JP2001313153A - ＭｏＳｉ２を主成分とするヒーターの取付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炉壁断熱材からヒーターを確実に離間させる
とともに、離間させるためのスペーサーのより好適な材
料を選択し、かつ正確な温度コントロールが可能となる
ようにその限界距離を定め、これによって使用温度をよ
り高温化でき、また寿命を延ばすことを課題とする。 【解決手段】 ＭｏＳｉ_２を主成分とする棒状ヒーター
の炉壁への取付けに際し、炉壁断熱材とヒーター発熱部
との間に耐高温酸化性および耐熱性に優れた絶縁材料か
らなるスペーサーを設置して炉壁断熱材とヒーター発熱
部との間を離間させることを特徴とするＭｏＳｉ_２を主
成分とするヒーターの取付け方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱炉内に配置す
るＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの取付け方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）を主成
分とするヒーターは、優れた耐酸化特性を有するため、
特に大気又は酸化性雰囲気下で使用する超高温ヒーター
として１９５０〜１９６０年頃から市販され、現在まで
幅広い用途で使用されている。このヒーターは主成分と
して、ＭｏＳｉ_２を７０ｗｔ％以上含有している。従
来、ガラス工業やセラミックス焼成等の多くの分野で使
用されているヒーターは発熱部（なお、本明細書におけ
る「発熱部」は、通電時に主として発熱するヒーターの
径が細い部分（端子部以外）を意味する。）が１つのＵ
字形を成す形状（２シャンク型）をしており、炉の天井
や側壁から宙吊りに取付けられ、その炉の最高使用温度
は１７００〜１８５０°Ｃに達する。

【０００３】一方、単結晶育成炉や拡散炉等の炉内の温
度分布を厳密に制御する必要のある炉に上記ＭｏＳｉ_２
を主成分とするヒーターの取付ける際には、端子部での
熱損失を低減するため図４に示すように、例えば円筒形
の炉内壁に沿ってＵ字形のヒーター６の発熱部が複数個
接続された形状（マルチシャンク）が採用されていた。
この場合、図４及び図５（ａ）に示すように、固定用の
Ｕ字形保持具である固定ピン８で炉内壁の断熱材に貼り
付けるように取付けられていた。これは、炉内壁断熱材
に支えられることよってヒーターの変形を防止し、炉内
の温度コントロールがより容易にできると考えたからで
ある。

