JP2001509248A - 輻射バーナー用の改良された反射スクリーン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、改良された反射スクリーンを使用する多孔質マットのガス燃焼輻射バーナーパネルに関する。これらのスクリーンの目的は、スクリーンを用いずそして同流量の燃料及び空気を用いるバーナーに比較してバーナーの全体の輻射出力を増大させることにある。１実施例において、反射スクリーンは、セラミック複合材料から製造され、そしてそれはその金属の同等物よりもより高い運転温度に耐えることができる。他の実施例において、反射スクリーンに波形がつけられる。波形のしわは、温度又は熱膨張係数の相違に起因してクリープ及び熱的に誘発されたゆがみに抵抗するのに役立つ剛性を付加する。付加された利益として、波形のしわは、バーナーの放射効率を更に増加させることが意外にも見いだされた。好ましい実施例において、反射スクリーンは、波形がつけられ且つセラミック複合材料から製造される。

Description

【発明の詳細な説明】 輻射バーナー用の改良された反射スクリーン 発明の分野 本発明は、改良された反射スクリーンを使用する多孔質マットのガス燃焼輻射 バーナーパネルに関するものである。このスクリーンの目的は、スクリーンを用 いずそして同じ燃料と空気の流量を用いるバーナーに比較してバーナーの全体の 放射熱出力を増大させることにある。選択的に、輻射バーナースクリーンは、そ のバーナーパネルが減少した燃料消費速度で運転されることを可能にし、多孔質 マットの温度を低下させ、これによりその寿命を延長させることにある。 発明の背景 多孔質ガス燃料の輻射バーナーは、多年にわたり使用されてきた。このバーナ ーは、電気抵抗加熱を用いる匹敵するユニットと比較した場合、輻射エネルギー の安価な源である。このバーナーは、塗料及び紙の乾燥のような多くの産業の用 途において使用されている。追加の用途は、例えば寒い気候における渡り廊下の 加熱を含む。 バーナーは、箱の側面として作用する多孔質プレートから成る。残りの５つの 側面は、多孔質プレートを貫通してガス燃料と空気の混合物の進路を変えるため のプレナム室として働く。燃料と空気の混合物は、多孔質プレートの表面で点火 され次いで燃焼がプレート表面で進行する。プレートの細孔構造は、燃焼する燃 料と空気の混合物がプレナム室に逆流するのを防止するように十分に微細である 。図８は、そのようなバーナーを示す。 表面燃焼が進行するとき、プレートの表面温度は、上昇する。多孔質のプレー トが達成する最終温度は、プレートの厚さ、多孔度及びプレートを貫流する燃料 と空気の混合物の量に依存する。プレートにより発生される輻射熱の量は、その 表面温度に比例する。不幸にも、これらの多孔質バーナー表面を組み立てるため に用いられる多くの材料は、より高い幅射出力を達成するために高い表面温度で バーナーを運転することにより課されるより高い運転温度に耐えないであろう。 完全燃焼を仮定し(そして伝導性の熱伝達を無視すると)、燃料と空気の与えら れた量に対して発生した利用できる熱は、放射エネルギー部分と対流エネルギー 部分の合計である。反射スクリーン又は格子を多孔質プレートバーナー表面から 少し離れて設置することは、対流エネルギーの幾分かを放射エネルギーに変換す ることによりバーナーの放射の出力を増加させるための普通の方法である。この 現象は、“反射の(reverberatory)”効果と称され、従ってそのようなスクリー ンは、反射スクリーンである。これは、バーナーの表面温度が与えられた輻射出 力に対し低下することを可能にし、多孔質バーナーパネルの有用な寿命を著しく 延ばす。更に、そのような反射スクリーンの存在は、輻射バーナーがより効率的 に運転されることを可能にする。特に、別のやり方で失われるかもしれない（暖 かい空気が出る）対流の熱エネルギーのいくらかは、輻射エネルギーに変換され 、そしてそれは、それが必要としている場所にはるかに容易に向けられる。 反射スクリーンは、多孔質バーナーパネルと非常に同様に高温の有害な作用を 起こしやすい。スクリーンは、Nichrome（登録商標）及びInconel（登録商標） のような耐火性金属から通常製造される。幾つかの場合において、スクリーンは パックアルミニウム被覆のような酸化保護被膜で処理され、それらをより高温で 長期間運転することを可能にする。 輻射バーナーシステムの幾つかの部材は、他の部品よりも異なる温度で運転す るように設計されそして種々の材料から構成され得るので、熱的に誘発された機 械的応力が、バーナーの運転中に通常発生する。バーナーの種々の部材及び小組 立品が、いかにもう一つに結合されているかに応じて、これらの応力は、バーナ ー部品の物理的ゆがみを発生させることがある。反射スクリーンは、特に傷つき やすい。アッタチメントプランが、応力とゆがみの程度を最小化するための努力 において長年に亘って開発されてきている。これらの計画の幾つかは、相当複雑 であり、費用が加わる多数の部品を必要とする。