Vorrichtung zur Behandlung von metallischen Werkstücken mit Kühlgas

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von metallischen Werkstücken mit Kühlgas, bestehend aus einem liegend angeordneten zylindrischen Gehäuse mit mindestens einer verschließbaren Öffnung zum Ein- und Ausbringen der zu behandelnden Werkstücke, mit einer innerhalb des Gehäuses liegenden Abschreckkammer zum Aufnehmen der zu behandelnden Werkstücke, mit zwei seitlich und außerhalb der Abschreckkammer angeordneten Gebläsen zum Führen eines Kühlgases durch die Abschreckkammer und mit typischerweise zwei Wärmetauschern zum Kühlen des Kühlgases.

Stand der Technik Es ist allgemein bekannt, wärmebehandelte metallische Werkstücke nach der Wärmebehandlung mit einem Kühlgas abzuschrecken, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Hierzu werden liegende Gehäuse mit mindestens einer Öffnung zum Zuführen der heißen Werkstücke in die im Gehäuse angeordnete Abschreckkammer verwendet. Das Kühlgas wird über ein im Gehäuse angeordnetes Gebläse und einen Wärmetauscher in die Abschreckkammer geführt und dann wieder aus ihr durch das Gebläse abgesaugt. Derartigen Vorrichtungen sollen möglichst energieeffizient arbeiten und eine schnelle und gleichmäßige Abkühlung der Werkstücke gewährleisten, damit sich die abzukühlenden Werkstücke nicht verziehen. Auch kann eine zu langsame Abkühlung zu unerwünschten Werkstoffeigenschaften führen. Damit sind die Abkühlgeschwindigkeit und die Temperatur-Homogenität im Kühlgas während des Abschreckprozesses Kriterien, die die Qualität und Effizienz des Ab- schreckprozesses bestimmen. Beide lassen sich im Wesentlichen durch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases, seine thermophysikalischen Eigenschaften und durch die erzielbare Wärmeabfuhr von den heißen Werkstücken und die Wärme-

|Bestätigungskopie| abgäbe in den Wärmetauschern definieren. Damit ist die Lage der Wärmetauscher im Kühlgaskreislauf sowie ihr Aufbau und der damit angestrebte minimal Druckverlust mit entscheidend für die Wärmeabfuhr und damit die Abkühlgeschwindigkeit der Werkstücke wie auch die Temperatur-Homogenität im Kühlgas während des Abschreckens.

Aus der DE 102 10 952 B4 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von metallischen Werkstücken mit Kühlgas bekannt. Hier sind in einem liegenden zylindrischen Gehäuse rechts und links neben einer zentral angeordneten Abschreckkammer zwei Gebläse vorgesehen. Weiterhin ist im Strömungsweg des Kühlgases oberhalb und unterhalb der Abschreckkammer jeweils ein Wärmetauscher angeordnet. Durch vier schaltbare Reversierklappen in Kanälen zum Leiten des Kühlgases kann die Strömungsrichtung des Kühlgases durch die Abschreckkammer umgedreht werden.

Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, dass die beiden Wärmetauscher hinter- einander im Strömungsweg des Kühlgases liegen und somit den Strömungswiderstand erheblich erhöhen. Auch ist ihre Größe abhängig von der Größe der Abschreckkammer.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Behandlung von metallischen Werkstücken mit Kühlgas energieeffizienter auszugestalten und eine und schnellere Abkühlung der Werkstücke bei hoher Temperatur-Homogenität des Kühlgases zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass jeweils einem Gebläse ein Wärmetauscher zugeordnet ist und dass oberhalb und unterhalb der Abschreckkammer verschließbare Leiteinrichtungen angeordnet sind. Aufgrund dieser Anordnung verringert sich der Strömungswiderstand für das Kühlgas ganz erheblich, da nur noch jede Hälf- te des Kühlgases durch einen Wärmetauscher strömen muss. Da die Wärmetauscher nun nicht mehr direkt oberhalb und unterhalb der Abschreckkammer liegen, können sie eine deutlich vergrößerte Oberfläche mit einem größeren Lückengrad aufweisen, was nochmals zur Verringerung des Strömungswiderstandes beiträgt. Auch können durch diese Anordnung großvolumige Strömungskanäle im Gehäuse realisiert werden. Damit wird nochmals eine Verringerung des Strömungswiderstandes erzielt. Diese Maßnahmen führen darüber hinaus zu einer Steigerung des erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten und damit zu einem deutlich höheren übertragbaren Wärmestrom. Dies hat eine Verkürzung der Abschreckzeit zur Folge. Hieran hat das Vor- sehen einer verschließbaren Leiteinrichtung für das Kühlgas, mit der eine gezielte Vergleichmäßigung des Kühlgasstromes vor dem Eintritt in die Abschreckkammer erreicht wird, einen nicht unerheblichen Einfluss, da auch sie Druckverluste weiter reduziert und somit die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases höher als im Stand der Technik bleibt.

