專利名稱：電阻加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電阻加熱元件，更特定來說涉及碳化硅電加熱元件。
背景技術(shù)：
碳化硅加熱元件是電加熱元件及電爐領(lǐng)域中眾所周知的。常規(guī)碳化硅加熱元件主 要包括碳化硅且可包含一些硅、碳及其它微量組分。按常規(guī)，碳化硅加熱元件呈實(shí)心棒、管 狀棒或螺旋切割管狀棒的形式，但也已知其它形式(例如條帶元件)。本發(fā)明并不限于所述 元件的特定形狀。碳化硅電加熱元件包括通常稱為按其相對電阻對電流來加以區(qū)分的‘冷端’及‘熱 區(qū)’的部分?？纱嬖趩我粺釁^(qū)或一個(gè)以上熱區(qū)[例如在三相元件中(例如在GB 84M96及 GB 1279478 中)]。典型的碳化硅加熱元件具有每單位長度具有相對高電阻的單一熱區(qū)及所述熱區(qū) 的任一端處的每單位長度具有相對低電阻的冷端。此促成在電流傳遞穿過所述元件時(shí)從所 述熱區(qū)產(chǎn)生熱的大部分。所述‘冷端’借助其相對低的電阻產(chǎn)生較少熱且用于支持爐中的 加熱元件并連接到從其將電能供應(yīng)到所述熱區(qū)的電供應(yīng)源。在權(quán)利要求書及以下說明中，術(shù)語“碳化硅加熱元件”應(yīng)理解為意指(除上下文另 有要求的情況以外)主要包括碳化硅且包括一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)及兩個(gè)或兩個(gè)以上冷端 的本體。常常，所述冷端包括遠(yuǎn)離所述熱區(qū)以幫助與所述電力供應(yīng)源的良好電連接性的經(jīng) 金屬化末端部分。按常規(guī)，到所述冷端的電連接是通過由不銹鋼夾具或夾壓縮固持于所述 末端的圓周周圍的平坦鋁編織物實(shí)現(xiàn)。在操作中，所述冷端具有沿其長度的溫度梯度，所述 溫度梯度從所述冷端接合所述熱區(qū)處的所述熱區(qū)的操作溫度到接近于所述末端處的室溫。最早的加熱元件設(shè)計(jì)之一呈啞鈴形元件的形式，其中所述冷端是由與所述熱區(qū)相 同的材料制成但具有比所述熱區(qū)大的橫截面。通常，此類加熱元件的冷端對熱區(qū)的每單位 長度電阻比為約3 1。實(shí)際上，替代方法是將啞鈴形元件卷繞成單螺旋或雙螺旋。此幾何形狀是通過 以螺旋方式切割管狀棒的一部分而獲得。典型的此類型的棒是Crusilite⑥型X元件及 Globar SG (單螺旋元件)或SR (雙螺旋元件)棒。替代方法是使用較低電阻率材料來形成所述冷端而使用較高電阻率材料來形成 所述熱區(qū)。生產(chǎn)較低電阻率材料的已知方法包含通過稱為硅化的過程用硅金屬來浸漬碳化 硅本體的端的孔結(jié)構(gòu)。GB513728(金剛砂公司(Carborundum Company))揭示一種接合技術(shù)，其中通過以 下方式來結(jié)合不同電阻率的材料在接合處施加碳質(zhì)水泥并加熱使得冷端中的過剩硅滲入 到冷端與熱區(qū)之間的接合處借此與所述水泥中的碳反應(yīng)以形成碳化硅結(jié)合。通過這些方 法，可使冷端對熱區(qū)的每單位長度電阻比增加到約15 1。JP2005149973(東海高熱工業(yè)株式協(xié)會(huì)(Tokai Konetsu Kogyo KK))論述所謂從冷端到熱區(qū)的硅遷移問題，并揭示向冷端的材料添加二硅化鉬以防止此遷移并改進(jìn)冷端/ 熱區(qū)界面處的強(qiáng)度。展現(xiàn)一種五部分構(gòu)造，其中重結(jié)晶碳化硅熱區(qū)由MoSi2/SiC復(fù)合物及 接著由SiC/Si復(fù)合物圍住。此布置因此降低冷端的電阻率，從而改進(jìn)效率。盡管此類技術(shù)提供增加的電阻比，但原材料的成本的增加及材料中的多個(gè)接合的 復(fù)雜度導(dǎo)致高成本。隨著對全球變暖的環(huán)境關(guān)注的不斷增加及能源價(jià)格的不斷上漲，利用電加熱爐的 許多能源密集型工業(yè)需要通過具成本效益的手段來減少其能源使用。改進(jìn)(例如改進(jìn)爐的絕緣以防止過度熱損失)已在減少能量消耗方面起到了主要 作用。然而，以具成本效益的方式來改進(jìn)元件的能量效率的工作做的很少。本申請人已探索 若干種單獨(dú)地或以組合方式提供具成本效益的電阻比增加及因此減少的能量使用的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方法中，本申請人期待基于以下實(shí)現(xiàn)來減輕以上問題可使用β-碳化硅 與α -碳化硅之間的導(dǎo)電率差來減小冷端的材料的電阻率，從而導(dǎo)致冷端的每單位電阻的 減小及因此功率消耗的減少。在許多多晶形式的碳化硅當(dāng)中，兩種影響加熱元件冷端的特性的所關(guān)注形式是具 有六角形晶體結(jié)構(gòu)的α-碳化硅(SiC 6Η)及具有面心立方結(jié)構(gòu)的β-碳化硅(SiC 3C)。鮑曼的“ α -碳化硅與β -碳化硅的關(guān)系”(電化學(xué)協(xié)會(huì)志，1952 ISSN =0013-4651) (Baumann “The Relationship of Alpha and Beta Silicon Carbide，，，Journal of the Electrochemical Society, 1952 ISSN :0013-4651)論述碳化硅的形成并提到一次(即，首 先形成)碳化硅在所研究的所有溫度下均為β-碳化硅。然而鮑曼提到“0 3比在21001下開始緩慢地單向變換為aSiC。其在M00°C下迅速地且完全 地改變?yōu)棣列问?。”已知氮?dú)庠谔蓟柚谐洚?dāng)摻雜劑，其具有減小電阻率的效應(yīng)。通常生產(chǎn)的由兩種多晶類型的碳化硅組成的加熱元件材料的典型電阻率歸納于 以下表1中，以下表1顯示β-碳化硅具有比α-碳化硅大得多的電阻率。