DE60024524T2

DE60024524T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von einem CVI/CVD-Ofen

Info

Publication number: DE60024524T2
Application number: DE60024524T
Authority: DE
Inventors: A. Robert Fiala; Dennis T. Gam; James W. Rudolph; Jerry S. Lee
Original assignee: Goodrich Corp
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2020-06-03
Also published as: EP1063319B1; DE60024524D1; EP1063319A1; US6639196B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Ofens zum Verarbeiten von feuerfesten Verbundstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnelleren Kühlen eines Ofens als bei bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren.
Das Verarbeiten von feuerfesten Verbundstoffen erfolgt bei hohen Temperaturen. Eine solche Verarbeitung umfasst die CVI/CVD-Auftragung einer Bindematrix in einer fasrigen Vorformstruktur und die Wärmebehandlung von feuerfesten Verbundstoffen. Beim Stand der Technik kann ein Ofen statisch unter Vakuum kühlen, oder er wird mit einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff, verfüllt. Das Kühlen des Ofens auf eine ausreichend niedrige Temperatur, bei der der Ofen geöffnet werden kann, kann bei diesem Verfahren Tage dauern. Ferner kann ein zu schnelles Kühlen des Ofens oder das Eintragen eines Reaktionsgases, wie z.B. Sauerstoff, zu einer Beschädigung des Ofens selbst oder der feuerfesten Verbundstoffe, die in dem Ofen verarbeitet werden, führen.
Aus JP-A-61060819, US-A-4,610,435 und US-A-4,906,182 sind Gas-Kühlsysteme für Verarbeitungsöfen bekannt, bei denen ein Kühlgas mittels eines Lüfters oder Gebläses in den Ofen eingeleitet wird.
Daher sind ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgesehen, mit denen der Ofen und die feuerfesten Verbundstoffe schneller und mit kontrollierter Geschwindigkeit gekühlt werden als bei bekannten Verfahren, ohne dass die Verbundstoffe beschädigt werden.
KURZER ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren und ein Ofen nach Anspruch 1 bzw. 9 vorgesehen. Die Unteransprüche betreffen einzelne Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung umfasst verschiedene weitere Aspekte, die in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung dargelegt werden.
KURZBESCHREIBUNG VERSCHIEDENER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht eines nicht der Erfindung entsprechenden gekühlten Ofens, bei dem der Kühlgasstrom durch natürliche Konvektion bewirkt wird.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines nicht der Erfindung entsprechenden gekühlten Ofens, bei dem es sich bei dem Kühlelement um den Ofenmantel und die Induktionsspule handelt.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines gekühlten Ofens gemäß einem Aspekt der Erfindung, bei dem der Kühlgasstrom ein erzwungener Strom ist.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines gekühlten Ofens gemäß einem Aspekt der Erfindung, bei dem der Kühlgasstrom ein erzwungener Strom ist und bei dem sich die Einlass- und Auslassleitungen in einer alternierenden Position befinden.
5 zeigt eine schematische Ansicht eines gekühlten Ofens gemäß einem Aspekt der Erfindung, bei dem der Kühlgasstrom ein erzwungener Strom ist und bei dem sich die Einlass- und Auslassleitungen in einer alternierenden Position befinden.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines gekühlten Ofens gemäß einem Aspekt der Erfindung, bei dem der Kühlgasstrom ein erzwungener Strom ist und bei dem die Reaktionsgaseinlasse zum Einleiten eines Kühlgasstroms implementiert sind.
7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der Kühlgas an mehreren Stellen, einschließlich der Reaktionsgaseinlasse, eingeleitet wird und es sich bei dem Kühlelement um den Ofenmantel und die Induktionsspule handelt.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Gebläses mit einer inertgasgespülten dynamischen Wellendichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ofens gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht eines Ofens gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Verschiedene Aspekte der Erfindung sind in 1–10 gezeigt, die nicht maßstabsgerecht dargestellt sind und bei denen gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. 1–6 zeigen schematische Darstellungen der Basiskonzepte gemäß bestimmten Aspekten der Erfindung. Die in 1–6 gezeigten Konfigurationen dürfen nicht im Wortsinn ausgelegt werden, da die Konfiguration je nach der bestimmten Implementierung in eine spezifische Ofenkonfiguration in großem Maße abweichen kann, wie Fachleuten auf dem Sachgebiet bekannt ist. Die Vorrichtung und das Verfahren zum Kühlen eines CVI/CVD-Ofens, wie hier beschrieben, können die Kühlzeit um ungefähr 25 bis ungefähr 50 % reduzieren.
Wie insbesondere in 1 gezeigt, sind das Verfahren und die Vorrichtung zum Kühlen eines Ofens 90 vorgesehen, der zum Verarbeiten von Verbundstoffen konfiguriert ist, wobei das Verfahren den Schritt des Strömenlassens eines Kühlgases 106 in einem geschlossenen Kreislauf durch den Ofen 90 und über ein in dem Ofen 90 angeordnetes Kühlelement 104, wie durch den Strömungsweg 94 angezeigt, umfasst. Das Gas strömt ferner über in dem Ofen 90 angeordnete feuerfeste Verbundstoffe 62. Wie hier verwendet, umfasst der Ausdruck "feuerfeste Verbundstoffe" faserförmige feuerfeste Artikel, die vollständig oder teilweise von einer feuerfesten Bindematrix durchdrungen sind, und feuerfeste Zwischen-Artikel (feuerfeste faserförmige Vorform-Strukturen, beispielsweise Kohlenstoff- oder Keramikfaser-Bremsscheiben-Vorformen). Der Ausdruck "feuerfeste Verbundstoffe" umfasst ferner poröse Substrate oder Strukturen, die einem CVI/CVD-Prozess unterzogen werden können. Ein Kühlmedium, wie z.B. Wasser, zirkuliert durch das Kühlelement 104 und einen außerhalb des Ofens 90 angeordneten Wärmeaustauscher 105.
Der Ofen 90 weist einen Ofenmantel 92 auf, der ein Ofenvolumen 114 definiert, und steht auf Beinen 113. Ein Heizelement 116 ist ebenfalls in dem Ofen 90 angeordnet und erwärmt die feuerfesten Verbundstoffe 62 für den CVI/CVD-Prozess und/oder die Wärmebehandlungs-Verarbeitung. Bei dem Heizelement kann es sich um eine beliebige Heizeinrichtung handeln. Der Gasstrom wird durch natürliche Konvektion bewirkt. Die feuerfesten Verbundstoffe sind zu Beginn des Kühlprozesses ziemlich heiß und erwärmen das Kühlgas auf eine hohe Temperatur, wodurch dieses zu einer Stelle hochsteigt, an der es von dem Kühlelement 104 gekühlt wird. Das gekühlte Gas sinkt aufgrund der Schwerkraft und wird zu dem Außenumfang des Ofens und zurück durch den Boden wieder nach oben geleitet, wo es wieder erwärmt wird. Das Kühlgas 106 wird dem Ofenvolumen 114 von einer Kühlgasversorgungseinrichtung 122 zugeführt, die eine einzelne Gasversorgungseinrichtung oder mehrere einzelne unterschiedliche Gasversorgungseinrichtungen 123 mit einzelnen, von Strömungssteuerventilen 125 gesteuerten Strömungsmengen aufweisen kann. Es kann ein beliebiges Inertgas oder eine Kombination daraus verwendet werden, vorausgesetzt, dass das Gas oder die Mischung aus Gasen von hoher Kapazität und unter den Betriebsbedingungen stabil sind. Beispiele für mögliche Gase, die verwendet werden können, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Stickstoff, Helium oder Argon. Vorzugsweise wird Stickstoff verwendet.
