JPS6078222A - 炭化珪素体に対して電気的接続を与えるための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガス燃料を使用する器具において使用するた
めの電気的に作動する燃料点火器に関するものである。

さらに詳細には本発明は、たとえばガスストーブのよう
な器具において使用するための電気作動ガス点火器に関
するものである。

従来の技術においては、たとえば炭化水素ガスのような
ガス燃料を用いる器具は、通常は炭化水素ガスを燃焼さ
せることによって保たれる小炎であるパイロット灯火を
用いて点火される。ガスを燃焼させるパイロット灯火は
普通は、上記器具によって利用されるガスの約１０〜約
４０％を消費し且つパイロット灯火が消費するガスは、
主燃料バーナーの点火に役立つ以外には何らの利益をも
もたらさない。すなわち、パイロット灯火を働らかせて
いるガスは、むだとなっていた。電気的な点火器が開発
されて、従来の技術に進歩がもたらされた。これらの点
火器は、電流によって点火温度よりも高くなるかまたは
点火温度よりも高く保たれるかどちらかにより、燃料バ
ーナーを点火する。しかしながら、このような従来の電
気点火器は、一般に寿命が短かく、過大な量の電流を消
費し、またはガスレンジ上で使用するためには点火温度
に達するまで時間がかかり過ぎるという欠点を有してい
た。従来の技術においては、一般的な種類の電気的ガス
点火器として、２１１類が存在した。その一つは、２電
極間の電気的スパークによってガスを点火した。この種
の点火器は高電圧の電気エネルギーを必要とし、且つス
パークによる電極の凹みおよび焼けにより衰退を受ける
。このようなスパーク式の点火器は、さらに、特に燃料
の点火が迅速に生じない場合または何らかの理由により
燃料の燃焼が停止した場合などで繰返しのスパークを必
要とするときに、高電圧、変圧器、コンデンサーおよび
その他のスパーク点火器を機能させるための複雑な電気
部品を必要とする。

ガス燃料用の第二の種類の点火器は、点火器の本体中に
十分な電流が流れるときにガスの着火温度よりも高く加
熱される物体から成る、熱表面ガス点火器である。従来
は、熱表面ガス点火器は、白金、二珪化モリブデンおよ
び炭化珪素を包含する多くの材料から製造された。熱表
面ガス点火器が申し分のないものであるためには、その
構成材料は、適当な耐酸化性を有していなければならず
、適当な電気的性質を有していなければならず、且つ耐
熱衝撃性でなければならない。加うるに、点火器は迅速
に点火温度に達しなければならない。

ガス点火器の構成材料は、絶縁体ではないがしかし大き
な電圧低下が生じて僅かな電流しか流れないように、大
きな高温体積比抵抗を有していることもまた望ましい。

このような僅かな電流は、点火器に対する電力供給の原
価を最低にし且つ電気エネルギーの費用を低下させる。

白金および二珪化モリブデンは金属的な導電性を有し、
それ故、不適当な低い電気抵抗を有している。しかし、
炭化珪素は、白金および二珪化モリブデンよりも実質的
に高い電気抵抗を有している。しかしながら、従来の炭
化珪素熱表面ガス点火器は、点火器の熱時抵抗において
点火温度を保つために必要な電圧に比較して、炭化珪素
の冷時電気抵抗に打ち勝つためには高い電圧を必要とす
るという理由で、適当ではない。このような従来の炭化
珪素点火器をガスの着火温度よりも高く加熱するために
は４０ワツトまたはそれ以上の電気エネルギーを用いた
。

加つるに、このような点火器は、ガスの着火温度に達す
るまでに、きわめて長い時間、たとえば６秒以上、通常
は１０秒以上を要した。この遅い点火時間は、部分的に
は、点火器の大きな寸法のためにガスの着火温度よりも
＾く点火器本体の温度を上げるために４０ワツト以上を
要することによるものであること、且つさらにこのよう
な従来の炭化珪素点火器は、燃料の着火温度よりも高い
温度に点火器を加熱するために十分な電流が点火器中に
流れる前に打ち勝たなければならない点火器５− の有する冷時の抵抗が、その熱時の抵抗に比較して高い
ために、点火が遅いということが、認められている。こ
のような従来の点火器の冷時抵抗は、しばしば、その熱
時抵抗に比較してきわめて高いために、冷時抵抗に打ち
勝つために十分な電圧を供給するときに、その同じ電圧
が、加熱した点火器の低い熱時抵抗の結果として、その
中に受け入れがたい大電流を送り込むおそれがあった。

そのような大電流は点火器の過熱を生じさせ、かくてそ
れを損傷し、破壊し、またはその有効寿命を低下させる
おそれがあった。電圧およびエネルギーの必要量を低下
させるために、かかる炭化珪素熱表面点火器の大きさを
低下させようとする試みは成功しなかった。点火器の長
さの低下は、冷時抵抗を低下させて必要な初期電圧を降
下させるけれども、大部分の実際的な用途に対してはあ
まりに　１も点火が遅すぎるか、または過熱を生じるか
、何れかの点火器を与えるのみであった。これは、点火
器の長さの低下は点火器の冷時抵抗と熱時抵抗６− の比を変化させるものではないということを前轍すれば
、当然のことである。その上、従来の炭化珪素組成物は
、添化物を存在させない限りは、必要とする小さな寸法
においては不十分な強度を有するにすぎなかった。炭化
珪素中に配合するかがる添加物は、通常は、冷時抵抗対
熱時抵抗の比を高め、一方、それが昇温時間を増大させ
、電圧を制御するための複雑な回路を用いない限りは点
火器の寿命を低下させ、且つガスの着火温度よりも高い
温度まで点火器を加熱するために要する電位の量を増大
させるというように、点火器の電気的性質の望ましくな
い変化をもたらした。

