JPS58157078A - 赤外線ヒ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ＋発明は、抵抗発熱体とそ）［を内包するセラミック管
とからなる赤外線ヒータに関するものである。

赤外線は波長が０．３〜０．８μｍの可視光線に比較し
て、被加熱体によく吸収され、被加熱体の分子連動を活
発化させて、発熱させる効果が犬であるので、近年暖房
や乾燥なとに広く利用δれるようになって米た〇 熱エネルギーの伝播には伝導、対流、輻射の３棟頌があ
り、赤外線は輻射が主になる。

一般に物体から放射されるエネルギーＥは次のステファ
ン・ボルツマンの法則で表嘔れるＯＥ−εσＴ４ ただしε：放射率、σ：定数、Ｔ：温度（５））すなわ
ち物体の温度と物体の放射率によって定まるもので、赤
外域に高い放射率を持つ物質を適当な温度に加熱するこ
とにより、赤外線放射源を実現することができる。

従来の赤外域ヒータには次のようなものがある。

（ム）　ランプ型赤外線ヒータ ランプ内に封入しであるフィラメントで赤外線を放射す
るものであるが、可視光線が多く。

エネルギーの大部分が光となり、熱として利用されるの
は少ない。

（Ｂ）　　石英管型赤外線ヒータ 石英管の中に発熱線をコイル状にして封じ込めたもので
、石英の赤外線透過率と、石英管目体からの放射を利用
している。欠点は石英管の肉厚が厚いので、その熱抵抗
のため発熱線の温度の割合に石英管の温度が低く、放射
エネルギも少ないことである。

（Ｃ１セラミック埋込型赤外緋ヒータ 耐火性の粘土の中に発熱線を封じ込んで焼き上げたもの
で、赤外線特性は耐火物の成分に依存する。輻射熱源と
して利用する場合、半面しか利用できず、電気容量のわ
りに表面積が大きく熱効率が悪い。

町　セラミック被覆型ヒータ 石英管又はシーズヒータの表面に赤外線放射物質を被覆
したもので、セラミック被ｆｆｌからの放射を特徴とし
ている。欠点はいずれも輻射変換効率か悪いことである
。

以上のように、一般に用いられている赤外線ヒータは、
その大部分が輻射変換効率が悪く、特にヒータの立上り
温度上昇が遅い欠点を有していた０すなわち、輻射体の
熱容量が大きく、輻射体からの輻射量が減少する。

抵抗発熱体を管に挿入した赤外線ヒータにおいて、抵抗
発熱体の熱は、まず管に伝播され、その前方・らの輻射
熱、伝導熱、対流熱で被加熱体を乾燥、加熱させる０赤
外線ヒータの場合、管からの輻射熱を最大にし、伝導熱
、対流熱を最小にすることが望ましい。従って、管の輻
射率が高く、かつ、抵抗発熱体の熱を効率よく管に伝播
することが重要となる。

本発明は、抵抗発熱体の熱をセラミック管を通じて効率
よく輻射熱に変換するもので、セラミック’Ｉｔｙｙ−
らの輻射エネルギー強度の高い赤外線ヒータを提供する
ものである。

すなわち、本発明は、セラミック管の重量と抵抗１発熱
体の消費電力との比（Ｉ１１ｙ／Ｗ）が１０〜４０の範
囲からなることを特徴とし、さらに、抵抗発熱体、セラ
ミック管の材質を選択した赤外線ヒータである。

第１図にセラミック管の重量と抵抗発熱体の消費電力と
の比（〜／Ｗ）に対する輻射変換効率を示す。この図か
ら理解されるように、抵抗発熱体の消費電力に対するセ
ラミック管の重量の比が４０を超えると極端ゝに輻射変
換効率が悪くなる。

従来の赤外線ヒータのこの値は、６０〜６ｏであること
から、本発明の赤外線ヒータは従来の１．６倍以上とな
る０また、この値が１０以下では輻射変換効率は高くな
るが、機械的強度が弱くなり、実用的観点から商品化は
困難となる。

