JPH01211887A - Plane heater made of carbon fiber/carbon composite - Google Patents

Plane heater made of carbon fiber/carbon composite

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JPH01211887A
JPH01211887A JP3706988A JP3706988A JPH01211887A JP H01211887 A JPH01211887 A JP H01211887A JP 3706988 A JP3706988 A JP 3706988A JP 3706988 A JP3706988 A JP 3706988A JP H01211887 A JPH01211887 A JP H01211887A
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塙 仁志
Takashi Nakajima
隆 中島
Shigeru Kaito
海東 滋
Atsushi Kitamura
厚 北村
Jun Haneda
羽根田 順
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Abstract

PURPOSE:To reduce the dispersion on the heating surface and obtain a heater with large mechanical strength and good workability by making the alignment pattern of carbon fibers viewed from the vertical direction to the heating surface equal between portions at any portion of the heating surface. CONSTITUTION:A carbonizable material is impregnated in a circular fabric of carbon fibers stacked for artificial isotropy or an unwoven mat of one- direction aligned materials or carbon fibers, and it is baked to form a planar heater 1. When the fabric or the like of carbon fibers corresponding to the shape of the heater 1 is used, carbon fibers have the same alignment at any portion when viewed from the vertical direction to the heater 1, the heat quan tity is made equal. The dispersion of the heating surface is small, the heater with large mechanical strength and various shapes is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はジェール熱で発熱する炭素繊維/炭素コンポジ
ット製面発熱体に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Field of Application) The present invention relates to a surface heating element made of carbon fiber/carbon composite that generates heat using gel heat.

(従来の技術およびその課題) 基材表面への各種機能性薄膜の形成や、基材への不純物
の拡散、るつぼに収容した物質の加熱、溶融などの技術
分野においては、所定の雰囲気中で基材等の被加熱体を
加熱して所定の温度条件下に置くことが行われる。この
場合の加熱手段としては、一般にジュール発熱する抵抗
発熱体が使用される。
(Prior art and its problems) In technical fields such as forming various functional thin films on the surface of a substrate, diffusing impurities into the substrate, and heating and melting substances contained in a crucible, it is necessary to An object to be heated, such as a base material, is heated and placed under a predetermined temperature condition. As the heating means in this case, a resistance heating element that generates Joule heat is generally used.

この加熱処理時においては、たとえば形成薄膜に要求さ
れる特性、成膜速度等の関係で、基材の表面温度分布等
が重要な制御対象となる。
During this heat treatment, the surface temperature distribution of the base material is an important control target, for example, in relation to the characteristics required of the formed thin film, the film formation rate, etc.

このために、発熱体には材料、形状の点で多岐に亘る態
様が要求され、また発熱体への給電条件も適宜選定され
ている。
For this reason, the heating element is required to have a wide variety of materials and shapes, and the conditions for power supply to the heating element are also appropriately selected.

発熱体の構成材料としては、タングステン、モリブデン
のような高融点金属や黒鉛が採用されている。また、発
熱体の形状も、必要とする温度条件との関係で適宜な形
状、たとえば板状、筒状等に設計される。
High-melting point metals such as tungsten and molybdenum and graphite are used as constituent materials for the heating element. Further, the shape of the heating element is designed to be an appropriate shape, such as a plate shape or a cylindrical shape, depending on the required temperature conditions.

しかしながら、上記高融点金属の発熱体の場合、熱変形
し易すく高温下における寸法安定性に欠けるため、反復
使用の過程でその形状が当初の形状から変わってくる。
However, in the case of a heating element made of a high melting point metal, it is easily deformed by heat and lacks dimensional stability at high temperatures, so its shape changes from its original shape during repeated use.

その結果、加熱の様相が変わってきて、基材等の温度を
所定の値に維持し得ないという問題が発生する。
As a result, the aspect of heating changes, causing the problem that the temperature of the base material, etc. cannot be maintained at a predetermined value.

一方、黒鉛(または炭素)の発熱体の場合は、上記した
ような熱変形は起さず、また耐食性も優れているという
利点を有するが、しかしその機械的強度が低いという問
題がある。また、脆いために、製造時に所望の発熱体形
状への加工が難しいという問題がある。
On the other hand, a graphite (or carbon) heating element has the advantage that it does not undergo thermal deformation as described above and has excellent corrosion resistance, but has the problem of low mechanical strength. Furthermore, since it is brittle, there is a problem in that it is difficult to process it into a desired shape of the heating element during manufacturing.

一般に抵抗発熱する発熱体は、その通電断面積を小さく
する、たとえば全体形状を薄形(Fi状全発熱体場合)
または細径(棒状発熱体の場合)にすれば、抵抗を増大
させることができるのでコンパクト化が図れるが、黒鉛
の発熱体について薄形化または細径化を行った場合、黒
鉛の機械的強度が小さいので、たとえば、組立時や被加
熱体への装着時等に破損することがある。それゆえ、黒
鉛発熱体の場合は、通常、その厚みが10〜20+m程
度にならざるを得ない。
Generally, a heating element that generates heat by resistance has a small current carrying cross-sectional area, for example, a thin overall shape (in the case of a Fi-shaped heating element).
Alternatively, if the diameter is made smaller (in the case of a rod-shaped heating element), the resistance can be increased and it can be made more compact. However, if a graphite heating element is made thinner or smaller in diameter, the mechanical strength of graphite Since it is small, it may be damaged, for example, during assembly or attachment to a heated object. Therefore, in the case of a graphite heating element, the thickness usually has to be about 10 to 20+ m.

