(57)【要約】【課題】迅速で安定した昇温を可能にするとともに、より精密な温度制御を行うことができるヒーター装置を提供する。【解決手段】金属管３の内部にその内周面からの離間距離ｄを異ならせた複数本の発熱線５、６を管長手方向に延在させ、電気絶縁体４、７を介在させた状態で収容してヒーター部２を構成し、それぞれの発熱線５、６への通電を制御部８により個別に制御して、予め設定された所定の温度範囲に昇温するまでは、少なくとも離間距離ｄが最も大きい位置に配置された発熱線６を通電させ、所定の温度範囲に達した後は、離間距離ｄが最も大きい位置に配置された発熱線６は非通電にして、離間距離ｄが最も小さい位置に配置された発熱線５に対する通電および非通電を制御して所定の温度範囲を維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管とこの金属管の内部に電気絶縁体を介在させて管長手方向に延在して収容されている複数本の発熱線とからなるヒーター部と、前記複数本の発熱線への通電を個別に制御する制御部とを備えて、前記複数本の発熱線が前記金属管の内周面からの離間距離を異ならせて配置されていることを特徴とするヒーター装置。
【請求項２】
前記離間距離が相対的に大きい位置に配置されている前記発熱線の線径が相対的に大きく設定されている請求項１に記載のヒーター装置。
【請求項３】
前記金属管の内部に棒状の電気絶縁コアが管長手方向に延在していて、前記複数本の発熱線に、前記電気絶縁コアの外周面に螺旋状に巻き付けられた発熱線と、前記電気絶縁コアの内部に配置された発熱線とを含む請求項１または２に記載のヒーター装置。
【請求項４】
予め設定された所定の温度範囲で加熱する際には、前記所定の温度範囲に昇温するまでは、少なくとも前記離間距離が最も大きい位置に配置された前記発熱線を通電させ、前記所定の温度範囲に達した後は、前記離間距離が最も大きい位置に配置された前記発熱線は非通電にして、前記離間距離が最も小さい位置に配置された前記発熱線への通電および非通電を制御して前記所定の温度範囲を維持する構成にした請求項１〜３のいずれかに記載のヒーター装置。
【請求項５】
前記複数本の発熱線のいずれかに、電気抵抗値の温度依存性が所定基準よりも高い検知用発熱線が使用され、この検知用発熱線の電気抵抗値に基づいてヒーターの異常過熱の有無を判断して、異常過熱と判断した場合にはすべての前記発熱線を非通電にする制御を行う構成にした請求項１〜４のいずれかに記載のヒーター装置。
【請求項６】
前記離間距離が最も小さい位置に配置された前記発熱線に、前記検知用発熱線が使用されている請求項５に記載のヒーター装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒーター装置に関し、更に詳しくは、迅速で安定した昇温を可能にするとともに、より精密な温度制御を行うことができるヒーター装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒーター装置の１つのタイプとしてカートリッジヒーターが知られている（例えば、特許文献１参照）。カートリッジヒーターは、外周面に発熱線が巻き付けられた棒状の電気絶縁コア（碍子）が電気絶縁粉末を介在させて金属管に収容された構造になっている。発熱線の両端の接続端子は、金属管の一方端側に設けられる。カートリッジヒーターでは比較的細い発熱線が使用されるため、ヒーター表面での電力密度は比較的低くなる。発熱線は金属管の近傍に配置されているので、ヒーター表面を迅速に昇温させるには有利である。一方で、電気絶縁コアの熱容量に起因して、電気絶縁コアの内部の昇温は金属管に比して遅くなる。そのため、ヒーター全体の温度を安定させるには相応の時間を要する。
【０００３】
ヒーター装置の別のタイプとして、シーズヒーターが知られている（例えば、特許文献２参照）。シーズヒーターは、金属管の中心部でコイル状の発熱線が電気絶縁体に埋設された構造になっている。シーズヒーターでは比較的太い発熱線を使用できるので、ヒーター表面での電力密度は比較的高くなる。シーズヒーターでは、ヒーターの内部から温度が上がるので、ヒーター全体の温度を迅速に安定して昇温させることが可能である。しかしながら、ヒーター表面の温度を詳細に制御することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１９２８５８号公報
