KR20160117454A - 발열체용 지지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지 부재와 복원 시스템을 포함하는 발열체 지지용 지지 시스템에 관한 것이다. 상기 지지 부재는 실질적으로 높이 방향으로 연장되어 있는 주 연장 방향을 갖고 근위단과 원위단을 갖고 있다. 상기 근위단은 발열체를 지지하도록 구성되어 있다. 상기 복원 시스템은 지지 부재의 원위단부에 결합되어 있는 스프링 부재를 포함하고, 복원 방향으로 지지 부재의 복원성을 제공하며, 지지 부재가 고정 방향으로 이동하는 것을 실질적으로 제한한다. 또한 상기 복원 시스템은 근위단을 향한 높이 방향으로 원위단부로부터 적어도 부분적으로 연장되어 있다.

Description

발열체용 지지 시스템{SUPPORTING SYSTEM FOR A HEATING ELEMENT}

본 발명은 발열체를 지지하기 위한 지지 시스템 및 적어도 하나의 발열체를 포함하는 가열 시스템에 관한 것이다.

저항 발열체를 포함하는 노 또는 전열기는 통상적으로 알려져 있고 서로 다른 산업에서 다양한 용도로 사용되고 있다. 이와 관련하여 발열 필라멘트라고도 알려져 있는 전기전도성 발열체를 통해 전류가 인가될 때 열이 발생하고 전기저항 전기 에너지로 인해 열로 방출된다. 전형적으로 발열체는 가열할 물품이나 재료에 매우 가까이 위치된다. 예를 들면 예를 들면 반도체 재료의 가공에 있어서 MOCVD(유기금속 화학기상증착) 기술용으로, 예를 들면 화합물 반도체를 에피택셜 성장(epitaxial growth)시키기 위해 사용되는 반응기와 같은 다양한 용도의 히터 시스템은 상당히 높은 온도, 예를 들면 약 800℃가 넘는 온도에서 작동되어야 할 필요가 있는데, 이는 발열체 조립체의 구성과 재료에 있어 해결과제를 제기한다. 특히 고온이 필요한 용도의 발열체는 대부분 세라믹 재료로 제조되거나(고가이고 원하는 기하학적 형상으로 제조하기 어려움) 텅스텐, 몰리브덴, 레늄, 탄탈, 니오븀 등 또는 이들의 합금과 같은 내화금속을 포함한다.

고온 가열 시스템의 설계시 대처해야 하는 주요 이슈 중 하나는 발열체의 열적으로 유도되는 주기적인 팽창과 수축이다. 소정의 용도, 특히 MOCVD 반응기 용도에서 발열체의 위치를 정밀하게 조정하는 것이 중요한데, 이는 또한 가열 시스템의 작동 사이클 중에 제어된 방법으로 유지되어야 한다. 발열체를 올바르게 위치시키고 소정 위치에서 유지되도록 하기 위해서 단자와 같은 통상적으로 서로 다른 종류의 기계적 지지 구조를 사용하고 있다. 예를 들면 반응기 내부에서 MOCVD 공정 중에 발열체가 1000 내지 2200℃까지 가열될 때에 발열체는 크게 팽창되고 단자에 의해 고정 위치에 있게 될 때에 발열체의 재료 내에서는 큰 기계적 응력이 발생한다. 이러한 기계적 응력으로 인해 소성 변형이 제어되지 않게 되거나 발열체가 열화 또는 심지어는 파괴되어 발열체의 수명이 감소할 수 있다. 변형이 제어되지 않으면 발열체와 가열 시스템의 다른 부품 또는 다른 발열체와의 사이에서 또는 발열체 자체 내에서 접촉이 일어날 심각한 우려가 있고 그 결과 단락이 일어날 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한 발열체의 변형은 국소 전기 저항률에 영향을 주므로 소성 변형은 균질하거나 아니면 정밀하게 제어된 온도 변화형태가 중요한 화합물 반도체의 에픽택셜 성장 공정과 같이 고온 적용이 요구될 때 특히 유리하지 않을 수 있다. 내화금속을 포함하는 발열체에서 이러한 상황은 이들 금속의 내크리프성의 강도가 온도에 따라 감소하고 1200 내지 1400℃보다 높은 온도에서 실질적으로 떨어지기 때문에 가장 큰 문제가 된다. 이들 온도보다 높은 온도에서는 작은 응력도 발열체가 냉각될 때 유지되는 원치 않는 소성 변형을 일으킬 수 있다.

