電気炉
【課題】発熱体の有効加熱領域が大きく、高温での使用が可能であり、耐熱衝撃性に優れているため急速加熱が可能であり、長寿命のランタンクロマイト系発熱体からなるコンパクトな電気炉の提供。
【解決手段】発熱部と両端部からなる円筒型のランタンクロマイト系発熱体において、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗を０．１〜３．５Ωｃｍの範囲に、両端部の材料の１０００℃の比抵抗を０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲とし、発熱部と両端部の電気抵抗の相違を、材料の比抵抗自体を変えることにより適正な比率とし、さらに両端部の肉厚を小さくすることにより発熱体の内径を相対的に大きくすることと、発熱体の形状を適切な範囲に設定することを特徴とする電気炉。
【解決手段】発熱部と両端部からなる円筒型のランタンクロマイト系発熱体において、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗を０．１〜３．５Ωｃｍの範囲に、両端部の材料の１０００℃の比抵抗を０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲とし、発熱部と両端部の電気抵抗の相違を、材料の比抵抗自体を変えることにより適正な比率とし、さらに両端部の肉厚を小さくすることにより発熱体の内径を相対的に大きくすることと、発熱体の形状を適切な範囲に設定することを特徴とする電気炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランタンクロマイトを主成分とする円筒型の抵抗発熱体の内部を加熱室として利用する電気炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペロブスカイト型結晶構造を有するランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）を主成分とした、必要に応じてＬａの一部をＳｒ、Ｃａなどで、Ｃｒの一部をＣｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇなどで置換固溶した組成を有する発熱体（以下単にランタンクロマイト系という）は、１５００℃以上の高温酸化雰囲気において優れた安定性と長寿命をもつセラミックス抵抗発熱体として広く利用されている。
【０００３】
従来、一般に用いられている抵抗発熱体を使用した電気炉は、図１に示すように複数の棒状発熱体１２を用いて加熱室を加熱する構造になっているが、このような構造の電気炉では、装置の構造が複雑かつ大型化するなどの欠点があり、また熱効率が低く加熱室の体積に対して消費電力が高くなるため発熱体の使用温度及び昇温速度などの性能面及び寿命面にも限界があった。なお図１において１３は断熱材、１４は炉心管を示す。
【０００４】
そこで図２に示すように発熱体の構造を円筒型の一本の発熱体１５を用いて、中空部を加熱室とする構造にすることにより、電気炉の熱効率を向上し、使用温度及び昇温速度などの性能面及び寿命面を改善することが可能であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のら管型、複ら管型発熱体などで一部実用化されているが、炭化ケイ素発熱体の場合、酸化及び熱伝導率などの特性上、発熱体の寸法を長尺化する必要があり、ひいては電気炉が大型化してしまう問題がある。またこの方法によっても炭化ケイ素発熱体では実用上１６００℃までが限界であり、それ以上での温度での使用ができないという問題がある。なお図２において、１６は発熱部、１７は端子部、１８は電極、１９はリード線、２０は断熱材、２１は炉心管を示す。
【０００５】
そこで発熱体の材料として高温での使用が可能で長寿命であるランタンクロマイトを使用し、図３に示すように発熱部３と両端部からなる円筒型の発熱体１に２ケ所のスリット５を設けることによって端子部２を一方に集中することにより発熱体の長尺化を防ぎ、図４に示すように発熱体内部を加熱室として用いることにより電気炉を一体型化し、これらにより電気炉をコンパクト化すること、及び発熱体の形状及び材料の特性を適切な範囲に設定することによって上記問題を解決した電気炉が特許文献１に開示されている。なお図３において、４は折り返し端部、６は電極、７は金属リード部品であり、図４において、１は発熱体、２２は断熱材、２３は炉心管を示す。
【０００６】
しかしながら特許文献１の電気炉は、発熱体１の発熱部３と両端部が同一の材料であり比抵抗が同一であるために、両端部の抵抗値を小さくするため両端部の外径を発熱部の外径よりも大きくし、これにより両端部の断面積を発熱部の断面積よりも大きくすることで両端部の抵抗発熱を防ぐ必要があることから、所望の大きさの加熱室寸法を得るためには発熱体の内径に対して外径をより大きくする必要があるため、十分にコンパクトな電気炉とならない問題があった。また、両端部が肉厚になることから、両端部と発熱部との境界部分での熱衝撃に弱く、発熱体の形状を大きくした場合、急速加熱ができず短寿命になるなどの問題があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１３９４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点を解決し、発熱体の有効加熱領域が大きく、高温での使用が可能であり、耐熱衝撃性に優れているため急速加熱が可能であり、長寿命のランタンクロマイト系発熱体からなるコンパクトな電気炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、発熱部と両端部の電気抵抗の相違を、形状、すなわち外径比ではなく、材料の比抵抗自体を変えることにより適正な比率とし、両端部の肉厚を小さくすることにより発熱体の内径を相対的に大きくし、これにより有効加熱領域を大きくし、及び発熱体の形状を適切な範囲に設定することにより、前記目的を達成することができた。
【００１０】
すなわち本発明は、発熱部と両端部からなる円筒型のランタンクロマイト系発熱体において、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあり、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗と両端部の材料の１０００℃の比抵抗の比率（［発熱部の比抵抗］／［両端部の比抵抗］）が１．５〜１００の範囲にあり、該発熱体の発熱部の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）が０．６〜１０の範囲にあり、該発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）が６〜５０の範囲にあり、該発熱体の一方の端面を基端とし、該基端面を２等分割する位置から垂直方向に２ケ所のスリットを設けることによって端子部を一方に集中し、該スリットの長さと発熱体の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にあり、該端子部に高温用金属電極膜を取り付けた発熱体と、該発熱体の外側に装着した断熱材と、該発熱体の中空部内に装着したセラミックス炉心管とを備え、該炉心管の中空部内を有効加熱室としたことを特徴とする電気炉に関する。
【００１１】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の電気炉について説明する。
【００１２】
図５および図６は、本発明の電気炉の発熱体を示す図である。即ち、図５は本発明電気炉の発熱体を正面から見た図、図６（Ａ）は本発明電気炉の発熱体を側面から見た図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【００１３】
図５および図６において、発熱体１は、端子部２と発熱部３と折り返し端部４からなる円筒型のランタンクロマイト系セラミックスからなり、発熱体の基端面（端子部側）を２等分割する位置から垂直方向に２ケ所のスリット５を設け、端子部電極を一方に集中して端子部２とし、該端子部２に高温用電極６及び金属リード部品７を取り付け、両端部間を発熱部３としたものである。かくして、電流は、一方の端子部→一方の発熱部→折り返し端部→他方の発熱部→他方の端子部へと流れることとなる。
【００１４】
該発熱体１は発熱体の発熱部と両端部の電気抵抗比を形状、すなわち外径比ではなく、材料の比抵抗自体を変えることにより抵抗比が設けられている。このため、図３（Ａ）に示される特開２００３−１３９４７２号公報記載の発熱体のように両端の外径を大きくする必要がなく、これによって、発熱体の外形寸法に対して、内径を特開２００３−１３９４７２号公報記載の発熱体と比べて相対的に大きくすることが可能であり、ひいては炉内有効加熱領域を大きくすることが可能となる。
【００１５】
