JP2001031473A - 黒鉛ヒーター - Google Patents

黒鉛ヒーター

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JP2001031473A
JP2001031473A JP11205654A JP20565499A JP2001031473A JP 2001031473 A JP2001031473 A JP 2001031473A JP 11205654 A JP11205654 A JP 11205654A JP 20565499 A JP20565499 A JP 20565499A JP 2001031473 A JP2001031473 A JP 2001031473A
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graphite heater
heater
graphite
graphite material
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Jun Tojo
純 東條
Akio Yamanaka
章生 山中
Masahiko Tai
正彦 田井
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Toyo Tanso Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の電源や加熱炉の設備をそのまま使用で
き、長寿命で高固有抵抗の加熱炉用の黒鉛ヒーターを提
供する。 【解決手段】 室温における固有抵抗を17μΩ・m以
上、1873Kにおける固有抵抗を12μΩ・m以上と
する。そして、嵩密度が1.7g/cm3 以上、平均気
孔半径が1.5μm以下、全灰分量が20ppm以下、
且つ空気中、973K、2.5時間における酸化消耗率
が12〜19mass%の等方性黒鉛とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、加熱炉に用いられ
る黒鉛ヒーターに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、加熱雰囲気炉の抵抗ヒーター
には黒鉛材料が広く採用されている。最近になり、処理
品の大型化に伴い、加熱炉も大型化している。そして、
省エネルギー対策等により、熱効率が良く、耐用寿命の
長い、高抵抗の黒鉛ヒーターが求められるようになって
いる。
【0003】しかしながら、従来の黒鉛ヒーターは、1
873Kの高温での固有抵抗が高いものでも11μΩ・
mであった。そのため、従来の加熱炉に使用されていた
供給電力量をそのままにして、高温での加熱効率を良く
するために、肉厚を薄くし、スリット数を増やす等の設
計が行われ、高温における抵抗の低さを補っていた。と
ころが、加熱炉の大型化に伴うヒーターの大型化によ
り、このような設計によるヒーターは、設置の際などの
操作性が非常に悪くなる。また、雰囲気にも影響を受け
やすくなり、酸化、ケイ化等により、ヒーターの損耗が
早くなり、ヒーターの交換周期が非常に短くなるといっ
た問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は従来
の電源や加熱炉の設備をそのまま使用でき、長寿命で高
固有抵抗の加熱炉用の黒鉛ヒーターを提供することを目
的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の高固有抵抗黒鉛材料は、室温での固有抵抗が
17μΩ・m以上、好ましくは18μΩ・m以上、更に
好ましくは19μΩ・m以上、1873Kでの固有抵抗
が12μΩ・m以上、好ましくは13μΩ・m以上、更
に好ましくは14μΩ・m以上であることを特徴とす
る。固有抵抗が高く、高温での固有抵抗の減衰率が小さ
いため、ヒーターの断面積を大きくすることが可能とな
る。これによって、従来の設備で急速な昇温が可能とな
るヒーターの設計が容易に行えるようになる。また、大
型材の製作が可能となるため内径24インチ以上のヒー
ターとすることも可能となる。
【0006】また、その特性として、空気中、973
K、2.5時間における酸化消耗率が12〜19mas
s%であることを特徴とする。また、嵩密度が1.7g
/cm 3 以上、平均気孔半径が1.5μm以下、全灰分
量が20ppm以下、熱膨張係数の異方比が1.1以下
であることを特徴とする。
【0007】一般に、黒鉛材の酸化は温度が973K前
後では、殆どが表面でのみ進行し、表面の気孔径やその
分布等の気孔の形態に依存するといわれている。即ち比
表面積が大きいほど酸化消耗率が大きくなると考えられ
る。本発明にかかる黒鉛材料は、従来の黒鉛材料と嵩密
度、平均気孔半径が同等であることから、従来のものと
比較すると、その表面の比表面積が小さくなっているも
