Предпусковой подогреватель газ 66: Автомобильные объявления — Доска объявлений

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСЛУГИ

Самовывоз из магазина

БЕСПЛАТНО

Установка

Н/Д

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Узнать больше или подать заявку

Патент США на подогреватель газа и способ управления распределением подогретого реактивного газа в печи CVI для уплотнения пористых кольцевых подложек.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к уплотнению пористых кольцевых подложек путем химической инфильтрации паров (CVI).

Особой областью применения изобретения является изготовление кольцевых деталей из термоструктурного композиционного материала, такого как тормозные диски из углерод-углеродного (C/C) композитного материала для самолетов или наземных транспортных средств.

Термоконструкционные композиционные материалы замечательны тем, что они обладают механическими свойствами, позволяющими использовать их для изготовления конструкционных деталей, и обладают способностью сохранять эти свойства при высоких температурах. Типичными примерами термоструктурных композиционных материалов являются композитные материалы C/C, имеющие армирующую волокнистую текстуру из углеродных волокон, уплотненных пиролитической углеродной матрицей, и композиты с керамической матрицей (CMC), имеющие армирующую текстуру из огнеупорных волокон (углеродных или керамических), уплотненных керамической матрицей. матрица.

В процессе CVI подлежащие уплотнению субстраты помещают в реакционную камеру печи, в которой они нагреваются. Реактивный газ, содержащий один или несколько газообразных предшественников материала, который должен составлять матрицу, вводят в реакционную камеру. Температуру и давление внутри реакционной камеры регулируют таким образом, чтобы химически активный газ мог диффундировать в поры подложки и осаждать в ней составляющий матрицу материал за счет разложения или совместной реакции одного или нескольких компонентов реакционноспособного газа. Процесс осуществляется при низком давлении, чтобы улучшить диффузию реактивного газа в подложки. Температура, при которой прекурсор(ы) превращается(ются) в матричный материал, такой как пироуглерод или керамика, обычно превышает 9°С.00°C и обычно близка к 1000°C. в идеале было бы необходимо иметь по существу одинаковую температуру внутри реакционной камеры и позволить реактивному газу относительно равномерно достигать всех подложек.

Печи CVI обычно включают подогреватель газа, расположенный внутри печи между впуском реакционного газа в печь и реакционной камерой. Обычно зона подогрева газа содержит теплообменный узел в виде множества перфорированных пластин, через которые проходит реакционный газ перед поступлением в реакционную камеру.

Подложки, как и теплообменный узел, нагреваются, так как находятся в топке. Последний обычно нагревают с помощью токоприемника, т.е. из графита. Токоприемник определяет сторону стенки реакционной камеры и нагревается за счет индуктивной связи с индуктором, окружающим реакционную камеру, или резисторами, окружающими печь.

Заявители обнаружили, что эффективность подогревателя газа не всегда так хороша, как хотелось бы. Важным примером является уплотнение пористых подложек, состоящих из кольцевых заготовок из углеродных волокон или предварительно уплотненных кольцевых заготовок для использования при изготовлении тормозных дисков из композитного материала C/C.

Кольцевые подложки загружаются вертикальными штабелями в реакционную камеру над подогревателем газа, расположенным в нижней части печи. Несмотря на предварительный подогрев реакционного газа, в реакционной камере часто наблюдается градиент температуры, при этом температура вблизи подложек, расположенных на дне стеков, может быть на несколько десятков °С ниже, чем в остальных из стеков. Это может привести к большому градиенту уплотнения между подложками в одной и той же стопке, в зависимости от положения подложки внутри стопки.

Чтобы решить эту проблему, можно было бы повысить эффективность предварительного нагрева реакционного газа за счет увеличения размера подогревателя газа. Однако при заданном объеме печи это уменьшит загрузочную способность подложек. Поскольку процессы CVI требуют больших объемов промышленных инвестиций и длительного времени обработки, крайне желательно, чтобы печи имели максимально возможную производительность и, следовательно, как можно более высокое соотношение объема, предназначенного для загрузки подложек, к объему, предназначенному для предварительного нагрева. реактивный газ.

Еще одна проблема заключается в том, что температурный градиент наблюдается не только в вертикальном направлении, вдоль стопок подложек, но и в горизонтальном направлении, между разными стопками. В частности, было отмечено, что стопы, расположенные в центральной части реакционной камеры, могут не получать выгоду от тепла, излучаемого токоприемником, так же, как стопки, расположенные ближе к внутренней боковой стенке токоприемника.

