DE69521630T2

DE69521630T2 - Vorrichtung zur Durchführung des Gasphaseninfiltrations bzw. -beschichtungsverfahren (CVI/CVD)

Info

Publication number: DE69521630T2
Application number: DE69521630T
Authority: DE
Inventors: Lowell D Bok; Mark J Purdy; James W Rudolph
Original assignee: BF Goodrich Corp
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 1994-11-16
Filing date: 1995-11-16
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2015-11-17
Also published as: WO1996015288A2; CN1298888C; JP2006097136A; DE69511573T2; ES2137561T3; DE69521630D1; KR970707318A; EP0846787B1; EP0846787A1; US6109209A; CN1136335C; DE69511573D1; CA2205139A1; KR100389503B1; AU4370996A; JP3759166B2; RU2146304C1; WO1996015288A3; CN1528949A; CN1170442A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einsatz in CVI- und CVD-Verfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Vorwärmer zum Erwärmen eines Reaktionsgases in einem CVI/CVD-Ofen.
Das CVI/CVD-Verfahren ist ein bekanntes Verfahren zum Aufbringen einer Bindematrix innerhalb einer porösen Struktur. Der Ausdruck "CVD" bezieht sich im wesentlichen auf das Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung, der Ausdruck bezieht sich jedoch auch auf das Infiltrieren und Aufbringen einer Matrix innerhalb einer porösen Struktur. Wie hier angewandt, bezieht sich der Ausdruck CVI/CVD auf das Infiltrieren und Aufbringen einer Matrix innerhalb einer porösen Struktur. Das Verfahren ist besonders für die Fertigung von Hochtemperatur-Strukturverbundteilen durch Aufbringen einer kohlenstoffhaltigen oder keramischen Matrix innerhalb einer kohlenstoffhaltigen oder keramischen porösen Struktur in Strukturen, wie Kohlenstoff-Kohlenstoff-Flugzeugbremsscheiben und keramischen Brennern oder Turbinenkomponenten geeignet. Die bekannten CVI/CVD-Verfahren können in vier grundsätzliche Kategorien eingeteilt werden: Isotherme, 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 das Druckgradientverfahren als "isothermen Zwangdurchlauf"). Bei einem isothermen CVI/CVD-Verfahren umläuft ein Reaktionsgas eine erwärmte poröse Struktur bei absoluten Drücken im Bereich von wenigen Millitorr. Das Gas diffundiert aufgrund von Konzentrationsgradienten und Spaltung in die poröse Struktur, so dass dort eine Bindematrix aufgebracht wird. Dieses Verfahren ist auch als "herkömmliches CVI/CVD-Verfahren bekannt. Die poröse Struktur wird auf eine mehr oder weniger gleichmäßige Temperatur erwärmt, daher der Ausdruck "isotherm", dies ist jedoch keine korrekte Bezeichnung. Geringe Temperaturabweichungen sind aufgrund ungleichmäßiger Erwärmung (die im wesentlichen in den meisten Öfen unvermeidbar ist), Abkühlung einiger Bereiche durch den Reaktionsgasstrom und Erwärmung oder Abkühlung anderer Bereiche aufgrund des Reaktionswärmeeffekts in der porösen Struktur nicht zu vermeiden. Somit bedeutet "isotherm", dass nicht versucht wird, einen Wärmegradienten zu erzeugen, der das Aufbringen einer Bindematrix beeinflusst. Dieses Verfahren ist für das gleichzeitige Verdichten großer Mengen von porösen Artikeln und insbesondere für das Herstellen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bremsscheiben geeignet. Unter entsprechenden Bearbeitungsbedingungen kann eine Matrix mit gewünschten physikalischen Eigenschaften aufgebracht werden. Ein herkömmliches CVI/CVD- Verfahren kann jedoch eine wochenlange kontinuierliche Bearbeitung erforderlich machen, damit eine brauchbare Dichte erreicht wird, und die Oberfläche neigt dazu, als erstes zu verdichten, was zu einer "Versiegelungsbeschichtung" führt, die weitere Infiltration von Reaktionsgas in die inneren Regionen der porösen Struktur verhindert. Somit macht dieses Verfahren im wesentlichen mehrere Oberflächenbearbeitungsvorgänge erforderlich, durch die das Verdichtungsverfahren unterbrochen wird.
Bei einem Wärmegradient-CVI/CVD-Verfahren wird eine poröse Struktur derart erwärmt, dass steile Wärmegradienten erzeugt werden, die zu einem Aufbringen in einem gewünschten Bereich der porösen Struktur führen. Es ist möglich, die Wärmegradienten durch Erwärmen von nur einer Oberfläche einer porösen Struktur zu erzeugen, z. B. durch Platzieren einer porösen Struktur gegen eine Susceptorwand, und sie durch Abkühlen einer gegenüberliegenden Oberfläche zu erhöhen, z. B. durch Platzieren der gegenüberliegenden Oberfläche der porösen Struktur gegen eine flüssigkeitsgekühlte Wand. Das Aufbringen der Bindematrix setzt sich von der heißen Oberfläche zur kalten Oberfläche fort. Die Anordnung für ein Wärmegradient-Verfahren ist normalerweise komplex, teuer und schwer implementierbar, wenn relativ großen Mengen von porösen Strukturen zu verdichten sind.
Bei einem Druckgradient-CVI/CVD-Verfahren wird das Reaktionsgas durch Erzeugen eines von einer Oberfläche der porösen Struktur zu einer gegenüberliegenden Oberfläche der porösen Struktur verlaufenden Druckgradienten gezwungen, die porösen Struktur zu durchströmen. Die Strömungsrate des Reaktionsgases wird relativ zu den isothermen und Wärmegradient-Verfahren stark erhöht, was zu einer erhöhten Bindematrix-Aufbringungsrate führt. Dieses Verfahren ist auch als "Zwanglauf"-CVI/CVD-Verfahren bekannt. Die Anordnung für das Druckgradient- CVI/CVD-Verfahren ist komplex, teuer und schwer implementierbar, wenn große Mengen an porösen Strukturen zu verdichten sind. Ein Beispiel für ein Verfahren, mit dem ein längsverlaufender Druckgradient entlang den Längen eines Bündels unidirektionaler Fasern erzeugt wird, ist bei S. Kamura, N. Takase, S. Kasuya und E. Yasuda, Fracture Behaviour of C Fiber/CVD C Composite, Carbon '80 (German Ceramic Society) (1980) beschrieben. Ein Beispiel für ein Verfahren, mit dem ein rein radialer Druckgradient zum Verdichten einer ringförmigen porösen Wand erzeugt wird, ist in US-A-4,212,906 und US-A-4,134,360 beschrieben. Die in diesen Referenzen beschriebene ringförmige poröse Wand kann aus mehreren gestapelten ringförmigen Scheiben (zum Herstellen von Bremsscheiben) gebildet oder als unitäre rohrförmige Struktur ausgebildet sein. Bei dickwandigen Strukturverbundteilen wird durch ein Verfahren mit rein radialem Druckgradienten ein sehr hoher Dichtegradient von der zylindrischen Innenfläche zur zylindrischen Außenfläche der ringförmigen porösen Wand erzeugt. Ferner neigt die dem hohen Druck ausgesetzte Oberfläche dazu, sehr schnell zu verdichten, wodurch diese Oberfläche versiegelt wird und Infiltration von Reaktionsgas in Regionen mit geringer Dichte verhindert wird. Dadurch wird die Anwendbarkeit des Verfahrens mit rein radialem Druckgradienten stark eingeschränkt.
Schließlich umfasst das CVI/CVD-Verfahren mit gepulster Strömung das schnelle und zyklische Befüllen und Entleeren einer die erwärmte poröse Struktur enthaltenden Kammer mit dem Reaktionsgas. Durch die zyklische Aktion wird das Reaktionsgas gezwungen, die poröse Struktur zu infiltrieren, und wird ferner das Entfernen gespaltener Nebenprodukte des Reaktionsgases von der porösen Struktur erzwungen. Die Ausrüstung zum Implementieren eines solchen Verfahrens ist komplex, teuer und schwer zu unterhalten. Dieses Verfahren ist sehr schwer implementierbar, wenn eine große Anzahl von porösen Strukturen zu verdichten ist.
Viele auf dem Gebiet Tätige haben die Wärmegradient- und Druckgradient-Verfahren kombiniert, was zu einem "Wärmegradient-Zwanglauf"-Verfahren geführt hat. Mit dem Kombinieren der Verfahren scheinen die Nachteile der jeweiligen einzelnen Verfahren eliminiert worden und eine sehr schnelle Verdichtung von porösen Strukturen gelungen zu sein. Das Kombinieren der Verfahren führt jedoch auch zu einer doppelten Komplexität, da Anordnung und Ausrüstung derart konfiguriert sein müssen, dass sowohl Wärme- als auch Druckgradienten mit einen bestimmten Maß an Steuerung erzeugt werden. Ein Verfahren zum Verdichten kleiner Scheiben und Rohre gemäß einem Wärmegradient-Zwanglauf-Verfahren ist in US-A-4, 580,524 und von A. J. Caputo und W. J. Lackey, Fabrication of Fiber-Reinforced Ceramic Composites by Chemical Vapor Infiltration, erstellt vom OAK RIDGE NATION LABORATORY für das U.S. DEPARTMENT OF ENERGY unter der Vereinbarung Nr. DE- AD05-84 0R21400 (1984) beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird ein Faservorformling in einer wassergekühlten Ummantelung angeordnet. Das Oberteil des Vorformlings wird erwärmt, und Gas durchströmt im Zwanglauf den Vorformling zum erwärmten Bereich, wo es sich spaltet und eine Matrix aufbringt. Ein Verfahren zum Aufbringen einer Matrix auf eine rohrförmige poröse Struktur ist in USA-4,895,108 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird die zylindrische Außenfläche der rohrförmigen porösen Struktur erwärmt und die zylindrische Innenfläche von einem Wassermantel gekühlt. Das Reaktionsgas wird in die zylindrische Innenfläche eingeleitet. Ähnliche Zwanglauf-Wärmegradient-Verfahren zum Herstellen verschiedener Artikel sind von T. Hunh, C. V. Burkland und B. Bustamante, Densification of a Thick Disk Preform with Silicon Carbide Matrix by a CVI Process, Ceram. Eng. Sci. Proc 12[9-10], Seite 2005-2014 (1991); T. M. Besmann, R. A. Lowden, D. P. Stinton und T. L. Starr, A Method for Rapid Chemical Vapor Infiltration of Ceramic Comnosites, Journal De Physique, Colloque C5, supplement au nº 5, Tome 50 (1989); T. D. Gulden, J. L. Kage und K. P. Norton, Forced-Flow Thermal-Gradient Chemical Vapor Infiltration (CVI) of Ceramic Matrix Composites, Proc.- Electrochemical Society (1990), 90-12 (Proc. Int. Conf. Chem. Vap. Deposition, 11th, 1990) 546-52 beschrieben. In jeder dieser Beschreibungen sind Verfahren zum Verdichten von nur einem porösen Artikel gleichzeitig dargestellt, und solche Verfahren sind zum Bearbeiten einer großen Anzahl von Verbundartikeln, wie Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bremsscheiben nicht praktikabel.
Aus EP-A-0 548 944 und US-A-5,362,228 sind CVI/CVD-Öfen mit Vorwärmern zum Vorwärmen von in den Ofen eingeleitetem Gas bekannt. Während der Vorwärmer des Ofens gemäß EP-A-0 548 944 ein feststehender Vorwärmer ist, ist der in US-A- 5,362,228 beschriebene Ofen mit einem drehbaren Vorwärmer versehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Implementieren von CVI/CVD-Verfahren bereitzustellen, mit der es möglich ist, eine große Anzahl (Hunderte) von einzelnen porösen Strukturen in einem CVI/CVD-Verfahren auf effizientere Weise gleichzeitig zu verdichten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Ofen gemäß Anspruch 1 bzw. einem Verfahren gemäß Anspruch 18 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines CVI/CVD-Ofens mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Vorwärmers gemäß einem Aspekt der Erfindung;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Vorwärmers gemäß einem Aspekt der Erfindung;
