KR20160132927A - 고용량 프리히터 구역을 포함하는 cvi 치밀화 장치 - Google Patents

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KR20160132927A
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베르나르 델페리에
장-프랑수아 포텡
소피 술리냑
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헤라클레스
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Abstract

반응 챔버(140), 적어도 하나의 가스 입구(104), 및 가스 입구(104)와 반응 챔버(140) 사이에 위치된 가스 프리히터 챔버(110)를 포함하는 열화학적 처리 장치(100). 프리히터 챔버(110)는 하나가 다른 하나의 위쪽으로 이격되어 유지되는 복수의 관통식 분배 트레이(111-114)들을 갖는다. 또한, 적어도 마주하는 분배 트레이들 사이에서, 프리히터 챔버(110)는 상기 분배 트레이(111-114)들 사이에서 가스 스트림을 위한 유로를 형성하는 복수의 벽부(1110, 1120, 1130)들을 포함한다.

Description

고용량 프리히터 구역을 포함하는 CVI 치밀화 장치 {CVI DENSIFICATION EQUIPMENT INCLUDING A HIGH-CAPABILITY PREHEATING AREA}
본 발명은, 열처리를 수행하기 위하여 사용되는 장치 즉 오븐에 관한 것으로서, 여기서 처리시 사용되는 가스는 장치의 처리실 내로 도입되기 전에 예열된다. 그러한 장치는, 특히, 화학증기 침투에 의해 부품을 침탄화(carburizing)하거나 다공성 기재(porous substrates)를 치밀화하는 것과 같은, 열화학적 처리를 수행하기 위하여 사용된다.
본 발명의 적용분야는, 열구조(thermostructural) 복합재료로 부품을 만들어내는 것, 즉 구조 부품을 구성하기에 적합한 기계적인 특성 및 고온에서도 그 특성을 보존하는 능력 양자 모두를 소유하는 복합재료로 부품을 만들어내는 것이다. 열구조 복합재료의 전형적인 예로서, 열분해탄소의 매트릭스에 의해 치밀화되는 탄소섬유의 강화섬유를 갖는 탄소/탄소(C/C) 복합체, 그리고 세라믹 매트릭스에 의해 치밀화되는 내화섬유(탄소 또는 세라믹)의 강화섬유를 갖는 세라믹 매트릭스 복합체(CMC)가 있다.
C/C 또는 CMC 복합체 부품을 만들기 위해서 다공성 기재를 치밀화하기 위한 공지의 방법은 화학증기 침투법(CVI)이다. 치밀화를 위한 기재는, 기재가 가열되는 장치의 로딩구역 내에 위치된다. 매트릭스를 구성하는 재료의 하나 이상의 기상 전구체를 함유하는 반응가스는 오븐 내로 도입된다. 장치 내부의 온도 및 압력은, 반응가스가 복수의 성분들 사이의 반응의 결과로서 또는 반응가스의 하나 이상의 성분들이 분해한 결과로서 매트릭스를 구성하는 재료를 기재의 구멍들 내로 확산하고 그 내부로 증착할 수 있도록 조절되며, 여기서 이들 성분은 매트릭스의 전구체를 형성한다. 공정은 반응가스가 기재 내로 확산하도록 저압 하에서 수행된다. 열분해탄소 또는 세라믹과 같은 매트릭스 재료를 형성하기 위해서 전구체(들)의 변형(transformation) 온도는, 통상, 900℃ 내지 1100℃의 범위 내에 놓이지만, 그럼에도 불구하고 이 온도는 화학증기 증착(CVD)에 의한 열분해탄소의 대량증착(massive deposit)을 위하여 2000℃ 정도로 높아질 수 있다.
로딩구역에 걸쳐서 기재 내의 가능한 한 균일한 치밀화를 수행하기 위해서, 이것이 밀도에 있어서의 증가의 측면에서 측정되든 아니면 형성되는 매트릭스 재료의 마이크로구조의 측면에서 측정되든, 반응가스는 가능한 한 낮고 균일한 온도에서 로딩구역 내로 침투할 필요가 있다.
따라서, 관례적으로 장치는 가스를 예열하기 위한 수단을 포함한다. 그러한 프리히터는 장치의 주변, 즉, 장치의 처리공간 내로 진입하기 전의 가스의 경로 상에 위치될 수 있다. 그러한 프리히터는 장치의 전체 크기 및 복잡성을 증가시킨다.
