CN109936884A - 具有柔性加热元件的pfa管加热器 - Google Patents

Abstract

管加热器的一个示例包括流体导管，至少部分地由碳制成并且与流体导管热连通的加热元件，与加热元件电连通并且配置成向加热元件提供功率的一个或多个导体，配置和布置成将加热元件与一个或多个导体电隔离的电绝缘体，以及将流体导管、加热元件、导体和电绝缘体设置在其中的容纳管。

Description

具有柔性加热元件的PFA管加热器

相关申请

本申请在此要求于2017年12月18日提交的名称为具有柔性加热元件的PFA管加热器的美国临时专利申请序列号62/607,237('237申请)的优先权。所有上述申请通过该引用以其各自的整体并入本文。

技术领域

所公开的实施方式中的至少一些涉及制造工艺、系统和部件中使用的加热器和加热元件。其它可能的用途包括但不限于家庭和工业加热应用。

背景技术

半导体工业依赖于半导体部件制造中的各种系统、工艺和化学品。根据应用，化学工艺系统中使用的部件可能会暴露于各种恶劣条件和化学品。这些条件可包括相对高的温度和压力，以及腐蚀性或侵蚀性化学品的使用。

为了提供化学和其它工艺所需的热量，可以使用各种类型的加热器。尽管这些加热器在某些方面提供了相对良好的性能，但它们仍然存在各种缺点。

例如，化学和其它工艺中使用的许多加热器包括具有相对较大的热质量的加热元件。因此，这种加热元件可能需要相对较长的时间来预热到操作温度。同样地，这种加热元件可能需要相对较长的时间来冷却。这种缓慢的响应时间可能是有问题的，至少归咎于可能延长使用加热器的相关过程，以及相对较慢和/或较长的过程在制造和加工环境中是不希望的。

慢响应时间也可能带来其它问题。例如，加热元件的温度可能相对难以控制和修改。因此，例如，如果在执行化学工艺期间需要对加热元件的温度进行修改，则可能无法根据需要尽快实现加热元件温度和工艺温度的变化。

典型加热器的相关问题涉及其功率要求。特别地，加热器的相对较大的热质量可能需要大量的功率来获得并保持加热器的期望操作温度。相应地，加热器的操作可能相对昂贵。

同样，至少一些加热器可能庞大且笨重，并且因此可能难以集成到可能具有空间和配置约束的制造系统中。最后，一些加热器和加热元件相对昂贵。至少在某些情况下，这可能是由于加热器或加热元件的尺寸相对较大。

典型加热器的另一个问题是与上述一些要点有关，这种加热器具有固定形状因数，因此不易适应不同的安装配置。在某些情况下，至少固定形状因数是加热器相对刚性结构的结果。此外，固定形状因数要求为安装加热器分配一定量的空间，一定的配置、位置和方向。相应地，典型加热器的固定形状因数还可能要求加热器相对于其它系统部件安装在特定方向和/或位置上。

一个相关的问题是由于可能无法将加热器靠近要供应加热流体的部件，因此当加热流体从加热器行进到部件时可能发生不希望的温度梯度和/或温度下降。这种温度梯度和温度下降可能不利地影响部件的性能。

鉴于诸如上述那些的问题和缺点，提供包括加热元件并且本质上是柔性的流体加热器将是有用的，使得其可以容易地操纵成各种不同的配置、方向和位置，以便适应特定安装的物理限制。能够将流体加热器直接或几乎直接连接到要供应加热流体的部件也是有用的。

发明内容

应当注意，本文公开的实施方式不构成所有可能实施方式的详尽概述，该简要概述也不构成任何特定实施方式的所有方面的详尽列表。而是，该简要概述简单地呈现了一些示例实施方式的所选方面。还应注意，本文中的任何内容均不应被解释为构成任何发明或实施方式的必要或必不可少的要素。而是，所公开的实施方式的各个方面可以以各种方式组合，以便限定其它实施方式。这些进一步的实施方式被认为是在本公开的范围内。同样，包含在本公开的范围内的实施方式都不应被解释为解决任何特定问题或是限于其的解决方案。这些实施方式也不应被解释为实现任何特定技术效果或解决方案或限于其的实现方式。

所公开的实施方式通常涉及管加热器和相关的加热元件、部件和系统。加热元件的实例，例如电阻碳元件，在'237申请的附录A(下文中，'附录A')中公开，这两篇文献都通过引用并入本文的相关申请部分。因此，以下讨论主要涉及示例管加热器，其可包括但不限于附录A中公开的任何一个或多个加热元件。更通常地，所公开的管加热器可包括一个或多个柔性加热元件。因此，本发明的范围不限于附录A中公开的柔性碳加热元件，而是通过示例方式呈现这种加热元件。

所公开的管加热器可用于各种系统、部件和应用中的任一种。因此，本公开旨在广泛的范围，并且不限于示例性公开的管加热器的任何特定配置或应用。

本公开范围内的实施方式可以任何组合包括以下元件和元件的特征中的任何一种或多种，或由其组成：附录A中公开的任何一个或多个加热元件；管加热器，包括柔性流体导管，围绕流体导管设置的柔性容纳管，以及设置在流体导管和容纳管之间并与流体导管热连通的一个或多个柔性加热元件；管加热器，包括含有PFA或由PFA组成的流体导管；管加热器，包括塑料流体导管；管加热器，包括塑料容纳管；管加热器，在一端或两端包括连接器；柔性管加热器；管加热器，包括加强容纳管；管加热器，包括波纹容纳管；管加热器，包括与加热元件接触的流体导管；管加热器，包括流体导管和与流体导管的外表面接触的加热元件；管加热器，包括流体导管，其中加热元件的一部分部分地或完全地嵌入其中；管加热器，包括耐腐蚀的流体导管，例如耐酸和/或碱；管加热器，包括流体导管，与流体管热连通的加热元件，连接到加热元件并配置成连接到电源的一根或多根导线，位于导线和加热元件之间的绝缘层；微控制器，配置成控制对加热元件的电力供应；管加热器，包括集成微控制器；管加热器，包括一个或多个传感器；管加热器，包括过温传感器，流体流量传感器，温度传感器，压力传感器和泄漏传感器中的任何一个或多个；以及包含碳或由碳组成的加热元件。

附图说明

附图包含一些示例实施方式的附图以进一步阐明本公开的各个方面。应当理解，这些附图仅描绘了本公开的一些示例实施方式，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。将通过使用附图以另外的特征和细节来描述和解释本公开。

图1是管加热器的示例配置的图，其指示管加热器的各种元件，并且示出了示例实施方式的灵活性。

图2公开了示例管加热器的一些属性。

图3公开了管加热器的一个示例实施方式。

图4公开了管加热器的另一个示例实施方式。

图5公开了用于管加热器的示例控制系统的各方面。

图6是示例布置的图，其包括具有碳或碳基加热元件的加热器。

图6A公开了一个或多个加热元件阵列的一些示例；

图7A-7J公开了示例碳纤维加热元件和目标部件配置；

图8公开了包括碳或碳基加热元件的示例内联加热器的各方面；以及

图9是公开用于加热器的功率和控制系统的各方面的图，该加热器包括碳或碳基加热元件。

具体实施方式

本公开通常涉及具有一个或多个本质上是柔性的加热元件的管加热器。这种柔性可以包括弹性和/或塑性变形的能力，以便暂时或永久适用地实现特定的物理配置。示例管加热器包括由材料制成的各种部件，所述材料使得管加热器作为整体能够弹性地和/或塑性地形成为各种形状和配置，例如45和90度弯曲，例如一个或多个完整循环和一个或多个部分循环。这种形状或配置可以以两个或三个维度实现。除此之外，这种柔性使得管加热器能够容易地配置成适应现有结构和部件的尺寸、配置和布置。本文其它地方公开了本发明的示例实施方式的其它有利方面。

A.一些示例实施方式的总体方面

通常，本文公开的加热元件、加热器及相关系统和部件可以用于各种不同的应用中，并且可以特别用于半导体制造和/或其它化学工艺的流体系统，尽管本发明不限于这些应用，也不限于任何特定应用。这种流体系统可以使用例如去离子(DI)水、腐蚀试剂和材料，包括但不限于酸和碱、气体、其它流体，以及任何前述物质的组合。这种流体可以是热的、高压的、反应性的和/或纯的流体。

在这样的系统中使用的流体的温度，例如酸，可以是约1℃至约180℃范围内，或者落入该范围内的任何子范围内的任何温度，包括例如约100℃至约180℃。这些温度作为示例提供，并且在一些情况下甚至可以高于约180℃，或低于100℃。例如，一些系统可以采用工艺流体，例如保持在约120℃或更高的温度。作为另一个示例，一些系统可以采用可以达到高达约200℃至约260℃或更高的温度的工艺流体。结合本发明的实施方式使用的工艺流体以及相关的流体系统和部件可以被加压、经受真空和/或不加压。

