JPS60163393A - 電気抵抗加熱ユニット，及びスリーブ部材と管の一体化方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、放熱チューブヒータに関し、詳細には、蒸気
発生器のチューブの内部を加熱する用途を有する特殊チ
ューブヒータに関する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

特に蒸気発生器内の熱交換器内のチューブおよびチュー
ブ−スリーブアセンブリを内部加熱するため小径の高度
にポータプルな熱源が望まれている。

チューブの径が小、すなわち例えば約０．７　！；儒の
小径である場合の要求を満たすことは特に困難である。

小径ボアであることに加えて、これらチューブはアクセ
スが困難な位置に設置されることが多い。

上記用途に対する従来の解決案は、満足できるものでは
なく、あるチューブでは誘導加熱が用いられてきたが、
ある用途用の誘導加熱に必要なコイルは適当な寸法すな
わち充分小さく形成することができなかった。大径のチ
ューブでは放射熱源として石英ランプが用いられたが、
充分小径のランプは入手できないし、製造も不可能であ
る。

電気抵抗加熱は、一つの可能性のある解決法となるが、
通常の電気抵抗加熱素子は電源とケーブルを必要とする
ので、再度アクセスと寸法の点が問題となる。ある場合
、ヒータにより発生されると期待される所望温度は１１
００℃又はそれ以上にもなることがあるので問題は更に
深刻である。更に熱印加は、極めて集中化、すなわちチ
ューブの長手方向の約−、、ｔ＋ｃＴｔ（約７インチ）
に沿うゾーンに熱印加を閉じ込めなければならないこと
が多い。又発熱を極めて高速、例えば５分内に１０００
℃〜／１００℃又はそれ以上の温度にしなければならな
いことも多い。

〔問題を解決するための手段〕

広義の本発明は長手方向に延長するボアを有し、各端部
に大径ショルダ手段が形成された絶縁性の耐火性の細長
いマンドレルと、前記ショルダ手段の中間の前記マンド
レルに取付けられた電気抵抗加熱手段と、前記加熱手段
の両端にそれぞれ作動自在に接続された一対の電気リー
ド部材とから成り、前記リード手段の一つは、前記ボア
内に配置されこれを貫通し、前記ショルダ手段の各々に
は前記リード部材のうちの一つがそれぞれ貫通する小孔
が設けられ、前記リード部材の各々は、前記小孔の一つ
をそれぞれ貫通し、前記加熱手段の両端にそれぞれ電気
的に接続する電気抵抗加熱ユニットにある。

本明細書に記載の好ましい実施態様は、極めて小径のチ
ューブのボアに容易に挿入できるよう製造できる電気抵
抗加熱ユニットを提供する。

この加熱ユニットは、極めてポータプルであるが、急速
に高温となって極めて局部的な領域内の周辺チューブを
加熱できる。

本発明の好ましい実施態様に従って製造された加熱ユニ
ットには、細長くて耐火性のほぼ円筒状の電気絶縁マン
ドレルが形成される。このマンドレルには長手方向に延
長するボアおよび各端部にそれぞれ拡大径ショルダが形
成される。

一つのショルダの間のマンドレルには電気抵抗素子、好
ましくは白金ロジウム合金ワイヤが巻線群に分けられて
らせんコイル状に巻かれ、これら巻線群はマンドレルの
長手方向に沿って互いに離間している。

マンドレルの各ショルダおよびマンドレルの本体には軸
方向に貫通するボアが形成されている。ワイヤは加熱コ
イルの各端部で隣接ショルダ上のボアを貫通し、次に曲
げられて再度マンドレルの軸方向延長ボアを貫通してい
るため、ユニットの同一端で電源接続されたリードに両
ワイヤを接続するよう利用できる。

