(57)【要約】      （修正有）【課題】より高温でかつ短時間に被処理物を加熱し得るとともに永久膨張を抑制し、長寿命で成形の自由度の高い金属発熱体および発熱構造体を提供する。【解決手段】長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、長手方向に対する垂直断面直径が、金属製平板の横幅の０．５〜１０倍であるとともに金属製平板の厚みの５倍以上であり、かつ３５ｍｍ以下である金属発熱体１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、
長手方向に対する垂直断面直径が、前記金属製平板の横幅の０．５〜１０倍であるとともに前記金属製平板の厚みの５倍以上であり、かつ３５ｍｍ以下である
ことを特徴とする金属発熱体。
【請求項２】
長手方向に対する垂直断面直径が４〜３５ｍｍである請求項１に記載の金属発熱体。
【請求項３】
前記金属製平板の横幅が５〜３０ｍｍであり、前記金属製平板の厚みが０．３〜３．０ｍｍである請求項１または請求項２に記載の金属発熱体。
【請求項４】
前記螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅が、前記金属製平板の横幅の０．２〜４倍である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の金属発熱体。
【請求項５】
断熱材からなる基体と、該基体に固定された長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなる金属発熱体とを有することを特徴とする発熱構造体。
【請求項６】
前記金属発熱体が、前記基体の壁面に設けられた内部から表面に向かって拡幅する溝内に固定されてなる請求項５に記載の発熱構造体。
【請求項７】
前記発熱構造体が加熱装置である請求項５または請求項６に記載の発熱構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属発熱体および発熱構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体等の製造工程において、電子部品を焼成するための発熱構造体として、パネルヒータ（例えば、引用文献１（特開２００１−２７３９７３号公報）参照）や、円筒状のヒータ（例えば、特許文献２（特開平５−２１５４７３号公報）参照）が使用されている。
【０００３】
上記パネルヒータや円筒状のヒータにおいては、金属発熱体である金属線（電熱線）として、ニッケルクロム合金等の金属からなる断面が円形の丸線が多用されており、上記丸線としては、断面直径が０．１〜４ｍｍ程度の細線と断面直径が５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の太線とが知られている。
【０００４】
上記細線は、容易に折り曲げ加工できることから、設置対象となる基体の形状にあわせて密に配置することができ、例えば、図８に示すように、丸線１１をコイル状に成形した上で、断熱材からなる基体１２の壁面に設けられたスリットＳに嵌め込み固定したり、あるいは図９に示すように、丸線１１を波形に成形した上で、断熱材からなる基体１２の壁面にステープル１３で固定することにより、被処理物の加熱処理に供されている。
【０００５】
一方、上記太線は、細線に比較すると成形の自由度に劣ることから、例えば、円筒状ヒータの内壁面を螺旋状に周回させた状態で壁面に固定する等して被処理物の加熱処理に供されている。
【０００６】
上記金属製の細線や太線は、断面が円形であることから単位重量当たりの表面積を最大化して被処理物を効率的に加熱し得るとされてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２１５４７３号公報
【特許文献２】特開２００１−２７３９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、半導体産業の成長に伴い、より高温でかつ短時間に被処理物を加熱可能な発熱構造体が求められるようになっている。
【０００９】
被処理物を短時間で加熱するために、図８に示すように細線をコイル状に成形する際に巻回数を増加させたり、図９に示すように上記細線を波形に成形する際に丸線（細線）間に設けられる隙間（ギャップ）の幅を狭めることにより、細線の設置密度を向上させ、その表面積を増大させる方法が考えられる。
【００１０】
しかしながら、細線をコイル状に成形する際に巻回数を増加させたり、細線を波形に成形する際にギャップの幅を狭めた場合には、細線の長さが増加してしまう。細線の電気抵抗Ｒ［Ω］は、同細線の電気抵抗率をρ［Ω・ｍ］、長さをＬ［ｍ］、断面積をＡ［ｍ２］とした場合に、Ｒ＝ρ（Ｌ／Ａ）で表されることから、細線の長さＬが増加すると細線の電気抵抗Ｒも増加することになる。通電時の電力Ｐ（Ｗ）は、通電時の電圧をＶ（Ｖ）としたときに、上記電気抵抗Ｒ［Ω］との関係で、Ｐ＝Ｖ２／Ｒで表わされることから、細線の電気抵抗Ｒが増加することは、電力Ｐ（Ｗ）が低減すること、すなわち通電した電気エネルギーによりなされる単位時間当たりの仕事量（発熱量）が低減することを意味するため、高温かつ短時間での加熱を行い難くなる。
【００１１】
一方、上記太線は、上述したように、その成形の自由度が低く、基体形状に対応した自由な変形加工が困難であり（形状追従性が低く）、設置形態の変更による加熱性の向上を図り難い。
【００１２】
また、上記金属線としては、長尺状の金属製平板（帯線）も提案されてはいるものの、上記帯線は、丸線に比較すると単位重量当たりの表面積が小さいことから、加熱性等を考慮した場合に、金属線として採用し難い状況にあった。
【００１３】
加えて、上記帯線は、上記太線と同様に、細線に比較すると一般に成形の自由度が低いことから、図１０に示すように、断熱材からなる基体１２の壁面への固定方法としては、平板Ｆを波形に切り出し加工して得た波形平板１１を、ステープル１３で固定する方法等が提案されるに止まっていたが、本発明者等の検討によれば、上記波形平板１１は、加熱−冷却処理を繰り返す度に長さ方向に熱膨張および熱収縮を生じ、特に高温で加熱した場合には、波形平板の長さ方向に永久膨張および該永久膨張に由来する撓みを生じ易くなることが判明した。
