(57)【要約】  加熱素子アセンブリ、加熱素子アセンブリを組み込む加熱炉、加熱素子アセンブリの形成方法、加熱炉の形成方法および２本線のコイル内の磁場の減少方法を開示する。加熱素子アセンブリは各コンポーネントが加熱ワイヤで形成された２つのコンポーネントを有する。２つのコンポーネントは、加熱素子アセンブリに供給される電流が２つのコンポーネントを反対方向に同時に通って流れるように、互いに相対して空間的に位置づけられ、電気的に配置される。
2009502006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本線のコイル内の磁場を減少する方法であって、
前記２本線のコイルの軸方向に順次隣接する該２本線のコイルの第１セクションと第２セクションに流れる電流の方向を逆方向に置き換えるよう該２本線のコイルを電気的に接続することを特徴とする方法。
【請求項２】
各々が加熱素子ワイヤから形成される２つのヘリカルコンポーネントを結びつけることにより２本線のヘリカルコイルを構成する加熱素子アセンブリを形成する方法であって、
前記２本線のヘリカルコイルに供給される電流が前記２つのヘリカルコンポーネントに同時に反対方向に流れるように、前記２つのヘリカルコンポーネントが互いに相対して空間的に位置づけられ電気的に配置される、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
前記２本線のヘリカルコイルは前記２つのヘリカルコンポーネントの一方の元となるターンピッチの約２倍のターンピッチを有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
加熱炉を形成する方法であって、
請求項２に記載された方法で加熱素子アセンブリを形成し、
電流が前記２つのヘリカルコンポーネントを同時に反対方向に流れるように、前記２本線のヘリカルコイルを加熱炉の電気回路に取りつける、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
各々が加熱素子ワイヤから形成される２つのコンポーネントを備え、
前記加熱素子に供給される電流が前記２つのコンポーネントを同時に反対方向に流れるように、前記２つのコンポーネントが互いに相対して同軸上に空間的に分散して配置される、
ことを特徴とする加熱素子アセンブリ。
【請求項６】
前記２つのコンポーネントが２つのヘリカルコンポーネントであり、前記加熱素子が２本線のヘリカルコイルである、
請求項５に記載の加熱素子アセンブリ。
【請求項７】
前記２つのヘリカルコンポーネントが結びつけられている、
請求項６に記載の加熱素子アセンブリ。
【請求項８】
前記２つのコンポーネントが非ヘリカル形状を有する、
請求項５に記載の加熱素子アセンブリ。
【請求項９】
前記２つのコンポーネントのうち第１コンポーネントは第２コンポーネントに電気的に接合される、
請求項５に記載の加熱素子アセンブリ。
【請求項１０】
前記２つのコンポーネントのうち第１コンポーネントは第２コンポーネントに電気的に絶縁される、
請求項５に記載の加熱素子アセンブリ。
【請求項１１】
前記２つのコンポーネントは一致するようにワイヤ接続される、
請求項５に記載の加熱素子アセンブリ。
【請求項１２】
前記２つのコンポーネントは相対するようにワイヤ接続される、
請求項５に記載の加熱素子アセンブリ。
【請求項１３】
請求項５に記載の加熱素子アセンブリを備えた加熱炉。
【請求項１４】
請求項９に記載の加熱素子アセンブリを備えた加熱炉。
【請求項１５】
請求項１０に記載の加熱素子アセンブリを備えた加熱炉。
【請求項１６】
請求項１１に記載の加熱素子アセンブリを備えた加熱炉。
【請求項１７】
請求項１２に記載の加熱素子アセンブリを備えた加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の開示は、抵抗性加熱素子に関し、特に有益な性能を達成するためのアセンブリにおける抵抗性加熱素子の構成と配置に関する。
【０００２】
本願は、２００５年６月１日出願の米国仮出願第６０／６８５，８８１号に対し米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．）第１１９条（ｅ）項下による優先権を主張するものであり、その全内容は参照により本書に組み込まれるものである。
