KR20220004974A - 적층 제조를 위한 제어형 환경 - Google Patents

Abstract

자기유체역학 분사를 사용하여 금속 대상체들의 적층 제조를 위한 제어형 환경 시스템. 밀봉 판은 볼륨 엔클로저의 페클렛 갭 씰을 향해 위치된다. 불활성 가스의 흐름은 볼륨 엔클로저의 내부에서 고-순도 볼륨을 유지하기 위해 사용된다. 프린트 헤드는 밀봉 판에서 홀을 통해 내부에 액세스하고 빌드 재료를 전달한다. 빌드 판은 대상체들이 제작될 수 있는 볼륨 엔클로저의 내부 내에서 밀봉 판에 대하여 이동 가능하다.

Description

적층 제조를 위한 제어형 환경

본 개시의 주제는 일반적으로 환경 조건들을 제어하는 것에 관한 것이며, 보다 특히 자기유체역학 프린팅을 사용한 금속 대상체들의 적층 제조를 위한 제어형 환경에 관한 것이다.

금속들의 적층 제조를 포함한, 많은 적층 제조 및 3D 프린팅 애플리케이션들에서, 부분이 생성되는 환경의 양상들을 제어하는 것은 대단히 중요하다. 많은 경우들에서, 특정 가스 분위기를 유지하는 것이 유리하거나 또는 중대할 수 있다. 예를 들어, 적층 제조 애플리케이션들에서 특정한 금속 분말들과 함께 동작할 때, 산화물들, 탄화물들, 수소화물들, 금속간 화합물들 등과 같은 바람직하지 않은 종들의 생성을 피함으로써 프린팅된 제품의 품질을 개선하고, 분말 폭발 위험들을 감소시키기 위해, 프린트와 반응할 수 있는 오염 가스들의 낮은 부분 압력들을 가진 불활성 분위기를 유지하는 것이 대단히 중요하다. 요구된 순도의 레벨은 애플리케이션에 따라 달라지지만 몇몇 프로세스들을 위해 싱글 PPM(parts-per-million) 오염 레벨들 이하만큼 낮을 수 있다. 많은 경우들에서, 부분 주위의 환경에서 온도 및 열 플럭스들을 제어함으로써 생성되는 부분의 온도를 제어하는 것이 유리할 수 있다.

하나의 관심 기술에서, 제어된 자기유체역학 펄싱이 자기유체역학 프린팅(여기에서 MHD 프린팅, 또는 MHD로서 불리움)으로서 알려진 프로세스에서, 용융 금속들의 개개의 방울들을 선택적으로 분사하고 3-차원 기하학적 구조들을 부가적으로 구축하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 프로세스의 일 실시예에서, 분사 장치(여기에서 노즐로서 불리움)는 용융 금속을 생성하기 위해 고체 금속 공급원료를 그것의 액상선 온도 위로 가열하고; 용융 금속을 포함하고; 용융 금속을 그것의 액상선 온도 위로 유지하고; 자기장에 대한 용융 금속의 몸체를 배치하고; 자기유체역학 펄스를 생성하기 위해 전기 전류가 용융 금속을 통해 통과될 수 있게 하며; 용융 금속의 흐름을 원하는 타겟으로 향하게 하기 위해 이용된다.

MHD 프린팅에 의한 적층 제조에서, 부분 주위의 가스 분위기의 제어 및 부분의 온도의 제어 양쪽 모두가 유리하다. 예를 들어, 알루미늄 합금 중 부분을 프린팅할 때, 상기 부분의 환경으로부터, MHD 프린트헤드의 환경으로부터, 및 용융된 방울들이 가로지르는 환경으로부터 산소 및 수증기를 감소시키거나 또는 제거하는 것이 유리하다고 발견되었다. 이것은 예를 들어, 대체로 순수한 아르곤의 분위기를 유지함으로써 성취될 수 있다. 알루미늄의 MHD 프린팅에서, 새롭게 프린팅된 용융 액적들의 상기 부분으로의 적절한 융합을 제공하기 위해 상승된 온도에서 상기 부분을 유지하는 것이 유리하다고 또한 발견되어 왔다. 이것은 상기 부분이 노출되는 가스 환경의 온도, 및 복사 전열에 적합한 양상들을 포함한, 환경의 다른 양상들을 제어함으로써 성취될 수 있다.

그러나, 불활성 분위기의 생성 및 유지는 도전적일 수 있다. 양호한 온도 제어를 가진 환경의 생성 및 유지가 또한 도전적일 수 있다. 주어진 밀봉된 볼륨의 초기 정제는 매우 많은 볼륨들의 가스가 퍼징에 의한 오염 물질들을 대신하기 위해 사용되며 및/또는 볼륨이 오염 물질들을 제거하기 위해 진공이 볼륨에 끌어들여지도록 허용하도록 설계되는 것을 요구할 수 있다. 더욱이, 중합체들, 절연체들, 양극산화 코팅들, 및 많은 기타들과 같은, 엔지니어링 시스템들에서 일반적으로 사용된 많은 재료들은 높은 공극률, 높은 표면적들을 가질 수 있으며, 환경이 정제되고 농도 기울기가 가파르게 됨에 따라 그 후 환경으로 방출되는 수증기, 산소, 및 다른 가스들과 같은 오염 물질들을 흡수할 수 있다.

마지막으로, 재순환 볼 베어링 슬라이드들 또는 모터 권선들과 같은, 많은 일반적인 기계 구성요소들은 가스를 유지하며 순수한 환경 안에서 "가상 누설들"로서 동작할 수 있는 구불구불한 내부 경로들을 포함한다. 불순물들의 이들 소스들 모두는 시스템이 분위기로 개방될 때마다, 물 및 산소가 표면들 상에 재-흡착되고 부분적으로 밀폐된 "가상 누설들"로 재-도입될 수 있으므로, 약간의 빈도로 개방되어야 하는 밀봉된 볼륨에 더 문제가 된다. 통상적으로, 3D 프린팅 시스템들은 예를 들어, 부분 제거 또는 통상적인 유지를 가능하게 하도록 사용자 접근을 위해 개방되어야 한다. 하나의 접근법은 글러브박스들에서 일반적인 바와 같이, 송풍기를 통해 분위기를 재순환하는 것 및 몰레큘러 시브(molecular sieve) 등을 통해 정제하는 것을 통해 밀봉된 볼륨의 순도를 유지하는 것이다. 몰레큘러 시브들은 한정된 흡착 용량을 가지며 오염 물질들을 제거하기 위해 그것들의 능력을 리셋하도록 가스를 형성하는 것과 같은, 감소 분위기의 흐름과 조합된 특정 가열 단계들을 통해 주기적으로 재생되어야 한다. 수 시간이 걸릴 수 있는 재생 동안, 시스템은 오프라인이어서, 3D 프린팅 시스템의 사용을 효과적으로 배제한다. 가장 빈번하게, 이들 시스템들은 몰레큘러 시브의 건강을 모니터링하기 위해 분위기를 계속해서 샘플링하는 민감하고 값비싼 수증기 및 산소 센서들과 쌍을 이룬다. 이러한 아키텍처에서, 사용자는 진공-펌핑 로드-록들 또는 다른 엔지니어링 방안에 의해 필요한 기능들에 접근할 수 있다. 더욱이, 실제로 밀봉된 볼륨으로의 오염 물질들의 유입에 부가하는 침투성 탄성 글러브들의 사용을 필요하게 만들 수 있다. 이들 시스템들은 본 출원에서의 개시와 대조하여 복잡도들, 비용 및 소모품들을 부가하여 왔다. 일반적으로, 깨끗한 환경을 유지하는 것과 연관된 도전들은 일반적으로 제어될 필요가 있는 볼륨이 증가함에 따라 더 심각해진다.

유사하게, 프린팅하는 동안 상승된 부분 온도들을 유지하는 것과 연관된 도전들이 있다. 깨끗한 환경들을 유지하는 것과 마찬가지로, 모션을 생성하기 위해 요구된 기계 구성요소들 중 많은 것은 본 출원에서 고려된 상승 온도를 용인할 수 없거나 또는 평가 절하, 열 팽창, 감소된 서비스 수명 또는 다른 고려사항들로 인해 저하된 성능을 겪을 것이다. 활성 냉각, 물-냉각, 또는 민감한 구성요소들을 절연하는 것과 같은 엔지니어링 해법들은 3D 프린팅 시스템에 비용 및 복잡도를 부가한다. 많은 구성요소들은 고온 환경들에서 쉽게 동작할 수 없으며 바람직하게는 시스템의 더 차가운 영역에 위치될 것이다. 부가적으로, 깨끗한 환경들을 유지하는 것과 마찬가지로, 가열된 환경들과 연관된 이슈들은 환경의 볼륨이 증가함에 따라 더 심각해진다.

부가적으로 제조되는 대상체들에 대한 양호한 고 순도 불활성 조건들을 유지하는 제어형 환경 시스템이 개시된다. 엔클로저는 밀봉 판에 대하여 배치되는 페클렛(Peclet) 갭 씰을 가진 외부 플랫폼을 가진다. 엔클로저의 내부로부터 바깥쪽으로의 가스의 흐름은 밀봉 판에 대한 엔클로저의 움직임을 허용하는 동안 엔클로저를 밀봉하기 위해 사용된다. 분사 노즐과 같은, 적층 제조 시스템은 엔클로저 내에서 대상체들을 형성하기 위해 빌드 판 상에 빌드 재료를 증착시키기 위해 밀봉 판에서 개구를 통해 돌출될 수 있다.

본 개시의 앞서 말한 요약, 바람직한 실시예들, 및 다른 양상들은, 수반된 도면들과 함께 판독될 때, 이어지는 특정 실시예들의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 것이다:
도 1a 및 도 1b는 밀봉된 볼륨 및 평면 표면상에 페클렛 갭 밀봉 원리의 세부사항들을 개략적으로 보여준다.
도 2는 격리 대 무-차원 페클렛 수의 플롯이다.
도 3a 및 도 3b는 밀봉된 볼륨 및 평면 표면상에서 분배기를 사용한 밀봉 원리의 세부사항들을 개략적으로 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 적층 제조 시스템의 맥락에서 밀봉된 볼륨의 실시예를 보여준다.
도 5a 내지 도 5c는 하중-지지 기체 정역학 베어링들을 포함한 밀봉된 볼륨의 실시예를 보여준다.
도 6a 및 도 6b는 원통형 표면상에서 페클렛 갭 씰의 실시예들을 개략적으로 보여준다.
도 7은 밀봉 갭을 통해 가스 막의 정규화된 평균 속도의 두 개의 상이한 거동들을 플로팅한다.
도 8a는 외부 하중-지지 기체 정역학 베어링들 및 2 자유도 페클렛 갭 씰을 포함한 MHD 프린팅 시스템에 대한 개시의 실시예의 세부사항들을 보여준다.
도 8b는 도 8a의 MHD 프린트헤드의 클로즈-업을 보여준다.
도 8c는 도 8a의 시스템의 베어링 및 씰 배열의 세부사항들을 보여준다.
도 8d 내지 도 8g는 프린팅 프로세스의 다양한 스테이지들에서 도 8a의 실시예를 보여준다.
도 9는 분배기를 공급하기 위해 밀봉된 볼륨으로부터의 가스를 재사용하는 실시예를 보여준다.

자기유체역학(MHD) 분사를 사용하여 대상체들의 적층 제조와 함께 사용하기 위한 제어형 환경이 개시되지만, 이 기술분야에서의 통상의 기술자는 제어형 환경이 다른 적층 제조 기술들과 함께 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

불활성 환경 및/또는 가열된 환경의 생성을 가능하게 하기 위한 본 개시의 일 양상은 밀봉된 볼륨으로부터 가능한 많은 장비를 제거하며, 동시에 밀봉된 볼륨을 가능한 작게 만드는 것이다. 적층 제조의 경우에, 불활성 볼륨 밖으로 이동될 장비는 부분 및/또는 프린트헤드뿐만 아니라 단열 재료들을 옮기는 모션 시스템들을 포함할 수 있다. 이것은 오염의 소스들을 제거함으로써 밀봉된 볼륨 안에서 고 순도 불활성 환경을 달성하도록 돕는다. 그것은 모션 시스템들이 요구된 온도들로의 노출을 용인할 수 없으며 열적으로 보호되어야 하기 때문에 열 제어를 달성하도록 돕는다. 이것은, 결과적으로, 그것이 고온 환경 안에서 절연 및/또는 냉각을 요구할 것이기 때문에 고온 환경의 유지를 복잡하게 할 것이다. 또한, 불활성 볼륨 내로부터 하드웨어를 제거하는 것은 이러한 볼륨의 감소를 허용하며, 이것은 또한, 가스 흐름 및 전력 요건들을 감소시킴으로써를 포함하여, 청결 및 고온들을 유지하는 것을 더 쉽게 만든다. 그러나, 모션 시스템들이 이제 밀봉된 볼륨 밖에 있으므로, 밀봉된 볼륨은, 원하는 순도 레벨을 유지하면서, 그것의 구성요소들의 몇몇 상대적인 모션을 수용할 수 있어야 한다. 이를 예시하기 위해, 빌드 플랫폼이 3축 데카르트 모션 시스템상에서 정지된 프린트헤드 밑으로 이동하는 아키텍처의 3D 프린터의 예를 고려하자. 움직이는 빌드 플랫폼은 모터들, 나사들, 벨트들, 레일들, 길들, 베어링들 등과 같은 모션 구성요소들이 볼륨 외부에 존재하는 동안 불활성 볼륨 안에 존재한다. 분명히 모션의 3개 축들(X, Y, 및 Z)은 어떻게든 빌드 플랫폼이 정지된 프린트헤드에 대하여 이동할 수 있게 하기 위해 불활성 볼륨의 배리어를 통해 중단하고, 통과하거나 또는 그 외 결합해야 한다. 이를 성취하는 많은 방법들은 빌드 볼륨의 부분들과 모션 시스템의 부분들 사이에 동적 씰들을 수반할 것이다. 일반적으로, 이들 씰들은 잠재적으로 상승 온도들에서 및 잠재적으로 높은 속도들 및 가속도들에서 많은 양의 모션을 용인해야 하며 씰의 수명에 걸쳐 의도된 대로 계속해서 수행해야 할 것이다. 더욱이, 이들 씰들은 하나 이상의 축에서 모션을 허용해야 한다. 예를 들어, 3D 프린팅에서, X 및 Y 축들은 종종, 부분의 하나의 층이 프린팅됨에 따라, 때때로 동시에 이동된다. 그러므로, 앞서 언급한 아키텍처에서 X 및 Y 축들 간의 임의의 씰은 X-Y 평면에서 상대적인 모션을 허용하면서 밀봉할 수 있으며, 이것은 단일 축을 밀봉하는 것보다 훨씬 더 복잡하고 힘들다.