Fig. 5 eine Draufsicht des in Fig. 4 dargestellten Vorwärmers;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 aus Fig. 5;
Fig. 7 einen Teil einer Seitenansicht des in Fig. 4 dargestellten Vorwärmers;
Fig. 8 eine Detailansicht zweier aneinandergrenzender perforierter Platten;
Fig. 9 eine Anordnung mit einem Stapel poröser Strukturen;
Fig. 10 eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 aus Fig. 9;
Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 aus Fig. 10;
Fig. 12A eine Dichtungsanordnung;
Fig. 12B eine Dichtungsanordnung;
Fig. 13A eine Dichtungsanordnung;
Fig. 13B eine Dichtungsanordnung;
Fig. 14A eine Dichtungsanordnung;
Fig. 14B eine Dichtungsanordnung;
Fig. 15A eine Dichtungsanordnung;
Fig. 15B eine Dichtungsanordnung;
Fig. 16 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen der Stapelhöhe;
Fig. 17 ein alternatives Verfahren und eine alternative Vorrichtung zum Einstellen der Stapelhöhe;
Fig. 18 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen der Beabstandung der Stapelhöhe;
Fig. 19A ein Verfahren zum Zusammensetzen einer Anordnung;
Fig. 19B ein Verfahren zum Zusammensetzen einer Anordnung;
Fig. 20 eine alternative Anordnung mit porösen Strukturen;
Fig. 21 eine alternative Anordnung mit porösen Strukturen;
Fig. 22 eine alternative Anordnung mit porösen Strukturen mit alternierenden "ID"- und "AD"-Dichtungen;
Fig. 23 eine alternative Anordnung mit porösen Strukturen, die alle "ID"-Dichtungen aufweisen;
Fig. 24 eine Abdeckplatte mit einem Array von Perforationen zum Einsatz mit einem Vorwärmer gemäß einem Aspekt der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die Erfindung und verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in Fig. 1 bis 24 und den beiliegenden Zeichnungen, in denen Teile mit gleichen Bezugszeichen identisch sind, dargestellt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck "herkömmliches CVI/CVD-Verfahren" auf das oben beschriebene isotherme CVI/CVD-Verfahren. Der Ausdruck "Druckgradient-CVI/CVD-Verfahren" bezieht sich auf das oben beschriebene Druckgradient-CVI/CVD-Verfahren oder das Zwanglaufverfahren, und die zuvor beschriebenen Wärmegradient- und Wärmegradient-Zwanglauf-Verfahren sind in dem Maße ausdrücklich ausgenommen, in dem bei diesem Verfahren ein absichtlich erzeugter Wärmegradient benutzt wird, der das Aufbringverfahren beeinflusst.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines CVI/CVD-Ofens 1C mit einem Gasvorwärmer 50 gemäß einem Aspekt der Erfindung. Der Ofen 10 weist ein Ofengehäuse 13 mit einer Innenfläche 12 auf. Die Innenfläche 12 begrenzt ein Ofenvolumen 14. Dem Ofen 10 wird über einen Gaseinlass 16 ein Reaktionsgas zugeführt, wie durch Pfeil 24 angezeigt. Der Vorwärmer 50 ist zusammen mit einer Anzahl von porösen Strukturen 22 im Ofen 10 angeordnet. Die porösen Strukturen 22 werden von (nicht gezeigten) Anordnungen gehalten, durch die die porösen Strukturen im gesamten Ofenvolumen beabstandet angeordnet sind. Geeignete Anordnungen zum Verdichten poröser Strukturen mittels eines herkömmlichen CVI/CVD-Verfahrens sind auf dem Gebiet bekannt, und einige davon sind zum Einsatz mit dem Vorwärmer 50 geeignet. Die Anordnungen können speziell zum Verdichten der porösen Strukturen 22 mittels eines Druckgradient-CVI/CVD-Verfahrens vorgesehen sein, wie anhand von Fig. 9 bis 24 genauer erläutert wird. Der Ofen 10 wird induktionserwärmt und weist einen im Ofen 10 angeordneten Susceptor 30 auf. Der Susceptor 30 weist vorzugsweise eine im wesentlichen zylindrische Susceptorwand 464 und einen Susceptorboden 18 auf. Eine erste Induktionsspule 466, eine zweite Induktionsspule 468 und eine dritte Induktionsspule 470 sind entlang der Susceptorwand 464 angeordnet. Eine Isoliersperre 31 ist zwischen der Susceptorwand 464 und den Spule 466, 468 und 470 angeordnete. Der Susceptor 30 weist eine Innenfläche 86 auf, die ein Reaktorvolumen 88 innerhalb des Ofenvolumens 14 begrenzt. Die porösen Strukturen sind in dem Reaktorvolumen 88 angeordnet und werden hauptsächlich durch vom Susceptor 30 kommende Strahlung erwärmt.
Dem Vorwärmer 50 wird das Gas zugeführt und in diesem wird die Gastemperatur erhöht, bevor das Gas in das übrige Reaktorvolumen 88 eingeleitet wird. Der Vorwärmer 50 weist eine abgedichtete Umlenkstruktur 58 und eine abgedichtete Kanalstruktur 52 im Ofen 10 auf. Die Umlenkstruktur 58 weist einen Umlenkstruktureinlass 54 und einen Umlenkstrukturauslass 56 auf. Die abgedichtete Kanalstruktur 52 ist um den Gaseinlass 16 und die Umlenkstruktur 54 derart abgedichtet, dass im wesentlichen das gesamte vom Gaseinlass kommende Reaktionsgas gezwungen wird, die abgedichtete Umlenkstruktur 58 zum Umlenkstrukturauslass 56 zu durchströmen, wie durch Pfeil 36 angezeigt. In der Praxis kann der Vorwärmer 50 auf Temperaturen über 926,6ºC (1700ºF) erwärmt werden. Es ist schwierig, bei solch hohen Temperaturen eine perfekte Abdichtung aufrechtzuerhalten. Eine geringe Leckage ist zulässig und fast unvermeidbar. Der Ausdruck "im wesentlichen das gesamte Gas" bedeutet, dass eine geringe Leckage zulässig ist. Mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95% des Gases wird gezwungen, die Umlenkstruktur 58 zu durchströmen. Die Umlenkstruktur 58 kann ein Array von Stangen, Rohren, perforierten Platten oder äquivalenten Strukturen zum Dispergieren der Strömung und Erhöhen der Konvektionswärmeübertragung von der Umlenkstruktur 58 auf das Reaktionsgas aufweisen.
Nach dem Eintritt in das Reaktorvolumen 88 um- oder durchströmt das Gas die porösen Strukturen 22 und verlässt das Ofenvolumen 14 durch den Auslass 32, wie durch Pfeil 28 angezeigt. Das Gas infiltriert die porösen Strukturen 22 und bringt eine Bindematrix innerhalb jeder porösen Struktur 22 auf. Die verschiedenen Aspekte der Erfindung können zum Aufbringen jedes beliebigen Typs von CVI/CVD- Matrix verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Kohlenstoff- oder Keramikmatrix, die innerhalb auf Kohlenstoff oder Keramik basierender poröser Strukturen 22 aufgebracht werden. Die Erfindung ist insbesondere zum Aufbringen einer Kohlenstoffmatrix innerhalb einer auf Kohlenstoff basierenden porösen Struktur und besonders zum Herstellen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstrukturen, wie Flugzeugbremsscheiben, geeignet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Abdeckplatte 60 über dem Umlenkstrukturauslass 56 angeordnet, und diese Abdeckplatte 60 weist mindestens eine Öffnung 64 auf. Die Abdeckplatte ist vorzugsweise um den Umlenkstrukturauslass 56 derart abgedichtet, dass im wesentlichen das gesamte vom Umlenkstrukturauslass 56 kommende Gas durch die mindestens eine Öffnung 64 geleitet wird.
Fig. 2 zeigt einen Vorwärmer 500, der eine spezifische Ausführungsform des Vorwärmers 50 darstellt. Der Vorwärmer 500 weist eine abgedichtete Kanalstruktur 502 und eine abgedichtete Umlenkstruktur 508 auf. Die abgedichtete Kanalstruktur 502 ruht auf dem Susceptorboden 18 und weist mehrere Teile 516, 518, 520, 522 und 524 auf, die mehrere abgedichtete Verbindungsstellen 526, 528, 530, 532 und 534 bilden. Die abgedichteten Verbindungsstellen 526, 528, 530, 532 und 534 weisen nachgiebige Dichtungen auf. Eine Schnittansicht des Vorwärmers 500 entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Die abgedichtete Umlenkstruktur 508 ruht vorzugsweise auf der abgedichteten Kanalstruktur 502. Die abgedichteten Kanalstrukturteile 516, 518, 520 und 522 können mit Rippen versehen sein, wie den Rippen 536 und 538, die an der Umlenkstruktur 508 angreifen. Der Gaseinlass 16 kann gegen das untere Kanalstrukturteil 524 abgedichtet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die abgedichtete Umlenkstruktur 508 mehrere voneinander beabstandete, parallel zueinander angeordnete perforierte Platten 540 auf. Die untere perforierte Platte 540 weist einen Umlenkstruktureinlass 504 und die obere perforierte Platte einen Umlenkstrukturauslass 506 auf. Jede perforierte Platte 540 weist ein Array von Perforationen 542 auf, wobei das Array von Perforationen 542 einer perforierten Platte 540 relativ zu einem Array von Perforationen 542 einer angrenzenden perforierten Platte 540 versetzt angeordnet ist. Die Umlenkstruktur 508 weist vorzugsweise ein Array von aneinandergrenzenden gestapelten perforierten Platten 540 auf, die einen Umfang 544 (als dunkle Linie dargestellt) der perforierten Platte bilden. Mehrere erste nachgiebige Dichtungen 546 sind um den Umfang 544 der perforierten Platte jeweils zwischen zwei aneinandergrenzenden perforierten Platten 540 angeordnet, und dies dient zwei Zwecken, nämlich dem Abdichten und Beabstanden der perforierten Platten 540. Eine zweite nachgiebige Dichtung 548 ist zwischen den Rippen 536 und 538 und der abgedichteten Umlenkstruktur 508 angeordnet. Das Gas wird durch den Gaseinlass 16 in den Vorwärmer eingeleitet, wie durch Pfeil 24 angezeigt. Die abgedichtete Kanalstruktur 502 ermöglicht ein Ausdehnen und Dispergieren des Gases, wie durch Pfeil 550 angezeigt, und leitet das Gas zum Umlenkstruktureinlass 504. Es wird im wesentlichen das gesamte Gas gezwungen, durch die Umlenkstruktur 508 zu dispergieren und aus dem Umlenkstrukturauslass 506 auszutreten, wie durch Pfeile 522 angezeigt. Gemäß Fig. 2 kann eine Abdeckplatte 510 mit mindestens einer Öffnung 514 über dem Umlenkstrukturauslass 508 angeordnet sein. Die Abdeckplatte 510 ist vorzugsweise um den Umlenkstrukturauslass 508 herum derart abgedichtet, dass im wesentlichen das gesamte vom Umlenkstrukturauslass 508 kommende Gas durch die mindestens eine Öffnung 514 geleitet wird. Das kann dadurch realisiert werden, dass die abgedichtete Kanalstruktur über eine kurze Distanz über den Umlenkstrukturauslass hinaus geführt wird und eine nachgiebige Dichtung zwischen der Abdeckplatte 510 und der abgedichteten Kanalstruktur 502 angeordnet wird.
