(57)【要約】【課題】ＭｏＳｉ２系材料からなるヒーターモジュールを複数具備したＭｏＳｉ２系ヒーターユニットの均熱性を向上し且つエネルギーロスを低減する。【解決手段】ヒーターモジュールは、抵抗発熱部と、その両端に接続され断熱体に配設された端子部からなり、抵抗発熱部の電気抵抗が、端子部の電気抵抗の４から１０００倍を満たす構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックボードなどからなる断熱材と通電により発熱する抵抗発熱体とで構成されるヒーターモジュールを複数具備するヒーターユニットであって、
前記ヒーターモジュールの抵抗発熱体は、ＭｏＳｉ２系材料からなる抵抗発熱部と
前記断熱材の内部に配設され前記抵抗発熱部の端部と電気的に接続する端子部と
で構成され、
前記抵抗発熱体部の電気抵抗は、前記端子部の電気抵抗の４〜１０００倍であることを特徴とするヒーターユニット。
【請求項２】
前記端子部は、前記抵抗発熱部と同じ材料からなることを特徴とする請求項１のヒーターユニット。
【請求項３】
前記複数のヒーターモジュールは、それぞれの投入電力が個別に制御されることを特徴とする請求項１または２のヒーターユニット。
【請求項４】
前記断熱材は、前記ヒーターモジュール毎に分割が可能であることを特徴とする請求項１から３のヒーターユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭｏＳｉ２系材料からなるヒーターモジュールを複数具備したＭｏＳｉ２ヒーターユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭｏＳｉ２系材料を発熱体として用いた大口径管状炉ヒーターユニットは、ＭｏＳｉ２系のＵ字形状の素材を炉の内径に合わせて接合していくことで形成される半円筒型マルチシャンクヒーターが採用されている。炉床から天井までの距離が高い炉ではモジュールまたはヒーターを数ゾーンに分割し、それぞれゾーン毎に投入電力を制御することで温度分布の向上や温度勾配をつけるなどの温度管理を行っている。
【０００３】
ただし、マルチシャンクヒーターユニットではシャンクの先端部分が向き合うことになるため、ゾーンの中央部と継ぎ目部分で温度差が生じやすくなっていた。さらに、ＭｏＳｉ２系材料の発熱体は、高温において可塑性を有するが、曲げが可能な曲率には限界があるため、密にヒーターを配置することは困難であった。
【０００４】
これを改善するため、シャンクの先端部分が入れ子状になるように配置する方法が開示されている。しかし、シャンクがひとつ断線した場合でも、全ゾーンの交換が必要となり、ランニングコストの面で不利となっていた。
【０００５】
特許文献１には、金属ヒーターとＭｏＳｉ２系ヒーターモジュールを組み合わせたものとして２層以上のゾーンで構成される電気炉が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、ＭｏＳｉ２系コイルヒーターのコイル内径とヒーター間距離との関係が適当な値をとることで管状ヒーターモジュールの耐久性と均熱性が優れることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】再公表特許WO2004/049414号
【特許文献２】特願2012-184115号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ＭｏＳｉ２系ヒーターユニットを、１０００℃以上で運転するためには、抵抗発熱体に大きな電流を流す必要があり、且つ、ヒーターユニット外部からの通電用の端子部を発熱体両端に設ける必要があるため、端子部の電気抵抗によりエネルギーロスが生じる。これは、端子部長を短くするか、端子部径を大きくすることで回避が可能であるが、端子部自身がもつ熱容量と高熱伝導による配線側への熱流出ロスとそれに伴う均熱性の低下、さらには高温であるために生じる接触抵抗の増加等の問題が生じていた。
【０００９】
本発明では、ヒーターユニット内の均熱性を向上しエネルギーロスを低減したＭｏＳｉ２系ヒーターモジュールを複数用いたヒーターユニットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のヒーターユニットは、セラミックボードなどからなる断熱材と通電により発熱する抵抗発熱体とで構成されるヒーターモジュールを複数具備するヒーターユニットであって、ヒーターモジュールの抵抗発熱体は、ＭｏＳｉ２系材料からなる抵抗発熱部と断熱材の内部に配設され抵抗発熱部の端部に電気的に接続する端子部とで構成され、抵抗発熱体部の電気抵抗が、端子部の電気抵抗の４〜１０００倍であることを特徴とする。
【００１１】
本発明のヒーターユニットは、端子部が抵抗発熱部と同じ材料からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明のヒーターユニットは、複数のヒーターモジュールのそれぞれ投入電力が個別に制御されることを特徴とする。
