JPH0526316B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、長い電気装置、特にヒータおよびヒ
ータを備えた電気回路に関する。 化学工業において、加熱パイプ、タンクおよび
その他の装置等に使用される多数の長い電気ヒー
タは、電源装置の一端と接続されヒータ全長を動
作させる比較的低抵抗な２つ（あるいは２つ以
上）の導体を備えている。これら導体の間には、
複数の加熱素子が互いに並列に接続されている。
このようなヒータの利点は、もしも必要であれ
ば、ある長さに切断することができることにあ
る。第１種の上記ヒータでは、加熱素子は、複数
の導体間に位置する連続したあるいは分割された
導電性ポリマである。多くの使用者にとつて、細
長ヒータは自己調整機能を有することが好まし
い。これは、少なくとも一部分がPTC特性を示
す導電性ポリマの連続した細片を使用することに
よつて達成可能である。 上述の細長ヒータの導体は比較的低抵抗である
けれども、電源装置からの距離が増大した場合
に、２つの導体間にやはり最終的な電位の損失が
発生する。そして、加熱素子から発生する熱量は
部分的に両導体間の電位差に依存しているので、
上記の損失は使用可能なヒータの長さを制限す
る。このようなヒータの使用可能最大長さは、導
体の形状を大きくすることによつて増大できる
が、この方法は費用がかかり、ヒータをより重く
するとともにその柔軟性を減少させる。自己調整
ヒータの別の制限は、低温時にしばしばヒータの
抵抗が定常動作状態におけるそれらの抵抗よりも
大幅に小さくなる点にある。すなわち、ヒータが
スイツチオンとされる最初の時点に非常に大きな
電流がヒータに流れるので、電流流入の問題に悩
まされるのである。多くのヒータにとつて制限と
なる他の点は、それらがある特定範囲内の供給電
圧によつてのみ動作可能であることにある。 いく種類かの細いヒータ、および上述のヒータ
に使用される導電性ポリマは、アメリカ合衆国特
許出願No.2952761、2978665、3243753、3351882、
3571777、3757086、3793716、3823217、3858144、
3861029、4017715、4072848、4085086、4117312、
4177376、4177446、4188276、4237441、4242573、
4246468、4250400、4255698、4272471、4314230、
4315237、4318881、4330704、4334351および
4361799、既刊雑誌ポリマ・サイエンス19号812〜
815頁（クラソンとクバート著）；雑誌ポリマ・エ
ンジニアリング・アンド・サイエンス18号649〜
653頁（1978年、ナーキス・エト・アル著）；西ド
イツ特許出願No.2634992；2755077；2746602；
2755076；および2821799；既行のヨーロツパ特許
出願No.0038713、0038714、0038715、0038718、
0063440および0067679に開示されている。 本発明者によつて見出されたところによれば、
２つの長い電気導体と複数のPTC電気素子とを
備えた長い電気ヒータの性能を実質的に改良する
ことができる。装置の一部端にて電源装置を第１
電気導体の１つに接続し、装置の他端部にてヒー
タ装置を第２導体に接続することによつて、複数
のPTC電気素子は、２つの導体の間にて並列に
接続されている。 この発明においては非常に長い回路であつても
電流流入の問題を生じることなく、加熱を均一に
行なえる回路構成を提供する。この発明によれば
PTC導電性ポリマヒータ素子を含む３種の同様
のヒータと３相電源とを組み合わせ、平衡するよ
うに構成される。 本発明の１つの発明においては、３相電源φ
１，φ２，φ３と中性点Ｎと、上記電源に接続さ
れた３つの長い自己調整型のヒータとを備え、 (A) 各ヒータは実質的に同じであり、 (B) 各ヒータは (a) ヒータの両端に位置する近端部と遠端部を有
