JPH04174990A - 高効率赤外線放射セラミックス発熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、高効率赤外線放射セラミ・ンクス発熱体に関
する。更に詳しくは交流電源０■〜６００ｖ（５０／６
０Ｈｚ）又は直流電源ＯＶ〜６００■を印加通電するこ
とにより、低温域から高温域（−２０℃〜１，２００℃
）の広い温度域で安定な発熱が可能て′、該セラミック
スの表面電力密度（Ｗ／ｃｊ）を大きく設計出来、又、
前記の温度域で自己温度制御点（キュリー温度）を自由
に制御設定でき、安定性に優れ、作業安全性にも富み、
しかも赤色加熱が出来て調理、暖房は言うまでもなく、
あらゆる物質加熱に適した産業上利用価値の高い、加熱
効率の優れた高効率赤外線放射セラミックス発熱体に関
する。

（ロ）従来の技術 従来、物質の加熱には遠赤外線放射エネルギーが有効で
あることが知られており、様々な遠赤外線放射体が提案
されている。例えばエネルギー源を電力とする場合は抵
抗発熱、電磁加熱、誘導加熱等々の発熱体や発熱器具と
遠赤外線放射体とを併設あるいは組合わせて使用されて
きた。又、コードヒーター、面状発熱体、セラミックス
抵抗発熱体、金属管シースヒーターやニクロム線等の発
熱体の表面に遠赤外線放射材を塗装あるいは溶射等でコ
ーティングするか被覆装填、組合わせて遠赤外線放射体
を構成するのか一般的であった。

しかし、なから、これ等の方法では放射体と発熱体とが
構造的に一体化されていないので、熱伝達が悪く速熱性
に欠け、エネルギー効率も悪く、又コーティング等の遠
赤外線放射体は冷熱サイクルにより、又はヒーター表面
の腐蝕により剥離脱落をおこし、経時劣化を起こす等の
問題かあった。

又一方、従来のセラミックス抵抗発熱体は、負の抵抗温
度特性を持つＮＴＣであるＳｉＣ系、正の抵抗温度特性
を持つＰＴＣであるＢａＴｉ○３系等々のセラミックス
発熱体が一般に使用されている。

しかしながら、ＮＴＣであるＳｉＣ系のセラミックス発
熱体は遠赤外線の放射は良好であるか、比抵抗が小さい
ので、低電圧、大電流の印加電源が必要で、トランス等
の変圧設備か必要であり、商用電源では利用し難く、更
に自己温度制御機能である抵抗温度係数が負から正の係
数特性に変わるキュリー温度も７００℃以上であり、低
温での使用に適していない。一方、ＰＴＣであるＢａＴ
ｉＯ３系のセラミックス発熱体は遠赤外線の放射も特に
良好であるとはいい難く、キュリー温度も種々の微量添
加元素で電値制御等の方法により、大よそ５０℃〜５０
０℃の範囲で設計できるもののピンチ効果等でスポット
過熱したり、なんらかの原因でキュリー温度以上になる
と負の抵抗温度係数の領域になると自己温度制御機能が
働かず熱暴走を起こし発熱体が破損するなど安定性、安
全性に問題点も多く、又衝撃に弱く、更に通電時の突入
電流の大きいのも難点であり、電流密度又は電力密度（
ワット密度、単位Ｗ　／　ｃｊ　）が限定され赤色加熱
ができない等々の問題点があった。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 本発明は前記の様な欠点を改善し、低温域から高温域ま
での広い範囲で自己温度制御機能を持たせることが出来
、且、電力密度も自由に制御設計することが出来て、更
に赤外放射領域の０．７５μｍ〜３０μｍの波長領域で
９５％以上の放射率を持つ高効率赤外線放射セラミック
ス発熱体を提供するものである。

又、本発明は発熱体自体が高効率赤外線放射体であり、
速熱性、加熱効率に優れており、形状においても膜状、
板状、棒状、筒状、立体状と整形も自在で、耐衝撃性、
耐熱性、耐酸化性にも優れて、かつまた電源電圧も広い
範囲で使用でき工業用は言うまでもなく一般民生用の熱
源として１００ｖ、２００ｖの商用電源で調理や暖房に
供する安定で安全で作業性のよい高効率赤外線放射セラ
ミックス発熱体を提供するものである。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明の高効率赤外線放射セラミック発熱体は炭化珪素
−窒化珪素系の焼結体であり、本発明者等はその組成式
（（Ｓ　ｉ　ＣＬ−ｘ　（Ｓ　ｉ、Ｎ、　）、　）にお
い（Ω・■）の範囲で設定できることを発見した。

