JP2000141526A - 炭素繊維成形断熱材 - Google Patents

炭素繊維成形断熱材

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JP2000141526A
JP2000141526A JP10338394A JP33839498A JP2000141526A JP 2000141526 A JP2000141526 A JP 2000141526A JP 10338394 A JP10338394 A JP 10338394A JP 33839498 A JP33839498 A JP 33839498A JP 2000141526 A JP2000141526 A JP 2000141526A
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heat insulating
bulk density
heat insulation
heat
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Masaaki Senda
千田正明
Suteo Nishimura
西村捨夫
Satoshi Yamano
智 山野
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Nippon Carbon Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16LPIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L58/00Protection of pipes or pipe fittings against corrosion or incrustation
    • F16L58/02Protection of pipes or pipe fittings against corrosion or incrustation by means of internal or external coatings
    • F16L58/04Coatings characterised by the materials used

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温熱処理用断熱材につき、断熱性能をよ
り向上させ、断熱層の薄肉化に資することができ、また
簡易な製法で安価に製造可能でかつ損傷が少なく、寿命
延長ができ、ハンドリング性や自立性にすぐれ、炭素繊
維粉の飛散も生じない炭素繊維断熱材を提供する。 【解決手段】 炭素繊維フエルトを積層した円筒状、角
型又は円盤状成形断熱材であって、最内層および最外層
を、炭素繊維プリプレグに熱硬化性樹脂を含浸し、熱硬
化さらに焼成し、必要に応じて黒鉛化して得られるかさ
密度0.09〜0.30の炭素繊維成形体とし、中間層
をかさ密度0.05〜0.15の炭素繊維フェルトとし
た炭素繊維成形断熱材。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶成長炉等
の1000℃以上の高温処理を行う高温炉に用いられる
炭素繊維製の断熱材に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、半導体単結晶成長炉、真空蒸
着炉、セラミックス焼結炉等の1000℃以上の高温熱
処理を行う高温炉に、炭素繊維製の断熱材が使用されて
いる。この炭素繊維製断熱材は、高温による熱処理にお
いてすぐれた耐熱性、断熱性、耐久性、機械的強度を発
揮し、物性劣化が生じにくい断熱材として近年ますます
その有用性が高まっている。
【0003】上記のような高温炉は、特にチョクラルス
キー法による半導体単結晶成長炉に代表されるように、
大型化が進む状況にあり、これに伴い断熱層の薄肉化、
コンパクト化が市場において重要なニーズになってきて
いる。このようなコンパクト化の要請に応えるために、
断熱性能をより高めた断熱材が要求されている。
【0004】一般に、炭素繊維製断熱材は次の2種のも
のがある。まず炭素繊維フェルトと通常呼ばれているも
ので、一般に、アクリロニトリル繊維、レーヨン繊維、
フェノール繊維等の有機繊維をフエルト状に作製し炭化
又は更に黒鉛化するかあるいは炭素繊維をフェノール樹
脂系等の有機繊維と混紡してフェルトを作製し、炭化又
は更に黒鉛化して得られるものである。この炭素繊維フ
ェルトは、きめ細かく柔軟性に優れ、任意の形状に形作
りやすく、材質としてはかさ密度が小さい。
【0005】次に炭素繊維成形断熱材と呼ばれているも
ので、炭素繊維フェルトに熱硬化性樹脂又はピツチ等を
含浸して熱硬化し、焼成、必要に応じて黒鉛化して得ら
れるものであり、前記の炭素繊維フエルトよりもかさ密
度が高くなり、自立性、形状安定性にすぐれている。
【0006】上記のような炭素繊維材料を用いる断熱材
は通常、積層体として用いられるが炭素繊維フェルトの
みで構成した積層品、炭素繊維成形断熱材の一体成形品
