JPH0917554A - 薄膜ヒータへの給電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 接続強度が強く、接触面積が広く、接触不良
を起こすことなく大電流を流すことのできる薄膜ヒータ
への給電方法を提供する。 【構成】 溶射発熱皮膜を有する薄膜ヒータに給電する
方法において、前記発熱皮膜４上に該皮膜の電気抵抗率
の１／１０以下の電気抵抗率を有する金属皮膜５を溶射
により形成し、該金属皮膜５に電極６を固定部材７を用
いて固定し、該電極の給電端子９より溶射発熱皮膜４に
給電することとしたもので、前記金属皮膜は、厚さが
０．０５〜１．０ｍｍであり、該金属皮膜と発熱皮膜と
の有効接触辺長さが、前記発熱皮膜の幅の２倍以上の長
さとするのがよく、またこの薄膜ヒータは、皮膜の封孔
処理を金属皮膜を含めて行うのがよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜ヒータへの給電方
法に係り、特に、被加熱体を内包する管や板に電気抵抗
発熱皮膜を溶射した薄膜ヒータに、通電して発熱させる
給電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶射発熱皮膜を有する薄膜ヒータ
において、発熱体と電極の接続は直接発熱皮膜に半田付
やろう付を施していた。また、管状の場合には帯状板や
網目状帯を巻き付けて給電していた。しかし、上記の方
法には次のような問題点があった。 （ａ）電極のろう付や半田付の接続強度は、それが取付
られる発熱皮膜の強度に依存する。発電皮膜は厚さが
０．１ｍｍ程度と薄い為、強度は弱く、電極に外力が加
わると容易に損傷し、脱落する。 （ｂ）電極用リード線と発熱皮膜の接触面積が小さい
為、大きな電流が流せない。 （ｃ）直接発熱皮膜に帯状板や網目状帯を巻き付ける方
法は、皮膜表面が粗状な為、接触不良を起し易い上に、
元来発熱皮膜の抵抗率が大きく電流を流し難いためにス
パークを起す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点を解消し、接続強度が強く、接触面積が広
く、接触不良を起こすことなく大電流を流すことのでき
る薄膜ヒータへの給電方法を提供することを課題とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、溶射発熱皮膜を有する薄膜ヒータに給
電する方法において、前記発熱皮膜上に該皮膜の電気抵
抗率の１／１０以下の電気抵抗率を有する金属皮膜を溶
射により形成し、該金属皮膜に電極を固定部材を用いて
固定し、該電極の給電端子より溶射発熱皮膜に給電する
ことを特徴とする薄膜ヒータへの給電方法としたもので
ある。前記給電方法において、金属皮膜は、厚さが０．
０５〜１．０ｍｍであり、該金属皮膜と発熱皮膜との有
効接触辺長さが、前記発熱皮膜の幅の２倍以上の長さと
するのがよい。また、前記薄膜ヒータは、皮膜の封孔処
理を金属皮膜を含めて行うのがよい。

【０００５】以下、本発明を詳細に説明する。被加熱体
を内包する管や板に電気抵抗金属を溶射して皮膜を形成
し通電して加熱する方法は、図１に示す全体構成図によ
り構成される。図１（ａ）は、本発明の給電方法を説明
する全体構成図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ
−Ａ断面拡大図である。図１において、基材１の上に下
層より下地皮膜２、絶縁皮膜３、発熱皮膜４をそれぞれ
積層する。そして、本発明では、その上に電極固定用の
金属皮膜５を設けることとしている。

【０００６】電極固定用の金属皮膜５の膜厚さは０．０
５〜１．０ｍｍ、好ましくは０．１５〜０．５ｍｍが適
当である。膜厚の測定は１／１００ｍｍまで読めるマイ
クロメータが用いられる。膜厚が厚過ぎると亀裂が発生
し易すく、逆に薄過ぎると皮膜の電気抵抗が増加し無視
出来なくなり、電極部の発熱の原因となる。材料は、Ａ
ｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｓｎや導電性電気材料が
適当であるが、抵抗材である発熱皮膜４への給電をスム
ーズにすることが第１の目的であることから、発熱皮膜
の抵抗率の１／１０以下とする必要がある。即ち、電極
取付部における発熱昇温を抑制するため、電極固定用の
金属皮膜によるジュール熱の発生を極力抑制する必要が
ある。抑制の程度は、被加熱体の温度や雰囲気条件など
により一義的には決めることは出来ないが、電極固定皮
膜部での発熱皮膜の発熱量の数パーセント以下に押える
ことにより、電極取付部での温度上昇は使用上無視出来
ると考えてよい。

