JP2004516629A - 極端な温度用の抵抗体素子 - Google Patents
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Abstract
発熱用途の電気抵抗素子である。本発明では、この素子は、実質的に炭化チタンケイ素（Ｔｉ３ＳｉＣ２）から構成される。
Description
【０００１】
（発明の目的）
本発明は、極端な高温度用の新規な電気抵抗発熱体に関する。
【０００２】
この発熱体は、不活性および還元雰囲気、さらに酸化雰囲気および真空環境中で、２３００℃などの極端に高い温度に至るまでの、熱処理および焼結に関する用途を意図するものである。
【０００３】
（背景技術）
本発明のタイプの抵抗体素子は、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒＡｌ、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２に基づく抵抗体素子などとして、出願人により製造されている。これらの材料は、多くの雰囲気と相互に異なる温度で使用されている。これらの材料の共通する特徴は、高温度、例えば１３００℃を超える温度における有効性が、還元性環境中と真空条件下に制限されることである。Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ（タンタル）および黒鉛から主として成る発熱体は、２０００℃を超えるまでの温度用に使用される。これらの各材料は欠点および制約を持っており、共通の特徴は、４００〜５００℃を超える温度にさらされた時に、この材料が容易に酸化し、そのため炉の設計および炉の操作になされる特別な注意を必要とすることである。また、Ｔａ、ＭｏおよびＷの高い比重は、機械的構造に関して制約を必要とする。さらに、難加工性金属に対する材料コストが、それ自体高くなる。
【０００４】
（発明の概要）
本発明は、新規な材料からなる抵抗体素子に関する。
【０００５】
したがって、本発明は、発熱用途の電気抵抗体素子に関するものであり、この素子は、実質的に炭化チタンケイ素（Ｔｉ３ＳｉＣ２）から成ることを特徴とする。
【０００６】
（発明の詳細な説明）
本発明によれば、この素子は実質的に炭化チタンケイ素（Ｔｉ３ＳｉＣ２）から成る。
【０００７】
この素子は、殆ど１００重量％のＴｉ３ＳｉＣ２から成ってもよい。
【０００８】
好ましい実施形態によれば、この素子は、少なくとも８５重量％の炭化チタンケイ素から成る。
【０００９】
好ましい実施形態によれば、この材料は、１５重量％までのＴｉＣ、ＴｉＳｉ２、Ｔｉ５Ｓｉ３またはＳｉＣの化合物を１種以上、かつ少なくとも８５重量％の炭化チタンケイ素を含む。
【００１０】
その純粋な形態では、炭化チタンケイ素は、その中でも、非常に良好な機械的特性と温度特性を有する比較的新しいセラミック材料である。
【００１１】
この材料は、本質的に、非常に高い衝撃耐久性と高い耐熱衝撃性に貢献する、いわゆる微小積層型である。この材料は、加工容易であり、例えばソーによる切断が可能であり、これはセラミック材料にとって特異である。
【００１２】
この材料は、比較的軽量であり、４．５ｇ／ｃｍ３の密度をもっている。この材料の熱伝導性は、約３５Ｗ／ｍＫであって、温度に対して比較的に一定であり、また良好な電気伝導体である。
【００１３】
この材料は、高温度で可塑的に変形可能である。この材料の収縮特性は、１１００℃の温度まで使用される、いわゆる超合金のその特性を超えており、この温度がＴｉ３ＳｉＣ２に対する上限温度ではない。
【００１４】
１つの非常に重要な特性は、Ｔｉ３ＳｉＣ２の酸化特性がＭｏ、Ｗ、Ｔａ（タンタル）および黒鉛の酸化特性を超えていることである。
【００１５】
この材料Ｔｉ３ＳｉＣ２は、２３３０℃の温度まで存在する。この材料は、この温度でＴｉＣｘとＳｉに分解し、したがって使用時に２３００℃の温度限界を実現する。
【００１６】
純相材料Ｔｉ３ＳｉＣ２の特性は、そのような材料の製造が困難であったことにより、最近まで比較的知られていなかった。
