JP2854864B2

JP2854864B2 - 炭素繊維／炭素コンポジット製面発熱体

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Publication number: JP2854864B2
Application number: JP63037069A
Authority: JP
Inventors: 仁志塙; 中島　　隆; 滋海東; 厚北村; 順羽根田
Original assignee: NAGANO KK; TORE KK
Current assignee: NAGANO KK; TORE KK
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-02-19
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH01211887A

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。

（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（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。

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。

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。

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。

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、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。

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。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、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。

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。

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℃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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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、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、
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、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。
【請求項２】前記炭素繊維が、織物、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、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。