JP2016115620A

JP2016115620A - 発熱体及びその製造方法

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Publication number: JP2016115620A
Application number: JP2014255324A
Authority: JP
Inventors: 晃朗福西; Akio Fukunishi; 寛植西; Hiroshi Uenishi
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-12-17
Also published as: JP6384666B2

Abstract

【課題】発熱体の製造コストを抑制しつつ、ペスト化を防止すること。【解決手段】発熱体１は、発熱部３と、発熱部３の両端に設けられた発熱部３より大径の端子部４とを有し、ＭｏＳｉ2を７０ｗｔ％以上含む棒状の基材２を備える。そして、発熱体１は、端子部４の表面に形成され、結晶を含む酸化物層５を備える。酸化物層５は、ＳｉＯ2を４０〜６０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を１５〜４０ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で５〜３０ｗｔ％含む。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばガラス物品の製造工程でヒーターとして用いられる発熱体及びその製造方法の改良技術に関する。

例えばガラス物品の製造工程でヒーターとして用いられる発熱体として、ＭｏＳｉ₂を主成分とするものが知られている。

この発熱体は、１０００℃以上の高温域では、ＭｏＳｉ₂のＳｉが選択的に酸化され、表面に緻密でＳｉＯ₂Ｒｉｃｈな酸化物保護膜が形成されるため、安定して使用できる。

しかし、４００〜６００℃の低温域では、ＭｏとＳｉが同時に酸化し、ＭｏＯ₃とＳｉＯ₂から成る多孔質層が形成される「ペスト化」と呼ばれる酸化が、継続して進行する。このペスト化が進行した場合、ペスト化した箇所が脆くなり、その箇所で折損する可能性がある。

ＭｏＳｉ₂を主成分とする発熱体は、一般に、発熱部及び端子部を有する。端子部は、発熱部より温度が低いため、ペスト化が進行する可能性が高い。そのため、この種の発熱体では、発熱部より端子部のペスト化が寿命を決めるケースが多々ある。従って、この種の発熱体は、特に、端子部のペスト化を防止することが要求されている。

このようなペスト化を防止する方法として、例えば特許文献１では、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕから選択された金属の層を発熱体上に形成することが提案されている。つまり、この金属層の形成により、金属層が発熱体と酸素の接触を防止し、ペスト化を防止する。そして、特許文献１では、この金属層の形成方法として、溶射、めっき、イオンプレーティング等が挙げられている。

特開平８−８１７８５号公報

しかしながら、溶射、めっき、イオンプレーティング等は、所定の設備や所定の作業を必要とし、製造コストが増大する事態を招く。

本発明は、上記事情に鑑み、発熱体の製造コストを抑制しつつ、ペスト化を防止することを技術的課題とする。

前記課題を解決するために創案された本発明に係る発熱体は、発熱部及び端子部を有し、ＭｏＳｉ₂を７０ｗｔ％以上含む基材と、前記端子部の表面に形成され、結晶を含む酸化物層とを備えることに特徴づけられる。

この構成では、端子部の表面に、結晶を含む酸化物層が形成されているため、結晶を含む酸化物層が、酸素が端子部（基材）の表面に接触することを防止し、これにより、ペスト化が問題となり易い端子部のペスト化を抑制することができる。そして、結晶を含む酸化物層は、その原料を端子部の表面に塗布することで形成することができる。この原料の塗布方法には、例えば刷毛塗りやスプレー等を用いることができ、酸化物層を形成するために、高価な設備や複雑な作業が必要にならないようにすることができる。従って、本発明に係る発熱体では、製造コストを抑制することが可能である。

上記の構成において、前記酸化物層が、ＳｉＯ₂を４０〜６０ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を１５〜４０ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で５〜３０ｗｔ％含むことが好ましい。

この構成であれば、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃は、耐熱性があり、酸化物層の耐熱性を向上できる。また、アルカリ金属酸化物によって、酸化物層内のＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃の結晶同士を接着するガラス部分が構成されるので、酸化物層の焼結性を向上し、酸化物層の強度を向上できる。