以上の説明は本発明の好ましい実施態様を示すものであ
るが、コイル状ワイヤの使用は使用できる熱エネルギー
源の一例でしかない。ショルダの中間のマンドレルには
他の電気抵抗加熱手段を取付けてもよく例えば両端をリ
ンク、ワイヤその他の手段で炭化硅素のような耐火性導
電性材料の棒を接続してもよい。同様に互いに所望の間
隔を有し、必要な場合には隣接巻線群に分けたらせん状
巻線を形成するようコーテイング後機械加工した深場キ
ャット導電性耐火材料でマンドレルの中心部を巻くこと
もできる。

マンドレルの形状およびマンドレルの溝が設けられた中
心部に導電性加熱素子を巻く態様により加熱素子の通電
部分が互いに接触しないよう、すなわちショートしない
よう、更にユニットを挿入するチューブの壁と加熱素子
とが接触しないようになっている。

白金ロジウム合金ワイヤコイルで製造した加熱素子は、
高温レンジ、例えば１０００℃〜／７θＯ℃又はそれ以
上の温度で作動するよう設計でき、このようなユニット
は、耐久性があり、取扱いが容易でミ操作が容易なよう
に設計でき、ｏ、Ｈα又は必要であればそれより小径の
チューブでろう付け、応力緩和お−よびその他の用途の
ための熱を発生するのに使用できる。

又本発明は、スリーブ部材とチューブのアセンブリを合
体させる方法をも提供する。この方法では、前記スリー
ブ部材の外面が前記チューブの内面に対抗してこれに接
触した状態でチューブ内にスリーブ部材を遊嵌し、これ
ら対抗面の間にろう付は部材を介在し、次にスリーブの
ボア内のろう付けを行う位置までに加熱ユニットを挿入
する。次にこのユニットを附勢してアセンブリを加熱す
ると、ろう付は部材が溶融し、ろう付けができる。

以下添附図面に例示した本発明の好ましい実施態様の説
明を読めば本発明をより詳細に理解できよう。

〔実施例〕

添附図面を参照すると、マイドレルノ０はほぼ円筒状の
本体を有し、この本体には中心部／、２および一対の大
径ショルダｉｙ、／ｇ　（各端部に一つのショルダ）が
形成されている。マンドレルｌＯには、軸方向【と延長
するボア／ｇが設けられ、このボアはマンドレルを長手
方向に貫通し、その両端で開口している。

マンドレルの中心部ノコの外面には、次に説明する目的
のためそのほぼ全長にわたってらせん溝コＯが設けられ
ている。ショルダ／ｌＩには、長手方向に延長するボア
ＪＪが設けられ、このボアココはショルダ／ｌＩを完全
に貫通し、その両端で開口している。同様にして他方の
ショルｆ１６にも長手方向に延長するボアユｔが設けら
れ、このボア、ｉｆはそのショルダを完全に貫通シ、そ
の両端で開口している。ショルダ／＋内のボアココは、
ショルダ／Ａ内のボアｕＦよりも軸まわりに／ｇθ０回
転していることが好ましい。

次ニ第二図に示す加熱ユニットアセンブリについて説明
する。マンドレルの軸方向ボア／ｌを貫通する電気抵抗
加熱ワイヤ部分コ！は、ボアを貫通してマンドレルから
離間した後マンドレルの端部から突出するリード部、材
２６となっている。ワイヤ部＝５およびリード部材２６
は強度を高めかつ熱特性を良くするため撚られるか編組
状になっている。ワイヤを再度その上へ折り曲げるか又
は編組ができる程充分長い第一のワイヤ長さ部分を使え
ば、この編組みを行うことができる。

この編組によりコ本の平行線の導電率が大きくなるので
、編組状のワイヤは、単線よりも電気抵抗加熱量が少な
くなる。従って、マンドレルの軸方向ボアｉｔ内に設け
られたワイヤを編組構造とすることは、電気抵抗加熱量
を減少すなわちマンドレルの劣化を抑制する上で好まし
い。又編組構造を使用することは、高温でも装置を作動
できるようにする上で好ましい。マンドレルのボア７ｇ
の他端よりワイヤ部コ５が突出する点では、編組は不要
であるので、設けなくてもよい。次にワイヤは、はぼＵ
字断面コｇとなるように／　ｔ　００折り曲げられ、シ
ョルダ／ｆ内のボアココに挿入されている。ワイヤは次
にマンドレルの中心部ノコのまわりに巻かれ、ワイヤの
個々の巻線はらせん溝−〇内に収容されている。