上記したように、黒鉛は、耐熱性、耐食性に優れている
ので発熱体の材料として有用であるが、しかし、その機
械的強度が低く、また脆いという点で、薄形、細径の発
熱体とすることができないという問題がある。
As mentioned above, graphite has excellent heat resistance and corrosion resistance, making it useful as a material for heating elements. The problem is that it cannot be done.

一方、マトリックスが炭素(または黒鉛)で強化材が炭
素繊維(または黒鉛繊維)から成る複合体である炭素繊
維/炭素コンポジット(以下、これをrC/Cコンポジ
ット」という)が知られている。このC/Cコンポジッ
トは、軽量性、高い耐熱性、優れた機械的強度を備えて
いるので、これを発熱体として使用する試みがなされて
おり、たとえば、特開昭56−134565号公報にお
いては、熱硬化性樹脂とセルロースシートとの積層硬化
体を黒鉛化して高異方性の炭素ブロックとし、これを発
熱体として利用することが開示されている。
On the other hand, carbon fiber/carbon composites (hereinafter referred to as rC/C composites), which are composites in which the matrix is carbon (or graphite) and the reinforcing material is carbon fibers (or graphite fibers), are known. Since this C/C composite has light weight, high heat resistance, and excellent mechanical strength, attempts have been made to use it as a heating element. discloses that a cured laminated body of a thermosetting resin and a cellulose sheet is graphitized to form a highly anisotropic carbon block, and this is used as a heating element.

また、特開昭58−110411号公報においては、細
いセラミックスパイプの中で熱硬化性樹脂と炭素繊維の
混合物を焼成して異方性のC/Cコンポジットとし、こ
れの発熱体としての用途が開示され、更に、特開昭58
−126510号公報においては、光フアイバ接続部の
補強時に用いる抵抗発熱体としてC/Cコンポジットの
線条体を使用することが開示されている。ここに開示さ
れている発熱体はいずれも黒鉛製のものに比べて機械的
強度は大きいが、しかし棒状体ないし線条体であって、
面として、または全体として面状に形成されているわけ
ではない。
Furthermore, in JP-A-58-110411, a mixture of thermosetting resin and carbon fiber is fired in a thin ceramic pipe to form an anisotropic C/C composite, and this is used as a heating element. It was disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 58
Japanese Patent Application No. 126510 discloses the use of a C/C composite filament as a resistance heating element for use in reinforcing an optical fiber connection. All of the heating elements disclosed herein have greater mechanical strength than those made of graphite, but they are rod-shaped or linear bodies,
It is not formed as a surface or as a whole.

本発明は、従来の発熱体における上記問題点を解消し、
発熱面における発熱量のばらつきが小さく、機械的強度
が大きくて破損の心配が少なく、しかも製造上は精密か
つ複雑な小型形状にも加工することができるC/Cコン
ポジット製面発熱体の提供を目的とする。
The present invention solves the above problems with conventional heating elements,
It is an object of the present invention to provide a C/C composite surface heating element that has small variations in the amount of heat generated on the heating surface, has high mechanical strength, reduces the risk of breakage, and can be manufactured into precise and complex small shapes. purpose.

(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明のC/Cコンポジッ
ト製面発熱体は、その構成が、面または全体として面状
に形成され、かつ、発熱面内においてどの部位をとって
みても、その発熱面に対して垂直の方向から透視した炭
素繊維の配列模様が各部位間で同一であるか、または実
質的に同一であることを特徴とする。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the C/C composite surface heating element of the present invention has a structure that is formed into a surface or a planar shape as a whole, and within the heating surface. No matter which part is taken, the arrangement pattern of carbon fibers seen from a direction perpendicular to the heat generating surface is the same or substantially the same in each part.

本発明の発熱体は、C/Cコンポジットからなる− 本発明の発熱体は、面として、または全体として面状に
形成されている0面形状は、平面かまたは曲面である。
The heating element of the present invention is made of a C/C composite.The heating element of the present invention is formed as a plane or as a whole, and the shape of the plane is a plane or a curved surface.

ここで、曲面としては、例えば円筒状曲面、半球状曲面
、放物面状曲面、円錐台状曲面などがある。そして、発
熱体の全体形状、したがって発熱面の形状は、発熱体の
使用目的等に応じて決められている。
Here, examples of the curved surface include a cylindrical curved surface, a hemispherical curved surface, a parabolic curved surface, a truncated conical curved surface, and the like. The overall shape of the heating element, and hence the shape of the heating surface, is determined depending on the purpose of use of the heating element.

しかしながら、本発明の発熱体においては、この発熱面
がいかなる形状であっても、その発熱面内においてどの
部位をとってみても、その発熱面に対して垂直な方向か
ら透視したとき、炭素繊維の配列模様が各部位間で同一
であるか、または実質的に同一となっていることが必要
である。
However, in the heating element of the present invention, no matter what shape this heating surface has, no matter which part of the heating surface is taken, when viewed through from a direction perpendicular to the heating surface, the carbon fiber It is necessary that the arrangement pattern of each part be the same or substantially the same.

