JP3761817B2 - 低温での加熱素子の寿命を延ばす方法 - Google Patents
低温での加熱素子の寿命を延ばす方法 Download PDFInfo
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- Resistance Heating (AREA)
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- Silicon Compounds (AREA)
Description
【０００１】
本発明は、低温における加熱素子(heating elements; 発熱体)の耐用寿命（一層具体的に言えば、ケイ化モリブデン、ケイ化モリブデンタングステン、及びこれらベース材料の種々の合金を含有する素子の耐用寿命）を引き延ばす方法に関する。そのような諸素子は、比較的多くの用途で、本出願人によって製造されている。
【０００２】
そのような諸素子を比較的低い温度で（例えば、約４００〜５００℃の温度で）作動させる場合、それら素子を高温で作動させる場合とは対照的に、シリカの保護性スケール(scale)（いわゆるガラス層）は全く形成されない。それどころか、それら素子は、それら素子の表面上にＭｏＯ3及びＳｉＯ2から成る非保護性層が形成することを意味する、いわゆるペスト(pest)をこうむる。この混合物は、多孔質であり、容易に崩壊して、それら素子の耐用寿命を著しく縮める結果となる。
【０００３】
しかし、それにもかかわらず、それら素子が最良の選択肢である用途が存在する。これに関する１つの例は、電子回路を製造する場合のＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着）室を加熱する場合に見出される。
それら加熱素子の低温特性は、それら素子を約１５００℃以上の温度で予備酸化してＳｉＯ2の膜を形成することによって改善することができる。そのような膜によって、ペストの形成は鈍化する。
提案する本方法によって、そのような加熱素子の耐用寿命は著しく引き延ばされる。
【０００４】
従って、本発明は、ケイ化モリブデンと、ケイ化モリブデン・タングステンと、これらベース材料の種々の合金とを本質的に含有する加熱素子の耐用寿命であって、該加熱素子が４００〜８００℃の範囲の温度のような比較的低い温度で作動するときの該耐用寿命を延命する方法において、前記加熱素子が作動するとき、該加熱素子の周囲の雰囲気が約１体積％未満の含水率を有するようにすることを特徴とする、上記方法に関する。
【０００５】
本発明は、加熱素子の周囲の気体の酸素含量は非常に大きいにもかかわらず、その気体の含水率が低レベルに保持されているとき、酸化物生成物ＭｏＯ3及びＳｉＯ2はほとんど形成されないという驚くべき洞察に基づいている。
次に、添付図面を参照しつつ、本発明を一層詳細に説明する。
【０００６】
本発明は、ケイ化モリブデンと、ケイ化モリブデン・タングステンと、これらベース材料の種々の合金とを本質的に含有する諸加熱素子の耐用寿命であって、それら加熱素子が４００〜８００℃の範囲の温度のような比較的低い温度で作動するときの該耐用寿命を引き延ばす方法に関する。それら加熱素子がいわゆるペスト(pest)をこうむるのは、この温度範囲である。それら加熱素子が作動する温度は、一方では、加熱素子を使用する方法によって変化し、他方では、加熱素子が造られている材料の組成によって変化する。
【０００７】
ペストとは、ＭｏＳｉ2及びＯ2からのＭｏＯ3及びＳｉＯ2が形成されることである。この酸化物混合物は、比較的多孔質であり、従って、持続性酸化に対して如何なる保護をも与えない。
本発明によると、それら加熱素子が作動するときの、それら加熱素子の周囲の雰囲気は、約１体積％未満の含水率を有するようにする。これによって、ペストの成長が著しく減少する結果となる。
【０００８】
図１は、４５０℃の種々の雰囲気における、ＭｏＯ3及びＳｉＯ2の酸化物の厚さを示す。図１の乾燥空気は、その空気が０．０００５体積％の含水率を有することを意味する。酸素ガス（Ｏ2）は、同様に乾燥している。［Ｏ2＋１０％Ｈ2Ｏ］は、１０体積％の水分を有する酸素ガスを意味する。
図１から、乾燥空気と乾燥酸素ガスの両者については、酸化物の成長が著しく制限され本質的に同じであるのに対して、周囲雰囲気が１０体積％の水分を含有する場合、成長速度が１０倍以上大きいことは明らかである。
【０００９】
図２は、４５０℃の加熱素子温度での加熱素子の周囲の雰囲気の含水率（体積％）の関数としての、前記酸化物の形成によって生じた物質の重量の増加を示す。
図２から明らかなように、酸化、ペストの形成は、含水率と共に直線的に増大する。
【００１０】
異なる酸化物の構造は周囲雰囲気の異なる含水率で形成されることが立証された。
無定形ＳｉＯ2中に埋めこまれている結晶、すなわちＭｏＯ3結晶から成る酸化物が、４５０℃で７２時間後及び２１０時間後にそれぞれ形成した。これら２種の酸化物の間の量の比は一定であることが分かった。
