TWI390169B - 用於至一爐之氣體入口之密封裝置 - Google Patents

用於至一爐之氣體入口之密封裝置 Download PDF

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Description

用於至一爐之氣體入口之密封裝置
本發明更一般地係關於爐、熔爐、處理腔室及其類似物，在其中作為一處理步驟之一部分而引入一試劑氣體。本發明之特定實例係關於用於化學氣相滲透/化學氣相沈積(CVI/CVD)之熔爐，在該等熔爐中引入一試劑氣體，此作為使多孔元件(例如用於摩擦配件之多孔預成型坯)緻密之方法的一部分。
總體而言，對在其中引入試劑氣體(此作為處理步驟之一部分)之爐、熔爐、處理腔室及其類似物之使用係已知的(在以下描述中，應將術語"爐"寬泛地理解為適用於熔爐及此種類的其他處理腔室)。一實例為化學氣相滲透方法，在該方法中，將一前驅物試劑氣體引入至其中置放有多孔元件(例如(且無限制性)用於刹車圓盤之多孔預成型坯)的爐中。
通常，習知爐包含：一用於密封其中置放待處理之物件或元件之工作空間或反應室的爐外殼；一用於致使試劑氣體流進爐中及自爐中流出之系統；及一用於加熱反應室之至少一內部部分之加熱器系統。
在已知方法中，強制試劑氣體滲透多孔元件之多孔結構。試劑氣體可包含烴氣體，例如丙烷。
在一已知實例中，將試劑氣體引入至由用於刹車圓盤之環狀預成型坯之堆疊界定的內容積中，該等預成型坯在爐之反應室中大體上對準。通常，藉由經由預成型坯之多孔(例如纖維)結構之擴散及/或藉由經由相鄰的經堆疊預成型坯之間的間隙(如間隔件或其類似物所界定)的流動，而強制該氣體自該堆疊之內容積行進至該堆疊之外部。
加熱器系統至少加熱反應室之內部。因此，由於刹車圓盤預成型坯之相對較高的溫度，試劑氣體經受熱解且留下沈積於多孔結構之內表面上的分解產物。舉例而言，在烴氣體情況下，分解產物為熱解碳，因此獲得含碳複合物材料(例如碳－碳材料)。
通常，此類型之爐係由複數個藉由焊接、螺栓連接或其類似方法組裝在一起之組件所組成，以便界定組裝結構之各個單元。
然而，各種結構缺陷或異常普遍存在於爐之結構中。舉例而言，在建構爐時，組成配件可能對準不良。在其他情況下，可出現間歇性缺陷，例如歸因於爐在使用時之熱膨脹差異的配件之間的對準不良。此在(例如)同一裝配件中使用具有不同熱膨脹係數之不同材料時發生。通常，彼等部位處之結構缺陷會導致配件之間出現間隙、缺口或其類似者，外部空氣(可能含有(例如)污染物)可經由該等間隙、缺口或其類似者進入爐中，且試劑氣體(其通常為易燃的)可經由該等間隙、缺口或其類似者逃逸。
經由其將氣體引入至爐中之位置可造成特定問題，其至少係與可能自氣體流道逃逸而非有用地輸送至刹車圓盤預成型坯或其類似物所位於之爐的區域中之試劑氣體相關。自以上描述可見，需要減少試劑氣體自該氣體被引入至爐中及爐中之反應室中所經由之位置的洩漏。同時，爐結構保持其結構適應性以用於適應製造誤差及缺陷及其類似者係有用的。
通常，根據本發明，在氣體入口管道進入爐體及終止於形成於反應室中之氣體入口開口的附近的位置處圍繞氣體入口管道之一端置放可撓性管狀密封裝置。
較佳地，該管狀密封裝置之至少一部分為橫向可撓(相對於管狀密封裝置在爐壁與反應室之氣體入口開口之間延伸所沿的軸線)，及/或軸向可撓的。此可撓部分可具有一(例如)波紋管結構。管狀密封裝置之剩餘部分可為相對較剛硬的。在本發明之一實例中，管狀密封裝置之可撓部分係由不銹鋼製成，且具有允許所需的可撓度之厚度，而管狀密封裝置之剩餘部分係由英高鎳合金(Inconel alloy)或其類似者製成。
至少與進入爐外殼之氣體入口管道之入口相鄰的管狀密封裝置之軸向末端經焊接到適當位置，以便進一步改良氣體密封裝置之完整性。
