JPS6340360B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気中で1000℃〜2000℃の温度で使用
できるセラミツクヒータに関する。

従来からヒータとして各種のものが開発され、
いくつかは市販され、実用化されている。その代
表的なものは金属発熱体、炭化けい素発熱体、け
い化モリブデン発熱体それにセラミツク発熱体が
知られている。金属発熱体としては比較的安価な
ニクロム線、鉄−クロム線、カンタル線（Fe−
Cr−Al）が使用されている。これらの発熱体は
裸のままで使用することもあるが、オーブンなど
雰囲気中で使用する場合は絶縁性粉末（例えばマ
グネシア）を入れた金属パイプ（例えばステンレ
ス）中に封入して、雰囲気劣化を防止している。
したがつて耐熱温度もステンレスパイプで決ま
り、最高温度が800℃位である。しかもかかる構
成ではかなり高価になる。さらに高価なものとし
て、白金線が使用されるが、これは使用するシス
テムが特殊な場合に限られる。

高温用発熱体としてもつとも代表的なものは炭
化けい素発熱体である。この発熱体は1400℃の空
気中でも可成りの時間連続して使用できるもの
で、白金以外の金属発熱体に代わつて高温電気炉
用発熱体として広く利用されている。しかしこの
発熱体の大きな欠点は800℃から1000℃で、その
抵抗の温度特性が負の大きな温度係数が急激に正
の温度係数に変化するので、その制御回路を十分
に吟味することが必要となり、その制御回路を含
めて高価になる。したがつて汎用の発熱体として
はほとんど利用されていない。最近さらに高温用
の発熱体としてけい化モリブデンが開発された
が、非常に高価であり一種のグレーズ状になつて
おり機械的強度が弱く、特殊な電気炉のヒータと
して応用されているに過ぎない。前述の炭化けい
素発熱体も機械的強度が余りすぐれていない。

次にもつと新しい発熱体として絶縁性のアルミ
ナ基板上にＷ金属を設け全体をアルミナで被覆し
たものが開発された。これはセラミツクヒータと
して知られているが、1000℃以上の温度で使用す
ることになると、内部のＷが酸化を受け、その抵
抗値が変化する。したがつて表面温度800℃以下
での使用である。この系のセラミツクヒータは安
価な金属発熱体と匹適し得るほど安くなる可能性
が大きく、もつとも期待されるものである。

従来のセラミツクヒータを第１図に半分を断面
図で示す。図において、１はＷ系グレーズの金属
ヒータ、２はアルミナセラミツク、３はNi線の
電極端子、４は銀ロウを示す。金属ヒータ１はア
ルミナセラミツク２の間に配設され、一部露出し
金属ヒータ１と電極端子３を銀ロウ４で接続す
る。このタイプのヒータは金属ヒータ１のＷが
3000℃以上の高融点であるが、空気中1000℃で連
続通電すると、アルミナセラミツクを通じて酸素
拡散が生じ、Ｗの表面層から酸化を受け、WO₃
層を形成し、抵抗値が高くなり、ヒータとしての
安定性が得られない。したがつて800℃以下での
使用が必要である。

本発明は従来の欠点を除去し、空気中1000℃〜
2000℃までの高温に耐え、かつ安価に製造できる
セラミツクヒータを得ることを目的とする。

本発明を図面に基いて説明する。

第２図に本発明のセラミツクヒータの半分を断
面図で示す。

本発明は白金、金、パラジウムなどの貴金属を
使用することなく、比較的安価なサーメツト系材
料である金属の炭化物、窒化物、ほう化物、けい
化物およびカーボンのうちから選ばれた少なくと
も一種を単体または他を混合したものを高融点金
属間に挿入し、これを耐熱性絶縁物で被覆してな
るセラミツクヒータを提供するものである。

