JP5725199B2 - 管状ヒータ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、太陽電池の製造、ペットボトルの成形、暖房、複写機やプリンターのトナー定着などに使用される管状ヒータおよび加熱装置に関する。

管状ヒータは、筒状のガラス管の内部にフィラメントを配置した構造である。そのフィラメントは金属線を巻回することによって形成されたアンカーによって、ガラス管の中央に位置するように配置される。このアンカーはガラス管の管軸方向に沿って複数設けられるが、太陽電池の製造等に用いられるような全長が１０００ｍｍを超えるような大型の管状ヒータでは、その数が非常に多くなり、アンカーに用いる金属線の使用量の増大により、重量化やコストの影響が大きくなってしまう。

特開平０５−０８２１０６号公報

本発明が解決しようとする課題は、アンカーを構成する金属線の使用量を低減可能な管状ヒータおよび加熱装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、実施形態の管状ヒータは、長尺なガラス管と、前記ガラス管の内部に、管軸に沿うように配置されたフィラメントと、前記フィラメントに装着された複数のアンカーと、を具備し、前記アンカーは、フィラメントに接続される係止部と、一端は前記係止部と接続され、他端は前記ガラス管の管壁方向に延びる延出部と、前記延出部の他端から管壁に沿うように形成され、かつ前記管壁に接触することで前記フィラメントを前記ガラス管に対して保持する保持部と、を備えており、前記保持部は、前記ガラス管の中心Ｃによる中心角αが１８０°≦α＜３６０°を満たしている。

第１の実施形態の管状ヒータについて説明するための図である。 第１の実施形態の管状ヒータの一部分について説明するための図である。 第１の実施形態の管状ヒータの断面について説明するための図である。 保持部の中心角αを変化させたときのフィラメントの保持機能について説明するための図である。 実施例２と従来例の管状ヒータにおけるガラス管上下の温度について説明するための図である。 アンカーの他の例について説明するための図である。 第２の実施形態の管状ヒータについて説明するための図である。 第２の実施形態の管状ヒータの断面について説明するための図である。 第３の実施形態の管状ヒータを用いた加熱装置について説明するための図である。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の管状ヒータについて、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態の管状ヒータについて説明するための図、図２は、第１の実施形態の管状ヒータの一部分について説明するための図、図３は、第１の実施形態の管状ヒータの断面について説明するための図である。

管状ヒータ１は、主要部として例えば石英ガラスからなるガラス管１０を備えている。ガラス管１０は、全長が例えば１９００ｍｍである細長い管であり、筒状部１１とシール部１２とで構成されている。筒状部１１は、ガラス管１０の大部分を占める外径が例えば１２ｍｍの円筒状の部分である。その一部には、ガラス管１０内の排気・ガス導入を行うために用いられたチップ１１１が形成されている。シール部１２は、例えば幅が１２．５ｍｍの板状の封着部であり、筒状部１１の両端にピンチシールにより形成されている。なお、シール部１２は、シュリンクシールにより形成された円柱状であってもよい。

ガラス管１０の内部には空間１３が形成されている。この空間１３には、例えば、微量の臭素、ヨウ素などのハロゲン物質や、アルゴン、ネオン、窒素などのガスが封入されている。

シール部１２の内部には、金属箔２が封着されている。金属箔２は例えばモリブデンからなる薄板であり、シール部１２の板状面に沿うように配置されている。

ガラス管１０の内部にはフィラメント３が設けられている。フィラメント３は、例えばタングステンからなる金属線であり、主部３１とレグ部３２とで構成されている。主部３１は、点灯時に発熱する部分であり、その長さは例えば１８００ｍｍであり、空間１３に配置されている。レグ部３２は、主部３１に電力を給電する部分であり、主部３１の両端に位置され、金属箔２と接続されている。

また、ガラス管１０の内部にはサポート部材としてアンカー４が設けられている。アンカー４は、例えばタングステンからなる金属線であり、係止部４１と延出部４２と保持部４３とで構成されている。係止部４１は、フィラメント３の主部３１と接続される部分であり、主部３１の周回りに数ターン巻きつけられている。延出部４２は、係止部４１の一端により構成された部分であり、ガラス管１０の筒状部１１の管壁方向に延出されている。保持部４３は、延出部４２の他端により構成された部分であり、管壁近傍の延出部４２から管壁面に沿うように設けられている。このようなアンカー４は第一ピッチ（約１６ｍｍ）と第二ピッチ（約２９ｍｍ）を保つように、管軸方向に複数設けられ、フィラメント３の主部３１を空間１３の略中央に位置するように支持している。