【特許文献２】特開平６−８９７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、迅速で安定した昇温を可能にするとともに、より精密な温度制御を行うことができるヒーター装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成する本発明のヒーター装置は、金属管とこの金属管の内部に電気絶縁体を介在させて管長手方向に延在して収容されている複数本の発熱線とからなるヒーター部と、前記複数本の発熱線への通電を個別に制御する制御部とを備えて、前記複数本の発熱線が前記金属管の内周面からの離間距離を異ならせて配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、金属管の内周面からの離間距離を異ならせて配置されている複数本の発熱線に対して、制御部により、それぞれを独立して個別に通電させることができる。この離間距離が小さい位置に配置されている発熱線を通電させると、ヒーター部の表面温度を詳細に制御するには有利である。一方、この離間距離が大きい位置に配置されている発熱線を通電させると、ヒーター部全体の温度を迅速に安定して昇温させるには有利である。したがって、通電させる発熱線の選択と、発熱線を通電させるタイミングとを適切に設定することで、迅速で安定した昇温が可能になるとともに、より精密な温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のヒーター装置を模式的に例示する説明図である。
【図２】図１のヒーター部の内部を例示する説明図である。
【図３】図２のＡ矢視図である。
【図４】図１のヒーター装置における温度制御を例示するグラフ図である。
【図５】ヒーター装置の別の実施形態を模式的に例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明のヒーター装置を図面に示した実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
図１に例示する本発明のヒーター装置１は、ヒーター部２と、ヒーター部２の温度を制御する制御部８とを備えている。ヒーター部２は、金属管３と、金属管３の内部で管長手方向に延在する複数本の発熱線５、６と、金属管３の内部に収容される電気絶縁コア４および電気絶縁粉末７とで構成されている。それぞれの発熱線５、６は制御部８を介して電源９に接続されている。この実施形態では、ヒーター装置１は２本の発熱線５、６を有しているが、３本以上の発熱線を有する仕様にすることもできる。
【００１１】
金属管３の材質としては例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、鉄またはチタン等の中から加熱温度範囲や用途に応じて選択される。電気絶縁コア４としては例えば、酸化マグネシウムの焼結体が用いられる。電気絶縁コア４は、例えば外径が１０〜３２ｍｍ程度、長さが１００〜３００ｍｍ程度である。複数本の電気絶縁コア４を長手方向に連続させることでヒーター部２を長くすることもできる。
【００１２】
発熱線５、６の材質としては例えば、ニッケル・クロム、鉄・クロム、純ニッケルが用いられる。それぞれの発熱線５、６は同じ材料にすることも異なる材料にすることもできる。電気絶縁粉末７の材質としては例えば、酸化マグネシウムが用いられる。
【００１３】
ヒーター部２の構造を詳述すると、図２、図３に例示するように、金属管３の内部には、棒状の電気絶縁コア４が管長手方向に延在している。電気絶縁コア４の外周面には一方の発熱線５が螺旋状に巻き付けられていて、他方の発熱線６は電気絶縁コア４の内部に配置されている。
【００１４】
電気絶縁コア４には長手方向に貫通する４つの貫通穴４ａが形成されている。電気絶縁コア４の長手方向一端部では、それぞれの貫通穴４ａに接続端子５ａ、６ａが取り付けられている。
【００１５】
対向配置されている一対の接続端子５ａ、５ａにはそれぞれ、一方の発熱線５の長手方向一端、他端が接続されている。発熱線５は電気絶縁コア４の外周面に螺旋状に巻き付けられて、電気絶縁コア４の長手方向一端から他端まで延在している。電気絶縁コア４の長手方向他端では、発熱線５は貫通穴４ａに挿入されて電気絶縁コア４の長手方向他端から一端まで延在している。これにより、発熱線５はループ状の第１回路を形成している。
【００１６】
対向配置されているもうひと組の一対の接続端子６ａ、６ａにはそれぞれ、他方の発熱線６の長手方向一端、他端が接続されている。この発熱線６は、貫通穴４ａの中を電気絶縁コア４の長手方向一端から他端まで延在している。電気絶縁コア４の長手方向他端では、発熱線６は対向する貫通穴４ａに挿入されて、この貫通穴４ａの中を電気絶縁コア４の長手方向他端から一端まで延在している。これにより、発熱線６はループ状の第２回路を形成している。したがって、第１回路と第２回路との別々の独立した回路が存在している。
