KR101124901B1 - 시브이아이/시브이디를 위한 오븐 - Google Patents

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Abstract

(CVI/CVD 오븐 등의) 오븐, 반응로 등에 그리고 특히 오븐 내부의 반응챔버 구조(16)에 가스를 공급하는 가스공급파이프(12)는 파이프의 반경 바깥방향으로 뻗어있고 그리고 실제로 가스가 새지않는 통로를 형성하는 가스가 새지않는 관형상 밀봉장치(32)를 구비하는데, 이를 따라서 공급파이프가 뻗어있다. 관형상 밀봉장치는 바람직하게는 반응챔버에 위치된 위치와 가스공급 파이프가 오븐으로 들어가는 위치 사이의 위치 결함(이 결함은 예컨대 비대칭 열팽창/수축에 기인한 것일 수 있음)을 수용하기 위하여 횡방향으로 및/또는 축방향으로 적어도 부분적으로 유연하다.
반응챔버, 가스 파이프, 제1 축방향 부분, 제2 축방향 부분

Description

시브이아이/시브이디를 위한 오븐 {AN OVEN FOR CVI/CVD}
본 발명은 처리단계의 일부로서 그 안으로 반응가스가 인입되는 오븐, 반응로(furnace), 처리챔버 등에 관한 것이다. 본 발명의 특별한 예는 마찰부품들을 위한 다공성 예비성형체와 같은 다공성 부재들을 치밀화하는 방법의 일부로서 반응가스가 인입되는 화학기상침착(chemical vapor infiltration; CVI)/화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD)을 위한 오븐 또는 반응로에 관한 것이다.
전체적으로, 처리단계의 일부분으로서 반응가스가 인입되는 오븐, 반응로, 처리챔버 등을 사용하는 것이 알려져 있다 (이하의 설명에서 "오븐"이라는 용어는 반응로 및 이러한 종류의 다른 처리 챔버들에 적용되는 것으로 넓게 이해되어야 한다). 예로는 그 안에 (예를 들어 그리고 제한하지 않고, 브레이크 디스크용의 다공성 예비성형체 등의) 다공성 부재들이 위치되는 오븐에 전구체 반응가스가 인입되는 화학기상침착 방법을 들 수 있다.
일반적으로, 종래의 오븐은 처리 대상물 또는 처리하기 위한 부재들이 위치되는 작업공간 또는 반응챔버를 둘러싸고 있는 외측 오븐 케이싱과, 반응가스가 오븐으로 유입되고 오븐으로부터 유출되도록 하는 시스템 및 반응챔버의 적어도 내부 부분을 가열하는 가열시스템을 구비한다.
공지된 방식에 있어서, 반응가스는 다공성 부재들의 다공성 구조를 강제로 침착시킨다. 반응가스는 프로판과 같은 탄화수소 가스를 구비할 수 있다.
알려진 예에서, 반응가스는 오븐의 반응챔버와 대체로 정렬되어 있는 브레이크 디스크용 환형상 예비성형체의 적층으로 규정된 내부 체적에 인입된다. 일반적으로, 가스는 예비성형체의 다공성 (예컨대 섬유모양의) 구조를 통해 확산함으로써 및/또는 스페이서 등으로 규정되는 것과 같은 인접하여 적층된 예비성형체 사이의 갭(gap)들을 통해 유동함으로써 상기 적층의 내부 체적으로부터 상기 적층의 바깥쪽으로 강제로 이동된다.
반응챔버의 적어도 안쪽은 가열시스템에 의해 가열된다. 따라서, 브레이크 디스크 예비성형체의 상대적으로 높은 온도 때문에, 반응가스가 열분해되어 다공성 구조의 내면에 적층되는 분해제품을 남겨놓는다. 예를 들어, 탄화수소가스를 이용하면 분해 제품은 열분해 탄소이고 따라서 (탄소-탄소 재료와 같은) 탄소를 포함하는 복합재료를 얻을 수 있다.
일반적으로, 이런 타입의 오븐들은 여러 조립 구조체 유닛을 형성하기 위하여 용접, 볼트고정 등으로 함께 조립되는 복수의 부품들로 구성된다.
