JP2007183085A

JP2007183085A - インラインヒータ及びその製造方法

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Publication number: JP2007183085A
Application number: JP2006112517A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Yamakawa; 正文山川
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】小型でしかも急速加熱が可能なインラインヒータを提供する。
【解決手段】セラミックヒータと、上記セラミックヒータを挟んで互いに対向して配置された、流動管が形成された配管ブロック本体及び蓋部材からなる２組の配管ブロックと、を有するインラインヒータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、インラインヒータ及びその製造方法に関する。

液体や空気の加熱方法としては、例えば大型の加熱装置で液体を加熱し、加熱された液体を、配管を介して必要部位に供給する方法等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ところが、大型の加熱装置と必要部位との距離が長くなると、液体の温度が低下してしまうという問題があった。特に温度制御が必要な技術分野においては重要な問題であった。

かかる問題を解決する手段としては、必要部位の近傍に加熱装置としてインラインヒータを配置し、かかるインラインヒータで液体等の温度の微調整を行うことが提案されている。この場合、インラインヒータはワークスペースを確保する観点からは小型であることが好ましく、また液体等の温度の微調整を図るためには急速加熱できることが好ましい。しかしながら、小型でしかも急速加熱が可能なインラインヒータは見当らなかった。
特開平７−１２９２５２号公報

以上より、小型でしかも急速加熱が可能なインラインヒータが求められていた。

本発明は以下の記載事項に関する：
（１）セラミックヒータと、
上記セラミックヒータを挟んで互いに対向して配置された、流動管が形成された配管ブロック本体及び蓋部材からなる２組の配管ブロックと、
を有するインラインヒータ。

（２）上記セラミックヒータは炭化ケイ素焼結体からなる上記（１）記載のインラインヒータ。

（３）さらに、上記セラミックヒータと上記配管ブロックの間に配置された絶縁体を有する上記（１）又は（２）記載のインラインヒータ。

（４）上記配管ブロックはＳＵＳからなる上記（１）〜（３）のいずれかに記載のインラインヒータ。

（５）上記配管ブロックはアルミニウムからなる上記（１）〜（３）のいずれかに記載のインラインヒータ。

（６）上記配管ブロックは石英からなる上記（１）〜（３）のいずれかに記載のインラインヒータ。

（７）さらに、上記配管ブロックの外側に配置されたリフレクタを有する上記（１）〜（６）のいずれかに記載のインラインヒータ。

（８）上記リフレクタは、表面に金メッキ層を備える上記（７）に記載のインラインヒータ。

小型でしかも急速加熱が可能なインラインヒータが提供される。

以下本発明について実施形態を挙げて説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されない。同一又は同様の機能を有する部材については同一又は同様の符号を付すことで説明を省略する：
（第１の実施形態）
図１，８に示す本発明の第１の実施形態にかかるインラインヒータ１は、
セラミックヒータ７と、
セラミックヒータ７を挟んで対向して配置された一組の配管ブロック３ａ、３ｂと、を備える。さらにインラインヒータ１は、セラミックヒータ７と配管ブロック３ａ、３ｂの間に配置された絶縁板５，９と、を備える。セラミックヒータ７は、電極板１３a、１３b、配線１２ａ，１２ｂを介して電源（図示せず）に接続されている。またインラインヒータ１は、第１の流動管の入口６１ａを介してポンプ（図示せず）に接続されている。

セラミックヒータ７は炭化ケイ素焼結体からなることが好ましい。炭化ケイ素焼結体は純度が高く、加熱した際に被加熱物を汚染するおそれが極めて低いからである。炭化ケイ素焼結体からなるセラミックヒータ７は、例えば反応焼結法や後に説明するホットプレス焼結法や鋳込み成形法を用いて製造することができる。

第１の配管ブロック３ａは、配管ブロック本体３ａ_１と蓋部材３ｂ_２とからなる。配管ブロック３ａは、配管ブロック本体３ａ_１上に蓋部材３ｂ_２を配置した際に、第１の流動管６２ａを形成するように、配管ブロック本体３ａ_１のセラミックヒータ７側主面に、溝（６ａ）を備える。配管ブロック本体３ａ_１と蓋部材３ｂ_２は溶接等により接合されている。第２の配管ブロック３ｂ_１も、第１の配管ブロック３ａと同様の構成を備える。形成された第１の流動管の出口６３ａと、第２の流動管の入口６１ｂとは、可撓性チューブまたは金属管（例えばＳＵＳ管）８で連結されている。第１及び第２の配管ブロック３ａ、３ｂは、アルミニウム（またはステンレス鋼（ＳＵＳ））からなり、例えば鋳造法やフライス旋盤法を用いて製造することができる。