本発明のセラミツクヒータは高融点金属が酸化
を受けてもその内部にあるサーメツト系材料やカ
ーボンがヒータとして作用するもので、従来のセ
ラミツクヒータに比べ、ライフ、使用温度と共に
著しく改良される。

本発明の高融点金属としてのＷ、Mo、Ni、
Ta、Nbは耐熱性絶縁物と接着性や熱衝撃などの
なじみ易さなどから選ばれる。勿論これらの金属
はPtやPdに比べて極めて安価である。また高融
点の金属化合物としてTi、Zr、Nb、Hf、Ta、
Mo、Ｖ、Cr、Ｗの窒化物、炭化物、ほう化物、
けい化物がヒータ材料として望ましい。これらと
カーボンはいずれも高融点であり、その抵抗温度
特性が金属性の正の温度係数を示し、さらにまた
前記金属と極めてなじみ易いなどから選ばれる。
次に被覆の耐熱性絶縁物として、アルミナ、マグ
ネシア、シリカ、ジルコニア、チタニアなどの金
属酸化物セラミツクが選ばれる。これらの金属酸
化物は前記金属と接着性や熱衝撃に対しても安定
であり、2000℃近くの耐熱性が得られ、また各種
雰囲気中での使用においてもきわめて安定なこと
などが特徴である。

以上説明した構成に基く本発明のセラミツクヒ
ータは1000℃以上の各種雰囲気での使用において
極めて安定に動作し、オーブンや電気炉などのヒ
ータとして広範囲に応用できる。

本発明のセラミツクヒータの構造を説明する。

図において、１１はヒータ、１２は金属、１３
は耐熱性絶縁物、１４は電極端子、１５は銀ロウ
を示す。

ヒータ１１の材料として、高融点金属化合物で
あるTi、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、Ｖ、Cr、Ｗ群
の窒化物、炭化物、ほう化物、けい化物あるいは
カーボンのうちから選ばれた一種を、または一種
を主成分として他を混合して用いる。金属１２は
高融点金属であるＷ、Mo、Ni、Ta、あるいは
Nb群のうちから選ばれた一種または一種を主成
分とし他を混合したものとする。耐熱性絶縁物１
３はアルミナ、シリカ、マグネシア、チタニアあ
るいはジルコニア群のうちより選ばれた一種また
は一種を主成分とし他を混合したものとする。高
融点金属化合物のヒータ１１の周囲を高融点金属
の金属１２で被覆し、さらにヒータ１１と金属１
２を耐熱性絶縁物１３で被覆し、電極端子１４の
Ni線を、ヒータ１１の両端を図では上方の金属
２と耐熱性絶縁物１３の外部に露出してヒータ１
１と銀ロウ１５で接着して本発明のセラミツクヒ
ータを構成する。

実施例 １ ヒータ１１としてTiN、高融点金属１２とし
てＷ、耐熱性絶縁物１３としてアルミナ磁器を用
いたセラミツクヒータを例にとる。

前記構成のセラミツクヒータを空気中で1300℃
とし連続通電を500hrSしてもヒータ１１の抵抗
値はほとんど変化がみられなかつた。それは金属
１２のＷ層がヒータ１１のTiN層の酸化防止層
として働いているためと考えられる。一方Ｗ層と
TiN層は固溶体を作り、Ｗ層はアルミナ接触部
からの酸化反応の防止層の役割も果している。

実施例 ２ ヒータ１１としてカーボン、高融点金属１２と
してＷ、耐熱性絶縁物１３としてマグネシア磁器
を用いたセラミツクヒータを例にとる。

空気中で1500℃とし、500hrS連続通電しても
ヒータ１１の劣化はほとんど認められない。理由
として、Ｗ層はカーボン層と反応して一部WCを
形成し、Ｗ層、カーボン層と連続固溶した層を形
成し、前記と同様酸化防止層としての役割を果た
すからである。