Aufgrund dieser Maßnahmen kann das üblicherweise verwendete Helium als Kühlgas durch den wesentlich preiswerteren Stickstoff ersetzt werden. Für den Betreiber der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedeutet dies eine beträchtliche Senkung der Investitionskosten. Auch wird damit eine Verbesserung der Abschreckgleichmäßigkeit im Vergleich zur Verwendung von Helium oder Öl als Kühlmittel erzielt. Im Vergleich mit Helium besitzt Stickstoff turbulentere Fließeigenschaften, so dass es zu einer verbesserten Durchmischung des Kühlgases bei der Umströmung der abzuschreckenden Werkstücke kommt und damit zu einem rascheren Wärmeaustausch von unterschiedlichen Kühlgasbereichen. Dies verbessert den Wärmeübergang und die lokale Homo- genität der abgeführten Wärmeströme. Auch werden durch die Verwendung von Stickstoff als Kühlgas deutlich verringert Betriebskosten erzielt. Ebenfalls entfällt der sonst übliche Helium-Rückgewinnungsprozess..

Besonders vorteilhaft ist es, die Wärmetauscher als Ringwärmetauscher auszubilden. Hiermit können große Kühlflächen realisiert werden bei gleichzeitig relativ niedrigen Strömungswiderständen.

Bauraumsparend ist es, wenn jeder Ringwärmetauscher das Laufrad seines jeweiligen Gebläses umschließt. _A

Eine einfach aufgebaute und robuste Leiteinrichtung besteht aus einem Leitkasten und einem diesem zugeordneten Leitelement. Hierbei ist es leicht möglich, in den Leitkästen entsprechende Führungsbleche für das Kühlgas einzubauen, so dass eine gezielte und gleichmäßige Strömung beim Eintritt in die Abschreckkammer erreicht wird. Jedes Leitelement dient hierbei zum Einen zum Umlenken des Teil- Kühlgasstromes zur Abschreckkammer und zum Anderen zum wechselweisen Verschließen des zugeordneten Leitkastens.

Um eine baulich einfache Verstellung der Leitkästen zu erreichen, werden die beiden Leitkästen über Verbindungselemente miteinander verbunden. Dann reicht eine einzige Verfahreinrichtung aus, um die beiden Leitkästen von einer in die andere Position zu verfahren. Auch wird durch diese Anordnung der Steuerungsaufwand für die Verfahreinrichtung vereinfacht. Als Verfahreinrichtung kann ein Elektromotor mit Stelleinrichtung oder ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder verwandt werden. Diese Verfahreinrichtung wird bevorzugt außerhalb des Gehäuses angeordnet.

Eine baulich einfache Anordnung der Ansaugöffnung für jedes Gebläse wird dann erreicht, wenn sie oberhalb und unterhalb und seitlich neben der Abschreckkammer an- geordnet ist. Hierbei werden kurze Strömungswege erzielt. Auch können dadurch großvolumige Strömungskanäle realisiert werden. Dadurch kann das die Abschreckkammer verlassende heiße Kühlgas direkt ohne große Strömungsverluste in die beiden Gebläse strömen und von dort aus zu den Ringwärmetauschern, um wieder rückgekühlt zu werden.

