JPH10116676A

JPH10116676A - ヒーター用均熱材

Info

Publication number: JPH10116676A
Application number: JP28585796A
Authority: JP
Inventors: Mutsuo Hayashi; 睦夫林; Mitsuyoshi Kimura; 光良木村; Kazunari Naito; 一成内藤; Heishiro Takahashi; 平四郎高橋; Hiromasa Shimojima; 浩正下嶋
Original assignee: SERANKUSU KK; Nihon Cement Co Ltd
Current assignee: SERANKUSU KK; Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 1998-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のヒーター用均熱材は、鉄では錆の発生
や均熱性に、ステンレスでは均熱性に、アルミニウム合
金では耐熱性に、セラミックスではコストに問題があっ
た。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金マ
トリックス中に、体積分率が１０〜８５％のセラミック
ス粉末または／及びセラミックス繊維を分散させた金属
−セラミックス複合材料から成ることとしたヒーター用
均熱材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒーター用均熱材
に関し、特に金属−セラミックス複合材料を用いたヒー
ター用均熱材に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】数百℃以下の温度で加熱す
る工業用ヒーターには、一般にニクロム線、炭化けい素
発熱体等の材料が用いられているが、これら材料のヒー
ターはそのまま裸で用いる例は少なく、金属またはセラ
ミックス製の均熱材を被加熱物との間に介して用いられ
ている。その理由は、これらヒーターによる加熱では、
輻射による熱量が少ないがために伝導、対流による伝熱
で加熱しなければならず、その伝導、対流により被加熱
部全体を均一に加熱するためには、ヒーターからの熱を
前記した均熱材で一旦受け、その受けた熱を均熱材で均
一にして被加熱物を加熱する必要があるためである。

【０００３】このヒーター用均熱材としては、鉄、アル
ミニウム合金、ステンレス等の金属、もしくは炭化けい
素、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化けい素等のセラ
ミックスが使われている。これら均熱材の特徴を次に述
べるが、いずれも以下の様な問題があり、工業的に満足
できる均熱材が得られなかった。

【０００４】それは先ず鉄の場合、安価で加工も容易で
あるが、錆が発生するので、半導体や液晶の製造工程等
コンタミを極端に嫌う箇所には使用できないこと、錆に
よる劣化が生じ易いので、長時間使用するヒーターには
使用できないこと、熱伝導率がさほど高くないので、均
熱性に劣ること、熱膨張係数が大きいので、高温で使用
した場合、変形や部材の剥離などが生じる恐れがあるこ
と等の問題があった。

【０００５】また、ステンレスの場合、耐熱性があり、
錆びにくいので長時間の使用に耐えるが、熱伝導率が鉄
より低いのでさらに均熱性に劣り、本来の目的である均
一な温度分布を有する均熱材が得られ難いこと、熱伝導
率が低いことでヒーターと被加熱部との間の温度差が大
きくなり、非加熱部の温度を同じ温度に保つためには使
用電力が大きくなること、その温度に保つべく温度制御
する際のフィードバックのための命令に対するレスポン
スが遅くなること等の問題があった。

【０００６】さらに、アルミニウムの場合、安価で加工
が容易な上に熱伝導率が高く均熱性に優れているので、
均熱材として用いるのには適しているが、耐熱性の点で
問題があり、３５０〜４００℃の低温で軟化し、クリー
プし始めるので、長時間使用するまたは４００℃以上の
高温で使用するヒーター用の均熱材には使用できないと
いう問題があった。

【０００７】さらにまた、セラミックスの場合は、熱膨
張係数が低く、耐熱性があり、高温でも安定しているの
で、ヒーター用均熱材としては適しているものの、セラ
ミックスは成形、焼結、研削、研磨等セラミックス特有
の手間及びコストのかかる製造工程が必要であるので、
非常に高価であること、複雑な形状のヒーター用には適
さないこと、また、靱性値が低く、脆く、割れやすいの
で、取り扱いにくいこと等の問題があった。さらに品種
によっては、例えばアルミナ、窒化けい素などの熱伝導
率の低いセラミックスについては、均熱性に劣るという
問題もあった。

