KR20090110803A - 유도가열을 이용한 열처리 오븐 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적재 또는 처리 구역(30)과, 적어도 하나의 가스 주입구(22), 이 가스 주입구(22)와 적재 또는 처리 구역(30) 사이의 오븐 내에 놓인 가스 예열실(50), 적어도 예열실(50)과 적재 또는 처리 구역(30)을 둘러싸는 측벽(12)을 갖춘 서셉터 및, 유도에 의해 측벽(12)을 가열하기에 알맞은 계자 권선(18)을 구비한 열처리 오븐(10)에 관한 것이다. 상기 예열실(50) 둘레에 놓여 있는 서셉터의 측벽(12)의 부분(121)은, 그 측벽의 상기 부분에서 감소된 두께의 부분을 형성하도록 서로 주변을 둘러싸게 이격된 적어도 2개의 리세스(1210)를 나타낸다.

Description

유도가열을 이용한 열처리 오븐 {A HEAT TREATMENT OVEN WITH INDUCTIVE HEATING}

본 발명은, 처리에 이용되는 가스가 오븐의 처리실로 도입되기 전에 예열되는 열처리를 수행하기 위해 사용되는 유도가열 오븐 또는 설비에 관한 것이다. 그러한 오븐은, 특히 CVI(chemical vapor infiltration: 화학 기상 침투)에 의해 침탄(Carburizing) 부품 또는 고밀도화 다공성 기판(porous sustrate) 등의 열화학적 처리(thermochemical treatment)를 수행하기 위해 사용된다.

본 발명의 응용의 분야는, 열구조 복합 재료(composite material), 즉 구조 부품(structural parts)을 구성하는데 알맞은 것을 만드는 기계 특성과 그들 특성을 높은 온도까지 보존하는 능력의 양쪽을 나타내는 재료로 부품을 만드는 것이다. 열구조 복합 재료의 전형적인 예로는, 열분해 탄소 성형체(pyrolytic carbon matrix)에 의해 고밀도화되어 있는 탄소섬유 보강천(carbon fiber reinforcing texture)을 가진 탄소/탄소(C/C) 복합과, 세라믹 성형체에 의해 고밀도화되어 있는 내화섬유 보강천(refractory fiber reinforcing texture; 탄소나 세라믹으로 만들 어짐)을 가진 세라믹 성형체 복합(ceramic matrix composite: CMC)이 있다.

C/C 또는 CMC 복합 부품을 만들도록 다공성 기판을 고밀도화하기 위한 잘 알려진 프로세스로서는, CVI(chemical vapor infiltration)가 있다. 고밀도화하기 위한 기판들은, 그것들이 가열되는 화로(furnace)나 오븐의 적재 구역(loading zone) 내에 위치된다. 성형체를 구성하는 재료에 대한 하나 이상의 기상 전구체(gaseous precursor)를 함유한 반응가스가 오븐 내로 도입된다. 오븐 내부의 온도 및 압력은, 반응가스가 기판의 세공(細孔) 내로 확산하여 반응가스의 하나 이상의 구성물을 분해하는 것에 의해 또는 구성물(constituent)이 성형체의 전구체를 형성하는 복수의 구성물간의 화학반응에 의해 성형체 구성 재료의 침전물(deposit)을 그 안에 형성하도록 제어된다. 이 프로세스는, 반응가스의 기판으로의 확산을 촉진하기 위해 낮은 압력 하에서 수행된다. 전구체가 열분해 탄소나 세라믹과 같은 성형체의 재료를 형성하도록 변형되는 온도는, 일반적으로는 900℃보다 높고, 전형적으로는 1000℃에 가깝다.

기판의 고밀도화(densification)가 오븐의 적재 구역 전체에 걸쳐 가능한 한 균일하게 일어나는 것을 확실하게 하기 위해서는, 밀도의 증가라는 점과 형성되어 있는 성형체 재료의 미세 구조(microstructure)라는 점의 양쪽에 의해, 적재 구역에서의 온도를 실질적으로 균일하게 하는 것이 필요하다.

따라서, 오븐은 통상적으로 예열실(preheater chamber) 또는 반응가스를 예열하기 위한 구역을 포함하고 있고, 반응가스의 오븐으로의 주입구와 적재 구역 사이에 놓인다. 전형적으로, 예열 구역은 반응가스가 통과하는 복수의 다공 판(perforated plate)을 갖추고 있다.

