DE102022108317A1

DE102022108317A1 - Behandlungsvorrichtung zum Behandeln von Werkstücken und Verfahren zum Behandeln eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102022108317A1
Application number: DE102022108317.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Genze; Peter Krieg; Nicolai Bier; Julia Lamparter; Otfried Meyer
Original assignee: Ecoclean GmbH
Current assignee: Ecoclean GmbH
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Um eine Behandlungsvorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, umfassend eine Behandlungskammer zur Aufnahme mindestens eines zu behandelnden Werkstücks und eines Bades eines Behandlungsmittels und eine Druckänderungsvorrichtung zum zyklischen Ändern des Drucks in der Behandlungskammer, wobei die Druckänderungsvorrichtung eine Evakuiervorrichtung und eine Belüftungsvorrichtung umfasst, wobei die Evakuiervorrichtung einen Vakuumerzeuger umfasst und wobei die Behandlungsvorrichtung eine Ventilanordnung umfasst, mittels welcher die Behandlungskammer von der Evakuiervorrichtung trennbar ist, zu schaffen, welche es ermöglicht, die für eine anfängliche Druckreduzierung oder für eine zyklische Druckreduzierung benötigte Zeit zu verringern und dabei vorzugsweise eine Schädigung des Vakuumerzeugers durch in den Vakuumerzeuger gelangende Tröpfchen des Behandlungsmittels und/oder durch in den Vakuumerzeuger gelangenden Dampf des Behandlungsmittels zu vermindern oder zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass die Evakuiervorrichtung einen Unterdruckspeicher umfasst, welcher zwischen der Ventilanordnung und dem Vakuumerzeuger angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Behandlungsvorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, wobei die Behandlungsvorrichtung eine Behandlungskammer zur Aufnahme mindestens eines zu behandelnden Werkstücks und eines Bades eines Behandlungsmittels und eine Druckänderungsvorrichtung zum zyklischen Ändern des Drucks in der Behandlungskammer umfasst, wobei die Druckänderungsvorrichtung eine Evakuiervorrichtung und eine Belüftungsvorrichtung umfasst, wobei die Evakuiervorrichtung einen Vakuumerzeuger umfasst und wobei die Behandlungsvorrichtung eine Ventilanordnung umfasst, mittels welcher die Behandlungskammer von der Evakuiervorrichtung trennbar ist.
Bei bekannten Behandlungsvorrichtungen dieser Art wird eine Verdrängervakuumpumpe direkt mit dem zu evakuierenden Innenraum der Behandlungskammer verbunden. Dadurch besteht die Gefahr, dass bei dem Behandlungsvorgang Tröpfchen des Behandlungsmittels (einschließlich Reinigerbestandteilen und/oder Verschmutzungsbestandteilen) oder ein Dampf des Behandlungsmittels in die Vakuumpumpe gelangen können und deren Standzeit reduzieren können.
Ferner ist es bei diesen bekannten Behandlungsvorrichtungen auch nur sehr bedingt möglich, den Innenraum der Behandlungskammer auf einen Druck zu evakuieren, welcher deutlich unter dem Dampfdruck des Behandlungsmittels liegt. Die Wirktiefe eines Verdampfungsprozesses des Behandlungsmittels, das heißt der Abstand von der Badoberfläche des Behandlungsmittels in Richtung der Schwerkraft, bis zu welchem eine Verdampfung des Behandlungsmittels erfolgt, ist dadurch stark beschränkt.
Ferner ist bei den bekannten Ausführungsformen von Behandlungsvorrichtungen die Auspumpzeit bis zur Erreichung des gewünschten Druckes im Innenraum der Behandlungskammer sehr lang.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Behandlungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche es ermöglicht, die für eine anfängliche Druckreduzierung oder für eine zyklische Druckreduzierung benötigte Zeit zu verringern und dabei vorzugsweise eine Schädigung des Vakuumerzeugers durch in den Vakuumerzeuger gelangende Tröpfchen des Behandlungsmittels und/oder durch in den Vakuumerzeuger gelangenden Dampf des Behandlungsmittels zu vermindern oder zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird bei einer Behandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Evakuiervorrichtung einen Unterdruckspeicher umfasst, welcher zwischen der Ventilanordnung und dem Vakuumerzeuger angeordnet ist.
Dadurch, dass ein mittels der Ventilanordnung von dem Innenraum der Behandlungskammer abtrennbarer Unterdruckspeicher vorhanden ist, besteht die Möglichkeit, das Innenvolumen des Unterdruckspeichers während Betriebsphasen der Behandlungsvorrichtung, in denen die Ventilanordnung geschlossen ist, mittels des Vakuumerzeugers auf einen Druck zu evakuieren, welcher deutlich niedriger ist als der Druck in der Behandlungskammer.
Durch einen anschließenden Druckausgleich zwischen dem Unterdruckspeicher und dem Innenraum der Behandlungskammer kann der Druck im Innenraum der Behandlungskammer dann in einfacher Weise deutlich abgesenkt werden, vorzugsweise unter den Dampfdruck des Behandlungsmittels, welches sich im Innenraum der Behandlungskammer befindet. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Wirktiefe der Verdampfung des Behandlungsmittels im Innenraum der Behandlungskammer zu erhöhen.
Ferner besteht die Möglichkeit, im Unterdruckspeicher einen Mechanismus zum Abscheiden von mit dem Gasstrom aus dem Innenraum der Behandlungskammer mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen vorzusehen. Ein solcher Mechanismus kann beispielsweise einen Drahtgestrickabscheider, einen Prallabscheider und/oder einen Kondensator, welcher vorzugsweise eine gekühlte Fläche aufweist, umfassen.
Ferner kann in dem Unterdruckspeicher ein Mechanismus vorgesehen sein, welcher mit dem Gasstrom aus dem Innenraum der Behandlungskammer mitgeführten Dampf des Behandlungsmittels aktiv oder passiv durch Kondensation niederschlägt.
Ein solcher Mechanismus kann beispielsweise einen Kondensator, welcher vorzugsweise eine gekühlte Fläche aufweist, umfassen.