絶縁板５、９は、特に用いなければならないわけではないが、セラミックヒータ７との電気ショートを防止する観点からは設けることが好ましい。絶縁板５，９は例えばアルミナ、石英、窒化アルミニウム等であり、熱伝導の高い材料が好ましく、特に窒化アルミニウムが絶縁性、高熱伝導性の観点から好ましい。

〔インラインヒータの製造方法〕
図３〜８を用いたインラインヒータ１の製造方法の説明を介して、インラインヒータ１の構成をより詳しく説明する。まず図３（ａ）の仮想線で示される溝６ｂと、第２の流動管の入口６１ｂと、第２の流動管の出口６３ｂとを備えるＳＵＳからなる配管ブロック本体３ｂ_１を成形する。次に配管ブロック本体３ｂ_１に蓋部材３ｂ_２を溶接等により接合する。そして図３（ｃ）に示す第２の流動管６２ｂを形成する。

続いて図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、成形された配管ブロック３ｂの上に絶縁板５を配置する。さらに、図５，６，７に示すようにセラミックヒータ７、絶縁板９、配管ブロック３ａの順に配置する。そして配管ブロック３ａ，３ｂ、絶縁板５、９、セラミックヒータ７に設けられた貫通孔１１ａ，１１ｂを介してビス１６ａ、１６ｂで全体を固定する。

次に図８に示すようにインラインヒータ１を台座１０ａ，１０ｂに配置し、そして第１の流動管の出口６３ａと第２の流動管の入口６１ｂとを可撓性チューブ８で連結する。またセラミックヒータ７に配線１２ａ，１２ｂをボルト１６ｄ、１６ｅを用いて接続する。さらに仮想性で示される外部ケース１４でインラインヒータ１を覆ってもよい。外部ケース１４は例えばアルミニウムやＳＵＳからなることが好ましい。以上によりインラインヒータ１が形成される。

第１の実施形態にかかるインラインヒータ１は以上の発明特定事項を備えることより、図１，８に示すように第１の流動管の入口６１ａから導入された被加熱体は、第１の流動管６２ａから可撓性チューブ８を介して第２の流動管６２ｂを流動して第２の流動管の出口６３ｂから排出されて必要部位に送られる。被加熱体は第１の流動管６２ａと第２の流動管６２ｂ内を流動することで、セラミックヒータ７の両面から加熱される。そのため、セラミックヒータ７の片面から被加熱体を加熱することに比べ、加熱効率が向上する。また片面加熱方式のヒータ装置の場合、ヒータ装置外部の温度上昇を防止するため、ヒータの被加熱体に接する面の他面に、断熱材を配置する必要がある。第１の実施形態においてはセラミックヒータ７を挟んで配管ブロック３ａ、３ｂが配置され、インラインヒータ１外部の温度上昇が抑制されるため、インラインヒータ１の外周に断熱材を配置する必要がない。その結果インラインヒータ１の小型簡略化を図ることができる。また第１の実施形態にかかるインラインヒータ１は電源等の制限がなく取り扱いが簡単である。

インラインヒータ１により加熱される被加熱体としては、液体の他に気体も含まれる。液体としては例えば水、フッ素系溶剤としてガルデン、パーフルオロカーボン、フロリナート等が挙げられ、気体としては例えば窒素等が挙げられる。

図９は第１の実施形態にかかるインラインヒータ１に０．９ＫＷ、２．０ＫＷ、２．９ＫＷの電力をかけた際の昇温特性を示す図である。図９中、縦軸はインラインヒータ１に導入される前の入水温度と出水温度の温度差ΔＴを示し、横軸はインラインヒータ１で昇温された流体の飽和温度に達するまでの経過時間（ｔ）を示す。第１の実施形態にかかるインラインヒータ１は、立ち上がり特性が極めて良好である。

（第２の実施形態）
図１０、１１に示す本発明の第２の実施形態にかかるインラインヒータ１は、
セラミックヒータ７と、セラミックヒータ７を挟んで対向して配置された一組の配管ブロック３２ａ、３２ｂと、を備える。さらにインラインヒータ１は、セラミックヒータ７と配管ブロック３２ａ、３２ｂの間に配置された絶縁板５，９と、配管ブロック３２ａ、３２ｂを挟んで配置されたリフレクタ１００ａ、１００ｂと、を備える。セラミックヒータ７は、電極板１３a、１３b、配線１２ａ，１２ｂを介して電源（図示せず）に接続されている。またインラインヒータ１は、第１の流動管の入口６１ａを介してポンプ（図示せず）に接続されている。