し、近端部は遠端部より電源８に近く、 (b)(i) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源
８に近い第１の長い金属導体１と、 (ii) 第１の金属導体に隣接して設けられ、近端と
遠端とを有し、近端は遠端より電源８に近い第
２の長い金属導体２と、 (iii) PTC導電性ポリマ１１にてなる１つの連続
帯状体を有し、第１及び第２の金属導体１，２
の間で互いに並列に接続された複数のPTC電
気加熱素子と、 を備え、 (C) 各ヒータは複合加熱装置の一部であり、 (a) 長い自己調整ヒータと、 (b) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源８
に近い第３の長い金属導体１１１と、 (c) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源８
に近い第４の長い金属導体１１２と、 (d) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源８
に近い第５の長い金属導体１１３と、 (e) ヒータ、第３、第４、第５金属導体を包囲す
る電気絶縁ジヤケツト４１と を備え、各導体は各複合加熱装置の全長から絶縁
されており、 (D) ３つの複合加熱装置が端どうしを突き合わせ
て、かつ第１複合加熱装置が電源に最も近く、第
３複合加熱装置が電源に最も遠く、第２複合加熱
装置が両者の間に位置するように配置され、 (B) 第１ヒータの第１金属導体１の近端が電源８
の第３相φ３に接続され、 (F) 第２ヒータの第１金属導体１の近端が第１複
合加熱装置の第３金属導体の遠端に接続されると
ともに第１複合加熱装置の第３金属導体の近端が
電源８の第２相に接続され、 (G) 第３ヒータの第１金属導体１の近端が第２複
合加熱装置の第３金属導体の遠端に接続されると
ともに第２複合加熱装置の第３金属導体の近端が
第１複合加熱装置の第４金属導体の遠端に接続さ
れ、第１複合加熱装置の第４金属導体の近端が電
源８の第１相φ１に接続され、 (H) 第１ヒータの第２金属導体２の遠端が第２複
合加熱装置の第４金属導体の近端に接続されると
ともに第２複合加熱装置の第４金属導体の遠端が
第３複合加熱装置の第４金属導体の近端に接続さ
れ、第３複合加熱装置の第４金属導体の遠端が第
３ヒータの第２金属導体の遠端に接続され、 (I) 第２ヒータの第２金属導体の遠端が第３複合
加熱装置の第３金属導体の近端に接続されるとと
もに第３複合加熱装置の第３金属導体の遠端が第
３ヒータの第２金属導体の遠端に接続され、 (J) 第１複合加熱装置の第５金属導体の近端が電
源８の中性点Ｎに接続され、 (K) 第１複合加熱装置の第５金属導体の遠端が第
２複合加熱装置の第５金属導体の近端に接続さ
れ、 (L) 第２複合加熱装置の第５金属導体の遠端が第
３複合加熱装置の第５金属導体の近端に接続さ
れ、 (M) 第３複合加熱装置の第５金属導体の遠端が(a)
第３ヒータの第２金属導体の遠端、(b)第３複合加
熱装置の第３金属導体の遠端、(c)第３複合加熱装
置の第４金属導体の遠端とに接続されていること
を特徴とする電気回路を提供する。 本発明の他の発明は上記第１の発明に使用され
る加熱装置を提供するものであり、さらに他の発
明は第１の発明を構成するに適した組立て体（ア
センブリ）を提供する。本発明の記述と特許請求
の範囲の記載の簡易化および明瞭化のために、本
明細書中では、“近端部”および“遠端部”とい
う用語は、複数の細長い導体とそれらを備えた装
置の端部を表わすのに用いられる。しかしなが
ら、たとえば、１つのループ内にて“遠端部”が
“近端部”よりも電源装置に位置上では近いよう
に、あるいは遠近両端部が電源装置から等距離に
あるように改良された装置もまた、本発明に包含
されることが理解されるだろう。 本発明の記述の簡単化と明瞭化のために、“長
い自己調整電気ヒータ”という用語は、本明細書
中では、 (a) ヒータの両端に位置する近端部と遠端部を有
