JP2007529087A - 放射チューブを含む電気加熱要素 - Google Patents

Abstract

放射パイプ（1）と前記パイプに含まれる電気加熱要素（2,3）とを備える、放射チューブを有する電気加熱要素において、前記加熱要素は、前記パイプ内で前後に延びる脚部を有し、前記加熱要素は、電流がそこを介して前記加熱要素に供給される電力アウトレットが設けられる、炉壁に近接する前記パイプの一つの端部において接続され、前記加熱要素は前記パイプ内において、それぞれの脚部がそこを介して延びる貫通孔が設けられた支持セラミックディスク（9）により支持され、二つの加熱要素（2,3）が、前記放射パイプにおいて、その長軸に沿って順に配置される。本発明において、中心ロッド（5）が、前記放射パイプ（1）の中心を介して、その一つの端部（8）からそのもう一方の端部（11）へ、及び各前記支持ディスク（9）の前記中心を介して延び、前記中心ロッドは電力アウトレットを、前記加熱要素（3）の少なくとも一つに対して形成し、前記放射パイプにおける前記二つの加熱要素に対する接続領域（12）は、前記パイプ（1）の長手方向において前記加熱要素間に位置しており、それぞれの加熱要素は、前記接続領域のそれぞれの電力アウトレット（4〜6）に接続され、前記加熱要素は、前記接続領域に設置されるセラミックディスク（18〜23）を前記パイプの長軸に沿う方向において実質的に保持するように機能する、ストップ手段（13〜17）を含み、それぞれの要素を支持する支持セラミックディスク（9）が、前記接続領域（12）からある距離で配置されており、前記セラミックディスク（14,15）の少なくともいくつかは、前記要素の温度の変化に応答してそれぞれの要素が伸縮するときに、要素に関連するストップ手段（27）が許す範囲において、前記パイプ（1）に沿って自由に動くことができることを特徴とする。

Description

本発明は、放射チューブを含む電気加熱要素に関する。

熱処理工程は、コスト効率化/最適化のためには、非常に均一な電源を必要とする。後処理で調整/修正することなく物を熱処理する能力は必要不可欠である。

熱処理により材料の特質を構造的に調整できる可能性により、均一電源に対する要求が高まっている。

この点についての一例は、金属板金の製造において見られる。金属板金は、異なる厚さ、幅、長さ、及び機械的強度の分類において、全てが顧客の要求に従って製造される。これらの製品における変動は、加えられるエネルギーによりひずみの異なる状態が引き起こされた結果生じる。

一般的に、板金の幅の増大は、製造費を削減し、顧客要求に合わせて製造された板金の幅は材料費を増大するということが言えるが、後者は、最終製造において材料のスクラップを減少することにより回避できる。

全ての変種製品を製造できるようにするために、熱処理装置を最大の幅に対して構成することが選択される。

従って、熱処理装置に、オーブンまたは炉を横切って電力を変化できる加熱システムが設けられるようにすることは望ましい。

しかし、制御された雰囲気を維持するために、該装置に放射チューブを設けるように選択すると、問題が生じる。

この問題は、炉の空間の異なる幅を覆う要素を設置し、生成される電力が、処理中の製品に合わせて変化できるようにすることで通常は解決される。しかしこれは、表面を画定する炉の空間に関して、kW/m²で測定される最大電力密度を設定することが不可能であることを意味する。

別の方法は、スパイラルの軸と同軸的に延びる電力アウトレットを設けた、異なる領域に配置されたスパイラル要素を使用することである。しかし、この要素システムを、各放射チューブに対して、高電力出力用の大きさに形成することはできない。

各放射チューブにより高電力出力を得る可能性を有すると共に信頼性を有する特徴に関して、最も注目される要素のタイプは、Tubothalという名前でスウェーデンのKanthal ABから販売されているバンドルロッド要素というタイプ又はいわゆるKafigelementと呼ばれる、通常、鳥かご要素というタイプである。

