、
   前記碍子製作工程に続いて、剛性を有する太さの２本の前記リード線を前記円柱碍子の２つのリード線貫通孔にそれぞれ挿通し、該円柱碍子の外側面に前記発熱線をコイル状に巻き付け、該発熱線の先端部を１本の該リード線の該円柱碍子の先端面から出た部分と接合し、該発熱線の末端部を他の１本の該リード線の該円柱碍子の末端面から出た部分に接合し、次に、前記末端部碍子の２つのリード線貫通孔に前記リード線の末端部をそれぞれ挿通して該リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定するとともに、前記シース熱電対を該末端部碍子のシース熱電対貫通孔、次いで前記円柱碍子のシース熱電対貫通孔に先端から挿通して、該末端部碍子のシース熱電対貫通孔ならびに該円柱碍子のシース熱電対貫通孔に絶縁性接着剤で固定し、続いて前記先端部碍子のシース熱電対貫通孔に前記シース熱電対の先端を挿通するとともに、２本の前記リード線の先端を前記先端部碍子の２つのリード線挿入穴にそれぞれ嵌め込んで絶縁性接着剤で該嵌め込み部を固定することにより内装物に組み立てる、内装物組立工程と、
   続いて、内側方向または外側方向に滑らかな凸形状をした円盤状の前記先端蓋を、前記鞘管の先端開口に該鞘管の外径より突出しない状態で前記全周溶接により取り付け、該鞘管の末端開口より、前記内装物組立工程において組み立てられた前記内装物を、該内装物の先端側から前記シース熱電対の先端が前記先端蓋に接するまで挿入し、該鞘管の先端を下にして略鉛直に立て、無機絶縁材粉末を前記末端部碍子の前記切り欠き部より、その下方の前記鞘管、前記先端蓋及び前記内装物の相互間の隙間に充填する、全体組立工程と
   続いて、前記鞘管の外部から機械的な力を前記鞘管の径方向に加えて該鞘管を縮径することによって、該鞘管の内部の前記円柱碍子、前記先端部碍子及び前記末端部碍子が粉砕された無機絶縁材粉末と、前記全体組立工程で鞘管に充填した無機絶縁材粉末とにより、該鞘管内に前記無機絶縁材粉末が高密度に充填された状態とし、次に、前記鞘管の末端開口に前記末端栓を取り付ける、仕上げ工程と、を有する請求項３に記載のカートリッジヒータの製作方法。
8. 前記鞘管の下記縮径前の内面と略接する外径の円筒形であって、外側面に末端面から先端に向かって軸方向にシース熱電対設置溝が設けられた円筒碍子と、外側面に前記発熱線が巻き付けられた外径が前記円筒碍子の内径より小さい円柱形であって、軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた円柱碍子と、前記円筒碍子の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また貫通していない軸方向の２つのリード線挿入穴が設けられた先端部碍子と、前記円筒碍子の内面に略接する外径の平らな円盤状で、軸方向に貫通した切り欠き部が少なくとも２箇所に設けられ、また軸方向の２つのリード線貫通孔が設けられた末端部碍子と、を無機絶縁材粉末と水の混合物を焼成して製作する、碍子製作工程と、
   ここで、前記先端部碍子の２つのそれぞれのリード線挿入穴の該先端部碍子の中心軸からの距離、及び前記末端部碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の該末端部碍子の中心軸からの距離は、前記円柱碍子の２つのそれぞれのリード線貫通孔の該円柱碍子の中心軸からの距離に等しく作られており、
   前記碍子製作工程に続いて、剛性を有する太さの２本の前記リード線を前記円柱碍子の２つのリード線貫通孔にそれぞれ挿通し、該円柱碍子の外側面に前記発熱線をコイル状に巻き付け、該発熱線の先端部を１本の該リード線の該円柱碍子の先端面から出た部分と接合し、該発熱線の末端部を他の１本の該リード線の該円柱碍子の末端面から出た部分に接合するとともに、２本の前記リード線を該円柱碍子の該リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定し、次に、前記末端部碍子の２つのリード線貫通孔に前記リード線の末端部をそれぞれ挿通して該リード線貫通孔に絶縁性接着剤で固定し、次いで、２本の前記リード線の先端を前記先端部碍子の２つのリード線挿入穴にそれぞれ嵌め込んで絶縁性接着剤で該嵌め込み部を固定することにより内装物に組み立てる、内装物組立工程と、
   続いて、内側方向または外側方向に滑らかな凸形状をした円盤状の前記先端蓋を、前記鞘管の先端開口に該鞘管の外径より突出しない状態で前記全周溶接により取り付け、該鞘管の末端開口より、前記円筒碍子を先端側から前記先端蓋に接するまで挿入するとともに、前記円筒碍子のシース熱電対設置溝に前記シース熱電対を先端から該シース熱電対設置溝の先端まで挿入し、続いて、該内装物組立工程において組み立てた前記内装物を、該内装物の先端側から前記先端部碍子が前記先端蓋に達するまで前記円筒碍子の内側に挿入し、該鞘管の先端を下にして略鉛直に立て、無機絶縁材粉末を前記末端部碍子の前記切り欠き部より、その下方の前記鞘管、前記先端蓋及び前記内装物の相互間の隙間に充填する、全体組立工程と、
   続いて、前記鞘管の外部から機械的な力を前記鞘管の径方向に加えて前記鞘管を縮径することによって、該鞘管の内部の前記円筒碍子、前記円柱碍子、前記先端部碍子及び前記末端部碍子が粉砕された無機絶縁材粉末と、前記全体組立工程で鞘管に充填された無機絶縁材粉末とにより、該鞘管内に前記無機絶縁材粉末が高密度に充填された状態とし、次に、前記鞘管の末端開口に前記末端栓を取り付ける、仕上げ工程と、を有する請求項４に記載のカートリッジヒータの製作方法。
9. 前記リード線と、該リード線が挿通される前記円柱碍子ならびに前記末端部碍子のリード線貫通孔との固定、前記リード線と、該リード線が挿入される前記先端部碍子のリード線挿入穴との固定、前記シース熱電対と、該シース熱電対が挿入される前記円柱碍子のシース熱電対挿入穴、または該シース熱電対が挿通される前記円柱碍子のシース熱電対貫通孔との固定、及び、前記シース熱電対と、該シース熱電対が挿通される前記先端部碍子のシース熱電対貫通孔との固定を行う絶縁性接着剤としてセラッミク系接着剤を用いる請求項６乃至８のいずれか１項に記載のカートリッジヒータの製作方法。
10. 前記リード線と、該リード線が挿通される前記円柱碍子ならびに前記末端部碍子のリード線貫通孔との固定、前記リード線と、該リード線が挿入される前記先端部碍子のリード線挿入穴との固定、前記シース熱電対と、該シース熱電対が挿入される前記円柱碍子のシース熱電対挿入穴、または該シース熱電対が挿通される前記円柱碍子のシース熱電対貫通孔との固定、及び、前記シース熱電対と、該シース熱電対が挿通される前記先端部碍子のシース熱電対貫通孔との固定を、絶縁性接着剤を用いず、これらの貫通孔径、穴径を細く作ることにより、摩擦力で固定する請求項６乃至８のいずれか１項に記載のカートリッジヒータの製作方法。
11. 前記碍子製作工程の混合物は、無機絶縁材粉末と水とバインダーからなる請求項６乃至８のいずれか１項に記載のカートリッジヒータの製作方法。
    

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