고정 단자를 이용하여 문제점을 극복하기 위해서 몇몇 바람직한 방향으로 발열체가 팽창하도록 구성된 연성 부재를 구비한 다양한 시스템이 고안되었다. 일부 이러한 공지 단자들은 예를 들면 발열체와 단자 간 연결 위치를 이동시킬 수 있는 U자형 형상을 가진 서로 다른 종류의 스프링을 포함하고 있다. U자형 형상을 가진 이러한 스프링은 발열체 내부에서 열적으로 유도된 응력을 어느 정도 감소시키는 성과가 있지만 이들의 특성은 발열체 자체가 2개 이상의 방향으로 연장될 수 있고 발열체들이 서로 또는 가열 시스템의 다른 부품들과의 전기접촉으로 인해 여전히 단락 위험이 있기 때문에 실제로는 완전한 확신을 주지 못하고 있다.

US7645342에는 복수 개의 연장된 핀 개구부를 포함하는 발열체로서 상기 핀 개구부를 통해 핀이 관통 삽입되어 면내 고정되는 발열체를 제시하고 있다. 상기 핀 개구부의 크기와 기하학적 형상은 일정한 온도 범위에서 발열체가 수평 방향으로 팽창할 수 있도록 구성되어 있다. 그러나 실제 적용시, 특히 1500℃가 넘는 고온에서 여러 문제가 일어난다. 이러한 높은 온도에서는 발열체와 접촉하고 보통 내화금속으로 제조되는 핀이 확산을 통해 발열체에 결합하는 경향이 있어 이들이 수평방향으로 자유로이 이동하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 가열시 기계적 응력이 생겨 발열체의 형상을 소성 변형시킨다.

상술한 바에 따르면, 산업계에서 발열체, 특히 1600℃가 넘는 온도에서 작동하는 고온 히터에서 사용할 수 있는 발열체용 지지 시스템이 요구되고 있다. 이에 본 발명의 목적은 히터 내 발열체용으로 상기 발열체 내부에서 열적으로 유도된 응력이 작동 중에 감소하고 상기 발열체는 특히 고온용으로 적합한 지지 시스템 및 이러한 지지 시스템을 포함하고 특히 고온용으로 적합한 가열 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 발열체 지지용 지지 시스템은 발열체를 지지하도록 구성되어 있는 지지 부재를 포함한다. 상기 지지 부재는 바람직하게는 고정되어 있고 길게 연장된 형상을 가지며 주 연장 방향을 갖고 실질적으로 높이 방향으로 연장되어 있다. 바람직하게는 상기 주 연장 방향은 높이 방향에 정확히 평행하거나 ≤ 10°의 각을 이루고 있지만 상기 지지 부재는 엄밀하게 직선형 구성을 가질 필요는 없다.

상기 높이 방향은 발열체가 배향 위치에서 지지 부재에 장착되는 국소 영역에서 발열체의 연장면에 수직인 것으로 정의될 수 있다. 바람직하게는 상기 발열체는 만곡형의 주 연장 방향을 갖고 연장면이 한정된 평면 구성으로 배치되어 있다. 상기 지지 부재에 이르는 발열체의 부품이 실질적으로 직선인 구성을 갖는 경우에 높이 방향은 발열체의 전체 기하구조에 의해 한정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 지지 부재는 2개의 단부인 근위단과 원위단을 갖고 있다. 상기 근위단은 발열체에 대면하고 발열체를 지지하기 위한 지지부를 갖고 있다. 상기 원위단은 근위단으로부터 멀리 배치되어 있고 스프링 부재를 포함하는 복원 시스템이 결합되어 있는 원위단부를 갖고 있다. 상기 원위단부는 근위단으로부터 멀리 배치되어 있다. 바람직하게는 상기 스프링 부재는 원위단에 결합되어 있다. 상기 결합은 직접 또는 원위단과 복원 시스템 사이에 배치되어 있는 추가 연결 부재를 통해 매개될 수 있다. 또한 상기 복원 시스템은 높이 방향에 실질적으로 수직인(각도는 바람직하게는 75-105° 범위, 정확히 90°일 수도 있음) 방향에 의해 한정되는 복원 방향을 따라 실질적으로 배향되는 주 탄성 방향을 포함한다. 또한 상기 복원 시스템은 복원 방향에 수직이고 높이 방향에 수직인 실질적으로 고정인 방향을 포함한다.

