JP2014080314A - 黒鉛構造体、黒鉛ヒータ、黒鉛構造体の製造方法および黒鉛ヒータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気抵抗が低く、高強度の接合を実現する黒鉛構造体、黒鉛ヒーター、黒鉛構造体の製造方法、及び黒鉛ヒーターの製法の提供。
【解決手段】第１の座面と雄ネジとを有する第１の黒鉛部材１０と、第２の座面と雌ネジとを有する第２の黒鉛部材２０と、第１の座面と第２の座面との間に形成され、前記第１の黒鉛部材と前記第２の黒鉛部材とを接続する炭素系接着層２と、からなり、前記炭素系接着層には、セラミック粒子１を含有している。炭素系接着層の前駆体である炭素系接着剤２にセラミック粒子１を含有させているので、炭素系接着剤の粘度が低い場合には、滑り止めとして作用し、炭素系接着剤の粘度が高い場合には、第１の黒鉛部材の座面と、第２の黒鉛部材の座面との一定のギャップを確保することにより、過度な締め付け力（剪断力）をかけることなくネジを強く締め付けることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、黒鉛構造体、黒鉛ヒータ、黒鉛構造体の製造方法および黒鉛ヒータの製造方法に関し、特には黒鉛部材同士を螺合する黒鉛構造体、黒鉛ヒータ、黒鉛構造体の製造方法および黒鉛ヒータの製造方法に関する。

黒鉛材料は、耐熱性、化学的安定性を有しているので、高温炉の構造部材として広く用いられている。黒鉛の３重点は、圧力・温度とも高く、常圧では溶融することなく昇華する性質を備えている。このため、黒鉛は溶接することができず、複雑形状の構造部材は、切削加工によるか、接合により得られている。切削加工で構造部材を得る場合には、一体的な構造部材が得られるので、高強度の構造部材が得られる代わりに材料歩留まりが悪いといった問題がある。

特許文献１には、接合による黒鉛ヒータが紹介さている。接合による黒鉛ヒータでは、もともと別の部材であるので、使用温度の上昇や、使用時間の長期化すると、変形、クリープが生じることにより、接合部に歪み、変形が集中し、接合部に隙間ができることが記載されている。さらに、黒鉛ヒータとして使用される場合、接合部で放電が起こり亀裂や破損が生じることが記載されている。これを解消するために可撓性膨張黒鉛シートを介して部材をボルトで固定することにより、部材間の隙間を無くし、部材間の放電、接合部に発生する熱を抑えることが記載されている。

特開平７−２８８１７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている可撓性膨張黒鉛シートを挟んでボルトで接合する方法は、ボルトによってのみ固定されているので一体的な構造部材と比べ大幅に強度が低下する。さらに可撓性膨張黒鉛シートを常に圧縮するように締め付けなければならず、ボルトには常に張力をかけていなければならない。このため、破壊強度は、ボルトにかかっている張力の分を減じて考慮しなければならず、強い強度の得られる接合方法ではない。
また、部材間には、膨張黒鉛シートが挟まれている。膨張黒鉛シートは、面方向に結晶の六角網面が広がった特徴を有しているので、厚み方向には電気抵抗が高い材料である。このため、部材間に空隙がある場合より電気抵抗を下げる効果はあるものの膨張黒鉛シートの厚み分の抵抗によって発熱しやすくなるといった問題がある。
さらに、ボルトによってストレート孔を有する部材を締め込むように接合されているため、ボルトと、ストレート孔壁面との間には空隙を有し、電気抵抗を高める原因の１つとなっている。

本発明では、このような課題を鑑み、電気抵抗が低く、高強度の接合を実現する黒鉛構造体、黒鉛ヒータ、黒鉛構造体の製造方法および黒鉛ヒータの製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の黒鉛構造体は、
（１）第１の座面と雄ネジとを有する第１の黒鉛部材と、
第２の座面と雌ネジとを有し、第１の黒鉛部材と螺号し接続される第２の黒鉛部材と、
第１の座面と第２の座面との間に形成され、前記第１の黒鉛部材と前記第２の黒鉛部材とを接続する炭素系接着層と、
からなり、
前記炭素系接着層には、セラミック粒子を含有する、
ことを特徴とする。
さらに以下の態様が望ましい。
（２）前記雄ネジ及び雌ネジは、平行ネジであること。
（３）前記セラミック粒子は、炭素系粒子であること。
（４）前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径より大きいこと。
（５）前記記載のセラミック粒子は、５０％体積累積径が、１μｍ以上であること。
（６）前記記載のセラミック粒子は、５０％体積累積径が、１００μｍ以下であること。
（７）前記記載の黒鉛構造体は黒鉛ヒータであること。

