CN100371670C - 电阻炉 - Google Patents

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Abstract

一种已知的电阻炉本身包括一个具有垂直地纵向轴线(3)的管状加热元件(2)，该元件包括由上侧和下侧限定的侧表面，并且围绕一个炉室，且该元件至少被连接到两个电源接线端(至少通过两个电气连接被连接起来)，加热电流通过该电气接线端在电源供应点处被引入上述加热元件中。本发明的目的为了发展这种已知的电阻炉来获得一种电阻炉，特别是一种高性能电阻炉，其特点在于制造和维修的花费低且具有高的操作可靠性，并且允许轴向和径向均匀温度分布设置在炉内。为了实现上述目的，根据本发明电源接线端应当包括在上侧区域(11)的一个环绕的上环状卡圈(7)和在下侧区域(12)的一个环绕的下环状卡圈(8)。

Description

电阻炉
技术领域
本发明涉及一种电阻炉，其包括一个具有垂直的纵向轴线的管状加热元件，该元件包括由一个上侧部分和一个下侧部分所确定的管壳表面，并且其围绕一个炉室，且该元件被连接到电源接线端，加热电流通过该电源接线端在电源供应点处被引入上述加热元件中。
背景技术
借助电阻炉可以获得高温。电流流经一个作为导热体的欧姆电阻，电能主要被转换成热能。金属，例如钼、钽和铂，陶瓷，SiC或碳的变体，例如煤、石墨或各种玻璃碳(热解生成的碳)都适于作为导热体的材料。石墨导热体的特征在于其抗高温性、简单的形态和低廉的价格。
电阻炉用来例如熔化半导体材料，或用来将类似于杆状或管状的初始圆柱体加热以便拉伸成细长管、杆或光学纤维。除了有目的地需要非均匀加热能力的特殊情况(例如，拉伸横截面为多边形的柱体过程中)，主要的重点通常是加热材料的均匀加热。
局部的加热能力直接与电流密度成正比，电流密度由电流和横截面积以及热导体材料的电阻率决定。具体的电阻率，反过来，取决于局部的温度。由于热导体材料相对较低的导电率和随之产生的压降，所以很难产生并保持均匀的温度曲线。
因此美国专利US-A4,703,556提出了一种带有石墨加热管的炉子，其中在加热管的周向分布有多个轴向延伸的纵向槽，并且以交变的方式从上部或下部几乎在加热管的整个高度上延伸。这样，电流以蜿蜒的方式流经加热管的保持网。这使得温度曲线在垂直方向上均匀分布。
通过下述措施可以使加热管中的电流密度更加均匀，即提供两个石墨连接片来供应加热电流，该连接片在加热管的底侧区域被螺固到相对的位置并且通过分别的转换器供应。通过第二电源供应点可以抵消加热管网整个长度上的上述压降，从而改善电流和温度分布的垂直和水平均匀性。
但是生产这种已知的加热管非常复杂。由于其细丝的形状很容易机械损坏，并且因此必须经常更换。而且，由于在电源接线端区域起氧化皮和氧化作用，所以可能会破坏电接触性能并且产生不确定的电源，且因此在加热管上产生不规则的加热操作和温度分布。电源接线端直接挨着具有最大温度负荷的区域使这种风险增加。
在高性能的电阻炉(大约100kW以上)中，温度下降尤其明显并且更加难以调节和保持均匀的温度分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种电阻炉，特别是一种高性能电阻炉，其特点在于制造和维修的劳动强度低且具有高的操作可靠性，并且允许在炉内可再生产的调节轴向和径向均匀温度曲线图。
为实现该目的，本发明提供一种电阻炉，包括一个具有垂直的纵向轴线的管状加热元件，该元件包括由上侧和下侧确定的管壳表面，并且围绕成一个炉室，且该元件至少被连接到两个电源接线端，加热电流通过该电源接线端在电源供应点处被引入上述加热元件中，其特征在于，所述电源接线端包括在上述上侧区域的一个环绕的上环状卡圈和在上述下侧区域的一个环绕的下环状卡圈，设置一种气体冲刷装置，其包括在至少一个分支阶段分支成多个次要管线的气体入口，该次要管线终止在多个气体出口处，这些气体出口朝向上述炉室内。