이러한 단점을 회피하기 위해서, 장치 내로의 반응가스용 입구와 로딩구역 사이에 위치되는, 반응가스를 예열하기 위한 구역 또는 챔버를 갖춘 장치를 제공하는 것은 공지되어 있다. 전형적으로, 프리히터 구역은 반응가스가 통과하는 복수의 다공성 트레이(perforated trays)들을 포함한다.
기재와 같은 가스 프리히터 트레이는, 장치 내에 제공되는 결과로서 가열된다. 장치는, 일반적으로, 장치의 벽 내에 둘러싸인 저항 요소와 같은 전기적인 수단에 의해 또는 인덕션에 의해 가열된다.
그런데, 프리히터 챔버가 로딩구역 내로 도입되기 전에 반응가스를 가열할 수 있긴 하지만, 특히 큰 직경을 갖는 장치에 있어서 반경방향으로 균일하게, 프리히터 챔버 내의 반응가스의 온도를 제어하는 것은 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 프리히터 구역을 확장시킴으로써, 특히 수직방향으로의 체적을 증가시킴으로써, 가스가 예열되는 효과가 증가되는 것을 생각해 볼 수 있는데, 이것은 장치의 총 체적이 변화되지 않은 경우 로딩구역의 체적을 감소시킨다. 불행하게도, 화학증기 침투와 같은 처리는, 산업규모에 비해 값비싼 투자를 요구하고, 수행하기에 긴 시간이 걸린다. 그러므로, 이미 작동중인 장치이든, 아니면 아직 만들어지지 않은 새로운 장치이든 관계없이, 장치는 높은 수준의 생산성을 가지는 것이 매우 바람직하며, 그에 따라 장치는, 처리를 위한 기재 또는 부품들을 로딩시키기 위한 작업공간과, 반응가스를 가열하기 위한 공간과의 사이에서, 가능한 한 큰 비율을 갖는 것이 매우 바람직하다.
본 발명의 목적은, 소정의 온도로 가스 스트림을 예열할 수 있으면서 프리히터 챔버로부터의 출구에서 장치의 중심부와 주변부 사이의 온도 차이를 최소화하고, 장치의 생산성을 향상시키기 위해서 체적을 증가시킬 필요가 없는 열화학적 처리 장치를 제공하고자 하는 것이다.
이를 위해서 본 발명은, 반응 챔버, 적어도 하나의 가스 입구, 및 반응 챔버와 가스 입구 사이에 위치된 가스 프리히터 챔버를 포함하는 열화학적 처리 장치로서, 상기 프리히터 챔버는 하나가 다른 하나의 위쪽으로 이격 위치되어 유지되는 복수의 관통식 분배 트레이들을 갖는 열화학적 처리 장치에 있어서, 상기 프리히터 챔버는, 적어도 2개의 마주하는 분배 트레이들을 포함하며, 복수의 벽부(wall)들이 상기 트레이들 사이에서 가스 스트림을 위한 유로를 형성하며, 각각의 벽부는 적어도 2개의 마주하는 상기 분배 트레이들 사이에서 수직방향으로 연장하는 열화학적 처리 장치를 제공한다.
분배 트레이들 사이에서 벽부들을 사용함으로써 프리히터 챔버의 가열 용량은, 첫째로 대류에 의해 열교환을 증가시킴으로써, 둘째로 이동경로를 길게 하여 그 결과 프리히터 챔버를 통과하는 가스의 이동 시간을 늘림으로써 증가된다. 또한 프리히터 챔버를 떠나는 반응가스의 온도 프로파일의 균일성이 개선되며, 이것은 장치의 직경과 관계없이 얻어진다. 본 발명의 장치로써, 동등하거나 심지어는 개선된 예열 성능을 얻을 수 있는 한편, 프리히터 챔버를 사용하는 것은 그러한 벽부들을 가지지 않는 챔버의 체적보다 작은 체적을 제공한다. 대안적으로, 동일한 체적의 프리히터 챔버에 대하여, 프리히터 챔버가 본 발명에 따른 벽부들을 가지는 상태에서, 온도 측면에서 얻어지는 성능 및 가열의 균일성은 그러한 벽부들을 가지지 않는 프리히터 챔버와 비교하여 상당히 개선된다.
본 발명의 장치의 특성에 따르면, 분배 트레이들은 디스크-형상을 가지며 적어도 일부의 벽부들은 반경방향으로 상기 트레이들 사이에서 연장된다. 그러한 배열은 트레이들의 전체 표면에 걸쳐서 가스 스트림의 흐름을 안내하도록 작용하고, 그에 따라 열전달을 최대화시킨다.
