JPH0151463B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、加熱により特定波長の遠赤外線を放
射し熱効率のよい熱源として好適なセラミツクス
遠赤外放射体に関するものである。

遠赤外線放射材料を高温に加熱して波長３〜
50μの遠赤外線を輻射して被照射物を短時間で加
熱や乾燥させうる遠赤外放射ヒーターは、熱効率
が良いこと、被加熱物の色によるむらがないこ
と、物体の内部まで均一に加熱しうることなど数
多くの特徴を有していることなどが明らかになつ
てきたため、素子そのものばかりでなく、ヒータ
ーとしての形態としても最近その研究が活発に行
われている。

しかしながら、特定の波長域での放射効率が大
きいこと、例えば放射率が特定の長波長側で十分
大きく、短波長側で小さいなどの材料素子はほと
んど見い出されていないし、またそれらをヒータ
ーとして実際に用いる場合の態様として種々の問
題を残している。

さらに詳しく説明すると、例えば前者について
いえば、10μｍ以上の遠赤外線を人体に当てると
発汗作用や血液の循環を促進して医療・健康用に
効果があると言われる。また食品・農水産物の加
熱・乾燥に関しては、波長が長いほど化学作用を
伴わず、被加熱体内部迄熱が浸透する。更にセラ
ミツクス等の無機物の赤外吸収波長は８〜20μｍ
の遠赤外領域にある。このような用途に適したセ
ラミツクス材料としては、ほぼ6μｍまでは放射
率が小さく、それ以上ほぼ8μｍ以上の波長域で
は放射率が大きくなるものが望ましい。

しかしながら、これまで公知のセラミツクス材
料でこれらを満足するものは見い出されていな
い。

例えば、そのいくつかの例を示すと、ZrO₂・
SiO₂（ジルコン）やFe₂O₃系のものは4μｍ以下の
低波長域での放射率は低いが、それ以上では急激
に放射率が大きくなるため、上記目的には不十分
である。また、その他の酸化物としてよく例示さ
れているTiO₂、SiO₂、Cr₂O₃、ZrO₂なども同様
に4μｍ以下での放射率は低いが、それ以上では、
放射率が急激に大きくなるのが実状である。尚、
非酸化物としての炭素材料などは80％以上の放射
率をもつているが、放射率の波長依存性は殆んど
なく、また酸化され易い用途での使用はできない
などの問題がある。

また、ヒーターとしての実際の使用態様に関す
る後者についていえば、つぎに示すように割れ、
剥離などの問題が殆んど解決されていない。

例えば、ニクロム線への表面加工或は表面被覆
は剥離の問題、磁器内へのニクロム線封入は熱衝
撃による材料の割れの問題、金属管内へのニクロ
ム線封入又は石英バルブ内へのタングステンフイ
ラメント封入は輻射される波長として3μｍ以上
が非常に少ない問題、金属管内へのニクロム線封
入後、金属表面への放射材コーテイングはコーテ
イングの剥離、溶射工程の複雑さの問題、ヒータ
ーの表面への磁器材料据えつけは応答性が悪い、
高温での使用は熱衝撃で割れるなどの問題がそれ
である。

本発明は、このような観点から、これらの問題
をそれぞれ望ましくは同時に解決しうるセラミツ
クス放射体を開発すべく種々研究された結果とし
て見い出されたものである。

即ち、本発明はY₂O₃、La₂O₃、CeO₂等の希土
類元素を固溶させたZrO₂であつて、遠赤外線の
放射率が、波長がほぼ6μｍ以下では40％以下で、
8μｍ以上では70％以上と大きくなることを特徴
とするセラミツクス遠赤外線放射体であつて、さ
らにはこれを低膨脹セラミツクスからなる基体に
焼き付けた放射体を要旨とするものである。

尚、放射率とは黒体（全波長域で放射率100％）
の放射エネルギーと試料の放射エネルギーを各波
長毎に比較したものとして定義されているもので
あり、本明細書における放射率もこの定義にもと
づいたもので、通常一般に使用されている350〜
650℃の測定温度範囲におけるものである。

このように本発明セラミツクス放射体は、材料
としてY₂O₃、CeO₂、La₂O₃等の希土類を固溶し
たZrO₂からなるものであるが、従来放射材料と
してZrO₂は前述した如くよく知られていたもの
であるにもかかわらず、Y₂O₃、La₂O₃、CeO₂等
の希土類を固溶したZrO₂として後述する如き望
ましい特定の波長での優れた放射効率を有するも
のとしては見いだされていなかつたし、また
Y₂O₃等を固溶したZrO₂は他の用途におけるジル
コニアセラミツクスとしては広く知られているも
のであるにもかかわらず、同様に特定の効率の大
きいこの種特性をもつものとしては何ら解明され
ていなかつた。

本発明放射体としてのY₂O₃、La₂O₃、CeO₂等
の希土類を固溶したZrO₂としては、通常のこの
種ZrO₂の製造と同様に得られるもの、即ち好ま
しくは、重量％で0.5〜10％程度のY₂O₃、La₂O₃、
CeO₂等を加えて焼結して製造したZrO₂であつて
もよいし、後述するような基体面上にY₂O₃など
とバインダーなどを含むZrO₂調合物を被覆後焼
結して形成するなどしたものであつてもよい。

尚、ZrO₂に固溶する物質としては、Y₂O₃など
の希土類のほかMgO、CaOなどがその典型的な
ものとして知られているが、それらにより安定化
されたZrO₂は、安定化されていない通常のZrO₂
ともども、他のセラミツクス材料と対比すれば、
本発明に近い放射スペクトルを示したが、本発明
品程までには至らなかつた。