前記課題を解決するための本発明の黒鉛構造体の製造方法は、
（８）第１の座面と雄ネジとを有する第１の黒鉛部材と、第２の座面と雌ネジとを有する第２の黒鉛部材とを螺合する黒鉛構造体の製造方法において、
第１の座面または第２の座面にセラミック粒子を含有する炭素系接着剤を塗布した後、螺合すること
を含む。
さらに以下の態様が望ましい。
（９）前記黒鉛構造体の製造方法は、第１の黒鉛部材と第２の黒鉛部材とを螺合したのち、炭素系接着剤を硬化し、炭素化させる工程を含むこと。
（１０）前記雄ネジ及び雌ネジは、平行ネジであること。
（１１）前記セラミック粒子は、炭素系粒子であること。
（１２）前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径より大きいこと。
（１３）前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が、１μｍ以上であること。
（１４）前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が、１００μｍ以下であること。
（１５）前記記載の黒鉛構造体は黒鉛ヒータであること。

本発明によれば、
第１の黒鉛部材の座面と、第２の黒鉛部材の座面を、炭素系接着層を介して接合しているので、高い強度と、低い接合抵抗を得ることができる。
また、黒鉛構造体の製造段階において、第１の黒鉛部材の座面と、第２の黒鉛部材の座面とを接合する炭素系接着剤（炭素系接着層の前駆体）にセラミック粒子を含有させて接着している。炭素系接着剤は温度、濃度などにより粘度が大きく変動する。ネジを締め付ける際、炭素系接着剤の粘度が小さくなると摩擦力が小さくなり潤滑剤として作用し、粘度が大きくなるとネジで炭素系接着剤を薄く引き伸ばすために大きな剪断力が必要となる特徴がある。ネジを締め付ける際の炭素系接着剤が潤滑剤として作用すると、ネジ部分にかかる力が過度に大きくなりネジを折損しやすく、内部応力となって残留しやすい。

本発明では、炭素系接着剤にセラミック粒子を含有させているので、炭素系接着剤の粘度が低い場合には、セラミック粒子は滑り止めとして作用し、炭素系接着剤の粘度が高い場合には、第１の黒鉛部材の座面と、第２の黒鉛部材の座面との一定のギャップを確保することにより、過度な締め付け力（剪断力）をかけることなくネジを強く締め付けることができる。このため、ネジ部分に過度に大きな力をかけないのでネジを折損しにくく、大きな内部応力となって残留しにくい黒鉛構造体が得られる。

本発明によれば、第２の黒鉛部材の座面を、炭素系接着層を介して接合し、ネジに過大な応力を加えることなく接合しているので、高強度の黒鉛構造体、黒鉛ヒータ、黒鉛構造体の製造方法および黒鉛ヒータの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態１の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態２の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態３の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態４の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態５の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態１の黒鉛構造体の変形例１であり（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態１の黒鉛構造体の変形例２であり（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態１の黒鉛構造体の説明図であり、図１の拡大図である。 図８の黒鉛構造体の接合前の説明図である。 本発明の実施形態を組み合わせた黒鉛ヒータの斜視図であり、実施形態１及び実施形態４を内部に有している。 本発明の実施形態５を組み込んだ黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態１を組み込んだ黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態４を組み込んだ黒鉛構造体の斜視図であり、螺合前の分解図である。 本発明の実施形態１の黒鉛構造体の製造工程のフローチャートを示す。 本発明の製造工程の説明図であり、（ａ）は加工工程を経た第１の黒鉛部材及び第２の黒鉛部材、（ｂ）は炭素系接着剤塗布工程、（ｃ）は締め付け工程、（ｄ）は硬化工程、（ｅ）は焼成工程を示す。

本発明の黒鉛構造体は、
第１の座面１１と雄ネジ１２とを有する第１の黒鉛部材１０と、
第２の座面２１と雌ネジ２２とを有し、第１の黒鉛部材と螺号し接続される第２の黒鉛部材２０と、
第１の座面と第２の座面との間に形成され、前記第１の黒鉛部材と前記第２の黒鉛部材とを接続する炭素系接着層２と、
からなり、
前記炭素系接着層には、セラミック粒子１を含有すること、
を特徴とする。
以下に本発明を実施形態１〜５を用いて説明するが、本発明は、これらの実施形態に限定されない。

図１は、本発明の実施形態１の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。図２は、本発明の実施形態２の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。図３は、本発明の実施形態３の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。図４は、本発明の実施形態４の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。図５は、本発明の実施形態５の黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。図６は、本発明の実施形態１の黒鉛構造体の変形例１であり（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。図７は、本発明の実施形態１の黒鉛構造体の変形例２であり（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

本発明の実施形態１は、第１の黒鉛部材及び第２の黒鉛部材は共に円柱状であり、第１の黒鉛部材と第２の黒鉛部材とが同じ外径の黒鉛構造体である。
本発明の実施形態２は、第１の黒鉛部材及び第２の黒鉛部材は共に円柱状であり、第１の黒鉛部材は第２の黒鉛部材より細い黒鉛構造体である。
本発明の実施形態３は、第１の黒鉛部材及び第２の黒鉛部材は共に円柱状であり、第１の黒鉛部材は第２の黒鉛部材より太い黒鉛構造体である。
本発明の実施形態４は、第１の黒鉛部材が円筒状であり第２の黒鉛部材は平板状である黒鉛構造体である。
本発明の実施形態５は第１の黒鉛部材及び第２の黒鉛部材は共に円筒状であり、第１の黒鉛部材と第２の黒鉛部材とが同じ外径、同じ内径の黒鉛構造体である。

