减小磁场的电阻式加热元件.pdf

公开了加热元件组件、包含加热元件组件的加热炉、形成加热元件组件的方法、形成加热炉的方法以及减小双绕线圈中的磁场的方法。所述加热元件组件包括两个部件，每个部件由加热元件导线形成。所述两个部件相对彼此在空间上布置并电排布，以使得加在所述加热元件组件的电流同时沿相反方向流过所述两个部件。

1.  一种减小双绕线圈中的磁场的方法，所述方法包括：
电连接所述双绕线圈，使得在所述线圈的第一部分和所述线圈的第二部分中的电流方向相反，所述第一部分和所述第二部分沿所述双绕线圈的轴向方向顺序地相邻。

2.  一种形成加热元件组件的方法，所述方法包括：
通过互绕两个螺旋形部件构建双绕螺旋形线圈，每个螺旋形部件由加热元件导线形成，其中所述两个螺旋形部件相对彼此在空间上布置并电排布，使得施加到所述双绕螺旋形线圈的电流沿相反方向同时流过所述两个螺旋形部件。

3.  如权利要求2所述的方法，其中所述双绕螺旋形线圈具有约为所述两个螺旋形部件中的一个的初始圈距的两倍的圈距。

4.  一种形成加热炉的方法，所述方法包括：
利用权利要求2所述的方法形成加热元件组件；并且
将所述双绕螺旋形线圈连接到加热炉的电路，使得电流沿相反方向同时流过所述两个螺旋形部件。

5.  一种加热元件组件，包括：
两个部件，每个部件由加热元件导线形成，
其中所述两个部件在相同的轴线在空间上散开并且相对彼此布置成使得施加到所述加热元件的电流沿相反方向同时流过所述两个部件。

