JP2018014314A

JP2018014314A - 加熱炉

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Publication number: JP2018014314A
Application number: JP2017098645A
Authority: JP
Inventors: 乙坂　哲也; Tetsuya Otsusaka; 哲也乙坂
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2037-05-18
Also published as: CN107606953A; CN107606953B; JP6762673B2

Abstract

【課題】ヒータと電極との接触状態を良好に維持可能な加熱炉を提供する。【解決手段】ボルトの軸をヒータを貫通している挿通孔に挿通し、更に電極棒の先端面に設けられた穴に挿入してボルトを締付けることでヒータと電極棒とが緊結された加熱炉において、ボルトの座面とヒータの一方の面との間にボルトの軸が挿通される第１ワッシャと、ヒータの他方の面と電極棒の先端面との間にボルトの軸が挿通される第２ワッシャとを備え、ボルトの座面と電極の先端面との間隔をL0、ボルトの長手方向の線膨張係数をα0、ヒータの挿通孔の形成部分の厚みをTH、厚み方向の線膨張係数をαH、第１ワッシャの厚みをTB、厚み方向の線膨張係数をαB、第２ワッシャの厚みをTE、厚み方向の線膨張係数をαE、ヒータと電極との緊結部分の温度上昇量をΔＴとしたとき｜Ｌ０・α０−（ＴＨ・αＨ＋ＴＢ・αＢ＋ＴＥ・αＥ）｜・ΔＴ≦０．１５（ＴＢ＋ＴＥ）の関係を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、合成石英ガラスの製造・加工工程や光ファイバの線引工程等における加熱に用いられる加熱炉に関し、特にヒータと電極とがボルトにより緊結される加熱炉に関する。

合成石英ガラスの製造・加工工程や、光ファイバの線引工程等で広く用いられているカーボンヒータは、等方性黒鉛やＣ／Ｃコンポジットのような黒鉛系の素材から成り、不活性ガス雰囲気において１０００〜２５００℃程度の温度を得ることができる。

このようなヒータに電流を供給するには、ヒータに電極を接続する必要がある。１０００〜２５００℃程度の高温において導電性を持ち、溶融せず、かつ雰囲気ガスと反応しない電極の材料の選択肢としては、ヒータと同様に等方性黒鉛やＣ／Ｃコンポジットのような黒鉛系の素材が挙げられる。

また、ヒータと電極とを接続するためにはボルト等の緊結手段が必要であり、この緊結手段も高温に晒されるため、緊結手段の材料として、ヒータや電極と同様に等方性黒鉛やＣ／Ｃコンポジットのような黒鉛系の素材が選択されるのが一般的である。タングステン等の高融点金属を選択することも可能であるが、温度によっては炭化や不活性ガスとして用いられる窒素による窒化が起こってしまうため、一般的ではない。

ヒータと電極との密着性を高め、接触抵抗を軽減するために、ヒータと電極との間にワッシャが一般的に配置される。このワッシャには、導電性・圧縮復元性・耐熱性が求められるため、これらの要件を満たす膨張黒鉛シートが用いられることが多い。ボルトの座面とヒータとの間にも、締付け時の応力集中を緩和する目的でワッシャが挿入され、ここでも膨張黒鉛シートが用いられることが多いが、こちらのワッシャについては必ずしも導電性が求められないため、セラミック系のシート等、導電性の無い材質を用いてもよい。

ヒータの昇降温を繰り返すうちに、ボルトが弛んだり、ボルトが破断したりする場合がある。ボルトが弛んだ場合、ヒータと電極との接触が悪くなって電圧に変動が生じ、更に弛みが進むと、ヒータと電極との間でスパークが生じて黒煙が発生し、著しく炉内および被加熱物が汚染される。また、ボルトが破断した場合には完全に通電しなくなるか、状況によってはスパークが発生して、ボルトが弛んだ場合と同様の結果に至る。

ボルトにヒータと同材質の等方性黒鉛を用いた場合、ボルトの破断が生じやすい傾向がある。また、これを防ぐために強度に優れるＣ／Ｃコンポジットのボルトを用いた場合、ボルトの破断は生じにくいものの、昇降温を繰り返すにつれボルトに弛みが生じやすくなるため、定期的な締め直しが必要であり、これを怠るとスパークが発生して炉内を汚染する恐れがある。