本発明の実施形態１の変形例１は、ニップル６を有する黒鉛構造体１００を示している。具体的には、第１の黒鉛部材１０が、第２の黒鉛部材２０と同じ雌ネジを有する黒鉛部材と、ニップル６とを組み合わせてなる。第２の黒鉛構造体と同じ雌ネジを有する黒鉛部材と、ニップルとは、接着されていても、接着されていなくても良く、接着されている場合には、それぞれのネジの間に炭素系接着層を有している。ニップルを接合する炭素系接着層はセラミック粒子を含有しても含有していなくても良く特に限定されない。

本発明の実施形態１の変形例２は、ワッシャ７を有する黒鉛構造体１００を示している。具体的には、第１の黒鉛部材１０または第２の黒鉛部材２０がワッシャ７と組み合わされてなる。ワッシャ７は、組み合わせられる第１の黒鉛部材１０または、第２の黒鉛部材２０と接着されていることが好ましく、接着されている場合には、組み合わせられる第１の黒鉛部材または、第２の黒鉛部材との間には炭素系接着層２を有している。ワッシャ７を接合する炭素系接着層はセラミック粒子を含有しても含有していなくても良く特に限定されない。
ワッシャは、どのような面でも良いが、第２の黒鉛部材との密着性を確保するために、容易に精度の高い加工面の得られる平面であることが好ましい。

以下、本発明の実施形態１を中心に説明する。
図８は、本発明の実施形態１の黒鉛構造体の説明図であり、図１の拡大図である。図９は、図８の黒鉛構造体の接合前の説明図である。
前記第１の黒鉛部材と前記第２の黒鉛部材とは第１の座面１１と第２の座面２１との間に形成された炭素系接着層２によって接続している。炭素系接着層としては、炭素系のものであれば特に限定されず、炭素系接着剤を硬化・焼成することによって得ることができる。炭素系接着剤としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド、コプナ樹脂などを利用することができる。これらの樹脂は、炭化収率の高い有機物であり、硬化・焼成することにより、炭素系接着層２を得ることができる。

以下に、比較のため一般の炭素系接着剤の特徴について説明する。
本発明の構造体に使用する炭素系接着剤は、炭化収率が高いとともに、分子量が大きいので高粘度の液体である。このような液体は、変形速度に比例した応力（剪断応力）を発生させるため、炭素系接着剤を挟んでネジ込む際に、炭素系接着剤に剪断力を作用させながら締め付けられる。炭素系接着剤の粘度が高いと、大きな剪断力が必要であり、粘度が低いと潤滑剤として作用し大きな剪断力は必要でない。必要とされる剪断力の大きさは、炭素系接着剤が薄くなるほど大きくなる特徴があり、炭素系接着剤の粘度、接着層の温度、力の加え方（速度）など様々な要因が影響し剪断応力の大きさを決定する。
締め付け力から、剪断力を減ずるとネジに加わる力となり、ネジの摩擦力に逆らって締め付けられ緩みを防止する。締め付け時に剪断力のバラつきが大きいとネジに加わる力が不安定になり、過大な力が加わり、ネジの根元に強い張力をかける。ネジの根元に強い張力がかかると、構造材に内部応力として残留し、破損する原因となる。

本発明ではさらに、炭素系接着剤３にセラミック粒子１を含有させていることが特徴である。炭素系接着剤３の粘度が高い場合、含有されたセラミック粒子１が、第１の座面１１と第２の座面２１との間に空隙を形成するので、接着層に一定の厚みを持たせることができ、締め付けに必要な剪断力を小さくするように機能する。締め付けに必要な剪断力が小さいので、ネジの摩擦力に逆らって力がかかり、ネジが緩まないようにすることができる。炭素系接着剤３の粘度が低い場合、セラミック粒子１は、滑り止めとして機能し、過度に締め込まれることを防止し、ネジの折損、内部応力の発生を防止する。
以上より、セラミック粒子１は、炭素系接着剤３の粘度が発生させる剪断力の不安定さを安定化させ、ネジの折損、内部応力の発生を防止しながら、強く締め付けることができる。

ネジには、平行ネジ、テーパーネジとがある。平行ネジは、ネジの太さが変わらないネジであって、締め付けてもネジどうしが強く接触することなく、座面どうしが当接するまで締め付けることができる。テーパーネジは、雄ネジでは根元、雌ネジでは入り口側が太くなっているネジであって、締め付けるに従って、ネジが強く接触するようになる。このため、座面どうしが当接しなくても強く締めることができる。

