KR20220011117A - 마이크로파 플라즈마 장치 내의 세그먼트화된 라이너 및 사용 방법들 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 토치를 위한 개선된 라이너를 사용하는 디바이스들, 시스템들 및 방법들이 본 명세서에 개시된다. 특히, 플라즈마 토치(예를 들어, 환형 토치, 선회 토치)에서 사용하기 위한 세그먼트화된 라이너가 제공된다. 일반적으로, 개선된 세그먼트화된 라이너는 종래의 단일 라이너들에 비해 개선된 열 충격 저항 능력들을 갖는다.
Description
[0001]
본 출원은 2019년 3월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "마이크로파 플라즈마 장치 내의 세그먼트화된 라이너 및 사용 방법들(SEGMENTED LINER AND METHODS OF USE WITHIN A MICROWAVE PLASMA APPARATUS)"인 미국 가특허출원 제62/823,698호를 우선권으로 주장하며, 이로써 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
[0002]
본 기술은 일반적으로 마이크로파 플라즈마 반응기 내에서 사용하기 위한 개선된 세라믹 라이너를 제공하기 위한 디바이스들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 기술은 세그먼트화된 세라믹 라이너에 관한 것이다. 세그먼트화된 세라믹 라이너는 제조하기에 덜 비쌀 수 있고, 또한 개선된 열 충격 저항을 제공하도록 맞춤화될 수 있으며, 이는 라이너의 균열 또는 다른 고장을 최소화할 수 있다.
[0003]
라이너는 코어-환형 및 선회 플라즈마 토치 설계 둘 다의 중요한 부분이다. 환형 플라즈마 토치들은 통상적으로 3개의 동심으로 장착된 세라믹 튜브: 내부 튜브, 중간 튜브, 및 세라믹 라이너를 포함하도록 구성된다. 선회 플라즈마 토치는 통상적으로 선회 챔버 및 세라믹 라이너를 포함한다. 일반적으로, 세라믹 라이너 및 튜브들은 석영, 또는 예를 들어 알루미나 또는 실리콘 질화물과 같은 다른 고온 세라믹 재료로 이루어진다. 이러한 고온 세라믹들은 플라즈마 환경의 고온 동작을 허용하고 마이크로파 에너지 투명성을 제공하도록 선택된다. 또한, 고온 세라믹들은 균열 또는 고장을 최소화하기 위해 양호한 열 충격 저항을 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, 라이너는 플라즈마로의 샘플 재료들(예를 들어, 액적들 또는 파우더들 등과 같은 전구체들)의 이송 및 전달을 돕는다.
[0004]
라이너의 주된 고장 모드는 정상 동작 조건들 하에서의 높은 온도 구배들로 인한 균열이다. 이것은 부분적으로는 세라믹 재료들의 부적절한 열 충격 저항에 기인한다. 통상적으로, 고순도 세라믹 재료들은 원하는 것보다 낮은 열 충격 저항을 갖는다. 결과적으로, 큰 열 구배들에 노출되는 위치들(예를 들어, 플라즈마의 하부 부분의 외측에 위치될 수 있는 라이너의 하부, 반면에 라이너의 다른 부분들은 플라즈마의 완전한 열력(thermal force)을 경험함)에서 균열이 발생하는 것으로 알려져 있다. 라이너의 고장은 고가의 수리 및 전체 라이너의 교체뿐만 아니라 플라즈마 토치의 손실된 동작 시간을 초래한다.
[0005]
플라즈마 토치를 위한 개선된 세라믹 라이너를 제공하기 위한 디바이스들 및 방법들이 본 명세서에서 제공된다. 특히, 본 개시는 종래의 세라믹 라이너들에 비해 개선된 열 충격 저항을 갖도록 맞춤화된 세그먼트화된 라이너에 관한 것이다. 일반적으로, 개선된 열 충격 저항은 개선된 열 충격 저항을 제공하도록 맞춤화(예를 들어, 설계되거나 적응된 형상, 크기, 및/또는 재료들)되는 세그먼트화된 라이너(예를 들어, 다수의 수직 적층된 세라믹 세그먼트들)를 제공함으로써 달성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 개선된 라이너를 형성하는 인접한 수직 적층된 세라믹 세그먼트들 사이의 조인트들은 특정 세트의 플라즈마 동작 조건들(예를 들어, 반응기 내의 플라즈마의 크기 및 위치)에 대해 온도 구배가 가장 큰 곳에 위치된다. 소정의 실시예들에서, 조인트들은 개선된 열 충격 저항을 갖는 재료로 형성되거나 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 조인트들은 향상된 열 충격 저항을 제공하도록 성형될 수 있다. 일반적으로, 라이너의 세그먼트화된 성질은 재료 선택 및 제조성에서 큰 유연성을 허용한다. 특히, 라이너를 세그먼트화함으로써, 라이너의 길이가 최소화되고, 이는 제조성을 상당히 개선한다(예를 들어, 더 쉬운 제조, 더 많은 제조 옵션, 더 적은 낭비). 또한, 라이너를 세그먼트화함으로써, 교체 기회들이 이용가능하게 된다. 즉, 라이너의 부분 또는 세그먼트가 손상되거나 오염되는 경우, 해당 부분이 제거되고 교체될 수 있고, 그에 의해 세라믹 라이너의 전체 수명이 증가한다.
[0006]
일반적으로, 본 명세서에 개시된 라이너들 및 라이너들을 사용하는 방법들은 마이크로파 플라즈마 토치(예를 들어, 코어-환형 플라즈마 토치, 선회 플라즈마 토치) 내에서의 재료들(예를 들어, 액체, 파우더 등)의 처리에 관한 것이다. 본 기술의 세그먼트화된 라이너들은 인접한 수직 적층된 세그먼트들 사이의 조인트들을 포함한다. 이러한 조인트들은 개선된 성능을 제공하도록 맞춤화된다. 실시예들에서, 조인트를 형성하는 2개의 인접한 세그먼트 사이의 간극 또는 간격은 플라즈마 누설 및 아킹(arcing)을 최소화하기 위해 고도로 제어된다(예를 들어, 엄격한 허용오차, 매우 가깝게 이격됨). 일반적으로, 세그먼트화된 라이너는 마이크로파 플라즈마 기둥(plume)의 환경들 내에서 그리고 주위에서 발견되는 것들과 같은 고밀도 전기장들에서 추가적인 유전성 저항을 제공하는 외측 튜브(예를 들어, 외측 석영 튜브)에 의해 지지되고 둘러싸인다.
[0007]
본 기술의 일 양태는 예를 들어 코어-환형 플라즈마 토치 또는 선회 플라즈마 토치와 같은 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템에 관한 것이다. 라이너 시스템은 하부 케이싱 세그먼트의 상부 부분과 수직으로 인접한 케이싱 세그먼트의 하부 부분 사이에 조인트가 형성되도록 수직으로 적층된 2개 이상의 세그먼트(예를 들어, 2개, 3개, 4개 또는 그 이상)를 포함하는 세그먼트화된 케이싱; 세그먼트화된 케이싱이 외측 튜브의 내부 내에 배치되도록 크기 설정되고 위치되는 외측 튜브; 및 외측 튜브에 대하여 세그먼트화된 케이싱을 위치시키고 그 위치를 유지하기 위한 정렬 부재를 포함한다. 외측 튜브 및 2개 이상의 케이싱 세그먼트 각각은 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 각각 형성되고, 세그먼트화된 케이싱 내의 각각의 조인트는 플라즈마 누설을 최소화하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 세그먼트화된 케이싱은 세그먼트화된 튜브, 원통형 파이프 또는 도관, 또는 임의의 적절한 단면 기하구조를 갖는 도관 또는 채널의 형태일 수 있다.
