JPH0896932A - 超高温発熱体及び該発熱体を用いた加熱方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱効率を良くし、交換に伴う費用を必要最小
限に抑えるともに、汎用加熱炉を超高温加熱炉として利
用可能にする。 【構成】 耐熱金属の給電線を接合した一対の蓋状の給
電端子部と、円筒状の発熱部を別々に製作し、上記給電
端子部で発熱部を挟み込む形で重ね合わせて発熱体を構
成し、該発熱体と耐火断熱壁を汎用の加熱炉に仮設し、
汎用加熱炉で予備加熱した後、前記発熱体で超高温の加
熱を行うようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、安定化ジルコニア等の
負温度特性磁器質材料製の超高温発熱体及び該発熱体を
用いた加熱方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加熱すると導電性を示す安定化ジ
ルコニア等の負特性（抵抗値の温度係数が負）磁器質材
料を、図１に示すように、円筒形で両端部の断面積より
中央部の断面積を小さく（薄く）するように成形加工
し、両端開口部を給電端子１、３、中央を発熱部２と
し、上部給電端子１、下部給電端子３にそれぞれ白金等
の耐熱金属の給電線４を接合して超高温発熱体とするも
のが知られている。加熱方法は、例えば、この円筒形発
熱体の給電端子の開口から発熱体中央部に被加熱体を挿
入し、発熱体を導電性を示す温度（１０００℃程度以
上）に予備加熱した上で給電線４に通電することにより
行う。

【０００３】又、物体を大気雰囲気中で１８００℃を越
える温度（以下、超高温と記す）に加熱しようとする場
合は、１０００℃程度加熱すると導電性を示す安定化ジ
ルコニア等の負特性磁器質材料製の超高温電気抵抗発熱
体の周辺を安定化ジルコニア等の超高温耐火断熱壁で囲
い、その外周にジルコニア発熱体を予備加熱する為の電
気抵抗発熱体を配置し、その周辺を耐火断熱材で囲った
構造の超高温専用電気抵抗加熱炉を使用するか、安定化
ジルコニア等の負特性磁器質材料製のサセプターを使用
した高周波誘導加熱炉を使用するか、クセノンランプ等
を熱源にした超高温イメージ炉を使用している。

【０００４】これら、従来の加熱炉について概略説明す
る。図２は超高温専用電気抵抗加熱炉の例を示す図で、
前述した円筒型の超高温電気抵抗発熱体１４の周囲を超
高温耐火断熱壁１５で囲い、その周囲に予備発熱体１３
を配置し、周囲を耐火断熱壁１６で囲った構造をしてお
り、高温温度測定装置１１で予備発熱体１３による加熱
温度を測定しながら温度調節計７´で電力制御装置８´
を制御して電源９から予備発熱体１３に通電して予備加
熱し、１０００℃程度に温度が上昇すると、放射温度計
等からなる超高温温度測定装置６で温度を測定しなが
ら、温度調節計７で電力制御装置８を制御して電源９か
ら超高温電気抵抗発熱体１４に通電して加熱する。な
お、予備発熱体、超高温電気抵抗発熱体による昇温、降
温カーブはプログラムコントローラ１２で温度調節計
７、７´を制御して行う。この超高温専用電気抵抗加熱
炉は、後述するイメージ炉に比して、試料全体を加熱で
きるとともに、均一な温度分布が得られ、また後述する
高周波誘導炉に比して、室温から超高温までスムーズな
加熱が可能であるという特徴があるが、一方、高温域で
は加熱効率が悪く、高温炉と比較して加熱容積効率が低
く、急速加熱、急速冷却には不向きであり、イメージ
炉、高周波誘導炉に比して投入電力にも限界がある。

