JP2020004526A

JP2020004526A - カーボンワイヤーヒータ

Info

Publication number: JP2020004526A
Application number: JP2018120817A
Authority: JP
Inventors: 寛太土井; Kanta Doi
Original assignee: Coorstek KK
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2020-01-09
Also published as: CN110650551A; TW202010885A; KR20200001505A; TWI702320B

Abstract

【課題】カーボンワイヤー発熱体における電流集中の発生を抑制し、カーボンワイヤー発熱体の長寿命化を図る。【解決手段】給電により発熱するカーボンワイヤー発熱体２がガラス部材３の内部に収容されたカーボンワイヤーヒータ１であって、カーボンワイヤー発熱体は、カーボン単繊維を束ねた複数のカーボンファイバー束２ａが線状に編み込まれて形成され、カーボンワイヤー発熱体の単位長さあたりの重量は、１ｇ／ｍ〜５．１ｇ／ｍの範囲内で設定され、編み込まれた複数のカーボンファイバー束によって形成される空間部内にカーボンファイバー束が存在しない。【選択図】図２

Description

本発明は、カーボンワイヤー発熱体がガラス部材に収容されたカーボンワイヤーヒータに関し、特にカーボンワイヤー発熱体における電流の集中を抑制したカーボンワイヤーヒータに関する。

本出願人は、カーボンワイヤーヒータについて特許文献１記載の発明を提案している。この特許文献１に記載されたカーボンワイヤーヒータについて、図６乃至図９を参照しながら説明する。

図６に示すヒータは、カーボンワイヤー発熱体１２と、前記カーボンワイヤー発熱体１２を収納する、両端が開放された長尺かつ小径の石英ガラス管１３（単にガラス管１３と呼ぶ）とを有する。前記ガラス管１３の両端部１３ａ，１３ｂには、より大径のガラス管１４ａ，１４ｂが収納され、この大径のガラス管１４ａ，１４ｂの内部にワイヤーカーボン材２０が圧縮収納されている。また、前記両端部１３ａ，１３ｂの外側端部は、封止端子部１８ａ，１８ｂにより封止され閉塞されている。

前記封止端子部１８ａ，１８ｂは、円筒状の石英ガラスからなる封止部材１５ａ，１５ｂを有し、その一端は前記ガラス管１３の両端部１３ａ，１３ｂに融着されている。
前記封止部材１５ａ，１５ｂ内には、カーボンワイヤー発熱体１２に電力を供給する接続線１６ａ，１６ｂが配設され、接続線１６ａ，１６ｂの一部外周面には該接続線１６ａ，１６ｂの径方向に熱膨張係数が変化する熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂが形成されている。

前記封止部材１５ａ，１５ｂは、小径部１５ａ１，１５ｂ１と、大径部１５ａ２，１５ｂ２と、前記小径部１５ａ１，１５ｂ１と大径部１５ａ２，１５ｂ２とを接続する立上がり部１５ａ３，１５ｂ３とが形成された円筒状体である。
前記小径部１５ａ１，１５ｂ１の内周面は、前記熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂの外周面に融着され、前記大径部１５ａ２，１５ｂ２の端面は、前記大径のガラス管１３の両端部１３ａ，１３ｂの端面に融着される。これによりガラス管１３内が封止されている。

前記接続線１６ａ，１６ｂはＭｏ（モリブデン）、あるいはＷ（タングステン）棒からなる。この接続線１６ａ，１６ｂは、小径のガラス管１４ａ，１４ｂ内に圧縮収納されるワイヤーカーボン材２０に対し容易に接続ができるように、その先端部が尖っている。

また、前記したように封止端子部１８ａ，１８ｂにおいて接続線１６ａ，１６ｂの外周面には熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂが形成される。この熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂは、接続線１６ａ，１６ｂの外周面上に形成されるタングステンガラス層１７ａ１，１７ｂ１と、その上に積層される例えば熱膨張係数が８×１０^-7／℃（０〜３００℃）の９６％珪酸ガラス層１７ａ２，１７ｂ２とからなる。即ち、接続線１６ａ，１６ｂの径方向に熱膨張係数が小さくなるように、熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂが形成されている。

