JP2003314970A - 管状電気炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度分布の均一性に優れ、小型でありながら
発熱体の有効加熱領域が大きく、高精度で任意に温度制
御が可能な電気炉の提供 【解決手段】 炉心管５、その外側にあって炉心管の長
さ方向に対して垂直に配置された発熱体１、炉心管の内
側に相当する加熱室１８および発熱体の周囲を取り囲む
断熱材６よりなる管状電気炉であって、該発熱体は、発
熱部がリング状をなし、該リングの左右両端から外側に
むかって水平方向に延びた端子部を有するものであり、
かつ該発熱体は、気孔率５％未満、１０００℃における
比抵抗０．１０Ωｃｍ以上であるランタンクロマイト系
セラミックス材で構成されており、前記発熱体における
端子部の長さＬとリングの外径Ｒとの比率（Ｌ／Ｒ）を
０．３〜２．０の範囲とし、その端子部の断面積Ｍと発
熱部の断面積Ｎとの比率（Ｍ／Ｎ）を１．３〜４．０の
範囲とすることを特徴とする管状電気炉。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、ランタンクロマイ
トを主成分とするリング状の抵抗発熱体の内部を加熱室
として利用する電気炉に関する。 【０００２】 【従来の技術】ペロブスカイト型結晶構造を有するラン
タンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）を主成分とし、必要に
応じてＬａの一部をＳｒ、Ｃａなどで、Ｃｒの一部をＣ
ｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇなどで置換固溶した組成を有する
発熱体（以下単にランタンクロマイトという）は、１５
００℃以上の高温酸化雰囲気において優れた安定性と長
寿命をもつセラミックス抵抗発熱体として広く利用され
ている。 【０００３】従来、一般に用いられているセラミックス
抵抗発熱体を使用した管状電気炉は、図１に示すように
複数の棒状発熱体８を用いて加熱室を加熱する構造か、
図２に示すような一本の円筒状発熱体１１を用いて加熱
室を加熱する構造のいずれかしかなかった。しかし、こ
れらのような構造の電気炉では、加熱室の長さの方向と
発熱体の長さの方向が同方向であり、加熱室の上下に端
子部１３があるため、所望の温度とする有効加熱領域に
対し発熱体８または１１の長さが長くなり、ひいては装
置が大型化してしまう欠点があった。 【０００４】そこで、発熱体の形状を直線状ではなく、
図３（Ａ）に示すように発熱部を屈曲させたＵ字状発熱
体１６や、図３（Ｂ）に示すようにＵ字状をさらに屈曲
させリング形状に近づけた円弧状発熱体１７などにする
ことにより、発熱体を縦向きではなく横向きに配置する
ことが提案されており、炭化ケイ素（ＳｉＣ）製発熱体
をもちいて一部実用化されている。 【０００５】しかしながら、炭化ケイ素製発熱体では発
熱部が被加熱物の周囲を完全に取り囲む構造にすること
ができず、そのための炉内の温度分布が不均一になり、
高精度の温度分布を実現できない欠点がある。また炭化
ケイ素製発熱体は材料の耐熱性、耐酸化性などの特性
上、１５００℃を超える高温域で使用する場合に急速昇
温を行うのが難しく、高い特性が要求される高機能性ガ
ラス、半導体材料の合成や熱処理などに対応できない。 【０００６】一方、このような発熱体形状を用い、材料
のみをランタンクロマイト系セラミックス発熱体とする
ことも物理的には可能であるが、ランタンクロマイト系
セラミックスは炭化ケイ素に比べて高い温度域で使用可
能であり、耐熱性、導電性の温度に対する安定性、耐久
性などに優れる反面、強度が低く、熱膨張率が大きく、
耐熱衝撃性に劣るため前述のようなＵ字状、円弧状など
の発熱体形状では急速昇温を行うことが難しく、このよ
うな発熱体形状として用いることは不適当である。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の問題点を解決し、温度分布の均一性に優れ、小型
でありながら発熱体の有効加熱領域が大きく、高精度で
任意に温度制御が可能な電気炉を提供することを目的と
