WO2024062654A1 - 浸漬型加熱ヒータ - Google Patents

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WO2024062654A1
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heater
insertion hole
heater unit
insulator
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Inventor
城也太 望月
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株式会社トウネツ
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/44—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces
    • H05B3/64—Heating elements specially adapted for furnaces using ribbon, rod, or wire heater

Definitions

  • the present invention relates to an immersion type heater that is used while being immersed in molten metal.
  • An immersion heater is a heater that uses electricity inserted into a bottomed protection tube that is installed in a tank or container to heat molten metal (for example, molten aluminum), and the heater is connected to a molten metal holding furnace.
  • molten metal for example, molten aluminum
  • the molten metal is immersed in the molten metal, and the molten metal is directly heated to keep it warm.
  • This method has high temperature controllability, can improve the quality of molten metal, and can reduce energy consumption and costs.
  • Patent Document 1 describes a set of a plurality of double line portions in the form of folded heating wires that extend from the proximal end toward the distal end, are folded back at the distal end, and return to the proximal end again.
  • Patent Document 2 describes a heater having a plurality of sets of double line portions in which a heating wire on the outside in the radial direction and a heating wire on the inside of the cross section of the heater are connected in a folded manner. These documents describe that the double line portion formed by folding the heating wire has a U-shape.
  • electric heaters are superior in that they can further reduce CO 2 emissions and support decarbonization.
  • the heating output is small.
  • the main object of the present invention is to increase the heating output in an immersion heater that contributes to reducing CO 2 emissions.
  • the aspects of the means for solving the above problem are as follows.
  • the heating unit is inserted into a bottomed protection tube and used in a immersed state in molten metal,
  • the heater unit includes a forward heating wire going from the proximal end to the distal end, and a return heating wire connected to the forward heating wire returning from the distal end to the proximal end.
  • a plurality of heater insulators are provided at intervals in the longitudinal direction of the heater unit, Each of the heater insulators has an insertion hole through which the forward heating wire and the return heating wire are individually inserted, One heating wire of the forward heating wire and the return heating wire is located radially outward from the center of the heating heater unit to constitute an outer heating wire, and the other heating wire is located radially outward from the center of the heating heater unit. It is located on the inside in the radial direction and constitutes the inner heating wire, an outer diameter of the outer heating wire is smaller than an outer diameter of the inner heating wire;
  • An immersion type heater characterized by:
  • FIG. 3 is a front view of the heater unit of the embodiment.
  • 4 is a view taken along the line 4-4 in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a view taken along the line 5-5 in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a view taken along the line 6-6 in FIG. 3 in a state where there is no heating wire.
  • FIG. 4 is a view taken along the line 6-6 in FIG. 3 in a state where a heating wire is present.
  • 4 is a view taken along the line 7-7 in FIG. 3.
  • FIG. FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the heater insulator in a connected state.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a flat insulator. It is a side view of a flat insulator. It is an explanatory view of a heating wire. It is a perspective view of a crossover wire. It is a perspective view of a crossover wire. It is a perspective view of a crossover wire. This is a photograph of the heater unit used in the experiment. This is a photograph of the heater unit used in the experiment. This is a photograph of the heater unit used in the experiment. 1 is a photograph of a heater unit used in an experiment.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a furnace with a heater installed in an experiment. 1 is a graph showing the results of a test example.
  • the immersion heater 10 includes a heater unit 30. This heater unit 30 is inserted into the bottomed protection tube 20 and is used while being immersed in molten metal (for example, molten aluminum).
  • the immersion type heater 10 includes a bottomed protection tube 20 having a periphery and a bottom, and a heating unit 30 inserted into the bottomed protection tube 20. The immersion type heater 10 is used while being immersed in the metal to be melted, in order to heat the molten metal (for example, molten aluminum).
  • the heater unit 30 has a plurality of forward heating wires going from the proximal end to the distal end, and a plurality of returning heating wires connected thereto and returning from the distal end to the proximal end.
  • the outgoing heating wire and the returning heating wire are connected (electrically connected) at an appropriate position, for example, on the distal end side or the proximal end side of the heating heater unit 30, and are arranged as one long resistance heating wire. There is.
  • a heater insulator 41 is provided to hold each heating wire in parallel without causing a short circuit.
  • a plurality of heater insulators 41 (for example, 15 pieces) are provided at intervals in the longitudinal direction of the heater unit 30 .
  • Each heater insulator 41 has insertion holes 41A and 41B through which the outgoing heating wire and the return heating wire pass separately.
  • One of the outgoing heating wire and the returning heating wire is located radially outward from the center of the heater unit 30, and constitutes the outer heating wire 42A.
  • the other heating wire of the outgoing heating wire and the returning heating wire is located radially inward from the center of the heater unit 30, and constitutes an inner heating wire 42B.
  • the outer diameter of the outer heating wire 42A located on the outer side of the heater unit 30 is smaller than the outer diameter of the inner heating wire 42B located on the inner side of the heater unit 30.
  • the cross-sectional area of the outer heating wire 42A is smaller than the cross-sectional area of the inner heating wire 42B. 6B and 11, the relationship in outer diameter between the outer heating wire 42A and the inner heating wire 42B is exaggerated.