Besonders günstig ist es, wenn ein Innenvolumen des Unterdruckspeichers mindestens 25 % eines Rest-Innenvolumens der Behandlungskammer beträgt, wobei das Rest-Innenvolumen die Differenz zwischen dem gesamten Innenvolumen der Behandlungskammer und dem Volumen des in der Behandlungskammer befindlichen Bads des Behandlungsmittels ist, wenn die Behandlungskammer bis zu einem zulässigen Höchststand mit dem Behandlungsmittel befüllt ist.
Noch günstiger ist es, wenn das Innenvolumen des Unterdruckspeichers mindestens 50 %, besonders bevorzugt mindestens 100 %, des Rest-Innenvolumens der Behandlungskammer beträgt.
Wenn die Behandlungsvorrichtung mehrere Unterdruckspeicher umfasst, welche zwischen der Ventilanordnung und dem Vakuumerzeuger angeordnet sind, so gelten die vorstehend zum Innenvolumen des Unterdruckspeichers gemachten Angaben für die Summe der Innenvolumina aller dieser Unterdruckspeicher.
Die Ventilanordnung, mittels welcher die Behandlungskammer von der Evakuiervorrichtung trennbar ist, kann eines oder mehrere Ventile umfassen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Evakuiervorrichtung eine Sperrventilanordnung umfasst, mittels welcher der mindestens eine Unterdruckspeicher von dem Vakuumerzeuger trennbar ist.
Eine solche Sperrventilanordnung kann eines oder mehrere Sperrventile umfassen.
Besonders günstig ist es, wenn mindestens ein Ventil der Ventilanordnung schlagartig geöffnet werden kann.
Durch eine solche schlagartige Öffnung des Ventils der Ventilanordnung kann der Druckausgleich zwischen dem Innenraum der Behandlungskammer und dem Unterdruckspeicher besonders rasch durchgeführt werden, wodurch eine entsprechend rasche Verdampfung von Behandlungsmittel im Innenraum der Behandlungskammer bewirkt werden kann und die mittlere Zykluszeit für das zyklische Ändern des Drucks in der Behandlungskammer möglichst kurz gehalten werden kann. Durch eine kurze Zykluszeit der zyklischen Änderung des Drucks in der Behandlungskammer können in einer vorgegebenen Behandlungszeit mehr Druckwechselzyklen und damit insbesondere auch mehr Verdampfungsphasen des Behandlungsmittels durchgeführt werden, was die Intensität der Behandlung in der Behandlungskammer erhöht.
Besonders günstig ist es, wenn das Ventil der Ventilanordnung innerhalb eines Zeitraums von höchstens 2 Sekunden, vorzugsweise von höchstens 0,5 Sekunden, vollständig geöffnet werden kann.
Der genannte Zeitraum bezieht sich auf die Überführung des Ventils von einem vollständig geschlossenen Zustand in einen vollständig geöffneten Zustand.
Wenn die Ventilanordnung mehrere Ventile umfasst, so ist es von Vorteil, wenn jedes Ventil der Ventilanordnung schlagartig geöffnet werden kann.
Ferner ist es in diesem Fall von Vorteil, wenn jedes Ventil der Ventilanordnung innerhalb eines Zeitraums von höchstens 2 Sekunden, vorzugsweise von höchstens 0,5 Sekunden, vollständig geöffnet werden kann.
Für eine hohe Intensität der Behandlung in der Behandlungskammer ist es von Vorteil, wenn der Druck p in der Behandlungskammer auf einen Druck unterhalb des Dampfdrucks p_D des in der Behandlungskammer angeordneten Behandlungsmittels absenkbar ist.
Ferner ist es günstig, wenn die Behandlungsvorrichtung eine Kondensationsvorrichtung umfasst.
Eine solche Kondensationsvorrichtung ist vorzugsweise ganz oder teilweise in dem Unterdruckspeicher der Behandlungsvorrichtung angeordnet.
Eine solche Kondensationsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Wärmetauscher, der während des Betriebs der Behandlungsvorrichtung eine Oberflächentemperatur aufweist, welche kleiner ist als die Dampfdrucktemperatur des Behandlungsmittels in der Behandlungskammer. Hierdurch wird der Wärmetauscher als Kondensator betrieben, und der während des Behandlungsvorgangs in der Behandlungskammer gebildete Dampf des Behandlungsmittels kondensiert an dem Wärmetauscher und gelangt so nicht mehr in den Vakuumerzeuger.
Ferner kann sich durch die Kondensation des Dampfes des Behandlungsmittels die Saugleistung der Evakuiervorrichtung sehr stark erhöhen, was eine stärkere Bildung von Dampf des Behandlungsmittels in der Behandlungskammer zu Folge hat, was wiederum zu einer besseren Behandlungswirkung, beispielsweise zu einer besseren Reinigungswirkung oder einer besseren Passivierungswirkung, führt.
Die bei der Kondensation an dem Wärmetauscher freiwerdende Wärme kann auf ein Wärmeabführmedium übertragen und dann weiter genutzt werden, beispielsweise zur Erwärmung eines Behandlungsmittels, zur Erwärmung eines Mediums, das bei einem anderen Behandlungsvorgang verwendet wird, oder zum Beheizen eines Gebäudes.
Die bei der Kondensation freiwerdende Wärme kann dabei direkt auf ein die Kaltseite des Wärmetauschers durchströmendes Wärmeabführmedium übertragen werden oder auf ein Wärmeübertragungsmedium, von welchem die Wärme dann auf das Wärmeabführmedium übertragen wird.
Besonders effizient ist es, wenn die Kondensationsvorrichtung einen Bestandteil einer Wärmepumpe umfasst, so dass die bei der Kondensation freiwerdende Wärme mittels der Wärmepumpe auf das Wärmeabführmedium übertragbar ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kondensationsvorrichtung einen Wärmetauscher umfasst, welcher einen Bestandteil einer Wärmepumpe bildet.
Statt im Unterdruckspeicher der Behandlungsvorrichtung kann eine Kondensationsvorrichtung der Behandlungsvorrichtung auch in der Behandlungskammer selbst angeordnet sein.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Behandlungskammer einen kühlbaren Wandungsteil umfasst.
Ein solcher kühlbarer Wandungsteil kann beispielsweise ein kühlbarer Deckel der Behandlungskammer sein.
Mittels eines solchen Deckels ist eine Beschickungsöffnung der Behandlungsvorrichtung verschließbar.
