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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Chargiergestell zur Aufnahme einer Charge
von mittels Abschreckgas abzuschreckendem Abschreckgut gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abschreckvorrichtung zum
Abschrecken von Abschreckgut, insbesondere von metallischen Werkstücken,
mit Abschreckgas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Zum
Erzeugen von definierten Werkstückeigenschaften, 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 zuvor erwärmten
Werkstücke abgekühlt werden. Für den
hierfür notwendigen Abschreckprozess ist es bekannt, Wasser, Öl
oder Abschreckgas einzusetzen. Der Hauptvorteil des Einsatzes 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. Um jedoch die mit Abschreckgas
zu erzielende Abschreckintensität soweit zu erhöhen,
dass sie im Bereich von Flüssigkeiten, wie Abschreckölen
oder Salzschmelzen liegt, ist es notwendig, einen sehr hohen Wärmeübergang
zwischen dem Abschreckgut und dem Abschreckgas von vorzugsweise
mehr als 3.000 W/m2K zu erzielen, welcher
nur mit sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten realisierbar
ist. Um wiederum die benötigten, sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten
zu erzielen, muss das zum Einsatz kommende Gebläse sehr hohe
Volumenströme liefern und benötigt in der Folge
eine große Motorleistung. Dies ist mit hohen Anschaffungskosten
sowie hohen Energiekosten während des Betriebs verbunden.
Bei dem Einsatz von Gebläsen mit sehr hoher Motorleistung
tritt das Problem auf, dass mit steigender Strömungsgeschwindigkeit
in der Charge auch der Druckverlust zunimmt, mit der Folge, dass
ein Großteil des Abschreckgases nicht durch die Charge
hindurch, sondern seitlich am die Charge aufnehmenden Chargiergestell
vorbeiströmt. Obwohl sich also der Volumenstrom des Gebläses
erhöht, werden die Strömungsgeschwindigkeiten
in der Charge und damit auch die Abschreckintensität kaum
erhöht. Hinzu kommt noch, dass konventionelle Chargiergestelle
aus Gitterrosten aufgebaut sind, die mit sich in Hochrichtung erstreckenden Stangen
verbunden sind, wodurch auch innerhalb der Charge zusätzliche
Bypass-Strömungen auftreten können.
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Zum
Erhöhen der Abschreckintensität ist es aus der
EP 0 129 701 B1 und
der
DE 29 603 022
U1 bekannt, Gasdüsenfelder einzusetzen. Diese
haben jedoch den Nachteil, dass sie nur im Bereich der Düse
hohe Strömungsgeschwindigkeiten realisieren – nicht
aber im Mittel über die gesamte Charge.
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Aus
der
EP 1 154 024 B1 ist
eine Abschreckvorrichtung bekannt, bei der in der Abschreckkammer
eine verstellbare, Strömungskanäle aufweisende,
Haube angeordnet ist, die über das im Chargiergestell aufgenommene
Abschreckgut gefahren werden kann, um Bypass-Strömungen
zu unterbinden. Nachteilig bei der bekannten Abschreckvorrichtung ist
deren aufwendiger Aufbau. Hinzu kommt die Notwendigkeit bewegte
und damit verschleißanfällige Teile (Haube, Verstellmechanismus)
in der Abschreckkammer vorsehen zu müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abschreckintensität
auf einfache und kostengünstige Weise zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird zum einen mit einem Chargiergestell mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und zum anderen mit einer ein Chargiergestell aufweisenden
Abschreckvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 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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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Chargiergestell mit einer
umfangsgeschlossenen Umfangswand auszustatten, so dass ein seitliches Ausströmen
von Abschreckgas aus dem Chargiergestell verhindert wird. Anders
ausgedrückt wird das Chargiergestell seitlich geschlossen,
also mittels des Chargiergestells als eine Art Strömungskanal
ausgebildet, der ein Ausströmen von Abschreckgas seitlich des
Abschreckgutes aus dem Chargiergestell verhindert. Durch die aufgrund
des Vorsehens der umfangsgeschlossenen Umfangswand erreichte Abschreckgasstrombündelung
können höhere Strömungsgeschwindigkeiten
innerhalb der gesamten Charge erreicht werden, mit der Folge, dass
eine höhere Abschreckintensität resultiert. Bevorzugt
ist die Umfangswand in Strömungsrichtung derart bemessen,
dass das Abschreckgut die Umfangswand nicht überragt. Im
