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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Abschreckvorrichtung zum Abschrecken von
Abschreckgut, insbesondere von metallischen Werkstücken, mit
Abschreckgas gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Abschreckverfahren zum Abschrecken von
Abschreckgut, insbesondere von metallischen Werkstücken, mit
Abschreckgas gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 5.
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Zum
Erzeugen von definierten Werkstoffeigenschaften, wie beispielsweise
einer hohen Härte oder
einer ausreichenden Verschleißfestigkeit,
werden die meist metallischen Werkstücke einer Wärmebehandlung unterzogen. Wichtig
für das
Behandlungsergebnis ist vor allem die Geschwindigkeit, mit der die
Werkstücke
nach vorausgehender Erhitzung abgekühlt werden. Für den hierfür notwendigen
Abschreckprozess ist es bekannt, Wasser, Öl oder Abschreckgas einzusetzen.
Der Hauptvorteil des Einsetzens von Abschreckgasen anstelle von
Abschreckflüssigkeiten
besteht darin, dass das Abschreckgut nach dem Abschrecken nicht
gereinigt werden muss und, darin, dass eine höhere Abschreckhomogenität in der
Charge erreicht werden kann.
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Eine
für einen
zuvor beschriebenen Abschreckprozess zum Einsatz kommende Abschreckvorrichtung
ist beispielsweise in der
EP
1 154 024 B1 beschrieben. Die bekannte Vorrichtung umfasst
einen mit Abschreckgas flutbaren Raum, der gebildet ist von einer
Abschreckkammer zur Aufnahme des Abschreckgutes und von einem Strömungskanal
zur Ausbildung eines Abschreckgas-Strömungskreislaufs.
Die Abschreckkammer wird nicht im mit Abschreckgas gefluteten Zustand
be- und entladen, sondern in der Regel unter Vakuum. Bei der bekannten
Abschreckvorrichtung befindet sich zur Ausbildung einer Abschreckgasströmung innerhalb
des Strömungskanals
ein Gebläserad,
das mittels eines außerhalb
des mit Abschreckgas flutbaren Raums angeordneten Elektromotors
angetrieben ist. Da eine Motorwelle des Antriebsmotors eine Außenwand
des Strömungskanals
durchsetzt, ist ein großer
konstruktiver Aufwand vonnöten,
um eine hermetische Dichtheit des mit Abschreckgas flutbaren Raums
zu erzielen.
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Bei
alternativen, bekannten Abschreckvorrichtungen ist der Antriebsmotor
zusammen mit dem Gebläserad
zur Vermeidung von Undichtigkeiten innerhalb des mit Abschreckgas
flutbaren Raums angeordnet. Hier besteht das Problem, dass der Antriebsmotor
nicht im Vakuum gestartet werden kann, da sonst in der Wicklung
des Antriebsmotors elektrische Überschläge (Lichtbögen) entstehen
können, die
den Antriebsmotor zerstören
könnten.
Dies ist insofern problematisch, als dass die zum Erhöhen der Abschreckrate
notwendigen, leistungsstarken Gebläse im Vergleich zur eigentlichen
Abschreckdauer lange Anlaufzeiten benötigen, um die Nenndrehzahl
zu erreichen. Da mit dem Starten des Antriebsmotors nicht bereits
während
der Beladung der Abschreckkammer unter Vakuumatmosphäre begonnen
werden kann, sondern erst nachdem diese mit Abschreckgas geflutet
wurde, addiert sich die gesamte Anlaufzeit zur eigentlichen Abschreckdauer
hinzu, was sich negativ auf die zu erreichende Taktzahl auswirkt.
Insgesamt resultiert der beschriebene Nachteil in einer langsameren
Abschreckung des Abschreckgutes verglichen mit der Abschreckung
von Flüssigkeiten,
da dort die maximale Abschreckintensität unmittelbar nach dem Eintauchen
einer abzuschreckenden Charge in das Flüssigkeitsbad zur Verfügung steht.
Die reduzierte Abschreckgeschwindigkeit bei bekannten Abschreckvorrichtungen
mit innerhalb des zu flutenden Raums angeordneten Antriebsmotoren
wirkt sich nicht nur auf die Taktzeit, sondern aufgrund der verlängerten
Abschreckdauer auch auf die Qualität des Werkstückgefüges und
damit auf die Bauteileigenschaften aus.
