TWI702320B - 碳線加熱器 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種碳線加熱器，其特徵在於包含：玻璃構件；及碳線發熱體，其收容於上述玻璃構件之內部，藉由供電而發熱；且上述碳線發熱體係將由碳單纖維束集成之複數個碳纖維束編入成線狀而形成，上述碳線發熱體之每單位長度之重量為1 g/m～5.1 g/m之範圍內，於由上述編入之複數個碳纖維束形成之空間部內不存在碳纖維束。
Description
本發明係關於一種將碳線發熱體收容於玻璃構件之碳線加熱器，尤其是關於一種抑制碳線發熱體中之電流集中之碳線加熱器。
關於碳線加熱器，本申請人提出專利文獻1所記載之發明。一面參照圖6至圖9一面對該專利文獻1所記載之碳線加熱器進行說明。
圖6所示之加熱器具有：碳線發熱體12、及收納上述碳線發熱體12之兩端開放之長條且小徑之石英玻璃管13(簡稱為玻璃管13)。於上述玻璃管13之兩端部13a、13b，收納有更大徑之玻璃管14a、14b，於該大徑之玻璃管14a、14b之內部壓縮收納有線碳材20。又，上述兩端部13a、13b之外側端部藉由密封端子部18a、18b密封堵住。
上述密封端子部18a、18b具有圓筒狀之包含石英玻璃之密封構件15a、15b，其一端與上述玻璃管13之兩端部13a、13b熔合。
於上述密封構件15a、15b內，配設有對碳線發熱體12供給電力之連接線16a、16b，於連接線16a、16b之一部分外周面，形成有熱膨脹係數於該連接線16a、16b之徑向上變化之熱膨脹傾斜部17a、17b。
上述密封構件15a、15b為形成有小徑部15a1、15b1、大徑部15a2、15b2、及連接上述小徑部15a1、15b1與大徑部15a2、15b2之立起部15a3、15b3的圓筒狀體。
上述小徑部15a1、15b1之內周面與上述熱膨脹傾斜部17a、17b之外周面熔合，上述大徑部15a2、15b2之端面與上述大徑之玻璃管13之兩端部13a、13b之端面熔合。藉此將玻璃管13內密封。
上述連接線16a、16b包含Mo(鉬)或W(鎢)棒。該連接線16a、16b之前端部尖突，以便能夠容易地連接於壓縮收納於大徑之玻璃管14a、14b內之線碳材20。
又，如上所述於密封端子部18a、18b，於連接線16a、16b之外周面形成熱膨脹傾斜部17a、17b。該熱膨脹傾斜部17a、17b包含形成於連接線16a、16b之外周面上之鎢玻璃層17a1、17b1、及積層於其上之例如熱膨脹係數為8×10-7
/℃(0～300℃)之96%矽酸玻璃層17a2、17b2。即，以於連接線16a、16b之徑向上熱膨脹係數變小之方式形成有熱膨脹傾斜部17a、17b。
根據具有此種構造之加熱器，於連接線16a、16b之外周面具備於徑向上熱膨脹率變化之熱膨脹傾斜部17a、17b，上述連接線16a、16b經由熱膨脹傾斜部17a、17b而安裝於玻璃構件(小徑部15a1、15b1)，故可緩和由熱膨脹引起之變形。又，相對於外力之機械強度變強，操作便利。
又，於圖6所示之加熱器中，於收容於玻璃管13內之碳線發熱體12中使用如下碳線，即，將由約3000根至3500根左右直徑2至15 μm之碳纖維、例如直徑7 μm之碳單纖維束集成之纖維束12a如圖7之側視圖(玻璃管以剖面表示)所示使用8束左右，編成直徑約2 mm之編繩形狀或組編形狀。於上述情形時，線之編入跨距為2至5 mm左右。
又，圖8係模式性表示如上所述編入之纖維束12a(為表示內部而僅將輪廓以鏈線表示)之內部之側視圖。如圖所示於編入之複數個纖維束12a之內部，配置有包含2～3束筆直(直線狀)之纖維束之芯線19。
如此，先前藉由於編入之複數個纖維束12a之內部配置芯線19而保持強度。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2005-294007號公報
