УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОВОГО ПОДВОДА ПЕЧИ ИЛИ ПОДОБНОГО АППАРАТА
PACKING DEVICE FOR GAS SUPPLY TO FURNACE OR SIMILAR MECHANISM

Область техники, к которой относится изобретение
В широком аспекте настоящее изобретение относится к печам, шкафам, камерам для обработки и подобным аппаратам, в которые газ-реагент вводится как часть этапа обработки. В частном примере осуществления изобретение относится к печам для процесса химической инфильтрации газовой фазы / осаждения из газовой фазы (CVI/CVD), в которых ввод газа-реагента является частью способа уплотнения пористых элементов, таких как пористые армирующие основы или каркасы для изготовления фрикционных деталей.
Уровень техники
В общем плане широко известно использование печей, шкафов, камер для обработки и подобных аппаратов, в которые газ-реагент вводится на этапе обработки. В данном описании термин «печь» следует понимать расширенно применительно также к шкафам и другим камерам обработки такого рода. Примером является способ химической инфильтрации газовой фазы, в котором являющийся прекурсором газ-реагент вводят в печь с находящимися в ней пористыми элементами (например, но не ограничительно, такими, как пористые каркасы для тормозных дисков).
Обычно печь содержит наружный корпус, окружающий рабочее пространство или реакционную камеру, в которой помещены для обработки объекты или элементы, систему для подачи газа-реагента в печь и отвода его из печи и нагревательную систему для нагрева, по меньшей мере, внутренней части реакционной камеры.
Известным образом газ-реагент побуждается к инфильтрации в пористую структуру пористых элементов. Газ-реагент может содержать углеводородный газ, такой как пропан.
В известном решении газ-реагент вводят во внутренний объем, образованный стопкой кольцевых каркасов для тормозных дисков, уложенных по существу в выровненном положении в реакционной камере печи. Обычно газ побуждают к проходу из внутреннего объема стопки наружу путем диффузии через пористую (то есть волокнистую) структуру каркасов и/или путем прохода потоков газа через зазоры между соседними стопками каркасов, образованные распорными или подобными элементами.
По меньшей мере, внутреннее пространство реакционной камеры нагревается нагревательной системой. Таким образом, вследствие относительно высокой температуры каркасов тормозных дисков газ-реагент подвергается пиролизу и оставляет продукт распада, который осаждается на внутренних поверхностях пористой структуры. В примере с углеводородным газом продуктом распада является пироуглерод, что позволяет получать углеродосодержащий композитный материал (такой как материал углерод-углерод).
В общем плане печи этого типа являются сборными из множества компонентов, которые соединяются сваркой, болтовыми или подобными соединениями с образованием различных сборных конструкций.
Однако конструкциям печи обычно присущи различные дефекты и отклонения. Так, например, составляющие части могут быть плохо пригнаны друг к другу во время изготовления. В других случаях могут проявляться периодические дефекты, такие как плохое прилегание частей из-за теплового расширения во время работы печи. Это происходит, например, в тех случаях, когда в одном аппарате используются различные материалы с разными коэффициентами теплового расширения. Такие конструктивные дефекты приводят к образованию зазоров, просветов и подобных несоответствий между частями, через которые внешний воздух (который может содержать, например, загрязнения) может проникать в печь и через которые может выходить газ-реагент (обычно воспламеняемый).
Участок или участки, через которые газ вводится в печь, могут создавать особенные проблемы, по меньшей мере, в отношении газа-реагента, который отклоняется от пути газового потока вместо того, чтобы подаваться в зону печи, где расположены каркасы тормозных дисков или подобные элементы.
Раскрытие изобретения
Из изложенного выше следует, что желательно снизить утечки газа-реагента на участке его ввода в печь и реакционную камеру внутри печи. В отношении конструкции печи желательно обеспечить возможность компенсации дефектов, неточностей изготовления и подобных отклонений.
В соответствии с изобретением гибкое трубчатое уплотнительное устройство помещено вокруг одного конца трубы для подачи газа на участке, на котором труба для подачи газа входит в печь, и заканчивается вблизи газовпускного прохода, образованного в реакционной камере.