본 개시의 양상은 적층 제조 애플리케이션들에서 페클렛 갭 씰들의 사용 및 설계에 관한 것이다. 페클렛 갭 씰(또는 페클렛 씰)은 여기에서 두 개의 구성요소들 사이에 흐르는 가스의 얇은 막에 생성되고 유지되는 씰로서 정의되며, 여기에서 가스 막은 주로 외부 가스 공급 장치에 의해 제공된다. 이러한 씰은 정적 시나리오(두 개의 구성요소들 간에 상대적인 모션이 없는), 또는 동적 시나리오(두 개의 구성요소들 간에 상대적 모션이 있는), 또는 그것의 몇몇 조합으로 동작할 수 있다. 본 개시에서, 곧 설명될 설계의 페클렛 갭 씰은 서로에 대하여 이동할 수 있는 어셈블리의 두 개의 구성요소들 사이에서 밀봉하기 위해 사용된다. 동적 시나리오들에서, 두 개의 구성요소들의 상대적인 모션에 의해 생성된 밀봉 가스 막으로의 임의의 기여는 통상적으로 외부 가스 공급 장치로부터의 기여에 대하여 작다는 것이 주의되어야 한다. 부가적으로, 밀봉 경계에 걸친 압력 차들은 통상적으로 매우 작다. 이것은 높은 압력 경도들 또는 점성 저항 효과들을 이용할 수 있는 다른 유체 씰들과 대조적이다.

페클렛 갭 씰은 무엇이든 임의의 흐름을 금지하는 종래의 의미에서 씰을 형성하지 않을 수 있지만, 출원인들은 그럼에도 불구하고 볼륨 밖의 분위기와 밀봉된 볼륨 안의 분위기 사이에서의 비교적 높은 정도의 격리를 강조하기 위해 페클렛 갭 씰로서 갭을 나타낸다. 예를 들어, 바깥쪽 공기 및 안쪽의 불활성 환경 사이에서의 높은 정도의 격리가 달성될 수 있다. 본 출원에서 설명된 바와 같이 페클렛 갭 씰은 ppm, 또는 심지어 ppb 격리를 제공할 수 있지만, 그것이 유출구로부터 밀봉된 볼륨의 안쪽에 이르는 것으로부터 공기를 밀봉한다는 의미에서 그것을 "씰"로서 설명하는 것이 합리적이라고 고려될 수 있다. 더욱이, 많은 논의가 밀봉된 볼륨 내에 유지될 수 있는 분위기의 유형과 관련되지만, 시스템에서의 다른 엔지니어링 방안과 함께, 이러한 씰이 바깥쪽으로부터 안쪽 분위기의 온도를 격리하기 위해 이용될 수 있다는 것을 상기하는 것이 중요하다.

평면 표면 실시예에서 이러한 동적 페클렛 갭 씰의 동작의 원리는 단면도 도 1a 및 대응하는 상세도 도 1b에서 개략적으로 예시된다. 여기에서, 바깥쪽 분위기(1001)는 밀봉된 볼륨 안에서 제어형 분위기(1002)로부터 격리된다. 이러한 격리는 하나의 씰 및 두 개의 기계 구성요소들에 의해 성취된다. 밀봉된 볼륨은 여기에서 갭을 통한 가스 흐름의 단순화한 뷰를 나타낸 화살표들에 의해 예시된, 볼륨 엔클로저(1003), 반대 밀봉 판(1004), 및 페클렛 갭 씰(1005)의 조합에 의해 효과적으로 정의된다. 씰은 밀봉 길이(1007)에 걸쳐 편평한 밀봉 판(1004)의 하부 표면과 볼륨 엔클로저(1003)의 상부 표면 사이에서의 치수(1006)의 얇은 갭을 통해 흐르는 가스에 의해 형성된다. 볼륨 엔클로저의 이러한 기하학적 구조는 원주방향 갭에 의해 분리된, 밀봉 판에 대체로 평행한 원주방향 렛지를 생성한다. 논의될 바와 같이, 이러한 갭에 관한 치수들은 매우 중요하며; 여기에서, 도시되지 않은 수단들을 통해 씰의 주변부 주위에서 일정하도록 시행된다. 씰을 형성하는 밀봉 가스는 예를 들어, 질량 흐름 제어기 또는 압력 조절기에 의해 밀봉된 볼륨으로 소스(1008)에 의해 공급되며, 바람직하게는 밀봉된 볼륨 내에서 바람직한 분위기 및 순도이다. 비-제한적인 예들로서, 이것은 아르곤, 질소, 이산화탄소, 헬륨, 또는 그것의 혼합물들일 수 있다. 얇은 갭은 가스의 흐름을 지연시키는 유체 저항을 부여하며, 가스가 밀봉된 볼륨으로 들어감에 따라, 안쪽 압력은 반드시 주변 압력 위로 상승할 것이다. 볼륨 안에서의 이러한 압력은 그 후 가스가 얇은 갭을 통해 흐르게 하기 위한 추진력으로 동작하여, 페클렛 갭 씰을 형성한다. 중요하게는, 볼륨 엔클로저(1003)는 좌측 및 우측 방향들로 밀봉 판(1004)에 대하여 병진으로 자유롭게 이동한다. 그것은 또한 밀봉 판에 대하여 페이지 안 및 밖 방향들로 옮기며 밀봉 판에 대하여 회전하는 것이 가능하다. 그러므로, 이러한 씰은 3 자유도(두 개의 병진, 및 하나의 회전)를 허용한다고 말하여질 수 있지만, 그것들 모두, 또는 그것들 모두를 동시에 이용할 필요는 없다. 중요하게는, 밀봉된 볼륨 밖의 분위기는 엔클로저가 밀봉 판의 범위들 내에 남아있으며(즉, 페클렛 갭 씰을 정의하는 기하학적 구조가 변하지 않음) 소스(1008)로부터 충분한 가스 흐름이 있는 한 밀봉된 볼륨 안의 제어형 분위기로부터 대체로 격리된 채로 있을 수 있다.

이러한 페클렛 갭 씰을 사용하는 이익들 - O-링 씰들과 같은, 다른 밀봉 기술들과 대조적으로 - 은 무수하지만, 중대하게는 그것들은 밀봉 구성요소들 마모를 둘러싼 우려들을 제거할 수 있으며 임의의 히스테리시스 없이 씰의 구성요소들 간에 극히 낮은 마찰 모션을 가능하게 할 수 있는 비-접촉이다. 더욱이, 그것들이 임의의 탄성중합체 또는 중합체 요소에 의존하지 않으므로, 그것들은 몇몇 적층 제조 애플리케이션들에서 마주하게 되는 상승 온도들에서의 사용에 적합하도록 설계될 수 있다. 유사하게는, 그것들인 임의의 윤활유, 밀봉제, 오일 등에 의존하지 않으므로, 그것들은 미립자 생성, 열 안정성 및 밀봉된 볼륨 안에서의 제어형 환경으로의 가스-배출에 대한 우려들을 완화한다.

도 4a 및 도 4b는 이러한 페클렛 갭 씰이 어떻게 적층 제조 시스템의 맥락에서 이용될 수 있는지를 보여준다. 중요하게는, 이 실시예는 프린팅을 위해 요구된 다양한 서브시스템들 및 보조 시스템들이 어떻게 구성요소들 간에 필요한 상대적 모션을 허용하면서 격리를 손상시키지 않고 밀봉된 볼륨 내에서 요구된 대로 기능하거나 또는 동작할 수 있는지를 보여준다. 적층 제조 시스템의 하나의 바람직한 실시예에서, 동작 동안, 밀봉 판(4001)은, 그것에 부착되거나 또는 그것을 관통하는 프린트헤드(4002)와 같은 임의의 구성요소들과 함께, 그것의 격리를 손상시키지 않고 씰(4003), 씰 둘레(4004) 및 엔클로저(4005)에 대하여 이전할 수 있다. 프린팅된 부분(4009)이 제작되는 빌드 플랫폼(4006)은 밀봉된 볼륨 내에 하우징되지만, 적층 제조를 위한 노즐은 밀봉 판의 중심 가까이에 있는 컷아웃을 통해 프린팅된 부분으로의 가시선을 유지한다. 노즐은 프린트헤드 어셈블리의 부분을 형성하며, 이것은 히터들, 센서들, 재료 공급기들 등과 같은 다른 하드웨어를 포함할 수 있고 최상부 판과 기밀성을 유지하며 그러므로 또한 밀봉된 환경의 부분을 형성하는, 부가적인 프린트헤드 엔클로저 볼륨 내에 하우징된다. 전체 밀봉된 볼륨은 최상부 판 밑에 있는 x-y 평면에서 병진 이동되어, 노즐이 부분에 대하여 옮겨질 수 있게 한다. 프린팅 동안 정상 동작하에서, 프린트헤드 하우징(4007)에 포함되는 프린트헤드의 컷아웃은 페클렛 갭 씰의 주변부 내에 머물러서, 그것을 밀봉된 볼륨 안에 및 그러므로 제어형 환경 내에 유지한다. 제 3 병진 자유도는 노즐에 대하여 프린트 플랫폼을 이동시키는 Z-축을 형성한다. 이것은, 예를 들어, 프린트 플랫폼에 대하여 아래쪽으로 노즐을 이동시킴으로써(이러한 작동의 세부사항들은 도시되지 않음) 성취될 수 있다. 이러한 단일 자유도 병진 축은 도 6a와 도 6b 및 도 8에서 제공될 것이다. 예를 들어, 노즐 서비스 스테이션들과 같은 보조 시스템들 또는 하드웨어(4008)는 밀봉된 볼륨 내에 존재하며 피드스루들의 사용에 의해 전력, 신호, 배관 구심 또는 임의의 다른 요구된 연결들을 공급받을 수 있고, 이것의 많은 상이한 스타일들은 이 기술분야에 알려져 있다. 이러한 시스템들 또는 하드웨어가 밀봉된 볼륨을 관통하는 상대적 모션을 요구한다면, 이것들은 또한 격리를 유지하기 위해 본 출원에서 설명된 페클렛 갭 씰들의 다양한 실시예들을 이용할 수 있다.

이들 페클렛 갭 씰들이 기능하는 원리는 무-차원 페클렛 수의 도움으로 설계되고 분석될 수 있다. 이러한 수는 흐름에서 대류성 질량 수송 대 확산성 질량 수송의 비를 캡처한다. 1-차원 흐름에 대해, 페클렛 수(Pe)는 다음과 같이 정의된다:

식(1)

여기에서:

L = 흐름 방향을 따르는 밀봉 길이(m)

v = 밀봉 갭을 통한 평균 가스 속도(m/s)

D = 동작 온도 및 압력에서 하나의 가스 종들의 또 다른 것에서의 이진 확산율(m²/s)

이러한 페클렛 수는 페클렛 수가 클수록, 밀봉이 양호하다는 정도로 유용할 수 있다. 깨끗한 볼륨 안쪽으로부터 바깥쪽으로 밀봉 갭을 통해 이동하는 가스의 충분히 높은 속도는 오염물질들이 "위쪽으로"(바깥쪽으로부터, 밀봉된 볼륨 안쪽으로) 확산하는 것을 상당히 금지하는 것으로 여겨질 수 있다. 구체적으로, 페클렛 갭 씰의 격리는 다음의 식에 따라 산출될 수 있다:

식(2)

I = e^{- Pe}

여기에서:

I = 밀봉된 볼륨 안의 오염 물질의 농도 대 바깥쪽에서의 그것의 농도의 비로서 정의된 격리(무단위).

앞서 말한 식은 밀봉된 볼륨으로부터 바깥쪽으로 페클렛 갭 씰을 통한 정상 상태 1차원 가스 흐름을 가정하며 시스템이 페클렛 갭 씰 자체가 아닌 다른 실제 또는 가상 누설들을 갖지 않는다면 밀봉된 볼륨 내에서 오염 물질 종들의 농도에 대한 근사치를 산출할 수 있다. 그것은 볼륨으로 들어간 가스 및 어떤 형태들이 밀봉이 완벽하게 순수한지를 추가로 가정한다.

