(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱金属芯材の周囲に耐熱導電性物質が形成され、該耐熱導電性物質の周囲に耐熱耐酸化性セラミックスが形成された線材の格子状体からなることを特徴とするセラミックス層を有するヒータ。
【請求項２】
耐熱導電性物質及び耐熱耐酸化性セラミックスが、ＣＶＤ又はＣＶＩ法で形成されたものであることを特徴とする請求項１記載のセラミックス層を有するヒータ。
【請求項３】
耐熱金属芯材がモリブデン製であり、耐熱導電性物質が、前記耐熱金属芯材のモリブデンと気相から供給されたケイ素とが反応して形成された二ケイ化モリブデンであることを特徴とする請求項２記載のセラミックス層を有するヒータ。
【請求項４】
耐熱金属芯材の全部が耐熱導電性物質の形成に使用されて、前記耐熱金属芯材全体が耐熱導電性物質と同材質のものに変化していることを特徴とする請求項２又は３記載のセラミックス層を有するヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気炉等に用いられるセラミックス層を有するヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、耐久性が高く、高強度で、さらに耐熱衝撃性に優れたヒータの必要性が高まっている。
【０００３】
このため、ヒータとしてセラミックス製のものが多用されるようになってきた。このセラミックス製のヒータは、耐熱性、耐酸化性、耐熱衝撃性、高温強度などが優れており、また、抵抗値が発熱体に適した値を有しているため、電気炉の発熱源として好適なものとされている。例えば、従来より、再結晶質の炭化ケイ素発熱体や、二ケイ化モリブデン発熱体がセラミックヒータに広く利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記再結晶質の炭化ケイ素発熱体や二ケイ化モリブデン発熱体からなるセラミックヒータは、炭化ケイ素や二ケイ化モリブデン粉末に有機バインダーなどを混合して、所定の形状に成形したのち、焼成処理をすることにより製造されているので、一般に組織性状の緻密性が低く、高い気孔率を有している。そのため、高温における耐酸化性が低く、長期の使用には耐えないものであった。しかも、二ケイ化モリブデン発熱体からなるセラミックヒータは、数１００℃の比較的低温域において熱力学的に不安定であり、相変態を起こして粉体化してしまう傾向がある。そのため、温度の上昇と降下を伴う繰り返し使用によって、寿命の低下を来す問題がある。
【０００５】
さらに、従来のセラミックヒータは、ある程度の熱容量を自らが持つため、分単位での急速な冷却が難しく、また、この急速な温度低下を生じないことにより耐熱衝撃性を有するものでもあった。しかし、物質の熱処理の都合上、このような急速な処理を要求する場合には、加熱したセラミックヒータを炉から取り出す以外に方法がなく、作業が煩わしくなる問題がある。
【０００６】
この発明は、前記の点に鑑みなされたものであり、緻密で強度が高く、熱容量が小さくて耐熱衝撃性に優れ、しかも急激な昇温、冷却に追随できる耐久性の高いセラミックス層を有するヒータの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、耐熱金属芯材の周囲に耐熱導電性物質が形成され、該耐熱導電性物質の周囲に耐熱耐酸化性セラミックスが形成された線材の格子状体からなることを特徴とするセラミックス層を有するヒータに係る。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１における耐熱導電性物質及び耐熱耐酸化性セラミックスが、ＣＶＤ又はＣＶＩ法で形成されたものであることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２における耐熱金属芯材がモリブデン製であり、耐熱導電性物質が、前記耐熱金属芯材のモリブデンと気相から供給されたケイ素とが反応して形成された二ケイ化モリブデンであることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項２又は３における耐熱金属芯材の全部が耐熱導電性物質の形成に使用されて、前記耐熱金属芯材全体が耐熱導電性物質と同材質のものに変化していることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施形態について説明する。図１はこの発明の一実施例に係わるセラミックス層を有するヒータの部分拡大平面図、図２は図１におけるセラミックス層を有するヒータの骨格構造を示す概略断面図、図３は他の実施例における骨格構造を示す概略断面図である。
