(57)【要約】      （修正有）【課題】発熱体と電極リード部材との間において、放電のような電気接続上のトラブルが発生しない棒状の高温ヒータを提供する。【解決手段】２つの電極リード部材２１、２２と、電極リード部材とは異なった材料で構成されると共に２つの電極リード部材間に延伸された細長い発熱体３１とからなる棒状ヒータ１０であって、電極リード部材は少なくとも第１の面および第２の面を備え、発熱体の各端部は少なくとも第３の面および第４の面を備え、第１の面および第２の面が、第３の面および第４の面を挟み込むようにして電極リード部材と発熱体は当接しており、発熱体は第１、第２、および第３の材料主軸を備えた直交異方性材料から構成され、第１の材料主軸は、発熱体の長手方向軸に一致し、第２および第３の材料主軸は、発熱体の第３および第４の面を結ぶ軸から各々所定角θ、９０度−θ（０＜θ＜９０度）だけ回転した方向にある構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電極リード部材と、当該電極リード部材とは異なった材料で構成されると共に２つの電極リード部材間に延伸された細長い発熱体とからなる棒状ヒータであって、
当該電極リード部材は少なくとも第１の面および第２の面を備え、当該発熱体の各端部は少なくとも第３の面および第４の面を備え、当該第１の面および第２の面が、当該第３の面および第４の面を挟み込むようにして当該電極リード部材と当該発熱体は当接しており、
当該発熱体は第１、第２、および第３の材料主軸を備えた直交異方性材料から構成され、当該第１の材料主軸は、当該発熱体の長手方向軸に一致し、
当該第２および第３の材料主軸は、当該発熱体の第３および第４の面を結ぶ軸から各々所定角θ、９０度−θ（０＜θ＜９０度）だけ回転した方向にある
ことを特徴とする棒状ヒータ。
【請求項２】
請求項１に記載された棒状ヒータであって、前記電極リード部材は黒鉛材料から構成され、前記発熱体は炭素／炭素複合材料から構成されていることを特徴とする棒状ヒータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の棒状ヒータであって、前記炭素／炭素複合材は、一方向強化炭素繊維をアングルプライした積層材、炭素繊維織布の積層材、または炭素繊維不織布の積層材から構成され、
前記第２および第３の材料主軸の内、いずれか１つは炭素繊維と直角方向をなし、他の材料主軸および第１の材料主軸は炭素繊維方向をなすことを特徴とする棒状ヒータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の棒状ヒータであって、
前記電極リード部材の第１および第２の面を結ぶ軸の方向の熱膨張係数と、前記発熱体の第３の面および第４の面を結ぶ軸の方向の熱膨張係数とが等しくなるように前記θを設定したことを特徴とする棒状ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極リード部材と発熱体とからなる棒状ヒータに係り、更に詳細には、熱膨張係数の異なる材料からなる電極リード部材と発熱体の間の接触電気抵抗の変動の小さい棒状ヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭素／炭素複合材料製の発熱体と、黒鉛材料製の電極リード部材を組み合わせた棒状の高温ヒータが使用されてきていた。  この棒状の高温ヒータでは、電極リード部材を介して発熱体に通電され、発熱体の持つ電気抵抗によって発熱体自身が抵抗加熱されてヒータとしての機能を果たすようになっている。
【０００３】
炭素／炭素複合材料は炭素または黒鉛繊維を強化繊維とし、炭素または黒鉛をマトリックスとした複合材料の総称であって、高い強度、弾性率を有し、耐衝撃性、耐クリープ性、および耐熱性を備えると共に、繊維強化方向の熱膨張係数が極めて小さいという特性を有することから、高温のヒータ材（特に発熱体）として理想的な特性を備えている。
【０００４】
また、ヒータの電極リード部材としては、電気抵抗が小さく、電極リード部材の内部で電圧降下が生じない材料を使用することが望ましく、このような観点から、押し出し成形された黒鉛材料が使用されている。
【０００５】