しかし、必然的に、金属反射ス クリーンは熱的にゆがみ（例えば、クリープ変形から）そして取り替えられねば ならない。しばしば、これらの輻射バーナーは、バーナーが多孔質バーナーパネ ル（これは、取り替えることが相当により困難である）を保護するために犠牲さ れるように設計されそして運転される。 応力に誘発されたゆがみの問題に加えて、金属バーナー熱段階コンポーネント に関する他の制限が存在する。特に、そのようなコンポーネントは、酸化されや すい。酸化された金属は、壊れやすい。また、酸化された層は、下層の金属に付 着しないかもしれない。温度が高くなればなるほど、酸化反応は、より速く進行 する。従って、たとえ運転温度を高めることが、バーナーの熱力学的効率を増加 させるとしても、金属についての化学的及び機械的制限は、幅射バーナーの実際 の運転温度に関して制限(cap)を課する。 発明の概要 本発明は、既存の輻射バーナーにおけるこれらの欠点に向けられる。特に、本 発明の目的は、その輻射出力、並びに対流及び伝導性エネルギーの輻射エネルギ ーへの転換の見地から見て高い効率を有する輻射バーナー用の反射スクリーン又 は格子を提供することにある。本発明の目的は、金属スクリーンよりもより高い 温度で運転できる輻射バーナー用の反射スクリーン又は格子を提供することにあ る。 本発明の目的は、酸化抵抗性である反射スクリーン又は格子を提供することに ある。本発明の目的は、既存のスクリーン又は格子よりも熱的に誘発された応力 及び機械的ゆがみを受けにくい反射スクリーン又は格子を提供することにある。 本発明の目的は、凸凹があり、しかも最少のハードウェアと共にバーナーアッセ ンブリーの残りに結合する反射スクリーン又は格子を提供することにある。 本発明の１つの特徴によれば、従来技術の前記制限の多くは、さもなければ平 らな二次元の反射熱バーナースクリーンに対し、三次元(例えば、トポグラフィ ：地形)の様相を付与することにより扱われる。この三次元は、気泡、小さなく ぼみ、しわ等の形を取ることができる。その最も簡単な態様において、波形のし わ（例えば、起伏又はひだ）は、形状が正弦波の形で変化しそして単一方向へ向 けられる。更に、本発明によれば、従来技術の制限の多くが、セラミックマトリ ックス複合材料（ＣＭＣ）の材料からバーナースクリーン又は格子を製造するこ とにより処理される。好ましい態様において、ＣＭＣ材料は、連続繊維、好まし くはセラミック繊維で強化されたセラミックマトリックスを含んで成る。これら の２つの改善の組み合わせにより、特に良好な反射スクリーン、波形をつけたＣ ＭＣスクリーンが製造される。波形をつけたＣＭＣ反射スクリーンは、本発明の スクリーンが、酸化、クリープ及び熱的に誘発されたゆがみがより少なくてより 高 温で運転できるという点において、従来技術の金属スクリーンを上回る実質的な 改良を示す。 あらゆる特定の理論又は説明に拘束されることを望むことなく、以下のように 思われる；即ち、スクリーンに波形をつける行為は、スクリーンの機械的剛性を 増加させ、そしてそれは一方では機械的ゆがみが起こりうる空間の次元の数（例 えば、自由度）を減少させる。詳しくは、そのスクリーンは、波形方向に平行又 はほぼ平行である方向を除いて、全ての方向に増強され又は強化される。しかし 、一方向以上にスクリーンに波形をつけることは、波形方向により定められる平 面内で全ての方向にスクリーンを強化する。 反射スクリーン材料として連続繊維ＣＭＣを使用することは、これらのバーナ ーアッセンブリーの運転温度及び有用な耐用年数を増大させる。金属スクリーン を、約１０００℃に制限すると、本発明のＣＭＣスクリーンは、もしも機械的応 力の作用を最小にするように設計されている場合、１２００℃までの温度で数千 時間連続的に運転作できる。例えば、炭化珪素マトリックスＣＭＣスクリーンの 熱膨張係数は、通常用いられている金属スクリーンの熱膨張係数の約２分の１で ありそしてそれ自身、熱的に誘発された応力の作用を著しく減少させる。 反射スクリーンの寿命に影響するもう一つの因子は、その外形（geometry）で あり、特に強化材の種類及び位置である。特に、熱サイクル試験は、少なくとも 一つの端又は取り付け領域が、追加のＣＭＣ材料で強化されるＣＭＣ反射スクリ ーンの寿命の延びを示す。しかし、最高の寿命の延びは、ＣＭＣ反射スクリーン に波形をつけたときに見いだされる。 スクリーンを波形シートに形成することの予期せずそして驚くべき利益は、そ れが同様の大きさを有する平らなスクリーンよりもより多い輻射出力を有するこ とである。増大した輻射出力は、多分、波形のしわが、平らなスクリーンよりも 放射するために利用できるより多くの表面積をもたらす故に生じる。スクリーン を垂直に取り付ける場合、スクリーンの輻射出力は、最大になる。理論に拘束さ れることは望まないが、このことは、波形のしわの内部に熱気体が捕捉され、そ れらの熱エネルギーをスクリーンに付与し次いでそれは放射エネルギーとして放 出されることから生じるものと考えられる。 