阅读说明：本技术 护套加热器 (Sheath heater ) 是由 花待年彦 关谷健二 桥本大辅 平野智资 泷本优 高原刚 荒木良仁 巽新 川崎孝 外 于 2018-04-03 设计创作，主要内容包括：提供一种提高了可靠性的细径护套加热器。本发明的一个实施方式的护套加热器具备金属护套、发热丝、绝缘材料以及连接端子,所述发热丝为带状,以具有间隙的方式配置于所述金属护套内,并相对于所述金属护套的轴向旋转而配置在所述金属护套内,所述绝缘材料配置于所述间隙中,所述连接端子配置于所述金属护套的一端,分别与所述发热丝的两端电连接。(Provided is a small-diameter sheath heater with improved reliability. A sheath heater according to an embodiment of the present invention includes a metal sheath, a heater wire, an insulating material, and connection terminals, wherein the heater wire is arranged in the metal sheath in a band shape with a gap and is arranged in the metal sheath so as to rotate in an axial direction of the metal sheath, the insulating material is arranged in the gap, and the connection terminals are arranged at one end of the metal sheath and are electrically connected to both ends of the heater wire, respectively.)

护套加热器

技术领域

本发明涉及护套加热器。尤其涉及细径护套加热器。

背景技术

护套加热器一般为在金属管状的护套(sheath)内保持发热丝且在金属护套和发热丝的间隙中填充导热性好的绝缘材料的结构。由于发热体的表面电绝缘，因此护套加热器可直接加热气体、液体、金属等。此外，护套加热器可布局(layout，设计、造型)为任意的形状，且由于其便利性，因此被用于各种用途。因此，为了能够布局为对应各种需求的更为复杂的形状，对直径更小的护套加热器的需求日益增长。另一方面，由于护套加热器通过向发热丝通电而加热，因此也需要提高发热丝的耐久性的措施。

例如，在专利文件1中公开了在单一的金属护套内具备多个发热丝的护套加热器。通常，使用多个发热丝中的一根进行加热，目的在于当这根发热丝断线时，通过将电源回路切换到其他发热丝而容易且快速地恢复。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1：日本特开2002-151239号公报

发明内容

(发明所要解决的问题)

然而，专利文献1记载的护套加热器考虑的是发热丝的断线的情形下的应对措施，而没有考虑抑制发热丝的断线。此外，也未涉及护套加热器的细径化。

本发明的实施方式的问题之一为提供提高了可靠性的细径护套加热器。

(解决问题所采用的措施)

本发明的一个实施方式提供一种具备金属护套、发热丝、绝缘材料以及连接端子的护套加热器，所述发热丝为带状，以具有间隙的方式配置于所述金属护套内，并相对于金属护套的轴向旋转而配置在所述金属护套内，所述绝缘材料配置于间隙中，所述连接端子配置于金属护套的一端，分别与发热丝的两端电连接。

此外，在另一形态中，发热丝也能够以双重螺旋结构配置于在金属护套内呈现为两列(双轴)的区域中。

此外，在另一形态中，绝缘材料可为无机绝缘粉末。

此外，在另一形态中，金属护套可为铝，发热丝可为镍铬合金，绝缘材料可为氧化镁。

附图说明

图1A为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图1B为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图2A为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图2B为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图2C为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图2D为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图3A为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图3B为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图4A为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图4B为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图4C为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图4D为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。

图5为示出本发明实施例一的护套加热器的剖视结构图。

图6A为本发明实施例一的护套加热器的CT扫描图像。

图6B为本发明实施例一的护套加热器的3D图像。

具体实施方式

以下，参照附图对本申请中公开的发明的各实施方式进行说明。但是，本发明可在不超出其要旨的范围内，通过各种方式来实施，并不限定于下文中列举的实施方式的记载内容而进行解释。