注意，如本文所用，“流体”旨在广泛地解释为，并且因此包括气体，液体，多种不同气体的组合，多种不同液体的组合，一种或多种气体与一种或多种液体的组合，以及一种或多种气体和/或一种或多种液体与一种或多种固体的组合。同样，注意到单个组分的多个不同相(例如气相和液相)可以同时存在，并且这种多相组合也被认为落入如本文考虑的“流体”的范围内。与前述讨论一致，流体的实例可包括一种或多种气体和/或一种或多种液体，或由其组成。同样，本发明的实施方式可以采用各种流动类型。例如，本文公开的流动类型的流动工艺流体和其它流体可以是层流的、湍流的或过渡的。

本文公开的流体系统部件可以用各种部件和材料构造，包括但不限于非反应性和基本上非反应性的材料，非金属和基本上非金属的材料，橡胶，塑料例如聚合物和复合材料。应该注意的是，非反应性和基本上非反应性的材料包括各种材料，包括金属，例如不锈钢，以及非金属材料，例如塑料。上述聚合物的实例可包括但不限于全氟烷氧基(PFA)和聚四氟乙烯(PTFE)，其可加工或以其它方式形成各种部件，例如泵体，泵头，管道，管和隔膜。含氟弹性体(FKM)和全氟弹性体(FFKM)也可用于任何这些组分。这些材料可能是或可能不是原始材料。一些流体系统部件，例如PFA流体导管，可以与工艺流体直接接触，而其它流体系统部件可以不与工艺流体直接接触。

示例流体系统部件包括化学加热器，例如内联管加热器，以及罐和其它储存器，阀，部件连接器和流体导管例如管道和管。诸如化学加热器的部件可以由各种不同的材料制成。示例材料包括但不限于石英、刚玉和蓝宝石，无论它们是合成的或天然的形式，以及具有与前述任何类似的化学性质的任何其它材料，包括任何其它基本上非反应性的材料。在某些应用中，诸如钢的金属包括不锈钢，铜，钛，黄铜，镍，铝，以及任何前述金属的合金和组合，可用于加热器和其它部件的构造，包括所公开的示例部件。于此。这种合金的实例包括铜-镍合金(CNA)和镍-铜合金(NCA)。

应注意，仅出于说明的目的陈述前述部件。然而，本发明的范围很广，因此，本发明的实施方式可用于产生热量并将热量传递给任何一种或多种材料，而不管它们的形式或组成如何。这些材料的实例包括但不限于任何形式的碳，碳化合物，与一种或多种其它材料结合的碳，金属，塑料，橡胶，矿物，玻璃，陶瓷，复合材料，纸和纸基产品，纤维状材料，天然纤维和织物或由这些制成的其它物品，液体，气体，流体，合成材料，木材和木材基产品，化学品，碳基液体和固体，矿物，植物和植物基材料，任何其它天然存在的物质或人造材料，或前述的任何组合。

B.示例管加热器的简要概述

通常，本公开范围内的管加热器可具有各种不同的物理特性和配置。例如，一些示例管加热器包括流体导管，其可包含PFA或由PFA组成。流体导管可具有例如大致圆形或椭圆形的横截面。然而，更通常地，流体导管可具有任何横截面形状，包括多边形形状。PFA流体导管可以是透明的、有色的或不透明的。

示例管加热器可包括一个或多个加热元件，这些加热元件本质上是柔性的，使得它们能够弹性变形。在一些示例实施方式中，一个或多个加热元件包含碳，或由碳组成，并且与流体导管直接或间接热连通。在其它示例实施方式中，一个或多个加热元件包括一种或多种金属或由其组成，其中一个示例是铜，但是可以替代地使用其它合适的金属或其它导电材料，并且这种加热元件可以例如采用任何合适的形式，包括线、条、带或线圈。由不同的相应材料制成的加热元件可以以管加热器的单个实施方式组合。

在一些示例实施方式中，细长加热元件足够柔性以使其可弹性弯曲成直径在约10英寸至约14英寸范围内的环。在一个特定的示例中，管加热器可弹性弯曲成约360度的环，其直径约为12英寸。在其它示例实施方式中，管加热器可弹性弯曲成约360度的环，其直径小于约6英寸。然而，仅通过示例方式呈现了前述内容。

同样，示例性细长加热元件，例如可以是柔性条或柔性杆的形式，可以至少与1/4”OD PFA管一样弹性柔性。其它实施方式可以至少与其它尺寸的PFA管一样弹性柔性。应注意，加热元件不必具有细长形式。例如，并且参考附录A，加热元件的一些实施方式可以是柔性片的形式。

从附录A中公开的实施方式可以理解，其中公开的碳和碳基加热元件包括含有碳或由碳组成的电阻器。也就是说，通过向碳和碳基加热元件施加功率而产生的热量是碳和其它材料对通过碳或碳基加热元件的电流的固有阻力的结果。因此，碳和碳基加热元件可以被认为是电阻器，并且在本文中可以称为电阻加热器或电阻加热元件。

在任何情况下，当向加热元件施加功率时，加热元件产生的热量通过传导、对流和辐射中的任何一种或多种传递到存在于流体导管中的流体。流体导管中的流体可以是静止的或流动的。可以提供电绝缘层或其它绝缘元件，其实现加热元件与为加热元件提供电力的电线或其它导体之间的电隔离。因此，在一些实施方式中，电绝缘层可以缠绕在包括流体导管和加热元件的部件周围，并且导线或其它电导体，例如一个或多个导电条或带然后沿着电绝缘层的外部布线。

同样，示例实施方式还包括围绕部件缠绕或以其它方式设置的绝热层，其包括流体导管，加热元件，电导体和电绝缘体。通常，绝热层倾向于限制从流体传出的热量。最后，可以提供容纳管，其中设置有流体导管，加热元件，电线和电绝缘层。容纳管可包含PFA，PTFE，FKM，FFKM或本文公开的任何其它塑料或其它材料，或由其组成，包括在任一端的流体密封连接器，其使管加热器能够连接到一个或多个其它部件。因此，容纳管不仅保护管加热器的内部部件免受异物进入的影响，而且还通过将泄漏的工艺流体限制在管加热器内而在工艺流体从流体导管泄漏的情况下提供容纳。

如本文所用，流体密封连接器包括连接器，其至少在正常操作条件下防止来自容纳管的流体和气体逸出。液体密封连接器防止流体从容纳管中逸出，并且在流体导管和容纳管中仅存在液体的应用中是有用的。然而，液体密封连接器的一些实施方式不会阻止气体从容纳管中逸出，因此不会用于气体可能从流体导管逸出到容纳管中的应用中。因此，至少在一些实施方式中，用于容纳管的连接器的类型可取决于在使用期间预期将通过容纳管输送的工艺流体的性质。

诸如上述那些的实施方式可以配置有加热元件，导体，电绝缘体和容纳管，其各自包括足够柔性的材料，因此整个管加热器可弹性弯曲成至少约30度至约45度的角度，以及弹性地和/或塑性地弯曲成环和其它形状。在一些实施方式中，可以实现小于30度的弯曲角度和大于45度的弯曲角度。前述元件可各自由一种或多种材料制成，其使得它们能够弹性地和/或塑性地形成为期望的形状或配置。因此，在一些实施方式中，加热元件，导体，电绝缘体和容纳管都可以具有足够的柔性，使得它们都可以作为一个单元弹性地形成为本文公开的一个或多个示例形状或配置。在下面讨论的图4中公开了这种情况的一个示例，其中组装的管加热器及其元件，包括加热元件，导体，电绝缘体和密封管，都被弯成直径约12英寸的环。。

C.一些特定的管加热器实施方式

现在参考图1-4，并且还参考附录A，提供了关于一些示例管加热器的细节，其中一个在图1中通常用100表示。通常，管加热器100可具有各种不同的几何形状、配置和特征，其示例在本文中公开和/或在附录A(“潜在加热器配置”)中公开。一个或多个管加热器可彼此串联或彼此并联连接到一个或多个流体系统部件。

在图中公开的特定示例中，管加热器100可以配置成实现大约90度的一个或多个弯曲102。虽然没有特别指出，但是在管加热器100中也可以实现小于90度的弯曲和大于90度的弯曲，例如大约180度的弯曲。此外，可以串联地实施多个弯曲以形成另一个弯曲。举例来说，可以串联制造一对90度弯曲102以实现180度弯曲104。对于可以在特定管加热器100中实施的弯曲的数量和尺寸没有限制。同样，对特定管加热器100的长度、直径或其它尺寸没有限制。

此外，尽管附图指示弯曲，例如在单个平面中实施的弯曲102和104，即在二维中，应当理解，管加热器100也可包括在三维中实施的一个或多个弯曲，即三维弯曲。同样，二维和三维弯曲都可以在单个管加热器100中实现。在一些示例实施方式中，限定最小弯曲半径，其可以是根据变量的函数，例如管加热器100的直径，或流体导管的OD和用于管加热器100部件的材料。因此，在图1的示例中，采用约2英寸的最小弯曲半径，但是在其它实施方式中可以使用更大或更小的弯曲半径。

