DE102009037444A1

DE102009037444A1 - Transversaler Ofen und Verfahren zum Brennen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102009037444A1
Application number: DE102009037444A
Authority: DE
Inventors: Glen N. Warren Schwartz; Joseph E. Ortonville Claya
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-17
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: CN101934266A; US8393895B2; DE102009037444B4; US20100038353A1

Abstract

Ein Fertigungsofen und ein Verfahren zum Brennen eines Werkstücks, das eine Querorientierung relativ zum Ofen aufweist, umfasst duale Strahlungs- und Konvektionsheizquellen, die betreibbar sind, um das Werkstück gleichmäßig zu erwärmen, indem Konvektionsheizluft in Richtung erwünschter Teile des Werkstücks gerichtet wird, und umfasst vorzugsweise eine Kammer, einen Zwischenboden mit hohem Emissionsvermögen, mindestens ein Strahlungsheizelement unter dem Boden, mindestens einen Reflektor unter jedem Element, der dazu konfiguriert ist, Strahlungswärmeenergie in Richtung des Bodens umzulenken, eine Frischluft-Heizvorrichtung zum Zuführen von frischer erwärmter Luft in die Kammer, ein Auslasssystem zum Entfernen von erwärmter Luft und verdampften Lacklösungsmitteln aus der Kammer und mindestens einen Deckenventilator, der betreibbar ist, um zu bewirken, dass leichtere erwärmte Luft von der Decke der Kammer und in Richtung des Werkstücks strömt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fertigungsöfen und Verfahren zum Brennen von Werkstücken und insbesondere auf einen Ofen, der zum transversalen Brennen geeignete Abmessungen und/oder eine gleichmäßigere Heizkonfiguration mit dualen Wärmequellen aufweist, und auf ein Verfahren zum Brennen von Werkstücken, das solche Abmessungen und/oder eine solche Konfiguration verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fertigungsöfen werden verwendet, um Werkstücke als Teil von vielen Aushärtungsprozessen auf festgelegte Temperaturbereiche zu brennen. In Kraftfahrzeugeinrichtungen wurden beispielsweise in letzter Zeit lackierte Werkstücke lange longitudinal in einen lang gestreckten Ofen befördert, der sich typischerweise durch Strahlungswärmequellen auszeichnet, die entlang des äußeren Umfangs einer Kammer angeordnet sind. Trotz umfangreicher Verwendung gibt es auf dem Fachgebiet verschiedene Bedenken. Die Längsorientierung von herkömmlichen Öfen funktioniert beispielsweise zum Erwärmen der meisten Fahrzeugkarosserietypen gut, macht jedoch von der Standfläche keinen effizienten Gebrauch. Wenn der Raum begrenzt ist, weisen einige herkömmliche Öfen eine ”U”-förmige Anordnung auf, die große Räume zwischen den Werkstücken erfordert, um einen notwendigen Zwischenraum zu schaffen, wenn ein longitudinales Werkstück durch die Wendung des Ofens hindurch verarbeitet wird.
Von weiterer Bedeutung ist häufig das Erwärmungsverfahren. Es wird beispielsweise vom Durchschnittsfachmann erkannt, dass Strahlungswärme Wärme mit hohen Raten, aber nur zu den Bereichen des Werkstücks, die durch eine direkte Sichtlinie freiliegen, überträgt. Konvektionswärme kann indirekt behandeln, erfordert jedoch hohe Luftvolumina für gute Wärmeübertragungsraten. Ungeachtet der Erwärmungsart ist jedoch ein weiteres Anliegen die radiale Positionierung der Wärmequellen, die häufig zu einer unangemessenen Erwärmung der Werkstücke nahe der Quermittellinie des Ofens führt. Überdies ermöglichen herkömmliche Konfigurationen mit Einheitsgröße nicht die Flexibilität, die erforderlich ist, um die Wärme dort zu konzentrieren, wo sie am meisten nötig ist. In Bezug auf Fahrzeuge ist beispielsweise ein Gebiet von spezieller Bedeutung der untere schwere Metallbereich zwischen den Radausschnitten, der als ”Schweller” bekannt ist. Es ist zu erkennen, dass dieser Bereich auf Grund der erhöhten Materialdicke eine größere Wärmesättigung erfordert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In der vorliegenden Erfindung wird eine kompaktere Fertigungsofenanordnung geschaffen, die das transversale Brennen erleichtert und die vorstehend erwähnten Bedenken angeht. Insbesondere sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Abmessungen des Ofens derart, dass die Längsachse des Werkstücks einen Winkel bis zu neunzig Grad mit der Längsachse des Ofens (während des Brennens) definieren kann, ohne die Gesamtbreite des Ofens wesentlich zu erhöhen. Dadurch werden, wie zu erkennen ist, die Betriebskosten und die erforderliche Standfläche/die Investitionskosten verringert.
Der erfindungsgemäße Ofen verwendet eine Kombination von Strahlungs- und Konvektionsheizung, um die Werkstücke wirksamer zu behandeln.
