[发明专利]用于加热元件线圈的支撑结构

说明书

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。