KR20130137184A - 멀티덱 챔버 가열로 - Google Patents

멀티덱 챔버 가열로 Download PDF

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KR20130137184A
KR20130137184A KR1020137014181A KR20137014181A KR20130137184A KR 20130137184 A KR20130137184 A KR 20130137184A KR 1020137014181 A KR1020137014181 A KR 1020137014181A KR 20137014181 A KR20137014181 A KR 20137014181A KR 20130137184 A KR20130137184 A KR 20130137184A
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chamber
door
deck
doors
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KR1020137014181A
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랄프요셉 슈바르츠
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슈바르츠 에바
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Abstract

본 발명은 워크피스(19;19';workpiece) 가열용 멀티덱 챔버 가열로(10;multi-deck chamber furnace)에 관한 것으로 수직으로 쌓여 배열된 적어도 두 개의 수평 가열로 챔버(16;17;18;furnace chamber)를 구비하는 가열로 하우징(11;furnace housing)으로 구성되어 각 가열로 챔버(16;17;18;furnace chamber)는 가열로 벽(12;furnace wall) 한쪽에 개구부(13;14;15;opening)를 구비하고 상기 개구부는 가열로 도어(20;21;22;furnace door)에 의해 밀폐될 수 있으며 상기 가열로는 가열로 도어(20;21;22;furnace door)의 가로축이 가열로 벽(12;furnace wall)과 0˚초과 45˚미만인 각 α를 둘러싸는 방식으로 가열로 도어는 관련 가열로 챔버(16;17;18;furnace chamber)의 개구부(13;14;15;opening) 앞에 배열되는 것이 특징이므로 가열로 도어(20;21;22;furnace door)의 가로축은 가열로 도어(20;21;22;furnace door)의 수평축에 평행하게 움직이고 가열로 도어(20;21;22;furnace door)는 상기 가로축을 따라 직선으로 움직일 수 있다.

Description

멀티덱 챔버 가열로{Multi-deck chamber furnace}
본 발명은 멀티덱 챔버 가열로(Multi-deck chamber furnace)에 관한 것으로, 수직으로 쌓이도록 배열된 적어도 두 개의 수평(horizontal)가열로 챔버를 구비하는 가열로 하우징(furnace housing)으로 구성되는 워크피스(workpiece) 가열용 멀티덱 챔버 가열로에 관한 것에 있어서 각 가열로 챔버는 적어도 한쪽 가열로 벽에 개구부(opening)를 구비하며 상기 개구부는 가열로 도어(furnace door)에 의하여 밀폐될 수 있다. 더욱 상세하게는 상기 가열로는 자동차 산업(automotive industry)에 쓰이고 있는 워크피스를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
현재와 미래를 통틀어 자동차 산업의 주요 목표 중 하나는 연료소비를 줄이는 것과 이산화탄소(CO2) 방출을 낮추는 것, 승객안전(passenger safety)을 개선하는 것이다. 일반적으로 연료소비 절감 및 그에 따른 이산화탄소 방출 감소를 위해 사용되는 방법은 예를 들어 차량의 무게를 줄이는 것이다. 그러나 동시에 승객안전의 개선을 위해서는 차 몸체 패널(car body panel)에 사용된 강철(steel)의 종류는 매우 단단하면서 가벼워야 한다.
따라서 선호되는 무게에 대한 강도의 비율을 보이는 차 몸체 패널의 강철 등급에 대한 관심이 증가하는 추세이며 보통 프레스 경화(press hardening) 또는 핫 스탬핑(hot stamping)으로 불리는 공정에 의해 달성된다. 상기 공정에서 금속시트부(sheet metal part)는 800℃∼1000℃[1472℉∼1832℉] 사이 온도로 가열된 후 냉각주형(cooled mold)에서 성형 및 담금질되어 그 부품의 강도를 약 3배 증가시킨다. 프레스 경화는 열처리(heat treatment), 성형(shaping) 및 조정 냉각(controlled cooling)을 동시에 결합함으로써 차 몸체 패널을 더 가벼우면서도 더 단단하게 제조할 수 있다.
보통 옆으로 및/또는 뒤로 줄줄이 배치된 여섯 개까지의 각 시트의 패킷(packet)으로 배열된 상기 금속시트부는 긴 롤러-하스(roller-hearth) 가열로 또는 동형(walking beam) 가열로에서 약 900℃의 오스테나이트 온도(austenitic temperature)까지 가열된다. Si-Al 코팅(coating)의 경우는 부품이 대략 950℃[1742℉]의 확산온도(diffusion temperature)까지 가열되며 대략 5분 이상의 보유시간(retention time)을 필요로 한다. 가열로의 필요조건은 40미터 길이로 설계되어 보통 큰 공간을 차지해야 하는 단점을 수반하게 된다. 상기 설치길이는 오늘날의 자동차 프레스 공장(automotive press shop) 내에 쉽고 비용효율적으로 수용될 수 없다.
공간을 절약하기 위해 수평으로 쌓이도록 배열되고 복층 가열로(storey furnaces)라고 불리는 여러 가열로 층(several furnace levels)을 구비하는 가열로를 사용할 수도 있다. 각각의 가열로 층은 워크피스를 싣고 내리기 위해 가열로에서 수평으로 빼내는 서랍부(drawer elements)를 포함할 수 있다. 독일특허 DE 10 2006 020 781 B3은 수평으로 쌓이도록 배열된 여러 가열로 층을 구비하는 복층 가열로는 강철 블랭크(steel blank)를 가열하기 위한 것으로서 각각은 적어도 하나의 강철 블랭크를 수용하기 위한 용도임을 개시하였다. 그러나 비교적 고 가열로 챔버(high furnace chamber) 안에 제공되는 선반같은 서포트 구조물(support structure)상에 여러 개의 금속시트부(sheet metal parts)를 쌓을 수도 있다.