しかし、このタイプの加熱要素は、加熱フィラメントまたはスレッド（糸）が、二つの電力アウトレット（出力部）の間で単一ループを描く、直列接続要素として設計されている。より大型の加熱要素の場合は、星型接続またはデルタ接続ループもまた使用され、それにより要素には、三つまたは四つのどちらかのアウトレット（出力部）が設けられる。低電源電圧が望まれる適用の場合は、二つの電力アウトレット（出力部）の間において平行に要素ループを接続することが知られている。また、四つのアウトレット（出力部）が使用され、それにより、半（サブ）電力と全電力が必要な場合に、その両者で作動できるループを接続することができると考えられる場合も知られている。

しかし、これら従来の要素構成に関しての欠陥は、放射チューブの長軸に沿って変化するように、電力が分配されないということである。加熱要素に、その軸に沿って二つまたは三つ以上の領域を加熱要素に設けることを控える理由は、これら従来のアウトレットは放射チューブ内で作動しなければならないため、要素内に追加のアウトレット（出力部）と接続部を含むことは、要素の熱生成フィラメントの利用できる空間に非常に大きな影響を与え、それにより高い電力の優位点が除外されてしまうからである。また、特にNiCr型のフィラメントを使用している場合は、電気スパークの危険もある。

この問題は、本発明により解決される。

従って、本発明は、放射パイプと電気加熱要素とが設置された、放射チューブを含む電気加熱要素に関し、加熱要素は、パイプ内で前後に延びる導電性脚部を有し、加熱要素は、電流がそこを介して要素に供給される電力アウトレットを有する炉壁に近接するパイプの一つの端部において接続され、要素はパイプ内において、それぞれの脚部がそこを介して延びる貫通孔が設けられたセラミックディスクにより支持され、パイプは、その長軸に沿って、パイプ内で順に設置された二つの要素を含み、加熱要素は、放射パイプの中心を介してパイプの一つの端部からもう一方の端部へ、またそれぞれのディスクの中心を介して延びる中心ロッドにより特徴付けられ、更に、中心ロッドは電力アウトレットを、加熱要素の少なくとも一つに対して形成することと、放射パイプにおける二つの加熱要素に対する接続領域は、パイプの長手方向において要素間に位置しており、それぞれの要素は接続領域のそれぞれの電力アウトレットに接続されるということと、加熱要素は、接続領域に存在するセラミックディスクを、パイプの長軸に沿う方向において実質的に保持するように機能する、ストップ手段を含むことと、それぞれの要素を支持するセラミックディスクが、接続領域からある距離で配置されており、セラミックディスクの少なくともいくつかは、要素の温度の変化に応答してそれぞれの要素が伸縮するときに、要素に関連するストップ手段により許される範囲において、パイプに沿って自由に動くことができるということにより特徴付けられる。
本発明は、一部は、添付された図に示された本発明の実施例と共に、更に詳細に記述される。

図1は放射パイプ1と、該パイプに含まれる電気加熱要素2と3を含む放射チューブを示している。加熱要素2と3のそれぞれは、パイプ1内で前後に延びる脚部を有している。加熱要素は、電流がそこを介して要素に供給される電力アウトレット（出力部）4,5,6を有する炉壁7に近接するパイプの一つの端部8に接続される。要素2と3はパイプ内において、それぞれの脚部がそこを介して延びる貫通孔が設けられたセラミックディスク9により支持される。

パイプ1と支持ディスク9は、AL、Si、Mg、及び/またはYの酸化物材料、または物質Si及び/またはTiの窒化物または硼化物から構成される。代表的な材料はAl₂O₃である。パイプ1はまたFeCrAl材料から形成されてもよい。

