使用石墨毯的碳加热装置及其制造方法 【技术领域】
本发明关于使用石墨毯的碳加热装置及其制造方法。
背景技术
一般，于碳加热装置中是使用做为通过弧形放电及焦耳热所产生发热源，并通过碳颗粒间的弧形放电与接触电阻(因反应流入收于绝缘体中的碳颗粒两端的电流而产生者)产生高热温度，因为早期已发明碳纤维，故已将碳加热装置组装成通过通电至碳加热器两端即可产热者，其中该碳加热器两端直接使用碳纱、复数碳纺线或依需要切割成的织物型石墨毯。又，虽然碳加热装置通过注入惰性玻璃(代表性地使用硅石玻璃或硬玻璃)而形成平滑轮环，但硬玻璃不适用做为连续产生高热温度的加热器。于是，于用以在每一工艺产生高温的部份，例如在半导体制造装置中，长久以来已使用其中将碳加热器封入石英玻璃中的构造，以防止其在高温中氧化。
根据图1列示先前技艺的一般碳加热装置的正面图，图1的碳加热装置具有一种其将碳加热器的碳纤维密封入棒状石英玻璃管中，且石英玻璃管两端经熔融且密封在使电源线末端与所封入的碳纤维两端接触，以从外面接收电力供应的状态的结构。于上述图式中，是使用经切割成预定长度与截面积地石墨毯做为碳纤维。
然而，该碳纤维例如石墨毯的上层面平滑地形成如图2所示，而因为细小碳颗粒如图3所示暴露向外，故其侧面具有能够容易被外部作用而脱离的形状。在加热或烹饪时使用碳加热器的情况下，尽管精准地对截面积与长度进行控制及切割以精确产生所需要的电阻值及所成的消耗电力值，但若需要时，使用者亦代表性地会使用诸如刀子或剪刀等工具将石墨毯切割成所需要的区域。
此时，在细小碳颗粒或不织布碎片(尚未从石墨毯本体脱落)暴露至外面的状况下，若立刻将其封入石英玻璃管中，则已露出的碎片会与石英玻璃管内面黏结而产生弧形，且当经蒸发进入石英玻璃管内壁的颗粒受热时亦会压迫轮环，于是对灯泡的热效能与耐久性，及机器寿命具有不良影响。
另一方面，经如上述加工处理的碳纤维两端使用诸如钼或镍等材料作成末端，且(如一般方法)被加工而具有弹簧外形。
于此个案中，由于收缩强度或压缩强度而产生数种问题。在使用末端的弹簧形状将碳纤维两端连接时，末端与碳纤维材料间产生放电而导致对彼此发生收缩及膨胀作用，借此缩短距离或使纤维本身从末端脱离，并增加彼此间的接触抗性而对持久性有不良影响。
【发明内容】
本发明已计划解决上述等问题。本发明的一目的是提供一种平滑外形碳加热器及其制造方法，其在制造使用碳纤维例如石墨毯的碳加热器时，不具有会残留于经切割成预定长度与宽度的石墨毯外面的细小碳颗粒或不织布碎片。
本发明的另一目的是预防发生局部弧形以使轮环能在碳加热器被加热时平滑运转，借此增强碳加热器的热功率与可耐久性，其中该局部弧形可能是由残余在其中欲封入碳加热器的石英玻璃管中的细小碳颗粒或不织布碎片所产生。
本发明的另一目的在改善用以固定碳加热器两端的末端结构，以防止彼等因彼此的收缩与膨胀作用而脱离，借此预先防止发生弧形。
为达到上述目的，本发明提供一种使用石墨毯的碳加热装置及其制造方法而特征在于：所使用于供通过碳纤维的电加热特征进行室内加热或供热等的装置的碳加热器中，位于侧面的颗粒结构(通过将无机碳纤维之平面形状切割成预定之片断与长度而于较不平均地于平面上形成)可通过预定之加工处理，亦即热处理而变成稳定结构，其中该电加热特征系通过将碳纤维(其通过将碳纤维切割成预定之片断与长度而形成)封入石英玻璃管中而成；且可通过使用收缩强度或压缩强度优越的金属，而防止在经热处理之碳加热器两端发生该碳加热器与近料端间的弧形放电或末端脱离。
