JP2019139847A - 絶縁充填層用の無機充填物 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率なセラミックスヒータを得るための無機充填物を提供する。【解決手段】保護管内に充填される無機充填物であって、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と窒化ホウ素（ＢＮ）との混合物と、第２化合物として、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）からなる群から選定された、少なくとも一つと、を含む、無機充填物。【選択図】図４

Description

本発明は、浸漬ヒータ等の絶縁充填材等に使用する無機充填物に関する。

保護管が電気絶縁性セラミックスで構成される浸漬ヒータ或いは金属製保護管で構成されるシーズヒータは、該保護管の内部に装填された発熱体と、両者の隙間を埋めるための絶縁充填物とで構成される。

近年、各種産業分野において、浸漬ヒータおよびシーズヒータに対するさらなる高出力化およびコンパクト化（以下、これらを合わせて「高効率化」と称する）が求められている。

例えば、アルミニウム処理産業の分野では、アルミニウムを７００℃以上に加熱して、アルミニウム溶湯を準備する必要がある場合がある。この際には、加熱のため、数多くの浸漬ヒータが使用される。この場合、浸漬ヒータの高出力化により、浸漬ヒータの本数を削減することができれば、それだけ浸漬ヒータの設置スペースの縮小が可能となる。また、各浸漬ヒータのサイズを小型化することができれば、この場合も、設置スペースの縮小化を図ることが可能となる。

このような要望に対処するため、これまでに浸漬ヒータの構成に関して、各種検討がなされている。しかしながら、これまでに提案された浸漬ヒータにおいても、十分な高効率化が達成されたとは言い難い。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、高効率な浸漬ヒータ用およびシーズヒータ用の絶縁充填材に使用する無機充填物を提供することを目的とする。

本発明では、
保護管内に充填される無機充填物であって、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と窒化ホウ素（ＢＮ）との混合物と、
第２化合物として、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）からなる群から選定された、少なくとも一つと、
を含む、無機充填物が提供される。

本発明では、高効率な絶縁充填層用の無機充填物を提供することができる。

各種無機粉末の放射率の波長依存性をまとめて示した図である。 各種無機粉末の有効熱伝導率の測定結果をまとめて示したグラフである。 各組成のＢＮ−ＣｕＯ混合粉末における有効熱伝導率の温度依存性をまとめて示したグラフである。 本発明の無機充填物を充填する浸漬ヒータの構成を模式的に示した断面図である。 各ヒータにおいて得られた、ヒータ内部温度と表面負荷密度の関係をまとめて示したグラフである。

以下、本発明の一実施形態について説明する。

前述のように、従来の浸漬ヒータに対しては、さらなる高効率化が要望されている。また、このため各種方策が検討されている。しかしながら、従来の浸漬ヒータの構造では、効率の向上には限界がある。

このような背景の下、本願発明者らは、浸漬ヒータの構造に関して鋭意研究開発を進めてきた。そして、本願発明者らは、浸漬ヒータの保護管の中に、特定の組成の無機充填物を充填することにより、浸漬ヒータの効率向上が可能であることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明では、
保護管内に充填される絶縁充填層用の無機充填物であって、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、又は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と窒化ホウ素（ＢＮ）との混合物と
第２化合物として、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）からなる群から選定された、少なくとも一つと、
を含む、無機充填物が提供される。

ここで、前述のような、酸化マグネシウム、又は酸化マグネシウムと窒化ホウ素との混合物と第２化合物との組み合わせは、いずれも、７００℃以上の高温において、良好な耐熱性、良好な絶縁性、良好な熱放射性、および良好な熱伝導性を有する。

従って、このような無機充填物を浸漬ヒータに充填することにより、浸漬ヒータの効率を有意に高めることが可能となる。

（本発明の一実施形態による無機充填物について）
次に、本発明の一実施形態による無機充填物（以下、単に「本発明の無機充填物」と称する）について、より詳しく説明する。

（組成）
本発明の無機充填物は、前述のように、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と窒化ホウ素（ＢＮ）との混合物と、第２化合物とを含む。

また、第２化合物は、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）からなる群から選定される。これらの材料は、いずれも、７００℃以上の高温において、良好な耐熱性、良好な絶縁性、良好な熱伝導性、および良好な放射率を有する。

従って、本発明の無機充填物は、７００℃以上の高温において、良好な耐熱性、良好な絶縁性、良好な熱伝導性、および良好な放射率を示す。

例えば、本発明の無機充填物は、温度２５℃、波長λが１０００ｎｍ以上において、６０％以上の放射率を有しても良い。なお、本願において、材料の放射率は、可視近赤外分光光度計により測定される。

