ES2297239T3 - Metodo para el suministro de corriente electrica a un horno tubular. - Google Patents

Abstract

Un método de transmisión de corriente eléctrica a un horno que se calienta, por completo o de forma parcial, por medio del calor que genera la corriente eléctrica que circula por las paredes del horno (1), de forma que dicha corriente procede de unos dispositivos (2-8) conectados a dicha pared del horno, que se caracteriza porque al menos uno de los dispositivos (2-4) próximos a la pared del horno (1) dispone de una sección (10-12) que tiene una zona transversal inferior al resto del dispositivo (2-4); de manera que la corriente que atraviesa dicha región transversal (10- 12) desarrolla calor en la zona de dicha sección más pequeña (10-12) en una magnitud que corresponderá esencial o totalmente a la magnitud térmica (14) que habría sido transportada desde la pared del horno (1) hasta un dispositivo pertinente (2-4) en ausencia de dicha zona transversal inferior.

Description

Método para el suministro de corriente eléctrica a un horno tubular.

En el funcionamiento de los hornos, a menudo se plantean muchos requisitos en el aislamiento del volumen calentado. También se exige la distribución de una temperatura uniforme dentro del horno con respecto a las diferentes aplicaciones. En otras palabras, la diferencia de temperaturas máxima aceptable en todo el volumen calentado frecuentemente es muy baja. En otras aplicaciones, es deseable verificar y controlar la distribución de la temperatura con un grado de exactitud muy alto según una distribución predefinida.

Ejemplos de dichas aplicaciones son los hornos para el crecimiento monocristalino, hornos de difusión y hornos tubulares donde la corriente eléctrica a través de la pared tubular genera la energía térmica que calienta el volumen del horno. Este calentamiento del volumen del horno requiere una entrada de amperaje elevada, lo que significa que los dispositivos a través de los cuales la corriente eléctrica entra y sale del horno deben tener un área superficial de la sección transversal grande. El horno debe ser un horno de transporte continuo con extremos abiertos o bien un horno que encierre completamente el volumen del horno.

El horno tubular puede constar de un tubo al cual se le suministra corriente. El tubo puede incluir un encamisado de cerámica interno. El tubo puede ser también un tubo situado dentro de una bobina de calentamiento circundante.

Cuando se produce un gradiente de temperatura entre el horno y el espacio que lo rodea, todos los aparatos que están en contacto directo con la superficie del horno conducen la energía térmica lejos del horno hacia las zonas más frías. Este drenaje de energía tiene lugar desde el punto en el cual el dispositivo correspondiente está en contacto con la superficie del horno y es más efectivo cuanto mejor sea la conductividad del calor por parte del dispositivo y cuanto mayor sea la superficie de contacto entre dicho dispositivo y el horno.

Ejemplos de dichos dispositivos incluyen los soportes para colocar el horno en su sitio, los diferentes aparatos de medición y las salidas de la corriente para el suministro de energía a la superficie del horno o bien que alejan la corriente de dicha superficie. A menudo estos dispositivos están hechos de metal y por lo tanto son buenos conductores térmicos. Cuando el dispositivo en cuestión es un aparato de entrada de corriente, a menudo se requieren grandes superficies de contacto eléctrico debido a que se requiere mucha intensidad para calentar el horno a la temperatura deseada.

Las condiciones de trabajo típicas para un tipo determinado de horno tubular calentado eléctricamente incluyen temperaturas de 500-1200ºC inclusive. A estas temperaturas, una típica desviación máxima aceptable de la distribución de temperaturas predeterminada en el horno es de 10-20ºC. Al calentar material para un crecimiento monocristalino por difusión, el margen de temperaturas puede ser de 500 a 1400ºC con una exactitud de +/- 0,1ºC. La corriente eléctrica requerida para conseguir dichas temperaturas de trabajo es tan elevada que se precisa el uso de unos aparatos de entrada de corriente relativamente potentes.

Se conoce un horno tipo tubular de US-A-4 286.

Otros tipos de hornos pueden ser calentados de forma distinta al suministro de energía eléctrica al encamisado o caja del horno. Además, diferentes dispositivos que normalmente no conducen la corriente se pueden aplicar a la envoltura o caja del horno y con ello provocar el flujo puntiforme de la energía térmica desde el volumen calentado del horno.

