JP4891983B2 - 管状炭素繊維織物の製造方法及び管状炭素繊維織物を用いた炭素繊維加熱ランプ - Google Patents

Description

本発明は、概して、炭素繊維加熱ランプ及びそのための管状炭素繊維織物の製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、炭素繊維と燃焼可能な繊維とを原料として編織し、炭素またはセラミックを塗布した後、加熱して燃焼可能な繊維を燃焼させることにより、網状かつ中空の炭素繊維管を製造する方法、及び前記炭素繊維管を用いた炭素繊維加熱ランプに関する。

一般的に、ランプは真空ガラス管と、その内部に収納されるフィラメントを備える。ランプは、典型的には、フィラメントに電流が流れたときに光を発生させる照明用ランプと、フィラメントで熱を発生させる加熱ランプとに分類される。このようなランプは真空ガラス管内部にフィラメントを収納し、前記ガラス管の両端にフィラメントと外部とを連結するための端子を配置することによって製造される。さらに詳しくは、このようなランプはガラス管の軸に沿ってその内部にタングステンフィラメントを収納し、ガラス管内にヨードガスを注入し、ガラス管を封止して製造される。このように製造されたランプのフィラメントに電流を流したとき（電気を供給したとき）、フィラメント中に存在するタングステン原子がガラス管壁でヨードと結合し、ヨード化タングステンに変換される。その後、その化合物はフィラメントに再び戻る。フィラメントに戻されたヨード化タングステンは分解されて、フィラメントにタングステンを残す。このような過程はヨードサイクルと呼ばれる。ヨードサイクルを受けるランプは長時間高い効率で用いられ得る。

しかしながら、前述の従来のランプは、そのフィラメントが外部からの衝撃で損傷し易く、また、発生される熱により変形しやすいという問題点がある。すなわち、このようなランプは耐久性がない。さらに、従来のランプはフィラメントを配置するために高いコストが要求されるという問題があり、そのためにランプが高くなるという問題点を有する。

一方、面状発熱体などに用いられる炭素繊維は極細の炭素繊維束を形成する。例えば、２６,４００本の炭素繊維からなり、それぞれの炭素繊維が長さ１ｍ、直径０．３mmの場合、その炭素繊維の束は約６０Ωの抵抗値を有する。従って希望する出力（Ｗ）はこのような原理に基づいて設計され、それによって面状発熱体が製造される。この場合、抵抗値はＲ＝ｒｈｏ（ｌ/ｓ）の抵抗式によって決められる。前記式において、Ｒは抵抗値を示し、ρは抵抗率を示し、ｌは長さを示し、ｓは単位面積を示す。しかしながら、炭素繊維は面状発熱体の熱源として使用され、約５０℃から約７０℃の範囲の温度を生成する。もし、温度が７０℃を超えた場合には、火災の恐れがあり、面状発熱体は酸素によって酸化されて、そのために面状発熱体の耐久性は著しく低下する。

一方、炭素繊維を熱源として用い、その炭素繊維を真空チューブに収納した加熱ランプが提案された。しかしながら、所定の抵抗値を設定するために一定の炭素繊維の束を形成し、それにより希望する出力を供給する技術、炭素繊維を端子に固定する技術、及び炭素繊維を接続する技術が要求されるレベルよりも低かった。それゆえに、このようなランプを工業化することは難しい。このような技術の一例としては、日本国特許公開公報第２０００−１２３９６０号公報として公開された、炭素系発熱体が提案されている。その引用文献によれば、図１に示すように、炭素系発熱体１の両端にキャップ状電極部２が配置されている。その炭素系発熱体１及びキャップ状電極部２は、真空密閉管３内に内蔵されている。キャップ状電極部２は電気を供給するためにリード線４が接続させている。図２に示すように、各リード線４は炭素繊維束体５に結合されており、それは、炭素繊維６の束の外周を炭素糸７で縛ることによって形成されている。