定義 本明細書で用いられるように、“セラミックマトリックス複合材料”又は“Ｃ ＭＣ”又は“セラミック複合材料本体”は、プレフォーム又は強化材料を含む充 填剤を埋封するか又は封入する二次元又は三次元強化セラミックを含む材料を意 味する。その材料は、不純物のような意図しない添加物、及び／又は特別の機能 （例えば、酸素捕捉）を満たすため意図的に添加される目的添加物を更に含んで もよい。 本明細書で用いられるように、“化学蒸着”又は“ＣＶＤ”は、固体として基 板上に付着される少なくとも一種の反応生成物を形成するため反応器中で少なく とも一種の蒸気相反応物の化学反応を意味する。本明細書で用いられるように、 “化学蒸気浸透(Chemical Vapor Infiltration)”又は“ＣＶＩ”は、基板が、 透過性又は多孔性であり、ここで固体反応生成物は、丁度本体表面ではなく、蒸 気相に接近する基板の全ての面に上に付着されうる化学蒸着の一つのタイプであ る。 本明細書で用いられるように、“連続繊維”又は“連続フィラメント”は、そ の長さが、その直径よりも少なくとも約１０００倍より長い繊維又はフィラメン トを意味する。本明細書で用いられるように、“布帛”又は“織布”は、絡み合 う様式でリガメントを製織することにより形成される物体を示す。本発明の布帛 は、規則正しい繰り返しパターンを特徴としそして実質的に二次元であるが、し かし三次元構造体、例えばチューブも造形できる。 本明細書で用いられるように、“リガメント”は、布帛を形成するために他の そのような物体と共に製織される実質的に一次元の物体を示す。従って、リガメ ントは、単一ファイバーのストランド又は繊維のトウ（tow；より糸）であって よい。本明細書で用いられるように、“反射材料”は、妥当な期間の間少なくと も８００℃の温度の空気中でその機能を発揮できる材料を意味する。 本明細書で用いられるように、“スクリーン”又は“格子”は、バーナーの反 射効率を高める目的で輻射バーナーの前に設置される実質的に二次元の網状又は 骨組み構造を意味する。本明細書で用いられるように、“スクリーン要素”又は “リブ”は、網状構造が、等辺等角の配列の形、例えばスクリーンをとる場合の セグメントの名称である。 本明細書で用いられるように、“セグメンド”又は“骨組みセグメンド”は、 網状構造中の開口の全部の面又は表面を定める網状構造の最小部分を意味する。 本明細書で用いられるように、“トウ”又は“繊維トウ”は、互いに実質的に平 行に延伸されそして互いに少なくとも緩く結合されている複数の連続繊維を意味 する。 図面の簡単な説明 図１は、一つの方向に波形がつけられた輻射バーナー用の反射スクリーンを示 す。 図２は、実質的に事例１により製造された本発明のＣＭＣスクリーン材料の研 磨された断面の顕微鏡写真（約１５０倍）を示す。 図３は、本発明の耐火性の反射スクリーンを製造するために使用され得る繊維 トウの平織りを示す。 図４は、熱加工中スクリーン材料を支持するための波形をつけた面を特徴とす る２個の部片モールドの等角図である。 図５は、そのようなスクリーン支持具のための代替設計を示す。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれスクリーンセグメントの等辺等角の配列及び任 意に網状にした配置を特徴づける反射スクリーン又は格子を示す。 図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の反射スクリーンのための繊維トウ強化の２つの 異なる様式を示す。 図８は、多孔質のバーナープレート及び典型的な輻射バーナー装置のプレナム 室に関して本発明に係る波形をつけた反射スクリーンの配置及び方向を示す。 図９は、実施例１の反射スクリーンを、引き続き試験の目的のため幅射バーナ ーの残りに取り付けるための手段を示す。 本発明及び好ましい実施例の詳細な記載 本発明によれば、従来技術の既に述べた制限の多くは、位相幾何学をさもなけ れば平らな二次元反射バーナースクリーンに付与することにより取り組まれる。 そのような位相幾何学の特徴は、気泡、小さなくぼみ、波形のしわ等の形状でそ れ自身を表すことができる。その最も簡単な形態では、波形のしわは、形状が正 弦波の形で変化しそして単一の方向に向く。更に、本発明によれば、従来技術の 制限の多くは、セラミック複合材料（ＣＭＣ）の材料からバーナー又は格子を製 造することにより取り組まれる。好ましい実施例において、ＣＭＣ材料は、連続 繊維で強化されたセラミックマトリックスを含む。これらの２つの主題の組み合 わせにより、特に良好な反射スクリーン、波形をつけたＣＭＣスクリーンが製造 される。波形をつけたＣＭＣ反射スクリーンは、次の点において従来技術の金属 スクリーンよりも実質的な改善を示す；即ち、本発明のスクリーンは、酸化、ク リープ及び熱的に誘発されたゆがみがより少なくてより高温で運転できる。 