する。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の前記目的は、発
熱部の形状をリング状とし、リングの外側に端子部を設
け、これにより発熱部の上下の空間を省くこと、及び発
熱体の形状及び材料の特性を適切な範囲に設定すること
により達成される。 【０００９】すなわち、本発明の第１は、炉心管、その
外側にあって炉心管の長さ方向に対して垂直に配置され
た発熱体、炉心管の内側に相当する加熱室および発熱体
の周囲を取り囲む断熱材よりなる管状電気炉であって、
該発熱体は、発熱部がリング状をなし、該リングの左右
両端から外側にむかって水平方向に延びた端子部を有す
るものであり、かつ該発熱体は、気孔率５％未満、１０
００℃における比抵抗０．１０Ωｃｍ以上であるランタ
ンクロマイト系セラミックス材で構成されており、前記
発熱体における端子部の長さＬとリングの外径Ｒとの比
率（Ｌ／Ｒ）を０．３〜２．０の範囲とし、その端子部
の断面積（図４のＹ−Ｙ線断面積に相当）Ｍと発熱部の
断面積（図４のＸ^１−Ｘ^１線断面積およびＸ^２−Ｘ^２線
断面積の和に相当）Ｎとの比率（Ｍ／Ｎ）を１．３〜
４．０の範囲とすることを特徴とする管状電気炉に関す
る。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しつつ、本発
明の管状電気炉について説明する。図４は、本発明の管
状電気炉における発熱体を示す図である。図４におい
て、発熱体１は、リング状の発熱部２と両側に設けた端
子部３からなるランタンクロマイト系セラミックスから
なり、該端子部３に高温用電極４を取り付けたものであ
る。かくして、電流は、一方の端子部からリングの左右
に分岐して流れ、再びもう一方の端子部に合流する構造
となっている。 【００１１】該発熱体１の材料として用いるランタンク
ロマイト系セラミックスは、気孔率が５％未満であるこ
とが必要であり、３％未満であることがより望ましい。
気孔率を小さくすることにより繰り返しの熱衝撃に対す
る耐久性に優れた発熱体を得ることが可能となる。これ
に加えて、発熱体を形成するランタンクロマイト系セラ
ミックスの１０００℃における比抵抗が０．１０Ωｃｍ
以上であることが必要である。比抵抗が０．１０Ωｃｍ
未満の場合は、抵抗特性が低く電流値が大きくなり端子
部電極の劣化が速くなるため短寿命となる。また逆に比
抵抗が高くなりすぎると、制御に必要な印加電圧値の範
囲が大きくなり実用的でなくなるため、比抵抗が０．２
〜２．０Ωｃｍの範囲にあることがより望ましい。これ
らの特性制御は適宜、Ｌａの一部をＳｒ、Ｃａなどで、
Ｃｒの一部をＣｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇなどで置換固溶さ
せることにより、上記特性を有する発熱体とすることが
できる。 【００１２】本発明の電気炉においては、発熱体の端子
部と発熱部は同一組成物により構成される。そして端子
部には電極とリード線などが取り付けられている。該発
熱体１では、端子部の電極温度を適度に低温化する必要
性から、端子部３の長さＬとリング（発熱部２）の外径
Ｒの比率（［端子部の長さ］／［リングの外径］）が
０．３〜２．０の範囲とする必要がある。端子部３の長
さＬとリングの外径Ｒの比率（Ｌ／Ｒ）が０．３未満の
場合、端子部が短すぎて電極部分の温度が高くなり、電
極の損耗が速くなり短寿命となる。また、端子部の長さ
Ｌとリングの外径Ｒの比率（Ｌ／Ｒ）が２．０を超える
場合には端子部が不要に長くなり実用性がない。このた
め、端子部の長さＬとリングの外径Ｒの比率（Ｌ／Ｒ）
を０．３〜２．０の範囲とする必要があり、０．４〜
１．５の範囲とすることがより望ましい。 【００１３】また、該発熱体１の端子部３の高安定化を
図るため、端子部３の断面積Ｍと発熱部２の断面積Ｎの
比率（［端子部の断面積］／［発熱部の断面積］）を
１．３〜４．０の範囲とする必要がある。断面積の比率
（Ｍ／Ｎ）が１．３未満の場合には、端子部３の断面積
が小さいため端子部３自身が抵抗発熱を起こし電極の損
耗が速くなり短寿命となる。また、断面積の比率（Ｍ／
Ｎ）が４．０を超える場合には端子部３の熱容量が大き
くなり消費電力が増大するほか、端子部と発熱部との温