このため、上記波形平板は、例えば、永久膨張によって壁面から外れ易くなったり、波形平板の隣接する山部同士または谷部同士が接触し過熱状態を生じて切断し易くなり、波形平板の寿命が低下するとともに均一な加熱が困難になってしまう。
【００１４】
このような状況下、本発明は、より高温でかつ短時間に被処理物を加熱し得るとともに、永久膨張を抑制し、長寿命で成形の自由度の高い金属発熱体および発熱構造体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明者等が鋭意検討を行った結果、全く意外なことに、従来成形の自由度が低いとされてきた金属製平板であっても、長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回して中空線条化することが可能であることを見出し、この長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回して中空線条化してなる金属発熱体によれば、細線製または太線製の金属発熱体が有する技術課題を解決し得ることを見出した。
一方、本発明者等の検討によれば、上記長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回して中空線条化してなる金属発熱体においても、加熱−冷却処理を繰り返す度に熱膨張および熱収縮を生じ、この熱膨張および熱収縮の程度は螺旋状に巻回された金属製平板の内周側と外周側で異なることから、熱膨張および熱収縮に伴って金属製平板に亀裂を生じることが判明した。
そこで、本発明者等がさらに検討を加えたところ、長手方向に対する垂直断面直径（垂直断面外径）が、金属製平板の横幅や厚みとの関係で所定の関係で規定されてなるものであることにより、金属製平板の内周側と外周側の熱膨張および熱収縮の差によって生じる亀裂の発生を抑制し得ることを見出し、本知見に基づいて本初発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち、本発明は、
（１）長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、
長手方向に対する垂直断面直径が、前記金属製平板の横幅の０．５〜１０倍であるとともに前記金属製平板の厚みの５倍以上であり、かつ３５ｍｍ以下である
ことを特徴とする金属発熱体、
（２）長手方向に対する垂直断面直径が４〜３５ｍｍである上記（１）に記載の金属発熱体、
（３）前記金属製平板の横幅が５〜３０ｍｍであり、前記金属製平板の厚みが０．３〜３．０ｍｍである上記（１）または（２）に記載の金属発熱体、
（４）前記螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅が、前記金属製平板の横幅の０．２〜４倍である上記（１）〜（３）のいずれかに記載の金属発熱体、
（５）断熱材からなる基体と、該基体に固定された長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなる金属発熱体とを有することを特徴とする発熱構造体、
（６）前記金属発熱体が、前記基体の壁面に設けられた内部から表面に向かって拡幅する溝内に固定されてなる上記（５）に記載の発熱構造体、
（７）前記発熱構造体が加熱装置である上記（５）または（６）に記載の発熱構造体、
を提供するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、金属発熱体が長尺状の金属製平板（帯線）を螺旋状に巻回して中空線条化してなるものであることから、帯線の長さが長くなっても、帯線の長手方向に沿って生じる熱膨張力を、螺旋状の金属発熱体の中心軸方向や当該金属発熱体の長手方向に対する垂直断面方向（断面直径方向）に分散させることにより、高温で加熱しても永久膨張を効果的に抑制することができる。
また、本発明によれば、金属発熱体の長手方向に対する垂直断面直径が、金属製平板の横幅や厚みとの関係で規定されてなるものであることから、金属製平板の内周側と外周側の熱膨張および熱収縮の差によって生じる亀裂の発生を効果的に抑制することができる。
さらに、本発明によれば、金属発熱体が長尺状の金属製平板（帯線）を螺旋状に巻回して中空線条化してなるものであることから、同一の断面直径を有する太線に比較して折り曲げ加工時の加工性が高くなり、このために加工の自由度を効果的に向上させることができる。
加えて、本発明によれば、金属発熱体を細線ではなく幅広な金属製平板（帯線）により構成するものであることから、単位長さあたりの表面積が増加するばかりか、断面積Ａが増加するために、細線の巻回物と同じ巻回数であっても（長さＬが同じであっても）、式Ｒ＝ρ（Ｌ／Ａ）に基づいて抵抗Ｒが低減し、このために、式Ｐ＝Ｖ２／Ｒに基づいて電力Ｐ（単位時間あたりの仕事量）が増加して、短時間かつ高温で加熱することが可能になる。
従って、本発明によれば、より高温でかつ短時間に被処理物を加熱し得るとともに、永久膨張を抑制し、長寿命で成形の自由度の高い金属発熱体および発熱構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の金属発熱体の一例を示す図である。
【図２】本発明の金属発熱体の一例を示す（ａ）正面図および（ｂ）正面図のｘ−ｘ’線垂直断面の模式図（金属発熱体１の長手方向に対する垂直断面の模式図）である。
【図３】本発明の発熱構造体の一例を示す、（ａ）基体に設けられたＵ字状の溝内に固定された金属発熱体の断面の模式図、（ｂ）基体に設けられたＶ字状の溝内に固定された金属発熱体の断面の模式図および（ｃ）基体内に埋設固定された金属発熱体の断面の模式図である。
【図４】本発明の発熱構造体の一例を示す図である。
【図５】本発明の発熱構造体の一例を示す、斜視図である。
【図６】図５に示す発熱構造体の断面の模式図である。
【図７】本発明の発熱構造体の一例を示す図である。
【図８】従来の細線の基体への設置方法を説明するための図である。
【図９】従来の細線の基体への設置方法を説明するための図である。
【図１０】従来の金属製平板の基体への設置方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
先ず、本発明の金属発熱体について説明する。