なお、本発明でいう発熱面内における部位とは、発熱面
内においである程度の広がりを存し、ある大きさの視野
で視認されるような大きさの部分のことであり、たとえ
ば、点状の微小な部分をいうのではない。また、炭素繊
維として後述する円形織物ないし螺旋状円形織物を用い
た場合には、その織密度は内側で密で、外側では粗にな
っているが、この粗密の状態はそれ程顕著ではないので
、本発明においては、このような場合は炭素繊維の配列
模様が実質的に同一であるとする。
Note that the site within the heat generating surface as used in the present invention refers to a portion that extends to a certain extent within the heat generating surface and is of a size that is visible in a certain field of view, such as a dot-like portion. I don't mean a tiny part of it. In addition, when a circular fabric or a spiral circular fabric, which will be described later, is used as carbon fiber, the weave density is dense on the inside and coarse on the outside, but this coarse and dense state is not so noticeable. In the present invention, in such a case, the arrangement pattern of the carbon fibers is assumed to be substantially the same.

この配列模様が上記の状態を充足していない場合、すな
わち発熱面内における各部位間で炭素繊維の配列模様が
異なっている場合は、各部位間における電気抵抗が同一
ではなくなり、その結果、発生するジュール熱も異なっ
てくる。それゆえ、放熱による影響を考慮しなければ、
発熱面には温度むらが発生するようになる。
If this arrangement pattern does not satisfy the above conditions, that is, if the arrangement pattern of carbon fibers differs between each part on the heating surface, the electrical resistance between each part will not be the same, and as a result, the The Joule heat generated also differs. Therefore, if we do not take into account the effects of heat radiation,
Temperature unevenness begins to occur on the heat generating surface.

発熱面内における各部位間で炭素繊維の配列模様を同一
または実質的に同一にするためには、発熱体の製造の際
に、後述する方法で炭素繊維をマトリックス炭素中に配
置せしめればよい。
In order to make the arrangement pattern of the carbon fibers the same or substantially the same between each part in the heat generating surface, the carbon fibers may be arranged in the matrix carbon by the method described below when manufacturing the heat generating element. .

すなわち、本発明の発熱体は次にような方法で製造する
ことができる。
That is, the heating element of the present invention can be manufactured by the following method.

第1の方法はプリプレグ法である。この方法においては
まず、後述する炭素繊維に、Bステージのフェノール樹
脂、フラン樹脂のような熱硬化性樹脂や、ピッチ等の炭
化可能物質が含浸されているプリプレグを用い、このプ
リプレグを必要枚数だけ積層したりまたは必要回数巻回
して所望の発熱体形状に整形する。
The first method is the prepreg method. In this method, first, a prepreg is used, in which the carbon fiber described later is impregnated with a B-stage thermosetting resin such as phenolic resin or furan resin, or a carbonizable substance such as pitch, and the required number of prepregs are used. It is laminated or wound a necessary number of times to form a desired heating element shape.

つぎに、得られた整形体を不活性ガス雰囲気下において
600〜3000°Cの温度域で焼成し、プリプレグ中
の炭化可能物質を熱分解せしめて炭素化または黒鉛化し
、C/Cコンポジットとなして発熱体を得る。しかしな
がら、得られた発熱体は多孔質で低密度であるため、再
びこれに前記炭化可能物質を含浸し、焼成するという操
作を複数回反復して所定の密度になるまで高密度化する
ことが好ましい。
Next, the obtained shaped body is fired at a temperature range of 600 to 3000°C in an inert gas atmosphere to thermally decompose the carbonizable substances in the prepreg and carbonize or graphitize it, forming a C/C composite. to obtain a heating element. However, since the obtained heating element is porous and has a low density, it is difficult to impregnate it with the carbonizable substance and sinter it several times to increase the density until it reaches a predetermined density. preferable.

第2の方法は樹脂含浸法である。この方法は、生の炭素
繊維それ自体を積層または巻回して発熱体形状に整形し
たのち、これに上記炭化可能物質を含浸し焼成するとい
う方法である。含浸−焼成を必要回反復して高密度化す
るのが好ましいことはプリプレグ法の場合と同様である
The second method is a resin impregnation method. In this method, raw carbon fibers themselves are laminated or wound and shaped into a heating element shape, and then impregnated with the above-mentioned carbonizable substance and fired. As in the case of the prepreg method, it is preferable to repeat the impregnation and firing process as many times as necessary to increase the density.

第3の方法はCVD法である。この方法は、前記樹脂含
浸法の場合と同様に生の炭素繊維を整形して発熱体形状
とし、これを1000〜2000℃の高温下においてメ
タン、プロパン等の炭化水素を含む気流中で熱処理する
ことにより、炭素繊維の表面に熱分解炭素(または黒鉛
)を必要量沈積せしめてC/Cコンポジットとし、発熱
体にする方法である。
The third method is the CVD method. In this method, as in the case of the resin impregnation method, raw carbon fibers are shaped into a heating element shape, and then heat treated in an air stream containing hydrocarbons such as methane and propane at a high temperature of 1000 to 2000°C. This is a method in which a required amount of pyrolytic carbon (or graphite) is deposited on the surface of carbon fibers to form a C/C composite, which is then used as a heating element.