【００１７】
Ｔｉ３ＳｉＣ２粉末から製造され緻密に焼結されたワイヤの電気抵抗について、アルゴン雰囲気中で、２０〜１６００℃の範囲の温度で行なった測定は、この材料のこの温度範囲内の抵抗が約０．２８オーム＊ｍｍ２／ｍから約１．４３オーム＊ｍｍ２／ｍにかけて直線的に変化することを示した。これは、室温ではＭｏＳｉ２発熱体の水準であり、しかし１６００℃ではＭｏＳｉ２発熱体に対する水準より約５５％低い。
【００１８】
酸素分圧を低減させることにより材料の安定性が容易になることが判り、これは、発熱体からの低脱ガス速度が求められる高真空下の真空炉中で、この材料が有効に使用できることを示している。
【００１９】
また、驚くべきことに、少なくとも１８００℃の温度までの乾燥水素ガスにさらされた時、この材料は影響を受けないことが判った。この温度は測定が行なわれた最高温度であるが、この材料が乾燥水素ガス中でさらに高い温度まで安定にとどまるであろう。
【００２０】
また、炭化チタンケイ素が、１１００〜１２００℃の温度まで、空気などの酸化雰囲気中できわめて良好な性質をもっていることが判った。この場合、素子の表面酸化物はＴｉＯ２から構成される。ＳｉＯ２−ＴｉＯ２型の酸化物が表面酸化物中に存在する。しかし、酸化雰囲気中の炭化チタンケイ素の特性は、これらの温度およびより高い温度で、ＦｅＣｒＡｌとＭｏＳｉ２型の合金と同等またはそれ以上である。これらの材料は、出願人により種々の形態で製造されていて、ＫＡＮＴＨＡＬおよびＫＡＮＴＨＡＬ ＳＵＰＥＲの商標下で市販されている。したがって、Ｔｉ３ＳｉＣ２は、酸化環境中でこれらの合金のより良い代替物にならない。
【００２１】
また、炭化チタンケイ素は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ（タンタル）および黒鉛から成る素子に比較して、１７００℃までの酸化時に、比較的長時間に亘り抵抗性がある。この特性は、何らかの理由で炉内の不活性あるいは還元性雰囲気を維持することができない場合、この材料が短時間では消耗されないことを意味している。
【００２２】
要約すると、本発明の抵抗体素子は、２３００℃の温度までの真空または不活性または還元性雰囲気中の用途、かつ約１２００℃温度までの酸化性雰囲気中の用途に特に適していると言うことができる。
【００２３】
この材料はＴａ、Ｍｏ、Ｗ、および黒鉛に比較して酸化に対してかなり抵抗性があるので、Ｔｉ３ＳｉＣ２発熱体を備えた炉は、酸化から保護するガスタイト封止を必ずしも必要としない。このことは炉の建設を容易にする。
【００２４】
Ｔｉ３ＳｉＣ２の機械的強度は、真空環境中および不活性および還元性雰囲気中で使用される黒鉛発熱体に比較して非常に大きい。
【００２５】
Ｔｉ３ＳｉＣ２のその他の重要な利点は、比較的薄い発熱体が製造できることである。これは、電気抵抗を高く維持することを可能にし、その結果、素子両端で極端でない低電圧を生じる。常温におけるＴｉ３ＳｉＣ２の電気抵抗は、ＭｏとＷより約６倍高く、それにより必要な制御および装置調節にかかるコストを低減している。
【００２６】
Ｔｉ３ＳｉＣ２から成る発熱体は、ロッド、管、ルツボ（電極模様がある、またはない）、電極模様（「電気オーブンプレートまたは面ヒータ型の」を含む薄層、スラブ、バンドの形態などの多くの異なる形態に製造可能である。例えば、素子は、ＭｏＳｉ２形素子の場合と同様に、ロッド形態で製造でき、Ｕ字形を与えることができ、かつ粗コネクタを提供できる。電極模様付きの薄層は、従来のフィラメント形発熱体の模様の代替になる。
【００２７】
Ｔｉ３ＳｉＣ２の良好な作業性が複雑な形状寸法を可能にし、簡単な手法を用いて低コストで製造される。
【００２８】
発熱体の用途に加えて、Ｔｉ３ＳｉＣ２は、炉内で、製品運搬材、熱遮蔽物、炉内ローラ、炉内はり、マフラー、ハンガー、ベルトおよびチエーン、またリードスルー（ｌｅａｄ−ｔｈｒｏｕｇｈｓ）および炉内ライニングなどの、種々の目的のために使用できる。
（発明の目的）
本発明は、極端な高温度用の新規な電気抵抗発熱体に関する。
