JPH11354257A - Carbon heating element and manufacture thereof - Google Patents

Carbon heating element and manufacture thereof

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JPH11354257A
JPH11354257A JP16011098A JP16011098A JPH11354257A JP H11354257 A JPH11354257 A JP H11354257A JP 16011098 A JP16011098 A JP 16011098A JP 16011098 A JP16011098 A JP 16011098A JP H11354257 A JPH11354257 A JP H11354257A
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heating element
carbon
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graphite
carbon heating
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Toshimitsu Kurumisawa
利光 胡桃沢
Tadami Suzuki
忠視 鈴木
Shuzo Tokumitsu
修三 徳滿
Yasunori Kaneko
康典 金子
Yasuhisa Mori
泰久 森
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a heating element suitable for a cooking appliance for domestic use and a space heater by uniformly mixing graphite carbon, a resin material with high carbon remainder yield after baking and ceramics whose specific resistance is a specified value or more and molding and working the mixture into a hollow body shape. SOLUTION: Graphite powder is used, and as binder, thermosetting resin monomer in which carbon remainder yield after baking is almost 100% and a coefficient of contraction at the time of baking is small or initial polymer is used. As ceramics, it is desirable that boron nitride which is excellent in moldability by uniformly mixing graphite and binder, is excellent in mold release property and has high specific resistance of 10<14> to 10<15> μΩ.cm up to the vicinity of 2200 deg.C in inactive atmosphere is used. It is desirable that binder is blended by 45 to 50 pts.wt. for 5 to 50 pts.wt. of graphite powder and boron nitride is blended by 25 to 50 pts.wt. for 50 pts.wt. of graphite powder. After sufficient drying is performed after the mixing and extrusion molding, a precursor treatment is performed at 800 deg.C or more in inactive gas and a carbonizing baking treatment is performed at 1200 deg.C or more in vacuum.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素発熱体の構造
と製造方法に関するものである。
The present invention relates to a structure and a method for manufacturing a carbon heating element.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭素材料は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食
性に優れ、かつ熱の放射率があらゆる材料で最も高く、
また融点が3800℃と非常に高いため、発熱体に非常
に適しているものである。従って、特に半導体製造装置
の高温電気炉用の発熱体として実用されているものであ
る。
2. Description of the Related Art Carbon materials are excellent in heat resistance, thermal shock resistance and corrosion resistance, and have the highest heat emissivity among all materials.
Further, since it has a very high melting point of 3800 ° C., it is very suitable for a heating element. Therefore, it is particularly used as a heating element for a high-temperature electric furnace of a semiconductor manufacturing apparatus.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】前記従来の構成の発熱
体は、家庭用の調理機器用の発熱体や暖房器用の発熱体
としては実用が困難であるという課題を有している。
The heating element of the above-mentioned conventional construction has a problem that it is difficult to use it as a heating element for home cooking appliances or a heating element for a heater.

【0004】つまり、固有抵抗が1500〜2000μ
Ω・cmと小さいため、必要な発熱量を得るためには発熱
体を太くかつ長くしなければならないものである。すな
わち、半導体製造用の高温電気炉用発熱体の消費電力は
50kW程度であり、これに使用している発熱体を家庭
用の調理機器用の発熱体や暖房器用の発熱体に適してい
る100V−500Wで30cm程度のものに適用した
場合には、線径が0.6mm程度となるものである。こ
の場合、ワット密度は86W/cm2と非常に大きくなっ
て、発熱体の温度は約1730℃に達するものである。
つまり、焼成温度を超えるものである。このため非常に
断線しやすく、実用には適さないものとなる。また前記
断線に至るほどの温度には達しない場合であっても、固
有抵抗が非常に低下して消費電力が増加するものであ
る。
That is, the specific resistance is 1500 to 2000 μm.
Since it is as small as Ω · cm, the heating element must be thick and long in order to obtain a required heat generation amount. That is, the power consumption of the heating element for a high-temperature electric furnace for manufacturing a semiconductor is about 50 kW, and the heating element used for the heating element is 100 V suitable for a heating element for a home cooking appliance and a heating element for a heater. When applied to a device of about 30 cm at -500 W, the wire diameter becomes about 0.6 mm. In this case, the watt density is as large as 86 W / cm 2, and the temperature of the heating element reaches about 1730 ° C.
That is, it exceeds the firing temperature. For this reason, it is very easy to disconnect and becomes unsuitable for practical use. Also, even when the temperature does not reach such a level as to cause the disconnection, the specific resistance is greatly reduced and the power consumption is increased.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、中空体とした
炭素発熱体として、断面積を小さくして電気抵抗を大き
くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した発熱体
としているものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a hollow carbon heating element having a reduced cross-sectional area and a high electrical resistance, and suitable for household cooking appliances and heaters. Things.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】請求項1に記載した発明は、中空
体とした炭素発熱体として、断面積を小さくして電気抵
抗を大きくでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適し
た炭素発熱体としているものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION According to the first aspect of the present invention, there is provided a carbon heating element having a hollow body, which can reduce the cross-sectional area and increase the electric resistance, and is suitable for household cooking appliances and heaters. It is a heating element.

【0007】請求項2に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
を均一に混練して、中空体状に成形加工して、電気抵抗
を大きくでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した
炭素発熱体としているものである。
[0007] The invention described in claim 2 is characterized in that graphite carbon,
A resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic material having a specific resistance of 10 13 μΩ · cm or more are uniformly kneaded and formed into a hollow body to increase the electric resistance. And a carbon heating element suitable for home cooking appliances and heaters.

【0008】請求項3に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
を均一に混練して、中空体状に成形加工し、得られた成
形体を不活性ガス雰囲気中で昇温加熱する前駆体処理を
実行し、その後前記前駆体の処理温度よりもさらに高温
で真空中で炭化焼成して、樹脂材料が高抵抗率を示すガ
ラス状炭素に変化し、全体として電気抵抗を大きくで
き、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体
の製造方法としているものである。
[0008] The invention described in claim 3 is characterized in that graphite carbon,
A resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic having a specific resistance of 10 13 μΩ · cm or more are uniformly kneaded and formed into a hollow body. Precursor processing is performed in which the temperature is increased and heated in an inert gas atmosphere, and then carbonized and baked in vacuum at a temperature higher than the processing temperature of the precursor, whereby the resin material changes to glassy carbon exhibiting high resistivity. In addition, the method can produce a carbon heating element suitable for household cooking appliances and heaters because the electric resistance can be increased as a whole.

【0009】請求項4に記載した発明は、樹脂材料を、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択するようにして、電気抵抗が大き
く、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体
としているものである。
According to a fourth aspect of the present invention, the resin material is
The carbon heating element is selected from a compound group consisting of a polymerizable thermosetting resin monomer or a low polymer and has a high electric resistance and is suitable for household cooking appliances and heaters.

【0010】請求項5に記載した発明は、樹脂材料を、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択するようにして、黒鉛と相溶性が
良く材料の分散状態が均一で、電気抵抗を大きく、家庭
用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体の製造方
法としているものである。
According to a fifth aspect of the present invention, the resin material is
By selecting from the group of compounds consisting of monomers or low polymers of polymerizable thermosetting resins, it has good compatibility with graphite, uniform dispersion of the material, high electric resistance, and can be used for household cooking appliances and This is a method for producing a carbon heating element suitable for a heater.

【0011】請求項6に記載した発明は、樹脂材料とし
て、フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化
性樹脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合
物として、中空体に成形するときの成型性が良く、製造
の容易な炭素発熱体としている。
[0011] The invention described in claim 6 is a method for molding a hollow material into a monomer or prepolymer selected from the group consisting of a furan-based resin, a phenol-based resin, and a thermosetting resin as a resin material. And a carbon heating element that is easy to manufacture.

【0012】請求項7に記載した発明は、樹脂材料とし
て、フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化
性樹脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合
物として、中空体に成形するときの成型性が良く、製造
の容易な炭素発熱体の製造方法としている。
[0012] The invention as set forth in claim 7 is characterized in that, as the resin material, a monomer selected from a group of compounds of a furan-based resin, a phenol-based resin or a thermosetting resin or an initial polymerized product is formed into a hollow body. And a method of manufacturing a carbon heating element which is easy to manufacture.

【0013】請求項8に記載した発明は、樹脂材料とし
て窒化ホウ素を使用して、中空体に成形するときの成型
性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造の容易な炭素発
熱体としている。
[0013] The invention described in claim 8 is a carbon heating element which has good moldability when molding into a hollow body using boron nitride as a resin material, has an easy resistance value adjustment, and is easy to manufacture. I have.

【0014】請求項9に記載した発明は、樹脂材料とし
て窒化ホウ素を使用して、中空体に成形するときの成型
性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造の容易な炭素発
熱体の製造方法としている。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a carbon heating element having good moldability when molding into a hollow body using boron nitride as a resin material, easy adjustment of a resistance value, and easy production. Manufacturing method.

【0015】請求項10に記載した発明は、前駆体の処
理の後、少なくとも前記前駆体の処理温度以上の温度
で、かつ発熱体としての発熱温度以上の温度で、かつ真
空中で炭化焼成を実行するようにして、不純物を除去で
き、かつ長期使用によっても特性の劣化の少ない炭素発
熱体の製造方法としているものである。
According to a tenth aspect of the present invention, after the treatment of the precursor, the carbonization firing is performed in a vacuum at a temperature at least equal to the processing temperature of the precursor and at a temperature equal to or higher than the exothermic temperature of the heating element. By implementing the method, a method of manufacturing a carbon heating element capable of removing impurities and having less deterioration in characteristics even after long-term use is provided.

【0016】請求項11に記載した発明は、前駆体の処
理は不活性ガス雰囲気中で少なくとも800℃以上の温
度で実施するようにして、成型性が良く、しかも固有抵
抗を高くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した
炭素発熱体の製造方法としているものである。
According to the eleventh aspect of the present invention, the treatment of the precursor is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of at least 800 ° C., so that the moldability is good and the specific resistance can be increased. And a method for producing a carbon heating element suitable for cooking appliances and heaters.

【0017】請求項12に記載した発明は、炭化焼成温
度を1200℃以上として、長期使用によっても電気特
性の安定した炭素発熱体の製造方法としている。
The invention described in claim 12 is a method for producing a carbon heating element in which the carbonization firing temperature is set to 1200 ° C. or higher and the electric characteristics are stable even after long-term use.