De acuerdo con ello, la presente invención hace referencia a un método para la transmisión de energía eléctrica a un horno que se calienta, total o parcialmente, generando una corriente que viaja por la pared del horno, donde la corriente eléctrica es transmitida a través de unos dispositivos que se encuentran conectados a la pared del horno, y se caracteriza porque al menos uno de dichos dispositivos tiene una sección próxima a la pared del horno, cuya superficie transversal es menor a la parte restante del dispositivo en cuestión, y por que la energía eléctrica que atraviesa dicha sección o área transversal inferior, provoca en dicha región de superficie transversal inferior el desarrollo de calor que equivale sustancial o totalmente al transporte del calor que podría haber tenido lugar desde la pared del horno hasta el dispositivo en caso de ausencia de dicha zona transversal inferior.

Esta invención también se refiere a un dispositivo del tipo que tiene los rasgos generales que se indican en la reivindicación 8. La invención se describe ahora con más detalle de forma parcial en lo que se refiere a las configuraciones de la invención mostradas en los dibujos adjuntos, en las cuales

Figura 1 es una visión general de una configuración preferida de la presente invención;

Figura 2-6 son visiones transversales de diferentes ejemplos de configuraciones preferidas de los dispositivos conductores eléctricamente de acuerdo con la presente invención y

Figura 7 es una visión transversal que muestra con mayor detalle un ejemplo de una configuración preferida de un dispositivo de entrada de la corriente conforme a la actual invención.

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La figura 1 es una visión lateral de un horno denominado tubular de acuerdo con una configuración de la presente invención con unas dimensiones que vienen dadas en milímetros. El horno es del tipo de los llamados hornos de transporte continuo y tiene la forma de un cilindro largo abierto, el llamado tubo de recocido, cuya superficie cilíndrica 1 constituye la caja operativa del horno en el proceso. La caja o envuelta consta de un material conductor de la electricidad, preferiblemente un metal o una aleación metálica. Los productos, como el alambre, por ejemplo, son recocidos en dichos hornos.

La invención también se puede aplicar con un horno tubular para el calentamiento de productos en forma discontinua, en cuyo caso los extremos del tubo se cierran durante las operaciones de calentamiento del producto. Los hornos de esta naturaleza se pueden utilizar, por ejemplo, en la fabricación de circuitos electrónicos.

El NiCr es una aleación metálica típica que se usa en la fabricación de hornos. Sin embargo, esta aleación metálica salpica a elevadas temperaturas debido a la oxidación del material. Esta salpicadura influye en la distribución de la masa de la caja del horno y por tanto en su resistencia eléctrica. En cambio, esto dificulta el control de la temperatura del horno como resultado de la fuerza de la corriente aplicada. Por este motivo, un material preferido es el FeCrAl en lo que se refiere a los hornos tubulares de acuerdo con la presente invención ya que este material no salpica.

Una serie de aparatos que funcionan con corriente eléctrica 2-6 se conectan a la caja del horno, de los cuales ciertas terminales 2-4 son dispositivos de entrada para la corriente y las terminales restantes 5, 6 son dispositivos para el drenaje o descarga de la corriente. La corriente eléctrica que entra en la caja del horno 1 procede de los dispositivos de entrada de corriente 2-4 y saldrá por los dispositivos de drenaje de la corriente al aplicar un voltaje eléctrico a los dispositivos de entrada de la corriente 2-4 y a los dispositivos de drenaje de la corriente 5, 6. Debido a la energía que se desarrolla en el horno 1, la corriente calentará el volumen encerrado en el horno como resultado de la resistencia eléctrica que existe en la caja o armazón del horno 1.

El voltaje que cruza cada par de dispositivos de entrada de la corriente y de drenaje de la corriente se puede ajustar individualmente, de manera que permita que se controle la corriente entre ellos. Esto a su vez permitirá que se pueda controlar el calentamiento del volumen encerrado en el horno, de manera que la magnitud del efecto de calentamiento será diferente en los distintos lugares a lo largo del eje longitudinal 9 del horno.

Por consiguiente, el suministro energético del horno y con ello la distribución de la temperatura, pueden ser controlados de forma muy precisa mediante la colocación adecuada de los dispositivos de entrada de la corriente 2-4 y los dispositivos de drenaje de la corriente 5-6 y la aplicación de un voltaje apropiado en los mismos, tal como entenderá una persona experta en el tema. El volumen cuya temperatura se desea controlar en el horno tubular de la figura 1 puede ser esa parte del volumen encerrado del horno situado entre el dispositivo de entrada de la corriente 2 y un dispositivo de entrada de la corriente respectivo 3 ó 4 y los dispositivos 5 y 6, respectivamente.

