專利名稱：減小磁場(chǎng)的電阻式加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及電阻式加熱元件。更具體地，本公開涉及在組件中的 電阻式加熱元件的構(gòu)建以及排布，以獲得有益的性能。
背景技術(shù)：
在以下技術(shù)的討論中，參考了特定的結(jié)構(gòu)和/或方法。然而，下列 參考并不被i仝釋為認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)和/或方法組成了現(xiàn)有技術(shù)。中請(qǐng)人明 確地保留認(rèn)為這類結(jié)構(gòu)和/或方法對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)的權(quán)利。
電阻式加熱兀件普遍地用于熱處理。例如，參見美國(guó)專利Nos: 5,038,019; 5,461,214;以及6,512,206。
現(xiàn)有的許多高溫加熱元件利用柱狀加熱元件組件，其中起作用的 加熱元件是電阻導(dǎo)線構(gòu)成的螺旋形線圈。所述導(dǎo)線傾向于具有相對(duì)低 的電阻，這必需相當(dāng)大的電流以產(chǎn)生將導(dǎo)線加熱到所需工作溫度的所
需功耗。
眾所周知的，傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。對(duì)直導(dǎo)體應(yīng)用 安培定律告訴我們，其磁場(chǎng)被組織為環(huán)繞著導(dǎo)體的軸的一系列的線， 方向取決于電流的方向。觀察電流流向你的導(dǎo)體端，產(chǎn)生以逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)的場(chǎng)線。此外，當(dāng)應(yīng)用于導(dǎo)線的螺旋形線圈時(shí)，所述場(chǎng)變成被組織成北-南取向，其中北極朝向線圈的電流流出的一端。
在線圈的外部，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著到導(dǎo)體的徑向距離增加而減小。在 距導(dǎo)體任意給定的距離，磁場(chǎng)強(qiáng)度直接隨著導(dǎo)體中的電流量增加。螺 旋形線圈外部的磁場(chǎng)類似于棒狀磁體的外部形成的場(chǎng)。在螺旋形線圈 內(nèi)，磁場(chǎng)類似于螺線管，其中內(nèi)部磁場(chǎng)由直線的，均勻分布的磁通線組成。
加熱元件中的波動(dòng)磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生不希望的影響。
這類影響之一是磁致伸縮。磁致伸縮是材料被置于波動(dòng)磁場(chǎng)的結(jié) 果。這將隨著材料被置于波動(dòng)磁場(chǎng)而造成材料尺寸的微小變化。許多 材料被記載有磁致伸縮特性，當(dāng)被置于波動(dòng)磁場(chǎng)中時(shí)能引起其振動(dòng)。 磁致伸縮是電力變壓器哼鳴的原因。
當(dāng)用在圓柱形加熱元件組件中時(shí)，其中起作用的加熱元件組件是 電阻導(dǎo)線構(gòu)成的螺旋形線圈，由磁致伸縮引入的振動(dòng)能夠?qū)υ诩訜嵩?件中處現(xiàn)的材料造成各種問題。這類問題之 一 是在爐內(nèi)被處理的部件 例如山丁振動(dòng)而移動(dòng)。
內(nèi)部場(chǎng)也能夠?qū)χ糜跔t腔內(nèi)以測(cè)量處理參數(shù)的傳感器具有不希望 的影響。
波動(dòng)磁場(chǎng)可能對(duì)處理具有其他不希望的影響。
加熱元件組件之外的場(chǎng)可能對(duì)元件組件附近的儀器具有不希望的影響。

發(fā)明內(nèi)容
示范性加熱元件組件包括兩個(gè)部件，每個(gè)部件由加熱元件導(dǎo)線形
5成，其中兩個(gè)部件在空間上沿相同軸空間上散開并且相對(duì)彼此布置成 使得加在加熱元件上的電流同時(shí)沿相反方向流過兩個(gè)部件。
所述兩個(gè)部件可以是任意合適的形狀，以使得加的電流沿相反方 向流過兩個(gè)部件。
