(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の容器と、この容器内に収容された抵抗発熱体と、この抵抗発熱体を埋設する無機絶縁材料とを有するヒータの製造方法において、
窒化硼素と坦持体とをボールミルにより混合しつつ前記窒化硼素を粉砕，微粒子化することで前記坦持体の表面に付着させ、微粒子化した窒化硼素が表面に付着した前記坦持体の間の隙間を埋めるように窒化硼素を分散させた粒子状の混合物を得たのち、
この混合物を前記容器に充填して前記無機絶縁材料を形成したこと、
を特徴とするヒータの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のヒータの製造方法において、前記坦持体が、マグネシア（MgO）、ジルコニア（ZrO2 ）、アルミナ（Al2 O3
）のうちのいずれか一つ又は二つの以上の混合体であることを特徴とする請求項１に記載のヒータの製造方法。
【請求項３】
前記窒化硼素の前記無機絶縁材料における含有割合が、重量比において１０％〜４０％の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒータの製造方法。
【請求項４】
容器内に収容された抵抗発熱体を埋設するヒータ用の無機絶縁材料において、
窒化硼素と坦持体とをボールミルにより混合しつつ前記窒化硼素を粉砕，微粒子化することで前記坦持体の表面に付着させ、微粒子化した窒化硼素が表面に付着した前記坦持体の間の隙間を埋めるように窒化硼素が分散している粒子状の混合物を前記容器に充填したこと、
を特徴とするヒータ用無機絶縁材料。
【請求項５】
前記坦持体が、マグネシア（MgO）、ジルコニア（ZrO2 ）、アルミナ（Al2 O3
）のうちのいずれか一つ又は二つの以上の混合体であることを特徴とする請求項４に記載のヒータ用無機絶縁材料。
【請求項６】
前記窒化硼素の前記無機絶縁材料における含有割合が、重量比において１０％〜４０％の範囲内であることを特徴とする請求項４又は５に記載のヒータ用無機絶縁材料。
【請求項７】
筒状の容器と、この容器内に収容された抵抗発熱体と、この抵抗発熱体を埋設する無機絶縁材料とを有するヒータにおいて、
前記無機絶縁材料が、請求項４〜６のいずれかに記載のヒータ用無機絶縁材料であることを特徴とするヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内に収容された抵抗発熱体を無機絶縁材料に埋設してなるヒータに関し、特に、微細粉末状の窒化硼素（ＢＮ：ボロンナイトライド）を含む無機絶縁材料を使用したヒータの製造方法，このヒータに用いられる無機絶縁材料及びヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
筒状の容器内に収容された抵抗発熱体を、前記容器内に充填した無機絶縁材料で埋設してなるヒータとして、シーズヒータが知られている（例えば特許文献１参照）。
図６に、このようなシーズヒータの一例を断面概略図で示す。
シーズヒータ１は、金属線から形成されたニクロム線等の抵抗発熱体２と、この抵抗発熱体２を収容する密閉可能な筒状の容器３と、抵抗発熱体２と容器３との間に充填された電気絶縁材料４とを備えている。容器３は主として金属で形成され、抵抗発熱体２のリード線５が貫通する部分は絶縁性のキャップ６で密封されている。そして、リード線５により抵抗発熱体２に通電することにより、抵抗発熱体２にジュール熱が発生する。
【０００３】
電気絶縁材料４としては、無機絶縁材料であるマグネシア（ＭｇＯ）を用いるのが一般的である（以下、電気絶縁材料４を「無機絶縁材料４」と記載することがある）。しかし、マグネシアを用いた場合の発熱温度は６００℃〜７００℃程度が限度で、これ以上の高温で発熱するヒータを得ることは困難であった。
また、より高温のヒータを得るには、電気絶縁材料４の熱伝導性が良好であることが求められるが、例えば電気絶縁材料４としてマグネシアを用いた場合、抵抗発熱体２の発熱温度と容器３の表面温度との間に大きな温度差が生じるという問題がある。
