JP6831502B2

JP6831502B2 - 熱風ヒーター

Info

Publication number: JP6831502B2
Application number: JP2016144388A
Authority: JP
Inventors: 茂浅田
Original assignee: 有限会社フィンテック
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2036-07-22
Also published as: JP2018014290A

Description

本発明は、熱風ヒーターに関する。

従来、熱風ヒーターとして種々の形態のものが知られているが、その一つとして、コイル状電熱線からなる発熱体を通電加熱することにより加熱を行う熱風ヒーターが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような熱風ヒーターは、図５の概略構成断面図に示すように、コイル状電熱線からなる発熱体１００と、当該発熱体１００の内部空間に挿入される絶縁性材料からなる芯材１０１と、芯材１０１に発熱体をセットすることにより構成される構造物を被覆する管状のガラス管１０２等とを備えている。芯材１０１は中空状に形成されており、発熱体１００の端部に接続する導線を芯材内部に配置できるように構成されている。また、このような構成のヒーターの一方端には、空気供給源が接続されており、供給された空気を加熱してヒーターの吹出し口から熱風を吹き出すことができるように構成されている。

特開２０００−２００６７１号公報

上述の熱風ヒーターにおいては、吹き出される空気温度を一定に保つために、或いは、所望の空気温度に変更する等のために、熱風温度計測用の温度センサーをその内部に備え、当該温度センサーによる検出温度に基づいて、コントローラが、ヒーター内部の発熱体に供給される電力をコントロールし、発熱体の発熱温度が制御されている。熱風ヒーターの内部に配置された温度センサーは、発熱体１００を通過した直後の空気温度を計測するために、図５に示されるように、芯材１０１の先端部と、熱風吹き出し口との間にある空間に、温度測定点１０３がセッティングされるように構成されている。

しかしながら、このような従来構成の熱風ヒーターにおいては、発熱体を通過した熱風の流れが乱れていることに起因して、温度センサーによって測定される温度にバラつきが生じやすく、安定した温度測定が難しいという問題があった。従来構成の熱風ヒーターは、このように測定温度にバラつきが生じやすい温度センサーの検出温度に基づいて、ヒーター内部の発熱体に供給される電力をコントロールし、発熱体の発熱温度を制御するものであることから、熱風ヒーターから吹き出されワークに付与される熱量が大きくバラつき、ワークに対する加熱能力が一定にならないおそれがあった。

また、従来構成の熱風ヒーターにおいて、仮に、空気供給源からの空気の供給がストップしたり、極端に供給空気量が減少するような異常事態が発生した場合、発熱体が発した熱を温度センサーの温度測定点に運ぶ熱キャリアが無くなる為、温度センサーは、低い温度しか指示しなくなる。その結果、熱風ヒーターの温度制御を行うコントローラは、熱風温度を上昇させようとして、多くの電力を発熱体に供給してしましい、短時間で熱暴走に発展し、発熱体が過熱焼損するというおそれもあった。

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、測定される温度にバラつきが発生することを効果的に抑制することができると共に、発熱体の過熱焼損を効果的に抑制することができる熱風ヒーターを提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、供給された空気を加熱して吹き出す熱風ヒーターであって、気体の供給口及び吹出し口をそれぞれ両端に有する筒状のケーシングと、前記ケーシング内に配設される絶縁体芯棒と、前記絶縁体芯棒の周囲に配設される発熱体と、温度測定用の温度センサーと、を備えており、前記温度センサーの温度測定点は、前記絶縁体芯棒の内部に配置されており、前記温度センサーは、熱電対であり、前記絶縁体芯棒は、その内部に、前記熱電対を構成する第１金属線、及び、前記熱電対を構成する第２金属線が独立してそれぞれ挿通される第１貫通孔及び第２貫通孔を備えており、前記熱電対における前記第１金属線は、第１の金属材料から形成されており、前記熱電対における前記第２金属線は、前記第１の金属材料からなる第１金属線部と、前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなる第２金属線部と、前記第１金属線部及び前記第２金属線部の接続点である温度測定点とを備えており、前記第１金属線の一方端は、前記第１貫通孔を介して、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端縁から突出しており、前記第２金属線における前記第１金属線部の一方端は、前記第２貫通孔を介して、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端縁から突出しており、前記第１金属線の一方端と、前記第２金属線における前記第１金属線部の一方端とは、溶接接続されていることを特徴とする熱風ヒーターにより達成される。

