SE521278C2 - Förfarande och anordning för överföring av elektrisk ström till en ugn - Google Patents

Description

70 15 20 25 30 5212278 dessa don tillverkade av metall, och är därför goda värmele- dare. Vidare behövs, i det fall donen» är strömuttag, ofta stora kontaktytor på grund av den starka ström som erfordras för att värma upp ugnen till önskad temperatur.

Typiska arbetsbetingelser för en “viss typ av strömuppvärmd rörugn är 500 - 1200°C. Vid dessa temperaturer är en typisk högsta acceptabla avvikelse från den förutbestämda tempera- turfördelningen i ugnen 10 - 20 °C. Vid uppvärmning av gods för enkristalltillväxt genom diffusion kan temperaturinter- vallet vara 500 - 1400 °C med en noggrannhet av +/- 0.1 °C.

För att uppnå arbetstemperatur krävs så starka strömmar att relativt kraftiga strömuttag erfordras.

Andra typer av^ ugnar kan vara uppvärmda på andra sätt än genom tillförsel av elenergi i ugnshöljet. Dessutom kan olika don som normalt sett inte är strömförande anbringas på ugnens hölje, och därigenom orsaka punktvisa utflöden av värmeenergi från ugnens uppvärmda volym.

Föreliggande uppfinning hänför sig sålunda till ett förfaran- de för överföring av elektrisk ström till en ugn, som helt eller delvis uppvärmes genom i ugnens vägg transporterad ström, där ström överförs genom ett mot ugnsväggen anliggande eller förbundet don, och utmärks av att åtminstone ett av donen har ett avsnitt nära ugnsväggen med en ndndre tvär- snittsarea än resterande del av donet ifråga, och av att strömmen genom det mindre tvärsnittet medför en värmeutveck- ling i området för det mindre avsnittet som väsentligen eller helt motsvarar den värmetransport som skulle ske från ugns- väggen till donet i avsaknad av nämnda mindre tvärsnittsarea.

Vidare hänför sig uppfinningen till en anordning av det slag och med de huvudsakliga särdrag som anges i patentkaravet 8.

K: \Patenï\OZOZIOSEÄSLUCEÖIQIäggande 03-06-17.doc 70 75 20 25 30 35 521 2378 Nedan beskrivs uppfinningen närmare, delvis i samband med i bifogade ritningar visade utföringsexempel av uppfinningen, där: Fig. l är en översiktsvy av en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning; Fig. 2-6 är tvärsnittsvyer av olika exempel på föredragna utföringsformer av strömuttag enligt uppfinningen; och Fig. 7 är en mer detaljerad tvärsnittsvy av ett exempel på en föredragen utföringsform av ett strömuttag enligt uppfinning- en.

Fig. l visar en rörugn enligt en utföringsform av föreliggan- de uppfinning sedd från sidan, med. dimensionsangivelser i Ugnen är av så kallad genomdragningstypf och är ett så kallat glödg- millimeter. utformad som en lång, öppen cylinder, ningsrör, vars mantelyta l utgör ugnens hölje mot processen.

Höljet består av ett elektriskt ledande material, företrädes- vis en metall eller en metallegering. I dylika ugnar glödgas exempelvis tråd.

Uppfinningen kan likväl användas vid en rörugn för satsvis värmning, vilken ugn under drift har tillslutna rörändar.

Dylika ugnar används exempelvis vid framställning av elektro- niska kretsar.

En vanlig metallegering vid ugnstillverkning är NiCr. Ett problem med denna metallegering är dock att den på grund av materialoxidation sprätter vid höga temperaturer. Denna sprättning påverkar ugnshöljets massfördelning och därmed dess elektriska motstånd. Detta medför i sin tur en svårighet i t-mperaturregleringen av ugnen genom den tillförda strömef- fekten. Av denna anledning är FeCrAl ett föredraget material för rörugnar enligt föreliggande uppfinning. Detta material sprätter inte.

K: \Patent\02Û210SE\SlutfOre1äggande 03-D6-17.doc 70 75 20 25 30 35 521 278 Till ugnens hölje ansluts ett antal strömuttag 2-6, varav vissa strömuttag 2-4 är strömratare och där övriga strömuttag 5,6 är strömavledare. Genom att en elektrisk spänning läggs över strömmatarna 2-4 och strömavledarna 5,6 bringas en ström flyta in i_ ugnshöljet 1 genoni strömmatarna 2-4, och in: ur röret genom strömavledarna 5,6. Denna ström uppvärmer, genom effektutveckling i ugnens hölje 1 som en följd av höljets 1 elektriska motstånd, ugnens inneslutna volym.

