JPH0443588A - 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（ＨＩＰ）用炉。

超高温試験測定炉、単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
るものである。

（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
クスヒータを第６図により説明すると。

第６図の（１）がセラミックスヒータエレメント。

（２）　（４）が同セラミックスヒータエレメント（１
）の上下部に形成した給電部、（３）が同給電部（２）
　（４）の間に形成した発熱部、　（５）　（５）が上
記給電部（２）　（４）に捲装した電極、　（６）　（
６）が同電極（５）　（５）に結線したリード線である
。

上記セラミックスヒータエレメント（１）のセラミック
ス材料は、第８図に示すように、その特性上１常温下お
よび１０００°Ｃ以下の温度領域で比抵抗値が高いので
１本来１発熱部（３）の太さがあればよい給電部（２）
　（４）を発熱部（３）よりも太くして、抵抗値を低く
抑えるようにしている。即ち抵抗値を低く抑えるために
、セラミックスヒータエレメント（１）の線径を太くす
るようにしている。

前記第６図に示す従来のセラミックスヒータでは、給電
部（２）　（４）を発熱部（３）よりも太くして。

給電部（２）　（４）の抵抗値を低く抑えているので、
給電部（２）（４）に印加する電圧を高くする必要があ
りこの通電により、給電部（２）　（４）が発熱して、
熱膨張し、熱応力が発生して、セラミックスヒータが早
期に破損する。

この問題を解決するために９本件出願人等は。

第７図に示すように棒状セラミックスヒータニレメン）
　（１０）の両端部に給電部（１２）　（１２）を設け
、同給電部（１２）　（１２）の外周面に電気伝導性の
良好な金属被膜層（１３）　（１３）を形成し、その上
に電極（１４）（１４）を捲装し、同電極（１４）　（
１４）をリード線（１５）（１５）に結線したセラミッ
クスヒータを提案した。

なお金属被膜層（１３）　（１３）の幅さは、電極（１
４）　（１４）の幅よりも広い。

上記棒状セラミックスヒータエレメント（１０）には１
例えば純度が９９．５％以上のジルコニア（ＺｒＯｚ）
が使用される。このジルコニア（ＺｒＯ□）は。

６〜１０モル％のイツトリア（ｙｚｏｚ）か、１０〜１
５モル％のカルシア（Ｃａｂ）か、マグネシア（ＭｇＯ
）を添加して、安定化させたもので、成形前は粉末状に
なっている。この材料は、９〜１４モル％のイツトリア
（Ｙ２０□）とカルシア（Ｃａｂ）とを添加した粉末状
のものであってもよいが、その場合には。

高価なイツトリア（Ｙ２０□）の量を２〜６モル％程度
に少なくすることができる。

以上の材料を棒状に成形するには、押出成形法。

静水圧プレス法、鋳込成形法を採用し、成形後。

所望のヒータ形状に加工する。その際の焼結は。

１６００〜１８００°Ｃの温度に数時間以上保持して行
う。

また棒状セラミックスヒータエレメント（１０）には、
冷却時の熱衝撃や熱膨張の熱応力による破損を防止する
こめ１図示を省略したスリットを軸方向及び円周方向に
設ける。

上記金属被覆層（１３）の材料には、白金、白金−ロジ
ウム合金、金等が使用され、これらのペーストによる塗
布、ディッピング、メツキ、溶射により、棒状セラミッ
クスヒータエレメント（１０）の給電部（１２）　（１
２）の外周面に金属被覆層（１３）が形成される。この
厚さは、５〜５０μｍとすることが好ましい。また電極
（１４）　（１４）及びリード線（１５）　（１５）の
材料には、白金ロジウム線や白金線が使用され。

これらの線が金属被覆層（１３）　（１３）の端部に近
い部分に数回巻き付けられて、電極（１４）　（１４）
が構成されている。

なお第４図のものは、各給電部（１２）にテーパを付し
ているが、その理由は、各給電部（１２）の径を発熱部
（１１）の径よりも太くして、各電極（１４）の金属被
覆層（１３）に対する接触面積を増大させるためである
。