該発熱体１の材料として用いられるランタンクロマイト系セラミックスは、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあることが必要である。発熱部の比抵抗が０．１Ωｃｍ未満の場合、抵抗値が低すぎて発熱体として低電圧−大電流駆動となるため電極と金属端子との接触不良が起こりやすいばかりか、リード部分を大型化する必要があるため実用性がなく、３．５Ωｃｍを超える場合は発熱体の抵抗値が大きすぎて通電発熱させることができない。両端部の比抵抗は理論的には０でも問題ないが、一般的にランタンクロマイト系セラミックスでは比抵抗が０．０１５Ωｃｍ未満では材料の耐熱性、強度、耐久性が劣るため実用性がなく、０．５Ωｃｍを超える場合、端子部電極が抵抗発熱を起こすため短寿命となる。このため、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあることが必要であり、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１５〜１．０Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２５〜０．２Ωｃｍの範囲にあることがより望ましく、さらに発熱部の１０００℃における比抵抗が０．２〜０．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０３〜０．１５の範囲にあることがより好ましい。また、該発熱体１では、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗と両端部の材料の１０００℃の比抵抗の比率（［発熱部の比抵抗］／［両端部の比抵抗］）が１．５〜１００の範囲にあることが必要である。比抵抗の比率が１．５未満の場合、発熱部と両端部の抵抗の比率が小さく、発熱部のみならず両端部や端子部が抵抗発熱を起こし、その結果、両端部や端子部、端子部電極において破損が発生しやすく短寿命となる。比抵抗の比率が大きい場合は特に問題ないが、１００を超える場合には材料の機械的特性などが大きく異なるため、成形、焼成が難しく、また発熱体が得られても昇温時に容易に破損するため発熱体として使用できない。このため、発熱部と両端部との１０００℃における比抵抗の比率が１．５〜１００の範囲にあることが必要であり、発熱部と両端部との比抵抗の比率が１．７５〜５０の範囲にあることがより望ましく、２〜２５の範囲にあることがより好ましい。
【００１６】
該発熱体１は発熱部と両端部の比抵抗が異なる材料から構成される。比抵抗の制御は、ランタンクロマイトの構成元素であるＬａの一部をＳｒ、Ｃａなどで、Ｃｒの一部をＣｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇなどで置換固溶させることにより行うことができる。これらの置換比率については適宜、発熱体として十分に使用可能な機械的特性、耐熱性、耐久性を有しており、かつ前記比抵抗及び比抵抗の比率を有するものであればよく、発熱体の材料として使用する上で置換する元素の種類、置換比率については特に限定されないが、一般的にはＬａをＳｒまたはＣａで０．１〜２０ｍｏｌ％程度、ＣｒをＡｌで０〜４０ｍｏｌ％程度置換したものを用いることが多い（詳細は特開２００５−３１７２１０号公報参照）。また、該発熱体１は発熱部と両端部を特性の異なる材料として一体成形することにより得られるが、その方法については公知のセラミックスの成形方法で可能であり、特性の異なる原料粉体を適宜充填し成形することで行うことができる。
【００１７】
該発熱体１では、発熱部３の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）を０．６〜１０の範囲とする必要がある。発熱部の長さと内径との比率が０．６未満の場合、発熱部の長さが内径に対して短すぎて十分な炉内温度分布が得られず実用上電気炉として使用することができない。また発熱部の長さが１０を超える場合、有効加熱領域のアスペクト比が大き過ぎて実用性がない上、発熱体が長尺化するためコンパクトな電気炉とならないばかりか、長時間の使用による変形によってスリット間での接触が生じ、回路的短絡が発生する可能性がある。このため、発熱部３の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）を０．６〜１０の範囲とする必要があり、０．８〜５の範囲とすることがより望ましく、１．０〜３の範囲にあることがより好ましい。
【００１８】
該発熱体１では、発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）を６〜５０の範囲とする必要がある。発熱体の内径と肉厚との比率が５０を超える場合、内径に対して肉厚が小さ過ぎて発熱体の強度が十分に得られず短寿命となる。発熱体の肉厚と内径との比率が６未満の場合、内径に対して肉厚が大き過ぎて発熱体の熱容量が大きくなり、急速加熱を行った場合発熱体内部での温度勾配が大きくなり熱応力による破損が発生する可能性がある。このため、発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）を６〜５０の範囲とする必要があり、１０〜３５の範囲とすることがより望ましい。
【００１９】
また該発熱体１では、発熱体に設けられたスリット５の長さと発熱体１の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にある必要がある。スリットの長さと発熱体の全長との比率が０．５未満の場合には、発熱体全長に占める発熱部の長さが短すぎて、コンパクトな電気炉とならないばかりか、折り返し端部が不要に長くなるため単位発熱部面積に対する消費電力が高くなり短寿命となる。該スリットの長さと発熱体の全長との比率が０．９５を超える場合、折り返し端部が短すぎて繰り返しの昇降温による破損が発生しやすく短寿命となる。このため、スリット５の長さと発熱体１の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にある必要があり、スリットの長さと発熱体の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．６〜０．９の範囲とすることがより望ましい。
【００２０】
図７は、本発明の電気炉の一例を示す断面図であり、発熱体１の中空部内には、セラミックス炉心管８を装着し、この中空部内を有効加熱室とする。セラミックス炉心管８は、この内部に被加熱物を置くことにより、発熱体１からの蒸発物によって被加熱物が汚染されることを防止できる。該セラミックス炉心管８の厚さ、長さ、及び外寸法は、電気炉の仕様に応じて適宜決めることができ、さらに、該セラミックス炉心管８は電気炉の仕様に応じて長さ方向に対して位置によって厚みや外寸法などを変化させてもよい。また、該セラミックス炉心管８は発熱体１と密着させても良いが、発熱部３では非接触とすることで、より一層被加熱物への汚染防止効果が向上する。
【００２１】
セラミックス炉心管８は、電気炉を使用する温度域に応じて、従来電気炉の炉心管として用いられている各種の公知のセラミックスを使用することができるが、特に、純度９５％以上、相対密度９３％以上のアルミナ、ムライト、スピネル、安定化ジルコニア（安定化剤も含めた純度が９５％以上）、マグネシア又はイットリアを使用することが望ましく、これらの材料を用いることにより、セラミックス炉心管８の耐熱性がさらに向上すると共に、発熱体１との反応も抑制され、被加熱物への汚染防止効果も向上する。
【００２２】
上記発熱体１の外側には、断熱材９を装着する。発熱体１の外側に断熱材９を装着することによって、電気炉の熱効率を上げることができる。断熱材の材質としては、耐火煉瓦、耐火断熱煉瓦、キャスタブル耐火物、セラミックファイバー成形体等の各種の公知の耐火物を使用できる。又、セラミックファイバー成形体を使用する場合には、断熱性に優れ、蓄熱量が小さいために、消費電力を低減することができ、発熱体１を更に長寿命化することが可能となる。また、断熱材の材質としてセラミックスファイバー成形体を使用する場合、発熱体１と断熱材９との間に厚さ１〜５ｍｍ程度のセラミックス層１０を形成することにより、発熱体１と断熱材９との反応をより一層少なくすることができ、発熱体１をより一層長寿命化することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る電気炉においては、円筒型のランタンクロマイト系発熱体に２ケ所のスリットを設けることによって端子部を一方に集中しているため発熱体を従来よりも短尺化することができ、発熱部と端子部の電気抵抗比を形状、すなわち外径比ではなく、材料の比抵抗自体を変えることにより適正な比率とし、発熱体の肉厚を小さくすることにより発熱体の内径を相対的に大きくし、これにより有効加熱領域を大きくし、発熱体内部を有効加熱室として用いることにより電気炉を一体型化し、これらにより電気炉をコンパクト化することができる。また高温での使用が可能であり、耐熱衝撃性に優れるため急速加熱が可能であり、長寿命となるほか、各種雰囲気制御を行うことが可能である。また本電気炉は、縦型での使用はもちろんのこと、横型での使用も全く問題なく可能であり、試料の出し入れが容易であるというメリットも持ちあわせている。