発熱体１は少なくとも一つの炭素繊維束体５を備え、キャップ状電極部２は発熱体１の両端に装着されている。このように結合された部材は真空密閉管３に収納されている。このような発熱体においては、目的とする抵抗値を与え、目的とする出力（Ｗ）をアウトプットするように所望の炭素繊維６が選択され、所望の数の炭素繊維束が用いられる。しかしながら、このような発熱体は、炭素繊維６を炭素糸７で縛るための煩雑さと、縛った炭素糸７が解けないように、必要に応じて、炭素繊維束体が液状樹脂を含浸されなければならないという問題点がある。

一方、出力を高めるために、炭素繊維の数を増加させる代わりに、炭素繊維の長さを長くする方法が提案された。これは日本国特許公開公報第２００２−６３８７０号公報（米国特許公開公報第２００１／００５５４７８Ａ１）で開示されており、これは図３に図示されている。前記図面に示すように、リード線４が真空密閉容器３の両端に備えられており、導通するように設けられたリード線４と結合された電極片４-１が、真空密閉容器３の両端を押さえて支える平面端子部３-１上に設けられている。さらに、コイルバンド状の炭素繊維フィラメント１０を真空密閉管３の内壁に支持するように、スペーサー１３が一定の間隔で備えられている。電力供給スリーブ２０-１を有する支持端子２０が、炭素繊維フィラメント１０の両端にそれぞれ備えられている。支持端子２０のそれぞれは、スリーブ２０-１と、スリーブ２０-１に結合され、中間端子２０-３に結合される接続片２０-２とを含む。

しかしながら、このような技術は単純に炭素繊維フィラメント１０を中間端子２０に固定するように機能する。この技術は、真空密閉管３の中央にフィラメント１０を配置させることが難しいという問題があり、そのために、さらに、スペーサー１３が組み込まれなければならなかった。さらに、炭素繊維フィラメント１０は炭素繊維束を所定の幅に配列し、その束を帯状に形成することによって得られる構造を有する。このために、炭素繊維間の結束力が弱く、そのために、衝撃や長時間使用後に、炭素繊維束を構成する炭素繊維が互いに分離し、それにより耐久性が低下する。

一方、炭素繊維を帯状に撚って得られる炭素繊維撚糸を発熱体として用いた加熱ランプの例が、米国特許第６,５３４,９０４号公報に開示されている。図４に示されたように、この加熱ランプは、螺旋状に巻かれ、炭素リボンの形状を有する発熱体２ａが真空密閉管３内に収納されるように構成されており、外部電力が支持端子２０及びコネクタ１ａを介して発熱体２ａの両端に供給される。この場合、発熱体２ａは、真空密閉管の長さＢの１．５倍の長さを有するように構成され、このようにして、希望の出力を与える。すなわち、発熱体２ａは、所望の抵抗値を有する、所定の長さに伸びるような螺旋形状を有する。しかしながら、このような技術は、発熱体２ａを支えるための部材構成要素がないために、発熱体２ａがたるんで密閉管３の内壁に接触するようになるおそれがあるという問題がある。このような接触により、過熱が起こり、そのために耐久性が低下し、これにより加熱ランプの工業化が難しいという問題点がある。

