JP2017199515A - ヒータ装置の製造方法およびヒータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックヒータの表面を保護し、かつ熱伝達効率の高いヒータ装置を簡易なプロセスで製造する方法を提供する。【解決手段】金属体にてセラミックヒータ２の表面が被覆されてなるヒータ装置１の製造方法において、ケース部材３にセラミックヒータ２を嵌挿する嵌挿工程Ｓ１００と、セラミックヒータ２が嵌挿されたケース部材３に金属粉末Ｍを充填する充填工程Ｓ１１０と、ケース部材３に充填された金属粉末Ｍをセラミックヒータ２の発熱により焼結及び／又は溶融させてセラミックヒータ２の外面２ａ及び下面２ｂに金属体層４を形成する形成工程Ｓ１２０と、を有する。かかる製造方法を用いて製造されたヒータ装置１は、金属体層４にてセラミックヒータ２及びケース部材３が固定される。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒータ装置の製造方法およびヒータ装置の技術に関し、より詳細には、金属体にてセラミックヒータの表面が被覆されてなるヒータ装置の製造方法およびヒータ装置に関する。

従来、セラミックヒータは、シーズヒータに比べて小型で長寿命であるという特徴を有しているが、他方、外部からの物理的な衝撃に弱く、また、セラミックヒータを直接液中で使用した際には、気泡や液中の異物が表面（セラミック層）に付着することで当該部分の温度が高まり、熱応力や熱衝撃に表面（セラミック層）にヒビが入り、場合によってはセラミックヒータ自体が割れてしまうという問題があった。

かかる観点から、セラミックヒータの表面（セラミック層）が露出しないように、金属体にてセラミックヒータの表面が被覆されてなるヒータ装置が提案されている。例えば、特許文献１には、まず、筒状の金属製ケース（カバー部材）に棒状のセラミックヒータを嵌挿して覆い、次いで、金属製ケースとセラミックヒータとの間に金属粉末等からなる流動体を充填するヒータ装置の製造方法が開示されている。かかる製造方法により得られるヒータ装置は、金属粉体を介して間接的に被加熱物を加熱することができる。

しかしながら、上述した特許文献１に開示される従来のヒータ装置の製造方法では、金属製ケースとセラミックヒータとの間に金属粉末等からなる流動体を充填するものであったため、金属製ケースの開口端を別部材にて封止する必要があり、製造プロセスが複雑になるという問題があった。また、成形品たるヒータ装置において、金属粉末を隙間なく充填して充填密度を高めることが困難であったため、金属粉末の充填密度が低いと、ヒータ装置における熱伝達効率が金属製ケースとセラミックヒータとの間の金属粉末の充填密度に影響されることから、セラミックヒータにて直接加熱する構造と比べて反って被加熱物への熱伝達効率が低下してしまうという問題があった。

特開昭６０−１２７６８９号公報

そこで、本発明では、ヒータ装置の製造方法およびヒータ装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、セラミックヒータの表面を保護し、かつ熱伝達効率の高いヒータ装置を簡易なプロセスで製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、金属体にてセラミックヒータの表面が被覆されてなるヒータ装置の製造方法において、枠体にセラミックヒータを嵌挿する嵌挿工程と、前記セラミックヒータが嵌挿された前記枠体に金属粉末を充填する充填工程と、前記枠体に充填された金属粉末を前記セラミックヒータの発熱により焼結及び／又は溶融させてセラミックヒータの表面に金属体層を形成する形成工程と、を有するものである。

請求項２においては、前記嵌挿工程は、前記枠体として内部中空の金属又はセラミックス製のケース部材が用いられ、前記形成工程は、前記金属体層にて前記セラミックヒータ及び前記ケース部材を固定するものである。