従って、マンドレル１０の中心部／２上に取付けられた
ワイヤのコイルは、巻線群３０　、３０Ａ等に分けられ
て巻かれている。これらの巻線群は、マンドレルの中心
部ｌユの長手方向に沿って互いに離間し、ユニットの作
動中発生される加熱量を低減している。

電気抵抗ワイヤは、ショルダｌ乙に隣接してボア、２ｆ
を貫通し、一方のリード部材コロとしてマンドレルの同
じ端部より突出する。ショルダ／６内のボア、２ダ内に
あるワイヤは製造を容易とするため編組にしない。電気
抵抗加熱ワイヤの突出端は第２リード部材３コとなるが
、これは、編組にしない。リード部材コロおよび３コの
いずれもそれぞれ標準的銅製クリンプコネクタ３ダおよ
び、？６を介して標準的ワイヤ導線に接続されるが、こ
の導線は電源に接続できる。

電気抵抗加熱ワイヤは、白金基合金ワイヤから形成する
ことが好ましく、好ましい合金としては白金−ロジウム
合金があるが、この種の多数の合金が市販されている。

ロジウム成分は約／％から約コθチ、好ましくは約２チ
から７！チに変えることができるが、ｉｏ％ロジウムお
よび？θ裂白金を含む合金が特に好ましい。極く少量の
イリジウムおよびオスミウムを含めば、白金とルテニウ
ムの合金も使用できる。一般にこの用途に選択される合
金は、極めて高い融点を有し、本目的に必要な程度に加
工でき高温度での酸化に耐えかつ本来の加熱のため適当
な電気抵抗値を有していなければならない。

マンドレルは、窒化硼素から製造することが好ましい。

この材料は、本目的のために優れた熱的、電気的および
機械加工特性を有している。

これら要件を満すような他の材料としては、酸化ジルコ
ンおよび酸化アルミニウムがあるが、これらは、窒化硼
素よりも熱特性が良い。

電気抵抗加熱素子を９０％白金ｉｏ％ロジウム合金から
形成するときは、本発明の加熱ユニットは／’１！０℃
程度の温度で作動できる。このユニットは、空気中で使
用してもこの温度よりも高い温度でも酸化に極めて強く
、このため不活性ガスの保護雰囲気内でなくてオープン
な雰囲気でユニットを使用できる。

４ｔＯから一〇〇ボルトまでの電圧を発生する電源にこ
のユニットを接続すると、約１’ｌＯθ０Ｃから約１ｂ
ｒｏ℃までの幅の温度が容易に得られる。電源が従来の
、すなわちＡ　ＯＨ２の／２０　Ｖであるときは、発生
温度はワイヤの寸法およびコイルの大きさによって変わ
る。しかしながら一般に所望温度を約３分よりも短い時
間で急速かつ頻繁に得ることができる。第一図に示した
ユニットでは、ユニットを電源に接続した後の温度上昇
速度は毎秒／ｌＩ℃に等しいかそれより速い。

第３図に示すように加熱ユニットをろう付は−のために
使用するには、チューブｔｉ、ｏのボアにスリーブ３ｇ
を挿入する。嵌合は、摺動して遊嵌するのが好ましい。

最も便利な二つのスリーブのうちの一つのスリーブ３ｇ
には、環状溝１が設けられ、この溝内にリング状のろう
付は材料が入れられている。次にスリーブのボアに加熱
ユニットを挿入し、ユニットの中点がろう付は材料４ｔ
りのリングのほぼ中点に位置するようにユニットを位置
決めすることが好ましい。次にこのユニットを１０サイ
クルの／２０ボルトの標準的電源に接続する。

