JP4753456B2

JP4753456B2 - 炭素系発熱体

Info

Publication number: JP4753456B2
Application number: JP2000155960A
Authority: JP
Inventors: 吉久須田; 昇神庭; 修清水
Original assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2020-05-23
Also published as: JP2001072469A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素材料からなる炭素系発熱体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素材料からなる発熱体では、酸化を防止するため不活性ガスを入れたガラス管に封入される。このタイプの発熱体は棒状またはコイル状であるのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
棒状またはコイル状の発熱体は断面の外形がほぼ円に近いので、発熱体からの放射エネルギは発熱体の全方向に拡がる。目的方向以外の放射の大部分は反射板等を用いて目的方向へ集められるが、それはそのままエネルギのロスにつながる。
【０００４】
したがって本発明の目的は、エネルギのロスが少ない炭素系発熱体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、柱体または筒体であってその横断面の外周の径の最小値をａ、最大値をｂとするときの扁平率（ｂ−ａ）／ａが０．５以上９９以下、好ましくは５以上５０以下である炭素系発熱体が提供される。
上記の発熱体の横断面は例えば楕円または矩形である。実質的に矩形でありながら矩辺が円弧状のものも考えられる。扁平率が９９以上では強度が不充分になり破損し易くなる。０．５以下では表面積が小さくなり、蓄熱、異常発熱につながり、炭素の発熱体が劣化する可能性がある。また、面積が小さくなり、必要な放射が得られなくなる。さらに必要以上に体積が増えてコスト高となる。
【０００６】
上記のように発熱体の横断面を扁平にして放射方向に異方性を持たせることにより、複雑な反射板を要することなく長辺側の法線方向により多くの放射を、放射状に拡散することなく、大面積で発生させることができる。
また、シュテファンボルツマンの法則によれば、一般的に温度が下がると、全放射エネルギーは下がり放射量は減るが、上述のように、面積が増加し、放射方向に異方性を持ち、到達するエネルギー量が大きいので、加熱力がは下がることはない。発熱体の温度が下がるということは、最大強度の放射の波長が高波長側にシフトし、また、面積も大きくなるので、結果的に、遠赤外線領域の放射量が大きい発熱体となる。
【０００７】
同じ断面積で丸断面の発熱体と比較して、表面積が大きいため、発熱体自身の放熱効果が増すので、同じ電流で発熱体自身の温度を下げることができる。
矩形等の形状にする事により、同じ耐熱温度の発熱体でもより高容量（高出力、高消費電力）の発熱体として使用できる。
上記の炭素系発熱体は、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、焼成して得られる。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。この為これら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。
【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重量％に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛製平均粒径５μｍ）１重量％、窒化硼素（信越化学工業製平均粒径２μｍ）６６重量％に、可塑剤としてジアリルフタレートモノマー２０重量％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１６００℃で焼成し、板状の炭素系発熱体を得た。
【００１３】
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、扁平率１２、曲げ強度が１８０MPa であった。
ホイートストーンブリッジ法により固有抵抗を測定したところ、２４×１０^-3Ω・cmの値を有していた。
