JP2011522386A - 電気抵抗発熱体 - Google Patents

Abstract

１つ以上の発熱部と２つ以上の低温端部とを有し、２つ以上の低温端部の断面積が、１つ以上の発熱部の断面積と実質的に同じか又はそれよりも小さく、且つ少なくとも１つの低温端部の少なくとも一部が、再結晶炭化ケイ素材料の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する導電膜で被覆された再結晶炭化ケイ素材料の本体を含む、炭化ケイ素発熱体が提供される。

Description

本発明は、電気抵抗発熱体に関し、より詳細には、炭化ケイ素電気発熱体に関する。

炭化ケイ素発熱体は、電気発熱体及び電気炉の分野において周知である。従来の炭化ケイ素発熱体は、炭化ケイ素を主に含み、ケイ素、炭素及び他の成分のいくつかを少量含むことができる。従来、炭化ケイ素発熱体は、固体ロッド、管状ロッド又は螺旋状に切断した管状ロッドの形であるが、ストリップ状発熱体などの他の形も公知である。本発明は、発熱体の特定の形に限定されない。

炭化ケイ素電気発熱体は、「低温端部（cold ends）」及び「発熱部（hot zones）」として一般に知られている部分を含む。それらの部分は、電流に対する相対抵抗によって区別される。単一の発熱部又は１つよりも多い発熱部があり得る（例えば、３相発熱体（例えば、英国特許第８４５４９６号及び英国特許第１２７９４７８号））。

典型的な炭化ケイ素発熱体は、単位長さあたり比較的高い抵抗を有する単一の発熱部と、発熱部のいずれかの端部にある、単位長さあたり比較的低い抵抗を有する低温端部とを有する。これは、電流が発熱体を通るとき、発熱部から大部分の熱を生じさせることになる。「低温端部」は、比較的低い抵抗のため、より少ない熱を生じ、炉中の発熱体を支持するため、及び電気エネルギーを発熱部に供給する電源（electrical supply）に接続するために使用される。

特許請求の範囲及び下記の記載において、「炭化ケイ素発熱体」という用語は、炭化ケイ素を主に含み、且つ１つ以上の発熱部及び２つ以上の低温端部を含む本体を意味するとみなされるべきである（文脈が他の意味を要求する場合を除く）。

しばしば、低温端部は、電源との良好な電気接続を補助するために、発熱部から離れた金属化末端部分を含む。従来、低温端部に対する電気接続は、末端部の外周の周りをステンレス鋼クランプ又はクリップによって圧縮して保持した平坦なアルミニウムブレード（aluminium braid）によるものである。使用中の低温端部は、低温端部が発熱部を接続している場所における発熱部の使用温度から、末端部における室温近くまで、その長さに沿って温度勾配を有する。

最先の発熱体デザインの１つは、低温端部が発熱部と同じ材料から作製されているが、発熱部よりも大きな断面積を有する、ダンベル型発熱体の形であった。典型的に、このような発熱体に関して、低温端部と発熱部との単位長さあたりの電気抵抗比は約３：１であった。

他のアプローチは、事実上、ダンベル型発熱体を単一又は二重の螺旋状に包むことである。このような形状は、管状ロッド部分を螺旋状に切断することによって得られる。この種の典型的なロッドは、Ｃｒｕｓｉｌｉｔｅ（登録商標）タイプＸ発熱体、及びＧｌｏｂａｒ（登録商標）ＳＧ（単一螺旋状発熱体）又はＳＲ（二重螺旋状発熱体）ロッドである。

他のアプローチは、低抵抗材料を用いて低温端部を形成すると共に、高抵抗材料を用いて発熱部を形成することである。低抵抗材料を製造する公知の方法は、ケイ素処理（siliconising）として知られる方法によって、炭化ケイ素本体の末端の細孔構造を金属ケイ素で含浸することによるものを含む。

英国特許第５１３７２８号（カーボランダムカンパニー（Carborundum Company））は、結合部で炭素質セメントを適用することによって異なる抵抗率の材料を結合し、低温端部中の過剰のケイ素が、低温端部と発熱部との間の結合部に浸透するように加熱し、それにより、セメント中の炭素と反応させて炭化ケイ素結合を形成する接続技術を開示した。これらの方法によると、低温端部と発熱部との単位長さあたりの電気抵抗比は、約１５：１まで増大させることができる。

特開２００５−１４９９７３号公報（東海高熱工業株式会社）は、低温端部から発熱部へのケイ素の移動において問われた問題を議論し、低温端部の材料に二ケイ化モリブデンを添加して、この移動を防止し、低温端部／発熱部の接合部分での強度を改善することを開示した。５つの部分の構造が明らかにされ、その中で、再結晶炭化ケイ素の発熱部は、ＭｏＳｉ₂／ＳｉＣ複合材料及びその次にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料によって囲われる。この配置は、結果として、低温端部の抵抗率を低下させ、効率を改善した。

かかる技術は、増大した電気抵抗比を与えたものの、原材料のコストの増大、及び材料における多数の結合の複雑さが、高コストをもたらす。

地球温暖化に関する環境問題の増大、及びエネルギー価格の増大のために、電気加熱炉を利用する多くのエネルギー集約型産業は、コスト効率的手段（cost effective means）によって、それらのエネルギー使用量を低減する必要がある。

過度の熱損失を防止するために炉の断熱を改善することなどの改善は、エネルギー消費を低減するのに主要な役割を果たしてきた。しかしながら、コスト効率的手段において発熱体のエネルギー効率を改善することはほとんど行われてきていない。出願人は、抵抗比においてコストの効率的な増大を個別に又は組み合わせで与え、したがってエネルギー使用を低減する多くのアプローチを調査してきた。

第１のアプローチにおいて、本出願人は、β−炭化ケイ素とα−炭化ケイ素との間の導電率の違いを用いて低温端部の材料の抵抗率を低下させることができ、低温端部の単位あたりの抵抗の低下、及びその結果として消費電力の低減をもたらすという認識に基づいて上記の問題を軽減することに目を向けた。

多くの多形相の炭化ケイ素のうち、発熱体の低温端部の特性に影響を与える興味深い２つが、六方晶系構造を有するα−炭化ケイ素（ＳｉＣ ６Ｈ）及び面心立方構造を有するβ−炭化ケイ素（ＳｉＣ ３Ｃ）である。

バウマン（Baumann)は、「α−炭化ケイ素とβ−炭化ケイ素との関係（The Relationship of Alpha and Beta Silicon Carbide）」、ジャーナル・オブ・ザ・エレクトロケミカル・ソサエティー（Journal of the Electrochemical Society）、１９５２ ＩＳＳＮ：００１３−４６５１において、炭化ケイ素の形成について議論し、第１（すなわち、最初に形成される）炭化ケイ素が、調査された全ての温度でβ−炭化ケイ素であると言及した。

しかしながら、バウマンは、
「β−ＳｉＣは、２１００℃でゆっくりとα−ＳｉＣに単変的に（monotropically）に変形し始める。それは、２４００℃で急速且つ完全にα型に変化する」と言及した。

窒素は、電気抵抗率を低減する効果を有する炭化ケイ素中のドーパントとして作用することが知られている。

２つの多型炭化ケイ素からなる一般に製造された発熱体材料の典型的な電気抵抗率を下記のテーブル１にまとめる。テーブル１は、β−炭化ケイ素が、α−炭化ケイ素よりも非常に低い電気抵抗率を有することを示す。

典型的な発熱部は、開放気孔率をもつ緻密な（compact）自己結合炭化ケイ素マトリックスであるという特徴を有する再結晶炭化ケイ素か、再結晶化された、より高密度の反応結合材料（reaction bonded material）のいずれかから形成される。このような材料は、ほとんど全てがα−炭化ケイ素であり、ケイ素含浸材料と比べて、比較的低い熱伝導性及び比較的低い電気伝導性を有する。

これらの抵抗値は、商用に製造された材料（典型的に、再結晶α−炭化ケイ素ロッド又はチューブ、及び炭素チューブと二酸化ケイ素及びコークス粉末混合物との反応によって炭素の炭化ケイ素への低温変換によって製造された単一のβ−炭化ケイ素チューブ）用のものである［ＣＲＵＳＩＬＩＴＥ（登録商標）発熱体］。