ある実施例の加熱ユニットは、約５．７儂長の中心部を
有し、ユニットの全長は約ｇ、／ｃＩｒＬであった。マ
ンドレルの中心部／Ｕの半径はマンドレルの各ショルダ
の半径よりも約０．３α小さく、電気抵抗加熱ワイヤは
、９０％の白金と７０％のロジウムを含む白金合金から
製造され、Ｏ，ＳＯ儒の径を有していた。このワイヤは
、マンドレルの中心部／コの溝−〇にコＪ　＋ぼごとに
３２回巻かれた。隣接巻線の間隔は約０．２５４／ｃｍ
であり、約／、３ＣＩｒＬごとに溝コθのうちの一つに
ワイヤを巻かないでおき、巻線のないスペースによりマ
ンドレル上で巻線が群、ｊＯ，３０Ａ等に分かれるよう
にした。

本例では、スリーブ３ｇは約０．１３１ｃｍの内径およ
び０．９９　／　ｃｍの外径を有し、チューブａＯは１
．０２０ｍの内径および八ツコのの外径を有していた。

１０サイクルのＡＯを使う、３ｇボルトの電圧、１０Ｊ
アンペアの電流を出力する電源に加熱ユニットを接続し
たところ、コイルの温度は少なくとも毎秒／　４（℃の
速度で上昇した。アセンブリの全厚みにわたって短時間
に約／１００℃のろう付は温度が得られた。加熱ワイヤ
自体は、１０００℃ｌこ近い温度を達成した。約６θ秒
の間約１ｉｏｏ℃でアセンブリを加熱した後に良好なろ
う付けが得られた。このろう付けを検査したところ空隙
がなかった。これと同じ加熱ユニットに関すると、加熱
ワイヤ自体はｉｇｏｏ℃に近い温度で作動するので、こ
れよりも高い温度と速い加熱速度が得られる。

本発明に従って組立てられた加熱ユニットの利点は、小
径のチューブおよびアセンブリに挿入したとき極めて高
速の加熱速度で高温を発生できる能力にある。編組状リ
ード部材およびクリンプ式コネクタの使用により、ユニ
ットの同一端部から出ているリード部材の双方を容易に
架橋できるという利点が得られる。−シャフト又はフレ
キシブルロッドをマンドレルに固定すればその扱いおよ
びチューブへの挿入が容易となる。

マンドレルの中心ボア７ｇを通して挿入される編組リー
ドを用いる第一図に示す構造は、ユニットの熱劣化に耐
えるように設計されている。

編組リードを使用すると、ユニットのこの部分で生じる
抵抗加熱量が減少し、又ヒートシンク効果も生じる・こ
のように撚られたすなわち編組リードを使用することに
より発熱量が低下するので、白金合金電気抵抗加熱ワイ
ヤと通常の銅ワイヤ（これはクリンプ式コネクタと電源
を接続することが好ましい）をクリンプ状に配線できる
。

マンドレルの中心部１２上の巻かれたワイヤ群、３０．
３０Ａ等の間隔は、マンドレルの中心部の全長にわたっ
て巻線を連続にした場合生じ得る過度の加熱を最少化す
るためにある。巻線群間に間隔を設けたことにより、間
隔を設けない場合よりも長い軸方向距離の能動的加熱ゾ
ーンをユニットに設けることができる。このような間隔
により、３ｃｒＩＬ以上のマンドレル長さにわたって延
長する電気加熱巻線を有するユニットが得られる。又各
巻線群内の隣接巻線間に間隔を設けたことにより欠点が
防止されるばかりでなく、素子内の電力密度も高くでき
る。

図示した構造は、電気絶縁のない裸のワイヤの使用を可
能とするが、更に保護が必要であれば、マンドレルのま
わりにガラス、石英、す７アイヤ、ルカラツクス材料の
ような酸化アルミニウムおよびその他の耐火電気絶縁材
料スリーブを設けて巻線を被覆できる。

窒化硼素のマンドレルにより製造された加熱ユニットは
、通常熱劣化に対する耐性が良好である。ｉ！ｒｏｏ℃
又はそれより高いピーク温度でｌ！〜２０サイクル使用
すると、窒化硼素は特にマンドレルの真中に近い部分に
て若干の酸化と気化が生じることがある。しかしながら
、寿命は残り、上記よりも多い回数にわたってユニット
は有効であり得る。

