CN102300345A - 用于加热元件线圈的支撑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于加热元件线圈的支撑结构、用于加热元件线圈的竖直支撑结构的间隔器，以及控制加热元件线圈在加热时相对于中心位置的位置的方法，所述间隔器包括：配对特征部，其包括在间隔器的第一相对侧上的互补构件；空腔，其朝向间隔器的第二相对侧敞开；和相对于与该配对特征部交叉的轴线偏移的延伸部，该延伸部包括凹槽，该凹槽的尺寸被设定为配合加热元件线圈的单独线圈环。所述间隔器能够被结合于使线圈的相邻线圈环联锁的、用于所述加热元件线圈的支撑结构中，从而在允许线圈的线圈环一致地从中央轴线自由地向内和向外移动的同时，使线圈环被保持在共线和同心的布置下。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于线圈式加热元件的支撑结构。特别地，本公开涉及一种具有协作配对特征部并且被以竖直堆叠方式布置的间隔器，其在加热元件的热膨胀期间维持加热元件线圈的共线性、同心性和对中性中的一种或者多种特性。本公开还涉及一种包括这种间隔器的支撑结构，例如在用于加工半导体构件的熔炉中的支撑结构，并且涉及一种利用这种间隔器支撑线圈式加热元件的方法。
背景技术
在下面的背景技术中，对于特定结构和/或方法进行参考。然而，以下参考不应该被理解为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人特意地保留论证这种结构和/或方法并不具有构成现有技术的资格的权利。
金属电阻合金是在构造电加热元件组件时使用的主流材料。典型的FeCrAl合金通过在外表面上形成保护性氧化物涂层而实现了它们的高温稳定性和长的寿命。该氧化物层对于材料的热强度作出贡献，且防止芯合金形成其它氧化物和氮化物，这些将会快速地消耗金属丝。经由在加热合金中包含的铝的氧化而形成保护性氧化物层。FeCrAl电阻合金的已知性质之一是随着时间而永久伸长。伸长主要地是当在合金的热循环期间时导致的。当金属丝被加热时，金属丝膨胀，氧化物膨胀系数小于金属芯，在氧化物涂层中产生拉伸应力并且因此在氧化物表面中形成裂纹。新暴露的合金在被暴露的区域上形成更多的氧化物并且“愈合”该表面。当金属丝被冷却时，由于合金和氧化物的热膨胀差异而产生压缩力。压缩力引起某些氧化物从材料上剥落或者“剥裂”。发生伸长的某个部分变得是永久性的并且该效果随着时间而积累。
已经发展了各种改进(例如粉末冶金)以减小合金的永久伸长特性。已经发现，最大程度降低在合金中诱发的应力帮助减小伸长并且基本上延长了元件寿命。被引入金属丝中的一个应力源是：当金属丝的螺旋形线圈膨胀并且朝着围绕元件组件的热设备推压时产生的作用力。已经作出了各种尝试以试图缓和这种状况。在金属丝和绝缘体之间留出小的空间提供了用于线圈膨胀的地方，但是这些设计没有解决线圈的共线性和同心性的问题。这些现有技术方法通常依靠在允许膨胀和收缩(以及永久伸长)的陶瓷间隔器行中的某种形式的狭槽，但是没有提供任何机构来确保线圈的共线性和同心性。因为这些组件被竖直地安装，所以重力在线圈匝上产生向下的作用力并且促使线圈的下部的直径增加，而上匝则收缩。这能够导致在上部之前增加的作用力被施加到底部匝，从而导致下部的加速老化。而且，能够在类似电力端子的位置处经历增加的作用力，在此处线圈被稍稍地固定到位并且来自重力的、另外的向下作用力得以施加。某些现有技术尝试通过将突起附接到加热元件线圈以阻止它们通过间隔器组件而纠正这种状况。这能够帮助和减轻材料在组件的下部的积聚，但是对于加热金属丝温度均匀性具有不利的意义并且有潜在的故障风险。进而，这些方法没有解决保持线圈共线和对中的问题。不存在保持线圈共线的任何约束机构，因此一个线圈能够相对于相邻的线圈水平地移动，从而导致加热元件表面沿着竖直轴线不规则地分布。这能够导致在加热元件内的温度均匀性降低。一旦在组件中的某些点处引发线圈变形，它通常地在该位置处随着时间继续而恶化。因此，变形同样能够导致元件寿命缩短。