기판과 마찬가지로, 가스를 예열하기 위한 플레이트(plate)는 오븐 내에서 그들의 존재에 의해 가열된다. 오븐 자체는, 오븐의 측벽을 규정하고 오븐을 둘러싸는 계자 권선(field winding)이나 "유도코일(induction coil)"에 결합되어 있는 예컨대 석영으로 만들어진 "서셉터(susceptor)"로서 알려진 이차 유도에 의해 가열된다. 유도 가열의 잘 알려진 원리에 따르면, 서셉터가 유도코일의 전류 흐름에 의해 발생되는 가변 자계 내에 위치되어 있을 때는, 유도전류가 서셉터 내에서 흐르는데, 이 경우 유도전류는 유도하는 전류를 "반영한다". 서셉터 내에서의 유도전류 흐름은 서셉터가 주울(Joule) 효과에 의해 가열되도록 한다. 이와 같이 해서 소비되는 열은, 복사(radiation)에 의해 서셉터에 의해 규정된 오븐 인클로저(oven enclosure) 내로 전달된다.

커다란 치수(커다란 직경)의 오븐의 경우, 출원인은 적재된 기판에 상당한 온도 변화가 있다는 것을 관찰했다. 충분한 예는 기판의 ICVI(isothermal chemical vapor infiltration: 등온 화학 기상 침투)의 예이고, 여기서 기판은 C/C 복합 브레이크 디스크(composite brake disk)를 만들 목적으로 탄소 섬유의 환상 프리폼(annular preform: 환상 사전성형물)에 의해 또는 미리 고밀도화된 환상 블랭크(annular blank)에 의해 구성된다. 기판은, 오븐의 밑부분에 놓여 있는 반응가스 예열실 위쪽의 적재 구역의 하나 이상의 수직 스택(vertical stack)에 위치되어 있다. 고밀도화 중에 고밀도화 불균일성(densification non-uniformity)을 줄이고 바람직스럽지 못한 공간의 생성을 회피하기 위해서는 반응가스 온도의 변화를 최소화하는 것이 중요하다. 불행하게도, 상술한 종류의 예열실의 경우, 상당한 온도 변화가 관찰되었다.

일반적으로, 가스 예열실을 갖춘 임의의 열처리 오븐에 대해서는, 열처리 처음부터 내내 유효한 열 제어(thermal control)를 준비하기 위해 그러한 예열실로부터의 배출구에서 가스를 예열하는 것이 바람직하다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는, 가열 구역을 확대함으로써, 특히 그 체적을 주어진 총 오븐체적(total oven volume)에 대한 적재 구역의 체적의 손실의 동향에 민감하게 증가시킴으로써, 예열되는 가스가 갖는 유효성을 증가시킬 수 있다는 점도 생각해 볼 수 있다. 그렇지만, 화학 기상 침투 프로세스와 같은 처리는 공업적 규모(industrial scale)로 대량의 투자를 필요로 하고, 처리가 아주 장시간에 걸쳐 수행될 수 있다. 따라서, 오븐이 이미 서비스 중에 있는지 또는 오븐이 만들어져야 할 새로운 오븐인지의 여부에 관계없이 오븐이 높은 수준의 생산성을 나타내는 것이 바람직하고, 이로써 처리를 위한 적재 기판 또는 부품 전용의 작업 체적이 반응가스 가열 전용의 체적과 비교해서 가능한 한 크게 되는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은, 가스 가열 구역으로 커다란 체적을 필요로 하는 일없이, 따라서 오븐의 생산성을 열화시키는 일없이 예열의 유효성을 증가시키는 것이 가능하고, 이것을 향상시킬 수도 있는 열처리 오븐의 설계를 제공하고자 함에 있다.

이 때문에, 본 발명은 적재 또는 처리 구역과, 적어도 하나의 가스 주입구, 이 가스 주입구와 적재 또는 처리 구역 사이의 오븐 내에 놓인 가스 예열실, 적어도 예열실과 적재 또는 처리 구역을 둘러싸는 측벽을 갖춘 서셉터 및, 오븐 내에서 유도에 의해 측벽을 가열하기에 알맞은 계자 권선을 구비한 열처리 오븐을 제안하되, 본 발명에 따르면 예열실 둘레에 놓여 있는 서셉터의 측벽 부분이 그 측벽의 상기 부분에서 감소된 두께(reduced thickness)의 부분을 형성하도록 서로 주변을 둘러싸게 이격된 적어도 2개의 리세스를 나타낸다.