第１の配管ブロック３２ａは、石英から構成されていることを除いて、第１の実施形態の第１の配管ブロック３ａと同様の構成を備える。第２の配管ブロック３２ｂについても同様である。第１の配管ブロック３２ａ及び第２の配管ブロック３２ｂを石英から構成されていることより、不純物に汚染されることなく純水などのメタルフリーで高純度の液体を流すことができるという作用効果が得られる。

リフレクタ１００ａ、１００ｂを設けることにより、セラミックヒータ７からの熱に加えて輻射熱が利用可能となるため熱効率が向上するという作用効果が得られる。リフレクタ１００ａ、１００ｂとしては、輻射熱を利用できるものであれば特に制限はないが、アルミニウム、ＳＵＳ等を用いることができる。輻射熱の利用効率を向上させる観点からはリフレクタ１００ａ、１００ｂの表面に金メッキ層を設けることが好ましい。

〔ホットプレス焼結法〕
以下にインラインヒータ１の製造に用いられる炭化ケイ素の製造方法について説明する：
第１の実施形態にかかるインラインヒータ１の製造方法には、遊離炭素含有率が２〜１０重量％の炭化ケイ素焼結体を使用することが好ましい。このような炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素粉末と、非金属系焼結助剤との混合物を焼成することにより得られる。まず、炭化ケイ素粉末について説明する。炭化ケイ素粉末としては、α型、β型、非晶質、あるいはこれらの混合物等を広く用いることができ、市販品を用いてもよい。中でもβ型炭化ケイ素粉末が好適に用いられる。炭化ケイ素焼結体を高密度化するためには、用いる炭化ケイ素粉末の粒径は小さいほうがよい。好ましくは０．０１〜１０μｍ程度、より好ましくは０．０５〜２μｍである。粒径が０．０１μｍ未満であると、計量、混合等の処理工程における取り扱いが困難となり、一方１０μｍを超えると、粉体の比表面積、即ち、隣接する粉体との接触面積が小さくなり、高密度化が困難となるので好ましくない。

高純度の炭化ケイ素粉末を用いると、得られる炭化ケイ素焼結体も高純度になるので好ましい。高純度の炭化ケイ素粉末は、例えば、ケイ素化合物（以下「ケイ素源」という場合がある。）と、加熱により炭素を発生する有機材料と、Ｚ重合触媒または架橋触媒とを混合し、得られた固形物を非酸化性雰囲気中で焼成することにより製造することができる。ケイ素源としては、液状、および固体状の化合物を広く用いることができるが、少なくとも液状の化合物を１種以上用いる。液状のケイ素源としては、アルコキシシラン（モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−）の重合体等が挙げられる。アルコキシシランの重合体の中では、テトラアルコキシシランの重合体が好適に用いられる。具体的には、メトキシシラン、エトキシシラン、プロピロキシシラン、ブトキシシラン等が挙げられるが、ハンドリングの点からはエトキシシランが好ましい。テトラアルコキシシラン重合体の重合度は２〜１５程度であると液状の低分子量重合体（オリゴマー）となる。その他、重合度が高いケイ酸ポリマーで液状のものもある。液状のケイ素源と併用可能な固体状のケイ素源としては、炭化ケイ素が挙げられる。ここにいう炭化ケイ素には、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の他、シリカゾル（コロイド状超微細シリカ含有液であって、コロイド分子内にＯＨ基やアルコキシ基を含有するもの）、微細シリカ、石英粉体等も含まれる。これらのケイ素源の中でも、均質性やハンドリング性が良好であるテトラアルコキシシランのオリゴマー、またはテトラアルコキシシランのオリゴマーと微粉体シリカとの混合物等が好ましい。また、これらのケイ素源は高純度であることが好ましく、具体的には初期の不純物含有量が２０ｐｐｍ以下であるのが好ましく、５ｐｐｍ以下であるのがさらに好ましい。

加熱により炭素を生成する有機材料としては、液状のものの他、液状のものと固体状のものを併用することもできる。残炭率が高く、かつ触媒あるいは加熱により重合または架橋する有機材料が好ましい。具体的には、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド、ポリウレタン、ポリビニルアルコール等のモノマー、およびプレポリマーが好ましい。その他、セルロース、しょ糖、ピッチ、タール等の液状物も用いられる。中でもレゾール型フェノール樹脂が、熱分解性および純度の点で好ましい。有機材料の純度は、目的に応じて適宜、制御すればよい。特に高純度の炭化ケイ素粉末が必要な場合は、不純物元素の含有量が各々５ｐｐｍ未満である有機材料を用いるのが好ましい。

