JPS6127869B2 - - Google Patents

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JPS6127869B2
JPS6127869B2 JP1316480A JP1316480A JPS6127869B2 JP S6127869 B2 JPS6127869 B2 JP S6127869B2 JP 1316480 A JP1316480 A JP 1316480A JP 1316480 A JP1316480 A JP 1316480A JP S6127869 B2 JPS6127869 B2 JP S6127869B2
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JP
Japan
Prior art keywords
silicon
heating wire
sheathed heater
oxide
magnesium oxide
Prior art date
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Expired
Application number
JP1316480A
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Japanese (ja)
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JPS56109483A (en
Inventor
Junichi Kato
Yoshihiro Matsuo
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は家庭用、工業用等に広く用いられてい
るシーズヒータに関し、簡単な構造にして特に寿
命終了時点における安全性を高めることを目的と
する。 従来のシーズヒータは金属パイプ内に酸化マグ
ネシウムを介してコイル状の電熱線を収納した構
造になつている。このヒータは絶縁性に優れてお
り、寿命も長く、加工が容易である等、多くの長
所を有しており、広く使用されているが、近年、
赤熱状態という高温で使用される機会が増すにつ
れて、シーズヒータの寿命終了時点において安全
性の面で間題のあることが判明した。すなわち、
長期間の使用により、最終的には電熱線が断線す
るに至るが、この断線時に、断線部分が白熱し、
金属パイプが溶融することがある。また、電熱線
の径やコイルのピツチ条件によつては、白熱部分
は温度が2000℃にも達し、数分間高温を持続しな
がら、金属パイプに沿つて移動し、パイプの溶融
部分が数+センチメートルにもなることがある。
この現象は安全性の面からシーズヒータの大きな
欠点であり、電熱線の断線時に白熱状態が起ら
ず、金属パイプが溶融状態とならないシーズヒー
タが望まれていた。 発明者らは、上記の白熱状態や金属パイプの溶
融が起らないシーズヒータを開発するため、この
現象の原因を明らかにした。電熱線は長期間の使
用により、部分的に線径が細くなる等の原因で抵
抗値に不均一が生じ、通電を行うと温度の不均一
が起る。この不均一が拡大してゆくと高温部分に
おいて電熱線が溶融し、遂には断線するに至る。
断線時にはアーク放電が発生し断線部近傍の酸化
マグネシウムが溶融状態となる。固態では絶縁物
である酸化マグネシウムも、溶融状態では、イオ
ン伝導性が著るしく、10-1〜10-2Ωcmの電気の良
導体となる。従つて、電熱線の断線後も通電が持
続し、酸化マグネシウムの溶融状態の部分でのジ
ユール熱により、金属パイプが溶融し、白熱状態
となる。 以上に述べた原因から、断線時に発生する熱に
より高温になつた場合でも、電気の良導体となら
ない物質が充填されておれば、酸化マグネシウム
の場合のように断線時に金属パイプの溶融や白熱
が起こることはないと考えられる。 一方、シーズヒータの充填材としては、熱伝導
度が大であり、絶縁性の高いことが要求される。 発明者らは、種々の無機絶縁物につき検討を行
い、前述の諸条件を充たす材料として、チツ化ケ
イ素を見い出した。以下に図面を用い本発明の実
施例を説明する。 〔実施例 1〕 第1図は本発明の一実施例であるシーズヒータ
を示し、金属パイプ1内の中心に配設されたコイ
ル状の電熱線2のまわりはチツ化ケイ素の粉末が
充填されて無機絶縁物層3が形成されている。 なお、図における4は電熱線の両端に接続され
た端子棒、5は金属パイプ1の両端を封口した封
口部材である。かゝる構成になつたシーズヒータ
は、適当な径を有する金属パイプにまず電熱線2
を挿入しチツ化ケイ素の粉末を充填し、金属パイ
プの両端を封口部材5により封口した後、圧延に
より金属パイプの径を縮小することにより作成さ
れる。なお、使用したチツ化ケイ素の粉末は、
Si3N4を97重量%含み、残部にSiO2,Al2O3
Fe2O3等の不純物を含む。電熱線はJIS規格NCH
―1の材質で直径0.5mmの線材を、巻径が2mm、
ピツチが、各々1,5,3,5,7mmであるコイ
ル状体にしたものを用いた。金属パイプはSUS3
21(JIS規格)で圧延後の外径が6.6mm、内径が
5.8mmである。 次に無機絶縁物層の形成に、従来のように酸化
マグネシウムを用いたシーズヒータと、本発明の
ようにチツ化ケイ素を用いたシーズヒータの断線
後における外観と内部の状態を、コイルピツチ
1,5,3,5,7mmについてそれぞれ比較した
結果を第1表に示す。
The present invention relates to a sheathed heater that is widely used for household and industrial purposes, and an object of the present invention is to simplify the structure and improve safety, especially at the end of its life. A conventional sheathed heater has a structure in which a coiled heating wire is housed inside a metal pipe with magnesium oxide interposed therebetween. This heater has many advantages such as excellent insulation, long life, and easy processing, and is widely used.
As the sheathed heaters are increasingly used at high temperatures such as red-hot conditions, it has become clear that there is a safety issue at the end of the life of the sheathed heater. That is,
After long-term use, the heating wire will eventually break, but when this happens, the broken part will become white hot.
Metal pipes may melt. Also, depending on the diameter of the heating wire and the pitch conditions of the coil, the temperature of the incandescent part can reach as high as 2000℃, and the temperature remains high for several minutes as it moves along the metal pipe, resulting in several melted parts of the pipe. It can be as large as a centimeter.
