JPH0644506B2 - 抵抗発熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、炭化珪素質の抵抗発熱体に関し、特に応用範
囲の広いコイル形状を成し、耐酸化性、高温時の強度劣
化のない抵抗発熱体に関する。

（従来の技術） 高温電気炉用発熱体として黒鉛材料から加工された黒鉛
発熱体は耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性に優れているため
各種の工業炉に使用されている。

しかし、黒鉛は空気中や水蒸気等の存在する雰囲気では
約５００℃から酸化され始めるため、酸化雰囲気では使
用できず、応用範囲が限定されるという欠点があった。

そこで、従来１６００℃以下の空気中でも使用できる発
熱体として、炭化珪素粉粒体とバインダー、及び焼結助
剤等を混練し形成したものを焼成して作った炭化珪素発
熱体が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、この炭化珪素発熱体は高温炉に使用した場合、
発熱体内部に発生する応力を吸収できずにクラックを発
生したり、あるいはクリープを起こしやすく、熱変形が
激しく発熱時の振動等によって炉内での固定不良を起こ
す等の問題点があった。

本発明は、かかる現状に鑑み、より弾性と可撓性を増
し、振動等による炉内での発熱体の固定不良を防止し、
発熱体内部に発生する応力によって生ずる発熱体のクラ
ックをなくして応用範囲の広い炭化珪素質抵抗発熱体に
ついて研究を重ねた結果、以下に示すようにすれば目的
を達成できることを見い出した。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明は、多孔質な炭化珪素質中空線状体よ
りなるコイル形状の抵抗発熱体を要旨とするものであ
り、このような炭化珪素質のコイル形状発熱体は、コイ
ル弾性によって他の形状の発熱体では作用しない応力吸
収能があり、振動等による炉内での発熱体の固定不良を
防止し、発熱体内部に発生する応力によって生ずる発熱
体のクラックをなくして炉の設計に柔軟性を与える。

また、本発明による炭化珪素質抵抗発熱体は焼結助剤を
含んだ炭化珪素質焼結体とは異なり、炭化珪素質のみに
よって構成された反応焼結体で、高温使用中に液相をつ
くるような低融点酸化物等を含んでいないため、高温下
での急激な強度劣化やクリープを起こすことがない。

さらに、炭化珪素質抵抗発熱体のコイル形状が多孔質な
炭化珪素質中空線状体より構成された中空構造としてい
るので、中空部に不活性ガスを流し、コイル状抵抗発熱
体の酸化消耗を防止することができる。

次に、本発明に係る抵抗発熱体は、 「コークス、カーボンブラック、黒鉛粉、ピッチ類、繊
維状物、合成樹脂の一種もしくは二種以上の混合物を出
発原料とし、線状体に成形した後、コイル形状に賦形
し、その後、不融化し、該不融化コイル状物を７００℃
〜２３００℃の範囲に加熱焼成する第一工程、 第一工程によって得られたコイル状物を１７００℃〜２
３００℃の温度領域において一酸化珪素と反応させて芯
部を残して炭化珪素化する第二工程、 第二工程によって得られた芯部を残して炭化珪素化した
該コイル状物を６００℃〜１５００℃の酸化雰囲気中で
加熱し、芯部の炭素部分を酸化除去する第三工程。」 によって製造される。

前記製造方法では、第一工程で得られた炭素質のコイル
状物に一酸化珪素ガスを拡散浸透させて炭素質コイル状
物を炭化珪素に転化させるコンバージョン法を用いてい
るため、第一工程で成形されたままの形を保って炭化珪
素になり、後加工をする必要がない。

本発明に用いる出発原料としてのコークスはピッチコー
クス、石油コークスなどを指称するものであり、カーボ
ンブラックはチャンネルブラック、ファーネスブラッ
ク、ランプブラック、サーマルブラックなどである。

黒鉛粉は天然黒鉛としてりん状黒鉛、土状黒鉛や、その
他キッシュ黒鉛や人造黒鉛を用いる。

ピッチ類はコールタールピッチ、石油ピッチ等を用い
る。

繊維状物は炭素繊維、炭化珪素繊維等を用いる。

合成樹脂としてはフェノール樹脂やフラン樹脂等の熱硬
化性樹脂やポリアミド、ポリイミド等の熱可塑性樹脂、
その他の各種高分子物質を用いる。

これら上記の一種又は二種以上の混合物を加圧、加熱混
練機によって均一に混練する。

配合された出発原料は押出成形機で線状体にされ、中子
に巻きつけコイル状に成形固定する。

このようにして得られた成形体は２００℃〜３００℃の
空気中で不融化する。次に、７００℃〜２３００℃、好
ましくは１０００℃〜１２００℃で加熱焼成して炭素化
する。

炭素化されたコイル状物は一酸化珪素ガスと反応させて
炭化珪素に転化させ、芯部を未反応の炭素部分として残
留させる。

炭素化されたコイル状物を炭化珪素に転化するには、一
酸化珪素ガス雰囲気内で、１７００℃〜２３００℃の温
度範囲に加熱して行なうのが好ましい。ここで一酸化珪
素ガスは珪素粉と二酸化珪素粉の混合体、あるいは炭素
粉と二酸化珪素粉の混合体を１４００℃〜２３００℃に
加熱させることにより発生させることができる。

処理温度が１７００℃以下になると一酸化珪素ガスは雰
囲気中の一酸化炭素ガスと優先的に反応して繊維状の微
細な炭化珪素ウィスカーを生じ、炭素表面上で成長する
ため、炭素化コイル状物内部への炭化珪素転化は起こり
にくい。一方、処理温度が２３００℃以上になると炭化
珪素に転化した層が分解を起こし始めるので好ましくな
い。