二つの要素は、放射パイプ1において長軸方向に相互に順に位置している。

パイプは図1において軸方向に分割されて示されており、要素は、パイプと要素のそれぞれの長さに沿って分割されている。

本発明によれば、中央ロッド10は、放射パイプ1の中心を介して、パイプの一つの端部8から他の端部11に延びている。ロッド10は、各セラミックディスク9の中心を介して延びており、導電性材料で、適切には、FeCrAL材料であることが好ましい、要素と同じ材料で構成されている。

中心ロッド10は、加熱要素の少なくとも一つのための電力アウトレット（出力部）を形成する。

更に、放射パイプに含まれる二つの放射要素2と3に対する要素接続領域12は、パイプの縦方向の要素間に位置しており、それぞれの要素は、接続領域のそれぞれの電力アウトレット（出力部）に接続されている。これは、実質的にはパイプに沿った中央に位置する要素接続領域は、要素の線形熱膨張に関しての、熱基準点を形成することを意味している。

一般的に、パイプの長軸に沿う方向において、接続領域内12に存在するセラミックディスク9を保持するように機能するストップ手段が含まれている。

要素2と3のそれぞれを支持するための追加セラミックディスク9が、接続領域12に対して間隔が開けられた関係で配置され、セラミックディスクは、要素の温度の変化に応答してそれぞれの要素が伸縮するときに、要素に関連するストップ手段が許す範囲において、パイプに沿って自由に動くことができる。

簡潔に述べれば、本発明の目的は、接続領域を小さな容積内に集め、以前は単に機構的な面から必要であった構成要素、つまり中心ロッド10を、電力アウトレット（出力部）5として使用することである。これにより、パイプ1の内部に向いている放射フィラメントの表面が増大し、その表面を電力出力として使用することが可能になる。

FeCrAl材料、そして特に材料指定のKanthal APMを使用すると、要素の永久線形膨張を収容するために必要な空間を削減できる。更に、材料の低い脆性のため、過度のスパーク発生の危険及びクリープ電流発生の危険が起こることを大幅に削減できる。材料の破砕は原理的に起こらず、万一起きても、それは電気絶縁体である酸化アルミニウムに起こる。

FeCrAl材料の良好な酸化/腐食の特質を効果的に利用することにより、高いエネルギー密度の結果である高い作業温度においても、容積が最適化されたブリッジング（接続構造）が可能になり、アウトレット（出力部）接続領域12を、それぞれの要素の軸に沿って選択的に配置することが可能になる。設計における自由度を与えるだけでなく、二つの電力領域に共通の熱膨張基準点を与えることを可能にするという優位点が得られ、それにより、要素に対する自由放射の程度の違いにより誘発される熱膨張の不規則性、摩擦、熱量（サーマルマス）、炉における要素の位置などによって引き起こされる望ましくない機械的変形の危険性が軽減される。

パイプの一端部8から要素2と3のそれぞれに延びて、中心ロッド10と共に電気回路を形成するアウトレット（出力部）4またはアウトレット4と6は、支持セラミックディスク9を介して延びる。

一つの良好な実施形態において、セラミックスリーブ13〜17は、中心ロッド5の外側に、かつそれに沿って配置される。パイプの端部における要素の脚部の各端部に位置するセラミックディスク14及び15を、間隔を設けて分離することに加えて、スリーブは共に、セラミックディスク9をも、間隔を設けて分離するように形成される。

各要素の脚部の端部に位置するセラミックディスク14と15は、スリーブの外側に設けられることが好ましい。パイプの他の端部に位置するセラミックディスク15は、直接中心ロッド15上に設けられてもよい。

中心ロッド5は、板29と30により中心ロッド5に固定されたセラミックディスクにより、その非導電性端部において支持されると好ましい。

スリーブ13〜17は、中心ロッドに沿う接続領域の最も中央に位置するセラミックディスク18〜21を定位置に保持する機能があり、それは、接続領域に最も近接して位置しているセラミックディスク22と23と、パイプの他の端部に最も近接して位置しているセラミックディスクに対しても同様である。図1におけるセラミックディスク24の右方向への動きは、中心ロッドに固定された板25により制限される。