복층 가열로 또는 멀티챔버 가열로에 관해서 금속판 또는 금속판 패킷을 그 안에 쌓을 수 있다. 각각의 가열로 덱 높이에 있어서, 가열로의 총 높이가 그리퍼 기술(gripper technology)에 관해 경제적으로 실현 가능하도록 가능한 한 낮게 쌓아서 배열되는 것이 매우 중요하다. 게다가 내부온도에 의해 야기되는 굴뚝압력(chimney pressure)이 너무 높아져서는 안 된다. 비코팅된 금속판에 산소프리(oxygen-free) 비활성 기체(inert gas)를 사용해야 하므로 가열로 내부까지도 공기유입을 피해야 하며 그렇지 않으면 하부 도어(lower door)근처 온도는 제어할 수 없거나 어려운 가열곡선(heating curve)을 유발한다.
상기 종류의 첫 번째 가열로는 슬라이딩 도어(sliding door)를 구비했고 연결된 내부는 가열로 챔버로 구성되었다. 한쪽에 슬라이딩 도어를 구비한 가열로 유형은 이미 존재해왔다. 그러나 상기 디자인의 단점은 슬라이딩 도어(sliding door)는 완벽히 단단하게 닫힐 수 없는 점과 스윙 도어(swinging door)는 움직이기 위해 넓은 공간을 초래한다는 점이다. 게다가 스윙 도어(swinging door)는 활짝 열기 위해 많은 공간을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 설명을 충족하며 수직으로 배열된 여러 층의 가열로뿐만 아니라 단단히 봉인된 도어 메커니즘(door mechanism)으로 구성된 금속시트부 가열용 멀티덱 챔버 가열로를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따라 상기 목적은 독립청구항 제1항의 목적을 가지는 멀티덱 챔버가열로에 의해 달성되며 멀티덱 챔버 가열로의 유리한 개선점은 종속청구항 제2항 내지 제15항에 뒤따른다.
본 발명은 가볍고 고온저항성이 있으며 충돌 또는 충격에 대한 저항성이 있는 신규한 멀티덱 챔버 가열로를 제공함으로써 공간절약적이면서 차량의 연료소비를 줄일 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 멀티덱 챔버 가열로의 실시예의 도식적인 종단면도(longitudinal section)이다.
도 2는 도 1에 따른 멀티덱 챔버 가열로에서 가열로 도어가 열린 모습(open furnace door)을 나타낸 종단면도이다.
도 3은 도 1에 따른 멀티덱 챔버 가열로의 도식적인 횡단면도(cross section)이다.
도 4는 도 1에 따른 멀티덱 챔버 가열로에서 단독드라이브(individual drive)의 도식적인 모습을 포함한 확대도이다.
도 5는 가열로 도어의 두 측면을 포함한 멀티덱 챔버 가열로의 3차원도이다.
도 6a는 가열로 도어가 닫힌 드라이브(drive)의 상세한 측면도이다.
도 6b는 가열로 도어가 열려있는 도 6a에 따른 상세도이다.
도 7a는 가열로 내부로부터 바라본 가열로 도어가 닫힌 드라이브(drive)의 상세한 배면도이다.
도 7b는 가열로 도어가 열려있는 도 7a에 따른 상세도이다.
본 발명에 따라 워크피스(workpiece)를 가열하기 위한 멀티덱 챔버 가열로(multi-deck chamber furnace)는 수직으로 배열된 적어도 두 개의 수평 가열로 챔버를 구비한 가열로 하우징(furnace housing)으로 구성되어 각 가열로 챔버는 가열로 한쪽 벽에 개구부(opening)를 구비하며 상기 개구부는 가열로 도어(furnace door)에 의하여 밀폐될 수 있다. 가열로 도어는 가열로의 횡단축이 0˚초과 45˚미만의 알파각(angleα)을 가열로 벽으로 둘러싸는 방식으로 가열로 챔버에 속하는 개구부 앞에 배열된다. 가열로 도어의 횡단축(transversal axe)은 가열로 도어의 수평축(horizontall axe)에 직각으로 움직이고 본 발명에 따르면 가열로 도어는 상기 횡단축을 따라 직선으로 움직일 수 있다.
가열로 도어의 경사는 매우 좁은 공간에서도 어떤 도어의 움직임을 다른 도어가 방해하는 일 없이 직선으로 움직일 수 있다는 의미이기 때문에 수직으로 쌓이는 가열로 챔버용 가열로 도어의 발명적 구성은 가열로 및 가열로 챔버의 면적과 관계없이 세밀한 공정인 도어 메커니즘을 제조하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어 스윙도어(swinging door)를 포함하는 경우처럼 가열로 챔버가 매우 낮게 설계되었더라도 특히 어떤 공기의 이동도 초래하지 않도록 단단하게 밀봉한 가열로 도어(furnace door)를 제공할 수 있다. 상기의 경우 특히 가열로 도어의 최고 및 최저를 제외하고 각 가열로 도어는 인접한 가열로 도어를 따라 직선으로 움직일 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 도어 구조는 가열로 챔버를 매우 낮게 설계하는 것이 가능하므로 가열로의 총 높이는 최소화될 수 있어서 결과적으로 가열로의 총 높이는 사용되고 있는 그리퍼 기술(gripper technology)을 적용하는 것이 경제적으로 가능하다.