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Aus
der
EP 0 752 482 B1 ist
eine Vorrichtung zur Vakuumbedampfung bekannt, bei der ein Gebläse von einem
außerhalb
einer Vakuumkammer angeordneten Motor über eine Magnetkupplung zur
Umwälzung
von Schutzgas antreibbar ist. Die Druckschrift zeigt keine Abschreckvorrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abschreckvorrichtung
vorzuschlagen, bei der zum einen Dichtigkeitsprobleme vermieden
werden und zum anderen ein Starten des leistungsstarken Antriebsmotors
für das
Gebläse
auch vor dem Fluten des Raums mit Abschreckgas, insbesondere bei
mit Vakuum beaufschlagtem Raum möglich
ist. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren anzugeben, welches
einen Betrieb des Gebläseantriebsmotors unabhängig von
der Atmosphäre
in dem das Gebläserad
aufweisenden Raum ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Abschreckvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen
des Anspruchs 5 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten
Merkmalen.
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Die
Erfindung hat erkannt, dass ein Betrieb des, vorzugsweise als Standard-Elektromotor ausgebildeten,
Antriebsmotors für
das mindestens eine Gebläserad
unabhängig
von der Atmosphäre
und den Druckverhältnissen
in dem das Gebläserad
aufnehmenden Raum nur dann gegeben ist, wenn sich der Antriebsmotor
außerhalb
dieses Raums befindet. Da im Stand der Technik die Motorwelle des
Antriebsmotors die Raumwand durchsetzt, sind im Stand der Technik
zwangsläufig
Dichtigkeitsprobleme gegeben. Zur Umgehung dieses Problems schlägt die Erfindung
vor, den Antriebsmotor nicht wie im Stand der Technik mechanisch
mit dem Gebläserad
zu koppeln, sondern berührungslos.
Anders ausgedrückt
ist dem Antriebsmotor und dem Gebläserad eine Kupplung zugeordnet,
die derart ausgebildet ist, dass mit dieser berührungslos ein Drehmoment von
dem Antriebsmotor auf das Gebläserad übertragbar
ist. Hierdurch ist es nicht notwendig, dass mechanische Komponenten
des Antriebsstrangs die Raumwand durchsetzen, wodurch wiederum Dichtigkeitsprobleme
vermieden werden. Aufgrund der Anordnung des Antriebsmotors außerhalb
des mit Abschreckgas flutbaren, vorzugsweise mit Vakuum beaufschlagbaren Raums
wird es zudem ermöglicht,
dass der leistungsstarke Antriebsmotor bereits vor dem Fluten des Raums
mit Abschreckgas angefahren werden kann, bevorzugt so früh, dass
der Antriebsmotor bereits zu Beginn des eigentlichen Abschreckprozesses,
also in der Regel bei vollständig
mit Abschreckgas geflutetem Raum bereits seine Nenndrehzahl erreicht
hat. Ein weiterer Vorteil einer nach dem Konzept ausgebildeten Abschreckvorrichtung
besteht darin, keine speziell gedichteten Motoren einsetzen zu müssen, sondern
vergleichsweise preisgünstige
Standardelektromotoren einsetzen zu können. Ganz besonders bevorzugt
ist eine Ausführungsform
der Abschreckvorrichtung, bei der die Kupplung, mit der ein Antriebsdrehmoment
vom Antriebsmotor auf das Gebläserad übertragbar
ist, als Magnetkupplung ausgebildet ist, mit der eine Drehmomentübertragung
durch die Wandung des Raums hindurch möglich ist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Magnetkupplung
einen mechanisch mit dem Antriebsmotor, vorzugsweise mit einer Motorwelle
des Antriebsmotors, verbundenen ersten Läufer und einen von dem ersten
Läufer
berührungslos
antreibbaren, mechanisch mit dem Gebläserad verbundenen zweiten Läufer aufweist,
wobei der zweite Läufer
zusammen mit dem Gebläserad in
dem mit Abschreckgas flutbaren Raum angeordnet ist.
