JPH04131206A - 炭素材料焼結用加圧加熱装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、たとえば電気二重層キャパシタ用の電極とし
て好適な、焼結炭素繊維薄板の製造のように、炭素材料
を焼結するためのプレスにおける加圧加熱装置に関する
。

［従来の技術］ 従来は、バインダーを使用しないで炭素繊維を焼結する
ことは困難であり、長時間加熱しながらプレスにより加
圧しても繊維間の結合による堅固な固体化を実現するこ
とは不可能であった。炭素粉末については、焼結が可能
であるとしても、焼結のために数十分から数時間にわた
り１０００℃前後の高温度と高圧力に維持する必要があ
り、製造コストが極めて高く、生産性に欠ける欠点があ
った。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、炭素繊維等の炭素材料を加圧し、かつ、加圧
するプレスダイを全面積にわたり平均的に急速に高温に
加熱して、バインダーを使用することなく、短時間に焼
結し、機械的強度が大きな焼結体を得ることを目的とす
る。

［課題を解決するための手段コ 上記課題を解決するために、本発明は、プレスダイの少
なくとも先端の一部分を被覆する、機械的強度に富み電
気抵抗を有する発熱体を設け、プレス装置の作動に連動
し、て、上記発熱体に電旅を供給する加熱用電源、所望
の時間電流供給を制御するための加熱制御装置、を備え
た炭素祠料焼結用加圧加熱電極を使用した焼結装置、を
備えている。

なお本発明で用いられる炭素材料は、粒状活性炭または
炭素繊維である。粒状活性炭としては、石油系、石炭系
、ヤシガラ系等が使用される。

活性炭素ｍ維としては、レー・〜ヨン系、ポリアクリロ
ニトリル（ＰＡＮ）系、フェノール樹脂系、石炭ピッチ
系、石油ビッヂ系など適宜選択り、て使用すればよく、
通常繊維１経が２　＝−３０μｍ程度、細孔直径が８〜
２ＯＡ程度の微細孔を有し、公称比表面積が５００−３
０００ｍ２／ｇ程度のものを便用するのが好ま１７い。

１゛作用゛ｌ 焼結−゛べき炭素繊維のような炭素月寧１を所定の形状
と厚みを構成するまうにプレスに装着し７．圧力を加え
ると川に、プレスダイの少なくとも先端部分に設けた電
気抵抗発熱体に通電して、圧力と品温の状態に短時間保
持した後、発熱体への通電を解除し、プレスの抑圧を解
除する。

［実施例コ 第１図は１本発明の−・実施例の原理を示す図である。

図において、１０は加圧加熱ｉ！、１１はプレスダイ、
１２は、プレスダイの少なくとも先端部分に設けた電気
抵抗発熱体、１３は加熱用電源、１４は加熱制御装置、
１５は、加熱電源用配線、１６は、必要に応じてブリ成
形した焼結すべき炭素繊維８１７は、炭素繊維の周囲の
成形用ル・−ム、　である。

以ドの実施例においＣは、焼結すべき炭素月利は炭素繊
維とし°Ｃ説明４″′るが、これに限られるものごはな
く、炭素粉末でも加工可能である。また、プレス作業に
際して、炭素材料を直接ダイに供給することもできるし
、予め前処理を行い、所要の量及び形状にブリ成形し２
【プレスに供給するとともできる。

焼結ｔべき炭素繊維は、Ｆ側のプレスダイの成形用フレ
・−ム内部に載置し、図示しないが通常のプレス作動装
置の操作にしたがって、炭素繊維を加圧するサイクルを
始動す”る。

このサイクルと連動して、加熱用電源１３から加熱制御
装置１４の制御により、加熱電源用〜３１３１５を経由
して電気抵抗発熱体１２に電力が加えられる。

第１図の実施例においては、４個の電気抵抗発熱体１２
ａないし１２　ｄが設けられており、変Ｂ’Ｊ器Ｔ　ｉ
の二次巻線が、変圧器Ｔ２及び“ｒ３の一次巻線の中点
に接続されているため、１２ａと１２ｂとの間、及び１
２ｅと１２ｄとの間に、それぞれ電圧ｅｌ＋ｅ２＋ｅ３
が印加される。この電圧は焼結すべき炭素繊維を横断す
る方向に電流を流し、発熱させる。この場合、ｅ２＝ｅ
３で、極性を１２ａと１２ｂで同極性とすると、面方向
の電流は、ｅ２どｅ３によるものが相殺され、ｅｌの大
きさにより実質的に電流値が決定される。

一方、電気抵抗発熱体１２ａ、と１２ａ％及び１２１〕
と１２ｃｉの間には、それぞれ変圧器Ｔ２及び’Ｔ　３
の二次巻線から、それぞれ２×ｏ２及び２×ｅ３（通常
は、ｅ　２＝　ｅ　３）の電圧が印加される。

