KR20060061242A

KR20060061242A - Ｃｆｃ 방사 히터

Info

Publication number: KR20060061242A
Application number: KR1020050115620A
Authority: KR
Inventors: 리노브 스펜; 푸히스 슈테판; 그롭 지크프리트
Original assignee: 헤레우스 노블라이트 게엠베하
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2006-06-07
Also published as: EP1667489A2; DE102004058077A1; CN1784086B; EP1667489A3; US8655160B2; JP2006164974A; ATE390030T1; DE502005003294D1; CN1784086A; US20060115244A1; EP1667489B1

Abstract

본 발명은 하우징 내에 최소한 하나의 평면 탄소 가열 요소(1)를 갖는 IR 방사 히터에 관한 것으로서, 이는 IR 방사에 투명하거나 최소한 부분적으로 투명하며, 여기서 최소한 하나의 탄소 가열 요소(1)는 평면으로 배치되며, 최소한 하나는 투명하거나 부분적으로 투명한 두 개의 플레이트(2,3) 사이에 배치된 CFC 웹(web)이다.

IR, 라디에이터, 가열 요소

Description

ＣＦＣ 방사 히터 {CFC RADIANT HEATER}

도 1a 는 가열 요소(1)의 평면도를 도시한다.

도 1b 는 가열 요소(1)의 투시도를 도시한다.

도 2a 는 저면 플레이트(2)의 평면도를 도시한다.

도 2b 는 저면 플레이트(2)의 투시도를 도시한다.

도 3a 는 커버 플레이트(3)의 평면도를 도시한다.

도 3b 는 커버 플레이트(3)의 측면도를 도시한다.

도 4 는 전기 접점의 장착 공급선(26) 및 장착 펌프 노즐(27)을 포함하는 저면 플레이트(2)의 투시도를 도시한다.

도 5 는 아래로부터 본 장치의 전체 투시도를 도시한다.

본 발명은 IR 방사에 투명하거나 최소한 부분적으로 투명한 하우징 내에 최소한 1,2차원의(평면의) 탄소 필라멘트를 갖는 IR 방사 히터에 관한 것이다.

유럽 특허 공보 제 0 881 858 호에 따르면, 이러한 IR 라디에이터(radiator)는 둥근 튜브 내에 배치된 단일 필라멘트를 구비하며, 독일 특허 공보 제 44 38 871 호 및 제 44 19 285 호에는 서로에 이웃하여 배치된 다수의 탄소 필라멘트를 갖는 것으로 공지되어 있다. 여기에 사용된 탄소 재료는 평행한 탄소 섬유로 이루어지며, 이는 합성수지에 의해 연결된다. 이러한 구조는 라디에이터 내에 설치되기 전에 탄화 및 흑연화된다.

유럽 특허 공보 제 0 881 858 에 공개된 라디에이터는 단일한 2차원 방사에는 적당하지 않다.

독일 특허 공보 제 44 38 871 호 및 독일 특허 공보 제 44 19 285 호는 유사한 필라멘트의 사용과 관련되지만, 2차원(2D) 방사를 달성하려는 목적을 갖는다.

그러나, 이러한 공보에 공개된 탄소 필라멘트는 임의의 2차원 가열 요소로 만들어질 수는 없는데, 이는 상기 재료가 오직 연장되고 일정 폭의 배치만을 가질 수 있기 때문이다. 독일 특허 공보 제 44 38 871 호에 도시된 배치는 이러한 구조를 실현하지만, 단일한 방사 강도도, 이러한 구부러지거나 둥근 형태도 아니고, 또는 3D 형태의 구조조차도 실현될 수 없다.

독일 특허 공보 제 44 38 871 호에 도시된 배치일지라도, 도 5a 는 온도에서 상당한 변화를 나타내며, 그러므로 상이한 섬유의 상이한 길이에 기인하여 모서리에 위치한 밴드(bands)에서, 단위 길이당 방사능 배출을 나타낸다.