Die Kondensationsvorrichtung der Behandlungsvorrichtung kann eine Sprühkühlvorrichtung umfassen, in welcher der Dampf des Behandlungsmittels direkt durch Kontakt mit versprühten Flüssigkeitstropfen kondensiert.
Um den Druck im Innenraum der Behandlungskammer sehr schnell und energieeffizient absenken zu können, ist es günstig, wenn das Luftvolumen in der Behandlungskammer, das heißt das nicht von dem Behandlungsmittel eingenommene Rest-Innenvolumen der Behandlungskammer, möglichst klein gehalten wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Behandlungskammer zu mindestens 90 % ihres Innenvolumens mit dem Behandlungsmittel befüllbar ist.
Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass eine oder mehrere Absaugöffnungen, durch welche Gas aus dem Innenraum der Behandlungskammer in die Evakuiervorrichtung absaugbar ist, in einem oberen Randbereich eines Tanks der Behandlungskammer, welcher durch einen Deckel verschließbar ist, angeordnet sind.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Absaugöffnungen der Behandlungskammer an dem Deckel angeordnet sind.
Die eine Absaugöffnung oder die mehreren Absaugöffnungen können beispielsweise als längliche, vorzugsweise horizontal oder vertikal ausgerichtete, Spaltöffnungen ausgebildet sein.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Behandlungskammer einen Deckel zum Verschließen einer Beschickungsöffnung der Behandlungskammer mit dem mindestens einen zu behandelnden Werkstück umfasst und der Deckel eine Austrittsöffnung aufweist, an welche die Evakuiervorrichtung angeschlossen ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass an dem Deckel ein Lochblech gehalten ist, welches eine Vielzahl von - vorzugsweise gleichmäßig verteilten - Durchtrittsöffnungen aufweist.
Wenn der Druck in dem Innenraum der Behandlungskammer während der zyklischen Druckänderung nicht bis auf den Umgebungsdruck anwachsen soll, ist es günstig, wenn ein Belüftungsventil, mittels welchem eine in die Behandlungskammer führende Belüftungsleitung schließbar ist, als ein schnell schaltendes Ventil ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist ein solches schnell schaltendes Ventil innerhalb eines Zeitraums von höchstens 2 Sekunden, vorzugsweise von höchstens 0,5 Sekunden, vom vollständig geöffneten Zustand in den vollständig geschlossenen Zustand überführbar.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Belüftungsvorrichtung einen Belüftungsbehälter umfasst, welcher durch ein Befüllventil mit Umgebungsluft befüllbar und dann von der Umgebungsatmosphäre abtrennbar ist und über ein Belüftungsventil in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Behandlungskammer bringbar ist, um den Druck im Innenraum der Behandlungskammer zu erhöhen.
Um einen raschen Übergang von einer Evakuierungsphase der Behandlungskammer zu einer Belüftungsphase der Behandlungskammer zu ermöglichen, ist es günstig, wenn die Vorrichtung ein Umschaltventil umfasst, mittels welchem die Evakuiervorrichtung und die Belüftungsvorrichtung abwechselnd in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Behandlungskammer bringbar sind.
Ein solches Umschaltventil kann beispielsweise als ein 3/2-Wege-Ventil ausgebildet sein. Dabei ist vorzugsweise ein erster Eingang des Umschaltventils mit der Evakuiervorrichtung verbunden, ein zweiter Eingang des Umschaltventils mit der Belüftungsvorrichtung verbunden und ein Ausgang des Umschaltventils mit dem Innenraum der Behandlungskammer verbunden.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Evakuiervorrichtung mindestens zwei Unterdruckspeicher umfasst, welche abwechselnd mit der Behandlungskammer und mit dem Vakuumerzeuger in Fluidverbindung stehen.
Auf diese Weise ist es möglich, dass beispielsweise ein erster Unterdruckspeicher in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Behandlungskammer steht und den Druck in der Behandlungskammer erhöht, während Tröpfchen des Behandlungsmittels und/oder ein Dampf des Behandlungsmittels in dem ersten Unterdruckspeicher abgeschieden werden, während der zweite Unterdruckspeicher in Fluidverbindung mit dem Vakuumerzeuger steht und auf einen Druck evakuiert wird, welcher unter dem Druck im Innenraum der Behandlungskammer liegt.
In einer anderen Phase des Behandlungsvorgangs werden dann die Rollen des ersten Unterdruckspeichers und des zweiten Unterdruckspeichers vertauscht.
Durch das Vorhandensein von mehreren Unterdruckspeichern wird die für jeden Unterdruckspeicher zu Verfügung stehende Beruhigungszeit und/oder die für jeden der Unterdruckspeicher zur Verfügung stehende Kondensationszeit vergrößert.
Alternativ oder ergänzend zur Verwendung einer Verdrängervakuumpumpe als Vakuumerzeuger kann auch vorgesehen sein, dass die Behandlungsvorrichtung eine Volumenänderungsvorrichtung umfasst, durch welche das Volumen des Innenraums der Behandlungskammer vergrößerbar ist, um den Druck im Innenraum der Behandlungskammer abzusenken, und/oder das Volumen des Innenraums der Behandlungskammer verkleinerbar ist, um den Druck in dem Innenraum der Behandlungskammer zu erhöhen.
Eine solche Volumenveränderungsvorrichtung kann beispielsweise einen in einem Zylinder verschieblichen Kolben oder eine in den Innenraum der Behandlungskammer vorwölbbare oder aus dem Innenraum der Behandlungskammer herauswölbbare Membran umfassen.
Eine solche Volumenänderungsvorrichtung ist vorzugsweise zusätzlich zu einer Evakuiervorrichtung vorhanden, mittels welcher der Innenraum der Behandlungskammer vom Umgebungsdruck bis auf den Dampfdruck des Behandlungsmittels in der Behandlungskammer absenkbar ist.
Alternativ zur Verwendung einer Verdrängervakuumpumpe kann als Vakuumerzeuger auch beispielsweise eine Wasserstrahlpumpe oder eine Flüssigringvakuumpumpe verwendet werden.
Bei diesen Arten von Pumpen besteht ein prinzipbedingter Pumpenschutz, da diese Pumpen ohnehin von einem flüssigen Medium durchströmt werden, um einen Unterdruck zu erzeugen.
