JPH1050464A - 電気加熱ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波形発熱体同士の間にある遷移部で生じる過
熱の問題および垂れ下がりの問題を両方とも解消した電
気加熱ユニットを提供する。 【解決手段】 隣り合う波形発熱体４同士の間にある遷
移部５が、隣り合う波形発熱体４の一端部4b同士が重ね
られて溶接されることにより形成されている。遷移部５
は、断熱主体１内に埋設されている。遷移部５の単位長
さ当たりの抵抗が、波形発熱体４を形成する素線の単位
長さ当たりの抵抗よりも小さくなされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炉などの加熱装
置に用いられる電気加熱ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に、従来の電気加熱ユニットの一例
を示す。同図に示すように、電気加熱ユニットは、断熱
材を主成分とする断熱主体(1) の表面に、複数の溝(2)
が並列状に設けられ、各溝(2) に、溝(2) の幅より大き
い振幅の波形に形成された面状抵抗発熱体(11)がそれぞ
れ一体的に支持され、隣り合う発熱体(11)同士が直列に
つながっているものである。波形発熱体(11)の幅方向両
側の湾曲部(11a) が、溝(2) の両側壁(2b)より断熱主体
(1) 内に埋設され、波形発熱体(11)の溝(2) 内にある部
分の全表面が断熱主体(1) の外に露出させられている。

【０００３】この従来の電気加熱ユニットでは、１本の
素線(10)が連続的に曲げられていくことによってすべて
の波形発熱体(11)が形成されているもので、隣り合う波
形発熱体(11)同士の間にある遷移部(12)は、断熱主体
(1) 内に埋設されている。その結果、発熱体(11)の単位
長さ当たりの抵抗は、断熱主体(1) 内に埋設された遷移
部(12)を含めてどこでも同じ値となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の電気加熱ユ
ニットによると、発熱体のうち断熱主体内に埋設された
遷移部は、溝内にある部分に比べて、放熱しにくいにも
かかわらず単位長さ当たりの抵抗は等しいものとなって
いるため、遷移部が過熱して断線しやすいという問題が
あった。

【０００５】そこで、断熱主体に、遷移部を露出させる
ための溝を設けることにより、過熱を防止することが考
えられるが、このような溝を設けた電気加熱ユニットに
よると、電気加熱ユニットを高温で長時間使用したと
き、遷移部における発熱体の断熱主体による支持間隔が
大きいため、遷移部の発熱体のクリープや溝内での垂れ
下がりによる線径の細りが発生し、これによって発熱体
がバーンアウトや断線を起こすことが分かった。

【０００６】この発明の目的は、波形発熱体同士の間に
ある遷移部で生じる過熱の問題および垂れ下がりの問題
を両方とも解消した電気加熱ユニットを提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明による電気加熱ユニットは、断熱材を主成分とする断
熱主体の表面に、複数の溝が並列状に設けられ、各溝
に、溝の幅より大きい振幅の波形に形成された発熱体が
それぞれ一体的に支持されており、少なくとも一対の隣
り合う波形発熱体が、隣り合う溝間にある遷移部で直列
につながっている電気加熱ユニットにおいて、遷移部が
断熱主体内に埋設されるとともに、遷移部の単位長さ当
たりの抵抗が、波形発熱体を形成する素線の単位長さ当
たりの抵抗よりも小さくなされていることを特徴とする
ものである。

【０００８】ここで、遷移部とは、隣り合う波形発熱体
の間にある発熱部のうち、溝と溝とに挟まれた部分をい
う。

【０００９】この発明の電気加熱ユニットによると、遷
移部が断熱主体内に埋設されているので、遷移部が垂れ
下がることはない。また、遷移部における単位長さ当た
りの抵抗が波形発熱体の単位長さ当たりの抵抗よりも小
さくなされているので、断熱主体内に埋設されて放熱し
にくくなっている遷移部では、相対的に発熱量が少なく
なり、遷移部における過熱が防止される。したがって、
素線の溶断が防止される。