Предпочтительно, по меньшей мере, часть трубчатого уплотнительного устройства имеет поперечную гибкость (относительно оси, вдоль которой трубчатое уплотнительное устройство проходит между стенкой печи и отверстием газовпускного прохода реакционной камеры) и/или осевой гибкостью. Эта гибкая часть может иметь, например, гофрированную конструкцию. Остальная часть трубчатого уплотнительного устройства может быть выполнена относительно жесткой. В примере осуществления изобретения гибкая часть трубчатого уплотнительного устройства изготовлена из нержавеющей стали и имеет толщину, обеспечивающую требуемую степень гибкости, в то время как остальная часть трубчатого уплотнительного устройства изготовлена из сплава инконель или подобного материала.
По меньшей мере, осевой конец трубчатого уплотнительного устройства вблизи входа трубы для подачи газа в корпус печи закреплен на месте сваркой для дальнейшего улучшения целостности трубчатого уплотнительного устройства.
В результате трубчатое уплотнительное устройство по изобретению обеспечивает уплотнение вокруг конца трубы для подачи газа на участке, на котором она входит в корпус печи, и на участке, на котором эта труба заканчивается вблизи газовпускного прохода, образованного в реакционной камере. Кроме того, функция уплотнения сохраняется, несмотря на погрешности совмещения трубы для подачи газа и газовпускного прохода (например, вследствие конструктивных или монтажных дефектов). И наконец, функция уплотнения сохраняется, даже если зазор между трубой для подачи газа и газовпускным проходом изменяется при работе печи вследствие того, что различные части печи расширяются различным образом, так как имеют разные коэффициенты теплового расширения.
Краткое описание чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 схематично изображает в поперечном разрезе печь по изобретению на участке, где труба для подачи газа-реагента проходит внутрь печи и заканчивается вблизи газовпускного прохода, который образован в реакционной камере, расположенной внутри печи,
фиг.2 изображает в перспективе с разрезом трубчатое уплотнительное устройство по изобретению и
фиг.3 изображает в увеличенном виде участок соединения между первой и второй осевыми частями трубчатого уплотнительного устройства по изобретению.
Осуществление изобретения
В общем случае печь, используемая для процесса химической инфильтрации газовой фазы/осаждения из газовой фазы (CVI/CVD) содержит стенку или корпус, отделяющий внутреннее пространство печи от наружного пространства и образующий некоторый внутренний объем. Во внутреннем объеме печи помещена конструкция реакционной камеры. В печи, используемой для процесса химической инфильтрации газовой фазы/осаждения из газовой фазы, реакционная камера может сама образовывать отдельный объем внутри объема печи. Подлежащие обработке или модификации изделия, такие как пористые каркасы тормозных дисков, помещают в реакционную камеру.
В общем случае предусмотрена система циркуляции газа-реагента для ввода газа-реагента в печь и отвода его из печи. В частности, газ-реагент вводится в реакционную камеру внутри печи.
Газ выводится из печи с помощью любого механизма, известного в данной области и/или в промышленности вообще. В частности, но не ограничительно, вывод может производиться под действием давления газа в печи, превышающего давление снаружи печи, или с помощью любых механизмов всасывания или откачки, известных в данной области.
Нагревательная система предназначена для нагрева, по меньшей мере, внутреннего пространства реакционной камеры. Нагрев печи этого типа хорошо известен в данной области. В двух особенно широко известных примерах нагревательных систем используется индуктивно-кондуктивный нагрев и резистивный нагрев.
Для упрощения данного описания конструкции различные проходы, трубы и подобные элементы описываются с принятым допущением, что они имеют, в частности, круглое поперечное сечение, хотя это не всегда соответствует практическому выполнению.
На фиг.1 показан в разрезе участок печи, на котором труба 12 для подачи газа-реагента проходит через стенку 10 печи для подвода потока газа-реагента внутрь печи (показано на фиг.1 стрелкой А).
В одном из возможных примеров осуществления диаметр газовпускного прохода 14, образованного в реакционной камере 16, может быть определен или отрегулирован с помощью вставки. Вставка содержит трубку 18, установленную и прикрепленную или другим образом удерживаемую относительно кольцевой монтажной плиты 20 с центральным отверстием, по существу совмещенным с трубкой 18. В свою очередь, монтажная плита 20 прикреплена к поверхности реакционной камеры 16, например, с помощью болтов 22, как показано на фиг.1. Обычный изоляционный 26 материал может быть помещен вокруг трубки 18. В частности, он может быть представлен в виде множества кольцевых слоев (не показаны), удерживаемых вместе, например, болтами 24 или подобными крепежными элементами.
