KR100522260B1 - 카본 와이어 발열체 봉입 히터 및 이 히터를 이용한 유체가열 장치 - Google Patents

카본 와이어 발열체 봉입 히터 및 이 히터를 이용한 유체가열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터가 제공된다. 카본 섬유를 이용한 카본 와이어 발열체는 석영 유리 부재 내에 봉입되고, 상기 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량은 2×10-3 g/㎤ 이하이다.

Description

카본 와이어 발열체 봉입 히터 및 이 히터를 이용한 유체 가열 장치{CARBON WIRE HEATING OBJECT SEALING HEATER AND FLUID HEATING APPARATUS USING THE SAME HEATER}
본 발명은 카본 와이어 발열체 봉입 히터 및 이 히터를 이용한 유체 가열 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는, 반도체 프로세스에 적합하게 이용할 수 있는 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터 및 이 히터를 이용한 유체 가열 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에서는 산화, 확산 혹은 CVD 처리 등의 각종 열처리 공정에서 각각의 열처리 분위기 중에 엄밀한 온도 관리가 요구되고 있다. 또, 상기 열처리 공정에서의 가열 수단은 불순물 금속 등의 반도체 성능을 열화시키는 물질의 발생원으로 되지 않을 것도 필수 요건으로 되어, 이 점에서, 종래부터 예컨대, 텅스텐 등으로 이루어지는 발열체의 외측을 석영 유리관으로 덮은 히터가 많이 이용되고 있다.
그런데, 상기 히터를 예컨대, 반도체 제조 프로세스 분야 등에 있어서 사용한 경우, 텅스텐 등으로 이루어지는 발열체를 덮고 있는 석영 유리관이 만일 파손되면, 분위기 혹은 세정액, 연마액 등을 금속 오염하게 되고, 나아가서는 웨이퍼가 오염된다고 하는 문제가 있었다. 또, 상기 석영 유리관이 파손되지 않더라도, 상기 발열체로부터 상기 석영 유리관을 통해, 금속 오염된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명자들은 불순물 금속 오염 방지의 관점에서, 특히 금속질 발열체에 비해, 반도체 제조용 히터로서 적합하게 사용할 수 있는 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 제안했다(일본 특허 공개 제2000-21890호 공보).
이 카본 와이어(발열체)는 매우 가는 카본 섬유를 묶은 카본 섬유 다발을 복수 개 편직하여 제작한 것으로, 종래의 금속 발열체에 비해서, 열 용량이 작아 승강온(昇降溫) 특성이 우수하고, 또 비산화성 분위기 속에서는 고온 내구성도 우수하다. 또한, 가는 카본 섬유의 섬유 다발을 복수 개 편직하여 제작된 것이기 때문에, 석영 카본재로 이루어지는 발열체에 비해 유연성이 풍부하여, 반도체 제조용 히터로서 여러 가지 구조, 형상으로 용이하게 가공할 수 있다고 하는 이점을 갖고 있다.
그런데, 최근에, 특히 반도체 제조 공업 분야에서는 반도체 회로의 대용량 집적화를 위해 웨이퍼의 구경이 커지는 경향이 있고, 아울러 비용 삭감을 위해 수율 향상 요구가 강하게 되어, 이들 요구에 대응하기 위해서, 종래보다 한층 더 엄밀한 온도 조절 관리가 요구되고 있다. 그 때문에, 처리로 등을 원하는 상태로 가열할 수 있는, 발열 불균일이 적은 히터의 출현이 요구되고 있다.
이 카본 와이어 발열체 봉입 히터는 상기한 바와 같이 불순물 금속 오염 방지의 관점에서는 매우 우수한 것이지만, 히터의 사용시에 있어서, 카본 와이어 발열체를 봉입한 엘리멘트 파이프(석영 유리관) 내면에 흑점의 발생이 인정되었다.
특히, 직선형의 발열부를 갖고, 그 양단에 굴곡부를 통해 단자부를 갖춘, 측면 형상이 コ자형인 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 있어서, 이 흑점의 발생이 현저히 인정되었다.
이러한 카본 와이어 발열체를 봉입한 엘리멘트 파이프(석영 유리관) 내면에 있어서의 흑점의 발생은 히터로부터의 복사열을 차단, 차폐하기 때문에, 발열 불균일의 원인이 되어 바람직하지 않다.
그래서, 본원 발명자들은 흑점의 발생 원인에 관해서 예의 연구한 결과, 엘리멘트 파이프(석영 유리관)에 봉입되는 카본 와이어의 흡착 수분량이 영향을 주고 있는 것, 또 엘리멘트 파이프(석영 유리관) 내경이 영향을 주고 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
또, 상기한 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 단자부는 도 27a, 도 27b에 도시한 바와 같이, 유리관(421)과, 이 유리관(421)에 압축 수용된 와이어 카본재(423)와, 상기 유리관(421) 내에 수용되어 와이어 카본재(423) 사이에 끼워지는 카본 와이어 발열체(422)와, 상기 유리관(421) 내에 수용되어 와이어 카본재(423) 사이에 끼워지는 전력 공급용 접속선(424)을 구비하고 있다. 그리고, 상기 유리관(421)의 개구 단부(421a)에는 히터 본체부를 형성하는 석영 유리 부재(425)가 접속되어, 상기 개구 단부(421a)로부터 카본 와이어 발열체(422)가 도출된다. 이 개구 단부(421a)는 카본 와이어 발열체(422)나 와이어 카본재(423) 등의 내부 충전물의 비산을 방지하기 위해, 가운데가 약간 잘록한 형상으로 되어 있다. 한편, 상기 유리관(421)의 다른 개구 단부(도시하지 않음)는 접속선(424)이 도출된 상태에서 다른 유리 부재에 의해 밀폐되어 있다.
이러한 구성에 의해, 카본 와이어 발열체(422)와 전력 공급용 접속선(24)이 와이어 카본재(423)를 통해 전기적으로 접속된다.
종래, 상기 단자부[유리관(421)]에 와이어 카본재(423)를 압축 수용할 때, 와이어 카본재(423)를 하나로 통합하여 유리관(421) 내에 충전하고 있었다. 그 때문에, 종종 카본 와이어 발열체(422)의 단부가, 도 27b에 도시한 바와 같이, 유리관(421) 내의 벽면측으로 치우쳐 배치되어 버리는 경우가 있었다. 그 결과, 도 27a에 도시한 바와 같이 개구 단부(421a)의 주연부가 카본 와이어 발열체(422)와 접촉하는 경우가 있었다. 이와 같이, 카본 와이어 발열체(422)와 유리관(421)이 직접(특히 압박되어) 접촉되면, 그 접촉점에 있어서 카본(C)과 석영(SiO2)과의 반응이 진행되어, 그 부분에서 단선이 생기기 쉽게 된다고 하는 기술적 과제가 있었다.
또, 히터 단자부의 형상으로서, 도 28에 도시한 바와 같은 L 자형인 것도 이용되고 있다. 이 단자부에 있어서도, 와이어 카본재(423)를 하나로 통합하여 유리관(426)의 한변(426a)에 충전하고, 카본 와이어 발열체(422)를 고정하는 동시에, 카본 와이어 발열체(422)를 유리관(426)의 다른 한변(426b)으로 도출하고 있다. 또, 상기 다른 한변(426b)의 앞에 히터 본체가 형성되어 있다.
이 단자부에 있어서, 카본 와이어 발열체(422)를 굴곡시키면, 도 28에 도시한 바와 같이 L 자형의 유리관(426)의 굴곡부 내측에서 와이어 카본재(423)가 부풀어 올라, 카본 와이어 발열체(422)가 유리관(426)의 내벽에 밀어부쳐진 상태로 된다. 그 결과, 카본 와이어 발열체(422)가 유리관(426) 내의 벽면과 접촉하여, 그 접촉점에 있어서 카본(C)과 석영(SiO2)의 반응이 진행되어, 그 부분에서 단선이 생기기 쉽게 된다고 하는 기술적 과제가 있었다.
또한, 상기한 바와 같이, 반도체 제조 분야에서는 한층 더 엄밀한 온도 조절 관리가 요구되도록 되고 있다. 그 때문에, 처리로 등을 원하는 상태로 가열할 수 있는 히터, 즉 복사열의 방향성을 갖는 히터의 출현이 요망되고 있었다. 특히, 처리로의 가로 방향에서 처리로를 가열하는 히터에 있어서, 수직면 방향(가로 방향)의 복사열을 증대시킨 히터의 출현이 요망되고 있었다. 예컨대, 도 29a에 도시한 바와 같이, 상기한 막대 형상 히터(470)를 수직 상태로 세워 설치하면, 수직면 방향의 복사열은 커지게 된다.
그러나, 발열체(471)가 하나이기 때문에, 복사열이 전해지는 영역은 좁다. 그 때문에, 복사열이 전해지는 영역을 넓히기 위해서는 상기 막대 형상 히터(470)에 인접하여 복수의 막대 형상 히터를 설치할 필요가 있다. 이 경우, 막대 형상 히터의 수에 따른 접속 단자(472)가 필요하게 되어, 비용이 올라간다고 하는 기술적 과제가 있었다.
또, 도 29b에 도시한 바와 같이, 판형 히터(475)의 발열체(476)를 지그재그 형태로 형성함으로써, 수직면 방향의 복사열이 전해지는 영역을 넓힐 수 있다. 게다가, 이 경우, 막대 형상 히터(470)의 경우와 같이 접속 단자(472)의 수가 많아지는 일도 없다. 그러나, 상하로 지그재그 형태의 발열체(476)는 일정한 간격(t)을 두고 형성되고 있기 때문에, 수직면 방향의 복사열을 보다 증대시키기에는 한계가 있었다.
또, 상기한 바와 같이 카본 와이어 발열체 봉입 히터는 불순물 금속 오염 방지의 관점에서는 매우 우수한 것으로, 본원 발명자들은 반도체 제조 분야에서의 다른 용도에 대해서 검토하였다. 그 결과, 유체 가열 장치에 적합하게 이용할 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적고, 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 제공하는 것을 제1 목적으로 한다.
또, 본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 카본 와이어 발열체를 유리관의 거의 중심에 배치시켜 수용함으로써, 카본 와이어 발열체와 유리관의 접촉을 방지하여, 카본 와이어 발열체의 단선을 억제한, 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.
더욱이, 본 발명은 히터로부터의 오염 물질 확산, 특히 발열체로부터의 불순물 금속 등의 오염 물질의 확산이 없어, 처리 대상물의 오염이 억제되는 동시에, 복사열의 방향성을 갖고, 수직면 방향의 복사열을 보다 증대시킬 수 있는 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 제공하는 것을 제3 목적으로 한다.
또한, 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용하여, 히터로부터의 오염 물질 확산, 특히 발열체로부터의 불순물 금속 등의 오염 물질의 확산이 없어, 처리 대상물의 오염이 억제되는 동시에, 가스 체류성이 우수하며, 더구나 파티클 등의 발생을 억제할 수 있고, 소형화가 가능한 유체 가열 장치를 제공하는 것을 제4 목적으로 하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위해서 이루어진 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터는, 카본 섬유를 이용한 카본 와이어 발열체를 석영 유리 부재 내에 봉입한 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 있어서, 상기 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 것을 특징으로 한다. 또, 카본 섬유를 복수 개 이용하여 편직한 카본 와이어를, 석영 유리 부재 내에 봉입한 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 있어서, 상기 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 것을 특징으로 한다.
석영 유리 부재 내에 봉입한 카본 와이어 발열체는 비교적 다량의 수분을 흡착하고 있다. 그 때문에, 하기의 반응식으로 나타낸 바와 같이, 승온시에 이 흡착 수분과 카본 와이어가 반응하여, 한쪽이 냉각되면 그 반응 분자가 흑점으로서 엘리멘트 파이프(석영 유리관) 내면에 부착된다.
따라서, 상기 반응을 억제하기 위해서, 석영 유리 부재 내에 봉입하는 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량을 2×10-3 g/㎤ 이하로 하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터에서는 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 카본 와이어 발열체가 이용되기 때문에, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적은 양호한 발열 특성을 얻을 수 있다.
여기서, 상기 석영 유리 부재가 관상이며, 상기 카본 와이어 발열체의 직경과 석영 유리관의 내경의 비율이 1:2∼5인 것이 바람직하다. 카본 와이어 발열체의 직경을 1로 했을 때, 석영 유리관의 내경의 비율이 2 미만인 경우, 카본 와이어와 석영 유리관의 내면이 접촉할 가능성이 높고, 또 접촉하지 않는 부분에서도 카본 와이어 발열체로부터 석영 유리관의 내면까지의 거리가 매우 가깝다. 그 때문에, 상기 흑점 분자가 발생한 경우, 석영 유리관의 내부로 분산되지 않고, 최단 거리에 있는 석영 유리관의 내면에 흑점이 집중적으로 형성된다.
그 결과, 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 외관으로부터 흑점을 확인할 수 있고, 또 이러한 부분에 있어서 발열 불균일이 생기기 때문에, 바람직하지 못하다.
한편, 카본 와이어 발열체의 직경을 1로 했을 때, 석영 유리관의 내경의 비율이 5를 넘는 경우에는 석영 유리관의 열용량이 커져, 승강온 시의 열 응답성이 저하되기 때문에, 바람직하지 못하다.
또, 상기 카본 와이어 발열체 봉입 히터가, 직선형의 발열부를 지니고, 그 양단에 굴곡부를 통해 단자부를 갖는 コ자형 카본 와이어 발열체 봉입 히터로서, 상기 카본 와이어가 상기 석영 유리관의 중심부로부터 편심되어 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 카본 와이어 발열체를 이용하는 경우에는, 카본 와이어 발열체가 석영 유리관의 중심부로부터 편심 배치되어 있더라도, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적은 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 얻을 수 있다.
또, 카본 와이어의 직경을 1로 한 경우에 석영 유리관의 내경의 비율이 2∼5인 경우에는, 카본 와이어가 석영 유리관의 중심부로부터 편심 배치되어 있더라도, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적은 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 얻을 수 있다.
또, 제2 목적을 더욱 달성하기 위해서 이루어진 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터는 상기 어느 한 카본 와이어 발열체가 유리 부재 중에 봉입된 히터로서, 상기 석영 유리 부재의 단부에 배치되어 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관과, 상기 유리관에 압축 수용되어, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재과, 상기 유리관에 단부가 수용되어, 압축된 와이어 카본 부재 사이에 끼워지는 전력 공급용 접속선을 갖는 단자부를 구비하고, 상기 와이어 카본 부재가 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지고, 상기 카본 와이어 발열체가 상기 복수의 와이어 카본 다발의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터에서는, 와이어 카본 부재가 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지고, 상기 카본 와이어 발열체가 상기 복수의 와이어 카본 다발의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있다.
즉, 와이어 카본 다발이 마치 드릴, 드릴링 머신 등의 척부의 기능을 갖고 있어, 카본 와이어 발열체를 유리관의 중심에 위치시키려고 한다. 그 결과, 카본 와이어 발열체는 상기 유리관의 거의 중심에 배치되어, 유리관과 접촉하는 일이 없다.
그 결과, 유리관과 카본 와이어 발열체 사이의 반응이 회피되고, 이것에 기인하는 단선이 억제되기 때문에, 종래의 것에 비하여 현저히 히터 수명을 연장시킬 수 있다. 또, 카본 와이어 발열체가, 복수의 와이어 카본 다발의 거의 중심을 통과하고 있으므로, 그 저항 조정을 용이하게 행할 수 있다.