因此，如本文中所描述及主張之管狀密封裝置理想地在氣體入口管道穿入爐體處及氣體入口管道終止於形成於反應室中之氣體入口開口附近處提供圍繞氣體入口管道之一端的密封。此外，可維持密封功能而不管氣體入口管道與氣體入口開口之間(例如因為建構或安裝缺陷)存在的任何不良對準。最終，甚至在氣體入口管道與氣體入口開口之間的間隙在操作中因為爐之不同部分由於具有不同的熱膨脹係數而膨脹不同的量而改變之情況下，亦可維持密封功能。
通常，用於CVI/CVD製程之爐包含一壁或外殼，其使爐之內部與外部分離，且在其中界定一容積。在爐之容積中，存在一反應室結構。CVI/CVD爐中之反應室可自身在爐之容積中界定另一容積。將待處理或改質之物品(例如多孔刹車圓盤預成型坯)置放於反應室中。
通常，提供試劑氣體循環系統，以將試劑氣體引入至爐中及自爐中移除試劑氣體。詳言之，將試劑氣體引入爐內部之反應室中。
藉由此項技術及/或業界中已知之任何適當的機構自爐中抽出氣體，包括(但不限於)藉由與爐外壓力相比之爐內氣體壓力之作用，或藉由此項技術中已知之各種吸入或排空機構。
加熱器系統經配置以至少加熱反應室之內部。此類型的對爐之加熱通常在此項技術中係已知的。加熱器系統之兩個特殊的已知實例包含電導加熱及電阻加熱。
為了簡化本發明結構之描述，描述了所引用之各種通道、管道或其類似者，同時假設其具有實際上為圓形之橫截面，然而並非總是如此。
圖1為試劑氣體饋給管道12通過爐壁10以便遞送試劑氣體流至爐內部(如圖1中之箭頭A所表示)處之區域的局部橫截面圖。
在一可能實例中，形成於反應室16中之氣體入口通道14之直徑可藉由一插入物加以界定或調節。該插入物包含一管道18，其安裝於適當位置中，且相對於一具有大致與管道18對準之中央開口20a之環狀裝配板20而緊固或以其它方式固定。裝配板20又例如藉由螺栓22緊固至反應室16之表面，如圖1中所示。可圍繞管道18之周邊置放習知絕緣材料，且更明確地說，習知絕緣材料可以複數個(例如)藉由螺栓24或其類似者固定在一起之環狀層(未圖示)之形式存在。
最後，反應室16之外部部分可視需要被覆蓋於總體表示為層28之習知熱絕緣材料中。
試劑氣體饋給管道在至少與形成於反應室16中之氣體入口通道14相鄰的位置終止。在一些配置中，試劑氣體饋給管道12可與界定氣體入口通道14之結構接觸，或其可以某些其他方式與該結構抵靠在一起。因為下文中所解釋之原因，可能需要使試劑氣體饋給管道12獨立於氣體入口通道14(亦即，不將其相互固定)，且甚至需要維持試劑氣體饋給管道12與氣體入口通道14之間的間隙。
根據本發明，提供管狀密封裝置(賦予總體編號32)。管狀密封裝置32大體以圓周方式圍繞氣體饋給管道12與氣體入口通道14之間的過渡部分，且使該過渡部分實際上不漏氣。為了能夠適應爐內部之(尤其與溫度相關之)操作條件，管狀密封裝置32較佳地由金屬製成。
管狀密封裝置32之至少一部分係可撓的，且更特定而言，係相對於管狀密封裝置32沿其而延伸之軸線橫向及/或軸向可撓的。此可撓性補償了如上所述(例如)由建構缺陷或不對稱熱應力所引起的在氣體饋給管道12與氣體入口通道14之間的對準缺陷或偏移。因此，舉例而言，氣體饋給管道12之終端與反應室16(含有形成於其中之氣體入口通道14)之間的距離可能由於不同的熱膨脹係數而在操作中在加熱爐內部時改變。因此，即便氣體饋給管道12與氣體入口通道14之間偶然存在增大或減小尺寸之間隙，或即便其橫向移動而不對準，總體裝配件仍以不漏氣方式保持實際隔離，以便能夠適應各種對準缺陷及其類似者。
管狀密封裝置32較佳地包含至少兩個軸向區段：一可撓之第一軸向部分32a及一相對剛硬之第二軸向部分32b(與第一軸向部分相比)。