低温端部をケイ素処理するのに伝統的に用いられる高温焼成温度は、存在するケイ素及び炭素から高比率のα−炭化ケイ素の形成を主にもたらす。

α−炭化ケイ素は、２１００℃を超える温度で形成し始めるけれども、ケイ素処理温度を低下させることで、α−炭化ケイ素よりもβ−炭化ケイ素を促進するであろうと想定できる。しかしながら、原材料（green material）の十分な浸透及び変換を達成するためには、金属ケイ素及び炭化ケイ素の表面上に存在する二酸化ケイ素を除去しなければならない。これを行うために、２１５０℃を超える温度が要求される。１９００℃〜２０００℃前後のケイ素処理温度での試験は、ケイ素による原材料の浸透が乏しく、低機械的強度、未反応炭素及び高抵抗を与える第２炭化ケイ素の収率を低下させる。このような温度での処理は、二酸化ケイ素が除去されないために、不十分に反応した生成物を与える。出願人は、β−炭化ケイ素の形成を促進し、そしてこの分野で前に知られた炭化ケイ素発熱体用材料よりも低抵抗率の（上記のテーブル１で記載した従来のβ−炭化ケイ素発熱体よりもさらに低い）炭化ケイ素発熱体用材料を製造する手段を見出した。

したがって、このアプローチにおいて、１つ以上の発熱部と２つ以上の低温端部とを有し、発熱部が低温端部からの材料を含有する異なる炭化ケイ素を含み、低温端部の材料中の炭化ケイ素は、十分なβ−炭化ケイ素を含み、その材料は６００℃で０．００２Ω・ｃｍ未満及び１０００℃で０．００１５Ω・ｃｍ未満の電気抵抗率を有する炭化ケイ素発熱体が提供される。

６００℃で０．００１３５Ω・ｃｍ未満の典型的な値が容易に達成され得る。

任意に、このアプローチでは（別々に又は組み合わせて）
・低温端部の材料の炭化ケイ素は、α−炭化ケイ素及びβ−炭化ケイ素を含んでもよく、
・β−炭化ケイ素の体積分率は、α−炭化ケイ素の体積分率より大きくてもよく、
・β−炭化ケイ素の体積分率とα−炭化ケイ素の体積分率との比は３：２より大きくてもよく、
・低温端部の材料は、４５体積％を超えるβ−炭化ケイ素を含んでもよく、
・炭化ケイ素の合計量は、７０体積％よりも大きく、実際には７５％を超えてもよく、
・低温端部の材料は、
ＳｉＣ ７０〜９５体積％
Ｓｉ ５〜２５体積％
Ｃ ０〜１０体積％
を含み、ＳｉＣ＋Ｓｉ＋Ｃが材料の９５％超過を構成してもよく、
・発熱部の材料の電気抵抗率と低温端部の材料の電気抵抗率との比は４０：１より大きくてもよい。

このような発熱体を形成するために、炭化ケイ素と炭素及び／又は炭素前駆物質とを含む炭素質炭化ケイ素本体を、炭素及び／又は炭素前駆物質から生じる炭素とケイ素が反応してα−炭化ケイ素よりも優先的にβ−炭化ケイ素を形成し得るのに十分な制御された反応温度で、低温端部中のβ−炭化ケイ素の量が、６００℃で０．００２Ω・ｃｍ及び１０００℃で０．００１５Ω・ｃｍの電気抵抗率を材料が有するのに十分であるような十分な暴露時間の間、ケイ素に曝す工程を含む方法が提供される。

さらに、温度制御と共に、反応パラメータが、以下のプロセス変数の１つ以上を制御することによってα−炭化ケイ素よりも優先的にβ−炭化ケイ素の形成を促進するために制御される。
・ケイ素の粒径
・原材料の純度水準
・反応温度に対するランプ速度

下記で詳しく議論されるような温度超過をもたらし得る、ケイ素と炭素との間の発熱反応の効果を制限するために、これらの変数が制御され得る。

ケイ素処理温度でα−炭化ケイ素の形成を抑制し、且つ低温端部のバルク材料中のβ−炭化ケイ素の割合を増大させることにより、電気伝導性を増大させ得る。

ケイ素処理中の雰囲気は、重要なプロセス変数であり、窒素雰囲気が好ましいことに留意すべきである。真空下でのケイ素処理は可能であるが、窒素ドーパントの非存在（いくつかの他の形で供給されない限り）は、高抵抗率のβ−炭化ケイ素を生じさせる。

このアプローチによって製造される低温端部で既存の発熱体の低温端部を置換することにより、発熱部と低温端部との電気抵抗比の増大が達成され得る。

さらに、従来の発熱体の発熱部と低温端部との電気抵抗比が許容されるなら、このアプローチによって製造された低温端部の使用は、低抵抗の発熱部の使用を可能にし、いくつかの用途において有用であり得る発熱体の全体抵抗（overall resistance)の低下をもたらす。

さらに、このアプローチによって製造された低温端部の使用は、低抵抗率の発熱部の使用を可能にするので、従来の発熱体と比較して所定の全体抵抗で長い発熱体を作ることを可能にする。

低低効率の低温端部材料の使用は、熱的に有益な変化を可能にし、低温端部の伝統的な形状に作製されるであろう。改善された材料の抵抗率は従来の材料よりも非常に小さいが、発熱部の材料の電気抵抗率と低温端部の材料の電気抵抗率との比が許容されるよう（例えば、３０：１）に保持しつつ、低温端部の断面積を低下させること（例えば、５０％以下に）ができる。標準的な外側寸法の低温端部をもつ発熱体の肉厚は、熱移動の間接的低減のために薄くすることができる。

しかしながら、より小さな外側寸法の低温端部を用いることによって断面積を低減することは、穴（hole）中の炉リード（furnace lead）が、より小さな寸法に接続されることを可能にすることで、熱損失の低減をもたらすであろう。このような低減された外側寸法の低温端部は、断熱スリーブを提供することができる。この方法における断熱は、熱損失を低減するので、低温端部の温度を高めるであろう。炭化ケイ素は、温度を高めつつ電気伝導性を増大させるので、これはまた、非断熱低温端部よりも低く低温端部の抵抗を保持するのに役立つであろう。

第２のアプローチにおいて、本発明の主題は、１つ以上の発熱部と２つ以上の低温端部とを有し、
・２つ以上の低温端部の断面積が、１つ以上の発熱部の断面積と実質的に同じか又はそれよりも小さく、且つ
・少なくとも１つの低温端部の少なくとも一部が、再結晶炭化ケイ素材料の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する導電膜で被覆された再結晶炭化ケイ素材料の本体を含む、
炭化ケイ素発熱体が提供される。

この態様において、出願人は、低温端部材料の熱伝導性が、熱損失及びそれ故にエネルギー消費を決定する重要な因子であることに気付いた。［伝統的な金属含浸炭化ケイ素低温端部よりも低い熱伝導率を有する］再結晶炭化ケイ素材料の低温端部を製造することにより、低温端部を介した熱損失が低減され得る。伝統的に、再結晶炭化ケイ素材料は、非常に低い電気伝導性を有する低温端部材料としては用いられないであろう。低温端部に対する低電気抵抗率の膜は、良好な電気路を与えるので、高電気導電性及び低熱伝導性の両方を可能にする。典型的な発熱体断面（約２０ｍｍ）に対して薄い膜（例えば、０．２〜０．２５ｍｍ）は、熱損失用の小さな路及びそれ故に低熱移動を与えつつ、適切な電気伝導性を与える。膜は、例えば、０．５ｍｍ未満の厚さを有することができるが、いくつかの用途においては、それよりも大きくすることが可能である。膜厚は、例えば、発熱体の直径の５％未満又は２％未満であることができるが、いくつかの用途においては、それよりも大きくすることが可能である。好ましくは、自己結合（self bonded）再結晶炭化ケイ素材料が使用される。その理由は、その気孔率が反応結合材料よりも低い熱伝導性を与えるためである。

発明者は、発熱体の使用温度が、低温端部の被覆された部分の使用温度に制限することによって妥協されることにさらに気付き、そして、発熱体のハイブリッド構造を考え出し、それにより低温端部の被覆部分が、再結晶炭化ケイ素材料の電気抵抗率よりも小さな電気抵抗率の材料部分の挿入によって発熱部から離れる。この低電気抵抗率の材料は、従来の低温端部材料であることができる（例えば、ケイ素含浸炭化ケイ素）。低電気抵抗率の材料部分は、発熱体と一体となっていても、反応結合（reaction-bonding）又は他の技法を用いて発熱体に接続されていてもよい。低温端部材料のこの部分の長さは、低温端部の全長、炉の使用温度、並びに装置の熱ライニング（thermal lining）の厚さ及び断熱特性によって変えることができる。

