(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉の壁（１）に送られる電流によって全体的に又は部分的に加熱される前記加熱炉に電流を伝達する方法であって、電流を、前記加熱炉の壁に接続され又はその壁に当接されたデバイス（２〜６）を介して伝達する方法において、
前記デバイス（２〜６）が電流入力デバイス（２〜４）および電流排流デバイス（５、６）を含み、
前記電流入力デバイス（２〜４）の少なくとも１つに、そのデバイス（２〜４）の残りの部分よりも断面積の小さい区域（１０〜１２）を前記加熱炉の壁（１）の近くに設け、
前記断面積の小さい区域（１０〜１２）を流れる電流が、前記断面積の小さい区域がなければ前記加熱炉の壁（１）からそれぞれの電流入力デバイス（２〜４）に移動されるはずの熱量（１４）と一致する熱量を、前記断面積の小さい区域（１０〜１２）の領域で発生させることを特徴とする、加熱炉に電流を伝達する方法。
【請求項２】
断面積の小さい区域を備えていない、前記電流入力（２〜４）およびデバイス電流排流デバイス（５、６）のうちの少なくとも１つのデバイスにも電流を流し、
前記いくつかのデバイスの寸法設定と相まって、電流がなければ前記加熱炉の壁（１）から前記いくつかのデバイスに輸送されるはずの熱量（１４）に、前記いくつかのデバイスに発生する熱量が一致するように、前記いくつかのデバイスを寸法設定することを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記電流入力デバイス（２〜４）を介して電流を送ること、及び前記電流排流デバイス（５〜６）を介して電流を排出することによって、前記加熱炉の壁（１）を通って電流を流れさせることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
正確な温度制御が望まれる前記加熱炉の壁（１）の容積部に近接して配置したデバイスが、
ａ）前記加熱炉の壁（１）と前記電流入力デバイス（２〜４）との間で熱エネルギー均衡状態をもたらすのに適した寸法の前記断面積の小さい区域（１０〜１２）を備えるか、または、
ｂ）これらのデバイスを導電性になし、該デバイスを介して流される電流が、前記加熱炉の壁（１）と前記電流入力デバイス（２〜４）との間でエネルギー均衡を確立する熱の発生に寄与するように寸法設定されるかのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項５】
前記加熱炉が、ＦｅＣｒＡｌ材料により作製された管状炉であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項６】
加熱炉の壁（１）に送られる電流によって全体的に又は部分的に加熱される前記加熱炉に電流を伝達する装置であって、電流が、加熱炉の壁に当接して配置されたデバイス（２〜６）を介して伝達される装置において、
前記デバイス（２〜６）が電流入力デバイス（２〜４）および電流排流デバイス（５、６）を含み、
前記電流入力デバイス（２〜４）の少なくとも１つが、その電流入力デバイス（２〜４）の残りの部分よりも断面積の小さい区域（１０〜１２）を前記加熱炉の壁（１）の近くに有し、
前記断面積の小さい区域（１０〜１２）を通る電流により、前記断面積の小さい区域がなければ前記加熱炉の壁（１）から前記電流入力デバイス（２〜４）への移動の生じるはずの熱量（１４）と一致する熱量が、前記断面積の小さい区域（１０〜１２）の領域で発生させられることを特徴とする装置。
【請求項７】
断面積の小さい区域を備えていない、前記電流入力（２〜４）およびデバイス電流排流デバイス（５、６）のうちの少なくとも１つのデバイスにも電流が流され、
前記いくつかのデバイスの寸法設定と相まって、前記電流がなければ前記加熱炉の壁（１）から前記いくつかのデバイスに起こるはずの熱輸送量（１４）に、前記いくつかのデバイスに発生する熱量が一致するように前記いくつかのデバイスが寸法設定されることを特徴とする請求項６に記載された装置。
【請求項８】
電流が、前記電流入力デバイス（２〜４）を介して供給され、或いは電流排出デバイス（５〜６）を介して排出されることによって、加熱炉の壁を流れることを特徴とする請求項６または請求項７に記載された装置。
【請求項９】
正確な温度制御が望まれる前記加熱炉の壁（１）の容積部に近接して配置されたデバイスが、
ａ）前記加熱炉の壁（１）と前記電流入力デバイス（２〜４）との間の熱エネルギー均衡状態をもたらすのに適した寸法の前記断面積の小さい区域（１０〜１２）を備えるか、または、