【００１１】
１０体積％の水分を含有する酸素ガス雰囲気中で、７２時間後及び２１０時間後にそれぞれ一層大きいＭｏＯ3結晶が形成した。［ＳｉＯ2の割合］対［ＭｏＯ3の割合］も時間と共に減少することが分かった。
このように、周囲雰囲気の含水率は、形成される酸化物の構造及び量の割合に影響を与えた。形成される酸化物の構造及び量の割合は、上記に解説した通り、周囲ガスの含水率の関係で酸化物の成長に大きな差異が生じることについて相当の説明を与えるものである。
【００１２】
周囲雰囲気中の酸素含量が、酸化物の成長にあまり影響を与えないことも指摘することができる。
序文で述べた通り、前述の素子は、幾つかの工業的プロセスにおいて前記の温度で使用される。
【００１３】
前述のように、本発明は、周囲雰囲気の含水率が約１体積％以下となるようにすることを特徴とする。図２は、含水率が約１体積％以下のときの酸化物の成長が、完全に乾燥した雰囲気の場合よりもほんのわずか大きいことを示す。
しかし、周囲雰囲気の含水率は約０．５体積％未満のレベルにすることが好ましい。
【００１４】
本発明の１つの好ましい態様によると、それら加熱素子の周囲の雰囲気は、前述の含水率を有する空気から成る。この乾燥空気は、市販のプラント及び装置を用いて造ることができる。乾燥空気はまた、空気圧シリンダー(air cylinders)で入手することができる。
【００１５】
もう１つの好ましい態様によると、その雰囲気は、前述の含水率を有する酸素ガスから成る。この目的のためには、ビン詰めの乾燥酸素ガスを使用することができる。
選定する雰囲気は、加熱素子を使用するプロセスによって決まる。
【００１６】
空気及び酸素ガス以外の雰囲気は、酸化物の形成に関し、その雰囲気が本発明による含水率を有するという条件で、類似の結果を与えるものと思われる。例えば、窒素ガス又は不活性ガスは使用することが可能であるように思える。
従って、本発明は、加熱素子の周囲の前記諸雰囲気に限定しないように考えるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 種々の気体についての、時間の関数としての酸化物の厚さを例示するグラフである。
【図２】 周囲気体の含水率の関数としての、酸化によって生じた重量の増加を例示する。
本発明は、低温における加熱素子(heating elements; 発熱体)の耐用寿命（一層具体的に言えば、ケイ化モリブデン、ケイ化モリブデンタングステン、及びこれらベース材料の種々の合金を含有する素子の耐用寿命）を引き延ばす方法に関する。そのような諸素子は、比較的多くの用途で、本出願人によって製造されている。
【０００２】
そのような諸素子を比較的低い温度で（例えば、約４００〜５００℃の温度で）作動させる場合、それら素子を高温で作動させる場合とは対照的に、シリカの保護性スケール(scale)（いわゆるガラス層）は全く形成されない。それどころか、それら素子は、それら素子の表面上にＭｏＯ3及びＳｉＯ2から成る非保護性層が形成することを意味する、いわゆるペスト(pest)をこうむる。この混合物は、多孔質であり、容易に崩壊して、それら素子の耐用寿命を著しく縮める結果となる。
【０００３】
しかし、それにもかかわらず、それら素子が最良の選択肢である用途が存在する。これに関する１つの例は、電子回路を製造する場合のＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着）室を加熱する場合に見出される。
それら加熱素子の低温特性は、それら素子を約１５００℃以上の温度で予備酸化してＳｉＯ2の膜を形成することによって改善することができる。そのような膜によって、ペストの形成は鈍化する。
提案する本方法によって、そのような加熱素子の耐用寿命は著しく引き延ばされる。
【０００４】
従って、本発明は、ケイ化モリブデンと、ケイ化モリブデン・タングステンと、これらベース材料の種々の合金とを本質的に含有する加熱素子の耐用寿命であって、該加熱素子が４００〜８００℃の範囲の温度のような比較的低い温度で作動するときの該耐用寿命を延命する方法において、前記加熱素子が作動するとき、該加熱素子の周囲の雰囲気が約１体積％未満の含水率を有するようにすることを特徴とする、上記方法に関する。
【０００５】
本発明は、加熱素子の周囲の気体の酸素含量は非常に大きいにもかかわらず、その気体の含水率が低レベルに保持されているとき、酸化物生成物ＭｏＯ3及びＳｉＯ2はほとんど形成されないという驚くべき洞察に基づいている。
次に、添付図面を参照しつつ、本発明を一層詳細に説明する。
【０００６】
本発明は、ケイ化モリブデンと、ケイ化モリブデン・タングステンと、これらベース材料の種々の合金とを本質的に含有する諸加熱素子の耐用寿命であって、それら加熱素子が４００〜８００℃の範囲の温度のような比較的低い温度で作動するときの該耐用寿命を引き延ばす方法に関する。それら加熱素子がいわゆるペスト(pest)をこうむるのは、この温度範囲である。それら加熱素子が作動する温度は、一方では、加熱素子を使用する方法によって変化し、他方では、加熱素子が造られている材料の組成によって変化する。
