JPS58106384A - 加熱炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は抵抗炉特に抵抗発熱体に炭素材を用いたタンマ
ン炉型式の高温焼成用加熱炉に関する。

従来、炭素材料、セラミックス系材料など各種工業用材
料の焼成に用いられる高温加熱装置としては抵抗炉、誘
導炉、アーク炉、プラズマ炉など数多くの装置があるが
、抵抗炉特にタンマン炉型式（以下タンマン式という）
の加熱炉は比較的単純な加熱手段によるため広く用いら
れている。

タンマン式加熱炉を用い２０００〜３０００℃付近の高
温加熱を行なうには、環状の抵抗発熱体（以下発熱体と
いう）に電流を通じ、ジュール熱によりこれを加熱して
被加熱処ｆ！１（物を管内に静置または連続的に通過さ
せ焼成するが、通常は窒素やアルゴン等の一不活性ガス
中あるいは減圧（真空）中でおこなわれ、発熱体として
は一般に炭素（黒鉛）材が用いられる。

この炭素材からなる発熱体は、金属材料やセラミックス
系材料の発熱体では実用に供し得なイ２０００℃〜３０
００℃の高温領域においても、溶融９分解などを起こさ
ず発熱体として十分その機能を発揮し、かつ比較的安価
な材料であるが、前述の高温下で長時間使用すると徐々
に減耗し継続使用が困難となる。

すなわち、発熱体の減耗により肉厚が薄くなるとその部
分の電気抵抗が高くなり、発熱密度の変化にともなう炉
内の温度分布の変化をきたすため、焼成した製品の品質
安定にたいする阻害要因となり、このため発熱体を新規
なものと交換する必要がある。発熱体の交換作業は安全
上、炉を冷却した後に行なう必要があり特に大型の加熱
炉においては、冷却−解体一組立一再加熱といった一連
の作業に多大の時間、労力を要するため発熱体交換周期
が短いと単に発熱体の材料費のみでなく、生産性を著し
く阻害しかつ焼成コストの増大をもたらすのである。

本発明者らはかかる問題を解消するため、炭素材からな
る発熱体の寿命（新規発熱体との交換）延長について鋭
意検討の結果、本発明を見出すにいたった。

すなわち、本発明の目的は高温処理における該発熱体の
寿命を延長して、生産性を高めることにあり、他の目的
は、安定品質の製品を得ることにある。

このような本発明の目的は、前記特許請求の範囲に記載
したように、「被加熱処理物を挿入できる中空部を有す
る抵抗発熱体に電流を通じ発熱せしめる加熱炉において
、該発熱体の外表面に炭素繊維糸条を捲回積層させてな
ることを特徴とする加熱炉」によって達成することがで
きる。

以下、本発明の加熱炉について図面を参照して具体的に
説明するが本発明はこれに限定されるものではない。

第１ｆｌ、第２図は従来の一般的タンマン式加熱炉の側
断面図を示す。ｌは発熱体で炭素材からなっている。発
熱体内部の空間はサンプル処理するものであるから該空
間は所望の温度、雰囲気の条件を満たす必要があるが、
発熱体の外表面は単に外界に熱を放散する放熱面である
。

したがって断熱材層２あるいは断熱材層ａおよび発熱体
保護管６で覆うことにより保温を行なう。３は電流を通
じるための電極、４は出入口シール部である。被加熱処
理物を連続的に加熱処理する場合には、サンプルが通過
できるような隙間をシール部に設ける必要があるが、バ
ッチ式加熱処理の場合は７ランジ構造とすることもでき
る。外殻５の内部の断熱材層２および発熱体内部（保護
管６を配設する場合は保護管６と発熱体１との空間も含
む）は被加熱処理物および発熱体の酸化劣化を抑制する
ために、常時窒素やアルゴンなどの不活性ガスを満たす
か、もしくは真空下に保たれる。また断熱材としては通
常、炭素質ないし黒鉛質の粉末または粒状物、あるいは
フェルト状物力どが用いられる。

第２図の発熱体保護管６は、断熱材層２と発熱体１の直
接的接触を断ち、また発熱体周囲の雰囲気を一層外界よ
り保護するものである。しかしながら、いずれの場合に
おいても長時間高温加熱すると発熱体の外表面の減耗が
激しく発熱体の寿命が短い。