此外，为了更明确地进行说明，与实际的形态相比，附图中存在对各部的宽度、厚度、形状等进行示意性地表示的情况，但仅仅是一个例子而不是限定本发明的解释的图。此外，在本说明书和各附图中，对具有与已经说明的附图相关而说明过了的构件相同机能的构件，标注相同的附图标记而省略重复的说明。

(第一实施方式)

(护套加热器的结构)

利用图1A、图1B及图2A～图2D，对本发明的第一实施方式的护套加热器的结构进行说明。本发明的第一实施方式的护套加热器具有加热机构。此外，第一实施方式的护套加热器可用于直接加热气体、液体、金属等。但是，第一实施方式的护套加热器并不限定为仅使用于上述被加热物。

图1A及图1B为示出本发明一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。如图1A及图1B所示，第一实施方式的护套加热器具有带状的发热丝20、绝缘材料30、金属护套40以及连接端子50。

参照图1A，发热丝20以具有间隙的方式配置于圆筒形的金属护套40内，发热丝20和金属护套40借助于配置于间隙的绝缘材料30而绝缘。在图1A中，金属护套40示为一端封闭的形状，但并不限定于此，也可为两端都开放的形状。发热丝20配置为沿圆筒轴方向往复于金属护套40内，发热丝20的两端配置于金属护套40的一端。即，在金属护套40的圆筒轴方向的大部分中，一根发热丝20配置成为两列(双轴)。配置于金属护套40内的各发热丝20配置成具有间隙，借助于配置在间隙的绝缘材料30而绝缘。

图1B为图1A的C-C’的剖视图。参照图1B，带状的发热丝20的宽度d1优选为0.1mm以上2.0mm以下的范围。带状的发热丝20的厚度d2优选为0.1mm以上0.5mm以下的范围。金属护套40的内径d3优选为3.0mm以上4.0mm以下的范围。金属护套40的厚度d4优选为0.5mm以上1.0mm以下的范围。金属护套40的外径d5优选为3.5mm以上5.0mm以下的范围。本实施方式的护套加热器120通过具有上述结构，能够实现维持了可靠性的细径化。通过使护套加热器120细径化，能够将护套加热器120布局为精细的图案形状。

在与圆筒轴正交的剖面中，金属护套40与配置于金属护套40内的各发热丝20的最短距离g1优选为0.3mm以上1.0mm以下的范围。金属护套40与发热丝20的最短距离g1更优选为0.4mm以上1.0mm以下的范围。通过使金属护套40与发热丝20的距离g1为0.3mm以上，可确保金属护套40与发热丝20的绝缘性。通过使金属护套40与发热丝20的距离g1为1.0mm以下，可使护套加热器120的直径细径化。本实施方式的护套加热器120通过使用带状的发热丝20，能够实现维持了可靠性的细径化。通过使护套加热器120细径化，能够将护套加热器120布局为精细的图案形状。

在与圆筒轴正交的剖面中，配置于金属护套40内的各发热丝20的距离g2优选为0.3mm以上2.0mm以下的范围。配置于金属护套40内的各发热丝20的最短距离g2更优选为0.4mm以上1.0mm以下的范围。通过使两列的发热丝20的距离g2为0.3mm以上，可确保发热丝20的绝缘性。通过使两列的发热丝20的距离g2为2.0mm以下，可使护套加热器120的直径细径化。本实施方式的护套加热器120通过使用带状的发热丝20，能够现维持了可靠性的细径化。通过使护套加热器120细径化，能够将护套加热器120布局为精细的图案形状。

在发热丝20的两端具备连接端子50a和连接端子50b，发热丝20的两端分别与连接端子50a及连接端子50b电连接。在此，不特别区分连接端子50a和连接端子50b时，统称为连接端子50。本实施方式的护套加热器120具有如下结构，即，两个连接端子50配置于护套加热器120的一端而成的双轴单端子型结构。护套加热器120的具有连接端子50的一端连接外部机器(加热器控制器、电源等)。护套加热器120利用外部机器供给的电力进行加热，由此控制护套加热器120的温度。

