CN108934087B - 碳发热体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳发热体，在高压下不产生火花和等离子体，实现热量的有效分散，由此能够防止发热体的断线和破坏，从而增加寿命，所述碳发热体包含碳和硅碳化物(SiC)，并且热导率为1.6W/m·K以上。

Description

碳发热体
技术领域
本发明涉及在烤箱这样的烹饪设备领域使用的作为碳加热器的加热源 的碳发热体。
背景技术
最近，作为家用或商用烹饪设备，广泛使用利用加热器的烤箱 (Oven)。
图1是示出了烤箱的通常结构的立体图。
参照图1，烤箱1包括：腔体2，其放置要烹饪的食物；门3，其用 于打开腔体2；以及，多个加热器6，其对腔体2进行加热。
尤其，在所述加热器6设置一个以上加热器，并且，所述加热器6 被外罩8保护以免受到腔体的外部的影响。
另外，为了在烤箱1采用电磁波加热方式，在腔体2的上部面的外 部设置磁控管4。在磁控管4产生的电磁波通过规定的波导管和引导件来 放射到所述腔体2的内部空间。
另外，根据需要，在所述烤箱腔的内部空间的上侧设置护套式加热 器(Sheathheater)5。
在多种加热器中，在所述护套式加热器5和所述加热器6中，主要 使用利用辐射加热方式的碳加热器。
在现有技术中，作为碳加热器的发热体，主要使用了由碳含量为90％ 以上的纤维状的碳材料组成的碳纤维(Carbon fibers，CFs)。
但是，碳纤维是由被称为“碳”的材料组成，因此，仍然具有碳自 身具有的吸收微波的特征。
另外，碳纤维具有“纤维”的形态的特性，因此本质上具有：纤维 长度与纤维直径之比非常大的固有特性。
如上所述，就碳纤维的固有特性而言，在将碳纤维作为碳加热器的 加热源使用时，存在一些问题。
图2简单地示出了现有的碳加热器10，图3示出了在所述组件构成 碳纤维的各个碳细丝。
参照图2，现有的碳加热器10包括：石英材料的管11；碳纤维13； 以及，金属线15，其连接于碳纤维13的两端。
此时，具有外部电极17，该外部电极17通过管11的两端与金属线 15电连接，并向管11的外部露出。
石英材料的管11的内部密封，并且是真空或者填充有惰性气体，使 得配置于内部的碳纤维13不在高温(例如1000℃～1200℃等)下氧化。
如图3所示，图2的碳纤维由各个碳细丝组成。不仅所述细丝的直 径为几μm，而且细丝与细丝之间的间隔也是几μm。
因此，当从外部供应电压时，在细丝之间的非常窄的距离(间隔) 施加电压，因此，其结果施加非常高的电压。例如，当在1μm的间隔施 加10V的外部电压时，将在细丝与细丝之间施加约107V/m的高压。
在该情况下，细丝很可能因局部的高压而产生绝缘破坏，有时也可 产生火花(Spark)。
另外，即使不产生细丝的绝缘破坏或火花，也因管11的内部的惰性 气体环境，而在高压条件下产生等离子体(Plasma)的可能性也非常高。
在现有技术中，为了抑制等离子体等的反应和等离子体光进入到舱 体，在碳加热器组件和舱体之间设置了屏蔽(Shield)构件。
但是，所述屏蔽构件不仅遮蔽等离子体光，而且也会阻断一部分从 碳加热器发射的辐射光，因此，存在大幅度降低烤箱的辐射效率的问题。
因此，作为碳加热器的发热体，对于不是现有的碳纤维的新的形态 的碳发热体的需求日益增长。
与本发明相关的现有技术，存在韩国公开专利公报第10-2011-0109697 号(2011.10.06.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在碳加热器中，用于在高电压下也不会 发生绝缘破坏或火花的新的碳加热器的碳发热体。
并且，本发明的目的在于提供一种用于在碳加热器内部的封装气体 和高电压下也不会产生等离子体的新的碳加热器的碳发热体。