2 zeigt einen Ofen 96 mit einem Ofenmantel 98 mit einer im Wesentlichen gleichen Anordnung, wobei die natürliche Konvektion die Antriebskraft für das Kühlgas 106 bildet, wie durch den Strömungsweg 99 angezeigt. In dem Ofen 96 weist das Heizelement 116 einen Suszeptor 158 und eine benachbart zu dem Suszeptor 158 angeordnete Induktionsspule 160 auf und ist das Kühlelement zum Kühlen des Ofenmantels 98 vorgesehen, der bei diesem Beispiel eine Doppelwand mit einem dazwischen ausgebildeten Zwischenraum 97 aufweist, welcher mit einem Kühlmedium gefüllt ist, wie z.B. mit Kühlwasser, das durch den Wärmeaustauscher 105 zirkuliert. Der Zwischenraum 97 kann in mehrere Teil-Zwischenräume mit unabhängigen Kühlwasserströmungskreisläufen unterteilt sein. Ferner weisen die Induktionsspulen typischerweise mehrere Spulen-Kühlstrecken 162 auf, die einstückig in der Induktionsspule 160 ausgebildet sind. Somit kann das Kühlelement ferner die Induktionsspule 160 mit einstückig ausgebildeten Kühlstrecken 162 aufweisen, obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsform das Kühlen vorwiegend (wenn nicht sogar vollständig) durch den Ofenmantel 98 erfolgt.
Gemäß 1 und 2 können Öffnungen in den verschiedenen in dem Ofen angeordneten Komponenten und Einrichtungen ausgebildet sein, die es dem Kühlgas ermöglichen, in der beschriebenen Art und Weise zu strömen, oder es können außenliegende Leitungen mit der Außenseite des Ofens verbunden sein, um einen Teil des Strömungswegs außerhalb des Ofens zu bilden. Diese sowie weitere Konfigurationen sind möglich, solange die Vorrichtung den CVI/CVD-Ofen mit dem gewünschten Kühlpegel beaufschlagt.
Das Strömen des Kühlgases 106 durch den Ofen kann auch erzwungen werden. 3 zeigt ein Verfahren zum Kühlen eines Ofens 100, der zum Verarbeiten von feuerfesten Verbundstoffen gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen ist und den Schritt des Strömenlassens eines Kühlgases 106 in einem geschlossenen Kreislauf 102 durch den Ofen 100 und über ein in dem Ofen 100 angeordnetes Kühlelement 104 umfasst. Das Gas strömt ferner über feuerfeste Verbundstoffe 62 in dem Ofen 100. Ein Kühlmedium, wie z.B. Wasser, zirkuliert durch das Kühlelement 104 und einen außerhalb des Ofens 100 angeordneten Wärmeaustauscher 105.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen des Ofens 100 vorgesehen, das den Schritt des Strömenlassens des Kühlgases 106 durch den geschlossenen Kreislauf 102 und über ein in dem Ofen angeordnetes Kühlelement umfasst, wobei der geschlossene Kreislauf den Ofen 100 und ein außerhalb des Ofens 100 angeordnetes Gebläse 108 aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt des Überwachens des Sauerstoffgehalts des Kühlgases 106 umfassen. Eine Sauerstoffgehalt-Analysiereinrichtung 110 kann vorgesehen sein, die den Sauerstoffgehalt des Kühlgases 106 in dem geschlossenen Kreislauf 102 erfasst. Der Sauerstoffgehalt wird vorzugsweise unterhalb eines vorbestimmten Werts gehalten, so dass keine Oxidation in dem Ofen auftritt. Bei den meisten Prozessen sollte der Sauerstoffgehalt kleiner oder gleich 100 ppm betragen, um eine Oxidation und damit verbundene Probleme zu vermeiden.
Die Erfindung ist insbesondere zum Kühlen von Öfen bei Hochtemperatur-CVI/CVD- und/oder anderen Wärmebehandlungs-Prozessen sinnvoll. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck "Hochtemperatur" auf eine Temperatur, die wesentlich über der Raumtemperatur im Bereich von 300 °C oder darüber liegt. Feuerfeste Verbundstoffe oder Materialien werden generell bei Temperaturen über 300 °C hergestellt und/oder verarbeitet und können Temperaturen von mindestens 900 °C und in der Größenordnung von 900°–3000 °C oder darüber aufweisen. Beispielsweise kann eine poröse Kohlenstoff-Bremsscheibe für Flugzeuge eine pyrolytische Kohlenstoffmatrix aufweisen, die unter Anwendung eines CVI/CVD-Prozesses, der bei Temperaturen im Bereich von ungefähr 900°–1100 °C durchgeführt wird, in der Bremsscheibe aufgeleitet wird, und kann einer weiteren Wärmebehandlung bei einer Temperatur von bis zu 2200 °C oder mehr unterzogen werden. Das Herstellen und Verarbeiten anderer Arten von Keramikmaterialien kann bei anderen Temperaturen erfolgen.
3 zeigt einen Ofen und ein Kühlsystem, die bei der Durchführung der Erfindung implementiert sein können. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Kombination aus einem Ofen 100, einem mit dem Ofen 100 in Fluidverbindung stehenden Kühlgaseinlass 118, einem mit dem CVI/CVD-Ofen 100 in Fluidverbindung stehenden Kühlgasauslass 120, einem in dem Ofen 100 an einer Stelle, an der es dem Kühlgas 106 ausgesetzt sein kann, angeordnetes Kühlelement 104 und einem außerhalb des Ofens 100 angeordnetes und mit dem Kühlgaseinlass 118 und dem Kühlgasauslass 120 verbundenen Gebläse 108 vorgesehen. Das Gebläse 108 bewirkt, dass das Kühlgas in einem geschlossenen Kreislauf 102 durch den Kühlgaseinlass 118, durch den Ofen 100 über das Kühlelement 104 und durch den Kühlgasauslass 120 zu dem Gebläse 108 zurück strömt. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Ofen 100 einen Ofenmantel 112 auf, der ein Ofenvolumen 114 definiert. Der Ofenmantel kann auf Beinen 113 angeordnet sein. Ein Heizelement 116 und das Kühlelement 104 sind innerhalb des Ofenmantels 112 angeordnet. Der Kühlgaseinlass 118 kann als mit dem Ofenmantel 112 verbundene und mit dem Ofenvolumen 114 in Fluidverbindung stehende Einlassleitung ausgebildet sein. Der Kühlgasauslass 120 kann als ebenfalls mit dem Ofenmantel 112 verbundene und mit dem Ofenvolumen 114 in Fluidverbindung stehende Auslassleitung ausgebildet sein. Eine Kühlgasversorgungseinrichtung 122 ist zum selektiven Einleiten des Kühlgases 106 in das Ofenvolumen 114 vorgesehen. Das Gebläse 108 ist mit der Kühlgaseinlass- 118 und -auslassleitung 120 verbunden und steht mit diesen in Fluidverbindung. Eine Aktivierung des Gebläses bewirkt, dass das in das Ofenvolumen 114 eingeleitete Kühlgas 106 in einem geschlossenen Kreislauf durch das Gebläse 108, durch den Kühlgaseinlass 118, über das Kühlelement 104, durch den Kühlgasauslass 120 und zu dem Gebläse 108 zurück strömt. Obwohl das Kühlelement 104 in 1–4 im oberen Teil des Ofens dargestellt ist, ist diese Position wegen der hohen Temperaturen, die typischerweise in dieser Region herrschen, möglicherweise nicht die optimale Position. Es sei angemerkt, dass das Kühlelement 104 an einer Vielzahl von Positionen innerhalb des Ofens platziert sein kann und die Positionen der Einlass- und Auslassleitung entsprechend verändert werden können, um zu bewirken, dass das Kühlgas über das Kühlelement 104 strömt. Ferner können die Einlasse und Auslasse wie gewünscht an mehreren Stellen angeschlossen sein, um ein spezielles Strömungsmuster zu erhalten.
