JP2002184559A - 炭素系発熱体の製造方法 - Google Patents

炭素系発熱体の製造方法

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    • H05B3/10Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意の形状・固有抵抗値及び温度係数、特
に、実質的に零に近い温度係数を有する炭素系発熱体の
製造方法を提供する。 【解決手段】 焼成後実質的に零でない炭素残査収率を
示す組成物と金属あるいは半金属化合物を混合し、室温
での固有抵抗値に対する使用温度(1200℃)での固
有抵抗値の変化率が−20%以上+20%以下となる温
度で焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱体として必要
な任意の固有抵抗値、形状及び温度係数を有する炭素系
発熱体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、抵抗用発熱体としては主としてタ
ングステン線やニクロム線などの金属線加工品と等方性
炭素材料やガラス状炭素などの炭素の切削加工品、炭化
珪素などの金属化合物が使用されてきた。その中でも金
属線の加工品は主として小型の民生機器のヒーター用発
熱体として、炭素や金属化合物は産業用炉などに使用さ
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の発熱体用素材の
中でも炭素は、金属線などと異なり、発熱速度、発熱効
率、遠赤外線の発生効率が良いなど優れた特徴を有して
いる。しかし従来の炭素発熱体は、大きな板形状体やブ
ロック形状体より切削加工により作製するため製造工程
が煩雑で高価なうえ細い物や薄い物など作製することが
困難である。また、ある規格範囲の固有抵抗値を有する
ブロック体などから切削するため発熱量の制御は形状を
変えるしか方策がないなどの問題点を有している。
【0004】また、一般の炭素発熱体は負の温度係数を
持ち、高温になると常温での抵抗より抵抗値が下がる。
炭素発熱体は通電時に瞬時に目的の温度まで上昇すると
はいえ、この抵抗値の変化率によっては、温度の自動制
御等がやりにくくなる可能性がある。したがって本発明
の目的は、任意の形状、固有抵抗値及び温度係数、特
に、実質的に零に近い温度係数を有する炭素系発熱体の
製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、賦形性
を有し焼成後実質的に零でない炭素残査収率を示す組成
物に、金属或いは半金属化合物の一種または二種以上
を、所望の固有抵抗(比抵抗あるいは電気比抵抗)値に
応じた割合で混合し、室温での抵抗値に対する使用温度
での抵抗値の変化率を抵抗変化率とするとき、抵抗変化
率が−20%以上+20%以下、望ましくは−10%以
上+10%以下となる温度で処理するステップを具備す
る炭素系発熱体の製造方法が提供される。
【0006】常温に対する使用時の固有抵抗が−20%
以下になると、発熱体の温度制御が難しくなり最悪の場
合には、異常温度上昇につながり発熱体が断線に至る。
また、反対に+20%を越えると使用時にラッシュ電流
が生じ、周辺機器に防害を与える。前記発熱体の断面形
状がほぼ円であるとき、1700℃以上1900℃以下
の温度で処理すれば、望ましい抵抗変化率を有する発熱
体を得ることができる。
【0007】また、前記発熱体の断面形状がほぼ矩形で
あるとき、1500℃以上1800℃以下の温度で処理
すれば、望ましい抵抗変化率を有する発熱体を得ること
ができる。前述の金属或いは半金属化合物とは一般に入
手可能な金属炭化物、金属硼化物、金属珪化物、金属窒
化物、金属酸化物、半金属窒化物、半金属酸化物、半金
属炭化物等が挙げられる。使用する金属或いは半金属化
合物種と量は、目的とする発熱体の抵抗値・形状により
適宜選択され、単独でも二種以上の混合体でも使用する
ことができるが、抵抗値制御の簡易さから、特に炭化硼
素、炭化珪素、窒化硼素、酸化アルミを使用することが
好ましく、炭素の持つ優れた特性を堅持するためにもそ
の使用量は70重量部以下が好ましい。
【0008】前述の組成物としては、不活性ガス雰囲気
中での焼成により5%以上の炭化収率を示す有機物質を