예를 들어, 약 2ppm 산소로 유지되는 것이 바람직할 수 있는 밀봉된 볼륨의 안쪽으로부터 표준 공기(대략 200E3ppm 산소)를 가진 빌드 볼륨의 바깥쪽을 격리하기 위해, 필요한 격리는 대략 10^-5인 것으로 결정될 수 있으며 필요한 페클렛 수는 대략 11.5이다. 이것은 갭 씰의 페클렛 수에 대한 격리(밀봉 안쪽에서의 오염물질 농도 대 바깥쪽에서 그것의 농도의 비)를 갖고 식(2)를 플로팅한, 대응 선들(2001 및 2002) 상에서 도 2를 참조하여 그래픽으로 예시된다. 도 2는 부가적인 규모의 격리가 페클렛 수에 대한 미미한 증가들에 의해 쉽게 달성될 수 있는 용이함을 추가로 예시한다. 예를 들어, 단지 Pe 수를 대략 25로 두 배가 되게 함으로써, 이러한 씰의 이론적 격리는 추가 5 자릿수만큼, 10^-10으로 개선한다.

본 출원에서 개시된 페클렛 갭 씰들의 다수의 실시예들 및 예들은 예를 들어, 페클렛 갭 밀봉이 효과적인 기술일 수 있어서, 거대한 기술적 마진을 가진 크게 변경된 해법들을 생성하는 것이 가능할 수 있도록 한다는 것을 이해하기 위해 1-차원 모델 및 근사법을 사용하여 이해될 수 있다.

이러한 1-차원 처리는 밀봉 둘레가 밀봉 길이(L)에 대하여 크다고 가정하며 단일 직사각형 유체 경로로 씰의 기하학적 구조를 단순히 "절단하고" "폄"으로써 논의된 평면 페클렛 갭 씰들을 커버하는 것으로 쉽게 확장된다.

식(3)

여기에서:

Q = 체적 유량(m³/s)

t = 갭 치수(m)

w = 씰의 총 폭(m)

이러한 가정을 갖고, 이 기술분야의 숙련자는 수행하기 위해 요구된 총 가스 소비 및 압력들에 세심하면서, 적절한 확산율을 갖고 가까이에 있는 시스템을 위해 요구된 밀봉 격리를 고려할 때, 밀봉 갭을 통해 필요한 평균 유체 속도를 산출하기 위해 적절한 갭 치수 및 밀봉 길이를 선택하는 것이 간단한 연습임을 발견할 것이다.

상기 페클렛 수를 수반한 분석은 기하학의 예비 설계 및 씰을 통한 흐름을 허용한다. 그러나, 출원인들은 상기 식들이 비교적 단순한 1-차원 모델에 대응한다는 것을 인지한다. 이러한 모델은 일반적으로 적정한 갭 치수들 및 밀봉 둘레들을 위해 비교적 적은 가스 흐름을 사용하여 ppm 격리를 달성하도록 구성된 물리적 시스템들에 대응할 수 있다. 실험을 통해, 이론상으로 미미하게 초과한 페클렛 수들을 가진 동작은 실질적인 효과들을 보전하기 위해 사소하며 권할 만하다는 것이 발견되어 왔다. 게다가, 적정한 설계들을 위해, 페클렛 갭 씰의 이론적 설계를 넘어 다양한 실질적인 고려사항들을 추가로 상세하게 평가하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실질적인 고려사항들은 주로 갭 치수 변화들인 그것들 중에서, 성능 제한들을 주도하려는 경향이 있을 수 있다. 표면 선택, 구성요소들의 상대적인 모션 및 온도에 관한 추가 영향들이 또한 제공될 것이다.

도 1에 묘사된 바와 같이 페클렛 갭 씰의 실시예를 고려하자. 소스(1008)가 질량 흐름 제어기이며 그것의 세트포인트에서 고정되어 유지된다고 가정된다면, 씰의 격리에 대해 변화하는 갭 치수의 효과를 분석하는 것이 가능하다. 직관적으로, 더 큰 갭 치수들은 씰에 대해 더 큰 단면 흐름 면적을 가지며, 이것은 그것을 통한 주어진 유량에 대한 더 낮은 평균 속도들, 및 그러므로 감소된 격리를 가질 것이다. 사실상, 평균 속도의 민감도, 및 일정한 밀봉 길이 및 확산율을 가정할 때, 그에 따른 페클렛 수는 다음인 것으로 발견될 수 있다:

식(4)

이러한 민감도의 영향을 입증하기 위해, 부지불식간에, 밀봉 파라미터의 영역이 2배만큼 공칭 갭 치수들보다 크며, 동시에 또 다른 영역이 2배만큼 공칭 갭 치수들보다 작은(그러나 씰의 총 유효 유체 저항은 변경되지 않은 채로 있다) 예를 고려하자. 이러한 갭 치수들의 범위는 공칭 갭들이 10s 또는 100s의 마이크론들에서 측정될 때 고려된 길이들 및 이동들에 걸친 두 개의 적정하게 편평한 표면들 사이에서 예상될 수 있다. 작은 갭 치수를 가진 씰의 부분은 속도가 부족하게 되어, 그것의 격리를 효과적으로 불리하게 만들며, 공칭 갭보다 큰 영역은 과잉 속도를 얻는다. 구체적으로, 로컬 흐름 속도는 4x 내지 1/4x의 공칭 흐름 속도에서 변할 수 있다. 따라서, 흐름 속도는 두 개의 영역들 사이에서 16배만큼 상이하다. 수용 가능한 총 가스 유량들에 대해, 이러한 범위의 변화는 수용 가능하지 않게 낮은 로컬 페클렛 수 및 그러므로 작은 갭을 가진 씰의 측면에서의 격리를 산출할 가능성이 매우 높아서, 페클렛 갭 씰의 전체 둘레 주위에서 일관되고, 균일한 갭 치수를 유지하는 중요성을 강조한다.

통상적인 시스템 치수들 및 동작 파라미터들의 예에 대해, 상업적으로 '초-고-순도' 아르곤으로 판매되는 것을 밀봉된 볼륨에 공급할 때 대략 20mm의 밀봉 길이 및 대략 100 마이크론의 갭 치수에 대해, 100 내지 100의 범위에서의 페클렛 수들이 밀봉된 환경 내에서 50 ppm(체적) 범위 미만인 O₂ 및 H₂O 오염 레벨들을 유지하기에 충분하다는 것이 실험적으로 결정되어 왔다. 볼륨 안에서의 압력들은 범위가 대략 100 내지 1000Pa에 이를 수 있다. 그러나, 밀봉 파라미터가 증가함에 따라, 길이에 걸친 반대 밀봉 표면들에 대해 스케일들이 요구한 구성요소들의 요구된 편평도를 제조하고 유지하는 것은 점점 더 도전적이게 되고 있다. 이러한 도전은 또한 구성요소 온도에서의 변화들, 또는 두 개의 구성요소들의 상대적인 모션과 같은 외인성 인자들에 의해 과장된다. 더 느슨한 편평한 허용 오차들을 수용하는 것은 밀봉 표면들 사이에서의 평균 갭 치수를 증가시키는 것을 요구하며, 이것은 구성요소들 간의 동일한 흐름 속도 및 그러므로 동일한 격리를 제공하기 위해, 증가된 가스 소비를 요구한다. 더 중요하게는, 전체 둘레 씰에 걸쳐 두 개의 구성요소들 간에 일관된 변위를 보장하는 것이 또한 점점 더 도전적이게 되고 있으며 가스 흐름 상에서 불충분한 마진을 갖고 동작한다면, 격리는 이전 분석이 보여주는 바와 같이, 부정적인 영향을 받을 수 있다.

페클렛 갭 씰을 정의한 구성요소들이 서로에 대하여 이동할 때, 또 다른 실질적인 효과가 있다. 비-슬립 경계 조건으로 인해, 속도 프로파일의 형태 및 그것의 크기 둘 모두가 정적 경우에서 변한다. 흐름의 정확한 형태는 포물형 및 선형 속도 프로파일의 중첩인, 압력 차를 가진 두 개의 평행한 판들 사이에서의 쿠에트(Couette) 흐름에 대한 잘 알려진 식을 갖고 예측될 수 있다. 선형 구성요소는, 밀봉 갭을 통한 가스 속도의 방향에 대하여 구성요소들의 상대적인 모션의 방향에 의존하여, 유리하게 또는 유리하지 않게(평균 흐름 속도에 대하여) 부가할 수 있다. 평면 동적 페클렛 갭 씰은 평균 속도 및 그러므로 다른 면적에서의 격리가 불리하게 되는 동안 모션으로부터 이익을 얻는 밀봉 둘레의 부분들을 가질 것이다. 본 출원에서 고려된 많은 시스템들에 대해, 설계된 밀봉 가스 속도들은 구성요소들 간의 상대적인 모션의 크기보다 더 크지 않거나 또는 상당히 더 크지 않은 경우 통상적으로 유사하다. 최악의 경우의 모션을 감안하기 위한 부가적인 동작 마진은 밀봉된 볼륨으로의 가스의 유량을 증가시킴으로써 쉽게 달성될 수 있다. 그것은 가장 중요한 씰을 통한 평균 로컬 가스 속도임이 다시 주의되어야 한다. 임의의 하나의 위치에서 유선들의 일 부분은 심지어 음의 크기의 속도를 갖지만(즉, 가스가 바깥쪽에서 안으로, 역방향으로 흐른다), 씰의 격리는 갭 치수를 통한 유선들 모두의 평균 흐름 속도가 충분히 양성인 한 손상되지 않을 수 있다. 이것은 갭을 통한 유선들에 수직인 방향에서 오염물질 종들의 속도가 통상적으로 흐름 속도보다 훨씬 더 크기 때문이며; 1차 흐름 방향에 수직인 확산으로 인해, 갭 치수를 통한 상당한 혼합이 효과적으로 있을 수 있다. 이것은 이전에 제공된 1D 분석이 큰 효과를 위해 사용되는 또 다른 이유이다. 추가 분석은 회전 자유도들, 특히 더 높은 속도들에서의 것들에 대해 보장될 수 있다.

페클렛 갭 씰을 설계할 때 또 다른 고려사항은 온도이다. 유체의 온도가 증가함에 따라, 그것의 밀도는 그것의 속도가 증가하려는 경향이 있는 동안 통상적으로 감소한다. 더욱이, 두 개의 종들의 확산율은 명목상 T^3/2로 스케일링한다. 이러한 이유로, 예상된 동작 조건들에서 논의 중인 시스템을 분석하는 것이 중요하다.

균일한 갭 치수를 유지하는 도전으로 돌아가면, 우리는 페클렛 갭 씰의 제 2 바람직한 실시예를 도입한다: 기체 정역학 베어링의 사용, 및 더 바람직하게는, 페클렛 갭 씰의 반대 표면들 중 하나의 적어도 일 부분으로서, 다공성 매체 기체 정역학 베어링. 종래에, 이러한 기체 정역학 베어링들은 또한 공기 베어링들로 불리울 수 있으며, 통상적으로 두 개의 표면들 사이에서 반력을 효과적으로 제공하기 위해 가압된 가스(반드시 공기는 아니지만)의 얇은 막을 사용함으로써 동작할 수 있다. 하나 이상의 요소들은 작은 홈, 일련의 오리피스들과 같은 높은 유체 저항, 또는 바람직하게는 다공성 매체에서 구불구불한 작은 경로들을 통한 내재 저항을 제공한다.

공기 베어링의 가장 단순화한 모델은 직렬로 있는 두 개의 유체 저항들과 같다. 제 1 저항, R1은 공기 베어링의 구성 시 내재된다. 종래의 오리피스 공기 베어링의 경우에, 이러한 저항은 베어링 오리피스의 제한에 의해 제공된다. 다공성 매체 공기 베어링(이러한 논의의 나머지가 초점을 맞출)의 경우에, 이러한 저항은 다음과 같이 낮은 레이놀즈(Reynolds) 수에 대한 다르시 법칙(Darcy's law)에 의해 대략 설명될 수 있다:

식(5)

여기에서 μ = 유체의 동적 점성(Pa*s), x = 유체가 흐르는 다공성 매체를 통한 길이(m), k = 특정 매체의 침투성(m^2), 및 A = 흐름이 발생하는 다공성 매체의 단면적(m^2).

제 2 저항, R2는 공기 베어링 밖으로, 및 공기 베어링 면 및 밀봉 표면 면 간의 갭을 통한 가스의 흐름에 의해 형성된다. 하겐-푸아죄유(Hagen-Poiseuille) 식은 주어진 기하학적 구조에 대한 이러한 저항을 산출하기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 갭 치수의 세제곱의 역에 민감하다고 발견될 것이다.

이들 두 개의 저항들이 직렬로 위치될 때, 그것들은 전기 회로들에서 분압기에 대한 유추에 의해, 본질적으로 압력 분할기인 것을 형성한다. 압력은 이들 두 개의 저항들의 상대적인 값들에 관련되는 공기 베어링의 면에서 발생할 것이다. 갭의 저항은 고도로 비선형이며 갭의 치수에 따라 역으로 달라진다. 갭이 클 때, 갭의 저항은 매우 낮으며, 베어링 면에서 발생된 압력은 0이 된다. 마찬가지로, 갭이 매우 작아짐에 따라, 저항은 빠르게 성장하며, 베어링의 면에서의 압력은 베어링으로 공급되는 공급 압력에 도달한다. 한편, 공기 베어링의 파라미터들 - 구체적으로 침투성-매체 베어링의 경우에, 흐름 길이 L, 및 침투성 k - 은 주어진 하중에서 주어진 베어링 비행 높이를 제공하기 위해 동조될 수 있다. 상업적인 공기 베어링들에서 비행 높이들은 일반적으로 1 내지 20㎛의 범위에 있도록 설계되며 크기, 설계 및 공급 압력에 의존하여, 수십 내지 수천 뉴턴 또는 훨씬 더 높게 하중들을 지지할 수 있다.