請求項３においては、前記嵌挿工程は、前記枠体として成形品形状と同一形状の空間部を有する金型が用いられるものである。

請求項４においては、前記形成工程は、前記セラミックヒータに通電して前記金属粉末を加熱するものである。

請求項５においては、前記形成工程は、前記金属粉末の加熱温度を前記金属粉末に含まれる主成分の融点以下に設定するものである。

請求項６においては、前記金属粉末は、銅及びアルミニウムから選ばれる少なくとも一種を主成分として含むものである。

請求項７においては、金属体にてセラミックヒータの表面が被覆されてなるヒータ装置おいて、前記セラミックヒータが嵌挿された金属又はセラミックス製のケース部材と、前記セラミックヒータと前記ケース部材との間に金属粉末を焼結及び／又は溶融させて形成される金属体層と、を有してなり、前記金属体層にて、前記セラミックヒータの表面が被覆されるとともに、前記セラミックヒータ及び前記ケース部材が固定されるものである。

請求項８においては、前記金属粉末は、銅及びアルミニウムから選ばれる少なくとも一種を主成分として含むものである。

本発明の効果として、セラミックヒータの表面を保護し、かつ熱伝達効率の高いヒータ装置を簡易なプロセスで製造することができる。

本発明の一実施例に係るヒータ装置の全体的な構成を示した側面図である。 図１のヒータ装置の縦断面図である。 図１のヒータ装置の水平断面図である。 図１のヒータ装置の製造工程を示したフローチャートである。 図１のヒータ装置の製造工程を説明した断面図である。 別実施例のヒータ装置の縦断面図である。 図６のヒータ装置の水平断面図である。 図６のヒータ装置の製造工程を示したフローチャートである。 図６のヒータ装置の製造工程を説明した断面図である。 その他の実施例のヒータ装置の水平断面図である

次に、発明を実施するための形態を説明する。

まず、本実施例のヒータ装置１の構成について、以下に説明する。
図１乃至図３に示すように、本実施例のヒータ装置１は、金属体にてセラミックヒータ２の表面が被覆されてなるヒータ装置であって、具体的には、セラミックヒータ２が嵌挿された金属又はセラミックス製の枠体としてのケース部材３と、セラミックヒータ２とケース部材３との間に金属粉末Ｍを焼結及び／又は溶融させて形成される金属体としての金属体層４と、を有してなり、金属体層４にてセラミックヒータ２の外面２ａ及び下面２ｂが被覆されるとともに、セラミックヒータ２及びケース部材３が固定されるものである。

セラミックヒータ２は、断面円形の円柱状に形成された公知のセラミックス製のヒータとして構成されている。セラミックヒータ２は、図示せぬタングステン等の高融点金属からなる電熱線（発熱体）が埋設されており、電熱線の両端部にリード５・５がそれぞれロウ付けにより接続されている。リード５・５は、図示せぬ電源装置と接続されており、電源装置と通電されることで上述した熱電線が発熱する。

セラミックヒータ２の材質としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等が挙げられる。本実施例のヒータ装置１では、９００℃〜１２００℃での高温使用が可能な高温用セラミックヒータが好ましく用いられる。

ケース部材３は、一端が閉塞された内部中空の有底円筒状に形成された金属又はセラミックス製の部材として構成されている。ケース部材３の材質としては、セラミックヒータ２の熱容量や後述する金属体層４を形成する金属粉末Ｍの融点等によって適宜選択することができ、例えば、ステンレス等の鋼系、純銅・青銅・真鍮・洋銀等の銅系、又はこれらの合金等、熱伝導率の高い金属材料やセラミックスを用いることができる。本実施例のヒータ装置１では、耐熱性及び耐蝕性の点でステンレス鋼が好ましく用いられ、耐薬品性の点でセラミックスが好ましく用いられる。

ケース部材３は、内径がセラミックヒータ２の外径よりも大きくなるように形成されており、セラミックヒータ２がケース部材３に嵌挿されて同一軸心上に位置決めされて配設されている。そして、セラミックヒータ２の外面２ａ及び下面２ｂとケース部材３の内面３ａ及び内底面３ｂとの間に形成された隙間に、後述する金属体層４が形成されている。なお、セラミックヒータ２及びケース部材３の隙間のクリアランスは、所定の離間を保持してセラミックヒータ２をケース部材３に嵌挿でき、かつその隙間に金属体層４を有効に形成できる大きさであればよい。