본 발명의 장치의 다른 특성에 따르면, 적어도 일부의 벽부들은 파도형상을 이루고, 그에 따라 벽부들의 길이를 증가시킬 수 있으며, 그 결과 가스 스트림에 대하여 열교환 영역을 증가시킨다.
본 발명의 장치의 또 다른 특성에 따르면, 벽부들은 상기 관통식 분배 트레이에 수직인 방향보다 상기 관통식 분배 트레이에 평행한 방향으로 더욱 큰 열 전도성을 제공한다. 이것은, 분배 트레이들 사이의 비등방성(anistropic) 열전도를 형성할 수 있으며, 그에 따라 장치의 차가운 부분과 로딩구역 사이의 부분적인 열적 디커플링을 야기시키는 한편, 프리히터 챔버의 가열 용량을 또한 증가시킨다. 그러한 상황 하에서, 벽부들은 매트릭스에 의해 치밀화된 보강 섬유를 갖는 복합재료 또는 그래파이트로 만들어질 수 있으며, 여기서 보강 섬유는 대부분 분배 트레이들에 평행한 방향으로 연장된다.
본 발명의 장치의 또 다른 특성에 따르면, 벽부들의 개수는 상기 분배 트레이들의 중심부에서보다 상기 분배 트레이들의 주변부 부근에서 더욱 많다. 이것은 분배 트레이들 사이에서 벽부들의 분배를 최적화시키며, 나아가서 가스 스트림에 대한 열교환 영역을 증가시킨다.
본 발명의 장치의 또 다른 특성에 따르면, 장치는 프리히터 챔버의 분배 트레이들 위쪽에 제공된 로딩 트레이를 포함하며, 상기 로딩 트레이는 분배 트레이들을 통과하는 기둥들에 의해 지지된다. 이것은 프리히터 챔버에 있어서의 기계적인 그리고 열적인 기능들 사이의 디커플링을 제공한다.
본 발명에 따른 치밀화 오븐의 또 다른 특징들 및 장점들은, 첨부된 도면들을 참조하여 비-제한적인 암시에 의해 이루어지는 이어지는 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 화학증기 침투를 위한 장치의 개략적인 단면도;
도 2는 도 1의 장치의 프리히터 챔버의 구성요소들은 나타내는 분해 사시도;
도 3은 도 2의 프리히터 챔버의 분배 트레이의 평면도;
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 프리히터 챔버의 구성요소들을 나타내는 분해 사시도; 그리고
도 5는 도 4의 프리히터 챔버의 분배 트레이의 평면도이다.
본 발명은 열처리를 수행하기 위하여 사용되는 모든 타입의 장치 또는 오븐에 적용될 수 있으며, 여기서 처리시 사용되는 가스는 장치의 로딩구역 또는 처리실 내로 도입되기 전에 프리히터 챔버 내에서 예열된다. 그러한 장치는 특히 화학증기 침투에 의해 다공성 기재를 치밀화하거나 부품을 침탄화하는 것과 같은 열화학 처리를 수행하기 위하여 사용된다.
치밀화 오븐의 제1 실시형태는 도 1 내지 3을 참조하여 설명된다. 도 1은, 원통형 측벽부(101), 바닥벽부(102), 및 상단벽부(103)에 의해 형성되는, 화학증기 침투에 의한 치밀화용 장치(100), 오븐을 나타내는 도면이다.
이하에 그 구조가 상세하게 설명되는 가스 프리히터 챔버(110)는, 오븐의 바닥벽부(102)와 로딩 트레이(120) 사이에서 연장된다. 파이프(106)는 바닥벽부(102)를 통하여 프리히터 챔버(110)에 반응가스 입구(104)를 연결한다.
