KR20150099749A - 열 차폐 시스템 - Google Patents

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KR20150099749A
KR20150099749A KR1020157016188A KR20157016188A KR20150099749A KR 20150099749 A KR20150099749 A KR 20150099749A KR 1020157016188 A KR1020157016188 A KR 1020157016188A KR 20157016188 A KR20157016188 A KR 20157016188A KR 20150099749 A KR20150099749 A KR 20150099749A
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크리스티안 그로스
칼 후버
아르노 플란켄슈타이너
칼 라그글
베른하르트 팔렌티니
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플란제 에스이
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Abstract

본 발명은 고온 퍼니스의 배치 공간을 열 차폐하기 위한 열 차폐 시스템에 관한 것이며, 적어도 하나의 차폐 부재(2)를 포함한다. 차폐 부재(2)는 내화 금속 시트(들)로 구성되는 주변부(4)와 산화지르코늄(ZrO2)-계 세라믹 재료(8; 10‘)를 포함하며, 세라믹 재료는 입자 및/또는 섬유 구조체를 갖고 주변부(4) 내에 통합된다.

Description

열 차폐 시스템{THERMAL SHIELDING SYSTEM}
본 발명은 고온 퍼니스(high-temperature furnace)의 배치 공간(batch space)을 열 차폐하기 위한 열 차폐 시스템에 관한 것이며, 상기 열 차폐 시스템은 적어도 하나의 차폐 부재를 포함한다.
열 차폐 시스템은, 각각의 가열 시스템에 의해 발생되고 배치 공간 내에서 각각의 공정을 위해 요구되는 열을 가능한 한 배치 공간 내에서 유지하기 위해, 고온 퍼니스에서 사용된다.
고온 퍼니스에서 지금까지 사용되어 온 하나의 개념에서, 열 차폐 시스템은 텅스텐 또는 몰리브덴으로 제조된 복수의 (예를 들어 5개 내지 15개의) 방열판(radiant plate)들에 의해 형성되며, 방열판들은 실질적으로 서로 평행하게 배치되고 스페이서(spacer)에 의해 이격되어 유지된다. 또한, (예를 들어 산화지르코늄으로 제조된) 적절하게 적층된 세라믹 벽돌을 이용하여 고온 퍼니스에서 배치 공간을 열 차폐하는 것이 알려져 있다.
WO 2011/083898 A1 은 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 고온 퍼니스를 위한 열 차폐 시스템을 개시하며, 거기에서는 이격되어 배치된 복수의 단열 블록(insulation block)이 제공된다. 단열 블록 자체는 특히 흑연으로부터 형성된다. 또한, 예를 들어 강철로 제조되는, 단열층(insulation layer)이 적어도 2개의 단열 블록 사이에 제공될 수 있다. 고온 퍼니스를 위한 추가적인 열 차폐 시스템은 문헌 RU 100770 U1 로부터 그리고 JP 2002-333279 A 로부터 알려져 있다.
생산성, 고온 퍼니스에서 열 처리되는 (또는 생산되는) 부품의 제품 품질 및 고온 퍼니스의 에너지 효율 면에서 계속 증가하는 요구는 열 차폐 시스템의 추가적인 최적화를 필요로 한다. 특히, 제품 품질에 관해서, 많은 제품의 경우 단지 작은 온도 구배가 배치 공간에서 일어나는 요구가 존재하며, 이것은 열 차폐 시스템의 차폐 작용을 특히 증가시킴으로써 달성되는 것이 가능하다. 차폐 작용에서 증가는 고온 퍼니스의 에너지 효율을 더욱 향상시킨다.
종래의 방열판 시스템의 경우, 차폐 작용은 방열판의 개수를 증가시킴으로써 향상될 수 있다. 그렇게 함으로써, 표면에 걸쳐 열 유동(heat flow)이 일어나는 표면의 개수가 증가되고, 그에 따라 온도에서 비교적 더 큰 강하가 복수의 방열판에 의해 달성될 수 있다. 이것은 판 두께에서 감소를 전형적으로 동반한다. 한 예로서, 0.25 내지 2.0 ㎜ 범위에서의 판 두께가 사용되며, 그것은 서로 간에 단지 4 내지 8 ㎜ 범위에서의 간극을 갖는다. 그러나, 이것은 많은 부품의 필리그리 구조(filigree structure)를 초래하고 상당한 노화 현상(ageing phenomena)이 발생하기 때문에, 방열판 차폐의 이러한 최적화는 제한된다. 방열판의 교체는 노력 및 비용과 관련된다.
전통적으로 사용되는 세라믹 벽돌의 경우, 세라믹 재료(특히 산화지르코늄 또는 산화알루미늄)의 낮은 열 전도도가 이용된다. 그러나, 여기서도, 최적화에 대한 필요성이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 동시에 긴 사용 수명을 보장하려는 의도와 함께, 차폐 작용 그리고 또한 에너지 효율에 관해 고온 퍼니스를 위한 열 차폐 시스템을 더 개선하는 것이다. 특히, 이 점에 있어서 열 차폐 시스템은 1500 ℃ 이상의, 특히 1700 ℃ 이상의 목표 온도를 위해, 설계될 것이다.
그 목적은 청구항 제1항에서 청구되는 열 차폐 시스템에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개발 형태는 종속항에서 표시된다.
본 발명에 따르면, 고온 퍼니스의 배치 공간을 열 차폐하기 위한 열 차폐 시스템이 제공되며, 상기 열 차폐 시스템은 적어도 하나의 차폐 부재를 포함한다. 차폐 부재는 내화 금속 시트(refractory metal sheet)(들)로 구성되는 주변부(외장)와, 주변부 내에 수용되는, 산화지르코늄(ZrO2)에 기초하는, 입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하는, 세라믹 재료를 구비한다. 세라믹 재료가 전체로서 입자 구조체로 또는 대안적으로 섬유 구조체로 존재하는 것이 바람직하며, 즉, 입자와 섬유의 혼합물이 바람직하게는 존재하지 않는다.