として用いられている。
【0007】しかし、断熱材の薄肉化のニーズに応える
ために、より断熱性能を高める必要がででくる。
【0008】ここで、熱の伝導機構を、輻射、対流、伝
導に分けて考慮してみると、1000℃〜1600℃の
高温領域においては、輻射伝熱が主要な伝熱機構であ
り、この輻射伝熱を低下させることが、高温域での熱伝
導率を低下させ良好な断熱性能を確保するために有効で
あり、そのためには、かさ密度の高い炭素繊維成形断熱
材が適している。
【0009】また800℃以下の低温側では、伝導伝熱
を抑えるために、かさ密度の小さい炭素繊維フェルトが
適している。
【0010】そこで、どちらか一方の材料のみを用いた
断熱材では、高温側と低温側の伝熱機構を考慮した最適
な断熱性能の断熱材は得られない。
【0011】こうした問題点を踏まえ、特開平2−22
7244号には、複数層の炭素繊維フェルトを黒鉛シー
トを介して積層した断熱材において、フェルトのかさ密
度を接合面と直角な方向に段階的に小さくなるように構
成し、高温域及び低温域での断熱性を確保した断熱材が
提案されている。
【0012】しかし、かかる断熱材は優れた断熱性能を
有すると推定されるが、製造工程の複雑さにおいて問題
が生じる。
【0013】すなわち炭素繊維フェルトは一般にかさ密
度が小さく、特開平2−227244号のように、黒鉛
シートを介して各層のかさ密度が異なるフェルトを使用
した場合、製造工程が複雑になる。
【0014】以上のように、高温炉の大型化が進む状況
で、使用される断熱材の薄肉化、コンパクト化の要請は
強くなり、そのためには断熱性能の一層の向上が望まれ
ている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】以上のような問題点に
鑑み、本発明者は、高温熱処理炉用断熱材につき、断熱
性能をより向上させ、断熱層の薄肉化に資することがで
き、簡易な製法で安価に製造可能でかつ損傷が少なく、
寿命延長ができ、ハンドリング性や自立性にすぐれ、炭
素繊維粉の飛散も生じない、すぐれた断熱材を提供す
る。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明者が提案するのは、炭素繊維フエルトを積層し
た円筒状、角形又は円盤状成形断熱材であって、最内層
および最外層を炭素繊維フェルトに熱硬化性樹脂を含浸
し、熱硬化さらに焼成し、必要に応じて黒鉛化して得ら
れるかさ密度0.09〜0.30の炭素繊維成形体と
し、中間層をかさ密度0.05〜0.15の樹脂含浸を
しない炭素繊維フェルトとしたことを特徴とする炭素繊
維成形断熱材である。
【0017】以下に本発明を詳細に説明する。本発明の
断熱材に用いられる炭素繊維としては炭素質又は黒鉛質
の繊維であり、その原料としてはポリアクリロニトリ
ル、レーヨン、フェノール樹脂等を用いる炭素繊維や石
油ピッチ、石炭ピッチ等をもちいるピッチ系炭素繊維が
挙げられる。
【0018】本発明の炭素繊維断熱材においては、積層
体の最外層および最内層を、炭素繊維フェルトに熱硬化
性樹脂を含浸し、熱硬化、焼成、必要に応じ黒鉛化して
得られる炭素繊維成形体とし、中間層を樹脂含浸をしな
い炭素繊維フェルトとすることを特徴としている。
【0019】最外層および最内層を構成する炭素繊維成
形体は樹脂含浸処理をしているので、かさ密度が高く、
0.09〜0.30のかさ密度である。かかるかさ密度
の高い断熱材は、1000℃以上の高温領域において、
輻射伝熱を抑えることにより、熱伝導率を低下させ、す
ぐれた断熱性能を発揮する。
【0020】かさ密度が0.09以下ではポーラスがゆ
え、輻射伝熱を効率良くおさえることができず、また強
度的にも弱く、ハンドリング性や自立性も悪いので好ま
しくなく、0.30以上では逆に強度的には十分である
が、伝導伝熱が大きくなるので不都合である。この炭素
繊維成形体は硬質の材料で、自立性、形状安定性にすぐ
れている。
【0021】中間層に使用する炭素繊維フェルトは、樹
脂含浸をせず、フエノール繊維、ポリアクリロニトリル
繊維、レーヨン繊維等の有機繊維をフェルト状に作製
し、炭化又は黒鉛化するかまたは炭素繊維に必要に応じ
てフェノール繊維等を混紡して、フェルト状に製作し
て、焼成炭化、必要に応じて黒鉛するかあるいはピッチ
系炭素繊維をフェルト状に製作して得られるもので、か
さ密度が小さく、0.05〜0.15のかさ密度であ
る。
【0022】かかるかさ密度の小さい断熱材は800℃
以下の低温領域で伝導伝熱を抑え断熱性能を発揮するの
に有効である。かさ密度が0.05以下では、成形性が
不良のため不都合が生じ、またかさ密度が0.15以上
の炭素繊維フェルトは通常は存在しない。
【0023】この炭素繊維のフェルトは軟質の材料であ
るため、柔軟性、緩衝性にすぐれるが、前記のように、
傷つき易くハンドリング性に難があり、寿命の面では長
期の使用に耐えるのが困難である。
【0024】また自立性、形状安定性に欠けるため、取
り付けのための補助手段が必要である。さらに炭素繊維
粉の飛散が生じやすく、高温炉の操業に支障をきたし得
