産業用機器のヒーターに関して

400℃で温度調節しているヒーターがあるのですが、内部のエレメントが新品の状態であるにも関わらず短期で断線してしまう現象が発生しています。
200V、SSRでPID制御しており、クランプメーターで測定するとMAXで7A程度の電流が流れている状態です。

このヒーターユニットはスライド移動する機構になっておりまして、200Vの配線は常に屈伸運動を繰り返しています。
移動幅は30cm程の場合もありますし、60cm程の長距離移動もあります。
1日に100回以上この動作を繰り返しており、毎日稼働して25年程使用していると思われます。
これだけの長期間曲げ伸ばしを繰り返しているより線なので、細い線が少しずつ切れていっているのではないかと思っております。

これらの切れた細いより線は曲げ伸ばしで断線と接触を繰り返しているのではないかと思います。
時には長い間隔で時には非常に短い間隔で。

配線がこのような状態にある時、ヒーターのエレメントに対して悪さをする事は考えられるでしょうか？

考えられる、考えられない、どちらの場合もメカニズムを教えて頂けると助かります。

どうぞ宜しくお願い致します。

質問者からの補足コメント

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  アドバイスありがとうございます。
  断線が生じる際はそのまま温度が下がるだけという場合と漏電ブレーカーがダウンする場合があります。
  エレメントは薄い雲母の絶縁シートで上下から挟んでありまして、それを更にSICのプレートで挟んでいるという構造になります。
  雲母のシートが破けてしまえば漏電、破けなければ温度が下がるだけという事です。
  
  配線（より線）に部分的な断線が生じており、それが配線の屈伸運動で断線と接触を繰りかえして、突入電流が生じて電流が流れ過ぎる事はないでしょうか？

  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/23 18:44

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  アドバイスありがとうございます。
  SSRでの制御ですので、電流はスパッと遮断されていると思います。
  25年も使っているヒーターケーブルなので、まずは交換をしたいのですが、何故エレメントが切れてしまうのかを説明しないと交換作業に入れないという状態で困ってます。

  No.2の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/23 18:48

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  アドバイスありがとうございます。
  
  切れて困っているのはヒーターのエレメントになります。新品状態であるにも関わらず複数枚のエレメントが立て続けに切れてしまい、エレメントメーカーに故障品を調査してもらっているのですが原因はわからないとの見解をもらってます。
  ヒーターに電力を供給する配線は稼働部分にあり、ケーブルベアで保護されており稼働するヒーターユニットに追従させております。屈伸に強いケーブルを採用してはおりますが25年間毎日の屈伸で恐らく部分的な断線が生じていると思っております。
  
  この断線部分がケーブルベア内で配線が動く事により、接触、非接触を繰り返して場合にエレメント側にどのような影響があるのかを知りたいと思っております。
  
  配線が切れているというのはあくまで予測です。エレメントは複数回切れいて切れないように対策をしたいのですが、配線交換に意味があるのか知りたいと思っております。

  No.3の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/23 18:59

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  ヒーターの電源線は2本になります。

  No.4の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/23 22:37

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  お返事ありがとうございます。
  エレメントがきれてしまう問題で悩んでおりまして、ヒーター線は一部が断線しているであろうと予測しているだけです。
  実際にエレメントが切れてしまったヒーターユニットは他のヒーターユニットと交換して、今も使えております。
  この切れかかったヒーター線がヒーターユニットに何らかの悪影響を与えて、エレメントが断線、個体差によって別のヒーターユニットは使えてしまっているが、この配線のままだと近い将来またエレメントの断線を引き起こすのではないかと考えている次第です。
  配線の交換をさせてもらいたいとおもっているのですが、配線が悪くてエレメントは切れないでしょうというお客様の意向があって作業が進みません。
  温度センサーは表示値が正常というだけで実際値が狂っていない証拠はありませんが、製品の出来栄えには異常がない為、センサーは狂っていないと思われます。

