JPH02210785A - セラミックスヒータ炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミックスヒータ炉に関し、特に焼成炉、
熱間静水圧プレス装置（＋ＩＩＰ）用炉、超高温試験測
定炉、ｌ￥Ｊ結晶溶解炉等の発熱体としてセラミックス
ヒータを使用するセラミックスヒータ炉に関する。

［従来の技術］ 従来のセラミックスヒータ炉に使用されているセラミッ
クスヒータは、第４図に示すように、セラミックスヒー
タエレメント虹の上下部に電極０５゜０５が捲装された
給電部０２．０４と、これらの給電部０２、０４間の発
熱部０３とからなっている。なお、この電極ｏｓ、　ａ
ｓにはリード線０６．０６が接続されている。

このセラミックスヒータエレメント０１のセラミックス
材料は、第６図に示すように、その特性上、常温下及び
１０００℃以下の温度領域で比抵抗値が高いので、本来
、発熱部０３の太さがあればよい給電ｆＫＯ２，０４を
発熱部０３より太くして、抵抗値を低く抑えるようにし
ている。すなわち、抵抗値を低（抑えるために、セラミ
ックスヒータエレメント虹の線径を太くするようにして
いる。

このように、抵抗値を低くするために給電部０２゜０４
を発熱部０３より太くしている第４図に示す従来のセラ
ミックスヒータでは、給電部０２．０４に印加する電圧
を高（する必要があり、この通電により給電部０２．０
４が発熱し熱膨張して熱応力が発生し、早期に破損する
と言う問題があった。

この問題を解決すべ（、本発明者らは、先に第５図に示
すようなＵ字形の棒状セラミックスヒータエレメント１
０の両端部に給電部１２を設けて、同給電部１２の外周
面に電極１４を取付けたセラミックスヒータにおいて、
該給電ｆｆ１１２の外周面に前記電極の幅よりも広（、
かつ電気抵抗の低い（電気伝導性の良好な）金属被覆層
１３を形成したヒータエレメントを提案した（特願昭６
２−２５６３１６号）。

なお、第５図中、ｌ！は発熱部、１５はリード線である
。

また、」−記の棒状セラミックスヒータエレメント１０
の材料には、例えば純度が９９．５％以上のジルコニア
（ＺｒＯ＊）をイブトリア（ｙｔｏｔ）　、カルシニア
（Ｃａｂ）又はマグネシア（Ｍｇ０）で安定化させたも
のが使用される。

」ユ記の棒状セラミックスヒータニレメントロは、１６
００〜２０００℃程度の超高温領域で使用するのに適し
ているが、本発明者等の実験により、実際には、このよ
うな超高温域で使用すると、ヒータエレメント材料（ジ
ルコニア焼結体）の高温強度が低下して変形（クリープ
）が生じるため、ヒータエレメントを自立型にしてヒー
タを構成することは困難であることが明らかになった。

そこで、本発明者らは、別途上記のような超高温領域で
も安定して使用することのできるセラミックスヒータエ
レメントの構成を考案し、このセラミックスヒータエレ
メントを用いたセラミ、クスヒータ炉を提案した。

第１図（ａ）〜（ｂ）は、この提案に係るセラミックス
ヒータ炉の構成を示す図で、ｉ１図（ａ）が全体構造を
、第１図（ｂ）が第１図（ａ）のセラミックスヒータエ
レメントを、第１図（Ｃ）が第１図（ａ）のＡＡ線断面
矢視図をそれぞれ示している。

第１図（ａ）〜（ｃ）において、ｌは予熱用金属ヒータ
ニレ４メント、２は棒状（中実父は中空）セラミックス
ヒータエレメント、３が単層又はＰｉ層の断熱シェル、
４及ヒ４′は棒状セラミックスヒータエレメントを包込
む筒状断熱体（エレメント支持体）で、内側エレメント
支持体４と外側エレメント支持体４′に分割可能に構成
され、これらのエレメント支持体４，４′の中に棒状セ
ラミックスヒータエレメント２が内蔵されている。

また、上記の断熱シェル３は、断熱効果を向上させるた
めに、ジルコニアやアルミナ等の高純度の緻密化された
焼結体等で調製される・。

なお、５は上蓋、６は温度センサ、７は棒状セラミック
スヒータエレメント２両端部への給ＴＩ線、８は炉室１
．９は被加熱材料を載せるための炉床、１０は炉架台で
ある。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、第１図（ａ）〜（Ｃ）に示すセラミックスヒ
ータ炉の断熱シェル３は、予熱ヒータ１によりほぼ均一
に加熱された後、棒状セラミックスヒータエレメント２
により更に加熱される。

この場合、セラミックスヒータエレメント２は、給電部
（金属からなる電極構造をとるため、耐熱性は約９００
〜１２００℃程度である）よりも上方部がより加熱され
るため、断熱シェル３も高さ方向に温度差を生じ、これ
が原因で断熱シェル３が早急に破損するという問題があ
った。