Die ausreichende Erwärmung entlang der Quermittellinie des Ofens wird in einer Ausführungsform durch Bereitstellen von Strahlungswärme von einem Zwischenboden mit hohem Emissionsvermögen, erwärmter Frischluft, die durch Öffnungen, die durch den Boden definiert sind, oder durch einen Kanal über dem Boden zugeführt wird, und mindestens eines Deckenventilators für eine fortgesetzte Konvektionserwärmung geschaffen. Unter anderem ist die Erfindung somit für die Schaffung einer gleichmäßigeren Erwärmung und Behandlung von problematischen Bereichen, als es herkömmliche Öfen können, nützlich.
Folglich betrifft ein erster Aspekt der Erfindung einen transversalen Ofen, der zum Brennen eines Werkstücks ausgelegt ist, wobei das Werkstück eine erste Langsachse, eine Länge und eine Breite aufweist. Der Ofen umfasst eine verschließbare Kammer, die einen Innenraum, Eingangs- und Auslassöffnungen und eine zweite Längsachse definiert. Die Kammer, der Eingang und der Auslass sind gemeinsam derart konfiguriert, dass das Werkstück in den Raum eintreten, diesen durchlaufen und diesen verlassen kann, wenn die erste und die zweite Achse einen Winkel definieren, der größer als Null und bis zu neunzig Grad ist. Schließlich sind mehrere Strahlungs- und Konvektionswärmequellen mit dem Raum thermisch gekoppelt und gemeinsam dazu konfiguriert, das gesamte Werkstück auf einen Zieltemperaturbereich zu erwärmen, wenn sich das Werkstück in dem Raum befindet.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brennen eines Werkstücks, das eine erste Längsachse definiert, in einem Ofen, der eine zweite Längsachse definiert. Das Verfahren umfasst vorzugsweise den Anfangsschritt des Drehens des Werkstücks in eine Querorientierung, in der die erste und die zweite Längsachse einen minimalen Winkel bilden, und des Eingebens des Werkstücks in den Ofen in der Querorientierung. Als nächstes wird das Werkstück mit Konvektions- und Strahlungsheizung während einer Erhöhungs-, einer Ausgleichs- und einer Halteperiode behandelt, um zu bewirken, dass das Werkstück einen Zieltemperaturbereich erreicht. Das Werkstück verlässt den Ofen in der Querorientierung nach den Perioden und dreht sich in die Längsorientierung zurück, um die in Gang befindliche Arbeit fortzusetzen.
Es ist zu erkennen und nachvollziehbar, dass der Ofen und die Verfahren zum Brennen, die durch die vorliegende Erfindung geboten werden, eine Anzahl von Verbesserungen und Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik schaffen. Die vorstehend erwähnten Aspekte, Merkmale und/oder Arten der vorliegenden Erfindung werden im nachstehenden Abschnitt mit dem Titel BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN) genauer erörtert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren im Einzelnen beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht eines beförderten Fahrzeugkarosseriewerkstücks, das in einem transversalen Ofen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gebrannt wird, der eine Gehäusekammer, einen Zwischenboden mit hohem Emissionsvermögen innerhalb der Kammer, Strahlungsheizohre mit einer darin erzeugten Flamme und Reflektoren mit niedrigem Emissionsvermögen, die unterhalb des Bodens angeordnet sind, Deckenventilatoren und ein Auslasssystem sowie eine Frischluft-Heizvorrichtung außerhalb der Kammer umfasst;
2 eine Querschnittsansicht des Werkstücks und des Ofens, die in 1 gezeigt sind, ist;
3 eine Längsaufrissansicht des in 1 gezeigten Ofens, der mehrere Werkstücke behandelt, ist;
4 eine planare Ansicht einer Strahlungsheizrohr-Konfiguration (in einer gegabelten Anordnung) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist; und
5 eine Draufsicht eines Ofens und eines Werkstücks, die insbesondere die Drehung des Werkstücks darstellt, bevor es in den Ofen eintritt und wenn es den Ofen verlässt, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Mit gemeinsamem Bezug auf die 1–5 betrifft die vorliegende Erfindung einen transversalen Ofen 10, der zum gleichmäßigen Brennen mindestens eines und stärker bevorzugt mehrerer quer orientierter Werkstücke 12 (3) auf eine Zieltemperatur ausgelegt ist. Die Erfindung wird mit Bezug auf Kraftfahrzeugwerkstücke wie z. B. die Fahrzeugkarosserien, die in der dargestellten Ausführungsform gezeigt sind, beschrieben und erläutert; es liegt jedoch sicherlich innerhalb des Umfangs der Erfindung, die Vorteile und Merkmale des Ofens 10 zu verwenden, um andere Gegenstände und in anderen Fertigungsanwendungen zu brennen.