게다가, 본 발명에 의하면 도어 메커니즘은 그다지 많은 공간을 필요로 하지 않으며 특히 가열로 주위에 도어를 활짝 열기 위한 공간을 필요로 하지 않는다. 가열로 도어는 직선으로 움직일 수 있으므로 가열로 안으로 통과되는 어떤 공기유입도 방지될 수 있으며 스윙도어(swinging door)의 경우는 제외한다. 그럼에도 불구하고 가열로 도어는 단단하게 밀봉할 수 있게 설계될 수 있고 피해야 하는 비활성 기체의 양을 최소화하기 위해 부분적으로 개구부를 허용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 가열로 챔버(furnace chamber)는 가열로 하우징에서 분리가능하도록 장치된 중간덱(intermediate deck)에 의하여 서로 떨어져 있다. 바람직하게는, 중간덱은 가열로 하우징에 장치된 서포트 구조 위에 거의 가스가 새지않게 놓인다. 상기 실시예에서는 가열로의 용이한 조립 및 서로 조화될 수 있는 적합한 재료로 만들어진 중간덱의 형성이 가능하다. 예를 들면 중간덱은 가열로 내부로 가스가 흡수되어 섞이는 것을 방지하는 반면 방사열(radiation heat)은 중간덱을 빠져나갈 수 있는 방사선이 통과가능한 석영 판유리(quartz pane)로 구성될 수 있다. 게다가 중간덱은 가열로 하우징 내부에 해로운 굴뚝압력(chimney pressure)의 발생을 방지한다.
본 발명의 실시예에서, 중간덱을 받치기 위한 상기 서포트 구조(support structure)는 가열로 하우징의 내벽(inner wall) 상에 장치되고 가열로 하우징의 측벽을 따라 확장되는 적어도 두 개의 맞은편(opposite) 서포트 빔(support beam)으로 형성될 수 있고 각각의 중간덱은 서로 맞은편에 위치한 두 개의 서포트 빔 상에 놓여있다. 따라서 간단히 서포트 구조는 중간덱이 거의 가스가 새지 않기 위해 놓일 수 있는 곳에 만들 수 있다.
본 발명에서 예를 들어 서포트 빔(support beam)은 브릿지(bridge) 및 그 브릿지에 직각으로 위치한 적어도 하나의 플랜지(flange)를 구비하는 빔으로 구성되어 적어도 하나의 플랜지는 수평으로 움직이고 중간덱은 서포트 빔의 적어도 하나의 플랜지 상에 놓인다. 바람직하게는, 중간덱이 놓인 적어도 하나의 플랜지는 브릿지의 하단(lower end)에 배열되고 서포트 빔의 그 하단 플랜지에 각각의 중간덱이 놓인다. 게다가 서포트 빔의 브릿지는 각각 멀티덱 챔버 가열로를 위한 가열 수단으로서 라디언트 튜브(radiant tube)가 관통하는 적어도 하나의 리세스(recess)를 구비할 수 있어서 각 라디언트 튜브(radiant tube)는 가열로 하우징(furnace housing)의 측벽에 박혀있다. 상기 실시예는 유리하게는 빔(beam)의 하위 플랜지(lower flange)가 중간덱을 위한 베어링 표면(bearing surface)을 만드는데 이용될 수 있는 반면, 워크피스 가열용 라디언트 튜브는 바로 중간덱 위에 배열될 수 있는 것을 의미한다. 예를 들어 워크피스가 라디언트 튜브 위에 배열된다면 더블 티빔(double T-beams)의 상위 플랜지(upper flange) 상에 놓이고 라디언트 튜브는 워크피스를 아래서부터 가열할 수 있는 반면, 발생된 열은 아래쪽으로(downward) 다음 가열로 챔버 내부로 방출될 수 있다.
바람직하게는 서포트 구조(support structure)는 가벼우면서 고온저항성을 보이는 섬유강화(fiber-reinforced) 산화알루미늄(aluminum oxide: Al2O3)으로 만들어진다.
바람직하게는 가열로 도어의 측면상에 각각 설치되어 있으면서 관련된 가열로 도어에 맞물리는 단독드라이브(individual drive)에 의해 가열로 도어가 구동된다. 바람직하게는 단독드라이브의 이동은 가열로 도어의 가로세로축을 따라 확장하는 동기화 축(synchronization shaft)에 의해 가열로 도어의 반대면으로 옮겨질 수 있다. 상기 실시예는 가열로의 양 측면상의 두 드라이브(two drives)로 접근하는 것과 비교하여 공간절약적인 방법으로 여겨진다.
게다가 가열로 도어는 일부 또는 전부가 폼 세라믹(foam ceramic)으로 제조될 수 있다. 폼 세라믹은 낮은 열전도계수 및 열팽창계수를 가지므로 가열로 도어가 크기적으로 안정되어 심지어 하나의 가열로 도어는 다른 도어 앞에서 이동될 때도 단단하게 밀봉되는 장점을 수반한다.
게다가 개구부(opening)를 구비하는 가열로 벽(furnace wall)은 적어도 가열로 앞부분을 안정화 시키려는 목적으로 냉각될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어 냉각제(coolant)는 가열로 벽의 앞 및/또는 내부에 배열된 파이프 시스템(pipe system)을 통하여 흐른다. 각 가열로 도어의 동기화 축은 상기 파이프 시스템 내부로 적어도 특정 지역에서 움직일 수 있고 따라서 공간을 절약하고 동기화 축이 과도한 열에 노출되어 구부러지지 않도록 방지할 수 있다.
본 발명의 추가적 장점 및 특수 기능, 실용적 개선점은 종속항 및 도면에 관련된 하기 바람직한 실시예의 설명에 나타내었다.
