JP3148687B2 - 中空ジルコニア質発熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高温電気抵抗炉
に用いられる中空ジルコニア質発熱体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、宇宙航空科学技術等の発達に伴い
高温乃至超高温に耐える材料の開発、高温乃至超高温で
の材料の熱処理方法、または装置の開発が望まれ、それ
に伴いかかる材料の物性測定や熱処理に供しうる超高温
電気抵抗炉が開発されているが、そこでは１７００〜２
０００℃の温度に耐え得るジルコニア質発熱体が多く用
いられている。

【０００３】このような発熱体を用いた炉の一例として
は本件出願人の出願に係る特開平５−６６０９３号公報
に開示の超高温電気抵抗炉がある。

【０００４】この内容は図１４を参照して簡単に説明す
ると、１は通常ジルコニア質の中空円筒型抵抗発熱体で
あって、この高さ方向の中央部に細い径すなわち小さい
断面積の発熱部２を有し、その両端にそれより太い径す
なわち大きな断面積を有して一定長さの端子部３，３を
備えている。この端子部３、３には白金線のような通常
通電用リード線４が取付けられている。この発熱体１の
上下には発熱体１を垂直に支持するためのパイプ状耐火
物５，５が設けられている。

【０００５】この発熱体１の外側は順に円筒状に囲むよ
うにジルコニア質耐火物６、アルミナ質耐火物７が配置
されている。そして発熱体１とジルコニア質耐火物６と
の間に若干の空間８が設けられ、またアルミナ質耐火物
７の表面には発熱体１を予熱するためのワイヤー状の予
熱発熱体９が設けられている。

【０００６】アルミナ質耐火物７の外側にはセラミック
質断熱材１０と外殻鉄皮１１が設けられている。

【０００７】一方、前記発熱体１とパイプ状耐火物５の
内部には上下に貫通する空間１３が形成され、発熱体１
の発熱部２付近には超高温加熱空間１２が形成されてい
る。

【０００８】そして試料または被処理物はこの空間１２
に載置、または懸垂されて熱処理を受けるか、または試
験に供されるようになっている。

【０００９】図１５は図１４に準ずる円筒炉の変形例の
断面図であり、ワイヤー状発熱体９の代わりにＵ字状の
発熱体１４を予備装置として使用するようにしたもので
ある。

【００１０】またこの例ではパイプ状耐火物５の代わり
に板状耐火物１５が用いられ、他は図１４と同様である
ので、図１４と同じ個所は同じ符号で表している。

【００１１】図１６（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ発熱体１
ｘ，１ｙの２つの実施例の正面図であり、発熱体１ｘ，
１ｙの上下端には発熱部２ｘ，２ｙより比較的断面積の
大きい端子部３ｘ，３ｙがそれぞれが設けられている。

【００１２】図１６（Ａ）のように発熱部２ｘには、外
部からの観察用、または温度制御用の孔１６が設けられ
ているものもある。例えば高温での引張強度試験の場
合、この孔１６から試験片の変位を観測することができ
て便利である。

【００１３】図１６（Ｂ）では端子部３ｙと発熱部２ｙ
の間にテーパ１７が形成されている。

【００１４】図１６（Ｃ）は他の例の発熱体１ｚの斜視
図であり、ここでの発熱部２ｚは、上下の端子部３ｚ，
３ｚとが通ずる断熱角型の中空部１３が形成されてお
り、断熱角型の比較的長尺の板状被加熱物の修理乃至試
験に便利に供し得るように形成されている。そして端子
部３ｚ，３ｚには白金リード線４が設けられている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように発熱部の
上下に端子部を設けた場合、発熱部からの熱を受ける白
金リード線を保護するため端子部を長くする必要があ
り、発熱部に対して全長が５〜１０倍必要となり、発熱
体の全長の長さが長くなる。またに電力の半分近くを費
やされてしまうため通過電流量が多くなり、これにより
白金リード線の使用量が多くなってコストの増大にもつ
ながる。

【００１６】さらにジルコニア質発熱体を通電可能にす
るため、ジルコニア質発熱体全体を予熱する必要があ
り、これにより予熱部の全長も長くなって炉全体が大き
くなり、消費電力の増加につながる等の諸問題が生じて
くる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、消費電力の削
減、炉体形状の小型化、炉体製造コストの削減、温度分
布の優れた均一性等が容易に得られる中空ジルコニア質
発熱体を提供することを課題としたもので、その解決手
段としては発熱部からの熱の放散を少なくするようにし
たことにある。

