ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА
GAS BURNER

Данное изобретение относится к газовой горелке, тип которой указан в ограничительной части независимого пункта формулы изобретения. Эта газовая горелка предназначена для создания поля пламени, которое в силу его характеристик можно использовать, например, в устройствах газопламенной обработки поверхностей подложек, в частности обработки больших поверхностей подложек, например, в целях активации этих поверхностей или для нанесения на них покрытия в процессе химического осаждения из паровой фазы с горением, т.е. в так называемом CCVD-процессе (от англ. combustion chemical vapour deposition process).
Устройства газопламенной обработки больших поверхностей подложек, например квазибесконечных полимерных лент, картона, металлической фольги, экструдированных расплавленных полотен или их комбинаций, обычно оснащены по меньшей мере одной газовой горелкой и приспособлением (например, вращающимся барабаном), перемещающим подложку через создаваемое газовой горелкой поле пламени или вблизи этого поля. Обычно поле пламени имеет форму полосы пламени, проходящей по ширине подложки перпендикулярно направлению ее перемещения. Подобное устройство раскрыто, например, в публикации WO 2007/051340.
Качество, которого можно достичь в ходе газопламенной обработки устройством указанного типа, сильно зависит от равномерности полосы пламени, в особенности по ее длине, т.е. перпендикулярно направлению движения подложки, а также от постоянства этой равномерности во времени. Для обеспечения этой равномерности поле пламени должно обладать сравнительно высокой плотностью языков пламени, причем языки пламени должны быть как можно более одинаковыми и гореть как можно более равномерно в течение как можно более длительного времени.
Известные газовые горелки, предназначенные для создания полей пламени, обычно содержат газосборник, имеющий соединитель для подвода газа и перфорированную стенку с одной своей стороны, причем подводимый газ выходит из газосборника через указанную перфорированную стенку, сгорая с наружной ее стороны. Как указано, например, в публикации US 2003/044342, для того чтобы перфорированная стенка могла обеспечивать высокую плотность языков пламени, она должна содержать стопку из наложенных друг на друга рифленых металлических полос, пористый огнестойкий элемент или стопку из нескольких пористых огнестойких пластин. При помощи такой перфорированной стенки газосборника можно обеспечить высокую плотность небольших сопел достаточной длины. Однако в данном случае поперечное сечение указанных сопел и их длина, к сожалению, представляют собой величины, меняющиеся случайным образом в некотором диапазоне поперечных сечений и длин. В случае задач, где требуется высокоточная обработка поверхности, данное обстоятельство оказывается неприемлемым.
Известные горелки, удовлетворяющие упомянутым требованиям в отношении высокоточной обработки пламенем, в качестве перфорированной стенки газосборника содержат цельную сопловую пластину, изготовленную из металла, например бронзы. Для такой сопловой пластины необходима высокая плотность сопел со сравнительно высоким отношением длины к диаметру. Чтобы достичь требуемой высокой точности, сопла приходится изготавливать посредством сверления. Однако в ходе сверления указанное отношение длины к диаметру сопел можно обеспечить не выше некого предела, кроме того, процесс сверления связан с высокими машинными и/или трудовыми затратами.
Из публикации WO 01/57438 известна газовая горелка, в трубчатом корпусе которой выполнено множество параллельных щелевидных отверстий. Кроме того, на корпусе этой горелки установлен защитный экран, в котором также имеются отверстия. Положение и форма этих отверстий соответствует аналогичным параметрам отверстий, предусмотренных в корпусе горелки. Защитный экран предохраняет корпус горелки от чрезмерных тепловых нагрузок.
