(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロムおよびアルミニウムを含有する金属製の発熱体とこの発熱体を密閉するカバーとの間に酸化物からなる電気絶縁材料が充填され、前記カバーは電気絶縁体の部分および金属製の部分からなり、前記発熱体のリード線が前記カバーの電気絶縁体の部分を貫通しているヒータの製造方法であって、
前記カバーの金属製の部分を加熱して前記金属製の部分の表面に酸化膜を形成し、
一方、前記発熱体を加熱して前記発熱体の表面に酸化アルミニウムからなる酸化膜を形成し、
つぎに、前記酸化膜を形成した発熱体を前記酸化膜を形成した金属製の部分内に入れ、前記酸化膜を形成した金属製の部分と前記酸化膜を形成した発熱体との隙間に酸化物からなる電気絶縁材料を充填する第１工程と、
つぎに、前記第１工程で製造されたものを大気中で加熱して前記電気絶縁材料中の水分を少なくする第２工程と、
つぎに、前記カバーの酸化膜を形成した金属製の部分と前記カバーの電気絶縁体の部分とにより前記酸化膜を形成した発熱体および前記充填した酸化物からなる電気絶縁材料を密封し、その際前記酸化膜を形成した発熱体のリード線が前記カバーの電気絶縁体の部分を貫通するようにする第３工程を備えることを特徴とするヒータの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のヒータの製造方法であって、
前記第１工程において、前記カバーの金属製の部分の加熱および前記発熱体の加熱を電気炉で行うことを特徴とするヒータの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のヒータの製造方法であって、
前記カバーの電気絶縁体の部分として鉛ガラスを使用し、さらに、口もとガイシをセラミック接着剤により前記鉛ガラスに固定し、前記発熱体のリード線が前記口もとガイシを貫通するようにすることを特徴とするヒータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明はシーズヒータ、カートリッジヒータ等に関し、特に、従来よりシーズヒータ、カートリッジヒータ等の寿命を延ばす技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からシーズヒータやカートリッジヒータが使用されている。これらのヒータは、金属線状の発熱体と、この発熱体を密閉するカバーと、前記発熱体とカバーとの間に充填された電気絶縁材料を備えている。前記カバーは金属製の部分と前記発熱体のリード線が貫通する電気絶縁体の部分とからなる。そして、このリード線により前記発熱体に通電することにより、前記発熱体のジュール熱が発生する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常、ニッケルが前記発熱体およびカバーのうち金属製の部分の組成の一部に使用されているので、前記発熱体およびカバーのうち金属製の部分が８５０℃以上の高温で長時間使用されている間に、前記発熱体およびカバーのうち金属製の部分からニッケルの蒸気が発生する。
また、前記電気絶縁材料はマグネシア（酸化マグネシウム）等の酸化物であるので、このニッケルの蒸気が前記電気絶縁材料としての酸化物の酸素を奪うことになる。このため、酸素を奪われた前記電気絶縁材料の耐電圧特性および絶縁抵抗が劣化する。
【０００４】
その結果、シーズヒータやカートリッジヒータの使用時に、前記発熱体から前記電気絶縁材料を通って前記カバーの金属製の部分に異常に大きな漏洩電流が流れる場合には、前記発熱体が局部的に大きなジュール熱を発生することにより局部的に異常に高い温度となって、断線するおそれがあるという問題がある。
【０００５】
本願発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その課題は、発熱体とカバーとの間に充填された電気絶縁材料の耐電圧特性および絶縁抵抗の劣化を少なくすることにより、シーズヒータやカートリッジヒータ等のヒータの寿命を長くすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の第１の発明の構成は、請求項１記載のとおりである。上記第１の発明の構成により、前記カバーの金属製の部分により前記カバーの熱伝導性を良好にするとともに、ヒータの発熱体およびカバーの金属製の部分に酸化膜が形成されているので、前記発熱体の発熱状態において前記発熱体およびカバーの金属製の部分（前記発熱体の発熱状態において温度が上昇する）からニッケルの蒸気が発生することが少なくなる。このため、このニッケルの蒸気により前記発熱体とカバーとの間の電気絶縁材料としての酸化物の酸素が奪われることが少なくなる。さらに、ヒータの電気絶縁材料中の水分を少なくすることができる。この結果、前記電気絶縁材料の耐電圧特性および絶縁抵抗の劣化が少なくなる。
