JP7353046B2 - 加熱炉および当該加熱炉を用いるグラファイトの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、グラファイトを製造する加熱炉、および当該加熱炉を用いるグラファイトの製造方法に関する。

一般に、ポリイミド等の高分子材料を２５００℃以上の高温で焼成して、グラファイトを製造する加熱炉が知られている。例えば、特許文献１には、ヒータの貫通孔にボルトを挿入し、ボルトとヒータとの間、およびヒータと電極棒（給電棒）との間にワッシャを挟んだ状態で、当該ボルトを上記電極棒の孔に挿入して締め付け、電極棒とヒータとを緊結してなる加熱炉が記載されている。

特開２０１８－１４３１４号公報

グラファイトを製造する加熱炉のヒータは黒鉛製であり、高温に曝されることによって黒鉛が徐々に昇華していく。特に、例えばヒータの折り返し部分や、ヒータと給電棒との接続部分等では、電流が均一に流れず、単位面積当たりの電流量が多く（電流密度が高く）なるため、ヒータの面内で温度が不均一となり局所的な高温（３０００℃以上）部分が発生し易い。そして、高温部分では他の部分に比べて黒鉛の昇華が速く進行するため、高温部分の厚みが他の部分に比べて薄くなり、これによって当該部分の抵抗値が高くなるのでさらに高温となり、昇華がより一層速く進行する。つまり、局所的な高温部分が発生すると、その部分で加速度的に昇華が進行してヒータが薄くなってしまう。また、昇華は炭素の蒸気圧以上で進行することから、不活性ガスが流れる雰囲気下で加熱が行われると、ガス置換によって昇華がさらに進行することとなる。薄くなったヒータは取り換えなければならない。

本発明の一態様は、局所的な高温部分が発生し難く、耐久性に優れたヒータを備えた加熱炉、および当該加熱炉を用いるグラファイトの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、給電部とヒータとが直結していると共に、直結部が露出していない加熱炉とすることにより、ヒータの交換頻度が少なくなることを見出して、本発明を完成させた。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る加熱炉は、グラファイトを製造する加熱炉であって、黒鉛製の給電部と、黒鉛製のヒータとを備え、上記給電部とヒータとが直結していると共に、直結部が露出していないことを特徴としている。

上記給電部とヒータとが嵌合または螺合していることが好ましい。また、上記ヒータは、一組の互いに対向する辺に交互にスリットが設けられて形成された板状のスリットヒータであり、各スリットには、スリットの幅の１／２よりも大きい隅Ｒ加工がなされた終端部が形成されていることが好ましい。また、上記板状のスリットヒータは、直結部を取り囲む周辺部分、並びに、スリットの終端部を取り囲む周辺部分が、その他の部分よりも厚く形成されていることが好ましい。

本発明の一態様によれば、ヒータ全体に亘って電流が均一に流れる（電流密度が均一となる）ので、局所的な高温部分が発生し難く、耐久性に優れたヒータを備えた加熱炉を提供することができる。当該加熱炉は、ヒータの交換頻度が少なくなるので、利便性に優れる。また、本発明の一態様によれば、上述した加熱炉を用いて黒鉛化工程を行うので、つまり、ヒータの交換頻度が少ない加熱炉を用いて黒鉛化工程を行うので、グラファイトを安価に製造することができる。

本発明の実施の形態に係る加熱炉の概略の構成を示す正面図である。 上記加熱炉が備える給電棒とヒータとの概略の構成を示す、（ａ）はヒータの正面図であり、（ｂ）はヒータの側面図であり、（ｃ）はヒータの要部の側面図であり、（ｄ）は給電棒の正面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。尚、本明細書においては特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ～Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。また、「重量」と「質量」は同義語と見なす。

〔加熱炉〕
本発明の一実施の形態における加熱炉は、グラファイトを製造する加熱炉であって、黒鉛製の給電部と、黒鉛製のヒータとを備え、上記給電部とヒータとが直結していると共に、直結部が露出していない構成である。上記加熱炉は、後述するグラファイトの製造方法において、炭化工程で作製された炭素質フィルムを２５００℃以上の高温で焼成して、黒鉛化（グラファイト化）する黒鉛化工程で用いられる。

ここで、本発明において「直結」とは、他の部材を介さず、二つの部材（給電部およびヒータ）が直接、結合していることを指す。本発明において「直結部が露出していない」とは、二つの部材（給電部およびヒータ）が直接、結合している箇所が、これら二つの部材を観察しても外観からは視認できない状態であることを指す。