第一軸向部分32a較佳地具有在橫向及/或軸向方向上提供所需可撓性之形狀及結構。舉例而言，如圖中所示，第一軸向部分32a具有波紋管類型之形狀。
在本發明之一實例中，第一軸向部分32a係由較佳經選擇以能夠經受高達約500℃之溫度之不銹鋼(例如ASME 321)或英高鎳合金製成。應瞭解，亦必須考慮材料之厚度以便獲得所需之可撓性。
第二軸向部分32b可僅為管狀，其具有對應於第一軸線部分32a之橫截面的橫截面形狀，以便提供連續性。在本發明之一實例中，第二軸向部分32b可由英高鎳合金製成。與第一軸向部分32a相比，第二軸向部分32b更剛硬。
如上所提及，管狀密封裝置32通常為管狀外鞘之形式，該管狀外鞘係圍繞氣體饋給管道12與氣體入口通道14之間的過渡部分而軸向及橫向可撓的，以便限制試劑氣體之洩漏。管狀密封裝置大體在爐壁10之內部的一位置34與至少與反應室16相鄰(若不與其鄰接)之一位置36之間軸向地延伸。
在圖中所示之構造實例中，第一軸向部分32a藉由任何為第一軸向部分32a與環狀板38之間的氣體通道提供幾乎完全的密封之合適方法(例如藉由焊接)來緊固至環狀板38。
環狀板38牢固地安裝於爐壁10之內部上。可使用在環狀板38與爐壁10之間提供良好的氣密性之任何緊固方法，尤其有可能使用螺栓42或其類似者，如圖中所示。藉由使用置放於環狀板38與爐壁10之間的密封環或其類似者，及/或藉由大致如39處所示之焊接可以習知方法進一步改良環狀板38與爐壁10之間的密封。
舉例而言，在管狀密封裝置32之相反軸向末端上，第二軸向部分32b可僅終止於環狀環44中，該環可固定於適當位置而無需真正附著或緊固於反應室16(及/或絕緣材料28)之表面與第二軸向部分32b之外表面之間。
舉例而言，環狀環44可具有與裝配板20之相反面相抵靠之表面。在一些配置中，可有利地在環狀環44與裝配板20之間插入一或多個密封環45。舉例而言，密封環45可由石墨製成。在圖1中，為說明之目的，僅展示了此等密封環45中之兩者。在一些配置中，一或多個額外的密封環49亦可呈現徑向向外延伸之外徑，以便安置於裝配板20與反應室16之表面之間。
在本發明之一實例中，組成管狀密封裝置32之第一軸向部分32a與第二軸向部分32b為藉由在第一軸向部分32a與第二軸向部分32b之間提供合適的密封度之任何習知方法而以氣密方式連接至其相鄰軸向末端之獨立部分。
在一特定實例中，如圖中所示，第一軸向部分32a(其如上所述可由相對較薄的金屬例如不銹鋼條帶組成)在其與第二軸向部分32b相鄰的末端處可具有凸緣形成部分50(相對於第一軸向部分32a之軸線)(尤其見圖2及圖3)。
以相應的方式，第二軸向部分32b具有以習知方法例如焊接(其尤其係用於在其間提供有效的氣密性)緊固至其之橫向延伸的凸緣或環48。
如圖中所示，且尤其係在圖3中，彼此相對地置放凸緣形成部分50及凸緣48。可在相應的凸緣之間插入(例如由石墨製成之)密封環52，以便增加其間之氣密可靠性。
最後，藉由習知緊固方法(例如藉由螺母及螺栓54、56)將凸緣48、凸緣50及其之間的密封環52固定在一起。
除如上所述之管狀密封裝置之結構外，認為(例如)爐壁10、氣體饋給管道12、反應室16、熱絕緣28等之材料及/或構造在此項技術中係已知的。通常，以上描述之所有組件必須能夠適當地經受在CVI/CVD製程期間爐中通常的操作溫度。詳言之，在考慮到其在使用時所遭遇之操作溫度的同時，可撓的第一軸向部分32a必須在整個合理的工作壽命中保持其可撓性。最後，某些組件需要由(尤其在上述高溫下)實質上無反應性之材料製成，以便避免干擾爐中所實施之緻密化製程之化學反應。
以所要方式，如上所述及如本文中所主張之管狀密封裝置易於安裝於爐中及在爐維護期間將其移除。
