JP2005251706A

JP2005251706A - 炭素系発熱体

Info

Publication number: JP2005251706A
Application number: JP2004093717A
Authority: JP
Inventors: Kiyohiro Mihara; 清宏三原
Original assignee: AUN KK
Current assignee: AUN KK
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】余分なエネルギー消費が生じることがなく、熱効率を向上させるようにするとともに、機器に対する電磁的障害のない炭素系発熱体を提供することを目的とする。
【解決手段】炭素系発熱体１は、ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維を炭素化し、電気抵抗値を大きくした帯状または紐状の炭素繊維２と、前記炭素繊維２の終端部に取り付けた端子部４と、前記炭素繊維２を長手方向に封入可能な石英ガラス管３とから構成し、前記端子部４にて前記石英ガラス管３を加熱圧着して該石英ガラス管３内に前記炭素繊維２を封入するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、暖房機器や調理機器などの熱源に使用する炭素系発熱体に関する。

一般に、暖房機器や調理機器の熱源（発熱体）は、電気ヒーターのようにニクロム線やタングステン線の電気抵抗を利用したものが用いられている。

しかしながら、熱源として使用されているニクロム線やタングステン線は、スパイラル状に巻線成形されているので、巻線の内部が空洞であるともに、巻線間の隙間が必要であるため、その空間に放熱される余分なエネルギー消費が生じていた。
また、タングステンの電気抵抗率は温度の上昇とともに著しく大きくなるので、これを用いた機器の突入電流が大きく、電源をオンした瞬間に定格の約１０倍程度のラッシュ電流が流れる。このため電磁的ノイズが発生し、機器に対して電磁的障害を与える。

本発明は、上記したような従来の問題点に鑑みて考えられたもので、余分なエネルギー消費が生じることがなく、熱効率を向上させるようにした炭素系発熱体を提供することを目的とする。
また本発明は、機器に対する電磁的障害のない炭素系発熱体を提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、本発明の炭素系発熱体は、ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維を炭素化し、電気抵抗値を大きくした帯状または紐状の炭素繊維と、前記炭素繊維の終端部に取り付けた端子部と、前記炭素繊維を長手方向に封入可能な石英ガラス管とから構成し、前記端子部にて前記石英ガラス管を加熱圧着して該石英ガラス管内に前記炭素繊維を封入したことを特徴とするものである。

上記課題解決手段による作用は、次のとおりである。
ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維を炭素化してなる炭素繊維は、電気抵抗値が大きく、発熱しやすいものである。
このような炭素繊維の終端部に端子を取り付け、この炭素繊維を長手方向にそのまま石英ガラス管に封入してなるので、端子にリード線などを介して導通することによって炭素繊維が発熱する。
炭素繊維は、温度上昇とともに抵抗値が低下する負の抵抗温度特性を有しているため、本発明の炭素系発熱体を使用することによって、電圧印加時の突入電流を小さくすることができる。
また、密閉容器に炭素繊維を封入しているので、高温環境下で使用しても炭素繊維は酸化されることがなく、長寿命の炭素系発熱体が得られる。

本発明は、以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜イ＞炭素繊維をスパイラル状に巻線成形する必要がないので、余分なエネルギー消費が生じることがなく、熱効率を向上させるようにした炭素系発熱体を提供することができる。
＜ロ＞突入電流を小さくすることができるので、機器に対する電磁的障害のない炭素系発熱体を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。
図１は炭素系発熱体を示す斜視図である。
図２は炭素系発熱体の各種形態を示す図で、図３は端子部を示す図である。
図４は他の例を示す概略図である。

＜イ＞炭素系発熱体
炭素系発熱体１は、帯状または紐状の炭素繊維２と、この炭素繊維２の終端部に取り付けた端子部４と、さらに炭素繊維２を封入する石英ガラス管３とからなる。
端子部４にリード線５などを介して導通することによって、炭素繊維２が発熱する構造である。