第4の方法は、単糸径が3〜15μm程度でアスペクト
比が数百という短繊維に適用できるブレンド法ともいう
べき方法である。この方法においては、上記短繊維と上
記炭化可能物質との混合物に各種の成形法を適用して、
発熱体形状に成形したのちこれを焼成する。
The fourth method is a blending method that can be applied to short fibers having a diameter of about 3 to 15 μm and an aspect ratio of several hundreds. In this method, various molding methods are applied to the mixture of the short fibers and the carbonizable substance,
After molding into the shape of a heating element, this is fired.

以上説明した第1〜第4の方法においては、あらかじめ
発熱体形状に整形したものを焼成しているが、焼成後に
切削加工等の機械加工を施して所望の発熱体形状にする
こともできる。
In the first to fourth methods described above, the heating element is shaped in advance into the shape of the heating element and then fired, but after firing, machining such as cutting may be performed to form the desired heating element shape.

これらの方法に用いられる炭素繊維としては次るような
形態のものがあげられる。
The carbon fibers used in these methods include the following types.

第1に織物である。織物は平織物、m織物、朱子織物の
いずれであってもよい。また、特開昭51−58568
号、特公昭59−32291号公報にそれぞれ開示され
ている円形織物ないし螺旋状円形織物を使用することが
できる。上記した織物は、その全体の平面図である第1
3図、一部拡大図である第14図と第15図、織物を引
き延ばした状態を示す見取図の第16図で示すように、
炭素繊維からなる連続した経糸と緯糸とが平磯組織また
は畝織組織を構成しており、複数本の経糸が円周方向に
配列され、緯糸は、経糸と交錯する部分においては、経
糸と略直角に交わり、全体的には、経糸の描く円の半径
方向に配列されており、かつ、−円周以上の部分は、同
一円が連続して層状に形成されていることを特徴とする
ものである。
The first is textiles. The woven fabric may be a plain woven fabric, a m-woven fabric, or a satin woven fabric. Also, JP-A-51-58568
Circular fabrics or spiral circular fabrics disclosed in Japanese Patent Publication No. 59-32291 can be used. The above fabric is shown in the first diagram, which is a plan view of the entire fabric.
As shown in Figure 3, Figures 14 and 15 which are partially enlarged views, and Figure 16 which is a sketch showing the stretched state of the fabric,
Continuous warp and weft yarns made of carbon fibers constitute a plain weave texture or ribbed weave texture, where multiple warp yarns are arranged in the circumferential direction, and the weft yarns are approximately perpendicular to the warp yarns in the portions where they intersect with the warp yarns. intersect with each other, and are generally arranged in the radial direction of the circle drawn by the warp, and the part above the circumference is characterized by the same circles being formed in a continuous layer. be.

どのような組織、どのような形状の織物を使用するかと
いうことは、発熱体の形状、要求される特性等に応じて
決めればよい。たとえば、比較的複雑な形状の発熱体の
場合には、ドレープ性に優れた朱子織物の使用も好まし
い。これら織物は1枚で用いてもよいが、複数枚を積層
して用いてもよい。積層して用いる場合は、隣接する繊
物間で経糸または緯糸の方向が少しづつずれるように(
たとえば、15度、30度づつずれるように)積層する
と、異方性が改善され、抵抗値が面内疑似等方性になる
。もっとも、織物は、経糸または緯糸の方向を一致させ
て積層し、使用することもできる。
The type of structure and shape of the fabric to be used may be determined depending on the shape of the heating element, required characteristics, etc. For example, in the case of a heating element with a relatively complicated shape, it is also preferable to use satin fabric, which has excellent drapability. These woven fabrics may be used alone, or a plurality of woven fabrics may be stacked and used. When used in layers, the direction of the warp or weft between adjacent textiles may be slightly shifted (
For example, by stacking the layers so that they are shifted by 15 degrees or 30 degrees, the anisotropy is improved and the resistance value becomes pseudo-isotropic in the plane. However, the woven fabric can also be used by stacking the warp or weft in the same direction.

第2に解繊マットである。これは、1本1本の炭素短繊
維がランダム配向しているものであって、本来が疑似等
方性を備えている。
The second is a defibrated mat. This is made up of randomly oriented individual short carbon fibers and inherently has pseudo-isotropy.

第3はチョツプドストランドマットである。これは、炭
素繊維の束を所定の長さに裁断し、各裁断束をランダム
配向せしめて成るマットであり、同じく疑似等方性を備
えている。
The third is chopped strand mat. This is a mat made by cutting carbon fiber bundles into predetermined lengths and randomly oriented each cut bundle, and also has pseudo-isotropy.

第4は、スワールマットである。これは、短繊維ではな
く、解繊され、または解繊されていない連続繊維(若し
くは連続繊維束)がランダム配向されているものである
The fourth is a swirl mat. This is not short fibers, but randomly oriented continuous fibers (or continuous fiber bundles) that may or may not be opened.

第5は筒状編組である。これはその径方向および長手方
向への伸縮性に冨む、筒状のままでも使用できるしまた
平らに押しつぶして使用することもできる。
The fifth is a tubular braid. It has great elasticity in the radial and longitudinal directions, and can be used either in its cylindrical form or by being crushed flat.