Это также приводит к градиенту уплотнения между подложками, принадлежащими к разным штабелям.

ЦЕЛИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения, как правило, является создание средств для достижения эффективного и экономичного по существу равномерного уплотнения пористых кольцевых подложек в печи CVI.

Конкретной целью изобретения является создание подогревателя газа, который позволяет достичь такого по существу равномерного уплотнения без существенного влияния на производительность подложки CVI.

В соответствии с одним аспектом изобретения в печи CVI для уплотнения кольцевых пористых подложек, расположенных во множестве вертикальных кольцевых пакетов подложек, включающих токоприемник, имеющий внутреннюю боковую стенку, ограничивающую зону предварительного нагрева газа, и реакционную камеру внутри В топке и нижней стенке и по меньшей мере одно отверстие для впуска газа через нижнюю стенку токоприемника предусмотрен подогреватель газа, который содержит:

рукав из теплопроводного материала, опирающийся на нижнюю стенку токоприемника и ограничивающий камеру предварительного подогрева газа, с не менее чем одним газоподводящим отверстием в камере предварительного подогрева газа,

теплообменный узел, расположенный в камере предварительного подогрева газа,

плита газораспределительная, опирающаяся на гильзу, закрывающая камеру предварительного нагрева газа и снабженная множеством каналов для предварительно подогретого газа,

несущая плита для поддержки стопок кольцевых подложек, загружаемых в реакционную камеру для уплотнения и снабжен множеством каналов, сообщающихся с соответствующими каналами газораспределительной пластины и совпадающих с внутренними объемами соответствующих пакетов кольцевых подложек, и

форсунки, вставленные в каналы, сообщающие зону предварительного подогрева газа с внутренними объемами соответствующих пакетов кольцевых подложек, для регулирования потоков подогретого газа, соответственно допускаемых в указанные внутренние объемы.

Втулка, предпочтительно состоящая из массивного тела, выполненного из одного куска теплопроводного материала, выполняет различные функции:

опираясь на нижнюю стенку токоприемника и, таким образом, окруженная боковой стенкой токоприемника, обеспечивает эффективный нагрев до достижения зоны предварительного нагрева,

закрывает зону предварительного нагрева и способствует ее герметизации, предотвращая попадание большой части реактивного газа в реакционную камеру, не пройдя полностью через подогреватель газа, и

поддерживает загрузку субстратов через газораспределение плита и опорная плита для нагрузки и переносит вес на нижнюю стенку токоприемника без необходимости в отдельной опорной конструкции для опорной плиты для нагрузки.

Вышеизложенное способствует эффективности предварительного подогрева газа и компактности конструкции, расположенной внизу топки.

Наличие форсунок для регулировки расхода, которые могут быть вставлены в проходы газораспределительной пластины, позволяет подавать стопки подложек с большим потоком реактивного газа по сравнению с другими стопками подложек. Таким образом, можно компенсировать градиент температуры между различными штабелями подложек для достижения по существу равномерного уплотнения. Действительно, скорость осаждения матричного материала изменяется в зависимости от температуры и потока реактивного газа.

В соответствии с особым аспектом изобретения теплообменный узел подогревателя газа содержит множество разнесенных пластин, окруженных втулкой и проходящих по существу горизонтально между нижней стенкой токоприемника и газораспределительной пластиной, пластины теплообменника обменный узел выполнен из теплопроводного фольгированного материала. Использование материала фольги, такого как графитовый материал фольги или композиционный материал C/C, позволяет уменьшить толщину пластин и, следовательно, объем подогревателя газа. Пластины, которые могут иметь, по существу, круглую форму, затем предпочтительно разнесены друг от друга с помощью проходящих в радиальном направлении прокладок, расположенных между ними.

В соответствии с другим частным аспектом изобретения пластины теплообменного узла включают по меньшей мере одну пару пластин, расположенных непосредственно одна над другой, при этом одна пластина имеет перфорацию только в ее центральной части, а другая пластина имеет перфорацию только в его периферийной части. Таким образом, газ вынужден двигаться по извилистому пути, благодаря чему может быть достигнут эффективный предварительный нагрев в ограниченном объеме. Газораспределительная плита и несущая плита могут быть выполнены из одной и той же плиты или из двух разных плит, расположенных одна над другой. В последнем случае предусмотрено множество каналов, каждый из которых соединяет канал газораспределительной пластины с соответствующим каналом несущей нагрузки пластины. Каждый канал может быть снабжен вставкой из теплопроводного материала для осуществления теплообмена с протекающим в канале химически активным газом и, таким образом, завершения предварительного нагрева газа.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложен способ управления распределением предварительно нагретого реакционного газа в печи CVI для уплотнения кольцевой пористой подложки, загруженной в реакционную камеру печи, во множестве вертикальных пакетов, каждый пакет включает наложенные друг на друга подложки, образующие внутренний объем пакета, при этом реакционная камера нагревается с помощью токоприемника, имеющего внутреннюю стенку, ограничивающую реакционную камеру,