この炭素系発熱体を長さ３００mmに切断し、端部にリードを接続し、アルゴンガス雰囲気の石英管中で通電したところ１００Ｖで瞬時１１００℃に達するとともに、遠赤外線の放射が確認できた。また使用中にクラックの発生もなく安定した発熱量を得ることができた。この発熱体をオーブンに搭載して食パンを焼いたところ約６００Ｗの消費電力で、５分程度で十分な焦げ目を付けることができた。
【００１４】
（実施例２）塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイド社製Ｔ−７４１）３３重量％に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛製平均粒径５μｍ）１重量％、窒化硼素（信越化学工業製平均粒径２μｍ）６６重量％に、可塑剤としてジアリルフタレートモノマー２０重量％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１６００℃で焼成し、板状の炭素系発熱体を得た。
【００１５】
得られた炭素系発熱体は断面形状が矩形を呈し、短径０．３mm、長径８．０mm、扁平率２６、曲げ強度が１６０MPa であった。
ホイートストーンブリッジ法により固有抵抗を測定したところ、２２×１０^-3Ω・cmの値を有していた。
この炭素系発熱体を長さ３００mmに切断し、端部にリードを接続し、アルゴンガス雰囲気の石英管中で通電したところ１００Ｖで瞬時１０５０℃に達するとともに、遠赤外線の放射が確認できた。また使用中にクラックの発生もなく安定した発熱量を得ることができた。この発熱体をオーブンに搭載して食パンを焼いたところ約６００Ｗの消費電力で、４分程度で十分な焦げ目を付けることができた。
【００１６】
（実施例３）塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイド社製Ｔ−７４１）３３重量％に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛製平均粒径５μｍ）１重量％、窒化硼素（信越化学工業製平均粒径２μｍ）６６重量％に、可塑剤としてジアリルフタレートモノマー２０重量％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１６００℃で焼成し、板状の炭素系発熱体を得た。
【００１７】
得られた炭素系発熱体は断面形状が楕円を呈し、短径０．５mm、長径６．０mm、扁平率２６、曲げ強度が１５０MPa であった。
ホイートストーンブリッジ法により固有抵抗を測定したところ、２２×１０^-3Ω・cmの値を有していた。
この炭素系発熱体を長さ３００mmに切断し、端部にリードを接続し、アルゴンガス雰囲気の石英管中で通電したところ１００Ｖで瞬時１０８０℃に達するとともに、遠赤外線の放射が確認できた。また使用中にクラックの発生もなく安定した発熱量を得ることができた。この発熱体をオーブンに搭載して食パンを焼いたところ約６００Ｗの消費電力で、６分程度で十分な焦げ目を付けることができた。
【００１８】
（実施例４）実施例１〜３と同じ出発原料・製造工程で、断面形状が全体として０．６×６．６mm扁平率約１０の矩形で、表面に図１に示すような長手方向の溝または皺を有する炭素系発熱体を得た。
得られた炭素系発熱体の曲げ強度は１６０MPa で固有抵抗が２３×１０^-3Ω・cmであった。実施例１〜３と同じ条件で食パンを焼いたところ、５分で十分な焦げ目を付けることができた。
【００１９】
表面に溝または皺を入れて表面積を増加させることにより、放射の異方性が軽減され、発熱体自身の蓄熱による異常発熱が防止されると共に、放熱量が増加するために、加熱効果が向上する。
（実施例５）実施例１〜３と同じ出発原料・製造工程で、断面形状が全体として０．６×６．６mm扁平率約１０の矩形で、表面に図２に示すような波状の溝または皺を有する炭素系発熱体を得た。
【００２０】
得られた炭素系発熱体の曲げ強度は１６０MPa で固有抵抗が２３×１０^-3Ω・cmであった。実施例１〜３と同じ条件で食パンを焼いたところ、５分で十分な焦げ目を付けることができた。
（実施例６）実施例１〜３と同じ出発原料・製造工程で、断面形状が全体として０．８×６．５mm扁平率約７の図３に示すような楕円である炭素系発熱体を得た。
【００２１】
得られた炭素系発熱体の曲げ強度は２２０MPa で固有抵抗が１８×１０^-3Ω・cmであった。実施例１〜３と同じ条件で食パンを焼いたところ、６分で十分な焦げ目を付けることができた。
断面形状を楕円とすることにより、放射の広がり（異方性）が制御される。
（実施例７）実施例１〜３と同じ出発原料・製造工程で、断面形状が全体として０．９×６．０mm扁平率約６の楕円である炭素系発熱体を得た。
