JPS6054751B2 - シ−ズヒ−タの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシーズヒータの製造方法、特に、金属パイプ表
面温度が８圓℃という高温度下で使用することができ、
その温度下での絶縁抵抗が高く、かつ、多湿雰囲気中に
放置しておいても絶縁抵抗の高いシーズヒータを製造す
ることのできる方法に関するものである。

従来、シーズヒータにおいて、マグネシヤ粉末が、金属
パイプとヒータ線との間につめる絶縁充填材として、使
用されている。

マグネシヤ粉末は、周知のように、絶縁材料として非常
に優れたものである。しかし、これは、吸湿性があるた
めに、多湿雰囲気中に長時間放置すると、絶縁抵抗が低
下するという欠点をもつている。そのため、シーズヒー
タの絶縁充填材としてマグネシヤ粉末を使用すると、多
湿雰囲気中に放置したとき、金属パイプとヒータ線との
間の絶縁抵抗が低下してしまう。そこで、マグネシヤ粉
末が吸湿しないように、シーズヒータの端子部をシリコ
ーンゴムや低融点ガラスで封止することが行なわれてい
る。この方法では、ヒータ線に接合されている端子が曲
つたりすると、シリコーンゴムまたは低融点ガラスから
なる封口体にクラックが生じて、それによる封止効果が
なくなり、シーズヒータの絶縁抵抗が低下するという欠
点がある。このため、端子部封口に頼らずに、マグネシ
ア粉末に他の物質を混合して、絶縁充填材の耐湿性を向
上させ、シーズヒータの絶縁抵抗の低下を防ぐ方法が考
えられている。その代表的な添加物として、シリコーン
樹脂、シリカ粉末、アルミナ粉末、およびフリット粉末
などをあげることができる。あるいは、マグネシア粉末
とジルコニウムシリケート粉末との混合物を、絶縁充填
材として用いることも、提案されている。マグネシア粉
末にシリコーン樹脂を添加すると、シーズヒータを多湿
雰囲気中に放置しても、その絶縁抵抗の低下はいちじる
しく少なくなる。

ところが、シリコーン樹脂の耐熱温度はたかだか４５０
℃程度であり、５０００Ｃ以上の高い温度でシーズヒー
タを使用することができない。これに対して、マグネシ
ア粉末に、シリカや、アルミナ、フリットといつた粉末
を添加した場合や、マグネシア粉末とジルコニウムシリ
ケート粉末との混合した場合には、いずれも金属バイブ
表面温度８００℃の高い温度でシーズヒータを使用する
ことができる。しかしながら、これらを添加すると、マ
グネシア粉末のみの場合に比べて絶縁抵抗がわずかに改
善されるものの、実用上要求される最低絶縁抵抗０ＭΩ
以上）を満足させるまでには至らない。このように、い
ずれの方法においても、それぞれ一長一短がある。その
ほかにも、マグネシア以外の物質を絶縁充填材として使
用することも考えられているが、現在のところ、マグネ
シアに代えて使用することとのできる材料は得られてい
ない。

一般に、シーズヒータの絶縁充填材として要求される基
本的な条件は、安価であること、吸湿性がないこと、９
０（代）の高温度下での絶縁抵抗が大きいこと、モース
硬度が低いこと、熱伝導の値が大きいこと、および、９
００℃以下でヒータ線材を＝反応しないことなどである
。

モース硬度が低いことは、その充填時にヒータ線に傷を
つけてしまうことがなく、また充填密度を高め、熱伝動
をよくして、ヒータ線の寿命を長くするために必要なこ
とである。熱伝導率の値が大きいこと、ヒータ線・と反
応しないことといつた条件も、ヒータ線の寿命に大きな
影響を与える。本発明は、上述の条件を満足する絶縁充
填材を使用したシーズヒータを製造することのできる方
法を提供するものである。

すなわち、絶縁充填材として、硼酸塩系、珪酸塩系、お
よび硼珪酸塩系のガラス粉末を使用し、これを金属バイ
ブとヒータ線との間に充填してから、圧縮減径して充填
率を高め、さらに６００〜１３００Ｃの範囲内の温度で
加熱処理することにより、ガラス粉末の一部または全部
を結晶化することを特徴とする。この方法により、標準
形状のシーズヒータ（金属バイブの長ち６０ｉ１その内
径Ｓ８顛、コイル状ヒータの外周ｊ径３Ｔ１ｒｉ１）に
おいて、通電時における金属バイブ表面温度８０（代）
という高温度下で使用することができ、かつそのときの
絶縁抵抗が洲Ω以上であつて、相対湿度９５％で温度４
０℃の雰囲気中に１４日間放置したときの、最低絶縁抵
抗が洲Ω以上であ・るシーズヒータを得ることができる
。本発明の方法において、結晶質の粉末でなく、ガラス
質の粉末を金属バイブとヒータ線との間に充填するのは
、一般にガラス質は結晶質に比べてモース硬度が低く、
圧延、圧縮時にヒータ線を傷つけることなく、より充填
密度を高めることができるからである。