しかしながら、炭素／炭素複合材料や黒鉛材料は、異方性材料であって、材料の方向によって機械的、電気的、熱的な特性が異なることが知られている。  特に炭素／炭素複合材料の異方性は強く、繊維強化方向の熱膨張係数は黒鉛材料の１／３〜１／５と小さい。  一方、炭素／炭素複合材料の繊維と直角方向の熱膨張係数は、繊維方向の熱膨張係数の１０倍近くの大きさを有している。
【０００６】
このように、炭素／炭素複合材料製の発熱体と、黒鉛材料製の電極リード部材を組み合わせた棒状の高温ヒータでは、炭素／炭素複合材料と黒鉛材料ともに、材料異方性を呈することと、炭素／炭素複合材料の繊維と直角方向の熱膨張係数と繊維方向の熱膨張係数が大きく異なっていることから、発熱体である炭素／炭素複合材料と、電極リード部材である黒鉛材料との接触状態が発熱体の温度上昇によって大きく変化していた。
【０００７】
この結果、発熱体と電極リード部材との間の接触電気抵抗が大きく変動したり、発熱体と電極リード部材との間の接触状態によっては、放電が生じるという電気接続上のトラブルが発生するなどの問題が生じていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上述べたような背景技術を鑑みなされたものであり、例えば炭素／炭素複合材料製の発熱体と、黒鉛材料製の電極リード部材を組み合わせたような異種材料を組み合わせて構成した棒状の高温ヒータにおいて、発熱体と電極リード部材との間の接触電気抵抗が大きく変動したり、発熱体と電極リード部材との間において、放電のような電気接続上のトラブルが発生しない棒状の高温ヒータを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の観点に係る発明では、２つの電極リード部材と、電極リード部材とは異なった材料で構成されると共に２つの電極リード部材間に延伸された細長い発熱体とからなる棒状ヒータであって、
電極リード部材は少なくとも第１の面および第２の面を備え、発熱体の各端部は少なくとも第３の面および第４の面を備え、第１の面および第２の面が、第３の面および第４の面を挟み込むようにして電極リード部材と当該発熱体は当接しており、
発熱体は第１、第２、および第３の材料主軸を備えた直交異方性材料から構成され、第１の材料主軸は、発熱体の長手方向軸に一致し、
第２および第３の材料主軸は、発熱体の第３および第４の面を結ぶ軸から各々所定角θ、９０度-θ（０<θ<９０度）だけ回転した方向にある構成の棒状ヒータとした。
【００１０】
また、第２の観点に係る発明では、第１の観点に係る発明の棒状ヒータであって、電極リード部材は黒鉛材料から構成され、発熱体は炭素／炭素複合材料から構成されている棒状ヒータとした。
【００１１】
また、第３の観点に係る発明では、第１または第２の観点に係る発明の棒状ヒータであって、炭素／炭素複合材は、一方向強化炭素繊維をアングルプライした積層材、炭素繊維織布の積層材、または炭素繊維不織布の積層材から構成され、第２および第３の材料主軸の内、いずれか１つは炭素繊維と直角方向をなし、他の材料主軸および第１の材料主軸は炭素繊維方向をなす構成の棒状ヒータとした。
【００１２】
また、第４の観点に係る発明では、第１乃至第３のいずれかの観点に係る発明の棒状ヒータであって、  電極リード部材の第１および第２の面を結ぶ軸の方向の熱膨張係数と、発熱体の第３の面および第４の面を結ぶ軸の方向の熱膨張係数とが等しくなるようにθを設定した構成の棒状ヒータとした。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたような発明の構成とすることにより、例えば炭素／炭素複合材料製の発熱体と、黒鉛材料製の電極リード部材を組み合わせたような異種材料を組み合わせて構成した棒状の高温ヒータにおいて、発熱体と電極リード部材との間の接触電気抵抗が大きく変動したり、発熱体と電極リード部材との間において、放電のような電気接続上のトラブルが発生しない棒状の高温ヒータを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施例に係る棒状の高温ヒータを示したものである。
【図２】図２は、本発明の実施例に係る棒状の高温ヒータの１つの端部を示したものであって、発熱体と電極リード部材の分解斜視図を示したものである。