根据本发明的发热体，在高电压下也不产生火花和等离子体，实现 热量的有效分散，由此能够防止发热体的断线和破坏，从而能够增加寿 命，根据本发明的一方面，所述发热体包含碳和硅碳化物，热导率为 1.6W/m·K以上。
优选地，在所述发热体中，所述硅碳化物包含β-硅碳化物和α-硅碳 化物。
优选地，在所述发热体中，在分析所述发热体内的硅碳化物的结晶 度时，X射线衍射分析结果中的半高宽为0.14以上。
优选地，在所述发热体中，所述发热体包含硅氧化物。
优选地，在所述发热体中，所述发热体内的氧的总量为2wt.％以下。
优选地，在所述发热体中，所述发热体的使用温度为1100℃以下。
优选地，在所述发热体中，所述发热体的电阻率为(11～16) ×10-2Ωcm。
根据本发明的发热体，因表面积相对小，而针对高温下的表面氧化 和表面侵蚀的阻抗性优异，所述发热体形成为内部堵塞的形状。
另外，所述发热体形成为中空形状。
根据本发明的碳发热体，与现有的使用碳纤维的碳加热器不同地， 由于不发生作为纤维形状所固有的缺点的细丝之间的局部电压集中，因 此能够从根源上防止绝缘破坏或火花。
并且，根据本发明的碳发热体，与现有的使用碳纤维的碳加热器不 同地，能够从根源上防止因细丝之间的局部的高电压引起的等离子体的 产生，而且，由于不需要设置屏蔽构件，还能够改善辐射效率的降低。
此外，根据本发明的碳发热体，使用粉末和由树脂构成的粘合剂， 来作为起始物质，从而能够容易地制造出多种尺寸和形状的烤箱所需的 形状的碳加热器。
并且，根据本发明的碳发热体，能够通过改变成分、组分范围以及 热处理条件来控制碳加热器的电阻率和输出，从而能够改善碳加热器的 电设计的自由度。
此外，本发明的碳发热体具有优异的热导率，从而可在供应外部电 源的端子部附近实现热量的有效分散。其结果，防止在碳加热器的端子 部附近的发热体的破坏以及断线，由此能够增加寿命。
另外，根据本发明的碳发热体，与现有的碳纤维相比，表面积的比 率相对更小，因此，针对高温下经常发生的表面氧化乃至表面侵蚀的阻 抗性是相对优异的。并且，基于这样的特性而可以省去现有的碳纤维中 必须要进行的表面涂覆等后处理工序，从而具有如下优点，即，改善交 付周期(Lead time)并能够提高生产率。
附图说明
图1是示出了电烤箱的通常结构的立体图。
图2是简单地示出了现有的碳纤维组件的结构的图。
图3是图2的碳纤维的放大图。
图4是概略性地示出了利用本发明的碳复合体组合物制造碳发热体 的制造方法的顺序图。
图5是简单地示出了本发明的碳加热器的图。
图6是示出了与第三碳化热处理对应的本发明的碳发热体的电导率 的图。
图7是示出了与第三碳化热处理对应的本发明的碳发热体的电阻率 和输出的图。
图8是示出了与第三碳化热处理对应的本发明的碳发热体的热导率 的图。
图9是示出了硅碳化物材质的主要结晶多型的温度稳定区域的图。
图10是示出了与不同烧结温度对应的硅碳化物(SiC)和硅氧化物 (SiO2)的XRD图案的图。
图11是例示出热导率低的碳发热体的破坏的图片。
图12是示出了本发明的碳发热体的XRD图案和与第三碳化热处理 温度对应的FWHM的测量结果的图。
图13是示出了在对本发明的碳发热体进行第三碳化热处理之前和之 后，分别通过SEM-EDS分析成分的结果的图。
图14是示出了与电阻率对应的碳发热体的输出和表面温度的图。
图15是示出了本发明的碳发热体组合物的与第三碳化热处理对应的 收率测量结果的图。
图16是例示出本发明的内部堵塞的碳发热体的形状的图。
图17是例示出本发明的具有中空的管状的碳发热体的图。
图18是例示出本发明的具有中空的管的一部分被剖开而在圆弧上形 成有开放部的形状的碳发热体的图。
附图标记的说明
1：烤箱 2：腔体
3：门 4：磁控管
5：护套式加热器 6：加热器
11：管 13：碳纤维
15：金属线 17：外部电极
19：金属片 21：碳发热体
22：管 23：槽部