【実施例】
【００２４】
以下に本発明の実施例、比較例について下記に説明するが、本発明はこれらの実施例だけに限定するものではない。各発熱体の寸法などの条件は下記表１〜２に示す。
【００２５】
実施例１
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部〔例えば、図５および図６（Ａ）、（Ｂ）に示す〕のそれぞれを形成している材料が表１〜３に示す特性を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、内径３９ｍｍ、外径４５ｍｍ、肉厚３ｍｍ、端子部２の長さ６０ｍｍ、発熱部３の長さ６５ｍｍ、折り返し端部４の長さ３０ｍｍ、全長１５５ｍｍの円筒体とし、その端子部の端面を２等分割する位置から折り返し端部に向かって垂直方向に２ケ所の幅３ｍｍ、長さ１３０ｍｍの溝を設けスリット５とし、端子部２の下端から２５ｍｍの位置までの部位（外周面及び端面）に白金ペーストを塗布し、１３００℃で焼き付けて、高温用電極６を形成したのち、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる金属リード部品７を取り付けた。この発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（以下炉心管と呼ぶ）（外径３７ｍｍ×内径３０ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが５６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが５２ｍｍ、内径１０が４８ｍｍ、全長１２０ｍｍ）を装着した。さらにその外側には断熱材９として、純度９５％のα−アルミナ材質からなる、かさ密度０．７ｇ／ｃｍ３の成形体（セラミックファイバー成形体）を、中央部にアルミナセラミックス１０の外径１０ｂと同様の大きさの貫通孔を有する形状に加工して配置し、その外部を、耐火材を内張りにした金属缶体で取り囲み固定することによって、電気炉を得た。
【００２６】
実施例２
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々の材料が表１〜３に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．２２Ωｃｍ、０．１１Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体の内径６４ｍｍ、外径６８ｍｍ、肉厚２ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径５８ｍｍ×内径５０ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが８８ｍｍ、外径１０ｂの大きさが８２ｍｍ、内径１０が７６ｍｍ、全長１２０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００２７】
実施例３
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々の材料が表１〜３に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．４８Ωｃｍ、０．１８Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００２８】
実施例４
図７の電気炉において、表１〜３に示す組成と比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体１の内径８０ｍｍ、外径８８ｍｍ、肉厚４ｍｍ、端子部２の長さ１００ｍｍ、発熱部３の長さ１５０ｍｍ、折り返し端部４の長さ５０ｍｍ、全長３００ｍｍ、スリット５の幅６ｍｍ、長さ２６５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径７２ｍｍ×内径６６ｍｍ×長さ６００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが１０８ｍｍ、外径１０ｂの大きさが１００ｍｍ、内径１０が９４ｍｍ、全長２５０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００２９】
実施例５
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々の材料が表１〜３に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．４Ωｃｍ、０．０２４Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱部３の長さ６０ｍｍ、折り返し端部４の長さ７０ｍｍ、全長１９０ｍｍ、スリット５の長さ１２５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが５６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが５２ｍｍ、内径１０が４８ｍｍ、全長１５０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３０】
実施例６
図７の電気炉において、表１〜３に示す組成と比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体の内径５０ｍｍ、外径５５ｍｍ、肉厚２．５ｍｍ、端子部２の長さ１１０ｍｍ、発熱部３の長さ１５０ｍｍ、折り返し端部４の長さ４０ｍｍ、スリット５の幅５ｍｍ、長さ２６５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径４６ｍｍ×内径４０ｍｍ×長さ６００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４３ｍｍ、外径１０ｂの大きさが６４ｍｍ、内径１０が５９ｍｍ、全長２４０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３１】
比較例１
実施例１における図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．０９Ωｃｍ、０．０４２Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３２】
比較例２
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗をそれぞれ４．０Ωｃｍ、０．３Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３３】
比較例３
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗を０．２４Ωｃｍ、０．０１７Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３４】
比較例４
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗を１．２Ωｃｍ、０．５５Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３５】
比較例５
図７の電気炉において、発熱体１における両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部のそれぞれの１０００℃における比抵抗を０．３Ωｃｍ、０．２３Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３６】
比較例６
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗を２．５Ωｃｍ、０．０２４Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３７】
比較例７
図７の電気炉において、発熱体１の内径５４ｍｍ、外径６０ｍｍ、発熱部３の長さ３０ｍｍ、全長１２０ｍｍ、スリット５の長さ９５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径４８ｍｍ×内径４０ｍｍ×長さ３５０ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが７８ｍｍ、外径１０ｂの大きさが７２ｍｍ、内径１０が６６ｍｍ、全長９０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３８】
比較例８