继续参考图1-4，提供了关于可包括在管加热器100中的示例部件的进一步细节。如图所示，管加热器100包括流体导管106，待加热的工艺流体将可以通过该流体导管106流动。如本文所述，流体导管106的一些实施方式可包含PFA或由PFA组成。流体导管106的内径和外径可以是任何尺寸。在一个说明性示例中，流体导管106具有1/4英寸的外径(OD)，但是在其它实施方式中可以替代地使用更大或更小尺寸的流体导管106。流体导管和相关连接器的其它示例尺寸在附录A中公开。至少在一些实施方式中，由管加热器100限定的整个流体路径包含PFA或由PFA组成，使得在整个工艺流体存在于管加热器100中的时间期间，工艺流体仅接触PFA材料。

可以基于通过管加热器100的期望流速或流速范围来选择流体导管106的尺寸。因此，并且如附录A中所示，通过管加热器的液体流速可以以每分钟升数(LPM)表示，通过管加热器的气体流速可以以每分钟立方英尺数(CFM)表示。可以在本发明的一些实施方式中实现的一个示例液体流速是约2LPM。前述内容仅作为示例给出，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

管加热器100另外包括一个或多个导体108，例如导线或带，其连接到一个或多个加热元件110或以其它方式与一个或多个加热元件110电连通。虽然未在图中具体示出，但是导体108可以直接与加热元件110的端部或其它部分接合，并且连接到加热元件110的端部或其它部分，例如碳纤维加热元件的端部。更通常地，导体108可以以任何合适的方式直接地或通过一个或多个导电介入部件间接地连接到加热元件110。粘合剂和/或其它材料和/或机械连接可用于将导体108和加热元件110彼此连接。加热元件110可以彼此串联或并联连接到电源。加热元件110可以由AC电源或DC电源供电。

如本文所述，加热元件110可包括附录A中公开的任何加热元件。然而，本发明的范围不限于那些加热元件，并且更通常地，不限于任何类型的电阻加热元件，即当AC电流或DC电流通过加热元件时，由于加热元件的电阻而产生热量的加热元件。同样，本发明范围内的电阻加热元件包括任何柔性的电阻加热元件，因此可以弹性和/或塑性变形。

在管加热器的单个实施方式中使用的加热元件可以全部相同。在管加热器的其它实施方式中，不同尺寸和/或配置的加热元件可以在单个管加热器中一起使用。同样，管加热器可以仅使用单个加热元件，而其它实施方式可以采用多个加热元件。

同样，提供电绝缘体112，其相对于导体108和加热元件110以这样的方式配置和布置，使得导体108仅在指定的连接点处接触加热元件110，并且因此导体108不会彼此接触。电绝缘体112相对于导体108和加热元件110的这种配置和布置可以有助于防止诸如导体108短路的问题。合适的电绝缘体的示例，例如电绝缘层，在附录A中公开。还可以提供热绝缘体114，其有助于在管加热器100中保持热量。最后，容纳管116包围所有上述部件。容纳管116可包含PFA或本文公开的任何其它材料或由其组成。

在一些实施方式中，容纳管116可以是波纹状和/或增强的，例如用导线，以提供耐久性，并防止压碎和卷曲。同样，应当理解，无论是以导线还是以其它形式实施的这种增强材料都易于发生塑性变形。因此，在一些实施方式中，至少可以采用金属丝或其它材料作为管加热器的一部分，使得管加热器可以弯曲或重新弯曲成并保持为所需的构型。

各种材料可用于电绝缘体112和绝热体114。例如，绝热材料可包括陶瓷纤维或乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)护套材料。此外，电绝缘体112可包括聚酰亚胺胶带。用于电绝缘体112和绝热体114的前述材料仅作为示例提供。或者可以使用其它合适的材料。

现在特别参考图5，管加热器100的实施方式还可以包括微控制器118，其被编程或可编程，以调节向加热元件110流动的功率，切断加热元件110的功率，产生并发送指示在管加热器100内检测到泄漏的信号，并产生和发送指示管加热器100中的流体温度太高和/或太低的信号。微控制器118可以包括现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)中的一个或两个。然而，更通常地，微控制器118可以采用能够实现本文公开的监测和控制功能的任何组合的任何形式。

微控制器118可以集成到管加热器100中。例如，微控制器118可以嵌入或附接到容纳管116。或者，微控制器118可以通过设置在容纳管116内而集成在一起，例如通过安装到电绝缘体112。微控制器118可以通过符合蓝牙或任何802.11X标准的硬线连接或无线连接与外部电源120连通。如附录A中所述，电源可以是单相或三相。

应注意，电源在所有情况下都不需要是外部的，因此，一些实施方式采用集成在管加热器100中的电源。在一些情况下，电源可以采用一个或更个电池的形式。

在一些实施方式中，微控制器118可以根据一个或多个NFC协议使用近场通信(NFC)与外部电源120和/或其它部件连通。在任何情况下，微控制器118和外部电源120之间的连通使得微控制器118能够将控制信号传输到外部电源120，以便控制从外部电源120到加热元件的电流流动。微控制器118和/或外部电源120可以包括开/关开关或类似结构，其可以用于选择性地将外部电源120与微控制器118电隔离。

至少在一些实施方式中，微控制器118可以包括或访问非暂时性存储介质，例如存储器，其携带计算机可执行指令以控制电源120的操作。在操作中，一个或多个微控制器118的硬件处理器(未示出)可以执行那些指令以控制电源120的操作。

为此可以使用一种相对简单的算法。例如，当工艺流体的温度太高时，过温传感器可以产生信号。该信号可以由微控制器和/或处理器接收和处理，以产生控制信号。然后可以将控制信号发送到电源，使电源完全切断加热元件的功率，或者使电源减少提供给加热元件的功率。在后一种情况下，因此可以采用闭合的反馈回路，其中来自过温度传感器的反馈可以由微控制器连续地或周期性地产生和使用，以使得调节由电源提供的功率量至建立和维持可接受的工艺流体温度所需的程度。

应注意，在某些情况下，至少在管加热器中的工艺流体中可存在温度梯度。例如，管加热器入口处的工艺流体可以比管加热器出口处的工艺流体相对更冷，因为入口处的工艺流体与加热元件热连通的时间比出口处的工艺流体更短。然而，这种温度梯度可以是可接受的，至少只要离开管加热器的工艺流体的温度处于期望的水平或在期望的范围内。应注意，增加管加热器中的工艺流体的温度可增加该工艺流体的压力。

如前所述，管加热器100可包括各种传感器122，其配置成与微控制器连通。这种传感器122可以集成到管加热器100中，并且可以包括例如温度传感器，例如过热传感器，其检测并报告管加热器100中流体的温度以及报告其中流体温度超过允许温度的过温条件，流量传感器，其检测并报告通过管加热器的流速，流体压力传感器，和泄漏检测传感器，其可位于流体导管106外部但在容器管116内部。其它示例传感器在附录A中公开。为了说明，且如附录A中所示，可以在本发明的实施方式中采用的一些过温传感器包括由PYROMATION，5211Industrial Road，Fort Wayne，Indiana 46825(ph.260.484.2580)生产的J型T/C，PT1000(RTD)和PT 100(RTD)传感器。

从传感器122获得的信息可以显示在监测器124上，该监测器124通过与微控制器118的硬连线或无线连接进行连通，并且还用于控制来自电源的电流，例如通过本文公开的示例算法。可选地，光纤可以用于实现结合图5的示例配置公开的通信。

D.一些实施方式的有利方面

从本公开中显而易见的是，本发明的一个或多个实施方式可以任何组合提供一种或多种有利和意想不到的效果，其一些示例在本文中阐述。应该注意的是，本文列举的这些效果既不是意图也不应该被解释为以任何方式限制所要求保护的发明范围。因此，所公开的实施方式都不需要实现任何这种有利或意想不到的效果。

本发明的实施方式可以是有利的，因为它提供了管加热器，其柔性配置可以容易地操纵，例如通过弯曲，以适应采用的管加热器所要求的物理环境所施加的约束。同样，管加热器的实施方式可以与流体一起使用，该流体是气体、液体或液体和气体的组合。作为另一个示例，管加热器的实施方式包括连接器，该连接器使其能够直接连接到要提供加热流体的部件，并且直接连接到使管加热器接收流体的部件。同样，管加热器的实施方式的加热元件在加热元件可以达到所需温度的速度方面可以具有相对快速的响应时间。作为另一个示例，管加热器可以采用一个或多个电阻加热元件，其包含碳或由碳组成，由于碳加热元件的相对小的热质量，所以可以实现快速响应时间。此外，管加热器的实施方式在管加热器内的工艺流体泄漏的情况下提供容纳功能。同样，流体导管的PFA结构使得管加热器的实施方式能够与必须保持高纯度水平的各种工艺流体一起使用。此外，在管加热器的实施方式中集成微控制器允许实现不需要使用或连接到外部控制器的独立管加热器。而且，将管加热器的实施方式直接连接到系统部件的能力减少或消除了不可接受的温度下降和梯度的发生。最后，管加热器的实施方式包括一个或多个加热元件，其可以提供一个或多个优点，例如附录A中公开的。