また、輻射変換効率を最適にするための抵抗発熱体とセ
ラミック管との整合性が重要である。

すなわち、抵抗発熱体は、基本的にはＦｅ−０ｒ−Ｌｌ
　系合金からなるものがよく、Ｆｅ　−ｃｒ　−４ＬＮ
系合金に希土類元素を添加したもの′も用いられる。

発熱体の寿命は、その表面にできる酸化被膜の生成物に
よって太きく左右される。Ｆｅ−０ｒ−Ａｌ系合金の酸
化被膜の生成反応は次のように考えらｆｉする。

２（＆ｇ、Ｏｒ、Ｆｅ）＋４．５０ｚ−＋＆１ｚＯｓ＋
ｃｒ２０３＋Ｆｅ２０ｓ−・−（１１７００’に１２Ｊ
上温度が上昇するに従って、（１）式によって生成され
た被膜は（２）式の反応を起こし、表面被膜は淡灰色で
緻密な安定したム１２０５となる。

この１７！２０ｓが保護被膜となり耐高温性に優れてい
る。

また、抵抗発熱体は、重量当りの消費電力（Ｗ／Ｑ−７
）が０．１〜１．０の範囲からなるものがよい。

０．１以下では、輻射エネルギー強度の立上りが緩や７
）＝になってしまい、発熱体から得られる輻射エネルギ
ー強度が到達するまでに時間がかかる。重重当りの消費
電力が１．０以上では、輻射エネルギーの立上りは早く
なるが、発熱体の寿命が短くなってしまう。好ましくは
０．５〜０．８の範囲であるＯその表面に赤外線放射材
料を被覆したがよい。峙り にセラミック管はＳｉＯ２成分を９６重量％以上含有し
ていることが好ましい。また、赤外線放射材料は、ムｌ
　、　Ｔｉ　、　８ｉ　、　Ｚｒ　、　Ｍｇ　、　Ｃａ
　、　Ｏｒ　。

Ｎｉ　、　Ｇｏなどの群から選ばれる金属の酸化物、そ
れらの混合酸化物または複合酸化物、炭化物または窒化
物からなり、この被覆法はプラズマ溶射法が好ましい。

主成分がＳ　ｉ　Ｏ２７）ｈらなるセラミック管は、耐
熱性を有しており、その表面に赤外線放射材料を被覆し
たもの（Ａ）は、従来の赤外線ヒータに用いられている
ＴｌＯ２入り乳白石英管に赤外線放射材料を被覆したも
の（Ｂｌよりも赤外線域の輻射エネ・ルキー強度が高い
。この関係を第２図に示す。また、ＳｉＯ２の含有量が
９６重量％以下では、ＮＩＬ２０゜Ｌｉ２Ｏ，Ｂ２Ｏ５
，に２０等の成分がセラミック管と赤外線放射被覆層に
悪影響を及ぼし、輻射率の減少や被覆層の剥離などが生
じる。

また、赤外線放射材料をプラズマ溶射法で被覆した層は
、多孔質な被膜となり、膜厚も１０〜６０μｍと薄くす
ることができるので、セラミック管全体の熱容量を小さ
くすることができる。

セラミック管に赤外線放射材料を被覆したものは、被覆
しないセラミック管よりも、耐熱性を有し、かつ輻射エ
ネルギーが均一に分散される。

このような赤外線放射材料としては、ｋ１２０ｓ・Ｓｉ
Ｏ２系及びＺｒＯ２化合物が最も適している。これらは
熱膨張係数がＣ４〜６）Ｘ　１０−０−６ｄｅ’であり
、ＳｉＯ２を主成分とするセラミック管と近い熱膨張率
を示しており、セラミック管の膨張・収縮に対しても剥
離・亀裂などの問題はない。

