(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高耐食性金属からなる放射管(１２)と、その放射管(１２)内に配置されるヒータ線(１４)と、表面が絶縁体で被覆され、上記の放射管(１２)の中心軸線上に配設されるヒータ固定軸(１６)と、そのヒータ固定軸(１６)に所定の間隔で取り付けられて上記ヒータ線(１４)を支持するディスク状のセラミック碍子(１８)とを備える、電熱装置であって、
上記の放射管(１２)の内表面には、高耐熱性金属からなる保護シート(２０)が積層されており、
その保護シート(２０)のうち、上記の放射管(１２)の内周面(１２ａ)に積層されるものは、当該保護シート(２０)を巻回すると共に、巻回方向における第１の端辺部(２０ａ)及びそれと対をなす第２の端辺部(２０ｂ)のうち少なくとも一方をフリーの状態とした筒状に形成される、
ことを特徴とする電熱装置。
【請求項２】
請求項１の電熱装置において、
前記の保護シート(２０)を形成する金属の熱膨張係数が、前記の放射管(１２)を形成する金属の熱膨張係数よりも大きい、ことを特徴とする電熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用電気炉で使用される電熱装置に関し、とりわけ熱源が放射管内に収容されたラジアントチューブヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電熱装置には、従来では、下記の特許文献１(日本国・特許第５２７０６８８号公報)に記載されたものがある。その従来技術は、次のように構成されている。
放射管と、その放射管内に配置される発熱体とを備え、前記発熱体は、電熱線で構成されると共に、前記放射管の一端で電流取出口に接続される。また、前記発熱体は、支持体の支援を受けて前記放射管内に支持される。そして、前記放射管と前記発熱体との間には導電材料の保護挿入体が配置される。【０００３】
上記の従来技術によれば、放射管と発熱体との間に保護挿入体が配置されているので、素子故障の際に起こり得る発熱体残留物と溶融した金属とが重力の助けを借りて保護挿入体上に落下する。このため、放射管の無用な損傷を防止して、素子故障によって電熱装置が受ける被害を最小限に抑えることができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２７０６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術には次の課題がある。
すなわち、素子故障の際に起こり得る発熱体残留物や溶融した金属を重力に基づいて保護挿入体の上に落下させるためには、電気炉内において、上記の電熱装置を水平実装しなければならず、電熱装置の配設構造やその用途が限られるという問題があった。
また、上記の従来技術は、発熱体からの漏電などと言った素子故障それ自体を予防するものではないという大きな問題がある。【０００６】
それゆえに、本発明の主たる目的は、様々なトラブルの原因となる素子故障を低減させることによって、長期間の安定した稼働が可能な電熱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、図１〜図４に示すように、電熱装置を次のように構成した。
すなわち、高耐食性金属からなる放射管１２と、その放射管１２内に配置されるヒータ線１４と、表面が絶縁体で被覆され、上記の放射管１２の中心軸線上に配設されるヒータ固定軸１６と、そのヒータ固定軸１６に所定の間隔で取り付けられて上記ヒータ線１４を支持するディスク状のセラミック碍子１８とを備える。又、上記の放射管１２の内表面には、高耐熱性金属からなる保護シート２０が積層される。そして、その保護シート２０のうち、上記の放射管１２の内周面１２ａに積層されるものは、当該保護シート２０を巻回すると共に、巻回方向における第１の端辺部２０ａ及びそれと対をなす第２の端辺部２０ｂのうち少なくとも一方をフリーの状態とした筒状に形成されることを特徴とする。【０００８】