ケイ素源と有機材料の配合比率は、炭素とケイ素のモル比（以下「Ｃ／Ｓｉ」と略記する。）を目安に好ましい範囲をあらかじめ決定することができる。ここにいうＣ／Ｓｉとは、ケイ素源と有機材料との混合物を１０００℃にて炭化した炭化ケイ素中間体を元素分析し、その分析値より得られるＣ／Ｓｉである。炭素は、以下の反応式で表わされるように、酸化ケイ素と反応し、炭化ケイ素に変化する。

式（Ｉ）ＳｉＯ₂＋３Ｃ→ＳｉＣ＋２ＣＯに従って、化学量論的には、Ｃ／Ｓｉが３．０であると、炭化ケイ素中間体中の遊離炭素は０％になるが、実際にはＳｉＯガス等が揮散するため、Ｃ／Ｓｉがより低い値であっても遊離炭素が発生する。遊離炭素は粒成長を抑制する効果を有するので、目的とする粉末粒子の粒径に応じて、Ｃ／Ｓｉを決定し、その比となるようにケイ素源と有機材料とを配合すればよい。例えば、約１気圧、１６００℃以上で、ケイ素源と有機材料との混合物を焼成する場合、Ｃ／Ｓｉが２．０〜２．５の範囲になるように配合すると、遊離炭素の発生を抑制することができる。同条件で、Ｃ／Ｓｉが２．５を超えるように配合すると、遊離炭素の発生が顕著となり、粒子の小さな炭化ケイ素粉末が得られる。このように、目的に応じて、配合比率を適宜決定することができる。尚、炭化ケイ素粉末に起因する遊離炭素の作用および効果は、焼結助剤から生じる遊離炭素の作用および効果と比較して非常に弱いので、炭化ケイ素粉末に起因する遊離炭素は、本発明の効果には本質的に影響しないものである。

また、炭化ケイ素粉末に含まれる全炭素量は、約３０重量％以上約４０重量％以下であるのが好ましい。炭化ケイ素（ＳｉＣ）の全炭素含有量は理論的には約３０重量％であるが、非炭素系不純物を含有する場合は３０重量％より減少し、遊離炭素を含有する場合は３０重量％より増加する。前述のように有機材料を添加し、焼成することにより得られた炭化ケイ素粉末は、炭素系不純物を含有するので、炭素の含有量は３０重量％より大きくなる。従って、炭化ケイ素粉末中の炭素含有量が３０重量％未満であると、非炭素系不純物の割合が高いこととなり、純度の点で好ましくない。一方、４０重量％を超えると、得られる炭化ケイ素焼結体の密度が低下し、強度、耐酸化性等の点で好ましくない。

ケイ素源と有機材料との混合物を硬化させ、固形物にすることもできる。硬化の方法としては、加熱による架橋反応を利用する方法、硬化触媒により硬化する方法、電子線や放射線を利用する方法等がある。用いる硬化触媒は、用いる有機材料に応じて適宜選択できるが、フェノール樹脂、フラン樹脂を有機材料に用いた場合は、トルエンスルホン酸、トルエンカルボン酸、酢酸、蓚酸等のカルボン酸、塩酸、硫酸等の無機酸類、ヘキサミン等のアミン類等が挙げられる。ケイ素源と有機材料を含有する固形物は、必要に応じ加熱炭化される。炭化は、窒素またはアルゴン等の非酸化性雰囲気中８００℃〜１０００℃にて３０〜１２０分間加熱することにより行われる。さらに、非酸化性雰囲気中１３５０℃〜２０００℃で加熱すると炭化ケイ素が生成する。焼成温度と焼成時間は、得られる炭化ケイ素粉末の粒径等に影響するので、適宜決定すればよいが、１６００〜１９００℃で焼成すると効率的で好ましい。以上に説明した高純度の炭化ケイ素粉末を得る方法は、特開平９−４８６０５号明細書により詳細に記載されている。

次に非金属系焼結助剤について説明する。本発明に用いられる炭化ケイ素焼結体は、遊離炭素２〜１０重量％のものである。この遊離炭素は、非金属系焼結助剤に用いられる有機材料に起因するものであり、非金属系焼結助剤の添加量等の添加条件を調整することにより遊離炭素量を前述の範囲にすることができる。