ごれによっで、焼結すべき炭素繊維の厚さ方向に縦１１
ｆ　する方向に電流を流し、発熱させる。なお、ｅｌは
、２個の変「器の中点に接続１．であるため、厚ざ方向
の電流には寄与しない。

第１図の実施例においては、変圧器Ｔ１の一次巻線は１
１源に直結されるが、直列接続のＴ２及びＴ　３の一次
巻線は直列接続して電源に接続されている。この直列接
続する理由は、次の通りである。

焼結ｔべき炭素ａ維が極めて小面積の場合は、電流によ
る発熱は、はぼ均一となる。しかし１、本発明が目的と
している大面積の焼結体を製造する場合Ｌ′は、加熱の
際に、焼結すべき炭素繊維の平面内、及び厚み方向にお
いで、加熱温度が部分的に異なる問題がある。これは、
焼結すべき炭素繊維に電圧を印加した場合に、各部に流
れる電流が必ずしも均一ではないこと、プレスダイの間
における熱放散も、場所によって異なること、炭素材料
の負性抵抗に起因して、温度が高い部分の抵抗が低下し
て一層発熱が進行し、ホットスポットを生じること、等
の原因に基づいている。

この問題を解決するために加熱時間を長くして、炭素繊
維の内部まで均等に熱が伝達されるようにすることが考
えられるが、実際には、周辺からの熱の放散があり、加
熱時間を長くすることでは、問題は解決しない。また、
プレスダイに熱が伝達し、熱損失の発生及びプレスダイ
の強度低下を招く結果にもなるから、できるだけ短時間
に焼結すべき炭素繊維を平均的に加熱することが重要で
ある。

この点を考慮して、第２図の実施例では、Ｔ１からＴ３
までの３個の変圧器の一次巻線を全部直列に接続し、ホ
ットスポットが発生するような状態となっても、そのス
ポットがある側のブロックに供給される電力の増加を制
限し、他のブロックの電力の増加を促進し、加熱を平均
化する。

この炭素材料内の電流の流れは、第３図の抵抗回路網と
複数の電源からなる等価回路によって表現することがで
きる。第３図において、１．２．３及び４は、変圧器Ｔ
２及びＴ３からの電圧供給点である。ｒ３１ないしｒ３
４は、第１図及び第２図の電気抵抗発熱体１２ａないし
１２ｄの等価抵抗である。また、ｙａｌないしｒ　ａｎ
、　　及びｒｃｌないしｒＣｎは、炭素材料の面方向の
分布抵抗の等価抵抗、ｒｂＯないしｙｂｎは、炭素材料
の厚み方向の分布抵抗の等価抵抗を示す。ダイの外側部
分は、熱の放散が大きく、中央部分より温度の上昇が少
ない傾向があるため、外側部分の発熱が大きいように考
直する必要がある。

焼結すべき炭素繊維の各部分の抵抗を測定し、到達する
加熱温度と温度上昇時間から、印加すべき電源電圧を決
定することができる。しかし、炭素材料は負性抵抗特性
を持つことから、炭素材料の実際の温度を計測して、加
熱制御装置にフィードバックし、所要の加熱温度に制御
することが望ましい。

プレス装置のダイの間で予定の圧力で加圧されている炭
素材料は、電気抵抗発熱体１２からの電流により急速に
加熱され、例えば８００℃ないし１２００℃の温度に上
昇する。予定温度に到達したところで、焼結の最終工程
として圧力を増加し、焼結を完了する。

焼結時間は、焼結すべき炭素繊維の材料の性質、面積、
厚さによって異なるが、２秒〜６０秒程度の選択された
時間、この温度に保持される。また、焼結のために、最
高温度の期間中にプレスの加圧圧力を例えば２００　Ｋ
ｇ／　Ｃ／程度まで増加させ、焼結終了後に加熱は低減
される。上記の加圧圧力まで増加させることにより、焼
結炭素繊維の密度は大きくなるが、この値を超えて圧力
を増大させても、ある範囲では密度の増加は緩やかにな
る。

従って、実用上は上記の圧力が好ましい。さらに圧力を
高めた場合には、密度は高まるが、焼結状態にある炭素
繊維が破壊されて、むしろ機械的強度が劣化することが
ある。

所定の加圧、加熱が終了すると、加熱制御装置１４は加
熱用電源の印加を停止し、所定の冷却時間後プレス工程
を解除する。これらの工程は、予めプログラムを作成し
て自動的に制御することができる。

第４図は、第１図及び第２図に示す実施例における電気
抵抗発熱体１２ａと１２ｃ１及び１２ｂと１２ｄの間に
、一対のダイのプレス面を被覆するように電気抵抗発熱
体１２ｅと１２ｆを一体に設けた実施例である。先の実
施例では、炭素材料の抵抗によって流れる電流が定まり
、抵抗が高い材料の場合には、かなり高い電圧を加えな
いと所定の電流が流れず、従って加熱時間も長くなる。