Fig. 4 zeigt einen Vorwärmer 100, der eine bevorzugte Ausführungsform des Vorwärmers 50 darstellt. Der Vorwärmer 100 weist eine abgedichtete Kanalstruktur 102 und eine abgedichtete Umlenkstruktur 108 innerhalb des Ofens 10 auf. Dem Vorwärmer 100 wird vom Gaseinlass 16 (Fig. 1) kommendes Gas zugeführt. In diesem Beispiel weist die abgedichtete Umlenkstruktur 108 ein Array von voneinander beabstandeten perforierten Platten 128 und 129 auf, wobei eine untere perforierte Platte einen Umlenkstruktureinlass 104 und eine obere perforierte Platte einen Umlenkstrukturauslass 106 besitzt. Die abgedichtete Kanalstruktur 102 ist um den Gaseinlass 16 (Fig. 1) und den Umlenkstruktureinlass 104 herum derart abgedichtet, dass im wesentlichen das gesamte vom Gaseinlass kommende Reaktionsgas durch die abgedichtete Umlenkstruktur 108 zum Umlenkstrukturauslass 106 gezwungen wird. Die abgedichtete Kanalstruktur 102 und die abgedichtete Umlenkstruktur 108 sind derart gegeneinander abgedichtet, dass das Gas erst die abgedichtete Umlenkstruktur 108 durchströmt, bevor es in das übrige Reaktorvolumen 88 (Fig. 1) gelangt. Bei dieser Ausführungsform ist die abgedichtete Kanalstruktur 102 derart gegen den Susceptorboden 18 abgedichtet, dass Gasleckagen vom Vorwärmer 100 zum Reaktorvolumen 88 erst die abgedichtete Umlenkstruktur 108 durchströmen müssen. Es wird im wesentlichen das gesamte vom Einlass 16 kommende und in die Kanalstruktur 102 eingeleitete Gas gezwungen, in die abgedichtete Umlenkstruktur 108 zu strömen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die abgedichtete Kanalstruktur 102 mindestens zwei Teile auf, die mehrere abgedichtete Verbindungsstellen bilden.
Die Teile des in Fig. 4 dargestellten Vorwärmers 100 weisen Haltestäbe 119, 120 und 121 sowie einen oberen Ring 122 und einen unteren Ring 123 auf, die gemeinsam mehrere abgedichtete Verbindungsstellen 124, 125, 166, 168, 170, 172 und 174 bilden. Die Haltestäbe 119, 120 und 121 sowie der untere Ring 123 halten vorzugsweise das Gewicht der abgedichteten Umlenkstruktur 108. Die Verbindungsstellen 166, 168, 170, 172 und 174 werden vorzugsweise mit Flüssigkleber, der nachfolgend aushärtet, abgedichtet. Die Verbindungsstellen 124 und 125 zwischen dem oberen Ring 122 und dem unteren Ring 123 und der abgedichteten Umlenkstruktur 108 sind mit einer nachgiebigen Dichtung 126 und 138 abgedichtet, wie in Fig. 6 dargestellt. Die Verbindungsstellen 166 und 174 zwischen den oberen Ring 122 und den Haltestäben 119 und 121 sind mit einer nachgiebigen Dichtung 176 abgedichtet, wie in Fig. 7 dargestellt. Die Verbindungsstelle 172 zwischen dem unteren Ring 123 und der Haltestange 121 ist mit einer nachgiebigen Dichtung 178 abgedichtet, wie in Fig. 7 dargestellt (eine ähnliche Dichtung ist zwischen dem unteren Ring 123 und dem Haltestab 119 vorgesehen). Wie in Fig. 6 gezeigt, kann die Abdichtung zwischen der abgedichteten Kanalstruktur 102 und dem Susceptorboden 18 eine zwischen der Umfangsstruktur 102 und dem Susceptorboden 18 angeordnete nachgiebige Dichtung 118 aufweisen. Insbesondere kann die Dichtung 118 zwischen dem unteren Ring 123 und dem Susceptorboden 18 und zwischen den Haltestäben 119, 120 und 121 und dem Susceptorboden 18 angeordnet sein. Ein Flüssigkleber kann zur Erhöhung der Dichtwirkung eingesetzt werden. Das nachgiebige Dichtungsmaterial ist besonders nützlich, da es die durch die Wärmedehnung der verschiedenen Teile der abgedichteten Kanalstruktur 102 erzeugte Spannung absorbiert.
Gemäß Fig. 4 ist eine Abdeckplatte 110 vorzugsweise angrenzend an eine über dem abgedichteten Umlenkstrukturauslass 106 angeordnete abgedichtete Kanalstruktur 102 vorgesehen. Die Abdeckplatte 110 dient zum Halten der Befestigungsvorrichtungen der porösen Strukturen. Die Abdeckplatte 110 ist zum Einsatz in einem Druckgradient-CVI/CVD-Verfahren vorgesehen und weist mehrere Öffnungen 114 und 116 auf. Eine in Fig. 24 dargestellte alternative Abdeckplatte 152 weist ein Array von Perforationen 153 auf und ist zum Einsatz in einem herkömmlichen CVI/CVD-Verfahren vorgesehen, bei dem eine im wesentlichen gleichmäßige Dispersion des Gases im gesamten Reaktorvolumen 88 gewünscht ist. Der erfindungsgemäße Vorwärmer ist in gleicher Weise entweder in einem herkömmlichen oder einem Druckgradient-CVI/CVD-Verfahren einsetzbar. Die Befestigungsvorrichtungen, die die porösen Strukturen 22 festhalten, ruhen vorzugsweise auf den Abdeckplatten 110 oder 152. Gemäß Fig. 4 ist die Abdeckplatte 110 vorzugsweise um den Umlenkstrukturauslass 106 herum abgedichtet. Somit wird im wesentlichen das gesamte vom Umlenkstrukturauslass 106 kommende Gas zu den Öffnungen 114 und 116 geleitet. Die Abdeckplatte 110 kann durch Einsetzen einer nachgiebigen Dichtung 111 in die Verbindungsstelle zwischen der abgedichtete Kanalstruktur 102 und der Abdeckplatte 110, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, gegen die abgedichtete Kanalstruktur 102 abgedichtet sein. In diesem Fall erstreckt sich die abgedichtete Kanalstruktur 102 über die abgedichtete Umlenkstruktur 108 hinaus.
Gemäß Fig. 4 weist die abgedichtete Umlenkstruktur 108 mindestens eine perforierte Platte 128 auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Platten 128 und 129 parallel zueinander und voneinander beabstandet vorgesehen. Gemäß einer bevorzugteren Ausführungsform grenzen die Platte 128 und 129 aneinander und sind in einem Stapel angeordnet, der den Umfang 132 der Umlenkstruktur bildet (in Fig. 5 und 6 als fette Linie dargestellt). Jede Platte 128 der abgedichteten Umlenkstruktur weist ein Array von Perforationen 130 aus, wobei das Array von Perforationen 130 einer perforierten Platte 128 gegenüber dem Array von Perforationen 131 einer angrenzenden perforierten Platte 129 versetzt angeordnet ist, wie in Fig. 8 dargestellt. Jede Perforation der Platte 128 ist vorzugsweise von vier Perforationen der angrenzenden Platte 129 in gleichem Abstand umgeben. Ähnlich ist jede Perforation der Platte 129 vorzugsweise von vier Perforationen der angrenzenden Platte 128 in gleichem Abstand umgeben. Gemäß Fig. 4 ist der Umfang 132 der Umlenkstruktur abgedichtet und bildet die äußere Grenze pro Ebene jeder perforierten Platte 128 und 129. Der Umfang 132 der Umlenkstruktur ist vorzugsweise durch Anordnen eine nachgiebigen Dichtung 134 um den Umfang 132 der Umlenkstruktur zwischen jeweils zwei aneinandergrenzenden perforierten Platten 128 und 129 abgedichtet, wie in Fig. 5, 6 und 7 dargestellt. Die nachgiebige Dichtung 134 dient zwei Zwecken, nämlich dem Abdichten des Umfangs 132 der Umlenkstruktur und der Beabstandung der einzelnen perforierten Platten 128 und 129 voneinander. Wie in Fig. 6 dargestellt, liegt ein Bereich 109 der abgedichteten Umlenkstruktur 108 nahe der Susceptorwand 464 frei. Diese Anordnung erleichtert in hohem Maße die Wärmeübertragung durch Abstrahlung von der Susceptorwand 464 direkt auf die perforierten Platten 128 und 129. Die Wärme wird durch Konvektion entlang den Platten 128 und 129 und durch Zwangskonvektion auf das Gas übertragen.
Gemäß Fig. 4, 6 und 7 ist auf der abgedichteten Kanalstruktur 108 vorzugsweise eine Rippe 136 ausgebildet, auf der die abgedichtete Umlenkstruktur ruht. Bei der vorliegenden Ausführungsform bilden die Haltestäbe 119, 120 und 121 die Rippe in Kombination mit dem unteren Ring 123. Eine nachgiebige Dichtung 138 ist zwischen der Rippe 136 und der abgedichteten Umlenkstruktur 108 angeordnet und sorgt für eine Abdichtung zwischen der abgedichteten Umlenkstruktur 108 und der abgedichteten Kanalstruktur 102. Gemäß Fig. 6 können mehrere Stützen 140 vorgesehen sein, die ebenfalls dem Halten der abgedichteten Umlenkstruktur 108 dienen. Jede Stütze 140 weist einen langgestreckten Teil 142 auf, der einen Sitz 144 bildet. Die abgedichtete Umlenkstruktur 108 ruht auf dem Sitz 144. Jede Stütze 140 enthält ein Gewindeloch 146 in demjenigen Teil der Stütze, der sich über die abgedichtete Umlenkstruktur 108 hinaus erstreckt. Eine Augenschraube ist in jedes Gewindeloch einsetzbar, an der eine geeignete Einrichtung zum Anheben und Bewegen der abgedichteten Umlenkstruktur 108 angebracht ist. Der Gasvorwärmer 100 wird durch Positionieren der Haltestäbe 119, 120 und 121 und des unteren Rings 123 mit den geeigneten Abdichtungen auf dem Bodenbereich 18 zusammengebaut, wie bereits beschrieben. Die abgedichtete Umlenkstruktur 108 wird dann mit den geeigneten Abdichtungen auf die Stützen 140 aufgesetzt und danach in den Ofen 10 und in Eingriff mit der Rippe 136 abgesenkt. Der obere Ring 122 wird dann mit geeigneten Dichtungen und Kleber oben auf die Umlenkstruktur 108 montiert. Die Abdeckplatte 110 oder 152 wird in den Ofen 10 und in Eingriff mit der abgedichteten Kanalstruktur 102 abgesenkt. Die Abdeckplatte 110 oder 152 kann mit mehreren Gewindelöchern 133, in die Augenschrauben einsetzbar sind, versehen sein. Eine geeignete Einrichtung ist zum Anheben und Bewegen der abgedichteten Umlenkstruktur 108 und der Abdeckplatte 110 oder 152 an den Augenschrauben angebracht. Die Stützen 140 können, wie dargestellt, ferner die Abdeckplatte 110 oder 152 halten. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann ein Keil 148 zwischen der Susceptorwand 464 und der abgedichteten Kanalstruktur 102 angeordnet sein, damit verhindert wird, dass sich der obere und der untere Ring 122 und 123 von den Haltestäben 119 und 121 wegbewegen.
Die verschiedenen Komponenten der Vorwärmer 50, 100 und 500 sind vorzugsweise aus monolithischem Graphit gefertigt. Graphitzement kann als Flüssigkleber verwendet werden, wenn Abdichtungen gebildet oder verstärkt werden sollen. Die verschiedenen nachgiebigen Dichtungen können aus einem flexiblen Graphit gefertigt sein, wie flexiblem Graphitblatt oder Bandpackung der Marke EGC Thermafoil® oder Thermabraid® von EGC Enterprises Incorporated, Mentor, Ohio, U.S.A. Vergleichbare Materialien sind bei UCAR Carbon Company Inc., Cleveland, Ohio, U.S.A., erhältlich.
