JP2018101581A

JP2018101581A - ヒータ

Info

Publication number: JP2018101581A
Application number: JP2016248180A
Authority: JP
Inventors: 渡部　康之; Yasuyuki Watabe; 康之渡部
Original assignee: Coorstek KK
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-28

Abstract

【課題】ガラス部材の内部に発熱体を収容したヒータにおいて、被加熱対象物に対し局所的な加熱を行う。【解決手段】給電により発熱する発熱体２がガラス部材３、１３の内部に収容されたヒータ１であって、輻射熱を透過する前記ガラス部材と、前記発熱体から放射された輻射熱の透過を抑制するとともに、貫通孔４ａ、１２ａが形成された不透明ガラス板４、１２とを備え、前記不透明ガラス板に形成された前記貫通孔を通過した輻射熱が放射される。【選択図】図２

Description

本発明は、発熱体がガラス部材に収容されたヒータに関し、例えばカーボンワイヤー発熱体がガラス部材に収納されたヒータに関する。

従来、樹脂部材同士を溶着する場合、例えば溶着部に熱風を当てて軟化させ、軟化した溶着部同士を押し付けて溶着する方法がある。
或いは、加熱された金属プレートに樹脂部材の溶着部を押し付け、溶着部を軟化させた後、金属プレートを取り除き、溶着部同士を押し付けて溶着する方法も行われている。

しかしながら、前記温風により溶着部を加熱する方法にあっては、溶着面への加熱が不均一となり、局所的な加熱を効果的に行うことができないという課題があった。
また、加熱された金属プレートに溶着部を押し当てる方法は、局所加熱の点では優れるが、金属プレートを溶着部から引き離す際に、溶けた樹脂が引っ張られて溶着面にヒゲ状に残り、溶着品質が低下するという課題があった。

前記のような溶着面への加熱の不均一性や、溶着品質の低下といった課題を解決するものとして、加熱源としてのカーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータが挙げられる。
このヒータは、所定の形状に屈曲させた石英ガラス管の内部に、線状のカーボンワイヤー発熱体を収容、封入したものであって、高速昇温に優れたヒータとしての特徴を備えている。

特許文献１には、カーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータが開示されている。図１０に示すように特許文献１に開示されるヒータ１００は、ヒータ部２００と、ヒータ部２００の両端に設けられた封止端子部３００ａ、３００ｂとを備えている。
前記ヒータ部２００は、カーボンワイヤー発熱体と、このカーボンワイヤー発熱体を収容した石英ガラス管２１０とから構成されている。また、ヒータ部２００を構成する石英ガラス管２１０はツヅラ状に屈曲しており、直線部２１０ａ１、２１０ａ２と屈曲部２１０ｂ１、２１０ｂ２とによって形成されている。

そして、ヒータ１００は、石英ガラス管２１０に収容されたカーボンワイヤー発熱体に通電して発熱させることにより、石英ガラス管２１０を介して輻射熱が外部に放射されるように構成されている。

尚、ヒータ１００は、石英ガラス管２１０の両端部が封止端子部３００ａに接続された第１のヒータ１００ａと、石英ガラス管２１０の両端部が封止端子部３００ｂに接続された第２のヒータ１００ｂとを備える。前記第１のヒータ１００ａのヒータ部２００の直線部２１０ａ１と、第２のヒータ１００ｂのヒータ部２００の直線部２１０ａ２とは交互に位置するように配置されている。そのため、このヒータ１００にあっては、カーボンワイヤー発熱体の間のピッチ間隔が狭められ、被加熱面に対し、より均一な加熱を行うことができる。

特開２００７−８７７２１号公報

前記のように特許文献１に開示されるヒータ１００にあっては、石英ガラス管２１０の直線部２１０ａ１と直線部２１０ａ２とが交互に敷き詰められるように多数配置されるため、面状の被加熱対象であれば効果的に加熱することができる。