도면은 하기 내용을 보여준다:
도 1은 세 개의 가열로 챔버(16;17;18;furnace chamber)로 구성된 외부의 가열로 하우징(11;furnace housing)을 구비하는 본 발명에 따른 멀티덱 챔버 가열로(10;multi-deck chamber furnace)의 실시예를 나타낸다. 본 발명에서 가열로 챔버(16;17;18) 각각은 수평으로 움직이고 수직으로 쌓이도록 배열되어 상기 실시예에서는 세 개의 가열로 챔버(16;17;18)만이 쌓이도록 배열되는 반면 다른 숫자의 가열로 챔버도 선택될 수 있다.
워크피스(19;19';workpieces)는 가열수단에 의해 각 가열로 챔버(16;17;18)에서 가열된다. 다수의 워크피스는 가열로 챔버 내부에서 서로 옆으로(next to each other) 그리고/또는 서로 앞뒤로(behind each other) 배열되어 워크피스는 가열로 내부로 개별적으로(individually) 뿐만 아니라 보통 여섯 개의 워크피스로 된 패킷(packet)으로 실릴 수 있다. 예를 들어 워크피스는 나중에 프레스 경화(press hardened)될 코팅되었거나 코팅되지 않은 금속판(steel sheet)으로 구성된 금속판 블랭크(sheet metal blank)이므로 금속판의 두께는 대략 1.5 mm정도이다. 그러나 본 발명에 따른 가열로는 다른 적용목적으로 사용될 수도 있다.
적어도 하나의 측면상에서, 각 가열로 챔버는 가열로 벽의 개구부(opening)에 관련되어 워크피스(workpiece)는 가열되고 가열공정 후에는 제거되기 위해 가열로 안에 놓일 수 있다. 본 발명에서 각 가열로 챔버(16;17;18)는 가열로 우측벽(12;right-hand furnace wall)의 오직 하나의 개구부(13;14;15)를 구비할 수 있어서 도 1의 실시예에 나타낸 바와 같이 워크피스는 가열로 안에 놓일 수 있을 뿐 아니라 제거될 수도 있다. 그러나 각 가열로 챔버는 가열로 도어와 관련되는 마주보는 두 개의 개구부를 구비할 수도 있어서 가열로 챔버는 이송 가열로 도어(feed furnace door)를 통해 지속하여 워크피스를 실을 수 있는 반면 워크피스는 가열공정 후에 맞은편의 제거되는 가열로를 통하여 제거된다.
가열로 챔버(16;17;18)의 각 개구부(13;14;15)는 가열로 벽(12)의 외부상에 위치한 가열로 도어(20;21;22)에 의하여 개별적으로 밀폐될 수 있다. 가열로 도어(20;21;22)의 가로축은 가열로 벽(12)에 관하여 0˚초과 45˚미만인 각 알파(α)로 이어진다. 따라서 가열로 도어는 가열로(10)의 측면에서 본 바와 같이 가열로 벽(12)에 관하여 경사진다.
세로축(longitudinal axe)이라는 용어는 일반적으로 몸체의 가장 긴 연장방향에 따른 축을 나타내는 반면 몸체의 가로축(transversal axe)은 상기 세로축에 직각이다. 보통 가열로 앞에서 보는 바와 같이 가열로 도어는 더 넓고 높도록 구성될 텐데, 가열로 챔버는 수평연장선(horizontal extension)에 비하여 낮은 높이를 가져야 하기 때문이다. 가열로 도어의 세로축은 일반적으로 수평방향으로 연장되는 반면 가로축은 가열로 벽에 관하여 각 알파(α)만큼 각진 상기 세로축에 직각이다. 즉 경사에도 불구하고 필히 수직이어야 한다. 그러나 본 발명에서 가로축은 항상 가열로 도어의 크기에 관계없이 가열로 도어의 수평 메인축(horizontal main axe)에 직각인 메인축을 나타낸다. 본 발명에서 가열로 도어의 두께의 방향으로 진행하는 축은 고려하지 않는다.
각 가열로 도어(20;21;22)는 단독드라이브(individual drive)에 의하여 상기 경사진 가로축을 따라 직선으로 움직일 수 있어서 바람직하게는 가열로 도어는 인접한 가열로 도어를 따라 직선으로 움직일 수 있다. 도 2의 중간도어(21;middle door)의 예로서 중간 가열로 도어(21;middle furnace door)는 가열로 도어(20) 뒤쪽에 위치한 가열로 벽(12)의 개구부(14)를 해방시키기 위해 위의 가열로 도어(20)를 따라 위쪽을 향해 직선으로 움직인다. 이제 워크피스 (19';workpiece)는 상기 개구부를 통해 제거될 수 있고 새로운 워크피스가 가열로 안으로 놓일 수 있다.
닫힌 상태일 때도 마찬가지로, 바람직하게는 가열로 도어(20;21;22)는 대상포진(shingles)처럼 겹쳐서 가열로 도어의 하부영역(lower area)은 그 아래에 위치한 가열로 도어에 의하여 부분적으로 덮인다. 그러나 도 1의 실시예에서 가열로 도어 최저영역에는 분명히 적용되지 않으며 그 아래에 위치한 다른 가열로 도어는 없기 때문에 하부영역은 자유롭다. 그러나 가열로 도어는 아래쪽으로 경사지도록 구성되는 방식으로 배열될 수도 있으므로 아래쪽으로 열려서 직선으로 움직일 수 있다. 상기의 경우 가열로 도어의 배열(arrangement) 및 겹침(overlapping)은 역전될 수도 있다. 상기 실시예는 가열로 도어의 무게가 그 이동에 활용될 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 가열로 도어(20;21;22)는 모두 동시에 열릴 수 있거나 단독드라이브에 의해 개별적으로 작동될 수 있다. 바람직하게는 상기 배열은 가열로 도어의 부분적인 개폐를 가능하게 하여 비활성 기체뿐만 아니라 방사열(radiation heat)도 절약할 수 있다.