E.一些进一步的示例实施方式

实施方式1.一种加热器，包括：本质上是柔性的并且基本上包含碳的加热元件；配置和布置用于与加热元件电连通的电触点，其中加热元件在连接到电流时产生热量。

实施方式2.一种管加热器，包括：包含柔性材料的流体导管；根据实施方式1的加热器，其中加热器的加热元件布置成与流体导管热连通；连接到加热元件的电触点并配置成向加热元件提供功率的一个或多个导体；配置和布置成将加热元件与一个或多个导体电隔离的绝缘体；和在将容器管，流体导管，加热器，导体和绝缘体设置在其中的容纳管。

实施方式3.如实施方式2所述的管加热器，其中流体导管包含PFA或由PFA组成。

实施方式4.如实施方式2所述的管加热器，其中加热元件呈围绕流体导管的一部分或全部的织物形式。

实施方式5.如实施方式2所述的管加热器，其中加热元件，导体，绝缘体和容纳管中的每一个包括一种或多种材料，其足够柔性以使材料可弯曲至至少约30度至约120度的角度。

实施方式6.如实施方式2所述的管加热器，还包括在管加热器的每个端部处的流体密封连接器。

实施方式7.如实施方式6所述的管加热器，其中流体密封连接器不包括O形环。

实施方式8.如实施方式2所述的管加热器，还包括与导体串联布置的集成微控制器，并且编程为控制向加热元件流动的功率。

实施方式9.如实施方式2所述的管加热器，还包括过温传感器和泄漏传感器中的一个或多个。

尽管已经根据某些实施方式描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其它实施方式也在本公开的范围内。因此，本公开的范围旨在仅由以下权利要求限定。

以下将描述本发明的其它方面，在本文中称为附录A。

所公开的实施方式中的至少一些涉及制造工艺、系统和部件中使用的加热器和加热元件。其它可能的用途包括但不限于家庭和工业加热应用。

在现有技术中，半导体工业依赖于半导体部件制造中的各种系统、工艺和化学品。根据应用，化学工艺系统中使用的部件可能会暴露于各种恶劣条件和化学品。这些条件可包括相对高的温度和压力，以及腐蚀性或侵蚀性化学品的使用。

为了提供化学和其它工艺所需的热量，可以使用各种类型的加热器。尽管这些加热器在某些方面提供了相对良好的性能，但它们仍然存在各种缺点。

例如，化学和其它工艺中使用的许多加热器包括具有相对较大的热质量的加热元件。因此，这种加热元件可能需要相对较长的时间来预热到操作温度。同样地，这种加热元件可能需要相对较长的时间来冷却。这种缓慢的响应时间可能是有问题的，至少归咎于可能延长使用加热器的相关过程，以及相对较慢和/或较长的过程在制造和加工环境中是不希望的。

慢响应时间也可能带来其它问题。例如，加热元件的温度可能相对难以控制和修改。因此，例如，如果在执行化学工艺期间需要对加热元件的温度进行修改，则可能无法根据需要尽快实现加热元件温度和工艺温度的变化。

典型加热器的相关问题涉及其功率要求。特别地，加热器的相对较大的热质量可能需要大量的功率来获得并保持加热器的期望操作温度。相应地，加热器的操作可能相对昂贵。

同样，至少一些加热器可能庞大且笨重，并且因此可能难以集成到可能具有空间和配置约束的制造系统中。最后，一些加热器和加热元件相对昂贵。至少在某些情况下，这可能是由于加热器或加热元件的尺寸相对较大。

鉴于诸如上述那些的问题和缺点，能够提供具有相对小的热质量的加热元件将是有用的。同样地，提供由一种或多种材料制成的加热元件将是有用的，该加热元件可以以各种方式配置以适应特定过程、部件或系统的要求。同样，提供高响应性的加热元件将是有用的，其输出可以快速且容易地控制。此外，提供具有相对低输入功率要求的加热元件将是有用的。而且，提供制造相对便宜的加热元件将是有用的。最后，提供可用于各种系统、部件和应用的加热元件将是有用的，包括涉及使用相对高的温度和压力，以及腐蚀性或腐蚀性化学品的应用。

为此，应当注意，本文公开的实施方式不构成所有可能实施方式的详尽概述，该简要概述也不构成任何特定实施方式的所有方面的详尽列表。而是，该简要概述简单地呈现了一些示例实施方式的所选方面。还应注意，本文中的任何内容均不应被解释为构成任何发明或实施方式的必要或必不可少的要素。而是，所公开的实施方式的各个方面可以以各种方式组合，以便限定其它实施方式。这些进一步的实施方式被认为是在本公开的范围内。同样，包含在本公开的范围内的实施方式都不应被解释为解决任何特定问题或是限于其的解决方案。这些实施方式也不应被解释为实现任何特定技术效果或解决方案或限于其的实现方式。

所公开的实施方式通常涉及加热元件和相关的部件和系统。这种加热元件可用于各种系统、部件和应用中的任一种。因此，本公开旨在广泛的范围，并且不限于示例性公开的加热元件和相关加热器的任何特定配置或应用。

本公开范围内的实施方式可以任何组合包括以下元件和元件的特征中的任何一种或多种：碳加热元件；由碳组成的加热元件；由碳纤维组成的加热元件；热质量C_th相对较低的加热元件；在结构上和/或化学上均匀的加热元件；在结构上和/或化学上不均匀的加热元件；包括碳和一种或多种附加材料的碳基加热元件；具有多种成分的碳基加热元件，其中最大的成分是碳；按重量计约50％或更多碳的碳基加热元件；按重量计约50％或更少碳的碳基加热元件；按重量计约90％或更多碳的碳基加热元件；由约100(重量)％的碳组成的加热元件；由单件材料形成的碳或碳基加热元件；包括碳尘或碳粉或由其组成的加热元件；形成为整体单件结构的碳或碳基加热元件；由多块材料形成的碳或碳基加热元件；包括碳纤维的碳或碳基加热元件；包括短切碳片的碳或碳基加热元件；包括一种或多种碳或碳基加热元件的部件；包括一种或多种碳或碳基加热元件的部件，其中该部件是金属，塑料，橡胶和复合材料中的一种或多种；包括两个或更多个碳或碳基加热元件的部件，其中两个加热元件具有彼此相同的尺寸和/或配置，或者两个加热元件具有彼此不同的尺寸和/或配置；包括一个或多个外部碳和/或碳基加热元件的部件；包括一个或多个内部碳和/或碳基加热元件的部件；包括一个外部碳或碳基加热元件和/或包括一个内部碳或碳基加热元件的部件；包括部分或完全嵌入在部件的结构元件内的一个或多个碳或碳基加热元件的部件；包括一个或多个碳或碳基加热元件的管，管道，罐或其它容器；形式为碳和/或碳基加热元件阵列的加热器；形式为碳和/或碳基加热元件阵列的加热器，每个加热元件具有彼此基本相同的物理配置；以及包括任何上述加热元件的加热器。

本公开通常涉及包括碳的加热元件。一些加热元件实施方式包括碳，而其它加热元件实施方式由碳组成。在任何实施方式中，碳可以采用碳纤维的形式，而在任何特定的实施方式中不需要特定形式的碳。本公开还包括包含碳或由碳组成的加热元件的各种示例形式和配置，以及包含碳或由碳组成的加热元件的示例用途和应用。

A.一些示例实施方式的通常方面

通常，本文公开的加热元件、加热器及相关系统和部件可以用于各种不同的应用中，并且可以特别用于半导体制造和/或其它化学工艺的流体系统，尽管本发明不限于这些应用。这种流体系统可以使用例如去离子(DI)水、腐蚀试剂和材料，包括但不限于酸和碱、气体、其它流体，以及任何前述物质的组合。这种流体可以是热的、高压的、反应性的和/或纯的流体。

在这样的系统中使用的流体的温度，例如酸，可以是约1℃至约180℃范围内，或者落入该范围内的任何子范围内的任何温度，包括例如约100℃至约180℃。这些温度作为示例提供，并且在一些情况下甚至可以高于约180℃，或低于100℃。例如，一些系统可以采用工艺流体，例如保持在约120℃或更高的温度。作为另一个示例，一些系统可以采用可以达到高达约200℃至约260℃或更高的温度的工艺流体。注意，如本文所用，“流体”包括气体、液体、气体和液体的组合，以及一种或多种气体和/或一种或多种液体与固体的组合。

本文公开的流体系统部件可以用各种部件和材料构造，包括但不限于非反应性和基本上非反应性的材料，非金属和基本上非金属的材料，橡胶，塑料例如聚合物和复合材料。应该注意的是，非反应性和基本上非反应性的材料包括各种材料，包括金属，例如不锈钢，以及非金属材料，例如塑料。上述聚合物的实例可包括全氟烷氧基(PFA)和聚四氟乙烯(PTFE)，其可加工或以其它方式形成各种部件，例如泵体，泵头和隔膜。也可使用含氟弹性体(FKM)和全氟弹性体(FFKM)。这些材料可能是或可能不是原始材料。

