DE19820083A1

DE19820083A1 - Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken und Wärmebehandlungsanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19820083A1
Application number: DE19820083A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dannehl; Klaus Loeser
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 1999-11-11
Also published as: EP0955384A2; EP0955384A3; DE59911888D1; EP0955384B1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken in einer Behandlungskammer (1) mittels eines Abschreckgases wird ein Wärmetauscher (3) vor Beginn des Abschreckvorganges mit dem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise gefüllt. Die Kühlung der Charge (5) erfolgt durch die Kühlkapazität des Wärmetauschers (3) und das Verdampfen der Einfüllmenge beim Umwälzen des Abschreckgases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken in einer Behandlungskammer mittels eines Ab schreckgases, bei dem ein Wärmetauscher vorgesehen ist, durch welchen zum Abschrecken der Werkstücke das Ab schreckgas umgewälzt wird und der mit einem in dem Wärme tauscher verdampfenden Kältemittel arbeitet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wärmebehandlungsanlage zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorstehenden Art sind Gegenstand der DE 44 22 588 C1. Bei der in dieser Schrift beschriebenen Wärmebehandlungsanlage ist außer halb der Behandlungskammer, in welcher die Wärmebehand lung stattfindet, ein Kälteaggregat angeordnet. Während der Abschreckphase wird das Kältemittel durch den Wärme tauscher in der Behandlungskammer und durch das Kälteag gregat im Kreis umgepumpt, so dass die in der Behand lungskammer aufgenommene Wärme nach außen abgeführt wer den kann. Um eine möglichst rasche Abkühlung der Werk stücke zu erreichen, wird ein Kältemittel gewählt, wel ches wie in einem Kühlschrank in dem Wärmetauscher ver dampft, so dass auch die Verdampfungswärme für den Kühl effekt genutzt werden kann.

Die Vorrichtung nach der DE 44 22 588 C1 ist sehr aufwen dig, weil außerhalb der Behandlungskammer ein Kälteaggre gat mit einem Verflüssiger und einem Verdichter angeord net werden muss. Weil das Abschrecken der Werkstücke mög lichst rasch zu erfolgen hat, muss in relativ kurzer Zeit viel Wärme abgeführt werden, so dass der Verflüssiger und der Verdichter eine hohe Leistung haben müssen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass mit möglichst geringem apparativen Aufwand ein möglichst ra sches Abschrecken von Werkstücken innerhalb einer Behand lungskammer möglich wird. Weiterhin soll eine einfache Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gefunden werden.

Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch ge löst, dass der Wärmetauscher vor Beginn des Abschreckvör ganges mit dem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise gefüllt wird, während in der Behandlungskammer Vakuum herrscht, und dass die Kühlung des Abschreckgases durch die Kühlkapazität des Wärmetauschers und das Verdampfen der Einfüllmenge beim Umwälzen des Abschreckgases während des Kühlens einer Charge von Werkstücken erfolgt.

Diese Verfahrensweise baut auf der Erkenntnis auf, dass der Wärmetauscher durch das Vakuum in der Behandlungskam mer thermisch von der Charge isoliert ist. Dadurch kommt es während des Einfüllens von flüssigem Kältemittel in den Wärmetauscher der Behandlungskammer zu keiner uner wünschten Abkühlung der Werkstücke und zu keiner konvek tiven Wärmeaufnahme des Wärmetauschers aus der Umgebung. Erst wenn in die Behandlungskammer das Abschreckgas ein gegeben wird und dieses in ihr zirkuliert und dabei durch den Wärmetauscher strömt, kommt es durch die dann dem Wärmetauscher zugeführte Wärme zu einem Wärmetausch und insbesondere zu einer Verdampfung des Kältemittels. Durch diese Verdampfung wird dem Abschreckgas sehr viel Wärme entzogen, so dass ein rasches Abkühlen der Charge im oberen, für die Abschreckung entscheidenden Tempera turbereich möglich wird.

Die erforderliche Kühlmittelmenge ist besonders gering, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfah rens ein Wärmetauscher mit Wärmetauscherflächen von hohem Wärmespeichervermögen verwendet wird. Einen solchen Wär metauscher kann man bereits vor der Abschreckphase auf eine niedrige Temperatur abkühlen, so dass während der Abschreckphase für die Wärmeaufnahme nicht nur das Kälte mittel zur Verfügung steht.

