JPH02114483A - 発熱体の導電接続部材 - 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） 本発明は発熱体と電極との間に介在せしめられて発熱体
に電流を供給する導電接続部材に関し、さらに詳しくは
、機械的強度が大きく、耐熱性、耐食性が優れていて、
抵抗率の低い炭素繊維／炭素コンポジット（以下、Ｃ／
Ｃコンポジットという）から成る導電接続部材に関する
。

（従来の技術） 電流の供給を受けて発熱するいわゆる発熱装置において
は、電源の電極と発熱装置の間が電気的に接続される。

たとえば、発熱体を機能させるためには、この発熱体と
電源の間をブスバーや端子などの導電接続部材で接続し
、電源から所定値の電流を通電して発熱体を抵抗発熱さ
せる。この場合、導電接続部材での実質的な電力損失を
低減させるために、−例として、導電接続部材は、発熱
体よりも低電流密度に形成されたり、または低抵抗率の
材料で構成される。

ところで、発熱体としては、ニクロムや、Ｗ。

Ｍｏのような高融点金属や、炭素材または黒鉛材等の各
種材料のものが使用されているが、最近、Ｃ／Ｃコンポ
ジットを発熱体として使用する試みがなされている。

このＣ／Ｃコンポジットは、マトリクスが炭素（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
複合材料で、軽量、耐熱性、耐食性を備えるとともに、
極めて大きな機械的強度を有している。それゆえ、この
Ｃ／Ｃコンポジフトの発熱体の場合、発熱体の大型化が
可能であり、しかも薄形、細径にしても損壊する心配が
少ないので、複雑で精密な形状に加工できるという利点
を有している。また、全体が炭素または黒鉛で構成され
ているため、金属質発熱体のように高温下における形状
変化がほとんどなく、また腐食雰囲気下においても使用
することができる。

このようなＣ／Ｃコンポジット発熱体と電源との間の接
続は、概ね次のようにして行なわれている。すなわち、
Ｃ／Ｃコンポジット発熱体の端子部と電源から引き出さ
れている電極とを直接に接続するか、または、両者の間
に、銅やステンレス鋼のような金属の導体や炭素または
黒鉛材を橋絡して接続するという方法である。この場合
、上記導体や炭素または黒鉛材が導電接続部材となって
いる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、前記したＣ／Ｃコンポジット発熱体と電源電
極を金属導体を導電接続部材として接続した場合には、
金属導体の熱伝導によって導電接続部材が高温になり、
接触しているＣ／Ｃコンポジットの作用で金属導体が炭
化するという問題が生ずる。このときに生成する金属炭
化物は一般に導電性が悪い、しかもその強度が小さいた
め、導電接続部材は脆性となって損壊するという事態に
まで発展することがある。このような事態にまで進行し
ない場合であっても、導電接続部材とＣ／Ｃコンポジッ
ト発熱体の端子部や電極との接触界面における密着性が
悪くなって、接触抵抗は増大し一層の異常発熱を招くよ
うになる。

また、導電接続部材を炭素または黒鉛材で形成する場合
、これら材料はその機械的強度が小さいために、形状を
大型化して接続部材としての機械的強度を保持すること
が必要になる。しかしながら、導電接続部材の形状を大
型化することは、その導電接続部材の熱容量が大きくな
ることであり、その結果、Ｃ／Ｃコンポジット発熱体か
ら導電接続部材への熱吸収が進行して発熱体の温度低下
を招き、発熱体の温度分布が期待通りに設定できなくな
る。この問題を解決しようとすると、導電接続部材によ
る熱吸収を無視し得る程度に発熱体を発熱させざるを得
す、そのため、発熱体の形状を従来にまして大型化する
ことが必要になる。その二七は、複雑形状の発熱体を構
成するこ２が困難になるということをも意味する。

本発明は、上記したような諸問題を有効に解決すること
ができる、発熱体の導電接続部材の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明においては、発
熱体と電極との間に介在される、Ｃ／Ｃコンポジットか
ら成ることを特徴とする、発熱体の導電接続部材が提供
される。

その形状は、板状体、棒状または線状体、−様な形状体
、一部分が異形になっている状態など任意であってよく
、その形状は発熱体の態様等によって適宜決められる。

本発明の導電接続部材は次のような方法で製造すること
ができる。

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て板状体に成形した後、
成形体を切削加工したり、または必要回数巻回して棒状
体若しくは線状体にして所望の導電接続部材の形状に成
形する。