また、この熱風ヒーターにおいて、前記発熱体は、前記絶縁体芯棒の周囲に配設されるコイル状電熱線であることが好ましい。

また、前記温度センサーの温度測定点は、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端部近傍に配置されていることが好ましい。

また、前記温度センサーの温度測定点は、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端縁から、前記絶縁体芯棒の長さ寸法の３０％以下の領域に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、測定される温度にバラつきが発生することを効果的に抑制することができると共に、発熱体の過熱焼損を効果的に抑制することができる熱風ヒーターを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる熱風ヒーターの概略構成断面図である。図２に示す熱風ヒーターにおける絶縁体芯棒に設けられる規制部材の正面図である。本願に係る熱風ヒーター１を製造する方法を説明するための説明図である。本発明の一実施形態に係る熱風ヒーターが用いられる熱風ヒーターコントロールシステムの概略構成を示すブロック図である。従来の熱風ヒーターの概略構成断面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる熱風ヒーター１の概略構成断面図である。本発明に係る熱風ヒーター１は、供給された空気を加熱して熱風として吹き出すことによりワークを加熱する加熱手段であり、例えば、はんだ付けやろう付け、その他の加熱処理に供されるものである。この熱風ヒーター１は、図１に示すように、ケーシング２と、絶縁体芯棒３と、発熱体４と、温度センサー５とを備えている。

ケーシング２は、気体の供給口及び吹出し口をそれぞれ両端に有する筒状の形態を有しており、絶縁体芯棒３と、当該絶縁体芯棒３の外周を被覆するように配設された発熱体４とからなる構造物を更に被覆するための部材である。このケーシング２としては、例えば、石英ガラス管や、セラミックス管、金属管、石英ガラス管の外周を金属管で被覆した複合管等、種々の管体を使用することができる。本実施形態においては、ケーシング２として、石英ガラス管２１の外周を金属管２２で被覆した複合管を用いている。このケーシング２の一方端２ａには、固定具５が設置されており、この固定具５によって、絶縁体芯棒３及び発熱体４により構成される構造物が、ケーシング２内において所定の位置に配置固定されている。

ここで、絶縁体芯棒３及び発熱体４により構成される構造物をケーシング２内に設置するための固定具５が配設されるケーシング２の一方端２ａには、ケーシング２の内外を連通する連通部が形成されており、固定具５及び連通部を介して、気体供給源から供給される気体が、ケーシング２内を通過して、ケーシング２の他方端２ｂから吹き出されるように構成されている。つまり、連通部が気体の供給口として機能し、ケーシング２の他方の端部２ｂが気体の吹出し口として機能する。そして、気体の供給口から導入された空気は、ケーシング２内部に導かれ、ケーシング２内部に配置される発熱体４によって加熱され、ケーシング２の他方の端部２ｂ（吹き出し口）から加熱された状態となって吹き出すこととなる。

絶縁体芯棒３は、ケーシング２内に配設される部材であり、内部に複数の貫通孔が設けられた管体状に構成されている。この絶縁体芯棒３は、絶縁材料から形成されている。この絶縁体芯棒３を形成する材料としては、例えば、アルミナ(Al2O3) 等のセラミック材料を挙げることができる。また、この絶縁体芯棒３には、コイル状電熱線からなる発熱体４が外周に配置されることになるが、かかる発熱体４の位置決め行う規制部材６を設けるのが好ましい。規制部材６は、絶縁体芯棒３の両端部に配置され、各規制部材６の間に発熱体４が配置されるように構成される。規制部材６は、図２に示すように、金属材料から形成したリング状部材６ａの軸部にコイル状部材６ｂの中空軸部を挿通させることにより、コイル状部材６ｂがリング状部材６ａを被覆するように構成されている（リング状部材６ａの軸部の表面をコイル状部材６ｂが被覆するように構成されている）。コイル状部材６ｂで被覆されたリング状部材６ａにより絶縁体芯棒３の外周部を挟み込むことにより、規制部材６を絶縁体芯棒３に設置する。また、コイル状部材６ｂにおける互いに隣接する線材間には、図２に示すように、隙間が形成されるように構成されている。なお、絶縁体芯棒３に配置される規制部材６は、互いに隣接する線材間に隙間が形成されるコイル状部材６ｂの中空軸部にリング状部材６ａを挿入するようにして構成されているため、ケーシング２の内部に導かれた空気が、コイル状部材６ｂを構成する互いに隣接する線材間の隙間を通過して流れるため、空気がケーシング２内部で詰まることなくスムーズに流れることができる。