就金属护套40内发热丝20为两列(双轴)的区域而言，带状的发热丝20相对于金属护套40的圆筒轴方向旋转而配置。带状的发热丝20以发热丝20的长轴在金属护套40的圆筒轴的垂直方向旋转的状态，在圆筒轴方向上延伸。即，各发热丝20为卷绕成螺旋状的状态。两列的发热丝20的回转轴分别配置为大致平行于金属护套40的圆筒轴方向。通过以卷绕的状态配置发热丝20，可增加配置于金属护套40内的发热丝20的长度，提高护套加热器120的电阻值。进而，发热丝20通过以卷绕的状态配置而具有弹性，可抑制热膨胀时的断线。因此，例如，即使金属护套40与发热丝20的热膨胀系数的差异大，也可提供提高了可靠性的护套加热器120。

配置于金属护套40内的发热丝20以螺旋状旋转一次时的在金属护套40的圆筒长轴方向的长度、即旋转螺距L1优选为3.0mm以下。配置于金属护套40内的发热丝20的旋转螺距L1更优选为2.5mm以下，进而优选为2.0mm以下。通过使配置于金属护套40内的发热丝20的旋转螺距L1为3.0mm以下，可提供抑制热膨胀时的断线且提高了可靠性的护套加热器120。

图2A～图2D为示出本发明的一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。图2A～图2D为沿金属护套40的圆筒轴方向每次移动四分之一螺距(L1/4)的护套加热器120的剖视图。利用图2A～图2D，详细地对本实施方式中的发热丝20的配置进行说明。图2A的虚线表示发热丝20单次旋转为螺旋状时的发热丝20的轨道。参照图2A～图2D，若沿圆筒轴方向移动四分之一螺距(L1/4)，则各发热丝20以旋转轴为中心旋转90度。各发热丝20的旋转轴平行于圆筒轴方向，且相隔距离仅为两列(双轴)的发热丝20的距离g2。

发热丝20的宽度d1形成的面方向大致垂直于旋转面的法线。即带状的发热丝20的面为旋转面的切平面。进而，两列(双轴)的发热丝20的面方向大致平行。各发热丝20的中心轴沿金属护套40的圆筒轴方向旋转为螺旋状的方向大致一致，旋转螺距L1也大致相同。通过各发热丝20的旋转方向和旋转螺距L1一致，两列的发热丝20间的距离g2可保持不变，并可维持护套加热器120的可靠性。然而并不仅限定于此，各发热丝20的旋转方向和/或旋转螺距L1也可不同。本实施方式的护套加热器120通过满足上述条件，被设计为即使考虑发热丝20的旋转也可维持可靠性。

本实施方式的护套加热器120的剖面形状为圆形。由于护套加热器120的剖面形状为圆形，因此护套加热器120可容易地弯曲成期望的形状。然而护套加热器120的剖面形状并不限定于此，只要满足上述条件便可具有任意的形状，此外也可变形为任意的形状。

带状的发热丝20可使用通过通电来产生焦耳热的导电体。具体地，可包括从钨、钽、钼、铂、镍、铬和钴中选择的金属。金属也可为包含这些金属的合金，例如镍和铬的合金，也可为包含镍、铬和钴的合金。在本实施方式中，作为发热丝20的材料，使用镍铬合金。

为了抑制发热丝20与其他部件的电连接而配置绝缘材料30。即，可使用使发热丝20与其他部件充分绝缘的材料。进而，使用于绝缘材料30的材料的导热系数可优选为10W/mK以上。通过使用于绝缘材料30的材料的导热系数为10W/mK以上，可高效地将发热丝20产生的热能传递给金属护套40。作为绝缘材料30，可使用氧化镁、氧化铝、氮化硼、氮化铝等。在本实施方式中，作为绝缘材料30使用氧化镁(MgO)的粉末。氧化镁(MgO)的压坯的导热系数约为10W/mK。