Gegensatz zu der in der
EP
1 154 024 B1 vorgeschlagenen Abschreckvorrichtung ist die Umfangswand
bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Chargiergestell
Bestandteil desselben und muss nicht innerhalb der Abschreckkammer
relativ zum Chargiergestell verstellt werden, wodurch insgesamt
ein wesentlich einfacherer Aufbau einer mit einem zuvor beschriebenen
Chargiergestell ausgebildeten Abschreckvorrichtung resultiert. Ganz
besonders bevorzugt ist die umfangsgeschlossene Umfangswand fest
mit einem Boden zum Tragen des Abschreckgutes verbunden.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Chargiergestells,
bei der dieses, zumindest teilweise, vorzugsweise größtenteils,
ganz besonders bevorzugt vollständig, aus kohlefaserverstärktem
Kohlenstoff (CFC) ausgebildet ist, da dieses Material auch bei hoher
thermischer Belastung formstabil bleibt und durch die hohe spezifische
Festigkeit auch die hohen Strömungskräfte in Folge
der aus dem Vorsehen der umfangsgeschlossenen Umfangswand resultierenden
hohen Strömungsgeschwindigkeiten aufnehmen kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Chargiergestell einen, vorzugsweise fest mit der Umfangswand verbundenen und/oder
verbindbaren Boden zum Tragen des Abschreckgutes aufweist. Dabei
ist der Boden bevorzugt derart ausgebildet, dass er einen ausreichend großen,
frei durchstrombaren Flächenanteil aufweist. Dies kann
beispielsweise durch die Ausbildung des Bodens mit einer Gitterstruktur
realisiert werden. Der frei durchströmbare Flächenanteil
ermöglicht dabei ein Durchströmen des Chargiergestells
mit Abschreckgas. Bei der Auslegung des Bodens ist zu beachten,
dass sich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der
Charge umgekehrt proportional zum frei durchströmbaren
Flächenanteil (frei Querschnittsfläche) verhält.
Die maximale Strömungsgeschwindigkeit in der Charge kann
durch eine Variation der Abstände des abzuschreckenden
Abschreckgutes zueinander in einer X- und einer Y-Richtung (Horizontalebene)
eingestellt werden.
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Es
ist denkbar, mehrere, vorzugsweise parallel, zueinander ausgerichtete
Böden für Abschreckgut übereinander anzuordnen,
wobei in diesem Fall sich die Umfangswand bevorzugt über
sämtliche Böden erstreckt. Ganz besonders bevorzugt
ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Chargierung
mit nur einer Lage Abschreckgut erfolgt, da zusätzliche Lagen
den Druckverlust erhöhen und damit eine noch höhere
Gebläseleistung notwendig machen. Außerdem wurde
erkannt, dass in der Regel die unteren Lagen Abschreckgut schlechter
abgeschreckt werden.
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Durch
das Vorsehen einer zuvor beschriebenen, umfangsgeschlossenen Umfangswand
ist es möglich, den mindestens einen, vorzugsweise ausschließlich
einen, Boden derart auszubilden bzw. zu bestücken, dass
der frei durchströmbare Flächenanteil (im Verhältnis
zur Gesamtfläche des Bodens) weniger als 0,6 beträgt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der frei durchströmbare
Flächenanteil aus einem Wertebereich zwischen 0,4 und 0,5
gewählt ist, um eine optimale Beladung, d. h. Chargengröße
sicherzustellen. Die Realisierung einer derart geringen, frei durchströmbaren
Querschnittsfläche ermöglicht deutlich höhere
Strömungsgeschwindigkeiten, führt jedoch zu entsprechend
hohen Druckverlusten in der Charge, welche wiederum aufgrund der
umfangsgeschlossenen Umfangswand hinnehmbar sind.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Chargiergestells,
bei der das Abschreckgut frei innerhalb der Umfangswand angeordnet
ist, also innerhalb der Umfangswand keine separaten Strömungskanäle
für jedes einzelne, abzukühlende Werkstück
vorgesehen sind. Diese Ausbildung führt zu einem sehr einfachen
Aufbau des Chargiergestells und ermöglicht zudem eine schnelle
Be- und Entladung des mindestens einen, vorzugsweise ausschließlich
einen, Bodens. Ein Verzicht auf Platz einnehmende Zwischenwände
innerhalb der Umfangwand ermöglicht die Kühlung
größerer Chargengrößen. Darüber
hinaus ergibt sich der Vorteil einer einfacheren Bestückung,
da die gesamte Charge auf einmal be- und entladen werden kann. Bevorzugt werden
die einzelnen Strömungskanäle innerhalb der Umfangswand
ausschließlich durch das Abschreckgut selbst gebildet,
wobei es besonders bevorzugt ist, das Abschreckgut konstant voneinander und/oder
von der Umfangwand zu beabstanden.