Der erfindungsgemäße Ofen 10 wird vorzugsweise in Verbindung mit einem Fördersystem 14 verwendet, das zum Befördern der Werkstücke 12 geeignet ist, so dass sie mit einer gesteuerten Rate in den Ofen 10 eintreten, diesen durchlaufen und diesen verlassen (1–4). An sich steht das bevorzugte Fördersystem 14 mit dem Ofen 10 und stärker bevorzugt über eine Steuereinheit 16 in betriebsfähiger Verbindung (3). Wie am besten in 1 gezeigt, kann beispielsweise ein herkömmliches Schlittenfördersystem 14 mit mindestens einem (Hub-)Schlitten 18, Schienen 20 und einem Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) verwendet werden. In dieser Konfiguration können die Werkstücke 12 auf dem Schlitten 18 in der vorstehend erwähnten Querorientierung angeordnet werden, wobei der Begriff ”Querorientierung” bedeuten soll, dass ein Winkel, der nicht geringer als zwanzig, stärker bevorzugt nicht geringer als fünfundvierzig und am meisten bevorzugt im Allgemeinen gleich neunzig Grad ist, durch die Längsachsen des Ofens 10 und jedes Werkstücks 12 (1–3) beim Eintritt definiert ist. Stärker bevorzugt ist das Fördersystem 14 betreibbar, um jedes Werkstück 12 aus einer Längs- und in die Querorientierung zu drehen, direkt bevor es eintritt, und in die Längsorientierung zurück zu drehen, nachdem es den Ofen 10 verlässt, um die Bewegung von der vorherigen und zur nächsten Arbeitsstation zu erleichtern (5).
Der Ofen 10 umfasst eine Kammer 22, die einen vorzugsweise abschließbaren Innenraum 24, einen Eingang 26, eine longitudinale Länge und einen Ausgang 28 definiert (2 und 5). Während jedes Werkstück 12 eine Länge und eine Breite aufweist, weisen sowohl der Eingang 26 als auch der Ausgang 28 Öffnungen mit einer Breite auf, die größer als die Werkstücklänge ist, so dass das Werkstück 12 in einer Querposition leicht in die Kammer 22 eintreten, diese durchlaufen und diese verlassen kann. Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung das durch die Eingangs-/Ausgangs-Breiten W₁ gegenüber der Kammerbreite W₂ definierte Verhältnis (5). Es ist zu erkennen, dass die im Allgemeinen vertikale Beziehung zwischen den Heizquellen und dem Werkstück 12 ermöglicht, dass die Breite der Kammer 22 zu herkömmlichen longitudinalen Öfen des Standes der Technik, die sich durch Umfangsheizelemente auszeichnen, vergleichbar bleibt. Dieses Verhältnis für den erfindungsgemäßen transversalen Ofen ist daher vorzugsweise größer als 80% und stärker bevorzugt größer als 95%. Es ist zu erkennen, dass die Eingangs-, Ausgangs- und Kammerbreiten nur groß genug sein müssen, um die Werkstücklänge aufzunehmen, und im Allgemeinen kongruent sein können, um die durch den Ofen 10 behandelbare Werkstücklänge zu maximieren. Schließlich weist die Kammer 22 vorzugsweise eine longitudinale Länge auf, die größer ist als die Breite des Werkstück 12, so dass der Eingang 26 und der Ausgang 28 beispielsweise durch eine Schiebetür (nicht dargestellt) geschlossen werden können, sobald mindestens ein Werkstück 12 in den Innenraum 24 eintritt. Stärker bevorzugt und wie in 3 gezeigt, ermöglicht die longitudinale Länge der Kammer das gleichzeitige Erwärmen von mehreren Werkstücken 12 und ermöglicht die Einrichtung von unterschiedlichen Behandlungszonen, wie nachstehend beschrieben.
Der erfindungsgemäße Ofen 10 umfasst duale Konvektions- und Strahlungswärmequellen 30, 32, die jeweils mit dem Innenraum der Kammer 22 (2) thermisch gekoppelt sind. Die Quellen 30, 32 sind kombiniert und gemeinsam konfiguriert, um das Werkstück 12 auf einen Zieltemperaturbereich zu erwärmen, wie durch mindestens eine Rückkopplungssensorvorrichtung bestimmbar, die betreibbar ist, um die Temperatur innerhalb des Raums 24 zu detektieren. Wie nachstehend weiter beschrieben, hängt der Zieltemperaturbereich von mindestens einer Bedingung der Anwendung und/oder des Werkstücks 12, wie beispielsweise von der Materialzusammensetzung und Dicke des Werkstücks 12 oder vom Typ der auszuhärtenden Auftragung (z. B. elektrische Beschichtung (E-Beschichtung), Grundierung, Deckschicht, Klebstoff usw.), ab. Wenn eine Bedingung wie z. B. die Materialdicke unterschiedliche Werkstückwerte auf weist, wird ein Aggregat bestimmt. Beispielsweise ist zu erkennen, dass der Schwellerbereich eines Fahrzeugs mit mehreren Metallschichten mit einem Bereich in der Dicke von 1 mm bis 2 mm konstruiert sein kann, während die Kotflügel- und Türbleche durch eine einzelne Metallschicht gebildet sind, die nicht größer ist als 1 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kammer 22 einen Zwischenboden 34, über dem sich das Werkstück 12 bewegt, während es hindurchläuft (1–3). Der Boden 34 ist vorzugsweise mit dem äußeren Kammerboden bündig, so dass die Schiene 20 des Fördersystems 14 durch die Kammer 22 fortlaufen kann. Die Last des Werkstücks 12 in der Kammer 22 wird durch das in 1 und 2 gezeigte Fördersystem 14 getragen. Alternativ kann der Boden 34 relativ zum äußeren Kammerboden erhöht und der Länge nach segmentiert sein, um zu ermöglichen, dass der Schlitten 18, die Schienen 20 oder eine andere Transportstruktur hindurchgeht.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung dient der Zwischenboden 34 der Schaffung einer gleichmäßigen Strahlungswärmequelle 32 und ist an sich vorzugsweise aus einem Material mit ”hohem Emissionsvermögen” oder einem wärmeleitenden Material, wie z. B. unbeschichtetem Stahl, beschichtetem Stahl, Stahllegierungen und dergleichen, ausgebildet. Überdies können auch Verbundstrukturen aus mehreren Schichten von ähnlichen oder verschiedenen Materialien verwendet werden. Die restlichen Strukturen der Kammer 22 sind auch aus einem Material ausgebildet, das der wiederholten Anwendung von erwarteten Temperaturen (z. B. 350°F für E-Beschichtung und 250°F für Grundierung und Deckschicht usw.) standhalten kann.