本発明の目的は、カーボンなどの脆性材料からなるヒータと電極との接触状態を長期にわたって良好に維持することが可能な加熱炉を提供することにある。

本発明の加熱炉は、ボルトの軸部を、脆性材料からなるヒータの一方の面から他方の面に貫通している挿通孔に挿通し、更に電極棒の先端面に設けられた穴に挿入して当該ボルトを締め付けることによりヒータと電極棒とが緊結された加熱炉であって、ボルトの座面とヒータの一方の面との間にボルトの軸部が挿通される１枚以上の第１ワッシャと、ヒータの他方の面と電極棒の先端面との間にボルトの軸部が挿通される１枚の第２ワッシャと、を備え、ボルトの座面と電極の先端面との間隔をＬ_０[mm]、ボルトの長手方向の線膨張係数をα_０[/K]、ヒータの挿通孔が形成された部分の厚みをＴ_Ｈ[mm]、ヒータの厚み方向の線膨張係数をα_Ｈ[/K]、第１ワッシャの合計厚みをＴ_Ｂ[mm]、第１ワッシャの厚み方向の線膨張係数をα_Ｂ[/K]、第２ワッシャの厚みをＴ_Ｅ[mm]、第２ワッシャの厚み方向の線膨張係数をα_Ｅ[/K]、ヒータと電極との緊結部分の温度上昇量をΔＴ[K]としたとき、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ≦０．１５（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）の関係を満たすことを特徴とする。

このような関係を満たすことで、使用環境において繰り返し昇降温があったとしても、ボルトの破断や弛みが生じにくくなり、ヒータと電極との接触状態を長期にわたって良好に維持することができる。

なお、α_０＞α_Ｈの関係を満たすように材料を選択することで、上記の関係式を満たす設計が容易になる。

また、ボルトの材質の選択に際し、Ｃ／Ｃコンポジット等と比べ線膨張係数が大きい等方性黒鉛を選択することでα_０＞α_Ｈの関係を満たす設計が容易になる。

更に、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ≦０．０６（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）の関係を満たすように設計することで、昇降温によるボルト締付け力の低下を抑制し、ヒータと電極との接触状態をより長期にわたって良好に維持することができる。

本発明の加熱炉のヒータ及び電極の概略図である。ヒータ及び電極棒の加工形状を説明する図である。ヒータと電極棒との接合部分の拡大図である。

図１に本発明の加熱炉の構成例を示す概略図を示す。図１(a)は平面図、図１(b)は正面図である。本発明の加熱炉は、ヒータ１１、電極棒１２、ボルト１３、第１ワッシャ１４、及び第２ワッシャ１５を備える。

ヒータ１１は、円筒形で上下端から交互にスリットが切られたスリットヒータである。ヒータ１１の材質としては、不活性ガス雰囲気において１０００〜２５００℃の高温を得るため、等方性黒鉛やＣ／Ｃコンポジットのような黒鉛系の脆性素材が用いられる。なお、図１ではスリットヒータの側面に直接電極棒を接続する例を示したが、スリットヒータから上部もしくは下部に延長したヒータ端子部を持つものや、平面のプレートヒータなど、他のタイプのヒータにも適用することが可能である。

電極棒１２は、一端がヒータ１１に、他端が図示しない電源設備に接続され、ヒータ１１を発熱させるための電力をヒータ１１に供給する。電極棒１２の材質についても、等方性黒鉛やＣ／Ｃコンポジットのような黒鉛系の脆性素材が用いられる。

図２に示すように、ヒータ１１にはボルト１３の挿通孔１１ａが一方の面１１ｂから他方の面１１ｃに貫通して設けられている。電極棒１２の先端面１２ａには、ボルト１３の軸部１３ａを挿入し締め付けるためのネジ穴１２ｂが設けられている。

図３は、ボルト１３を用いてヒータ１１と電極棒１２とを緊結した状態を示した図である。ボルト１３の材質についても、等方性黒鉛やＣ／Ｃコンポジットのような黒鉛系の脆性素材が用いられる。

ボルト１３の軸部１３ａは、ヒータ１１の一方の面１１ｂから挿通孔１１ａに挿入されるが、挿入に先立ち、第１ワッシャ１４に挿通される。すなわち、第１ワッシャ１４は、ボルト１３の軸部１３ａの挿通時に、ボルト１３の座面１３ｂとヒータ１１の一方の面１１ｂとの間に挟み込まれる。また、挿通孔１１ａへの挿通によりヒータ１１の他方の面１１ｃから突出したボルト１３の軸部１３ａは、電極棒１２のネジ穴１２ｂに挿入されるが、挿入に先立ち、第２ワッシャ１５に挿通される。すなわち、第２ワッシャ１５は、ボルト１３の軸部１３ａの挿通時に、ヒータ１１の他方の面１１ｃと電極棒１２の先端面１２ａとの間に挟み込まれる。

