JP6892064B2

JP6892064B2 - マルチシャンク型ヒーター

Info

Publication number: JP6892064B2
Application number: JP2020540836A
Authority: JP
Inventors: 里安成田; 高村　博; 博高村
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: TW202037225A; TWI742467B; CN113170538B; KR102443989B1; KR20210006922A; WO2020202619A1; CN113170538A; US20210068206A1; JPWO2020202619A1; US11838998B2

Description

本発明は、マルチシャンク型ヒーターに関する。

二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）を主成分とするヒーターは優れた耐酸化特性を有することから、大気又は酸化性雰囲気下で使用する超高温ヒーターとして古くから使用され、現在まで幅広い用途で使用されている。この二珪化モリブデンヒーターは、主成分としてＭｏＳｉ_２を７０ｗｔ％以上含有し、電気抵抗を増加させるために、ＳｉＯ_２などの絶縁性酸化物等が添加される場合がある。

現在、ガラス工業やセラミックス焼成等の多くの分野で使用されている二珪化モリブデンを主成分とするヒーターは、丸棒状のＭｏＳｉ_２材を高温下にて軟化させ、これを曲げて１つのＵ字を成す形状（２シャンク型）に加工し、これをＵ字の向きが交互に反対方向に溶接して連結させたマルチシャンク型からなるものである。これが、炉の天井や側壁等の支持基体に取り付けられて使用される。

現在、市販されているマルチシャンク型ヒーターの規格は、発熱部と端子部の線径が、それぞれφ３ｍｍ／φ６ｍｍ、φ４ｍｍ／φ９ｍｍ、φ６ｍｍ／φ１２ｍｍ、φ９ｍｍ／φ１８ｍｍ、φ１２ｍｍ／φ２４ｍｍ等になる。ヒーターに通電すると、径の細い高抵抗の部分が高温になって発熱部としての役割を担い、径の太い低抵抗の部分は発熱を抑え、給電する部分を低温に保つための端子部の役割を担う。

このようなマルチシャンク型ヒーターに関して、特許文献１には、多ゾーンのマルチシャンクヒーターにおいて、各ゾーンの間がデッドスペース（温度が上がらない領域）になるため、これを解消する方法としてゾーン間での折返し部同士が噛み合う状態に配列することが開示されている。また、特許文献２には、マルチシャンクヒーターでは微妙な温度調整に問題があるため、Ｕ字あるいはＷ字ヒーターとすることが記載されている。

特開平７−１８４４７号公報特開２０００−２５２０４７号公報

マルチシャンク型ヒーターのエネルギー出力を上げるためには、Ｕ字間隔（ピッチ）を狭くすることが考えらえるが、前記ピッチには下限が存在し、それはＵ字ピースの直径に依存する。下限よりも狭い間隔で曲げた場合には、Ｕ字の湾曲部にクラックが発生し、曲げ加工中に断線する場合があり得る。このようなピッチの制限は、マルチシャンク型ヒーターにおいてエネルギー出力の制限になっていた。

また、出力を上げるためにヒーターへの電流を増加させるという手段もあるが、過剰な電流はヒーターの寿命を縮めることになり、特に、ヒーター自体の価格が高く、交換作業も煩雑で時間もかかるＭｏＳｉ_２のマルチシャンク型ヒーターにおいて、そのような行為は得策でない。このように従来では、ヒーターの設置スペース（炉内表面積）が決まると必然的に出力の上限が決まってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上述した従来のマルチシャンク型ＭｏＳｉ_２ヒーターが有する問題を解決するために提案されたものであって、Ｕ字ピースを高密度に配置して、同一ピッチであっても、エネルギー出力を大幅に向上することができるマルチシャンク型のヒーターを提供することを課題とするものである。

本発明は、上記の課題を解決するために提案されたものであって、本発明の実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターは、前記ヒーター側から前記支持基体側へと向かう支持基体に対する法線方向を基準として、前記ヒーター側から前記支持基体側へと向かうＵ字ピースの平面方向の角度θが±１０°以上±６０°以下であるＵ字ピースが存在することを要旨とするものである。

本発明によれば、各Ｕ字ピースを高密度に配置することができるので、発熱部の総長を延長することができ、単位設置面積当たりのエネルギー出力を大幅に向上することができるという優れた効果を有する。