【背景技術】
【０００３】
後述する従来技術を論じるに際し、所定の構成および／または方法が参考とされた。しかし、これらの構成および／または方法が従来技術を構成することを認めるものとして下記の参考文献は解釈されるべきでない。出願人は、特に、これらの構成および／または方法が本発明に対する従来技術として資格を与えられるものでないことを論証する権利を留保するものである。
【０００４】
抵抗性加熱素子は通常加熱処理に使用される（例えば下記の特許文献参照）。
多くの従来技術の高温度加熱素子は円筒状加熱素子アセンブリを使用する。ここで、使用される加熱素子は抵抗ワイヤのヘリカルコイルである。このワイヤは所望の動作温度にこのワイヤを加熱するために要求される電力消費を発生するためかなりの大電流を必要とする比較的低い抵抗を有する。
【０００５】
電流を流すワイヤがそのワイヤの回りに磁場を発生することは知られている。一直線の導体にアンペアの法則を適用すると、磁場は電流の流れの方向に依存した方向に導体の軸の周りを回る一連の線として編成される。観察者に向かって流れる電流に対し導体の端部を観察すると、反時計方向に回転する磁力線が生成される。さらに、これがヘリカルコイルのワイヤに適用されると、磁場は電流が存在する所からコイルの端部に方向付けられた北極に対し南北方向に編成される。
【０００６】
コイルの外側で磁場の強さは導体から放射方向に離れるにつれて弱まる。導体からの如何なる所与の距離においても磁場の強さは導体の電流量で一直線に増加する。ヘリカルコイルの外側の磁場は、棒磁石の外側に形成される磁場に類似する。ヘリカルコイルの内側で、磁場は、内部の磁場が一直線の均一に間隔を持った磁力線からなるソレノイドに類似する。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，０３８，０１９号
【特許文献２】米国特許第５，４６１，２１４号
【特許文献３】米国特許第６，５１２，２０６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
加熱素子内の変動により磁場は好ましくない結果を引起すことがある。
【０００９】
このような結果の一つが磁気歪である。磁気歪は変動する磁場に晒された材料の結果である。このことは、材料が変動する磁場に晒されるにつれて材料の寸法の僅かな変化の原因となる。多くの材料は変動磁場に置かれたとき材料を振動される確認された磁気歪特性を有する。磁気歪は電力変圧器のハムの原因となる。
【００１０】
活性加熱素子抵抗ワイヤのヘリカルコイルである円筒状加熱素子アセンブリに使用されるとき、磁気歪により引起された振動は、加熱素子内で処理された材料に対する種々の問題の原因となり得る。このような問題の一つは、例えば振動による、炉内で処理される部品の置換である。
【００１１】
内部の磁場もまた、処理パラメータを測定するため炉の空洞内に置かれたセンサに対し望ましくない結果をもたらすことがある。
【００１２】
変動磁場も同様に処理に望ましくない結果をもたらすことがある。
【００１３】
加熱素子アセンブリに対する外部磁場も同様に素子アセンブリの近傍の器具類に望ましくない結果をもたらすことがある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
典型的な加熱素子アセンブリは、２つのコンポーネントを有し、各コンポーネントは加熱素子ワイヤから形成され、２つのコンポーネントは同軸上で空間的に分散され、加熱素子に流れる電流が２つのコンポーネントを通って同時に反対方向に流れるように互いに相対的に位置する。
【００１５】
２つのコンポーネントは、供給される電流が２つのコンポーネントを通って反対方向に流すのに適した何れの形状でもよい。
【００１６】
２本線のコイル内の磁場を減少する典型的な方法は、２本線のコイルをコイルの第１セクションと第２セクションに流れる電流の方向が反対方向となるように電気的に接続するステップを含む。ここで、第１セクションと第２セクションは２本線のコイルの軸方向に順次隣り合う。
【００１７】
典型的な加熱素子アセンブリの形成方法は、各ヘリカルコンポーネントが加熱素子ワイヤから形成された２つのヘリカルコンポーネントを結びつけることにより２本線のヘリカルコイルを構成するステップを含む。ここで、２つのヘリカルコンポーネントは、２本線のヘリカルコイルを流れる電流が２つのコンポーネントを通って同時に反対方向に流れるように互いに相対的に空間的に位置付けられかつ電気的に配置される。