第２ワッシャ１５は、ヒータ１１の他方の面１１ｃと電極棒１２の先端面１２ａとの角度のずれやそれぞれの面の表面粗さを吸収することにより密着度を高めて接触抵抗を低減する目的で挿入される。第２ワッシャ１５は、複数枚挿入することで組付け毎の接触抵抗の変動が大きくなり加熱温度の分布が不均一になりやすいため、１枚のみを挿入するのが望ましい。第２ワッシャ１５の素材としては、導電性・圧縮復元性・耐熱性が求められるため、膨張黒鉛シートが好適である。

第１ワッシャ１４は、ボルトの締付け時のボルト頭部への応力集中を緩和する目的で挿入される。第１ワッシャ１４は複数枚挿入しても構わないが、逆に、ボルト１３、ヒータ１１の挿通孔１１ａが形成された部分、及び電極棒１２の製作精度が十分に高い場合には、挿入しなくても構わない。第１ワッシャ１４の素材としても膨張黒鉛シートが好適であるが、ヒータ１１と電極棒１２との導通は、ヒータ１１の他方の面１１ｃ側で確保されているため、セラミック系のシート等、導電性の無い素材を用いてもよい。

ヒータ１１の挿通孔１１ａが形成された部分、ボルト１３、第１ワッシャ１４、及び第２ワッシャ１５は、加熱された際にそれぞれの持つ線膨張係数に従って熱膨張を生じる。ボルト１３の座面１３ｂと電極棒１２の先端面１２ａとの間隔をＬ_０[mm]、ボルト１３の長手方向の線膨張係数をα₀[/K]、ヒータ１１と電極１２との緊結部分の温度上昇量をΔＴ[K]とすると、ボルト１３の実質的な伸びはＬ_０・α₀・ΔＴ[mm]となる。一方、ヒータ１１の挿通孔１１ａが形成された部分の厚みをＴ_Ｈ[mm]、ヒータ１１の厚み方向の線膨張係数をα_Ｈ[/K]、第１ワッシャ１４の厚み（複数枚の場合は複数枚の合計の厚み）をＴ_Ｂ[mm]、第１ワッシャの厚み方向の線膨張係数をα_Ｂ[/K]、第２ワッシャ１５の厚みをＴ_Ｅ[mm]、第２ワッシャの厚み方向の線膨張係数をα_Ｅ[/K]、ボルト１３の座面１３ｂと電極棒１２の先端面１２ａに挟まれる部材の熱による厚みの増加は（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）・ΔＴ[mm]となる。

熱によるボルト１３の伸び量と、ボルト１３の座面１３ｂと電極棒１２の先端面１２ａとの間に挟まれる部材の熱による厚みの増加量の差が小さくなるように部材を選択することで、ボルト１３の破断や、第１ワッシャ１４及び第２ワッシャ１５にかかる応力の集中や、各部材の隙間を生じにくくすることができる。

適切な部材を選択するため、表１に示した部材を適宜組み合わせて、ΔＴ＝２０００Ｋにて１０〜５０回の昇降温を繰り返し、ボルトの弛み具合およびワッシャの状態を確認するテストを行った。

ボルトの弛み具合は、昇降温後のボルトを緩める時の必要トルクを、ヒータ取り付け時にボルトを締め付けた時のトルクで除した数値（以下トルク比と言う）で評価した。トルク比は０〜１の間を取り、０は完全に弛んでボルトの軸力が無くなった状態であり、１に近い程、ボルト軸力の初期状態からの変化が小さいことを表している。