상기 주 탄성 방향은 복원 시스템의 재료 및/또는 구조가 자체의 주 복원성을 갖는 방향으로서 이해될 수 있다. 이에 따라 상기 복원 시스템은 열 연장 중에 복원 방향을 따라 발열체가 움직일 가능성을 제공하지만 실질적으로 고정인 방향으로 발열체가 실질적으로 위치 이동하지 못하게 한다. 본 발명에 따르면, 상기 복원 시스템, 특히 스프링 부재는 근위단을 향한 높이 방향으로 원위단부로부터 적어도 부분적으로 연장되어 있다. 또한 상기 복원 시스템의 스프링 부재는 바닥부, 예를 들면 가열 시스템 또는 발열체를 포함하는 히터 하우징 내 바닥판에 고정될 수 있다.

상기 발열체의 가열 공정 중에 발열체는 치수가 팽창하려 하고 발열체 및 스프링 부재가 가열 시스템의 바닥부에 체결되어 있는 바닥부 사이에서 상대이동하지 못하게 되면 불규칙한 변형을 일으키는 열 유도 응력이 생성될 것이다. 이러한 본 발명의 배치에 의해 단 하나의 방향, 특히 각각 복원 방향 또는 높이 방향으로 상기 발열체의 열 유도 위치 이동의 실질적인 감소가 이루어질 수 있다. 이는 발열체의 재료 내부에서 열적으로 유도된 기계적 응력과 이에 따른 소성 변형의 우려가 감소할 가능성으로 나타난다. 특히 상기 발열체가 기울어져 야기되는 굽힘 모멘트가 감소할 수 있다. 결과적으로 상기 발열체에 대해 저가의 재료를 사용할 수 있고 발열체의 수명은 증가할 것이다.

본 발명의 또 다른 장점으로서, 한편으로는 비교적 높이가 작은 매우 작은 구성을 갖고 다른 한편으로는 고온, 특히 1600℃가 넘는 온도에서 작동할 수 있는 가열 시스템을 구현할 수 있다. 상기 지지 부재의 길게 연장된 형상으로 인해 특히 지지 부재가 전형적으로 물과 같은 액체에 의해 냉각되는 가열 시스템의 바닥 표면 가까이 배치될 때 지지 부재의 근위단과 원위단 사이에서는 큰 온도차가 얻어질 수 있다. 또한 바람직한 구현예에 있어서, 상기 복원 시스템은 발열체와 복원 시스템 사이에 배치될 수 있는 열 차폐 시스템을 통해 열로부터 보호된다. 이에 따라, 상기 복원 부재는 상당히 더 낮은 온도에 있게 되어 재료는 응력을 덜 받고 재료 특성, 특히 탄성이 유지된다. 상기 지지 부재의 근위단을 향한 높이 방향으로 적어도 부분적으로 연장되어 있는 복원 시스템의 역 배치구조(inverted arrangement)는 지지 시스템의 극소형 구성을 가능하게 하여 공지의 종래 구성에 비해 발열체와 가열 시스템의 바닥 표면 간 필요한 높이가 상당히 작아진다.

바람직한 구현예에 있어서, 상기 지지 부재의 주 연장 방향은 실질적으로 높이 방향에 평행하다. 이에 따라, 상기 발열체 구성이 차지하는 면에 실질적으로 수직이다.

본 발명에 따른 지지 시스템은 발열체의 기계적 지지만을 제공할 수 있거나 기계적 지지와 전원을 발열체에 공급하는 전기 공급 모두를 위해 구성될 수 있다. 전기접촉을 구현하기 위해서 본 발명의 배치구조는 연성 부품이 더 낮은 온도를 갖고 전형적으로 사용된 전도성 재료의 전기저항은 온도 감소에 따라 크게 떨어지기 때문에 연성 부재를 가진 부품에서 전기저항이 감소하고 더 적은 열이 방출되는 추가 장점이 있다. 이에 따라 상기 복원 시스템에서 전류 흐름에 의해 발생되는 열량이 최소화된다.