【０００７】電極固定部の発熱は、発熱皮膜４と電極固
定用の金属皮膜５に依存する。発熱皮膜４は一般的に膜
厚は０．０５〜０．２０ｍｍ、金属皮膜５は、０．０５
〜１．０ｍｍである。このことから、金属皮膜での発熱
量を発熱皮膜の発熱量に対して数パーセント以下とする
には、電気抵抗値を数パーセント以下にすればよい。よ
って、膜厚が１〜１／５倍であるから抵抗率を１／１０
とすることで抵抗値は１／１０〜１／５０となる。ま
た、発熱皮膜４への円滑な給電は電極固定用の金属皮膜
の材料の抵抗率だけではなく、電極６と金属皮膜５の接
触抵抗を限りなく０に近付ける必要がある。

【０００８】溶射しただけの皮膜の表面は、図２（ａ）
に示すように０．０２〜０．０４ｍｍの凹凸を有してお
り、甚だしい粗面を呈している。このため、電極６を皮
膜に強く押し付けても点状接触となり、過大な接触抵抗
を生ずるばかりでなく、スパークを発生して焼損の原因
となる。従って、金属皮膜５の表面を目の細かい研摩紙
等により、図２（ｂ）に示すように突起部分１４を平滑
に研摩し、接触抵抗を無視できる程度まで軽減してやる
必要がある。図３は、基材及び電極が板状の場合を示
し、図４は電極が板状の例を示すものである。電極６は
研摩された電極固定用の金属皮膜５上に電極押えボルト
１０でスプリングを介して取付られる。電極押えボルト
１０はセラミックス等絶縁材料とするのがよく、サポー
ト１２に設けられる。スプリング１３は座の安定を保つ
ために電極押えボルト１０に設けられたスプリング受１
１に納められる。

【０００９】次に、電極固定用の金属皮膜５を発熱皮膜
４上に施す際の金属皮膜５の対電極の方向側の端部の形
状について有効な方法を提供する。図５は帯状の発熱皮
膜に給電するための通常の電極固定用の金属皮膜５の施
工形状を示すものである。ここで、金属皮膜５の対電極
の方向８側の発熱皮膜４との接触部の端部、即ち、電極
固定用の金属皮膜接触端部１５を有効接触辺長さと称
し、この長さが発熱皮膜４の対電極の方向８と直角の断
面長、即ち発熱皮膜の幅１６（発熱皮膜４の帯の幅に等
しい長さ）に等しい場合が通常の施工方法図５（ａ）で
あるが、図５（ｂ）及び図６に示すように、有効接触辺
長さを発熱皮膜の幅の２倍以上とすることで事故の多発
する焼損トラブルを防止することが出来る。

【００１０】発熱皮膜４に給電する場合、電極固定用の
金属皮膜５は前述のように電気抵抗を発熱皮膜４の１／
１０以下とすべく材料と皮膜の厚さを考慮する。このた
め、電極６から給電された電流は、電極固定用の金属皮
膜５に流れ発熱皮膜４に流れる場合、電極固定用の金属
皮膜５の全面より均一に発熱皮膜４に流れ、発熱皮膜の
中を対電極の方向８に向って移動するよりはむしろ、電
気抵抗の小さい電極固定用の金属皮膜５の中を対電極の
方向８に向って流れ、電極固定用の金属皮膜接触端部１
５より最も多くの電流が発熱皮膜４に流入することとな
る。従って、この部分に集中的に電流が集まることとな
る。電流値が小さい場合には問題はないが、電流値が大
きくなる場合には集中する電流によりスパークを発生し
たり局部加熱を発生するので、出来るだけ集中する電流
を分散してやる必要がある。

【００１１】この分散の方法として提供するのが図５
（ｂ）及び図６の方法である。図５（ｂ）は発熱皮膜４
が帯状、図６は管状の例を示す。ここで、発熱皮膜の幅
１６をＷ、接触辺奥行長さ１７をＤで示すと、図５
（ｂ）の場合は有効接触辺長ＬはＬ＝Ｗ＋２Ｄで示され
２Ｗ≦Ｗ＋２Ｄとすべきことを提供するものである。図
６において各接触辺長さをそれぞれａ、ｂ、ｃとすると
２Ｗ≦３ａ＋３ｂ＋５ｃとすればよい。ここで、３ａ＋
３ｂ＝Ｗ、故、Ｗ≦５ｃとなる。

【００１２】次に、封孔処理について説明する。溶射皮
膜は、大略３〜１５％程度の気孔率を有している。気孔
の大きさは、一般に５〜５０μｍ程度である。もちろ
ん、気孔率や気孔径分布などは、溶射の方法や条件、材
料により異なる。封孔処理の目的は、通気性をしゃ断す
ることにより、絶縁性を維持すること、及び発熱皮膜の
酸化劣化の抑制である。封孔剤は有機系と無機系があ
り、施工方法としてはハケ塗りとスプレー法がある。本
発明の封孔処理は、封孔剤の種類や施工方法には一際限
定されるものではなく、施工の範囲を提供するものであ
る。但し、封孔剤は絶縁性の高いものに限られる。封孔
処理施工範囲は、通常発熱皮膜４の全域及び絶縁皮膜３
の露出部に対して行うことが常識的に考えられるが、溶
射発熱方法に対する前例は見当たらない。