【０００２】
この発熱体は、不活性および還元雰囲気、さらに酸化雰囲気および真空環境中で、２３００℃などの極端に高い温度に至るまでの、熱処理および焼結に関する用途を意図するものである。
【０００３】
（背景技術）
本発明のタイプの抵抗体素子は、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒＡｌ、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２に基づく抵抗体素子などとして、出願人により製造されている。これらの材料は、多くの雰囲気と相互に異なる温度で使用されている。これらの材料の共通する特徴は、高温度、例えば１３００℃を超える温度における有効性が、還元性環境中と真空条件下に制限されることである。Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ（タンタル）および黒鉛から主として成る発熱体は、２０００℃を超えるまでの温度用に使用される。これらの各材料は欠点および制約を持っており、共通の特徴は、４００〜５００℃を超える温度にさらされた時に、この材料が容易に酸化し、そのため炉の設計および炉の操作になされる特別な注意を必要とすることである。また、Ｔａ、ＭｏおよびＷの高い比重は、機械的構造に関して制約を必要とする。さらに、難加工性金属に対する材料コストが、それ自体高くなる。
【０００４】
（発明の概要）
本発明は、新規な材料からなる抵抗体素子に関する。
【０００５】
したがって、本発明は、発熱用途の電気抵抗体素子に関するものであり、この素子は、実質的に炭化チタンケイ素（Ｔｉ３ＳｉＣ２）から成ることを特徴とする。
【０００６】
（発明の詳細な説明）
本発明によれば、この素子は実質的に炭化チタンケイ素（Ｔｉ３ＳｉＣ２）から成る。
【０００７】
この素子は、殆ど１００重量％のＴｉ３ＳｉＣ２から成ってもよい。
【０００８】
好ましい実施形態によれば、この素子は、少なくとも８５重量％の炭化チタンケイ素から成る。
【０００９】
好ましい実施形態によれば、この材料は、１５重量％までのＴｉＣ、ＴｉＳｉ２、Ｔｉ５Ｓｉ３またはＳｉＣの化合物を１種以上、かつ少なくとも８５重量％の炭化チタンケイ素を含む。
【００１０】
その純粋な形態では、炭化チタンケイ素は、その中でも、非常に良好な機械的特性と温度特性を有する比較的新しいセラミック材料である。
【００１１】
この材料は、本質的に、非常に高い衝撃耐久性と高い耐熱衝撃性に貢献する、いわゆる微小積層型である。この材料は、加工容易であり、例えばソーによる切断が可能であり、これはセラミック材料にとって特異である。
【００１２】
この材料は、比較的軽量であり、４．５ｇ／ｃｍ３の密度をもっている。この材料の熱伝導性は、約３５Ｗ／ｍＫであって、温度に対して比較的に一定であり、また良好な電気伝導体である。
【００１３】
この材料は、高温度で可塑的に変形可能である。この材料の収縮特性は、１１００℃の温度まで使用される、いわゆる超合金のその特性を超えており、この温度がＴｉ３ＳｉＣ２に対する上限温度ではない。
【００１４】
１つの非常に重要な特性は、Ｔｉ３ＳｉＣ２の酸化特性がＭｏ、Ｗ、Ｔａ（タンタル）および黒鉛の酸化特性を超えていることである。
【００１５】
この材料Ｔｉ３ＳｉＣ２は、２３３０℃の温度まで存在する。この材料は、この温度でＴｉＣｘとＳｉに分解し、したがって使用時に２３００℃の温度限界を実現する。
【００１６】
純相材料Ｔｉ３ＳｉＣ２の特性は、そのような材料の製造が困難であったことにより、最近まで比較的知られていなかった。
【００１７】
Ｔｉ３ＳｉＣ２粉末から製造され緻密に焼結されたワイヤの電気抵抗について、アルゴン雰囲気中で、２０〜１６００℃の範囲の温度で行なった測定は、この材料のこの温度範囲内の抵抗が約０．２８オーム＊ｍｍ２／ｍから約１．４３オーム＊ｍｍ２／ｍにかけて直線的に変化することを示した。これは、室温ではＭｏＳｉ２発熱体の水準であり、しかし１６００℃ではＭｏＳｉ２発熱体に対する水準より約５５％低い。
