JP2620270B2

JP2620270B2 - 加熱装置

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Publication number: JP2620270B2
Application number: JP33626687A
Authority: JP
Inventors: 仁志塙
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1987-12-28
Publication date: 1997-06-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: JPH01175193A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞この発明は、加熱装置に関し、特に、炭素繊維強化炭
素から成る発熱体を備えた加熱装置に係るものである。

＜従来の技術＞炭素は、輻射率の大きな高温耐熱材料であり、適度な
導電性を有し、しかも、機械加工が容易なので加熱装置
の発熱体の抵抗発熱材料として適したものである。

特に、人造黒鉛質、熱分解黒鉛、あるいは、ガラス状
硬質炭素等の等方性の炭素は、製造が容易であり、材料
特性に異方性が無いので、真空焼成炉や半導体熱処理装
置等に広く使用され、上記発熱体に限らず電極材などの
各種の用途にも多量に用いられている。

＜発明が解決しようとする問題点＞炭素は、発熱体として上記の如き優れた性能を有して
いるものの、一般的に、従来の等方性炭素は、機械的な
強度が弱い。このため、大型な発熱体を製造しても機械
的な耐久性に欠ける。しかも、大形化により、炭素材料
の内部に過度の温度分布が生じ、これがため加熱時に破
損し易くなる。一方、発熱体を小型にすると折れ易く脆
弱となる。しかも、高温加熱時に変形等を生じ易く熱的
にも耐久性に欠けるという問題点があった。

＜問題点を解決するための手段＞本発明者は、上記の炭素の優れた性質を生かした発熱
体の開発に鋭意研究を重ねた結果、炭素の機械的強度を
強化して構造材料やブレーキシュー等に実用化するべく
開発された炭素繊維強化炭素、または、炭素繊維コンポ
ジットカーボン（C/C）（以下、炭素繊維強化炭素）
が、炭素繊維を含むことに由来して、単に機械的強度が
優れるだけでなく、発熱体としての予想外の働きを成す
という事実を見いだし、本発明はこれに基づいて成され
たものである。

即ち、この発明は、炭素繊維強化炭素から成る発熱体
の加熱領域での炭素繊維の配向方向や含有率、あるい
は、密度等の配向状態を該発熱体の加熱電流供給領域で
の炭素繊維の配向状態と異ならせることを特徴とするも
のである。

＜作用＞この発明の構成によれば、炭素繊維強化炭素に含まれ
る炭素繊維は、その配向状態に応じて、発熱体の加熱領
域と加熱電流供給領域の各々での炭素繊維強化炭素の電
気的比抵抗、または、熱伝導率を所望に設定可能であ
り、発熱体に流れる加熱電流は、加熱領域、または、加
熱電流供給領域毎に設定された電気抵抗に応じて各々の
領域毎に異なるジュール熱を発生し、発生したジュール
熱は、加熱領域、または、加熱電流供給領域毎に設定さ
れた熱伝導率に応じて発熱体の内部で熱伝導し、これに
より、発熱体の加熱領域と加熱電流供給領域は、各領域
毎に異なる所望の温度分布をもって加熱されるように作
用する。

＜実施例＞以下、添付図面の第１図乃至第５図を参照してこの発
明のいくつかの実施例について説明する。

第１図は、この発明の第１の実施例の構造に係り、同
図（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

図において、発熱体１は、炭素繊維10a、10bが内部に
含まれた炭素繊維強化炭素から形成されている。

発熱体１の中央部分には、加熱電流に流されて高温に
加熱される加熱領域２が設けられ、その両端部には、加
熱領域２に加熱電流を供給する加熱電流供給領域３が設
けられている。