示例流体系统部件包括化学加热器，例如内联加热器，以及罐和其它储存器，阀和流体导管例如管道和管。诸如化学加热器的部件可以由各种不同的材料制成。示例材料包括但不限于石英、刚玉和蓝宝石，无论它们是合成的或天然的形式，以及具有与前述任何类似的化学性质的任何其它材料，包括任何其它基本上非反应性的材料。在某些应用中，诸如钢的金属包括不锈钢，铜，钛，黄铜，镍，铝，以及任何前述金属的合金和组合，可用于加热器和其它部件的构造，包括所公开的示例部件。于此。这种合金的实例包括铜-镍合金(CNA)和镍-铜合金(NCA)。

应注意，仅出于说明的目的陈述前述部件。然而，本发明的范围很广，因此，本发明的实施方式可用于产生热量并将热量传递给任何一种或多种材料，而不管它们的形式或组成如何。这些材料的实例包括但不限于金属，塑料，橡胶，矿物，玻璃，陶瓷，复合材料，纸和纸基产品，纤维状材料，天然纤维和织物或由这些制成的其它物品，液体，气体，流体，合成材料，木材和木材基产品，化学品，碳基液体和固体，矿物，植物和植物基材料，任何其它天然存在的物质或人造材料，或前述的任何组合。

B.某些示例加热元件的通常方面

通常，碳和碳基加热元件可具有各种不同的物理特性和配置。例如，就刚度而言，所公开的加热元件可包括低模量，标准模量，中间模量或高模量碳纤维中的任何一种或多种，其中相对较高的模量对应于相对较硬的纤维。相应地，相对较高模量的纤维在断裂之前可以比较低模量的纤维拉伸相对较小。具有不同相应模量值或类型的纤维可以在单个加热元件内组合。

在至少一些实施方式中，多个碳和/或碳基纤维可以捆扎在一起以形成丝束，然后将多个丝束编织在一起以形成碳纤维片或布。在一些实施方式中，非碳材料的纤维，例如玻璃纤维和聚对苯二甲酰对苯二胺(例如以品牌KEVLAR销售)，可以与碳纤维和/或碳基纤维组合以制造包含碳纤维和/或碳基纤维以及非碳纤维的丝束。另外或可替代地，丝束可以与非碳材料编织在一起以形成片或布。示例性编织包括斜纹，缎纹，平纹，单向，双向和三轴，但是本发明的范围不限于这些示例。同样地，本文公开的碳和/或碳基纤维束也可包括一种或多种非碳纤维，其由例如但不限于玻璃纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺的材料制成。

在一些实施方式中，碳纤维布可以用作加热元件而无需进一步处理。在可能需要从与其接触的结构中移除加热元件的情况下，可以使用该方法。在其它实施方式中，碳纤维布可以用一种或多种材料预浸渍，以产生有时称为预浸布的物质。预浸料碳纤维布可以是湿的或干的，这取决于特定应用的要求。湿预浸料碳纤维布可用于加热元件要永久安装的实施方式中。湿预浸料碳纤维布可以通过用诸如环氧树脂的材料浸渍布来形成。例如，环氧树脂可以是可热固化或光固化的环氧树脂。如下所述，湿预浸料碳纤维布然后可以缠绕或以其它方式与待加热的一个或多个部件的形状相符。

就其形状和尺寸而言，碳和碳基加热元件实际上可以采用任何配置。例如，如上所述，碳纤维可以形成为编织布，以及盘，片，块，管，棒，线圈和成角形式等。此外，预浸料碳纤维布可以模制成任何所需的形状，然后装配到待加热的部件上。在一些替代实施方式中，湿预浸料可以围绕部件铺设，使得当环氧树脂或其它材料固化时，碳纤维布完全符合下面部件的部分或全部形状。例如，湿预浸料可以缠绕在管、管道或其它部件周围。该方法可以在加热元件和待加热的部件之间提供高水平的物理接触，从而实现从加热元件到部件的有效热传递。也可以类似地使用干预浸料，例如具有可能需要烘箱固化的粘合剂的碳纤维布。因此，在本公开范围内的加热器在其形状、尺寸和配置方面是高度可定制的。

一些碳纤维可以由称为聚丙烯腈(PAN)纤维的纤维制成。更详细地，碳纤维可以通过使PAN纤维经受热解过程来制备，其中将PAN纤维加热到导致基本上或完全除去PAN纤维中除了碳之外的所有元素的温度。以这种方式制造的碳纤维可具有约3300万磅/平方英寸(MSI)的拉伸模量，即刚度的测量值。这种碳纤维可以包装在一起以形成结构或复合纤维，其具有比组成纤维相对更大的硬度。例如，将碳纤维可以包装在一起以产生模量为约42MSI的有时被称为中间模量(IM)复合纤维的纤维。通过使组成纤维更小和更致密，可以生产甚至更高模量的复合纤维。这种复合纤维可以称为高模量(HM)纤维，并且可以具有约55MSI或更高的模量。最后，纤维可以组合在一起以形成各种尺寸的丝束，其中尺寸以包括在丝束中的数千个纤维(K)的数量来指定。因此，一些示例性纤维丝束尺寸可表示为1K，3K，6K，12K，24K或50K。

在至少一些实施方式中，丝束中的所有纤维是碳或碳基的，并且丝束中不包括任何其它材料的其它纤维。因此，尽管本发明的一些实施方式可包括与其它纤维捆绑在一起的碳或碳基纤维，例如二氧化硅基玻璃纤维，但本发明的其它实施方式延伸至仅由碳或碳基纤维构成的丝束，不包括玻璃或任何其它类型的纤维。

同样，可以涂覆、包裹或以其它方式覆盖碳纤维丝束，例如用硅树脂或陶瓷材料覆盖，但是并非在所有情况下都不需要。因此，本发明的实施方式包括不包括任何涂层、包装物或其它覆盖物的碳纤维丝束。这样的碳纤维丝束配置成使得丝束的最外表面由碳纤维和/或碳基纤维限定，在本文中可称为未涂覆的。

最后，并且如下面更详细讨论的，本发明的范围不限于碳纤维丝束。相反，本发明范围内的加热元件也可采用多种其它形式。

虽然碳或碳基加热元件的一些实施方式包括碳纤维或碳链，但本发明的范围不限于这种形式的碳。因此，加热元件的其它实施方式包括短切碳纤维，其可以或可以不与非碳材料和/或碳基材料组合。短切碳纤维可以用粘合剂保持在一起，但这不是必需的。这种短切碳纤维可以形成为可以用作加热元件的片材，或者可以成形、切割或形成为加热元件的片材。短切碳纤维可以形成本文公开的任何配置。

同样，加热元件的一些实施方式在其物理结构方面可以是相对均匀的，然而，这不是必需的。因此，加热元件的其它实施方式具有在加热元件内的不同位置处变化的结构。例如，加热元件的一些实施方式可以由该加热元件的某些部分中的碳和/或碳基纤维组成，而同一加热元件的其它部分不仅包括碳和/或碳基纤维，也还包括短切碳和/或碳基纤维。因此，例如，可以使用从不再需要的旧加热元件再循环的短切碳来创建新加热元件。

此外，加热元件的一些实施方式在其组成方面可以是相对均匀的，但是，这不是必需的。因此，加热元件的其它实施方式具有在加热元件内的不同位置变化的成分。例如，加热元件的一些实施方式可以在该加热元件的某些部分中由碳组成，而同一加热元件的其它部分不仅包括碳，还包括一种或多种其它材料。

最后，可以在任何单个加热元件内和/或在加热元件的组或阵列内限定和实施前述特性中的一个或多个的任何组合。因此，本发明的范围不仅限于前述示例实施方式，也不限于本文公开的其它实施方式。

本文公开的碳加热元件和碳基加热元件提供对电流的阻力，使得当向加热元件供电时，产生热量。由特定加热元件产生的热量可以根据参数改变，例如但不限于施加的功率量，以及加热元件的尺寸、配置和组成。因此，这里公开的加热元件可以包括或连接到电连接器，该电连接器使得能够将功率施加到加热元件。同样，并且在下面更详细地讨论，公开了电功率和控制系统，其可以用于通过控制提供给加热元件的功率量来控制加热元件的操作和由加热元件产生的热量。此外，公开了可操作以调节和/或维持由加热元件产生的热量的控制电路。

C.一些示例应用的方面

本发明的实施方式可以与各种不同的部件和设备中的任一种结合使用。通常，本发明的实施方式涉及使用包含碳或由碳组成的加热元件，并且该加热元件配置成与期望传递热量的部件热连通。如本文所用，这种热连通包括例如直接热连通和加热元件不直接接触的间接热连通，其中加热元件与待加热的部件或介质直接物理接触。但待加热的部件或介质仍配置和布置成将热量传递到该部件，例如通过一个或多个介入部件或介质。前述介质包括本文公开的任何流体。更通常地，热传递可以通过本发明的实施方式通过传导、对流或辐射的任一种或多种机制实现。

因此，现在将注意力转向图6，其公开了至少一些实施方式的通常方面。在图6的示例中，公开了一种布置，其包括待加热的通用部件100。通常，使用任何所公开的传热结构将由所公开的加热元件加热的部件在本文中可称为目标部件。