使用于金属护套40的材料的导热系数可优选为200W/mK以上。通过使金属护套40所用的材料的导热系数为200W/mK以上，可高效地将发热丝20产生的热能传递给被加热物。

进而，金属护套40所用的材料的热膨胀系数可优选为25×10^-6/K以下。在本实施方式中，使用铝作为金属护套40的材料。然而并不限定于此，作为金属护套40的材料，可使用铝(Al)、钛(Ti)、不锈钢(SUS)等材料。通过使金属护套40所用的材料的热膨胀系数为25×10^-6/K以下，可抑制由金属护套40的热膨胀而造成的发热丝20的断线，并可提供可靠性高的护套加热器120。

如上所述，本实施方式的护套加热器120通过具有带状的发热丝20，能够实现细径化。通过使护套加热器120细径化，能够将护套加热器120布局为精细的图案形状。通过在护套加热器120内以旋转为螺旋状的状态而配置带状的发热丝20，可抑制热膨胀时的发热丝20的断线，例如，即使金属护套40与发热丝20的热膨胀系数的差异大，也可提供提高了可靠性的护套加热器120。

(第二实施方式)

(护套加热器的结构)

利用图3A、图3B和图4A～图4D，对本发明的第二实施方式的护套加热器的结构进行说明。图3A和图3B为示出本发明的一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。如图3A和图3B所示，第二实施方式的护套加热器与第一实施方式相同，具有带状的发热丝20、绝缘材料30、金属护套40以及连接端子50。由于第二实施方式的护套加热器130除金属护套40内的发热丝20的配置以外，都与第一实施方式相同，因此省略对于重复的结构及部件的说明，并主要对不同点进行说明。

参照图3A，发热丝20以具有间隙的方式配置于圆筒形的金属护套40内，发热丝20与金属护套40借助于配置在间隙的绝缘材料30而绝缘。在图3A中，金属护套40示为一端封闭的形状，但并不限定于此，也可为两端都开放的形状。发热丝20配置为沿圆筒轴方向往复于金属护套40内，发热丝20的两端配置于金属护套40的一端。即，在金属护套40的圆筒状方向的大部分中，一根发热丝20配置为两列(双轴)。配置于金属护套40内的各发热丝20配置成具有间隙，借助于配置在间隙中的绝缘材料30而绝缘。

图3B为图3A的C-C’的剖视图。参照图3B，带状的发热丝20的宽度d1优选为0.1mm以上2.0mm以下的范围。带状的发热丝20的厚度d2优选为0.1mm以上0.5mm以下的范围。金属护套40的内径d3优选为3.0mm以上4.0mm以下的范围。金属护套40的厚度d4优选为0.5mm以上1.0mm以下的范围。金属护套40的外径d5优选为3.5mm以上5.0mm以下的范围。本实施方式的护套加热器130通过具有上述结构，能够实现维持了可靠性的细径化。通过使护套加热器130细径化，能够将护套加热器130布局为精细的图案形状。

在与圆筒轴正交的剖面中，金属护套40与配置于金属护套40内的各发热丝20的最短距离g1优选为0.3mm以上1.0mm以下的范围。金属护套40与发热丝20的最短距离g1更优选为0.4mm以上1.0mm以下的范围。通过使金属护套40与发热丝20的距离g1为0.3mm以上，可确保金属护套40与发热丝20的绝缘性。通过使金属护套40与发热丝20的距离g1为1.0mm以下，可使护套加热器130的直径细径化。本实施方式的护套加热器130通过使用带状的发热丝20，能够实现维持了可靠性的细径化。通过使护套加热器130细径化，能够将护套加热器130布局为精细的图案形状。