炭化珪素点火器の従来の製造方法は、炭素−炭化珪素混
合物の珪素化から成る焼結反応を包含した。かかる焼結
反応は、点火器の性質を望ましくないように変化させる
遊離珪素の存在をもたらし、且つ制御が困難であった。

遊離珪素は高温の炉中で除くことができるけれども、そ
の結果として、点火器中に粗い微細構造が生じ、一方、
それが不十分な強さを有する点火器をもたらした。従来
、十分な強度を（ｑるために必要な硼素含有添加剤の使
用と共に炭化珪素を焼結することにより、かかる点火器
を製造しようとする試みもなされている。

しかし硼素もまた、冷時体積抵抗の受け入れ難い高い比
を与えることによって、点火器の電気的性質に対して有
害である。

これらの種々の理由によって、従来の炭化珪素組成物は
、熱表面点火器の製造に対して完全には適していなかっ
た。

本発明においては、上記の従来の点火器の欠点のすべて
を除去しまたは実質的に最小限にする、新規炭化珪素熱
表面点火器の製造に対してきわめて望ましい炭化珪素組
成物を提供する。

この組成物は、約２．５　（Ｊ／Ｃ，Ｃよりも高い密度
とするために、十分な濃度、通常は約１８００〜約２４
００℃、および十分な圧力、通常は約７０〜約７５０Ｋ
ｏ　／ｃｍ！、におイで、十分す時間、通常は約５〜約
４００分、熱加圧された望ましくは約２０ミクロンの平
均粒度の微粒子状炭化珪素から成る。この組成物はさら
に、組成物１００ｇ当り約０．００５〜約０．０５モル
の、少なくとも１種の溶解した陰性のドーピング元素を
含有する、少なくとも９５．０重量％の炭化珪素から成
っている。この陰性のドーピング元素は、組成物の冷時
体積抵抗を約１．２５オーム・Ｃｌ１１よりも低く低下
させるのに十分な陰性のドーピングを組成物に与えるた
めに、組成物中に存在するすべての陽性のドーピング元
素の全曇を超える量とする。

組成物は２０℃における冷時体積比抵抗対１２００℃に
おける熱時体積比抵抗の比が約１２：１よりも低い値を
有している。

更に本発明は、粒径が望ましくはすべて２０ミクロンよ
りも低い微粒子状の炭化珪素を熱加圧することにより、
新規組成物を製造する方法を提供する。加圧する微粒子
状炭化珪素は、少なくとも約９５．０重量％の純度を有
し且つ組成物１００ｇ当りに合計して０．０００４モル
よりも少ない一〇− 陽性ドーピング元素、および組成物１００当り約０．０
０５〜約０．０５モルの溶解窒素を含有する。炭化珪素
中に溶解した窒素の単位重量当りのモル数は、組成物中
の陽性ドーピング元素の単位重量当りのモル数よりも多
い。微粒子状の炭化珪素は、約１８００〜約２４００℃
の十分な温度および約７０〜約７５０　Ｋ！］　／ｃｌ
の十分な圧力において約５〜約４００分の十分な時間加
圧して、立方センナメートル当り少なくとも２．５０の
密度を有する炭化珪素組成物が取得される。

本発明の新規電気的燃料点火器は、上記の組成物から製
造した細長い物体から成っている。点火器は約０．５〜
約５ｃｍの長さおよび約ｏ、ｏｏ。

２〜約０．００７ｃｍ”の断面積を有する棒状であるこ
とが好ましい。

さらに本発明は、新規電気的接続、ならびにタングステ
ン、タンタル、モリブデン、およびニオブから成る群よ
りえらばれる金属から成る金属線を、それと炭化珪素の
間で珪素を溶融することに１０− より炭化珪素に鑞付けすることによって電気的接続を形
成せしめる方法をも包含する。

また本発明は、ガス燃料の着火温醍よりも高い温度まで
点火器を加熱するために十分な電圧源に対して、点火器
と電気的直列に降下抵抗を配置することから成る熱表面
点火器のための新規電気回路をも包含する。

本発明による組成物を形成せしめるために熱加圧する微
粒子状の炭化珪素は、約２０ミクロンよりも小さい平均
粒度を有することが好ましく、且つ微粒子状炭化珪素の
全粒子が本質的に約２０ミクロンよりも小さい粒度であ
ることがさらに好ましい。微粒子状炭化珪素の平均粒度
に対しては、何ら絶対的な下限は存在しない。しかしな
がら、取扱いの容易のため、および、対流その他による
損失を防ぐために、平均粒度は一般に、０．１ミクロン
よりも大であるべきである。

比較的大きな粒子は一般に、比較的小さな密度を有する
熱加圧組成物を与えるから、粒度は実用的である限り低
く保つべきである。組成物の比較的高い密度は、比較的
小さな径の粒子を用いて比較的低い温度および圧力にお
いて、取得することができる。たとえば、本質的にすべ
ての粒子が約８ミクロンよりも小さい粒度を有する微粒
子状の炭化珪素の使用は、微粒子状の炭化珪素がそれよ
りも大きい粒子を含有している場合よりも、本発明の組
成物を取得するために使用するのに、より望ましい。同
じ理由によって、本質的にすべての粒子が約５ミクロン
よりも小さい粒度を有する微粒子状炭化珪素は、約８ミ
クロンの大きさを有する粒子を含有する微粒子状炭化珪
素よりも望ましい微粒子状炭化珪素である。微粒子状炭
化珪素中の粒子の形状は変動しそして本質的にどのよう
な形状であってもよい。