金属体層４は、セラミックヒータ２とケース部材３との間に形成され、所定の金属粉末Ｍが部分的又は完全に焼結及び／又は溶融された金属の塊状物として形成される。金属粉末Ｍの材質としては、ヒータ装置１のヒータ通電時に溶融しないものであり、かつケース部材３の材質より低融点の材質が用いられ、具体的には、純銅・青銅・真鍮・洋銀等の銅系、アルミニウム系、鉄系、又はこれらの合金等を用いることができる。本実施例のヒータ装置１では、熱伝導率が高く、また寸法変化も比較的小さく安価であることから、銅及びアルミニウムから選ばれる少なくとも一種を主成分として含むことが好ましい。

金属体層４は、ケース部材３の中央にセラミックヒータ２を嵌挿させた状態で、ケース部材３の隙間に金属粉末Ｍを流し込んで充填し、金属製ケース２に充填された金属粉末Ｍをセラミックヒータ２の発熱により焼結及び／又は溶融させることで形成される。なお、ヒータ装置１の製造方法については、詳細を後述する（図４及び図５参照）。

金属体層４の厚さは、熱伝達効率の観点から装置寸法に合せて適宜好ましく設定される。すなわち、ヒータ装置１の熱伝達効率を高めるためには薄いほど好ましいが、薄すぎるとセラミックヒータ２とケース部材３との隙間に金属粉末Ｍを均一に充填させることが困難となる。金属粉末Ｍの充填が不十分であると、金属体層４の強度や密度が不均一となって、ヒータ装置１のヒータ通電時に不均一箇所で熱伝達効率が低下して、ヒータ装置１の性能が低下するとともに、局所的な熱応力や熱衝撃の発生によりセラミックヒータ２に割れが発生する要因となるからである。他方、金属体層４が厚くなるほどヒータ装置１の熱伝達効率が低下してしまう。

次に、本実施例のヒータ装置１の製造方法について、以下に説明する。
図４及び図５に示すように、ヒータ装置１の製造方法としては、枠体としてのケース部材３にセラミックヒータ２を嵌挿する嵌挿工程Ｓ１００と、セラミックヒータ２が嵌挿されたケース部材３に金属粉末Ｍを充填する充填工程Ｓ１１０と、ケース部材３に充填された金属粉末Ｍをセラミックヒータ２の発熱により焼結及び／又は溶融させてセラミックヒータ２の外面２ａ及び下面２ｂに金属体としての金属体層４を形成する形成工程Ｓ１２０と、を有する。

嵌挿工程Ｓ１００では、ケース部材３を開口部が上方に向くように設置した状態で（図５（ａ））、セラミックヒータ２を上方より嵌挿するとともに、セラミックヒータ２及びケース部材３を同一軸心上に位置決めして配置する（図５（ｂ））。このとき、セラミックヒータ２は、図示せぬ治具にて固定される。

充填工程１１０では、セラミックヒータ２が嵌挿されたケース部材３の隙間に金属粉末Ｍを図示せぬロート部材等を用いて流し込み、ケース部材３の開口部端面の近傍位置まで金属粉末Ｍを充填する（図５（ｃ））。金属粉末Ｍを充填する際には、ケース部材３を微振動させつつ、金属粉末Ｍを複数回に分けて流し込むようにすることで、金属粉末Ｍの充填密度を高めることができる。

形成工程Ｓ１２０では、図示せぬ電源装置に接続されて通電したセラミックヒータ２を発熱させ、金属粉末Ｍをセラミックヒータ２にて加熱して焼結及び／又は溶融させることで金属体層４を形成する（図５（ｄ））。金属粉末Ｍの加熱温度としては、金属粉末Ｍに含まれる主成分の融点以下の温度に設定して、好ましくは主成分の融点の６割〜８割程度に設定する。金属粉末Ｍの加熱温度を上げすぎると、分解ガスの発生等により金属体層４の密度が低下してしまう場合があるからである。なお、主成分が金属合金の場合の融点は、組成の液相点のことをいい、共晶点が存在する場合には共晶点のことをいう。