炭素リボン状の発熱体の製造装置が、米国特許第６,４６４,９１８号で提案されている。図５を参照すると、この装置は、螺旋シャフト４ｂ、供給手段１０ｂ、モータ１２ｂ、加熱空気ファン５ｂ、ノズル６ｂ、及び、駆動モータ１１ｂを備える。螺旋シャフト４ｂは巻かれる発熱体と同様の直径を有する。供給手段１０ｂは、炭素リボン３ｂを螺旋シャフト４ｂに供給する。モータ１２ｂは、供給手段１０ｂに駆動力を提供する。加熱空気ファン５ｂは、供給手段１０ｂから供給される炭素リボン３ｂを加熱する。ノズル６ｂは、熱気ファン５ｂからの加熱空気を炭素リボン３ｂに排出する。加熱空気ファン５ｂに結合された駆動モータ１１ｂは、レイル７ｂに沿って矢印９ｂ方向に沿って加熱空気ファン５ｂを動かす。この場合、レイル７ｂは螺旋シャフト４ｂと平行に備えられている。参照符号１３ｂはモータ１１ｂと１２ｂを同時に駆動する制御線、又は駆動手段を示す。さらに、炭素リボン３ｂは螺旋シャフト４ｂに一定に巻かれるようにテンション８ｂを持つことが好ましい。続いて、炭素リボンを軟化させるために、約３００℃の加熱空気が加熱空気ファン５ｂから供給される。供給手段１０ｂは、加熱空気ファン５ｂの移動速度と同様の速度で炭素リボン３ｂを供給し、螺旋シャフト４ｂに螺旋状に巻かれた炭素リボン３ｂが軟化される。炭素リボンが巻き終わったとき、窒素ガス圧中で約１,０００℃に加熱され、その後冷却されて、単純な炭素リボンが螺旋状を有し、それにより、図４の発熱体が得られる。このようなプロセスは、単なる巻かれた炭素リボンを復元力を有する螺旋構造に物性を変化させる。すなわち、炭素帯リボンを構成する炭素繊維／樹脂からなる発熱体中の樹脂が高熱（１,０００℃）で消滅し、それにより、発熱体が炭素のみを含有するようになる。それによって、発熱体の特性が硬く（しかし発熱体は薄いので弾性力を有する）変化する。その結果、螺旋状の発熱体が得られる。

しかしながら、このような発熱体は、帯状の発熱体に基づくものであり、弾性力の保持に限界があるため、製品としての発熱体の製造が困難である。さらに、図３に示されるように、一定間隔毎にスペーサーを設ける必要があるために、商品性に乏しかった。

［技術的課題］
従って、本発明は従来技術における上記問題に留意して、本発明の目的は、炭素繊維管の製造方法、及び前記炭素繊維管を用いた炭素繊維加熱ランプを提供することであって、前記炭素繊維管は、炭素繊維と燃焼可能な繊維とを用いて組み紐状に編織され、中央に空洞を有する管状の発熱体であり、それにより、炭素繊維管は製造が容易で、目的とする抵抗値が比較的短い長さの発熱体を用いて達成することができ、多様な容量を有する。

本発明の他の目的は、炭素繊維管の製造方法、及び前記炭素繊維管を用いた炭素繊維加熱ランプを提供することであって、管状の発熱体を使用することにより、中空の内部空間に空気を循環させ、且つ、内部空間が変形を吸収するように作用し、それゆえに、外観が容易に保持される。

本発明のまた他の目的は、炭素繊維管の製造方法、及び前記炭素繊維管を用いた炭素繊維加熱ランプを提供することであって、炭素繊維は単位繊維束に編織され、このために抵抗値の大きさが調節され易い。

本発明のさらに別の目的は、炭素繊維管の製造方法、及び前記炭素繊維管を用いた炭素繊維加熱ランプを提供することであって、発熱体が円筒状炭素繊維管であり、これにより、編織の際の編織機のヘッドを別のものに交換することにより、直径の調節が容易になり、それゆえに、その直径を調節することにより発熱体の抵抗値が容易に調節される。

本発明のなおさらに別の目的は、炭素繊維管の製造方法、及び前記炭素繊維管を用いた炭素繊維加熱ランプを提供することであって、炭素繊維を組み紐状に形成し、その後、発熱体として、長手方向の中央に空洞を有し、編織物の形態を有する炭素繊維管を形成する。

［技術的解決方法］
前記目的を達成するため、本発明は、真空ガラス管と、前記真空ガラス管に収納された発熱体と、前記ガラス管の外部に備えられ、外部から給電して発熱体に熱を生成する両端子とを具備する炭素繊維加熱ランプであって、前記発熱体は中空部を有する管状炭素繊維筒（３０）よりなり、前記管状炭素繊維筒（３０）は、炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）と燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）とを原料として用いて管状に編織し、前記管状炭素繊維筒（３０）を製造するときに該管状炭素繊維筒（３０）を加熱して前記燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）のみを燃焼させて、前記管状炭素繊維筒（３０）を有孔構造とした炭素繊維加熱ランプを提供する。

