JP5384563B2 - 発熱体 - Google Patents
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Description
特に、金属材料としてのアルミニウム材料は、軽量かつ安価であり、加工性も良いことから、従来から焼結体を製造する原材料としてアルミニウム材料が検討されてきた。
しかし、アルミニウム材料は極めて酸化し易くてその表面に安定で硬い酸化皮膜が形成され易いため、これをそのまま焼結させても機械的強度の高い焼結体を得ることは困難である。
しかし、金属材料からなる発熱体は、液体加熱用の発熱体等として使用する場合において、金属の周囲にマグネシア等の絶縁物を配設し、更に、全体を金属シースで包む必要があることから、また、金属線によって面放熱させていたことから、発熱効率が低かった。一方、セラミック材料からなる発熱体においては、脆くて急激な温度変化による熱衝撃にも弱く、急速加熱や急速冷却が困難であった。
また、上記炭素粉は、通常、熱伝導率が低く、高温下でも前記金属アルミニウム粉とは反応しないものであるが、ここでは、前記金属アルミニウム粉の溶融点(668℃)より低い温度では溶融しないものであればよく、例えば、黒鉛、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維等の粉状物が挙げられる。
更に、上記無機酸化物材料からなる粉末は、アルミナ(Al2O3)及びシリカ(SiO2)、アルミナとシリカとの複合酸化物、並びに、アルミニウムのケイ酸塩のうちの少なくとも1種を含有するものであり、例えば、アルミナ粉末及びシリカ粉末が一緒に使用されたり、アルミナ及びシリカやこれらの化合物を含有する鉱物粉末等が使用されたりする態様がある。即ち、上記無機酸化物材料の粉末には、アルミナ粉及びシリカ粉の併用態様の他に、アルミニウム酸化物及びケイ素酸化物、前記アルミニウム酸化物と前記ケイ素酸化物の複合酸化物、アルミニウムのケイ酸塩のうちの少なくとも1種を含有する陶磁器用の粘土粉等の単独使用の態様があり、本発明を阻害する成分でなければ、他の成分が含まれていてもよい。
本発明者らは、鋭意実験研究の結果、金属アルミニウムの粉末等を使用し特殊な製造方法によって、かかる特性を有する発熱体を製造することに成功した。そして、この発熱体は、金属アルミニウム(Al)、金属シリコン(Si)、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、並びに、アルミナとシリカとの複合酸化物またはアルミニウム酸化物とケイ素酸化物との複合酸化物を主成分とし、空隙を有する多孔質材料からなるものである。
このような構成の多孔質材料からなる発熱体は、機械的強度が高く、また、通電により抵抗発熱し、抵抗発熱体として使用可能である。
特に、本発明者らが発明した発熱体は、体積が大きい割には通電による昇温速度及び通電解除による降温速度が速くて、急激な温度変化による熱衝撃にも強く、急速加熱や急速冷却が可能である。また、この発熱体は、直接抵抗加熱であり、しかも多孔質であることから、熱効率を高めることが可能である。また、酸等の化学的にも強靭である。
したがって、抵抗発熱体としての使用に好適であり、特に、面で加熱する発熱体等の使途に適する。
これによって、金属アルミニウム(Al)、金属シリコン(Si)、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、並びに、アルミナとシリカとの複合酸化物またはアルミニウム酸化物とケイ素酸化物との複合酸化物を主成分とし、5%〜50%の範囲内の空隙を有する発熱体となる。
そして、この発明に係る発熱体によれば、原料の粒度分布や寸法形状や配合量、焼成温度等を調節することによって抵抗値を制御することができる。
