JPS6019117B2 - 発熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気抵抗体をコイル状に形成し、表面に電気絶
縁層を形成した発熱体の保持方法に関するものである。

一般に発熱体としてはニッケルークローム系の発熱体と
鉄−クロムーアルミ系の発熱体が使用されている。この
うちでも高温特性が要求される発熱体としては鉄ークロ
ムーアルミ系が一般的である。従来、コイル状の発熱体
は第１図のごとく、線怪ｄとコイルピッチ間ｐとの関係
はｐ＞幻で使用されるのが一般的であった。

ｐ＜幻となると発熱体が局部的に接触して放電現象をき
たし、溶融、断線に至る場合がある。また接触しなくて
も近接することによりその部分が局部的に温度上昇をす
ることになり「発熱体の組織が粗大化してくなったり、
あるいは酸化が急速に進行して線径が細くなって断線を
生じたりしていた。このような問題舷るため‘こ発熱体
のピッチ間音をｏ似下にすることが不可能となり、した
がって高温の発熱体を得るにも種々の困難があった。従
来例２として第２図に示すような構成の発熱体も提案さ
れている。

この発明体は表面に電気絶縁性が良好な耐熱材１を金属
榛または金属管２に被覆し、この金属榛または金属管の
表面に抵抗発熱体３を巻回し、前記金属様または金属管
と電気抵抗体３の全面に電気絶縁性のセラミック４を被
覆する構成であるが、この種の発熱体は金属管、電気絶
縁層、電気抵抗体、電気絶縁セラミックとが一体化され
ているために電気抵抗体および金属管と電気絶縁物との
熱膨張係数が大きく違うために熱サイクルにより、電気
絶縁物に亀裂が発生し、さらに進行すると電気絶縁物が
剥離し、電気絶縁が破壊され、コイル間および金属間と
コイル間に短絡が生じて断線に至る。

特に高温（１００び０以上）での熱サイクルに弱い欠点
がある。加えて、金属管に巻回される電気絶縁性の点か
ら密着巻は不可能である。従来例３は、電気抵抗体をコ
イル状に形成し、表面に電気絶縁層を設ける方法につい
ては種々の提案がなされている。本発明者等は先に従来
例１，２の欠点を解消するために電気抵抗体をコィル状
に巻回し、これに金属酸化物を被覆形成した発熱体を検
討し、コィルピッチ間畠が２．似下でも使用できること
を確認した。すなわち、第３図に示すように電気抵抗体
１の表面の金属酸化物の電気絶縁層４を設けることによ
り電気抵抗体１を密着巻にしてもコイル間の短絡を防止
し、かつ電気抵抗体の酸化を少なくさせることに成功し
たものである。

その他、電気抵抗体の表面に電気絶縁層を設ける方法と
してはＦｅ−Ｃｒ−Ａそ系の電気抵抗体を溶融アルカリ
裕中に浸潰して該電気抵抗体の表面に水酸化鉄を主体と
する皮膜を形成させ、次いで強酸化性雰囲気中で加熱し
て水酸化鉄を主体とする皮膜を酸化アルミニュームを主
体とする皮膜に変化させるという方法である。

この方法で得られた電気絶縁層は皮膜の厚さが薄すぎて
コイル間の絶縁は充分とはいえないが実用上は問題がな
い。また従来から電気抵抗体を酸化性雰囲気で高温に加
熱し表面でアルミニュームを選択的に酸化させて酸化ア
ルミニュームを主体とする絶縁皮膜を形成させる方法も
よく知られている。しかしながら、この種の発熱体は保
持方法に問題があった。

つまり、コイル間を密着させているために第４図に示す
ように発熱体に通電すると自重により亨湾曲し、元の状
態にもどらない。特に高温になるとこの傾向がさらに助
長され、発熱体としての役目を果さなくなる。以上のよ
うな問題点を解決するために本発明等は発熱体の保持方
法について種々の検討を重ね、コイルの中心軸に棒状絶
縁体を挿入することでこの問題を解決した。