Die feuerfesten Verbundstoffe 62 können eine Vielzahl von in dem Ofen 100 gestapelten porösen Substraten oder Strukturen aufweisen, die erwärmt und einem Reaktantgas ausgesetzt werden, das sich aufspaltet und eine Matrix auf das poröse Substrat 62 aufdampft. Dieser Prozess ist allgemein als chemische Dampfinfiltration und Aufdampfung bekannt. Bei der chemischen Dampfinfiltration und Aufdampfung (CVI/CVD) handelt es sich um einen bekannten Prozess zum Aufdampfen einer Bindematrix in einer porösen Struktur. Der Ausdruck "chemische Aufdampfung" (CVD) impliziert generell das Aufdampfen einer Oberflächenbeschichtung, der Ausdruck bezieht sich jedoch auch auf die Infiltration und Aufdampfung einer Matrix in einer porösen Struktur. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck CVI/CVD auf die Infiltration und Aufdampfung einer Matrix in einer porösen Struktur. Diese Technik ist insbesondere für die Fertigung von Hochtemperatur-Strukturverbundstoffen durch Aufdampfen einer kohlenstoffhaltigen oder keramischen Matrix in einer kohlenstoffhaltigen oder keramischen porösen Struktur geeignet, was zu sehr nützliche Strukturen führt, wie z.B. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Bremsscheiben für Flugzeuge und Keramik-Verbrennungsanlagen- oder -Turbinenkomponenten.
Die generell bekannten CVI/CVD-Prozesse können in vier generelle Kategorien eingeteilt werden: isotherm, Wärmegradient, Druckgradient und gepulste Strömung. Siehe W.V. Kotlensky, Deposition of Pyrolytic Carbon in Porous Solids, 8 CHEMISTRY AND PHYSICS OF CARBON, 173, 190–203 (1973); W.J. Lackey, Review, Status, and Future of the Chemical Vapor Infiltration Process for Fabrication of Fiber-Reinforced Ceramic Composites, CERAM. ENG. SCI. PROC. 10[7–8] 577, 577–81 (1989) (W.J. Lackey bezeichnet den Druckgradienten-Prozess als "isotherme erzwungene Strömung"). Bei einem isothermen CVI/CVD-Prozess strömt ein Reaktantgas bei absolutem Druck von nur wenigen Torr um eine erwärmte poröse Struktur. Das Gas diffundiert unter Einwirkung von Konzentrationsgradienten in die poröse Struktur und spaltet sich auf, um eine Bindematrix aufzudampfen. Dieser Prozess ist auch als "herkömmliches" CVI/CVD bekannt. Die poröse Struktur wird auf eine mehr oder weniger gleichmäßige Temperatur erwärmt, daher der Ausdruck "isotherm". Bei einem Wärmegradienten-CVI/CVD-Prozess wird eine poröse Struktur derart erwärmt, dass steile Wärmegradienten erzeugt werden, die eine Aufdampfung in einem gewünschten Teil der porösen Struktur bewirken. Die Wärmegradienten können durch Erwärmen nur einer Fläche einer porösen Struktur erzeugt werden, beispielsweise durch Platzieren einer Fläche der porösen Struktur an einer Suszeptorwand, und können durch Kühlen einer gegenüberliegenden Wand erhöht werden, beispielsweise durch Platzieren der gegenüberliegenden Fläche der porösen Struktur an eine flüssigkeitsgekühlte Wand. Das Aufdampfen der Bindematrix verläuft von der heißen Fläche zu der kalten Fläche. Bei einem Druckgradienten-CVI/CVD-Prozess wird das Reaktantgas durch Erzeugen eines Druckgradienten von einer Fläche der porösen Struktur zu einer gegenüberliegenden Fläche der porösen Struktur gezwungen, durch die poröse Struktur zu strömen. Die Strömungsrate des Reaktantgases wird relativ zu den isothermen und Wärmegradienten-Prozessen in großem Maße erhöht, was zu einer höheren Aufdampfrate der Bindematrix führt. Dieser Prozess ist auch als CVI/CVD mit "erzwungener Strömung" bekannt. Schließlich umfasst die gepulste Strömung schnelles und zyklisches Füllen und Evakuieren einer die erwärmte poröse Struktur mit dem Reaktantgas enthaltenden Kammer. Die zyklische Aktion zwingt das Reaktantgas, die poröse Struktur zu infiltrieren, und erzwingt ferner ein Entfernen der abgespaltenen Reaktantgas-Nebenprodukte aus der porösen Struktur. Feuerfeste Verbundstoffe werden häufig Wärmebehandlungen bei unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, und die Erfindung ist in gleichem Maße für zu diesem Zweck verwendete Öfen nützlich. Die Ofen- und Einrichtungskonfiguration kann je nach Art des Prozesses stark variieren, und die unterschiedlichen Aspekte der Erfindung sind in Abhängigkeit von der speziellen Konfiguration in einen beliebigen dieser Prozesse implementierbar. Somit sind die Ofenkonfigurationen aus 1–7 und 9–10 nur beispielhaft dargestellt und dürfen nicht als Einschränkung der Erfindung auf die spezifischen dargestellten Anordnungen angesehen werden, da weitere Variationen und Modifikationen für Fachleute auf dem Sachgebiet anhand der vorliegenden Beschreibung offensichtlich werden.
Bei einer bestimmten Ausführungsform weist das Kühlgas 106 ein vorbestimmtes Verhältnis von Gasen auf, solange die Gasmischung bei hohen Temperaturen stabil ist und eine gewünschte Wärmekapazität hat. Die Kühlgasversorgungseinrichtung 122 kann eine Vielzahl von einzelnen Gasversorgungseinrichtungen 123 aufweisen, die mit dem Kühlgaseinlass 118 in Fluidverbindung stehen. Jede einzelne Gasversorgungseinrichtung 123 kann eine unterschiedliche Gaszusammensetzung liefern, und Strömungssteuerventile 125 können zum Steuern der Strömung einer speziellen Gaszusammensetzung in den Kühlgaseinlass 118 vorgesehen sein. Die Strömungssteuerventile 125 können in Kombination verwendet werden, um eine Gasströmung in den Kühlgaseinlass 118 mit einem vorbestimmen Gasverhältnis durch individuelles Steuern der Strömung jedes Gases zu bewirken. Die Kühlgasversorgungseinrichtung 122 kann auf andere Arten mit dem Ofen 100 verbunden sein, auf die der Kühlgasstrom in den Ofen eingeleitet wird, beispielsweise durch direktes Verbinden der Kühlgasversorgungseinrichtung 122 mit dem Ofen 100 oder durch Verbinden der Kühlgasversorgungseinrichtung 122 mit dem Kühlgasauslass 120. Weitere Alternativen für spezielle Anwendungen werden für einen Fachmann auf dem Sachgebiet anhand der vorliegenden Beschreibung offensichtlich. Die einzelnen Gasversorgungseinrichtungen 123 können Gasflaschen oder -zylinder oder eine anderweitig in einer Fertigungseinrichtung zur Verfügung stehende Gasversorgungseinrichtung sein, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, eine in der Anlage vorhandene Stickstoffversorgungseinrichtung. Weitere zum Kühlen geeignete Gase umfassen Helium und Argon, die typischerweise aus einer Flasche oder einem Zylinder zugeführt werden. Obwohl Stickstoff relativ preisgünstig ist, kann es bei hohen Temperaturen mit Materialien in dem Ofen reagieren. Beispielsweise kann Stickstoff bei Temperaturen über 1371 °C (2500 °F) mit Kohlenstoff/Grafit reagieren, um Cyangas zu bilden. Helium hat eine größere Wärmeleitfähigkeit als Stickstoff oder Argon, hat jedoch ein niedrigeres Atomgewicht als Stickstoff oder Argon, so dass mehr davon benötigt wird. Argon ist bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen über 1371 °C (2500 °F) stabiler als Stickstoff, hat ein viel höheres Atomgewicht als Helium und eine größere Wärmekapazität als Helium oder Stickstoff. Bei einer idealen Mischung werden alle diese Charakteristiken genutzt, um die preisgünstigste Mischung zu erhalten, die stabil ist und optimale Kühlcharakteristiken bei den für einen speziellen Prozess herrschenden Temperaturen aufweist. Die optimale Mischung kann bei unterschiedlichen Prozessen unterschiedlich sein und hängt von den Spitzentemperaturen in dem Ofen sowie der möglichen Reaktivität der anderen Komponenten in dem Ofen ab.