【附图说明】
图1为公知具代表性碳加热灯的正面图。
图2为经切割用于公知碳加热灯的碳纤维后的平面状态的平面图。
图3为经切割用于公知碳加热灯的碳纤维后的侧面状态的平面图。
图4为根据本发明的碳加热装置的正面图。
图5为根据本发明的较佳碳加热器的平面状态与侧面状态的部份放大透视图。
图6a为根据本发明第一种具体实施态样的末端部份的平面图。
图6b为根据本发明第一种具体实施态样的末端部份的侧面图。
图6c为根据本发明第一种具体实施态样的末端部份的正面图。
图7a为根据本发明第一种具体实施态样的末端部份的部份放大平面图。
图7b为根据本发明第一种具体实施态样的末端部份的部份放大侧面图。
图8a为根据本发明第二种具体实施态样的末端部份的平面图。
图8b为根据本发明第二种具体实施态样的末端部份的侧面图。
图8c为根据本发明第二种具体实施态样的末端部份的正面图。
图9a为根据本发明第二种具体实施态样的末端部份的部份放大平面图。
图9b为根据本发明第二种具体实施态样的末端部份的部份放大侧面图。
图10a为根据本发明第二种具体实施态样的末端部份的平面图。
图10b为根据本发明第三种具体实施态样的末端部份的侧面图。
图10c为根据本发明第三种具体实施态样的末端部份的正面图。
图11a为根据本发明第三种具体实施态样的末端部份的部份放大平面图。
图11b为根据本发明第三种具体实施态样的末端部份的部份放大侧面图。
图12为根据本发明碳加热装置的较佳制造方法的流程图。
【具体实施方式】
本发明的碳加热装置欲解决如上所述等问题，其特征在于，包含：通过将具有恒定形状的预定碳纤维切割以具有预定长度与宽度，并通过于具有预定温度的氢大气下进行正对侧面切割的热处理，而经加工制得的碳加热器；由预定材料制成而与外面电源线连接，以提供电连结通路至该碳加热器两端的末端部份；及于使碳加热器密封且末端部份定位于碳加热器两端的状态下被熔融黏合的石英玻璃管。
较佳地，于经密封入该石英玻璃管内的碳加热器中，插入一个具有预定厚度与宽度的钼带，以防止碳被穿透入其中有裂隙产生的石英玻璃管的空气氧化，借此可保护加热器的功能，其中该钼带较佳具有厚度为28至30微米且宽度为3至4毫米。
又，该碳加热器可较佳地形成具有四角形切面的棒形，其中该末端部份的一端形成环绕于碳加热器的金属薄膜环圈，而末端部份的另一端则从该金属薄膜环圈突出并与外面电源线焊接在一起。
再者，因为碳加热器是使用无机碳材料例如焦炭或煤炭等，能够输出大约800瓦高输出量，故其可经架构以支持对抗高热温度。又，根据本发明的碳加热装置制造方法特征在于包括下列步骤：通过将具有恒定形状的预定碳纤维切割以具有预定长度与宽度，而形成碳加热器；将经切割的碳加热器于具有预定温度的氢大气中，于高度真空下进行热处理以使其表面均匀；待将经热处理的碳加热器置入石英玻璃管中并注入氢气后，将其于预定温度下烘烤以除去杂质；将经烘烤的碳加热器通过施予第一次熟化电压进行第一次熟化；再通过施予第二次熟化电压进行第二次熟化；及经确定该真空状态后，将石英玻璃管密封。
较佳地，该切割碳纤维的工艺可包括压力切割法或激光切割法等，以尽可能干净地形成其侧面切割。
又，该加热步骤是于温度为900至1000℃的氢气中，于至少10-5托耳的高度真空下进行约2至3分钟，该烘烤步骤是于约1600至1700℃的温度下进行以去除杂质，且可施予该第一次熟化电压为60至70V而第二次电压为额定电压100V。本发明的较佳具体实施态样将参照所附图式进一步详加描述如下。