Durch die thermische Isolation des Wärmetauschers auf grund des herrschenden Vakuums wird es auch möglich, eine Behandlungskammer mit einem Ofenbereich und den Wärmetau scher in einem gemeinsamen Gehäuse zu verwenden und den Wärmetauscher mit dem Kältemittel während des Arbeitens des Ofens zu befüllen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch bei einer separaten, der Abschreckung von Werkstücken dienenden Behandlungskammer ohne eine darin angeordnete Heizung anwendbar.

In Fertigungsstätten, in welchen das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet, gibt es in aller Regel ver schiedene Einrichtungen, welche eine Versorgung mit Inertgas erfordern. Üblicherweise wird hierzu das Inert gas flüssig angeliefert und in einer Inertgas-Versor gungsanlage, welche einen Verdampfer aufweist, in der be nötigten Menge in den gasförmigen Zustand überführt. Auf eine solche Inertgas-Versorgungsanlage kann man verzich ten, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das verdampfte Kältemittel in einem Gassam melbehälter gesammelt und als Inertgas weiterverwendet wird.

Zumindest ein Teil des zum Kühlen des Abschreckgases ver dampften Kältemittels kann in der Wärmebehandlungsanlage selbst weiterverwendet werden, wenn das verdampfte Kälte mittel zum Fluten der Behandlungskammer nach dem Ab schrecken der Werkstücke verwendet wird. Das Inertgas kann also während des Abschreckens zum Druckaufbau von z. B. 1 bar auf 6 bar, nach dem Abschrecken für weitere Chargen oder innerhalb der Anlage (mit Zwischenpuffer) für andere Prozesskammern oder als Steuergas verwendet werden.

Besonders kostengünstig ist das Kältemittel erhältlich und gut als Inertgas verwendbar, wenn es flüssiger Stick stoff ist. Es sind jedoch auch andere Flüssiggase ver wendbar, zum Beispiel Luft.

Wenn man die Kältemittelmenge möglichst gering halten will, damit alles verdampfte Kältemittel wieder gebraucht werden kann, dann ist es möglich, eine Behandlungskammer mit zwei hintereinander geschalteten Wärmetauschern zu verwenden. Ein zum Beispiel mit Wasser betriebener Wärme tauscher könnte dem "Flüssiggas-Wärmetauscher" vorge schaltet werden.

Die zweitgenannnte Aufgabe, nämlich die Schaffung einer Wärmebehandlungsanlage zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens wird dadurch gelöst, dass der Wärmetau scher zum zumindest teilweisen Auffüllen mit dem flüssi gen Kältemittel ausgebildet ist und dass die Kühlkapazi tät des Wärmetauschers aufgrund des Verdampfens der Ein füllmenge beim Umwälzen des Abschreckgases zum vollstän digen Kühlen einer Charge von Werkstücken bemessen ist.

Eine solche Wärmebehandlungsanlage ist sehr kostengünstig zu erstellen, weil sie kein Kälteaggregat mit einem Ver flüssiger und mit einem Verdichter für das Kältemittel benötigt. Weiterhin vermag sie das Abschreckgas besonders wirksam abzukühlen, weil während des Zirkulierens des Ab schreckgases das Kältemittel in dem Wärmetauscher ver dampft und deshalb dem Abschreckgas durch die von dem Kältemittel aufgenommene Verdampfungswärme viel Wärme entzogen wird. Der Wärmetauscher selbst braucht gegenüber den bisher verwendeten, mit einer Sole betriebenen Wärme tauschern nicht oder nur geringfügig umgestaltet zu wer den.

Die zur Kühlung des Abschreckgases erforderliche Kälte mittelmenge kann besonders gering sein, wenn der Wärme tauscher mit Wärmetauscherflächen von hohem Wärmespei chervermögen ausgestattet ist.

Eine gegenseitige Isolation des Wärmetauschers und des Ofenbereiches durch thermisch isolierte Trennwände wird wegen des in der Behandlungskammer während des Aufheizens der Werkstücke aufgrund des in der Behandlungskammer herrschenden Vakuums unnötig. Deshalb ist es möglich, dass die Behandlungskammer in einem gemeinsamen Gehäuse einen Ofenbereich und den Wärmetauscher aufweist.