Alternativ kann ein einzelnes Kühlgas verwendet werden. Es kann ein beliebiges Inertgas verwendet werden. Bei Verwendung eines einzelnen Inert gases wird Stickstoff bevorzugt. Wenn das Kühlgas bei einer bestimmten kritischen Temperatur reaktiv ist, kann ein Verfüllen des Ofenvolumens mit dem Kühlgas verzögert werden, während der Ofen entsprechend dem Stand der Technik unter Vakuum auf eine unter der kritischen Temperatur liegende Temperatur abkühlt. Das Kühlgas wird anschließend in das Ofenvolumen eingeleitet und zirkuliert auf die beschriebene Art und Weise. Beispielsweise kann es bei Verwendung von Stickstoff als Kühlgas dem Ofen ermöglicht werden, entsprechend dem Stand der Technik unter Vakuum abzukühlen, bis sich reaktive Komponenten auf einer Temperatur in der Größenordnung von 1093 °C (2000 °F) oder weniger befinden, wonach das Ofenvolumen mit dem Kühlgas bis ungefähr auf Atmosphärendruck gefüllt wird und das Kühlgas dann zirkuliert. Das Ofenvolumen kann teilweise gefüllt werden, wenn die Temperatur höher ist als die kritische Temperatur, wodurch sich die Kühlrate bei minimaler chemischer Reaktion erhöhen kann. Die Temperatur, bei der bestimmte Kühlgase eingeleitet werden, kann von der Reaktivität bestimmter Komponenten in dem Ofen abhängig sein. Das Vorhandensein bestimmter Kühlgase und die Gesamtzusammensetzung des Kühlgases können entsprechend verändert werden.
Die Zusammensetzung des Kühlgases kann während der Zirkulierung verändert werden, um die Rate zu beeinflussen, mit der der Ofen gekühlt wird. Beispielsweise sinkt die Kühlrate typischerweise, wenn die Kühlbedingungen nicht verändert werden. Durch Verändern der Kühlbedingungen kann die Rate als Funktion der Zeit steigen oder sinken. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die Zusammensetzung des Kühlgases verändert, um eine konstante Rate zu erzeugen, mit der der Ofen gekühlt wird, wodurch eine nahezu lineare Zeit/Temperatur-Kurve (negative konstante Neigung) erzeugt wird. Es kann auch die Strömungsrate des Kühlgases verändert werden, um die Rate zu beeinflussen, mit der der Ofen gekühlt wird, beispielsweise durch Erhöhen oder Senken der Rate. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die Strömungsrate des Kühlgases verändert, um eine konstante Rate zu erzeugen, mit der der Ofen gekühlt wird, wodurch eine nahezu lineare Zeit/ Temperatur-Kurve (negative konstante Neigung) erzeugt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden sowohl die Gaszusammensetzung als auch die Kühlgasströmungsrate während des Kühlprozesses verändert, um eine konstante Rate, mit der der Ofen gekühlt wird, und eine lineare Zeit-Temperatur-Kurve zu erzeugen.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform weist der Ofenmantel zwei Endteile 130 und 132 auf und ist der Kühlgaseinlass 118 mit einem der Endteile 130 verbunden. Die Position des Kühlgaseinlasses 118 und des Kühlgasauslasses 120 hängt teilweise von dem gewünschten Muster der Kühlgasströmung durch das Ofenvolumen 114 ab. Somit sind unzählige Variationen möglich. 2 zeigt beispielsweise einen CVI/CVD-Ofen und ein Kühlsystem, bei denen die Position des Kühlgaseinlasses 118 bewegt wird, um eine Veränderung des Kühlgasstroms zu bewirken. Die verschiedenen Komponenten, die oben anhand von 3 beschrieben worden sind, sind auch in 4 gezeigt, mit der Ausnahme, dass der Ofen 100 durch einen Ofen 124 mit einem Ofenmantel 126, der einen Mittelteil 128 zwischen zwei Endteilen 130 und 132 aufweist, ersetzt worden ist. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist ein geschlossener Kreislauf 134 mit einer Einlassleitung 136 an dem Mittelteil 128 mit dem Ofen 100 verbunden. Das Verbinden der Einlassleitung 136 mit dem Ofen 100 an dem Mittelteil 128 bewirkt eine Kühlgasströmung zu dem Bereich, der typischerweise der heißeste ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Gebläsesteuerung 194 vorgesehen, die die Aktivierung des Gebläses 108 steuert. Gemäß diesem Aspekt werden Zeit-, Temperatur- und die Kühlratendaten zu der Gebläsesteuerung 104 zurückgeführt, und anhand dieser Daten stellt die Gebläsesteuerung 194 die Aktivierung des Gebläses 108 ein, um die vorgeschriebene Kühlrate aufrechtzuerhalten. Das Gebläse wird eingeschaltet, bis die Temperatur auf 204 °C (400 °F) oder weniger gesenkt ist. Generell hängt die Zeit, in der das Gebläse aktiviert ist, von zahlreichen Faktoren ab, einschließlich der Ladung in dem Ofen und dem Prozess, der in dem Ofen abgelaufen ist.
5 zeigt einen CVI/CVD- oder Wärmebehandlungsofen und ein Kühlsystem, bei denen die Strukturen aus 3 und 4 kombiniert sind. Die verschiedenen Komponenten, die oben anhand von 1 und 2 beschrieben worden sind, sind auch in 5 gezeigt, mit der Ausnahme, dass ein Ofen 138 mit einem Ofenmantel 140 vorgesehen ist. Der Ofenmantel 140 weist einen Mittelteil 128 zwischen zwei Endteilen 130 und 132 auf. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist ein geschlossener Kreislauf 142 mit dem Kühlgaseinlass 118 und 136 an dem Endteil 130 bzw. dem Mittelteil 128 mit dem Ofen 138 verbunden. Das Verbinden der Einlassleitung 136 mit dem Ofen 138 an dem Mittelteil 128 bewirkt eine Kühlgasströmung zu einem Bereich des Ofens 138, der typischerweise der heißeste ist, wohingegen das Verbinden des Kühlgaseinlasses 118 mit dem Ofen 138 an dem Endteil 130 eine Gasströmung zu den feuerfesten Verbundstoffen 62 bewirkt, die unterhalb der Einlassleitung 136 angeordnet sind. Mehrere Einlassleitungen 136 können vorgesehen sein, falls dies gewünscht ist. Der Kühlgasauslass 120 ist mit dem anderen Endteil 132 verbunden. Die Gesamtkühlung des Ofens kann dadurch mit diesen beiden speziellen Ausführungsformen relativ zu den Ausführungsformen aus 3 und 4 verbessert werden.