또, 제2 목적을 달성하기 위해 이루어진 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터는, 상기 어느 한 카본 와이어 발열체가 유리 부재 중에 봉입된 히터로서, 상기 석영 유리 부재의 단부에 배치되어 상기 카본 와이어 발열체의 일부를 수용하는 제1 유리관과, 상기 제1 유리관과 그 축선을 같게 하여, 상기 카본 와이어 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선의 단부 및 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 제2 유리관과, 상기 제1 유리관 및 제2 유리관에 압축 수용되어, 상기 카본 와이어 발열체, 전력 공급용 접속선을 사이에 끼우는 와이어 카본 부재를 갖는 단자부를 구비하고, 상기 와이어 카본 부재가 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지고, 상기 카본 와이어 발열체가 상기 복수의 와이어 카본 다발의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터에서도, 상기한 발명과 같이, 제1 유리관과 카본 와이어 발열체 사이의 반응이 회피되어, 이것에 기인하는 단선이 억제되기 때문에, 종래의 것에 비해 현저히 히터 수명을 연장시킬 수 있다. 또, 카본 와이어 발열체가, 복수의 와이어 카본 다발의 거의 중심을 통과하고 있으므로, 그 전기 저항치의 조정을 용이하게 행할 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서는, 상기 카본 와이어 발열체의 일부를 제1 유리관에, 또 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선의 단부 및 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 제2 유리관에 수용하고 있다.
그 때문에, 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선의 단부를 수용하는 제2 유리관과, 카본 와이어 발열체의 일부를 수용하는 제1 유리관에 있어서의 와이어 카본 부재의 양을 가변할 수 있다.
따라서, 전력 공급용 접속선의 단부를 사이에 끼우는 제2 유리관의 와이어 카본 부재의 양을 제1 유리관의 와이어 카본 부재의 양보다도 많게 함으로써, 접속선을 강고하게 끼워 둘 수 있어, 전기 저항의 불안정화를 억제할 수 있다.
또, 상기 제2 유리관에 수용된 와이어 카본 부재가 상기 제1 유리관에 수용된 와이어 카본 부재보다 많은 것이 바람직하다.
이와 같이, 제2 유리관의 와이어 카본 부재의 양을 제1 유리관의 와이어 카본 부재의 양보다도 많게 함으로써, 접속선을 강고히 끼워 둘 수 있어, 전기 저항의 불안정화를 억제할 수 있다.
또, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관의 카본 와이어 발열체의 도출측에, 상기 와이어 카본 다발의 절곡부가 위치하도록, 와이어 카본 다발이 상기 유리관에 수용되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 와이어 카본 다발이 절곡되고, 또한 유리관의 카본 와이어 발열체의 도출측에 상기 와이어 카본 다발의 절곡부가 위치하고 있다. 그 때문에, 유리관 단부로부터 먼지와 같은 물질이 카본 와이어 발열체를 봉입하는 석영 유리 부재 속에 들어가는 것을 저지한다.
그 결과, 이 먼지와 같은 물질에 기인하는 석영 유리 부재의 내벽과의 반응, 내벽으로의 부착, 발열 불균일 등을 방지할 수 있다.
또, 이 구조에 의해 접속선을 압축된 와이어 카본 부재 중에 삽입하기 쉽고, 또 이 선단부가 보다 강고히 고정되어 안정된 전력 공급을 행할 수 있다.
더욱이, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관이 직선형으로 형성되는 동시에, 카본 와이어 발열체 및 와이어 카본 다발이 상기 유리관의 축선과 거의 평행하게 배열되어, 상기 유리관의 단부로부터 카본 와이어 발열체가 도출되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관이 직선형으로 형성되어 있는 경우에도 카본 와이어 발열체가 유리관의 거의 중심부에 배치되기 때문에, 유리관의 단부와 카본 와이어 발열체가 접촉하는 일은 없다.
또, 상기 카본 와이어 발열체의 일부를 수용하는 제1 유리관이 직선형으로 형성되는 동시에, 상기 카본 와이어 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선 및 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 제2 유리관이 직선형으로 형성되어, 카본 와이어 발열체 및 와이어 카본 다발이 상기 제1 유리관과 제2 유리관의 축선과 거의 평행하게 배열되고, 상기 제1 유리관의 단부로부터 카본 와이어 발열체가 도출되는 것이 바람직하다.
이 경우에 있어서도, 상기한 경우와 같이, 카본 와이어 발열체가 유리관의 거의 중심부에 배치되기 때문에, 제1 유리관의 단부와 카본 와이어 발열체가 접촉하는 일은 없다.
또, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관이 T자형으로 형성되는 동시에 일단부가 밀봉되고, 카본 와이어 발열체 및 와이어 카본 다발이, 유리관의 개구 단부로부터 밀봉 단부까지 축선과 거의 평행하게 배열되어, 상기 유리관의 굴곡부에서, 카본 와이어 발열체가 와이어 카본 다발 사이로부터 도출되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 종래, 단자부와 카본 와이어 발열체가 유리 부재 중에 봉입된 발열부가, L자형의 굴곡부를 통해 접속된 히터의 L자형의 유리관을 T자형으로 형성하여, 카본 와이어 발열체 및 와이어 카본 다발을 유리관의 개구 단부로부터 밀봉 단부까지 축선과 거의 평행하게 배열하여, 상기 유리관의 굴곡부에서, 카본 와이어 발열체를 와이어 카본 다발 사이로부터 도출하고 있다.
그 때문에, 굴곡부로부터 밀봉 단부에 있어서, 와이어 카본 부재의 누름 기능이 발휘된다. 그 때문에, 종래의 L자형 유리관의 경우와 같이, 와이어 카본재가 굴곡부에서 부풀어 올라, 카본 와이어 발열체가 내벽면에 압박 접촉된다고 하는 문제를 회피할 수 있다.
또, 상기 유리관의 굴곡부에서 밀봉 단부까지의 길이가, 굴곡부로부터 연장 설치된 유리관의 내경의 1.5배 이상으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이에 대하여, 유리관의 굴곡부로부터 밀봉 단자까지의 길이가, 연장 설치된 유리관의 내경의 1.5배 미만인 경우에는, 굴곡부로부터 밀봉 단부에 있어서의 와이어 카본 부재의 누름 기능이 약하고, 종래의 L자형 유리관의 경우와 같이, 와이어 카본재가 굴곡부에서 부풀어 올라, 카본 와이어 발열체가 내벽면에 압박 접촉된다고 하는 문제가 생긴다.
한편, 상기 유리 부재 및 유리관이 석영 유리재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또, 상기 외투관이 석영 유리재로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 제3 목적을 더욱 달성하기 위해 이루어진 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터는 상기 어느 한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 히터부의 석영 유리관의 양단에 설치된 밀봉 단자부와, 상기 밀봉 단자부에 설치된 접속 단자로 이루어지는 히터에 있어서, 상기 석영 유리관을 상하 방향으로 나선형으로 권취하여, 상하 방향으로 연장 설치되는 석영 유리관을 직선형으로 형성하는 동시에, 상하부의 석영 유리관을 원호형으로 형성한 히터부와, 히터부의 석영 유리관의 양단부가 동일면측으로 연장 설치되어, 그 단부에 형성된 밀봉 단자부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 석영 유리관을 상하 방향으로 나선형으로 권취하고, 상하 방향으로 연장 설치되는 석영 유리관을 직선형으로 형성하는 동시에, 상하부의 석영 유리관을 원호형으로 형성하여, 이 석영 유리관의 양단부가 동일면측으로 연장 설치되고, 그 단부에 밀봉 단자부가 형성되어 있다.
따라서, 카본 와이어 발열체로부터의 열복사는, 원호형의 석영 유리관으로부터 이루어지는 열복사는 적고, 주로 상하 방향으로 연장 설치된 직선형의 석영 유리관으로부터 이루어질 수 있다. 그 때문에, 수직면 방향, 즉, 가로 방향의 복사열을 보다 증대시킬 수 있다.
또, 히터부는 석영 유리관을 상하 방향으로 나선형으로 권취하여 형성되기 때문에, 상기 직선형의 석영 유리관은 복사 방향에 대하여 전후로 배치되고, 또한, 상기 석영 유리관에 대하여 수직면 방향(가로 방향)에서 본 경우, 앞쪽의 복수의 직선형 석영 유리관의 각각의 사이에 뒤쪽의 직선형의 석영 유리관이 위치하는 구조가 된다. 즉, 전후로 배치된 직선형의 석영 유리관으로부터의 복사에 의해서, 수직면 방향(가로 방향)의 복사열을 보다 증대시킬 수 있고, 더구나 그 간격을 조정함으로써, 수직면 방향에서의 국부적 변동이 작은 열복사로 할 수 있다.
더욱이, 히터부의 석영 유리관의 양단부가 동일면 측에 연장 설치되고, 그 단부에 밀봉 단자부가 형성되어 있다.
이와 같이 밀봉 단자부가 히터부의 동일면 측에 형성되어 있기 때문에, 전원과의 접속을 용이하게 할 수 있다. 상기 히터부를 사이에 두고 밀봉 단자부의 형성측과 반대측이 조사(照射)측으로 된다. 따라서, 밀봉 단자부의 형성측에 반사판 등을 배치함으로써, 복사를 보다 증대시킬 수 있다.
또, 본 발명의 카본 와이어 발열체 봉입 히터는 상기 어느 한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 히터부의 석영 유리관의 양단에 설치된 밀봉 단자부와, 상기 밀봉 단자부에 설치된 접속 단자로 이루어지는 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 있어서, 상기 석영 유리관을 상하 방향으로 나선형으로 권취하여, 상하 방향으로 연장 설치되는 석영 유리관을 직선형으로 형성하는 동시에, 상하부의 석영 유리관을 원호형으로 형성한 히터부와, 히터부의 석영 유리관의 양단부가 동일면측에 연장 설치되고, 그 단부에 형성된 밀봉 단자부를 구비하고, 또 상기 밀봉 단자부가, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관과, 상기 유리관에 압축 수용되어, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재를 갖추고, 상기 와이어 카본 부재가 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지고, 상기 카본 와이어 발열체가, 상기 복수의 와이어 카본 다발의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 따르면, 전술한 제1, 제2 및 제3 목적을 동시에 달성하는 히터로 할 수 있다. 즉, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적은 발열 특성이 양호하고, 카본 와이어 발열체의 단선이 억제되며, 또 복사열의 방향성을 가져서, 수직면 방향의 복사열을 보다 증대시킬 수 있는 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 원호형으로 형성된 석영 유리관의 곡율 반경이, 석영 유리관의 외경의 2배 이상∼5배 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이, 곡율 반경이 석영 유리관 외경의 2배 미만인 경우에는, 원호형으로 할 때, 석영 유리관의 내부가 변형되어, 카본 와이어 발열체가 석영 유리관의 내벽에 접촉할 우려가 있기 때문에 바람직하지 못하다.
또, 곡율 반경이 석영 유리관 외경의 5배를 넘으면 히터의 폭이 커지는 동시에, 상하 방향의 복사가 증대하기 때문에, 바람직하지 못하다.
또, 상기 석영 유리관의 원호형으로 형성된 히터부의 외주부측의 두께와 내주부측의 두께의 비율이, 1:1.1 내지 2인 것이 바람직하다.
이와 같이, 내주부측의 두께를 크게 형성했기 때문에, 내주부측의 열용량이 크고, 내주부측의 복사를 적게 할 수 있다.
또, 전후로 배치된 직선형의 석영 유리관으로부터의 복사열이 수직면 방향에 직교하는 방향(세로 방향)으로 방사되는 것을 억제할 수 있다.
더욱이, 이 구조는 나선형으로 권취한 석영 유리관 내에 카본 와이어 발열체를 소정의 인장력에 의해 수용한 본 발명의 히터에 있어서, 응력이 큰 부분을 보강하여, 파손 등의 발생을 보다 방지할 수 있다.
더욱이, 상기 원호형의 석영 유리관은 인접하는 원호형의 석영 유리관과 적어도 석영 유리관의 외경의 1배 내지 3배의 간격을 두고 형성되는 것이 바람직하다.
석영 유리관을 긴밀하게 감는 것은 수직면 방향(가로 방향) 복사열을 증대시키게 되어, 바람직하다.
그러나, 상기한 바와 같이 히터부는 석영 유리관을 상하 방향으로 나선형으로 권취하여 형성되기 때문에, 상기 직선형의 석영 유리관은 복사 방향에 대하여, 전후로 배치된다. 따라서, 너무 긴밀하게 감으면, 후에 배치된 직선형의 석영 유리관으로부터 복사열을 유효하게 활용할 수 없고, 또 권취한 석영 유리관의 내주측이 매우 고온으로 된다. 이것을 피하기 위해서, 석영 유리관은 석영 유리관의 외경의 1배 이상의 간격을 두고, 귄취하는 것이 바람직하다.
또, 3배 이하로 함으로써 수직 방향에서의 국부적 변동이 보다 작은 열복사로 할 수 있다.
또, 상기 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관에 내접하여 설치된 히터 상부유지 부재와, 상기 하부에 형성된 원호형의 석영 유리관에 외접하여 설치된 히터 하부 유지 부재와, 상기 히터 상부 유지 부재와 히터 하부 유지 부재를 연결하는 연결 부재로 이루어지는 히터 유지부를 갖추는 것이 바람직하다.
이와 같이, 히터 유지부를 설치함으로써, 히터부의 기계적 강도를 증가시킬 수 있어, 파손을 방지할 수 있다. 또, 히터 하부 유지 부재가 설치되어 있기 때문에, 설치성이 향상된다. 더욱이, 히터 유지부가 원호형으로 형성된 석영 유리관에 장착되어 있는 원호형부의 열용량이 커져서, 상하 방향의 복사를 보다 적게 할 수 있다.
또, 상기 히터 상부 유지 부재를, 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관의 내측에 용접하는 동시에, 상기 히터 하부 유지 부재를 하부에 형성된 원호형의 석영 유리관의 외측에 용접하는 것이 바람직하다.
또, 상기 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관의 내측에 소정의 간격을 두고 설치된 히터 상부 유지 부재와, 상기 하부에 형성된 원호형의 석영 유리관에 외접하여 설치된 히터 하부 유지 부재와, 상기 히터 상부 유지 부재와 히터 하부 유지 부재를 연결하는 연결 부재로 이루어지는 히터 유지부를 갖추는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관의 내측과 히터 상부 유지 부재 사이에, 소정의 간격이 형성되어 있기 때문에, 진동 등에 의한 석영 유리관과 히터 상부 유지 부재의 충돌을 피할 수 있어, 파손을 방지할 수 있다. 이 간격은 0.2 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.
또, 상기 히터 하부 유지 부재의 하면이, 밀봉 단자부의 하면보다 상측에 위치하고 있는 것이 바람직하다.
히터 하부 유지 부재의 하면이, 밀봉 단자부의 하면보다 상측에 위치하고 있기 때문에, 수평면에 히터를 설치한 경우, 히터 하부 유지 부재의 하면이 설치면에 접촉하는 일은 없다. 따라서, 지진 등에 의해서 상하의 진동이 가해지더라도, 히터 하부 유지 부재의 하면이 설치면에 접촉하는 일은 없어, 밀봉 단자부와 석영 유리관을 연결하는 부분의 파손을 방지할 수 있다.
한편, 상기 히터 하부 유지 부재의 하면이, 밀봉 단자부의 하면보다 0.5 ㎜ 이상, 상측에 위치하고 있는 것이 바람직하다. 0.5 ㎜ 이상 고저차가 있는 경우에는 지진 등의 상하 진동에 의해서도, 히터 하부 유지 부재의 하면이 설치면에 접촉하는 일이 없어, 파손을 방지할 수 있다.
