JPH01211887A - 炭素繊維／炭素コンポジット製面発熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はジェール熱で発熱する炭素繊維／炭素コンポジ
ット製面発熱体に関する。

（従来の技術およびその課題） 基材表面への各種機能性薄膜の形成や、基材への不純物
の拡散、るつぼに収容した物質の加熱、溶融などの技術
分野においては、所定の雰囲気中で基材等の被加熱体を
加熱して所定の温度条件下に置くことが行われる。この
場合の加熱手段としては、一般にジュール発熱する抵抗
発熱体が使用される。

この加熱処理時においては、たとえば形成薄膜に要求さ
れる特性、成膜速度等の関係で、基材の表面温度分布等
が重要な制御対象となる。

このために、発熱体には材料、形状の点で多岐に亘る態
様が要求され、また発熱体への給電条件も適宜選定され
ている。

発熱体の構成材料としては、タングステン、モリブデン
のような高融点金属や黒鉛が採用されている。また、発
熱体の形状も、必要とする温度条件との関係で適宜な形
状、たとえば板状、筒状等に設計される。

しかしながら、上記高融点金属の発熱体の場合、熱変形
し易すく高温下における寸法安定性に欠けるため、反復
使用の過程でその形状が当初の形状から変わってくる。

その結果、加熱の様相が変わってきて、基材等の温度を
所定の値に維持し得ないという問題が発生する。

一方、黒鉛（または炭素）の発熱体の場合は、上記した
ような熱変形は起さず、また耐食性も優れているという
利点を有するが、しかしその機械的強度が低いという問
題がある。また、脆いために、製造時に所望の発熱体形
状への加工が難しいという問題がある。

一般に抵抗発熱する発熱体は、その通電断面積を小さく
する、たとえば全体形状を薄形（Ｆｉ状全発熱体場合）
または細径（棒状発熱体の場合）にすれば、抵抗を増大
させることができるのでコンパクト化が図れるが、黒鉛
の発熱体について薄形化または細径化を行った場合、黒
鉛の機械的強度が小さいので、たとえば、組立時や被加
熱体への装着時等に破損することがある。それゆえ、黒
鉛発熱体の場合は、通常、その厚みが１０〜２０＋ｍ程
度にならざるを得ない。

上記したように、黒鉛は、耐熱性、耐食性に優れている
ので発熱体の材料として有用であるが、しかし、その機
械的強度が低く、また脆いという点で、薄形、細径の発
熱体とすることができないという問題がある。

一方、マトリックスが炭素（または黒鉛）で強化材が炭
素繊維（または黒鉛繊維）から成る複合体である炭素繊
維／炭素コンポジット（以下、これをｒＣ／Ｃコンポジ
ット」という）が知られている。このＣ／Ｃコンポジッ
トは、軽量性、高い耐熱性、優れた機械的強度を備えて
いるので、これを発熱体として使用する試みがなされて
おり、たとえば、特開昭５６−１３４５６５号公報にお
いては、熱硬化性樹脂とセルロースシートとの積層硬化
体を黒鉛化して高異方性の炭素ブロックとし、これを発
熱体として利用することが開示されている。

また、特開昭５８−１１０４１１号公報においては、細
いセラミックスパイプの中で熱硬化性樹脂と炭素繊維の
混合物を焼成して異方性のＣ／Ｃコンポジットとし、こ
れの発熱体としての用途が開示され、更に、特開昭５８
−１２６５１０号公報においては、光フアイバ接続部の
補強時に用いる抵抗発熱体としてＣ／Ｃコンポジットの
線条体を使用することが開示されている。ここに開示さ
れている発熱体はいずれも黒鉛製のものに比べて機械的
強度は大きいが、しかし棒状体ないし線条体であって、
面として、または全体として面状に形成されているわけ
ではない。

本発明は、従来の発熱体における上記問題点を解消し、
発熱面における発熱量のばらつきが小さく、機械的強度
が大きくて破損の心配が少なく、しかも製造上は精密か
つ複雑な小型形状にも加工することができるＣ／Ｃコン
ポジット製面発熱体の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明のＣ／Ｃコンポジッ
ト製面発熱体は、その構成が、面または全体として面状
に形成され、かつ、発熱面内においてどの部位をとって
みても、その発熱面に対して垂直の方向から透視した炭
素繊維の配列模様が各部位間で同一であるか、または実
質的に同一であることを特徴とする。