加热电流通过上述环状卡圈被引导到加热元件中。为此在加热元件的上部前端提供一个环状卡圈并且在加热元件的下部前端提供一个环状卡圈。上述环状卡圈与管状加热件相应的前侧接触，内套和/或外套与加热件相接触，该接触部分优选地设计成平面形式，最简单地可以设计成环状卡圈和加热元件之间的环状接触表面。上述环状卡圈由一个或者是由单独的多个件组成。
为了向相应的环状卡圈供应加热电流，每个环状卡圈均带有至少一个电流终端。下面称环状卡圈的至少一个电流终端为“电极终端”。
由加热电流供应的电阻炉元件在此被理解为加热元件。其可以是整体制造或者是由多个部件组成。
环状卡圈由具有高导电率的金属制成，这样从其周向来看，可以获得尽可能小的水平压降。由于在加热元件的上侧和下侧均有环状卡圈，并且电流因此从两侧供应到上述加热元件，与仅从一侧供应电流相比在加热元件的整个高度上还存在减少的垂直压降。这使得电流和温度的均匀分布性在整体上得到改善。
特别是对于加热元件内电流密度的水平均匀分布，人们已经发现，当每个环状卡圈均包括一个用于供应加热元件的电极终端时，上环状卡圈的电极终端，从周向看去，相对于下环状卡圈的电极终端发生偏移很有用。
在仅有一个电极终端的情况下，总是在电极终端区域内相应的环状卡圈内获得最大的功率密度，并且通常在环状卡圈的最远侧获得最低的功率密度。为了实现补偿，当每个环状卡圈带有至少两个绕着环状卡圈周向均匀分布的电极终端时十分有利。有利地，电极终端在环状卡圈的圆周上均匀分布。
类似地，最大功率密度也在环状卡圈和加热元件之间的接触区域获得，通常在最靠近一个电极终端的区域(虽然环状卡圈带有多个电极终端)。为了实现补偿，在电阻炉的优选实施例中在环状卡圈上形成低导电区域，以便将供应的加热电流至少分成四支，优选地分成八支电流通路，这些电流通路通向在加热元件圆周上均匀分布的最佳电源供应点。
在本文中“电流通路”表示加热电流所覆盖的从电极终端到加热元件的接触区之间的距离。电流通路越短，接触区域中的电流密度越高。但是，需要的是，在环形卡圈和加热元件之间的环绕的接触表面上电流密度尽可能统一。根据本发明这点通过下述措施实现，即供应到环状卡圈的加热电流被分支一次或多次，这样至少形成四个电流通路。上述分支通过比环状卡圈的其他材料具有更低的导电率的区域完成。由于导电率低(可以是零)，电流这样大致绕着该区域流动，以便电流可以被分开并且约束导向。例如，可以借助在环状卡圈上径向延伸的纵向槽截断从相应的电极终端到上述接触区域的“最短路径”。理想地，四个或更多的电流通路具有相同的长度。在此相应的电流通路结束的区域作为“最佳电源点”。无论如何，环状卡圈的高导电率都影响围绕低导电率区域加热电流水平分布的均匀性。考虑电流通路的约束导向，上述朝向加热元件的平面接触区域从电极终端处具有相对较短的距离并且尽管电流密度分布大致均匀但是一个仍然增加的电流密度作为“最佳电源点”。带有四个最佳电源点的实施例此后称为“四点供应”，并且带有八个最佳电源点的实施例相应地称为“八点供应”。
由于围绕着加热件圆周的最佳电源点均匀分布，所以获得了围绕着加热件的径向电流密度的均匀分布，这还改善了电流和温度分布的均匀性。在高加热能力的情况下(100Kw以上)更能感受到该措施有效。
本发明的电阻炉的实施例尤其有用，其中，从周向看，上环状卡圈的最佳电源点相对于下环状卡圈的最佳电源点发生偏移。考虑到下电源点相对上电源点的偏移，垂直(轴向)的功率密度曲线可以更加均匀，从而改善温度的均匀性。上下环状卡圈电源点之间的偏移通常是，相对于加热管的纵向轴线旋转对称。