のと考えられる。したがって、酸素以外の他のガスとの
反応性においても、表面の比表面積が小さいことから、
反応性が低くなるものと考えられ、加熱雰囲気炉のヒー
ターとしては勿論であるが、単結晶引き上げ装置(以
下、CZ装置という)等に使用した場合においても、ケ
イ化速度が小さくなると推測され、CZ装置用のヒータ
ーとしても適用が可能となる。
【0008】また、本発明では熱膨張係数の異方比が
1.1以下の黒鉛材料が好ましい。さらには、熱膨張係
数の異方比が1.05以下の黒鉛材料が好ましい。例え
ば黒鉛ルツボについてみると、石英ルツボを均一に加熱
できるのでSi融液の加熱ムラがない。したがって、S
i単結晶の品質の向上に寄与できる。本発明では、等方
的に加圧成形を行った等方性黒鉛材料を使用することが
強度面から見てもさらに好ましい。異方比は、293K
〜673KまでのX軸、Y軸、Z軸方向の熱膨張係数を
測定し、最も大きい値と最も小さな値の比をいうものと
する。
【0009】また、黒鉛材料のかさ密度は、1.70g
/cm3 以上とすることが好ましい。黒鉛材料の酸化消
耗はかさ密度と相関関係があり、気孔が大きい程、酸化
消耗速度が速くなる。かさ密度を1.70g/cm3
上にすると、気孔が小さくなり酸化を抑制することがで
きる。また、平均気孔半径を1.5μm以下、好ましく
は1.3μm以下とすることが好ましい。1.5μm以
下とすることで、酸化を抑制することができる。なお、
平均気孔半径は、水銀圧入法による測定値(水銀と試料
との接触角141.3°、最大圧力102MPaのとき
の累積気孔容積の半分の値)を採用した。
【0010】さらに、前記黒鉛材料は、高純度化工程を
経て不純物が少なくなったものが好ましい。具体的に
は、灰化法による全灰分量が20ppm以下が好まし
く、更に5ppm以下が好ましい。
【0011】上述した本発明にかかる黒鉛材料は、石油
コークス等のフィラー(骨材)と、ピッチ等のバインダ
ー(結合材)とを混合し、これを所定の形状に成形した
のち、熱処理によってバインダーを炭素化固結させて形
成される。この黒鉛材料の固有抵抗、高温における固有
抵抗減衰率は、骨材の電気的性質及び物理的性質につい
て適切なものを選定することにより所定の固有抵抗とす
ることができる。また、骨材と結合材の配合比を適宜選
定することで、耐酸化消耗率を向上させることができ
る。
【0012】なお、本発明でいう固有抵抗、高温におけ
る固有抵抗減衰率、酸化消耗率等の測定方法及び条件を
以下に記載する。
【0013】固有抵抗は、室温から1873Kまでの温
度範囲において、高温固有抵抗測定装置によって、測定
した。
【0014】固有抵抗減衰率は、各温度における固有抵
抗を、室温における固有抵抗で除した値を固有抵抗減衰
率とした。
【0015】酸化消耗率は、空気中で、試料を973K
に加熱して、2.5時間保持して、その処理前後の重量
変化を測定し、処理前の重量を処理後の重量で除した値
を酸化消耗率とした。
【0016】平均気孔半径は、水銀圧入法により、水銀
と試料との接触角141.3°、最大圧力102MPa
のときの累積気孔容積の半分の値を採用した。
【0017】熱膨張係数については、理学電機株式会社
製の熱機械分析装置(TMA8310)で293K〜6
73Kまでの熱膨張係数を求めた。
【0018】また、全灰分量は、いわゆる灰化法で求め
たものである。灰化法は、試料20gを正確に測定し、
白金製のルツボ(容積50cc)に装填し、酸素気流中
(2〜3l/min)で、1223Kの温度で、恒量に
なるまで保持し、デシケータ中で自然冷却後、残った灰
分量を測定した。
【0019】
【実施例】以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるもの
ではない。
【0020】(実施例1)室温における固有抵抗が1
7.0μΩ・m、1873Kにおける固有抵抗が12.
5μΩ・m(固有抵抗減衰率73.5%)、酸化消耗率
が15.4%、引っ張り強度が25.3MPa、293
Kでの熱伝導率が76W/(m・K)、293K〜67
3Kの熱膨張係数が4.6×10-6/K、異方比が1.
1、嵩密度が1.75g/cm3 の等方性黒鉛材とし
た。この黒鉛材料を内径646mm、肉厚24.5m
m、断面積2286mm2 の黒鉛ヒーターに加工した
後、2273Kでジクロロジフルオロメタンを主成分と
するハロゲン含有ガスを5時間流して高純度化処理を行
い、全灰分量が0.5ppmの超高純度黒鉛ヒーターを
得た。この黒鉛ヒーターを直径が8インチのSi単結晶
の引上用のCZ装置に設置し、実機試験を行った。
【0021】(実施例2)原料骨材と結合材の配合比が
異なる以外は、実施例1と同様の製法で、室温における
固有抵抗が22.0μΩ・m、1873Kにおける固有
抵抗が14.9μΩ・m(固有抵抗減衰率67.7
%)、酸化消耗率が18.4%、引っ張り強度が26.