本発明者らは、この種の電熱装置、すなわち、ヒータ固定軸やセラミック碍子などの絶縁体とヒータ線とを金属製の放射管に収容して外部雰囲気から保護する電熱装置において、当該電熱装置の発熱作動時または停止冷却時に、各部材の熱膨張率の違いから、放射管の内表面と、(主として)セラミック碍子の周縁とが接触・摺動し、放射管の内表面に生成される金属酸化物が削り落とされてセラミック碍子上のヒータ線周りに堆積するようになる。或いは、放射管の内表面に高温による金属表面の酸化を要因とする粉体が発生し、この金属酸化物の粉体が放射管表面から遊離・脱落してセラミック碍子の表面上に堆積する。そして、堆積した金属酸化物の量が増えると、隣接するヒータ線の間を短絡するようになる。これが素子故障の大きな原因であることを突きとめた。
そこで、本発明の電熱装置では、放射管１２の内表面に、高耐熱性金属からなる保護シート２０を積層しているので、放射管１２の内表面に形成される金属酸化物がセラミック碍子１８上に堆積するのを防止することができる。
加えて、その保護シート２０のうち、放射管１２の内周面１２ａに積層されるものは、当該保護シート２０を巻回すると共に、巻回方向における第１の端辺部２０ａ及びそれと対をなす第２の端辺部２０ｂのうち少なくとも一方をフリーの状態とした筒状に形成されるので、放射管１２を形成する高耐食性金属の熱膨張係数と保護シート２０を形成する高耐熱性金属の熱膨張係数とが異なる場合であっても、又、電熱装置の発熱作動時及び停止冷却時の何れにおいても、放射管１２の内周面１２ａは保護シート２０によってしっかりと被覆・保護される。
従って、本発明の電熱装置は、様々なトラブルの原因となる素子故障を低減させることができ、その結果、長期間の安定した稼働が可能となる。【０００９】
本発明においては、前記の保護シート２０を形成する金属の熱膨張係数が、前記の放射管１２を形成する金属の熱膨張係数よりも大きいのが好ましい。
この場合、例えば、図３に示すように、放射管１２の内周面１２ａに積層される保護シート２０の巻回方向における第１の端辺部２０ａおよび第２の端辺部２０ｂの間に小さなギャップが生じるような場合であっても、電熱装置の発熱作動時(稼働時)にはそのようなギャップを解消して放射管１２の内周面１２ａをしっかりと被覆・保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明における一実施形態の電熱装置の概要を示す説明図(内部構造の一部を省略した垂直断面図)である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線切断端面図である。
【図３】本発明における他の実施形態の電熱装置の概要を示す水平方向切断端面図である。
【図４】本発明における他の実施形態の電熱装置の概要を示す内部構造を省略した垂直方向部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の電熱装置１０における内部構造の一部(具体的には正面側に配置されるヒータ線１４など)を省略した垂直断面図である。本実施形態の電熱装置１０は、様々な工業プロセスで使用される産業用電気炉の熱源として使用される装置であり、この図が示すように、放射管１２，ヒータ線１４，ヒータ固定軸１６，セラミック碍子１８および保護シート２０で大略構成される。
【００１２】
放射管１２は、長手方向一端が閉塞され、長手方向他端が開放されることによって、その内部にヒータ線１４などの発熱ユニットが収納される金属製の管体である。この放射管１２は、上記の発熱ユニットを外部雰囲気(＝炉内環境)から保護すると共に、ヒータ線１４が発した熱を外部(炉内)へと放射させるためのものである。
【００１３】
放射管１２を構成する金属材料は、電熱装置１０の使用環境に応じて適宜選択されるが、本発明の電熱装置１０では、腐食性ガスが存在する環境で使用ができるように、この放射管１２を構成する金属材料として、例えばハステロイ(ヘインズ社登録商標；以下同じ)Ｃ２２などの高耐食性金属が用いられている。
【００１４】
また、この放射管１２の長手方向他端の開放端側には、管フランジ２２が設けられており、この管フランジ２２を介して、電熱装置１０が電気炉の炉壁(図示せず)などに取着される。
