专利名称：电阻加热元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及电阻加热元件，更特定来说涉及碳化硅电加热元件。
背景技术：
碳化硅加热元件是电加热元件及电炉领域中众所周知的。常规碳化硅加热元件主 要包括碳化硅且可包含一些硅、碳及其它微量组分。按常规，碳化硅加热元件呈实心棒、管 状棒或螺旋切割管状棒的形式，但也已知其它形式(例如条带元件)。本发明并不限于所述 元件的特定形状。碳化硅电加热元件包括通常称为按其相对电阻对电流来加以区分的‘冷端’及‘热 区’的部分。可存在单一热区或一个以上热区[例如在三相元件中(例如在GB 84M96及 GB 1279478 中)]。典型的碳化硅加热元件具有每单位长度具有相对高电阻的单一热区及所述热区 的任一端处的每单位长度具有相对低电阻的冷端。此促成在电流传递穿过所述元件时从所 述热区产生热的大部分。所述‘冷端’借助其相对低的电阻产生较少热且用于支持炉中的 加热元件并连接到从其将电能供应到所述热区的电供应源。在权利要求书及以下说明中，术语“碳化硅加热元件”应理解为意指(除上下文另 有要求的情况以外)主要包括碳化硅且包括一个或一个以上热区及两个或两个以上冷端 的本体。常常，所述冷端包括远离所述热区以帮助与所述电力供应源的良好电连接性的经 金属化末端部分。按常规，到所述冷端的电连接是通过由不锈钢夹具或夹压缩固持于所述 末端的圆周周围的平坦铝编织物实现。在操作中，所述冷端具有沿其长度的温度梯度，所述 温度梯度从所述冷端接合所述热区处的所述热区的操作温度到接近于所述末端处的室温。最早的加热元件设计之一呈哑铃形元件的形式，其中所述冷端是由与所述热区相 同的材料制成但具有比所述热区大的横截面。通常，此类加热元件的冷端对热区的每单位 长度电阻比为约3 1。实际上，替代方法是将哑铃形元件卷绕成单螺旋或双螺旋。此几何形状是通过 以螺旋方式切割管状棒的一部分而获得。典型的此类型的棒是Crusilite⑥型X元件及 Globar SG (单螺旋元件)或SR (双螺旋元件)棒。替代方法是使用较低电阻率材料来形成所述冷端而使用较高电阻率材料来形成 所述热区。生产较低电阻率材料的已知方法包含通过称为硅化的过程用硅金属来浸渍碳化 硅本体的端的孔结构。GB513728(金刚砂公司(Carborundum Company))揭示一种接合技术，其中通过以 下方式来结合不同电阻率的材料在接合处施加碳质水泥并加热使得冷端中的过剩硅渗入 到冷端与热区之间的接合处借此与所述水泥中的碳反应以形成碳化硅结合。通过这些方 法，可使冷端对热区的每单位长度电阻比增加到约15 1。JP2005149973(东海高热工业株式协会(Tokai Konetsu Kogyo KK))论述所谓从冷端到热区的硅迁移问题，并揭示向冷端的材料添加二硅化钼以防止此迁移并改进冷端/ 热区界面处的强度。展现一种五部分构造，其中重结晶碳化硅热区由MoSi2/SiC复合物及 接着由SiC/Si复合物围住。此布置因此降低冷端的电阻率，从而改进效率。尽管此类技术提供增加的电阻比，但原材料的成本的增加及材料中的多个接合的 复杂度导致高成本。随着对全球变暖的环境关注的不断增加及能源价格的不断上涨，利用电加热炉的 许多能源密集型工业需要通过具成本效益的手段来减少其能源使用。改进(例如改进炉的绝缘以防止过度热损失)已在减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来改进元件的能量效率的工作做的很少。本申请人已探索 若干种单独地或以组合方式提供具成本效益的电阻比增加及因此减少的能量使用的方法。
发明内容
在第一方法中，本申请人期待基于以下实现来减轻以上问题可使用β-碳化硅 与α -碳化硅之间的导电率差来减小冷端的材料的电阻率，从而导致冷端的每单位电阻的 减小及因此功率消耗的减少。在许多多晶形式的碳化硅当中，两种影响加热元件冷端的特性的所关注形式是具 有六角形晶体结构的α-碳化硅(SiC 6Η)及具有面心立方结构的β-碳化硅(SiC 3C)。鲍曼的“ α -碳化硅与β -碳化硅的关系”(电化学协会志，1952 ISSN =0013-4651) (Baumann “The Relationship of Alpha and Beta Silicon Carbide，，，Journal of the Electrochemical Society, 1952 ISSN :0013-4651)论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温度下均为β-碳化硅。