金属体層４の形成プロセスとしては、例えば、常温（室温）・常圧の条件下でセラミックヒータ２を発熱させて加熱を開始し、設定温度（最高温度）で一定時間保持した後、再び室温まで冷却する。金属体層４の微細組織制御のためには、保持温度を２段階以上設けるのが好ましい。ケース部材３に充填された金属粉末Ｍは、融点以下の温度で熱処理されることで、全部又は一部が溶融するか、又は表面エネルギーを減少させようとする方向、つまり表面積が減少する方向に物質移動がおこり、粉体間の結合が生じて全部又は一部が焼結して、セラミックヒータ２の外面２ａ及び下面２ｂを被覆するようにして金属体層４が形成され、かかる金属体層４にてセラミックヒータ２及びケース部材３が固定される。

一例として、金属粉末Ｍが銅を主成分として含む場合の形成工程Ｓ１２０では、銅の融点である約１０８０℃以下となるようにセラミックヒータ２による金属粉末Ｍの加熱温度（６００℃〜７００℃）が設定され、常温から設定温度まで発熱させた状態で所定時間（１０分間〜２０分間）加熱することで、目的とするヒータ装置１を得ることができる。なお、金属粉末Ｍがアルミニウムを主成分として含む場合は、アルミニウムの融点である約６６０℃以下となるように、セラミックヒータ２による金属粉末Ｍの加熱温度が設定される。

以上のように、本実施例のヒータ装置１の製造方法は、金属体にてセラミックヒータ２の表面が被覆されてなるヒータ装置１の製造方法において、ケース部材３にセラミックヒータ２を嵌挿する嵌挿工程Ｓ１００と、セラミックヒータ２が嵌挿されたケース部材３に金属粉末Ｍを充填する充填工程Ｓ１１０と、ケース部材３に充填された金属粉末Ｍをセラミックヒータ２の発熱により焼結及び／又は溶融させてセラミックヒータ２の外面２ａ及び下面２ｂに金属体層４を形成する形成工程Ｓ１２０と、を有するため、セラミックヒータ２の表面を保護し、かつ熱伝達効率の高いヒータ装置１を簡易なプロセスで製造することができる。

すなわち、本実施例の製造方法によれば、ケース部材３にセラミックヒータ２が嵌挿され、セラミックヒータ２とケース部材３との間に金属粉末Ｍを充填させた状態で金属体層４を形成するものであるため、金属製ケース２とセラミックヒータ３との間に隙間なく金属層４を形成して、成形品たるヒータ装置１にてセラミックヒータ２の表面（外面２ａ及び下面２ｂ）を精度よく覆うことができ、外部からの物理的な衝撃や、熱応力や熱衝撃により表面（セラミック層）にヒビが入ったりするのを防止し、熱伝達効率を高めることができる。また、セラミックヒータ２の発熱により金属体層４を形成するため、製造プロセスを簡易化することができる。

特に、本実施例の製造方法では、嵌挿工程Ｓ１００にて、枠体として内部中空の金属又はセラミックス製のケース部材３が用いられ、形成工程Ｓ１２０にて、金属体層４にてセラミックヒータ２及びケース部材３を固定するものであるため、金属体層４の形成がより容易となる。

また、成形工程Ｓ１２０にて、セラミックヒータ２に通電して金属粉末Ｍを加熱するものであるため、外部の加熱源が不要となるため製造プロセスをより簡易化することができるとともに、金属粉末Ｍの加熱効率がよく、金属体層４の成形精度を高めることができる。

なお、本実施例のヒータ装置１およびその製造方法としては、上述した実施例に限定されず、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

すなわち、上述した実施例のヒータ装置１の製造方法においては、枠体として内部中空の金属又はセラミックス製のケース部材３が用いられ、成形品として金属体層４にてセラミックヒータ２及びケース部材３が固定されるヒータ装置１が得られる方法について説明したが、成形品たるヒータ装置１の構成はこれに限定されない。