加熱電流供給領域３の端部には、孔31が開設されてお
り、発熱体１は、孔31により図示外の電極にネジどめさ
れて接続される。

そして、加熱領域２では、炭素繊維炭化炭素の炭素繊
維10bは、加熱電流の流れる方向（図中、矢印で示され
る）に対して横切る方向に配向されている。

一方、加熱電流供給領域３では、炭素繊維10aは、加
熱電流の方向に沿って配向されている。

上記第１の実施例の一具体例を示せば、以下の通りで
ある。

即ち、炭素繊維強化炭素は、多層に積層した炭素繊維
のプリプレグや繊維束にパインダーを充填し、高温高圧
下で黒鉛欠処理して製造された。

プリプレグとしては、例えば、同じ繊維径の炭素繊維
の束を一方向に揃えてシート状にした一方向性プリプレ
グが用いられた。発熱体１の加熱領域２では一方向性プ
リプレグの炭素繊維が加熱電流を横切る方向に積層さ
れ、加熱電流供給領域３では炭素繊維が加熱電流の方向
に揃うように積層された。このとき、各領域2,3の境界
部分では、各々のプリプレグは、互いに交互に積層ねら
れて積層され、これらの領域2,3の境界部分での補強が
図られている。なお、異なる方向に炭素繊維束を織成し
たプリプレグや異なる繊維径の炭素繊維を各々の方向別
に編み込んだプリプレグ等を使用することもできる。

上記による炭素繊維強化炭素の炭素繊維含有量は約70
％であり、炭素繊維強化炭素の厚さは約３ミリである。

上記の炭素繊維強化炭素は、幅が10ミリ、長さが150
ミリの平板の形状に切り出されて発熱体１として供せら
れた。発熱体１の中央部分には、長さが約60ミリの加熱
領域２が形成されている。

加熱領域２における炭素繊維強化炭素の電気的比抵抗
は２〜３×10^-2Ωcmであり、これに対し、加熱電流供給
領域３における炭素繊維強化炭素の比抵抗は約10分の１
の２〜３×10^-3Ωcmである。

発熱体１は、約10^-5torrの真空中で、約100Aの加熱電
流により加熱された。

その結果、加熱領域２では、6KWが消費され、加熱領
域２は1000℃以上に加熱された。これに対して、加熱領
域２の両端の加熱電流供給領域３では、450Wが消費され
るにとどまり、加熱電流供給領域３は、約200〜600℃以
下に留まった。

上記実施例によれば、発熱体１に加わる加熱電流は、
電流抵抗が少ない加熱電流供給領域３経由で損失なく加
熱領域２に供給され、加熱領域２は、集中的にジュール
発熱を生じて被加熱対象物を高温に加熱する。

その結果、加熱電流供給領域３での損失が少なく、電
力消費の無駄のない発熱体を提供できる。

また、加熱領域２は、熱伝導率が小さいので高速昇温
が可能となり、加熱電流供給領域３は、熱伝導率が大き
いので電極接続部分により放熱されて低温に維持され
る。加熱電流供給領域３に接続される電極は、高温に加
熱されないので損耗が防止され、電極の構造も簡単なも
ので済むという効果がある。

なお、上記第１の実施例の説明では、加熱領域２を１
カ所としたが、それに限られず、例えば、発熱体１に要
求される温度分布に合わせて、複数カ所に加熱領域を設
けることもできる。この場合に、各々の加熱領域での炭
素繊維を異なる配向方向に設定し、各加熱領域における
ジュール発熱量の相違に応じて発熱体に所望の温度分布
をつけることもできる。

次に、この発明の第２の実施例について第２図を参照
して説明する。第２図は、リング状の発熱体の構造を示
す上面図であり、発熱体１の加熱領域２は、円環の一部
が切り欠かれた形状に成形され、加熱領域２の両端部に
は、図示外の電極に接続される加熱電流供給領域３が設
けられている。