치밀화를 위한 기재(130), 즉 환형의 섬유 기재는, 로딩 트레이(120)에 의해 지지되는 복수의 환형 수직 적층부(131)로서 로딩구역 즉 반응챔버(140) 내에 위치된다. 로딩 트레이는 적층부의 내측공간(130a)과 정렬되는 복수의 통로(121), 즉 원형의 개구부를 가지며, 적층부의 각각의 내측공간은 적층부의 상단에서 커버(132)에 의해 폐쇄된다. 기재(130)들의 적층부(131)는, 로딩 트레이(120) 상에 세워져 있고, 기재(130)들 내의 통로들과 정렬되는 중심통로(122a)를 갖는 하나 이상의 중간 트레이(122)에 의해 분리되는 복수의 중첩부분으로 분할될 수 있다. 각각의 기재(130)는, 간극을 형성하는 스페이서 웨지(133)에 의해, 인접한 기재로부터, 또는, 인접한 트레이(120, 122)나 커버(132)로부터 이격되어 있다. 스페이서 웨지(133)들 또는 그들 중 적어도 일부는, 공간(130a 및 141)들 사이에서 가스의 통로를 형성하도록 배열된다. 이들 통로는, 문헌 US 5,904,957 호에 기재된 바와 같이, 공간(130a 및 141)들 사이의 압력이 실질적으로 균형을 이루도록 할 수 있으며, 또는, 문헌 EP 0 063 988 호에 기재된 바와 같이, 공간(130a 및 141)들 사이에서 압력 구배를 유지하는 간단한 누출통로를 구성하도록 할 수 있다.
매트릭스를 구성하는 재료의 하나 이상의 기상 전구체를 함유하는 가스 스트림(150)은 입구(104)를 통하여 오븐 내로 들어가며, 그 후 프리히터 챔버(110)를 통과한다. 예열된 가스는 그 후 로딩 트레이(120) 내의 통로(121)를 경유하여 적층부(131)의 내측공간(130a) 내로 이동한다. 그 다음 가스는 적층부의 외측과 반응챔버(140)의 내측 사이의 공간(38)을 통과한다. 배출가스는 상단벽부(103) 내에 형성된 통로(105)를 경유하여 배출되며, 이 통로(105)는 진공펌프(도시생략)와 같은 흡입수단에 파이프(107)로 연결된다.
변형 실시형태에 있어서, 내부공간(130a)은, 그 바닥부분에서 폐쇄될 수 있으며 그 상단부분에서 통로(105)와 연통할 수 있다. 프리히터 챔버(110)로부터 흘러온 가스 스트림은 그 후 반응챔버(140)의 공간(141) 내로 들어가며, 이 구역 내에서 가스 흐름은 공간(141)으로부터 공간(130a)으로 유동하며, 여기서 공간(141)의 상단부분은 폐쇄되어 있다.
또 다른 변형예에 있어서, 거꾸로 가스 스트림을 위한 입구는 장치의 상단벽부(103)를 통하여 제공될 수 있으며, 여기서 프리히터 챔버는 장치의 상단부분에 위치되며, 공간(130a)은 프리히터 챔버와 연통하고 그 바닥부분에서 폐쇄되는 한편, 공간(141)은 오븐의 바닥벽부를 통하여 형성되는 가스 출구와 연통한다.
본 실시예에 있어서, 장치는 인덕션에 의해 가열된다. 더욱 상세하게는, 원통형 측벽부(101)는, 오븐의 외측에 위치되는 적어도 하나의 유도코일(108)에 의해 형성되는 인덕션 권선부(induction winding)와 결합되는, 예컨대 그래파이트로 만들어진 서셉터(susceptor)를 구성한다. 장치(109)는 인덕션 권선부(108)와 측벽부(101) 사이에 개재되어 있다. 공지된 방식에 있어서, 오븐은, 인덕션 권선부(108)가 교류(A/C)로 전력을 공급받을 때 가열되는 서셉터 즉 측벽부(101)에 의해 가열된다. 이러한 목적으로, 인덕션 권선부의 코일(들)은 AC 발전기(도시생략)에 접속되어 있다.
인덕션 권선부(108)에 의해 야기되는 자기장은 줄(Joule) 효과에 의해 측벽부가 가열되도록 측벽부(101)(즉, 서셉터) 내에 전류를 유도하며, 그에 따라 측벽부(101) 내측에 존재하는 구성요소들은 복사열에 의해 가열된다.
장치(100)는, 측벽부(101) 내에 매립된 예를 들어 히터 저항소자에 의해 구성되는 전기적인 발열수단과 같은 또 다른 수단에 의해 가열될 수도 있다.
프리히터 챔버(110)는 복수의 분배 트레이들을 가지며, 이것들은 본 실시예에 있어서는 4개의 트레이(111, 112, 113, 및 114)들이다(도 2 참조). 각각의 분배 트레이(111, 112, 113, 및 114)는 복수의 구멍(111a, 112a, 113a, 및 114a)들을 각각 가지며, 가스 스트림(150)은 이 구멍들을 통하여 유동하는 한편 예열된다(도 1 참조).