  No.5の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/24 14:11

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  ヒーターエレメントの断線が起きた少し後にヒーター線が切れてしまったという事でお客様が交換をしております。
  エレメント切れの直後にヒーターの配線切れ、これは無関係ではないのではないかと思っております。
  より線の一部が断線しており、接触したり、断線したりを繰り返す事でエレメントへの悪影響がないかどうかをしりたいと思っております。

    補足日時：2023/09/24 14:14

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  アドバイスありがとうございます。過電圧防止対策はされておりません。
  装置外の要因もあるのかもしれませんね。
  周辺を見ている限りは大電力を使うような装置が新たに追加された様子はありません。

  No.10の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/26 16:02

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  アドバイスありがとうございます。私も25年間も使えている配線には驚いてます。同年代の装置でちらほら配線が切れたという話が伝わってきているので、予防保全での交換を提案していきたいと思ってます。
  これでエレメント切れが終息してくれればよいのですが。。。。
  アナログ的な制御をする方がヒーターエレメントには優しそうですね。
  良い手はあれど、今更変えられないというのが本音です。

  No.9の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/26 16:07

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  アドバイスありがとうございます。
  断線前に温度が上がるかどうかは解っておりません。断線が生じるのは400℃で温調している時になります。
  正しい場所を増やすという意味でも劣化しているであろう、配線も新品に交換していきたいのですが、お客様が乗り気ではなくて困ってます。

  No.6の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/09/26 16:16

No.11 ベストアンサー 回答者： air_supply 回答日時： 2023/09/27 14:35

ANo.10 です。

現在の SSR 制御形式がどう言うものか判りませんが、ゼロクロス方式と言うのがあります。交流 電圧が 0V になるポイントを使って ON/OFF を行う方法です。これですとサージが発生することを抑えられます。下記は理化工業のホームページの記事です。

電力制御の方式と特徴について
https://www.rkcinst.co.jp/technical_commentary/1 …

当時は 4～20mA のカレントループ制御を主に行っていましたので、ゼロクス方式は殆ど使っていませんでした。ゼロクロス方式は、SSR 素子にもヒーター負荷にも比較的やさしい制御だったように思います。

理化工業に温度調整器を使っているなら、これらの制御ができるのではないでしょうか？

No.10 回答者： air_supply 回答日時： 2023/09/26 07:56

ANo.9 です。

タイプミスがありました。訂正してお詫びいたします。済みません。

誤　電力回路の ON/OFF でひーター制御を行っていると、
正　電力回路の ON/OFF でヒーター制御を行っていると、

誤　4～20mA のカレントループで制御しまうので、
正　4～20mA のカレントループで制御しますので、

それと、電源の AC200V からのスパイク電圧も気になります。電力調整器を使って負荷制御を行っている場合は、電力調整器自体で過電圧が印加されるの防いでいますが、SSR で ON/OFF しか行わない電力制御の場合、入力される電圧がそのまま出力されてしまいます。過電圧防止のような対策はどうされているのでしょうか？

最近になって良くヒーターエレメントが切れる現象が発生しているなら、大元に電源環境の影響があるのかも知れません。直近に何か大きな電力を使う装置を設置したとかがないでしょうか？ これは、その装置が稼働して大電力を一気に使う時に発生し、それにより電源に短いパルス状の波形が載ってきているのではないでしょうか？ これには、電源波形を捉えることのできるデジタルオシロのような測定器が必要ですね。こう言った調査も必要ではないでしょうか。

No.9 回答者： air_supply 回答日時： 2023/09/25 22:53

ANo.8 です。

まぁ、サージに関しては推測ですので、実際はよく確認を行って下さい。25 年間交換せずに使われていた配線は、今の今まで繋がっていたのは本当に大したものですね。まぁ、これからは断線しまくるでしょうから、どう頑張っても交換して方が良いと思いますけれど。