【０００７】
ペストとは、ＭｏＳｉ2及びＯ2からのＭｏＯ3及びＳｉＯ2が形成されることである。この酸化物混合物は、比較的多孔質であり、従って、持続性酸化に対して如何なる保護をも与えない。
本発明によると、それら加熱素子が作動するときの、それら加熱素子の周囲の雰囲気は、約１体積％未満の含水率を有するようにする。これによって、ペストの成長が著しく減少する結果となる。
【０００８】
図１は、４５０℃の種々の雰囲気における、ＭｏＯ3及びＳｉＯ2の酸化物の厚さを示す。図１の乾燥空気は、その空気が０．０００５体積％の含水率を有することを意味する。酸素ガス（Ｏ2）は、同様に乾燥している。［Ｏ2＋１０％Ｈ2Ｏ］は、１０体積％の水分を有する酸素ガスを意味する。
図１から、乾燥空気と乾燥酸素ガスの両者については、酸化物の成長が著しく制限され本質的に同じであるのに対して、周囲雰囲気が１０体積％の水分を含有する場合、成長速度が１０倍以上大きいことは明らかである。
【０００９】
図２は、４５０℃の加熱素子温度での加熱素子の周囲の雰囲気の含水率（体積％）の関数としての、前記酸化物の形成によって生じた物質の重量の増加を示す。
図２から明らかなように、酸化、ペストの形成は、含水率と共に直線的に増大する。
【００１０】
異なる酸化物の構造は周囲雰囲気の異なる含水率で形成されることが立証された。
無定形ＳｉＯ2中に埋めこまれている結晶、すなわちＭｏＯ3結晶から成る酸化物が、４５０℃で７２時間後及び２１０時間後にそれぞれ形成した。これら２種の酸化物の間の量の比は一定であることが分かった。
【００１１】
１０体積％の水分を含有する酸素ガス雰囲気中で、７２時間後及び２１０時間後にそれぞれ一層大きいＭｏＯ3結晶が形成した。［ＳｉＯ2の割合］対［ＭｏＯ3の割合］も時間と共に減少することが分かった。
このように、周囲雰囲気の含水率は、形成される酸化物の構造及び量の割合に影響を与えた。形成される酸化物の構造及び量の割合は、上記に解説した通り、周囲ガスの含水率の関係で酸化物の成長に大きな差異が生じることについて相当の説明を与えるものである。
【００１２】
周囲雰囲気中の酸素含量が、酸化物の成長にあまり影響を与えないことも指摘することができる。
序文で述べた通り、前述の素子は、幾つかの工業的プロセスにおいて前記の温度で使用される。
【００１３】
前述のように、本発明は、周囲雰囲気の含水率が約１体積％以下となるようにすることを特徴とする。図２は、含水率が約１体積％以下のときの酸化物の成長が、完全に乾燥した雰囲気の場合よりもほんのわずか大きいことを示す。
しかし、周囲雰囲気の含水率は約０．５体積％未満のレベルにすることが好ましい。
【００１４】
本発明の１つの好ましい態様によると、それら加熱素子の周囲の雰囲気は、前述の含水率を有する空気から成る。この乾燥空気は、市販のプラント及び装置を用いて造ることができる。乾燥空気はまた、空気圧シリンダー(air cylinders)で入手することができる。
【００１５】
もう１つの好ましい態様によると、その雰囲気は、前述の含水率を有する酸素ガスから成る。この目的のためには、ビン詰めの乾燥酸素ガスを使用することができる。
選定する雰囲気は、加熱素子を使用するプロセスによって決まる。
【００１６】
空気及び酸素ガス以外の雰囲気は、酸化物の形成に関し、その雰囲気が本発明による含水率を有するという条件で、類似の結果を与えるものと思われる。例えば、窒素ガス又は不活性ガスは使用することが可能であるように思える。
従って、本発明は、加熱素子の周囲の前記諸雰囲気に限定しないように考えるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 種々の気体についての、時間の関数としての酸化物の厚さを例示するグラフである。
【図２】 周囲気体の含水率の関数としての、酸化によって生じた重量の増加を例示する。
Claims (3)
- ケイ化モリブデンと、ケイ化モリブデンタングステンと、これらベース材料の種々の合金とを本質的に含有し、二酸化ケイ素の層を有していないか又は二酸化ケイ素の層に乏しい加熱素子の耐用寿命であって該加熱素子が４００〜８００℃の範囲の温度のような比較的低い温度で作動するときの該耐用寿命を引き延ばす方法において、前記加熱素子が作動するとき、該加熱素子の周囲の雰囲気が０．５体積％未満の含水率を有するようにすることを特徴とする、上記方法。
- 雰囲気が、約０．５体積％未満の含水率を有する空気から成る、請求項１に記載の方法。
- 雰囲気が、約０．５体積％未満の含水率を有する酸素ガスから成る、請求項１に記載の方法。
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