본 발명에 따르면, 벽부 즉 디플렉터(deflectors)는 분배 트레이들 사이에 존재하는 공간들 내에 배열되어 있다. 지금 설명하고 있는 실시형태에 있어서는:
- 벽부(1110)들은 분배 트레이(111 및 112)들 사이에 배열되고, 각각의 벽부(1110)는 트레이(111 및 112)들 양자 모두와 접촉하며;
- 벽부(1120)들은 분배 트레이(112 및 113)들 사이에 배열되고, 각각의 벽부(1120)는 트레이(112 및 113)들 양자 모두와 접촉하며;
- 벽부(1130)들은 분배 트레이(113 및 114)들 사이에 배열되고, 각각의 벽부(1130)는 트레이(113 및 114)들 양자 모두와 접촉한다.
나아가서, 지금 설명하고 있는 실시형태에 있어서, 벽부(1140)들은 분배 트레이(114)와 로딩 트레이(120) 사이에 배열된다.
본 발명의 변형 실시형태에 있어서, 벽부 즉 디플렉터들은 제한된 개수의 분배 트레이들 사이에만 개재될 수 있거나, 단지 2개의 분배 트레이들 사이에만 개재될 수 있다.
지금 설명하고 있는 실시형태에 있어서, 벽부(1110, 1120, 1130, 및 1140)들은 평평한 형상을 가지며, 분배 트레이들 사이에서 수직방향으로 연장되며, 이 벽부들은 트레이들의 마주하는 표면들에 수직으로 배열되어 있다. 분배 트레이(112, 113, 및 114)들은 벽부(1110, 1120, 및 1130)들에 의해 각각 지지된다. 분배 트레이(111)는 장치(100)의 바닥벽부(102)와 트레이(111)의 바닥표면 사이에서 연장하는 스페이서(1400)에 의해 지지된다.
적층부(131) 모두를 지지하는 로딩 트레이(120)는 장치(100)의 바닥벽부(102) 상에 세워져 있는 기둥(1410)에 의해 지지된다. 이 기둥(1410)은 분배 트레이(111, 112, 113, 및 114) 내에 각각 형성되어 있는 개구부 즉 구멍(111b, 112b, 113b, 및 114b)들을 경유하여 분배 트레이들을 통과한다. 따라서, 프리히터 챔버 내에서, 기계적인 기능과 열적인 기능은 분리되며, 하중을 지지하는 기계적인 기능은 기둥(1410)들에 의해 수행되는 한편, 열적인 기능은 분배 트레이(111, 112, 113, 및 114)들에 의해 그리고 벽부(1110, 1120, 1130, 및 1140)들에 의해 수행된다.
분배 트레이들 사이에서의 가스의 유로를 증가시키도록, 분배 트레이(111, 112, 113, 및 114)들 내에 각각 제공되는 구멍(111a, 112a, 113a, 및 114a)들은 2개의 인접한 트레이들 사이에서 상이한 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 도 2에 있어서, 구멍(111a 및 113a)들은 트레이(111 및 113)의 주변부 부근에 위치되는 한편, 트레이(111 및 113)들 사이에 개재되는 트레이(112) 내의 구멍(112a)들은 트레이(112)의 중심부 부근에 위치된다. 프리히터 챔버 내에서의 마지막 트레이인 트레이(114)는 그 전체 표면에 걸쳐서 구멍(114a)들을 갖는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벽부(1120)들은 실질적으로 반경방향으로 트레이(112) 상에 배열되어 있다. 벽부(1110, 1130, 및 1140)들에게도 또한 적용되는, 이러한 반경방향 배열은, 2개의 분배 트레이들 사이의 공간 내로 침투하는 가스 스트림(150)을 가열 및 안내하도록 기능한다. 도 3에 있어서, 벽부(1120)들은 트레이(112) 내의 구멍(112a)들을 경유하여 분배 트레이(112 및 113)들 사이에 침투하는 가스 스트림을 안내 및 가열하도록 기능한다. 따라서, 벽부(1110, 1120, 1130, 및 1140)들은 트레이(111, 112, 113, 114, 및 120)들 사이에서 가스의 유로를 각각 형성한다. 벽부(1110, 1120, 1130, 및 1140)들은 장치(100)의 측벽부(101)로부터의 열 복사의 영향 하에서 가열되기에 적합한 재료로 만들어지며, 그에 따라 가스에 대해 대류에 의해 열을 전달함으로써 그리고 프리히터 챔버 내에서의 상기 가스의 흐름을 최적화시킴으로써 프리히터 챔버의 가열 용량을 상당히 증가시키도록 기능한다.