例えば、図６及び図７に示す実施例のヒータ装置１０１は、金属体層１０４にてセラミックヒータ１０２の外面１０２ａ及び下面１０２ｂが被覆されて構成されており、上述した実施例のヒータ装置（図１乃至図３等参照）と比べてケース部材３を不要としたものである。本実施例のヒータ装置１０１は、金属体層１０４にてセラミックヒータ１０２の表面（外面１０２ａ及び下面１０２ｂ）が覆われることで、物理衝撃や熱衝撃の向上だけでなく、セラミックヒータ１０２単体と比べた場合の真円度や直線度等の形状の寸法精度をより向上できる。

図８及び図９に示すように、ヒータ装置１０１の製造方法としては、枠体として成形品形状と同一形状の空間部１０６ｃを有する金型１０６にセラミックヒータ１０２を嵌挿する嵌挿工程Ｓ２００と、セラミックヒータ１０２が嵌挿された金型１０６に金属粉末Ｍを充填する充填工程Ｓ２１０と、金型１０６に充填された金属粉末Ｍをセラミックヒータ１０２の発熱により焼結及び／又は溶融させてセラミックヒータ１０２の外面１０２ａ及び下面１０２ｂに金属体としての金属体層１０４を形成する形成工程Ｓ２２０と、金型１０６よりヒータ装置１を離型する離型工程Ｓ２３０と、を有する。

金型１０６は、可動型及び固定型を有してなり、型締めされた状態で、可動型及び固定型の両端面に成形品たるヒータ装置１０１（金属体層１０４）の外形と同一形状の断面円形の空間部１０６ｃが形成されている。空間部１０６ｃは、内径がセラミックヒータ１０２の外径よりも大きくなるように形成され、セラミックヒータ１０２が金型１０６（空間部１０６ｃ）に嵌挿されて同一軸心上に位置決めされた状態で、セラミックヒータ１０２の外面１０２ａ及び下面１０２ｂと空間部１０６ｃの内面１０３ａ及び内底面１０３ｂとの間に隙間が形成される。

まず、嵌挿工程Ｓ２００では、型締めされた金型１０６を空間部１０６ｃの開口部が上方に向くように設置した状態で、セラミックヒータ１０２を上方より嵌挿するとともに、セラミックヒータ１０２及び金型１０６の空間部１０６ｃを同一軸心上に位置決めして配置する（図９（ａ））。なお、金型１０６の空間部１０６ｃには、後述するヒータ装置１の離型性を高めるための予め所定の離型剤が塗布される。

充填工程２１０では、セラミックヒータ１０２が嵌挿された金型１０６の空間部１０６ｃの隙間に金属粉末Ｍを図示せぬロート部材等を用いて流し込み、空間部１０６ｃの開口部端面の近傍位置まで金属粉末Ｍを充填する（図９（ｂ））。金属粉末Ｍを充填する際には、金型１０６を微振動させつつ、金属粉末Ｍを複数回に分けて流し込むようにすることで、金属粉末Ｍの充填密度を高めることができる。

形成工程Ｓ２２０では、図示せぬ電源装置に接続されて通電したセラミックヒータ１０２を発熱させ、金属粉末Ｍをセラミックヒータ１０２にて加熱して焼結及び／又は溶融させることで金属体層１０４を形成する（図９（ｃ））。

離型工程Ｓ２３０では、金属体層１０４が形成された成形品たるヒータ装置１を金型１０６より離型する（図９（ｄ））。本工程におけるヒータ装置１０１の離型性を高め、金型１０６に対する金属粉末Ｍの焼け付きを防止するという観点から、本実施例のヒータ装置１０１に用いられる金属粉末Ｍの素材としては、真鍮又はアルミニウムが好ましく用いられる。

また、上述した実施例のヒータ装置１の製造方法（図４及び図５参照）では、形成工程Ｓ１２０にて図示せぬ電源装置に接続されて通電したセラミックヒータ２を発熱させて、金属粉末Ｍを加熱する方法について説明したが、セラミックヒータ２の発熱方法はこれに限定されず、例えば、誘導加熱装置を用いて、ケース部材３に充填された金属粉末Ｍとともに、セラミックヒータ２の電熱線（発熱体）を誘導加熱して、セラミックヒータ２の発熱により金属粉末Ｍを間接的に加熱するようにしてもよい。