【０００７】
さらに、第２の発明の構成は、請求項２記載のとおりである。上記第２の発明の構成により、上記第１の発明の作用とともに、電気炉で前記カバーの金属製の部分の加熱および前記発熱体の加熱を行うことができる。
さらに、第３の発明の構成は、請求項３記載のとおりである。上記第３の発明の構成により、上記第１の発明の作用または第２の発明の作用とともに、前記カバーの電気絶縁体の部分として鉛ガラスを使用し、さらに、口もとガイシをセラミック接着剤により前記鉛ガラスに固定し、前記発熱体のリード線が前記口もとガイシを貫通するようにすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明における実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は本願発明の第１の実施の形態に係わるシーズヒータの正面を一部切り欠いて拡大して示し、図２は図１に示すものの左側面を示す。
【０００９】
図１において、シーズヒータ１は、線状の金属製の発熱体２、この発熱体２を覆うニッケルを含有する金属製のパイプ３、発熱体２とパイプ３との間を電気的に絶縁する電気絶縁材料４、発熱体２の図示左端に接続された第１のリード線７、発熱体２の図示右端に接続された第２のリード線８、パイプ３の図示左端部分を封止する第１の鉛ガラス５およびパイプ３の図示右端部分を封止する第２の鉛ガラス６を備えている。
【００１０】
なお、第１のリード線７は第１の鉛ガラス５を貫通し、第２のリード線８は第２の鉛ガラス６を貫通している。発熱体２の表面には電気絶縁性がある酸化膜が形成され、パイプ３の表面には酸化膜が形成されている。シーズヒータ１の直径Ｄはたとえば６．５mmであり、シーズヒータ１の長さＬはたとえば１０００mmである。
また、図２に示すように、パイプ３は円筒状である。
【００１１】
第１の実施の形態に係わるシーズヒータ１の製造方法は以下のとおりである。まず、寸法外形７．５mmφ、長さ１０００mmの金属性のパイプ３を用意する。パイプ３の材質は、インコロイ８００（商品名）である。インコロイ８００は、重量比でニッケルおよびコバルトを３０〜３５％、クロムを１９〜２３％、鉄を３９．５％以上、炭素を０．１％以下、マンガンを１．５％以下、イオウを０．０１５％以下、シリコンを１．０％以下、銅を０．７５％以下、アルミニウムを０．１５〜０．６％、チタンを０．１５〜０．６％それぞれ含有する合金である。パイプ３を電気炉により１０００℃にて１．５時間加熱し、パイプ３の表面に酸化膜を形成する。
【００１２】
次に、線状の発熱体２を用意する。発熱体２の材質は、ＪＩＳＦＣＨ−１のＮＴＫNo.３０（商品名）である。ＮＴＫNo.３０は、重力比でクロムを２３〜２６％、アルミニウムを４〜６％、炭素を０．１０％以下、シリコンを１．５％以下、マンガンを１．０％以下それぞれ含有し、残部が鉄である合金である。
発熱体２は、径が０．８mmφであり、長さが６４００mmである。発熱体２を巻芯１．２mmφにて巻き加工してコイル状にした後に、洗浄して乾燥後、電気炉で１１００℃にて３時間加熱して、発熱体２の表面に酸化膜を形成する。この酸化膜の材質は酸化アルミニウムであるので、この酸化膜は電気絶縁体である。
【００１３】
次に、酸化膜を形成した発熱体２を酸化膜を形成したパイプ３内に入れ、パイプ３と発熱体２との間隙に電気絶縁材料４としてのマグネシア粉末を充填した後に、常温にてプレス等によりパイプ３を圧延して、パイプ３の減径をおこなって、パイプ３の直径Ｄを６．５mmφにしてシーズヒータ１の未完成品を作る。
このシーズヒータ１の未完成品を６５０℃の大気中で４時間加熱処理して電気絶縁材料４中の水分を少なくした後に、パイプ３の両端部分を鉛ガラス５、６で完全に封口し、リード線７、８がそれぞれ第１の鉛ガラス５、第２の鉛ガラス６を貫通するようにする。このようにして、長さＬが１０００mmであるシーズヒータ１を試作した。
【００１４】
第１のリード線７と第２のリード線８との間に電圧を加えて、発熱体２に通電し、発熱体２を発熱させ、パイプ３の表面温度が９５０℃に達し、充分に安定した後（約１時間後）に、第１のリード線７（または第２のリード線８）とパイプ３との間の絶縁抵抗を測定した。
次に、発熱体２の通電を止めて、パイプ３の表面温度が常温に復帰後に、第１のリード線７（または第２のリード線８）とパイプ３との間の耐電圧を測定した。なお、比較のために、従来品（酸化膜処理を施さないパイプおよび発熱線で試作したシーズヒータ）について測定したので、下の表１に示す。