ｂ）導電性であり、該デバイスを介して流れる電流が前記加熱炉の壁（１）と前記電流入力デバイス（２〜４）との間にエネルギー均衡を確立する熱の発生に寄与するように寸法設定されているかのいずれかであることを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載された装置。
【請求項１０】
前記加熱炉が、ＦｅＣｒＡｌ材料により作製された管状炉であることを特徴とする請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載された装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
加熱炉の運転においては、しばしば、加熱容積部に大きな断熱性が要求される。様々な用途において、加熱炉内の温度分布の均一性に対しても高い要求が課せられる。換言すれば、加熱された容積部全域を通じて許容できる最大の温度差は、しばしば非常に小さいものである。他の用途では、温度分布を検査および制御することにより、予め定められた分布に非常に高い精度で従わせることが望まれる。
【０００２】
単結晶成長用加熱炉、拡散炉、及び管壁を流れる電流によって加熱炉の囲まれた容積部を加熱する熱エネルギーを発生する管状炉が、こうした用途の例である。このような加熱炉の容積部の加熱には、大きなアンペア数の入力を必要とする。すなわち、加熱炉への入出電流を通すデバイスは、断面積が大きいことが必要である。加熱炉は、両端部の開口したコンベヤ式連続加熱炉でも、加熱炉の容積部が完全に密閉された加熱炉でもよい。
【０００３】
管状炉は、電流の供給される管からなるものでもよい。この管は、内部にセラミックの内張り（ライニング）を備えることができる。また、この管は、周囲の加熱コイル内に置かれたプロセス・チューブ（反応管）でもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
加熱炉とその周囲部分との間に温度勾配が存在する場合、加熱炉表面に直接接触する全てのデバイスにより、加熱炉から、より温度の低い周囲部分に熱エネルギーが移動する。このエネルギー流出は、デバイスが加熱炉表面に接触する部分から起こり、デバイスが熱をより良く伝導し、かつ前記デバイスと加熱炉との接触面積がより広いほどより効果を生じる。
【０００５】
こうしたデバイスの例には、加熱炉を定位置に保持する支持部材、様々な測定デバイス、及び加熱炉表面に電流を供給し又は前記表面から電流を導く電流の出入口部が含まれる。こうしたデバイスの多くは金属製であり、したがって良好な熱伝導体である。このデバイスが電流入力デバイスの場合、加熱炉を目的温度に加熱するために大きな電流が必要なので、しばしば電気的接触面を大きくする必要がある。
【０００６】
ある型の電気加熱される管状炉の典型的な作動条件には、５００〜１２００℃（両端を含む）の温度が含まれる。こうした温度では、加熱炉内の所定の温度分布からの一般的な最大許容偏差は１０〜２０℃である。拡散による単結晶成長のために材料を加熱する場合、温度範囲は５００〜１４００℃で、温度精度は±０．１℃であろう。こうした作動温度を実現するために必要な電流は非常に大きく、したがって比較的強力な電流入力デバイスの使用が必要である。
【０００７】
他の型の加熱炉は、加熱炉のケーシング（外被）に電気エネルギーを供給する以外の方式で加熱することができる。さらに、通常は電流を伝導しない様々なデバイスを加熱炉のケーシングに取り付け、それによって加熱された加熱炉の容積部から熱エネルギーの点状の流れを生み出すこともある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明は、加熱炉の壁に送られる電流によって全体的に又は部分的に加熱される加熱炉に電流を伝達する方法において、電流が前記加熱炉の壁に接して置かれた又は加熱炉の壁に接続されたデバイスを介して伝達され、前記デバイスの少なくとも１つが、当該デバイスの残りの部分よりも断面積の小さい区域を加熱炉の壁の近くに有し、前記断面積のより小さい区域を流れる電流が、前記断面のより小さい区域がなければ加熱炉の壁からデバイスに行われるはずの熱の輸送量と実質的に又は完全に一致する熱を、前記より小さい断面積の領域に発生させることを特徴とする方法に関するものである。
【０００９】
本発明は、また、請求項８に記載された一般的な特徴を有する種類の配置にも関するものである。次に、添付図面に示された本発明の実施例と部分的に関連させて、本発明をより詳細に説明する。
【実施例】
【００１０】