表２〜９に８種類の組み合わせ及びその昇降温テストの結果を示す。

組み合わせ１では、第１ワッシャと第２ワッシャともに亀裂が入り、ボルトを弛める時の必要トルクは測定できないほどに小さくなった。組み合わせ２では、第１ワッシャと第２ワッシャともに大きく潰れており、トルク比は０．０４と小さかった。組み合わせ３では、第１ワッシャと第２ワッシャともに大きく潰されており、トルク比は０．０５と小さかった。組み合わせ４では、第１ワッシャと第２ワッシャともに潰れは小さく、トルク比も０．２１と組み合わせ１〜３に比べ大きく、ボルトが手で弛むようなことはなかった。組み合わせ５では、昇降温回数を５０回に増加したにもかかわらず、第１ワッシャと第２ワッシャともに潰れは小さく、トルク比は０．４４と非常に良い状態を保っていた。組み合わせ６では、第１ワッシャと第２ワッシャともに潰れは小さいが、トルク比は０．１９となった。組み合わせ４と比較するとトルク比が小さい。組み合わせ７では、昇降温回数を５０回としても第１ワッシャと第２ワッシャともに潰れは小さく、トルク比は０．３０と良好である。ただし、組み合わせ５や８と比べるとトルク比が小さい。組み合わせ８では、昇降温回数を５０回としても第１ワッシャと第２ワッシャともに潰れは小さく、トルク比は０．３９と非常に良好である。

以上の昇降温テストから、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ≦０．１５（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）の関係を満たす場合（組み合わせ４〜８）において、ボルトの破断や弛みが生じにくくなり、ヒータと電極との接触状態を長期にわたって良好に維持することができるといえる。なお、組み合わせ６は、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ＝０．１５（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）となる例であり、トルク比に低下の傾向が表れている。このこと等から、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴの上限は０．１５（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）程度とするのがよいといえる。

また、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ≦０．０６（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）の関係を満たす場合（組み合わせ５、７、８）においては、昇降温によるボルト締付け力の低下を抑制し、ヒータと電極との接触状態をより長期にわたって良好に維持する効果が特に高い。組み合わせ７は、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ＝０．０６（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）となる例であり、トルク比にやや低下の傾向が表れている。このことから、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴの上限は０．０６（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）程度とするのが好ましいといえる。なお、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴは、できる限り小さくすることが好ましい。組み合わせ５は、｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴがゼロとなる理想的な例である。

上記の関係式を満たす設計は、α_０＞α_Ｈの関係を満たすように材料を選択することで容易になる。また、ボルトの材質の選択に際し、Ｃ／Ｃコンポジット等と比べて線膨張係数が大きい等方性黒鉛を選択することでα_０＞α_Ｈの関係を満たすことが容易になる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１１ヒータ
１１ａ挿通孔
１１ｂヒータの一方の面
１１ｃヒータの他方の面
１２電極棒
１２ａ電極棒の先端面
１２ｂネジ穴
１３ボルト
１３ａボルトの軸部
１３ｂボルトの座面
１４第１ワッシャ
１５第２ワッシャ

Claims

ボルトの軸部を、脆性材料からなるヒータの一方の面から他方の面に貫通している挿通孔に挿通し、更に電極棒の先端面に設けられた穴に挿入して当該ボルトを締め付けることにより前記ヒータと前記電極棒とが緊結された加熱炉において、
前記ボルトの座面と前記ヒータの一方の面との間に、前記ボルトの軸部が挿通される１枚以上の第１ワッシャと、
前記ヒータの他方の面と前記電極棒の先端面との間に、前記ボルトの軸部が挿通される１枚の第２ワッシャと、
を備え、
前記ボルトの座面と前記電極の先端面との間隔をＬ_０[mm]、前記ボルトの長手方向の線膨張係数をα_０[/K]、前記ヒータの前記挿通孔が形成された部分の厚みをＴ_Ｈ[mm]、前記ヒータの前記厚み方向の線膨張係数をα_Ｈ[/K]、前記第１ワッシャの合計厚みをＴ_Ｂ[mm]、前記第１ワッシャの厚み方向の線膨張係数をα_Ｂ[/K]、前記第２ワッシャの厚みをＴ_Ｅ[mm]、前記第２ワッシャの厚み方向の線膨張係数をα_Ｅ[/K]、前記ヒータと前記電極との緊結部分の温度上昇量をΔＴ[K]としたとき、
｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ≦０．１５（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）
の関係を満たすことを特徴とする加熱炉。
α_０＞α_Ｈの関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
前記ボルトは等方性黒鉛からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱炉。
｜Ｌ_０・α_０−（Ｔ_Ｈ・α_Ｈ＋Ｔ_Ｂ・α_Ｂ＋Ｔ_Ｅ・α_Ｅ）｜・ΔＴ≦０．０６（Ｔ_Ｂ＋Ｔ_Ｅ）
の関係を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の加熱炉。