減小雙繞線圈內(nèi)的磁場(chǎng)的示范性方法包括電連接雙繞線圈以使得 在線圈第一部分和線圈第二部分中的電流方向相反，第一部分和第二 部分在雙繞線圈的軸向順序地相鄰。
形成加熱元件組件的示范性方法包括通過將兩個(gè)螺旋形部件互繞 以構(gòu)建雙繞螺旋形線圈，每個(gè)螺旋形部件由加熱元件導(dǎo)線形成，其中 所述兩個(gè)螺旋形部件相對(duì)彼此在空間上布置并電排布，以使得加在雙 繞螺旋形線圈的電流同時(shí)沿相反方向流過兩個(gè)螺旋形部件。
形成加熱爐的示范性方法包括通過將兩個(gè)螺旋形部件互繞以構(gòu)建 雙繞螺旋形線圈，每個(gè)螺旋形部件由加熱元件導(dǎo)線形成，并且將所述
雙繞螺旋形線圈連接到力n熱爐的電路，其中所述兩個(gè)螺旋形部件相對(duì) 彼此在空間上布置并電排布，以使得電流同時(shí)沿相反方向流過所述兩


優(yōu)選實(shí)施例的下列詳細(xì)描述可通過結(jié)合附圖理解，其中相同的附
圖標(biāo)記代表相同的要素，并且其中
圖1示出了具有相反的電流流通路徑的雙繞線圈的加熱元件組件 的等軸視圖。
圖2示出了圖1的組件的側(cè)視圖。
圖3示出了兩個(gè)單繞螺旋形部分合并成單個(gè)雙繞部分。
圖4是現(xiàn)有技術(shù)的線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的橫截面的示意圖。
圖5是如此處公開的加熱元件組件的示范性實(shí)施例產(chǎn)生的磁場(chǎng)的橫截面的示意圖。
具體實(shí)施例方式
示范性加熱元件組件包括兩個(gè)部件，每個(gè)部件由加熱元件導(dǎo)線形 成。所述兩個(gè)部件相對(duì)彼此在空間上布置并電排布，以使得加在加熱 元件卜.的電流同時(shí)從相反方向流過兩個(gè)構(gòu)件。
所述兩個(gè)部件可以是任意合適的形狀，使得加的電流沿相反方向 流過兩個(gè)部件。例如，這兩個(gè)部件可以是兩個(gè)螺旋形部件，加熱元件 是雙繞螺旋形線圈。兩個(gè)螺旋形部件是互繞的，使得加的電流沿相反 方向流過兩個(gè)部件，例如，在所述兩個(gè)部件中的第一個(gè)中沿第一方向， 并且在所述兩個(gè)部件中的第二個(gè)中沿第二方向。在另一實(shí)例中，這兩 個(gè)部件具有非螺旋形形狀。特定的特殊加熱環(huán)境為加熱元件使用非螺
旋形幾何排布。這些非螺旋形幾何排列可以兩者都是規(guī)則的幾何圖形， 例如，圓形、多邊形、以及其他，以及包括特殊構(gòu)形的不規(guī)則幾何圖 形以滿足最終用戶定義的加熱廓線。
在另外的示范性實(shí)施例中，此處公開的任意加熱元件組件可被包 括在加熱爐中，例如用于對(duì)襯底進(jìn)行熱處理的加熱爐，對(duì)半導(dǎo)體材料 進(jìn)行熱處理的力l 1熱爐，和/或?qū)饘俨考M(jìn)行熱處理的加熱爐。
應(yīng)該理解的是此處公開的實(shí)施例和方法對(duì)直流和交流應(yīng)用都適 用。直流應(yīng)用提供流動(dòng)方向相反的電流；交流應(yīng)用，其中方向自身做 周期性地反向，也提供在 一 時(shí)間點(diǎn)上流動(dòng)方向相反的電流。
圖1示出了加熱元件組件100的示范性實(shí)施例。在圖1中，兩個(gè) 螺旋形線圈102， 104互繞，以使得它們共有由其中心點(diǎn)定義的公共軸 線106，并且被均勻地彼此隔開，以使得第一線圈102的和第二線圈 104中的對(duì)應(yīng)的環(huán)之間的距離相同。第一線圈102從位于組件100的第 一端120處的第一連接器110開始，并延續(xù)到組件100的第二端130。第二線圈104從位于第一端120處的第二連接器112開始，并終止在 第二端130。在第二端130，第一線圈102和第二線圈104由連接器140 電連接。在電路中，第一連接器110和第二連接器112可以是電路的 起始和末尾。
在圖1的示范性實(shí)施例中，示出了雙繞線圈中的相反的電流流通 路徑。在第- 端UO，雙繞線圈的單獨(dú)部件，例如，兩個(gè)單繞部分，被 電祠 一 布以使得加的電流從相反方向流過兩個(gè)部件，所述方向由箭頭方 向指出，箭頭方向指出了瞬時(shí)的電流流向。所示雙繞線圈是單區(qū)域雙 繞線圈，但也可構(gòu)建多區(qū)域雙繞線圈和合并有多于兩個(gè)部分的線圈。