Dabei ist es sinnvoll, den Verfahrweg der Leitkästen so zu bemessen, dass eine der beiden Ansaugöffnungen der beiden Gebläse immer dann verschlossen ist, wenn der der verschlossenen Ansaugöffnung benachbarte Leitkasten vom Kühlgas durchströmt wird. Dadurch wird durch das Verfahren der Leitkästen gleichzeitig eine Steuerung der Ansaugöffnungen erzielt, ohne dass mehrere mit Antriebseinrichtungen versehene Klappen synchron verstellt werden müssen. Somit kann auf einfache Art und Weise eine Richtungsumkehr des Kühlgasstromes erzielt werden. Eine einfache Anbringung der Leitelemente wird dann erreicht, wenn diese am Gehäuse befestigt werden.

Eine baulich einfache Ausgestaltung der Leitelemente sieht vor, diese im Querschnitt v-förmig auszubilden und dass der zugeordnete Leitkasten eine kongruente Querschnittsform auf der dem Leitelement zugewandten Seite aufweist. Dann kann das Leitelement ohne weitere bauliche Ausgestaltung zum Verschließen des Leitkastens und damit zur Unterbindung der Durchströmung der Abschreckkammer von dieser Seite aus dienen. Dadurch wird wiederum der Strömungswiderstand im Kühlgaskreis- lauf weiter reduziert und damit die Homogenität der Abkühltemperatur und die Abkühlgeschwindigkeit der Werkstücke erhöht.

Unter Wärmetauscher im Sinne der vorliegenden Erfindung werden nicht nur einzelne Wärmetauscher verstanden, sondern auch Wärmetauscherpakete, wie sie bei derarti- gen Vorrichtungen auch üblich sind.

Unter dem Begriff„Gebläse" werden auch Gebläse im Leistungsbereich von 1 KW bis zu 1 MW verstanden, also auch Hochleistungs-Gebläse. Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 mit den von diesem abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der mehrere unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen: Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung zur Behandlung metallischer Werkstücke,

Figur 2 ein Längsschnitt in perspektivischer Ansicht der Vorrichtung nach

Figur 1 ,

Figur 3a bis c einzelne Positionen der Leitkästen zur Erzielung einer Strömungsumkehr des Kühlgases.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen, einwandigen, liegenden Gehäuse 1 , an dessen zumindest einer der hier nicht dargestellten Stirnseite eine Tür oder ein Schieber zum Verschließen vorgesehen ist.

Zentral innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich die Abschreckkammer 2, die an ihren beiden Längsseiten durch Leitbleche 3 und 4 begrenzt ist. In der Abschreckkammer 2 sind zwei seitlich angeordnete Trägerleisten vorgesehen, auf die die abzuschreckenden Werkstücke abgelegt werden. Diese Trägerleisten lassen einen maximalen Strömungsquerschnitt zu den Werkstücken frei. Die Abschreckkammer selbst ist hierbei so dimensioniert, dass sie die abzuschreckenden Werkstücke möglichst eng umschließt.

Seitlich neben der Abschreckkammer 2 sind zwei horizontal liegend angeordnete Gebläse 5 und 6 vorgesehen, deren Antriebsmotoren 7 und 8 (nur teilweise sichtbar) über gasdichte Flanschverbindungen direkt mit dem Gehäuse 1 verbunden sind. Die Antriebswellen der beiden Gebläse sind fluchtend zueinander angeordnet. Die Laufräder der Hochleistungs-Gebläse 5 und 6 sind mit 9 und 10 bezeichnet. Die Gebläse 5 und 6 sind als Hochleistungs-Gebläse ausgebildet.

Um die Laufräder 9 und 10 ist jeweils ein Ringwärmetauscher 11 und 12 angebracht. Diese Ringwärmetauscher können ein- oder mehrteilig, rund oder halbmondförmig aufgebaut sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ringwärmetauscher vier- teilig aufgebaut. Um die Ringwärmetauscher ist ein hier nicht dargestelltes Leitblechgehäuse zur druckverlustarmen Führung des Kühlgases angeordnet.