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Die
Erfindung führt auch auf eine Abschreckvorrichtung zum
Abschrecken von Abschreckgut, insbesondere von metallischen Werkstücken,
nach einer vorhergehenden Erwärmung, insbesondere zur Beeinflussung
des Werkstoffgefüges, beispielsweise um eine Umwandlung
eines kubisch flächenzentrierten γ-Gitters kohlenstoffreicher
Austenitlamellen in ein kubisch raumzentriertes α-Gitter
von Ferritlamellen. Die Abschreckvorrichtung umfasst eine Abschreckkammer,
durch die Abschreckgas leitbar ist, wobei in der Abschreckkammer
mindestens ein Chargiergestell zum Tragen des Abschreckgutes aufnehmbar
ist. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Chargiergestell
um ein wie zuvor beschrieben ausgebildetes Chargiergestell mit einer umfangsgeschlossenen
Umfangswand. Um einen Strömungskreislauf zu bilden, umfasst
die Abschreckvorrichtung zusätzlich zur Abschreckkammer mindestens
einen strömungstechnisch an die Abschreckkammer angeschlossenen
Strömungskanal sowie mindestens ein Gebläse zum
Umwälzen des Abschreckgases in dem gebildeten Strömungskreislauf.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Gebläse um
ein Radialgebläse. Für den Fall, dass Helium als
Abschreckgas eingesetzt werden soll, ist es bevorzugt, für
eine Standardfläche einer Charge von etwa 500 × 500
mm2 und 20 bar Gasdruck ein Gebläse
mit einer Leistung von etwa 100 kW oder größer
einzusetzen. Bei Stickstoff als Abschreckgas ist es bevorzugt Gebläse
mit einer Leistung von mehr als 700 kW einzusetzen. Besonders bevorzugt
ist der Einsatz von Abschreckgasen mit geringer Dichte, wie beispielsweise
Helium oder Wasserstoff, da sich die benötigte Gebläseleistung
proportional zur Gasdichte verhält. Auch Gasgemische mit
einem hohen Volumenanteil eines Gases mit geringer Dichte sind günstig,
so beispielsweise Gasmischungen aus Stickstoff mit Wasserstoff oder
Helium. Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Abschreckvorrichtung zeichnet
sich dadurch aus, dass dem Chargiergestell Leitmittel zugeordnet
sind, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sämtliches
durch das Chargiergestell strömendes Abschreckgas in den
Strömungskanal geleitet wird. Anders ausgedrückt
stellen die Leitmittel eine abschreckgasdichte Verbindung zwischen
dem Chargiergestell und dem Strömungskanal her, insbesondere
durch die Ausbildung eines zusätzlichen Strömungskanals
in Form eines Vorsatzes zwischen dem Chargiergestell und dem eigentlichen
Strömungskanal und verhindern somit, das Abschreckgas,
welches das Chargiergestell bereits durchströmt hat, in
einem Bereich unterhalb des untersten Bodens des Chargiergestells
seitlich in die Abschreckkammer ausströmen kann. Durch
die resultierende Abschreckgasstrombündelung können optimale
Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Kombination der in einem Bereich zwischen
dem Chargiergestell und dem Strömungskanal angeordneten
Leitmitteln mit einem wie eingangs beschrieben ausgebildeten Chargiergestell,
das eine umfangsgeschlossene Umfangswand hat. Die Leitmittel und
die umfangsgeschlossene Umfangswand addieren sich zu einem gemeinsamen,
innerhalb der Abschreckkammer angeordneten Strömungskanal,
was ein seitliches Ausströmen des Abschreckgases aus dem Chargiergestell
verhindert. Anders ausgedrückt werden durch eine derartige
Konstruktion Bypass-Strömungen nach außen komplett
unterbunden und es wird der gesamte Volumenstrom durch die Charge geleitet,
ohne die Notwendigkeit eine, verstellbare Strömungskanäle
für jedes Werkstück aufweisende, innerhalb der
Abschreckkammer anzuordnende Haube vorsehen zu müssen.