【0018】[0018]

【実施例】以下本発明の実施例について説明する。一般
に炭素は、構造がガラス状である無定形のものから六方
晶の結晶構造をもつものまで高範囲な中間構造をとるこ
とが知られている。当然のことながら、電気抵抗率はガ
ラス状の化合物ほど大きく、結晶性が高くなるほど小さ
くなる。
Embodiments of the present invention will be described below. In general, it is known that carbon has an intermediate structure in a wide range from a glassy amorphous structure to a hexagonal crystal structure. As a matter of course, the electrical resistivity is higher for a glassy compound, and is lower for higher crystallinity.

【0019】本実施例では、主成分である黒鉛炭素とし
て黒鉛粉末を使用しており、黒鉛炭素を粘結する粘結剤
として、焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%で、焼成
時の収縮率の小さい熱硬化性樹脂を使用している。黒鉛
は約3800℃近くまで構造的に安定であり、焼成時の
温度や使用時の温度に対して安定なものである。また前
記粘結剤としては、発明者らが種々検討した結果、フル
フリルアルコール樹脂、フルフリルアルコール/フルフ
ラール共重合樹脂、フルフラール/フェノール共重合樹
脂などのフラン系樹脂、レゾール系、ノボラックなどの
フェノール系樹脂、キシレン樹脂、トルエン樹脂などの
熱硬化性樹脂化合物群より選択したモノマーまたは初期
重合物が適していることが判明した。つまり前記樹脂群
は、黒鉛との相溶性が非常によく成型時に黒鉛が十分に
成型体中に均一に分散するのである。このときの配合比
は、黒鉛粉末1〜80重量部に対して、粘結剤を99〜
20重量部とし、好ましくは黒鉛粉末5〜50重量部に
対して粘結剤を95〜50重量部の範囲とするものであ
る。以上の構成とすることによって、炭素粉末と粘結剤
とが強固に結合して、炭化焼成後に高い機械的強度を示
すものとなる。
In this embodiment, graphite powder is used as graphite carbon as a main component, and as a binder for binding graphite carbon, the yield of carbon residue after firing is almost 100%. A thermosetting resin with a small shrinkage is used. Graphite is structurally stable up to about 3800 ° C., and is stable to the temperature during firing and the temperature during use. As the binder, as a result of various studies by the inventors, furfuryl alcohol resins, furfuryl alcohol / furfural copolymer resins, furfural resins such as furfural / phenol copolymer resins, phenols such as resol type and novolak, etc. It has been found that monomers or prepolymers selected from the group of thermosetting resin compounds such as resin series, xylene resin and toluene resin are suitable. That is, the resin group has very good compatibility with graphite, and the graphite is sufficiently dispersed uniformly in the molded body during molding. The mixing ratio at this time is 99 to 99 parts by weight of the graphite powder with respect to 1 to 80 parts by weight of the binder.
20 parts by weight, preferably 5 to 50 parts by weight of graphite powder and 95 to 50 parts by weight of binder. With the above configuration, the carbon powder and the binder are firmly bonded to each other, and exhibit high mechanical strength after carbonization and firing.

【0020】以下本実施例の発熱体の製造方法について
説明する。前記黒鉛粉末と粘結剤とをミキサー等を使用
して混練して均一に分散させ、3本ロールミル等を使用
して、剪断力を加えてそれらを十分に相溶・結着させ
て、黒鉛粉末の1次粒子表面に有機物質を物理化学的に
結合させる。これを出発原料として、成形後熱処理をし
て発熱体としているものである。
Hereinafter, a method of manufacturing the heating element according to the present embodiment will be described. The graphite powder and the binder are kneaded and uniformly dispersed using a mixer or the like, and a shearing force is applied using a three-roll mill or the like to sufficiently dissolve and bind them, thereby obtaining graphite. An organic substance is physicochemically bonded to the surface of the primary particles of the powder. Using this as a starting material, heat treatment is performed after molding to form a heating element.

【0021】しかしこの状態では、得られた抵抗体の電
気抵抗率が低く、またプランジャー等による押出し成型
時に離型性が極めて悪いものである。このため、所定の
形状の炭素棒を得ることができないものである。
However, in this state, the obtained resistor has a low electric resistivity and has extremely poor releasability during extrusion molding with a plunger or the like. For this reason, a carbon rod having a predetermined shape cannot be obtained.

【0022】このため発明者らは種々検討した結果、前
記出発原料にセラミックスを加えると、所定の抵抗率を
有し、しかも成型性の良い抵抗体を成型できることを見
いだしているものである。前記セラミックスとしては、
黒鉛および粘結剤と均等に混ざり合って成型性がよく、
押し出し成形時の摩擦抵抗が小さく離型性に優れてい
て、かつ不活性雰囲気中では2200℃付近までは10
14〜1015μΩ・cmの高い固有抵抗を有している窒化ホ
ウ素が最も適しているものである。
Therefore, as a result of various studies, the present inventors have found that, when ceramics are added to the starting material, a resistor having a predetermined resistivity and good moldability can be molded. As the ceramics,
Mixes evenly with graphite and binder and has good moldability.
Low frictional resistance during extrusion molding, excellent mold release properties, and 10 ° C up to around 2200 ° C in an inert atmosphere.
Boron nitride, which has a high specific resistance of 14 to 10 15 μΩ · cm, is the most suitable.

【0023】窒化ホウ素の熱伝導率は、ステンレス鋼と
ほぼ同等の20〜30W/(m・K)である。また、窒
化ホウ素は黒鉛と構造が極めてよく類似した物質であ
る。黒鉛は六方晶系に属し、結晶の格子定数は、a=
2.4704Å、c=6.7244Åである。一方、窒化
ホウ素は同じ六方晶系に属し、a=2.5044Å,c
=6.6562Åである。黒鉛に対する格子定数のミス
マッチΔaは0.034Åであり、1.4%に過ぎない
ものである。また同様にミスマッチΔcは−0.068
2Åで、−1.0%に過ぎないものである。つまり、成
型時においては黒鉛と同等と見なせるものである。一般
に離型剤として使用される代表的な物質である二硫化モ
リブデンは、600℃以上では酸化・分解しやすく、本
実施例には使用できないものである。つまり摩擦係数が
急激に大きくなるものである。それに対して窒化ホウ素
は、1000℃付近まで摩擦抵抗が0.2付近で一定で
あり賦形性と離型性に富むものである。
The thermal conductivity of boron nitride is 20 to 30 W / (m · K) which is almost equal to that of stainless steel. Boron nitride is a substance whose structure is very similar to graphite. Graphite belongs to the hexagonal system, and the lattice constant of the crystal is a =
2.4704 ° and c = 6.7244 °. On the other hand, boron nitride belongs to the same hexagonal system, a = 2.5044 °, c
= 6.6562 °. The lattice constant mismatch Δa with respect to graphite is 0.034 °, which is only 1.4%. Similarly, the mismatch Δc is −0.068.
2%, which is only -1.0%. That is, at the time of molding, it can be regarded as equivalent to graphite. Molybdenum disulfide, which is a typical substance generally used as a mold release agent, is easily oxidized and decomposed at 600 ° C. or higher, and cannot be used in this embodiment. That is, the coefficient of friction rapidly increases. On the other hand, boron nitride has a constant frictional resistance around 0.2 up to around 1000 ° C., and is rich in shape-forming properties and releasability.

【0024】また抵抗体として極めて重要な固有抵抗
は、黒鉛単体では1500〜2000μΩ・cmであり、
発熱体というよりも導電体に近い性質のものである。一
方、窒化ホウ素は不活性雰囲気中では2200℃付近ま
で1014〜1015μΩ・cmの高い固有抵抗をもち、絶縁
体の範疇に属するものである。発明者らが種々検討した
結果、発熱体の太さを直径で約1mmとし、発熱体の全長
を290mmとして固有抵抗が10000〜18000μ
Ω・cmの物質をつくるには、黒鉛を100重量部とする
と、窒化ホウ素を50〜100重量部とすればよいこと
がわかった。
An extremely important specific resistance as a resistor is 1500 to 2000 μΩ · cm for graphite alone.
It has a property closer to a conductor than a heating element. On the other hand, boron nitride has a high specific resistance of 10 14 to 10 15 μΩ · cm up to around 2200 ° C. in an inert atmosphere and belongs to the category of insulator. As a result of various studies by the inventors, the thickness of the heating element was set to about 1 mm in diameter, the total length of the heating element was set to 290 mm, and the specific resistance was 10,000 to 18000 μm.
It has been found that a material of Ω · cm can be formed by setting graphite to 100 parts by weight and boron nitride to 50 to 100 parts by weight.

【0025】また、発熱体としては立ち上がりが速く均
一に発熱する熱伝導率の高い材料が望まれるが、窒化ホ
ウ素は、前記したようにセラミックスとしては異例なス
テンレス鋼とほぼ同等の20〜30W/(m・K)の熱
伝導率を有しているものであり、理想的な配合材料であ
る。
As the heating element, a material having a high thermal conductivity that quickly rises and uniformly generates heat is desired. However, as described above, boron nitride is 20 to 30 W / cm, which is almost the same as stainless steel, which is unusual for ceramics. It has a thermal conductivity of (m · K) and is an ideal compounding material.

【0026】要約すると、窒化ホウ素を本発熱体の原料
とすることにより、所望の高電気抵抗率がその配合比を
変えるのみで自由に設計できること、材料の混練時に黒
鉛と同じ振る舞いをするので、離型性が非常に良くなる
ものである。
In summary, by using boron nitride as a raw material of the present heating element, a desired high electric resistivity can be freely designed only by changing the compounding ratio, and the same behavior as graphite at the time of material kneading can be obtained. The releasability is extremely improved.

【0027】以上のように本実施例の炭素発熱体は、出
発原料として、黒鉛粉末を1〜80重量部に対して、粘
結剤を99〜20重量部、好ましくは黒鉛粉末5〜50
重量部に対して、粘結剤を45〜50重量部とするもの
である。さらに、窒化ホウ素は、黒鉛粉末5重量部に対
して2.5重量部から5重量、黒鉛粉末50重量部に対
して25重量部から50重量部を配合するものである。
このとき、窒化ホウ素の配合量は、増量すれば電気抵抗
を大きくできるものである。
As described above, in the carbon heating element of this embodiment, 99 to 20 parts by weight of a binder and preferably 5 to 50 parts by weight of a binder,
The binder is 45 to 50 parts by weight based on parts by weight. Further, boron nitride is used in an amount of 2.5 to 5 parts by weight with respect to 5 parts by weight of graphite powder, and 25 to 50 parts by weight with respect to 50 parts by weight of graphite powder.
At this time, the electrical resistance can be increased by increasing the compounding amount of boron nitride.