従来のマルチシャンク型ヒーターの断面図（上図：上から見た図、下図：正面から見た図）である。本発明の一実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターの断面図（上図：上から見た図、下図：正面から見た図）である。本発明の一実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターにおけるヒーター発熱部の説明図（上図：上から見た図、下図：正面から見た図）である。本発明の一実施形態に係るマルチシャンク型ヒーター（上から見た図）の一部を拡大した図である。実施例２のマルチシャンク型ヒーターの断面図（上図：上から見た図、下図：正面から見た図）である。実施例３のマルチシャンク型ヒーターの断面図（上図：上から見た図、下図：正面から見た図）である。実施例４のマルチシャンク型ヒーターの断面図（上図：上から見た図、下図：正面から見た図）である。

マルチシャンク型ヒーターは、通常、以下のようにして作製される。まず、ヒーター原料であるＭｏＳｉ_２粉末等とバインダーとを混合し、この混合物を押し出し機等によって丸棒状に成形する。次に、乾燥や脱脂、そして一次焼結を行った後、通電焼結を行って、所定の直径を有する棒材を作製する。その後、この棒材をＵ字曲げ機にセットし、通電加熱しながら、所定のピッチでＵ字形状に曲げて、Ｕ字型の丸棒材（Ｕ字ピースと称する。）を作製する。このとき作製されるＵ字ピースは、同一平面でＵ字形状に曲げられるため、Ｕ字形状を構成する平行な２本の直線部と湾曲部は、１つの平面（以後、Ｕ字ピース平面と称する場合がある。）をなす。このようにして作製した複数のＵ字ピースを、上向きＵ字と下向きＵ字にそれぞれ交互に溶接して、マルチシャンク型のヒーターとする。

従来の支持基体に取り付けられたマルチシャンク型ヒーターの模式図を図１に示す。各Ｕ字ピースを連結させたヒーター１０は、支持基体（断熱材を含む）２０に固定ピン３０によって取り付けられる。ヒーターの端子部は、炉壁を貫通して外部の端子４０を介して電源に接続される。従来は、図１上図に示すように、１つ１つのＵ字ピース平面の全てが、支持基体に対して平行に直線配列で連結して同一の面（平面）になるように配置していたが、このように２次元的に配置する場合には、設置可能なＵ字ピース（ヒーター）の数に制約があった。なお、特許文献１の図２に示されるように、支持基体が円筒形状の場合も、各Ｕ字ピースの溶接にはそれぞれ角度がついているものの、一つ一つのＵ字ピース平面は全て支持基体に対して平行に配列しており、実質的に同一の面（曲面）となるように配置していた。

このような問題を解決するために、本発明の実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターでは、図２上図に示すように、各Ｕ字ピース平面を支持基体に対して角度をつけて、連結している。このような構造とすることにより、例えば、図２下図に示すような形状のマルチシャンク型ヒーターでは、上記従来のマルチシャンク型ヒーターに比べてＵ字数が１３個から１５個に増加して、ヒーター発熱部（Ｕ字ピース）の総長が伸び、これによって、エネルギー出力を大幅に向上させることができるものである。

図３は、本発明の実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターにおけるヒーター発熱部の説明図であり、図３上図は、マルチシャンク型ヒーターを上から見た図であり、図３下図は、マルチシャンク型ヒーターを正面から見た図である。図３に示すように上向きＵ字（黒色で示す）のＵ字ピース１１と、下向きＵ字（白色で示す）のＵ字ピースを交互に溶接して連結することでマルチシャンク型ヒーターが構成される。また、図４は、図３のヒーター発熱部の一部を抜き出した（３個のＵ字ピースを連結した）ものであり、説明の便宜上、支持基体を追加している。

本実施形態のマルチシャンク型ヒーターは、図４に示す、支持基体に対する法線方向（ヒーター側から支持基体側へと向かう向き）を基準として、Ｕ字ピースの平面方向（ヒーター側から支持基体側へと向かう向き）が角度±θを有したＵ字ピースが存在することを特徴とするものである。ここで、＋θとは、図４に示す、支持基体に対する法線方向（矢印の向き：ヒーター側から支持基体側へと向かう向き）を基準に、Ｕ字ピースの平面方向（矢印の向き：ヒーター側から支持基体側へと向かう向き）へと時計回りに角度θ回転させた場合を意味し、一方、−θとは、同図において、支持基体に対する法線方向（矢印の向き：ヒーター側から支持基体側へと向かう向き）を基準に、Ｕ字ピースの平面方向（矢印の向き：ヒーター側から支持基体側へと向かう向き）へと反時計回りに角度θ回転させた場合を意味する。なお、従来型のマルチシャンク型ヒーターは、Ｕ字ピース平面の全てが前記角度θ＝０°であった。

