JP5384564B2 - 多孔質焼結体 - 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。
そして、上記5%〜50%の範囲内の空隙は、体積率で5%〜50%の範囲内の空隙を有することを意味し、この5%〜50%との数値は、本発明者らが、鋭意実験研究を重ねた結果、成型体における空隙が5%〜50%の範囲内においては、抵抗発熱体としての使用において、十分な強度及び通電発熱性を確保できることを見出し、この知見に基づいて設定されたものである。即ち、成型体における空隙が5%未満のものでは、成型体の抵抗値が小さく、通電による発熱性が損なわれる。一方で、成型体における空隙が50%を超えると、抵抗発熱体としての使用において、強度が足りず、また、通電性が損なわれる。
また、前記焼結温度は、1000℃〜1200℃の範囲内の温度としたものである。
なお、上記有機化合物粉における「有機化合物」とは、『炭素の酸化物や金属の炭酸塩など少数の簡単なもの以外のすべての炭素化合物の総称。』(長倉三郎他・編「岩波理化学辞典(第5版)」1392頁,1998年2月20日株式会社岩波書店発行)である。
更に、前記アルミニウム粉のふるい試験法によって測定した粒子径が、150μm未満であるものである。
また、上記炭素粉は、通常、熱伝導率が低く、高温下でも前記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。
そして、上記5%〜50%の範囲内の空隙は、体積率で5%〜50%の範囲内の空隙を有することを意味し、この5%〜50%との数値は、本発明者らが、鋭意実験研究を重ねた結果、成型体における空隙が5%〜50%の範囲内においては、抵抗発熱体としての使用において、十分な強度及び通電発熱性を確保できることを見出し、この知見に基づいて設定されたものである。即ち、成型体における空隙が5%未満のものでは、成型体の抵抗値が小さく、通電による発熱性が損なわれる。一方で、成型体における空隙が50%を超えると、抵抗発熱体としての使用において、強度が足りず、また、通電性が損なわれる。
なお、上記有機化合物粉における「有機化合物」とは、『炭素の酸化物や金属の炭酸塩など少数の簡単なもの以外のすべての炭素化合物の総称。』(長倉三郎他・編「岩波理化学辞典(第5版)」1392頁,1998年2月20日株式会社岩波書店発行)である。
更に、前記炭素粉のふるい試験法によって測定した粒子径が、200μm未満であるであるものである。
また、上記炭素粉は、通常、熱伝導率が低く、高温下でも前記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。
そして、上記5%〜50%の範囲内の空隙は、体積率で5%〜50%の範囲内の空隙を有することを意味し、この5%〜50%との数値は、本発明者らが、鋭意実験研究を重ねた結果、成型体における空隙が5%〜50%の範囲内においては、抵抗発熱体としての使用において、十分な強度及び通電発熱性を確保できることを見出し、この知見に基づいて設定されたものである。即ち、成型体における空隙が5%未満のものでは、成型体の抵抗値が小さく、通電による発熱性が損なわれる。一方で、成型体における空隙が50%を超えると、抵抗発熱体としての使用において、強度が足りず、また、通電性が損なわれる。
なお、上記有機化合物粉における「有機化合物」とは、『炭素の酸化物や金属の炭酸塩など少数の簡単なもの以外のすべての炭素化合物の総称。』(長倉三郎他・編「岩波理化学辞典(第5版)」1392頁,1998年2月20日株式会社岩波書店発行)である。
更に、前記無機酸化物材料のふるい試験法によって測定した粒子径が、100μm未満であるものである。
特に、アルミニウム粉、炭素粉、無機酸化物材料の粉末、有機化合物の粉末が比重の違いによって移動が生じない量の水及び/またはバインダが混合されることによって、成形性が向上するため、加熱加圧せずとも常温の加圧で、また、低圧力でも成形できる。このため、成形コストを抑えることができる。
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多孔質焼結体となる。
即ち、焼結温度が1000℃未満である場合には、十分な焼成が行われずに焼結不良となり、一方で、1200℃を超えると、得られる成型体の通電性が損なわれる。
この発明の多孔質焼結体によれば、更に確実に高強度及び通電発熱性を確保することができる。
したがって、この発明の多孔質焼結体によれば、確実に高強度及び通電発熱性を有するものとなる。また、このように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ことになるため、多孔質焼結体における強度の向上を図ることができる。
特に、アルミニウム粉、炭素粉、無機酸化物材料の粉末及び前記有機化合物の粉末が比重の違いによって移動が生じない量の水及び/またはバインダが混合されることによって、成形性が向上するため、加熱加圧せずとも常温の加圧で、また、低圧力でも成形できる。このため、成形コストを抑えることができる。
これによって、機械的強度が高く、また、通電により抵抗発熱する多孔質焼結体となり、かかる多孔質焼結体は、抵抗発熱体として使用可能となる。
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多孔質焼結体となる。
即ち、焼結温度が1000℃未満である場合には、十分な焼成が行われずに焼結不良となり、一方で、1200℃を超えると、得られる成型体の通電性が損なわれる。
したがって、この発明の多孔質焼結体によれば、更に確実に高強度及び通電発熱性を確保することができる。
ここで、炭素粉のふるい試験法によって測定した粒子径が200μm以上の場合、アルミニウム粉において炭素粉に覆われない部分が増大して酸化され易くなり、成型体の通電発熱性が損なわれる。
そして、このように小径粒子と大径粒子を取合せることによって充填性が向上してアルミニウム粉に炭素粉が確実に付着することになるため、焼成過程においてアルミニウムが表面に噴出するのが確実に防止される。
したがって、この発明の多孔質焼結体によれば、更に確実に高強度及び通電発熱性を確保することができる。