Ein Verfahren zum Einleiten eines Gases von einem Einlass in einen CVI/CVD-Ofen gemäß einem Aspekt der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Das Verfahren beginnt mit dem Einleiten des Gases vom Einlass 16 in die abgedichtete Kanalstruktur, wie durch Pfeile 24 und 34 angezeigt. Der Einlass 16 weist vorzugsweise mehrere perforierte Einlassstränge 17 und 19 auf, die das Gas innerhalb der abgedichteten Kanalstruktur 102 dispergieren, bevor es in die abgedichtete Umlenkstruktur 108 eintritt. Als nächstes wird das gesamte vom Einlass 16 kommende Gas zum Umlenkstruktureinlass 104, durch die abgedichtete Umlenkstruktur 108 und aus dem Umlenkstrukturauslass 108 geführt. Wie oben beschrieben, wird das Gas durch die abgedichtete Vorwärmerkonfiguration gezwungen, durch die abgedichtete Umlenkstruktur 108 zu strömen, bevor es in das übrige Reaktorvolumen 88 eintritt. Somit kann das Gas nicht direkt in das Reaktorvolumen 88 strömen. Das Gas muss erst die abgedichtete Umlenkstruktur 108 durchströmen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Gas gezwungen, innerhalb der abgedichteten Umlenkstruktur 108 zwischen den mehreren perforierten Platten 128 und 129 hin- und herzuströmen, wie durch Pfeile 36 angezeigt. Durch das erzwungene Hin- und Herströmen des Gases wird die Wärmekonvektion von den abgedichteten perforierten Platten 128 und 129 auf das Gas erhöht und die Wärmeausnutzung verbessert. Wenn ein Druckgradient-CVI/CVD-Verfahren angewandt wird, führt die Abdeckplatte 110 die Gasströmung vom Umlenkstrukturauslass 106 durch die Öffnung 114, wie durch Pfeil 29 angezeigt. Es kann mehr als eine Öffnung in der Abdeckplatte 110 vorgesehen sein, wie in Fig. 4 dargestellt. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform tritt ein Reaktionsgasstrom von ungefähr 25,5 m³ pro Stunde (900 Standard-Kubikfuß pro Stunde) mit einer Temperatur von ungefähr 426,6ºC (800ºF) und einem Reaktorvolumendruck von ungefähr 1,333 kPa (10 Torr) in den Vorwärmer 100 ein und verlässt den Vorwärmer 100 mit einer Temperatur von ungefähr 954,4ºC- 982,2ºC (1750-1800ºF) durch eine der Öffnungen 114 oder 116 in der Abdeckplatte, wobei die Verweilzeit im Vorwärmer ungefähr 0,06 bis 0,07 Sekunden beträgt. Die Verweilzeit des Reaktionsgases in einem erfindungsgemäßen Vorwärmer liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,05 bis 0,10 Sekunden.
Gemäß Fig. 1 kann mindestens ein zweiter Gasvorwärmer 70 vorgesehen sein, wenn der Ofen 10 mindestens einen zweiten Gaseinlass 20 aufweist. Ein Reaktionsgas wird durch den zweiten Gaseinlass 20 in den Ofen 10 eingeleitet, wie durch Pfeil 26 angezeigt. Wie beim Vorwärmer 50 wird dem zweiten Vorwärmer 70 das Gas zugeführt und die Gastemperatur erhöht, bevor das Gas in das übrige Reaktorvolumen 88 eintritt. Der zweite Vorwärmer 70 weist eine zweite abgedichtete Umlenkstruktur 78 und eine zweite abgedichtete Kanalstruktur 72 im Ofen 10 auf. Die zweite Umlenkstruktur 78 weist einen zweiten Umlenkstruktureinlass 74 und einen zweiten Umlenkstrukturauslass 76 auf. Die zweite abgedichtete Kanalstruktur 72 ist um den zweiten Gaseinlass 20 und den zweiten Umlenkstruktureinlass 74 herum derart abgedichtet, dass im wesentlichen das gesamte vom zweiten Gaseinlass kommende Reaktionsgas gezwungen wird, durch die zweite abgedichtete Umlenkstruktur 78 zum zweiten Umlenkstrukturauslass 76 zu strömen, wie durch Pfeil 37 angezeigt. Die zweite Umlenkstruktur 78 wird auf eine höhere Temperatur erwärmt als das Reaktionsgas am zweiten Umlenkstruktureinlass 74 und erhöht die Temperatur des Reaktionsgases, bevor dieses durch den zweiten Umlenkstrukturauslass 76 in das übrige Reaktorvolumen 88 eintritt. Nach dem Eintritt in das Reaktorvolumen 88 um- oder durchläuft das Gas die porösen Strukturen 22 und verlässt das Ofenvolumen 14 durch den Auslass 32, wie durch Pfeil 28 angezeigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Abdeckplatte 80 mit mindestens einer Öffnung 84 über dem Umlenkstrukturauslass 76 angeordnet. Die Abdeckplatte ist vorzugsweise um den Umlenkstrukturauslass 76 derart abgedichtet, dass im wesentlichen das gesamte vom Umlenkstrukturauslass 76 kommende Gas durch die mindestens eine Öffnung 84 geführt wird. Der Vorwärmer 50 und der zweite Vorwärmer 70 sind vorzugsweise gegeneinander abgedichtet, so dass keine Gasübertragung zwischen aneinandergrenzenden Vorwärmern stattfindet. Dritte und weitere Vorwärmer können in verschiedenen Anordnungen innerhalb des Ofens 10 vorgesehen sein, die im wesentlichen dem Vorwärmer 50 und dem zweiten Vorwärmer 70 gleich sind.
Gemäß Fig. 5 können zusätzliche Vorwärmer 154, 156 und 158 angrenzend an den Vorwärmer 100 angeordnet sein, und die einzelnen abgedichteten Kanalstrukturen können sich eine zwischen aneinandergrenzenden Vorwärmern vorgesehene Struktur teilen. Wenn der Ofen zylindrisch ausgeführt ist, können mehrere außen angeordnete Vorwärmer in der Form von um einen in der Mitte des Ofenbodens befindlichen einzelnen polygonal geformten Vorwärmer angeordneten bogenförmigen Segmenten ausgebildet sein. In dem vorliegenden Beispiel ist der mittlere Vorwärmer quadratisch ausgeführt. Es können für jede abgedichtete Kanalstruktur separate Gaseinlässe vorgesehen sein.
Gemäß Fig. 1 wird eine erste Gastemperatur des Reaktionsgasstroms nahe dem Umlenkstrukturauslass 56 von einem ersten Temperaturfühler 490 erfühlt. Die Vorwärmertemperatur kann derart eingestellt werden, dass eine gewünschte Gastemperatur durch erhöhte oder reduzierte Erwärmung des Vorwärmers 50 erreicht wird. Gemäß Fig. 1 weist die Susceptorwand 464 einen ersten Susceptorwandbereich 467, einen zweiten Susceptorwandbereich 469 und einen dritten Susceptorwandbereich 471 auf. Die erste Induktionsspule 466 ist induktiv mit dem ersten Susceptorwandbereich 467 derart gekoppelt, dass elektrische Energie von der ersten Induktionsspule 466 in Wärmeenergie im zweiten Susceptorwandbereich 467 umgewandelt wird. Das gleiche gilt für den zweiten Susceptorwandbereich 469 und die zweite Induktionsspule 468 sowie den dritten Susceptorwandbereich 471 und die dritte Induktionsspule 470. Der Vorwärmer 50 wird hauptsächlich durch Strahlungswärmeenergie vom ersten Susceptorwandbereich 467 erwärmt, der an die erste Induktionsspule 466 angrenzt. Somit kann die Temperatur des ersten Vorwärmers durch Einstellen der elektrischen Leistung zur ersten Induktionsspule 466 eingestellt werden. Die elektrische Leistung zur zweiten Induktionsspule 468 und 470 kann so eingestellt werden, wie es zum Aufrechterhalten eines gewünschten Temperaturprofils der porösen Strukturen entlang der Länge (im wesentlichen in Richtung des Gasstroms) des Ofens erforderlich ist. Der erste Vorwärmer 50 ist vorzugsweise nahe dem ersten Susceptorwandbereich 467 angeordnet, wodurch die Wärmeenergieübertragung durch Abstrahlung verbessert wird. Die vom ersten Temperaturfühler 490 erfühlte Temperatur kann über eine erste Temperaturfühlerleitung 494 an eine Steuereinrichtung 415 übermittelt werden. Die Steuereinrichtung ermöglicht eine manuelle oder automatische Einstellung der elektrischen Leistung zur ersten Induktionsspule 466, wie sie zur Erreichung einer gewünschten Temperatur des Gasstroms bei dessen Verlassen des Umlenkstrukturauslasses 56 erforderlich ist. Ein zweiter Temperaturfühler 492 kann in ähnlicher Weise zum Erfühlen der Temperatur des den zweiten Umlenkstrukturauslass 76 verlassenden Gases vorgesehen sein. Die vom zweiten Temperaturfühler 492 erfühlte Temperatur kann über eine zweite Temperaturfühlerleitung 496 an die Steuereinrichtung 415 übermittelt werden. Wie oben beschrieben, können mehrere Vorwärmer vorgesehen sein, wobei ein oder mehrere Vorwärmer von den anderen Vorwärmern umgeben sind, die nahe der Susceptorwand 464 angeordnet sind, wodurch die Wärmeenergieübertragung durch Abstrahlung auf den mittleren Vorwärmer blockiert wird. In einem solchen Fall wird der mittlere Vorwärmer hauptsächlich durch Übertragung von den angrenzenden Vorwärmern erwärmt, welche durch Abstrahlung erwärmt sind. Somit wird der mittlere Vorwärmer indirekt durch Abstrahlung von der Susceptorwand erwärmt, und die Temperatur des mittleren Vorwärmers kann durch Verändern der Leistung zur ersten Induktionsspule 466 gesteuert werden.
Eine Einrichtung 200 für die porösen Strukturen 22, die mittels eines Druckgradient-CVI/CVD-Verfahrens in einem Ofen verdichtet werden, ist in Fig. 9 dargestellt. Die porösen Strukturen 22 sind in einem Stapel 202 angeordnet. Die Einrichtung weist eine Basisplatte 204, eine Beabstandungsstruktur 206 und eine obere Platte 208 auf. Die obere Platte 208 weist optional eine Öffnung 210 auf, die mittels einer Abdeckplatte 212 und eines Gewichts 214 abgedichtet wird. Bei dieser Option ist eine Abdeckplatte 213 vorzugsweise zwischen der Abdeckplatte 212 und der oberen Platte 208, die die Öffnung 210 in der oberen Platte umgibt, angeordnet. Jede poröse Struktur 22 weist eine Öffnung 23 auf. Die Einrichtung 200 für die porösen Strukturen 22 kann im Reaktorvolumen 88 des CVI/CVD-Ofens 10 (Fig. 1) angeordnet sein. Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht der Einrichtung 200 entlang der Linie 10-10 aus Fig. 9. Die Basisplatte 204 ist im CVI/CVD-Ofen 10 (Fig. 1) an der Abdeckplatte 110 befestigt, die vorzugsweise gegen einen Vorwärmer, wie dem in Fig. 6 dargestellten Vorwärmer 100, abgedichtet ist. Gemäß Fig. 10 weist die Basisplatte 204 eine Basisplattenöffnung 216 auf, die mit der Abdeckplattenöffnung 114 oder 116 in Fluidverbindung steht. Die Basisplatte wird vorzugsweise mittels mehrerer konischer Stifte 226, die in passende konische Stiftlöcher 228 in der Abdeckplatte 110 eingesetzt sind, befestigt. Die Basisplatte 204 weist passende konische Basisplattenlöcher 230 auf, die zu den konischen Stiften 226 ausgerichtet sind und diese aufnehmen. Diese Anordnung erleichtert das Ausrichten der Basisplattenöffnung 216 zu der Abdeckplattenöffnung 114 oder 116. Die Basisplatte 204 ist vorzugsweise gegen die Abdeckplatte 110 oder 152 abgedichtet, und eine nachgiebige Dichtung 280 kann zu diesem Zweck zwischen der Basisplatte 204 und der Abdeckplatte 110 angeordnet sein. Die Einrichtung 200 ist auf ähnliche Weise für andere abgedichtete Vorwärmer, einschließlich Vorwärmer 500, einsetzbar (Fig. 2 und 3).
Die obere Platte 208 ist von der Basisplatte 204 beabstandet angeordnet und dieser zugewandt. Die Beabstandungsstruktur 206 ist zwischen der Basisplatte und der oberen Platte 208 angeordnet und greift an diesen an. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Beabstandungsstruktur mehrere um den Stapel poröser Strukturen, die zwischen der Basisplatte 204 und der oberen Platte 208 vorgesehen sind, herum angeordnete Beabstandungspfosten 218 auf. Jeder Pfosten weist an jedem Ende Stifte 220 auf, die in passende Löcher 222 in der Basisplatte 204 und in passende Löcher 224 in der oberen Platte 208 eingesetzt sind. Die Beabstandungsstruktur 206 weist vorzugsweise mindestens drei Pfosten 218 auf. Die Beabstandungsstruktur 206 kann auch einstückig ausgeführt sein, z. B. als perforierter Zylinder oder eine äquivalente Struktur, und es sind andere Anordnungen zum Angreifen an der Basisplatte 204 und der oberen Platte 208 möglich.