上記の構成において、前記基材と前記酸化物層との間にガラス層が形成されていることが好ましい。

この構成であれば、ガラス層が酸化物層と基材とを接着する効果を有するため、酸化物層を基材により強固に取り付けることができる。

上記の構成において、前記酸化物層の厚みが、前記ガラス層の厚みより厚いことが好ましい。

この構成であれば、ガラス層より酸素を透過し難い酸化物層が厚いので、ペスト化防止の効果がより確実に得られる。また、酸化物層より基材との熱膨張率差が大きいガラス層が薄いので、ガラス層が割れにくくなり、その結果、酸化物層が剥落することを抑制できる。

また、前記課題を解決するために創案された本発明に係る発熱体の製造方法は、発熱部及び端子部を有し、ＭｏＳｉ₂を７０ｗｔ％以上含む基材に対して、前記端子部の表面に、加熱によって結晶を含む酸化物層を形成する材料を塗布することに特徴づけられる。

この構成では、冒頭の構成の発熱体を製造することができ、その結果、冒頭の構成の発熱体と実質的に同様の効果を得ることができる。

上記の構成において、前記材料が、アルミノシリケート塩を３５〜５０ｗｔ％、アルカリ金属水酸化物を合量で１〜１５ｗｔ％含むことが好ましい。

また、ガラス物品の製造方法において、上記の構成の発熱体を用いて溶融ガラスを加熱する工程を備えることが好ましい。

以上のように本発明によれば、発熱体の製造コストを抑制しつつ、ペスト化を防止することができる。

本発明の実施形態に係る発熱体を示す概略正面図である。発熱体の端子部における表面付近の概略断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面に基づき説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る発熱体１を示す概略正面図である。本実施形態では、この発熱体１は、ガラス物品の製造工程において、フィーダーを流れる溶融ガラスを加熱するためのヒーターとして用いられるものであるが、例えば、ガラス原料を溶融するためのヒーターとして用いられるものであってもよい。

発熱体１は、棒状の基材２を備え、基材２は、発熱部３と、該発熱部３の両端に設けられた発熱部３より大径の端子部４とを有する。本実施形態では、発熱部３は、Ｕ字形状であるが、これに限定されるものでは無く、直線形状、波型形状等であってもよい。基材２は、ＭｏＳｉ₂を７０ｗｔ％以上含む。基材２の残りの成分としては、例えば、ガラスやセラミックス等が挙げられる。

そして、発熱体１は、端子部４の表面に形成され、結晶を含む酸化物層５を備える。端子部４において、発熱部３とは反対側の端部側には、電気接触を良好とするためにアルミ層６が形成されており、このアルミ層６より発熱部３側の所定の領域に酸化物層５が形成されている。図示例では、酸化物層５が形成されている領域は、端子部４におけるアルミ層６より発熱部３側の一部領域であるが、端子部４におけるアルミ層６より発熱部３側の全領域であってもよい。

酸化物層５は、例えばＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の結晶が、ガラス成分によって結合された構造を有する。酸化物層５について、基材２との熱膨張係数の差は、５×１０^-6／℃以内であることが好ましい。酸化物層５と基材２の熱膨張係数の差が、５×１０^-6／℃を超えると、使用時に、基材２との熱膨張の差で酸化物層５が割れたり、剥落したりする可能性がある。この観点から、酸化物層５と基材２の熱膨張係数の差は、３×１０^-6／℃以内であることがより好ましく、１×１０^-6／℃以内であることが最も好ましい。なお、基材２の熱膨張係数は、７×１０^-6／℃〜８×１０^-6／℃である。

図２に示すように、端子部４（基材２）と酸化物層５との間にガラス層７が形成されている。酸化物層５は、ガラス層７によって基材２と結合されている。酸化物層５の厚みＴａは、ガラス層７の厚みＴｂより厚い。

