(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気抵抗加熱による金属材料の加熱実験を行う加熱装置において、
中空かつ底を有する略柱状部材であって、上記金属材料を加熱するためのヒータを有するヒータカートリッジと、
そのヒータカートリッジの開口部を封鎖する蓋部材と、
試料となる金属材料を封入し、上記蓋部材に支持されるとともに上記ヒータカートリッジの中空部に挿入される試料カートリッジと、からなり、
上記ヒータは、上記蓋部材に片持ち支持され且つ上記ヒータカートリッジに非接触で挿入されている、
ことを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
電気抵抗加熱による金属材料の加熱実験を行う加熱装置において、
中空かつ底を有する略柱状部材であって、上記金属材料を加熱するためのヒータを有するヒータカートリッジと、
そのヒータカートリッジの開口部を封鎖する蓋部材と、
試料となる金属材料を封入し、上記蓋部材に支持されるとともに上記ヒータカートリッジの中空部に挿入される試料カートリッジと、からなり、
上記ヒータカートリッジは、径方向の外側から順に金属部材，断熱材および絶縁材からなる外壁と、径方向の外側から順に絶縁材および耐熱部材からなる内壁と、その外壁および内壁との空間に非接触で挿入されるヒータと、からなる壁を有し、上記試料カートリッジは、径方向の内側から順にセラミックス部材および耐熱部材からなる壁を有する、
ことを特徴とする加熱装置。
【請求項３】
電気抵抗加熱による金属材料の加熱実験を行う加熱装置において、
中空かつ底を有する略柱状部材であって、上記金属材料を加熱するためのヒータを有するヒータカートリッジと、
そのヒータカートリッジの開口部を封鎖する蓋部材と、
試料となる金属材料を封入し、上記蓋部材に支持されるとともに上記ヒータカートリッジの中空部に挿入される試料カートリッジと、からなり、
上記ヒータカートリッジは、径方向の外側から順に金属部材，断熱材，絶縁材およびその絶縁材の内側に非接触で挿入されるヒータからなる壁を有し、上記試料カートリッジは、径方向の内側から順にセラミックス部材，耐熱部材および絶縁材からなる壁を有する、
ことを特徴とする加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気抵抗加熱による金属材料の加熱実験を行う加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の加熱実験には、例えば、合金の合成実験や、溶融金属の熱伝導率の計測など金属の物性を調べるための実験などがある。このような金属材料の電気抵抗加熱による加熱実験を行う加熱装置としては、いわゆる電気炉が使用されている。とくに、２０００℃以上の超高温加熱実験を行う場合には、数十ｋＷ級の電気炉を有する大規模設備を使用したり、高周波電流を利用した高周波加熱方式を使用したり、光を利用した焦点加熱方式などを使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、金属材料の加熱実験が高温領域になるにつれて、電気炉の構造部材の強度が低下するため、電気炉の構造部材の高強度化を図る必要がある。そして、電気炉の構造部材の高強度化を図ると、必然的に設備が大型化し、電力を大量消費してしまう。したがって、小規模な研究所などでは、設置場所を確保することが困難であり、購入費用や電気代を払うことも困難である。また、電力の限られた場所では、温度の上昇限界が低くなるという制約もある。さらに、高周波加熱方式や焦点加熱方式では、部分的には非常に高温にすることができる一方で、均熱領域を確保しにくく、実験の精度が低下する、などの問題点があった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するために創案されたものである。すなわち、装置の小型化および省電力化を図るとともに、金属材料を確実かつ均一に高温領域に至らしめて金属材料の加熱実験を行うことができる加熱装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電気抵抗加熱による金属材料の加熱実験を行う加熱装置において、中空かつ底を有する略柱状部材であって、上記金属材料を加熱するためのヒータを有するヒータカートリッジと、そのヒータカートリッジの開口部を封鎖する蓋部材と、試料となる金属材料を封入し、上記蓋部材に支持されるとともに上記ヒータカートリッジの中空部に挿入される試料カートリッジと、からなり、上記ヒータは、上記蓋部材に片持ち支持され且つ上記ヒータカートリッジに非接触で挿入されている、ことを特徴とする加熱装置が提供される。
