[发明专利]电阻加热元件

说明书

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 845496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Crusilite型X元件及GlobarSG(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 6H)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。