有利地，上述环状卡圈带有与加热元件上的锥形连接区域匹配的连接圆锥。由于该圆锥，环状卡圈和加热管自动对中，从而牢固地固定，进而在使用炉子的过程中可以避免接触电阻的改变。环状卡圈整体制成或者由多个部件组成。特别是，上述连接锥形可以作为一个单独的部件制造。当上述连接区域设计成内圆锥且加热元件的连接区域设计成外圆锥时，可以获得更有利的力分布。在此环状卡圈利用上述连接锥形支撑在加热元件的外圆锥上。
优选地，在环状卡圈上提供带有第一冷却液入口的第一环绕冷却通道。由于冷却环状卡圈的温度，因此具体欧姆电阻局部且及时地保持恒定。
在这一方面，当环状卡圈包括与上述第一冷却通道邻接、在空间上与其分离并且带有第二冷却液入口的第二环绕冷却通道时尤其有利，从圆周方向看，上述第二入口布置在环状卡圈侧面与上述第一入口相对的位置处。利用这两个冷却通道可以实现逆流冷却操作，这有利于使环状卡圈的水平温度分布更加均匀。
在上面已经说明的一个环状卡圈上提供一个连接锥形，在该连接锥形区域最好形成一条或多条冷却通道。上述区域不需要与环状卡圈的加热电流被分支成电流通路的区域电气绝缘。
由于铜或铜合金具有高的导电率，因此最好使用铜或铜合金的环状卡圈。高导电率会产生低的压降，这便于实现环状卡圈内以及其朝向加热管的接触区域内电流和功率密度的均匀分布。
优选本发明的电阻炉的一个实施例，其中加热元件包括一个壁厚更小的加热管，在其前侧的两侧利用至少一个接触管延伸并且接触管具有更大的壁厚，每个环状卡圈被支撑在上述接触管上。
在本发明的该优选实施例中，在加热管和环状卡圈之间有一个接触管。最高温度在薄壁的加热管区域可观测到，由于接触管的壁厚较大所以其被加热的较少，因此，环状卡圈经受的温度负荷较小。据此由于起氧化皮和氧化作用接触电阻发生改变的风险减小。加热管和其邻接的接触管通常作为单独的部件。接触管可以整体制成或者由多个单独的组件组成。在此，接触管区域的温度低于加热管区域的温度是必要的。为此，代替采用较大壁厚的接触管，接触管可以由比加热管更低的特定电阻的材料制成。具有接触管的加热元件的设计使本发明的电阻炉十分适合在高加热能力的情况下使用。
提供一个夹紧装置可以更进一步地改善温度分布的均匀性，该夹紧装置包括多个夹紧元件，接触管、加热管和环状卡圈通过这些夹紧元件彼此轴向固定。上述夹紧装置确保相应的元件之间恒定的电气接触，并且减少接触电阻的局部变化。优选地，在加热元件的周向至少均匀分布四个拉杆作为夹紧元件。上述拉杆旋转对称地布置(围绕着加热件的纵向轴线)有利于加热件的对称电流密度和温度的分布。上述拉杆包括，例如，具有精确的的弹簧系数的弹簧，由此弹簧能够以可再生和可检查的方式设置均匀的偏压。
人们发现将气流引入加热元件的用于气体流动的装置十分有利。该装置包括一个气体入口，该入口至少分支成一个分支阶段，优选的至少分支成三个分支阶段，进入等压力损失的多个次要管线(secondary lines)，上述次要管线在多个气体出口处终止，上述气体出口均匀地分布在一个包络圆上并且直接通向炉室。
上述气体入口至少分支成两条次要管线，反过来，终止在均匀地分布在一个包络圆上并且直接通向炉室的多个气体出口处。上述气体出口与一个气体喷射器一同构成了大致环形的横截面。气流沿着轴向(沿着垂直纵向轴线的方向)经过加热元件。为了获得尽可能均匀和分层的气流，供应到上述气体出口的气压应尽可能一致。当次要管线影响的压力损失相同时可以实现这一点。上述压力损失由气流横截面以及气体入口和相应的次要管线的出口之间的路径决定。因此理想情况是气流横截面以及气体入口和相应的次要管线的出口之间的路径相同。上述分支的数量越多，环形气体冲刷操作则更加均匀。但是，随着分支数量的增加，制造难度也随之增加。最佳的折衷方案是三个分支的情况。上述气体喷射器如适用于感应电炉那样适用于本发明的电阻炉。