유리한 구현예에 있어서, 상기 지지 부재의 배치구조와 스프링 부재뿐 아니라 경우에 따라 연결 부재를 구비하고 있는 복원 시스템은 복원 방향에 직교하고 높이 방향에 직교하는 접선 방향으로 연장되어 있다. 또한 바람직한 구현예에 있어서, 복원성은 판 스프링(leaf spring)에 의해 상기 복원 방향을 따라 제공되되 상기 판 스프링은 실질적으로 배향에 있어 평행하게 배치되어 있는 2개 이상의 판을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 2개 이상의 판은 접선 방향에 평행하게 배향되어 스프링 부재의 주 탄성 방향이 복원 방향으로 있게 된다. 상기 판 스프링은 특히 고정된 연결 부재를 통해 지지 부재의 원위단부에 결합되고 지지 부재의 근위단을 향한 높이 방향에 실질적으로 평행하게 배치되어 있다. 상기 판 스프링의 구성으로 인해 결합이 해제되는 동안 실질적으로 복원 방향으로 굴곡을 가능하게 하고 직교하는 고정 방향으로는 신뢰성 있고 제어된 방법으로 굴곡을 못하게 하는 기계적 강성 매트릭스(mechanical stiffness matrix)가 나타난다. 이는 가열 중에 상기 발열체가 경사 변형을 방지한다. 바람직하게는 상기 판 스프링은 실질적으로 판형의 기하구조를 갖는다. 상기 판 스프링의 치수는 폭 방향으로 특히 10 내지 75 mm이고, 높이는 특히 100 내지 150 mm이고, 두께는 특히 0.1 내지 1 mm이다. 적어도 2개의 판 스프링을 사용하면 발열체의 연장면에 평행한 면내 근위단 이동을 가능하게 하여 발열체의 면외(out of plane) 경사를 방지한다. 동시에 복원 시스템의 저가의 단순한 구성을 제공한다.

본 발명은 또한 높이 방향으로 실질적으로 연장되어 있는 주 연장 방향을 가진 바람직하게는 고정 지지 부재를 포함하는 발열체 지지용 지지 시스템을 포함한다. 상기 지지 부재는 또한 발열체를 지지하기 위한 지지부를 가진 근위단과 상기 근위단으로부터 멀리 배치되고 추가 부재를 통해 고정 레일 가이드에 직간접적으로 맞물리는 원위단을 갖고 있다. 상기 레일 가이드는 바닥부, 예를 들면 가열 시스템의 하우징의 바닥 표면에 고정될 수 있고 높이 방향에 실질적으로 수직인 면에서 복원 방향으로 배향되어 있다. 상기 근위단으로부터 멀리 배치되어 있는 지지 부재의 원위단부에 결합되는 스프링 부재는 지지 부재에 복원 방향으로 탄성력을 제공한다. 가열 공정시 상기 발열체의 팽창은 고정 레일 배치구조에 의해 안내된다. 이에 따라, 열 팽창 중에 상기 발열체가 기울어지는 것뿐 아니라 높이 방향으로 발열체가 변형되는 것을 실질적으로 피할 수 있다. 상기 스프링은 지지 부재의 근위단을 향한 높이 방향으로 적어도 부분적으로 연장되어 있는 것이 유리할 수 있다.

본 구현예에 있어서, 상기 복원 시스템은 뚜렷한 주 탄성 방향을 가진 복소 스프링(complex spring) 부재 또는 주 탄성 방향이 복원 방향에 맞춰 배향되는 스프링 부재를 반드시 필요로 하지 않는 스프링 부재와 함께 레일 가이드의 배치구조에 의해 구현된다. 유리한 구현예에 있어서, 상기 스프링 부재는 U자형 스프링에 의해 형성된다. 상기 U자형 스프링은 레일 가이드를 따라 복원 방향으로 탄성력이 제공될 수 있도록 배치되지만, U자형 스프링의 주 탄성 방향은 반드시 복원 방향으로 배향될 필요는 없다. 바람직하게는 상기 스프링의 주 탄성 방향은 실질적으로 복원 방향으로 정렬된다. 유리한 구현예에 있어서, 상기 U자형 스프링은 복원 방향에 직교하고 높이 방향에 직교하는 접선 방향으로 배향된다. 또 다른 유리한 구현예에 있어서, 상기 U자형 스프링은 높이 방향으로 배향된다.

또한 본 발명에 따른 지지 시스템의 부품들의 재료 조성과 관련하여, 특히 지지 부재 및/또는 스프링 부재는 적어도 90 중량%의 내화금속을 포함할 수 있다. 특히 상기 내화금속은 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈, 레늄과 이들의 합금으로부터 선택된다. 상기 재료에 대한 일례는 텅스텐 또는 텅스텐 합금(적어도 90 중량%의 텅스텐), 예를 들면 텅스텐 외에 소량의 규산칼륨을 포함하는 진공 금속화(vacuum metalized) 텅스텐 합금이다. 또 다른 상기 재료에 예는 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금(적어도 95 중량%의 몰리브덴)이다.