このような構造を有するヒータによれば、接続線１６ａ，１６ｂの外周面に径方向に熱膨張率の変化する熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂを備え、前記接続線１６ａ，１６ｂは熱膨張傾斜部１７ａ，１７ｂを介してガラス部材（小径部１５ａ１，１５ｂ１）に取り付けられるため、熱膨張による歪みを緩和することができる。また、外力に対する機械的強度が強くなり、取り扱いが便利である。

また、図６に示すヒータにおいて、ガラス管１３内に収容されるカーボンワイヤー発熱体１２にあっては、直径２乃至１５μｍのカーボン繊維、例えば、直径７μｍのカーボン単繊維を約３０００本乃至３５００本程度束ねたファイバー束１２ａを、図７の側面図（ガラス管は断面で示す）に示すように８束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、或いは組編形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度である。

また、図８は、前記のように編み込まれたファイバー束１２ａ（内部を表すため輪郭のみを鎖線で示す）の内部を模式的に示す側面図である。図示するように編み込まれた複数のファイバー束１２ａの内部には、２〜３束のストレート（直線状）のファイバー束からなる芯線１９が配置されている。
このように従来は、編み込まれた複数のファイバー束１２ａの内部に芯線１９を配置することによって、強度を保っていた。

特開２００５−２９４００７号公報

ところで、図９の縦断面図に示すように芯線１９の周りを覆う複数のファイバー束１２ａにあっては、編み込みされるが、芯線１９に関しては編み込みされずにストレートの状態である。
しかしながら、ストレート状態の芯線１９にあっては、編み込み線（１２ａ）よりも長さが短いために抵抗値が低くなり、その分、電流が集中しやすい。そのため、芯線１９において温度が上昇しやすく、電流印加時において芯線１９の温度が編み込み線（１２ａ）の温度よりも高くなるという問題があった。

そのため、編み込み線（１２ａ）よりも芯線１９において、カーボンワイヤー主成分であるカーボン（Ｃ）と、シリカガラス管から蒸発したＳｉＯが下記式の反応を起こし、徐々に断線が進行するという課題があった。
［数１］
ＳｉＯ（ｓ）＋Ｃ（ｓ）→Ｓｉ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、カーボンワイヤー発熱体における電流集中の発生を抑制し、カーボンワイヤー発熱体の長寿命化を図ったカーボンワイヤーヒータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかるカーボンワイヤーヒータは、給電により発熱するカーボンワイヤー発熱体がガラス部材の内部に収容されたカーボンワイヤーヒータであって、前記カーボンワイヤー発熱体は、カーボン単繊維を束ねた複数のカーボンファイバー束が線状に編み込まれて形成され、前記カーボンワイヤー発熱体の単位長さあたりの重量は、１ｇ／ｍ〜５．１ｇ／ｍの範囲内で設定され、前記編み込まれた複数のカーボンファイバー束によって形成される空間部内にカーボンファイバー束が存在しないことに特徴を有する。
尚、前記カーボンワイヤー発熱体は、直径５乃至１５μｍの前記カーボンファイバー単繊維が束ねられて形成された前記カーボンファイバー束が、５束乃至２０束編み込まれ、全体として１５０００本乃至６００００本のカーボンファイバー単繊維により形成されることが望ましい。

このように本発明によれば、ガラス部材内に収容されるカーボンワイヤー発熱体は、従来のように内部にストレートの芯線を含まず、複数本のカーボンファイバー束を編み込んだ構成とされる。
これにより、抵抗値が低い芯線での電流の集中が無いため、カーボンワイヤー発熱体における発熱を均一化することができる。
その結果、化学反応による断線の進行を抑制し、カーボンワイヤー発熱体の長寿命化を図ることができる。
また、芯線を含む場合よりも単位長さあたりの抵抗値が高くなるため、同電流値を流した際、芯線を含む場合よりも出力を向上させることができる。
また、芯線を含む従来のカーボンワイヤー発熱体よりも安価に製造することができる。

