JP2854864B2 - Surface heating element made of carbon fiber / carbon composite - Google Patents
Surface heating element made of carbon fiber / carbon compositeInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はジュ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。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon fiber / carbon composite surface heating element that generates heat by Joule heat.
(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。(Conventional technology and its problems) In technical fields such as formation of various functional thin films on the surface of a base material, diffusion of impurities into the base material, heating and melting of a substance contained in a crucible, in a predetermined atmosphere, Heating an object to be heated, such as a substrate, is performed under a predetermined temperature condition. In this case, a resistance heating element that generates Joule heat is generally used as the heating means.
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。At the time of this heat treatment, the surface temperature distribution of the base material and the like are important control targets, for example, in relation to the characteristics required for the formed thin film, the film forming speed, and the like.
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。For this reason, the heating element is required to have a wide variety of materials and shapes, and the conditions for supplying power to the heating element are appropriately selected.
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。As a constituent material of the heating element, a refractory metal such as tungsten or molybdenum or graphite is employed. Also,
The shape of the heating element is also designed in an appropriate shape, for example, a plate shape, a tubular shape, or the like in relation to a required temperature condition.
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。However, in the case of the high-melting-point metal heating element, it tends to be thermally deformed and lacks dimensional stability at high temperatures, and thus its shape changes from its initial shape in the process of repeated use. As a result, the aspect of heating changes, and there arises a problem that the temperature of the substrate or the like cannot be maintained at a predetermined value.
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。On the other hand, a heating element made of graphite (or carbon) does not cause the above-described thermal deformation and has an advantage of excellent corrosion resistance, but has a problem of low mechanical strength. In addition, there is a problem that it is difficult to process into a desired heating element shape at the time of manufacturing because of brittleness.
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(板状発熱体の場合)
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10〜20mm
程度にならざるを得ない。In general, a heating element that generates resistive heat has a small cross-sectional area for current conduction. For example, the overall shape is thin (in the case of a plate-shaped heating element).
In this case, the resistance can be increased and the compactness can be achieved.However, when the graphite heating element is made thinner, the mechanical strength of the graphite is small. It may be damaged during mounting. Therefore, in the case of a graphite heating element, its thickness is usually 10 to 20 mm.
It has to be to the extent.
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、薄形の発熱体
とすることができないという問題がある。As described above, graphite is useful as a material for a heating element because of its excellent heat resistance and corrosion resistance. However, it should be a thin heating element because of its low mechanical strength and brittleness. There is a problem that can not be.
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「C/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。On the other hand, a carbon fiber / carbon composite (hereinafter, referred to as “C / C composite”), which is a composite in which a matrix is carbon (or graphite) and a reinforcing material is made of carbon fiber (or graphite fiber), is known. Since this C / C composite has light weight, high heat resistance, and excellent mechanical strength, attempts have been made to use it as a heating element.For example, in JP-A-56-134565, It is disclosed that a laminated cured body of a thermosetting resin and a cellulose sheet is graphitized to form a highly anisotropic carbon block, which is used as a heating element.
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、光ファ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。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-110411, a mixture of a thermosetting resin and a carbon fiber is fired in a thin ceramic pipe to form an anisotropic C / C composite, which is used as a heating element. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-126510 discloses the use of a C / C composite filament as a resistance heating element used for reinforcing an optical fiber connection portion. Each of the heating elements disclosed herein has a higher mechanical strength than those made of graphite, but is a rod or a striated body and is not formed as a plane or as a whole as a plane. is not.
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。The present invention solves the above-mentioned problems of the conventional heating element, has a small variation in the amount of heat generated on the heating surface, has a large mechanical strength and is less likely to be damaged, and has a small size that is precise and complicated in manufacturing. It is intended to provide a C / C composite surface heating element that can be processed.
(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、炭素繊維が均一に配列され電気抵抗が実質的に
同一であることを特徴とする。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the C / C composite surface heating element of the present invention has a configuration in which the configuration is formed in a plane or as a whole as a plane, and Regardless of the location, the carbon fibers are arranged uniformly and the electric resistance is substantially the same.
本発明の発熱体は、C/Cコンポジットからなる。 The heating element of the present invention is made of a C / C composite.