図１には、７００℃における各化合物粉末の放射率の測定結果をまとめて示す。図１において、横軸は波長であり、縦軸は放射率である。

この結果から、ＢＮ、ＣｕＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅ_２Ｏ_３は、いずれも、４μｍ以上の波長λにおいて、良好な放射率を有することがわかる。すなわち、これらの化合物は、４μｍ以上の波長λにおいて、６０％以上の放射率を有する。

図２には、各種無機粉末の有効熱伝導率の測定結果をまとめて示す。

図２において、横軸は温度であり、縦軸は有効熱伝導率である。（１）は、無機粉末がＢＮ＋ＣｕＯ（モル比；９０：１０）の場合の測定結果であり、（２）は、無機粉末がＢＮ＋Ｆｅ_３Ｏ_４（モル比；７８：２２）の場合の測定結果であり、（３）は、無機粉末がＢＮ＋Ｆｅ_２Ｏ_３（モル比；７０：３０）の場合の測定結果であり、（４）は、無機粉末がＢＮのみの場合の測定結果である。

なお、「有効熱伝導率」とは、粉体層中の伝導伝熱および輻射伝熱を含めた見かけの熱伝導率を表す。

この結果から、３００℃以上の温度域では、ＢＮと、ＣｕＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４またはＦｅ_２Ｏ_３とを含む混合粉末は、いずれも、ＢＮ粉末のみの場合に比べて、有意に高い有効熱伝導率を有することがわかる。

従って、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と窒化ホウ素（ＢＮ）との混合粉末からなる無機充填物に比べて、第２化合物として酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）または四酸化三鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）とを添加した無機充填物では、より良好な熱伝導率を得ることができると考えられる。

ここで、本発明の無機充填物において、窒化ホウ素（ＢＮ）と酸化マグネシウムの割合は、モル比で、１：９９〜３０：７０の範囲であることが好ましく、１：９９〜２０：８０の範囲であることがより好ましい。

また、本発明の無機充填物において、窒化ホウ素と第２化合物との合計と酸化マグネシウムの割合は、モル比で、１：９９〜３０：７０の範囲であることが好ましく、１：９９〜２０：８０の範囲であることがより好ましい。

さらに、本発明の無機充填物において、第２化合物が酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の少なくとも一つを含む場合、窒化ホウ素と第２化合物の割合は、モル比で、５０：５０〜９９：１の範囲であることが好ましく、８０：２０〜９５：５の範囲であることがより好ましい。

図３には、各組成のＢＮ−ＣｕＯ混合粉末における有効熱伝導率の温度依存性をまとめて示す。図３において、横軸は温度であり、縦軸は有効熱伝導率である。

また、図中（１）は、ＢＮ：ＣｕＯが８０：２０（モル比）の場合の測定結果であり、（２）は、ＢＮ：ＣｕＯが８５：１５（モル比）の場合の測定結果であり、（３）は、ＢＮ：ＣｕＯが９０：１０（モル比）の場合の測定結果であり、（４）は、ＢＮ：ＣｕＯが９５：５（モル比）の場合の測定結果である。

この結果から、ＢＮ：ＣｕＯがモル比で、８０：２０〜９５：５の範囲の場合、いずれの温度においても、ほぼ同様の熱伝導率が得られることがわかる。

（形態）
本発明の無機充填物は、いかなる形態で浸漬ヒータに充填されていても良い。例えば、本発明の無機充填物は、無機粉末の形態、または無機粉末を含むペーストの形態であっても良い。

（本発明の一実施形態による浸漬ヒータ）
次に、図４を参照して、本発明の無機充填物を使用する浸漬ヒータの構成について説明する。

図４には、浸漬ヒータの断面の一例を模式的に示す。

図４に示すように、浸漬ヒータ１００は、セラミックス製の保護管１１０と、該保護管１１０内に装填された発熱体１２０とを有する。また、浸漬ヒータ１００は、無機充填物１４０を有する。無機充填物１４０は、保護管１１０内の発熱体１２０によって占有された空間以外の部分に充填される。

無機充填物１４０は、保護管１１０内部の空隙（発熱体１２０が装填された後の空隙）に対する無機充填物１４０の充填率（空隙に対する）が、２０％〜６０％の範囲となるように充填されても良い。

