JPS641914B2 - - Google Patents

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。従つて、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
ンマン炉やクリプ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^-6atm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0.8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
金属やプラスチクスのように、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ツク
より切り出してNC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る等様々な工
夫が考えられているが、加工が困難であるばかり
でなく、重量も大きく切り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
可撓性を有する発熱体として考えられている。可
撓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あ
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、炉体への取付け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、適当な弾性と可撓性を
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ツクから切出す
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
至つていない。

本発明の目的は、その製作が従来事実上不可能
であつ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、黒鉛ウイスカ、結晶質黒鉛粉体、非晶
質炭素粉体で複合強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つて、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、信頼性のある精度
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
極めて良好であり、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
への取付方法、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ア
ルトピツチ類、乾留ピツ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
アスフアルトピツチ類、乾留ピツチ類等の一種又
は二種以上の混合物に対し炭素繊維、黒鉛ウイス
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0.1ｍ／ｍから数ｍ／ｍ
あたりまでを言い、直径数μｍ以下を繊維体、数
ｍ／ｍ以上を棒状体としているが、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、フエノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹
脂、不飽和ポリ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。

ピツチ類としては、石油アスフアルト、コール
タールピツチ、ナフサ分解ピツチ及び石油アスフ
アルトコールタールピツチ、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
難いものがあるが、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
ンドして成形バインダーとして、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、ニツケル、コバルトの酸化物や塩
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、黒鉛ウイスカ、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、使用するマトリツクス材の種類及
び目的とする有機質線状体の直径によつても異な
るが該有機質線状体組成物中20〜80重量％、好ま
しくは40〜70重量％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、経済性等によつ
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
ウイスカ、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、熱可塑性樹脂硬化性樹脂、天然高分子物質、
合成高分子物質、ピツチ類の内一種又は二種以上
を直接溶融させるか又は、必要に応じて溶剤、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、良く分散させた後ペレツト化
し、押出成形機等を用いて所望の直径に押出成形
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、上記配合物に、目的に応じて、炭素繊維、黒
鉛ウイスカ、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れば良い。

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
圧ニーダー、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練機を用いて、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、線状体の物性を改善する
目的で、適当な延伸操作を施すことが好ましい。

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或いは
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つて不溶、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け担持させたまゝ窒
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℃、好ま
しくは1000〜1500℃に到る迄序々に加熱せしめ
る。更に、黒鉛質コイル状抵抗発熱体を得る為に
は最高2000〜3000℃、好ましくは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つて具体的に説明す
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重量部をヘンシエルミキ
サー中に均質分散を行う。次に加圧ニーダーにて
材料温度を150℃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ペレツト化し、
スクリユー押出成形機を用いて、直径0.8mmφの
ポリ塩化ビニル線状体を得た。これを平滑な表面
を有する直径10.0mmφ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℃／hrの昇温速度で
500℃迄上昇させ、継いで50℃／hr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。

炭素質ボビンより賦形物を離型し、線径0.4mm
φコイル内径10.0mmφコイル長500mm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2.0μｍの結晶性
黒鉛粉末50重量部及び可塑剤として、D.O.P.10重
量部を加え、ヘンシエ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ー
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
成形組成物をプランジヤー型油圧押出成形機にて
直径1.0mmφに押出成形して線状体を得た。

継いでこの線状体を直径15.0mmφの炭素丸棒に
巻き付け両端を固定した。

このコイル状賦形体を空気存在下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
分解して発生する塩化水素によつてフラン樹脂を
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。

炭素質ボビンより賦形物を離型し、線径0.75mm
φ、コイル内径15.0mmφ、コイル長500mm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℃以上2800
℃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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 有機線状体をコイル状に賦形した後炭素化さ
   せることから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の製造
   方法。