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。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。The heating element of the present invention is formed in a plane or as a plane as a whole. The surface shape is a flat surface or a curved surface. Here, examples of the curved surface include a cylindrical curved surface, a hemispherical curved surface, a parabolic curved surface, and a truncated conical curved surface. The overall shape of the heating element, that is, the shape of the heating surface, is determined according to the purpose of use of the heating element.
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、炭素繊維が均一に配列さ
れ電気抵抗が実質的に同一であることが必要である。However, in the heating element of the present invention, it is necessary that the carbon fibers are uniformly arranged and the electric resistance is substantially the same regardless of the shape of the heating surface.
なお、本発明でいう発熱面内における部位とは、 発熱面内においてある程度の広がりを有し、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。In the present invention, the portion in the heat generating surface refers to a portion having a certain extent in the heat generating surface and having such a size as to be visually recognized in a certain size visual field.
For example, it does not mean a point-like minute portion. Also,
When a circular woven fabric or a helical circular woven fabric described later is used as the carbon fiber, the woven density is dense on the inside and coarse on the outside, but the state of the coarse and dense is not so remarkable. In such a case, the arrangement pattern of the carbon fibers is assumed to be substantially the same.
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。If the arrangement pattern does not satisfy the above condition, that is, if the arrangement pattern of the carbon fibers is different between the portions on the heating surface, the electric resistance between the portions will not be the same, and as a result, Joule fever is different. Therefore, if the influence of heat radiation is not taken into consideration, temperature unevenness occurs on the heat generating surface.
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。In order to make the arrangement pattern of the carbon fibers the same or substantially the same between the respective portions in the heating surface, the carbon fibers may be arranged in the matrix carbon by a method described later during the production of the heating element. .
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。That is, the heating element of the present invention can be manufactured by the following method.
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。The first method is a prepreg method. In this method, first, a prepreg in which a carbon fiber to be described later is impregnated with a thermosetting resin such as a phenol resin or a furan resin of a B stage or a carbonizable substance such as a pitch is used. It is laminated or wound as many times as necessary to shape it into a desired heating element shape.
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℃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。Next, the obtained shaped body is fired in a temperature range of 600 to 3000 ° C. under an inert gas atmosphere, and the carbonizable substance in the prepreg is pyrolyzed to be carbonized or graphitized, and C / C
A heating element is obtained as a composite. However, since the obtained heating element is porous and has a low density, it is impregnated with the carbonizable substance again, and the operation of firing is repeated a plurality of times to increase the density to a predetermined density. preferable.
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。The second method is a resin impregnation method. This method is a method of laminating or winding a raw carbon fiber itself to shape it into a heating element, impregnating it with the above-mentioned carbonizable substance, and firing it. As in the case of the prepreg method, it is preferable to repeat the impregnation and firing as necessary times to increase the density.
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。The third method is a CVD method. In this method, the raw carbon fiber is shaped into a heating element shape in the same manner as in the resin impregnation method, and this is heat-treated in a stream containing hydrocarbons such as methane and propane at a high temperature of 1000 to 2000 ° C. In this method, a required amount of pyrolytic carbon (or graphite) is deposited on the surface of the carbon fiber to form a C / C composite, which is used as a heating element.
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。The fourth method is a method that can be called a blend method applicable to short fibers having a single yarn diameter of about 3 to 15 μm and an aspect ratio of several hundred. In this method, various molding methods are applied to the mixture of the short fibers and the carbonizable substance,
After being formed into a heating element, it is fired.
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。In the first to fourth methods described above, the preliminarily shaped heating element is fired, but after the firing, machining such as cutting may be performed to obtain a desired heating element shape.
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。The carbon fibers used in these methods include the following forms.
第1に織物である。織物は平織物、綾織物、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13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織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、一円周以上の部分は、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。First is the woven fabric. The woven fabric may be any of a plain woven fabric, a twill woven fabric, and a satin woven fabric. Also, JP-A-51-58568,
The circular woven fabric or spiral circular woven fabric disclosed in JP-B-59-32291 can be used. The above-mentioned woven fabric is shown in FIG. 13 which is a plan view of the whole, FIG. 14 and FIG. 15 which are partially enlarged views, and as shown in FIG. The continuous warp and the weft constitute a plain weave design or a ridge weave design, and a plurality of warps are arranged in the circumferential direction.