次に本発明の具体的な特徴についてのべる。

電気抵抗体として鉄−クロムーアルミ系の電熱線（ＪＩ
Ｓ．ＦＣＨ−１）を用いてコイル状の密着巻に形成し、
表面を洗浄後、弾性限界内においてコイルをのばし、各
コイル間に空隙を設け保持し、そのコイルを回転させな
がら、ＳＩＣＩＯＯを用いて圧力５ｋ９／めでブラスチ
ングにて表面を粗面化する。ブラスチングの方法として
はコイルに対してブラストノズルを直回方向、左右４５
ｏの方向にそれぞれ対向させ、コイルと平行にブラスト
ノズルを移動させながらブラスチングする。

上記の方法でブラスチングするとコイルの内外面ともに
均一に粗面化することができる。ブラスチングが終了後
、プラズマ溶射にてィットリア安定化によるジルコニア
粉末を総射被覆させた。

プラズマ溶射の方法はブラスチングと同様に行なったの
で内外面ともに均一な港射被覆層が形成された。プラズ
マ溶射の条件は、プラズマダィン社の８０ＫＷのＳＧ−
１００タイプを使用し、電流：９００Ａ、電圧：４１Ｖ
、アークガスにアルゴン、補助ガスとしてへりュームを
用いた。プラズマ溶射が終了後、コイルの回転を停止し
て各コイル間に空隙を設けて保持していた状態を解くと
元の密着巻のコイルの状態にもどる。この理由としては
コイルの弾性限界内で保持することと、プラズマ溶射の
特徴として高融点の粉末を半溶融状態にはするが、基材
（この場合コイル）を熱変形する温度以下にして熔射被
覆層を形成することができるためである。ブラスチング
が終了後、コイル表面を洗浄すると溶射被覆層の密着強
度はさらに強くなることも確認できたが用途により使い
分けが必要である。

以上のようにして、コイル状に形成した電熱線３に絶縁
被覆層４を設けた電気抵抗体を作成し、そのコイルの中
心軸に金属管１の表面に電気絶縁層２を形成した棒状絶
縁体を挿入して第５図に示すような発熱体を得た。棒状
絶縁体の実施例としては第６図に示すような形状につい
て検討した。

第６図は形状の断面図であり、ａは円筒状、ｂは管状、
ｃは二個穴円筒、ｄは三角、Ｅは板状、Ｆは四角、であ
る。

その他多角形のものでも可能であり、特殊な形状として
はＧのようなものでも充分使用に耐える。材質は耐熱性
合金でＦｅ−Ｃで一Ａそ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、等が寿命、
高温時の機械的強度等の点から良好な結果が得られた。

電気絶縁被覆層の形成方法は電気抵抗体への被覆と同様
プルズマ漆射を用いたが、電気絶縁性を有する塗料、耐
熱ホーロでも充分な電気絶縁性が得られた。

１０００午０以上の高温使用においてはプラズマ溶射皮
膜が熱衝撃に対しても良く耐えた。

耐熱塗料は１０００℃以下の使用には充分耐える。耐熱
ホーロは６００ｑｏ以下の使用には適している。以上の
ように電気絶縁被覆層の形成は使用条件によって便に分
けが必要である。電気絶縁被覆層の厚みは５山以上あれ
‘よ電気絶縁性は保持できるが被覆層の厚みが厚すぎる
と熱衝撃に対して被覆層に亀裂が発生しやすくなるので
好ましくは５〜５００山以内にすべきである。