本発明の組成物を生成させるために使用する炭化珪素は
、高１ｉ１１麿のものである。炭化珪素は少なくとも９
５ｆｉ量パーセントの純度であり且つ組成物１０００当
りに陽性のドーピング元素を全部合計して０．００４モ
ルよりも少なく含有していることが望ましい。ここで用
いるパモル″とは、グラム分子またはダラム原子量を意
味する。パ１００ｇ当りのモル数″という表現・は、こ
こでは、組成物１００ｇ当りのダラム分子量またはダラ
ム原子量、すなわち元素または化合物の重量百分率をそ
の原子量または分子量で除した値である。“合計モル数
″は、当該元素および化合物のダラム原子量またはダラ
ム分子量の合計を意味する。便宜上、元素に関する場合
には常に、モル数および１００ｇ当りのモル数を計算す
るために分子量ではな（原子量を用いる。

一般に陽性のドーピング特性を有するものと考えられる
本質的にすべての金属元素の組成物中における存在は、
組成物の電気的性質に悪影響を与える。このような元素
の存在は、冷時化抵抗対熱時化抵抗の望ましからざる高
い比を与え、従ってそれは前記の理由によって、熱表面
電気り火器において使用するために比較的望ましくない
組成物１３− を与える。このような金属元素は、アルミニウム、ガリ
ウム、ベリリウム、スカンジウム、硼素、インジウム、
クロム、チタン、モリブデン、カルシウム、金および亜
鉛を包含する。

全金属元素の中でもつとも望ましくないものは、一般に
、３の陽原子価を有するものと思われる元素である。こ
のような元素は、特に周期表のｌｌ１Ａ族の元素を包含
し且つ硼素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、お
よびタリウムを包含する。

たとえばｍＡ族元素のような陽性のドーピング元素は、
組成物において用いる炭化珪素中の不純物として望まし
くない。かかる元素の存在は、炭化珪素の冷時体積比抵
抗対熱時体積比抵抗の受け入れ難い比を与えるが、何故
ならば、かかる組成物から製造した点火器に対して、着
火温度に加熱するために要する時間が長過ぎ且つ点火器
の寿命が前記のように短縮されるか、または、点火器の
冷時抵抗に打ち勝った後に点火器に加える電圧を低下さ
せるための手段が必要となるからである。

１４− 適当な電気的特性を得るためには、すなわち、組成物に
おける冷時比抵抗対熱時化抵抗の低い比を得るためには
、組成物は陰性のドーピング元素を含有しなければなら
ないということが見出された。陰性のドーピング元素は
、たとえば珪素、ゲルマニウムおよび炭化珪素の如き半
導体中に添加するときに、その半導体に対して電位を印
加した場合半導体中に移動することができる自由電子を
提４ｊ＋する元素である。炭化珪素に対しては、このよ
うな陰性のドーピング元素は一般に、外殻中に５個の電
子を有する元素であって、ＶＡ族元素のすべてを包含す
る。かかる元素は、窒素、燐、砒素、アンチモンおよび
ビスマスである。本発明の組成物中で使用するためにも
っとも有効且つ適当な陰性のドーピング元素は、窒素、
燐および砒素である。窒素は、豊富に存在し、毒性がな
く、且つ組成物中における拡散を容易ならしめる分子の
大きさの点で、特に適している。たとえばアンチモンお
よびビスマスのような比較的大きな原子は炭化珪素中へ
の拡散が困難であるが、炭化珪素製造工程の間に比較的
容易に炭化珪素中に配合することができる。加酸的な陰
性のドーピング効果を得るために、陰性のドーピング元
素の組合わせを用いることもできる。

本発明の炭化珪素組成物は、１００ｏ当り約０゜００５
〜約０．０４モルの、少なくとも１種の溶解したドーピ
ング元素を含有することが望ましい。

かかる陰性のドーピング元素は、冷時体積比抵抗を約１
．２５オーム・ｃｍよりも低くするに十分な負のドーピ
ングを組成物に与えるために、組成物中に存在するすべ
ての陽性ドーピング元素の全モル数を超えるに十分なモ
ル数として存在させる。

冷時体積比抵抗は、２０℃において測定する。炭化珪素
組成物の冷時体積比抵抗を低下させるための陰性のドー
ピング元素の添加は、冷時体積比抵抗対熱時体積比抵抗
の比を下げるために必要である。陽性のドーピング元素
は、組成物から製造した点火器に加えなければならない
所要電位を上昇させるから本発明の組成物においては使
用されない。このような上昇は、陽性のドーピング元素
はその外殻中に３個の電子を有しているにすぎないため
に生ずる。それ放電子は、電位の影響下に自由に移動す
る陽性の孔を取得するために、隣りの炭素または珪素か
ら借り入れられる（受容される）。借り入れ効果を得る
ためには実質的に高い電位を必要とし、それ故、過度の
割合の陽性ドーピング元素を含有する点火器を働らかせ
るには、実質的に高い電位を印加しなければならない。

所要電位の上昇は低い温度において一層大であることが
認められ、それ故、陽性のドーピング元素は、冷時比抵
抗対熱時化抵抗の比の望ましくない上昇をもたらす。

外殻中に５個の電子を有する陰性のドーピング元素を含
有する組成物の場合においては、外殻からの４個の電子
が組成物中の珪素または炭素原子の外殻中の４個の電子
と相互に作用する。このとき第５番目の電子は移動が自
由となり、隣りの炭１７− 素または珪素原子から電子を借りる必要がない。

その結果として、過剰の陰性のドーピング元素を含有す
る本発明による組成物から製造した点火器に対して比較
的低い電位を印加するとき、比較的低い温度で実質的に
大きな電流が流れ、従ってそれは低い電圧において点火
器がガス燃料の着火温度に到達するという結果を与える
。過剰電子の自由度は、温度の上昇によって影響を受け
、かくして冷時比抵抗のみならず熱時比抵抗をも低下さ
せるが、しかしながら、熱時比抵抗に対する影響は冷時
比抵抗に対する影響よりも割合において小さい。それ故
、化合物の冷時比抵抗対熱時化抵抗の比は陰性のドーピ
ング元素の添加によって低下する。