  • the forward heating wire going from the proximal end to the distal end and the return heating wire returning from the distal end to the proximal end are connected and arranged as one long resistance heating wire. , the amount of heat generated is high relative to the length of the heater unit 30.
  • the outer heating wire 42A is provided on the outside in the radial direction from the center of the heating heater unit 30, and the inner heating wire 42B is provided on the inner side, the heating The arrangement density of heating wires per cross-sectional area of the heater unit 30 can be increased.
  • the mechanical strength of a heating wire with a circular cross section is directly related to the size of the section modulus of the circle.
  • the electrical resistance value of a heating wire with a circular cross section increases as the cross-sectional area of the circle becomes smaller, and increases in inverse proportion to the square of the diameter d of the circle.
  • the cross-sectional area (outer diameter) of the outer heating wire 42A is smaller than the cross-sectional area (outer diameter) of the inner heating wire 42B. Therefore, the calorific value of the outer heating wire 42A is larger than that of the inner heating wire 42B. This means that a large amount of heat is generated outside the heater unit 30, and the heat is efficiently radiated to the bottomed protection tube 20. As a result, the molten metal can be heated efficiently (heating output increases). On the other hand, this means that a small amount of heat is generated inside.
  • the heat generated on the inside is radiated to the bottomed protection tube 20 from a large gap between the outer heating wires with a small outer diameter (compared to the gap when the outer diameters of the outer heating wire and the inner heating wire are the same). Therefore, the amount of heat generated inside is reduced.
  • the mechanical strength of the inner heating wire 42B (for example, bending strength, strain resistance, strength related to breakage resistance due to heating, etc.) is higher than the mechanical strength of the outer heating wire 42A.
  • the heater unit 30 As for the heater unit 30 as a whole, it is necessary that the outer heating wire 42A and the inner heating wire 42B as a whole maintain a parallel state without bending and are held by the heater insulator 41.
  • the mechanical strength of the inner heating wire 42B is high and the mechanical strength of the outer heating wire 42A is low.
  • the outer heating wire 42A and the inner heating wire 42B as a whole are kept parallel without bending, It can be held in the heater insulator 41 and the heating output can be increased.
  • the ratio of the outer diameter of the outer heating wire 42A/the outer diameter of the inner heating wire 42B is preferably 0.95 to 0.60. More preferably, it can be set to 0.93 to 0.80.
  • the forward heating wire and the return heating wire can be directly connected by welding, or can be connected by welding with a short connecting wire (not shown) interposed therebetween.
  • a short connecting wire not shown
  • the insertion hole of the heater insulator 41 has an outer insertion hole 41A located radially outward from the center of the heater unit 30, and an inner insertion hole 41B located inside.
  • the outer heating wire 42A is inserted through the outer insertion hole 41A, and the inner heating wire 42B is inserted through the inner insertion hole 41B. It is maintained in a parallel state without twisting.
  • two or more insertion holes of the heater insulator 41 are formed at annular positions radially outward from the center of the heater unit 30 at intervals in the circumferential direction, and in the illustrated embodiment, 20 outer holes are formed. It has an insertion hole 41A and two or more (20 in the illustrated embodiment) inner insertion holes 41B formed in an annular position radially inward from the center of the heater unit 30 at intervals in the circumferential direction. There is. Note that, as shown in FIG. 6A, center through holes 41C are formed at annular positions in the center of the heater insulator 41 in the radial direction at intervals in the circumferential direction.
  • the center through hole 41C By forming the center through hole 41C in the heater insulator 41, the heat capacity of the heater insulator 41 can be reduced and heat can be radiated while reducing the weight of the heater insulator 41 itself and maintaining its strength. In addition, if it is necessary to maintain the heating output while making the length of the immersion heater 10 shorter than usual, one long resistance heating wire of the heater can be connected to the outer insertion hole 41A and the inner insertion hole.
  • the center through hole 41C can also be used when the hole 41B alone cannot be inserted (insufficient).
  • each of the heater insulators 41 has a tapered central protrusion 41D at its tip end and a flange portion 41E that protrudes radially integrally with the central protrusion 41D on one side thereof, and a recess 41a is formed extending from the flange portion 41E toward the central protrusion 41D.
  • the central projection 41D of one heater insulator 41 fits into the recess 41a of the heater insulator 41, and the heater insulator 41 and the other heater insulator 41 are connected to each other.
  • a through hole 41F is formed penetrating from the flange portion 41E through the central protrusion 41D, and a recess 41a is formed at the entrance portion of the through hole 41F.
  • the heater insulator 41 is often made of ceramics. By forming the through hole 41F in the heater insulator 41, the ceramic wall thickness can be made uniform, thereby maintaining strength, while reducing the heat capacity of the heater insulator 41 and dissipating heat. In addition, when measuring the temperature inside the immersion heater 10, a thermocouple can be inserted into the through hole 41F.
  • the outer heating wire 42A and the inner heating wire 42B are connected to each other and constitute a single heating wire that is electrically connected while repeating back and forth a plurality of times. As shown in FIG. 11, both ends of the inner heating wire 42B are longer than the outer heating wire 42A.