[發明所欲解決之問題]
然，如圖9之縱剖視圖所示，覆蓋芯線19周圍之複數個纖維束12a被編入，但關於芯線19，並非編入而為筆直之狀態。
然而，對於筆直之狀態之芯線19，其長度短於編入線(纖維束12a)，故電阻值變低，相應地電流容易集中。因此，有如下問題，即，芯線19中溫度容易上升，於電流施加時芯線19之溫度變得高於編入線(纖維束12a)之溫度。
因此，有如下問題，即，相較編入線(纖維束12a)，於芯線19中，作為碳線主成分之碳(C)與自氧化矽玻璃管蒸發之SiO發生下式之反應，導致斷線逐漸進展。
[數1]
SiO(s)＋C(s)→Si(s)＋CO(g)
本發明係為解決上述技術問題而完成者，其目的在於提供一種抑制碳線發熱體中之電流集中之產生，謀求碳線發熱體之長壽命化之碳線加熱器。
[解決問題之技術手段]
為達成上述目的而完成之本發明之碳線加熱器之特徵在於包含：玻璃構件；及碳線發熱體，其收容於上述玻璃構件之內部，藉由供電而發熱；且上述碳線發熱體係將由碳單纖維束集成之複數個碳纖維束編入成線狀而形成，上述碳線發熱體之每單位長度之重量為1 g/m～5.1 g/m之範圍內，於由上述編入之複數個碳纖維束形成之空間部內不存在碳纖維束。
再者，上述碳線發熱體較理想為，將由直徑5至15 μm之上述碳單纖維束集而形成之上述碳纖維束編入5束至20束，整體由15000根至60000根碳單纖維形成。
如此，根據本發明，收容於玻璃構件內之碳線發熱體並非如先前般於內部包含筆直之芯線，而是設為將複數束碳纖維束編入之構成。
藉此，不存在電阻值較低之芯線中之電流集中現象，故可使碳線發熱體之發熱均勻化。
其結果，可抑制由化學反應導致之斷線之進展，謀求碳線發熱體之長壽命化。
又，相較包含芯線之情形，每單位長度之電阻值變高，故於流過相同電流值時，可使輸出相較包含芯線之情形提高。
又，相較包含芯線之先前之碳線發熱體可便宜地製造。
[發明之效果]
根據本發明，可獲得一種抑制碳線發熱體中之電流集中之產生，謀求碳線發熱體之長壽命化之碳線加熱器。
以下，一面參照圖式一面對本發明之碳線加熱器之實施形態進行說明。圖1係表示本發明之碳線加熱器之實施形態之側視圖(玻璃管以剖面表示)，其係表示具有本發明之碳線加熱器之特徵之主要部分之圖。圖2係圖1所示之碳線加熱器之縱剖視圖。又，圖3係將收容於玻璃管中之碳線發熱體之一部分表面放大表示之側視圖。
再者，圖1、圖2所示之碳線加熱器係與圖6所示之先前之加熱器同樣地對收容於玻璃管中之碳線發熱體供電而發熱者，供電部可採用與圖6所示之構造相同者。
圖1、圖2所示之碳線加熱器1具備：碳線發熱體2，其藉由供電而發熱；及玻璃管3(玻璃構件)，其將該碳線發熱體2收納於管內，且於兩端具有密封端子部(未圖示)。上述玻璃管3例如係由石英玻璃形成之使光(輻射熱)透過之石英玻璃管。其內徑例如形成為2.6 mm，外徑例如形成為5 mm。
上述碳線發熱體2係將複數束由極細之碳單纖維束集成之碳纖維束2a如圖3(a)、或圖3(b)所示編織成編繩形狀、或編帶形狀且製作成線狀而成者，與先前之金屬製或SiC製之發熱體相比，熱容量較小且升降溫特性優異，又，於非氧化性環境中高溫耐久性亦優異。
又，該碳線發熱體2係將複數束細碳單纖維之纖維束(碳纖維束2a)進行編織而製作者，故與包含純碳材之發熱體相比，富有可撓性，形狀變形順應性優異。
本實施形態所示之例中，使用將8束碳纖維束2a編織而成者。如圖2所示，編入之8束碳纖維束2a之內部設為空腔，並非如先前構造般包含碳線(碳纖維束)之芯線。即，於由編入之複數個碳纖維束2a形成之空間部內不存在碳纖維束2a。如此，不存在芯線，從而不存在朝芯線之電流集中，故不存在芯線之溫度局部上升，可謀求碳線發熱體2之長壽命化。