本発明の組成物から製造した点火器は、通常は、使用し
ない時は室温に保たれ且つ使用時にはガスの着火温度よ
りも高く保たれるから、組成物の冷時体積比抵抗は２０
℃で測定し、熱時体積比抵抗は１２００℃で測定する。

１８− 本発明による炭化珪素組成物は、約１．２５オーム・Ｃ
＋＋＋よりも低い冷時体積比抵抗を取１坪するに十分な
陰性のドーピングを含有し、そしてこの組成物からつく
られた新規点火器に対して、従来技術に対する強度、耐
熱衝撃性および耐酸化性が匹敵する炭化珪素組成物から
形成された同じ大きさの点火器において可能であるより
も低い電圧の使用を可能ならしめるためには、０．９オ
ーム・ａｍよりも低い冷時体積比抵抗であることが好ま
しい。

本発明の炭化珪素組成物は更に、前記の理由により、１
２：１よりも低く、好ましくは９：１よりも低い２０℃
における冷時体積比抵抗対１２００℃における熱時体積
比抵抗の比を得るために十分な陰性のドーピングを有し
ている。

陰性のドーピング剤を用いるもう一つの理由は、このよ
うなドーピング剤を炭化珪素組成物中で存在せしめると
、ガスの着火温度よりもいくらか高い温度に温度が上邦
するとき体積比抵抗が急速に最低値に達するということ
である。その結果、電圧に僅かな変動があった場合です
ら、陰性のドープな含有しない材料よりも一定の温度に
おいで点火器を作動させることを可能とし月つ比較的高
い電圧における温度変化を制御する。それ故、温度の背
走が回避され且つ点火器を破壊しまたは損傷することな
しに比較的高い電圧を用いることができるから迅速な温
度上昇時間を得ることができる。

もしもアルミニウムまたは硼素のような陽性のドーピン
グ元素が過剰に存在している場合には、反対の結果が生
じる。十分な陰性ドーピングは、一般に、１００（＋当
り約０．００５モル乃至飽和量の少なくとも１種の陰性
のドーピング元素を組成物中へ加えることによって達成
することができる。

陰性のドーピングによる飽和は、通常は１００ｇ当り約
０．０５モルにおいて生ずるが、組成物１００（＋当り
０．０４モルまたはそれ以下においても生ずることがあ
る。組成物中の陰性のドーピング元素の百分率が増大す
るにつれて、冷時体積比抵抗が低下する：それ故、陰性
のドーピング元素の高い百分率が望ましい。陰性のドー
ピング元素量の好ましい下限は、組成物１００（＋当り
約０゜０１５モルである。

十分な陰性のドーピング元素を存在させるためには、存
在する望ましくない陽性のドーピング元素の効果に打ち
勝つために十分な自由電子を与えなければならない。実
際問題として、十分す自由電子は、組成物中における陽
性のドーピング元素よりも組成物１００ｏ当り約０．０
０３モルを超える過剰の陰性のドーピング元素を存在せ
しめるときに、与えられる。しかしながら、過剰の陰性
ドーピング元素が多ければ多いほど、その組成物から製
造した点火器は、与えられた電圧において、より迅速に
着火温度に到達する。前記のように、これは、組成物の
冷時体積比抵抗対熱時体積比抵抗の比の低下に基づき、
従ってそれは組成物中の過剰の陰性ドーピング元素によ
って与えられる過剰の自由電子の数の増大に基づいてい
る。

本発明においては、陰性のドーピング元素は、２１− 炭化珪素と反応するよりもむしろ炭化珪素中に溶解して
いることが、必須ではないが、好ましいことである。

本明ＩＱＩにおいて用いる場合のパ溶解する″という表
現は、固溶体、すなわち、炭化珪素の結晶格子中へ不純
物が導入されていることを意味する。

過剰の陰性ドーピング元素が炭化珪素と化学的に反応す
ると、望ましくない物理的性質を与えるおそれがあるか
ら、望ましくない。たとえば、窒素は約１８００℃より
も烏い）８度では炭化珪素と反応して、窒化珪素および
’ＭＭ炭素を生成するであろう。

本発明の組成物の製造に使用する微粒子状の炭化珪素中
または最終組成物中におけるその他の何らかの不純物の
存在は望ましくない。たとえば庚化珪索体の製造のため
の反応焼結のようなある種の工程においては、しばしば
、Ｍ離珪素が存在する。珪素を含有する組成物から製造
した点火器が珪素の融点に近付＜（１４２０℃）と、炭
化珪素２２− の比抵抗が急速に低下し、それが温度制御の喪失をもた
らす故に、本発明の組成物は０．１重量％よりも多い遊
離珪素を含有すべきではない。比抵抗のこのような急激
な低下は、容易に点火器の過熱を生じさせるおそれがあ
り、それは点火器の焼損または重大な損傷をもたらす。

遊離珪素は、反応焼結した炭化珪素体から、高温による
熱処理によって除去することができる；しかしながら、
遊離珪素の除去は、炭化珪素体を弱化して、効率的な点
火器に対して必要な細長い棒状体の製造を困難にする。

遊離炭素は高温において酸化して、組成物から製造した
点火器を弱化させるから、炭化珪素組成物中には、約２
．０重量％よりも多い遊離炭素を存在せしめるべきでは
ない。二酸化珪素は、冷時比抵抗対熱時化抵抗の比を増
大させる故に、炭化珪素中には、約３重量％を超える二
酸化珪素は存在せしめないことが望ましい。

