(57)【要約】  【課題】      ヒートスポットの発生による発熱体の破損を防止し、発熱体寿命の長いヒータを提供する。  【解決手段】  発熱体14の接続部分14aの密度が発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなるように構成されているので、接続部分14aの発熱体端部側における内部抵抗は次第に小さくなり、電流が流れやすくなっている。したがって、接続部分18aの先端部分18a1から基部側部分18a2の間において発熱体14に向かって流入する電流i1〜inがある程度均一となる。つまり、従来のように発熱体14の特定部分（接続部分18aの先端18a1との接触部分近傍）への電流の集中的流入がなくなり、ヒートスポットHSの発生が抑制され、発熱体14の断線を防止できる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間を有し、端部に気密シール部を有する外囲器と、炭素繊維体からなり前記発熱体収容空間内に収納される発熱体と、一方の端部が前記気密シール部を通って前記外囲器の外部に突出され、他方の端部が前記発熱体の端部外面に所定長さで接続される給電部材とで構成されるヒーターにおいて、
前記発熱体の前記給電部材との接続部分における密度が発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなるように構成されていることを特徴とするヒーター。
【請求項２】
前記給電部材における発熱体との接続部分は、その内径が発熱体端部に向かうにつれて縮径する螺旋状に巻回された線材により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒーター。
【請求項３】
前記給電部材における発熱体との接続部分は、その内径が発熱体端部に向かうにつれて縮径する筒状部材により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒーター。
【請求項４】
前記給電部材における発熱体との接続部分は、その内径が全体に亘って略均一となるように螺旋状に巻回された線材、或いはその内径が全体に亘り略均一な筒状部材により構成されており、
前記給電部材との接続部分における外径が発熱体端部に向かうにつれて次第に拡径している発熱体を使用していることを特徴とする請求項１に記載のヒーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維体からなる発熱体の断線を防止したヒーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
暖房用機器等に使用されるヒーターとして、炭素繊維体からなる発熱体を使用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この種のヒーター(1)は、図９に示すように、内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間(2a)を有し、端部に気密シール部(2b)を有する外囲器(2)と、炭素繊維体からなり発熱体収容空間(2a)内に収納されている発熱体(3)と、一方の端部が気密シール部(2b)を通って外囲器(2)の外部に突出され、他方の端部が発熱体(3)の端部外面に接続されている給電部材(4)とを備えている。
【０００４】
給電部材(4)は、一端が気密シール部(2b)に埋設され、他端が発熱体(3)の端部外面に接続される内部リード棒(5)と、一端が外囲器(2)の外部に突出され、他端が気密シール部(2b)に埋設される外部リード棒(6)と、気密シール部(2b)に埋設され、内部リード棒(5)と外部リード棒(6)とを接続する金属箔(7)とを有する。
【０００５】
内部リード棒(5)における発熱体(3)との接続部分(5a)は、その内径が全体に亘って略均一となるように螺旋状に巻回して形成されており、この接続部分(5a)に発熱体(3)の端部を挿入することで内部リード棒(5)と発熱体(3)とが接続されている。
【特許文献１】特開２００１−６８５０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のヒーター(1)を図示しない電源に接続して通電させると、電源からの電流(i0')が給電部材(4)を構成している内部リード棒(5)から発熱体(3)に供給され、内部リード棒(5)に挟まれた発熱体(3)の内側の部分が発熱する。
【０００７】
ここで、発熱体(3)と給電部材(4)との接続部分に着目すると、図１０に示すように、内部リード棒(5)の接続部分(5a)の先端部分(5a1)では発熱体(3)に向かって集中的に電流(i1')が流れるが、基部側部分（発熱体(3)の端部側）(5a2)では極僅かの電流(in')しか流れない。これは、電流が接続部分(5a)の先端部分(5a1)から流れる方が、接続部分(5a)の基部側部分(5a2)から流れるよりも発熱体(3)を通過する距離が短く、全体としての内部抵抗が小さいからである。
【０００８】