【００１３】
本発明のヒーターユニットは、断熱材が、ヒーターモジュール毎に分割が可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のヒーターユニットは、セラミックボードなどの断熱材と通電により発熱する抵抗発熱体とで構成されるヒーターモジュールを複数具備し、ヒーターモジュールの抵抗発熱体は、ＭｏＳｉ２系材料からなる抵抗発熱部と断熱材の内部に配設された抵抗発熱部の両端に接続する端子部とで構成され、抵抗発熱体部の電気抵抗を、端子部の電気抵抗の４〜１０００倍とすることで、ヒーターユニットのエネルギーロスを低減すると供に、均熱性を向上することができる。
【００１５】
本発明のヒーターユニットの端子部は、抵抗発熱部と同じ材料からなることで、抵抗発熱部と端子部とを一体で作製できるため、製造が容易である。
【００１６】
さらに、本発明のヒーターユニットの端子部は、抵抗発熱部と同じ材料からなり一体で作製することで、抵抗発熱部と端子部の接触抵抗を低減し、かつ、端子部の耐熱性を確保することが出来る。
【００１７】
本発明のヒーターユニットは、複数のヒーターモジュールの投入電力を個別に制御することで、ヒーターユニット内の均熱性を向上することが出来る。
【００１８】
本発明のヒーターユニットは、断熱材がヒーターモジュール毎に分割可能であるため、一部のヒーターモジュールに欠陥が生じた場合でも、そのヒーターモジュールと断熱材のみを交換することで修復が可能となるため、補修が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のヒーターユニットの１形態の断面図である。
【図２】本発明のヒーターユニットの１形態の概略図である。
【図３】本発明のヒーターユニットの別の形態の断面図である。
【図４】本発明のヒーターユニットの別の形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のヒーターユニットの１形態を図１および図２を用いて説明する。
【００２１】
本発明のヒーターユニット１００の１形態は、図１のように、セラミックスボード（セラミックファイバーの集合体）などからなる円筒状の断熱材１０１により、外部と炉内１０５とを断熱し、炉内１０５に配設されＭｏＳｉ２系材料からなる抵抗発熱部３００と、ＭｏＳｉ２系材料からなり抵抗発熱部３００の両端に接続し断熱材１０１の内部に配設された端子部２００とからなる、ヒーターモジュール６００（図１におけるゾーンＡ（７００）とゾーンＢ（７０１）に相当）を複数具備している。
【００２２】
本発明のヒーターユニット１００の１形態の炉内１０５に配設された抵抗発熱部３００は、炉内１０５の内壁に沿うようにらせん形状をしており、その両端は、それぞれ断熱体１０１を貫通する端子部２００に接続している。
【００２３】
本発明のヒーターユニット１００の１形態は、図１に示すように、ヒーターモジュール６００を上下方向に重ねるように２つ有しており、円筒状の断熱材１０１は、図２に示すようにそれぞれのヒーターモジュール６００に合わせて上下方向に分離されている。
【００２４】
本発明のヒーターユニット１００の１形態の炉内１０５の外径（断熱材１０１の内径）は、５００ｍｍで、断熱材１０１の外径は７００ｍｍ、高さは１０００ｍｍである。
【００２５】
本発明の１形態の抵抗発熱部３００の電気抵抗は、端子部２００の電気抵抗の４〜１０００倍であり、これにより、端子部２００におけるジュール熱の発生によるエネルギーロスを抑えるとともに端子部２００における放熱ロスを防ぐことが出来る。
【００２６】
抵抗発熱部３００の電気抵抗が端子部２００の電気抵抗の４倍よりも小さいと、端子部２００におけるジュール熱の発生が投入電力と比して相対的に大きいため、エネルギーロスが２０％以上と大きくなることに加え、炉内１０５における端子部２００付近の温度が、他の部分よりも急激に大きくなり均熱性が大幅に低下する。。
【００２７】
一方、抵抗発熱部３００の電気抵抗が、端子部２００の電気抵抗の１０００倍を超えると、端子部２００を経由した放熱が大きくなり、エネルギーロスが２０％以上と大幅に増大するとともに、端子部２００付近の均熱性が急激に低下する。また、抵抗発熱部３００の局所的な抵抗分布により、抵抗発熱部３００の局所的な発熱ばらつきが生じ、結果として炉内１０５の均熱性が低下する。
【００２８】
本発明のヒーターユニット１００の１形態は、２つのヒーターモジュール６００に対し、それぞれ抵抗発熱部３００と端子部２００の電気抵抗および炉内１０５の形状等を考慮し、別々に投入電力を制御することが好ましい。これにより、炉内１０５の均熱性をより向上させることが出来る。
【００２９】
