專利名稱：供給電流到管式爐的方法
在爐子操作中，經(jīng)常對(duì)加熱容積的絕熱有高要求。關(guān)于不同應(yīng)用對(duì)爐子內(nèi)的均勻溫度分布的需求也有高要求。換句話說，加熱容積各處的最大可接受溫度差經(jīng)常非常低。在其它應(yīng)用中，要求檢查并將溫度分布控制于根據(jù)預(yù)定義分布的非常高的準(zhǔn)確度。
這種應(yīng)用的例子是單晶生長(zhǎng)的爐子、擴(kuò)散爐以及管式爐，其中經(jīng)過管壁的電流產(chǎn)生加熱封閉的爐子容積的熱能。爐子容積的這種加熱需要高安培數(shù)輸入，這意味著通過其使電流進(jìn)入和流出爐子的設(shè)備必須具有大的橫截面表面積。爐子可以是具有開口端的連續(xù)輸送爐或者完全封閉爐子容積的爐子。
管式爐可能包括被供給電流的管子。管子可能包括內(nèi)部陶瓷爐襯。管子也可以是位于環(huán)繞的加熱線圈內(nèi)的處理管。
當(dāng)在爐子及其周圍環(huán)境之間存在溫度梯度時(shí)，與爐子表面直接接觸的所有設(shè)備將熱能從爐子引導(dǎo)到較冷的周圍環(huán)境。該能量流失從有關(guān)的設(shè)備與爐子表面接觸的點(diǎn)發(fā)生，并且設(shè)備導(dǎo)熱越好以及所述設(shè)備與爐子之間的接觸面越大則越有效。
這種設(shè)備的例子包括將爐子保持于適當(dāng)位置的支架、不同的測(cè)量設(shè)備以及供給電流到爐子表面或引導(dǎo)電流離開所述表面的電流出口。這些設(shè)備經(jīng)常由金屬制成，因此是良好的熱導(dǎo)體。當(dāng)所討論的設(shè)備是電流輸入設(shè)備時(shí)，由于將爐子加熱到預(yù)期溫度所需的強(qiáng)電流，大的電接觸面經(jīng)常是必需的。
給定類型的電加熱管式爐的典型工作條件包括500-1200℃首末包括在內(nèi)的溫度。在這些溫度下，與爐子內(nèi)預(yù)先確定溫度分布的典型最高可接受偏差是10-20℃。當(dāng)通過擴(kuò)散加熱單晶生長(zhǎng)的材料時(shí)，溫度范圍可以是500-1400℃，精確度為+/-0.1℃。獲得這種工作溫度所需的電流如此強(qiáng)以至于需要使用相對(duì)強(qiáng)的電流輸入設(shè)備。
其它類型的爐子可以用與通過供給電能給爐殼不同的方式加熱。此外，不正常導(dǎo)電的不同設(shè)備可以應(yīng)用于爐殼從而引起來自受熱爐子容積的熱能的點(diǎn)狀流。
因此，本發(fā)明涉及一種傳送電流給由在爐壁中傳輸?shù)碾娏魅炕虿糠值丶訜岬臓t子的方法，其中電流通過靠著或連接到爐壁的設(shè)備傳輸，并且其特征在于所述設(shè)備的至少一個(gè)具有接近爐壁的、橫截面積小于所討論設(shè)備的其余部分的部分，并且其特征在于流過所述較小橫截面積的電流引起在所述較小橫截面積的區(qū)域中熱量的成長(zhǎng)，這基本上或完全對(duì)應(yīng)于沒有所述較小橫截面積的情況下從爐壁到設(shè)備所發(fā)生的熱傳輸。
本發(fā)明也涉及權(quán)利要求8中陳述的具有一般特征的一種配置。本發(fā)明現(xiàn)在將部分結(jié)合附圖中所示的本發(fā)明的實(shí)施方案更詳細(xì)地描述，其中

圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的全圖。
圖2-6是根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施方案的不同例子的橫截面視圖；以及圖7是更詳細(xì)地顯示根據(jù)本發(fā)明的電流輸入設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施方案的例子的橫截面視圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的所謂管式爐的側(cè)視圖，其中尺寸以毫米給出。爐子是所謂的連續(xù)輸送爐類型并具有長(zhǎng)開敞圓筒的形式，即所謂退火管，其壓輥表面1構(gòu)成在處理中起作用的爐殼。外殼由導(dǎo)電材料優(yōu)選地金屬或金屬合金構(gòu)成。產(chǎn)品例如導(dǎo)線在這種爐子中退火。
本發(fā)明也可以與分批加熱產(chǎn)品的管式爐一起應(yīng)用，在該情況下管子的端部在產(chǎn)品加熱操作過程中封閉。該特性的爐子可以例如在電子電路的制造中使用。
NiCr是爐子制造中使用的典型金屬合金。但是，該金屬合金在高溫下由于材料氧化而濺射。這種濺射影響爐殼的質(zhì)量分布以及其電阻。由于所施加電流的強(qiáng)度，這又使得爐溫的控制難以實(shí)現(xiàn)。由于該緣故，F(xiàn)eCrAl是關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的管式爐的優(yōu)選材料，因?yàn)樵摬牧喜粸R射。