部件100实际上可以是要传递热量的任何部件或部件的组合。因此，图6中的通用部件100的表示旨在扩展范围。示例性部件100包括但不限于流体系统部件，例如加热器，包括内联加热器，管道，管，罐，容器或任何其它类型的流体贮存器。示例性部件100还可以采用不涉及流体或流体流动的部件的形式，例如实心的。

就材料而言，目标部件100可由能够被加热的任何材料或材料的组合制成。此类材料的实例在本文其它地方公开。举例来说，目标部件100可包括一种或多种金属，塑料，橡胶，矿物，陶瓷，复合材料或这些的任何组合，或由其组成。目标部件100还可包括布置成与一个或多个加热元件接触的一种或多种流体，或由其组成。因此，在一些实施方式中，加热元件部分或完全浸没在流体或流体组合中。

示例性目标部件100包括一个或多个表面102，通过该表面102可以直接或间接地将热量传递到目标部件100。一些目标部件，例如基本上球形的部件，可以仅具有单个连续表面，而其它目标部件，例如圆柱形部件或矩形部件，可具有多个表面。可以利用本文公开的加热元件加热可传递热量的表面和/或表面部分的任何组合。在目标部件100是流体的情况下，可能不存在离散表面，如可以是实心目标部件的情况，但是加热元件仍然可以通过部分流体将热量传递给接触加热元件的流体，和/或通过对流或辐射。

继续参考图1，提供加热元件200，其配置和布置成通过表面102将热量传递到目标部件100。可以直接或通过一个或多个加热元件200间接加热目标部件100的任何一个或多个表面。加热元件200可具有本文公开的任何组合物。加热元件200可以通过传导、对流或辐射中的任一种或多种来实现热传递。本发明的范围不限于热传递的任何特定模式或机制。

如图6所示，加热元件200的尺寸和/或配置可以是整体或部分地模仿诸如表面102的部件表面的尺寸和配置，尽管这不是必需的。例如，在一些实施方式中，可以使用多个较小加热元件的组或阵列来实现期望的加热效果。因此，在一些实施方式中，加热元件阵列配置和布置成使得阵列中的每个加热元件接触表面102的对应部分和/或目标部件100的其它表面。阵列的加热元件可以与另一个加热元件重叠和/或可以与阵列的另一个加热元件间隔开。此外，多个加热元件可以相对均匀地分布在目标部件100的表面上，或者可以集中在表面区域的有限部分中。组中的加热元件可以或可以不具有彼此相同的尺寸、形状和发热能力。通常，在任何实施方式中，加热元件200的数量、尺寸、形状和分布可以是为了实现期望的加热效果。

在至少一些实施方式中，加热元件200直接接触表面102。在其它实施方式中，介入材料或层可以放置在加热元件200和表面102之间。可以处理表面102，例如通过蚀刻或粗糙化，以改善传热特性，尽管不需要这种处理。

在一些实施方式中，加热元件200可包括不连续部分(未示出)，例如孔、开口或切口，以便可实现期望的传热效果。同样，加热元件200可以在尺寸上相对均匀，例如，具有基本上一致的高度、宽度和/或深度，如图6的示例性加热元件200的情况那样。然而，这种尺寸均匀性不是需要的。因此，加热元件的至少一些实施方式的高度、宽度、深度和/或其它方面可以从加热元件的一个位置到加热元件的另一个位置变化。同样，加热元件200不需要具有确定的形状，例如几何形状，而是在其配置中可以是非晶的。

在至少一些实施方式中，由特定加热元件产生的热量可以由该加热元件的几何形状的一个或多个方面确定。例如，由加热元件产生的热量可以根据加热元件的厚度或热质量改变。因此，加热元件的相对较厚部分具有与相同加热元件的相对较薄部分不同的热质量，使得加热元件在加热元件中的不同位置处产生不同的热量。作为另一个示例，加热元件的发热能力可以根据加热元件的表面积大小改变。此外，可以选择加热元件的形状以提供所需的发热能力。最后，可以将具有不同的各自发热能力的加热元件一起用于将热量传递给单个目标部件或部件组。

继续参考图6，加热元件200可以包括两个或更多个电连接202，其通常能够例如通过电源300向加热元件200施加功率。在一些情况下，仅提供单电连接。电源可以是交流或直流电源。电连接202不需要具有任何特定配置，而是导电的并且可以附接到加热元件200或者至少与加热元件200接触，使得施加到电连接202的电流穿过加热元件200，从而导致在一些实施方式中，电连接202是铜或镍，但是可以另外或替代地使用任何其它导电材料。

在一些实施方式中，电连接202可以采用金属条的形式，其被胶合或以其它方式附接到加热元件200。在其它实施方式中，电连接202可以采用编织到加热元件200的织物中或嵌入加热元件200中的金属线或金属条的形式。可以使用硅树脂或其它材料将电连接202连接到加热元件200。在其它实施方式中，电连接202可以是目标部件的元件，然后连接加热元件200。更通常地，不需要特定形式的电连接202。而是，电连接202可以采用能够向加热元件200供应电力的任何形式。

D.一些示例加热元件阵列

现在参考图6A，提供了关于一个或多个加热元件的一些说明性阵列的细节，其中阵列通常指定为250。如图所示，可以在任何各种不同物理配置的目标部件上使用一个或多个加热元件的阵列250。所示的示例包括圆柱形目标部件和大致立方体/矩形部件。如更一般地指出的，阵列250或阵列的一部分可以设置在目标部件的表面的任何部分上。

图6A进一步表明本发明的范围不限于加热元件的任何特定尺寸，数量，布置或取向。因此，不同尺寸和/或形状的加热元件可以用在单个阵列250中。同样，加热元件可以随机或不均匀分布。一些阵列250可包括全部大致相同尺寸和形状的加热元件，而其它阵列250包括加热元件尺寸，形状，数量和取向的随机混合。在一些阵列250中，所有加热元件具有相同的形状和/或尺寸。一些示例阵列250覆盖大部分表面，而其它阵列250覆盖少于大部分表面。下面结合图7A-7J讨论加热元件和阵列的其它示例。如这些图中的一些所示，加热元件组不必一起采用阵列。而是，在一些实施方式中，单独使用单个加热元件。

E.某些示例配置的方面

现在参考图7A-7J，公开了一些示例加热元件配置的方面。为了清楚起见，不同的加热元件配置各自用不同的附图标记表示。首先参考图7A，加热元件302采用嵌入目标部件的壁中的多个杆状元件的形式，其可以采用管或管道402的形式。在该配置的变型中，加热元件304采用嵌入目标部件中的管(例如管或管道404)的形式。一个或多个加热元件在目标部件的结构中的嵌入可以在制造目标部件时进行。例如，如果目标部件是注塑的，则可以在注塑之前或期间将加热元件放置在模具中，使得成品包括嵌入的加热元件。将加热元件嵌入目标部件中也可以作为挤出过程的一部分进行。在一些实施方式中，加热元件可以完全嵌入目标部件中，使得加热元件的任何部分都不暴露，而在其它实施方式中，加热元件的一部分可以延伸出目标部件。在任何情况下，在目标部件内或目标部件外部提供电触点，其使得电流能够施加到加热元件。

现在参考图7B，示出了一种配置，其中加热元件306采用层叠在目标部件406的表面上的片或织物的形式。其中加热元件306的形式为在片中，加热元件306可以是刚性的或半刚性的。当加热元件306为织物形式时，加热元件306可以是柔性的。在替代布置中，同样为片或织物形式的加热元件308至少部分地嵌入目标部件408内。在一些情况下，加热元件306以及下面讨论的加热元件310，可以采用预浸料碳或碳基的布或织物的形式。

如图7C所示，加热元件310可以是带或条或多个条的形式，其可以缠绕并固定到目标部件410上。加热元件310可以采用如本文所公开的织物形式，虽然这不是必需的。尽管该示例中的目标部件410被指示为具有大致圆柱形，但这不是必需的，并且加热元件310可以缠绕在任何其它形状的目标部件周围。如图7C所示，根据本发明的一些示例实施方式的加热元件，无论是带、条或杆的形式，也可以采用线圈的形式，其可以是刚性的或柔性的。

现在转到图7D，示出了加热元件312，其包括加热元件部分312a的阵列。加热元件312可以是统一的单件结构的形式，但这不是必需的，并且在其它实施方式中，加热元件312可以由多个分立件组装而成。在图7D的示例中，目标部件412是一定体积的流体。因此，当电流施加到加热元件312时，产生热量并将热量传递到目标部件412，即流体的体积。加热元件312的一部分或全部可以是刚性的或柔性的。一些加热元件(其中加热元件312是一个示例)可包括刚性和柔性部分。

在一个替代实施方式中，省略加热元件312并且容器414用作加热元件。在该实施方式中，向容器414施加电流用于加热目标部件412，即容器414中包含的流体。在该配置中，可以提供绝缘材料414a，其可以采取容器414外部上的层的形式，以帮助减少来自容器414外部的热量损失。同样，诸如容器414的配置可以以各种方式制造。例如，预浸料碳或碳基布可以铺设在例如圆筒的形式上，以便形成其内部配置与模板的内部构造匹配的加热元件。