本発明の実施形態の第１の黒鉛部材の雄ネジ１２及び第２の黒鉛部材の雌ネジ２２は、平行ネジであることが好ましい。テーパーネジは、締め付けるに従ってネジの噛み合わせが強くなりネジ同士の摩擦力によって締め込まれるので、座面に十分な圧力を座面にかけられないことがあるが、平行ネジは、締め付けると当接する座面から圧力を受け、摩擦力によって締め込まれるので、２つの座面は密着し、座面の間に有する炭素系接着層の接着力を強くすることができる。
また、黒鉛構造体を黒鉛ヒータとして使用したときには、２つの座面を密着させることができるので電気抵抗を小さくすることができる。

本発明の実施形態のセラミック粒子１は、どのようなものでも利用することができる。炭化珪素、アルミナ、ジルコニア、コークス、黒鉛、など特に限定されない。中でも炭素系の粒子であることがこのましい。炭素系粒子は、コークス、黒鉛等が挙げられ、母材である黒鉛と同じ元素からなり、高い耐熱性を有しているので、高温で使用する黒鉛構造体として好適に使用することができる。
また、炭素系粒子は、導電性を備えているので、黒鉛ヒータとして使用すると炭素系接着層の電気抵抗を上げることがなく好適に利用することができる。

本発明の実施形態のセラミック粒子１は、５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径より大きいことが好ましい。セラミック粒子の５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径よりも大きいと、セラミック粒子が気孔の中に埋まることなく、炭素系接着層２の剪断力の発生を抑えることができる。
黒鉛部材の５０％累積気孔径（直径）は、水銀圧入法により測定することができる。
水銀圧入法による５０％累積気孔径の測定は以下のように行うことができる。
黒鉛材の一部を切り出し、水銀圧入式ポロシメータで、気孔径分布を測定する。水銀圧入式ポロシメータとしては、Ｃａｒｌｏ Ｅｒｂａ社製ポロシメータ２０００及びマクロポアユニットを用いることができる。水銀ポロシメータは、圧力によって水銀が含浸される気孔径が変化することを利用する測定方法であり、真空から大気圧まではマクロポアユニット、大気圧より高い圧力はポロシメータ２０００を用いて計測し、得られた結果を合成することにより気孔分布を得ることができる。本発明においては、０〜１９０ＭＰａの範囲で測定し、５０％の累積気孔径と定義する。

セラミック粒子の粒子径は次のように測定することができる。
セラミック粒子が、単独で存在する場合、走査電子顕微鏡、光学顕微鏡などで個々の粒子を直接観察し、直径を計測する。直径に対する度数分布を作成した後、体積に対する度数分布に変換するため度数を３乗し、体積粒子径分布を得る。体積粒子径分布から体積累積分布を作成し５０％体積累積径を得る。
炭素系接着層または炭素系接着剤の内部に含有しているセラミック粒子は、以下のようにして計測することができる。
セラミック粒子が、アルミナ、炭化珪素など炭化珪素など耐酸化性を有している場合には、炭素系接着層２を空気酸化させ、セラミック粒子を取り出すことができる。取り出されたセラミック粒子は、前記の単独で存在する場合と同様に測定することができる。
コークス、黒鉛など炭素系粒子である場合には、断面を研磨し観察することによって、セラミック粒子の大きさを測定することができる。具体的には、二つのステップによって行われる。
（１） 断面に存在するセラミック粒子の断面から５０％体積累積径を算出する。（粒子断面から得られる５０％体積累積径）
（２） セラミック粒子そのものの大きさを統計的に算出する。（実際の５０％体積累積径）
セラミック粒子の断面から得られる５０％体積累積径は、実際のセラミック粒子の５０％体積累積径よりも小さな値をとる。例えば粒子断面基準の５０％体積累積径が１μｍであれば、実際の５０％体積累積径は、１μｍより大きいといえる。厳密に算出するには、統計的な処理によって得ることができる。セラミック粒子を球形近似し、球の中心と切断面の距離は確率的に一様分布に従うとして統計的な処理を行って実際の５０％体積累積径を算出することができる。なお、セラミック粒子の断面から得られるセラミック粒子の最大の粒子径は、多数の粒子を計測して得るので実際のセラミック粒子の最大の粒子径と考えて良い。

本発明の実施形態のセラミック粒子１は、５０％体積累積径が、１μｍ以上であることが望ましい。５０％体積累積径が、１μｍ未満の粒子は、液体のような挙動を示すようになり、流動性が良くなる。５０％体積累積径が、１μｍ以上であると、２つ座面の間隔が小さくなった時、粘性を有する炭素系接着剤３と共に外に流出しにくくなる。