기계적 지지만을 제공하는 지지 시스템은 고정되는 바닥부와 가열 시스템의 하우징으로부터 각각 전기적으로 절연될 필요가 있다. 특히 전기절연은 알루미나(Al₂O₃) 또는 질화붕소(BN) 또는 질화알루미늄(AlN) 또는 질화규소 알루미나(SiAlON)와 같은 세라믹 물질 등에 의해 제공될 수 있다.

당업자라면 상기 지지 부재에 발열체를 연결하는 수많은 방법이 있다는 것을 이해할 것이다. 이들 방법은 연선(twisted wire), 클램핑, 용접, 나사결합, 볼팅 등을 포함한다. 또한 전기접촉을 제공하는 지지 시스템의 경우에 선택되는 방법은 지지 부재와 발열체 사이에 적당한 전기접속을 이루기 위해서 지지 부재와 발열체 사이에서 충분한 표면접촉을 확보해야 한다.

본 발명은 또한 적어도 하나의 발열체와 적어도 2개의 본 발명에 따른 지지 시스템을 포함하는 가열 시스템을 포함한다. 상기 가열 시스템은 특히 MOCVD 반응기에서 히터로서 사용될 수 있도록 구성될 수 있다.

본 발명의 가열 시스템은 각각의 발열체가 발열체에 전원 공급을 위해 구성되고 발열체의 양단부에 위치되는 2개의 지지 시스템을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 전원 공급 지지 시스템은 특히 발열체의 기계적 지지용으로 구성되기도 한다. 또한 전원 공급을 위한 2개의 지지 시스템 사이에 위치되어 발열체의 2개의 단부에 대해 단지 발열체를 기계적으로 지지하기 위한 추가 지지 시스템이 가능하다.

본 발명에 따르면, 하나의 발열체의 서로 다른 지지 시스템 각각의 복원 방향은 공통의 중심점으로부터 시작되되 상기 중심점은 특히 발열체의 연장면에 있도록 선택될 수 있다. 다시 말해, 하나의 발열체의 서로 다른 지지 시스템을 조정하기 위해서 공통의 중심점은 발열체의 연장면 내로 한정되는 것이 바람직하다. 이 중심점으로부터 상기 지지 시스템 각각은 그의 복원 방향이 중심점으로부터 반경 방향 바깥쪽으로 배향되도록 정렬된다.

대부분의 알려진 통상적인 가열 시스템에서와 같이 발열체 또는 복수 개의 발열체의 배치구조가 평면 구성으로 배치되는 것이 유리하다. 특히 MOCVD 반응기의 경우에 이들의 다양한 예가 참고로서 포함되어 있는 문헌 US7645342에 기재되어 있다. 유리한 구현예에 있어서, 상기 발열체는 발열체의 제1 및 제2 단부를 잇는 어느 지점에서 차단되어 그 사이에 작은 차단부를 한정하는 실질적으로 원형인 구성을 갖는다. 상기 발열체는 제1 및 제2 단부에서 전원에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 중심점이 발열체의 (중간 차단된) 원형 구성의 중심과 일치하거나 그에 근접해 있는 것이 유리하다. 이에 따라, 상기 지지 시스템의 복원 방향은 (실질적으로) 원형인 발열체의 중심으로부터 반경 방향 바깥쪽으로 배향된다.

또한 본 발명의 가열 시스템은 적어도 하나의 지지 시스템의 스프링 부재에 상온의 정지(안정한) 위치에서 초기 장력이 인가되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 초기 장력의 방향은 발열체의 사용 중 지지 부재의 이동 방향인 것이 유리하다. 이에 따라, 초기 장력의 방향은 특히 지지 시스템의 복원 방향과 일치한다. 본 발명이 실질적으로 원형인 연장부를 가진 가열 시스템용으로 사용되는 경우에 초기 장력을 바깥쪽으로, 즉 -중심점으로부터- 반경 방향으로 제공하는 것이 유리하다.

상기 발열체는 지지 시스템을 제 위치에 있게 함으로써 정지 위치에서 초기 장력을 상쇄시킨다. 바람직하게는 상온에서 상기 스프링 부재에 의해 발열체에 인가되는 초기 장력은 발열체 재료의 극한 크리프 응력을 초과하지 않는다.