（発明が解決しようとする課題） 前記第７図に示すセラミックスヒータには１次の問題が
あった。即ち、棒状セラミックスヒータエレメント（１
０）は、１６００〜２０００°Ｃ程度の超高ｉ’ＭｊＩ
域で使用するのに適しているが、好適なセラミックスヒ
ータエレメント材料であるジルコニアは、第８図に示す
ように比抵抗値が温度により大きく変化する性質を持ち
、１０００°Ｃ以下の温度では、絶縁材料に近い比抵抗
値を示す。従ってこれをヒータエレメント材料として使
用するためには、先ずヒータエレメント材料を１０００
°Ｃ以上の温度まで予熱し、然る後、ヒータエレメント
に通電する必要がある。このため、ジルコニアをヒータ
エレメント材料とするセラミックスヒータ炉では、この
予熱ヒータの装備を不可欠としている。本セラミックス
ヒータを適用する熱間静水圧プレス装置（ＨＩＰ）用炉
では、高圧容器内にセラミックスヒータを組み込んでい
るので、セラミックスヒータへの給電は、高圧容器を貫
通した電極を介して行うことになり、電極を最低２対必
要としている。

本発明は前記の問題点に鑑み提案するものであり、その
目的とする処は、最低２対必要としていた電極を一対に
減少できる上に、温度制御装置を２台から１台に減少で
きて、構造を簡略化できるセラミックスヒータ炉を提供
しようとする点にある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために１本発明は、セラミックス
ヒータと、これを通電可能な温度域まで予熱する予熱ヒ
ータとを有し、同予熱ヒータを上記セラミックスヒータ
の周りに設けたセラミックス炉において、前記セラミッ
クスヒータと前記予熱ヒータとを電気的に並列に結線し
ている。

（作用） 本発明のセラミックスヒータ炉は前記のように構成され
ており、セラミックスヒータエレメントと予熱ヒータエ
レメントとが温度制御装置を介して電気的に並列に結線
されており、単一の温度制御装置により運転することが
可能で、最低２対必要としていた電極が一対に減少する
上に、温度制御装置が２台から１台に減少して、セラミ
ックスヒータ炉の構造が簡略化される。

（実施例） 次に本発明のセラミックスヒータ炉を第１図乃至第５図
に示す一実施例により説明すると、第１図の（２０）が
セラミックスヒータであり、同セラミックスヒータ（２
０）は、中実または中空の棒状セラミックスヒータエレ
メント（１０）と、これを支持する内側エレメント支持
体（２１）と、外側エレメント支持体（２２）と、内側
エレメント支持体（２１）の上端部に嵌合した炉室上Ｍ
　（２３）と、断熱シェル（２４）と。

比加熱材料を載せる炉床（２６）とにより構成された炉
室（２８）を有している。

上記内側エレメント支持体（２１）と上記外側エレメン
ト支持体（２２）とは、上記棒状セラミックスヒータエ
レメント（１０）を取り囲むように同棒状セラミックス
ヒータエレメント（１０）の形状に合致した溝を有して
いる。そして同内側・外側エレメント支持体（２１）　
（２２）は１分割１組立て可能に構成されている。また
（２５）が上記炉室（２８）の温度を検出する測温セン
サで、同測温センサ（２５）からの検出信号により炉室
（２８）内の温度を制御する。第３図の（３６）が上記
測温センサ（２５）からの検出信号に基づいて炉室（２
８）内の温度を制御する温度制御装置で。

棒状セラミックスヒータエレメント（１０）と予熱ヒー
タエレメント（２７）とが温度制御装置（３６）を介し
て並列に接続されている。

上記セラミックスヒータ（２０）は、炉架台（２９）上
にセットされ、その周囲が予熱ヒータエレメント（２７
）により取り囲まれて、セラミックスヒータ炉（加熱炉
）　（３０）が構成されている。このセラミックスヒー
タ炉（加熱炉）　（３０）は、上蓋（３１）と１円筒胴
（３３）と、下蓋（３２）とよりなる高圧容器（４０）
内にセットされ、高圧・高温下での酸素ガスを数ｖ。

１％から数十ｖｏｆ％含有するＨＩＰ処理に使用される
。

また棒状セラミックスヒータエレメント（１０）及び予
熱ヒータエレメント（２７）への給電は、高圧容器（４
０）の下蓋（３２）を貫通した給電ケーブル（３４）に
より行われる。