In the portion where the warp intersects, it intersects the warp at a substantially right angle, is generally arranged in the radial direction of the circle drawn by the warp, and the portion of one or more circumferences is a continuous layer of the same circle. It is characterized by being formed in.
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
織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。What kind of structure and what kind of fabric to use may be determined according to the shape of the heating element, required characteristics, and the like. For example, in the case of a heating element having a relatively complicated shape, it is preferable to use a satin woven fabric having excellent drapability. One of these fabrics may be used, or a plurality of these may be laminated. In the case of laminating, if the warp or weft direction is slightly shifted between adjacent fabrics (for example, 15 ° or 30 ° each), the anisotropy is improved and the resistance value is reduced. It becomes pseudo-isotropic inside. However, the woven fabric can be used by laminating the warp or the weft in the same direction.
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。Second is a defibrated mat. This is one in which each short carbon fiber is randomly oriented, and originally has pseudo-isotropic properties.
第3はチョッ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。Third is a chopped strand mat. this is,
This is a mat formed by cutting a bundle of carbon fibers into a predetermined length and randomly orienting each cut bundle, and also has a pseudo-isotropic property.
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。Fourth is a swirl mat. This is not a short fiber but a fiber that has been fibrillated or has not been fibrillated, or a continuous fiber (or a continuous fiber bundle) that is randomly oriented.
第5は筒状編組である。これはその径方向および長手
方向への伸縮性に富む。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。Fifth is a tubular braid. It is rich in its elasticity in the radial and longitudinal directions. It can be used as it is, or it can be used by crushing it flat.
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、一方向性プリプレグと
呼ばれるものである。The sixth is a unidirectionally aligned continuous fiber body which is aligned in one direction in parallel with each other and in a tape or sheet shape. This usually includes B to maintain the alignment.
The stage is impregnated with a thermosetting resin such as a phenol resin or a pitch. Separately, it is called a unidirectional prepreg.
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。A seventh aspect is a short fiber having a small aspect ratio,
It is used at the time of producing the heating element by the above-mentioned blending method.
なお、上記解繊マット、チョップドスランドマット、
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。The defibrated mat, chopped land mat,
The swirl mat, the tubular braid, and the one-way aligned body may also be used alone, or may be used by lamination or winding. When the one-way aligned body is used by laminating or winding, it is preferable that the unidirectional aligned body be pseudo-isotropic as in the case of the woven fabric.
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
よって一体にスティッチしておくと、発熱体の層間剥離
強度や層間剪断強度、衝撃強度等が向上するようになる
ので好ましい。In the case where the carbon fibers of the above-described first to sixth embodiments are laminated and used, if the stitches are integrally stitched by using, for example, single-ring stitching using a thread of the carbon layer fiber, the delamination strength and the interlaminar shear of the heating element are obtained. It is preferable because strength and impact strength are improved.
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。In the present invention, when carbon fibers are used by laminating or winding, the same types and forms of carbon fibers are used.
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。Electric resistance of the heating element of the present invention, the type of carbon fiber used, the form, the manner of arrangement, the content, the firing temperature when making the carbon fiber, the type of matrix carbon, the bulk density of the heating element, C It changes depending on the firing temperature when forming the / C composite.
(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。(Example) Hereinafter, the heating element of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
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、凝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、チョップドス
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、これを糸のこで通電パス1
a、ターミナル1b、1b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。1 to 4 exemplify a heating element having a planar shape as a whole. FIG. 1 shows an energization path, that is, a non-inductively wound disk-shaped heating element in which the heat generating portions are arranged symmetrically to the left and right, and FIG. 2 shows a disk in which the energizing path (heat generating portion) is arranged in a spiral shape. Heating element. FIG. 3 shows a square plate-shaped heating element in which the energizing path (heating portion) is bent in a zigzag manner, and FIG. 4 shows the area of the energizing path (heating portion) in FIGS.