本発明の金属発熱体は、長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなり、長手方向に対する垂直断面直径が、前記金属製平板の横幅の０．５〜１０倍であるとともに前記金属製平板の厚みの５倍以上であり、かつ３５ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
【００２０】
図１は、本発明の金属発熱体の一例を示すものであり、図１に例示するように、本発明に係る金属発熱体１は、長尺状の金属製平板Ｆを螺旋状に巻回して中空線条化してなるものである。
【００２１】
図２は、本発明に係る金属発熱体１の（ａ）正面図および（ｂ）正面図のｘ−ｘ’線断面の模式図（金属発熱体１の長手方向に対する垂直断面の模式図）である。
本発明の金属発熱体においては、図２（ａ）に示すように、長尺状の金属製平板Ｆの横幅Ｗが、５〜３０ｍｍであることが好ましく、５〜２５ｍｍであることがより好ましい。
【００２２】
本発明の金属発熱体においては、図２（ｂ）に示すように、長尺状の金属製平板Ｆの厚みＴが、０．３〜３．０ｍｍであることが好ましく、０．４〜２．０ｍｍであることがより好ましく、０．５〜１．０ｍｍであることがさらに好ましい。
【００２３】
なお、本発明の金属発熱体において、長尺状の金属製平板の横幅および厚みは、
ノギスにより測定した値を意味するものとする。
【００２４】
本発明の金属発熱体において、長尺状の金属製平板の横幅および厚みが上記範囲内にあることにより、螺旋形状への加工が容易になるとともに、ハンドリング性（持ち回し）を容易に向上させることができ、加熱用途に使用したときに、高温でかつ短時間での加熱を容易に行うことができる。
【００２５】
本発明の金属発熱体において、長尺状の金属製平板の長手方向の長さは、金属発熱体の長さ、金属発熱体の垂直断面直径、金属製平板の巻回数および隣接する金属平板間に形成される隙間の幅等に応じて適宜規定される。
【００２６】
本発明の金属発熱体において、長尺状の金属製平板の構成材料としては、電熱線の構成材料として通常使用されているものであれば特に制限されないが、ＮｉおよびＣｒを必須成分として含むもの、Ｎｉ、ＣｒおよびＦｅを必須成分として含むもの、Ｆｅ、ＣｒおよびＡｌを必須成分として含むもの、Ｐｔを必須成分として含むもの、Ｗを必須成分として含むものを挙げることができる。
【００２７】
ＮｉおよびＣｒを必須成分として含む構成材料としては、Ｎｉを７０〜９０質量％、Ｃｒを１０〜３０質量％含むものを挙げることができ、上記含有範囲内において、ＮｉおよびＣｒの合計含有量が１００質量％であるものが好ましい。
【００２８】
Ｎｉ、ＣｒおよびＦｅを必須成分として含む構成材料としては、Ｎｉを３０〜６５質量％、Ｃｒを１０〜２５質量％、Ｆｅを２０〜５０質量％含むものを挙げることができ、上記含有範囲内において、Ｎｉ、ＣｒおよびＦｅの合計含有量が１００質量％であるものが好ましい。
【００２９】
Ｆｅ、ＣｒおよびＡｌを必須成分として含む構成材料としては、Ｆｅを６５〜８５質量％、Ｃｒを１２〜２５質量％、Ａｌを３〜７質量％含むものを挙げることができ、上記含有範囲内においてＦｅ、ＣｒおよびＡｌの合計含有量が１００質量％であるものが好ましい。
【００３０】
Ｐｔを必須成分として含む構成材料としては、Ｐｔを８０〜１００質量％含むものを挙げることができる。
【００３１】
Ｗを必須成分として含む構成材料としては、Ｗを９０〜１００質量％含むものを挙げることができ、Ｗのみからなるものが好ましい。
【００３２】
本発明の金属発熱体は、図２（ｂ）において符号Ｄで示される、長手方向に対する垂直断面直径（垂直断面外径）が、３５ｍｍ以下であるものであり、４〜３５ｍｍであるものが好ましく、５〜２５ｍｍであるものがより好ましく、６〜２５ｍｍであることがさらに好ましい。
【００３３】
本発明の金属発熱体は、図２（ｂ）において符号Ｄで示される、長手方向に対する垂直断面直径（垂直断面外径）が、金属製平板の横幅の０．５〜１０倍であるものであり、金属製平板の横幅の０．５〜５倍であるものであることが好ましい。
【００３４】
本発明の金属発熱体は、図２（ｂ）において符号Ｄで示される、長手方向に対する垂直断面直径（垂直断面外径）が、金属製平板の厚みの５倍以上であるものであり、金属製平板の厚みの５〜５０倍であるものであることが好ましく、金属製平板の厚みの８〜２７倍であるものであることより好ましい。
【００３５】
本発明の金属発熱体は、長手方向に対する垂直断面直径が上記範囲内にあることにより、電熱線として使用したときに、永久膨張を抑制しつつ、高温かつ短時間での加熱を長期に亘って容易に行うことができる。
また、本発明によれば、金属発熱体の長手方向に対する垂直断面直径が、金属製平板の横幅や厚みとの関係で規定されてなるものであることから、金属製平板の内周側と外周側の熱膨張および熱収縮の差によって生じる亀裂の発生を効果的に抑制することができる。
【００３６】
本発明の金属発熱体においては、図２（ａ）に符号Ｇで示される、螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅は、金属製平板Ｆの幅の０．２〜４倍であることが好ましく、０．５〜２倍であることがより好ましく、０．８〜１．２倍であることがさらに好ましい。
【００３７】
本発明の金属発熱体においては、図２（ａ）に符号Ｐで示される、螺旋状に巻回された金属製平板間の距離は、金属製平板の幅の０．２〜４倍であることが好ましく、０．５〜２倍であることがより好ましい。
【００３８】
なお、本出願書類において、長手方向に対する垂直断面直径や、螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅や、螺旋状に巻回された金属製平板間の距離は、ノギスにより測定した値を意味するものとする。
【００３９】
本発明の金属発熱体は、螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅または螺旋状に巻回された金属製平板間の距離が上記範囲内にあることにより、電熱線として使用したときに、永久膨張を抑制しつつ、高温かつ短時間での加熱を長期に亘って容易に行うことができる。
【００４０】