在组件内的线圈的对中同样能够影响温度均匀性和总体寿命。现有技术同样没有提供一种用于维持线圈对中的机构。
在工业中存在对于这样一种元件组件的需要，该元件组件在热循环期间，当它膨胀和收缩时允许线圈自由地移动，同时维持加热元件线圈的同心性、共线性和对中性。
发明内容
示例性实施例克服了现有技术的问题和限制。例如，沿着周围以一系列的柱使线圈联锁并且限制相对于加热元件线圈中的相邻匝的运动的间隔器允许了线圈匝保持同心和共线。同时，当线圈膨胀和收缩时，联锁的间隔器柱被允许相对于线圈组件的中心向内和向外滑动。这允许线圈自由地膨胀到在线圈组件的外径(OD)和绝缘体的内径(ID)之间设置的空间中。
支撑件也能够用作用于间隔器柱的引导件，并且支撑件优选地在与线圈组件的中心相对准的同时围绕周围均匀地布置。这形成了促使线圈组件在加热元件组件内保持对中的力矢量。
用于加热元件线圈的支撑结构的一个示例性实施例使线圈的相邻线圈环联锁，从而在允许线圈的线圈环一致地从中央轴线向内和向外自由地移动的同时，将它们保持在共线和同心布置下，所述支撑结构包括多个竖直支撑柱组件，每一个竖直支撑柱组件均围绕加热元件线圈的周围定位，其中该竖直支撑柱包括多个具有节距的单独间隔器，该竖直支撑柱至少部分地位于一竖直通道内部，并且其中该竖直支撑柱在竖直通道内以可滑动方式移动。
用于加热元件线圈的竖直支撑结构的间隔器的一个示例性实施例包括：配对特征部，该配对特征部包括在间隔器的第一相对侧上的互补构件；空腔，该空腔朝向间隔器的第二相对侧敞开；和从与配对特征部交叉的轴线偏移的延伸部，该延伸部包括凹槽，该凹槽的尺寸被设定为配合加热元件线圈的单独线圈环。
控制加热元件线圈在加热时相对于中心位置的位置的方法的一个示例性实施例包括在一列竖直地堆叠的间隔器中安装加热元件线圈的各个线圈环，其中在相邻间隔器上的配对特征部的协作被维持的同时，通过间隔器相对于中心位置的径向向外运动而适应了在加热时加热元件线圈的长度上的增加。
应该理解前面的一般说明和以下详细说明这两者都是示例性和解释性的，并且旨在提供所要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
能够结合附图阅读以下详细说明，在附图中，相同的附图标记标注相同的元件，并且其中：
图1A是用于加热元件线圈的支撑结构的实施例的正面等距视图。
图1B是用于在图1中示出的加热元件线圈的支撑结构的实施例的背面等距视图。
图2是大节距间隔器的详细等距视图。
图3是小节距间隔器的详细等距视图。
图4是支撑部件的详细等距视图。
图5是用于加热元件线圈的支撑结构的实施例的侧视图。
图6是示出围绕加热线圈结构的周围布置的竖直元件支撑结构的布置的平面视图。
图7是围绕加热线圈结构的周围布置的竖直元件支撑结构的布置的透视图。
图8是描绘作用于线圈上的对中力矢量的图。
图9A是竖直通道的两侧上的可替代间隔器轮廓和联锁装置的平面视图。
图9B是竖直通道的一侧上的可替代间隔器轮廓和联锁装置的平面视图。
具体实施方式