そして、一方の炭素繊維10aは円環の中心から放射状
に配向され、他方の炭素繊維10bは円環の円周方向に揃
って配向され、各々の配向状態が異なっている。

また、放射状の炭素繊維10aは繊維径が太く、炭素繊
維強化炭素内での含有率が大きく設定されている。一
方、円周方向に配向された炭素繊維10bは繊維径が細
く、炭素繊維強化炭素内での含有率が小さく設定されて
いる。更に、円周方向に配向された炭素繊維10bの含有
率は、円環上での各円周の長さに反比例して外周に至る
程、大きく設定されている。これにより、加熱領域２内
に流れる加熱電流の電流密度は半径方向によらず一定に
保たれる。

なお、これらの炭素繊維10a、10bは互いに交差して織
成されている。

上記の第２の実施例によれば、加熱領域２では、加熱
電流が流れる円周方向（図中、矢印にて示されている）
にそった炭素繊維10bの径が細く、含有量も少ないの
で、加熱領域２の電気抵抗は大きい。一方、加熱電流供
給領域３では、炭素繊維10aの径が大きく含有量も多い
ので電気抵抗が小さい。

さらに、炭素繊維10a、10bは異なる方向に配向されて
織成されるので、炭素繊維強化炭素の機械的強度が大幅
に強化される。

なお、上記第２の実施例の説明では、加熱領域２を成
す円環が１周にのみ配置されているとしたがこれに限ら
れず、多重の円環により加熱領域を構成することもでき
る。

次に、この発明の第３の実施例について第３図を参照
して説明する。

第３図は、この発明の第３の実施例の構造を示し、同
図（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

この第３の実施例の構成が第１図に示される第１の実
施例の構成と異なる点は次の通りである。

即ち、発熱体１の厚さは、加熱領域２では薄く、加熱
電流供給領域３では厚く形成されている。

そして、加熱領域２では、炭素繊維10cは短繊維であ
り、加熱電流の流れる方向（図中、矢印で示される）に
かかわらずランダムに配向されている。一方、加熱電流
供給領域３では、表面部分には、電流方向に沿った長繊
維の炭素繊維10aが配向され、内面部分には、加熱領域
２に連続する短繊維の炭素繊維10cがランダムに配向さ
れている。

上記発熱体１は、例えば、炭素繊維10aにより炭素繊
維10cの上面と下面を挟んで板状の炭素繊維強化炭素を
構成したのち、加熱領域２の炭素繊維10aを除去するこ
とにより製造される。

上記第３の実施例によれば、加熱領域２では、炭素繊
維10cが短繊維、かつ、ランダムに配向されているの
で、加熱領域２の電気抵抗を大きく設定できる。一方、
加熱電流供給領域３では、炭素繊維10aは炭素繊維10cと
平行に電流方向に沿って配向されているので、この領域
３の電気抵抗を小さくできる。また、加熱領域２は、昇
温時、または、冷却時の膨張・収縮により機械的応力を
受け易いが、炭素繊維強化炭素には炭素繊維10cが等方
的に含まれて強化されているので、発熱体１の強度が全
方向について高められる。

次に、この発明の第４の実施例について第４図を参照
して説明する。

第４図は、この発明の第４の実施例の構造を示し、同
図（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

図において、発熱体１を成す炭素繊維強化炭素には、
炭素繊維10を互いに直交に織成したプリプレグが使用さ
れている。この他に、この第４の実施例の構成が第１図
に示される第１の実施例の構成と異なる点は次の通りで
ある。

即ち、発熱体１は、断面形状がＵ字形に形成されてお
り、加熱領域２は、加熱電流供給領域３の先端部に挟ま
る形で構成されている。

この発熱体１は、例えば、プリプレグを積層しでブロ
ック状に形成した炭素繊維強化炭素の一部に、後の機械
加工によって、深溝を開設することによって製造するこ
とができる。

加熱領域２では、炭素繊維10は加熱電流の流れる方向
（図中、矢印で示される）を横切って直交に配向されて
いる。

上記第４の実施例によれば、炭素繊維10の配向状態を
加熱領域２と加熱電流供給領域３の各々で異ならせる必
要が無いので炭素繊維強化炭素の製造が容易になる。し
かも、炭素繊維10は直交して配向されているので、発熱
体１の機械的強度が強化される。