本発明のヒーターユニット１００の１形態の断熱体１０１は、内径：５００ｍｍ、外径：７００ｍｍ、高さ：１０００ｍｍとし、上下２つのゾーンに別れており、ゾーンＡ（７００）、ゾーンＢ（７０１）（すなわち２つのヒーターモジュール６００）で構成されている。抵抗発熱部３００は、外径３ｍｍの丸棒をらせん状に形成されている。らせんの間隔は、１５ｍｍとした。断熱体１０１の各ゾーンの継ぎ目の部分を図２のように直線ではなく抵抗発熱部３００に沿った斜めの断面とすることで、各ゾーンの継ぎ目部分でも抵抗発熱部３００の配置を均等にすることができた。
【００３０】
本発明のヒーターユニット１００の１形態の抵抗発熱部３００は、ヒーターモジュール１つにつき６Ωであり、それぞれのヒーターモジュールの端子部２００の抵抗は両端合わせて０．００６Ωから１．５Ωとなるようにした。端子部２００の電気抵抗が、０．００６Ωより小さい場合は、端子部２００を介して炉内１０５の熱が外部に放出されてしまい、端子部２００付近における均熱性が低下した。一方、端子部２００の電気抵抗が１．５Ωを超える場合は、端子部２００の通電によるジュール熱が発生し、炉内１０５の均熱性が低下するとともに、エネルギーロスが急激に増大した。特に、抵抗発熱部３００の電気抵抗を端子部２００の電気抵抗の１０から６０倍すなわち、抵抗発熱部３００の電気抵抗６Ωに対して、端子部２００の電気抵抗を０．６Ωから０．１２Ωにした場合は、炉内１０５の端子部２００付近における熱ばらつきが測定限界である０．１℃以下となり完全な均熱性を有したヒーターユニットとなった。このときの炉内１０５の設定温度は１５００℃とし、端子部２００は、抵抗発熱部３００と同じ材料で一体成形により作製した。これにより端子部２００の耐熱性が確保されると同時に抵抗発熱部３００との接続箇所における信頼性も確保され、熱ひずみなどによる破壊は確認されなかった。ただし、端子部２００は、炉内１０５の設定温度がたとえば１０００℃以下の場合においては、耐熱性があり且つ電気抵抗が抵抗発熱部３００に対して１０００分の１〜４分の１となるようにステンレスなどで形成することも可能である。
【００３１】
一方、端子部２００の電気抵抗０．００６Ωに対し、抵抗発熱部３００の外径を３ｍｍから０．３ｍｍに、抵抗発熱部３００の長さを１０倍にすることで、抵抗発熱部３００の電気抵抗を６００Ωに増加させた場合は、抵抗発熱部３００の電気抵抗が、通電後すぐに、１ｋΩまで上昇し、さらにそのまま徐々に電気抵抗が上昇し続けた。これは、抵抗発熱部３００と端子部２００との間において、熱ひずみ等が生じやすくなり、欠陥が増幅されるものと考えられる。
【００３２】
なお、断熱体１０１は、抵抗発熱部３００を断熱材１０１の内壁に設置できるように溝を形成した。通電条件としては、炉内１０５の温度が１５００℃で、誤差±２．３℃以内で均一となることを条件とした。
【００３３】
本発明のヒーターユニットをヒーターモジュールを２つとした図１、２を用いて説明したが、端子部２００の電気抵抗が、抵抗発熱部３００の電気抵抗の４〜１０００倍となるようにすれば、３つ以上でもよく、図１、２の形態に限定されるものではない。
【００３４】
また、図１、２の形態において、断熱体１０１の厚さは、炉内１０５を十分に断熱できれば、任意に設定可能である。さらに熱応力による断熱材１０１の変形を防ぐため、断熱材１０１の周囲をステンレス等の金属フレームで覆ってもよい。
【００３５】
本発明の別の実施の形態を図３、４を用いて説明する。
【００３６】
本実施の形態は、断熱体１０１が、円筒を縦割りするようにゾーンＣ（７０３）、ゾーンＤ（７０４）の２つに分割され、断熱体１０１の内壁には、図１、２の実施の形態と異なり、抵抗発熱部３００が、つづら折り状の形状をなしており、一方の断熱体１０１には上下にそれぞれ１つずつ合計２つのヒーターモジュール６００が配設されている。
【００３７】
本実施の形態においても、端子部２００の電気抵抗が、抵抗発熱部３００の電気抵抗の４〜１０００倍となるように設計されており、ヒーターユニット１００内におけるヒーターモジュール（ゾーンＣおよびゾーンＤ）の配置が、図１、２の実施の形態と異なることを除けば図１、２の実施の形態と同じである。本実施の形態では、縦置きの大型のヒーターユニットに対して補修が容易であり、且つ、ヒーターモジュールの設計自由度が高く、より炉内１０５の均熱性高める設計が可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１００  ヒーターユニット
１０１  断熱材
１０５  炉内
２００  端子部
３００  抵抗発熱部
６００  ヒーターモジュール
７００  ゾーンＡ
７０１  ゾーンＢ
７０３  ゾーンＣ
７０４  ゾーンＤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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