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ヒーターをより良く使用するために
ヒーターをより良く使用する為にどのような点に注意すべきかを、ヒーターの中で製造方法や使用方法が難しいカートリッジヒーターについて述べます。

【ヒーターの寿命】
【熱の伝達】
【ヒーター自身の寿命】
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種類と構造 ヒーターの寿命 熱の伝達 ヒーター自身の寿命
クリアランス ヒーターの配列
カートリッジヒーターの断線 不適正な使用方法

ヒーターの寿命

ヒーターには絶対という言葉はありません。使用方法によって寿命の長短が決まります。
製造上のミスによる断線は2~3日で生じ、遅くとも一週間以内です。それ以上で生じた場合は指示容量が高すぎるか、使用方法が適切でないことが挙げられます。
特に高温、真空、放射等過酷な条件下では注意が必要です。
また、低温とはいえヒーター配列やクリアランス等を無視すると寿命は短くなります。
桃山時代の焼物に志野焼があります。釉の志野長石は1300℃ぐらいで溶けますが、桃山時代は窯の効率が悪く、5~6日ぐらいの日数をかけて釉の志野長石を溶かします。この時の窯内の温度は 1150℃ぐらいです。温度が低くとも長時間かけると高温と同じになります。
また、耐熱250℃の4弗化テフロンリード線が入ったSUSフレキシブルコンジェットを150℃雰囲気中に配線すると24時間で溶けた例もあります。これらのように温度が低くとも高い温度と同じ作用をします。

熱の伝達

熱の伝達方法に 熱伝導(Conducution of heat)熱対流(Convection of heat)
熱放射・輻射(Rodiation of heat)の3つがあります。カートリッジヒーターにとって、寿命の良い伝達方法を順に並べると
1)伝導 被加熱物に穴を開けてヒーターを挿入して使用する方法です。断線になる要因として高い使用温度、クリアランス、配列、ON・OFF等です。
2)対流 空気やガス等を強制的に対流を起こさせる加熱です。対流が止まるとオーバーヒートにより断線があります。
3)輻射 熱伝導の悪い空気に熱を伝えさせる為、加熱では真空、空焼き高温の伝導と同じでヒーターにとって負担の大きい加熱方法です。容量を低めにしてヒーター本数を増やすか、ヒーター径を太くして、断線を防ぎます。
真空中は輻射で4W/cm2のヒーターがオーバーヒートをおこして倍の8W/cm2ぐらいになります。

ヒーター自身の寿命

ヒーターの寿命にはいろいろな原因がありますが、その中の一つにヒーターの材質に起因する宿命的な原因があります。
シース材は別にして、抵抗線(発熱体)はNi-Cr系とFe-Cr系の二種類です。絶縁材としてはMgO(マグネシア)が使われています。
Fe-Cr系抵抗線とMgO
この取り合わせの場合、Blackeingと呼ばれる寿命低下の現象があります。MgOと鉄クローム系抵抗線の中の鉄は反応性が良く、ヒーター内部の温度が500℃前後になるとMgO・Fe2O3またはMgO・FeO等となってMgOは灰黒色化となり導通状態となって断線します。
Ni-Cr系抵抗線とMgO
ニッケルクローム系抵抗線の場合、抵抗線の表面が酸化されてCr2O3となり表面の保護膜の役目をしますが、時間の経過とともにCr2O3とMgOが反応を繰り返しCr2O3・MgO(クロマグ)となりMgOは白色から黄褐色、さらに緑色へと変化します。
発熱対中のCr分が低下し、耐熱度の低いNiが主体となってNiとMgOが反応して黒色化となり断線します。ヒーター内部が600℃前後よりこの現象が起こります。
このように材質が起因となる欠点を持ち合わせているのがヒーターです。できるだけ温度は低めで使用するのが反応を遅らす策の一つです。また、ヒーターがオーバーヒートにならぬよう被加熱物の対策も必要です。

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