[0008]
본 기술의 이러한 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 세그먼트화된 라이너는 세라믹 라이너일 수 있다. 2-피스 세그먼트화된 세라믹 라이너를 갖는 실시예들에서, 세그먼트화된 세라믹 케이싱은 제1 케이싱 세그먼트 및 제2 케이싱 세그먼트를 포함하고, 제1 케이싱 세그먼트와 제2 케이싱 세그먼트 사이에 제1 조인트가 배치된다. 3-피스 라이너를 포함하는 실시예에서, 세그먼트화된 세라믹 케이싱은 하부 케이싱 세그먼트, 중간 케이싱 세그먼트, 및 상부 케이싱 세그먼트를 포함하고, 하부 케이싱 세그먼트와 중간 케이싱 세그먼트 사이에 제1 조인트가 배치되고, 중간 케이싱 세그먼트와 상부 케이싱 세그먼트 사이에 제2 조인트가 배치된다. 소정의 실시예들에서, 세그먼트화된 세라믹 케이싱은 4개의 케이싱 세그먼트를 포함하거나 그것들로 형성된다. 일부 실시예들에서, 4개 초과의 케이싱 세그먼트(예를 들어, 5개 또는 심지어 6개 또는 7개)가 요구될 수 있다. 일부 실시예들에서, 라이너 시스템의 정렬 부재는 외측 케이싱에 배치된 립(lip) 또는 트렌치를 포함한다. 소정의 실시예들에서, 정렬 부재는 외측 케이싱 상에 배치된 제1 표면 및 세그먼트화된 세라믹 케이싱 상에 배치된 제2 표면을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 제1 표면은 제2 표면에 연결되는 정합 요소(mating element)를 포함한다. 또한, 정렬 부재는 외측 튜브에 연결 가능한 수냉식 플랜지를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수냉식 플랜지는 또한 상부 세라믹 케이싱 세그먼트에 연결가능하다. 외측 튜브는 하나 이상의 실시예에서 유전성 저항 재료로 형성된다. 일부 실시예들에서, 외측 튜브는 석영으로 형성된다. 소정 실시예들에서, 2개 이상의 세그먼트 사이에 형성된 조인트는 랩 조인트(lap joint)이다. 다른 실시예들에서, 형성된 조인트는 테이퍼형 조인트이다.
[0009]
본 기술의 다른 양태는 플라즈마 토치(예를 들어, 코어-환형 플라즈마 토치, 선회 플라즈마 토치)를 위한 라이너 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 세그먼트화된 라이너를 형성하는 3개의 세그먼트를 포함한다. 즉, 라이너 시스템은 상부 세라믹 케이싱 세그먼트, 중간 세라믹 케이싱 세그먼트, 하부 세라믹 케이싱 세그먼트, 외측 튜브, 및 외측 튜브에 대하여 상부 세라믹 케이싱 세그먼트를 위치시키기 위한 정렬 부재를 포함한다. 외측 튜브는 상부 세라믹 케이싱 세그먼트, 중간 세라믹 케이싱 세그먼트, 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트가 외측 튜브의 내부 공간 내에 맞춰지도록 크기 설정되고 위치된다. 외측 튜브는 마이크로파 에너지에 투명한 재료(예를 들어, 석영)로 형성된다. 중간 세라믹 케이싱 세그먼트는 제1 조인트에서 하부 세라믹 케이싱 세그먼트의 상부 부분으로부터 수직으로 연장되도록 크기 설정되고 위치되며; 상부 세라믹 케이싱 세그먼트는 제2 조인트에서 중간 세라믹 케이싱 세그먼트의 상부 부분으로부터 수직으로 연장되도록 크기 설정되고 위치된다. 제1 조인트는 하부 세라믹 케이싱 세그먼트의 상부 부분 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트의 하부 부분을 포함하고, 제2 조인트는 중간 세라믹 케이싱 세그먼트의 상부 부분 및 상부 세라믹 케이싱 세그먼트의 하부 부분을 포함한다. 제1 및 제2 조인트들 둘 다는 플라즈마 누설을 최소화하도록 크기 설정되고; 상부 세라믹 케이싱 세그먼트, 중간 세라믹 케이싱 세그먼트, 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트 각각은 마이크로파 에너지에 투명한 세라믹 재료로 형성된다.
[0010] 본 기술의 이러한 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 소정 실시예들에서, 제1 및/또는 제2 조인트는 랩 조인트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 및/또는 제2 조인트는 테이퍼형 조인트를 포함한다. 소정의 실시예들에서, 상부 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트들은 실질적으로 동일한 세라믹 재료로 형성된다(예를 들어, 둘 다 알루미나로 형성된다). 일부 실시예들에서, 중간 세라믹 케이싱 세그먼트는 또한 실질적으로 동일한 세라믹 재료로 형성된다(예를 들어, 상부, 중간 및 하부 케이싱 세그먼트들은 모두 알루미나로 형성된다). 소정의 실시예들에서, 상부 세라믹 케이싱 세그먼트는 중간 세라믹 케이싱 세그먼트 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트와 상이한 세라믹으로 형성된다. 예를 들어, 상부 세라믹 케이싱 세그먼트는 석영으로 형성되거나 석영을 포함할 수 있고, 중간 및 하부 케이싱 세그먼트들은 알루미나로 형성되거나 알루미나를 포함할 수 있다. 소정의 실시예들에서, 하부 세라믹 케이싱 세그먼트의 상부 부분 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트의 하부 부분은 하부 세라믹 케이싱 세그먼트 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트의 나머지 부분들과 상이한 세라믹 재료로 형성되거나 그것을 포함한다. 즉, 하부 세라믹 케이싱 세그먼트의 상부 부분 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트의 하부 부분을 포함하는 제1 조인트는 하부 및 중간 케이싱 세그먼트들의 나머지 부분들(제1 조인트를 형성하지 않는 부분들)과 상이한 재료로 형성된다. 예를 들어, 하부 세라믹 케이싱 세그먼트의 상부 부분 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트의 하부 부분은 붕소 질화물의 코팅으로 형성되거나 붕소 질화물의 코팅을 포함하는 반면, 하부 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트들의 나머지 부분들은 알루미나로 형성될 수 있다. 소정 실시예들에서, 정렬 부재는 외측 튜브에 배치된 립 또는 트렌치를 포함한다. 일부 실시예들에서, 정렬 부재는 외측 튜브 상에 배치된 제1 표면 및 상부 세라믹 케이싱 세그먼트 상에 배치된 제2 표면을 포함한다. 제1 표면은 제2 표면에 연결되는 정합 요소를 포함한다. 소정의 실시예들에서, 정렬 부재는 외측 튜브에(그리고 일부 경우들에서, 상부 세라믹 케이싱 세그먼트에도) 연결 가능한 수냉식 플랜지를 포함한다. 수냉식 플랜지는, 일부 실시예들에서, (i) 외측 튜브의 내측 표면과 (ii) 하부 세라믹 케이싱 세그먼트, 중간 세라믹 케이싱 세그먼트 및 상부 세라믹 케이싱 세그먼트의 수직 적층으로 형성된 외측 둘레 표면 사이에 환형 갭을 생성하기 위해 외측 튜브에 대해 상부 세라믹 케이싱 세그먼트를 위치시키고 그 위치를 실질적으로 유지한다. 환형 갭을 포함하는 소정 실시예들에서, 냉각 가스를 공급하기 위한 시스템이 제공되어, 냉각 가스가 환형 갭에 공급되거나 도입되게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 라이너 시스템의 외측 튜브는 석영으로 형성되거나 석영을 포함한다. 외측 튜브는 코어-환형 플라즈마 토치와 함께 사용되도록 크기 설정될 수 있다. 다른 실시예에서, 외측 튜브는 선회 플라즈마 토치와 함께 사용되도록 크기 설정된다. 실시예들 중 임의의 실시예는 상부, 중간 및 하부 세라믹 세그먼트들의 길이들의 맞춤형 크기 설정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 상부 세라믹 케이싱 세그먼트 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트는 제2 조인트가 플라즈마 토치에 의해 생성된 플라즈마에 의해 야기된 극단적인 열 구배의 위치에 위치되도록 크기 설정된다. 소정의 실시예들에서, 하부 세라믹 케이싱 세그먼트 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트는 제1 조인트가 플라즈마 토치에 의해 생성된 플라즈마에 의해 야기된 극단적인 열 구배에 대응하는 추가의 위치에 위치되도록 크기 설정된다.