【０００４】
そのため、より高温のヒータを安価な価格で提供するには、マグネシア以外の電気絶縁材料を用いることが考えられる。例えば、特許文献２，３には、電気絶縁材料（無機絶縁材料）４として、マグネシアの他、窒化硼素（ＢＮ：ボロンナイトライド）を用いてもよいことが記載されている。
窒化硼素は、電気的特性，耐熱性及び熱伝導性に優れるが、その反面、非常に高価であるうえ、ヒータ用の無機絶縁材料として適切な粒子径が数百ｎｍ〜数μｍと非常に細かく、扱いにくいという欠点を有している。そのため、微細粉末状の窒化硼素を、抵抗発熱体２と容器３との間に隙間なく充填することは極めて困難である。なお、窒化硼素は、焼結して固形化すると機械加工がしやすくなることから、ヒータ用の絶縁材料として用いる場合は、焼結体を用いるのが一般的である。上記した特許文献２，３には、窒化硼素を使用してもよいことは記載されているが、具体的にどのようにして用いるかは教示されていない。
また、特許文献４には、窒化硼素の粉末を電気絶縁材料として用いたシーズヒータが提案されている。しかし、この文献にも、微細粉末状の窒化硼素をどのようにして容器内に充填するかについては記載されていない。
【特許文献１】特開２００７−０３５６５６号公報
【特許文献２】特開平８−１０６９７３号公報（段落００２１の記載参照）
【特許文献３】特開平７−１４２１５９号公報（段落００２２の記載参照）
【特許文献４】特開平６−３３３６６６号公報（段落００１５の記載参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、微細粉末状の窒化硼素を使用することで８００℃以上の高温にすることが可能で、かつ、窒化硼素の利点を有するヒータを低コストで製造することのできるヒータの製造方法，ヒータ用無機絶縁材料及びこの無機絶縁材料を用いたヒータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発明者が鋭意研究を行った結果、微細粉末状の窒化硼素を、窒化硼素よりも十分に粒子径の大きい坦持体に坦持させ、この坦持体とともに窒化硼素を容器内に充填することで、本発明の目的を達成できることに想到した。
具体的に、請求項１に記載の発明は、筒状の容器と、この容器内に収容された抵抗発熱体と、この抵抗発熱体を埋設する無機絶縁材料とを有するヒータの製造方法において、
窒化硼素と坦持体とをボールミルにより混合しつつ前記窒化硼素を粉砕，微粒子化することで前記坦持体の表面に付着させ、微粒子化した窒化硼素が表面に付着した前記坦持体の間の隙間を埋めるように窒化硼素を分散させた粒子状の混合物を得たのち、この混合物を前記容器に充填して前記無機絶縁材料を形成した方法としてある。
【０００７】
前記坦持体としては、請求項２に記載するように、マグネシア（MgO）、ジルコニア（ZrO2 ）、アルミナ（Al2 O3
）のうちのいずれか一つ又は二つの以上の混合体を用いることができる。
混合前における窒化硼素の粒子径及び坦持体の粒径は、混合によって坦持体の表面に微細粉末状になった窒化硼素が坦持されるものであれば、特に限定されない。
さらに、無機絶縁材料に対する好適な前記窒化硼素の混合割合は、請求項３に記載するように、重量比において１０％〜４０％の範囲内である。
窒化硼素の割合が１０重量％より小さいと、窒化硼素の利点を十分に得ることができず、４０重量％を超えると、充填性が低下してヒータの発熱性能が低下する。なお、最も好ましい範囲は、重量比において３０％前後である。
【０００８】
本発明のヒータ用無機絶縁材料は、請求項４に記載するように、容器内に収容された抵抗発熱体を埋設するヒータ用の無機絶縁材料において、窒化硼素と坦持体とをボールミルにより混合しつつ前記窒化硼素を粉砕，微粒子化することで前記坦持体の表面に付着させ、微粒子化した窒化硼素が表面に付着した前記坦持体の間の隙間を埋めるように窒化硼素が分散している粒子状の混合物を前記容器に充填した構成としてある。
