CN107606953B

CN107606953B - 加热炉

Info

Publication number: CN107606953B
Application number: CN201710562311.0A
Authority: CN
Inventors: 乙坂哲也
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: JP6762673B2; CN107606953A; JP2018014314A

Abstract

本发明提供可良好地维持加热器与电极之间的接触状态的加热炉。其中，螺栓的杆贯穿于贯通加热器的贯穿孔，将螺栓的杆进一步插入于在电极棒的顶端面设置的孔而对螺栓进行紧固，从而加热器和电极棒被紧固连结起来，该加热炉具备第1垫圈和第2垫圈，在螺栓的支承面与电极的顶端面之间的间隔L₀、螺栓的长度方向的线膨胀系数α₀、加热器的贯穿孔的形成部分的厚度T_H、厚度方向的线膨胀系数α_H、第1垫圈的厚度T_B、厚度方向的线膨胀系数α_B、第2垫圈的厚度T_E、厚度方向的线膨胀系数α_E、加热器与电极之间的紧固连结部分的温度上升量ΔT时，满足|L₀·α₀‑(T_H·α_H+T_B·α_B+T_E·α_E)|·ΔT≤0.15(T_B+T_E)。

Description

加热炉

技术领域

本发明涉及在合成石英玻璃的制造加工工序、光纤的拉丝工序等中进行加热时所使用的加热炉，尤其是涉及加热器和电极被螺栓紧固连结的加热炉。

背景技术

在合成石英玻璃的制造加工工序、光纤的拉丝工序等中广泛应用的石墨加热器由各向同性石墨、C/C复合材料那样的石墨系的原材料形成，能够在非活性气体气氛中获得1000℃～2500℃程度的温度。

为了向这样的加热器供给电流，需要将电极与加热器连接。作为在1000℃～2500℃程度的高温下具有导电性、不熔融、且不与气氛气体发生反应的电极的材料的选项，可与加热器同样地列举出各向同性石墨、C/C复合材料那样的石墨系的原材料。

另外，为了将加热器和电极连接，需要螺栓等紧固连结部件，该紧固连结部件也暴露于高温，因此，作为紧固连结部件的材料，通常，与加热器、电极同样地选择各向同性石墨、C/C复合材料那样的石墨系的原材料。也可选择钨等高熔点金属，但由于在温度的作用下引起炭化、由用作非活性气体的氮导致的氮化，因此，通常不选择钨等高熔点金属。

为了提高加热器与电极之间的密合度、减轻接触电阻，通常，在加热器与电极之间配置垫圈。该垫圈要求导电性·压缩复原性·耐热性，因此，大多使用满足这些要件的膨胀石墨片材。出于对紧固时的应力集中进行缓和的目的，在螺栓的支承面与加热器之间也插入有垫圈，在此也大多使用膨胀石墨片材，对于这些垫圈，未必要求导电性，因此，也可以使用陶瓷系的片材等没有导电性的材质。

发明内容

发明要解决的问题

在反复进行加热器的升降温期间，存在螺栓松动、或螺栓断裂的情况。在螺栓松动的情况下，加热器与电极之间的接触变差而电压产生变动，若松动进一步恶化，则在加热器与电极之间产生火花而产生黑烟，炉内和被加热物被明显污染。另外，在螺栓断裂了的情况下，完全无法通电、或根据状况而产生火花，以至于与螺栓松动的情况同样的结果。

在螺栓使用了与加热器同一材质的各向同性石墨的情况下，存在易于产生螺栓的断裂的倾向。另外，在为了防止此倾向而使用了强度优异的C/C复合材料的螺栓的情况下，虽然难以产生螺栓的断裂，但随着反复进行升降温，螺栓易于产生松动，因此，需要定期的重新紧固，若对此疏忽，则有可能产生火花而对炉内造成污染。