[0011]
본 기술의 다른 양태는 플라즈마 토치(예를 들어, 코어-환형 플라즈마 토치, 선회 플라즈마 토치)를 위한 라이너 시스템을 조립하는 방법에 관한 것이다. 방법은 적어도 2개의 세라믹 세그먼트를 수직으로 적층함으로써 세그먼트화된 라이너를 형성하는 단계 ― 적어도 2개의 세라믹 세그먼트 각각은 2개의 인접한 수직 적층된 세라믹 세그먼트 사이에 조인트를 형성하기 위한 적어도 하나의 연결 단부를 포함함 ―; 세그먼트화된 라이너를 둘러싸도록 외측 튜브를 위치시키는 단계; 및 정렬 부재로 세그먼트화된 라이너를 외측 튜브에 고정 및 정렬하는 단계를 포함한다. 적어도 2개의 세라믹 세그먼트 각각은 마이크로파 에너지에 투명한 세라믹 재료로 형성된다. 일부 실시예들은 고정 및 정렬된 세그먼트화된 라이너와 외측 튜브 사이에 냉각 가스를 유동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0012]
본 기술의 추가의 양태는 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 조립하는 방법에 관한 것이다. 방법은 하부 세라믹 케이싱 세그먼트, 중간 세라믹 케이싱 세그먼트, 및 상부 세라믹 케이싱 세그먼트를 수직으로 적층하여, 상부 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트들 사이의 상부 조인트 및 중간 및 하부 케이싱 세그먼트들 사이의 하부 조인트를 생성함으로써 세그먼트화된 라이너를 형성하는 단계; 세그먼트화된 라이너를 둘러싸도록 외측 튜브를 위치시키는 단계 ― 외측 튜브는 마이크로파 에너지에 투명함(예를 들어, 석영 외측 튜브) ―; 및 정렬 부재로 세그먼트화된 라이너를 외측 튜브에 고정 및 정렬하는 단계를 포함하고, 상부, 중간, 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트들 각각은 마이크로파 에너지에 투명한 세라믹 재료로 형성된다.
[0013]
본 기술의 다른 양태는 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 유지하는 방법에 관한 것이다. 방법은 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너 내에서 균열 또는 마모된 세그먼트를 검출하는 단계; 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너로부터 외측 마이크로파 투명 튜브를 분리하는 단계; 마모된 세그먼트를 새로운 세라믹 세그먼트로 교체하여 새로운 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너를 형성하는 단계; 새로운 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너를 둘러싸도록 외측 마이크로파 투명 튜브를 위치시키는 단계; 정렬 부재로 새로운 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너를 외측 마이크로파 투명 튜브에 고정 및 정렬하는 단계를 포함하고, 새로운 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너는 마이크로파 에너지에 투명한 세라믹 재료로 형성된다.
[0014]
본 기술의 다른 양태는 플라즈마 토치 내의 플라즈마와 함께 사용하기 위한 케이싱을 포함하는 플라즈마 토치를 위한 라이너에 관한 것이다. 케이싱은 마이크로파 에너지에 투명한 적어도 하나의 재료로 생성되며, 케이싱의 원하는 부분으로 하여금 플라즈마를 봉입하고, 케이싱의 상이한 부분들이 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출되도록 플라즈마 토치 내에서 플라즈마에 대해 미리 결정된 거리에 걸칠 수 있게 하도록 설계되고, 형성되고, 플라즈마 토치 내에 설치된다. 케이싱의 재료, 설계 및 설치는 케이싱의 상이한 부분들이 서로에 대해서 팽창 및 수축할 수 있게 하여 열 충격 저항을 향상시키고 케이싱의 마모 능력들을 개선한다. 개선된 마모 능력들은 적어도, 통상적인 플라즈마 토치 동작들 하에서 케이싱의 균열을 방지하지는 못하더라도 감소시키는 것 및 케이싱을 통한 플라즈마 누설을 제거하지는 못하더라도 최소화하는 것을 포함할 수 있다. 본 기술의 이러한 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 케이싱은 세라믹 재료로 형성된다. 일부 실시예들에서, 케이싱은 직물의 형태로 형성된다. 일부 실시예들에서, 케이싱은 부직포의 형태로 형성된다. 일부 실시예들에서, 라이너는 또한 케이싱의 제1 단부와 맞물리는 제1 지지체, 및 케이싱의 제2 단부와 맞물리는 제2 지지체를 포함하고, 제1 지지체 및 제2 지지체는 플라즈마에 대하여 케이싱을 고정하기 위해 플라즈마 토치의 일부와 맞물리도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 케이싱은 적어도 2개의 세그먼트로 형성되고, 2개의 세그먼트 사이에는 마찰 조인트가 존재한다.
[0015]
본 기술의 다른 양태는 플라즈마 토치 내에서 사용하기 위한 세그먼트화된 케이싱을 포함하는 플라즈마 토치를 위한 라이너에 관한 것이다. 세그먼트화된 케이싱은 마이크로파 에너지에 투명한 재료들로 형성된 적어도 2개의 세그먼트를 포함하고, 적어도 2개의 세그먼트는 세그먼트들 사이에 실질적으로 자기 밀봉 마찰 조인트가 형성되는 것을 가능하게 하도록 형성되고 정렬된다. 조인트는 세그먼트들이 서로에 대해 팽창 및 수축하는 것을 가능하게 하면서, 세그먼트들 사이의 아킹 및 플라즈마 누설을 최소화한다. 세그먼트화된 케이싱은 세그먼트들의 상이한 부분들을 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출시켜, 서로에 대해 팽창 및 수축하게 하여, 열 충격 저항을 향상시키고 플라즈마 토치의 동작 동안 세그먼트들의 균열을 적어도 감소시키거나 방지하는 것을 포함하는 마모 능력들을 개선하도록 플라즈마에 대해 위치된다. 본 기술의 이러한 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 세그먼트들의 수, 크기 또는 길이는 세그먼트화된 케이싱에 향상된 열 충격 저항 또는 개선된 마모 능력들을 제공하도록 맞춤화된다. 일부 실시예들에서, 조인트는 개선된 열 충격 특성들을 갖는 재료들로 형성되거나 코팅된다. 일부 실시예들에서, 조인트는 붕소 질화물로 형성되거나 코팅된다. 일부 실시예들에서, 조인트는 가열될 때 조여지도록 크기 설정되고 성형된다. 일부 실시예들에서, 라이너는 또한 플라즈마에 대해 미리 결정된 거리에 걸치고 세그먼트들의 상이한 부분들을 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출시키기 위해 플라즈마 토치의 플라즈마에 대해 케이싱을 고정하기 위한 적어도 하나의 정렬 부재를 포함한다.
[0016]
본 기술의 다른 양태는 플라즈마 토치의 플라즈마를 실질적으로 둘러싸기 위해 플라즈마 토치 내에서 사용하기 위한 일회용의 세장형 비강성 케이싱을 포함하는 플라즈마 토치를 위한 라이너에 관한 것이다. 케이싱은 적어도 마이크로파 에너지에 투명하고 원하는 양만큼 팽창 및 수축할 수 있는 가요성 세라믹 재료로 형성된다. 라이너는 또한 케이싱의 제1 단부와 맞물리도록 구성된 제1 지지체; 및 케이싱의 제2 단부와 맞물리도록 구성된 제2 지지체를 포함하고, 제1 지지체 및 제2 지지체는 플라즈마 토치의 플라즈마에 대하여 케이싱을 고정하도록 구성된다. 본 기술의 이러한 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가요성 세라믹 재료는 세라믹 리본을 포함한다. 일부 실시예들에서, 라이너는 또한, 제1 지지체 및 제2 지지체를 플라즈마에 대해 원하는 위치에서 플라즈마 토치에 해제가능하게 고정하고, 케이싱이 제1 지지체와 제2 지지체 사이에서 신장되고 플라즈마 토치에 부착될 때 플라즈마에 대해 미리 결정된 거리에 걸칠 수 있게 하여 케이싱의 상이한 부분들이 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출될 수 있게 하고, 그에 의해 쉽게 팽창 및 수축하게 하여 열 충격 저항을 향상시키고, 마모 능력들을 개선하고, 필요에 따라 일회용 케이싱을 쉽게 교체함으로써 플라즈마 토치 내의 런-투-런 오염을 최소화하면서 균열을 제거하기 위해 제1 지지체 및 제2 지지체 각각 상에 해제가능한 체결 디바이스들을 포함한다.
