(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を素材としたヒータであって、炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる長尺な薄板状のヒータ（１）の一端からその中央にスリット（１６）を設けることにより、Ｕ字形とし、ヒータ（１）の二股に分かれた両端部を端子（３）に固定すると共に、ヒータ（１）を気密な管（２）の中に収納し、且つ前記端子（３）を同管（２）の下端部に互いに絶縁した状態で封止し、管（２）の上端部でヒータ（１）の連なった部分に弾力を加えて同ヒータ（１）に張力を与えたことを特徴とする炭素ヒータユニット。
【請求項２】
管（２）の中を不活性ガス雰囲気としたことを特徴とする請求項１に記載の炭素ヒータユニット。
【請求項３】
ヒータ（１）に張力を与える手段が、炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる材料により作られたバネ（６）の弾力によるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素ヒータユニット。
【請求項４】
ヒータ（１）を途中からその厚さ方向に屈曲して側面く字形としたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の炭素ヒータユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素を素材としたヒータユニットに関し、特に炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる長尺な薄板状のヒータを使用し、熱処理炉等の急加熱、急冷却を可能として炭素ヒータユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本件発明者は、高効率の円筒形ヒータを提供するため、板状のグラファイトからなるヒータ部材を円筒形に組み上げ、これを順次直列に接続した円筒形ヒータを提案した（特開２００１−６８５７号公報）。この円筒形ヒータは、Ｕ字状に連なった板状のグラファイトからなる長尺板状のヒータ部材とグラファイトからなる接続ブロックとを有している。接続ブロックを円周状に互いに絶縁した状態で配列し、複数のヒータ部材の一対の上端を隣接する接続ブロックに固定する。これにより、複数のヒータ部材を円筒形に配置すると共に、複数のヒータ部材を閉じたサークル状に直列接続したものである。
【０００３】
このような円筒状ヒータでは、ヒータ部材にグラファイトを使用しているため、ヒータ部材をそれが燃えない環境に置く必要があるという欠点はある。しかし、ヒータ部材は、円筒面を有した面状発熱ヒータであり、円周方向の温度のばらつきが±０．３℃以下という均熱性が得られる。また、ヒータ部材を上から吊り下げるようにして円筒状に配置することにより、ごく薄いヒータ部材でも容易に円筒形に配置することができる。このため、薄くて高電気抵抗を有するヒータ部材を得ることができ、高温の発熱が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、前記の円筒形ヒータに使用されるグラファイトヒータは、成型や切削で形成される長尺板状のヒータであり、上から吊り下げても、その強度等の観点から厚みを薄くするのには限界がある。例えば、長さ１０００ｍｍ、幅４０ｍｍ程度のヒータ部材の場合、その厚さはせいぜい３ｍｍ程度が限度となる。
【０００５】
このため、非常に大きな通電電流が必要になるうえ、熱容量が大きくなり、加熱、放熱に要する時間が長くなるという課題がある。また、またヒータ部材を成型や切削により作るため、その加工により得られる形状も自ずと限られる。このため例えば、加熱物を周囲から加熱する以外に、上面等からも加熱する場合は、円筒形ヒータとは別に、円板状の面ヒータ等を必要とする。
【０００６】
本発明は、このような従来におけるグラファイトヒータにおける課題に鑑み、極めて薄いヒータを使用することができ、このため、高電気抵抗を有し、通電電流を非常に小さくできるうえ、熱容量が小さく、しかも可撓性を有して変形が可能なヒータを備えた炭素ヒータユニットを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、ヒータ１として、炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる長尺な薄板状のものを使用することにより、高強度でなお且つ薄いヒータ１を得ることが出来るようにした。また、このヒータ１の一端からその中央にスリット１６を設け、全体をＵ字形とし、円筒形に並べた時に直列接続ができるようにした。
すなわち、本発明による炭素ヒータユニットは、炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる長尺な薄板状のヒータ１の一端からその中央にスリット１６を設けることにより、Ｕ字形とし、ヒータ１の二股に分かれた両端部を端子３に固定すると共に、ヒータ１を気密な管２の中に収納し、且つ前記端子３を同管２の下端部に互いに絶縁した状態で封止し、管２の上端部でヒータ１の連なった部分に弾力を加えて同ヒータ１に張力を与えたものである。