以上で好ましい実施態様を参照して本発明を説明したが
、本発明はこれら実施態様のみに限定されないと解すべ
きである。上記詳細な説明では多数の置換、変更が可能
であることを示唆したが、当業者であればそれ以外の置
換、変更も可能であろう。このような置換および変更は
特許請求の範囲内に入るものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第７図は、本発明の好ましい一実施態様により製造され
た電気抵抗加熱ユニットの一部品として使用されるマン
ドレルの一部を断面表示した部分側面図、第一図は電源
に接続できるクリンプ式コネクタに固定さ九電気的に接
触するユニットのリード線を示す本発明の一実施例に従
って製造された電気抵抗加熱ユニットの一部切欠き部分
断面部分側面図、第３図はスリーブをチューブにろう付
けするためチューブ・スリーブのアセンブリのボアに挿
入された第一図に示すような加熱ユニットを有するチュ
ーブ・スリーブアセンブリの縮少部分断面図である。 、ｉｏ、・マンドレル、ｌコー−中心部、／４’１１６
・・大径ショルダ、ｉｔ・・軸方向貫通ボア、１２．２
．コグΦ・ボア。 第１頁の続き 力合 ロイ 衆国、ペンシルベニア州、レッッパーク、マウヤル・ロ
ード　２７４０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）長手方向に延長するボアを有し、各端部に大径シ
   ョルダ手段が形成された絶縁性の耐火性の細長いマンド
   レルと、 前記ショルダ手段の中間の前記マンドレルに取付けられ
   た電気抵抗加熱手段と、 前記加熱手段の両端にそれぞれ作動自在に接続された一
   対の電気リード部材とから成り、前記リード手段の一つ
   は、前記ボア内に配置されこれを貫通し・ 前記ショルダ手段の各々には前記リード部材のうちの一
   つがそれぞれ貫通する小孔が設けられ、 前記リード部材の各々は、前記小孔の一つをそれぞれ貫
   通し、前記加熱手段の両端にそれぞれ電気的に接続する
   電気抵抗加熱ユニット。 （２）前記マンドレルはほぼ円筒状であり、前記加熱手
   段は、前記ショルダの中間の前記マンドレル上に取付け
   られた巻線群で形成されたほぼらせん状のコイルから成
   り、各巻線群内の前記巻線の隣接巻線は互いにほぼ均一
   に離間し、巻線の前記巻線群も前記マンドレルの長手方
   向に互いに離間している特許請求の範囲第１項記載の電
   気抵抗加熱ユニット。 （３）前記リード部材および前記加熱手段は裸の導線か
   ら成り、これら導線は前記マンドレルの介在部分により
   互いに電気的に絶縁され、マンドレルは機械加工した窒
   化硼素から形成されている特許請求の範囲第７項記載の
   加熱ユニット。 （４）前記マンドレルはほぼ円筒状であり、そのボアは
   軸方向に延長するボアであり、前記電気抵抗加熱手段は
   前記ショルダ手段の中間の前記マンドレルに取付けられ
   た巻線群から成るほぼらせん状のコイルから成り、前記
   巻線群の各々の内の隣接巻線は互いに均一に離間してお
   り、前記巻線群も前記マンドレルの長手方向に互いに離
   間しており、前記リード部材および前記加熱手段は、裸
   の電気導線から成り、これら導線は前記マンドレルの介
   在部分によ、り互いに電気的に絶縁されている特許請求
   の範囲第１項記載の加熱ユニット。 （５）前記加熱手段は、白金基合金ワイヤから成る特許
   請求の範囲第一項記載の加熱ユニット。 （６）マンドレルのボア内に配置された前記ＩＪ−ド部
   材の少なくとも一部はボア内で発生する熱量を低下させ
   るため低電気抵抗値を有する多芯導線として形成されて