ここで、金属アルミニウム粉と、炭素粉と、無機酸化物材料の粉とが混合されてなる混合物を、圧力を加えて成形することによって、これらの混合物は強固で緻密な固形状態となる。そして、この状態で焼成することによって、より高強度の発熱体を得ることができる。また、成形時の圧力調節等をすることにより、容易に抵抗値を制御できることから、製造過程における抵抗制御も容易である。
更には、成型時の金型形状等による成形形状の調節、成形時の充填量の調節、成形時の部分的な圧力調節等で発熱体の抵抗分布を調節することによって、特定部位を特定の温度に発熱させることも可能である。
したがって、強度の向上を図ることができる。また、製造過程における抵抗制御がより容易に可能である。
なお、各実施の形態において、同一の記号及び同一の符号は同一または相当する機能部分を意味し、各実施の形態相互の同一の記号及び同一の符号は、それら実施の形態に共通する機能部分であるから、ここでは重複する詳細な説明を省略する。
以下、本発明の実施の形態に係る発熱体について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態において、同一記号及び同一符号は、実施の形態の同一または相当する機能部分を意味し、実施の形態相互との同一記号及び同一符号は、それら実施の形態に共通する機能部分であるから、ここでは重複する詳細な説明を省略する。
まず、本発明の実施の形態1に係る発熱体について、図1乃至図29を参照して説明する。
最初に本発明の実施の形態1に係る発熱体の製造方法について説明する。
本実施の形態1に係る発熱体1は、金属アルミニウム粉2、炭素粉3、及び、無機酸化物材料の粉4を主に使用して製造されたものである。
そして、この「レーザ回折・散乱法によって測定した中位径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いてレーザ回折・散乱法によって得られた粒度分布において積算重量部が50%となる粒子径(D50)をいう。
なお、有機バインダは、加熱過程において焼失し空隙となり、無機バインダは、焼失せずに焼成されることになる。
ここで、成形工程においては、例えば、焼結原料混合物7をプレス成形金型に投入し所定圧力のプレスで成形するプレス成形と、焼結原料混合物7を耐圧性の型枠に入れ所定圧力で押し出して成形する押出成形等が可能である。
勿論、本発明を実施する場合においては、加熱加圧によって、焼結原料混合物7を成形することも可能である。殊に、無機酸化物材料の粉4に粘土質鉱物粉が使用された場合には、これが成形性または保形性等の確保に有利に機能することから、水やバインダを混合せずとも加熱加圧によって成形することが可能である。
焼成工程の昇温プログラムは、各原料の種類、粒子径、配合量や、発熱体1において必要とされる抵抗値、発熱温度等によって予め実験によって最適値が設定される。
具体的には、図2(a)に示すように、直方体状の発熱体10(発熱体1)は、直方体状の抵抗体部11と、その抵抗体部11の両端に埋設した端子12,13とからなる。この端子12,13は、焼結原料混合物7を形成した後、型内に端子12及び端子13を配置し、成型工程で一体化させたものである。この端子12,13は、ステンレス製であり、焼結工程S3で溶融しない材料として、低抵抗材料として選択されたものである。
また、図2(b)は、円筒状の発熱体20(発熱体1)は、円筒形状の抵抗体部21と、その抵抗体部21の両端の表面に巻回した端子22,23とからなる。この端子22,23は、銅製であり、焼結工程S3で形成した抵抗体部21に対して所定の圧力を加えながら巻回されたものである。
図3乃至図19に示されるように、本実施の形態1に係る発熱体1(直方体状の発熱体10、円筒状の発熱体20)は、アルミニウム(Al)や、ケイ素(Si)や、アルミナ(Al2O3)や、二酸化ケイ素(SiO2)や、アルミナ(Al2O3)と二酸化ケイ素(SiO2)の複合酸化物またはアルミニウム酸化物とケイ素酸化物の複合酸化物が主成分である。