本発明の発熱体は、Ｃ／Ｃコンポジットからなる− 本発明の発熱体は、面として、または全体として面状に
形成されている０面形状は、平面かまたは曲面である。

ここで、曲面としては、例えば円筒状曲面、半球状曲面
、放物面状曲面、円錐台状曲面などがある。そして、発
熱体の全体形状、したがって発熱面の形状は、発熱体の
使用目的等に応じて決められている。

しかしながら、本発明の発熱体においては、この発熱面
がいかなる形状であっても、その発熱面内においてどの
部位をとってみても、その発熱面に対して垂直な方向か
ら透視したとき、炭素繊維の配列模様が各部位間で同一
であるか、または実質的に同一となっていることが必要
である。

なお、本発明でいう発熱面内における部位とは、発熱面
内においである程度の広がりを存し、ある大きさの視野
で視認されるような大きさの部分のことであり、たとえ
ば、点状の微小な部分をいうのではない。また、炭素繊
維として後述する円形織物ないし螺旋状円形織物を用い
た場合には、その織密度は内側で密で、外側では粗にな
っているが、この粗密の状態はそれ程顕著ではないので
、本発明においては、このような場合は炭素繊維の配列
模様が実質的に同一であるとする。

この配列模様が上記の状態を充足していない場合、すな
わち発熱面内における各部位間で炭素繊維の配列模様が
異なっている場合は、各部位間における電気抵抗が同一
ではなくなり、その結果、発生するジュール熱も異なっ
てくる。それゆえ、放熱による影響を考慮しなければ、
発熱面には温度むらが発生するようになる。

発熱面内における各部位間で炭素繊維の配列模様を同一
または実質的に同一にするためには、発熱体の製造の際
に、後述する方法で炭素繊維をマトリックス炭素中に配
置せしめればよい。

すなわち、本発明の発熱体は次にような方法で製造する
ことができる。

第１の方法はプリプレグ法である。この方法においては
まず、後述する炭素繊維に、Ｂステージのフェノール樹
脂、フラン樹脂のような熱硬化性樹脂や、ピッチ等の炭
化可能物質が含浸されているプリプレグを用い、このプ
リプレグを必要枚数だけ積層したりまたは必要回数巻回
して所望の発熱体形状に整形する。

つぎに、得られた整形体を不活性ガス雰囲気下において
６００〜３０００°Ｃの温度域で焼成し、プリプレグ中
の炭化可能物質を熱分解せしめて炭素化または黒鉛化し
、Ｃ／Ｃコンポジットとなして発熱体を得る。しかしな
がら、得られた発熱体は多孔質で低密度であるため、再
びこれに前記炭化可能物質を含浸し、焼成するという操
作を複数回反復して所定の密度になるまで高密度化する
ことが好ましい。

第２の方法は樹脂含浸法である。この方法は、生の炭素
繊維それ自体を積層または巻回して発熱体形状に整形し
たのち、これに上記炭化可能物質を含浸し焼成するとい
う方法である。含浸−焼成を必要回反復して高密度化す
るのが好ましいことはプリプレグ法の場合と同様である
。

第３の方法はＣＶＤ法である。この方法は、前記樹脂含
浸法の場合と同様に生の炭素繊維を整形して発熱体形状
とし、これを１０００〜２０００℃の高温下においてメ
タン、プロパン等の炭化水素を含む気流中で熱処理する
ことにより、炭素繊維の表面に熱分解炭素（または黒鉛
）を必要量沈積せしめてＣ／Ｃコンポジットとし、発熱
体にする方法である。

第４の方法は、単糸径が３〜１５μｍ程度でアスペクト
比が数百という短繊維に適用できるブレンド法ともいう
べき方法である。この方法においては、上記短繊維と上
記炭化可能物質との混合物に各種の成形法を適用して、
発熱体形状に成形したのちこれを焼成する。

以上説明した第１〜第４の方法においては、あらかじめ
発熱体形状に整形したものを焼成しているが、焼成後に
切削加工等の機械加工を施して所望の発熱体形状にする
こともできる。