【０００８】
このような炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる長尺な薄板状のヒータ１は、高強度である。そのため、極めて薄いヒータ１を使用することが出来るので、高電気抵抗を得ることができる。従って、電圧を高くし、電流を小さくして、高温に加熱するのに適したヒータとすることができる。しかも、ヒータ１を薄くすることが出来るため、熱容量を小さくすることができ、急速加熱と急速冷却に適している。
【０００９】
また、ヒータ１は高強度で粘りがあり、且つ薄くすることが出来るため、ヒータ１に可撓性を与えることが可能である。そのため、ヒータ１を厚さ方向に曲げることが出来る等、或る程度自由な形状に変形して使用することができる。例えば、ヒータ１を途中からその厚さ方向に屈曲して側面く字形とすると、加熱物を異なる２面方向から加熱することが出来る。
【００１０】
ヒータ１は炭素繊維と炭素基材の複合物であり、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、ヒータ１を気密な管２の中に収納し、その管２の中を不活性ガス雰囲気として使用することになる。
【００１１】
このようなヒータ１は、長尺薄板状のものであり、可撓性を有するため、そのまま使用すると、撓んでしまうことになる。そこで、ヒータ１の二股に分かれた両端部を端子３に固定し、同ヒータ１の連なった一端側の部分でヒータ１に張力を与えた状態とし、これによりヒータ１に張りを与えて使用する。この場合、ヒータ１に張力を与える手段は、炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる材料により作られたバネ６の弾力によることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１と図２は、本発明の一実施形態による炭素ヒータユニットの全体を示すもので、図３と図４はそれぞれその下端と上端を示す。
【００１３】
図１と図２に示すように、この炭素ヒータユニットの主要部をなすヒータ１は、薄い長尺薄板状のものであって、炭素繊維を炭素基材で結合・固定したものである。一般に炭素繊維は、エポキシ樹脂等の樹脂基材により結合・固定され、パイプ状、板状、薄板状等に成型されて使用されることが多い。本発明では、樹脂基材ではなく、炭素基材を使用して炭素繊維を結合・固定したものである。
【００１４】
例えばそのその製造方法は、炭素繊維の編成体を薄板状とした状態で、これを炭化可能な結合剤と共にホットプレス成形する。その後、この成形されたシートを約２０００℃の温度で焼成し、炭化するものである。こうして作られた薄板状のヒータ１は、炭素基材に炭素繊維が結合・固定化されたものであり、炭素繊維と炭素基材との複合材である。このようなヒータ１として使用出来る材料としては、アクロス株式会社（埼玉県蕨市）製の商品名「エクセルシー」等を挙げることができる。
【００１５】
このようなヒータ１は、炭素独特の物理的、化学的な物性を有すると共に、高強度であり、厚さ０．５ｍｍより薄いものを得ることが出来る。また、このヒータ１は熱膨張係数が極めて小さく、繊維が長手方向に揃っているか否かで異なるが、熱膨張係数は長手方向で０．６〜１．１（１０-6／℃）である。また、熱輻射率εは、ε＝０．８〜０．９と極めて高い。
【００１６】
このようなヒータ１は、図２に示すように幅方向の中央部にその下端から上端近くまで切り込まれたスリット１６を有し、全体として縦に長い逆Ｕ字形となっている。
このヒータ１の二つに分かれた両下端部には、銅やニッケル等の金属からなる端子３、３を取り付ける。図３は、この端子３、３を取り付ける構造の例を示している。
【００１７】
ヒータ１の両下端部に通孔１１を設け、この部分を両側からグラファイト製のヒータホルダ４ａ、４ｂで挟む。この一方のヒータホルダ４ａには、前記ヒータ１の両下端部に通孔１１に嵌合される突起９を有しており、他方のヒータホルダ４ｂには、前記一方のヒータホルダ４ａの突起９を密に嵌合する凹部１８を有している。さらに、双方のヒータホルダ４ａ、４ｂには、下方にいくに従って厚みが増すようなテーパ１３ａ、１３ｂが形成されている。また端子３は、上端が二股状に分かれており、その上端内面には、前記ヒータホルダ４ａ、４ｂのテーパ１３ａ、１３ｂに対応する逆方向のテーパ１２ａ、１２ｂが形成されている。
【００１８】
前記の一対のヒータホルダ４ａ、４ｂでヒータ１の下端部を挟むと共に、一方のヒータホルダ４ａの突起９を、ヒータ１の下端部の通孔１１に嵌め込み、さらにこの突起９を他方のヒータホルダ４ｂの凹部１８に嵌め込んで固定する。次に、端子３の上端側の二股状になった部分を図３に矢印で示すように押し拡げ、この上端部を前記ヒータホルダ４ａ、４ｂを両側から挟むように嵌め込む。これにより端子３、３がヒータホルダ４ａ、４ｂを介してヒータ１の下端部に取り付けられる。
【００１９】