И наконец, наружная часть реакционной камеры 16 может быть дополнительно покрыта обычным теплоизоляционным материалом, который на фиг.1 представлен слоем 28.
Труба для подачи газа-реагента заканчивается на участке, находящемся, по меньшей мере, вблизи газовпускного прохода 14, образованного в реакционной камере 16. В некоторых модификациях печи труба 12 для подачи газа-реагента может входить в контакт с конструкцией, образующей газовпускной проход 14, или же она может примыкать к нему каким-либо иным образом. По причинам, которые будут изложены дальше, может быть желательно, чтобы труба 12 была независимой от прохода 14 (то есть чтобы они не были соединены друг с другом) и даже чтобы между трубой 12 и проходом 14 был образован зазор.
Согласно настоящему изобретению предусмотрено трубчатое уплотнительное устройство, обозначенное в целом позицией 32. Трубчатое уплотнительное устройство 32 охватывает переход между трубой 12 и проходом 14 по периферии и делает его практически непроницаемым для утечек. Для соответствия рабочим условиям внутри печи (в особенности в отношении температуры) трубчатое уплотнительное устройство 32 предпочтительно изготовлено из металла.
По меньшей мере, часть трубчатого уплотнительного устройства 32 выполнена гибкой, а именно обладающей поперечной и/или осевой гибкостью относительно оси, вдоль которой проходит трубчатое уплотнительное устройство 32. Эта гибкость компенсирует дефекты или рассовмещение между трубой 12 и проходом 14, например, вызванные конструктивными дефектами или несимметричными тепловыми напряжениями, как это было описано выше. Так, например, расстояние между концом трубы 12 и реакционной камерой 16 (содержащей проход 14) может изменяться при работе в ходе нагрева внутреннего пространства печи вследствие разных коэффициентов теплового расширения. В результате даже если зазор увеличивающегося или уменьшающегося размера существует между трубой 12 и проходом 14 или даже если они сдвигаются поперечно от совмещенного положения, весь узел в целом остается практически изолированным, непроницаемым для утечек образом и способен компенсировать различные рассовмещения и другие отклонения.
Предпочтительно трубчатое уплотнительное устройство 32 содержит, по меньшей мере, две осевые секции: первую осевую часть 32а, выполненную гибкой, и вторую осевую часть 32b, выполненную относительно жесткой (по сравнению с первой осевой частью).
Предпочтительно первая осевая часть 32а выполнена по форме и по конструкции такой, чтобы обеспечивать требуемую гибкость в поперечном и/или осевом направлениях. В качестве показанного на чертежах примера первая осевая часть 32а имеет гофрированную конструкцию.
В примере выполнения изобретения первая осевая часть 32а изготовлена из нержавеющей стали (такой как ASME 321) или из сплава инконель (жаропрочный и жаростойкий сплав на никелевой основе). Предпочтительно материал выбирается таким, чтобы он мог выдерживать температуры около 500°С. Само собой разумеется, что необходимо также учесть толщину материала для обеспечения требуемой гибкости.
Вторая осевая часть 32b может быть просто трубчатой, выполненной по форме и поперечному сечению такой, чтобы соответствовать первой осевой части 32а для обеспечения ее продолжения. В одном из примеров осуществления изобретения вторая осевая часть 32b может быть изготовлена из сплава инконель. По сравнению с первой осевой частью 32а вторая осевая часть 32b обладает большей жесткостью.
Как было упомянуто выше, трубчатое уплотнительное устройство 32 в целом выполнено в виде обладающей поперечной и осевой гибкостью трубчатой оболочки вокруг перехода между трубой 12 и проходом 14, предназначенной для ограничения утечек газа-реагента. Трубчатое уплотнительное устройство проходит по существу в осевом направлении между участком 34 на внутренней стороне стенки 10 печи и участком 36, расположенным, по меньшей мере, вблизи реакционной камеры 16, если не вплотную к ней.