또, 상기 제4 목적을 더욱 달성하기 위해 이루어진 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용한 유체 가열 장치는, 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 바깥 주위에 형성된, 상기 어느 한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 구비한 유체 가열 장치에 있어서, 상기 가열관의 내부에, 통과하는 유체의 저항으로 되는 충전물이 배치되는 동시에, 상기 충전물의 상류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 가열관의 내부에, 통과하는 예컨대 가스의 저항이 되는 충전물이 배치되어 있기 때문에, 통과하는 유체에 대하여 적절한 체류 시간을 부여할 수 있다. 그 결과, 가열관 내부를 통과하는 유체는 상기 히터부로부터의 복사열에 의해 충분한 열을 얻을 수 있어, 소정 온도까지 승온될 수 있다. 또, 가열관 내부를 통과하는 유체를 체류시킬 수 있기 때문에, 가열관, 히터부를 소형화할 수 있다.
특히, 상기 충전물의 상류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있기 때문에, 가열관의 내부에 도입된 가스는 상기 확산판에 의해서 확산되어, 충전물의 상류측면의 전면으로부터 가스가 유입된다. 그 결과, 가스는 충전물의 전영역을 흐르기 때문에, 가스의 체류성이 향상되는 동시에, 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 충전물의 상류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있기 때문에, 충전물의 일부가 탈락되는 일도 없고, 그것에 따른 파티클 등의 발생을 방지할 수 있다.
또, 본 발명의 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용한 유체 가열 장치는, 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 바깥 주위에 형성된, 상기 어느 한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 구비한 유체 가열 장치에 있어서, 상기 가열관의 내부에, 통과하는 유체의 저항이 되는 충전물이 배치되는 동시에, 상기 충전물의 상류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있고, 상기 히터부의 단부에 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관과, 상기 유리관에 압축 수용되어, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재와, 상기 유리관에 단부가 수용되어, 압축된 와이어 카본 부재 사이에 끼워진 전력 공급용 접속선을 갖는 단자부를 구비하고, 상기 와이어 카본 부재가 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지고, 상기 카본 와이어 발열체가 상기 복수의 와이어 카본 다발의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용한 유체 가열 장치에 따르면, 전술한 제1, 제2 및 제4 목적을 동시에 달성하는 히터로 할 수 있다. 즉, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적은 발열 특성이 양호하며, 카본 와이어 발열체의 단선이 억제되고, 또한 가스 체류성이 우수하여, 보다 소형화가 가능한 유체 가열 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 충전물의 하류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 충전물의 하류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있음으로써, 가스의 체류성을 향상시킬 수 있다. 또, 충전물의 일부가 탈락하는 일도 없고, 그것에 따른 파티클 등의 발생을 방지할 수 있다.
또, 상기 충전물이 단주(短柱)형의 석영 유리 비드인 동시에, 상기 확산판이 석영 유리판이며, 상기 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 충전물의 적어도 일면에, 상기 확산판이 융착되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 충전물을 단주형의 석영 유리 비드로 하고, 확산판을 석영 유리판으로 한 경우에는, 융착시키는 것에 의해 용이하게 일체물을 제조할 수 있다.
더욱이, 상기 확산판이, 복수의 관통 구멍을 갖는 원판형의 석영 유리로 이루어지고, 관통 구멍에 의한 단위 면적당 개구율이 중심부보다 외주부측이 큰 것이 바람직하다.
이와 같이, 외주부에 있어서의 단위 면적당 개구율이 중심부보다 크게 형성되어 있기 때문에, 가열관 내부로 도입된 가스는 가열관의 외주부 방향으로 보다 확산되어, 충전물의 상류측면의 전면으로부터 가스가 유입된다. 그 결과, 가스는 충전물의 전영역을 흐르기 때문에, 가스의 체류성이 향상되는 동시에, 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 히터부가 바깥 주위에 배치되어 있기 때문에, 가스를 외주부 방향으로 보다 확산시킴으로써, 보다 효율적으로 가열할 수 있어, 열교환 효율을 보다 확실하게 높일 수 있다.
또, 단주형의 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 충전물은, 직경 6 내지 12 ㎜, 길이 6 내지 12 ㎜의 비드와, 직경 4 내지 10 ㎜, 길이 4 내지 10 ㎜의 비드의 대소 2종류의 비드를, 갯수비로 1:4 내지 4:1의 비율로 혼합하여, 융착함으로써 형성된 성형체인 것이 바람직하다.
이와 같이, 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 성형체로 이루어지는 충전물이 가열관 내에 배치되어 있기 때문에, 가열관 내에 도입된 가스가 상기 충전물에 의해 형성된 복잡하게 굴곡 교차하는 미세한 유로를 통과함으로써 적절한 체류 시간이 부여된다. 또, 상기 히터부로부터의 복사열은 상기 성형체 내부에서 복잡하게 투과, 굴절, 산란, 반사를 반복한다.
그 결과, 도입된 가스에 충분한 열량을 부여할 수 있으므로, 열교환 효율이 우수하여, 가열관, 히터부를 소형으로 할 수 있다.
또, 단주형의 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 충전물의 하류측의 기공율이 상류측의 기공율보다도 작은 것이 바람직하다.
이와 같이, 하류측의 기공율이 상류측의 기공율보다 작게 형성되어 있기 때문에, 가스의 체류성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 제1 실시형태에 관해서, 도 1 내지 도 3에 기초하여 설명한다.
이 카본 와이어 발열체 봉입 히터(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이 직선형의 발열부(2)와, 상기 발열부(2)의 양단에 설치된 단자부(3)로 이루어지고, 측면 コ자형의 형상을 하고 있다.
상기 발열부(2)는 카본 섬유 다발로 이루어지는 발열체로서의 카본 와이어(발열체)(4)를 수용한 석영 유리관(20)으로 이루어지고, 직선형부(21)를 갖추고 있다. 이 석영 유리관(20)은 상기 직선형부(21)와, 그 양단에서 굴곡되어 단자부(3)에 연결되는 굴곡부(22)와, 단자부(3)의 일부를 구성하는 대경부(23)를 갖고 있다.
또한, 상기 석영 유리관(20)의 내경(C)은 도 3a에 도시한 바와 같이, 후술하는 카본 와이어의 직경(D)을 1로 한 경우, 그 비율이 2∼5가 되도록 형성되어 있다. 또, 카본 와이어(발열체)(4)가 다소 변화되어, 타원 형상으로 되는 경우가 있지만, 이 경우에는, 상기 타원의 짧은 직경을 l로 하여, 상기 비율이 되도록 석영 유리관(20)의 내경(C)을 결정한다.
또, 상기 단자부(3)는 접속선(31)을 1가닥 갖는 것으로, 하나의 히터(1)에 대하여, 도 1에 도시한 바와 같이 단자부(3)가 2개 필요하게 된다. 이들 단자부(3)는 구조가 동일하기 때문에, 하나의 단자부(3)에 관해서 설명한다.
이 단자부(3)는 단자부(3)를 구성하는 상기 석영 유리관(20)의 대경부(23)와, 상기 대경부(23)의 내부에 수용된 직선관(32)과, 상기 직선관(32)에 압축 수납된 복수의 와이어 카본재(33)와, 상기 석영 유리관(20)의 단부를 밀봉하는 밀봉 유리관(34)과, 밀봉 유리관(34)에 설치된 텅스텐(W)으로 이루어지는 접속선(31)을 구비하고 있다.
상기 카본 와이어(발열체)(4)는, 직선관(32)에 압축 수납된 복수의 와이어 카본재(33)에 압축 상태로 끼워 넣은 구조에 의해서 접속되며, 이 와이어 카본재(33)에 접속선(31)이 접속하고 있다.
다음에, 도 2에 기초하여 카본 와이어(발열체)(4)에 관해서 설명한다.
이 카본 와이어(발열체)(4)는 매우 가는 카본 단섬유를 묶은 카본 섬유 다발을, 짠 끈 형상, 혹은 꼰 끈 형상으로 복수 개 편직하여 제작한 것으로, 종래의 금속제나 SiC제의 발열체에 비해서, 열용량이 작고 승강온 특성이 우수하며, 또한 비산화성 분위기 속에서는 고온 내구성도 우수하다.
또, 가는 카본 단섬유의 섬유 다발을 복수 개 편직하여 제작된 것이기 때문에, 석영 카본재로 이루어지는 발열체에 비해 유연성이 풍부하고, 형상 변형 순응성이나 가공성이 우수하다.
구체적으로는, 상기 카본 와이어(발열체)(4)로서, 직경 5 내지 15 ㎛의 카본 섬유, 예컨대 직경 7 ㎛의 카본 섬유를 약 3000 내지 3500 가닥 정도 묶은 섬유 다발을 10 다발 정도 이용하여 직경 약 2 ㎜의 짠 끈, 혹은 꼰 끈 형상으로 편직한 카본 와이어가 이용된다.
또, 카본 와이어(발열체)(4)로서, 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 카본 와이어가 이용된다.
이와 같이, 카본 와이어(발열체)(4)는 흡착 수분량이 적기 때문에, 승온시에, 흡착 수분과 카본 와이어의 반응이 억제된다. 그 결과, 석영 유리관(20)의 내면에 대한 반응 분자(흑점)의 부착이 억제된다.
또, 승온시에, 2×10-3 g/㎤ 이하의 흡착 수분과 카본 와이어의 반응이 만일 생기더라도, 이 경우는, 흑점으로 되지 않으며, 히터의 발열 특성에 영향을 미치지 않을 정도의 얇은 흑막이 석영 유리관(20)의 내면에 부착되는 것에 불과하다.
상기 카본 와이어(발열체)를 편직한 스팬(span)은 2 내지 5 ㎜ 정도이다. 또, 상기 짠 끈 혹은 꼰 끈 형상의 카본 와이어(발열체)(4)는 표면에 카본 섬유의 보풀 돌기(4a)를 갖는 것이 바람직하며, 이 보풀 돌기란 카본 섬유(단섬유)가 절단된 것의 일부가 카본 와이어의 외주면으로 돌출된 것이다.
또, 이 카본 섬유에 의한 표면의 보풀 돌기는 0.5 내지 2.5 ㎜ 정도인 것이 바람직하다.
또, 발열 성상의 균질성, 내구 안정성 등의 관점 및 먼지 발생 회피상의 관점에서, 상기 카본 섬유는 고순도인 것이 바람직하며, 카본 섬유 중에 포함되는 불순물의 양이 회분(灰分) 중량으로서 100 ppm 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 카본 섬유 중에 포함되는 불순물의 양이 회분 중량으로서 3 ppm 이하이다.
그리고, 상기 카본 와이어(발열체)(4)를, 석영 유리관(20)의 내부에 있어서, 상기 보풀 돌기(4a)만이 석영 유리관의 내벽과 접촉하고, 카본 와이어(발열체)(4)의 본체는 실질적으로 접촉하지 않도록 삽입하는 것이 바람직하다. 그와 같이 함으로써, 석영 유리(SiO2)와 카본 와이어의 탄소(C)의 고온하에 있어서의 반응이 극력 억제되어, 석영 유리의 열화, 카본 와이어의 내구성 저하가 억제된다.
그러나, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 카본 와이어 발열체 봉입 히터(1)가 직선형의 발열부(2)를 갖고, 그 양단에 굴곡부를 통해 단자부(3)를 갖춘, 측면 형상이 コ자형인 히터이기 때문에, 상기 카본 와이어(발열체)(4)는 석영 유리관(20)의 중심부로부터 편심 배치된다.
즉, 도 3a에 도시한 바와 같이, 카본 와이어(발열체)(4)가 상기 석영 유리관(20) 내에서 편심 배치되어, 카본 와이어(발열체)(4)와 석영 유리관(20)의 내면이 접촉한다.
이 때, 상기 석영 유리관(20)의 내경(C)은 도 3a에 도시한 바와 같이, 카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)을 1로 한 경우, 그 비율이 2∼5가 되도록 형성되어 있다.
이와 같이 카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)을 1로 한 경우, 석영 유리관(20)의 내경(C)의 비율이 2∼5가 되도록 형성되어 있기 때문에, 카본 와이어(발열체)(4)와 석영 유리관(4)의 내면과의 접촉 부분(A)의 면적을 작게 할 수 있다.
한편, 도 3b에 도시한 바와 같이, 카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)을 1로 한 경우, 그 비율이 2 미만인 경우에, 카본 와이어(발열체)(4)와 석영 유리관(20)의 내면과의 접촉 부분(B)의 면적이 커지게 되어 바람직하지 못하다.
또한, 석영 유리관(20)의 내경(C)의 비율이 2∼5가 되도록 형성되어 있기 때문에, 접촉하지 않는 부분에 있어서도 카본 와이어(발열체)(4)로부터 대향하는 석영 유리관(20)의 내면까지의 거리(d)가 길다.
그 때문에, 상기 흑점(반응 분자)이 발생했다고 해도, 석영 유리관(20) 내부로 분산되어, 얇은 흑막으로서 석영 유리관(20)의 내부에 형성된다.
이와 같이, 석영 유리관(20)의 특정 부분에 흑점으로서 집중적으로 형성되는 일이 없기 때문에, 발열 불균일은 생기지 않는다.
한편, 카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)를 1로 했을 때, 석영 유리관의 내경(C)의 비율이 5를 넘는 경우에는, 석영 유리관(20)의 열용량이 커져, 온도 승강시의 열응답성이 저하되기 때문에, 바람직하지 못하다. 또한, 석영 유리관(20) 내에로 흑점은 냉각되기 쉬운 부분에 발생하기 쉽다.
따라서, 카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)에 대하여, 석영 유리관(20)의 내경(C)이 지나치게 커지면[카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)을 1로 했을 때, 석영 유리관의 내경(C)의 비율이 5를 넘으면], 도 3a 중의 거리(d)가 커져, 특히 냉각되기 쉬운 부분(a)에 흑점이 발생하기 쉽게 된다.
이상의 점을 감안하면, 카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)을 1로 한 경우, 석영 유리관(20)의 내경(C)의 비율이 2∼5가 되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 카본 와이어 발열체 봉입 히터(1)에 있어서는, 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 카본 와이어(발열체)(4)가 이용되고 있기 때문에, 카본 와이어(발열체)(4)에 전력을 공급하여, 승강온을 반복하더라도, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적은 양호한 발열 특성을 유지할 수 있다.
또, 상기 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량은 이것이 석영 유리 부재 내에 봉입된 상태에서 2×10-3 g/㎤ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이것은, 봉입전의 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량 및 이것을 석영 유리 부재 내에 봉입하는 조건을 조정함으로써 달성된다.
또, 마찬가지로, 석영 유리관(20)의 내경(C)이, 카본 와이어(발열체)(4)의 직경(D)의 2∼5배인 경우에도 흑점의 발생이 억제되어, 발열 불균일이 적은 양호한 발열 특성을 유지할 수 있다.
(실시예)
흡착 수분량이 다른 카본 와이어(발열체)를 사용하여, 도 1에 도시하는 コ자형의 카본 와이어 발열체 봉입 히터(직선형부의 길이 : 700 ㎜)를 제작하여, 하기 조건하에서 승온 시험을 실시하여 흑점의 발생 상황을 확인하였다. 또한, 히터 제작시의 석영 유리관(20) 내부의 압력은 히터 온도 1200℃에서 1 torr로 행하였다.
승온 조건
승온 분위기 : 대기 해방계
엘리멘트 온도 : 1350℃
동작 시간 : 240 h
그 결과를, 표 1에 나타낸다.
히터 제작 조건 흑점 발생 갯수 흑점수(개)
석영 유리관의 내경(mm) 와이어 직경을 1로 한 경우의 유리관 내경의 비율
비교예 1 4 2 5 ×10-5 5개 중 5개 무수함
무수함
9
9
10
실시예 1 4 2 1 ×10-4 5개 중 0개 0
0
0
0
0
이와 같이, 흡착 수분량이 작은 카본 와이어(발열체)를 사용한 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 대해서는 흑점의 발생이 발견되지 않았다.
