設計資料

温度上昇によるシーズヒーターの変化

シーズヒーターにおける温度による電力・長さ・絶縁抵抗の変化

シーズヒーターの特性 目 次

  1. 温度による電力・長さ・絶縁抵抗
  2. 温度上昇によるヒーター電力・長さ
  3. 電熱線の太さによる導体抵抗と質量

1.温度による電力・長さ・絶縁抵抗

シーズヒーターに通電して温度が上昇したとき考慮すべき点と、電力・長さ・絶縁抵抗の変化を表1にまとめた。

一般的な注意事項

  • ヒーターは伸びる。
    • 物質は固有の線膨張係数に従い温度変化により伸縮する。物理的干渉による応力の逃げを考慮する。
    • 取り合いとともに、ヒーターの一端は軸方向に自由な構造とするなどの工夫を要す。
  • 冷間(常温)時の電気抵抗と、熱間(使用温度)時の電気抵抗は異なる。=ヒーター電力も温度により変化する。
    • 熱間(使用温度に加熱)時には電気抵抗は大きくなり、冷間(常温)時に比べてヒーター電力が減少する。
  • 絶縁抵抗も高温になるほど急激に低くなる。
    • シーズヒーターを400℃以上で使用する場合は、雰囲気・湿気など他の要因も考慮すると絶縁劣化が必至である。
      このような場合には、マグネシアによる基礎絶縁の他に二重絶縁構造となる設計をする。
    • 500~600℃を越える場合、保温材や耐熱材料、二重絶縁構造、温度過昇防止機能など、ヒーターの性能・機能と共に安全性に対する考慮も必要となる。
    • 500~600℃を越える場合、温度コントロールも精度を上げることが難しく、高温での使用には細心の注意が必要である。(場合によってはシーズヒーターでの加熱は不可能)

表1 温度上昇によるヒーター電力・長さ・絶縁抵抗

項 目 発熱線温度(ヒーター内部)[℃] 注1 備考
20℃
(常温)
100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 700℃ 800℃ 900℃
ヒーター電力
(常温=1とする)
1.0 0.988 0.973 0.954 0.932 0.906 0.880 0.863 0.854 0.847 注2
電気抵抗変化
(常温=1とする)
1.0 1.012 1.027 1.048 1.072 1.103 1.158 1.158 1.170 1.180
ヒーター
伸び率[%]
0 0.17 0.35 0.53 0.72 0.82 1.12 1.33 1.64 2.07 注3
絶縁抵抗
[M・オーム]
1000以上 1000 500 200 100 50 10 1 0.5 0.1 注4
  • 注1:温度は、発熱体(電熱線)の温度を示す。
       シーズヒーターの表面温度は、これより50~100℃程度低くなるのが通例。
  • 注2:ヒーター電力は、発熱体が常温で1kWあったとすると、500℃では906Wとなり、約10%電力は減少する。
  • 注3:ヒーター伸び率は、ステンレス製の管の場合。
       (常温で1mの長さのヒーターは、500℃では約8mm伸びて1008mmとなる)
  • 注4:絶縁抵抗は、ヒーターの碍管(がいかん)と発熱体(電熱線)を絶縁しているマグネシア(MgO)の特性を
       示したもの。

2.温度上昇によるヒーター電力・長さ

実際のシーズヒーターでは、温度上昇によりヒーター電力・長さはどう変化するのか一例を表2にまとめた。

シーズヒーター(ストレート)の仕様は下記の通り。

  1. 電力:2kW(2000W) 200V単相
  2. 電気抵抗:20オーム
  3. 電気抵抗:20オーム

表2 温度上昇によるヒーター電力・長さ

項 目 20℃ 100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 700℃ 800℃ 900℃
ヒーター電力[W] 2000 1976 1947 1908 1866 1813 1759 1727 1709 1695
電気抵抗変化
[オーム]
20.0 20.2 20.5 21.0 21.4 22.1 22.7 23.2 23.4 23.6
ヒーターの長さ
[mm]
2000.0 2003.0 2007.0 2011.1 2014.0 2016.0 2022.0 2027.0 2033.0 2041.0

3.電熱線の太さによる導体抵抗Rと質量

代表的な例を用い、電熱線の線径を変えたときR=5Ω、10Ω、50Ω、100Ωのヒーター長さ、および質量を試算した。

表3 電熱線の太さによる導体抵抗と質量

発熱線の種類
ヒーターエレメント(内部電気抵抗値別)




線 径
抵抗値R
[Ω/m]
質 量[g/m]
10Ω
50Ω
100Ω
100Vで2kW
200Vで8kW
100Vで1kW
200Vで4kW
100Vで200W
200Vで800W
100Vで100W
200Vで400W
長さ
[m]
質量
[g]
長さ
[m]
質量
[g]
長さ
[m]
質量
[g]
長さ
[m]
質量
[g]
0.2
39.1
0.231
1.30
0.04
2.56
0.08








0.4
9.79
0.924
1.02
0.9
5.11
4.7
10.22
9.4
0.7
3.20
2.83
1.56
4.4
3.13
8.8
15.63
44.2
31.25
88.4
0.8
2.45
3.69
2.04
7.5
4.08
15.1
20.41
75.3
40.82
150.6
1.0
1.57
5.77
3.19
18.4
6.37
36.8
31.85
183.8
63.69
367.5
1.2
1.09
8.31
4.59
38.1
9.17
76.2
45.87
381.2
1.4
0.80
11.3
6.25
70.6
12.50
141.3
1.6
0.61
14.8
8.20
121.3
16.39
242.6
2.0
0.39
23.1
12.82
296.2
注意
  1. 100V用のヒーターを200Vで使用すると、電流は2倍になりヒーター電力は4倍。
  2. ワット密度[W/c㎡]は、線径が細くなれば大きくなるが寿命は短くなる。
  3. この表は比較参考のためのデータで、実際は仕様に合った線径を選定する。線径も代表的なものだけを示した。
  4. この表では温度上昇による抵抗値の増加は考慮していない。