以上の通り第２図に示す本発明のセラミツクヒ
ータは従来例に比し、耐熱性およびライフとも著
しく改良されている。さらに使用する金属、金属
化合物である窒化物、炭化物、ほう化物、けい化
物、カーボンおよび耐熱性絶縁物は何れも低コス
トであるので、低コストヒータとして製造でき
る。

製造方法を後述するがその製法も汎用的なもの
である。

次に本発明のセラミツクヒータの製造方法を説
明する。

先づ、耐熱性絶縁物である粒径1μｍ程度のア
ルミナ、マグネシア、シリカ、チタニア、ジルコ
ニアの内から選らばれ一種を、または一種を主成
分とし他を混合した粉末を有機バインダと混合
し、一種のペーストとする。前記ペーストを押し
出し機などから直径３〜10mmで押出し長さ数mm〜
30mmの棒状の円柱体として乾燥する。乾燥した前
記円柱体の表面に高融点金属であるＷ、Mo、
Ni、Ta、Nbのうちから選らばれた単体または
一種を主成分とする金属をスパツター蒸着、溶
射、あるいはペースト印刷などにより５〜10μｍ
の厚さに金属層の皮膜を付着する。

前記付着した金属の上に金属の窒化物、炭化
物、ほう化物、けい化物、カーボンの内一種を主
成分とするヒータ成分をスパツター、蒸着、溶射
あるいはペースト印刷などにより５−10μｍの厚
さにヒータ層の皮膜を付着する。さらにヒータ層
の上に高融点金属をスパツター、蒸着、溶射ある
いはペースト印刷などにより金属層の皮膜を付着
する。

このように構成した円柱体の表面に、前記ペー
ストを用いて別に作つておいた耐熱性絶縁物の約
200μｍの厚みの生シートを巻き込む。その後200
℃で十分乾燥を行ない、水素を含むガスや窒素や
アルゴンなどの中性ガス雰囲気中、それぞれの使
用目的例えばオーブンや電気炉に応じて1500℃か
ら2400℃の焼成温度で焼結させる。次に電極端子
を銀ロウで接着する。その後ヒータ１１に通電し
て空気中、それぞれの目的に応じて、1500℃から
2000℃でアニールを行ない安定化させる。

本発明のセラミツクヒータは前記の構成を具備
するので従来にない耐熱性とライフが得られるな
どの作用効果を生ずる。

したがつて、オーブンや電気炉を初めとする各
種の加熱装置のヒータとして幅広く応用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のセラミツクヒータの一部断面
図、第２図は本発明のセラミツクヒータの一部断
面図、を示す。 １１：ヒータ、１２：金属、１３：耐熱性絶縁
物、１４：電極端子、１５：銀ロウ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 耐熱性絶縁物の基体上に高融点の金属の第１
   金属皮膜を、前記第１金属皮膜上に高融点金属の
   金属化合物である金属窒化物、金属炭化物、金属
   ほう化物、金属けい化物およびカーボンのうちよ
   り選ばれた少く共一種の単体また一種を主成分と
   し他を混合した発熱体皮膜を、前記発熱体皮膜上
   には前記の高融点の金属の第２金属皮膜を、およ
   び前記第２金属皮膜上には前記耐熱性絶縁物と同
   一の耐熱性絶縁物を焼結被覆したセラミツクヒー
   タ。 ２ 高融点金属群の単体はＷ、Mo、Ni、Taお
   よびNbである特許請求範囲第１項記載のセラミ
   ツクヒータ。 ３ 高融点金属化合物の金属単体はTi、Zr、
   Nb、Hf、Ta、Mo、Ｖ、CrおよびＷ群である特
   許請求の範囲第１項のセラミツクヒータ。 ４ 耐熱性絶縁物はアルミナ、マグネシヤ、シリ
   カ、ジルコニア、およびチタニアの群の一種また
   一種を主成分とし他を混合したものである特許請
   求の範囲第１項記載のセラミツクヒータ。