또, 내경이 다른 석영 유리관을 4종류 사용하여, 도 1에 도시하는 コ자형의 카본 와이어 발열체 봉입 히터(직선형부 : 800 ㎜)를 제작하여, 하기 조건하에서 승온 시험을 실시하여 흑점의 발생 상황을 확인하였다. 또한, 히터 제작시의 석영 유리관(20) 내부의 압력은 히터 온도 1200℃에서 1 torr로 행하였다. 수분 흡착량이 1×10-4 g/㎤ 이하인 카본 와이어를 이용하였다.
승온 조건
승온 분위기 : 대기 해방계
엘리멘트 온도 : 1400℃
동작 시간: 1 h
그 결과를, 표 2에 나타낸다.
히터 제작 조건 흑점 발생 갯수 흑점수(개)
석영 유리관의 내경(mm) 와이어 직경을 1로 한 경우의 유리관 내경의 비율
비교예 2 3 1.5 2개 중 1개 5
실시예 2 4 2 2개 중 0개 0
실시예 3 6 3 2개 중 0개 0
실시예 4 10 5 2개 중 0개 0
비교예 3 14 7 2개 중 0개 0
이와 같이, 카본 와이어(발열체)의 직경을 1로 하고, 석영 유리관의 내경의 비율이 2∼5인 경우에는, 흑점의 발생이 억제되는 것이 발견되었다. 또, 비교예 3에 있어서는 열용량이 크고, 열응답성이 떨어지는 것이었다.
또, 내경 3 ㎜와 10 ㎜의 석영 유리관을 사용하여, 도 1에 도시하는 コ자형의 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 제작하여, 하기 조건하에서 승온 시험을 실시하여 흑점의 발생 상황을 확인하였다. 또한, 히터제작시의 석영 유리관(20) 내부의 압력은 히터 온도 1200℃에서 1 torr로 행하였다. 수분 흡착량이 1×10-4 g/㎤ 이하인 카본 와이어를 이용하였다.
승온 조건
승온 분위기 : 히터 파이프의 외측에 단열용 파이프를 셋팅하여 승온
엘리멘트 온도 : 1600℃
동작 시간 : 1 h
그 결과를, 표 3에 나타낸다.
히터 제작 조건 단시간 조사 결과
석영 유리관의 내경(mm) 와이어 직경을 1로 한 경우의 유리관의 비율 흑점 Si, 백점 발생 갯수
비교예 4 3 1.5 무수함*1 무수함*1 5개 중 4개
0 0
무수함*1 무수함*1
무수함*1 무수함*1
무수함*1 무수함*1
실시예 5 10 5 0 0 5개 중 1개
0 0
2*2 0
0*3 0
0 0
주) *1은 직선형부(발열부)의 석영 유리관에만 발생한 것을 의미한다.
*2는 직선형부(발열부)의 석영 유리관에 얇은 흑막이 발생한 것을 의미한다.
*3은 단자부의 대경부의 석영 유리관에 흑점이 발생한 것을 의미한다.
비교예 4에서는 흑점뿐만 아니라 백점(Si)까지 발생했다. 석영 유리관의 내경을 크게 함에 따라, 흑점 및 백점(Si)의 억제 효과가 있음이 밝혀졌다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 따르면, 흑점의 발생이 억제되어, 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 제2 실시형태에 관해서, 도 4a, 도 4b에 기초하여 설명한다. 이 실시형태는 특히 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 단자부에 특징을 갖는다. 또, 도 1 내지 도 3에 도시한 부재와 동일하거나 상당하는 부재는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4a, 도 4b에 도시한 히터의 단자부는 카본 와이어(발열체)(4)의 단부를 수용하는 유리관(100)과, 상기 유리관(100)에 압축 수용되어, 상기 카본 와이어 발열체(4)의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재(33)와, 상기 유리관(100)에 단부가 수용되어, 압축된 와이어 카본 부재(33) 사이에 끼워진 전력 공급용 접속선(31)을 갖고 있다. 상기 유리관(100)은 석영 유리로 형성되어 있고, 양측 단부가 개구된, 그 축선이 직선형인 원통 형상을 갖고 있다.
그리고, 상기 유리관(100)의 하나의 개구 단부(100a)에는 히터 본체를 구성하는 석영 유리 부재(도시하지 않음)가 접속된다. 이 개구 단부(100a)로부터 카본 와이어 발열체(4)가 도출되어, 히터 본체 내부에 배선된다.
상기 개구 단부(100a)는 카본 와이어 발열체(4)나 와이어 카본 부재(33) 등의 내부 충전물의 비산을 방지하기 위해서, 약간 가운데가 잘록한 형상으로 되어 있다. 한편, 상기 유리관(100)의 개구 단부(100b)는 접속선(31)이 도출된 상태로 다른 유리 부재[밀봉 유리관(34)]에 의해 밀폐된다.
이 실시형태에 있어서, 도 1에 도시한 단자부와 비교하면 대경부(23)의 내부에 수용된 직선관(32)을 갖추고 있지 않은 점에서 차이가 있다.
또, 상기한 와이어 카본 부재(33)는 와이어 카본재를 묶은 3개의 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)로 구성시키고 있다. 상기 카본 와이어 발열체(4)는 이 3개의 균등한 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관(100)의 거의 중심에 위치하도록 배치된다.
즉, 상기 유리관(100)의 내부에 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)을 삽입, 충전할 때, 이들 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)이 마치 드릴, 드릴링 머신 등의 척부의 기능을 갖고 있어, 카본 와이어 발열체(4)가 유리관(100)의 중심에 위치되도록 한다.
그 결과, 카본 와이어 발열체(4)는 상기 유리관(100)의 거의 중심에 배치된다.
상기 와이어 카본 다발은 각각 균등하고, 3개 이상의 홀수 개인 것이, 카본 와이어 발열체(4)를 유리관(100)의 중심부에 배치시키는 점에서 중요하다. 상기 와이어 카본 다발이 짝수인 경우 혹은 불균등한 경우에는 카본 와이어 발열체(4)를 유리관(1)의 중심부에 배치시키기 어렵게 된다.
그 때문에, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)은 가능한 한 균등하게 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)을 구성하는 와이어 카본재의 총 갯수가 8개를 이용하여, 3개의 와이어 카본 다발로 하는 경우, 와이어 카본재 3개로 이루어지는 와이어 카본 다발을 2개, 와이어 카본 2개로 이루어지는 와이어 카본 다발을 1개로 하는 것이 바람직하다.
또, 와이어 카본 다발이 3개 이상의 홀수 개인 경우에는 유리관(100)으로의 압축 충전 작업이 곤란하게 된다.
따라서, 와이어 카본 다발이 각각 균등한 3개의 다발인 것이 특히 바람직하다.
카본 와이어(발열체)(4)는 제1 실시형태에서 이용된 것이 이용된다. 또한, 이 와이어 카본재로서는, 상기한 카본 와이어 발열체(4)와 같은 것이 이용되며, 직경 5 내지 15 ㎛의 카본 섬유, 예컨대, 직경 7 ㎛의 카본 섬유를 약 3000 내지 3500 개 정도 묶은 섬유 다발을 10 다발 정도 이용하여 직경 약 2 ㎜의 짠 끈 혹은 꼰 끈 형상으로 편직한 카본 와이어가 이용된다.
한편, 와이어 카본재로서도, 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 카본 와이어가 이용되며, 편직 스팬, 카본 단섬유의 보풀 돌기에 관해서도, 제1 실시형태에서 이용된 카본 와이어(4)와 같은 것이 이용된다.
또, 본 발명의 바람직한 형태로서, 이 와이어 카본재를 2 내지 4의 복수 개 통합하여 다발로 한 것이, 와이어 카본 다발이다. 이로써 와이어 카본 부재의 직경 방향으로 스프링 성능이 부여되고, 그 결과 유리관 내에서 카본 와이어 발열체의 단부를 강고히 끼워 둘 수 있다.
또, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 총수는 적어도 그 속에 매설되는 카본 와이어 발열체(4)의 갯수보다 많은 것이 바람하며, 5배 이상인 것이 전기 저항을 저하시켜, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)로부터의 발열을 최대한 억제할 수 있다는 점에서 특히 바람직하다.
다음에, 도 4a, 도 4b에 도시한 단자부를 응용한 단자부를 도 5에 도시한다. 이 단자부는 상기한 유리관(100)을 수용하는 외투관(101)을 구비하고, 히터 본체부의 석영 유리 부재(102)가 외투관(101)과 일체로 형성되어 있는 것이다.
따라서, 도 4에 도시한 단자부의 제작 방법은 도 5에 도시한 단자부의 제작 방법을 이용하면 되기 때문에, 여기서는, 도 5에 도시한 단자부에 관해서 설명하고, 도 4a, 도 4b에 도시한 단자부의 제작 방법에 관하여는 생략한다.
(1) 우선, 석영 유리제의 외투관(101) 속을 통과시킨 카본 와이어 발열체(4)의 단부를, 유리관(100)의 내부를 삽입 관통시킨다.
(2) 다음에, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)를 절곡하고, 이 절곡부에 가이드사를 부착한다. 그리고, 상기 가이드사가 서로 얽히지 않도록 하면서, 카본 와이어 발열체(4)를 유리관(100)의 중심에 위치시킨 상태에서, 유리관(100)의 내부로 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)을 끌어당긴다.
한편, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)을 절곡하고 있기 때문에, 유리관(100) 내부에 있어서 하나의 다발의 와이어 카본재의 갯수는 2배가 된다.
(3) 카본 와이어 발열체(4)가 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 중심에 위치하도록 조절하면서, 더욱 가이드사를 당겨, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 절곡부를 유리관(100)의 개구 단부(100a)에 위치시킨다. 이와 같이 카본 와이어 발열체를 유리관(100) 내부에서, 절곡부를 갖는 와이어 카본 다발로 압축 수용(고정)시키기 때문에, 높은 고정력을 유지할 수 있다.
(4) 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 유리관(100)의 일단부(100b)로부터 돌출되어 나온 부분을 절단 제거한다.
(5) 그 후, 석영 유리제 외투관(101) 내에 유리관(100)을 삽입하고, 그 후, 카본 와이어 발열체(4)의 인장 상태 등을 조절하여 저항치를 조정하고, 외투관(101)의 개구 단부(101a)를 밀폐하여 완성한다.
이와 같이, 와이어 카본 부재(33)가 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)로 이루어지고, 상기 카본 와이어 발열체(4)가, 상기 복수의 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치된다.
즉, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)이 마치 드릴, 드릴링 머신 등의 척부의 기능을 갖고 있어, 카본 와이어 발열체(4)가 유리관(100)의 중심에 위치되도록 한다.
그 결과, 카본 와이어 발열체(4)를 상기 유리관(100)의 거의 중심에 배치시켜, 유리관(100)과 접촉하지 않고, 도출할 수 있다.
이에 의해, 유리관(100)과 카본 와이어 발열체(4) 사이의 반응을 피할 수 있게 되어, 이것에 기인하는 단선이 억제되기 때문에, 종래의 것에 비교하여 현저히 히터 수명을 연장시킬 수 있다. 또, 카본 와이어 발열체(4)가, 복수의 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 거의 중심을 통과하고 있으므로, 그 저항 조정을 용이하게 행할 수 있다.
또, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 절곡부가, 카본 와이어 발열체(4)의 단부를 수용하는 유리관(100)의 카본 와이어 발열체(4)의 도출측(접속선의 반대측)에 존재함으로써, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c) 단부로부터의 먼지와 같은 물질이 카본 와이어 발열체(4)를 봉입하는 석영 유리 부재(102) 속으로 들어가, 이 먼지와 같은 물질이 석영 유리 부재(102)의 내벽에 반응, 부착되어, 발열 불균일으로 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이 구조에 의해서 접속선을 압축된 와이어 카본 부재 속에 삽입하기 쉽게 되고, 또, 이 접속선의 선단부가 보다 강고히 고정되어 안정된 전력 공급을 가능하게 한다.
또한, 상기 카본 와이어 발열체(4)의 흡착 수분량은 이것이 석영 유리 부재 내에 봉입된 상태에서 2×10-3 g/㎤ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이로써, 또한, 사용 중의 흑점 발생이 억제되어, 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 얻을 수 있다.
또한, 제2 실시형태의 단자부의 변형예를 도 6a 내지 도 8에 기초하여 설명한다. 이 실시형태에서는, 도 6a, 도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 카본 와이어 발열체(4)의 단부를 수용하는 유리관(103)이, T자형으로 형성되는 동시에 일단부에 밀봉 단부(103a)가 형성되고, 굴곡부(103b)로부터 히터 본체의 나선형의 유리관(104)이 연장 설치되어 있다.
또, 카본 와이어 발열체(4) 및 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)이, 유리관(103)의 개구 단부(103c)로부터 밀봉 단부(103a)까지 축선과 거의 평행하게 배열되어, 상기 유리관(103)의 굴곡부(103b)에서, 카본 와이어 발열체(4)가 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 사이로부터 도출된다.
또, 상기 유리관(103)의 굴곡부(103b)로부터 밀봉 단부(103a)까지의 길이(L1)가, 굴곡부(103b)로부터 연장 설치된 유리관(104)의 내경(φ)의 1.5배 이상으로 설정되어 있다.
카본 와이어 발열체(4)가 3개의 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 사이에 있는 동시에, 유리관(103)의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있기 때문에, 도 8에 도시한 바와 같이, 굴곡부(103b)로부터 밀봉 단부(103a)에 있는 와이어 카본 부재(33)가 굴곡부(103b)에서 부풀어 올라, 카본 와이어 발열체(4)가 내벽면에 가압 접촉하는 일도 없다.
또한, 유리관(103)의 굴곡부(103b)로부터 밀봉 단부(103a)까지의 길이가, 연장 설치된 유리관의 내경의 1.5배 미만인 경우에는, 굴곡부(103b)로부터 밀봉 단부(103a)에 있어서의 와이어 카본 부재(33)의 누름 기능이 약하여, 도 8에 도시한 바와 같이(종래의 L자형 유리관의 경우와 같이), 와이어 카본 부재(33)가 굴곡부(103b)에서 부풀어 올라, 카본 와이어 발열체(2)가 내벽면에 압박 접촉된다고 하는 문제가 생기기 쉽다.
한편, 이 변형예에 있어서, 카본 와이어 발열체(4), 와이어 카본재, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c), 접속선(31)은 상기한 경우와 동일하기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다.
다음에, 도 7에 기초하여 제작 방법에 관해서 설명한다.
(1) 유리관(103)의 개구 단부(103c)로부터 굴곡부(103b)를 통해, 나선형의 유리관(104)에 카본 와이어 발열체(4)를 관통시켜, 상기 유리관(4)의 개구 단부(104a)로부터 도출한다.
(2) 이어서, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)을 절곡하여, 이 절곡부에 가이드사를 부착한다. 이 가이드사는 밀봉되기 전의 유리관(103)의 개구 단부(103a)로부터 도출한다.
그리고, 개구 단부(103a)로부터 도출된 가이드사가 서로 얽히지 않도록 하면서, 카본 와이어 발열체(4)를 유리관(103)의 중심에 위치시킨 상태에서, 유리관(103)의 내부로 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)를 끌어 당긴다. 또, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)을 절곡하고 있기 때문에, 유리관(103)의 내부에 있는 한 다발의 와이어 카본재의 갯수는 2배가 된다.
(3) 카본 와이어 발열체(4)가 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 중심에 위치하도록 조절하면서, 더욱 가이드사를 당겨, 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 절곡부를, 유리관(103)의 개구 단부(103a)에 위치시킨다. 이와 같이 카본 와이어 발열체를 유리관(103) 내부에서, 절곡부를 갖는 와이어 카본 다발로 압축 수용(고정)시키기 때문에 높은 고정력을 유지할 수 있다.