그럼에도 불구하고 여러 구조적 결함 또는 예외들이 오븐의 구조에 빈번하다. 예컨대 부품들은 오븐이 구성되는 동안에 정렬도가 낮을 수 있다. 다른 경우에, 오븐이 사용되는 동안 열팽창차에 따른 부품들 사이의 낮은 정렬도 등과 같은 간헐적인 결함들이 나타날 수 있다. 이는 예컨대 다른 열팽창계수를 갖는 다른 재 료들이 같은 어셈블리에 사용된 경우에 일어난다. 일반적으로 이런 지점들에서의 구조적인 결함들은 부품들 사이에 생기는 공극, 갭 등을 초래하는데, 이를 통해 (예컨대 오염물을 포함할 수 있는) 외부공기가 오븐에 침투할 수 있고 그리고 이를 통해 (다른 것들 중에서도 통상 가연성인) 반응가스가 빠져나갈 수 있다.
오븐에 가스가 인입되는 위치(들)는 특별한 문제를 보일 수 있는데, 이 문제는 적어도 브레이크 디스크 예비성형체 등이 위치되는 오븐의 영역 내로 유용하게 이송되는 대신에 가스 유동경로로부터 빠져나갈 수 있는 반응가스에 관한 것이다.
상술한 것으로부터, 오븐 내로 그리고 이 오븐 안에 포함된 반응챔버 내로 가스가 인입되는 위치에서 반응가스의 누출을 감소시키는 것이 요구된다는 점을 알 수 있을 것이다. 동시에, 오븐의 구조는 제조상의 에러나 불완전함 등을 수용하기 위한 적절한 구조를 유지하는 것이 유용하다.
일반적인 방식에서는, 본 발명에 따라서 유연한 관형상 밀봉장치는 가스 입구파이프가 오븐의 본체로 들어가서 반응챔버에 형성된 가스 입구개구 근처에서 끝나는 위치에서 가스입구 파이프의 일단 둘레에 위치된다.
바람직하게는, 관형상 밀봉장치의 적어도 일부분은 (오븐의 벽과 반응챔버의 가스입구 개구 사이에서 관형상 밀봉장치가 뻗어있는 방향의 축에 대하여) 횡방향으로 및/또는 축방향으로 유연하다. 이 유연한 부분은 예컨대 벨로우즈 구조를 가질 수 있다. 관형상 밀봉장치의 나머지 부분은 비교적 단단할 수 있다. 본 발명의 예에서, 관형상 밀봉장치의 유연한 부분은 스테인레스 스틸로 제조되고 요구되는 유연도를 허용하는 두께를 제공하는 반면, 관형상 밀봉장치의 나머지 부분은 잉코넬？ 합금(니켈-크롬-철 합금) 등으로 제조된다.
오븐의 케이싱으로 향하는 가스 입구파이프의 입구에 인접한 관형상 밀봉장치의 적어도 축방향 단부는 가스밀봉장치의 완전성을 더 개선시키기 위하여 위치에서 용접된다.
따라서, 상술하고 본 명세서에서 청구되는 관형상 밀봉장치는 오븐의 본체로 들어가며 반응챔버에 형성된 가스 입구 개구 근처에서 끝나는 가스 입구파이프의 단부 둘레의 밀봉을 제공한다. 그리고, 밀봉기능은 (예를 들어 구조상의 또는 설치상의 결함에 따른) 가스 입구파이프와 가스 입구개구 사이의 낮은 정렬도에도 불구하고 유지된다. 마지막으로, 오븐의 다른 부품들이 다른 열팽창계수를 가지기 때문에 다른 양으로 팽창함에 따라서 가스 입구파이프와 가스 입구개구가 작동시에 변하더라도 밀봉기능은 역시 유지된다.
본 발명은 다음의 첨부도면을 참조하면서 더 잘 이해될 수 있다.
도1은 반응가스 공급파이프가 오븐의 본체로 들어가서 오븐의 본체 내에 배치된 반응챔버에 형성된 가스 입구개구 근처에서 끝나는 위치에서의 본 발명의 오븐의 단면도이다.
도2는 본 발명의 관형상 밀봉장치의 절개사시도이다.