于以下有关本发明较佳具体实施态样的叙述中，省略了已知功能或结构体的细节描述，以免因不必要的详述而妨碍本发明的目的对象。下述术语是经考量本发明的功能而确立。然而，因为该等术语可能随制造者的意向或实施而改变，故术语的含意应基于本说明书的整体内文而加以定义。
图4为根据本发明的碳加热装置的正面图，而图5为根据本发明的较佳碳加热器的侧面状态的部份放大照片。
参见图4，石英玻璃管10使用一种通过熔解结晶而制成的石英玻璃、从高纯度SiCl4、SiH4等做为起始成份制得的石英玻璃、通过熔解硅石而制成的石英玻璃、及从硅石玻璃做为成份制得的石英玻璃的其中之一。
于使用从硅石玻璃做为成份制得的石英玻璃的个案中，代表性地通过包括：将硅石玻璃于约550至620℃下进行模塑；区分成B2O3-Na2O相与SiO2相；以盐酸等进行酸处理；及于约1000至1200℃下进行热加工处理等步骤的方法，和其它方法制成石英玻璃薄膜层。
又，本发明的石英玻璃管使用纯度99.5％的SiO2且作用温度为1700℃，如下表1所示。
编号 成份 热膨胀 系数 比重 应力点 ℃ 退火点 ℃ 软化点 ℃ 作用点 ℃ 1 99.5％之SiO2 5.5 2.2 956 1084 1580 1700 2 康宁1742 45 745 820 1015 1300 3 GE 180 44 2.64 674 726 928 1200
表1
又，石英玻璃管10代表性地具有厚度平均为约0.04至3毫米以获得足够机械强度。
本发明最具特征的部份为密封入石英玻璃管10中的碳加热器20，其中碳加热器20是通过将已知做为碳纤维的石墨毯切割成所希望长度及适合电阻值的预定宽度而建构得。
用于本发明的石墨毯是使用无机碳材料例如焦炭或煤炭等制成。因为使用该等无机碳材料可能输出超过能够从植物性碳材料忽略的加热范围的高瓦特高输出值，故有利地该石墨毯可支持对抗高热温度，且可经设计成与任何100V至200V范围内的额定电压一致。
而且，用于切割石墨毯的方法包括使用加压切割的方法、专用夹具、或尽可能不于侧面切割上产生碳颗粒或不织布碎片的线割方法。
经由加压切割、专用夹具或线割法，相较于公知技艺使用剪刀或刀片的方法，可显著减少该碳加热器侧面中暴露至外面的碳颗粒或不织布碎片的量。然而，比较碳加热器20经平滑成形的上表面，其侧表面所形成的截面结构相对上较粗糙。结果，将该侧面切割至于900至1000℃的氢大气下进行热处理约2至3分钟以改变其物理性质，借此形成类似于上表面的平滑表面的侧面。
碳加热器20在密封入石英玻璃管10之前先经热处理，借此使其侧面平滑同时可除去残留于其侧面中的杂质。结果，在将碳加热器20插入石英玻璃管10时，即无任何杂质残留。
架构末端部份30以将碳加热器20与外面电源线40连结，以提供电通路与机械连结。该末端部份30较佳是由金属材料例如钼或镍组成，其中可采用各种根据本发明如图6a至10中所示的具体实施态样。于图4中，末端部份30是采用更完整列示说明于图6a至图7b中的第一种具体实施态样形式。
根据图6a至图6c，一端经构成用于电力供应的末端部份31(焊接至外面电源线40)，而另一端经构成用于碳加热器的末端部份32，其中该碳加热器一端可安全地到达并固定于末端部份32的内面。
用于碳加热器的末端部份32进一步以能将安全到达的碳加热器稳固地夹扣于内面的支撑性突起物安装，以防止其容易脱落。