又、（（Ｓ　ｉ　Ｃ）、、　（Ｓ　ｉｓＮ＊　）、）の
式中のＳｉＣとＳｉ、Ｎ、　　に微量元素を添加固溶さ
せたときの一般式（［Ｍ　１　＋−，（ｓ　ｉｃ　＞、
］Ｉ−，［Ｍ　２ｒ−ｂ　（ｓ　１ｘＮｓ）ｂｌ、）に
おいてＭｌはＢ、Ａｌ　、Ｃａ、Ｍｇの金属元素の内の
少なくとも一種以上の元素であり、Ｍ２はＬｉ、Ｍｇ、
Ｃａ、Ａ１．Ｙ、Ｌａ、Ｇａの金属元素の内の少なくと
も一種以上の元素であって、ａは０．０２≦ａ≦０２５
、ｂはｏ＜ｂ≦０１６の範囲で制御すると、負の抵抗温
度特性から正の抵抗温度特性にかわる自己温度制御点で
あるキュリー温度を一２０’Ｃ〜ｌ、２００℃の範囲で
設定することが出来る。

（ホ）作用 前記の様な組成比になるように原料を定量混合し第３図
に示すプロセスを経て高効率赤外線放射セラミックス発
熱体を得る。

このプロセスの（６）は窒素の還元雰囲気で、焼成温度
は１５００℃〜１７５０℃の温度域で焼成でき、結晶粒
径の制御が比較的容易に出来るのも利点である９ 又、プロセスの（４）の常温加圧成形時の成形圧は１０
００　）ｔｇ／　ｃｘＸであり、常温加圧成形寸法と焼
成後の仕上り寸法の差は１１５００以下の収縮率で加工
寸法制度が高いのも長所となる。

赤外線放射に関しては炭化珪素、窒化珪素はそれ自体高
効率放射物質であるが、前記原料と製造プロセスにより
該セラミックスは特定波長の陥没がなく：０．７’５μ
ｍ〜３０μｍの範囲の波長域で９５％以上の高放射率を
もたせることか出来る。

更にまた、プロセスの（１）の表面処理において該セラ
ミックス基材１の少なくとも一部分を電気絶縁性かあり
赤外線放射の良い材料２、例えばコージェライト、β−
スポジューメン、窒化珪素等の薄膜を形成させるか、電
気絶縁性があり赤外線透過の良好な材料３、例えば窒化
アルミニウム、β−サイアロン、Ｍ−８ｉ　−Ａ　Ｉ　
−０−Ｎ　（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ）系ガラス、石
英ガラス、透明ホウロウ等々を焼付は等の方法で形成す
れば安全性、作業性の向上になる。

へ）発明の効果 本発明の実施例を図と表とグラフに従って説明する。実
施試料Ｔ−１の形状寸法は、板状で幅１０ｃｍｘ長さｌ
０ＣＩＩＸ厚さ０．５ＣＩ１１の大きさで、式％式％）
］ において、式中のＭｌをＡ１．Ｍ２をＹとして、ａ＝０
．０２、ｂ＝０．０３．ｘ”０．７の各値に物性値制御
したものを１０ピ一ス製作した。

データは１０ピースの平均値を示し、必要に応じて最小
値、最大値も付記した。

表−１はＴ−１の物性値を、表−２はＴ−１の電気的物
理定数を示し、グラフ−１は温度抵抗特性、グラフ−２
は表面温度上昇特性、グラフ−３は電力密度−表面温度
特性、グラフ−４は放射特性を表す。

温度抵抗特性の比抵抗の測定は４探針法で測定し、電力
密度−表面温度特性及び温度上昇試験は試料の厚さ方向
に一組の対向Ｉｎ電極４を焼付は処理後ニッケルのリー
ド線５を銀蝋６で付け、交流１００Ｖ−６０Ｈｚの電源
を印加し空中に水平に保持し自然対流の雰囲気で測定し
た。

グラフ−１から明らかな様に、５５０〜６００°Ｃの間
のＡ点（５６８°Ｃ）の前後で抵抗温度特性が負から正
に急峻に変化しており、６００℃を越えると又負の領域
になるが、６７０℃〜１０００°Ｃの範囲ではほぼ直線
的に変化して、このときの温度係数αは一１５００ＤＩ
）１程度となるが、実用上はグラフ−２に示す様に５８
０℃で制御され熱平衡状態を保っている。