Zwischen den beiden Leitblechen 3 und 4 und dem Ansaugbereich der Gebläse 5 und 6 befindet sich jeweils ein Ansaugtrakt 13 und 14, der auf der Seite der Gebläse 5 und 6 durch ein inneres Abtrennblech 15 und 16 begrenzt wird.

Oberhalb und unterhalb der Abschreckkammer 2 ist auf der gesamten Breite und Länge der Abschreckkammer jeweils eine Leiteinrichtung 17 und 18 vorgesehen. Jede Leiteinrichtung 17 und 18 besteht aus einem Leitkasten 19 und 20 und einem zugeordneten Leitelement 21 und 22. Die Leitelemente 21 und 22 sind im Querschnitt v- förmig ausgestaltete und an der Innenseite des Gehäuses 1 starr befestigt.

Jeder Leitkasten 19 und 20 weist geschlossene Seitenwände 23 und 24 auf. Parallel und senkrecht zu den Seitenwänden 23 und 24 sind in jedem Leitkasten 19 und 20 Führungsbleche 25 angeordnet, so dass sich wabenartige rechteckige Führungskanäle 26 (Figur 2) für das Kühlgas bilden. Die Führungsbleche 25 sind so ausgestaltet, dass sie im Querschnitt (Figur 1) der Form der Leitelemente 21 und 22 entsprechen. Beide Leitkästen 19 und 20 werden durch seitliche Verbindungsstreben 27 und 28 mit einander verbunden. Diese Verbindungsstreben sind derart angeordnet, dass sie eine nahezu verlustlose Strömungsverbindung von der Abschreckkammer zu den Ansaugtrakten 13 und 14 erlauben. Eine nicht gezeigte Verfahreinrichtung erlaubt es, die beiden Leitkästen zu verschieben, wie weiter unten noch erläutert werden wird.

Figur 2 zeigte einen perspektivischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Hier sind zum Einen sehr deutlich der Aufbau und die Anordnung der Führungskanäle 26 zu sehen und zum Anderen eine der vier Ansaugöffnungen 29 des Ansaugtraktes 14. Sie befindet sich oberhalb der Abschreckkammer 2. Eine nicht sichtbare weitere Ansaugöffnung befindet sich unterhalb der Abschreckkammer. Der Ansaugtrakt 13 hat entsprechende Ansaugöffnungen.

Weiterhin zeigt Figur 2 die Anordnung von Abschirmblechen 30, die oberhalb und unterhalb, auf der Vorderseite und der Rückseite der Abschreckkammer 2 angeordnet - ο - sind und von dieser bis zu der Innenseite des Gehäuse 1 reichen. Damit wird verhindert, dass Kühlgas unter Umgehung der Kühlkanäle 26 von der Vorderseite und Rückseite der Abschreckkammer in diese einströmt. Damit wird sichergestellt, dass die Abschreckkammer 2 immer nur vertikal durchströmt wird.

Beladen wird die Abschreckkammer 2 durch die vordere Öffnung mit Hilfe einer externen Vorrichtung mit einer Werkstückcharge, die zuvor in einer separaten Vorrichtung aufgeheizt und optional aufgekohlt wurde. Entladen wird die Abschreckkammer 2 entweder durch die vordere Öffnung oder durch eine hintere Öffnung, wenn es sich um eine Durchlauf-Abschreckkammer handelt.

In Figur 1 und 2 sowie 3a wird die Abschreckkammer vom Kühlgas von unten nach oben durchströmt. Dies ist durch einen Strömungspfeil 31 angedeutet. Hierzu befindet sich die Leiteinrichtung 17 in ihrer oberen Endstellung, d.h. der obere Leitkasten 19 liegt an seinem Leitelement 21 an. Dadurch werden seine Führungskanäle 26 verschlossen und können deshalb nicht durchströmt werden. Gleichzeitig ist der untere Leitkasten 20 von seinem Leitelement 22 beabstandet, so dass seine Führungskanäle 26 frei durchströmt werden können. Durch diese Position der beiden Leitelemente 17 und 8 werden die beiden oberen Ansaugöffnungen 29 zu den beiden Ansaugtrakten 13 und 14 freigegeben, während die Seitenwände 23 und 24 des unteren Leitkasten 20 die unteren beide Ansaugöffnungen 29 verschließen.