本発明者らは発熱体１の外表面減耗を抑制する技術につ
いて種々検討した結果、前述したように発熱体表面に炭
素繊維糸条を捲きつけることが極めて有効であることを
見出したのである。

第３図は本発明にかかり発熱体１に炭素繊維糸条７を捲
回積層したものの斜視図で、炭素繊維糸条７は発熱体１
の外周に沿って捲回積層され保護層を形成する。第４図
は本発明にかかるタンマン式加熱炉であって、発熱体１
に捲回積層した炭素繊維糸条７を断熱材層２との間に存
在させた側断面図である。

ここで用いられる炭素繊維は、ピッチ系、セルロース系
、アクリル系などの有機繊維を不活性ガス中で８００℃
以上で焼成して得られる一般の炭素繊維である。場合に
よっては２０００℃以上の高温で焼成された黒鉛繊維を
用いることもできる。いずれにしろ長時間発熱体１に直
接接触しているので、黒鉛化が進むこ、とになり炭素質
、黒鉛質のいずれでも用いることができる。また通常市
販の炭素繊維には、エポキシ系或はポリビニルアルコー
ル系などのサイジング剤が付与されている場合が多いが
、これらサイジング剤は加熱されると分解しガス化する
ので、炉内雰囲気を汚染することになる。したがって被
加熱処理物を実際的に処理する以前に充分子熱し、その
間に分解ガスを置挨しておく必要があり、好ましくは発
熱体に巻付ける以前に除去しておくのがよい。

また炭素繊維糸条の捲回積層にあたっては、発熱体に密
着させかつ糸条間に間隙が出来ないように密に捲き付け
ることが必要であり、例えは巻取機の如き装置を用い、
発熱体を回転させつつ炭素繊維を−、定張力下に供給し
、捲回積層することもできる。この場合、トラバースの
綾角を大きくとるΦ吻よりも、なるべくほぼ平行になる
よう密に捲き付けることか好ましい。使用する炭素繊維
束のデニールは特に限定されないが、通常、１０００〜
１００００デニールのものが用いられる。さらに太繊度
のトウ状物を用いる場合には、ロープ状にならないよう
に広げて巻きつけるようにすることによって、同様の効
果を奏することが出来る。また炭素繊維は伸度が低くか
つ滑り易いので、巻きくずれを生Φじないように、例え
ば端部をテーパ壷状に形成するなどの配慮が必要である
。

発熱体表面に捲回する炭素繊維糸条の積層厚さは、発熱
体の肉厚等により一概には決められ該　　　　　　　　
　　　　　　　　・ないが、発熱体の肉厚が５〜１〇−
程度であれば積層厚さは約１０−２０　ａｍで充分であ
り、捲回を施さないものに比べ発熱体寿命が２〜３倍に
延長できる。また積層が１〜２１のような厚さの積層で
は発熱体の減耗抑制が有効に発現しない。

本発明の装置の適用例としては、発熱体管内に被加熱処
理物を静置して焼成することもできるが、炭素質繊維か
ら黒鉛質繊維に転換させる連続焼成処理に好ましく用い
られる。被加熱処理物の焼成にあたっては、発熱体に炭
素繊維糸条を捲回積層することのほかは、従来公知の加
熱処理条件に準じて処理することができる。

本発明の方法により発熱体の寿命が延長できる理由につ
いては必ずしも明確ではない。しかしながら、本発明者
らの検討によれば、炭素材料を発熱体に用いたタンマン
式加熱炉において、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲
気下で使用したところ、発熱体の減耗は該発熱体の内表
面に比べ外表面が極めて著しいものであったが、このこ
とは単に温度が高いということだけではなく、熱的、電
気的な境界条件が減耗の支配因子であることが考えられ
、炭素繊維を巻きつけることによりこの境界条件が緩和
されると解することができる。

先ず第１に熱的な条件であるが、第１図、第２図に例示
した加熱炉においては、発熱体の外表面はその内表面と
比較して熱の放散が大きく、常時多量の熱を外界へ放出
している。本発明者らの検討によれば、第２図に示した
ような２重管構造を有する加熱炉を用い、発熱体（黒鉛
パイプ外径７０　ｍ　ｇ’　）に約１５．の厚さで炭素
繊維を巻きつけて使用した場合については、このように
炭素繊維を巻きつけたことにより消費電力が約４０％低
下し、外殻表面温度も低下していることが認められた。