無機充填物１４０は、前述のような本発明の無機充填物で構成される。

保護管１１０は、内部に装填された発熱体を外部から保護する役割を有する。保護管１１０は、一端が閉止されたセラミックス製の管で構成される。

発熱体１２０は、浸漬ヒータ１００の発熱部分として機能する。図４に示すように、発熱体１２０は、ヘッド部１２５と発熱部１３５とを有する。

ヘッド部１２５は、発熱体１２０の上部に位置し、１対の電流端子１２７および１２８を有する。ヘッド部１２５は、浸漬ヒータ１００の開放端の部分に設置されるような形態を有する。発熱部１３５は、発熱体１２０の下部に位置し、発熱体１２０への通電により発熱する役割を有する。

発熱体１２０、特に発熱部１３５の形状は、特に限られない。発熱部１３５は、例えば、略棒状および略筒状（例えば円筒状または角筒状）など、各種形態を取り得る。例えば、発熱部１３５は、図４に示すような、らせん溝を有する略円筒形状であっても良い。

浸漬ヒータ１００を使用する際には、浸漬ヒータ１００を所定の位置に配置した後、発熱体１２０のヘッド部１２５に設けられた電流端子１２７、１２８に、電流が通電される。これにより、発熱体１２０の発熱部１３５が発熱する。

浸漬ヒータ１００では、発熱体１２０で生じた熱は、「輻射加熱方式」ではなく、「複合加熱方式」で伝達される。

ここで、「輻射加熱方式」とは、炭化珪素等のセラミックス発熱体において採用されている、発熱体からの輻射熱によりセラミックスの保護管を加熱する方式を意味する。この「輻射加熱方式」の場合、発熱体と保護管の間の距離（隙間）を調整するなど、各部材の配置を最適化することにより、加熱効率を幾分高めることができることが知られている。ただし、その効率改善効果は、限定的である。

一方、「複合加熱方式」では、輻射による熱輸送と、熱伝導による熱輸送の両方を利用して、熱が伝達される。

一般に、熱伝導性物質間の熱伝導による熱輸送は、空気層を介した輻射による熱輸送に比べて、著しく効果的であることが知られている。従って、「複合加熱方式」では、発熱体で生じた熱を、より容易にヒータの外部に供給することができる。

これを浸漬ヒータ１００で具体的に説明すると、発熱体１２０で生じた熱は、一部が輻射により保護管１１０まで伝達され、別の一部は、無機充填物１４０を介して、熱伝導により保護管１１０まで伝達されることになる。また、無機充填物１４０は、前述のような、良好な熱伝導性および良好な放射性を有する材料で構成されている。

従って、浸漬ヒータ１００では、保護管１１０に、より効率的に熱を伝達することができる。

その後、浸漬ヒータ１００が所定の温度まで加熱される。浸漬ヒータ１００の加熱温度（保護管１１０の外側の温度）は、例えば、５００℃〜１０００℃の範囲であっても良い。

以上のように、本発明の一実施形態では、従来に比べて、より高率な浸漬ヒータを提供することが可能となる。例えば、浸漬ヒータ１００の場合、１０００℃において、約１０Ｗ／ｃｍ^２以上の表面負荷密度を得ることができる。例えば、浸漬ヒータ１００では、１０００℃において、４０Ｗ／ｃｍ^２以上の表面負荷密度が得られる。

なお、本願において、「表面負荷密度」とは、ヒータの単位断面積当たりの出力値を意味する。

（浸漬ヒータの各構成部材）
次に、浸漬ヒータの各構成部材を、より詳細に説明する。

なお、ここでは、一例として、図４に示した浸漬ヒータ１００の構成を例に、各構成部材について説明する。従って、各構成部材を表す際には、図４で使用した参照符号を使用する。

（保護管１１０）
保護管１１０は、浸漬ヒータ１００の使用環境において、絶縁性および耐熱性を有する限り、いかなるセラミックス材料で構成されても良い。

保護管１１０は、例えば、窒化ケイ素（例えばＳｉ_３Ｎ_４）を含んでも良い。特に、保護管１１０は、窒化ケイ素で構成されても良い。あるいは、保護管１１０は、サイアロンで構成されても良い。

保護管１１０の寸法は、特に限られない。例えば、保護管１１０の延伸方向に垂直な断面は、３００ｍｍ〜１０００ｍｍの間の最大寸法を有しても良い。ここで、最大寸法とは、断面が円の場合、円の直径を意味し、断面が楕円の場合、長軸の直径を意味し、断面が矩形の場合、矩形の対角線の最大値を意味する。

（発熱体１２０）
発熱体１２０は、浸漬ヒータ１００の使用環境において、耐熱性および導電性を有する限り、いかなる材料で構成されても良い。

発熱体１２０は、例えば、金属またはセラミックスで構成されても良い。

発熱体１２０がセラミックスで構成される場合、発熱体１２０は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ化タングステン（例えばＷＳｉ_２）、ケイ化モリブデン（例えばＭｏＳｉ_２）、およびカーボン（Ｃ）からなる群から選定された少なくとも一つを含んでも良い。