Deshalb wird das von den heißen Werkstücken in der Abschreckkammer erhitzte Kühlgas durch die beiden oberen Ansaugöffnungen 29 in zwei Teilströme aufgeteilt und angesaugt, zu den beiden Hochleistungs-Gebläsen 5 und 6 geführt und von diesen radial durch die Ringwärmetauscher 11 und 12 gedrückt, wobei es abgekühlt wird. Anschließend strömt es durch das um die Ringwärmetauscher 11 und 12 herum verlaufende Spiral-Leitgehäuse und über das Leitelement 22 umgelenkt durch den unteren Leitkasten 20 von unten in die Abschreckkammer 2. Vor und in dem Leitkasten 20 werden die beiden Teilströme des Kühlgases wieder zusammen geführt. Die Führungskanäle 26 richten die Strömung des Kühlgases wieder vertikal aus.

Soll nun die Strömungsrichtung des Kühlgases umgedreht werden (entgegen der Strömungsrichtung in den Figuren 1 , 2 und 3a), so wird die Verfahreinrichtung für die beiden Leitkästen 19 und 20 aktiviert. Diese verschiebt die Leitkästen aus ihrer oberen Position (Figur 1 , 2, 3a) über eine Mittelstellung (Figur 3b), in der beide Leitkästen von ihren Leitelementen entfernt sind, zu der unteren Position (Figur 3c). In dieser Position werden die Führungskanäle 26 im unteren Leitkasten 20 durch das Leitelement 22 verschlossen. Gleichzeitig sind die oberen Ansaugöffnungen 29 durch die Seitenwände 23 und 24 des oberen Leitkastens 19 verschlossen, während die unteren Ansaugöffnungen 29 zu den Ansaugtrakten 13 und 14 freigegeben sind. Da der obere Leitkasten 19 nun entfernt von seinem Leitelement 21 positioniert ist, sind die Führungskanäle 26 in diesem Leitkasten 19 geöffnet.

Damit strömt nun das Kühlgas über die beiden unteren Ansaugöffnungen 29 in die Ansaugtrakte 13 und 14. Von hieraus strömt es weiter über die Laufrädern 9 und 10 der Hochleistungs-Gebläse 5 und 6 radial durch die Ringwärmetauscher 11 und 12. Über die Spiral-Leitgehäuse strömt das nun rückgekühlte Kühlgas nun vertikal nach unten durch die Abschreckkammer 2, nachdem die beiden Teilströme zuvor durch das Leitelement 21 umgelenkt und durch die Führungskanäle 26 in dem Leitkasten 19 zusammen geführt und gerichtet wurde. Dies ist in Figur 3c durch den Strömungspfeil 32 dargestellt. Durch diese einfache Verstellung der Leiteinrichtungen 17 und 18 wird schnell eine Strömungsumkehr des Kühlgases erzielt, wenn es die Kontur der abzuschreckenden Werkstücke erfordert.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

2 Abschreckkammer

3 Seitenwand von 2

4 Seitenwand von 2

5 Gebläse

6 Gebläse

7 Antriebsmotor von 5

8 Antriebsmotor von 6

9 Laufrad von 5

10 Laufrad von 6

11 Ringwärmetauscher

12 Ringwärmetauscher

13 Ansaugtrakt von 5

14 Ansaugtrakt von 6

15 inneres Abtrennblech von 13

16 inneres Abtrennblech von 14

17 obere Leiteinrichtung

18 untere Leiteinrichtung

19 Leitkasten von 17

20 Leitkasten von 18

21 oberes Leitelement

22 unteres Leitelement

23 Seitenwände von 18, 19

24 Seitenwände von 18,19

25 Führungsbleche in 18, 19

26 Führungskanäle

27 Verbindungsstreben

28 Verbindungsstreben

29 Ansaugöffnungen

30 Abschirmbleche Strömungspfeil Strömungspfeil