CN107699866A - 一种改善流场均匀性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种应用于CVD/CVI沉积炉中改善流场均匀性的装置，主要解决现有CVD/CVI沉积过程中流场不均匀的问题。该装置包括壳体、缓冲隔板、底层挡板、气体缓冲区和气体预热分配区；壳体包括外层筒体和进气盖板，进气盖板设置在外层筒体的顶部；缓冲隔板设置在外层筒体的腔体内，底层挡板设置在外层筒体的底部；缓冲隔板将进气盖板和底层挡板之间的腔体分为两个区域，分别为气体缓冲区和气体预热分配区，缓冲隔板上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径逐渐增大的气孔，底层挡板上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径不变的气孔；本发明能够很好地控制进入沉积炉反应区气体的流动状态和均匀性，对沉积效果有明显改善。
Description
技术领域
本发明涉及高温热处理技术领域，具体涉及一种应用于CVD/CVI沉积炉中改善流场均匀性的装置。
背景技术
化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition,CVD)技术是一种相当成熟且已工业化的先进技术，它是利用气态物质在固体表面进行化学反应生成固态沉积物的过程，被广泛适用于各类陶瓷涂层和薄膜的制备。化学气相渗透(ChemicalVapor Infiltration,CVI)技术是在CVD技术基础上发展的制备陶瓷基复合材料的一种重要工艺，具有以下突出优点：(1)适用面广，能够用于各类陶瓷基体的制备，可形成高纯度、高密度一种基底或多种基体的交替或弥散；(2)制备温度低，陶瓷基片是通过先驱体转化形成的，可以在较低的反应温度下形成高熔点的陶瓷；(3)对纤维的机械损伤小，CVI过程中基本不需要对预成型体施加压力，输送气态先驱体和排除挥发性副产物均在低压下进行，纤维在CVI过程中不承受或极少承受机械应力；(4)净成型，易于制备大尺寸和形状复杂的陶瓷基复合材料构件。目前，CVI技术已经成为陶瓷基复合材料最先进的基础制造技术，广泛应用于各类陶瓷基复合材料的制备。
在CVI过程中，构件表面的不同位置通常具有不同的气流速度边界层和气体浓度边界层，导致气体渗透状态不一致、产物沉积不均匀的问题。实践表明，复合材料致密化过程涉及气体扩散、反应热力学与动力学、预制体的孔隙结构等多方面因素，因而对流场的控制和模拟成为一项重要课题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有CVD/CVI沉积过程中流场不均匀的问题，而提供一种可以有效改善流场均匀性的装置。
本发明的技术方案是：
一种改善流场均匀性的装置，包括壳体、缓冲隔板、底层挡板、气体缓冲区和气体预热分配区；所述壳体包括外层筒体和进气盖板，所述进气盖板设置在外层筒体的顶部，且中心设置有进气孔；所述缓冲隔板设置在外层筒体的腔体内；所述底层挡板设置在外层筒体的底部；所述缓冲隔板将进气盖板和底层挡板之间的腔体分为两个区域，缓冲隔板和进气盖板之间的腔体为气体缓冲区，用于气体进入后进行缓冲；缓冲隔板和底层挡板之间的腔体为气体预热分配区，用于为进入反应区的反应气体进行充分预热和混合；所述缓冲隔板上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径逐渐增大的气孔，所述底层挡板上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径不变的气孔；所述缓冲隔板的过流面积小于底层挡板的过流面积。
进一步地，所述进气盖板进气孔孔径为缓冲隔板和底层挡板中心气孔孔径的3～6倍，最优为4倍。通过大孔进小孔出的进气模式，可以有效缓冲气体进入沉积炉反应区内部的流速，有效提高流场均匀性。
进一步地，所述缓冲隔板最大气孔的孔径不超过缓冲隔板中心气孔孔径的4倍，最优为2.5倍。此种设置可有效避免气体在狭小空间出现拥堵现象，同时气体流量可依照一定比例由中心至远处气孔形成梯度分流。
进一步地，所述气体缓冲区与气体预热分配区的容积比为1：15～1：20，最优为1:18.5。由于气体缓区空间设计较之狭小，可使气体在进入下方气体预热分配区前得到有效缓冲。
进一步地，所述缓冲隔板的过流面积与底层挡板的过流面积比为1:1.12。此时在单位时间内通过缓冲隔板与底层挡板的气流量近乎相同，因而可保证气体缓冲区与气体预热分配区内气体流动处于相对平衡状态，进而使得进入反应区的流场更为平稳均匀。