A square plate-shaped heating element larger than that of the heating element illustrated in the figure is shown. In these heating elements, the surface of the current path functions as a heating surface. The plate-shaped heating element shown in FIGS.
For example, it can be manufactured as follows. In other words, the carbon fiber woven fabric, unidirectionally aligned body, and carbon fiber defibrated mat, chopped strand mat, swirl mat, and carbon fiber short fiber described above which are laminated so as to have a similar isotropic shape are used. In any of the methods, a thin C / C composite plate may be manufactured, and the thin C / C composite plate may be cut using a saw, for example, to cut off portions other than the energized path. For example, in the case of the heating element 1 shown in FIG.
Manufactures a C composite disc and passes it with a thread saw.
a, It is manufactured by cutting off other parts except for the terminals 1b and 1b. In the production of the disc-shaped heating element as shown in FIGS. 1 and 2, the above-mentioned circular fabric or spiral circular fabric can be used as the carbon fiber.
また、第1図〜第3図に示したように通電パスの幅が
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。In the case of a heating element having a narrow energizing path as shown in FIGS. 1 to 3, a pattern corresponding to the energizing path is formed by using a tape-shaped one-way aligning body, and the pattern is fired. May be.
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。In these heating elements, the carbon fibers form the same or substantially the same arrangement pattern at any position when viewed through a direction perpendicular to the heating surface.
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。Therefore, since the electrical resistance is the same or substantially the same in any part, the generated Joule heat is the same or substantially the same in any part,
As a result, if the influence of heat radiation is not taken into consideration, the temperature unevenness in the heat generating surface is eliminated or the variation is reduced.
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、長尺の形状に加工するこ
ともできる。Further, since this heating element is a C / C composite, its mechanical strength is large, and it can be processed into a thin and long shape.
第1図〜第4図に示したような発熱体は、たとえば、
CVD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℃程度とし、かつ、表面温度の面
内ばらつきを±5℃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℃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り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。The heating element as shown in FIG. 1 to FIG.
It can be used when a superconducting thin film is formed on a substrate surface by a CVD method. That is, when a thin film of a superconducting material having various compositions is formed on a substrate surface by the CVD method, the surface temperature of the substrate is set to about 800 to 1000 ° C., and the surface temperature varies depending on the composition of the material to be formed. An operation of controlling the in-plane variation of the temperature to within ± 5 ° C. is performed. At this time, in order to set the surface temperature of the base material within the above range, it is necessary that the heating element to be used is to generate resistance heat to a temperature of up to about 1200 ° C., and furthermore, the reactive gas used is a CVD method. It is necessary to have resistance to erosion.
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、通電パスが螺旋に長手方向に伸長する螺旋状発熱
体を示す。FIGS. 5 to 7 exemplify a heating element which is effective as a heating means for a tubular furnace, in which the heating surface has a cylindrical curved surface or a cylindrical curved surface as a whole. FIG. 5 is a cylindrical heating element itself, and FIG. 6 is a heating element having a separation slit formed in the longitudinal direction of the cylinder and having an energizing path extending in the longitudinal direction while making a U-turn at this slit position. The seventh
The figure shows a helical heating element in which the energization path extends helically in the longitudinal direction.
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、
チョップドストランドマット、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状を
形成したのち、これを焼成して製造することもできる。In the production of these heating elements, the woven fabric of carbon fiber, a one-way aligned body, a defibrated mat of carbon fiber,
A cylindrical C / C composite is manufactured using a chopped strand mat, a swirl mat wound, or a carbon fiber braid. In the case of the heating element shown in FIGS. 6 and 7, the C / C composite is used. A cutting process is performed to form a target energization path. The mixture of the carbon fiber and the carbonizable substance may be formed into a cylindrical shape, cut into a C / C composite, and then subjected to cutting. In the production of a cylindrical heating element, a filament winding method can be applied at the time of molding the cylinder. Further, in the case of the spiral heating element shown in FIG. 7, the spiral heating element can be manufactured by forming a spiral with a tape-shaped unidirectionally aligned body and firing the spiral.