указанный процесс включает подачу реакционного газа в зону предварительного нагрева в нижней части печи, предварительный нагрев реакционной газа, пропуская его через зону предварительного нагрева, разделяя предварительно подогретый реакционный газ на множество отдельных потоков на соответствующих выходах из зоны предварительного нагрева и направляя отдельные потоки реакционного газа в соответствующие внутренние объемы пакетов кольцевых подложек,

, отличающийся тем, что отдельные потоки реактивного газа регулируются в зависимости от расположения соответствующих стопок подложек внутри реакционной камеры.

Предпочтительно, чтобы отдельный поток реактивного газа, направленный во внутренний объем пакета подложек, расположенного дальше от внутренней стенки токоприемника, чем другой пакет подложек, был больше, чем отдельный поток газа, направленный во внутренний объем указанного другого стопка подложек.

Раздельные потоки реактивного газа могут регулироваться путем ввода форсунок различного сечения в каналы, образованные в газораспределительной плите, закрывающей камеру подогрева газа в зоне подогрева газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие особенности и преимущества изобретения станут очевидными при чтении следующего описания, данного в качестве неограничивающих указаний и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

РИС. 1 представляет собой очень схематичное сечение печи CVI с подогревателем газа в соответствии с изобретением, причем сечение находится в плоскости I-I на фиг. 2;

РИС. 2 представляет собой очень схематичное частичное сечение по плоскости II-II на фиг. 1;

РИС. 3 представляет собой увеличенный схематический вид в частичном разрезе подогревателя газа печи по фиг. 1;

РИС. 4-7 — частичные схематические разрезы по плоскостям IV-IV, V-V, VI-VI и VII-VII на фиг. 3; и

РИС. 8 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий вариант осуществления подогревателя газа согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

РИС. 1 и 2 показана печь 10, имеющая цилиндрическую боковую стенку 12, образованную токоприемником, с нижней стенкой 14 токоприемника и верхней стенкой 16 токоприемника. Токоприемник 12 представляет собой вторичную цепь трансформатора, которая индуктивно связана с первичной цепью трансформатора в в виде по меньшей мере одной индукционной катушки 18. Изоляция 20 расположена между индукционной катушкой 18 и токоприемником 12, а дополнительная изоляция 22 расположена под нижней стенкой 14 токоприемника. Печь 10 нагревается за счет подачи электрического тока на индукционную катушку 18. Как вариант, нагрев токоприемника может осуществляться с помощью термически связанных с ним электрических резисторов.

Внутренний объем печи 10 включает зону предварительного нагрева газа 24, расположенную в нижней части печи, и реакционную камеру или зону загрузки 26, куда загружаются пористые кольцевые подложки 30, подлежащие уплотнению, при этом реакционная камера 26 расположена над зоной предварительного нагрева зона 24.

Субстраты 30, подлежащие уплотнению, могут представлять собой заготовки из углеродного волокна или предварительно уплотненные заготовки для изготовления тормозных дисков из С/С композитных материалов, при этом предварительно уплотненные заготовки получают предварительным уплотнением заготовок с помощью CVI или жидкая (смоляная) пропитка с последующей карбонизацией. Такие тормозные диски C/C обычно используются для шасси самолетов и гоночных автомобилей.

Кольцевые подложки 30 расположены таким образом, чтобы образовать множество кольцевых вертикальных стопок 32, опирающихся на нижнюю несущую пластину 40. Каждая стопка подложек может быть разделена на множество наложенных друг на друга секций, которые разделены одной или несколькими промежуточными пластины 42, пластины 40 и 42 могут быть изготовлены из графита. Они имеют проходы 40а, 42а, выполненные в них на одной линии с внутренними проходами подложек. Промежуточные пластины 42 опираются на пластину 40 с помощью стоек 44.

В показанном примере (фиг. 2) предусмотрено 12 стопок подложек, из которых 9 стопок образуют кольцо регулярно расположенных стопок, расположенных вблизи токоприемника 12, и 3 стопки расположены в центральной части зоны загрузки. Могут быть предусмотрены и другие компоновки, например, включающие 7 стопок подложек, при этом 6 стопок образуют периферийное кольцо и 1 центральная стопка.