Weitere Verbindungen mit einem Ofen können als Kühlgaseinlasse oder Kühlgasauslasse verwendet werden. 6 zeigt beispielsweise einen CVI/CVD- oder Wärmebehandlungsofen und ein Kühlsystem gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung. Die verschiedenen oben anhand von 5 beschriebenen Komponenten sind auch in 6 gezeigt. Ein Ofen 144 mit einem Ofenmantel 146, der ein Mittelteil 128 zwischen zwei Endteilen 130 und 132 aufweist, ist vorgesehen. Der Ofen 144 weist einen mit dem Ofenmantel 146 verbundenen und mit dem Ofenvolumen 114 in Fluidverbindung stehenden Reaktantgaseinlass 148 auf. Ein geschlossener Kreislauf 152 ist vorgesehen, bei dem der Kühlgaseinlass 118 über den Reaktantgaseinlass 148 mit dem Ofenmantel 146 verbunden und zum selektiven Einleiten von Kühlgas über den Reaktantgaseinlass 148 in das Ofenvolumen 114 vorgesehen ist. Somit steht der Kühlgaseinlass 118 über den Reaktantgaseinlass 148 in Fluid verbindung mit dem Ofenvolumen 114. Gelegentlich ist eine Reaktantgasströmung anstelle einer Kühlgasströmung durch den Reaktantgaseinlass 148 gewünscht. Somit wird Kühlgas selektiv in das Ofenvolumen 114 eingeleitet, wenn eine solche Strömung gewünscht ist. Dies erfolgt vorzugsweise durch Vorsehen eines Ventils 150 in dem Kühlgaseinlass 118, das in geschlossenem Zustand den Reaktantgaseinlass 148 gegen den Kühlgaseinlass 118 absperrt. Die Einlassleitung 136 kann vorgesehen und mit dem Mittelteil 128 verbunden sein.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem Ofen 154 und einem geschlossenen Kreislauf 156. In dem Ofen 154 weist das Heizelement 116 einen Suszeptor 158 und eine dem Suszeptor 158 benachbarte Induktionsspule 160 auf, und das Kühlelement ist zum Kühlen des Ofenmantels 146 vorgesehen, der bei diesem Beispiel eine Doppelwand mit einem dazwischen ausgebildeten Zwischenraum 147 aufweist, welcher mit Kühlwasser gefüllt ist, das durch den Wärmeaustauscher 105 zirkuliert. Der Zwischenraum 147 Der Zwischenraum 147 kann in mehrere Teil-Zwischenräume mit unabhängigen Kühlwasserströmungskreisläufen unterteilt sein. Ferner weisen Induktionsspulen typischerweise mehrere Spulen-Kühlstrecken 162 auf, die einstückig in der Induktionsspule 160 ausgebildet sind. Somit kann das Kühlelement ferner die Induktionsspule 160 mit einstückig ausgebildeten Kühlstrecken 162 aufweisen, obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsform das Kühlen vorwiegend (wenn nicht sogar vollständig) durch den Ofenmantel 146 erfolgt.
Der Suszeptor 158 weist typischerweise eine Suszeptorabdeckung 164 und einen Suszeptorboden 166 auf. Der Reaktantgaseinlass 148 durchläuft den Suszeptorboden 166. Der Kühlgasauslass 120 ist unterhalb des Mittelteils 128 angeordnet, und die Einlassleitung 136 ist mit dem Mittelteil 128 verbunden und durchläuft die Induktionsspule 160 und den Suszeptor 158. In den Kühlgaseinlass 118 und die Einlassleitung 136 eingeleitetes Kühlgas tritt in das von dem Suszeptor 158 umgebene Volumen ein, in dem die feuerfesten Verbundstoffe 62 angeordnet sind. Das Kühlgas strömt dann durch die Suszeptorabdeckung 164 (die typischerweise perforiert ist) und über die Innenfläche des Ofenmantels 146 hinauf und zwischen dem Ofenmantel 146 und der Induktionsspule 160 hinab, wo es gekühlt wird, und strömt dann in den Kühlgasauslass 120 und zu dem Gebläse 108 zurück. Die Aktivierung des Gebläses 108 bewirkt, dass das in das Ofenvolumen 114 eingeleitete Kühlgas 106 in einem geschlossenen Kreislauf durch das Gebläse 108, durch den Kühlgaseinlass 118, über das Kühlelement (bei diesem Beispiel den Ofenmantel 146 und die Induktionsspule 160 mit den Kühlstrecken 162), durch den Kühlgasauslass 120 und zu dem Gebläse 108 zurück strömt. Bei dieser Ausführungsform ist das Kühlelement in Form zweier Teilelemente ausgeführt und dient zwei Zwecken. Es kühlt den Ofenmantel 146 und die Induktionsspule 160, wenn die Spule den Suszeptor 158 erwärmt, und kühlt alternativ das Kühlgas, wenn der Ofen 154 über den geschlossenen Kreislauf 156 gekühlt wird.
Obwohl bei der Beschreibung das Kühlelement der Ofenmantel 146 und/oder die Induktionsspule 160 mit Spulen-Kühlstrecken 162 ist, kann eine beliebige zum Zwecke der Kühlung einer in dem Ofen angeordneten Komponente in dem Ofen vorgesehene Anordnung zum Kühlen des Kühlgases vorgesehen sein, und solche Anordnungen können eine Vielzahl von Konfigurationen aufweisen, unabhängig davon, ob sie zum Kühlendes Ofenmantels, als Induktionsspule oder anderweitig verwendet werden, und all dies fällt in den Umfang der Erfindung. Schließlich kann der Kühlgaseinlass einen oder mehrere Nebeneinlasse aufweisen, wie z.B. einen Nebeneinlass 168 (der als gestrichelte Linie gezeigt ist), der oberhalb des Mittelteils 128 mit den Ofen verbunden ist, um eine Kühlgasströmung zu dem oberen Teil der Induktionsspule 160 zu bewirken, wo heißeres Gas aus dem Inneren des Suszeptors auf seinem Weg zu dem unterhalb des Mittelteils angeordneten Kühlgasauslass 120 über die Induktionsspule 160 strömt. Falls gewünscht, können auch andere Variationen verwendet werden, um das spezielle gewünschte Strömungsmuster zu erhalten und/oder Heiß- und/oder Kaltstellen zu eliminieren. Absperr ventile 190 sind vorzugsweise in dem Nebeneinlass 168, der Einlassleitung 136 und dem Kühlgasauslass 120 vorgesehen, die den Ofen 154 während eines CVI/CVD- oder Wärmebehandlungsprozesses gegen den Rest des geschlossenen Kreislaufs absperren. Ein Absperrventil 192 ist vorzugsweise in dem Reaktantgaseinlass 148 vorgesehen, das bei Verwendung des geschlossenen Kreislaufs zum Kühlen des Ofens 154 die Reaktantgasversorgungseinrichtung gegen den geschlossenen Kreislauf 156 absperrt.