【００１８】すなわち請求項１記載の発明は、筒状の発
熱部と、該発熱部と一体の端子部とを備え、前記発熱部
内の中空部分で試料または被処理材を加熱することがで
きる中空ジルコニア質発熱体において、前記端子部を発
熱部の外側面軸方向に設け、該端子部の長さが前記発熱
部と同等乃至はそれより短く形成されていることを特徴
とする。

【００１９】また請求項２は請求項１記載の発明におい
て、前記端子部の端部に鍔部を接続し、該鍔部が前記発
熱部を外側から覆うように形成したことにある。

【００２０】さらに請求項３は請求項１または２記載の
発明において、前記端子部に通電用リード線が接触接合
されていることを特徴とし、請求項４は請求項１、２ま
たは３のいずれか１項記載の発明において、前記ジルコ
ニア質発熱体が安定化剤を添加されたジルコニア粉末、
またはジルコニアァイバーから作られていることを特徴
とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる中空ジルコ
ニア質発熱体の一実施形態を図１〜図１３を参照して説
明する。

【００２２】図１および図２はそれぞれの中空ジルコニ
ア質発熱体１ａ，１ｂを示すものでそれぞれ中央部に発
熱部２ａ，２ｂ、その外側面両端に端子部３ａ，３ｂが
あり、これらが一体に形成されている。

【００２３】発熱部２ａ，２ｂは断面円形状で、端子部
３ａ，３ｂは断面角形状をなす。したがって発熱部２
ａ，２ｂの内部は適宜太さの円形および長さを有する中
空部分１２ａが貫通状態に形成され、試料または被処理
材をこの部分で加熱し得るようになっている。

【００２４】図１および図２のうち図１は発熱部２ａの
長さと端子部３ａの長さが同じものを示し、図２は発熱
部２ｂの長さが端子部３ｂの長さよりも若干長いものを
示す。

【００２５】このようにすることにより発熱体１ａは １）全長を短くできる。 ２）端子部３ａを小さくできるので端子部に取られてい
た電力が低減でき、全体の電力値を抑さえることができ
る。

【００２６】これに対して発熱体１ｂは発熱部２ｂの出
っ張リの部分は電流が流れず、温度の上昇が少ないため
上下に断熱材等を接触できる。等のそれぞれの利点があ
る。

【００２７】図３は図１の発熱体１ａの内部に置かれた
試料または被処理材を観察し得るようにスリット２０を
発熱部２ａに複数個形成した斜視図を示す。

【００２８】これはスリット２０を設けることにより端
子部３ａと発熱部２ａの面積比を大きくとれるので全抵
抗の調整や、端子部の発熱を抑えることができる。

【００２９】前述の図１と図２は発熱体が全部一体に形
成された例であり、図３は中空パイプと端子部が別体に
形成され、これを接着用組成物で接着して発熱体を形成
した例であるが、両者の中では接着して形成した後者の
方が好適である。

【００３０】それは発熱部と端子部との膨脹差により生
ずる応力が接着部により吸収され、発熱部と端子部との
境界に発生し易い亀裂が防止されるからで、これは全て
の形態の発熱体にいえることである。

【００３１】図４および図５にそれぞれ示す発熱体１
ｃ，１ｄの場合も、中央部に発熱部２ｃ，２ｄ、その側
面両端に端子部３ｃ，３ｄがあり、これらが一体に形成
されている。

【００３２】そして発熱部２ｃ，２ｄおよび端子部３
ｃ，３ｄともに断面が角形状をなし、その発熱部２ｃ，
２ｄの内部には適宜大きさ、形状の角形の中空部分１２
ｂが貫通して形成され、試料または被処理材をこの部分
で加熱し得るようになっている。

【００３３】このうち図４は発熱部２ｃの長さと端子部
３ｃの長さが同じ長さをなすもので、図５は端子部３ｄ
の長さより発熱部２ｄの長さがの方が長く形成されてい
る。

【００３４】このように断面形状を角形にすることによ
り、中に入れる試料が角形の場合には当然熱効率が向上
する。

【００３５】図６および図７のそれぞれの発熱体１ｅ，
１ｆの場合、発熱部２ｅ，２ｆと端子部３ｅ，３ｆの接
合部２１が細くなっているが、発熱部の有効面積は図１
および図２に比べて広くなっている。