【図３】図３は、本発明の実施例に係る棒状の高温ヒータの発熱体と電極リード部材とを接続している位置における断面（図１における断面Ａ−Ａ）を示したものである。
【図４】図４は、炭素／炭素複合材料の材料特性の異方性を特定するための座標系を定義するものであって、（ａ）は一方向強化炭素繊維をアングルプライした積層材、（ｂ）は炭素繊維織布の積層材、および（ｃ）は炭素繊維不織布の積層材の座標系を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図に基き、本発明を実施するための形態を説明する。図１は、本発明の実施例に係る棒状の高温ヒータ１０を示したものであって、図２は、本発明の棒状の高温ヒータの１つの端部を示したものであって、発熱体と電極リード部材の分解斜視図として示したものである。  更に、図２は、本発明の棒状の高温ヒータの発熱体と電極リード部材とを接続している位置における断面を示したものである。
【００１６】
本発明の実施例に係る棒状の高温ヒータ１０は、２つの電極リード部材２１、２２と、細長い発熱体３１とから構成されている。  ２つの電極リード部材２１、２２の間には、細長い発熱体３１が延伸されており、１つの電極リード部材２１は細長い発熱体３１の一端側に固定されており、他方の電極リード部材２２は細長い発熱体３１の他端側に固定されている。
【００１７】
そして、直流電源においては、１つの電極リード部材２１は正電極の電源端子に接続され、他方の電極リード部材２２は負電極の電源端子に接続され、また、交流電源においては、電極リード部材２１は電源端子に接続され、他方の電極リード部材２２は、電極リード部材２１とは異なる位相を持つ電源端子に接続され、細長い発熱体３１には、２つの電極リード部材を通じて電流が流れるようになっている。  細長い発熱体３１の中を電流が流れることにより、発熱体３１は高温に加熱されるようになっている。
なお、これらの接続形態はあくまで基本的なヒータ結線を示したものであり、本発明がこれによって限定されるものではない。  一般的に実施されている直列、並列結線、あるいは三相交流においてはΔ結線、Ｙ結線等に対して本発明が直ちに応用できる事は明白である。
【００１８】
発熱体３１と接続される電極リード部材２１、２２の端部には、断面略矩形状の穴２１−１、２２−１が掘り込まれており、この穴２１−１、２２−１の深さ方向に沿った対向する２つのスリット２１−２、２１−３および２２−２、２２−３が設けられている。
【００１９】
また、電極リード部材２１、２２の側面であって、穴２１−１、２２−１が掘り込まれた領域の、２つのスリット２１−２、２１−３および２２−２、２２−３に挟まれた部分には、電極リード部材２１、２２と発熱体３１を連結固定するためのファスナー（本実施例では、ボルト４１・ナット４２を使用）を取り付けるための２つの貫通穴が設けられている。
【００２０】
また、発熱体３１の両端部には、電極リード部材２１、２２の端部に設けた断面略矩形状の穴２１−１、２２−１にフィットするようにした断面略矩形状の挿入部分３１−１が設けられている。  電極リード部材２１、２２の２つの貫通穴に対応する発熱体３１の挿入部分３１−１には、各々２つの穴が設けられており、電極リード部材２１、２２の貫通穴と発熱体３１の各穴の中をボルト４１が挿入されるようになっている。
【００２１】
このボルト４１にナット４２を螺合させ、ボルト４１とナット４２を締めつけることにより、電極リード部材２１、２２の側面（２つのスリット２１−２、２１−３および２２−２、２２−３を挟んで対向する面）は、互いにスリット側へ撓みやすくなっているため、電極リード部材２１、２２の接触面２１−４、２１−５および２２−４、２２−５（電極リード部材２１、２２の断面略矩形状の穴２１−１、２２−１を構成する各２つの内面であり、接触面２１−４および２２−４を第１の面、接触面２１−５および２２−５を第２の面と呼ぶ）が、発熱体３１の両端部に設けられた挿入部分３１−１の接触側面３１−２、３１−３（接触側面３１−２を第３の面、接触側面３１−３を第４の面と呼ぶ）にそれぞれ密着接合するようになっている。
【００２２】