【０００４】しかし、この取付け方法ではヒーターが断
熱材と直接接触しているため両者が反応する危険があ
り、この種のマルチシャンクを装着した炉の最高使用温
度は、上記宙吊りに取付けられたヒーターに比べてはる
かに低い温度、すなわち１５５０〜１６００°Ｃに制限
されていた。しかし、このように制限した場合でもヒー
ターの寿命が短く耐熱性に劣る欠点があった。このた
め、図５（ｂ）に示すように、ヒーター６を断熱材５表
面から若干浮上させ、そこに炉壁と接触しないようにし
てヒーターを挿入する試みがなされた。しかし、高温に
上げた場合は熱や電磁力によりヒーターが変形し、一部
ヒーターと断熱材が直接接触することがある。そのため
ヒーターの寿命は依然として短く、上記低温の温度に制
限され、その原因の詳細は不明であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記加熱炉
内に接触又は近接配置したＭｏＳｉ_２を主成分とするヒ
ーターの取付けの問題点を解明すると共に、取付け構造
の改善を図り、使用温度をより高温化し、さらにヒータ
ーの寿命を延ばすことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明者らは鋭意研究を行なった結果、炉壁断熱
材からヒーターを確実に離間させるとともに、離間させ
るためのスペーサーのより好適な材料を選択し、かつ正
確な温度コントロールが可能となるようにその限界距離
を定め、これによって使用温度をより高温化でき、また
寿命を延ばすことができるとの知見を得た。本発明はこ
の知見に基づき、 １．ＭｏＳｉ_２を主成分とする棒状ヒーターの炉壁への
取付けに際し、炉壁断熱材とヒーター発熱部との間に高
温耐酸化性および耐熱性に優れた絶縁材料からなるスペ
ーサーを設置して炉壁断熱材とヒーター発熱部との間を
離間させることを特徴とするＭｏＳｉ_２を主成分とする
ヒーターの取付け方法 ２．炉壁断熱材とヒーター発熱部との間を３ｍｍ以上離
間させることを特徴とする上記１記載のＭｏＳｉ_２を主
成分とするヒーターの取付け方法 ３．熱伝導度が０．８Ｗ／ｍＫ以上のＺｒＯ_２、Ａｌ_２
Ｏ_３を主成分とするスペーサーであることを特徴とする
上記１又は２に記載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒータ
ーの取付け方法 ４．炉の内壁に近似する１又はそれ以上の帯状のスペー
サーを、ヒーターと交差するように該炉内壁に沿って配
置したことを特徴とする上記１〜３に記載のＭｏＳｉ_２
を主成分とするヒーターの取付け方法 ５．炉内壁が円筒形である場合に、円弧状のスペーサー
を内壁の１／１０以上の内周に配置したことを特徴とす
る上記４に記載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの
取付け方法 ６．スペーサーの内周面側に１又は多数個の突起を設
け、ヒーターの横移動を防止することを特徴とする上記
４又は５に記載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの
取付け方法 ７．音叉形のスペーサーのＵ形状部でヒーターを保持
し、該スペーサーの柄部を炉内壁に埋め込んで固定する
ことを特徴とする上記１〜３に記載のＭｏＳｉ_２を主成
分とするヒーターの取付け方法 ８．ヒーターの保持部をさらにＵ字形ピンで上から支え
ることを特徴とする上記７記載のヒーターの取付け方
法。 ９．ヒーターの円弧状屈曲部を、紡糸形のスペーサーを
用いて保持し、柄部を炉内壁に埋め込んで固定すること
を特徴とする上記１〜７のそれぞれに記載のＭｏＳｉ_２
を主成分とするヒーターの取付け方法 １０．ヒーターの円弧状屈曲部を、炉の内壁に近似する
円弧状のスペーサーの内周面側に設けた突起で保持する
ことを特徴とする上記１〜７のそれぞれに記載のＭｏＳ
ｉ_２を主成分とするヒーターの取付け方法 １１．ヒーターの円弧状屈曲部をＵ字形ピンで保持し、
両端部を炉内壁に埋め込んで固定することを特徴とする
上記１〜７のそれぞれに記載のＭｏＳｉ_２を主成分とす
るヒーターの取付け方法 １２．ヒーターの円弧状屈曲部を、音叉形のスペーサー
のＵ形状部で保持し、該スペーサーの柄部を炉内壁に埋
め込んで固定することを特徴とする上記１〜８のそれぞ
れに記載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの取付け
方法 １３．ヒーターの円弧状屈曲部を、さらにＵ字形ピンで
上から支えることを特徴とする上記１２記載のヒーター
の取付け方法 １４．紡糸形のスペーサー、ピン状のスペーサー又はＵ
字形ピンのそれぞれが熱伝導度０．８Ｗ／ｍＫ以上のＺ
ｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等を主成分とする耐高温酸化性およ
び耐熱性に優れた絶縁材料からなることを特徴とする上
記９〜１３のそれぞれに記載のＭｏＳｉ_２を主成分とす
るヒーターの取付け方法を提供する。

【０００７】

【発明の実施の形態】上記の通り、従来のマルチシャン
クヒーターを装着した炉の最高使用温度が１５５０〜１
６００°Ｃに制限されるのは、ヒーターと断熱材との反
応に原因があると着眼し、断熱材と接触しているヒータ
ーの表面温度と炉内温度との関係を、放射温度計と熱電
対で計測することにより、そのメカニズムの解明に取り
組んだ。その結果、断熱材と接触しているヒーターの表
面温度は、炉内温度に比べ２００〜４００°Ｃ高くなる
ことが分かった。そして炉内温度が１５７０°Ｃに達し
た時に、ヒーターの表面温度はヒーターの最高使用温度
（約１８５０°Ｃ）以上になり断線することが分かっ
た。