それと、電力調整器は使っていないとのこと、そうすると SSR で制御しているのは ON/OFF 制御なのですね。これも、ストレスの原因になりますね。

電力回路の ON/OFF でひーター制御を行っていると、ON と OFF に境目でストレスが生じます。古いですがデジタル制御になります。

電力調整器を使う場合は、4～20mA のカレントループで制御しまうので、電力の変化はアナログ的で尖ったところはありません。

まぁ、今更電力調整器を導入するのも、製品の再現性の問題もあるので難しいとは思いますが、ヒーターエレメントの寿命を考えると、滑らかなアナログ制御が良いのではないでしょうか。折角 PID 制御を掛けているのに、ヒーターエレメントの電力制御は ON/OFF と言うのは、一寸勿体ない気がします。

No.8 回答者： air_supply 回答日時： 2023/09/24 18:10

ANo.7 です。

補足 14:14 について。

"ヒーターエレメントの断線が起きた少し後にヒーター線が切れてしまったという事で、お客様が交換をしております。エレメント切れの直後にヒーターの配線切れ、これは無関係ではないのではないかと思っております。"
→　新しい情報ですね。

｢ヒーターエレメントの断線がが起きた少し後に、ヒーター線が切れてしまった｣ こう書かれていますが、ヒーターエレメントとヒーター線はどこが違うのでしょうか？

｢ヒーターエレメント｣ は実際の発熱するヒーターで、｢ヒーター線｣ とはヒーターに給電する配線なのでしょうか？ だとすると紛らわしいですので、後者は単に配線としておいた方が良いでしょう。

実際に配線が切れているのであれば、これは 25 年間で初めてのことなのでしょうか？ そうであれば長年の屈曲で、金属疲労が相当溜まった結果だろうと言う気がします。

"より線の一部が断線しており、接触したり、断線したりを繰り返す事でエレメントへの悪影響がないかどうかをしりたいと思っております。"
→　撚り線の一部が切れただけで、全部が断線したわけではないのでしょうか？ ということは電気的にはまだ繋がっているので、一部の断線が全体に悪影響を及ぼすことは考えにくいです。

配線が接続されたり切れたりしてサージが生じるのは、完全に回路が切れている状態でないと発生しません。一部が切れただけでは、スパークなどは発生しません。その場合、流れる電流が残りの配線に集中することで、線材そのものが発熱するでしょうけれど、それだけですね。回路は成立していますので、サージなどは発生しません。

完全に切れている場合、ケーブルの駆動状態により接続することがある場合は、電力調整器側としては負荷に電流が流れていませんので、流そうと最大電力を出力します。それで回路が接続された瞬間に電流が流れてサージが発生し、ヒーターエレメントにストレスが掛かります。これで切れるなら納得できるのではないでしょうか？

ただし、この場合でも電力調整器側で上限を設定しておけば、ヒーターが切れるような電力を供給することは無いと思います。従って、電力調整器の設定がどうなっているのかがポイントになると思います。

この回答へのお礼

こんばんは。紛らわしくて申し訳ありません。切れてしまったのは配線です。担当者いわく25年間で初めて切れたとの事でした。恐らく同年代の他の装置でも同じように配線が劣化していると思われます。
配線の全体が切れてしまえば400℃に温調を続ける事はできないでしょうから、一部の断線と推測しております。
回路が完全に断たれなければサージ電流は発生しない、何となくイメージは出来る気がします。
配線の一部断線ではなく、完全に切れているが殆どの時間は接触しており、時々発生する断線状態から復帰する際にサージ電流が発生してヒーターエレメントにストレスを与える、ありえるような気がします。
非常に古い装置だからか電力調整器は付いておりません。
アドバイスありがとうございます。この可能性はあるような気がします。

お礼日時：2023/09/25 22:27

No.7 回答者： air_supply 回答日時： 2023/09/24 15:30

ANo.5 です。

"製品の出来栄えには異常がない為、センサーは狂っていないと思われます。"
→　ということは、温度制御は上手くできていると言うことだと思います。調査するのであれば、モニター専用にセンサを入れて温度を見てみるのも必要ではないでしょうか。