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、発熱面のどの部位においても炭素繊維が均一に
配列されている。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。Also in this case, as in the case of the heating element shown in FIGS. 1 to 4, the carbon fibers are uniformly arranged on any part of the heating surface. Therefore, since the electrical resistance is the same or substantially the same in any of the portions, the generated Joule heat is the same or substantially the same in any of the portions. As a result, the influence of heat dissipation must be taken into account. In this case, the temperature unevenness in the heat generating surface is eliminated or the variation is reduced.
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周曲面に沿って折曲してい
る発熱体である。FIG. 8 to FIG. 10 exemplify a heating element whose heating surface is a truncated conical curved surface and which is effective for changing the degree of heating of the object to be heated in the vertical direction. FIG. 8 shows a heating surface on the entire surface, FIG. 9 shows a heating element in which slits are alternately formed in the vertical direction from upper and lower ends, and a current path is a heating element which is bent zigzag up and down. FIG. The heating element is a heating element in which slits in the circumferential direction alternately enter and sandwich the energization path along the circumferential curved surface.
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、チョップドストランド、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)、またはそれらを適宜に組み合せ
た積層品を用いて製造することができる。絞り整形に用
いる織物としては、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。The heating element in FIG. 8 is obtained by drawing and shaping a carbon fiber woven fabric, a woven fabric cut into a shape corresponding to a planar development view of the heating element, a defibrated mat, a chopped strand, a swirl mat, a one-way aligned body, a short It can be produced using a mixture of fibers and a carbonizable substance (by a blending method) or a laminate in which they are appropriately combined. As a woven fabric used for drawing and shaping, a satin woven fabric is preferable because of its good drapability. The above-mentioned circular woven fabric or spiral circular woven fabric is suitable as a fiber material of the heating element.
第9図、第10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。9 and 10 may be manufactured by cutting the heating element of FIG. Further, it can also be manufactured by forming a green molded body having a path corresponding to an energizing path pattern using a tape-shaped one-way aligned body and firing the green molded body.
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12
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。FIG. 11 exemplifies a half of a heating element that can be incorporated in a spherical furnace, and its heating surface is a hemispherical curved surface. Twelfth
The figure exemplifies a heating element for a calibration furnace at the time of infrared temperature measurement, and its heating surface forms a parabolic curved surface.
これらの発熱体も、第8図〜第10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。These heating elements can be manufactured in the same manner as in the case of the heating element having a truncated conical surface shown in FIGS. 8 to 10.
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。Note that the present invention is not limited to the above embodiment,
Various modifications are possible. That is, the C / C composite can change not only the electrical resistance but also the thermal conductivity by changing the arrangement pattern of the carbon fibers,
Also in the case of the heating element of the present invention, by setting the carbon fibers to have a predetermined arrangement pattern, it is possible to adjust the amount of Joule heat generated from the heating element and to adjust the heat conduction amount of the heating element. Become.
(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、炭素繊維が均一に配列されるよう
にしたので、その通電パスすな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。(Effects of the Invention) As is apparent from the above description, the surface heating element made of carbon fiber / carbon composite of the present invention has a configuration in which the surface or the entire surface is formed in a planar shape, and any part in the heating surface. Taking into account, the carbon fibers are arranged uniformly, so that the current path, that is, the electric resistance on the heat generating surface is the same or substantially the same at any part, and the generated Joule heat is also between the parts. The same or substantially the same.
また、C/Cコンポジットはその機械的強度が大きく、
また黒鉛ほど脆くないので加工が容易であり、発熱体を
薄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、通電負荷が小さく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。Also, C / C composites have high mechanical strength,
Further, since it is not as brittle as graphite, processing is easy, and the heating element can be made thin. In addition, there is little fear of damage or the like. As a result, the total resistance of the heating element can be increased, so that even if the energization load is small, it can be heated to a required high temperature. And since the current-carrying load is small, not only the heating element itself, but also the power supply system, electrode system,
The control system can be made compact.
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。Furthermore, even when the shape of the object to be heated is complicated, it can be shaped into a heating element at a stage before firing, that is, at a stage where the carbon fiber and the matrix have flexibility, and
Even after being made into a C / C composite, it can be processed precisely without fear of breakage because of its high mechanical strength and not so brittle.
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。Furthermore, since the heat conductivity of the C / C composite is higher than that of graphite, the heating element of the present invention can start operation at a high temperature rising rate, that is, at a high temperature when used.