【０００５】図３は高周波誘導炉の例を示す図で、図２
における参照番号と同一番号は同一内容を示しているの
で、その説明は省略する。高周波誘導炉では、予備発熱
体１３を炉芯に挿入して超高温発熱体であるセラミック
サセプター１９を予熱し、１０００℃程度に温度が上昇
した時点で予備発熱体１３を取り出して高周波誘導コイ
ル１８に高周波電流を流してセラミックサセプター１９
を誘導加熱する。被加熱物を炉芯内に保持するために、
試料台（炉床）１７がセットされる。この高周波誘導炉
は、試料全体の加熱が可能で、均一な温度分布が得ら
れ、投入電力密度が比較的大きく、急速加熱、急速冷却
用途に向いている特徴があるが、セラミックサセプター
を予熱している間は試料が加熱できず、誘導コイルとサ
セプター間の断熱壁を厚くできないため熱効率が悪い。

【０００６】図４はイメージ炉の概念図で、回転楕円面
鏡２０の片方の焦点から出た光は、鏡面で反射してもう
一つの焦点に集まる性質を利用し、回転楕円面鏡２０の
片方の焦点にハロゲンランプやキセノンランプ２１を、
もう一方の焦点位置に被加熱物２４を配置し、ランプ２
１の光で加熱する。なお、試料は水冷試料台２３で保持
される。このイメージ炉は、急速加熱、急速冷却用途に
向いているが、被加熱物の大きさに限界があり、均一な
温度分布が得られず、試料全体を加熱する必要のある用
途には不向きである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１で示した
ような超高温発熱体は、給電端子部の開口から大量の熱
が失われるために熱効率が悪く、また、発熱体の一部に
亀裂、溶融等の損傷を受けた場合、正常な部分も含めて
発熱体全体を交換しなければならず、不経済である。ま
た、超高温専用電気抵抗加熱炉、高周波誘導加熱炉、超
高温イメージ炉等の加熱装置は何れも、一般的な１８０
０℃以下の温度域（以下、高温と記す）の加熱炉に比べ
て大変高価であり、かつ運転にも多額の費用がかかるた
め、経済的負担が大きい。また、熱源となる安定化ジル
コニア製発熱体、安定化ジルコニア製サセプターの電気
的特性や、温度測定装置及び温度制御装置が超高温専用
であるために、高温加熱用途には適していない。従っ
て、超高温加熱と高温加熱のそれぞれの要求がある場合
には、高温加熱炉と超高温加熱炉を少なくとも１基ずつ
保有する必要がある。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためのもので
ある。本発明の目的は、熱効率がよく、保守・交換のコ
ストを安くできる超高温発熱体を提供することである。
本発明の他の目的は、汎用の高温加熱炉を超高温加熱炉
として利用できる加熱装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の超高温発熱体
は、加熱すると導電性を示す安定化ジルコニア等の負特
性磁器質材料の円筒形発熱体において、耐熱金属の給電
線を接合した一対の蓋状の給電端子部と、円筒状の発熱
部を別々に製作し、上記給電端子部で発熱部を挟み込む
形で重ね合わせて使用するようにしたことを特徴とす
る。又、本発明の超高温加熱方法及び装置は、上記超高
温電気抵抗発熱体を使用した比較的安価な超高温加熱装
置を汎用高温加熱炉の炉内に仮設し、高温加熱炉と併用
可能にしたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明は、耐熱金属の給電線を接合した一対の
蓋状の給電端子部と、円筒状の発熱部を別々に製作し、
上記給電端子部で発熱部を挟み込む形で重ね合わせて発
熱体を構成し、また、前記発熱体と耐火断熱壁を汎用の
加熱炉に仮設し、汎用加熱炉で予備加熱した後、前記発
熱体で超高温の加熱を行うようにしたので、熱効率を良
くし、発熱体の交換は不良箇所のみ交換できるので低コ
ストが図られ、また、汎用の高温加熱炉を超高温加熱炉
として利用可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。ま
ず、超高温発熱体の実施例について図５〜図１０により
説明する。使用する材質は、ジルコニア安定化材を添加
したジルコニア２０〜１００重量部と、ジルコニアファ
イバー０〜８０重量部とから成り、給電線は、白金線、
白金ロジウム線等を使用する。