本発明によれば、カーボンワイヤー発熱体における電流集中の発生を抑制し、カーボンワイヤー発熱体の長寿命化を図ったカーボンワイヤーヒータを得ることができる。

図１は、本発明に係るカーボンワイヤーヒータの実施形態を示す側面図（ガラス管は断面図で示す）であり、カーボンワイヤーヒータの主要部を示す図である。図２は、図１のカーボンワイヤーヒータの縦断面図である。図３は、ガラス管の中に収容されたカーボンワイヤー発熱体の一部表面を拡大して示す側面図である。図４は、本発明の実施例１、比較例１の結果を示すグラフである。図５は、本発明の実施例２、比較例２の結果を示すグラフである。図６は、カーボンワイヤー発熱体をガラス管中に封入した従来のヒータを示す断面図である。図７は、図６の従来のヒータが有するカーボンワイヤー発熱体の構成を示す側面図である。図８は、図７のカーボンワイヤー発熱体が有する芯線を示す側面図である。図９は、図７，図８に示したカーボンワイヤー発熱体の断面図である。

以下に、本発明に係るカーボンワイヤーヒータの実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係るカーボンワイヤーヒータの実施形態を示す側面図（ガラス管は断面で示す）であり、本発明に係るカーボンワイヤーヒータの特徴を有する主要部を示す図である。図２は、図１に示すカーボンワイヤーヒータの縦断面図である。また、図３は、ガラス管の中に収容されたカーボンワイヤー発熱体の一部表面を拡大して示す側面図である。

尚、図１、図２に示すカーボンワイヤーヒータは、図６に示した従来のヒータと同様にガラス管の中に収容されたカーボンワイヤー発熱体に給電され発熱するものであり、給電部は図６に示した構造と同様のものを採用することができる。

図１、図２に示すカーボンワイヤーヒータ１は、給電されることにより発熱するカーボンワイヤー発熱体２と、このカーボンワイヤー発熱体２を管内に収納し、両端に封止端子部（図示せず）を有するガラス管３（ガラス部材）とを備える。前記ガラス管３は、例えば、石英ガラスにより形成された、光（輻射熱）を透過する石英ガラス管である。その内径は、例えば２．６ｍｍに形成され、外径は、例えば、５ｍｍに形成されている。

前記カーボンワイヤー発熱体２は、極細いカーボン単繊維を束ねたカーボンファイバー束２ａを、図３（ａ）、或いは図３（ｂ）に示すように編紐形状、あるいは組紐形状に複数束編み上げて線状に作製したものであり、従来の金属製やＳｉＣ製の発熱体に比べて、熱容量が小さく昇降温特性に優れ、また非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れている。

また、このカーボンワイヤー発熱体２は、細いカーボン単繊維の繊維束（カーボンファイバー束２ａ）を複数本編んで作製されたものであるため、ムクのカーボン材からなる発熱体に比べフレキシビリティに富み、形状変形順応性に優れている。

本実施形態に示す例では、９束のカーボンファイバー束２ａを編み上げたものを使用している。図２に示すように、編み込まれた９束のカーボンファイバー束２ａの内部は空洞となされており、従来構造のようにカーボンワイヤー（カーボンファイバー束）の芯線は含まれない。即ち、編み込まれた複数のカーボンファイバー束２ａによって形成される空間部内にカーボンファイバー束２ａが存在しない。このように、芯線が存在せず、芯線への電流集中が無いため、芯線の温度が局所的に上昇するということがなく、カーボンワイヤー発熱体２の長寿命化を図ることができる。
また、芯線を含む場合よりも単位長さあたりの抵抗値が高くなるため、同電流値を流した際、芯線を含む場合よりも出力を向上させることができる。
また、芯線を含む従来のカーボンワイヤー発熱体よりも安価に製造することができる。