本発明の実施例に係る棒状の高温ヒータ１０では、電極リード部材２１、２２としては、押し出し成形された黒鉛材料が使用され、発熱体３１としては炭素／炭素複合材料が使用されている。
押し出し成形された黒鉛材料は、一般に電極材として使用される材料であり、電気抵抗が小さく、内部で電圧降下が生じにくいという特性を持っているが、炭素／炭素複合材料に比べて強度が低く、脆性であるという欠点を有している。
【００２３】
一方、炭素／炭素複合材料は、高い強度、弾性率を有し、耐衝撃性、耐クリープ性、および耐熱性を備えると共に、繊維強化方向の熱膨張係数が極めて小さいという特性を有している。
【００２４】
発熱体３１として使用される炭素／炭素複合材料には、種々のタイプのものが存在し、特に限定されるものではないが、一方向強化炭素繊維をアングルプライした積層材、炭素繊維織布の積層材、または炭素繊維不織布の積層材から構成される炭素／炭素複合材料が特に好ましい。
【００２５】
ここで述べた炭素／炭素複合材料の製造方法としては、レジンチャー法、ＣＶＤ法、プリフォームドヤーン法等種々の製造方法が提案されているが、本発明において使用される炭素／炭素複合材料は、いずれの製造方法によって製造されたものであっても良い。
【００２６】
ここで述べた押し出し成形された黒鉛材料は材料異方性を有するが、炭素／炭素複合材料は、黒鉛材料よりも強い材料異方性を有する。  ここで、炭素／炭素複合材料の炭素繊維方向を基準にした方向の定義を行う。
【００２７】
図４は、炭素／炭素複合材料の材料特性の異方性を特定するための座標系を定義するものであって、（ａ）は一方向強化炭素繊維をアングルプライした積層材の座標系を示したものである。  この場合には、一方向強化炭素繊維がＸ方向とＹ方向に配向されており、Ｚ方向には炭素繊維は配向されていない。  従って、Ｘ方向とＹ方向は繊維方向、Ｚ方向は繊維と直角方向と呼ぶこともある。
【００２８】
図４（ｂ）は炭素繊維織布の積層材の座標系を示したものである。  この場合には、炭素繊維織布の繊維がＸ方向とＹ方向に配向されており、Ｚ方向には炭素繊維は配向されていない。  従って、Ｘ方向とＹ方向は繊維方向、Ｚ方向は繊維と直角方向と呼ぶこともある。
【００２９】
図４（ｃ）は炭素繊維不織布の積層材の座標系を示したものである。  この場合には、炭素繊維不織布の繊維がＸ方向とＹ方向の面内にランダムに配向されており、Ｚ方向には炭素繊維は配向されていない。  従って、Ｘ方向とＹ方向は繊維方向、Ｚ方向は繊維と直角方向と呼ぶこともある。
【００３０】
なお、本明細書においては、図４（ａ）、４（ｂ）、および４（ｃ）の全てのケースにおいて、Ｘ方向を第１の材料主軸、Ｙ方向を第２の材料主軸、Ｚ方向を第３の材料主軸と呼ぶことにする。
【００３１】
本発明の実施例では、炭素／炭素複合材料の第１の材料主軸は発熱体３１の長手方向軸に一致している。  そして、発熱体３１の両端部に設けられた挿入部分３１−１の接触側面３１−２、３１−３に垂直な方向（接触側面３１−２、３１−３を結ぶ方向）をＹ０軸、Ｙ０軸に垂直で、発熱体３１の長手方向軸に垂直な方向（接触側面３１−２、３１−３に並行な方向）をＺ０軸とすると、炭素／炭素複合材料の第２および第３の材料主軸は、Ｙ０軸から各々所定角θ、９０度−θ（０＜θ＜９０度）だけ回転した方向にくるようになっている（図３参照）。
【００３２】
一般に、炭素／炭素複合材料の第３の材料主軸方向（Ｚ方向）における熱膨張係数は、第１の材料主軸方向（Ｘ方向）や第２の材料主軸方向（Ｙ方向）における熱膨張係数の１０倍近くの値をもっている。
また、黒鉛材料の熱膨張係数は、炭素／炭素複合材料の第３の材料主軸方向（Ｚ方向）における熱膨張係数よりも小さく、且つ、第１の材料主軸方向（Ｘ方向）や第２の材料主軸方向（Ｙ方向）における熱膨張係数よりも大きい。
【００３３】
したがって、上記θを適切に設定すれば、電極リード部材２１、２２（黒鉛材料）の第１の面と第２の面を結ぶ軸方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張係数と、発熱部材３１（炭素／炭素複合材料）の第３の面と第４の面を結ぶ軸方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張係数とを同じにすることができる。