【０００８】さらに調査を進めたところ、このように断
熱材と接触したヒーターの表面温度が異常に高くなる原
因は、ヒーターが接触している断熱材の断熱効果が非常
に良いために、ヒーター表面の熱拡散が極度に抑制さ
れ、炉内に放熱されずヒーターのみに蓄熱されるためで
あることが分かった。したがって、これまでのマルチシ
ャンクヒーターを装着した炉の最高使用温度が１５５０
〜１６００°Ｃに制限されるのは、ヒーター表面の熱の
異常蓄積に原因があり、これを避けるために断熱材とヒ
ーターとを確実に離間させヒーター表面の熱拡散を容易
にすれば、炉の最高使用温度を高温化でき、さらにはヒ
ーターの寿命を延ばすことができることが分かった。

【０００９】そこで断熱材とヒーターを確実に離間させ
る方法として、ヒーターと断熱材の間にスペーサーを設
置することとし、まずスペーサーの材質について検討し
た。その結果、スペーサーの材質としては、異常蓄熱を
避けるため熱伝導度が大きい材料、変質や劣化を避ける
ため耐高温酸化性および耐熱性に優れた材料、ヒーター
との接触部で電気的スパークや短絡が生じない絶縁材料
が最適であることが分かった。具体的には、熱伝導度が
０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以上、より好ましくは１．８Ｗ／ｍ・
Ｋ以上のＺｒＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするスペーサ
ーが良い。

【００１０】一般にマルチシャンクヒーターを装着した
炉の断熱材には、ファイバー状のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２
やＡｌ_２Ｏ_３が使用されるが、これらの熱伝導度は０．
１〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋと非常に低い。これに対し、熱伝
導度が０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以上、より好ましくは１．８Ｗ
／ｍ・Ｋ以上のブロック状のＡｌ_２Ｏ_３スペーサーを用
いて、ヒーターと断熱材とを離間させ炉の昇温テストを
行ったところ、ヒーターとスペーサーの接触部で異常蓄
熱はほとんど生ずることなく、炉内温度を１７５０°Ｃ
まで問題なく昇温できることが分かった。この場合、炉
壁断熱材とヒーター発熱部との間を３ｍｍ以上離間させ
ることが有効である。

【００１１】スペーサーの形状としては、炉の内壁に近
似する１又はそれ以上の帯状のスペーサーを、ヒーター
と交差するように該炉内壁に沿って配置するのが最も効
果的である。この具体例を図１に示す。図１に示すよう
に、炉内壁（断熱材）５が円筒形である場合には、円弧
状のスペーサー１を内壁の１／１０以上の内周に亘って
配置する。このスペーサー１は１段又は複数段に設置す
ることができる。このようにマルチシャンクの複数のヒ
ーターを一度に保持することができるので、スペーサー
１を炉内壁断熱材に固定するための穴あけや固定作業が
簡単で、構造的にもシンプルである。

【００１２】高温に発熱するヒーターは、その熱や電磁
力により変形する。このようなヒーターの“暴れ”を防
止するために、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように前記
スペーサー１の内周面側に１又は多数個の突起２を設
け、ヒーターの横移動を防止することができる。図で
は、２個の棒状ヒーター毎に突起２を設けているが、こ
れを１個毎あるいは３個以上毎とすることもできる。ま
た、ヒーター６の変形を防止するために、図３（ａ）及
び（ｃ）に示すように音叉形のスペーサー３のＵ形状部
でヒーター６を保持することもできる。音叉形のスペー
サー３の柄部は炉内壁に埋め込んで固定する。この場
合、必要に応じて個別にヒーター６に各所に設置するこ
とができる。