Из публикации DE 2605954 известна газовая горелка, сопловая пластина которой состоит из нескольких сцепленных друг с другом гофрированных листов. Гофрированные листы таким образом формируют сопла для газа. Однако поскольку листы гофрированы, может случиться так, что их поверхности будут прилегать друг к другу не точно. Соответственно, газ будет выходить через образующиеся промежутки неопределенным образом. Кроме того, их отверстия не являются прямо проходящими, т.е. газ должен течь, огибая углы этих листов. В силу указанных причин данная газовая горелка не может обеспечить точные и стабильные условия горения.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в разработке газовой горелки для создания такого поля пламени, которое по меньшей мере так же хорошо подходит для высококачественной обработки пламенем больших поверхностей подложек, как поле пламени, создаваемое посредством упомянутой известной горелки, содержащей цельную сопловую пластину. Однако в отличие от известной горелки, заявленная горелка должна выполняться с применением существенно более простых средств и, несмотря на это, с такой же точностью. Кроме того, процесс изготовления заявленной горелки не должен накладывать ограничения на величину отношения между длиной и диаметром сопел.
Поставленная задача решена путем создания газовой горелки, характеризующейся признаками независимого пункта формулы. Предпочтительные варианты заявленной горелки раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Подобно известным горелкам, используемым по тому же назначению, предлагаемая горелка содержит корпус с соединителем для подвода газа и сопловую пластину, причем корпус горелки и сопловая пластина образуют газосборник, а сопловая пластина образует перфорированную стенку газосборника. Сопловая пластина предлагаемой горелки содержит группу листов, расположенных стопкой, причем эти листы имеют такую форму и таким образом расположены в стопке, что в этой стопке образуется множество сопел, проходящих от стороны сопловой пластины, обращенной к газосборнику, к ее стороне, обращенной к пламени. В предпочтительном случае сопловая пластина выполнена в виде элемента, независимого от корпуса горелки, т.е. ее можно изготавливать независимо от корпуса горелки. Говоря другими словами, сопловую пластину можно сначала изготовить из необходимого количества листов, а затем соединить с указанным корпусом. На том участке, где сопловая пластина прикреплена к корпусу горелки, корпус горелки может быть открытым или иметь стенку со сквозными отверстиями для газа.
В предпочтительном случае путем комбинирования нескольких листов, в частности по меньшей мере трех листов, образуют сопловые отверстия, диаметр которых в зоне своей наибольшей протяженности меньше их длины, измеряемой в направлении истечения газа.
Листы могут быть ориентированы по существу перпендикулярно длине сопел и иметь точно позиционированные сквозные отверстия (в отличие от случайно расположенных сквозных отверстий пористой пластины), при этом сквозные отверстия всех листов, уложенных стопкой, по меньшей мере частично совмещены друг с другом, образуя тем самым указанные сопла. При неизменной ширине (диаметре) отверстий длину сопла можно увеличивать простым способом - увеличивая количество листов.
Листы также могут проходить по существу параллельно длине сопел, причем по меньшей мере часть этих листов имеет гребневидную форму, т.е. они имеют зубчатую кромку, ориентированную в направлении той стороны сопловой пластины, которая обращена к пламени. Промежутки между зубцами гребневидного листа образуют, вместе с соседними листами, сопла. Поэтому указанные промежутки можно создавать без значительных затрат, но со сравнительно большим отношением длины к диаметру. В частности, промежутки можно создавать методом вырубки из тонкого металлического листа в противоположность вышеупомянутому методу, предполагающему сверление толстой цельной пластины насквозь, ограничивая тем самым сопло со всех сторон, как указано вначале заявки.
2
Типовые сопловые пластины, входящие в предлагаемую горелку, имеют прямоугольную форму. Их ширина (измеряемая в направлении обработки, параллельно направлению смещения подложки) составляет несколько сантиметров (например, от 3 до 20 см), длина измеряется метрами (например, от 1 до 3 м), а толщина составляет от 5 до 20 мм. Сопла, проходящие через сопловую пластину от стороны, обращенной к газосборнику, к стороне, обращенной к пламени, в предпочтительном случае имеют сечение в диапазоне 0,5-2 мм, а промежутки между соплами имеют размер приблизительно того же диапазона. Это означает, что отношение длины сопла к его диаметру составляет примерно от 2,5 до 40 при плотности сопел, например, 0,25 или 0,5 сопла на мм.