(4) 와이어 카본 다발(33a, 33b, 33c)의 유리관(103)의 일단부(103c)로부터 돌출되어 나온 부분을 절단 제거한다. 그 후, 상기 개구 단부(103a)를 열용착하여, 밀봉 단부를 형성한다.
또, 카본 와이어 발열체(4)의 인장 상태 등을 조절하여 저항치를 조정하고, 유리관의 개방 단부 및 히터측 개방 단부를 밀폐하여 완성한다.
또한, 도 9에 기초하여, 도 5에 도시한 단자부의 변형예에 관해서 설명한다. 도면에서, 도 5에 도시한 부재와 동일하거나 혹은 그에 해당하는 부재에는 동일 부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.
이 변형예에 있어서는, 도 5에 도시한 유리관(100)을 2분할한 점에 특징이 있다. 즉, 이 변형예에서는, 카본 와이어 발열체(4)의 일부를 수용하는 제1 유리관(105)과, 상기 제1 유리관(105)과 그 축선을 같게 하여, 상기 카본 와이어 발열체(4)에 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선(31)의 단부 및 카본 와이어 발열체(4)의 단부를 수용하는 제2 유리관(106)으로 분할되어 있다.
또, 도 5에 도시한 단자부의 와이어 카본 부재(33)와 마찬가지로, 상기 제1 유리관(105)과 제2 유리관(106)의 내부에는 상기 카본 와이어 발열체(4), 전력 공급용 접속선(31)을 사이에 끼우는, 압축 수용된 와이어 카본 부재(107, 108)를 갖고 있다.
상기 와이어 카본 부재(107, 108)는 와이어 카본 부재(33)와 마찬가지로, 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지고, 상기 카본 와이어 발열체(4)가 상기 복수의 와이어 카본 다발의 사이에 있는 동시에, 상기 유리관(105)의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있다. 한편, 카본 와이어 발열체(4) 및 와이어 카본재(107, 108)가 상기 제1 유리관(105)과 제2 유리관(106)의 축선과 거의 평행하게 배열되어 있다.
이와 같이, 카본 와이어 발열체(4)의 일부를 제1 유리관(105)에, 또 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선(31)의 단부 및 카본 와이어 발열체(4)의 단부를 제2 유리관(106)에 수용하고 있다. 그 때문에, 제1 유리관(105)과 제2 유리관(106)에 있어서, 와이어 카본 부재(107, 108)의 양을 가변할 수 있다.
따라서, 진동 등에 의해서 와이어 카본 부재와의 접속 상태가 변화되기 쉬운 접속선(31)을 수용하는 제2 유리관(106)의 내부에, 와이어 카본 부재(108)를 긴밀하게 수납할 수 있다. 그 결과, 접속선(31)과 와이어 카본 부재(108)는 일정한 접속 상태가 유지되어, 전기 저항치의 안정화가 도모된다.
구체적으로 설명하면, 도 5에 도시한 유리관(100)의 길이가, 300 ㎜ 이상으로 되면, 와이어 카본 부재(33)를 삽입 관통, 수용할 때, 그 마찰 저항이 커지게 되어, 와이어 카본 부재(33)를 긴밀하게 수납하는 것이 곤란하게 된다. 그 결과, 접속선(4) 단부의 끼움 상태가 불안정하게 되어, 단자부에 진동이 가해지면 전기 저항치가 변동된다.
그 때문에, 유리관의 길이가 300 ㎜ 이상인 경우에는 상기 유리관을 2분할하여, 접속선(31)의 단부를 사이에 끼우는 제2 유리관(106)의 와이어 카본 부재(108)의 양을 제1 유리관(105)의 와이어 카본 부재(107)의 양보다 많게 하여, 삽입 관통, 수용하여, 접속선(31)을 강고히 끼워 둔다.
이와 같이 접속선(31)의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재(3)를 긴밀하게 수납할 수 있으므로, 단자부에 진동이 가해지더라도, 전기 저항치의 변동이 억제되어, 전기 저항의 안정화를 도모할 수 있다.
다음에, 도 9에 도시한 단자부의 제작 방법에 관해서 설명한다.
(1) 우선, 석영 유리제의 외투관(101) 속을 통과시킨 카본 와이어 발열체(4)의 단부를, 유리관(105, 106)의 내부를 삽입 관통시킨다.
(2) 이어서, 복수의 와이어 카본 다발을 절곡하고, 이 절곡부에 가이드사를 부착한다. 그리고, 상기 가이드사가 서로 얽히지 않도록 하면서, 제1 유리관(105)과 제2 유리관(106)의 내부로 끌어 당긴다. 이 때, 카본 와이어 발열체(4)를 제1 유리관(105)과 제2 유리관(106)의 중심에 위치시킨 상태로 끌어 당긴다.
그리고, 상기 와이어 카본 다발의 절곡부를 제1 유리관(105)의 개구 단부에 위치시킨다.
(3) 그 후, 석영 유리제 외투관(101) 내에 제1 유리관(105)을 삽입한다.
(4) 또한, 다른 1개의 와이어 카본 다발을 절곡하고, 이 절곡부에 가이드사를 부착한다. 그리고, 상기 가이드사를 제2 유리관(106)의 내부로만 삽입 관통시키고, 이 1개의 와이어 카본 다발을 제2 유리관(106)의 내부로만 끌어 당겨, 그 절곡부를 제2 유리관(106)의 개구 단부에 위치시킨다.
한편, 상기 가이드사는 상기 복수의 와이어 카본 다발을 끌어 당길 때, 동시에 제2 유리관(106) 내부에 삽입 관통하더라도 좋다.
이와 같이, 제2 유리관(106) 내부에는 제1 유리관(105)의 경우와 비교해서 2개의 와이어 카본 다발(1개의 와이어 카본 다발이 절곡되어 있기 때문에, 2개의 와이어 카본 다발로 됨)이 수납된다.
(5) 그 후, 제2 유리관(106)을 석영 유리제의 외투관(101) 내에 삽입한다. 이 때, 제2 유리관(106)의 단부면이 제1 유리관(105)의 단부면에 접하는 위치까지 삽입한다.
(6) 그리고, 와이어 카본 다발의 제2 유리관(106)의 일단부(106a)로부터 돌출되어 나온 부분을 절단 제거한다.
(7) 그 후, 카본 와이어 발열체(4)의 인장 상태 등을 조절하여 전기 저항치를 조정하고, 접속선(31)을 제2 유리관(106)의 내부에 삽입하는 동시에, 외투관(101)의 개구 단부(101a)를 밀폐하여 완성한다.
이와 같이 함으로써, 접속선(31)의 단부를 사이에 끼우는 제2 유리관(106)의 와이어 카본 부재(108)의 양을 제1 유리관(105)의 와이어 카본 부재(107)의 양보다 많게 할 수 있어, 제2 유리관(106)에 삽입된 접속선(31)을 강고히 끼워 둘 수 있다.
또, 상기 카본 와이어 발열체(4)의 흡착 수분량은, 이것이 석영 유리 부재 내에 봉입된 상태에서 2×10-3 g/㎤ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이로써, 또한, 사용 중의 흑점 발생이 억제되어, 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 이 제2 실시형태에 따르면, 카본 와이어 발열체를 유리관의 거의 중심에 배치시켜 수용할 수 있으므로, 유리관과 카본 와이어 발열체의 접촉을 방지할 수 있고, 카본 와이어 발열체의 단선을 억제한 히터를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 제3 실시형태를 도 10 내지 도 14에 기초하여 설명한다. 이 히터(카본 와이어 발열체 봉입 히터)(200)는 도 10에 도시한 바와 같이 히터부(220)와, 상기 히터부(220)의 양단에 설치된 밀봉 단자부(230)와, 상기 히터부(220)를 유지하는 히터 유지부(240)를 구비하고 있다.
이 히터부(220)는 그 발열부가, 카본 섬유 다발로 이루어지는 카본 와이어 발열체(4)를 수용한 석영 유리관(220a)으로 이루어지고, 직선부와 원호부에 의해 나선형으로 되도록 형성되어 있다. 또, 카본 와이어 발열체(4)는 제1 실시형태에서 이용된 것이 이용된다.
즉, 석영 유리관(220a)을 상하 방향으로 나선형으로 권취하고, 상하 방향으로 연장 설치되는 석영 유리관(220a)을 직선형으로 형성하는 동시에, 상하부의 석영 유리관(220a)을 원호형으로 형성하고 있다.
더욱 상세히 설명하면, 이 석영 유리관(220a)은 도 10, 도 11에 도시한 바와 같이, 밀봉 단자부(230)에 접속되어 수평 방향으로 연장 설치된 도출부(225)와, 상기 도출부(225)에 이어서 상측으로 직선형으로 연장 설치된 제1 직선부(221)와, 상기 제1 직선부(221)에 이어서 연장 설치된 상부 원호부(222)와, 상기 상부 원호부(222)에 이어서 아래쪽으로 직선형으로 연장 설치된 제2 직선부(223)와, 상기 제2 직선부(223)에 이어서 연장 설치된 하부 원호부(224)를 구비하고 있다.
그리고, 석영 유리관(220a)은 상기 제1 직선부(221), 상부 원호부(222), 제2 직선부(223), 하부 원호부(224)로부터, 다시 제1 직선부(221)로 연장 설치되어, 복수회 반복해서 권취되어, 나선형으로 형성되어 있다. 그리고 최종적으로, 하부 원호부(224)로부터 다른 쪽의 밀봉 단자부(230)에 접속되는 도출부(225)로 연장 설치되어 있다.
이 석영 유리관(220a)의 내부에는 상기한 카본 와이어 발열체(4)가 수용되어 있고, 이 카본 와이어 발열체(4)는 하나의 밀봉 단자부(230)로부터, 도출부(225), 제1 직선부(221), 상부 원호부(222), 제2 직선부(223), 하부 원호부(224)를 통해 복수 회 권취된 후, 다른 쪽의 밀봉 단자부(230)로 도출된다.
또한, 상기 도출부(25)는 동일면측에 연장 설치되고, 밀봉 단자부(230)는 히터부(220)의 한쪽에 형성된다.
이와 같이 상기 히터부(220)는 석영 유리관(220a)을 상하 방향으로 나선형으로 권취하여 형성되기 때문에, 상기 직선형의 석영 유리관(220a)(221, 223)은 복사 방향에 대하여, 전후에 배치된다. 즉, 전후에 배치된 직선형의 석영 유리관(220a)(221, 223)으로부터의 복사에 의해서, 도 11의 화살표로 도시한 바와 같이 수직면 방향(가로 방향)의 복사열을 보다 증대시킬 수 있다.
더욱이, 밀봉 단자부(230)가 히터부(220)의 동일면측에 형성되어 있기 때문에, 전원(도시하지 않음)과의 접속이 용이하게 될 수 있다. 상기 히터부(220)를 사이에 두고 밀봉 단자부(230)의 형성측과 반대측이 방사측으로 된다. 따라서, 밀봉 단자부(230)의 형성측에 반사판(236)을 배치함으로써, 복사를 보다 증대시킬 수 있다. 이 반사판(236)은 2장의 석영 유리판형체 내에 열팽창 흑연 시트를 외기와 절연하여, 밀봉한 것을 이용하는 것이, 고순도 유지성 및 반사 효율을 향상시킨다는 관점에서 바람직하며, 또한 상기 밀봉 단자부(230), 상기 도출부(225) 혹은 상기 히터 유지부(240)에 용접 등에 의해 일체로 설치하는 것이 공간 절약적 설치 용이성의 관점에서 바람직하다.
또, 상기 석영 유리관(220a)의 제1 직선부(221)와 제2 직선부(223)의 두께는 도 12b에 도시한 바와 같이, 대략 균일하게 형성되어 있다.
한편, 상부 원호부(222) 및 하부 원호부(224)의 두께는 도 12a에 도시한 바와 같이 내주부측의 두께(B)가 외주부측의 두께(A)보다 두껍게 형성되어 있다. 구체적으로는, 내주부측의 두께(B)는 외주부측의 두께(A)의 1.1 내지 2배 두껍게 형성되어 있다. 또, 상기한 제1 직선부(221), 제2 직선부(223), 상부 원호부(222), 하부 원호부(224)의 외경 및 내경은 동일한 치수로 형성되어 있다.
이와 같이, 내주부측의 두께(B)가 두껍게 형성되어 있기 때문에, 다른 부분에 비해서 열용량이 커진다. 그 때문에, 상부 원호부(222), 하부 원호부(224)에 있어서는 외주 방향의 열복사에 비해서, 내주 방향의 열복사가 약해진다.
또, 전후로 배치된 직선형의 석영 유리관으로부터의 복사열이 수직면 방향으로 직교하는 방향(세로 방향)으로 방사되는 것을 억제할 수 있다.
더욱이, 이 구조는 나선형으로 권취한 석영 유리관 내에 카본 와이어 발열체를 소정의 인장력에 의해서 수용한 본 발명의 히터에 있어서, 응력이 큰 부분을 보강하여, 파손 등의 발생을 더욱 방지할 수 있다.
또, 상부 원호부(222), 하부 원호부(224)의 곡율 반경(r)을 석영 유리관(220a)의 외경의 2배 이상∼5배 이하로 형성되어 있다.
이 곡율 반경(r)이, 석영 유리관(220a)의 2배 미만인 경우에는, 원호부 형성시, 석영 유리관(220a)의 내부가 변형되는 경우가 있다. 그 때문에, 수용한 카본 와이어 발열체(4)가 석영 유리관(220a)의 내벽에 접촉할 우려가 있기 때문에, 바람직하지 못하다. 한편, 곡율 반경(r)이 석영 유리관 외경의 5배를 넘으면 히터의 폭이 커지는 동시에, 상하 방향의 복사가 증대되기 때문에, 바람직하지 못하다.
또, 제1 직선부 및 제2 직선부(221, 223)의 길이는, 석영 유리관(220a)의 외경의 4배 이상, 다시 말해서, 상부 원호부(222), 하부 원호부(224)의 길이의 2배 이상의 길이를 갖추고 있다.
이와 같이, 제1 직선부(221)와 제2 직선부(223)가, 상부 원호부(222), 하부 원호부(224) 길이의 2배 이상의 길이를 갖추고 있기 때문에, 수직면 방향(가로 방향)의 복사열을 상하 방향의 복사열보다 증대시킬 수 있다.
또, 상부 원호부(222), 하부 원호부(224)에 있어서의 석영 유리관(220a)의 간격(T)(도 10 참조)은 적절하게 선택할 수 있지만, 간격이 좁을수록 수직면 방향(가로 방향)의 복사열을 증대시킬 수 있다.
그러나, 상기 히터부(220)는 석영 유리관(220a)를 상하 방향으로 나선형으로 권취하여 형성되기 때문에, 상기 직선형의 석영 유리관(220a)(221, 223)은 복사 방향에 대하여, 전후로 배치된다. 따라서, 너무 긴밀하게 권취하면, 후에 배치된 직선형의 석영 유리관(220a)(221)으로부터 복사열을 유효하게 활용할 수 없고, 또 권취한 석영 유리관(220a)의 내측이 너무 고온으로 된다.
그 때문에, 상기 원호형의 석영 유리관(220a)(222, 224)은 인접하는 원호형의 석영 유리관과 적어도 석영 유리관(220a)의 외경의 1배 내지 3배의 간격을 두고 권취되는 것이 바람직하다.
또, 상기 히터 유지부(240)는 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관(220a)(222)에 내접하여 설치된 히터 상부 유지 파이프(241)와, 상기 하부에 형성된 원호형의 석영 유리관(220a)(224)에 외접하여 설치된 히터 하부 유지 파이프(242)와, 상기 히터 상부 유지 파이프(241)와 히터 하부 유지 파이프(242)를 연결하는 연결 부재(243)를 구비하고 있다.