[0017]
본 기술에 대한 다수의 장점들이 있다. 예를 들어, 본 기술의 세그먼트화된 라이너들은, 일부 실시예들에서, 개선된 열 충격 저항 능력들을 제공할 수 있다. 즉, 소정의 실시예들에서, 라이너의 세그먼트화된 성질 및 라이너의 길이를 따라 라이너의 재료/기계적 특성들을 맞춤화하는 능력으로 인해, 본 기술의 라이너들은 개선된 열 충격 저항을 달성한다. 결과적으로, 본 기술의 세그먼트화된 라이너들은 종래의 라이너들보다 균열되거나 고장날 가능성이 더 적다. 본 기술의 소정 실시예들이 갖는 다른 장점은 개선된 제조성이다. 세그먼트화된 라이너를 제공함으로써, 제조 부담 및 낭비가 감소된다. 즉, 제조, 선적 및 설치 동안 파손되기 쉬운 더 긴 단일 라이너들보다 더 짧은 적층가능한 세라믹 세그먼트들을 생성하기에 더 쉽고 비용이 덜 든다. 본 기술의 다른 장점은 라이너의 마모되거나 오염된 부분들을 교체하는 능력이다. 종래의 시스템들에서는, 균열 또는 원하지 않는 코팅이 라이너의 임의의 부분 상에 쌓인 경우에 전체 라이너가 교체될 필요가 있을 것이다. 본 기술은 균열되거나 손상된 세그먼트들만의 교체에 의해 라이너의 손상되지 않은 세그먼트들의 재사용을 허용한다.
[0018]
본 발명은 첨부 도면들과 함께 이루어지는 다음의 상세한 설명으로부터 더 충분히 이해될 수 있다.
[0019] 도 1은 본 기술의 실시예에 따른 세그먼트화된 세라믹 라이너를 포함하는 코어-환형 플라즈마 토치의 단면도이다.
[0020] 도 2는 본 기술에 따른 세그먼트화된 세라믹 라이너의 다른 실시예의 단면도이다.
[0021] 도 3은 본 기술의 실시예에 따른 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 조립하는 방법의 흐름도이다.
[0022] 도 4는 본 기술의 실시예에 따른 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 조립하는 방법의 흐름도이다.
[0023] 도 5는 본 기술의 실시예에 따른 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 유지하는 방법의 흐름도이다.
[0024] 도 6은 본 기술의 실시예에 따른, 축방향 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0025] 도 7은 본 기술의 실시예에 따른, 원주형 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0026] 도 8은 본 기술의 실시예에 따른, 대각선 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0027] 도 9는 본 기술의 실시예에 따른, 다축 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0028] 도 10은 본 기술의 실시예에 따른, 세라믹 재료로 형성된 일회용 또는 교체가능한 세라믹 라이너를 도시한다.
[0019] 도 1은 본 기술의 실시예에 따른 세그먼트화된 세라믹 라이너를 포함하는 코어-환형 플라즈마 토치의 단면도이다.
[0020] 도 2는 본 기술에 따른 세그먼트화된 세라믹 라이너의 다른 실시예의 단면도이다.
[0021] 도 3은 본 기술의 실시예에 따른 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 조립하는 방법의 흐름도이다.
[0022] 도 4는 본 기술의 실시예에 따른 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 조립하는 방법의 흐름도이다.
[0023] 도 5는 본 기술의 실시예에 따른 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템을 유지하는 방법의 흐름도이다.
[0024] 도 6은 본 기술의 실시예에 따른, 축방향 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0025] 도 7은 본 기술의 실시예에 따른, 원주형 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0026] 도 8은 본 기술의 실시예에 따른, 대각선 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0027] 도 9는 본 기술의 실시예에 따른, 다축 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너를 도시한다.
[0028] 도 10은 본 기술의 실시예에 따른, 세라믹 재료로 형성된 일회용 또는 교체가능한 세라믹 라이너를 도시한다.
[0029]
이제, 본 명세서에 개시된 디바이스들 및 방법들의 구조, 기능, 제조, 및 사용의 원리들의 전반적인 이해를 제공하기 위해 소정의 예시적인 실시예들이 설명될 것이다. 이러한 실시예들의 하나 이상의 예가 첨부 도면들에 도시된다. 당업자는 본 명세서에 구체적으로 설명되고 첨부 도면들에 도시된 디바이스들 및 방법들이 비제한적인 예시적인 실시예들이고 본 발명의 범위가 청구항들에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 실시예와 관련하여 도시되거나 설명된 특징들은 다른 실시예들의 특징들과 조합될 수 있다. 이러한 수정들 및 변형들은 본 기술의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
[0030]
일반적으로, 본 기술의 양태들은 플라즈마 토치(예를 들어, 코어-환형 플라즈마 토치, 선회 플라즈마 토치) 응용들을 위한 세라믹 라이너에 관한 디바이스들, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 세라믹 라이너는 토치의 중요한 부분이고, 플라즈마로의 재료들의 이송 및 전달에 사용된다. 즉, 세라믹 라이너의 적어도 일부 부분들은 플라즈마 및 주변 환경의 열적 조건들에 노출된다. 세라믹 라이너가 처리될 재료들의 이송을 돕기 때문에, 세라믹 라이너를 형성하는 재료는 플라즈마를 둘러싸는 극단적인 온도들 및 온도 구배들을 견딜 것이 요구된다. 또한, 라이너를 형성하는 재료는 통상적으로 샘플들을 오염시키지 않거나 높은 온도들을 견디는 재료의 능력을 감소시키지 않도록 고순도 재료들로 만들어진다. 불행하게도, 고순도 세라믹 재료들은 필요한 열 충격 저항(예를 들어, 플라즈마의 경계에 인접하여 또는 경계 상에서 경험되는 것들과 같은 큰 온도 변화들을 견디는 능력)보다 낮은 열 충격 저항을 갖는 경향이 있다. 본 개시는 개선된 열 충격 저항을 갖는 개선된 세라믹 라이너를 제공하는 디바이스들, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 개시는 플라즈마 토치를 위한 세그먼트화된 세라믹 라이너를 제공한다. 실시예들에서, 세그먼트화된 세라믹 라이너, 및 세그먼트화된 라이너를 사용하고 조립하고 유지하는 방법들은 종래의 단일 세라믹 라이너들에 비해 많은 장점들을 제공한다. 예를 들어, 세그먼트화된 라이너들은 향상된 열 충격 저항 및/또는 개선된 마모 능력들을 제공하도록 맞춤화될 수 있다(예를 들어, 세그먼트들의 재료들, 세그먼트들의 길이들, 세그먼트들의 조인트들, 및 세그먼트들의 포지셔닝 중 하나 이상).