許多電流設(shè)備2-6連接到爐殼，爐殼的某些端子2-4是電流輸入設(shè)備，而其余端子5，6是電流排出或電流放出設(shè)備。通過施加跨越電流輸入設(shè)備2-4和電流排出設(shè)備5，6的電壓，通過電流輸入設(shè)備2-4使電流流入爐殼1并且通過電流排出設(shè)備5，6離開管式爐。因?yàn)闋t殼1中成長(zhǎng)的功率，由于外殼1中電阻，電流將加熱封閉的爐子容積。
跨越每對(duì)電流輸入設(shè)備和電流排出設(shè)備的電壓可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以便允許其間的電流被控制。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)可控制封閉爐子容積的加熱的目的，使得加熱效應(yīng)的幅度在沿著爐子的縱軸9的不同位置將不同。
因此，通過電流輸入設(shè)備2-4及電流排出設(shè)備5，6的適當(dāng)放置和跨越那里的適當(dāng)電壓的施加，爐子電源供給以及其溫度分布可以用非常精確的方式控制，這將被本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解。要求在圖1的管式爐中控制溫度的容積可以是分別位于電流輸入設(shè)備2與相應(yīng)的電流輸入設(shè)備4或5以及電流輸入設(shè)備3與設(shè)備3和6之間的封閉爐子容積的部分。
該構(gòu)造的一個(gè)問題在于熱量通過電流輸入設(shè)備從爐殼1消散，因?yàn)樗鲈O(shè)備與爐殼直接接觸。該熱量消散促使關(guān)于封閉爐子容積而預(yù)期的預(yù)定義溫度分布的擾動(dòng)。
使用平衡該熱量損失的本發(fā)明，放置在應(yīng)控制溫度的封閉爐子容積的區(qū)域附近的電流輸入設(shè)備2-4提供有腰部10-12。換句話說，在每個(gè)這種電流輸入設(shè)備2-4上提供有橫截面積比所述電流輸入設(shè)備的其余部分的橫截面積小得多的區(qū)域10-12。由于腰部10-12的較小的橫截面積，給予通過設(shè)備2-4的電流的電阻在腰部10-12中比在相應(yīng)的設(shè)備2-4的其余部分中大。當(dāng)電流流過輸入設(shè)備2-4時(shí)，由于所述設(shè)備的電阻和流過器件2-4的電流，功率被壯大。該功率壯大有助于每個(gè)電流輸入設(shè)備2-4中的熱量過剩，從而導(dǎo)致爐殼1在輸入設(shè)備2-4與外殼1之間的接觸面處點(diǎn)狀加熱。通過調(diào)節(jié)腰部10-12的橫截面積，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠平衡到爐殼1的這種能量輸入與由通過電流輸入設(shè)備2-4的熱量消散引起的能量損失，從而實(shí)現(xiàn)從爐子通過所述輸入設(shè)備2-4到周圍環(huán)境的熱能的零凈流量。因此封閉爐子容積的加熱的該凈貢獻(xiàn)將不影響爐子中的溫度分布。腰部放置于接近管子的壓輥表面，以便減小位于腰部和管子之間的輸入設(shè)備表面的大小，該表面被周圍環(huán)境冷卻。
代替給電流輸入設(shè)備提供腰部，可以通過從所述設(shè)備的中心部分移除材料例如通過在其中提供孔洞來增加電流密度。
管式爐可以借助于不同類型的支架(圖中沒有顯示)保持于所期望的位置。這些支架與爐子的壓輥表面直接接觸，于是有助于從爐子表面1通過與爐殼1接觸的支架表面到周圍環(huán)境的熱能排出，以與電流輸入設(shè)備非常相同的方式，導(dǎo)致受熱爐子容積內(nèi)的溫度不平衡。
類似于電流輸入設(shè)備2-4，支架可以由導(dǎo)電材料制成，并且可以把電壓施加在支架兩端以便使電流流過其間，于是通過電阻效應(yīng)的所施加電流將有助于熱量通過電源的橫截面積流入爐殼1。通過調(diào)節(jié)所施加的電壓以及通過調(diào)節(jié)支架的橫截面積，凈的熱流可以達(dá)到零。在優(yōu)選實(shí)施方案中，通過在支架與管狀外殼1的接觸面附近給支架提供與支架的其余部分相比具有較小橫截面積的腰部，支架的電阻被影響。該腰部有助于增加支架的電阻從而增加進(jìn)入管狀外殼的隨后熱流。當(dāng)然支架和電流輸入設(shè)備可以彼此集成。
爐子內(nèi)的能量平衡也將受與管式爐的表面直接接觸的其它導(dǎo)熱元件來干擾。電流可以流過所有這種設(shè)備，于是結(jié)合所述設(shè)備或所述腰部的適當(dāng)選擇的尺寸所述電流可以達(dá)到與爐子表面1的熱能均衡。兩個(gè)這種設(shè)備在圖中引用為7，8。