本発明の金属発熱体を製造する方法としては、例えば、所望の金属材料からなり、所望の横幅および厚みを有する長尺状の金属製平板を、所望の断面直径を有する金属製の丸棒に所望の間隔で所望数巻き付けることにより作製することができる。
【００４１】
本発明の金属発熱体は、長尺状の金属製平板（帯線）を螺旋状に巻回して中空線条化してなるものであることから、帯線の長さが長くなっても、帯線の長手方向に生じる熱膨張力を、金属発熱体の断面直径方向にも分散させることができ、高温で加熱しても永久膨張を効果的に抑制することができる。
【００４２】
また、本発明の金属発熱体は、長尺状の金属製平板（帯線）を螺旋状に巻回して中空線条化してなるものであることから、同一の断面直径を有する太線に比較して折り曲げ加工時の加工性が高くなり、このために加工の自由度を効果的に向上させることができる。
【００４３】
さらに、本発明の金属発熱体は、細線ではなく幅広な金属製平板（帯線）を使用することから、単位長さあたりの表面積が増加するばかりか、断面積Ａが増加するために、細線の巻回物と同じ巻回数であっても（長さＬが同じであっても）、式Ｒ＝ρ（Ｌ／Ａ）に基づいて抵抗Ｒが低減し、このために、式Ｐ＝Ｖ２／Ｒに基づいて電力Ｐ（単位時間あたりの仕事量）が増加して、短時間かつ高温で加熱することが可能になる。
【００４４】
本発明の金属発熱体は、電熱線として好適に使用することができ、発熱構造体に使用される電熱線としてより好適に使用することができる。
【００４５】
次に、本発明の発熱構造体について説明する。
本発明の発熱構造体は、断熱材からなる基体と、該基体に固定された長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなる金属発熱体とを有することを特徴とするものである。
【００４６】
本発明の発熱構造体としては、加熱装置が好ましく、加熱装置としては、パネルヒータや円筒状のヒータを挙げることができ、パネルヒータであることが好ましい。
【００４７】
本発明の発熱構造体において、断熱材からなる基体としては、特に制限されず、所望の断熱材を目的形状に加工してなるものを適宜採用することができる。
【００４８】
上記断熱材からなる基体としては、例えば、無機繊維を主材料として含有し、さらに所望により無機粒子および無機バインダーを含有してなるものを挙げることができ、無機繊維および無機バインダーを含有してなるものが好ましい。
【００４９】
上記無機繊維としては、例えば、アルミノシリケート繊維、ムライト繊維、アルミナ繊維等から選ばれる一種以上を挙げることができ、このうち、アルミノシリケート繊維は、１２００℃における耐熱性に優れ、低コストであるために好適に使用することができる。
【００５０】
上記無機粒子としては、例えば、ＣａＯ粉末、ＳｉＯ２粉末、ワラストナイト粉末、アルミナ粉末、ムライト粉末、ジルコニア粉末等から選ばれる一種以上を挙げることができ、このうち、アルミナ粉末は、高耐熱性であり、また低コストであるため好適に使用することができる。
【００５１】
上記無機バインダーとしては、例えば、コロイダルシリカ、アルミナゾル等から選ばれる一種以上を挙げることができる。
【００５２】
上記断熱材からなる基体が、無機繊維および無機バインダーを含有するものである場合、上記断熱材は、無機バインダー１００質量部に対して無機繊維を１００〜３００質量部含むものであることがより好ましい。
【００５３】
上記基体を構成する断熱材としては、例えば、無機繊維５０〜９５質量％、好ましくは５０〜９０質量％と、無機バインダー５〜３０質量％と、粒子状の耐熱性無機質材料（無機粉末）０〜３０質量％、好ましくは５〜３０質量部とを含むものが挙げられる。
【００５４】
本発明の発熱構造体において、基体を構成する断熱材は、空隙率が、５０％以上であるものが好ましく、７０〜９８％であるものがより好ましく、８０〜９５％であるものがさらに好ましい。
【００５５】
本出願書類において、上記空隙率は、断熱材中に存在する空隙の全体積の、断熱材の体積に対する比率であって、次式で算出される値を意味する。
空隙率（％）＝〔１−断熱材の嵩比重／断熱材の真比重〕×１００
断熱材の空隙率が上記範囲内にあることにより、熱容量が小さく、熱伝導率が低く、軽量で熱衝撃に強い発熱構造体を容易に得ることができる。
【００５６】
本発明の発熱構造体において、基体を構成する断熱材は、嵩密度が、１．５ｇ／ｃｍ３以下であるものが好ましく、０．１〜１．２ｇ／ｃｍ３であるものがより好ましく、０．１５〜０．７ｇ／ｃｍ３であるものがさらに好ましい。
嵩密度が１．５ｇ／ｃｍ３を超えると、熱伝導率及び熱容量が大きくなるため断熱材として好適に使用し難くなる。
【００５７】
本発明の発熱構造体において、基体を構成する断熱材は、熱膨張係数が、１０×１０−６／℃以下であるものが好ましく、８×１０−６／℃以下であるものがより好ましい。熱膨張係数が１０×１０−６／℃を超えると熱衝撃に弱くなり易くなる。
なお、本出願書類において、熱膨張係数は、ＪＩＳ−Ｒ１６１８「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」により測定した値を意味するものとする。
【００５８】
本発明の発熱構造体において、基体を構成する断熱材は、曲げ強度が、０．７ＭＰａ以上であることが好ましく、１．０ＭＰａ以上であることがより好ましい。
なお、本出願書類において、曲げ強度は、ＪＩＳ Ａ ９５１０に準じて測定した値を意味する。
【００５９】
本発明の発熱構造体は、本発明の金属発熱体が基体に固定されてなるものであることが好ましい。
本発明の金属発熱体の詳細は、上述したとおりである。
【００６０】
本発明の発熱構造体は、断熱材からなる基体の壁面に金属発熱体が固定されてなるものであり、具体的には、断熱材からなる基体の壁面に設けられた溝部に金属発熱体が嵌め込みないし埋設されてなるものや、断熱材からなる基体の壁面表面に金属発熱体が固定具等により固定されてなるものを挙げることができる。
本発明の発熱構造体としては、金属発熱体の脱落を抑制する上で、断熱材からなる基体の壁面に設けられた溝部に金属発熱体が嵌め込みないし埋設されてなるものが好ましい。
【００６１】
本発明の発熱構造体が、断熱材からなる基体の壁面に設けられた溝部に金属発熱体が嵌め込まれてなるものである場合、溝部の形状としては特に制限されず、例えば図３（ａ）に断面の模式図で示すように、金属発熱体１が断熱材からなる基体２の壁面に設けられた断面がＵ字状の溝に固定されたもの等を挙げることができる。