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Gemäß einer
ersten Alternative ist der mechanisch mit dem Antriebsmotor gekoppelte
Läufer ein
Innenläufer,
der radial außen
von dem zweiten, berührungslos
angetriebenen Läufer
umschlossen ist und durch das rotatorisch bewegte Magnetfeld in eine
Drehbewegung versetzt wird.
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Auch
die umgekehrte Variante ist realisierbar. Dabei ist der zweite,
also der berührungslos
angetriebene Läufer
ein Innenläufer,
der radial außen von
dem ersten Läufer
(Außenläufer) umschlossen ist.
Bei letzterer Ausführungsform
handelt es sich um die bevorzugte Variante.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass sich
das Gebläserad
unmittelbar im Abschreckraum befindet, also in dem unmittelbar mit
Abschreckgut beschickbaren Raum. Bei einer alternativen Ausführungsform
ist das Gebläse
in einem Strömungskanal
angeordnet, der strömungstechnisch
an den Abschreckraum angebunden ist. Das Vorsehen eines Strömungskanals
ist fakultativ, d. h. es ist auch eine Ausführungsform der Abschreckvorrichtung
als Abschreckzelle ohne Strömungskanal realisierbar,
also eine Ausführungsform,
bei der das Abschreckgas ausschließlich in der Abschreckzelle mittels
des Gebläses
umgewälzt
wird.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform
der Abschreckvorrichtung, bei der diese Mittel zum Fluten des das
Gebläserad
aufweisenden Raums mit Abschreckgas aufweist. Besonders bevorzugt
umfassen die Mittel hierbei eine Gaszuleitung, die in den Raum mündet, wobei
die Zuleitung von einem mit Abschreckgas gefüllten Drucktank gespeist wird.
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Weiter
bevorzugt ist es, wenn Mittel zum Evakuieren der Abschreckvorrichtung
vorgesehen sind. Bevorzugt sind diese derart ausgebildet, dass der
Abschreck raum, verglichen mit der Umgebung, mit Unterdruck belegbar
ist, dass also ein Vakuum im Raum erzeugbar ist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn in dem das Gebläserad aufweisenden Raum ein
Wärmetauscher
angeordnet ist, der von dem mittels des Gebläserades umgewälzten Abschreckgas
beaufschlagt wird und diesem gezielt Wärme entzieht.
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Die
Erfindung führt
auch auf ein Verfahren zum Abschrecken von Abschreckgut, insbesondere von
metallischen Werkstücken,
mit Abschreckgas unter Verwendung einer Abschreckvorrichtung, vorzugsweise
einer zuvor beschriebenen Abschreckvorrichtung. Bei dem Verfahren
wird mittels des Gebläserades
das Abschreckgas beschleunigt, um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Abschreckgut und
dem Abschreckgas zu realisieren. Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es, dass das Gebläserad
von dem Antriebsmotor berührungsfrei,
insbesondere unter Einsatz einer Magnetkupplung angetrieben wird.
Diese Ausführungsform
ermöglicht
es, das Drehmoment durch eine Wandung hindurch zu übertragen
und somit den Antriebsmotor außerhalb des,
das Gebläserad
aufweisenden Raumes, anzuordnen.
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Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn der Antriebsmotor bereits gestartet
und/oder betrieben wird, während
der Raum (noch) nicht mit Abschreckgas geflutet ist. Dies ist mit
einem nicht abgedichteten Standardantriebsmotor nur dann möglich, wenn sich
der Antriebsmotor nicht in dem gefluteten Raum befindet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen
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1:
in einer schematischen Darstellung einen möglichen Aufbau einer Abschreckvorrichtung.
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In
1 ist
eine mögliche
Ausführungsform einer
Abschreckvorrichtung
1 gezeigt. Die Abschreckvorrichtung
1 umfasst
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
einen einzigen Raum
2, der mit Abschreckgas geflutet werden
kann. Ein flutbarer Raum in Form eines Strömungskanals, wie dieser in
der
EP 1 154 024 B1 gezeigt
ist, existiert nicht, kann jedoch bei Bedarf vorgesehen werden.