本发明的目的在于提供一种可长期地且良好地维持由碳等脆性材料形成的加热器与电极之间的接触状态的加热炉。

用于解决问题的方案

本发明的加热炉是如下加热炉：将螺栓的杆部贯穿由脆性材料形成的加热器的从一个面贯通到另一个面的贯穿孔，进一步将螺栓的杆部插入于在电极棒的顶端面设置的孔而对该螺栓进行紧固，从而加热器和电极棒被紧固连结起来，其特征在于，该加热炉具备：一枚以上的第1垫圈，其在螺栓的支承面与加热器的一个面之间被螺栓的杆部贯穿；以及一枚第2垫圈，其在加热器的另一个面与电极棒的顶端面之间被螺栓的杆部贯穿，在将螺栓的支承面与电极的顶端面之间的间隔设为L₀[mm]、将螺栓的长度方向的线膨胀系数设为α₀[1/K]、将加热器的形成有贯穿孔的部分的厚度设为T_H[mm]、将加热器的厚度方向的线膨胀系数设为α_H[1/K]、将第1垫圈的合计厚度设为T_B[mm]、将第1垫圈的厚度方向的线膨胀系数设为α_B[1/K]、将第2垫圈的厚度设为T_E[mm]、将第2垫圈的厚度方向的线膨胀系数设为α_E[1/K]、将加热器与电极之间的紧固连结部分的温度上升量设为ΔT[K]时，满足|L₀·α₀-(T_H·α_H+T_B·α_B+T_E·α_E)|·ΔT≤0.15(T_B+T_E)的关系。

通过满足这样的关系，即使在使用环境中反复进行升降温，也难以产生螺栓的断裂、松动，能够长期地且良好地维持加热器与电极之间的接触状态。

此外，通过以满足α₀>α_H的关系的方式选择材料，容易进行满足上述的关系式的设计。

另外，在选择螺栓的材质之际，通过选择线膨胀系数比C/C复合材料等的线膨胀系数大的各向同性石墨，容易进行满足α₀>α_H的关系的设计。

而且，通过设计成满足|L₀·α₀-(T_H·α_H+T_B·α_B+T_E·α_E)|·ΔT≤0.06(T_B+T_E)的关系，能够抑制由升降温导致的螺栓紧固力的降低，更长期地且良好地维持加热器与电极之间的接触状态。

附图说明

图1是本发明的加热炉的加热器和电极的概略图。

图2是说明加热器和电极棒的加工形状的图。

图3是加热器与电极棒之间的接合部分的放大图。

附图标记说明

11、加热器；11a、贯穿孔；11b、加热器的一个面；11c、加热器的另一个面；12、电极棒；12a、电极棒的顶端面；12b、螺纹孔；13、螺栓；13a、螺栓的杆部；13b、螺栓的支承面；14、第1垫圈；15、第2垫圈。

具体实施方式

图1中示出用于表示本发明的加热炉的构成例的概略图。图1的(a)是俯视图，图1的(b)是主视图。本发明的加热炉具备加热器11、电极棒12、螺栓13、第1垫圈14、以及第2垫圈15。

加热器11是圆筒形且从上下端交替地切割有狭缝的狭缝加热器。作为加热器11的材质，为了在非活性气体气氛中获得1000℃～2500℃的高温，使用各向同性石墨、C/C复合材料那样的石墨系的脆性原材料。此外，图1中示出了在狭缝加热器的侧面直接连接电极棒的例子，但也可适用于具有从狭缝加热器向上部或者下部延长而成的加热器端子部的加热器、平面的板加热器等其他类型的加热器。

电极棒12的一端与加热器11连接，另一端与未图示的电源设备连接，将用于使加热器11发热的电力向加热器11供给。对于电极棒12的材质，也使用各向同性石墨、C/C复合材料那样的石墨系的脆性原材料。

如图2所示，在加热器11，从一个面11b贯通到另一个面11c地设有螺栓13的贯穿孔11a。在电极棒12的顶端面12a设有用于插入并紧固螺栓13的杆部13a的螺纹孔12b。