本発明の実施形態のセラミック粒子１は、５０％体積累積径が、１００μｍ以下であることが望ましい。５０％体積累積径が、１００μｍを超えると、炭素系接着層２の厚さは１００μｍを超える。炭素系接着剤３は、炭化する過程で体積収縮を起こし、炭素系接着層の間隔を小さくするか、気孔を形成するように作用する。セラミック粒子１の大きさが１００μｍをこえると、セラミック粒子１が潰れにくくなると考えられるので炭素系接着層の間隔が小さくならず、気孔を形成しやすくなる。気孔が形成されると強度低下、電気抵抗増加の原因となる。
本発明の実施形態の炭素質接着層２に対するセラミック粒子１の含有量は、特に限定されないが炭素質接着層２の２０〜８０体積％であることが好ましい。セラミック粒子１の含有量が炭素質接着層２の２０体積％以上であると、滑り止め効果、締め過ぎを防ぐ効果が得られると考えられる。セラミック粒子１の含有量が炭素質接着層２の８０体積％以下であると、炭素質接着層２がセラミック粒子１の隙間に十分に入り込むことができ、炭素質接着層２の有する接着力を維持でき強度低下が小さいと考えられる。

本発明の実施形態の黒鉛構造体は、黒鉛ヒータであることが好ましい。黒鉛ヒータは、高い温度がかかるとともに、大電流が流れる。本発明の実施形態の黒鉛構造体は炭素系接着層が第１の黒鉛部材と、第２の黒鉛部材とを接着し、セラミック粒子が第１の黒鉛部材と、第２の黒鉛部材との締め過ぎを防ぐように作用するので、雄ネジの根元に強い張力をかけることがなく、高強度で電気抵抗が低いので好適に使用することができる。

本発明の実施形態の黒鉛構造体に使用する黒鉛は、等方性黒鉛材、押出電極材などどのようなものでも利用することができ特に限定されない。中でも等方性黒鉛材は、高強度であるので、黒鉛構造体として好適に利用することができる。また、等方性黒鉛材は、固有抵抗の異方性が小さいので、ヒータ設計時に電流の流れる方向の考慮が不要であるので黒鉛ヒータとして好適に利用できる。

本発明の黒鉛構造体の製造方法は、
第１の座面１１と雄ネジ１２とを有する第１の黒鉛部材１０と、第２の座面２１と雌ネジ２２とを有する第２の黒鉛部材１０とを螺合する黒鉛構造体の製造方法において
第１の座面１１または第２の座面１２にセラミック粒子１を含有する炭素系接着剤３を塗布した後、螺合することを特徴とする。
本発明の黒鉛構造体の製造方法は、前記製造方法が含まれていれば特に限定されないが、例えば加工工程、炭素系接着剤塗布工程、締め付け工程、硬化工程、焼成工程とからなる以下方法によって製造することができる。

以下に、実施形態１の黒鉛構造体に前記製造方法を適用し、工程順に説明する。
図１４は本発明の実施形態１の黒鉛構造体１００の製造工程のフローチャートを示す。図１５は、実施形態１の黒鉛構造体１００の各工程の断面図である。（ａ）は、第１の黒鉛部材１０及び第２の黒鉛部材２０を示し、第１の黒鉛部材１０には雄ネジ１２が形成され、第２の黒鉛部材２０には対応する雌ネジ２２が形成されている。雄ネジ１２、雌ネジ２２とも平行ネジである。（ｂ）は、炭素系接着剤塗布工程を示し、第１の黒鉛部材の座面にセラミック粒子１を含む炭素系接着剤３が塗布される。（ｃ）は締め付け工程を示し、第１の黒鉛部材１０と第２の黒鉛部材２０を螺合し締め付ける。締め付けによって炭素系接着剤の余剰部４が流出している。（ｄ）は硬化工程を示す。（ｅ）は焼成工程を示す。

＜加工工程＞Ａ
雄ネジ１２を有する第１の黒鉛部材１０と、雌ネジ２２を有する第２の黒鉛部材２０を準備する。第１の黒鉛部材１９の雄ネジ１２の根元周囲には第１の座面１１を有している。第２の黒鉛部材２０の雌ネジ２２の開口側周囲には第２の座面２１を有している。第１の黒鉛部材の雄ネジ１２と、第２の黒鉛部材の雌ネジ２２は、ピッチ、径とも対応し、第２の黒鉛部材の雌ネジ１２に第１の黒鉛部材の雄ネジ２２を螺合することにより組み合わせることができる。第１の黒鉛部材の雄ネジ１２と、第２の黒鉛部材の雌ネジ２２は共に平行ネジであるので、それぞれの座面が当接するまで強く締め付けられることはない。

雄ネジ、雌ネジはどのような方法で形成してもよい。黒鉛材はマシナブルセラミックスの１つであるので、タップ、ダイスにより容易に加工することができる。
黒鉛材としては、等方性黒鉛材、押出電極材などどのようなものでも利用することができ特に限定されない。中でも等方性黒鉛材は、高強度であるので、黒鉛構造体として好適に利用することができる。また、等方性黒鉛材は、固有抵抗の異方性が小さいので、ヒータ設計時に電流の流れる方向の考慮が不要であるので黒鉛ヒータとして好適に利用できる。
第１の黒鉛部材、第２の黒鉛部材とは、同一の材質であっても異なる材質であっても良い。