特に、アルミニウム粉、炭素粉、無機酸化物材料の粉末及び前記有機化合物の粉末が比重の違いによって移動が生じない量の水及び/またはバインダが混合されることによって、成形性が向上するため、加熱加圧せずとも常温の加圧で、また、低圧力でも成形できる。このため、成形コストを抑えることができる。
これによって、機械的強度が高く、また、通電により抵抗発熱する多孔質焼結体となり、かかる多孔質焼結体は、抵抗発熱体として使用可能となる。
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多孔質焼結体となる。
即ち、焼結温度が1000℃未満である場合には、十分な焼成が行われずに焼結不良となり、一方で、1200℃を超えると、得られる成型体の通電性が損なわれる。
したがって、この発明の多孔質焼結体によれば、更に確実に高強度及び通電発熱性を確保することができる。
したがって、この発明の多孔質焼結体によれば、更に、確実に高強度及び通電発熱性を確保することができる。また、このように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ことになるため、多孔質焼結体における強度の向上を図ることができる。
まず、本発明の実施の形態1に係る多孔質焼結体について、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に係る多孔質焼結体の製造方法について説明する。
本実施の形態1に係る多孔質焼結体1は、アルミニウム粉2、炭素粉としての黒鉛粉3、無機酸化物材料の粉末としての陶磁器用の粘土粉4を主に使用して製造されるものである。
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。
ここで、スギ(杉)・ヒノキ(檜)等の針葉樹は、我が国において広く分布しており、建材等として大量に使用されているため、大鋸屑や間伐材並びに樹皮を容易に大量に入手することができる。更に、針葉樹の微細組織はウィスカー状であり、微粉砕して木粉5とすることが容易である。したがって、原料収集と国土保全上は、大鋸屑及び間伐材のチップ並びに樹皮としては、針葉樹の大鋸屑または針葉樹の間伐材のチップ或いは針葉樹の樹皮を用いることが好ましい。
なお、本実施の形態1においては、これら原料の混合に精密分散混合機が用いられ、アルミニウム粉2、黒鉛粉3、陶磁器用の粘土粉4、及び木粉5が均一に分散混合されて焼結原料混合物7となっている。このときの精密分散混合機としては、周速5μm/秒〜80m/秒の範囲内、より好ましくは、周速20m/秒〜30m/秒の範囲内の高速攪拌分散機を用いるのが好ましく、このような高速攪拌分散機としては、例えば、ホソカワミクロン(株)製の横型タービュライザ(登録商標)等がある。
ここで、「有機バインダ」としては、例えば、合成樹脂、澱粉、合成糊、砂糖等を用いることができる。また、合成樹脂には熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂があり、熱可塑性樹脂としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂、ポリウレタン系樹脂等を用いることができ、熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリオール樹脂、イソシアネート樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ウレタンプレポリマー等を用いることができる。なお、中でも、ポリオール系樹脂とイソシアネート系樹脂とは常温で反応して強固な結合を形成し、特に、イソシアネート系樹脂は、木粉5等における水酸基(−OH)と反応して強固なウレタン結合を形成するため、これらの樹脂を使用して焼結原料混合物7を成形したものはとても強固で緻密な状態のものとなる。
「無機バインダ」としては、セメント等の水硬性材料、磁器(タイル)・陶器の原料であるベントナイト等の粘土、ρ−アルミナ(Al2O3・nH2O:n≒0.5)、ケイ酸ナトリウム、水溶性アルカリケイ酸、(株)ジャパンナノコート製のシリカバインダ、グランデックス(株)製のシリカバインダである汎用バインダFJ294等を用いることができる。
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末として陶磁器用の粘土粉4等を用いた場合には、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、加熱加圧の場合、水やバインダを混合せずとも成形が可能となる。
ここで、焼結の温度が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、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、焼結温度の下限値を1000℃とし、一方で、1200℃を超えると、得られる成型体8は通電性を有さないことが確認されたことから、焼結温度の上限値を1200℃としたものである。
なお、焼結工程の昇温プログラムは、各原料の種類、粒子径、配合量や、後述の成型体8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、直方体状の多孔質焼結体10(多孔質焼結体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S2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、円筒状の多孔質焼結体20(多孔質焼結体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で形成した成型体8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。
このようにして得られた本実施の形態1に係る多孔質焼結体1(10,20)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。加えて、酸、アルカリ等の化学的にも強靭であることが判明した。