通常，熱區(qū)是由具有為具有開放孔隙度的緊湊自結(jié)合碳化硅矩陣的特性的重結(jié)晶 碳化硅或由已重結(jié)晶的更致密反應(yīng)結(jié)合材料形成。此類材料幾乎完全是α-碳化硅且與硅 浸漬材料相比具有相對低的導(dǎo)熱率及相對低的導(dǎo)電率。這些電阻率值是針對商業(yè)上所生產(chǎn)的材料-通常針對重結(jié)晶a -碳化硅棒或管且 還針對通過碳管與二氧化硅及焦炭粉末混合物[CRUSILITE 元素]的反應(yīng)由碳到碳化硅 的較低溫度變換而制成的單片式碳化硅管。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅加熱元件，其具有一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)及兩個(gè)或兩個(gè)以上冷端，其中 所述兩個(gè)或兩個(gè)以上冷端的橫截面積與所述一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)的橫截面積大致相同或小于所述一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)的橫截面積；且至少一個(gè)冷端的至少一部分包括涂覆有導(dǎo)電涂層的重結(jié)晶碳化硅材料本體，所述導(dǎo)電 涂層具有比所述重結(jié)晶碳化硅材料的電阻率低的電阻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅加熱元件，其中所述一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)由重結(jié)晶碳 化硅材料組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化硅加熱元件，其中所述一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)及兩個(gè)或兩 個(gè)以上冷端是由所述相同的重結(jié)晶碳化硅材料形成的單式本體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅加熱元件，其中所述至少一個(gè)冷端包括具有比所述重 結(jié)晶碳化硅材料的電阻率低的電阻率的碳化硅材料的一個(gè)或一個(gè)以上區(qū)域，所述一個(gè)或一 個(gè)以上區(qū)域間置于所述重結(jié)晶碳化硅材料與鄰近熱區(qū)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅加熱元件，其中具有比所述重結(jié)晶碳化硅材料的電阻 率低的電阻率的碳化硅材料的所述區(qū)域包括硅浸漬碳化硅材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的碳化硅加熱元件，其中所述導(dǎo)電涂層為 金屬的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳化硅加熱元件，其中所述導(dǎo)電涂層包括鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的碳化硅加熱元件，其中所述金屬涂層具有高于 1200°C的熔點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳化硅加熱元件，其中所述金屬涂層具有高于1400°C的熔點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳化硅加熱元件，其中所述金屬涂層包括鎳、鉻、鐵或其混 合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一權(quán)利要求所述的碳化硅加熱元件，其中所述導(dǎo)電涂層 在組成上沿其長度改變，所述涂層的朝向所述熱區(qū)的所述組成在高溫下具有比所述涂層的 遠(yuǎn)離所述熱區(qū)的所述組成大的穩(wěn)定性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的碳化硅加熱元件，其中所述涂層為金屬的，其包括一種以 上金屬類型且其中每一金屬類型的所述熔點(diǎn)沿所述冷端的長度從用于連接到電源的第一 端朝向較接近所述熱區(qū)的第二端增加。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一權(quán)利要求所述的碳化硅加熱元件，其中所述元件具有 折疊形式使得所述冷端的若干部分并排平放。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的碳化硅加熱元件，其中所述折疊形式包括大體螺旋狀部分。
15.一種大致如本文中所論述的碳化硅加熱元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種碳化硅加熱元件，其具有一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)及兩個(gè)或兩個(gè)以上冷端，其中所述兩個(gè)或兩個(gè)以上冷端的橫截面積與所述一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)的橫截面積大致相同或小于所述一個(gè)或一個(gè)以上熱區(qū)的橫截面積；且至少一個(gè)冷端的至少一部分包括涂覆有導(dǎo)電涂層的重結(jié)晶碳化硅材料本體，所述導(dǎo)電涂層具有比所述重結(jié)晶碳化硅材料的電阻率低的電阻率。
文檔編號H05B3/64GK102067720SQ200980121000
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日
發(fā)明者斯坦利·茂, 海倫·西頓, 約翰·比特松, 馬丁·麥西弗 申請人:山特維克材料技術(shù)英國有限公司