非金属系焼結助剤としては、前述したように遊離炭素源となり得る、即ち加熱により炭素を生じる有機材料（以下「炭素源」という場合がある。）を含有するものを用いる。前述の有機材料を単独で、または前述の有機材料を炭化ケイ素粉末（粒径：約０．０１〜１ミクロン）表面に被覆させたものを焼結助剤として用いてもよいが、効果の点からは、有機材料を単独で用いるのが好ましい。加熱により炭素を生成する有機材料としては、具体的には、残炭化率の高いコールタールピッチ、ピッチタール、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂の他、各種糖類、例えば、グルコース等の単糖類、しょ糖等の小糖類、セルロース、でんぷん等の多糖類等が挙げられる。有機材料を炭化ケイ素粉末と均質に混合するには、有機材料は常温で液状のもの、溶媒に溶解するもの、または熱可塑性、熱融解性を有する等加熱により軟化するものが好ましい。中でも、フェノール樹脂を用いると炭化ケイ素焼結体の強度が向上するので好ましく、さらにレゾール型フェノール樹脂が好ましい。これらの有機材料の作用機構は明確にはなっていないが、有機材料は加熱されると系中にカーボンブラック、グラファイトの如き無機炭素系化合物を生成する。この無機炭素系化合物が焼結助剤として有効に作用しているものと考えられる。但し、カーボンブラック等を焼結助剤として用いても、同様な効果は得られない。

非金属系焼結助剤は、所望により有機溶媒に溶解し、その溶液と炭化ケイ素粉末を混合してもよい。使用する有機溶媒は、非金属系焼結助剤により異なり、例えば、焼結助剤としてフェノール樹脂を用いる場合は、エチルアルコール等の低級アルコール類、エチルエーテル、アセトン等を選択することができる。高純度の炭化ケイ素焼結体を作製する場合は、高純度の炭化ケイ素粉末を使用するのみならず、焼結助剤および有機溶媒も不純物含有量の少ないものを用いるのが好ましい。

非金属系焼結助剤の炭化ケイ素粉末に対する添加量は、炭化ケイ素焼結体の遊離炭素が２〜１０重量％になるように決定する。遊離炭素がこの範囲外であると、接合処理中に進行するＳｉＣへの化学変化、および炭化ケイ素焼結体間の接合が不十分となる。ここで、遊離炭素の含有率（重量％）は、炭化ケイ素焼結体を酸素雰囲気下において、８００℃で８分間加熱し、発生したＣＯ₂、ＣＯの量を炭素分析装置で測定し、その測定値から算出することができる。焼結助剤の添加量は、用いる焼結助剤の種類および炭化ケイ素粉末の表面シリカ（酸化ケイ素）量によって異なる。添加量を決定する目安としては、あらかじめ炭化ケイ素粉末の表面シリカ（酸化ケイ素）量を弗化水素水を用いて定量し、この酸化ケイ素を還元するのに十分な化学量論（式（Ｉ）で算出される化学量論）を算出する。これと、非金属系焼結助剤が加熱により炭素を生成する割合を考慮し、遊離炭素が前述の適する範囲となるように添加量を決定することができる。以上に説明した炭化ケイ素焼結体の非金属系焼結助剤についての説明は、特願平９−０４１０４８号明細書中により詳細に記載されている。

次に、炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤の混合物を焼結する方法について説明する。炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤は均質に混合する。均質の混合物を得るために、前述したように焼結助剤を有機溶媒に溶解した溶液を用いてもよい。混合方法としては、公知の方法、例えば、ミキサー、遊星ボールミル等を用いる方法が挙げられる。混合に使用する器具は、金属元素不純物の混入を防止するため、合成樹脂素材のものを用いるのが好ましい。混合は１０〜３０時間程度、特に１６〜２４時間程度行い、十分に混合するのが好ましい。十分に混合した後、溶媒を除去し、混合物を蒸発乾固させる。その後、篩にかけて混合物の原料粉体を得る。乾燥には、スプレードライヤー等の造粒装置を使用してもよい。

このようにして得られた原料粉体は、成形金型中に配置される。使用する成形金型が黒鉛製のものであると、金属不純物が炭化ケイ素焼結体中に混入しないので好ましい。金属製の成形金型であっても、原料粉体と金型の金属部とが直接接触しないように、接触部を黒鉛製とするか、または接触部にポリテトラフルオロエチレンシート（テフロン（登録商標）シート）を介在させれば、好適に使用できる。特に、高純度の炭化ケイ素焼結体を製造したい場合は、金型、および炉内の断熱材等には高純度の黒鉛材料を用いるのが好ましい。具体的には、２５００℃以上の温度で、あらかじめ十分にベーキング処理され、高温使用しても不純物の発生がない黒鉛材料等が挙げられる。

成形金型中に配置された原料粉体は、ホットプレス加工を施される。ホットプレスの圧力については、３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ²の広い範囲の圧力により行うことができる。但し、４００ｋｇｆ／ｃｍ²以上で加圧する場合は、ホットプレス用の部品、例えば、ダイス、パンチ等は耐圧性に優れたものを用いる必要がある。