図７の電気炉において、発熱体１の内径２４ｍｍ、外径３０ｍｍ、発熱部３の長さ２５０ｍｍ、折り返し端部４の長さ５０ｍｍ、全長３６０ｍｍ、スリット５の幅２ｍｍ、長さ３１０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径２０ｍｍ×内径１５ｍｍ×長さ８００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４３ｍｍ、外径１０ｂの大きさが３９ｍｍ、内径１０が３５ｍｍ、全長３３０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３９】
比較例９
図７の電気炉において、発熱体１の内径５５ｍｍ、外径５７ｍｍ、肉厚１ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径５０ｍｍ×内径４６ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが７５ｍｍ、外径１０ｂの大きさが６９ｍｍ、内径１０が６３ｍｍ、全長１２０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４０】
比較例１０
図７の電気炉において、実施例１と同様の組成と比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、内径２３ｍｍ、外径３２ｍｍ、肉厚４．５ｍｍ、発熱部３の長さ４５ｍｍ、全長１３５ｍｍ、スリット５の幅１．５ｍｍ、長さ１１０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径２０ｍｍ×内径１５ｍｍ×長さ３６０ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４２ｍｍ、外径１０ｂの大きさが３８ｍｍ、内径１０が３５ｍｍ、全長１００ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４１】
比較例１１
図７の電気炉において、端子部２の長さ５５ｍｍ、発熱部３の長さ３０ｍｍ、折り返し端部４の長さ１０５ｍｍ、全長１９０ｍｍ、スリット５の長さ９０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが５６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが５２ｍｍ、内径１０が４８ｍｍ、全長１５０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４２】
比較例１２
図７の電気炉において、発熱体１の内径２４ｍｍ、外径３０ｍｍ、端子部２の長さ２４０ｍｍ、折り返し端部４の長さ１５ｍｍ、全長３２０ｍｍ、スリット５の幅２ｍｍ、長さ３１０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径２０ｍｍ×内径１５ｍｍ×長さ７５０ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４３ｍｍ、外径１０ｂの大きさが３９ｍｍ、内径１０が３５ｍｍ、全長２７０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４３】
比較例１３
実施例１における図７の電気炉と同等の構造を有する電気炉において、発熱体１として図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示される形状をもち、該発熱体１における発熱部及び両端部の材料が表１に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗がいずれも０．３Ωｃｍであるランタンクロマイト系セラミックスを用いて、該発熱体１の内径３２ｍｍ、発熱部３の外径３６ｍｍ、端子部２の外径４５ｍｍ、端子部２の肉厚６．５ｍｍ、発熱部３の肉厚２ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径３０ｍｍ×内径２４ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４４】
比較例１４
実施例１における図７の電気炉と同等の構造を有する電気炉において、発熱体１として図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示される形状をもち、該発熱体１における発熱部及び両端部の材料が表１に示す組成を有し、１０００℃の比抵抗をいずれも０．３Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、該発熱体１の内径４５ｍｍ、発熱部３の外径５０ｍｍ、端子部２の外径５５ｍｍ、端子部２の肉厚５ｍｍ、発熱部３の肉厚２．５ｍｍ、端子部２の長さ１００ｍｍ、発熱部３の長さ１６０ｍｍ、折り返し端部４の長さ４０ｍｍ、全長３００ｍｍ、スリット５の幅５ｍｍ、長さ２６０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径４０ｍｍ×内径３４ｍｍ×長さ６００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが６６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが６０ｍｍ、内径１０が５５ｍｍ、全長２４０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
試験例１
実施例１〜６及び比較例１〜１３のそれぞれの電気炉を、有効炉内中央での保持温度１８００℃、保持時間３０ｍｉｎ、昇降温速度３００℃／ｈで繰り返しサイクル通電試験を実施したときの、消費電力が最大となる温度到達時の電圧、電流、消費電力、表面負荷密度及び発熱体が破損するまでのサイクル回数を求めた。その結果を表４に示す。
【００４９】
【表４】
【００５０】
試験例２
実施例１、６及び比較例１４のそれぞれの電気炉を、有効炉内中央での保持温度１８００℃、保持時間３０ｍｉｎ、昇降温速度８００℃／ｈで通電試験を実施したときの、消費電力が最大となる温度到達時の電圧、電流、消費電力、表面負荷密度を求めた。その結果を表５に示す。
【００５１】
【表５】
【００５２】
試験例１の表４から明らかなように、実施例１〜６の電気炉は高い耐久性を示した。また比較例１〜１３の結果から明らかなように、本発明の要件を満足しないランタンクロマイト系発熱体を用いた電気炉は充分な有効加熱領域が得られず、また耐久性に優れた電気炉とならない。また、試験例２の結果、本発明の電気炉は昇温速度８００℃／ｈでの急速加熱が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１（Ａ）は従来の複数の発熱体を使用した管状型電気炉の縦断面図、図１（Ｂ）は従来の管状型電気炉の横断面図である。
【図２】図２（Ａ）は従来の一本の発熱体を使用した一体型の管状型電気炉の縦断面図、図２（Ｂ）は従来の一本の発熱体を使用した一体型の管状型電気炉の横断面図である。
【図３】図３（Ａ）は特許文献１の電気炉の発熱体を正面から見た図、図３（Ｂ）は発熱体を側面から見た図である。
【図４】図４は特許文献１の電気炉の一例を示す図である。
【図５】図５は本発明電気炉の発熱体を正面から見た図である。
【図６】図６（Ａ）は本発明電気炉の発熱体を側面から見た図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【図７】図７は本発明電気炉の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 発熱体
２ 端子部
３ 発熱部
４ 折り返し端部
５ スリット
６ 電極
７ 金属リード部品
８ セラミックス炉心管
９ 断熱材
１０ セラミックス層
１０ａ セラミックス層
１０ｂ セラミックス層
１１ 金属缶体
１２ 棒状発熱体
１３ 断熱材
１４ 炉心管
１５ 発熱体
１６ 発熱部
１７ 端子部
１８ 電極
１９ リード線
２０ 断熱材
２１ 炉心管
２２ 断熱材
２３ 炉心管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランタンクロマイトを主成分とする円筒型の抵抗発熱体の内部を加熱室として利用する電気炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペロブスカイト型結晶構造を有するランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）を主成分とした、必要に応じてＬａの一部をＳｒ、Ｃａなどで、Ｃｒの一部をＣｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇなどで置換固溶した組成を有する発熱体（以下単にランタンクロマイト系という）は、１５００℃以上の高温酸化雰囲気において優れた安定性と長寿命をもつセラミックス抵抗発熱体として広く利用されている。
【０００３】