然而鲍曼提到“0 3比在21001下开始缓慢地单向变换为aSiC。其在M00°C下迅速地且完全 地改变为α形式。”已知氮气在碳化硅中充当掺杂剂，其具有减小电阻率的效应。通常生产的由两种多晶类型的碳化硅组成的加热元件材料的典型电阻率归纳于 以下表1中，以下表1显示β-碳化硅具有比α-碳化硅大得多的电阻率。通常，热区是由具有为具有开放孔隙度的紧凑自结合碳化硅矩阵的特性的重结晶 碳化硅或由已重结晶的更致密反应结合材料形成。此类材料几乎完全是α-碳化硅且与硅 浸渍材料相比具有相对低的导热率及相对低的导电率。这些电阻率值是针对商业上所生产的材料-通常针对重结晶a -碳化硅棒或管且 还针对通过碳管与二氧化硅及焦炭粉末混合物[CRUSILITE 元素]的反应由碳到碳化硅 的较低温度变换而制成的单片式碳化硅管。
权利要求
1.一种碳化硅加热元件，其具有一个或一个以上热区及两个或两个以上冷端，其中 所述两个或两个以上冷端的横截面积与所述一个或一个以上热区的横截面积大致相同或小于所述一个或一个以上热区的横截面积；且至少一个冷端的至少一部分包括涂覆有导电涂层的重结晶碳化硅材料本体，所述导电 涂层具有比所述重结晶碳化硅材料的电阻率低的电阻率。
2.根据权利要求1所述的碳化硅加热元件，其中所述一个或一个以上热区由重结晶碳 化硅材料组成。
3.根据权利要求2所述的碳化硅加热元件，其中所述一个或一个以上热区及两个或两 个以上冷端是由所述相同的重结晶碳化硅材料形成的单式本体。
4.根据权利要求1所述的碳化硅加热元件，其中所述至少一个冷端包括具有比所述重 结晶碳化硅材料的电阻率低的电阻率的碳化硅材料的一个或一个以上区域，所述一个或一 个以上区域间置于所述重结晶碳化硅材料与邻近热区之间。
5.根据权利要求4所述的碳化硅加热元件，其中具有比所述重结晶碳化硅材料的电阻 率低的电阻率的碳化硅材料的所述区域包括硅浸渍碳化硅材料。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的碳化硅加热元件，其中所述导电涂层为 金属的。
7.根据权利要求6所述的碳化硅加热元件，其中所述导电涂层包括铝。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的碳化硅加热元件，其中所述金属涂层具有高于 1200°C的熔点。
9.根据权利要求8所述的碳化硅加热元件，其中所述金属涂层具有高于1400°C的熔点。
10.根据权利要求9所述的碳化硅加热元件，其中所述金属涂层包括镍、铬、铁或其混 合物。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的碳化硅加热元件，其中所述导电涂层 在组成上沿其长度改变，所述涂层的朝向所述热区的所述组成在高温下具有比所述涂层的 远离所述热区的所述组成大的稳定性。
12.根据权利要求11所述的碳化硅加热元件，其中所述涂层为金属的，其包括一种以 上金属类型且其中每一金属类型的所述熔点沿所述冷端的长度从用于连接到电源的第一 端朝向较接近所述热区的第二端增加。
13.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的碳化硅加热元件，其中所述元件具有 折叠形式使得所述冷端的若干部分并排平放。
14.根据权利要求13所述的碳化硅加热元件，其中所述折叠形式包括大体螺旋状部分。
15.一种大致如本文中所论述的碳化硅加热元件。
全文摘要
本发明提供一种碳化硅加热元件，其具有一个或一个以上热区及两个或两个以上冷端，其中所述两个或两个以上冷端的横截面积与所述一个或一个以上热区的横截面积大致相同或小于所述一个或一个以上热区的横截面积；且至少一个冷端的至少一部分包括涂覆有导电涂层的重结晶碳化硅材料本体，所述导电涂层具有比所述重结晶碳化硅材料的电阻率低的电阻率。
文档编号H05B3/64GK102067720SQ200980121000
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月3日 优先权日2008年6月6日
发明者斯坦利·茂, 海伦·西顿, 约翰·比特松, 马丁·麦西弗 申请人:山特维克材料技术英国有限公司