次に、この発明の第５の実施例について第５図を参照
して説明する。

第５図は、この発明の第５の実施例の構造を示す斜視
図である。図において、発熱体１を構成する炭素繊維強
化炭素には、互いの織成密度を異にして直交に構成され
た炭素繊維10a、10bのプリプレグが使用されている。

即ち、加熱領域２では、炭素繊維10bの織成密度が、
加熱電流供給領域３における炭素繊維10aの織成密度よ
りも低く設定されている。

この他に、この第５の実施例の構成が第４図に示され
る第４の実施例の構成と異なる点は、発熱体１が平面状
Ｕ字形に形成されている点である。

この発熱体１は、例えば、プリプレグを積層して平板
状の炭素繊維強化炭素を形成したのち、炭素繊維強化炭
素の一部を機械加工して溝を開設することにより製造で
きる。

加熱領域２では、加熱電流の流れる方向（図中、矢印
で示される）に沿った炭素繊維20bの本数が少なく、加
熱領域２の比抵抗は高い。これに対して、加熱電流供給
領域３では、加熱電流の流れる方向に沿って多数の炭素
繊維10aが配向され、加熱電流供給領域３の比抵抗は低
い。

上記第５の実施例によれば、加熱領域２と過熱電流供
給領域３にかかわらず、発熱体１に同一配向状態のプリ
プレグを使用でき、全体の積層厚さを薄くできるので発
熱体１の製造が容易になる。

次に、この発明の第６の実施例について第６図を参照
して説明する。

第６図は、この発明の第６の実施例の構造を示す斜視
図である。

図において、発熱体１を構成する炭素繊維強化炭素の
加熱電流供給領域３には、金属、または、金属化合物11
が含まれている。

金属としては、例えば、タングステンやモリブデン等
の高融点金属が好ましい。金属化合物としては、例え
ば、けい化モリブデン（MoSi₂）等の金属けい化物や、
ホウ化チタン（TiB₂）等の金属ほう化物、非晶質金属等
が用いられる。

これらのけい化物やほう化物は、炭素繊維強化炭素の
表面にガラス質の無機質層としての酸化保護膜を形成し
発熱体の酸化を防止する作用を成す。従って、発熱体１
の全体にこれらの化合物を適度に含有させることも発熱
体全体の酸化防止に効果的である。

これらの金属、または、金属化合物の形状は、一例と
して、繊維状であり、繊維は必ずしも長繊維である必要
はない。また、そのほかのダンベル状、鱗片状、粒状や
針状の形状でもよい。

上記第６の実施例によれば、加熱電流供給領域３に
は、導電性に優れた金属、または、金属化合物が含まれ
ているので、該領域３での比抵抗が加熱領域２での比抵
抗に比べて桁違いに減少する。その結果、発熱体１の加
熱領域２においてのみ発熱する高効率な発熱体を供給で
き、加熱電流供給領域３と電極との電気的接続も低い接
触抵抗下で円滑に行うことができる。

上記第６の実施例の説明では、加熱電流供給領域３に
金属等を含ませるとしたが、加熱領域２にセラミックス
を含ませることもできる。

その一例として、第７図を参照して第７の実施例につ
いて説明すれば、以下の通りである。

発熱体１を構成する炭素繊維強化炭素の加熱領域２に
は、セラミックス12が含まれている。セラミックスとし
ては、例えば、炭化けい素（SiC）等の炭化物、ジルコ
ニア（ZrO₂）、サファイア、アルミナ（Al₂O₃）、イッ
トリア（Y₂O₃）等の酸化物、窒化けい素（Si₃N₄）等の
窒化物を用いることができる。