【００１０】遷移部における単位長さ当たりの抵抗を波
形発熱体の単位長さ当たりの抵抗よりも小さくするに
は、例えば、各波形発熱体は、それぞれ１本の素線によ
り別々に形成されており、遷移部は、隣り合う波形発熱
体の端部の素線同士が重ねられて接合されることによっ
て形成されている構成とすればよい。これにより、遷移
部では、発熱素線の合計断面積が２倍となるため、抵抗
が半分となり、したがって発熱が半分となる。この電気
加熱ユニットを得るには、溝の数に応じた数だけ同じ形
状の波形発熱体を製作し、隣り合う波形発熱体の端部同
士を溶接すればよいので、１本の素線を連続的に曲げて
いくことにより発熱体を製作するのに比べて、電気加熱
ユニットの製作がしやすくなり、また、自動化も容易と
なる。また、遷移部は２本の素線により形成されること
になるので、遷移部の強度が上がり、応力による断線に
対する抵抗力も増強される。

【００１１】断熱材がセラミック・ファイバとされ、断
熱主体が真空成型によって形成されることが好ましい。
また、波形発熱体を断熱主体に支持させるには、波形発
熱体の幅方向両側の湾曲部が溝の両側壁より断熱主体内
に埋設されるようにし、これにより、波形発熱体の溝内
にある部分の全表面が断熱主体の外に露出させられるよ
うにすることが好ましい。これにより、加熱効率が上が
る。

【００１２】遷移部における単位長さ当たりの抵抗を波
形発熱体の単位長さ当たりの抵抗よりも小さくするに
は、ほかに、すべての波形発熱体は、１本の素線が連続
的に曲げられることにより形成されており、遷移部は、
この素線のうち隣り合う波形発熱体同士の境界部分にあ
ってかつ断熱主体内に埋設されている部分と、この素線
部分に重ねられて接合された発熱体素線片とよりなる構
成としてもよい。この場合に、発熱体素線片の線径は、
波形発熱体の線径と同じでもよいし、違っていてもよ
い。また、発熱体素線片を波形発熱体の材質とは違う材
質としてもよい。さらにまた、発熱体素線片の数を２以
上として、遷移部の抵抗の低減量を大きくすることもで
きる。

【００１３】遷移部を形成する素線の接合は、通常、溶
接により行われる。溶接は、素線の重なり部の全体に施
してもよいし、素線の重なり部の両端部だけに施す局所
溶接であってもよい。また、素線が細い場合には、素線
と同材質の薄肉ストリップ材を加工してなる補助材（以
下カプラという）を使用して、カプラを遷移部の両端に
１回巻きして、カプラとそれぞれの素線とを溶接するよ
うにしてもよい。ここで、素線の重なり部の少なくとも
端部近傍では、溶接面積は発熱体の素線断面積よりも大
きくして、重なり部と１本線の部分との境界面での抵抗
の増加を防止することが必要である。なお、重なり部の
接合方法は、溶接に限られるものではなく、高温使用に
耐える接着性導電ペーストタイプの電気接合材料を使用
することもできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、以下図
面を参照して説明する。

【００１５】図１および図２は、この発明の電気加熱ユ
ニットの第１実施形態の一部を示しており、同図に示す
ように、電気加熱ユニットは、セラミックファイバーを
主成分とし表面に複数の横断面方形の溝(2) が並列状に
設けられている断熱主体(1)と、断熱主体(1) の各溝(2)
に設けられた複数の波形発熱体(4) とよりなる。

【００１６】波形発熱体(4) は、溝(2) の幅より大きい
振幅の波形に加工されており、溝(2) の底部(2a)から開
口側に離れた位置において、波形発熱体(4) の幅方向両
側の湾曲部(4a)が、溝(2) の両側壁(2b)より断熱主体
(1) 内に入って、断熱主体(1)に埋設支持され、溝(2)
内で波形発熱体(4) の全表面が断熱主体(1) の外に露出
している。

【００１７】波形発熱体(4) の両端部(4b)は、湾曲させ
られずに、幅方向外側に延長されており、溝(2) の側壁
(2b)より断熱主体(1) 内に入っている。そして、隣り合
う波形発熱体(4) の一端部(4b)同士が重ねられて溶接さ
れている。こうして、隣り合う波形発熱体(4) が直列に
つながり、隣り合う波形発熱体(4) 同士の間にある遷移
部(5) が、断熱主体(1) 内に埋設されている。遷移部
(5) においては、同材質・同線径の素線(4b)が２本並列
に接続されていることになり、遷移部(5) における単位
長さ当たりの抵抗は、波形発熱体(4) の単位長さ当たり
の抵抗の半分となっている。

