CN1833467A - 碳化硅加热元件 - Google Patents

Abstract

提供了一种比常规管状元件具有更高的辐射表面积与体积比值的条形碳化硅炉用加热元件。

Description

碳化硅加热元件

传统上，碳化硅加热元件被制成直径通常在3毫米和110毫米之间的实心棒或圆柱形管。还有可能是其它截面形状，例如正方形或矩形管，但是并未被普遍使用。

由于比实心元件使用更少的碳化硅，因此制造具有管状截面的元件更经济，并且在工业用炉中使用的绝大多数碳化硅元件的特征在于管状构造。

碳化硅炉用加热元件应该不同于设计用以产生热量快速增加和减少从而点燃可燃材料的电点火器。点火器需要比较小以提供这种快速加热和冷却。炉用加热元件需要提供高温和长时间的电热(例如多年处于一定温度)。由此炉用加热元件和电点火器的设计标准是非常不同的。

各种辐射加热元件的功率利用率是其辐射表面积的函数，并且任何给定元件类型的可输出功率通常表示为每平方厘米该辐射表面上的瓦特数。

对于管状碳化硅元件来说，仅外表面区域被视为有效的辐射表面，这是因为从管的内表面到环境之间没有辐射热传递。

碳化硅是一种相对昂贵的陶瓷材料，特别是对于在制造高温电加热元件过程中所使用等级的碳化硅来说尤其昂贵，因此使用更少的原料将会具有明显的成本效益。

申请人已经意识到若有效辐射表面积与加热元件的横截面积之间的比值增大，那么具有相似横截面积的元件与常规管状或实心元件相比可能会提供附加的功率，或者另一种可选方式是，由更小更轻的元件产生相似的功率，同时使用质量更小的碳化硅。

因此，本发明提供一种条形碳化硅炉用加热元件。

所述加热元件优选是非空心的。

所述加热元件的横截面纵横比优选大于3∶1，更优选大于5∶1，还优选大于10∶1。

术语纵横比意味着所述条的宽度与厚度的比值。

通过下面的示例性描述并结合附图，本发明的其它特征将更加明确，其中：

图1示出了常规管状加热元件的横截面；

图2示出了打开以形成根据本发明的条形元件的管状元件；

图3示出了根据本发明的U形三件式加热元件；

图4示出了根据本发明的U形一件式加热元件；

图5示出了根据本发明的正弦形加热元件；和

图6示出了根据本发明的弯曲的条形元件的横截面。

在图1中，常规管状加热元件1具有直径D和壁厚W。能够辐射的表面积由元件的周长πD所限定。管材的横截面面积接近等于πDW。

在图2中，图中示出管被打开以形成长度为πD和厚度为W的条2。再一次，管材的横截面面积接近等于πDW，但是能够辐射的表面积由元件的周长2π(D+W)给出。打开所述管使辐射表面积有效加倍，同时材料的横截面面积不变。

另外，管1的总面积为πD²/4，而条2的总面积为πDW。因此，所述条与所述管的面积比为4W/D。对于直径为40毫米且壁厚为5毫米的管来说，这将会造成条与管的总面积的比值为0.5。通过减小元件的总面积，可考虑炉壁上更小的孔。

加热部分可以是平的，但是对于许多应用而言，预期加热部分将弯曲一次或多次，特别是弯出所述条的平面，从而适于安装在多种类型的设备中，特别是适于安装在间接电阻炉中。

图3和图4示出了加热部分的一种可能的形状(U形)。在图3中，三件式加热元件包括提供高电阻率热区的结构单一的U形条3，所述U形条与常规形状的低电阻‘冷端’4，5相连接，其中冷端的电阻率低于加热部分的电阻率和/或具有更大的横截面积。终端6，7用于与电源进行电连接。

图4示出了包括结构单一的U形条的一件式加热元件，所述U形条具有限定出高电阻率热区的U形主体8和限定出低电阻冷端9，10和终端11，12的腿部。按照这种方式调整碳化硅以提供具有不同电阻率的区域是一种以公知的技术。

可以设想其它形状的元件，其中一个或者更多的加热部分可成形具有多于一个弯曲部分，以便与要安装所述元件的设备的形状相一致和/或提供与单相或三相电源的便利的连接。例如，能够容易地制造出W形元件。对于三相加热元件而言，三个条可连接在一起以形成星形或其它构造。

在图5中，大体呈U形的元件13包括直腿部14和正弦腿部15，对于给定长度的元件来说，其提供了比由具有两个直腿部的元件所提供的辐射表面更大的辐射表面。

在图6中，条16至少其长度的一部分是弯曲的，而非平直的，以便沿其长度提供附加刚度。在条弯曲形成U形的地方，所述条在弯曲部位优选不是弯的，而仅是直的。

大体上呈U形的碳化硅元件是已公知的，并且以前使用管状或实心圆柱形加热部分进行制造。弯曲部可通过在具有U形形状的铸模中进行铸造例如粉浆浇注(slip casting)而成形，但是粉浆浇注不是优选的，并且是一种成本相对较高的碳化硅加热元件的制造方法。