도3은 본 발명의 관형상 밀봉장치의 제1 축방향 부분과 제2 축방향 부분 사이의 연결을 나타내는 부분확대도이다.
일반적으로, CVI/CVD 프로세스에 사용되는 오븐은 오븐의 내부를 외부와 격리시키며 그 안의 체적을 규정하는 벽 또는 케이싱을 구비한다. 오븐의 체적 내부에는 반응챔버 구조가 존재한다. CVI/CVD 오븐의 반응챔버는 오븐의 체적 내부에 다른 체적을 그 자체로 규정할 수 있다. 다공성 브레이크 디스크의 예비성형체 등의 취급될 또는 변경될 물품들이 반응챔버에 위치된다.
일반적으로, 반응가스 순환시스템은 반응가스를 오븐에 인입하기 위하여 그리고 오븐으로부터 반응가스를 제거하기 위하여 제공된다. 특히, 반응가스는 오븐 내부의 반응챔버로 인입된다.
가스는 오븐 외부의 압력과 비교되는 오븐 내부의 가스압력의 효과에 의한 것 또는 당업계에 공지된 흡인 또는 배출 메커니즘(mechanism)에 의한 것 등을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 당업계 및/또는 산업분야에 공지된 적절한 메커니즘에 의해 오븐으로부터 배출된다.
가열시스템은 적어도 반응챔버의 내부를 가열하도록 배치된다. 이런 타입의 오븐을 가열하는 것은 일반적으로 당업계에 공지되어 있다. 가열 시스템의 2개의 특별한 알려진 예로는 전도성 가열과 저항성 가열을 포함한다.
본 구조의 설명을 간단히 하기 위하여, 참조되는 여러 통로들, 파이프들 등이 반드시 항상 그런 것은 아니지만 실제적으로 단면이 원형이라 가정하면서 기술된다.
도1은 (도1의 화살표 A로 나타낸 것처럼) 오븐 내부로 반응가스의 흐름을 공 급하기 위하여 반응가스 공급 파이프(12)가 오븐의 벽(10)을 통과하는 영역의 부분 단면도이다.
가능한 하나의 예에서, 반응챔버(16)에 형성된 가스 입구 통로(14)의 직경은 삽입물(insert)을 이용하여 조정되거나 규정될 수 있다. 삽입물은 정해진 제 위치에 장착되는 튜브로서 이 튜브(18)에 대체로 정렬된 중앙개구(20a)를 가진 고리형상의 어셈블리 판(20)에 대하여 체결되거나 또는 보지된 튜브(18)를 구비한다. 어셈블리 판(20)은 차례로 반응챔버의 표면에 예컨대 도1에 도시된 바와 같이 볼트(22)를 이용하여 체결된다. 종래의 단열재가 튜브(18)의 주변에 위치될 수 있고, 특히 예컨대 볼트(24) 등에 의해 서로 보지되는 복수의 고리형상의 층들(미도시)의 형태로 존재할 수 있다.
최종적으로, 반응챔버(16)의 바깥부분은 임의선택사항으로서 전체적으로 단열재(28)로 표시된 종래의 단열재로 덮일 수 있다.
반응가스 공급파이프는 반응챔버(16)에 형성된 가스 입구 통로(14)에 적어도 인접한 위치에서 끝난다. 일부 구조에서, 반응가스 공급파이프(12)는 가스 입구통로(14)를 규정하는 구조와 접촉할 수 있거나 또는 다른 방법으로 그에 대해 접할 수 있다. 하기에 설명되는 이유때문에, 반응가스 공급파이프(12)를 가스 입구 통로(14)와 독립되게 (즉, 이들이 서로 체결되지 않도록) 유지하는 것이 바람직할 수 있고, 심지어는 반응가스 공급파이프(12)와 가스 입구 통로(14) 사이의 갭을 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따르면, 관형상 밀봉장치(참조번호 32)가 제공된다. 관형상 밀봉장치(32)는 일반적으로 반응가스 공급파이프(12)와 가스 입구 통로(14) 사이의 천이(transition)를 원주 방식으로 둘러싸서 실질적으로 새지 않게 한다. (특히 온도와 관련하여) 오븐 내부의 작동조건을 수용할 수 있도록 하기 위하여, 관형상 밀봉장치(32)는 바람직하게는 금속으로 제조된다.
