CN101063195A - 处理用加热炉或者类似装置 - Google Patents

Abstract

CVI/CVD加热炉的一部分，其中用于对加热炉进行加热的加热系统位于与暴露于在其中存在的反应气体之下的加热炉的其余部分相隔离。加热炉的壳体可以例如设有一个起分隔作用的壁或者类似装置，以提供物理分隔。另外，惰性气体例如氩气或者氮气被提供到包含加热系统的加热区域，从而与其中存在有反应气体的部分相比，加热炉的一部分处于正压力差之下。结果，反应气体与加热系统的接触被阻滞，而该接触将导致在其上的沉积。更为广义地说，在加热炉中的反应气体气流的控制被施加以更佳的控制。

Description

处理用加热炉或者类似装置

技术领域

最广义而言，本发明涉及烤箱、加热炉、处理用腔室以及类似装置，反应气体在这些装置之中作为处理步骤的组成部分。本发明的一个特别的实例涉及用于化学蒸汽渗透/化学蒸汽沉积(Chemical VaporInfiltration/Chemical Vapor Deposition，CVI/CVD)的加热炉，在该加热炉中引入反应气体作为提高多孔元件密度的方法的组成部分，所述多孔元件例如为多孔刹车预成型件。

背景技术

总体来说，将反应气体引入其中以作为处理步骤的组成部分的烘箱、加热炉、处理用腔室以及类似装置的使用是公知的(在以下的说明书中，术语“加热炉”应广义地理解为烘箱以及类似形式的处理用腔室)。在这个方面的一个例子是化学蒸汽渗透方法，其中，将先导反应气体引入加热炉中，该加热炉中放置有多孔元件(作为例子而不限于此例，诸如，多孔刹车盘预成型件)。

通常，传统的加热炉包括外部加热炉壳体，设置在该壳体内、用于放置需要处理的工件或元件的工作空间或反应腔室，使得反应气体气流入和流出加热炉的系统，以及用于加热反应腔室的至少一个内部部分的加热系统。

反应气体以公知的方式被强制渗透到多孔元件的多孔结构。该反应气体可以包括诸如丙烷的碳氢化合物气体。

在一个公知的例子中，反应气体被引入一个内部空间，该内部空间由与加热炉的反应腔室大致对正的刹车盘的环形预成型件的堆叠所限定。总体上，通过扩散穿过预成型件的多孔(例如，纤维)结构和/或流过相邻的预成型件之间的缝隙，气体被强制从堆叠的内部空间转移到堆叠的外部。

至少反应腔室的内部被加热系统所加热。因此，由于刹车盘预成型件相对较高的温度，反应气体热解并且在多孔结构的内表面留下沉积的分解产物。例如，当采用碳氢化合物气体时，分解产物是热解碳，由此得到含碳的组合物材料(诸如碳-碳材料)。

用于此类加热炉的现有加热系统的一个例子是感应加热系统。在这种加热系统中，反应腔室可以用能够用作感受器的材料制成，该材料例如为石墨。还提供有用于提供必需的磁场的系统，例如至少邻近于感受器的局部可操作地设置的一个或者多个导电线圈。当足够的交流电流施加到导电线圈时，所形成的磁场以公知的方式导致感受器感应加热。

另一种现有加热系统是电阻加热，其中电流通过电阻元件，从而该电阻元件被加热。除了限定反应腔室的结构之外，电阻加热的使用通常必须还要使用电阻元件。

可以在感应加热系统和电阻加热系统二者的反应腔室的外部周围提供隔热体，从而提高加热效率。

然而，引入反应腔室的反应气体会倾向于从反应腔室中泄漏或者逸散出去而进入在加热炉内部且在反应腔室外部的空间。

具体而言，在CVI/CVD工艺中，反应气体通常是用于需要被沉积(例如碳化物或者碳沉积物)的分解产物的先导气体。如果反应气体到达隔热体或者加热系统，则在这些结构上将会形成沉积物的累积，并由此而导致对功能、可靠度、和/或使用寿命产生不良影响。

发明内容

有鉴于上述，所希望的是将CVI/CVD加热炉中的加热系统(以及相关的隔热体，如果有的话)与在其中使用的反应气体基本上隔离。

由此，本发明意欲在CVI/CVD加热炉壳体中限定出一个区域，其中加热系统(包括相关的隔热体，如果有的话)与在CVI/CVD工艺中使用的反应气体基本上隔离从而不与之接触。

在一种形式中，加热炉壳体中的被隔离区域(在此有时称作“加热区域”)被一种壁结构物理地隔开，该壁结构位于加热炉壳体中以限定加热区域。

在另一种附加形式中，本发明意欲将惰性气体气流引入加热区域，从而相对于在反应腔室中的反应气体而言形成一个轻微的正压力差。该压力差进一步抑制反应气体进入加热区域的趋势。