発熱体４は、絶縁体芯棒３の周囲に配設されるコイル状電熱線により構成されており、当該コイル状電熱線としては、例えばニクロム線の表面に、薄い絶縁被膜を形成した線材を利用することができる。この電熱線としては、例えば、その直径が０．１５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲のものを採用することが好ましい。なお、ニクロム線の代わりに、コイル状電熱線からなる発熱体４として従来から使用されている電熱線（例えば、タングステン線、カンタル線等）を利用することができる。また、電熱線表面に形成される絶縁被膜は、例えばアルミナ等のセラミックス材料により形成されている。

この発熱体４（コイル状電熱線）の両端部には、外部の電源装置に接続する導線がそれぞれ接続している。当該発熱体４の一方の端部に接続する導線は、上述の絶縁体芯棒３の内部にある貫通孔に通され、発熱体４の他方の端部側に引き廻され、外部の電源装置に接続できるように構成されている。

温度センサー５は、ケーシング２の吹出し口から吹き出される熱風温度を一定に保つために、或いは、所望の熱風温度に変更する等のために設けられる熱風温度計測手段である。温度センサー５としては、種々のセンサーを採用することができるが、製造時の効率化、安定的な温度計測の観点から、熱電対を採用することが好ましい。なお、熱電対の種類は特に限定されず、吹き出される熱風温度に対応して適宜選定することができるが、温度と熱起電力との関係が直線的であり、工業用として最も多く使用されているＫ型熱電対を採用することが好ましい。

本発明においては、この温度センサー５の温度測定点５ａを、従来のように、絶縁体芯棒３の先端部と熱風吹き出し口との間にある空間に配設するのではなく、絶縁体芯棒３の内部に配置し、絶縁体芯棒３内の温度を計測できるようにして構成されている。温度センサー５の温度測定点５ａの設置位置としては、ケーシング２の吹出し口側における絶縁体芯棒３の端部３１近傍に設定することが好ましい。より具体的には、ケーシング２の吹出し口側における絶縁体芯棒３の端縁３１１から、絶縁体芯棒３の長さ寸法の３０％以下の領域に、温度センサー５の温度測定点５ａを配置することが好ましい。なお、熱風ヒーター１における吹き出し口から吹き出される熱風温度と、ケーシング２の吹出し口側における絶縁体芯棒３の端部３１近傍における絶縁体芯棒３内の温度とは、相関関係にあり、また、略同一の温度を示すため、本発明のように絶縁体芯棒３内の温度を計測するように構成しても特に問題はない。

ここで、絶縁体芯棒３の内部に温度センサー５の温度測定点５ａを配置して本願に係る熱風ヒーター１を製造する方法としては、特に限定されないが、製造の容易化の観点から以下のようにして製造することが好ましい。まず、図３（ａ）の断面図に示すように、内部に、第１貫通孔３５及び第２貫通孔３６を有する絶縁体芯棒３を準備する。第１貫通孔３５及び第２貫通孔３６は、絶縁体芯棒３の一方端から他方端に向けて貫通する孔であり、それぞれが独立した内部空間を有するように構成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１貫通孔３５に、熱電対を構成する第１金属線５１を挿通し、同様に、第２貫通孔３６に熱電対を構成する第２金属線５２を挿通する。ここで、熱電対における第１金属線５１は、第１の金属材料から形成されている（例えば、熱電対をＫ型熱電対によって構成する場合には、第１金属線５１は、クロメル（第１の金属材料）から形成されている）。また、熱電対における第２金属線５２は、第１の金属材料からなる第１金属線部５２１（クロメルから形成される金属線部）と、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料（アルメル）からなる第２金属線部５２２（アルメルから形成される金属線部）と、第１金属線部５２１（クロメルから形成される金属線部）及び第２金属線部５２２（アルメルから形成される金属線部）の接続点５３である温度測定点５ａとを備えるように構成されている。なお、第１金属線５１の一方端は、第１貫通孔３５を介して、ケーシング２の吹出し口側における絶縁体芯棒３の端縁３１１から突出するように配置し、同様に、第２金属線５２における第１金属線部５２１の一方端は、第２貫通孔３６を介して、ケーシング２の吹出し口側における絶縁体芯棒３の端縁３１１から突出するように配置する。