ホットプレスは、２０００℃〜２４００℃にて行うが、このホットプレス加工温度までの昇温は穏やかに、かつ段階的に行うのが好ましい。このように昇温すると、各々の温度で生じる化学変化、状態変化等を十分に進行させることができ、その結果、不純物混入や亀裂および空孔の発生を防止することができる。好ましい昇温工程の一例を以下に示す。まず、５〜１０ｇの原料粉体をいれた成形金型を炉内に配置し、炉内を１０^−４ｔｏｒｒの真空状態にする。室温から２００℃まで穏やかに昇温し、約３０分間２００℃に保つ。その後、７００℃まで６〜１０時間で昇温し、２〜５時間７００℃に保つ。室温から７００℃までの昇温工程で、吸着水分や有機溶媒の脱離が起こり、また、非金属系焼結助剤の炭化も進行する。一定温度の保持時間は、炭化ケイ素焼結体のサイズによって異なり、適宜好適な時間に設定すればよい。また、保持時間が十分であるか否かの判断は、真空度の低下がある程度少なくなる時点を目安にすることができる。次に、７００℃〜１５００℃まで６〜９時間で昇温し、１〜５時間程１５００℃に保持する。１５００℃に保持している間、酸化ケイ素が還元され炭化ケイ素に変化する反応が進行する（式（Ｉ））。保持時間が不十分であると、二酸化ケイ素が残留し、炭化ケイ素粉末表面に付着するので、粒子の緻密化を妨げ、大粒の成長原因となるので好ましくない。保持時間が十分であるか否かの判断は、副生成物である一酸化炭素の発生が停止しているかを目安に、即ち、真空度の低下がおさまり、還元反応開始温度である１３００℃の真空度まで回復しているかを目安にすることができる。

ホットプレスは、焼結が開始する１５００℃程度まで炉内を昇温し、次に炉内を非酸化性雰囲気とするために、不活性ガスを充填した後行うのが好ましい。不活性ガスとしては、窒素ガス、あるいはアルゴンガス等が用いられるが、高温においても非反応性であるアルゴンガスを用いるのが好ましい。高純度炭化ケイ素焼結体を製造したい場合は、不活性ガスも高純度のものを用いる。炉内を非酸化性雰囲気とした後、温度が２０００℃〜２４００℃、圧力が３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ²となるように炉内を加熱および加圧する。最高温度が２０００℃未満であると、高密度化が不十分となる。一方、最高温度が２４００℃を超えると、粉体もしくは成形体原料が昇華（分解）する虞があるため好ましくない。１５００℃近傍〜最高温度までの昇温は２〜４時間かけて行い、最高温度で１〜３時間保持するのが好ましい。１８５０〜１９００℃で焼結は急速に進行し、最高温度保持時間中に焼結が完了する。また加圧条件が、３００ｋｇｆ／ｃｍ²未満であると高密度化が不十分となり、７００ｋｇｆ／ｃｍ²を超えると黒鉛製の成形金型が破損することもあり、製造効率上好ましくない。圧力は異常粒が成長するのを抑えるために、３００ｋｇｆ／ｃｍ²〜７００ｋｇｆ／ｃｍ²程度で加圧するのが好ましい。

用いる炭化ケイ素焼結体は、高密度化されていて、密度が２．９ｇ／ｃｍ³以上、気孔率が１％以下であると好ましく、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上、気孔率が０．８％以下であると特に好ましい。高密度化された炭化ケイ素焼結体を用いると、得られる炭化ケイ素接合体の曲げ強度、破壊強度等の力学的特性、および電気的物性が向上する。また、高密度化された炭化ケイ素焼結体を用いると、構成粒子が小粒化されているので汚染性の点でも好ましい。一方、低密度の、例えば多孔性の炭化ケイ素焼結体を用いると、炭化ケイ素接合体の耐熱性、耐酸化性、耐薬品性、および機械的強度が劣り、また接合強度が不十分となる場合もある。