24：连接器 25：金属线
26：金属片 27：外部电极
28：绝缘子 29：终端端子
S100：混合工序 S200：挤压工序
S300：稳定化热处理工序 S400：碳化热处理工序
110：碳发热体 210：碳发热体
210a：中空 210b：开放部
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明，使得本发明所 属技术领域的普通技术人员能够容易实施。本发明可通过各种不同的形 式来实现，并不限于在此说明的实施例。
为了明确说明本发明，省略了与说明无关的部分，并且，在整个说 明书中，用相同的附图标记表示相同或相似的构成要素。另外，参照示 例性附图，详细说明本发明的一部分实施例。在对各个附图的构成要素 附加附图标记时，对于相同的构成要素，即使在不同的附图上出现，也 尽可能使用相同的附图标记。另外，在对本发明进行的说明中，当判断为对相关公知结构或者功能的具体说明可能使本发明主题不清时，将省 略其详细说明。
在对本发明的构成要素进行说明时，可使用第一、第二、A、B、(a)、 (b)等术语。这样的术语仅仅用于将一个构成要素区分于另一个构成要 素，但是构成要素的本质、次序、顺序或数量等并不受限于该术语。当 记载为某一构成要素与另一个构成要素“连接”、“结合”或者“耦合”时，该 构成要素可与所述另一个构成要素直接连接、结合或者耦合，但是也可 以在各个构成要素之间“夹设”其他构成要素，或者，各个构成要素也可 以通过其他构成要素“连接”、“结合”或者“耦合”。
另外，在实现本发明时，为了方便说明，可细分构成要素进行说明， 这些构成要素可以在一个装置或模块内实现，或者，一个构成要素也可 以在多个装置或模块分开来实现。
以下，参照附图，对本发明的优选实施例的碳发热体及其制造方法 进行详细说明。
就本发明的碳发热体而言，首先从制造发热体组合物起进行说明， 所述发热体组合物包括无机物粉末和用于使所述粉末的粒子彼此结合的 粘合剂，来作为必要成分，其中，所述无机物粉末能够作为用作高温加 热器的发热体的主成分而发挥作用。
首先，如下表1所示，无机物粉末可包含多种成分的无机物。
<表1.无机物粉末的特性>
Figure BDA0001674803230000061
Figure BDA0001674803230000071
作为本发明的起始物质的碳发热体用组合物的特征在于，将所述无 机物粉末包含一种以上。
尤其，最优选为包含硅碳化物，这是因为硅碳化物能够稳定地保持： 作为发热体必须具备的电阻率和电导率。进而，在不包含硅碳化物而形 成碳复合体组合物时，由于电阻率过高，因此难以作为加热器使用。
此外，在锆氧化物和硅化钼的情况下，虽在在作为发热体使用时存 在电阻率过低的缺点，但是也可以为了调节以其他成分为主成分构成的 发热体的电阻率而添加。
另一方面，就硅氧化物和铝氧化物而言，因其固有的高电阻率，可 作为电阻率调节剂来添加，来用于调节最终生成的碳加热器的电阻率。
此时，在整体组合物中，优选为添加50％至75％的硅碳化物。
这是因为，当硅碳化物含量小于50％时，制造出的最终碳加热器的 电阻率过高且热导率降低，由此容易产生发热体的断线，另外，当硅碳 化物含量超过75％时，碳加热器的电阻率降低至难以作为加热器使用的 程度。
此外，在整体组合物中，优选为添加最多24％的硅氧化物。这是因 为，当硅氧化物的含量超过24％时，热导率急剧下降，由此可能产生端 子的断线。另外，因硅氧化物固有的高的电阻率，制造出的碳加热器的 电阻率过高，可能需要进行减小加热器的长度或扩大截面面积等追加的 设计变更。
当然，除了硅氧化物之外，也可以混合铝氧化物或仅由铝氧化物来 组成电阻率调节剂。此时，即使仅由铝氧化物构成电阻率调节剂，也因 与硅氧化物相同的理由，将铝氧化物的含量限制为最多24％。
然后，在本发明中，作为粘合剂包含有机物树脂。