儘管為了說明及解釋本發明之目的，在上文中參照某些特定實例來描述本發明，但應瞭解本發明並不只限於彼等實例之具體細節。更明確地說，熟習此項技術者應易於瞭解可對較佳實施例進行更改及發展，而不會因此超出隨附申請專利範圍中所界定之本發明的範圍。
10．．．爐壁
12．．．試劑氣體饋給管道
14．．．氣體入口通道
16．．．反應室
18．．．管道
20．．．環狀裝配板
22．．．螺栓
24．．．螺栓
28．．．層
32．．．管狀密封裝置
32a．．．第一軸向部分
32b．．．第二軸向部分
34．．．位置
36．．．位置
38．．．環狀板
39．．．焊接
42．．．螺栓
44．．．環狀環
45．．．密封環
48．．．凸緣
49．．．密封環
50．．．凸緣形成部分
52．．．密封環
54．．．螺栓
56．．．螺母
A．．．箭頭
圖1為在試劑氣體入口管道進入爐體及終止於形成於安置在爐體中之反應室中的氣體入口開口附近處的位置處的本發明之爐的圖解橫截面圖；圖2為本發明之管狀密封裝置之分解透視圖；及圖3為本發明之管狀密封裝置之第一與第二軸向部分之間的連接的按較大比例之局部視圖。
10．．．爐壁
12．．．試劑氣體饋給管道
14．．．氣體入口通道
24．．．螺栓
28．．．層
32．．．管狀密封裝置
32a．．．第一軸向部分
32b．．．第二軸向部分
34．．．位置
38．．．環狀板
39．．．焊接
42．．．螺栓
48．．．凸緣
50．．．凸緣形成部分
52．．．密封環
54．．．螺栓
56．．．螺母

Claims (7)

  1. 一種輸送一氣體至提供於一CVI/CVD爐內部之一反應室中之一氣體入口通道的方法，該方法包含：提供一氣體饋給管道，其係將該爐之一外部及該爐之一內部連通，該氣體饋給管道至少與該反應室之一氣體入口通道相鄰終止；及藉由使用一大致氣密管狀密封裝置圍繞該氣體饋給管道來實質上隔離該氣體饋給管道，該大致氣密管狀密封裝置在該氣體饋給管道進入該爐之一位置處自該爐之一內部之壁延伸至與該反應室之該氣體入口通道相鄰的一位置；其中該管狀密封裝置以一方式緊固在一適當位置如此以提供一大致氣密路徑，該氣體饋給管道經由該路徑延伸，且其中該管狀密封裝置之至少一部分係橫向可撓以適應該管狀密封裝置位於該管狀密封裝置被固定於該爐壁之該位置及與鄰近該氣體入口通道之該位置之各別末端之間的位置上之差異。
  2. 一種CVI/CVD爐，其包含：一爐壁，其界定在其中之一容積；一反應室，其被定位於該由該爐壁所界定之容積內，該反應室具有至少一形成於其中之氣體入口通道，一反應氣體係經由該氣體入口通道被導入該反應室；一氣體饋給管道，其用於輸送該反應氣體進入該爐且延伸通過該爐以將該爐之一外部側及該爐之一內部側相 互連通，該氣體饋給管道係在藉由位於被設置至少鄰接該反應爐之該至少一氣體入口通道之一端之該爐壁所界定之該容積內終止；及一管狀密封裝置，其圍繞該氣體饋給管道且在其中該氣體饋給管道延伸且具有一第一端及一第二端，該第一端係氣密地被固定於一位置，該位置係位於鄰近該氣體饋給通道進入該爐之一位置之該爐壁之一內部表面上，而該第二端係氣密地被固定於一鄰近該氣體入口通道之位置，該管狀密封裝置包含一可撓第一軸向部分及一相對剛硬之第二軸向部分。
  3. 如請求項2之爐，其中該第一軸向部分具有一波紋管結構。
  4. 如請求項2之爐，其中該第一軸向部分係由金屬製成。
  5. 如請求項2之爐，其中該第一軸向部分係由不銹鋼製成。
  6. 如請求項2之爐，其中該管狀密封部分之該第二軸向部分係由金屬製成。
  7. 如請求項2之爐，其中該第二軸向部分係由一鎳鉻鐵合金製成。
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