そして、金属バイブを所定の形状に加工してからこのガ
ラス質粉末を加熱処理して結晶質に変える理由は、一般
に、結晶質はガラス質に比べて高温度下での絶縁抵抗が
大きく、熱伝導率も大きいことによる。すなわち、本発
明の方法は、絶縁充填材を軟いガラス状態で粉末をつめ
、充填率を高めるなど、必要な加工処理を施してから、
加熱処理により、ガラスス質粉末をより絶縁抵抗の高い
、またより熱伝導率のよい結晶質に変えることを主旨と
するものである。以下、本発明にかかる方法について、
実施例にもとずいて説明する。〔実施例１〕 市販の工業用原料である、硼酸（Ｈ３ＢＯ３）、炭酸ス
トロンチウム（ＳｒＣＯ，）、および酸化マグネシウム
（ＭｇＯ）を、モル比で６６．７：２０：１３．３の割
合に配合し、混合した。

混合物を白金るつぼに入れ、１３０（代）の温度で１時
間加熱して、溶融させてから、鉄板上に流し出して急冷
した。得られたガラス塊を粉砕し、２４メッシュのふる
いを通して、充填のための粉末を得た。このガラス粉末
を絶縁充填材として、インコロイ製の金属バイブとコイ
ル状のニクロムヒータ線との間に、振動させながら、図
に示すようにつめた。

図において１は金属バイブ、２はヒータ線、３は端子、
４は上記絶縁充填材である。充填を終えてから、金属バ
イブを圧延減径して、その長さを６００頭、内径を５．
８鵡とした。

なお、ヒータ線のコイル外周径は３ｍである。この圧延
減径によつて、絶縁充填材の充填率は８５〜９０％に高
められた。次に窒素気流中において、９５０℃の高温で
１時間加熱処理をして、充填したガラス粉末を結晶化さ
せた。比較のために、絶縁充填材として、粒径４２０〜
３７μｍの電融マグネシア粉末を使用し、上述と同じ手
段でシーズヒータを作つた。

上述のようにして作つたシーズヒータそれぞれを５個づ
つ、まず、ヒータ線を商用電源に接続し発熱させ、金属
バイブの表面温度が８００℃に達したとき、金属バイブ
とヒータ線との間に１０００Ｖの直流電圧を印加して、
その間の絶縁抵抗を測定した。

その結果、実施例の絶縁抵抗の平均値は２．５ＭΩであ
り、比較例のそれは２．３ＭΩであつた。これから明ら
かなように、本発明の実施例によるものは、熱時絶縁に
関して、比較例と同等であり、最低絶縁抵抗？Ωという
実用上の要求を満足している。次に、それぞれを温度４
０℃、相対湿度９５％の恒湿槽中に入れ、１４日間放置
した。

この間、１日１回、シーズヒータを恒温恒湿槽から取出
して、金属バイブとヒータ線との間に１０００Ｖの直流
電圧を印加して、絶縁抵抗を測定した。それによれば、
比較例は２日後に０．０２ＭΩまで低下してのに対して
、実施例によるものは１４日目においても１２０ＭΩで
あつた。これから明らかなように、本発明の方法によれ
ば、多湿雰囲気中に放置しても、絶縁抵抗が非常に高い
シーズヒータを得ることができる。なお、ガラスの結晶
化のための熱処理温度を高くすると、その結晶化の度合
が進み、熱時絶縁抵抗が高くなるものの、多湿雰囲気中
に放置したときの絶縁抵抗値が減少するという傾向が見
受けられた。

また、その熱処理温度を低くすると、多湿雰囲気中で放
置したときの絶縁抵抗値の低下は少ないけれども、熱時
絶縁抵抗が低下するという傾向が見受けられた。発明者
らの実験によれば、熱処理温度は８００〜１３００Ｃの
範囲内で選ぶことが望ましい。この温度範囲であれば、
上述したような条件を満足するシーズヒータが得られる
。熱処理温度が１３０（代）を超えると、ヒータ線材や
金属バイブの融点が１３５ＣｆＣ前後であるため、金属
材料の耐熱限界に近くなり、好ましくない。そして、１
０００℃以上の温度で熱処理をするときには、金属材料
の酸化を防止するために、熱処理時の雰囲気は中性また
は還元性にしなければならない。それより低い温度域で
は、雰囲気が空気であつてもよい。熱処理温度が８００
Ｃよりも低くなると、金属バイブ表面温度が８０（代）
のときの絶縁抵抗は洲Ω金より低くなつて、好ましくな
い。ここでは特定の硼酸塩系ガラスについて述べたが、
他のガラスたとえば酸化硼素（Ｂ２Ｏ３）一酸化カルシ
ウム（ＣａＯ）一酸化マグネシウム（ｙρ）系、酸化硼
素（Ｂ２Ｏ３）一酸化アルミニウム（Ａｌ２ＯＪ）一酸
化マグネシウム（ＭｇＯ）系、もしくは酸化硼素（Ｂ２
Ｏ３）一酸化アルミニウム（ＡＪ２Ｏ３）一酸化ジルコ
ニウム（ＺｒＯ２）系などの粉末を使用しても、上記実
施例と同様の効果が得られることを、実験により確認し
た。