  • the inner heating wire 42B at both ends thereof is connected to a power source (not shown) via a first lead rod 45 and a second lead rod 46 shown in FIGS. 1 to 3.
  • the inner heating wire 42B at both ends, the lead rod 45, and the second lead rod 46 can be directly connected by welding, or can be connected by welding with a short connecting wire (not shown) interposed therebetween.
  • the inner heating wire 42B at both ends, the lead rod 45, and the second lead rod 46 are connected by welding with short connecting wires interposed.
  • crossover wires 48A, 48B, and 48C are provided as shown in FIGS. 6A, 6B, and 12 to 14, and both ends of one heating wire are , are connected to the first lead rod 45 and the second lead rod 46.
  • Such an immersion heater is installed in the target melting furnace or holding furnace, and is used to heat molten metal (for example, molten aluminum) via the bottomed protection tube 20.
  • molten metal for example, molten aluminum
  • FIGS. 9 and 10 An appropriate number of flat insulators 43 of the form shown in FIGS. 9 and 10, for example, are provided at the tip and base ends of the outer heating wire 42A and the inner heating wire 42B.
  • the flat insulator 43 has an outer insertion hole 43A located on the outer side in the radial direction from the center of the heater unit 30, and an inner insertion hole 43B located on the inner side.
  • the outer heating wire 42A is inserted through the outer insertion hole 43A
  • the inner heating wire 42B is inserted through the inner insertion hole 43B. It is maintained in a parallel state without twisting.
  • there is one flat insulator 43 at the tip two pairs of two stacked flat insulators 43 at the base in FIG. 1, and two in FIGS. 2 and 3, according to Experimental Example 1 described later.
  • FIGS. 15 to 17 showing the heater units.
  • a hemit plate 44 is provided to the first lead rod 45 and the second lead rod 46, and is fixed with a nut 47.
  • the outer heating wire 42A and the inner heating wire 42B can be made of the same material, for example, Kanthal (registered trademark) AF (ferritic iron-chromium-aluminum alloy (FeCrAl alloy)).
  • Kanthal registered trademark
  • AF ferritic iron-chromium-aluminum alloy (FeCrAl alloy)
  • FeCrAl alloy ferrritic iron-chromium-aluminum alloy
  • a structure in which different materials are connected can also be used. Examples of combinations of different materials include iron-chromium (particularly iron-chromium-aluminum) and nickel-chromium.
  • the inner heating wire 42B is a nickel-chromium heating wire that suppresses heat generation (maximum temperature 1000 to 1150°C)
  • the outer heating wire 42A is an iron-chromium-aluminum heating wire that increases heat generation (maximum temperature 1000 to 1150°C). temperature of 1400°C).
  • the heater insulator 41 is also called a radiant insulator, and is a non-conductive, fire-resistant and heat-resistant insulator.
  • the heater insulator 41 is made of mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 (a compound of aluminum oxide and silicon dioxide)) which is a ceramic. The same material can be used for the flat insulator 43 as well.
  • the Hemit board 44 is a high-strength cement-based heat insulating board that can also be used, for example, as a cement board for electrical insulation. Since the thermal conductivity is low, it is possible to prevent heat from being released from the proximal end to the outside.
  • the material of the bottomed protection tube 20 a known sintered body of inorganic material (for example, made of fine ceramics) can be used so as to have heat resistance.
  • the shape of the bottomed protection tube 20 is, for example, approximately cylindrical, with one end being an open end and the other being a closed bottom. In use, the heater unit 30 is inserted from the open end of the bottomed protection tube 20.
  • the heater unit 30 of Experimental Example 1 is shown in Table 1.
  • the outer diameter of the outer heating wire was 4.5 mm
  • the outer diameter of the inner heating wire was 5 mm
  • the material of each heating wire was “Kanthal AF” manufactured by Kanthal Corporation.
  • the overall length of the heater unit 30 was 1073.5 mm from the end of the lead rod.
  • the heater unit 30 was incorporated into a bottomed protective tube 20 made of fine ceramics having an outer diameter of 155 mm, an inner diameter of 135 mm and a total length of 830 mm, to prepare a heater.
  • the distance between the outer heating wire of the heater unit 30 and the inner wall of the bottomed protection tube 20 is set to about 100 mm on the furnace bottom side, as shown in FIG. They were installed at a distance of 5 mm, and approximately 40 mm apart on the top plate side opposite to the hearth bottom side. Further, the space between the hemit plate 44 having a diameter of 105 mm and the disc-shaped flat insulator 43 was filled with glass wool to serve as a heat insulating layer.
  • a K thermocouple inserted into a Tc tube was installed at a position of about 550 mm from the hemit plate 44 in the space between the heater unit 30 on the top plate side and the bottomed protection tube 20. At this time, the distance between the outer heating wire of the heater unit 30 and the K thermocouple was approximately 10 mm.
  • This comparative example is a conventional product, and the outer diameter of the outer heating wire and inner heating wire of the heating heater unit is the same as 5 mm, and each material is Kanthal AF manufactured by Kanthal. Same specifications as.
  • the heater according to the above-mentioned Experimental Example 1 was installed in the holding chamber of a two-chamber type low-pressure casting holding furnace ("Constant-level LP two-chamber furnace" manufactured by Tounetsu Corporation).