【０００６】
上述の本発明の構成によれば、金属材料を試料カートリッジに封入し、その試料カートリッジをヒータで囲まれた狭い空間（ヒータカートリッジの中空部）に挿入し、一つの試料に対して一つの加熱装置を用いることにより、装置の小型化および省電力化を図るとともに、金属材料を確実かつ均一に高温領域に至らしめて金属材料の加熱実験を行うことができる。
【０００７】
また、本発明によれば、電気抵抗加熱による金属材料の加熱実験を行う加熱装置において、中空かつ底を有する略柱状部材であって、上記金属材料を加熱するためのヒータを有するヒータカートリッジと、そのヒータカートリッジの開口部を封鎖する蓋部材と、試料となる金属材料を封入し、上記蓋部材に支持されるとともに上記ヒータカートリッジの中空部に挿入される試料カートリッジと、からなり、上記ヒータカートリッジは、径方向の外側から順に金属部材，断熱材および絶縁材からなる外壁と、径方向の外側から順に絶縁材および耐熱部材からなる内壁と、その外壁および内壁との空間に非接触で挿入されるヒータと、からなる壁を有し、上記試料カートリッジは、径方向の内側から順にセラミックス部材および耐熱部材からなる壁を有することを特徴とする加熱装置が提供される。
【０００８】
上述の本発明によれば、ヒータカートリッジの壁を、金属部材，断熱材および絶縁材からなる外壁と、絶縁材および耐熱部材からなる内壁と、から構成される二重壁構造とし、その外壁と内壁との空間にヒータを挿入することにより、ヒータをヒータカートリッジおよび試料カートリッジから絶縁するとともに、ヒータの発する熱を外壁で遮断し、試料カートリッジに対しては内壁を通して伝熱し、金属材料を加熱する。
【０００９】
さらに、本発明よれば、電気抵抗加熱による金属材料の加熱実験を行う加熱装置において、中空かつ底を有する略柱状部材であって、上記金属材料を加熱するためのヒータを有するヒータカートリッジと、そのヒータカートリッジの開口部を封鎖する蓋部材と、試料となる金属材料を封入し、上記蓋部材に支持されるとともに上記ヒータカートリッジの中空部に挿入される試料カートリッジと、からなり、上記ヒータカートリッジは、径方向の外側から順に金属部材，断熱材，絶縁材およびその絶縁材の内側に非接触で挿入されるヒータからなる壁を有し、上記試料カートリッジは、径方向の内側から順にセラミックス部材，耐熱部材および絶縁材からなる壁を有することを特徴とする加熱装置が提供される。
【００１０】
上述の本発明によれば、絶縁材の設けられたヒータカートリッジの中空部内に、ヒータを剥き出しの状態で挿入し、試料カートリッジの外面に絶縁材を設けることにより、ヒータをヒータカートリッジおよび試料カートリッジから絶縁するとともに、ヒータの発する熱を断熱材で遮断し、試料カートリッジに対しては直接的に伝熱し、金属材料を加熱する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図１から図３を参照して説明する。図１は本発明の加熱装置の側断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１２】
図１に示す本発明の加熱装置は、中空かつ底を有する円柱状部材６であって、金属材料１を加熱するためのヒータ２を有するヒータカートリッジ３と、そのヒータカートリッジ３の開口部を封鎖する蓋部材４と、試料となる金属材料１を封入し、蓋部材４に支持されるとともにヒータカートリッジ３の中空部に挿入される試料カートリッジ５と、からなり、その軸方向を鉛直方向に向けて使用するものである。
【００１３】