【００１８】
酸素分圧を低減させることにより材料の安定性が容易になることが判り、これは、発熱体からの低脱ガス速度が求められる高真空下の真空炉中で、この材料が有効に使用できることを示している。
【００１９】
また、驚くべきことに、少なくとも１８００℃の温度までの乾燥水素ガスにさらされた時、この材料は影響を受けないことが判った。この温度は測定が行なわれた最高温度であるが、この材料が乾燥水素ガス中でさらに高い温度まで安定にとどまるであろう。
【００２０】
また、炭化チタンケイ素が、１１００〜１２００℃の温度まで、空気などの酸化雰囲気中できわめて良好な性質をもっていることが判った。この場合、素子の表面酸化物はＴｉＯ２から構成される。ＳｉＯ２−ＴｉＯ２型の酸化物が表面酸化物中に存在する。しかし、酸化雰囲気中の炭化チタンケイ素の特性は、これらの温度およびより高い温度で、ＦｅＣｒＡｌとＭｏＳｉ２型の合金と同等またはそれ以上である。これらの材料は、出願人により種々の形態で製造されていて、ＫＡＮＴＨＡＬおよびＫＡＮＴＨＡＬ ＳＵＰＥＲの商標下で市販されている。したがって、Ｔｉ３ＳｉＣ２は、酸化環境中でこれらの合金のより良い代替物にならない。
【００２１】
また、炭化チタンケイ素は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ（タンタル）および黒鉛から成る素子に比較して、１７００℃までの酸化時に、比較的長時間に亘り抵抗性がある。この特性は、何らかの理由で炉内の不活性あるいは還元性雰囲気を維持することができない場合、この材料が短時間では消耗されないことを意味している。
【００２２】
要約すると、本発明の抵抗体素子は、２３００℃の温度までの真空または不活性または還元性雰囲気中の用途、かつ約１２００℃温度までの酸化性雰囲気中の用途に特に適していると言うことができる。
【００２３】
この材料はＴａ、Ｍｏ、Ｗ、および黒鉛に比較して酸化に対してかなり抵抗性があるので、Ｔｉ３ＳｉＣ２発熱体を備えた炉は、酸化から保護するガスタイト封止を必ずしも必要としない。このことは炉の建設を容易にする。
【００２４】
Ｔｉ３ＳｉＣ２の機械的強度は、真空環境中および不活性および還元性雰囲気中で使用される黒鉛発熱体に比較して非常に大きい。
【００２５】
Ｔｉ３ＳｉＣ２のその他の重要な利点は、比較的薄い発熱体が製造できることである。これは、電気抵抗を高く維持することを可能にし、その結果、素子両端で極端でない低電圧を生じる。常温におけるＴｉ３ＳｉＣ２の電気抵抗は、ＭｏとＷより約６倍高く、それにより必要な制御および装置調節にかかるコストを低減している。
【００２６】
Ｔｉ３ＳｉＣ２から成る発熱体は、ロッド、管、ルツボ（電極模様がある、またはない）、電極模様（「電気オーブンプレートまたは面ヒータ型の」を含む薄層、スラブ、バンドの形態などの多くの異なる形態に製造可能である。例えば、素子は、ＭｏＳｉ２形素子の場合と同様に、ロッド形態で製造でき、Ｕ字形を与えることができ、かつ粗コネクタを提供できる。電極模様付きの薄層は、従来のフィラメント形発熱体の模様の代替になる。
【００２７】
Ｔｉ３ＳｉＣ２の良好な作業性が複雑な形状寸法を可能にし、簡単な手法を用いて低コストで製造される。
【００２８】
発熱体の用途に加えて、Ｔｉ３ＳｉＣ２は、炉内で、製品運搬材、熱遮蔽物、炉内ローラ、炉内はり、マフラー、ハンガー、ベルトおよびチエーン、またリードスルー（ｌｅａｄ−ｔｈｒｏｕｇｈｓ）および炉内ライニングなどの、種々の目的のために使用できる。
Claims (3)
- 素子が実質的に炭化チタンケイ素（Ｔｉ３ＳｉＣ２）から成ることを特徴とする発熱用途の電気抵抗素子。
- 素子が少なくとも８５重量％の炭化チタンケイ素（Ｔｉ３ＳｉＣ２）から成ることを特徴とする請求項１に記載の電気抵抗素子。
- 素子材料がＴｉＣ、ＴｉＳｉ２、Ｔｉ５Ｓｉ３またはＳｉＣの化合物を１種以上、１５重量％まで含む請求項１または２に記載の電気抵抗素子。
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