Spänningen, över varje par av strömmatare och strömavledare kan individuellt justeras, så att strömmen. mellan. dem kan styras. Därigenom uppnår man syftet att kunna styra uppvärm- ningen av ugnens inneslutna volym, så att uppvärmningseffek- ten är olika stor på olika ställen längs med rörugnens längs- gående axel 9.

Genom att Välja placering och spänning på strömmatarna 2-4 och -avledarna 5,6 kan fackmannen sålunda på ett mycket exakt sätt reglera ugnens effekttillförsel och därmed temperatur- fördelning. Den volym som på detta sätt önskas temperatursty- ras i rörugnen i Fig. l kan vara den del av ugnens inneslutna volym som befinner sig mellan strömuttaget 2 och strömuttaget 4 eller 5 och 3 respektive 3 och 6.

Ett problem med denna konstruktion är att värme avleds genom strömuttagen från ugnens hölje 1, eftersom strömuttaget står i direkt kontakt med ugnshöljet. Denna värmeavledning bidrar till att rubba den förutbestämda temperaturfördelning som är önskvärd i ugnens inneslutna volym.

För att balansera denna värmeförlust är de strömuttag 2-4 som är placerade i närheten av den region av ugnens inneslutna volym som skall temperaturstyras konstruerade med en nudja 10-12. Med andra ord finns ett område 10-12 på varje sådant K: \Patent\02021OSE\Slutföreläqgande 03-06-17 ,doc 70 15 20 25 30 521 278 strömuttag 2-4 vars tvärsnittsarea väsentligen avviker från tvärsnittsarean hos strömuttaget 2-4 i övrigt. På grund av midjans 10-12 minskade tvärsnittsarea är det elektriska mot- ståndet genoni strömuttaget 2-4 större i. midjan 10-12 än i resterande delar av strömuttaget 2-4. Eftersom ström flyter genom strömuttaget 2-4 uppstår en effektutveckling till följd av strömuttagets elektriska resistans och den ström som fly- ter genom strömuttaget 2-4. Denna effektutveckling bidrar till ett värmeöverskott i varje strömuttag 2-4, som därigenom 1 punktvis i kontaktytan. mellan uppvärmer rörugnens hölje strömuttaget 2-4 och höljet 1. Genom att justera midjans 10- 12 tvärsnittsarea kan fackmannen balansera denna energitill- försel till ugnens hölje 1 mot energiförlusterna till följd av värmeledningen genom strömuttagen 2-4, och därigenom uppnå ändamålet att nettoströmningen av värmeenergi från ugnen, genom strömuttaget 2-4, till omgivningen är noll. Därigenom kommer detta nettobidrag till uppvärmningen av ugnens inne- slutna volym inte att påverka temperaturfördelningen inne i ugnen. För att minska den yta hos strömuttaget som är belägen mellan midjan och röret, vilken yta kyls av omgivningen är midjan belägen nära rörets mantelyta.

I stället för att utforma en midja, kan strömtätheten ökas genom att borttaga material från uttagets centrala parti genom att exempelvis upptaga ett hål i uttaget.

För att hålla rörugnen i önskat läge kan olika typer av stöd (ej visade i Figuren) användas. Dessa stöd står i direktkon- takt med ugnens mantelyta, och bidrar därför, liksom strömut- tagen, till att värmeenergi strömmar ut från ugnens yta 1, genom stödens kontaktytor med ugnshöljet 1, till omgivningen med temperaturobalans i ugnens uppvärmda volym som följd.

K: \Patent\020210SE\Slutförelàggande 03-06-17.doc 10 75 20 25 30 521 2738 Genom att, på liknande sätt som för strömuttagen 2-4, utforma stöden i ett elektriskt ledande material, och genom att lägga en spänning över stöden så att en ström bringas att flyta genom. dessa, kommer denna tillförda ström. att genonr resi- stansverkan bidraga till ett värmeflöde in i ugnshöljet l genom stödets tvärsnittsarea. Genom att reglera den pålagda spänningen, och stödets tvärsnittsarea, kan nettovärmeström- ningen bringas att vara noll. Stödets resistans påverkas i en föredragen utföringsform genom att på stödet, i närheten av kontaktytan med rörhöljet l, tillföra en midja med, mindre tvarsnittsarea än resterande delar av stödet. Denna midja bidrar till att öka stödets resistans och därigenom den upp- Givetvis kan stöden komna värmeströmningen. in i. rörhöljet. och strömuttagen integreras med varandra. Även andra, värmeledande detaljer som står i direkt kontakt med ugnsrörets yta rubbar energibalansen inne i ugnen. Genom alla sådana detaljer kan en ström ledas, vilken i kombination med en lämpligt vald dimension på detaljen eller dess midja bringas att stå i värmeenergijämvikt med ugnens yta l. I Fi- guren visas två sådana detaljer 7,8.