특히, 갭에서 고도의 비선형 저항의 결과는 공기 베어링의 강성도가 마찬가지로 고도로 비선형이며, 베어링 갭이 감소됨에 따라 매우 빠르게 성장한다는 것이다. 결과적으로, 공기 베어링들은 본질적으로 공기 베어링 면과 반대 밀봉 표면 사이에서 매우 일관된 갭을 유지한다. 공기 베어링은 또한 상당한 특정 하중 용량들을 갖고, 그것의 밀봉 표면에 대하여 거의 마찰이 없는 모션을 가능하게 한다. 그것이 동작하는 매우 작은 갭 두께들과 결합될 때, 공기 베어링은 페클렛 갭 씰로서의 사용을 위해 최적화된다.

가장 중요한 것은 갭의 저항에 대한 베어링에서의 저항의 상대적인 규모들이다. 일반적으로, 베어링 저항은 갭의 저항보다 크며 종종 수십 배 더 크다. 그러므로, 갭 저항을 무시하는 것이 합리적인 가정일 수 있다. 그렇게 할 때, 갭을 통한 흐름의 속도가 갭 치수에 대한 다음의 민감도를 갖기 위해 도출될 수 있다:

식(6)

이러한 비례성은 나중에 기체 정역학 요소를 가진 페클렛 갭 씰에 대한 것과 대조적일 것이다.

도 3은 기체 정역학 요소를 이용한 평면 페클렛 갭 씰의 실시예를 예시한다. 도 1에서처럼, 밀봉된 볼륨 내에서의 제어된 환경(1002)은 엔클로저 벽들(1003) 및 밀봉 판(1004)에 의해 형성된 기밀 경계에 의해 형성된 나머지를 갖고, 화살표들(3001)에 의한 가스 흐름의 단순화한 표현에 의해 예시된 가스의 얇은 막에 의해 바깥쪽 분위기(1001)로부터 격리된다. 여기에서, 기체 정역학 요소는 엔클로저의 일 부분에 기계적으로 합쳐지는 다공성 매체(3002)로서 표현된다. 기체 정역학 요소의 상부 표면과 밀봉 판(1003)의 하부 표면 간의 거리는 갭 치수(1006)를 형성한다. 묘사된 바와 같이, 씰로 가스를 방출하는 기체 정역학 요소의 부분은 씰의 전체 길이에 이를 필요가 없다. 가압된 가스는 공급 장치(1008)로부터 공동(3003)으로 들어가게 되며, 여기에서 그것은 그 후 기체 정역학 베어링 요소의 높은 유체 저항을 통해 흐른다. 이러한 2-차원 뷰에서, 공동 및 씰은 밀봉 파라미터 주위에, 연속적인, 중단되지 않은 씰을 형성한다는 것이 이해되어야 한다. 들어간 가스는 화살표들(3001)을 갖고 도시된 바와 같이, 바깥쪽으로 흐르고, 따라서 밀봉 기능에 기여하거나, 또는 화살표(3004)를 갖고 도시된 바와 같이 깨끗한 볼륨을 향해 흐를 수 있다. 더 많은 가스가 안쪽으로 흐름에 따라, 바깥쪽 분위기에 대한 씰 볼륨 안의 압력은 증가하려는 경향이 있을 것이다. 이러한 압력 차는 그 후, 이전 논의된 기체 정역학 요소가 없는 페클렛 갭 씰들에서처럼, 갭을 통한 부가적인 흐름을 이끌도록 작용할 수 있다. 이러한 이유로, 기체 정역학 페클렛 갭 씰들의 많은 실질적인 실시예들에서, 높은 저항 요소로 들어간 공기 중 많은 것, 또는 거의 모든, 또는 모두는 바깥쪽으로 흐르는 경향이 있어서, 씰에 유익할 것이다.

페클렛 갭 씰에서 기체 정역학 베어링 요소를 사용하기 위해, 베어링은 바람직하게는, 요구된 순도 레벨에서, 순수한 환경에 있는 동일한 가스를 공급받는다. 예를 들어, 밀봉된 볼륨 안에서의 분위기가 10ppm 이하 O₂ 오염을 가진 아르곤을 포함하도록 요구된다면, 공기 베어링은 10ppm O₂ 오염, 및 바람직하게는 10ppm 미만 O₂ 오염을 가진 아르곤을 공급받아야 한다. 기체 정역학 베어링 요소로 공급되는 가스의 압력은 바람직하게는 밀봉된 볼륨에 존재하는 압력보다 높을 수 있다. 기체 정역학 베어링 요소로 공급되는 가스의 압력은 또한 바람직하게는 밀봉된 볼륨 바깥쪽의 분위기의 압력보다 높을 수 있다. 논의된 바와 같이, 밀봉된 볼륨 안으로부터의 가스는 또한, 밀봉된 볼륨 안의 압력이 밀봉 갭에 존재하는 것 및 밀봉된 볼륨 바깥쪽에 존재하는 것보다 높음을 보장함으로써, 밀봉 갭을 통해 밀봉된 볼륨으로부터 바깥쪽으로 흐르게 될 수 있다.

기체 정역학 베어링 요소는 기존의 공기 기체 정역학 베어링 제조에서 일반적인 다수의 기술들 중 임의의 것을 사용하여 구성될 수 있으며, 이것은 이 기술분야에서의 숙련자에게 친숙할 것이다. 이전에 논의된 바와 같이, 이것들은 다른 것들 중에서, 가스가 베어링 층을 생성하기 위해 고압에서 및 편평한 환형에 걸쳐 단일의 작은 오리피스를 통해 흐르는 오리피스 기체 정역학 베어링들; 및 가스가 베어링의 면 위에 쿠션을 형성하기 위해 흑연과 같은 다공성 물질을 통해 흐르는 다공성 매체 기체 정역학 베어링들을 포함한다.

페클렛 갭 씰로서 기체 정역학 베어링의 사용은 가스의 대응하는 높고 균일한 유출 속도들로 인해 발생할 페클렛 갭 씰에 대한 매우 일관된, 작은 갭 치수를 유지하는 중대한 이익을 제공한다. 공기 베어링으로부터의 가스의 흐름은 또한 갭에서 대류성 질량 전달에 기여하며 페클렛 갭 씰의 성능을 개선한다. 이러한 방식으로 기체 정역학 베어링들을 구현할 때 주요 도전은 공기 베어링 면 및 특히 밀봉 표면 면에 대한 충분히 편평한 표면들을 생성하는 것과 연관된 어려움이다. 하중-지탱을 가능하게 하기 위해 베어링 면에서 충분한 압력의 발생이 기체 정역학 베어링을 기체 정역학 베어링이 없는 이들 페클렛 갭 씰들보다 밀봉 표면 간의 의도하지 않은 기계적 접촉에 훨씬 덜 민감하게 하는 동안, 충분히 짧은 길이에 걸친 밀봉 표면들의 편평도에서의 충분히 큰 변화는 베어링의 국소 강성도를 극복하는 국소 베어링 압력을 야기할 수 있으며 공기 베어링 및 밀봉 표면이 충돌하게 하고, 이것은 "크래싱(crashing)" 또는 "하이-포인팅(high-pointing)"으로서 불리울 수 있다. 이러한 도전을 다루는 하나의 바람직한 실시예는 밀봉 표면의 반대편에 있는 임의의 국소 편평도 변화들을 따를 수 있는, 다공성 금속 매체의 얇은 시트 또는 흑연의 얇은 조각으로부터 형성된 다공성 매체 베어링과 같은, 매우 순응적 기체 정역학 베어링이다. 제 2 바람직한 실시예는 대신에 상당히 단단한 기체 정역학 베어링을 가진, 유리의 얇은 시트와 같은, 매우 순응적 밀봉 표면을 사용한다. 이 실시예에서, 밀봉 표면은 공기 베어링을 따르며, 밀봉 표면에서 임의의 편평도 변화의 영향을 무효화한다. 많은 실시예들에서, 하중-지탱 기체 정역학 베어링들 및 그것들이 얹혀 있는 표면은 예를 들어, 스프링들, 가스 또는 유체 실린더들, 자석들, 또는 진공과 같은, 이 기술분야에 알려진 다양한 기술들에 의해 서로를 향해 "사전 부하(pre-load)"된다. 적절하게 분산된 사전 부하는 순응 요소의 밀봉 표면이 대체로 단단한 요소의 밀봉 표면을 따르도록 허용한다.

또 다른 실시예에서, 기체 정역학 페클렛 갭 씰은 가스를 공급받음에도 불구하고, 발생하는 결과적인 가스 쿠션이 의미있는 하중 또는 사전 부하를 지지하기에 적절하지 않은 이러한 방식으로 설계되거나 또는 동작될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 불충분한 유량 또는 압력을 갖고 베어링을 구동하고, 기체 정역학 요소의 표면적을 감소시키거나, 또는 예를 들어, 너무 큰(즉, 베어링이 적은 강성도를 갖는) 갭 치수를 유지함으로써, 성취될 수 있다.

다시 말해서, 이 실시예에서, 기체 정역학은, 대개 베어링으로서 동작하지 않는다. 오히려, 내부 채널들 또는 공극률은 페클렛 갭 씰 내에서 가스 흐름을 전달하기 위한 분배기로서 동작하며 그것들 간의 갭을 유지하는 기능은 또 다른 구성요소에게 떨어진다.

사실상, 기체 정역학 베어링은 하중-지탱 용량을 위해 설계되거나 또는 동작될 필요가 없다. 밀봉 기능을 위해, 그것은 밀봉 이익의 많은 것을 제공하는 씰의 갭과 기체 정역학 베어링 간의 유체 저항에서의 수십 배 차이다. 이후, 출원인들은 가스 분배기(또는 간단히, 분배기)를 나타낼 것이며, 이것은 반대 밀봉 표면으로 의미 있는 반력을 인가하는 것이 가능하지 또는 이러한 방식으로 동작되는지에 관계없이, 밀봉 갭을 통한 흐름의 유체 저항에 대하여, 큰 유체 저항을 제공하도록 설계되는 페클렛 갭 씰의 주변부 가까이에 위치된 임의의 구성요소를 의미하도록 이해되어야 한다.

이 실시예에서, 그 변형은 도 5a에 도시되며, 분배기 요소는 3개의 1차 접촉 패드들에 결합되며, 분배기의 면은 약간의 거리만큼 이들 패드들 아래로 변위된다. 이러한 거리는 바람직하게는 50 내지 500 마이크론의 범위에 있다. 이들 1차 접촉 패드들은 밀봉 표면 및 분배기, 1차 접촉 패드들, 및 다른 부착된 구성요소들을 포함한 어셈블리 사이에서 베어링을 제공한다. 그것들은 이하에서 추가로 상세하게 설명되는, 다양한 기술들을 사용하여 구현될 수 있다. 그것들은 또한 바람직하게는 분배기의 면으로부터 기계적으로 분리될 수 있으며, 따라서 그것들은 분배기 면의 평면에 대하여 회전하고 및/또는 병진할 수 있다. 밀봉 표면의 위치는 접촉 패드들에 의해 정의된다. 3개의 패드들이 있으며, 그것들의 면적은 분배기 요소로 에워싸인 면적에 대하여 작으므로, 밀봉 표면에 대해 요구된 편평도 허용 오차는 최상부 판 상에서의 돌기들 상에서 분배기가 "크래시" 또는 "하이-포인트"하는 위험을 발생시키지 않고 감소될 수 있다. 부가적으로, 분배기가 더 이상 그것의 면에서 특정 압력을 제공하도록 요구되지 않으므로, 분배기로의 공급 압력 - 및 따라서, 분배기의 가스 소비 - 은 공기 베어링-기반 갭 씰에서 사용된 것 아래로 상당히 감소될 수 있다.

도 5a에 도시된 바람직한 실시예에서, 3개의 1차 접촉 패드들(5001)이 도시되지만; 다른 바람직한 실시예들에서 3개보다 많은 접촉 패드들이 사용될 수 있다는 것이 이 기술분야에서의 숙련자에게 명백할 것이다. 더욱이, 도 5a에 도시된 갭 씰이 평면 실시예에서 도시되지만, 1차 접촉 패드들 상에 지지된 분배기의 핵심 개념은 원통형 및 반구형 씰들로서를 포함한, 다른 기하학적 구조들에 적용될 수 있다는 것이 이 기술분야에서의 숙련자에게 명백할 것이다. 도 5b를 참조하면, 각각의 접촉 패드(5001)는 비-베어링 표면(5003)보다 밀봉 판에 더 가까운 베어링 표면(5002)을 가진다. 특정한 실시예들에서, 베어링 표면은 약 10㎛만큼 밀봉 판으로부터 분리되지만, 비-베어링 표면은 약 50 내지 500um만큼 밀봉 판으로부터 분리된다. 도 5c를 참조하면, 또 다른 실시예에서, 베어링 표면으로부터 비-베어링 표면(5005)을 분리하는 분리 갭(5004)이 있다.