  • the holding furnace had a furnace wall height of 800 mm and was capable of accommodating 1,000 kg of molten aluminum.
  • Each heater was installed horizontally at a position 100 mm away from the furnace bottom to the bottomed protective tube 20 (installed as a so-called horizontal immersion heater). Thereafter, the holding furnace was filled to capacity with molten aluminum at about 680° C.
  • Each heater was heated with an output power of 15 kW, and the time from when the temperature of the K thermocouple in the holding chamber reached about 730° C. until the temperature rose to around 800° C. was measured.
  • a comparative example was installed in the holding chamber of the two-chamber type low-pressure casting holding furnace. Other than that, measurements were carried out under the same conditions as in Experimental Example 1.
  • Experimental Example 1 The results of Experimental Example 1 and Comparative Example are summarized in a graph (see FIG. 20).
  • the temperature reached 800°C in 240 seconds, but in the comparative example, the temperature was approximately 795°C in 240 seconds, and even if the experiment was continued thereafter, the temperature did not reach 800°C. That is, it was found that in Experimental Example 1, the heat radiation efficiency to the outside of the heater was improved compared to the conventional product of the comparative example.
  • the immersion type heater of the present invention can be used, for example, in the field of heating molten metal such as molten aluminum.

Abstract

【課題】脱ＣＯ2の排出量の低減に寄与する浸漬型加熱ヒータにおいて、加熱出力を高める。　【解決手段】加熱ヒータユニット３０は、基端側から先端側に向かう往き加熱線と、これに接続される先端側から基端側に戻る帰り加熱線と、前記加熱ヒータユニット３０の長手方向に間隔を置いて複数設けられたヒータ碍子４１と、を備えており、前記加熱ヒータユニット３０は、中心から半径方向の外側に位置する外側加熱線４２Ａ、内側に位置する内側加熱線４２Ｂを有し、前記外側加熱線４２Ａの外径が前記内側加熱線４２Ｂの外径よりも小さい。

Description

浸漬型加熱ヒータ
　本発明は、溶融金属中に浸漬状態で使用される浸漬型加熱ヒータに関する。
　近来、地球温暖化の原因となるＣＯ2などの温室効果ガスの排出を防ぐために、石油や石炭などの化石燃料から脱却する脱炭素化の研究開発が各分野で進められており、各企業は、燃焼により生成されるＣＯ2の排出量を低減すべく、脱炭素化への対応が求められている。
　アルミニウム溶湯などの溶融金属を加熱する分野においては、従来、加熱手段としてガスなどを燃焼する加熱バーナが使用されていたが、上記の脱炭素化への対応を考慮して、他の加熱手段として、浸漬型ヒータが検討され始めている。
　浸漬型ヒータは、溶融金属（例えばアルミニウム溶湯）を加熱するためにタンクまたは容器の中に設置される、有底保護管に挿入された電気を用いる加熱ヒータであり、加熱ヒータを金属溶湯保持炉内で溶融金属中に浸漬し、溶融金属を直接加熱して保温する。
　この方式は、温度制御性が高く、溶湯品質を高めることができ、エネルギー消費やコストを削減できる。
　加熱ヒータとして、次のようなものが知られている。
　特許文献１には、基端から先端に向かって延び、先端側で折り返されて再び基端側に戻る加熱線の折返し形態からなる二重線部が複数セットしたものが記載されている。