В показанном на чертежах конструктивном примере выполнения первая осевая часть 32а прикреплена к кольцевой плите 38 любыми подходящими средствами, обеспечивающими по существу полную герметизацию от прохода газа между первой осевой частью 32а и кольцевой плитой 38, например, посредством сварки.
Кольцевая плита 38 жестко смонтирована на внутренней стороне стенки 10 печи. Для крепления может использоваться любой способ, обеспечивающий хорошую газонепроницаемость между кольцевой плитой 38 и стенкой 10 печи. В частности, можно использовать болты 42, как показано на чертежах. Уплотнение между кольцевой плитой 38 и стенкой 10 печи может быть дополнительно улучшено обычным образом путем использования помещенных между ними уплотнительных колец или подобных элементов и/или путем сварки, как показано позицией 39.
На противоположном осевом конце трубчатого уплотнительного устройства 32, как пример, вторая осевая часть 32b может заканчиваться просто кольцом 44, которое может удерживаться без крепления как такового между поверхностью реакционной камеры 16 (и/или изоляционного материала 28) и наружной поверхностью второй осевой части 32b.
В качестве примера поверхность кольца 44 может упираться в обращенную к ней поверхность монтажной плиты 20. В некоторых модификациях может быть целесообразно поместить одно или несколько уплотнительных колец 45 между кольцом 44 и монтажной плитой 20. В качестве примера уплотнительные кольца 45 могут быть изготовлены из графита. На фиг.1 для целей иллюстрации показаны только два таких уплотнительных кольца 45. В некоторых модификациях одно или несколько дополнительных уплотнительных колец 49 могут быть помещены снаружи от трубчатого уплотнительного устройства между монтажной плитой 20 и поверхностью реакционной камеры 16.
В примере осуществления изобретения первая и вторая осевые части 32а, 32b, которые образуют трубчатое уплотнительное устройство 32, являются отдельными частями, соединенными газонепроницаемым образом своими смежными осевыми концами любым известным способом, который обеспечивает адекватную степень уплотнения между первой и второй осевыми частями 32а, 32b.
В показанном на чертежах частном примере выполнения первая осевая часть 32а (которая, как было описано выше, может быть выполнена из тонкого металлического листа, например, из нержавеющей стали) может иметь фланцевый участок 50 (по отношению к оси первой осевой части 32а) на конце, смежном со второй осевой частью 32b (см., в частности, фиг.2 и 3).
Соответствующим образом вторая осевая часть 32b снабжена поперечно отходящим фланцем или кольцом 48, прикрепленным к ней обычным образом, например, сваркой (для обеспечения газонепроницаемости).
Как показано на чертежах и особенно на фиг.3, фланцевый участок 50 и фланец 48 обращены друг к другу. Уплотнительное кольцо 52 (например, из графита) может быть помещено между этими фланцами для обеспечения газонепроницаемого соединения между ними.
И наконец, фланец 48, фланцевый участок или фланец 50 и уплотнительное кольцо 52 удерживаются вместе обычным способом крепления, например, с помощью гаек и болтов 54, 56.
За исключением описанной выше конструкции трубчатого уплотнительного устройства принято, что материалы и/или конструкция, например, стенки 10 печи, трубы 12, реакционной камеры 16, теплоизоляции 28 и других компонентов известны в данной области. В целом все описанные компоненты должны быть способны адекватным образом выдерживать рабочие температуры, обычно создаваемые в печи во время процесса химической инфильтрации газовой фазы/осаждения из газовой фазы. В частности, гибкая первая осевая часть 32а должна сохранять свою гибкость в течение разумного срока службы с учетом рабочих температур при эксплуатации. И наконец, некоторые из компонентов должны быть изготовлены из материалов, по существу не обладающих реакционной способностью (в частности, при упомянутых высоких температурах), чтобы избежать вмешательства в химический процесс уплотнения, осуществляемый в печи.
В предпочтительном варианте осуществления описанное выше и охарактеризованное в формуле изобретения трубчатое уплотнительное устройство выполнено легко устанавливаемым в печи и удаляемым из нее во время технического обслуживания печи.
Настоящее изобретение описано на частных примерах осуществления с целью пояснения и иллюстрации. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными конструктивными особенностями этих примеров. Для специалиста в данной области понятно, что при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема охраны, определенного в формуле изобретения.