적어도 관형상 밀봉장치(32)의 일부분은 유연하고, 특히 관형상 밀봉장치(32)가 뻗어있는 축에 대하여 횡방향으로 및/또는 축방향으로 유연하다. 이 유연성은 상술한 바와 같이 예를 들어 구조상의 결함이나 비대칭 열 응력에 의해 야기되는 반응가스 공급파이프(12)와 가스 입구 통로(14) 사이의 정렬 결함 또는 오프셋을 보상한다. 따라서 예를 들어 (그 안에 형성된 가스 입구통로(14)를 포함하는) 반응챔버(16)와 가스공급파이프(12)의 단부 사이의 거리는 오븐 내부가 가열되는 작동시에 열팽창계수가 다르기 때문에 변할 수 있다. 따라서 증가하는 또는 감소하는 크기의 갭이 가스 공급파이프(12)와 가스 입구통로(14) 사이에 존재하더라도 또는 이들이 횡방향으로 정렬을 벗어나더라도, 전체 어셈블리는 여러 정렬결함 등을 수용할 수 있기 위하여 새지 않는 방식으로 실제로 주위로부터 계속 격리된다.
관형상 밀봉장치(32)는 바람직하게는 적어도 2개의 축방향 부분, 유연한 제1 축방향 부분(32a)과 (제1 축방향 부분과 비교하여) 상대적으로 단단한 제2 축방향 부분(32b)을 구비한다.
제1 축방향 부분(32a)은 바람직하게는 횡방향 및/또는 축방향으로 요구되는 유연성을 제공하는 형상과 구조를 갖는다. 예를 들어, 그리고 도면에서 도시된 바와 같이 제1 축방향 부분(32a)은 벨로우즈 타입의 형상을 갖는다.
본 발명의 예에서, 제1 축방향 부분(32a)은 (ASME(321)와 같은) 스테인레스 스틸로 제조되거나 또는 잉코넬(Inconel)？ 합금(니켈-크롬-철 합금)으로 제조되며, 바람직하게는 약 500℃에 달하는 온도를 견딜 수 있도록 선택된다. 요구되는 유연성이 얻어지도록 재료의 두께도 고려해야 한다는 것이 필요함을 이해할 것이다.
제2 축방향 부분(32b)은 단지 관형상일 수 있는데, 연속성을 제공하기 위하여 제1 축방향 부분(32a)의 단면형상에 대응하는 단면형상을 갖는다. 본 발명의 예에 있어서, 제2 축방향 부분(32b)은 잉코넬로 제조될 수 있다. 제1 축방향 부분(32a)과 비교하여, 제2 축방향 부분(32b)은 더 단단하다.
상술한 바와 같이, 관형상 밀봉장치(32)는 반응가스의 누출을 제한하기 위하여 가스공급파이프(12)와 가스 입구 통로(14) 사이의 천이(transition)에 대하여 축방향으로 그리고 횡방향으로 유연한 일반적으로 관형상 덮개의 형태이다. 관형상 밀봉장치는 그와 접해 있지 않다면, 오븐 벽(10)의 내부에서의 위치(34)와 반응챔버(16)에 적어도 인접한 위치(36) 사이에서 일반적으로 축방향으로 뻗어있다.
도면에 도시된 구조 예에 있어서, 제1 축방향 부분(32a)은 이 제1 축방향 부분(32a)과 고리형상 판(38) 사이에서 가스통로에 대하여 거의 완전한 밀봉을 제공하는 임의의 적절한 수단에 의해, 예컨대 용접에 의해 고리형상 판(38)에 체결된다.
고리형상 판(38)은 오븐 벽(10) 내부에 확실히 장착된다. 고리형상 판(38)과 오븐 벽(10) 사이의 양호한 가스 밀봉을 제공하는 임의의 체결방법이 사용될 수 있는데, 도면에 도시되어 있는 바와 같이 특히 볼트(42) 등을 사용하는 것이 가능하 다. 고리형상 판(38)과 오븐 벽(10) 사이의 밀봉은 일반적으로 참조번호 39로 도시된 바와 같이 그들 사이에 위치된 밀봉 링 등을 사용하거나 및/또는 용접에 의해 종래의 방식에서 더 개선될 수 있다.