参考图1A和图1B，间隔器组件10的一个示例性实施例包括成行的、竖直地堆叠的间隔器12，间隔器12为竖直地定向的线圈的各个圆形线圈环14提供支撑。竖直地定向的线圈未被以其整体示出，而是仅仅在其中它们与间隔器组件10互相作用以允许观察间隔器组件10的区域中示出其各个圆形线圈环14。竖直地堆叠的间隔器12形成柱16，并且能够具有各种节距尺寸，该节距尺寸允许在线圈的圆形线圈环14之间的间隔得到调节，以有利地分布由线圈耗散的电力，从而实现理想温度廓线特性。在竖直地堆叠的间隔器16的柱12中的各个间隔器16中的任何间隔器的横向运动均受到竖直通道18、例如在轨道20或者其它约束器件中的通道约束，从而在仍然允许在通道18的界限内向内和向外运动的同时保持间隔器16对准。竖直通道18能够如所示意地是独立的构件，或者能够整个或者部分地通过在加热器绝缘体中结合一种特征部而形成。间隔器柱支撑构件22将间隔器16和线圈的组合重量分布于支撑表面(未示出)并且维持通道18和竖直地堆叠的间隔器16的柱12的定向。类似的间隔器柱支撑构件(未示出)位于竖直地堆叠的间隔器16的柱12的顶部处，以约束间隔器组件的顶部。
现在参考图2，每一个间隔器16均被构造成使得它具有凹槽30，在凹槽30中捕获并且支撑竖直定向的线圈的圆形线圈环14。该间隔器还具有配对特征部32a、32b，例如当被置放在竖直堆叠间隔器16的柱12中时，与在相邻间隔器上的凹陷36配对的突起34。在相邻间隔器中的配对特征部32a、32b与重力和线圈的重量相结合地工作，从而以邻接的竖直关系例如柱12联锁相邻的间隔器。其它竖直关系也是可能的，包括例如交错列的、交替的和台阶式的或者阶梯式的。配对特征部32a、32b可以简单地嵌套在一起以便容易的组装，但是可替代地是，在不偏离本发明的精神的情况下，配对特征部32a、32b能够被修改为实现一种更加可靠的锁定方法，像“燕尾接合”，或者能够根据需要结合一种紧固器。
可替代地，在柱12的端部处的突起34可以与柱支撑构件22的一部分配对，或者凹陷36可以与相对的柱支撑构件的一部分配对。中央空腔38横贯至少部分的、可替代地是全部的间隔器宽度，并且被结合以用于减小间隔器16的总质量，这又减少了加热间隔器16所要求的能量和在间隔器16中的能量存储，这能够影响间隔器16冷却的速率。
在图2中描绘的间隔器16是具有较大节距尺寸的典型的间隔器。节距尺寸除了突起34之外由从包含顶部平坦表面42的平面到包含底部平坦表面44的平面的距离限定。节距尺寸又确定在线圈组件中的各个圆形线圈环14之间的距离。
图3描绘了带有较小节距尺寸的间隔器16的另一个示例性实施例。它包括与结合图2中的间隔器16描绘和描述的较大节距间隔器16相同的基本特征。即，这些特征包括凹槽30、带有突起34和凹陷36的配对特征部32a、32b、以及中央空腔38。与在图2中描绘的相比，在图3中的间隔器的实施例中的显著差异在于，在图3中的间隔器16具有能够用于与间隔器柱支撑构件22配对的平坦基部50。平坦基部50提供用于支撑间隔器柱的、另外的表面区域和用于减小在平坦基部50和间隔器柱支撑构件22之间的摩擦的光滑表面。
在图4中示出在间隔器支撑组件中的构件的关系。间隔器柱支撑构件22包括在它的顶表面的至少一部分中压印出来的引导狭槽60。引导狭槽60将最后(最下面)间隔器16的平坦基部50部分对准至间隔器柱支撑构件22的中央轴线。容纳座62在间隔器柱支撑构件22内形成并且通过间隔器柱支撑构件22的至少一部分，并且被用于捕获当被使用时的竖直通道18，且维持间隔器柱12和竖直通道18的对准。间隔器柱支撑构件22中的开口或者空隙还通过捕获柱12中的最后(最下面)间隔器16的突起34而限制间隔器柱12的向内横向运动。间隔器柱12的向外横向运动受到竖直通道18的最内表面限制。能够通过使用表面增强技术(类似抛光、研磨、选择性涂覆等)来增强平坦基部50和引导狭槽60之间的交界面，从而使摩擦最小并且因此允许间隔器支撑柱12沿着理想轴线更加自由地移动。进而，根据需要，能够在这个交界面处结合小型轴承或者其它结构，以便进一步减小摩擦。