＜ロ＞炭素繊維
炭素繊維２は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系耐炎化繊維を炭素化したものである。
即ち、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の有機繊維を酸化性雰囲気中において、２００〜３００℃で酸化してフェルト状の耐炎化繊維とし、これをニードルパンチ法によりパンチング処理し、不活性ガス中において１０００〜２５００℃で熱処理して炭化させたものである。
このようにして構成された炭素繊維２は、カットファイバー（カット長５０ミリメートル程度）が絡まった状態となっており、ミクロ単位のボア（孔）２０が形成される。
ボア２０が形成されることで電気抵抗値が大きくなり、通電した場合には、ボア２０の部分で発熱しやすくなる。
このボア２０は、炭素繊維２中に均一に存在させるのが好ましい。
このように本発明の炭素繊維２は、電気抵抗値を大きくして発熱しやすくしたもので、例えば炭素繊維２に電源を接続し、電圧を印加すると、電気抵抗値の大きいボア２０の部分で発熱する。
また、ボア２０が炭素繊維２中に均一に存在するため、炭素繊維２全体がむらなく一定した温度になる。
炭素繊維２の太さ及び長さを変えることにより温度調節が可能であるが、サーモスタットなどを用いることで所定の温度とすることができる。

一般に、炭素は導電性を有しており、電気抵抗値が小さいため発熱体として利用するには不十分であるが、本発明のように炭素繊維２にミクロ単位のボア２０を形成し、電気抵抗を大きくすることによって、炭素繊維２を発熱体として使用することができる。
これら炭素繊維２は、細長く帯状又は紐状に形成され、それ自体は柔軟で変形自在である。
炭素繊維２は、例えば厚さ数ミリメートルの１枚のシート状に製作され、これを同じ方向に多数切断し、図１、図３（Ｃ）に示すように細長い帯状または紐状とすることができる。

また、これらを何本か縒り合わせて綱状に形成してもよく、その終端に端子部４を設けて発熱量を大きくした炭素系発熱体１とすることができる（図４参照）。
縒り合わせる際、きつく縒り合わせると抵抗値が部分的に変化するので、均一に縒り合せるのが好ましい。

＜ハ＞石英ガラス管
石英ガラス管３は、帯状、紐状または綱状の炭素繊維２を真空状態で封入するための密閉容器である。
石英ガラス管３は、水晶から作る透明石英ガラス、不透明石英ガラスおよび／またはシリカガラスを用いて形成した石英質ガラス管などを用いることができる。
直径８〜１０ミリメートルの筒状の石英製ガラス管３に、炭素繊維２をそのまま挿入して棒状の炭素系発熱体１を構成する。
また、石英ガラス管３の両端部を折り曲げることで、環状（馬蹄形、楕円形、円形、オメガ形など）、コの字形などに屈曲させた炭素系発熱体１を形成することができる（図２参照）。
炭素繊維２は、変形自在のため、石英ガラス管３の各種形状に沿って挿着することができる。
これら各種形状の炭素系発熱体１は、これを用いる機器によって適宜選択できる。

炭素繊維２は、基本的に炭素からなるため、空気中で発熱させると、それ自体が燃えてしまう。
そこで、石英ガラス管３の内部を真空にした状態で炭素繊維２を収納する。あるいは石英ガラス管３の内部を不活性ガス雰囲気としてもよい。

＜ニ＞端子
端子４は、例えば、炭素繊維２の両端部の外周にＴ字形の金属板４０を巻き付け、これをカシメて構成する（図３参照）。
炭素繊維２の両端部の外周に、Ｔ字形の金属板４０を巻き付けるだけで端子４を構成することができるので、製作が簡単である。
巻き付けてない個所は、平板（直線）状に延びる突出片４１となっており、この突出片４１の先端が、例えば略矩形のモリブデン箔４２に溶接４３されている（図３（Ｃ）参照）。
モリブデン箔４２から先は、従来と同様に碍子３０を介してリード線５を接続する構造である（図１、図２）。
また、金属板４０をモリブデンで構成すれば、そのまま碍子３０を介してリード線（外部コード）５を接続することができ、さらに製作が簡単である。