圖2從側(cè)視圖示出了圖1的相同組件100。
公開了 一種減小加熱元件中的磁場(chǎng)的方法。在雙繞線圈的示范性 實(shí)施例中，所述雙繞線圈被電連接，以使得在線圈的第一部分和線圈 的第二部分中的電流方向相反，第 一 部分和第二部分沿雙繞線圈的軸 向順序地相鄰。
公開的另一種方法形成加熱元件。例如，示范性方法包括通過將 兩個(gè)螺旋形部件互繞以構(gòu)建雙繞螺旋形線圈，每個(gè)螺旋形部件由加熱 元件導(dǎo)線形成。所述兩個(gè)螺旋形部件相對(duì)彼此在空間上布置并電排布， 使得施加到雙繞螺旋形線圈的電流同時(shí)沿相反方向流過兩個(gè)螺旋形部 件。所述雙繞螺旋形線圈具有大約為兩個(gè)螺旋形部件的一個(gè)的初始圈 距(turn pitch)的2倍的圈距。
公開的另外一種方法形成加熱爐。例如，通過將兩個(gè)螺旋形部件 互繞以構(gòu)建雙繞螺旋形線圈，每個(gè)螺旋形部件由加熱元件導(dǎo)線形成， 并且將所述雙繞螺旋形線圈連接到加熱爐的電路。所述兩個(gè)螺旋形部 件在空間上布置并電排布，以使得電流同時(shí)沿相反方向流過所述兩個(gè)
螺旋形部件。圖3示出了形成加熱元件的方法的示范性實(shí)施例。在圖3的示范
性方法中，兩個(gè)單繞螺旋形部分302， 304合并成單個(gè)雙繞部分306。 在所述實(shí)例中，第一單繞螺旋形部分302具有圈數(shù)為9，第二單繞螺旋 形部分304具有圈數(shù)為8，但兩個(gè)單繞螺旋形部分302、 304可以使用
任意的圈數(shù)。
構(gòu)建方法可以包括將現(xiàn)有加熱元件導(dǎo)線線圈分成兩個(gè)相等的具有 2x (大約2倍)初始螺旋形線圈圈距的螺旋形部分。所述兩個(gè)部分接 著通過擰在"起被互繞以形成雙繞螺旋形線圈。這兩個(gè)線圈在空間上 沿相同軸線布置，以使得線圈不相互接觸，但通過在末端的連接器或 經(jīng)由電路被電連接，以使得電流同時(shí)從相反方向流過兩個(gè)部件，并且 大大減小磁場(chǎng)。
附圖或示范性實(shí)施例示出了使用內(nèi)部跳線的加熱元件的結(jié)構(gòu)，以 使得每個(gè)區(qū)域僅有2個(gè)引線。然而，可以使用替代的結(jié)構(gòu)，包括，例 如機(jī)械或「乜連接在一起以形成多區(qū)域加熱元件的多個(gè)區(qū)域或以預(yù)制雙 繞模式同時(shí)制造的兩個(gè)半部。
此處公)1:的并根據(jù)此處公開的方法構(gòu)建的力「」熱元件組件顯示出改 善的性能。這可參考圖4和圖5看到，下面將詳細(xì)描述。
圖4示出了由現(xiàn)有技術(shù)的線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的橫截面。在該實(shí)例中， 在線圈段401a和401b中，電流沿朝向觀察者的方向流動(dòng)。這將在這些 段產(chǎn)生具有逆時(shí)針(CCW)軌線的磁場(chǎng)402a和402b。由鄰近段產(chǎn)生的 場(chǎng)疊加形成具有同樣的CCW軌線的連續(xù)的更大的場(chǎng)403。在線圈上相 反大約180度的點(diǎn)位置404a和404b，電流向遠(yuǎn)離觀察者的方向流動(dòng)， 并且產(chǎn)生具有順時(shí)針(CW)軌線的單獨(dú)的場(chǎng)405a和405b。在線圈此 側(cè)的場(chǎng)疊加并產(chǎn)生具有CW軌線的更大的連續(xù)的場(chǎng)406。由于更大的場(chǎng) 403和406沿線圈軸具有相同的極性，它們?cè)诰€圈內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的連續(xù)的磁場(chǎng)，具有連續(xù)的場(chǎng)向量407。