독일 특허 공보 제 44 19 285 호에서와 같이, 다수의 좁은 밴드를 갖는 배치는 각각에 대한 개별적인 밴드에 대하여 다수의 복잡하고 값비싼 접점을 요구한다.

그러나, 상기 밴드들은 평행한 배열로부터 오직 최소한의 편차만을 허용하기 때문에, 이러한 탄소 밴드는 임의의 2차원 패턴 내에서는 배열될 수 없다. 밴드는 이들의 2차원 구조에 임의로 수직하게 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 배열은 방사 표면의 2차원적 특징을 필요로 한다.

다른 한편으로는, 또한 본 발명은 방사 히터에 대한 CFC 물질의 이용과 관련된다.

일본 특허 공보 제 7-161725 호는 평면 재료로부터 가열 패턴을 차단하는 것을 기술하는데, 여기서는 탄화규소(SiC)가 사용된다. 상기 탄화규소의 가열 요소는 석영 유리로 된 개방 하우징 내에 위치하며, 여기에 흑연 디스크(도1의 No.8 참조)는 열적 처리를 위하여 사용된 측면에 놓인다. 상기 흑연 디스크는 SiC 히터에 의하여 가열되며, 그리고나서 2차적으로 재료를 가열한다. SiC 또는 흑연으로 된 이러한 가열 요소는 부서지기 쉬우면서 딱딱해서, 그 결과 이들은 분열에 매우 민감하다. 또한 상기 가열 요소는 전기적으로 스크류에 의해서 단단하게 접촉되어 있어서, 그 결과 열적 팽창은 거기에 분열에 대한 추가적인 위험을 만든다. 이러한 가열 요소에 충분한 기계적인 강도를 보장하기 위하여, 이들은 아주 크게 만들어 져야 한다. 거기에 낮은 전기 저항이 존재하기 때문에, 작동시 낮은 전압으로 매우 높은 전류가 흐른다. 이는 복잡한 파워-그리드(power-grid) 공급 회로를 필요로 하며, 전기 공급선은 오직 매우 어렵게 진공-밀폐된 석영 몸체로 안내될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 석영 유리 하우징은 또한 개방 형태를 가진다.

유럽 특허 공보 제 0 899 777 B1 호는 수직 방향으로 연장되는 탄소 섬유 묶음으로 만들어지고, 밴드나 와이어 형상과 같이 서로 짜여진 형태의 가열 장치 요소를 갖는 탄소 가열 장치를 기술한다. 이렇게 서로 짜여진 탄소 섬유 묶음은 흑연 에 의해서가 아니고 명백히 CFC로 변환된다. 따라서, 이러한 묶음들은 매우 유연하며 부서지기 쉬운 파손의 위험은 피할 수 있다. 앞서 기술한 와이어 형태 또는 밴드 형태의 가열 장치 요소는 높은 전기 저항을 갖기 때문에, 그 결과 상기 가열 장치는 일반적인 전압으로 작동될 수 있다. 그러나 상기 밴드에서 매우 낮은 섬유 수 때문에, 최대 출력의 경우일 지라도 수 암페어의 다소 적은 흐름이 흐르기 때문에, 그 결과 이러한 단위당 전체 전기력은 30kW/m²로 다소 적게 나온다.

상기 가열 장치 요소는 채널(channels) 내에 놓이며, 이는 제 1 석영 플레이트 내에서 제조된다. 그리고나서 상기 가열 장치는 제 2 의 석영 부품에 의하여 봉합되며, 이는 상기 첫 번째에 놓이며 그것에 결합된다. 상기 결합은 10kg의 무게로 놓이며 가열 과정으로 실현되며, 여기서 상기 전체 장치는 3시간 동안 1450℃로 가열된다.

상기 두 개의 석영 부품의 결합은 연속적인 용접으로 되지 않으며, 오랜 시간 작동 후에, 기계적이고 열적인 부하로 인하여 갭(gap)이 나타날 수 있다.