しかし、第４図の実施例によれば、電気抵抗発熱体１２
ｅと１２ｆの抵抗値を低くすることにより、炭素材料の
抵抗が高い場合でも、十分大きい加熱電流を電気抵抗発
熱体１２ｅと１２１に流し、急速に高温度に到達するこ
とが可能となる。

電気抵抗発熱体１２ｅと１２ｆは、それ自体が高温度に
加熱され、かつブ１．・・ス時の高いＩ：Ｅ　力が加わ
るから、耐熱性及び機械的応力に酊λる材料を選択する
必要がある。−例では、グラファイト、あるいは＝フゲ
ルクロム合金を挙げることができる。

第５図は、少なくとも−・方の電気抵抗発熱体１２を小
面積の多数のブロック（実施例では１２１〜１２４の４
個）に分割し、（：、それぞれのブ１コック毎に設けた
変圧器の２次巻線の一端を各プロ・ツクに接続し、２次
巻線の他端は共通に接続１５．”ｃ鏡結すべき炭素材料
に電流を供給した実施例である。

各変圧器の一次巻線ば、直列に接続して電力を供給しで
いる。

この実施例では、炭素材料の一部が高温になって、通常
であれば、ホットスポットが発生ずるような状態となっ
ても、−次巻線側がＵ列接続となっでいるため、供給さ
れる電力の増加が制限され、他のブロックの電力の増加
を促進し、加熱が平均化される。この接続方法は、自動
的な熱の平衡を実現するもので、装にの構成と制御手段
も酸１潔υある。しかシ１、各ブ１ｉｉｉｉｉｉ　、７
りが担当する焼結夛べき炭素）、（別の加熱電流と加熱
ｒＩλ度を個別１．コ計測１２、加熱電流を制御する・
”６とも可能であるから、炭素材料、の面積が大きい場
Ｃには、加Ｊ品質を碇保プるために各／ロック毎に加熱
温＋１ｔ：　１１１１定装置とその計測結果に応じた加
熱電流の制御を行う制御装置を設け、炭素材料の全面積
にわたっで最適な加熱温度に制御する。

電気抵抗発熱体を小面積の多数のゾしノックに分割ｌ、
また構造は、ブラソフイトのような電気抵１ｊＣ発熱体
用材料の小さな１位ブＬｌｌツクを、耐熱性及び絶縁性
（またはｔ絶Ｒ例）を自する薄板を挟んで〜体に構成し
て実現できる。−・体にするためには、耐熱性接對剤に
よる接着、あるいは緊締バンドによる機械的な固着手段
を採用できる。

他の方法としては、第６図（ａ）＆。：ｙｆ：ずように
、グラファイトのような電気抵抗発熱体用材料のブロッ
ク６１を準備し、中位ブロックとなる部分の周囲に、ド
リルによる孔６２を設け、この部分の導電性を低）させ
で、実質的に独）シした炭素材料に沿ったブロックを形
成する。第６図（Ｉ））は、同様にドリルによる孔６２
を設けて、縦方向にブロックを分割したものである。分
割した各ブロックは、相互に完全に絶縁される必要はな
く、特定のブｏ９りに渡すに流が実質的に独立し、て制
御り゛ることが可能であればよい。

第７図に示す実施例は、ブロック７１に幅が狭い溝？２
を設けて他のブロックと切り離し、各ブロックに電極７
３を取り付ける。各ブＩ’ｌツクは、相互に完全に絶縁
する必要はなく、各ブロック間の漏洩１［流があっても
、実用上無視できれば、［」的を達成できる。

上記第６図または第７図の実施例においては、ブロック
に設けた孔または溝は、ブロックの強度を保つため絶縁
物または高抵抗の材料で埋めておくことが望ましい。一
つの方法は、材料の粉末を接着剤で混綜し、孔または溝
に充填して熱処理を加えることである。

孔明けや溝切りに代え′Ｃ１第８図のように、グラファ
イトのような電気抵抗発熱体用材料の太きなブリックを
製造する際にＳ　高抵抗の材料の薄い層８２でブロック
を区画するように積層する。′とも可能である。予め成
形１８．たグラファイトの小ブロック８１を高ｌ琢抗の
材料の薄い層８２に接着し、さらに小ブトコックを＠着
する工程を繰り返し、各ブロックに電極８３を設ける。

他の製法として、グラフ１イトのブロック部分の材料を
型に充填し７、次に高抵抗の材料の薄い層を構成する材
料を被着させ、さらにブロック部分の材料を型に充填す
るという操作を繰り返して、高抵抗材料により分離した
グラファイトのブロックを構成し、圧縮、焼成し′Ｃ大
きなブロックを製造する。