粘合剂是如下成分，即，在发挥碳加热器的发热体的作用的无机物 粉末在高温下通过扩散或熔融来结合之前，为了在温度相对低的低温下， 使所述粉末之间进行机械结合(粘接)而添加的成分。
另外，本发明的粘合剂也可以发挥作为最终生成物的碳加热器的主 要成分的碳的供应源的作用。
在本发明中，作为粘合剂的一实施例，使用了具有优异的耐热性的 酚醛树脂中的一种酚醛清漆(Novolac)树脂。酚醛清漆树脂是在通过苯 酚与甲醛的反应来产生的酚醛树脂中，当催化剂为酸(Acid)时，制成 的苯酚树脂中的一种。
但是，在本发明中，作为粘合剂并不限于酚醛树脂，尤其，并不一 定限定为酚醛清漆树脂。具体而言，除了酚醛清漆树脂之外，在酚醛树 脂中，甲阶酚醛(resol)树脂也可以作为本发明的粘合剂。另外，除了 酚醛树脂之外，也可以使用如丙烯酸树脂等，通常用作具有粘接功能的 粘合剂的所有有机树脂。
本发明的作为粘合剂的树脂，优选为在整体组合物中添加15％～ 30％。
当树脂的含量小于15％时，不仅因后续的挤压工序而使挤出物易破 坏，而且最终形成的碳发热体内的碳的含量过少，由此，与碳发热体的 规格相比，碳发热体的电阻率变得过高。
另一方面，当树脂的含量超过30％时，因经过挤压工序之后的挤出 物形状的稳定性降低，最终碳发热体的尺寸不良的可能性变高，并且， 由于最终碳发热体内的碳含量变高，因此存在如下问题，即，与碳发热 体的规格相比，碳发热体的电阻率变得过低。
另外，本发明的碳发热体用组合物包括润滑剂，当进行挤压工序时， 所述润滑剂用于减小组合物与模具(Die)之间的摩擦。在本发明中，最 终结果物是碳加热器，因此，更加优选为作为润滑剂成分包含碳。
作为能够在本发明使用的润滑剂，可包括石墨(Graphite)、碳黑 (Carbon black)以及活性炭(Activated carbon)等。尤其，石墨为使用 最广泛的润滑剂，其在挤压工序中具有非常优异的润滑特性。
此外，本申请的发明人员确认了：石墨不仅能够起到润滑剂的功能， 而且还能起到酚醛清漆树脂的固化剂的功能。
通常，众所周知，酚醛清漆树脂不能单独通过酚醛清漆树脂来固化。 尤其，众所周知，为了酚醛清漆树脂的热固化，通常一定需要被称为六 次甲基四胺(Hexamine)的额外的固化剂。
在本发明中，虽然尚未确认出基于何种机理，但是确认了：当本发 明的碳复合体组合物包含石墨时，即使在挤压过程之后不添加额外的固 化剂，碳复合体组合物也能够自行进行固化。
当然，在使用酚醛清漆树脂时，在本发明的组合物追加地包含如六 次甲基四胺的额外的固化剂也无妨。
另一方面，当作为粘合剂在其他酚醛树脂中使用甲阶酚醛(resol) 树脂时，不需要额外的固化剂。这是因为，甲阶酚醛树脂通常即使没有 额外的固化剂，也能够仅仅通过其自身进行热固化。
除此之外，当将丙烯酸树脂等其他树脂作为粘合剂使用时，也可以 根据需要利用固化剂，或者利用热固化或光固化来固化粘合剂。若利用 光固化，则也可以追加地包含光引发剂，除此之外也可以包含各种添加 剂。
本发明的石墨的添加量优选为占整体组合物中的0.1％～10％。
当石墨的添加量小于0.1％时，在挤压工序中，组合物与模具之间的 摩擦增加，在挤压工序之后，固化不充分，由此，导致挤出物的形状稳 定性降低，从而存在最终碳加热器的尺寸不良可能性变高的问题。
另一方面，当石墨的添加量超过10％时，固化反应在挤压工序中进 行得过快，反而难以进行如挤压等的加工，使最终碳发热体内的碳含量 增加，从而存在与碳发热体的规格相比碳发热体的电阻率降低的问题。
下面，对于利用本发明的碳发热体用组合物制造碳加热器的制造方 法，进行说明。
在本发明使用的碳加热器的制造方法可直接适用：在利用所述组合 物的其他功能材料的制造方法中使用的通常的方法。
更加具体而言，如图4所示，在本发明使用的制造方法，首先从将 无机物粉末和酚醛树脂粘合剂混合的过程(S100)开始。