特定の理論又は説明に拘束されることは望まないが、次のように思われる；即 ち、スクリーンに波形をつける行為は、スクリーンの機械的剛性を増大させ、そ してそれは一方では機械的ゆがみが生じるかもしれない空間の次元の数（即ち、 自由度）を減少させる。特に、スクリーンは波形のしわの方向に平行又はほぼ並 行である方向を除いて全ての方向に強固にされ又は強化される。勿論、強固にさ れる最大の程度は、波形のしわの方向に直角の方向で生じる(図１を参照)。しか し、一以上の方向にスクリーンに波形をつけることは、波形のしわの方向により 画成される平面内部で全ての方向にスクリーンを強化する。 スクリーンを波形をつけたシートに形成する予期しないかつ驚くべき利益は、 それが同様の面積の平らなスクリーンよりもより多い輻射出力を有することであ る。この増加した輻射出力は、波形のしわが放射に利用できるより広い表面を有 するので生じるのであろう。熱気体は、ＣＭＣスクリーンにそれらの熱エネルギ ーを付与する波形のしわの内部に捕捉されそしてそれは次いで放射エネルギーと して放出される。 上記のように、本発明の反射スクリーンを構成するスクリーン要素又はリブは 、好ましくはセラミック複合材料（ＣＭＣ）の材料から製造される。反射スクリ ーン材料として連続繊維ＣＭＣの使用は、特に強化用繊維が周囲のマトリックス 材料から剥離する（debond）ことのできるとき、運転温度及びこれらのバーナー アッセンブリーの有用寿命を増大できる。金属スクリーンが約１０００℃に限定 されている場合、本発明のＣＭＣスクリーンは、もしも熱力学的応力の作用を最 小にするように設計されている場合、１２００℃までの温度で数千時間連続的に 運転できる。マトリックス材料として炭化珪素を特徴づけるＣＭＣスクリーンの 熱膨張係数は、通常使用されている金属スクリーンの熱膨張係数の約半分であり そ してそれ自身、熱力学的に誘発された応力の作用を著しく減少させる。ＣＭＣ繊 維、剥離(debond)界面及びマトリックスは、当業者に利用できる選択物から選ぶ ことができる。 特に、図２を参照すると、本発明のＣＭＣは、セラミックマトリックス２０に より埋封されそして強い結合が、繊維とマトリックスの間で成長するのを防止す るのに役立つ繊維とマトリックス間に配置された繊維又は少なくとも幾つかの種 類の層の上に少なくとも一種の被膜３０を有する繊維１０を含んで成る。加えら れた剪断応力下で、繊維はマトリックスが割れる前にマトリックスから剥離する であろう。従って、マトリックスの破壊点まで荷重を加えるとき、繊維は完全故 障なしにマトリックスから引っ張ることができ、これにより破壊エネルギーを吸 収する。このようにして、ＣＭＣ材料の機械的靱性（又は全体的耐久性）が、高 められる。このような靱性は、本発明のＣＭＣ反射スクリーンの重要な特徴であ る；何故なら、上記のように機械的応力は、熱サイクル中にスクリーン材料中で 誘発されるからである。加えて、反射スクリーンは、相当に小さい断面積を典型 的に特徴とするので、通常の取り扱いと関連する力が、大きな機械的応力として ＣＭＣ材料中に現れる。 殆どの非金属繊維は、本発明のＣＭＣ材料に調和して好適であることができる けれども、特に好ましい繊維には、炭素、酸化アルミニウム、アルミナシリケー ト及び炭化珪素が含まれる。日本カーボン株式会社（東京、日本）により製造さ れそして商標名Nicalon（登録商標）及びHi-Nicalon（登録商標）を有してダウ コーニング社より販売されている繊維及び商標名(Tyranno)のもとで宇部興産に より販売されている炭化珪素を基材とする繊維が、特に好ましい。本発明の目的 に対して、炭素繊維は、セラミック繊維であると考えられる。 本発明の反射スクリーンを製造する場合、セラミック繊維は、典型的には所望 形状と大きさに製織され次いでその後の加工に対して金型（典型的には黒鉛から 製造される）の内部に置かれる。黒鉛金型の目的は、波形のしわを、製織された セラミック繊維に付与することでありそして製織されたファイバーが自立できる までその製織されたファイバーを一時的に硬くすることである。次いで、１又は それ以上のコーティング材料を適用する。好ましい実施例において、１又はそれ 以上のコーティングは、製織されたセラッミク繊維を自立させる。通常、被膜の 少なくとも一つは、以下に詳しく述べる剥離（debond）コーティング材料である 。 セラミックマトリックス複合材料及び特に繊維成分の酸化抵抗を更に高めるた めに、Grayに付与された米国特許第５,０９４,９０１号（以下、“Gray特許”と 称する）に教示されるように、酸素捕捉剤又は除去剤(getterer)が添加される。 一つの実施例において、酸素捕捉層を、繊維成分の上に浸漬被覆され、塗布され 、吹きつけ塗りされる等されてもよい樹脂ビヒクル中の粒状のスラリーの形で与 えることができる。好ましい実施例において、酸素捕捉用物質は、炭化硼素微粒 子である。Kennedy等に付与された米国特許第５,５８０,６４３号は、また酸化 保護機構として酸素除去の概念を教示する。酸素除去剤物質は、セラミック繊維 に隣接して、セラミックマトリックスに隣接して、又は剥離層内部に適用できる 。