無機絶縁材料をこのように構成することで、微粒子状の窒化硼素をヒータの容器の中に隙間無く充填することが可能になる。
前記坦持体としては、請求項５に記載するように、マグネシア（MgO）、ジルコニア（ZrO2
）、アルミナ（Al2 O3 ）のうちのいずれか一つ又は二つの以上の混合体を用いることができる。
また、請求項６に記載するように、無機絶縁材料における前記窒化硼素の混合割合は、重量比において１０％〜４０％の範囲内であるのがよい。
本発明のヒータは、請求項７に記載するように、筒状の容器と、この容器内に収容された抵抗発熱体と、この抵抗発熱体を埋設する無機絶縁材料とを有するヒータにおいて、前記無機絶縁材料が、請求項４〜６のいずれかに記載のヒータ用無機絶縁材料である構成としてある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、窒化硼素の微粒子を、マグネシアのような従来の無機絶縁材料と同様に簡単に容器内に充填することが可能になり、かつ、電気的特性，耐熱性及び熱伝導性に優れた窒化硼素の利点を有するヒータを得ることが可能なった。また、安価な坦持体と組み合わせることで、８００℃以上の高温で使用することが可能な効率の良いヒータを、低コストで提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明では、必要に応じて図６を参照するものとする。
この実施形態では、粒子状の窒化硼素と粒子状の坦持体とを混合することで、前記坦持体の表面に微粒子状になった前記窒化硼素を坦持させて無機絶縁材料を形成し、この無機絶縁材料を容器３と抵抗発熱体２との間に充填する。
【００１１】
[窒化硼素]
窒化硼素（ＢＮ）としては、六方晶系及び立方晶系のいずれも使用可能で、粒子形状も鱗片状又は球状を問わないが、球状のものが好ましい。窒化硼素は、化粧品用や潤滑剤・離型剤用等の工業用として市販されているものを用いることができる。
坦持体と混合させた後の窒化硼素の粒径は小さいほどよいが、混合前の窒化硼素の粒径は特に問わない。市販の粒子状の窒化硼素の粒径は、おおむね２０μｍ〜９０μｍの範囲内である。もちろん、これよりも粒径が小さいものであってもよい。また、窒化硼素の好ましい純度は９５％以上、好ましいかさ密度は０．３ｇ／ｃｍ３〜０．８ｇ／ｃｍ３の範囲内である。
参考として、化粧品用や潤滑剤・離型剤用等の工業用として市販されているもので、本発明に使用可能な窒化硼素粉末の一例を以下の表１に示す。
【００１２】
【表１】
0005352894.tif 000002
【００１３】
［坦持体］
坦持体は、窒化硼素と混合したときに、その表面に窒化硼素が坦持できるものであれば種々のものを用いることができる。坦持体としては、例えば、粒子状のマグネシア（MgO）、ジルコニア（ZrO2 ）、アルミナ（Al2 O3 ）又はこれらの混合物を挙げることができる。シーズヒータ等のヒータに用いる場合は、マグネシア（MgO）を用いるのがよい。シーズヒータ等のヒータ用として一般に市販されているものを用いることができる。
【００１４】
[窒化硼素及び坦持体の混合割合]
窒化硼素と坦持体との混合割合は、無機絶縁材料における窒化硼素の重量割合が１０重量％〜４０重量％の範囲内になるように、好ましくは２０重量％〜４０重量％の範囲内になるように、さらに好ましくは３０重量％前後になるようにするのがよい。
窒化硼素の割合が１０重量％より小さいと、窒化硼素の利点を十分に得ることができず、４０重量％を超えると、充填性が低下して却ってヒータとしての性能が低下する。
【００１５】
[窒化硼素及び坦持体の混合]
粒子状の窒化硼素と粒子状の坦持体との混合は、坦持体の表面に窒化硼素を坦持させることができるものであれば、公知の種々の方法を用いることができる。例えば、ボールミルを使って混合してもよい。この場合、窒化硼素と坦持体とを投入する混合用容器は、アルミナやジルコニア等の無機材料で形成するのが好ましい。ボールミル等による混合により、小片化した窒化硼素が坦持体の表面に付着して坦持される。また、窒化硼素と坦持体との混合は、坦持体と坦持体との間の隙間を埋めるように窒化硼素が分散しているのが好ましい。