[0031]
일반적으로, 본 명세서에 개시된 세그먼트화된 세라믹 라이너는 2개의 수직으로 인접한 세그먼트를 함께 연결하는 조인트를 갖는 2개 이상의 세그먼트(예를 들어, 2, 3, 4, 5, 6개 이상의 세그먼트)로 형성될 수 있다. 조인트는 플라즈마 누설 및 아킹을 최소화하도록 크기 설정된다. 대부분의 실시예들에서, 세그먼트화된 구조체는 고밀도 전기장들(예를 들어, 마이크로파 플라즈마들을 포함하고/하거나 둘러싸는 환경들)에서 추가적인 저항을 제공하는 외측 튜브에 의해 지지되고 둘러싸인다. 일반적으로, 외측 튜브 및 세그먼트화된 라이너 둘 다는 마이크로파 플라즈마 환경들과 연관된 온도들을 견딜 수 있는 세라믹 재료들로 형성된다. 또한, 외측 튜브 및 세그먼트화된 라이너 둘 다는 마이크로파 에너지에 투명한 재료들로 형성된다. 일부 예시적인 재료들은 석영, 알루미나, 강옥과 같은 알루미나 기반 재료들, 붕소 질화물, 실리콘 질화물 및 알루미늄 질화물(순수하거나 첨가제들을 가짐, 예를 들어 실리콘 이산화물 첨가제를 갖는 붕소 질화물)과 같은 질화물들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 세그먼트화된 라이너에서의 하나 이상의 조인트는 라이너에 개선된 열 충격 능력들을 제공하도록 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 조인트를 형성하는 재료들은 개선된 열 충격 특성을 갖는 재료들로 제조되거나 코팅될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 하나 이상의 조인트는 열 충격에 대한 더 나은 저항을 제공하도록 크기 설정/구성될 수 있다. 예를 들어, 큰 열 구배의 위치에 조인트를 배치함으로써, 세그먼트화된 라이너는 단일 라이너보다 열 충격 기반 균열을 더 잘 방지할 수 있다고 여겨진다. 세그먼트화된 라이너는 라이너를 형성하는 세그먼트들 각각에 대해 적절한 재료들을 선택함으로써 더 맞춤화될 수 있다. 즉, 세그먼트들 모두가 동일한 재료로 만들어질 필요는 없다. 예를 들어, 3개의 세그먼트(즉, 상부, 중간 및 하부)를 포함하는 실시예에서, 개별적으로 냉각될 수 있는 상부 세그먼트는 석영으로 제조될 수 있는 반면, 중간 및 하부 세그먼트들은 알루미나로 제조될 수 있다. 추가적인 열 충격 저항을 제공하기 위해, 제1 및 제2 조인트들은 붕소 질화물로 형성되거나 붕소 질화물의 코팅을 포함할 수 있다. 당업자는 본 명세서에 설명된 다양한 컴포넌트들의 크기, 형상 및 재료들이 다양한 인자들에 따라 달라질 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 세그먼트화된 케이싱 내의 세그먼트들의 수 또는 크기는 상이한 실시예들에서 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 케이싱은 직포 또는 부직포 세라믹 재료와 같은 단일 구조체를 포함할 수 있다. 세라믹 재료들에 추가하여 또는 그 대신에, 마이크로파 복사선에 투명한 추가의 재료들이 또한 사용될 수 있다.
[0032]
도 1은 본 기술에 따른 세그먼트화된 세라믹 라이너(100)를 포함하는 코어-환형 플라즈마 토치(10)의 개략적인 단면도를 도시한다. 특히, 도 1의 세그먼트화된 라이너(100)는 2개의 조인트를 갖는 3개의 별개의 세그먼트를 포함한다. 도 1의 세그먼트화된 세라믹 라이너는 세그먼트화된 세라믹 라이너(즉, 상부 세그먼트(105)의 상부 부분(102)으로부터 하부 세그먼트(115)의 하부 부분(104)까지 연장되는 케이싱)를 형성하기 위해 수직으로 적층되는 상부 세그먼트(105), 중간 세그먼트(110), 및 하부 세그먼트(115)를 포함한다. 인접한 수직 적층된 세그먼트들 사이에는 조인트들이 있다. 제1 조인트(또는 하부 조인트)(120)는 하부 세그먼트(115)의 상부 부분(122) 및 중간 세그먼트(110)의 하부 부분(124)을 포함하는 위치에 위치된다. 제2 조인트(또는 상부 조인트)(125)는 중간 세그먼트(110)의 상부 부분(126) 및 상부 세그먼트(105)의 하부 부분(128)에 위치된다.
[0033]
도 1은 토치(10)의 바디 내의 세그먼트화된 라이너(100)의 위치를 도시한다. 코어-환형 토치는 3개의 동심으로 장착된 세라믹 튜브: c로 도시된 내경을 갖는 내측 튜브(11), b로 표시된 내경을 갖는 중간 튜브(12), 및 a로 표시된 내경을 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너(100)를 포함한다. 세그먼트화된 세라믹 라이너(100)를 둘러싸는 것은 외측 튜브 또는 쉘(114)이다. 외측 튜브(114)는 정렬 부재(116)에 의해 세그먼트화된 라이너(100)로부터 이격되며, 이 정렬 부재는 도 1에서 세그먼트화된 라이너(100)의 외측 튜브(114) 및 상부 세그먼트(105) 둘 다를 하우징하는 플랜지를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예와 같은 소정 실시예들에서, 정렬 부재(116)는 위치 7에 도시된 바와 같이 수냉식일 수 있다. 또한, 도 1에는 토치(10) 내에 마이크로파 에너지를 지향시키고 포커싱하기 위한 에너지 어플리케이터 또는 도파관(13)이 도시되어 있다.
[0034]
토치(10)의 동작 동안, 코어 가스, 벡터 환형 가스, 및 냉각 보호 가스가 각각 포트 2, 6 및 6에서 토치(10)에 전달된다. 샘플들 및/또는 전구체들이 디바이스의 상부(도시되지 않음)를 통해 들어가고 내부 튜브(11), 중간 튜브(12), 및 라이너 세그먼트화된 라이너(10)의 내부들을 점선(20)을 따라 통과한다. 샘플들/전구체들은 통상적으로 도파관(13)의 위치에서 또는 점선(20)을 따른 위치(25)에서 생성된 플라즈마에 의해 처리된다.
[0035]
도 1에 도시된 실시예에서, 제1 및 제2 조인트들(120, 125)은 랩 조인트들이다. 즉, 세그먼트들(105, 110, 115)의 상부 및/또는 하부 부분들은 조인트를 형성하기 위해 단단히 맞대어지도록 정합 또는 중첩 형상으로 형성된다. 구체적으로, 중간 세그먼트(110)는 하부 세그먼트(115)의 상부 부분(122)과 함께 맞춰지도록 성형된 하부 부분(124)을 갖는다. 유사하게, 중간 세그먼트(110)의 상부 부분(126)은 상부 세그먼트(105)의 하부 부분(128)과 함께 맞춰지도록 성형된다. 도 1에서는 조인트의 형상이 겹치거나 중첩되는 구조이지만, 다른 조인트 유형들 또는 구조들이 가능하다. 예를 들어, 도 2는 2개의 수직으로 인접한 적층된 세그먼트들 사이의 테이퍼형 조인트를 예시하는 실시예를 도시한다. 조인트들은 임의의 유형의 정합, 중첩 또는 테이퍼 구조를 가질 수 있다. 아킹 및 플라즈마 누설을 감소시키기 위해 조인트를 형성하는 부분들 사이의 임의의 갭들 또는 간격이 최소화되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 중첩, 정합 또는 테이퍼 구조들은 플라즈마 누설의 최소화를 돕기 위해 엄격한 허용오차들을 포함해야 한다.
[0036]
외측 튜브 또는 쉘(114)은 세그먼트화된 라이너(100) 구조체를 지지하고 추가의 유전성 저항을 제공할 수 있다. 일반적으로, 외측 튜브(114)는 석영 또는 다른 마이크로파 투명 재료로 형성된다. 냉각 가스가 라이너(100)와 외측 튜브(114) 사이의 갭에 공급될 수 있다.