第３のアプローチにおいて、１つ以上の発熱部と２つ以上の低温端部とを有し、１つ以上の低温端部が、それに結合された１つ以上の柔軟性金属導体を有する炭化ケイ素発熱体が提供される。（この文脈において、「結合された」という用語は、単一体を形成するために接続されていることを意味すると考えるべきであり、限定されるわけではないが、溶接、ろう付け、半田付け、拡散接合、及び接着などの技法を含む。）

上記の３つの態様は、個別に又はこれらの任意の組み合わせで使用され、以下のことを可能にする。
・発熱部全体と低温端部全体との単位長さあたりの電気抵抗の高い比率を有し、結果として生じるエネルギー必要量の低減をもつ発熱体の製造
・発熱部全体と低温端部全体との単位長さあたりの電気抵抗のより正常な比率を有する（例えば、４０：１よりも小さい）が、全体の発熱体抵抗を低減する発熱体の製造
・発熱部全体と低温端部全体との単位長さあたりの電気抵抗のより正常な比率を有する（例えば、４０：１よりも小さい）が、全体の発熱体抵抗を保持しつつ長さを増大する発熱体の製造
・低温端部からの熱損失が少ない発熱体の製造

本発明の範囲は、特許請求の範囲、及び添付の図面を参照してなされる以下の具体的な説明から明らかになるであろう。

発熱体の製造方法を示すフローチャートである。 各種粒径及び一定のアルミニウム含有量のケイ素から製造された材料についての低効率対温度のプロットである。 異なる速度で管状炉を通過させることによって形成された一定の粒径及び一定のアルミニウム含有量のケイ素から製造された材料についての低効率対温度のプロットである。 本開示の１つのアプローチにより処理されたサンプルの後方散乱走査電子顕微鏡写真である。 本開示の１つのアプローチにより処理されたサンプルの後方散乱走査電子顕微鏡写真である。 低温端部材料上の膜の程度を描写する発熱体の略図である。 低温端部材料上の膜の程度を描写する発熱体の略図である。 低温端部材料の形成中の焼成工程を説明する概念図である。 低温端部材料の形成中の焼成工程を説明する概念図である。 低温端部材料の形成中の焼成工程を説明する概念図である。 異なる構造の低温端部をもつ発熱体の略図である。 異なる構造の低温端部をもつ発熱体の略図である。 特許請求された発熱体の略図である。 いくつかの発熱体に対する内部の温度を示す図である。

図５ａは、異なる材料の発熱部及び低温端部の間の接合によって形成される、発熱部／低温端部の接合部分４で接触する発熱部２及び低温端部３を含む従来のロッド型発熱体を概略的に示す。

典型的な製造方法は、発熱部２及び低温端部３を別個に形成し、その後それらを一緒に接合又は溶接して発熱体を形成する。しかしながら、これは、螺旋状に切断されたチューブなどの一個の（one piece）本体を形成することを含む、当該技術分野において使用されている公知の他の伝統的な方法を妨げない。本発明では、比較低高抵抗で発熱部を保持することが望まれるので、発熱部に適用される特別な処理は要求されない。しかしながら、発熱体に光沢（glaze）を形成するなどの公知の処理は除外されない。炭化ケイ素系材料を用いて発熱部を製造する当該技術分野において公知の如何なる方法も適用可能である。適切な材料は、再結晶炭化ケイ素である。「再結晶」という用語は、形成後に、材料が高温（典型的に２４００℃超過、例えば２５００℃）に加熱され、α−炭化ケイ素を主に含む自己結合構造を形成することを意味する。発熱部の典型的な低効率の値は、０．０７Ω・ｃｍ〜０．０８Ω・ｃｍの範囲にある。

図１は、３個の溶接された発熱体の製造に使用する典型的な方法の概要を示す。低温端部の製造に関して、様々な粒径及び純度の所定量の炭化ケイ素粉末と、炭素及び／又は炭素源（例えば、木粉、もみ殻、小麦粉、クルミ殻粉、又はあらゆる他の適切な炭素源）とを、バインダー（例えば、セルロース系バインダー）と共に、適切なミキサー（例えば、ホバート（Hovart）ミキサー（登録商標））中で、押出成形のための所望のレオロジーまで混合する。

低温端部材料のために使用される混合物の典型的な処方をテーブル２に示す。

小麦粉及び木粉は、炭素源を与えると共に、材料中に気孔を導入する。３６／７０ Ｓｉｋａ及びＦ８０ Ｓｉｋａは、商業的に利用可能な炭化ケイ素材料（Ｓａｉｎｔ Ｇｏｂａｉｎから供給されるが、他の商業的に同等のグレードのものも使用することができる）であり、α−炭化ケイ素を主に含む。３６／７０ Ｓｉｋａは、微量の不純物を含有する炭化ケイ素（黒）である。Ｆ８０ Ｓｉｋａは、炭化ケイ素（緑）であり、炭化ケイ素（黒）よりも少ない不純物を含有する。Ｍａｇｎａｆｌｏｃ（登録商標）は、商業的に利用可能なアニオン性アクリルアミド共重合体系バインダー材料であり、ブラッドフォードのＣＩＢＡ（ＷＴ）によって製造されたものである。処方は、このレシピに限定されず、炭化ケイ素、当該技術分野において公知の他の炭素源及びバインダーを含む他のレシピを使用することができる。しかしながら、本アプローチを説明するために、テーブル２に示されたレシピが全ての調査を通して使用される。

混合物は所望の形状に押出成形されるが、適切な場合には、他の成形技法（例えば、加圧成形又は圧延）を使用してもよい。従来の発熱体の形状は、ロッド又はチューブを含む。押出成形を行ったら、成形した混合物を乾燥して水分を除去し、次に、か焼して小麦粉及び木粉の炭素前駆物質を、バルク材料中に気孔を導入するように炭化することができる。典型的に、気孔率は４０％よりも高く、嵩密度を１．３〜１．５ｇ・ｃｍ^-3の範囲にする。次に、か焼された材料は、所望の形状に切断される。結合された発熱体のため、か焼された低温端部材料から製造された栓を、樹脂、炭化ケイ素及び炭素の混合物を含むセメントによって一端に取り付けてもよい。栓は、発熱部材料上に取り付けるための低温端部材料を準備する。（栓を使用することは必要でなく、栓なしに溶接を行うことができる。しかしながら、栓は接合部の機械的強度を強化する。）

低温端部の調製の最終段階はケイ素処理である。これは、ケイ素と存在する炭素との反応、及びか焼された材料の気孔への溶融ケイ素の浸透を含む。取り付けられた栓と共に、か焼されたバー（bar）は、ボート内に配置され、制御された量の金属ケイ素、植物油及び黒鉛粉末（典型的に１００：３：４の比である）の混合物を用いて変換される。要求されるケイ素の量は、か焼されたバーの気孔率に依存し、気孔率が低いと、少ないケイ素が要求される。典型的な量は、か焼されたバーの重量の１．４〜２倍（例えば、１．６倍）である。

典型的に、黒鉛ボートは、ケイ素処理工程のために使用される。金属ケイ素の純度は、ケイ素処理工程を妨げるあらゆる不純物を抑制する観点から重要である。粒径及び純度に応じて、様々な市販の金属ケイ素を使用することができる。金属ケイ素に含まれる典型的な不純物は、アルミニウム、カルシウム及び鉄である。

次に、か焼されたバー及びケイ素／炭素混合物を含有するボートは、保護雰囲気（例えば、流動窒素）下、２１５０℃を超える温度に炉中で加熱される。保護雰囲気は、炉構成材や、か焼された材料及びケイ素混合物の高温での望ましくない酸化を制限する。窒素含有雰囲気は、窒素が、形成される炭化ケイ素のドーパントとして作用するので望ましい。この温度で、金属ケイ素は溶融し、か焼された材料の気孔構造に浸透し、これにより、いくつかのケイ素が本体中の炭素と反応して第２炭化ケイ素を形成し、残りのケイ素が気孔構造を充填して、ほぼ完全にぎっしり詰まった（almost fully dense）ケイ素−炭化ケイ素複合体を与える。

ケイ素処理工程の間、金属ケイ素はまた、栓とバルク材料との間の接合部に浸透し、セメント材料中の過剰の炭素と反応し、栓をもつ高温反応結合接合部を形成する。

発熱部は、類似の混合、形成（押出成形）、及び乾燥工程によって製造されるが、必ずしも低温端部と同じ混合物から製造されるわけではなく（発熱部にはケイ素処理のための気孔率は要求されない）、次いで再結晶化される。このアプローチのために、適切な抵抗のあらゆる発熱部材料を使用することができ、適切な再結晶α−炭化ケイ素本体が商業的に利用可能である。