接続部分(5a)の先端部分(5a1)から発熱体(3)に向かって電流が集中的に流れると、接続部分(5a)の先端部分(5a1)と発熱体(3)との接触部分近傍にて高温のいわゆるヒートスポット(HS)が発生する。そして、このヒートスポット(HS)部分が非酸化性雰囲気中で次第に蒸発して空洞を形成し、最終的には発熱体(3)の断線に至り、発熱体(3)の寿命が短くなるという問題があった。
【０００９】
それゆえに、本発明の目的は、ヒートスポットの発生による発熱体の破損を防止し、発熱体寿命の長いヒータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載のヒーターは、「内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間(12c)を有し、端部に気密シール部(12b)を有する外囲器(12)と、炭素繊維体からなり発熱体収容空間(12c)内に収納される発熱体(14)と、一方の端部が気密シール部(12b)を通って外囲器(12)の外部に突出され、他方の端部が発熱体(14)の端部外面に所定長さで接続される給電部材(16)とで構成されるヒーター(10)において、発熱体(14)の給電部材(16)との接続部分(14a)における密度が発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなるように構成されている」ことを特徴とする。
【００１１】
この発明では、発熱体(14)の給電部材(16)との接続部分(14a)における密度が発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなるように構成されているので、前記接続部分(14a)の発熱体端部側の内部抵抗が密度の増大に合せて次第に小さくなり、電流が流れやすくなる。その結果、給電部材(16)から発熱体(14)への電流の流入量が接続部分(14a)全体においてある程度均一になり、前述のような電流の集中的流入がなくなり、ヒートスポット(HS)の生成が妨げられる。
【００１２】
請求項２〜３に記載した発明は、給電部材(16)における発熱体(14)との接続部分(18a)(18a')の具体例であり、請求項２は、「その内径が発熱体端部に向かうにつれて縮径する螺旋状に巻回された線材により構成されている」ことを特徴とするものであり、請求項３は、「その内径が発熱体端部に向かうにつれて縮径する筒状部材により構成されている」ことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、本願発明の第２実施例で「給電部材(34)における発熱体(14)との接続部分(34a)は、その内径が全体に亘って略均一となるように螺旋状に巻回された線材、或いはその内径が全体に亘り略均一な筒状部材により構成されており、給電部材(34)との接続部分(14a)における外径が発熱体端部に向かうにつれて次第に拡径している発熱体(14)を使用している」ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１〜４に記載の発明によれば、発熱体の給電部材との接続部分における電気抵抗が全体に亘って略均一になっているので、接続部分の全体にある程度均等に電流が流れてヒートスポットの発生が抑制され、結果、発熱体の断線を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の適用されたヒーター(10)は、図１に示すように、外囲器(12)と、発熱体(14)と、給電部材(16)とで大略構成されている。
【００１７】
外囲器(12)は、石英ガラス等からなる筒状の外囲器本体(12a)を有する。外囲器(12)の両端部には、収縮法或いはピンチング法等により気密シール部(12b)が形成され、これにより外囲器(12)の内部には、密閉された発熱体収納空間(12c)が形成される。発熱体収納空間(12c)の内部には、非酸化性雰囲気を得るために窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスが充填されているとともに発熱体(14)が収納されている（勿論、発熱体収納空間(12c)内を真空状態にすることで非酸化性雰囲気を得るようにしてもよい）。
【００１８】
発熱体(14)は、炭素繊維体からなる棒状の部材であり、この端部外面には、後述する内部リード棒(18)がその軸方向に所定長さで接続されている。
【００１９】
ここで、発熱体(14)を構成している繊維体は、炭素繊維を主体とした不織布、マット状物または織布等の繊維集合材料で、これを棒状に切断することにより発熱体(14)が得られることになる。
【００２０】
炭素繊維体を構成する炭素繊維の種類は特に限定されるものではないが、例示するならば、天然繊維系炭素繊維（木綿等の天然繊維を原料とする）、ポリアクリル系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、フラン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維（異方性ピッチまたは等方性ピッチ等）およびポリビニルアルコール系炭素繊維等を挙げることができる。また、ガラス状炭素繊維（ポリカルボジイミド系炭素繊維など）を使用することも可能であるし、黒鉛質系炭素、非晶質系炭素あるいはこれらの中間的結晶構造を有する炭素および活性炭素繊維等を使用することも可能である。