【0028】また粘結剤としては、フルフリルアルコー
ル樹脂、フルフリルアルコール/フルフラール共重合樹
脂、フルフラール/フェノール共重合樹脂などのフラン
系樹脂、レゾール系、ノボラックなどのフェノール系樹
脂、キシレン樹脂、トルエン樹脂などの熱硬化性樹脂化
合物群より選択したモノマーまたは初期重合物を少なく
とも1種類以上を含む化合物を使用するものである。こ
れらをミキサーによって十分混練し、得られた混練物を
ロールミルを用いて剪断力を加えつつ、黒鉛と窒化ホウ
素と有機物質とを物理化学的に結着させる。次いで、シ
ート状に成形した後、プランジャーにより中空体に押し
出し成型するものである。本実施例では、直径が0.8
〜2mmのパイプ状に押し出し成型している。この際、加
えた黒鉛と窒化ホウ素とは離型剤として作用し、所定の
中空形状の炭素棒を精度よく形成できるものである。な
お、中空体の肉厚は適宜調整することができ、所望の電
気抵抗率を有する抵抗体を得ることができるものであ
る。
Examples of the binder include furfuryl alcohol resins, furfuryl alcohol / furfural copolymer resins, furan resins such as furfural / phenol copolymer resins, phenol resins such as resole and novolak, xylene resins, and toluene. A compound containing at least one or more monomers or prepolymers selected from a thermosetting resin compound group such as a resin is used. These are sufficiently kneaded by a mixer, and the obtained kneaded material is subjected to physicochemical bonding between graphite, boron nitride and an organic substance while applying a shearing force using a roll mill. Next, after forming into a sheet shape, it is extruded into a hollow body by a plunger. In this embodiment, the diameter is 0.8.
Extruded into a pipe shape of ~ 2mm. At this time, the added graphite and boron nitride act as a release agent, and can accurately form a predetermined hollow carbon rod. Note that the thickness of the hollow body can be appropriately adjusted, and a resistor having a desired electric resistivity can be obtained.

【0029】こうして得られた中空成型体を適当な長さ
に裁断した後、空気オーブン中で5〜10℃/時間の昇
温速度でゆっくり乾燥させながら、180℃でに1時間
保温して、液体分を完全に乾燥させる。次いで、横型管
状炉により、窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガス雰
囲気中で5℃/時間の昇温速度で300℃まで昇温す
る。この後、800℃以上好ましくは1000℃に達す
るまで20℃/時間の昇温速度で昇温して、この状態で
3時間保温する。つまり、前記した前駆体の処理温度以
上で、かつこの後、炉内で放冷して、仮焼成すなわち前
駆体処理を完了する。
After the hollow molded body thus obtained was cut into a suitable length, it was kept at 180 ° C. for 1 hour while being slowly dried at a rate of 5 to 10 ° C./hour in an air oven. Allow the liquid to dry completely. Then, the temperature is raised to 300 ° C. at a rate of 5 ° C./hour in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon by a horizontal tubular furnace. Thereafter, the temperature is raised at a rate of 20 ° C./hour until the temperature reaches 800 ° C. or more, preferably 1000 ° C., and the temperature is kept for 3 hours in this state. That is, the precursor is cooled at a temperature equal to or higher than the processing temperature of the precursor and thereafter in a furnace to complete the calcination, that is, the precursor processing.

【0030】こうして、完成した前駆体を本焼成する。
本焼成の目的は、大きく分けて2つある。第一番目は、
不純物を除去することである。第二番目は、実際の発熱
体としての使用温度よりも高い温度で熱処理をしておく
ことによって、長期の実使用によっても構造変化が生じ
ず、一定の抵抗値すなわち消費電力量を一定に維持でき
るようにすることである。
Thus, the completed precursor is fully fired.
The purpose of the main firing is roughly divided into two. The first is
It is to remove impurities. Second, by performing heat treatment at a temperature higher than the actual use temperature of the heating element, structural changes do not occur even after long-term actual use, and a constant resistance value, that is, a constant power consumption, is maintained. Is to be able to do it.

【0031】発明者らの調査では、黒鉛とりわけ天然黒
鉛を材料として用いた場合には、大なり小なりミネラル
成分が混入しているものである。これらの不純物には、
Si,Fe,Ca,Al,Kなどがある。これらが含ま
れている場合は、十分に精製した黒鉛に比べて炭素の酸
化開始温度が約100℃も低下して活性になり、炭素の
発熱体としては甚だ不適当である。また、このような発
熱体を石英管に封入した場合には、使用時に1000℃
以上に達したときには、Kなどはガラスの失透現象をも
たらし、石英管の機械的強度を甚だ損なうものである。
According to the investigation by the inventors, when graphite, particularly natural graphite, is used as a material, a greater or lesser amount of a mineral component is mixed. These impurities include:
There are Si, Fe, Ca, Al, K and the like. When these are contained, the oxidation start temperature of carbon is lowered by about 100 ° C. as compared with fully purified graphite, and the carbon becomes active, and is extremely unsuitable as a carbon heating element. When such a heating element is sealed in a quartz tube, the temperature of the heating element is 1000 ° C.
When the temperature reaches the above, K causes devitrification of the glass and significantly impairs the mechanical strength of the quartz tube.

【0032】以上述べた理由によって、前記不純物は徹
底的に除去する必要がある。このため本実施例では、炭
化焼成の条件を、前駆体の処理温度よりも高温であると
同時に、実際に発熱体として使う時の炭素棒の発熱温度
よりも高温で、かつ減圧真空下で行うようにしているも
のである。具体的には1200℃以上の温度としている
ものである。このため、不純物は除去できるものであ
る。
For the reasons described above, the impurities need to be thoroughly removed. For this reason, in this embodiment, the carbonization firing conditions are performed at a temperature higher than the processing temperature of the precursor, at a temperature higher than the heat generation temperature of the carbon rod when actually used as a heating element, and under reduced pressure vacuum. That's what we do. Specifically, the temperature is 1200 ° C. or higher. Therefore, impurities can be removed.

【0033】またこの焼成温度とすることによって、発
熱体として使用したときの特性が非常に安定するもので
ある。すなわち、前駆体処理で生じたガラス状炭素が結
晶へと次第に構造変化して行くことを防止できるもので
ある。図1は、炭化焼成温度と体積抵抗率との関係を示
す特性図である。この図から判るように、炭化焼成温度
を前駆体の処理温度よりも高温で、かつ実使用温度より
も高温とした場合には、体積抵抗率の変化は非常に小さ
いものとなる。
By setting the firing temperature, the characteristics when used as a heating element are very stable. That is, it is possible to prevent the glassy carbon generated by the precursor treatment from gradually changing its structure into a crystal. FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the carbonization firing temperature and the volume resistivity. As can be seen from this figure, when the carbonization firing temperature is higher than the processing temperature of the precursor and higher than the actual use temperature, the change in the volume resistivity is very small.

【0034】炭化焼成温度を1500〜1600℃と
し、減圧真空下(10-3Torr)で炭化焼成を実行し
た場合には、発熱体として適当な固有抵抗である100
00〜18000μΩ・cmの発熱体が得られた。
When the carbonization firing temperature is set to 1500 to 1600 ° C. and the carbonization firing is performed under reduced pressure vacuum (10 −3 Torr), the specific resistance suitable for the heating element is 100%.
A heating element of 00 to 18000 μΩ · cm was obtained.

【0035】表1に、1600℃で不活性ガス雰囲気で
熱処理した場合と1600℃で真空下(10-3Tor
r)で熱処理した場合の炭素発熱体の組成分析の結果を
示している。いずれも同温度で3時間保温しているもの
である。この分析データから判るように、減圧真空下で
は余分な不純物がほぼ除去されることが証明できる。
Table 1 shows that the heat treatment was carried out at 1600 ° C. in an inert gas atmosphere and that the heat treatment was carried out at 1600 ° C. under vacuum (10 −3 Torr).
The result of the composition analysis of the carbon heating element when the heat treatment is performed in r) is shown. All are kept at the same temperature for 3 hours. As can be seen from the analysis data, it can be proved that the excess impurities are almost completely removed under reduced pressure vacuum.

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】また、固有抵抗を18000μΩ・cm、発
熱体の直径を1mm、発熱体の全長を290mmとした時
に、丸棒と中空成型体との電気抵抗率の比較を表2に示
している。このとき中空成形体の肉厚は、0.1mmと0.
2mmに設定している。
Table 2 shows a comparison of the electrical resistivity between the round bar and the hollow molded body when the specific resistance is 18000 μΩ · cm, the diameter of the heating element is 1 mm, and the total length of the heating element is 290 mm. At this time, the thickness of the hollow molded body was 0.1 mm and 0.1 mm.
It is set to 2mm.

【0038】[0038]

【表2】 [Table 2]

【0039】またこの場合の電気抵抗率は、数1によっ
て計算することができる。 電気抵抗率(Ω)=固有抵抗×発熱体の全長/断面積 (数1) 例えば、肉厚を0.1mmとすると、丸棒に比べて、電気
抵抗率を2.8倍に大きくすることができる。また、自
明なことであるが、肉厚をさらに薄くすることにより、
電気抵抗率をさらに大きくすることができる。かくし
て、中空体状の成型体としてその肉厚を調整することに
より、任意の電気抵抗率の発熱体を製造することができ
る。
The electric resistivity in this case can be calculated by the following equation (1). Electric resistivity (Ω) = specific resistance × total length of heating element / cross-sectional area (Equation 1) For example, when the wall thickness is 0.1 mm, the electric resistivity is 2.8 times larger than a round bar. Can be. Also, it is obvious that by further reducing the wall thickness,
The electric resistivity can be further increased. Thus, a heating element having an arbitrary electric resistivity can be manufactured by adjusting the thickness of the hollow molded article.