【０００８】本発明は、上述したヒーター用均熱材が有
する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、均
熱性に優れ、高温でも問題なく使用でき、しかも比較的
安価で加工も容易なヒーター用均熱材を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、アルミニウムまたは
アルミニウム合金とセラミックス粉末または／及びセラ
ミックス繊維から成る金属−セラミックス複合材料を均
熱材として用いれば、均熱性に優れた、また高温でも問
題なく使用でき、さらには比較的安価で加工も容易なヒ
ーター用均熱材とすることができるとの知見を得て本発
明を完成した。

【００１０】即ち本発明は、（１）アルミニウムまたは
アルミニウム合金マトリックス中に、体積分率が１０〜
８５％のセラミックス粉末または／及びセラミックス繊
維を分散させた金属−セラミックス複合材料から成るこ
とを特徴とするヒーター用均熱材（請求項１）とし、ま
た、（２）前記セラミックス粉末の体積分率が、３０〜
８５％であることを特徴とする請求項１記載のヒーター
用均熱材（請求項２）とし、さらに、（３）前記セラミ
ックス繊維の体積分率が、１０〜５０％であることを特
徴とする請求項１記載のヒーター用均熱材（請求項３）
とし、さらにまた、（４）前記セラミックス粉末が、炭
化けい素、窒化アルミニウム等の高熱伝導率を有するセ
ラミックス粉末であることを特徴とする請求項１記載の
ヒーター用均熱材（請求項４）とすることを要旨とす
る。以下さらに詳細に説明する。

【００１１】上記均熱材中の金属としては、アルミニウ
ムまたはアルミニウム合金とした。アルミニウム系金属
は、耐熱性には劣るが安価であり、また熱伝導率が高い
ので、均熱性に優れ、温度差の小さいことが必要な均熱
材に適していることによる。一方、複合材料中のセラミ
ックスとしては、炭化けい素、炭化チタン等の炭化物、
窒化けい素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化
物、アルミナ、ムライト等の酸化物等一般に市販されて
いるほとんどのセラミックス粉末が使用できる。その中
で炭化けい素、窒化アルミニウムは、熱伝導率が高いの
で、セラミックスの体積分率が高くなっても均熱性の低
下が少なくより好ましい。

【００１２】上記金属とセラミックスとの割合は、セラ
ミックスの体積分率を１０〜８５％とした。この範囲に
限定する理由は、均熱材として使用する場合の機械的性
質や耐熱性、均熱性などによるものである。それは、体
積分率が本発明の範囲にあれば、均熱性に優れ、高温で
も問題なく均熱材として使用できるが、１０％より少な
いと金属のみと同じように機械的強度が弱く、また高温
での耐熱性に劣り加熱中に均熱材がだれたり、変形した
りする。一方、８５％を超えるとセラミックスに近い性
質となり、脆く取り扱いにくい均熱材となり加工面で劣
り、また熱伝導率の低いアルミナ粉末、窒化けい素粉末
などでは均熱性が低くなり均熱性に問題が生ずる。この
ように、上記に示した金属−セラミックス複合材料を均
熱材とすれば、従来の問題を解決した均熱材とすること
ができる。

【００１３】また、上記セラミックスが粉末の場合に
は、上記体積分率の範囲は、３０〜８５％がより好まし
く、繊維の場合には、１０〜５０％がより好ましいとし
た。これは、粉末であるとこの範囲が機械的強度、製造
のし易さに優れているのでより好ましく、繊維であると
この範囲が製造のし易さに優れているのでより好ましい
ことによる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のヒーター用均熱材として
用いる金属−セラミックス複合材料の製造方法について
は、その製造技術が古くから研究されてきたが、最近の
製造技術の進歩により幾つかの方法が工業的に応用でき
る段階になってきた。その中で特に優れた方法として米
国ランクサイド社が開発した非加圧浸透法がある。この
方法は、先ず炭化けい素、窒化アルミニウム、アルミナ
等のセラミックス粉末の成形体からプリフォームを形成
し、そのプリフォームにアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金を常圧の窒素等の非酸化雰囲気中で７００〜９０
０℃の温度で加熱処理することにより浸透させ、プリフ
ォームとほぼ同じ形状の金属−セラミックス複合材料を
得る方法である。

