퍼니스 (Furnace)
HIP 시스템의 핵심 요소인 퍼니스는 사용 목적에 따라 다양한 재질로 제작됩니다. AIP는 3가지 주력 퍼니스와 4가지 특수 퍼니스를 제공하며, 모든 퍼니스는 모듈식으로 도구 없이 분 단위로 교체 가능합니다.
AIP 전기 퍼니스 — 모듈식 설계로 동일 압력 용기 내에서 다중 퍼니스 사용 가능
모듈식 퍼니스 설계
HIP 시스템은 다양한 퍼니스 타입(2,000°C carbon, 1,400°C molybdenum, 1,200°C Kanthal)을 사용해 가열합니다. 모든 퍼니스는 모듈식 구조로 동일 압력 용기에 여러 퍼니스를 사용할 수 있으며, 간단한 plug-in 방식으로 도구 없이 분 단위 교체가 가능합니다.
Base Heater — 부하 아래의 베이스 히터로 콜드 스팟 제거 및 핫존 내 균일한 열 구배 제공
중량 몰리브덴 셸 — 발열체를 손상으로부터 보호하면서 가스 흐름을 허용
퍼니스 주력 3종
| 퍼니스 | 최대 온도 | 주요 특징 |
|---|---|---|
| Kanthal (Stainless Steel) | 1,200°C | 견고, 산화 저항, 핫 로딩 가능 |
| Molybdenum | 1,250~1,500°C | 깨끗한 환경, 산화에 취약, 240V 고전압 |
| Graphite / Carbon-Carbon | 2,200°C+ | 최고 온도, 진공/소결 가능 |
1. Kanthal Furnace — 칸탈 퍼니스
Kanthal 퍼니스 — 스테인리스 스틸 발열체 (위에서 본 모습)
- 스테인리스 스틸 타입 소재 (Haynes 214, Hoskins 875)
- 니켈/크롬/알루미늄 발열체
- Inconel 또는 Haynes 지지 구조물
- 1,200°C 가능 — 단, 고온에서 강도 손실
- 산화 저항성 — 핫 로딩(hot loading) 가능
- 견고하고 용접 용이
- 용기 내 공간 효율 최대
- 몰리브덴 발열체 사용한 하이브리드 구성 가능
- 적용: 티타늄, 알루미늄, 초전도체, ITO, 일부 강철, 플라스틱
2. Molybdenum Furnace — 몰리브덴 퍼니스
- HT, TZM, ML 타입 — 알루미나 절연
- 1,250~1,500°C (크기와 타입에 따라)
- Strip 또는 wire 발열체
- 산화됨 — 깨끗한 환경 필수
- 취성(brittle) — 용접 불가
- 최대 240V 고전압 사용 가능
- K, B, R, C 타입 thermocouple 사용 가능
- 적용: 티타늄, 강철, 스테인리스, 크롬, 백금, 지르코니아, 알루미나
3. Graphite / Carbon-Carbon Furnace — 흑연·카본-카본 퍼니스
- 고순도 및 고밀도 등급
- C-C는 더 강하고 와트 밀도가 높음
- C-C는 오염 물질에 대한 저항이 더 우수
- 2,200°C 이상 가능
- 온도 측정에 제한 있음
- 산화됨 — 깨끗한 환경, 진공/소결(vacuum/sinter) 가능
- 저전압 권장
- 용접 불가
- B, R, C 타입 thermocouple 사용 가능
- 적용: 텅스텐 카바이드, 실리콘 질화물, SiC, 스피넬, 신소재
특수 퍼니스 4종
4. Tungsten — 텅스텐
- 고순도, 2,000°C 이상 고온
- 진공 사용 가능
- 산화됨, 매우 취성, 용접 어려움
- 매우 고가
5. Platinum — 백금
- 고순도, 1,400°C 중온
- 산화 안 함, 가단성, 용접 가능
- 극도로 고가
- 형상 제한, 와트 밀도 문제
6. Zirconia — 지르코니아
- 고순도, 1,600°C 중·고온
- 산화제 환경 가능
- 도전성을 위해 예열 필요
- 제작 어려움, 형상 제한, 용접·수리 불가
7. Molybdenum Disilicide (MoSi₂)
- 고순도, 1,600°C 중·고온
- 산화제 환경 가능
- 낮은 와트 밀도
- 매우 취성, 용접·수리 불가
열 절연 시스템 (Thermal Barrier)
Thermal Barrier — 다중 baffle 구조와 외장 스테인리스 컨테이너로 압력 용기를 과열로부터 보호
압력 용기는 다중 baffle과 외장 스테인리스 컨테이너로 구성된 열 절연 시스템으로 과열로부터 보호됩니다.
핵심 요건
- 압력 용기 보호가 최우선
- 가장 큰 작업 영역을 위한 최소 공간 차지
- 퍼니스 설계에 따라 적합한 소재 선택
- 대류와 복사의 조합 활용
- 사용 수명은 다양 — 전력 판독값으로 상태 파악
- 출고 시 공장에서 정비된 상태로 제공
- 다중 차단막과 퍼니스 사용 가능
Thermocouple (열전대) 타입
| 타입 | 구성 및 특성 |
|---|---|
| Type K | Chromel vs Alumel — 스테인리스/Inconel sheath, 1,250°C까지 — 저렴, 견고 |
| Type B / R | Platinum-Rhodium — 최대 1,650°C, 산화 안 함, 유연하나 강도 부족, 최고가 |
| Type C | Tungsten-Rhenium — 몰리브덴/흑연/세라믹 sheath, 2,250°C까지(단기), 취성 |
Type C 사용 시 권장사항
- 1,900°C까지는 알루미나 사용
- 더 높은 온도에는 BN 또는 Hafnia 사용
- 와이어는 질소 공격 받음 — 환경 주의
- 사용자가 직접 제작 시 합리적 비용
연장 와이어 (Extension Wires)
- Type K = 같은 와이어
- Type B = Copper vs Copper
- Type R = Copper vs Alloy 11
- Type C = 405 vs 426
- 플러그도 보상되어야 함 — 부적절 시 오류 발생 가능