ヒータカートリッジ３は、図１および図２に示すように、径方向の外側から順に金属部材７，断熱材８および絶縁材９からなる外壁２１と、径方向の外側から順に絶縁材１１および耐熱部材１２からなる内壁２２と、その外壁２１および内壁２２との空間１０に非接触で挿入されるヒータ２と、からなる壁を有している。すなわち、ヒータカートリッジ３は、外壁２１および内壁２２から構成される二重壁構造をなしている。ヒータカートリッジ３の壁を、このように構成することにより、ヒータ２をヒータカートリッジ３および試料カートリッジ５から絶縁するとともに、ヒータ２の発する熱を外壁２１で遮断し、試料カートリッジ５に対しては内壁２２を通して伝熱し、効率よく金属材料１を加熱することができる。なお、図２ではヒータ２を省略している。
【００１４】
ヒータカートリッジ３の外殻となる金属部材７は、内面に断熱材８を備えているが、完全に熱を遮断することは期待できないため、ある程度の耐熱性を有する部材（例えばステンレスなど）であることが好ましい。断熱材８としては、グラファイトやセラミックスなどを使用するが、２０００℃以上の超高温域における金属材料の加熱実験をする場合には、グラファイトを使用するのが好ましい。グラファイトは高い断熱性を有しているため、その厚さを薄くすることができ、装置の小型化を図ることができるからである。絶縁材９，１１としては、セラミックス，窒化ほう素，酸化ベリリウムなどが使用され、ヒータ２がヒータカートリッジ３または試料カートリッジ５と接触しても通電しないようにして、ヒータ２の効率の低下を防止するとともに安全性を確保している。また、内壁２２には断熱材を設けることができないため、耐熱部材１２として、とくに耐熱性の高い金属（例えばタンタルなど）を使用している。
【００１５】
上述したように、この外壁２１および内壁２２の空間１０にヒータ２が挿入され、蓋部材４により片持ちで支持されている。ヒータ２の両端は加熱装置の外部に延び、電極端子（図示せず）に接続される。このように、ヒータ２を片持ちで支持するとともに、空間１０を設けることにより、ヒータ２自身の熱膨張に対応することができ、電気的な絶縁状態を維持することができる。さらに、この空間１０は真空雰囲気または不活性ガス雰囲気になっている。ヒータ２の性能を維持するとともに、断熱効果を向上させるためである。
【００１６】
また、ヒータ２は、実験に必要な温度により、種々のもの（モリブデン、タングステン、タンタル、グラファイトなど）を使用することができるが、その形状については、スパイラル（螺旋）形状であることが好ましい。スパイラル（螺旋）形状が熱源としての性能を損なうことなく、最も効率よく小型化できるからである。もちろん、棒状，板状，波状，メッシュ状のものを使用しても差し支えない。例えば、２０００℃以上の超高温域における金属材料の加熱実験をする場合には、スパイラル（螺旋）形状のグラファイトを使用するのが好ましい。数百Ｗから１ｋＷ程度の電力で２０００℃以上に達することができ、装置の省電力化を図ることができるからである。
【００１７】
試料カートリッジ５は、試料となる金属材料１を封入する容器２３と、その容器２３を支持する支持部材２４と、容器２３内に設けられたセラミックス製のルツボ１３と、からなり、支持部材２４を蓋部材４に固定して、金属材料１を封入する容器２３をヒータカートリッジ３の中空部内で安定させている。この容器２３は、図１に示すように、支持部材２４と連結した上蓋２５と、底部となる下蓋２６と、円筒形状の耐熱部材１４と、から構成され、ボルトなど（図示せず）により接合されている。したがって、試料カートリッジ５は、径方向の内側から順にセラミックス部材（ルツボ１３）および耐熱部材１４からなる壁を有していることになる。この上蓋２５、下蓋２６および耐熱部材１４は、いずれも、上述したヒータカートリッジ３で使用する耐熱部材１２と同様に耐熱性の高い金属（例えばタンタルなど）を使用している。なお、ルツボ１３は、金属材料１が溶融したときに化学反応を起こさないようにするために、セラミックス製のものを使用し、同様の趣旨で容器２３の内部は真空または不活性ガス雰囲気にしている。
【００１８】