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

第１に織物である。織物は平織物、ｍ織物、朱子織物の
いずれであってもよい。また、特開昭５１−５８５６８
号、特公昭５９−３２２９１号公報にそれぞれ開示され
ている円形織物ないし螺旋状円形織物を使用することが
できる。上記した織物は、その全体の平面図である第１
３図、一部拡大図である第１４図と第１５図、織物を引
き延ばした状態を示す見取図の第１６図で示すように、
炭素繊維からなる連続した経糸と緯糸とが平磯組織また
は畝織組織を構成しており、複数本の経糸が円周方向に
配列され、緯糸は、経糸と交錯する部分においては、経
糸と略直角に交わり、全体的には、経糸の描く円の半径
方向に配列されており、かつ、−円周以上の部分は、同
一円が連続して層状に形成されていることを特徴とする
ものである。

どのような組織、どのような形状の織物を使用するかと
いうことは、発熱体の形状、要求される特性等に応じて
決めればよい。たとえば、比較的複雑な形状の発熱体の
場合には、ドレープ性に優れた朱子織物の使用も好まし
い。これら織物は１枚で用いてもよいが、複数枚を積層
して用いてもよい。積層して用いる場合は、隣接する繊
物間で経糸または緯糸の方向が少しづつずれるように（
たとえば、１５度、３０度づつずれるように）積層する
と、異方性が改善され、抵抗値が面内疑似等方性になる
。もっとも、織物は、経糸または緯糸の方向を一致させ
て積層し、使用することもできる。

第２に解繊マットである。これは、１本１本の炭素短繊
維がランダム配向しているものであって、本来が疑似等
方性を備えている。

第３はチョツプドストランドマットである。これは、炭
素繊維の束を所定の長さに裁断し、各裁断束をランダム
配向せしめて成るマットであり、同じく疑似等方性を備
えている。

第４は、スワールマットである。これは、短繊維ではな
く、解繊され、または解繊されていない連続繊維（若し
くは連続繊維束）がランダム配向されているものである
。

第５は筒状編組である。これはその径方向および長手方
向への伸縮性に冨む、筒状のままでも使用できるしまた
平らに押しつぶして使用することもできる。

第６は、一方向に互いに並行に、かつテープ状またはシ
ート状に引揃えた、連続繊維の一方向引揃え体である。

これには、通常、引揃え状態を維持するために、Ｂステ
ージの、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ピッチな
どが含浸されている。

別に、一方向性ブリプレグと呼ばれるものである。

第７の形態は、アスペクト比の小さい短繊維であり、前
記したブレンド法による発熱体の製造時に使用される。

なお、上記解繊マット、チョツプドスラントマット、ス
ワールマット、筒状編組、一方向引揃え体もまた、ただ
１枚で用いてもよいし、積層ないしは・巻回して用いて
もよい。一方向引揃え体を積層ないし巻回して用いる場
合は、織物の場合と同様に、疑似等方になるようにする
ことが好ましい。

なお、上記した第１〜第６の形態の炭素繊維を積層して
用いる場合、炭層繊維の糸を用い、たとえば単環縫によ
って一体にステイフナしておくと、発熱体の層間剥離強
度や眉間剪断強度、衝撃強度等が向上するようになるの
で好ましい。

本発明において、炭素繊維を積層または巻回して用いる
場合は、炭素繊維の種類も形態も、すべて同一のものを
使用する。

本発明の発熱体の電気抵抗は、使用した炭素繊維の種類
、形態、配置の仕方、含有量、炭素繊維にするときの焼
成温度や、マトリックス炭素の種類や、発熱体の嵩密度
や、Ｃ／Ｃコンポジット化するときの焼成温度等によっ
て変化する。

（実施例） 以下に本発明の発熱体を添付した図面に基づいて更に詳
細に説明する。

第１図〜第４図はいずれも全体として平面状の発熱体を
例示するものである。第１図のものは通電パスすなわち
発熱部が左右対象に配置された無誘導巻きの円板状発熱
体で、第２図のものは通電パス（発熱部）が渦巻き状に
配置された円板状発熱体である。第３図は通電パス（発
熱部）がジクザクに折曲している角板状発熱体を示し、
第４図は通電パス（発熱部）の面積が第１図〜第３図に
例示した発熱体のそれより大きい角板状発熱体を示す、
これらの発熱体はその通電パスの表面が発熱面として機
能する。第１図〜第４図に示した板状の発熱体は、たと
えば次のようにして製造することができる。すなわち、
疑似等方となるように積層した炭素繊維の織物、一方向
引揃え体や、炭素繊維の解繊マット、チョツプドストラ
ンドマット、スワールマットや、炭素繊維短繊維を用い
て前述した４つの方法のいずれかで、薄いＣ／Ｃコンポ
ジット板を製造し、それをたとえば糸のこ等を用いて切
削し通電パス以外の部分を切除すればよい。たとえば、
第１図に示した発熱体１の場合、所定径、厚みのＣ／Ｃ
コンポジット円板を製造し、これを糸のこて通電パスｌ
ａ、ターミナルｌｂ。