所述混合过程是将所希望的成分以及组分范围的原材料，通过如磨 碎机(Attrition mill)的装置充分混合所希望的时间的步骤。
然后，利用在高分子注塑领域广泛使用的通常的挤压机，对混合的 组合物进行热挤压(S200)。虽然在本发明适用的挤压条件是在100℃～ 200℃利用了60rmp的速度，但是并不一定限于此。挤压条件可根据无机 物粉末、粘合剂的成分以及组分范围来进行变更。
另外，在本发明中，也可以采用利用模具的注塑工序，来代替所述 挤压工序。
挤压的组合物在高温下经过稳定化热处理过程(S300)。
稳定化热处理工序(S300)是用于引导粘合剂的碳与氧的结合结构 的热处理过程。作为稳定化热处理工序的结果，粘合剂被固化，从而能 够使得挤压的碳复合体组合物保持挤压的形状，来确保机械稳定性。
在本发明中，在大气中的270℃～320℃的条件下，执行了10分钟～ 2小时的稳定化热处理过程。
稳定化热处理工序处于低于270℃的条件时，将无法保证粘合剂的固 化。另一方面，对于稳定化热处理温度的上限，虽然在技术上没有限制， 但是从能量方面考虑，优选为不升高到过高的高温。
然后，使固化的组合物经过碳化热处理过程(S400)。
所述碳化热处理步骤的目的在于，进行除气(Out-gassing)以从构 成组合物的构成成分中挥发掉挥发成分，并将剩余成分进行碳化以制成 作为最终生成物的碳发热体的有效成分。
在本发明中，将碳化热处理过程分为三个步骤进行。
第一碳化热处理工序在如氮气的惰性气体环境下，在与后续第二碳 化热处理步骤相比温度较低的600℃～1000℃的温度下，执行10分钟～2 小时。
第一碳化热处理工序的目的在于，挥发掉粘合剂成分中除了碳以外 的其它成分、组合物的成分中除了粘合剂以外的其它成分中包含的杂质 等中可能存在的除了碳以外的其它成分。
在刚刚进行该过程之后，紧接着经过第二碳化热处理过程。在第二 碳化热处理工序中，使除气步骤之后剩下的碳复合体组合物的成分碳化， 并且，在如氮气的惰性气体环境下，在1200℃～1400℃的温度执行10 分钟～4小时。
当第二碳化热处理工序的温度小于1200℃时，成分的碳化不充分， 由此，存在碳电极的发热体的电导率降低的问题。
另一方面，当第二碳化热处理工序的温度高于1400℃时，由粘合剂 材料等引起的“-C-C-”结构体的气化产生得过多，由此，出现碳电极的发 热体的收率大幅度降低的问题。
为了提高生产率，所述碳化热处理过程可以不分为第一碳化热处理 过程和第二碳化热处理过程，而整合运用为一个碳化热处理过程。
另外，在本发明中，在所述第二碳化热处理过程之后，为了调整和 提高碳加热器的机械和/或电特性，包括额外的第三碳化热处理工序。
第三碳化热处理工序在如氮气的惰性气体环境下，在1500℃～1700 ℃的温度执行10分钟～4小时。
当第三碳化热处理工序的温度低于1500℃时，可因低的热导率而导 致碳发热体的断线。
另一方面，当第三碳化热处理工序的温度高于1700℃时，硅碳化物 的结晶度变高，其结果，碳发热体的电阻率将过多地降低。
本申请的发明人员确认了：能够通过碳发热体用组合物的成分和组 分范围，调节最终碳发热体的物性。
此外，确认了：通过本发明的碳加热器制造方法，即使是相同的组 合物，也能够改变作为最终生成物的碳发热体的特性。
在所述第三热处理过程之后制造的碳复合体与连接器和封装管结 合，从而制成如图5所示的作为最终产品的碳加热器。
实际碳加热器包括：发热体21，由所述碳复合体制成；以及，连接 器24，支撑所述发热体21并从外部供应电源。另外，碳加热器还包括： 围绕所述发热体并在内部包含惰性气体的管22和槽部23；用于从外部向 所述发热体供应电的金属线25；金属片26；外部电极27；绝缘子28； 以及终端端子29等。