図１は、寸法をミリメートル単位で示した、本発明の一実施例によるいわゆる管状炉の側面図である。この加熱炉は、いわゆるコンベヤ式連続加熱炉の種類のものであり、長い開口円筒、いわゆる焼鈍管の形状を有し、その管の円筒面１は、処理工程中に動作する加熱炉のケーシングを構成する。このケーシングは、導電性の材料、好ましくは金属又は金属合金からなる。例えば、線などの製品は、こうした加熱炉で焼鈍される。
【００１１】
本発明は、製品のバッチ式加熱用の管状加熱炉に適用することもでき、この場合、管の端部は、製品の加熱操作中は閉じられる。この性質の加熱炉は、例えば電子回路の製造に使用することができる。
【００１２】
ＮｉＣｒは、炉の製造に使用される典型的な金属合金である。しかし、この金属合金は、材料の酸化により高温で飛散（スパッタ）する。こうして飛散することにより、加熱炉のケーシングの質量分布と共にその電気抵抗値が影響を受ける。その結果、加えられる電流が大きいため、加熱炉の温度制御が困難になる。この理由で、ＦｅＣｒＡｌが、本発明による管状炉に関して好ましい材料である。それは、この材料は飛散しないからである。
【００１３】
いくつかの電流デバイス２〜６が加熱炉のケーシングに接続される。そのうちのある端子２〜４は電流入力デバイスであり、残りの端子５、６は、電流排流デバイスすなわち電流放出デバイスである。電流入力デバイス２〜４と電流排流デバイス５、６との間に電圧を加えることによって、電流が電流入力デバイス２〜４を通って加熱炉のケーシング１に流入し、電流排流デバイス５、６を通って管状炉から流出する。加熱炉のケーシング１で発生した電力により、ケーシング１の電気抵抗の結果、電流が加熱炉の囲まれた容積部を加熱する。
【００１４】
電流入力デバイスおよび電流排流デバイスの各対の間の電圧は個別に調整でき、それにより、それらの間の電流が制御される。これによって、加熱炉の囲まれた容積部の加熱を制御可能にするという目的が達成され、加熱炉の長手方向軸線９に沿ったそれぞれ異なる場所で、加熱効果の量が異なるようにすることが可能になる。
【００１５】
したがって、加熱炉の電力供給及びその温度分布は、当該分野の技術者には理解されるように、電流入力デバイス２〜４及び電流排流デバイス５、６を適切に配置し、それらの間に適切な電圧を加えることによって、非常に正確に制御することができる。その温度の制御が望まれる、図１の管状炉内の容積部は、それぞれ、電流排流デバイス５と電流入力デバイス２、電流入力デバイス２と電流入力デバイス３、電流入力デバイス３と電流入力デバイス４、電流入力デバイス４と電流排流デバイス６の間にある、加熱炉の囲まれた容積部の部分とすることができる。
【００１６】
この構成の１つの問題は、前記複数のデバイスが加熱炉のケーシングに直接接触するので、加熱炉のケーシング１から電流入力デバイスを介して熱が散逸することである。この放熱は、加熱炉の囲まれた容積部に対して予め定められた所望の温度分布を妨げる一因となる。
【００１７】
この熱の損失を均衡させるために、温度の制御される加熱炉の囲まれた容積部の領域の近くに配置される電流入力デバイス２〜４に、くびれ部１０〜１２が設けられる。換言すれば、こうした各電流入力デバイス２〜４に、前記電流入力デバイスの残部の断面積よりも断面積がはるかに小さい領域１０〜１２が設けられる。くびれ部１０〜１２の断面積がより小さい結果、デバイス２〜４を通る電流にもたらされる電気抵抗は、くびれ部１０〜１２で、それぞれのデバイス２〜４の残部よりも大きくなる。電流が入力デバイス２〜４を流れるとき、前記デバイスの電気抵抗の結果、およびデバイス２〜４を流れる電流によって、電力が発生する。このような電力の発生により、それぞれの電流入力デバイス２〜４で過剰な熱が発生し、それによって、加熱炉のケーシング１を、入力デバイス２〜４とケーシング１との接触面で点状に加熱する。くびれ部１０〜１２の断面積を調整することによって、加熱炉のケーシング１へのこのエネルギー入力を、電流入力デバイス２〜４を介した放熱から起こるエネルギー損失に対して均衡させ、それにより、前記入力デバイス２〜４を介する加熱炉から周囲部分への熱エネルギーの正味の流れをゼロにすることは当該分野の技術者なら実現できよう。したがって、こうした加熱炉の囲まれた容積部の加熱への正味の寄与が、加熱炉内の温度分布に影響することはない。くびれ部は管の円筒面の近くに配置されるので、周囲部分によって冷却される、くびれ部と管との間に位置する入力デバイス表面の寸法が減少される。
【００１８】
電流入力デバイスにくびれ部を設けずに、前記デバイスの中央部分から材料を取除くこと、例えばその中に穴を設けることによって、電流密度を増加させることもできる。
【００１９】