Um den Boden 34 zu erwärmen, ist mindestens ein Element 36, das zum Erzeugen von Strahlungswärmeenergie betreibbar ist, darunter und nahe der unteren Oberfläche des Bodens 34 angeordnet (1 und 2). In der dargestellten Ausführungsform sind die Elemente 36 nicht mehr als sechs Inch von der Oberfläche angeordnet. Die Rate der Wärmeübertragung durch den Boden 34 im Vergleich zur Rate der Abstrahlung von diesem ist derart, dass die Strahlungswärmeenergie über das ganze seitliche Profil des Bodens 34 und in den Raum 24 gleichmäßig emittiert wird (1–2). Es ist zu erkennen, dass, indem eine Wärmequelle unterhalb des Werkstücks 12 vorhanden ist, eine bessere Behandlung für die Quermittellinie der Kammer 22 im Vergleich zu Umfangsheizöfen des Standes der Technik gewährt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Ofen 10 ferner mindestens einen und stärker bevorzugt mehrere Reflektoren 38 mit niedrigem Emissionsvermögen gegenüber dem Boden 34 und unterhalb der Elemente 36 (2 und 4). Die Reflektoren 38 sind so konfiguriert und betreibbar, dass sie Strahlungswärmeenergie, die ursprünglich durch die Elemente 36 vom Boden 34 weg emittiert wird, wieder in Richtung des Bodens 34 ablenken. Das niedrige Emissionsvermögen der Reflektoren 38 ermöglicht, dass das Meiste der unberechenbaren Strahlungsenergie in Richtung des Bodens 34 umgelenkt wird. Jeder Reflektor 38 kann im Allgemeinen aus einer nicht polierten Oberfläche mit geeigneter Zusammensetzung bestehen, um den erwarteten Temperaturen und Bedingungen unterhalb des Bodens 34 standzuhalten.
In den dargestellten Ausführungsformen weisen die Elemente 36 kongruent beabstandete Strahlungsrohre 40 und einen gasbefeuerten Brenner 40a auf (1–4). In der bevorzugten Ausführungsform, die in 1–4 gezeigt ist, sind mehrere individuell steuerbare Brenner 40a dar gestellt, wobei jeder Strahlungsrohrbrenner 40a betreibbar ist, um eine Flamme innerhalb eines Rohrs 40 zu erzeugen, um das Rohr 40 und die darin umgewälzte Luft auf ungefähr 540° zu erwärmen. In dieser Ausführungsform, in der der Boden 34 vorzugsweise um 18 Inch von der Basis der Kammer 22 beabstandet ist, weist jedes der Rohre 40 vorzugsweise einen Außendurchmesser von 6 Inch auf und definiert eine Mittelachse, die von der Basis der Kammer um 9 Inch beabstandet ist, so dass es von der Basis und vom Boden 34 im gleichen Abstand liegt. Jeder Strahlungsrohrbrenner 40a kommuniziert mit der Steuereinheit 16, die ein Kraftstoffgemisch in das Rohr 40 einleitet (1–4).
Wie in 4 gezeigt, kann eine Reihe von ”U”-förmigen Rohren 40 in einer longitudinalen Anordnung Rücken an Rücken verwendet werden. Jedes Rohr 40 ist vorzugsweise mit einem von zwei Sammelkanälen 40b verbunden, die longitudinal entlang der Außenseite der unteren Ecken der Kammer 22 außerhalb des Raums 24 verlaufen (2). Die Kanäle 40b sind so konfiguriert, dass sie das Abgas von den Rohren 40 sammeln und verwerfen. Stärker bevorzugt nimmt jeder Kanal 40b Verdünnungsluft auf und das Abgas wird mit dieser vermischt, um den potentiellen gefährlichen Effekt des Abgases zu minimieren.