图3是表示使用螺栓13而将加热器11和电极棒12紧固连结起来的状态的图。对于螺栓13的材质，也使用各向同性石墨、C/C复合材料那样的石墨系的脆性原材料。

螺栓13的杆部13a从加热器11的一个面11b插入于贯穿孔11a，但在插入之前贯穿第1垫圈14。即，第1垫圈14在螺栓13的杆部13a贯穿时被夹在螺栓13的支承面13b与加热器11的一个面11b之间。另外，通过向贯穿孔11a贯穿，螺栓13的从加热器11的另一个面11c突出来的杆部13a插入电极棒12的螺纹孔12b，但在插入之前贯穿第2垫圈15。即，第2垫圈15在螺栓13的杆部13a贯穿时被夹在加热器11的另一个面11c与电极棒12的顶端面12a之间。

出于通过吸收加热器11的另一个面11c与电极棒12的顶端面12a之间的角度的偏离、各面的表面粗糙度来提高密合度而减少接触电阻的目的，插入第2垫圈15。由于插入多个第2垫圈15，每次组装的接触电阻的变动变大，加热温度的分布易于变得不均匀，因此，期望的是仅插入1个第2垫圈15。作为第2垫圈15的原材料，要求导电性·压缩复原性·耐热性，因此，优选膨胀石墨片材。

出于对螺栓紧固时的应力向螺栓头部的集中进行缓和的目的，插入第1垫圈14。也可以插入多个第1垫圈14，但相反，在螺栓13、加热器11的形成有贯穿孔11a的部分、以及电极棒12的制作精度足够高的情况下，也可以不插入第1垫圈14。作为第1垫圈14的原材料，也优选膨胀石墨片材，但加热器11与电极棒12之间的导通在加热器11的另一个面11c侧已得以确保，因此，也可以使用陶瓷系的片材等没有导电性的原材料。

加热器11的形成有贯穿孔11a的部分、螺栓13、第1垫圈14、以及第2垫圈15在加热了之际根据各自所具有的线膨胀系数产生热膨胀。若将螺栓13的支承面13b与电极棒12的顶端面12a之间的间隔设为L₀[mm]、将螺栓13的长度方向的线膨胀系数设为α₀[1/K]、加热器11与电极12之间的紧固连结部分的温度上升量设为ΔT[K]，则螺栓13的实质的伸长成为L₀·α₀·ΔT[mm]。另一方面，将加热器11的形成有贯穿孔11a的部分的厚度设为T_H[mm]、将加热器11的厚度方向的线膨胀系数设为α_H[1/K]、将第1垫圈14的厚度(在多个第1垫圈14的情况下，是多个第1垫圈14的合计厚度)设为T_B[mm]、将第1垫圈的厚度方向的线膨胀系数设为α_B[1/K]、将第2垫圈15的厚度设为T_E[mm]、将第2垫圈的厚度方向的线膨胀系数设为α_E[1/K]、被夹在螺栓13的支承面13b与电极棒12的顶端面12a之间的构件的由热导致的厚度的增加成为(T_H·α_H+T_B·α_B+T_E·α_E)·ΔT[mm]。

通过以螺栓13的由热导致的伸长量与被夹在螺栓13的支承面13b和电极棒12的顶端面12a之间的构件的由热导致的厚度的增加量之差变小的方式选择构件，能够难以产生螺栓13的断裂、施加于第1垫圈14和第2垫圈15的应力的集中、各构件的间隙。

为了选择恰当的构件，进行了以下测试：适当组合表1所示的构件而以ΔT＝2000K反复进行10次～50次的升降温，确认螺栓的松动情况和垫圈的状态。

【表1】

螺栓的松动情况利用以松动升降温后的螺栓时的需要扭矩除以加热器安装时紧固螺栓时的扭矩而得到的数值(以下称为扭矩比)进行了评价。扭矩比取0～1之间，0是完全松动而螺栓的轴向力消失了的状态，越接近1，表示相对于螺栓轴向力的初始状态的变化越小。