【００１８】波形発熱体(4) は金属抵抗発熱体であり、
高温用としては、カンタルＡ１線やＡＰＭ線などの鉄−
クロム−アルミニウム系の金属が特に好適である。ま
た、波形発熱体(4) の線径としては、３．５ｍｍ以下で
１．０ｍｍ以上の比較的細い線材が適している。

【００１９】この電気加熱ユニットは、次のようにし
て、真空成型によって得ることができる。まず、真空成
型型内に水平に配置されたスクリーン上に溝(2) の波形
発熱体(4) より開口側の部分を形成するための角棒状の
第１マスク部材を載せ、その上に波形発熱体(4) を載
せ、その上に溝(2) の波形発熱体(4) より底側の部分を
形成するための角棒状の第２マスク部材を載せる。そし
て、公知の真空成形を行い、スクリーンより上の波形発
熱体(4) およびマスク部材の周りに断熱主体(1) を形成
し、加熱乾燥硬化後に断熱主体(1) からマスク部材を除
去して溝(2) を形成する。

【００２０】上記において、波形発熱体(4) は、溝(2)
の数に応じた数だけ同じ形状のものが製作され、それら
の端部(4b)同士が溶接されてから、第１マスク部材上に
載せられる。このさい、各波形発熱体(4) の大きさは製
造誤差によりばらつくが、端部(4b)同士の重なり長さを
変化させることにより、隣り合う波形発熱体(4) 同士の
間隔を一定に保つことができる。１本の素線を連続的に
曲げていくことにより発熱体を製作する場合には、広い
スペースを必要とし、曲げ加工もやりにくく、また、波
形発熱体同士の間隔の精度が出しにくいという問題があ
るが、これらの問題が一挙に解消される。

【００２１】遷移部(5) においては、単なる機械的接触
以上の金属組織的結合が図られていることが、発熱体
(3) が長時間の高温使用に耐えるために不可欠である。
このような電気的接続の一形態として、局部溶接を含む
溶接がある。局部溶接では、遷移部(5) の両端部がそれ
ぞれ溶接される。図４には、遷移部(5) の一端部におけ
る局部溶接の例を示す。

【００２２】図４（ａ）および（ｂ）に示すものは、カ
プラ(21)を使用するもので、カプラを波形発熱体(4) の
端部(4b)同士が重ねられた遷移部(5) の両端部にそれぞ
れ１回巻きして、カプラ(21)とそれぞれの波形発熱体
(4) の端部(4b)とが溶接されている。カプラ(21)は、波
形発熱体(4) と同材質の薄肉ストリップ材を加工したも
のである。ここで、破線で示す溶接部(22)の面積は、波
形発熱体(4) の断面積よりも大きくされており、また、
カプラ(21)自体の断面積も溶接部(22)の面積より大きく
なされており、これにより、一方の波形発熱体(4) の端
部(4b)と他方の波形発熱体(4) の端部(4b)との間の電気
通路が、一方の溶接部(22)、カプラ(21)および他方の溶
接部(22)により形成され、２本の素線(4b)(4b)が重ねら
れた遷移部(5) と１本線部分(4) との境界面での抵抗が
増加しないようになされている。

【００２３】図４（ｃ）および（ｄ）に示すものは、カ
プラ(21)を使用しないもので、遷移部(5) の両端部にお
いて波形発熱体(4) の端部(4b)同士が溶接されている。
ここで、溶接部(23)の面積は、波形発熱体(4) の断面積
よりも大きくされており、これにより、２本の素線(4b)
(4b)が重ねられた遷移部(5) と１本線部分(4) との境界
面での抵抗が増加しないようになされている。カプラ(2
1)を使用しない場合の波形発熱体(4) の線径は、２．０
ｍｍ以上とされる。線径がこれより細いと、素線だけで
は溶接に耐えられないため、素線の線径が２．０ｍｍよ
り細い場合は、カプラ(21)を使用する必要がある。