第6は、一方向に互いに並行に、かつテープ状またはシ
ート状に引揃えた、連続繊維の一方向引揃え体である。
The sixth type is a unidirectionally aligned body of continuous fibers that are aligned parallel to each other in one direction in the form of a tape or sheet.

これには、通常、引揃え状態を維持するために、Bステ
ージの、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ピッチな
どが含浸されている。
This is usually impregnated with a B-stage thermosetting resin such as phenolic resin, pitch, etc. to maintain the aligned state.

別に、一方向性ブリプレグと呼ばれるものである。Separately, it is called unidirectional Bripreg.

第7の形態は、アスペクト比の小さい短繊維であり、前
記したブレンド法による発熱体の製造時に使用される。
The seventh form is short fibers with a small aspect ratio, and is used when producing a heating element by the blending method described above.

なお、上記解繊マット、チョツプドスラントマット、ス
ワールマット、筒状編組、一方向引揃え体もまた、ただ
1枚で用いてもよいし、積層ないしは・巻回して用いて
もよい。一方向引揃え体を積層ないし巻回して用いる場
合は、織物の場合と同様に、疑似等方になるようにする
ことが好ましい。
The above-mentioned defibrated mat, chopped slant mat, swirl mat, cylindrical braid, and unidirectionally aligned body may be used alone, or may be laminated or wound. When unidirectionally aligned bodies are used by being stacked or wound, it is preferable to make them pseudo-isotropic, as in the case of textiles.

なお、上記した第1〜第6の形態の炭素繊維を積層して
用いる場合、炭層繊維の糸を用い、たとえば単環縫によ
って一体にステイフナしておくと、発熱体の層間剥離強
度や眉間剪断強度、衝撃強度等が向上するようになるの
で好ましい。
In addition, when using the carbon fibers of the first to sixth embodiments described above in a layered manner, using carbon layer fiber threads and stiffening them together by, for example, single chain stitching, the delamination strength and glabella shear strength of the heating element can be improved. This is preferable because strength, impact strength, etc. are improved.

本発明において、炭素繊維を積層または巻回して用いる
場合は、炭素繊維の種類も形態も、すべて同一のものを
使用する。
In the present invention, when carbon fibers are used in a layered or wound manner, the same types and shapes of carbon fibers are used.

本発明の発熱体の電気抵抗は、使用した炭素繊維の種類
、形態、配置の仕方、含有量、炭素繊維にするときの焼
成温度や、マトリックス炭素の種類や、発熱体の嵩密度
や、C/Cコンポジット化するときの焼成温度等によっ
て変化する。
The electrical resistance of the heating element of the present invention is determined by the type, form, arrangement, and content of the carbon fibers used, the firing temperature when forming carbon fibers, the type of matrix carbon, the bulk density of the heating element, and the carbon fibers used. /C It changes depending on the firing temperature etc. when making a composite.

(実施例) 以下に本発明の発熱体を添付した図面に基づいて更に詳
細に説明する。
(Example) The heating element of the present invention will be described in more detail below based on the attached drawings.

第1図〜第4図はいずれも全体として平面状の発熱体を
例示するものである。第1図のものは通電パスすなわち
発熱部が左右対象に配置された無誘導巻きの円板状発熱
体で、第2図のものは通電パス(発熱部)が渦巻き状に
配置された円板状発熱体である。第3図は通電パス(発
熱部)がジクザクに折曲している角板状発熱体を示し、
第4図は通電パス(発熱部)の面積が第1図〜第3図に
例示した発熱体のそれより大きい角板状発熱体を示す、
これらの発熱体はその通電パスの表面が発熱面として機
能する。第1図〜第4図に示した板状の発熱体は、たと
えば次のようにして製造することができる。すなわち、
疑似等方となるように積層した炭素繊維の織物、一方向
引揃え体や、炭素繊維の解繊マット、チョツプドストラ
ンドマット、スワールマットや、炭素繊維短繊維を用い
て前述した4つの方法のいずれかで、薄いC/Cコンポ
ジット板を製造し、それをたとえば糸のこ等を用いて切
削し通電パス以外の部分を切除すればよい。たとえば、
第1図に示した発熱体1の場合、所定径、厚みのC/C
コンポジット円板を製造し、これを糸のこて通電パスl
a、ターミナルlb。
1 to 4 illustrate a heating element that is generally planar. The one in Figure 1 is a non-inductively wound disc-shaped heating element with energizing paths (heating parts) arranged symmetrically on the left and right, and the one in Figure 2 is a disc-shaped heating element with energizing paths (heating parts) arranged in a spiral shape. It is a shaped heating element. Figure 3 shows a rectangular plate-shaped heating element in which the current-carrying path (heating part) is bent in a zigzag manner.
FIG. 4 shows a square plate-shaped heating element in which the area of the energizing path (heating part) is larger than that of the heating elements illustrated in FIGS. 1 to 3.
The surface of the current-carrying path of these heating elements functions as a heating surface. The plate-shaped heating element shown in FIGS. 1 to 4 can be manufactured, for example, as follows. That is,
The four methods described above use carbon fiber fabrics laminated in a pseudo-isotropic manner, unidirectionally aligned bodies, carbon fiber defibrated mats, chopped strand mats, swirl mats, and short carbon fibers. Either of these methods may be used to manufacture a thin C/C composite plate, and then cut it using, for example, a scroll saw to remove portions other than the current-carrying path. for example,
In the case of the heating element 1 shown in Fig. 1, C/C with a predetermined diameter and thickness
Manufacture a composite disk and pass it through the thread trowel
a, terminal lb.