又，相較包含芯線之情形，每單位長度之電阻值變高，故於流過相同電流值時，可使輸出相較包含芯線之情形為提高。
又，相較包含芯線之先前之碳線發熱體可價廉地製造。
進而，對上述碳線發熱體2更詳細地進行說明。如上所述，碳線發熱體2使用將複數束(本實施形態中8束)碳纖維束2a以直徑約2 mm之編繩狀、或編帶狀編入而成者。上述碳纖維束2a較佳為將約3000根左右直徑5 μm至15 μm之碳單纖維、例如直徑7 μm之碳單纖維束集而成者。
再者，作為碳線發熱體2之整體，較理想為上述碳單纖維為15000根至60000根左右。例如，若以3000根碳單纖維形成1束碳纖維束2a，則碳線發熱體2較理想為將5束至20束之碳纖維束2a編入而形成。
於上述情形時，線之編入跨距為2 mm至5 mm左右，又，如圖3(a)、(b)所示，碳纖維束2a之編入角度θ設定為10°至40°之間之特定之角度。
即，於編入角度如10°(圖3(a))般較小之情形時，每單位長度(1 m)之碳纖維束2a之長度變短，重量亦成為1 g/1 m左右。若編入角度小於10°，則無法保持易彎曲之形狀，故欠佳。
另一方面，於編入角度如40°(圖3(b))般較大之情形時，每單位長度(1 m)之碳纖維束2a之長度變長，重量亦成為5.1 g/m左右。
如此若使編入角度例如變大，則每單位長度所包含之線量增加，電阻值上升。其結果，可使輸出相較先前構造上升。再者，若編入角度大於40°，則剛性提高但柔軟性欠缺，難以引繞，故欠佳。
如上所述，於本發明之碳線加熱器中，碳線發熱體之每單位長度之重量於1 g/m～5.1 g/m之範圍內設定。
如此構成之碳線加熱器1中，若對碳線發熱體2通電而使其發熱，則自玻璃管3沿著碳線發熱體2之形狀(本實施形態中直線狀)放射輻射熱。
如此，根據本發明之碳線加熱器之實施形態，收容於玻璃管3內之碳線發熱體2設為於內部不包含筆直之芯線，而將複數束碳纖維束2a編入之構成。
藉此，可抑制先前電阻值較低之芯線中之電流集中，使碳線發熱體2之發熱均勻化。
其結果，可抑制由化學反應導致之斷線之進展，謀求碳線發熱體2之長壽命化。
又，相較如先前包含芯線之情形，每單位長度之電阻值變高，故流過相同電流值時，可使輸出相較包含芯線之情形提高。又，相較包含芯線之先前之碳線發熱體可便宜地製造。
再者，於上述實施形態中，將構成碳線發熱體2之碳纖維束2a之數量設為8束進行了說明，但編入之纖維束2a之數量並非受到限定。
又，於上述實施形態中，將碳線發熱體2(及收容其之玻璃管)設為直線狀進行了說明，但並非限定於此，亦可設為矩形狀或彎曲形狀。
[實施例]
繼而，根據實施例對本發明之碳線加熱器進一步進行說明。
＜實驗1＞
於實驗1中，使用上述實施形態所示之碳線加熱器，驗證相對於供給電力之輸出相較先前是否提高。
(實施例1)
實施例1中，使用將由3000根直徑7 μm之碳單纖維束集成之碳纖維束編入10束而形成之直徑約2 mm之碳線發熱體(合計30000根碳單纖維)。編入角度設為30°。
(比較例1)
作為先前構造之碳線加熱器，使用於碳線發熱體中含有2束包含筆直之碳纖維束之芯線者作為比較例1。各芯線之碳纖維束係由3000根碳單纖維而形成。
又，配置於該2束芯線周圍之編入線使用與實施例1相同條件者。即，使用將由3000根直徑7 μm之碳單纖維束集成之碳纖維束編入10束而形成者。編入角度設為30°，作為碳線發熱體之直徑與實施例1同樣地設為約2 mm。
本實驗中，對實施例1及比較例1之碳線加熱器，使供給電流自0 A階段性地上升至25 A，測定此時之加熱器輸出(W)。作為本實驗之結果，將實施例1及比較例1之供給電流值(A)與加熱器輸出(W)之關係示於圖4之曲線圖。於圖4之曲線圖中，縱軸為加熱器輸出(W)，橫軸為供給電流(A)。