如图7E至7G所示，并且在其它图中也示例，加热元件的实施方式可以采用几乎任何形状或配置。在图7E的示例中，加热元件314通常为管或管道的形状。依次，加热元件314可以放置在诸如管道或管的流体导管之内或之外，或者加热元件314可以嵌入管道或管的结构中，如图7A所示。在其它实施方式中，加热元件314可以同时用作流体导管和加热元件，使得待加热的流体穿过并接触加热元件314的内壁，从而被加热。在一个替代实施方式中，加热元件可以采用开放通道的形式，而不是所示的闭合流体导管。开放通道加热元件的操作原理通常与所示的流体导管实施方式的操作原理相同。也就是说，当流体沿着开放通道流动时，流体被开放通道结构加热。

如图7F所示，另一示例加热元件316可以是角度的形式。可以定制成角度形式的尺寸和维度以适应目标部件或部件组(未示出)的配置。而且，该角度可以是任何所需的角度，并且不限于图7F中所示的示例。

现在参考图7G，加热元件的示例实施方式可以是实心的形式并且可以采用各种配置。因此，例如，加热元件318的一个示例实施方式是盘的形式，而加热元件320的另一示例实施方式是立方体或矩形的形式，并且加热元件322的又一示例实施方式是圆柱形。这些配置仅作为示例给出，并不旨在限制本发明的范围。此外，还可以通过组合本文公开的任何加热元件实施方式来限定和实现其它加热元件配置。

接下来转到图7H，公开了加热元件324的另一个示例。在该示例中，加热元件324是刚性的或半刚性的，但是包括一个或多个非线性部分，例如折叠、波浪或波纹。与其它公开的实施方式一样，加热元件324可以在附接到目标部件之前形成，或者可以放置在目标部件本身上，或者是在与目标部件的尺寸和配置类似的形式。因此，取决于实施方式，示例加热元件324可以是布，或刚性或半刚性片的形式。

如图7I中所示，加热元件326的实施方式可以形成为匹配几乎任何目标部件的配置，而不管这些配置有多复杂。因此，在图7I的示例中，加热元件326包括线性和非线性部分，这是由目标部件416的相对复杂的结构所必需的。图7I的示例还表明加热元件326可以考虑到目标部件416的配置，采用可能需要或期望多个不同部分的形式。或者，加热元件326可以形成为单件。

图7I还示出了一种布置，其中加热元件328缠绕在管状或实心目标部件418周围。在一些实施方式中，目标部件418可以是管道、管或其它流体导管。在其它实施方式中，目标部件418可以是具有圆柱形式的实心部件。

现在转到图7J，公开了加热元件330的另一示例实施方式的各方面。在该示例实施方式中，加热元件330包括不连续部分330a，例如孔，切口或其它开口。不连续部分330a可以全部具有相同的通常尺寸和形状，或者可以在这些方面中的一个或两个方面彼此不同。同样，不连续部分330a可以随机地或非随机地分布在整个加热元件330中。在图7J的示例的一个变型中，加热元件330可以包括彼此电连接的多个分立部分330b，或者每个都可以单独供电。

F.示例应用的方面

现在参考图8，提供了关于本发明的至少一些实施方式的示例应用的细节。

图8的示例不旨在以任何方式限制本发明的范围，而是简单地用作对诸如本文公开的加热元件的一种可能应用的一些方面的说明。

如图8所示，提供了流体导管500，其包括具有一个或多个碳或碳基加热元件的加热器550。因此，图8的实施方式可以用作内联加热器，其通过流体入口501a和流体出口501b加热流过流体导管500的流体。这种内联加热器可用于各种工艺和应用，并且本发明的范围不限于任何工艺、应用或者工艺或应用的组。一些示例工艺和应用包括但不限于半导体/电子，LED/平板，太阳能，化学，化学处理以及航空航天工艺和应用。

流体导管500可由任何合适的材料制成，其示例在本文中公开。在流体导管500是金属或涂有金属材料的情况下，流体导管500可以包括在流体导管500的部分上的电绝缘层(未示出)，否则其将通过加热器550接触。电绝缘层是导热的，使得由加热器550产生的热量通过电绝缘层传递到流体管道500，以及传递至流体管道500内的任何流体。然而，电绝缘层的性质使得施加到加热器550的功率不会传递或泄漏到下面的金属或金属流体导管500。在流体导管500不是金属或金属的情况下，可以省略电绝缘层。

加热器550可包括本文公开的任何一个或多个加热元件实施方式。例如，加热器550可以包括由碳纤维组成或包含碳纤维的织物，并且该织物缠绕在流体导管500周围。该示例中的织物可以用诸如环氧树脂的粘合剂与流体导管500连接，或可以不与流体导管500连接。在另一个示例实施方式中，加热器550由管形加热元件组成或包括管形加热元件，该管形加热元件紧密地配合在流体导管500的一些或全部外表面周围并与其接触。

如图8中进一步所示，加热器550包括第一和第二电连接器502，通过该第一和第二电连接器502可以引导电流通过加热器550的加热元件。电连接器502可以由任何导电材料制成。

G.示例控制系统的方面

简要参考图9，提供了关于示例控制系统600的细节，例如可用于控制加热器的一个或多个加热元件的操作，以便将热量传递到目标部件700。如图6所示，控制系统600可以与包括电连接202的一个或多个加热元件200一起使用。在图9的示例中，控制系统600包括电源602，其可以是AC电源或DC电源。电源602通过电连接202电连接到加热元件200，并且可操作以向加热元件200提供功率，使得加热元件200产生热量。开关601使得电源602能够选择性地连接到加热元件200或从加热元件200断开。开关601和电源602的操作可以由电控制器604监测和控制，该电控制器604可以是例如微控制器。

控制系统600还包括一个或多个热电偶606或类似装置，其感测加热元件200的温度和/或目标部件700的温度。如图9所示，加热元件200的温度可以在加热元件200的多个位置处被感测，尽管这不是必需的，并且在一些实施方式中单个位置就足够了。同样地，热电偶606可以在目标部件700的多个位置处感测目标部件700的温度。在一些实施方式中，使用单独的热电偶来感测加热元件200和目标部件700的各自温度。

加热元件200和目标部件700的感测温度和/或表示感测温度的信息可以从热电偶606传输到电控制器604。电控制器604然后可以使用从热电偶606接收的温度信息用于调节电源602的输出，并因此调节加热元件200的温度和目标部件700的温度。

如果热电偶606检测到的加热元件202的温度和/或目标部件700的温度高于或低于期望值或范围，则相应的警告或错误消息可以从热电偶606传输到电控制器604。响应于接收到这种消息，电控制器604可以调节电源602的输出，或可以关闭电源602，和/或切断电源602的功率，例如通过打开开关601。关闭电源602和/或打开开关601可能是有用的，例如，在高温场景中，即加热元件200的温度和/或目标部件700的温度超过安全/期望值或范围的情况。

在至少一些实施方式中，电控制器604可以包括或访问非暂时性存储介质604a，例如磁性或光学存储器，其携带计算机可执行指令以控制电源602的操作。在操作中，电控制器604的一个或多个硬件处理器(未示出)可以执行那些指令以控制电源602的操作。

H.一些示例工艺的方面

本文公开的碳和碳基加热元件以及那些加热元件的部分可以以各种不同方式生产。一些示例工艺在本文其它地方讨论。在其它情况下，一些这样的加热元件可以通过烧结碳或碳基粉末、灰尘和/或其它碳或碳基颗粒来形成。例如，烧结材料可以主要是碳粉末，使得所得的烧结加热元件在其内部结构方面基本上是均匀的，而在其它情况下，烧结材料可以包括碳形式的组合，例如纤维，短切碳片，颗粒和/或粉末，使得烧结的加热元件在其内部结构方面是不均匀的。在其它实施方式中，加热元件可以通过将一组碳纤维扭绞在一起而制成。在其它实施方式中，加热元件可以通过将短切碳片压缩在一起来形成，并且粘合剂可以但不是必须用于帮助将短切碳片粘合在一起。

在其它实施方式中，加热元件可以使用三维(3D)印刷工艺形成，该三维(3D)印刷工艺产生多个碳和/或碳基层，这些层共同形成加热元件的一部分或全部。这种印刷的碳和碳基加热元件可以采用任何所需的形式，其示例包括纤维，以及各种实心形状，例如圆盘、块和圆柱体。在一个特定示例中，加热元件可以与目标部件一起整体印刷，该目标部件旨在由该加热元件加热。例如，塑料部件和相关的加热元件可以一起印刷，可能同时印刷，作为单个印刷工艺的一部分，其结果是塑料部件，其中嵌入部分或全部加热元件，或者以其它方式与加热元件附接。

在其它示例3D印刷工艺中，可以部分地印刷目标部件，然后将加热元件放置成与目标部件接触，然后完成目标部件的印刷。在该方法的一个特定示例中，可以部分地印刷塑料目标部件，并且相对于塑料目标部件以这样的方式放置碳或碳基加热元件，使得当完成塑料目标部件的印刷时，加热元件完全或部分嵌入该塑料目标部件的结构内。作为已使用3D印刷工艺印刷的结果，加热元件的结构可以使得加热元件包括多层碳和/或碳基材料。