次にヒーターの環境についてですね。

ヒーターはどういった環境にあって、どのようなヒーターなのでしょうか？ また、使用する電源電圧よりヒーターの定格仕様が低くなっているようなことは無いのでしょうか？

私は以前、真空チャンバーに入れるシーズヒーターの温度制御をやったことがあります。平べったい円筒の容器の上下にヒータが組み込まれていて、大気中では上側が上昇して内部にアクセスできるようになっていました。加熱温度は、300～400℃ くらい、使用時は真空に引きます。

ヒーターのニクロム線は真空には晒されませんので、比較的安全でした。他にランプ加熱もあって、かなり明るく光って照射(輻射)熱での加熱です。これは 1,000℃ 近くまで温度が上がりました。

真空中に電極を晒すヒーターもありましたね。これは 300℃ くらいの加熱で、高真空では放電しないですが、真空度が下がると電極間で放電してしまうので、大気に戻す時はヒーターの電源を落としていました。

何れもヒーターの耐電圧や電力値の上限を超えないように、電力調整器のパラメーターを設定していました。ヒーターの定格内で加熱する分には、ヒーターの本来の寿命より短い時間で切れるようなことは無かったです。

温度制御には、｢理化工業｣ の高めの温調計を使っていましたね。多くの場合、複数のヒーターを使って加熱していましたので、ゾーン分けしてそれぞれのゾーンに温度センサーを設置、ゾーンごとの温調計で制御を掛けていました。

"配線の交換をさせてもらいたいとおもっているのですが、配線が悪くてエレメントは切れないでしょうというお客様の意向があって作業が進みません。"
→　予防の観点からその予測は危険ですね。交換して関係のないことが証明できれば、それはそれで良いはずです。客先が保証してくれれば良いのですが、それはないでしょうから ････

配線を新しいもの交換し、データロガーを各所に設置して、先ずはヒーターが切れる状況を把握する必要があるように思います。

この回答へのお礼

こんばんは。何度もアドバイスありがとうございます。お話しを聞いていると同じような仕事をされているのかもしれません。
ヒーターは常圧下で使っている物でして、0.1mm程の薄さのヒーターエレメントを雲母製の断熱シートで上下から挟み、それを更にSICのプレートで挟んでおります。
温度制御にはまさに理化工業の温調器を使っております。ありがとうございます、親しみが湧いてきました。
配線は何とか交換させて頂く方向に進みそうな気配があります。25年間一度も交換していない、ヒーターエレメントが切れたチャンバーにて配線も切れている、この事から直接的な原因かどうかは解りませんが、交換はしましょうと提案していこうと思います。

お礼日時：2023/09/25 22:36

No.6 回答者： tateisu 回答日時： 2023/09/24 15:30

断線前に多少は温度上がるんですかね？

もしそうなら温度が上がると言う判断は、温調器の表示？ソレとも現物を実測？
はたまた、全く温度が上がらずいきなり断線？
臨場感ある問診ができないからなかなか難しいですが、、、
想像コミコミで途中可動部配線の影響「①られる／られない」について
①られる可能性
設備の対地アースがキチンと取れておらず、電線の被覆を貫通する充電部が導電性のケーブルベアを経て設備フレームに接触、200Ｖを超える電圧が掛かりエレメントが焼損し断線に至る。ちょっと苦しい、、、
②られない可能性
ケーブルベアは樹脂製で導電性のある付着物もない。電線被覆を貫通する部分的な断線があって充電部が露出したとしても設備フレームと短絡することはない。
また、ヒータ電源用の可動ケーブルは他の電圧や信号線などと分けられており、たとえ断線し、断線ケーブル同士の短絡が発生したとしてもヒータの断線につながる様な事にはならない。

▪️
多分可動部配線は関係ない。
断線のせいで何かが起きるんなら、ヒータ外した状態でケーブルベア屈伸させてもブレーカ飛んだりするんじゃ？リークテスターで見ても電流ゼロだと思うよ。
気になれば、電装盤のSSRとヒータを仮設ケーブルで直結してみたらいい。
異常を探すんじゃ無くて正しい場所を増やしていって現状に至るって方法もある。