【0040】次に、本実施例によって製造した中空成形
体を炭素発熱体として完成させたものについて、発熱体
としての特性のチェックを実行した結果を説明する。実
験に使用したサンプルは、前記中空成形体を適当な太さ
の石英管に入れ、真空に排気した後、瞬間的に1400
℃で加熱して保管中に付着した不純物を除去し、この後
にアルゴンガスを600Torr封入して作成してい
る。この発熱体の特性は、固有抵抗が18000μΩ・
cm、発熱体の直径は1.2mm、肉厚は0.1mm、発熱長は
280mmのもので、100V−380Wで発熱温度が1
200℃であった。このサンプルについて100Vで2
分通電−2分休止のサイクル試験を行ったところ、通電
時間で8760時間(1年相当)で断線することなく、
また消費電力量の変化も初期に比べて10%以内の耐久
性が高い発熱体を得ることができた。
Next, the results of checking the characteristics as a heating element of a hollow molded article manufactured according to the present embodiment as a carbon heating element will be described. The sample used in the experiment was placed in a quartz tube having an appropriate thickness, evacuated to vacuum, and then instantaneously 1400
C. to remove impurities adhering during the storage, followed by filling with argon gas at 600 Torr. The characteristic of this heating element is that the specific resistance is 18000 μΩ
cm, the diameter of the heating element is 1.2 mm, the wall thickness is 0.1 mm, the heating length is 280 mm, and the heating temperature is 100 V-380 W.
200 ° C. 2 at 100V for this sample
When a cycle test was carried out with a two-minute rest and a two minute pause, there was no disconnection in 8760 hours (equivalent to one year) in the conduction time,
In addition, a heating element having high durability with a change in power consumption of 10% or less as compared with the initial stage could be obtained.

【0041】また、炭素発熱体は放射率が0.8と大き
いため、電子レンジオーブンのように庫内が大きい調理
器の発熱体に適しているものである。例えば、本発熱体
を電子レンジオーブンに組み込んだ場合、同じ消費電力
量でトーストを焼いた場合、従来6分かかっていたもの
が、半分の3分で調理できるものである。このため、本
実施例の炭素発熱体を使用した場合には、大幅なエネル
ギーの節約になるものである。また、電気暖房器の発熱
体として用いた場合、発熱体から10cm離れた場所を
室温に比べて35℃上昇させるためには、当発熱体の消
費電力が167Wであるのに対して、従来のヒータ例え
ばNi−Crを発熱体とした石英管ヒータでは186W
を必要とした。つまり本実施例の発熱体を使用した場合
には、約10%の消費電力の節約ができるものである。
Further, since the carbon heating element has a large emissivity of 0.8, it is suitable for a heating element of a cooking device having a large interior such as a microwave oven. For example, when the present heating element is incorporated in a microwave oven, and when toasting is baked with the same power consumption, it can be cooked in half 3 minutes instead of 6 minutes in the past. For this reason, when the carbon heating element of this embodiment is used, significant energy savings can be achieved. Further, when used as a heating element of an electric heater, in order to raise a place 10 cm away from the heating element by 35 ° C. as compared with room temperature, the power consumption of the heating element is 167 W, whereas the power consumption of the conventional heating element is 167 W. 186 W for a heater such as a quartz tube heater using Ni-Cr as a heating element
Needed. That is, when the heating element of this embodiment is used, power consumption can be reduced by about 10%.

【0042】[0042]

【発明の効果】請求項1に記載した発明は、中空状に成
型した構成として、断面積を小さくして電気抵抗を大き
くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発
熱体を実現できるものである。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a carbon heating element which can be formed into a hollow shape and has a small cross-sectional area and a high electric resistance, and is suitable for household cooking appliances and heaters. It can be realized.

【0043】請求項2に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
から成る中空状に成型した構成として、電気抵抗を大き
くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発
熱体を実現できるものである。
The invention according to claim 2 is characterized in that graphite carbon and
The electric resistance can be increased as a hollow configuration made of a resin material with a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic with a specific resistance of 10 13 μΩ · cm or more. It is possible to realize a carbon heating element suitable for a heater or a heater.

【0044】請求項3に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
を均一に混練して、中空体状に成形加工し、得られた成
形体を不活性ガス雰囲気中で昇温加熱する前駆体処理を
実行し、その後前記前駆体処理の温度よりさらに高温で
真空中で炭化焼成するようにして、樹脂材料が高抵抗率
を示すガラス状炭素に変化し、全体として電気抵抗を大
きくでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素
発熱体の製造方法を実現するものである。
[0044] The invention described in claim 3 is characterized in that graphite carbon,
A resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic having a specific resistance of 10 13 μΩ · cm or more are uniformly kneaded and formed into a hollow body. Perform a precursor treatment of heating and heating in an inert gas atmosphere, and then perform carbonization and firing in vacuum at a temperature higher than the temperature of the precursor treatment, so that the resin material becomes glassy carbon having a high resistivity. Accordingly, the present invention realizes a method for manufacturing a carbon heating element suitable for household cooking appliances and heaters, which can change the electric resistance as a whole.

【0045】請求項4に記載した発明は、樹脂材料は、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択した構成として、電気抵抗が大き
く、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体
を実現するものである。
According to a fourth aspect of the present invention, the resin material comprises:
As a configuration selected from a compound group consisting of a monomer or a low polymer of a polymerizable thermosetting resin, a carbon heating element having high electric resistance and suitable for home cooking appliances and heaters is realized.

【0046】請求項5に記載した発明は、樹脂材料は、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択するようにして、家庭用の調理機
器用や暖房器用に適した炭素発熱体の製造方法を実現す
るものである。
According to a fifth aspect of the present invention, the resin material comprises:
By selecting from a group of compounds consisting of a polymerizable thermosetting resin monomer or a low polymer, a method for producing a carbon heating element suitable for home cooking appliances and heaters is realized.

【0047】請求項6に記載した発明は、樹脂材料は、
フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化性樹
脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合物と
した構成として、中空体に成形するときの成型性が良
く、製造の容易な炭素発熱体を実現するものである。
According to a sixth aspect of the present invention, the resin material comprises:
As a composition of monomers or prepolymers selected from the compound group of furan-based resin, phenol-based resin, or thermosetting resin, it has good moldability when molded into a hollow body, and realizes an easy-to-manufacture carbon heating element. Things.

【0048】請求項7に記載した発明は、樹脂材料は、
フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化性樹
脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合物と
して、中空体に成形するときの成型性が良く、製造の容
易な炭素発熱体の製造方法を実現するものである。
According to a seventh aspect of the present invention, the resin material comprises:
As a monomer or prepolymer selected from a group of compounds of a furan-based resin, a phenol-based resin, or a thermosetting resin, the moldability when molding into a hollow body is good, and a method for manufacturing a carbon heating element that is easy to produce is realized. Things.

【0049】請求項8に記載した発明は、樹脂材料とし
て窒化ホウ素を使用した構成として、中空体に成形する
ときの成型性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造の容
易な炭素発熱体を実現するものである。
The carbon heating element according to the eighth aspect of the present invention has a structure in which boron nitride is used as the resin material, has good moldability when molded into a hollow body, easily adjusts the resistance value, and is easy to manufacture. Is realized.

【0050】請求項9に記載した発明は、樹脂材料とし
て窒化ホウ素を使用するようにして、中空体に成形する
ときの成型性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造の容
易な炭素発熱体の製造方法を実現するものである。
According to the ninth aspect of the present invention, there is provided a carbon heat generating apparatus which uses boron nitride as a resin material, has good moldability when molded into a hollow body, easily adjusts a resistance value, and is easily manufactured. It is intended to realize a body manufacturing method.

【0051】請求項10に記載した発明は、前駆体の処
理の後、少なくとも前記前駆体の処理温度以上の温度
で、かつ発熱体としての発熱温度以上の温度で、かつ真
空中で炭化焼成するようにして、不純物を除去でき、か
つ長期使用によっても特性の劣化の少ない炭素発熱体の
製造方法を実現するものである。
According to a tenth aspect of the present invention, after the treatment of the precursor, carbonization and firing are performed at a temperature at least equal to or higher than the processing temperature of the precursor and at a temperature equal to or higher than the exothermic temperature of the heating element. Thus, a method of manufacturing a carbon heating element capable of removing impurities and having less deterioration in characteristics even after long-term use is realized.

【0052】請求項11に記載した発明は、前駆体の処
理は不活性ガス雰囲気中で少なくとも800℃以上の温
度で実施するようにして、成型性が良く、しかも固有抵
抗を高くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した
炭素発熱体の製造方法を実現するものである。
According to the eleventh aspect of the present invention, the treatment of the precursor is carried out in an inert gas atmosphere at a temperature of at least 800 ° C., so that the moldability is good and the specific resistance can be increased. And a method for producing a carbon heating element suitable for a cooking appliance or a heater.

【0053】請求項12に記載した発明は、炭化焼成温
度を1200℃以上として、長期使用によっても電気特
性の安定した炭素発熱体の製造方法を実現するものであ
る。
The twelfth aspect of the present invention realizes a method for producing a carbon heating element having stable electric characteristics even after long-term use by setting the carbonization firing temperature to 1200 ° C. or higher.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例である炭素発熱体の温度と抵抗
値との関係を示す特性図
FIG. 1 is a characteristic diagram showing a relationship between temperature and resistance of a carbon heating element according to an embodiment of the present invention.

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成11年8月2日[Submission date] August 2, 1999

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【書類名】 明細書[Document Name] Statement

【発明の名称】 炭素発熱体とその製造方法Patent application title: Carbon heating element and method for producing the same

【特許請求の範囲】[Claims]

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素発熱体の構造
と製造方法に関するものである。
The present invention relates to a structure and a method for manufacturing a carbon heating element.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭素材料は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食
性に優れ、かつ熱の放射率があらゆる材料で最も高く、
また融点が3800℃と非常に高いため、発熱体に非常
に適しているものである。従って、特に半導体製造装置
の高温電気炉用の発熱体として実用されているものであ
る。
2. Description of the Related Art Carbon materials are excellent in heat resistance, thermal shock resistance and corrosion resistance, and have the highest heat emissivity among all materials.
Further, since it has a very high melting point of 3800 ° C., it is very suitable for a heating element. Therefore, it is particularly used as a heating element for a high-temperature electric furnace of a semiconductor manufacturing apparatus.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】前記従来の構成の発熱
体は、家庭用の調理機器用の発熱体や暖房器用の発熱体
としては実用が困難であるという課題を有している。
The heating element of the above-mentioned conventional construction has a problem that it is difficult to use it as a heating element for home cooking appliances or a heating element for a heater.

