CN103557710B - 一种快速循环气冷真空炉 - Google Patents

Abstract

本发明是一种快速循环气冷真空炉，包括快速循环气冷真空炉及其快速循环气冷系统，本快速循环气冷真空炉应用于材料、机械领域。本发明通过将罗茨泵、变频电机和水冷系统与真空炉串联成循环气路，利用罗茨泵在低压下的高压缩比，使得稀薄气体可以在任意尺寸、形状的真空炉中连续、均匀地循环。加上两侧的水冷装置，可以快速冷却真空炉中的物料。这种快速循环气冷真空炉将大大增加真空炉的使用范围和使用效率，提高真空炉温度、压力的控制范围与精度，并改善多工件的温度均匀性。

Description

一种快速循环气冷真空炉

技术领域

本发明涉及一种快速循环气冷真空炉，尤其是涉及真空炉的快速循环气冷系统。

背景技术

真空炉（Vacuumfurnace）是一种利用真空系统使其工作时炉腔压力小于一个标准大气压从而达到一定真空度的工业炉。由于炉腔内可具有真空环境，真空炉被赋予了无杂质、无污染、低能耗以及便于控制温度等优点，从而也被广泛应用于热处理、粉末烧结以及真空钎焊等领域，一些高技术功能材料的制备也依赖真空炉的真空洁净环境。

但是高的真空度和保温效果同时也给真空炉带来了缺点。一般真空炉具有多层反射屏，有良好的隔热保温作用，这样有利于节省加热能量。但好的保温作用却造成了降温过程的困难，在炉腔内空气稀薄的情况下，一般炉体温度从500摄氏度降至100摄氏度以下需要5小时，对于一些小型器件的退火来说效率很低。工件完成热加工或热处理后降温的缓慢这一情况大大增加了真空炉再次工作前的间隔时间，因此严重降低了真空炉的使用效率。另外，在炉腔内不同位置被放入了多个工件的情况下，各个工件间的温度难以均匀，这一定程度上影响了真空炉加工和处理工件的质量。

对于真空炉的缺点，不少学者和工程人员不断对真空炉进行研究和改进，提出了很多制冷或者控制温度的方法。目前冷却和控制炉腔温度的方法主要有气冷和水冷。欧洲专利EP2525179A2在炉腔一侧添加了一个可开闭的冷却仓，物料在完成加热处理后可被输送到与炉腔具有相同腔室压力的冷却仓中。在冷却仓中物料独立地进行气淬、水淬或油淬等过程，而炉腔的主要部分则可同时进行下一次加热处理。这一设计提高了真空炉的工作效率，也提供了灵活的淬火与降温方式。但物料的尺寸受到限制，而冷却仓的开闭过程会一定程度上影响炉腔内物料的加工质量。另外，在对不能水淬和油淬的物料使用气淬时温度和腔压并不能准确控制。中国专利CN201110125236.4也设计了类似的冷却方案，并在腔室壁和屏蔽门中都加入了循环水冷，但是同样的，在气冷时也存在腔压不可控等缺点。

国内外有很多针对气冷问题的改进设计。中国专利CN201110254841.1使用大功率风机向炉腔内鼓风从而达到了气冷效果。但是，进风量严重依赖风机、进风口与回风口三者的口径以及相互配合。通常要达到制冷效果，进风口的口径往往需要占据整个炉腔口径的一半以上。同时，要保持气体的对流和持续冷却，炉腔内必须保持较高的压力。然而较高的压力不仅容易影响产品质量，同时也造成了惰性气体的大量浪费。欧洲专利EP0289435A1、EP2116802A1以及美国专利US4171126都对气冷的方式和气路进行了改进，分别通过特制的风机叶片、气体流向调节器以及进气通道和排气口的特殊设计在一定程度上减少了风机的尺寸和送风量，降低了气冷时的腔室压力。而德国专利DE-PS3736502炉腔内加入了一个同轴转动的内筒，可搅动气体使气体轻微的循环起来，也在一定程度上提高了气冷的效率。

但是总的来说，虽然将炉腔分离成加热腔和冷却腔两者轮流工作的方式能一定程度上提高真空炉的使用效率，但是多腔室和水冷设计具有应用范围有限、不节能和影响加工质量等缺点；而气冷设计多对炉腔尺寸和工艺有很大限制，不仅浪费大量惰性气体同时也容易影响工件质量的稳定性。不过，上述一些气冷设计的方案具有很大的启发意义，也为更加完善的真空炉冷却方案提供了重要参考。