■bを残して他の部分を切除して製作される。なお、第
1図、第2図に示したような円板状発熱体の製造におい
ては、炭素繊維として前述した円形織物ないし螺旋状円
形織物を使用することができる。
■It is manufactured by removing the other parts, leaving only part b. In the production of the disc-shaped heating element shown in FIGS. 1 and 2, the above-mentioned circular fabric or spiral circular fabric can be used as the carbon fiber.

また、第1図〜第3図に示したように通電バスの幅が狭
い発熱体の場合は、テープ状の一方向引揃え体を用いて
通電パスに相当する模様を形成し、それを焼成してもよ
い。
In addition, in the case of a heating element with a narrow current-carrying bus as shown in Figs. You may.

これらの発熱体は、発熱面に対し垂直な方向から透視し
たとき、どの部位においても炭素繊維が同じまたは実質
的に同じ配列模様を形成している。
When these heating elements are viewed from a direction perpendicular to the heating surface, the carbon fibers form the same or substantially the same arrangement pattern in all parts.

それゆえ、いずれの部位においても電気抵抗が同じまた
は実質的に同じであるため、発生するジュール熱はいず
れの部位においても同一または実質的に同一となり、そ
の結果、放熱による影響を考慮にいれなければ、発熱面
内における温度むらはなくなり、またはばらつきが小さ
くなる。
Therefore, since the electrical resistance is the same or substantially the same in all parts, the Joule heat generated will be the same or substantially the same in all parts, and as a result, the effect of heat radiation must be taken into account. For example, temperature unevenness within the heat generating surface is eliminated or reduced.

また、この発熱体はC/Cコンポジットであるため、そ
の機械的強度は大きく、薄形、細経、長尺の形状に加工
することもできる。
Furthermore, since this heating element is a C/C composite, its mechanical strength is high and it can be processed into thin, narrow, and elongated shapes.

第1図〜第4図に示したような発熱体は、たとえば、C
VD法によって基材表面に超電導薄膜を形成するような
場合に使用することができる。すなわち、各種組成の超
電導材料の薄膜を基材表面にCVD法によって成膜する
場合、成膜すべき材料の組成によっても異なるが、基材
の表面温度を800〜1000°C程度とし、かつ、表
面温度の面内ばらつきを±5’C以内に制御するという
操作が行なわれる。このとき、基材の表面温度を上記範
囲に設定するためには、用いる発熱体は最高1200’
c程度の温度に抵抗発熱させるということが必要で、し
かもCVD法であるがゆえに用いる反応性ガスによる侵
蝕への耐性を備えていることが必要であるからである。
The heating element shown in FIGS. 1 to 4 is, for example, C
It can be used when forming a superconducting thin film on the surface of a substrate by the VD method. That is, when forming thin films of superconducting materials of various compositions on the surface of a substrate by the CVD method, the surface temperature of the substrate is set at about 800 to 1000°C, although it varies depending on the composition of the material to be formed, and An operation is performed to control the in-plane variation in surface temperature to within ±5'C. At this time, in order to set the surface temperature of the base material within the above range, the heating element used must be heated to a maximum temperature of 1200'
This is because it is necessary to generate resistance heat to a temperature of about 300 m², and since it is a CVD method, it is necessary to have resistance to corrosion by the reactive gas used.

第5図〜第7図は、発熱面が円筒状曲面か、全体として
円筒状曲面をなし、管状炉の加熱手段に用いて有効な発
熱体を例示するものである。第5図は円筒状発熱体その
もので、第6図は筒の長手方向に分離スリットが形成さ
れ、このスリット位置でUターンしながら長手方向に伸
長していく通電パスを備える発熱体であり、また第7図
は、通電パスが螺旋状に長手方向に伸長する螺旋状発熱
体を示す。
FIGS. 5 to 7 illustrate examples of heating elements whose heating surfaces are cylindrical curved surfaces or which are cylindrical curved surfaces as a whole and are effective for use in heating means of tubular furnaces. Fig. 5 shows the cylindrical heating element itself, and Fig. 6 shows a heating element with a separation slit formed in the longitudinal direction of the cylinder and a current-carrying path extending in the longitudinal direction while making a U-turn at the slit position. Further, FIG. 7 shows a helical heating element in which the current-carrying path extends in the longitudinal direction in a spiral manner.

