(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質基体の骨格表面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成された耐熱耐酸化物質の内層と、前記内層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成された導電性物質の中間層と、前記中間層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成された耐熱耐酸化物質の外層とにより多孔質構造とされ、
前記内層及び外層の耐熱耐酸化物質が、炭化珪素、窒化珪素、炭化クロムの何れかであり、
前記中間層の導電性物質が、窒化チタン、炭化チタン、ホウ化チタン、熱分解炭素、黒鉛の何れかであることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
多孔質基体が無機繊維からなる不織布又は織布であることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
炭素化した多孔質基体の骨格表面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により耐熱耐酸化物質の内層が形成され、前記内層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により導電性物質の中間層が形成され、前記中間層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により耐熱耐酸化物質の外層が形成されることにより多孔質構造とされ、前記中間層あるいは前記外層の形成時に前記多孔質基体の骨格が燃焼して消失して形成された空洞を前記内層の中心部に有し、
前記内層及び外層の耐熱耐酸化物質が、炭化珪素、窒化珪素、炭化クロムの何れかであり、
前記中間層の導電性物質が、窒化チタン、炭化チタン、ホウ化チタン、熱分解炭素、黒鉛の何れかであることを特徴とするセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気炉に用いられるセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックヒータは、耐腐食性に優れ、高温発熱可能なため、電気炉に使用されている。
従来のセラミックヒータとして、炭化珪素粉末に炭素粉と有機バインダーを混合し、所定形状にした後に焼成した再結晶質の炭化珪素から構成されたものが知られている（特開平１０−２８７４７２号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセラミックヒータは、脆く、割れやすく、特に熱衝撃に弱いという問題がある。さらに、前記再結晶質炭化珪素からなるヒータは、内部に２０％程度の気孔を含むため、発熱時の高温により気孔内部が酸化されてＳｉＯ２の被膜が形成され、発熱、冷却などの過程を繰り返すうち、ＳｉＯ２被膜に亀裂が発生してＳｉＯ２被膜の剥離や脱落を生じ、またＳｉＯ２被膜の形成により比抵抗が局部的に変化するため、ヒータとしての性能が低下し易い。したがって、再結晶質炭化珪素からなるヒータは長期にわたって安定して使用できないという問題がある。しかも、再結晶質炭化珪素からなるヒータは、炭化珪素のみからなるため、初期抵抗値が高く、昇温速度が遅いのみならず、焼結によって製造されることから、複雑な形状のものにし難く、それらに加えて、緻密になって比重が高くなるという不利な点がある。
【０００４】
この発明は、前記の点に鑑みなされたものであり、熱衝撃に強く、昇温速度が速く、さらには耐久性の高いセラミックヒータの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、多孔質基体の骨格表面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成された耐熱耐酸化物質の内層と、前記内層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成された導電性物質の中間層と、前記中間層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成された耐熱耐酸化物質の外層とにより多孔質構造とされ、前記内層及び外層の耐熱耐酸化物質が、炭化珪素、窒化珪素、炭化クロムの何れかであり、前記中間層の導電性物質が、窒化チタン、炭化チタン、ホウ化チタン、熱分解炭素、黒鉛の何れかであることを特徴とするセラミックヒータに係る。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１における多孔質基体が無機繊維からなる不織布又は織布であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、炭素化した多孔質基体の骨格表面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により耐熱耐酸化物質の内層が形成され、前記内層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により導電性物質の中間層が形成され、前記中間層の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により耐熱耐酸化物質の外層が形成されることにより多孔質構造とされ、前記中間層あるいは前記外層の形成時に前記多孔質基体の骨格が燃焼して消失して形成された空洞を前記内層の中心部に有し、前記内層及び外層の耐熱耐酸化物質が、炭化珪素、窒化珪素、炭化クロムの何れかであり、前記中間層の導電性物質が、窒化チタン、炭化チタン、ホウ化チタン、熱分解炭素、黒鉛の何れかであることを特徴とするセラミックヒータに係る。