炭化ケイ素焼結体を高密度化する方法として、焼結工程に先立って予め成形工程を実施する方法がある。この成形工程は、焼結工程と比較して低温低圧で行われるものである。この焼結工程を実施すると、嵩のある粉体を予めコンパクト（小容量化）にできるので、この工程を何度も繰り返すことによって、大型の成形体が製造しやすくなる。焼結工程に先立って予め実施される成形工程の諸条件の一例を以下に示す。炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤とを、均質に混合して得られた原料粉体を成形金型内に配置し、温度８０℃〜３００℃、好ましくは１２０℃〜１４０℃、圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ²〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²で５〜６０分間、好ましくは２０〜４０分間プレスして成形体を得る。加熱温度は非金属系焼結助剤の特性に応じて、適宜決定すればよい。得られる成形体の密度は、平均粒径１μｍ程度の粉体を用いた場合は１．８ｇ／ｃｍ²以上となるように、また平均粒径０．５μｍの粉体を用いた場合は１．５ｇ／ｃｍ²となるようにプレスするのが好ましい。用いる成形体の密度がこの範囲であると、炭化ケイ素焼結体の高密度化が容易となるので好ましい。得られた成形体が焼結工程に用いる成形金型に適合するように、成形体に切削加工を施してもよい。

本発明に用いる炭化ケイ素焼結体中の不純物元素（１９８９年ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改訂版の元素周期表において、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉを除く、原子番号３以上の元素）の総含有量は５ｐｐｍ以下であると、高い清浄度が要求されるプロセス、例えば、半導体製造プロセス等にも使用し得るので好ましい。より好ましくは３ｐｐｍ以下、特に好ましくは１ｐｐｍ以下である。但し、化学的分析による不純物含有量は、実際に使用する場合の参考値としての意味を有するに過ぎない。例えば、不純物含有量は同一であっても、不純物が均一に分布しているか、局所的に偏在しているかによってその炭化ケイ素接合体に対する汚染性の評価は異なる場合もある。尚、以上に具体的に例示した材料、および例示した焼結方法を用いれば、不純物含有量１ｐｐｍ以下の炭化ケイ素焼結体が得られる。また、炭化ケイ素焼結体の不純物元素含有量を減少させるには、用いる原料（例えば、炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤）、および不活性ガスに含まれる不純物元素含有量を１ｐｐｍ以下にしたり、焼結時間、温度等、焼結の諸条件を調整して不純物を除去する方法等が挙げられる。尚、ここでいう不純物元素とは、前述と同様であり、１９８９年ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改訂版の周期律表における、原子番号３以上（但し、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、を除く。）の元素をいう。

本発明に用いる炭化ケイ素焼結体の、その他の物性値は、室温における曲げ強度５５０〜８００ｋｇｆ／ｍｍ²、ヤング率３．５×１０⁴〜４．５×１０⁴、ビッカース硬度５５０〜８００ｋｇｆ／ｍｍ²、ポアソン比０．１４〜０．２１、熱膨張係数３．８×１０^-6〜４．２×１０^-6ｌ／℃、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、比熱０．１５〜０．１８ｃａｌ／ｇ・℃、耐熱衝撃性５００〜７００ΔＴ℃、比抵抗１Ω・ｃｍであると、得られる炭化ケイ素接合体の諸特性が良好となるので好ましい。尚、本発明の炭化ケイ素焼結体として、本発明者等の特願平９−０４１０４８号明細書に記載の炭化ケイ素焼結体を好適に使用することができる。

〔鋳込み成形法〕
以下の工程により炭化ケイ素ヒータに適した炭化ケイ素焼結体（多孔体）が得られる：
（１）混合粉体を得る工程
まず炭化ケイ素粉末と消泡剤を溶媒中に分散させてスラリー状の混合粉体を製造する。次に、ミキサー、遊星ボールミルなどの攪拌混合手段を用いて、６時間〜４８時間、特に１２時間〜２４時間に渡って攪拌混合を行う。攪拌混合が十分に行われていないと、グリーン体中に気孔が均一分散されなくなるからである。

（２）グリーン体を得る工程
得られたスラリー状の混合粉体を鋳込み成形用型に流し込む。その後、放置、脱型した後、４０℃〜６０℃の温度条件下で加熱乾燥又は自然乾燥して溶媒を除去する。このようにして規定寸法のグリーン体、即ちスラリー状の混合粉体から溶媒を除去して得られる多くの気孔が内在する炭化ケイ素成形体が得られる。

（３）第１の加熱工程
得られたグリーン体を真空雰囲気下５５０℃〜６５０℃まで約２時間程度かけて昇温する。加熱温度が５５０℃未満だと脱脂が不十分になる。また脱脂は６５０℃前後で終了する。そのため、前述の加熱温度範囲内の一定の温度で加熱する。昇温速度は、配合物中のバインダーの急激な熱分解による爆裂を防止するため３００℃／１ｈｒ以下とする。そして、一定の温度に達した後、真空雰囲気下その温度条件に３０分間保持することで仮焼体が得られる。