さらに本発明は、短時間で輻射エネルギーを最大にする
ことができる。第３図に前記Ａ、Ｂについて時間に対す
る放射強度を測定した結果を示す。

従来品Ｂは６分以上経過しないと本発明品ムと同じ放射
強度にならない。時間が２分経過した時点では本発明品
は従来品の約２倍の放射強度がある。

それたけ立上りのスピードが早いことになる。

又、赤外線放射被覆層が多孔質であるということの特徴
により、冷蔵庫などの霜取り装置の解凍用ヒータなどに
用いた場合、解凍・し、融解した水滴が赤外線ヒータ上
に滴下するときに多孔質溶射被覆層が水滴に対する毛細
管現象にて水滴の分散化と水滴の効率的な熱交換を行な
う作用があり、急熱・急冷等の熱ショックに対して耐熱
強度が改善される赤外線ヒータの提供が可能となる。

実施例１ 抵抗発熱体として、０ｒ２４重量９６　＋　ｈｇ　４重
量％、残部ＦｅのＦθ−Ｃｒ−ムＥ合金を用い、線径Ｑ
、７　ｍ１ｌｌ　、巻径１０ｍｍ１長さ２５（１’？＋
１のコイル状ヒータを構成した。この消費電力は１ｏＯ
ｖで５００Ｗである。又セラミック管として、５ｉ０２
含量９８重量％、長さ２５ｃｒｒＬの石英管を用い、そ
の表面にムＥ２０３・５１０２を２０μｍの膜厚になる
ようにプラズマ溶射法にて被覆し、セラミック管全体の
重量が、３ｆ、’５ｆ、１０ｆ、１６ｆ、２０ｆ。

２５７．３０ｙ−になるように石英管の径および肉厚を
調整した。これらについて、輻射１換効率と連続通電に
よる寿命を調べた。その結果を第１表　−に示す。・ 第　　　１　　　表 上記の表からもわかるように、Ｃの欄〜／Ｗが１０以下
のものは連続通電による寿命が短い。通常の寿命は、６
００時間で異常がなければ実使用において問題がないこ
と力）ら１発熱体の消費電力に対するセラミック管の重
量の比は１０以上がよく、最も好ましくは１４以上とな
る。また、発熱体の消費電力に対するセラミック管の１
鷲との比が４０以上では連続通電による寿命性能は優れ
ているが、輻射変換効率が低下してしまい、従来の赤外
線ヒータと変わらなくなる。従って、発熱体の消費電力
に対するセラミック管の重量の比は４０以下にすべきで
ある。

実施例２ 実施例１の抵抗発熱体を用いて、セラミック管のＳｉＯ
２の含有量を変化させたときの連続通電による寿命を調
べた。なお、セラミック管の表面はム１２０５・ＳｉＯ
２を膜厚２ｏμｍ［なるようにプラズマ溶射金した。そ
の結果を第２表に示す。

以下余白 第　　　２　　　表 以上から、セラミック管のＳｉＯ２の含有量が９６重量
％未満のものは、連続通電による寿命性能において、そ
の表面に被覆しである赤外線放射層が剥ｄ′してしまう
。上記の表には記載しなかったが、５ｉｏ２が９６重量
％未満のセラミック管は、管そのものが失透したり、白
い粉が付着していた０特にＳｉＯ２の含有量が少ない管
は、セラミック管が軟化し始め、発熱体が管に埋没し始
め管が変形していた。これは５ｉ０２の含有量が少なく
なるにしたがって耐熱性が低下し、また熱膨張率が高く
なるためと考えられる。

比較例として、ｌｌ＆１１ｏの赤外線ヒータで、セラミ
ック管に赤外線放射層を施してないものの連続通電によ
る寿命性能を調べた。抵抗発熱体の消費電力に対するセ
ラミック管の重量の比は３０であった。その結果、セラ
ミック管の一部が失透した。

これからも、赤外線放射；−を施さないものは寿命性能
が劣る〇 実施例３ 抵抗発熱体として、Ｆａ　−Ｏｒ系、Ｆ１５’−０ｒ−
ムＥ系、Ｎｉ　−Ｏｒ系合金でそれぞれ組成比を変化さ
せたものを用い、線径０．７ｍｍ、巻径１０ｍｍ、長−
１Ｊ２５（ｍで、消費電力が１００Ｖで５００Ｗのコイ
ル状ヒータを構成した。また、セラミック管及び赤外線
放射層の条件は実施例１と同じとした。