관형상 밀봉장치(32)의 반대쪽 축방향 단부에서는, 예를 들어 반응챔버(16)의(및/또는 단열재(28)의) 표면과 제2 축방향 부분(32b)의 외측면 사이에 부착되거나 체결되는 일 없이 정해진 제 위치에 보지될 수 있는 고리형상의 링(44)에서 단순히 끝날 수 있다.
예를 들어, 고리형상 링(44)은 어셈블리 판(20)의 반대쪽 면에 대하여 접하는 표면을 제공할 수 있다. 일부 구성에서는, 고리형상 링(44)과 어셈블리 판(20) 사이에 하나 이상의 밀봉링(45)을 개재하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 밀봉링(45)은 흑연으로 제조될 수 있다. 도1에서, 이 밀봉링(45)중 2개만이 설명을 위하여 도시된다. 일부 구성에서, 하나 이상의 추가 밀봉링(49)은 어셈블리 판(20)과 반응챔버(16)의 표면 사이에 위치되도록 하기 위하여 반경 바깥방향으로 뻗어있는 외경을 제공할 수도 있다.
본 발명의 예에 있어서, 관형상 밀봉장치(32)를 구성하는 제1 및 제2 축방향 부분(32a, 32b)은 이 제1 및 제2 축방향 부분(32a, 32b) 사이에 적절한 밀봉 정도를 제공하는 종래의 방법에 의해 그 인접하는 축방향 양 끝에 가스가 새지않게 연결되는 별개의 부분들이다.
특별한 예에서는 도면에서 도시한 바와 같이 (상술한 것처럼 예컨대 스테인레스 스틸 등의 비교적 얇은 금속 스트립으로 구성될 수 있는) 제1 축방향 부 분(32a)은 제2 축방향 부분(32b)에 인접한 그 단부에 (제1 축방향 부분(32a)의 축에 대하여) 플랜지를 형성하는 부분(50)을 가질 수 있다 (도2와 도3을 특히 참조).
대응하는 방식으로, 제2 축방향 부분(32b)은 예컨대 그 사이에 효과적인 가스밀봉을 특히 제공하는 기능을 하는) 용접에 의해 종래의 방식으로 체결되는 횡방향으로 뻗어있는 플랜지 또는 링(48)을 갖는다.
도면에 도시된 바와 같이, 그리고 특히 도3에 도시된 바와 같이, 플랜지를 형성하는 부분(50)과 플랜지(48)는 서로 마주보며 위치된다. (에컨대 흑연으로 제조된) 밀봉링(52)은 그 사이에 가스밀봉의 확실성을 증가시키기 위하여 각각의 플랜지 사이에 개재될 수 있다.
마지막으로 플랜지(48), 플랜지(50) 및 이 사이의 밀봉링(52)은 예를 들어 너트와 볼트(54, 56)를 이용하여 종래의 체결방법에 의해 함께 보지된다.
상술한 바와 같이 관형상 밀봉장치의 구조 이외에, 예컨대 오븐 벽(10)의, 가스공급파이프(12)의, 반응챔버(16)의, 단열재(28)의 재료 및/또는 구성은 공지되어 있는 것으로 간주한다. 일반적으로, 상술한 부품들 모두는 CVI/CVD 프로세스동안 오븐에서 통상 발견되는 작동온도를 적절히 견딜 수 있어야 한다. 특히, 유연한 제1 축방향 부분(32a)은 상당한 작업수명 동안에 그 유연성을 유지하여야 하는 반면에, 사용시에 직면하는 작동온도를 고려하여야 한다. 마지막으로, 부품들중 일부는 오븐에서 구현되는 치밀화 프로세스의 화학작용을 방해하는 것을 피하기 위하여 (특히 상술한 고온에서) 대체로 비반응성(non-reactive)인 재료 중에서 제조될 필요가 있다.