圖2-6說明根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電2-6的五種不同實(shí)施方案，其中尺寸以毫米給出。如將看到的，與管子的直徑相比電流輸入設(shè)備2-6的尺寸決不小。因?yàn)榧訜犭娏鞯膹?qiáng)度，設(shè)備2-6的橫截面積具有至少給定的數(shù)量級(jí)是必要的。因?yàn)殡娏鬏斎朐O(shè)備與管子之間的接觸面具有大體上的量級(jí)，通過輸入設(shè)備的熱流損失完全不能忽略。
電流輸入設(shè)備2-6的接觸面的幾何形狀可以選擇性地選擇，以適合實(shí)施方案的其余條件，假設(shè)幾何形狀具有允許實(shí)現(xiàn)本目的的數(shù)量級(jí)。
布置于封閉爐子容積1的溫度受控部分附近的電流輸入設(shè)備2-4上的腰部10-12可以從圖中清晰地看到。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的電流輸入設(shè)備2的更詳細(xì)的側(cè)視圖。該圖顯示通過所述設(shè)備2的腰部10的水平處的水平面的垂直能量平衡的研究。從爐子通過所述電流輸入設(shè)備到周圍環(huán)境的熱量損失由箭頭14說明。流過電流輸入設(shè)備的腰部的電流導(dǎo)致進(jìn)入管狀外殼的平衡熱流。該補(bǔ)償熱流由箭頭15說明。由箭頭14，15說明的能量流動(dòng)的凈熱量貢獻(xiàn)可以通過關(guān)于爐殼1的工作溫度和關(guān)于爐子操作中的電流強(qiáng)度選擇合適量級(jí)的腰部10橫截面積來控制為零。
雖然本發(fā)明已參考許多示范性實(shí)施方案在上面描述，應(yīng)當(dāng)理解電流輸入設(shè)備的設(shè)計(jì)、所述設(shè)備的數(shù)目以及電流排出設(shè)備的數(shù)目可以變化，如所述腰部的設(shè)計(jì)也可以變化。
因此本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為局限于所描述的實(shí)施方案，因?yàn)榭梢栽诟郊訖?quán)利要求的范疇內(nèi)作變化。
權(quán)利要求
1.一種傳送電流給由在爐壁(1)中傳輸?shù)碾娏魅炕虿糠值丶訜岬臓t子的方法，其中使所述電流通過連接到所述爐壁或與所述爐壁鄰接的設(shè)備(2-8)而傳輸，其特征在于給爐壁(1)附近的設(shè)備(2-4)的至少一個(gè)提供與所關(guān)心的設(shè)備(2-4)的其余部分相比具有較小橫截面積的部分(10-12)；于是使得通過所述較小橫截面積(10-12)的電流在所述較小部分(10-12)的區(qū)域中以這樣的幅度產(chǎn)生熱量，即該幅度將基本上或完全對(duì)應(yīng)于在沒有所述較小橫截面積的情況下從爐壁(1)傳輸?shù)较鄳?yīng)設(shè)備(2-4)的熱量幅度(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于使沒有這種較小橫截面積部分的設(shè)備(5-8)的一個(gè)沒有或幾個(gè)也傳送電流；并且其特征在于所述一個(gè)沒有或幾個(gè)設(shè)備被選定尺寸，以便結(jié)合所述設(shè)備的尺寸選定使在其中產(chǎn)生的熱量基本上對(duì)應(yīng)于在沒有所述電流的情況下從爐壁(1)傳輸?shù)皆O(shè)備(5-8)的熱量幅度(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于使得與爐壁(1)鄰接的導(dǎo)電設(shè)備(2-8)構(gòu)成電流輸入設(shè)備、支架、測(cè)量設(shè)備或其它設(shè)備，或者它們的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于使得與爐壁直接接觸的設(shè)備(2-8)的橫截表面具有彼此相同或彼此不同的正方形、環(huán)形或一些其它形狀；以及其特征在于給予橫截面積彼此相同或彼此不同的大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4的方法，其特征在于使設(shè)備(2-8)的一個(gè)或多個(gè)為電流輸入設(shè)備；以及其特征在于使所述設(shè)備(2-8)的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)成電流排出設(shè)備，其中通過經(jīng)由構(gòu)成電流輸入設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備傳送所述電流，或者通過經(jīng)由用作電流排出設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備放出電流，使電流流過爐壁(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4或5的方法，其特征在于放置于要求精確溫度控制的爐壁(1)容積附近的那些設(shè)備a)提供有用于建立爐壁與電流輸入設(shè)備之間的能量平衡的具有合適尺寸的腰部(2-4)，或者b)使這些設(shè)備承載電流并選定尺寸，以便使之流過所關(guān)心設(shè)備的電流將有助于將建立爐壁與電流輸入設(shè)備之間的能量平衡的熱量產(chǎn)生。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求的任何一個(gè)的方法，其特征在于用FeCrAl材料制造管式爐。
