JP3787319B2 - セラミックカーボンヒーター及びその製造方法 - Google Patents
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- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
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- Resistance Heating (AREA)
- Surface Heating Bodies (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電によって発熱する耐候性、耐久性の高いヒーター、例えば、玄関・ホール前を融雪する加熱・保温用タイルとして好適なセラミックカーボンヒーター及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、寒冷地での道路や歩道上の積雪を防止する融雪システムとして、温水循環発熱方式、発熱ケーブル埋設方式などが挙げられる。しかしこれらの方式は、部材の調達コストもさることながら施工費が高いため、公共施設や一般家庭にはなかなか普及が困難である。その他に簡易な散水方式があるが、この方式は、路面が凍結しないように常に散水を続けなければならず、それでも散水圏外苑の凍結を防ぐことはできず、好ましい方式とはいえない。
さらに、金属抵抗線をコイル状に巻いた発熱体をタイルに組み付けたものを路面に敷設する方式がある。
なお、本発明者は、上記従来の方式について、記載すべき先行技術文献情報を把握していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記金属抵抗線を発熱体とする、例えば、ニクロム線ヒーターは、使用中に断線することがある。さらに、ニクロム線ヒーターは周囲を断熱材で覆って使用されることが多く、また、蓄熱性を持たせるにはさらにこの周囲を蓄熱材で覆う必要があり、熱効率が低く、構造が複雑になっていた。
特に、路面を保温するヒーターとして、路床に敷設されたタイルに埋め込まれたニクロム線ヒーターは、断線した場合、路面を切り開き敷設し直す必要があり、交換作業が厄介であった。
【０００４】
この対策として、粘土又は炭化珪素粉末をベースとして、これにカーボン粉末を混合して面状に成形したものを、カーボンの酸化を避けるために、窒素ガス雰囲気中８００℃以下で焼成して、面状発熱体としていた。しかしながら、このようにして得られた面状発熱体は焼成温度が低いため、気孔率が比較的大きく十分な強度が得られなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、十分な強度と耐候性、耐久性を有し、穏やかに発熱する保温・加熱用ヒーターを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックカーボンヒーター（以下、単にセラミックヒーターと称する）は、発熱体層の上面と下面に絶縁層を有し、該発熱体層が、主にＳｉＯ 2 ７０〜８０重量％、Ａｌ 2 Ｏ 3 １０〜１６重量％、Ｎａ 2 Ｏ＋Ｋ 2 Ｏ ５〜９重量％及びＦｅＯ＋Ｆｅ 2 Ｏ 3 ０．２〜２重量％からなる石英閃緑袴岩５０〜８５重量％、カーボン１０〜３０重量％及び粘土５〜１５重量％からなる組成を有し、導電性を有することを特徴としている。また、上記絶縁層の上に、さらに釉薬を塗布し焼成してガラス質層を形成することにより、あるいはフッ素樹脂被覆層を設けることにより、絶縁性及び防水性をさらに上げることができる。
【０００６】
石英閃緑袴岩は、ＳｉＯ2を主成分とし酸化還元作用を有している。鉱物組成的には、主に石英、斜長石、及び角閃石等からなっている。
【０００７】