また、上述した実施例のヒータ装置１の製造方法（図４及び図５参照）では、形成工程Ｓ１２０にて常温の条件下にて金属体層４を形成する方法について説明したが、例えば、金属粉末Ｍが充填された金属製ケース２を所定温度に加熱（予加熱）した条件下にて金属粉末Ｍを焼結させるようにしてもよい。

また、上述した実施例のヒータ装置１（図１乃至図３参照）では、セラミックヒータ２が断面円形の円柱状に形成され、ケース部材３が内部中空の有底円筒状に形成されたものが用いられるが、セラミックヒータ２及びケース部材３の形状はこれに限定されず、例えば、セラミックヒータ２が有底若しくは無底チューブ状、板状、又は角柱状等に形成され、ケース部材３が円筒状や箱状等に形成されてもよい。さらに、ケース部材３としては、開口縁部にねじ山、ねじ溝、又は鍔状のフランジ等が形成されてもよい。

ヒータ装置におけるセラミックヒータ及びケース部材の形状の組み合わせとしては、例えば、図１０に示す各実施例のように、内部中空の有底円筒状のケース部材２０３に断面長方形の板状に形成されたセラミックヒータ２０２を嵌挿してなるヒータ装置２０１（図１０（ａ））、内部中空で底面長方形の箱状のケース部材３０３に断面円形の円柱状に形成されたセラミックヒータ３０２を嵌挿してなるヒータ装置３０１（図１０（ｂ））、内部中空で底面正方形の箱状のケース部材４０３に断面正方形の角柱状に形成されたセラミックヒータ４０２を嵌挿してなるヒータ装置４０１（図１０（ｃ））、又は内部中空で底面長方形の箱状のケース部材５０３に断面長方形の板状に形成されたセラミックヒータ５０２を嵌挿してなるヒータ装置５０１（図１０（ｄ））等のように構成してもよい。

１ ヒータ装置
２ セラミックヒータ
２ａ 外面
２ｂ 下面
３ ケース部材（枠体）
３ａ 内面
３ｂ 内底面
４ 金属体層（金属体）
５ リード

Claims (8)

1. 金属体にてセラミックヒータの表面が被覆されてなるヒータ装置の製造方法において、
   枠体にセラミックヒータを嵌挿する嵌挿工程と、
   前記セラミックヒータが嵌挿された前記枠体に金属粉末を充填する充填工程と、
   前記枠体に充填された金属粉末を前記セラミックヒータの発熱により焼結及び／又は溶融させてセラミックヒータの表面に金属体層を形成する形成工程と、
   を有することを特徴とするヒータ装置の製造方法。
2. 前記嵌挿工程は、前記枠体として内部中空の金属又はセラミックス製のケース部材が用いられ、前記形成工程は、前記金属体層にて前記セラミックヒータ及び前記ケース部材を固定する請求項１に記載のヒータ装置の製造方法。
3. 前記嵌挿工程は、前記枠体として成形品形状と同一形状の空間部を有する金型が用いられる請求項１に記載のヒータ装置の製造方法。
4. 前記形成工程は、前記セラミックヒータに通電して前記金属粉末を加熱する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のヒータ装置の製造方法。
5. 前記形成工程は、前記金属粉末の加熱温度を前記金属粉末に含まれる主成分の融点以下に設定する請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のヒータ装置の製造方法。
6. 前記金属粉末は、銅及びアルミニウムから選ばれる少なくとも一種を主成分として含む請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のヒータ装置の製造方法。
7. 金属体にてセラミックヒータの表面が被覆されてなるヒータ装置おいて、
   前記セラミックヒータが嵌挿された金属又はセラミックス製のケース部材と、
   前記セラミックヒータと前記ケース部材との間に金属粉末を焼結及び／又は溶融させて形成される金属体層と、を有してなり、
   前記金属体層にて、前記セラミックヒータの表面が被覆されるとともに、前記セラミックヒータ及び前記ケース部材が固定される、
   ことを特徴とするヒータ装置。
8. 前記金属粉末は、銅及びアルミニウムから選ばれる少なくとも一種を主成分として含む請求項７に記載のヒータ装置。

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