【００３６】図７のような長方形の中空部分１２ｂを有
する発熱体は高温度で引張り強度試験機用として好適で
あるが、この引張り試験に用いる場合、その試験片の形
状は通常２５Ｗ×５ｔ×２００ｍｍである関係上、３２
×８ｍｍの大きさに形成するのが適当である。一方、こ
のような長方形状の中空部分を有するときは端子部の外
径は上記長方形の対角線の寸法の１．２〜３倍であるこ
とが好ましい。

【００３７】これに対して１．２倍未満の場合、端子部
３ｂの接合部分のコーナに亀裂が入り易くなり、３倍を
越える場合は発熱部との境界に亀裂が入り易くなる。

【００３８】図８（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ別形態の発
熱体１ｇ，１ｈの横断面形状を示し、発熱部２ｇ，２ｈ
につながった側面端子部３ｇ，３ｈにはそれぞれ発熱部
２ｇ，２ｈの外周を覆うように鍔部２２が形成されてい
る。

【００３９】この形態の利点はつぎの通りである。

【００４０】１）端子部で発熱部を覆うことにより、発
熱部から発生する熱を外部に逃がさないため熱効率が向
上し、熱が外部に逃げないため予熱発熱体を保護でき
る。 ２）発熱体の周りに断熱材を施す構造となり、発熱体に
断熱構造が組み込まれているため、施工が楽になる。

【００４１】図８中、１２ａは（Ａ）の、１２ｃは
（Ｂ）のそれぞれの中空部分を示す。

【００４２】図９は図８（Ｂ）における鍔部２２の別形
状のものを示す。ここで鍔部２２の断面形状は円形・角
形のいずれの形状であってもよい。

【００４３】図１０は図８（Ａ），（Ｂ）の端子間の形
状を図１０（Ａ），（Ｂ）のように斜めにすることによ
り発熱部３ｋ，３ｍから漏れる熱を効率よく遮断するよ
うにしたものである。

【００４４】つぎに端子部の端部に鍔を形成された中空
ジルコニア質発熱体の作用について図８（Ａ）を用いて
説明する。

【００４５】発熱部２ｇの一部を覆う鍔部２２と２２の
間の長さＸは発熱部２ｇの円周の３〜５５％が望まし
く、５５％以上であれば熱が放散してしまい断熱の効果
が得られない。

【００４６】また３％もしくは３ｍｍ以下となれば端子
部３ｇと端子部３ｇの間にアークが飛ぶ可能性があって
好ましくない。この鍔部２２の内径は発熱部２ｇの外径
より４ｍｍ以上あることが適当であり、４ｍｍ以下であ
ると鍔部２２と発熱部２ｇが接触もしくはアークが飛ぶ
可能性がある。なお鍔部２２の厚さＹは５ｍｍ以上が適
当であり、５ｍｍ以下であると熱が放散してしまい、断
熱の効果が得られない。

【００４７】ちなみにこのような発熱体の大きさは通常
全長４０〜１００ｍｍであり、発熱部の長さと端子部
（片方）の長さは略等しく、外径は３０〜１００ｍｍ、
円形中空部の内径は１５〜７５ｍｍである。なおこの明
細書では図面において左右方向の長さのみでなく、上下
方向に描かれて高さと呼び得る大きさも長さと云うこと
とする。

【００４８】さらに中空部分の形状に関係なく端子部の
中空部分を除いた断面の実質面積は発熱部断面の実施面
積の３〜１０倍であることが好ましい。なぜならば３倍
未満の場合、端子部の発熱が大きくなり、リード線の溶
断が起き易くなる。１０倍を越えると発熱部との境界に
亀裂が入り易くなる。

【００４９】上記のような発熱体はジルコニアで作られ
るが、ジルコニアＺｒＯ_２は約２７１５℃と云う高い融
点を持ち、熱伝導性が非常に小さく、電気抵抗度が高温
で低く、低温で高いなど他のセラミックスにない特有な
特性を有している。

【００５０】ジルコニア質発熱体は通常安定化剤を添加
されたジルコニアファイバーまたはジルコニア粉末から
作られる。

【００５１】上記安定化剤としてはイットリアＹ_２Ｏ_３
・マグネシアＭｇＯ、ライムＣａＯが好ましく、特にイ
ットリアを添加したものがよい。また安定化剤は混合物
の５〜２０％の量とするのが好ましい。

【００５２】ジルコニアファイバーの径は０．１〜２０
μｍ、長さは０．１〜５０ｍｍの範囲のもの、ジルコニ
ア粉末としては０．１〜１０００μｍの範囲の粒度のも
のが用いられる。これら主原料に種々の添加物を加える
ことができる。例えばジルコニアゾル、ジルコニア塩水
溶液やポリビニルアルコール、メチルセルロース等のバ
インダーや界面活性剤、凝集剤などが加えられる。

