JP7096587B2 - シーズヒータ - Google Patents
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Description
シーズヒータは、安全性、信頼性、経済性などに優れており、例えば産業用等のヒータとして広く普及している。
発熱体の抵抗値を低減しようとした場合、材質を抵抗値が小さいものに変更したり、コイルの巻径を小さくするなどの方法があるが、このような手法による抵抗値の低減には物性的な限界があった。
これに対し、導電体を折り返した半分を、発熱体よりも抵抗値が低い例えばニッケルの棒材等の低抵抗部材(低発熱体)とした場合、導電体全体(回路全体)としての抵抗値を低下させ、供給電圧に対する電流を大きくしてヒータの高出力化を図ることができる。
しかし、この場合には、棒材等の低抵抗部材と他の部材との熱伸びの差に起因する熱応力により、加熱時にシースに曲げ、ねじれ等の変形が発生するという問題があった。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、電気抵抗を低減するとともに熱応力に起因する変形を抑制したシーズヒータを提供することである。
請求項1に係る発明は、筒状に形成され内径側に絶縁体が収容されるシースと、前記シースの一方の端部に設けられた第1の端子及び第2の端子と、前記シースの内径側に前記シースの長手方向に沿って配置されるとともに一方の端部が前記第1の端子に接続され、通電時に発熱する発熱部を有する第1の導電部材と、前記シースの内径側に前記第1の導電部材と並行に配置されるとともに一方の端部が前記第2の端子に接続され、前記第2の端子側と反対側の端部において前記第1の導電部材の前記第1の端子側と反対側の端部と導通可能に接続された第2の導電部材とを備え、前記第2の導電部材は、前記第1の導電部材に対して電気抵抗が低くかつ少なくとも一部に弾性変形により前記シースの長手方向に沿って伸縮可能な伸縮許容部を有することを特徴とするシーズヒータである。
これによれば、シースの一方の端部に一対の端子が設けられる片端子型のシーズヒータにおいて、シース内に並行して配置される導電部材の一方(第2の導電部材)を、主に発熱に寄与する他方の導電部材(第1の導電部材)に対して電気抵抗を低くしたことによって、主に発熱に寄与する発熱部の長さを約半分にしてシーズヒータ全体としての抵抗値を低くし、供給される単位電圧あたりの電流を増加させてシーズヒータを高出力化することができる。
また、各導電部材に通電して発熱させた際の温度変化によるシースの熱伸びに応じて、第2の導電部材の伸縮許容部が弾性変形し、シースの長手方向に伸縮することによって、熱応力に起因するシースの変形を抑制することができる。
なお、本明細書、特許請求の範囲において、並行に配置されるとは、第1、第2の導電部材が完全に平行に配置された状態に限らず、ねじれ、曲げ等を伴って並んで配置される状態を含むものとする。
これによれば、シースが加熱を受ける範囲の全体にわたって伸縮許容部による第2の導電部材の伸縮が可能であり、シースと第2の導電部材との熱伸び差に起因するシースの変形を確実に防止することができる。
請求項3に係る発明は、前記第1の導電部材は、少なくとも一部がニッケル-クロム系合金又は鉄-クロム系合金の線材からなるコイル部を有し、前記第2の導電部材の前記伸縮許容部は、前記第1の導電部材の前記コイル部の材料よりも電気抵抗が低い金属の線材からなるコイル部を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシーズヒータである。
これによれば、既存のシーズヒータの製造設備等を利用可能な構成により上述した効果を得ることができる。
実施形態のシーズヒータは、例えば数メートル程度の長さを有するシース(ヒータパイプ)を、プレート状の基材に形成された溝部に沿って所定のパターンに屈曲させて埋め込んだヒータユニットなどに適用することが可能な、長尺かつ比較的小径のカートリッジヒータである。
図1(a)は、シース及び各端子の中心軸を含む平面に沿って切断した断面を示し、図1(b)は、図1(b)のb-b部矢視断面図である。(後述する図2において同じ)
シーズヒータ1は、シース10、端子20,30、高発熱体40、低発熱体50、接続部材60等を有する。
シース10は、例えば、アルミニウム系合金により円筒状に形成されている。
シース10は、一例として、例えば5mm程度の外径と、2m程度の長さを有する構成とすることができるが、これらの寸法は適宜変更することが可能である。
シース10は、塑性変形させることにより、例えば、ヒータユニットの基材等の形状に応じて、湾曲あるいは屈曲させて使用することが可能である。
端子20,30は、例えば、ニッケルの丸棒材により形成されている。
端子20,30は、その長手方向がシース10の中心軸と平行に配置されている。
端子20,30の長手方向における一部は、シース10の内径側に挿入されている。
端子20,30の長手方向における他部は、シース10の一方の端部から突出して配置され、図示しない電源に接続される。