しかしながら、例えば図１１に示すように被加熱物Ｗの表面における被加熱対象Ｐ１が直線状など局所的である場合には、１本の直線状の石英ガラス管２１０及びカーボンワイヤー発熱体２２０でヒータ部を構成したとしても、図１２に示すようにヒータ部の全周囲から輻射熱が放射されるため、加熱の必要のない部位Ｐ２、Ｐ３の方向にも照射され、当該被加熱対象Ｐ１のみを有効に加熱することができないという技術的課題があった。即ち、図１１、図１２に示すヒータの構成にあっては、特定方向の加熱には適していなかった。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、ガラス部材の内部に発熱体を収容したヒータにおいて、被加熱対象物に対し局所的な加熱を行うことができるヒータを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかるヒータは、給電により発熱する発熱体がガラス部材の内部に収容されたヒータであって、輻射熱を透過する前記ガラス部材と、前記発熱体から放射された輻射熱の透過を抑制するとともに、貫通孔が形成された不透明ガラス板とを備え、前記不透明ガラス板に形成された前記貫通孔を通過した輻射熱が放射されることに特徴を有する。
尚、前記発熱体は、カーボンワイヤーにより形成されていることが望ましい。
また、前記ガラス部材は、石英ガラス管であって、前記発熱体は、前記石英ガラス管の中空内に収容されていることが望ましい。
或いは、前記ガラス部材は、石英ガラス板であって、前記発熱体は、前記石英ガラス板の内部に形成された中空の空間に収容されていてもよい。
また、前記不透明ガラス板は、気泡密度が、９×１０^４個／ｃｍ^３以上１２×１０^４個／ｃｍ^３未満であって、気泡粒径は、３０μｍ以上１５０μｍ未満であることが望ましい。
このように本発明に係るヒータは、輻射熱を放射するガラス部材と、該ガラス部材と被加熱対象との間に配置される不透明ガラス板とを備える。そして、不透明ガラス板に形成された貫通孔を通過した輻射熱が被加熱対象に照射され、その他の部位への輻射熱の照射が抑制される。即ち、このヒータによれば、例えばカーボンワイヤー発熱体を発熱源として、特定方向への輻射熱の照射を実現することができる。

本発明によれば、ガラス部材の内部に発熱体を収容したヒータにおいて、被加熱対象物に対し局所的な加熱を行うことができるヒータを得ることができる。

図１は、本発明に係るヒータの第１の実施形態を示す図であり、ヒータの主要部を示す正面図である。図２は、図１のヒータの裏面図である。図３は、図１のヒータの横断面図であり、被加熱対象に対する加熱状態を示す図である。図４は、図１のヒータの変形例を示す横断面図である。図５は、本発明に係るヒータの第２の実施形態を示す正面図である。図６は、図５の横断面図であって、被加熱対象への加熱状態を示す図である。図７は、図５のヒータの変形例を示す正面図である。図８は、図５のヒータの他の変形例を示す横断面図である。図９（ａ）は、図８のヒータの不透明ガラス板の正面図であり、図９（ｂ）は、支持体の正面図である。図１０は、カーボンワイヤー発熱体をガラス管の中に収容したヒータの例を示す斜視図である。図１１は、カーボンワイヤー発熱体をガラス管の中に収容したヒータにおいて、１本のガラス管によるヒータ部による照射を示す斜視図である。図１２は、図１１のヒータのガラス管の横断面図である。

以下に、本発明に係るヒータの実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係るヒータの第１の実施形態を示す正面図であり、ヒータの主要部を示す図である。また、図２は、図１のヒータの裏面図である。また、図３は、図１のヒータの横断面図であり、被加熱対象に対する加熱状態を示す図である。
尚、本実施形態に示すヒータは、図１０乃至図１２に示したヒータと同様にガラス管の中にカーボンワイヤー発熱体が収容されたものを発熱源とする。

図示するヒータ１は、給電されることにより発熱するカーボンワイヤー発熱体２と、このカーボンワイヤー発熱体２を管内に収納し、両端に封止端子部（図示せず）を有するガラス管３（ガラス部材）とを備える。前記ガラス管３は、例えば、天然真空電気溶融石英ガラスにより形成されて光（輻射熱）を透過する石英ガラス管である。その内径は、例えば２．６ｍｍに形成され、外径は、例えば、５ｍｍに形成されている。

尚、カーボンワイヤー発熱体２は、極細いカーボン単繊維を束ねたカーボンファイバー束を、編紐形状、あるいは組紐形状に複数束編み上げて作製したものであり、従来の金属製やＳｉＣ製の発熱体に比べて、熱容量が小さく昇降温特性に優れ、また非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れている。
また、このカーボンワイヤー発熱体２は、細いカーボン単繊維の繊維束を複数本編んで作製されたものであるため、ムクのカーボン材からなる発熱体に比べフレキシビリティに富み、形状変形順応性や加工性に優れている。

具体的には、前記カーボンワイヤー発熱体２として、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバーを約３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を１０束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤー発熱体２が用いられる。前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度である。