【００１８】
加熱炉を形成する典型的な方法は、２本線のヘリカルコイルを結びつけることにより２本線のヘリカルコイルを構成するステップを含む。ここで、各ヘリカルコンポーネントは加熱素子ワイヤから形成され、２本線のヘリカルコイルを加熱炉の電気回路に取りつけ、２つのヘリカルコンポーネントは、電流が２つのヘリカルコンポーネントを通って同時に反対方向に流れるように互いに相対的に空間的に位置付けられかつ電気的に配置される。
【００１９】
以下に、添付図面を参照しつつ好適実施例を詳細に説明する。図面において同一の構成要素は同一参照番号を用いて示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
典型的な加熱素子アセンブリは、２つのコンポーネントを有し、各コンポーネントは加熱素子ワイヤから形成される。２つのコンポーネントは加熱素子に流れる電流が２つのコンポーネントを通って同時に反対方向に流れるように互いに相対的に空間的に位置付けられかつ電気的に配置される。
【００２１】
２つのコンポーネントは、供給される電流を２つのコンポーネントを通って反対方向に流すのに適した何れの形状でもよい。例えば、２つのコンポーネントは２つのヘリカルコンポーネントであり、加熱素子は２本線のヘリカルコイルである。２つのヘリカルコンポーネントは２つのコンポーネントを通過する電流が例えば、２つのコンポーネントのうちの第１のコンポーネントの第１方向と第２のコンポーネントの第２方向のように反対方向となるように結びつけられる。他の例において、２つのコンポーネントはヘリカルな形状をもたない。ある特殊な加熱環境においては、加熱素子用非ヘリカル幾何学的配置が用いられる。これらの非ヘリカル幾何学的配置には、例えば円、正多角形等の規則的な幾何学的形状およびエンドユーザが定義した加熱プロフィールに適合した空間的構成を含む不規則的な幾何学的形状の両方の配置がある。
【００２２】
他の典型的な実施例において、加熱素子アセンブリの何れもが熱処理基板用加熱炉、熱処理半導体材料用加熱炉および／または加熱処理金属コンポーネント用加熱炉のような加熱炉をもつことができる。
【００２３】
本書で開示する実施例および方法はＤＣおよびＡＣの応用に対し両方に適用できる。ＤＣの応用は、反対方向に電流を流す。方向が周期的に逆転するＡＣの応用は、ある時点で電流を反対方向に流す。
【００２４】
図１は電流の流れの通路に対抗する２本線のコイルを有する加熱素子アセンブリの等角図である。図１は加熱素子アセンブリ１００の典型的具体例を示す。図１において、ヘリカルコイル１０２、１０４は中心点１０６により規定される共通軸１０６を分け合い、第１コイル１０２および第２コイル１０４内の対応ループ間の距離が同一となるよう均等な間隔をもつように結びつけられている。第１コイル１０２はアセンブリ１００の第１端部１２０における第１コネクタ１１０で始まり、アセンブリ１００の第２端部１３０へと続く。第２コイル１０４は第１端部１２０における第２コネクタ１１２で始まり、第２端部１３０で終結する。第２端部１３０において、第１コイル１０２および第２コイル１０４はコネクタ１４０に電気的に接続されている。電気回路において、第１コネクタ１１０および第２コネクタ１１２は電気回路の開始点と終了点となり得る。
【００２５】
図１において、２本線のコイル内の相反する電流路の典型的な実施例が示されている。第１端部１１０において２本線のコイルの個々のコンポーネント、例えば２つの単線のセクションが、２つのコンポーネントを通過する電流が、矢で瞬時電流の方向が示される反対方向に流れるように電気的に配置されている。図示の２本線のコイルは単一ゾーンの２本線のコイルであるが、多ゾーンの２本線のコイルおよび２つ以上のセクションと一体化されたコイルもまた構成できる。
【００２６】
図２は図１のアセンブリ１００の側面図である。
【００２７】
加熱素子内の磁場を減少する方法を開示する。２本線のコイルの典型的実施例において、２本線のコイルは第１セクションのコイルと第２セクションのコイルへ流れる電流の方向が反対方向となるように電気的に接続され、第１セクションと第２セクションは２本線のコイルの軸方向に順次隣り合う。
【００２８】