つぎに、得られた成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導電接続部材を得る。し
かしながら、ここで得られたＣ／Ｃコンポジットは多孔
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。

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目的とする導電接続
部材の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。

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導電接続部
材の形状とし、これを１０００〜２０００°Ｃ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、導電接続部材にする方法である。

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、
導電接続部材の形状に成形したのちこれを焼成する。

以上説明した第１〜第４の方法においては、あらかじめ
導電接続部材の形状に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導電接続部材
の形状にすることもできる。

これらの方法に用いられる炭素繊維としては次のような
形態のものがあげられる。

第１に織物である。織物は平織物、綾織物、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。

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、導電接続部材の形状、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導
電接続部材の場合には、ドレープ性に優れた朱子織物の
使用も好ましい。

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る。

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る。

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
。

第５は筒状［１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。

第６は、一方向に互いに並行に、かつテープ状またはシ
ート状に引き揃えた、連続繊維の一方向引揃え体である
。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用脂や、ピッチ
などが含浸されている。一方向性プリプレグと呼ばれる
ものである。

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導電接続部材の製造時に使用さ
れる。

なお、上記解繊マット、チョツプドスラントマント、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。

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、導電接続部材の眉間
剥離強度や眉間剪断強度、衝撃強度等が向上するように
なるので好適である。

本発明の導電接続部材は、−例として、その抵抗率がで
きるだけ低くなるように製造される。たとえば、Ｃ／Ｃ
コンポジットの発熱体に接続されるときの導電接続部材
である場合、従来知られているＣ／Ｃコンポジット発熱
体の抵抗率が３Ｘ１０−”〜ｌＸｌ０−３Ω・１程度で
あることから、その抵抗率は上記Ｃ／Ｃコンポジットの
抵抗率よりも低くする。

Ｃ／Ｃコンポジットの抵抗率を低くするためには、まず
用いる炭素繊維用の原料繊維の種類と、原料繊維を炭素
繊維にするときの焼成温度が大きな因子として作用する
。

ここで、各種炭素繊維の炭素化温度と抵抗率との関係を
第４図に示す０図において、−〇−印は原料繊維がレー
ヨン系の場合、−ロー印は通常のピッチから製造したピ
ッチ系の繊維、−〇−印はメソフェーズピッチから製造
したピッチ系の繊維、そして−Δ−印は原料繊維がＰＡ
Ｎ系である場合を、それぞれ示している。

図から明らかなように、たとえば、メソフェーズを原料
とするピッチ系の炭素繊維は、炭化するときの焼成温度
（図中の炭素化温度）が同一であれば、とくに高温域に
おいては、ＰＡＮ系やレーヨン系の炭素繊維よりもその
抵抗率が低くなる。

また、同一の原料繊維の場合、その焼成温度が高温域に
移行するほど、黒鉛化の度合が進んで、その抵抗率は低
くなる。

それゆえ、上記関係から、適切な炭素繊維を選定し、あ
るいは別種の炭素繊維を混ぜることにより、全体として
低抵抗率のＣ／Ｃコンポジットを製造することができる
。

Ｃ／Ｃコンポジシトの低抵抗率化にとっての因子は、つ
ぎに、Ｃ／Ｃコンポジット内の炭素繊維の存在形態であ
る。一般に、炭素繊維が連続した状態でマトリクス中に
分散している場合の方がＣ／Ｃコンポジットの抵抗率は
低（なる、とくに、通電方向に炭素繊維が連続し、かつ
その軸方向が揃っている状態が好適である。

たとえば、同一原料、同一焼成温度の炭素繊維を用いＣ
／Ｃコンポジット中の体積含有率（ｖｆ：％）が同一で
ある場合、前記した炭素繊維の形態においては、抵抗率
を低くできる順に、一方向引揃え体、筒状編組、織物、
スワールマット、チッップドストランドマット、解繊マ
ット、アスペクト比の小さい短繊維となる。

Ｃ／Ｃコンポジットの低抵抗率化のための第３の因子は
、上記したＶｆ値である。その１例を第５図に示す。

図は、炭素繊維がＰＡＮ系のクロス（平織、商品名二東
しく株）製の“トレカ°゛クロスＣ０６３４３）である
プリプレグを積層して成りマトリクスがフェノール樹脂
の炭化物である、焼成温度１０００°ＣのＣ／Ｃコンポ
ジットにおいて、積層方向と直交する方向に測定したと
きの抵抗率とＶｆとの関係図である。