在图5中示出示例性间隔器柱支撑构件22的侧视图，该侧视图详细描绘了在间隔器柱12中的最后(最下面)间隔器16的被捕获的突起34与在间隔器柱支撑构件22中的引导狭槽60的关系。被联锁的间隔器16的一部分70位于竖直通道18内，且竖直通道18保持间隔器16对准(共线)并且沿着朝向加热元件线圈的中心的优选方向定向，同时仍然被允许在与加热元件线圈直径的切线和竖直间隔器柱12垂直的轴线上以可滑动方式向内和向外移动。间隔器16可以从加热元件线圈的中心向外移动的最大距离由在间隔器16的外表面和竖直支撑件18的内表面之间的空间72限定。朝向加热元件线圈的中心向内的最大运动受间隔器突起34的最内表面与在间隔器柱支撑构件22中的容纳座的干涉所限制。
在图5中，金属丝被以距离D支撑在间隔器柱支撑构件22的下表面上方。这允许金属丝自由地呈辐射状并且不与在其上安置间隔器柱支撑构件的表面接触。适当距离的一个实例是9.35mm。
参考图6，几列竖直元件支撑结构80A-80H被围绕加热线圈结构82的周围布置。该布置沿着周围、距中央位置84是等距的并且相对地成对(即80A对80E、80B对80F，等)。类似于在图4中所示，竖直元件支撑结构80A-80H是从间隔器柱支撑构件22定位所处的那一端部看到的。
参考图7，竖直元件支撑结构80A-80H以透视图被示为围绕加热线圈结构82的周围布置。该视图示意在间隔器16的凹槽30中保持的线圈82的一个实例。在竖直元件支撑结构80A-80H的通道18中以竖直柱12布置间隔器16。为了便于观察，这些特征中的每一个在图7中均未被单个地标注。
图8概略地表示围绕加热线圈的周围布置的竖直元件支撑结构(在图6和图7中的80A-80H)的作用力和运动。加热线圈和竖直元件支撑结构的运动以理想化的方式由箭头90A-90H表示。当加热元件线圈82的温度增加时，线圈长度增加，从而使得线圈直径增加并且平均直径从第一位置92移动到第二位置94。竖直间隔器柱12在维持同心性的同时相对于中心位置84向外地引导该运动。同时，相邻的线圈环保持联锁，从而保持线圈环是共线的和同心的。当加热元件冷却并且收缩时，平均直径从第二位置94减小到第一位置92。竖直支撑的间隔器16的柱12将该运动引导回加热元件组件的中心。以类似的方式，永久伸长得以容许，其中加热元件线圈随着时间而伸长，从而增大平均线圈直径。竖直支撑的间隔器16的柱12维持加热元件组件的共线性、同心性和对中性。
能够采用用于间隔器轮廓和竖直通道的可替代配置。在图9A和图9B中的平面视图中描绘了这些可替代配置中的两种。在图9A和图9B中，间隔器16以可滑动方式配合于竖直通道18中。间隔器16的处于竖直通道18内的部分70具有不同于间隔器的其余部分的宽度(W)，从而它被通道中的一种特征部例如凸缘捕获。在图9A中，存在两个这样的特征部，即第一凸缘100a和第二凸缘100b，并且间隔器16被通道18中的该特征部100a、100b以对称方式捕获，而在图9B中存在一个这样的特征部100并且间隔器16被通道18中的该特征部100以非对称方式捕获。响应于加热线圈的直径和/或位置的改变，所述特征部和捕获限制了间隔器16沿着第一方向即方向Y在竖直通道18内行进。
能够与在图4和图5中描述的机构相结合地使用或者不管这些机构地使用任一可替代配置。采用这些可替代配置具有增强间隔器行的最大向内运动范围的益处。然而，这些可替代配置能够要求通过在间隔器之上滑动竖直通道来安装间隔器；因此可能更加难以更换在柱内的间隔器，如果间隔器被破坏的话。
从所描述的结构能够看到，形成了几个有利的特征。即，提出了一种支撑结构，该支撑结构允许加热元件线圈膨胀和收缩，同时保持间隔器支撑柱以约束加热元件线圈的相邻线圈环的共线布置对准并且保持线圈环共线、同心，并且维持在组件中的加热元件线圈适当对中。
虽然结合其优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将会理解，在不偏离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出未予具体地描述的添加、删除、修改和替代。