また、緻密な焼結体からなる断熱シェル３では、使用後
の冷却過程で熱応力により破損するという問題もあった
。

本発明は、このような問題を解決し、耐熱性の高い断熱
シェルの構成を考案し、この断熱シェルを用いたセラミ
ックスヒータ炉を提案することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記の目的を、予熱ヒータと、該ｐ熱ヒータ
に内挿され両端に給電部が設けられた棒状（中実、中空
いずれでも良い）セラミックスヒータエレメントと、該
棒状セラミックスヒータエレメントの外側に配された単
層又は複層のセラミックス材製部材から構成されるセラ
ミックスヒータ炉において、前記予熱ヒータと単層又は
ｍｌのセラミックス部材との間に多孔質なセラミックス
製の断熱シェルを具備してなることを特徴とするセラミ
ックスヒータ炉により達成するものである。

この断熱シェルの材料である多孔質なセラミックスは、
セラミックス繊維で強化した複合セラミックスであり、
その母材はジルコニア、マグネシア、アルミナ等の高温
用酸化物や複合酸化物で、強化用繊維は母材と同材質か
異なる材質のウィスカや短又は長繊維が好ましく使用さ
れ、またその気孔率は３０〜５０％が適している。

［作用］ 本発明セラミックスヒータ炉においては、ヒータ炉内（
すなわち、被加熱材料を挿入する所謂炉室、以下、炉室
）が、先ず予熱ヒータにより例えば９００〜１２００℃
程度に加熱され、次いで棒状セラミックスヒータエレメ
ントへの通電により例えば１５００〜２１００℃程度に
加熱されるが、セラミックスヒータエレメントへの通電
による加熱の際に、該炉室内の熱が予熱ヒータ側へ移行
するのを、本発明に係る断熱シェルが遮断（断熱）する
。

但シ、予熱ヒータでセラミックスヒータエレメントを予
熱している時には、断熱シェルの断熱性が高いと予熱を
効果的に行うことはできない。

従って、本発明に係る断熱シェルは、セラミックスヒー
タエレメントの予熱時には断熱性が悪く、セラミックス
ヒータエレメントに通電後には断熱性が良好であること
が要求される。

このような要求を満たすべ（、本発明では、断熱シェル
を、セラミックス繊維で強化した多孔質なセラミックス
体により構成するのである。

すなわち、セラミックスヒータエレメントを予熱ヒータ
で予熱する際（対流支配時）には、断熱シェルの多孔内
に存在するガスが熱を対流させるため、断熱シェルの断
熱性が悪（、予熱ヒータの熱を効果的にセラミックスヒ
ータエレメントに伝え゛る。そして、予熱ヒータ温度−
炉室内温度になりセラミックスヒータエレメントに通電
された後は、セラミックスヒータエレメントの方が予熱
ヒータより高温（輻射支配）となるため、断熱シェルの
多孔内のガスによる熱の対流はなくなり、断熱シェルの
断熱性が良好となって、セラミックスヒータエレメント
の熱が予熱ヒータ側へ移行するのを遮断するのである。

また、この輻射支配時の高温下やセラミックスヒータ炉
運転終了の際の冷却時の熱衝撃応力を、本発明の断熱シ
ェルに使用される上記のセラミックス繊維強化セラミッ
クス多孔質体は、効果的に緩和する作用をもをする。

この多孔質体の気孔率は、上記のように低温の対流支配
時には該多孔内の空気による熱の対流が生じ、高温の輻
射支配時やセラミックスヒータ炉運転終了後の冷却時に
は上記の熱衝撃応力を効果的に緩和し得る最適な範囲が
、上記の３０〜５０％である。

なお、断熱シェルは、母材粉末と強化用繊維とを所定の
割合で混合した後、鋳込み成形等で必要な形状に加工し
、１６５０〜１９００℃で焼成等して調製される。

［実施例］ 第１図（ａ）〜（ｃ）に示す別途出願のセラミックスヒ
ータ炉を用いて本発明セラミ・／クスヒータ炉の一実施
例を説明する。

第１図（ａ）〜（Ｃ）において、予熱ヒータｌは白金、
鉄−クロム−アルミナ合金、炭化ケイ素系材料等（本例
では、白金）からなり、棒状（中実又は中空）セラミッ
クスヒータエレメント２は安定化ジルコニアからなる。

この安定化ジルコニアからなるセラミックスヒータエレ
メント２の比抵抗値は、第４図に示すように、５００℃
以下では大きいが、１０００℃付近では小さくなるため
、ヒータエレメント２を９００℃付近まで昇温させる予
熱ヒータ１を必要とする。

また、セラミックスヒータエレメント２は、両端の給電
部に白金ロジウム線又は白金線からなる給電線７が巻付
けられ、高温時にその剛性が低下しないように下記する
断熱シェル３と同様に熱応力に強い多孔質なセラミック
ス製エレメント支持体４，４′で包込まれている。