　また、特許文献２には、加熱ヒータの断面の半径方向外側の加熱線と内側の加熱線が折返し形態で連結している二重線部が複数セットしたものが記載されている。
　これらの文献では、加熱線の折返し形態からなる二重線部がＵ字形状をなしていることが記載されている。
特許第４４０２７４３号公報 実開昭６１－１１３３９８号公報
　加熱バーナと比較して、電気を用いる加熱ヒータは、ＣＯ2の排出量をより低減でき、脱炭素化に向けての対応の点で優れている。
　しかしながら、加熱出力が小さいという課題がある。
　本発明の主たる課題は、ＣＯ2の排出量の低減に寄与する浸漬型加熱ヒータにおいて、加熱出力を高めることにある。
　上記課題を解決するための手段の態様は次のとおりである。
　加熱ヒータユニットを有する浸漬型加熱ヒータにおいて、
　前記加熱ヒータユニットは、有底保護管内に挿入され、溶融金属中に浸漬状態で使用されるものであって、
　前記加熱ヒータユニットは、基端側から先端側に向かう往き加熱線と、これに接続される先端側から基端側に戻る帰り加熱線と、
　前記加熱ヒータユニットの長手方向に間隔を置いて複数設けられたヒータ碍子と、を備えており、
　前記ヒータ碍子はそれぞれは、前記往き加熱線及び前記帰り加熱線が単独で挿通する挿通孔を有し、
　前記往き加熱線及び前記帰り加熱線の一方の加熱線は、前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の外側に位置して外側加熱線を構成し、他方の加熱線は前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の内側に位置して内側加熱線を構成しており、
　前記外側加熱線の外径が前記内側加熱線の外径よりも小さい、
　ことを特徴とする浸漬型加熱ヒータ。
　本発明によれば、ＣＯ2の排出量の低減に寄与する浸漬型加熱ヒータにおいて、加熱出力を高めることができる。
実施の形態の浸漬型加熱ヒータの一例を示す平面図である。 実施の形態の加熱ヒータユニットの一例を示す平面図である。 実施の形態の加熱ヒータユニットの正面図である。 図３の４－４線矢視図である。 図３の５－５線矢視図である。 加熱線がない状態における図３の６－６線矢視図である。 加熱線が存在する状態における図３の６－６線矢視図である。 図３の７－７線矢視図である。 ヒータ碍子の連結状態縦断面図である。 平碍子の断面図である。 平碍子の側面図である。 加熱線の説明図である。 渡り線の斜視図である。 渡り線の斜視図である。 渡り線の斜視図である。 実験に供した加熱ヒータユニットの写真である。 実験に供した加熱ヒータユニットの写真である。 実験に供した加熱ヒータユニットの写真である。 実験に供した加熱ヒータユニットの写真である。 実験における加熱ヒータの設置状態の炉の部分断面図である。 試験例の結果を示すグラフである。
　次に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、この実施の形態は本発明の一例であり、本発明の範囲は本実施の形態の範囲に限定されず、特許請求の範囲の記載のみによって明らかにされる。
（実施の形態）
　浸漬型加熱ヒータ１０は、加熱ヒータユニット３０を有する。
　この加熱ヒータユニット３０は有底保護管２０内に挿入され、溶融金属（例えばアルミニウム溶湯）中に浸漬状態で使用されるものである。
　浸漬型加熱ヒータ１０は、周囲及び底部を有する有底保護管２０と、この有底保護管２０内に挿入された加熱ヒータユニット３０とを有する。
　浸漬型加熱ヒータ１０は、溶融金属（例えばアルミニウム溶湯）を加熱するために、溶融すべき金属中に浸漬状態で使用される。
　加熱ヒータユニット３０は、基端側から先端側に向かう複数本の往き加熱線と、これに接続される先端側から基端側に戻る複数本の帰り加熱線とを有する。往き加熱線と帰り加熱線とは、適宜の位置で、例えば加熱ヒータユニット３０の先端側、あるいは基端側で接続され（電気的に接続され）、一本の長い抵抗加熱線として配置されている。
　各加熱線を短絡を生じさせることなく平行に保持するために、ヒータ碍子４１が設けられている。
　ヒータ碍子４１は、加熱ヒータユニット３０の長手方向に間隔を置いて複数（例えば１５個）設けられている。
　ヒータ碍子４１はそれぞれは、往き加熱線及び帰り加熱線が単独で挿通する挿通孔４１Ａ、４１Ｂを有している。
　往き加熱線及び帰り加熱線の一方の加熱線は、加熱ヒータユニット３０の中心から半径方向の外側に位置して配置され、外側加熱線４２Ａを構成している。
　往き加熱線及び帰り加熱線の他方の加熱線は、加熱ヒータユニット３０の中心から半径方向の内側に位置して配置され、内側加熱線４２Ｂを構成している。
　加熱ヒータユニット３０の外側に位置する外側加熱線４２Ａの外径は、加熱ヒータユニット３０の内側に位置する内側加熱線４２Ｂの外径より小さく形成されている。
　換言すれば、外側加熱線４２Ａの断面積は、内側加熱線４２Ｂの断面積より小さい。
　図６Ｂ及び図１１には、外側加熱線４２Ａと内側加熱線４２Ｂとの外径の大小関係を誇張して図示してある。
　実施の形態においては、基端側から先端側に向かう往き加熱線と、先端側から基端側に戻る帰り加熱線とが接続されており、一本の長い抵抗加熱線として配置されているので、加熱ヒータユニット３０の長さに対し、発熱量が高いものとなる。