加熱炉は、図１に示すように、筐体１の中に、板状の複数の断熱材を直方体状に組むことによって形成された加熱炉本体２を備えている。加熱炉本体２は、その内部における互いに対向する一組の側面部に、一対のメインヒータ（ヒータ）３を備えている。そして、加熱炉本体２は、メインヒータ３が備えられていないもう一組の側面部の一方に、加熱炉本体２内部を密閉する扉部（図示しない）を備えている。黒鉛化する炭素質フィルム１０は、上記扉部を通じて加熱炉本体２内部に収容される。

加熱炉は、加熱炉本体２内部のメインヒータ３に電気を供給する給電部４をさらに備えている。上記給電部４は、メインヒータ３と直結するための黒鉛製の給電棒４ａを備えている。

また、加熱炉本体２は、必要に応じて、その内部における底面部に、サブヒータ（図示しない）を備えていてもよく、加熱炉本体２内部に不活性ガスを導入するガス導入管およびガス排出管（図示しない）等をさらに備えていてもよい。尚、加熱炉の構成や外観は、図１に示す構成や外観に限定されない。

メインヒータ３は、図２の（ａ）に示すように、一組の互いに対向する辺に交互にスリット３ａが設けられて形成された黒鉛製の板状のスリットヒータである。スリット３ａの本数および長さは、メインヒータ３の大きさに応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。また、メインヒータ３は、図２の（ｃ）にも示すように、その両端部に、給電部４の給電棒４ａと直結するための直結凸部３ｂを備えている。直結凸部３ｂの形状は、特に限定されない。さらに、メインヒータ３の概略の形状は、略矩形であることが好ましいものの、特に限定されない。

各スリット３ａには、図２の（ａ）に示すように、スリット３ａの幅の１／２よりも大きい隅Ｒ加工がなされた終端部３ｃが形成されている。ここで、隅Ｒ(inside corner R) とは、隅の丸みの半径のことである。各スリット３ａが上記終端部３ｃを有することにより、当該終端部３ｃを取り囲む周辺部分３ｅにおける単位面積当たりの電流量が多く（電流密度が高く）なることを抑制することができる。尚、スリット３ａの終端部３ｃの形状は、円弧状であることが最も好ましい。

一方、給電部４の給電棒４ａは、図２の（ｄ）に示すように、上記直結凸部３ｂと直結するための直結凹部４ｂを備えていている。直結凹部４ｂは、直結凸部３ｂの形状に応じた形状であればよく、特に限定されない。また、直結凸部３ｂおよび直結凹部４ｂには、ネジが切られていてもよい。従って、直結凸部３ｂおよび直結凹部４ｂは、嵌合または螺合することによって、好ましくは嵌合することによって、互いに直結することができ、直結した状態では直結部（直結凸部３ｂと直結凹部４ｂとが直結している箇所）が露出しない。尚、給電棒４ａには、給電部４に接続するための接続凹部４ｃが設けられている。

若しくは（図示しないが）、メインヒータ３は、その両端部に、給電部４の給電棒４ａと直結するための直結凹部を備えていてもよい。この場合には、給電部４の給電棒４ａは、上記直結凹部と直結するための直結凸部を備えていればよい。メインヒータ３が直結凹部を備え、給電棒４ａが直結凹部を備えている場合においても、上述した直結凸部３ｂと直結凹部４ｂとを備えている場合と同様に、直結凹部および直結凸部は、嵌合または螺合することによって、好ましくは嵌合することによって、互いに直結することができ、直結した状態では直結部（直結凹部と直結凸部とが直結している箇所）が露出しない。

上記構成によれば、同じ黒鉛製の部材である、給電部の給電棒とヒータとが直結していると共に、直結部が露出していないので、当該直結部において電流が均一に流れる（電流密度が均一となる）。このため、ヒータには局所的な高温部分が発生し難い。また、直結部が露出していないので、黒鉛化工程において不活性ガスが流れる雰囲気下で熱処理が行われても、ガス置換による炭素の昇華が抑制される。それゆえ、耐久性に優れたヒータを備えた加熱炉を提供することができる。当該加熱炉は、ヒータの交換頻度が少なくなるので、利便性に優れる。