金属箔２のレグ部３２が接続されていない側には、２本のリード線５が接続されている。リード線５は、例えばモリブデンやタングステンなどからなる金属線であり、他端側は管軸に沿うように、シール部１２から導出されている。

ここで、本実施形態では、アンカー４の保持部４３は、ガラス管１０の筒状部１１の中心をＣとしたとき、その中心Ｃを基準とする保持部４３の範囲（中心角α）が１８０°≦α＜３６０°を満たす円弧となっている。例えば、図３に示すように、中心角αが２７０°の優弧である。つまり、保持部４３の自由端側は、固定端側、すなわち延出部４２と保持部４３の境界部４４までは至っていない。このようなアンカー４が管軸に沿って複数設けられている。

この実施例１の管状ヒータ１を製造および点灯したところ、フィラメント３の位置が軸線上からずれたり、点灯中にフィラメント３が撓んだりする等の不具合は特に発生しなかった。その一方で、保持部４３において金属線を１．５周程度は巻回していた従来の管状ヒータと比較して、アンカー一個あたりで数ｃｍの削減ができた。つまり、アンカーを数十個設けた場合にはアンカーに用いる金属線を１ｍ程度の削減も可能となるため、軽量化や部材コストの削減をすることができた。

次に、アンカー４の保持部４３の中心角αを変化させたときのフィラメント３の保持機能について試験を行った。その結果を図４に示す。

結果から、中心角αが９０°ではフィラメント３の保持機能が不十分であるが、中心角αが１８０°以上であれば保持機能は特段問題ないことがわかる。中心角αが９０°の場合に保持機能が不十分となったのは、保持部４３がガラス管内壁に接触しにくくなる場合があるためである。なお、中心角αが３６０°でもフィラメント３の保持が可能であるが、金属線の使用量の削減効果は薄い。したがって、保持部４３は、筒状部１１の中心Ｃによる中心角αが１８０°≦α＜３６０°を満たすのが望ましい。

なお、このような管状ヒータ１では、点灯中の筒状部１１の管壁において従来型の管状ヒータよりも温度差を大きくすることができるという付随効果が得られる。その結果を図５に示す。

図５は、実施例２と従来例の管状ヒータにおけるガラス管上下の温度について説明するための図である。なお、実施例２は、図６（ａ）のように中心角αが１８０°のアンカーを、従来例は図６（ｂ）のように中心角αが３６０°のアンカーを、その向きをそろえて管軸方向に複数設けた管状ヒータである。温度はサーモビューアーを用いて測定している。

結果から、従来例よりも実施例２の方が筒状部１１の上部と下部の温度差が大きくなることがわかる。より詳しくは、実施例２でも従来例でも延出部４２と保持部４３の境界部分である境界部４４近傍のガラス管壁で温度が高く、その反対側のガラス管壁で温度が低い結果となってはいるものの、それらの温度差は実施例２の方が大きい。これは、フィラメント３の熱は、延出部４２を介して境界部４４に伝わり、その境界部４４から保持部４３に伝わっていくが、実施例２では一本の金属線を介して熱が境界部４４の反対側に伝わっていくのに対し、従来例では中心角αが３６０°であるため、二本の金属線を介して熱が境界部４４の反対側に伝わっていくためである。つまり、実施例２では延出部４２を介して伝わるフィラメント３の熱がガラス管１０の反面にしか伝わらないのに対し、従来例では全面に伝わるために、実施例は従来例よりも温度差が大きくなる結果となったと考えられる。なお、境界部４４が下向きの方が上向きの場合によりも温度差が大きくなるのは、下向きのときは重力によって境界部４４がガラス内壁に接触し、ガラス管１０の下側がより加熱されやすいためである。この実施例２のランプのような、ガラス管壁の円周方向において温度勾配が形成される特性を利用することで、その境界部４４の配置次第で、ある部分を集中的に加熱したり、反対に温度を下げたり、温度の均一性を高める加熱をしたりすることができる。なお、図５のような結果は、中心角αが１８０°≦α＜３６０°の場合には同様の結果が得られる。