리세스가 배치되는 감소된 두께의 부분을 나타내는 예열실 둘레에 그 측벽을 갖는 서셉터를 이용함으로써, 국부화된 가열 구역이 작성된다(격리된 온도 피크).

이들 격리된 온도 피크에 의해, 예열실 내의 전체적인 온도도 증가된다. 이것은, 총발열량(gross calorific value)의 점에서 예열실의 유효성을 향상시키는 것으로서, 오븐의 적재 용량을 감소시킬 수도 있는 그 체적의 증가에 의지하지 않고 행해진다.

본 발명에 따르면, 리세스를 포함하는 서셉터의 부분은 더 멀리 떨어진 다른 기판의 고밀도화와 비교해서 핫 스팟(hot spot: 열점)에 접하여 기판의 가속된 고밀도화로 될 수도 있는 다공성 기판을 고밀도화하기 위해 열처리를 가할 때 그 후로 적재 구역에서 핫 스팟을 작성하는 것을 회피하도록 예열실과 같은 수준에 놓인다.

리세스는 서셉터의 내주 또는 외주에 형성되어도 좋다. 리세스는 부싱(bushing)의 외측에 대해 개방되는 것이 바람직하다. 리세스는 감소된 두께의 부분으로부터 방출되는 열에 대해 양호한 분포를 얻도록 서로 규칙적으로 이격되는 것이 바람직하다. 예컨대 서셉터 측벽 부분이 3개의 리세스를 가질 때, 그것들은 서로 120°로 이격된다. 또한, 리세스는 알루미나와 같이 전기적으로 열적으로 절연되는 재료로 채워져도 좋다.

감소된 두께 수준의 부분과 예열실을 국부적으로 제한하고 이로써 그 후로 적재 구역에서 기판에서의 퇴적의 운동을 국부적으로 방해할 수 있는 핫 스팟을 생성하는 것을 회피하도록 예열실의 높이 및 부하 지지대(load support)의 높이보다 낮은 높이의 리세스가 바람직하다.

본 발명의 태양(aspect)에 따르면, 서셉터의 측벽은 적어도 2개의 부싱(bushing), 즉 리세스를 포함하는 하부 부싱과 적재 또는 처리 구역을 주로 둘러싸는 상부 부싱으로 분할된다. 따라서, 리세스를 포함하는 서셉터의 측벽 부분은 그 벽의 나머지 부분으로부터 독립적으로 만들 수 있다.

본 발명의 다른 특별한 태양에서는, 하부 부싱은 예열실의 측벽을 형성하고, 예열실의 상판(top plate)을 지지하기 위한 쇼울더(shoulder: 견부)를 포함하고 있다.

본 발명의 또 다른 특별한 태양에 따르면, 하부 부싱은 예열실로부터 분리되어도 좋다.

인덕터는, 대략 50Hz(hertz)∼1000Hz의 범위에 놓이는 주파수에서 동작하는 교류전압 발생기에 의해 구동된다.

본 발명은, 열처리를 수행하기 위해 사용되되 이 처리에 있어서 이용되는 가스가 오븐의 처리 또는 적재 구역으로 도입되기 전에 예열실 내에서 예열되는 임의의 형태의 유도가열 오븐 또는 설비에 적합하다. 이러한 오븐은, 특히 화학 기상 침투에 의해 부품을 탄소로 처리하거나 다공성 기판을 고밀도화하는 등의 열화학적 처리를 수행하기 위해 사용된다.

본 발명에 따른 오븐의 실시예는, C/C 복합 재료에 의해 브레이크 디스크를 만드는데 이용하기 위한 것으로 탄소 섬유 프리폼에 의해 또는 미리 고밀도화된 블랭크에 의해 구성되는 환상의 다공성 기판을 고밀도화하는 것으로의 응용의 문맥으로 이하에 설명된다. 이러한 디스크는 일반적으로 항공기 바퀴 및 경주용 자동차(racing car)에 이용된다.

고밀도화 오븐의 제1실시예는, 도 1 내지 도 3을 참조해서 설명된다. 도 1은 원통모양의 측벽(12), 하부 벽(14) 및 상부 벽(16)에 의해 규정되는 오븐(10)을 나타내는 도면이다.

가스 예열실(50)은 오븐의 바닥(14)과 가스 공급판(gas distribution plate; 60) 사이에서 연장된다. 잘 알려진 방식에서는, 예열실(50)이 예컨대 석영으로 만들어진 복수의 다공판(perforated plate; 52₁∼52₄)을 갖추고 있는데, 이들 다공판은 다른 다공판 위에 배치되되 예컨대 석영으로 만들어진 스페이서 스터드(28) 및 환상의 스페이서(29)에 의해 서로 이격되어 유지되어 있다(도 3). 덕트(58)는 바닥(14)을 통해 반응가스 주입구(22)를 예열실(50)에 접속한다.