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Der
Raum 2 weist eine druckdicht verschließbare Beschickungstür 3 auf,
durch die hindurch der Raum 2 (hier Abschreckraum) mit
Abschreckgut 4 beschickt werden kann. Das in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel
aus Stahlwerkstücken bestehende
Abschreckgut 4 ist hierzu auf einem Chargiergestell 5 angeordnet,
das mittels geeigneter Transporteinrichtungen unter Vakuumatmosphäre in den
Raum 2 hinein und dann nach dem Abschreckvorgang wieder
aus diesem heraus transportierbar ist.
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Üblicherweise
befindet sich vor der Beschickungstür 3 ein hier nicht
dargestellter Ofen zur vorangehenden Wärmebehandlung des Abschreckgutes 4.
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In
den Raum 2 mündet
eine Abschreckgaszuleitung 6, über die aus einem Druckgasbehälter 7 Abschreckgas
in den Raum 2 geleitet werden kann. Zum Fluten des Raumes 2 mit
dem Abschreckgas muss lediglich ein Ventil 8, vorzugsweise
automatisch, geöffnet
werden.
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Bevorzugt
ist es, wenn der Druck im Raum 2 nach dem Fluten mit Abschreckgas
bis etwa 20 bar beträgt.
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Innerhalb
des Raums 2 ist ein Gebläserad 9 (Lüfterrad)
drehbar gelagert angeordnet, wobei das Gebläserad 9 endseitig
an einer Welle 10 angeordnet ist, die am gegenüberliegenden
Ende einen zweiten Läufer 11 (hier
Innenläufer)
einer Magnetkupplung 12 trägt. Die Welle 10 ragt
mit dem zweiten Läufer 11 in eine
Ausstülpung 13 des
Raums 2 hinein, die radial außen von einem ersten Läufer 14 (hier
Außenläufer) der
Magnetkupplung 12 radial außen umschlossen ist. Der erste
Läufer 14 ist
mit (radialem) Abstand zu dem zweiten Läufer 11 angeordnet
und überträgt bei laufendem
Antriebsmotor 15 ein Drehmoment berührungslos durch die Wandung 16 des
Raums 2, genauer durch die Wandung 16 der Ausstülpung 13 des Raums 2 hindurch,
auf den zweiten Läufer 11,
der in der Folge mitrotiert, wodurch das Gebläserad 9 in eine Drehbewegung
versetzt wird. Der erste Läufer 14 sitzt
endseitig drehfest auf einer Motorwelle 17 des als Standard-Elektromotor ausgebildeten
Antriebsmotors 15. Wesentlich ist, dass der Antriebsmotor 15 außerhalb
der Wandung 16 des Raums 2 angeordnet ist, also vorzugsweise
in normaler Luftatmosphäre,
so dass der Antriebsmotor 15 unabhängig von der Raumatmosphäre und dem
Rauminnendruck betrieben werden kann.
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Wie
sich weiter aus 1 ergibt, ist innerhalb des
Raums 2 ein Wärmetauscher 18 angeordnet,
der dem, mittels des Gebläserades 9,
ungewälzten
Abschreckgas Wärme
entzieht.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugter Abschreckvorgang im Detail beschrieben.
Zunächst wird
die Beschickungstür 3 geöffnet und
das Chargiergestell 5 mit dem Abschreckgut 4 wird
in den, vorzugsweise unter Vakuum stehenden, Raum 2 eingeführt. Bevorzugt
wird bereits während
der Beschickung der Antriebsmotor 15 gestartet. Nach dem Schließen der
Beschickungstür 3 wird
der Raum 2 über
die Abschreckgaszuleitung 6 mit Abschreckgas auf Abschreckdruck
geflutet. Der Antriebsmotor 15 und in der Folge auch das
Gebläserad 9 sind
bei Beendigung des Flutungsvorgangs bereits auf Nenndrehzahl hochgelaufen,
so dass unmittelbar nach Beendigung des Flutungsvorgangs die volle
Abschreckintensität
zur Verfügung
steht. Nach einer vorgegebenen Abschreckzeit wird entweder das Abschreckgas
in die Umgebung entlassen oder über
einen nicht dargestellten Kompressor in den Druckgasbehälter 7 rückgefördert und
die Beschickungstür 3 wird
zur Entnahme des Chargiergestells 5 mit abgeschrecktem
Abschreckgut 4 entnommen. Bevorzugt erfolgt daraufhin die
Beaufschlagung des Raums 2 mit Vakuum.