更に、Kennedy等の特許は、繊維、特に非酸化繊維に対する有害な物質（例え ば、酸素）の進入を遅くし又は停止するために、繊維、剥離層（複数）及び／又 は酸素除去剤物質の上に塗布されることのできる遮断層皮膜（例えば、ＳｉＣ） のような他の酸素保護機構も開示する。これらの２件の米国特許の全ては、その 番号を引用して本明細書に加入される。 １又はそれ以上の剥離(debond)被膜は、典型的にはセラミックマトリックスに よる封入前にセラミック繊維に適用される。勿論、あらゆる好適な物質が使用で きるが、好ましい剥離被膜は、熱分解炭素、樹脂チャカーボン及び窒化硼素を含 む。好ましい実施例において、剥離被膜は、化学蒸気浸透法(Chemical vapor in mtration)（ＣＶＩ）により適用されるが、しかし約０．０１ミクロンから１〜 ２ミクロンまでの範囲の比較的均一な厚さを有する被膜を適用できるいかなる技 術も考慮できる。１又はそれ以上の剥離被膜が、酸素捕捉物質を添加する前に又 は添加後のいづれかにおいて適用できる。一定の場合において、剥離物質は、酸 素捕捉剤（例えば、ＢＮ）としても作用する。更に好ましい実施例において、酸 素捕捉用物質が粒状スラリーにより適用される場合、最初にスラリーを繊維組織 に適用し、次いで剥離層（複数）に適用することが好ましい。微粒子の不連続性 は、剥離機構の運転に関していかなる実質的限度においても妨害しないであろう 。個々の繊維を酸化保護物質及び剥離物質で被覆することは、それでも必要では な く；これらの物質及びマトリックス材料による全ての繊維トウの封入は、機能反 射スクリーンをなおもたらす。 次いで、セラミック繊維、剥離被膜及び酸素捕捉剤物質又は酸素保護被膜は、 セラミックマトリックス材料中に封入される。セラミックマトリックスのための 好ましい材料には、酸化アルミニウム、窒化珪素及び炭化珪素が含まれる。その マトリックスを形成する好ましい手段は、再びＣＶＩによるが、他の加工技術、 例えば焼結、反応性焼結、溶融浸透、直接金属酸化等も実施できる。セラミック マトリックス複合材料のマトリックスを形成するための好ましいＣＶＩ技術は、 当業者に周知である。例えば、炭化珪素マトリクッスは、約１０００℃の温度で そして約２０トールの圧力で過剰の水素の存在下でメチルトリクロロシラン（Ｍ ＴＳ）を分解することにより形成できる。窒化珪素及び／又は炭化珪素を含んで 成るセラミックマトリックスは、ＣＥＲＡＳＥＴ（商標）ＳＮ無機ポリマー（La nxide Corp.,Newark,DE）のような液体シラザンポリマーを、強化材料の透過性 本体中に浸透させ次いでポリマーを熱分解することにより製造できる。いくつか の浸透／熱分解サイクルが、所望の密度を達成するために要求されるかもしれな い。セラミク又はセラミック複合材料本体のための上記の指示された金属酸化プ ロセスは、Newkirk等により１９９５年５月２６日に出願された米国特許出願第 ０８／４５１,５８１号（今は特許されている）(この出願は、米国特許第５,４ ２０,０８５号の一部継続であった)に説明されている。Newkirk等の出願（その 全開示は、番号を引用して本明細書に加えられる）によれば、溶融金属の本体は 、その溶融金属がその丁度形成された酸化反応生成物を湿潤させそして後者にお いて割れ目を通して吐かせそして追加の酸化反応生成物を製造するため新たな蒸 気相酸化体と接触しそして反応する様な方法で酸化せしめられることができ、こ れにより割れ目の中に酸化体反応生成物及び金属を含んで成る多結晶質のセラミ ック構造を連続的に成長させる。透過性本体は、成長する多結晶室構造の細道の 中に入れることができる。透過性本体は、少なくとも一種の充填剤物質を含んで 成りそしてそれは溶融金属及び酸化体に関し実質的に非反応性である。次いで、 形成された本体は、上記の多結晶質のセラミック材料により埋封された充填剤物 質を含んで成る。透過性本体を用いる場合、固体又は液体酸化体を、蒸気 相酸化体の代わりに又は蒸気相酸化体に加えて本体の中に入れることができる。 上記のように、本発明のＣＭＣ反射スクリーンの基礎は、ファイバー強化であ り、好ましくは酸素（典型的には空気の形の）が入ることができそして燃焼ガス が燃焼帯から出ることのできる開口を有するメッシュを形成する様な方法で製織 されたセラミック繊維である。セラミック繊維の好都合な形態は、連続繊維トウ の形態である。好ましい実施例において、その繊維トウは、各々の繊維が約１０ ─２５ミクロンの直径を有する数百本の炭化珪素を基材とする繊維を含んで成る 。次いで、連続繊維を切断して所望の長さの複数のトウを形成する。次いで、ト ウを当業者に周知のあらゆる方法で織って図３に示すようなメッシュ、スクリー ン又は格子の構造を形成する。この図は、特に平織りの形で製織されたトウを示 すが、ハーネスサテン織りのような他の織りも用いることができる。ハーネスサ テン織りにおいて、特定の繊維トウは、織りの平面の背の上に又は下方に移動す る前に一以上の他の繊維トウの上を又は下を通過するであろう。