また、セラミックスの形状は繊維状でも微粒や鱗片
状、針状でもよい。なお、繊維は必ずしも長繊維である
必要はない。

上記第７の実施例によれば、加熱電流供給領域３に
は、炭素繊維10aが加熱電流の流れる方向（図中、矢印
の方向）に沿って含まれている。一方、加熱領域２に
は、加熱電流の流れる方向にセラミックス繊維12が配向
されている。従って、加熱領域２での比抵抗は加熱電流
供給領域３での比抵抗に比べて桁違いに大きい。その結
果、発熱体１は、加熱電流により、加熱領域２において
主に発熱するので、高効率な発熱体を製造することがで
きる。

また、炭素繊維強化炭素には、炭素繊維10aとセラミ
ックス繊維12が織成されているので、機械的強度も強化
される。

以上、いくつかの実施例について説明したが、本発明
はこれらに限定されず、他の各種の変形も可能である。
例えば、炭素繊維強化炭素に含まれる炭素繊維の織成状
態を各積層毎に変えることもできる。

＜発明の効果＞以上、この発明によれば、発熱体を炭素繊維強化炭素
により構成し、発熱体の加熱領域と加熱電流供給領域と
の各領域において、炭素繊維の配向を異なるようにした
ので、炭素繊維強化炭素による機械的強度の高い、しか
も、熱効率のよい発熱体を提供することができるという
顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】第１図（Ａ）、（Ｂ）は、この発明の第１の実施例の構
成を示す構成図、第２図は、第２の実施例の構成を示す
上面図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は、この発明の第３の実
施例の構成を示す構成図、第４図（Ａ）、（Ｂ）は、こ
の発明の第４の実施例の構成を示す構成図、第５図は、
第５の実施例の構成を示す斜視図、第６図は、第６の実
施例の構成を示す斜視図、第７図は、第７の実施例の構
成を示す斜視図である。１……発熱体、２……加熱領域、３……加熱電流供給領
域、10、10a、10b、10c……炭素繊維、11……金属、12
……セラミックス

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱電流により高温に加熱される加熱領域
と、該加熱領域に加熱電流を供給する加熱電流供給領域
とを有し、炭素繊維が内部に含まれた炭素繊維強化炭素
から成る発熱体を備えた加熱装置において、前記炭素繊維強化炭素から成る発熱体の炭素繊維の配向
状態が、前記加熱領域と前記加熱電流供給領域で異なっ
て設定されていることを特徴とする加熱装置。
【請求項２】前記炭素繊維の配向状態は、該炭素繊維強
化炭素に含まれる炭素繊維の配向方向が、前記加熱領域
では、該加熱電流を横切る方向に配向され、前記加熱電
流供給領域では、該加熱電流に沿って配向されることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の加熱装置。
【請求項３】前記加熱領域での前記炭素繊維の配向状態
は、該炭素繊維強化炭素に含まれる炭素繊維の配向方向
が、当該加熱領域内での発熱量の分布に応じて、加熱領
域内の各部分毎に異なる方向に配向されていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の加熱装置。
【請求項４】前記加熱領域での前記炭素繊維の配向状態
は、該炭素繊維強化炭素に含まれる炭素繊維が短繊維で
あり、該炭素繊維の配向方向が加熱電流の電流方向に対
してランダムに配向されていることを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載の加熱装置。
【請求項５】前記炭素繊維強化炭素に含まれる前記炭素
繊維は、その含有量が前記加熱領域と加熱電流供給領域
とで異なることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の加熱装置。
【請求項６】前記炭素繊維強化炭素に含まれる前記炭素
繊維は、その繊維径が前記加熱領域と加熱電流供給領域
とで異なることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の加熱装置。
【請求項７】前記加熱電流供給領域の炭素繊維強化炭素
には、炭素繊維にあわせて金属、または、金属化合物が
含まれていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載の加熱装置。
【請求項８】前記加熱領域の炭素繊維強化炭素には、炭
素繊維にあわせてセラミックスが含まれていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の加熱装置。
【請求項９】前記炭素繊維強化炭素から成る発熱体に
は、その加熱領域、または、加熱電流供給領域の表面の
少なくとも一部に絶縁性の無機質層が形成されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の加熱装
置。