고밀도화하기 위한 기판(32)은, 부하 지지판(40) 상에 서 있는 복수의 수직한 환상 스택(31a∼31ℓ; 도 2)의 적재 구역(30; 또는 반응실) 내에 배치되어 있다. 이 플레이트는 스택의 내부 체적(inside volume; 36a∼36ℓ)과 정렬하고 있는 복수의 통로(40a)를 포함하고 있고, 각 스택은 34a 또는 34b와 같은 커버에 의해 그 상단에서 닫혀 있다. 가스 공급판은 통로(40a) 및 내부 체적(36a∼36ℓ)과 정렬하고 있는 복수의 통로(60a)를 가진다. 통로(60a)는, 개구(40a)와 정렬하고 있는 홀더 플레이트(holder plate; 70) 내의 개구(70a)로 펼쳐지는 부싱(bushing)이나 침니(chimney: 굴뚝)에 의해 통로(40a)에 접속되어 있다. 또한, 침니(61)의 상부와 개구(40a) 사이에는 링(81)이 위치되어 있다. 플레이트(70)는 스터드(86)를 매개로 적재판(40)을 지지한다. 마찬가지로, 플레이트(70)는 스터드(62)를 매개로 가스 공급판(60)에 의해 지지된다.

기판의 스택(31a∼31ℓ)은 부하 지지판(40)에 위치하고, 그것들은 기판의 통 로와 정렬하고 있는 중앙 통로(42a)를 갖춘 하나 이상의 중간판(intermediate plate; 42)에 의해 분리되어 있는 복수의 중첩된 섹션(superposed section)으로 분할될 수 있다. 각 기판(32)은 인접한 기판으로부터 분리되거나, 또는 간극(gap; 46)을 규정하는 스페이서(46)에 의해 플레이트(40, 42) 또는 커버(34)로부터 적당한 곳으로 분리되어 있다. 스페이서(44) 또는 그들 중의 적어도 일부는 체적(36a∼36ℓ, 38) 사이에서 가스에 대한 통로를 남기도록 배열되어 있다. 이들 통로는 미국 특허 제5,904,957호에 기재된 바와 같이 체적(36, 38) 사이의 압력을 실질적으로 평형으로 만드는 방식으로, 또는 미국 특허 제7,182,980호에 기재된 바와 같이 체적(36, 38) 사이의 압력 구배를 유지하는 누설 통로만을 구성하는 방식으로 만들어져도 좋다.

개구(22)를 통해 오븐 내로 수용되는 반응가스는, 플레이트(52)의 다발성 천공(multiple perforation)을 통해 흘러 예열실(50)을 통과한다. 그 후, 예열된 가스는 통로(60a) 및 침니(61)에 의해 이송되고, 플레이트(40)의 40a 및 40b와 같은 통로를 통해 스택의 내부 체적(36a∼36ℓ)에 도달한다. 그 후, 가스는 스택 바깥쪽 및 적재 구역 안쪽의 체적(38)으로 지나간다. 방류 가스(effluent gas)는 상부 벽을 통해 형성된 통로(24)를 매개로 추출되는데, 이 경우 통로(24)는 파이프에 의해 흡인 펌프(suction pump; 도시하지 않음)와 같은 흡인수단에 접속된다.

도 2에는 12개의 스택이 나타내어져 있지만, 스택의 수는 더 크거나 작을 수도 있음은 물론이다.

변형 실시예에 있어서, 내부 체적(36a∼36ℓ)은 그들의 하부에서 닫히고, 그 들의 상부를 매개로 통로(24)와 연통하고 있어도 좋다. 예열실(50)로부터 들어오는 반응가스는 그 후 적재 구역의 체적(38)으로 수용되고, 가스는 체적(36a∼36ℓ)을 향하여 체적(38)으로부터 상기 구역으로 흘러들어가며, 체적(38)은 그 상단에서 닫힌다.

또 다른 변형에 있어서는, 반응가스 주입구는 오븐의 상부 벽(16)을 통해 만들어져도 좋은 바, 예열구역이 그 후 오븐의 정수리부에 놓임과 더불어, 체적(36a∼36ℓ)은 이 예열구역과 연통하고 있고 체적(38)이 오븐의 하부 벽을 통해 형성되는 가스 배출구와 연통하고 있는 사이에 그들의 밑부분에서 닫힌다.