그리고, 상부 원호형의 석영 유리관(220a)(222)과 히터 상부 유지 파이프(241)는 용접되며, 또한, 하부 원호형의 석영 유리관(220a)(224)과 히터 하부 유지 파이프(242)는 용접되고, 더욱이, 연결 부재(243)가 상기 히터 상부 유지 파이프(241)와 히터 하부 유지 파이프(242)에 용접되어 있다.
따라서, 히터 유지부(240)는 히터부(220)와 일체로 이루어진다. 이와 같이 히터 유지부(240)를 설치함으로써, 히터부(220)의 기계적 강도를 증가시킬 수 있어, 파손을 방지할 수 있다. 또, 히터 하부 유지 파이프(242)가 설치되어 있기 때문에, 설치성이 향상된다. 더욱이, 히터 유지부(240)가 원호형으로 형성된 석영 유리관(220a)(222, 224)에 부착되어 있는 원호형부의 열용량이 커져, 내주부측의 복사를 보다 적게 할 수 있다.
다음에, 밀봉 단자부(230)의 구조에 관해서, 도 11, 도 13a, 도 13b, 도 14에 기초하여 설명한다. 이 밀봉 단자부(230)는 접속선(31)을 1개 갖는 것으로, 하나의 히터부(220)에 대하여, 도 10에 도시한 바와 같이 밀봉 단자부(230)가 2개 필요하게 된다. 이들 밀봉 단자부(230)는 구조가 동일하기 때문에, 하나의 밀봉 단자부(230)에 관해서 설명한다.
이 밀봉 단자부(230)는 밀봉 단자부를 구성하는 유리관(231)과, 상기 유리관(231)의 내부에 수용된 직선관(232)과, 상기 직선관(32)에 압축 수납된 복수 개의 와이어 카본재(33)와, 상기 유리관(231)의 단부를 밀봉하는 밀봉 유리관(235)과, 밀봉 유리관(235)에 설치되는 텅스텐(W)으로 이루어진 접속선(31)을 구비하고 있다.
상기 석영 유리관(200a)의 도출부로부터 도출한 카본 와이어 발열체(4)는 상기한 제1 실시형태, 제2 실시형태에 있어서의 카본 와이어 발열체와 동일한 구성이다. 또, 카본 와이어 발열체(4)는 이 유리관(231) 내의 직선관(232)에 압축 수납된 복수의 와이어 카본재(33)에 압축 상태로 끼우게 한 구조에 의해서 접속되어, 상기 와이어 카본재(33)에 밀봉 단자부(230)의 접속 도선(31)이 접속하는 구조를 갖고 있다.
밀봉 유리관(235)은 유리관(231)과의 융착측에서, 석영 유리부(235a), 그레이디드(Graded) 시일부(235b), 텅스텐(W) 유리부(235c)에 의해서 구성되어 있다.
그리고, 직선관(232) 내에 압축 수납되어 있는 카본 와이어에 접속되는 텅스텐(W)으로 이루어진 접속선(234)은 도 14에 도시한 바와 같이, 텅스텐(W) 유리부(235c)의 핀치 시일부(235d)에서 핀치 시일된다.
즉, 핀치 시일부(235d)를, 접속선을 구성하는 텅스텐(W)의 열팽창 계수에 가까운 텅스텐(W) 유리로 형성하는 동시에, 유리관(231)의 융착측을 석영 유리로 형성하고 있다.
이와 같이, 핀치 시일부(235d)를, 접속선(234)을 구성하는 텅스텐(W)의 열팽창 계수에 가까운 텅스텐(W) 유리로 형성했기 때문에, 접속선(234)의 고온시 열팽창에 따른 유리부(핀치 시일부(235d))의 파손을 방지할 수 있다.
또, 유리관(231)과 융착되는 밀봉 유리관(235)[석영 유리부(235a)]을, 유리관(231)과 동등 혹은 동일한 석영 유리로 함으로써, 열팽창에 따른 파손을 방지할 수 있다. 또 고순도의 석영 유리를 이용함으로써, 금속 오염을 방지할 수 있다.
더욱이, 석영 유리부(235a)와 텅스텐(W) 유리부(235c)의 사이에 그레이데드(Graded) 시일부(235b)를 형성하고 있다.
즉, SiO2 성분과 W 유리 성분이 서서히 변화되는 상기 석영 유리부(235a)와 접하는 쪽을 석영 유리 조성 혹은, 이것과 열팽창 계수가 근사한 재료로 하여, 상기 W 유리부(235b)와 접하는 쪽을 향해, 상기 열팽창 계수를 W 유리의 열팽창 계수에 따라 근사하도록 경사 분포시킨 재료로 이루어지는 그레이데드(Graded) 시일부(235b)를 석영 유리부(235a)와 텅스텐(W) 유리부(235c) 사이에 설치함으로써, 고온시 열팽창에 따른 유리관(235)의 파손을 방지할 수 있다.
또, 상기 카본 와이어 발열체(4)는 도 13a, 도 13b에 도시한 바와 같이, 밀봉 단자부(230)에 있어서, 복수의 와이어 카본재(33)에 압축 상태로 끼워지고, 상기 복수의 와이어 카본재(33)를 통해 접속선(31)에 전기적으로 접속된다.
이와 같이, 상기 카본 와이어 발열체(4)가 직접 접속선과 접속되는 것은 아니라, 압축 수용된 상기 복수의 와이어 카본재(33)를 통해 접속되어 있기 때문에 상기 발열체가 고온으로 되어도 복수의 와이어 카본재(33)와 카본 와이어 발열체(4)의 접속이 느슨해져 버리는 일이 없고, 또 와이어 카본재(33) 내에서 온도가 충분히 저하되기 때문에 접속선과의 접속이 느슨해지지 않아, 양호한 전기적 접속 상태가 유지된다.
더욱이, 복수의 와이어 카본재(33)의 탄소 성분이 환원 작용을 발휘하여 도선의 산화 증대를 억제할 수 있어, 그 결과 이에 따른 스파크 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 카본 와이어 발열체(4)의 흡착 수분량은 이 카본 와이어 발열체가 석영 유리 부재 내에 봉입된 상태에서 2×10-3 g/㎤ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이로써, 또한 사용중의 흑점 발생이 억제되어, 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 제3 실시형태에서는, 밀봉 단자부(230)[특히, 직선관(232)의 내부 구조]를 전술한 제2 실시형태의 단자부 중 어느 한 구조로 하는 것이 보다 바람직하다. 이로써, 또한 카본 와이어 발열체와 유리관과의 접촉을 방지하여, 카본 와이어 발열체의 단선을 보다 억제한 카본 와이어 발열체 봉입 히터로 할 수 있다.
다음에, 도 10 및 11에 기초하여 제3 실시형태에 따른 제조 방법에 관해서 설명한다.
(1) 우선, 도출부(225)와, 제1 직선부(221)와, 상부 원호부(222)와, 제2 직선부(23)와, 하부 원호부(24)를 형성하면서, 석영 유리관(220a)을 나선형으로 권취한다. 그 후, 도출부(225)에 석영 유리관(220a)보다 큰 직경의 석영 유리관(31)을 용착한다.
(2) 상기 석영 유리관(220a)의 양단부에 설치된 상기 석영 유리관(231) 사이에서, 카본 와이어 발열체(4)를 통과시킨다.
(3) 다음에, 직선관(232)에 상기 카본 와이어 발열체(4)를 삽입 관통시키는 동시에, 와이어 카본 부재(33)의 삽입측이 U자형 상태로 상기 직선관(232) 내부에 수용된다. 이 때, 도입사를 와이어 카본 부재 삽입측의 U자형부에 통과시켜, 상기 도입사를 조종함으로써, 직선관(232)에 와이어 카본 부재(33)를 압축 수용할 수 있다. 이에 따라, 카본 와이어 발열체(4)는 강고히 고정된다. 그리고 말단부로부터 돌출되어 나온 와이어 카본 부재 및 카본 와이어 발열체를 절단한다.
(4) 그리고, 와이어 카본 부재(33) 및 카본 와이어 발열체(4)가 압축 봉입된 직선관(232)을 석영 유리관(231) 내부에 삽입한다.
(5) 이어서, 밀봉 유리관(235)의 접속 단자(31)를 내부에 삽입하여, 상기 카본 와이어 발열체(4)와 접속 단자(31)를 전기적으로 접속한다.
(6) 다음에, 도시하지 않은 가스 도입구로부터 불활성 가스, 예컨대 질소 가스를 도입하면서, 석영 유리관(231)과 밀봉 유리관(235)을 용착하여, 밀봉 단자부(230)를 형성한다. 또, 상기 질소 가스는 가열에 의한 카본 와이어 발열체(4) 및 와이어 카본 부재(33)의 열화를 방지한다.
(7) 그리고, 다른 쪽의 밀봉 단자부(3)를 같은 식으로 형성한 후, 상기 가스 도입구로부터 석영 유리관(220a) 내부를, 100 torr 이하로 감압한 후, 가스 도입구를 산소 수소 버너로 가열하여 밀봉함으로써 히터로서 완성된다(도 10).
이러한 상기 제조방법에 의해, 이 실시형태에 따른 히터를 용이하게 제조할 수 있다.
다음에, 제3 실시형태의 변형예를 도 15 내지 도 18에 기초하여 설명한다. 또, 도 10 내지 도 14에 도시한 부재와 동일, 혹은 상당하는 부재는 동일 부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다.
이 실시형태는, 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관(222)의 파손 방지 및 밀봉 단자부(230)와 석영 유리관(221)을 연결하는 부분(B)의 파손을 방지한 점에 특징이 있다.
도 15에 도시한 바와 같이, 석영 유리관(220, 221)에 화살표 P1, P2로 도시한 바와 같은 지진 등의 진동 혹은 작업자에 의한 부주의한 외력이 작용하면, 석영 유리관(220, 221)의 A1, A2에서 응력이 집중되어, 파손되는 경우가 있다. 또한, 도 15에 도시한 바와 같이, 히터 하부 유지 파이프(242)의 하면이, 밀봉 단자부(230)의 밀봉 유리관(235)의 하면보다 아래쪽에 위치(길이 l 돌출되어 있음)하고 있는 경우에는, 히터(200)를 설치한 경우, 히터 하부 유지 파이프(242)의 하면이 설치면에 접촉한다.
그 결과, 진동 등에 의해 외력(P3)이 밀봉 단자부(230)와 석영 유리관(221)을 연결하는 부분(B)에 작용하면, 진동 등에 의해 부분(B)에서 파손되는 경우가 있다.
이 변형예는 진동 등의 외력에 대하여 파손되기 쉬운 부분을 개량한 것으로, 도 16에 도시한 바와 같이, 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관(222)의 내측에 소정의 간격(t1)을 두고 중실형 히터 상부 유지 막대 형상체(251)가 설치되어 있다.
또, 도 17에 도시한 바와 같이, 상기 중실형 히터 하부 유지 막대 형상체(254)의 하면이 밀봉 단자부(230)의 하면보다 소정 거리(t2)만큼 상측에 위치하여 형성되어 있다.
더욱이, 상기한 실시형태와 달리, 도 18에 도시한 바와 같이, 상기 히터 상부 유지 막대 형상체(251)는 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관(222)과 작은 직경의 중실형의 원호형 석영 유리 막대(245)에 의해서 고정되어 있다. 또한 마찬가지로, 히터 하부 유지 막대 형상체(254)는 하부에 형성된 원호형의 석영 유리관(224)과 작은 직경의 중실형의 원호형 석영 유리 막대(246)에 의해서 고정되어 있다.
이와 같이, 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관(222)의 내측과 히터 상부 유지 막대 형상체(251) 사이에, 소정의 간격(t1)이 마련되어 있기 때문에, 진동 등에 의한 석영 유리관(222)과 히터 상부 유지 막대 형상체(251)와의 충돌을 피할 수 있어, 파손을 방지할 수 있다. 특히, 석영 유리관(222)과 제2 직선부(223)와의 접속 부분에 대한, 히터 상부 유지 막대 형상체(251)의 충돌을 피할 수 있다. 이 간격(t1)은 충돌을 회피하는 점으로부터 0.2 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.
또, 히터 하부 유지 막대 형상체(254)의 하면이, 밀봉 단자부(230)의 하면보다 소정 거리(t2)만큼 상측에 위치하고 있기 때문에, 수평면에 히터를 설치한 경우라도, 히터 하부 유지 막대 형상체(254)의 하면이 설치면에 접촉되는 일이 없다.
따라서, 지진 등에 의해서 상하의 진동이 가해지더라도, 히터 하부 유지 막대 형상체(254)의 하면이 설치면에 접촉되는 일이 없어, 밀봉 단자부(230)와 석영 유리관(224)을 연결하는 부분(B)[도출부(225)]의 파손을 방지할 수 있다.
또, 소정 거리(t2)는 0.5 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 0.5 ㎜ 이상의 고저차가 있는 경우에는, 지진 등의 상하 진동에 의해서라도, 히터 하부 유지 막대 형상체(254)의 하면이 설치면에 접촉하는 일이 없기 때문이다.
더욱이, 상기한 바와 같이 상기 히터 상부 유지 막대 형상체(251)는 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관(222)과 작은 직경의 중실형의 원호형 석영 유리 막대(245)에 의해서 고정되고, 히터 하부 유지 막대 형상체(254)는 하부에 형성된 원호형의 석영 유리관(224)과 작은 직경의 중실형의 원호형 석영 유리 막대(246)에 의해서 고정되어 있다.
그 때문에, 히터부(220)를 유지할 수 있는 동시에, 큰 외력이 만일 작용했다고 해도, 중실형의 원호형 석영 유리 막대(245, 246)가 파손됨으로써, 히터부(220)의 파손을 피할 수 있다.
한편, 상기 카본 와이어 발열체(4)의 흡착 수분량은 이것이 석영 유리 부재 내에 봉입된 상태에서 2×10-3 g/㎤ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이로써, 또한 사용 중의 흑점 발생이 억제되어, 발열 특성이 양호한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 이 제3 실시형태에 따른 히터에 의하면, 히터로부터의 오염 물질 확산, 특히, 발열체로부터의 불순물 금속 등의 오염 물질의 확산이 없고, 처리 대상물의 오염이 억제되는 동시에, 복사열의 방향성을 지니고, 수직면 방향의 복사열을 증대시킨 히터를 얻을 수 있다.
다음에, 제4 실시형태로서, 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용한 유체 가열 장치에 관해서 설명한다. 특히 이 유체로서 가스를 이용하는 경우를 도 19 내지 도 24에 기초하여, 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 가스 가열 장치(300)는 도 19에 도시한 바와 같이, 가스 공급원으로부터 공급되는 가스를 가열하는 가열관(301)과, 상기 가열관(301)의 바깥 주위에 나선형으로 형성된 히터부(302)와, 상기 가열관(301)과 히터부(302)가 수납된 석영 유리제의 열 차폐체(303)와, 상기 가열관(301) 및 히터부(302)를 수납하는 열 차폐체(303)를 또한 수용하는 하우징(304)과, 열 차폐체(303)와 하우징(304)의 사이에 설치된 고순도의 단열재(3050와, 일단이 가스 공급원에 접속되는 동시에 타단이 가열관(301)에 접속된 가스 도입관인 접속관(306)과, 일단이 가열관(301)에 접속되는 동시에 타단이 반도체 가열 처리로(도시하지 않음)에 접속된 가스 도출관인 접속관(307)으로 구성되어 있다.
또, 상기 가열관(301)의 내부에는 도 21에 도시한 바와 같이 통과하는 가스의 저항이 되는 충전물(312) 및 확산판(313)이 배치되어 있다.