【００２２】
得られた炭素系発熱体の曲げ強度は２４０MPa で固有抵抗が１６×１０^-3Ω・cmであった。図４に示す反射板１２を発熱体１０の背後に設け、実施例１〜３と同じ条件で食パンを焼いたところ、４分で十分な焦げ目を付けることができた。
側面が曲面であるので、背後に反射板を用いたときの表面放射を効果的に被加熱物質に照射することができる。
【００２３】
（実施例８）実施例１〜３と同じ出発原料・製造工程で、断面形状が全体として０．８×６．５mm扁平率約７の楕円で、表面に長手方向の溝または皺を有する炭素系発熱体を得た。
得られた炭素系発熱体の曲げ強度は１８０MPa で固有抵抗が２０×１０^-3Ω・cmであった。実施例１〜３と同じ条件で食パンを焼いたところ、５．５分で十分な焦げ目を付けることができた。
【００２４】
（実施例９）実施例１〜３と同じ出発原料・製造工程で、断面形状が全体として０．９×６．０mm扁平率約６の、図５に示すように一方の側面のみが曲面である炭素系発熱体１４を得た。
得られた炭素系発熱体の曲げ強度は２１０MPa で固有抵抗が１６×１０^-3Ω・cmであった。図５に示すように、曲面の側を背面として背後に反射板１６を設け、実施例１〜３と同じ条件で食パンを焼いたところ、３分で十分な焦げ目を付けることができた。
【００２５】
（実施例１０）実施例１〜３と同じ出発原料・製造工程で、断面形状が全体として０．９×６．０mm扁平率約６で、実施例９と同様に一方の側面のみが曲面であり、かつ、表面に長手方向の溝または皺を有する炭素系発熱体を得た。
得られた炭素系発熱体の曲げ強度は１８０MPa で固有抵抗が１８×１０^-3Ω・cmであった。実施例９と同様に曲面の側に反射板を設け、実施例１〜３と同じ条件で食パンを焼いたところ、２．５分で十分な焦げ目を付けることができた。
【００２６】
（比較例１）塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイド社製Ｔ−７４１）３３重量％に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛製平均粒径５μｍ）１重量％、窒化硼素（信越化学工業製平均粒径２μｍ）６６重量％に、可塑剤としてジアリルフタレートモノマー２０重量％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１６００℃で焼成し、丸棒状の炭素系発熱体を得た。
【００２７】
得られた炭素系発熱体は直径１．３mmφ、曲げ強度が２３０MPa であった。
ホイートストーンブリッジ法により固有抵抗を測定したところ、２１×１０^-3Ω・cmの値を有していた。
この炭素系発熱体を長さ３００mmに切断し、端部にリードを接続し、アルゴンガス雰囲気の石英管中で通電したところ１００Ｖで瞬時１２００℃に達するとともに、遠赤外線の放射が確認できた。また使用中にクラックの発生もなく安定した発熱量を得ることができた。しかし、この発熱体をオーブンに搭載して食パンを焼いたところ、約６００Ｗの消費電力で十分な焦げ目を付けるまでに８分程度要した。
【００２８】
（比較例２）通常市販されているオーブンレンジに用いられている、コイル状の金属ヒーターが両端が閉じられていないガラス管内に配置された発熱体を用いて同様に食パンを焼いたところ、約６００Ｗの消費電力で十分な焦げ目を付けるまでに９分程度要した。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、効率の良い加熱が可能で遠赤外線領域の放射量の大きい炭素系発熱体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭素系発熱体の一例を示す図である。
【図２】本発明の炭素系発熱体の他の例を示す図である。
【図３】本発明の炭素系発熱体のさらに他の例を示す図である。
【図４】本発明の炭素系発熱体のさらに他の例を示す図である。
【図５】本発明の炭素系発熱体のさらに他の例を示す図である。

Claims

柱体であってその横断面の外周の径の最小値をａ、最大値をｂとするときの扁平率（ｂ−ａ）／ａが５以上５０以下である炭素系発熱体。
前記柱体の側面に多数の溝または皺を有する請求項１記載の炭素系発熱体。
前記柱体の側面の少なくとも一部が曲面である請求項１または２記載の炭素系発熱体。
反射板を備え、反射板に面する表面が曲面である請求項３記載の炭素系発熱体。
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、焼成して得られる請求項１〜４のいずれか１項記載の炭素系発熱体。