ここで、この空隙の大きさはガス吸着式細孔分布測定器により測定した結果、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この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、この空隙率が5%〜50%の範囲内にあることで、多孔質焼結体1の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、多孔質焼結体1の抵抗値が低く、通電発熱性が損なわれる。一方、50%を超えると、多孔質焼結体1の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。
なお、空隙の比率は、形成した乾燥状態の多孔質焼結体1の体積及び重量を測定し、水を含浸させた状態の重量を測定し、再び乾燥させて重量を測定し、その重量の変化を気孔率に置き換えて測定した。
図3乃至図19に示されるように、本実施の形態1に係る多孔質焼結体1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となっている。
より具体的には、上述の如く、この多孔質焼結体1はアルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、アルミナ(Al2O3)、二酸化ケイ素(SiO2)、及びアルミナ(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、得られた多孔質焼結体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と無機酸化物材料である陶磁器用の粘土粉(粘土質鉱物粉)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、多孔質焼結体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に係る多孔質焼結体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多孔質焼結体1を製造した。
黒鉛粉3としては、西村黒鉛(株)製の天然の鱗状黒鉛粉1099M(固定炭素:99%でふるい試験法による粒子径が150μm未満(100メッシュアンダー)のものを用いた。この黒鉛粉3について日機装(株)製のレーザ回折式粒度分布測定装置マイクロトラックで測定したところ中位径は75μmであった。
陶磁器用の粘土粉4には、(株)ヤマス製の土岐口特級蛙目粘土粉(SiO2:48.77%、Al2O3:34.40%、Fe2O3:1.35%、TiO2:0.95%、K2O:0.85%、MgO:0.38%、CaO:0.16%、Na2O:0.16%等)で、ふるい試験法による粒子径が65μm未満(250メッシュアンダー)のものを用いた。この蛙目粘土粉5について日機装(株)製のレーザ回折式粒度分布測定装置マイクロトラックで測定したところ中位径は10μmであった。
なお、蛙目粘土粉は、通常、花崗岩が風化し堆積してできた風化残留粘土を水簸(珪砂と粘土の分離)し精製して粉末状にしたものであり、ケイ酸塩鉱物のAl2Si4010(OH)8であるカオリンが主成分で、その他、石英、長石、雲母等が混在する粘土粉である。そして、一般的に、化学成分分析によればアルミニウム酸化物のAl2O3及びケイ素酸化物SiO2の成分量が最も多く、その他にFe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O等の成分を含有するものである。
また、これら原料の混合には精密分散混合機であるホソカワミクロン(株)製の横型タービュライザ(登録商標)TCX−8を用いた。
なお、焼結工程の昇温プログラムとしては、まず室温から600℃まで20時間かけて昇温して600℃で3時間保持し、更に、600℃から900℃まで6時間かけて昇温して900℃で2時間保持し、最後に、900℃から1100℃まで4時間かけて昇温して1100℃で2時間保持して、焼結を完了させた後、自然冷却させた。
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によって(抵抗値=電圧/電流)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に係る多孔質焼結体1は、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に係る多孔質焼結体1の電気抵抗率は約130μΩ・cmであり、アルミニウムの電気抵抗率が2.65μΩ・cmであることからすると、本実施の形態1に係る多孔質焼結体1の電気抵抗率は極めて高いものである。
このように、本実施の形態1に係る多孔質焼結体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に係る多孔質焼結体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に係る多孔質焼結体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に係る多孔質焼結体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に係る多孔質焼結体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、この多孔質焼結体1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に係る多孔質焼結体1は、抵抗発熱体としての使用に好適である。
なお、この多孔質焼結体1に水を注ぐと、吸水したことから、本実施の形態1に係る多孔質焼結体1は、吸水性をも有している。
特に、本実施の形態1に係る多孔質焼結体1によれば、原料に木粉5が用いられており、焼成過程において、この木粉5が焼失することによってその部分が空隙となり、多孔質焼結体1の緻密性に大きく影響する。このため、木粉5の添加量を調節することで、多孔質焼結体1の抵抗値の制御が容易にできる。
