JPS58128686A - 炭素系コイル状抵抗発熱体の製造方法 - 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】 本発明は炭素系コイル状抵抗発熱体に関する。

ここに炭素系と言う用語は炭素質（非晶質）及び黒鉛質
（結晶質）を包括して示す。従って、炭素系コイル状抵
抗発熱体は実質的に炭素から成り炭素固有の性質を有す
る炭素質コイル状抵抗発熱体及び実質的に黒鉛から成る
黒鉛固有の性質を有する黒鉛質コイル状抵抗発熱体の両
者を包含する。

炭素系材料は、非酸化性雰囲気においては溶融、変形す
ることなく優れた耐熱性耐食性を示す。又金属に近い電
気伝導性を示す。この性質は高温電気炉用発熱体として
有用であり、以前はタンマン炉やクリゾトール炉の如き
実験室用に利用されて来たが、近年では半導体工業の発
展に伴い、その分野での生産設備として大いに活用され
つつある。

高温炉としては他に燃焼炉、電気アーク炉、プラズマ炉
、電子ビーム炉等があるが、電気抵抗炉は、温度の均一
性や温度コントロールの精密さ、炉内気圏コントロール
の容易さ、或いは騒音、排ガス等の公害防止面で他の炉
よりも優位にある。

抵抗発熱体としての炭素系材料は以下の有用な特徴を有
する。すなわち常圧下では溶融することなく昇華温度は
約３６５０℃と高い。蒸気圧は２２００℃で１０−’ａ
ｔｍのオーダーで極めて低い。

腐食性ガスに対して耐食性が大きい。輻射能は約０８と
大きい。高温でも金属材料のような軟化を起すこともな
く、強度は２５００℃迄温度に比例して増大する。適当
な電気抵抗を有し、特に黒鉛質は約５００℃以上では温
度に比例して抵抗は増加する。熱膨張係数が小さいので
耐熱衝撃性が極めて良い。高純度の物が得やすく、高真
空下でもガス発生が少ない。白金、ロジウム、タングス
テン、モリブデン、タンタル或いは炭化ケイ素等の他種
競合材料よりも安価である。

しかしながら、炭素系材料は、展延性に乏しく金属やプ
ラスチフスのように、目的とする形状を任意に精密加工
することが極めて困難な材料である。それ故従来は大型
成形された炭素材ブロックより切り出してＮｏ旋盤等で
切削加工するなど複雑困難な作業を余儀なくされていた
。特に管状或いは板状発熱体等の場合は抵抗を高める為
にら線状或いは長さ方向に切り込みを入れ１等様々な工
夫が考えられているが、加工が困難であるばかりでなく
、重量も大きく切９込みを入れた個所は機械的強度が脆
弱になるので、発熱体の構造及び端子接続部は膨張、収
縮を始めとする様々な曲げや引張の応力がかからないよ
うに設計しなければならないし、取扱いにも注意を払う
必要があるという欠点を有する。

一方最近、炭素繊維から作られる布やひも等が可焼性を
有する発熱体として考えられている。可読性が付与され
ていることにより、炉体に巻付ける等のことが可能で、
従来の炭素系発熱体の欠点をある程度補うことが出来る
が、布或いはひも状ではそれ自体弾性に乏しい為、炉体
との密着性を保たせるには特別の保持具を工夫しなけれ
ばならないし、密着性を保たせる為に緊縛しすぎると、
膨張、収縮等から生じる応力耐久性の問題もめる。

また、炭素繊維自体が高価であるのでそれから作られる
布、ひもも必然的に高価である。

炉体との密着性、発熱体内部に生じる応力の緩和、炉体
への取付は方法及び取扱いの容易性等を考慮すると、従
来から金属線を材質として行われているコイル状発熱体
が、適当な弾性と可焼性を有することにより好ましいの
であるが、炭素質材料をコイル状に賦形してコイル状発
熱体が供されれば、最も理想的な抵抗発熱体である。し
かし乍ら従来から行われている炭素ブロックから切出す
方法では、コイル状で高い強度を有する炭素系コイル状
発熱体の製造は至難とされ、未だ製品化に至っていない
。

本発明の目的は、その製作が従来事実上下＝Ｔ能であっ
た炭素系のコイル状抵抗発熱体を提供することにある。

本願発明者らは、炭素材のもつ優れた耐熱性耐食性輻射
能、高強度、適当な電気伝導性、耐熱衝撃性を活かし、
炭素質又は黒鉛質のコイル状発熱体を任意の寸法形状で
精度高く、且つ安易に製造せんが為鋭意研究した結果、
有機質線状体或は、炭素繊維、黒鉛ウィスカ、結晶質黒
鉛粉体、非晶質炭素粉体で復権化された有機質線状体を
コイル状の任意の形態に賦形させた後、必要に応じて炭
素前駆体処理を施し、さらに不活性雰囲気中に加熱処理
をすることによって、炭素質もしくは黒鉛質のコイル状
発熱体を得ることに想到し、本発明の目的を達成した。