【００２４】なお、図４（ｃ）および（ｄ）では、溶接
は片面だけで行われているが、溶接面積および溶接強度
を上げるために、両面から施してももちろんよいし、ま
た、遷移部(5) の両端部だけでなく、遷移部(5) の端か
ら端までを溶接してももちろんよい。

【００２５】（比較テスト）第１実施形態の加熱ユニッ
トと図６に示す従来の加熱ユニットとを製作し、それぞ
れのユニットによりテスト用の炉を組み立てて、１１０
０℃に昇温させて保持させたときの炉制御温度ａ、溝内
の波形発熱体の表面温度ｂおよび断熱主体(1) 内に埋設
されている遷移部の波形発熱体の表面温度ｃを測定し比
較した。その結果を図５、図７および表１に示す。図５
および図７は、時間と温度との関係を示し、表１は、昇
温完了後１時間経過時における温度を示している。

【００２６】

【表１】 表１より、炉温度が１１００℃の場合において、本発明
の加熱ユニットにおける遷移部(5) の表面温度ｃが、従
来の加熱ユニットでは１１３５℃であったものが１０７
５℃となり、約６０℃下がっていること、および、溝内
の波形発熱体の表面温度ｂの１１２５℃に比べても約５
０℃低くなっていることが分かる。また、昇温過程から
均熱状態へ変わるときの遷移部(5) の表面温度ｃが、従
来の加熱ユニットでは、一旦上昇してから下降して均熱
状態になるのに対して（図７参照）、本発明の加熱ユニ
ットでは、緩やかに上昇して均熱状態になっており（図
５参照）、本発明の加熱ユニットにおいては、無駄な発
熱が防止されていることも分かる。

【００２７】上記の比較テストの結果より、本発明の加
熱ユニットによると、波形発熱体(4) 同士の遷移部(5)
で生じる過熱の問題が解消されたことがわかる。しか
も、断熱主体(1) 内に埋設されている遷移部(5) は、曲
げ強度の点からも補強されていることになり、応力によ
る断線の問題に対しても有利となっている。

【００２８】図３は、この発明の電気加熱ユニットの第
２実施形態の一部を示しており、電気加熱ユニットは、
セラミックファイバーを主成分とし表面に複数の溝(2)
が並列状に設けられている断熱主体(1) と、断熱主体
(1) の各溝(2) に設けられた複数の波形発熱体(7) とを
備えている。

【００２９】波形発熱体(7) は、溝(2) の幅より大きい
振幅の波形に加工されており、波形発熱体(7) の幅方向
両側の湾曲部(7a)が、溝(2) の両側壁(2b)より断熱主体
(1)内に入ることによって、断熱主体(1) に一体的に支
持されている。したがって、溝(2) 内では波形発熱体
(7) の全表面が断熱主体(1) の外に露出させられてい
る。

【００３０】複数の波形発熱体(7) は、１本の素線(6)
を連続的に曲げていくことによってまず１つ目の波形発
熱体(7) を作り、そのまま引き続いて隣の波形発熱体
(7) を作るという従来と同じ方法により、１本の素線
(6) によってすべての波形発熱体(7) が形成されてい
る。

【００３１】遷移部(8) は、この素線(6) のうち隣り合
う波形発熱体(7) 同士の境界部分にあってかつ断熱主体
(1) 内に埋設されている部分(6a)と、この素線部分(6a)
に重ねられて接合された短い直線状の発熱体素線片(9)
とによって形成されている。発熱体素線片(9) は、波形
発熱体(7) と同材質・同線径とされている。したがっ
て、遷移部(8) においては、同じ素線(6a)(9) が２本並
列に接続されていることになり、遷移部(8) における単
位長さ当たりの抵抗は、波形発熱線(7) の単位長さ当た
りの抵抗の半分となっている。

【００３２】遷移部の構成は、第１および第２実施形態
のもの限られるものではなく、種々の変形が可能であ
る。例えば、第１実施形態において、発熱体素線と同材
質または発熱体素線よりも抵抗の小さい筒状発熱体を別
途用意し、波形発熱体(4) の端部(4b)同士を溶接する代
わりに、一方の波形発熱体(4) の端部(4b)と筒状発熱体
の一端部とを溶接し、他方の波形発熱体(4) の端部(4b)
と筒状発熱体の他端部とを溶接するようにしてもよい。