この場合、発熱構造体は、金属発熱体１が単に溝内に嵌め込まれて固定されてなるものであってもよいし、金属発熱体１が溝内に嵌め込まれるとともにピン等の固定具により固定されてなるものであってもよい。
【００６２】
本発明の発熱構造体が、断熱材からなる基体の壁面に設けられた溝部に金属発熱体が固定されてなるものである場合、本発明の発熱構造体は、金属発熱体が、基体の壁面に設けられた内部から表面に向かって拡幅する溝内に固定されてなるものであることが好ましい。内部から表面に向かって拡幅する溝としては、例えば図３（ｂ）に断面の模式図で示すように、金属発熱体１が断熱材からなる基体２の壁面に設けられた断面がＶ字状の溝に嵌め込まれたもの等を挙げることができる。
この場合においても、発熱構造体は、金属発熱体１が単に溝内に嵌め込まれてなるものであってもよいし、金属発熱体１が溝内に嵌め込まれるとともにピン等の固定具により固定されてなるものであってもよい。
本発明の発熱構造体において、金属発熱体が、基体の壁面に設けられた内部から表面に向かって拡幅する溝内に固定されてなるものであることにより、金属発熱体から基体の外部へ効果的に放熱することができる。
【００６３】
また、本発明の発熱構造体が、断熱材からなる基体の壁面に設けられた溝部に金属発熱体が固定されてなるものである場合、本発明の発熱構造体は、例えば図３（ｃ）に断面の模式図で示すように、基体２の壁面内部に設けられ、天井部に開口部が設けられた略トンネル状の溝の内部に金属発熱体１が埋め込まれてなるものであってもよい。
この場合、発熱構造体は、金属発熱体１が単に溝内に埋め込まれて固定されてなるものであってもよいし、金属発熱体１が溝内に埋め込まれるとともにピン等の固定具により固定されてなるものであってもよいが、ピン等の固定具を使用することなく、埋め込みのみでも壁面に十分に固定することができる。
【００６４】
本発明の発熱構造体が、断熱材からなる基体の壁面表面に金属発熱体が固定具等により固定されてなるものである場合、金属発熱体が、ピン等により断熱材からなる基体の壁面表面に固定されてなるものであることが好ましい。
【００６５】
本発明の発熱構造体としては、円筒状のヒータやパネルヒータ等を挙げることができる。
【００６６】
図４は、本発明の発熱構造体が円筒状ヒータである場合の構造例を示す外観図（斜視図）である。
図４に示す円筒状ヒータｈは、拡散炉の加熱装置等として用いられるものであり、同図において、円筒状ヒータｈは、断熱材からなる基体２と、本発明に係る金属発熱体からなるコイル状の電熱線１とを有し、断熱材からなる基体２が、電熱コイル１を被覆しつつ内部に収容する保持部材（支持部材）として機能している。
【００６７】
図４の左下の円内に拡大図で示すように、本態様においては、断熱材からなる基体２の内部表面に本発明に係る金属発熱体からなるコイル状の電熱線１が螺旋状に巻回されつつ固定されており、図４に示すように、断熱材からなる基体２は、電熱線１を被覆しつつ内部に収容する保持部材（支持部材）として機能している。
図４に示す態様において、電熱線１は、断熱材からなる基体２に被覆されることによって保持されている（支持されている）が、円筒状ヒータとしては、電熱線１が（図示しない）ステープルにより断熱材からなる基体２の内側表面に固定され保持されているものであってもよい。
【００６８】
また、図５および図６は、本発明の発熱構造体がパネルヒータである場合の構造例を示すものである。
図５は電熱線開放型パネルヒータの外観図（斜視図）であり、図６は同パネルヒータの製造工程における組み付け方法を一部を破断して示す側面図である。
また、図７は電熱線埋設型パネルヒータの側面の断面の模式図である。
【００６９】
図５および図６に示す電熱線開放型パネルヒータｈは、使用する電熱線が長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなる金属発熱体からなるものである点を除けば、例えば特開２００１−２７３９７３号公報記載の電熱ヒータと同様の構造を有するものであり、断熱材からなる基体２ａ、２ｂと、断熱材２ａの表面部４近傍に形成される溝孔５と、溝孔５内に配設される金属発熱体からなる電熱線とを備えてなる。
図５および図６に示すように、溝孔５は、適宜のピッチで平行して多数併設されてなることにより、断熱材からなる基体２ａの表面部４に、熱を外部に放出する放熱溝部（開口部）を形成してなる開放溝を成す。
【００７０】
また、図７は、電熱線埋設型パネルヒータの側面の断面の模式図であり、図７において、図５および図６に対応する要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について説明する。
【００７１】
すなわち、図７に示す電熱線埋設型パネルヒータは、図５および図６に示す電熱線開放型パネルヒータと比較すると、断熱材からなる基体２ｃにより形成される溝孔５の形状が相違しており、図７に示すように、溝孔５は放熱開口部を有さないものである。図７に示す電熱線埋設型パネルヒータにおいて、表面部４の厚みｔは薄いほど放熱効率が高くなる。また、図７に示す電熱線埋設型パネルヒータにおいて、表面部４が面状発熱体となるため、図５および図６に示す電熱線開放型パネルヒータに比べて昇温特性は低下するものの、昇温後の輻射効率は高くなる。
【００７２】
図５および図６に示す電熱線開放型パネルヒータや図７に示す電熱線埋設型パネルヒータにおいて、溝部の形成位置である耐熱基材の表面部近傍とは、パネルヒータなどの発熱構造体としての機能を奏する位置であれば特に限定されず、従来の電熱線開放型パネルヒータや電熱線埋設型パネルヒータにおける電熱コイルの設置位置と同様にすることができる。
【００７３】
図５および図６に示す電熱線開放型パネルヒータにおいて、断熱材からなる基体２ａおよび２ｂは同一の材質からなるものであってもよいし異なる材質からなるものであってもよい。また、図７に示す電熱線埋設型パネルヒータにおいて、断熱材からなる基体２ｃおよび２ｂは同一の材質からなるものであってもよいし異なる材質からなるものであってもよい。
【００７４】