열분해 탄소 성형체(pyrolytic carbon matrix)를 형성하기 위해서, 반응가스는 탄화수소와 같은 하나 이상의 탄소 전구체를 함유한다. 화학 기상 침투는, 예컨대 950℃∼1100℃ 범위에 있는 일반적으로 90℃보다 높은 온도에서 예컨대 0.1kPa(kilopascal) 이하의 낮은 압력 하에 수행된다.

원통모양의 측벽(12)은, 오븐 바깥쪽에 놓인 1차 인덕터 또는 계자 권선(18)과 결합되고 적어도 하나의 유도코일에 의해 형성되어 있는 예컨대 석영으로 만들어진 2차 유도 또는 "서셉터(susceptor)"를 구성한다. 절연체(insulation; 20)는 계자 권선(18)과 벽(12) 사이에 삽입되어 있다. 잘 알려진 방식으로, 오븐은 권선(18)에 교류(AC) 전압으로 전원이 공급될 때 가열되는 서섭터(12)에 의해 가열된다. 이를 위해, 계자 권선의 코일은 AC 전압 발생기(도시하지 않음)에 접속되어 있다.

권선(18)에 의해 만들어지는 자계는 벽(12; 서셉터)에 전류를 유도하고, 이 로써 주울 효과에 의해 벽을 가열한다. 유도전류가 흐르고 있는 동안 도달되는 온도는 전류를 통과시키는데 이용가능한 플로우 단면적(flow section)에 직접 의존한다.

컨덕터에서의 소비전력(dissipated power)은 다음 식을 이용해서 나타낼 수 있다:

P = RI²

여기서,

P = 소비전력;

R = 컨덕터의 저항; 및

I = 컨덕터에 흐르는 전류.

더욱이, 컨덕터의 저항은 다음 식을 이용해서 계산된다:

R = ρL/S

여기서,

R = 오옴(Ω) 단위의 저항;

ρ = 마이크로오옴-미터(μΩ·m) 단위의 저항률;

L = 미터(m) 단위의 길이; 및

S = 제곱밀리미터(㎟) 단위의 단면적.

이 때문에, 유도전류에 대한 단면적을 좁히는 것은 소비전력의 증가를 야기하고, 따라서 컨덕터가 한층 높은 온도의 증가를 야기시킨다.

그 결과, 서셉터 벽의 좁히기(narrowing)는 공극(airgap)의 크기의 증가를 야기시킬 때 저항 및 소비전력을 더 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 예열실(50)을 둘러싸는 측벽(12)의 일부가 오븐의 이 수준에서 국부화된 핫 스팟을 작성하기 위해 저감된 단면의 부분을 포함한다.

더 정확하게는, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 측벽(12)은 적어도 2개의 부분, 즉 균일한 두께를 나타내는 벽을 갖는 상부 부싱(122)과, 그 외주 둘레에 균일하게 분포된 3개의 리세스(1210)를 포함하는 하부 부싱(121)으로 만들어진다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 각 리세스(1210)는 하부 부싱(121)에 있어서 그 부싱의 벽의 나머지 부분의 두께(e₁)보다 작은 두께(e₂)를 나타내는 벽 부분을 형성한다.

리세스(1210)는, 일반적으로 말하면, 기판이 고밀도화되어 있는 균일성을 훼손하곤 하는 적재 구역에서 핫 스팟을 작성하는 것을 회피하도록 적어도 예열실의 높이보다 조금 작은 높이(h)를 나타낸다.

벽 두께의 소망하는 감소를 정의하는 리세스의 깊이(p)는, 감소된 두께 부분에서 얻는 것이 요구되는 국부화된 더 높은 온도("과열(superheating)")의 함수이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 서셉터의 하부 부싱(121)을 통해 흐르는 유도전류(I_ind)는, 이들 위치에서 하부 부싱(121)의 벽이 벽의 나머지 부분의 두께(e₁)보다 작은 두께(e₂)를 나타내기 때문에, 리세스(1210)에서 더 작은 플로우 단면적을 가진다. 이들 더 작은 플로우 단면적에 흐르는 전류는, 하부 부싱(121)의 다른 부분에서 야기되는 가열보다 큰 주울 효과에 의한 가열을 야기시킨다. 두께(e₂)가 감소 되면 될수록(즉, 리세스의 깊이(p)가 깊어질수록) 국부화된 가열 효과가 커진다. 그럼에도 불구하고, 벽의 두께가 리세스(1210) 내에서 감소될 수 있는 정도는 하부 부싱(121)의 재료가 기계적으로 너무 약해지곤 하는 두께 이상의 두께로 한정된다. 두께(e₂)는 벽의 나머지 부분의 두께(e₁)의 30%∼60% 범위에 있는 두께에 상당하는 것이 바람직하다.