加熱素子を形成する他の方法を開示する。例えば、典型的な方法は、２つのヘリカルコンポーネントを結びつけることにより、各ヘリカルコンポーネントが加熱素子ワイヤから形成される２本線のヘリカルコイルを構成する。２つのヘリカルコンポーネントは、２本線のヘリカルコイルに供給される電流が同時に反対方向に２つのヘリカルコンポーネントを通って流れるように互いに相対して空間的に位置づけられ電気的に配置される。２本線のヘリカルコイルは２つのヘリカルコンポーネントの一方の元の回転ピッチの約２倍の回転ピッチを有する。
【００２９】
他に加熱炉を形成する方法を開示する。例えば、典型的な方法は、各ヘリカルコンポーネントが加熱素子ワイヤから形成され２本線のヘリカルコイルが加熱炉の電気回路に取りつけられる２つのヘリカルコンポーネントを結びつけることにより２本線のヘリカルコイルを構成する。２つのヘリカルコンポーネントは電気回路が２つのヘリカルコンポーネントを通って反対方向に同時に流れるように空間的に位置づけられ電気的に配置される。
【００３０】
図３は二つの１本線のヘリカル区分を単一の２本線区分に結合した様を示す図である。図３は加熱素子を形成する方法の典型的具体例を示す。図３において、典型的な方法では、２つの単線のヘリカルセクション３０２、３０４が単一の２本線のセクション３０６に結合される。例示において、第１の単線ヘリカルセクション３０２は９巻数（ターン）を有し、第２の単線ヘリカルセクション３０４は８巻数（ターン）を有するが、２つの単線ヘリカルセクション３０２、３０４に対し如何なる巻数（ターン）も使用できる。
【００３１】
構成方法は従来の加熱素子のコイルを、元のヘリカルコイルの約２ｘ（約２倍）のターンピッチを有する２つの等しいヘリカルコンポーネントに分離することを含む。２つのコンポーネントは次に２本線のヘリカルコイルを形成するため共にネジ締めすることにより結びつけられる。これら２つのコイルは、コイルが互いに接触しないように同軸に沿って空間的に位置づけられるが、電流が同時に２つのコンポーネントを通って反対方向に流れかつ磁場を大きく減少するように、端部のコネクタによりまたは電気回路を介して電気的に接続される。
【００３２】
図面すなわち典型的な実施例は内部ジャンパを有する加熱素子アセンブリの構成を示す。それゆえゾーンにつき２つのリードのみがある。しかしながら、他の構成、例えば多ゾーン加熱素子または予め組立て製造された２本線のモードで同時に製造された２つ半を形成するため機械的または電気的に互いにリンクされた多ゾーンを含む構成も使用できる。
【００３３】
本書に開示し、本書に開示され、本書に開示する方法により構成される加熱素子アセンブリは改善された性能を有する。このことは以下により詳しく説明する図４および図５を参照することにより理解できる。
【００３４】
図４は従来技術のコイルにより発生された磁場の概略断面図である。この例において、電流はコイルセグメント４０１ａと４０１ｂにおいて観察者に向かう方向に流れる。この電流はこれらのセグメント内で反時計方向（ＣＣＷ）の経路を有する磁場４０２ａと４０２ｂを発生する。この磁場は同一ＣＣＷ経路を有する連続する大磁場４０３を形成するため隣り合うセグメントにより発生される。約１８０度反対の場所４０４ａと４０４ｂのコイル上の点において、電流は観察者から遠ざかる方向に流れ、時計方向（ＣＷ）の経路を有する個々の磁場４０５ａと４０５ｂを発生する。コイルのこちら側の磁場は結合し、ＣＷ経路を有する連続する大磁場４０６を発生する。大磁場４０３と４０６がコイルの軸を通る同一極性を有するので、これらの磁場は連続する磁界ベクトル４０７を有するコイル内に連続する強い磁場を発生する。
【００３５】
図５は本書で開示する具体例の加熱素子アセンブリにより発生された磁場の概略断面図である。この例において、電流はコイルセグメント５０１において観察者に向う方向に流れる。この電流はＣＣＷ経路を有するセグメント内に磁場５０２を発生する。同時に隣接するセグメント５０３において電流が観察者から遠ざかる反対方向に流れる。この電流は隣接するセグメント内にＣＷ経路を有する磁場５０４を発生する。隣接する磁場５０２と５０４が反対方向（ＣＣＷとＣＷ）の極性を有するのでこれらの磁場は連続する大磁場を形成すべく結合されないがその代わりに孤立したより弱い磁場のままでいる。参照点５０１から約１８０度反対の５０６のコイル上の点において、電流は観察者から遠ざかる方向に流れＣＷ経路を有する磁場５０６を発生する。対立する磁場のパターンは、それに隣接するセグメントの反対極性をもつ磁場を有する各コイルセグメントを有するコイルのこちらの側を繰り返し上げられる。この場合、コイル５０７の内側の磁場ベクトルは結果として弱く不連続である。