Der Stapel poröser Strukturen 202 ist zwischen der Basisplatte 204 und der oberen Platte 208 angeordnet, wobei eine der porösen Strukturen 22 an der Basisplatte 204 angrenzt und eine andere der porösen Strukturen 22 an der oberen Platte 208 angrenzt. Mindestens ein ringförmiger Abstandshalter 234 ist innerhalb des Stapels poröser Strukturen 202 jeweils zwischen zwei benachbarten porösen Strukturen 22 vorgesehen. Der ringförmige Abstandshalter 234 umgreift die Öffnungen 23 der benachbarten porösen Strukturen. Mindestens einer der ringförmigen Abstandshalter 234 ist vorzugsweise zwischen der Basisplatte 204 und der an der Basisplatte 204 angrenzenden porösen Struktur 22 angeordnet, und mindesten einer der ringförmigen Abstandshalter 234 ist vorzugsweise zwischen der oberen Platte 208 und der an der oberen Platte 208 angrenzenden porösen Struktur 22 angeordnet. An der oberen Platte 208 und der Basisplatte 204 angrenzende ringförmige Strukturen ähnlich den ringförmigen Abstandshaltern 234 können auch einstückig mit der Basisplatte 204 und der oberen Platte 208 ausgebildet sein, so dass keine ringförmigen Abstandshalter benötigt werden. Die Basisplatte 204, der Stapel poröser Strukturen 202 und der mindestens eine ringförmige Abstandshalter 234 bilden einen umschlossenen Hohlraum 236, der von der Basisplattenöffnung 216 ausgeht, jede Öffnung 23 der porösen Strukturen durchläuft und nahe der oberen Platte 208 endet. Die Abdeckplatte 212 und die Abdeckplattenabdichtung 213 schließen den umschlossenen Hohlraum 236 ab, wenn sich die Öffnung 210 der oberen Platte 208 oben auf dem Stapel 202 befindet.
Die Einrichtung 200 ist insbesondere zum Einsatz in einem Druckgradient-CVI/CVD- Verfahren geeignet, kann aber auch im oben beschriebenen Wärmegradient- Zwanglauf-CVI/CVD-Verfahren mit geeigneten Kühlmänteln eingesetzt werden. Gemäß Fig. 10 wird ein Gas durch die Abdeckplattenöffnung 114 oder 116 in den umschlossenen Hohlraum 236 eingeleitet, wie durch Pfeil 29 angezeigt. Die Strömung wird durch Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen dem Reaktorvolumen 88 (Fig. 1) und dem umschlossenen Hohlraum 236 hervorgerufen. Das Gas strömt durch den Hohlraum 236 in Richtung des Pfeils 242 in jede poröse Struktur, wie durch Pfeile 244 angezeigt, und aus jeder porösen Struktur heraus, wie durch Pfeile 246 angezeigt, und es strömt durch den Auslass 32 in Richtung des Pfeils 28 (siehe Fig. 1) aus dem Ofenvolumen 14 hinaus. Die erzwungene Gasdispersion oder -strömung durch die porösen Strukturen 22 wird vorzugsweise durch eine Druckreduzierung im Ofenvolumen 14 und im Reaktorvolumen 88 auf einen Unterdruck und durch Zuführen eines Reaktionsgases mit einem größeren Druck durch einen abgedichteten Vorwärmer in den umschlossenen Hohlraum 236, wie oben beschrieben, erzeugt, wodurch sich ein Druckgradient über die poröse Struktur entwickelt. Jede ringförmige poröse Struktur 22 weist einen Oberflächenbereich 238 auf (der in Fig. 10 und 11 durch eine halbfette Linie dargestellt ist). Ein Teil des Oberflächenbereichs 238 ist von den ringförmigen Abstandshaltern abgedeckt und nicht dem Gas ausgesetzt, wenn dieses in die poröse Struktur 22 eintritt oder diese verlässt. Vorzugsweise ist ein Großteil (mindestens 50%) des Oberflächenbereichs 238 jeder porösen Struktur 22 dem Gas ausgesetzt, wenn dieses in die poröse Struktur 22 eintritt oder diese verlässt. Vorzugsweise liegt ein so großer Teil wie möglich des Oberflächenbereichs 238 frei. In der Praxis können die porösen Strukturen 22 und die ringförmigen Abstandshalter eine Vielzahl von Formen haben, z. B. elliptische, quadratische, polygonale etc. Formen. Die porösen Strukturen 22 sind jedoch vorzugsweise ringförmig ausgebildet und weisen zur Herstellung von Flugzeugbremsscheiben zwei flache einander gegenüberliegende Flächen auf. Somit bildet gemäß Fig. 10 der Stapel ringförmiger poröser Strukturen 202 zusammen mit der Einrichtung 200 eine ringförmige poröse Wand 240, wobei das Reaktionsgas auf gegenüberliegenden Seiten der ringförmigen porösen Wand in den CVI/CVD-Ofen eintritt und aus diesem austritt.
Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 aus Fig. 10. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat jede Öffnung 23 der porösen Strukturen einen Innendurchmesser 42 und jeder ringförmige Abstandshalter einen Innendurchmesser 235, wobei jeder Innendurchmesser 42 der porösen Struktur kleiner ist als der Innendurchmesser 235 des Abstandshalters. Vorzugsweise hat die poröse Struktur 22 einen Außendurchmesser 44 und ist der Innendurchmesser 235 des Abstandshalters geringfügig größer als der Außendurchmesser 44 der porösen Struktur, damit ein so großer Teil wie möglich des Oberflächenbereichs der porösen Struktur dem Reaktionsgas ausgesetzt ist. In einem solchen Fall grenzt der ringförmige Abstandshalter 234 im wesentlichen an den Außendurchmesser 235 der porösen Struktur an. Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser 235 des Abstandshalters und dem Außendurchmesser der porösen Struktur muss groß genug sein, um den Zusammenbau zu erleichtern, jedoch klein genug, um die Bindekraft zwischen dem ringförmigen Abstandshalter und der porösen Struktur 22 nach einem Verdichtungsvorgang zu minimieren. Der Außendurchmesser 233 des Abstandshalters ist vorzugsweise groß genug, um einen Angriffspunkt zwischen dem ringförmigen Abstandshalter 234 und der porösen Struktur zu bieten, wodurch das Entfernen des ringförmigen Abstandshalters 234 nach einem Verdichtungsvorgang vereinfacht wird, wobei der ringförmige Abstandshalter 234 kompakt genug ist, um die Ausnutzung des Ofenplatzes zu maximieren. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser 233 des Abstandshalters ungefähr 55,626 cm (21,9 Inch) und der Innendurchmesser 235 des Abstandshalters ungefähr 50,546 cm (19,9 Inch) zum Bearbeiten ringförmiger poröser Strukturen 22 mit einem Außendurchmesser von ungefähr 53,34 cm (21 Inch). Die ringförmigen Abstandshalter sind vorzugsweise mindestens 0,635 cm (0,25 Inch) dick.
Fig. 14A und 14B zeigen eine Detailansicht des ringförmigen Abstandshalters 234 und wie er eine Grenzfläche zwischen zwei benachbarten porösen Strukturen 22 bildet. Jeder ringförmige Abstandshalter 234 weist zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Abstandshalterseiten 252 und 254 auf, die von einander beabstandet und den benachbarten porösen Strukturen 22 zugewandt sind. Wenn die porösen Strukturen 22 nachgiebig sind, können die benachbarten porösen Strukturen 22 gegen den Ring gedrückt werden, wie durch Pfeile 250 angezeigt, wodurch die poröse Struktur leicht verformt wird und eine Abdichtung bildet. Durch das Drücken der angrenzenden porösen Strukturen gegen den ringförmigen Abstandshalter 234 wird jede poröse Struktur gegen den ringförmigen Abstandshalter 234 abgedichtet, wodurch eine Gasleckage in das Reaktorvolumen ohne vorheriges Strömen des Gases durch die poröse Struktur 22 verhindert wird. Der ringförmige Abstandshalter 234 mit glatten Seiten 252 und 254, die mit pyrolytischem Kohlenstoff dichtungsbeschichtet sind, können nach der Verdichtung von den porösen Strukturen 22 getrennt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der ringförmige Abstandshalter 234 aus monolithischem Graphit gefertigt, wobei die Seiten 252 und 254 eine maximale Oberflächenrauhigkeit von 106 2,54 cm (125 RMS/Mikroinch) aufweisen. Dies war eine überraschende Entdeckung, da somit keine Dichtungen zwischen dem Abstandshalter und den porösen Strukturen benötigt wurden und der Zusammenbau des Stapels stark vereinfacht wurde.
Eine alternative Ausführungsform des ringförmigen Abstandshalters 234 ist in Fig. 15A und 15B dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist mindestens eine ringförmige nachgiebige Dichtung 256 und 258 angrenzend an jede Abstandshalterseite 252 und 254 angeordnet und wird jede nachgiebige Dichtung 256 und 258 gegen die benachbarte poröse Struktur 22 gedrückt, wie durch Pfeile 250 angezeigt, wodurch sich die nachgiebigen Dichtungen 256 und 258 gegen den ringförmigen Abstandshalter 234 verformen und eine Abdichtung bilden. Diese Ausführungsform wird vorzugsweise eingesetzt, wenn die porösen Strukturen 22 nicht nachgiebig sind (z. B. bereits teilweise verdichtet sind), in diesem Fall erzeugt ein bloßes Drücken der porösen Struktur 22 gegen den ringförmigen Abstandshalter 234, wie in Fig. 14A und 14B dargestellt, keine ausreichende Abdichtung.
Fig. 12A und 12B zeigen eine Detailansicht des ringförmigen Abstandshalters 234, der entweder an der Basisplatte 204 oder der oberen Platte 208 angrenzt. Die obere Platte 208, die untere Platte 204 und der ringförmige Abstandshalter 234 sind aus nicht nachgiebigem Material gefertigt. Daher ist eine ringförmige nachgiebige Dichtung 260 zwischen dem ringförmigen Abstandshalter 234 und der oberen Platte 208 oder der unteren Platte 204 angeordnet. Wenn die poröse Struktur 22 nachgiebig ist, kann sie gegen den ringförmigen Abstandshalter 234 gedrückt werden, wie durch Pfeile 250 angezeigt, wodurch sich die poröse Struktur 22 verformt und eine Abdichtung bildet. Das Drücken des porösen Artikels 22 gegen den ringförmigen Abstandshalter 234 verhindert auf effektive Weise, dass das Gas aus dem umschlossenen Hohlraum 236 in das Reaktorvolumen strömt, ohne die poröse Struktur 22 zu durchströmen. Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 13A und 13B dargestellt. Diese Ausführungsform wird vorzugsweise eingesetzt, wenn die poröse Struktur 22 relativ starr und nicht nachgiebig ist. Eine zusätzliche ringförmige nachgiebige Dichtung 262 ist zwischen dem ringförmigen Abstandshalter 234 und der porösen Struktur 22 angeordnet und wird dann einer Zusammendrückkraft ausgesetzt, wie durch Pfeile 250 angezeigt. Beide Dichtungen 260 und 262 sind vorzugsweise nachgiebig ausgeführt.
Die verschiedenen Komponenten der Einrichtung 200 sind vorzugsweise aus monolithischem Graphit gefertigt. Die verschiedenen nachgiebigen Dichtungen können aus einem flexiblen Graphit bestehen, wie flexiblem Graphitblatt oder Bandpackung der Marke EGC Thermafoil® von EGC Enterprises Incorporated, Mentor, Ohio, U.S.A. Vergleichbare Materialien sind bei UCAR Carbon Company Inc., Cleveland, Ohio, U.S.A., erhältlich. Bei der Durchführung der Erfindung können andere Arten von Abdichtungen verwendet werden, wie Zemente und Pasten auf Graphit- oder Keramikbasis. Die hier beschriebenen Abdichtungen sind jedoch ökonomisch einsetzbar und erleichtern das Zusammenbauen der Einrichtung 200 und des Stapels poröser Strukturen 202 vor der Verdichtung sowie das Demontieren der Einrichtung 200 und des Stapels poröser Strukturen 202 nach der Verdichtung. Der Stapel poröser Strukturen 202 wird mit den beschriebenen Abdichtungen gebildet und im zusammengedrückten Zustand zwischen der Basisplatte 204 und der oberen Platte 208 angeordnet. Nach dem Verdichten kann die obere Platte 208 entfernt werden und der Stapel zur weiteren Verarbeitung der porösen Strukturen 22 demontiert werden. Die ringförmigen Abstandshalter 234 und andere Komponenten, die die Einrichtung 200 bilden, können dann zum Verdichten anderer poröser Strukturen 22 weiterverwendet werden.