し、 (b)(i) 近端と遠端とを有し、第１の長い金属導体
１と、 (ii) 第１の金属導体に隣接して設けられ、近端と
遠端とを有し、第２の長い金属導体２と、 (iii) PTC導電性ポリマ１１にてなる１つの連続
帯状体を有し、第１及び第２の金属導体１，２
の間で互いに並列に接続された複数のPTC電
気加熱素子と、 を備えている。 種々の電気導体は、たとえば（単線または撚線
である）円形状の金属電線や平板状の金属細片等
の、同一あるいは異なつた部材にて構成されてお
り本明細書中では時々単に導体と記載されてい
る。一般に、１つの（あるいは複数の各）長い並
列装置において、(a)第１および第２導体が互いに
同じであり；(b)各導体が実質的に装置全体にわた
つて同じ断面形状を有し；(c)導体の抵抗が、重
量、可撓性およびコスト等の他の要因に対して矛
盾しないようにできるだけ低く；さらに(d)各導体
が他の導体から一定距離にある（それらは、たと
えば直線状あるいは渦巻線状であつてよい）こと
が望ましい。 前述したように、本発明特有の特徴によれば、
電力をより長い回路に配分使用することができ
る。 PTC電気ヒータ素子ｃは、第１と第２導体の
間に互いに並列に接続されているので、通常、互
いに等しいけれども、このことは必要でない。該
PTC素子は、導電性ポリマあるいはセラミツク
にて構成されてよい。PTC素子それ自体は単一
の加熱素子であることが可能で；選択的には
PTC素子はそれと直列に接続されたZTC抵抗に
てなる加熱素子を有することができる。PTC素
子の形態は、たとえば導電性ポリマの連続した１
つの細片やウエブ、あるいは導電性ポリマにてな
る複数の切片といつた、導電性ポリマによつて構
成される少なくとも１つの素子であることが可能
である。導電性ポリマ素子の組成は全体的に均一
であつても部分的に変化してもよい。適切な導電
性ポリマ素子は、装置が自己調整ヒータであるよ
うにPTC導電性ポリマ素子を備えた素子即ち本
質的に単一のPTC導電性ポリマにて構成された
素子、あるいは単一のZTC構成素子およびたと
えば長い導体の１つを包囲する少なくとも１つの
PTC構成素子を備えた素子とを含んでいる。 第３図はこの発明の複合加熱装置の断面図であ
り、該複合加熱装置では、ポリマ性絶縁ジヤケツ
トを有する一つのPTC導電性ポリマヒータ１０
１と、それぞれポリマ性絶縁ジヤケツトを有する
３本の電線導体１１１，１１２，１１３とが、ポ
リマ性絶縁材料でなるジヤケツト４１で物理的に
結合されている。上記PTC導電性ポリマヒータ
１０１は、第１の長い金属導体１と第２の長い金
属導体２とを備え、これら両金属導体１及び２は
導電性ポリマ素子の細片に電気的に接続されてお
り、第３図においては、導電性ポリマ１１の帯状
体に埋設されている。上記金属導体１及び２に
は、いずれも金属コアを覆う絶縁層は設けられて
いない。第３の長い金属導体１１１、第４の長い
金属導体１１２及び第５の長い金属導体１１３
は、それぞれ電気的な絶縁層で覆われている。こ
れら３本の金属導体１１１，１１２，１１３は、
PTC導電性ポリマヒータ１０１の一部ではない
が、複合加熱装置の一部をなすものである。導電
性ポリマ内に埋設された第１及び第２の長い金属
導体１及び２を含む上記ヒータ１０１、第３、第
４及び第５の金属導体１１１，１１２及び１１３
は、複合加熱装置の全長に渡つて互いに電気的に
絶縁されるとともに、ポリマ性絶縁材料でなるジ
ヤケツト４１で物理的に結合されている。 実施例 本発明は、後述するいくつかの実施例によつて
説明されるが、その中でヒータの両端が単相電源
で駆動されたときの改良効果と３相電源で駆動さ
れたときの改良効果が示されている。これらの実
施例において、電源装置は120V交流用であり、
ヒータは、商標10PTV1を標示してレイケム・コ
ーポレイシヨンの権利下に使用できる自己調整導
電性ポリマ細片ヒータであつた。ヒータには、発
光性の交差結合されたポリ（ビニリデン基弗化
物）中に分散されたカーボンブラツクを含む