【００１２】
図１、２に示すこの発明の一実施例に係わるセラミックス層を有するヒータ１０は、耐熱金属芯材１１の周囲に耐熱導電性物質１２が形成され、さらにその周囲に耐熱耐酸化性セラミックス１３が形成された線材１５の格子状体からなる。ここでの格子状体は、線材が縦・横に織りなされた織物、あるいは網等をいう。線材１５間の織目又は網目１４は開口している必要はなく、隣り合う線材１５同士が接触して織目又は網目１４を閉じていてもよい。
【００１３】
耐熱金属芯材１１としては、溶融温度が１，４００℃以上のものとされ、モリブデン、ニッケル、チタン、タングステン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ等を挙げることができる。また、この耐熱金属芯材１１は、予め耐熱金属芯材１１を織物状とした金属繊維織物が好適である。その際の線サイズ及び織目又は網目サイズは適宜とされる。例として、１５０メッシュ程度を示す。
【００１４】
耐熱導電性物質１２としては、溶融温度が１，０００℃以上、抵抗値が２×１０−４〜１×１０−６Ω・ｃｍのものが好適であり、二ケイ化モリブデン、窒化チタン、炭化ジルコニウム等を挙げることができる。この耐熱導電性物質１２は、公知のＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成されたものが緻密で強度に優れるため好ましい。
【００１５】
前記耐熱導電性物質１２は、該耐熱導電性物質１２の全元素をすべて気相から供給して、ＣＶＤ又はＣＶＩ法により前記耐熱金属芯材１１上に付加したものでもよい。また、前記耐熱導電性物質１２を構成する構成元素の一つを耐熱金属芯材１１に含まれる金属とし、残りの元素を気相法で供給して、金属繊維芯材１１を消費する形で耐熱導電性物質１２を形成すれば、前記耐熱金属芯材１１と耐熱導電性物質１２が、より強固に密着してセラミックス層を有するヒータ１０の強度が高くなるために好ましい。例えば、前記耐熱金属芯材１１としてモリブデンを用い、該モリブデンと、気相から供給されたケイ素との反応により、二ケイ化モリブデンからなる耐熱導電性物質１２を形成する場合を挙げる。
【００１６】
さらに、気相から供給された元素と前記耐熱金属芯材１１のすべてとを反応させて耐熱導電性物質１２を形成してもよい。その場合、前記耐熱金属芯材１１はすべて耐熱導電性物質１２と同材質となり、図３に示す例のように、セラミックス層を有するヒータ１０Ａの骨格は、耐熱金属芯材１１であったところまで耐熱導電性物質１２で構成されるため、より強度が高いものとなる。符号１５Ａは線材を示す。
【００１７】
耐熱耐酸化性セラミックス１３としては、耐熱性及び耐酸化性を有する物質であればよく、好ましくは炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化クロム、酸化クロム、酸化アルミニウム、シリカのいずれかからなるものである。ここで耐熱性としては溶融温度が１，０００℃以上、耐酸化性としては酸素拡散バリア層の形成されるものが好ましい。この耐熱耐酸化性セラミックス１３として、特に炭化ケイ素、窒化ケイ素および炭化クロムは耐熱性及び耐酸化性に優れるため最適である。この耐熱耐酸化性セラミックス１３は、公知のＣＶＤ又はＣＶＩ法により前記耐熱導電性物質１２の外周に形成されたものが緻密で強度に優れるため好ましい。
【００１８】
【実施例】
・実施例１
まず、モリブデンよりなる金属繊維織物（１５０メッシュ、商品名：モリブデン金網、ニラコ製、平面寸法５×５ｃｍ）を反応容器に入れ、その反応容器を電気炉内に収納して反応容器内が１，０００℃になるように加熱する。他方、１級塩化ケイ素を入れた飽和容器に水素（純度９９．９％）を通過させ、形成される水素と塩化ケイ素の混合気体が塩化ケイ素濃度４％となるように前記水素の流量を保ち、得られる混合気体を、一時リザーバータンクに蓄える。