No.5 回答者： air_supply 回答日時： 2023/09/23 20:29

ANo.3 です。

了解です。ヒータ―の方が切れるのですね。電力を供給する配線は、切れているという状況なのでしょうか？ 一度外して点検することはできませんでしょうか？

と言うのも、配線が切れかかっているのが原因でヒーターが断線するとは考えにくいのです。ある程度太い屈曲に強い配線材をケーブルベアーを通して使われているようなので、そんなに簡単には切れないでしょうし、25 年間使い続けているのであれば、交換も考えた方が良いよう思います。

配線はパッシブですから、切れかかっているとそこに電流が集中して発熱するかも知れません。多分その配線は焦げていると思います。しかし、そこで極端に抵抗が大きくなってしまうことは考えにくいです。もしそうなると、ヒーターに供給する電力が減ってしまい、既定の温度になるよう全体の供給電力を高めて、ヒーターに耐電圧を超えてしまうかも知れません。

温度によりヒーターに送る電力を制御しているのでしょうから、ヒーターの両端に掛かる電圧も、データロガーなどで監視した方が良いのではないでしょうか？ 過大な電力を掛けてしまっている可能性もありますから。

また、温度センサーは大丈夫でしょうか？ できている製品に問題はないのでしょうか？

一点集中で予測せず、温度、電圧、電流などをチェックし、ヒーターが切れる原因を見つけましょう。制御系がしっかりしていないと、同じことの繰り返しになる恐れがあります。

No.4 回答者： tateisu 回答日時： 2023/09/23 19:09

このヒータって電源は3本ですか？2本ですか？

No.3 回答者： air_supply 回答日時： 2023/09/23 18:33

質問文に矛盾があります。

"400℃ で温度調節しているヒーターがあるのですが、内部のエレメントが新品の状態であるにも関わらず、短期で断線してしまう現象が発生しています。"

と

"これらの切れた細いより線は曲げ伸ばしで断線と接触を繰り返しているのではないかと思います。時には長い間隔で時には非常に短い間隔で。"

の二つの文章から、切れるのはヒーターであるのか、ヒーターに電力を供給する可動部分の配線なのかです。後者は、当然稼働している訳ですから、十分柔らかい線材を使われていて、ケーブルベアーなどで保護はされていると思います。

ケーブル保護管 「エナジーチェーン」：高速対応、低発塵
https://premium.ipros.jp/iguskk/product/detail/2 …

上記では ｢エナジーチェーン｣ と呼ばれていますが、ラダー状のケーブルベアーの中に配線を入れて、稼働するヒーターブロックに追従させているのでしょうか？

これでヒーターが切れるのであれば、ヒーターの容量と AC200V で SSR で PID 制御している電力制御システムが、適切でない制御を行っていることになります。特に過電力などが切れる原因となります。クランプメーターでは判らない短期間のサージなどが出ている可能性があるのかも知れません。ピークの電力を電力調整器で抑えるなどした方が良いのではないでしょうか？

当然切れやすいのは、通常この稼働している配線部分でしょう。配線が切れるのは、繰り返しの屈曲に耐える線材を選択するほかないでしょうね。どう言う形で接続されているか判りませんが、コイル状にして屈伸を吸収するとか、必要な線材の太さを複数のケーブルに分割して接続するとか、色々あると思います。詳細が不明なので、この程度となります。

屈曲用耐熱電線
https://www.fukuden.co.jp/product/heat-resistant …

No.2 回答者： hiro2017 回答日時： 2023/09/23 17:17

ヒーターの電流に対して一部の断線には他の配線に流れるので

何とかなると思いますが断線部の電流が多いと火花が飛び先端が
溶けると考えられます。
SSRなどによる制御でスパッと切るような制御をしていればヒーター
のショックが大きいと思う気がします。
ACなら0Vでの制御かDCならなだらかなカーブにしているか、あく
までも予想ですが。
25年使っているなら消耗品として交換かと思います。
違ってたらごめんなさい。