第９図は、第１図に図示する成形用フレーム１７ｋｉよ
り焼結タベき炭素材料の周囲を加熱しで、特に熱の放散
が大きい周辺部の加熱を補助する装置を示す１、 加熱手段としでは、第９図（ａ）に示すように成形用フ
レーム８１自体を、グラファイトあるいは導電性セラミ
ックのような電気抵抗体で構成し、その一部９４を絶縁
して導電線９２を接続し、プレス時の加熱の時に低電圧
大電流の電源９３から電力を供給して加熱電流を流す方
法がある。

同図の（ｂ）は、耐熱、絶縁性の成形用フレーム９５内
に発熱用電気抵抗線９８を埋め込んで、プレスの際に加
熱する例、また同図（Ｃ）は誘導加熱用巻線９７を埋め
込んで、これに高周波電流を流すことにより焼結すべき
炭素繊維の周囲のみを加熱する例である。

［発明の効果］ 焼結すべき炭素繊維を所定の形状と厚みを構成するよう
にプリ成形した後、プレスに装着し、圧力を加えると共
に、プレスダイの少なくとも先端部分に設けた電気抵抗
発熱体に通電して、高温の状態に短時間保持した後焼結
のための大きな圧力を加えて、バインダーを使用するこ
となく秒単位の短い加工時間で焼結することができるか
ら、極めて生産性がよく、製造コストも低摩となる効果
がある。

また、全面積で平均的な加熱となるように加熱すること
により、均質な焼結体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の原理を示す図、第２図は
、本発明の他の実施例の原理を示す図、第３図は、抵抗
回路網と複数の電源からなる等価回路、 第４図は、第ｉｓ及び１１１２図に示す実施例における
電気抵抗発熱体の間に、一対のダイのプレス面を被覆す
るように電気抵抗発熱体１２ｅと１２ｆを一体に設けた
実施例を示す図、 第Ｓ図は、少なくとも一方の電気抵抗発熱体を小面積の
多数のブロックに分割して、それぞれのブロック毎に設
けた変圧器の２次巻線を接続し、−次巻線を直列に接続
して電力を供給した実施例を示す図、 第８図は、グラファイトのような電気抵抗発熱体用材料
のブロックを準備し、単位ブロックとなる部分の周囲に
、ドリルによる孔あけによって、他のブロックと切り離
した実施例を示す図、第７図は、グラフディトのような
電気抵抗発熱体用材料のブロックを、溝切りによって他
のブロックと切り離した実施例を示す図、 第８図は、グラフディトのような電気抵抗発熱体用材料
のダイブロックを製造する際に、高抵抗の材料の簿い層
で複数の小ブロックに区画するように積層プレスダイの
少なくとも先端部分に設けた電気抵抗発熱体への給電方
法を説明する図、第９図は、第１図に図示する成形用フ
レーム１７により焼結すべき炭素材料の周囲を加熱して
、特に熱の放散が大きい周辺部の加熱を補助する装置を
示す図、である。 １７＃　０ ６２・　・ ６３、７ ７２・　・ ８１　・　・ ８２・　０ ８３目 θ１　・　− ８３番　・ ８４・　・ ９５１１　・ ８７０壷 ・炭素繊維の周囲の成形用フレーム、 ・ドリル孔、 ３・・・給電用電極、 拳溝、 ・グラフ１イトの小ブロック、 ・高抵抗の材料の薄い層、 ・電極、 ０成形用フレーム、 ・電源、 ・絶縁部、 ・絶縁性成形用フレーム、 ・発熱用電気抵抗線、 ・誘導加熱用巻線、 １３・　・ １４　・　・ １５・　壷 １６・拳 ・加圧加熱装置、１１・・ Φ電気抵抗発熱体、 ・は加熱用電源、 ・加熱制御装置、 ・加熱電源用配線、 ・ブリ成形した焼結すべき炭素繊維、 令プレスダイ、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．プレスダイの少なくとも先端の一部分を被覆する、
   機械的強度に富み電気抵抗を有する発熱体を設け、プレ
   ス装置の作動に連動して、上記発熱体に電流を供給する
   加熱用電源、所望の時間電流供給を制御するための加熱
   制御装置、を備えた炭素材料焼結用加圧加熱装置。
2. ２．プレスダイの先端部分を被覆する、機械的強度に富
   み電気抵抗を有する発熱体を設け、この発熱体は、相互
   に実質的に絶縁された小ブロックの集合から構成され、
   プレス装置の作動に連動して、上記発熱体の個々のブロ
   ックに、相互に独立した電流を供給する加熱用電源、所
   望の時間電流供給を制御するための加熱制御装置、を備
   えた炭素材料焼結用加圧加熱装置。