본 발명에 따르면, 입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하는 세라믹 재료가 사용되기 때문에, 열 전도도는 더 감소되며, 이것은 벌크 재료(bulk material)에 비해 차폐 작용 면에서 유리하다. 또한, 벌크 재료에 비해, 열용량(heat capacity)이 감소되며, 이것은 가열 단계 및 냉각 단계 동안에 에너지 효율 면에서 그리고 생산성 면에서 유리하다. 입자 및/또는 섬유 구조체 때문에, 개개의 입자들 또는 섬유들 사이에서 열 전도(heat conduction)는 개개의 입자들 또는 섬유들 사이에서 비교적 작은 접촉점(contact point)들을 통해서만 가능하게 된다. 또한, 복사 효과(radiation effect)가 개개의 입자들 및 섬유들 사이에서 발생한다. 특히, 산화지르코늄(ZrO2)에 기초하는 재료의 경우, 10분의 몇 W/(mK)(미터 켈빈 당 와트)의 범위에서, 예를 들어 1/10 W/(mK) 내지 최대 1 W/(mK)의 범위에서 (이들 수치는 문제의 전체 온도 범위에 적용된다), 매우 낮은 열 전도도를 달성하는 것이 가능하다. 입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하는 세라믹 재료는 내화 금속 시트(들)로 구성되는 주변부 내에 수용되기 때문에, 모듈 설계(modular design)가 얻어지고, 이것은 취급(handling) 면에서, 보수 작업(repair work) 면에서 그리고 또한 세라믹 재료 및/또는 전체 차폐 부재를 교체하는 측면에서 유리하다. 특히, 노화 현상이 세라믹 재료상에서 발생하는 경우 (예를 들어, 시간이 흐름에 따라 증가하는 분해), 그것은 주변부로부터 분리될 수 있고 교체될 수 있는 반면, 주변부는 반복해서 사용될 수 있다. 주변부의 내화 금속 시트(들)는 전통적으로 사용되는 방열판에 비해 본 발명 내에서 상당히 더 두껍고 더 안정적인 형태를 가질 수 있으며, 이것은 차폐 부재의 안정성 및 사용 수명 면에서 유리하다. 주변부의 내화 금속 시트(들)의 두께는 특히 차폐 부재의 크기에 따라 선택되며, 그 두께는 크기가 증가함에 따라 증가하는 것이 바람직하다. 또한, 복사 효과가 주변부의 내화 금속 시트(들)상에서 또한 발생하며, 이것은 열 차폐 작용을 위해 유리하다. 따라서, 내화 금속 시트(들)로 구성되는 주변부와 입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하는 세라믹 재료의 결합은 매우 우수한 차폐 작용, 높은 에너지 효율, 긴 사용 수명, 간단한 유지 보수, 세라믹 재료의 간단한 교체 및 전체 차폐 부재의 간단한 교체를 달성한다. 특히, 높은 목표 온도, 특히 1500 ℃ 이상의 목표 온도에서, 바람직하게는 1700 ℃ 이상의 목표 온도에서, 최대 2500 ℃ 범위에서의 목표 온도까지를 갖는 적용에서, 본 발명에 따른 열 차폐 시스템은 위에서 간략히 설명된 방열판 또는 세라믹 벽돌로 구성되는 종래의 차폐 시스템보다 뛰어나다.
본 문맥에서, 용어 “고온 퍼니스”는 1500 ℃ 이상의, 특히 1700 ℃ 이상의 목표 온도, 최대 2500 ℃ 범위에서의 목표 온도까지를 위해 설계되는 퍼니스 및 반응기(reactor)를 나타낸다. 이러한 유형의 고온 퍼니스는, 예를 들어, 내화 금속, 특히 몰리브덴-계 또는 텅스텐-계 재료를 소결하기 위해, LED 제조 등을 위해 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 사용된다. 여기에서, 용어 “목표 온도”는 온도 프로파일(예를 들어, 적절한 경우 복수의 램프(ramp)를 갖는, 가열 단계; 목표 온도에서 유지 단계; 냉각 단계)을 통해 작동되는 경우 배치 공간 내부에서 최대 달성가능한 온도를 나타낸다. 본 발명에 따른 열 차폐 시스템은 고온 퍼니스에서 특히 적합하며, 그 안에서, 배치 공간 내부에서 진행하는 열 공정들 때문에, 탄소-함유 화합물의 사용, 특히 흑연을 생략하는 것이 필요하다. 또한, 본 발명에 따른 열 차폐 시스템은, 비-유도성으로 오히려, 예를 들어, 전기 (저항) 가열 부재를 이용하여 가열되는 고온 퍼니스에 특히 매우 적합하다.
용어 “주변부”는, 그 안에 열 차폐 부재가 존재할 외부 기본 형태에서 세라믹 재료를 유지하고 경계를 정하는, 바람직하게는 폐쇄되거나 또는 대안적으로 경우에 따라서는 또한 부분적으로 개방된 용기 또는 캔(can)을 나타낸다. 여기에서, 기본 형태는, 이격되어 배치되는 내화 금속 시트들에 의해 결정되는, 그러한 큰 두께를 가지며, 세라믹 재료를 수용하기 위해 캐비티(cavity)가 그들 사이에 형성된다. (고온 퍼니스의 사용 위치에 대하여) 상측 및/또는 하측에서 열 차폐를 위해, 주변부는 각각의 경우에, 그 내부에 세라믹 재료를 수용하기 위한 캐비티가 형성되는, 디스크-형 기본 형태를 (상부 부품으로서 또는 하부 부품으로서) 특히 가질 수 있다. (고온 퍼니스의 사용 위치에 대하여) 측방향 열 차폐를 위해, 주변부는, 예를 들어, 중공-실린더의 기본 형태, 중공 실린더 세그먼트의 기본 형태 또는 더 일반적으로는 미리-결정된 크기의 높이를 갖는 각각의 배치 공간 주위로 완전히 또는 단지 부분적으로 연장되는 기본 형태를 가질 수 있다. 이 점에 있어서, 배치 공간의 측방향 열 차폐는, 사용 중에 이후에 배치 공간 주위로 연장되어 배치되는, 복수의 차폐 부재를 개개의 세그먼트 형태로 또한 포함할 수 있다. 주변부는 기밀 형태(gas-tight form)를 가질 수 있고, 그렇게 함으로써 습기의 유입을 피하며 그리고/또는 주변부 내부에 침착물(deposit)의 형성을 피할 수 있다. 그러나, 이것은 필수적이지는 않다. 대신에, 주변부는 가스 순환이 또한 가능하게 하는 것이 바람직하다. 특히, 주변부는 하나 이상의 개구(opening)를 또한 구비할 수 있으며, 그것들은 세라믹 재료가 차폐 부재의 각각의 사용 위치에서 새어나올 수 없는 위치에 배치된다. 어떤 변형이 바람직한지는 고온 퍼니스 내부에서 진행하는 공정들에 특히 기초하여 평가될 것이다.