【0004】つまり、固有抵抗が1500〜2000μ
Ω・cmと小さいため、必要な発熱量を得るためには発熱
体を太くかつ長くしなければならないものである。すな
わち、半導体製造用の高温電気炉用発熱体の消費電力は
50kW程度であり、これに使用している発熱体を家庭
用の調理機器用の発熱体や暖房器用の発熱体に適してい
る100V−500Wで30cm程度のものに適用した
場合には、線径が0.6mm程度となるものである。こ
の場合、ワット密度は86W/cm2と非常に大きくなっ
て、発熱体の温度は約1730℃に達するものである。
つまり、焼成温度を超えるものである。このため非常に
断線しやすく、実用には適さないものとなる。また前記
断線に至るほどの温度には達しない場合であっても、固
有抵抗が非常に低下して消費電力が増加するものであ
る。
That is, the specific resistance is 1500 to 2000 μm.
Since it is as small as Ω · cm, the heating element must be thick and long in order to obtain a required heat generation amount. That is, the power consumption of the heating element for a high-temperature electric furnace for manufacturing a semiconductor is about 50 kW, and the heating element used for the heating element is 100 V suitable for a heating element for a home cooking appliance and a heating element for a heater. When applied to a device of about 30 cm at -500 W, the wire diameter becomes about 0.6 mm. In this case, the watt density is as large as 86 W / cm 2, and the temperature of the heating element reaches about 1730 ° C.
That is, it exceeds the firing temperature. For this reason, it is very easy to disconnect and becomes unsuitable for practical use. Also, even when the temperature does not reach such a level as to cause the disconnection, the specific resistance is greatly reduced and the power consumption is increased.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、中空体とした
炭素発熱体として、断面積を小さくして電気抵抗を大き
くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した発熱体
としているものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a hollow carbon heating element having a reduced cross-sectional area and a high electrical resistance, and suitable for household cooking appliances and heaters. Things.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】請求項1に記載した発明は、中空
体とした炭素発熱体として、断面積を小さくして電気抵
抗を大きくでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適し
た炭素発熱体としているものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION According to the first aspect of the present invention, there is provided a carbon heating element having a hollow body, which can reduce the cross-sectional area and increase the electric resistance, and is suitable for household cooking appliances and heaters. It is a heating element.

【0007】請求項2に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
を均一に混練して、中空体状に成形加工して、電気抵抗
を大きくでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した
炭素発熱体としているものである。
[0007] The invention described in claim 2 is characterized in that graphite carbon,
A resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic material having a specific resistance of 1013 μΩ · cm or more are uniformly kneaded and formed into a hollow body to increase the electrical resistance. It is a carbon heating element suitable for cooking equipment and heaters.

【0008】請求項3に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
を均一に混練して、中空体状に成形加工し、得られた成
形体を不活性ガス雰囲気中で昇温加熱する前駆体処理を
実行し、その後前記前駆体の処理温度よりもさらに高温
で真空中で炭化焼成して、樹脂材料が高抵抗率を示すガ
ラス状炭素に変化し、全体として電気抵抗を大きくで
き、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体
の製造方法としているものである。
[0008] The invention described in claim 3 is characterized in that graphite carbon,
A resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic having a specific resistance of 1013 μΩ · cm or more are uniformly kneaded and formed into a hollow body, and the obtained formed body is inertized. Precursor processing of heating and heating in a gas atmosphere is performed, and then carbonized and fired in vacuum at a temperature higher than the processing temperature of the precursor, and the resin material changes to glassy carbon exhibiting high resistivity, It is a method of manufacturing a carbon heating element that can increase the electric resistance as a whole and is suitable for household cooking appliances and heaters.

【0009】請求項4に記載した発明は、樹脂材料を、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択するようにして、電気抵抗が大き
く、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体
としているものである。
According to a fourth aspect of the present invention, the resin material is
The carbon heating element is selected from a compound group consisting of a polymerizable thermosetting resin monomer or a low polymer and has a high electric resistance and is suitable for household cooking appliances and heaters.

【0010】請求項5に記載した発明は、樹脂材料を、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択するようにして、黒鉛と相溶性が
良く材料の分散状態が均一で、電気抵抗を大きく、家庭
用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体の製造方
法としているものである。
According to a fifth aspect of the present invention, the resin material is
By selecting from the group of compounds consisting of monomers or low polymers of polymerizable thermosetting resins, it has good compatibility with graphite, uniform dispersion of the material, high electric resistance, and can be used for household cooking appliances and This is a method for producing a carbon heating element suitable for a heater.

【0011】請求項6に記載した発明は、樹脂材料とし
て、フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化
性樹脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合
物として、中空体に成形するときの成型性が良く、製造
の容易な炭素発熱体としている。
[0011] The invention described in claim 6 is a method for molding a hollow material into a monomer or prepolymer selected from the group consisting of a furan-based resin, a phenol-based resin, and a thermosetting resin as a resin material. And a carbon heating element that is easy to manufacture.

【0012】請求項7に記載した発明は、樹脂材料とし
て、フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化
性樹脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合
物として、中空体に成形するときの成型性が良く、製造
の容易な炭素発熱体の製造方法としている。
[0012] The invention as set forth in claim 7 is characterized in that, as the resin material, a monomer selected from a group of compounds of a furan-based resin, a phenol-based resin or a thermosetting resin or an initial polymerized product is formed into a hollow body. And a method of manufacturing a carbon heating element which is easy to manufacture.

【0013】請求項8に記載した発明は、セラミックス
として窒化ホウ素を使用して、中空体に成形するときの
成型性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造の容易な炭
素発熱体としている。
[0013] The invention described in claim 8 is characterized in that carbon nitride, which is easy to produce, has good moldability when formed into a hollow body by using boron nitride as a ceramic, is easy to adjust the resistance value, and is easy to produce. It is a heating element.

【0014】請求項9に記載した発明は、セラミックス
として窒化ホウ素を使用して、中空体に成形するときの
成型性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造の容易な炭
素発熱体の製造方法としている。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a carbon material which has good moldability when formed into a hollow body using boron nitride as the ceramics, has an easy resistance value adjustment, and is easy to manufacture. It is a method of manufacturing a heating element.

【0015】請求項10に記載した発明は、前駆体の処
理の後、少なくとも前記前駆体の処理温度以上の温度
で、かつ発熱体としての発熱温度以上の温度で、かつ真
空中で炭化焼成を実行するようにして、不純物を除去で
き、かつ長期使用によっても特性の劣化の少ない炭素発
熱体の製造方法としているものである。
According to a tenth aspect of the present invention, after the treatment of the precursor, the carbonization firing is performed in a vacuum at a temperature at least equal to the processing temperature of the precursor and at a temperature equal to or higher than the exothermic temperature of the heating element. By implementing the method, a method of manufacturing a carbon heating element capable of removing impurities and having less deterioration in characteristics even after long-term use is provided.

【0016】請求項11に記載した発明は、前駆体の処
理は不活性ガス雰囲気中で少なくとも800℃以上の温
度で実施するようにして、成型性が良く、しかも固有抵
抗を高くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した
炭素発熱体の製造方法としているものである。
According to the eleventh aspect of the present invention, the treatment of the precursor is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of at least 800 ° C., so that the moldability is good and the specific resistance can be increased. And a method for producing a carbon heating element suitable for cooking appliances and heaters.

【0017】請求項12に記載した発明は、炭化焼成温
度を1200℃以上として、長期使用によっても電気特
性の安定した炭素発熱体の製造方法としている。
The invention described in claim 12 is a method for producing a carbon heating element in which the carbonization firing temperature is set to 1200 ° C. or higher and the electric characteristics are stable even after long-term use.

【0018】[0018]

【実施例】以下本発明の実施例について説明する。一般
に炭素は、構造がガラス状である無定形のものから六方
晶の結晶構造をもつものまで高範囲な中間構造をとるこ
とが知られている。当然のことながら、電気抵抗率はガ
ラス状の化合物ほど大きく、結晶性が高くなるほど小さ
くなる。
Embodiments of the present invention will be described below. In general, it is known that carbon has an intermediate structure in a wide range from a glassy amorphous structure to a hexagonal crystal structure. As a matter of course, the electrical resistivity is higher for a glassy compound, and is lower for higher crystallinity.

【0019】本実施例では、主成分である黒鉛炭素とし
て黒鉛粉末を使用しており、黒鉛炭素を粘結する粘結剤
として、焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%で、焼成
時の収縮率の小さい熱硬化性樹脂を使用している。黒鉛
は約3800℃近くまで構造的に安定であり、焼成時の
温度や使用時の温度に対して安定なものである。また前
記粘結剤としては、発明者らが種々検討した結果、フル
フリルアルコール樹脂、フルフリルアルコール/フルフ
ラール共重合樹脂、フルフラール/フェノール共重合樹
脂などのフラン系樹脂、レゾール系、ノボラックなどの
フェノール系樹脂、キシレン樹脂、トルエン樹脂などの
熱硬化性樹脂化合物群より選択したモノマーまたは初期
重合物が適していることが判明した。つまり前記樹脂群
は、黒鉛との相溶性が非常によく成型時に黒鉛が十分に
成型体中に均一に分散するのである。このときの配合比
は、黒鉛粉末1〜80重量部に対して、粘結剤を99〜
20重量部とし、好ましくは黒鉛粉末5〜50重量部に
対して粘結剤を95〜50重量部の範囲とするものであ
る。以上の構成とすることによって、炭素粉末と粘結剤
とが強固に結合して、炭化焼成後に高い機械的強度を示
すものとなる。
In this embodiment, graphite powder is used as graphite carbon as a main component, and as a binder for binding graphite carbon, the yield of carbon residue after firing is almost 100%. A thermosetting resin with a small shrinkage is used. Graphite is structurally stable up to about 3800 ° C., and is stable to the temperature during firing and the temperature during use. As the binder, as a result of various studies by the inventors, furfuryl alcohol resins, furfuryl alcohol / furfural copolymer resins, furfural resins such as furfural / phenol copolymer resins, phenols such as resol type and novolak, etc. It has been found that monomers or prepolymers selected from the group of thermosetting resin compounds such as resin series, xylene resin and toluene resin are suitable. That is, the resin group has very good compatibility with graphite, and the graphite is sufficiently dispersed uniformly in the molded body during molding. The mixing ratio at this time is 99 to 99 parts by weight of the graphite powder with respect to 1 to 80 parts by weight of the binder.
20 parts by weight, preferably 5 to 50 parts by weight of graphite powder and 95 to 50 parts by weight of binder. With the above configuration, the carbon powder and the binder are firmly bonded to each other, and exhibit high mechanical strength after carbonization and firing.