6.  如权利要求5所述的加热元件组件，其中所述两个部件是两个螺旋形部件并且所述加热元件是双绕螺旋形线圈。

7.  如权利要求6所述的加热元件组件，其中所述两个螺旋形部件是互绕的。

8.  如权利要求5所述的加热元件组件，其中所述两个部件具有非螺旋形形状。

9.  如权利要求5所述的加热元件组件，其中所述两个部件的第一个电连接到所述两个部件的第二个。

10.  如权利要求5所述的加热元件组件，其中所述两个部件的第一个与所述两个部件的第二个电隔开。

11.  如权利要求5所述的加热元件组件，其中所述两个部件被接线成一致。

12.  如权利要求5所述的加热元件组件，其中所述两个部件被接线成为相反。

13.  一种加热炉，包括如权利要求5所述的加热元件组件。

14.  一种加热炉，包括如权利要求9所述的加热元件组件。

15.  一种加热炉，包括如权利要求10所述的加热元件组件。

16.  一种加热炉，包括如权利要求11所述的加热元件组件。

17.  一种加热炉，包括如权利要求12所述的加热元件组件。

减小磁场的电阻式加热元件
相关申请数据
本申请依照美国35 U.S.C.§119(e)，要求2005年6月1日提交的美国临时申请No.60/685,881的优先权，在此通过参考将其整体内容并入本文。
技术领域
本公开涉及电阻式加热元件。更具体地，本公开涉及在组件中的电阻式加热元件的构建以及排布，以获得有益的性能。
背景技术
在以下技术的讨论中，参考了特定的结构和/或方法。然而，下列参考并不被诠释为认为这些结构和/或方法组成了现有技术。申请人明确地保留认为这类结构和/或方法对本发明不构成现有技术的权利。
电阻式加热元件普遍地用于热处理。例如，参见美国专利Nos：5,038,019；5,461,214；以及6,512,206。
现有的许多高温加热元件利用柱状加热元件组件，其中起作用的加热元件是电阻导线构成的螺旋形线圈。所述导线倾向于具有相对低的电阻，这必需相当大的电流以产生将导线加热到所需工作温度的所需功耗。
众所周知的，传导电流的导线在其周围产生磁场。对直导体应用安培定律告诉我们，其磁场被组织为环绕着导体的轴的一系列的线，方向取决于电流的方向。观察电流流向你的导体端，产生以逆时针旋转的场线。此外，当应用于导线的螺旋形线圈时，所述场变成被组织成北-南取向，其中北极朝向线圈的电流流出的一端。
在线圈的外部，磁场强度随着到导体的径向距离增加而减小。在距导体任意给定的距离，磁场强度直接随着导体中的电流量增加。螺旋形线圈外部的磁场类似于棒状磁体的外部形成的场。在螺旋形线圈内，磁场类似于螺线管，其中内部磁场由直线的，均匀分布的磁通线组成。
加热元件中的波动磁场能够产生不希望的影响。
这类影响之一是磁致伸缩。磁致伸缩是材料被置于波动磁场的结果。这将随着材料被置于波动磁场而造成材料尺寸的微小变化。许多材料被记载有磁致伸缩特性，当被置于波动磁场中时能引起其振动。磁致伸缩是电力变压器哼鸣的原因。
当用在圆柱形加热元件组件中时，其中起作用的加热元件组件是电阻导线构成的螺旋形线圈，由磁致伸缩引入的振动能够对在加热元件中处理的材料造成各种问题。这类问题之一是在炉内被处理的部件例如由于振动而移动。
内部场也能够对置于炉腔内以测量处理参数的传感器具有不希望的影响。
波动磁场可能对处理具有其他不希望的影响。
加热元件组件之外的场可能对元件组件附近的仪器具有不希望的影响。
发明内容
示范性加热元件组件包括两个部件，每个部件由加热元件导线形成，其中两个部件在空间上沿相同轴空间上散开并且相对彼此布置成使得加在加热元件上的电流同时沿相反方向流过两个部件。
所述两个部件可以是任意合适的形状，以使得加的电流沿相反方向流过两个部件。
减小双绕线圈内的磁场的示范性方法包括电连接双绕线圈以使得在线圈第一部分和线圈第二部分中的电流方向相反，第一部分和第二部分在双绕线圈的轴向顺序地相邻。
形成加热元件组件的示范性方法包括通过将两个螺旋形部件互绕以构建双绕螺旋形线圈，每个螺旋形部件由加热元件导线形成，其中所述两个螺旋形部件相对彼此在空间上布置并电排布，以使得加在双绕螺旋形线圈的电流同时沿相反方向流过两个螺旋形部件。
形成加热炉的示范性方法包括通过将两个螺旋形部件互绕以构建双绕螺旋形线圈，每个螺旋形部件由加热元件导线形成，并且将所述双绕螺旋形线圈连接到加热炉的电路，其中所述两个螺旋形部件相对彼此在空间上布置并电排布，以使得电流同时沿相反方向流过所述两个螺旋形部件。
附图说明