본 문맥에서, 용어 “내화 금속”은 2000 ℃ 이상의 융점을 갖는 (적절한 경우 비-금속 첨가제, 예를 들어 산화물, 탄화물 등과 또한 함께, 원소 형태로 또는 합금으로서 존재하는) 금속 재료를 나타낸다. 세라믹 재료는 입자 또는 과립 형태로, 특히 개개의 입자들 또는 과립들의 베드(bed)의 형태로 존재할 수 있다. 개개의 입자들은 결국 다공성 형태를 추가로 또한 가질 수 있다. 대안적으로, 세라믹 재료는 섬유 형태로, 특히 섬유 매트(fiber mat)로서 또한 존재할 수 있다. “산화지르코늄(ZrO2)에 기초하는 재료”는 적어도 50 중량％ 정도로, 바람직하게는 적어도 80 중량％ 정도로, 더 바람직하게는 적어도 90 중량％ 정도로 산화지르코늄(정확한 용어로는 이산화지르코늄, 즉 ZrO2)으로 구성되는 재료이며, 산화지르코늄(ZrO2)은 또 다른 화합물 성분(예를 들어 Si)을 포함하는 것이 또한 가능하며, 지르코늄은 부분적으로 다른 산화 단계에서 (＋Ⅳ 로서) 존재하는 것이 또한 가능하며, 지르코늄은 정확히 ＋Ⅳ 로부터 약간 다른 산화 단계에서 존재하는 것이 또한 가능하며 그리고/또는 세라믹 재료는 추가 첨가제를 포함하는 것이 또한 가능하다. 특히, 고온 안정화를 위한 첨가제, 예를 들어 산화이트륨, 산화칼슘, 칼륨 등이 (최대 20 중량％, 특히 최대 10 중량％ 의 비율로) 산화지르코늄(ZrO2)에 첨가될 수 있다. 산화지르코늄(ZrO2)으로 구성되지 않은 세라믹 재료의 남아있는 비율은 특히 산화지르코늄과 함께 고용체(solid solution)를 형성한다. 그러나, 부가적으로 또는 대안으로서, 그것들은 분리된 상(separate phase)(들)으로서 그리고/또는 분리된 입자 또는 섬유로서 또한 존재할 수도 있다. 산화지르코늄은 그것의 낮은 열 전도도 및 그것의 고온 안정성과 관련하여 특히 바람직하다 (그것은 특히 앞서 언급된 첨가제에 의해 더 개선될 수 있다). 원칙적으로, 세라믹 재료 외에도 또 다른 화합물이 주변부 내부에 또한 수용될 수 있다. 특히, 지지 요소(supporting element), 금속 시트 등이 주변부 내부에 제공될 수 있다. 배타적으로 입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하고 산화지르코늄에 기초하는 세라믹 재료가 주변부 내부에 수용되는 것이 바람직하다.
하나의 개발 형태에 따르면, 세라믹 재료는 개개의 입자들의 베드로서 존재한다. 재료가 재사용될 수 있고 적절한 경우 재료가 주변부 내로 다시 채워질 수 있기 때문에, 베드는 바람직하다. 또한, 베드는 세라믹 재료가 용이하게 교체될 수 있는 것을 가능하게 하는데, 왜냐하면 그것은 단지 (적절한 경우 적절한 위치에서 단지 개방될) 주변부로부터 비워져야 할 뿐이고 주변부는 이후에 베드의 형태로 새로운 세라믹 재료로 채워질 수 있기 때문이다. 장기 안정성(long-term stability)과 함께 낮은 충전 밀도(packing density)를 달성하는 것과 관련하여, 개개의 입자들의 베드가 모노모달 입자 분포(monomodal grain distribution)를 갖는 경우 특히 바람직하다. 모노모달 입자 분포는 모든 개개의 입자들이 (허용가능한 공차 범위 이내에서) 실질적으로 동일한 입자 크기를 갖는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 베드의 평균 입자 크기 k 는 특히 0.1 ㎜ ≤ k ≤ 4 ㎜ 의 범위 내에 있다. 베드는 구형의(spherical) 또는 실질적으로 구형의 입자 형상을 바람직하게는 갖는다.
하나의 개발 형태에 따르면, 세라믹 재료는 80 중량％ 이상의 정도로 산화지르코늄(ZrO2)으로 구성된다. 특히, 세라믹 재료는 90 중량％ 이상의 정도로 산화지르코늄(ZrO2)으로 구성된다.
위에서 설명된 바와 같이, 이러한 높은 비율은 낮은 열 전도도 그리고 또한 고온 안정성에 관해서 유리하다.