关于这一点，人们发现上述气体出口形成在冲刷环上尤其有利，该冲刷环布置在上环状卡圈上面并且至少由两个，优选地是至少由四个单独的环状部分组成，上述次要管线分别终止在对应上述环状部分的其中之一上。当气体入口分支两次，先分成两个然后分成四个次要管线时，可以获得四个环形部分。次要管线优选地终止在相应的环状部分的中间位置，以进一步分支气流。形成上述冲刷环的部分位于上述包络圆上。由于上述分支的存在，在环状部分内气体出口前面供应的气压大致相同，这归因于冲刷流气体从气体入口到气体出口大致覆盖相同的距离。本发明电阻炉的优选改进在于加热元件被一个温度可控的保护套所围绕，该保护套的外壁可拆卸地固定到冷却板上，冷却板中流动着冷却液。
冷却板可拆卸地固定到保护套的外壁上，冷却液在冷却板中流动。该冷却板被连接到一个单独的冷却液供应装置，或者其可以连接到多个串联或并联供应冷却液的冷却板上。加热元件中的温度分布也可以利用冷却板发生改变，保护套可以实现局部不同的温度控制。冷却板与保护套之间可拆卸的连接使得更换简单。
人们发现加热元件内部与外部通过石英毛密封十分有利。石英毛以具有抗高温性能著称。如果电阻炉被用于加热石英玻璃体，那么石英毛也是同类的材料。石英毛可以事先清洗，例如利用化学浸蚀或加热氯化。当石英毛由合成制造的SiO2组成时可以获得更进一步的改进。
附图说明
现参照实施例和附图描述本发明。附图是示意图，其中详细示出了：
附图1是根据本发明的一种电阻炉实施例的侧视图；
附图2是通过8点供应向加热管供应加热电流的环状卡圈实施例俯视图；
附图3是用于在环形的间隙形状中产生层状平行气流的冲刷环的实施例的俯视图。
具体实施方式
本发明如图1所示的电阻炉用于加热并拉伸石英玻璃圆柱体1。该电阻炉是最大加热容量为700kW的高性能电阻炉。该电阻炉包括具有垂直取向的纵轴线3的石墨加热管2，该加热管封闭一个加热室4。
接触管5，6位于加热管2两侧的前部。接触管5，6也由石墨制成，并且具有比加热管2更大的壁厚。
电流通过环状卡圈7，8被引入加热管2，环状卡圈由铜合金CuCrZr构成，上环状卡圈7位于上接触管5上侧11且下环状卡圈8位于下接触管6的下侧12。环状卡圈7，8包括向外突出的凸缘31，凸缘上通过径向延伸穿过环状卡圈7，8周向部分的通孔被设置，并且用来将供应到环状卡圈7，8的加热电流分流到八个长度大致相同的流路，由此得到8点供应。下面将参照附图2就此更详细地描述环状卡圈7，8的形状和作用。
每个环状卡圈7，8带有两个环绕的冷却通道9，10，通道彼此相邻地延伸，且水流经此通道被导入逆流以冷却环状卡圈7，8。借助于该水流冷却，环状卡圈7，8的温度-及具体的电阻-被及时局部保持恒定。一个冷却通道9的冷却水入口27与另一个冷却通道10的冷却水入口28相对。借助两个冷却水通道9，10，可以以逆流的方式冷却环形卡圈7，8，这有助于通过环状卡圈7，8使水平的温度分布更加均匀。
为了将环状卡圈7，8固定到接触管5，6上，接触管5的上侧11与下接触管6的下侧12均带有一个环绕的外圆锥，它们与相应的环状卡圈7，8的内圆锥配合。
加热管2，接触管5，6和环状卡圈7，8通过一个夹紧装置13彼此夹紧。夹紧装置13包括在加热管2周向均匀分布的四个拉杆14，且他们被连接到底板30上。所述拉杆均带有可调节的夹紧弹簧15，该弹簧具有确定的弹簧刚度，通过该弹簧上述组件(2，5，6，7，8)以预定且可测的压力经垫片16相互挤压，旋转对称分布的拉杆4也影响压缩应力分布的对称性，这对于加热管中电流密度和温度的均匀分布具有有益的影响。