従来、一般に用いられている抵抗発熱体を使用した電気炉は、図１に示すように複数の棒状発熱体１２を用いて加熱室を加熱する構造になっているが、このような構造の電気炉では、装置の構造が複雑かつ大型化するなどの欠点があり、また熱効率が低く加熱室の体積に対して消費電力が高くなるため発熱体の使用温度及び昇温速度などの性能面及び寿命面にも限界があった。なお図１において１３は断熱材、１４は炉心管を示す。
【０００４】
そこで図２に示すように発熱体の構造を円筒型の一本の発熱体１５を用いて、中空部を加熱室とする構造にすることにより、電気炉の熱効率を向上し、使用温度及び昇温速度などの性能面及び寿命面を改善することが可能であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のら管型、複ら管型発熱体などで一部実用化されているが、炭化ケイ素発熱体の場合、酸化及び熱伝導率などの特性上、発熱体の寸法を長尺化する必要があり、ひいては電気炉が大型化してしまう問題がある。またこの方法によっても炭化ケイ素発熱体では実用上１６００℃までが限界であり、それ以上での温度での使用ができないという問題がある。なお図２において、１６は発熱部、１７は端子部、１８は電極、１９はリード線、２０は断熱材、２１は炉心管を示す。
【０００５】
そこで発熱体の材料として高温での使用が可能で長寿命であるランタンクロマイトを使用し、図３に示すように発熱部３と両端部からなる円筒型の発熱体１に２ケ所のスリット５を設けることによって端子部２を一方に集中することにより発熱体の長尺化を防ぎ、図４に示すように発熱体内部を加熱室として用いることにより電気炉を一体型化し、これらにより電気炉をコンパクト化すること、及び発熱体の形状及び材料の特性を適切な範囲に設定することによって上記問題を解決した電気炉が特許文献１に開示されている。なお図３において、４は折り返し端部、６は電極、７は金属リード部品であり、図４において、１は発熱体、２２は断熱材、２３は炉心管を示す。
【０００６】
しかしながら特許文献１の電気炉は、発熱体１の発熱部３と両端部が同一の材料であり比抵抗が同一であるために、両端部の抵抗値を小さくするため両端部の外径を発熱部の外径よりも大きくし、これにより両端部の断面積を発熱部の断面積よりも大きくすることで両端部の抵抗発熱を防ぐ必要があることから、所望の大きさの加熱室寸法を得るためには発熱体の内径に対して外径をより大きくする必要があるため、十分にコンパクトな電気炉とならない問題があった。また、両端部が肉厚になることから、両端部と発熱部との境界部分での熱衝撃に弱く、発熱体の形状を大きくした場合、急速加熱ができず短寿命になるなどの問題があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１３９４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点を解決し、発熱体の有効加熱領域が大きく、高温での使用が可能であり、耐熱衝撃性に優れているため急速加熱が可能であり、長寿命のランタンクロマイト系発熱体からなるコンパクトな電気炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、発熱部と両端部の電気抵抗の相違を、形状、すなわち外径比ではなく、材料の比抵抗自体を変えることにより適正な比率とし、両端部の肉厚を小さくすることにより発熱体の内径を相対的に大きくし、これにより有効加熱領域を大きくし、及び発熱体の形状を適切な範囲に設定することにより、前記目的を達成することができた。
【００１０】
すなわち本発明は、発熱部と両端部からなる円筒型のランタンクロマイト系発熱体において、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあり、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗と両端部の材料の１０００℃の比抵抗の比率（［発熱部の比抵抗］／［両端部の比抵抗］）が１．５〜１００の範囲にあり、該発熱体の発熱部の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）が０．６〜１０の範囲にあり、該発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）が６〜５０の範囲にあり、該発熱体の一方の端面を基端とし、該基端面を２等分割する位置から垂直方向に２ケ所のスリットを設けることによって端子部を一方に集中し、該スリットの長さと発熱体の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にあり、該端子部に高温用金属電極膜を取り付けた発熱体と、該発熱体の外側に装着した断熱材と、該発熱体の中空部内に装着したセラミックス炉心管とを備え、該炉心管の中空部内を有効加熱室としたことを特徴とする電気炉に関する。
【００１１】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の電気炉について説明する。
【００１２】
図５および図６は、本発明の電気炉の発熱体を示す図である。即ち、図５は本発明電気炉の発熱体を正面から見た図、図６（Ａ）は本発明電気炉の発熱体を側面から見た図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【００１３】
図５および図６において、発熱体１は、端子部２と発熱部３と折り返し端部４からなる円筒型のランタンクロマイト系セラミックスからなり、発熱体の基端面（端子部側）を２等分割する位置から垂直方向に２ケ所のスリット５を設け、端子部電極を一方に集中して端子部２とし、該端子部２に高温用電極６及び金属リード部品７を取り付け、両端部間を発熱部３としたものである。かくして、電流は、一方の端子部→一方の発熱部→折り返し端部→他方の発熱部→他方の端子部へと流れることとなる。
【００１４】
該発熱体１は発熱体の発熱部と両端部の電気抵抗比を形状、すなわち外径比ではなく、材料の比抵抗自体を変えることにより抵抗比が設けられている。このため、図３（Ａ）に示される特開２００３−１３９４７２号公報記載の発熱体のように両端の外径を大きくする必要がなく、これによって、発熱体の外形寸法に対して、内径を特開２００３−１３９４７２号公報記載の発熱体と比べて相対的に大きくすることが可能であり、ひいては炉内有効加熱領域を大きくすることが可能となる。
【００１５】
該発熱体１の材料として用いられるランタンクロマイト系セラミックスは、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあることが必要である。発熱部の比抵抗が０．１Ωｃｍ未満の場合、抵抗値が低すぎて発熱体として低電圧−大電流駆動となるため電極と金属端子との接触不良が起こりやすいばかりか、リード部分を大型化する必要があるため実用性がなく、３．５Ωｃｍを超える場合は発熱体の抵抗値が大きすぎて通電発熱させることができない。両端部の比抵抗は理論的には０でも問題ないが、一般的にランタンクロマイト系セラミックスでは比抵抗が０．０１５Ωｃｍ未満では材料の耐熱性、強度、耐久性が劣るため実用性がなく、０．５Ωｃｍを超える場合、端子部電極が抵抗発熱を起こすため短寿命となる。このため、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあることが必要であり、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１５〜１．０Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２５〜０．２Ωｃｍの範囲にあることがより望ましく、さらに発熱部の１０００℃における比抵抗が０．２〜０．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０３〜０．１５の範囲にあることがより好ましい。また、該発熱体１では、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗と両端部の材料の１０００℃の比抵抗の比率（［発熱部の比抵抗］／［両端部の比抵抗］）が１．５〜１００の範囲にあることが必要である。比抵抗の比率が１．５未満の場合、発熱部と両端部の抵抗の比率が小さく、発熱部のみならず両端部や端子部が抵抗発熱を起こし、その結果、両端部や端子部、端子部電極において破損が発生しやすく短寿命となる。比抵抗の比率が大きい場合は特に問題ないが、１００を超える場合には材料の機械的特性などが大きく異なるため、成形、焼成が難しく、また発熱体が得られても昇温時に容易に破損するため発熱体として使用できない。このため、発熱部と両端部との１０００℃における比抵抗の比率が１．５〜１００の範囲にあることが必要であり、発熱部と両端部との比抵抗の比率が１．７５〜５０の範囲にあることがより望ましく、２〜２５の範囲にあることがより好ましい。
【００１６】