【００１２】図５は超高温発熱体の全体構造を説明する
図で、図５（ａ）に示すように、下部給電端子３の上に
発熱部２を置き、この中に被加熱物を入れ、上部給電端
子１を蓋するように重ね、給電端子１、３に給電線４を
接合した構造からなっている。上部給電端子１が開口の
蓋の機能も果たしているので、開口からの放熱を防ぐこ
とができ、熱効率を格段に良くすることができる。ま
た、上部給電端子１、発熱部２、下部給電端子３は各別
の個体であるので、いずれかに損傷が起きても、そこだ
けを取り替えればよく、従来の発熱体のように全体を交
換しなければならないのに比較してコスト低下を図るこ
とができる。なお、接触抵抗を小さくするために給電端
子は発熱部２の端部全面と接触することが望ましく、そ
のためには、給電端子は発熱部の端面と同等かそれより
広いことが必要である。図５（ａ）では下部給電端子３
が発熱部の端面より広く、上部給電端子１は発熱部の端
面と同等の面積であるが、図５（ｂ）に示すように、上
部給電端子１も発熱部の端面より広くしてもよい。

【００１３】図６は給電端子と発熱部の接触部を説明す
る図である。図６（ａ）は、給電端子が円筒状発熱部内
に嵌入する例であり、発熱部端面と内面とで給電端子と
接触する。図６（ｂ）は、給電端子が円筒状発熱部にネ
ジ嵌合する例であり、円筒状発熱部内面と給電端子外面
にネジを切っておき、ネジ嵌合により発熱部端面と内面
とで給電端子と接触する。図６（ｃ）は、給電端子側に
円形状に溝を切って嵌合する例であり、円筒状発熱部を
給電端子の溝に嵌合させ、発熱部端面と内面及び外面で
給電端子と接触する。図６（ｄ）は、図６（ａ）と逆の
関係で接触する例であり、円筒状発熱部端部が給電端子
内に嵌入し、発熱部端面と外面とで給電端子と接触す
る。図６（ｅ）は、図６（ｂ）と逆の関係で接触する例
であり、円筒状発熱部外面と給電端子内面にネジを切っ
ておき、ネジ嵌合により発熱部端面と外面とで給電端子
と接触する。このように、接触の形態は様々な態様があ
り得るが、電流を均一に流すことが出来ればいかなる形
状でもよい。

【００１４】図７は上部給電端子の説明図である。上部
給電端子の平面形状は、円形、多角形何れでも良いが、
前述したように、発熱部の端面と同等かそれより広いこ
と、厚みは、内部の熱を遮断するために必要な厚み１０
〜１００ｍｍ程度必要である。また、給電線が直接接合
される給電線接続部１ａは、その断面積（図７（ｃ）、
（ｄ）のように接続部が複数ある場合にはその合計）が
発熱部断面積と同等もしくはそれ以上であれば、形状は
図７（ａ）〜（ｃ）のような円柱形、図７（ｄ）のよう
な多角柱形何れでも良い。給電端子も材質は発熱部と同
じであるので、この断面積が発熱部の断面積より小さい
と、給電接続部が発熱部となってしまうことになる。し
たがって、給電接続部の断面積は広い方が望ましいが、
あまり大きくても発熱体が大型化してしまうので、実用
的には２〜８倍あればよい。また、給電接続部の位置
は、上部給電端子１の上面（図７（ａ）、図７
（ｄ））、側面（図７（ｂ）、図７（ｃ））何れでも良
く、給電線の接続箇所も１カ所以上複数箇所でも良い。

【００１５】図８は下部給電端子の説明図である。下部
給電端子も、上部給電端子の場合と同様に、平面形状は
円形、多角形何れでも良く、発熱部の端面と同等かそれ
より広ければよい。また、厚みも内部の熱を遮断するた
めに必要な厚み１０〜１００ｍｍ程度でよく、給電線接
続部３ａは、その断面積（図８（ｂ）のように接続部が
複数の場合は合計）が発熱部断面積と同等もしくはそれ
以上であれば、形状は円柱形、多角柱形何れでも良い。
また、断面積は広い方が望ましいが、実用的には、２〜
８倍でよく、その位置は、下部給電端子３の下面、側面
何れでも良く、給電線の接続箇所も１カ所以上複数箇所
でも良い。