PTC導電性ポリマの１つの細片内に固定される
とともに、すずを表面メツキされた一対の標準的
な18AWGの銅電極線が備えられていた。ヒータ
は、約9watts／footの消費電力を定常状態下に有
した。ヒータは、引き続いて10、150、10、150お
よび10feetの長さを有する部分に切断された。単
に公知の抵抗値を有する小形状の複数の抵抗が、
電極線の相異なる部分を接続するのに使用され
た。これらの実施例において、それらの各抵抗で
の低下電圧が測定され、その結果から接続手段の
相異なる部分における電流流入が計算された。実
施例１および２では、ヒータの先端から170feet
の部分のみが使用され（ヒータの残りの部分は接
合されず）、実施例３では、330feetのヒータ全体
が使用された。実施例１では、これは本発明によ
らない比較のための実施例であるので、（第１図
に示すように）通常の方法によつて電源装置に接
続された。実施例２および３では、ヒータは（第
２図に示すように）本発明による方法にて電源装
置に接続され、ヒータに固定されたすずを表面メ
ツキした標準的な18AWGの絶縁線にてなる第３
接続手段が使用された。各実施例において、ヒー
タおよび第３接続手段は、粘着性のテープによつ
て、内部を循環する約９℃の水を有する直径
2inchの１つのスチールパイプに固定されるとと
もに、それから厚さ1inchの断熱部材によつて覆
われた。実施例３の装置は、第４図に図式的に示
されており、第４図において、電源装置に最も近
い長さ10フイートのヒータ断片は断片１と指名さ
れ、断片１から160フイート離れた長さ10フイー
トのヒータ断片は断片２と指名され、さらに電源
装置から最も離れた長さ10フイートのヒータ断片
は断片３と指名されている。実施例２に用いられ
る装置が、第４図に示されている。ただし、第３
の電線が断片２の端部に接続されていることは図
示されていない。 上述の実施例から得られた結果は後に示す表に
要約されている。この表には、流入要因（即ち、
定常状態での電流に対する電流の比率）のうち初
期値、と10、60および120秒経過後の値と；各断
片１，２および３の各搬送線（電極）における
（amps単位の）電流と；各断片１，２および３に
おける両搬送線間の（volts単位の）降下電圧
と；(a)ヒータの搬送線、(b)ヒータ内の導電性ポリ
マ素子、(c)装置内の第３の搬送線、および(d)断片
全体における、各断片１，２および３についての
（watts／foot単位の）消費電力とが示されてい
る。 後記の表から得られる種々の特徴より、上述さ
れた実施例は、本発明が有する利点の量的評価よ
りもむしろ質的評価を得るためになされたもので
あることがわかる。したがつて、相異なるそれら
の特徴間の前述した関係が、不当に信頼されては
ならない。しかしながら、それらの特徴が明瞭に
示すところによれば、第３の接続手段を介して電
源装置をヒータの遠端部に接続することによつ
て、流入電流の減少、ヒータ全長にわたる均等な
電力分配、および導電性ポリマ細片両端間の低下
電圧の減下が得られる。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は、導電性ポリマ細片１１内に固定され
た導体１および２を備えるとともに、電源装置８
に普通に接続された普通の導電性ポリマ細片状ヒ
ータを示す上面図；第２図は、３つの導電性ポリ
マPTCヒータが３相電源装置に接続され、本発
明の回路を形成する回路図；第３図は、第２図に
使用されるのに適当な複合装置の断面図；第４図
は、実施例に使用される試験回路を示す上面図で
ある。 １，２……導体、８……電源装置、１１……導
電性ポリ細片ヒータ、１１１，１１２，１１３…
…電線導体、１０１……PTC導電性ポリマヒー
タ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ３相電源φ１，φ２，φ３と中性点Ｎと、上
   記電源に接続された３つの長い自己調整型のヒー