次いで、図３（Ｃ）に示すように、ケーシング２の吹出し口側における絶縁体芯棒３の端縁３１１からそれぞれ突出している、第１金属線５１の一方端と、第２金属線５２における第１金属線部５２１の一方端とを溶接接続（５５）し、第１金属線５１と第２金属線５２とを結合する。

このような方法によれば、熱電対における第１金属線部５２１及び第２金属線部５２２の接続点５３である温度測定点５ａを、容易に、絶縁体芯棒３の所望の位置に配設することができ、本発明に係る熱風ヒーター１を効率よく製造することが可能となる。

上述のように構成された本発明に係る熱風ヒーター１は、例えば、図４のブロック図に示すような熱風ヒーターコントロールシステム９の一構成機器として用いることができる。ブロック図中における電力設定器９１は、電源装置と熱風ヒーター１との間に配設される機器であり、発熱体４に供給する電力を設定する機器である。この電力設定器９１には、発熱体４に供給する電力量を調節する調節部が設けられており、使用者はこの調節部を適宜操作することにより発熱体４に供給する電力量を所望の値に設定することができ、電力設定器９１は、設定された一定の電力を発熱体４に供給する。なお、電力設定器９１を電源装置内に組み込んで構成することもできる。

また、流量調節器９２は、気体供給源から供給される気体の流量を調節して熱風ヒーター１の供給口に導く機能を有する機器であり、例えば、電気信号の入力によりバルブ開度を変更することができる弁体を使用することができる。好ましくは、バルブ開度を変更するモータを有するニードルバルブや、バルブ開度が変更可能な電磁弁を使用することができる。なお、流量調節器９２における流量調節は、後述の制御部９４の作動により行われるように構成されている。

また、温度設定器９３は、熱風ヒーター１の吹出し口から吹き出される気体の温度に関して、例えば、７００℃、８００℃、９００℃といった使用者が所望する温度条件を設定することができる機器である。なお、温度設定器９３において設定された設定温度情報は、後述の制御部９４に出力できるように構成されている。

また、制御部９４は、流量調節器９２、温度設定器９３、及び、温度センサー５に電気的に接続しており、温度センサー５の検出温度が温度設定器９３において設定された設定温度となるように、流量調節器９２を制御して、熱風ヒーター１の供給口に供給する気体流量を変化させる機能を有する機器である。例えば、流量調節器９２としてバルブ開度を変更するモータを有するニードルバルブを採用する場合には、制御部９４は、モータを駆動させることによってニードルバルブのバルブ開度を変化させることにより、熱風温度センサー５の検出温度が温度設定器９３において設定された設定温度となるように、ニードルバルブが熱風ヒーター１の供給口に供給する気体流量を変化させる。また、流量調節器９２としてバルブ開度を変更可能な電磁弁を採用する場合には、制御部９４は、電磁弁のバルブ開度を変化させることにより、温度センサー５の検出温度が温度設定器９３において設定された設定温度となるように、ニードルバルブがヒータ２の供給口に供給する気体流量を変化させる。

制御部９４の具体的構成としては、設定温度記憶部と、演算部と、制御信号出力部とを備えるものを好ましく例示することができる。設定温度記憶部は、温度設定器９３において使用者が設定した設定温度を記憶する機能を有しており、演算部は、設定温度記憶部において記憶された設定温度と、熱風温度センサー５が検出した検出温度との温度差を演算する機能を有している。制御信号出力部は、演算部にて算出した温度差が０となるように流量調節器９２におけるバルブ開度を変化させる電気信号を流量調節器９２に出力する機能を有している。このような制御部９４は、例えば、温度センサー５が検出した検出温度が設定温度よりも低い場合には、流量調節器９２のバルブを閉じる方向に作動させる制御信号を流量調節器９２に出力し、流量調節器９２を介してヒータ２に供給される気体流量を減じる作動を行わせる。逆に、温度センサー５が検出した検出温度が設定温度よりも高い場合には、流量調節器９２のバルブを開ける方向に作動させる制御信号を流量調節器９２に出力し、流量調節器９２を介してヒータ２に供給される気体流量を増加させる作動を行わせる。