여기에서 설명된 페클렛 갭 씰의 실시예들 중 일부 - 구체적으로, 있는 그대로의 표면 씰 실시예, 및 분배기 실시예 - 는 밀봉 표면에 대하여 베어링을 제공하기 위해 1차 접촉 패드들의 사용에 의존하여, 서로로부터 정의된 거리에 반대 밀봉 표면들을 위치시킨다. 이들 패드들은 일반적으로 변형되거나 또는 그 외 실패하지 않고 페클렛 갭 씰의 전체 운영 체계 - 특히 온도에서 - 를 용인할 수 있어야 한다. 그것들은 또한 페클렛 갭과 밀봉 표면 사이에서의 모션에 최소 마찰력을 도입해야 한다. 바람직하게는, 사용된 패드들의 수는 밀봉 표면에 대한 페클렛 갭 씰을 정확하게 제한할 것이다. 예를 들어, 평면 페클렛 갭 씰의 경우에, 3개의 베어링 패드들이 1 정도의 병진 및 2 정도들의 회전을 제한함으로써 밀봉 표면에 대한 씰을 정확하게 제한한다. 그러나, 더 큰 또는 더 적은 수의 패드들이 바람직한 특정한 실시예들이 있을 수 있다.

이전에 논의된 바와 같이, 1차 접촉 패드들이 일반적으로 여기에서 평면 실시예의 맥락에서 도시되었지만, 별개의 밀봉 표면을 지지하는 1차 접촉 패드들의 개념은 많은 상이한 기하학적 구조들의 페클렛 갭 씰에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 원통형 페클렛 갭 씰은 연속적인 또는 분할된 원통형 베어링 패드들에 의해 어느 하나의 단부에서 지지될 수 있다.

더욱이, 1차 접촉 패드들이 그것들이 지지하는 페클렛 갭으로부터 물리적으로 분리되는 것으로 이전에 설명되었지만, 밀봉 둘레 자체에 일체형으로 지지 패드들을 구현하는 것이 바람직한 구현들이 있을 수 있다. 예로서, 다공성 매체로부터 만든 분배기 페클렛 갭 씰은 도 5a에 도시된 바와 같이, 그것으로 기계 가공된 1차 접촉 패드들을 가질 수 있다. 이러한 특정 구현에서, 이들 패드들에 대한 가스 공급은 또한 바람직하게는 분배기를 위한 가스 공급으로부터 유동적으로 분리될 수 있다.

1차 접촉 패드들은 다수의 기술들을 사용하여 구현될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 패드들은 슬라이딩 접촉 베어링들을 사용하여 구현된다. 예를 들어, 테프론 패드들은 저-마찰 인터페이스를 제공하기 위해 스틸 표면에 대하여 사용될 수 있다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 패드들은 볼 전달 블록들과 같은, 롤링 접촉 베어링들을 사용하여 구현된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 패드들은 유체정역학 베어링들을 사용하여 구현된다. 페클렛 갭 씰은 유체정역학 베어링들로부터의 유체가 고-순도 밀봉 볼륨으로 들어가는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 패드들은 자기 부상 베어링들을 사용하여 구현된다.

추가의 바람직한 실시예에서, 1차 접촉 패드들은 대체로 페클렛 갭 씰의 둘레의 바깥쪽에 위치되며, 씰 및 밀봉된 볼륨으로부터 별개의 가스 공급 장치로 연결된다. 이러한 별개의 가스 공급 장치는 또한 바람직하게는 펌프에 의해 제공된 주변 공기와 같은, 페클렛 갭 씰 및 고-순도 볼륨에서 사용된 것과 상이한 가스일 수 있다. 1차 접촉 패드들이 페클렛 갭 씰의 둘레로부터 상당히 변위되므로, 패드들로부터의 저-순도 가스 방출은 씰의 성능에 영향을 주지 않는다. 이러한 방식으로, 고-순도 가스의 총 소비는 상당히 감소될 수 있다.

기체 정역학 페클렛 갭 씰들의 상기 설명들은 기체 정역학 요소를 구성하기 위해 요구된 특정 재료들에 대하여 다 쓸 수 있다. 매우 다양한 재료들이 동작 온도; 밀봉된 볼륨에 존재하는 가스 종들; 밀봉된 볼륨 밖으로 유지될 가스 종들 또는 다른 재료들; 조립 및 제조 가능성 우려들; 및 기타와 같은, 씰 상에 위치된 특정 요건들에 의존하여 사용될 수 있다. 일반적으로, 그러나, 기체 정역학 페클렛 갭 씰을 형성하기 위해 사용된 재료는 특히, 온도에 관하여, 그것의 동작 체계 전체에 걸쳐 치수적으로 안정적이어야 하며; 오염 물질들을 과도하게 흡착하지 않거나, 또는 오염 물질들을 제거할 몇몇 수단들을 제공해야 한다.

침투성 매체에 기초하여 기체 정역학 페클렛 갭 씰의 경우에 대한 상이한 기능을 제공하는 몇몇 관심 있는 실시예들이 존재한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 침투성 매체는 다른 것들 중에서, 흑연, 다공성 실리콘 탄화물, 또는 비스크 알루미나와 같은, 침투성 반-금속 또는 세라믹이다. 특히, 이들 재료들 중 많은 것은 극히 높은 온도들에서 높은 강도 및 치수 안정성을 유지하여, 그것들을 고온 애플리케이션들에 이상적으로 적합하게 만든다.

제 2 바람직한 실시예에서, 침투성 매체는 침투성 금속 기지재이다. 이러한 재료의 예는 Mott Corporation(코네티컷, 파밍턴)에 의해 제조된 소결된 다공성 금속 필터 재료이다. 이들 재료들은 적당한 온도들(T <= 700℃)을 용인할 수 있다. 그것들은 또한, 용접, 경납땜 및 솔더링과 같은, 매우 다양한 접합 기술들을 사용하여 다른 금속성 구성요소들에 쉽게 접합된다.

상기 설명된 재료들은 광범위한 침투성들을 가진다. 갭 씰의 특정 설계에 의존하여, 주어진 재료(다른 이유들로 선호되는)의 침투성은 상기 설계에 적절하지 않을 수 있다. 다른 인스턴스들에서, 기체 정역학 페클렛 갭 씰의 특정 부분들을 다른 것들보다 더 침투성으로 만드는 것이 바람직할 수 있다. 이들 경우들에서, 재료의 침투성은 다양한 기술들을 사용하여 감소될 수 있다. 더 낮은 온도들(대략 300℃ 미만)에서, 에폭시들, 아크릴 래커들, 및 폴리이미드들과 같은 고분자 재료들이 침투성을 감소시키거나 또는 제거하기 위해 침투성 매체에 적용될 수 있다. 더 높은 온도들(대략 300℃ 초과)에서, 프리-세라믹 중합체들로서 알려진 화합물들의 클래스는 흑연 및 비스크 알루미나와 같은, 특정한 침투성 재료들을 밀봉하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 프리-세라믹 중합체들은 그것들을 세라믹으로 변환하기 위해 적용 후 소성될 수 있다.

갭 씰의 주변부로 직접 가스 흐름을 도입하기 위한 분배기의 사용은, 두 개의 반대 밀봉 표면들 사이에서의 갭 치수에서 불-균일성들의 경우에도, 전체 밀봉 둘레 주위로 최소 Pe 수를 유지하는데 유리하다. 이것은 예와 함께 예시될 수 있다. 갭 치수에서의 2x 변화는 속도 및 그에 따라 씰의 둘레 주위에서의 Pe 수에서 16x 변화로 이어진 예를 상기하자. 이제, 식 6을 상기하면, 이러한 가스에 대한 흐름로의 1차 저항이 분배기에 있기 때문에(및 갭 자체에는 없음), 턴 온되며 분배기로부터의 유량이 갭에 따라 변하지 않는 분배기로 교체된다고 가정하자. 우리는 갭이 가장 얇은 경우에, 분배기 가스로부터의 흐름의 속도가 갭이 더 두꺼운 경우 흐름의 속도보다 높음을 안다. 이것은 밀봉된 볼륨 내에서 발생하는 흐름에 대해 일어나는 것의 반대이다. 따라서, 이들 두 개의 효과들은 서로를 보상할 수 있다. 밀봉된 볼륨에서 온 흐름은 갭에서의 출구 속도(및 Pe 수)가 갭이 타겟보다 클 때 충분히 높은 채로 있음을 보장하도록 동작할 수 있다.

이들 두 개의 상보적 메커니즘들의 공존은 본 개시의 양상이다. 이들 상보적 메커니즘들은 도 7에 도시되며, 이것은 가로 좌표상에서 갭 치수 - 공칭 설계 치수로 정규화된 - 에 대한 세로 좌표상에서 갭 - 설계 속도로 정규화된 -을 통해 가스 속도를 플로팅한다. 페클렛 갭 씰에 대해 네모 표시가 된 갭 치수에 대한 속도의 비례성은 점으로 된 곡선(7001)으로 도시되며 가스분배기를 가진 페클렛 갭 씰에 대한 갭 치수의 역에 대한 비례성은 실선(7002)으로 도시된다.

저자들은 더 완전한 분석들이, 예를 들어, 계산 유체 역학들 또는 전기-유체 유추를 사용하고 적절하게 이산화된 저항기 네트워크 및 회로 솔버를 사용함으로써, 이들 혼합-모드 페클렛 갭 씰들의 성능을 예측하기 위해 완성될 수 있음을 인정한다.

분배기로부터의 흐름의 동일한 이익이 이전 실시예에서 취하고 있다는 것이 이해될 것이다 - 기체 정역학 씰이 또한 하중-유지 기체 정역학 베어링으로서 동작하고 있는 것. 따라서, 이러한 기체 정역학 베어링 실시예에서, 우리는 Pe 씰의 유효성에 대한 3개의 관련되지만, 별개의 기여들을 가진다. 첫 번째로, 불활성 볼륨 내로부터 흐르는 가스가 씰을 빠져나간다. 두 번째로, 기체 정역학 베어링은 갭을 작고 비교적 일관되게 하며, 따라서 주어진 양의 가스 흐름의 격리를 강화한다. 세 번째로, 기체 정역학 베어링의 흐름은 갭 내에서 빠져나가며 상기 설명된 바와 같이 분배기로부터의 흐름의 이익 중 많은 것을 가진다.

지금까지의 논의는 페클렛 갭 씰의 평면 실시예들을 제공하였지만, 이 기술분야의 숙련자는 밀봉될 표면의 형태에 의존하여, 이러한 씰의 기본적인 개념이 광범위한 기하학저 구조들에 적용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

예를 들어, 도 6a 및 도 6b는 엔클로저를 관통하는 샤프트(6001)에 의한 환상형 씰 형태를 묘사한다. 샤프트의 주변부는 둥글고, 직사각형, 6각형 또는 임의의 다른 2-차원 형태일 수 있다. 다른 실시예들에서처럼, 페클렛 갭 씰은 얇은 갭에서 빠져나가며, 이것은 엔클로저의 부분으로서 묘사된, 밀봉된 볼륨의 경계를 형성하는 구성요소를 통해 약간 더 크지만 유사하게 성형된 홀과 샤프트의 주변부 사이에서 환상형이다.

구체적으로, 도 6a는 깨끗한 볼륨 안으로부터의 가스 압력이 흐름 길이(6003)를 따라 밀봉 갭(6002)을 통해 가스를 이끌며 이러한 방식으로 깨끗한 볼륨 바깥쪽과 안쪽 사이에서의 격리를 유지하기 위해 사용되는 실시예를 묘사한다.

도 6b에 도시된, 대안적인 바람직한 실시예에서, 기체 정역학 요소는 관형 요소이다. 이러한 실시예가 어떻게 구성될 수 있는지에 대한 예로서, 일반적으로 에어 부싱들로서 알려진 기계 구성요소들이 광범위한 상업적 재판매업자로부터 이용 가능하다. 에어 부싱은 그것이 엔클로저 벽을 관통하고 밀봉된 볼륨에 들어가도록 설치된다. 압력은 에어 부싱의 외부 하우징(6002)의 안쪽에 인가되며 가스의 쿠션 또는 막이 에어 부싱 흐름 요소(6003)의 내부 표면과 샤프트 사이에서 형성한다. 샤프트는 그 후 밀봉된 볼륨 안쪽의 고-순도 환경으로 오염 물질들을 도입하지 않고, 에어 부싱을 통해 그것의 축을 따라 병진하거나, 또는 그것의 축 주위를 회전한다. 특히, 에어 부싱은 반드시 그것을 통해 병진하는 샤프트에 베어링 지지대를 제공하지만, 기체 정역학 요소는 반드시 하중-지탱 기능을 제공할 필요는 없으며 비-하중-지탱 분배기로서 동작할 수 있다.

설계 및 페클랫 갭 씰들을 동작시키기 위한 부가적인 실질적인 고려사항들이 논의될 것이다.

평면 페클렛 갭 씰의 설계는 광범위한 재료들로부터의 생성에 적합하며, 이것은 결과적으로 비교 가능한 범위의 온도들에 걸친 적용을 가능하게 한다. 더 작은 스케일들에서, 두 개의 구성요소들에 대해 요구된 편평도 허용 오차들은 일반적인 제조 기술들을 갖고 달성 가능하다. 또한, 몇몇 다른 실시예들과 대조적으로, 사용된 가스 모두는 밀봉된 볼륨 안으로 들어가게 되고 그러므로 혼합할 기회를 가지며, 이것은 임의의 오염 물질들의 희석 및 제거에 의해 이러한 환경의 청결도를 개선하도록 돕는다.

밀봉 표면은 광범위한 재료들로 구현될 수 있다. 일반적으로, 밀봉 표면을 위해 사용된 재료는 특히 온도에 관하여, 그것의 동작 체계 전체에 걸쳐 치수적으로 안정되어야 하고; 침투 가능하지 않아야 하고; 동작을 위해 요구된 편평도를 제공하기 위해 쉽게 작동 가능해야 하며; 과도하게 오염 물질들을 흡착하지 않아야 한다. 바람직하게는, 재료는 오염 물질 흡수를 감소시키기 위해 미세한 표면 마감재를 가질 것이다. 많은 스테인리스 스틸들, 세라믹들, 및 유리들을 포함한, 광범위한 일반적인 엔지니어링 재료들이 이들 기준들에 맞는다.