【0020】以下本実施例の発熱体の製造方法について
説明する。前記黒鉛粉末と粘結剤とをミキサー等を使用
して混練して均一に分散させ、3本ロールミル等を使用
して、剪断力を加えてそれらを十分に相溶・結着させ
て、黒鉛粉末の1次粒子表面に有機物質を物理化学的に
結合させる。これを出発原料として、成形後熱処理をし
て発熱体としているものである。
Hereinafter, a method of manufacturing the heating element according to the present embodiment will be described. The graphite powder and the binder are kneaded and uniformly dispersed using a mixer or the like, and a shearing force is applied using a three-roll mill or the like to sufficiently dissolve and bind them, thereby obtaining graphite. An organic substance is physicochemically bonded to the surface of the primary particles of the powder. Using this as a starting material, heat treatment is performed after molding to form a heating element.

【0021】しかしこの状態では、得られた抵抗体の電
気抵抗率が低く、またプランジャー等による押出し成型
時に離型性が極めて悪いものである。このため、所定の
形状の炭素棒を得ることができないものである。
However, in this state, the obtained resistor has a low electric resistivity and has extremely poor releasability during extrusion molding with a plunger or the like. For this reason, a carbon rod having a predetermined shape cannot be obtained.

【0022】このため発明者らは種々検討した結果、前
記出発原料にセラミックスを加えると、所定の抵抗率を
有し、しかも成型性の良い抵抗体を成型できることを見
いだしているものである。前記セラミックスとしては、
黒鉛および粘結剤と均等に混ざり合って成型性がよく、
押し出し成形時の摩擦抵抗が小さく離型性に優れてい
て、かつ不活性雰囲気中では2200℃付近までは10
14〜1015μΩ・cmの高い固有抵抗を有している窒化ホ
ウ素が最も適しているものである。
Therefore, as a result of various studies, the present inventors have found that, when ceramics are added to the starting material, a resistor having a predetermined resistivity and good moldability can be molded. As the ceramics,
Mixes evenly with graphite and binder and has good moldability.
Low frictional resistance during extrusion molding, excellent mold release properties, and 10 ° C up to around 2200 ° C in an inert atmosphere.
Boron nitride, which has a high specific resistance of 14 to 1015 μΩ · cm, is the most suitable.

【0023】窒化ホウ素の熱伝導率は、ステンレス鋼と
ほぼ同等の20〜30W/(m・K)である。また、窒
化ホウ素は黒鉛と構造が極めてよく類似した物質であ
る。黒鉛は六方晶系に属し、結晶の格子定数は、a=
2.4704Å、c=6.7244Åである。一方、窒化
ホウ素は同じ六方晶系に属し、a=2.5044Å,c
=6.6562Åである。黒鉛に対する格子定数のミス
マッチΔaは0.034Åであり、1.4%に過ぎない
ものである。また同様にミスマッチΔcは−0.068
2Åで、−1.0%に過ぎないものである。つまり、成
型時においては黒鉛と同等と見なせるものである。一般
に離型剤として使用される代表的な物質である二硫化モ
リブデンは、600℃以上では酸化・分解しやすく、本
実施例には使用できないものである。つまり摩擦係数が
急激に大きくなるものである。それに対して窒化ホウ素
は、1000℃付近まで摩擦抵抗が0.2付近で一定で
あり賦形性と離型性に富むものである。
The thermal conductivity of boron nitride is 20 to 30 W / (m · K) which is almost equal to that of stainless steel. Boron nitride is a substance whose structure is very similar to graphite. Graphite belongs to the hexagonal system, and the lattice constant of the crystal is a =
2.4704 ° and c = 6.7244 °. On the other hand, boron nitride belongs to the same hexagonal system, a = 2.5044 °, c
= 6.6562 °. The lattice constant mismatch Δa with respect to graphite is 0.034 °, which is only 1.4%. Similarly, the mismatch Δc is −0.068.
2%, which is only -1.0%. That is, at the time of molding, it can be regarded as equivalent to graphite. Molybdenum disulfide, which is a typical substance generally used as a mold release agent, is easily oxidized and decomposed at 600 ° C. or higher, and cannot be used in this embodiment. That is, the coefficient of friction rapidly increases. On the other hand, boron nitride has a constant frictional resistance around 0.2 up to around 1000 ° C., and is rich in shape-forming properties and releasability.

【0024】また抵抗体として極めて重要な固有抵抗
は、黒鉛単体では1500〜2000μΩ・cmであり、
発熱体というよりも導電体に近い性質のものである。一
方、窒化ホウ素は不活性雰囲気中では2200℃付近ま
で1014〜1015μΩ・cmの高い固有抵抗をもち、絶縁
体の範疇に属するものである。発明者らが種々検討した
結果、発熱体の太さを直径で約1mmとし、発熱体の全長
を290mmとして固有抵抗が10000〜18000μ
Ω・cmの物質をつくるには、黒鉛を100重量部とする
と、窒化ホウ素を50〜100重量部とすればよいこと
がわかった。
An extremely important specific resistance as a resistor is 1500 to 2000 μΩ · cm for graphite alone.
It has a property closer to a conductor than a heating element. On the other hand, boron nitride has a high specific resistance of 10 14 to 10 15 μΩ · cm up to around 2200 ° C. in an inert atmosphere and belongs to the category of insulator. As a result of various studies by the inventors, the thickness of the heating element was set to about 1 mm in diameter, the total length of the heating element was set to 290 mm, and the specific resistance was 10,000 to 18000 μm.
It has been found that a material of Ω · cm can be formed by setting graphite to 100 parts by weight and boron nitride to 50 to 100 parts by weight.

【0025】また、発熱体としては立ち上がりが速く均
一に発熱する熱伝導率の高い材料が望まれるが、窒化ホ
ウ素は、前記したようにセラミックスとしては異例なス
テンレス鋼とほぼ同等の20〜30W/(m・K)の熱
伝導率を有しているものであり、理想的な配合材料であ
る。
As the heating element, a material having a high thermal conductivity that quickly rises and uniformly generates heat is desired. However, as described above, boron nitride is 20 to 30 W / cm, which is almost the same as stainless steel, which is unusual for ceramics. It has a thermal conductivity of (m · K) and is an ideal compounding material.

【0026】要約すると、窒化ホウ素を本発熱体の原料
とすることにより、所望の高電気抵抗率がその配合比を
変えるのみで自由に設計できること、材料の混練時に黒
鉛と同じ振る舞いをするので、離型性が非常に良くなる
ものである。
In summary, by using boron nitride as a raw material of the present heating element, a desired high electric resistivity can be freely designed only by changing the compounding ratio, and the same behavior as graphite at the time of material kneading can be obtained. The releasability is extremely improved.

【0027】以上のように本実施例の炭素発熱体は、出
発原料として、黒鉛粉末を1〜80重量部に対して、粘
結剤を99〜20重量部、好ましくは黒鉛粉末5〜50
重量部に対して、粘結剤を45〜50重量部とするもの
である。さらに、窒化ホウ素は、黒鉛粉末5重量部に対
して2.5重量部から5重量、黒鉛粉末50重量部に対
して25重量部から50重量部を配合するものである。
このとき、窒化ホウ素の配合量は、増量すれば電気抵抗
を大きくできるものである。
As described above, in the carbon heating element of this embodiment, 99 to 20 parts by weight of a binder and preferably 5 to 50 parts by weight of a binder,
The binder is 45 to 50 parts by weight based on parts by weight. Further, boron nitride is used in an amount of 2.5 to 5 parts by weight with respect to 5 parts by weight of graphite powder, and 25 to 50 parts by weight with respect to 50 parts by weight of graphite powder.
At this time, the electrical resistance can be increased by increasing the compounding amount of boron nitride.

【0028】また粘結剤としては、フルフリルアルコー
ル樹脂、フルフリルアルコール/フルフラール共重合樹
脂、フルフラール/フェノール共重合樹脂などのフラン
系樹脂、レゾール系、ノボラックなどのフェノール系樹
脂、キシレン樹脂、トルエン樹脂などの熱硬化性樹脂化
合物群より選択したモノマーまたは初期重合物を少なく
とも1種類以上を含む化合物を使用するものである。こ
れらをミキサーによって十分混練し、得られた混練物を
ロールミルを用いて剪断力を加えつつ、黒鉛と窒化ホウ
素と有機物質とを物理化学的に結着させる。次いで、シ
ート状に成形した後、プランジャーにより中空体に押し
出し成型するものである。本実施例では、直径が0.8
〜2mmのパイプ状に押し出し成型している。この際、加
えた黒鉛と窒化ホウ素とは離型剤として作用し、所定の
中空形状の炭素棒を精度よく形成できるものである。な
お、中空体の肉厚は適宜調整することができ、所望の電
気抵抗率を有する抵抗体を得ることができるものであ
る。
Examples of the binder include furfuryl alcohol resins, furfuryl alcohol / furfural copolymer resins, furan resins such as furfural / phenol copolymer resins, phenol resins such as resole and novolak, xylene resins, and toluene. A compound containing at least one or more monomers or prepolymers selected from a thermosetting resin compound group such as a resin is used. These are sufficiently kneaded by a mixer, and the obtained kneaded material is subjected to physicochemical bonding between graphite, boron nitride and an organic substance while applying a shearing force using a roll mill. Next, after forming into a sheet shape, it is extruded into a hollow body by a plunger. In this embodiment, the diameter is 0.8.
Extruded into a pipe shape of ~ 2mm. At this time, the added graphite and boron nitride act as a release agent, and can accurately form a predetermined hollow carbon rod. Note that the thickness of the hollow body can be appropriately adjusted, and a resistor having a desired electric resistivity can be obtained.

【0029】こうして得られた中空成型体を適当な長さ
に裁断した後、空気オーブン中で5〜10℃/時間の昇
温速度でゆっくり乾燥させながら、180℃でに1時間
保温して、液体分を完全に乾燥させる。次いで、横型管
状炉により、窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガス雰
囲気中で5℃/時間の昇温速度で300℃まで昇温す
る。この後、800℃以上好ましくは1000℃に達す
るまで20℃/時間の昇温速度で昇温して、この状態で
3時間保温する。つまり、前記した前駆体の処理温度以
上で、かつこの後、炉内で放冷して、仮焼成すなわち前
駆体処理を完了する。
After the hollow molded body thus obtained was cut into a suitable length, it was kept at 180 ° C. for 1 hour while being slowly dried at a rate of 5 to 10 ° C./hour in an air oven. Allow the liquid to dry completely. Then, the temperature is raised to 300 ° C. at a rate of 5 ° C./hour in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon by a horizontal tubular furnace. Thereafter, the temperature is raised at a rate of 20 ° C./hour until the temperature reaches 800 ° C. or more, preferably 1000 ° C., and the temperature is kept for 3 hours in this state. That is, the precursor is cooled at a temperature equal to or higher than the processing temperature of the precursor and thereafter in a furnace to complete the calcination, that is, the precursor processing.