ここで、この空隙の大きさは、ガス吸着式細孔分布測定器で測定した結果、数μm〜数十μmであったが、原料の粒度分布や寸法形状や配合量、また、成形時の圧力等によって空隙の大きさや空隙率は制御可能である。
そして、本発明者らの実験研究によって、空隙率が5%〜50%の範囲内にあることで、抵抗発熱体としての利用において十分な強度や通電発熱性が確保できることが確認されている。即ち、空隙率が5%未満であると、発熱体1の抵抗値が低く、通電発熱性が損なわれる。一方、空隙率が50%を超えると、抵抗発熱体としての利用において強度が足りず、通電性も損なわれる。
また、本実施の形態1に係る発熱体1は軽量であると共に、アルミニウムより硬くて摩耗にも強く、各原料を混合して成形したものよりもその機械的強度は増大しており、高い機械的強度を有していた。
より具体的には、上述の如く、この発熱体はアルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、アルミナ(Al2O3)、二酸化ケイ素(SiO2)、並びにアルミナ(Al2O3)と二酸化ケイ素(SiO2)の複合酸化物またはアルミニウム酸化物とケイ素酸化物との複合酸化物が主成分となっているが、特に、焼成によって、溶融したアルミニウムのネットワークが形成され、また、シリコンが生成するという構造変化が起こったことで通電発熱性を有するものとなったと思われる。なお、金属シリコンは以下のような反応によって生成されたものと推測される。
SiO2+C→Si+CO2
SiO2+C→Si+2CO
2Al+3SiO2→3Si+Al2O3
なお、得られた発熱体1に通電したときに、560℃以上になると赤熱して表面に溶融物が噴出し始めたことから、アルミニウム2と無機酸化物材料4からのシリカ(SiO2)や生成したシリコン(Si)とが反応結合してAl−Si合金(融点:577℃)が生成されている可能性もある。
まず、発熱体1の通電による温度変化の様子について調べるために、本実施の形態1に係る発熱体1の配合として、表1の配合内容で、図1のフローチャートにしたがって発熱体1を製造した。
ここで、焼成の温度が1000℃〜1200℃の範囲内とは、本発明者らが鋭意実験研究を重ねた結果、上述の配合材料を焼成する場合、1000℃未満では、十分な焼成が行われずに粉状態のものが得られ焼結不良となってしまうことが確認されたことから、焼成温度の下限値を1000℃とし、一方で、1200℃を超えると、発熱体の通電性が損なわれることが確認されたことから、焼成温度の上限値を1200℃としたものである。
なお、参考までに、通電時における電流、抵抗値、電気抵抗率について、図27(a)としてグラフ下段の表に示す。表において、電流は電圧10Vを端子間に加えた場合の測定値であり、抵抗値は電圧及び電流の測定値から計算式
抵抗値=電圧/電流
によって算出したものである。また、電気抵抗率(比抵抗)も計算式
電気抵抗率=抵抗値/(長さ/断面積)
によって算出したものである。
このように、本実施の形態1に係る発熱体1は、体積の大きさに比較して通電による昇温速度が極めて速く、また、通電解除による降温速度も極めて速いものである。
なお、図27(a)の表に示したように、本実施の形態1に係る発熱体1の電気抵抗率は約49×10-8Ω・m乃至約56×10-8Ω・mであり、アルミニウムの電気抵抗率が2.65×10-8Ω・mからしても、本実施の形態1に係る発熱体1の電気抵抗率は極めて高いものである。ニクロムは1.5×10-6Ω・mであるから、それに近い値である。
したがって、本実施の形態1に係る発熱体1は、急激な温度変化による熱衝撃にも強く、急速加熱や急速冷却が可能である。なお、このことは、本実施の形態1に係る発熱体1の熱伝導が低いことにその一因があると考えられる。
また、この発熱体は、直接抵抗加熱であり、上述の如く、多孔質であることから、熱効率が高いものである。
よって、本実施の形態1に係る発熱体1は、抵抗発熱体としての使用に好適である。
なお、この発熱体1に水を注ぐと、吸水したことから、本実施の形態1に係る発熱体1は、吸水性をも有している。