하나의 바람직한 실시예에서, 유리-세라믹이 밀봉 표면으로서 사용된다. Robax(뉴욕, 엠스포드, Schott North America) 또는 Neoceram(일본, Nippon Electric Glass)와 같은, 유리-세라믹들은 저 표면 거칠기, 불침투성, 및 선천적으로 높은 편평도와 같은, 유리들의 원하는 속성들 중 많은 것을 일반적으로 보여준다. 부가적으로, 그것들은 또한 높은 서비스 온도들; 높은 열 충격 저항; 및 적정한 온도 범위(0 내지 500℃) 전체에 걸쳐 거의 0인 열 팽창을 제공하여, 그것들을 적정-온도 애플리케이션들에 적절하게 한다.

제 2 바람직한 실시예에서, 실리콘 탄화물 재료가 밀봉 표면으로서 사용된다. 실리콘 탄화물은 1000 내지 1500℃ 범위로 높은 열 안정성을 제공하여, 그것을 고온 애플리케이션들에 대한 양호한 후보로 만든다.

때때로 밀봉된 볼륨의 일 부분을 형성하며 그러므로 안쪽 상에 있지만, 다른 때에는 이들 동일한 부분들이 바깥쪽 분위기에 노출될 수 있는 표면의 부분들을 가진 구성요소가 있을 수 있다는 것을 주의해야 한다. 예시적인 예로서, 도 1로 돌아가면, 밀봉 판(1004)의 하부 표면의 부분들은 볼륨 엔클로저 및 밀봉 판(1004)의 상대적인 위치들에 의존하여, 이러한 정의를 만족시킨다. 이러한 표면의 재료, 및 그것 상에서의 마감재는 그것으로 흡착할 수 있는 오염 물질들의 양을 제한하기 위해 신중하게 선택되며 그 후 엔클로저 및 밀봉 판의 상대적인 모션에 의해 밀봉된 볼륨으로 효과적으로 운반되어야 한다. 예를 들어, 표면의 일 부분 및 이러한 부분으로 흡착된 충분한 양의 수증기가 그 후 밀봉된 볼륨으로 옮겨지면, 그것은 순도-제어 분위기(1002)를 저하시킬 수 있다. 밀봉 판(1004) 자체는 관심 있는 오염 물질 종들, 및 최소 공극률, 최소 거칠기(표면적)를 가지며, 오염 물질들을 과도하게 흡착하지 않는 재료이도록 선택된 그것의 표면에 대해 불침투성이어야 한다. 대표적이 표면들은 연마된 금속들, 많은 유리들, 세라믹들, 및 유리-세라믹들을 포함한다. 페클렛 갭 씰이 길이 치수(1007)를 가짐에 따라, 표면상에 존재하며 그것이 밀봉된 볼륨에 들어갈 때 표면에서 떼어낸 오염 물질들은 갭에서 가스 흐름에 의해 완전히 없앨 수 있어서, 밀봉된 볼륨 안쪽의 제어 환경으로 방출될 남아있는 오염이 적거나 없게 한다. 더욱이, 상당히 상승된 온도에서 밀봉 판의 표면을 유지하는 것은 몇몇 종들의 흡수를 방지하거나 또는 억제할 수 있다.

도 1에 도시된 이러한 평면 표면 씰 실시예에서, 씰의 부분으로서 사용된 반대 표면들은 약 100㎛, 및 더 바람직하게는 약 10㎛ 이하로, 엄격하게 제어된 편평도를 가진다. 기체 정역학 씰 요소는 임의의 수의 재료들로부터 만들어질 수 있지만, 바람직하게는 온도들의 범위 및 씰이 겪게 될 다른 동작 조건들 전체에 걸쳐 매우 형태적으로 안정된 재료로부터 만들어진다. 밀봉 표면(예컨대, 도 1에 도시된 판(1004))은 적어도 기체 정역학 씰 요소의 특성적 치수에 대해 엄격하게 제어된 편평도를 갖고 유사하게 제조되며; 추가로, 이전 설명된 속성들을 가진 재료로부터 제저된다. 기체 정역학 씰 요소는 그 후 약간의 거리만큼, 바람직하게는 50 내지 500 마이크론의 범위에서, 밀봉 표면으로부터 변위된다. 이것은 씰의 구성요소들 사이에서 슬라이딩 또는 롤링 요소들을 갖고 성취될 수 있다. 그것은 기계 프레임 및 모션 시스템의 조합으로 씰의 두 개의 구성요소들의 수직 위치를 고정시킴으로써 실의 이동 구성요소들 간의 접촉 없이 성취될 수 있다. 이 실시예에서, 약간 상승된 가스 압력(약 10 내지 1000Pa)이 내부 고-순도 환경으로의 가스의 흐름을 통해 내부, 고-순도 환경에서 발생된다. 이러한 가스 압력은 가스가 적절한 Pe 수들을 가져오기에 상당히 충분한 속도들로, 기체 정역학 씰 요소와 밀봉 표면 사이에서 흐르게 한다. 이러한 면의 폭은 볼륨의 내부 및 외부 간의 압력 차, 및 기체 정역학 씰 요소 및 밀봉 표면 간의 거리를 조합하여, 결과적인 직사각형 갭들을 통한 흐름이 확산성 질량 전달에 비해 대류성 질량 전달을 선호하며 페클렛 수의 이전 논의에 따라, 오염 물질 종들이 고-순도 환경으로의 경계에 걸쳐 다시 확산하는 것을 막는 경향이 있도록 선택될 수 있다. 이러한 면의 폭은 식(1)에 설명된 바와 같이 흐름 방향을 따르는 밀봉 길이, L, 페클렛 씰에 대응한다는 것을 주의하자.

이 기술분야에서의 숙련자는 광범위한 시스템 아키텍처들이 어떻게, 요구된 상대적인 모션의 유형들, 작동기들의 위치들, 및 다른 고려사항들에 의존하여, 다양한 자유도들을 갖고 하나 이상의 페클렛 갭 씰들을 이용하는 것으로부터 구성될 수 있는지를 알 수 있다. 예로서, 2의 병진 자유도들을 가진 도 4에 예시된 실시예와 같은 평면 페클렛 갭 씰은 대안적으로 두 개의 단일 병진 자유도 페클렛 갭 씰들을 이용함으로써 구현될 수 있다는 것을 고려하자.

용융된 알루미늄의 자기유체역학(MHD) 분사를 사용한 알루미늄 부분들의 3D 프린팅을 위한 본 개시의 여러 양상들을 이용하는 시스템이 이제 도 8a 내지 도 8g에 대하여 설명될 것이다. 모션 시스템의 구성요소들(807, 809, 840, 841, 807, 및 809) 및 단열재(823)가 불활성 볼륨으로부터 제거되며, 그에 의해 그것의 볼륨을 극적으로 감소시킨다. 시스템은 x-축 모션 스테이지(826) 및 연관된 캐리지(827), 및 z-축 모션 스테이지들(807) 및 연관된 캐리지들(809)이 장착된 프레임(810)을 가진다.

z-축 모션 스테이지들은 상기 부분을 프린팅하기 위해 층 단위 기반으로 프레임(808) 및 유리-세라믹 밀봉 판(806)을 위쪽으로 이동시킨다. 이들 상향 모션들은 일반적으로 층이 완전한 후 및 뒤이은 층이 프린팅을 시작하기 전에 발생한다. 도 8d는 다른 우려들 중에서, 제 1 층의 마지막 액적이 비행 중인 포인트에서 밀봉 판의 수직 위치를 보여준다. 도 8e는 다른 우려들 중에서, 완전한 부분의 수직 중심 가까이 어딘가에 있는 층의 프린팅 중간에 있는 포인트에서 밀봉 판의 수직 위치를 보여준다. 도 8f는 다른 우려들 중에서, 마지막 액적이 상기 부분에 부가되고 있을 때 밀봉 판의 수직 위치를 보여준다.

도 8a에서 및 도 8b의 세부사항에서 보여질 수 있는 바와 같이, 프린트헤드 엔클로저(801)에서 프린트헤드(863)는 밀봉 판(806)에 따라 위 아래로 이동한다. 보통 불활성인, 가스는 포트(802)를 통해 프린트헤드 엔클로저로 들어가게 된다. 공급 와이어(804)는 진입로(803)를 통해 프린트헤드 엔클로저에 들어간다. 진입로(803)는 페클렛 씰 또는 이 기술분야에 알려진 또 다른 유형의 씰일 수 있다. MHD 분사를 위해 요구된 자기장을 생성하기 위해, 자석들이 프린트헤드 엔클로저 내에 포함되지만, 도시되지 않는다. 도시되지 않은, 와이어들은 전류 공급들(861)을 통해 MHD 프린트헤드로 및 그 밖으로 전류를 전달하기 위해 엔클로저(801)를 관통한다. 노즐의 몸체(805)는 통상적으로 세라믹일 수 있다. 몸체는 용융 공급 와이어(804)의 결과인 용융 금속(862)으로 채워진다. 몸체는 이유가 무엇이든, 와이어가 용융되는 용융 금속을 포함하며 와이어의 용융의 온도 영향을 완충시킬 뿐만 아니라 와이어 공급의 순간 정지 동안 몇몇 재료를 제공하도록 작용하는 저장소(865)를 포함한다. 도시되지 않지만, 고정체들, 브래킷들 및 기타를 포함한 엔클로저(801) 내에 포함된 여러 다른 요소들이 있다. 용융 금속은 오리피스(860)를 통해 노즐의 몸체에 존재한다.

통상적으로, 밀봉 판은 5mm 두께의 적당히 투명한 유리-세라믹으로 만들어진다. 이러한 유리-세라믹은 밀봉된 볼륨에서 열을 유지하도록 돕는, 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은, 가시-광-투명, IR-광-반사 코팅을 갖고 선택될 수 있다. 그러나, 단열재(829)가 밀봉된 볼륨을 뜨겁게 유지하도록 돕기 위해 부가될 수 있다.

y-축 모션 스테이지는 x-축 및 y-축 스테이지들이 함께 프린트헤드(863) 아래에서 프린트 플랫폼(811) 및 상기 부분의 임의의 2-D 모션들을 생성할 수 있도록 x-축 모션 스테이지의 캐리지에 장착되며, 이것은 x-방향으로 또는 y-방향으로 가로지르지 않는다. 프린트헤드의 노즐은 밀봉 판에서 컷아웃(864)을 통해 상기 부분에 대한 가시선을 가질 수 있다. 중공 컬럼(812)이 y-축의 캐리지(828)에 부착된다. 프린트 플랫폼(811)은 컬럼의 최상부에 부착된다. 프린트 플랫폼은 빌드 플랫폼을, 통상적으로 알루미늄 합금들을 프린팅하기 위한 500℃의 온도로 가열하기 위해 그것 내에 배치된 전기 카트리지 히터들(813)을 가진다. 도시되지 않지만, 프린트 플랫폼의 온도를 제어하기 위해 시스템에 대한 피드백을 제공하는, 온도 센서가 있다. 온도 측정을 위한 와이어들 및 히터들(813)로의 와이어들은 컬럼(812)의 중심을 통해서 및 이러한 컬럼을 통해 이 기술분야에 알려진 바와 같이 종래의 피드스루 씰들을 통해 밀봉된 볼롬 밖에 있는 영역으로 이동한다. 컬럼의 내부 볼륨의 대다수는 도시되지 않은, 단열재로 채워질 수 있다.

빌드 플랫폼으로부터의 열은 또한 밀봉된 볼륨 내에서의 분위기가 또한 고온이며 상승된 온도에서 상기 부분을 유지하도록 돕기 위해 전체 밀봉된 볼륨(831)을 위한 열의 소스이다. 상승 온도에서 상기 부분을 갖는 것은 프린트헤드에서 액체 금속의 과도한 과열을 요구하지 않고 인입하는 용융 금속 액적들의 양호한 융합을 야기한다.

빌드 시트(814)는 통상적으로, 프린트 플랫폼으로의 진공 억제에 의해, 프린트 플랫폼에 부착된다. 프린트 플랫폼에 내장된 진공 척(chuck)을 위한 진공 라인은 도시되지 않지만, 컬럼의 중심을 통해 멈춘다. 빌드 시트는 통상적으로 프린팅된 재료의 제 1 층이 붙이고, 부착하거나 또는 용접하는 얇은 금속 시트 또는 포일이다. 포일은 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 다른 금속들일 수 있다.

수직 방향에서의 프린트헤드의 모션과 조합된, x-y 평면에서의 부분의 모션은 임의의 기하학적 구조의 부분을 정의하기 위해 요구된 3개의 축들의 모션을 포함한다. 모션의 시퀀스는 층을 정의하고 그 후 밀봉 판(806)의 z 위치를 증분시키기 위해 x-y 평면에서 통상적으로 다수의 모션들을 실행하는 것이다. 부분의 다음 층은 그 후 x-y 평면에서 모션들의 또 다른 시퀀스를 통해 프린팅된다.