This phenomenon is a major drawback of sheathed heaters from the standpoint of safety, and a sheathed heater that does not cause incandescence when the heating wire breaks and does not cause the metal pipe to become molten has been desired. The inventors clarified the cause of this phenomenon in order to develop a sheathed heater that does not cause the above-mentioned incandescence or melting of the metal pipe. When a heating wire is used for a long period of time, its resistance value becomes uneven due to factors such as the diameter of the wire becoming thinner in some parts, and when electricity is applied, the temperature becomes uneven. As this non-uniformity expands, the heating wire melts in the high temperature portion and eventually breaks.
When the wire breaks, arc discharge occurs and the magnesium oxide near the break becomes molten. Magnesium oxide, which is an insulator in its solid state, also has remarkable ionic conductivity in its molten state, making it a good electrical conductor of 10 -1 to 10 -2 Ωcm. Therefore, even after the heating wire is disconnected, the current continues to flow, and the metal pipe melts and becomes incandescent due to the Joule heat in the molten state of the magnesium oxide. Due to the causes mentioned above, even if the heat generated when the wire breaks becomes high, if it is filled with a substance that is not a good conductor of electricity, the metal pipe will melt or glow when the wire breaks, as in the case of magnesium oxide. It is thought that this will not happen. On the other hand, fillers for sheathed heaters are required to have high thermal conductivity and high insulation properties. The inventors investigated various inorganic insulators and discovered silicon nitride as a material that satisfies the above-mentioned conditions. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. [Embodiment 1] Fig. 1 shows a sheathed heater which is an embodiment of the present invention, in which a coiled heating wire 2 disposed at the center of a metal pipe 1 is filled with silicon nitride powder. An inorganic insulating layer 3 is formed. In addition, in the figure, 4 is a terminal bar connected to both ends of the heating wire, and 5 is a sealing member that seals both ends of the metal pipe 1. A sheathed heater with such a configuration first attaches a heating wire 2 to a metal pipe with an appropriate diameter.
is inserted and filled with silicon dioxide powder, both ends of the metal pipe are sealed with a sealing member 5, and then the diameter of the metal pipe is reduced by rolling. The silicon titanide powder used was
Contains 97% by weight of Si 3 N 4 , with the remainder containing SiO 2 , Al 2 O 3 ,
Contains impurities such as Fe 2 O 3 . Heating wire is JIS standard NCH
-1 wire rod with a diameter of 0.5 mm, the winding diameter is 2 mm,
Coiled bodies with pitches of 1, 5, 3, 5, and 7 mm were used. Metal pipe is SUS3
21 (JIS standard), the outer diameter after rolling is 6.6mm, and the inner diameter is
It is 5.8mm. Next, the appearance and internal state of the sheathed heater using magnesium oxide as in the past and the sheathed heater using silicon nitride as in the present invention for forming the inorganic insulator layer after the wire is disconnected are as follows: coil pitch 1, Table 1 shows the comparison results for 5, 3, 5, and 7 mm.