■ｂを残して他の部分を切除して製作される。なお、第
１図、第２図に示したような円板状発熱体の製造におい
ては、炭素繊維として前述した円形織物ないし螺旋状円
形織物を使用することができる。

また、第１図〜第３図に示したように通電バスの幅が狭
い発熱体の場合は、テープ状の一方向引揃え体を用いて
通電パスに相当する模様を形成し、それを焼成してもよ
い。

これらの発熱体は、発熱面に対し垂直な方向から透視し
たとき、どの部位においても炭素繊維が同じまたは実質
的に同じ配列模様を形成している。

それゆえ、いずれの部位においても電気抵抗が同じまた
は実質的に同じであるため、発生するジュール熱はいず
れの部位においても同一または実質的に同一となり、そ
の結果、放熱による影響を考慮にいれなければ、発熱面
内における温度むらはなくなり、またはばらつきが小さ
くなる。

また、この発熱体はＣ／Ｃコンポジットであるため、そ
の機械的強度は大きく、薄形、細経、長尺の形状に加工
することもできる。

第１図〜第４図に示したような発熱体は、たとえば、Ｃ
ＶＤ法によって基材表面に超電導薄膜を形成するような
場合に使用することができる。すなわち、各種組成の超
電導材料の薄膜を基材表面にＣＶＤ法によって成膜する
場合、成膜すべき材料の組成によっても異なるが、基材
の表面温度を８００〜１０００°Ｃ程度とし、かつ、表
面温度の面内ばらつきを±５’Ｃ以内に制御するという
操作が行なわれる。このとき、基材の表面温度を上記範
囲に設定するためには、用いる発熱体は最高１２００’
ｃ程度の温度に抵抗発熱させるということが必要で、し
かもＣＶＤ法であるがゆえに用いる反応性ガスによる侵
蝕への耐性を備えていることが必要であるからである。

第５図〜第７図は、発熱面が円筒状曲面か、全体として
円筒状曲面をなし、管状炉の加熱手段に用いて有効な発
熱体を例示するものである。第５図は円筒状発熱体その
もので、第６図は筒の長手方向に分離スリットが形成さ
れ、このスリット位置でＵターンしながら長手方向に伸
長していく通電パスを備える発熱体であり、また第７図
は、通電パスが螺旋状に長手方向に伸長する螺旋状発熱
体を示す。

これらの発熱体の製造に当たっては、前述した炭素繊維
の織物、一方向引揃え体や、炭素繊維の解繊マット、チ
ロツブトストランドマット、スワールマットを巻回した
もの、または炭素繊維の編組を用いて円筒形のＣ／Ｃコ
ンポジットを製造し、第６図、第７図の発熱体の場合は
そのＣ／Ｃコンポジットに切削加工を施して、目的とす
る通電パスを形成する。炭素繊維と炭化可能物質との混
合物を円筒形状に成形し、Ｃ／Ｃコンポジット化した後
に切削加工を施してもよい。また、円筒形の発熱体の製
造に当たっては、その円筒成形時にはフィラメントワイ
ンディング法を適用することもできる。更に、第７図の
螺旋状発熱体の場合、テープ状の一方向引揃え体で螺旋
体を形成したのち、これを焼成して製造することもでき
る。

この場合も、第１図〜第４図に示した発熱体の場合と同
様に、発熱面に対し垂直な方向から透視したとき、どの
部位においても炭素繊維が同じまたは実質的に同じ配列
模様を形成している。それゆえ、いずれの部位において
も電気抵抗が同じまたは実質的に同じであるため、発生
するジュール熱はいずれの部位においても同一または実
質的に同一となり、その結果、放熱による影響を考慮に
いれなければ、発熱面内における温度むらはなくなり、
またはばらつきが小さくなる。