1MPa、293Kでの熱伝導率が59W/(m・
K)、293K〜673Kの熱膨張係数が5.0×10
-6/K、異方比が1.1、嵩密度が1.75g/cm3
の等方性黒鉛材とした。この黒鉛材料を実施例1と同じ
大きさ、同形状のヒーターに加工した後、実施例1と同
様に、2273Kでジクロロジフルオロメタンを主成分
とするハロゲン含有ガスを5時間流して高純度化処理を
行い、全灰分量が0.5ppmの超高純度黒鉛ヒーター
を得た。この黒鉛ヒーターを実施例1と同じCZ装置に
設置し、実機試験を行った。
【0022】(比較例1)原料骨材が異なる以外は、実
施例1と同様の製法で、室温における固有抵抗が12.
6μΩ・m、1873Kにおける固有抵抗が10.3μ
Ω・m(固有抵抗減衰率81.5%)、酸化消耗率が2
5.2%、引っ張り強度が30.1MPa、293Kで
の熱伝導率が103W/(m・K)、293K〜673
Kの熱膨張係数が4.5×10-6/K、異方比が1.
1、嵩密度が1.78g/cm3 の等方性黒鉛材とし
た。この黒鉛材料を実施例1と同じ大きさ、同形状のヒ
ーターに加工した後、実施例1と同様に、2273Kで
ジクロロジフルオロメタンを主成分とするハロゲン含有
ガスを5時間流して高純度化処理を行い、全灰分量が
0.5ppmの超高純度黒鉛ヒーターを得た。この黒鉛
ヒーターを実施例1と同じCZ装置に設置し、実機試験
を行った。
【0023】表1に実施例1、2及び比較例1の特性と
実機試験の結果を表1にまとめて示す。
【0024】
【表1】
【0025】図1には、実施例1、2及び比較例1の試
料の室温から1873Kまでの固有抵抗を示す。図より
判るように、固有抵抗は室温で最も高く、高温になるに
したがい、低くなり、ある温度を境にして、再び高くな
る。
【0026】次に、実施例1、2及び比較例1の試料を
CZ装置に設置して行った実機試験の結果について説明
する。各ヒーター全て同じ加熱条件で加熱を行った。実
施例1と2のヒーターは比較例1のヒーターに比べ、固
有抵抗が高いため、比較例1よりも早く所定温度に到達
することができた。また、30バッチ使用後、炉外に取
り出し、重量変化を測定したところ、比較例1に比べ、
実施例1と2のヒーターの重量減少率は少ないことが判
った。これは、SiOガスとの酸化反応によるヒーター
の消耗が遅かったためであると考えられる。このよう
に、室温及び高温での固有抵抗を高くすることが可能と
なるため、従来の設備そのままで、急速な昇温が可能と
なる。また、寿命の延命効果も得られる。更には、固有
抵抗が高いため、断面積を大きくでき、スリット数を少
なくすることもできる。更には、スリット間隔を小さく
することができる。このため、ヒーターが、内径24イ
ンチ以上の大型になっても、ハンドリングが容易になる
など、ヒーター設計が容易となる。
【0027】
【発明の効果】本発明における高抵抗黒鉛材料をヒータ
ーとして使用すると、従来の加熱炉の設備のままで、従
来より急速に加熱することが可能となる。また、高抵抗
であることから、断面積を大きく取ることも可能とな
り、薄肉加工やスリット加工を省略しても、大型化にも
対応が可能となるなど、製造コストの大幅な低減が可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1、2及び比較例1に使用した
黒鉛材の温度と固有抵抗の関係を示す図である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H05B 3/14 H05B 3/14 F (72)発明者 田井 正彦 香川県三豊郡詫間町松崎2791 東洋炭素株 式会社内 Fターム(参考) 3K092 PP09 QB15 4G032 AA04 BA04 4G046 DA06 EA05 EB11 EC01 EC05 EC07 4G077 PE21 PE24 4K063 AA05 AA08 AA12 CA01 CA05 CA06 FA04

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 室温での固有抵抗が17μΩ・m以上、
    1873Kでの固有抵抗が12μΩ・m以上である黒鉛
    ヒーター。
  2. 【請求項2】 空気中、973K、2.5時間における
    酸化消耗率が12〜19mass%である請求項1記載
    の黒鉛ヒーター。
  3. 【請求項3】 嵩密度が1.7g/cm3 以上、平均気
    孔半径が1.5μm以下である請求項1又は2記載の黒
    鉛ヒーター。
  4. 【請求項4】 全灰分量が20ppm以下である請求項
    1乃至3いずれか記載の黒鉛ヒーター。
  5. 【請求項5】 熱膨張係数の異方比が1.1以下である
    請求項1乃至4いずれか記載の黒鉛ヒーター。
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