また、図５および図６に示す電熱線開放型パネルヒータや図７に示す電熱線埋設型パネルヒータにおいて、発熱体を断熱材からなる基体に固定する形態は特に制限されず、後述するように、溝部を有する基体を作製した後、上記溝部に金属発熱体を嵌めこむことによって固定してもよいし、溝部を有する基体を作製した後、ステープル等の固定具で固定してもよいし、基体形成用のスラリーを成形する際に成形型内で基体形成用のスラリーと金属発熱体とを一体に成形して一体化物として固定してもよい。
【００７５】
次に、本発明の発熱構造体を作製する方法について説明する。
本発明の発熱構造体を製造する方法としては、無機繊維を含むスラリーを脱水成形して成形体を作製した後、得られた成形体を乾燥処理して断熱材からなる基体を作製し、次いで金属発熱体を固定する方法を挙げることができる。
【００７６】
無機繊維を含むスラリーは、上述しように、無機繊維以外に、無機粒子、無機バインダー等を含んでもよいし、さらに所望により凝集剤や凝集補助材等を適宜含んでもよい。
【００７７】
スラリーを形成する液体媒体としては、特に制限されないが、水及び極性有機溶媒が挙げられ、極性有機溶媒としては、エタノール、プロパノール等の１価のアルコール類、エチレングリコール等の２価のアルコール類が挙げられる。これ等の液体媒体うち、作業環境や環境負荷を考慮すると、水が好ましい。また、水としては特に制限されず、蒸留水、イオン交換水、水道水、地下水、工業用水等が挙げられる。
【００７８】
スラリー中における各原料の配合量は、適宜決定されるが、スラリー濃度、すなわち、スラリー中の成形体原料全体の含有量が０．１〜１０重量％であることが好ましく、０．５〜５重量％であることがより好ましい。スラリー濃度が上記範囲内にあることにより、容易に成形することができる。
【００７９】
本出願書類において、スラリーは液体媒体として水以外の媒体を含む場合もあるが、本出願書類においては、水以外の液体媒体を除去する場合も脱水成形と称することとする。
【００８０】
脱水成形方法として、特に制限されないが、例えば、底部に網が設置された成形型中に該スラリーを流し込み、上記水等の液体媒体を吸引する吸引脱水成形法や、加圧脱水成形法、吸引加圧脱水法等を挙げることができる。
【００８１】
上記脱水成形法により得られる脱水成形物は、得ようとする基材に対応する形状を有するものが適当であり、例えば、円筒状、有底筒状、平板状のものを挙げることができる。
【００８２】
得られた脱水成形物は、適宜乾燥機等を用いて乾燥する。乾燥温度は、４０〜１８０℃が好ましく、６０〜１５０℃がより好ましく、８０〜１２０℃がさらに好ましい。また、乾燥時間は、６〜４８時間が好ましく、８〜４０時間がより好ましく、１０〜３６時間がさらに好ましい。また、乾燥時の雰囲気は、空気雰囲気、酸素雰囲気、窒素雰囲気等を挙げることができる。
【００８３】
上記乾燥処理した脱水成形物は、そのまま基体として供してもよいし、適宜金属発熱体等を固定するための溝部等を切断や切削などの機械加工により設けた上で基体として供してもよい。
【００８４】
また、上記乾燥後または機械加工後に成形体に焼成処理を施した上で基体として供することもできる。
焼成時の焼成温度は、６００〜１３００℃であることが好ましく、７００〜９００℃であることがより好ましい。また、焼成時の雰囲気は、特に制限されないが、空気雰囲気、酸素雰囲気または窒素雰囲気であることが好ましい。焼成時間は、０．５〜４時間が好ましい。
焼成処理を施すことによって、成形物の脱脂及び実使用時の収縮を防止することができる。
【００８５】
上記方法で得られた断熱材からなる基体の壁面に金属発熱体を固定する方法は、特に制限されず、断熱材からなる基体の壁面に嵌め込み固定したり、固定具により適宜固定することができる。
【００８６】
具体的には、例えば、図５および図６に示すように、断熱材からなる基体２ａ、２ｂを別部材としてそれぞれ作製した後、断熱材からなる基体２ａの裏面から溝孔５に金属発熱体からなる電熱線１を装着し、次いで断熱材からなる基体２ｂを組み付けることにより固定化し、一体化することができる。
また、（図示しない）ステープル等の固定具を用いて断熱材からなる基体の壁面に金属発熱体を固定することもできる。
【００８７】
本発明の発熱構造体を製造する方法としては、断熱材の形成材料を含むスラリーを調製した後、金属発熱体を固定した成形型内に上記スラリーを注入し、脱水成形、乾燥処理することによって、金属発熱体を固定しつつ断熱材からなる基体を形成する方法を挙げることもでき、発熱構造体の製造過程で断熱材からなる基体も形成することができる。
本方法においては、断熱材からなる基体の作製時に金属発熱体を共存させることを除けば、上述した方法と同様にスラリーを調製し、脱水成形し、乾燥処理することにより、目的とする発熱構造体を得ることができる。
【００８８】
本発明の発熱構造体は、長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回することにより全体が中空線条化されてなる金属発熱体を用いてなるものであることから、金属発熱体の永久膨張を抑制しつつ、長期に亘って、より高温でかつ短時間に被処理物を加熱することができる。
【００８９】
以下、以下、本発明を実施例により説明するが、これらは例示であって、本発明はこれら実施例によりなんら制限されるものではない。
【００９０】
（実施例１）
（１）金属発熱体の作製
図２に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
すなわち、図２（ａ）に示される横幅Ｗが１０ｍｍ、図２（ｂ）に示される厚さＴが０．５ｍｍの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Ｆを螺旋状に巻回することにより、図２（ｂ）に示される長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（垂直断面外径）が１０ｍｍであり、図２（ｂ）に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Ｇが１０ｍｍであり、図２（ｂ）に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Ｐが２０ｍｍである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体１を得た。