酸化物層５の厚みＴａは、４０μｍ〜３００μｍが好ましい。厚みＴａが４０μｍ未満の場合、ペスト化防止の効果が十分に得られない可能性がある。厚みＴａが３００μｍを超える場合、酸化物層５とガラス層７の厚みムラが増大する可能性がある。これらの観点から、厚みＴａは、７０μｍ〜２４０μｍがより好ましく、８０μｍ〜１８０μｍが最も好ましい。

ガラス層７の厚みＴｂは、０．５μｍ〜２０μｍが好ましい。厚みＴｂが０．５μｍ未満の場合、酸化物層５と基材２を接着する効果が十分に得られず、酸化物層５が剥落する可能性がある。厚みＴｂが２０μｍを超える場合、基材との熱膨張率差が大きいガラス層が割れ易くなって酸化物層５が剥落する可能性がある。これらの観点から、厚みＴｂは、１μｍ〜１５μｍがより好ましく、３μｍ〜１０μｍが最も好ましい。

酸化物層５は、ＳｉＯ₂を４０〜６０ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を１５〜４０ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で５〜３０ｗｔ％含むことが好ましい。本実施形態では、アルカリ金属酸化物の含有量は、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏの合量である。しかし、アルカリ金属酸化物の含有量は、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏに別のアルカリ金属酸化物を加えた合量、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏ以外のアルカリ金属酸化物の合量であってもよい。

ＳｉＯ₂の含有量が４０ｗｔ％未満の場合、酸化物層５の耐熱性が低下する可能性がある。ＳｉＯ₂の含有量が６０ｗｔ％を超える場合、焼結性が低下する可能性がある。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が１５ｗｔ％未満の場合、酸化物層５の耐熱性が低下する可能性がある。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が４０ｗｔ％を超える場合、焼結性が低下する可能性がある。アルカリ金属酸化物の含有量（合量）が５ｗｔ％未満の場合、結晶同士を接着する部分が十分に形成されず、酸化物層５の焼結性が低下し、酸化物層５の強度が低下する可能性がある。アルカリ金属酸化物の含有量（合量）が３０ｗｔ％を超える場合、耐熱性が低下する可能性がある。

これらの観点から、酸化物層５は、ＳｉＯ₂を４２〜５８ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を２０〜３８ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で７〜２５ｗｔ％含むことがより好ましい。そして、酸化物層５は、ＳｉＯ₂を４５〜５５ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を２５〜３５ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で１０〜２０ｗｔ％含むことが最も好ましい。

ガラス層７は、ＳｉＯ₂を６５〜７５ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を１〜１０ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で２０〜３５ｗｔ％含むことが好ましい。本実施形態では、アルカリ金属酸化物の含有量は、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏの合量である。しかし、アルカリ金属酸化物の含有量は、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏに別のアルカリ金属酸化物を加えた合量、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏ以外のアルカリ金属酸化物の合量であってもよい。

ＳｉＯ₂の含有量が６５ｗｔ％未満の場合、ガラス層７の耐熱性が低下する可能性がある。ＳｉＯ₂の含有量が７５ｗｔ％を超える場合、ガラス層７が十分形成されない可能性がある。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が１ｗｔ％未満の場合、ガラス層７の耐熱性が低下する可能性がある。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が１０ｗｔ％を超える場合、ガラス層７が十分形成されない可能性がある。アルカリ金属酸化物の含有量（合量）が２０ｗｔ％未満の場合、ガラス層７が十分に形成されず、酸化物層５が剥落する可能性がある。アルカリ金属酸化物の含有量（合量）が３５ｗｔ％を超える場合、ガラス層７の耐熱性が低下する可能性がある。

これらの観点から、ガラス層７は、ＳｉＯ₂を６７〜７３ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を３〜８ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で２２〜３３ｗｔ％含むことがより好ましい。そして、ガラス層７は、ＳｉＯ₂を６８〜７１ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を４〜６ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で２４〜２６ｗｔ％含むことが最も好ましい。