대상포진같은 가열로 도어의 배열은 가열로 도어를 충분히 단단하게 밀봉하여 가열로 도어 사이의 약 1 mm의 간격을 생기므로 가열로 도어는 세밀한 공 정(process-tight)으로 여겨질 수 있다. 도어가 열려있는 가열로 도어의 내부열에 노출되어 휘어지도록 초래하지 않기 위해 각 가열로 도어는 완전히 또는 적어도 부분적으로 낮은 열전도계수 및 1×10-7K-1의 열팽창계수를 갖는 폼 세라믹(foam ceramic)으로 만들어짐으로써 도어는 크기적으로 안정적이고 심지어 하나의 가열로 도어가 다른 도어의 앞으로 움직일 때도 단단히 밀봉되는 점이 보장된다.
도 1, 2 및 3에서 볼 수 있듯이 각 가열로 챔버(16;17;18;furnace chamber)는 중간덱(40;41;intermediate decks)에 의해 서로 분리된다. 따라서 두 개의 중간덱(40;41)은 세 개의 가열로 챔버(16;17;18)를 위해 제공된다. 그러나 바람직하게는 상기 중간덱(40;41)은 가열로 하우징(11;furnace housing)에 영구히 부착되지 않으며 가열로 하우징(11)에 분리가능하게 장치된다. 예를 들면 중간덱(40;41)은 가열로 하우징(11) 내부의 서포트 구조(support structure) 위에 놓이며 상기 서포트 구조는 여러 서포트 빔(support beams)에 의해 형성될 수 있다.
서포트 구조(support structure)의 배열 및 기능은 가열로 하우징의 양 측면상의 세 개의 서포트 빔(30;31;32 및 31';32';33';support beams)의 형태로 바람직한 서포트 구조를 관통하는 도식적인 횡단면을 보여주는 도 3에 근거하여 설명할 것이다. 상기 서포트 빔은 가열로의 내벽상에 장치되거나 그 안에 부분적으로 설치하며 각각의 경우에 두 개의 서포트 빔은 같은 높이로 서로 가로질러 위치한다. 바람직하게는 상기는 더블 티-빔(double T-beam)이고 하나의 플랜지(flange) 또는 다른 적합한 서포트 빔과 함께 티-빔(T-beams)을 사용할 수도 있다. 빔의 플랜지(35)는 수평이며 빔의 브릿지(33;bridge)는 수직이므로 중간덱(40;41;intermediate decks)은 플랜지(flanges) 상에 놓일 수 있다.
더블 티-빔(double T-beam)이 사용된다면 도 3의 실시예 경우처럼 바람직하게는 중간덱(40;41)이 하부 플랜지(35;lower flange)상에 놓여서 간단히 말하자면 서포트 빔(30)의 하부 플랜지만이 참조번호 35에 의해 지정되었다. 따라서 중간덱(40;41)의 폭은 가열로(10)가 조립될 때 두 개의 서포트(supports) 사이에 배치되어 하부 플랜지(35)상에 놓일 수 있는 방식으로 선택될 수 있다. 실제로 유리한 것으로 증명된 중간덱의 크기는 500 mm ×500 mm이다. 가열로 챔버 사이의 거의 가스가 통과하지 않는 밀봉은 중간덱의 본질적인 중량에서 비롯된다. 본 발명에서 중간덱(intermediate deck) 및 캐리어 플랜지(carrier flange) 사이의 작은 간격은 허용될 수 있다.
그러나 두 개의 평행한 서포트 빔(support beams) 사이의 거리를 줄이기 위해 가열로 챔버의 측벽 사이에 추가의 서포트 빔을 설치하는 것도 가능하여 중간덱의 크기를 줄이고 난 후 각 중간덱은 두 개의 서포트 빔상에 놓일 수도 있다.
바람직하게는 중간덱은 적외선 스펙트럼(infrared spectrum)에서 방사선에 높은 투과성을 보이는 석영 판유리(quartz glass pane)이다. 700 nm 내지 2,000 nm까지 범위의 적외선(infrared radiation)에 대한 약 98%의 투과성이 선호된다. 중간덱의 구성(configuration)은 가열로 하우징(11)을 여러 개의 가열로 챔버로 나누는 것을 용이하도록 만들어서 가열로(10)의 총 높이를 최소화하기 위해 각 가열로 챔버의 높이는 가능한 낮게 선택될 수 있다. 예를 들어 하나의 가열로 챔버의 높이는 대략 150 mm 에서 200 mm정도이다.
특히 더블 티-빔(double T-beams)이 포함된 실시예에서 워크피스의 크기가 허용된다면 워크피스(workpiece) 또는 워크피스 패킷(19;19';workpiece packet)을 바로 서포트 빔의 상부 플랜지(34;upper flange) 위에 놓는 것이 가능하다. 이제 참조번호 34인 빔(30;beam)의 상부 플랜지만 도 3에 나타내었다. 그러나 분리된 구조도 워크피스가 그 위에 놓일 수 있는 가열로 내부에 제공될 수 있다. 게다가 왼쪽의 서포트 빔(30;31;32)에서 오른쪽의 서포트 빔(30';31';32')까지 확장되는 추가의 크로스 빔(cross beam)은 서포트 빔의 상부 플랜지(34)상에 설치될 수 있다. 상기 추가의 십자형의(crosswise) 서포트 구조(support structure)상에 워크피스가 놓일 수 있는 것과 같이 여러 워크피스 또는 워크피스 패킷은 가열로의 폭을 더 활용하기 위하여 서로 나란히(nest to each other) 놓일 수 있다. 가열로의 측벽상의 외부 빔(outer beam)뿐만 아니라 상기 빔사이 추가의 평행 빔(parallel beam)이 있는 실시예를 선택함으로써 동일한 장점을 얻을 수 있다.