밀봉 볼륨(831)은 불침투성 재료(822)의 얇은 셸 또는 엔클로저에 의해 정의된다. 통상적으로, 이것은 스테인리스 스틸일 수 있으며, 예를 들어, 레이저 용접 또는 노내 경납땜에 의해 제작될 수 있다. 이러한 셸은 금속 구조(819)에 밀폐 용접되며, 이것은 셸(822)의 최상부에 의해 정의된 전체 둘레를 잇는다. 보통 불활성인, 가스는 포트(824)에서 밀봉된 볼륨으로 들어가게 될 수 있다. 밀봉된 볼륨에 대한 통상적인 치수들은 대략 x 및 y 방향들에서 200mm 및 250mm 및 z 방향에서 150mm이지만, 상당히 더 큰 볼륨들이 가능하다. 밀봉된 볼륨(831)의 둘레는 정사각형, 직사각형, 원통형, 또는 임의의 다른 형태일 수 있다. 직사각형 형태는 그것이 대안들보다 제조하기에 비용이 더 낮으며 일반적으로 가장 큰 부분들을 구축하기 위한 능력을 야기하는 직사각형 프린트 플랫폼을 수용할 때 특히 유리하다. 셸(822)은 상승 온도에서 밀봉된 볼륨을 유지하도록 돕기 위해 단열재(823)로 둘러싸인다. 적절한 절연 재료의 예는 Pyrogel XTE(메사츄세츠, 노스버러, Aspen Aerogels, Inc.)이며, 이것은 절연체가 시스템의 이동 질량의 부분을 형성할 때 중요한 고려사항일 수 있는, 질량에 대한 우수한 절연 속성들을 가진다.

밀봉 판(806)에 대한 페클렛 가스 씰은 도 8a에서 및 도 8c의 세부사항에서 보여질 수 있는 바와 같이, 통상적으로 불활성인, 가스가 확산기로부터 배출되는 유형이다. 가스는 확산기(818) 내에서 공동(850)으로 펌핑되며 그것은 그 후 상부 표면(851) 상에 확산기가 있으며 갭 씰에 기여하는, 다공성 매체를 통해 흐른다. 분배기 요소는 예를 들어, 0.01 내지 0.0001 다르시(9.87e-15 내지 9.87e-17m²)의 범위에서의 타겟 침투성을 가진, 흑연으로 만들어질 수 있다. 분배기로의 가스 흐름들은 유입구(816)를 통해 흐른다. 유입구(816)는 가요성 배관을 통해 기계 내에서의 가스 소스에 연결된다. 배관은 x-y 평면에서 모션을 수용하기 위해 충분히 가요성이어야 한다. 분배기 요소는 기계 가공된 기준 피처들, 고정 끈 클램프들, 또는 볼트들과 같은 다른 기계적 부착물을 사용하여 금속 구조(819)에 제한된다. 동작 및 서비스 온도가 허용한다면, 접착제 및/또는 밀봉제의 사용은 에폭시 또는 고온 RTV 실리콘과 같은 이들 구성요소들 사이에서 접합하고 밀봉하기 위해 사용될 수 있다. 분배기의 흑연 및 금속 구조의 스테인리스 스틸은 실온에서, 통상적으로 약 500℃인, 밀봉된 볼륨에서 부분의 온도에 이르는, 상승 동작 온도까지의 범위에 걸쳐 가능한 열 팽창에 가깝게 매칭되도록 택하여질 수 있다. 대표적인 쌍은 분매기를 위한 ACF-10Q(텍사스, 디케이터, Poco Graphite, Inc.) 및 금속 구조의 400-시리즈 스테인리스 스틸이다. 그러나, 약간의 양의 미스매치가 이러한 선택에도, 존재한다. 이러한 미스매치는 흑연으로 기계 가공된 굴곡 요소(852)의 사용에 의해 수용될 수 있다. 흑연은 낮은 모듈러스를 가지며 고-품질 흑연은 그러므로 도시된 캔틸레버에 적합한, 1% 이상의 변형률을 유지할 수 있다. 316L과 같은 300-시리즈 시리즈는 또한 이러한 캔틸레버화된 굴곡 요소의 신중한 고려사항 및 설계와 함께 사용될 수 있다. 이러한 캔틸레버를 위한 통상적인 치수는 1.3mm의 두께 및 16mm의 길이(도 8a에서의 높이)이다. 분배기 및 금속 구조의 치수들은 실온에서 동작 온도까지의 모든 온도들에서 밀봉 인터페이스(853)에 억지 끼워맞춤이 있도록 가장 잘 선택된다. 통상적으로, 이들 요소들의 온도는 밀봉된 볼륨 내에서 가스의 온도 약간 아래지만, 여전히 대체로 실온으로부터 상승된다.

분배기 요소는 공기 베어링들(817)에 의해 밀봉 판에 대한 제어된 갭(856)을 갖고 유지된다. 갭은 확산기 상부 표면(851) 및 밀봉 판(806)에 의해 정의된 바와 같이, 명목상 밀봉된 볼륨의 주변부 주위에 원주방향 렛지의 형태로 있다. 이들 베어링들은 또한 흑연으로 만들어지며 가압된 내부 공동(857)을 가질 수 있다. 갭을 운동학적으로 결정하도록 통상적으로 밀봉 볼륨의 둘레 주위에 배치된 이들 공기 베어링들 패드들 중 3개가 있다(3개의 포인트들은 판을 정의한다). 공기 베어링들은 통상적으로 밀봉 판으로부터 대략 5 내지 10 마이크론에 걸쳐 있으며, 가스 포트(815)에 의해 공급된 공기 실린더들(820)을 통해 그것에 대해 사전 부하된다. 바람직하게는, 사전 부하는 공기 베어링의 강성도의 중심에서 또는 가능한 가깝게 전달된다. 일 실시예에서, 이러한 하나의 공기 실린더 사전 부하기는 공기 베어링마다 사용될 수 있다. 밀봉 판에 대한 분배기를 위한 통상적인 타겟 갭은 100 마이크론이다. 공기 베어링들은 통상적으로 스테인리스 스틸 피하 배관으로 만든, 얇은 튜브들(855) 상에서 지지된다. 이러한 배관은 그것이 탄성적으로 접합할 수 있으며, 그에 의해 공기 베어링들이 완벽하게 편평하지 않은 밀봉 판 위에 얹혀 있을 때 공기 베어링의 각도의 극히 작은 조정이 자동으로 일어나도록 허용하기 위해 선택된다. 볼-및-소켓 조인트들과 같은 이 기술분야에 알려진 바와 같이 각도 편차들을 허용하는 다른 수단이 사용될 수 있다. 중요하게는, 공기 베어링들(817)에 의해 정의된 평면은 확산기(851)의 상부 표면보다 높아야 한다. 이것은, 예를 들어, 금속 구조(819) 위로 튜브(855)의 길이를 조정함으로써 성취될 수 있다.

공기 베어링(817) 및 분배기(818)로의 가스 공급이 공통적으로 도시된다. 그것들이 공통일 때, 그것들은 양쪽 모두 통상적으로 불활성 가스를 공급받을 것이다. 그러나, 이것들은 상이한 소스들로부터 공급받을 수 있다. 이것은 공기 베어링으로의 가스가 실제 공기여서, 전체 시스템의 동작 비용에서의 감소를 야기하므로 유리할 수 있다. 별개의 공급 장치들이 또한 요구된다면, 압력의 독립적인 제어를 허용한다.

밀봉된 볼륨(831)은 통상적으로 비행 중이고 냉동 전에 프린팅 부분 맨 위에 있는 기류지에 있는 용융 금속의 및 프린팅된 부분의 산화 및 다른 양호하지 않은 반응들을 감소시키기 위해 고 순도로 유지된다. 통상적으로, 산소 및 수증기 양쪽 모두는 각각 100ppm 미만 및 바람직하게는 그 미만으로 제어되어야 한다. 또한, 프레임(810) 및 기계 엔클로저가 적당하게 밀봉되면, 내부 볼륨(832)은 주변 룸(833)에서의 공기보다 약간 더 깨끗할 것이다. 이것은 볼륨(831)으로부터 방출된 깨끗한 가스가 볼륨(832)에 들어가고 구축의 시작 시 그 안에 있었던 공기를 대신하기 때문이다. 이러한 효과는 공기가 아닌, 공기 베어링들(815)에 대한 불활성 가스를 사용함으로써 증가될 수 있다. 볼륨(832)에서의 개선된 순도 및 감소된 불순물들은 씰의 안쪽과 씰의 바깥쪽 사이에서의 불순물 농도 차를 감소시킴으로써 페클렛 갭 씰 상에서의 수요들을 감소시킨다.

도 8d 내지 도 8f로 돌아가서, 도 8d로 시작하면, 우리는 프린트 플랫폼, 부분 및 기계의 많은 것이 그것의 중심 위치로부터 우측으로 변위됨을 안다. 단면인, 이러한 이미지는 단지 x-축을 따르는 모션을 보여준다. 모션은 또한 y-축을 따라 발생할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 제 1 측의 마지막 방울은 플랫폼이 좌측에서 우측으로 이동 중인 동안 프린팅되고 있다. 도 8d 및 도 8e와 도 8f에서의 부분의 나중 뷰들에서 도시된 부분 층은 단지 예시적인 목적들을 위해 의도되며 이 기술분야에 알려진 바와 같이 층 단위 제작에 통상적인 계단 오르기(stair-stepping)을 정확하게 나타내지 않는다는 것을 주의하자.

도 8d 내지 도 8f에서의 x-y 모션은 프레임(810)에 대하여 x-축 캐리지(826) 및 y-축 슬라이드(840)에 대하여 y-축 캐리지의 모션으로 시작한다. 프린트 플랫폼(811), 빌드 시트(814) 및 부분(871)은 프린트 플랫폼이 컬럼(812)에 장착되며, 결과적으로 캐리지(841)에 단단히 장착되기 때문에, x-y 평면에서의 규정된 모션을 겪는다.

씰(842)은 셸(822) 및 컬럼(812) 사이에 가스 씰을 초래한다. 이것은 페클렛 갭 씰 또는 o-링 씰들, PTFE 씰들 및 다른 유형들과 같은 이 기술분야에 알려진 씰들일 수 있다. 그것이 페클렛 갭 씰이면, 그것은 페클렛 갭과 공기 베어링을 조합하는 이전에 설명된 유형일 수 있으며 포트(825)를 통해 통상적으로 불활성 가스를 공급받을 수 있다. 씰(842)은 밀봉된 볼륨 바깥쪽으로부터 공기의 밀봉된 볼륨(831)으로의 유입에 대한 씰을 제공하는 기능을 가진다. 그것은 또한 셸, 절연체(823), 금속 구조(819), 분배기(818), 및 공기 베어링들(817)이 x-y 평면에서 이동하게 하기 위해 컬럼으로부터 셸(822)로 횡력을 송신하는 기능을 가진다.

셸(822), 절연(823), 구조(819), 분배기(818) 및 공기 베어링(817)의 어셈블리 및 씰(842)은 이동 엔클로저(890)로서 불리울 것이다. 이동 엔클로저의 x-y 모션은 부분적으로, 이동 엔클로저가 질량이 낮기 때문에 및 부분적으로 그것이 매우 낮은 마찰 공기 베어링들 상에서의 밀봉 판에 얹혀 있기 때문에, 씰(842)과 컬럼(812) 사이에서의 횡력에 의해 야기될 수 있다. 이동 엔클로저는 공기 실린더들(820)에 의해 밀봉 판에 대하여 활발히 밀어 올려진다. 이들 실린더들은 이동 엔클로저의 중량을 초과하지만, 공기 베어링들(817)이 밀봉 판을 건드리지 않고 용인할 수 있는 최대 하중 미만인 상향 힘을 유지한다. 이들 공기 실린더들은 포트들(815)을 통해 제어된 압력을 공급받는다. 공기 베어링들로부터의 하향 힘에 의해 균형을 이룬, 공기 실린더들로부터의 상향 힘은 이동 엔클로저(890)의 티핑에 저항을 제공한다. 공기 실린더들(820)은 보통, 용접에 의해, 컬럼에 부착되는 판(821) 상에서 아래로 민다. 판(821)은 따라서 컬럼(812)과 함께 x-y 평면에서 이동한다.

도 8e에서, 부분은 구축의 대략 반-정도이다. 많은 층들이 도 8d 및 도 8e에 도시된 위치들 사이에서 완성되었다. 이동 엔클로저, 프린트 플랫폼 및 부분은 도 8d에서 x-축을 따라 중심 위치에 있다. 이 층은 프로세스 중이며 분사의 좌측으로 현재 층의 이미 완성된 부분에 의해 보여질 수 있는 바와 같이, 우측에서 좌측으로 이동하는 엔클로저 및 부분을 갖고 대략 절반 완료된다. 밀봉 판은 도 8e 이래 위로 이동하였으며, 공기 피스톤들(820)의 동작하에서, 이동 엔클로저(890)는 프린트헤드 및 부분 간의 갭이 여전히 변하지 않은 채로 있도록 동일한 양만큼 위로 이동하였다는 것을 주의하자. 유입구들(824 및 825)로부터 가스를 이끄는 튜브들은 도 8e에서보다 도 8e에서 더 긴 것으로 도시된다. 사실상, 이들 튜브들은 수직 모션을 수용하기 위해 가요성이다.