好ましくは、前記炭素繊維筒（３０）の表面はコートされて、編織された炭素繊維を固定するためのコーティング層（４０）が形成される。この場合において、前記コーティング層（４０）は炭素コーティング層又はセラミックコーティング層である。

好ましくは、前記炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）は単位炭素繊維束を構成する。

さらに、本発明は、炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）及び燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）を原料として用いて編織することにより、中空の管状炭素繊維筒（３０）を形成する工程と、前記管状炭素繊維筒（３０）を加熱して前記燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）のみを燃焼させることにより、前記管状炭素繊維筒（３０）を有孔構造に変化させる工程と、を含む炭素繊維加熱ランプ用炭素繊維管の製造方法を提供する。

好ましくは、前記コーティングされた炭素繊維筒（３０）は１,０００℃〜３,５００℃の範囲の温度で加熱する。

［有利な効果］
前述のように、本発明によれば、炭素繊維筒が中空部を有するように織造される。この方法によれば、中空部が衝撃を吸収し、変形に抵抗するように機能する。このように、炭素繊維筒を用いた加熱ランプは高い耐久性を有する。さらに、大量の炭素繊維や炭素繊維束が環を有するように織造される。このように、大量の炭素繊維が用いられるために、抵抗値の調整が容易である。一方、従来技術は炭素繊維束の数を増やす傾向があり、そのために、織造が容易ではなく、炭素繊維束結合が容易に互いに分離されて、このために不良率が高かった。一方、本発明によれば、中空の円筒状の炭素繊維筒が製造されるために、製造が容易で、炭素繊維の長さを伸ばしたときと同様の効果が発揮される。これにより、炭素繊維が短い場合でも、高抵抗値を有し、これにより、高出力の加熱ランプの製造が可能になる。さらに、炭素繊維長さが短い場合には、単純に炭素繊維筒の直径を長くすることにより、高い抵抗値が得られる。それゆえに、多様なデザインの加熱ランプを製作することができる。

その上、中空部を通じて放熱するとき、炭素繊維筒の内側及び外側の表面が均一な温度を維持することにより、変形を抑制して耐久性が向上する。

さらに、本発明によれば、炭素繊維筒が炭素繊維と燃焼可能な繊維とを交互に使用して編織し、編織された炭素繊維筒に耐熱コーティングを施す。その後、焼工程が行われたとき、燃焼可能な繊維のみが燃え尽くされ、コーティング層が炭素繊維の表面で焼結され、形状を維持し、復元力がでる。それゆえに、加熱ランプが用いられたときに、加熱ランプの耐久性が向上する。

［発明の形態］
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付する図面を参照して詳細に説明する。

図６は本発明の平面図、図７は支持端子の断面図、図８は図６のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図、図９は図６の他の例を示す拡大断面図である。発熱体は複数の炭素繊維の束を撚り合わせることによって形成される円筒状の炭素繊維筒３０からなる。電気導通用の支持端子２０は、炭素繊維筒３０の両端に配される。各支持端子２０は耐熱性中間端子２０−３を介して導通可能なように外部リード線４に結合された電極片４−１に固定される。この場合、各中間端子２０−３と電極片４−１は耐熱性に優れたモリブデンから得られたものであることが好ましい。参照符号３−１は対応する電極片４−１が配置される平面端子部を示す。支持端子２０の一例が図７に示されている。すなわち、炭素繊維筒３０の一端の外周が対応する支持炭素リング２０−５の内周に配置されている。さらに、結合ばね２０−４が支持炭素リング２０−５の内周に嵌め合わされ、結合ばねが外側に押し付けられている。中間端子２０−３は結合ばね２０−４の外端と一体化されている。

図８は図６のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、組み紐状を形成するように炭素繊維６を用いて織造された円筒状の炭素繊維筒３０を示す。勿論、炭素繊維筒は、織針の大きさや間隔を調整することによって、直径を適切に調整して織造されることが可能である。参照符号３１は炭素繊維筒３０の中空部を示す。