〔実施例２〕 市販の工業用原料である酸化珪素（ＳｌＯ２）、酸化マ
グネシウム（ＭｇＯ）、および酸化アルミニウム（Ａｌ
。

Ｏ３）を、モル比で５０：３５：１５の割合に配合し、
混合した。混合物を白金るつぼに入れ、１５５ＣｆＣで
２時間加熱して、溶融させた。以下、実施例１と同じ手
順で絶縁充填材となるガラス粉末を作り、金属バイブに
つめたのち、それを圧延減径した。これにより、絶縁充
填材の充填材の充填”率は８５〜９０％に達した。次に
、１０００℃の温度で２分間加熱して、金属バイブを焼
鈍してから、金属バイブをＵ字形に曲げた。それから、
窒素９０％と水素１０％の混合ガス気流中で、１１００
Ｃの温度で１時間加熱して、ガラス質を結晶化させた。
このようにして得られたシーズヒータについて実施例１
と同じ条件で、熱時間絶縁抵抗と、多湿雰囲気中に放置
したときの絶縁抵抗を測定した。

その結果、シーズヒータ５個の平均値でそれぞれ１５Ｍ
Ω、５２０ＭΩと、きわめて高い絶縁抵抗を示ｊしてい
た。ここでは、特定の珪酸塩系ガラス粉末について述べ
たが、他のガラス粉末たとえば酸化珪素（ＳｉＯ．）一
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）一酸化ストロンチウム（Ｓ
ｒＯ）系、もしくは酸化珪素（ＳｉＯ２）一酸化カルシ
ウム（ＣａＯ）一酸化アルミニウム（ＡＩ２Ｏ３）系な
どを使用しても、上記実施例と同等の効果が得られるこ
とを、実験により確認した。

〔実施例３〕 市販の工業用原料である硼酸（Ｈ３ＢＯ３）、酸化珪素
（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、および酸
化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、モル比で４０：２８：
２８：４の割合に配合し、混合した。

混合物を白金るつぼに入れ、１３００℃で２時間加熱し
て、溶融させた。以下、実施例１と同じ手段で絶縁充填
材となるガラス粉末を作り、金属バイブにつめたのち、
それを圧延減径した。これにより、絶縁充填材の充填率
は８５〜９０％に達した。次に、空気中において９００
℃の温度で１時間加熱して、絶縁充填材を結晶化させた
。このようにして得られたシーズヒータについて、実施
例１と同じ条件で、熱時絶縁抵抗と、多湿雰囲気中に放
置したときの絶縁抵抗を測定した。

その結果、シーズヒータ５個の平均値でそれぞれ４．３
ＭΩ，２３０ＭΩと、実用上必要とされている値よりも
十分に高い絶縁抵抗を示していた。以上の実施例から明
らかなように、本発明の方法によれば、ガラス粉末を充
填してから、それを結晶化させるので、特に多湿雰囲気
中絶縁抵抗の高いシーズヒータを得ることができる。マ
グネシアよりも湿中絶縁抵抗と熱時絶縁抵抗の高い結晶
粉末を最初から用いることは容易に考えられるところで
あるが、そのほとんどは、モース硬度がマグネシアより
も大きく、高い充填密度が期待できないだけでなく、ヒ
ータ線の断線や寿命の低下をきたすために、好ましくな
い。

【図面の簡単な説明】 図は本発明の方法によつて作られたシーズヒータの一例
の断面図である。 １・・・・・・金属バイブ、２・・・・・・コイル状ヒ
ータ線、３・・・・・・端子、４・・・・・・絶縁充填
材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 硼酸塩系、珪酸塩系、または硼珪酸塩系のガラス質
   の粉末を絶縁充填材とし、これを端子を接合したヒータ
   線と金属パイプとの間につめてから、８００〜１３００
   ℃の範囲内の温度で加熱処理して、前記ガラス粉末の一
   部または全部を結晶化させることを特徴とするシーズヒ
   ータの製造方法。 ２ 特許請求の範囲第１項の記範において、金属パイプ
   を圧縮減径してから、空気中において８００〜１０００
   ℃の範囲内の温度で加熱処理し、ガラス質の粉末の一部
   または全部を結晶化させることを特徴とするシーズヒー
   タの製造方法。 ３ 特許請求の範囲第１項の記載において、金属パイプ
   を圧縮減径してから、中性または還元性の雰囲気中にお
   いて、１０００〜１３００℃の範囲内の温度で加熱処理
   し、ガラス質の粉末の一部または全部を結晶化させるこ
   とを特徴とするシーズヒータの製造方法。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項または第３項の記載
   において、金属パイプを圧延減径してから、それを焼鈍
   し、そののち所定の形状に加工してから、ガラス質の粉
   末の一部または全部を結晶化させることを特徴とするシ
   ーズヒータの製造方法。