Fig. 19A und 19B zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammenbauen der Einrichtung 200. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform greift die Beabstandungsstruktur 206 separat an der oberen Platte 208 an, wodurch die obere Platte 208 von der Beabstandungsstruktur 206 wegbewegbar ist. Dies wird bei der Einrichtung 200 dadurch realisiert, dass die Beabstandungspfosten 218 Stifte 220 aufweisen und die obere Platte 208 Löcher 224 aufweist, die die Stifte 220 aufnehmen, wie oben beschrieben. Die Stifte 220 greifen mit einem Gleitsitz an den Löchern 224 der oberen Platte an, so dass sich die obere Platte 208 frei zu der Beabstandungsstruktur 206 hin- und von dieser wegbewegen kann. Die Beabstandungsstruktur 206 und der Stapel poröser Strukturen 202 sind derart angeordnet, dass der Stapel eine Höhe A relativ zur oberen Fläche der Basisplatte 204 hat, bevor die obere Platte 208 montiert ist (bevor der Stapel 202 zwischen den einander gegenüberliegenden Platten 204 und 208 angeordnet ist) und die Beabstandungsstruktur eine Höhe B relativ zur oberen Fläche der Basisplatte 204 hat, wobei A größer ist als B. Die obere Platte 208 wird dann auf den Stapel poröser Strukturen 202 aufgesetzt und in Richtung der Basisplatte 204 gedrückt, bis sie auf der Beabstandungsstruktur 206 sitzt, wie in Fig. 1% dargestellt, wodurch der Stapel poröser Strukturen 202 um ein vorbestimmtes Maß auf die Höhe B zusammengedrückt wird. Die obere Platte 208 sitzt auf einem von dem Pfosten 218 gebildeten Anschlag. Somit umfasst das Verfahren zum Zusammenbauen der Einrichtung 200 mit dem Stapel poröser Strukturen 202 das Platzieren des Stapels poröser Strukturen 22 in zusammengesetztem Zustand zwischen den einander gegenüberliegenden Platten 204 und 208 derart, dass die einander gegenüberliegenden Platten 204 und 208 um eine Distanz (A minus B) aufeinander zu gedrückt werden, so dass sich die Stapelhöhe A durch das Zusammendrücken reduziert. Das Zusammendrücken des Stapels 202 führt dazu, dass der Hohlraum 236 von der oben anhand von Fig. 12A-15B beschriebenen Abdichtungsanordnung abgedichtet wird. Gemäß Fig. 19A und 19B sind die Basisplatte 204, die Beabstandungsstruktur 206 und die obere Platte 208 vorzugsweise derart ausgerichtet, dass die Schwerkräfte die obere Platte 208 in Richtung auf die Basisplatte 204 drücken und verhindern, dass sich die obere Platte 208 von der Beabstandungsstruktur 206 wegbewegt. Ein Gewicht 214 kann auf die obere Platte 208 mit oder ohne Öffnung 210 aufgesetzt werden, wenn die obere Platte nicht genügend Masse zum Zusammendrücken des Stapels 202 auf Höhe B aufweist. Die Abdeckplatte 212 kann verwendet werden, wenn die obere Platte 208 eine Öffnung 210 aufweist, wie oben beschrieben. Das Gewicht 214 und/ oder die Abdeckplatte 212 ruht auf der oberen Platte 208 und wird durch die Schwerkraft festgehalten. Das Gewicht 214 kann aus einem Graphitblock, einem hochschmelzenden Metall oder einem anderen Material, das in geeigneter Weise hochtemperaturbeständig ist, gefertigt sein. Die Abdeckplatte 212 kann scheibenförmig ausgebildet sein, um das Gewicht 214 aufzunehmen.
Die Distanz (A minus B), um die der Stapel 202 zusammengedrückt ist, wird vorzugsweise vorbestimmt, und das Verfahren zum Zusammenbauen der Einrichtung 200 umfasst den Schritt des Einstellens der Differenz zwischen A und B, damit das gewünschte Maß an Zusammendrückung erreicht wird. Die Höhe B ist durch Einstellen des Anschlags 264 mittels Unterlegscheiben 266 einstellbar, wie in Fig. 18 dargestellt. Die Unterlegscheiben 266 sind vorzugsweise ringförmig ausgebildet, wenn für die Beabstandungsstruktur 206 zylindrische Pfosten 218 verwendet werden. Die Unterlegscheiben können an einem oder beiden Enden des Pfostens 218 auf die Stifte 220 aufgesetzt sein. Unterlegscheiben unterschiedlicher Dicke und mehrere gestapelte Unterlegscheiben können zum akkuraten Einstellen der Höhe B verwendet werden. Die Höhe A ist durch Anordnen von mehr als einem ringförmigen Abstandshalter 234 zwischen zwei benachbarten porösen Strukturen einstellbar, wie in Fig. 16 dargestellt. Eine nachgiebige ringförmige Dichtung 268 kann zwischen aneinandergrenzenden ringförmigen Abstandshaltern 234 angeordnet sein, so dass eine adäquate Abdichtung geboten wird. Ein ringförmiger Abstandshalter 270 und ein ringförmiger Abstandshalter 234 mit unterschiedlicher Dicke, wie in Fig. 17 dargestellt, können ebenfalls zur Einstellung der Höhe A verwendet werden. Sowohl die Höhe A als auch die Höhe B können derart eingestellt sein, dass ein genau vorbestimmtes Maß an Zusammendrückung gewährleistet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beabstandungsstruktur 206 derart ausgeführt, dass sie in Zusammenhang mit einem Stapel mit einer bekannten Stapelhöhe A einsetzbar ist. Das Einstellen der Distanz (A-B) wird dann auf das Einstellen des Anschlags 264 mittels Unterlegscheiben beschränkt. Diese Vorgehensweise vereinfacht in hohem Maße den Zusammenbau der Einrichtung 200 mit dem Stapel 202. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform beträgt die Distanz (A-B) ungefähr 0,635 cm (1/4 Inch) bei einer Abmessung von B von ungefähr 40,64 cm (16 Inch).
Fig. 20 zeigt eine bevorzugte Einrichtung 201 für ein Druckgradient-CVI/CVD-Verfahren zum Verdichten einer großen Anzahl von porösen Strukturen 22. Die Beabstandungsstruktur 207 weist mindestens eine Zwischenplatte 272 zwischen der Basisplatte 204 und der oberen Platte 208 auf, die den Stapel poröser Strukturen 203 teilt. In jeder anderen Hinsicht ist die Einrichtung 201 im wesentlichen mit der Einrichtung 200 identisch. Jede Zwischenplatte 272 weist eine Öffnung 274 auf und ist in Sandwich-Form zwischen zwei porösen Strukturen angeordnet. Jede Zwischenplattenöffnung 274 ist in dem umschlossenen Hohlraum 236 angeordnet. Mindestens einer der ringförmigen Abstandshalter 234 kann auf einer der beiden Seiten der Zwischenplatte 272 zwischen der Zwischenplatte 272 und den porösen Strukturen 22 angeordnet sein und die in Fig. 12A bis 13B dargestellten Abdichtungsanordnungen benutzen. Es können mehrere Einrichtungen 201 gestapelt sein. In einem solchen Fall greift die Basisplatte 204 von einer Einrichtung 201 an der oberen Platte 208 einer darunter befindlichen Einrichtung 201 an, wobei die Basisplattenöffnung 216 der oberen Einrichtung mit der Öffnung 210 in der oberen Platte der darunter befindlichen Einrichtung in Fluidverbindung steht. Somit erstreckt sich der umschlossene Hohlraum von einer Einrichtung 201 zur nächsten, bis er von der Abdeckplatte 212 über der Öffnung 210 in der zuoberst liegenden oberen Platte abgeschlossen wird.
Fig. 21 zeigt eine Einrichtung 199, bei der erste und zweite oder mehr Stapel poröser Strukturen nebeneinander angeordnet sein können. Mehrere nebeneinander angeordnete Stapel poröser Strukturen 202 sind zwischen einer oberen Platte 209 und einer Basisplatte 205 zusammen mit einer Beabstandungsstruktur 282 angeordnet. Eine Beabstandungsstruktur 282 weist mehrere Pfosten 218 auf. In einer oberen Platte 209 ist optional eine Öffnung 211 für jeden Stapel 202 ausgebildet, die mittels Abdeckplatten 212 und Gewichten 214 abgedichtet werden kann. In einer Basisplatte ist eine Basisplattenöffnung 217 für jeden Stapel 202 und in der Abdeckplatte 110 eine Abdeckplattenöffnung für jeden Stapel 202 ausgebildet. In jeder anderen Hinsicht ist die Einrichtung 199 der Einrichtung 200 sehr ähnlich und wird vorzugsweise auf gleiche Weise zusammengebaut, wie anhand von Fig. 19A und 19B beschrieben. Ferner kann die Beabstandungsstruktur 282 Zwischenplatten aufweisen, die die Stapel 202 teilen, und es können mehrere Einrichtungen 199 übereinander gestapelt sein, wie in Bezug auf die in Fig. 20 dargestellte Einrichtung 201 beschrieben. Somit können die Merkmale der Einrichtungen 199 und 201 derart miteinander kombiniert werden, wie es zur Verdichtung einer großen Anzahl von porösen Strukturen 22 mittels des Druckgradient-Verfahrens erforderlich ist.
Fig. 22 zeigt eine alternative Einrichtung 300 zum Verdichten eines Stapels poröser Strukturen 302 mittels des Druckgradient-Verfahrens. Die Einrichtung 300 ist im wesentlichen mit der Einrichtung 200 identisch, mit der Ausnahme, dass der Stapel 302 ringförmige "AD"-(Außendurchmesser-)Abstandshalter 234 um den Außendurchmesser jeder porösen Struktur 22 alternierend mit ringförmigen "ID"-(Innendurchmesser-)Abstandshaltern 284 um den Innendurchmesser jeder porösen Struktur aufweist. Die ringförmigen AD-Abstandshalter 234 haben vorzugsweise einen Innendurchmesser 233, der geringfügig kleiner ist als der Außendurchmesser 44 der porösen Strukturen, und einen Außendurchmesser 235, der im wesentlichen an den Außendurchmesser 44 der porösen Strukturen angrenzt. Die ringförmigen ID-Abstandshalter 284 haben vorzugsweise einen Außendurchmesser 554, der geringfügig größer ist als der Innendurchmesser 42 der porösen Strukturen, und einen Innendurchmesser 546, der im wesentlichen an den Innendurchmesser 42 der porösen Strukturen angrenzt. Bei den ringförmigen ID-Abstandshaltern 284 ist der Außendurchmesser 44 der porösen Strukturen größer als der Außendurchmesser 556 des ringförmigen Abstandshalters 284. Die Wanddicke jedes ringförmigen Abstandshalters 234 und 284 wird vorzugsweise minimiert, so dass der Flächenbereich der porösen Strukturen in maximalem Umfang dem Reaktionsgas ausgesetzt ist, wenn dieses in jede poröse Struktur 22 eintritt oder diese verlässt. Die in Fig. 22 dargestellte alternierende ID/AD-Anordnung kann auch bei den Einrichtungen 199 und 201 angewandt werden. Fig. 23 zeigt eine alternative Einrichtung 301 zum Verdichten eines Stapels poröser Strukturen mittels des Druckgradient-Verfahrens. Die Einrichtung 301 ist im wesentlichen mit der Einrichtung 200 identisch, mit der Ausnahme, dass bei einem Stapel 303 nur ringförmige "ID"-Abstandshalter 284 um den Innendurchmesser jeder porösen Struktur angeordnet sind. Die in Fig. 23 dargestellte reine ID-Anordnung kann auch bei den Einrichtungen 199 und 201 angewandt werden. Die verschiedenen Verbindungsstellen innerhalb der Einrichtungen 300 und 301 können, wie oben anhand von Fig. 12A bis 15B beschrieben, abgedichtet sein. Die Stapelhöhe und die Beabstandungsstruktur können, wie anhand von Fig. 16 bis 19B beschrieben, eingestellt sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass zahlreiche Änderungen möglich sind, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen festgelegt ist, abgewichen wird.