为了将冲刷气流(方向箭头17)引入炉室4内，在上环状卡圈7上面布置了一个冲刷气环18，且其周向带有朝向炉室4的气体出口。冲刷气环18由四个单独的环形部分组成，一条从气体入口19分支出来的次要管线20在每个部分处终止。下面将参照附图3进一步描述关于冲刷气环18的结构和功能的细节。
为了热屏蔽加热管2，接触管5，6被一个温度可控的炉套21所围绕，同时冷却板29分块拧紧在其外套部分上。冷却液流经冷却板29，冷却板29的冷却回路彼此分离，这样，炉套的局部可以具有不同的温度。为了防止从炉室4内带走热量，在冷却板29和炉套21之间有一个间隙，这样，冷却板29不会直接设置在炉套21上。
炉套21的中间具有一个通孔22，利用光波导器23经该孔测量加热管2的温度。借助光波导器23将温度测量信号传送到一个测量装置。这样，该测量装置可距离加热管2很远，不需要保护该测量装置的冷却操作。
冲刷环18的次要管线20与石英玻璃圆柱体1之间的间隙用纯石英毛26密封。
附图2是上环状卡圈7的俯视示意图。环状卡圈7由大致环形的铜盘构成，其具有在外圆周部分上相对的两个电极端子71，72(终端接头)，加热电流经上述端子输送到环状卡圈7。电极端子71，72由一个接头电源(图中未示出)供电。环状卡圈7带有多个绕着圆周的部分径向延伸的通孔73，且它们绕着中央轴线74(对应于纵向轴线3)对称地分布。通孔73在此形成在凸缘区域31中，且如此布置使得电极端子71，72供应的加热电流分成八个长度相同的流路，由定向箭头75表示，从而被导向到内孔77区域中的“最佳供应点”76，带有内孔77的环状卡圈7位于接触管5上(见附图1)。借助两个电极端子71，72以及通孔73的分布和尺寸，如图2所示加热电流在环状卡圈7中通过总共八个最佳供应点76进行分配(“8点供应”)。与仅带有一个“最佳供应点的”环状卡圈的实施例相比，这样可以在内孔77区域中产生更均匀的电流密度，并且可以使接触管5和加热管2区域中的电流密度的水平分布更加均匀。
如附图2所示，通过将上环状卡圈7的电极端子71，72相对于下环状卡圈8的电极端子78，79(见附图1)偏移90度使接触管2中电流密度分布更均匀。下环状卡圈8也被为加热电流“8点供应”优化，这样，环状卡圈7，8偏移的布置也使“最佳电源点”偏移90度，并且相对于中央轴线74旋转对称。这使得加热管2中垂直电流密度均匀分配，这也有助于改善电流和温度的均匀分布。
为了避免氧气进入炉室4，在拉制过程中该炉室被充入氮气。如图3所示，为此采用了一个冲刷环18(图1)。该冲刷环18由相互连接的铜管构成，上述铜管形成了一个气体喷嘴81，该喷嘴分成两个分支阶段82，83进入共四条次要管线20中。每条次要管线20均——借助于一个第三分支阶段85——在中心处终止于带有多个气体出口86的一个环状部分89。环状部分89的气体出口85位于小于加热管2内径的包络圆上。气体出口86共同构成了截面大致是环形的气体喷射装置。来自气体出口86的氮气流经过加热管2从纵向轴线3的顶部流向底部。为了获得尽可能均匀且分层的氮气流，如果可能，气体出口86处是同样的气压。这通过使所有的次要管线20具有相同的长度和内径，并且在每个环状部分89上第一分支阶段82和开口87之间的距离对于所有次要管线20均相同来实现。

Claims (17)

1.一种电阻炉，包括一个具有垂直的纵向轴线的管状加热元件，该元件包括由上侧和下侧确定的管壳表面，并且围绕成一个炉室，且该元件至少被连接到两个电源接线端，加热电流通过该电源接线端在电源供应点处被引入上述加热元件中，其特征在于，所述电源接线端包括在上述上侧区域(11)的一个环绕的上环状卡圈(7)和在上述下侧区域(12)的一个环绕的下环状卡圈(8)，设置一种气体冲刷装置，其包括在至少一个分支阶段(82)分支成多个次要管线(20)的气体入口(19)，该次要管线(20)终止在多个气体出口(86)处，这些气体出口朝向上述炉室(4)内。