Листы выполняют, например, из металла, предпочтительно из стали (в частности, углеродистой или жаростойкой стали), латуни или бронзы. Обычно их толщина составляет от 0,5 до 2 мм (предпочтительно от 0,8 до 1,5 мм, например 1 мм). Такие металлические листы, подходящие для указанных целей, являются коммерчески доступными и могут уже изначально иметь узор из точно позиционированных отверстий (перфорированные листы). Подобные листы можно разрезать по размеру, и при необходимости выполнять в них сквозные отверстия или гребневидные зубчатые кромки, например, путем лазерной резки, резки струями или фрезерования. В предпочтительном случае листы изготовляют методом вырубания, причем применяют такой вырубной штамп, который может одновременно вырубать один целый лист или создавать листы благодаря непрерывному вырубанию из квазибесконечной ленты листового материала.
При изготовлении сопловой пластины из металлических листов несколько листов укладывают стопкой и соединяют друг с другом, при этом можно использовать соединительные элементы, которые представляют собой часть корпуса горелки или образуют дополнительную деталь сопловой пластины. Также листы можно сваривать друг с другом, по меньшей мере вдоль части их кромок. Для укладывания в стопку предпочтительно использовать плоские ровные листы, т.е. каждый лист должен иметь плоские верхнюю и нижнюю стороны. В пределах сопловой пластины смежные листы прилегают друг к другу по всей поверхности своими верхними и нижними сторонами, так что через зону их соприкосновения газ протекать не может. Поскольку листы не изогнуты, смежные слои, совместно ограничивающие сопла, можно просто сдвинуть относительно друг друга и таким образом точно выверить их относительно друг друга. Кроме того, путем смещения листов относительно друг друга становится возможным регулировать поперечное сечение сопловых отверстий в соответствии с поставленными задачами.
Поля пламени, создаваемые предложенной горелкой, удовлетворяют самым высоким требованиям к качеству газопламенной обработки. При этом создавать данные поля становится гораздо проще по сравнению со случаем цельных сопловых пластин из бронзы, известных из уровня техники.
Еще одно преимущество предложенной горелки заключается в простоте изготовления ее сопловых пластин и возможности их согласования с различными требованиями (разные виды обработки, различные газы и т.д.). Используя всего лишь несколько типов листов, можно обеспечить широкий ассортимент сопловых пластин, устанавливая друг на друга разное количество листов и/или листы разных типов. Кроме того, можно комбинировать листы из разных материалов, например, со стороны пластины, обращенной к пламени, можно использовать один лист из жаропрочного и, следовательно, дорогого материала, а со стороны газосборника - несколько листов из менее стойкого и, таким образом, менее дорогого материала. Еще одно преимущество предлагаемой горелки заключается в том, что сопловая пластина является отделяемой от корпуса горелки, а листы - отделяемыми друг от друга, что обеспечивает хорошие возможности для несложной и основательной чистки сопел и, следовательно, увеличивает срок службы сопловой пластины.
Ниже заявленная газовая горелка раскрыта более подробно со ссылкой на приложенные чертежи. На чертежах показано следующее.
Фиг.1 изображает первый вариант предлагаемой газовой горелки, в которой листы сопловой пластины расположены по существу перпендикулярно длине сопел.
Фиг.2-4 изображают сопловую пластину показанной на фиг.1 горелки: с пространственным разнесением деталей (фиг.2), со стороны пламени (фиг.3) и со стороны газосборника (фиг.4).
Фиг.5 изображает второй вариант предлагаемой газовой горелки, в которой листы сопловой пластины расположены по существу параллельно длине сопел.
Фиг.6 и 7 изображают листы сопловой пластины для показанной на фиг.5 горелки: с пространственным разнесением деталей (фиг.6) и размещенные блоком, образующим часть сопловой пластины (фиг.7).
Фиг.8 изображает поперечный разрез газовой горелки, соответствующей дополнительному варианту изобретения.