또한 본 발명의 가열 시스템은 특히 스프링 부재의 초기 장력이 작동 온도에서 발열체에 적은 스프링 장력을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 특히 본 발명의 가열 시스템은 응력이 작동 온도에서 발열체의 극한 크리프 응력보다 더 낮은 값으로 감소하도록 구성된다. 바람직하게는 작동 온도에서는 상기 스프링 부재에 의해 발열체에 인가되는 응력이 사라진다. 기본 개념은 발열체가 가열되고 그의 재료 특성이 저하되는 동안에 스프링 부재에 의해 발열체에 인가되는 힘이 감소하고 항상 발열체의 크리프 한계보다 낮은 상태로 있다는 점이다. 상기 발열체가 다시 냉각되고 그 결과 그의 크리프 응력이 증가할 때 스프링 부재에 의해 인가되는 응력은 다시 증가한다. 이러한 방법으로 소성 변형을 피할 수 있다.

유리한 구현예에 있어서, 상기 가열 시스템은 발열체 하부에 배치되어 있는 하나 또는 복수 개의 열 차폐부를 포함하는 열 차폐 시스템을 포함한다. 바람직한 구현예에 있어서, 상기 지지 부재는 열 차폐 시스템에 있는 개구부를 통해 연장되어 있다. 반면에 상기 스프링 부재는 열 차폐 배치구조 아래에 배치되므로 방사열로부터 보호될 것이다.

위에 제시되어 있는 본 발명의 구현예들은 서로 자유롭게 조합이 가능하다. 상기 구현예들 중 다수는 새로운 구현예를 형성하기 위해 조합될 수 있다.

첨부도면을 참고하여 본 발명에 대해 더욱 논의하기로 한다. 도면은 개략적인 것으로:
도 1a는 본 발명에 따른 지지 시스템의 사시도이고;
도 1b는 고온에서 작동 상황 중에 있는 도 1a의 지지 시스템의 사시도이고;
도 2는 본 발명에 따른 지지 시스템의 또 다른 구현예의 사시도이고;
도 3은 본 발명에 따른 지지 시스템의 또 다른 구현예의 사시도이고;
도 4는 가열 시스템의 사시도이고;
도 5는 도 4의 가열 시스템의 상면도이다.

도 1a와 1b에 도시되어 있는 구현예에 따른 지지 시스템(100)은 원위단(112)과 근위단(113)을 가진 길게 연장된 고정 지지 부재(111)를 포함하고 있다. 고정 지지 부재(111)의 상부에는 상기 연장부에 의해 연장면이 한정되는 발열체가 장착되어 있다(미도시). 지지 부재(111)의 주 연장부는 발열체의 연장면에 수직인 높이 방향(z)으로 연장되어 있다. 상기 지지 시스템은 예를 들면 나사 또는 그 외 다른 종류의 기계적 고정부에 의해 지지판(미도시)에 고정되어 있는 바닥 부재(121)를 더 포함하고 있다. 본 구현예에서, 지지 부재(111)와 바닥 부재(121) 사이에는 적어도 2개의 판 스프링(122a, 122b)에 의해 구현되는 스프링 부재(122)가 위치되어 있다. 스프링 부재(122)는 나사, 리벳, 용접 또는 여타 방법으로 고정 연결 부재(123)를 통해 지지 부재(111)의 원위단부에 고정되어 있고 지지 부재의 근위단(113)을 향해 실질적으로 평행한 높이 방향으로 전체적으로 연장되어 있다. 상기 스프링 부재의 역 배치구조에 의해 가열 시스템의 매우 작은 구성이 달성된다. 판 스프링(122a, 122b)은 실질적으로 평행한 배향으로 배치되고 스프링 부재(122)의 주 탄성 방향인 복원 방향(x)으로 평행사변형을 따라 변형될 수 있다. 바닥 부재(121), 판 스프링(122)과 연결 부재(123)를 포함하는 복원 시스템(120)은 실질적으로 높이 방향(z)과 복원 방향(x)에 직교하는 고정 방향(y)으로 연장되어 있다.