In Einklang mit der in 4 gezeigten ”U”-förmigen Konfiguration (mit Ausnahme der Biegungen) definiert jedes Rohr 40 vorzugsweise eine Längsachse, die im Allgemeinen parallel zur Längsachse des Ofens 10 orientiert ist.
Wie auch in der dargestellten Ausführungsform gezeigt, umfasst die Konvektionswärmeenergiequelle 30 vorzugsweise eine Frischluft-Heizvorrichtung 42, die mit einem Umgebungsraum und dem Innenraum 24 durch mindestens eine Leitung 44 und stärker bevorzugt mehrere Leitungen 44 (1 und 2) und einem Auslass 46 fluidisch gekoppelt ist. Die Heizvorrichtung 42 ist dazu konfiguriert, zu bewirken, dass die Luft vom Umgebungsraum, durch ihren Kern, wo sie erwärmt wird, und in den Innenraum 24 strömt. Stärker bevorzugt ist der Auslass 46 durch die Kammer 22 unterhalb des Zwischenbodens 34 definiert, so dass die Luft durch die Strahlungselemente 34 weiter erwärmt wird. Beispielsweise und wie in 2 und 5 gezeigt, kann der Auslass (können die Auslässe) 46 an der Basis der Kammer 22 und unter den Elementen 36 und Reflektoren 38 angeordnet sein. Der Boden 34 definiert dann mindestens eine Lufteinlassöffnung 48 (1), die ermöglicht, dass die zweifach erwärmte Luft in den Raum 24 strömt. Stärker bevorzugt sind die Lufteinlassöffnungen 48 strategisch relativ zum Werkstück 12 angeordnet, um eine zweckmäßige Erwärmung sicherzustellen. Mehrere Lufteinlassöffnungen 48 können beispielsweise definiert sein, um Konvektionserwärmungsluft in den Schwellerbereichen des Fahrzeugs 12 einzuleiten. Die Öffnungen 48 können mehrere Öffnungen mit kleinerem (z. B. 1 Inch) Durchmesser aufweisen (1). Alternativ ist zu erkennen, dass die frische erwärmte Luft über dem Boden 34 über flexible Kanäle (nicht dargestellt) eingeleitet werden kann.
Der Boden 34 weist abgesehen von der für das Fördersystem 14 erforderlichen Segmentierung eine im Allgemeinen einteilige Struktur (1) auf. Alternativ kann jedoch der Boden 34 eine Anordnung von gelösten oder demontierbar miteinander verbundenen Platten sein. In dieser Konfiguration können die Platten auf einem Bodenträger (nicht dargestellt) sitzen und sind umkonfigurierbar, so dass die Einlassöffnungen 48 verlagerbar sind, um bei der Behandlung von mehreren unterschiedlichen Werkstückkonfigurationen Flexibilität zu schaffen oder das Luftbewegungsmuster zu verändern.
Der bevorzugte Ofen 10 besitzt ferner ein Auslasssystem 50, das fluidisch mit dem Innenraum 24 und mit einem Abzugsystem (nicht dargestellt) fluidisch gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass erwärmte Luft aus dem Innenraum 24 und zu dem Abzugsystem strömt, um verdampfte Lacklösungsmittel und/oder Partikelstoff, die während des Aushärtungsprozesses freigesetzt werden, zu sammeln. Das Auslasssystem 50 umfasst mindestens einen und stärker bevorzugt mehrere Auslassschieber 52, die vorzugsweise an den oberen Ecken des Raums 24 angeordnet sind (1–3). Ein Auslassgebläse 54 ist mit jedem Auslassschieber 52 fluidisch gekoppelt und dazu konfiguriert, einen Luftunterdruck an jedem Auslassschieber 52 zu erzeugen. Mindestens eine Auslassleitung 56 kann vorgesehen sein, um eine Gruppe von Schiebern 52 mit dem Auslassgebläse 54 zu verbinden, um den Luftunterdruck an jedem Schieber 52 zu liefern. Das Gebläse 54 ist vorzugsweise über der Kammer 22 zentral angeordnet, um den Abstand zu jedem Schieber 52 zu minimieren und den Luftdruck an jedem Schieber 52 auszugleichen. Wie gezeigt, kann die Leitung 56 auf der Kammer 22 sitzen oder stärker bevorzugt über diese hochgezogen sein (1–3).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ofen 10 noch ferner mindestens ein und stärker bevorzugt mehrere Deckenventilatoren 58, die angeordnet und konfiguriert sind, um die Luft innerhalb des Raums 24 umzuwälzen, um die Erwärmung zu beschleunigen (1–3 und 5). Da zu erkennen ist, dass die heiße Luft mit der natürlichen Konvektion ansteigt, sind die Deckenventilatoren 58 so konfiguriert, dass sie bewirken, dass die leichtere erwärmte Luft von der Decke der Kammer 22 und in Richtung des Werkstücks 12 strömt. Dies fördert den Konvektionserwärmungsprozess und bringt ferner die Temperatur innerhalb des Raums 24 ins Gleichgewicht. Die Deckenventilatoren 58 sind vorzugsweise als Einheit bemessen, um das Luftvolumen innerhalb des Raums oder der Zone mehr als 6-mal pro Minute umzuwälzen. Um eine größere Flexibilität zu schaffen, wird jeder Ventilator 58 vorzugsweise separat gesteuert (z. B. ein/aus, Drehzahl, Dauer usw.), so dass ein Bereich von Umwälz- und Luftbewegungsmustern erreicht werden kann.