【００３４】
すなわち、発熱部材３１（炭素／炭素複合材料）の第２の材料主軸方向（Ｙ方向）と第３の材料主軸方向（Ｚ方向）がなす平面（図３参照）において、第２の材料主軸方向（Ｙ方向）の熱膨張係数をαｙとし、第３の材料主軸方向（Ｚ方向）の熱膨張係数をαｚとすれば、第２の材料主軸方向（Ｙ方向）から反時計廻りにθだけ回転した方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張係数をαθとすれば、αθは
αθ＝αｙ・ｃｏｓ２θ＋αｚ・ｓｉｎ２θ
で与えられるから、αθが電極リード部材２１、２２（黒鉛材料）の第１の面と第２の面を結ぶ軸方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張係数と等しくなるようなθを求めることができる。
【００３５】
このようにしてθを設定してやれば、電極リード部材２１、２２（黒鉛材料）の第１の面と第２の面を結ぶ軸方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張係数と、発熱部材３１（炭素／炭素複合材料）の第３の面と第４の面を結ぶ軸方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張係数とは等しくなり、棒状の高温ヒータ１０が使用中に例えば、２０００℃の高温になったとしても、電極リード部材２１、２２（黒鉛材料）の第１の面と第２の面を結ぶ軸方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張と、発熱部材３１（炭素／炭素複合材料）の第３の面と第４の面を結ぶ軸方向（Ｙ０軸方向）の熱膨張に差異を生じることはなく、電極リード部材２１、２２の接触面２１−４、２１−５および２２−４、２２−５と、発熱体３１の接触側面３１−２、３１−３との接触状態は初期の状態を維持しつづけることができる。
【００３６】
従って、発熱体３１と電極リード部材２１、２２との間の接触電気抵抗が大きく変動したり、発熱体と電極リード部材との間において、放電のような電気接続上のトラブルが発生しない棒状の高温ヒータを提供することができる。
【００３７】
なお、以上説明した実施例においては、電極リード部材２１、２２として黒鉛材料を使用し、発熱部材３１として炭素／炭素複合材料を使用したケースについて説明したが、これに限定されるものではない。
黒鉛材料と炭素／炭素複合材料と同様な材料異方性を有する材料を、電極リード部材２１、２２および発熱部材３１として使用する場合にも、本発明を適用できることは明らかである。
【００３８】
また、本実施例では、炭素／炭素複合材料は、一方向強化炭素繊維をアングルプライした積層材、炭素繊維織布の積層材、または炭素繊維不織布の積層材から構成されると説明してきたが、これらに限定されるものではない。
これら以外の炭素／炭素複合材料であっても、ここで説明したような直交異方性を持つ炭素／炭素複合材料であれば、本発明を適用できることは明らかである。
【符号の説明】
【００３９】
１０                  高温ヒータ
２１、２２            電極リード部材
２１−１、２２−１    穴
２１−２、２１−３    スリット
２２−２、２２−３    スリット
２１−４、２２−４    接触面（第１の面）
２１−５、２２−５    接触面（第２の面）
３１                  発熱体
３１−１              挿入部分
３１−２              接触側面（第３の面）
３１−３              接触側面（第４の面）
４１                  ボルト
４２                  ナット
【図１】
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【図２】
2017027818.tif 000004
【図３】
2017027818.tif 000005
【図４（ａ）】
2017027818.tif 000006
【図４（ｂ）】
2017027818.tif 000007
【図４（ｃ）】
2017027818.tif 000008