【００１３】本発明による封孔処理範囲を図７に示す。
この例のように金属皮膜５の端部を含み封孔処理するこ
とが重要である。好ましくは、金属皮膜５の溶射施工時
には、できるだけ気孔率を低減し緻密化に努め、特に皮
膜貫通孔をなくするのがよい。これにより発熱皮膜４
は、空気や湿分から完全に保護される。図８は電極固定
用の金属皮膜５を完全に被覆するように施工する例であ
る。図８は管状基材の軸方向の断面図であり、電極６は
帯状の例であり、図７は基材が板状の例を示すものであ
る。

【００１４】

【作用】発熱皮膜は、通常０．０５〜０．２０ｍｍ程度
の薄い溶射層で、材料の抵抗率は通常１０^-2〜１０^-4Ω
・ｃｍである。この皮膜に通電することにより、ジュー
ル熱を発生し、この熱が絶縁皮膜、下地皮膜、基材へと
伝わり、基材内側に内包する流体を加熱することが、こ
の加熱法の原理である。発熱皮膜は、通常の金属に較べ
電気が流れ難く、その上薄膜状のため十分な強度を保持
する電極の取付け方法が今までになかったが、本発明で
は、発熱皮膜の給電部に電気良導体の金属を溶射施行
し、その金属皮膜に電極を固定部材で取付け固定するこ
とにより、次のような作用・効果が得られた。

【００１５】（ａ）電極６と金属皮膜５、金属皮膜５と
発熱皮膜４の接触が良好となり、接触不良の問題が解決
される。 （ｂ）高電流を給電する場合において、金属皮膜と発熱
皮膜の接触辺長を長くとることにより、その部分の焼損
事故が防止できるようになった。 （ｃ）封孔処理施工範囲を規定することにより、発熱皮
膜の完全保護が可能となった。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。 実施例１ 図９に、本発明の薄膜ヒータへの給電方法を用いた加熱
装置の概略構成図を示す。図９において、蒸発缶２３、
循環水ポンプ２４、加熱ヒータ２２をそれぞれ鋼管で接
続し、循環ラインを構成する。蒸発缶２３は凝縮器２７
を介して大気に開放されており、通常約１／２容は缶水
３０で満たされている。加熱ヒータ２２はＪＩＳ ＣＴ
３４５９配管用ステンレス鋼鋼管、外径３．４ｃｍ、全
長２．０ｍを２本直列にフランジで接続したもので、溶
射皮膜は、基材表面よりニッケル系下地皮膜、アルミナ
絶縁皮膜、ニッケル・クロム系発熱皮膜をそれぞれ溶射
により積層した。

【００１７】電極固定用の金属皮膜は各ヒータの両端部
にそれぞれ図１に示すように幅５０ｍｍでリング状に溶
射施工した。材料は純アルミニウムとし、皮膜厚さは
０．１５〜０．２２ｍｍであった。皮膜表面は研摩紙 ^#
２４０及び ^#３２０（ＪＩＳＲ６２５２研摩紙）相当品
で研摩した。研摩の程度は凸部（山部）の１／２を目標
として除去した。除去の程度は実体顕微鏡で観察しつつ
確認した。研摩の範囲は、皮膜中央部の幅３５ｍｍと
し、両端にそれぞれ７．５ｍｍづつ無研摩部を残した。
これは後述する封孔処理部のためである。

【００１８】電極２は、材料ＪＩＳ Ｈ４０００にもと
づく純アルミニウム板、幅３５ｍｍ、厚さ３ｍｍをオー
ム（Ω）字形とし、２枚を１組としヒータをはさみ込み
ボルトで固定した。封孔処理は無機系電気絶縁性の高い
材料をスプレーで塗布し約３５０℃で熱処理を施した。
塗布の厚みは溶射皮膜山頂より２０〜４０μｍとした。
電極固定皮膜端部についてはそれぞれ５ｍｍ封孔処理を
施した。この処理により電極と基材間、電極とヒータ表
面間は完全に電気的な絶縁が確保された。ヒータ通電運
転における条件は、印加電圧１５０ボルト、電流値１４
５アンペアで５００回の起動・停止試験後、電極取付部
にはまったく異常は認められなかった。