Claims

1. CVI/CVD-Vorrichtung mit:

- einem Ofen (10) mit einem Reaktorvolumen (88), dem ein Reaktionsgas von einem Gaseinlass (16) des Ofens (10) zugeführt wird, und

- einem Gasvorwärmer (50; 100; 500) mit

- einer innerhalb des Ofens angeordneten abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) mit einem Umlenkstruktureinlass (54; 104; 504) und einem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506); und

- einer innerhalb des Ofens (10) angeordneten abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502), die um den Gaseinlass (16) und den Umlenkstruktureinlass (54; 104; 504) herum abgedichtet ist, so dass im wesentlichen das gesamte vom Gaseinlass (16) kommende Reaktionsgas zur abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) geleitet und gezwungen wird, durch diese hindurch zum Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) zu strömen, und einer nachgiebigen Dichtung (548) zwischen der abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) und der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502),

- wobei der Ofen (10) einen Susceptor (30) mit einer Susceptorwand (464) aufweist, die das Reaktionsvolumen (88) begrenzt, wobei der Susceptor (30) durch Induktion erwärmt wird, und ein Bereich (109) der abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) nahe der Susceptorwand (464) zur Wärmeübertragung durch Abstrahlung von der Susceptorwand (464) auf die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) frei liegt.

2. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der

- der Susceptor (30) ferner einen Susceptorboden (18) aufweist,

- die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) auf dem Susceptorboden (18) ruht, und

- der Gaseinlass (16) gegen den Susceptorboden (18) abgedichtet ist und die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) gegen den Susceptorboden (18) abgedichtet ist.

3. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner mit einer zusammendrückbaren Dichtung (138; 548) zwischen der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) und dem Susceptorboden (18).

4. CVI/CVD-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Abdeckplatte (60; 110; 510) über dem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506), die ein Array von Perforationen (64; 114, 116; 514) aufweist.

5. CVI/CVD-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Abdeckplatte (60; 110; 510), die über dem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) angeordnet ist und mindestens eine Öffnung (64; 114; 116; 514) aufweist, wobei die Abdeckplatte um den Umlenkstrukturauslass herum derart abgedichtet ist, dass im wesentlichen das gesamte Gas vom Umlenkstrukturauslass durch die mindestens eine Öffnung geleitet wird.

6. CVI/CVD-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) mindestens zwei Teile (124, 125, 166, 168, 170, 172, 174; 516-524) aufweist, die mehrere abgedichtete Verbindungsstellen (526-534) bilden.