Bei der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung ist von Vorteil, wenn Behandlungsmittel an der Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks verdampft, wenn der Druck im Innenraum der Behandlungskammer abgesenkt wird. Eine Verdampfung von Behandlungsmittel an anderen Stellen als der Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks verringert die Behandlungswirkung der Verdampfung. Es ist daher günstig, wenn eine Verdampfung von Behandlungsmittel an der Innenseite der Wandung der Behandlungskammer vermindert oder ganz vermieden wird.
Um dies zu erreichen, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Wandung der Behandlungskammer ganz oder teilweise aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und/oder mit einer geringen Wärmekapazität gebildet ist.
Beispielweise kann vorgesehen sein, dass die Wandung der Behandlungskammer ganz oder teilweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Wandung der Behandlungskammer ganz oder teilweise aus einem Polyethylenmaterial gebildet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Wandung der Behandlungskammer ganz oder teilweise aus einem metallischen Material gebildet ist, welches an der dem Innenraum der Behandlungskammer zugewandten Seite und/oder an der dem Innenraum der Behandlungskammer abgewandten Seite mit einer Beschichtung aus einem Kunststoffmaterial versehen ist.
Eine solche Beschichtung kann beispielsweise ein Polyethylenmaterial und/oder ein Polytetrafluorethylen(PTFE)-Material umfassen.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung oder Verminderung der Verdampfung von Behandlungsmittel an der Wandung der Behandlungskammer ist dadurch gegeben, dass die Innenseite der Wandung der Behandlungskammer so behandelt wird, dass sie sehr glatt ist und eine geringe Rauigkeit aufweist, da eine Oberflächenrauigkeit der Wandung als Keimzelle für eine Verdampfung des Behandlungsmittels dienen kann.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Innenseite der Wandung der Behandlungskammer durch Elektropolierung geglättet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Behandeln eines Werkstücks, welches Folgendes umfasst:

- Einbringen mindestens eines Werkstücks in eine Behandlungskammer;
- Bereitstellen eines Behandlungsmittels in der Behandlungskammer;
- zyklisches Ändern des Drucks in der Behandlungskammer, während das Behandlungsmittel sich in der Behandlungskammer befindet, mittels einer Evakuiervorrichtung und einer Belüftungsvorrichtung, wobei die Evakuiervorrichtung einen Vakuumerzeuger umfasst und wobei die Behandlungsvorrichtung eine Ventilanordnung umfasst, mittels welcher die Behandlungskammer zeitweise von der Evakuiervorrichtung abgetrennt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Behandeln eines Werkstücks zu schaffen, bei welchem die Auspumpzeit, welche von der Evakuiervorrichtung für das Erreichen des angestrebten Unterdrucks in der Behandlungskammer benötigt wird, möglichst kurz gehalten wird, wobei vorzugsweise auch eine Schädigung des Vakuumerzeugers durch Tröpfchen des Behandlungsmittels und/oder durch einen Dampf des Behandlungsmittels verhindert oder ganz vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 15 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Evakuiervorrichtung mindestens einen Unterdruckspeicher, welcher zwischen der Ventilanordnung und dem Vakuumerzeuger angeordnet ist, umfasst.
Das Bereitstellen des Behandlungsmittels in der Behandlungskammer kann dadurch erfolgen, dass das Behandlungsmittel nach dem Einbringen des Werkstücks in die Behandlungskammer in die Behandlungskammer eingebracht wird. Dies ist vorzugsweise bei Kammeranlagen zur Behandlung von Werkstücken der Fall.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das Behandlungsmittel sich bereits vor dem Einbringen des Werkstücks in die Behandlungskammer in der Behandlungskammer befindet. In diesem Fall kann auch vorgesehen sein, dass das Behandlungsmittel nach der Behandlung des Werkstücks in der Behandlungskammer verbleibt. Dies ist vorzugsweise bei Reihentauchanlagen zur Behandlung von Werkstücken der Fall.
Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung erläutert worden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln eines Werkstücks wird vorzugsweise mittels der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung durchgeführt.
Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Behandeln eines Werkstücks.
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise das mittels der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung durchgeführte Behandlungsverfahren ist insbesondere ein Verfahren zum Reinigen, zum Spülen oder zum Verändern der Oberfläche eines Werkstücks.
Ein Verfahren zum Verändern der Oberfläche eines Werkstücks kann insbesondere ein Verfahren zum Anodisieren, zum Elektropolieren, zum Beizen oder zum Passivieren eines Werkstücks oder ein Verfahren zum Auftragen eines Korrosionsschutzes auf ein Werkstück sein.
Unter dem Passivieren eines Werkstücks wird dabei die Entfernung von freien Eisenmolekülen und die gezielte Erzeugung einer Schutzschicht auf einem metallischen Werkstück bezeichnet, wodurch die Sauerstoffkorrosion des Grundmaterials des Werkstücks verhindert oder stark verlangsamt wird.
Das bei der Behandlung des Werkstücks verwendete Behandlungsmittels ist vorzugsweise eine Flüssigkeit, beispielsweise eine wässrige Lösung, welche chemische Substanzen zum Erzielen einer Wirkung oder zur Wirkungsverstärkung enthält. Bei galvanischen Behandlungsvorgängen ist das Behandlungsmittel ein Elektrolyt.
Die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln von Werkstücken eignet sich insbesondere zur Behandlung von Produkten oder Halbzeugen, die aus korrosionsbeständigen Werkstoffen gefertigt sind, beispielsweise aus einer Titanlegierung oder aus einem Edelstahl entsprechend der Definition nach der Norm EN 10020.
Das Edelstahlmaterial kann beispielsweise die Legierungsbestandteile Chrom, Nickel und/oder Molybdän umfassen.
Für ein Verfahren zum Passivieren eines Werkstücks eignet sich insbesondere ein Werkstück, welches ganz oder teilweise aus einem Edelstahl gebildet ist, welcher einen Chromanteil von mindestens 11 Gewichts-% aufweist.