要素と同じ材料で構成され、支持セラミックディスク9に近接し、脚部の端部26に関してセラミックディスクの反対側に配置された板のような導電体により、脚部の少なくとも所定の端部26において脚部が短絡させられると好ましい。この配置により、セラミックディスクが、各要素の脚部の端部に保持されることが確実になる。

上記の固定は、温度の上昇に応答して要素が膨張するときに、図1において左側または右側に移動するセラミックディスク14と15の位置に要素の端部が位置することにより、要素が膨張することを意味する。セラミックディスク14と15もまた、これと共に、図1において左側または右側に動く。これは図1において、ディスク14aと15aにより示されている。しかし、接続領域は一般的に静止状態に保たれる。膨張はパイプにおいて両方向に外側に向けて起こるので、均一熱放射はパイプの長さに沿って保持され、もし熱基準点がパイプの一方の端部に近接するか、またはその一方の端部に位置するときは、こうはならない。

放射パイプは、要素が炉の雰囲気に影響されないように、閉鎖（密閉）パイプであることが好ましい。

また、二つの放射パイプ1が、実質的に炉の幅を覆うように、炉の空間において軸方向に一つずつ配置されることが好ましい。その様な場合、それぞれのパイプの電流接続端は、炉壁の方向を向く。

図8は、短絡を起こす板は、接続領域12において要素を接続、及び短絡させるためにも使用されることが理解できる不完全な略図である。

図2〜図7は、図1における放射チューブのそれぞれの断面図である。参照番号31は、要素の異なる脚部32を接合し、かつ短絡させる導電性板を示している。参照番号33は、図1に示されるセラミック板の下に位置する脚部の端部を示している。参照番号34は、脚部の端部を示している。

本発明の良好な実施形態によれば、アウトレット（出力部）が取り付けられた炉壁から最も遠くに位置する要素は、中心ロッド5と分離した引込み線35から電力を供給される（図2〜図7参照）。他の要素2は、二つの分離した引込み線36と37から電力を供給される。

別の良好な実施形態によれば、両要素は、中心ロッド及び個別の引込み線を介して、それぞれの要素に電力が供給される。

上記の記載は、水平に配置された放射チューブに関するものであるが、チューブは水平ではなく、垂直にも設置できるということは理解されよう。後者の場合、セラミックパイプは中心ロッド上に直接設置され、外部パイプ1の底部まで下方に真っ直ぐに延びている。この場合、セラミックディスクとスリーブは、セラミックパイプに沿って炉の屋根7まで真っ直ぐに上方に積み重ねられている。他の点に関しては、放射チューブは上記と同様に構成されている。

このように、本発明が、序論で言及した問題を解決することは明白である。
本発明は、その種々の実施形態を参照して記載されたが、より多くのまたはより少ない脚部を使用することができ、セラミックディスクは記載されたものとは異なる設計でもよく、要素は、記載されたものとは異なる方法で接続してもよいということは理解されよう。
従って、本発明は上記の実施形態に制限されると理解されてはならず、種々の変形形態及び修正形態が、付随する請求項の範囲を逸脱することなく可能である。

図1は、電気加熱要素を含む放射チューブの断面図である。 図2は、図1のA-A線に沿った断面図である。 図3は、図1のB-B線に沿った断面図である。 図4は、図1のC-C線に沿った断面図である。 図5は、図1のD-D線に沿った断面図である。 図6は、図1のE-E線に沿った断面図である。 図7は、図1のF-F線に沿った断面図である。 図8は、放射パイプに含まれるセラミックディスクと加熱要素を示す図である。

Claims (10)