図１〜図３は、窒化硼素と坦持体としてのマグネシアとからなる本発明の無機絶縁材料の一例にかかる電子顕微鏡写真である。窒化硼素の混合割合は、図１に示す例では４０重量％、図２に示す例では３０重量％、図３に示す例では１０重量％である。図１〜図３の例において、小片状に見えるのが窒化硼素である。１０重量％〜４０重量％では、小片状の窒化硼素がマグネシアの表面のほぼ全体を覆っており、かつ、マグネシア粒子間の隙間にも窒化硼素が入り込んでいて、好ましい状態である。
一方、図４（ａ）は５重量％、（ｂ）は３重量％の例である。ブロック状に見えるのがマグネシアの粒子で、その表面に付着している白い粒子状のものが窒化硼素である。いずれも坦持体であるマグネシアの表面にまばらに窒化硼素が付着しているだけであり、マグネシアへの窒化硼素の坦持量が不十分である。
図１〜図４から、窒化硼素の含有割合は、１０重量％〜４０重量％の範囲内であるとよいことがわかる。
【００１６】
［充填］
上記で得られた無機絶縁材料を、筒状の容器３の抵抗発熱体２と容器３との間の隙間に充填する。本発明では、微細粉末状の窒化硼素を坦持体に坦持させることで、従来のシーズヒータにおけるマグネシアの充填方法をそのまま用いて無機絶縁材料を充填することが可能になった。なお、充填性を高めるために、適宜に振動（好ましくは高周波振動）を付与するとよい。
【００１７】
［圧延］
無機絶縁材料を充填した後は、常温の下でプレス等により容器３を圧延して、容器３を所望の径まで縮径させる。この圧延縮径により、容器３内の無機絶縁材料４の密度が高くなり、無機絶縁材料４の熱伝導性を向上させることができる。
以下の表２は、無機絶縁材料４としてマグネシアを用いた場合と本発明の無機絶縁材料を用いた場合の熱伝導性を示す表である。この表２は、抵抗発熱体２の発熱温度が同一のときのそれぞれの容器３の表面温度を示している。抵抗発熱体２の発熱温度が同一の場合は、表面温度が高い方ほど熱伝導性が優れている。
マグネシアと本発明の無機絶縁材料とを比較すると、いずれの場合でも本発明の無機絶縁材料を使用した場合の方の表面温度が高く、熱伝導性がマグネシアに比して高いことがわかる。また、絶縁抵抗も、マグネシアに比して高い温度領域で高い値を示すことがわかる。
【００１８】
【表２】
0005352894.tif 000003
【００１９】
［加熱焼成及び焼鈍］
充填後は、抵抗発熱体２に通電を行って、例えば、１０５０℃で１時間の加熱処理を行う。これにより、無機絶縁材料４に含まれる不純物や水分が除去されるとともに、容器３の焼鈍が行われて、圧延による容器３の応力が除去される。また、焼鈍により、曲げ等の機械加工が容易になる。
以上の手順を経て、シーズヒータ１が完成される。
【００２０】
［実施例］
本発明の発明者は、窒化硼素と坦持体（マグネシア）との混合割合を種々に変えて、試験用のシーズヒータを上記手順で複数作製し、実験を行った。シーズヒータの作製手順は、無機絶縁材料における窒化硼素の含有割合が異なる他は、同じとした。
実験に使用した窒化硼素、マグネシア、混合、シーズヒータの各条件は以下の通りである。
（１）  窒化硼素
混合前の平均粒径：６０μｍ
かさ密度：０．３ｇ／ｃｍ３
純度：９９％
形状：球状 
（２）  マグネシア
平均粒径：２５０μｍ
かさ密度：２．３９±０．０２ｇ／ｃｍ３
純度：９５％
粒子形状：球状
（３）  混合
無機ボールを使ったボールミルによる混合
ボールミル装置：アズワン株式会社製ＨＤＡ−５（商品名）
ボール：直径２０ｍｍのアルミナボールを１５０個投入
混合時間：６０分
（４）  シーズヒータ
容器：直径１２ｍｍ，肉厚１ｍｍ，長さ５００ｍｍの円筒状のインコネル
（inconel（登録商標））製容器
抵抗発熱体：線径０．６５ｍｍのニクロム線を２．５ｍｍピッチでコイル状に巻回したものを用いた。