원칙적으로, Mo(몰리브덴) 또는 W(텅스텐)에 기초하는 (즉, 적어도 50 중량％ 정도로 몰리브덴으로 구성되거나 또는 적어도 50 중량％ 정도로 텅스텐으로 구성되는) 금속 재료가 내화 금속 시트(들)를 위해 특히 바람직하다. 예를 들어 차폐 부재가 고온 퍼니스의 배치 공간에 직접 인접하여 배치되는 경우에 그러한 것처럼, 차폐 부재가 특히 고온에 노출되는 경우, W 에 기초하는 (즉, 적어도 50 중량％ 정도로 W 로 구성되는) 재료가 비교적 높은 융점 때문에 적어도 배치 공간 쪽으로 향하는 측에서 특히 바람직하다. 하나의 개발 형태에 따르면, 내화 금속 시트(들)는 98 중량％ 이상의 정도로 W 로부터 형성되며, 그 결과 이것/이것들은 특히 높은 작동 온도를 견딘다. 대조적으로, 하나 이상의 방열판이 배치 공간과 차폐 부재 사이에 배치되는 경우, Mo 에 기초하는 (즉, 적어도 50 중량％ 정도로 Mo 로 구성되는) 재료가 차폐 부재의 내화 금속 시트(들)를 위해 또한 사용될 수 있다. Mo 에 기초하는 재료는 W 에 기초하는 재료에 비해 주변부의 제조 중에 더 용이하게 형성 및 처리될 수 있다는 장점을 갖는다.
하나의 개발 형태에 따르면, 내화 금속 시트(들)는 0.25 ㎜ ≤ dB ≤ 2.5 ㎜ 의 범위에서, 특히 0.3 ㎜ ≤ dB ≤ 1.2 ㎜ 의 범위에서, 벽 두께 dB 를 갖는다. 이들 범위에서, 충분한 기계적 안정성은 여전히 허용가능한 재료 비용으로 달성된다. 벽 두께는 차폐 부재의 크기에 따라 바람직하게는 선택된다. 벽 두께는 차폐 부재의 크기가 증가함에 따라 증가하는 것이 바람직하다.
하나의 개발 형태에 따르면, 차폐 부재는 8 ㎜ ≤ dE ≤ 120 ㎜ 의 범위에서, 특히 10 ㎜ ≤ dE ≤ 60 ㎜ 의 범위에서, 두께 dE 를 갖는다. 이들 범위는, 한편으로, 가능한 가장 효과적인 차폐 작용에 관하여, 다른 한편으로, 가능한 가장 얇은 벽을 갖는 차폐 부재의 형성에 관하여, 특히 바람직하다. 이 점에 있어서, “두께”는 각각의 관찰점에서 차폐 부재의 주 연장 영역에 수직으로 측정되었으며, 주 연장 영역은 평면 프로파일 또는 만곡된 프로파일을 가질 수 있다. 일반적으로, “두께”는 문제의 차폐 부재에 제공되는 차폐 방향에 실질적으로 평행하다.
하나의 개발 형태에 따르면, 차폐 부재 외에도, 열 차폐 시스템은 내화 금속으로 제조되는 복수의 이격된 방열판들을 포함한다. 적절한 경우, 단 하나의 방열판의 제공이 또한 가능하다. 그렇게 함으로써, 방열판들에 의해 (또는 적절한 경우 단 하나의 방열판에 의해) 제공되는 차폐 작용은 본 발명에 따른 차폐 부재에 의해 제공되는 차폐 작용과 유리하게 결합될 수 있다. 특히, 이러한 결합은 유리한데, 입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하는 세라믹 재료로 채워지는 것 때문에, 본 발명에 따른 차폐 부재는, 특히 1500 ℃ 이상의 온도에서 방열판의 차폐 작용보다 뛰어나고 1700 ℃ 이상의 온도에서 방열판의 차폐 작용보다 상당히 뛰어난, 비교적 높은 차폐 작용을 제공하기 때문이다. 따라서, 특히 후자가 그러한 높은 온도 영역에 인접하는 경우, 온도에서 상당한 강하가 차폐 부재의 두께에 걸쳐 달성된다. 열 차폐 시스템이 대응하여 두꺼운 형태를 갖는 배타적으로 (하나의) 차폐 부재(들)에 의해 형성된 경우, 그러나 그것은 비교적 높은 열 용량을 가질 것이며, 이것은 에너지 효율 및 특히 열적 과도 영역(thermally transient regime)(예를 들어, 가열 및 냉각 단계)에서 열적 관성에 관하여 불리하다. 이것은 차폐 시스템의 비교적 높은 열 용량이 원하는 목표 온도를 확립하는 경우에 있어서 지연(delay) 및/또는 짧은 시간 내에 확립되어야 하는 온도에서 증가의 경우에 있어서 증가된 에너지 소비를 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 특히 일련의 차폐 부재 및 방열판들이 특히 유리하다. 방열판들 각각이 각 차폐 부재 중 적어도 한 부분의 주 연장 영역에 실질적으로 평행한 주 연장 영역을 갖는 것이 바람직하다. 특히, 방열판들은 차폐 방향을 따라 차폐 부재에 인접하여 배치되며, 원칙적으로 방열판들이 차폐 부재에 관하여 내측에 (즉, 배치 공간 쪽을 향하여) 그리고/또는 외측에 (즉, 배치 공간으로부터 멀어지는 방향을 향하여) 제공되는 것이 가능하다. 용어 “방열판들”은 사용 중 이격되어 배치되는 복수의 (적어도 2개의) 판들을 나타낸다. 열 차폐 작용을 달성하기 위해, 특히, 방열판들이 양 측면 쪽으로 각각의 측에 열을 방출하고 그에 따라 온도가 일련의 방열판들에 걸쳐 강하하는 효과가 여기에서 이용된다. 따라서, 개개의 방열판들의 주 연장 영역은 서로 실질적으로 평행하게 그리고 또한 차폐 부재의 주 연장 영역에 실질적으로 평행하게 지향되며, 정확히 평행한 방향으로부터 작은 편차는 충분한 열 차폐 작용을 달성하기 위해 허용된다.