바람직한 방식으로는, 상술한 바와 같고 본 명세서에서 청구된 바와 같은 관형상 밀봉장치가 오븐에 설치하기 용이하고 그리고 오븐을 유지관리(maintenance)하는 동안 오븐으로부터 제거하기 용이하다.
본 발명을 설명하고 나타낼 목적으로 특정 예들을 참조하면서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이 특정 예들에만 제한되는 것은 아니라는 점을 이해하여야 한다. 더 상세하게는 첨부된 청구항들에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위를 넘어서는 일 없이 바람직한 실시예들에서 실행될 수 있는 변형 및 수정예들이 가능하다는 점을 당업자라면 용이하게 이해할 것이다.

Claims (7)

  1. 오븐 체적을 규정하는 오븐 벽(10)을 구비하고;
    상기 오븐 벽(10)으로 규정되는 체적 내부에 위치된 반응챔버(16)를 구비하되, 이 반응챔버(16) 내에 가스 입구통로(14)가 형성되어 이를 통해 반응 가스가 반응챔버(16)로 주입되며;
    오븐의 바깥쪽 부분과 오븐의 안쪽 부분 사이에서 뻗어있으며 상기 오븐 벽 (10)을 통해 이어지면서 반응가스를 오븐으로 가스를 공급하고, 상기 오븐 벽(10)으로 규정되는 체적 내부의 반응챔버(16)에 형성된 가스 입구통로 근처에서 끝나는 일단부를 구비하는, 가스 공급파이프(12)를 구비하고;
    상기 가스 공급파이프(12)가 그 안으로 이어지도록 둘러싸고, 가스 공급파이프(12)가 오븐내로 들어가는 위치에 인접하는 오븐의 내측의 위치에 가스가 새지않게 밀봉으로 체결되는 한쪽 단부를 구비하고, 가스 입구통로(14)에 인접하는 위치에 밀봉방식으로 체결되는 다른쪽 단부를 구비하는 관형상 밀봉장치(32);를 구비하고,
    상기 관형상 밀봉장치는 유연한 제1 축방향 부분(32a)과 상대적으로 단단한 제2 축방향 부분(32b)을 구비하는, CVI/CVD를 위한 오븐.
  2. 제1항에 있어서, 제1 축방향 부분(32a)은 벨로우즈 구조를 갖는 CVI/CVD를 위한 오븐.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 축방향 부분은 금속으로 제조되는 CCVI/CVD를 위한 오븐.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 축방향 부분은 스테인레스 스틸로 제조되는 CVI/CVD를 위한 오븐.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 관형상 밀봉부분의 제2 축방향 부분은 금속으로 제조되는 CVI/CVD를 위한 오븐.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 축방향 부분은 니켈-크롬-철 합금인 잉코넬？ 합금으로 제조되는 CVI/CVD를 위한 오븐.
  7. 반응로의 오븐에서 가스 입구통로(14)에 가스를 공급하는 방법으로서,
    오븐의 바깥부분을 오븐의 내부부분과 소통시키는 가스 공급파이프(12)를 구비하되, 상기 가스 공급파이프가 가스 입구통로(14) 근처에서 끝나게 하는 가스 공급파이프를 구비하는 단계; 및
    상기 가스 공급파이프(12)가 오븐 내로 들어가는 위치에서 오븐의 벽(10) 내부로부터 반응챔버(16)의 가스 입구통로(14)에 인접하는 위치까지 뻗어있는 가스가 새지 않는 관형상 밀봉장치(32)로 가스 공급파이프를 둘러쌈으로써 가스 공급파이프(12)를 주위로부터 격리시키는 단계;를 포함하고,
    상기 관형상 밀봉장치(32)는 이를 통해 상기 가스 공급파이프가 밀봉되면서 통과하도록 가스가 새지 않는 부분을 형성하는 방식으로 정해진 위치에 체결되고, 관형상 밀봉장치의 부분은, 상기 관형상 밀봉장치가 오븐의 벽에 체결되며 가스입구 통로에 인접하는 위치들에서 상기 관형상 밀봉장치의 각각의 끝들 사이의 정렬결함이나 갭을 수용하기 위하여 횡방향으로 유연하게 된 것을 특징으로 하는, 반응로의 오븐에서 가스 입구통로에 가스를 공급하는 방법.
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