（５）  圧延
直径１４ｍｍの容器が直径１２ｍｍ，肉厚１ｍｍになるまで圧延し縮径させた。
【００２１】
［実施例１］
無機絶縁材料における窒化硼素の量：３重量％
［実施例２］
無機絶縁材料における窒化硼素の量：１０重量％
［実施例３］
無機絶縁材料における窒化硼素の量：２０重量％
［実施例４］
無機絶縁材料における窒化硼素の量：３０重量％
［実施例５］
無機絶縁材料における窒化硼素の量：４０重量％
［実施例６］
無機絶縁材料における窒化硼素の量：４５重量％
［実施例７］
無機絶縁材料における窒化硼素の量：５０重量％
［比較例１］
マグネシア：１００重量％
（無機絶縁材料における窒化硼素の量：０重量％）
【００２２】
実施例１〜７及び比較例１の無機絶縁材料を使って作製したシーズヒータの表面温度を以下の表３に示す。
また、この表３に基づいて作成した絶縁抵抗値と温度との関係グラフを図５（ａ）に、絶縁抵抗値と窒化硼素の混合量との関係グラフを図５（ｂ）に示す。
表３及び図５（ａ）（ｂ）からわかるように、マグネシアを用いた比較例に比して、本発明の無機絶縁材料を用いたシーズヒータは、３重量％〜４０重量％のほぼ全範囲内でマグネシアよりも良好な結果が得られた。４５重量％及び５０重量％では、無機絶縁材料を容器に充填することができず、結果を得ることができなかった。
この実施例から、８００℃以上の高温で発熱するシーズヒータを得るには、１０重量％〜４０重量％の範囲内、好ましくは２０重量％〜４０重量％の範囲内、さらに好ましくは３０重量％前後とするのがよいことがわかった。
【００２３】
【表３】
0005352894.tif 000004
【００２４】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、坦持体はマグネシアに限らず、ジルコニア（ZrO2 ）やアルミナ（Al2 O3 ）を用いてもよく、また、これらの混合体を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の方法及び無機絶縁材料は、筒状の容器と、この容器内に収容された抵抗発熱体と、この抵抗発熱体を埋設する無機絶縁材料とを有するヒータであれば、シーズヒータに限らず他の種類のヒータにも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】窒化硼素をマグネシアに坦持させた本発明の無機絶縁材料の一例にかかり、窒化硼素を４０重量％混合させたときの無機絶縁材料の電子顕微鏡写真である。
【図２】窒化硼素をマグネシアに坦持させた本発明の無機絶縁材料の一例にかかり、窒化硼素を３０重量％混合させたときの無機絶縁材料の電子顕微鏡写真である。
【図３】窒化硼素をマグネシアに坦持させた無機絶縁材料の一例にかかり、（ａ）は窒化硼素を５重量％混合させたときの無機絶縁材料の電子顕微鏡写真、（ｂ）は窒化硼素を３重量％混合させたときの無機絶縁材料の電子顕微鏡写真である。
【図４】窒化硼素とマグネシアからなる無機絶縁材料の一例にかかり、（ａ）窒化硼素を４０重量％混合させたときの無機絶縁材料のその電子顕微鏡写真である。
【図５】図５（ａ）は、表３に基づいて作成した絶縁抵抗値と温度との関係を示すグラフ、図５（ｂ）は、絶縁抵抗値と窒化硼素の混合量との関係を示すグラフである。
【図６】シーズヒータの構成を説明する断面概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：シーズヒータ
２：抵抗発熱体
３：容器
４：電気絶縁材料（無機絶縁材料）
５：リード線
６：キャップ
【図５】
0005352894.tif 000005
【図６】
0005352894.tif 000006
【図１】
0005352894.tif 000007
【図２】
0005352894.tif 000008
【図３】
0005352894.tif 000009
【図４】
0005352894.tif 000010