원칙적으로, 방열판(들) 및 차폐 부재 사이에서 단 하나 이상의 교번(alternation)이 차폐 방향을 따라서 가능하다. 예를 들어, 먼저 하나 이상의 방열판(들), 그 다음에 차폐 부재 그리고 그 다음에 차례로 적어도 하나 이상의 방열판(들)이 차폐 방향을 따라서 제공될 수 있다.
하나의 개발 형태에 따르면, 방열판(들)은 몰리브덴(최대 2 중량％ 정도로 불순물 및/또는 첨가제를 포함하는 순수한 몰리브덴)으로, 몰리브덴-계 합금(즉, 50 중량％ 이상의 Mo 비율을 갖는 합금)으로, 텅스텐(최대 2 중량％ 정도로 불순물 및/또는 첨가제를 포함하는 순수한 텅스텐)으로 또는 텅스텐-계 합금(즉, 50 중량％ 이상의 W 비율을 갖는 합금)으로 제조된다. 이들 재료는 사용에 특히 적합한 것으로 입증되었으며, 몰리브덴으로 제조된 또는 대안적으로 텅스텐으로 제조된 방열판이 특히 바람직하다. 한편으로 텅스텐 (또는 텅스텐-계 합금) 및 다른 한편으로 몰리브덴 (또는 몰리브덴-계 합금) 사이에서 선택은 특히 사용 중 각 방열판이 노출될 온도에 의해 영향을 받는다. 따라서, 사용 중 고온에 노출되는 방열판들은, 예를 들어 그것들이 사용 중 직접적으로 또는 단지 비교적 낮은 열 차폐를 통해 배치 공간에 인접하기 때문에, 텅스텐으로부터 (또는 대안적으로 텅스텐-계 합금으로부터) 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 비용에 관하여 그리고 방열판의 가공성에 관하여, 단지 비교적 낮은 온도에 노출되는 방열판들은, 예를 들어 그것들이 사용 중 더 광범위한 열 차폐에 의해 배치 공간으로부터 열 차폐되기 때문에, 몰리브덴으로부터 (또는 대안적으로 몰리브덴-계 합금으로부터) 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 부품의 열 처리를 위한 배치 공간(batch space) 및 또한 본 발명에 따른 열 차폐 시스템을 포함하는, 고온 퍼니스에 관한 것이며, 그것은 배치 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸고, 적절한 경우, 위에서 언급된 개발 형태들 및/또는 변형 형태들 중 하나 이상에 따라 또한 형성될 수 있다.
하나의 개발 형태에 따르면, 열 차폐 시스템은 내화 금속으로 제조되는 복수의 방열판들을 포함하며, 그것들은 (배치 공간(batch space)의 중심으로부터 바깥쪽으로 향하는) 차폐 방향으로 이격되고 차폐 방향으로 차폐 부재에 인접하여 배치된다. 원칙적으로, 방열판들이 차폐 부재에 관하여 내측에 (즉, 배치 공간 쪽을 향하여) 그리고/또는 외측에 (즉, 배치 공간으로부터 멀어지는 방향을 향하여) 제공되는 것이 가능하다. 방열판들은 배치 공간으로부터 멀어지는 방향을 향하는 차폐 부재의 측에 배치되는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 종래의 방열판들의 그것보다 상당히 뛰어난 차폐 작용이 특히 배치 공간 내부의 고온에서, 예를 들어 1500 ℃ 이상의 온도에서, 특히 1700 ℃ 이상의 온도에서, 달성될 수 있다. 방열판들은 특히 0.25 내지 2.0 ㎜ 범위 내에서 벽 두께를 갖는다. 특히, 2 개의 서로 인접한 방열판들 사이의 간극은 4 내지 8 ㎜ 범위 내에 놓인다. 차폐 부재의 내화 금속 시트 및 인접 방열판 사이의 간극 또한 이 범위 내에 놓이는 것이 바람직하다.
하나의 개발 형태에 따르면, 차폐 부재에 인접하여 배치되는 방열판의 개수 a 는 1 ≤ a ≤ 7 의 범위 내에, 특히 2 ≤ a ≤ 5 의 범위 내에 놓인다. 이 범위 내에서, 차폐 시스템이 과도한 두께로 형성되어야 하는 일 없이 충분한 차폐 작용을 달성하는 것이 가능하다. 하나의 개발 형태에 따르면, 고온 퍼니스는 배치 공간을 가열하기 위해 적어도 하나의 전기 가열 부재(electrical heating element), 특히 전기 저항 가열 부재(electrical resistance heating element)를 구비한다. 전기 가열 부재는 특히 열 차폐 시스템 내부에 (즉, 배치 공간 쪽을 향하는 열 차폐 시스템의 측에) 배치된다. 본 발명에 따른 열 차폐 시스템은 특히 전기적으로 가열 가능한 고온 퍼니스에 적합하다.
하나의 개발 형태에 따르면, 적어도 하나의 차폐 부재는 측방향 차폐의 형태로 있으며, 그것은 배치 공간을 적어도 부분적으로 둘러싼다. 특히, 문제의 차폐 부재는 중공-실린더의 기본 형태, 중공 실린더 세그먼트의 기본 형태 또는 더 일반적으로는 미리결정된 높이와 함께 배치 공간 주위로 완전히 또는 부분적으로 연장되는 기본 형태를 가질 수 있다. 이렇게 해서, 공간-절약형 및 효과적인 차폐가 측방향으로 제공될 수 있다. 위의 용어 “측방향” 및 “높이”는 이 점에 있어서 사용 중 실질적으로 수직으로 지향되는 주축(main axis)을 갖는 고온 퍼니스에 관련된다. 이 점에 있어서, 사용 중 “직립하여(upright)” 배치되는, 즉 실질적으로 수직으로 지향되는 주축을 갖는, 고온 퍼니스 외에도, 사용 중 “누워서(lying)” 배치되는, 즉 실질적으로 수평으로 지향되는 주축을 갖는, 고온 퍼니스가 또한 있다는 것이 고려되어야 한다. 후자의 누워서 배치의 경우에도, 차폐는 각각의 주축에 관하여 대체로 그에 상응하여 형성될 수 있다. 후자의 경우, 특히, “측방향”은 주축에 반경방향으로 오프셋되는 위치를 나타내고, 높이 방향 대신에, 주축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 연장되는 방향이 적용가능하다.