【表】 第1表で明らかなように、従来のように酸化マ
グネシウムを充填したシーズヒータでは、ピツチ
が5mm以下ではパイプが溶融し、3mm以下ではパ
イプの溶融部が拡大し、10cmにも達する。内部に
おいては酸化マグネシウムが溶融している。 一方、本発明のようにチツ化ケイ素を充填した
シーズヒータでは、いずれのコイルピツチでも金
属パイプは溶融しない。また、内部状態も電熱線
が溶融しているだけでチツ化ケイ素には変化が認
められない。このように、シーズヒータの絶縁に
使用されている無機絶縁物にチツ化ケイ素を用い
れば、従来のように酸化マグネシウムを用いたも
のに比べ、寿命終了時すなわち断線時において安
全なものとすることが可能になる。 以上に述べた結果は、純度97%のチツ化ケイ素
を用いた場合について示したが、純度の高いチツ
化ケイ素は高価であり、入手が困難である。従つ
て工業的な規模で、かつ低コストでシーズヒータ
を生産する場合には純度の低いチツ化ケイ素の使
用が望ましい。不純物は前述したように、酸化ケ
イ素、酸化アルミニウム、酸化鉄等の酸化物が多
い。一方、断線時のパイプ溶断現象は酸化物の溶
融により引起されるから、不純物量、特に酸化物
の総量はシーズヒータの安全性に大きく影響す
る。 そこで不純物としての酸化物の存在がどの程度
の量まで許容されるのかを調べるために、純度97
%のチツ化ケイ素に酸化ケイ素、酸化アルミニウ
ム、酸化鉄、酸化マグネシウムを混入後に占める
割合が重量%で5〜50%になるように混入したも
のを、絶縁物層として充填しシーズヒータを作成
し、その断線時の様態を調べた。この時電熱線は
NCH―1の材質で直径0.5mmの線材を巻径が2
mm、ピツチが1.5mmのコイル状体にしたものを用
いた。また金属パイプは材質がSUS321で圧延後
の外径が6.6mm、内径が5.8mmである。実験結果に
ついて、第2表を参照しながら説明する。
[Table] As is clear from Table 1, in a conventional sheathed heater filled with magnesium oxide, the pipe will melt if the pitch is less than 5 mm, and if the pitch is less than 3 mm, the melted part of the pipe will expand and reach up to 10 cm. . Magnesium oxide is melted inside. On the other hand, in the sheathed heater filled with silicon dioxide as in the present invention, the metal pipe does not melt at any coil pitch. Moreover, the internal state is only that the heating wire is melted, and no change is observed in the silicon nitride. In this way, if silicon nitride is used as the inorganic insulator used to insulate a sheathed heater, it will be safer at the end of its life, that is, when the wire breaks, compared to the conventional insulator that uses magnesium oxide. becomes possible. The results described above were shown for the case where silicon titanide with a purity of 97% was used, but highly pure silicon titanide is expensive and difficult to obtain. Therefore, when producing sheathed heaters on an industrial scale and at low cost, it is desirable to use silicon nitride with low purity. As mentioned above, many of the impurities are oxides such as silicon oxide, aluminum oxide, and iron oxide. On the other hand, since the pipe fusing phenomenon at the time of wire breakage is caused by melting of oxides, the amount of impurities, especially the total amount of oxides, greatly affects the safety of the sheathed heater. Therefore, in order to find out how much oxide is allowed to exist as an impurity, we decided to
A sheathed heater is created by filling silicon oxide, aluminum oxide, iron oxide, and magnesium oxide in a proportion of 5% to 50% by weight as an insulating layer. , we investigated the state of the disconnection. At this time, the heating wire
Winding diameter of 0.5mm wire made of NCH-1 material is 2.
A coiled body with a pitch of 1.5 mm and a pitch of 1.5 mm was used. The metal pipe is made of SUS321 and has an outer diameter of 6.6 mm and an inner diameter of 5.8 mm after rolling. The experimental results will be explained with reference to Table 2.