또한, 리세스(1210)는 얻는 것이 요구되는 감소된 단면 전류 흐름 통로의 길이(국부화된 가열 구역의 길이)의 함수로서 결정되는 폭(ℓ)도 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 유도전류의 일부가 감소된 단면 부분 주위를 흐르도록 함으로써 가열효과를 제거하기 때문에, 폭(ℓ)도 리세스(1210)의 사이드 에지(side edge: 측면 에지) 사이에 형성하는 전기 아크(electric arc)의 임의의 리스크를 회피하기에 충분할 만큼 크지 않으면 안된다. 예로서, 파괴 전압(breakdown voltage)과 양립할 수 있는 경우, 리세스(1210)는 적어도 약 15㎝(centimeter)의 폭(ℓ)을 나타낼 수 있다. 파센(Paschen)의 법칙에 따르면, 압력이 낮으면 낮을수록 주어진 파괴 전압에서 나타나는 전기 아크의 리스크가 더 커진다. 3개의 리세스(1210)는, 실질적으로 20%∼30% 범위에 있는 부싱의 주변의 일부를 점유한다.

이 실시예에 있어서는, 하부 부싱(121)이 그 내주(도 3) 상에 쇼울더(121a)를 나타내는데, 여기서 쇼울더는 가스 공급판(60)이 존재하는 베이스(base)를 형성한다.

서셉터의 부싱이 본 발명에 따른 리세스를 포함할 때 생성되는 효과를 나타 내기 위해 온도 측정을 수행했다. 이들 측정은, 도 1 내지 도 4를 참조해서 상술한 것과 마찬가지의 오븐, 즉 서셉터의 하부 부싱이 그 하부 부싱의 외주 둘레에 (서로 120°로) 균일하게 분포되는 3개의 리세스를 갖는 오븐 내에서 수행했다. 서셉터의 하부 부싱은, 4190㎜(millimeter)의 외경과 쇼울더 위의 3830㎜ 및 쇼울더 아래의 2980㎜의 내경을 나타낸다. 3개의 리세스의 각각은 238㎜의 높이, 212㎜의 깊이 및 200㎜의 폭을 나타낸다.

도 6은 오븐을 가열하는 동안 온도가 어떻게 변화하는지를 나타낸다. 곡선 A는 리세스 위의 서셉터의 베이스로부터 380㎜에 놓인 온도 프로브(temperature probe)로 측정한 온도를 나타내고, 반면에 곡선 B는 마찬가지로 리세스 위의 서셉터의 베이스로부터 380㎜에 놓이지만 리세스로부터 반대쪽 부분에 있는 온도 프로브로 측정한 온도를 나타낸다. 오븐이 가열되고 있는 동안 온도는 부싱의 다른 부분에서보다 리세스의 근방에서 더 커짐을 알 수 있다. 이것은, 유도의 영향 하에 국부화된 가열 구역을 작성하기 위한 리세스의 능력을 설명한다.

아래의 표는, 종래기술의 오븐, 즉 리세스를 포함하지 않는 벽을 가진 서셉터를 이용하는 오븐과, 본 발명에 따른 오븐, 즉 상술한 바와 같이 하부 부싱이 3개의 리세스를 포함하는 서셉터를 가진 오븐의 양쪽에 있어서 CVI 사이클 중에 측정한 온도를 나타내고 있다. 양 오븐은 마찬가지의 치수를 나타내고, 그들 오븐은 동일하게, 즉 도 1 및 도 2를 참조해서 상술한 바와 같이 수직한 환형의 스택 내에 위치된 프리폼으로 적재되었다. CVI는 동일한 조건(압력, 유속 및 가스의 조성의 동일한 조건, 및 동일한 전원(진폭 및 주파수의 점에서 보면)을 수신하는 계자 권 선) 하에 오븐의 각각에서 수행되었다.