【００５３】これらの原料のほかに酸化セリウム、炭酸
セリウム等を加えて混練したものはジルコニア焼成物内
の接着剤として良好に用いることができ、例えば上述し
た発熱部と端子部を接着する接着用組成物として良好に
用いることができる。

【００５４】端子部材には通電用リード線４が取付けら
れる。このようなリード線としては白金線または白金ー
ロジウム合金線が好んで用いられる。

【００５５】このような材料で発熱部と端子部を形成し
リード線を取付けてから約１００℃で数時間乾燥したあ
と１０００〜２０００℃で焼成して発熱体を得る。この
発熱体は通電によって２０００〜２３００℃までの発熱
が可能である。

【００５６】このようにして得られた中空ジルコニア質
発熱体は図１１の如き高温乃至超高温電気抵抗炉に設置
して用いられる。そして（例えば）図１に示す発熱体１
ａの内側に設けた円形の中空部分１２ａに試料または被
処理材を適宜手段により懸垂または載置して、高温での
各種物性の試験または熱処理に良好に使用することがで
きる。

【００５７】なお図１１の高温電気抵抗炉については実
施例３で説明する。

【００５８】つぎに本発明について幾つかの実施例を挙
げて説明する。

【００５９】実施例１ イットリア安定化ジルコニア粉末１００重量部とイット
リア安定化ジルコニアファイバー１００重量部をメチル
セルロース５重量部と水７０重量部を配合して図８
（Ｂ）に示す発熱体１ｈを作った。

【００６０】すなわち発熱部２ｈ、端子部３ｈはともに
外径は円形で一体に作られており、両部を貫通して長方
形状の中空部分１２ｃが形成され、端子部３ｈの端面に
鍔部２２が形成されている。

【００６１】端子部は直径が５５ｍｍ、長さが３０ｍｍ
で、これに鍔部１０ｍｍが形成されており（端子部は鍔
部１０ｍｍを含めて長さ４０ｍｍとなる）、発熱部は肉
厚が３ｍｍ，長さが３０ｍｍである。中空部分は発熱部
と上下端子部を通して３２×８ｍｍの長方形の同一形状
をなしている。成形後１００℃で２時間乾燥後、１８０
０℃で２時間焼成して発熱体とした。

【００６２】実施例２ 実施例１と同じ原料を用い、図１、図５に示す形状の同
じ寸法の発熱体１ａおよび１ｄを作った。ただし図１２
および図１３に示すように発熱部２ｂ，２ｄと端子部３
ａ，３ｄは別体に作り、これを接着用組成物２６で接着
した。この接着剤の組成物２６は上記の如き配合物に酸
化セリウム５０重量部を加え混練して得たものである。

【００６３】実施例３ 実施例２でつくられた発熱体１ａを図１１に示す炉に載
置した。図中、２ａは中空質ジルコニア発熱体の発熱
部、３ａは端子部４はリード線、６はジルコニア質耐火
物、７はアルミナ質耐火物、９は予熱発熱体、１０はセ
ラミック質断熱材、１１は鉄皮を示す。ここで２５×５
×２００ｍｍ寸法の試験片を上記発熱体の中空部に挿入
し、酸化雰囲気で２０００℃まで加熱した。試験片の部
分加熱を温度分布のばらつきが少ない状態で行うことが
できた。

【００６４】実施例４ 実施例１〜２でつくられた発熱体を図１１に示す炉に載
置した。この炉の引張り強度試験機の上下のチャック間
に設置し、２５×５×２００ｍｍ寸法の試験片の中心部
が細くなった引張り強度試験片を上記発熱体の中空部分
に挿入し、酸化雰囲気で２０００℃まで加熱した。試験
片の引張り強度を温度分布のばらつきが少ない状態で測
定することができた。

【００６５】実施例５ 上記発熱体を図１１に示す炉に載置し、２５×５×２０
０ｍｍ寸法の試験片のゾーンシンタリングを行った。方
法としては試験片を白金線で吊り下げ、上下に移動させ
ることにより試験片下部１００ｍｍを温度分布のばらつ
きが少ない状態で焼成することができた。