端子20,30は、シース10の長手方向から見たときに、シース10の中心軸に対して対称となるように、シース10の径方向に離間して配置されている。
高発熱体40は、例えば、ニッケル-クロム系合金(ニクロム)の帯線(帯状に形成された長尺の板状部材からなる線材)を、端子20の中心軸と同心となるようにらせん状に巻き回したコイル状に形成されている。
高発熱体40は、シース10内において、シース10の長手方向に沿って延びている。
高発熱体40の両端部41,42を除く主要部分においては、帯線は線間密着しないよう、隣接する帯線間に間隔が設けられる所定のピッチで巻かれている。
高発熱体40の端子20側とは反対側の端部42は、接続部材60の高発熱体接続部61の外周面に巻き回されるとともに、接続部材60との間で導電可能な状態で固定されている。
端部41,42においては、帯線が線間密着するように密に巻かれた状態となっている。
高発熱体40の端部41,42以外の領域である本体部は、通電時に主としてジュール熱を発生する発熱部として機能する。
低発熱体50は、材質、形状、寸法等の設定により、高発熱体40に対して電気的な抵抗値が小さくされている。
低発熱体50の抵抗値は、シーズヒータ1の使用温度において、高発熱体40の抵抗値の50%以下とすることが好ましく、より好ましくは30%以下とするとよい。
低発熱体50は、上記した抵抗値の設定により、端子20,30間に通電した際の発熱量が高発熱体40に対して小さくなっている。
低発熱体50は、シース10内において、シース10の長手方向に沿って、高発熱体40と間隔を隔てて並行して延びている。
低発熱体50の両端部51,52を除く主要部分においては、帯線は線間密着しないよう、隣接する帯線間に間隔が設けられる所定のピッチで巻かれている。
低発熱体50の本体部は、弾性変形によりシース10の長手方向に沿って伸縮方向に弾性変形可能となっており、本発明にいう伸縮許容部として機能する。
低発熱体50の本体部(端部51,52以外の領域)は、高発熱体40の発熱部として機能する本体部(端部41,42以外の領域)の全長にわたって、並行して配置されている。
低発熱体50の端子30側とは反対側の端部52は、導電部材60の低発熱体接続部62の外周面に巻き回されるとともに、接続部材60との間で導電可能な状態で固定されている。
なお、図1においては、高発熱体40、低発熱体50は、それぞれストレートに形成され平行に配置されているが、実際にはシース10の内部で、例えば規則的あるいは不規則な2条のらせん状などにねじれた状態となる場合もあり得る。
接続部材60は、シース10の内部における端子20,30側とは反対側の端部近傍に配置されている。
接続部材60は、高発熱体接続部61、低発熱体接続部62、湾曲部63を有する。
高発熱体接続部61、低発熱体接続部62、湾曲部63は、例えば、1本のニッケルの棒材を湾曲部63に相当する領域において曲げ加工することにより、一体に形成されている。
高発熱体接続部61の端部は、高発熱体40の端部42の内径側に挿入されるとともに、端部42と電気的に導通した状態で固定されている。
低発熱体接続部62の端部は、低発熱体50の端部52の内径側に挿入されるとともに、端部52と電気的に導通した状態で固定されている。
湾曲部63は、例えば、高発熱体接続部61、低発熱体接続部62の軸間距離を直径とする半円の円弧に沿って、棒材を湾曲させて形成されている。
比較例の説明において、上述した実施形態と同様の箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図2は、比較例のシーズヒータの断面図である。
比較例のシーズヒータ1Aは、実施形態のシーズヒータ1の低発熱体50に代えて、端子30と、接続部材60の低発熱体接続部62との間を、例えばニッケルの棒材70により接続したものである。
棒材70は、シース10の長手方向に沿って伸び、円形の断面形状を有する中実の丸棒である。
比較例において、端子30、棒材70、接続部材60は、例えば一本のニッケルの棒材を、接続部材60の湾曲部63に相当する箇所で曲げ加工することによって、一体に形成されている。
図3は、比較例のシーズヒータにおける使用時の変形を示す写真である。
図3(a)は、通電開始前におけるシーズヒータ1Aが常温である状態を示し、図3(b)は、通電してシース10の表面を400℃まで昇温させた状態を示し、図3(c)は、通電を終了した後、シース10の表面が150℃まで冷却された状態を示している。
また、図3(c)から明らかなように、シース10の形状は冷却されると変形前の状態に復元する。
このような変形は、主として棒材70の熱伸び(熱膨張)が、シース10等の他の部材の熱伸びと異なるために生じたものと考えられる。
これに対し、同様の試験を実施形態のシーズヒータ1で行った場合には、少なくとも目視により確認が可能なシース10の変形は確認されなかった。