また、ヒータ１は、ガラス管３と被加熱物Ｗ（被加熱対象Ｐ）との間に配置されるスリット板（不透明ガラス板）４を備える。
このスリット板４は、不透明ガラスにより形成されている。前記不透明ガラスは、例えば、天然石英ガラスにより形成されて、多数の微細な気泡を含んでおり、それにより不透明な状態となされている。
尚、前記不透明ガラスとしては、輻射熱を散乱、遮蔽する必要があるため、ガラス密度は、２．１３ｇ／ｃｍ^３以上であることが望ましい。また、気泡密度は、９×１０^４個／ｃｍ^３以上１２×１０^４個／ｃｍ^３未満であって、気泡粒径は、３０μｍ以上１５０μｍ未満であることが望ましい。また、このスリット板４の厚さ寸法は、研削加工機により２及至５ｍｍに形成される。

また、前記スリット板４には、ガラス管３から放射される輻射熱を通過させるためのスリット状の貫通孔４ａが形成されている。この貫通孔４ａの幅、高さ距離などは、被加熱対象Ｐの大きさ（幅など）に応じて設定されている。
ヒータ１は、ガラス管３に収容されたカーボンワイヤー発熱体２に通電して発熱させることにより、ガラス管３を介して輻射熱が管外に放射される。

図３に示すように、石英ガラス管３から放射された輻射熱は、スリット板４の貫通孔４ａを通過し、被加熱物Ｗの溶着部である被加熱対象Ｐに照射される。特に貫通孔４ａは、スリット板４の板厚方向に所定の長さを有するため、輻射熱が貫通孔４ａを通過することによって、特定方向に輻射熱の照射が集中し、効果的に加熱を行うことができる。
一方、石英ガラス管３から放射された輻射熱のうち、貫通孔４ａを通過せず、スリット板４に照射される輻射熱は、そこで散乱、遮蔽される。そのため、被加熱対象物Ｗにおいて被加熱対象Ｐ以外への輻射熱の照射は抑制される。

尚、本発明に係るヒータ１を構成するガラス管３とスリット板４との距離は、必ずしも一定の距離に固定しなくてもよいが、図４に示すように例えば棒状の石英ガラスからなる支持部材５によって両者を固定し一体型としてもよい。

このように本発明のヒータに係る第１の実施の形態によれば、ヒータ１は、管の全周方向に輻射熱を放射するガラス管３と、該ガラス管３と被加熱対象Ｐとの間に配置される不透明ガラスからなるスリット板４とを備える。そして、スリット板４に形成された貫通孔４ａを通過した輻射熱が被加熱対象Ｐに照射され、その他の部位への輻射熱の照射が抑制される。即ち、ヒータ１によれば、カーボンワイヤー発熱体２を発熱源として、特定方向への輻射熱の照射を実現することができる。
尚、前記第１の実施形態に示したヒータ１にあっては、被加熱対象Ｐの形状に沿ってガラス管３の形状を形成すればよい。そのため、特に、被加熱対象Ｐが直線状や曲線状など簡易な形状である場合に適している。

続いて、本発明に係るヒータの第２の実施形態について説明する。図５は、本発明に係るヒータ１の第２の実施形態を示す正面図であり、図６は、図５の横断面図であって、被加熱対象への加熱状態を示す図である。
図５、図６に示すヒータ１は、透明石英ガラスからなる矩形平板状の支持体１３と、支持体１３の内部に形成された中空の空間内に封入されたカーボンワイヤー発熱体２と、支持体１３の被加熱対象物Ｗ側に重ねて溶着され配置されるスリット板１２（不透明ガラス板）とからなる。
前記支持体１３は、一面に直線状に溝部１０ａが形成されたガラス支持板１０と、前記溝部１０ａに直線状に収容されるカーボンワイヤー発熱体２を封止するための封止板１１とにより構成される。

スリット板１２は、前記第１の実施形態で示したスリット板４と同様に、不透明ガラスにより形成されている。不透明ガラスは例えば天然石英ガラスにより形成されて、多数の微細な気泡を含んでおり、それにより不透明な状態となされている。

前記スリット板１２を形成する不透明ガラスとしては、光を遮断しながらも、火炎加工性を確保できるガラス密度（例えば２．１３ｇ／ｃｍ^３〜２．２４ｇ／ｃｍ^３）を有する不透明材料が望ましい。これは、気泡の含有量が多い（ガラスの密度が２．１３ｇ／ｃｍ^３より低い）場合、溶接などの火炎加工による収縮が発生し、透明石英ガラスとの溶接難易度が上がるためである。一方、気泡の含有量が少ない（ガラスの密度が２．２４ｇ／ｃｍ^３より高い）場合、光透過性が向上するためである。また、気泡密度は、９×１０^４個／ｃｍ^３以上１２×１０^４個／ｃｍ^３未満であって、気泡粒径は、３０μｍ以上１５０μｍ未満であることが望ましい。また、このスリット板１２の厚さ寸法は、研削加工機にて２及至５ｍｍに形成される。