以下，通过多种实施例，对本发明进行更加详细的说明。以下的实 施例仅仅是为了更加明确地说明本发明而举例说明的，本发明并不限于 此这些实施例。
实施例
准备了一种四组分体系(Quaternary)组合物，其在上面的表1的无 机物粉末成分中的、50wt.％～75wt.％(以下，称为％或wt.％)的硅碳化 物(SiC)的基础上，追加地包含24wt.％以下的硅氧化物(SiO2)作为电 阻率调节剂，在这样的无机物粉末中，作为粘合剂包含15wt.％～30wt.％ 的酚醛清漆树脂，作为润滑剂包含0.1wt.％～10wt.％的石墨。就本发明的 实施例中使用的酚醛清漆树脂的数均分子量而言，优选具有1000～10000 的范围，更优选为具有3000～7000的范围。
根据如图4所示的方法，准备的四组分体系组合物首先经过原材料 混合步骤均匀地混合之后，挤压成型，之后，在经过稳定化热处理过程 和第一碳化热化处理过程至第三碳化热处理过程后，加工为最终碳发热 体并评价了电特性。
图6和图7示出了在本发明的实施例的组成中包含59％的硅碳化物、 15％的硅氧化物、23％的粘合剂树脂以及3％的润滑剂的组合物，与第三 碳化热处理温度对应的电导率特性(图6)以及电阻率和输出特性(图7)。
首先，如图6所示，可知：随着第三碳化热处理温度升高，碳发热 体的电导率增加。
另外，从图7可知：就作为电导率的倒数的电阻率而言，随着第三 碳化热处理温度的升高而该电阻率降低。
此外，与第三碳化热处理工序温度对应的本发明的碳发热体的特性 变化，并不仅仅局限于如上所述的电特性。
图8示出了组合物的与第三碳化热处理温度对应的热导率特性。
如图8所示，随着第三碳化热处理工序温度升高，本发明的碳发热 体的热导率增加，之后，趋于稳定或稍微降低。
图6至图8的与第三碳化热处理温度对应的碳发热体的电特性和热 特性的变化，是碳发热体用组合物内的成分和微小组织根据第三碳化热 处理温度变化而引起的。
首先，在构成本发明的组合物的无机物材料中，硅碳化物有称为 β-SiC的立方体(Cubic)和70多种的六方体(Hexagonal)以及170多 种的菱面体(Rhombohedral)，通常将除了立方体之外的其他都统称为 α-SIC(参照陶艺家(Ceramist)第13册第6号，2010年12月，64页～74页)。
如图9的状态图所示，所述硅碳化物在1000℃～2700℃以上的区域 存在结晶结构不同的相。
如表1所示，这样的硅碳化物与包含于本发明的实施例的组合物的 硅氧化物的熔点、热导率以及电特性存在很大差异。
首先，对于熔点而言，硅氧化物的熔点大致为1600℃，在高于该熔 点的温度下，硅氧化物不能以固体状态存在。
图10示出了其他研究人员(Ceramics International 38(2012) pp.5223-5229)发表的XRD图案。
图10示出了硅氧化物和硅碳化物的稳定性随着温度变化。更具体而 言，在1600℃以上，硅氧化物不能以稳定的相存在，并且，在1500℃的 硅氧化物与硅碳化物的衍射峰值的强度比小于在1400℃的强度比，由此 可知：在1500℃时，硅氧化物的局部分解已经进行。
本发明的图6至图8的结果也与此非常符合。
在图8中，随着温度升高，碳发热体的热导率增加，之后重新减小 或呈规定值。尤其，到温度为1600℃为止，热导率呈现持续增加的值。
这是因为如上面表1所示的硅碳化物和硅氧化物的热导率的差异而 引起的。
热导率低的硅氧化物随着第三热处理温度升高，而变得不稳定，其 结果，与包含于组合物的周围的碳结合，由此相变为热导率高的硅碳化 物。随着热导率高的硅碳化物的比率增加，碳发热体的宏观的热导率增 加。
并且，即使第三热处理温度再升高，由于所述相变已经在1600℃完 成，因此，即使加热到更高的温度，测量出的碳发热体的热导率也几乎 没有变化或稍微降低。