[0037]
상부, 중간 및 하부 세그먼트들을 형성하는 재료들은 원하는 대로 선택될 수 있다. 일반적으로, 상부, 중간 및 하부 세그먼트들 각각은 마이크로파 복사선에 투명한 세라믹으로 형성된다. 그러나, 각각의 세그먼트는 그의 이웃하는 인접 세그먼트와 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 조인트들을 형성하는 세그먼트들의 부분들은 세그먼트의 나머지 부분과 상이한 재료로 제조되거나 코팅될 수 있다. 예를 들어, 중간 세그먼트(110)와 관련하여, 상부 및 하부 부분들(126, 124)은 중간 세그먼트(110)의 나머지 또는 바디와 상이한 재료를 포함할 수 있다. 특히, 중간 세그먼트는 알루미나로 형성될 수 있는 반면, 상부 및 하부 부분들(126, 124)은 붕소 질화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
[0038]
세그먼트들(105, 110, 115)의 상부 및 하부 부분들과 그들 각각의 나머지 부분들 사이의 재료 변화들에 더하여, 세그먼트들 사이에 재료 차이들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 상부 세그먼트(105)는 석영으로 형성될 수 있는 반면, 중간 세그먼트(110) 및 하부 세그먼트(115)는 알루미나로 형성될 수 있다. 소정 실시예들에서, 중간 세그먼트(110)는 알루미나로 형성되는 반면, 하부 세그먼트(115)는 완전히 붕소 질화물로 형성된다.
[0039]
조인트들(120 및 125)의 위치들은 특정 토치들(10)에서 사용될 때 세그먼트화된 라이너(100)에 대한 향상된 열 충격 특성들을 제공하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 조인트들(120 및 125)은 도파관(13)의 외부에 위치된다. 조인트들을 원하는 위치들에 위치시키기 위해, 세그먼트들 각각의 길이는 조인트 배치를 염두에 두고 설정된다. 세그먼트들(105, 110, 115)은 적절한 축척으로 도시되지 않았지만, 상부 세그먼트(105)의 길이들은 중간 세그먼트(110) 또는 하부 세그먼트(115)와 동일하지 않으며, 결과적으로 조인트들(120, 125)의 위치들에 대한 제어가 제공된다는 점에 유의한다.
[0040]
정렬 부재(116)는 외측 튜브(114)에 대하여 세그먼트화된 라이너(100)(예를 들어, 세그먼트화된 세라믹 케이싱)를 위치시키고 그 위치를 유지할 수 있는 임의의 구조체로 만들어질 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 정렬 부재(116)는 외측 튜브(114) 주위에 연장되는 플랜지이다. 실시예들에서, 정렬 부재(116)는 외측 튜브(114)에 내장될 수 있다. 예를 들어, 정렬 부재(116)는 외측 튜브(114) 주위의 플랜지 또는 하우징 내의 립 또는 리지(ridge)일 수 있다. 세그먼트화된 라이너(100)의 일부는 외측 튜브(114)와 세그먼트화된 라이너(100)의 정렬을 확보하기 위해 립 내에 맞춰지거나 리지에 연결될 것이다. 다른 구조체들도 정렬 부재들로서 사용될 수 있다. 이러한 구조체들은 세그먼트화된 라이너(100)를 형성하는 세그먼트들(예를 들어, 105, 110, 115) 중 하나 또는 외측 튜브(114) 중 하나에 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬 부재는 외측 튜브(114)와 세그먼트화된 라이너(10)를 연결하고 그 포지셔닝을 유지하는 별개의 구조체이다. 상이한 실시예들에서, 상이한 유형의 정렬 부재들 또는 지지 구조체들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 정렬 부재들 또는 지지 구조체들은 플라즈마 토치에 대해 라이너를 고정하기 위해 세그먼트화된 라이너의 대향 단부들 상에 위치되거나 그러한 단부들과 맞물릴 수 있다.
[0041]
도 2는 본 기술에 따른 세라믹 라이너의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 세그먼트화된 라이너(200)는 단지 2개의 세그먼트, 즉 상부 세그먼트(205) 및 하부 세그먼트(210)로 형성된다. 조인트(220)는 테이퍼형 조인트로서 도시된다. 이러한 유형의 조인트는 인접 세그먼트가 조립 동안 자기 센터링될 수 있게 한다. 추가로, 이러한 구성은 플라즈마의 동작 동안 발생할 수 있는 수직 열 성장을 완화한다. 이론에 얽매이는 것을 원하지 않지만, 하부 세그먼트(210)는 더 뜨거워짐에 따라 방사상으로 성장하는 것으로 여겨진다. 방사상으로 성장함에 따라, 이제 방사상으로 연장되는 하부 세그먼트(210)는 상부 세그먼트(205)가 테이퍼형 조인트(220) 내로 가라앉는 것을 허용하여, 조인트 내의 갭의 조임뿐만 아니라 수직 축방향 성장의 일부를 완화할 것으로 여겨진다(즉, 아킹 및 플라즈마 누설을 감소시킴).
[0042]
도시된 실시예들은 3개의 세그먼트 또는 2개의 세그먼트를 포함하지만, 실시 가능하거나 바람직한 임의 수의 세그먼트가 본 기술의 범위 내에 있다. 추가로, 도 1은 코어-환형 플라즈마 토치 내의 세그먼트화된 라이너를 도시하지만, 본 기술의 세그먼트화된 라이너는 임의의 유형의 마이크로파 플라즈마 토치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 세그먼트화된 라이너는 또한 선회 플라즈마 토치 내에서 유용할 것으로 예상된다. 또한, 하나 이상의 조인트의 위치들은 특정 토치 및/또는 동작 조건들에 대해 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 상부 세그먼트를 플라즈마 외부에 유지하는 것이 요구되는 경우, 하부 및 임의의 중간 세그먼트들의 수직 길이는 상부 세그먼트가 플라즈마 외부에 있게 세그먼트화된 라이너를 토치 내에 적절하게 위치시키도록 맞춤화될 수 있다. 3개의 세그먼트를 포함하는 일 실시예에서, 중간 세그먼트의 높이는 도파관의 높이와 실질적으로 동일하다. 예를 들어, 4.875 인치의 높이를 갖는 도파관을 특징으로 하는 실시예에서, 중간 세그먼트 높이는 또한 대략 4.875 인치(예를 들어, 4.7 인치 내지 4.95 인치)일 수 있다. 도파관의 높이가 약 2.5 인치인 다른 실시예에서, 중간 세그먼트의 높이는 또한 약 2.5 인치(예를 들어, 2.35 내지 2.65 인치)이다.
[0043]
도 3 및 4를 참조하면, 세그먼트화된 라이너 시스템을 조립하기 위한 방법의 2개의 실시예가 도시되어 있다. 도 3은 적어도 2개의 세라믹 세그먼트의 적층을 포함하는 방법을 도시하는 반면, 도 4는 상부, 중간 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트들의 적층에 관한 것이다. 도 3의 방법(300)은 3개의 단계를 포함한다. 단계 305에서, 세그먼트화된 라이너는 적어도 2개의 세라믹 세그먼트를 수직으로 적층함으로써 형성되고, 적어도 2개의 세라믹 세그먼트 각각은 2개의 인접한 수직 적층된 세라믹 세그먼트 사이에 조인트를 형성하기 위한 적어도 하나의 연결 단부를 포함한다. 단계 307에서, 세그먼트화된 라이너를 둘러싸도록 외측 튜브가 위치된다. 마지막으로, 단계 309에서, 세그먼트화된 라이너는 정렬 부재로 외측 튜브에 고정되고 정렬되어 세그먼트화된 라이너 시스템을 형성한다. 선택적으로, 일부 실시예들은 고정 및 정렬된 세그먼트화된 라이너와 외측 튜브 사이에 냉각 가스를 제공하고 유동시키는 추가 단계를 특징으로 한다. 이 선택적인 단계는 통상적으로 단계 309를 뒤따를 것이지만, 일부 실시예들에서는 단계 307을 뒤따를 수 있다.
[0044]
도 4에 도시된 방법(400)은 상부, 중간 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트들을 포함하는 세그먼트화된 라이너 시스템의 조립 방법을 예시한다. 단계 405는 하부 세라믹 케이싱 세그먼트, 중간 세라믹 케이싱 세그먼트, 및 상부 세라믹 케이싱 세그먼트를 수직으로 적층하여, 상부 및 중간 세라믹 케이싱 세그먼트들 사이의 상부 조인트 및 중간 및 하부 케이싱 세그먼트들 사이의 하부 조인트를 생성함으로써 세그먼트화된 라이너를 형성하는 단계를 포함한다. 단계 407은 세그먼트화된 라이너를 둘러싸도록 외측 튜브를 위치시키는 단계를 포함하고, 외측 튜브는 마이크로파 에너지에 투명하다(예를 들어, 석영 외측 튜브). 그리고 단계 409는 정렬 부재로 세그먼트화된 라이너를 외측 튜브에 고정하고 정렬하는 단계를 포함하고, 상부, 중간 및 하부 세라믹 케이싱 세그먼트들 각각은 마이크로파 에너지에 투명한 세라믹 재료로 형성된다.