На фиг.1 показан первый вариант предлагаемой газовой горелки, которая имеет корпус 1 с соединителем 2 для подвода газа и сопловую пластину 3, причем корпус 1 горелки и пластина 3 вместе образуют газосборник, а сопловая пластина 3 - перфорированную стенку этого газосборника. Сопла 4 пластины 3 проходят от стороны 5 пластины 3, обращенной к газосборнику, к ее стороне 6, обращенной к пламени. В целях упрощения чертежей, пропорции элементов показанной на фиг.1 горелки не соответствуют пропорциям элементов реальной горелки. В частности, корпус горелки обычно имеет бóльшую длину, а сопла имеют меньшие размеры и расположены ближе друг к другу, чем это показано на чертеже.
Пластина 3 состоит из нескольких металлических листов 10 (например, шести листов, как показано на фиг.1), которые расположены по существу перпендикулярно длинам сопел, имеют точно позиционированные сквозные отверстия и уложены друг на друга стопкой таким образом, что сквозные отверстия одного листа по существу оказываются совмещенными со сквозными отверстиями других листов стопки, образуя тем самым упомянутые сопла.
Листы 10 удерживаются на корпусе 1 соединенными друг с другом стопкой, например, в соответствующих канавках, проходящих по длине корпуса 1 горелки. Стопку можно дополнительно стабилизировать при помощи заклепок или винтов, проходящих сквозь всю стопку через соответствующие гнезда или через часть сопел. Как вариант, стопку можно стабилизировать посредством сварных швов, выполненных вдоль кромок листов.
На фиг.2 более подробно показаны шесть металлических листов 10, составляющих сопловую пластину 3 изображенной на фиг.1 горелки. Эти шесть листов относятся к двум разным типам. Четыре листа 10.1 первого типа образуют сторону 6 пластины 3, обращенную к пламени. Они характеризуются узором, образованным, например, круглыми сквозными отверстиями (гнездами), каждое из которых питает соответствующий язык пламени создаваемого горелкой поля пламени. Листы 10.1 первого типа выполнены, например, в виде перфорированного металлического листа, характеризующегося регулярным узором гнезд, которые расположены рядами, проходящими параллельно кромке листа, причем гнезда одного ряда выровнены относительно промежутков между гнездами смежных рядов. Данные стальные листы, перфорированные указанным образом, являются коммерчески доступными и широко представлены на рынке.
По меньшей мере один лист 10.2 второго типа (на чертеже показаны два таких листа) образует сторону 5 сопловой пластины 3, обращенную к газосборнику. Каждый лист 10.2 имеет отчасти такой же узор сквозных отверстий, что и листы 10.1 первого типа, однако другая часть узора листов 10.1 на листе 10.2 не представлена, а заменена по существу прямоугольными сквозными отверстиями, которые проходят вдоль листа и ширина которых соответствует, например, ширине двух рядов гнезд. Листы 10.2 второго типа предпочтительно выполнены из того же перфорированного материала, что и листы 10.1 первого типа, путем вырезания в них прямоугольных отверстий и удаления части рядов гнезд.
Фиг.3 и 4 изображают сопловую пластину 3 показанной на фиг.1 горелки со стороны 6, обращенной к пламени (фиг.3), и со стороны 5, обращенной к газосборнику (фиг.4). Гнезда листов 10.2 второго типа сдвинуты в направлении прохождения рядов на величину d гнездового смещения, которая меньше диаметра гнезд. В результате, эффективное поперечное сечение соответствующих сопел уменьшается. Однако эффективное поперечное сечение гнезд, совмещенных с упомянутыми прямоугольными сквозными отверстиями, совпадает с реальным поперечным сечением гнезд. Таким образом, ряды сопел с бóльшим поперечным сечением могут служить для питания языков обрабатывающего пламени, тогда как сопла с уменьшенным поперечным сечением могут служить для питания языков вспомогательного пламени меньшего размера, необходимого для поддержания обрабатывающего пламени, имеющего больший размер.
Сопловая пластина 3, показанная на фиг.2-4, создает полосу пламени, содержащую две полосы, каждая из которых состоит из двух рядов языков обрабатывающего пламени, причем с обеих сторон этих двух полос, а также между ними проходит по одному ряду языков вспомогательного пламени. Заявленная горелка позволяет создавать полосы языков пламени самых различных узоров и размеров. Для этого листы первого типа 10.1 укладывают в стопку с листами 10.2 второго типа (как показано на фиг.2), при этом листы второго типа могут иметь другие изменяющиеся от листа к листу узоры гнезд и прямоугольных отверстий и/или различные смещения этих узоров гнезд, однако независимо от этого принцип изготовления сопловой пластины 3 остается по существу одинаковым и всегда простым.