附图说明

结合附图可以更好地理解本发明，附图中：

图1是根据本发明的处理用加热炉的截面示意图，其中使用感应加热系统；而

图2是示出了如本发明所预期的可选择的电阻加热系统的使用的局部截面视图。

具体实施方式

为了简化对本发明的描述，将首先阐述一个感应加热的加热炉的实例。之后，将结合附图2来论述本发明应用于使用电阻加热的加热炉的可行性。

大体而言，用于CVI/CVD的加热炉10包括一个外加热炉壳体12，该壳体将加热炉10的内部与外部隔开，并且在其中限定出一定的空间。

在加热炉10的空间中，提供有一个感受器14，如在本领域中众所周知的那样，感受器大体上是这样一种结构，当存在由交流电所产生的磁场时，它被加热。在CVI/CVD加热炉中的感受器14例如可以包括一个或者多个壁16、一个底板18，以及一个顶部20，它们在加热炉10内的总体空间之中共同限定出另一个空间或者反应腔室。需要被处理的工件，例如多孔刹车盘预成型件，被放置在由感受器14所限定的空间21之中。

用于加热该加热炉的系统概括性地在22处示出。例如，在使用感应加热的加热炉时，加热系统22是连接到适当电源的外部电力供应点上的一个或者多个现有的导电线圈。这种特性的导电线圈对于本领域技术人员而言被认为是已知的，因此无须在此详加赘述，亦不再图解说明。

为了提高感受器14的加热效率，可以在感受器14的一个或者多个表面的外部提供隔热体23。隔热体在本领域是已知的，例如陶瓷基的隔热体材料，或者碳纤维隔热体，特别是形成连续堆叠层的碳纤维。

一个或者多个气体进入通道24设置在感受器14之中(为简化描述起见，在图1中仅示出了一个气体进入通道24)。反应气体(例如，碳氢化合物气体)通过从外部穿过加热炉的壁12的导管26而被引入到加热炉10之中。导管26至少与气体进入通道24对正，而且可以经由例如螺栓连接或者焊接等任何适当方法而被固定到气体进入通道上或者相对于气体进入通道而被固定。最广义地说，优选的是在导管26和感受器24之间的界面处仅有微乎其微的反应气体泄漏，或者是没有反应气体泄漏。通过导管26的反应气体气流由图1中标记为A的箭头来表示。

概括而言，反应气体从工作空间通过一个多个或者气体气流出通道28被排出(借由现有的气体移动方法，例如风扇、抽吸风机，等等。然而未予图示)或者流出，如标记为B的箭头所示。反应气体然后通过一个或者多个加热炉出口30流出或者被导致流出加热炉10，加热炉出口由标记为C的箭头概括性地示出。

根据本发明的一个实例，由壳体12所限定的加热炉的内部空间可以是带有分隔的，从而限定出如上所述的加热区域。例如，如图1中所见，提供有一个环形“支架”或者壁32，其在壳体12的内部表面和感受器14的外部表面之间延伸。壁32由适合加热炉10内的操作环境的任何现有的固定方法所固定就位。更具体地说，壁32在其径向内侧和外侧边缘被密封(例如，采用焊接，或者提供物理密封元件)，从而相对于在相应位置处的气体通道具有实质上完整的气体密封。壁32可以优选包括由多层构成的组件，例如刚性和/或挠性的多个陶瓷层的堆叠。

惰性气体，例如氩气或者氮气，通过惰性气体供应导管34被施加到加热区域，如图1中标记为D的箭头所示。

惰性气体气流D可以被一个现有的阀36所调节。在一个给定的阀36的调节之下，在加热区域中的气体气流D可以获得一个给定的压力P1(由概括性地示出的压力检测器38所检测)。

其中存在有反应气体的在加热炉壳体32中限定的空间的其余部分(有时在此称为反应区域)的压力P2被另一个压力检测器40所检测。

所检测到的压力P1和P2可以被一同提供到阀控制器42(优选是自动阀控制器)，从而相对于加热炉壳体10内的空间的其余部分而言，加热区域中的惰性气体气流D保持一个特定的正压力差。例如，所要保持的压力差可以是基于加热区域大约+0.5至大约+5毫巴，更具体地说，基于加热区域大约+1至大约+2毫巴。在加热区域中的这种轻微的超压力还阻滞了反应气体的向加热区域内部的任何泄漏或者说进入。

如上所述，压力P1和P2的确定可以被有利地自动化。例如，在由每一检测器38、40所检测到的各压力之间的压力差可以以规则的间隔被自动地计算并被提供到阀控制器42。该结果然后可以被使用，以自动地调节进入加热区域的惰性气体气流D。