これらの発熱体の製造に当たっては、前述した炭素繊維
の織物、一方向引揃え体や、炭素繊維の解繊マット、チ
ロツブトストランドマット、スワールマットを巻回した
もの、または炭素繊維の編組を用いて円筒形のC/Cコ
ンポジットを製造し、第6図、第7図の発熱体の場合は
そのC/Cコンポジットに切削加工を施して、目的とす
る通電パスを形成する。炭素繊維と炭化可能物質との混
合物を円筒形状に成形し、C/Cコンポジット化した後
に切削加工を施してもよい。また、円筒形の発熱体の製
造に当たっては、その円筒成形時にはフィラメントワイ
ンディング法を適用することもできる。更に、第7図の
螺旋状発熱体の場合、テープ状の一方向引揃え体で螺旋
体を形成したのち、これを焼成して製造することもでき
る。
In manufacturing these heating elements, the above-mentioned carbon fiber fabrics, unidirectionally aligned bodies, carbon fiber defibrated mats, chirotube strand mats, swirl mats wound, or carbon fiber braids are used. In the case of the heating elements shown in FIGS. 6 and 7, the C/C composite is cut to form the desired current conduction path. A mixture of carbon fibers and a carbonizable substance may be formed into a cylindrical shape, formed into a C/C composite, and then subjected to cutting. Further, in manufacturing a cylindrical heating element, a filament winding method can be applied when forming the cylindrical heating element. Furthermore, in the case of the spiral heating element shown in FIG. 7, it is also possible to manufacture the spiral body by forming a spiral body using a tape-like unidirectionally aligned body and then firing the spiral body.

この場合も、第1図〜第4図に示した発熱体の場合と同
様に、発熱面に対し垂直な方向から透視したとき、どの
部位においても炭素繊維が同じまたは実質的に同じ配列
模様を形成している。それゆえ、いずれの部位において
も電気抵抗が同じまたは実質的に同じであるため、発生
するジュール熱はいずれの部位においても同一または実
質的に同一となり、その結果、放熱による影響を考慮に
いれなければ、発熱面内における温度むらはなくなり、
またはばらつきが小さくなる。
In this case, as in the case of the heating element shown in Figures 1 to 4, when viewed through from a direction perpendicular to the heating surface, the carbon fibers have the same or substantially the same arrangement pattern in all parts. is forming. Therefore, since the electrical resistance is the same or substantially the same in all parts, the Joule heat generated will be the same or substantially the same in all parts, and as a result, the effect of heat radiation must be taken into account. For example, temperature unevenness within the heating surface is eliminated,
Or the variation becomes smaller.

第8図〜第10図は、発熱面が円錐台状曲面になってい
て、上下方向で被加熱体の加熱の程度を変化せしめるに
有効な発熱体を例示するものである。第8図は全面が発
熱面であり、第9図は縦方向に上下端から交互にスリッ
トが形成され、通電パスは上下にジグザクと折曲する発
熱体であり、第10図は縦スリットを挟んで周方向のス
リットが交互に入り通電パスが側曲面に沿って折曲して
いる発熱体である。
FIGS. 8 to 10 illustrate a heating element whose heating surface is a truncated conical curved surface, which is effective for changing the degree of heating of a heated object in the vertical direction. In Figure 8, the entire surface is a heating surface, in Figure 9, slits are formed alternately from the top and bottom ends in the vertical direction, and the current-carrying path is a heating element that bends vertically in a zigzag manner, and in Figure 10, vertical slits are formed. It is a heating element in which slits in the circumferential direction are sandwiched alternately, and the current-carrying path is bent along the side curved surface.

第8図の発熱体は、炭素繊維の織物を絞り整形したもの
、発熱体の平面展開図に相当する形状に裁断した織物、
解繊マット、チ式ンブドストランド、スワールマット、
一方向引揃え体、短繊維と炭化可能物質との混合物(ブ
レンド法による)、またげそれらを適宜に組み合せた積
層品を用いてシリ造するτとができる。絞り整形に用い
る繊物としては、そのドレープ性が良好であることから
して朱子織の織物が好ましい。また、前述した円形織物
ないしは螺旋状円形織物はこの発熱体の繊維素材として
好適である。
The heating element in Figure 8 is a carbon fiber fabric drawn and shaped, a fabric cut into a shape corresponding to the planar development of the heating element,
Defibrated mat, Chimbudo strand, Swirl mat,
A unidirectionally aligned body, a mixture of short fibers and a carbonizable substance (using a blending method), and a laminate made by suitably combining them can be used to produce τ. As the textile used for drawing and shaping, satin-woven fabrics are preferred because of their good drapability. Furthermore, the aforementioned circular fabric or spiral circular fabric is suitable as the fiber material for this heating element.

第9図、第1O図の発熱体は、第8図の発熱体を切削加
工して製造すればよい。また、テープ状の一方向引揃え
体を用いて通電パス模様に相当する経路を有するグリー
ン成形体を造形しこれを焼成することによって製造する
こともできる。
The heating elements shown in FIGS. 9 and 10 may be manufactured by cutting the heating element shown in FIG. 8. Alternatively, it can be manufactured by molding a green molded body having a path corresponding to the energization path pattern using a tape-like unidirectional alignment body and firing the green molded body.

第11図は球体炉に組込むことができる発熱体の半部を
例示するもので、その発熱面は半球状曲面である。第1
2図は赤外線温度計測時の較正炉用の発熱体を例示する
もので、その発熱面は放物面状曲面を形成している。
FIG. 11 illustrates a half part of a heating element that can be incorporated into a spherical furnace, and its heating surface is a hemispherical curved surface. 1st
FIG. 2 shows an example of a heating element for a calibration furnace during infrared temperature measurement, and its heating surface forms a parabolic curved surface.

これらの発熱体も、第8図〜第1O図に示した円錐台状
曲面の発熱体の場合と同じように製造することができる
These heating elements can also be manufactured in the same manner as the heating elements having truncated conical surfaces shown in FIGS. 8 to 1O.