8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 8-8 aus 3 einer Ausführungsform des Gebläses 108 gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung. Das Gebläse 108 weist ein Gehäuse 170 und eine davon abstehende Antriebswelle 172 und eine inertgasgespülte dynamische Dichtung 174 zwischen dem Gehäuse 170 und der Antriebswelle 172 auf. Das Gehäuse 170 weist ein Hauptgehäuseteil 184 auf. Ein Paar an dem Hauptgehäuseteil 184 befestigter Lagervorrichtungen 186 tragen die Antriebswelle 172. Ein Laufrad 188 ist mit der Antriebswelle 172 verbunden. Das Laufrad 188 kann für eine Axialströmung, eine Zentrifugalströmung oder eine Kombination daraus, als Lüfter oder anderweitig konfiguriert sein. Die inertgasgespülte dynamische Dichtung 174 weist ein Paar Dichtungsteile 176, die voneinander beabstandet und in einem abgedichteten Gehäuse 182 angeordnet sein können, welches gegen das Gehäuse 170 abgedichtet ist, und einen Inertgaseinlass 178 auf, durch den Inertgas 194 mit einem über Atmosphärendruck liegenden Druck in den Zwischenraum zwischen den Dichtungen 180 eingeleitet wird. Das Kühlgas 106 kann als Inertgas 194 verwendet werden. Das Spülen des Zwischenraums zwischen den Lagern mit unter Druck stehendem Inertgas verhindert das Eindringen von Sauerstoff in das Kühlgas in dem Gebläse 108 und dem geschlossenen Kreislauf, durch den das Gebläse 108 das Kühlgas transportiert. Eine inertgasgespülte dynamische Dichtung 174 ist möglicherweise nicht bei sämtlichen Aspekten der Erfindung erforderlich oder wünschenswert. Weitere Komponenten, wie z.B. Sichtöffnungen, können in Abhängigkeit davon, ob bewegliche Teile verwendet werden, mit dynamischen oder statischen Dichtungen inertgasabgedichtet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Verarbeiten von Hochtemperatur-Verbundmaterialien ist der gesamte geschlossene Kreislauf abgedichtet, um ein Eindringen von Sauerstoff in den geschlossenen Kreislauf zu verhindern. Kohlenstoffdichtungen haben sich bei einer solchen Ausführungsform als besonders wünschenswerte Ausführung der Dichtungen 176 herausgestellt. Inertgasgespülte Dichtungen können, falls gewünscht, zum Minimieren oder Eliminieren des Eindringens von Sauerstoff verwendet werden.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Hochtemperatur-Ofens 10, bei dem verschiedene Aspekte der Erfindung implementiert sind. Der Ofen 10 ist zur Verwendung bei einem Hochtemperatur-Prozess vorgesehen. Der Ofen 10 ist generell zylindrisch ausgebildet und weist einen Stahlmantel 12 und eine Stahlabdeckung 14 auf, die beide als Doppelwände mit einem dazwischenliegenden Zwischenraum 13 für die Zirkulation von Kühlwasser ausgebildet sind, wie oben anhand von 5 beschrieben. Gemäß 9 weist der Mantel 12 einen Flansch 16 auf und weist die Abdeckung 14 einen dazu passenden Flansch 18 auf, der gegen den Flansch 16 abgedichtet ist, wenn die Abdeckung 14 auf den Mantel 12 aufgesetzt ist. Der Mantel 12 und die Abdeckung 14 definieren gemeinsam ein Ofenvolumen 22, das durch einen mit dem Vakuumport 20 in Fluidverbindung stehenden (nicht gezeigten) Dampf-Vakuumgenerator auf Unterdruck reduziert wird. Der Mantel 12 ruht auf mehreren Beinen 62 (9). Der Ofen 10 weist ferner eine einem zylindrischen Suszeptor 26 benachbarte zylindrische Induktionsspule 24 auf. Die Induktionsspule 24 weist gewickelte Leiter 23 auf, die in eine elektrische Isolierung 27 eingekapselt sind. Bei Betrieb entwickelt die Induktionsspule 24 ein elektromagnetisches Feld, das mit dem Suszeptor 26 gekoppelt ist und Wärme in dem Suszeptor 26 erzeugt. Die Induktionsspule 24 kann gekühlt werden, typischerweise über einstückig in die Spule 24 eingeformte Wasserstrecken 25. Der Suszeptor 26 ruht auf einem Suszeptorboden 28 und ist von einer Suszeptorabdeckung 30 abgedeckt. Eine zylindrische Isolierwand 32 ist zwischen dem Suszeptor 26 und der Induktionsspule 24 angeordnet. Eine Abdeckungs-Isolierschicht 34 und eine Boden-Isolierschicht 36 sind über der Suszeptorabdeckung 30 bzw. unter dem Suszeptorboden 28 angeordnet. Der Suszeptorboden 28 ruht auf der Isolierschicht 36, welche wiederum auf dem Ofenboden 38 ruht. Der Ofenboden 38 ist über eine Bodentragstruktur 40, die mehrere vertikale Rippenstrukturen 42 aufweist, mit dem Mantel 12 verbunden. Ein Reaktantgas wird über eine Hauptgasversorgungsleitung 44 dem Ofen 10 zugeführt. Mehrere einzelne Gasversorgungsleitungen 46 sind mit mehreren Gasports 48, die durch den Ofenmantel 12 verlaufen, verbunden und stehen mit diesen in Fluidverbindung. Mehrere flexible Gasversorgungsleitungen 50 sind mit den Gasports 48 und mehreren Gaseinlassen 52, die durch Löcher 54 in dem Ofenboden 38, der Boden-Isolierschicht 36 und dem Suszeptorboden 28 verlaufen, verbunden und stehen mit diesen in Fluidverbindung. Ein Gasvorwärmer 56 ruht auf dem Suszeptorboden 28 und weist mehrere gestapelte perforierte Platten 58 auf, die durch eine Abstandshaltestruktur 60 voneinander beabstandet sind. Jede Platte 58 weist ein Array von Perforationen auf, das von dem Array von Perforationen der benachbarten Platte 58 horizontal versetzt ist. Dadurch strömt das Reaktantgas durch die Platten zurück und vor, wodurch das Reaktantgas innerhalb des Vorwärmers 56 diffundiert und eine Konvektionswärmeüberragung von den perforierten Platten 58 auf das Gas verstärkt. Mehrere feuerfeste Verbundstoffe 62, beispielsweise Bremsscheiben, sind in dem Ofen 10 innerhalb des Suszeptors 26 auf (aus Gründen der Klarheit nicht gezeigten) Einrichtungen gestapelt. Geeignete Einrichtungen sind auf dem Sachgebiet bekannt.