以上の説明では、Ｔ字形の金属板４０を巻き付けた管状の端子４を示したが、炭素繊維２の終端部を束ねて固定できる端子であれば何でもよく、例えば、コイル状の線材４５を炭素繊維２の両端に巻き付けて構成してもよい（図３（Ｂ）参照）。

＜ホ＞作用
石英ガラス管３中に炭素繊維２を封入する方法としては、両端に端子４を取り付けた炭素繊維２を石英ガラス管３中に入れ、端子４の一部を石英ガラス管３の外側に出し、炭素繊維２の部分が空気中に曝されないように溶封する。
次いで、他端から脱気し、真空にしながら上記と同様にして他方の端子部４を溶封する。
なお、一端を溶封した後、他端から窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガス等で置換してもよい。
端子４からはリード線５が取り出されており、このリード線５に電源を接続し、炭素繊維２に通電した場合に炭素繊維２が発熱する。
炭素繊維２は石英ガラス管３に封入されているので、発熱した炭素繊維２が直接酸素に曝されることがなくなり、酸化することがなく、発熱体として長時間使用できる。
一例として、長さ２５０ミリメートル、断面積１０．９２平方ミリメートル（幅２．６ミリメートル×厚さ４．２ミリメートル）の帯状の炭素繊維２を直径１０ミリメートルの石英ガラス管３に封入し、電圧１００Ｖを印加したところ、安定して６５０Ｗの出力を得ることができた。
また、厚さ４．２ミリメートルのシート状の炭素繊維２を任意の幅で切断することで、２００〜１２００Ｗの範囲の出力が得られることが判明した。
タングステンと異なり、炭素繊維２は、温度上昇とともに抵抗値が低下する負の抵抗温度特性を有しているので、電圧印加時の突入電流を小さくでき、機器に対する電磁的障害がなく、炬燵や電気ストーブなどの暖房機器の熱源として最適である。
また、暖房機器以外に調理機器の熱源としても有効である。
炭素系発熱体１を実際に熱源として使用する際には、その使用目的に応じて、その形状や大きさを適宜定めることになる。
なお、炭素系物質は、赤外線放射率が７８〜８４％と高いため、本発明の炭素系発熱体１は、熱源としての作用のほかに赤外線の温熱効果で血行促進、筋肉のコリや疲れ、痛みを和らげる医療機器（赤外線コルツランプなど）としての効果もある。

炭素系発熱体の斜視図。炭素系発熱体の各種形態を示す図で、（Ａ）は馬蹄形状の炭素系発熱体、（Ｂ）は円形状の炭素系発熱体、（Ｃ）はコの字形状の炭素系発熱体を示す。端子部を示す図で、（Ａ）はＴ字形状の金属板、（Ｂ）はコイル状の金属線、（Ｃ）はＴ字形状の金属板を炭素系発熱体に取り付けた状態を示す。他の炭素系発熱体を示す図。

符号の説明

１・・・・炭素系発熱体
２・・・・炭素繊維
２０・・・ボア
３・・・・石英ガラス管
３０・・・碍子
４・・・・端子
４０・・・金属板
４１・・・突出片
４２・・・モリブデン箔
４５・・・コイル状線材

Claims

ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維を炭素化し、電気抵抗値を大きくした帯状または紐状の炭素繊維と、前記炭素繊維の終端部に取り付けた端子部と、前記炭素繊維を長手方向に封入可能な石英ガラス管とから構成し、前記端子部にて前記石英ガラス管を加熱圧着して該石英ガラス管内に前記炭素繊維を封入したことを特徴とする、炭素系発熱体。