本発明の実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターは、前記ヒーター側から前記支持基体側へと向かう支持基体に対する法線方向を基準として、前記ヒーター側から前記支持基体側へと向かうＵ字ピースの平面方向の角度θを±１０°以上±６０°以下とすることが好ましい。前記角度θが±１０°未満であると、Ｕ字ピースの高密度化が不十分であり、一方、前記角度θが±６０°を超えると、ヒーターがワーク（被加熱部材）側に大きくせり出すため、実用的ではなく、またＵ字ピースの取り付けも困難となる。より好ましくは前記角度θが±４５°以下である。なお、前記角度θが±１０°以上±６０°以下であるＵ字ピースは、マルチシャンク型ヒーターの全部又は一部において、そのように配置されていればよいので、例えば、一部において、前記角度θ＝０°であっても構わない。

また、本発明の実施形態は、マルチシャンク型ヒーターを構成するＵ字ピースのうち、前記角度θが±１０°以上±６０°以下であるＵ字ピースが３箇所以上存在することが好ましい。少なくとも３箇所以上であれば、Ｕ字ピースの高密度化によるエネルギー出力の向上が見込まれる。さらに、マルチシャンク型ヒーターの単位面積当たりのＵ字数を効率的に増加させるために、本発明の実施形態では、前記角度θが＋１０°以上＋６０°以下であるＵ字ピースと、前記角度θが−１０°以上−６０°以下であるＵ字ピースが、それぞれ１箇所以上存在することが好ましい。さらには、前記角度θが＋１０°以上＋６０°以下であるＵ字ピースと、前記角度θが−１０°以上−６０°以下であるＵ字ピースとが隣り合って連結したものが複数存在することが好ましい。

本発明の実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターは、加熱炉内部の天井や炉壁、その他別に設けられたボード等の、支持基体に取り付けられ、支持基体とヒーターとの間には、断熱材が配置される。支持基体は、耐火れんが、断熱れんが、セラミックファイバーボード、マイクロポーラスボード等からなり、その形状として、平面形状、スロープ（滑り台型）形状、曲面形状、円筒形状等があるが、いずれの形状のものであっても、本発明を適用することができる。また、断熱材としては、８００℃での熱伝導度が０．６Ｗ／ｍＫ以下である高温断熱材を使用することが好ましい。

本実施形態に係るマルチシャンク型ヒーターは、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）を主成分とする他、他の材料成分からなるマルチシャンク型ヒーターに対しても本発明を適用することができる。

以下、実施例及び比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例により何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。

（従来例）
従来のマルチシャンク型ヒーターの断面図を図１に示す。各Ｕ字ピース（線径：φ４ｍｍ、ピッチ１６ｍｍ、シャンク高さ１５０ｍｍ）を、角度をつけずに（θ＝０°）溶接して直線配列したマルチシャンク型ヒーターである。これを支持基体２０に固定ピン３０で取り付けた後、端子４０を溶接した。このとき、横幅２８０ｍｍの支持基体に対して横幅２０８ｍｍのマルチシャンク型ヒーターを配置する場合、Ｕ字数は１３個が上限であり、発熱部の展開長（総長）は２０５１ｍｍであった。

（実施例１）
実施例１のマルチシャンク型ヒーターの断面図を図２に示す。従来例と同様、横幅２８０ｍｍの支持基体に対して横幅２０８ｍｍのマルチシャンク型ヒーターを配置できるように各Ｕ字ピース（線径：φ４ｍｍ、ピッチ１６ｍｍ、シャンク高さ１５０ｍｍ）を角度θ＝±３１．６２°となるように傾けて溶接した。但し、ヒーターの左右両端の下向きＵ字のみ角度θ＝±１５．２０°に変えて溶接した。この場合、Ｕ字数は１５個となり、発熱部の展開長（総長）は２３５５ｍｍであった。ヒーターの出力は発熱部の総長に比例するため、参考例と比べて１５％程度の出力向上が見込まれる。