なお、図示実施形態では、この放射管１２を円筒体で構成する場合を示しているが、放射管１２の形態はこれに限定されるものではなく、必要に応じて、例えば、多角筒体などであってもよい。
【００１５】
ヒータ線１４は、ニクロム線やカンタル(サンドビック社登録商標)線などの金属線のほかに、例えばＳｉＣなどの発熱体を棒状に成形したもの等からなる長尺の発熱抵抗体であって、電流を流すことにより材料の種類等に応じて概ね８００℃〜１４００℃程度まで昇温する。図２に示すように、本実施形態では、このヒータ線１４が、後述するヒータ固定軸１６の軸周りに互いに等しい間隔をあけて１２本設置されると共に、Ｎｉ(ニッケル)などの導電性と耐食性とに優れた材料で形成されたヒータ渡りプレート(図示せず)を介して電気的に直列にて接続される。そして、このヒータ線１４の長手方向一端(図１の実施形態では下端)にプラグ２４が取り付けられ、このプラグ２４の端子２４ａに図示しない電源からの配線が接続される。
なお、このヒータ線１４を金属線で形成する場合、その形状は、図示実施形態のようにストレートな単線(棒状)であってもよいし、金属線を螺旋状に巻回した物であってもよい。
また、図示実施形態では、放射管１２内に１２本のヒータ線１４を配設する場合を示しているが(図２参照)、放射管１２内に配設するヒータ線１４の本数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適宜増減することができる。
【００１６】
ヒータ固定軸１６は、後述するセラミック碍子１８を介してヒータ線１４を支持する長尺部材で、ステンレス丸棒材からなる芯材１６ａと、その芯材１６ａの表面を被覆する絶縁体として機能するセラミック製の絶縁被覆管１６ｂとで構成される。
このヒータ固定軸１６は、放射管１２の中心軸線上に配設されると共に、所定の間隔をあけて後述する複数のセラミック碍子１８が取り付けられる。
【００１７】
セラミック碍子１８は、ヒータ固定軸１６と協働して放射管１２内の所定位置でヒータ線１４を絶縁固定するディスク状の器具である。本実施形態では、図２に示すように、このセラミック碍子１８が、平面視で真円形状に形成されると共に、図１に示すように、その周縁の形状が、厚さ方向中央が最大外径となり、表裏両面側へ向かうに従ってその外径が漸次縮径するように形成される。つまり、周面全体がＲ形状にて形成されている。
【００１８】
また、このセラミック碍子１８には、その中心に上記ヒータ固定軸１６が挿通される中央孔２６と、その中央孔２６と同じ中心を持つ円周上に均等に分布された１２個のヒータ線保持孔２８とが穿設されている。
そして、このセラミック碍子１８は、放射管１２の軸方向から見たその外径が、後述する保護シート２０を取着した放射管１２の内径よりも小さく設定されており、ヒータ線１４を作動させていない常温状態(すなわち、常態)において、両者が接触しない大きさとなっている。
【００１９】
なお、図示実施形態では、放射管１２内において、ヒータ固定軸１６に対して６個のセラミック碍子１８が装着される場合を示しているが、このヒータ固定軸１６に装着させるセラミック碍子１８の数はこれに限定されるものではなく、例えば、５個以下であってもよいし、７個以上であってもよい。但し、ヒータ線１４の発熱による熱量を吸収し当該電熱装置１０の熱効率を阻害することの無いよう個数については配慮する必要がある。
【００２０】
保護シート２０は、電熱装置１０の使用によって放射管１２の内表面に生成される金属酸化物が遊離・脱落して当該放射管１２内で堆積しないように遮蔽する金属シート部材である。この保護シート２０は、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６やインコネル(「INCONEL」はスペシャルメタルズ社登録商標；以下同じ)６０１などの、特に高温での酸化に強い高耐熱性金属によって構成される。
【００２１】
この保護シート２０は、図１に示すように、放射管１２の内表面に積層されるものであり、とりわけ放射管１２の内周面に積層されるものは、矩形に形成した保護シート２０を巻回すると共に、巻回方向における第１の端辺部２０ａ及びそれと対をなす第２の端辺部２０ｂの両方をフリーの状態とした筒状に形成される。なお、その際に、図２に示すように、保護シート２０の巻回方向の長さ(横の長さ)は、第１の端辺部２０ａと第２の端辺部２０ｂとが互いに少し重なる程度の長さにするのが好ましい。