Ein zur Behandlung mit der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung und/oder gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung eines Werkstücks vorgesehenes Werkstück kann beispielsweise ein Bauteil sein, das in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt worden ist. Ein solches Bauteil kann beispielsweise eine strukturierte, biokompatible Oberfläche aufweisen. Eine solche Oberfläche kann beispielsweise zur Verwachsung mit Knochenstrukturen vorgesehen sein.
Ein zur Behandlung mittels der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung beziehungsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung von Werkstücken vorgesehenes Werkstück kann beispielsweise ein medizintechnisches Produkt sein, insbesondere ein Implantat und/oder ein Instrument.
Das Werkstück kann Hohlräume aufweisen, beispielsweise Bohrungen, Kapillaren und/oder Engstellen, in welche Flüssigkeiten nur schwer von außerhalb des Werkstücks eindringen können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, welche eine Behandlungskammer zur Aufnahme mindestens eines zu behandelnden Werkstücks und eines Bades eines Behandlungsmittels und eine Druckänderungsvorrichtung zum zyklischen Ändern des Drucks in der Behandlungskammer umfasst, wobei die Druckänderungsvorrichtung eine Evakuiervorrichtung und eine Belüftungsvorrichtung umfasst, wobei die Evakuiervorrichtung einen Vakuumerzeuger und einen Abscheider umfasst und wobei die Behandlungsvorrichtung ein Ventil umfasst, mittels welchem die Behandlungskammer von der Evakuiervorrichtung trennbar ist, wobei die Evakuiervorrichtung einen Unterdruckspeicher umfasst, welcher zwischen dem Ventil und dem Vakuumerzeuger angeordnet ist;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Evakuiervorrichtung zwei Unterdruckspeicher umfasst, welche abwechselnd mit der Behandlungskammer und mit dem Vakuumerzeuger in Fluidverbindung stehen;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Evakuiervorrichtung einen Kondensator umfasst;
4 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Behandlungskammer einen Deckel umfasst, der von einem Kühlmittel durchströmbar und dadurch kühlbar ist;
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Evakuiervorrichtung eine Kondensationsvorrichtung umfasst, wobei die Kondensationsvorrichtung eine Sprühkühlvorrichtung umfasst;
6 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Evakuiervorrichtung und die Belüftungsvorrichtung mittels eines als 3/2-Wege-Ventils ausgebildeten Umschaltventils abwechselnd in Fluidverbindung mit der Behandlungskammer bringbar sind;
7 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Behandlungskammer mit einem Lochblech versehen ist, durch welches Gas in die Evakuiervorrichtung absaugbar ist;
8 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer achten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Behandlungskammer mit einer seitlichen Spaltabsaugung versehen ist, durch welche Gas aus der Behandlungskammer in die Evakuiervorrichtung absaugbar ist;
9 eine ausschnittsweise Darstellung einer neunten Ausführungsform einer Vorrichtung um Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Evakuiervorrichtung eine Kondensationsvorrichtung umfasst, wobei die Kondensationsvorrichtung einen Wärmetauscher umfasst, der einen Bestandteil eines Wärmeübertragungskreislaufs einer Wärmepumpe bildet;
10 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, bei welcher die Behandlungskammer mit einer Vorrichtung zur Änderung des Innenvolumens der Behandlungskammer versehen ist; und
11 ein Schaubild, welches den Verlauf des Drucks in der Behandlungskammer in Abhängigkeit von der Behandlungszeit während eines Behandlungsvorgangs darstellt.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in 1 schematisch dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung zum Behandeln von (nicht dargestellen) Werkstücken umfasst eine Behandlungskammer 104 zur Aufnahme jeweils mindestens eines Werkstücks in einem Innenraum 106 der Behandlungskammer 104, welcher von einer Wandung 108 der Behandlungskammer 104 umgeben ist.
Um ein Werkstück in den Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 einbringen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Behandlungskammer 104 einen Tank 110 umfasst, welcher mit einem Bad 111 eines flüssigen Behandlungsmittels 112, beispielsweise eines Passiviermittels 114, bis zu einem Höchststand 118 befüllbar und mittels eines Deckels 116 verschließbar ist.
Um die Behandlungskammer 104 mit Behandlungsmittel 112, insbesondere Passiviermittel 114, befüllen zu können, ist der Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 über eine (nicht dargestellte) Zuleitung mit einem (nicht dargestellten) Vorlagebehälter, welcher einen Vorrat des Behandlungsmittels 112 enthält, verbunden.
Um den Druck in der Behandlungskammer 104 zyklisch ändern zu können, umfasst die Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken ferner eine Druckänderungsvorrichtung 120, wobei die Druckänderungsvorrichtung 120 eine Evakuiervorrichtung 122 und eine Belüftungsvorrichtung 124 umfasst.
Die Evakuiervorrichtung 122 umfasst einen Vakuumerzeuger 126, der beispielsweise als eine Vakuumpumpe 128, vorzugsweise als eine Verdrängervakuumpumpe, ausgebildet ist.
Die Behandlungskammer 104 ist mittels einer Ventilanordnung 130 von der Evakuiervorrichtung 122 trennbar.
Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken umfasst die Ventilanordnung 130 ein einziges Ventil 132, welches in einer in den Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 mündenden Evakuierungsleitung 134 angeordnet ist und mittels welchem die Evakuierungsleitung 134 öffenbar oder schließbar ist.
Die Evakuierungsleitung 134 mündet an einem Eingang 136 eines Abscheiders 138.
Durch den Eingang 136 gelangt aus dem Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 stammendes Gas, welches mit einem Dampf des Behandlungsmittels 112 und/oder mit Tröpfchen des Behandlungsmittels 112, insbesondere des Passiviermittels 114, beladen ist, bei geöffnetem Ventil 132 in einen Innenraum 140 des Abscheiders 138, der beispielsweise einen Zyklon 142 enthalten kann, um in dem eintretenden Gasstrom enthaltene Tröpfchen durch Zentrifugalwirkung aus dem Gasstrom abzuscheiden.
Ferner kann der Abscheider 138 eine Kondensationsvorrichtung 144 enthalten, welche beispielsweise Prallplatten und/oder ein Drahtgestrick und/oder einen gekühlten Wärmetauscher umfasst, an denen ein Dampf des Behandlungsmittels 112, insbesondere des Passiviermittels 114, kondensieren und so aus dem durch den Abscheider 138 strömenden Gasstrom abgetrennt werden kann.