【００１６】図９、図１０は発熱部の説明図である。発
熱部の形状は、円筒形、角筒形、およびこれらを水平も
しくは垂直に分割した形で、組み立てると目的の円筒
形、角筒形になるさまざまな組合せのものでよい。厚み
は、上部給電端子を支持するために必要な最小厚みが望
ましい。厚みを厚くすると電気抵抗が低下し、電流が増
加するために給電線４を太くする必要がある。電気抵抗
を調整する目的で、側面にスリットを開ける（図９
（ａ））、側面に穴を開ける（図９（ｂ））、側面の厚
みを変化させることもできる（図９（ｃ）、図（ｄ）、
図１０（ａ）〜（ｄ）））。図９（ｃ）は内面を面一に
し、外面の上端部と下端部以外を薄くした例であり、図
９（ｄ）は図９（ｃ）と逆に、外面を面一にし、内面の
上端部と下端部以外を薄くした例である。図１０（ａ）
は内面を面一にし、外面は中央部が薄くなるような曲面
とした例であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）と逆に、
外面を面一にし、内面は中央部が薄くなるような曲面と
した例である。図１０（ｃ）は内面を面一にして外面を
短冊状にした例であり、図１０（ｄ）は図１０（ｃ）と
は逆に外面を面一にして内面を短冊状にした例である。
また、これら各種形状のものを複合したものでもよい。

【００１７】次に、本発明の加熱装置の実施例を説明す
る。図１１は耐火断熱壁の説明図である。耐火断熱壁５
の形状は、円筒形、角筒形、及びこれらを水平もしくは
垂直に分割した形で、組み立てると目的の円筒形、角筒
形になる組合せの何れでもよく、内面と発熱部２及び上
部給電端子１との間に超高温で電気的絶縁を確保できる
距離５〜１０ｍｍ程度必要で、広い方が望ましいが、広
すぎると熱放散が大きくなる）。厚みは、内部の熱を遮
断するために必要な厚み１０〜１００ｍｍ程度必要であ
る。

【００１８】図１２は本発明の加熱装置の全体構成を示
す図である。図において、上部給電端子１、発熱部２、
下部給電端子３からなる発熱体は本発明の発熱体であ
り、耐火断熱壁５で囲んで汎用の高温加熱炉１０内に超
高温加熱装置としてセットされる。汎用加熱炉１０は、
耐火炉壁１０ａ内に複数のヒータ１０（ｂ）が設けられ
ており、炉内に発熱体を設置した状態で１０００℃以上
に加熱する能力をもつ大気雰囲気加熱炉である。本発明
で使用する超高温計測制御装置は次の要素で構成され
る。炉内温度は、放射温度計、保護雰囲気封入型タング
ステンレニウム熱電対等からなる超高温域での温度測定
が可能な温度測定装置６で測定され、測定結果は温度調
節計７に出力される。温度調節計７は、あらかじめ設定
された昇温プログラムから現時点の設定温度を計算し、
温度測定装置６の信号と比較計算した結果を出力信号と
して電力制御装置８に送ることのできるプログラム温度
調整計であり、電力制御装置８は、温度調節計７の出力
信号を受けて、発熱体に供給する電力を０〜１００％の
範囲で制御する装置（サイリスタ電力制御器及び変圧器
等）からなっている。なお、１０００℃程度までの加熱
方法は、電気加熱、燃焼加熱の何れでも良い。