使用するものである。具体的には、ポリ塩化ビニル、ポ
リアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化
ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリアミド等の熱可
塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等の熱硬化性
樹脂、リグニン、セルロース、トラガントガム、アラビ
アガム、糖類等の縮合多環芳香族を分子の基本構造内に
持つ天然高分子物質、及び前記には含有されない、ナフ
タレンスルホン酸のホルマリン縮合物、コプナ樹脂等の
縮合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ合成高分子物
質が挙げられる。使用する組成物種と量は、目的とする
発熱体の形状により適宜選択され、単独でも二種以上の
混合体でも使用することができるが、特にポリ塩化ビニ
ル樹脂、フラン樹脂を使用することが好ましく、炭素の
持つ優れた特性を堅持するためにもその使用量は30重
量部以上が好ましい。
【0009】前述の組成物中には炭素粉末が含有されて
いることが好ましい。炭素粉末としては、カーボンブラ
ック、黒鉛、コークス粉等が挙げられるが、使用する炭
素粉末種と量は、目的とする発熱体の抵抗値・形状によ
り適宜選択され、単独でも二種以上の混合体でも使用す
ることができるが、特に形状制御の簡易さから黒鉛を使
用することが好ましい。
【0010】本発明では、前述の有機物質の焼成により
生じる炭素材料及び炭素粉は電気良導体として、そして
金属或いは半金属化合物は導電阻害物質として作用して
おり、電流は導電阻害物質である金属或いは半金属化合
物を飛び越え、いわゆるホッピングしながら炭素材料ま
たはそれと炭素粉末を媒体として流れる。このためこれ
ら2つないし3つの成分の種類やその比率等を変え、そ
れらを均一に混合、分散させ焼成することにより、所望
の固有抵抗値を有する本発明の炭素系発熱体を得ること
ができる。
【0011】また本発明の炭素系発熱体は、発熱速度、
発熱効率、遠赤外線の発生効率など発熱体としての優れ
た特徴を具備し、設計どおりの抵抗値と形状を有するた
め、設定電流・電位の印加により発熱量を容易に制御す
ることが可能である。但し、発熱量を制御する際には、
場合によりかなりの高温になることから、アルゴンガス
等の不活性ガス雰囲気とした容器中で使用することで、
酸化を防止する必要がある。またこの時遠赤外線の発生
効率の妨げとならずに高温に耐える石英等の透明を容器
を用いることが望ましい。
【0012】
【実施例】(実施例1)塩素化塩化ビニル樹脂(日本カ
ーバイド社製 T−741)33質量%、天然黒鉛微粉
末(日本黒鉛製 平均粒径5μm)1質量%、および窒
化硼素(信越化学工業製 平均粒径2μm)66質量%
に、可塑剤としてジアリルフタレートモノマー20質量
%を添加して、ヘンシェルミキサーを用いて分散した
後、表面温度を120℃に保ったミキシング用二本ロー
ルを用いて十分に混練を繰り返して組成物を得、ペレタ
イザーによってペレット化し、成形用組成物を得た。こ
のペレットをスクリュー型押出機で成形し、これを20
0℃に加熱されたエアオーブン中で10時間処理してプ
レカーサー(炭素前駆体)線材とした。次に、これを1
×10-2Pa以下の真空中で1500℃で焼成し、直径
1.50mmの棒状の炭素系発熱体を得た。
【0013】得られた炭素系発熱体を、20℃及び12
00℃で不活性ガス雰囲気でホイートストーンブリッジ
法により固有抵抗を測定し、1200℃の固有抵抗値の
20℃の固有抵抗値に対する変化率を求めた。その結果
を表1に示す。 (実施例2〜5)1×10-2Pa以下の真空中での処理温
度を各々1600℃、1700℃、1800℃、190
0℃で焼成した以外、実施例1と同様にして直径1.5
0mmの棒状の炭素系発熱体を得た。
【0014】得られた炭素系発熱体を、20℃及び12
00℃で不活性ガス雰囲気でホイートストーンブリッジ
法により固有抵抗を測定し、1200℃の固有抵抗値の
20℃の固有抵抗値に対する変化率を求めた。その結果
を表1に示す。 (実施例6)塩素化塩化ビニル樹脂(日本カーバイド社