【００１５】
【表１】
0004041259.tif 000002
【００１６】
以上により、パイプ３の表面および発熱体２の表面に予め大気中で酸化膜を生成させているために、発熱体２の発熱時にパイプ３および発熱体２から発生するニッケルの蒸気が少なくなり、電気絶縁材料４としての酸化物の酸素が奪われることが少なくなる。このため、シーズヒータ１を超高温域（９００ないし９５０℃）で使用することを可能にし、著しくシーズヒータ１の寿命を延ばすことができる。
【００１７】
図３は、第２の実施の形態に係わるカートリッジヒータのリード線側を拡大して示し、図４は図３に示すもののIV−IV断面構造を若干縮小して示し、図５は図４に示すもののV−V断面構造を拡大して示し、図６は図４に示すもののVI−VI断面構造を拡大して示している。
【００１８】
図４に示すように、カートリッジヒータ１１の構造の概略は、コイル状の発熱体１２をセラミックコア１３に巻いて金属製のパイプ１４内に入れて電気絶縁材料１５を発熱体１２と金属製のパイプ１４の間に充填し、発熱体１２に第１および第２のリード線１９、２０を接続し、鉛ガラス１６でパイプ１４のリード線１９、２０の出口部を封止したものである。なお、図４は第１のリード線１９を通る断面を示しているが、第２のリード線２０を通る断面の場合の符号を図４のかっこ内に示す。
図６に示すように、４本の貫通孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄがセラミックコア１３内にて平行に形成されている。
【００１９】
図４に示すように、第１のリード線１９および第２のリード線２０は金属製の棒状体である。電気的接続用の導電性の撚り線１９ａ、１９ｂの図示左端部分が第１のリード線１９の図示右端部分１９ｘに溶接され、電気的接続用の導電性の撚り線２０ａ、２０ｂの図示左端部分が第２のリード線２０の図示右端部分２０ｘに溶接されている（図５参照）。
【００２０】
撚り線１９ａは貫通孔１３ａを挿通し、撚り線１９ｂは貫通孔１３ｂを挿通している。撚り線１９ａの図示右端部分と撚り線１９ｂの図示右端部分は貫通孔１３ａ、１３ｂの右側で接続され、さらに、発熱体１２の図示右端部分１２ａに接続されている。
撚り線２０ａは貫通孔１３ｃを挿通し、撚り線２０ｂは貫通孔１３ｄを挿通している。撚り線２０ａと撚り線２０ｂは貫通孔１３ｃ、１３ｄの右側で接続されているとともに、貫通孔１３ｃ、１３ｄの左側で発熱体１２の左端部分１２ｂに接続されている。
【００２１】
パイプ１４と同じ材質の底板１４ａがパイプ１４の右端部分を覆うように溶接されている。パイプ１４の左端部分は鉛ガラス１６で封口され、口もとガイシ１８がセラミック接着剤１７により鉛ガラス１６およびパイプ１４に固定されている。
図３に示すように、第１のリード線１９は口もとガイシ１８の貫通孔１８ａを挿通し、第２のリード線２０は口もとガイシ１８の貫通孔１８ｂを挿通している。
【００２２】
第２の実施の形態に係わるカートリッジヒータの製造方法は以下のとおりである。
まず、材質インコロイ８００、外径１２mmφ、長さ１２０mmのパイプ１４を用意する。このパイプ１４の図示右端部分にインコロイ８００の底板１４ａを溶接し、電気炉により１０００℃にて１．５時間加熱し、パイプ１４の表面に酸化膜を形成する。
【００２３】
つぎに、発熱体１２を用意する。発熱体１２の材質はカンタルＡＦ線（商品名）である。カンタルＡＦ線は、重量比でクロムを２２％、アルミニウムを５．３％それぞれ含有し、残部は鉄である合金である。
セラミックコア（５ないし６mmφ、長さ６０mm）の外周に線状（外径０．３mmφ）の発熱体１２をピッチ０．４mmで巻き加工を行い、洗浄して乾燥した後に、電気炉により１１５０℃にて加熱し、発熱体１２の表面に酸化膜を形成する。この場合の酸化膜の材質も酸化アルミニウムであるので、この場合の酸化膜は電気絶縁体である。
【００２４】
つぎに、前記パイプ１４の中心部に発熱体１２を巻き加工したセラミックコア１３を挿入し、セラミックコア１３および発熱体１２とパイプ１４との間隙に電気絶縁材料１５となるマグネシアを充填後に、プレスでパイプ１４を１０．２mmφまで減径し、さらに、研磨機にてパイプ１４を１０＋０ないし１０−０．０５mmφまで研磨する。
【００２５】
つぎに、電気炉により６５０℃で４時間乾燥して電気絶縁材料１５中の水分を少なくした後に、パイプ１４の第１および第２のリード線１９、２０の出口部を鉛ガラス１６で封口する。その後、セラミック接着剤１７により口もとガイシ１８を鉛ガラス１６の図示左側に固定する（図４参照）。口もとガイシ１８には貫通孔１８ａ、１８ｂが形成されているので、第１のリード線１９は貫通孔１８ａを挿通し、第２のリード線２０は貫通孔１８ｂを挿通する。