【0030】こうして、完成した前駆体を本焼成する。
本焼成の目的は、大きく分けて2つある。第一番目は、
不純物を除去することである。第二番目は、実際の発熱
体としての使用温度よりも高い温度で熱処理をしておく
ことによって、長期の実使用によっても構造変化が生じ
ず、一定の抵抗値すなわち消費電力量を一定に維持でき
るようにすることである。
Thus, the completed precursor is fully fired.
The purpose of the main firing is roughly divided into two. The first is
It is to remove impurities. Second, by performing heat treatment at a temperature higher than the actual use temperature of the heating element, structural changes do not occur even after long-term actual use, and a constant resistance value, that is, a constant power consumption, is maintained. Is to be able to do it.

【0031】発明者らの調査では、黒鉛とりわけ天然黒
鉛を材料として用いた場合には、大なり小なりミネラル
成分が混入しているものである。これらの不純物には、
Si,Fe,Ca,Al,Kなどがある。これらが含ま
れている場合は、十分に精製した黒鉛に比べて炭素の酸
化開始温度が約100℃も低下して活性になり、炭素の
発熱体としては甚だ不適当である。また、このような発
熱体を石英管に封入した場合には、使用時に1000℃
以上に達したときには、Kなどはガラスの失透現象をも
たらし、石英管の機械的強度を甚だ損なうものである。
According to the investigation by the inventors, when graphite, particularly natural graphite, is used as a material, a greater or lesser amount of a mineral component is mixed. These impurities include:
There are Si, Fe, Ca, Al, K and the like. When these are contained, the oxidation start temperature of carbon is lowered by about 100 ° C. as compared with fully purified graphite, and the carbon becomes active, and is extremely unsuitable as a carbon heating element. When such a heating element is sealed in a quartz tube, the temperature of the heating element is 1000 ° C.
When the temperature reaches the above, K causes devitrification of the glass and significantly impairs the mechanical strength of the quartz tube.

【0032】以上述べた理由によって、前記不純物は徹
底的に除去する必要がある。このため本実施例では、炭
化焼成の条件を、前駆体の処理温度よりも高温であると
同時に、実際に発熱体として使う時の炭素棒の発熱温度
よりも高温で、かつ減圧真空下で行うようにしているも
のである。具体的には1200℃以上の温度としている
ものである。このため、不純物は除去できるものであ
る。
For the reasons described above, the impurities need to be thoroughly removed. For this reason, in this embodiment, the carbonization firing conditions are performed at a temperature higher than the processing temperature of the precursor, at a temperature higher than the heat generation temperature of the carbon rod when actually used as a heating element, and under reduced pressure vacuum. That's what we do. Specifically, the temperature is 1200 ° C. or higher. Therefore, impurities can be removed.

【0033】またこの焼成温度とすることによって、発
熱体として使用したときの特性が非常に安定するもので
ある。すなわち、前駆体処理で生じたガラス状炭素が結
晶へと次第に構造変化して行くことを防止できるもので
ある。図1は、炭化焼成温度と体積抵抗率との関係を示
す特性図である。この図から判るように、炭化焼成温度
を前駆体の処理温度よりも高温で、かつ実使用温度より
も高温とした場合には、体積抵抗率の変化は非常に小さ
いものとなる。
By setting the firing temperature, the characteristics when used as a heating element are very stable. That is, it is possible to prevent the glassy carbon generated by the precursor treatment from gradually changing its structure into a crystal. FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the carbonization firing temperature and the volume resistivity. As can be seen from this figure, when the carbonization firing temperature is higher than the processing temperature of the precursor and higher than the actual use temperature, the change in the volume resistivity is very small.

【0034】炭化焼成温度を1500〜1600℃と
し、減圧真空下(10-3Torr)で炭化焼成を実行し
た場合には、発熱体として適当な固有抵抗である100
00〜18000μΩ・cmの発熱体が得られた。
When the carbonization firing temperature is set to 1500 to 1600 ° C. and the carbonization firing is performed under reduced pressure vacuum (10 −3 Torr), the specific resistance suitable for the heating element is 100.
A heating element of 00 to 18000 μΩ · cm was obtained.

【0035】表1に、1600℃で不活性ガス雰囲気で
熱処理した場合と1600℃で真空下(10-3Tor
r)で熱処理した場合の炭素発熱体の組成分析の結果を
示している。いずれも同温度で3時間保温しているもの
である。この分析データから判るように、減圧真空下で
は余分な不純物がほぼ除去されることが証明できる。
Table 1 shows that the heat treatment was carried out at 1600 ° C. in an inert gas atmosphere and that the heat treatment was carried out at 1600 ° C. under vacuum (10 −3 Torr).
The result of the composition analysis of the carbon heating element when the heat treatment is performed in r) is shown. All are kept at the same temperature for 3 hours. As can be seen from the analysis data, it can be proved that the excess impurities are almost completely removed under reduced pressure vacuum.

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】また、固有抵抗を18000μΩ・cm、発
熱体の直径を1mm、発熱体の全長を290mmとした時
に、丸棒と中空成型体との電気抵抗率の比較を表2に示
している。このとき中空成形体の肉厚は、0.1mmと0.
2mmに設定している。
Table 2 shows a comparison of the electrical resistivity between the round bar and the hollow molded body when the specific resistance is 18000 μΩ · cm, the diameter of the heating element is 1 mm, and the total length of the heating element is 290 mm. At this time, the thickness of the hollow molded body was 0.1 mm and 0.1 mm.
It is set to 2mm.

【0038】[0038]

【表2】 [Table 2]

【0039】またこの場合の電気抵抗率は、数1によっ
て計算することができる。 電気抵抗率(Ω)=固有抵抗×発熱体の全長/断面積 (数1) 例えば、肉厚を0.1mmとすると、丸棒に比べて、電気
抵抗率を2.8倍に大きくすることができる。また、自
明なことであるが、肉厚をさらに薄くすることにより、
電気抵抗率をさらに大きくすることができる。かくし
て、中空体状の成型体としてその肉厚を調整することに
より、任意の電気抵抗率の発熱体を製造することができ
る。
The electric resistivity in this case can be calculated by the following equation (1). Electric resistivity (Ω) = specific resistance × total length of heating element / cross-sectional area (Equation 1) For example, when the wall thickness is 0.1 mm, the electric resistivity is 2.8 times larger than a round bar. Can be. Also, it is obvious that by further reducing the wall thickness,
The electric resistivity can be further increased. Thus, a heating element having an arbitrary electric resistivity can be manufactured by adjusting the thickness of the hollow molded article.

【0040】次に、本実施例によって製造した中空成形
体を炭素発熱体として完成させたものについて、発熱体
としての特性のチェックを実行した結果を説明する。実
験に使用したサンプルは、前記中空成形体を適当な太さ
の石英管に入れ、真空に排気した後、瞬間的に1400
℃で加熱して保管中に付着した不純物を除去し、この後
にアルゴンガスを600Torr封入して作成してい
る。この発熱体の特性は、固有抵抗が18000μΩ・
cm、発熱体の直径は1.2mm、肉厚は0.1mm、発熱長は
280mmのもので、100V−380Wで発熱温度が1
200℃であった。このサンプルについて100Vで2
分通電−2分休止のサイクル試験を行ったところ、通電
時間で8760時間(1年相当)で断線することなく、
また消費電力量の変化も初期に比べて10%以内の耐久
性が高い発熱体を得ることができた。
Next, the results of checking the characteristics as a heating element of a hollow molded article manufactured according to the present embodiment as a carbon heating element will be described. The sample used in the experiment was placed in a quartz tube having an appropriate thickness, evacuated to vacuum, and then instantaneously 1400
C. to remove impurities adhering during the storage, followed by filling with argon gas at 600 Torr. The characteristic of this heating element is that the specific resistance is 18000 μΩ
cm, the diameter of the heating element is 1.2 mm, the wall thickness is 0.1 mm, the heating length is 280 mm, and the heating temperature is 100 V-380 W.
200 ° C. 2 at 100V for this sample
When a cycle test was carried out with a two-minute rest and a two minute pause, there was no disconnection in 8760 hours (equivalent to one year) in the conduction time,
In addition, a heating element having high durability with a change in power consumption of 10% or less as compared with the initial stage could be obtained.

【0041】また、炭素発熱体は放射率が0.8と大き
いため、電子レンジオーブンのように庫内が大きい調理
器の発熱体に適しているものである。例えば、本発熱体
を電子レンジオーブンに組み込んだ場合、同じ消費電力
量でトーストを焼いた場合、従来6分かかっていたもの
が、半分の3分で調理できるものである。このため、本
実施例の炭素発熱体を使用した場合には、大幅なエネル
ギーの節約になるものである。また、電気暖房器の発熱
体として用いた場合、発熱体から10cm離れた場所を
室温に比べて35℃上昇させるためには、当発熱体の消
費電力が167Wであるのに対して、従来のヒータ例え
ばNi−Crを発熱体とした石英管ヒータでは186W
を必要とした。つまり本実施例の発熱体を使用した場合
には、約10%の消費電力の節約ができるものである。
Further, since the carbon heating element has a large emissivity of 0.8, it is suitable for a heating element of a cooking device having a large interior such as a microwave oven. For example, when the present heating element is incorporated in a microwave oven, and when toasting is baked with the same power consumption, it can be cooked in half 3 minutes instead of 6 minutes in the past. For this reason, when the carbon heating element of this embodiment is used, significant energy savings can be achieved. Further, when used as a heating element of an electric heater, in order to raise a place 10 cm away from the heating element by 35 ° C. as compared with room temperature, the power consumption of the heating element is 167 W, whereas the power consumption of the conventional heating element is 167 W. 186 W for a heater such as a quartz tube heater using Ni-Cr as a heating element
Needed. That is, when the heating element of this embodiment is used, power consumption can be reduced by about 10%.

【0042】[0042]

【発明の効果】請求項1に記載した発明は、中空状に成
型した構成として、断面積を小さくして電気抵抗を大き
くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発
熱体を実現できるものである。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a carbon heating element which can be formed into a hollow shape and has a small cross-sectional area and a high electric resistance, and is suitable for household cooking appliances and heaters. It can be realized.