나아가서, 분배 트레이들 사이에 제공되는 공간을 최적의 방식으로 형성할 수 있도록, 벽부들은 분배 트레이들의 반경보다 작은 치수를 가지는 것이 바람직하다. 도 3에 있어서, 벽부(1120)들은 3개의 시리즈로, 즉, 트레이(112)의 중심부에 가장 가까운 제1 시리즈(1120a), 트레이(112)의 중간부의 제2 시리즈(1120b), 그리고 트레이(112)의 주변부 부근의 제3 시리즈(1120c)로 반경방향으로 배열된다. 이러한 배열은 벽부(1110, 1130, 및 1140)들에도 동일하게 적용된다. 이러한 복수의 시리즈와 같은 반경방향 배열은, 트레이의 중심부로부터 더욱 멀리 떨어질수록 더욱 많은 개수의 벽부들이 설치되도록 할 수 있고, 그에 따라 벽부들에 의해 구성되는 열교환 영역을 최적화하도록 기능한다. 게다가, 이러한 벽부들의 시리즈들과 같은 반경방향 배열은, 가스 스트림의 유로 내에서 불연속성을 가질 수 있도록 하여 가스 스트림의 흐름을 최적화하도록 기능한다.
본 발명의 프리히터 챔버 내에서 사용되는 벽부들은, 예를 들어 그래파이트 또는 스테인리스강이나 몰리브덴 등의 내화금속과 같이, 대류에 의해 열을 전달하기에 양호한 특성을 갖는 재료로 만들어진다. 벽부들은, 또한, 천공된 상기 트레이에 수직인 방향으로의 열 전도성보다, 분배 트레이에 평행한 방향으로의 열 전도성이 큰 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 그러한 재료로, 분배 트레이들 사이에서 이방성 열전도가 형성되며, 이것은 장치의 차가운 부분(프리히터 챔버의 위치결정 기능을 하는 장치의 바닥벽부 또는 상단벽부)과 로딩구역 사이의 부분적인 열적 디커플링을 얻을 수 있도록 하는 한편, 프리히터 챔버의 가열 용량을 증가시키도록 한다. 그러한 재료는, 특히, 분배 트레이들에 평행한 방향으로 대부분 배향되는 보강섬유들을 갖는 매트릭스에 의해 치밀화되는 섬유 보강을 가지는 그래파이트 또는 열구조 복합재료일 수 있다.
도 4는 전술한 프리히터 챔버(110)와는 상이하게 파도형상의 벽부를 사용하는 프리히터 챔버(210)를 나타낸다. 프리히터 챔버(210)는 전술한 프리히터 챔버(110)와 동일한 방식으로 CVI 치밀화를 위한 장치(100) 내에 합체된다. 설명의 간소화를 위하여, 위에서 설명한 장치(100)의 구성요소들은 다시 설명하지 않는다.
프리히터 챔버(210)는 복수의 분배 트레이들, 즉 본 실시예에서는 4개의 트레이(211, 212, 213, 및 214)들을 가지며, 각각의 트레이는 가스가 유동하면서 예열되도록 복수의 구멍(211a, 212a, 213a, 및 214a)들을 각각 갖는다. 본 발명에 따르면, 벽부 즉 디플렉터는 분배 트레이들 사이에 제공되는 공간 내에 배열된다. 지금 설명하고 있는 실시형태에 있어서는:
- 벽부(2110)들은 분배 트레이(211 및 212)들 사이에 배열되고, 각각의 벽부(2110)는 트레이(211 및 212)들 양자 모두와 접촉하며;
- 벽부(2120)들은 분배 트레이(212 및 213)들 사이에 배열되고, 각각의 벽부(2120)는 트레이(212 및 213)들 양자 모두와 접촉하며;
- 벽부(2130)들은 분배 트레이(213 및 214)들 사이에 배열되고, 각각의 벽부(2130)는 트레이(213 및 214)들 양자 모두와 접촉한다.
나아가서, 지금 설명하고 있는 실시형태에 있어서, 벽부(2140)들은 분배 트레이(214)와 로딩 트레이(220) 사이에 배열된다. 본 발명의 변형 실시형태에 있어서, 벽부 즉 디플렉터들은 제한된 개수의 분배 트레이들 사이에만 개재될 수 있거나, 단지 2개의 분배 트레이들 사이에만 개재될 수 있다.