本発明によって、望ましい炭化珪素組成物の製造のため
の特別な方法が提供される。微粒子状の炭化珪素から炭
化珪素体を製造するための従来の方法は、多くの理由に
より望ましくない。たとえば、炭素−炭化珪素混合物の
珪素化から成る反応焼結は、遊離珪素の存在をもたらす
。！！２離珪素は、電気的性質を変化させ且つ制御を困
難とする。高温熱処理による遊離珪素の除去は、組成物
の微細構造を粗くし且つその組成物から製造した炭化珪
素体を弱くする。その他の焼結方法は、必要な強度を得
るのに十分な高い密度を達成するために硼素またはアル
ミニウム含有添加物の使用を必要とする。硼素およびア
ルミニウムは、前記のように、電気的性質に対して有害
である。再結晶によって微粒子状の炭化珪素から点火器
本体を形成せしめることができる。このような炭化珪素
体は、粗い微細構造を有し且つ不十分な強度を有してい
る。

炭化珪素を基質上に蒸気として堆積せしめることができ
るが、基質はヒートシンクとして働らき、そのために昇
温時間および電力消費を増大させる。

その上、蒸着は制御が困難である。炭化珪素製品の製造
のための二次相方法は、炭化珪素の望ましい電気的性質
のいくつかを変化させる。単結晶生長方法は、結晶の大
きさおよび結晶型ならびに電気的特性に関して制御を困
難とする。加うるに、かかる方法に成功した場合ですら
、複雑且つ高価な装置および必要な時間の見地から、し
ばしば、実際的ではない。

本発明によれば、黒鉛型であることが好ましい中空円筒
形の型中に、細かい炭化珪素粉末をゆるく仕込み且つ型
装置を加熱しながら黒鉛プランジャーを用いて高圧にお
いて粉末を押し固めることによって、炭化珪素を熱加圧
する。

前記のような粒子の大きさおよび純度を有する特定的な
微粒子状炭化珪素を約１８００〜約２４００℃、好まし
くは約２０００〜約２３００℃の温度において熱加圧す
る。微粒子状炭化珪素に加える圧力は、約７０〜約７５
０　Ｋｇ／ａｍ”　、好ましくは約７０〜約５００　Ｋ
Ｇ　／ａｍ”である。本発２５− 明の方法においては、望ましい組成物を取得するために
、上記の温度および圧力を、微粒子状炭化珪素に対して
、約５〜約４００分、好ましくは約１０〜約１２０分、
もっとも好ましくは約２０〜約１２０分間保持する。

温度、圧力ａ５よび保持時間は、主として微粒子状炭化
珪素の粒度に関係する。比較的小さい粒子は、比較的大
きい粒子よりも低い温度、圧力および保持時間で足りる
。１８００℃よりも低い調度においては、一般に不十分
な緻密性を有する弱い炭化珪素組成物が生成し、一方、
約２４００℃よりも高い温度では、炭化珪素は急速に分
解する。

小さな粒度を有する高度に焼結性の微粒子状炭化珪素は
、最低の圧力、たとえば約７０Ｋｇ／ｃｍ１１程度の低
い圧力を必要とするに過ぎない。最高圧力は型の強度に
よって限定され、且つ通常は炭化珪素に対しては黒鉛型
を使用するから、圧力に対する適度な上限は、約７５０
　Ｋ！＋　／ｃｍ！である。微粒子状の炭化珪素への濃
度および圧力の付２６− 与に対する保持時間は、加圧する微粒子状炭化珪素の口
に依存する。加うるに、比較的高い渇麿および圧力は一
般に必要な保持時間を低下させる。

少量の炭化珪素、たとえば約２９よりも少量を加圧する
ためには、高温および高圧において一般に少なくとも５
分が必要である。一般に本発明の組成物を生成せしめる
ための微粒子状炭化珪素の加圧に対しては、１０．５に
＋＋よりも少量の炭化珪素を加圧せしめる場合には、４
００分を超える保持時間を用いても、はとんど得る所は
ない。

本発明の方法において、微粒子状炭化珪素としては純粋
な無色の微粒子状炭化珪素を使用することができる；し
かしながら、純炭化珪素は製造が困難で且つ高価である
。それ故、純炭化珪素の使用は実際的ではない。好適な
炭化珪素は空気の存在において製造される緑色の炭化珪
素である。このような炭化珪素は一般に、約０．１重量
％（１００ｇ当り０．００７モル）乃至約０．３重量％
（１００ＩＪ当り０．０２１モル）の窒素を含有するが
、その窒素が、炭化珪素に対してその特徴である緑色を
与える。好適な緑色の炭化珪素は、０゜１重量％よりも
少ない遊離珪素、約２．０重量％よりも少ない遊離炭素
、約３．０重量％よりも少ない二酸化珪素および組成物
１００ｇ当り約０゜００４モルよりも少ない陽性のドー
ピング元素を含有する。

微粒子状炭化珪素の製造の結果として存在する窒素に加
えて、場合によっては、付加的な陰性ドーピング元素を
、任意の時点において、窒素含有雰囲気中で炭化珪素を
さらに加熱することによって、炭化珪素中に導入するこ
とができる。たとえば、微粒子状炭化珪素を約り５００
℃〜約２０００℃において、窒素含有雰囲気、好ましく
は純窒素中で約５〜１２０分間加熱することによって、
付加的な窒素を導入することができる。一般に、微粒子
状の炭化珪素を約１６００〜約１９００℃で約３０〜９
０分加熱するときに、十分な付加的な窒素ドーピング（
炭化珪素中への窒素の導入）を取得することができる。