【0043】請求項2に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
から成る中空状に成型した構成として、電気抵抗を大き
くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発
熱体を実現できるものである。
The invention according to claim 2 is characterized in that graphite carbon and
The electrical resistance can be increased as a hollow structure composed of a resin material with a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic material with a specific resistance of 1013 μΩ · cm or more. It is possible to realize a carbon heating element suitable for a heater.

【0044】請求項3に記載した発明は、黒鉛炭素と、
焼成後の炭素残渣収率がほぼ100%である樹脂材料
と、固有抵抗が1013μΩ・cm以上のセラミックスと
を均一に混練して、中空体状に成形加工し、得られた成
形体を不活性ガス雰囲気中で昇温加熱する前駆体処理を
実行し、その後前記前駆体処理の温度よりさらに高温で
真空中で炭化焼成するようにして、樹脂材料が高抵抗率
を示すガラス状炭素に変化し、全体として電気抵抗を大
きくでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素
発熱体の製造方法を実現するものである。
[0044] The invention described in claim 3 is characterized in that graphite carbon,
A resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing and a ceramic having a specific resistance of 1013 μΩ · cm or more are uniformly kneaded and formed into a hollow body, and the obtained formed body is inertized. Precursor processing of heating and heating in a gas atmosphere is performed, and then carbonization and firing in vacuum at a higher temperature than the precursor processing temperature, the resin material changes to glassy carbon exhibiting high resistivity. Accordingly, it is possible to increase the electric resistance as a whole, and to realize a method of manufacturing a carbon heating element suitable for home cooking appliances and heaters.

【0045】請求項4に記載した発明は、樹脂材料は、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択した構成として、電気抵抗が大き
く、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した炭素発熱体
を実現するものである。
According to a fourth aspect of the present invention, the resin material comprises:
As a structure selected from a compound group consisting of a monomer or a low polymer of a polymerizable thermosetting resin, a carbon heating element having high electric resistance and suitable for home cooking appliances and heaters is realized.

【0046】請求項5に記載した発明は、樹脂材料は、
重合可能な熱硬化性樹脂のモノマーまたは低重合体から
成る化合物群から選択するようにして、家庭用の調理機
器用や暖房器用に適した炭素発熱体の製造方法を実現す
るものである。
According to a fifth aspect of the present invention, the resin material comprises:
By selecting from a group of compounds consisting of a polymerizable thermosetting resin monomer or a low polymer, a method for producing a carbon heating element suitable for home cooking appliances and heaters is realized.

【0047】請求項6に記載した発明は、樹脂材料は、
フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化性樹
脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合物と
した構成として、中空体に成形するときの成型性が良
く、製造の容易な炭素発熱体を実現するものである。
According to a sixth aspect of the present invention, the resin material comprises:
As a composition of monomers or prepolymers selected from the compound group of furan-based resin, phenol-based resin, or thermosetting resin, it has good moldability when molded into a hollow body, and realizes an easy-to-manufacture carbon heating element. Things.

【0048】請求項7に記載した発明は、樹脂材料は、
フラン系樹脂またはフェノール系樹脂または熱硬化性樹
脂の化合物群より選択したモノマーまたは初期重合物と
して、中空体に成形するときの成型性が良く、製造の容
易な炭素発熱体の製造方法を実現するものである。
According to a seventh aspect of the present invention, the resin material comprises:
As a monomer or prepolymer selected from a group of compounds of a furan-based resin, a phenol-based resin, or a thermosetting resin, the moldability when molding into a hollow body is good, and a method for manufacturing a carbon heating element that is easy to produce is realized. Things.

【0049】請求項8に記載した発明は、セラミックス
として窒化ホウ素を使用した構成として、中空体に成形
するときの成型性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造
の容易な炭素発熱体を実現するものである。
According to the eighth aspect of the present invention, the configuration using boron nitride as the ceramic has good moldability when molded into a hollow body, easy adjustment of the resistance value, and easy production. This realizes a carbon heating element.

【0050】請求項9に記載した発明は、セラミックス
として窒化ホウ素を使用するようにして、中空体に成形
するときの成型性が良く、抵抗値の調整が容易で、製造
の容易な炭素発熱体の製造方法を実現するものである。
According to the ninth aspect of the present invention, when the boron nitride is used as the ceramic , the moldability when forming into a hollow body is good, the resistance value is easily adjusted, and the production is easy. The present invention realizes a method for manufacturing a carbon heating element.

【0051】請求項10に記載した発明は、前駆体の処
理の後、少なくとも前記前駆体の処理温度以上の温度
で、かつ発熱体としての発熱温度以上の温度で、かつ真
空中で炭化焼成するようにして、不純物を除去でき、か
つ長期使用によっても特性の劣化の少ない炭素発熱体の
製造方法を実現するものである。
According to a tenth aspect of the present invention, after the treatment of the precursor, carbonization and firing are performed at a temperature at least equal to or higher than the processing temperature of the precursor and at a temperature equal to or higher than the exothermic temperature of the heating element. Thus, a method of manufacturing a carbon heating element capable of removing impurities and having less deterioration in characteristics even after long-term use is realized.

【0052】請求項11に記載した発明は、前駆体の処
理は不活性ガス雰囲気中で少なくとも800℃以上の温
度で実施するようにして、成型性が良く、しかも固有抵
抗を高くでき、家庭用の調理機器用や暖房器用に適した
炭素発熱体の製造方法を実現するものである。
According to the eleventh aspect of the present invention, the treatment of the precursor is carried out in an inert gas atmosphere at a temperature of at least 800 ° C., so that the moldability is good and the specific resistance can be increased. And a method for producing a carbon heating element suitable for a cooking appliance or a heater.

【0053】請求項12に記載した発明は、炭化焼成温
度を1200℃以上として、長期使用によっても電気特
性の安定した炭素発熱体の製造方法を実現するものであ
る。
The twelfth aspect of the present invention realizes a method for producing a carbon heating element having stable electric characteristics even after long-term use by setting the carbonization firing temperature to 1200 ° C. or higher.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例である炭素発熱体の温度と抵抗
値との関係を示す特性図
FIG. 1 is a characteristic diagram showing a relationship between temperature and resistance of a carbon heating element according to an embodiment of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 康典 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 森 泰久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Yasunori Kaneko 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Pref.Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 中空状に成型した炭素発熱体。1. A carbon heating element molded into a hollow shape. 【請求項2】 黒鉛炭素と、焼成後の炭素残渣収率がほ
ぼ100%である樹脂材料と、固有抵抗が1013μΩ・
cm以上のセラミックスとから成る中空状に成型した炭
素発熱体。
2. Graphite carbon, a resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing, and a specific resistance of 10 13 μΩ ·
A carbon heating element made of a ceramic with a diameter of at least 1 cm.
【請求項3】 黒鉛炭素と、焼成後の炭素残渣収率がほ
ぼ100%である樹脂材料と、固有抵抗が1013μΩ・
cm以上のセラミックスとを均一に混練して、中空体状
に成形加工し、得られた成形体を不活性ガス雰囲気中で
昇温加熱する前駆体処理を実行し、その後前記前駆体処
理の温度よりさらに高温で真空中で炭化焼成する炭素発
熱体の製造方法。
3. Graphite carbon, a resin material having a carbon residue yield of about 100% after firing, and a specific resistance of 10 13 μΩ ·
cm or more of ceramics are uniformly kneaded, molded into a hollow body, and the obtained molded body is subjected to a precursor treatment of heating and heating in an inert gas atmosphere. A method for producing a carbon heating element that is carbonized and fired in a vacuum at an even higher temperature.
【請求項4】 樹脂材料は、重合可能な熱硬化性樹脂の
モノマーまたは低重合体から成る化合物群から選択した
請求項1又は2に記載した炭素発熱体。
4. The carbon heating element according to claim 1, wherein the resin material is selected from a compound group consisting of a monomer of a polymerizable thermosetting resin or a low polymer.
【請求項5】 樹脂材料は、重合可能な熱硬化性樹脂の
モノマーまたは低重合体から成る化合物群から選択した
請求項3に記載した炭素発熱体の製造方法。
5. The method for producing a carbon heating element according to claim 3, wherein the resin material is selected from a compound group consisting of a monomer of a polymerizable thermosetting resin or a low polymer.
【請求項6】 樹脂材料は、フラン系樹脂またはフェノ
ール系樹脂または熱硬化性樹脂の化合物群より選択した
モノマーまたは初期重合物とした請求項1又は2に記載
した炭素発熱体。
6. The carbon heating element according to claim 1, wherein the resin material is a monomer or prepolymer selected from the group consisting of a furan-based resin, a phenol-based resin, and a thermosetting resin.
【請求項7】 樹脂材料は、フラン系樹脂またはフェノ
ール系樹脂または熱硬化性樹脂の化合物群より選択した
モノマーまたは初期重合物とした請求項5に記載した炭
素発熱体の製造方法。
7. The method for producing a carbon heating element according to claim 5, wherein the resin material is a monomer or prepolymer selected from the group consisting of a furan-based resin, a phenol-based resin, and a thermosetting resin.
【請求項8】 樹脂材料として窒化ホウ素を使用した請
求項4または請求項6に記載した炭素発熱体。
8. The carbon heating element according to claim 4, wherein boron nitride is used as the resin material.
【請求項9】 樹脂材料として窒化ホウ素を使用した請
求項5または請求項7に記載した炭素発熱体の製造方
法。
9. The method for producing a carbon heating element according to claim 5, wherein boron nitride is used as the resin material.
【請求項10】 前駆体の処理の後、少なくとも前記前
駆体の処理温度以上の温度で、かつ発熱体としての発熱
温度以上の温度で、かつ真空中で炭化焼成する請求項3
に記載した炭素発熱体の製造方法。
10. After the treatment of the precursor, carbonization and calcination are performed at a temperature at least equal to or higher than the processing temperature of the precursor and at a temperature equal to or higher than the heat generation temperature of the heating element.
3. The method for producing a carbon heating element described in 1. above.
【請求項11】 前駆体の処理は不活性ガス雰囲気中で
少なくとも800℃以上の温度で実施する請求項3に記
載した炭素発熱体の製造方法。
11. The method for producing a carbon heating element according to claim 3, wherein the treatment of the precursor is performed at a temperature of at least 800 ° C. in an inert gas atmosphere.
【請求項12】 炭化焼成温度を1200℃以上とした
請求項3に記載した炭素発熱体の製造方法。
12. The method for producing a carbon heating element according to claim 3, wherein the carbonization firing temperature is 1200 ° C. or higher.
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