여러 리세스(36;recess)는 서포트 빔상의 브릿지(33;bridge) 안에서 제공될 수 있으므로 가열로(10;furnace)를 위한 가열수단 역할을 하는 라디언트 튜브(50;51;52;radiant tube)는 상기 리세스를 통하여 들어갈 수 있다. 상기 라디언트 튜브(50;51;52;radiant tube)는 가열로 하우징(11;furnace housing)의 측벽에 고정되어 리세스(36;recess)를 통하여 서포트 빔으로 가열로 챔버까지 확장한다. 결과적으로 라디언트 튜브(50;51;52)는 워크피스 아래의 가열로 챔버 한쪽 측면에 위치하여 워크피스가 균일하게 가열되는 이유가 된다. 상기 라디언트 튜브는 가스 가열식 라디언트 튜브(gas-heated radiant tube)이거나 전기저항 가열식(electric resistance heating) 라디언트 튜브일 수 있어서 라디언트 튜브의 직경은 대략 50 mm 내지 150 mm 정도이다.
중간덱(40;41;intermediate deck)이 거의 가스가 새지 않도록(virtually gas-tight) 밀봉된 상기 배열은 워크피스(19;19')와 함께 유입하는 공기가 비말이 되어 인접한 가열로 챔버에서 혼합되는 것을 방지하고 그럼에도 불구하고 라디언트 튜브의 복사열(radiation heat)을 투과할 수 있다.
일반적으로 공지된 가열로 안의 워크피스 캐리어(workpiece carrier)에 사용되는 재료는 보통 열 저항성이 있는 스테인리스 스틸(stainless steel)이거나 깨지기 쉬운 세라믹(brittle ceramic)이다. 금속 캐리어는 본질적인 중량때문에 정해진 시간-온도 하중이후 점진적으로 늘어나서 약 6개월의 짧은 작동시간이 지나면 뒤집 혀져 그 결과 점진적인 새깅과정(sagging precess)이 역전된다. 강철(steel)에게 혹독한 상기 기간 때문에 분열의 생성(crack formation)으로 인한 워크피스 캐리어(workpiece carrier)의 교체 이전에 상기 공정은 두 번 또는 세 번 수행될 수 있을 뿐이다. 반면 깨지기 쉬운 세라믹 캐리어(ceramic carrier)는 예를 들어 사용된 장치를 선적함으로써 초래되는 미세한 충돌이나 충격에 파괴된다.
상기와 같은 이유로 서포트 빔(30;30';31;31';32;32')으로 제시되는 재료는 특히 적합한 소결 접합재료(sintered binder)와 함께 순수한 산화알루미늄 섬유(pure Al2O3 fibers)로 만든 구조(fabric)로 구성되는 섬유강화 세라믹(fiber-reinforced ceramic) 형태의 세라믹 섬유-복합재료(ceramic fiber-composite material)이다. 상기 복합재료의 구체적인 중량은 강철의 3분의 1에 불과한 반면 온도 저항성(temperature resistance)은 강철보다 다섯 배 더 높다. 게다가 상기 복합재료는 거친 작동 조건에서 접하게 되는, 예를 들면 프레스 샵(press shop)에서 받게 되는 충돌 및 충격에 대한 저항성이 있다.
가열로 도어를 제 가로축을 따라, 바람직하게는 인접한 가열로 도어를 따라 직선으로 이동시키기 위해 사용하는 단독드라이브(individual drive)은 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 한 실시예에서는 전기모터(electromotor) 또는 실린더(cylinder)에 수용되는 피스톤 로드(piston rod)를 포함한 기압드라이브(pneurnatic drive)이다. 도 4에서 도식적인 상세도에서 볼 수 있는 드라이브는 간단히 말하자면 도 4에서 열린 상태인 중간 가열로 도어(21;middle furnace door)의 드라이브일 뿐이다. 게다가 전체의 드라이브는 하우징(housing) 내에 배열될 수 있고 그리고/또는 다른 부분(other component)을 구비할 수 있어서 도 4의 도식적인 묘사는 단지 가능한 드라이브의 기본 원리를 의미할 뿐이다.
다른 가열로 도어(20;22)에 관하여는 단독드라이브(individual drive)가 가열로의 같은 쪽으로 제공될 수도 있거나 공간에 관련된 이유로 드라이브는 가열로 도어의 다른 쪽에 대안으로 배열된다. 후자의 경우 도 4에서 가열로 도어(20;22)의 드라이브는 가열로의 뒤에 배열될 수 있고 가열로 도어(21)의 설명된 드라이브와 마찬가지로 동일할 수 있다.
피스톤로드(63;piston rod)는 가열로 하우징(furnace housing)에 부착되어 있는데 가열로 도어(21;furnace door)상에 설치되고 그 아래 위치한 실린더(64;cylinder)에 수용된다. 실린더(64;cylinder) 및 피스톤로드(63;piston rod) 둘다 가열로 도어(21)의 횡단축에 평행하게 운동하여 가열로 벽(12;furnace wall)에 관하여 경사가 생기도록 배열되기도 한다. 피스톤로드(63;piston rod)가 움직일 때 가열로 도어(21)는 위쪽으로 또는 아래쪽으로 직선운동을 하여 그 위에 위치한 가열로 도어(20)를 따라 이동한다. 게다가 가이드(guide) 또는 다른 수단(other means)도 (여기서 나타내지 않았으나) 가열로 도어의 직선운동을 보조하고 가열로 도어가 앞으로 기울어지는 것을 방지하기 위해 제공될 수 있다.