すなわち、炭素繊維の層は良好な断熱材として作用し、
放熱抑制に効果があり、このことが結果として発熱体の
寿命延長に有効に働いていると考えられる。

第２に電気的な境界条件であるが、前述したように２０
００℃以上もの高温領域になると、発熱体はもとより、
周囲に用いる断熱材にも一般的に炭素材が用いられる。

炭素材は本質的には導電性であるから、発熱体にこのよ
うな断熱材が接触していると、断熱材を通じて電気が漏
洩することになる。もつとも、発熱体の電気的な抵抗に
比べこのような接触抵抗は極めて大きいので、大部分の
電流は発熱体の中を流れるため、実際の使用上において
問題にならないが、発熱体の外表面の減耗が著しいとい
うことは、このような外表面の電気的境界条件が誘因の
１つとなっているとも考えられる。

例えば、炭素繊維の短繊維かランダムに配列されニード
ルパンチを施された構造を有するフェルト状物を断熱材
として用い、黒鉛パイプの発熱体に接触するように該フ
ェルトを捲回積層した加熱炉においては、発熱体外表面
の減耗は著しく、シたがって本発明のように、炭素繊維
を捲きつけることによりその減耗を抑制する必要がある
。

この点に関して炭素繊維もそれ自体電気伝導性であり、
これを巻きつけることは好ましくなし・と考えられるか
も知れないが、実際上は本発明の如く、発熱体の外表面
に炭素繊維糸条を捲回する方法においては極めて良好な
絶縁材として動いていることが以下のように確認された
。

すなわち発熱体に用いる黒鉛パイプ（外径７゜―〆）に
厚さ１５−になるように炭素繊維をパイプの軸に直交す
るように巻きつけたものについて、その状態で黒鉛パイ
プの電気抵抗を測定ニードルパンチした構造よりなる炭
素繊維フェルト（目付４００ｇ／ｍ雪、厚さ約７．）を
巻きつけ、同様に黒鉛パイプの電気抵抗を測定したとこ
ろ、巻きつける前と比較して該抵抗が約７％減少しだ。

すなわち炭素繊維がランダムに配列したフェルト状物で
は電気伝導性があると見なすことができる。

このことから炭素繊維は電気修導性があるといっても、
それは繊維軸に沿った方向であり、繊維間の接触抵抗は
それに比較して大きく、本発明の如く発熱体の軸に直交
するように巻いた構造では絶縁体とみなせる程高い抵抗
であるのに対し、パイプ軸と平行な部分も存在し得るラ
ンダム配列のフェルト状物では電気伝導性を示すのであ
る。すなわち、本発明の効果は炭素繊維を捲回積層する
という方法により、発熱体表面に良好な熱的、電気的境
界条件を与えることが可能となり、発熱体の減耗の抑制
を実現させたことにあると考えることができる。

また第２図のように発熱体に保護管を配設した構造の加
熱炉においては、発熱体のみでなく、炭素繊維糸条を保
護管にも捲回積層することにより断熱効果を上げ、発熱
体の減耗を抑えてその寿命を延長し、一層効果を発揮す
ることができる。

本発明によれば、発熱体の減耗をルえてその寿命を延長
し、生産性を高めるとともに焼成した製品の品質安定を
はかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来一般に用いられているタンマン式
加熱炉の側断面図、第２図は発熱体保護管を配設した側
断面図、第３図は本発明にかかる加熱炉の発熱体部分の
斜視図、第４図は本発明にかかるタンマン式加熱炉の側
断面図である。 １・・・抵抗発熱体、５．・・・外殻。 ２・・・断熱材層、　　　６・・・抵抗発熱体の保護管
。 ３・・・電極、　　　　　７・・・炭素繊維糸条。 ４・・・出入口シール部。 特許出願人　　東し株式会社 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被加熱処理物を挿入できる中空部を有する抵抗発熱体に
   電流を通じ発熱せしめる力ｎ・熱炉において、該発熱体
   の外表面に炭素繊維糸条を捲回積層させてなることを特
   徴とする加熱炉。