第１の実施形態においては、筒状部１１の中心Ｃによる中心角αが１８０°≦α＜３６０°を満たすように保持部４３を形成したことで、フィラメント３を十分に保持しながら、アンカー４を構成する金属線の総使用量を大きく低減することができる。また、延出部４２の他端である境界部４４とその反対側のガラス管壁において温度差を生じさせることができるため、その特性を利用して集中的に加熱したり、反対に温度を下げたり、温度の均一性を高めた加熱をしたりすることができる。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態の管状ヒータについて説明するための図である。この第２の実施形態の各部について、第１の実施形態の管状ヒータの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

この実施形態では、ガラス管１０の筒状部１１の外表面の一部に、管軸に沿って反射膜６を形成している。この反射膜６は、シリカ、アルミナなどの酸化物をディップや吹き付け等の方法により形成した白色を呈する反射膜である。その筒状部１１の円周における形成範囲は、図８に示すように例えば１８０°であるが、目的にあわせて９０°〜３００°の範囲で変化させることが可能である。また、アンカー４の境界部４４を、反射膜６が形成されたガラス管１０を反射領域ＲＡではなく、それ以外の領域である照射領域ＬＡ側に位置させている。

反射膜６は、石英ガラスであるガラス管１０と比較して耐熱性が低く、高温になるとガラス管１０から剥がれやすくなるため、温度は低い方がよい。一方、反射膜６が形成されていないガラス管１０の開口側は、被照射物を加熱する側なので、赤外線による加熱に加え、伝導・対流による加熱効果が生じさせるために、温度を高くした方がよい。上述したように、境界部４４付近のガラス管壁は高温になり、反対側は低温になる傾向があるため、このような構造にすることで、反射膜６の剥離を抑制しつつ、加熱効率を高めることができる。

第２の実施形態においては、ガラス管１０の外表面に反射膜６を形成し、ガラス管１０の円周における反射膜６が形成されたガラス管１０の領域を反射領域ＲＡ、それ以外を照射領域ＬＡとしたとき、アンカー４の境界部４４を照射領域ＬＡ側に配置したことで、反射膜６の剥離を抑制しつつ、加熱効率を高めることができる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態の加熱装置について説明するための図である。

定着装置は、筐体７と管状ヒータ１により構成されている。

筐体７は、例えばステンレスからなるケースであり、壁部７１とその端辺に接続される側壁部７２とで構成されている。壁部７１と対向する側には、開口部７３が設けられている。

管状ヒータ１は、第１の実施形態と同様のヒータであり、筐体７の内部空間に管軸が略平行になるように複数配置されている。

その際、管状ヒータ１は、アンカー４の境界部４４が壁部７１に対向する領域である反射領域ＲＡに位置し、開口部７３に対向する領域である照射領域ＬＡには位置しないように配置されている。通常、被照射体においては、管状ヒータ１の直下が温度高く、隣接する管状ヒータ１間の直下で温度低くなりやすいが、このような配置にすることで直下の温度を下げることができるため、被照射体の温度の不均一を緩和することができる。

第３の実施形態においては、アンカー４の境界部４４が壁部７１側を向くように管状ヒータ１を配置したことで、被照射体の温度を均一化することができる。なお、被照射体への加熱に関し、温度が高いことが要求され、均一であることは要求されない場合には、境界部４４が開口部７３の方向に向くように管状ヒータ１を配置しても良い。

本発明は上記実施態様に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

フィラメント３の主部３１は、全てコイル状の部分としているが、途中に単なる線状である非発光部を設けるようにしてもよい。この場合、アンカー４の保持部４３は、コイル状の部分に設けるのがよい。その際、各コイル状の部分に取り付けるアンカー４の数は、１つでも複数であっても良い。

保持部４３は円弧に限らず、三角形状や四角形状などの多角形であってもよい。つまり、その角となる部分でガラス管１０の内壁面と接触させるようにしてもよい。そのような形状であると、円形状と比較して、さらにアンカー４に使用する金属線の使用量を低減することが可能となる。