（４）第２の加熱工程
次に得られた仮焼体を、窒素ガス雰囲気下で１５００℃以上の温度まで昇温する。好ましくは温度１５００℃〜２０００℃、又は１５００℃〜１９５０℃まで昇温する。加熱温度の上限を２０００℃としたのは、窒素雰囲気においてドープされる窒素量は、２０００℃程度で平衡状態に達するため、それ以上の温度で加熱することは不経済だからである。また２４００℃以上では炉が壊れてしまうからである。また加熱温度が１５００℃〜２０００℃の範囲から外れると強度が低下する。そのため、この温度範囲内の一定の温度まで加熱する。その際、強度が増加する観点からは、加熱温度を１７００℃〜２０００℃とすることが好ましい。そして、一定の温度に達した後、窒素ガス含有雰囲気下その温度条件に０．５〜８時間保持する。同じ加熱温度であれば、（ａ）保持時間を長くする、（ｂ）圧力（ａｔｍ）を高くする、の少なくともいずれか一方の条件に設定することで炭化ケイ素焼結体中の窒素量が増加する。窒素ガス雰囲気下における圧力は、−０．５ｋｇ／ｍ^２〜０．２ｋｇ／ｍ^２が好ましい。

〔炭化ケイ素焼結体（多孔体）〕
以上の製造方法により得られた本発明の実施形態にかかるヒータ用炭化ケイ素焼結体（多孔体）は、空隙率が１％〜３２％、好ましくは５％〜２９％である。また１００℃における抵抗が０．０２Ωｃｍ〜０．０６Ωｃｍ、好ましくは０．０３Ωｃｍ〜０．０５Ωｃｍであり、１００℃における抵抗をＡとし、１０００℃における抵抗をＢとした際に、Ｂ／Ａ＝０．２〜２である。このような物性を有することから温度依存性の問題が大幅に改善される。さらに本発明の実施形態の窒素含量は５００ｐｐｍ以上、好ましくは５００ｐｐｍ〜１２００ｐｐｍ、より好ましくは５５０ｐｐｍ〜９００ｐｐｍである。そのため、導電性を有することから放電加工法により複雑形状に加工可能である。例えばヒータは、円柱状試料（焼結体）を形成しこれを径方向にスライス加工し、その後成形体に螺旋状や同心円状の溝を形成することにより製造される。

図１は第１の実施形態にかかるインラインヒータの斜視図を示す。図２は第１の実施形態にかかるインラインヒータの断面図を示す。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は第１の実施形態にかかるインラインヒータの製造工程図（その１）を示し、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は断面図を示す。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は第１の実施形態にかかるインラインヒータの製造工程図（その２）を示し、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図、図４（ｃ）は断面図を示す。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は第１の実施形態にかかるインラインヒータの製造工程図（その３）を示し、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は断面図を示す。図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は第１の実施形態にかかるインラインヒータの製造工程図（その４）を示し、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は側面図、図６（ｃ）は断面図を示す。図７（ａ）（ｂ）は第１の実施形態にかかるインラインヒータの製造工程図（その５）を示し、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図を示す。図８は第１の実施形態にかかるインラインヒータの側面図を示す。図９は第１の実施形態にかかるインラインヒータの昇温特性を示す図である。図１０は第２の実施形態にかかるインラインヒータの斜視図を示す。図１１は第２の実施形態にかかるインラインヒータの断面図を示す。

符号の説明

１…インラインヒータ
３ａ、３ｂ…配管ブロック
３ａ_１、３b_１…配管ブロック本体
３a_２、３ｂ_２…蓋部材
５，９…絶縁板
７…セラミックヒータ
８…可撓性チューブまたは金属管
１２ａ，１２ｂ…配線
６１ａ、６１ｂ…流動管の入口
６２ａ、６２ｂ…流動管
６３ａ、６３ｂ…流動管の出口

Claims

セラミックヒータと、
前記セラミックヒータを挟んで互いに対向して配置された、流動管が形成された配管ブロック本体及び蓋部材からなる２組の配管ブロックと、
を有することを特徴とするインラインヒータ。
前記セラミックヒータは炭化ケイ素焼結体からなることを特徴とする請求項１記載のインラインヒータ。
さらに、前記セラミックヒータと前記配管ブロックの間に配置された絶縁体を有することを特徴とする請求項１又は２記載のインラインヒータ。
前記配管ブロックはＳＵＳからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインラインヒータ。
前記配管ブロックはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインラインヒータ。
前記配管ブロックは石英からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインラインヒータ。
さらに、前記配管ブロックの外側に配置されたリフレクタを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のインラインヒータ。
前記リフレクタは、表面に金メッキ層を備えることを特徴とする請求項７に記載のインラインヒータ。