次に、発熱部は、発熱体を仕上げる同じセメント材料を用いて低温端部（すなわち、栓の他端）に取り付けられ得る。次に、取り付けられた発熱部分（portion）を含む発熱体は、発熱部を栓に反応結合するのに十分な温度に再焼成される。典型的な温度は、β−ＳｉＣがα−ＳｉＣに変換する温度未満である１９００℃〜２０００℃の間である。任意に、本体の下方に化学的保護を与えるために、光沢（glaze）又はコーティングを発熱体に適用することができる。

上記の通り、栓を使用することなく低温端部に発熱部を固定するための他の方法を使用してもよい。

要求されるなら、発熱体に光沢仕上げが適用されてもよい。

従来、末端近くの低温端部の表面は、次に、金属化工程のために、例えば、サンドブラストによって平滑表面を与えるように下処理がなされる。金属化膜（metallisation coating）は、取り付けられた様々な電気接点を過熱から保護するように、低電気抵抗の領域を与える。アルミニウム金属などの金属化層は、吹き付け、又は当該技術分野において公知の他の手段により、末端で低温端部の一部の表面に適用される。次に、電源に対する十分な電気接続性を与えるために、接触ストラップ（contact strap)を金属化領域上に取り付ける。金属化工程の更なる詳細は、以下で議論される。

本発明者は、シリコン段階の条件中の反応パラメータを制御することが、α−炭化ケイ素よりもβ−炭化ケイ素の形成を促進することを引き起こすことを見出した。反応速度は、ケイ素の粒径、不純物、及びケイ素処理段階中の反応時間などのプロセスパラメータを制御することによって制御される。ケイ素処理温度でα−炭化ケイ素の形成を抑制し、且つ低温端部のバルク材料中のβ−炭化ケイ素の割合を高めることにより、抵抗率が低下し、その結果として発熱体の改善された抵抗比をもたらす。低温端部のバルク材料の電気抵抗を低下させるのにそれぞれ寄与する多くの工程変更が本出願人によって用いられた。これらの効果を組み合わせることにより、低温端部の全体的な電気抵抗を実質的に低下させることができる。以下は、低温端部材料の電気抵抗を低下させるために、本出願人によって調査されたプロセスパラメータを示す。

低温端部材料の製造において、各種程度のアルミニウム純度を有する様々な市販の金属ケイ素が用いられた。テーブル３は、使用した様々な市販の金属ケイ素を示す。

アルミニウム含有量による抵抗率の変動が見つかったが、それは、金属ケイ素の粒径がより大きな効果を有することを明らかにした。０．２１％のアルミニウム含有量及び０．５〜６．０ｍｍの範囲の粒径を有するグレイスターＬＬＣ供給の材料を用いて作製した試料が最小の抵抗率を示したので、このアルミニウム含有量を後の全ての試験で用いた。

低温端部材料の抵抗率に対する粒径の効果を他のパラメータから分離するために、ケイ素処理手順中に、０．２１％の一定のアルミニウム含有量を有する（先の調査で規定された）が、粒径を変化させた金属ケイ素を用いた試験が行われた（テーブル４参照）。図３は、様々な粒径をもつケイ素を用いて製造された低温端部についての温度による電気抵抗率の変動を示す。全ての試料は、２１８０℃の一定温度、及び約２．５４ｃｍ／分（１インチ／分）の一定炉押出速度（furnace push rate）で黒鉛チューブ炉内において処理された。グラフは、ケイ素の粒径と低温端部材料の抵抗率との間に関係があることを示す。０．５ｍｍよりも小さな粒径は、工程に害を及ぼすと考えられるが、下記で議論するように、より小さな粒径は、製造条件に対する適切な変化で許容され得る。

ケイ素の粒径を増大させることは、α−炭化ケイ素の形成条件が有益でないようにケイ素と炭素の反応速度を低下させる傾向にある。その結果、β−炭化ケイ素が優先的に形成される。もちろん、ケイ素の粒径があまりにも大きすぎると、ケイ素処理される物の被覆率が不十分となり、製造される発熱体が不均一になり得る。０．５ｍｍの最小粒径が好ましいが、図２からわかるように、より小さな値は許容され得る。

反応パラメータに影響を及ぼし、それにより低温端部の抵抗率に影響を及ぼす他の制御パラメータは、反応温度、温度に対するランプ速度、及び反応温度での滞留時間である。

β−炭化ケイ素は、約２１００℃でα−炭化ケイ素のみに変換し始めるので、反応温度を低下させることにより、より一層β−炭化ケイ素が優先的に形成されると思われる。１９００℃〜２１８０℃の範囲の温度で、約４．５７ｃｍ／分（１．８インチ／分）及び約２．５４ｃｍ／分（１インチ／分）の押出速度でトンネル炉内に導入された低温端部材料をケイ素処理することは、低温端部材料の抵抗率と炉温度との間に明確な関係がないことを明らかにした。大半の場合において、２１８０℃の最大炉温度で最小抵抗率値が達成されたが、以下で示す理由のために、これは、生成物が経験した最大温度である必要がない。１９００℃のような比較的低い温度で、ケイ素処理は不完全であり、残りの材料の領域が未反応であることがわかった。

ケイ素と炭素との反応を可能にするために、２１５０℃を超える温度が望ましいと思われる。これは、大気圧で、酸化ケイ素が、低温で蒸発せず、ケイ素移動に対するバリアとして作用するという事実のためであると思われる。また、酸化ケイ素と炭素との間のあらゆる反応は、このような温度でのみ起こるであろう。酸化ケイ素の蒸発は真空において低温で起こるために、真空下でのケイ素処理は、より低温（例えば、１７００℃）で起こる反応を許容することがわかる。しかしながら、出願人は、真空中での処理を実行不可能にする低温端部の抵抗率を最適化するためには、ドーパントとして窒素が必要であると考える。窒素の分圧は、生成物の抵抗率を低下させることが示された。

しかしながら、２１５０℃を超える温度で、α−炭化ケイ素が形成される。

反応が行われる場合、金属ケイ素と炭素との間の反応は発熱である。発熱は、炭素質炭化ケイ素及びケイ素を保持するキャリアボート（carrier boat）内で局所的温度増大をもたらす。α−炭化ケイ素はβ−炭化ケイ素よりも高温で安定であるので、出願人は、局所的温度増大が、β−炭化ケイ素よりも優先してα−炭化ケイ素が形成されることをもたらすと考える。発熱の効果を制御することにより、α−炭化ケイ素へのβ−炭化ケイ素の変換をある程度抑制することができる。

発熱の効果は、温度に対するランプ速度（例えば、チューブ炉において、炉を通る押出速度を制御することによって）制御することができる。図６ａは、最大温度に対する一定のランプ速度、温度での平坦域（plateau）、及び一定の冷却速度をもつ温度プロファイルを有する、黒鉛チューブ炉内での典型的なケイ素処理工程中に何が起きているのかを温度／時間図として概念的に示す。ケイ素処理用の物を含有するキャリアボートは炉を通過するので、それは、温度５に対するランプ速度、平坦温度（plateau temperature）６、及び温度から低下する冷却速度７により表される実線のプロファイルを有する炉環境を経験する。ボートにより運ばれる物の温度は、ケイ素が炭素と反応し始めるまで炉の温度プロファイルに従う。この反応の発熱特性は、炉環境における温度よりも高い局所的温度を物が経験するであろうことを意味する。これは、矢印１０として示される発熱に起因する温度増大をもつ最大温度９を示す点線８によって示される。

図６ｂは、同じチューブ炉だが、炉を通るキャリアボートの押出速度が遅いものについての温度を示す。最初の熱サイクル中の物の温度増大の速度は遅いが、これは、酸化ケイ素が蒸発し始めるときに重大（critical）になるだけである。この期間中、酸化ケイ素蒸発の制御された展開（evolution）が、物へのケイ素の急速な浸透に対する制限として作用する。これは、局所的温度増大を制限する、炭素とケイ素との発熱反応を効率的に制御する。さらに、温度の遅い上昇は、発熱により生じた熱を逃がすのに長い時間を与えるので、局所的温度増大を制限する。局所的温度増大に対するこれらの制限は、α−炭化ケイ素へのβ−炭化ケイ素の変換を低減するので、焼成材料中で、α−炭化ケイ素に対するβ−炭化ケイ素の比を高くさせる。