更に、前記カーボンワイヤー発熱体２について、より詳細に説明する。前記したように、カーボンワイヤー発熱体２は複数（本実施形態では９束）のカーボンファイバー束２ａを直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐状に編み込んだものが使用される。前記カーボンファイバー束２ａは、直径５μｍ乃至１５μｍのカーボンファイバー単繊維、例えば、直径７μｍのカーボンファイバー単繊維を約３０００本程度束ねたものである。

尚、カーボンワイヤー発熱体２の全体として、前記カーボンファイバー単繊維は１５０００本乃至６００００本程度であることが望ましい。例えば、１束のカーボンファイバー束２ａを３０００本のカーボンファイバー単繊維で形成すれば、カーボンワイヤー発熱体２は、５束乃至２０束のカーボンファイバー束２ａを編み込んで形成することが望ましい。

前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２ｍｍ乃至５ｍｍ程度であり、また、図３（ａ）、（ｂ）に示すようにファイバー束２ａの編み込み角度θは、１０°乃至４０°の間で所定の角度に設定されている。
即ち、編み込み角度が１０°（図３（ａ））のように小さい場合には、単位長さ（１ｍ）あたりのカーボンファイバー束２ａの長さが短くなり、重量も１ｇ／１ｍ程度となる。編み込み角度が１０°より小さいと曲がりやすく形状を保持できないため好ましくない。

一方、編み込み角度が４０°（図３（ｂ））のように大きい場合には、単位長さ（１ｍ）あたりのカーボンファイバー束２ａの長さが長くなり、重量も５．１ｇ／ｍ程度となる。
このように編み込み角度を例えば大きくすると、単位長さあたりに含まれるワイヤー量が増え、抵抗値が上昇する。その結果、従来構造のものにより出力を上昇させることができる。尚、編み込み角度が４０°より大きいと、剛性は向上するが柔軟性に欠け、引き回しが困難となるため好ましくない。

このように構成されたカーボンワイヤーヒータ１において、カーボンワイヤー発熱体２に通電して発熱させると、ガラス管３からは、カーボンワイヤー発熱体２の形状（本実施形態においては直線状）に沿って輻射熱が放射される。

このように本発明のカーボンワイヤーヒータに係る実施の形態によれば、ガラス管３内に収容されるカーボンワイヤー発熱体２は、内部にストレートの芯線を含まず、複数束のカーボンファイバー束２ａを編み込んだ構成とされる。
これにより従来、抵抗値が低い芯線での電流の集中を抑制し、カーボンワイヤー発熱体２における発熱を均一化することができる。
その結果、化学反応による断線の進行を抑制し、カーボンワイヤー発熱体２の長寿命化を図ることができる。
また、従来のように芯線を含む場合よりも単位長さあたりの抵抗値が高くなるため、同電流値を流した際、芯線を含む場合よりも出力を向上させることができる。また、芯線を含む従来のカーボンワイヤー発熱体よりも安価に製造することができる。

尚、前記実施の形態においては、カーボンワイヤー発熱体２を構成するファイバー束２ａの数を９束として説明したが、編み込むファイバー束２ａの数は限定されるものではない。
また、前記実施の形態において、カーボンワイヤー発熱体２（及びそれを収容するガラス管）は直線状のものとして説明したが、それに限定されるものではなく、矩形状や湾曲形状としてもよい。

続いて、本発明のカーボンワイヤーヒータについて、実施例に基づき更に説明する。
（実施例１）
実施例１では、前記実施の形態に示したカーボンワイヤーヒータを用い、従来よりも供給電力に対する出力が向上するかを検証した。
実施例１においては、直径７μｍのカーボン単繊維を３０００本束ねたカーボンファイバー束を、１０束編み込んで形成された直径約２ｍｍのカーボンワイヤー発熱体（合計３００００本のカーボンファイバー単繊維）を使用した。編み込み角度は、３０°とした。

従来構造のカーボンワイヤーヒータとして、カーボンワイヤー発熱体にストレートのカーボンファイバー束からなる芯線を２束含むものを比較例１として使用した。各芯線のカーボンファイバー束は、３０００本のカーボンファイバー単繊維により形成した。
また、この２束の芯線の周りに配置される編み込み線は、実施例１と同様の条件のものを使用した。即ち、直径７μｍのカーボン単繊維を３０００本束ねたカーボンファイバー束を、１０束編み込んで形成されたものを使用した。編み込み角度は、３０°、カーボンワイヤー発熱体としての直径は実施例１と同様に約２ｍｍとした。