하나의 개발 형태에 따르면, 적어도 하나의 차폐 부재는 고온 퍼니스로부터 모듈 형태로 분리가능한 구성부품(component)의 형태로 있다. 이러한 유형의 모듈 설계 때문에, 차폐 부재는 고온 퍼니스로부터 용이하게 분리될 수 있으며, 그 결과 전체 차폐 부재를 교체하는 것, 차폐 부재 내부의 세라믹 재료를 교체하는 것 그리고/또는 차폐 부재 내부의 세라믹 재료를 채우는 것이 용이하다.
본 발명의 추가 장점 및 혜택은 첨부 도면들을 참조하여 다음의 예시적인 실시형태들의 설명에 기초하여 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 긴 사용 수명이 보장되고 차폐 작용 및 에너지 효율에 관해 더 개선된 고온 퍼니스를 위한 열 차폐 시스템이 제공된다. 본 발명에 의하면, 특히, 1500 ℃ 이상의, 특히 1700 ℃ 이상의 목표 온도를 위해 설계되는 열 차폐 시스템이 제공된다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 본 발명에 따른 차폐 부재의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 제2 실시형태에 따른 본 발명에 따른 차폐 부재의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 차폐 시스템의 제3 실시형태를 예시하기 위해 고온 퍼니스로부터 개략적인 부분을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 차폐 시스템의 제4 실시형태를 예시하기 위해 고온 퍼니스로부터 개략적인 부분을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 차폐 시스템의 제5 실시형태를 예시하기 위해 고온 퍼니스로부터 개략적인 부분을 도시한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 차폐 부재(2)를 도시한다. 차폐 부재(2)는 디스크-형 기본 형태를 갖는다. 기본 형태는 텅스텐 시트(들)(5)로 구성되는 폐쇄된 주변부(4)에 의해 형성된다 (이 경우에서 주변부(4)는 기밀 형태를 갖지 않는다). 디스크-형 캐비티(6)는 주변부(4) 내부에 형성되고 고온-안정화된 산화지르코늄(ZrO2)의 세라믹 베드(8)로 채워지며, 주변부에 대한 입자들의 크기 비율은 올바르게 재현되지 않는다. 세라믹 베드(8)는 모노모달 입자 크기 분포를 갖는다. 베드의 평균 입자 직경은 2 ㎜ 이다. 텅스텐 시트는 1 ㎜ 의 벽 두께 dB 를 갖는다. 차폐 부재(2)는 50 ㎜ 의 두께 dE 를 갖는다. 도시된 차폐 부재(2)가 의도하여 설계되는 차폐 방향 rA 은 두께 dE 에 대해 도시된 측정 방향에 평행하다.
디스크-형 기본 형태는 특히 하측 및/또는 상측 차폐의 실현을 위해 설계된다. 이 점에 있어서, 차폐 부재(2)는 단독으로 또는 대안적으로 추가 차폐 구성부품들과, 예를 들어 방열판들과, 결합하여 사용될 수 있다. 디스크-형 기본 형태는 고온 퍼니스의 구성부품에, 예를 들어 가열 부재에, 가열 부재를 위한 연결 접촉부에, 차폐 시스템의 추가 구성부품들 등에, 적응을 위해 또 다른 구조체들 및/또는 개구들을 또한 구비할 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(2)는 적어도 하나의 추가, 측방향 차폐 부재를 수용하기 위해 원주방향의 단(step) 또는 홈(groove)을 구비할 수 있다.
뒤따르는 추가 실시형태들의 설명에서, 세부사항은 주로 제1 실시형태에 비해 차이점들에 관하여 제공된다. 동일한 구성부품들 또는 서로 상응하는 구성부품들이 식별되는 경우, 동일한 참조 부호가 어느 정도 사용된다.
도 2에 도시된 실시형태에서, 차폐 부재(2‘)는 결국 텅스텐 시트(들)(5‘)로 구성되는 폐쇄된 주변부(4‘)를 갖는다 (이 경우에서 주변부(4‘)는 기밀 형태를 갖지 않는다). 제1 실시형태와는 대조적으로, 주변부(4‘)의 캐비티(6‘) 내에 수용되는 고온-안정화된 산화지르코늄(ZrO2)으로 제조된 재료는 섬유 구조체로 존재한다. 특히, 그 재료는 주변부(4‘) 내에 섬유 매트(10‘)의 형태로 수용된다.
이하에서는, 이 경우에 측방향 차폐를 형성하는, 본 발명에 따른 열 차폐 시스템의 3 개의 실시형태가 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 도 3은 고온 퍼니스(12)로부터 부분을 도시한다. 그 부분은 반경 방향을 따라 그리고 또한 주축 또는 대칭축(16)의 축방향을 따라 연장되며, 도면은 수직으로 또는 높이 방향으로 지향되는 대칭축(16)을 갖는 고온 퍼니스(12)의 사용의 위치에 대응한다. 도시된 부분은 측방향, 열 차폐 시스템(18)을 통해 배치 공간(14) 내부에 중심으로 배치되는 대칭축(16)으로부터 측방향, 외부 하우징(20)까지 반경 방향으로 연장된다. 하우징(20)은, 예를 들어, 강철로부터 형성된다. 열 처리될 구성부품(21)은 배치 공간(14) 내에 개략적으로 도시된다. 열 차폐 시스템(18)은 측방향 차폐 부재(22)를 구비한다. 이것은 제1 실시형태(도 1 참조)에 따른 차폐 부재(2)의 그것에 대응하는 설계를 갖는다. 특히, 측방향 차폐 부재(22)는 텅스텐 시트(들)로 구성되는 주변부(상세히 도시되지 않음)를 구비하며, 그 안에 고온-안정화된 산화지르코늄(ZrO2)의 베드(상세히 도시되지 않음)가 수용된다.