また、本発明のセラミックヒーターの製造方法は、発熱体層の上面と下面に絶縁層を有する面状セラミックヒーターの製造方法であって、該発熱体層が、主にＳｉＯ 2 ７０〜８０重量％、Ａｌ 2 Ｏ 3 １０〜１６重量％、Ｎａ 2 Ｏ＋Ｋ 2 Ｏ ５〜９重量％及びＦｅＯ＋Ｆｅ 2 Ｏ 3 ０．２〜２重量％からなる石英閃緑袴岩５０〜８５重量％、可燃性カーボン１０〜３０重量％及び粘結剤として粘土５〜１５重量％を含有する混合粉末に、適量の水を加えて顆粒状に造粒し、これを所望の形状に加圧成形した後、可燃性カーボンを酸化させることなく１, １００〜１,３００℃で焼成することを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックヒーターは、上記構成からなるものであるが、石英閃緑袴岩が５０重量％未満では、電気抵抗値が高くなりすぎてヒーターとして不適なものとなる。他方、８５重量％を超えても、この増量にみあった効果が得られず、かつ原料コストが高くなるため、５０〜８５重量％が好ましい範囲とされる。カーボンについては、１０重量％未満では電気抵抗値が大きくなりすぎ、他方、３０重量％を超えると電気抵抗値が小さくなりすぎるため、１０〜３０重量％が好ましい範囲とされる。粘土は、５重量％未満では粘着剤としての働きが弱く、３０重量％を超えると、粘土量が多すぎることにより、１, １００〜１,３００℃での高温焼成によって脆くなるため、１０〜３０重量％が好ましい範囲とされる。
【０００９】
石英閃緑袴岩、カーボン及び粘土をそれぞれ所定量混合した混合粉末に、適量の水を加えて顆粒状に造粒し、成形型内に入れ、圧力１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ2で加圧成形した後、１, １００〜１,３００℃で焼成する。このとき、可燃性のカーボン粒は、石英閃緑袴岩に包まれ、石英閃緑袴岩が持つ還元力によって、表面層以外は酸化されることなく成形体中に留まる。なお、焼成温度が１, １００℃未満では、得られる強度値が低く好ましくない。他方、１,３００℃を超えると大きく収縮して締まりすぎ、かつ変形して、所定の寸法・形状が得られなくなる。
【００１０】
本発明のセラミックヒーターの電気抵抗値は、混合するカーボン量を適宜選択することで調整することができる。
表層部には、焼成時に表層のカーボンが酸化されて厚さ１ｍｍ程度の絶縁被膜が形成されている。この絶縁被膜の厚さは、高温域での焼成時間を選択することで用途に応じて適宜調整することができる。
【００１１】
形状は、平板面状、棒状（例えば、円柱状、角材状）など任意の形状に成形加工することができる。また、規格サイズ品を現場のスペースに合わせて切断加工して施工することもできる。
使用形態としては、融雪したい領域にセラミックヒーターを並べ、隣り合う間隙に絶縁材を配したり、コンクリートに埋め込んで使用することもできる。
施工に際しては、セラミックヒーターの側端面に穴を開けて電極をセットし、導電性接着剤で接着・固定すればよい。
【００１２】
図１は、本発明になる平板状ヒーターブロックを歩道に敷設した例である。この施工例（ａ）は、適宜の方法でヒーターブロック１をコンクリートブロック２中に埋設し、これを発泡ゼオライトや珪藻土などからなる断熱材３上に敷設したものである。なお、この上に表装材としてタイルを敷き並べてもよい。
施工例（ｂ）は、ヒーターブロック１をコンクリートブロック２の表層に配置し、この上にアルミニウム板４を配置して、このコンクリートブロック２の全面に熱が伝わるようにしたものである。
【００１３】
ヒーターブロックへの電極の接続は、掘削して開けた穴に導電性接着剤を注入し、電極端子を挿入して固定する。ヒーターブロックを複数個使用した場合、各ヒーターブロックの電気的接続は並列がよく、そのぶん電圧を下げることができ、３０Ｖ以下の低電圧でも融雪することができ、安全性が増す。
例えば、本発明のセラミックヒーターは、図２に示すように、５Ｖ３．８Ａ程度で、徐々に発熱し、およそ２０分後には９０℃に達する。その後まもなく１００℃の平衡温度に達し、これ以上、過熱することはない。
【００１４】
本発明のセラミックヒーターは、単に焼成するだけで、表面に厚さ１ｍｍ前後の絶縁層が形成されているが、この表面にさらに釉薬を塗布し焼成することで、絶縁体層として表面に厚さ２〜３ｍｍのガラス質層を形成することができ、絶縁性や耐候性（酸性雨）に特に優れ、ほぼ３００℃までの加熱に耐えることができる。釉薬で表面にガラス質層を形成したものは、形状の自由度と組み合わせると様々な用途に対応することができ、例えば、水中への投げ込みヒーター、電気湯沸器、温針治療器等への利用が挙げられる。