【０００８】
【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るセラミックヒータの骨格構造を示す概略断面図、図２は他の実施例に係るセラミックヒータの骨格構造を示す概略断面図である。
【０００９】
この発明のセラミックヒータは、多孔質構造からなり、その骨格構造が、図１に示す一実施例、又は図２に示す他の実施例のように耐熱耐酸化物質からなる内層１２，１２Ａと、その内層１２，１２Ａの外面に形成された導電性物質からなる中間層１４，１４Ａと、その中間層１４，１４Ａ外面に形成された耐熱耐酸化物質からなる外層１６，１６Ａとの三層構造を有するものである。
【００１０】
前記セラミックヒータにおける多孔質構造は、ハニカム形状や三次元網状形状など適宜の構造とされる。セラミックヒータのハニカム形状構造は、孔径０．５〜２ｍｍで壁厚０．０２５〜０．３ｍｍを持ち、気孔率０．０５〜０．４（５％〜４０％）で開口している貫通孔とするのが好ましい。また、三次元網状形状は、孔径０．０２〜２ｍｍで骨格の太さ０．００５〜０．３ｍｍを持ち、気孔率を０．２〜０．９（２０〜９０％）とするのが好ましい。なお、気孔率は、次の数１式の残存気孔率Ｐとして計算される。
【００１１】
【数１】
0004592924.tif 000002
【００１２】
さらにセラミックヒータの抵抗値は、通電による発熱を可能とするため、常温（１５〜２０℃）において０．００１Ω〜２００Ωが好ましい。
【００１３】
内層１２を構成する耐熱耐酸化物質としては、耐熱性及び耐酸化性を有する物質であればよく、珪素、クロム、アルミニウムのいずれかの元素を含むもの、好ましくは炭化珪素、窒化珪素、炭化クロム、アルミナのいずれかからなるものであり、特に炭化珪素、窒化珪素、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。
【００１４】
図１に示す実施例では、前記内層１２は、無機繊維からなる多孔質基体の骨格１１表面、すなわち無機繊維表面に公知のＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成されたものである。無機繊維としては、珪素、アルミニウム、チタン、鉄の何れかの元素を含むものが好ましく、また、繊維の径は適宜のものとされるが、通常１〜２０μｍが好ましい。前記無機繊維からなる多孔質基体としては、無機繊維が絡み合った不織布のみならず、織布、その他の多孔質構造からなるものであってもよい。特に好ましいものは、ガラス繊維（特にはシリカ繊維）又はアルミナ−シリカ系無機質ファイバーからなる不織布、又は織布である。また、用いる多孔質基体は、孔径０．０２〜２ｍｍで骨格の太さ０．００１〜０．１ｍｍを持ち、初期気孔率０．８〜０．９８（８０〜９８％）のものが好適である。初期気孔率Ｐ０は、次の数２式で算出される。なお、薄い不織布又は織布のようなものを用いる場合は、最終的に適宜積層されて、所望の厚みのセラミックヒータとされる。
【００１５】
【数２】
0004592924.tif 000003
【００１６】
中間層１４を構成する導電性物質としては、少なくともチタン又は炭素を含む材料とされ、好ましくは窒化チタン、炭化チタン、ホウ化チタン、熱分解炭素、黒鉛、特に好ましくは窒化チタン、炭化チタンである。この中間層１４は、前記内層１２の外面にＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成されたものである。
【００１７】
外層１６を構成する耐熱耐酸化物質は、内層１２と同様、耐熱性及び耐酸化性を有する物質であればよく、珪素、クロム、アルミニウムのいずれかの元素を含むもの、好ましくは炭化珪素、窒化珪素、炭化クロム、アルミナのいずれかからなるものである。特に炭化珪素、窒化珪素、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。この外層１６もＣＶＤ又はＣＶＩ法により前記中間層１４外面に形成されている。
【００１８】
前記実施例では、多孔質基体として無機繊維からなるものを用いたが、多孔質基体はそれに限られるものではなく、加熱により炭素化する材質、すなわち有機繊維からなる不織布や織布、あるいは紙単体や熱硬化性樹脂の含浸した紙類などからなるコルゲートハニカム等であってもよい。前記有機繊維としては、メラミン樹脂繊維、熱硬化性樹脂繊維、パルプ、脱脂綿などが挙げられる。有機繊維の場合の線径は通常１〜２０μｍが好ましい。また、この場合における多孔質基体は、孔径０．５〜２ｍｍ、壁厚０．０２５〜０．３ｍｍ、開口率５０〜９６％が好適である。
【００１９】
前記多孔質基体を、加熱により炭素化する材質とした場合、加熱により多孔質基体を炭素化した状態で前記内層がＣＶＤ又はＣＶＩ法により形成される。そして、その後に前記中間層をＣＶＤ又はＣＶＩ法で形成する際、又は前記外層をＣＶＤ又はＣＶＩ法により中間層外面に形成する際の加熱により、前記炭素化骨格が燃焼消失し、図２に示すように、内層１２Ａ中心部に空洞１１Ａが形成されたセラミックヒータとなる。図２における符号１４Ａは中間層、１６Ａは外層である。
【００２０】