미국 특허 공보 제 6,584,279 B2호에 따르면, 28kW/m² 까지의 전기력을 갖는 IR 라디에이터는 짜여진 탄소 파이버(braided carbon fiber)으로 만들어질 수 있다.

기술에 제동을 거는 것으로써, CFC 재료 또는 규소가 함유된 CFC로 된 탄소 섬유가 강화된 탄소(CFC) 디스크가 이용된다.

본 발명의 목적은 전형적인 파워-그리드(power-grid) 전압에서 작동될 수 있는 IR 라디에이터를 개발하는 것이며, 동시에 높은 전기력 및 오랜 수명을 갖고, 공정에서 요구되는 형태와 관련한 가능한 형상으로 큰 유연성을 갖도록 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 놀랍게도 CFC 시트(sheet)로부터 절단된 탄소 라디에이터에 대한 복잡한 형태의 필라멘트를 사용하여, 30kW/m² 이상의 표면 전기력, 특히 100kW/m² 이상이 생산될 수 있다는 사실이 발견되었다. 더욱 놀라운 것은 이러한 필라멘트가 하우징 내에 놓였을 때, 이는 저면부에 불투명한 석영 유리를 포함하며, 상부에 표면을 제외하고 분사되거나 동결된 투명한 석영 유리를 포함한다는 사실이다. 우선적으로 IR 파장은 오직 상부로부터 방사된다. 가열 석영 유리 자체는 5㎛ 이상의 긴 범위의 적외선 영역에서 방사되며, 이러한 파장 범위에서 방사된 전기력은 사용된 석영 재료 또는 표면에 독립적이다. 그러나, 상기 파장의 오직 두번째 부분은 본 발명에 따른 장치의 저부에서 나타난다.

예를들면, 다수의 짧은 섬유 부분으로부터 생산되고 이후에 웹으로 짜여진 실(thread)을 사용하여 생산된, 높은 비전기 저항의 적당한 CFC 재료를 선택함으로써, 적당한 비전기 저항이 설정될 수 있다.

또한 이러한 웹은 주입 및 CFC로 변환된 후에 유연성 및 인열 저항을 갖는다. 또한 CFC 시트로부터 나온 복합 형상의 필라멘트는 유연하며 인열 저항을 갖는 다.

재료의 두께는 바람직하게는 1mm 미만이고 특히 바람직하게는 0.3mm 미만으로 작기 때문에, 전형적인 작동 전압(208V, 230V, 400V, 480V)에서 작동을 가능하게 하는 필라멘트의 전기 저항이 달성된다. IR 라디에이터에 대한 전형적인 전류 흐름은 약 25A를 허용하기 때문에, 필라멘트당 상당한 전기력이 나올 수 있다.

본 발명에 따르면, CFC 웹(web)으로 된 패턴을 가진 평평한 방사 히터에서, 30kW/m²이상의 전기력, 특히 100kW 이상이 달성될 수 있는데, 8 내지 12 kW의 전기력을 갖는 라디에이터가 생산될 수 있고, 평면의 라디에이터가, 만약 평면 탄소 패턴이 하나는 불투명하고, 다른 하나는 투명한 두 개의 평면 사이에 배치된다면, 이는 하나의 면에 방사될 수 있다. 본 발명은 수 개의 CFC 웹들로 구현될 수 있다.