【００２２】
ここで、保護シート２０が或る程度の厚みを有する場合には、保護シート２０の外径が放射管１２の内径と合致するように予め筒状に成形して置き、筒状に成形された保護シート２０を放射管１２内に嵌挿すればよい。逆に、保護シート２０の厚みが薄く柔軟性を有する場合には、矩形に形成された保護シート２０を丸めて放射管１２内に挿入し、保護シート２０自体の弾性回復力を利用して放射管１２の内周面に保護シート２０を密着・積層させればよい。なお、この保護シート２０の厚みについては、必要に応じて適宜設定されるものであるが、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲であるのが好ましい。この保護シートの厚みが０．１ｍｍ未満の場合には、高温耐性のある金属であっても厚みが薄い場合には酸化による金属自身の強度低下や部分脱落が起きる可能性が高くなり、逆に２．０ｍｍを超える場合には、発熱体(ヒータ線１４)自身の熱容量が増加し、熱効率が低下する恐れがあるからである。
【００２３】
また、この保護シート２０の材料として上述のＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６やインコネル６０１を用いると共に、放射管１２の材料として上述のハステロイＣ２２を用いれば、保護シート２０を形成する金属の熱膨張係数が、放射管１２を形成する金属の熱膨張係数よりも大きくなるので好ましい。なぜなら、図３に示すように、放射管１２の内周面に積層する保護シート２０の放射管１２円周方向の長さ(＝巻回方向の長さ)が少し足りずに第１の端辺部２０ａと第２の端辺部２０ｂとの間に小さなギャップが生じるような場合でも、電熱装置１０を作動させてヒータ線１４を昇温させると、放射管１２と保護シート２０との熱膨張係数の差によって、保護シート２０の方がより熱膨張して上記のギャップを埋めることができる。
【００２４】
以上のように構成された本実施形態の電熱装置１０によれば、放射管１２の内表面に、高耐熱性金属からなる保護シート２０を積層しているので、放射管１２の内表面に形成される金属酸化物がセラミック碍子１８上に堆積するのを防止することができる。加えて、その保護シート２０のうち、放射管１２の内周面１２ａに積層されるものは、当該保護シート２０を巻回すると共に、巻回方向における第１の端辺部２０ａ及びそれと対をなす第２の端辺部２０ｂの両方をフリーの状態とした筒状に形成されているので、放射管１２を形成する高耐食性金属の熱膨張係数と保護シート２０を形成する高耐熱性金属の熱膨張係数とが異なる場合であっても、又、電熱装置１０の発熱作動時及び停止冷却時の何れにおいても、放射管１２の内周面１２ａは当該保護シート２０によってしっかりと被覆・保護される。このため、セラミック碍子１８上に金属酸化物が堆積するのを極小化することができる。そして、その結果、様々なトラブルの原因となる素子故障の発生を最大限遅延させることができ、長期間の安定した稼働が可能となる。
【００２５】
なお、上述の実施形態では、放射管１２の内周面１２ａに積層する保護シート２０について、当該保護シート２０の巻回方向における第１の端辺部２０ａ及び第２の端辺部２０ｂの両方をフリーの状態とする場合を示したが、本発明の電熱装置１０では、保護シート２０の巻回方向における第１の端辺部２０ａ及びそれと対をなす第２の端辺部２０ｂのうち少なくとも一方をフリーの状態としていればよい。そうすることにより、放射管１２を形成する高耐食性金属の熱膨張係数と保護シート２０を形成する高耐熱性金属の熱膨張係数とが異なる場合であっても、又、電熱装置の発熱作動時及び停止冷却時の何れにおいても、放射管１２の内周面１２ａをしっかりと被覆・保護することができると言った作用を奏する。
【００２６】