また、絶縁層の上に、フッ素樹脂被覆層を形成してもよい。
【００１５】
本発明のセラミックヒーターについて、以下の実施例にもとづきさらに詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
先ず、石英閃緑袴岩７０ｋｇ、可燃性カーボン２０ｋｇ、粘結剤として粘土１０ｋｇをそれぞれ５００メッシュ以下に粉砕して混合し、これに５リットルの水を加えて混練・造粒し、顆粒状の粉末とした。この粉末原料を５００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で平板形状にプレス成形し、さらに最高温度領域での温度が１１００〜１,３００℃に達するトンネル型焼成炉に入れ、２時間かけて焼成し、縦横４００×４００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの板状セラミックヒーターを得た。
これには表面に厚さ１ｍｍの絶縁層が形成されていたが、発熱層となる内部は、可燃性カーボンが酸化することなく焼成されていた。
【００１７】
上記板状セラミックヒーターから、縦横２０×２００ｍｍの長方形状に切り出し、長尺側の両側端部に穴を開けて導電性接着剤を注入し、電極端子を挿入して固定した。電極端子が完全に固定されたところで２０Ｖの電圧をかけたところ、４４Ｗ９Ωを示し、発熱を始めた。
図２は、このときの昇温の状態を示すグラフである。図から低い電圧にもかかわらず時間の経過とともに蓄熱され、次第に昇温していく様子が認められる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は上記構成からなり、原料粉を成形することで任意の形状を有する耐熱性、耐荷重性、耐候性及び耐薬品性を備えた耐久性の高いセラミックヒーターが得られ、様々な用途に供することができる。特に融雪したい箇所、例えば、玄関・ホール前、階段、病院などの緊急出入り口、人の出入りの多い歩道などに部分的に敷設することで、滑ったり転倒したりすることなく、通行する人や訪問者を優しく迎えることができる。その他、加熱・保温用タイル、埋め込み用ヒーター、さらに遠赤外線による治療を目的とした遠赤外線を放出する加熱源等として利用することができる。
また、形状は任意であり、円柱状、角材状としたものをコンクリートに埋め込んで使用することができる。本発明のセラミックヒーターの周囲に配するコンクリートに蓄熱材を混入させることで、さらに熱容量が大きくなり、蓄熱性が高く、通電時間が少なくて済む。このため、料金の安い深夜電力が利用できる。
本発明のセラミックヒーターの通電によって生じる熱は、伝導と遠赤外線（熱線）の放射によって全ての熱エネルギーが利用されるため、極めて熱効率の高いものとなっている。
さらに、本発明のセラミックヒーターは、施工現場で簡単に切断できるため、現場の状況に合わせて所望の形状に容易に切断加工し、施工することができる。また、発熱能力が大容量になってもヒーター自体の寸法は、低容量のものと全く同じ寸法でよいため、ヒーターの設計・施工が簡単にでき、効果的な融雪・凍結防止が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ），（ｂ）は、本発明のセラミックヒーターの施工例を示す概略断面図である。
【図２】 本発明のセラミックヒーターに通電したときの昇温状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１．……ヒーターブロック、
２．……コンクリートブロック、
３．……断熱材、
４．……アルミニウム板。