Un problema con esta construcción es que el calor se disipa desde la caja 1 del horno a través de los dispositivos de entrada de la corriente, puesto que dichos dispositivos están en contacto directo con la caja del horno. Esta disipación del calor contribuye a la alteración de la distribución predefinida de la temperatura deseada con respecto al volumen encerrado del horno.

Con la intención de equilibrar esta pérdida de calor, los dispositivos de entrada 2-4 colocados cerca de la zona del volumen encerrado del horno cuya temperatura debe ser controlada dispondrán de una parte central 10-12. En otras palabras, en cada dispositivo de entrada de la corriente 2-4 existe una zona 10-12 cuya superficie transversal es mucho más pequeña que la superficie transversal del resto de dicho dispositivo de entrada de la corriente. Como resultado de la zona transversal inferior de la parte central 10-12, la resistencia eléctrica que se ofrece a la corriente a través de los dispositivos 2-4 es mayor en las partes centrales 10-12 que en el resto de las zonas de los aparatos 2-4, correspondientes. A medida que el flujo de corriente atraviesa los dispositivos de entrada 2-4, se desarrolla una energía como resultado de la resistencia eléctrica de dichos dispositivos y debido a la corriente que fluye a través de los dispositivos 2-4. Esta energía desarrollada contribuye a un exceso de calor que se acumula en cada dispositivo de entrada de la corriente 2-4, y provoca con ello que se caliente la caja del horno 1 de forma puntiforme en la superficie de contacto entre el dispositivo de entrada 2-4 y la caja 1. Ajustando la zona transversal de la parte central 10-12, el experto podrá equilibrar esta entrada de energía a la caja 1 del horno frente a las pérdidas de energía resultantes de la disipación del calor a través de los dispositivos de entrada de la corriente 2-4 y con ello conseguirá un flujo neto cero de la energía térmica desde el horno al exterior a través de dichos dispositivos de entrada 2-4. Esta contribución neta para calentar el volumen encerrado en el horno no influirá por tanto en la distribución de la temperatura por el horno. La parte central está situada cerca de la superficie cilíndrica del tubo, con el fin de reducir el tamaño de la superficie del dispositivo de entrada situado entre la parte central y el tubo, de forma que esta superficie pueda ser enfriada por el exterior.

En lugar de disponer de un dispositivo de entrada de la corriente con una parte central, la densidad de la corriente se puede incrementar retirando el material de la parte central de dicho dispositivo, mediante la colocación de un orificio, por ejemplo.

El horno tubular se puede colgar en una posición deseada con la ayuda de diferentes tipos de soportes (que no se muestran en la figura). Estos soportes están en contacto directo con la superficie cilíndrica del horno y por ello contribuyen al drenaje de la energía térmica desde la superficie del horno 1 al exterior a través de las superficies soporte en contacto con la caja del horno 1, de un modo similar a lo que ocurre con los dispositivos de entrada de corriente, lo que da lugar a un desequilibrio de la temperatura en el volumen calentado del horno.

Al igual que los dispositivos de entrada de la corriente 2-4, los soportes pueden ser de un material conductor de la electricidad y se puede aplicar un voltaje a través de los soportes que haga que la corriente fluya, de manera que la corriente aplicada por el efecto de la resistencia contribuya a que fluya el calor por el interior de la caja del horno 1 a través de las zonas transversales de suministro. El flujo de calor neto será de cero si se regula el voltaje aplicado, y se ajusta la zona transversal del soporte. En una configuración preferida, la resistencia eléctrica del soporte se ve influida por la disposición en el soporte próximo a su superficie de contacto con la caja tubular 1 de una parte central que tenga una zona o región transversal inferior al resto del soporte. Esta parte central contribuye pues a incrementar la resistencia del soporte y con ello el flujo posterior del calor hacia la caja tubular. Los soportes y los dispositivos de entrada de la corriente pueden estar integrados uno en otro.

El equilibrio energético en el horno se verá alterado también por otros elementos conductores que están en contacto directo con la superficie del horno tubular. Una corriente de electricidad puede atravesar todos esos dispositivos, de forma que dicha corriente pueda alcanzar un equilibrio energético térmico con la superficie 1 del horno en combinación con las dimensiones elegidas de forma apropiada de dichos dispositivos o de dichas partes centrales. En la figura dos de dichos dispositivos tendrán los números 7, 8.