【００１７】
この電気絶縁コア４の外周面と金属管３の内周面との間には電気絶縁粉末７が充填されている。それぞれの発熱線５，６は、金属管３には非接触状態になっている。
【００１８】
このヒーター部２を製造するには、長手方向一端が塞がれた金属管２に、発熱線５、６を配置した電気絶縁コア４を挿入する。次いで、金属管２の内周面と電気絶縁コア４の外周面との間、貫通穴４ａと発熱線６との間、貫通穴４ａと接続端子５ａとの間のそれぞれに、電気絶縁粉末７を充填する。次いで、スウェージングやプレス加工により金属管２を減径させことにより、ヒーター部２を一体化させる。
【００１９】
このようにして金属管３の内部には、複数本の発熱線５、６が電気絶縁コア４および電気絶縁粉末７を介在させて収容されている。そして、それぞれの発熱線５、６は金属管３の内周面からの離間距離ｄ（ｄ１＜ｄ２）を異ならせて配置されている。離間距離ｄ（ｄ１）が相対的に小さな位置に配置されている発熱線５は、金属管３の軸心部の外周側に配置されている。離間距離ｄ（ｄ２）が相対的に大きな位置に配置されている発熱線６は、金属管３の軸心部に配置されている。
【００２０】
構造上、電気絶縁コア４の外周面に配置される発熱線５は太径にすることが難しく、電気絶縁コア４の内部に配置される発熱線５は太径にすることが容易である。そこで、この実施形態では、金属管３の軸心部に配置されている発熱線６の線径が、軸心部の外周側に配置されている発熱線５よりも大きく設定されている。一方の発熱線５の外径は例えば０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍ、他方の発熱線６の外径は例えば０．１ｍｍ〜１．８ｍｍである。発熱線６の線径は発熱線５の線径と同じ程度にすることもできるが、３００〜５００％程度にするとよい。
【００２１】
発熱線６はコイル状などに形成した癖付けをした仕様ではなく、癖付けのない直線的な仕様にすることもできる。ただし、癖付けをした仕様であると、金属管３に収容できる発熱線６の長さが長くなるので発熱量を増大させるには有利になる。
【００２２】
制御部８は、それぞれの発熱線５、６への通電を個別に制御する。それぞれの発熱線５、６は電源９からの電気を通電させることにより発熱するので、それぞれの発熱線５、６を発熱させるタイミングが制御部８により制御される。一方の発熱線５のみを通電させることも、他方の発熱線６のみを通電させることも、両方の発熱線５，６を通電させることも、両方の発熱線５、６への通電を停止して非通電にすることもできる。
【００２３】
本発明のヒーター装置１では、離間距離ｄを異ならせて配置されている発熱線５、６に対して、制御部８により、それぞれを独立して個別に通電させることができる。離間距離ｄが小さい位置に配置されている発熱線５を通電させると、ヒーター部２の表面温度を詳細に制御することが容易である。一方、離間距離ｄが大きい位置に配置されている発熱線６を通電させると、ヒーター部２全体の温度を迅速、かつ安定して昇温させることが容易である。そのため、離間距離ｄの異なる発熱線５、６のうち通電させる発熱線の選択と、選択した発熱線を通電させるタイミングとを適切に設定することで、ヒーター部２の迅速で安定した昇温と、精密な温度制御との両立が可能になる。
【００２４】
このヒーター装置１を用いて、対象物を予め設定された所定の温度範囲で加熱する場合の温度制御を図４に基づいて説明する。
【００２５】
図４では、破線で挟まれた温度範囲が、定常状態で加熱する予め設定された温度範囲である。そこで、この所定の温度範囲に昇温するまでは、少なくとも離間距離ｄが最も大きい位置に配置された発熱線６を通電させる。即ち、発熱線６のみ、または、両方の発熱線５、６を通電させて発熱させる。昇温速度を最大限にするには、両方の発熱線５、６を通電させる。一方、消費電力の削減等を最優先に考慮する場合は、発熱線６のみを通電させる。
【００２６】
これにより、ヒーター部２全体の温度を迅速、かつ安定して昇温し、対象物を早期に所定の温度範囲に昇温させることができる。この段階では、大きな発熱量が必要になるため、発熱線６の線径は発熱線５に比して大きい仕様であることが好ましい。
【００２７】