8.一種傳送電流給由在爐壁(1)中傳輸?shù)碾娏魅炕虿糠值丶訜岬臓t子的配置，所述電流通過與所述爐壁鄰接的設(shè)備(2-8)傳送，其特征在于設(shè)備(2-4)的至少一個(gè)在所述爐壁(1)附近具有與所關(guān)心的設(shè)備(2-4)的其余部分相比具有較小橫截面積的部分(10-12)，其中流過該較小橫截面(10-12)的電流在所述較小橫截面(10-12)的區(qū)域中導(dǎo)致這樣幅度的熱量產(chǎn)生，該幅度基本上或完全對(duì)應(yīng)于在沒有所述較小橫截面積的情況下從爐壁(1)到設(shè)備(2-4)發(fā)生的熱量幅度(14)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的配置，其特征在于使沒有這種較小橫截面積部分的設(shè)備(5-8)的一個(gè)沒有或幾個(gè)也傳送電流；并且特征在于所述一個(gè)沒有或幾個(gè)設(shè)備被選定尺寸，以便結(jié)合所述設(shè)備的尺寸選定使在其中產(chǎn)生的熱量基本上對(duì)應(yīng)于在沒有所述電流的情況下從爐壁(1)到設(shè)備(5-8)發(fā)生的熱量傳輸(14)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的配置，其特征在于與爐壁(1)鄰接的導(dǎo)電設(shè)備(2-8)是電流輸入設(shè)備、支架，測(cè)量設(shè)備或其它設(shè)備，或者它們的混合。
11.根據(jù)權(quán)利要求8，9或10的配置，其特征在于與爐壁(1)直接接觸的設(shè)備(2-8)的橫截表面具有彼此相同或彼此不同的正方形、環(huán)形或一些其它形狀；以及特征在于所述橫截表面具有彼此相同或彼此不同的大小。
12.根據(jù)權(quán)利要求8，9，10或11的配置，特征在于設(shè)備(2-8)的一個(gè)或多個(gè)是電流輸入設(shè)備；以及其特征在于設(shè)備(2-8)的一個(gè)或多個(gè)是電流排出設(shè)備，其中通過經(jīng)由作為電流輸入設(shè)備的那個(gè)設(shè)備或那些設(shè)備供給電流或者經(jīng)由作為電流排出設(shè)備的那個(gè)設(shè)備或那些設(shè)備放出電流，該電流流過流過爐壁(1)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8，9，10，11或12的配置，其特征在于放置于要求精確溫度控制的爐壁(1)容積附近的那些設(shè)備a)提供有用于建立爐壁與電流輸入設(shè)備之間的能量平衡的具有合適尺寸的腰部(2-4)，或者b)承載電流并選定尺寸，使得流過所討論設(shè)備的電流將貢獻(xiàn)于建立爐壁與電流輸入設(shè)備之間的能量平衡的熱量產(chǎn)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-13的任何一個(gè)的配置，其特征在于管式爐用FeCrAl材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傳送電流給由爐壁(1)中傳輸?shù)碾娏魅炕虿糠值丶訜岬臓t子的方法，其中使所述電流通過連接到或與所述爐壁鄰接的設(shè)備(2－8)而傳輸。本發(fā)明其特征在于給爐壁(1)附近的設(shè)備(2－4)的至少一個(gè)提供與所關(guān)心的設(shè)備(2－4)的其余部分相比具有較小橫截面積的部分(10－12)；于是使得通過所述較小橫截面(10－12)的電流在所述較小部分(10－12)的區(qū)域中以這樣的幅度壯大熱量，即該幅度將基本上或完全對(duì)應(yīng)于在沒有所述較小橫截面積的情況下從爐壁(1)傳輸?shù)皆O(shè)備(2－4)的熱量幅度(14)。本發(fā)明也涉及一種配置。
文檔編號(hào)H05B3/02GK1729717SQ200380107304
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日
發(fā)明者托馬斯·萊文 申請(qǐng)人:桑德維克公司