本発明において 、平織りが、便宜のために用いられる。特に、平織りスクリーンは、個々の繊維 トウを損なうことなく又は移動させることなく所望形状に（例えば、波形をつけ ることにより）容易に形成される。好ましい実施例において、互いに関して直角 に製織されるが、しかし、そのような織りは便宜上でありそして９０°以外の角 度を有する異なる織りも、本発明において用いるのに好適である。 もしも、波形にすることが実施されるべき場合、この運転は一度基本スクリー ン又は格子の形状が製織されたら行われ、そしてその間製織されたスクリーンは 依然として柔軟である。反射金属スクリーンの場合に、波形のしわは、型押し又 はローリング操作により押しつけられる。セラミック繊維で製造したスクリーン に対して、波形のしわは、特に一又はそれ以上の剥離被膜及び／又は酸化保護被 膜を適用するために、シートがその後の加工のためのダイ又は道具の中に入れら れたときに、製織された繊維シートの上で好ましく押しつけられる。以下の実施 例で示されるように、種々の反射スクリーンが、種々の波形をつけた形状を有し て製造された。特に、反射スクリーンは、約１ｃｍないし約２ｃｍに及ぶ波形の しわの周期性（波の頂部又は谷の間の距離）を有して製造された。少なくとも周 期性範囲の短い端部で次のように思われる；即ち、波形のしわの周期性は、破壊 することなく存在するあらゆるセラミック繊維が曲げられる能力によってのみ制 限されうる。 セラミック反射スクリーンの上に波形のしわを押しつけるための金型の二つの 異なるデザインが、図４及び図５に示される。図４は、特に締付けタイプの黒鉛 金型の半分の二つを示す。化学蒸気浸透中に製織された布帛に反応体ガスが接近 することを可能にするために複数の小さな孔が、金型の両半分を貫通してあけら れる。金型の内面上の波形のしわにより示唆されるように、セラミック布帛は波 形のしわに接触しておりそして相補的金型の半分が、セラミック繊維に対して加 圧されそして相対する金型の半分にクランプされ又はボルト締めされる(図示せ ず)。 図５は、異なるタイプの黒鉛取付け（fixturing）を示しそしてそこにおいて セラミック繊維は、隣接するジベル棒の交互に現れる面上を通過しそして黒鉛成 形用具の面にクランプされる。前述のように、一度剥離被膜及び／又は酸化保護 被膜を適用すると、製織されたセラミック布帛は典型的に自立するようになる。 この点で、塗被された布帛を、マトリックス付着のためのような、更なる加工の ために金型又はダイから除去することは、可能となりそして時には好都合である 。 この点までの大部分の議論は、ＣＭＣの態様に関するものであるけれども、そ の態様が波形をつけた金属スクリーン又は格子を含んで成るとき、そのスクリー ン又は格子は製織された布帛（即ち、金属線から成る製織された布帛）と通常関 連する等角等辺の配列又はパターンを特徴づける必要はない。その代わりに、金 属スクリーンは、図６Ｂに示されるような網状にした金属の骨組み構造を含むこ とができる。図６Ａの格子により示唆される通常の配列と異なり、図６Ｂの網状 にした格子の構造は、多少不規則に置かれたセグメントを特徴づける。主題に関 する図面及び提示を簡易化するために、波形のしわはこれらの各々の図面から除 かれている。 本発明の好ましい実施例において、セラミック反射スクリーンは、その少なく とも一つの端に沿って強化される。一つのそのような実施例（例えば、図７Ａ参 照）において、強化は、例えばアクリル樹脂又はフェノール樹脂を用い、製織さ れたセラミック繊維の一端に一時的に固定された幾つかの（例えば、３〜８個） 平行な繊維トウの形態をとる。繊維トウは、隣接するトウの間で可能な限り狭い 間隔で互いに関して端と端を接して置かれる。もう一つの実施例（図７Ｂ）にお いて、しっかりと製織された平織り布帛のストリップを、１〜２ｃｍ幅（及び適 合させるための長さ）に切断しそして加工条件に対して適当な接着剤を用いて目 の粗いメッシュのセラミック繊維の一又はそれ以上の端に一時的に固定する。再 び、一度剥離層及び／又は酸化保護層を、布帛の上に付着すると、布帛は典型的 に自立しそして強化ストリップは、布帛スクリーンの残りに結合する。更に、一 時的に硬くするために用いられる大部分の有機結合剤は、次の熱加工中(例えば 、コーティング付着中)、最も普通には揮発中に除去される。複数の強化ストリ ップを、反射スクリーンの各端部に沿って置くことができるが、しかし最低でも 少なくとも一つは、波形をつけた端部、例えば波形をつけた構造を特徴づける端 部に沿って置くべきである。そのような強化に関する説明が、図８に示されてい る。もしも、スクリーン全体が波形をつけることにより強化されていない場合、 取り付け点又は領域を強化することも望ましい。 図８は、反射スクリーンがその端に沿って取り付けられそして支持されること を示唆する。多くの取り付け計画が可能であるけれども、本発明の反射スクリー ンは、好ましくは実質的に図に９示されるように輻射バーナーユニットの残りに 取り付けられる。