炭化珪素質中空線状体よりなるコイル形状の抵抗発熱体
を得るには芯部に未反応炭素部分を持つ炭化珪素質コイ
ル状物の該炭素部分を酸化除去することによって達成さ
れる。

酸化除去する方法としては空気中６００℃〜１５００℃
の温度下に該コイル状物を放置しておけば、コンバージ
ョン法によって得られた炭化珪素質は多孔質で、炭化珪
素に転化する前の炭素体のポロシティーと同一であるた
め、芯部の炭素部分が拡散浸透してきた空気と選択的に
反応して酸化除去される。

炭化珪素質中空線状体よりなるコイル形状の抵抗発熱体
は中空部にヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガス
を流すことによって、空気中２０００℃付近の高温で使
用しても、中空部から多孔質の炭化珪素厚肉部を通過し
て発熱体表面へ不活性ガスがただよい出てくるため、空
気に対して不活性ガスの境膜バリヤーを形成して表層の
炭化珪素質の酸化消耗を低くおさえる働きがある。

又、炭化珪素質中空線状体よりなる抵抗発熱体の中空部
に各種ガス体を流すことによって、必要とする温度のガ
ス体を手軽に精度良く得ることができ、多方面に応用範
囲を広げることができる。

一般に、炭化珪素発熱体の製造方法では、複雑形状のも
のをつくることができず、炭化珪素自体が高硬度のため
後加工をするにしても極めて困難であった。しかし、上
記製造方法によって中空線状体より成るコイル状の炭化
珪素質抵抗発熱体を容易に製造することができる。

また、黒鉛ブロックから切り出して、スリットを入れた
り、スパイラル状に切削加工したものを珪化反応によっ
て炭化珪素に転化して発熱体を作る方法も考えられる
が、黒鉛ブロックからコイル形状のもの、或いは中空線
状体よりなるコイル形状に加工切り出しすることは不可
能に近く、上記製造方法を用いることによってコイル状
の炭化珪素質抵抗発熱体を効率よく製造することができ
る。したがって、上記製造方法は工業的な生産に適した
製造方法である。

次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。

（実施例） 実施例１ 炭素骨材として石油コークス１５部、ランプブラック４
５部、人造黒鉛粉２８部、土状黒鉛粉２部、レゾール型
フェノール樹脂１０部の１００重量部に対しコールター
ルピッチ４９重量部を２本のＺ型混和翼を組合せて使用
した混練機に入れて１５０分かけて混合した。なお混合
に際してはまず常温で炭素骨材とコールタールピッチと
を充分に混ぜ合せてから、１７０℃に昇温したのち１２
０分間混合した。

得られた混合物を押出成形機に供給して押出し温度１５
０℃で３mmφの線状体に押し出し、直径３０mmφの黒鉛
製中子に第１図に示すようにコイル状に巻き取った。こ
れを２００℃、２４時間空気中で不融化した後、昇温速
度約３００℃／ｈｒにより２０００℃まで昇温して炭素
質コイル状物を得た。

得られた炭素質コイル状物を珪素粉と二酸化珪素粉の混
合成形体２kg（モル比１．０）と接触しないように同一
黒鉛容器に入れ密閉し、１９５０℃で加熱し、この温度
で３０分間保持した。

この処理の結果、第２図に示すような線状体断面が芯部
に炭素部分を残して、囲りがβ型炭化珪素に転化したコ
イル状物を得た。これを８００℃空気雰囲気の炉内に入
れて芯部の炭素部分を酸化除去し、第３図に示すような
炭化珪素質中空線状体よりなるコイル状抵抗発熱体が得
られた。該発熱体の給電端子部はアルミニウムメタリコ
ン処理を施した。

得られた発熱体の中空部に０．５／ｍｉｎのアルゴン
ガスを流しながら、空気中１９００℃まで加熱し、３０
回くり返し使用したが、発熱体の電気抵抗の変化、クラ
ック及び熱変形はほとんど認められなかった。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の抵抗発熱体はコイル形状
をとった炭化珪素質で構成されているため、空気中でも
安心して使え、かつコイル弾性と高温での強度保持が確
保されるため炉設計の上で極めて応用範囲の広いもので
ある。

又、複雑なコイル形状のものも、賦形用の樹脂や黒鉛等
でできた各種材質の中子をいろいろな形状にすることに
よって可能となり、切削加工では不可能な形状も短時間
に製作できる。又、サイズも制限なく選べる。

さらに、抵抗発熱体のコイル形状が多孔質な炭化珪素質
中空線状体より構成された中空構造であるので、中空部
に不活性ガスを流し、コイル状抵抗発熱体の酸化消耗を
防止したり、線状体断面の温度差を低減できる。このこ
とによって、炭化珪素の分解温度である、２３００℃ま
で空気中で発熱体として用いることができ、産業上寄与
するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る製造方法において、加熱処理され
た炭素質コイル状物を示す正面図、第２図は内部に中空
を有するコイル状炭化珪素質抵抗発熱体を製造する場合
の製造途中のコイル状物の線状体断面をあらわし、芯部
に炭素部分を残して周囲が炭化珪素化された状態を示す
断面図、第３図は芯部の炭素部分を酸化除去して得られ
たコイル状炭化珪素質抵抗発熱体を形成する線状体の断
面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質な炭化珪素質中空線状体よりなるコ
   イル形状の抵抗発熱体。