发明内容

本发明目的是设计一种快速循环气冷真空炉，进一步提高气冷真空炉的气冷效率和质量。

为了实现本发明的目的，提出以下技术方案：

一种快速循环气冷真空炉，，所述气冷真空炉包括真空炉1、快速循环气冷系统和抽气阀8，其中，所述快速循环气冷系统包括：

截止阀2；

水冷管道3，设置在真空炉1的两侧回路中；

压力传感器4，设置在水冷管道3上；

充气阀门7，所述充气阀门7与压力传感器4的配合控制循环气体的用量和所述真空炉1的腔室内压力；

罗茨泵5，所述罗茨泵5与所述抽气阀8构成抽真空部分，用于所述真空炉1的腔室的快速抽真空；所述截止阀2与抽气阀8配合切换所述罗茨泵5的工作模式，使其分别处于抽真空模式和循环气冷两种模式。

所述真空炉1的炉腔内压力在100～20000Pa范围内变动。

所述真空炉1的两侧开口与罗茨泵5的进气口和出气口串联成回路，在真空炉1的两侧回路中还设置了热交换装置。

所述快速循环气冷系统还包括变频电机6，所述变频电机6驱动所述罗茨泵5并且控制罗茨泵5的转速，使得所述罗茨泵5在获得足够的压缩比的同时能够维持在合理的转速。

本发明的有益效果

1、使用条件宽泛，气体循环效果好，制冷充分，尤其是在小型真空炉领域；

2、气冷效果均匀、连续，有利于多个工件的同时加工；

3、通过阀门切换可控制罗茨泵可以同时为真空炉腔室快速抽真空；

4、采用罗茨泵做为传输泵可适应低气压下的气体传输（绝对压力100Pa—20000Pa），从而大大节省了（5-1000倍）冷却气体的用量；

5、将罗茨泵配置变频电机，通过调节电机工作频率可调节罗茨泵的转子运行速度，从而实现对冷却气体的循环速度的控制和调节，这样具有很宽的退火工艺范围，保证退火工件快速冷却的同时不会产生过速冷却应力而失效的现象；

6、由于罗茨泵具有对气体压缩排放的功能（压缩比可达10倍）使排放的气体具有较高的风压、流速可保证在小通导的管道内顺畅流通，可适应各种体积的退火炉设备；

7、采用循环气冷方式，对真空退火炉内通入100Pa—20000Pa的气体即可保证冷却效果，通过罗茨泵的传输对充入炉内的气体造成快速循环流动的气流，气流经过炉体时会吸收炉体中的热量在流经罗茨泵两端的水冷管道时将被致冷，而水冷管道中的水通过致冷循环水机组可循环冷却，这样充入炉体中的气体将在反复循环流动的过程中重复吸热、冷却过程而达到快速冷却的效果；

8、根据真空退火炉炉体体积大小可选择匹配不同冷量的致冷循环水设备，该设备可同时向退火炉炉体及本装置提供致冷循环水。

附图说明

图1是本发明快速循环气冷真空炉的结构示意图；

图2是本发明的真空炉的工作流程。

1真空炉5罗茨泵

2截止阀6变频电机

3水冷管道7充气阀门

4压力传感器8抽气阀

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明快速循环气冷真空炉的结构示意图；其结构包括真空炉1、快速循环气冷系统和抽气阀8。

其中，快速循环气冷系统包括截止阀2、水冷管道3、压力传感器4、罗茨泵5、变频电机6和充气阀门7，构成循环气路部分。充气阀门7与压力传感器4的配合可以控制循环气体的用量和真空炉1的腔室内压力。另外，罗茨泵5与抽气阀8构成抽真空部分，用于真空炉1的腔室的快速抽真空。通过截止阀2与抽气阀8可以切换罗茨泵5在设备中的工作模式，使其分别处于抽真空模式和循环气冷两种模式。