열 차폐 시스템(18)은 복수의 (여기에서 4 개의) 방열판(24)들을 또한 구비하며, 그것들은 차폐 방향으로 이격되고 차폐 방향(rA)으로 측방향 차폐 부재(22)에 인접하여 배치된다. 방열판(24)들은 배치 공간(14)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 측방향 차폐 부재(22)의 측에 배치된다. 차폐 부재(22)는 배치 공간(14) 주위로 연장되어 형성되고 높이 방향을 따라 미리결정된 높이에 걸쳐 연장된다. 방열판(24)들은 증가하는 크기의 직경과 함께 대응하여 형성된다. 적절한 추가 구조체들 또는 관통-개구들이, 예를 들어 고온 퍼니스(12)의 다른 구성부품들에 (예를 들어, 가열 부재에, 가열 부재를 위한 연결 접촉부에, 충전 개구(charge opening) 등에) 적응을 위해, 차폐 부재(22) 내 및 방열판(24)들 내, 둘 다에 제공될 수 있다. 배치 공간(14)이 차폐 부재(22)에 의해 이미 열 차폐되기 때문에, 방열판(24)들이 몰리브덴으로부터 형성되는 것이 충분하다. 개개의 방열판(24)들은 0.25 ㎜ 의 두께를 각각 갖는다. 차폐 방향(rA)을 따라 측정된 측방향, 열 차폐 시스템(18)의 전체 두께(dG)는 약 43 ㎜ 이며, 차폐 방향(rA)을 따라 측방향 차폐 부재(22)의 두께(dE)는 약 19 ㎜ 이다.
뒤따르는 제4 및 제5 실시형태들의 설명에서, 세부사항은 주로 제3 실시형태에 비해 차이점들에 관하여 제공된다. 동일한 참조 부호가 다시 동일한 구성부품들 또는 서로 상응하는 구성부품들을 위해 사용된다 (이들 참조 부호는 각각의 경우에 하나 또는 두 개의 프라임과 함께 제공된다).
도 4에 도시된, 제4 실시형태에서, (여기에서 4 개의) 방열판(24‘)들은 배치 공간(14‘) 쪽을 향하는 측방향 차폐 부재(22‘)의 측에 배치된다. 방열판(24‘)들 중에서, 적어도 배치 공간(14‘)에 직접적으로 인접하여 배치되는 것 또는 배치 공간(14‘)으로부터 단지 가까운 거리에 있는 것(예를 들어 처음 3 개의 것)은, 이 영역에서 발생하는 고온 때문에, 텅스텐으로부터 형성된다. 차폐 방향(rA)으로 외측에 추가로 뒤따르는 방열판(24‘)들(예를 들어 남은 한 개의 것)은 특히 몰리브덴으로부터 또한 형성될 수 있다. 적절한 경우, 측방향 차폐 부재(22‘)의 주변부는 (텅스텐 대신에) 몰리브덴으로부터 또한 형성될 수 있다.
도 5에 도시된, 제5 실시형태에서, 측방향, 열 차폐 시스템(18“)은 배타적으로 차폐 부재(22“)로부터 형성되며, 즉, 추가 방열판들이 제공되지 않는다. 차폐 부재(22“)는 차폐 방향(rA)을 따라 43 ㎜ 의 대응하여 큰 두께(dE)를 갖는다.
본 발명에 따른 차폐 시스템이 실현될 수 있는 다양한 변형형태에 관하여, 다음 사항들은 사용 중 차폐 작용에 그리고 거동에 대해 고려되어야 한다:
입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하는 산화지르코늄(ZrO2)에 기초하는 세라믹 재료는 (예를 들어 내화 금속에 비해) 비교적 낮은 열 전도도를 갖는다. 특히 높은 온도에서, 특히 1500 ℃ 이상의 온도에서, 더 바람직하게는 1700 ℃ 이상의 온도에서, 차폐 부재의 차폐 작용은 필적하는 전체 두께를 갖는 일련의 방열판들의 그것보다 상당히 뛰어나다. 이것은, 차폐 부재에 인접하는 영역의 (예를 들어 배치 공간의) 대응하여 높은 온도에서 정상 상태(steady state)에서 사용 중, 온도에서 비교적 큰 강하가 차폐 부재의 두께에 걸쳐 달성될 수 있고, 정상 상태를 유지하기 위한 에너지 소비가 비교적 낮다는 것을 의미한다. 배치 공간 내부에 발생하는 온도 구배는 또한 그에 따라 최소화될 수 있으며, 이것은 특히 중요한 공정들에 유리하다. 차폐 부재는, 그러나, 필적하는 두께에 걸쳐 연장하는 일련의 방열판들보다 높은 열 용량을 비교에 의해 갖는다. 이것은, 온도에서 변화가 짧은 시간 내에 확립되어야 하는 경우, 지연 및 경우에 따라서는 가열 단계 동안 증가된 에너지 소비를 초래한다.
위에서 논의된 특성들의 관점에서, 방열판들과 결합하지 않고 하나 이상의 차폐 부재들의 제공은 특히 온도가 비교적 장기간의 시간 동안 높은 값(예를 들어 1500 ℃ 이상, 특히 1700 ℃ 이상)에 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지되어야 하는 고온 퍼니스들에 장점을 제공한다. 이는, 예를 들어, 사파이어 단결정의 제조에서 그러하다.