これらについて、時間の変化に対する放射強度と寿命性
能を調べた結果を第３表のｌｌ＆１．１８〜２７に示す
。

実施例４ 抵抗発熱体として、Ｏｒが２０重１％、ムｌが３重量％
、残部ｙｅのＦｅ−０ｒ−ムＥ合金を用い、重量当りの
消費電力（Ｗ／ｗｉ）が、０．０５，０．１゜０．３　
、０．６　、０．８　、１．０　、１．２　、１．４の
値になるように、線径で調整し、巻径１０１０１ｌ１長
さ２６α、消費電力が１００ｖで５００Ｗのヒータを構
成した。また、セラミック管および赤外線放射１−は実
施例１と同じとした。

これらについて、時間の変化に対する放射強度と寿命性
能の相関性を調べた。その結果を第３表の階２８〜３５
に示す。

なお、実施例３，４の放射強度は、赤外線ヒータ力・ら
１０ｃＩｒＬの距離の所に設置した測定器（東京精工１
！ｌＸ−１型）で測定した。

第３表の１１ｋＬ１８〜２フは抵抗発熱体の組成比が違
うものである。これから理解されるように、Ｎｉ　−Ｃ
ｒ系あるいはＦｅ−Ｃｒ系合金は連続通電による寿命性
能か悪い。最も好ましい組成比は、ｃｒが２８重量％、
ムｌが８重量％、　Ｔｉが。、６重量％。

残部Ｆｅからなるものであった。また、ＮＩＱ、２８〜
３６は消費電力と発熱体の重量との比を変えたもので、
その比が０．１以下では、放射強度の立上りが遅く、１
１以上では寿命性能が悪い。

以下余白 実施例６ 実施例１の抵抗発熱体および石英管を用い、その表面に
第４表に示した赤外線放射材料をプラズマ溶射法にて、
膜厚が２０〜３０μｍになるように仮覆した。このもの
について、輻射変換効率、１０分後の放射強度、および
連続通電による寿命性能を調へた。その結果を第４表に
示す。

以下余白 第４表から理解爆れるように、赤外線放射材料としては
ム１２’３、または五１２０３を含む化合物、およびＺ
ｒＯ２とＺｒＯ２化合物が良好であった。これらは第４
図のように、膜厚１０μｍにおいて、０．２〜１μｍの
弦長を透過するので、ＴｉＯ２あるいはＣｒ２Ｏ５のよ
うにこの波長域をまったく透過しないものよりも、熱放
散が良い。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミック管の重量と発熱体の消費電力との比
（＋ｎ９／Ｗ）と輻射変換効率との関係を示す図、第２
図は本光明品と従来品との赤外線域の輻射エネルギー強
度の比較を示す図、第３図は時間に対する放射強度の比
較を示す図、第４図は各種赤外線放射材料の透過率を示
す。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
１１ ｍう／Ｗ 第２爛 ）次長（μｍ） 第３！ｌ 持７′％ＦＴｒか） 第４図 違反（μｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　抵抗発熱体とそれを内包するセラミック管と
   からなり、セラミック管の重量と抵抗発熱体の消費電力
   との比（■／Ｗ）が１０〜４０であることを特徴とする
   赤外線ヒータ。 （２）抵抗発熱体がＦｅ　−Ｃｒ−ムｌ系合金からなる
   特許請求の範囲第１項記載の赤外線ヒータ〇（３）抵抗
   発熱体の重量当りの消費電力（Ｗ／Ｔｎ？）が０．１〜
   １．０である特許請求の範囲第１項記載の赤外線ヒータ
   ◇ （４）　　セラミック管の主成分がＳｉＯ２からなり、
   かつその表面に赤外線放射材料の被覆層を有する特許請
   求の範囲第１項記載の赤外線ヒータ。 （ｓＪ　　赤外線放射材料がｈ１２０３．ＳｉＯ２，Ｚ
   ｒＯ２の少なくとも１種を含む特許請求の範囲第４項記
   載の赤外線ヒータ。