【００２１】
また、炭素繊維の繊維径は特に限定されるものではないが、発熱機能を有効に発揮させる観点からは、５〜２０μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは７〜１５μｍ程度である。
【００２２】
また、炭素繊維体の密度（即ち、発熱体(14)の密度）も特に限定されるものではないが、優れた発熱能を得るという観点からは、１．５ｇ／ｃｍ3程度あるいはそれ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０１〜０．６ｇ／ｃｍ3である。
【００２３】
なお、発熱体(14)は、外部から圧力を加えることによって圧縮することが可能であり、圧縮率が大きくなるにしたがって体積密度は大きくなり、これに伴って内部抵抗は小さくなる。
【００２４】
給電部材(16)は、内部リード棒(18)と、外部リード棒(20)と、モリブデン等の金属からなる金属箔(22)とで構成されている。
【００２５】
内部リード棒(18)は、例えばモリブデン等の金属からなる細径の線材であり、一方の端部が外囲器(12)の気密シール部(12b)に埋設されており、他方の端部が発熱体(14)の端部外面に所定長さで接続されている。
【００２６】
内部リード棒(18)における発熱体(14)との接続部分(18a)は螺旋状に巻回されており、その内径は、図２に示すように、発熱体(14)を挿入する側の端部の内径(r1)が発熱体(14)の外径(x)と略等しく、反対側の内径(r2)が発熱体(14)の外形(x)よりも小さくなるように設定されている（換言すれば、接続部分(18a)の内径が内部リード棒(18)の基部に向かうにつれて縮径するように形成されている。）。
【００２７】
外部リード棒(20)は、例えばモリブデン等の金属からなる細径の線材であり、その一方端部が外囲器(12)の外部に突出され、他方端部が外囲器(12)の気密シール部(12b)に埋設されている。
【００２８】
そして、内部リード棒(18)と外部リード棒(20)とが、外囲器(12)の気密シール部(12b)に埋設された金属箔(22)を介して電気的に接続されている。
【００２９】
ヒーター(10)を形成するには、まず、図２(イ)に示すように、発熱体(14)の先端を内部リード棒(18)の螺旋状に巻回された接続部分(18a)に挿入する。ここで、接続部分(18a)の内径は、発熱体(14)を挿入する側が大径で、反対側が小径となるように設定されているので、発熱体(14)を接続部分(18a)に押し込んでいくと、発熱体(14)の先端部分は接続部分(18a)に押されて次第に圧縮されていく。そして、発熱体(14)の先端を接続部分(18a)の小径側端部から突出させると、当該突出部分は膨らんでその外径が接続部分(18a)の小径側端部の内径(r2)よりも大きくなり（この膨出部分が発熱体(14)の抜け止めとして機能する）、内部リード棒(18)と発熱体(14)との接続が完了する（図２(ロ)参照）。勿論、内部リード棒(18)と発熱体(14)とを接続する方法としては、上述の方法に限られるものではなく、例えば、発熱体(14)の端部をテーピングして縮径し、これを接続部分(18a)に挿入した後テーピングを解くようにしてもよい。
【００３０】
なお、発熱体(14)の内部リード棒(18)との接続部分(14a)における密度は、発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなっている（そして、このことは、接続部分(14a)における内部抵抗が発熱体端部に向かうにつれて小さくなり、電流が流れやすくなっていることを意味する。）。
【００３１】
内部リード棒(18)と発熱体(14)との接続が完了すると、これら一体物を外囲器本体(12a)の内部に配置するとともに、外部リード棒(20)および金属箔(22)を外囲器本体(12a)の端部の所定位置に配置し、外囲器本体(12a)の両端部を前述したように周知の収縮法或いはピンチング法等により封止する。
【００３２】
外囲器本体(12a)の端部を封止することにより、その内部には発熱体収納空間(12c)が形成されることになるが、このとき、周知の手法により発熱体収納空間(12c)内の雰囲気が非酸化性雰囲気とされ、ヒーター(10)が完成する。
【００３３】
ヒーター(10)を使用する際には、給電部材(16)の突出端部（外部リード棒(20)）を図示しない電源に接続する。そして、電源のスイッチがオンされると、電源からの電流(i0)が給電部材(16)を通して発熱体(14)に供給され、給電部材(16)に挟まれた発熱体(14)の内側の部分が発熱する。
【００３４】