지금 설명하고 있는 실시형태에 있어서, 벽부(2110, 2120, 2130, 및 2140)들은 파도형상을 가지며, 분배 트레이들 사이에서 수직방향으로 연장되며, 이 벽부들은 트레이들의 마주하는 표면들에 수직으로 배열되어 있다. 이러한 파도형상 벽부들은 전술한 벽부(1110, 1120, 1130, 및 1140)들과 같은 평평한 형상의 벽부들과 비교하여 벽부의 길이가 길어지도록 기능하며, 그 결과 가스가 프리히터 챔버(210)를 통과할 때 가스와의 열교환 표면적을 증가시키도록 기능한다.
분배 트레이(212, 213, 및 214)들은 벽부(2110, 2120, 및 2130)들에 의해 각각 지지된다. 분배 트레이(211)는 장치(100)의 바닥벽부(102)와 트레이(211)의 바닥표면 사이에서 연장하는 스페이서(1400)에 의해 지지된다.
적층부(131) 모두를 지지하는 로딩 트레이(120)는 장치(100)의 바닥벽부(102) 상에 세워져 있는 기둥(1410)에 의해 지지된다. 이 기둥(1410)은 분배 트레이(211, 212, 213, 및 214)에 각각 형성되어 있는 개구부 즉 구멍(211b, 212b, 213b, 및 214b)들을 경유하여 분배 트레이들을 통과한다. 이것은, 프리히터 챔버 내에서, 기계적인 기능과 열적인 기능이 분리되도록 기능하며, 하중을 지지하는 기계적인 기능은 기둥(1410)들에 의해 제공되는 한편, 열적인 기능은 분배 트레이(211, 212, 213, 및 214)들에 의해 그리고 벽부(2110, 2120, 2130, 및 2140)들에 의해 수행된다.
분배 트레이들 사이에서의 가스의 유로를 증가시키도록, 분배 트레이(211, 212, 213, 및 214)들 내에 각각 제공되는 구멍(211a, 212a, 213a, 및 214a)들은 2개의 인접한 트레이들 사이에서 상이한 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 도 4에 있어서, 구멍(211a, 212a, 213a, 및 214a)들은 전술한 구멍(111a, 112a, 113a, 및 114a)들과 동일한 방식으로 각각 위치된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 벽부(2130)들은 실질적으로 반경방향으로 트레이(213) 상에 배열되어 있다. 벽부(2110, 2120, 및 2140)들에게도 또한 적용되는, 이러한 반경방향 배열은, 2개의 분배 트레이들 사이의 공간 내로 침투하는 가스 스트림을 가열 및 안내하도록 기능한다. 도 5에 있어서, 벽부(2130)들은 트레이(213) 내의 구멍(213a)들을 경유하여 분배 트레이(213 및 214)들 사이에 침투하는 가스 스트림을 안내 및 가열하도록 기능한다.
분배 트레이들 사이에 제공되는 공간을 최적의 방식으로 형성할 수 있도록, 벽부들은 분배 트레이들의 반경보다 작은 치수를 가지는 것이 바람직하다. 도 5에 있어서, 벽부(2130)들은 3개의 시리즈로, 즉, 트레이(213)의 중심부에 가장 가까운 제1 시리즈(2130a), 트레이(213)의 중간부의 제2 시리즈(2130b), 그리고 트레이(213)의 주변부 부근의 제3 시리즈(2130c)로 반경방향으로 배열된다. 이러한 복수의 시리즈와 같은 반경방향 배열은, 트레이의 중심부로부터 더욱 멀리 떨어질수록 더욱 많은 개수의 벽부들이 설치되도록 할 수 있고, 그에 따라 벽부들에 의해 구성되는 열교환 영역을 최적화하도록 한다. 게다가, 이러한 벽부들의 시리즈들과 같은 반경방향 배열은, 가스 스트림의 유로 내에서 불연속성을 가질 수 있도록 하여 가스 스트림의 흐름을 최적화하도록 기능한다.