在表2～表9中示出8种组合及其升降温测试的结果。

【表2】

【表3】

【表4】

【表5】

【表6】

【表7】

【表8】

【表9】

在组合1中，第1垫圈和第2垫圈都有龟裂，松动螺栓时的需要扭矩小到无法测定的程度。在组合2中，第1垫圈和第2垫圈都大幅度压扁，扭矩比小到0.04。在组合3中，第1垫圈和第2垫圈都被大幅度压扁，扭矩比小到0.05。在组合4中，第1垫圈和第2垫圈的压扁程度都较小，扭矩比也为0.21，比组合1～3大，无法用手松动螺栓。在组合5中，尽管升降温次数增加到50次，但第1垫圈和第2垫圈的压扁程度都较小，扭矩比为0.44，保持了非常良好的状态。在组合6中，第1垫圈和第2垫圈的压扁程度都较小，扭矩比为0.19。与组合4相比较，扭矩比较小。在组合7中，即使升降温次数为50次，第1垫圈和第2垫圈的压扁程度也都较小，扭矩比为0.30，是良好。不过，与组合5、组合8相比，扭矩比较小。在组合8中，即使升降温次数为50次，第1垫圈和第2垫圈的压扁组合也都较小，扭矩比为0.39，非常良好。

通过以满足α₀>α_H的关系的方式选择材料，容易进行满足上述的关系式的设计。另外，在选择螺栓的材质之际，通过选择线膨胀系数比C/C复合材料等的线膨胀系数大的各向同性石墨，容易满足α₀>α_H的关系。

本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式是例示，对于具有与本发明的权利要求书所记载的技术思想实质上相同的结构、且起到同样的作用效果的实施方式而言，无论是什么样的方式，均包含于本发明的保护范围。

Claims

1.一种加热炉，在该加热炉中，将螺栓的杆部贯穿由脆性材料形成的加热器的从一个面贯通到另一个面的贯穿孔，进一步将螺栓的杆部插入于在电极棒的顶端面设置的孔而对该螺栓进行紧固，从而所述加热器和所述电极棒被紧固连结起来，该加热炉的特征在于，

该加热炉具备：

一枚以上的第1垫圈，其在所述螺栓的支承面与所述加热器的一个面之间被所述螺栓的杆部贯穿；以及

一枚第2垫圈，其在所述加热器的另一个面与所述电极棒的顶端面之间被所述螺栓的杆部贯穿，

在将所述螺栓的支承面与所述电极棒的顶端面之间的间隔设为L₀、将所述螺栓的长度方向的线膨胀系数设为α₀、将所述加热器的形成有所述贯穿孔的部分的厚度设为T_H、将所述加热器的厚度方向的线膨胀系数设为α_H、将所述第1垫圈的合计厚度设为T_B、将所述第1垫圈的厚度方向的线膨胀系数设为α_B、将所述第2垫圈的厚度设为T_E、将所述第2垫圈的厚度方向的线膨胀系数设为α_E、将所述加热器与所述电极棒之间的紧固连结部分的温度上升量设为ΔT时，满足|L₀·α₀-(T_H·α_H+T_B·α_B+T_E·α_E)|·ΔT≤0.15(T_B+T_E)的关系，其中，L₀、T_H、T_B、T_E的单位是mm；α₀、α_H、α_B、α_E的单位是1/K；ΔT的单位是K。

2.根据权利要求1所述的加热炉，其特征在于，

满足α₀>α_H的关系。

3.根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征在于，

所述螺栓由各向同性石墨形成。

4.根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征在于，

满足|L₀·α₀-(T_H·α_H+T_B·α_B+T_E·α_E)|·ΔT≤0.06(T_B+T_E)的关系。

5.根据权利要求3所述的加热炉，其特征在于，