度勾配が急激に変化するため急速昇温ができなかった
り、熱衝撃による破損の発生など実用上問題がある。こ
のため、該発熱体１の端子部３の断面積Ｍと発熱部２の
断面積Ｎの比率（Ｍ／Ｎ）を１．３〜４．０の範囲とす
る必要があり、１．５〜３．０の範囲とすることがより
望ましい。また、該発熱体１の端子部はストレート形状
でもよいが、図７に示すように端子部が発熱部との間で
徐々に断面積が小さくなるような構造とすることによ
り、発熱体の耐熱衝撃性をより一層向上することが可能
となる。この場合の端子部の断面積Ｍは端子部の断面積
のなかでも一番大きい部分の断面積たとえば図７のＺ−
Ｚ線断面積に相当するものである。 【００１４】図５は本発明の電気炉の一例を示す断面図
であり、発熱体１の中空部内には、セラミックス炉心管
５を装着し、この中空部内を加熱室とする。セラミック
ス炉心管５は、この内部に被加熱物を置くことにより、
発熱体１からの蒸発物によって被加熱物が汚染されるこ
とを防止できる。該セラミックス炉心管５の厚さ、長
さ、及び外寸法は、電気炉の仕様に応じて適宜決めるこ
とができ、さらに、該セラミックス炉心管５は電気炉の
仕様に応じて長さ方向に対して位置によって厚みや外寸
法などを変化させてもよいが、発熱体１と炉心管５との
高温での接触反応を抑制するため、発熱体１と炉心管５
とは非接触状態にすることが好ましい。縦型炉の場合
は、炉心管と発熱体との間に十分な空間を設けておくだ
けで非接触状態を保持できるが、横型炉の場合は、炉心
管の両端部を断熱材などを用いて支持するなどの構成が
必要となる。 【００１５】セラミックス炉心管５は、電気炉を使用す
る温度域に応じて、従来電気炉の炉心管として用いられ
ている各種の公知のセラミックスを使用することができ
るが、特に、純度９５％以上、相対密度９３％以上のア
ルミナ、ムライト、スピネル、安定化ジルコニア（安定
化剤も含めた純度が９５％以上）、マグネシア又はイッ
トリアを使用することが望ましく、これらの材料を用い
ることにより、セラミックス炉心管５の耐熱性がさらに
向上すると共に、発熱体１との反応も抑制され、被加熱
物への汚染防止効果も向上する。 【００１６】上記発熱体１の外側には、断熱材６を装着
する。発熱体１の外側に断熱材６を装着することによっ
て、電気炉の熱効率を上げることができる。断熱材の材
質としては、耐火煉瓦、耐火断熱煉瓦、キャスタブル耐
火物、セラミックファイバー成形体等の各種の公知の耐
火物を使用できる。又、セラミックファイバー成形体を
使用する場合には、断熱性に優れ、蓄熱量が小さいため
に、消費電力を低減することができ、発熱体１を更に長
寿命化することが可能となる。また、断熱材の材質とし
てセラミックスファイバー成形体を使用する場合、図５
に示すように発熱体１と断熱材６との間に厚さ１〜３ｍ
ｍ程度のセラミックス層７を形成することにより、発熱
体１と断熱材６との反応をより一層少なくすることがで
き、発熱体１をより一層長寿命化することが可能とな
る。 【００１７】図６は本発明の電気炉の他の例を示す断面
図である。図６に示す電気炉は発熱体１を上下多段的に
配置した構造をしており、このように発熱体１を配置す
ることにより所望の有効加熱領域が得られるようにした
ものである。なお発熱体１は図６に示すように上下の方
向に均等な間隔で配置してもよいが、電気炉の上下部分
で密に配置することにより、より一層幅広い均熱温度域
を得ることが可能となる。また、発熱体１は各段におい
て端子部３の向きが全て同方向でもよいが、一段置きに
９０゜向きを変えてもよい。 【００１８】 【実施例】以下に実施例および比較例を挙げて本発明を
説明するが本発明はこれにより何ら限定されるものでは
ない。 【００１９】実施例１ 図５の電気炉において、発熱体１として、下記表１に示
す気孔率と比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミ
ックス発熱体を用い発熱部と端子部の高さ（厚さ）はと
もに１０ｍｍとし、発熱部としてのリングの外径は６０
ｍｍ、内径は５０ｍｍとし、リングの両側から外側に向
かって角柱状の両端部を設けて端子部３とし、該端子部
３の幅は１７ｍｍ、長さは６０ｍｍとした。このランタ