1. 放射パイプ（1）と前記パイプに含まれる電気加熱要素（2,3）とを備える、放射チューブを有する電気加熱要素において、
   前記加熱要素は、前記パイプ内で前後に延びる脚部を有し、
   前記加熱要素は、電流がそこを介して前記加熱要素に供給される、電力アウトレットが設けられる、炉壁に近接する前記パイプの一つの端部において接続されており、
   前記加熱要素は前記パイプ内において、それぞれの脚部がそこを介して延びる貫通孔が設けられた支持セラミックディスク（9）により支持され、
   二つの加熱要素（2,3）が、前記放射パイプにおいて、その長軸に沿って順に配置されており、
   該電気加熱要素において、
   中心ロッド（5）が、前記放射パイプ（1）の中心を介して、その一つの端部（8）からそのもう一方の端部（11）へ、及び各前記支持ディスク（9）の前記中心を介して延び、
   前記中心ロッドは電力アウトレットを、前記加熱要素（3）の少なくとも一つに対して形成し、
   前記放射パイプにおける前記二つの加熱要素に対する接続領域（12）は、前記パイプ（1）の長手方向において前記加熱要素間に位置しており、それぞれの加熱要素は、前記接続領域においてそれぞれの電力アウトレット（4〜6）に接続され、
   前記加熱要素は、前記接続領域に設置されるセラミックディスク（18〜23）を前記パイプの長軸に沿う方向において実質的に保持するように機能する、ストップ手段（13〜17）を含み、
   それぞれの前記加熱要素を支持する支持セラミックディスク（9）が、前記接続領域（12）からある距離で配置されており、前記セラミックディスク（14,15）の少なくともいくつかは、前記加熱要素の温度の変化に応答してそれぞれの加熱要素が伸縮するときに、加熱要素に関連するストップ手段（27）が許す範囲において、前記パイプ（1）に沿って自由に動くことができることを特徴とする電気加熱要素。
2. 前記パイプの前記一つの端部からそれぞれの加熱要素（2,3）へ延びて、前記中心ロッド（5）と共に電気回路を形成する、前記電力アウトレット（4）または前記電力アウトレット（4,6）は、前記セラミック支持ディスク（9）を介して延びることを特徴とする請求項1に記載の電気加熱要素。
3. セラミックスリーブ（13〜17）が、前記中心ロッドの外側で、かつ前記中心ロッドに沿って配置され、前記スリーブは共に、前記パイプの前記端部（8,11）における前記加熱要素（2,3）の脚部のそれぞれの端部に位置するセラミックディスク（14,15）を、間隔を設けて分離することに加えて、前記支持セラミックディスク（9）を間隔を設けて分離するように形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の電気加熱要素。
4. 前記それぞれの加熱要素の脚部の端部に位置する前記セラミックディスク（15,15）は、前記スリーブ（13）の外側に沿って設けられることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の電気加熱要素。
5. 前記脚部は、それの少なくとも特定の端部（26）において、前記支持セラミックディスク（9）に近接して配置されかつ前記脚部の端部（26）に対して前記セラミックディスクの反対側に配置される、導電体（27）により短絡させられることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電気加熱要素。
6. セラミックディスク（28）が、その電気接続しない自由端部において、前記中心ロッド（5）に固定されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の電気加熱要素。
7. 前記放射パイプ（1）は、閉鎖パイプであることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の電気加熱要素。
8. 二つの放射パイプ（1）が、炉の空間において、前記炉の幅を実質的に覆うように、順に軸方向に設置されることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の電気加熱要素。
9. 電力アウトレットを有する前記炉壁（7）から最も遠くに位置する前記加熱要素（2）は、前記中心ロッド及び個別の引込み線（35）を介して電力が供給され、
   前記もう一方の加熱要素は、二つの個別の引込み線（36,37）により電力が供給されることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の電気加熱要素。
10. 前記両加熱要素（2,3）は、前記中心ロッド（5）及び個別の引込み線を介して、それぞれの加熱要素に電力が供給されることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の電気加熱要素。

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