境界部４４は、複数のアンカー４のうち、すべてが必ずしも同じ方向を向いている必要はなく、ばらつき程度や全体のうちの数割程度は別の方向を向いていてもよい。例えば、第２の実施形態においては照射領域ＬＡ、第３の実施形態においては反射領域ＲＡに、複数のアンカー４のうち、半分以上の境界部４４が配置されていればよい。ただし、全てのアンカー４でほぼ同じ方向を向くように管理されるのが、反射膜６への伝熱を抑制したり、被照射体への温度不均一を抑制するうえで最適である。また、境界部４４の方向をランダムにしてもよい。この配置であると、アンカー４によってフィラメント３を支持できない領域が連続して発生し、フィラメント３が撓むことを防止することができる。

また、中心Ｃを基準とする保持部４３の範囲（中心角α）は、１８０°≦α＜３６０°を満たした円弧としたが、より好適には、２２５°≦α≦３１５°の円弧がよい。中心角αを２２５°以上としたのは、中心角αが１８０°の場合に、管状ヒータ１を水平配置した際に、保持部４３が下方に存在しない状態となると、フィラメント３の自重による撓みを十分に抑制できないことがあり得るためである。また、中心角αを３１５°以下としたのは、中心角αが３６０°未満でかつ３６０°に近い場合に、アンカー４の製造時におけるばらつきによって、中心角αが３６０°以上となる場合があるため、アンカー４の製造時におけるバラツキを考慮して、点灯中の筒状部１１の管壁において従来型の管状ヒータよりも温度差を大きくするという効果を得るためである。

また、複数のアンカー４の境界部４４を軸方向に沿って揃えてもよい。この場合は、管状ヒータ１を水平配置する際に、各アンカー４の境界部４４が下方になるように配置する。好ましくは、境界部４４と保持部４３の自由端との間の開口部が上方になるように配置する。これにより、自重により撓もうとするフィラメント３をアンカー４によって確実に保持することができる。

また、各アンカー４の線径ｄ（図３参照）は、フィラメント３を確実に保持するために、太くすることがよい。例えば、各アンカー４の線径ｄは、０．３２ｍｍ以上、より好適には０．３６ｍｍ以上がよい。各アンカー４の線径ｄが太くなることで、フィラメント３に対する保持力を増加することができ、フィラメント３をアンカー４によって確実に保持することができる。なお、アンカー４に使用する金属線の使用量を低減することとの両立を図るため、各アンカー４の線形は０．４２ｍｍ以下がよい。

また、各アンカー４のフィラメント３に対する配置密度は、フィラメント３を確実に保持するために、高くすることがよい。例えば、フィラメント３の主部３１の長さをＬとし（図１参照）、長さＬに対して設けられるアンカー４の数をｎとした場合に、配線密度としてＬ／ｎを１７ｍｍ／個以下、より好適には１４ｍｍ／個以下がよい。各アンカー４のフィラメント３に対する配置密度が高くなることで、フィラメント３に対する保持力を増加することができ、フィラメント３をアンカー４によって確実に保持することができる。なお、アンカー４に使用する金属線の使用量を低減することとの両立を図るため、１０ｍｍ／個以上がよい。

この発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 管状ヒータ
１０ ガラス管
２ 金属箔
３ フィラメント
４ アンカー
４２ 延出部
４３ 保持部
４４ 境界部
５ リード線

Claims (2)

1. 長尺なガラス管と、前記ガラス管の内部に、管軸に沿うように配置されたフィラメントと、前記フィラメントに装着された複数のアンカーと、前記ガラス管の外表面に形成された反射膜と、を具備し、
   前記アンカーは、前記フィラメントに接続される係止部と、一端は前記係止部と接続され、他端は前記ガラス管の管壁方向に延びる延出部と、前記延出部の他端から管壁に沿うように形成され、かつ前記管壁に接触することで前記フィラメントを前記ガラス管に対して保持する保持部と、を備えており、
   前記保持部は、前記ガラス管の中心Ｃによる中心角αが２２５°≦α＜３１５°を満し、
   前記ガラス管の円周における前記反射膜が形成された前記ガラス管の領域を反射領域、当該反射領域以外を照射領域としたとき、前記アンカーの前記延出部の他端は、前記照射領域側に配置されている管状ヒータ。
2. 前記複数のアンカーは、前記アンカーの前記延出部の他端が軸方向に沿って揃っており、前記管状ヒータが水平配置された際に、前記アンカーの前記延出部の他端が下方になるように形成されている請求項１に記載の管状ヒータ。

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