このとき、金属発熱体１の長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（１０ｍｍ）は、金属製平板の横幅Ｗ（１０ｍｍ）の１．０倍に相当するとともに金属製平板の厚みＴ（０．５ｍｍ）の２０倍に相当するものであった。また、金属発熱体１を構成する螺旋状に巻回された金属製平板Ｆ間に形成される隙間の幅Ｇ（１０ｍｍ）は、上記金属製平板Ｆの横幅Ｗ（１０ｍｍ）の１．０倍に相当するものであった。
【００９１】
（２）発熱構造体の作製および放熱試験
図４に示す円筒状の形態を有する、アルミノシリケート繊維８０質量％と、無機バインダーであるコロイダルシリカを５質量％と、アルミナ粒子１５質量％とを含む断熱材からなり、内径４００ｍｍ、外径５００ｍｍ、長さ６００ｍｍの寸法形状を有する基体２の内側表面に、（１）で得られた金属発熱体１を螺旋状に巻回しつつ、ステープルにより固定することにより、発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を作製した。
次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体２の内部の温度を１０００℃迄２０分間で昇温することができた。
上記発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、１２００℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、５００サイクルの加熱−冷却処理を行った後の各金属発熱体の表面状態を観察したところ、異常は観察されなかった。
【００９２】
（実施例２）
（１）金属発熱体の作製
図２に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
図２（ａ）に示される横幅Ｗが６ｍｍ、図２（ｂ）に示される厚さＴが０．５ｍｍの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Ｆを螺旋状に巻回することにより、図２（ｂ）に示される長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（垂直断面外径）が５ｍｍであり、図２（ｂ）に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Ｇが１０ｍｍであり、図２（ｂ）に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Ｐが２０ｍｍである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体１を得た。
このとき、金属発熱体１の長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（５ｍｍ）は、金属製平板の横幅Ｗ（６ｍｍ）の０．８倍に相当するとともに金属製平板の厚みＴ（０．５ｍｍ）の１０倍に相当するものであった。また、金属発熱体１を構成する螺旋状に巻回された金属製平板Ｆ間に形成される隙間の幅Ｇ（１０ｍｍ）は、上記金属製平板Ｆの横幅Ｗ（６ｍｍ）の１．６７倍に相当するものであった。
【００９３】
（２）発熱構造体の作製および放熱試験
上記（１）で得られた金属発熱体１を用いた以外は、実施例１（２）と同様にして発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を作製し、次いで、金属発熱体の両端にから通電して放熱したところ、基体２の内部の温度を１０００℃迄３０分間で昇温することができた。
上記発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、１２００℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、５００サイクルの加熱−冷却処理を行った後の各金属発熱体の表面状態を観察したところ、異常は観察されなかった。
【００９４】
（実施例３）
（１）金属発熱体の作製
図２に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
図２（ａ）に示される横幅Ｗが２０ｍｍ、図２（ｂ）に示される厚さＴが１．０ｍｍの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Ｆを螺旋状に巻回することにより、図２（ｂ）に示される長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（垂直断面外径）が２０ｍｍであり、図２（ｂ）に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Ｇが１５ｍｍであり、図２（ｂ）に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Ｐが３０ｍｍである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体１を得た。
このとき、金属発熱体１の長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（２０ｍｍ）は、金属製平板の横幅Ｗ（２０ｍｍ）の１．０倍に相当するとともに金属製平板の厚みＴ（１．０ｍｍ）の２０倍に相当するものであった。また、金属発熱体１を構成する螺旋状に巻回された金属製平板Ｆ間に形成される隙間の幅Ｇ（１５ｍｍ）は、上記金属製平板Ｆの横幅Ｗ（２０ｍｍ）の０．７５倍に相当するものであった。
【００９５】
（２）発熱構造体の作製および放熱試験
上記（１）で得られた金属発熱体１を用いた以外は、実施例１（２）と同様にして発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を作製し、次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体２の内部の温度を１０００℃迄１５分間で昇温することができた。
上記発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、１２００℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、５００サイクルの加熱−冷却処理を行った後の各金属発熱体の表面状態を観察したところ、異常は観察されなかった。