該発熱体１は発熱部と両端部の比抵抗が異なる材料から構成される。比抵抗の制御は、ランタンクロマイトの構成元素であるＬａの一部をＳｒ、Ｃａなどで、Ｃｒの一部をＣｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇなどで置換固溶させることにより行うことができる。これらの置換比率については適宜、発熱体として十分に使用可能な機械的特性、耐熱性、耐久性を有しており、かつ前記比抵抗及び比抵抗の比率を有するものであればよく、発熱体の材料として使用する上で置換する元素の種類、置換比率については特に限定されないが、一般的にはＬａをＳｒまたはＣａで０．１〜２０ｍｏｌ％程度、ＣｒをＡｌで０〜４０ｍｏｌ％程度置換したものを用いることが多い（詳細は特開２００５−３１７２１０号公報参照）。また、該発熱体１は発熱部と両端部を特性の異なる材料として一体成形することにより得られるが、その方法については公知のセラミックスの成形方法で可能であり、特性の異なる原料粉体を適宜充填し成形することで行うことができる。
【００１７】
該発熱体１では、発熱部３の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）を０．６〜１０の範囲とする必要がある。発熱部の長さと内径との比率が０．６未満の場合、発熱部の長さが内径に対して短すぎて十分な炉内温度分布が得られず実用上電気炉として使用することができない。また発熱部の長さが１０を超える場合、有効加熱領域のアスペクト比が大き過ぎて実用性がない上、発熱体が長尺化するためコンパクトな電気炉とならないばかりか、長時間の使用による変形によってスリット間での接触が生じ、回路的短絡が発生する可能性がある。このため、発熱部３の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）を０．６〜１０の範囲とする必要があり、０．８〜５の範囲とすることがより望ましく、１．０〜３の範囲にあることがより好ましい。
【００１８】
該発熱体１では、発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）を６〜５０の範囲とする必要がある。発熱体の内径と肉厚との比率が５０を超える場合、内径に対して肉厚が小さ過ぎて発熱体の強度が十分に得られず短寿命となる。発熱体の肉厚と内径との比率が６未満の場合、内径に対して肉厚が大き過ぎて発熱体の熱容量が大きくなり、急速加熱を行った場合発熱体内部での温度勾配が大きくなり熱応力による破損が発生する可能性がある。このため、発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）を６〜５０の範囲とする必要があり、１０〜３５の範囲とすることがより望ましい。
【００１９】
また該発熱体１では、発熱体に設けられたスリット５の長さと発熱体１の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にある必要がある。スリットの長さと発熱体の全長との比率が０．５未満の場合には、発熱体全長に占める発熱部の長さが短すぎて、コンパクトな電気炉とならないばかりか、折り返し端部が不要に長くなるため単位発熱部面積に対する消費電力が高くなり短寿命となる。該スリットの長さと発熱体の全長との比率が０．９５を超える場合、折り返し端部が短すぎて繰り返しの昇降温による破損が発生しやすく短寿命となる。このため、スリット５の長さと発熱体１の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にある必要があり、スリットの長さと発熱体の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．６〜０．９の範囲とすることがより望ましい。
【００２０】
図７は、本発明の電気炉の一例を示す断面図であり、発熱体１の中空部内には、セラミックス炉心管８を装着し、この中空部内を有効加熱室とする。セラミックス炉心管８は、この内部に被加熱物を置くことにより、発熱体１からの蒸発物によって被加熱物が汚染されることを防止できる。該セラミックス炉心管８の厚さ、長さ、及び外寸法は、電気炉の仕様に応じて適宜決めることができ、さらに、該セラミックス炉心管８は電気炉の仕様に応じて長さ方向に対して位置によって厚みや外寸法などを変化させてもよい。また、該セラミックス炉心管８は発熱体１と密着させても良いが、発熱部３では非接触とすることで、より一層被加熱物への汚染防止効果が向上する。
【００２１】
セラミックス炉心管８は、電気炉を使用する温度域に応じて、従来電気炉の炉心管として用いられている各種の公知のセラミックスを使用することができるが、特に、純度９５％以上、相対密度９３％以上のアルミナ、ムライト、スピネル、安定化ジルコニア（安定化剤も含めた純度が９５％以上）、マグネシア又はイットリアを使用することが望ましく、これらの材料を用いることにより、セラミックス炉心管８の耐熱性がさらに向上すると共に、発熱体１との反応も抑制され、被加熱物への汚染防止効果も向上する。
【００２２】
上記発熱体１の外側には、断熱材９を装着する。発熱体１の外側に断熱材９を装着することによって、電気炉の熱効率を上げることができる。断熱材の材質としては、耐火煉瓦、耐火断熱煉瓦、キャスタブル耐火物、セラミックファイバー成形体等の各種の公知の耐火物を使用できる。又、セラミックファイバー成形体を使用する場合には、断熱性に優れ、蓄熱量が小さいために、消費電力を低減することができ、発熱体１を更に長寿命化することが可能となる。また、断熱材の材質としてセラミックスファイバー成形体を使用する場合、発熱体１と断熱材９との間に厚さ１〜５ｍｍ程度のセラミックス層１０を形成することにより、発熱体１と断熱材９との反応をより一層少なくすることができ、発熱体１をより一層長寿命化することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る電気炉においては、円筒型のランタンクロマイト系発熱体に２ケ所のスリットを設けることによって端子部を一方に集中しているため発熱体を従来よりも短尺化することができ、発熱部と端子部の電気抵抗比を形状、すなわち外径比ではなく、材料の比抵抗自体を変えることにより適正な比率とし、発熱体の肉厚を小さくすることにより発熱体の内径を相対的に大きくし、これにより有効加熱領域を大きくし、発熱体内部を有効加熱室として用いることにより電気炉を一体型化し、これらにより電気炉をコンパクト化することができる。また高温での使用が可能であり、耐熱衝撃性に優れるため急速加熱が可能であり、長寿命となるほか、各種雰囲気制御を行うことが可能である。また本電気炉は、縦型での使用はもちろんのこと、横型での使用も全く問題なく可能であり、試料の出し入れが容易であるというメリットも持ちあわせている。
【実施例】
【００２４】
以下に本発明の実施例、比較例について下記に説明するが、本発明はこれらの実施例だけに限定するものではない。各発熱体の寸法などの条件は下記表１〜２に示す。
【００２５】
実施例１
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部〔例えば、図５および図６（Ａ）、（Ｂ）に示す〕のそれぞれを形成している材料が表１〜３に示す特性を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、内径３９ｍｍ、外径４５ｍｍ、肉厚３ｍｍ、端子部２の長さ６０ｍｍ、発熱部３の長さ６５ｍｍ、折り返し端部４の長さ３０ｍｍ、全長１５５ｍｍの円筒体とし、その端子部の端面を２等分割する位置から折り返し端部に向かって垂直方向に２ケ所の幅３ｍｍ、長さ１３０ｍｍの溝を設けスリット５とし、端子部２の下端から２５ｍｍの位置までの部位（外周面及び端面）に白金ペーストを塗布し、１３００℃で焼き付けて、高温用電極６を形成したのち、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる金属リード部品７を取り付けた。この発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（以下炉心管と呼ぶ）（外径３７ｍｍ×内径３０ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが５６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが５２ｍｍ、内径１０が４８ｍｍ、全長１２０ｍｍ）を装着した。さらにその外側には断熱材９として、純度９５％のα−アルミナ材質からなる、かさ密度０．７ｇ／ｃｍ３の成形体（セラミックファイバー成形体）を、中央部にアルミナセラミックス１０の外径１０ｂと同様の大きさの貫通孔を有する形状に加工して配置し、その外部を、耐火材を内張りにした金属缶体で取り囲み固定することによって、電気炉を得た。
【００２６】
実施例２