Разумеется, листы можно размещать в горелке с обеспечением возможности их сдвига относительно друг друга. В результате, становится возможным регулировать поперечное сечение по меньшей мере части сопел в соответствии с предъявляемыми требованиями, причем разбирать горелку и сопловую пластину в данном случае не приходится.
Уменьшать эффективное поперечное сечение части сопел можно не только за счет сдвига друг относительно друга гнезд одинакового поперечного сечения, но и за счет использования листов с гнездами меньшего размера, располагаемых таким образом, что гнезда меньшего размера будут совмещаться с гнездами большего размера других листов.
Очевидно, что сопловая пластина может состоять только из листов первого типа, при этом все гнезда всех листов могут быть совмещены друг с другом как полностью, так и частично. Поскольку имеется возможность выбирать листы с разными смещениями гнезд, эффективное поперечное сечение сопел становится возможным регулировать простым способом, а именно путем выбора листа с соответствующим смещением гнезд и его установки со стороны сопловой пластины, обращенной к газосборнику.
Разумеется, что во всех вышеприведенных случаях сквозные отверстия и, соответственно, сопла могут также иметь некруглое поперечное сечение, например квадратное, прямоугольное или многоугольное.
На фиг.5 показан другой вариант предлагаемой газовой горелки. Эта горелка, как и в предыдущем случае, имеет корпус 1 и сопловую пластину 3, однако листы 10, образующие пластину 3, ориентированы по существу параллельно направлению сопел и предпочтительно параллельно длине корпуса горелки.
На фиг.6 и 7 листы 10 изображены в увеличенном масштабе, причем на фиг.6 листы 10 показаны с пространственным разнесением, а на фиг.7 показан фрагмент сопловой пластины 3, т.е. фрагмент уложенных стопкой листов 10. Как и в предыдущем случае, используются листы разных типов (листы 10.3 третьего типа и листы 10.4 четвертого типа). Они уложены друг на друга с чередованием. Листы 10.3 третьего типа имеют гребневидную форму с зубчатой кромкой, ориентированной в направлении той стороны 6 пластины 3, которая обращена к пламени. Соответственно, листы 10.3 на указанном участке своей кромки имеют промежутки 21, разделенные зубцами 22, например прямоугольными. Листы 10.4 четвертого типа по существу являются прямоугольными. Они имеют прямую кромку, ориентированную в направлении той стороны сопловой пластины, которая обращена к пламени; в стопке эта прямая кромка выровнена по зубчатой кромке листов 10.3 третьего типа. Глубина промежутков 21 между зубцами 22 превышает ширину листов 10.4 четвертого типа, поэтому нижние части промежутков 21 образуют боковые сопловые отверстия 23, обеспечивающие возможность поступления газа в сопла из газосборника. С той стороны сопловой пластины, которая обращена к пламени, каждое сопло 4 ограничено двумя зубцами 22 листа 10.3 третьего типа и двумя соседними листами 10.4 четвертого типа и имеет квадратное или прямоугольное сечение. Это означает, что сопла 4 размещены рядами, причем сопла соседних рядов могут быть выровнены относительно друг друга или, как в случае пластины 3, изображенной на фиг.5 и 7, расположены со сдвигом относительно друг друга. В данном случае, в отличие от сопловой пластины, раскрытой в публикации DE 2605954, ограничительные стенки сопла являются прямо проходящими, т.е. поток газа внутри сопла не попадает на выступающие кромки.