タ棒状絶縁体としては耐熱性合金に電気絶縁層を形
成する方法の他に陶磁器の使用についても検討した。材
質としては、アルミナ、ムラィト、滑石、スピネル、ジ
ルコニア、ベリリア、トリア等の陶磁器が適していた。
その他の金属酸化物の鱗Ｚ縞体、あるいはガラス質のも
の、窒化物、オゥ化物、ケィ化物等の暁給体、耐火物等
でも電気絶縁性と機械的強度、耐熱性があれば使用でき
る。次に電気抵抗体と棒状絶縁体の関係についてのべる
。 Ｚ電気抵抗体をコ
イル状に形成し、各コイル間がそれぞれ分解できるよう
に電気絶縁層を形成した電気抵抗電熱体の中心軸に棒状
絶縁体を着脱可能に挿入して構成した本発明の発熱体に
ついて種々の検討を重ねた。
２棒状絶縁体の形成による電気抵抗発熱体の昇温ス
ピードーこついて検討した結果を第７図に示す。なお、
電気抵抗発熱体は線径◇０．５肋、コイル窪め５柳、の
Ｆｅ−Ｃｒ−Ａク系の電熱線を用い、１００Ｖで３００
Ｗになるように調節し、表面にプラズマ熔射にて絶縁被
覆層を設けたものを使用した。棒状絶縁体は外径をぐ４
柳とし、耐熱性合金の表面に電気絶縁層を設けたものを
用いた。第７図から明きらかなようにいずれの形状の棒
状絶縁体を用いても従来例２より昇温スピードは早かっ
た。

その中でも棒状絶縁体の熱容量が小さいもの程、その効
果は大きかった。次に電気抵抗電熱体と棒状絶縁体のク
リアランスについて検討した結果についてのべる。

電気抵抗電熱体のコイルの蓬Ｄ，と棒状絶縁体の外律Ｄ
２とコイルの線径ｄとの関係を種々変化させて、熱サイ
クルテストを行なった。

実験 １ 電気抵抗発熱体は線径００．５肌、コイルの内径マ４．
５側のＦｅ−Ｃｒ‐Ａ〆系の電熱線を用い、１００Ｖ、
３００Ｗになるように調節し、棒状絶縁体の外径を種々
変化させた。

実験 ２ 電気抵抗発熱体を線径？０．５肋、コイル内蓬ぐ６．５
肌のＦｅ−Ｃｒ−Ａそ系の電熱線とし、電気容量１００
Ｖ、３００Ｗに調節し、棒状絶縁体の外径を種々変化さ
せた。

前記、実験の結果からＤ．−Ｄ２をコイル蚤ｄの倍数に
おきかえて熱サイクルとの関数をグラフ化すると第８図
のような結果が得られた。

なお、この時の熱サイクル条件は電圧１２０Ｖで、１３
分通電、１粉ふ放冷とし、実験室内で行ない各試料が断
線した時の熱サイクルの回数を測定した。

第８図から明きらかなようにＤ・一Ｄ２が３ｄを越える
と熱サイクルによる寿命が急激に低下することが判明し
た。

これはつまり、電気抵抗発熱体の内径と棒状絶縁体の外
径との空隙が線径の３倍以上になると熱サイクルによる
電気抵抗発熱体の機械的変形が大きくなりすぎて、電気
抵抗発熱体の表面に形成された電気絶縁層が破壊されて
、コイル間が接触し断線を早めるためである。以上のよ
うに本発明はＤ，一Ｄ２＜紅とすることにより、長寿命
の発熱体が得られることを確認した。

電気抵抗体、および棒状絶縁体に電気絶縁層を設ける方
法としては＜棒状絶縁体＞の項でのべた通り、ガス溶射
被覆法、プラズマ溶射被覆法、耐熱塗装、耐熱ホーロ等
があるが、本発明の実施例においては基材との密着性、
熱衝撃性等から評価してプラズマ溶射被覆法で行なった
。

被覆層の最も大きな特徴はその多孔質層にある。

すなわち基材と酸化物層を密着し、かつ高温で、かつ過
酷な熱サイクルに耐え得るために酸化物層を多孔質体に
することにより熱膨張係数の極端な相違の緩衝作用をさ
せている所にある。したがって過酷な熱サイクル試験に
おいてめ剥離することなく、電気絶縁層としての効果を
発揮夕しているのである。酸化物層の下地処理用として
の合金層の形成も効果的である。