製 T−741)33質量%、天然黒鉛微粉末(日本黒
鉛製 平均粒径5μm)1質量%、および窒化硼素(信
越化学工業製 平均粒径2μm)66質量%に、可塑剤
としてジアリルフタレートモノマー20質量%を添加し
て、ヘンシェルミキサーを用いて分散した後、表面温度
を120℃に保ったミキシング用二本ロールを用いて十
分に混練を繰り返して組成物を得、ペレタイザーによっ
てペレット化し、成形用組成物を得た。このペレットを
スクリュー型押出機で成形し、これを200℃に加熱さ
れたエアオーブン中で10時間処理してプレカーサー
(炭素前駆体)線材とした。次に、これを1×10-2Pa
以下の真空中で1400℃で焼成し、板状の炭素系発熱
体を得た。得られた炭素系発熱体は断面形状が矩形を呈
し、短径0.5mm、長径6.5mmであった。
【0015】得られた炭素系発熱体を、20℃及び12
00℃で不活性ガス雰囲気でホイートストーンブリッジ
法により固有抵抗を測定し、1200℃の固有抵抗値の
20℃の固有抵抗値に対する変化率を求めた。その結果
を表1に示す。 (実施例7〜10)1×10-2Pa以下の真空中での処理
温度を各々1500℃、1600℃、1700℃、18
00℃で焼成した以外、実施例1と同様にして、断面形
状が矩形の短径0.5mm、長径6.5mmの炭素系発熱体
を得た。
【0016】得られた炭素系発熱体を、20℃及び12
00℃で不活性ガス雰囲気でホイートストーンブリッジ
法により固有抵抗を測定し、1200℃の固有抵抗値の
20℃の固有抵抗値に対する変化率を求めた。その結果
を表1に示す。
【0017】
【表1】
【0018】表1の結果から明らかなように、処理温度
と抵抗変化率の間には一定の関係があり、形状が同じで
あれば処理温度から抵抗変化率が予測できることがわか
る。したがって、処理温度を調整することにより、所望
の抵抗変化率を有する発熱体を得ることができる。例え
ば、実施例1〜5の形状の丸棒であれば、処理温度を1
700〜1900℃の範囲とすれば抵抗変化率を±20
%の範囲に収めることができ、約1800℃とすれば抵
抗変化率をほぼ0とすることができる。また、実施例6
〜10の矩形の断面であるときは、処理温度を1500
〜1800℃の範囲とすれば抵抗変化率を±20%の範
囲に収めることができ、約1600℃とすれば抵抗変化
率をほぼ0とすることができる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、任
意の形状・固有抵抗値及び温度係数、特に、実質的に零
に近い温度係数を有する炭素系発熱体の製造方法が提供
される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 修 群馬県藤岡市立石1091 三菱鉛筆株式会社 群馬研究開発センター内 Fターム(参考) 3K092 QA01 QB14 QB24 RA05 VV19 4J002 AB011 AB051 AH001 BD081 BE021 BG101 CC031 CD001 CD041 CF211 CL001 CM041 DA027 DA037 DE146 DJ006 DK006 GQ00

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 賦形性を有し焼成後実質的に零でない炭
    素残査収率を示す組成物に、金属或いは半金属化合物の
    一種または二種以上を、所望の固有抵抗値に応じた割合
    で混合し、室温での固有抵抗値に対する使用温度での固
    有抵抗値の変化率を抵抗変化率とするとき、抵抗変化率
    が−20%以上+20%以下となる温度で処理するステ
    ップを具備することを特徴とする炭素系発熱体の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 前記発熱体の断面形状はほぼ円であり、
    1700℃以上1900℃以下の温度で処理する請求項
    1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記発熱体の断面形状はほぼ矩形であ
    り、1500℃以上1800℃以下の温度で処理する請
    求項1記載の方法。
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