このようにして端子３、３を取り付けたヒータ１を図１と図２に示すような管２に収納する。この管２は、石英ガラス等からなる扁平なもので、上端部に近い部分が厚さ方向に折れ曲がり、く字形となっている。この折れ曲がった部分に窒化ホウ素等からなる棒状のガイド１０が設けられている。
【００２０】
ヒータ１は管２の内部に収納されると共に、その一対の端子３、３が管２の下端部に互いに絶縁した状態で封止される。そしてヒータ１の上端側は、前記の折れ曲がり部分でガイド１０により案内されて、管３の屈曲角度と同じ角度で折り曲げられ、上端が管３の上端部に達している。
【００２１】
図４にも示すように、管３の上端部には、バネ室１７が設けられ、ここに圧縮性のバネ６が収納されている。このバネ６の中には、上端にフランジを有するピン７が嵌め込まれ、上端のフランジがバネ６の上端を受けた状態で、ピン７の下端側がバネ室１７の底壁の孔を通してヒータ１側に引き出されている。そして、バネ６が圧縮された状態で、ピン７の下端のフックがヒータ１の上端の小孔に掛けられている。これにより、ヒータ１は、バネ６の弾力でガイド１０により折り曲げられた状態で張られ、管３の中に収納される。この場合、ヒータ１に張力を与えるバネ６とピン７とは、前記ヒータ１と同様に、炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定してなる材料により作られている。
【００２２】
さらに、管３の下端部の端子３、３の間とバネ室１７の上端部には、図２に矢印で示すように、管３の中にＮ2 ガス等の不活性ガスを導入し、排出するガスポート５、６が設けられている。下方のガスポート５から管３の中に導入された不活性ガスは、管３の中をそのガス雰囲気に維持しながら、上方のガスポート６から排出される。
【００２３】
図５と図６は、ベース１５の上に設けた真空チューブ１４の中の半導体ウエハ等の加熱物（図示せず）を加熱するため、真空チューブ１４の周囲に前述の炭素ヒータユニットを６組み円筒状に並べて配置した例である。炭素ヒータユニット６は、端子５、５を介して直列に接続し、１２０゜間隔で三相電源に接続し、ヒータ１に電力を供給する。また、下方のガスポート５から不活性ガスを管３の中に導入し、この不活性ガスを上方のガスポート６から排出することにより、排出管３の中を不活性ガス雰囲気に維持しながら、ヒータ１を加熱し、ヒータ１の焼失を防止する。
【００２４】
図５から明らかなように、ヒータ１はく字形に曲げてあり、その下側の部分を真空チューブ１の周囲に配置し、上側の斜めになった部分を真空チューブ１４の上に配置している。これにより、真空チューブ１４を周囲からだけでなく、その上方からも加熱することができる。
なお、前述の実施形態では、ヒータ１を厚さ方向にく字形に曲げて使用したが、もちろん真っ直ぐにして使用することもできる。
【００２５】
本件発明者の試験によれば、幅５ｍｍ、長さ（有効発熱長さ）２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのヒータ１を使用し、電圧７Ｖ、電流５０Ａの電力を供給して発熱したところ、温度は１５００℃に達した。ヒータ１の表面積は２ｃｍ2 であり、１ｃｍ2 当たり１７５Ｗの電力で１５００℃の発熱温度を得ることが出来たことになる。また、１２００℃の発熱温度は、電圧６Ｖ、電流３０Ａの電力で得ることができた。つまり、１ｃｍ2 当たり９０Ｗの電力で１２００℃の発熱温度を得ることが出来た。このように、単位面積当たりの赤外線放射量を１００Ｗを越えて投入を可能とすることができるのは、放熱効率が高い炭素繊維を炭素基材の中に結合・固定した複合炭素材料からなる薄板状のヒータ１を使用しことによるものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による炭素ヒータユニットでは、ヒータが高強度であり、極めて薄く作ることができる。このため、高電気抵抗を有し、熱容量が小さく、しかも可撓性を有して変形が可能となる。これにより、急加熱、急冷却が可能であると共に、周面加熱と上面加熱を単一のヒータユニットの組み合わせで可能となる等、様々な加熱形態に対応することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による炭素ヒータユニットの縦断側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】前記実施形態による炭素ヒータユニットの下端の端子部分の拡大分解縦断側面図である。
【図４】前記実施形態による炭素ヒータユニットの上端のバネ部分の拡大縦断側面図である。
【図５】前記実施形態による炭素ヒータユニットの使用例である加熱装置の背景を省略した縦断側面図である。
【図６】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
１    ヒータ
２    管
３    端子
６    バネ
１６  ヒータのスリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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