Wenn die Umfangswand den Boden auf beiden Seiten überragt,
können die Leitmittel auch von dem den Boden nach unten,
d. h. in Strömungsrichtung, überragenden Abschnitt
der Umfangswand gebildet werden.
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Im
Hinblick auf die Anordnung der Leitmittel gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Alternative
sind die Leitmittel Bestandteil des Chargiergestells und erstrecken
sich ausgehend von dem, vorzugsweise einzigen, untersten Boden in Richtung
der Ausmündungsöffnung des Strömungskanals.
Die Leitmittel sind dabei derart ausgebildet und angeordnet, dass
eine zumindest weitgehend, vorzugsweise vollständig dichte
Verbindung zum Bodenbereich der Abschreckkammer herstellbar ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Leitmittel Bestandteil
der Abschreckkammer und/oder des Strömungskanals und das
Chargiergestell ist dicht an die, vorzugsweise als geschlossene
Umfangswand ausgebildeten Leitmittel andockbar, vorzugsweise durch
Abstellen bzw. Aufsetzen des Chargiergestells auf die umfangsgeschlossenen
Leitmittel.
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Um
den Wirkungsgrad der Abschreckvorrichtung zu optimieren, ist eine
Ausführungsform bevorzugt, bei der im Strömungskreislauf
ein Wärmeüberträger (War metauscher) angeordnet
ist, mit dem dem Abschreckgas gezielt aufgenommene Wärme entzogen
werden kann.
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Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn in den Strömungskreislauf,
vorzugsweise unmittelbar in die Abschreckkammer, ein Gaseinlass
mündet, durch den, vorzugsweise aus einem Hochdrucktank unter
Druck stehendes Abschreckgas eingeleitet werden kann. Bevorzugt
sind zusätzlich Mittel zur Evakuierung der Abschreckkammer
vorgesehen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
mindestens eine, vorzugsweise das ausschließlich eine,
Gebläse mit einer Drehzahlregeleinrichtung, vorzugsweise
mit einem Frequenzumrichter, ausgestattet ist, um die Anfahrströme
zu begrenzen. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass
die Gebläseleistung und damit die Strömungsgeschwindigkeit
an den benötigten Wärmeübergangskoeffizienten
der jeweiligen Charge angepasst werden kann.
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Bevorzugt
ist die Gebläseleistung in Kombination mit dem frei durchströmenden
Flächenteil, vorzugsweise von 0,4 bis 0,5, so groß gewählt,
dass bei dem jeweils zum Einsatz kommenden Abschreckgas eine Wärmeübertragung
von mindestens 3.000 W/m2K erzielt wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
in einer schematischen Darstellung eine Abschreckvorrichtung mit
Chargiergestell, und
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2:
eine Draufsicht auf ein mit Abschreckgut beladenes Chargiergestell.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine Abschreckvorrichtung 1 zum Abschrecken von Abschreckgut 2,
hier von metallischen Werkstücken, gezeigt. Die Abschreckvorrichtung 1 umfasst
eine Abschreckkammer 3 mit einer druckfesten Tür 4 (Beschickungstür)
zum Be- und Entladen der Abschreckkammer 3 mit einem das
Abschreckgut 2 tragenden Chargiergestell 5 aus
kohlefaserverstärktem Kohlenstoff. In die Abschreckkammer 3 mündet
eine Druckgasleitung 6 zum Zuführen von Abschreckgas
aus einem Hochdruckbehälter 7.
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An
die Abschreckkammer 3 ist strömungstechnisch ein
Strömungskanal 8 angeschlossen, der zusammen mit
der Abschreckkammer 3 einen Strömungskreislauf
für das Abschreckgas bildet.
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In
dem Strömungskanal 8 ist ein als Radialgebläse
ausgebildetes Gebläse 9 angeordnet, dem eine Drehzahlregeleinrichtung 10 zugeordnet
ist.
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Ferner
befindet sich im Strömungskanal 8 ein Wärmetauscher 11 zum
Entziehen von Wärme aus dem Abschreckgas. Mittels des Gebläses 9 wird das
Abschreckgas beschleunigt und in Richtung des Wärmetauschers 11 geblasen,
und gelangt durch eine Mündungsöffnung 12 des
Strömungskanals 8 in die Abschreckkammer 3 und
aus dieser Heraus durch eine Ausmündungsöffnung 13.