なお、本発明は上記実施例に限られるものではなく、各
種の変形が可能である。すなわち、C/Cコンポジット
は、炭素繊維の配列模様を変えることにより、電気抵抗
のみならず熱伝導率をも変化させることができるので、
本発明の発熱体の場合も、炭素繊維が所定の配列模様と
なるように設定することにより、発熱体からのジュール
発熱量を調整できるとともに、発熱体の熱伝導量を調整
することも可能になる。
Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible. In other words, C/C composites can change not only the electrical resistance but also the thermal conductivity by changing the arrangement pattern of carbon fibers.
In the case of the heating element of the present invention, by setting the carbon fibers in a predetermined arrangement pattern, it is possible to adjust the amount of Joule heat generated from the heating element, and it is also possible to adjust the amount of heat conduction of the heating element. Become.

(発明の効果) 以上の説明で明らかなように、本発明の炭素繊維/炭素
コンポジット製面発熱体は、その構成が、面または全体
として面状に形成され、かつ、発熱面内においてどの部
位をとってみても、その発熱面に対して垂直の方向から
透視した炭素繊維の配列模様が各部位間で同一であるか
、または実質的に同一であるようにしたので、その通電
バスすな2わち発熱面における電気抵抗はどの部位でも
同一または実質的に同一となり、発生するジュール熱も
また、各部位間で同一または実質的に同一になる。
(Effects of the Invention) As is clear from the above explanation, the carbon fiber/carbon composite surface heating element of the present invention has a structure that is formed into a surface or a planar shape as a whole, and which parts of the heating surface are The arrangement pattern of the carbon fibers seen from the direction perpendicular to the heating surface was made to be the same or substantially the same in each part, so the current-carrying bus or 2. The electrical resistance on the heat generating surface is the same or substantially the same at all locations, and the Joule heat generated is also the same or substantially the same at each location.

また、C/Cコンポジットはその機械的強度が太き(、
また黒鉛はど脆くないので加工が容易であり、発熱体を
薄くまたは細長くすることができる。しかも、破損等の
心配が少ない、その結果、発熱体としての全抵抗を大き
くすることができるため、通電負荷が小さ(ても必要な
高温度にまで発熱させることができる。そして通電負荷
が小さいので、発熱体自身はもちろん、電力供給の系、
電極の系、制御系をコンパクトにすることができる。
In addition, C/C composite has high mechanical strength (,
Furthermore, since graphite is not brittle, it is easy to process, and the heating element can be made thin or elongated. In addition, there is less worry about breakage, etc. As a result, the total resistance of the heating element can be increased, so even if the current load is small (even if the heat is generated to the required high temperature), the current load is small. Therefore, not only the heating element itself but also the power supply system,
The electrode system and control system can be made compact.

更に被加熱体の形状が複雑な場合でも、焼成前の段階、
すなわち、炭素繊維、マトリックスが柔軟性を有してい
る段階で発熱体の形状に整形することができ、またC/
Cコンポジットにしたのちであっても、その機械的強度
が大きく、またそれほど脆くないために破損の虞れなく
精密に加工することができる。
Furthermore, even if the shape of the object to be heated is complex, the stage before firing,
In other words, the carbon fibers and matrix can be shaped into the shape of the heating element when they are flexible, and C/
Even after it is made into a C composite, its mechanical strength is high and it is not very brittle, so it can be precisely processed without fear of breakage.

更に、C/Cコンポジットは、黒鉛に比べると熱伝導率
が大きいので、本発明の発熱体は、その使用時に大きな
昇温速度、すなわち早いたちあがりで運転を開始するこ
とができる。
Furthermore, since the C/C composite has a higher thermal conductivity than graphite, the heating element of the present invention can start operation at a higher temperature increase rate, that is, at a faster start-up when used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図〜第4回はいずれも本発明の発熱体を示す平面図
、第5図〜第12図は本発明のさらに別の発熱体を示す
斜視図、第13図は螺旋状円形織物の全体の平面図、第
14図と第15図はその一部拡大図、第16図はそれを
引き延ばした状態を示す見取図である。 1・・・発熱体、1a・・・通電バス、1b・・・ター
ミナル。 出願人  ハナワ熱電金属株式会社
Figures 1 to 4 are all plan views showing the heating element of the present invention, Figures 5 to 12 are perspective views showing still another heating element of the invention, and Figure 13 is a spiral circular woven fabric. The entire plan view, FIGS. 14 and 15 are partially enlarged views, and FIG. 16 is a sketch showing the expanded state. 1... Heating element, 1a... Energized bus, 1b... Terminal. Applicant: Hanawa Thermoelectric Metal Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 面または全体として面状に形成され、かつ、発熱面内に
おいてどの部位をとってみても、その発熱面に対して垂
直の方向から透視した炭素繊維の配列模様が各部位間で
同一であるか、または実質的に同一であることを特徴と
する炭素繊維/炭素コンポジット製面発熱体。
Is the arrangement pattern of carbon fibers formed in a plane or in a planar shape as a whole, and the arrangement pattern of carbon fibers when viewed from a direction perpendicular to the heat generation surface, no matter which part of the heat generation surface is taken, the same in each part? , or substantially the same carbon fiber/carbon composite surface heating element.
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