【００９６】
（参考例１）
（１）金属発熱体の作製
図２に示される形態を有する金属発熱体を作製した。
図２（ａ）に示される横幅Ｗが２０ｍｍ、図２（ｂ）に示される厚さＴが２．５ｍｍの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の金属製平板Ｆを螺旋状に巻回することにより、図２（ｂ）に示される長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（垂直断面外径）が１０ｍｍであり、図２（ｂ）に示される螺旋状に巻回された金属製平板間に形成される隙間の幅Ｇが１５ｍｍであり、図２（ｂ）に示される上記螺旋状に巻回された金属製平板間の距離Ｐが３０ｍｍである、全体が中空線条化されてなる金属発熱体１を得た。
このとき、金属発熱体１の長手方向に対する垂直断面直径Ｄ（１０ｍｍ）は、金属製平板の横幅Ｗ（２０ｍｍ）の０．５倍に相当するとともに金属製平板の厚みＴ（２．５ｍｍ）の４倍に相当するものであった。また、金属発熱体１を構成する螺旋状に巻回された金属製平板Ｆ間に形成される隙間の幅Ｇ（１５ｍｍ）は、上記金属製平板Ｆの横幅Ｗ（２０ｍｍ）の０．７５倍に相当するものであった。
【００９７】
（２）発熱構造体の作製および放熱試験
上記（１）で得られた金属発熱体１を用いた以外は、実施例１（２）と同様にして発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を作製し、次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体２の内部の温度を１０００℃迄２０分間で昇温することができた。
上記発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、１２００℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、５００サイクルの加熱−冷却処理を行ったところ、金属発熱体の表面に亀裂が生じていた。
【００９８】
（比較例１）
外径２ｍｍの鉄−クロム−アルミニウム合金製の長尺状の丸線（細線）を金属発熱体とした。
上記金属発熱体１を用いた以外は、実施例１（２）と同様にして発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を作製し、次いで、金属発熱体の両端から通電して放熱したところ、基体２の内部の温度を１０００℃迄昇温する迄４５分間を要した。
上記発熱構造体（円筒状ヒータｈ）を構成する螺旋状に巻回した金属発熱体の両端から通電し、１２００℃迄昇温して加熱した後、室温迄自然放冷する加熱−冷却処理を一サイクルとして、５００サイクルの加熱−冷却処理を行おうとしたところ、１００サイクル目の加熱−冷却処理により金属発熱体が破断してしまい、それ以降の加熱を行うことができなかった。
【００９９】
上記各実施例および比較例における、金属発熱体を構成する金属製平板の横幅Ｗ（ｍｍ）および厚さＴ（ｍｍ）と、金属発熱体の垂直断面直径Ｄ（ｍｍ）、金属製平板間の距離Ｐ（ｍｍ）、金属製平板間に形成される隙間の幅Ｇ（ｍｍ）と、金属発熱体の垂直断面直径Ｄ（ｍｍ）／金属発熱体を構成する金属製平板の横幅Ｗ（ｍｍ）（Ｄ／Ｗ）および金属発熱体の垂直断面直径Ｄ（ｍｍ）／金属製平板の厚さＴ（ｍｍ）（Ｄ／Ｔ）と、各金属発熱体を用いた発熱構造体（円筒状ヒータｈ）の内部温度を１０００℃迄昇温するまでに要した時間（分間）と、５００サイクルの放熱試験結果を、表１に示す。
【０１００】
【表１】
2014192115.tif 000003
【０１０１】
実施例１〜実施例３においては、長尺状の金属製平板を螺旋状に巻回して全体を中空線条化することにより、高い成形性の下で金属発熱体を作製することができた。
また、表１より、実施例１〜実施例３で得られた金属発熱体は、長手方向に対する垂直断面直径Ｄが、金属製平板の横幅Ｗの０．５〜１０倍であるとともに金属製平板の厚みＴの５倍以上であり、かつ３５ｍｍ以下であることにより、短時間に被処理物を高温加熱し得るとともに、５００サイクルの加熱−冷却処理を繰り返しても、表面に異常が認められないことから、永久膨張を抑制し、長寿命なものであることが分かる。
【０１０２】
一方、表１より、参考例１で得られた金属発熱体は、短時間で昇温することができるものであるが、長手方向に対する垂直断面直径Ｄが、金属製平板の厚みＴの５倍未満であることにより、５００サイクルの加熱−冷却処理を繰り返した場合に、表面に亀裂を生じるものであることが分かる。
【０１０３】
また、表１より、比較例２で得られた金属発熱体は、外径２ｍｍの細線からなるものであることから、１０００℃まで昇温する際に長時間を要し、また、５００サイクルの加熱−冷却処理を行おうとした場合に、１００サイクル目の加熱−冷却処理で破断してしまう寿命の短いものであることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明によれば、より高温でかつ短時間に被処理物を加熱し得るとともに、永久膨張を抑制し、長寿命で成形の自由度の高い金属発熱体および発熱構造体を提供することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１          金属発熱体
２          断熱材からなる基体
４          基材表面
５          溝孔
１１        電熱線
１２        断熱材からなる基体
１３        ステープル
【図１】
2014192115.tif 000004
【図２】
2014192115.tif 000005
【図３】
2014192115.tif 000006
【図４】
2014192115.tif 000007
【図５】
2014192115.tif 000008
【図６】
2014192115.tif 000009
【図７】
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【図８】
2014192115.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2014192115.tif 000013