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電によって発熱する耐候性、耐久性の高いヒーター、例えば、玄関・ホール前を融雪する加熱・保温用タイルとして好適なセラミックカーボンヒーター及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、寒冷地での道路や歩道上の積雪を防止する融雪システムとして、温水循環発熱方式、発熱ケーブル埋設方式などが挙げられる。しかしこれらの方式は、部材の調達コストもさることながら施工費が高いため、公共施設や一般家庭にはなかなか普及が困難である。その他に簡易な散水方式があるが、この方式は、路面が凍結しないように常に散水を続けなければならず、それでも散水圏外苑の凍結を防ぐことはできず、好ましい方式とはいえない。
さらに、金属抵抗線をコイル状に巻いた発熱体をタイルに組み付けたものを路面に敷設する方式がある。
なお、本発明者は、上記従来の方式について、記載すべき先行技術文献情報を把握していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記金属抵抗線を発熱体とする、例えば、ニクロム線ヒーターは、使用中に断線することがある。さらに、ニクロム線ヒーターは周囲を断熱材で覆って使用されることが多く、また、蓄熱性を持たせるにはさらにこの周囲を蓄熱材で覆う必要があり、熱効率が低く、構造が複雑になっていた。
特に、路面を保温するヒーターとして、路床に敷設されたタイルに埋め込まれたニクロム線ヒーターは、断線した場合、路面を切り開き敷設し直す必要があり、交換作業が厄介であった。
【０００４】
この対策として、粘土又は炭化珪素粉末をベースとして、これにカーボン粉末を混合して面状に成形したものを、カーボンの酸化を避けるために、窒素ガス雰囲気中８００℃以下で焼成して、面状発熱体としていた。しかしながら、このようにして得られた面状発熱体は焼成温度が低いため、気孔率が比較的大きく十分な強度が得られなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、十分な強度と耐候性、耐久性を有し、穏やかに発熱する保温・加熱用ヒーターを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックカーボンヒーター（以下、単にセラミックヒーターと称する）は、発熱体層の上面と下面に絶縁層を有し、該発熱体層が、主にＳｉＯ 2 ７０〜８０重量％、Ａｌ 2 Ｏ 3 １０〜１６重量％、Ｎａ 2 Ｏ＋Ｋ 2 Ｏ ５〜９重量％及びＦｅＯ＋Ｆｅ 2 Ｏ 3 ０．２〜２重量％からなる石英閃緑袴岩５０〜８５重量％、カーボン１０〜３０重量％及び粘土５〜１５重量％からなる組成を有し、導電性を有することを特徴としている。また、上記絶縁層の上に、さらに釉薬を塗布し焼成してガラス質層を形成することにより、あるいはフッ素樹脂被覆層を設けることにより、絶縁性及び防水性をさらに上げることができる。
【０００６】
石英閃緑袴岩は、ＳｉＯ2を主成分とし酸化還元作用を有している。鉱物組成的には、主に石英、斜長石、及び角閃石等からなっている。
【０００７】
また、本発明のセラミックヒーターの製造方法は、発熱体層の上面と下面に絶縁層を有する面状セラミックヒーターの製造方法であって、該発熱体層が、主にＳｉＯ 2 ７０〜８０重量％、Ａｌ 2 Ｏ 3 １０〜１６重量％、Ｎａ 2 Ｏ＋Ｋ 2 Ｏ ５〜９重量％及びＦｅＯ＋Ｆｅ 2 Ｏ 3 ０．２〜２重量％からなる石英閃緑袴岩５０〜８５重量％、可燃性カーボン１０〜３０重量％及び粘結剤として粘土５〜１５重量％を含有する混合粉末に、適量の水を加えて顆粒状に造粒し、これを所望の形状に加圧成形した後、可燃性カーボンを酸化させることなく１, １００〜１,３００℃で焼成することを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックヒーターは、上記構成からなるものであるが、石英閃緑袴岩が５０重量％未満では、電気抵抗値が高くなりすぎてヒーターとして不適なものとなる。他方、８５重量％を超えても、この増量にみあった効果が得られず、かつ原料コストが高くなるため、５０〜８５重量％が好ましい範囲とされる。カーボンについては、１０重量％未満では電気抵抗値が大きくなりすぎ、他方、３０重量％を超えると電気抵抗値が小さくなりすぎるため、１０〜３０重量％が好ましい範囲とされる。粘土は、５重量％未満では粘着剤としての働きが弱く、３０重量％を超えると、粘土量が多すぎることにより、１, １００〜１,３００℃での高温焼成によって脆くなるため、１０〜３０重量％が好ましい範囲とされる。