Der mittels des Abscheiders 138 von Tröpfchen und/oder von Dampf des Behandlungsmittels 112 befreite Gasstrom gelangt durch eine Saugleitung 146 zu einem saugseitigen Eingang 148 des Vakuumerzeugers 126.
In der Saugleitung 146 ist ein Sperrventil 150 angeordnet, mittels welchem die Saugleitung 146 öffenbar oder schließbar ist.
Das Sperrventil 150 bildet eine Sperrventilanordnung 149, mittels welcher der Abscheider 138 von dem Vakuumerzeuger 126 trennbar ist.
Über einen druckseitigen Ausgang 152 des Vakuumerzeugers 126 gelangt der Gasstrom dann in eine Druckleitung 154 und von dort beispielsweise in die Umgebung der Vorrichtung 100.
Alle schaltbaren Ventile der Vorrichtung 100 und gegebenenfalls vorhandene Sensoren, beispielsweise ein Drucksensor zu Überwachung des Drucks im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104, ein Temperatursensor zum Überwachen der Temperatur im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104, ein Niveausensor zur Überwachung des Niveaus des Bads 111 des Behandlungsmittels 112 im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 und/oder andere Sensoren, sind mittels (nicht dargestellter) Signal- und Steuerungsleitungen an eine (nicht dargestellte) Steuerungsvorrichtung der Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken angeschlossen, so dass die Steuervorrichtung Signale von den Sensoren empfangen und weiterverarbeiten kann und die schaltbaren Ventile von einem Zustand in einen anderen Zustand schalten kann.
Die Steuervorrichtung der Vorrichtung 100 ist vorzugsweise programmierbar, so dass ein Steuerprogramm zur Steuerung eines Verfahrens zum Behandeln von Werkstücken mittels der Steuervorrichtung und der von ihr gesteuerten Sensoren und Aktoren durchführbar ist.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 in dem Abscheider 138 angesammeltes Kondensat kann mittels einer Kondensatschleuse 156 aus dem Innenraum 140 des Abscheiders 138 entnommen werden.
Die Kondensatschleuse 156 umfasst ein an einen Kondensatausgang 158 des Abscheiders 138 angeschlossenes erstes Schleusenventil 160, ein stromabwärts von dem ersten Schleusenventil 160 angeordnetes zweites Schleusenventil 162 und einen zwischen dem ersten Schleusenventil 160 und dem zweiten Schleusenventil 162 angeordneten Schleusenraum 164.
Das im Abscheider 138 abgeschiedene Kondensat gelangt durch Öffnen des ersten Schleusenventils 160 bei gleichzeitig geschlossenem zweiten Schleusenventil 162 in den Schleusenraum 164 der Kondensatschleuse 156.
Nach dem Befüllen des Schleusenraums 164 mit Kondensat wird das erste Schleusenventil 160 geschlossen und das zweite Schleusenventil 162 geöffnet.
Das zweite Schleusenventil 162 ist über eine Kondensatleitung 166 mit einem (nicht dargestellten) Vorlagebehälter verbunden, welcher einen Vorrat des Behandlungsmittels 112, beispielsweise des Passiviermittels 114, enthält, so dass das im Abscheider 138 abgeschiedene Kondensat über die Kondensatschleuse 156 und die Kondensatleitung 166 in den Vorlagebehälter gelangt.
Der von dem Ventil 132, dem Sperrventil 150 und dem ersten Schleusenventil 160 begrenzte Bereich der Evakuiervorrichtung 122 bildet einen Unterdruckspeicher, welcher zwischen der Ventilanordnung 130 und dem Vakuumerzeuger 126 angeordnet ist.
Das gesamte Innenvolumen dieses Unterdruckspeichers 168 beträgt vorzugsweise mindestens 25 % eines Rest-Innenvolumens 170 der Behandlungskammer 104, wobei das Rest-Innenvolumen 170 der Behandlungskammer 104 die Differenz zwischen dem gesamten Innenvolumen der Behandlungskammer 104 und dem Volumen des in der Behandlungskammer 104 befindlichen Bads 111 des Behandlungsmittels 112 ist, wenn die Behandlungskammer 104 bis zu dem zulässigen Höchststand 118 mit dem Behandlungsmittel 112 befüllt ist.
Mittels der Sperrventilanordnung 149, welche das Sperrventil 150 umfasst, ist der Unterdruckspeicher 168 von dem Vakuumerzeuger 126 trennbar.
Wenn das Sperrventil 150 der Sperrventilanordnung 149 geöffnet ist, während das Ventil 132 der Ventilanordnung 130 geschlossen ist, kann der Unterdruckspeicher 168 auf einen Absolutdruck p_min evakuiert werden, welcher deutlich niedriger ist als der untere Druckwert p_u, der während eines Behandlungsvorgangs in dem Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 erreicht wird.
Durch schlagartiges Öffnen des Ventils 132 der Ventilanordnung 130 kann dann der Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 sehr rasch auf den gewünschten Minimalwert p_u abgesenkt werden.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Ventil 130 innerhalb eines Zeitraums von höchstens 2 Sekunden, besonders bevorzugt von höchstens 0,5 Sekunden, vollständig geöffnet werden kann, das heißt vom vollständig geschlossenen Zustand in den vollständig geöffneten Zustand überführt werden kann.
Durch eine rasche Evakuierung der Behandlungskammer mittels schlagartigen Öffnens des Ventils 132 der Ventilanordnung 130 ist der Druck in der Behandlungskammer 104 auf einen Druck p_u unterhalb des Dampfdrucks p_D des in der Behandlungskammer 104 angeordneten Behandlungsmittels 112, beispielsweise des Passiviermittels 114, absenkbar. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Wirktiefe der Verdampfung von Behandlungsmittel zu erhöhen. Die Wirktiefe ist dabei der Abstand von der Oberfläche des Bads des Behandlungsmittels 112 in der Behandlungskammer 104 längs der Schwerkraftrichtung, bis zu welchem durch die Druckabsenkung ein Verdampfungsprozess des Behandlungsmittels 112 ausgelöst wird.
Um den Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 nach einer solchen Druckabsenkung wieder erhöhen zu können, ist die Belüftungsvorrichtung 124 vorgesehen, welche eine in die Behandlungskammer 104 mündende Belüftungsleitung 172 umfasst.