또, 상기 히터부(302)는 그 발열부가, 이미 제1 실시형태에서 설명한 카본 섬유로 이루어진 카본 와이어 발열체(4)(도시하지 않음)를 봉입한 석영 유리관(311)으로 이루어지고, 상기 가열관(301)의 표면을 나선형이 되도록 배치되어 있다.
이 석영 유리관(311)은 도 19에 나타내는 바와 같이, 나선형의 석영 유리관(311a)과, 상기 나선형의 석영 유리관(311a)의 일단에 접속하여 상기 석영 유리관(311a)의 나선 구조를 지지하는 석영 유리제의 직선관(311b)과, 상기 나선형의 석영 유리관(311a) 타단에 접속하여 상기 석영 유리관(311a)의 나선 구조를 지지하는 석영 유리제의 직선관(311c)(도시하지 않음)으로 구성되어 있다.
나선형의 석영 유리관(311a)은 직선관(311b, 311c)과 연통되어 있고, 카본 와이어 발열체(4)는 나선형의 석영 유리관(311a)에 수용되어, 직선관(311b, 311c)으로부터 도출된다.
또, 직선관(311b, 311c)의 각 단부에는, 도 19에 도시한 바와 같은 밀봉 단자부(317)가 설치되어 있다. 이 밀봉 단자부(317)는 제1 실시형태에 있어서의 단자부(3)의 경우와 마찬가지로, 밀봉 단자부(317)는 접속선(317a)이 설치되어, 전력이 공급되도록 구성되어 있다.
이 카본 와이어 발열체(4)는, 제1 실시형태에 있어서의 카본 와이어 발열체와 같은 것이 이용되고 있다. 이와 같이, 카본 와이어 발열체를 석영 유리관(11)에 봉입한 히터부(302)는 종래의 고순도 탄화 규소제 히터에 비해 열용량이 작고, 반도체 웨이퍼에 유해한 금속 오염이나 파티클의 생성, 불순물 가스의 발생 등이 적다. 또, 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하이며, 사용 중의 흑점 발생을 억제하여, 발열 특성이 매우 양호하게 된다.
또, 상기 가열관(301)은 통상, 두께 1 내지 3 ㎜ 정도의 투명 석영 유리재에 의해 원통형으로 형성되어 있다. 또, 가열관(301)은 충전물(312) 및 확산판(313)을 내부에 수용한 후, 접속관(306, 307)이 형성된 측단부판에 의해 폐색되어, 밀폐된다.
또, 상기 가열관(301)의 사이즈(유효 직경, 유효 길이)는 가열하는 가스량, 가열 온도, 가스의 열용량 등의 여러 요소를 감안하여 적절히 설정되지만, 통상, 유효 직경 50 내지 100 ㎜, 길이 100 내지 200 ㎜ 정도이다.
또, 가열관(301)의 내부에 배치되는 충전물(312)로서, 도 21에 도시한 바와 같은 단주형의 투명 석영 유리 비드를 융착하여 형성된 성형체가 이용된다.
한편, 석영 유리 비드의 형상으로서는, 복사열을 흡수하여 통과 가스에 유효하게 열을 부여할 수 있는 형상인 것이라면, 반드시 단주형에 한정되는 것이 아니라, 구형, 회전 타원체형, 단주 원통형, 안장형 등의 것을 임의로 채용하여도 지장이 없다. 그러나, 융착시에 왜곡을 일으키거나, 취급시, 사용시 등에 균열이나 결손이 생기기 쉬운 것은 바람직하지 못하며, 또 될 수 있는 한 저렴하고, 또한 형상 가공이 용이한 점 등에서 단주 원주 형상인 것이 바람직하다.
상기 석영 유리 등의 석영질의 열전도성은 크지 않기 때문에, 상기 히터부(302)의 카본 와이어 발열체로부터, 그것을 봉입하는 석영 유리관(311)을 통해 상기 가열관(301) 내부에 전달되는 열에너지의 대부분은 복사열이다. 그 때문에, 상기 가열관(301) 내의 충전물(312)은 흑색체이기보다, 오히려 투명체인 쪽이 바람직하다.
상기 충전물(312)이 흑색체인 경우, 흑색체의 표면 부분에서 복사선이 흡수되어 버려, 상기 표면부만이 국부적으로 가열되어 버리기 때문이다. 이에 대하여 충전물(312)이 투명체인 경우, 조사된 복사열은 복잡하게 투과, 반사, 굴절하여 중심 부분에까지 도달하여, 상기 충전물(312) 내부를 균등하게 가열할 수 있다. 그 결과, 가열관(301) 내부를 통과하는 가스를 균일하게 가열할 수 있다.
또, 상기 투명 석영 유리 비드의 형상은 단주 원주 형상으로 이루어져, 통기성(통기 저항 압력 손실)에 따라서 적절하게 선택되지만, 통상 직경 4 내지 15 ㎜, 길이 4 내지 15 ㎜ 정도, 보다 바람직하게는 직경 6 내지 12 ㎜, 길이 6 내지 12 ㎜ 정도인 것이 이용된다.
특히, 직경 6 내지 12 ㎜, 길이 6 내지 12 ㎜의 석영 유리 비드와 직경 4 내지 10 ㎜, 길이 4 내지 10 ㎜의 석영 유리 비드의 대소 2종류의 단주 원주형 비드를, 갯수비로 1:4 내지 4:1의 비율(보다 바람직하게는 6:4 내지 8:2)의 갯수 비율로 혼합한 것을 융착하여 성형한 성형체는 파손이나 결손이 생기기 어렵고, 또한 충전율이나 가스 압력 손실의 측면에서도 적당하기 때문에 바람직하다.
또, 상기 석영 유리 비드의 성형체(충전물(312))의 상류측면에는 석영 유리로 이루어지는 원판형의 확산판(313)이 이 석영 유리 비드의 성형체와 융착 등에 의해 일체로 형성되어 있다.
이 확산판(313)에는 도 24에 도시한 바와 같이, 복수의 관통 구멍(313a)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(313a)은 중심부에서 외주부로 감에 따라서, 수많은 관통 구멍이 형성되어 있다. 즉, 단위 면적당 개구율이 중심부보다 외주부측이 크게 형성되어 있다.
이와 같이, 상기 석영 유리 비드의 성형체[충전물(312)]의 상류측면에는 석영 유리로 이루어지는 원판형의 확산판(313)이 이 석영 유리 비드의 성형체[충전물(312)]와 융착 등에 의해 일체로 형성되어 있기 때문에, 가열관(301)의 내부에 도입된 가스는 확산판(313)에 의해서 중심부에서 외주부로 확산되어, 충전물(312)의 상류측면의 전면으로부터 내부로 유입한다.
특히, 외주부에 있어서의 단위 면적당 개구율이, 중심부보다 크게 형성되어 있기 때문에, 가열관(301)에 도입된 가스는 가열관(301)의 외주부 방향으로 보다 확산되어, 충전물(312)의 상류측면의 전면으로부터 가스가 유입한다. 그 결과, 가스는 충전물(312)의 전영역을 흐른다.
따라서, 충전물(312)의 전역을 가스가 유통하기 때문에, 열교환 효율이 향상되는 동시에, 가스의 체류성을 보다 향상시킬 수 있다.
또, 충전물(312)의 상류측면에 확산판(313)이 융착 등에 의해 일체로 형성되어 있기 때문에, 충전물(312)의 일부(석영 유리 비드)가 탈락되는 것도 없고, 그에 따른 파티클 등의 발생을 방지할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 충전물(312)의 상류측의 전면으로부터 가스가 유입되는 수단으로서, 확산판(313)의 외경을 가열관(301)의 내경보다 작게 형성하고, 양자간에 간극을 형성하여, 상기 확산판(313)을 가열관(301)에 융착하지 않는 구조로 하여도 좋다. 또, 이러한 구조에 따르면, 제조시에 가열관(301)의 변형을 방지할 수 있어, 치수 안정성을 보다 높일 수 있다.
상기 확산판(313)의 외주면과 가열관의 내주면 사이에 간극이 존재하는 구조에 있어서의 확산판(313)에 관해서 구체적으로 나타내면, 상기 가열관(301)이 내경(φ) 56 ㎜, 길이 205 ㎜, 두께 3 ㎜인 경우, 확산판(313)으로서, 외경(φ) 53 ㎜, 두께 3 ㎜, 관통 구멍 직경(φ)이 3 ㎜인 관통 구멍 37개를 균등 간격으로 배치한 것을 이용할 수 있다.
또, 상기 확산판(313)의 외주면과 가열관(301)의 내주면이 밀접 혹은 융착된 구조로 하기 위해서는 상기 가열관(301)의 내경과 확산판(313)의 외경을 대략 동등하게 형성하면 좋다.
상기 열 차폐체(303)는 히터부(302)에서 외부측을 향해서 복사되는 열선을 반사하여 히터부(302)의 열효율을 보다 한층 향상시키기 위해서, 상기 가열관(301)과 히터부(302)를 덮고 있다. 그리고 상기 열 차폐체(303)는 하우징(304) 내에 배치된다.
또, 상기 열차폐체(303)와 하우징(304)의 공간, 또 열차폐체(303)와 히터부(302) 사이의 공간에, 예컨대 유리 울(glass wool) 등의 고순도 단열재(305)를 충전하는 것이 바람직하다.
또, 열차폐체(303)를 내부에 수납하여, 가스 가열 장치(300)의 외형을 형성하는 하우징(304)은 석영 유리재로 제작되어 있는 것이 바람직하지만, 석영 유리재로 한정하는 것은 아니고, 예컨대 금속성 케이스라도 좋다. 이 하우징(304)은 통 형상을 하며, 가열관(301), 히터부(302), 열 차폐판(303)을 수납한 후, 밀폐된다. 또, 하우징(304)의 측단면에는 접속관(306, 307), 히터부(302)의 밀봉 단자부(317)를 도출하는 개방 구멍부가 형성되어 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시형태에서는, 밀봉 단자부(317)를 전술한 제2 실시형태의 단자부 중 어느 한 구조로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 또한 카본 와이어 발열체와 유리관과의 접촉을 방지하여, 카본 와이어는 열체의 단선을 보다 억제한 카본 와이어 발열체 봉입 히터로 할 수 있다.
이어서, 상기한 석영 유리 비드를 이용하여 성형체[충전물(312)] 및 확산판(313)을 제조하는 방법에 관해서 설명한다.
우선, 직경 6 내지 12 ㎜ 정도의 투명 석영 유리의 석영 로드를 6∼12 ㎜ 정도로 절단하여 형성되는 2종류 크기의 석영 비드를 예컨대 7(치수가 큰 비드):3(치수가 작은 비드)으로 혼합하여 (통상 600 내지 1000개를) 제조한다. 또한, 확산판(313)을 석영 유리판에 의해 제조하는 동시에, 관통 구멍을 소정 위치에 소정수 형성한다.
그리고, 도 23에 도시한 바와 같이 카본 지그(314)를 석영통[가열관(301)]에 넣고, 그 위에 확산판(313)을 얹는다. 더욱이, 이 확산판(313) 위에 석영 유리 비드를 넣는다.
그 후, 이 석영통[가열관(301)]을 카본제의 통형 스플릿 몰드(315) 내에 투입하고, 위에서부터 카본제의 중량을 이용하여 가압하면서, 1450℃ 이상으로 가열하여 상기 석영 유리 비드끼리를 부분적으로 융착시켜 원주형 성형체로 한다. 또한 동시에, 상기 확산판(313)과 상기 원주 성형체가 융착되어, 일체로 형성된다. 이 때, 상기 원주형 성형체는 석영통[가열관(301)]과 융착하여, 일체화한다.
이와 같이 제조하는 경우에 있어서도, 종래와 같이 상부에 가해진 하중은, 확산판(313) 근방의 석영 유리 비드에는 충분히 가해지지 않지만, 석영 유리 비드의 자중에 의해 확산판(313)과 융착된다. 그 결과, 석영 유리 비드의 탈락을 억제할 수 있고, 그와 함께 파티클 등의 발생을 억제할 수 있다.
이상과 같이 하여 제조된 충전물(312)이 가열관(301)에 배치되어 있기 때문에, 가열관(301)에 도입된 가스는 상기 충전물(312)에 의해 형성된 복잡하게 굴곡 교차되는 미세한 유로를 통과하여, 적절한 체류 시간이 부여된다. 또, 상기 카본 와이어 발열체로부터의 복사열은 상기 충전물(312)의 내부에서, 복잡하게 투과, 굴절, 산란, 반사를 반복한다.
그 결과, 도입된 가스에 충분한 열량을 부여할 수 있으므로, 열교환 효율이 우수하여, 가열관, 히터부를 소형으로 할 수 있다.
또, 상기 충전물(312)의 상류측면에 확산판(313)이 일체로 형성되어 있기 때문에, 도 22에 도시한 바와 같이 가열관(301)의 내부에 도입된 가스는 상기 확산판(313)에 의해서 확산되어, 충전물(312)의 상류측면의 전면으로부터 가스가 유입한다.
그 결과, 가스는 충전물(312)의 전영역을 흐르기 때문에, 가스의 체류성이 향상되는 동시에, 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 충전물(312)의 일부가 탈락하는 일도 없고, 그에 따른 파티클 등의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 도 22의 2점 쇄선은 가스의 흐름을 나타내고 있다.
다음에, 이 실시형태의 변형예를 도 25, 도 26에 기초하여 설명한다.
이 실시형태에서는, 상기 실시형태가 충전물(312)의 상류면에 확산판(313)이 형성되어 있는 것에 대하여, 충전물(원주 성형체)(312)의 상류면 및 하류면에 확산판(313, 316)이 형성되어 있는 점이 상이하다.
또, 이 상류면에 설치되는 확산판(313)은 상기 실시형태의 확산판과 동일한 구성을 갖추고 있다. 또, 확산판(316)은 상기 실시형태의 확산판과 기본적으로는 동일한 구성을 갖추고 있지만, 확산판(316)의 외경을 가열관(301)의 내경보다 작게 형성되어 있다. 더욱이, 상류면에 설치되는 확산판(313)을, 확산판(316)과 마찬가지로, 그 외경을 가열관(301)의 내경보다도 작게 형성하여도 좋다.
이러한 석영 유리 비드를 이용하여 성형체 및 확산판(313, 316)을 제조하기 위해서는 상기 실시형태의 경우와 같이, 석영 유리 비드 및 제1 확산판(313)과, 제2 확산판(313, 316)을 제조하여, 도 25에 도시한 바와 같이 카본 지그(314)를 석영통[가열관(301)]에 넣고, 그 위에 확산판(313)을 위치시킨다. 또한, 이 확산판(313) 위에 석영 유리 비드 및 제2 확산판(316)을 넣는다.
그 후, 이 석영통[가열관(301)]을 카본제의 통형상 스플릿 몰드(315) 내에 투입하여, 위에서부터 카본제의 중량을 이용하여 가압하여, 1450℃ 이상으로 가열하여 상기 석영 유리 비드끼리를 부분적으로 융착시켜 원주형 성형체로 한다.
또 동시에, 상기 제1 확산판(313) 및 제2 확산판(316)과 상기 원주 성형체가 융착하여, 일체로 형성된다. 더욱이, 상기 원주형 성형체(312a)는 석영통[가열관(301)]과 융착하여, 일체화된다.
또한, 상기 제1 확산판(313)의 외경이 가열관(301)의 내경보다 작게 형성되어 있는 경우에는, 양자 사이에 간극이 형성된다. 또 제1 확산판(313)의 외경과 가열관(301)의 내경의 지름이 같은 경우에는 양자는 융착하여, 일체화된다.