【０００９】
石英閃緑袴岩、カーボン及び粘土をそれぞれ所定量混合した混合粉末に、適量の水を加えて顆粒状に造粒し、成形型内に入れ、圧力１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ2で加圧成形した後、１, １００〜１,３００℃で焼成する。このとき、可燃性のカーボン粒は、石英閃緑袴岩に包まれ、石英閃緑袴岩が持つ還元力によって、表面層以外は酸化されることなく成形体中に留まる。なお、焼成温度が１, １００℃未満では、得られる強度値が低く好ましくない。他方、１,３００℃を超えると大きく収縮して締まりすぎ、かつ変形して、所定の寸法・形状が得られなくなる。
【００１０】
本発明のセラミックヒーターの電気抵抗値は、混合するカーボン量を適宜選択することで調整することができる。
表層部には、焼成時に表層のカーボンが酸化されて厚さ１ｍｍ程度の絶縁被膜が形成されている。この絶縁被膜の厚さは、高温域での焼成時間を選択することで用途に応じて適宜調整することができる。
【００１１】
形状は、平板面状、棒状（例えば、円柱状、角材状）など任意の形状に成形加工することができる。また、規格サイズ品を現場のスペースに合わせて切断加工して施工することもできる。
使用形態としては、融雪したい領域にセラミックヒーターを並べ、隣り合う間隙に絶縁材を配したり、コンクリートに埋め込んで使用することもできる。
施工に際しては、セラミックヒーターの側端面に穴を開けて電極をセットし、導電性接着剤で接着・固定すればよい。
【００１２】
図１は、本発明になる平板状ヒーターブロックを歩道に敷設した例である。この施工例（ａ）は、適宜の方法でヒーターブロック１をコンクリートブロック２中に埋設し、これを発泡ゼオライトや珪藻土などからなる断熱材３上に敷設したものである。なお、この上に表装材としてタイルを敷き並べてもよい。
施工例（ｂ）は、ヒーターブロック１をコンクリートブロック２の表層に配置し、この上にアルミニウム板４を配置して、このコンクリートブロック２の全面に熱が伝わるようにしたものである。
【００１３】
ヒーターブロックへの電極の接続は、掘削して開けた穴に導電性接着剤を注入し、電極端子を挿入して固定する。ヒーターブロックを複数個使用した場合、各ヒーターブロックの電気的接続は並列がよく、そのぶん電圧を下げることができ、３０Ｖ以下の低電圧でも融雪することができ、安全性が増す。
例えば、本発明のセラミックヒーターは、図２に示すように、５Ｖ３．８Ａ程度で、徐々に発熱し、およそ２０分後には９０℃に達する。その後まもなく１００℃の平衡温度に達し、これ以上、過熱することはない。
【００１４】
本発明のセラミックヒーターは、単に焼成するだけで、表面に厚さ１ｍｍ前後の絶縁層が形成されているが、この表面にさらに釉薬を塗布し焼成することで、絶縁体層として表面に厚さ２〜３ｍｍのガラス質層を形成することができ、絶縁性や耐候性（酸性雨）に特に優れ、ほぼ３００℃までの加熱に耐えることができる。釉薬で表面にガラス質層を形成したものは、形状の自由度と組み合わせると様々な用途に対応することができ、例えば、水中への投げ込みヒーター、電気湯沸器、温針治療器等への利用が挙げられる。
また、絶縁層の上に、フッ素樹脂被覆層を形成してもよい。
【００１５】
本発明のセラミックヒーターについて、以下の実施例にもとづきさらに詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
先ず、石英閃緑袴岩７０ｋｇ、可燃性カーボン２０ｋｇ、粘結剤として粘土１０ｋｇをそれぞれ５００メッシュ以下に粉砕して混合し、これに５リットルの水を加えて混練・造粒し、顆粒状の粉末とした。この粉末原料を５００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で平板形状にプレス成形し、さらに最高温度領域での温度が１１００〜１,３００℃に達するトンネル型焼成炉に入れ、２時間かけて焼成し、縦横４００×４００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの板状セラミックヒーターを得た。