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℃の焼結温度で焼結して、多孔質焼結体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、各多孔質焼結体1に通電(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。
また、黒鉛粉3の含有量が2重量部未満であると、アルミニウム粉2に対して黒鉛粉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、黒鉛粉3が多過ぎて多孔質焼結体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、陶磁器用の粘土粉4の含有量が25重量部未満であると、陶磁器用の粘土粉4が少なすぎて、成型体8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、陶磁器用の粘土粉4の含有量が65重量部を超えると、陶磁器用の粘土粉4が多過ぎて、成型体8の通電性が損なわれる可能性がある。
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、プレス成形によって厚み(T)5mm×幅(W)35mm×長さ(L)210mmの平板状とした多孔質焼結体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、多孔質焼結体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、この多孔質焼結体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、この多孔質焼結体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、多孔質焼結体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、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もの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ものを焼結することによって得られる成型体8は、凹部と凸部とで抵抗値が大きく異なり、多孔質焼結体1は凹凸部分で通電による発熱温度が大きく異なったものとなる。
また、プレス成形の際に曲線部を有する金型枠型を使用して、焼結原料混物7をプレス成形することによって、曲線部で緻密度が変化したものを得ることができる。そして、これを焼結してなる成型体8は、曲線部で抵抗値が大きく変化し、多孔質焼結体1は通電による発熱温度が部位によって大きく異なるものとなる。
さらに、プレス成形金型に焼結原料混合物7の充填率を変化させて充填しプレス成形することによって、また、焼結原料混合物7の厚みが部位によって変化するようにプレス成形することによって、充填量や厚みの差によって緻密度が変化することから、これを焼結してなる成型体8も、部位によって抵抗値が大きく変化し、多孔質焼結体1は通電による発熱温度が部位によって大きく異なったものとなる。参考までに、中央部の厚み(T)が5.5mmで、長さ方向両端部の厚み(T)が4.5mmと厚みに差をつけた成型体8(幅(W)45mm×長さ(L)130mm)の写真と、この成型体8に30Vで45秒通電したときの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)によって測定した多孔質焼結体1の温度分布の写真を図29に示す。図29に示されるように、厚みが大きい中央部付近で発熱温度が高くなっていて、厚みが小さい長さ方向両端部では、発熱温度が低くなっており、部位によって発熱温度の制御が可能である。
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、多孔質焼結体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に係る多孔質焼結体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に係る多孔質焼結体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。
そして、抵抗加熱式であることに加え、上述の如く、体積の大きさに比較して通電による昇温速度や通電解除による降温速度が速いことから、従来の各種発熱体と比較して、熱効率がよく省電力化が可能であり、安全性も高い。殊に、電熱器等においては、多孔質焼結体1の直接抵抗発熱体としての使用により、従来の間接抵抗加熱式である電熱器等と比較して、熱効率が極めて高いものとなり、省電力化を図ることができる。また、従来の面状発熱体等が金属やセラミックにヒータ線を被覆したもの(シースヒータ)であって煩雑かつ高コストなうえに、低熱効率であるのに対し、直接抵抗発熱体としての多孔質焼結体1の使用においては、簡易的で熱効率が極めて高いものとなり、省電力化を図ることができる。そして、多孔質焼結体1の昇温速度や通電解除による降温速度が速いという特性は、特に、焼入れ焼鈍用や工業製品の加熱用発熱体として有望である。
加えて、本発明者らの実験研究によれば、本実施の形態1に係る多孔質焼結体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、800℃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、成型体8における抵抗分布の制御が可能となることから、抵抗発熱体としての多孔質焼結体1は、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、多孔質焼結体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。