본 발명의 프리히터 챔버 내에서 사용되는 벽부들은, 예를 들어 그래파이트 또는 스테인리스강이나 몰리브덴 등의 내화금속과 같이, 대류에 의해 열을 전달하기에 양호한 특성을 갖는 재료로 만들어진다. 벽부들은, 또한, 천공된 상기 트레이에 수직인 방향으로의 열 전도성보다, 분배 트레이에 평행한 방향으로의 열 전도성이 큰 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 상세하게는, 그러한 재료로, 분배 트레이들 사이에서 이방성 열전도가 형성되며, 그에 따라 장치의 차가운 부분(프리히터 챔버의 위치결정 기능을 하는 장치의 바닥벽부 또는 상단벽부)과 로딩구역 사이의 부분적인 열적 디커플링을 얻을 수 있도록 하는 한편, 프리히터 챔버의 가열 용량을 증가시키도록 한다. 그러한 재료는, 특히, 분배 트레이들에 평행한 방향으로 대부분 배향되는 보강섬유들을 갖는 매트릭스에 의해 치밀화되는 섬유 보강을 가지는 그래파이트 또는 열구조 복합재료일 수 있다.
CVI에 의한 치밀화용 장치에 있어서 비교해 볼 때, 본 발명에 따른 프리히터 구역, 즉 가스의 유로를 형성하는 트레이들 사이에 벽부들을 갖는 프리히터 구역을 사용함으로써 프리히터 챔버의 높이를 30%만큼 감소시킬 수 있는 한편, 종래기술의 프리히터 챔버, 즉 트레이들 사이에 그러한 벽부들을 가지지 않는 프리히터 챔버의 성능보다 양호하거나 동일한 성능을 얻을 수 있으며, 여기서 그 성능은 가스 스트림 가열의 균일성 및 용량의 측면에서 측정되었다. 본 발명에 따른 프리히터 챔버의 높이에 있어서의 감소는, 장치, 즉 처리 챔버의 작업구역에 대하여 유용한 높이에 있어서의 상응하는 증가를 가져오며, 그에 따라 로딩 용량이 증가되도록 한다.

Claims (10)

  1. 반응 챔버(140), 적어도 하나의 가스 입구(104), 및 가스 입구(104)와 반응 챔버(140) 사이에 위치된 가스 프리히터 챔버(110)를 포함하는 열화학적 처리 장치(100)로서, 상기 프리히터 챔버(110)는 하나가 다른 하나의 위쪽으로 이격되어 유지되는 복수의 관통식 분배 트레이(111-114)들을 갖는 열화학적 처리 장치에 있어서,
    상기 프리히터 챔버(110)는 적어도 2개의 마주하는 분배 트레이들을 포함하며, 복수의 벽부(1110, 1120, 1130, 1140)들이 상기 분배 트레이(111-114)들 사이에서 가스 스트림을 위한 유로를 형성하며, 각각의 벽부는 적어도 2개의 마주하는 상기 분배 트레이들 사이에서 수직방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분배 트레이(111-114)들은 디스크-형상을 가지며 벽부(1110, 1120, 1130, 1140)들 중 적어도 일부는 상기 분배 트레이들 사이에서 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    벽부(2110, 2120, 2130, 2140)들 중 적어도 일부는 파도형상을 이루는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    벽부(1110, 1120, 1130, 1140)들은 상기 분배 트레이(111-114)에 수직인 방향보다 상기 분배 트레이에 평행한 방향으로 더욱 큰 열 전도성을 제공하는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    벽부(1110, 1120, 1130, 1140)들은 매트릭스에 의해 치밀화된 보강 섬유를 갖는 복합재료로 만들어지며, 보강 섬유는 대부분 트레이(111-114)들에 평행한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    벽부(1110, 1120, 1130, 1140)들은 그래파이트로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  7. 청구항 2 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    벽부(1110, 1120, 1130, 1140)들의 개수는 상기 분배 트레이(111-114)들의 중심부에서보다 상기 분배 트레이들의 주변부 부근에서 더욱 많은 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리히터 챔버(110)의 분배 트레이(1110, 1120, 1130, 1140)들 위쪽에 제공된 로딩 트레이(120)를 포함하며,
    상기 로딩 트레이는 상기 분배 트레이들을 통과하는 기둥(1410)들에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 로딩 트레이(120)는, 치밀화를 위한 환형의 섬유 기재(130)의 적층부(131)와 상호작용하도록 기능하는 복수의 원형 개구부(121)를 가지는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리히터 챔버(110) 및 상기 반응챔버(140)를 둘러싸는 적어도 하나의 측벽부(101)를 갖는 서셉터와, 인덕션에 의해 상기 측벽부를 가열하도록 구성되는 인덕션 권선부(108)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열화학적 처리 장치.
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