In der Belüftungsleitung 172 ist ein Belüftungsventil 174 angeordnet, durch welches die Belüftungsleitung 172 öffenbar oder schließbar ist.
Ein der Behandlungskammer 104 abgewandtes Ende der Belüftungsleitung 172 mündet in der Umgebung der Vorrichtung 100, so dass Umgebungsluft aus der Umgebung der Vorrichtung 100 der Behandlungskammer 104 zuführbar ist, wenn das Belüftungsventil 174 geöffnet ist.
In einer Belüftungsphase der Behandlungskammer 104 ist das Belüftungsventil 174 geöffnet und das Ventil 132 der Ventilanordnung 130 geschlossen.
In einer Evakuierungsphase der Behandlungskammer 104 ist das Belüftungsventil 174 geschlossen und das Ventil 132 der Ventilanordnung 130 geöffnet.
Mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken wird beispielsweise ein Verfahren zum Passivieren von Werkstücken wie folgt durchgeführt:

Vor dem Passivieren eines Werkstücks müssen alle Oberflächen des Werkstücks von allen filmischen, partikulären und sonstigen Verunreinigungen und von Rückständen von Reinigungsmitteln befreit sein. Vor dem Passivierungsvorgang findet daher eine intensive Reinigung des Werkstücks mit anschließendem Spülen aller Oberflächen des Werkstücks statt.

Die Behandlungskammer 104 der Vorrichtung 100 ist mit einer Verschlusseinrichtung, beispielsweise mit einem Deckel 116, versehen.
Diese Verschlusseinrichtung ermöglicht ein luftdichtes Verschließen der Behandlungskammer 104.
Bei geöffneter Verschlusseinrichtung, insbesondere bei abgehobenem Deckel 116, wird das zu behandelnde Werkstück in den Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 eingebracht.
Das Werkstück 102 kann an einer Werkstückaufnahme gehalten sein.
Nach dem Einbringen des Werkstücks in den Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 wird die Behandlungskammer 104 mittels der Verschlusseinrichtung luftdicht verschlossen.
Wenn noch kein Bad 111 des Behandlungsmittels 112, insbesondere des Passiviermittels 114, im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 vorhanden ist, wird eine gewünschte Menge von Behandlungsmittel aus dem Vorlagebehälter durch die Zuleitung angesaugt.
Nach Schließen der Behandlungskammer 104 wird der Druck in der Behandlungskammer 104 vom Atmosphärendruck (ungefähr 1,0 bar) abgesenkt, indem das Ventil 130 schlagartig geöffnet wird.
Dabei gelangt eine große Gasmenge sehr rasch aus der Behandlungskammer 104 in den vom Vakuumerzeuger 126 auf den sehr niedrigen Druck p_min evakuierten Unterdruckspeicher 168.
Die Vorrichtung 100 befindet sich nun in dem Evakuierungszustand, in welchem das Ventil 132 der Ventilanordnung 130 geöffnet und das Belüftungsventil 174 geschlossen ist. Der Vakuumerzeuger 126, insbesondere die Vakuumpumpe 128, ist weiterhin in Betrieb und saugt Gas, das mit Dampf des Behandlungsmittels und mit Tröpfchen des Behandlungsmittels beladen sein kann, durch die Evakuierungsleitung 134, den Abscheider 138 und die Saugleitung 146 zum saugseitigen Eingang 148 des Vakuumerzeugers 126.
Dabei werden mit dem abgesaugten Gas mitgeführte Tröpfchen des Behandlungsmittels 112 im Abscheider 138 abgeschieden. Ferner kondensiert der mit dem Gas mitgeführte Dampf des Behandlungsmittels 112 in der Kondensiervorrichtung 144 aus.
Das im unteren Bereich des Abscheiders 138 angesammelte Behandlungsmittel 112 kann bei Erreichen eines vorgegebenen Füllstands oder nach einem vorgegebenen Betriebszeitintervall über die Kondensatschleuse 156 und die Kondensatleitung 166 dem Vorlagebehälter für das Behandlungsmittel 112 zugeführt werden.
Auf diese Weise wird der Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 schließlich vom Atmosphärendruck (ungefähr 1,0 bar) bis auf einen unteren Druckwert p_u verringert. Nach Erreichen des unteren Druckwerts p_u wird der Druck in der Behandlungskammer 104 während einer Behandlungsdauer zyklisch geändert, das heißt wiederholt innerhalb jeweils einer Zyklusdauer t₁ von dem unteren Druckwert p_u bis zu einem oberen Druckwert p_o erhöht und dann wieder auf den unteren Druckwert p_u abgesenkt (siehe 11).
Dieser Vorgang kann sich insbesondere periodisch wiederholen.
Zwischen den Druckanstiegsphasen und Druckreduzierungsphasen kann der Druck in der Behandlungskammer 104 bei dem unteren Druckwert p_u oder bei dem oberen Druckwert p_o verweilen.
Zur Erhöhung des Drucks in der Behandlungskammer 104 wird das Ventil 132 der Ventilanordnung 130 geschlossen und das Belüftungsventil 174 geöffnet, so dass Umgebungsluft durch die Belüftungsleitung 172 in den Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 gelangt.
Der untere Druckwert p_u beträgt vorzugsweise mindestens 20 mbar und/oder vorzugsweise höchstens 500 mbar, besonders bevorzugt höchstens 300 mbar.
Der obere Druckwert p_o beträgt vorzugsweise mindestens 700 mbar und/oder vorzugsweise höchstens 1 bar.
Die Zyklusdauer t₁ eines vollständigen Druckzyklus beträgt vorzugsweise mindestens 1 Sekunde, insbesondere mindestens 3 Sekunden, besonders bevorzugt mindestens 5 Sekunden.
Ferner beträgt die Zyklusdauer t₁ eines vollständigen Druckzyklus vorzugsweise höchstens 30 Sekunden, besonders bevorzugt höchstens 10 Sekunden.
Das Werkstück ist so im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 angeordnet, dass es zumindest teilweise oder vollständig in dem Bad 111 des Behandlungsmittels 112, insbesondere des Passiviermittels 114, eingetaucht ist.