これ等の表やグラフから明らかなように、本発明のセラ
ミックス基材１は高効率赤外線放射体であり、物理的強
度、熱膨脹による歪み変形も問題なく、家庭商用電源で
使用出来て、発熱量も調理、採暖用として十分に供する
ものである。工業用、医療用食品加工用、プラスチック
加工用、各種焼成乾燥炉用等々産業分野の用途の熱源と
して、−般民生用品の熱源として有用であり広く貢献す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施態様を示す一部破断斜視図。第２
図は本発明の高効率赤外線放射セラミックス発熱体に表
外線放射又は赤外線透過材料で絶縁被覆した実施態様を
示す一部破断斜視図。 第３図は本発明の製造プロセスのチャート図。 表−１はＴ−１の物性値、表−２は電気的物理定数を示
す９グラフ−１は温度抵抗特性、グラフ−２はＡＣ１０
０Ｖ／６０Ｈｚを印加通電したときの表面温度上昇特性
、グラフ−３はＡＣ１００Ｖ／６０Ｈｚを印加通電した
ときの電力密度−表面温度特性、グラフ−４は放射特性
を表す。 １・・・・セラミックス基材、高効率赤外線放射セラミ
ックス発熱体、 ２・・・・赤外線放射かつ／または電気絶縁材料３・・
・・赤外線透過かつ／または電気絶縁材料４・・・・焼
付けＩｎ電極 ５・・・・ニッケルリード線 ６・・・・銀蝋 物性植入 表−１ 表−２ 試料温度℃ 時間ｈｒ。 電力密度　Ｗ／ｃｄ 波長μｍ ２＜３）　　　　］ 第２図 高効率赤外線放射セラミックス発熱体の製造行程 第３図 １、事件の表示　平成１年　特許願２１１７５１号発熱
体 ３、補正する者 事件との関係　　　　特許出願人 住　所　大阪府八尾市泉［ｌｒ］″１丁目８５丁目８５
称地　　株式会社　テルモ工業

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　セラミックス基材１が炭化珪素−窒化珪素系の焼
   結体からなる半導体で自己温度制御機能を有し、電気導
   通により該セラミックスが発熱し高効率に赤外線を放射
   することを特徴とする高効率赤外線放射セラミックス発
   熱体。 ２）　セラミックス基材１の炭化珪素−窒化珪素の焼結
   体の組成式｛（ＳｉＣ）＿１＿−＿ｘ（Ｓｉ＿３Ｎ＿４
   ）＿ｘ｝において、ｘを０．１５≦ｘ≦０．９５の範囲
   で制御することにより該セラミックスの比抵抗を１０＾
   ２〜１０＾５（Ω・ｃｍ）の範囲で制御設定出来ること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高効率赤外線
   放射セラミックス発熱体。 ３）　セラミックス基材１の組成ＳＩＣとＳｉ＿３Ｎ＿
   ４に微量の金属元素を固溶させたときの一般式｛［Ｍ１
   ＿１＿−＿ａ（ＳｉＣ）＿ａ］＿１＿−＿ｘ［Ｍ２＿１
   ＿−＿ｂ（Ｓｉ＿３Ｎ＿４）＿ｂ］＿ｘ）において、Ｍ
   １はＢ、Ａｌ、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇの金属の内の少なくとも
   一種以上の元素を、Ｍ２はＬｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｙ
   、Ｌａ、Ｇａのの金属の内の少なくとも一種以上の元素
   を選んで、ａ、ｂを０．０２≦ａ≦０．１６、０＜ｂ≦
   ０．２５の範囲で制御することにより、該セラミックス
   の自己温度制御機能である抵抗温度特性が負の抵抗温度
   係数から正の抵抗温度係数に変るキュリー温度を−２０
   ℃〜１，２００℃の範囲で制御設定できることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項及び第２項記載の高効率赤外
   線放射セラミックス発熱体。 ４）　セラミックス基材１の表面の少なくとも一部分が
   赤外線放射材料かつ／または電気絶縁材料２および／ま
   たは赤外線透過材料かつ／または電気絶縁材料３で被覆
   または構成されていることを特徴とする特許登録請求の
   範囲第１項〜第３項いずれか１項記載の高効率赤外線放
   射セラミックス発熱体。