図９は図８の方式に基づいて織造された別の炭素繊維筒３０であって、炭素繊維筒が炭素繊維６単位ではなく、炭素繊維束５を用いて織造されたものを示す。

本発明で使用される編織機の例としては、韓国実用新案公告公報第１９９４−８５２２号（組紐製造用の編織装置）、韓国実用新案公告公報第１９９４−８５２３号（編織機）、韓国実用新案登録公報第２０−０１９４５０６号（編織用の極細糸）がある。このような編織機は公知の技術であるので、編織技術と構成の説明は省略する。

このように織造された炭素繊維筒３０を用いることによって、図５に示されたように加熱ランプが製造され用いられる。この場合、加熱ランプは一般的な製造技術によって製造されるため、その製造技術の説明は省略し、炭素繊維筒３０に関して主に説明する。

本発明によれば、図８及び図９に示すように、炭素繊維筒３０は炭素繊維６や炭素繊維束５を用いて管状の編物形状に織造される。炭素繊維筒３０は単純な編物形状ではなく、中央に中空部３１を有するように織造される。このために、中空部３１が衝撃を吸収し、変形にある程度抵抗する機能を発現する。それゆえに、このような炭素繊維筒を用いて製造された加熱ランプは高い耐久性を有する。大量の炭素繊維６や炭素繊維束５が環状に形成されるように織造されるので、大量の炭素繊維を用いることにより抵抗値を調整しやすい。従来、炭素繊維束の数のみを増やす傾向があった。それでは、織造が容易ではなく、また、望ましくない炭素繊維束の互いの分離が生じ、それによる不良率が高かった。しかしながら、本発明によれば、炭素繊維筒が中空を有する円筒状に製造される。このように、炭素繊維筒の製造が容易であって、本発明は炭素繊維の長さを自然に伸ばす効果を有する。それによって、炭素繊維の長さが短い場合でも、高い抵抗値が得られ、それにより、高出力の加熱ランプを製造することができる。さらに、炭素繊維の長さが短いときは、単純に炭素繊維筒３０の直径を大きくすることによって、高抵抗値が得られる。それゆえに、多様なデザインの加熱ランプが得られうる。

さらに中空部３１を介して放熱されるとき、炭素繊維筒３０の内側及び外側の表面が一定の温度を維持し、これにより炭素繊維筒の変形を抑制し、それにより、耐久性を向上させる。

本発明の他の例としては、管状炭素繊維筒が図１０〜図１３に示されている。

炭素繊維筒の製造（編織）工程とコーティング工程とが以下に示される。

すなわち、炭素繊維（例えば、炭素繊維（６−１，６−３，…６−ｎ−１）と化学（又は綿）繊維６−２，６−４，・・・６−ｎを交互に編織する。編織された炭素繊維筒の表面がコートされて、耐熱性コーティング層４０が形成される。耐熱性コーティング層４０は図１０及び図１２には示しておらず、図１１の拡大図に示している。（コーティング法はスプレー法やディップ法が用いられうる）。このとき、セラミック層や炭素コーティング層がコーティング層４０として用いられる。セラミック層は次のような工程により形成される。すなわち、セラミック粉末を希釈して、釉薬形態で、編織された炭素繊維筒３０の表面に塗布し、その後、乾燥して、図１０に示すように各炭素繊維６の表面にコーティング層４０を形成する。続いて、後に説明する焼工程により、各炭素繊維６の表面のコーティング層が焼結される。この場合、セラミック層はセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃＋ＺｒＯ₂＋Ｙ₂Ｏ₃）から形成されてもよい。一方、本発明は、炭素コーティングを使用することができるが、炭素コーティング剤として、例えば、面状発熱体などに使用され、日本国etec社によって製造されている製品名「炭素ブロック」等が用いられる。

焼工程
編織及びコーティングされた炭素繊維筒が１,０００℃〜３,５００℃の温度で焼かれたとき、コーティング層４０は焼結される。図１０に示された燃焼可能な繊維（６−２，６−４，…６−ｎ）が燃焼し、図１２及び図１３に示されたような、網孔３２が形成される（図面は燃焼可能な繊維が存在するかの如く示しているが、燃焼可能な繊維は焼工程において燃え尽きて、網孔３２が形成される）。燃焼可能な繊維が燃焼されて形成された網孔３２は、コーティング層４００が焼結された後に残る各炭素繊維（６−１、６−３、…６−ｎ−１）の接触部分を結合する作用をする。その後、冷却操作が行われ（徐冷操作、又は急冷操作が選択されて用いられる）、一定の網孔３２を有する()炭素繊維筒が得られる。