I.一些实施方式的有利方面

从本公开中显而易见的是，本发明的一个或多个实施方式可以任何组合提供一种或多种有利和意想不到的效果，其一些实例如下所述。应该注意的是，这里列举的这些效果既不是意图也不应该被解释为以任何方式限制所要求保护的发明范围。

例如，本发明的一个或多个实施方式可以是有利的，因为它们提供了相对小的热质量的加热元件，其热输出可以快速且容易地控制。作为另一个示例，即使目标部件碰巧是流体，也可以容易地定制本发明实施方式的物理配置以适应待加热的目标部件的结构方面。同样，本发明的实施方式可以非常便宜地制造，只要它们部分或全部由碳纤维和/或其它碳和/或碳基结构制成。至少一些实施方式的另一个优点是用于产生所需热量的输入功率要求可能相对较低。一些实施方式的又一个优点是碳或碳基加热元件中的一些或全部可以再循环并用于产生新的碳或碳基加热元件。最后，本发明的实施方式可以应用于广泛的应用中。

J.一些进一步的示例实施方式

实施方式10.一种加热元件，其包括：

包含碳的一个或多个部分，其中当经受电流流动时，所述一个或多个部分产生热量。

实施方式11.如实施方式10中所述的加热元件，其中所述一个或多个部分是由碳和/或包含碳的纤维组成的纤维形式。

实施方式12.如实施方式10中所述的加热元件，其中所述一个或多个部分是短切纤维的形式，所述短切纤维由碳和/或包含碳的短切纤维组成。

实施方式13.如实施方式10中所述的加热元件，其中加热元件为编织布的形式。

实施方式14.如实施方式10中所述的加热元件，其中加热元件为实心材料片的形式。

实施方式15.如实施方式10中所述的加热元件，其中加热元件具有管状形式。

实施方式16.如实施方式10中所述的加热元件，其还包括一个或多个电连接器。

实施方式17.如实施方式10中所述的加热元件，其中加热元件为预浸料编织布的形式。

实施方式18.如实施方式17中所述的加热元件，其中预浸料编织布是湿预浸料或干预浸料中的一种。

实施方式19.如实施方式10中所述的加热元件，其中加热元件为条或带的形式。

实施方式20如实施方式10中所述的加热元件，其中加热元件为杆的形式。

实施方式21.如实施方式10中所述的加热元件，其中所述部分之一包含碳粉和/或碳尘，或由其组成。

实施方式22.如实施方式10所述的加热元件，其中加热元件的部分通过三维(3D)印刷工艺形成。

实施方式23.如实施方式10中所述的加热元件，其中加热元件的部分包括多个材料层。

实施方式24.一种目标部件，其包括实施方式10-23中任一项的加热元件。

实施方式25.如实施方式24中所述的目标部件，其中加热元件至少部分地嵌入目标部件的结构中。

实施方式26.如实施方式224中所述的目标部件，其中加热元件设置在目标部件的外表面上。

实施方式27.如实施方式24中所述的目标部件，其中加热元件设置在目标部件的内表面上。

实施方式28.根据实施方式24所述的目标部件，其中目标部件配置成容纳一定体积的流体，该流体布置成与加热元件热连通。

实施方式29.如实施方式24中所述的目标部件，其中目标部件是管道，管，罐或容器中的一种。

实施方式30.如实施方式24中所述的目标部件，其中目标部件是一定体积的流体，并且加热元件是容器的形式，其中设置有一定体积的流体。

实施方式31.实施方式10-30中任一项的加热元件的功率和控制系统，其包括：与加热元件电连通的电源；与电源连通并可操作地控制电源的控制器；以及与加热元件和控制器连通的热电偶。

尽管已经根据某些实施方式描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其它实施方式也在本公开的范围内。因此，本公开的范围旨在仅由以下方面限定。

在第一方面，本发明提供了一种加热器，其包括：

基本上包含碳的加热元件；和

配置和布置成与加热元件电连通的电触点，其中加热元件在连接到电流流动时产生热量。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件包括由碳组成的纤维，和/或包含碳的纤维。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件包括由碳组成的短切纤维，和/或包括含碳的短切纤维。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件是编织布的形式。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件是实心材料片的形式。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件具有管状形式。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件是湿的或干的预浸料织物的形式。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件是条、带或杆的形式。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件的一部分包括碳粉和/或碳尘，或由其组成。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件的一部分包括多个层。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件由碳组成。

如第一方面中所述的加热器，其中加热元件包括碳纤维丝束。

在第二方面，本发明提供了一种装置，其包括：

目标部件；和

与目标部件热连通的加热器，该加热器包括：

基本上包含碳的加热元件；和

配置和布置成与加热元件电连通的电触点，其中加热元件在连接到电流流动时产生热量。

如第二方面中所述的装置，其中加热元件由碳组成。

如第二方面中所述的装置，其中加热元件的一部分包括多个层。

如第二方面中所述的装置，其中加热元件是条、带或杆的形式。

如第二方面中所述的装置，其中加热元件的一部分包括碳粉和/或碳尘，或由其组成。

如第二方面中所述的装置，其中加热元件是编织布的形式。

如第二方面中所述的装置，其中加热元件嵌入在目标部件中。

如第二方面中所述的装置，其中加热元件附接到目标部件。

如第二方面中所述的装置，其中目标部件是流体系统部件。

如第二方面中所述的装置，其还包括控制系统，该控制系统与电触点连接并且可操作以控制向加热元件的电流流动。

Claims (20)

1.一种管加热器，其包括：

流体导管；

加热元件，与所述流体导管热连通；

一个或多个导体，其与所述加热元件电连通并且配置成向所述加热元件提供功率；

电绝缘体，其配置和布置成防止所述一个或多个导体短路；和

容纳管，其中基本上或完全地设置有所述流体导管、加热元件、导体和电绝缘体。

2.根据权利要求1所述的管加热器，其中，所述管加热器可弹性变形为弯曲，所述弯曲描述的角度在至少约30度至至少约120度的范围内。

3.根据权利要求1所述的管加热器，其中，所述流体导管包含PFA或由PFA组成。

4.根据权利要求1所述的管加热器，其中，所述加热元件具有细长形式。

5.根据权利要求1所述的管加热器，其还包括在所述管加热器的每个端部处的连接器，所述连接器配置成能够将所述管加热器的端部附接到一个或多个部件。

6.根据权利要求5所述的管加热器，其中，所述连接器不包括O形环。

7.根据权利要求1所述的管加热器，其中，所述管加热器的整个流体流动路径由所述流体导管限定，使得在工艺流体存在于所述管加热器中的整个时间期间，进入所述管加热器的任何所述工艺流体仅接触流体导管材料。

8.根据权利要求1所述的管加热器，其中，所述管加热器是流体密封的，使得所述容纳管容纳从所述流体导管泄漏的任何流体。

9.根据权利要求1所述的管加热器，其还包括集成微控制器，所述集成微控制器可连接到电源并编程为控制从所述电源流向所述加热元件的功率。

10.根据权利要求9所述的管加热器，其还包括过温传感器和泄漏传感器，两者都配置成向所述微控制器提供反馈。

11.一种管加热器，其包括：

流体导管，其包含PFA或由PFA组成；

多个加热元件，其各自包含碳或由碳组成，并且所述加热元件与所述流体导管热连通；

一个或多个导体，其与所述加热元件电连通并且配置成向所述加热元件提供功率；

电绝缘体，其配置和布置成防止所述一个或多个导体彼此接触，并且除了在所述一个或多个导体连接到所述加热元件的一个或多个位置处之外，防止所述一个或多个导体接触所述加热元件；和

容纳管，其中设置有所述流体导管、加热元件、导体和电绝缘体。

12.根据权利要求11所述的管加热器，其中，所示管加热器可弹性变形成环，而没有对所述管加热器的结构或操作的不利影响。

13.根据权利要求11所述的管加热器，其还包括设置在所述电绝缘体和所述容纳管之间的绝热层。

14.根据权利要求11所述的管加热器，其中，所述加热元件中的一个具有细长形式。

15.根据权利要求11所述的管加热器，其还包括在所述管加热器的每个端部处的流体密封连接器，所述流体密封连接器配置成能够将所述管加热器的端部附接到一个或多个部件。

16.根据权利要求11所述的管加热器，其中，所述加热元件是电阻加热元件。

17.根据权利要求11所述的管加热器，其中，所述管加热器的整个流体流动路径由所述流体导管限定，使得在工艺流体存在于所述管加热器中的整个时间期间，进入所述管加热器的任何所述工艺流体仅接触流体导管材料。

18.根据权利要求11所述的管加热器，其中，所述管加热器配置成使得在使用中，所述管加热器的入口侧和所述管加热器的出口侧可以在两个或更多个维度上彼此偏移。

19.根据权利要求1所述的管加热器，其还包括微控制器，所述微控制器可连接到电源并编程为选择性地控制从所述电源流向所述加热元件的功率。

20.根据权利要求19所述的管加热器，其还包括过温传感器和泄漏传感器，两者都配置成向所述微控制器提供反馈。