押出速度を遅くする他の結果は、温度から下がるランプに時間がかかり、及び平坦域での時間が長いことである点に気付くであろう。これは、より完全な物のケイ素処理を容易にするので、β−炭化ケイ素の収量を増大させることができる。もちろん最大温度（もし、２１００℃超過なら）であまりにも長すぎると、α−炭化ケイ素へのβ−炭化ケイ素の変換をもたらし始めるので、使用する実際の時間及び温度プロファイルは変わるかもしれない。これらの時間は、図６に概略的に示された様々な温度プロファイルを有するチューブ炉を用いることによって変えることができ、その中で、図６ｂにおける遅いランプ上昇速度（ramp up rate）５は、図６ａにおける早いランプ下降速度（ramp down rate）７と組み合わされる。

上記において、チューブ炉に対して言及がなされている。同様の温度プロファイルが、温度及び雰囲気の適切な制御を備えた、バッチモード又は連続モードで操作する他の炉において得られることができることが明らかであろう。さらに、より複雑なプロファイルが採用され得る（例えば、第１の温度に対するランプ速度、その温度での保持（dwell）は、生じるケイ素処理の大部分を許容し、次に第２の温度への変化は、生じるケイ素処理のバランスを許容する。）。

反応時間の効果を調査するために、黒鉛チューブ炉が使用された。使用される炉は、約２０．３ｃｍ（８インチ）直径×約１５２．４ｃｍ（６０インチ）長の内部寸法を有していた。炉を通る押出速度を変えることにより、反応温度での期間を変えることができ、それにより反応速度を制御する。早い押出速度は反応時間を短くする一方、遅い押出速度は反応時間を長くする。しかしながら、これは、様々な反応温度及び反応時間を与え得ることが可能な、当該技術分野において公知の使用されている他の炉を妨げない。

これらの因子を考慮に入れ、本出願人は、２１８０℃という一定の炉温度で、約１．２７ｃｍ／分（０．５インチ／分）〜約４．５７ｃｍ／分（１．８インチ／分）の範囲の様々な押出速度においてケイ素処理した低温端部材料の抵抗率を調査した。これらの調査において、グレイスター（登録商標）金属ケイ素（上記のテーブル３で示されたような）が使用され、約１．２７ｃｍ／分（０．５インチ／分）の押出速度についての最小抵抗率が得られた。図３は、様々な押出速度でケイ素処理したときの低温端部材料の抵抗率対温度のプロットを示す。約２．５４ｃｍ／分（１インチ／分）から約１．２７ｃｍ／分（０．５インチ／分）に押出速度を遅くすることによって達成される抵抗率の低下は、約３．８１ｃｍ／分（１．５インチ／分）から約２．５４ｃｍ／分（１インチ／分）まで押出速度を低下させた場合のものに比べて少なかった。約１．２７ｃｍ／分（０．５インチ／分）の押出速度は、抵抗率の最も大きな低下を示したが、かかる押出速度は製造能力を制限するかもしれない。したがって、反応温度での期間と要求生産量との間の歩み寄りがなされ得る。使用された特定の炉に関しては、約２．５４ｃｍ／分（１インチ／分）の押出速度が最適であると考えられた。

（実施例１）
この実施例は、直径が２０ｍｍであり、発熱部長さ２５０ｍｍ、低温端部長さ４５０ｍｍ、及び抵抗１．４４オームをもつ、市販の発熱体タイプＧｌｏｂｅｒ ＳＤに類似の構造の発熱体を作製することを目指した。

テーブル２に示されるレシピに従って低温端部混合物を作製し（混合物Ａ）、チューブに押出成形した。か焼後、ロッドを約４５０ｍｍの長さに切断し、炭化ケイ素、樹脂及び炭素を含むセメントを適用することによって低温端部材料に栓を取り付けた。次に、栓と共にチューブを、ケイ素化段階用の黒鉛ボート内に配置し、所定量の金属ケイ素及び炭素のブランケットで被覆した。次に、上記のプロセス工程を用いて低温端部材料をケイ素化した。これらは：
ケイ素の粒径分布が０．６〜６．０ｍｍであり、
炉押出速度が約２．５４ｃｍ／分（１インチ／分）に設定され、
ケイ素のアルミニウム含有量が０．２１％であった。

低温端部材料は、２１８０℃の温度でケイ素化処理した。ケイ素化段階後、セメントを用いて低温端部の栓上に発熱部を取り付けた。発熱部のいずれかの端に低温端部を取り付けた。発熱部は、カンタル（Kanthal）から商業的に利用可能であり、且つ混合物Ｂとして特定される、長さ２５０ｍｍの再結晶Ｇｌｏｂａｒ ＳＤ発熱部材料であった。次に、低温端部と発熱部との組み合わせを、１９００℃〜２０００℃の間の温度に炉内で焼成し、栓を取り付けた（spigotted）低温端部に発熱部を反応結合させた。

上記で議論した最適化されたプロセスパラメータを用いることにより、低温端部の抵抗率が、従来の低温端部についての０．０３Ω・ｃｍから６００℃で０．０１２Ω・ｃｍに低下した。これは、オームの法則によると、６６％の消散電力（dissipated power）の低下を表す。単位長さあたりの発熱部と単位長さあたりの低温端部との抵抗の比に関して、上記の方法は、商業的に利用可能な標準的な材料の３０：１と比較して、６０：１の比をもたらした。

本アプローチに起因するエネルギー効率を測定するために、形成された発熱体を単純なレンガ張りされた炉（brick lined furnace）に取り付け、１２５０℃の炉温度を保持するために要求される電力を測定し、厳密に同じ寸法及び抵抗の（唯一の違いは、上記したように低温端部の抵抗率である）、カンタルから商業的に利用可能な標準的なＧｌｏｂａｒ発熱体に対して比較した。

標準的な発熱体から消費された電力は１２８６Ｗであったが、本アプローチによる材料を用いたものは、わずか１１６０Ｗの電力が消費された。これは、１２６Ｗ、即ち９．８％の省電力を表す。

（実施例２）
本アプローチの利点の更なる説明として、実施例１で記載された方法を用いて調製された試料と現在市場に出回っている公知の試料との間の比較がなされた。試料は、多くの発熱体から低温端部及び発熱部の各々を無作為に取り出した。試料１〜２は、異なるプロセス処理を行った材料を表し、試料３及び４は市販の材料を表す。各試料の種類の記載をテーブル５に示す。

Ｘ線回折法を用いてα−炭化ケイ素とβ−炭化ケイ素との間を正確に区別することの困難性のため、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）を用いて試料を分析した。当該技術分野において公知であるように、ＥＢＳＤは、ＳＥＭ中で試料から放射された後方散乱電子を用い、蛍光スクリーン上に画像化された回折パターンを形成する。回折パターンの分析は、存在する相及びそれらの結晶方位の同定を行うことができる。後方散乱及び前方散乱（fore-scatter）検出器（ＦＳＤ）像をＮｏｒｄｌｙｓＳ検出器上のダイオードを用いて収集した。二次像及びインレンズ像をＳＥＭ上の検出器を用いて収集した。ＥＢＳＤパターンをＯＩ−ＨＫＬ ＮｏｒｄｌｙｓＳ検出器を用いて収集して保存した。ＥＢＳＤ及びエネルギー分散型分析スペクトル（ＥＤＳ）マップをＯＩ−ＨＫＬ ＣＨＡＮＮＥＬＳソフトウェア（ＩＮＣＡ−Ｓｙｎｅｒｇｙ）を用いて収集した。ＥＢＳＤを分析に合わせることにより、回折パターンが、以下の相：
・α−炭化ケイ素（ＳｉＣ ６Ｈ）；
・β−炭化ケイ素（ＳｉＣ ３Ｈ）；
・ケイ素；及び
・炭素
によって生じ、したがって、それらの定量的な量を決定することができる。分析に用いられた相の結晶構造をテーブル６に示す。

図４ａは、試料１の後方散乱像を示す。像中の異なるコントラストは、材料の本体中の異なる相を表す。暗い領域は黒鉛を表し、灰色領域は炭化ケイ素を表し、明るい領域はケイ素を表す。α−炭化ケイ素相（ＳｉＣ ６Ｈ）とβ−炭化ケイ素相（ＳｉＣ ３Ｈ）との間の相コントラストは、図４ｂに示されるＳＥＭインレンズ検出器像で行うことができる。灰色領域はβ−炭化ケイ素相（ＳｉＣ ３Ｈ）を表し、より明るい領域はα−炭化ケイ素相（ＳｉＣ ６Ｈ）を表す。本体の残りは、炭素とケイ素のマトリックスである。画像分析は、画像中のα−炭化ケイ素相（ＳｉＣ ６Ｈ）とβ−炭化ケイ素相（ＳｉＣ ３Ｈ）との割合を測定するために使用された。