　しかも、加熱ヒータユニット３０の中心から半径方向の外側に外側加熱線４２Ａを、内側に内側加熱線４２Ｂを有するので、加熱ヒータユニットの外周部のみに加熱線を配置する場合に比較して、加熱ヒータユニット３０の断面積当たりの加熱線の配置密度を高めることができる。
　断面円形の加熱線の機械的強度は、円の断面係数の大きさに直接的に関係する。円の断面係数Ｚは、円の直径ｄと、Ｚ＝πｄ3/３２なる関係にある。
　したがって、断面円形の加熱線は円の直径（外径）が大きくなると、３乗の割合で機械的強度が高くなる。
　断面円形の加熱線の電気抵抗値は、円の断面積が小さいほど高くなり、円の直径ｄの２乗に反比例して高くなる。
　しかるに、実施の形態においては、外側加熱線４２Ａの断面積（外径）は、内側加熱線４２Ｂの断面積（外径）より小さい。
　したがって、外側加熱線４２Ａの発熱量は、内側加熱線４２Ｂの発熱量より大きい。このことは、加熱ヒータユニット３０の外側で大きな発熱が生じ、効率的に有底保護管２０に対する放熱が行われることを意味している。その結果、溶融金属を効率的に加熱することができる（加熱出力が高まる。）。
　一方、内側では小さい発熱が生じることを意味する。この内側で生じた発熱は、外径が小さい外側加熱線間の（外側加熱線と内側加熱線との外径が同じ場合における隙間に比較して）大きな隙間から有底保護管２０に対する放熱が行われるので、内側での発熱の籠もり量が少ないものとなる。
　また、内側加熱線４２Ｂの機械的強度（例えば、曲げ強度、耐歪み性、加熱に伴う耐断線に関する強度など）が外側加熱線４２Ａの機械的強度より高い。
　加熱ヒータユニット３０全体としては、外側加熱線４２Ａ及び内側加熱線４２Ｂ全体として曲がりなどがなく平行状態を保ち、ヒータ碍子４１に保持されている条件が必要となる。
　しかるに実施の形態においては、内側加熱線４２Ｂの機械的強度が高く、外側加熱線４２Ａの機械的強度が低い。
　このように実施の形態においては、ＣＯ2の排出量の低減に寄与する浸漬型加熱ヒータを使用するに際して、外側加熱線４２Ａ及び内側加熱線４２Ｂ全体としての、曲がりなどがなく平行状態を保ち、ヒータ碍子４１に保持できるとともに、加熱出力を高めることができる。
　外側加熱線４２Ａの外径／内側加熱線４２Ｂの外径の比は、０．９５～０．６０が望ましい。より好ましくは０．９３～０．８０とすることができる。
　往き加熱線と、帰り加熱線とは、直接的に溶接により接続する、あるいは短接続線（図示せず）を介在させて溶接により接続することができる。実施の形態では、図７及び図１８に示すように、外側加熱線４２Ａと内側加熱線４２Ｂとを、直接に溶接により接続してある。
　ヒータ碍子４１の挿通孔は、加熱ヒータユニット３０の中心から半径方向の外側に位置する外側挿通孔４１Ａと、内側に位置する内側挿通孔４１Ｂとを有している。
　外側加熱線４２Ａが外側挿通孔４１Ａを挿通し、内側加熱線４２Ｂが内側挿通孔４１Ｂを挿通しており、外側加熱線４２Ａ及び内側加熱線４２Ｂが、ヒータ碍子４１によって、相互に接触して短絡することなく、平行状態に保持されている。
　ヒータ碍子４１の挿通孔は、実施の形態では、加熱ヒータユニット３０の中心から半径方向の外側に環状の位置において周方向に間隔を置いて形成された２以上、図示の形態では２０個の外側挿通孔４１Ａと、加熱ヒータユニット３０の中心から半径方向の内側に環状の位置において周方向に間隔を置いて形成された２以上、図示の形態では２０個の内側挿通孔４１Ｂとを有している。
　なお、図６Ａに示すように、ヒータ碍子４１の中心から半径方向の中心部の環状の位置において周方向に間隔を置いて中心部貫通孔４１Ｃが形成されている。ヒータ碍子４１に中心部貫通孔４１Ｃを形成することで、ヒータ碍子４１自体の重量を軽くし強度を保ちつつ、ヒータ碍子４１の熱容量を低減して放熱させることができる。また、浸漬型加熱ヒータ１０の長さを通常よりも短くした上で加熱出力を維持する必要がある場合には、加熱ヒータ一本の長い抵抗加熱線が上記の外側挿通孔４１Ａと内側挿通孔４１Ｂだけでは挿通できない（足りない）ときに中心部貫通孔４１Ｃを使用することもできる。
　複数のヒータ碍子４１は、例えば図８に示すように、先端側に先窄まりの中央突部４１Ｄと、その一方側において一体的に半径方向に張り出す鍔部４１Ｅとを有し、鍔部４１Ｅから中央突部４１Ｄに向かう凹部４１ａが形成されている。
　一方のヒータ碍子４１の中央突部４１Ｄが、ヒータ碍子４１の凹部４１ａに嵌入し、一方のヒータ碍子４１と他方のヒータ碍子４１とが連結されている。
　図示の形態では、鍔部４１Ｅから中央突部４１Ｄを貫通する貫通孔４１Ｆが形成され、貫通孔４１Ｆの入口部分に凹部４１ａが形成されている。
　後述するように、ヒータ碍子４１はセラミックスであることが多い。ヒータ碍子４１に貫通孔４１Ｆを形成することで、セラミックスの肉厚を均一にすることで強度を保ちつつ、ヒータ碍子４１の熱容量を低減して放熱させることができる。また、浸漬型加熱ヒータ１０内部の温度を測定する場合に、貫通孔４１Ｆに熱電対を挿入することもできる。
　外側加熱線４２Ａと内側加熱線４２Ｂとは相互に接続され、複数回の往き帰りを繰り返しながら、導通する一本の加熱線が構成されている。
　図１１に示されているように、両端部は、それぞれ外側加熱線４２Ａよりも内側加熱線４２Ｂの方が長い。その両端部の内側加熱線４２Ｂが、図１～図３に示されている第１のリード棒４５及び第２のリード棒４６を介して電源（図示せず）に接続されている。