ンクロマイト系セラミックス発熱体に端子部３の端面か
ら１２ｍｍの位置までの部位（外周面及び端面）に白金
ペーストを塗布し、端面から５ｍｍの位置に線径０．５
ｍｍの白金線２本を２回巻き付けリード部分とし、１３
７０℃で焼き付けて、高温用電極を形成した。この発熱
体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のア
ルミナセラミックス炉心管５（以下炉心管５と呼ぶ）
（外径４４ｍｍ×内径４０ｍｍ×長さ７０ｍｍ）を挿入
し、発熱体１のリングの周囲２カ所に、純度９９．５
％、相対密度９７％、厚み２ｍｍ、円弧型アルミナセラ
ミックス７（高さ１５ｍｍ、外径７４ｍｍ、内径７０ｍ
ｍ、弧の角度１０８゜）リングの外周部を覆うように装
着した。さらにその外側には断熱材６として、純度９５
％のα−アルミナ材質からなる、かさ密度０．７ｇ／ｃ
ｍ^３の成形体（セラミックファイバー成形体）を、中央
部に発熱体のリング及び炉心管を収納するための貫通孔
及び両端子部の収納部を有する形状に加工して配置する
ことによって、電気炉を得た。 【００２０】実施例２ 図５の電気炉において、表１に示す気孔率及び比抵抗を
有するランタンクロマイト系セラミックス発熱体を用い
て、端子部３の長さを２５ｍｍに変更して発熱体１を作
製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得
た。 【００２１】実施例３ 図５の電気炉において、表１に示す気孔率及び比抵抗を
有するランタンクロマイト系セラミックス発熱体を用い
て、端子部３の長さを１０２ｍｍ、幅を１４ｍｍに変更
して発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様に
して電気炉を得た。 【００２２】実施例４ 図５の電気炉において、表１に示す気孔率及び比抵抗を
有するランタンクロマイト系セラミックス発熱体を用い
て、端子部３の長さを７０ｍｍ、幅を３５ｍｍとしたこ
と以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。 【００２３】実施例５ 図５の電気炉において、端子部３の長さを５５ｍｍと
し、表１に示す気孔率及び比抵抗を有するランタンクロ
マイト系セラミックス発熱体を用いたこと以外は、実施
例１と同様にして電気炉を得た。 【００２４】比較例１ 実施例１における図５の電気炉において、端子部３の長
さを１３ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして
電気炉を得た。 【００２５】比較例２ 図５に示す実施例１の電気炉において、表１に特性を有
するランタンクロマイト系セラミックス発熱体を用い
て、発熱部２におけるリングの外径４０ｍｍ、内径３０
ｍｍとし、端子部３の長さ９０ｍｍとし、発熱体中空部
内に炉心管５（外径２５ｍｍ×内径２０ｍｍ×長さ７０
ｍｍ）を挿入したこと以外は、実施例１と同様にして電
気炉を得た。 【００２６】比較例３ 図５に示す実施例１の電気炉において、表１に示す比抵
抗を有し、端子部３の長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍの発熱
体１を用いたこと以外は、実施例１と同様にして電気炉
を得た。 【００２７】比較例４ 図５に示す実施例１の電気炉において、表１に示す気孔
率を有し、端子部３の幅４５ｍｍとした発熱体１を用い
たこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。 【００２８】比較例５ 図５に示す実施例１の電気炉において、表１に示す気孔
率及び比抵抗を有し、端子部の長さ５５ｍｍの発熱体１
を用いたこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得
た。 【００２９】比較例６ 図５に示す実施例１の電気炉において、表１に示す気孔
率及び比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミック
ス発熱体を用い、端子部３の長さを６５ｍｍとしたこと
