专利名称：供给电流到管式炉的方法
在炉子操作中，经常对加热容积的绝热有高要求。关于不同应用对炉子内的均匀温度分布的需求也有高要求。换句话说，加热容积各处的最大可接受温度差经常非常低。在其它应用中，要求检查并将温度分布控制于根据预定义分布的非常高的准确度。
这种应用的例子是单晶生长的炉子、扩散炉以及管式炉，其中经过管壁的电流产生加热封闭的炉子容积的热能。炉子容积的这种加热需要高安培数输入，这意味着通过其使电流进入和流出炉子的设备必须具有大的横截面表面积。炉子可以是具有开口端的连续输送炉或者完全封闭炉子容积的炉子。
管式炉可能包括被供给电流的管子。管子可能包括内部陶瓷炉衬。管子也可以是位于环绕的加热线圈内的处理管。
当在炉子及其周围环境之间存在温度梯度时，与炉子表面直接接触的所有设备将热能从炉子引导到较冷的周围环境。该能量流失从有关的设备与炉子表面接触的点发生，并且设备导热越好以及所述设备与炉子之间的接触面越大则越有效。
这种设备的例子包括将炉子保持于适当位置的支架、不同的测量设备以及供给电流到炉子表面或引导电流离开所述表面的电流出口。这些设备经常由金属制成，因此是良好的热导体。当所讨论的设备是电流输入设备时，由于将炉子加热到预期温度所需的强电流，大的电接触面经常是必需的。
给定类型的电加热管式炉的典型工作条件包括500-1200℃首末包括在内的温度。在这些温度下，与炉子内预先确定温度分布的典型最高可接受偏差是10-20℃。当通过扩散加热单晶生长的材料时，温度范围可以是500-1400℃，精确度为+/-0.1℃。获得这种工作温度所需的电流如此强以至于需要使用相对强的电流输入设备。
其它类型的炉子可以用与通过供给电能给炉壳不同的方式加热。此外，不正常导电的不同设备可以应用于炉壳从而引起来自受热炉子容积的热能的点状流。
因此，本发明涉及一种传送电流给由在炉壁中传输的电流全部或部分地加热的炉子的方法，其中电流通过靠着或连接到炉壁的设备传输，并且其特征在于所述设备的至少一个具有接近炉壁的、横截面积小于所讨论设备的其余部分的部分，并且其特征在于流过所述较小横截面积的电流引起在所述较小横截面积的区域中热量的成长，这基本上或完全对应于没有所述较小横截面积的情况下从炉壁到设备所发生的热传输。
本发明也涉及权利要求8中陈述的具有一般特征的一种配置。本发明现在将部分结合附图中所示的本发明的实施方案更详细地描述，其中
图1是本发明的优选实施方案的全图。
图2-6是根据本发明的导电设备的优选实施方案的不同例子的横截面视图；以及图7是更详细地显示根据本发明的电流输入设备的优选实施方案的例子的横截面视图。
图1是根据本发明一种实施方案的所谓管式炉的侧视图，其中尺寸以毫米给出。炉子是所谓的连续输送炉类型并具有长开敞圆筒的形式，即所谓退火管，其压辊表面1构成在处理中起作用的炉壳。外壳由导电材料优选地金属或金属合金构成。产品例如导线在这种炉子中退火。
本发明也可以与分批加热产品的管式炉一起应用，在该情况下管子的端部在产品加热操作过程中封闭。该特性的炉子可以例如在电子电路的制造中使用。
NiCr是炉子制造中使用的典型金属合金。但是，该金属合金在高温下由于材料氧化而溅射。这种溅射影响炉壳的质量分布以及其电阻。由于所施加电流的强度，这又使得炉温的控制难以实现。由于该缘故，FeCrAl是关于根据本发明的管式炉的优选材料，因为该材料不溅射。
许多电流设备2-6连接到炉壳，炉壳的某些端子2-4是电流输入设备，而其余端子5，6是电流排出或电流放出设备。通过施加跨越电流输入设备2-4和电流排出设备5，6的电压，通过电流输入设备2-4使电流流入炉壳1并且通过电流排出设备5，6离开管式炉。因为炉壳1中成长的功率，由于外壳1中电阻，电流将加热封闭的炉子容积。
跨越每对电流输入设备和电流排出设备的电压可以单独调节，以便允许其间的电流被控制。这使得能够实现可控制封闭炉子容积的加热的目的，使得加热效应的幅度在沿着炉子的纵轴9的不同位置将不同。
因此，通过电流输入设备2-4及电流排出设备5，6的适当放置和跨越那里的适当电压的施加，炉子电源供给以及其温度分布可以用非常精确的方式控制，这将被本领域技术人员所了解。要求在图1的管式炉中控制温度的容积可以是分别位于电流输入设备2与相应的电流输入设备4或5以及电流输入设备3与设备3和6之间的封闭炉子容积的部分。
该构造的一个问题在于热量通过电流输入设备从炉壳1消散，因为所述设备与炉壳直接接触。该热量消散促使关于封闭炉子容积而预期的预定义温度分布的扰动。