対象物が所定の温度範囲に達した後は、離間距離ｄが最も大きい位置に配置された発熱線６は非通電にして、離間距離ｄが最も小さい位置に配置された発熱線５への通電および非通電を制御する。この段階では、ヒーター部２の全体が十分に加熱されているので、比較的小幅な温度調整をするだけで、対象物を所定の温度範囲に維持できる。
【００２８】
そこで、金属管３のより近くに配置されている発熱線５に対して、通電または非通電の制御を繰り返すことで、ヒーター部２の表面温度を詳細に制御できる。これにより、対象物を所定の温度範囲に精密に維持する定常加熱を実現できる。
【００２９】
ヒーター部２の表面温度を詳細に温度制御するには、発熱線の発熱量が小さい方が有利である。そのため、電気絶縁コア４の外周面に巻き付けられた相対的に細径の発熱線５を使用する構造にすると、対象物の温度に精密に制御し易くなる。
【００３０】
このように本発明のヒーター装置１は、昇温時には電気絶縁コア４の内部に配置された発熱線６（第２回路）を利用し、昇温した後の定常状態では、より金属管３の近くに配置された温度に対する応答性に優れた発熱線５（第１回路）を利用し、第１回路と第２回路とを巧みに組み合わせて使用する構成になっている。そのため、迅速で安定した昇温と、より精密な温度制御との両立という、従来では実現が困難であった温度制御を実現している。本発明によるこのような温度制御では、ヒーター部２全体の消費電力を抑えることができるのでフリッカー対策が可能である。
【００３１】
この実施形態では、発熱線５、６のそれぞれの接続端子５ａ、６ａがヒーター部２の長手方向一端に配置されたカートリッジヒーターになっているが、本発明はこの仕様に限定されない。接続端子５ａ、６ａがヒーター部２の長手方向両端に配置された仕様にすることもできる。
【００３２】
ヒーター部２が３本の発熱線を備えた仕様にする場合は、例えば、上述した発熱線５、６に加えて、離間距離ｄがｄ１＜ｄ＜ｄ２の発熱線を電気絶縁コア４の中に配置する。或いは、上述した発熱線５、６に加えて、離間距離ｄがｄ２＜ｄの発熱線を電気絶縁コア４の中に配置することもできる。尚、本願発明では、すべての発熱線の離間距離ｄを異ならせることもできるが、少なくとも２本の発熱線の離間距離ｄが異なっていればよい。
【００３３】
図５に例示する別の実施形態では、先の実施形態に加えて発熱線５の電気抵抗値を検知するセンサ１０を有している。センサ１０による検知データは制御部８に入力される。このセンサ１０は、発熱線５の電気抵抗値に連動した変化を検知できればよいので電流を検知するセンサ１０でもよい。さらに、この実施形態では、発熱線５には電気抵抗値の温度依存性が所定基準よりも高い検知用発熱線が使用されている。この検知用発熱線として、例えば、ニッケル・鉄合金線やニッケル線を用いる。その他の仕様は先の実施形態と同様である。
【００３４】
この実施形態では、検知用発熱線５の電気抵抗値（電流値）をセンサ１０により検知する。そして、検知した電気抵抗値（電流値）に基づいてヒーター部２の異常過熱の有無を制御部８により判断する。
【００３５】
例えば、定常加熱時の検知用発熱線５の電気抵抗値（電流値）を予め把握しておき、これらの適正範囲を制御部８に入力しておく。そして、センサ１０により検知した電気抵抗値（電流値）が、適正範囲を外れた場合に異常過熱と判断する。例えば、検知用発熱線５の電気抵抗値が、適正範囲よりも大きくなると異常過熱と判断する。または、検知用発熱線５の電流値が、適正範囲よりも小さくなると異常過熱と判断する。
【００３６】
異常過熱と判断した場合には制御部８は、すべての発熱線５、６を非通電にする制御を行う。これにより、異常過熱による不具合を回避するには有利になる。検知用発熱線を、いずれの発熱線５、６にも使用することもできるが、ヒーター部２の表面温度を迅速に検知する観点から離間距離ｄが最も小さい位置に配置された発熱線５に使用するとよい。また、細い発熱線の方が回路全体の電気抵抗値が大きくなるので、電気抵抗値の変化を検知し易くなる。そのため、相対的に細径になる発熱線５に検知用発熱線を使用するとよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  ヒーター装置
２  ヒーター部
３  金属管
４  電気絶縁コア（電気絶縁体）
４ａ  貫通穴
５  発熱線
５ａ  接続端子
６  発熱線
６ａ  接続端子
７  電気絶縁粉末（電気絶縁体）
８  制御部
９  電源
１０  センサ
ｄ（ｄ１、ｄ２）  離間距離
【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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