特に、スクリーンは、実際に可能な限り広い面積に亘って荷重 を分散させるために、好ましくは絶縁用のボルト又は大きなワッシャーによりそ の中央で又はその近くで取り付けられる。スクリーンの重量が軽いために、ボル トはそのスクリーンを適所に保持するために、いかなる大きな程度にまでトルク を与えられる必要はない。もしもボルトを適応させることが必要である場合、一 又はそれ以上のスクリーン要素を除いてもよい。 以下の事例により、更に本発明を説明する。 事例１ 炭化珪素繊維トウ（直径１５−２０ミクロンのフィラメント、１８００デニー ルNicalon(登録商標)、日本カーボン株式会社、東京、日本）を製織して１ｃｍ につき１.８本の素糸を有する目の粗い平織り織布を形成した。その布帛は約５ ０％の開口面積を有していた。次いで、その布帛をGray特許により教示される ようにポリメチルメタクリレート樹脂及び炭化硼素粒状酸化抑制剤（２−３ミク ロンの平均粒径）の混合物で含浸した。次いで、含浸した目の粗い織布を黒鉛道 具で波形をつけた形状に形成した。波形のしわは、殆ど高さが１ｃｍ、幅が約１ ｃｍであった。 道具で作られたスクリーンを、直径約１.４ｍ、長さ約２ｍの寸法の蒸着室を 有する低圧化学蒸気浸透（ＣＶＩ）反応器の中に置いた。メタンを、毎分約１５ 標準リットル（ｓｌｐｍ）の流量、低圧（１００トール未満）及び１０００℃で 反応器に供給して繊維及び粒子表面上に約０.５ミクロン厚の熱分解炭素剥離界 面を付着させた。次いで、スクリーンを、メチルトリクロロシラン(ＭＴＳ)と水 素の混合物から約１０００℃、約２５０トールの減圧でＳｉＣを付着させるよう に設計されたもう一つのＣＶＩ反応器の中に置いた。ＳｉＣ付着のためのこの反 応室は、直径約０.４ｍ、長さ約２.４ｍの寸法であった。約１.８ｓｌｐｍの水 素ガス（約１１ｓｌｐｍの全水素流量からの）を、約４５℃の温度に保持された 液体ＭＴＳの浴の中に方向転換することにより、ＭＴＳを反応器の中に運び込ん だ。得られたＣＶＩ ＳｉＣ操作により、粒子上及び繊維上にＳｉＣ被膜が製造 されそしてそれは約１０−１００ミクロン厚であった。かくしてスクリーンは、 耐久性となりそした自由直立であった。 その効率を試験するために、完成されたスクリーンを、金属マットと波形のし わの間に約１ｃｍの間隔を有する商業的に入手可能な(Alzeta Co.,Santa Clara, CA)多孔質金属マットバーナーの頂部の上に置いた。スクリーンとマットバーナ ーの両方は、垂直に方向を合わせられた。輻射出力は、バーナーの表面に垂直な 熱量計を用いて測定された。熱束の測定は、一定の燃料─空気流の条件でスクリ ーン有り及び無しで測定された。マットバーナーの測定された輻射出力は、スク リーンが存在しないときよりもスクリーンをマットバーナーの上方に設置したと き約３５％より高かった。 スクリーンの熱力学的耐久性を、バーナー／スクリーン組み合わせの反復オン オフサイクルにより評価した。この場合、熱を排気フードの中に放射するために スクリーンを垂直に置いた。バーナー／スクリーンは、１時間につき約１８回点 火及び消火された。この試験中にスクリーンにより達成された最大温度は、約９ ００─１０００℃であり、一方最小温度は１００−３００℃の範囲内であった。 スクリーンには、合計１４,０００回以上のオンオフサイクル及び約１０００時 間の温時間が生じた。試験後、スクリーンを検査した。ゆがみ、ひずみ及び過剰 酸化の証拠は、認められなかった。 事例２ より少ない、即ち、約２ｃｍ幅のより広い波形のしわを用いるスクリーンを、 事例１で記載した方法と全く同様の方法で製造した。次いで、完成したスクリー ンを輻射出力及び熱力学的保全性に対して試験した。スクリーンに関するバーナ ーの輻射出力を測定したところ、スクリーンのない場合よりも約３３％より高か った。より多くの波形のしわを有するスクリーン（例えば、事例１のスクリーン ）に対して２％の減少した放出は、放射に利用できるより少ない表面積に起因し た。 同じスクリーンを、事例１に記載した方法と全く同様の方法で熱サイクルに委 ねた。約４０００回のオンオフサイクル後、スクリーンに変化は認められずそし て試験を停止した。 事例３ 事例１で記載したようなスクリーンを、同じNicalon（登録商標）繊維である がアクリル樹脂の代わりにフェノール樹脂（等級ＳＣ−１００８，Borden，inc. ，Columbus，OH）を有する繊維から製造した。フェノール樹脂の目的は、硬化す ると繊維を硬くして道具内部の波形をつけた形状にしそして同時に繊維の表面に 炭質界面を形成することであった。従って、炭素剥離層を付着させるためにＣＶ Ｉ反応器は、使用しなかった。その代わりに、フェノール樹脂を利用して道具で 形作られたスクリーンを、不活性雰囲気中で約１０００℃に加熱して樹脂をガラ ス状炭素に変えた。スクリーンを道具から取り出しそして事例１で記載したよう なＳｉＣ ＣＶＩ反応器の中に置いた。冷却すると、完成されたスクリーンは、 剛性でありそして自由直立であることが観察された。 