2.如权利要求1所述的电阻炉，其特征在于，上述每个环状卡圈(7，8)包括一个用来供应上述加热电流的电极端子(71)，并且从周向看，上述上环状卡圈(7)的上述电极端子(71)相对于上述下环状卡圈(8)的上述电极端子偏移。
3.如权利要求1所述的电阻炉，其特征在于，上述每个环状卡圈(7，8)带有在周向绕着该环状卡圈(7，8)均匀分布的至少两个电极端子(71，72)。
4.如权利要求1所述的电阻炉，其特征在于，在上述环状卡圈(7，8)上形成低导电率区域(73)，以便将供应的加热电流分成至少四支通向最佳电源点(76)的电流通路(77)，在上述加热元件(2，5，6)的周围均匀地分布。
5.如权利要求4所述的电阻炉，其特征在于，从周向看，上述上环状卡圈(7)的电源供应点(76)相对于上述下环状卡圈(8)的上述电源供应点偏移。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电阻炉，其特征在于，上述环状卡圈(7，8)包括一个与上述加热元件(2，5，6)的锥形连接区域配合的连接圆锥。
7.如权利要求6所述的电阻炉，其特征在于，上述连接圆锥是一个内圆锥，且上述加热元件(2，5，6)的连接区域是一个外圆锥。
8.如权利要求1至5中任一项所述的电阻炉，其特征在于，上述环状卡圈(7，8)带有一个第一环绕冷却通道(9)，该通道带有一个第一冷却液入口(27)。
9.如权利要求8所述的电阻炉，其特征在于，上述环状卡圈(7，8)在与上述第一冷却通道(9)相邻且空间上与其相分离处带有一个第二环绕冷却通道(10)，该通道包括一个第二冷却液入口(28)，从周向看，该第二入口(28)位于与上述第一入口(27)相对的上述环状卡圈(7，8)侧。
10.如权利要求1至5中任一项所述的电阻炉，其特征在于，上述环状卡圈(7，8)由铜或铜合金制成。
11.如权利要求1所述的电阻炉，其特征在于，上述加热元件(2，5，6)包括一个小壁厚的加热管(2)，其两侧通过至少一个在前侧且壁厚更大的接触管(5，6)延伸，每个环状卡圈(7，8)位于上述接触管(5，6)上。
12.如权利要求11所述的电阻炉，其特征在于，提供一个夹紧装置，该装置包括多个夹紧元件(13)，上述接触管(5，6)、上述加热管(2)和上述环状卡圈(7，8)通过上述夹紧元件相轴向夹紧。
13.如权利要求12所述的电阻炉，其特征在于，提供至少四个拉杆作为夹紧元件(13)，上述拉杆在加热元件(2，5，6)的周向均匀分布。
14.如权利要求1所述的电阻炉，其特征在于，上述气体出口(86)形成在一个冲刷环(18)上，该冲刷环布置在上述上环状卡圈(7)上并且由至少两个单独的环状部分(89)组成，上述次要管线(20)每个均终止在上述环状部分(89)之一处
15.如权利要求1或11至13中任一项所述的电阻炉，其特征在于，上述加热元件(2，5，6)被一个温度可控制的保护套(21)围绕，该保护套的外壁具有可拆除地固定到其上的冷却板(29)，在冷却板内流有冷却液
16.如权利要求1或11至13中任一项所述的电阻炉，其特征在于，上述加热元件(2，5，6)的内部通过石英毛(26)与外部密封。
17.如权利要求16所述的电阻炉，其特征在于，上述石英毛(26)由合成制造的SiO2组成。
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