以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。 【００３０】 【表１】【００３１】試験例１ 実施例１〜５及び比較例１〜６のそれぞれの電気炉を、
有効炉内中央での保持温度１７００℃、保持時間３０
分、昇降温速度６００℃／ｈで繰り返しサイクル通電試
験を実施したときの、消費電力が最大となる保持温度到
達時の電圧、電流、消費電力及び発熱体が破損するまで
のサイクル回数を求めた。その結果を表２に示す。 【００３２】 【表２】 【００３３】表２から明らかなように、実施例１〜５の
電気炉は、高い耐久性を示した。また比較例１〜６の結
果から明らかなように、本発明の要件を満足しないラン
タンクロマイト系セラミックス発熱体を用いた電気炉
は、耐久性に優れた電気炉とはならなかった。 【００３４】 【発明の効果】本発明に係る電気炉においては、発熱部
の形状をリング状とすることにより、炉内の温度分布を
均一にすることができる。またリングの外側に端子部を
設けることにより、発熱部の上下の空間を省くことがで
き、小型でありながら発熱体の有効加熱領域が大きく、
高精度で任意に温度制御が可能な電気炉を得ることがで
きる。また急速加熱冷却が可能で長寿命となるほか、各
種雰囲気制御を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】 【図１】（Ａ）は従来の複数の棒状発熱体を使用した管
状電気炉の縦断面図であり、（Ｂ）はその横断面図であ
る。 【図２】（Ａ）は従来の一本の円筒状発熱体を使用した
管状電気炉の縦断面図であり、（Ｂ）はその横断面図で
ある。 【図３】（Ａ）は従来使用されているＵ字状発熱体の平
面図であり、（Ｂ）は従来使用されている円弧状発熱体
の平面図である。 【図４】（Ａ）は本発明電気炉に用いる発熱体の平面図
であり、（Ｂ）は側面図である。 【図５】（Ａ）は本発明電気炉の一例を示す縦断面図で
あり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 【図６】（Ａ）は本発明電気炉の他の例を示す縦断面図
であり、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。 【図７】発熱体の端子部が発熱部との間で徐々に断面積
が小さくなる構造の１例を示す発熱体の平面図である。 【符号の説明】 １ 発熱体 ２ 発熱部 ３ 端子部 ４ 高温用電極 ５ セラミックス炉心管 ６ 断熱材 ７ セラミックス層 ８ 棒状発熱体 ９ 炉心管 １０ 断熱材 １１ 円筒状発熱体 １２ 発熱部 １３ 端子部 １４ 炉心管 １５ 断熱材 １６ Ｕ字状発熱体 １７ 円弧状発熱体 １８ 加熱室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｂ 3/14 Ｈ０５Ｂ 3/14 Ｂ 3/62 3/62 (72)発明者 乾 一代 大阪府堺市遠里小野町３丁２番24号 株式 会社ニッカトー内 (72)発明者 河波 利夫 大阪府堺市遠里小野町３丁２番24号 株式 会社ニッカトー内 Ｆターム(参考） 3K092 PP09 QA01 QB07 QB41 QC24 RA06 VV22 VV40 4G031 AA09 AA16 BA02 4K063 AA12 CA03 CA04 FA04 FA10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 炉心管、その外側にあって炉心管の長さ
   方向に対して垂直に配置された発熱体、炉心管の内側に
   相当する加熱室および発熱体の周囲を取り囲む断熱材よ
   りなる管状電気炉であって、該発熱体は、発熱部がリン
   グ状をなし、該リングの左右両端から外側にむかって水
   平方向に延びた端子部を有するものであり、かつ該発熱
   体は、気孔率５％未満、１０００℃における比抵抗０．
   １０Ωｃｍ以上であるランタンクロマイト系セラミック
   ス材で構成されており、前記発熱体における端子部の長
   さＬとリングの外径Ｒとの比率（Ｌ／Ｒ）を０．３〜
   ２．０の範囲とし、その端子部の断面積Ｍと発熱部の断
   面積Ｎとの比率（Ｍ／Ｎ）を１．３〜４．０の範囲とす
   ることを特徴とする管状電気炉。