(57)【特許請求の範囲】
【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、各波形発熱体は、その端部が遷移部に位置させられており、遷移部の単位長さ当たりの抵抗が、隣り合う波形発熱体の端部の素線同士が重ねられて溶接により接合されることにより、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。
【請求項２】
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、各波形発熱体は、１本の素線により連続に形成されて、その中間部が遷移部に位置させられており、遷移部の単位長さ当たりの抵抗が、波形発熱体の遷移部に同発熱体を構成するのと同じ素線が重ねられて溶接により接合されることにより、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。
【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。
【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。
【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】
第１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、各波形発熱体は、その端部が遷移部に位置させられており、遷移部の単位長さ当たりの抵抗が、隣り合う波形発熱体の端部の素線同士が重ねられて溶接により接合されることにより、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】
また、第２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、各波形発熱体は、１本の素線により連続に形成されて、その中間部が遷移部に位置させられており、遷移部の単位長さ当たりの抵抗が、波形発熱体の遷移部に同発熱体を構成するのと同じ素線が重ねられて溶接により接合されることにより、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。
第１および第２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】
隣り合う波形発熱体の端部の素線同士が重ねられて溶接により接合されることによって遷移部が形成されている場合、また、波形発熱体の遷移部に同発熱体を構成するのと同じ素線が重ねられて溶接により接合されることにより遷移部が形成されている場合、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。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。隣り合う波形発熱体の端部の素線同士が重ねられて溶接により接合されることによって遷移部が形成されている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。
【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】
遷移部を形成する素線の溶接は、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、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。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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(21)を使用しない場合の波形発熱体(4) の線径は、２．０ｍｍ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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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、１１００℃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。
【００２５】
【表１】
0003603171.tif 000002
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１０７５℃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５０℃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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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
【図１】
0003603171.tif 000003
【図２】
0003603171.tif 000004
【図３】
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【図４】
0003603171.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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