优选实施例的下列详细描述可通过结合附图理解，其中相同的附图标记代表相同的要素，并且其中：
图1示出了具有相反的电流流通路径的双绕线圈的加热元件组件的等轴视图。
图2示出了图1的组件的侧视图。
图3示出了两个单绕螺旋形部分合并成单个双绕部分。
图4是现有技术的线圈产生的磁场的横截面的示意图。
图5是如此处公开的加热元件组件的示范性实施例产生的磁场的横截面的示意图。
具体实施方式
示范性加热元件组件包括两个部件，每个部件由加热元件导线形成。所述两个部件相对彼此在空间上布置并电排布，以使得加在加热元件上的电流同时从相反方向流过两个构件。
所述两个部件可以是任意合适的形状，使得加的电流沿相反方向流过两个部件。例如，这两个部件可以是两个螺旋形部件，加热元件是双绕螺旋形线圈。两个螺旋形部件是互绕的，使得加的电流沿相反方向流过两个部件，例如，在所述两个部件中的第一个中沿第一方向，并且在所述两个部件中的第二个中沿第二方向。在另一实例中，这两个部件具有非螺旋形形状。特定的特殊加热环境为加热元件使用非螺旋形几何排布。这些非螺旋形几何排列可以两者都是规则的几何图形，例如，圆形、多边形、以及其他，以及包括特殊构形的不规则几何图形以满足最终用户定义的加热廓线。
在另外的示范性实施例中，此处公开的任意加热元件组件可被包括在加热炉中，例如用于对衬底进行热处理的加热炉，对半导体材料进行热处理的加热炉，和/或对金属部件进行热处理的加热炉。
应该理解的是此处公开的实施例和方法对直流和交流应用都适用。直流应用提供流动方向相反的电流；交流应用，其中方向自身做周期性地反向，也提供在一时间点上流动方向相反的电流。
图1示出了加热元件组件100的示范性实施例。在图1中，两个螺旋形线圈102，104互绕，以使得它们共有由其中心点定义的公共轴线106，并且被均匀地彼此隔开，以使得第一线圈102的和第二线圈104中的对应的环之间的距离相同。第一线圈102从位于组件100的第一端120处的第一连接器110开始，并延续到组件100的第二端130。第二线圈104从位于第一端120处的第二连接器112开始，并终止在第二端130。在第二端130，第一线圈102和第二线圈104由连接器140电连接。在电路中，第一连接器110和第二连接器112可以是电路的起始和末尾。
在图1的示范性实施例中，示出了双绕线圈中的相反的电流流通路径。在第一端110，双绕线圈的单独部件，例如，两个单绕部分，被电排布以使得加的电流从相反方向流过两个部件，所述方向由箭头方向指出，箭头方向指出了瞬时的电流流向。所示双绕线圈是单区域双绕线圈，但也可构建多区域双绕线圈和合并有多于两个部分的线圈。
图2从侧视图示出了图1的相同组件100。
公开了一种减小加热元件中的磁场的方法。在双绕线圈的示范性实施例中，所述双绕线圈被电连接，以使得在线圈的第一部分和线圈的第二部分中的电流方向相反，第一部分和第二部分沿双绕线圈的轴向顺序地相邻。
公开的另一种方法形成加热元件。例如，示范性方法包括通过将两个螺旋形部件互绕以构建双绕螺旋形线圈，每个螺旋形部件由加热元件导线形成。所述两个螺旋形部件相对彼此在空间上布置并电排布，使得施加到双绕螺旋形线圈的电流同时沿相反方向流过两个螺旋形部件。所述双绕螺旋形线圈具有大约为两个螺旋形部件的一个的初始圈距(turn pitch)的2倍的圈距。
公开的另外一种方法形成加热炉。例如，通过将两个螺旋形部件互绕以构建双绕螺旋形线圈，每个螺旋形部件由加热元件导线形成，并且将所述双绕螺旋形线圈连接到加热炉的电路。所述两个螺旋形部件在空间上布置并电排布，以使得电流同时沿相反方向流过所述两个螺旋形部件。
图3示出了形成加热元件的方法的示范性实施例。在图3的示范性方法中，两个单绕螺旋形部分302，304合并成单个双绕部分306。在所述实例中，第一单绕螺旋形部分302具有圈数为9，第二单绕螺旋形部分304具有圈数为8，但两个单绕螺旋形部分302、304可以使用任意的圈数。
构建方法可以包括将现有加热元件导线线圈分成两个相等的具有2×(大约2倍)初始螺旋形线圈圈距的螺旋形部分。所述两个部分接着通过拧在一起被互绕以形成双绕螺旋形线圈。这两个线圈在空间上沿相同轴线布置，以使得线圈不相互接触，但通过在末端的连接器或经由电路被电连接，以使得电流同时从相反方向流过两个部件，并且大大减小磁场。
附图或示范性实施例示出了使用内部跳线的加热元件的结构，以使得每个区域仅有2个引线。然而，可以使用替代的结构，包括，例如机械或电连接在一起以形成多区域加热元件的多个区域或以预制双绕模式同时制造的两个半部。