すなわち前記したように基材と酸化物層の極端な熱膨張
係数の差のために密着強度に問題がある０時には（これ
は使用温度、使用状態等によって各々決定される）基材
と熱膨張係数が比較的類似した合金粉末を酸化物層の下
地に溶射被覆してその上に酸化物層を溶射させる方法で
ある。

このようにすると基材と下地処理用の合金層の熱膨張係
数が類似のために密着強度が強くなり、かつ、金属層の
表面積が拡大するために金属層と酸化物層との密着強度
が増大し、熱サイクル強度が増大する。

しかしながら金属層の表面積が拡大すするため若干酸化
増量が増加する傾向にあり、用途により使い分けが必要
である。そころがこの場合においても金属外部層には必
ず酸化物層で電気絶縁層を設けなければ本発明の効果は
発揮しないものである。

この場合に用いる粉体としては基材と同一な粉体が好ま
しく、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ夕、Ｎｉ−Ｃｒ等の合金が良好な
結果が得られる。

本実施例で適用される電気絶縁性を有する酸化物層とし
ては高温で安定でかつ溶射に使用される粉体であれば電
気絶縁層として効果があることも確認した。

なお高温で導電性を有する酸化物もあるが一部にはある
が金属発熱体の導電率から比較して少なく無視できる値
であり、実際に問題なく効果を発揮した。実施例で実施
したィットリア安定化によるジルコニアも高温で導電性
を生ずる酸化物であるが何ら問題はなかった。適用でき
る酸化物としてはＡそ２０３，Ｙ２０３，Ｓｉ０２，Ｆ
ｅ２０３，Ｔｉ０２，Ｃａ○，Ｎａ２０，Ｂ２０３Ｌｉ
２０，Ｃｒ２０３，Ｚ＾〕２，Ｎ蜂○，Ｂｅ○，Ｎｊ○
，Ｔｈｏ２，Ｈｆ０２Ｌａ２Ｑ，Ｃｅ０２等の金属酸化
物もしくはスピネル型構造を有する複酸化物よりなる材
料、ＭｇＡ〆２０４，ＣｏＡそ２０４，ＺｎＡそ２０４
，ＭｇＣｒ２０４等の郡から一部もしくは、それ以上選
択したものを含有した材質が良かった。以上詳述のごと
く、本発明の発熱体の発明の効果を要約すると、１ 同
一電気容量で発熱温度が高くできること。

２ 断線不良、耐電圧不良、絶縁抵抗不良を大中に改善
できること。

３ 高温酸化に対する抑制効果が高いこと。

４ ４・型、高容量にできること。

５ コイル径が限定されないこと。

６ 寿命が長くなる等、数々の特徴を有し、応用製品の
小型化等、付価価値を大中に向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は従来例を示す発熱体の断面図、第５図
は本発明の−実施例を示す発熱体の断面図、第６図は棒
状絶縁体の一実施例の断面図、第７図、第８図は本発明
の発熱体の効果を説明するための説明図である。 １・・・耐熱材、２・・・金属管、３・・・抵抗発熱体
、４…セラミック。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電気抵抗体をコイル状に形成し、各コイル間がそれ
   ぞれ分離できるような電気絶縁層を形成した電気抵抗電
   熱体の中心軸に棒状絶縁体を着脱可能に挿入し電気抵抗
   電熱体のコイルの内径Ｄ＿１と棒状絶縁体の外径Ｄ＿２
   とコイルの線径ｄとの関係をＤ＿１−Ｄ＿２＜３ｄとす
   るとともに、前記棒状絶縁体が耐熱性合金の表面に電気
   絶縁を形成したもの、あるいは陶磁器から構成してなる
   発熱体。