様々な種類の支持部材（図示せず）を用いて、管状炉を所望の位置に保持することができる。こうした支持部材は、加熱炉の円筒面に直接接触して置かれ、それにより、電流入力デバイスとほぼ同様に、加熱炉のハウジング１に接触する支持面を介して加熱炉の表面１から周囲部分へ熱エネルギーが放出される一因となり、加熱された加熱炉の体積部の温度不均衡をもたらす。
【００２０】
電流入力デバイス２〜４と同様に、支持部材は導電性材料製にすることができ、支持部材に電圧を加えて、電流がそこを介して流れるようにすることができ、それにより、付加された電流が抵抗効果によって、供給部の断面領域を通って加熱炉のハウジング１に入る熱の流れに寄与する。加えられる電圧を調整し、支持部材の断面積を調節することによって、正味の熱流量をゼロになるようにすることができる。好ましい一実施例では、支持部材と管状のケーシング１との接触面付近に、支持部材の残部よりも断面積の小さいくびれ部を設けることにより、支持部材の電気抵抗に影響を及ぼす。このくびれ部は、支持部材の抵抗値を増加させ、それによって、管状のハウジングへの、結果として生じる熱の流れを増加させる方向に寄与する。支持部材及び電流入力デバイスは、当然、互いに一体化させることができる。
【００２１】
加熱炉のエネルギー収支は、また、管状加熱炉の表面に直接接触する他の熱伝導要素によっても乱される。電流をこうしたデバイスの全てに通過させることができ、それにより、前記電流と、前記デバイス又は前記くびれ部の適切に選択された寸法とが組み合わされて、加熱炉の表面１との熱エネルギー均衡状態がもたらされるようにすることができる。そのような２つのデバイスが図に７、８の参照番号で示されている。
【００２２】
図２〜図６に、寸法をミリメートル単位で示した、本発明による導電性デバイス２〜６の５つの異なる実施例を示す。容易に理解されるように、電流入力デバイス２〜４の寸法は管の直径に比べて決して小さくない。加熱電流が大きいため、電流入力デバイス２〜４の断面積が少なくとも所与の大きさを有することが必要である。電流入力デバイス２〜４と管との間の接触面がかなりの大きさなので、入力デバイスを介する熱の損失は決して無視できるものではない。
【００２３】
電流入力デバイス２〜４の接触面の幾何形状は、本発明の目的を達成することを可能にする大きさのものであることを条件として、実施例の残りの条件に適するように選択的に選ぶことができる。
【００２４】
加熱炉の囲まれた容積部１の温度制御される部分に近接して配置される電流入力デバイス２〜４のくびれ部１０〜１２が図からはっきりと見てとることができる。
【００２５】
図７は、本発明による電流入力デバイス２のより詳細な側面図である。この図は、前記デバイス２のくびれ部１０の高さの水平面を通る垂直のエネルギー収支の検討を示す。前記電流入力デバイスを介して、加熱炉から周囲部分に失われる熱は、矢印１４によって示されている。電流入力デバイスのくびれ部に電流が流れる結果、管状のケーシングへの均衡する熱の流れが生じる。この補償する熱の流れを矢印１５で示す。加熱炉のケーシング１内の動作温度、及び加熱炉動作時の電流の大きさに対して、くびれ部１０の断面積を適切な大きさに選択することによって、矢印１４、１５によって示されるエネルギーの流れの熱の正味の寄与をゼロに制御することが可能である。
【００２６】
以上、本発明をいくつかの例示の実施例に関して説明してきたが、電流入力デバイスの設計及び前記デバイスの数、並びに電流排流デバイスの数は変更可能であり、また、前記くびれ部の設計も同様に変更可能であることが理解されるであろう。
【００２７】
したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内で変更を加えることができ、記載された実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の好ましい実施例の全体図。
【図２】本発明による導電性デバイスの好ましい実施例のある例の断面図。
【図３】本発明による導電性デバイスの好ましい実施例の異なる例の断面図。
【図４】本発明による導電性デバイスの好ましい実施例の異なる例の断面図。
【図５】本発明による導電性デバイスの好ましい実施例の異なる例の断面図。
【図６】本発明による導電性デバイスの好ましい実施例の異なる例の断面図。
【図７】本発明による電流入力デバイスの好ましい実施例の一例をより詳細に示す断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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