本発明の炭素系コイル状抵抗発熱体は極めて高い加工精
度で後加工を必要とせず、優れた耐熱性、耐食性、輻射
能、高強度、適当な電気伝導性、耐熱衝撃性をもつもの
で、信頼性のめる精度の高い弾性率を保有しており、さ
らに軽量で、適当な可撓性をも有し、電気炉の炉体への
密着性は極めて良好でろり、コイル弾性が膨張、収縮等
から生じる内部応力を吸収することができて、炉体への
散村方法、端子部の設計にも格別の工夫を必要としない
などの利点を有する。

本発明の炭素系コイル状抵抗発熱体に用いられる有機質
線状体は、有機高分子物質及びアスファルトピンチ類、
乾留ピッチ類等の一種又は二種以上の混合物を線状体に
成形したものより成り、複合強化された有機質線状体は
有機高分子物質及びアスファルトピッチ類、乾留ピッチ
類等の一種又は二種以上の混合物に対し炭素繊維、黒鉛
ウィスカ、結晶質黒鉛粉体、非晶質炭素粉体等の一種又
は二種以上を均一に分散せしめ、高度に配向させて線状
体に成形したものより成る。

一般に線状体とは直径０．１−／＠から数ｌＩ／ＩＩあ
たりまでを言い、直径数μｍ以下を繊維体、数・／′ｍ
以上を棒状体と呼称しているが、本発明では直径を厳密
に区別しない。

また、本発明に用いる有機高分子物質としてはポリ塩化
ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール
、ポリ塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、ポリアミド、
ポリイミド等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン
樹脂、エポキシ樹脂、不飽和、ｔ？　ＩＪエステル樹脂
等の熱硬化性樹脂、リグニン、セルロース、トラガント
ガム、アラビアガム、糖類等の如き縮合多環芳香族を分
子の基本構造内に持つ天然高分子物質、及び前記には含
有されない、ナフタレンスルホン酸のホルマリン縮合物
、インダンスレン系建染染料及びその中間体の如き、縮
合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ合成高分子物質
がある。

ピッチ類としては、石油アスノァルト、コールタールピ
ッチ、ナフサ分解ビツナ及び石油アスファルトコールタ
ールピッチ、合成樹脂等の炭化水素化合物の４００℃以
下の乾留物が用いられる。

又、これらの物質の内には、単独においては賦形性に乏
しいもの、及び理想的な炭素化が進行し馨いものがめる
が、賦形性に乏しいものは例えば前記中の熱可塑性樹脂
の一種又は二種以上をブレンドして成形ノＺイングーと
して、複合させて用いることが可能であり、理想的な炭
素化が進行し難いものは、鉄、ニッケル、コノマルトの
酸化物や塩化アルミニウム等のルイス酸に代表される炭
素化促進触媒や他の化合物と混合させ加熱して脱水素処
理を施すことにより容易に炭素前駆体を形成し共炭素化
することが可能である。

本発明において複合強化剤として用いられる炭素繊維、
黒鉛ウィスカ、結晶質黒鉛粉末、非晶質炭素粉末につい
て説明を加える。

複合強化有機質線状体におけるこれら複合強化剤の含有
量は、使用するマトリックス材の種類及び目的とする有
機質線状体の直径によっても異なるが該有機質線状体組
成物中２０〜８０重量％、好１しくに４０〜７０Ｍ楡チ
であることを要する。

本発明に用いられる複合強化剤は、目的とする炭素系コ
イル状抵抗発熱体の線径、機械的強度、弾性率、熱衝撃
性、電気伝導性、経済性等によって異なるが、複合強化
有機質線状体中の複合強化剤含有量の上記範囲内におい
て、炭素繊維、黒鉛ウィスカ、結晶質黒鉛粉末、非晶質
炭素粉末の内、一種又は二種以上全適宜選択して添加さ
れる。

本発明の有機質線状体は、有機高分子物質である、熱可
塑性樹脂熱硬化性樹脂、天然高分子物質、合成高分子物
質、ピッチ類の内一種又は二種以上を直接溶融させるか
又は、必快に応じて溶剤、可塑剤もしくは、炭素化促進
触媒、架橋剤、重合開始剤等を添加して、良く分散さ：
ｔた後ペレット化し、押出成形機等を用いて所望７つ直
径に押出成形して製造される。

また、複合強化された有機質線状体を得るには、−Ｆ配
転合物に、目的に応じて、炭素繊維、黒鉛ウィスカ、結
晶質黒鉛粉末、非晶質炭素粉末の内、一種又は二種以上
を添加すｔｌば良い。

二種以上の配合組成物の混合に際しては、配合組成物を
高速ブレンダーにして分散させ、次に加用ニーダー１二
本ロール、コニーダー等の高度に剪断力がかけられる混
線機を用いて、配合組成物を均一に分散、混練せしめる
手法を用いた方が良い。