此处公开的并根据此处公开的方法构建的加热元件组件显示出改善的性能。这可参考图4和图5看到，下面将详细描述。
图4示出了由现有技术的线圈产生的磁场的横截面。在该实例中，在线圈段401a和401b中，电流沿朝向观察者的方向流动。这将在这些段产生具有逆时针(CCW)轨线的磁场402a和402b。由邻近段产生的场叠加形成具有同样的CCW轨线的连续的更大的场403。在线圈上相反大约180度的点位置404a和404b，电流向远离观察者的方向流动，并且产生具有顺时针(CW)轨线的单独的场405a和405b。在线圈此侧的场叠加并产生具有CW轨线的更大的连续的场406。由于更大的场403和406沿线圈轴具有相同的极性，它们在线圈内部产生较强的连续的磁场，具有连续的场向量407。
图5示出了此处公开的加热元件组件的示范性实施例产生的磁场的横截面。在该实例中，在线圈段501中，电流沿朝向观察者的方向流动。这将在该段产生具有CCW轨线的磁场502。同时在邻近的段503电流沿相反方向远离观察者流动。这将在邻近段产生具有CW轨线的场504。由于相邻的场502和504具有相反(CCW和CW)极性，它们不会叠加形成连续的更大的场，而是保持为被隔离的更弱的场。在线圈上与参考点501相反大约180度的点506，电流沿远离观察者的方向流动，并产生具有CW轨线的场506。在线圈的此侧重复了相反的场的模式，每个线圈段与其相邻的段具有相反极性的场。在此情形中，线圈507内部的合成的磁场向量较弱且不连续。
实例和测试：对单区域元件进行实验室测试，该单区域元件的内径(ID)为254mm，长度部分为330mm，由两个圈数为10的外径(OD)为8.25mm的导线的单绕螺旋形线圈部分构建而成。该组件具有大约为381mm的绝缘的外径。在测试期间，施加到线圈的电流大约峰值为212amps(150RMS)。实验室测试是对具有两个半部(例如，具有4个引线)的单元进行的，该两个半部独立连接使得它们可以被外部接线成为一致或相反模式。在实验室测试中，线圈连接成一致时测得内部场强90高斯，而线圈部分连接成反向时测得内部场强2高斯。
所述组件表现出如下所述的磁场的减小：
·在大约距离所述381mm外径的外壳50mm(距导线中线110mm)处测量元件组件外部，表现出测量的场从8.93高斯(对于一致模式)到2.73高斯(对于反向模式)的减小。该参数符合下面示出的计算得到的2.726高斯。单个的场是弱的并且分离的，因此所述场与单个导体产生的场一致。8.93高斯的测量结果指示出了具有相同场极性的其他线圈段的叠加效应。
·内部场示出了从大约90高斯(对于一致模式)到2.0高斯(对于反向模式)的减小。该参数对应于下面示出的计算值113.498高斯。注意该计算是针对螺线管线圈和加热元件结构的，并且因此仅是近似于实际测试例子。然而，在双绕反向模式下测得的小于2高斯的场与通过下列等式利用135mm距离(到线圈中心)计算出的场大致近似。
一致模式的测量值与基于标准螺线管的计算值符合。下列计算适用于上述测量的场的例子：
环绕导线的磁场(≈等于外部场)：
μ₀＝4·π·10^-7·T·m·A^-1     自由空间的磁导率
I = 212 1.414 · amp , ]]>I＝149.929A     峰值到RMS导体电流
r_d＝110·mm                 距导体的径向距离
B = ( μ 0 · I ) 2 · π · r d ]]>
B＝2.726×10^-4T，B＝2.726gauss
导体间的磁力：
μ₀＝4·π·10^-7·T·m·A^-1    自由空间的磁导率
w_p＝16.6mm                 导线间距
w_d＝8.25mm                 导线直径
r_c＝127mm+w_d               线圈半径(ID/2+导线直径)
I = 212 1.414 · amp , ]]>               I＝149.929A 峰值到RMS导体电流
N = 1 w p , ]]>                    n = 60.241 · 1 m ]]>
B＝μ₀·n·I
B＝0.011T                 B＝113.498gauss
尽管结合优选实施例描述了本发明，本领域中的普通技术人员可以很容易地理解的是，可以在没有脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下进行此处未明确描述的各种添加、删除、修改和替换。