Claims (20)
1.一种用于加热元件线圈的支撑结构，所述支撑结构使所述线圈的相邻线圈环联锁，从而在允许所述线圈的线圈环一致地从中央轴线自由地向内和向外移动的同时，将线圈环保持在共线和同心的布置下，所述支撑结构包括：
多个竖直支撑柱组件，每一个竖直支撑柱组件均围绕所述加热元件线圈的周围定位；
其中竖直支撑柱包括多个具有节距的单独间隔器，且所述竖直支撑柱至少部分地处于竖直通道内部，并且
其中所述竖直支撑柱在所述竖直通道内以可滑动方式移动。
2.根据权利要求1的支撑结构，其中所述竖直通道是加热元件绝缘体的一体部分。
3.根据权利要求1的支撑结构，其中所述竖直通道部分地或者整体地由一独立的构件构成。
4.根据权利要求2或者权利要求3的支撑结构，其中所述竖直通道的内表面限制所述竖直支撑柱的向外运动。
5.根据权利要求3的支撑结构，其中所述竖直通道由柱支撑构件中的凹陷定位。
6.根据权利要求1的支撑结构，其中所述多个竖直支撑柱组件由柱支撑构件支撑。
7.根据权利要求5或者权利要求6的支撑结构，其中所述柱支撑构件结合有一种装置，所述装置用于将所述竖直支撑柱的运动限制于与所述加热元件线圈的中央竖直轴线相交叉的轴线。
8.根据权利要求7的支撑结构，其中所述柱支撑构件限制所述竖直支撑柱的向内运动。
9.根据权利要求1的支撑结构，其中所述间隔器的处于所述竖直通道内的部分具有与所述间隔器的其余部分不同的宽度，并且所述部分被所述通道捕获。
10.根据权利要求1的支撑结构，其中所述间隔器的处于所述竖直通道内的部分具有与所述间隔器的其余部分不同的宽度，并且所述部分以对称的方式被所述通道捕获。
11.一种用于加热元件线圈的竖直支撑结构的间隔器，包括：
配对特征部，所述配对特征部包括位于所述间隔器的第一相对侧上的互补构件；
空腔，所述空腔朝向所述间隔器的第二相对侧敞开；和
从与所述配对特征部交叉的轴线偏移的延伸部，所述延伸部包括凹槽，所述凹槽的尺寸被设定为配合所述加热元件线圈的单独线圈环。
12.根据权利要求11的间隔器，其中所述空腔定位于所述互补构件之间。
13.根据权利要求11的间隔器，其中所述互补构件是突起和凹陷。
14.根据权利要求11的间隔器，其中所述间隔器的与所述延伸部相对的部分具有与所述间隔器的其余部分不同的宽度。
15.根据权利要求13的间隔器，其中所述间隔器的具有不同宽度的所述部分适合于被用于加热元件线圈的支撑结构的通道捕获。
16.一种控制加热元件线圈在加热时相对于中心位置的位置的方法，所述方法包括：
将加热元件线圈的各个线圈环安装在一列竖直堆叠的间隔器中，
其中在相邻间隔器上的配对特征部的协作被维持的同时，通过所述间隔器相对于所述中心位置的径向向外运动而适应了在加热时所述加热元件线圈的长度上的增加。
17.根据权利要求16的方法，其中所述间隔器的所述径向向外运动维持所述加热元件线圈的各个线圈环的同心性。
18.根据权利要求16的方法，其中所述间隔器的所述径向向外运动维持所述加热元件线圈的共线性、同心性和对中性。
19.根据权利要求16的方法，其中所述间隔器包括：
上述配对特征部，所述配对特征部包括位于所述间隔器的第一相对侧上的互补构件；
空腔，所述空腔朝向所述间隔器的第二相对侧敞开；和
从与所述配对特征部交叉的轴线偏移的延伸部，所述延伸部包括凹槽，所述凹槽的尺寸被设定为配合所述加热元件线圈的单独线圈环。
20.根据权利要求19的方法，其中所述间隔器包括与所述延伸部相对的部分，所述部分具有与所述间隔器的其余部分不同的宽度，并且所述方法包括将所述部分捕获在用于加热元件线圈的支撑结构的通道中。
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