如該曲線圖所示，根據本發明之碳線加熱器(實施例1)，相較先前構成之碳線加熱器(比較例1) 輸出提高約35%。認為其原因在於，實施例1之構成相較如比較例1般之包含芯線之構成，每單位長度之電阻值變高，故於流過相同電流值時，輸出更為提高。
＜實驗2＞
於實驗2中，使用上述實施形態所示之碳線加熱器，驗證壽命相較先前是否提高。
(實施例2)
實施例2中，使用將由3000根直徑7 μm之碳單纖維束集成之碳纖維束編入10束而形成之直徑約2 mm、發熱部長度200 mm之碳線發熱體(合計30000根碳單纖維)。編入角度設為30°。
(比較例2)
作為先前構造之碳線加熱器，使用於碳線發熱體中含有2束包含筆直之碳纖維束之芯線者作為比較例2。各芯線之碳纖維束藉由3000根碳單纖維而形成。
又，與實施例2同樣地，配置於該2束芯線周圍之編入線使用將由3000根直徑7 μm之碳單纖維束集成之碳纖維束編入10束而成之直徑約2 mm者。編入角度設為30°。與實施例2同樣地，作為碳線發熱體之直徑設為約2 mm，發熱部之長度設為200 mm。
本實驗中，對實施例2及比較例2之碳線加熱器，測定維持各加熱器之輸出(500 W、580 W、680 W、750 W、780 W)之狀態下連續通電之情形時之斷線時間。
將本實驗之結果示於圖5之曲線圖。於圖5之曲線圖中，縱軸為斷線時間(h)，橫軸為加熱器輸出(W)。
如該曲線圖所示，根據本發明之碳線加熱器(實施例2)，確認斷線之前之時間相較先前構成之碳線加熱器(比較例2)延長。
以上實施例之結果確認到，根據本發明之碳線加熱器，可使加熱器輸出相較先前提高，且碳線發熱體之壽命延長。
本申請係基於2018年6月26日提出申請之日本專利申請2018-120817者，其內容以參照之方式併入本文。
1:碳線加熱器
2:碳線發熱體
2a:碳纖維束
3:玻璃管
12:碳線發熱體
12a:纖維束
13:玻璃管
13a:端部
13b:端部
14a:玻璃管
14b:玻璃管
15a:密封構件
15b:密封構件
15a1:小徑部
15b1:小徑部
15a2:大徑部
15b2:大徑部
15a3:立起部
15b3:立起部
16a:連接線
16b:連接線
17a:熱膨脹傾斜部
17b:熱膨脹傾斜部
17a1:鎢玻璃層
17b1:鎢玻璃層
17a2:矽酸玻璃層
17b2:矽酸玻璃層
18a:密封端子部
18b:密封端子部
19:芯線
θ:編入角度
圖1係表示本發明之碳線加熱器之實施形態之側視圖(玻璃管以剖視圖表示)，其係表示碳線加熱器之主要部分之圖。
圖2係圖1之碳線加熱器之縱剖視圖。
圖3(a)及3(b)係將收容於玻璃管中之碳線發熱體之一部分表面放大表示之側視圖。
圖4係表示本發明之實施例1、比較例1之結果之曲線圖。
圖5係表示本發明之實施例2、比較例2之結果之曲線圖。
圖6係表示將碳線發熱體封入至玻璃管中之先前之加熱器之剖視圖。
圖7係表示圖6之先前之加熱器具有之碳線發熱體之構成之側視圖。
圖8係表示圖7之碳線發熱體具有之芯線之側視圖。
圖9係圖7、圖8所示之碳線發熱體之縱剖視圖。
1:碳線加熱器
2:碳線發熱體
2a:碳纖維束
3:玻璃管
Claims (2)
- 一種碳線加熱器，其特徵在於包含： 玻璃構件；及 碳線發熱體，其收容於上述玻璃構件之內部，藉由供電而發熱；且 上述碳線發熱體係將由碳單纖維束集成之複數個碳纖維束編入成線狀而形成， 上述碳線發熱體之每單位長度之重量為1 g/m～5.1 g/m之範圍內， 於由上述編入之複數個碳纖維束形成之空間部內不存在碳纖維束。
- 如請求項1之碳線加熱器，其中上述碳線發熱體係 將由直徑5至15 μm之上述碳單纖維束集而形成之上述碳纖維束編入5束至20束，整體由15000根至60000根碳單纖維形成。
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