[0045]
본 기술의 세그먼트화된 라이너 시스템 조립체는 유지보수 및/또는 교환가능한 부분들을 통해 세그먼트화된 세라믹 라이너의 부분들을 맞춤화하거나 변경하는 능력을 통해 세라믹 라이너의 연장된 수명의 장점을 포함하는 많은 장점들을 제공한다. 도 5는 이러한 일반적인 원리들에 따라 라이너 시스템을 유지하는 방법을 도시한다. 도 5에 도시된 흐름도에서, 방법(500)은 5개의 단계를 포함한다. 단계 505에서, 수직으로 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너 내의 균열되거나 마모된 세그먼트가 검출되거나 식별된다. 다음으로, 단계 510에서, 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너로부터 외측 마이크로파 투명 튜브가 분리된다. 단계 515에서, 마모된 세그먼트(또는 균열된 세그먼트)는 새로운 수직 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너를 형성하기 위해 새로운 세라믹 세그먼트로 교체된다. 단계 520에서, 외측 마이크로파 투명 튜브는 새로운 수직으로 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너를 둘러싸도록 위치된다. 그리고 마지막으로 단계 525에서, 새로운 수직으로 적층된 세그먼트화된 세라믹 라이너는 정렬 부재로 외측 마이크로파 투명 튜브에 고정되고 정렬된다.
[0046]
방법(500)이 유지 방법으로서 설명되었지만, 이 방법은 또한 특정 세트의 토치 동작 조건들에 대해 세라믹 라이너를 맞춤화하는 방법으로서 당업자들에 의해 사용되거나 적응될 수 있다는 점에 유의한다. 특히, 균열 또는 마모된 세그먼트를 검출하는 대신에, 조인트의 새로운 배치(예를 들어, 토치 바디 내의 새로운 조인트 위치) 또는 세그먼트의 적어도 일부에 대한 새로운 재료 선택이 원하는 동작 조건들에 기초하여 식별된다. 이어서, 마모된 세그먼트를 교체하는 대신에, 식별 단계에 따라 교체된 세그먼트 내에 새로운 조인트 위치 및/또는 새로운 재료를 제공하도록 세그먼트가 교체된다. 일부 실시예들에서, 케이싱이 일회용 또는 교체가능한 케이싱인 경우, 라이너 시스템을 유지하는 단계는 교체가능한 케이싱의 균열 또는 마모된 부분을 식별하고, 플라즈마 토치에 대해 케이싱을 고정하는 하나 이상의 지지 구조체로부터 케이싱을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 손상되거나 마모된 케이싱이 제거되면, 새로운 케이싱이 지지 구조체들에 부착되고 플라즈마 토치에 대해 고정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 교체 가능한 케이싱은 예를 들어 런-투-런 오염을 최소화하기 위해 마모되지 않은 경우에도 교체될 수 있다.
[0047]
도 6은 본 기술의 실시예에 따른, 축방향 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너(600)를 도시한다. 이 실시예에서, 세그먼트화된 세라믹 라이너(600)는 축 방향으로 세그먼트화된 다수의 라이너 세그먼트(601)를 포함하고, 축 방향으로의 열 팽창으로 인한 응력을 완화하기 위해 라이너 세그먼트들(601) 각각 사이에 조인트(603)가 위치된다.
[0048]
도 7은 본 기술의 실시예에 따른, 원주형 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너(700)를 도시한다. 이 실시예에서, 세그먼트화된 라이너(700)는 도시된 조인트들(703)을 가로질러 세그먼트화된 다수의 라이너 세그먼트(701)를 포함한다. 이러한 배열은 원통형 라이너(700)의 둘레를 따른 열 팽창으로 인한 후프 응력(hoop stress)을 완화할 수 있다. 일 실시예에서, 4개의 조인트(703)는 원통형 라이너(700)를 4개의 동일한 크기의 라이너 세그먼트(701)로 분할한다.
[0049]
도 8은 본 기술의 실시예에 따른, 대각선 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너(800)를 도시한다. 이 실시예에서, 세그먼트화된 라이너(800)는 대각선 조인트들(803)을 가로질러 세그먼트화된 다수의 라이너 세그먼트(801)를 포함한다. 이러한 배열은, 도 6을 참조하여 전술한 축 방향 이외의 축 또는 방향을 따른 또는 도 7을 참조하여 논의된 원주를 따른 응력을 완화할 수 있다.
[0050]
대안적인 실시예에서, 세라믹 라이너(800)는 세라믹 라이너 주위에 나선형인 단일 조인트(803)를 갖는 나선 형상으로 코일화되거나 감긴 세라믹 리본과 같은 가요성 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 세라믹 라이너(800)를 제자리에 고정하기 위해, 세라믹 라이너(800)를 둘러싸는 또는 세라믹 라이너(800)의 대향 단부들 상의 하나 이상의 정렬 부재가 사용될 수 있다.
[0051]
도 9는 본 기술의 실시예에 따른, 다축 세그먼트화를 갖는 세그먼트화된 세라믹 라이너(900)를 도시한다. 이 실시예에서, 세그먼트화된 라이너(900)는 동시에 다수의 축을 가로지르는 열 팽창으로 인한 응력을 최소화하기 위해 대각선 조인트들(903) 및 길이방향 조인트들(905)에 의해 분리된 다수의 세그먼트(901)를 포함할 수 있다.
[0052]
도 10은 본 기술의 실시예에 따른, 세라믹 재료로 형성된 일회용 또는 교체가능한 세라믹 라이너(1000)를 도시한다. 런-투-런 오염을 최소화할 뿐만 아니라, 열 팽창으로 인한 응력을 최소화하기 위해, 일회용 또는 교체가능한 라이너는 직포 또는 부직포와 같은 세라믹 재료(1001)로부터 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 세라믹 재료는 가요성 세라믹 재료일 수 있다. 이 실시예에서, 세라믹 재료(1001)는 제1 지지체(1003) 및 제2 지지체(1005)를 사용하여 신장되거나 지지될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 지지체(1003)는 세라믹 재료(1001)의 제1 단부와 맞물릴 수 있는 반면, 제2 지지체(1005)는 세라믹 재료(1001)의 제2 단부와 맞물릴 수 있다. 제1 지지체(1003) 및 제2 지지체(1005)는 지지 브래킷들을 포함할 수 있고, 세라믹 라이너(100)의 단부들은 세라믹 라이너(100)를 교체하기 위해 브래킷들에 부착되거나 브래킷들로부터 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지체들을 플라즈마 토치에 해제가능하게 고정하고 세라믹 라이너(100)를 플라즈마에 대해 원하는 위치에 위치시키기 위해, 해제가능한 체결 디바이스들이 지지체들 상에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지체들은 특정 체결 디바이스들 없이 플라즈마 토치의 일부 상에 놓이거나 그와 맞물리도록 설계될 수 있다.
[0053]
당업자는 전술한 실시예들에 기초하여 본 발명의 추가 특징들, 장점들 및 적응들을 알 것이다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구항들에 의해 표시된 것을 제외하고는, 특별히 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않아야 한다. 본 명세서에 인용된 모든 공보들 및 참고 문헌들은 그 전체가 본 명세서에 참고로 명확히 통합된다.