前記構造からなるセラミックヒータは、電気炉装置に組み込まれて用いられる。その際、このセラミックヒータは、フィルターとして塵等を捕集するのみならず、電源と接続されて通電されることにより発熱し、前記捕集した塵等を燃焼させ、セラミックヒータ自体の再生を行う。
【００２１】
【実施例】
・実施例１
径０．３〜０．５μｍの不織布市販シリカ繊維を２０×２０×３０ｍｍにカットし、この形状からなるものを多孔質基体として用いた。この多孔質基体を、直径４０ｍｍの石英ガラス製反応容器内に固定して電気炉内に収容し、その電気炉によって反応容器内を１１００℃に昇温させた。また、水素（純度９９．９％）及びメタン（純度９９．９％）を２３：１の割合で混合させた混合ガスを、塩化珪素飽和溶液に通過させて１級塩化珪素（濃度４％）とし、この１級塩化珪素混合ガスを第１リザーバータンクに一時蓄えた後、前記１１００℃になっている反応容器内に５０ｍｌ供給し、１秒間そのままにして反応させ、その後、反応容器から真空排気を行った。前記１級塩化珪素混合ガスの供給から真空排気までの工程を１００００回繰り返し行った。これにより、図１における内層１２を形成した。
【００２２】
次いで、前記反応容器内を８５０℃にし、また水素（純度９９．９％）及びメタン（純度９９．９％）を８：１の割合で混合させた混合ガスを、塩化チタン飽和溶液に通過させて１級塩化チタン（濃度２％）とし、この１級塩化チタン混合ガスを第２リザーバータンクに一時蓄えた。そして、その１級塩化チタンを前記８５０℃の反応容器内に５０ｍｌ供給し、１秒間そのままにして反応させ、その後、反応容器から真空排気を行った。前記１級塩化チタン混合ガスの供給から真空排気までの工程を２０００回繰り返し行い、図１における中間層１４を形成した。
【００２３】
さらに、前記反応容器内を１１００℃にし、この反応容器内に、前記第１リザーバータンクに蓄えられている１級塩化珪素（濃度４％）を５０ｍｌ供給し、１秒間そのままにして反応させた。その後、反応容器から真空排気を行った。前記１級塩化珪素混合ガスの供給から真空排気までの工程を２００００回繰り返し行った。これにより、図１における外層１６を形成し、抵抗値０．１Ωのセラミックヒータが得られた。
【００２４】
・実施例２
市販のクラフト紙製段ボールを積層させて酢酸ビニル系接着剤で接着し、３０×３０×４０ｃｍの多孔質基体を形成した。この多孔質基体を窒素雰囲気中１０００℃の炉内に５時間収容することにより、完全に炭素化させ、２０×２０×３２ｃｍの炭素化多孔質基体を得た。
【００２５】
前記炭素化多孔質基体を直径４０ｍｍの石英ガラス製反応容器内に固定して電気炉内に収容し、その電気炉によって反応容器内を１１００℃に昇温させた。また、水素（純度９９．９％）及びメタン（純度９９．９％）を２３：１の割合で混合させた混合ガスを、塩化珪素飽和容液に通過させて１級塩化珪素（濃度４％）とし、この１級塩化珪素混合ガスを第１リザーバータンクに一時蓄えた後、前記１１００℃になっている反応容器内に５０ｍｌ供給し、１秒間そのままにして反応させ、その後、反応容器から真空排気を行った。前記１級塩化珪素混合ガスの供給から真空排気までの工程を１００００回繰り返し行った。これにより、図２における内層１２Ａを形成した。
【００２６】
次いで、前記反応容器内を８５０℃にし、また、水素（純度９９．９％）及びメタン（純度９９．９％）を８：１の割合で混合させた混合ガスを、塩化チタン飽和容液に通過させて１級塩化チタン（濃度２％）とし、この１級塩化チタン混合ガスを第２リザーバータンクに一時蓄えた。そして、その１級塩化チタンを前記８５０℃の反応容器内に５０ｍｌ供給し、１秒間そのままにして反応させ、その後、反応容器から真空排気を行った。前記１級塩化チタン混合ガスの供給から真空排気までの工程を２０００回繰り返し行い、図２における中間層１４Ａを形成した。
【００２７】
さらに、前記反応容器内を１１００℃にし、この反応容器内に、前記第１リザーバータンクに蓄えられている１級塩化珪素（濃度４％）を５０ｍｌ供給し、１秒間そのままにして反応させ、その後、反応容器から真空排気を行った。前記１級塩化珪素混合ガスの供給から真空排気までの工程を２００００回繰り返し行った。これにより、図２における外層１６Ａを形成し、抵抗値０．１Ωのセラミックヒータが得られた。
【００２８】
【発明の効果】
この発明のセラミックヒータによれば、耐熱耐酸化物質からなる内層と、該内層の外面に形成された導電性物質からなる中間層と、該中間層の外面に形成された耐熱耐酸化物質からなる外層とを有する骨格からなるため、線膨張係数が小さくなって熱衝撃性に優れる効果のみならず、中間層の導電性物質により常温抵抗値が低くなって初期昇温速度が速くなるという効果がある。さらに、内層、中間層及び外層がＣＶＤ又はＣＶＩ法により蒸着形成されたものにあっては、各層の密着が強固になるため、耐久性に優れるという効果がある。それらに加えて、セラミック製の多孔質構造からなるため軽量である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例に係るセラミックヒータの骨格構造を示す概略断面図である。
【図２】  他の実施例に係るセラミックヒータの骨格構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１１  多孔質基体の骨格
１１Ａ  空洞
１２，１２Ａ  内層
１４，１４Ａ  中間層
１６，１６Ａ  外層
【図１】
0004592924.tif 000004
【図２】
0004592924.tif 000005