【００３３】なお、上記の実施形態では、断熱主体(1)
を平板状として図示しているが、断熱主体は円筒状とさ
れて、その内周面に発熱体が設けられて使用される場合
もある。波形発熱体(4)(7)の数は任意であり、少なくと
も一対の隣り合う波形発熱体が、隣り合う溝間にある遷
移部で直列につながっている部分を有している電気加熱
ユニットであれば、適用可能である。

【００３４】また、上記実施形態では、波形発熱体(4)
(7)の溝(2) 内にある部分の全表面が断熱主体(1) の外
に露出させられているが、湾曲部(4a)(7a)以外の部分が
溝(2)の底部に埋め込まれ、その一部分だけが溝(2) の
底面から溝内に露出している電気加熱ユニットにおいて
も、同様の過熱防止効果が得られる。

【００３５】また、図示省略したが、電気加熱ユニット
は、断熱主体(1) と別に作られかつ断熱主体(1) に一体
的に支持された耐火物製溝底形成部材によって、溝の底
部を覆って、溝開口側の面が断熱主体(1) より露出する
ようにし、発熱体が、溝底形成部材より溝開口側に配置
されて、溝底形成部材の表面の一部と接触するように断
熱主体(1) に一体的に支持され、かつ溝内で断熱主体
(1) の外に露出するような構成としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態を示す電気加熱ユニッ
トの主要部の斜視図である。

【図２】同平面図である。

【図３】この発明の第１実施形態を示す電気加熱ユニッ
トの主要部の斜視図である。

【図４】この発明で用いられている接合方法を示すもの
で、（ａ）は、カプラを使用する場合の接合部の正面
図、（ｂ）はそのb-b 線に沿う断面図、（ｃ）は、カプ
ラを使用しない場合の接合部の正面図、（ｄ）はそのd-
d 線に沿う断面図をそれぞれ示している。

【図５】この発明の電気加熱ユニット内における温度変
化を示すグラフである。

【図６】従来の電気加熱ユニットの主要部の斜視図であ
る。

【図７】従来の電気加熱ユニット内における温度変化を
示すグラフである。

【符号の説明】

(1) 断熱主体 (2) 溝 (4)(7) 波形発熱体 (4b) 端部 (5)(8) 遷移部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断熱材を主成分とする断熱主体の表面
   に、複数の溝が並列状に設けられ、各溝に、溝の幅より
   大きい振幅の波形に形成された発熱体がそれぞれ一体的
   に支持されており、少なくとも一対の隣り合う波形発熱
   体が、隣り合う溝間にある遷移部で直列につながってい
   る電気加熱ユニットにおいて、遷移部が断熱主体内に埋
   設されるとともに、遷移部の単位長さ当たりの抵抗が、
   波形発熱体を形成する素線の単位長さ当たりの抵抗より
   も小さくなされていることを特徴とする電気加熱ユニッ
   ト。
2. 【請求項２】 各波形発熱体は、それぞれ１本の素線に
   より別々に形成されており、遷移部は、隣り合う波形発
   熱体の端部の素線同士が重ねられて接合されることによ
   って形成されていることを特徴とする請求項１の電気加
   熱ユニット。
3. 【請求項３】 断熱材がセラミック・ファイバとされ、
   断熱主体が真空成型によって形成されており、波形発熱
   体の幅方向両側の湾曲部が溝の両側壁より断熱主体内に
   埋設され、波形発熱体の溝内にある部分の全表面が断熱
   主体の外に露出させられていることを特徴とする請求項
   １または２の電気加熱ユニット。
4. 【請求項４】 遷移部の両端部に、波形発熱体と同材質
   の薄肉ストリップ材を加工してなるカプラが巻かれて、
   カプラと遷移部を形成する素線とがそれぞれ溶接されて
   おり、溶接面積は素線の断面積よりも大きくなされてい
   ることを特徴とする請求項１または２の電気加熱ユニッ
   ト。