　両端部の内側加熱線４２Ｂとリード棒４５及び第２のリード棒４６とは、直接的に溶接により接続する、あるいは短接続線（図示せず）を介在させて溶接により接続することができる。実施の形態では、図１６に示すように、両端部の内側加熱線４２Ｂとリード棒４５及び第２のリード棒４６とを短接続線を介在させて溶接により接続してある。
　電気的に導通する一本の加熱線を構成するために、図６Ａ、図６Ｂ、図１２～図１４に示すように渡り線４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃが設けられ、一本の加熱線の両端が、第１のリード棒４５及び第２のリード棒４６に接続されている。
　かかる浸漬型加熱ヒータは、対象の溶融炉又は保持炉内に設置され、有底保護管２０を介して溶融金属（例えばアルミニウム溶湯）の加熱に利用される。
　外側加熱線４２Ａ及び内側加熱線４２Ｂの先端部及び基端部には、例えば図９及び図１０に示す形態の適宜の枚数の平碍子４３が設けられている。平碍子４３には、加熱ヒータユニット３０の中心から半径方向の外側に位置する外側挿通孔４３Ａと、内側に位置する内側挿通孔４３Ｂとを有している。
　外側加熱線４２Ａが外側挿通孔４３Ａを挿通し、内側加熱線４２Ｂが内側挿通孔４３Ｂを挿通しており、外側加熱線４２Ａ及び内側加熱線４２Ｂが、平碍子４３によって、相互に接触して短絡することなく、平行状態に保持されている。
　実施の形態では、先端部の平碍子４３は一枚、基端部の平碍子４３は、図１では二枚重ねたものが２対、図２～図３では二枚、後述の実験例１に係る加熱ヒータユニットを示す図１５～図１７の写真上では、二枚重ねたものが２対設けられている。
　第１のリード棒４５及び第２のリード棒４６に対しては、ヘミット板４４が設けられ、ナット４７により固定されている。
　外側加熱線４２Ａと内側加熱線４２Ｂとは、同一の材質もの、例えばカンタル（登録商標）ＡＦ（フェライト系の鉄・クロム・アルミ合金（ＦｅＣｒＡｌ合金））を使用できる。渡り線４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃについても同様である。
　他方、異なる材質相違するものを接続させたものも使用できる。異なる材質の組み合わせとしては、鉄－クロム系（特に、鉄－クロム－アルミニウム系）と、ニッケル－クロム系の組み合わせを挙げることができる。
　例えば、内側加熱線４２Ｂは、発熱量を抑えるニッケル－クロム系の電熱線（最高温度１０００～１１５０℃）とし、外側加熱線４２Ａは、発熱量を上げる鉄－クロム－アルミニウム系の電熱線（最高温度１４００℃）とすることができる。
　ヒータ碍子４１は、ラジアント碍子ともいい、非導電性で、かつ耐火・耐熱性の碍子である。例えば、ヒータ碍子４１は、セラミックスであるムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2（酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の化合物）)からなる。
　平碍子４３についても、同様の材質のものを使用できる。　
　ヘミット板４４は、例えば電気絶縁用セメント板としても使用可能な高強度セメント系断熱板である。熱伝導率が低いため、基端側からの外部への熱の放出を防止できる。
　有底保護管２０の材質としては、耐熱性を有するように公知の無機物の焼結体（例えば、ファインセラミックス製）を使用できる。
　有底保護管２０の形状としては、例えばほぼ円柱筒状であり、一方は開放端とされ、他方は閉じられて、底部とされている。
　使用に際しては、有底保護管２０の開放端から加熱ヒータユニット３０が挿入される。
　浸漬型加熱ヒータにおける外部への放熱効率の向上を確認するため、以下の実験を行った。
　（実験例１）
　図１５～図１８は、作成した加熱ヒータユニットの写真である。
　実験例１の加熱ヒータユニット３０は、表１に示したものであり、外側加熱線の外径を４．５ｍｍ、内側部加熱線の外径を５ｍｍとし、各加熱線の材料はカンタル社製の「カンタルＡＦ」を使用した。
　加熱ヒータユニット３０の全長は、リード棒の端部から１０７３．５ｍｍとした。
　次に、図１９に示すように、外径１５５ｍｍ、内径１３５ｍｍ、全長８３０ｍｍのファインセラミックス製の有底保護管２０内に前記加熱ヒータユニット３０を組み込んで、加熱ヒータを作成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　なお、加熱ヒータユニット３０を前記有底保護管２０内に組み込む際、加熱ヒータユニット３０の外側加熱線と有底保護管２０の内壁との距離を、図１９に示すように炉底側では約５ｍｍ、炉底側の逆側の天板側では約４０ｍｍそれぞれ離して設置した。また、直径１０５ｍｍのヘミット板４４と円盤状の平碍子４３の間の空間を断熱層とするためガラスウールを詰めた。
　また、天板側の加熱ヒータユニット３０と有底保護管２０との間の空間にＴｃチューブ内に挿入されたＫ熱電対をヘミット板４４から約５５０ｍｍの位置に設置した。この際、加熱ヒータユニット３０の外側加熱線とＫ熱電対との距離を約１０ｍｍとした。
　（比較例）
　この比較例は従来品であり、加熱ヒータユニットの外側加熱線及び内側加熱線の各外径は５ｍｍと同じ外径とし、各材料はカンタル社製のカンタルＡＦを使用し、その他は実験例１と同じ仕様とした。