本実験では、供給電流を０Ａから２５Ａまで段階的に上昇させ、そのときのヒータ出力（Ｗ）を測定した。本実験の結果として、実施例１および比較例１の供給電流値（Ａ）とヒータ出力（Ｗ）との関係を図４のグラフに示す。図４のグラフにおいて、縦軸はヒータ出力（Ｗ）、横軸は供給電流（Ａ）である。
このグラフに示すように、本発明のカーボンワイヤーヒータによれば、従来構成のカーボンワイヤーヒータよりも出力が約３５％向上した。これは、実施例１の構成が、比較例１のように芯線を含む構成よりも単位長さあたりの抵抗値が高くなるため、同電流値を流した際、出力がより向上するためと思われる。

（実施例２）
実施例２では、前記実施の形態に示したカーボンワイヤーヒータを用い、従来よりも寿命が向上するかを検証した。
実施例２においては、直径７μｍのカーボン単繊維を３０００本束ねたカーボンファイバー束を、１０束編み込んで形成された直径約２ｍｍ、発熱部長さ２００ｍｍのカーボンワイヤー発熱体（合計３００００本のカーボンファイバー単繊維）を使用した。編み込み角度は、３０°とした。

従来構造のカーボンワイヤーヒータとして、カーボンワイヤー発熱体にストレートのカーボンファイバー束からなる芯線を２束含むものを比較例２として使用した。各芯線のカーボンファイバー束は、３０００本のカーボンファイバー単繊維により形成した。

また、この２本の芯線の周りに配置される編み込み線は、実施例２と同様に、直径７μｍのカーボン単繊維を３０００本束ねたカーボンファイバー束を、１０束編み込んだ、直径約２ｍｍのものを使用した。編み込み角度は、３０°とした。実施例２と同様に、カーボンワイヤー発熱体としての直径は約２ｍｍ、発熱部の長さは２００ｍｍとした。

本実験では、各ヒータの出力（５００Ｗ、５８０Ｗ、６８０Ｗ、７５０Ｗ、７８０Ｗ）を維持する状態に連続通電した場合の断線時間を測定した。
本実験の結果を図５のグラフに示す。図５のグラフにおいて、縦軸はヒータ出力（Ｗ）、横軸は断線時間（ｈ）である。
このグラフに示すように、本発明のカーボンワイヤーヒータ（実施例２）によれば、従来構成のカーボンワイヤーヒータ（比較例２）よりも断線までの時間が延びることを確認した。

以上の実施例の結果、本発明のカーボンワイヤーヒータによれば、従来よりもヒータ出力を向上し、且つカーボンワイヤー発熱体の寿命を延ばすことができることを確認した。

１カーボンワイヤーヒータ
２カーボンワイヤー発熱体
２ａカーボンファイバー束
３ガラス管

Claims

給電により発熱するカーボンワイヤー発熱体がガラス部材の内部に収容されたカーボンワイヤーヒータであって、
前記カーボンワイヤー発熱体は、カーボン単繊維を束ねた複数のカーボンファイバー束が線状に編み込まれて形成され、
前記カーボンワイヤー発熱体の単位長さあたりの重量は、１ｇ／ｍ〜５．１ｇ／ｍの範囲内で設定され、
前記編み込まれた複数のカーボンファイバー束によって形成される空間部内にカーボンファイバー束が存在しないことを特徴とするカーボンワイヤーヒータ。
前記カーボンワイヤー発熱体は、
直径５乃至１５μｍの前記カーボンファイバー単繊維が束ねられて形成された前記カーボンファイバー束が、５束乃至２０束編み込まれ、全体として１５０００本乃至６００００本のカーボンファイバー単繊維により形成されることを特徴とする請求項１に記載されたカーボンワイヤーヒータ。