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々の材料が表１〜３に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．２２Ωｃｍ、０．１１Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体の内径６４ｍｍ、外径６８ｍｍ、肉厚２ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径５８ｍｍ×内径５０ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが８８ｍｍ、外径１０ｂの大きさが８２ｍｍ、内径１０が７６ｍｍ、全長１２０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００２７】
実施例３
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々の材料が表１〜３に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．４８Ωｃｍ、０．１８Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００２８】
実施例４
図７の電気炉において、表１〜３に示す組成と比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体１の内径８０ｍｍ、外径８８ｍｍ、肉厚４ｍｍ、端子部２の長さ１００ｍｍ、発熱部３の長さ１５０ｍｍ、折り返し端部４の長さ５０ｍｍ、全長３００ｍｍ、スリット５の幅６ｍｍ、長さ２６５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径７２ｍｍ×内径６６ｍｍ×長さ６００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが１０８ｍｍ、外径１０ｂの大きさが１００ｍｍ、内径１０が９４ｍｍ、全長２５０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００２９】
実施例５
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々の材料が表１〜３に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．４Ωｃｍ、０．０２４Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱部３の長さ６０ｍｍ、折り返し端部４の長さ７０ｍｍ、全長１９０ｍｍ、スリット５の長さ１２５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが５６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが５２ｍｍ、内径１０が４８ｍｍ、全長１５０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３０】
実施例６
図７の電気炉において、表１〜３に示す組成と比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、発熱体の内径５０ｍｍ、外径５５ｍｍ、肉厚２．５ｍｍ、端子部２の長さ１１０ｍｍ、発熱部３の長さ１５０ｍｍ、折り返し端部４の長さ４０ｍｍ、スリット５の幅５ｍｍ、長さ２６５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径４６ｍｍ×内径４０ｍｍ×長さ６００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４３ｍｍ、外径１０ｂの大きさが６４ｍｍ、内径１０が５９ｍｍ、全長２４０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３１】
比較例１
実施例１における図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部の各々が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の１０００℃における比抵抗をそれぞれ０．０９Ωｃｍ、０．０４２Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３２】
比較例２
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗をそれぞれ４．０Ωｃｍ、０．３Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３３】
比較例３
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗を０．２４Ωｃｍ、０．０１７Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３４】
比較例４
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗を１．２Ωｃｍ、０．５５Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３５】
比較例５
図７の電気炉において、発熱体１における両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部のそれぞれの１０００℃における比抵抗を０．３Ωｃｍ、０．２３Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３６】
比較例６
図７の電気炉において、発熱体１における発熱部及び両端部が表１〜３に示す組成と物性を有する（とくに発熱部と両端部の各々の１０００℃における比抵抗を２．５Ωｃｍ、０．０２４Ωｃｍとした）ランタンクロマイト系セラミックスを用いて発熱体１を作製したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３７】
比較例７
図７の電気炉において、発熱体１の内径５４ｍｍ、外径６０ｍｍ、発熱部３の長さ３０ｍｍ、全長１２０ｍｍ、スリット５の長さ９５ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径４８ｍｍ×内径４０ｍｍ×長さ３５０ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが７８ｍｍ、外径１０ｂの大きさが７２ｍｍ、内径１０が６６ｍｍ、全長９０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３８】
比較例８
図７の電気炉において、発熱体１の内径２４ｍｍ、外径３０ｍｍ、発熱部３の長さ２５０ｍｍ、折り返し端部４の長さ５０ｍｍ、全長３６０ｍｍ、スリット５の幅２ｍｍ、長さ３１０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径２０ｍｍ×内径１５ｍｍ×長さ８００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４３ｍｍ、外径１０ｂの大きさが３９ｍｍ、内径１０が３５ｍｍ、全長３３０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００３９】
比較例９
図７の電気炉において、発熱体１の内径５５ｍｍ、外径５７ｍｍ、肉厚１ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径５０ｍｍ×内径４６ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが７５ｍｍ、外径１０ｂの大きさが６９ｍｍ、内径１０が６３ｍｍ、全長１２０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４０】
比較例１０
図７の電気炉において、実施例１と同様の組成と比抵抗を有するランタンクロマイト系セラミックスを用いて、内径２３ｍｍ、外径３２ｍｍ、肉厚４．５ｍｍ、発熱部３の長さ４５ｍｍ、全長１３５ｍｍ、スリット５の幅１．５ｍｍ、長さ１１０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径２０ｍｍ×内径１５ｍｍ×長さ３６０ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４２ｍｍ、外径１０ｂの大きさが３８ｍｍ、内径１０が３５ｍｍ、全長１００ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４１】
比較例１１
図７の電気炉において、端子部２の長さ５５ｍｍ、発熱部３の長さ３０ｍｍ、折り返し端部４の長さ１０５ｍｍ、全長１９０ｍｍ、スリット５の長さ９０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが５６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが５２ｍｍ、内径１０が４８ｍｍ、全長１５０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４２】