〔実施例 2〕[Example 2]

チツ化ケイ素粉末を単独で、また、酸化マグネ
シウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素の各粉末
を混合化が20重量%以下になるようにして、チツ
化ケイ素粉末にそれぞれ混合したものを用い、実
施例1と同様にしてシーズヒータを作成し、加速
条件下で寿命試験をおこない、シーズヒータの電
熱線が断線するに至る時間を調べた。第3表にそ
の結果を示す。
Example 1 was carried out by using silicon titanide powder alone or by mixing each of magnesium oxide, aluminum oxide, and silicon oxide powder with silicon titanide powder in an amount of 20% by weight or less. A sheathed heater was made in the same manner as above, and a life test was conducted under accelerated conditions to determine the time it took for the heating wire of the sheathed heater to break. Table 3 shows the results.

【表】 上表から明らかなように、チツ化ケイ素の粉末
に酸化マグネシウム、酸化アルニウム、酸化ケイ
素の各粉末をそれぞれ混合した場合寿命がかなり
伸びる。なおこの場合、その混合比が20重量%を
越えないことが必要なことは実施例1に示した通
りである。 このようにチツ化ケイ素の粉末に酸化マグネシ
ウムあるいは酸化アルミニウム、酸化ケイ素の粉
末を混合すると寿命が伸びるのは次のような理由
によるものと考えられる。すなわち、一般にチツ
化ケイ素の粉末は気孔率が比較的高く、このため
チツ化ケイ素粉末を単独で充填した場合には、充
填密度が低くしたがつて熱伝導性が、幾分低くな
るのに対し、酸化マグネシウムを始めとする上記
各酸化物の粉末は、熱伝導性が高く、したがつて
このような粉末を混合することにより、熱伝導性
が高まり、この結果、電熱線の温度が低めの状態
となり、これにより上述のように電熱線の寿命が
伸長するものと考えられる。 以上のように本発明によれば、熱良導体よりな
る管状体内に絶縁物層を介して電熱線を収納した
シーズヒータにおいて、前記絶縁物層として、チ
ツ化ケイ素を主成分とし、このチツ化ケイ素に酸
化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび酸化ケ
イ素よりなるグループのなかより選択された少な
くとも一種を、チツ化ケイ素との合計量に対し20
重量%まで含むように混合したものを用いている
ため、電熱線の断線時において断線部分が白熱し
て管状体が溶融したりするということはなくな
り、その結果、安全なシーズヒータを得ることが
できるとともに、熱伝導性の高まりにより電熱線
の温度が低めの状態となるため、長寿命化をはか
ることができるものである。
[Table] As is clear from the above table, the lifespan is significantly extended when magnesium oxide, aluminum oxide, and silicon oxide powders are mixed with silicon titanide powder. In this case, as shown in Example 1, it is necessary that the mixing ratio does not exceed 20% by weight. The reason why the service life is extended when magnesium oxide, aluminum oxide, or silicon oxide powder is mixed with silicon nitride powder is considered to be as follows. In other words, silicon titanide powder generally has a relatively high porosity, so when silicon titanide powder is filled alone, the packing density is low and the thermal conductivity is somewhat low. Powders of the above-mentioned oxides, including magnesium oxide, have high thermal conductivity. Therefore, by mixing such powders, thermal conductivity increases, and as a result, the temperature of the heating wire can be lowered. This is thought to extend the life of the heating wire as described above. As described above, according to the present invention, in a sheathed heater in which a heating wire is housed in a tubular body made of a good thermal conductor through an insulating layer, the insulating layer contains silicon nitride as a main component, and the silicon nitride Add at least one selected from the group consisting of magnesium oxide, aluminum oxide and silicon oxide to 20% of the total amount of silicon oxide.
Since we use a mixture containing up to % by weight, when the heating wire breaks, the broken part will not become incandescent and the tubular body will melt, and as a result, a safe sheathed heater can be obtained. At the same time, the increased thermal conductivity keeps the heating wire at a lower temperature, resulting in a longer service life.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

図は本発明の一実施例であるシーズヒータの断
面図である。 1……金属パイプ、2……電熱線、3……絶縁
物層。
The figure is a sectional view of a sheathed heater that is an embodiment of the present invention. 1... Metal pipe, 2... Heating wire, 3... Insulating layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 熱良導体よりなる管状体内に絶縁物層を介し
て電熱線を収納したシーズヒータにおいて、前記
絶縁物層として、チツ化ケイ素を主成分とし、こ
のチツ化ケイ素に酸化マグネシウム、酸化アルミ
ニウムおよび酸化ケイ素よりなるグループのなか
より選択された少なくとも一種を、チツ化ケイ素
との合計量に対し20重量%まで含むように混合し
たものを用いたことを特徴とするシーズヒータ。
1 In a sheathed heater in which a heating wire is housed in a tubular body made of a good thermal conductor through an insulating layer, the insulating layer contains silicon nitride as a main component, and the silicon nitride contains magnesium oxide, aluminum oxide, and silicon oxide. A sheathed heater characterized by using a mixture of at least one selected from the group consisting of up to 20% by weight with respect to the total amount of silicon titanide.
JP1316480A 1980-02-05 1980-02-05 Sheathed heater Granted JPS56109483A (en)

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