   いる特許請求の範囲第３項記載の加熱ユニット。 （力　前記マンドレルはほぼ円筒状であり、前記ショル
   ダ手段の中間のマンドレル外面にはらせん状の溝が形成
   され、前記巻線群の各々のうちの巻線はそれぞれ前記溝
   内に配置されている特許請求の範囲第３項記載の加熱ユ
   ニット０ （８）　前記マンドレルはほぼ円筒状であり、前記ショ
   ルダ手段の中間のマンドレル面にはらせん状の溝が形成
   され、前記巻線群のうちの前記巻線は前記溝内にそれぞ
   れ配置されており、更に前記加熱手段は白金ロジウム合
   金ワイヤから成る特許請求の範囲第５項記載の加熱ユニ
   ット。 （９）前記マンドレルは形状がほぼ円筒形であり、前記
   ボアは軸方向に延長するボアであり、前記電気抵抗加熱
   手段は白金基合金ワイヤから成り、このワイヤは前記シ
   ョルダ手段の中間の前記マンドレル上の巻線群から成る
   ほぼらせん状のコイルに巻かれ、各巻線群内の隣接巻線
   は互いにほぼ均一に離間し、前記巻線群も前記マンドレ
   ルの長手方向に互いに離間し、前記リード部材および前
   記コイルワイヤは、前記マンドレルの介在部により互い
   に電気的に絶縁され、前記ショルダ手段の中間のマンド
   レル面にはらせん状の溝が形成され、前記各巻線群内の
   前記コイル巻線は前記溝内ｌこそれぞれ配置され、前記
   ショルダの各々は前記マンドレルの軸方向に延長し、か
   つ長手方向に延長して貫通するボアが形成され、前記リ
   ード部材は前記ボアをそれぞれ貫通し、前記らせん状に
   巻かれたコイルの両端に電気的に・接続する特許請求の
   範囲第２項記載の電伐抵抗加熱ユニット。 Ｑｌ　軸方向に延長するボアを有する管状部材を局部的
   に高温加熱する方法において、 長手方向に延長するボアを有し、各端部に大径ショルダ
   手段が形成された絶縁性の耐火性の細長いマンドレルと
   、前記ショルダ手段の中間の前記マンドレルに取付けら
   れた電気抵抗加熱手段と、前記加熱手段の両端にそれぞ
   れ作動自在こと接続された一対の電気リード部材とから
   成り、前記リード手段の一つは、前記ボア内に配置され
   これを貫通し、前記ショルダ手段の各々には前記リード
   部材のうちの一つがそれぞれ貫通する小孔が設けられ、
   前記リード部材の各々は、前記小孔の一つをそれぞれ貫
   通し、前記加熱手段の両端にそれぞれ電気的に接続する
   電気抵抗加熱ユニットを、前記ボア内の高温加熱を望む
   位置に挿入し、次に該ユニットを附勢することから成る
   方法。 αυ　スリーブ部材の外面がチューブの内面に対抗させ
   これと接触するようにチューブ内にスリーブ部材を遊嵌
   し、スリーブ部材とチューブのアセンブリを合体させる
   方法において１前記対向する面の間にろう付は材料を介
   在させて、次に前記スリーブのボア内のろう付けを行う
   位置に長手方向に延長するボアを有し、各端部に大径シ
   ョルダ手段が形成された絶縁性の耐火性の細長いマンド
   レルと・前記ショルダ手段の中間の前記マンドレルに取
   付けられた電気抵抗加熱手段と、前記加熱手段の両端に
   それぞれ作動自在に接続された一対の電気リード部材と
   から成り、前記リード手段の一つは、前記ボア内に配置
   されこれを貫通し、前記ショルダ手段の各々には前記リ
   ード部材のうちの一つがそれぞれ貫通する小孔が設けら
   れ、前記リード部材の各々は、前記小孔の一つをそれぞ
   れ貫通し、前記加熱手段の両端にそれぞれ電気的に接続
   する電気抵抗加熱ユニットを挿入し、次に前記ユニット
   を、附勢してろう付けを行う方法。