연속적으로 수행되는 비교적 짧은 지속기간을 갖는 열 공정에서, 그리고/또는 다단계 온도 프로파일을 확립하는 경우에, 작업은 비교적 흔히 열적 과도 영역에서 수행된다. 이는, 예를 들어, 내화 금속용 소결로(sintering furnace)에서 그러하다. 이들 응용에 대해, 차폐 부재가 방열판들과 결합되는 경우 열 차폐 시스템의 열 용량을 감소시키는 면에서 유리하다. 이렇게 해서, 비교적 짧은 시간 내에 수행되어야 하는 온도에서 증가를 위해 요구되는, 에너지 소비를 낮추는 것이 가능하다. 그러나, 이 유형의 조합은, 온도가 비교적 장기간의 시간 동안 높은 값(예를 들어 1500 ℃ 이상, 특히 1700 ℃ 이상)에 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지되어야 하는, 위에서 설명된 사용 조건들에 장점을 또한 제공하고 따라서 그러한 사용 조건들에 또한 매우 적합하다.
비교적 낮은 온도(예를 들어 500 ℃)에서 그리고 동일한 두께의 차폐가 주어지는 경우, 방열판들의 경우에 우세한, 복사(radiation)를 통한 열 유속(heat flux)은, 차폐 부재의 경우에 지배적인, 열 전도(heat conduction)를 통한 열 유속 아래에 놓인다는 것이 고려되어야 한다. 따라서, 일련의 방열판들의 차폐 작용은 비교적 낮은 온도에서 (예를 들어 500 ℃ 범위 내에서의 온도에서) 필적하는 두께의 차폐 부재의 그것보다 뛰어나다. 이러한 이유 때문에, 또한, 특히 차폐 부재와 방열판들의 결합은 특히 유리하다. 위에서 설명된 관계에 대하여, 차폐 부재는 배치 공간에 직접 인접하여 배치되고 일련의 방열판들은 배치 공간으로부터 멀어지는 방향을 향하는 차폐 부재의 측에 배치되는 경우가 유리하다.
방열판 차폐의 경우, 온도가 증가함에 따라 차폐 부재의 경우보다 열 유속이 상당히 크게 증가한다는 것이 또한 고려되어야 한다. 이는 특히 높은 온도(예를 들어 1500 ℃ 이상, 특히 1700 ℃ 이상)에서 차폐 부재의 매우 우수한 차폐 작용으로 결과한다. 따라서, 차폐 부재와 방열판들의 결합이 사용되는 경우, 차폐 부재는 높은 온도(예를 들어 1500 ℃ 이상, 특히 1700 ℃ 이상)의 영역에 인접하여,특히 배치 공간에 인접하여, 배치되는 경우가 특히 바람직하다.
제시된 관계들을 분석적인 그리고 수치의 계산에 의해 증명하는 것이 또한 가능했다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 차폐 부재(2; 2‘; 22; 22‘; 22“)를 포함하는, 고온 퍼니스(12; 12‘; 12“)의 배치 공간(batch space)(14; 14‘; 14“)을 열 차폐 하기 위한 열 차폐 시스템에 있어서,
    차폐 부재(2; 2‘; 22; 22‘; 22“)는 내화 금속 시트(들)(5; 5‘)로 구성되는 주변부(4; 4‘)와, 주변부(4; 4‘) 내에 수용되는, 산화지르코늄(ZrO2)에 기초하는, 입자 및/또는 섬유 구조체로 존재하는, 세라믹 재료(8; 10‘)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    세라믹 재료는 개개의 입자들의 베드(bed)(8)로서 존재하는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    개개의 입자들의 베드(8)는 모노모달 입자 분포(monomodal grain distribution)를 갖는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  4. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    세라믹 재료(8; 10‘)는 80 중량％ 이상의 정도로 산화지르코늄(ZrO2)으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  5. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    내화 금속 시트(들)(5; 5‘)은 98 중량％ 이상의 정도로 텅스텐으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    내화 금속 시트(들)(5; 5‘)은 0.25 ㎜ ≤ dB ≤ 2.5 ㎜ 인 벽 두께 dB 를 갖는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  7. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    차폐 부재(2; 2‘; 22; 22‘; 22“)는 8 ㎜ ≤ dE ≤ 120 ㎜ 의 범위에서 두께 dE 를 갖는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  8. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    차폐 부재(22; 22‘) 외에도, 열 차폐 시스템은 내화 금속으로 제조되는 복수의 이격된 방열판(24; 24‘)들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    방열판(24; 24‘)들은 몰리브덴으로, 몰리브덴-계 합금으로, 텅스텐으로 또는 텅스텐-계 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 열 차폐 시스템.
  10. 부품의 열 처리를 위한 배치 공간(14; 14‘; 14“)을 포함하는 고온 퍼니스에 있어서,
    배치 공간(14; 14‘; 14“)을 적어도 부분적으로 둘러싸는, 선행하는 항들 중 어느 한 항에 따른 열 차폐 시스템(18; 18‘; 18“)에 의해 특징지어지는, 고온 퍼니스.
  11. 제10항에 있어서,
    열 차폐 시스템(18; 18‘; 18“)은 내화 금속으로 제조되는 복수의 방열판(24; 24‘)들을 포함하며, 그것들은 차폐 방향(rA)으로 이격되고 차폐 방향(rA)으로 차폐 부재(22; 22‘)에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는, 고온 퍼니스.
  12. 제11항에 있어서,
    방열판(24)들은 배치 공간(14)으로부터 먼 차폐 부재(22)의 측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 고온 퍼니스.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    차폐 방향(rA)으로 차폐 부재(22; 22‘)에 인접하여 배치되는 방열판(24; 24“)의 개수 a 는 1 ≤ a ≤ 7 의 범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는, 고온 퍼니스.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    배치 공간(14; 14‘; 14“)을 가열하기 위한 적어도 하나의 전기 가열 부재에 의해 특징지어지며, 상기 전기 가열 부재는 열 차폐 시스템(18; 18‘; 18“) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 고온 퍼니스.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 차폐 부재(2; 2‘; 22; 22‘; 22“)는 고온 퍼니스(12; 12‘; 12“)로부터 모듈 형태로 분리가능한 구성부품의 형태로 있는 것을 특징으로 하는, 고온 퍼니스.
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