テーブル７は、上記の方法を用いて測定された試料１〜４についての結果の概要を示し、それらの対応する電気特性を用いた比較がなされた。

試料１は、本アプローチの実施形態により処方された最適材料を表し、本体中のβ−炭化ケイ素の割合（５１体積％）と、その対応する電気特性との間の良好な関係を説明する。

さらに、試料１は、全ＳｉＣの最も大きな割合（５１体積％＋２８体積％）を生じさせる。プロセスパラメータを最適に制御することにより、より多くのＳｉＣが反応のみを通して生じる。

試料１と試料２及び３とを比較すると、試料１中のβ−炭化ケイ素の増大した割合（資料２及び３における３７％及び３６％と比較して５１％）が低抵抗率材料をもたらすことがわかる。低下した抵抗率の効果は、発熱部と低温端部との単位長さあたりの抵抗の比の改善に直接の効果を有する。

したがって、ケイ素と炭素との間の反応中の制御パラメータを最適化することにより、より電気伝導性のβ−炭化ケイ素（ＳｉＣ ３Ｃ）成分の形成を促進する条件を作り出すことができる。

伝統的に、バネクリップ又はクランプが取り付けられるアルミニウブレードなどの金属接触ストラップ上に接触抵抗を低下させた領域を作るために、末端部の低温端部本体の小領域のみが金属化される。これは、電気接点が過熱、及びしたがって劣化することを防止するためである。これは、何年にもわたって基準となっていた。例えば、下記のテーブル８は、２つの製造業者からのいくつかの市販の発熱体についての直径、低温端部長及び金属化長を示す。また、吹き付けられた低温端部の％、及び直径に対する金属化長の割合も示す。典型的に、金属化プロセスのためにアルミニウム金属が使用される。

本出願人は、長さの増大した割合に沿って導電膜を適用することにより、抵抗が低下した経路を発熱部に与え、それにより、発熱部と低温端部との電気抵抗比を増大させることに気が付いた。これは、図５（ａ及びｂ）に示されるような発熱体の略図によって明らかにされる。図５ａは、末端部分１２が与えられて導体と接触することが可能な、伝統的な金属化方法を用いた場合を示す。末端部分１２と低温端部／発熱部の接合部分４との間の低温端部は金属化されない。この非金属化部分を越え、電流伝達は低温端部の材料を完全に通り抜ける。

低温端部の長さの７０％以上（＞７０％、又は＞８０％、又は＞９０％、又はそれとも低温端部全体）の導電膜を適用することにより、電流用の追加経路が、低温端部材料と並列に与えられる。この導電膜は、金属化されていてもよい。図５ｂは、この態様に従う発熱体を示し、その中で、導電膜（１２，１３）が低温端部の表面の大半にわたって広がり、並列で望ましい導電経路１３、及び発熱部から離れた端部にある末端部分１２の両方を与える。

アルミニウムは伝統的に使用され、本発明においても使用され得るが、いくつかの場合においては、発熱部近くで経験する高温によってアルミニウム膜が劣化する傾向にあり得るため、それは膜材料として最も適しているわけではない。高温での劣化に対してより耐性の金属を使用することができる。典型的に、このような金属は１２００℃を超えるか、それとも１４００℃を超える融点を有するであろう。このような金属の例としては、鉄、クロム、ニッケル又はこれらの組み合わせが挙げられるが、本発明は、これらの金属に限定されない。最も要求が厳しい用途においては、所望により、より耐熱の金属を使用することができる。金属は上記したけれども、低温端部の材料よりも著しく低い電気抵抗率を有する機械的及び熱的に許容可能なあらゆる材料が、未処理低温端部を越える利益を達成するであろう。

さらに、低温端部に沿って経験する様々な温度に応じるために、１種以上の膜を低温端部に適用することができる。例えば、アルミニウム金属を末端部又は比較的低温である電気接触領域の近くで使用することができ、高融点金属又は反応性が少ない金属を発熱部近くの高温領域で使用することができる。

金属化プロセスは、低抵抗の領域を与えるので、それは、既存の高抵抗材料を改善し得ると共に現在特許請求された発明の主題である利点を有する。例えば、金属化膜を使用して、発熱部のために一般に使用される高抵抗再結晶本体を低温端部に転換し、なおかつまあまあの電気抵抗比（例えば、３０：１のオーダー）を与えることができる。

いくつかの場合において、これは、個別の低温端部本体を形成する必要性を取り除き、また、一片の構造物（one piece construction）の発熱体を利用可能にするであろう。いくつかの用途においては、一片の発熱体は、機械的強度の観点で利点を有する。図８は、単一片（single piece）の再結晶炭化ケイ素から形成された発熱体を示し、その中で、金属化１３の程度は、低温端部３を規定する。

さらに、多数の部分の低温端部を製造することができる。このような低温端部は、再結晶材料の熱伝導性が通常の低温端部材料の熱伝導性未満になると考えられ、従って低温端部を介した熱損失を低減するために作用するという利点を有するであろう。このような発熱体を、以下に記載する図７ａ)に示す。

他の場合において、導電膜は、同様に螺旋状の管状ロッドなどの一片として形成された発熱体に適用可能であろう。この種の典型的なロッドは、Ｃｒｕｓｉｌｉｔｅ（登録商標）タイプＸ発熱体、並びにＧｌｏｂｅｒ（登録商標）ＳＧ及びＳＲロッドである。上記された第１のアプローチによって形成された低温端部に適用される場合、金属化膜の効果は、単位長さあたりの電気抵抗比を１００：１を超える値にまで増大させる。

伝統的に、膜は、アルミニウムが本体の表面に付着するようにフレーム溶射によってアルミニウムワイヤに適用される。本出願人は、塗装プロセスが、このような方法に限定されず、他の塗装方法が使用でき、いくつかの金属については必然的に使用されるであろうことに気付いた。このような方法の例としては、プラズマ溶射及びアーク溶射が挙げられる。いくつかの高温耐熱金属（例えば、カンタル（登録商標）スプレーワイヤ−様々なＦｅＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌＹ及びＮｉ−Ａｌ合金−これらの材料は、本発明において都合良く使用され得る）については、アーク溶射が使用され得る。

（実施例３）
下部の本体と独立した金属膜の効果を検証するために、本発明の金属化方法を２種類の低温端部の本体材料に適用した。

第１の発熱体（図５）は、実施例１で記載した通りであった。

第２の発熱体（図７ａ）は、第１の発熱体と同等の寸法のものであるが、発熱部１４と共に、実施例１に記載されたプロセスパラメータに従ってケイ素化されたテーブル２の混合物から形成された一部１６と、再結晶発熱部材料（混合物Ｂ）から形成された第２の部分１７とを含むハイブリッドの低温端部１５を含んでいた。

両方の場合において、低温端部の長さは４５０ｍｍに保持した。ハイブリッド材料については、混合物Ａから、その長さを１００ｍｍに形成し、３５０ｍｍの再結晶発熱部材料（混合物Ｂ）を取り付けることによって低温端部の残りの部分を４５０ｍｍに伸ばした。

次に、再結晶Ｇｌｏｂａｒ ＳＤ（テーブル２参照）からなる混合物Ｂから製造された発熱部本体を、低温端部の本体材料に取り付け、発熱体を完成させた。次に、アルミニウム金属を用い、吹き付けによって低温端部（４５０ｍｍ）を金属化した。特別の調査において、低温端部の全体の長さを金属化したが、これが必要な要件でないことは明らであろう。

次に、単純なレンガ張りされた炉に発熱体を取り付け、１２５０℃の炉温度を保持するために要求される電力を測定した。第１及び第２の発熱体と同等の発熱部及び低温端部寸法であるが、当該技術分野において公知であるように金属化された（すなわち、低温端部の５０ｍｍのみが金属化された（図５ａ参照））標準的な「Ｇｌｏｂａｒ ＳＤ」発熱体との比較がなされた。