한편, 제2 확산판(316)은 그 외경을 가열관(301)의 내경보다 작게 형성되어 있기 때문에, 양자는 융착, 일체화되지 않는다. 즉, 제2 확산판(316)을 가압함으로써, 석영 유리 비드에 하중을 가하기 때문에, 석영 유리 비드의 변형에 의해서 제2 확산판(316)이 내려앉는다. 그 때문에, 제2 확산판(316)이 가열관(301)의 내경과 같은 지름으로 형성되어, 양자가 융착하고 있으면, 제2 확산판(316) 뿐만 아니라 가열관(301)에 변형이 생겨, 치수 안정성이 부족하여, 바람직하지 못하다.
또, 윗쪽으로부터의 하중에 의해서, 상측의 석영 유리 비드에는 충분한 힘이 가해지기 때문에, 석영 유리 비드끼리 융착되는 부분(목부)이 크다.
이에 대하여, 윗쪽으로부터 밑쪽으로 감에 따라서 하중이 분산되어, 아래 방향의 석영 유리 비드에 가해지는 힘은 작아지기 때문에, 석영 유리 비드끼리 융착되는 부분이, 상측의 석영 유리 비드끼리 융착되는 부분(목부)에 비해서 작아진다.
이것은 목부가 커지면, 석영 유리 비드 사이의 간극이 작고, 이에 대하여 목부가 작으면, 석영 유리 비드 사이의 간극은 큰 것을 의미하고 있다.
따라서, 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 상기 성형체의 상측의 기공율이, 아래쪽의 기공율보다 작게 형성된다. 또, 이 성형체의 상측이 가열관의 하류측에 대응하여, 아래쪽이 가열관의 상류측에 대응한다.
여기서, 석영 유리 비드끼리 융착되는 부분(목부)의 크기를 구체적으로 측정하였다. 측정은 성형체를 불화수소액에 담구고, 석영 유리 비드가 탈락될 때까지의 시간을 측정하여, 상기 시간으로부터 목부의 크기를 산출했다.
구체적으로는, 16% 농도의 HF 용액에서는 8 ㎛/h의 속도로 석영 유리가 에칭되기 때문에, 석영 유리 비드가 탈락될 때까지의 시간을 측정하여, 이 시간에 상기 에칭 속도 및 상수(에칭은 목부 양측에서 진행되기 때문에, 상수는 2)를 곱함으로써, 목부가 에칭된 양(목부의 크기)를 구했다.
그 결과, 도 26에 도시한 바와 같이, 상류측이 4 ㎛인데 대하여, 하류측이 80 ㎛이었다. 이것으로부터 명백한 바와 같이, 상류측의 기공율이 크고, 하류측의 기공율이 작은 것이 확인되었다.
이와 같이, 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 상기 성형체의 하류측의 기공율이 상류측의 기공율보다 작기 때문에, 가스의 체류성을 향상시킬 수 있어, 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 상기 충전물의 상하류 측면에 확산판이 일체로 형성되어 있기 때문에, 충전물의 일부가 탈락되는 것도 없고, 그에 따른 파티클 등의 발생을 방지할 수 있다.
전술한 설명에서는, 본 발명의 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용한 유체 가열 장치에 관해서, 특히 유체로서 가스를 이용하는 경우를 설명하였지만, 가스 대신에 예컨대 순수한 물 등의 액체를 이용하는 경우에 있어서도 동등한 작용 및 효과를 보인다.
이상과 같이, 이 실시형태에 따르면, 가스 체류성이 우수하고, 또한 열교환 효율이 우수하며, 더구나 파티클 등의 발생을 억제할 수 있고, 소형화가 가능한 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용한 유체 가열 장치를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터는, 흑점의 발생이 억제되어 발열 불균일이 적고, 발열 특성이 양호하며, 또한 카본 와이어 발열체를 유리관의 거의 중심에 배치시켜 수용함으로써, 카본 와이어 발열체와 유리관의 접촉을 방지하여, 카본 와이어 발열체의 단선을 억제할 수 있다. 아울러, 히터로부터의 오염 물질 확산, 특히 발열체로부터의 불순물 금속 등의 오염 물질의 확산이 없어, 처리 대상물의 오염이 억제되는 동시에, 복사열의 방향성을 갖고, 수직면 방향의 복사열을 보다 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유체 가열 장치는, 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용하여, 히터로부터의 오염 물질 확산, 특히 발열체로부터의 불순물 금속 등의 오염 물질의 확산이 없어, 처리 대상물의 오염이 억제되는 동시에, 가스 체류성이 우수하며, 더구나 파티클 등의 발생을 억제할 수 있고, 소형화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 카본 와이어 발열체가 봉입된 히터를 도시한 도면로서, 직선형의 발열부를 갖고 그 양단에 굴곡부를 통해 단자부를 갖춘 측면 コ자형 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 개략 단면도이다.
도 2는 카본 와이어(발열체)의 개략도이다.
도 3a는 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 직선형 발열부의 개략 단면도로서, 카본 와이어의 직경과 석영 유리관의 내경의 비율이 2∼5인 경우를 도시한 도면이다.
도 3b는 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 직선형 발열부의 개략 단면도로서, 카본 와이어의 직경과 석영 유리관의 내경의 비율이 2 미만인 경우를 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 카본 와이어 발열체가 봉입된 히터의 단자부를 도시하는 개략 단면도로서, 유리관의 축선과 평행한 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 카본 와이어 발열체가 봉입된 히터의 단자부를 도시하는 개략 단면도로서, 유리관의 축선과 직교하는 단면도이다.
도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시한 단자부를 응용한 단자부를 도시하는 단면도이다.
도 6a는 카본 와이어 발열체가 봉입된 히터의 단자부의 변형예를 도시하는 개략 단면도로서, 유리관의 축선과 평행한 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 I-I 단면도이다.
도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시한 단자부를 이용한 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 전체 형상을 도시한 도면이다.
도 8은 유리관의 굴곡부에서 밀봉 단부까지의 길이가, 연장 설치된 유리관의 내경의 1.5배 미만인 경우를 도시하는 단면도이다.
도 9는 단자부의 다른 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터의 제3 실시형태를 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시한 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 있어서의 밀봉 단자부를 단면으로 도시한 측면도이다.
도 12a는 석영 유리관의 단면을 도시한 도면으로서, 도 11에 있어서의 I-I 단면도이다.
도 12b는 석영 유리관의 단면을 도시한 도면으로서, 도 11에 있어서의 II-II 단면도이다.
도 13a는 도 10의 밀봉 단자부의 내부 구조를 도시하는 종단면도이다.
도 13b는 도 10의 밀봉 단자부의 내부 구조를 도시하는 횡단면도이다.
도 14는 밀봉 단자부를 구성하는 밀봉관을 도시하는 사시도이다.
도 15는 제3 실시형태의 과제를 설명하기 위한 측면도이다.
도 16은 제3 실시형태의 변형예를 설명하기 위한 주요부 확대도이다.
도 17은 제3 실시형태의 변형예를 설명하기 위한 주요부 확대도이다.
도 18은 제3 실시형태의 변형예를 설명하기 위한 정면도이다.
도 19는 본 발명에 따른 제4 실시형태를 도시한 도면으로서, 본 발명에 따른 카본 와이어 발열체 봉입 히터를 이용한 가스(유체) 가열 장치를 도시하는 측면 단면도이다.
도 20은 도 19에 있어서의 A-A선 절단 단면도이다.
도 21은 가열관 내에 배치된 충전물 및 확산판을 도시한 도면이다.
도 22는 가스(유체)의 흐름을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 23은 충전물 및 확산판의 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 24는 확산판의 정면도이다.
도 25는 가스(유체) 가열 장치의 변형예에 있어서의 충전물 및 확산판의 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 26은 가스(유체) 가열 장치의 변형예를 도시하는 단면도 및 목부의 변화를 도시한 도면이다.
도 27a는 종래의 히터의 단자부를 도시하는 단면도로서, 유리관의 축선과 평행한 단면도이다.
도 27b는 도 27a의 I-I 단면도이다.
도 28은 종래의 다른 단자부를 도시하는 단면도이다.
도 29a는 종래의 히터를 도시한 개략도로서, 막대 형상 히터를 도시한 도면이다.
도 29b는 종래의 히터를 도시한 개략도로서, 판형 히터를 도시한 도면이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1: 카본 와이어 발열체 봉입 히터
2: 발열부
3, 230, 317: 단자부
4: 카본 와이어(발열체)
20: 석영 유리관
31, 234: 전력 공급용 접속선
33, 107, 108: 와이어 카본 부재

Claims (22)

  1. 카본 섬유를 이용한 카본 와이어 발열체를 석영 유리 부재 내에 봉입한 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 있어서,
    상기 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  2. 카본 섬유를 복수 개 이용하여 편직한 카본 와이어 발열체를 석영 유리 부재 내에 봉입한 카본 와이어 발열체 봉입 히터에 있어서,
    상기 카본 와이어 발열체의 흡착 수분량이 2×10-3 g/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 석영 유리 부재는 관형이고, 상기 카본 와이어 발열체의 직경과 석영 유리관의 내경의 비율이 1:2∼5인 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 카본 와이어 발열체 봉입 히터는 직선형의 발열부를 갖고, 그 양단에 굴곡부를 통해 단자부를 갖춘 コ자형 카본 와이어 발열체 봉입 히터로서,
    상기 카본 와이어 발열체는 상기 석영 유리관의 중심부로부터 편심하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 석영 유리 부재의 단부에 배치되어 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관과, 상기 유리관에 압축 수용되어 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재와, 상기 유리관에 단부가 수용되어, 압축된 와이어 카본 부재 사이에 끼워진 전력 공급용 접속선을 갖는 단자부를 구비하고,
    상기 와이어 카본 부재는 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지며,
    상기 카본 와이어 발열체는 상기 복수의 와이어 카본 다발 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 석영 유리 부재의 단부에 배치되어 상기 카본 와이어 발열체의 일부를 수용하는 제1 유리관과, 상기 제1 유리관과 그 축선을 같게 하여, 상기 카본 와이어 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선의 단부 및 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 제2 유리관과, 상기 제1 유리관 및 제2 유리관에 압축 수용되어, 상기 카본 와이어 발열체와 전력 공급용 접속선을 사이에 끼우는 와이어 카본 부재를 갖는 단자부를 구비하고,
    상기 와이어 카본 부재는 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지며,
    상기 카본 와이어 발열체는 상기 복수의 와이어 카본 다발 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 유리관에 수용된 와이어 카본 부재는 상기 제1 유리관에 수용된 와이어 카본 부재보다 많은 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관의 카본 와이어 발열체의 도출측에, 상기 와이어 카본 다발의 절곡부가 위치하도록 와이어 카본 다발이 상기 유리관에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  9. 제6항에 있어서, 상기 카본 와이어 발열체의 일부를 수용하는 제1 유리관이 직선형으로 형성되는 동시에, 상기 카본 와이어 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급용 접속선 및 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 제2 유리관이 직선형으로 형성되고,
    카본 와이어 발열체 및 와이어 카본 다발이 상기 제1 유리관과 제2 유리관의 축선과 거의 평행하게 배열되고,
    상기 제1 유리관의 단부로부터 카본 와이어 발열체가 도출되는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  10. 제5항에 있어서, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관이 T자형으로 형성되는 동시에 일단부가 밀봉되고,
    카본 와이어 발열체 및 와이어 카본 다발이 유리관의 개구 단부로부터 밀봉 단부까지 축선과 거의 평행하게 배열되고,
    상기 유리관의 굴곡부에서 카본 와이어 발열체가 와이어 카본 다발 사이로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 카본 섬유를 이용한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 히터부의 석영 유리관의 양단에 설치된 밀봉 단자부와, 상기 밀봉 단자부에 설치된 접속 단자로 이루어지는 카본 와이어 발열체 봉입 히터로서,
    상기 석영 유리관을 상하 방향으로 나선형으로 권취하고, 상하 방향으로 연장 설치되는 석영 유리관을 직선형으로 형성하는 동시에, 상하부의 석영 유리관을 원호형으로 형성한 히터부와,
    히터부의 석영 유리관의 양단부가 동일면측으로 연장 설치되어, 그 단부에 형성된 밀봉 단자부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 카본 섬유를 이용한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 히터부의 석영 유리관의 양단에 설치된 밀봉 단자부와, 상기 밀봉 단자부에 설치된 접속 단자로 이루어지는 카본 와이어 발열체 봉입 히터로서,
    상기 석영 유리관을 상하 방향으로 나선형으로 권취하고, 상하 방향으로 연장 설치되는 석영 유리관을 직선형으로 형성하는 동시에, 상하부의 석영 유리관을 원호형으로 형성한 히터부와, 히터부의 석영 유리관의 양단부가 동일면측으로 연장 설치되어, 그 단부에 형성된 밀봉 단자부를 구비하고,
    상기 밀봉 단자부는 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관과, 상기 유리관에 압축 수용되어 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재를 갖고,
    상기 와이어 카본 부재는 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지며,
    상기 카본 와이어 발열체는 상기 복수의 와이어 카본 다발 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  13. 제11항에 있어서, 상기 원호형으로 형성된 석영 유리관의 곡율 반경이 석영 유리관의 외경의 2배 이상∼5배 이하인 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 석영 유리관의 원호형으로 형성된 히터부의 외주부측의 두께와 내주부측의 두께의 비율이, 1:1.1 내지 2인 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  15. 제14항에 있어서, 히터 상부 유지 부재가 상부에 형성된 원호형의 석영 유리관의 내측에 용접되는 동시에, 히터 하부 유지 부재가 하부에 형성된 원호형의 석영 유리관의 외측에 용접되는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 히터 하부 유지 부재의 하면은 밀봉 단자부의 하면보다 윗쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
  17. 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 바깥 주위에 형성되고, 제1항 또는 제2항에 따른 카본 섬유를 이용한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 구비한 유체 가열 장치에 있어서,
    상기 가열관의 내부에, 통과하는 유체의 저항이 되는 충전물이 배치되는 동시에, 상기 충전물의 상류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  18. 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 바깥 주위에 형성되고, 제1항 또는 제2항에 따른 카본 섬유를 이용한 카본 와이어 발열체를 수용한 석영 유리관으로 이루어지는 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 구비한 유체 가열 장치에 있어서,
    상기 가열관의 내부에, 통과하는 유체의 저항이 되는 충전물이 배치되는 동시에, 상기 충전물의 상류측면에 확산판이 충전물과 일체로 형성되어 있고, 상기 히터부의 단부에 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관과, 상기 유리관에 압축 수용되어, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 사이에 끼우는 와이어 카본 부재와, 상기 유리관에 단부가 수용되어, 압축된 와이어 카본 부재 사이에 끼워진 전력 공급용 접속선을 갖는 단자부를 구비하고,
    상기 와이어 카본 부재는 와이어 카본재를 묶은 복수의 와이어 카본 다발로 이루어지며,
    상기 카본 와이어 발열체는 상기 복수의 와이어 카본 다발 사이에 있는 동시에, 상기 유리관의 거의 중심에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 충전물은 단주(短柱)형의 석영 유리 비드인 동시에, 상기 확산판은 석영 유리판이고, 상기 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 충전물의 적어도 일면에, 상기 확산판이 융착되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 확산판은 복수의 관통 구멍을 갖는 원판형의 석영 유리판으로 이루어지고, 관통 구멍에 의한 단위 면적당 개구율이 중심부보다 외주부측이 큰 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  21. 제20항에 있어서, 단주형의 석영 유리 비드를 융착함으로써 형성된 상기 충전물의 하류측의 기공율이, 상류측의 기공율보다 작은 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  22. 제6항에 있어서, 상기 카본 와이어 발열체의 단부를 수용하는 유리관의 카본 와이어 발열체의 도출측에, 상기 와이어 카본 다발의 절곡부가 위치하도록 와이어 카본 다발이 상기 유리관에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 카본 와이어 발열체 봉입 히터.
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