次に、発熱体１の製造方法について説明する。基材２及びアルミ層６は、公知技術により製造できるものなので説明を省略し、ここでは、酸化物層５とガラス層７の形成方法について説明する。

最初に、基材２の端子部４の表面に、加熱によって結晶を含む酸化物層を形成する材料（以下、酸化物層原料と記す）を塗布する。塗布方法は、例えば、刷毛塗りやスプレー等である。

次に、酸化物層原料を塗布した基材２に乾燥処理を行なう。乾燥処理は、例えば、室温〜１００℃で、０．５〜４ｈ行なう。

その後、酸化物層原料を塗布した基材２に加熱処理を行なう。加熱処理は、例えば、３００〜４００℃で、０．５〜２ｈ行なう。これで、酸化物層５とガラス層７の形成が完了する。なお、本実施形態では、ガラス層７は、酸化物層原料由来の成分と基材２由来のガラス成分とが一体化して形成されている。

塗布直後の酸化物層原料の層の厚みは、５０μｍ〜３００μｍが好ましい。酸化物層原料の層の厚みが５０μｍ未満の場合、形成される酸化物層５とガラス層７が十分に形成されない可能性がある。酸化物層原料の層の厚みが３００μｍを超える場合、成される酸化物層５とガラス層７の厚みにムラが生じる可能性がある。これらの観点から、酸化物層原料の層の厚みは、８０μｍ〜２５０μｍがより好ましく、１００μｍ〜２００μｍが最も好ましい。

酸化物層原料は、アルミノシリケート塩を３５〜５０ｗｔ％、アルカリ金属水酸化物を合量で１〜１５ｗｔ％含むことが好ましい。アルミノシリケート塩としては、例えば、アルミノシリケートのアルカリ金属塩が挙げられ、アルカリ金属としては、例えば、Ｎａ、Ｋ等が挙げられる。また、この場合、アルミノシリケートのアルカリ金属塩は、組成中にＨ₂Ｏを含んでいてもよい。

本実施形態では、アルカリ金属水酸化物の含有量は、ＮａＯＨとＫＯＨの合量である。しかし、アルカリ金属水酸化物の含有量は、ＮａＯＨとＫＯＨに別のアルカリ金属水酸化物を加えた合量、ＮａＯＨとＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物の合量であってもよい。

アルミノシリケート塩の含有量が３５ｗｔ％未満の場合、形成される酸化物層５の耐熱性が低下する可能性がある。アルミノシリケート塩の含有量が５０ｗｔ％を超える場合、焼結性が低下する可能性がある。アルカリ金属水酸化物の含有量（合量）が１ｗｔ％未満の場合、酸化物層５の結晶同士を接着するガラス部分が十分に形成されず、形成される酸化物層５の焼結性が低下し、形成される酸化物層５の強度が低下する可能性がある。また、ガラス層７が十分に形成されず、酸化物層５が剥落する可能性もある。アルカリ金属水酸化物の含有量（合量）が１５ｗｔ％を超える場合、耐熱性が低下する可能性がある。

これらの観点から、酸化物層原料は、アルミノシリケート塩を３７〜４４ｗｔ％、アルカリ金属水酸化物を合量で４〜１４ｗｔ％含むことがより好ましい。そして、酸化物層原料は、アルミノシリケート塩を４０〜４３ｗｔ％、アルカリ金属水酸化物を合量で６〜１３ｗｔ％含むことが最も好ましい。

また、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、Ａｌ₂Ｏ₃を１〜８ｗｔ％含むことが好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が１ｗｔ％未満の場合、形成される酸化物層５の耐熱性が低下する可能性がある。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が８ｗｔ％を超える場合、焼結性が低下する可能性がある。これらの観点から、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、Ａｌ₂Ｏ₃を２〜７ｗｔ％含むことがより好ましい。そして、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、Ａｌ₂Ｏ₃を３〜５ｗｔ％含むことが最も好ましい。