Las figuras 2-6 ilustran cinco configuraciones distintas de los dispositivos conductores 2-6 de acuerdo con la presente invención, con unas dimensiones indicadas en milímetros. Como se verá, las dimensiones de los dispositivos de entrada de corriente 2-6 son en ningún caso pequeñas en relación con el diámetro del tubo. Es necesario que la sección transversal de los dispositivos 2-6 tenga al menos un orden de magnitud determinado debido a la fuerza de la corriente de calentamiento. Debido a que la superficie de contacto entre los dispositivos de entrada de la corriente y el tubo es de una magnitud sustancial, la pérdida de calor a través de los dispositivos de entrada es notable.

La forma geométrica de las superficies de contacto de los dispositivos de entrada de la corriente 2-6 se puede elegir de forma selectiva para adaptarse a las condiciones restantes de la configuración, siempre que la forma geométrica sea de un orden de magnitud que permita que se consigan los objetivos actuales.

Las partes centrales 10-12 de los dispositivos de entrada de corriente 2-4, dispuestos cerca de la parte controlada de la temperatura del volumen encerrado del horno 1 se pueden ver claramente en las figuras.

La figura 7 es una visión lateral más detallada de un dispositivo de entrada de la corriente eléctrica 2 conforme a la invención. Esta figura muestra el estudio del equilibrio de energía vertical a través de un plano horizontal a nivel de la parte central 10 de dicho dispositivo 2. El calor que se pierde desde el horno al exterior a través de dicho dispositivo de entrada de la corriente se ilustra con la flecha 14. El flujo de corriente eléctrica a través de la parte central del dispositivo de entrada de la corriente da lugar a un flujo equilibrado de calor por la caja o el armazón tubular. Este flujo término de compensación viene dado por la flecha 15. La contribución de calor neto de los flujos energéticos ilustrados por las flechas 14, 15 puede ser controlada a cero si se elige una parte central 10 de unas dimensiones adecuadas con respecto a la temperatura de trabajo en la caja 1 del horno y con respecto a la fuerza de la corriente para el funcionamiento del horno.

Aunque la invención se ha descrito haciendo referencia a una serie de configuraciones ejemplo, se entenderá que el diseño de los dispositivos de entrada de corriente, el número de dichos dispositivos y el número de los dispositivos de drenaje puede variar así como también el diseño de dichas partes centrales.

La presente invención, por tanto, no se considera restringida a las configuraciones descritas, puesto que existen variaciones siempre dentro del campo de aplicación de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

1. Un método de transmisión de corriente eléctrica a un horno que se calienta, por completo o de forma parcial, por medio del calor que genera la corriente eléctrica que circula por las paredes del horno (1), de forma que dicha corriente procede de unos dispositivos (2-8) conectados a dicha pared del horno, que se caracteriza porque al menos uno de los dispositivos (2-4) próximos a la pared del horno (1) dispone de una sección (10-12) que tiene una zona transversal inferior al resto del dispositivo (2-4); de manera que la corriente que atraviesa dicha región transversal (10-12) desarrolla calor en la zona de dicha sección más pequeña (10-12) en una magnitud que corresponderá esencial o totalmente a la magnitud térmica (14) que habría sido transportada desde la pared del horno (1) hasta un dispositivo pertinente (2-4) en ausencia de dicha zona transversal inferior.

2. Un método conforme a la reivindicación 1, que se caracteriza porque permite que ninguno o varios de los dispositivos (5-8) que no disponen de dicha sección transversal inferior puedan también llevar energía; y porque dichos dispositivos tengan unas dimensiones tales que el calor desarrollado en ellos pueda corresponderse esencialmente a la magnitud térmica (14) que se habría transportado desde la pared del horno (1) a los dispositivos (5-8) en ausencia de dicha corriente en combinación con las dimensiones de dichos dispositivos.

3. Un método conforme a la reivindicación 1 ó 2, que se caracteriza porque hace que los dispositivos conductores de la electricidad (2-8) unidos a la pared del horno (1) formen unos dispositivos de entrada de la corriente eléctrica, soportes, dispositivos de medición u otros dispositivos o una combinación de los mismos.

4. Un método conforme a la reivindicación 1, 2 ó 3, que se caracteriza porque hace que las superficies transversales de los dispositivos (2-8) en contacto directo con la pared del horno, tengan una forma circular, cuadrada o de otro tipo igual o distinta entre ellos; y que otorga a las zonas transversales un tamaño similar o distinto entre ellas.