【００１９】次に、加熱炉の使用方法について説明す
る。まず、下部給電端子３の上に発熱部を置き、発熱部
を囲むように耐火断熱壁を置く。この場合、耐火断熱壁
は、分割した各部を組み立てて円筒形、角筒形等にして
発熱部を囲み、その内面と発熱部及び上部給電端子との
間に超高温で電気的絶縁が確保できるように５〜１０ｍ
ｍ程度の間隔を設けるようにする。次いで、発熱部の中
に被加熱物を入れ、上部給電端子を蓋をするように重
ね、これらを汎用加熱炉１０の加熱室に給電線４を炉外
に取り出す形で設置する。ついで、温度測定装置６を発
熱部２の内部の温度が測定できる状態に設置し、温度調
節計７に希望の昇温プログラムを登録する。汎用加熱炉
１０を運転して、１０００℃以上に加熱し、超高温計測
制御装置を運転して発熱体に給電し、超高温加熱装置に
より超高温加熱を行う。その間、汎用加熱炉１０の炉内
温度は、１０００℃以上に保持しておく。超高温加熱の
終了後は、超高温計測制御装置の電源を切り耐火壁５内
の温度を下げ、次に汎用加熱炉１０内の温度を下げて、
全体を室温まで冷却する。発熱体及び耐火壁５を汎用加
熱炉１０から取り出し、上部給電端子１を開けて、被加
熱部を取り出す。このように本実施例の加熱装置は、汎
用加熱炉に比較的安価な本発明の超高温発熱体を超高温
加熱装置として組み込むことにより、簡単に超高温加熱
を行うことが可能となる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、上部給電
端子、発熱部、及び下部給電端子によって密閉された加
熱空間が形成され、上面及び下面からの熱放散を最小限
にすることが可能になり、また、上部給電端子、発熱
部、及び下部給電端子の各部を任意に交換可能になり、
交換に伴う費用を必要最小限に抑えることが可能とな
る。また、汎用加熱炉を保有するユーザーは、比較的安
価な超高温加熱装置を併用することによって、簡単に超
高温加熱を行うことが出来る。そして、汎用加熱炉から
超高温加熱装置を取り外せば高温加熱が可能であること
から、高温加熱炉と、超高温加熱炉をそれぞれの用途に
合わせて保有する必要はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の超高温発熱体の構造を示す図である。

【図２】 超高温専用電気抵抗加熱炉の例を示す図であ
る。

【図３】 高周波誘導炉の例を示す図である。

【図４】 イメージ炉の概念図である。

【図５】 超高温発熱体の全体構造を説明する図であ
る。

【図６】 給電端子と発熱部の接触部を説明する図であ
る。

【図７】 上部給電端子の説明図である。

【図８】 下部給電端子の説明図である。

【図９】 発熱部の説明図である。

【図１０】 発熱部の説明図である。

【図１１】 耐火断熱壁の説明図である。

【図１２】 本発明の加熱装置の全体構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…上部給電端子、２…発熱部、３…下部給電端子、４
…給電線、５…耐火断熱壁、６…温度測定装置、７…温
度調節計、８…電力制御装置、９…電源、１０…汎用加
熱炉。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱すると導電性を示す安定化ジルコニ
   ア等の負特性磁器質材料の円筒形発熱体において、耐熱
   金属の給電線を接合した一対の蓋状の給電端子部と、円
   筒状の発熱部を別々に製作し、上記給電端子部で発熱部
   を挟み込む形で重ね合わせたことを特徴とする超高温発
   熱体。
2. 【請求項２】 耐熱金属の給電線を接合した一対の蓋状
   の給電端子部と、円筒状の発熱部を別々に製作し、上記
   給電端子部で発熱部を挟み込む形で重ね合わせた超高温
   発熱体を耐火断熱壁で囲んで汎用加熱炉の加熱室に仮設
   し、汎用加熱炉で予備加熱した後、前記超高温発熱体に
   通電して加熱することを特徴とする超高温発熱体を用い
   た加熱方法。
3. 【請求項３】 耐熱金属の給電線を接合した一対の蓋状
   の給電端子部と、円筒状の発熱部を別々に製作し、上記
   給電端子部で発熱部を挟み込む形で重ね合わせて使用す
   る超高温電気抵抗発熱体と、該発熱体の周辺に配置さ
   れ、発熱体の熱損失を最小限に抑えるための安定化ジル
   コニア製の耐火断熱壁と、発熱体内部の温度を測定する
   温度測定手段と、昇温の対時間変化をあらかじめ設定す
   る手段と、計測された発熱体内部の温度をあらかじめ設
   定された値と比較しその結果に応じて制御信号を送出
   し、前記超高温電気抵抗発熱体に供給する電力を制御す
   る手段とを有することを特徴とする超高温発熱体を用い
   た加熱装置。