Gemäß 9 ist der Suszeptor 26 als zylindrische Wand 26 mit einem zwischen zwei Endteilen 68 und 70 angeordneten Mittelteil 66 ausgebildet. Eine Einlassleitung 76 tritt in den Ofen 10 ein. Der Mittelteil 66 weist ein Loch 74 auf, wobei die Einlassleitung 72 in das Loch 74 eintritt und zum Einleiten von Kühlgas an dem Loch 74 in die zylindrische Wand 26 vorgesehen ist. Eine Isolierbuchse 76 kann in dem Loch 74 angeordnet sein, die mit der zylindrischen Wand 26 und der Einlassleitung 72 zusammenpasst. Beim Durchlaufen des Lochs 74 verläuft die Einlassleitung 72 durch die Induktionsspule 24 und die Isolierwand 32. Die Einlassleitung 72 ist vorzugsweise aus einem Isolier material gefertigt und passt mit einer Stahlleitung 73 zusammen, die an den Ofen 78 angeschweißt ist. Eine biegsame Dichtung 80 ist zwischen der Einlassleitung 72 und der Stahlleitung 73 angeordnet, die es ermöglicht, dass sich die Einlassleitung 72 relativ zu der Stahlleitung 73 bewegt, wenn sich der Ofen 10 erwärmt und abkühlt, und dabei eine Dichtwirkung beibehält. Wenn die Isolierbuchse 76 aus einem porösen Isoliermaterial gefertigt ist, kann eine Buchsen-Dichtungsschicht 82 mit derjenigen Fläche verbondet sein, die andernfalls Reaktantgas ausgesetzt wäre. Der Innendurchmesser der Einlassleitung 72 ist vorzugsweise mit einer undurchlässigen Folie abgedeckt; wenn die Einlassleitung 72 aus einem porösen Isoliermaterial gefertigt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform zum CVI/CVD-Aufdampfen einer pyrolytischen Kohlenstoffmatrix innerhalb poröser Kohlenstofffaserstrukturen für Flugzeug-Bremsscheiben ist der in 7 gezeigte Ofen 154 als der in 9 gezeigte Ofen 100 konfiguriert, vorzugsweise mit dem Nebeneinlass 168. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die Einlassleitung 72 aus porösem Kohlenstoff, wie z.B. Porous Carbon 60 von UCAR Carbon Company Inc., USA, gefertigt. Die Isolierbuchse 76 ist aus starrem Filz, wie z.B. Calcarb CBCF von Calcarb, Ltd., Schottland, oder Fibergraph^® von SIGRI Polycarbon, Inc., USA, gefertigt. Die Buchsen-Dichtungsschicht 82, die biegsame Dichtung 80 und die undurchlässige Schicht, die das Innere der Einlassleitung 72 auskleidet, sind aus Grafitfolie, wie z.B. Grafoil^® ebenfalls von UCAR Carbon Company Inc., gefertigt. Calgraph^®-Grafitfolie, die auch bei SIGRI Polycarbon, Inc. erhältlich ist, kann ebenfalls verwendet werden.
Ein Verfahren zum Kühlen eines Ofens, der anfangs CVI/CVD-Prozess-Temperaturen (in der Größenordnung von 982 °C (1800 °F)) aufweist, wird wie folgt durchgeführt. Das Ventil 192 wird geschlossen und das Ofenvolumen 22 in dem Ofen wird durch Strömenlassen von Stickstoff in der Größenordnung von 7,78 m³/Std. (275 Standard-Kubikfuß/Stunde ("SCFH")), 5,66 m³/Std. (200 SCFH) Helium und 2,12 m³/Std. (75 SCFH) Argon von einem Vakuum von 1,323·KN/m² (ungefähr 10 Torr) auf Atmosphärendruck gebracht. Wenn der Druck des Ofenvolumens 22 die Größenordnung des Atmosphären drucks erreicht, werden sämtliche Gasströme gestoppt und die Ventile 190 geöffnet. Der Sauerstoffgehalt-Analysiereinrichtungssensor 110 (1) wird zusammen mit der Lüfterwellendichtungsspülung aktiviert. Das Gebläse 108 wird bei einer Frequenz von 25 Hz (das Gebläse ist für 22,66 m³/Min. 800 Kubikfuß/Minute (CFM) bei 60 Hz ausgelegt) aktiviert, und der Sauerstoffpegel des Kühlgases 106 wird überwacht und bei weniger oder gleich 100 ppm aufrechterhalten. Sauerstoffpegel verbleiben typischerweise konstant im Bereich von 40–100 ppm und sollten diesen Bereich nach 15–30 Minuten erreichen. Wenn Sauerstoffpegel zu hoch werden, d.h. 100 ppm übersteigen, wird das gesamte System abgeschaltet. Bei einer Temperatur in dem Ofen, die auf eine Größenordnung von 565,5 °C (1050 °F) absinkt, wird die Lüfterfrequenz auf 30 Hz erhöht und ein Heliumstrom von 0,85 m³/Std. (30 SCFH) initiiert und anschließend nach einem Zeitraum von ungefähr sechs Stunden gestoppt (der Behälter wird druckentlastet, um einen über dem Atmosphärendruck liegenden Überdruck zu vermeiden). Wenn die Temperatur 399 °C (750 °F) erreicht, wird die Lüfterfrequenz auf 35 Hz erhöht und wird wieder ein Heliumstrom von 0,85 m³/Std. (30 SCFH) für einen weiteren Zeitraum von ungefähr sechs Stunden initiiert und danach gestoppt. Wenn die Temperatur in dem Ofen auf eine Endtemperatur von 315,5 °C (600 °F) oder weniger gesenkt wird, kann die Ofenabdeckung entfernt werden und kann das Kühlsystem deaktiviert werden. Alternativ kann das Kühlsystem in Betrieb bleiben, um Außenluft durch den Ofen zirkulieren zu lassen. Durch Erhöhen der Lüfterdrehzahl und der Heliumströmungsraten bei Abkühlung des Ofens wird die Kühlrate erhöht und wird eine Annäherung einer linearen Abkühlung (anstelle einer asymptotischen) von der Anfangstemperatur zu der Endtemperatur ermöglicht. Dieses Verfahren ist insbesondere zum Kühlen von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoff-Bremsscheiben von CVI/CVD-Verarbeitungstemperaturen geeignet. Alternativ kann anstelle von Helium Stickstoff zum Abkühlen verwendet werden.
Ein Verfahren zum Kühlen eines Ofens von einer anfänglichen Feuerfest-Verbundstoff-Wärmebehandlungstemperatur (in der Größenordnung von 1871 °C (3400 °F)) erfolgt auf im Wesentlichen gleiche Weise wie der oben beschriebene Prozess, mit folgenden Ausnahmen. Der Ofen wird mit einer Gasmischung verfüllt, die zu ¾ aus Argon und ¼ aus Helium besteht, da diese Gase bei einer Anfangstemperatur stabil sind. Bei höheren Temperaturen wird weniger Helium verwendet, um eine zu hohe Kühlrate zu vermeiden, durch die Komponenten in dem Ofen, beispielsweise die Induktionsspule und/oder die Feuerfest-Verbundstoff-Strukturen, die wärmebehandelt werden, beschädigt werden können. Wenn die Ofentemperatur die Größenordnung von 1010 °C (1850 °F) erreicht, wird ein Heliumstrom von 0,85 m³/Std. (30 SCFH) initiiert. Anschließend werden zusätzliches Helium und höhere Lüfterdrehzahlen verwendet, wie oben beschrieben.
10 zeigt einen Ofen 10 gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, der dem in 9 gezeigten Ofen 10 im Wesentlichen gleich ist, mit der Ausnahme, dass der durch die Seite des Ofens verlaufende Kühlgaseinlass durch einen im Wesentlichen gleichen Einlass ersetzt ist, der von unten in den Ofen eintritt und durch die Mitte des Gasvorwärmers 56 nach oben verläuft. Die Einlassleitung 72 kann, falls gewünscht, in mehrere Einlasse aufteilt werden. Dieser Ofen kann entsprechend der in 5 gezeigten Ausführungsform implementiert werden.
Obwohl die Erfindung anhand spezifischer erläuternder Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese erläuternden Ausführungsformen beschränkt. Fachleute auf dem Sachgebiet erkennen, dass Variationen und Modifikationen möglich sind, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird, der in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert ist. Daher umfasst die Erfindung sämtliche Variationen und Modifikationen, die in den Umfang der beiliegenden Patentansprüche und deren Äquivalente fallen.