炭化珪素中に付加的な窒素を導入するためには、窒素は
全粒子と接触しなければならない；それ故、粒子中に付
加的な窒素を導入するために十分な時間、窒素含有雰囲
気によって個々の炭化珪素粒子は分離されているべきで
ある。微粒子状炭化珪素の全粒子に接触させるための一
手段は、望ましい湿度において十分な時間、窒素雰囲気
によって粒子を流動化することである。

熱加圧前に、熱加圧の時点で、またはその後に、微粒子
状炭化珪素中に他の陰性ドーピング元素を導入すること
ができる。炭化珪素粒子中に付加的な陰性ドーピング元
素を導入するための一手段は、燐、砒素、アンチモン、
ビスマスおよびそれらの組合わせから選択する元素の蒸
気と粒子とを、高温たとえば約１５００〜約２０ｏＯ℃
において、接触させることである。生成する粒子状の炭
化珪素は一般に、組成物１００ｇ当り約０．００５〜約
０．０４モルの付加的な陰性ドーピング元素を２９− 含有する。

本発明の組成物を生せしめるための熱加圧方法は、存在
する陰性のドーピング元素の内を低下させる傾向がある
。これは陰性のドーピング元素が窒素である場合に特に
当てはまる。それ故、本発明の組成物とするために微粒
子状の炭化珪素を加圧したのちに微粒子状炭化珪素中に
付加的な陰性ドーピング元素を導入することが、必ずし
も必要ではないにしても、有利であることが見出された
。

たとえば、加圧後の組成物中には、窒素、燐、砒素、ア
ンチモン、ビスマスおよびそれらの組合わせから成る群
よりえらばれる元素を、組成物１００ｇ当り約０．００
１〜約０．０４モル導入することができる。加圧後に付
加的な陰性ドーピング元素を導入するための一手段は、
約０．０１５〜約０．２０ｃｍの厚さを有する形状に組
成物を切断し、次いでこの薄い形状物を、陰性のドーピ
ング元素の１種またはそれらの組合わせの蒸気に、約１
５００〜約２０００℃の温度で暴露することで３０− ある。組成物中に導入するための好適な陰性ドーピング
元素は、豊富性および無毒性の故に、窒素である。その
上、窒素は炭化珪素の結晶構造と適合する小さな原子で
ある。燐は安価であり且つやはり炭化珪素結晶構造と適
合する小さな原子である故に、燐もまた組成物中に導入
するために望ましい陰性のドーピング元素である。

前記のように、本発明の組成物は、優れた特性を有する
電気的熱表面燃料点火器の製造において、使用すること
ができる。一般に、かかる点火器を組成物から切り出し
てつくられる。

一般に、点火器が小さいほどそれは迅速に温度が上がる
が、迅速な昇温時間は、ガス燃料を使用するストーブバ
ーナーのためのストーブ頂部点火器のような用途に点火
器を使用するときに、重要である。形の小さい点火器は
、点火器本体を着火温度まで上げるためのエネルギー対
点火器作動電力の比がきわめて小さいから、昇温時間が
短い。

たとえば、約０　、０４．６ａｍｘ　０　、０４６ＯＲ
ＩＸ２．５４ｃｍの寸法を有する棒状体より成る点火器
は０．１３５（Ｉの重量を有するに過ぎない。このよう
な点火器は、１２００℃の温度まで昇）易するために約
５．２ノＪ口り−を要し、その温度で約２４ワツトを消
費する。点火器本体を点火温度に上げるためのエネルギ
ー対その作動電力の比は、それ故、１ワット当り約０．
２２カロリーである。

その上、点火器の小さな形は低いエネルギー要求をもた
らし従ってそれは電力の節約を与える。このような点火
器を本発明の組成物から製造するときは、それは２秒ま
たは３秒で、点火温度まで昇温する。

もっと大きな点火器、たとえば約１．２６ｏの重量およ
び約３Ｑｃ＋ｎの長さを有するものは、３２０ワツトで
作動し、それ故遥かに大きな量のエネルギーを使用する
。加つるに、その点火器を着火温度まで加熱するために
要する時間は、たとえば約３０〜約６０秒というように
、著るしく長くなる。

点火器の電力消費は点火器の表面積に直接に関係する。

それ故、エネルギー消費を低く保つためには、表面積を
できる限り小さくしなければならない。点火器の形を小
さく保つときは、点火器の表面積もまた、同じく幾何学
的形態を有する一層大きな点火器に比較して、小さく保
たれる。

電力供給の見地からは、僅かな電流が流れる高電圧の点
火器が望ましい。かくして、高い比抵抗の材料から製造
した細長い本体を有する点火器が要求される。点火器は
、必要な小さな寸法において取扱い可能であり且つ輸送
可能であるために、十分な強度を有していなければなら
ない。本発明の組成物から製造した点火器は、これらの
要件に合致する。

点火器は、本発明の組成物から製造した細長い棒状体で
あることが好ましい。電力消費、表面積および強度を考
慮してもっとも好適な点火器は、本質的に正方形または
円形の断面、約ｏ、ｏｏ。

１〜約０．００４ｃｍｆｆ１の断面積および約０．５〜
３３− 約５ｃｍの長さを有する棒状物である。

以下の実施例は本発明の組成物、方法および点火器を例
証するものである。

実　施　例　１ 約０．２３％の窒素を含有し且つ２．７ミクロンの平均
粒度を有する５０００の緑色炭化珪素粉を、約ＩＱｃｎ
＋の内径を有する黒鉛型中で可動プランジャー装置を用
いて熱加圧する。成型バレルは、外径的２５ｃｍ、高さ
約２０ＣＩ１１である。

加圧は、最高の密度を与えるべき圧力まで、且つ機械的
な停止なしで行なう。型は、内径２５ｃｍの還元炉中で
加熱し且つ圧力は、水圧ラムを有するプランジャーによ
って加える。温度は、覗管および光学的烏温計を用いて
型上で監視する。