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Wie
sich aus den 1 und 2 ergibt, umfasst
das Chargiergestell 5 einen gitterartigen, ebenen Boden 14 in
dem eine Vielzahl von Durchgangsöffnung 15 gebildet
sind. Auf dem Boden 14 ist in einem Abstand dx voneinander
in eine X-Richtung und in einem Abstand dy voneinander in eine Y-Richtung
Abschreckgut 2 abgestellt. Die Abmessung des Bodens 14 in
X-Richtung beträgt a = 0,5 m und in Y-Richtung b = 0,5
m. Der frei durchströmbare Flächenanteil des mit
Abschreckgut 2 beladenen Bodens 14 ist das Verhältnis
aus der Differenz zwischen der Gesamtfläche a × b
des Bodens 14 und der Querschnittsfläche des gesamten
Abschreckgutes 2 zur Bodengesamtfläche a × b.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der frei durchströmbare
Flächenanteil aus einem Wertebereich zwischen 0,4 und 0,5
gewählt.
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Zu
erkennen ist, dass sich senkrecht zur Flächenerstreckung
des Bodens 14 eine umfangsgeschlossene Umfangswand 16 erstreckt.
Diese Umfangswand 16 erstreckt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ausgehend von dem Boden 14 in Richtung der Mündungsöffnung 12 und
endet mit Abstand zu dieser, überragt jedoch das gesamte
Chargiergestell 5 entgegen der Strömungsrichtung 17 des Abschreckgases.
Die Umfangwand 16 bündelt somit das Abschreckgas
und verhindert ein Ausströmen seitlich aus dem Chargiergestell 5 in
die Abschreckkammer 3.
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Wie
sich aus 1 ergibt, sind an dem Boden 14 des
Chargiergestells 5 Standfüße 22 angeordnet,
mit Hilfe derer das Chargiergestell 5 außerhalb
der Abschreckkammer 3 abgestellt werden kann. Die Standfüße 22 ragen
in Strömungsrichtung in einen Bereich innerhalb der Leitmittel 19 hinein.
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Aus 2 ist
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel quadratische Umfangskontur
der Umfangswand 16 zu entnehmen deren obere Stirnfläche 18 mit
Abstand zu der Mündungsöffnung 12 angeordnet
ist, so dass das Abschreckgas auf seinem Weg aus dem Strömungskanal 8 unmittelbar
die Abschreckkammer durchströmen muss.
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Wie
sich aus 2 weiter ergibt, umfasst das
Chargiergestell 5 keine innerhalb der Umfangswand 16 angeordnete
Wände zur Ausbildung von separaten Strömungskanälen
für das Abschreckgut 2. Strömungskanäle
innerhalb der Umfangswand 16 werden ausschließlich
von dem Abschreckgut 2 bzw. von dem Abschreckgut 2 und
der Umfangswand 16 gebildet.
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Um
ein seitliches Ausströmen des den Boden 14 durchströmenden
Abschreckgases in die Abschreckkammer 3 hinein zu vermeiden,
also um das Abschreckgas gebündelt in den Strömungskanal 8 zu leiten,
sind Leitmittel 19 vorgesehen, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
fest in die Abschreckkammer integriert sind, und die die Ausmündungsöffnung 13 seitlich
umschließen. Die Leitmittel 19 sind in der Art
einer umfangsgeschlossenen Umfangswand 16 ausgebildet,
die sich ausgehend von einer Grundfläche 20 (Boden)
der Abschreckkammer 3 entgegen der Strömungsrichtung 17 bis
zum Chargiergestell 5 erstreckt. Auf einer umlaufenden,
oberen Stirnseite 21 der Leitmittel 19 liegt das
Chargiergestell 5 ohne Spaltbildung dichtend an, so dass
die Umfangswand 16 zusammen mit den umfangswandartigen
Leitmittel 19 einen Vorströmungskanal bildet,
der dem eigentlichen Strömungskanal 8, also dessen
Mündungsöffnung 12 vorgeordnet ist. Aufgrund
des sich außerhalb des Chargiergestells 5 innerhalb
der Abschreckkammer 3 ausbildenden Staudrucks gelangt im
Wesentlichen der gesamte Abschreckgasvolumenstrom durch das Chargiergestell 5 hindurch
zum Strömungskanal 8.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0129701
B1 [0003]
- - DE 29603022 U1 [0003]
- - EP 1154024 B1 [0004, 0007]