Das verdampfte Kältemittel kann einer weiteren Verwendung zugeführt werden, wenn ein Gassammelbehälter für das in dem Wärmetauscher verdampfte Kältemittel vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Wärmebehandlungsanlage benötigt zu ihrem Betrieb eine ganz besonders geringe Kältemittel menge, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfin dung in der Behandlungskammer hintereinander zwei Wärme tauscher geschaltet sind und wenn nur ein Wärmetauscher als Verdampfer für das Kältemittel ausgebildet ist, wäh rend der andere Wärmetauscher zum Zirkulieren eines Käl temittels oder Wasser oder Wärmeträgers mit einem exter nen Kühlmittelaggregat verbunden ist.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist in der Zeichnung schematisch eine Wärmebehandlungsanlage darge stellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine Behandlungskammer 1, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 2 einen Wärmetauscher 3 und ei nen Ofenbereich 4 hat, in welchem sich eine Charge 5 mit den zu behandelnden Werkstücken befindet. Hinter dem Wär metauscher 3 ist ein Gebläse 6 angeordnet, durch welches es möglich wird, ein Abschreckgas innerhalb der Behand lungskammer 1 durch die Charge 5 und den Wärmetauscher 3 hindurch zirkulieren zu lassen.

Die Zeichnung zeigt weiterhin einen Vorratsbehälter 7 für flüssigen Stickstoff. Aus diesem Vorratsbehälter 7 füllt man eine kleinere Stickstoffmenge in einen Zwischenbehäl ter 8, von dem aus flüssiger Stickstoff durch Öffnen ei nes Ventils 9 in den Wärmetauscher 3 eingefüllt werden kann. Im Wärmetauscher 3 verdampfter Stickstoff vermag über eine Leitung 10 in einen Gassammelbehälter 11 zu ge langen. Über eine Leitung 12, in der ein Ventil 13 ge schaltet ist, kann der Zwischenbehälter 8 mit dem Druck des Gassammelbehälters 11 beaufschlagt werden, um flüssi gen Stickstoff aus dem Zwischenbehälter 8 in den Wärme tauscher 3 zu drücken. Der im Wärmetauscher 3 verdampfte Stickstoff gelangt über eine Rückschlagklappe 14 in die Leitung 10 und dadurch in den Gassammelbehälter 11. Bei zu hohen Drücken lässt ein Überdruckventil 15 Stickstoff in die Atmosphäre abströmen. Zum Fluten der Behandlungs kammer 1 mit Stickstoff aus dem Gassammelbehälter 11 ist die Leitung 10 über ein Ventil 16 mit der Behandlungskam mer 1 verbunden.

Die Wärmebehandlung einer Charge 5 erfolgt unter Vakuum, indem die Charge 5 zunächst auf beispielsweise 1000°C aufgewärmt wird. Während dieser Aufwärmphase befüllt man den Wärmetauscher 3 mit flüssigem Stickstoff aus dem Zwi schenbehälter 8. Soll die Abschreckphase beginnen, dann flutet man die Behandlungskammer 1 durch Öffnen des Ven tils 16 mit gasförmigem Stickstoff als Abschreckgas und schaltet das Gebläse 6 an. Dadurch zirkuliert in der Be handlungskammer 1 zwischen der Charge 5 und durch den Wärmetauscher 3 das Abschreckgas. Da dieses der Charge 5 Wärme entnimmt und sich dadurch aufwärmt, kommt es beim Durchströmen des Wärmetauschers 3 zu einem Verdampfen des in ihm zuvor eingefüllten flüssigen Stickstoffs und da durch zu einem Wärmeentzug bei dem Abschreckgas. Der ver dampfte Stickstoff vermag über die Rückschlagklappe 14 und die Leitung 10 in den Gassammelbehälter 11 zu gelan gen. Ein Überströmventil 17 ermöglicht es, das bei einem zu hohen Druck im Wärmetauscher 3 (z. B. über 6 bar) Gas aus dem Wärmetauscher 3 in die Behandlungskammer 1 strömt.