5. Un método conforme a la reivindicación 1, 2, 3 ó 4, que se caracteriza porque hace que uno o más de los dispositivos (2-8) sea un dispositivo de entrada de la corriente eléctrica; y hace que uno o más de dichos dispositivos (2-8) constituya un dispositivo de drenaje de la corriente, en el que la corriente es obligada a fluir a través de la pared del horno (1) transportando dicha corriente a través del dispositivo o dispositivos que forman un dispositivo de entrada de la corriente, y descargando la corriente a través del dispositivo o dispositivos que funcionan como dispositivos de drenaje de la corriente.

6. Un método conforme a la reivindicación 1, 2, 3, 4 o 5 que se caracteriza porque hace que dichos dispositivos colocados cerca del volumen de la pared del horno (1) donde se desea el control de la temperatura de precisión dispongan de a) partes centrales (10-12) de unas dimensiones adecuadas para establecer un equilibrio energético entre la pared del horno y el dispositivo de entrada de la corriente o bien b) hace que estos dispositivos transporten la corriente y tengan unas dimensiones tales que la corriente que fluye a través del dispositivo contribuya al desarrollo de calor que permita establecer un equilibrio energético entre la pared del horno y el dispositivo de entrada de la corriente.

7. Un método conforme a alguna de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza por fabricar el horno tubular a partir de un material de FeCrAl.

8. Un dispositivo para transmitir la corriente eléctrica a un horno que se calienta, total o parcialmente, por una corriente que genera calor que circula por la pared del horno (1), de forma que dicha corriente es transmitida a través de unos dispositivos (2-8) situados junto a la pared del horno, que se caracteriza porque al menos uno de los dispositivos (2-4) tiene junto a dicha pared del horno (1) una sección (10-12) que dispone de una zona transversal más pequeña que la parte restante del dispositivo (2-4) implicado, donde la corriente que pasa por esta parte más pequeña (10-12) hace que en esta zona (10-12) se desarrolle el calor en una magnitud que corresponde esencialmente o completamente a la magnitud del calor (14) que de otro modo habría aparecido desde la pared del horno (1) hasta el dispositivo (2-4) en ausencia de dicha zona transversal más pequeña.

9. Un dispositivo conforme a la reivindicación 8, que se caracteriza porque ninguno o varios de los dispositivos (5-8) que carecen de una sección de superficie transversal inferior transporta la corriente; y porque dichos dispositivos o bien ningún dispositivo tiene tales dimensiones que el calor generado se corresponderá esencialmente al transporte de calor (14) que se habría ocasionado desde la pared del horno (1) hasta los dispositivos (5-8) en ausencia de dicha corriente en combinación con el dimensionado de dichos dispositivos.

10. Un dispositivo conforme a la reivindicación 8 ó 9, que se caracteriza porque los dispositivos conductores de la electricidad (2-8) conectados a la pared del horno (1) son dispositivos de entrada de la corriente, soportes, dispositivos de medición u otros dispositivos o una mezcla de los mismos.

11. Un dispositivo conforme a la reivindicación 8, 9 ó 10, que se caracteriza porque las superficies transversales de los dispositivos (2-8) en contacto directo con la pared del horno (1) tienen una forma circular, cuadrada o de otro tipo igual o distinta entre sí; y porque dichas superficies transversales tienen un tamaño similar o diferente entre sí.

12. Un dispositivo conforme a la reivindicación 8, 9, 10 ó 11, que se caracteriza porque uno o más de los dispositivos (2-8) es/son dispositivos de entrada de la corriente; y porque uno o más de los dispositivos de drenaje y donde la corriente fluye a través de la pared del horno (1) al ser suministrada por ese o esos dispositivos que es/son dispositivos de entrada de corriente o al ser descargada por ese o esos dispositivos que es/son dispositivos de descarga de la corriente.

13. Un dispositivo conforme a la reivindicación 8, 9, 10, 11 ó 12, que se caracteriza porque dichos dispositivos colocados junto al volumen de la pared del horno (1) disponen de a) partes centrales (2-4) de unas dimensiones adecuadas para establecer un equilibrio de energía entre la pared del horno y el dispositivo de entrada de la corriente, o bien b) transportan la corriente y tienen unas dimensiones tales que el flujo de corriente a través del dispositivo en cuestión contribuye al desarrollo de calor que establece un equilibrio energético entre la pared del horno y dicho dispositivo de entrada.

14. Un dispositivo conforme a cualquiera de las reivindicaciones 8-13, que se caracteriza porque el horno tubular está hecho de un material de FeCrAl.