更に、本発明者らの実験研究によれば、本実施の形態1に係る多孔質焼結体1は遠赤外線を発生していることが確認されていることから、遠赤外線による伝熱効果をも期待できる。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。
そして、黒鉛粉3が混合されていることによって、アルミニウム粉2が黒鉛粉3に覆われ、黒鉛粉3が燃焼することでアルミニウムの周囲は還元雰囲気に近い状態となるため、アルミニウムの酸化が防止され、また、アルミニウムの溶融点(660.4℃)に達しても、アルミニウムが溶融して表面に噴出することがなく、焼成によって焼結原料混合物7は複合化されて、5%〜50%の範囲内の空隙を有する成型体8となり、かかる成型体8は通電により発熱する。
これによって、機械的強度が高く、また、通電により抵抗発熱する多孔質焼結体1となり、かかる多孔質焼結体1は、抵抗発熱体として使用可能となる。
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多孔質焼結体1となる。
次に、本実施の形態2に係る多孔質焼結体1について、図30を参照して説明する。
本実施の形態2に係る多孔質焼結体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、金属粉としての鉄粉9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。
即ち、本実施の形態2に係る多孔質焼結体1は、アルミニウム粉2、炭素粉としての黒鉛粉3、無機酸化物材料の粉末としての陶磁器用の粘土粉4、有機化合物粉としての木粉5、金属粉としての鉄粉9と、これら原料が比重の違いによって移動が生じない量(重力沈降しない量)の水及び/またはバインダ6とが混合されてなる焼結原料混合物7を、圧力を加えて成形し、1000℃〜1200℃の範囲内の温度で焼結して5%〜50%の範囲内の空隙を有する成型体8としてなる通電によって成型体8が発熱するものである。
なお、この鉄粉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。
なお、参考までに本実施の形態2に係る多孔質焼結体1の配合として、表3の上段の配合内容で、図30のフローチャートにしたがって実施例8及び実施例9に係る多孔質焼結体1を製造したときの抵抗値を表3の下段に示す。なお、表3に示される配合材料のうち鉄粉9以外のものについては、上述の表1で使用した配合材料と同様のものを使用した。また、鉄粉9としては、ヘガネスジャパン(株)製のASC100.29(Fe:99wt%)でふるい試験法による粒子径が150μm未満(100メッシュアンダー)のものを用いた。この鉄粉9について日機装(株)のレーザ回折式粒度分布測定装置マイクロトラックで測定したところ中位径が75μmであった。
そして、本実施の形態2においては、鉄粉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、成型体8の抵抗値を容易に制御できて多孔質焼結体1の通電による発熱温度を容易に制御することができた。
なお、本発明を実施する場合には、金属粉は鉄粉に限定されず、例えば、銅粉、ステンレス粉等を使用することも可能である。
なお、本発明の実施の形態で挙げている数値は、その全てが臨界値を示すものではなく、ある数値は実施に好適な好適値を示すものであるから、上記数値を若干変更してもその実施を否定するものではない。
2 アルミニウム粉
3 黒鉛粉(炭素粉末)
4 無機酸化物材料の粉末(陶磁器用の粘土粉)
5 有機化合物粉(木粉)
6 水・バインダ
7 焼結原料混合物
8 成型体
9 金属粉(鉄粉)
Claims (3)
- ふるい試験法によって測定した粒子径が150μm未満であるアルミニウム粉と、
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と、
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種を含有する無機酸化物材料の粉末と、
木粉からなる有機化合物の粉末とを混合し、
前記アルミニウム粉、前記炭素粉、前記無機酸化物材料の粉末及び前記有機化合物の粉末が比重の違いによって移動が生じない量の水及び/またはバインダとが混合されてなる混合物を、圧力を加えて成形し、1000℃〜1200℃の範囲内の温度で焼結して5%〜50%の範囲内の空隙を有する発熱可能な成型体としたことを特徴とする多孔質焼結体。 - アルミニウム粉と、
ふるい試験法によって測定した粒子径が200μm未満であり、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と、
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種を含有する無機酸化物材料の粉末と、
木粉からなる有機化合物の粉末とを混合し、
前記アルミニウム粉、前記炭素粉、前記無機酸化物材料の粉末及び前記有機化合物の粉末が比重の違いによって移動が生じない量の水及び/またはバインダとが混合されてなる混合物を、圧力を加えて成形し、1000℃〜1200℃の範囲内の温度で焼結して5%〜50%の範囲内の空隙を有する発熱可能な成型体としたことを特徴とする多孔質焼結体。 - アルミニウム粉と、
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と、
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種を含有し、ふるい試験法によって測定した粒子径が100μm未満である無機酸化物材料の粉末と、
木粉からなる有機化合物の粉末とを混合し、
前記アルミニウム粉、前記炭素粉、前記無機酸化物材料の粉末及び前記有機化合物の粉末が比重の違いによって移動が生じない量の水及び/またはバインダとが混合されてなる混合物を、圧力を加えて成形し、1000℃〜1200℃の範囲内の温度で焼結して5%〜50%の範囲内の空隙を有する発熱可能な成型体としたことを特徴とする多孔質焼結体。
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