【００１９】実施例２ 約１０ｃｍ×１０ｃｍ板状アルミ合金基材に、プラズマ
溶射により発熱皮膜を施し、約５００ワットのヒータを
製作した。発熱皮膜にはニッケル・クロム系材料を、電
極固定用の金属皮膜にはニッケル単体を用いた。金属皮
膜の抵抗率は発熱皮膜の約１／１００である。電極リー
ド線は金属皮膜にティグ溶着した。図１２図に示す施工
法では、１００ボルトの電源を投入した直後に電極固定
皮膜接触端部７にスパークが発生し断線した。この対策
として図１０、図１１に示す本発明の方法を実施した。
図１２と異なる点は、電極固定皮膜接触端部７の辺長の
みで、材料や寸法、施工法はいづれも同条件とした。実
験の結果、図１２に示す発熱皮膜６幅に等しい電極固定
皮膜接触部辺長の２倍以上とすることで解決することが
出来た。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果がある。溶射
発熱皮膜に電極を取付け給電する方法において、発熱皮
膜に比較して電気抵抗の小さい電極固定用の金属皮膜を
設け皮膜表面を研摩することにより電極と電極固定用の
金属皮膜の密着性、金属皮膜から発熱皮膜への電気の流
れが円滑となり、給電部の焼損トラブルが大幅に減少出
来る。発熱皮膜に大電流を供給する場合にはケーブルを
直接皮膜に取付ることが出来ないので本法は有効であ
る。

【００２１】また、発熱皮膜に高電流密度で給電する場
合には、電極固定用の金属皮膜と発熱皮膜の接触端部の
辺長を長くすることにより、その部分での高密度の電流
を分散させ接触抵抗発熱を抑制出来る。この為、焼損ト
ラブルが防止出来る。封孔処理は溶射発熱法において必
要な処置である。しかし、電極取付部には給電が不良と
なるため施工されていない。この為、発熱皮膜の一部が
封孔未処理となり、その部分より吸湿し絶縁皮膜の絶縁
低下や発熱皮膜の酸化劣化を起していた。本発明は発熱
皮膜上に電極固定用の金属皮膜を設け更に金属皮膜端部
を含め封孔処理しているので、発熱皮膜の露出部は無
く、大気又は湿分は金属皮膜を浸透しない限り絶縁低下
や酸化劣化は防止出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の給電方法を説明するための全体構成図
（ａ）と、（ｂ）そのＡ−Ａ断面拡大図。

【図２】溶射皮膜の表面拡大図（ａ）と、（ｂ）その研
摩部分を示す図。

【図３】基材及び電極が板状の場合の本発明の給電方法
を示す平面図。

【図４】電極が板状の場合の電極部分の断面拡大図。

【図５】金属皮膜と発熱皮膜の接触端辺を示す（ａ）従
来法、（ｂ）本発明法の説明図。

【図６】金属皮膜と発熱皮膜の基材が管の場合の接触端
辺説明図。

【図７】本発明の封孔処理を示す断面拡大図。

【図８】本発明の他の封孔処理を示す断面拡大図。

【図９】本発明の給電方法を用いた加熱装置の全体構成
図。

【図１０】板状の基材を用いた薄膜ヒータの全体構成
図。

【図１１】図１０の給電部の拡大図で（ａ）が平面図、
（ｂ）が断面図。

【図１２】従来の給電部の拡大平面図。

【符号の説明】

１：基材（パイプ又は板）、２：下地皮膜、３：絶縁皮
膜、４：発熱皮膜、５：金属皮膜、６：電極、７：電極
取付ボルト、８：対電極の方向、９：給電端子９′：給
電端子取付穴、１０：電極押えボルト、１１：スプリン
グ受、１２：サポート、１３：スプリング、１４：研摩
部分、１５：金属皮膜接触端部、１６：発熱皮膜の幅、
１７：接触辺長さ、２１：封孔皮膜、２２：加熱ヒー
タ、２３：蒸発缶、２４：循環水ポンプ、２５：電源、
２６：接続電線、２７：凝縮器、２８：受槽、２９：被
処理水、３０：缶水、ａ、ｂ、ｃ：接触辺長さ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶射発熱皮膜を有する薄膜ヒータに給電
   する方法において、前記発熱皮膜上に該皮膜の電気抵抗
   率の１／１０以下の電気抵抗率を有する金属皮膜を溶射
   により形成し、該金属皮膜に電極を固定部材を用いて固
   定し、該電極の給電端子より溶射発熱皮膜に給電するこ
   とを特徴とする薄膜ヒータへの給電方法。
2. 【請求項２】 前記金属皮膜は、厚さが０．０５〜１．
   ０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の薄膜ヒー
   タへの給電方法。
3. 【請求項３】 前記金属皮膜は、該金属皮膜と発熱皮膜
   との有効接触辺長さが、前記発熱皮膜の幅の２倍以上の
   長さとすることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜
   ヒータへの給電方法。
4. 【請求項４】 前記薄膜ヒータは、皮膜の封孔処理を金
   属皮膜を含めて行うことを特徴とする請求項１、２又は
   ３記載の薄膜ヒータへの給電方法。