도 8f에서, 부분은 비행 중인 하나의 방울을 제외하고, 완전한 것으로 도시된다. 밀봉 판 및 이동 엔클로저는 도 8e에 도시된 위치로부터 더 위로 이동하였다. 밀봉 판은 슬라이드들(809) 상에서 캐리지들(807)의 모션에 의해 위로 이동하였다. 이동 엔클로저(890)는 공기 실린더들(820)의 상향 모션으로 인해 따른다. 도 8f는 도 8d에서와 같이, 우측으로 변위된 이동 엔클로저 및 부분을 보여주지만, 전체 최상부 층을 프린팅하기 위해, 이동 엔클로저 및 부분은 또한 중심 위치의 좌측으로 변위해야 한다는 것이 이해될 것이다. 도 8g는 밀봉 판이 그것이 부분의 끝에 있었던 위치로부터 위쪽으로 이동하는 것을 보여준다. 그러나, 이동 엔클로저(890)는 실린더들(820)에서의 가스 압력에서의 감소로 인해 위쪽으로 이동하지 않는다. 이것은 부분(871)이 회수될 수 있는 개구를 생성한다. 부분으로의 접근은 이동 엔클로저가 그 자신의 중량 아래로 정착하도록 허용하거나, 또는 공기 실린더들을 갖고 그것을 아래로 당김으로써 추가로 강화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 공기 실린더들로부터의 하향 힘은 진공을 인가함으로써 또는 이 기술분야에 알려진 바와 같이 실린더들의 최상부 가까이에 인가된 압력을 갖고 억눌러질 수 있는 2-방향 실린더들을 사용함으로써 생성될 수 있다. 부분으로의 접근은 밀봉 판의 상승 및/또는 이동 엔클로저의 저하 중 하나 또는 양쪽 모두에 의해 제공될 수 있다.

밀봉된 볼륨으로부터 절연체를 제거하는 이익을 다시 강조하는 것이 중요하다. 본 개시의 양상은 불활성 볼륨 바깥쪽에 절연체를 두는 것이 사용될 수 있는 절연체의 유형을 자유롭게 한다는 것이다. 예를 들어, 많은 고온 절연 재료들은 실리카를 포함하며, 이것은 그것의 환경으로부터 물을 흡수하기 위해 잘 알려져 있다. 따라서, 실리카 베어링 절연체가 불활성 볼륨 안쪽에 있다면, 볼륨이 부분을 회수하기 위해 개방될 때 물을 얻을 것이다. 그것은 그 후 불활성 볼륨 및 절연체가 가열될 때 불활성 볼륨으로 이 물을 포기하고, 그에 의해 불활성 환경을 오염시킬 것이다. 따라서, 불활성 환경의 바깥쪽에 절연체를 위치시키는 것은 밀봉된 볼륨 내에서 제어된 불활성 환경의 품질을 상당히 개선한다.

대략 1m의 밀봉 둘레 및 대략 150um의 공칭 갭을 가진 이러한 실시예에 대한 통상적인 유량들은 빌드 볼륨으로 들어간 1.25SLPM의 초 고 순도(UHP) 아르곤(2ppm 미만 산소 및 10ppm 미만 물) 및 확산기로 들어가 1.25SLPM의 아르곤일 수 있다. 통상적인 압력은 20 내지 100Pa일 수 있다.

x-y 평면에서 정지된 프린트헤드에 대한 빌드 볼륨의 통상적인 이동 속도들은 100mm/s일 수 있다. 공칭 가스 속도들은 밀봉된 볼륨 안에서 대략 400℃ 평균 가스 온도에서 대략 20mm의 밀봉 길이에 걸쳐 대략 300mm/s일 수 있어서, 시스템으로의 다른 가능한 실제 및 가상 누설들을 포함하여, 수십(10's) ppm으로 측정된 총 산소 및 물 오염 레벨들을 산출할 수 있다.

여기에서 보여진 바와 같이 실시예는 단지 페클렛 갭 씰이 요구될 때, 즉 가능하게는 프린트-전 시동 절차 동안, 프린팅 프로세스 동안, 및 가능하게는 프린트-후 셧-다운 절차들 동안 가스를 이용할 필요가 있다는 것이 명백할 것이다.

총 가스 소비를 감소시킬 수 있는 실시예가 도 9에서 도시된다. 여기에서, 페클렛 갭 씰은 도 8에서처럼, 가스 공급 장치(9002)로부터 밀봉된 볼륨(9001) 안쪽으로 들어간 흐름 및 씰의 주변부 가까이에 있는 분배기를 통해 들어간 흐름 사이에서의 하이브리드로서 동작하고 있다. 밀봉된 볼륨의 외부에 있는 별개의 또는 분기된 공급 장치로부터 공급되는 대신에, 분배기의 가스는 펌프(9003)를 통해 밀봉된 볼륨으로부터 펌핑되며, 그것은 그 후 필요한 압력으로 가압되며, 그 다음에 분배기로 들어가질 수 있다. 중요하게는, 밀봉된 볼륨 안의 압력은 그 외 씰이 손상될 수 있으므로 주변에 대하여 양성인 채로 있어야 한다. 일반적으로, 이것은 공급 장치(9002)로부터 밀봉된 볼륨으로 들어가고 있는 가스의 유량의 부분을 분배기에 공급함으로써 성취될 수 있다. 예로서, 2SLPM의 아르곤이 1008에 의해 공급되고 있다면, 밀봉된 볼륨으로부터, 펌프(9003)를 통해, 분배기로의 가스의 흐름은 1SLPM일 수 있어서, 1SLPM을 밀봉된 볼륨 내에서 혼합하고 안쪽과 바깥쪽 간의 압력 차를 통해 밀봉 갭을 통해 강제되게 둔다. 이러한 방식으로, 최고 순도 가스가 먼저 밀봉된 볼륨 안쪽에 있을 수 있는 임의의 오염 물질들(예를 들어, 누설들 또는 가스-방출로부터)을 희석시키기 위해 사용되며, 그 후 현재 약간 오염된 가스의 일 부분은 페클렛 갭 씰을 생성하기 위해 분배기를 통해 재-사용될 수 있다. 약간 오염된 가스는 단지, 예를 들어, 수십 ppm 오염 물질들로 등록할 수 있으며, 그러므로 바깥쪽 분위기로부터 안쪽의 제어된 분위기를 격리하는데 여전히 효과적이다. 선택적으로, 이러한 약간 오염된 가스 흐름은 분배기로 들어가기 전에 몰레큘러 시브 또는 이 기술분야에 알려진 다른 기술에 의해 정제될 수 있다. 이러한 방식으로, 이 실시예는 단지 최소의 추가 하드웨어만을 갖고 밀봉된 볼륨 안쪽의 분위기의 순도에 대한 손상 없이 시스템의 총 가스 소비를 감소시킬 수 있다.

가스 소비를 감소시키기 위한 또 다른 실시예는 관련된 구성요소들의 명령된 상대적 모션에 기초하여 갭 씰로 들어간 가스의 양을 변경하는 것일 것이다. 특히, 평면 갭 씰들을 참조하여, 씰의 영역들은 다른 영역들이 씰을 통한 흐름의 방향에 대하여 모션의 방향에 기초하여 쿠에트 흐름으로 인해 불리하게 되는 동안 과잉 속도들을 가질 것임을 보여주고 있다. 항상, 예를 들어, 구성요소들이 더 느리게 이동 중이거나 또는 정지될 때에도 구성요소들 간의 최대 상대적 속도들을 감안하기 위해 충분한 마진을 갖고 충분한 가스를 이용하는 것은 낭비인 것으로 고려될 수 있다. 가변 압력 또는 질량 흐름 제어기는 구성요소들의 현재 상대적인 모션에 기초하여 갭 씰에 대한 가스의 입장을 서보하기 위해 이용될 수 있다.

하나 이상의 구성요소들에서 엔지니어링 순응에 의존하는 실시예는 하나 또는 양쪽 밀봉 표면들 모두가 그것들의 편평도를 유지하도록 돕기 위해 2축 인장 하에 있는 밀봉 구성요소 장소들의 비-평탄성 및/또는 비-편평도로부터의 갭 치수 변화들을 완화시킬 수 있다.

여기에서 설명된 기술은 적층 제조가 아닌 다른 맥락들에서 적용될 수 있다는 것이 이 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 불활성 환경에서 일어날 필요가 있는 화학물질 합성 프로세스를 수행하는 자동화 시스템은 본 출원에서 설명된 바와 같이 페클렛 갭 씰의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있다. 반도체 디바이스들의 제조는 논의된 개시들에 의해 제공된 환경적 및 열적 제어 양쪽 모두로부터 이익을 얻을 수 있다.

Claims (24)

1. 자기유체역학 분사(magnetohydrodynamic jetting)를 사용하여 금속 대상체들의 적층 제조를 위한 제어형 환경 시스템에 있어서,
   밀봉 판;
   상기 밀봉 판을 향해 배치된 페클렛 갭 씰(Peclet gap seal)을 포함한 볼륨 엔클로저로서, 상기 페클렛 갭 씰은 상기 볼륨 엔클로저의 내부 볼륨에서 고-순도 분위기를 유지하기 위해 불활성 가스의 흐름을 포함하는, 상기 볼륨 엔클로저;
   상기 밀봉 판에서 개구를 통해 빌드 재료(build material)를 전달하도록 구성된 프린트 헤드; 및
   상기 밀봉 판에 대하여 이동 가능한 상기 볼륨 엔클로저의 내부 볼륨 내의 빌드 플랫폼을 포함하는, 제어형 환경 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 페클렛 갭 씰은 상기 밀봉 판에 평행한 원주방향 렛지를 포함하는, 제어형 환경 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 불활성 가스의 흐름은 상기 볼륨 엔클로저의 내부 내에서 비롯되며 상기 밀봉 판과 상기 원주방향 렛지 사이에 형성된 갭에서 흐르는, 제어형 환경 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 페클렛 갭 씰은 상기 불활성 가스를 배출하는 기체 정역학 요소(aerostatic element)를 포함하는, 제어형 환경 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 기체 정역학 요소는 다공성 매체(porous media)로부터 형성된 분배기를 포함하는, 제어형 환경 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 불활성 가스의 배출 및 상기 볼륨 엔클로저로부터의 불활성 가스의 흐름은 상기 페클렛 갭 씰을 통한 상기 불활성 가스의 흐름에 함께 기여하는, 제어형 환경 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 페클렛 갭 씰은 상기 볼륨 엔클로저와 상기 밀봉 판 사이에 베어링을 제공하는 3개의 1차 접촉 패드들에 의해 유지되는, 제어형 환경 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 분배기는 상기 1차 접촉 패드들에 대하여 상기 밀봉 판으로부터 함몰되는, 제어형 환경 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 분배기는 50 내지 500 마이크론 사이 및 이를 포함한 거리만큼 상기 1차 접촉 패드들에 대하여 상기 밀봉 판으로부터 함몰되는, 제어형 환경 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 빌드 플랫폼은 샤프트와 상기 볼륨 엔클로저 사이에서 페클렛 갭 씰로써 밀봉된 상기 샤프트를 통해 프린트 헤드에 대하여 이동 가능한, 제어형 환경 시스템.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼륨 엔클로저의 외부 상에 배치된 일정한 양의 단열재를 더 포함하는, 제어형 환경 시스템.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 볼륨 엔클로저의 바깥쪽에 배치되며 상기 프린트 헤드에 대하여 상기 빌드 플랫폼을 이동시키도록 구성된 모션 시스템을 더 포함하는, 제어형 환경 시스템.
13. 자기유체역학 분사를 사용하여 금속 대상체들의 적층 제조를 위한 환경을 제어하는 방법에 있어서,
    밀봉 판을 제공하는 단계;
    상기 밀봉 판을 향해 볼륨 엔클로저의 페클렛 갭 씰을 배치하는 단계;
    상기 볼륨 엔클로저의 내부 볼륨에서 고-순도 분위기를 유지하기 위해 상기 페클렛 갭 씰에서 불활성 가스를 흐르게 하는 단계;
    상기 볼륨 엔클로저의 내부 볼륨 내에서 상기 밀봉 판에 대하여 빌드 플랫폼을 이동시키는 단계; 및
    상기 밀봉 판에서 개구를 통해 빌드 재료를 빌드 판으로 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 페클렛 갭 씰은 상기 밀봉 판에 평행한 원주방향 렛지를 포함하는, 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 불활성 가스의 흐름은 상기 볼륨 엔클로저의 내부 내에서 비롯되며 상기 밀봉 판과 상기 원주방향 렛지 사이에 형성된 갭에서 흐르는, 방법.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 페클렛 갭 씰은 상기 불활성 가스를 배출하는 기체 정역학 요소를 포함하는, 방법.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기체 정역학 요소는 다공성 매체로부터 형성된 분배기를 포함하는, 방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 불활성 가스의 배출 및 상기 볼륨 엔클로저로부터의 불활성 가스의 흐름은 상기 페클렛 갭 씰을 통해 상기 불활성 가스의 흐름에 함께 기여하는, 방법.
19. 제 17 항에 있어서,
    상기 페클렛 갭 씰은 상기 볼륨 엔클로저와 상기 밀봉 판 사이에 베어링을 제공하는 적어도 3개의 1차 접촉 패드들에 의해 유지되는, 방법.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 분배기는 상기 1차 접촉 패드들에 대하여 상기 밀봉 판으로부터 함몰되는, 방법.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 분배기는 50 내지 500 마이크론 사이에서 및 이를 포함한 거리만큼 상기 1차 접촉 패드들에 대하여 상기 밀봉 판으로부터 함몰되는, 방법.
22. 제 13 항에 있어서,
    상기 빌드 플랫폼은 샤프트 및 상기 볼륨 엔클로저 사이에 페클렛 갭 씰로써 밀봉된 상기 샤프트를 통해 프린트 헤드에 대하여 이동 가능한, 방법.
23. 제 13 항에 있어서,
    상기 볼륨 엔클로저는 일정한 양의 단열재를 외부 상에 배치하는, 방법.
24. 제 22 항에 있어서,
    상기 프린트 헤드에 대하여 상기 빌드 플랫폼을 이동시키기 위해 상기 볼륨 엔클로저의 바깥쪽에 배치된 모션 시스템을 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법.

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