7. CVI/CVD-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) auf der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) ruht.

8. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Susceptor (30) ferner einen Susceptorboden (18) aufweist und die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) auf dem Susceptorboden (18) ruht und die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) auf der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) ruht; und ferner mit einer Abdeckplatte (60; 110; 510), die über dem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) angeordnet ist und mindestens eine Öffnung (64; 114, 116; 514) aufweist, wobei die Abdeckplatte (60; 110; 510) um den Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) herum abgedichtet ist, so dass das gesamte Gas vom Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) durch die mindestens eine Öffnung (64; 114, 116; 514) geleitet wird, wobei die Abdeckplatte (60; 110; 510) auf der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) ruht.

9. CVI/CVD-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) mindestens eine perforierte Platte (128, 129; 540) aufweist.

10. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) mehrere voneinander beabstandete und parallel zueinander angeordnete perforierte Platten (128, 129; 540) aufweist.

11. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der jede perforierte Platte (128, 129; 540) ein Array von Perforationen (130, 131; 542) aufweist, wobei das Array von Perforationen (130, 131; 542) einer perforierten Platte (128, 129; 540) gegenüber dem Array von Perforationen (130, 131; 542) einer angrenzenden perforierten Platte (128, 129; 540) versetzt angeordnet ist.

12. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die perforierten Platten (128, 129; 540) einen abgedichteten Umfang (132; 544) bilden.

13. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) ein Array von aneinandergrenzenden gestapelten perforierten Platten (128, 129; 540), die einen abgedichteten Umlenkstrukturumfang (132; 544) bilden, und eine zusammendrückbare Dichtung (138; 548) um den abgedichteten Umlenkstrukturumfang (132; 544) herum zwischen jeweils zwei aneinandergrenzenden perforierten Platten (128, 129; 540) aufweist.

14. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) eine Rippe (136, 536, 538) bildet, auf der die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) ruht, die ein Array von aneinandergrenzenden gestapelten perforierten Platten (128, 129; 540) aufweist, die einen abgedichteten Umlenkstrukturumfang (132; 544) mit mindestens einer ersten zusammendrückbaren Dichtung (134; 546) um den Umfang (132; 544) der perforierten Platten herum zwischen jeweils zwei aneinandergrenzenden perforierten Platten (128, 129; 540) und mindestens einer zweiten zusammendrückbaren Dichtung (138; 548) zwischen der Rippe (136, 536, 538) und der abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) bilden.

15. CVI/CVD-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der dem Ofen (10) ein Reaktionsgas von mindestens einem zweiten Gaseinlass (20) zugeführt wird und die ferner aufweist:

- mindestens eine zweite abgedichtete Umlenkstruktur (78) innerhalb des Ofens (10) mit einem zweiten Umlenkstruktureinlass (74) und einem zweiten Umlenkstrukturauslass (76); und

- mindestens eine zweite abgedichtete Kanalstruktur (72) innerhalb des Ofens (10), die um den zweiten Gaseinlass (20) und den zweiten Umlenkstruktureinlass (74) herum abgedichtet ist, so dass im wesentlichen das gesamte Reaktionsgas vom zweiten Gaseinlass (20) zu der zweiten abgedichteten Umlenkstruktur (78) geleitet und gezwungen wird, diese zum zweiten Umlenkstrukturausslass (76) hin zu durchströmen.

16. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner mit mindestens einer zweiten Abdeckplatte (80) über dem zweiten Umlenkstrukturauslass (76), die ein Array von Perforationen (84) aufweist.

17. CVI/CVD-Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner mit mindestens einer zweiten Abdeckplatte (80) über dem Umlenkstrukturauslass (76) mit mindestens einer Öffnung (84), wobei die zweite Abdeckplatte (80) um den zweiten Umlenkstrukturauslass (76) herum abgedichtet ist, so dass im wesentlichen das gesamte Gas vom zweiten Umlenkstrukturauslass (76) durch die mindestens eine Öffnung (84) in der zweiten Abdeckplatte (80) geleitet wird.

18. Verfahren zum Einleiten eines Reaktionsgases von einem Gaseinlass (16) in das Reaktorvolumen (88) eines CVI/CVD-Ofens (10), mit folgenden Schritten:

- Einleiten des Reaktionsgases vom Gaseinlass (16) in einen Gasvorwärmer (50; 100; 500) innerhalb des CVI/CVD-Ofens (10), wobei der Gasvorwärmer (50; 100; 500) eine abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) innerhalb des CVI/CVD-Ofens (10) mit einem Umlenkstruktureinlass (54; 104; 504) und einem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506), einer abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502), die um den Gaseinlass (16) und den Umlenkstruktureinlass (54; 104; 504) herum abgedichtet ist, und eine elastische Dichtung (548) zwischen der abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) und der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) aufweist, und

- Leiten des vom Gaseinlass (16) eingeleiteten Reaktionsgases in den Umlenkstruktureinlass (54; 104; 504) hinein, durch die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) hindurch und aus dem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) heraus,

- wobei der Ofen (ZO) einen Susceptor (30) mit einer Susceptorwand (464) aufweist, die das Reaktionsvolumen (88) definiert, wobei der Susceptor (30) durch Induktion erwärmt wird und ein Bereich (109) der abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) nahe der Susceptorwand (464) für die Wärmeübertragung durch Abstrahlung von der Susceptorwand (464) auf die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) frei liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem

- der Susceptor (30) ferner einen Susceptorboden (18) aufweist,

- der Gaseinlass (16) gegenüber dem Susceptorboden (18) abgedichtet ist und die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) gegenüber dem Susceptorboden (18) abgedichtet ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit einer zusammendrückbaren Dichtung (138; 548) zwischen der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) und dem Susceptorboden (18).

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, ferner mit einer Abdeckplatte (60; 110; 510) über dem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506), die ein Array von Perforationen (64; 114, 116; 514) aufweist, und ferner mit dem Schritt des Leitens des Reaktionsgases durch das Array von Perforationen (64; 114, 116; 514).

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, ferner mit einer Abdeckplatte (60; 110; 510) über dem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) und mit mindestens einer Öffnung (64; 114, 116; 514), wobei die Abdeckplatte (60; 110; 510) um den Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) herum abgedichtet ist, und ferner mit dem Schritt des Leitens des Reaktionsgases durch die mindestens eine Öffnung (64; 114, 116; 514).

23 Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) mindestens zwei Teile (124, 125, 166, 168, 170, 172, 174; 516-524) aufweist, die mehrere abgedichtete Verbindungsstellen (526-534) bilden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) auf der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) ruht.

25. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Susceptor (30) ferner einen Susceptorboden (18) aufweist und die abgedichtete Kanalstruktur (52; 102; 502) auf dem Susceptorboden (18) ruht und die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) auf der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) ruht; ferner mit einer Abdeckplatte (60; 110; 510), die über dem Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) angeordnet ist und mindestens eine Öffnung (64; 114, 116; 514) aufweist, wobei die Abdeckplatte (60; 110; 510) um den Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) herum abgedichtet ist und auf der abgedichteten Kanalstruktur (52; 102; 502) ruht; und ferner mit dem Schritt des Leitens des Gases vom Umlenkstrukturauslass (56; 106; 506) durch die mindestens eine Öffnung (64; 114, 116; 514).

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) mindestens eine perforierte Platte (128, 129; 540) aufweist.

27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) mehrere voneinander beabstandete und parallel zueinander angeordnete perforierte Platten (128, 129; 540) aufweist.

28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem jede perforierte Platte (128, 129; 540) ein Array von Perforationen (130, 131; 542) aufweist, wobei das Array von Perforationen (130, 131; 542) einer perforierten Platte (128, 129; 540) gegenüber dem Array von Perforationen (130, 131; 542) einer angrenzenden perforierten Platte (128, 129; 540) versetzt angeordnet ist.

29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die perforierten Platten (128, 129; 540) einen abgedichteten Umfang (132; 544) definieren,

30. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) ein Array von aneinandergrenzenden gestapelten perforierten Platten (128, 129; 540), die einen abgedichteten Umlenkstrukturumfang (132; 544) bilden, und eine zusammendrückbare Dichtung (138; 548) um den abgedichteten Umlenkstrukturumfang (132; 544) herum zwischen jeweils zwei aneinandergrenzenden perforierten Platten (128, 129; 540) aufweist.

31. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die abgedichtete Kanalstruktur eine Rippe (136; 536, 538) bildet, auf der die abgedichtete Umlenkstruktur (58; 108; 508) ruht, die ein Array von aneinandergrenzenden gestapelten perforierten Platten (128, 129; 540) aufweist, die einen abgedichteten Umlenkstrukturumfang (132; 544) mit mindestens einer ersten zusammendrückbaren Dichtung (134; 546) um den Umfang (132; 544) der perforierten Platten herum zwischen jeweils zwei aneinandergrenzenden perforierten Platten (128, 129; 540) und mindestens einer zweiten zusammendrückbaren Dichtung (138; 548) zwischen der Rippe (136; 536, 538) und der abgedichteten Umlenkstruktur (58; 108; 508) bilden.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 31, bei dem dem Ofen (10) ein Reaktionsgas von mindestens einem zweiten Gaseinlass (20) zugeführt wird, ferner mit folgenden Schritten:

- Einleiten des Reaktionsgases vom Gaseinlass (20) in mindestens einen zweiten Gasvorwärmer (70) innerhalb des CVI/CVD-Ofens (10), wobei der zweite Gasvorwärmer (70) eine zweite abgedichtete Umlenkstruktur (78) innerhalb des CVI/CVD-Ofens (10) mit einem zweiten Umlenkstruktureinlass (74) und einem zweiten Umlenkstrukturauslass (76) und eine zweite abgedichtete Kanalstruktur (72), die um den zweiten Gaseinlass (20) und den zweiten Umlenkstruktureinlass (74) herum abgedichtet ist, aufweist; und

- Führen des vom zweiten Gaseinlass (20) eingeleiteten Reaktionsgases in den zweiten Umlenkstruktureinlass (74) hinein, durch die zweite abgedichtete Umlenkstruktur (78) hindurch und aus dem zweiten Umlenkstrukturauslass (76) heraus.

33. Verfahren nach Anspruch 32, ferner mit mindestens einer zweiten Abdeckplatte (80) über dem zweiten Umlenkstrukturauslass (76), wobei die zweite Abdeckplatte (80) ein Array von Perforationen (84) aufweist.

34. Verfahren nach Anspruch 32, ferner mit mindestens einer zweiten Abdeckplatte (80), die über dem zweiten Umlenkstrukturauslass (76) angeordnet ist und mindestens eine Öffnung (84) aufweist, wobei die zweite Abdeckplatte (80) um den zweiten Umlenkstrukturauslass (76) herum abgedichtet ist, so dass im wesentlichen das gesamte Gas vom zweiten Umlenkstrukturauslass (76) durch die mindestens eine Öffnung (84) geleitet wird.