进一步地，所述缓冲隔板和底层挡板中心气孔孔径尺寸相同。
进一步地，所述进气盖板进气孔处设置有进气管。
本发明的优点为：
1.本发明中由于气体缓冲区容积远小于气体预热分配区，因而当反应气体进入该装置时，能够迅速充满气体缓冲区，并通过缓冲隔板上的若干气孔进入下方得气体预热分配区，随后反应气体在较大空间的预热分配区中得到充分预热并混合均匀。
2.本发明由于底层挡板上的若干气孔由中心向圆周方向呈放射状分布且尺寸不变，从而改变了反应气体在进入沉积炉反应区前的流动状态和气氛环境，改善了气体在沉积炉反应区的均匀分布状况，进而使得反应气体可同时多路进入反应区而非单路直通进入，极大程度的增加了反应气体与被沉积物件接触的表面积，使得被沉积物件周围所处气体流动状态及气氛环境(温度、成分等)保持一致，有效改善沉积效果。
3.本发明通过改变缓冲隔板和底层挡板上气孔分布的位置和尺寸，可达到使被导流的气体以相近的状态进入沉积炉反应区内部，进而获得更加均匀的流场分布。由于底层挡板上存在有由中心向圆周方向尺寸等大且呈放射状分布的气孔，因而能够很好地控制进入沉积炉反应区气体的流动状态和均匀性，对沉积效果有明显改善。
4.本发明进气盖板进气孔孔径为缓冲隔板和底层挡板中心气孔孔径的3～6倍，最优为4倍。通过大孔进小孔出的进气模式，可以有效缓冲气体进入沉积炉反应区内部的流速，有效提高流场均匀性。
5.本发明缓冲隔板上最大气孔孔径尺寸不超过本层板中心气孔孔径的4倍，最优为2.5倍。此种设置可有效避免气体在狭小空间出现拥堵现象，同时气体流量可依照一定比例由中心至远处气孔形成梯度分流。
6.本发明气体缓冲区和气体预热分配区容积比约为1：15～1：20，最优为1:18.5。由于气体缓区空间设计较之狭小，可使气体在进入下方气体预热分配区前得到有效缓冲。
7.本发明缓冲隔板的过流面积与底层挡板的过流面积比为1:1.12。此时在单位时间内通过缓冲隔板与底层挡板的气流量近乎相同，因而可保证气体缓冲区与气体预热分配区内气体流动处于相对平衡状态，进而使得进入反应区的流场更为平稳均匀。
附图说明
图1为本发明实施例装置的外形图；
图2为本发明实施例装置的剖面图；
图3为本发明实施例装置缓冲隔板气孔分布示意图；
图4为本发明实施例装置底层挡板气孔分布示意图；
图5为本发明实施例装置的流场模拟图。
附图标记：2-缓冲隔板，3-底层挡板，4-气体缓冲区，5-气体预热分配区，6-壳体，7-进气管，8-气孔，61-进气盖板，62-外层筒体。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种应用于CVD/CVI沉积炉中以改善流场均匀性的装置，通过改变反应区气体出入口进出形式、导流等方式，改善了流场不均匀问题，从而达到均匀沉积的效果。
改善流场均匀性的装置位于CVD/CVI沉积炉内部反应区的上端，如图1、图2所示，装置包括壳体6、缓冲隔板2、底层挡板3、气体缓冲区4、气体预热分配区5和进气管7；壳体6为桶状结构，包括外层筒体62和进气盖板61，进气盖板61设置在外层筒体62的顶部，且中心设置有进气孔，进气管7设置在进气盖板61的进气孔处；缓冲隔板2设置在外层筒体62的腔体内，底层挡板3设置在外层筒体62的底部；缓冲隔板2将进气盖板61和底层挡板3之间的腔体分为两个区域，缓冲隔板2和进气盖板61之间的腔体为气体缓冲区4，用于气体进入后进行缓冲；缓冲隔板2和底层挡板3之间的腔体为气体预热分配区5，用于为进入反应区的反应气体进行充分预热和混合。
如图3所示，缓冲隔板2上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径逐渐增大的气孔，如图4所示，底层挡板3上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径不变的气孔8；缓冲隔板2的过流面积与底层挡板3的过流面积几乎相当，略小于(约为1:1.12)，此时在单位时间内通过缓冲隔板2与底层挡板3的气流量近乎相同，因而可保证气体缓冲区4与气体预热分配区5内气体流动处于相对平衡状态，进而使得进入反应区的流场更为平稳均匀。
壳体6包括外层筒体62和进气盖板61，将壳体分为不同的部分，有利于加工和安装。进气盖板进气孔尺寸为缓冲隔板2和底层挡板3中心气孔孔径的3～6倍，最优为4倍，缓冲隔板2和底层挡板3中心气孔孔径相同。
缓冲隔板2上若干气孔由中心向圆周方向呈放射状分布，且气孔从中心向圆周方向逐渐变大，最大气孔孔径尺寸不超过本层板中心气孔孔径的4倍，最优为2.5倍。气体缓冲区4和气体预热分配区5容积比约为1：15～1：20，最优为1:18.5。