次に前記第１図乃至第５図に示すセラミックスヒータ炉
の作用を具体的に説明する。予熱ヒータエレメント（２
７）として白金合金（白金６０％、ロジウム４０％、以
下白金合金と称する）を使用した場合と、鉄−クロム−
アルミ合金を使用した場合との温度によるヒータエレメ
ントの抵抗値の変化を第４図に示した。両ヒータエレメ
ントは、特定の温度で抵抗値が逆転するようにヒータエ
レメントの形状を決めておく。このように設計したヒー
タの組み合わせからなるセラミックスヒータ炉の場合、
低温域（１０００°Ｃ以下）では、棒状セラミックスヒ
ータエレメント（ジルコニアヒータエレメント＞　（１
０）の電流（ＩＺｒｏ□）が略ＯＡであり、電流の殆ど
が予熱ヒータ炉の金属製エレメントに流れて、これが発
熱する。このとき、予熱ヒータエレメント（２７）によ
り棒状セラミックスヒータエレメント（ジルコニアヒー
タエレメント）（１０）が加熱され、１０００°Ｃ以上
の温度になると。

棒状セラミックスヒータエレメント（１０）に電流が徐
々に流れるようになり、棒状セラミックスヒータエレメ
ント（１０）が発熱するとともに、抵抗がさらに下がり
、最終的には、大半の電流が棒状セラミックスヒータエ
レメント（１０）に流れて、処Ｂ１品が高温に保持され
る。

上記セラミックスヒータ炉（３０）の棒状セラミックス
ヒータエレメント（１０）と予熱ヒータエレメント（白
金合金’）　（２７）とを１０００°Ｃにおいて抵抗値
が同じになるようにセットした。即ち、白金合金ヒータ
エレメントは、１０００°Ｃにおいて比抵抗が４０．８
μΩ・１．ジルコニアは、同じく１０００°Ｃにおいて
比抵抗が２．５Ω・ｃｍであるので、白金合金ヒータエ
レメントについは、線径φＩＩＩＩＩ１１×長さ約２１
ｍ、ジルコニアヒータエレメントについては、径φ１２
ｍｍＸ長さ約２００ｍｍとしてこれを４本並列に結線す
ることにより１両ヒータエレメントの抵抗を約１１Ωと
した。このセラミックスヒータ炉の運転状況を第５図に
示した。炉室の温度を上げると同時に予熱ヒータエレメ
ント（２７）及びジルコニアヒータ炉の温度を同時に測
定した。またこのときの供給電力量を第５図中に示した
。圧力は、　　１５００ｋｇｆ／ｃｍ２とし、圧力媒体
ガスには、Ａｒガスに５体積％の酸素を添加したＡｒと
酸素との混合ガスを使用した。炉内温度は。

抵抗に等しくなる１０００℃の直前から徐々に差が開き
、炉内温度で１８００℃のときに予熱ヒータ（２７）部
で１３５０°Ｃになった。

（発明の効果） 本発明のセラミックスヒータ炉は前記のようにセラミッ
クスヒータと予熱ヒータとを電気的に並列に結線してお
り、単一の温度制御装置により運転することが可能で、
最低２対必要としていた電極を一対に減少できる上に、
温度制御装置を２台から１台に減少できて、セラミック
スヒータ炉の構造を簡略化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるセラミックスヒータ炉の一実施
例を示す縦断側面図、第２図は第１図の矢視■−■線に
沿う横断平面図、第３図は温度制御装置を示す縦断側面
図、第４図はヒータエレメントの抵抗と温度との関係を
示す説明図、第５図はシータ供給電力量及び炉内温度が
時間の経過とともに変化する状態を示す説明図、第６図
は従来のセラミックスヒータ炉のセラミックスヒータを
示す縦断側面図、第７図は本件出願人等が提案したセラ
ミックスヒータを示す側面図、第８図は被抵抗値と温度
との関係を示す説明図である。 （１０）・・・セラミックスヒータエレメント、　（２
７）・・・予熱ヒータエレメント。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックスヒータと、これを通電可能な温度域まで予
   熱する予熱ヒータとを有し、同予熱ヒータを上記セラミ
   ックスヒータの周りに設けたセラミックス炉において、
   前記セラミックスヒータと前記予熱ヒータとを電気的に
   並列に結線したことを特徴とするセラミックスヒータ炉
   。