도 1b는 고온에서 발열체의 열팽창이 지지 시스템을 굴곡시킬 때의 상황을 도시하고 있다. 열 공정 중에 상기 발열체의 치수는 증가하고 원형 구성으로 배치될 때 -이 상황의 상면도는 도 5에 도시되어 있음- 상기 발열체는 반경 방향 바깥쪽으로 이동하는 경향이 있다. 상기 발열체 내부에서 열적으로 유도된 응력을 줄이기 위해서 본 발명에 따른 지지 시스템(100)은 발열체가 바닥 부재(121)에 대해 이동할 수 있게 한다. 복원 방향(x)으로 이동에 의해 바닥 부재(121)에 대한 지지 부재(111)의 위치는 바뀐다. 서로 다른 판 스프링(122a, 122b)은 굴곡되고 이들은 실질적으로 평행 배치되어 있기 때문에 복원 방향(x)으로 향해 있는 단 하나의 주 탄성 방향을 포함한다. 그러므로 복원 방향으로 변형은 발열체뿐 아니라 지지 부재의 추가 변형 방향으로부터 분리된다.

전술한 바는 스프링 부재가 상온에서 초기 장력을 갖지 않은 때의 상황에 해당한다. 상온에서 상기 스프링 부재에 초기 응력이 인가되는 구현예에 있어서, 판 스프링이 상온에서 변형되어(도 1b) 초기 응력을 제공하는 상황으로 바뀐다. 상기 발열체가 팽창함에 따라 지지 부재(111)는 복원 방향(x)으로 이동하여 판 스프링은 직선이 되고(도 1a 참고) 궁극적으로 복원 방향(x)에서 힘은 최고 작동 온도에서 0으로 이동한다.

본 특정 구현예에서 지지 부재(111)가 연장된 선형의 물체로서 구현되지만, 일반적으로 지지 부재(111)는 직선 구성을 가질 필요도 없고 높이 방향(z)에 평행하게 배치할 필요도 없다. 그러나 발열체는 복원 방향(x)으로 자유롭게 이동할 수 있도록 해야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 지지 시스템(201)의 다른 구현예를 도시하고 있다. 길게 연장된 지지 부재(211)의 원위단은 고정 레일 가이드(225)에 끼워져 있는 슬라이딩 부재(224)에 고정되어 있다. 상기 슬라이딩 부재는 바닥부(221)를 통해 가열 시스템의 지지판(미도시)에 체결되어 있는 스프링 부재(222)에 결합되어 있다. 레일 가이드(225)는 바닥부, 예를 들면 가열 시스템의 하우징(미도시)의 바닥 표면에 고정될 수 있다. 상기 레일 가이드로 인해 지지 부재(211)의 이동은 복원 방향(x)으로 제한된다. 그러므로 가열 공정 중에 높이 방향(z)으로 발열체가 기울어지지 않을 뿐 아니라 굴곡되지 않게 된다. 상기 레일 가이드는 전기절연재, 특히 Al2O3, BN, AlN 또는 SiAlN과 같은 공지의 세라믹 재료로 제조된다. 세라믹 재료가 분해 또는 증발되는 것을 방지하기 위해서 상기 지지 시스템은 지지 부재(211)와 레일 가이드(225) 사이의 계면에서 온도가 약 1500-1600℃의 온도를 초과하지 않도록 구성되어야 한다. 그럼에도 지지 부재(211)의 길게 연장된 형상으로 인해 작동시 지지 부재(211)의 원위단과 근위단 사이에는 온도 구배가 생기므로 발열체는 상당히 더 높은 온도에서 작동될 수 있다.

본 구현예에서, 상기 지지 부재에 복원 방향(x)으로 힘을 제공하는 스프링 부재(222)는 복원 방향으로 배치되고 지지 부재의 근위단을 향한 높이 방향(z)으로 연장되어 있다. 상기 스프링 부재의 다른 상이한 배향이 가능하다. 도 3에는 실제로 고정 방향(y)으로 연장되어 있는 스프링 부재(322)에 대한 배치가 도시되어 있다. 상기 스프링 부재는 단 하나의 방향을 따라 향해 있는 뚜렷한 주 탄성 방향을 가진 복소 구성을 필요로 하지 않고 상기 스프링 부재의 하나의 성분이 복원 방향(x)으로 탄성력을 제공할 필요가 있을 뿐이다.