【００３６】
例と試験：
実験室による試験が、２５４ｍｍの内径（ＩＤ）と、各々が８．２５ｍｍの外径（ＯＤ）のワイヤ１０ターンを有する２つの単線のヘリカル区分から構成される３３０ｍｍ長の区分を有する単一ゾーンの素子に対し行なわれた。このアセンブリは絶縁された約３８１ｍｍの外径を有する。このコイルには試験中ピークで約２１２アンペア（１５０ＲＭＳ）の電流が供給された。この実験室の試験は、一致または対立モードとなるようこれらを外部で配線できるように独立に接続された２つ半（例えば４リード付き）を有するユニットを用いて行なわれた。実験室の試験において、９０ガウスの内部磁場の強度が一致モードで接続されたコイルに対し測定された。一方、２ガウスの内部磁場の強度が対立モードで接続されたコイル区分に対し測定された。
【００３７】
アセンブリは磁場において下記の減少を示した。
３８１ｍｍのＯＤシェルから約５０ｍｍ（ワイヤの中心線から１１０ｍｍ）の距離における素子アセンブリ外側の測定から、８．９３ガウス（一致モード）の測定磁場から２．７３ガウス（対立モード）への減少が示された。このパラメータは下記の２．７２６ガウスの計算に一致する。個々の磁場は弱く分離しており、それゆえ磁場は個々の導体により発生される磁場に一致する。８．９３ガウスの測定は同一磁場極性を有する他のコイルセグメントとの結合効果を示す。
【００３８】
内部磁場は約９０ガウス（一致モードに対する）から２．０ガウス未満（対立モードに対する）への減少を示した。このパラメータは下記の１１３．４９８ガウスの計算値に相当する。計算はソレノイドコイルおよび加熱素子構成に対するものであり、それゆえ実際の試験サンプルを近似するものに過ぎないことを注意すべきである。しかしながら、２本線の対立極性モード構成を測定した２ガウス未満の磁場は１３５ｍｍ（コイルの中心に対し）の距離を用いて下式から計算された磁場に略一致するものである。
【００３９】
一致の測定は、標準のソレノイドに基づく計算値に一致する。下記の計算式が測定磁場の上記例に適用される。
【００４０】
ワイヤを囲む磁場（外部磁場に等しい）
μ0 ＝ ４・π・１０-7・Ｔ・ｍ・Ａ-1  自由空間の透磁性
Ｉ＝（２１２／１．４１４）・ａｍｐ
Ｉ＝１４９．９２９Ａ  導体電流のＲＭＳ対するピーク
ｒd ＝１１０・ｍｍ  導体からの放射距離
Ｂ＝（μ0・Ｉ）／２・π・ｒd
Ｂ＝２．７２６×１０-4Ｔ    Ｂ＝２．７２６ガウス
【００４１】
導体間の磁力：
μ0 ＝ ４・π・１０-7・Ｔ・ｍ・Ａ-1  自由空間の透磁性
ｗp＝１６．６ｍｍ  ワイヤピッチ
ｗd＝８．２５ｍｍ  ワイヤ直径
ｒc＝１２７ｍｍ＋ｗd    コイル半径（ＩＤ／２＋ワイヤ直径）
Ｉ＝（２１２／１．４１４）・ａｍｐ  Ｉ＝１４９．９２９Ａ
導体電流のＲＭＳに対するピーク
Ｎ＝１／ｗp    ｎ＝６０．２４１・（１／ｍ）
Ｂ＝μ0・ｎ・Ｉ
Ｂ＝０．０１１Ｔ    Ｂ＝１１３．４９８ガウス
【００４２】
以上、本発明を好適実施例に関連づけて説明したが、本書に特に記載されていない追加、削除、変更および置換が、添付された特許請求の範囲の請求項で定義した発明の精神および範囲を逸脱することなく当業者によりなされることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】電流の流れの通路に対抗する２本線のコイルを有する加熱素子アセンブリの等角図である。
【図２】図１のアセンブリの側面図である。
【図３】二つの１本線のヘリカル区分を単一の２本線の区分に結合した様を示す図である。
【図４】従来技術のコイルにより発生された磁場の概略断面図である。
【図５】本書で開示する具体例の加熱素子アセンブリにより発生された磁場の概略断面図である。
【図１】
2009502006.tif 000003
【図２】
2009502006.tif 000004
【図３】
2009502006.tif 000005
【図４】
2009502006.tif 000006
【図５】
2009502006.tif 000007