比較例１２
図７の電気炉において、発熱体１の内径２４ｍｍ、外径３０ｍｍ、端子部２の長さ２４０ｍｍ、折り返し端部４の長さ１５ｍｍ、全長３２０ｍｍ、スリット５の幅２ｍｍ、長さ３１０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径２０ｍｍ×内径１５ｍｍ×長さ７５０ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが４３ｍｍ、外径１０ｂの大きさが３９ｍｍ、内径１０が３５ｍｍ、全長２７０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４３】
比較例１３
実施例１における図７の電気炉と同等の構造を有する電気炉において、発熱体１として図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示される形状をもち、該発熱体１における発熱部及び両端部の材料が表１に示す組成を有し、１０００℃における比抵抗がいずれも０．３Ωｃｍであるランタンクロマイト系セラミックスを用いて、該発熱体１の内径３２ｍｍ、発熱部３の外径３６ｍｍ、端子部２の外径４５ｍｍ、端子部２の肉厚６．５ｍｍ、発熱部３の肉厚２ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径３０ｍｍ×内径２４ｍｍ×長さ４００ｍｍ）を挿入したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４４】
比較例１４
実施例１における図７の電気炉と同等の構造を有する電気炉において、発熱体１として図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示される形状をもち、該発熱体１における発熱部及び両端部の材料が表１に示す組成を有し、１０００℃の比抵抗をいずれも０．３Ωｃｍとしたランタンクロマイト系セラミックスを用いて、該発熱体１の内径４５ｍｍ、発熱部３の外径５０ｍｍ、端子部２の外径５５ｍｍ、端子部２の肉厚５ｍｍ、発熱部３の肉厚２．５ｍｍ、端子部２の長さ１００ｍｍ、発熱部３の長さ１６０ｍｍ、折り返し端部４の長さ４０ｍｍ、全長３００ｍｍ、スリット５の幅５ｍｍ、長さ２６０ｍｍとして発熱体１を作製し、発熱体１の中空部内に純度９９．５％、相対密度９７％のアルミナセラミックス炉心管８（外径４０ｍｍ×内径３４ｍｍ×長さ６００ｍｍ）を挿入し、発熱体１の外側に、純度９９．５％、相対密度９７％の円筒型のアルミナセラミックス１０（外径１０ａの大きさが６６ｍｍ、外径１０ｂの大きさが６０ｍｍ、内径１０が５５ｍｍ、全長２４０ｍｍ）を装着したこと以外は、実施例１と同様にして電気炉を得た。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
試験例１
実施例１〜６及び比較例１〜１３のそれぞれの電気炉を、有効炉内中央での保持温度１８００℃、保持時間３０ｍｉｎ、昇降温速度３００℃／ｈで繰り返しサイクル通電試験を実施したときの、消費電力が最大となる温度到達時の電圧、電流、消費電力、表面負荷密度及び発熱体が破損するまでのサイクル回数を求めた。その結果を表４に示す。
【００４９】
【表４】
【００５０】
試験例２
実施例１、６及び比較例１４のそれぞれの電気炉を、有効炉内中央での保持温度１８００℃、保持時間３０ｍｉｎ、昇降温速度８００℃／ｈで通電試験を実施したときの、消費電力が最大となる温度到達時の電圧、電流、消費電力、表面負荷密度を求めた。その結果を表５に示す。
【００５１】
【表５】
【００５２】
試験例１の表４から明らかなように、実施例１〜６の電気炉は高い耐久性を示した。また比較例１〜１３の結果から明らかなように、本発明の要件を満足しないランタンクロマイト系発熱体を用いた電気炉は充分な有効加熱領域が得られず、また耐久性に優れた電気炉とならない。また、試験例２の結果、本発明の電気炉は昇温速度８００℃／ｈでの急速加熱が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１（Ａ）は従来の複数の発熱体を使用した管状型電気炉の縦断面図、図１（Ｂ）は従来の管状型電気炉の横断面図である。
【図２】図２（Ａ）は従来の一本の発熱体を使用した一体型の管状型電気炉の縦断面図、図２（Ｂ）は従来の一本の発熱体を使用した一体型の管状型電気炉の横断面図である。
【図３】図３（Ａ）は特許文献１の電気炉の発熱体を正面から見た図、図３（Ｂ）は発熱体を側面から見た図である。
【図４】図４は特許文献１の電気炉の一例を示す図である。
【図５】図５は本発明電気炉の発熱体を正面から見た図である。
【図６】図６（Ａ）は本発明電気炉の発熱体を側面から見た図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【図７】図７は本発明電気炉の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 発熱体
２ 端子部
３ 発熱部
４ 折り返し端部
５ スリット
６ 電極
７ 金属リード部品
８ セラミックス炉心管
９ 断熱材
１０ セラミックス層
１０ａ セラミックス層
１０ｂ セラミックス層
１１ 金属缶体
１２ 棒状発熱体
１３ 断熱材
１４ 炉心管
１５ 発熱体
１６ 発熱部
１７ 端子部
１８ 電極
１９ リード線
２０ 断熱材
２１ 炉心管
２２ 断熱材
２３ 炉心管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部と両端部からなる円筒型のランタンクロマイト系発熱体において、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあり、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗と両端部の材料の１０００℃の比抵抗の比率（［発熱部の比抵抗］／［両端部の比抵抗］）が１．５〜１００の範囲にあり、該発熱体の発熱部の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）が０．６〜１０の範囲にあり、該発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）が６〜５０の範囲にあり、該発熱体の一方の端面を基端とし、該基端面を２等分割する位置から垂直方向に２ケ所のスリットを設けることによって端子部を一方に集中し、該スリットの長さと発熱体の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にあり、該端子部に高温用金属電極膜を取り付けた発熱体と、該発熱体の外側に装着した断熱材と、該発熱体の中空部内に装着したセラミックス炉心管とを備え、該炉心管の中空部内を有効加熱室としたことを特徴とする電気炉。
【請求項１】
発熱部と両端部からなる円筒型のランタンクロマイト系発熱体において、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗が０．１〜３．５Ωｃｍの範囲にあり、両端部の材料の１０００℃の比抵抗が０．０２〜０．５Ωｃｍの範囲にあり、発熱部の材料の１０００℃の比抵抗と両端部の材料の１０００℃の比抵抗の比率（［発熱部の比抵抗］／［両端部の比抵抗］）が１．５〜１００の範囲にあり、該発熱体の発熱部の長さと内径との比率（［発熱部の長さ］／［内径］）が０．６〜１０の範囲にあり、該発熱体の内径と肉厚との比率（［内径］／［肉厚］）が６〜５０の範囲にあり、該発熱体の一方の端面を基端とし、該基端面を２等分割する位置から垂直方向に２ケ所のスリットを設けることによって端子部を一方に集中し、該スリットの長さと発熱体の全長との比率（［スリットの長さ］／［全長］）が０．５〜０．９５の範囲にあり、該端子部に高温用金属電極膜を取り付けた発熱体と、該発熱体の外側に装着した断熱材と、該発熱体の中空部内に装着したセラミックス炉心管とを備え、該炉心管の中空部内を有効加熱室としたことを特徴とする電気炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２８５６４４（Ｐ２００７−２８５６４４Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１５３９７（Ｐ２００６−１１５３９７）
【出願日】平成１８年４月１９日（２００６．４．１９）
【出願人】（０００２３０６２９）株式会社ニッカトー (30)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１９日（２００６．４．１９）
【出願人】（０００２３０６２９）株式会社ニッカトー (30)
【Ｆターム（参考）】
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