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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 3.000W/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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Aus der
DE 101 17 987 A1 ist ein Chargiergestell für die Wärme- und/oder Kühlbehandlung von zu härtenden Metallteilen bekannt. Dieses Chargiergestell weist seitliche Abschirmungen auf, die ein gleichmäßiges Erwärmen oder Abkühlen von Werkstücken ermöglichen, die sich auf dem Chargiergestell befinden.
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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 durchströmbaren 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 x 500 mm2 und 2 MPa 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 (Wärmetauscher) 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 3.000W/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:
- 1: in einer schematischen Darstellung eine Abschreckvorrichtung mit Chargiergestell, und
- 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 = 0,5m und in Y-Richtung b = 0,5m. Der frei durchströmbare Flächenanteil des mit Abschreckgut 2 beladenen Bodens 14 ist das Verhältnis aus der Differenz zwischen der Gesamtfläche a x b des Bodens 14 und der Querschnittsfläche des gesamten Abschreckgutes 2 zur Bodengesamtfläche a x 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.