図から明らかなように、Ｖｆが増加するにつれて抵抗率
も低下する。

第４の因子は用いるマトリクス炭素の種類である。すな
わち、Ｃ／Ｃコンポジットのマトリクス炭素の黒鉛化度
が高ければ高いほどそのＣ／Ｃコンポジットは低抵抗率
となる。焼成温度を同一としたとき、樹脂を炭化して得
られた炭素、ピッチを炭化したときの炭素、ＣＶＤによ
るマトリクス炭の順に抵抗率を低くすることができる。

Ｃ／Ｃコンポジットの低抵抗率化のための第５の因子は
、Ｃ／Ｃコンポジットの嵩密度（ｇ／ｃｊ）の調整であ
る。第６図にその１例を示す０図は、第２図に示したＣ
／Ｃコンポジットのうち７１２６５％のものにつき、そ
の嵩密度と抵抗率の関係を示す図である０図から明らか
なように、嵩密度が高くなればなるほど、Ｃ／Ｃコンポ
ジットの抵抗率は低くなっていく。

第６の因子は、Ｃ／Ｃコンポジット化時における焼成温
度である。その１例を第７図に示す。

図は、第３図において嵩密度が１．６ｇ／ｃ＋１となる
ようにし、Ｃ／Ｃコンポジット化のときの焼成温度を変
化させた場合において、得られたＣ／Ｃコンポジットの
抵抗率と焼成温度との関係図である０図から明らかなよ
うに、Ｃ／Ｃコンポジットの抵抗率は焼成温度が２００
０　”Ｃ以上になると急激に低下する。

このようなことがら、本発明の導電接続部材は上記した
各因子を適宜に組合せることにより、目的とする抵抗率
のＣ／Ｃコンポジシトとして製造することができる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図は、籠型形状をしたＣ／Ｃコンポジット発熱体と
Ｃｕ電極とを本発明の導電接続部材で接続する場合の分
解斜視図である。

図において、電型の発熱体ｌはＣ／Ｃコンポジットで構
成されており、その端子部１ａ、ｌａが足状に引出され
てそこには透孔１ｂ、ｌｂが形成さている０発熱体は、
東し■製炭素繊維“トレヵ”クロスＣ０６３４３とフェ
ノール樹脂とがら成るＢステージのプリプレグを積層し
て成る積層体を成形し２５００’Ｃテ焼成し、嵩密度１
．　６　ｇ／ｄ、　Ｖ　ｆ　６５％で、抵抗率が１．５
Ｘ１０−’Ω・ｃ１１ノｃ／ｃコンポジットから構成さ
れている。

導電接続部材２はその両端に透孔２ａ、　２ｂが形成さ
れている短棚状の板で、Ｃ／Ｃコンポジットから成る。

この場合のＣ／Ｃコンポジットは、炭素繊維が東し株製
炭素繊維“トレカ”クロスＣ０６３４３で、マトリクス
がフェノール樹脂であるプリプレグを積層して成る積層
体を成形し２８００°Ｃで焼成し、嵩密度１．６５　ｇ
／ｃｄ、　Ｖ　ｒ　６５％、抵抗率が１．　ｌＸｌ０−
’Ω・ｃｍのものである。

接続に際しては、発熱体１の端子部透孔１ｂと導電接続
部材２の透孔２ａを重ね合わせ、ここに炭素質、たとえ
ばカーボン類のポル）３ａを嵌挿し同しく炭素質部のナ
ツト３ｂで緊締する。導電接続部材２の他方の透孔２ｂ
をＣｕ電極４の透孔４ａと重ね合わせ、両送孔に、押え
板４ｂを介してたとえばＭｏ製のボルト５ａを嵌挿しこ
れをナンド５ｂで緊締する。

この状態でＣｕ電極４から２０Ｖ、６０Ａを通電したと
ころ、発熱体１は１０００°Ｃに昇温して所定の温度分
布を示し、熱効率の向上が認められた。

第２図は他の実施例を示す分解斜視図である。

図において発熱体２１．２２はいずれもＣ／Ｃコンポジ
ットから成り、それぞれの両端には端子部２１ａ、２１
ｂ、２２ａが形成されている板状体である。そして各端
子部にはそれぞれ透孔２１ｃ。