事例４ 波形をつけたスクリーンを、事例１に記載のように製造した。しかし、剥離界 面として熱分解炭素を用いる代わりに、道具で作ったスクリーンプレフォームを Kennedy等の特許の事例１５に実質的に従って、アンモニア及び三塩化硼素の 混合物から窒化硼素を付着できるＣＶＩ反応器中に置いた。運転状態から冷却す ると、スクリーンは剛性でありそして自由直立であることが観察された。 事例５ 波形をつけた反射スクリーンを、事例１に記載のように製造したが、但し、Ne xtel（登録商標）等級６１０酸化アルミニウム繊維（3M Co.,St.Paul,MN）が、N icalon（登録商標）ＳｉＣ繊維の代わりに用いられそして粒状酸化抑制剤が、省 略された。 得られたスクリーンは、剛性でありそして自由直立であることが観察された。 以上の事例は、本発明を単に説明するためであると考えるべきである。当業者 は、添付の請求の範囲により定義される本発明の精神及び範囲から逸脱すること なく材料の多くの異なる組み合わせを用いることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレイ，ポール・イー アメリカ合衆国メリーランド州21901，ノ ース・イースト，ブルー・ボール・ロード 3437

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．波形をつけたの輻射バーナー格子であって、少なくとも１つの耐火性材料 から成る複数のセグメントを含む骨組み構造又は網状構造を含み、該セグメント の交差部がそれらの間の開口を定め、前記構造は、波形のしわを更に含む、前記 波形をつけた格子。 ２．前記耐火性材料は、耐火性金属を含む、請求項１の波形をつけた格子。 ３．前記耐火性材料は、セラミックマトリックス複合材料を含む、請求項１の 波形をつけた格子。 ４．前記セラミックマトリックス複合材料は、前記セラミックマトリックス中 に埋封された複数の連続繊維、及び該繊維と該セラミックマトリックスの間に配 置された少なくとも一種の剥離材料を含む、請求項３の波形をつけた格子。 ５．前記連続繊維の少なくとも一部は、トウの形態で提供され、そして少なく とも２セットの繊維トウを更に含み、各々のセットの中の該トウの各々は、互い にほぼに平行である、請求項４の波形をつけた格子。 ６．一つのセットの該繊維トウが、もう一つのセットの繊維トウに接触して、 規則的に間隔を置いたリガメント及びそれらの間の開口を有するスクリーンを形 成する、請求項５の波形をつけた格子。 ７．前記接触する繊維トウは、織製される、請求項６の波形をつけた格子。 ８．少なくとも前記波形をつけたしわの方向に前記スクリーンの端部に沿って 強化材を更にむ、請求項１９の反射スクリーン。 ９．前記開口の合計が、前記格子の周囲により境界を形成される全面積の約３ ０％〜約７０％を含む、請求項１の波形をつけた格子。 １０．前記連続繊維の直径が、約１０〜２５ミクロンである、請求項４の波形 をつけた格子。 １１．前記繊維トウの少なくとも１つが、約５０本以上の繊維を含む、請求項 ５の波形をつけた格子。 １２．前記繊維及び前記セラッミクマトリックスは、炭化珪素を含み、且つ前 記少なくとも１つの剥離材料は、炭素を含む、請求項４の波形をつけた格子。 １３．前記繊維と前記マトリックスとの間に配置される酸化保護材料を更に含 む、請求項１の波形をつけた格子。 １４．輻射バーナー用の反射スクリーンにおいて、 目の粗いメッシュを形成するために一緒に織製された複数のリガメントであっ て、スクリーンのリガメントの接合部がリガメントの間の開口を画成する複数の リガメント、並びに 少なくとも一種の繊維、該繊維を埋封するセラミックマトリックス、及び破壊 応力をマトリックスに加えた後にマトリックスに対し、繊維の引き抜きを許容す るために繊維とマトリックスの間に配置される少なくとも１つの剥離材料を含む 反射スクリーン。 １５．更に少なくとも一種の酸素捕捉剤物質をセラッミクマトリックス複合材 料に供給することを含み、酸素捕捉剤物質は、繊維、マトリックス又は剥離材料 の少なくとも１つと接触する、請求項１４の反射スクリーン。 １６．前記マトリックスは、炭化珪素、窒化珪素及び酸化アルミニウムから成 る群から選ばれる少なくとも１つの材料を含む、請求項１４の反射スクリーン。 １７．前記繊維は、炭化珪素、酸化アルミニウム及びアルミノ珪酸塩から成る 群から選ばれる、請求項１４の反射スクリーン。 １８．前記剥離材料は、熱分解炭素、樹脂チャカーボン、及び窒化硼素から成 る群から選ばれる、請求項１４の反射スクリーン。 １９．少なくとも一つの方向に波形がつけられている、請求項１４の反射スク リーン。 ２０．少なくとも一種のスクリーンリガメントは、セラミック繊維のトウを含 み、該トウの少なくとも１つの繊維が該セラミックマトリックス複合材料の該繊 維である、請求項１４の反射スクリーン。 ２１．前記酸素捕捉剤物質は、炭化硼素及び窒化硼素から成る群から選ばれる 少なくとも物質を含む、請求項１５の反射スクリーン。