上述の実施形態では、放射管１２の内周面１２ａに配設する保護シート２０として矩形に形成した物を用いる場合を示しているが、当該保護シート２０の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、保護シート２０の巻回方向における第１の端辺部２０ａ(厳密に言えば「内側端辺部」)が斜辺となるように当該保護シート２０を台形状に形成するようにしてもよい。こうすることによって、例えば、発熱体(ヒータ線１４)の温度上昇時、当該保護シート２０が熱膨張する際に当該保護シート２０同士の摂動を容易にすると言った作用・効果を奏することができる。
また、図４に示す例では、第１の端辺部２０ａ(内側端辺部)の端辺をストレートな線状に形成する場合を示しているが、この端辺をＲ形状としてもよい。こうすることによって、例えば、上述の台形形状と同じく、発熱体(ヒータ線１４)の温度上昇時、当該保護シート２０が熱膨張する際に当該保護シート２０同士の摂動を容易にすると言った作用・効果を奏することができる。
【００２７】
上述の実施形態では、ヒータ線１４やヒータ固定軸１６として、丸棒状のものを用いる場合を示しているが、ヒータ線１４やヒータ固定軸１６の形状はこれに限定されるものではなく、例えば角棒状のものを用いるようにしてもよい。但し、その場合、セラミック碍子１８の中央孔２６やヒータ線保持孔２８の形状も真円形状ではなく、角棒状のヒータ線１４やヒータ固定軸１６の外形に沿った形状のものとなる。
【００２８】
また、上述の実施形態では、図１に示すように、管フランジ２２やプラグ２４を放射管１２の下側に配置して、図示しない電気炉内で電熱装置１０が立設される場合を示しているが、電気炉内における本発明の電熱装置１０の設置態様はこれに限定されるものではなく、例えば、管フランジ２２やプラグ２４を、図１のものとは天地を逆にした放射管１２の上側に配置して、図示しない電気炉内で電熱装置１０を垂設するようにしてもよい。なお、この場合、放射管１２の底面への保護シート２０の積層は不要であり、内周面１２ａのみで足りる。
また、電熱装置１０への給電はプラグ２４を介して行われるが、このプラグ２４を放射管１２の長手方向両端に設け、放射管１２の長手方向両側から給電するようにしてもよい。
更に、図１の実施形態では、ヒータ線１４の先端(上端)が放射管１２の天井面に達している構造のものを示しているが、このヒータ線１４及びこれを支持するヒータ固定軸１６の先端(上端)と放射管１２の天井面との間にスペースが設けられる構造のものであってもよい。なお、かかる場合、放射管１２の天井面に積層する保護シート２０については、別途、固定手段が必要となる。電熱装置１０の電気炉内で垂設する場合もヒータ線１４及びこれを支持するヒータ固定軸１６の先端(下端)と放射管１２の底面との間にスペースを設けるようにしてもよい。
【００２９】
その他に、本発明は、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。
【符号の説明】
【００３０】
１０：電熱装置，１２：放射管，１４：ヒータ線，１６：ヒータ固定軸，１８：セラミック碍子，２０：保護シート，２０ａ：(保護シートの巻回方向における)第１の端辺部，２０ｂ：(保護シートの巻回方向における)第２の端辺部．
【要約】
本発明は、高耐食性金属からなる放射管(１２)と、その放射管(１２)内に配置されるヒータ線(１４)と、表面が絶縁体で被覆され、上記の放射管(１２)の中心軸線上に配設されるヒータ固定軸(１６)と、そのヒータ固定軸(１６)に所定の間隔で取り付けられて上記ヒータ線(１４)を支持するディスク状のセラミック碍子(１８)とを備える、電熱装置であって、上記の放射管(１２)の内表面には、高耐熱性金属からなる保護シート(２０)が積層されており、その保護シート(２０)のうち、上記の放射管(１２)の内周面(１２ａ)に積層されるものは、当該保護シート(２０)を巻回すると共に、巻回方向における第１の端辺部(２０ａ) 及びそれと対をなす第２の端辺部(２０ｂ)のうち少なくとも一方をフリーの状態とした筒状に形成されることを特徴とする。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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