Каждый кольцевой пакет 32 закрыт сверху крышкой 34, посредством чего внутренний объем реакционной камеры 26 подразделяется на множество внутренних объемов пакета 36 и объем 28 снаружи пакетов. Внутренний объем каждой стопки образован совмещенными центральными проходами подложек 30 и промежуточных пластин 42.

Каждая подложка 30 в стопке 32 отделена от соседней подложки или, при необходимости, от пластины 40, 42 или крышки 34 прокладками 38, которые оставляют зазоры 39 между подложками. Распорки 38 могут быть расположены так, чтобы оставлять проходы для газа между объемами 36 и 28 через зазоры 39. Эти проходы могут быть обеспечены таким образом, чтобы обеспечивать равновесие давлений в объемах 36 и 28, как описано в патенте США No. № 5,904,957 или таким образом, чтобы образовывались простые каналы утечки для поддержания градиента давления между объемами 36 и 28.

Зона 24 нагрева газа, которая окружена токоприемником, как и реакционная камера 26, заключает в себе узел 50 подогревателя газа, подробно показанный на ФИГ. с 3 по 6.

Узел подогревателя газа содержит кольцо или втулку 52, которая опирается на нижнюю стенку 14 токоприемника и проходит вплотную к боковой стенке 12 токоприемника. Муфта 52 предпочтительно образована массивным корпусом, выполненным из цельного куска теплоты. токопроводящий материал, например графит.

Втулка 52 ограничивает камеру предварительного подогрева газа 54. Проход 56, образованный через изоляцию днища 22 и нижнюю токоприемную стенку 14, представляет собой вход для входа реактивного газа в камеру подогрева газа 54. Вход газа 56 соединен с источником реактивного газа ( не показано). Как вариант, может быть предусмотрено несколько входов газа, все они выходят в зону подогрева газа. Входное отверстие 56 для газа может быть снабжено экраном 58, препятствующим излучению тепла из камеры предварительного нагрева газа.

Камера предварительного подогрева газа 54 закрыта газораспределительной пластиной 60, поддерживаемой втулкой 52, опирающейся на ее верхний край. Газораспределительная пластина имеет проходы 60а, образованные через нее в соответствии с проходами 40а и внутренними объемами 36 дымовых труб 32. Как показано на фиг. 3 и 4 каждый канал снабжен вставкой 62 в виде сопла калиброванного сечения (местоположения пакетов 32 показаны на фиг. 4 штрихпунктирными линиями).

Газ, поступающий через впускное отверстие 56, предварительно нагревается в камере предварительного нагрева 54 перед поступлением в каналы 60а. Предварительный нагрев осуществляется за счет протекания газа вдоль и через множество разнесенных перфорированных пластин 66, расположенных горизонтально между нижней стенкой токоприемника 14 и газораспределительной пластиной 60.

Перфорированные пластины 66 могут быть изготовлены из теплопроводного фольгированного материала, такого как графитовый фольгированный материал. Использование таких тонких перфорированных пластин позволяет уменьшить объем подогревателя газа по сравнению с массивными перфорированными графитовыми пластинами. В качестве альтернативы пластины 66 могут быть изготовлены из композиционного материала С/С.

Перфорированные пластины 66 удерживаются на расстоянии друг от друга с помощью распорок 68, предпочтительно в форме радиально проходящих графитовых стержней (также показаны пунктирными линиями на фиг. 5 и 6).

Преимущественно также пластины 66 включают одну или несколько пар пластин 661, 662, расположенных непосредственно одна над другой, причем одна пластина 662 имеет перфорации 672 только в центральной части, а другая пластина 661 имеет перфорации 671 только в его периферийная часть. Таким образом, поток газа вынужден течь не только поперек, но и вдоль пластин. Тогда нижняя перфорированная пластина предпочтительно имеет перфорацию только в своей периферийной части.

Для обеспечения относительно равномерного выхода подогретого газа в верхней части камеры предварительного подогрева газа по крайней мере верхняя перфорированная пластина или две верхние перфорированные пластины 663 снабжены перфорациями, равномерно распределенными по их поверхности (фиг. 3) .