ここでは、表2に示した配合内容で作製された焼結原料混合物7は、それぞれ、150kg/cm2のプレス圧力でプレス成形し、1100℃の焼成温度で焼成して発熱体1とした。
そして、交流スライダーダック電源(直流安定化電源)を使用し、各発熱体1の長さ方向の両端に幅10mmの端子により通電(V)したときの、電流(A)、抵抗値(Ω)をそれぞれ測定した。なお、表2において、電流(A)は直接電流計で、抵抗値(Ω)はテスタの抵抗レンジによって測定した測定値である。また、発熱温度は、赤外線サーモグラフィー(熱画像計測装置:(株)チノー社製 携帯用小形熱画像カメラ CPA−017)によって確認したものである。
また、炭素粉3の含有量が2重量部未満であると、金属アルミニウム粉2に対して炭素粉3が極めて少な過ぎ、焼成過程において溶融したアルミニウムが表面に噴出する焼結不良が生じる可能性がある。一方、炭素粉の含有量が15重量部を超えると、炭素粉3が多過ぎて発熱体1の強度及び純度が低下し、抵抗発熱体としての使途に適した強度や通電発熱性が得られない可能性がある。
更に、無機酸化物材料の粉4の含有量が25重量部未満であると、無機酸化物材料の粉4が少なすぎて、発熱体1の抵抗値が小さくなり、抵抗発熱体としての使途に適した通電発熱性が損なわれる可能性がある。一方、無機酸化物材料の粉4の含有量が65重量部を超えると、無機酸化物材料の粉4が多過ぎて、発熱体1の通電性が損なわれる恐れがある。
そして、本発明者らの実験研究によれば、長さ方向両端から中心部分に向かって抵抗値・発熱温度が高くなる傾向があることが確認されている。
参考までに、所定の圧力によるプレス成形によって厚み(T)5mm×幅(W)35mm×長さ(L)210mmの平板状とした発熱体1において、長さ方向両端に幅10mmの端子による通電を行い、発熱体1全体の温度分布を赤外線サーモグラフィー(熱画像計測装置:(株)チノー社製 携帯用小形熱画像カメラ CPA−017)によって測定した温度分布写真を図28に示す。
図28に示すように、この発熱体1は、長さ方向両端から中心部分に向かって温度が高くなっていて、長さ方向両端は温度が低くなっている。したがって、この発熱体1によれば、端子を両端に接続して通電を行う製品として使用した場合に、端子の過加熱による通電不良やショート、更には、焼損を防止することができ、製品として長時間の安全な発熱を維持できる。
なお、その他、発熱体1は、その断面の大きさや長さ等の寸法形状によっても抵抗値が変化することから、その寸法形状を調節することによっても、発熱体1の抵抗値を制御することができる。
具体的には、例えば、プレス成形の際に凹凸を有する金型を使用して焼結原料混合物7をプレス成形することが挙げられる。これによって、意匠面に凹凸部が形成されて、係る凹部と凸部とで緻密度が異なる成型体8を得ることができる。そして、この凹部と凸部とで緻密度が異なる成型体8を焼成することによって得られる発熱体1は、凹部と凸部とで抵抗値が大きく異なり、通電による発熱温度が大きく異なったものとなる。
その他にも、成形時に部分的に圧力を変えて成形することによっても緻密度を変化させることができることから、発熱体1において、特定部位を特定温度に発熱させることが可能である。
このように本実施の形態1に係る発熱体1は、通電性を有し、電気抵抗性が高く直接抵抗発熱特性を示すことから、抵抗発熱体として使用できる。
より具体的には、例えば、電気暖房発熱体、電熱器、電気温水器、加湿器等の各種発熱体(熱源)としての使用が可能である。殊に、本実施の形態1に係る発熱体1は、その全面から発熱することから、面状発熱体としての利用も可能である。勿論、電磁誘導加熱(IH)の調理器としての使用も可能である。
また、各種発熱体としての使用において、抵抗発熱体としての発熱体1は、上述の如く、熱伝導が低く、通電量によって発熱温度を一定に保つことができることから、低温から高温まで幅広い温度範囲で使用でき、温度制御も容易にできる。