このようにして、カートリッジヒータ１１（直径Ｍが１０mmで、長さＮが１２０mmで、定格が１２０ボルト、４００ワットである。）を製作した。
【００２６】
図７はカートリッジヒータを使用する金型を縮小して示し、図８はカートリッジヒータの特性の測定方法を示す。
図７および図８において、金型２１の寸法は、内径Ｔ（金型２１の中心の貫通孔２２の径）が５０mmφであり、外径Ｑが１１０mmφであり（図７参照）、長さＰが９０ｍｍである（図８参照）。金型２１のうち８０mmφの円周（貫通孔２２と同心円となる円周）上に孔径１０.１mmφの貫通孔２３を２０個形成する。
【００２７】
その各貫通孔２３にカートリッジヒータ１１を１本づつ挿入する。定格１２０ボルト、４００ワットのカートリッジヒータ１１を２本直列に接続したものを１組とし、１０組のカートリッジヒータ１１を並列に位相制御回路３１の出力端子（Ｕ−Ｖ間）に接続する。なお、図８においては、便宜上１組のカートリッジヒータ１１のみを示す。
位相制御回路３１は、その入力端子（Ｒ−Ｓ間）に印加された入力交流電圧（実効値で２００ボルト）を位相制御してその出力端子（Ｕ−Ｖ間）に入力交流電圧より低い出力電圧（実効値）を出力する。可変抵抗３６はこの出力電圧の大きさを調節するものであり、この場合、出力電圧（実効値）を入力交流電圧（実効値）の７０％にセットしている。
【００２８】
温度センサ３４は金型２１の温度を測定するものであり、たとえば熱電対である。温度調節計３５は設定温度を１０００℃にしている。温度調節計３５は、この設定温度と温度センサ３４で測定した金型２１の温度との温度差を求め、この温度差が零になるように位相制御回路３１をＰＩＤ制御する。なお、この場合、ＰＩＤ制御は、比例制御（Ｐ）、積分制御（Ｉ）および微分制御（Ｄ）の３つの制御を組合わせて前記温度差が零になるように制御することである。
カートリッジヒータ１１に通電してから約４５分間で金型２１の温度が１０００℃に安定した。この状態で連続７２０時間の耐久試験を行っても発熱体１２の断線等の異常が認められなかった。
【００２９】
なお、この場合、カートリッジヒータ１１の１本当りの印加電圧を７０ボルトとすると、カートリッジヒータ１１の１本当りにて、電流１．９４アンペア、消費電力１３６ワットとなる。このため、２０本のカートリッジヒータ１１では約２．７キロワットの消費電力となる。
【００３０】
【発明の効果】
本願の発明に係るヒータの製造方法によれば、ヒータを超高温域（９００ないし９５０℃）で使用することを可能にし、著しくヒータの寿命を延ばすことができる。このため、本願の発明に係るヒータの製造方法により製造されたヒータは、塑性成形の金型、半導体ウェファ製造工程、チタン板の成形等のホットサイジング成形工程、プラスチックの成形工程等において使用できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第１の実施の形態に係わるシーズヒータの正面を一部分切り欠いて示す正面図である。
【図２】図１に示すものの左側面を示す側面図である。
【図３】第２の実施の形態に係わるカートリッジヒータのリード線側を拡大して示す側面図である。
【図４】図３に示すもののIV−IV断面構造を若干縮小して示す断面図である。
【図５】図４に示すもののV−V断面構造を拡大して示す断面図である。
【図６】図４に示すもののVI−VI断面構造を拡大して示す断面図である。
【図７】カートリッジヒータを使用する金型を縮小して示す正面図である。
【図８】カートリッジヒータの特性の測定方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１  シーズヒータ
２  発熱体
３  パイプ
４  電気絶縁材料
５  第１の鉛ガラス
６  第２の鉛ガラス
７  第１のリード線
８  第２のリード線
１１  カートリッジヒータ
１２  発熱体
１３  セラミックコア
１４  パイプ
１４ａ  底板
１５  電気絶縁材料
１６  鉛ガラス
１９  第１のリード線
２０  第２のリード線
【図１】
0004041259.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004041259.tif 000006
【図５】
0004041259.tif 000007
【図６】
0004041259.tif 000008
【図７】
0004041259.tif 000009
【図８】
0004041259.tif 000010