이러한 방식으로, 가열 기술이 제공되는데, 이는 반도체 산업에서 요구되는 것과 같은 슈퍼-클린 적용예(super-clean application)에 대한 가장 높은 기준의 하나이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 하우징의 평면 석영 유리 요소들은 하우징을 형성하기 위하여 각각에 용접된다. 상기 하우징은 예를들어 석영유리와 같은, 높은 순도의 재료로부터 제조될 수 있다. 상기 CFC 가열 필라멘트는 홀더 상의 하우징내에 배치될 수 있으며, 여기서 상기 홀더의 형상은 바람직하게 선택되어 접촉 표면은 작게 유지되고, 이상적으로 선에 제한된다. 적당한 홀더는 예를들어, 석영 유리, 산화 알루미늄, 또는 고용융점을 갖는 비전도 물질로 된 봉(rods)들을 포 함하며, 그리고 이상적으로 상기 필라멘트가 그 위에 놓인 날카로운 모서리를 갖는 몸체로 형성된다.

바람직하게는, 방사 히터의 전기력은 5000 내지 10,000 시간의 내구 수명을 갖는 방사 히터에 대하여 30kW/m²이상이며, 특히 50 내지 250kW/m²이상이다.

또 다른 바람직한 실시예는 짧은 수명을 갖는 라디에이터에 대하여 200kW/m², 특히 250kW/m² 이상의 전기력을 갖는 방사 히터로 구성된다.

특히 바람직한 적용예는 100 내지 200 kW/m²사이의 전기력을 갖는 내구 연한이 긴 방사 히터이다.

표면 라디에이터의 바람직한 형상에 있어서, 2 개의 공간 차원은 3 차원보다 수 배의 크기, 바람직하게는 크기가 차수(order) 만큼 더욱 크게 형성된다. 상기 하우징을 비우거나 그것을 비활성 기체로 채우는 것은 효과적인 것으로 판명되었다.

필라멘트의 전기 접점은 몰리브덴으로 된 클립에 의하는 것이 바람직하며, 여기서 상기 필라멘트 및 클립 사이의 적절한 탄소 재료로 된 추가적인 층은 이상적인 전기 기계적 접촉을 제공한다.

바람직한 CFC 패턴들은 디스크 형상, 곡류 형상, 나선 형상, 오메가 형상, 절첩된 오메가 형상, 또는 홈을 갖는 원형이다. 상기 CFC 패턴은 특히 필요한 정확성을 갖고 CFC 시트로부터 명확하게 절단될 수 있고 레이저나 워터젯 (water jet)으로 재료를 주의깊게 핸들링할 수 있다.

본 발명은 도면을 참고하여 이하에서 설명된다.

도 1a 또는 1b에 따르는 가열 요소는 CFC 재료로 된 시트로부터 차단된다.

도 2a 또는 2b에 따르는 저면 플레이트(2)는 불투명 석영 유리로부터 제조된다. 그것의 표면에, 커버 플레이트에 용접되는, 가열 밴드(1), 스페이서(spacer)(23)에 대한 접점 피스들(contact pieces)(22)이 있으며, 그리고 가열 밴드(1)를 고정하기 위한 포지셔닝 핀들(positioning pins)(21)이 있다. 상기 커버 플레이트를 용접하기 위한 모서리(24)는 외측의 주위에 제공된다. 또한, 전기 접점에 두개의 구멍(25)이 제공된다.

도 3a 및 도 3b 는 상기 커버 플레이트를 저면 플레이트(2)의 스페이서(23)에 용접하기 위한 카운터 보링된(counterbored) 개구(31)를 갖는 석영 유리로 된 커버 플레이트(3)를 도시한다.

도 4에서, 상기 저면 플레이트(2)는 전기 접점(26)의 장착 공급선 및 장착 펌프 노즐(27)로 구비된다.

도 5에서, 전기 공급 선(28) 및 소켓(29)이 또한 부착된다.