图7a及7b为根据本发明第一种具体实施态样的末端部份30的部份放大平面图。于如上所架构的末端部份30与碳加热器20之间不会造成放电。
于是，不会发生诸如因对彼此的收缩或膨胀而缩短，或纤维本身从末端脱离等事件，而且其接触面较公知弹簧形式的接触面宽，以减低接触电阻并增加耐久性。
图8至图11b为根据本发明的第二与第三种具体实施态样，而图8a至图9b为位于末端30与外面电源线40间的连结组件50。图10a至图11b为其中用于碳加热器的末端部份32是以弯曲部份形成的架构，以使弹簧能固定入其两侧中而防止其脱落。
又，虽然未示出，使公知长约5毫米的弹簧末端变更为8至10毫米的弹簧末端，可显著增强其持久性。
另一方面，图12为根据本发明碳加热装置的较佳制造方法的流程图。
根据图12的方法包括下列步骤：通过将诸如石墨毯的碳纤维切割成具有预定长度与宽度的恒定形式(步骤S1)，其中该碳加热器的长度与宽度考量所希望电阻值与密度而定，且该切割方法是使用压力切割或激光切割法等方法；
将经于步骤S1中切割的碳加热器于900至1000℃的氢大气中，于至少达10-5托耳的高度真空下进行热处理约2至3分钟，以使其表面均匀(步骤S2)；
待将经热处理的碳加热器置入石英玻璃管中并注入氢气后，将其于1600至1700℃的温度下烘烤以除去杂质(步骤S3)；
将经烘烤的碳加热器通过施予第一次熟化电压进行第一次熟化(步骤S4)；
将已进行第一次熟化作用的碳加热器通过施予第二次熟化电压进行第二次熟化(步骤S5)；及
一旦已于步骤5完成第二次熟化作用，在经确定达真空状态后，将碳加热器密封入石英玻璃管内部(步骤S6)，其中于将石英玻璃管熔解及塑模时，将代表性地使用LPG O2燃烧器，但本发明是使用具有高温达1500至1700℃的氢气燃烧器，以尽可能于短时间内进行塑模，而使对碳材料的影响减至最低。
假设碳加热装置是根据该方法制得，则经切割的碳加热器侧面于步骤S2中经热处理而使其表面性质均匀，且同时可去除杂质，该碳加热器变得能稳定通过步骤S4与S5的熟化处理，且该石英玻璃管是于步骤S6中使用具有高温的氢气燃烧器在短时间内进行熔融-密封，以防止对碳材料产生应力影响。
又，根据本发明的另一种热处理方法包括下列步骤：依与步骤S2相当的工艺将经切割的碳加热器于300℃的高温下进行热处理达约2小时，然后再缓慢地将其冷却1小时，使侧面的切面结构稳定；及将其置入石英玻璃管中并经过步骤S3、S4及S5进行烘烤及熟化程序。
待完成石英玻璃管的抽真空程序后，注入包含亚甲基25％与溴70％的二溴乙烷混合气体，然后将其两边入口封住。其后，再将已进行过熟化的碳加热器于300℃的高温下热处理约2小时。
发明的功效
本发明可提供一种在使用碳纤维例如石墨毯制造碳加热器时，没有细小碳颗粒或不织布碎片残留在经切割成预定长度与宽度的石墨毯外面中的平滑外形碳加热器；并预防发生局部弧形以使轮环能在碳加热器被加热时平滑运转，借此增强碳加热器的热功率与可耐久性，其中该局部弧形可能是由残余在其中欲封入碳加热器的石英玻璃管中的细小碳颗粒或不织布碎片所产生。
又，本发明改善一种用以固定碳加热器两端的末端结构，其中该碳加热器的侧面经由根据本发明的热处理而改善，以防止彼等因彼此的收缩与膨胀作用而脱离，借此预先防止弧形发生。
再者，本发明可制造一种能输出消耗功率达至少800W，且能在即使至少220V电压下使用的碳加热灯，其中该灯可广泛应用于各种工业产品例如烤鱼器具、厨房器具、电热炉、复制机、电热医疗器具。