本发明的特征在于，碳发热体的热导率为1.6W/m·K以上。这是因为， 在碳发热体的热导率低于1.6W/m·K的情况下，当向碳发热体施加电压 时，在端子附近不能顺利散热，其结果，向碳发热体施加过度的热应力 和热冲击，由此，使具有陶瓷材料的脆性(brittle)特性的碳发热体因热 应力和热冲击而破坏。
图11是例示出在碳发热体施加过大的热应力之后，发热体破坏的碳 发热体组件的图片。
此外，图6以及图7示出了随着第三碳化热处理温度升高，碳发热 体的电导率增强且电阻率降低。
碳发热体的电特性的变化也是由微小组织和成分决定。
首先，如上所述，随着第三碳化热处理温度升高，硅氧化物局部熔 融并与存在于组合物内的碳结合，由此，相变为硅碳化物。
因此，在碳发热体内，电阻率大的硅氧化物的比率减小，另一方面， 电阻率小的硅碳化物的比率增加。
结果，随着第三碳化热处理温度升高，碳发热体的电阻率降低(电 导率增强)。
但是，与热导率不同，即使第三碳化热处理温度高于1700℃，电导 率持续增加之后达到饱和。
这是由构成碳发热体的硅碳化物的变化引起的。
图12示出了本发明的碳发热体的X射线衍射(X-ray diffraction， XRD)图案、为了表示硅碳化物的结晶度而照射的X射线衍射分析结果 的半高宽(full width of halfmaximum，以下称为FWHM)。
本发明的XRD实验使用了Bruker公司的D8Advance模型。此时， 运转条件是使用CuKα的波长，在60kV、80mA的加速条件下，以0.2 度/秒的扫描速度进行了测量，利用Diffrac.Measurement center/Diffrac. EVA的软件来测量和分析了XRD图案。
本发明的XRD实验结果，可知：随着第三碳化热处理温度升至1800 ℃以上，FWHM的值减小为0.12。
这意味着：随着热处理温度升高到1800℃以上，不仅是存在于碳发 热体的最初组合物内的硅碳化物的结晶度提高，而且通过第三碳化热处 理生成的硅碳化物的结晶度也提高。
换言之，在结晶度提高的硅碳化物内，可减少各种缺陷(defect)， 其结果，电导率将增加(电阻率降低)。
从图12的XRD结果可知：本发明的碳发热体包含β-硅碳化物和α- 硅碳化物。尤其，α-硅碳化物相比于β-硅碳化物热导率相对地高且带隙 相对地大，从一点出发，优选α-硅碳化物。
另外，本发明的碳发热体的FWHM的值优选为0.14以上。这是因为， 当所述FWHM的值小于0.14时，硅碳化物的结晶度过高，其结果，电导 率过高且电阻率降低。
图13示出了将在本发明的实施例的组成中包含56％的硅碳化物、 18％的硅氧化物、23％的粘合剂树脂以及3％的润滑剂的组合物，通过 SEM-EDS分别在第三碳化处理前后进行成分分析的结果。
在热处理前，在发热体组合物测量出氧含量约为17％，但是，在热 处理后，测量出氧含量约为1％。
可存在于本发明的碳发热体的氧，以硅氧化物的形态包含于作为起 始物质的组合物，因此，在所述第三碳化热处理之后存在的氧也是以硅 氧化物的方式存在。
但是，如图12所示，与EDS分析结果不同，在XRD分析结果没有 观测到任何对于氧化物的峰值。
因此，预计图13的氧是一部分未分解的SiO2，或以除了SiO2以外 的形态存在的硅氧化物中包含的氧。
此外，即使考虑EDS的误差范围等，本发明的碳发热体内的氧含量 也优选为2％以下。
这是因为，当氧的含量超过2％时，在第三碳化热处理之后剩下的硅 氧化物的量也过多，从而导致热导率低且电阻率过高。
图14示出了与碳发热体的电阻率对应的碳发热体的表面温度和输 出。
通常，电阻率越高，当加热到碳发热体的特定温度时消耗的输出(能 量)越少。
但是，在考虑到具有碳加热器的烤箱中的加热温度时，作为围绕发 热体的管的石英(quartz)的常用温度为约1100℃，本发明的碳发热体的 电阻率优选为(11～16)×10-2Ωcm。
当电阻率小于11×10-2Ωcm时，用于得到所希望的碳发热体的加热 温度的输出过高，由此在能量效率方面不够优选。