【００１５】この方法は、原理的にはあらかじめ形成し
たプリフォーム中のセラミックス粉末粒子間、またはセ
ラミックス繊維間にアルミニウムまたはアルミニウム合
金を浸透させる方法であるが、プリフォームを簡単に形
成できる上にプリフォームの嵩密度をコントロールする
だけで複合材料中のセラミックスの占める体積分率を自
由に変えることができるので、粒子であれば３０〜８５
％の、繊維であれば１０〜５０％の広範囲でしかも高い
体積分率を有する複合材料を容易に製造することができ
る優れた方法である。このように、金属−セラミックス
複合材料を容易に製造できるので、目的に合った体積分
率を有する金属−セラミックス複合材料から成る均熱材
を比較的安価で簡単に得ることができる。

【００１６】上記以外の製造方法としては、セラミック
ス粉末を混合した溶融金属を鋳造する鋳造法による方法
でも簡単に製造できる。鋳造方法には砂型鋳造法、ダイ
キャスト法、スクイーズキャスト法、ロストワックス法
等の鋳造法があるが、いずれの方法でも金属−セラミッ
クス複合材料を製造できる。鋳造法は周知の方法である
ので説明は省くが、この鋳造法で製造した金属−セラミ
ックス複合材料のインゴットが既に市販されており、例
えば米国ランクサイド社からは炭化けい素の体積分率が
２０％及び３０％のインゴットが、アルキャン社からは
アルミナ及び炭化けい素の体積分率が２０％のインゴッ
トが市販されており、これら市販品からも容易に均熱材
を得ることができる。

【００１７】さらに他の製造方法としては、セラミック
ス粉末またはセラミックス繊維のプリフォームに、アル
ミニウムまたはアルミニウム合金を高圧で浸透させる方
法でも製造できる。この方法は、例えば、金型内に金型
形状とほぼ同形状のセラミックス粉末またはセラミック
ス繊維のプリフォームを置き、そのプリフォーム中に鋳
造法で使用されているスクイーズキャスト法により高圧
で溶融金属を射出し浸透させると金型形状に応じた複合
材料が製造できる。

【００１８】上記の方法で製造された複合材料は、比較
的複雑な形状品でも製造できるので、そのままヒーター
用均熱材として使用できる場合もあるが、通常は仕上げ
加工を行い装置に装着できるようにする。この複合材料
は、アルミニウムまたはアルミニウム合金に比べて難削
材ではあるが、最近の工具の進歩、研削、研磨機械の進
歩によりかなり容易に仕上げ加工できるようになった。
例えば、セラミックスの体積分率が４０％以下の複合材
料に対しては、超硬合金または多結晶ダイアモンドの工
具によりフライス加工、エンドミル加工で容易に仕上げ
加工することができる。また、体積分率が４０％より高
い複合材料に対しても、＃８０、あるいは＃１００と言
った比較的粗いダイアモンド砥石でかなり短時間で容易
に仕上げ加工することができる。

【００１９】以上の通り、上記の方法で簡単にアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金を金属とする金属−セラミ
ックス複合材料を作製することができるので、それをヒ
ーター用均熱材に用いれば、均熱性に優れた、高温でも
問題なく使用できる、しかも比較的安価で加工も容易な
ヒーター用均熱材とすることができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的
に挙げ、本発明をより詳細に説明する。

【００２１】（実施例１〜５）（１）プリフォームの形成表１に示すセラミックス粉末またはセラミックス繊維を
用い、それにバインダーを加えポットミル等で混合した
後、得られたスラリーを直径２３３ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
の型に流し込み成形した。その成形体を大気雰囲気中で
１０５０℃の温度で焼成し、冷却して表１に示す体積分
率を有するプリフォームを形成した。