そして、上記メインヒータ３は、図２の（ｂ）に示すように、給電棒４ａと直結するための直結凸部３ｂを取り囲む周辺部分３ｄ、並びに、スリット３ａの終端部３ｃを取り囲む周辺部分３ｅが、その他の部分３ｆ（メインヒータ３における中央部分）よりも厚く形成されている。周辺部分３ｄの厚さと周辺部分３ｅの厚さとは、互いに異なっていてもよいが、同一であることがより好ましい。これにより、周辺部分３ｄおよび周辺部分３ｅと、その他の部分３ｆとで、単位面積当たりの電流量（電流密度）を均一にすることができる。つまり、メインヒータ３全体に亘って電流が均一に流れる（電流密度が均一となる）ので、局所的な高温部分がより一層発生し難くなり、メインヒータ３はより一層耐久性に優れる。一例を挙げれば、メインヒータの概略の形状が図２の（ａ）に示す形状である場合において、メインヒータ３のその他の部分３ｆの厚さが８ｍｍであれば、周辺部分３ｄおよび周辺部分３ｅの厚さは、８ｍｍ～２０ｍｍとすればよく、好ましくは８ｍｍ～１６ｍｍとすればよく、より好ましくは８ｍｍ～１２ｍｍとすればよい。

尚、上記周辺部分３ｄとその他の部分３ｆとの境目、並びに、周辺部分３ｅとその他の部分３ｆとの境目は、メインヒータ３全体に亘って電流が均一に流れるように位置決めをすればよく、従ってメインヒータ３の大きさや形状等に応じて適宜設定される。

〔グラファイトの製造方法〕
グラファイトは、優れた放熱特性を有していることから、コンピュータ等の各種電子機器または電気機器に搭載されている半導体素子、或いは、各種電子機器または電気機器が発する熱を放熱する放熱部品等として用いられる。本発明の一実施形態には、上記加熱炉を用いてグラファイト（グラファイトフィルム、グラファイトシート等）を製造する方法が含まれる。

一般に、グラファイトは、ポリイミド等の高分子材料を不活性ガス雰囲気下または減圧下で熱処理する、いわゆる高分子熱分解法で製造される。具体的には、グラファイトは、フィルム状の高分子材料を１０００℃程度で熱処理（予備加熱）し、炭素化して炭素質フィルムを得る炭化工程と、炭化工程で作製された炭素質フィルムを２５００℃以上の高温で焼成して、黒鉛化（グラファイト化）する黒鉛化工程と、必要に応じて、黒鉛化した炭素質フィルム（グラファイト）を圧縮する圧縮工程と、を経て製造される。上記炭化工程と黒鉛化工程とは連続して行ってもよく、各々別個に行ってもよい。また、高分子材料は、フィルム状であることが好ましいものの、その形状は特に限定されない。尚、以下の説明においては、高分子材料がフィルム状である場合を例に挙げることとする。

（高分子材料）
グラファイトの製造に好適なフィルム状の高分子材料としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、およびポリチアゾールが挙げられ、ポリイミドがより好ましい。特に、ポリイミドは、フィルムの炭化および黒鉛化が進行し易いため、フィルムの熱拡散率、熱伝導率、電気伝導度が低温で均一に高くなり易く、かつこれらの数値自体も高くなり易い。尚、高分子材料は、製造するグラファイトに求められる物性に応じて適宜選択すればよい。

（炭化工程）
炭化工程は、フィルム状の高分子材料（以下、「高分子材料フィルム」と記す）を１０００℃程度で熱処理（予備加熱）し、炭素化して炭素質フィルムを得る工程である。熱処理時の最高温度は、例えば、７００℃～１８００℃であることが好ましく、８００℃～１５００℃であることがより好ましく、９００℃～１２００℃であることがさらに好ましく、１０００℃であることが特に好ましい。

炭化工程における昇温速度は、例えば、０．０１℃／分～２０℃／分であることが好ましく、０．１℃／分～１０℃／分であることがより好ましく、０．２℃／分～５．０℃／分であることがさらに好ましく、０．５℃／分～２．０℃／分であることが特に好ましい。

炭化工程での保持時間、具体的には上記最高温度での保持時間は、１分間～１時間であることが好ましく、５分間～３０分間であることがより好ましく、８分間～１５分間であることがさらに好ましい。