第1A図、第2図乃至第4図はいずれも本発明の発熱体を
示す平面図、第1B図は第1A図において炭素繊維の織物を
用いた場合に発熱体の各部位(A〜E)で炭素繊維が均
一に配列されている状態を示す部分拡大図、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……通電パス、1b……ターミナル。1A, 2 to 4 are plan views showing the heating element of the present invention, and FIG. 1B is a plan view of each part (A to E) of FIG. 1A when a carbon fiber fabric is used. )), A partially enlarged view showing a state in which the carbon fibers are uniformly arranged, FIGS.
12 is a perspective view showing still another heating element of the present invention, FIG. 13 is a plan view of the entire spiral circular fabric, FIGS. 14 and 15 are partially enlarged views thereof, and FIG. It is a sketch which shows the state extended. 1 ... heating element, 1a ... energizing path, 1b ... terminal.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 隆 東京都大田区中央3丁目19番14号 ハナ ワ熱電金属株式会社内 (72)発明者 海東 滋 滋賀県大津市園山1丁目1番1号 東レ 株式会社滋賀事業場内 (72)発明者 北村 厚 滋賀県大津市園山1丁目1番1号 東レ 株式会社滋賀事業場内 (72)発明者 羽根田 順 東京都中央区日本橋室町2丁目2番1号 東レ株式会社東京事業場内 (56)参考文献 特開 昭63−24582(JP,A) 特開 昭58−110411(JP,A) 特開 昭56−134565(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05B 3/20 373──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takashi Nakajima 3-19-14 Chuo, Ota-ku, Tokyo Inside Hanawa Thermoelectric Metal Co., Ltd. (72) Inventor Shigeru Kaito 1-1-1 Sonoyama, Otsu City, Shiga Prefecture Toray Shiga Works Co., Ltd. (72) Atsushi Kitamura 1-1-1, Sonoyama, Otsu City, Shiga Prefecture Toray Shiga Works Co., Ltd. (72) Inventor Jun Haneda 2-2-1 Nihonbashi Muromachi, Chuo-ku, Tokyo Toray (56) References JP-A-63-24582 (JP, A) JP-A-58-110411 (JP, A) JP-A-56-134565 (JP, A) (58) Fields surveyed ( Int.Cl. 6 , DB name) H05B 3/20 373
Claims (2)
つ、発熱面内においてどの部位をとってみても、炭素繊
維が均一に配列され電気抵抗が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。The present invention is characterized in that carbon fibers are uniformly arranged and the electric resistance is substantially the same regardless of which part is taken in the heating surface. Surface heating element made of carbon fiber / carbon composite.
ップドストランドマット、スワールマット、筒状編組ま
たは一方向引揃え体のいずれかの形態をしている特許請
求の範囲第1項記載の炭素繊維/炭素コンポジット製面
発熱体。2. The carbon fiber according to claim 1, wherein said carbon fiber is in the form of a woven fabric, a defibrated mat, a chopped strand mat, a swirl mat, a tubular braid, or a one-way aligned body. Surface heating element made of carbon fiber / carbon composite.
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|---|---|---|---|
| JP63037069A JP2854864B2 (en) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Surface heating element made of carbon fiber / carbon composite |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63037069A JP2854864B2 (en) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Surface heating element made of carbon fiber / carbon composite |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH01211887A JPH01211887A (en) | 1989-08-25 |
| JP2854864B2 true JP2854864B2 (en) | 1999-02-10 |
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ID=12487261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP63037069A Expired - Lifetime JP2854864B2 (en) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Surface heating element made of carbon fiber / carbon composite |
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1988
- 1988-02-19 JP JP63037069A patent/JP2854864B2/en not_active Expired - Lifetime
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| JP2011134712A (en) * | 2009-12-24 | 2011-07-07 | Inergy Automotive Systems Research (Sa) | Flange including heating element |
| US9206725B2 (en) | 2009-12-24 | 2015-12-08 | Inergy Automotive Systems Research (Société Anonyme) | Flange equipped with a heating element |
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|---|---|
| JPH01211887A (en) | 1989-08-25 |
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