第８図〜第１０図は、発熱面が円錐台状曲面になってい
て、上下方向で被加熱体の加熱の程度を変化せしめるに
有効な発熱体を例示するものである。第８図は全面が発
熱面であり、第９図は縦方向に上下端から交互にスリッ
トが形成され、通電パスは上下にジグザクと折曲する発
熱体であり、第１０図は縦スリットを挟んで周方向のス
リットが交互に入り通電パスが側曲面に沿って折曲して
いる発熱体である。

第８図の発熱体は、炭素繊維の織物を絞り整形したもの
、発熱体の平面展開図に相当する形状に裁断した織物、
解繊マット、チ式ンブドストランド、スワールマット、
一方向引揃え体、短繊維と炭化可能物質との混合物（ブ
レンド法による）、またげそれらを適宜に組み合せた積
層品を用いてシリ造するτとができる。絞り整形に用い
る繊物としては、そのドレープ性が良好であることから
して朱子織の織物が好ましい。また、前述した円形織物
ないしは螺旋状円形織物はこの発熱体の繊維素材として
好適である。

第９図、第１Ｏ図の発熱体は、第８図の発熱体を切削加
工して製造すればよい。また、テープ状の一方向引揃え
体を用いて通電パス模様に相当する経路を有するグリー
ン成形体を造形しこれを焼成することによって製造する
こともできる。

第１１図は球体炉に組込むことができる発熱体の半部を
例示するもので、その発熱面は半球状曲面である。第１
２図は赤外線温度計測時の較正炉用の発熱体を例示する
もので、その発熱面は放物面状曲面を形成している。

これらの発熱体も、第８図〜第１Ｏ図に示した円錐台状
曲面の発熱体の場合と同じように製造することができる
。

なお、本発明は上記実施例に限られるものではなく、各
種の変形が可能である。すなわち、Ｃ／Ｃコンポジット
は、炭素繊維の配列模様を変えることにより、電気抵抗
のみならず熱伝導率をも変化させることができるので、
本発明の発熱体の場合も、炭素繊維が所定の配列模様と
なるように設定することにより、発熱体からのジュール
発熱量を調整できるとともに、発熱体の熱伝導量を調整
することも可能になる。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の炭素繊維／炭素
コンポジット製面発熱体は、その構成が、面または全体
として面状に形成され、かつ、発熱面内においてどの部
位をとってみても、その発熱面に対して垂直の方向から
透視した炭素繊維の配列模様が各部位間で同一であるか
、または実質的に同一であるようにしたので、その通電
バスすな２わち発熱面における電気抵抗はどの部位でも
同一または実質的に同一となり、発生するジュール熱も
また、各部位間で同一または実質的に同一になる。

また、Ｃ／Ｃコンポジットはその機械的強度が太き（、
また黒鉛はど脆くないので加工が容易であり、発熱体を
薄くまたは細長くすることができる。しかも、破損等の
心配が少ない、その結果、発熱体としての全抵抗を大き
くすることができるため、通電負荷が小さ（ても必要な
高温度にまで発熱させることができる。そして通電負荷
が小さいので、発熱体自身はもちろん、電力供給の系、
電極の系、制御系をコンパクトにすることができる。

更に被加熱体の形状が複雑な場合でも、焼成前の段階、
すなわち、炭素繊維、マトリックスが柔軟性を有してい
る段階で発熱体の形状に整形することができ、またＣ／
Ｃコンポジットにしたのちであっても、その機械的強度
が大きく、またそれほど脆くないために破損の虞れなく
精密に加工することができる。

更に、Ｃ／Ｃコンポジットは、黒鉛に比べると熱伝導率
が大きいので、本発明の発熱体は、その使用時に大きな
昇温速度、すなわち早いたちあがりで運転を開始するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４回はいずれも本発明の発熱体を示す平面図
、第５図〜第１２図は本発明のさらに別の発熱体を示す
斜視図、第１３図は螺旋状円形織物の全体の平面図、第
１４図と第１５図はその一部拡大図、第１６図はそれを
引き延ばした状態を示す見取図である。 １・・・発熱体、１ａ・・・通電バス、１ｂ・・・ター
ミナル。 出願人　　ハナワ熱電金属株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 面または全体として面状に形成され、かつ、発熱面内に
   おいてどの部位をとってみても、その発熱面に対して垂
   直の方向から透視した炭素繊維の配列模様が各部位間で
   同一であるか、または実質的に同一であることを特徴と
   する炭素繊維／炭素コンポジット製面発熱体。