標準的な発熱体（図５ａ参照）から消費された電力は１２８６Ｗであったが、本発明による改善された金属化工程を用いたものは、低温端部本体が混合物Ａ（図５ｂ）から製造される場合、わずか１１６０Ｗの電力が消費された。これは、１２６Ｗ、即ち９．８％の省電力を表す。さらに、部分的に再結晶発熱部材料（図７ａ）からなるハイブリッド低温端部材料に対して改善された金属化プロセスを用いたものは、１２０３Ｗの電力が消費され、これは８３Ｗ、即ち６．４％の省電力を表す。

図７ａの下部のハイブリッド低温端部本体は、実施例１に記載された低温端部（図５ｂ）と同じくらい効率的ではないが、当該技術分野において知られた標準的な発熱体と比較して少ない電力消費は、低温端部本体を上塗りする（overspraying）利益を明らかにし、それにより、低下した抵抗の領域を作る。

（実施例４）
更なる試験において、本発明による改善された金属化工程を用いて下部の低温端部本体を金属化する効果を理解するために比較がなされた。これらの試験において、当該技術分野における５０ｍｍ（低温端部の長さの２０％）と比較して、末端部から２００ｍｍ（低温端部の長さの８０％）を金属化した。両方の場合において、実施例１に記載されたプロセスパラメータを用いて形成された低温端部に金属化膜を適用した。

発熱体は以下のサイズに作製した。
発熱部：−９５０ｍｍ（再結晶Ｇｌｏｂａｒ ＳＤ（登録商標））
低温端部：−２５０ｍｍ

自由大気において１００℃の発熱部表面温度で発熱体を保持するために要求される電力を測定した。従来の末端金属化方法を用い、発熱部と低温端部との単位長さあたりの電気抵抗の比が５４：１であると測定された。しかしながら、本発明の金属化膜を用いた場合、その比は１０３：１に改善し、これは、オームの法則から計算すると、５０％の消散電力の実質的な低下を表す。

本発明の新しい低温端部材料の低下した抵抗率は、材料の利益のいくつかをある程度弱め得る熱伝導性の増大によって、ある程度起こる。しかしながら、これは、発熱部と低温端部との電気抵抗率の容認できる良好な比（例えば、３０：１）を保持しつつ、低温端部の断面積を低減させ得るという利益を加えることができる。このような構造は、同じ材料の全直径の低温端部と比較して、低温端部内での熱伝達を低減する。この断面積の低減は、チューブ状発熱体に関し、発熱部の外径に適合させるために外径を一定のままにしつつ、低温端部チューブの内径を増大させることによって達成することができる。しかしながら、低温端部の外径を代わりに減少させることが好ましいので、それらは発熱部よりも狭い。これは、以下の特別な利点を有する。
・低温端部の放射表面が低減されるので、熱損失を減少させる。
・低温端部を断熱材料又は断熱スリーブで覆い、なお一層熱損失を減少させることができる。
・断熱材料又は断熱スリーブは、発熱部の外径を超えて広げる必要がない。

また、低温端部を介した熱伝達は、低温端部中の選択された場所で材料を薄くするか又は穴を空けることによって（例えば、スロットの使用によって）低減することができ、これは、低温端部の全部又は一部上の材料の厚さを低減することと組み合わされ得る。

断熱低温端部を与えることは、熱損失の低減、及びそれ故に低温端部の温度上昇をもたらすであろう。この温度上昇は、抵抗率の低下をもたらし、それ故に低温端部の抵抗の低下をもたらすであろう。

低温端部は、その全長上の至る所で断面積が減少されるわけではない。

（実施例５）
下記のテーブル９で特定される発熱体を、全ての外部環境条件が温度で炉を保持するのに要求される電力に対して影響を与えないように、特別に作った発熱体試験炉（Ｃａｒｂｏｌｉｔｅが作製した、炉設計番号３−０３−４１４）内で試験した。この炉を用いると、発熱体が試験される条件の全ての様子を制御し且つ観察することが可能であった。その条件は、以下のものを含む。
・炉温度
・発熱体に適用される所望の表面電力負荷（炉から熱を取り出す模擬負荷として作用する水冷チューブの使用による）
・大気条件

発熱体を１回に３セット試験し、各発熱体の抵抗に応じて各発熱体への電力を別々に制御した。２０リットル／分で炉に制御された乾燥窒素ガスの一定流量下で各試験を行った。これは、一定の大気条件を与えた。炉絶縁、発熱体導入穴（element lead-in holes）、アルミニウムストラップ、及び発熱体電力クリップ（element power clip）の接続は、様々な発熱体の種類の試験を通して一定にした。各発熱体に適用される電力は、１０分間隔でモニターし、この方法において、平衡又は定常状態の条件が適用された場所の決定（負荷及び環境に対して適合する熱損失を供給する電力）がなされた。

これらの試験条件の下で、テーブル９に詳述されたような結果が、発熱体（テーブル９に示された変更内のＧｌｏｂａｒ ＳＤ ２０−６００−１３００−２．３０設計のもの）について得られた。ここで、公称直径は２０ｍｍであり、発熱部の長さは６００ｍｍであり、全長は１３００ｍｍであり、公称抵抗値は２．３０オームである。炉温度は１０００℃に設定し、約８．５ワット／ｃｍ²の発熱体に対する表面電力負荷が達成されるように水冷システムを配置した。これらの条件は、かかる発熱体が使用され得る１セットの典型的な条件の代表である。

以上のように、図５ａで定義される形状をもつ標準的な低温端部材料を新しい低温端部材料に変えることは、平衡での電力使用において１．９７％の減少をもたらす。

低温端部の断面積を低減させ、図７ｃに示すようなセラミック繊維断熱材料１８の２．５ｍｍ厚の層を適用するとき、この場合、原型（original）の４７．８％まで、発熱体の比は６５：１から２７：１に減少するが、省力は１．９７％から２．４１％に改善するように見える。これは、発熱部：低温端部の抵抗比を低減するにも関らず、発熱体の効率が断面積の減少の結果として改善することを明確に示す。低温端部を断熱することは、熱損失を防止し、材料温度を高め、それにより抵抗率をさらに低減するという複合効果を有する。また、発熱体の公称直径は変わらず、更なる断熱又は所要の閉塞（plugging）なしに、炉内の導入穴に発熱体が容易に配置され続ける。

さらに、低温端部が２．５ｍｍ厚のセラミック繊維断熱材料で断熱されるなら、標準を越えて、１．９７％から２．５６％まで更なる電力低減が実現される。低温端部の穴（bore）を断熱することは、熱損失を防止し、低温端部材料温度を高め、それにより抵抗率をさらに低減するという更なる効果を有する。

（実施例６）
多くの発熱体の性能結果の比較可能なセットを提供するために、６００ｍｍ長の２０ｍｍ直径の発熱部を覆う、それぞれ３７５ｍｍ長の公称直径２０ｍｍの低温端部を有する（ただし、示した部分を除く）チューブ状発熱体が作製された。実際の直径は、以下の通りである。

これらの発熱体を上記の実施例５の方法で試験した。１０００℃の温度を保持するために要求される１２時間平衡電力をテーブル１０にまとめる。

以上のように、これらの試験において、低温端部を形成するための再結晶炭化ケイ素材料の金属化は、従来のケイ素含浸低温端部を用いた場合よりも著しい省力を与えた。再結晶炭化ケイ素と発熱部との間に再結晶炭化ケイ素よりも低い電気抵抗の材料（例えば、ケイ素含浸炭化ケイ素）が配置されるハイブリッド発熱体は、さらに良好な省力を与えた。

炭化ケイ素発熱体の末端から熱損失を低減する方法として金属化再結晶炭化ケイ素を用いる更なる効果は、発熱体の末端で、より低い温度をもたらすということである。図９は、上記の発熱体［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｈ］の穴における温度測定の結果を示す。図からわかるように、末端部分（末端から約２５ｍｍ）での温度は、発熱体［Ａ］及び［Ｃ］のものよりも、本発明に従う発熱体［Ｈ］のものが顕著に低かった。より低い末端部分の温度は、末端のストラップの過熱の危険性を低減するであろう。

比較的低い電気抵抗の低温端部材料及び金属化再結晶炭化ケイ素の相対的長さは、特定の用途に合うように選択することができる。比較的低い電気抵抗の低温端部材料の部分の長さは、低温端部の全長、炉の使用温度、並びに装置の熱ライニングの厚さ及び断熱特性に応じて変えることができる。好ましくは、比較的低い電気抵抗の低温端部材料は、熱ライニングの内側に配置される低温端部の全長の５０％未満であろう。