使用平衡该热量损失的本发明，放置在应控制温度的封闭炉子容积的区域附近的电流输入设备2-4提供有腰部10-12。换句话说，在每个这种电流输入设备2-4上提供有横截面积比所述电流输入设备的其余部分的横截面积小得多的区域10-12。由于腰部10-12的较小的横截面积，给予通过设备2-4的电流的电阻在腰部10-12中比在相应的设备2-4的其余部分中大。当电流流过输入设备2-4时，由于所述设备的电阻和流过器件2-4的电流，功率被壮大。该功率壮大有助于每个电流输入设备2-4中的热量过剩，从而导致炉壳1在输入设备2-4与外壳1之间的接触面处点状加热。通过调节腰部10-12的横截面积，本领域技术人员将能够平衡到炉壳1的这种能量输入与由通过电流输入设备2-4的热量消散引起的能量损失，从而实现从炉子通过所述输入设备2-4到周围环境的热能的零净流量。因此封闭炉子容积的加热的该净贡献将不影响炉子中的温度分布。腰部放置于接近管子的压辊表面，以便减小位于腰部和管子之间的输入设备表面的大小，该表面被周围环境冷却。
代替给电流输入设备提供腰部，可以通过从所述设备的中心部分移除材料例如通过在其中提供孔洞来增加电流密度。
管式炉可以借助于不同类型的支架(图中没有显示)保持于所期望的位置。这些支架与炉子的压辊表面直接接触，于是有助于从炉子表面1通过与炉壳1接触的支架表面到周围环境的热能排出，以与电流输入设备非常相同的方式，导致受热炉子容积内的温度不平衡。
类似于电流输入设备2-4，支架可以由导电材料制成，并且可以把电压施加在支架两端以便使电流流过其间，于是通过电阻效应的所施加电流将有助于热量通过电源的横截面积流入炉壳1。通过调节所施加的电压以及通过调节支架的横截面积，净的热流可以达到零。在优选实施方案中，通过在支架与管状外壳1的接触面附近给支架提供与支架的其余部分相比具有较小横截面积的腰部，支架的电阻被影响。该腰部有助于增加支架的电阻从而增加进入管状外壳的随后热流。当然支架和电流输入设备可以彼此集成。
炉子内的能量平衡也将受与管式炉的表面直接接触的其它导热元件来干扰。电流可以流过所有这种设备，于是结合所述设备或所述腰部的适当选择的尺寸所述电流可以达到与炉子表面1的热能均衡。两个这种设备在图中引用为7，8。
图2-6说明根据本发明的导电2-6的五种不同实施方案，其中尺寸以毫米给出。如将看到的，与管子的直径相比电流输入设备2-6的尺寸决不小。因为加热电流的强度，设备2-6的横截面积具有至少给定的数量级是必要的。因为电流输入设备与管子之间的接触面具有大体上的量级，通过输入设备的热流损失完全不能忽略。
电流输入设备2-6的接触面的几何形状可以选择性地选择，以适合实施方案的其余条件，假设几何形状具有允许实现本目的的数量级。
布置于封闭炉子容积1的温度受控部分附近的电流输入设备2-4上的腰部10-12可以从图中清晰地看到。
图7是根据本发明的电流输入设备2的更详细的侧视图。该图显示通过所述设备2的腰部10的水平处的水平面的垂直能量平衡的研究。从炉子通过所述电流输入设备到周围环境的热量损失由箭头14说明。流过电流输入设备的腰部的电流导致进入管状外壳的平衡热流。该补偿热流由箭头15说明。由箭头14，15说明的能量流动的净热量贡献可以通过关于炉壳1的工作温度和关于炉子操作中的电流强度选择合适量级的腰部10横截面积来控制为零。
虽然本发明已参考许多示范性实施方案在上面描述，应当理解电流输入设备的设计、所述设备的数目以及电流排出设备的数目可以变化，如所述腰部的设计也可以变化。
因此本发明不应当认为局限于所描述的实施方案，因为可以在附加权利要求的范畴内作变化。
权利要求
1.一种传送电流给由在炉壁(1)中传输的电流全部或部分地加热的炉子的方法，其中使所述电流通过连接到所述炉壁或与所述炉壁邻接的设备(2-8)而传输，其特征在于给炉壁(1)附近的设备(2-4)的至少一个提供与所关心的设备(2-4)的其余部分相比具有较小横截面积的部分(10-12)；于是使得通过所述较小横截面积(10-12)的电流在所述较小部分(10-12)的区域中以这样的幅度产生热量，即该幅度将基本上或完全对应于在没有所述较小横截面积的情况下从炉壁(1)传输到相应设备(2-4)的热量幅度(14)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于使没有这种较小横截面积部分的设备(5-8)的一个没有或几个也传送电流；并且其特征在于所述一个没有或几个设备被选定尺寸，以便结合所述设备的尺寸选定使在其中产生的热量基本上对应于在没有所述电流的情况下从炉壁(1)传输到设备(5-8)的热量幅度(4)。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于使得与炉壁(1)邻接的导电设备(2-8)构成电流输入设备、支架、测量设备或其它设备，或者它们的组合。