   タとを備え、 (A) 各ヒータは実質的に同じであり、 (B) 各ヒータは (a) ヒータの両端に位置する近端部と遠端部を有
   し、近端部は遠端部より電源８に近く、 (b)(i) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源
   ８に近い第１の長い金属導体１と、 (ii) 第１の金属導体に隣接して設けられ、近端と
   遠端とを有し、近端は遠端より電源８に近い第
   ２の長い金属導体２と、 (iii) PTC導電性ポリマ１１にてなる１つの連続
   帯状体を有し、第１及び第２の金属導体１，２
   の間で互いに並列に接続された複数のPTC電
   気加熱素子と、 を備え、 (C) 各ヒータは複合加熱装置の一部であり、 (a) 長い自己調整ヒータと、 (b) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源８
   に近い第３の長い金属導体１１１と、 (c) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源８
   に近い第４の長い金属導体１１２と、 (d) 近端と遠端とを有し、近端は遠端より電源８
   に近い第５の長い金属導体１１３と、 (e) ヒータ、第３、第４、第５金属導体を包囲す
   る電気絶縁ジヤケツト４１と を備え、各導体は各複合加熱装置の全長から絶縁
   されており、 (D) ３つの複合加熱装置が端どうしを突き合わせ
   て、かつ第１複合加熱装置が電源に最も近く、第
   ３複合加熱装置が電源に最も遠く、第２複合加熱
   装置が両者の間に位置するように配置され、 (E) 第１ヒータの第１金属導体１の近端が電源８
   の第３相φ３に接続され、 (F) 第２ヒータの第１金属導体１の近端が第１複
   合加熱装置の第３金属導体の遠端に接続されると
   ともに第１複合加熱装置の第３金属導体の近端が
   電源８の第２相に接続され、 (G) 第３ヒータの第１金属導体１の近端が第２複
   合加熱装置の第３金属導体の遠端に接続されると
   ともに第２複合加熱装置の第３金属導体の近端が
   第１複合加熱装置の第４金属導体の遠端に接続さ
   れ、第１複合加熱装置の第４金属導体の近端が電
   源８の第１相φ１に接続され、 (H) 第１ヒータの第２金属導体２の遠端が第２複
   合加熱装置の第４金属導体の近端に接続されると
   ともに第２複合加熱装置の第４金属導体の遠端が
   第３複合加熱装置の第４金属導体の近端に接続さ
   れ、第３複合加熱装置の第４金属導体の遠端が第
   ３ヒータの第２金属導体の遠端に接続され、 (I) 第２ヒータの第２金属導体の遠端が第３複合
   加熱装置の第３金属導体の近端に接続されるとと
   もに第３複合加熱装置の第３金属導体の遠端が第
   ３ヒータの第２金属導体の遠端に接続され、 (J) 第１複合加熱装置の第５金属導体の近端が電
   源８の中性点Ｎに接続され、 (K) 第１複合加熱装置の第５金属導体の遠端が第
   ２複合加熱装置の第５金属導体の近端に接続さ
   れ、 (L) 第２複合加熱装置の第５金属導体の遠端が第
   ３複合加熱装置の第５金属導体の近端に接続さ
   れ、 (M) 第３複合加熱装置の第５金属導体の遠端が(a)
   第３ヒータの第２金属導体の遠端、(b)第３複合加
   熱装置の第３金属導体の遠端、(c)第３複合加熱装
   置の第４金属導体の遠端とに接続されていること
   を特徴とする電気回路。 ２ 各ヒータはPTC導電性ポリマの帯状体に埋
   込まれた第１と第２の導体を有する特許請求の範
   囲第１項に記載の回路。 ３ 長い複合電気加熱装置であつて、 (A) 長い自己調整型のヒータとを備え、 (a) ヒータの両端に位置する近端部と遠端部を有
   し、 (b)(i) 近端と遠端とを有し、第１の長い金属導体
   １と、 (ii) 第１の金属導体に隣接して設けられ、近端と
   遠端とを有し、第２の長い金属導体２と、 (iii) PTC導電性ポリマ１１にてなる１つの連続