【００１９】
次いで、前記リザーバータンクの混合気体を、前記１，０００℃になっている反応容器内に５０ｍｌ供給して金属繊維織物のモリブデンと反応させ、その後、反応容器から真空排気を行った。前記混合気体の供給から真空排気までの工程を２０，０００回繰り返して行い、これにより前記モリブデンとケイ素を反応させて二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ２）からなる耐熱導電性物質を金属繊維織物のモリブデン周囲に形成した。
【００２０】
次いで、水素（純度９９．９％）とメタン（純度９９．９％）を２４：１で混合した混合気体を、１級塩化ケイ素を入れた飽和容器に通過させ、形成される塩化ケイ素、水素およびメタンからなる混合気体が塩化ケイ素濃度４％となるように前記水素とメタンの流量を保ち、得られる塩化ケイ素、水素およびメタンからなる混合気体を、一時リザーバータンクに蓄える。そして、前記塩化ケイ素、水素およびメタンからなる混合気体を、リザーバータンクから前記反応容器内に５０ｍｌ供給して反応させ、その後、反応容器から真空排気を行った。前記塩化ケイ素、水素およびメタンからなる混合気体の反応容器への供給から真空排気までの工程を１０，０００回繰り返して、前記二ケイ化モリブデン上に炭化ケイ素からなる耐熱耐酸化性セラミックスを形成して、図１及び図２の構造からなるセラミックス層を有するヒータを得た。
【００２１】
このようにして得られたセラミックス層を有するヒータに対し、対向する辺の間の抵抗値を測定したところ０．１Ωであった。また、このセラミックス層を有するヒータの両端（対向する辺）間に通電したところ、約１分で、放射温度１５００℃に達した。通電を終了すると約５分ですみやかに１００℃以下になった。１分通電５分切断のサイクルを１００回繰り返しても抵抗値の変化はなく、ヒータとして正常に動作した。
【００２２】
・実施例２
前記実施例１における塩化ケイ素と水素の混合気体を、リザーバータンクから１，０００℃の反応容器内に５０ｍｌ供給して反応させ、その後真空排気する繰り返し回数を４０，０００回に変更した点を除き、他は実施例１と同様にしてセラミックス層を有するヒータを得た。このようにして得られたセラミックス層を有するヒータは、図３に示すように、耐熱金属芯材であるモリブデン部分まで、完全に二ケイ化モリブデンからなる耐熱耐酸化物質１２に変化していた。
【００２３】
前記実施例２のセラミックス層を有するヒータに対し、対向する辺間の抵抗値を測定したところ６Ωであった。また、この実施例２のセラミックス層を有するヒータにおける両端（対向する辺）間に通電したところ、約１分で、放射温度１５００℃に達した。通電を終了すると約５分ですみやかに１００℃以下になった。１分通電５分切断のサイクルを１００回繰り返しても抵抗値の変化はなく、ヒータとして正常に動作した。
【００２４】
【発明の効果】
この発明のセラミックス層を有するヒータによれば、耐熱金属芯材の周囲に耐熱導電性物質が形成され、該耐熱導電性物質の周囲に耐熱耐酸化性セラミックスが形成された線材の格子状体からなるため、低温から低い抵抗値を示して急速に高温となることができ、また、高温での酸化劣化が起こりにくく、しかも、熱容量が小さく耐熱衝撃性が高いためにすみやかに温度を低下できるという種々の優れた効果を有する。これらの効果は、請求項２〜４のように、ＣＶＤ又はＣＶＩにより耐熱金属芯材の周囲に耐熱導電性物質を形成し、その周囲に耐熱耐酸化性セラミックスを被覆したものにおいてより優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例に係わるセラミックス層を有するヒータの部分拡大平面図である。
【図２】  図１におけるセラミックス層を有するヒータの骨格構造を示す概略断面図である。
【図３】  他の実施例における骨格構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０  セラミックス層を有するヒータ
１１  耐熱金属芯材
１２  耐熱導電性物質
１３  耐熱耐酸化性セラミックス
１５，１５Ａ  線材
【図１】
0004592926.tif 000002
【図２】
0004592926.tif 000003
【図３】
0004592926.tif 000004