4.根据权利要求1，2或3的方法，其特征在于使得与炉壁直接接触的设备(2-8)的横截表面具有彼此相同或彼此不同的正方形、环形或一些其它形状；以及其特征在于给予横截面积彼此相同或彼此不同的大小。
5.根据权利要求1，2，3或4的方法，其特征在于使设备(2-8)的一个或多个为电流输入设备；以及其特征在于使所述设备(2-8)的一个或多个构成电流排出设备，其中通过经由构成电流输入设备的一个或多个设备传送所述电流，或者通过经由用作电流排出设备的一个或多个设备放出电流，使电流流过炉壁(1)。
6.根据权利要求1，2，3，4或5的方法，其特征在于放置于要求精确温度控制的炉壁(1)容积附近的那些设备a)提供有用于建立炉壁与电流输入设备之间的能量平衡的具有合适尺寸的腰部(2-4)，或者b)使这些设备承载电流并选定尺寸，以便使之流过所关心设备的电流将有助于将建立炉壁与电流输入设备之间的能量平衡的热量产生。
7.根据前面权利要求的任何一个的方法，其特征在于用FeCrAl材料制造管式炉。
8.一种传送电流给由在炉壁(1)中传输的电流全部或部分地加热的炉子的配置，所述电流通过与所述炉壁邻接的设备(2-8)传送，其特征在于设备(2-4)的至少一个在所述炉壁(1)附近具有与所关心的设备(2-4)的其余部分相比具有较小横截面积的部分(10-12)，其中流过该较小横截面(10-12)的电流在所述较小横截面(10-12)的区域中导致这样幅度的热量产生，该幅度基本上或完全对应于在没有所述较小横截面积的情况下从炉壁(1)到设备(2-4)发生的热量幅度(14)。
9.根据权利要求8的配置，其特征在于使没有这种较小横截面积部分的设备(5-8)的一个没有或几个也传送电流；并且特征在于所述一个没有或几个设备被选定尺寸，以便结合所述设备的尺寸选定使在其中产生的热量基本上对应于在没有所述电流的情况下从炉壁(1)到设备(5-8)发生的热量传输(14)。
10.根据权利要求8或9的配置，其特征在于与炉壁(1)邻接的导电设备(2-8)是电流输入设备、支架，测量设备或其它设备，或者它们的混合。
11.根据权利要求8，9或10的配置，其特征在于与炉壁(1)直接接触的设备(2-8)的横截表面具有彼此相同或彼此不同的正方形、环形或一些其它形状；以及特征在于所述横截表面具有彼此相同或彼此不同的大小。
12.根据权利要求8，9，10或11的配置，特征在于设备(2-8)的一个或多个是电流输入设备；以及其特征在于设备(2-8)的一个或多个是电流排出设备，其中通过经由作为电流输入设备的那个设备或那些设备供给电流或者经由作为电流排出设备的那个设备或那些设备放出电流，该电流流过流过炉壁(1)。
13.根据权利要求8，9，10，11或12的配置，其特征在于放置于要求精确温度控制的炉壁(1)容积附近的那些设备a)提供有用于建立炉壁与电流输入设备之间的能量平衡的具有合适尺寸的腰部(2-4)，或者b)承载电流并选定尺寸，使得流过所讨论设备的电流将贡献于建立炉壁与电流输入设备之间的能量平衡的热量产生。
14.根据权利要求8-13的任何一个的配置，其特征在于管式炉用FeCrAl材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种传送电流给由炉壁(1)中传输的电流全部或部分地加热的炉子的方法，其中使所述电流通过连接到或与所述炉壁邻接的设备(2－8)而传输。本发明其特征在于给炉壁(1)附近的设备(2－4)的至少一个提供与所关心的设备(2－4)的其余部分相比具有较小横截面积的部分(10－12)；于是使得通过所述较小横截面(10－12)的电流在所述较小部分(10－12)的区域中以这样的幅度壮大热量，即该幅度将基本上或完全对应于在没有所述较小横截面积的情况下从炉壁(1)传输到设备(2－4)的热量幅度(14)。本发明也涉及一种配置。
文档编号H05B3/02GK1729717SQ200380107304
公开日2006年2月1日 申请日期2003年12月4日 优先权日2002年12月23日
发明者托马斯·莱文 申请人:桑德维克公司