铸造技术对在制造过程中能够便利地使用的碳化硅材料的颗粒尺寸有所限制，并且在原料需要粗晶粒的情况下，铸造不是一种实用的制造方法。同样，在制造高密度的加热元件时，反应结合的原料等级再一次使得粉浆浇注不是优选的工艺路线，这是因为铸造原料或粉浆中必须含有碳化硅和碳，并且以受控或可重复的方式铸造这些主体不是很容易。

在要求批量生产碳化硅元件的情况下，制造方法优选为挤出成形，在该过程中，碳化硅晶粒或者碳化硅和碳的混合物与粘结剂和增塑剂进行混合，使得它们能够通过适当的塑模或者塑模与销套件而被挤出，其中空心部分是要进行制造的。[有可能存在所述条空心而是有利的应用(需要更少的材料，重量更轻，三件式易于进行粘结，热冲击潜力小)并且本发明预期空心条]。挤出成形是一种精密受控且可重复的工艺，适于批量生产高品质碳化硅电加热元件。

由于挤出原料必须是塑料，为了实施挤出成形，通过在已进行挤出之后，但在干燥和升火(firing)之前进行弯曲或成形，有可能改变挤出原料的形状。对于弯曲或成形通常能够制造出碳化硅元件的常规棒或管已有所考虑，但是在该过程中存在一个主要的缺点：即弯曲成形使得弯曲部的外周的长度加长，且同时缩短了内周的长度。因此，弯曲部外侧的材料受到拉伸，其密度下降，并且表面内侧的材料受到压缩，由此使密度增大或使原料产生折皱。

由于大体上呈薄片状的加热部分，因此横截面的厚度可以相当小，由此使得弯曲部的内外周的长度之间的差最小化，并且由此使得材料密度的变化最小化，防止挤出材料产生扭曲或破裂。有利的是，通过仅弯出所述条的平面(且不是在所述条的平面内进行弯曲)，可使挤出材料产生扭曲或破裂的风险最小化。

为试验目的，申请人已采用挤出成形法制造出具有厚度为5毫米宽度为45毫米(纵横比9∶1)的横截面以及具有厚度为3毫米宽度为36毫米(纵横比12∶1)的横截面的碳化硅加热元件。

一旦成形，所述条形元件可进行各种标准的碳化硅加热元件处理步骤，例如浸渍、上釉、端子的金属化。

在本发明中，提供了一种比常规管状元件具有更高的辐射表面积与体积比值的条形碳化硅加热元件。

Claims (17)

1、一种条形碳化硅炉用加热元件。

2、根据权利要求1所述的炉用加热元件，其中所述元件不是空心的。

3、根据权利要求1或权利要求2所述的炉用加热元件，其中所述截面的纵横比大于3∶1。

4、根据权利要求3所述的炉用加热元件，其中所述截面的纵横比大于5∶1。

5、根据权利要求4所述的炉用加热元件，其中所述截面的纵横比大于10∶1。

6、根据权利要求1-5中任一项所述的炉用加热元件，其中所述元件包括非条形的冷端。

7、根据权利要求1-5中任一项所述的炉用加热元件，其中所述条的一些部分具有更低的电阻率并且形成冷端。

8、根据权利要求1-7中任一项所述的炉用加热元件，其中所述条弯出所述条的平面。

9、根据权利要求1-8中任一项所述的炉用加热元件，其中所述条形元件大体上呈U形。

10、根据权利要求1-9中任一项所述的炉用加热元件，其中所述条的横截面在至少其部分长度上是弯曲的。

11、根据权利要求1-10中任一项所述的炉用加热元件，其中所述加热部分包括再结晶自结合的碳化硅原料。

12、根据权利要求1-10中任一项所述的炉用加热元件，其中所述加热元件包括反应结合或反应烧结的碳化硅。

13、一种制造根据权利要求1-12中任一项所述的炉用加热元件的方法，其中所述条形预制件通过挤出成形进行制造，并且在挤出成形后弯曲成形。

14、根据权利要求13所述的方法，其中所述冷端与加热部分分开进行制造，随后将冷端连接到加热部分上。

15、根据权利要求13所述的方法，其中所述冷端与所述元件一体成形。

16、根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其中所述加热部分进行再结晶，以形成自结合的碳化硅原料。

17、根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其中挤出的预制件的原料使得最终产品中包括反应结合或反应烧结的碳化硅。

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