＜炭素系接着剤塗布工程＞Ｂ
セラミック粒子１を含有する炭素系接着剤３を座面に塗布する。塗布する座面は、第１の座面、第２の座面のいずれであっても良く、両方でも良い。炭素系接着剤３は、特に限定されないが例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド、コプナ樹脂などを利用することができる。これらの樹脂は、炭化収率の高い有機物であり、硬化・焼成することにより、炭素系接着層２を得ることができる。
炭素系接着剤３は、どのように塗布しても良い。炭素系接着剤３は一般に高粘度の液体であるので、塗布する炭素系接着剤３が軟化するように第１の黒鉛部材１０または第２の黒鉛部材２０を加熱することが好ましい。好ましい加熱の温度は特に限定されないが、５０〜１５０℃が好ましい。
炭素系接着剤３の塗布箇所は、第１の座面１１または第２の座面２１に限定されず、さらに雄ネジまたは雌ネジに塗布しても良い。セラミック粒子１が雄ネジ１２と雌ネジ２２との間隔より小さい場合には、そのまま螺合することができ、セラミック粒子が雄ネジと雌ネジとの間隔より大きい場合には、雄ネジ１２または雌ネジ２２の表面を削りながら螺合することができる。

加熱温度が５０℃未満であると、炭素系接着剤３の粘度が高いので塗布しにくい。加熱温度が１５０℃を超えると、炭素系接着剤３の硬化時間が早くなり、作業中に硬化しやすくなる。
本発明の実施形態１のセラミック粒子１は、どのようなものでも利用することができる。炭化珪素、アルミナ、ジルコニア、コークス、黒鉛、など特に限定されない。中でも炭素系の粒子であることがこのましい。炭素系粒子は、コークス、黒鉛等が挙げられ、母材である黒鉛と同じ元素からなり、高い耐熱性を有しているので、高温で使用する黒鉛構造体として好適に使用することができる。
また、炭素系粒子は、導電性を備えているので、黒鉛ヒータとして使用すると炭素系接着層の電気抵抗を上げることがなく好適に利用することができる。

本発明の実施形態のセラミック粒子１は、５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径より大きいことが好ましい。セラミック粒子１の５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径よりも大きいと、セラミック粒子１が気孔の中に埋まることなく、炭素系接着層２の剪断力の発生を抑えることができる。

本発明の実施形態のセラミック粒子１は、５０％体積累積径が、１μｍ以上であることが望ましい。５０％体積累積径が、１μｍ未満の粒子は、液体のような挙動を示すようになり、流動性が良くなる。５０％体積累積径が、１μｍ以上であると、２つ座面の間隔が小さくなった時、粘性を有する炭素系接着剤３と共に外に流出しにくくなる。

本発明の実施形態のセラミック粒子１は、５０％体積累積径が、１００μｍ以下であることが望ましい。５０％体積累積径が、１００μｍを超えると、炭素系接着層２の厚みは１００μｍを超える。炭素系接着剤３は、炭化する過程で体積収縮を起こし、炭素系接着層２の間隔を小さくするか、気孔を形成するように作用する。セラミック粒子１の大きさが１００μｍをこえると、セラミック粒子１が潰れにくくなると考えられるので炭素系接着層２の間隔が小さくならず、気孔を形成しやすくなる。気孔が形成されると強度低下、電気抵抗増加の原因となる。

本発明の実施形態の炭素質接着剤３に対するセラミック粒子１の添加量は、特に限定されないが炭素質接着剤３の１０〜６０体積％であることが好ましい。炭素質接着剤３は、黒鉛材に吸収され、また焼成時に揮発し体積減少する。炭素質接着層３に対するセラミック粒子１の含有量２０％以上にするには、炭素質接着剤３に対するセラミック粒子１の含有量を１０体積％以上にすることが望ましい。また、炭素質接着層２に対するセラミック粒子１の含有量８０％以下にするには、炭素質接着剤３に対するセラミック粒子１の含有量を６０体積％以下にすることが望ましい。

＜締め付け工程＞Ｃ
本発明の実施形態の締め付け工程は、前記工程で塗布された炭素系接着剤３を、第１の黒鉛部材１０と第２の黒鉛部材２０とを螺合することにより薄く引き伸ばし、強固に締め付ける。
締め付け工程は、第１の黒鉛部材１０と第２の黒鉛部材２０とを加熱して行うことが好ましい。好ましい加熱の温度は、特に限定されないが５０〜１５０℃が好ましい。加熱温度が５０℃未満であると、炭素系接着剤３の粘度が高いので塗布しにくい。加熱温度が１５０℃を超えると、炭素系接着剤３の硬化時間が早くなり、作業中に硬化しやすくなる。加熱は、前記炭素系接着剤塗布工程で加熱したまま引き続き締め付け工程を実施しても一旦冷却してから再度加熱して締め付け工程を実施も良い。