（実施例２）
実施例２のマルチシャンク型ヒーターの断面図を図５に示す。従来例と同様、横幅２８０ｍｍの支持基体に対して横幅２０８ｍｍのマルチシャンク型ヒーターを配置できるように、各Ｕ字ピース（線径：φ４ｍｍ、ピッチ１６ｍｍ）を角度θ＝±３１°となるように傾け、また、中央に１箇所、角度をつけずに（θ＝０°）水平配置した部分を設けて溶接した。この場合、実施例１と同様、Ｕ字数は１５個となり、発熱部の展開長（総長）は２３５５ｍｍであり、従来例と比べて１５％程度の出力向上が見込まれる。

（実施例３）
実施例３のマルチシャンク型ヒーターの断面図を図６に示す。従来例と同様、横幅２８０ｍｍの支持基体に対して横幅２０８ｍｍのマルチシャンク型ヒーターを配置できるように各Ｕ字ピース（線径：φ４ｍｍ、ピッチ１６ｍｍ、シャンク高さ１５０ｍｍ）を角度θ＝±２９．９３°となるように傾けて溶接した。この場合、実施例１と同様、Ｕ字数は１５個となり、発熱部の展開長（総長）は２３５５ｍｍであり、従来例と比べて１５％程度の出力向上が見込まれる。なお、図６の上図に示すように、右側端子部が左側端子部よりも出っ張ることになるため、左右で異なる長さ端子を用意する必要がある。

（実施例４）
実施例４のマルチシャンク型ヒーターの断面図を図２に示す。従来例と同様、横幅２８０ｍｍの支持基体に対して横幅２０８ｍｍのマルチシャンク型ヒーターを配置できるように各Ｕ字ピース（線径：φ４ｍｍ、ピッチ１６ｍｍ、シャンク高さ１５０ｍｍ）を角度θ＝±３５．６６°となるように傾けて溶接した。この場合、Ｕ字数は１６個となり、発熱部の展開長（総長）は２５１６ｍｍであり、従来例と比べて２２．７％程度の出力向上が見込まれる。なお、右側の端子部の向きが上向きとなるため、場合によって断熱材への接触のおそれがあるが、これについては、必要に応じて、他の接触を回避する手段を用いることができる。

本発明によれば、マルチシャンク型ヒーターにおける各Ｕ字ピース（発熱部）を高密度に配置することができるので、発熱部の総長を延長するが可能となり、エネルギー出力を大幅に向上することができる、という優れた効果を有する。本発明に係るマルチシャンク型ヒーターは、ガラスやセラミックスなどの焼成用ヒーターとして有用である。

１０ヒーター発熱部
１１Ｕ字ピース（上向きＵ字：黒色で示す）
１２Ｕ字ピース（下向きＵ字：白色で示す）
２０支持基体
３０固定ピン
４０端子
５０シャンク高さ

Claims

支持基体に取り付けられるマルチシャンク型ヒーターであって、前記ヒーター側から前記支持基体側へと向かう支持基体に対する法線方向を基準として、前記ヒーター側から前記支持基体側へと向かうＵ字ピースの平面方向の角度θが±１０°以上±６０°以下であるＵ字ピースが存在し、前記角度θが＋１０°以上＋６０°以下であるＵ字ピースと、前記角度θが−１０°以上−６０°以下であるＵ字ピースとが、それぞれ少なくとも１箇所以上存在することを特徴とするマルチシャンク型ヒーター。
前記ヒーターを構成するＵ字ピースのうち、前記角度が±１０°以上±６０°以下であるＵ字ピースが３箇所以上存在することを特徴とする請求項１記載のマルチシャンク型ヒーター。
前記角度θが＋１０°以上６０°以下であるＵ字ピースと、前記角度θが−１０°以上−６０°以下であるＵ字ピースとが、隣り合って連結したものが複数存在することを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチシャンク型ヒーター。
前記支持基体が、平板形状、多面形状、スロープ（滑り台型）形状、曲面形状又は円筒形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマルチシャンク型ヒーター。
前記ヒーターが、ＭｏＳｉ₂を主成分とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマルチシャンク型ヒーター。