本发明由于气体导流较大的地方比气体导流较小的地方更易于使气体从气孔流出，因而缓冲隔板2和底层挡板3上的气孔相对于进气管7出口有不同程度的距离之分，从而使得距离出口远的气孔处于气体导流较大的状态，而距离出口近的气孔处于气体导流较小的状态，并且通过改变缓冲隔板2和底层挡板3上气孔分布的位置和尺寸，可达到使被导流的气体以相近的状态进入沉积炉反应区内部，进而获得更加均匀的流场分布。
此外，由于本发明装置位于CVD/CVI沉积炉内部反应区上端，在最优方案中，较小的气体缓冲区4和配有从缓冲挡板中心向圆周方向逐渐变大且呈放射状分布的气孔，使得反应气体在此区域内能够得迅速地缓冲并充满腔室，而较大的气体预热分配区5和配有从底层挡板3中心向圆周方向尺寸等大且呈放射状分布的气孔，使得反应气体在次区域内充分预热并混合，在近似相同状态下进入下层沉积炉反应区，以确保进入反应区的反应气体流动状态及气氛环境保持一致，如图5所示。
本发明中由于若干气孔在缓冲隔板2上由中心向圆周方向呈放射性分布，且若干气孔从板体中心向圆周方向逐渐扩大，从而强行改变气体进入气体预热分配区5的流动状态，使得进入气体预热分配区5的反应气体能得到充分的预热和混合，进而改变反应气体在反应区中的气氛环境(温度、成分等)，从而达到改善气体在反应区的流动状态，使得在CVD/CVI沉积过程中炉内气氛更加均匀，有效提高CVD/CVI沉积效果。
Claims (10)
1.一种改善流场均匀性的装置，其特征在于：包括壳体(6)、缓冲隔板(2)、底层挡板(3)、气体缓冲区(4)和气体预热分配区(5)；
所述壳体(6)包括外层筒体(62)和进气盖板(61)，所述进气盖板(61)设置在外层筒体(62)的顶部，且中心设置有进气孔；
所述缓冲隔板(2)设置在外层筒体(62)的腔体内；
所述底层挡板(3)设置在外层筒体(62)的底部；
所述缓冲隔板(2)将进气盖板(61)和底层挡板(3)之间的腔体分为两个区域，缓冲隔板(2)和进气盖板(61)之间的腔体为气体缓冲区(4)，用于气体进入后进行缓冲；缓冲隔板(2)和底层挡板(3)之间的腔体为气体预热分配区(5)，用于为进入反应区的反应气体进行充分预热和混合；
所述缓冲隔板(2)上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径逐渐增大的气孔，所述底层挡板(3)上设有若干由中心向圆周方向呈放射状分布且孔径不变的气孔(8)；所述缓冲隔板(2)的过流面积小于底层挡板(3)的过流面积。
2.根据权利要求1所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述进气盖板(61)进气孔孔径为缓冲隔板(2)和底层挡板(3)中心气孔孔径的3～6倍。
3.根据权利要求2所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述进气盖板(61)进气孔孔径为缓冲隔板(2)和底层挡板(3)中心气孔孔径的4倍。
4.根据权利要求1至3任一所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述缓冲隔板(2)上最大气孔的孔径不超过中心气孔孔径的4倍。
5.根据权利要求4所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述缓冲隔板(2)上最大气孔的孔径为中心气孔孔径的2.5倍。
6.根据权利要求5所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述气体缓冲区(4)与气体预热分配区(5)的容积比为1：15～1：20。
7.根据权利要求6所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述气体缓冲区(4)与气体预热分配区(5)的容积比为1：18.5。
8.根据权利要求7所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述缓冲隔板(2)的过流面积与底层挡板(3)的过流面积比为1:1.12。
9.根据权利要求8所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述缓冲隔板(2)和底层挡板(3)中心气孔的孔径相同。
10.根据权利要求9所述的改善流场均匀性的装置，其特征在于：所述进气盖板(61)进气孔处设置有进气管(7)。
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