締め付け工程で第１の黒鉛部材１０と第２の黒鉛部材２０とを螺合することにより、第１の座面１１と第２の座面２１との隙間から、炭素系接着剤３が流出し、余剰部４が形成される。この際、炭素系接着剤３の粘度が高い場合には炭素系接着層２の内部に含まれるセラミック粒子１が滑り止めとして作用し、過度の締め付けを防止し、粘度が低い場合には、第１の座面１１と第２の座面２１との間に一定の間隔を確保するスペーサとして作用し、必要とする剪断力を小さくすることができ、締め付け力をネジの摩擦力に効率良く伝達し、強固に締め受けることができる。
炭素系接着剤３は粘性流体であるので、時間の経過と共に余剰部側に移動し、第１の黒鉛部材と第２の黒鉛部材との締め付けが緩くなる。このため時間をおいて複数回締め付けを行うことが好ましい。複数回に分けて締め付けすることにより、炭素系接着剤３の流出が収束し、強固に締め付けることができる。

前記炭素系接着剤塗布工程で、ネジに塗布されていない場合には、締め付け工程で炭素系接着剤３が雄ネジ１２と雌ネジ２２とが形成する空隙に流出し、雄ネジ１２と雌ネジ２２とを接着する。セラミック粒子１が雄ネジ１２と雌ネジ２２との間隔より小さい場合には、雄ネジ１２と雌ネジ２２との間にセラミック粒子１が移動する。
締め付け工程で炭素系接着剤３が流出した余剰部４は、製品に残留して悪影響が無い場合、そのまま残しても良いし、除去しても良い。製品に残留して悪影響がある場合には、除去する。除去の方法は特に限定されないが、スクレーパで削る、繊維で吸収する等の方法がある。

＜硬化工程＞Ｄ
前記締め付け工程で螺合し第１の座面１１と第２の座面２１間で薄く引き伸ばされた炭素系接着剤３を硬化し、第１の黒鉛部材１０と第２の黒鉛部材２０とを接着する。
締め付け工程と後の焼成工程との間に硬化工程を加えることにより、接合の検査を行うことができる。硬化した炭素系接着剤３の熱膨張係数は黒鉛材より大きいので、黒鉛構造体の形状、締め付け方によっては破損することがある。硬化工程の後に黒鉛構造体の検査を行い、検査で異常のない黒鉛構造体を次の焼成工程に送る。また、金属など治具を使用した硬化が必要な場合、硬化工程で炭素系接着剤が硬化した後に治具を取り外し、焼成工程に送ることができる。
検査が必要でない場合、治具を使用しない場合などは、硬化工程を別途行うことなく、後述の焼成工程で同時に硬化させてもよい。

加熱の温度は１００〜３００℃が好ましい。炭素系接着剤３の硬化反応の速度は、アーレニウスの式に従うと考えられるので、硬化を促進するためには、硬化工程での加熱温度は、前記炭素系接着剤塗布工程および前記締め付け工程の加熱温度より高いことが好ましい。硬化工程での加熱温度を前記炭素系接着剤塗布工程および前記締め付け工程の加熱温度より高くすることにより、塗布、締め付けに要する時間を十分に確保し、硬化時間を短くできるので作業性がよい。
硬化工程での加熱温度が１００℃未満であると、加熱に長時間を要するので作業性が悪い。硬化温度が３００℃を超えると、炭素系接着剤の炭化が始まり、硬化工程を加える意味が無くなり、そのまま焼成工程に送る方が良い。

炭素系接着剤３の硬化反応は、アーレニウスの式に従うと考えられるので、硬化時間は、低温では長く、高温では短くなる。望ましい硬化時間は５分〜１０時間が望ましい。硬化時間が５分未満であると、急激な硬化反応が起こるので炭素系接着剤が急速に加熱し熱膨張することにより雄ねじを折損しやすくなる。硬化時間が１０時間を超えると、作業性が悪くなる。

＜焼成工程＞Ｅ
前記硬化工程で第１の黒鉛部材１０と第２の黒鉛部材２０とを接合した炭素系接着剤３を焼成し炭素系接着層２を形成する。なお、硬化工程を別途行わなかった場合には、締め付け工程で引き伸ばされた炭素系接着剤を硬化させると共に焼成する。
焼成工程は、黒鉛部材、炭素系接着剤３が酸化しないように、不活性雰囲気、還元性雰囲気または真空下で行う。不活性雰囲気は、特に限定されないが例えば窒素、アルゴンなどが挙げられる。還元性雰囲気は、特に限定されないが例えば炭化水素、水素、一酸化炭素ガスなどが挙げられる。

焼成工程の加熱温度は、特に限定されないが８００〜２５００℃が好ましく、１０００〜２２００℃がさらに好ましい。
加熱温度が１０００℃未満であると、炭素系接着剤３の炭素化が不十分であり炭素系接着層２から炭化水素ガス、水素ガスなどを発生させる。加熱温度が８００℃未満であると、炭素系接着剤の炭素化が不十分であり炭素系接着層２から発生する炭化水素ガス、水素ガスなどの量が多くなる。
加熱温度が２２００℃を超えると、黒鉛部材がクリープ変形しやすくなるため寸法精度を確保しにくくなる。加熱温度が２５００℃を超えると、黒鉛部材がさらにクリープ変形しやすくなるためさらに寸法精度を確保しにくくなる。