圖5示出了此處公開的加熱元件組件的示范性實(shí)施例產(chǎn)生的磁場(chǎng) 的橫截面。在該實(shí)例中，在線圈段501中，電流沿朝向觀察者的方向 流動(dòng)。這將在該段產(chǎn)生具有CCW軌線的磁場(chǎng)502。同時(shí)在鄰近的段503 電流沿相反方向遠(yuǎn)離觀察者流動(dòng)。這將在鄰近段產(chǎn)生具有CW軌線的 場(chǎng)504。由于相鄰的場(chǎng)502和504具有相反(CCW和CW)極性，它 們不會(huì)疊加形成連續(xù)的更大的場(chǎng)，而是保持為被隔離的更弱的場(chǎng)。在 線圈上與參考點(diǎn)501相反大約180度的點(diǎn)506，電流沿遠(yuǎn)離觀察者的方 向流動(dòng)，并產(chǎn)生具有CW軌線的場(chǎng)506。在線圈的此側(cè)重復(fù)了相反的場(chǎng) 的模式，每個(gè)線圈段與其相鄰的段具有相反極性的場(chǎng)。在此情形中， 線圈507內(nèi)部的合成的磁場(chǎng)向量較弱且不連續(xù)。
實(shí)例和測(cè)試對(duì)單區(qū)域元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，該單區(qū)域元件的內(nèi) 徑(ID)為254mm，長(zhǎng)度部分為330mm，由兩個(gè)圈數(shù)為IO的外徑(OD) 為8.25mm的導(dǎo)線的單繞螺旋形線圈部分構(gòu)建而成。該組件具有大約為 381mm的絕緣的外徑。在測(cè)試期間，施加到線圈的電流大約峰值為212 amps (150 RMS)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試是對(duì)具有兩個(gè)半部(例如，具有4個(gè)引 線)的單元進(jìn)行的，該兩個(gè)半部獨(dú)立連接使得它們可以被外部接線成 為一致或相反模式。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，線圈連接成一致時(shí)測(cè)得內(nèi)部場(chǎng) 強(qiáng)卯高斯，而線圈部分連接成反向時(shí)測(cè)得內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)2高斯。
所述組件表現(xiàn)出如下所述的磁場(chǎng)的減小
'在大約距離所述381mm外徑的外殼50mm(距導(dǎo)線中線110mm) 處測(cè)量元件組件外部，表現(xiàn)出測(cè)量的場(chǎng)從8.93高斯(對(duì)于一致模式) 到2.73高斯(對(duì)于反向模式)的減小。該參數(shù)符合下面示出的計(jì)算得 到的2.726高斯。單個(gè)的場(chǎng)是弱的并且分離的，因此所述場(chǎng)與單個(gè)導(dǎo)體 產(chǎn)生的場(chǎng)一致。8.93高斯的測(cè)量結(jié)果指示出了具有相同場(chǎng)極性的其他 線圈段的疊加效應(yīng)。 內(nèi)部場(chǎng)示出了從大約90高斯(對(duì)于一致模式)到2.0高斯(對(duì) 于反向模式)的減小。該參數(shù)對(duì)應(yīng)于下面示出的計(jì)算值113.498高斯。 注意該計(jì)算是針對(duì)螺線管線圈和加熱元件結(jié)構(gòu)的，并且因此僅是近似 于實(shí)際測(cè)試?yán)?。然而，在雙繞反向模式下測(cè)得的小于2高斯的場(chǎng)與 通過下列等式利用135mm距離(到線圈中心)計(jì)算出的場(chǎng)大致近似。
一致模式的測(cè)量值與基于標(biāo)準(zhǔn)螺線管的計(jì)算值符合。下列計(jì)算適
用于上述測(cè)量的場(chǎng)的例子
環(huán)繞導(dǎo)線的磁場(chǎng)(。等于外部場(chǎng)) A二4.7r.l0-7.r.m.f1 自由空間的磁導(dǎo)率
T 212
/ =--amp
1.414， I二149.929A峰值到RMS導(dǎo)體電流
rd=110.mm
距導(dǎo)體的徑向距離
5 =
2 . 7T .,'(,
B二 2.726x10—4TB = 2.726gauss
導(dǎo)體間的磁力:
/7。 = 4.兀40—7.r
wp = 16.6mm
wd = 8.25mm