　まず、２室型低圧鋳造用保持炉（株式会社トウネツ製「定湯面式ＬＰ用２槽炉」）の保持室に前記実験例１に係る加熱ヒータを設置した。
　前記保持炉は、高さ８００ｍｍ炉壁でアルミニウム溶湯を１，０００ｋｇ収容できるものである。炉底から有底保護管２０までの距離を１００ｍｍの位置に各加熱ヒータを水平方向に設置した（いわゆる横浸漬型ヒータとして設置した）。
　その後、保持炉内に約６８０℃のアルミニウム溶湯を満量まで入れた。出力電力１５ｋＷで各加熱ヒータを加熱し、保持室の前記Ｋ熱電対の温度が約７３０℃になった時点から８００℃付近まで昇温するまでの時間を測定した。
　同様に、前記２室型低圧鋳造用保持炉の保持室に比較例を設置した。その他は実験例１と同じ条件で行い測定を実施した。
　実験例１と比較例の結果をグラフにまとめた(図２０を参照されたい。)。
　実験例１では、２４０秒で８００℃に達したが、比較例では２４０秒で約７９５℃であり、その後も実験を継続しても８００℃に達することはなかった。
　すなわち、実験例１は、比較例の従来品と比べ、加熱ヒータ外部への放熱効率が向上していることがわかった。
　本発明の浸漬型加熱ヒータは、例えば、アルミニウム溶湯などの溶融金属を加熱する分野において利用可能性がある。
１０…浸漬型加熱ヒータ、２０…有底保護管、３０…加熱ヒータユニット、４０…加熱線、４１…ヒータ碍子、４１Ａ…外側挿通孔、４１Ｂ…内側挿通孔、４１Ｃ…中央突部、４１Ｄ…鍔部、４２Ａ…外側加熱線、４２Ｂ…内側加熱線、４３…平碍子、４３Ａ…外側挿通孔、４３Ｂ…内側挿通孔、４４…ヘミット板、４６…リード棒、４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ…渡り線。

Claims (7)

  1. 　加熱ヒータユニットを有する浸漬型加熱ヒータにおいて、
    　前記加熱ヒータユニットは、有底保護管内に挿入され、溶融金属中に浸漬状態で使用されるものであって、
    　前記加熱ヒータユニットは、基端側から先端側に向かう往き加熱線と、これに接続される先端側から基端側に戻る帰り加熱線と、
    　前記加熱ヒータユニットの長手方向に間隔を置いて複数設けられたヒータ碍子と、を備えており、
    　前記ヒータ碍子はそれぞれは、前記往き加熱線及び前記帰り加熱線が単独で挿通する挿通孔を有し、
    　前記往き加熱線及び前記帰り加熱線の一方の加熱線は、前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の外側に位置して外側加熱線を構成し、他方の加熱線は前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の内側に位置して内側加熱線を構成しており、
    　前記外側加熱線の外径が前記内側加熱線の外径よりも小さい、
    　ことを特徴とする浸漬型加熱ヒータ。
  2. 　前記往き加熱線と、前記帰り加熱線とは、直接的に又は短接続線が介在させられて溶接により接続されている請求項１記載の浸漬型加熱ヒータ。
  3. 　前記ヒータ碍子の前記挿通孔は、前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の外側に位置する外側挿通孔と、内側に位置する内側挿通孔とを有し、
    　前記外側加熱線が前記外側挿通孔を挿通し、前記内側加熱線が前記内側挿通孔を挿通している、
    　請求項１又は２記載の浸漬型加熱ヒータ。
  4. 　前記ヒータ碍子の挿通孔は、前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の外側に環状の位置において周方向に間隔を置いて形成された２以上の外側挿通孔と、前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の内側に環状の位置において周方向に間隔を置いて形成された２以上の内側挿通孔とを有し、
    　前記外側加熱線が前記外側挿通孔を挿通し、前記内側加熱線が前記内側挿通孔を挿通している、
    　請求項１又は２記載の浸漬型加熱ヒータ。
  5. 　前記ヒータ碍子の挿通孔は、前記加熱ヒータユニットの中心から半径方向の外側の外側挿通孔と内側の内側挿通孔とを有し、
    　前記加熱ヒータユニットは、基端側から先端側に向かう往き加熱線と、先端側から基端側に戻る帰り加熱線と、が相互に接続され、複数回の往き帰りを繰り返しながら、第１のリード棒及び第２のリード棒を介して電源に接続され、
    　前記外側加熱線が前記外側挿通孔を挿通し、前記内側加熱線が前記内側挿通孔を挿通している、
    　請求項１又は２に記載の浸漬型加熱ヒータ。
  6. 　複数の前記ヒータ碍子は、中央突部と、その一方側において一体的に半径方向に張り出す鍔部とを有し、
    　前記鍔部から中央突部に向かう凹部が形成され、
    　一方の前記ヒータ碍子の前記中央突部が、他方の前記ヒータ碍子の前記凹部に嵌入し、一方の前記ヒータ碍子と他方の前記ヒータ碍子とが連結されている請求項１記載の浸漬型加熱ヒータ。
  7. 　前記外側加熱線と前記内側加熱線とは材料が相違する請求項１記載の浸漬型加熱ヒータ。
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