【００１３】ヒーター６の円弧状屈曲部（Ｕ形部）は図
３（ａ）及び（ｂ）に示すように、紡糸形（横断面Ｕ
形）のスペーサー４を用いて保持し、柄部を炉内壁に埋
め込んで固定することができる。この場合はヒーターの
円弧状屈曲部に近似した保持状態とすることができるの
で、ヒーター６の変形や“ダレ”を効果的に防止でき
る。またヒーターの円弧状屈曲部を、図２（ａ）及び
（ｂ）に示すように、炉の内壁に近似する円弧状のスペ
ーサー１の内周面側に設けた突起２で保持しても、ヒー
ター６の“だれ”を防止できる。さらに、ヒーターの円
弧状屈曲部をＵ字形ピン７で保持することもできる。こ
の場合、Ｕ字形ピン７の両端部は炉内壁に埋め込んで固
定する。上記紡糸形のスペーサー４、突起２付きのスペ
ーサー又はＵ字形ピン７のいずれも熱伝導度が０．８Ｗ
／ｍＫ以上のＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等を主成分とする耐
高温酸化性及び耐熱性に優れた絶縁材料から作製するこ
とが良い。

【００１４】上記のように、スペーサーを取付けて、炉
壁断熱材と端子部以外のヒーター発熱部との間を３ｍｍ
以上離間させることにより、ヒーター表面の熱の異常蓄
積を避け、ヒーター表面の熱拡散を容易にすることがで
きる。そして、炉内温度が１７００〜１７５０°Ｃに上
昇させた時でも、ヒーターの断線を生じさせることな
く、また１７００°Ｃで１２００時間保持した後も、ヒ
ーターや断熱材及びスペーサーに劣化が見られなかっ
た。このように炉の最高使用温度を、より高温に上げる
ことができる優れた効果を有する。また、スペーサー及
び保持具の使用は、マルチシャンクだけでなくＵ形シャ
ンクやその他のヒーターにおいても使用できることは言
うまでもない。

【００１５】

【発明の効果】以上の通り、炉壁断熱材からヒーターを
確実に離間させるとともに、離間させるためのスペーサ
ーのより好適な材料と簡素化された形状を選択し、かつ
正確な温度コントロールが可能となるようにその限界距
離を定め、これによってヒーターの使用温度をより高温
化でき、またヒーター及びスペーサーの寿命を延ばすこ
とができる優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図の（ａ）〜（ｃ）は、円弧状のスペーサー１
を炉内壁の内周に沿って２段に配置して複数連のヒータ
ーを一度に保持し、かつヒーターのＵ形屈曲部をＵ字形
ピンで保持した本発明の一例を示す説明図である。

【図２】図の（ａ）〜（ｃ）は、内周に突起を設けた円
弧状のスペーサーを炉内壁の内周に沿って２段に配置し
て複数連のヒーターを一度に保持し、かつヒーターのＵ
形屈曲部をスペーサーの突起部で保持した本発明の一例
を示す説明図である。

【図３】図の（ａ）〜（ｃ）は、音叉形のスペーサーの
Ｕ形状部でヒーターを保持し、ヒーターの円弧状屈曲部
（Ｕ形部）を紡糸形（横断面Ｕ形）のスペーサーを用い
て保持する本発明の一例を示す説明図である。

【図４】従来の炉の断熱材表面にＵ字形ピンにより直接
ヒーターを固定した概観説明図である。

【図５】図の（ａ）及び（ｂ）は、従来の炉の断熱材表
面にＵ字形ピンにより直接ヒーターを固定したピン部の
断面説明図である。

【符号の説明】 １ スペーサー ２ 突起 ３ 音叉形のスペーサー ４ 紡糸形（横断面Ｕ形）スペーサー ５ 断熱材（炉内壁） ６ ヒーター ７ Ｕ字系ピン ８ 固定ピン