例えば、熱ライニングが３００ｍｍ厚であり、且つ低温端部の全長は４００ｍｍであるなら、ライニングの境界の外側に配置される低温端部は１００ｍｍになって電気接続がなされることが可能になり、熱ライニングの境界の外側の低温端部は３００ｍｍになろう。この場合において、金属化再結晶炭化ケイ素と発熱部との間に配置される比較的低い電気抵抗の低温端部材料の好ましい長さは、３００ｍｍの５０％未満、すなわち１５０ｍｍ未満であろう。５つの部分（実施例［Ｈ］のような）のみではなくそれ以上の部分を、炭化ケイ素発熱体の作製において使用することができ、このような構造物は本発明の範囲に含まれることが明らかであろう。

上記では、チューブ状発熱体について主に議論された。本発明が、ロッド発熱体や、円形以外の断面の発熱体を包含することを理解すべきである。「直径」なる語が使用される場合、これは、参照される発熱体又は発熱体の一部の最も長い軸に対する横軸の最大直径を意味するとしてみなされるべきである。

現在特許請求された発明は、開示された発明の特徴のいくつかを特許請求するだけである。分割出願を行う権利を維持するために、出願人は、１つ以上の以下の特徴を単独又は組み合わせて、後の分割出願の主題とし得ることを示す。
ｉ）１つ以上の発熱部と２つ以上の低温端部とを有する炭化ケイ素発熱体であって、発熱部は低温端部と異なる炭化ケイ素含有材料を含み、低温端部の材料中の炭化ケイ素は、材料が６００℃で０．００２Ω・ｃｍ未満及び１０００℃で０．００１５Ω・ｃｍ未満の電気抵抗率を有するのに十分なβ−炭化ケイ素を含み；任意に、
・低温端部の材料はα−炭化ケイ素及びβ−炭化ケイ素を含み；任意にβ−炭化ケイ素の体積分率はα−炭化ケイ素の体積分率よりも大きく；及び／又は
・β−炭化ケイ素の体積分率とα−炭化ケイ素の体積分率との比は３：２よりも大きく；及び／又は
・低温端部の材料は、４５体積％を超えるβ−炭化ケイ素を含み；及び／又は
・炭化ケイ素の総量は７０体積％を超え；及び／又は
・低温端部の材料は、
ｉ．ＳｉＣ ７０〜９５体積％
ｉｉ．Ｓｉ ５〜２５体積％
ｉｉｉ．Ｃ ０〜１０体積％
を含み、ＳｉＣ＋Ｓｉ＋Ｃは材料の＞９５％を構成し；及び／又は
・発熱部の材料の電気抵抗率と低温端部の材料の電気抵抗率との比は４０：１を超える、
炭化ケイ素発熱体。

ｉｉ）発熱体用低温端部の製造方法であって、当該方法は、ケイ素を炭素及び／又は炭素前駆物質から生じる炭素と反応させてα−炭化ケイ素よりも優先してβ−炭化ケイ素を形成することを可能にするのに十分な制御反応温度で、且つ材料が６００℃で０．００２Ω・ｃｍ未満及び１０００℃で０．００１５Ω・ｃｍ未満の電気抵抗率を有するのに低温端部中のβ−炭化ケイ素の量が十分である十分な暴露時間の間、炭化ケイ素と炭素及び／又は炭素前駆物質とを含む炭素質炭化ケイ素本体をケイ素に曝す工程を含み；任意に、
・以下のプロセス変数の１つ以上を制御することによって反応パラメータを制御し、α−炭化ケイ素よりも優先してβ−炭化ケイ素の形成を促進させ
ｂ.ケイ素粒径
ｃ.原材料の純度水準
ｄ.反応温度に対するランプ速度；及び／又は
・ケイ素は０．５ｍｍよりも大きい粒径を有し；及び／又は
・ケイ素は０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲の粒径を有する、
発熱体用低温端部の製造方法。

ｉｉｉ）１つ以上の発熱部と２つ以上の低温端部とを有する炭化ケイ素発熱体であって、少なくとも１つの低温端部の長さの７０％超過が、低温端部の材料の電気抵抗率よりも小さな電気抵抗率を有する導電膜で被覆され；任意に、
・低温端部の長さの８０％超過は、導電膜で被覆され；及び／又は
・低温端部の長さの９０％超過は、導電膜で被覆され；及び／又は
・低温端部の金属化長さと、低温端部の最も長い軸に対する横軸の低温端部の最大寸法との間の比は、７：１よりも大きく；及び／又は
・導電膜は金属製であり；及び／又は
・導電膜はアルミニウムを含み；及び／又は
・金属膜は１２００℃を超える融点を有し；及び／又は
・金属膜は１４００℃を超える融点を有し；及び／又は
・金属膜は、ニッケル、クロム、鉄又はこれらの混合物を含み；及び／又は
・導電膜は、その長さに沿って組成が変化し、膜の組成は、発熱部から離れた膜の組成よりも高温でより安定な発熱部に向かい；及び／又は
・膜は、金属種を１種より多く含む金属製であり、各金属種の融点は、接続用の第１端部から発熱部に近い第２端部に向かう電源まで、低温端部の長さに沿って増大する、
炭化ケイ素発熱体。

ｉｖ）上記した炭化ケイ素発熱体であって、少なくともそれらの長さの一部において、低温端部の断面は、発熱部の断面未満であり、任意に
・発熱体はチューブ状であり；及び／又は
・低温端部は、発熱部よりも狭い肉厚を有し；及び／又は
・低温端部の外径は、発熱部の外径未満であり；及び／又は
・低温端部は、選択された場所で薄くするか（thinned）又は穴を空けられ（perforated）；及び／又は
・低温端部は断熱され；及び／又は
・低温端部の最も長い軸に対する横軸の低温端部の最大寸法は、１つ以上の発熱部の最も長い軸に対する横軸の１つ以上の発熱部の最大寸法未満である、
炭化ケイ素発熱体。

Claims (15)

1. １つ以上の発熱部と２つ以上の低温端部とを有する炭化ケイ素発熱体であって、
   ・前記２つ以上の低温端部の断面積が、前記１つ以上の発熱部の断面積と実質的に同じか又はそれよりも小さく、且つ
   ・少なくとも１つの低温端部の少なくとも一部が、再結晶炭化ケイ素材料の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する導電膜で被覆された再結晶炭化ケイ素材料の本体を含む、
   炭化ケイ素発熱体。
2. 前記１つ以上の発熱部は再結晶炭化ケイ素材料からなる、請求項１に記載の炭化ケイ素発熱体。
3. 前記１つ以上の発熱部及び２つ以上の低温端部は、同じ再結晶炭化ケイ素材料から形成された単一体である、請求項２に記載の炭化ケイ素発熱体。
4. 少なくとも１つの低温端部は、再結晶炭化ケイ素材料と、隣接する発熱部との間に配置された、再結晶炭化ケイ素材料の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する、１つ以上の炭化ケイ素材料領域を含む、請求項１に記載の炭化ケイ素発熱体。
5. 前記再結晶炭化ケイ素材料の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する炭化ケイ素材料領域は、ケイ素含浸炭化ケイ素材料を含む、請求項４に記載の炭化ケイ素発熱体。
6. 前記導電膜は金属製である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の炭化ケイ素発熱体。
7. 前記導電膜はアルミニウムを含む、請求項６に記載の炭化ケイ素発熱体。
8. 前記金属膜は、１２００℃を超える融点を有する、請求項６又は７に記載の炭化ケイ素発熱体。
9. 前記金属膜は、１４００℃を超える融点を有する、請求項８に記載の炭化ケイ素発熱体。
10. 前記金属膜は、ニッケル、クロム、鉄又はこれらの混合物を含む、請求項９に記載の炭化ケイ素発熱体。
11. 前記導電膜は、その長さに沿って組成が変化し、前記膜の組成は、前記発熱部から離れた膜の組成よりも高温でより安定な発熱部に向かう、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の炭化ケイ素発熱体。
12. 前記膜は、金属種を１種より多く含む金属製であり、各金属種の融点は、接続用の第１端部から発熱部に近い第２端部に向かう電源まで、低温端部の長さに沿って増大する、請求項１１に記載の炭化ケイ素発熱体。
13. 前記発熱体は、低温端部の一部が並列するような折り畳み型を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の炭化ケイ素発熱体。
14. 前記折り畳み型は、概ね螺旋状の部分を含む、請求項１３に記載の炭化ケイ素発熱体。
15. 明細書に実質的に記載された炭化ケイ素発熱体。

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