以上説明した製造方法は、黒鉛構造体の製造方法であるが、得られる炭素系接着層は導電性であるので黒鉛ヒータの製造方法にも適用することができる。

図１０は本発明の実施形態を組み合わせた黒鉛ヒータの斜視図であり、実施形態１及び実施形態４を内部に有している。
本実施例の黒鉛ヒータ２００は、発熱体２０１とコネクタ２０２とを組み合わせ黒鉛ヒータを構成している。発熱体どうしおよび発熱体とコネクタとの接合部には、本発明の炭素系接合層を有している。発熱体２０１とコネクタ２０２との接合は、発熱体２０１側が雄ネジ、コネクタ側が雌ネジとなり実施形態４の接合が適用されている。発熱体２０１同士の接合は、一方が雌ネジ、他方が雄ネジであり実施形態１の接合が適用されている。発熱体２０１、コネクタ２０２を組み合わせることにより、複雑な形状の黒鉛ヒータが得られている。

図１１は本発明の実施形態５を組み込んだ黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
本実施例の黒鉛構造体１００は、高温加熱炉のマッフル、保温筒等に適用できる。第１の黒鉛部材と第２の黒鉛部材とを、螺合し組み合わせることによって高さを確保している。

図１２は、本発明の実施形態１を組み込んだ黒鉛構造体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
本実施例の黒鉛構造体１００は、半導体ウェハの加熱テーブル、シリコン単結晶引き上げ装置の回転軸とルツボ受け皿との接合等に適用できる。第１の黒鉛部材と第２の黒鉛部材とを、螺合し組み合わせることによって材料の歩留まりを高めることができる。

図１３は、本発明の実施形態４を組み込んだ黒鉛ヒータ２００の斜視図であり、螺合前の分解図である。
本実施例は、発熱部２０１とコネクタ２０２とを組み合わせ黒鉛ヒータを構成している。発熱体２０１とコネクタ２０２との接合は、発熱体２０１側が雄ネジ、コネクタ側が雌ネジとなり実施形態４の接合が適用されている。

１ セラミック粒子
２ 炭素系接着層
３ 炭素系接着剤
４ 余剰部
６ ニップル
７ ワッシャ
１０ 第１の黒鉛部材
１１ 第１の座面
１２ 雄ネジ
２０ 第２の黒鉛部材
２１ 第２の座面
２２ 雌ネジ
１００ 黒鉛構造体
２００ 黒鉛ヒータ
２０１ 発熱体
２０２ コネクタ

Claims (15)

1. 第１の座面と雄ネジとを有する第１の黒鉛部材と、
   第２の座面と雌ネジとを有し、第１の黒鉛部材と螺合し接続される第２の黒鉛部材と、
   第１の座面と第２の座面との間に形成され、前記第１の黒鉛部材と前記第２の黒鉛部材とを接続する炭素系接着層と、
   からなり、
   前記炭素系接着層には、セラミック粒子を含有していることを特徴とする黒鉛構造体。
2. 前記雄ネジ及び雌ネジは、平行ネジであることを特徴とする請求項１に記載の黒鉛構造体。
3. 前記セラミック粒子は、炭素系粒子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の黒鉛構造体。
4. 前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径より大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の黒鉛構造体。
5. 前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の黒鉛構造体。
6. 前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の黒鉛構造体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の黒鉛構造体を用いることを特徴とする黒鉛ヒータ。
8. 第１の座面と雄ネジとを有する第１の黒鉛部材と、第２の座面と雌ネジとを有する第２の黒鉛部材とを螺合する黒鉛構造体の製造方法において
   第１の座面または第２の座面にセラミック粒子を含有する炭素系接着剤を塗布した後、螺合することを含む黒鉛構造体の製造方法。
9. 前記黒鉛構造体の製造方法は、第１の黒鉛部材と第２の黒鉛部材とを螺合したのち、炭素系接着剤を硬化し、炭素化させる工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の黒鉛構造体の製造方法。
10. 前記雄ネジ及び雌ネジは、平行ネジであることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の黒鉛構造体の製造方法。
11. 前記記載のセラミック粒子は、炭素系粒子であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の黒鉛構造体の製造方法。
12. 前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が黒鉛部材の５０％累積気孔径より大きいことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の黒鉛構造体の製造方法。
13. 前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が、１μｍ以上であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の黒鉛構造体の製造方法。
14. 前記セラミック粒子は、５０％体積累積径が、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の黒鉛構造体。
15. 請求項８〜１４のいずれか一項に記載の黒鉛構造体の製造方法を用いることを特徴とする黒鉛ヒータの製造方法。
    

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