押出成形に際しては、線状体の物性全改善する目的で、
適当な延伸操作を施すことが好寸しい。

第２工程としてコイル状に賦形する場合は、得られた有
機線状体及び複合強化有機質線状体を所望の断面、寸法
の滑らかな表面を有する。１０００℃以上の高温に耐え
る耐熱性物質による円形成いは多角形の棒又はパイプを
支持基材としてこれにコイル状に巻きつけその両端を固
定する。

次に、これらの形状を維持し乍ら炭化及び黒鉛化する為
に、炭素化促進触媒もしくは架橋剤又は重合開始剤等を
添加する方法、酸処理を施す方法、塩素やオゾン又は加
熱空気等の雰囲気中で５０〜３００℃に加熱して架橋す
る方法、紫外線、電子線或いは放射線等を照射させて架
橋硬化させる方法等のいずれかの手段によって不溶、不
融化処理を施し、炭素前駆体処理を行う。

次に炭素前駆体処理を施されたコイル状賦形物は、変形
防止と張力付加の目的で耐熱性の棒又はパイプ等の支持
基材に巻き付は担持させたまメ窒素、アルゴンガス等の
不活性気相中で炭素質コイル状抵抗発熱体の場合は最高
５００〜１５００℃、好吐しくは１０００〜１５００℃
に到る迄序々に加熱せしめる。更に、黒鉛實コイル状抵
抗発熱体を得る為には最高２０００〜３０００℃、好１
しくに２５００〜３０００℃に到る迄加熱せしめること
により達成される。

次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。

実施例１゜ 平均重合度７００のストレート塩化ビニル樹脂１００重
量部に対し、ＤＯＰ３０重量部をヘンシェルミキサー中
に均質分散を行う。次に加圧ニーダ−にて材料温度を１
５０℃に保ち乍ら加熱下で十分に混練する。

継いで素材をペレタイザーにてベレット化シ、スクリュ
ー押出成形機を用いて、直径０．８　ｍｍψのポリ塩化
ビニル締状体を得た。これを平滑な表面を有する直径１
０　Ｑ　ｍｍψの炭素質ボビンに捲き付けた。次にこれ
を空気存在下で１００℃１０時間、更に１８０℃２４時
間保ち、不溶不融の炭素前駆体化処理を施した後、窒素
気相中１０℃／　ｈ　ｒの昇温速度で５００℃迄上昇さ
せ、継いで５０Ｖｈｒの昇温速度で１０００℃迄昇温し
その温度で３時間保持した後、室温迄自然放冷した。

炭素質ゼビンより賦形物を離型し、線径Ｑ、４ｒ＋ｍψ
コイル内径１０．０　ｍｍψコイル長ｓ　ｏ　ｏｍｍの
炭素質コイル状抵抗発熱体を得た。

実施例２゜ フラン樹脂（フルフリルアルコール初期縮合物）１００
重量部と平均重合度７００のストレート塩化ビニル樹脂
１００重量部に平均粒度２０μｍの結晶性黒鉛粉末５０
重量部及び可塑剤として、Ｄ。

０、Ｐ、１０重量部を加え、ヘンシェルミキサーで均一
分散させた後、材料温度を１４０℃に保ち乍ら加圧ニー
ダ−中で３０分間混練して均質な組成物を得た。

次に、真空予備成形機中で十分に脱気した予備成形組成
物をブランクャー型油王押出成形機にて直径］、　Ｑ　
ｍｍψに押出成形して線状体を得た。

継いでこの線状体を直径１５．　Ｏｎｔｍψの炭素丸棒
に巻き付は両端を固定した。

このコイル状賦形体全空気存在下１８０℃に加熱したオ
ーブン中に２４時間保ち、塩化ビニル樹脂が分所して発
生する塩化水素によってフラン樹脂を十分硬化させて不
溶不融の炭素前駆体化処理を施した後、窒素気相中１０
℃／ｈｒで３００℃迄、更に２０℃／ｈｒで５００℃迄
昇温し以後５０℃／ｈｒの昇温速度で１０００℃迄昇温
させ、１０００℃で３時間保持した後室温迄自然放冷し
た。

炭素質ゼビンより賦形物を離型し、線径０．７５ｍｍψ
、コイル内径１５．０　ｍｍψ、コイル長５００ｒｎｍ
の炭素質コイル状抵抗発熱体を得た。

実施例３゜ 実施例１で得られた、炭素質コイル状賦形物を、炭素質
支持体から取はずさないで、アルゴン気相中で１０００
℃迄は３００℃／ｈｒ、１０００℃以Ｌ２８００℃迄は
４００℃／ｈｒで昇温し、２８００℃で６０分保持した
後自然放冷して黒鉛化処理を施し、目的とする黒鉛質コ
イル状抵抗発熱体を得た。

一４′；

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有機質線状体をコイル状に賦形した後炭素化させて成る
   実質的に炭素から成り炭素固有の性質を有する炭素系コ
   イル状抵抗発熱体。