Schließlich ist zu erkennen, dass die Steuereinheit 16 mit den Quellen 30, 32 (einschließlich der Ventilatoren 58) kommunikativ gekoppelt ist. Die bevorzugte Steuereinheit 16 ist programmierbar konfiguriert, um die Quellen 30, 32 für eine vorbestimmte Periode oder, wenn eine Sensoreingabe geliefert wird, bis zum Auftreten eines Ereignisses (z. B. eines Thermometermesswerts innerhalb des Zieltemperaturbereichs) zu betätigen. Die Steuereinheit 16 schafft vorzugsweise eine Benutzerschnittstelle, so dass eine Information in Bezug auf die Werkstückbedingung und/oder die Anwendung durch die Bedienperson eingegeben und berücksichtigt werden kann, wie vorher beschrieben. Es ist zu erkennen, dass eine geeignete Software, Verarbeitung, Speicherung und Kommunikationsfähigkeiten der Steuereinheit 16 durch einen üblichen Fachmann ohne übermäßiges Experimentieren leicht bestimmbar sind, und werden an sich hierin nicht weiter beschrieben.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Brennen eines Werkstücks 12 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ofens 10 wird daher dargestellt und beginnt mit dem Drehen des Werkstücks 12 in eine Querorientierung, direkt bevor es in die Kammer 22 eintritt. Während einer anfänglichen ”Erhöhungs”-Periode werden der Strahlungsboden 34, die Frischluft-Heizvorrichtung 42 und/oder mindestens ein Deckenventilator 58 in Abhängigkeit von der Anwendung betätigt. Für eine zweckmäßige Aushärtung einer E-Belagschicht werden beispielsweise alle Komponenten vorzugsweise betätigt; und für eine Grundierung oder Deckschicht werden vorzugsweise nur die Heizvorrichtung 42 und der Boden 34 während einer Erhöhungsperiode von 10 Minuten betätigt (um Anomalien, die durch die Umwälzung verursacht werden, im fertig gestellten Produkt zu verhindern). In diesem Beispiel werden für jede dieser Anwendungen vorzugsweise alle Komponenten für eine zusätzliche ”Ausgleichs”-Periode von 3 bis 5 Minuten betätigt, die unmittelbar der Erhöhungsperiode folgt; und schließlich werden alle Komponenten wieder vorzugsweise für eine ”Halte”-Periode von 20 Minuten, die unmittelbar der Ausgleichsperiode folgt, betätigt. Die Erhöhungs-, die Ausgleichs- und die Halteperiode werden nach dem Vorausbestimmen des Zieltemperaturbereichs auf der Basis mindestens einer Bedingung des Werkstücks bestimmt. Das gleichmäßig gebrannte Werkstück 12 wird dann aus dem Ofen in der Querorientierung ausgegeben und vorzugsweise in die Längsorientierung zurück gedreht, um die Bewegung wieder aufzunehmen.
Stärker bevorzugt definiert der Ofen 10 mehrere Zonen zum gleichzeitigen Behandeln von mehreren Werkstücken 12. Der bevorzugte Ofen 10 kann beispielsweise longitudinal konfiguriert sein, um nacheinander Erhöhungs-, Ausgleichs- und Haltezonen zu definieren. In 3 ist eine Grundierungs- und/oder Deckschicht-Aushärtungskonfiguration dargestellt, in der die Deckenventilatoren 58 nach dem Durchqueren von einem Drittel der Ofenlänge angetroffen werden. In dieser Position wird eine Turbulenz zum Ende der Erhöhungsperiode hin geschaffen und nimmt während der Ausgleichsperiode allmählich in Richtung einer Spitzenturbulenz zu. Die Wirkung der Deckenventilatoren baut sich ab, während das Werkstück weiterhin den Ofen 10 durchquert. Die Quellen 30, 32, einschließlich der Ventilatoren 58, funktionieren kontinuierlich, während ein spezielles Werkstück 12 zuerst die Erhöhungszone, dann die Ausgleichszone und schließlich die Haltezone durchläuft. Alternativ können die Zonen separat betätigt werden (z. B. kann nur ein Satz von Brennern 40a auf einmal ge zündet werden), während das Werkstück 12 läuft, um dem Werkstück 12 zu folgen.
Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Formen der Erfindung sollen nur als Erläuterung verwendet werden und sollten bei der Interpretation des Schutzbereichs des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts nicht in einer begrenzenden Hinsicht verwendet werden. Offensichtliche Modifikationen an den beispielhaften Ausführungsformen und Betriebsverfahren, wie hierin dargelegt, könnten von Fachleuten leicht durchgeführt werden, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Erfinder bekunden hiermit ihre Absicht, sich auf die Doktrin von Äquivalenten zu stützen, um den angemessen gerechten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu bestimmen und zu beurteilen, der irgendein System oder Verfahren betrifft, das nicht wesentlich vom wörtlichen Schutzbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt, abweicht, aber dennoch außerhalb dessen liegt.

10: Ofen
12: Werkstück
14: Fördersystem
16: Steuereinheit
18: Schlitten
20: Schiene
22: Kammer
24: Innenraum
26: Eingang
28: Ausgang
30: Konvektionswärmequelle
32: Strahlungswärmequelle
34: Zwischenboden
36: Strahlungselement
38: Reflektoren
40: Strahlungsrohre
40a: Strahlungsrohrbrenner
40b: Sammelrohr
42: Heizvorrichtung
44: Leitung
46: Auslass
48: Lufteinlassöffnung
50: Auslasssystem
52: Auslassschieber
54: Gebläse
56: Leitung
58: Deckenventilatoren

Claims

Transversaler Ofen, der zum Brennen eines Werkstücks ausgelegt ist, wobei das Werkstück eine erste Längsachse, eine Länge und eine Breite aufweist, wobei der Ofen umfasst: eine verschließbare Kammer, die einen Innenraum, einen Eingang, einen Ausgang und eine zweite Langsachse definiert, wobei die Kammer, der Eingang und der Ausgang gemeinsam derart konfiguriert sind, dass das Werkstück in den Raum eintreten, diesen durchlaufen und diesen verlassen kann, wenn die erste und die zweite Achse einen Winkel definieren, der nicht geringer als zwanzig Grad ist; und mehrere Strahlungs- und Konvektionswärmequellen, die mit dem Raum thermisch gekoppelt sind und gemeinsam dazu konfiguriert sind, das gesamte Werkstück auf einen Zieltemperaturbereich zu erwärmen, wenn sich das Werkstück in dem Raum befindet.
Ofen nach Anspruch 1, wobei die Kammer einen Zwischenboden mit hohem Emissionsvermögen umfasst, über dem sich das Werkstück bewegt, wenn es hindurchläuft, und die Quellen Strahlungselemente umfassen, die unterhalb des Bodens angeordnet sind und betreibbar sind, um Strahlungswärmeenergie zu erzeugen, die durch den Boden und in den Raum übertragen wird.
Ofen nach Anspruch 2, wobei der Boden aus Stahl mit hohem Emissionsvermögen ausgebildet ist.
Ofen nach Anspruch 2, wobei die Quellen kongruent beabstandete Strahlungsrohre und einen Brenner umfassen, der dazu konfiguriert ist, ein Fluid, das innerhalb der Rohre zirkuliert, zu erwärmen.
Ofen nach Anspruch 2, wobei die Quellen kongruent beabstandete Strahlungsrohre und einen Brenner umfassen, der dazu konfiguriert ist, eine Flamme innerhalb der Rohre zu erzeugen.
Ofen nach Anspruch 2, der ferner umfasst: mehrere Reflektoren mit niedrigem Emissionsvermögen, die unterhalb der Elemente angeordnet sind und dazu konfiguriert sind, einen Teil der Energie in Richtung des Bodens zu reflektieren.
Ofen nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Frischluft-Heizvorrichtung, die mit dem Innenraum und einem Umgebungsraum fluidisch gekoppelt ist, dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass Luft vom Umgebungsraum, durch diese und in den Innenraum strömt, und ferner dazu konfiguriert ist, die Luft zu erwärmen, während sie durch diese strömt.
Ofen nach Anspruch 7, wobei die Kammer einen Zwischenboden mit hohem Emissionsvermögen umfasst, über dem sich das Werkstück bewegt, wenn es hindurchläuft, der Boden mindestens eine Lufteinlassöffnung definiert, die Quellen Strahlungselemente umfassen, die kongruent unter dem Boden beabstandet sind und betreibbar sind, um Strahlungswärmeenergie zu erzeugen, die durch den Boden und in den Raum übertragen wird, und die Luftheizvorrichtung mit der Kammer unter dem Boden verbunden ist, so dass bewirkt wird, dass die Luft nahe den Elementen strömt und durch diese wei ter erwärmt wird, dann durch die Öffnung und in den Innenraum strömt.
Ofen nach Anspruch 8, wobei der Boden eine Anordnung von lösbaren Platten ist und umkonfigurierbar ist, um die mindestens eine Öffnung zu verlagern.
Ofen nach Anspruch 1, der ferner umfasst: einen Auslass, der fluidisch mit dem Innenraum und einem Abzugsystem gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass sich erwärmte Luft aus dem Innenraum und zum Abzugsystem bewegt.
Ofen nach Anspruch 1, der ferner umfasst: mindestens einen Konvektionsluft-Deckenventilator, der angeordnet und konfiguriert ist, um Luft innerhalb des Raums umzuwälzen.