材料に対する初期圧力は約１４　Ｋ（１／ｃｎ＋２で、
２２２５℃の最高温度に達するときに約４３５　ｋｇ／
Ｃｌ１１２となるように、徐々に昇圧する。昇温時間は
約２時間であり、この温度および圧力を４時間保ったの
ち、型に対する圧力を保ったまま、炉を３４− 放冷する。

炭化珪素組成物を型から取出したのちに、密度は２．５
６ｇ／ａｍ３、すなわち理論密度の約７９゜８％であり
、且つ約０．１３重量％（１００（］当り０．００９モ
ル）の窒素を含有することが認められる。

約２．２５ｃｍの厚さを有する棒状の生成組成物を、そ
の平らな表面上でダイヤモンド砥石車によって研摩して
１．９９ｃ＋ｎの均一な厚さとする。このビレットをエ
ポキシ接着剤によってセラミック板に接着し且つ直径６
インチ、厚さ０．０３０インチの金属結合ダイヤモンド
砥石車を備えた表面研摩機を用いて、０．０４６ｏＩＩ
ｌの厚さを有する平板状に切削する。

各平板を再びセラミック板上に取り付【ノ、且つ０．０
４６ｃｍｘＯ，０４６ｃｌｌｌの断面寸法を有する棒状
に切断する。棒の長さは平板の長さである。

ブＯパントーチランプを用いて加熱してエポキシ結合を
分解させることによって、これらの棒状体をセラミック
板からはがす。さらにトーチ炎を用いて加熱することに
よって、棒状体から完全にエポキシ接着剤を除去する。

これらの棒を約３ｃｍの長さに切るかまたは折る。棒の
各端を別個のタングステン線の末端における輪の中に通
し且つその位置でタングステン線に固定する。点火器の
一部は、１分間当り１０立方フイートの速度で流す窒素
でパージしたガラスフラスコ中で、バリアツク（■ａｒ
ｉａｃ　）電力源を用いて電気的に自己加熱させて、１
７００℃に到達させ、且つそこで１時間保持して、炭化
珪素棒を窒素ドープする。

寿命試験前に、点火器装置を６５．５ボルト、０．３７
５アンペアで動作させて、１３５０℃とする。平均冷時
抵抗は９６０オームであり且つ平均冷時抵抗は１７４オ
ームである。冷時比抵抗対熱時化抵抗の比は５．５であ
る。この材料の熱時比抵抗は０．１２オーム・ａｍであ
る。

点火器の一つを、１１５オームの抵抗器を有する電気回
路中で、１０２ボルトの動力源に対して配置する。これ
らの条件下に点火器は、必要な１２５０℃の最低温度よ
りも僅かに高い約１２８０℃に達する。点火器が１２５
０℃に達するまでの時間を、温度を監視する赤外線検知
子を有するストリップチャート記録計を用いて測定する
。１２５０℃に達するまでの平均時間は３．４秒である
ことが認められる。次いで点火器を、８秒通電および２
２秒中止において、４００００サイクルの寿命試験にか
ける。２２秒の中止は、点火器の室温までの完全な冷却
をもたらす。４００００ザイクル後にすら、点火器は４
．１秒で点火温度に到達する。回路中に抵抗を用いず且
つ抵抗器を使用しない代りに６１．５ボルトの電力供給
を用いるときは、４００００サイクル後に点火器の加熱
は遅くなり且つ点火器によって達せられる最高温度は、
６１．５ボルトの電力供給からの１５％のマイナスの偏
倚で危険な程度に、低くなる。

実　施　例　２ タングステン線接点の間の間隔を約０．７５ｃｎ＋３７
− に低下させ且つ窒素ドーピングを１８５０℃において３
０分間行なう以外は、実施例１において調製したものと
同様な棒状体を用いる。この点火器は、１１．４ワツト
の電力および５０．５オームの熱時抵抗に対して２４ボ
ルトおよび０．４７５アンペアで作動する。

実　施　例　３ タングステン線接点の間を約４ｃｍにするに十分な長さ
を与えるように切断し且つ窒素ドーピングを１７００℃
において２時間行なう以外は、実施例１において調製し
たものと同様な棒状体を用いる。この点火器は、４６．
８ワツトの電力および３０８オームの熱時抵抗に対して
１２０ボルトおよび０．３９アンペアで作動する。

実　施　例　４ 後続する窒素ドーピングを行なわない以外は、実施例１
の手順に従がう。付加的な窒素ドーピングを行なわない
点火器は、付加的な窒素ドーピングを行なった点火器の
９６０オームという冷時抵３８− 抗と比較して、１４４０オームという高い抵抗を有して
いる。付加的な窒素ドーピングを行なわない点火器は、
ドープした点火器の１７５オームという熱時抵抗と比較
して、１４０オームという低い熱時抵抗をも有している
。その結果として、冷時抵抗対熱時抵抗の比は、付加的
なドーピングを行なｐない点火器においては、付加的な
ドーピングを行なった点火器におけるよりも大である；
すなわち、５．５に比較して１０．３である。付加的な
ドーピングを行なわない点火器に対する１２５０℃に達
するまでの平均時間は、付加的にドープした点火器に対
して要する時間よりも、１０２ボルトにおいて約０．９
秒長い。

さらに、本発明によれば、炭化珪素体との新規電気的接
続を形成せしめるための新規方法を提供する。本発明に
よれば、タングステンあるいはまたモリブデン、タンタ
ルまたはニオブの、たとえば針金のような、導体を、約
０．２ｃｍの粒度を有する珪素粒を利用して、適当な熱
源を用いて、炭化珪素に溶接する。炭化珪素体は、約ｏ
、ｏｏ。