도 5에 따른 방사 히터는 CFC 가열 요소(1)(도 1a 및 1b)를 포함하며, 이는 만곡형으로 가열된 전체 표면을 채운다. 상기 필라멘트(1)의 단부 밑에서, 두 개의 튜브는 전기 접점(26)을 수용하기 위한 석영 유리로 만들어져 있으며 전류 관통부(current leadthroughs)는 석영 유리로 된 저면 플레이트(2)(도 2a/2b)를 접촉한다(2002년 헤래우스 소책자에 따른 OM-100). 상기 전면부(3)는 투명한 석영 유리 패널(3)이다. 상기 디스크(2) 및 (3)은 딱 맞는 공간을 형성하기 위하여 봉인되며, 이는 전류 공급선을 위한 튜브에 의해 비워진다. 이러한 형상에서, 상기 탄소 밴드(1)는 200kW/m²의 전기력에서 대략 1300℃로 가열될 수 있다.

도 2a 및 2b에 따른 단순한 구조에 있어서, 불투명한 디스크는 저면 플레이트(2)로써 형성되며, 이 위에 스페이서(23)가 배치된다. 상기 저면 플레이트(2)는 내부 및 외부 링(24)에 의하여 결합된다. 상기 CFC 패턴(1)은 느슨하게 접점 부분(22)에 놓이며 투명한 석영 유리 플레이트(3)는 링으로 봉인을 형성한다.

도 2에서, 전류 관통부는 원형 라디에이션 유닛의 외측에 위치하며 상기 유리 플레이트(2,3) 및 링에 대한 디스크 또는 링 형태로부터 편차를 요구한다.

이러한 구성에서, 상기 탄소 밴드(1)는 200kW/m²의 전기력에서 대략 1300℃로 가열될 수 있다.

초고순도의 경우에 있어서, 상기 CFC 패턴(1)은 레이저 및 스페이서(23)를 이용하여 CFC 표면으로부터 절단되며, 또한 링 및 석영 유리 플레이트(2,3)는 초고순도 석영 유리를 구성하며, 그 결과 전류 관통부에 웹 단부를 결합하는 금속 전류 공급선 및 몰리브덴 보유 클립에 추가하여, 오직 고순도 석영유리가 라디에이터 하우징으로 이용되며 고순도 탄소는 방사 공급원(1)으로 사용된다.

제조예

충분한 두께를 갖는 불투명한 석영 유리 플레이트(2)는 저면부(2)에 필요한 형태로 절단되며, 그리고나서 상기 홈들이 제조되고 기초가 된다. 이러한 방식으로, 상기 모서리(24) 및 스페이서(23)는 이들의 본래 높이에 위치하며 필라멘트에 대한 접점 부분(22)은 낮은 높이에 위치한다. 마지막으로, 전기 접촉을 위한 튜브 및 전류 관통부가 위치하는 개구가 뚫린다. 만약 필요하다면, 모서리를 매끄럽게 하거나 화이어 폴리싱(fire-polished)한다.

그리고나서, 석영 유리로 된 튜브는 구멍에 맞춰지며, 이 튜브의 각각에서 전류 관통부가 배치된다. 추가적으로, 진공을 만들고 플러시 기체를 도입하기 위한 노즐(27)은 이러한 튜브에 위치한다.

상부면을 위한 커버 플레이트(3)는 순수한 석영 유리로부터 절단되고 기반이 된다. 특히, 불투명한 플레이트(2)의 스페이서(23)에 대한 플레이트의 이후 용접에 대한 홈(31)들이 형성된다.

상기 가열 요소(1)는 워터 젯에 의하여 CFC 시트 재료로부터 절단되며 그리고나서 반응기에서 파이로탄소(pyrocarbon)로 코팅된다.

전류 관통부는 주름진 부분의 형상으로 생산된다. 몰리브덴 핀은 전류 관통부의 내측 단부에 위치한다. 상기 가열 요소(1)를 수용하기 위한 클램프(clamp)는 상기 핀에 부착된다.

전류 관통부는 전류 관통부의 튜브에 용접되므로, 필라멘트를 수용하기 위한 클램프는 이미 필라멘트의 후면에 위치한다. 그리고나서 밴드는 저면에 놓이게 되고, 밴드 단부는 몰리브덴 시트를 보유하는 클립에 의하여 전류 관통부에 클램프된 방식으로 연결된다. 여기서, 기계적인 보호 및 전기적인 접촉을 개선하기 위하여, 추가적인 작은 흑연층이 침착된다.