Ofen nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, die Strahlungs- und Konvektionswärmequellen zu steuern, wobei die Strahlungsquelle einen Boden umfasst und die Konvektionsquelle eine Frischluft-Heizvorrichtung umfasst, und die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, die Temperaturen des Bodens und der Heizvorrichtung zu steuern.
Ofen nach Anspruch 12, der ferner umfasst: eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, die Eingabe mindestens einer Werkstückbedingung zu empfangen, die mit den Quellen kommunikativ gekoppelt ist und programmierbar konfiguriert ist, um zu bewirken, dass die Quellen das Werkstück auf der Basis der Werkstückbedingung erwärmen, wobei die mindestens eine Bedingung die Werkstückmaterialzusammensetzung, die Werkstückdicke und die aufzubringende Werkstückbeschichtung ist.
Fertigungsofen, der zum Brennen eines Werkstücks ausgelegt ist, wobei das Werkstück eine erste Längsachse, eine Länge und eine Breite aufweist, wobei der Ofen umfasst: eine verschließbare Kammer, die einen Innenraum, Eingangs- und Auslassöffnungen und eine zweite Längsachse definiert, wobei die Kammer, der Eingang und der Auslass gemeinsam derart konfiguriert sind, dass das Werkstück in den Raum eintreten, diesen durchlaufen und diesen verlassen kann, wenn die erste und die zweite Achse einen Winkel zwischen null und neunzig Grad definieren, wobei die Kammer einen Zwischenboden mit hohem Emissionsvermögen umfasst, über dem sich das Werkstück bewegt, wenn es durchläuft; mehrere Strahlungs- und Konvektionswärmequellen, die mit dem Innenraum thermisch gekoppelt sind und gemeinsam dazu konfiguriert sind, das gesamte Werkstück auf einen Zieltemperaturbereich zu erwärmen, wenn sich das Werkstück in dem Raum befindet, wobei die Quellen Strahlungselemente umfassen, die unterhalb des Bodens angeordnet sind und betreibbar sind, um Strahlungswärmeenergie zu erzeugen, die durch den Boden und in den Innenraum übertragen wird; eine Frischluft-Heizvorrichtung, die mit dem Innenraum und einem Umgebungsraum fluidisch gekoppelt ist, dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass Luft vom Umgebungsraum, durch die Heizvorrichtung und in den Innenraum strömt, und ferner dazu konfigu riert ist, die Luft zu erwärmen, wenn sie durch die Heizvorrichtung strömt; einen Deckenventilator, der innerhalb der Kammer untergebracht ist und dazu konfiguriert ist, die Luft darin umzuwälzen und erwärmte Luft in Richtung des Werkstücks zu lenken; und eine Steuereinheit, die mit den Wärmequellen und dem Ventilator kommunikativ gekoppelt ist, betreibbar ist, um eine Eingabe in Bezug auf mindestens eine Werkstückbedingung zu empfangen, und programmierbar konfiguriert ist, um zu bewirken, dass die Quellen und der Ventilator das Werkstück auf der Basis der mindestens einen Werkstückbedingung erwärmen.
Verfahren zum Brennen eines Werkstücks, das eine erste Längsachse definiert, in einem Ofen, der eine zweite Längsachse definiert, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a. Drehen des Werkstücks in eine Querorientierung, in der die erste und die zweite Längsachse einen minimalen Winkel bilden, und Eingeben des Werkstücks in den Ofen in der Querorientierung; b. Behandeln des Werkstücks mit Konvektionserwärmung während einer Periode, um zu bewirken, dass das Werkstück einen Zieltemperaturbereich erreicht; c. Behandeln des Werkstücks mit Strahlungserwärmung während der Periode, um zu bewirken, dass das Werkstück einen Zieltemperaturbereich erreicht; und d. Ausgeben des Werkstücks aus dem Ofen in der Querorientierung nach der Periode.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Schritt b) ferner die Schritte des Vorbestimmens des Zieltemperaturbereichs auf der Basis mindestens einer Bedingung des Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Schritt b) ferner die Schritte des Bewirkens, dass erwärmte Frischluft durch eine Öffnung und in Richtung des Werkstücks strömt, wobei die Öffnung relativ zum Werkstück angeordnet wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei Schritt b) ferner die Schritte des Umwälzens der Luft mit einem Deckenventilator umfasst und Schritt c) ferner die Schritte des gleichmäßigen Erwärmens des Werkstücks durch Emittieren von Strahlungswärmeenergie durch einen Boden mit hohem Emissionsvermögen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schritte b) und c) ferner die Schritte des Betätigens von mindestens einer von einer Strahlungswärmequelle, einer Konvektionswärmequelle und einem Deckenventilator für eine anfängliche Erhöhungsperiode, eine anschließende Ausgleichsperiode und eine abschließende Halteperiode auf der Basis mindestens einer Bedingung des Werkstücks umfassen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Kammer longitudinal konfiguriert ist, um mehrere Werkstücke zu behandeln und gleichzeitig separate Erhöhnungs-, Ausgleichs- und Haltezonen zu definieren, und jedes Werkstück die Zonen nacheinander durchquert.