Fig. 2-6 visar fem olika utföranden av strömuttag 2-6 enligt uppfinningen, med dimensionsangivelser i millimeter. Som kan ses är stromuttagens 2-6 dimensioner i förhållande till rö- rets diameter inte ringa. Uttagens 2-6 tvärsnittsarea måste vara åtminstone av en viss storleksordning på grund av den uppvärmande strömmens styrka. Eftersom kontaktytan mellan strömuttagen och röret är av väsentlig storlek blir värmeför- lusterna genom strömuttagen inte försumbara.

Strömuttagens 2-6 kontaktytors geometriska form kan väljas godtyckligt för att passa resterande utföringsforms betingel- K:\Patent\O202lG5E\Slutföreläggande 03-O6-17.doc 10 75 20 25 5217278 ser, under förutsättning att den är av en storleksordning som möjliggör föreliggande syften.

I Figurerna kan midjorna 10-12 hos de i närheten av den tem- peraturstyrda delen av 'ugnens inneslutna. volym 1. placerade strömuttagen 2-4 tydligt ses.

Fig. 7 visar en mer detaljerad sidovy av ett strömuttag 2 enligt uppfinningen. I denna Figur studeras den vertikala energibalansen genom ett horisontellt plan i strömuttagets 2, i höjd med midjan 10. Värmeförlusterna från ugnen till omgiv- ningen, genom strömuttaget, åskàdliggörs av pilen 14. Ström- men som flyter igenom strömuttagets midja ger upphov till ett balanserande varmeflöde in i rörets hölje. Detta kompenseran- de värmeflöde illustreras av' pilen 15. Genoni att välja en lämplig storlek på midjans 10 tvärsnittsarea, i förhållande till driftstemperatur i rörugnens hölje 1 och till strömstyr- ka vid drift av ugnen, kan nettovärmebidraget av energiflöde- na illustrerade av pilarna 14,15 styras att vara noll.

Ovan har ett antal utföringsexempel beskrivits. Emellertid kan strömuttagens form varieras liksom antalet strömuttag och strömavledare. Vidare kan midjornas utformning varieras.

Föreliggande uppfinning skall således inte anses begränsad till ovan angivna utföringsexempel, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram.

K: \PatenL\0202l0SE\Slut förelaggande 03-06-17 .doc

Claims (14)

1. 0 75 20 25 30 35 521 2378 P A T E N T K R A V l. Förfarande för överföring av elektrisk ström till en ugn, som, helt eller delvis uppvärmes genom. i ugnens vägg (1) där ströni bringas att överföras genom förbundet don (2-8), transporterad ström, ett mot ugnsväggen anliggande eller k ä n -n e t e c k n a t av att åtminstone ett av donen (2- 4) har ett avsnitt (lO-12) nära ugnsväggen (l) med en mindre tvärsnittsarea än resterande del av donet (2-4) ifråga, och av att strömmen genom det mindre tvärsnittet (10-12) bringas att medföra en värmeutveckling i området för det mindre av- snittet (lO-l2), som väsentligen eller helt motsvarar den värmetransport (14) som skulle ske från ugnsväggen (l) till donet (2-4) i avsaknad av nämnda mindre tvärsnittsarea.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att noll eller flera av de don (5-8) som saknar ett sådant av- snitt med mindre tvärsnittsarea också bringas att vara ström- förande, och att dessa noll eller flera don är dimensionerade så att värmeutvecklingen i dem väsentligen bringas att mot- svara den värmetransport (14) som skulle ske från ugnsväggen (l) till donen (5-8) i avsaknad av nämnda ström i kombination med donens dimensionering.

3. Förfarande enligt krav ]_ eller 2, k ä n n e t e c k - n a t av att de nwt ugnsväggen (l) anliggande, elektriskt ledande donen (2-8) bringas att vara strömuttag, stöd, mätan- ordningar eller andra anordningar, eller en blandning därav.

4. Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a t av att de med ugnsväggen (l) i direkt kontakt stående donens (2-8) tvärsnittsytor bringas att vara av samma eller olika, kvadratiska, cirkulära eller av annan form, samt att tvärsnittsytorna bringas att vara av samma eller olika stor- lek. K: \Patent\020210SE\Slutforeläggande 03-06-17.doc W Ü 20 25 30 35 LW )| _; Nå “J Û

5. Förfarande enligt krav 1, 2, 3 eller 4, k ä n n e - t e c k n a t av "tt ett eller flera av donen (2-8) “ringas att vara strömuttag, och att ett eller flera av donen (2-8) bringas att vara strömàterförare, och där strömmen bringas att flyta genom ugnens vägg (1) genom att tillföras genom det eller de don som är strömuttag och att återföras genom det eller de don som är strömåterförare.

6. Förfarande enligt krav 1, 2, 3, 4 eller 5, k ä n n e - t e c k n a t av att de don som är placerade i närheten av som önskas precisionstemperatur- (2-4) den volym av ugnsväggen (1) styras antingen är bringade att a) ha midjor av lämplig dimension för att upprätta energibalans mellan ugnens vägg eller b) vara strömförande och dimensione- och strömuttaget, rade på sådant sätt att den ström som bringas att flyta genom donet i fråga bidrar till en värmeutveckling som upprättar energibalans mellan ugnens vägg och strömuttaget.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att rörugnen bringas att vara utförd i ett FeCrAl-material.

8. Anordning för överföring av elektrisk ström till en ugn, som helt eller delvis uppvärmes genom. i ugnens vägg (1) transporterad ström, där ström överförs genom mot ugnsväggen (2_8)/ (2-4) k ä n n e t e c k n a d av att åtmin- (10-12) anliggande don stone ett av donen har ett avsnitt nära ugns- väggen (l) med en mindre tvärsnittsarea än resterande del av (2-4) tet ifråga, och av att strömmen genonx det mindre (lO-12) donet tvärsni medför en värmeutveckling i området för rcnwttet v var... (10-12 \/ som väsentligen eller helt mot- svarar den värmetransport (14) som skulle ske från ugnsväggen (1) till donet (2-4) i avsaknad av nämnda mindre tvärsnitts- area. K: \Patenr.\02021OSEXSIUtfÖrel-äggande D3-06-l7.doc W Ü 20 25 30 35 521 2Y<8

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad av att noll eller flera av de don (5-8) som saknar ett sådant avsnitt med din - re tvärsnittsarea också är strömförande, och att dessa noll eller flera don är dimensionerade så att värmeutvecklingen i dem väsentligen motsvarar den värmetransport (14) som skulle ske från ugnsväggen (1) till donen (5-8) i avsaknad av nämnda ström i kombination med donens dimensionering. k ä n n e t e c k - elektriskt

10. Anordning' enligt krav' 8 eller 9, att de mot ugnsväggen (1) anliggande, (2-8) n a d av ledande donen är strömuttag, stöd, mätanordningar eller andra anordningar, eller en blandning därav.

11. Anordning enligt krav 8, 9 eller 10, k ä n n e t e c k - n a d av att de med ugnsväggen (1) i direkt kontakt stående donens (2-8) tvärsnittsytor är av samma eller olika, kvadra- tiska, cirkulära eller av annan form, samt att tvärsnitts- ytorna är av samma eller olika storlek. 10 eller 11, k ä n n e - (2-8) är

12. Anordning enligt krav 8, 9, t e c k n a d av att ett eller flera av donen strömuttag, och att ett eller flera av donen (2-8) är ström- återförare, och. där strömmen flyter genonl ugnens vägg (1) genom att tillföras genom det eller de don som är strömuttag och att återföras genom det eller de don som är strömåterfö- rare.

13. Anordning enligt krav 8, 9, 10, 11 eller 12, k ä n n e - t e c k n a d av att de don som är placerade i närheten av som önskas precisionstemperatur- (2-4) den volym av ugnsväggen (1) styras antingen a) har midjor av lämplig dimension för att upprätta energibalans mellan ugnens vägg och strömutta- eller b) sätt att den ström som flyter genom donet i fråga bidrar till get, är strömförande och dimensionerade på sådant K:\Patenfl020210SE\Slutförelàqgande O3~O6-17.doc 52111278 en värmeutveckling som upprättar energibalans mellan ugnens vägg och strömuttaget.

14. Anordning enligt något av kraven 8 - 13, k ä n n e - t e c k n a d av att rörugnen är utförd i ett FeCrAl-mate- rial. K:\Patenfl020210SE\Slutföreläggande 03-06-l7.doc