在与圆筒轴正交的剖面中，配置于金属护套40内的各发热丝20的距离g2优选为0.3mm以上2.0mm以下的范围。配置于金属护套40内的各发热丝20的最短距离g2更优选为0.4mm以上1.0mm以下的范围。通过使两列(双轴)的发热丝20的距离g2为0.3mm以上，可确保发热丝20的绝缘性。通过使两列(双轴)的发热丝20的距离g2为2.0mm以下，可使护套加热器130的直径细径化。本实施方式的护套加热器130通过使用带状的发热丝20，能够实现维持了可靠性的细径化。通过使护套加热器130细径化，能够将护套加热器130布局为精细的图案形状。

在发热丝20的两端具备连接端子50a和连接端子50b，发热丝20的两端分别与连接端子50a和连接端子50b电连接。在此，不特别区分连接端子50a及连接端子50b时，统称为连接端子50。本实施方式的护套加热器130具有两个连接端子50配置于护套加热器130的一端而成的双轴单端子型结构。护套加热器130的具有连接端子50的一端连接外部机器(加热器控制器、电源等)。护套加热器130通过外部机器供给的电力进行加热，由此控制护套加热器130的温度。

就金属护套40内的发热丝20为两列(双轴)的区域而言，带状的发热丝20相对于金属护套40的圆筒轴方向旋转而配置。带状的发热丝20以发热丝20的长轴在金属护套40的圆筒轴的垂直方向旋转的状态，在圆筒轴方向上延伸。进而，各发热丝20的旋转轴以大致一致的状态得到配置。即，两列(双轴)的发热丝20为卷绕成双重螺旋状的状态。两列(双轴)的发热丝20的回转轴配置为大致平行于金属护套40的圆筒轴方向。通过以卷绕的状态配置发热丝20，可增加配置于金属护套40内的发热丝20的长度，提高护套加热器130的电阻值。进而，发热丝20通过以卷绕的状态配置而具有弹性，且热膨胀时的断线得到抑制。因此，例如，即使金属护套40与发热丝20的热膨胀系数的差异大，也可提供提高了可靠性的护套加热器130。

配置于金属护套40内的发热丝20以螺旋状旋转一次时在金属护套40的圆筒长轴方向的长度、即旋转螺距L2优选为6.0mm以下。配置于金属护套40内的发热丝20的旋转螺距L2更优选为2.5mm以下，进而优选为2.0mm以下。通过使配置于金属护套40内的发热丝20的旋转螺距L2为6.0mm以下，可抑制热膨胀时的断线，提供提高了可靠性的护套加热器130。进而，发热丝20在金属护套40内的两列(双轴)的区域内，各发热丝20的旋转轴方向上的最短距离L3优选为2.3mm以上。通过使两列(双轴)的发热丝20的距离L3为2.3mm以上，可确保发热丝20的绝缘性。

图4A～图4D为示出本发明的一个实施方式的护套加热器的剖视结构图。图4A～图4D为沿金属护套40的圆筒轴方向每次移动四分之一螺距(L2/4)的护套加热器130的剖视图。利用图4A～图4D，详细地对本实施方式中的发热丝20的配置进行说明。图4A的虚线表示发热丝20以螺旋状旋转一次时发热丝20的轨迹。参照图4)～图4D，若沿圆筒轴方向移动四分之一螺距(L2/4)，则各发热丝20以同一旋转轴为中心旋转90度。发热丝20的旋转轴与圆筒轴方向平行。

发热丝20的宽度d1形成的面方向大致垂直于旋转面的法线。即带状的发热丝20的面为旋转面的切平面。进而，两列(双轴)的发热丝20的面方向大致平行。各发热丝20的中心轴在金属护套40的圆筒轴方向旋转为双重螺旋状的方向错开180°，且旋转螺距L2大致相同。即，各发热丝20的旋转错开1/2螺距。通过使各发热丝20的旋转螺距L2一致，两列(双轴)的发热丝20间的距离g2可保持不变，并可维持护套加热器130的可靠性。然而并不限定于此，各发热丝20的旋转方向的错开也可不是180°。本实施方式的护套加热器130只要满足L3为g2以上，便可被设计为即使考虑发热丝20的旋转也可维持可靠性，所述L3为两列的发热丝20的、金属护套40的圆筒轴方向的最短距离。