Claims (23)
- 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템으로서,
하부 케이싱 세그먼트의 상부 부분과 수직으로 인접한 케이싱 세그먼트의 하부 부분 사이에 조인트가 형성되도록 수직으로 적층된 2개 이상의 케이싱 세그먼트를 포함하는 세그먼트화된 케이싱;
외측 튜브 ― 상기 외측 튜브는 상기 세그먼트화된 케이싱이 상기 외측 튜브의 내부 내에 배치되도록 크기 설정되고 위치되며, 상기 외측 튜브는 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성됨 ―; 및
상기 외측 튜브에 대하여 상기 세그먼트화된 케이싱을 위치시키고 그 위치를 유지하기 위한 정렬 부재를 포함하고;
상기 2개 이상의 케이싱 세그먼트 각각은 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성되고, 각각의 조인트는 플라즈마 누설을 최소화하도록 구성되는,
플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 세그먼트화된 세라믹 케이싱은 제1 케이싱 세그먼트 및 제2 케이싱 세그먼트를 포함하는 2개 이상의 케이싱 세그먼트를 포함하는 세라믹 케이싱이고, 상기 제1 케이싱 세그먼트와 상기 제2 케이싱 세그먼트 사이에 제1 조인트가 배치되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 제1항에 있어서,
2개 이상의 케이싱 세그먼트를 포함하는 상기 세그먼트화된 케이싱은 하부 케이싱 세그먼트, 중간 케이싱 세그먼트, 및 상부 케이싱 세그먼트를 포함하고, 상기 하부 케이싱 세그먼트와 상기 중간 케이싱 세그먼트 사이에 제1 조인트가 배치되고, 상기 중간 케이싱 세그먼트와 상기 상부 케이싱 세그먼트 사이에 제2 조인트가 배치되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 정렬 부재는 상기 외측 튜브에 배치된 립(lip) 또는 트렌치(trench)를 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 정렬 부재는 상기 외측 튜브 상에 배치된 제1 표면 및 상기 세그먼트화된 케이싱 상에 배치된 제2 표면을 포함하고, 상기 제1 표면은 상기 제2 표면에 연결되는 정합 요소를 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 정렬 부재는 상기 외측 튜브에 연결가능한 수냉식 플랜지를 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 조인트는 랩 조인트(lap joint)를 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 조인트는 테이퍼형 조인트를 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너 시스템. - 플라즈마 토치를 위한 라이너로서,
플라즈마 토치 내에서 플라즈마와 함께 사용하기 위한 케이싱을 포함하고, 상기 케이싱은 마이크로파 에너지에 투명한 적어도 하나의 재료로 생성되며, 상기 케이싱의 원하는 부분으로 하여금 상기 플라즈마를 봉입하고, 상기 플라즈마 토치 내의 상기 플라즈마에 대해 미리 결정된 거리에 걸치게 하여 상기 케이싱의 상이한 부분들이 상기 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출될 수 있게 하도록 설계되고, 형성되고, 상기 플라즈마 토치 내에 설치되며, 상기 케이싱의 상기 재료, 설계 및 설치로 인해, 상기 케이싱의 상이한 부분들로 하여금 서로에 대해 팽창 및 수축할 수 있게 하여 열 충격 저항을 향상시키고, 적어도, 통상적인 플라즈마 토치 동작들 하에서 상기 케이싱의 균열을 방지하지는 못하더라도 적어도 감소시키는 것 및 상기 케이싱을 통한 플라즈마 누설을 제거하지는 못하더라도 최소화하는 것을 포함하는 상기 케이싱의 마모 능력들을 개선하는,
플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제9항에 있어서,
상기 케이싱은 세라믹 재료로 제조되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제9항에 있어서,
상기 케이싱은 직물의 형태로 제조되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제9항에 있어서,
상기 케이싱은 부직포의 형태로 제조되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제9항에 있어서,
상기 케이싱의 제1 단부와 맞물리는 제1 지지체, 및 상기 케이싱의 제2 단부와 맞물리는 제2 지지체를 더 포함하고, 상기 제1 지지체 및 상기 제2 지지체는 상기 플라즈마에 대하여 상기 케이싱을 고정하기 위해 상기 플라즈마 토치의 일부와 맞물리도록 구성되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제9항에 있어서,
상기 케이싱은 적어도 2개의 세그먼트로 이루어지고, 상기 2개의 세그먼트 사이에 마찰 조인트가 있는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 플라즈마 토치를 위한 라이너로서,
플라즈마 토치 내에서 사용하기 위한 세그먼트화된 케이싱을 포함하고, 상기 케이싱은 마이크로파 에너지에 투명한 재료들로 형성된 적어도 2개의 세그먼트를 갖고, 상기 적어도 2개의 세그먼트는 세그먼트들 사이에 실질적 자기 밀봉 마찰 조인트가 형성되는 것을 가능하게 하도록 형성 및 정렬되고, 상기 조인트는 상기 세그먼트들이 상기 세그먼트들 사이의 플라즈마 누설 및 아킹을 최소화하면서 서로에 대해 팽창 및 수축하는 것을 가능하게 하고, 상기 세그먼트화된 케이싱은 상기 세그먼트들의 상이한 부분들을 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출시켜 서로에 대해 팽창 및 수축하게 하여, 열 충격 저항을 향상시키고, 상기 플라즈마 토치의 동작 동안 상기 세그먼트들의 균열을 적어도 감소시키거나 방지하는 것을 포함하는 마모 능력들을 개선하도록 상기 플라즈마에 대해 위치되는,
플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제15항에 있어서,
상기 적어도 2개의 세그먼트의 수, 크기 또는 길이는 상기 세그먼트화된 케이싱에 향상된 열 충격 저항 또는 개선된 마모 능력들을 제공하도록 맞춤화되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제15항에 있어서,
상기 조인트는 개선된 열 충격 특성들을 갖는 재료들로 제조되거나 코팅되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제15항에 있어서,
상기 조인트는 붕소 질화물로 제조되거나 코팅되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제15항에 있어서,
상기 조인트는 가열될 때 조여지도록 크기 설정되고 성형되는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제15항에 있어서,
상기 플라즈마에 대해 미리 결정된 거리에 걸치고 상기 세그먼트들의 상이한 부분들을 상기 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출시키도록 상기 플라즈마 토치의 상기 플라즈마에 대해 상기 케이싱을 고정하기 위한 적어도 하나의 정렬 부재를 더 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 플라즈마 토치를 위한 라이너로서,
플라즈마 토치의 플라즈마를 실질적으로 둘러싸기 위해 상기 플라즈마 토치 내에서 사용하기 위한 일회용의 세장형 비강성 케이싱 ― 상기 케이싱은 적어도 마이크로파 에너지에 투명하고 원하는 양만큼 팽창 및 수축할 수 있는 가요성 세라믹 재료로 형성됨 ―;
상기 케이싱의 제1 단부와 맞물리도록 구성된 제1 지지체; 및
상기 케이싱의 제2 단부와 맞물리도록 구성된 제2 지지체를 포함하고, 상기 제1 지지체 및 상기 제2 지지체는 상기 플라즈마 토치의 상기 플라즈마에 대해 상기 케이싱을 고정하도록 구성되는,
플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제21항에 있어서,
상기 가요성 세라믹 재료는 세라믹 리본을 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너. - 제21항에 있어서,
상기 제1 지지체 및 상기 제2 지지체를 상기 플라즈마에 대해 원하는 위치에서 상기 플라즈마 토치에 해제가능하게 고정하고, 상기 케이싱이 상기 제1 지지체와 상기 제2 지지체 사이에서 신장되고, 상기 플라즈마 토치에 부착될 때 상기 플라즈마에 대해 미리 결정된 거리에 걸칠 수 있게 하여, 상기 케이싱의 상이한 부분들이 상기 플라즈마의 상이한 온도 구배들에 노출될 수 있게 하고, 그에 의해 쉽게 팽창 및 수축하게 하여, 열 충격 저항을 향상시키고, 마모 능력들을 개선하고, 필요에 따라 상기 일회용 케이싱을 쉽게 교체함으로써 상기 플라즈마 토치 내의 런-투-런 오염을 최소화하면서 균열을 제거하기 위해, 상기 제1 지지체 및 상기 제2 지지체 각각 상에 해제가능한 체결 디바이스들을 더 포함하는, 플라즈마 토치를 위한 라이너.
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