２１ｄ、２２Ｃが形成されている。

導電接続部材２３は口字形をし両端に透孔２３ａ。

２３ｂが形成されている板状のＣ／Ｃコンポジットであ
る。このＣ／Ｃコンポジットの抵抗率は発熱体のそれよ
りも低い。

発熱体２１の端子部２１ｂの透孔２１ｄと発熱体２２の
端子部２２ａの透孔２２ｃには、導電接続部材２３の各
透孔２３ａ、２３ｂが重ね合わされ、それぞれにたとえ
ば炭素質部のボルト２４ａ。

２４ｂを嵌挿し、これらボルトを同じく炭素質部のナツ
ト２４ｃ、２４ｄで緊締することにより、２枚の発熱体
２１と２２が導電接続部材２３によって接続される。

また、発熱体２１の他の端子部２４ａには、同じく別形
状の導電接続部材２３°がポル）２５ａとナツト２５ｂ
によって接続される。このように、各発熱体の端子部を
導電接続部材を介在させて順次接続していくことにより
、たとえば四面体の発熱装置や六面体の発熱装置を形成
することができる。

第３図はさらに他の実施例の導電接続部材を示す斜視図
である。図における導電接続部材は、２枚のＣ／Ｃコン
ポジット３１，３２を絶縁体３３を介在させて一体化し
た複合タイプのものである。

このタイプの導電接続部材の場合、絶縁体３３が介在し
ていることによって、各Ｃ／Ｃコンポジット３１，３２
にそれぞれ別個の発熱体を接続して各発熱体に対しそれ
ぞれ独立した温度制御をすることが可能になる。

なお、以上の説明においては、導電接続部材の断面積を
発熱体のそれと略同等程度に示したが、本発明はこのよ
うな態様に限定されるものではなく、たとえば、導電接
続部材の断面積を発熱体の断面積よりも大きく設定する
ことにより、導電接続部材における抵抗値を実質的に低
下させることができる。このことにより、導電接続部材
の抵抗率を発熱体のそれよりも低く設定することは必ず
しも必要ではなくなり、しかも、導電接続部材に発熱体
を支える機械的支持作用をもたせることもできるように
なる。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の導電接続部材は
低抵抗率で機械的強度が大きいＣ／Ｃコンポジットで構
成されているので、まず、薄形。

小型にすることができる。そのため、省スペースに寄与
し、発熱体に使用した場合、装置を全体に小型化するこ
とができるようになる。また、導電接続部材を細くする
ことができるので、その熱容１は小さくなり発熱体から
の熱伝導損失が抑制され、発熱体の熱効率を向上せしめ
る。さらに、形状の小型化が可能であるということから
、発熱体相互の結合を容易にし、複数の発熱体を組合せ
た構造が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の導電接続部材を用いた発熱体と電極と
の接続部の分解斜視図、第２図は発熱体同士の接続部の
分解斜視図、第３図は導電接続部材の他の実施例の斜視
図、第４図は各種原料繊維における炭素化温度と抵抗率
との関係図、第５図はＣ／ＣコンボジフトにおけるＶｆ
と抵抗率との関係図、第６図はＣ／Ｃコンポジフトにお
ける嵩密度と抵抗率との関係図、第７図はＣ／Ｃコンポ
ジット化のときの焼成温度と得られたＣ／Ｃコンポジッ
トの抵抗率との関係図である。 １．２１．２２・・・Ｃ／Ｃコンポジット発熱体、ｌａ
、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、−・・発熱体の端子部、ｌ
ｂ、２ａ、２ｂ、４ａ、２１ｃ、２１ｄ。 ２２ｃ　　２３ａ、２３ｂ−・・透孔、２．２３．２３
゜３１　３２・　Ｃ／Ｃコンポジット、３ａ、５ａ。 ２４ａ、２４ｂ、２５ａ・−ボルト、３ｂ、５ｂ。 ２４ｃ、２４ｄ、２５ｂ・・・ナツト、３３−・・絶縁
体。 出願人　　ハナワ熱電金属株式会社 出願人　　東　し　株　式　会　社 代理人　　弁理士　　長　門　侃　二 第２図 第３図 第４図 しづチ：−１まイと２）ｉ（°ｃン 第５図 Ｖｆ （’／、） 第６図 かさ回演 （９／ａｍ３） １丁目１番１号 東し株式会社滋賀事業

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発熱体と電極との間に介在される、炭素繊維／炭素コン
   ポジットから成ることを特徴とする、発熱体の導電接続
   部材。