前述のように、発熱体１２０の形状は、特に限られない。発熱体１２０は、例えば、棒状（内部が非空洞）、円筒状または角筒状（内部が空洞）等であっても良い。また、発熱体１２０には、らせん溝などが形成されていても良い。

また、発熱体１２０の寸法は、特に限られない。例えば、発熱体１２０の延伸方向に垂直な断面は、２００ｍｍ〜５００ｍｍの間の最大寸法を有しても良い。

次に、本発明の実施例について説明する。

（例１）
以下の方法で、浸漬ヒータを作製した。

まず、保護管として、一端が閉止された窒化ケイ素製の円筒管を準備した。円筒管の寸法は、外径５０ｍｍφ、内径４２ｍｍφ、全長８００ｍｍである。

次に、保護管の内部に、炭化ケイ素製の発熱体を挿入した。発熱体は、発熱部が直径４０ｍｍφ、全長３００ｍｍの円筒状形状を有する。また、発熱部には、該発熱部がらせん形状となるように、らせん溝を形成した。発熱体の１０００℃での抵抗値は、１．１７Ωである。

次に、保護管の内部に、無機充填物として、無機混合粉末を充填した。

無機混合粉末は、窒化ホウ素（ＢＮ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の混合粉末とした。窒化ホウ素と酸化マグネシウムの割合（ＢＮ：ＭｇＯ）は、モル比で、５：９５である。

次に、保護管の開放端に発熱体のヘッド部を取り付け、保護管の内部を密閉した。

これにより、浸漬ヒータ（以下、「例１に係るヒータ」と称する）が作製された。

（例２）
例１と同様の方法により、浸漬ヒータを作製した。

ただし、この例２では、無機混合粉末として、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、および酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）の混合粉末を使用した。各化合物の割合（ＢＮ：ＭｇＯ：Ｆｅ_２Ｏ_３）は、モル比で、１９：８０：１である。

得られた浸漬ヒータを以下、「例２に係るヒータ」と称する。

（例３）
例１と同様の方法により、浸漬ヒータを作製した。

ただし、この例３では、保護管内に無機混合粉末を充填しなかった。

得られた浸漬ヒータを以下、「例３に係るヒータ」と称する。

（評価）
前述の方法で作製した各ヒータを用いて、以下のような出力特性評価を実施した。

ヒータに通電させる電流量を制御して、ヒータの内部温度を各温度に調整した。また、各内部温度において得られるヒータの表面負荷密度を評価した。表面負荷密度は、ヒータの電流値と電圧値を測定し、両者の積をヒータの断面積で除することにより算定した。

図５には、各ヒータにおいて得られた、ヒータの内部温度と表面負荷密度の関係をまとめて示す。

図５に示すように、例３に係るヒータでは、ヒータの内部温度を高めても、あまり高い表面負荷密度が得られないことがわかる。

これに対して、例１および例２に係るヒータでは、ヒータの内部温度の上昇に伴い、有意に高い表面負荷密度が得られることがわかる。例えば、例１に係るヒータでは、１０００℃において、約４０Ｗ／ｃｍ^２の表面負荷密度が得られており、例２に係るヒータでは、１０００℃において、４０Ｗ／ｃｍ^２を超える表面負荷密度が得られることがわかった。

このように、例１および例２に係るヒータにおいては、例３に係るヒータに比べて、高い出力が得られることが確認された。

１００ 浸漬ヒータ
１１０ 保護管
１２０ 発熱体
１２５ ヘッド部
１２７、１２８ 電流端子
１３５ 発熱部
１４０ 無機充填物

Claims (4)

1. 保護管内に充填される無機充填物であって、
   酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と窒化ホウ素（ＢＮ）との混合物と、
   第２化合物として、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）からなる群から選定された、少なくとも一つと、
   を含む、無機充填物。
2. 前記窒化ホウ素と酸化マグネシウムとの割合は、モル比で、１：９９〜３０：７０（ＢＮ：ＭｇＯ）の範囲である、請求項１に記載の無機充填物。
3. 前記第２化合物は、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の少なくとも一つを含み、
   前記窒化ホウ素と、前記酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の合計との割合は、モル比で、５０：５０〜９９：１の範囲である、請求項２に記載の無機充填物。
4. 当該無機充填物は、無機粉末、または無機粉末を含むペーストの形態である、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の無機充填物。

Images