另一方面，当电阻率大于16×10-2Ωcm时，热导率也降低，由此容 易产生碳发热体的破坏。
图15示出了在本发明的实施例的组合物中包含56％～62％的硅碳化 物、12％～18％的硅氧化物、23％的粘合剂树脂以及3％的润滑剂的组合 物，通过第三碳化热处理得到的收率测量结果。
本发明的收率定义为，在第三碳化热处理前投入的原材料、即、组 合物的重量，除以作为最终生成物的碳发热体的重量而得到的值。
观察图15可知，即使第三碳化热处理温度升高，本发明的所述实施 例的组合物的收率变化并不大。反而硅氧化物(SiO2)的含量越高，收 率具有大幅度减小的倾向。
如上所述的收率的测量结果与上述的本发明的碳发热体的与第三碳 化热处对应的成分和微小组织的变化一致。
更具体而言，随着第三碳化热处理温度升高到1500℃以上，本发明 的碳发热体组合物内的硅氧化物局部熔融，并与存在于组合物内的碳结 合，从而相变为硅碳化物。
这是指相对重的硅氧化物相变为更轻的硅碳化物，其结果，减小作 为生成物的碳发热体的重量，由此收率也将减小。
并且，所述相变的百分比越大，换言之，碳发热体组合物内的硅氧 化物含量越多，与第三碳化热处理对应的重量减少越多，其结果，收率 将进一步减小。
如图16所示，本发明的碳发热体110可通过圆形截面柱状、四边形 截面柱状以及三角形截面柱状等内部堵塞的块(Bulk)状，以多种形状 提供。
另外，本发明的碳发热体可具有其他形状。
参照图17，示出了设置于本发明的另一实施例的碳加热器的碳发热 体210的一个例示性的形状。
即，在图17示出的碳发热体210形成为，具有中空210a的管状。
其中，中空210a的尺寸或相比于碳发热体210的整体截面面积的中 空210a所占的比率等可进行多样变化，而不限于图示的形状。
参照图18，示出了设置于本发明的另一实施例的碳加热器的碳发热 体210的另一个例示性的形状。
即，在图18示出的碳发热体210形成为，具有中空210a的管状， 与在图17的碳发热体210不同地，形成为管的一部分被剖开而在圆弧上 形成开放部210b的形状。
在图17和图18示出的碳发热体210虽然在是否有开放部210b(参 照图10)上存在差异，但是共同点在于，具有中空210a。
如上所述，参照示例性的附图，对本发明进行了说明，但是，本发 明并不受限于在本说明书公开的实施例和附图，在本发明的技术思想范 围内，普通技术人员可进行多种变形。并且，需要明确的是，即使在上 面说明本发明的实施例时，没有明确说明根据本发明的结构的作用效果， 也要认定能够通过相应结构预测的效果。

Claims (8)

1.一种碳发热体，为碳加热器用发热体，所述碳发热体的特征在于，
包含碳和硅碳化物，
所述碳发热体内的氧的总量为2wt.％以下，
所述碳发热体的热导率为1.6W/m·K以上，
所述碳发热体的电阻率为11×10-2Ωcm～16×10-2Ωcm。
2.根据权利要求1所述的碳发热体，其特征在于，
所述硅碳化物包含β-硅碳化物和α-硅碳化物。
3.根据权利要求1或2所述的碳发热体，其特征在于，
在分析所述碳发热体内的硅碳化物的结晶度时，X射线衍射分析结果中的半高宽为0.14以上。
4.根据权利要求1或2所述的碳发热体，其特征在于，
所述碳发热体包含硅氧化物。
5.根据权利要求1或2所述的碳发热体，其特征在于，
所述碳发热体的使用温度为1100℃以下。
6.根据权利要求1或2所述的碳发热体，其特征在于，
所述碳发热体形成为内部堵塞的形状。
7.根据权利要求1或2所述的碳发热体，其特征在于，
所述碳发热体形成为中空形状。
8.根据权利要求1或2所述的碳发热体，其特征在于，
所述碳发热体形成为中空形状，并且形成有开放部。
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