本实施方式的护套加热器130的剖面形状为圆形。通过使护套加热器130的剖面形状为圆形，护套加热器130可容易地弯曲成期望的形状。然而护套加热器130的剖面形状并不限定于此，只要满足上述条件便可具有任意的形状，此外也可变形为任意的形状。

如上所述，本实施方式的护套加热器130通过具有带状的发热丝20而可来实现细径化。通过使护套加热器130细径化，能够将护套加热器130布局为精细的图案形状。通过在护套加热器130内以旋转为双重螺旋状的状态配置带状的发热丝20，能够抑制热膨胀时的发热丝20的断线，例如，即使金属护套40与发热丝20的热膨胀系数的差异大，也可提供提高了可靠性的护套加热器130。

作为本发明的实施方式，上述各实施方式只要不相互矛盾，便可适当地组合而实施。此外，基于各实施方式，只要具备本发明的要旨，则本领域技术人员进行了适当构件的追加、删除或者改变设计的方式同样属于本发明的范围。

此外，即使具有与上述各实施方式所带来的作用效果不同的其他作用效果，对于从本说明书的记载中显而易见的或者本领域技术人员容易预测而得到的效果，理所当然地理解为是由本发明所带来的效果。

实施例

以下，基于实施例及比较例而更详细地对本发明进行说明，但本发明并不限定于此，在不超出要旨的范围内可适当变更。

(实施例一)

图5为示出本发明的实施例一中的护套加热器的剖视结构图。实施例一为与上述第一实施方式大致相同的结构，各参数如下所述。

发热丝20的材料：镍铬合金(镍80％，铬20％)

发热丝20的带状的丝的宽度d1：1mm

发热丝20的带状的丝的厚度d2：0.1mm

两列的发热丝20之间的最短距离：0.5mm

发热丝20的旋转轴间的距离：1.5mm

发热丝20的旋转径：1mm

发热丝20的旋转螺距L1：2mm

金属护套40与发热丝20的最短距离：0.5mm

金属护套40的材料：铝

金属护套40的内径d3：3.5mm

金属护套40的厚度d4：0.5mm

金属护套40的外径d5：4.5mm

(比较例一)

在比较例一中，由于除使用作为圆线的发热丝20以外，是与实施例一相同的结构，因此省略相同结构的说明。

发热丝20的材料：镍铬合金(镍80％，铬20％)

发热丝的圆线的直径：φ0.4mm

(利用电阻值的评估)

测定了上述实施例一和比较例一的护套加热器中的电阻值。实施例一的护套加热器中的电阻值为5～40Ω/m。另一方面，比较例一的护套加热器中的电阻值为170Ω/m以上。在实施例一的卷绕了带状的丝的护套加热器中，提高了单位长度的输出。

(藉由CT扫描的评估)

通过CT扫描对上述实施例一及比较例一的护套加热器进行了观察。图6A示出实施例一的护套加热器的CT扫描图像。图6B示出实施例一的护套加热器的3D图像。如图6A及6B所示，在实施例一的护套加热器中，可确保被卷绕的带状的发热丝和金属护套的绝缘距离，以及发热丝之间的绝缘距离为0.41mm以上。另一方面，在比较例一的护套加热器中，观察到被卷绕的圆形的丝的发热丝和金属护套的绝缘距离，及发热丝之间的绝缘距离变为0.2mm以下的地方。在实施例一的卷绕了带状的丝的护套加热器中，可在细径的金属护套内确保绝缘性的同时，进行卷绕。

(附图标记的说明)

20：发热丝；30：绝缘材料；40：金属护套；50：连接端子；120、130：护套加热器。