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＭｏＳｉ_２を主成分とする棒状ヒーター
   の炉壁への取付けに際し、炉壁断熱材とヒーター発熱部
   との間に耐高温酸化性および耐熱性に優れた絶縁材料か
   らなるスペーサーを設置して炉壁断熱材とヒーター発熱
   部との間を離間させることを特徴とするＭｏＳｉ_２を主
   成分とするヒーターの取付け方法。
2. 【請求項２】 炉壁断熱材とヒーター発熱部との間を３
   ｍｍ以上離間させることを特徴とする請求項１記載のＭ
   ｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの取付け方法。
3. 【請求項３】 熱伝導度が０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＺｒ
   Ｏ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするスペーサーであること
   を特徴とする請求項１又は２に記載のＭｏＳｉ_２を主成
   分とするヒーターの取付け方法。
4. 【請求項４】 炉の内壁に近似する１又はそれ以上の帯
   状のスペーサーを、ヒーターと交差するように該炉内壁
   に沿って配置したことを特徴とする請求項１〜３のそれ
   ぞれに記載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの取付
   け方法。
5. 【請求項５】 炉内壁が円筒形である場合に、円弧状の
   スペーサーを内壁の１／１０以上の内周に配置したこと
   を特徴とする請求項４に記載のＭｏＳｉ_２を主成分とす
   るヒーターの取付け方法。
6. 【請求項６】 スペーサーの内周面側に１又は多数個の
   突起を設け、ヒーターの横移動を防止することを特徴と
   する請求項４又は５に記載のＭｏＳｉ_２を主成分とする
   ヒーターの取付け方法。
7. 【請求項７】 音叉形のスペーサーのＵ形状部でヒータ
   ーを保持し、該スペーサーの柄部を炉内壁に埋め込んで
   固定することを特徴とする請求項１〜３のそれぞれに記
   載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの取付け方法。
8. 【請求項８】 ヒーターの保持部をさらにＵ字形ピンで
   上から支えることを特徴とする請求項７記載のヒーター
   の取付け方法。
9. 【請求項９】 ヒーターの円弧状屈曲部を、紡糸形のス
   ペーサーを用いて保持し、柄部を炉内壁に埋め込んで固
   定することを特徴とする請求項１〜８のそれぞれに記載
   のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの取付け方法。
10. 【請求項１０】 ヒーターの円弧状屈曲部を、炉の内壁
    に近似する円弧状のスペーサーの内周面側に設けた突起
    で保持することを特徴とする請求項１〜８のそれぞれに
    記載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターの取付け方
    法。
11. 【請求項１１】 ヒーターの円弧状屈曲部を、Ｕ字形ピ
    ンで保持し、両端部を炉内壁に埋め込んで固定すること
    を特徴とする請求項１〜８のそれぞれに記載のＭｏＳｉ
    _２を主成分とするヒーターの取付け方法。
12. 【請求項１２】 ヒーターの円弧状屈曲部を、音叉形の
    スペーサーのＵ形状部で保持し、該スペーサーの柄部を
    炉内壁に埋め込んで固定することを特徴とする請求項１
    〜８のそれぞれに記載のＭｏＳｉ_２を主成分とするヒー
    ターの取付け方法。
13. 【請求項１３】 ヒーターの円弧状屈曲部を、さらにＵ
    字形ピンで上から支えることを特徴とする請求項１２記
    載のヒーターの取付け方法。
14. 【請求項１４】 紡糸形のスペーサー、ピン状のスペー
    サー又はＵ字形ピンのそれぞれの熱伝導度が０．８Ｗ／
    ｍ・Ｋ以上のＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等を主成分とする耐
    高温酸化性および耐熱性に優れた絶縁材料からなること
    を特徴とする請求項９〜１３のそれぞれに記載のＭｏＳ
    ｉ_２を主成分とするヒーターの取付け方法。