ここで、制御部９４は、図４に示すように独立して構成してもよいが、上述の流量調節器９２内に組み込まれるように構成してもよい。或いは、温度設定器９３内に組み込まれるように構成してもよい。また、制御部９４は、温度センサー５によって、所定時間内に計測された温度の平均値を計測温度として出力できるように構成してもよい。

本発明にかかる熱風ヒーター１は、上述のように、温度センサー５の温度測定点５ａが、絶縁体芯棒３の内部に配置されるように構成されているため、発熱体４を通過した熱風の流れの乱れの影響を受けることなく、温度計測を行うことが可能となる。この結果、温度センサー５によって測定される温度にバラつきが生じにくく、安定した温度測定を行うことが可能となる。これにより、熱風ヒーター１から吹き出されワークに付与される熱量のバラつきが小さくなり、ワークに対する加熱能力が均一化されることとなる。また、温度センサー５の温度測定点５ａを絶縁体芯棒３の内部に配置しているため、温度測定点５ａは、その周りにおける絶縁体芯棒３の平均的な温度を検出することになるため、より一層、バラつきの少ない測定温度を検出することが可能となる。

また、仮に、空気供給源からの空気の供給がストップしたり、極端に供給空気量が減少するような異常事態が発生した場合であっても、温度センサー５の温度測定点５ａが内部に配置される絶縁体芯棒３は比較的熱伝導率が良いため、温度センサー５は比較的高い温度の検出を維持することになる。その結果、発熱体４への過剰な電力供給が行われず、発熱体４の熱暴走は効果的に抑制され、当該発熱体４が過熱焼損することを防ぐことが可能となる。

１熱風ヒーター
２ケーシング
２ａケーシングの一方端（気体の供給口）
２ｂケーシングの他方（気体の吹き出し口）
３絶縁体芯棒
４発熱体
５温度センサー
５ａ温度測定点

Claims

供給された空気を加熱して吹き出す熱風ヒーターであって、
気体の供給口及び吹出し口をそれぞれ両端に有する筒状のケーシングと、
前記ケーシング内に配設される絶縁体芯棒と、
前記絶縁体芯棒の周囲に配設される発熱体と、
温度測定用の温度センサーと、を備えており、
前記温度センサーの温度測定点は、前記絶縁体芯棒の内部に配置されており、
前記温度センサーは、熱電対であり、
前記絶縁体芯棒は、その内部に、前記熱電対を構成する第１金属線、及び、前記熱電対を構成する第２金属線が独立してそれぞれ挿通される第１貫通孔及び第２貫通孔を備えており、
前記熱電対における前記第１金属線は、第１の金属材料から形成されており、
前記熱電対における前記第２金属線は、前記第１の金属材料からなる第１金属線部と、前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなる第２金属線部と、前記第１金属線部及び前記第２金属線部の接続点である温度測定点とを備えており、
前記第１金属線の一方端は、前記第１貫通孔を介して、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端縁から突出しており、
前記第２金属線における前記第１金属線部の一方端は、前記第２貫通孔を介して、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端縁から突出しており、
前記第１金属線の一方端と、前記第２金属線における前記第１金属線部の一方端とは、溶接接続されていることを特徴とする熱風ヒーター。
前記発熱体は、前記絶縁体芯棒の周囲に配設されるコイル状電熱線であることを特徴とする請求項１に記載の熱風ヒーター。
前記温度センサーの温度測定点は、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端部近傍に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱風ヒーター。
前記温度センサーの温度測定点は、前記ケーシングの前記吹出し口側における前記絶縁体芯棒の端縁から、部前記絶縁体芯棒の長さ寸法の３０％以下の領域に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱風ヒーター。