Es sei abschließend bemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Anlagen möglich ist, bei denen das Aufheizen der Charge 5 und das Abschrecken mit dem Ab schreckgas in getrennten Kammern erfolgt. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist lediglich, dass wäh rend des Einkühlens des Wärmetauschers in der ihn aufneh menden Kammer Vakuum herrscht, damit der Wärmetauscher erst wirkungsvoll zu arbeiten beginnt, wenn die Charge mittels des Abschreckgases gekühlt werden soll.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch ein Rückver flüssigung des verdampften Gases in einer Kompressoran lage. Die Ansprüche an die Reinheit und Qualität des ver dampfenden Gases (Kühlmittels) sind gering. Der Wärmetau scher funktioniert auch in nicht evakuierten Kammern.

Bezugszeichenliste

1

Behandlungskammer

2

Gehäuse

3

Wärmetauscher

4

Ofenbereich

5

Charge

6

Gebläse

7

Vorratsbehälter

8

Zwischenbehälter

9

Ventil

10

Leitung

11

Gassammelbehälter

12

Leitung

13

Ventil

14

Rückschlagklappe

15

Überdruckventil

16

Ventil

17

Überströmventil

Claims

1. Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken in einer Be handlungskammer mittels eines Abschreckgases, bei dem ein Wärmetauscher vorgesehen ist, durch welchen zum Ab schrecken der Werkstücke das Abschreckgas umgewälzt wird und der mit einem in dem Wärmetauscher verdampfenden Kältemittel arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher vor Beginn des Abschreckvorganges mit dem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise gefüllt wird, während in der Behandlungskammer Vakuum herrscht, und dass die Kühlung des Abschreckgases durch die Kühlkapa zität des Wärmetauschers und das Verdampfen der Einfüll menge beim Umwälzen des Abschreckgases während des Küh lens einer Charge von Werkstücken erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher mit Wärmetauscherflächen von hohem Wärmespeichervermögen verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Behandlungskammer mit einem Ofen bereich und dem Wärmetauscher in einem gemeinsamen Ge häuse gewählt wird und dass das Befüllen des Wärmetau schers mit dem Kältemittel während des Arbeitens des Ofens erfolgt.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfte Käl temittel in einem Gassammelbehälter gesammelt und als Inertgas weiterverwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfte Kältemittel zum Fluten der Behand lungskammer nach dem Abschrecken der Werkstücke verwendet wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel flüssiger Stickstoff ist.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behandlungs kammer mit zwei hintereinander geschalteten Wärmetau schern verwendet wird und dass nur ein Wärmetauscher durch Verdampfen des Kältemittels betrieben wird, während man in dem anderen Wärmetauscher ein extern in einem Kühlmittelaggregat gekühltes Kältemittel zirkulieren lässt.

8. Wärmebehandlungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, welche zum Abschrecken von Werkstücken mittels eines Abschreck gases in einer Behandlungskammer einen Wärmetauscher hat, durch welchen zum Abschrecken der Werkstücke das Ab schreckgas umgewälzt wird und der mit einem in dem Wärme tauscher verdampfenden Kältemittel arbeitet, dadurch ge kennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) zum zumindest teilweisen Auffüllen mit dem flüssigen Kältemittel ausge bildet ist und dass die Kühlkapazität des Wärmetauschers (3) aufgrund des Verdampfens der Einfüllmenge beim Umwäl zen des Abschreckgases zum vollständigen Kühlen einer Charge (5) von Werkstücken bemessen ist.

9. Wärmebehandlungsanlage nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) mit Wärmetau scherflächen von hohem Wärmespeichervermögen ausgestattet ist.

10. Wärmebehandlungsanlage nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (2) einen Ofenbereich (4) und den Wärmetauscher (3) aufweist.

11. Wärmebehandlungsanlage nach zumindest einem der vor angehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gassam melbehälter (11) für das in dem Wärmetauscher (3) ver dampfte Kältemittel.

12. Wärmebehandlungsanlage nach zumindest einem der vor angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Behandlungskammer (1) hintereinander zwei Wärmetauscher (3) geschaltet sind und dass nur ein Wärmetauscher als Verdampfer für das Kältemittel ausgebildet ist, während der andere Wärmetauscher zum Zirkulieren eines Kältemit tels mit einem externen Kühlmittelaggregat verbunden ist.