게다가 냉각 파이프(60;60';60";cooling pipes)는 가열로 벽(12;furnace wall)의 개구부(14;15;16) 영역에서 제공될 수 있고 가열로의 앞을 냉각하기 위해 물과 같은 냉각제를 전달하는 역할을 한다. 냉각 파이프(60;60';60";cooling pipes)는 일렬로 서로 연결될 수 있고 또는 서로 분리되어 냉각제를 공급받을 수도 있다.
도 5의 3차원도는 드라이브(drives)가 쌓여 있는 네 개의 가열로 도어(furnace doors)를 위해 어떻게 배열될 수 있는지를 보여준다. 상기 실시예에서 개구부(opening) 및 관련된 가열로 도어(furnace door)는 가열로(10;furnace)의 양 측면상에 제공된다. 실린더(cylinder) 및 피스톤로드(piston rod)를 포함한 드라이브는 수직으로 쌓여 배열되고 각 피스톤로드가 관련된 실린더에서 움직이고 관련된 가열로 도어를 직선으로 이동시킬 수 있는 방식으로 서로에 관하여 상쇄(offset)된다. 본 발명에서 드라이브는 모두 도 5에서 보이는 바와 같이 앞에 배열되는 반면 앞서 언급한 대로 모든 두 번째 드라이브(second drive)는 공간과 관련된 이유 때문에 가열로(10)의 뒤에 배열될 수도 있다.
바람직하게는 드라이브(drive)의 힘은 가열로 도어의 측면상에 작용한다. 그러나 작동중에 이것은 가열로 도어의 한 측면에 압박을 받아 변형되도록 초래할 수 있다. 따라서 그 힘이 균일하게 전해지도록 하기 위해 바람직하게는 드라이브의 이동은 동기화 축(65;synchronization shaft)을 통하여 반대편, 특정 가열로 도어의 다른 측면으로 전해진다. 따라서 동기화 축(65;synchronization shaft)은 수평으로 가열로 도어의 세로축(longitudinal axe)을 따라 진행하여 동기화 축은 도어가 밀폐될 때 가열로 도어의 상부 영역에 위치한다. 본 발명에 따른 실시예에서 관련된 동기화 축은 가열로 앞을 위한 냉각 시스템의 냉각 파이프의 적어도 일정 영역에서 운동할 수 있으며 더욱 작은 디자인(more compact design) 및 공간절약형으로 전환시킨다. 게다가 동기화 축이 휘어지지 않기 위해 동시에(concurrently) 냉각되는 것이 가능하다.
도 6a 및 6b에 도식적으로 볼 수 있듯이 힘(force)은 예를 들어 랙(rack) 및 피니언 기어(pinion gear)에 의해 동기화 축을 통하여 전해질 수 있다. 도 6a는 중간 가열로 도어(21;middle furnace door) 및 밀폐된 상태에서의 드라이브(drive)를 나타내며 인접한 가열로 도어(20;22)는 드라이브없이 다시 한번 보인다. 랙(61;rack)은 가열로 도어(21;furnace door)상에 또는 피스톤로드(63;piston rod)상에 설치되고 랙(61;rack)은 가열로 도어(21;furnace door)의 가로축을 따라 움직인다. 가열로 도어(21;furnace door)가 피스톤로드(63;piston rod)에 의해 구동되어 움직일 때 상기 랙(61;rack)은 피니언(62;pinion)과 딱 들어맞는다. 상기 과정은 도 6b의 화살표 움직임으로 나타내어 피스톤로드(63;piston rod) 및 랙(61;rack)이 위쪽으로 움직일 때 피니언(62;pinion)은 시계반대방향으로 회전한다. 피니언(62;pinion)은 동기화 축(65;synchronization shaft)에 부착되어 마찬가지로 시계반대방향으로 회전한다.
도 7a 및 도 7b는 가열로 내부로부터 보는 바와 같이 도식적인 배면도에서 힘 전달 메커니즘(force transmission mechanism)을 보여준다. 그래서 중간 도어 가열로(21)의 동기화 축(65)은 가열로 도어의 앞에 있다. 두 개의 다른 가열로 도어(20;22)는 꺾인 선에 의해 표시된다. 상기 언급한 피니언(62)은 동기화 축에 부착되어 다른 피니언(62')은 가열로 도어(21)의 다른 측의 동기화 축(65)상에 배열된다. 상기 측 상에 다른 랙(61')은 가열로 도어상에 배열되기도 하고 두 번째 피니언(62')과 딱 들어맞기도 한다.
도 7a에서 가열로 도어가 밀폐되었을 때 중간 가열로 도어(21)의 동기화 축(65)은 가열로 도어(21)의 상부영역에 놓여 있다. 도 7b에서 화살표로 표시한 대로 가열로 도어가 피스톤로드(63)에 의해 위쪽으로 이동될 때 피니언(62)은 회전하고 상기 회전이 동기화 축(65)을 통해 정반대의 피니언(62')으로 전달된다. 따라서 맞은편의 랙(61') 또한 위쪽으로 움직이고 가열로 도어(21)의 다른 측면상에 위쪽으로 힘을 가한다. 따라서 이동 중에 수직력(vertical force)은 위쪽 또는 아래쪽으로 가열로 도어(21)의 양 측면상에 작용하여 가열로 도어(21)는 균일하게 압박되고 작동 중에 휘어지지 않는다. 피니언(62;62')을 랙(61;61')에 딱 맞추는 것을 보조하기 위해 가이드(여기서는 나타내지 않음)가 제공될 수 있어서 가열로 도어의 직선이동(linear movement)을 보장해 주고 피니언(pinion)이 랙(rack) 바깥으로 미끄러져 나오는 것을 방지한다.