rc = 127mm+ wd
r 212
/ =--amp
1.414 ，
W』 % ，
5 = /■/。. 《 / B = 0.01 IT
自由空間的磁導(dǎo)率
導(dǎo)線間距
導(dǎo)線直徑
線圈半徑(ID/2+導(dǎo)線直徑)
I=149.929A 1
峰值到RMS導(dǎo)體電流
= 60.241
B = 113.498gauss
盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可以很容易地理解的是，可以在沒有脫離如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行此處未明確描述的各種添加、刪除、修改
和替換。
權(quán)利要求
1. 一種減小雙繞線圈中的磁場(chǎng)的方法，所述方法包括電連接所述雙繞線圈，使得在所述線圈的第一部分和所述線圈的第二部分中的電流方向相反，所述第一部分和所述第二部分沿所述雙繞線圈的軸向方向順序地相鄰。
2. —種形成加熱元件組件的方法，所述方法包括 通過互繞兩個(gè)螺旋形部件構(gòu)建雙繞螺旋形線圈，每個(gè)螺旋形部件由加熱元件導(dǎo)線形成，其中所述兩個(gè)螺旋形部件相對(duì)彼此在空間上布 置并電排布，使得施加至lj所述雙繞螺旋形線圈的電流沿相反方向同時(shí) 流過所述兩個(gè)螺旋形部件。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述雙繞螺旋形線圈具有約為 所述兩個(gè)螺旋形部件中的 一 個(gè)的初始圈距的兩倍的圈距。
4. 一種形成加熱爐的方法，所述方法包括 利用權(quán)利要求2所述的方法形成加熱元件組件；并且 將所述雙繞螺旋形線圈連接到加熱爐的電路，使得電流沿相反方向同時(shí)流過所述兩個(gè)螺旋形部件。
5. --種加熱元件組件，包括 兩個(gè)部件，每個(gè)部件由加熱元件導(dǎo)線形成，其中所述兩個(gè)部件在相同的軸線在空間上散開并且相對(duì)彼此布置 成使得施加到所述加熱元件的電流沿相反方向同時(shí)流過所述兩個(gè)部 件。
6. 如權(quán)利要求5所述的加熱元件組件，其中所述兩個(gè)部件是兩個(gè) 螺旋形部件并且所述加熱元件是雙繞螺旋形線圈。
7. 如權(quán)利要求6所述的加熱元件組件，其中所述兩個(gè)螺旋形部件 是互繞的。
8. 如權(quán)利要求5所述的加熱元件組件，其中所述兩個(gè)部件具有非 螺旋形形狀。
9. 如權(quán)利要求5所述的加熱元件組件，其中所述兩個(gè)部件的第一 個(gè)電連接到所述兩個(gè)部件的第二個(gè)。
10. 如權(quán)利要求5所述的加熱元件組件，其中所述兩個(gè)部件的第 一個(gè)與所述兩個(gè)部件的第二個(gè)電隔開。
11. 如權(quán)利耍求5所述的加熱元件組件，其中所述兩個(gè)部件被接線成-一致。
12. 如權(quán)利耍求5所述的加熱元件組件，其中所述兩個(gè)部件被接 線成為相反。
13. —種加熱爐，包括如權(quán)利要求5所述的加熱元件組件。
14. 一種加熱爐，包括如權(quán)利要求9所述的加熱元件組件。
15. —種加熱爐，包括如權(quán)利要求IO所述的加熱元件組件。
16. —種加熱爐，包括如權(quán)利要求11所述的加熱元件組件。
17. —種加熱爐，包括如權(quán)利要求12所述的加熱元件組件。
全文摘要
公開了加熱元件組件、包含加熱元件組件的加熱爐、形成加熱元件組件的方法、形成加熱爐的方法以及減小雙繞線圈中的磁場(chǎng)的方法。所述加熱元件組件包括兩個(gè)部件，每個(gè)部件由加熱元件導(dǎo)線形成。所述兩個(gè)部件相對(duì)彼此在空間上布置并電排布，以使得加在所述加熱元件組件的電流同時(shí)沿相反方向流過所述兩個(gè)部件。
文檔編號(hào)F27B5/14GK101512278SQ200680019655
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者凱文·B·佩克, 吉姆·桑謝斯, 龐特斯·K·H·尼爾松, 諾埃爾·H·約翰遜 申請(qǐng)人:Mrl工業(yè)公司