	리세스가 없는 서셉터 부싱을 갖춘 오븐			리세스가 있는 서셉터 부싱을 갖춘 오븐
CVI 사이클	시작	중간	끝	시작	중간	끝
서셉터 온도 (℃)	1088	1084	1085	1056	1042	1033
부하 온도, 사이드 스택 (℃)	951	972	998	1000	1009	1010
중심 온도, 스택 바닥 (℃)	927	948	977	945	960	978

위의 표에서 주어진 온도 측정은, 본 발명에 따른 리세스를 가진 서셉터를 이용하고, 종래기술의 오븐에 있어서 침투 사이클 전체에 걸친 적재에서 전체적으로 더 높고 더 균일하게 얻어지는 온도보다 낮은 서셉터 온도를 이용하는 오븐에서의 온도를 나타낸다.

중심 스택 바닥에서의 온도가 고밀도화의 끝(end)에서 실질적으로 동일하기 때문에(977℃와 978℃), 2개의 CVI 사이클은 서로 매우 비교될 만한 것이다.

고밀도화의 시작과 끝 사이의 온도 변화는, 본 발명의 경우 실질적으로 더 낮아지는바, 즉 중심 스택 바닥에서의 47℃ 대신 33℃의 변화 및 사이드 스택(side stack: 측면 스택)에서의 47℃ 대신 10℃의 변화로 된다.

게다가, 서셉터의 과열(overheating)이 회피되는바, 서셉터의 전체 온도는 약 1400℃이다. 따라서, 열분해 탄소 퇴적(pyrolytic carbon deposition)의 본질의 변형의 리스크, 특히 바람직스럽지 못한 퇴적을 발생시키는 리스크가 저감되고, 그 수명이 증가되도록 하는 서섭터 상의 열 부하(thermal load)가 저감된다.

따라서, 오븐의 일반적인 열 효율이 향상되는데, 이것은 고밀도화의 시작에서의 927℃ 대신 943℃인 중심 스택 바닥에서의 온도에 의해 한층 더 나타내어진다.

도 5에 나타낸 본 발명의 변형 실시예에 있어서는, 서셉터가 부싱의 내주에 형성된 리세스(2210)를 갖는 하부 부싱(221)을 포함할 수 있다.

도 7은, 하부 부싱(321)이 예열실(350)로부터 기계적으로 분리되고 있는 점에서 도 1의 것과 다른 고밀도화 오븐(300)의 다른 변형 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에서는, 예열실(350)은 측벽(351), 오븐의 하부 벽(314) 및 가스 공급판(360)에 의해 정의되는 박스(390)에 의해 형성된다. 다공판(352)은 이와 같이 해서 형성된 박스 내에 수용된다.

오븐(300)의 서셉터를 구성하되 코일(318)과 결합된 원통모양의 측벽(312)은, 적어도 2개의 부분, 즉 균일한 두께를 나타내는 벽을 갖는 상부 부싱(322)과 하부 부싱(321)으로 만들어진다. 도 8에 나타낸 바와 같이 하부 부싱(321)은, 상술한 하부 부싱(121)과 마찬가지로, 부싱(321)의 외주 둘레에 균일하게 분포되고 하부 부싱(321)에 있어서 그 부싱의 나머지 부분의 벽의 두께보다 작은 두께를 나타내는 벽 부분을 형성하는 3개의 리세스(3210)를 포함하고 있다. 또한, 리세스는 부싱의 내주에 설치되어도 좋다.

리세스의 높이, 깊이 및 폭은 상술한 기준의 함수이다. 또한, 리세스는 부싱(321)의 내주에 설치되어도 좋다.

오븐(300)의 다른 구성요소는 오븐(10)을 참조해서 상술한 구성요소와 동일한 바, 간략화를 위해 여기서는 그들 구성요소에 대해 다시 설명하지 않기로 한다.

본 발명의 한 태양에 있어서는, 부싱을 리세스 내에서 기계적으로 보강하도록 비전도성 재료(non-conductive material)로 채우는 것도 가능하다. 더욱이, 사용되는 필러(filler: 충전재) 재료는 오븐의 인클로저로부터 밖으로 향하는 방열을 회피하기 위해 열 절연물(thermal insulator: 단열재)인 것이 바람직하다. 예로서, 그러한 재료는 알루미나일 수도 있다.

서셉터의 하부 부싱에 있어서 리세스에 의해 생성되는 국부적인 가열 효과는, 구동 주파수 저감과 더불어 증가하는 것에 효과적인 것이다. 유도코일에는 50㎐∼1000㎐ 범위, 예컨대 850㎐에 있는 주파수에서 교류 전압을 갖는 발생기에 의해 전원이 인가된다.

