独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）先进制造工艺研究部[研究部部长粟野雅信]陶瓷机械零件工艺研究组、首席研究员堀田元典、研究组组长近藤直树与大和株式会社[代表董事辻井龙太]（以下简称“大和株式会社”）合作生产铝熔化大功率加热浸入式加热器
新开发的加热器采用陶瓷制成的加热器管，对熔融铝具有优异的耐腐蚀性，并密集填充高导热率的陶瓷填料，改善了从加热元件到熔融铝的热传递，实现加热器输出比传统加热器高五倍。这种高输出减少了加热熔融铝所需的加热器的数量，从而可以减少加热熔融铝所需的加热器的数量。选角有望为工业中加热设备的减少和节能做出贡献。
该成果将于2014年6月24日至25日在AIST中部中心（爱知县名古屋市）举办的2014年国立先进产业技术研究所中部中心发表。该成果预计在“开放实验室”和在Pacifico Yokohama（神奈川县横滨市）举办的“2014年日本压铸会议暨展览会”上展出2014年11月13日至15日。
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新开发的浸入式加热器，用于加热熔融铝（左）和浸没在熔融金属中的状态（右）
以前需要三个加热器，但现在我们可以用一个加热器加热 |
在金属铸造工业中，在金属熔化炉中熔化的金属（熔融金属）在熔融金属保温炉中被加热或保温。传统熔融金属保温炉的主流是使用燃油或燃气燃烧器或电加热器通过辐射加热来保温熔融金属。然而，在辐射加热中，热量是从熔融金属的表面传递的，因此炉顶的热量损失很大，并且熔融金属的温度容易不均匀。因此，为了使炉底的金属液保持在熔化温度以上，就必须将炉内温度提高到较高的温度，这使得金属液更容易氧化，导致金属液质量差、材料损失等问题。因此，近年来，将电加热器浸入熔融金属保温炉内的熔融金属中并直接加热保温的浸入式加热器迅速普及。该方法具有较高的温度可控性和熔融金属质量，有望降低能耗和成本。
传统的浸入式加热器将电阻加热元件插入由氮化硅陶瓷制成的加热管中，该加热管具有优异的耐熔融金属性能。然而，由于加热元件通过加热管向熔融金属的传热不充分，在熔融铝的保温炉中，需要将加热器的加热元件的温度提高到远高于熔融铝的温度（约700℃）的温度（950℃），但加热器输出的改善很小，并且难以增加传递到熔融金属的热量。因此，为了提供足够的热量，需要增加浸入式加热器的数量或者通过加粗或加长加热器管来增加加热器的加热面积，导致加热器设备成本增加。此外，当加热器在较高的发热体温度下使用时，发热体的寿命会显着缩短，并且加热器的更换周期也会缩短。
如果我们能够改善从浸入式加热器的加热元件到熔融铝的热传递，并实现浸入式加热器的更高产量和更长寿命，则有望减少铝铸造行业对加热器设备的需求，并为节能做出贡献。
AIST一直致力于开发高导热陶瓷填料的混合和填充工艺技术。另一方面，大和株式会社制造和销售各种电加热器和温度测量传感器，包括铸造用浸入式加热器，并设计、制造和销售工业炉和真空设备。这次，我们汇集了两家公司的优势进行了联合研究，开发了一种浸入式加热器，通过在浸入式加热器的加热元件和陶瓷加热管之间密集填充高导热陶瓷填料，可以改善传热并提高输出。
即使在传统的浸入式加热器中，陶瓷填料填充在加热元件和加热管之间，但填料的填充密度低并且传热不充分。除了高导热率外，还要求填料具有电绝缘性能、1000℃左右的抗氧化性能以及低成本。此次，通过优化陶瓷填料的种类、粒径组成、填充方法等，我们能够将高导热陶瓷填料高密度地填充到加热管中（图1）。结果，确保了通过填料之间的接触进行热传递的路径，实现了比传统方法高五倍的热传递系数，使得可以将高热量从加热元件传递到熔融铝。
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| 图1高导热陶瓷填料高密度填充示意图 |
图2显示了传统产品和使用相同加热元件的开发产品的浸入式加热器输出。将浸入式加热器浸入温度为700℃的熔融铝中并通电，将传递到熔融铝的热量相对于加热器加热元件温度(加热器内部温度)的曲线绘制为加热器输出值。传统的浸入式加热器中，从加热元件到熔融铝的热传递不充分，因此需要控制加热元件的温度，以防止加热元件因温升过高而破裂，而且即使提高加热元件的温度，也很难获得高的加热器输出。另一方面，新开发的浸入式加热器从加热元件到熔融铝具有良好的热传递，因此即使在较低的加热元件温度下也可以获得高加热器输出。
例如，当需要2kW的加热器输出（图2中的蓝色虚线）时，使用传统的浸入式加热器需要将加热元件的温度提高到950℃左右，这是使用极限，但是使用开发的浸入式加热器，传热良好，因此可以将加热元件的温度保持在800℃以下。另外，加热器可长期使用的发热体温度约为850°C，但比较传统产品和开发产品在发热体温度为850°C时的加热器输出可以看出，新开发的浸入式加热器的输出比传统产品高出五倍。
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| 图2 加热器输出测试的测量结果 |
图3显示了所开发的浸入式加热器的使用示例及其效果。在典型尺寸的熔融金属保温炉中，为了在一小时内将 500 公斤熔融铝的温度从 700 °C 升高到 710 °C，需要大约 5 kWh 的热量。因此，对于传统的浸入式加热器，即使在使用极限的 950°C 加热元件温度下，也至少需要三个加热器，但使用新开发的浸入式加热器，即使在比传统浸入式加热器低的 850°C 左右的安全加热元件温度下，也可以仅用一个加热器来升高温度。通过减少加热器的数量，预计可达到以下效果：（1）加热器及其周围设备的数量可减少约三分之二；（2）浸没式加热器插入熔融金属保温炉的开口可做得更小，使炉体开口的热辐射损失减少约三分之二；（3）通过减少炉体的空间，可减少炉体外壁的面积，从而减少炉体的热辐射损失。另外，由于能够抑制浸入式加热器的发热体的温度，因此能够延长加热器的寿命。这些努力预计将降低金属铸造行业加热器设备的成本并节省能源。
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| 图3 所开发的浸入式加热器的使用示例和效果 |
我们计划将浸入式加热器应用于金属熔炼炉，进一步提高其产量，并开发紧凑、节能的熔炉。