本発明の好ましい実施形態を実例を示す目的で開示したが、添付する請求の範囲で開示された本発明の範囲と思想から外れない範囲で、当業者は種々の変更、付加、置換によりさらに改良することができる。

図１は、従来の炭素系発熱体の構成を示す図である。 図２は、図１で用いられた発熱体の要部を示す拡大図である。 図３は、従来のばね型炭素繊維加熱ランプを示す平面図である。 図４は、別の従来のばね型炭素繊維加熱ランプを示す図である。 図５は、図４の炭素繊維発熱体の製造装置の示す斜視図である。 図６は、本発明に係る炭素繊維加熱ランプの平面図である。 図７は、本発明の支持端子を示す断面図である。 図８は、図６のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。 図９は、炭素繊維束での使用を示す拡大断面図である。 図１０は、図８の断面をより詳細に示した図である。 図１１は、図１０の炭素繊維筒がコーティングされた状態を示す部分断面図である。 図１２は、図１０の炭素繊維筒が加熱されて、燃焼可能な繊維が燃焼された場合を示す断面図である。 図１３は、図８〜図１０及び図１２の管状の炭素繊維筒のように、炭素繊維の数を減らし、コーティング層を省略した状態を示した平面図である。

Claims (11)

1. 真空ガラス管と、前記真空ガラス管に収納された発熱体と、前記ガラス管の外部に備えられ、外部から給電して発熱体に熱を生成する両端子とを具備する炭素繊維加熱ランプであって、
   前記発熱体は中空部を有する管状炭素繊維筒（３０）よりなり、
   前記管状炭素繊維筒（３０）は、炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）と燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）とを原料として用いて管状に編織し、
   前記管状炭素繊維筒（３０）を製造するときに該管状炭素繊維筒（３０）を加熱して前記燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）のみを燃焼させて、前記管状炭素繊維筒（３０）を有孔構造とした炭素繊維加熱ランプ。
2. 前記管状炭素繊維筒（３０）の表面は、前記編織された炭素繊維を固定するためのコーティング層（４０）でコートされている請求項１に記載の炭素繊維加熱ランプ。
3. 前記燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）は、コーティング層（４０）が焼結される際に燃焼される請求項２に記載の炭素繊維加熱ランプ。
4. 前記炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）は、前記燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）を燃焼させることによって結合される請求項２に記載の炭素繊維加熱ランプ。
5. 前記コーティング層（４０）は、炭素コーティング層である請求項２に記載の炭素繊維加熱ランプ。
6. 前記コーティング層（４０）は、セラミックコーティング層である請求項２に記載の炭素繊維加熱ランプ。
7. 前記炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）は、炭素繊維束の単位からなる請求項１−６のいずれかに記載の炭素繊維加熱ランプ。
8. 炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）及び燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）を原料として用いて編織することにより、中空の管状炭素繊維筒（３０）を形成する工程と、
   前記管状炭素繊維筒（３０）を加熱して前記燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）のみを燃焼させることにより、前記管状炭素繊維筒（３０）を有孔構造に変化させる工程と、を含む炭素繊維加熱ランプ用の炭素繊維筒の製造方法。
9. 前記コートされた管状炭素繊維筒（３０）が、１０００℃〜３５００℃の温度範囲で加熱される請求項８に記載の製造方法。
10. 前記管状炭素繊維筒（３０）は、前記管状炭素繊維筒（３０）の表面に耐熱性コーティング層（４０）をコーティングして乾燥した後、加熱される請求項８に記載の製造方法。
11. 前記炭素繊維（３０）は、前記燃焼可能な繊維（６−２、６−４、６−ｎ）のみを燃焼させることによって前記炭素繊維（６−１、６−３、６−ｎ−１）が結合される請求項８−１０のいずれかに記載の製造方法。

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