蓋部材４は、略円板形状をなしており、その中心部に試料カートリッジ５の支持部材２４がＯリングを介して挿着されている。また、蓋部材４の周縁部には、冷却水を流通させるための流路２７が設けられている。蓋部材４とヒータカートリッジ３とは、図１に示すように溶接して接合してもよいし、ボルトなどにより連結してもよい。また、ヒータカートリッジ３の内部の温度を計測するための温度計（例えば放射温度計）２８なども、この蓋部材４により支持されている。
【００１９】
上述の本発明の加熱装置を使用する場合には、そのまま放置して使用してもよいが、安全性や熱効率を考慮して、耐熱性・断熱性を有する金属などからなる格納容器２９に格納するようにしてもよい。例えば、図１に示すように、本発明の加熱装置の蓋部材４と格納容器２９とをボルト３０などにより接続することが考えられる。この場合、格納容器２９の接合部である上面は、熱せられやすいため、冷却水を流通させるための流路３１を設けるようにしてもよい。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施の形態を示す図であり、図１と同様な側断面図である。基本的な構成は図１に示す実施の形態と同様であるが、図３に示す本発明の加熱装置では、ヒータカートリッジ３が、径方向の外側から順に金属部材１５，断熱材１６，絶縁材１７およびその絶縁材１７の内側に非接触で挿入されるヒータ２からなる壁を有し、試料カートリッジ５が、径方向の内側から順にセラミックス部材（ルツボ１８），耐熱部材１９および絶縁材２０からなる壁を有するものである。これら金属部材１５，断熱材１６，絶縁材１７，セラミックス部材（ルツボ１８），耐熱部材１９，絶縁材２０は、いずれも図１で説明したものと同様のものであり、それらの説明は省略する。
【００２１】
この実施の形態では、ヒータ２がヒータカートリッジ３の中空部内で剥き出しになっており、そのヒータ２の内部に直に試料カートリッジ５が挿入されるようになっている。そこで、試料カートリッジ５の外面に絶縁材２０を設けて、ヒータ２が試料カートリッジ５と接触しても通電しないようしている。このようにヒータカートリッジ３および試料カートリッジ５を構成することにより、ヒータ２の発する熱を断熱材１６で遮断し、試料カートリッジ５に対しては直接的に伝熱し、効率よく金属材料１を加熱することができる。また、２０００℃レベルの高温では、ヒータ２としてスパイラル（螺旋）形状のグラファイトを使用し、絶縁材１７および絶縁材２０の間にはＡｒガスを封入して、ヒータ２の蒸発を抑えるようにしてもよい。
【００２２】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、ヒータカートリッジが角柱状部材であるなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上述した本発明の加熱装置によれば、金属材料を試料カートリッジに封入し、その試料カートリッジをヒータカートリッジの中空部に挿入し、一つの試料に対して一つの加熱装置を用いることにより、装置の小型化および省電力化を図るとともに、金属材料を確実かつ均一に高温領域に至らしめて金属材料の加熱実験を行うことができる、などの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱装置の側断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態を示す図であり、図１と同様な側断面図である。
【符号の説明】
１  金属材料
２  ヒータ
３  ヒータカートリッジ
４  蓋部材
５  試料カートリッジ
６  円柱状部材（略柱状部材）
７，１５  金属部材
８，１６  断熱材
９，１１，１７，２０  絶縁材
１０  空間
１２，１４，１９  耐熱部材
１３，１８  ルツボ（セラミックス部材）
２１  外壁
２２  内壁
２３  容器
２４  支持部材
２５  上蓋
２６  下蓋
２７，３１  流路
２８  温度計
２９  格納容器
３０  ボルト
【図１】
0003719769.tif 000002
【図２】
0003719769.tif 000003
【図３】
0003719769.tif 000004