炭化工程では、長方形状の高分子材料フィルムを積層した積層体を炭化（枚葉方式）してもよく、ロール状（長尺）の高分子材料フィルムをそのまま炭化（円筒方式）してもよく、ロール状の高分子材料フィルムを連続的に巻き出して炭化（連続方式）してもよい。つまり、炭化工程における高分子材料フィルムの形態は特に限定されない。

（黒鉛化工程）
黒鉛化工程は、炭化工程で作製された炭素質フィルムを２５００℃以上の高温で焼成して、黒鉛化（グラファイト化）する工程である。本発明においては、上述した加熱炉を用いて黒鉛化工程を行う。焼成時の最高温度は、好ましくは、２５００℃以上、２６００℃以上、２７００℃以上、２８００℃以上、２９００℃以上、または３０００℃以上である。黒鉛化工程は、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、または減圧下で行われる。

黒鉛化工程における昇温速度は、例えば、０．０１℃／分～２０℃／分であることが好ましく、０．１℃／分～１０℃／分であることがより好ましく、０．５℃／分～５．０℃／分であることがさらに好ましい。

黒鉛化工程での保持時間、具体的には上記最高温度での保持時間は、１分間～１時間であることが好ましく、５分間～３０分間であることがより好ましく、８分間～１５分間であることがさらに好ましい。

黒鉛化工程では、長方形状の炭素質フィルムを積層した積層体を黒鉛化してもよく、ロール状の炭素質フィルムをそのまま黒鉛化してもよく、ロール状の炭素質フィルムを連続的に繰り出して黒鉛化してもよい。つまり、黒鉛化工程における炭素質フィルムの形態は特に限定されない。

（圧縮工程）
必要に応じて行われる圧縮工程は、黒鉛化工程で作製されたグラファイトを圧縮する工程である。圧縮工程を行うことにより、得られるグラファイトに柔軟性を付与することができる。圧縮工程では、黒鉛化工程で作製されたグラファイトをプレス等によって面状に圧縮する方法、金属ローラ等を用いて圧延する方法等を行うことができる。圧縮工程における押圧力は特に限定されない。また、圧縮工程は室温で行われるものの、温度は特に限定されない。さらに、黒鉛化工程と一緒に圧縮工程を行うこともできる。

上記方法によれば、上述した加熱炉を用いて黒鉛化工程を行うので、つまり、ヒータの交換頻度が少ない加熱炉を用いて黒鉛化工程を行うので、グラファイトを安価に製造することができる。

本発明に係る加熱炉は、グラファイトの製造に好適に利用することができる。

１ 筐体
２ 加熱炉本体
３ メインヒータ（ヒータ）
３ａ スリット
３ｂ 直結凸部
３ｃ 終端部
３ｄ 周辺部分
３ｅ 周辺部分
３ｆ その他の部分
４ 給電部
４ａ 給電棒
４ｂ 直結凹部
１０ 炭素質フィルム

Claims (2)

1. グラファイトを製造する加熱炉であって、
   黒鉛製の給電部と、黒鉛製のヒータとを備え、
   上記給電部とヒータとが、他の部材を介さず、直接結合しており、他の部材を介して結合している箇所はなく、さらに、直結部が露出しておらず、上記ヒータは、一組の互いに対向する辺に交互にスリットが設けられて形成された板状のスリットヒータであり、
   各スリットには、スリットの幅の１／２よりも大きい隅Ｒ加工がなされた終端部が形成されており、
   上記板状のスリットヒータは、直結部を取り囲む周辺部分、並びに、スリットの終端部を取り囲む周辺部分が、その他の部分よりも厚く形成されており、
   上記給電部とヒータとが嵌合または螺合している加熱炉であって、
   上記給電部は、上記ヒータと直結するための黒鉛製の給電棒を備えており、
   上記ヒータは、その両端部に、給電部の給電棒と直結するための直結凸部を備えており、上記給電部の給電棒は、上記直結凸部と直結するための直結凹部を備えており、上記ヒータの直結凸部および上記給電棒の直結凹部が、嵌合または螺合しているか、又は、
   上記ヒータは、その両端部に、給電部の給電棒と直結するための直結凹部を備えており、上記給電部の給電棒は、上記直結凹部と直結するための直結凸部を備えており、上記ヒータの直結凹部および上記給電棒の直結凸部が、嵌合または螺合している、加熱炉。
2. 請求項１に記載の加熱炉を用いるグラファイトの製造方法。

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