なお、実施形態のシーズヒータ1の通電時におけるシース10の表面温度分布を測定した結果、高発熱体40が設けられた側と低発熱体50が設けられた側とで、実用上問題となるような温度差は検出されなかった。
(1)シース10内に並行して配置される導電部材の一方である低発熱体50を、主に発熱に寄与する他方の導電部材である高発熱体40に対して電気抵抗を低くしたことによって、高発熱体40のコイルを過度に太線化したり、巻き径を縮小することなく、シーズヒータ1全体としての抵抗値を低くし、単位電圧あたりの電流を増加させてシーズヒータ1を高出力化することができる。
また、高発熱体40に通電し、発熱させた際の温度変化によるシース10の熱伸びに応じて、低発熱体50のコイル状の本体部が弾性変形し、シース10の長手方向に伸縮することによって、熱応力に起因するシース10の変形を抑制することができる。
(2)低発熱体50の本体部が高発熱体40の本体部の全長にわたって並行して配置されることによって、シース10が加熱を受ける範囲の全体にわたって低発熱体50の伸縮が可能であり、シース10と低発熱体50との熱伸び差に起因するシース10の変形を確実に防止することができる。
(3)高発熱体40、低発熱体50をそれぞれニッケル-クロム系合金とニッケルの帯線を巻きまわして形成されたコイル状としたことにより、既存のシーズヒータの製造設備等を利用した構成により、上述した効果を得ることができる。
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
(1)シーズヒータ及びこれを構成する各部材の形状、構造、材質、製法、数量、寸法、配置等は、上述した実施形態に限定されることなく、適宜変更することが可能である。
(2)実施形態において、シースの材料は、例えばアルミニウム系合金であるが、これに限らず、例えば耐熱性を有するステンレス鋼などの他の材料を用いることもできる。
(3)実施形態において、高発熱体(第1の導電部材)の材質は、例えばニッケル-クロム系合金であったが、これに限らず、例えば鉄-クロム系合金などの他の材料を用いることもできる。
また、実施形態ではコイルを形成する線材として帯線を用いているが、これに限らず、例えば丸線などの他の断面形状を有する線材を用いることが可能である。
(4)実施形態において、低発熱体(第2の導電部材)の材質は、例えばニッケルであったが、これに限らず、低発熱体の抵抗値を高発熱体よりも低くでき、かつ、必要な耐熱性、弾性等を有する他の材料を用いることもできる。
また、実施形態ではコイルを形成する線材として帯線を用いているが、これに限らず、例えば丸線などの他の断面形状を有する線材を用いることが可能である。
(5)実施形態において、低発熱体の伸縮許容部は、一例として、線材をコイル状に巻き回した構成とされているが、伸縮許容部の構成はこれに限らず、例えばジグザグ状、蛇腹状など他の構成としてもよい。
(6)実施形態においては、高発熱体と低発熱体とをシースの長手方向における位置を一致させて配置されているが、少なくとも一方の端部の位置を、高発熱体と低発熱体とで異ならせてもよい。
(7)実施形態においては、シースの断面形状を円形としているが、これに限らず、シースの断面形状を円形以外の形状としてもよい。例えば、高発熱体と低発熱体との配列方向に沿った長軸を有する楕円、長円や、その他の形状とすることができる。
10 シース 20 端子
30 端子 40 高発熱体
41 端部 42 端部
50 低発熱体 51 端部
52 端部 60 接続部材
61 高発熱体接続部 62 低発熱体接続部
63 湾曲部 70 棒材
Claims (3)
- 筒状に形成され内径側に絶縁体が収容されるシースと、
前記シースの一方の端部に設けられた第1の端子及び第2の端子と、
前記シースの内径側に前記シースの長手方向に沿って配置されるとともに一方の端部が前記第1の端子に接続され、通電時に発熱する発熱部を有する第1の導電部材と、
前記シースの内径側に前記第1の導電部材と並行に配置されるとともに一方の端部が前記第2の端子に接続され、前記第2の端子側と反対側の端部において前記第1の導電部材の前記第1の端子側と反対側の端部と導通可能に接続された第2の導電部材とを備え、
前記第2の導電部材は、前記第1の導電部材に対して電気抵抗が低くかつ少なくとも一部に弾性変形により前記シースの長手方向に沿って伸縮可能な伸縮許容部を有すること
を特徴とするシーズヒータ。 - 前記伸縮許容部は、前記第1の導電部材の前記発熱部の全長にわたって並行して設けられること
を特徴とする請求項1に記載のシーズヒータ - 前記第1の導電部材は、少なくとも一部がニッケル-クロム系合金又は鉄-クロム系合金の線材からなるコイル部を有し、
前記第2の導電部材の前記伸縮許容部は、前記第1の導電部材の前記コイル部の材料よりも電気抵抗が低い金属の線材からなるコイル部を有すること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシーズヒータ。
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