Claims

Verfahren zum Kühlen eines Ofens zum Verarbeiten von feuerfesten Verbundstoffen, mit folgenden Schritten: – Strömenlassen eines Kühlgases in einem geschlossenen Kreislauf (102, 142, 152, 156) durch den Ofen (10, 90, 96, 100, 124, 138, 144, 154) über die in dem Ofen (10, 90, 96, 100, 124, 138, 144, 154) angeordneten feuerfesten Verbundstoffe (62) und über ein in dem Ofen (10, 90, 96, 100, 124, 138, 144, 154) angeordnetes Kühlelement (104) mit Hilfe eines Gebläses (108), und – Bereitstellen einer Einrichtung (194) zum Einstellen des Kühlgasstroms zum Erzeugen einer konstanten Kühlrate in dem Ofen (10, 90, 96, 100, 124, 138, 144, 154).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kühlgas aus der Gruppe von Stickstoff, Helium und Argon ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit einem vorbestimmten Verhältnis von Gasen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der geschlossene Kreislauf (102, 142, 152, 156) den Ofen (10, 90, 96, 100, 124, 138, 144, 154) und das außerhalb des Ofens (10, 90, 96, 100, 124, 138, 144, 154) angeordnete Gebläse (108) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit dem Schritt des Überwachens des Sauerstoffgehalts des Kühlgases.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit dem Schritt des Aufrechterhaltens des Sauerstoffgehalts des Kühlgases bei weniger als oder gleich 100 ppm.
Ofen zum Verarbeiten feuerfester Verbundstoffe und ein Kühlsystem für den Ofen, mit: – einem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146), der ein Ofenvolumen (24, 114) definiert, – einer in dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) angeordneten Heizeinrichtung (116), – einem in dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) angeordneten Kühlelement (104), – einer mit dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) verbundenen Einlassleitung (72, 118), die mit dem Ofenvolumen (22, 114) in Fluidverbindung steht, – einer mit dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) verbundenen Auslassleitung (120), die mit dem Ofenvolumen (22, 114) in Fluidverbindung steht, – einer Kühlgasversorgungseinrichtung (122) zum selektiven Einleiten eines Kühlgases in das Ofenvolumen (24, 114), – einem in Fluidverbindung mit der Einlassleitung (72, 118) und der Auslassleitung (120) verbundenen Gebläse (108), wobei das Aktivieren des Gebläses (108) bewirkt, dass in das Ofenvolumen (22, 114) eingeleitetes Kühlgas in einem geschlossenen Kreislauf (102, 142, 152, 156) durch das Gebläse (108), durch die Einlassleitung (72, 118), über das Kühlelement (104), durch die Auslassleitung (120) und zu dem Gebläse (108) zurück strömt, und – einer Gebläsesteuerung (194) zum Aktivieren des Gebläses (108), wobei Zeit-, Temperatur- und Kühlratendaten zu der Gebläsesteuerung zurückgeführt werden und die Gebläsesteuerung (104) die Aktivierung des Gebläses (108) einstellt, um eine vorgeschriebene Kühlrate aufrechtzuerhalten.
Ofen nach Anspruch 7, bei dem der Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) einen Endteil (68, 70, 130, 132) aufweist, wobei die Einlassleitung (72, 118) mit dem Endteil (68, 70, 130, 132) verbunden ist.
Ofen nach Anspruch 7, bei dem der Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) einen Mittelteil (128) aufweist, wobei die Einlassleitung (72, 118) in dem Mittelteil (128) mit dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) verbunden ist.
Ofen nach Anspruch 7, bei dem der Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) einen zwischen zwei Endteilen (68, 70, 130, 132) angeordneten Mittelteil (128) aufweist, wobei die Einlassleitung (72, 118) mit dem Mittelteil (128) und einem der Endteile (68, 70, 130, 132) verbunden ist und die Auslassleitung (120) mit dem anderen der Endteile (68, 70, 130, 132) verbunden ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Kühlgasversorgungseinrichtung (122) mehrere Gase aufweist, die in einem vorbestimmten Verhältnis zugeführt werden.
Ofen nach Anspruch 11, bei dem die mehreren Kühlgase Stickstoff, Helium und Argon umfassen.
Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 12, ferner mit einem mit dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) verbundenen Reaktantgaseinlass, der mit dem Ofenvolumen (22, 114) in Fluidverbindung steht, wobei die Einlassleitung über den Reaktantgaseinlass mit dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) verbunden ist und zum selektiven Einleiten von Kühlgas über den Reaktantgaseinlass in das Ofenvolumen (22, 114) vorgesehen ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem die Heizeinrichtung (116) einen Suszeptor (26, 158) und eine benachbart zu dem Suszeptor (26, 158) angeordnete Induktionsspule (24, 160) aufweist und das Kühlelement (104) zum Kühlen der Induktionsspule (24, 160) vorgesehen ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem das Gebläse (108) ein Gehäuse (170) und eine davon vorstehende Antriebswelle (172) und eine inertgasgespülte dynamische Dichtung (174) zwischen dem Gehäuse (170) und der Antriebswelle (172) aufweist.
Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem die Heizeinrichtung (116) aufweist: – einen in dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) angeordneten Suszeptor (26, 158), und – eine in dem Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) benachbart zu dem Suszeptor (26, 158) angeordnete Induktionsspule (24, 160), die das Kühlelement (104) aufweist.
Ofen nach Anspruch 16, bei dem das Gebläse (108) ein Gehäuse (170) und eine davon vorstehende Antriebswelle (172) und eine inertgasgespülte dynamische Dichtung zwischen dem Gehäuse (170) und der Antriebswelle (172) aufweist.
Ofen nach Anspruch 7, ferner mit einem Suszeptor (26, 158), der in dem Ofen (12, 14, 98, 126, 140, 146) angeordnet und als zylindrische Wand mit einem Mittelteil (66) zwischen zwei Endteilen (68, 70) ausgebildet ist, einer in den Ofen (12, 14, 98, 126, 140, 146) eintretenden Kühlgaseinlassleitung (72, 118) und einer aus dem Ofen (12, 14, 98, 126, 140, 146) austretenden Kühlgasauslassleitung (120), wobei der Mittelteil (66) ein Loch (74) aufweist, die Einlassleitung (72, 118) in das Loch (74) eintritt und zum Einleiten von Kühlgas an dem Mittelteil (66) in die zylindrische Wand vorgesehen ist, und das Kühlelement (104) zwischen der Einlassleitung (72, 118) und der Auslassleitung (120) angeordnet ist, derart, dass durch die Einlassleitung (72, 118) eingeleitetes Kühlgas über das Kühlelement (104) strömt, bevor es den Ofen (12, 14, 98, 126, 140, 146) durch die Auslassleitung (120) verlässt.
Ofen nach Anspruch 18, ferner mit einer benachbart zu der zylindrischen Wand angeordneten Induktionsspule (24, 160), wobei die Einlassleitung (72, 118) durch die Induktionsspule (24, 160) verläuft.
Ofen nach Anspruche 18 oder 19, ferner mit einer benachbart zu der zylindrischen Wand angeordneten Induktionsspule (24, 160), wobei die Einlassleitung (72, 118) durch die Induktionsspule (24, 160) verläuft und das Kühlelement (104) zum Kühlen der Induktionsspule (24, 160) vorgesehen ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die mehreren Gase Argon und Helium umfassen.
Ofen nach Anspruch 7, bei dem der Ofenmantel (12, 14, 98, 126, 140, 146) einen Mittelteil (66) aufweist.