최후로, 본 발명의 응용 분야는 C/C 복합 브레이크 디스크를 제작하는 것에 한정되는 임의의 방법 뿐만 아니라, 다른 C/C 복합 부품, 특히 상술한 미국 특허 제5,904,957호에 기재된 바와 같은 예컨대 로켓 엔진 노즐의 분기부(diverging portion)를 제작하는 것으로 확장됨을 알아야 한다. 더 일반적으로는, 본 발명은 임의의 형태의 열구조 복합 재료(composite material), 즉 C/C 복합뿐만 아니라 CMC에 의해 부품을 제작하기 위해 실현될 수 있다. CMC의 경우, 반응가스의 조성은 세라믹 성형체의 특수한 본질의 함수로서 선택된다.

세라믹 성형체를 위한 기상 전구체(gaseous precursor)는, 잘 알려진, 예컨대 메틸트리클로로실란(methyltrichlorosilane: MTS) 및 탄화수소(silicon carbide) 성형체를 형성하기 위한 수소 가스(H₂)이다. 레퍼런스는 각종의 세라믹 성형체를 형성하는 방법을 기재하고 있는 특허 FR 2 401 888에 대해 이루어질 수 있다.

다공성 기판을 고밀도화하도록 기능하는 것들 이외의 가열처리, 예컨대 침탄에 대해서는, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 생각 중인 오븐의 사이즈 및 형상과 정합하도록 상술한 부싱(121)을 이용 및 채용함으로써 본 발명을 실현하는데 어려움을 갖지 않을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고밀도화 오븐의 실시예의 개략 단면도이다.

도 2는 평면 II-II에 따른 도 1의 오븐의 단면도이다.

도 3은 도 1의 오븐의 밑부분의 확대도이다.

도 4는 도 1의 오븐의 서셉터의 하부 부싱의 사시도이다.

도 5는 도 4의 하부 부싱의 변형 실시예의 사시도이다.

도 6은 서셉터의 하부 부싱의 리세스의 주변 및 리세스로부터 반대측에 있어서 각각 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 고밀도화 오븐의 다른 실시예의 밑부분의 확대도이다.

도 8은 도 6의 오븐의 서셉터의 하부 부싱의 사시도이다.

Claims (13)

1. 적재 또는 처리 구역(30)과, 적어도 하나의 가스 주입구(22), 이 가스 주입구(22)와 적재 또는 처리 구역(30) 사이의 오븐 내에 놓인 가스 예열실(50), 적어도 예열실(50)과 적재 또는 처리 구역(30)을 둘러싸는 측벽(12)을 갖춘 서셉터 및, 유도에 의해 측벽(12)을 가열하기에 알맞은 계자 권선(18)을 구비하되, 상기 예열실(50) 둘레에 놓여 있는 서셉터의 측벽(12)의 부분(121)이 그 측벽의 상기 부분에서 감소된 두께의 부분을 형성하도록 서로 주변을 둘러싸게 이격된 적어도 2개의 리세스(1210)를 나타내는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐(10).
2. 청구항 1에 있어서, 상기 예열실(50) 둘레에 놓인 서셉터의 측벽이 서로 균일하게 이격된 3개의 리세스(1210)를 나타내는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 리세스(1210; 2210; 3210)가 상기 사셉터의 측벽의 내주 또는 외주에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 리세스(1210; 2210; 3210)가 서로 규칙적으로 이격 되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 리세스(1210; 2210; 3210)를 포함하는 측벽의 부분이 상기 측벽의 두께의 30%∼60% 범위에 있는 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 리세스(1210; 2210; 3210)의 높이가 상기 예열실의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 리세스(1210; 2210; 3210)가 적어도 15㎝의 폭을 나타내는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 서셉터의 측벽이, 적어도 상기 적재 구역(30; 330)을 둘러싸는 상부 부싱(122; 322)과, 상기 예열실(50; 350)을 둘러싸는 하부 부싱(121; 321)으로 만들어지고, 상기 하부 부싱이 상기 리세스(1210; 2210; 3210)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 하부 부싱(121)이 상기 예열실(50)의 측벽을 형성하고, 상기 하부 부싱이 상기 예열실(50)의 상판(60)을 둘러싸기 위한 쇼울더(121a)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 서셉터의 측벽(12; 312)이 석영으로 만들어진 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 리세스가 전기적 절연재로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 재료가 열적으로도 절연하는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 계자 권선이 50㎐∼1000㎐ 범위에 있는 주파수를 갖는 교류전압 발생기에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 오븐.

Images