【００６６】実施例６ 上記発熱体を図１１に示す炉に載置し、空炉状態で常温
から２０００℃まで７時間の昇温スピードで昇温し、２
０００℃で１時間保持後、常温まで７時間の昇温スピー
ドで降温した。この温度パターンで昇降温を繰り返した
ところ、１５０回で発熱体１ａのリード線４が断線し
た。発熱体を交換後同じ温度パターンで昇降温を繰り返
したところ６００回で予熱発熱体が断線した。これは本
発明の対策前のジルコニア発熱体の寿命の約１．５倍で
あり、予熱発熱体の寿命の約２倍であった。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、筒状の発
熱部と、該発熱部と一体の端子部とを備え、前記発熱部
内の中空部分で試料または被処理材を加熱することがで
きる中空ジルコニア質発熱体において、前記端子部を発
熱部の外側面軸方向に設けたことにより発熱体の全長が
発熱部の長さとほぼ同じ長さにすることができる。

【００６８】１）これにより端子部にかかっていた電力
が減少し、同じ容積の空間を同じ温度にする場合の電力
が約半分にできる。

【００６９】２）高価なリード線の白金の使用量が削減
でき、電気炉全体のコストを抑えることができる。

【００７０】３）予熱炉の全長を短くすることができ、
それに伴い予熱炉の電力も小さくすることができる。

【００７１】４）この発熱体を使用してジルコニア炉を
構築した場合、従来の炉に比べ形状、制御盤とも小さく
することができるので製造コストも低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる中空ジルコニア質発熱体の発熱
部が円形の場合の実施形態を示し、（Ａ）は平面図、
（Ｂ）は立面図。

【図２】図１の１部の変形による実施形態を示し、
（Ａ）は平面図、（Ｂ）は立面図。

【図３】本発明の中空ジルコニア質発熱体の他の実施形
態を示す斜視図。

【図４】図１の発熱部を角形とした場合の実施形態を示
し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は立面図。

【図５】図４の１部の変形による実施形態を示し、
（Ａ）は平面図、（Ｂ）は立面図。

【図６】図１の発熱部と端子部との間に接合部を設けた
実施形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は立面図。

【図７】図６の発熱部を角形とした実施形態を示し、
（Ａ）は平面図、（Ｂ）は立面図。

【図８】本発明の中空ジルコニア質発熱体に鍔部を設け
た別形態を示し、（Ａ）は発熱部が円形の場合の平面
図、（Ｂ）は発熱部が角形の場合の平面図。

【図９】図８（Ｂ）の鍔部を角形形状とした２通りの平
面図。

【図１０】図８の鍔部に対応したそれぞれの別形状を示
す２通りの平面図。

【図１１】本発明の中空ジルコニア質発熱体を公知の超
高温電気抵抗炉に設置した状態を示す断面図。

【図１２】本発明の中空ジルコニア質発熱体を図１と同
じ寸法で作った場合の実施例２を示し、（Ａ）は平面
図、（Ｂ）は立面図。

【図１３】本発明の中空ジルコニア質発熱体を図５と同
じ寸法で作った場合の実施例２を示し、（Ａ）は平面
図、（Ｂ）は立面図。

【図１４】公知の超高温電気抵抗炉を示す断面図。

【図１５】図１４の超高温電気抵抗炉の変形例の断面
図。

【図１６】公知の中空円筒型抵抗発熱体の各実施例を示
す正面図および斜視図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，…１ｍ 中空ジルコニア質発熱体 ２ａ，２ｂ，…２ｍ 発熱部 ３ａ，３ｂ，…３ｍ 端子部 ４ リード線 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ 中空部分 ２２，２３，２４，２５ 鍔部 ２６ 接着用組成物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F27D 11/02 C04B 35/48 H05B 3/14

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状の発熱部と、該発熱部と一体の端子部
   とを備え、前記発熱部内の中空部分で試料または被処理
   材を加熱することができる中空ジルコニア質発熱体にお
   いて、前記端子部を発熱部の外側面軸方向に設け、該端
   子部の長さが前記発熱部と同等乃至はそれより短く形成
   されていることを特徴とする中空ジルコニア質発熱体。
2. 【請求項２】前記端子部の端部に鍔部を接続し、該鍔部
   が前記発熱部の外側から覆うように形成されている請求
   項１記載の中空ジルコニア質発熱体。
3. 【請求項３】前記端子部に通電用リード線が接触接合さ
   れている請求項１または２記載の中空ジルコニア質発熱
   体。
4. 【請求項４】前記ジルコニア質発熱体は安定化剤を添加
   されたジルコニア粉末、またはジルコニアァイバーから
   形成されている請求項１〜３のいずれか１項記載の中空
   ジルコニア質発熱体。