２〜約０．００４ｃｎｕの断面積および約０．１〜約５
ｃｍの長さを有する棒状であることが望ましい。

この棒をタングステン線中のぴったりと適合する輪中に
挿入する。次いで前記のような珪素粒を、タングステン
との炭化珪素の間で溶融して、金属線と炭化珪素棒の間
に、ろう付けした接合を与える。

生成するろう付けした接合は、大きな強度を有し且つ炭
化珪素棒を少なくとも１２５０℃の温度に繰返し加熱し
且つ冷却する点火器とする場合に遭遇する繰返しの熱衝
撃に対して、安定である。

ろう付けした接合の熱安定性および物理的強度は、金属
線および炭化珪素棒の両者に対する珪素粒の親和性なら
びに金属線、珪素および炭化珪素の熱膨張系数の近似に
よるものと思われる。もっとも望ましい熱膨張系数を有
する金属線はタングステン線であるが、加工性の点でモ
リブデンが望ましい。加うるに、この接合は耐酸化性で
ある。

珪素粒を溶融させるためには、任意の適当な熱源を用い
ることができる。たとえば、珪素は、プラズマ溶接機、
電子線またはレーザーを用いて溶融することができる。

加つるに、珪素は、高温炉中の加熱によって、または珪
素の融点（１４１２℃）よりも高く電気的に加熱するこ
とによって、溶融することができる。

本発明によれば更に、熱表面電気的燃料点火器と組合わ
せて使用するための新規電気回路が提供される。この新
規回路は、点火器と直列する降下抵抗器を包含する。前
記の理由から、点火器は炭化珪素から成ることが望まし
く且つ本発明の炭化珪素組成物から成ることが好ましい
。この回路は通常遭遇する約１２０ボルトのライン電圧
の直接的な使用を可能とする。その結果として、点火器
は、実際に降下抵抗器によるＩＱ降下により約６０ボル
トの電圧において動作するから、短かい長さを有する点
火器を使用することができる。加つるに、降下抵抗器は
、点火器が老化したときの点４１− 火器の電気的変化の影響を低下させる。比較的短かい点
火器を使用することができるから、前記のように、昇温
時間を短かくすると共に、比較的小さい点火器は、たと
えばガスレンジのような器具への取り付けが容易である
。

麹型的には、点火器の抵抗は、４００００サイクルとい
う推定有効寿命の間に、約２０％上昇する。このような
抵抗の変化は、点火器が消費する電力の低下により、一
定電圧における昇温時間および生ずる最高温度に実質的
に影響する。点火器Ｐｌの消費する電力は、回路電流の
２乗■２と点火器の抵抗Ｒ１との積に等しい。すなわち
、Ｐｌ＝ＩＲＲ１゜回路電流Ｉは回路の抵抗Ｒに対して
Ｉ＝Ｅ／Ｒの関係にあるから、Ｉ”＝Ｅ２／Ｒ’、それ
故、Ｐｌ−Ｅ２／Ｒ”　ＸＲ１゜回路抵抗の一部分が一
定の降下抵抗器である場合は、点火器の抵抗の変化は、
全回路抵抗が点火器によって提供される場合とほとんど
同程度に消費ミノ〕の変化を生じさせることはないとい
うことは明らかである。

４２− 点火器が消費する電力およびそれに伴なう点火器の濃度
は、それ故、降下抵抗器の存在によって安定化する。い
ろいろな理由によって、最高の安定化は、降下抵抗が１
２５０℃における点火器の初期熱時抵抗の約４０パーセ
ント以内、（１？ましくは約２０パーセント以内の値を
有するときに生ずることが見出された。降下抵抗の安定
下作用は上記実施例１中に例証されているが、この場合
においては、１１５オームの直列降下電極を、１７４オ
ームの初期熱時抵抗を有する点火器と共に使用している
。

加つるに、降下抵抗器を用いる場合には、点火器の昇温
時間が短縮される。これは回路を通じての初期電力が、
降下抵抗の不在の場合の初期消費電力よりも、点火器の
点火温度において消費する電力に一層近いためである。

前記のＰ１電力の式を見ると、一定の降下抵抗の存在に
基づり一層定常的な回路抵抗は、始動から着火温度に至
る消費電力の変動の減少をもたらすことが示されている
かくして、点火器の消費電力に対し点火器の高い冷時抵
抗が及ぼす影響か低減される。

回路への降下抵抗の付加は、本質的に一定の最終点火器
温度を確保するため、異なる点火器における変動を補償
するようにえらばれる。

第１頁の続き ＠発明者　ジェームス・アーサ　アメ −・）１−シュ　マツ ＠発明者　マーティン・リチャー　アメド・カスプルジ
イク　トリ ｏ発　明　者　エルマー・ジエン・ス　アメミス　リン リカ合衆国ニューヨーク州・ナイアガラフォールズ・キ
ンレイアベニュー９１９ リカ合衆国ニューカーク州・バッファロー・ホイトスー
ト１３８ リカ合衆国ニューヨーク州・ナイアガラフォールズ・ウ
ッドアベニュー２２２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭化珪素体を本質的にタングステン、タンタル、モ
   リブデンおよびニオブから成る群よりえらばれる金属か
   ら成る導体と接触させ、珪素を該導体および炭化珪素体
   の両者に対して溶融せしめることを特徴とする炭化珪素
   体に対して電気的接続を与えるための方法。 ２、導体はタングステン線であり且つ炭化珪素体は約０
   ．０００２〜約０．００４０ｍ２の断面積および約０．
   ５〜約５ｃｍの長さを有する炭化珪素棒である特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３、珪素の溶融のためにプラズマ溶接機を用いる特許請
   求の範囲第２項記載の方法。 ４、珪素の溶融のために電子線を用いる特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ５、珪素の溶融のためにレーザーを用いる特許請求の範
   囲第２項記載の方法。