Пластины 66 удерживаются в желаемом горизонтальном положении с помощью вертикальных стержней 70, проходящих через отверстия 71, выполненные в пластинах. Стержни 70 закреплены на нижней неперфорированной пластине 72, имеющей центральный канал, совпадающий с входным отверстием для газа 56 и опирающимся на внутреннюю кромку 52а, предусмотренную в нижней части втулки 52. Втулка 52 с пластинами 66, 72 Таким образом, стержни 70 могут быть предварительно собраны перед помещением в печь.

Газ, выходящий через каналы 60а газораспределительной пластины 60, направляется по каналам или дымоходам 74, которые вставлены в каналы 76, образованные в удерживающей пластине 78, совмещенные с каналами 60а. Дымоходы 74 имеют верхние фланцы, опирающиеся на плиту 78 вокруг проходов 76. Внутри дымоходов 74 предусмотрены вставки 80, например, в виде треугольных граней (фиг.3 и 7) для дополнительного нагрева протекающего через них газа. Дымоходы 74 и вставки 80 изготовлены из теплопроводного материала, например графита, а также плиты 60 и 78. Пластина 78 опирается на газораспределительную плиту 60 с помощью стоек 82.

Трубы 74 сообщаются с каналами 40а несущей пластины 40. Кольца 84 вставлены в каналы 40а и опираются на верхний край труб 74 для направления потока газа между пластинами 78 и 40. Пластина 40 поддерживается плита 78 с помощью стоек 86.

В процессе работы стопки субстратов загружаются в реакционную камеру над подогревателем газа. Вес груза воспринимается нижней стенкой токоприемника через пластины 40, 78, 60, стойки 86, 82 и втулку 52. Нижняя стенка 14 токоприемника опирается на стойки (не показаны), которые поддерживают всю печь.

Печь нагревается токоприемником, чтобы довести субстраты, загруженные в реакционную камеру, до необходимой температуры. Аналогичным образом нагреваются элементы несущей конструкции и подогревателя газа.

После достижения требуемой температуры в печи реактивный газ подается через входное отверстие для газа 56. Газ предварительно нагревается путем прохождения вдоль и поперек перфорированных пластин 66 в камере предварительного нагрева 54. Использование массивной графитовой втулки 52 с высокой тепловая инерция и выполненный в виде одной детали способствует эффективному нагреву и герметизации камеры подогрева газа.

Подогретый газ выходит из камеры предварительного нагрева 54 через сопла 62 и далее нагревается за счет теплообмена со стенками дымоходов 74 и вставок 80, прежде чем достичь внутренних объемов штабелей субстратов.

Таким образом достигается эффективный предварительный нагрев реактивного газа, сводящий к минимуму температурный градиент между нижней частью каждой трубы и остальной частью трубы.

Газ, поступивший во внутренний объем 36 стопки подложек, достигает объема 28 реакционной камеры, диффундируя через пористость подложек и образуя желаемую матрицу, образующую осадок, и в конечном итоге проходит через зазоры 39. Отходящий газ отбирается из объема 28 реакционной камеры через газоотвод 17, выполненный в верхней стенке 16 токоприемника и соединенный с насосным устройством (не показано).

Целесообразно управлять разделением потока предварительно подогретого реакционного газа на отдельные потоки, питающие внутренние объемы стопки подложек, в зависимости от расположения стопки в реакционной камере. Регулирование производится для того, чтобы обеспечить больший расход реактивного газа, питающего дымовую трубу, удаленную от внутренней стенки 12 токоприемника, по сравнению с расходом реактивного газа, питающего дымовую трубу, расположенную близко к внутренней стенке токоприемника. .

Действительно, стопка подложек, расположенная в центральной части реакционной камеры, как и стопка 321 на ФИГ. 2, нагревается токоприемником несколько менее эффективно по сравнению со стопкой подложек, расположенной близко к внутренней стенке токоприемника, например, стопкой 322. Незначительное увеличение потока подаваемого реактивного газа стопки 321 позволяет компенсировать несколько менее эффективную нагрев и уменьшить градиент уплотнения между различными штабелями.

Индивидуальные потоки реактивного газа, подаваемого в разные трубы, регулируются путем выбора поперечного сечения каналов, образованных соплами 62. Как показано на фиг. 4, патрубок 621 для центральной стопы (такой как стопка 321) образует канал, имеющий поперечное сечение, немного большее, чем поперечное сечение канала, образованного патрубком 622 для периферийной стопки (такой как стопка 322). Различные наборы сопел 62, имеющих одинаковый внешний диаметр, соответствующий диаметру проходов 60а, но различные внутренние калиброванные поперечные сечения, могут быть предусмотрены для обеспечения соответствующего выбора для регулировки отдельных потоков газа по мере необходимости.