该真空炉的工作流程如图2所示。首先装料，然后打开抽气阀8，对真空炉1抽真空，之后进入工件热处理阶段，当热处理结束后关闭抽气阀8并打开截止阀2来开启快速循环气冷模式，对物料按照其需求的气体种类、压强和降温速率进行气冷。罗茨泵5和变频电机6的创新性使用是使得这种快速循环气冷模式成为可能的关键。由于罗茨泵5具有很高的压缩比，而且其允许达到的压缩比随着入口处压力的降低而不断升高。相关数据显示，在入口压力为大气压力时，罗茨泵5允许的最大压缩比近似为2.15；而在10Torr时，允许的最大压缩比上升至3.3；当入口压力为0.8Torr时，允许的最大压缩比可达10。罗茨泵5这样的性能使得它能将很稀薄的气体连续均匀地从转子一侧抽泵到另一侧，利用这一点可将罗茨泵转子两侧的进气口和出气口与真空炉1两侧的开口串联起来，形成一个连续均匀的循环气路，再辅以两侧的水冷管道3，即可利用循环气路迅速带走炉腔内热量。由于此循环气路的动力是罗茨泵转子两侧巨大的压差而不是风机鼓风时的风量，因此它可以在任意口径的管道和真空炉腔室中形成气体循环而不受腔室和管道条件的制约，同时对通气量和绝对压力也没有特别要求。当然，正对设计中的缺点，就是稀薄的气体往往令转子的转速过大，使得转子容易损坏，因而通过加入变频电机6可以更加合理地控制转子的转速，使得罗茨泵5在获得足够的压缩比的同时能够维持在合理的转速。

本发明中这种基于罗茨泵的快速循环气冷系统，通过罗茨泵型号和转速的调整可以适应任何尺寸和形状的真空炉，也可提供更宽的气体压力和流速的变化范围以及更精确灵活的控制。同时，由于其大的压缩比可以大大降低制冷时系统中的通气量和绝对压力，因此与一般气冷真空炉相比大大节省了惰性气体的用量，也可在同等投入下使用更加昂贵但具有更高比热容和热导率的氦气、和氢气等。根据不同物料和工艺要求，惰性气体的种类和充入量可以调节，炉腔内压力也可在100～20000Pa范围内灵活变动。更加均匀连续和经过水冷后的气体，也可使得真空炉腔室中的多个工件的温度更加均匀，经实测在快速循环气冷系统工作时真空炉中的任意工件的温差在±5℃以内。

实施例1：

CVD金刚石在快速循环气冷真空炉中由1100℃退火至500℃后，关闭旁路，通入氢氩混合气至腔室压力为3.0KPa。开启快速循环气冷系统，并开启水冷装置。调节变频电机和水冷装置使系统在15分钟内将CVD金刚石的温度由500℃降至100℃以下。

实施例2：

硬质合金粉末压坯在快速循环气冷真空炉中于1400℃烧结后，关闭旁路，通入氢气至腔室压力为0.5KPa。开启快速循环气冷系统，并开启水冷装置。调节变频电机和水冷装置使系统在2小时内将硬质合金坯的温度由1400℃降至700℃。继续通入氢气至腔室压力为2KPa，调节变频电机和水冷装置，是系统在30分钟内将硬质合金坯的温度由由700℃降至100℃以下。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种快速循环气冷真空炉，其特征在于，所述气冷真空炉包括真空炉(1)、快速循环气冷系统和抽气阀(8)，其中，所述快速循环气冷系统包括：

截止阀(2)；

水冷管道(3)，设置在真空炉(1)的两侧回路中；

压力传感器(4)，设置在水冷管道(3)上；

充气阀门(7)，所述充气阀门(7)与压力传感器(4)的配合控制循环气体的用量和所述真空炉(1)的腔室内压力；

抽气阀（8）；

截止阀（2）、水冷管道（3）、压力传感器（4）、罗茨泵（5）、变频电机（6）和充气阀门（7），构成循环气路部分；

罗茨泵(5)，所述罗茨泵(5)与所述抽气阀(8)构成抽真空部分，用于所述真空炉(1)的腔室的快速抽真空；所述罗茨泵(5)与截止阀2、水冷管道3、压力传感器4和充气阀门7构成循环气路部分；所述截止阀(2)与抽气阀(8)配合切换所述罗茨泵(5)的工作模式，使其分别处于抽真空模式和循环气冷两种模式；

变频电机(6)，所述变频电机(6)驱动所述罗茨泵(5)并且控制罗茨泵(5)的转速，使得所述罗茨泵(5)在获得足够的压缩比的同时能够维持在合理的转速；

所述真空炉(1)的两侧开口与罗茨泵(5)的进气口和出气口串联成回路，在真空炉(1)的两侧回路中还设置了热交换装置。

2.根据权利要求1所述的气冷真空炉，其特征在于，所述真空炉(1)的炉腔内压力在100～20000Pa范围内变动。