ここで、発熱体(14)と給電部材(16)との接続部分に着目すると（図３参照）、上述したように、発熱体(14)の給電部材(16)との接続部分(14a)における密度が発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなっており電流が流れやすくなっているので、接続部分(18a)の先端部分(18a1)から基部側部分(18a2)の間において発熱体(14)に向かって流入する電流(i1)〜(in)がある程度均一となる。つまり、従来のように発熱体(14)の特定部分（接続部分(18a)の先端(18a1)との接触部分近傍）への電流の集中的流入がなくなり、ヒートスポット(HS)の発生が抑制され、発熱体(14)の断線を防止できる。
【００３５】
なお、上述の実施例では、内部リード棒(18)の先端を螺旋状に巻回することによって接続部分(18a)が構成されていたが、例えば図４〜５に示すように、内部リード棒(18)の先端にモリブデン等の金属からなる筒状部材を溶接等の手段で接続する（或いは一体的に形成してもよい）ことにより接続部分(18a’)を構成してもよい。
【００３６】
ここで、接続部分(18a’)の内径は、発熱体(14)を挿入する側の端部の内径(r1)が発熱体(14)の外径(x)と略等しく、反対側の端部の内径(r2)が発熱体(14)の外径(x)よりも小さくなるように設定されている。
【００３７】
そして、この変形例においても、上述実施例と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、発熱体(14)の接続部分(14a)における密度が発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなっており、接続部分(18a’)の先端部分(18a1’)から基部端部分(18a2')の間において発熱体(14)に流入する電流(i1)〜(in)がある程度均一となるので、ヒートスポット(HS)の発生が抑制され、結果、発熱体(14)の断線を防止することができる。
【実施例２】
【００３８】
次に、図６に示す第２実施例のヒーター(30)について説明する。なお、以下には、前述実施例と異なる点について説明することとし、同一部分については前述の記載を援用する。
【００３９】
ヒーター(30)は、外囲器(32)と、発熱体(14)と、給電部材(34)と、圧縮用部材(36)とで構成されている。
【００４０】
外囲器(32)は、材質がハードガラスにより形成されている以外は前述実施例のものとその構成が同様であり、筒状の外囲器本体(32a)を有し、その両端部には気密シール部(32b)が形成されており、外囲器本体(32a)の内部には発熱体収納空間(32c)が形成されている。
【００４１】
給電部材(34)は、例えばモリブデン等の金属からなる１本の細径部材であり、給電部材(34)における発熱体(14)との接続部分(34a)は螺旋状に巻回されており、その内径(r3)は、発熱体(14)の外径(x)よりも若干小さく、且つ、その全体に亘って略等しくなるように形成されている（図７参照）。
【００４２】
なお、本実施例の給電部材(34)は、前述実施例とは異なりモリブデン金属箔を採用していないが、これは以下の理由による。即ち、外囲器(32)の材質であるハードガラスと、給電部材(34)の材質であるモリブデンとの熱膨張係数が略等しいため、通電時の熱膨張によって外囲器(32)と給電部材(34)との境界部分に隙間が生じることはなく、前記隙間の発生を防止するための金属箔を採用する必要がないからである。
【００４３】
勿論、本実施例において外囲器(32)を石英により形成することも可能であり、この場合には、実施例１と同様、給電部材(34)として金属箔を採用する必要がある。また、本実施例のハードガラス製の外囲器(32)を第１実施例のヒーター(10)に適用することも可能であり、この場合には、前述したように給電部材(16)としてモリブデン金属箔を使用することなく内外のリード棒(18)(20)を１本の棒材で構成できるので、給電部材の構成を簡略化できる。
【００４４】
圧縮用部材(36)は、略楔型の部材であり、その材質は、電気伝導性および耐熱性を備えておれば特に限定されるものではないが、放熱能や熱伝導性、或いは電気伝導性等を考慮すれば、発熱体(14)と同じ素材（炭素繊維体）を用いることが好ましい。また、圧縮用部材(36)の形状は、所定長さを有し、軸方向一方端部の外径(m1)が反対側端部の外径(m2)よりも大きくなるような形状であればよく、その大きさや傾斜角度等は、発熱体(14)の接続部分(14a)の圧縮率等を考慮して適宜設定される。
【００４５】
ヒーター(30)を形成するには、まず、図７(イ)に示すように、発熱体(14)の端部（より詳しくは、給電部材(34)との接続部分(14a)）に、その軸方向に切り込みを設けて、ここに圧縮用部材(36)を挿入する（勿論、給電部材(34)の接続部分(34a)と発熱体(14)とを接続した後で圧縮用部材(36)を挿入してもよい。）。このとき、圧縮用部材(36)は、その小径部分を先にして発熱体(14)の切り込み部分に挿入されるので、発熱体の給電部材(16)との接続部分(14a)における外径は、発熱体端部に向かうにつれて次第に拡径することになる。
【００４６】