Показанного на фиг.5 и 7 расположения со сдвигом можно достичь при использовании нескольких гребневидных листов 10.3 (листов третьего типа), имеющих одинаковые узоры промежутков/зубцов. Причем узор промежутков/зубцов первых таких листов 10.3′ является симметричным, и эти листы имеют маркировку (например, вырез 50) на обоих своих концах. При этом узор промежутков/зубцов вторых таких листов 10.3′′ сдвинут относительно первых листов 10.3′ и, таким образом, является асимметричным, и эти листы имеют маркировку только на одном своем конце. Листы третьего типа расположены в стопке (чередуясь с листами четвертого типа) следующим образом: лист 10.3′′ (маркировка слева), лист 10.3′, лист 10.3′′ (маркировка справа) и т.д.
Дополнительных изменений в стопках, изображенных на фиг.5-7, можно достичь, например, путем размещения между одиночными листами 10.3 третьего типа двух листов 10.4 четвертого типа, или наоборот. Результатом этих изменений является уменьшение плотности сопел или же увеличение их поперечного сечения. Путем применения различных комбинаций укладки в стопку можно также создавать ряды с соплами большего размера, предназначенными для обрабатывающего пламени, и соплами меньшего размера, предназначенными для вспомогательного пламени. Кроме того, этого можно достигнуть, применяя листы 10.3 третьего типа, имеющие различные узоры промежутков/зубцов.
В альтернативном случае можно не укладывать в стопку гребневидные листы (листы 10.3 третьего типа) вместе с прямоугольными листами (листами 10.4 четвертого типа), а использовать только гребневидные листы, у которых глубина промежутков 21 между зубцами 22 превышает половину ширины листа. Эти листы следует располагать таким образом, чтобы их зубчатые кромки были направлены с чередованием то к стороне сопловой пластины, обращенной к пламени, то к стороне сопловой пластины, обращенной к газосборнику, при этом промежутки должны быть по меньшей мере частично совмещены друг с другом.
Как показано на фиг.7, для выравнивания и скрепления листов 10 в стопке в них могут быть выполнены центровочные гнезда 24, которые при правильной укладке листов в стопку совмещаются друг с другом. Через эти гнезда вводят заклепки или винты и фиксируют ими стопки листов.
Фиг.8 изображает поперечный разрез газовой горелки, соответствующей дополнительному варианту изобретения. Как и в предыдущих случаях, эта горелка имеет корпус 1 и сопловую пластину 3, состоящую, например, из нескольких листов 10.1 первого типа (показаны на фиг.2), и, следовательно, имеет узор из идентичных сопел.
Газосборник разделен на центральную камеру 30.1 и две боковые камеры 30.2, причем эти камеры расположены вдоль горелки, и каждая из них имеет собственный соединитель (2.1, 2.2) для подвода газа. Газы G.1 и G.2, подаваемые в секции 30.1 и 30.2 газосборника, могут иметь разное давление, поэтому языки пламени, питаемые из различных камер, могут иметь разный размер (как показано) и образовывать, например, обрабатывающее пламя большего размера и вспомогательное пламя меньшего размера. В альтернативном случае или как дополнение к сказанному, газы G.1 и G.2 могут представлять собой разные газы или газовые смеси. Например, газ G.2 может представлять собой смесь горючего газа и кислорода или воздуха, а газ G.1 может дополнительно содержать предшественник композиции, осаждающейся на поверхность подложки. Обрабатываемая подложка представляет собой квазибесконечную ленту, которая перемещается при помощи вращающегося барабана через создаваемую горелкой полосу пламени или вблизи этой полосы пламени. Если подложку перемещают в направлении F через создаваемую горелкой полосу пламени или вблизи этой полосы, ее сначала подвергают предварительной обработке (например, активации поверхности), затем химическому осаждению из паровой фазы с горением и, наконец, дополнительной обработке (например, прокаливанию осажденного слоя).
Конечно, в камеры газосборника также можно подавать газы, в которых содержатся различные предшественники для следующих друг за другом осаждений разных композиций.
В альтернативном случае камеры G.1, G.2 расположены не вдоль, а поперек корпуса горелки, т.е. камеры могут проходить как вдоль корпуса горелки, так и поперек обрабатываемой ленты подложки. Если газ для обработки подают в камеры, упомянутые выше, то лента будет по-разному обрабатываться по своей ширине.