２層の断熱シェル３は、ジルコニア繊維で強化した気、
孔率５０％のジルコニア製多孔質体である。

上蓋５は断熱シェル３と同材からなり、温度センサ６は
Ｂ熱伝対（４０％又は２０％ロジウム）を使用し、その
端子りはセラミックスヒータ炉外に取出され、図示省略
の記録計に温度測定結果がインプットされる。

炉床９はジルコニアからなり、炉架台１ｏはアルミナか
らなる。

予熱ヒータ１の端子Ｂ、Ｂ’　に電流・電圧を与えて、
９００〜１２００℃に通電加熱し、温度保持する。

また、上記の炉室８内の温度も、この予熱ヒータｌによ
り昇温するが、予熱ヒータｌと炉室８との間に配置され
ている断熱シェル３により予熱ヒータｌよりも遅れて昇
温する。

予熱ヒータｌの温度を１２００℃に制御していると、炉
室８内の温度も次第に等温となる。

等温の状態になると、セラミックスヒータエレメント２
の比抵抗値が低下し、導体となるので、端子ｃ、ｃ’に
電流・電圧を与え、炉室８内を更に加熱する。

この加熱により、炉室８内が予熱ヒータｌよりも高温と
なり、熱は予熱ヒータ１側に流動しようとする。この流
動を断熱シェル３により防止する。

具体的には、前述のように、該断熱シェル３は、セラミ
ックスヒータエレメント２に通電するまでは該シェル３
の多孔内のガスによる対流があり断熱性がむしろ悪く、
予熱ヒータ１の熱は効果的にセラミックスヒータエレメ
ント２に伝達される。

そして、予熱ヒータ１と炉室８内の温度が等温になり、
セラミックスヒータエレメント２に通電すれた後は、熱
の伝達は輻射が支配的となるため、上記のガスによる対
流がなくなり、断熱シェルは断熱性に優れたものとなる
。

この断熱効果を向上させるためには、緻密化された断熱
シェル（例えば、純度９９％のアルミナ又はジルコニア
焼結体）を使用すべきであるが、この緻密化された断熱
シェル３は、熱応力や熱衝撃に弱く脆いという欠点があ
る。

これに対し、多孔質な断熱シェル（例えば、気孔率５０
％のアルミナ又はジルコニアセラミックス製）３は、熱
応力には・強いが、対流を起こし易く断熱効果が小さい
という理由で使用限界がある。

しかし、１２００℃以上の高温域では伝熱の主流が対流
から輻射に変わるため、このような高温域では多孔質な
セラミックス製断熱シェル３の断熱効果を得ることがで
きる。

本例では、炉室８内を１８００℃以上に加熱しても充分
な断熱効果を得ることができた。

この時の予熱ヒータＩと炉室８内の温度変化を第２図に
示す。

第２図から明らかなように、断熱シェル３の作用により
、炉室８内と予熱ヒータ１間に６００℃の温度差がつい
ていることが判る。

第３図は、緻密化されたセラミックス製断熱シェルを使
用し、炉室８内を加熱保持中に該断熱シェルが破損した
時の温度変化を示す図である。

第３図から明らかなように、予熱ヒータｌの温度が上昇
しており、炉室８内の熱が予熱ヒータ■側に流動してい
ることが判る。

Ｌ発明の効果］ 以ヒのように、本発明セラミックスヒータ炉によれハ、
予熱ヒータとセラミックスヒータエレメントの間にセラ
ミックス繊維で強化された多孔質なセラミックス体から
なる断熱シェルが存在するため、超高温域（輻射支配時
）での断熱性能の向上、及び温度不均一に伴う熱応力に
よる断熱シェルの破損を防止でき、寿命の延長を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明炉及び別途出願の炉の一実施例を
示す縦断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の−部詳細
図、第１図（ｃ）は第１図（ａ）のＡ−Ａｌ＠ｖｉ断面
図、第２〜３図は本発明炉の効果を示す図、第４図は従
来のセラミックスヒータ炉を示す一部縦断面図、第５図
は先願に係る棒状セラミックスヒータエレメントを示す
一部縦断面図、第６図はセラミックスの温度と比抵抗値
特性を示すグラフである。 ｌ：予熱ヒータ ２：棒状（中実又は中空）セラミックスヒータエレメン
ト ３：断熱シェル ４．４’：セラミックス材製部材（エレメント支持体） 第５図 濫づ支（’Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 予熱ヒータと、該予熱ヒータに内挿され両端に給電部が
   設けられた棒状セラミックスヒータエレメントと、該棒
   状セラミックスヒータエレメントの外側に配された単層
   又は複層のセラミックス材製部材から構成されるセラミ
   ックスヒータ炉において、前記の予熱ヒータと単層又は
   複層のセラミックス部材との間に多孔質なセラミックス
   製の断熱シェルを具備してなることを特徴とするセラミ
   ックスヒータ炉。