【００２２】（２）ヒーター用均熱板の作製得られたプリフォームの上にプリフォームの１．２倍の
重量のＡｌ−１５Ｓｉ−５Ｍｇの合金を置き、８５０℃
窒素気流中でプリフォームに合金を含浸させた後、冷却
して金属−セラミックスの複合材料を作製した。得られ
た複合材料をレジンボンドのダイヤモンド砥石で研削、
研磨して直径２３０ｍｍで厚さ８ｍｍの均熱板を作製し
た。

【００２３】（３）評価図１に示すヒーター（直径２３０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）
の上面に、均熱板を図１の如く配した。なお、均熱板は
図１の如く中心の止め金及び周囲に配したアルミナ製の
ヒーターカバーで固定されている。ヒーターは通常使用
されているシーズヒーターであり、シーズヒーター内に
は渦巻き状にニクロム線が埋め込まれていてその発熱体
に電流を流し加熱した。加熱したヒーター内部の温度を
図１の如く熱電対で測定しながら４７０℃の温度に保持
し、同時に均熱板の表面を非接触式の赤外感知式温度計
で図２の各点（ａ〜ｉ）の温度を測定し、最高温度と最
低温度との温度差を求めた。また、別に均熱板を４５０
℃または５００℃の電気炉中に入れ、６時間保持した後
冷却し、冷却した均熱板を定盤上に載置して均熱板の最
大と最小の高さを測定し、その差を歪として求めた。そ
れらの結果を表１に示す。

【００２４】（比較例１〜４）（１）ヒーター用均熱板の作製表１に示す金属を超硬合金製のバイトでフライス仕上げ
加工することにより実施例と同様に直径２３０ｍｍで厚
さ８ｍｍの均熱板を作製した。

【００２５】（３）評価得られた均熱板の温度差及び歪を実施例と同様に求め
た。それらの結果を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１から明らかなように、実施例において
は、均熱板面の温度差がいずれも１℃であり、極めて均
熱性に優れていることを示していた。また、均熱板の歪
も０．２ｍｍ以下でほとんど歪まなかった。これに対し
て比較例１では、温度差が小さく均熱性に優れているも
のの、歪が大きく、４５０℃以上の温度では使い難いこ
とを示していた。また、比較例２、３では、温度差も大
きく、歪も比較例１よりは小さいが実施例よりはるかに
大きかった。さらに、比較例４では、温度差が小さく、
歪も小さく優れていたが、この均熱板を作製するのに実
施例よりかなりの手間とコストがかかり、作製の点で満
足できなかった。

【００２８】

【発明の効果】以上の通り、本発明の金属をアルミニウ
ムまたはアルミニウム合金を金属とする金属−セラミッ
クス複合材料をヒーター用均熱材として用いれば、従来
の均熱材に比べ均熱性に優れ、高温でも問題なく使用で
き、しかも比較的安価で簡単に作製できるヒーター用均
熱材を提供できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒーター用均熱板をヒーターの上部に
配した断面図である。

【図２】本発明のヒーター用均熱板の温度測定箇所を示
す図である。

【符号の説明】

１均熱板５熱電対２ヒーター６支持棒３ヒーターカバー７ベース４止め金

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋平四郎千葉県松戸市松戸新田314−１ (72)発明者下嶋浩正東京都北区浮間１−３−１−502

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムまたはアルミニウム合金マ
トリックス中に、体積分率が１０〜８５％のセラミック
ス粉末または／及びセラミックス繊維を分散させた金属
−セラミックス複合材料から成ることを特徴とするヒー
ター用均熱材。
【請求項２】前記セラミックス粉末の体積分率が、３
０〜８５％であることを特徴とする請求項１記載のヒー
ター用均熱材。
【請求項３】前記セラミックス繊維の体積分率が、１
０〜５０％であることを特徴とする請求項１記載のヒー
ター用均熱材。
【請求項４】前記セラミックス粉末が、炭化けい素、
窒化アルミニウム等の高熱伝導率を有するセラミックス
粉末であることを特徴とする請求項１記載のヒーター用
均熱材。