应予理解的是，惰性气体气流也可以被监测，从而为了维持在加热区域中的给定压力的一种异常的惰性气体高消耗可以被视为在加热区域的整体中、尤其是在壁32处发生气体泄漏的指征。该确认可以被用于触发一个可被使用者感知的报警装置，或者可以被用作一个控制系统触发信号以自动地触发一个响应程序。

本发明在由电阻加热系统代为加热的加热炉方面的应用与由感应加热的加热炉并无实质差异。图2是示出在电阻加热系统中的各元件的布置的一个实例的局部截面视图，然而重要的是，如上所述的理念也适用于此。亦即，由其中布置有电阻加热系统的加热炉壳体12′所限定的空间的一部分，气体密封地与其中存在有反应气体的位于加热炉壳体12′中的空间的其余部分隔开。反应腔室14′设置在加热炉壳体12′中，其中布置需要被处理的工件。一个或者多个电阻元件25可以被布置成与反应腔室14′的外部接触或者至少与其相邻。电阻元件25可以具有各种现有构造。在一个典型实例中，电阻元件是长形元件。

如在感应加热的加热炉中那样，可以提供一层隔热体23′从而提高加热炉的加热效率。

虽然当使用电阻加热系统时存在不同的构造，然而，在加热炉壳体12′中的总体构造应用与感应加热的加热炉中相同的构造。亦即，电阻加热系统的各元件类似地与包含有反应气体的加热炉的一部分隔离，因此，对于分离壁以及惰性气体系统的布置将不再重复赘述。

虽然业已参考若干特定实例对本发明作了描述以例示和解释本发明，应予理解的是，本发明并非局限于仅仅参考那些实例的特定细节。更具体地说，本领域技术人员将轻易认识到的是，可以对优选实施方案做出许多修饰和改进而不偏离由所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (12)

1.一种CVI/CVD加热炉，包括：

最外部的加热炉壳体，在该加热炉中限定出第一空间；

设置在加热炉壳体中的反应腔室，在该反应腔室中设置需要被加热炉处理的元件；

加热系统，用于至少对反应腔室进行加热；以及

反应气体循环系统，用于从加热炉壳体的外部将反应气体引入反应腔室，并用于将反应气体传送出反应腔室而到达加热炉壳体的外部；

其特征在于：

加热系统位于其中的第一空间的一部分与其中存在有反应气体的第一空间中的反应区域以实质上气体密封的形式而被隔离，从而限定加热区域；以及

其中加热炉还包括惰性气体循环系统，该惰性气体循环系统被构造并被布置用于以能相对于在第一空间中的其余部分中的压力产生一个正压力差的流率向加热区域提供惰性气体，从而阻滞反应气体气流进入加热区域。

2.如权利要求1所述的加热炉，其特征在于它包括加热区域压力检测器，该加热区域压力检测器被构造并被布置用于确定加热区域中的压力，其中惰性气体循环系统包括一个气流调节器，该气流调节器可响应所检测到的加热区域中压力而被操作，从而确定一个导致在加热区域中的设定压力的惰性气体流率。

3.如权利要求2所述的加热炉，其特征在于它还包括反应区域压力检测器，该反应区域压力检测器被构造并被布置用于确定在其中存在有反应气体的反应区域中的压力，其中惰性气体循环系统的气流调节器被构造并被布置用于至少部分地基于所检测到的反应区域中的压力来控制进入加热区域中的惰性气体的气流，从而获得在加热区域和反应区域之间的设定正压力差。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的加热炉，其特征在于它还包括用于表示需要在加热区域保持给定压力而在惰性气体气流中发生的变化的报警装置。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的加热炉，其特征在于加热系统是感应加热系统。

6.如权利要求1至4中的任一项所述的加热炉，其特征在于加热系统是电阻加热系统。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的加热炉，其特征在于反应腔室包括一个或者多个壁元件、一个底板元件，以及一个顶部元件。

8.如权利要求7所述的加热炉，其特征在于包括反应气体进入导管，该反应气体进入导管被布置用于从加热炉壳体的外部将反应气体传送到形成在反应腔室中的反应气体进入开口。

9.如权利要求7或者权利要求8所述的加热炉，其特征在于包括在反应腔室中的反应气体流出开口。

10.如权利要求9所述的加热炉，其特征在于包括一个在加热炉壳体中的反应气体出口。

11.如权利要求2或者权利要求3所述的加热炉，其特征在于它还包括一个控制器，该控制器用于基于所检测到的加热区域的压力和反应区域的压力中的一个或者两个，自动地控制气流调节器。

12.如权利要求1所述的加热炉，其特征在于包括一个屏障壁，该屏障壁用于将加热区域与反应区域相区隔，该屏障壁包括至少一个陶瓷层。

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