ここで、本発明により得られるY₂O₃、La₂O₃、
CeO₂等の希土類を固溶したZrO₂の放射スペクト
ル特性について説明すると、温度依存性にもよる
が総体的に、波長が長波長側で高く、低波長側で
低いということであり、そしてこれが波長がほぼ
6μｍ以下では放射率が40％以下で、8μｍ以上で
は70％以上のものとして得られるということであ
る。

このような特性は、前述した如く、健康・医療
用ヒーター、食品・農水産物等の加熱・乾燥、セ
ラミツクスの加熱などの用途に最適なものであ
る。

このような本発明放射体は、実際の使用に際し
ては、それ自体として、板状、筒状など任意の形
状として利用することができるものであるが、よ
り好ましい態様としては使用性をより考慮した形
態として特定の基体と組合わせて形成しておくも
のであり、このようにすることにより従来の欠点
の多くを解決しうるのである。

即ち、熱膨脹係数が４×10^-6／℃（常温〜1000
℃、或は使用可能温度）以下の低膨脹セラミツク
スを基体として、この表面に形成することであ
る。具体的にこの低膨脹材質としては、コージエ
ライト（2MgO・2Al₂O₃・5SiO₂）、β−スポジ
ウメン（Li₂O・Al₂O₃・8SiO₂）、アルミニウムチ
タネート（Al₂O₃・TiO₂）などを主結晶組織とす
るものが適しており、これらは通常焼成法により
得られるものであるが、溶融法によつたものでも
よい。

このような基体（形状は板状、管状など所望に
応じて）に対し、Y₂O₃、La₂O₃、CeO₂等を固溶
したZrO₂をその表面に形成するわけであり、そ
のための望ましい方法は、ZrO₂層を焼き付けに
より形成することである。即ち、Y₂O₃等を予め
固溶したZrO₂粉末或はY₂O₃等（焼成でY₂O₃など
の酸化物となる化合物でもよい）とZrO₂粉末を
主成分とするペースト状調合物などを基体面に塗
布などして被覆し、又は予め所定形状に成形した
ものに基体面を積層せしめて、1200〜1400℃程度
の温度で焼成して形成することである。

また、他の形成法として、溶射により基体面に
形成せしめることも可能であるが、本発明の組合
わせでは、焼結による方法が望ましい。これは、
焼きつけによる方が、放射スペクトルの6μｍよ
り短かい波長域の放射率が小さくなるなどのため
である。

尚、このようにして得られた放射体は、種々の
使用状態をとり得るもので、例えば板状体として
ニクロムヒーターなど種類を問わずヒーターの前
面に据えつけるだけで、加熱されて効率よく所定
の遠赤外線を放射するとともに急熱、急冷にも劣
化がなく、長期にわたつてかつ繰り返し使用でき
るものとなるなど、従来の遠赤外線放射体には見
られない多くの利点を有するものであつて、その
工業的価値は多大である。

本発明について、さらに実施例で説明する。

実施例 基体として200mm角で厚さ３mmのコージエライ
ト焼成板（熱膨脹率2.0×10^-6／℃、嵩比重2.4、
気孔率5.6％）の表面に、予め３％のY₂O₃を固溶
化処理したZrO₂粉末（325メツシユ以下）100重
量部に対し、PVA3％水溶液30重量部を配合して
調整したペーストを厚さ約0.2mmに塗布し、つい
でこれを電気炉に入れて1350℃で焼成して本発明
に係る放射体を得た。

この放射体のZrO₂層についての放射特性を測
定した結果（温度500℃）を第１図にＡとして示
した。（at600℃）また、同様の方法でLa₂O₃ ３
％、CeO₂ ３％固溶させた試料の放射特性をA′，
A″として示した。

尚、比較のためＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅ及びＦに示す試
料の放射特性についても第１図に示した。

Ｂ……Fe₂O₃塗料による焼結層 Ｃ……ZrO₂・SiO₂焼結層 Ｄ……ニクロム線ヒーター Ｅ……MgO安定化ZrO₂焼結層 Ｆ……安定化していないZrO₂焼結層 ついで、本発明により得られた前記放射体につ
いて、1000℃急熱・急冷試験（1000℃に30分間加
熱後、常温30分放冷の繰り返し）を行つたとこ
ろ、10回行つても何らの剥離、亀裂の発生も生じ
なかつた。

尚、比較のため、この同じ試験を、アルミナ−
シリカ質磁器内にニクロム線を入れた放射体で行
つたところ、１回目で磁器に剥離を生じ、基板と
してSUS27板（100mm角）にジルコニア層を焼付
けたものについて行つたところ、２回目でやはり
焼結層に剥離を生じた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、各試料の放射特性図を示す。図面
で、Ａ，A′及びA″は本発明試料、Ｂ，Ｃ，Ｄ，
Ｅ及びＦは比較試料をそれぞれ示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Y₂O₃、La₂O₃、CeO₂等の希土類元素成分を
   固溶させたZrO₂であつて、遠赤外線の放射率が、
   波長がほぼ6μｍ以下では40％以下で、8μｍ以上
   では70％以上と大きくなることを特徴とするセラ
   ミツクス遠赤外放射体。 ２ 遠赤外線の放射率が波長がほぼ6μｍでは40
   ％以下で8μｍ以上では70％以上となるY₂O₃、
   La₂O₃、CeO₂等の希土類元素成分を固溶させた
   ZrO₂からなるセラミツクス層を、熱膨脹係数が
   ４×10^-6／℃以下の低膨脹セラミツクスからなる
   基体の表面に焼付けにより形成せしめてなる特許
   請求の範囲第１項記載のセラミツクス遠赤外放射
   体。