次に、螺旋状に巻回された給電部材(34)の接続部分(34a)と発熱体(14)とを接続するのであるが、本実施例では、以下の方法により両部材(14)(34)が接続される。即ち、内径調整が可能な筒状部材（図示省略）に発熱体(14)の端部（ここには、上述したように圧縮用部材(36)が軸方向に沿って挿入されている。）を挿入し、筒状部材を窄める。そして、筒状部材の外径が接続部分(34a)の内径(r3)よりも小さくなったところで、筒状部材を接続部分(34a)に挿入し（このとき、筒状部材内の発熱体(14)の先端部分が、接続部分(34a)における発熱体(14)の挿入側とは反対側の端部から突出するように配置される）、然る後、発熱体(14)が接続部分(34a)内に残るようにして筒状部材だけを抜き取る。すると、発熱体(14)および圧縮用部材(36)が膨らんで接続部分(34a)を内側から押圧し、これにより発熱体(14)と給電部材(34)との接続が完了することになる（図７(ロ)参照）。
【００４７】
ここで、発熱体(14)の前記突出部分の外径は、発熱体(14)および圧縮用部材(36)が膨らむことによって接続部分(34a)の内径(r3)よりも大きくなっており、この膨出部分が発熱体(14)の抜け止めとして機能する。
【００４８】
なお、発熱体(14)の給電部材(34)との接続部分(14a)における密度は、前述実施例と同様、発熱体端部に向かうにつれて次第に大きくなっている。
【００４９】
そして、発熱体(14)と給電部材(34)との一体物を外囲器本体(32a)の所定位置に配置し、外囲器本体(32a)の端部を封止することでヒーター(30)が完成するのであるが、この点については上述実施例と同様であるのでその記載を省略する。
【００５０】
ヒーター(30)を使用する際には、前述実施例と同様、給電部材(34)の突出端部を図示しない電源に接続し、電源のスイッチをオンする。すると、電源からの電流(i0)が給電部材(34)を通して発熱体(14)に供給され、給電部材(34)に挟まれた発熱体(14)の内側の部分が発熱する。
【００５１】
本実施例においても、前述実施例と同様の作用効果を奏することができる。即ち、発熱体(14)の接続部分(14a)の内部抵抗が発熱体端部に向かうにつれて次第に小さくなっており、電流が流れ易くなっているので、給電部材(34)の接続部分(34a)における先端部分(34a1)から基部側部分(34a2)の間において発熱体(14)に向かって流入する電流(i1)〜(in)がある程度均一となる。したがって、従来のような発熱体(14)の特定部分への電流の集中的流入がなくなり、ヒートスポット(HS)の発生が抑制され、発熱体(14)の断線を防止できる。
【００５２】
なお、本実施例では、給電部材(34)の先端を螺旋状に巻回することにより接続部分(34a)が構成されていたが、例えば、モリブデン等の金属からなる筒状部材（その内径は、発熱体(14)の外径(x)よりも若干小さく、且つ、その全体に亘って略等しくなっている。）を給電部材(34)の先端に溶接等の手段により接続することにより接続部分を構成してもよい（図示省略）。
【００５３】
また、発熱体(14)の接続部分(14a)を拡径する方法としては、上述した方法に限定されるわけではなく、例えば、発熱体(14)の接続部分(14a)が発熱体端部に向かうにつれて拡径するように発熱体(14)そのものを形成してもよい。
【００５４】
さらにまた、本実施例で使用した圧縮用部材(36)を第１実施例のヒーター(10)に適用することも可能であり、この場合には、圧縮用部材(36)の存在により、発熱体(14)の接続部分(14a)の圧縮率がより高められるので、接続部分(14a)の発熱体側端部の内部抵抗がより小さくなる。したがって、内部リード棒(18)の接続部分(18a)における先端部分(18a1)近傍でのヒートスポット(HS)の発生がより効果的に抑制され、発熱体(14)の断線をより効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本願発明にかかるヒーターの断面図
【図２】発熱体と給電部材（内部リード棒）とを接続する方法を示す図
【図３】発熱体と給電部材（内部リード棒）との接続状態を示す断面図
【図４】給電部材（内部リード棒）の接続部分の変形例と発熱体とを接続する方法を示す図
【図５】給電部材（内部リード棒）の接続部分の変形例と発熱体との接続状態を示す断面図
【図６】本願発明にかかる他の実施例のヒーターの断面図
【図７】図６実施例において発熱体と給電部材とを接続する方法を示す図
【図８】図６実施例において発熱体と給電部材との接続状態を示す断面図
【図９】従来のヒーターを示す断面図
【図１０】従来のヒーターにおける発熱体と内部リード棒の接続状態を示す図
【符号の説明】
【００５６】
１０、３０  ヒーター
１２、３２  外囲器
１４  発熱体
１４ａ  接続部分
１６、３４  給電部材
１８ａ、３４ａ  接続部分
３６  圧縮用部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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