また、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、非晶質シリカを１〜８ｗｔ％含むことが好ましい。非晶質シリカの含有量が１ｗｔ％未満の場合、酸化物層５の結晶同士を接着するガラス部分が十分に形成されず、形成される酸化物層５の焼結性が低下し、形成される酸化物層５の強度が低下する可能性がある。また、ガラス層７が十分に形成されず、酸化物層５が剥落する可能性もある。非晶質シリカの含有量が８ｗｔ％を超える場合、耐熱性が低下する可能性がある。これらの観点から、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、非晶質シリカを２〜７ｗｔ％含むことがより好ましい。そして、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、非晶質シリカを３〜５ｗｔ％含むことが最も好ましい。

また、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、水を３５〜４０ｗｔ％含むことが好ましい。水の含有量が３５ｗｔ％未満の場合、酸化物原料の分散性が悪化する。また、塗布方法によっては、水を添加し、粘度を下げてもよい。

また、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、アクリル樹脂等の接着剤を１〜８ｗｔ％含むことが好ましい。接着剤の含有量が１ｗｔ％未満の場合、乾燥時に原料が基材２から剥落する可能性がある。接着剤の含有量が８ｗｔ％を超える場合、加熱時に酸化物層５内に接着剤が残存する可能性がある。これらの観点から、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、接着剤を２〜７ｗｔ％含むことがより好ましい。そして、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、接着剤を３〜５ｗｔ％含むことが最も好ましい。

また、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、添加物として、酸化コバルトを、例えば１〜５ｗｔ％含んでもよい。また、酸化物層原料は、上述の成分に加えて、添加物として、アンチモン化合物、３価クロム化合物等の顔料を、例えば１〜５ｗｔ％含んでもよい。

以上のように構成された発熱体１では、以下の効果を享受できる。

発熱体１では、端子部４の表面に、結晶を含む酸化物層５が形成されているため、酸化物層５が、酸素が端子部４（基材２）の表面に接触することを防止し、これにより、ペスト化が問題となり易い端子部４のペスト化を抑制することができる。そして、酸化物層５は、酸化物層原料を端子部４の表面に塗布することで形成することができる。この酸化物層原料の塗布方法には、例えば刷毛塗りやスプレー等を用いることができ、酸化物層５を形成するために、高価な設備や複雑な作業が必要にならないようにすることができる。従って、本実施形態に係る発熱体１では、製造コストを抑制することが可能である。

本発明は、上記実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、発熱体１は、ガラス物品の製造工程でヒーターとして用いられていたが、ガラス物品の製造工程以外の場所で用いられてもよい。

１発熱体
２基材
３発熱部
４端子部
５酸化物層
６アルミ層
７ガラス層
Ｔａ酸化物層の厚み
Ｔｂガラス層の厚み

Claims

発熱部及び端子部を有し、ＭｏＳｉ₂を７０ｗｔ％以上含む基材と、
前記端子部の表面に形成され、結晶を含む酸化物層とを備えることを特徴とする発熱体。
前記酸化物層が、ＳｉＯ₂を４０〜６０ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を１５〜４０ｗｔ％、アルカリ金属酸化物を合量で５〜３０ｗｔ％含むことを特徴とする請求項１に記載の発熱体。
前記基材と前記酸化物層との間にガラス層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発熱体。
前記酸化物層の厚みが、前記ガラス層の厚みより厚いことを特徴とする請求項３に記載の発熱体。
発熱部及び端子部を有し、ＭｏＳｉ₂を７０ｗｔ％以上含む基材に対して、
前記端子部の表面に、加熱によって結晶を含む酸化物層を形成する材料を塗布することを特徴とする発熱体の製造方法。
前記材料が、アルミノシリケート塩を３５〜５０ｗｔ％、アルカリ金属水酸化物を合量で１〜１５ｗｔ％含むことを特徴とする請求項５に記載の発熱体の製造方法。
請求項１〜４の何れか１項に記載の発熱体を用いて溶融ガラスを加熱する工程を備えることを特徴とするガラス物品の製造方法。