また、スリット板１２においてカーボンワイヤー発熱体２の前方にはスリット状の貫通孔１２ａが形成され、カーボンワイヤー発熱体２からの輻射熱が前方へ通過するようになされている。
尚、図５に示すようにカーボンワイヤー発熱体２の両端には端子部２ａ、２ｂが設けられ、カーボンワイヤー発熱体２に給電可能に構成されている。

このように構成されたヒータ１において、カーボンワイヤー発熱体２に通電して発熱させると、支持体１３の前面からは、カーボンワイヤー発熱体２の形状（本実施形態においては直線状）に沿って輻射熱が放射される。そして、前記支持体１３の前面からスリット板１２側に放射される輻射熱は、スリット板１２の貫通孔１２ａを通過し、被加熱物Ｗの被加熱対象Ｐに効果的に照射される。被加熱対象物Ｗのその他の部位への輻射熱の照射はスリット板１２により散乱、遮蔽されるため抑制される。

尚、図５、図６に示した第２の実施形態においては、直線状のカーボンワイヤー発熱体２に対応する１本の直線状の貫通孔１２ａをスリット板１２に形成する例を示したが、スリット板１２の貫通孔１２ａは、必ずしもカーボンワイヤー発熱体２の配置に沿って形成しなくてもよい。
例えば、図７に示すようにスリット板１２の貫通孔１２ａをカーボンワイヤー発熱体２に対して自由に傾斜させて形成することもできる。

更に、前記第２の実施形態の変形例について説明する。
図５、図６に示した支持体１３及びカーボンワイヤー発熱体２は、発熱源を１本の直線状のカーボンワイヤー発熱体２としたため、支持体１３は、面状ヒータとして機能しない。
そのため、図８の断面図、図９（ｂ）の平面図に示すように支持体１３の内部にカーボンワイヤー発熱体２をジグザグ状に配置し、面状ヒータとして機能させてもよい。

カーボンワイヤー発熱体２をジグザグ状に配置する場合には、ガラス支持板１０の一面にジグザグ状に溝部１０ａを形成し、そこにカーボンワイヤー発熱体２を収容して、封止板１１により蓋をし、溶着して封止すればよい。
このように支持板１３を構成することで、面状ヒータとして、面均一に輻射熱を放射できるため、例えば、図９（ａ）に示すようにスリット板１２に自由にスリット状の貫通孔１２ａを形成することができる。
このような貫通孔１２ａの形成には、切削加工などの機械加工を利用できるため、形状設計の自由度が高い。そのため、例えば被加熱対象となる溶着部が複雑な形状であっても、輻射熱を特定方向に照射し、溶着部を効果的に加熱することができる。尚、スリット板１２は、貫通孔１２ａの形成後、支持体１３に溶着され、一体化される。

また、前記のように第２の実施の形態においては、支持体１３に不透明ガラス板１２を溶着し、一体とするものとしたが、本発明にあっては、その形態に限定されるものではない。
即ち、支持体１３と不透明ガラス板１２とを一定の距離をおいて配置した構成としてもよい。

また、前記実施の形態において示したカーボンワイヤー発熱体２の配置は、一例を示すものであって、その形態に限定されるものではない。
例えば、図９（ｂ）においては、ジグザグ状にカーボンワイヤー発熱体２を配置する例を示したが、それに限らず例えば螺旋状にカーボンワイヤー発熱体２を配置してもよい。

１ヒータ
２カーボンワイヤー発熱体
３ガラス管
４スリット板（不透明ガラス板）
４ａ貫通孔
５支持部材
１０ガラス支持板
１１封止板
１２スリット板（不透明ガラス板）
１２貫通孔
１３支持体
Ｗ被加熱対象物
Ｐ被加熱対象

Claims

給電により発熱する発熱体がガラス部材の内部に収容されたヒータであって、
輻射熱を透過する前記ガラス部材と、
前記発熱体から放射された輻射熱の透過を抑制するとともに、貫通孔が形成された不透明ガラス板とを備え、
前記不透明ガラス板に形成された前記貫通孔を通過した輻射熱が放射されることを特徴とするヒータ。
前記発熱体は、カーボンワイヤーにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
前記ガラス部材は、石英ガラス管であって、前記発熱体は、前記石英ガラス管の中空内に収容されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒータ。
前記ガラス部材は、石英ガラス板であって、前記発熱体は、前記石英ガラス板の内部に形成された中空の空間に収容されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒータ。
前記不透明ガラス板は、気泡密度が、９×１０^４個／ｃｍ^３以上１２×１０^４個／ｃｍ^３未満であって、気泡粒径は、３０μｍ以上１５０μｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたヒータ。