專利名稱：加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及套管式加熱器、筒式加熱器等，具體地說，涉及使套管式加熱器、筒式加熱器等能在比以往高的溫度使用的技術(shù)。
背景技術(shù)：
套管式加熱器、筒式加熱器的使用由來已久。這些加熱器具有金屬線狀的發(fā)熱體和將該發(fā)熱體密閉的殼體以及充填在發(fā)熱體與殼體之間的由氧化鎂等氧化物構(gòu)成的電絕緣材料。殼體由金屬部分和電絕緣體部分構(gòu)成，上述發(fā)熱體的導(dǎo)線貫穿于電絕緣體部分中。用上述導(dǎo)線使發(fā)熱體通電，發(fā)熱體就會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。
通常，由于上述發(fā)熱體和殼體的金屬部分使用了一部分鎳、鉻和鐵，因此，當(dāng)發(fā)熱體和殼體金屬部分在850℃以上的高溫下長時(shí)間使用時(shí)，發(fā)熱體和殼體金屬部分會(huì)發(fā)生氧化，使得密封的加熱器內(nèi)的殘留空氣中的氧和上述電絕緣材料的氧被奪去，其結(jié)果，密封的殼體內(nèi)部減壓。并由此加速發(fā)熱體和殼體金屬部分中的鎳、鉻和鐵成分蒸發(fā)和飛散。
此時(shí)，鎳鉻鐵系發(fā)熱體和上述殼體金屬部分由于在高溫下使用，其表面會(huì)形成氧化鉻，該氧化鉻和鉻、鎳、鐵會(huì)蒸發(fā)，在上述電絕緣材料中擴(kuò)散。
由此，上述電絕緣材料會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)且由于從上述發(fā)熱體和殼體金屬部分蒸發(fā)、游離出來的具有導(dǎo)電性的鉻、氧化鉻、鎳和鐵向上述電絕緣材料飛散而會(huì)發(fā)生稱作黑化的現(xiàn)象，加速上述電絕緣材料的絕緣電阻劣化。
其結(jié)果，會(huì)有下述問題使用套管式加熱器、筒式加熱器時(shí)，在局部地有大的漏泄電流從發(fā)熱體通過電絕緣材料在殼體金屬部分流動(dòng)的情況下，發(fā)熱體會(huì)局部地產(chǎn)生大的焦耳熱，導(dǎo)致局部形成異常高的溫度，從而會(huì)有因上述鉻、鎳和鐵成分游離而變細(xì)的發(fā)熱體斷線之虞且有上述殼體溶斷、破裂之虞。
鑒于上述問題，本發(fā)明的課題是，減小充填在發(fā)熱體與殼體之間的電絕緣材料的絕緣電阻劣化，使套管式加熱器、筒式加熱器等加熱器可在比以往高的溫度下使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是這樣一種加熱器，其含有鉻和鋁的金屬發(fā)熱體與將該發(fā)熱體密閉的殼體之間充填有氧化物電絕緣材料，發(fā)熱體的導(dǎo)線貫穿殼體的電絕緣體部分，發(fā)熱體表面形成有由氧化鋁構(gòu)成的氧化膜，由于該氧化膜，發(fā)熱體表面被電絕緣且在發(fā)熱體處于發(fā)熱狀態(tài)時(shí)鉻等從發(fā)熱體的蒸發(fā)減少。由此，因從發(fā)熱體蒸發(fā)、游離的具有導(dǎo)電性的鉻等向電絕緣材料的蒸發(fā)而引起的電絕緣材料的稱作黑化的現(xiàn)象減少且因鉻等的蒸發(fā)而導(dǎo)致的作為發(fā)熱體與殼體之間的電絕緣材料的氧化物中的氧被奪去的情況減少。其結(jié)果，電絕緣材料出現(xiàn)絕緣電阻劣化的情況減少。
此外，由于殼體中電絕緣體以外的部分為含有鎳和鉻的金屬部分，使得殼體具有良好的導(dǎo)熱性，同時(shí)，由于殼體金屬部分的表面形成有氧化膜，使得發(fā)熱體發(fā)熱時(shí)因殼體金屬部分溫度上升而從該部分蒸發(fā)的鎳和鉻減少。由此，從殼體金屬部分蒸發(fā)、游離的具有導(dǎo)電性的鉻和鎳向電絕緣材料飛散所導(dǎo)致的電絕緣材料黑化的現(xiàn)象減少且因鎳和鉻的蒸氣而引起的作為充填在發(fā)熱體與殼體之間的電絕緣材料的氧化物中的氧被奪去的情況減少。其結(jié)果，電絕緣材料的絕緣電阻劣化的情況減少。
還有，由于發(fā)熱體表面形成有電絕緣性氧化膜，因此，線狀發(fā)熱體卷繞成螺旋狀時(shí)，發(fā)熱體的卷繞間距變得狹小。其結(jié)果，在發(fā)熱體電阻值不變的情況下，增大發(fā)熱體的直徑，并相應(yīng)地增大發(fā)熱體的長度，可減少發(fā)熱體的斷線。
再有，由于增大發(fā)熱體的直徑可使發(fā)熱體表面的單位面積發(fā)熱量減小，這樣，熱就容易從發(fā)熱體傳到殼體，其結(jié)果，由于發(fā)熱體中心相對(duì)于發(fā)熱體表面的溫度上升減小，發(fā)熱體的斷線得以減少。
此時(shí)，可使發(fā)熱體的電流密度和發(fā)熱體表面的單位面積的發(fā)熱量(發(fā)熱體的表面負(fù)荷密度)分別降低至原先的約一半。
另外，上述殼體中電絕緣體以外的部分為含有鎳和鉻的套管用筒狀金屬部分，如筒狀金屬部分的表面形成有氧化膜，則在發(fā)熱體與該套管用筒狀金屬部分之間充填電絕緣材料就變得容易。
還有，若上述套管用筒狀金屬部分為圓筒狀，則就更容易在發(fā)熱體與該套管用筒狀金屬部分之間充填電絕緣材料、確保發(fā)熱體與該套管用筒狀金屬部分之間電絕緣。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的套管式加熱器的切去部分正面的主視圖。
圖2是圖1的加熱器的左視圖。
圖3是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的筒式加熱器的將導(dǎo)線側(cè)放大了的側(cè)視圖。
圖4是將圖3的IV-IV截面結(jié)構(gòu)作了若干縮小的截面圖。
圖5是將圖4的V-V截面結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了的截面圖。
圖6是將圖4的VI-VI截面結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了的截面圖。
圖7是將使用筒式加熱器的金屬模縮小了的正面圖。
圖8說明測定筒式加熱器特性的方法。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的套管式加熱器的切去部分正面的主視圖。圖2是圖1的加熱器的左視圖。
在圖1中，加熱器1具有含有鉻和鋁的呈螺旋狀等線狀的金屬發(fā)熱體2、覆蓋發(fā)熱體2的含有鎳和鉻的套管用金屬管3、使發(fā)熱體2與管3之間電絕緣的電絕緣材料4、連接在發(fā)熱體2的圖示左端的第1導(dǎo)線7、連接在發(fā)熱體2的圖示右端的第2導(dǎo)線8、將管3的圖示左端部分密封的第1鉛玻璃5和將管3的圖示右端部分密封的第2鉛玻璃6。管3和第1、第2鉛玻璃5、6構(gòu)成殼體。
第1導(dǎo)線7貫穿第1鉛玻璃5，第2導(dǎo)線8貫穿第2鉛玻璃6。發(fā)熱體2的表面形成有電絕緣性氧化鋁膜。管3的表面形成有氧化鉻等的氧化膜。套管式加熱器1的直徑D例如為6.5mm，長度L例如為1000mm。
如圖2所示，管3為圓筒狀。
下面是第1實(shí)施方式的套管式加熱器的制造方法。
首先，準(zhǔn)備好套管用金屬性管3。管3的材質(zhì)例如是Incoloy 800(商品名)。Incoloy 800是含量以重量計(jì)，鎳和鈷之和為30-35％、鉻為19-213％、鐵在39.5％以上、碳在0.1％以下、錳在1.5％以下、硫在0.015％以下、硅在1.0％以下、銅在0.75％以下、鋁為0.15-0.6％、鈦為0.15-0.6％的合金。管3的尺寸例如為，外徑7.5mm，長1000mm。
將管3在1100℃電爐中加熱1.5小時(shí)，在其表面形成氧化膜。形成的氧化膜含有氧化鉻等。
接著，準(zhǔn)備好線狀發(fā)熱體2。發(fā)熱體2例如是鐵鉻鋁系合金。具體地說，發(fā)熱體2的材質(zhì)例如是JISFCH-1的NTK No.30(商品名)。NTK No.30是含量以重量計(jì)，鉻為23-26％、鋁為4-6％、碳在0.10％以下、硅在1.5％以下、錳在1.0％以下、其余為鐵的合金。發(fā)熱體2例如是，直徑0.8mm，長6400mm。
將發(fā)熱體2在直徑1.2mm的卷芯上卷繞成線圈狀后，洗滌、干燥，在1100℃電爐中加熱3小時(shí)，在發(fā)熱體2表面形成氧化膜。由于該氧化膜的材質(zhì)為氧化鋁，因此，該氧化膜為電絕緣體。這樣，將線狀發(fā)熱體2卷成線圈狀時(shí)，可使卷繞間距比以往的窄小，從而能夠使一定范圍內(nèi)可卷繞的發(fā)熱體2的長度增加，并可增大發(fā)熱體2的直徑。此外，電阻值與發(fā)熱體2的長度成正比，與發(fā)熱體2的截面積成反比。這樣，就能夠減少一定范圍內(nèi)可卷繞的一定電阻值的發(fā)熱體2斷線。
然后，將形成有氧化膜的發(fā)熱體2放入形成有氧化膜的管3內(nèi)，在管3與發(fā)熱體2之間的空隙充填作為電絕緣材料4的氧化鎂粉。接著，常溫下將管3用軋壓機(jī)等進(jìn)行軋壓，將管3的直徑減小至6.5mm，制成套管式加熱器1的半成品。由于通過軋壓使管3的直徑減小，可提高電絕緣材料4的密度，從而可提高電絕緣材料4的導(dǎo)熱度。這樣，就可防止發(fā)熱體2的溫度變得比管3的溫度異常地高，從而可減少發(fā)熱體2因發(fā)熱體2的溫度升高而斷線。
將該套管式加熱器1的半成品在850℃的大氣中熱處理4小時(shí)，減少電絕緣材料4中的水分后，將管3的兩端部分用第1和第2鉛玻璃5、6完全封口，并使第1和第2導(dǎo)線7、8分別貫穿鉛玻璃5、6。這樣，套管式加熱器1被作為殼體的管3和第1和第2鉛玻璃5、6密封。由此制成了長度1000mm的套管式加熱器1。
在第1導(dǎo)線7與第2導(dǎo)線8之間施加電壓，對(duì)發(fā)熱體2通電，讓發(fā)熱體2發(fā)熱，使管3的表面溫度達(dá)到950℃，充分穩(wěn)定后(約1小時(shí)后)，測定第1導(dǎo)線7(或第2導(dǎo)線8)與管3之間的絕緣電阻。
然后，停止對(duì)發(fā)熱體2的通電，待管3的表面溫度恢復(fù)至常溫后，測定第1導(dǎo)線7(或第2導(dǎo)線8)與管3之間的耐電壓。為了比較，也對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品(用不進(jìn)行氧化膜處理的管子和線狀發(fā)熱體制成的套管式加熱器)進(jìn)行了測定，結(jié)果見表1。
表1

改變管3的表面溫度，測定其時(shí)的絕緣電阻，結(jié)果見表2。
表2

由于如上所述，預(yù)先于大氣中在管3的表面和發(fā)熱體2的表面形成了氧化膜，因此，電絕緣材料4的絕緣劣化減少，其結(jié)果，使得套管式加熱器1可在超高溫區(qū)域(900-1100℃)使用，使用壽命顯著提高。上述表1和表2所示的效果對(duì)于后述的筒式加熱器11也是同樣的。
圖3是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的筒式加熱器的將導(dǎo)線側(cè)放大了的側(cè)視圖。圖4是將圖3的IV-IV截面結(jié)構(gòu)作了若干縮小的截面圖。圖5是將圖4的V-V截面結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了的截面圖。圖6是將圖4的VI-VI截面結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了的截面圖。
如圖3所示，在筒式加熱器11中，第1導(dǎo)線19貫穿口形絕緣子18的通孔18a，第2導(dǎo)線20貫穿口形絕緣子18的通孔18b。第1導(dǎo)線19和第2導(dǎo)線20為金屬棒狀體，是后述的發(fā)熱體12的導(dǎo)線。
如圖4所示，筒式加熱器11的結(jié)構(gòu)是發(fā)熱體12以螺旋狀卷繞于陶瓷芯13上，呈線圈狀，第1和第2導(dǎo)線19、20與發(fā)熱體2連接(參見圖3)，它們被放入套管用金屬管14(焊接著底板14a)中，管14內(nèi)充填有電絕緣材料15，管14的導(dǎo)線19、20的出口部分被鉛玻璃16密封。
圖4顯示的是圖3的沿第1導(dǎo)線19的截面圖，沿第2導(dǎo)線20的截面圖中的符號(hào)示于圖4的括號(hào)內(nèi)。
如圖6所示，4個(gè)通孔13a、13b、13c、13d在陶瓷芯13內(nèi)平行形成。股線19a貫穿通孔13a，股線19b貫穿通孔13b。股線20a貫穿通孔13c，股線20b貫穿通孔13d。股線19a、19b、19c、19d具有導(dǎo)電性，用于電連接。
如圖4所示，股線19a、19b的圖示左端部分焊接在第1導(dǎo)線19的圖示右端部分19x上，股線20a、20b的圖示左端部分焊接在第2導(dǎo)線20的圖示右端部分20x上(參見圖5)。
股線19a的圖示右端部分和股線19b的圖示右端部分在通孔13a、13b的右側(cè)連接，并與發(fā)熱體12的圖示右端部分12a連接。
股線20a和股線20b在通孔13c、13d的右側(cè)連接，并在通孔13c、13d的左側(cè)與發(fā)熱體12的左端部分12b連接。
將與管14同樣材質(zhì)的底板14a焊接，包覆管14的右端部分。管14的左端部分被鉛玻璃16封口，口形絕緣子18通過陶瓷粘合劑17固定于鉛玻璃16和管14上。
下面是第2實(shí)施方式的筒式加熱器11的制造方法。
首先，準(zhǔn)備好管14。管14例如是，材質(zhì)為Incoloy 800，外徑12mm，長120mm。在該管14的圖4所示的右端部分焊接與管14同樣材質(zhì)的底板14a，在1100℃電爐中加熱1.5小時(shí)，在管14和底板14a的表面形成氧化膜。
然后，準(zhǔn)備好發(fā)熱體12。發(fā)熱體12的具體材質(zhì)例如是Kanthal AF線(商品名)。Kanthal AF是含22重量％的鉻、5.3重量％的鋁、其余為鐵的合金。
在陶瓷芯(例如，直徑5-6mm，長60mm)的外周以例如間距0.4mm卷繞線狀發(fā)熱體12(外徑例如為0.3mm)，洗滌、干燥后，在1150℃電爐中加熱3小時(shí)，在發(fā)熱體12表面形成氧化膜。此時(shí)的氧化膜由于其材質(zhì)為氧化鋁，因此是電絕緣體。此外，用股線19a、19b、20a、20b將第1和第2導(dǎo)線19、20與發(fā)熱體12連接。
接著，將卷繞有發(fā)熱體12的陶瓷芯13插入上述管14的中心部，在陶瓷芯13和發(fā)熱體12與管14之間的空隙處充填作為電絕緣材料15的氧化膜，然后用軋壓機(jī)軋壓管14，使其直徑減小至10.2mm，再用研磨機(jī)將管14研磨成直徑9.95-10mm。
然后，在850℃電爐中干燥4小時(shí)，減少電絕緣材料15中的水分后，用鉛玻璃16將管14的第1和第2導(dǎo)線19、20的出口部分封口。之后，用陶瓷粘合劑17將口形絕緣子18固定于鉛玻璃16的圖示左側(cè)(參見圖4)，由于口形絕緣子18上形成有通孔18a、18b，因此，第1導(dǎo)線19貫穿通孔18a，第2導(dǎo)線20貫穿通孔18b(參見圖3)。
這樣，就制得筒式加熱器11(例如，直徑M為10mm，長度N為120mm，額度電壓為120V，額度功率為400W)。
圖7是將使用筒式加熱器的金屬?？s小了的正面圖，圖8說明測定筒式加熱器特性的方法。
在圖7和圖8中，金屬模21的尺寸是，內(nèi)徑T(金屬模21的中心的通孔22的直徑)為50mm，外徑為110mm(參見圖7)，長度P為90mm(參見圖8)。如圖7所示，在金屬模21的直徑80mm的圓周(與通孔22同心的圓周)上形成20個(gè)孔徑10.1mm的通孔23。
在各通孔23中插入一根筒式加熱器11。將串聯(lián)成2行的額度電壓120V、功率400W的筒式加熱器11作為1組，將10組筒式加熱器11并聯(lián)，連接于位相控制電路31的輸出端子(U-V間)。在圖8中，為簡便起見，只示出了1組筒式加熱器11。
位相控制電路31對(duì)施加在其輸入端子(R-S間)的輸入交流電壓(有效值200V)進(jìn)行位相控制，向其輸出端子(U-V間)輸出比輸入交流電壓低的輸出電壓(有效值)?？勺冸娮?6調(diào)節(jié)該輸出電壓的大小。此時(shí)，將輸出電壓(有效值)設(shè)定為輸入電壓(有效值)的70％。
溫度傳感器34測定金屬模21的溫度，例如可以是熱電偶。溫度調(diào)節(jié)計(jì)35將設(shè)定溫度設(shè)定在例如1000℃。溫度調(diào)節(jié)計(jì)35求出該設(shè)定溫度與溫度傳感器34測出的金屬模21的溫度之間的溫度差，并對(duì)位相控制電路31進(jìn)行PID控制，使上述溫度差為0。這里，“PID控制”是指將比例控制(P)、積分控制(I)和微分控制(D)進(jìn)行組合、使上述溫度差為0的控制。
在筒式加熱器11通電后的約45分鐘的時(shí)間內(nèi)，金屬模21的溫度會(huì)穩(wěn)定在1000℃。即使在該狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)720小時(shí)的耐久試驗(yàn)，發(fā)熱體12也不會(huì)出現(xiàn)斷線等異常。
此時(shí)，若施加在每根筒式加熱器11的電壓為70V的話，則每根筒式加熱器11上的電流為1.94A，消耗功率為136W。這樣，20根筒式加熱器11的消耗功率就約為2.7kW。
在上述實(shí)施方式中，殼體的套管用金屬部分的截面為圓形，本發(fā)明但不限于此，例如可以是六角形、八角形等多角形，橢圓形等。此外，在上述實(shí)施方式中，在套管用金屬部分的內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)加熱器，但本發(fā)明也不限于此，也可以并列設(shè)置多個(gè)發(fā)熱體。
如上所述，本發(fā)明的加熱器由于可在比以往高的1100℃使用，從而，不僅可以用于加熱至比以往高的溫度的用途，而且還有助于提高加熱器的壽命。
因此，本發(fā)明的加熱器可用于塑性成形的金屬模、半導(dǎo)體晶片制造工序、鈦板成形等熱尺寸加工成形工序、塑料成形工序、金屬淬火和回火用電爐、對(duì)液晶板的玻璃板進(jìn)行熱處理的焙燒爐、帶加熱器的高頻、復(fù)印機(jī)等。
權(quán)利要求
1.加熱器，其含有鉻和鋁的金屬發(fā)熱體(2，12)與將該發(fā)熱體(2，12)密閉的殼體(3，5，6，14，14a、16)之間充填有由氧化物構(gòu)成的電絕緣材料(4，15)，發(fā)熱體(2，12)的導(dǎo)線(7，8，19，20)貫穿殼體(3，5，6，14，14a，16)中的電絕緣體部分(5，6，16)，其特征在于，所述發(fā)熱體(2，12)的表面形成有由氧化鋁構(gòu)成的氧化膜。
2.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其特征在于，所述殼體(3，5，6，14，14a，16)中電絕緣體部分(5，6，16)以外的部分(3，14，14a)為含有鎳和鉻的部分，該金屬部分的表面形成有氧化膜。
3.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其特征在于，所述發(fā)熱體(2，12)為螺旋狀卷繞的線狀。
4.如權(quán)利要求2所述的加熱器，其特征在于，所述殼體(3，5，6，14，14a，16)中電絕緣體部分(5，6，16)以外的部分(3，14，14a)為筒狀，該筒狀部分的表面形成有氧化膜。
5.如權(quán)利要求4所述的加熱器，其特征在于，所述筒狀為圓筒狀。
全文摘要
一種可在比以往高的溫度下使用的加熱器，其含有鉻和鋁的金屬發(fā)熱體(2)與將該發(fā)熱體(2)密閉的殼體(3，5，6)之間充填有由氧化物構(gòu)成的電絕緣材料，發(fā)熱體(2)的導(dǎo)線(7，8)貫穿殼體(3，5，6)中的電絕緣體部分(5，6)，其特征在于，所述發(fā)熱體(2)的表面形成有由氧化鋁構(gòu)成的氧化膜。上述殼體(3，5，6)中電絕緣體部分(5，6)以外的部分為含有鎳和鉻的套管用金屬管(3)，其表面形成有氧化膜。該加熱器可用于塑性成形的金屬模等。
文檔編號(hào)H05B3/48GK1498515SQ01818799
公開日2004年5月19日 申請日期2001年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月13日
發(fā)明者奧田勝彥, 奧田 彥 申請人:三洋熱工業(yè)株式會(huì)社