상기 커버 플레이트(3)가 놓이고 최종적인 내부가 아르곤과 평면이 되면, 용 접 과정 동안, 증기 또는 산소는 탄소 또는 몰리브덴을 산화할 수 없다.

그리고나서 두 개의 석영 요소(2,3)는 서로 결합이 된다. 이러한 방식으로, 모서리 및 커버 플레이트의 홈(31)에 따라 추가적인 석영 유리를 적용함으로써 결합이 이루어지며, 이는 상기 커버 플레이트에 대한 스페이서(23)의 반대에 놓이게 된다. 결합이 완성된 후에, 커버 플레이트 내의 홈은 완전히 채워지고 또한 상부 및 저부 플레이트 사이의 모서리들이 채워지므로 더 이상 어떠한 갭(gap)도 존재하지 않는다.

그리고나서 상기 몸체는 진공 또는 보호 기체 하에서 조절된다. 보호 기체는 직접 상기 몸체로 주입되며 전체의 템퍼링 과정 동안 이 몸체를 플러싱(flush)한다.

템퍼링 후에, 표면이 자리를 잡고, 연마하고, 랩핑(lapping)을 하거나 분사(sandblasting)를 하고, 그리고나서 산으로 세척된다. 이러한 과정 이후에, 상부면은 완전히 평평하게 된다.

상기 라디에이터의 내부는 진공이 되거나 보호 기체로 채워지고, 라디에이터는 예리하게 된다.

전기 접촉은 외부에서 일어난다.

본 발명에 따르면, CFC 웹으로 된 패턴을 가진 평평한 방사 히터에서, 30kW/m²이상의 전기력, 특히 100kW 이상이 달성될 수 있는데, 8 내지 12 kW의 전기 력을 갖는 라디에이터가 생산될 수 있고, 평평한 라디에이터가 평평한 탄소 패턴이 하나는 불투명하고, 다른 하나는 투명한 두 개의 평면 사이에 배치된다면, 평평한 라디에이터는 하나의 면에 방사될 수 있다.

Claims

IR 방사에 대하여 투명하거나 최소한 부분적으로 투명한, 하우징 내에서 최소한 하나의 평면 탄소 가열 요소(1)를 갖는 IR 방사 히터에 있어서,

최소한 하나의 탄소 가열 요소(1)는 평면으로 배치되는 한편, 최소한 하나가 투명하거나 부분적으로 투명한 플레이트(2,3)들 사이에 배치되는 CFC 웹인 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터.
제 1 항에 있어서,

상기 플레이트(2)는 IR 방사에 반사하는 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터.
제 2 항에 있어서,

상기 반사 플레이트(2)는 불투명한 석영 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터.
제 3 항에 있어서,

상기 불투명한 석영 유리는 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상의 확산 반사를 갖는 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

불투명 석영 유리로 된 저면 플레이트(2)는 투명 커버 플레이트(3)에 용접, 접착, 또는 납땜되는 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하우징은 3 차원에서보다 2 차원에서 크기가 최소한 5 배만큼, 특히 크기가 1 내지 2 차수만큼 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터.
투명하거나 부분적으로 투명한 하우징 내에 배치된, 최소한 하나의 평면 탄소 요소(1)를 포함하는 IR 방사 히터를 제조하기 위한 방법에 있어서,

상기 탄소 가열 요소(1)는 평면 CFC 재료로부터 절단되는 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터를 제조하기 위한 방법.
최소한 하나의 평면 탄소 요소(1)를 포함하는 IR 방사 히터를 제조하기 위한 방법에 있어서,

상기 평면 탄소 요소(1)는 투명(3) 및 불투명(2) 표면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 IR 방사 히터를 제조하기 위한 방법.