JPH01175193A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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傍れた性能を有してい
るものの、−Ｃ的に、従来の等方性炭素は、ａ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を
質し易くなる。−方、発熱体を小型にすると折れ易（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。

く問題点を解決するための手段〉 本発明者は、上記の炭素の便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。

く作用〉 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１０ａ１１０ｂ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、加熱電流が流されて高温に加
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、炭素繊維強化炭素の炭素繊維
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バインダーを充填し、高温高圧下
で黒鉛化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では一方向性ブリ
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、互いに交互に積重ねられ
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１５
０ミリの平板の形状に切り出されて発熱体ｌとして供せ
られた。発熱体ｌ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　Ｘ　１０−”Ω１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１
０分の１の２〜３　Ｘ　１０−３Ω１である。

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

その結果、加熱領域２では、６に−が消費され、加熱領
域２は１０００°Ｃ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２
００〜６００°Ｃ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
気抵抗が少ない加熱電流供給領域３経出で１員失なく加
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ｔａｂ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の径が太く含有量も多いの
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
れて繊成されるので、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１０
ｃ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
力を受は易いが、炭素繊維強化炭素には炭素繊維ＩＯＣ
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ｌは、例えば、プリプレグを積層してブロッ
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０図において、発熱体１を構成する炭素繊維強化
炭素には、互いの織成密度を具にして直交に織成された
炭素繊維１０ａ、ＩＯｂ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Ｎ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ｌ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、過熱領域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　（ＭｏＳｉ、）等の金属けい化物や
、はう化チタン（ＴｉＢｚ）等の金属はう化物、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、−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ａ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・ンクス
を含ませることもできる。

その−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ｌ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（Ｚｒ０ｚ）　、サファイア、アルミナ（八１　
！０３）、イツトリア（’ｈ（ｈ）等の酸化物、窒化け
い素（ｓｔｚＮａ）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。−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０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、ＬＯｃ−・・炭素繊
維、１１・・・金属、１２・・・セラミックス特許出願
人　　ハナワ熱電金属株式会社第１Ｅ 第２団 ’４３（ｆｆ （Ａ）　　　＼。 笛４回 葉５ｍ ｆｆ 某６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （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。 （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。 （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。（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。 （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。 （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。 （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。（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。 （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。