る。
【0025】そこで、本発明においては、ハンドリング
性が良く、自立性、形状安定性にすぐれ、炭素繊維粉の
飛散も生じにくい炭素繊維成形体を最外層、最内層に配
し、炭素繊維フェルトを挟込む構造の積層体とすること
により、炭素繊維フェルトの欠点を解消しつつ、高温
域、低温域共に最適度な断熱性能を発揮する断熱材を提
供するものである。
【0026】本発明において、積層体の各層の接着は、
樹脂等を接着剤として用い、接着後、積層体を樹脂硬
化、加熱し焼成することにより接着される。
【0027】樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましく、
フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げら
れ、これらを一種または二種以上混合して使用される
が、フェノール樹脂が特に好ましい。
【0028】本発明の断熱材の成形方法としては、積層
体の各層の当接面に樹脂を塗布した後、加圧成形して熱
硬化処理し、次いで焼成し、炭素化又は更に黒鉛化し
て、必要に応じて、高純度化処理する方法が一般的だ
が、これに限定されるものではない。
【0029】本発明の断熱材は、円筒状のもの、角形の
もの、円盤状のものいずれにも適用される。
【0030】
【本発明の効果】本発明によると、各種の高温炉におい
て、高温側、低温側ともにすぐれた断熱性能を確保し
て、総合的に断熱効果を向上させた断熱材が得られる。
【0031】従来の炭素繊維フェルト又は炭素繊維成形
体のみで積層体とした断熱材に比べ、熱伝導率を約15
%低減でき、断熱層の薄肉化が可能になり、炉の熱容量
低減に寄与することができる。
【0032】例えば、半導体Si単結晶引上げ装置にお
いて、使用した場合、断熱層の薄肉化による省スペース
効果により内容積が大となり、例えば、8″φ引上げ装
置においても、12″φの単結晶引上げが可能になる。
このように高温炉において、既存設備の有効利用や新規
設備の設計の際のコンバクト化の面で産業界のニーズに
応えるものである。
【0033】上記のような断熱性能の向上および設備の
省スペース化のメリットとともに、断熱材の寿命延長の
面でもメリツトが大きい。すなわち、ハンドリング時の
損傷の発生が少なく、また自立性、形状安定性にすぐ
れ、炉への取付けに際して、ピンやボルトなど取付けの
補助手段を要することなく、長時間使用が可能である。
【0034】さらに高温炉の操業において支障となる炭
素繊維粉の発生も防止できる。以上のような効果を有す
る本発明はSi単結晶成長炉をはじめとして各種の高温
炉用の断熱材に有用である。
【0035】
【実施例】フェノール樹脂を炭素繊維フエルトに含浸処
理して得た炭素繊維プリプレグを層間接着樹脂である粉
末熱硬化性樹脂とともに冷間ロールフォーミング成形し
た。その外径に樹脂含浸をしない炭素繊維フェルトを上
記と同様に粉末熱硬化性樹脂とともに冷間ロールフォー
ミングした。さらにその外径に上記と同様にフェノール
樹脂を炭素繊維フェルトに含浸処理し得た炭素繊維プリ
プレグを同様に冷間ロールフォーミングした。
【0036】上記のようにして得られた積層体を熱硬化
し、炭素化、黒鉛化、さらに高純度化処理をして、最外
層と最内層がかさ密度0.16の炭素繊維成形体で、中
間層がかさ密度0.10の炭素繊維フェルトとした円筒
状の炭素繊維断熱材を得た。この断熱材の熱伝導率を従
来の一種類の炭素繊維成形体を積層した断熱材と比較し
て測定したところ、約15%の熱伝導率の低減となっ
た。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3H036 AA09 AB12 AB24 AC03 AE01 AE13 4F100 AD11A AD11B AD11C AK01A AK01B BA03 BA10A BA10B BA14 DA11 DG01A DG01B DG01C DG15A DG15B DG15C DH01A DH01B EJ08A EJ08B EJ48A EJ48B EJ82A EJ82B JA13A JA13B JA13C JB13A JB13B JJ01 JJ02 JL05 YY00A YY00B YY00C

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素繊維フェルトを積層した円筒状、角形
    又は円盤状成形断熱材であって、最内層および最外層
    を、炭素繊維プリプレグに熱硬化性樹脂を含浸し、熱硬
    化さらに焼成し、必要に応じて黒鉛化して得られるかさ
    密度0.09〜0.30の炭素繊維成形体とし、中間層
    をかさ密度0.05〜0.15の炭素繊維フエルトとし
    たことを特徴とする炭素繊維成形断熱材。
JP10338394A 1998-11-13 1998-11-13 炭素繊維成形断熱材 Pending JP2000141526A (ja)

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