これには表面に厚さ１ｍｍの絶縁層が形成されていたが、発熱層となる内部は、可燃性カーボンが酸化することなく焼成されていた。
【００１７】
上記板状セラミックヒーターから、縦横２０×２００ｍｍの長方形状に切り出し、長尺側の両側端部に穴を開けて導電性接着剤を注入し、電極端子を挿入して固定した。電極端子が完全に固定されたところで２０Ｖの電圧をかけたところ、４４Ｗ９Ωを示し、発熱を始めた。
図２は、このときの昇温の状態を示すグラフである。図から低い電圧にもかかわらず時間の経過とともに蓄熱され、次第に昇温していく様子が認められる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は上記構成からなり、原料粉を成形することで任意の形状を有する耐熱性、耐荷重性、耐候性及び耐薬品性を備えた耐久性の高いセラミックヒーターが得られ、様々な用途に供することができる。特に融雪したい箇所、例えば、玄関・ホール前、階段、病院などの緊急出入り口、人の出入りの多い歩道などに部分的に敷設することで、滑ったり転倒したりすることなく、通行する人や訪問者を優しく迎えることができる。その他、加熱・保温用タイル、埋め込み用ヒーター、さらに遠赤外線による治療を目的とした遠赤外線を放出する加熱源等として利用することができる。
また、形状は任意であり、円柱状、角材状としたものをコンクリートに埋め込んで使用することができる。本発明のセラミックヒーターの周囲に配するコンクリートに蓄熱材を混入させることで、さらに熱容量が大きくなり、蓄熱性が高く、通電時間が少なくて済む。このため、料金の安い深夜電力が利用できる。
本発明のセラミックヒーターの通電によって生じる熱は、伝導と遠赤外線（熱線）の放射によって全ての熱エネルギーが利用されるため、極めて熱効率の高いものとなっている。
さらに、本発明のセラミックヒーターは、施工現場で簡単に切断できるため、現場の状況に合わせて所望の形状に容易に切断加工し、施工することができる。また、発熱能力が大容量になってもヒーター自体の寸法は、低容量のものと全く同じ寸法でよいため、ヒーターの設計・施工が簡単にでき、効果的な融雪・凍結防止が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ），（ｂ）は、本発明のセラミックヒーターの施工例を示す概略断面図である。
【図２】 本発明のセラミックヒーターに通電したときの昇温状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１．……ヒーターブロック、
２．……コンクリートブロック、
３．……断熱材、
４．……アルミニウム板。
Claims (4)
- 発熱体層の上面と下面に絶縁層を有し、該発熱体層が、主にＳｉＯ 2 ７０〜８０重量％、Ａｌ 2 Ｏ 3 １０〜１６重量％、Ｎａ 2 Ｏ＋Ｋ 2 Ｏ ５〜９重量％及びＦｅＯ＋Ｆｅ 2 Ｏ 3 ０．２〜２重量％からなる石英閃緑袴岩５０〜８５重量％、カーボン１０〜３０重量％及び粘土５〜１５重量％からなる組成を有し、導電性を有することを特徴とするセラミックカーボンヒーター。
- 前記絶縁層の上に、釉薬を塗布し焼成して形成したガラス質層を有する請求項１に記載のセラミックカーボンヒーター。
- 前記絶縁層の上に、フッ素樹脂被覆層を形成してなる請求項１に記載のセラミックカーボンヒーター。
- 発熱体層の上面と下面に絶縁層を有する面状セラミックヒーターの製造方法であって、該発熱体層が、主にＳｉＯ 2 ７０〜８０重量％、Ａｌ 2 Ｏ 3 １０〜１６重量％、Ｎａ 2 Ｏ＋Ｋ 2 Ｏ ５〜９重量％及びＦｅＯ＋Ｆｅ 2 Ｏ 3 ０．２〜２重量％からなる石英閃緑袴岩５０〜８５重量％、可燃性カーボン１０〜３０重量％及び粘結剤として粘土５〜１５重量％を含有する混合粉末に、適量の水を加えて顆粒状に造粒し、これを所望の形状に加圧成形した後、可燃性カーボンを酸化させることなく１, １００〜１,３００℃で焼成することを特徴とするセラミックカーボンヒーターの製造方法。
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