   帯状体を有し、第１及び第２の金属導体１，２
   の間で互いに並列に接続された複数のPTC電
   気加熱素子と、 を備え、 (B) 近端と遠端とを有し、第３の長い金属導体１
   １１と、 (C) 近端と遠端とを有し、第４の長い金属導体１
   １２と、 (D) 近端と遠端とを有し、第５の長い金属導体１
   １３と、 (E) ヒータ、第３、第４、第５金属導体を包囲す
   る電気絶縁ジヤケツト４１と を備え、各導体は各複合加熱装置の全長から絶縁
   されていることを特徴とする電気加熱装置。 ４ ３相電源φ１，φ２，φ３と中性点Ｎと、上
   記電源に接続された３つの長い自己調整型のヒー
   タとを備えたヒータ組立て体であつて、 (A) 各ヒータは実質的に同じであり、長い自己調
   整型のヒータとを備え、 (a) ヒータの両端に位置する近端部と遠端部を有
   し、 (b)(i) 近端と遠端とを有し、第１の長い金属導体
   １と、 (ii) 第１の金属導体に隣接して設けられ、近端と
   遠端とを有し、第２の長い金属導体２と、 (iii) PTC導電性ポリマ１１にてなる１つの連続
   帯状体を有し、第１及び第２の金属導体１，２
   の間で互いに並列に接続された複数のPTC電
   気加熱素子と、 を備え、 (X1) 近端と遠端とを有し、第３の長い金属導体
   １１１と、 (X2) 近端と遠端とを有し、第４の長い金属導体
   １１２と、 (X3) 近端と遠端とを有し、第５の長い金属導体
   １１３と、 (X4) ヒータ、第３、第４、第５金属導体を包囲
   する電気絶縁ジヤケツト４１と を備え、各導体は各複合加熱装置の全長から絶縁
   されており、 (B) ３つの複合加熱装置が端どうしを突き合わせ
   て、かつ第１複合加熱装置が電源に最も近く、第
   ３複合加熱装置が電源に最も遠く、第２複合加熱
   装置が両者の間に位置するように配置できるよう
   に準備され、 (C) 第１ヒータの第１金属導体１の近端が電源８
   の第３相φ３に接続され得るように準備され、 (D) 第２ヒータの第１金属導体１の近端が第１複
   合加熱装置の第３金属導体の遠端に接続され得る
   とともに第１複合加熱装置の第３金属導体の近端
   が電源８の第２相に接続されるように準備され、 (E) 第３ヒータの第１金属導体１の近端が第２複
   合加熱装置の第３金属導体の遠端に接続され得る
   とともに第２複合加熱装置の第３金属導体の近端
   が第１複合加熱装置の第４金属導体の遠端に接続
   され、第１複合加熱装置の第４金属導体の近端が
   電源８の第１相φ１に接続されるように準備さ
   れ、 (F) 第１ヒータの第２金属導体２の遠端が第２複
   合加熱装置の第４金属導体の近端に接続され得る
   とともに第２複合加熱装置の第４金属導体の遠端
   が第３複合加熱装置の第４金属導体の近端に接続
   され、第３複合加熱装置の第４金属導体の遠端が
   第３ヒータの第２金属導体の遠端に接続されるよ
   うに準備され、 (G) 第２ヒータの第２金属導体の遠端が第３複合
   加熱装置の第３金属導体の近端に接続され得ると
   ともに第３複合加熱装置の第３金属導体の遠端が
   第３ヒータの第２金属導体の遠端に接続されるよ
   うに準備され、 (H) 第１複合加熱装置の第５金属導体の近端が電
   源８の中性点Ｎに接続されるように準備され、 (I) 第１複合加熱装置の第５金属導体の遠端が第
   ２複合加熱装置の第５金属導体の近端に接続され
   るように準備され、 (J) 第２複合加熱装置の第５金属導体の遠端が第
   ３複合加熱装置の第５金属導体の近端に接続され
   るように準備され、 (K) 第３複合加熱装置の第５金属導体の遠端が(a)
   第３ヒータの第２金属導体の遠端、(b)第３複合加
   熱装置の第３金属導体の遠端、(c)第３複合加熱装
   置の第４金属導体の遠端とに接続されていること
   を特徴とする電気ヒータ組立て体。