加えて、本発明者らの実験研究によれば、本実施の形態1に係る発熱体1は550℃を超えるまでは変色(赤熱)せず、抵抗値の経年変化が確認できない程度に少ないこと、また、濃塩酸に浸漬しても強度や電気的特性等の変化がないこと、更には、高温の発熱状態下で水滴を滴下しても断線しないこと等が確認されており、焼損しにくく、化学的にも安定であることから、上記電気材料としての具体的用途に特に好適に使用することができ、商品としての長寿命化も期待できる。
更には、成形時の部分的な圧力調節や、成型時の金型形状等による成形形状の調節、成形時の充填量の調節等によって、発熱体1の抵抗分布の制御ができ、発熱による温度分布の制御設定が可能である。そして、この発熱による温度分布の制御が可能であることを利用し、例えば、発熱体1を焼き菓子等の食品加工用発熱体として使用することで、食品の所望の部位に焼き焦げを付けたりすることができる。
特に、遠赤外線を放射する遠赤外線放射材料としては、金属材料等も知られているが、化学的にも安定なセラミックス材料がある。また好ましくは、その中でも、遠赤外線の放射率が高いものがある。なお、「遠赤外線」についての明確な定義はなく、それの波長範囲はそれを扱う分野等においてまちまちであるが、ここでは、セラミックス分野において一般的であるように、3μm程度以上の波長を有する赤外線を「遠赤外線」という。
なお、この特性は、負荷電力の供給には無関係である。
特に、圧力を加えて成形することによって、成型体8は強固で緻密な固形状態となることから、この状態で焼成することによって得られる本実施の形態1に係る発熱体1は、強度が極めて高いものとなる。
よって、抵抗発熱体としての使用に好適であり、特に、面で加熱する発熱体等の使途に適する。
このようにして、機械的強度が高く、かつ、通電発熱性を有し、抵抗発熱体として好適に使用可能な発熱体1となる。
本実施の形態2に係る発熱体1は、図30のフローチャートに示すように、上述した実施の形態1とほぼ同様の製造工程を経て、得られるものである。異なるのは、金属粉を混合した点である。その他は、上記実施の形態1と同じであるから、その詳細な説明を省略する。
ここで、金属粉9としては、例えば、鉄粉や銅粉等が使用できるが、100%の純度のものでなく、無機物等の不純物が僅かに含まれたものや、リサイクルのものでも使用可能であり、更には、アルミニウム等の合金粉末等を使用することも可能である。因みに、金属粉9は、レーザ回折・散乱法によって測定した中位径が45μm〜150μmの範囲内であり、ふるい試験法によって測定した粒子径が200μm未満であるのが好ましい。小径粒子と大径粒子の取合せによって充填性が向上するからである。なお、より好ましくは、レーザ回折・散乱法によって測定した鉄粉の中位径が75μm〜100μmの範囲内であり、ふるい試験法によって測定した粒子径が150μm未満である。
そして、本実施の形態2においては、鉄粉末9の粒度分布や寸法形状や配合量を調節することによって、発熱体1の抵抗値を容易に制御できて、通電による発熱温度を容易に制御することができた。
2 金属アルミニウム粉
3 炭素粉
4 無機酸化物材料の粉
7 焼結原料混合物
8 成型体
Claims (1)
- 金属アルミニウム(Al)、金属シリコン(Si)、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、並びに、アルミナとシリカとの複合酸化物またはアルミニウム酸化物とケイ素酸化物との複合酸化物を主成分とし、圧力を加えて所望形状に成形した後、焼成して5%〜50%の範囲内の空隙の多孔質材料に形成してなる発熱体であって、
前記多孔質材料は、前記主成分に前記アルミニウムの溶融点より低い温度では溶融しない炭素粉を含有する無機酸化物材料の粉とが混合されてなる混合物を、前記アルミニウムの溶融点より高い温度で焼成したことを特徴とする発熱体。
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