10 가열로(furnace), 멀티덱 챔버 가열로(multi-deck chamber furnace)
11 가열로 하우징(furnace housing)
12 가열로 벽(furnace wall)
13, 14, 15 개구부(opening)
16, 17, 18 가열로 챔버(furnace chamber)
19, 19' 워크피스(workpiece), 워크피스 패킷(workpiece packet)
20, 21, 22 가열로 도어(furnace door)
30, 30', 31, 31', 32, 32' 서포트 빔(support beam), 빔(beam)
33 브릿지(bridge)
34, 35 플랜지(flange)
36 리세스(recess)
40, 41 중간덱(intermediate deck)
50, 51, 52 라디언트 튜브(radiant tube)
60, 60', 60", 60'" 냉각 파이프(cooling pipe)
61, 61' 랙(rack)
62, 62' 피니언(pinion)
63 피스톤 로드(piston rod)
64 실린더(cylinder)
65 동기화 축(synchronization shaft)

Claims (15)

  1. 수직으로 쌓이도록 배열되는 적어도 두 개의 수평 가열로 챔버(16;17;18;furnace chambers)를 구비하는 가열로 하우징(11;furnace housing)으로 구성되고, 각 가열로 챔버(16;17;18;furnace chambers)는 가열로 벽(12;furnace wall)의 한쪽(one side)에 개구부(13;14;15;opening)를 구비하고 상기 개구부는 가열로 도어(20;21;22;furnace door)에 의하여 밀폐될 수 있는 워크피스(19;19';workpieces) 가열용 멀티덱 챔버 가열로(10;multi-deck chamber furnace)에 있어서,
    상기 가열로 도어(20;21;22;furnace door)의 횡단축이 가열로 벽(12;furnace wall)으로 0˚초과 45˚미만인 각 알파(α)를 둘러싸는 방식으로 가열로 도어(20;21;22;furnace door)는 가열로 챔버(16;17;18:furnace chamber)의 개구부(13;14;15;opening) 앞에 배열되어 가열로 도어(20;21;22;furnace door)의 횡단축은 가열로 도어(20;21;22;furnace door)의 가로축에 수직으로 작동하며 가열로 도어(20;21;22;furnace door)는 횡단축에 따라 직선으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10;multi-deck chamber furnace).
  2. 제1항에 있어서,
    가장 위 및 가장 아래영역의 가열로 도어를 제외하고 각 가열로 도어는 인접한 가열로 도어를 따라 직선으로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열로 챔버(16;17;18;furnace chamber)는 가열로 하우징(11;furnace housing)에 분리가능하도록 설치된 중간덱(40;41;intermediate deck)에 의하여 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중간덱(40;41;intermediate decks)은 가열로 하우징(11;furnace housing)에 설치된 서포트 구조(support structure)상에 놓이는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 서포트 구조(structure)는 가열로 하우징(11;furnace housing)의 내벽상에 설치되고 가열로 하우징의 측벽(side wall)을 따라 확장하는 적어도 두 개의 마주 보는 서포트 빔(30;30';31;31';32;32';support beams)에 의하여 형성되어 각각의 중간덱(40;41;intermediate deck)이 서로 마주 보며 위치하는 두 개의 서포트 빔(30;30';31;31';32;32';support beams) 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 서포트 빔(30;30';31;31';32;32';support beams)은 브릿지(33) 및 브릿지(33)에 직각으로 배치하는 적어도 하나의 플랜지(34;35)를 구비하는 빔으로 구성되어 적어도 하나의 플랜지(34;35)는 수평으로 움직이고 중간덱(40;41)은 서포트 빔(30;30';31;31';32;32')의 적어도 하나의 플랜지(34;35) 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  7. 제6항에 있어서,
    적어도 하나의 플랜지(35)는 브릿지(33)의 하단에 배열되고 각각의 중간덱(40;41)은 서포트 빔(30;30';31;31';32;32')의 상기 하단 플랜지(35)상에 놓이며 서포트 빔(30;30';31;31';32;32') 각각의 브릿지(33)는 멀티덱 챔버 가열로(10)의 발열 수단으로서 라디언트 튜브(50;51;52)가 관통하는 적어도 하나의 리세스(36)를 구비하여 각 라디언트 튜브(50;51;52)는 가열로 하우징(11)의 측벽에 고정되는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간덱(40;41)은 방사능 투과가능한(radiation-permeable) 석영 판유리(quartz panes)로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서포트 구조는 섬유강화(fiber-reinforce) 산화알루미늄(aluminum oxide, Al2O3)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 경우 단독드라이브(individual drive)은 가열로 도어(20;21;22;furnace door)의 측면상에 설치되고 관련된 가열로 도어(20;21;22)와 맞물리는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  11. 제10항에 있어서,
    단독드라이브의 이동은 가열로 도어(20;21;22)의 가로세로축을 따라 확장되는 동기화 축(synchronization shaft)에 의해 가열로 도어(20;21;22)의 정반대의 측면으로 옮겨질 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열로 도어(20;21;22)는 일부 또는 전부가 폼 세라믹(foam ceramic)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 개구부(13;14;15)를 구비한 가열로 벽(12)은 냉각될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가열로 벽(12;furnace wall)을 냉각하기 위해서 냉각제는 가열로 벽(12)의 앞 및/또는 내부에 배열된 파이프 시스템을 통하여 흐르는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).
  15. 제11항 및 제14항에 있어서,
    상기 동기화 축(synchronization shaft)은 가열로 벽(12)을 냉각하기 위한 냉각용 파이프의 적어도 일부 구역에서 움직이는 것을 특징으로 하는 멀티덱 챔버 가열로(10).

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