도 4는 각각의 단부에서 2개의 지지 시스템(400) 위에 장착되어 있는 중간 차단된 원형 구성을 가진 발열체(450)를 포함하는 본 발명에 따른 가열 시스템을 예시하고 있다. 상기 발열체 단부에 있는 지지 시스템(400)은 발열체에 전력을 공급하기 위해 구성되어 있다. 장착되는 바닥부로부터 전기적으로 절연되어 있는 발열체를 기계적으로 지지하기 위해 추가 지지 시스템(401)이 제공되어 있다. 도시된 구현예에서, 전기접촉은 판 스프링(400)을 포함하는 복원 시스템에 의해 제공되는 한편 기계적 지지를 위한 지지 시스템(401)의 이동은 레일 가이드에 의해 안내된다. 상기 특정 구현예에 본 발명이 한정되는 것은 아니며 상기 지지 시스템의 확실하게 서로 다른 구현예들을 채용할 수 있고 다른 지지 시스템의 조합이 가능하다는 것은 쉽게 이해될 것이다. 특히 전기 공급 지지 시스템(400)은 도 3에 도시되어 있는 구현예에 따른 레일 가이드 시스템에 의해 구현될 수 있되 스프링 부재는 고정 방향(y)으로 연장되어 있고 반대 방향에 거울상으로 배치되어 있다. 본 구현예에서, 전도성 지지 시스템(400)은 상온에서 복원 방향의 초기 장력을 특징으로 하며 작동 온도에서 발열체에 대해 감소된 스프링 장력을 제공하도록 구성되어 있다.

상기 지지 시스템의 연성 부품은 1층 또는 다층의 적층된 열 차폐부를 포함하는 열 차폐 시스템(460)에 의해 보호되는 것이 유리하다. 상기 열 차폐부는 서로 매우 가까이에, 전형적으로는 1-5 mm로 분리 위치되어 있다. 이들은 원하는 위치에서 스페이서 부재에 의해 유지된다. 지지 시스템(400, 401)의 지지 부재는 열 차폐부에 있는 개구부를 통해 연장되어 있다.

도 5는 도 4의 가열 시스템의 상면도로서, 지지 시스템(400, 401)의 복원 방향의 배향을 도시하고 있다. 본 구현예에서, 서로 다른 지지 시스템(400, 401) 각각의 복원 방향은 실질적으로 원형인 발열체의 중심으로부터 시작되어 발열체의 연장면에서 반경 방향 바깥쪽으로 배향되어 있다.

Claims (13)

1. 발열체(450)를 지지하기 위한 지지 시스템(100, 201, 301, 400, 401)으로서,
   실질적으로 높이 방향으로 연장되어 있는 주 연장 방향을 갖고 발열체(10)를 지지하도록 구성되어 있는 근위단(113, 213, 313)과 원위단(112, 212, 312)을 갖는 지지 부재(111, 211, 311)와,
   근위단(113, 213, 313)으로부터 멀리 배치되어 있는 지지 부재(111, 211, 311)의 원위 부분에 결합되어 있는 스프링 부재(122, 222, 322)를 포함하는 복원 시스템을 포함하되,
   상기 복원 시스템이 복원 방향으로 지지 부재의 복원성을 제공하고 지지 부재가 고정 방향으로 이동하는 것을 실질적으로 제한하며,
   상기 복원 시스템이 근위단(113, 213, 313)을 향한 높이 방향으로 원위 부분으로부터 적어도 부분적으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 스프링 부재(122, 222, 322)가 실질적으로 복원 방향을 따라 주 탄성 방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 부재(122, 222, 322)가 실질적으로 평행한 배향으로 배치되어 있는 2개 이상의 판(122a, 122b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복원 시스템이 복원 방향으로 배향되어 있고 지지 부재의 원위단이 추가 부재를 통해 직간접으로 맞물리는 레일 가이드 배치구조(225, 325)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 스프링 부재가 U자형 스프링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 부재와 스프링 부재의 배치구조가 복원 방향으로 실질적으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 부재와 스프링 부재의 배치구조가 고정 방향으로 실질적으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 부재 및/또는 스프링 부재의 재료가 적어도 90 중량%의 내화금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 내화금속이 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 레늄, 니오븀과 이들의 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 지지 시스템.
10. 적어도 하나의 발열체와 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 지지 시스템(100, 201, 301, 400, 401)을 포함하는 가열 시스템.
11. 제10항에 있어서, 지지 시스템(100, 201, 301, 400, 401)은 서로 다른 지지 시스템 각각의 복원 방향이 공통의 중심점으로부터 시작되도록 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 시스템.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 적어도 하나의 지지 시스템의 스프링 부재(122, 222, 322)에 그의 안정한 위치에서 초기 장력이 인가되는 것을 특징으로 하는 가열 시스템.
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 시스템이 발열체(450) 하부와 스프링 부재(122, 222, 322) 상부에 배치되고 지지 부재가 통과하여 연장될 수 있는 개구부를 가진 열 차폐 시스템(460)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 시스템.

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