Wenn das Werkstück enge Rohre, sogenannte Kapillarrohre, aufweist, so ist es günstig, wenn diese Kapillarrohre im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, wobei ein Ende jeden Rohres in das Behandlungsmittel 112 ragt und das entgegengesetzte Ende des Rohres in den mit Gas befüllten Bereich des Innenraums 106 der Behandlungskammer 104 ragt. Durch den hydrostatischen Druck wird dann das Behandlungsmittel 112 in die Kapillarrohre eingesaugt.
Durch diesen Vorgang wird zuverlässig das Fluid ausgetauscht, welches durch Vorprozesse an der Oberfläche des Werkstücks oder in Bohrungen oder Kapillaren des Werkstücks vorhanden ist.
Hierdurch wird während eines Passivierungsvorgangs sichergestellt, dass das Passiviermittel alle Oberflächen des Werkstücks vollständig benetzen kann, so dass an allen Oberflächen des Werkstücks die Ausbildung einer Passivierungsschicht erfolgt.
Der Passivierungsvorgang, welcher zahlreiche Druckwechselzyklen umfasst, wird während einer Behandlungszeit von vorzugsweise mindestens 1 Minute, insbesondere von mindestens 5 Minuten, besonders bevorzugt von mindestens 10 Minuten, durchgeführt.
Ferner wird der Passivierungsvorgang vorzugsweise während einer Behandlungszeit von höchstens 60 Minuten, insbesondere von höchstens 30 Minuten, besonders bevorzugt von höchstens 20 Minuten, durchgeführt.
Die Temperatur des Passiviermittels 114 während des Passivierungsvorgangs beträgt vorzugsweise mindestens 20°C, insbesondere mindestens 30 °C, besonders bevorzugt mindestens 50 °C.
Ferner beträgt die Temperatur des Passiviermittels 114 während des Passivierungsvorgangs vorzugsweise höchstens 90°C, insbesondere höchstens 70 °C, besonders bevorzugt höchstens 65 °C.
Für die Durchführung des Passivierungsvorgangs wird als Behandlungsmittel 112 ein Passiviermittel 114 verwendet.
Das Passiviermittel 114 weist vorzugsweise die folgende chemische Zusammensetzung auf:

Basis des Passiviermittels 114 ist VE-Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von maximal 10 µS/cm.
Das Passiviermittel 114 enthält ferner Phosphorsäure in einer Konzentration von 1,5 Volumen-% bis 3 Volumen-%, Salpetersäure in einer Konzentration von 0,1 Volumen-% bis 0,5 Volumen-% und nichtionische Tenside in einer Konzentration von 0,05 Volumen-% bis 0,5 Volumen-%.

Alternativ hierzu kann als Passiviermittel 114 beispielsweise eine wässrige Lösung von Salpetersäure verwendet werden, welche Salpetersäure in einem Anteil von mindestens 20 Volumen-% und höchstens 55 Volumen-%, insbesondere von höchstens 45 Volumen-%, besonders bevorzugt von höchstens 25 Volumen-%, enthält.
Ferner kann als alternatives Passiviermittel 114 eine wässrige Lösung von Zitronensäure verwendet werden, wobei der Anteil der Zitronensäure vorzugsweise mindestens 4 Gewichts-% und/oder vorzugsweise höchstens 10 Gewichts-% beträgt.
Der pH-Wert des Passiviermittels 114 liegt vorzugsweise bei mindestens 1,8 und/oder vorzugsweise bei höchstens 2,2.
Durch den zyklischen Druckwechsel in der Behandlungskammer 104 werden direkt an den Oberflächen des Werkstücks oder der mehreren Werkstücke Kavitationsblasen erzeugt. Ein Teil dieser Kavitationsblasen ist stabil und ändert im Verlauf der Druckwechsel sein Volumen; das Volumen der Kavitationsblasen nimmt bei steigendem Druck ab und bei sinkendem Druck zu.
Durch diese Volumenänderungen werden Mikroströmungen im Bad 111 aus dem Passiviermittel 114 und insbesondere in Hohlräumen des zu passivierenden Werkstücks erzeugt.
In einer Phase niedrigen Drucks dehnen sich die stabilen Kavitationsblasen in den Kapillaren des Werkstücks aus, wodurch Fluid aus den Kapillaren ausgestoßen wird.
In einer anschließenden Phase mit höherem Druck ziehen sich die stabilen Kavitationsblasen zusammen, wodurch Fluid in die Kapillaren eingesaugt wird.
Ein anderer Teil der Kavitationsblasen ist nicht stabil, sondern als transiente Kavitationsblasen ausgebildet. Diese transienten Kavitationsblasen implodieren bei Erhöhung des Drucks in der Behandlungskammer 104, was zu sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Oberfläche des Werkstücks führt.
Die Mikroströmungen in dem Bad 111 aus Passiviermittel 114 bewirken einen sehr effektiven Austausch des Fluids an den Oberflächen des Werkstücks, besonders an den Oberflächen von Bohrungen und/oder Kapillaren des Werkstücks.
Eine hohe Konzentration von Sauerstoff an der Oberfläche des zu passivierenden Werkstücks begünstigt die Entstehung von Oxiden und somit die Entstehung einer Passivierungsschicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Passivierungsverfahrens wird daher die Sauerstoffkonzentration in dem Passiviermittel 114 innerhalb der Behandlungskammer 104 durch mindestens einen Messsensor erfasst.
Wenn die Sauerstoffkonzentration im Passiviermittel einen unteren Grenzwert unterschreitet, wird durch Zufuhr von Luft in den unteren Bereich der Behandlungskammer 104 die Sauerstoffkonzentration angehoben. Um eine solche Luftzufuhr in das Passiviermittel 114 zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass die Behandlungskammer 104 mit mindestens einer Perldüse versehen ist.
Der Grenzwert der Sauerstoffkonzentration, unterhalb welcher eine Zufuhr von Sauerstoff zu dem Passiviermittel 114 durchgeführt wird, liegt vorzugsweise bei mindestens 5 mg/l und/oder vorzugsweise bei höchstens 8 mg/l.
Um die Erzeugung von Mikroströmungen direkt an der Oberfläche eines zu passivierenden Werkstücks in Kombination mit den zyklischen Druckwechseln zu begünstigen und somit einen noch stärkeren Austausch der Fluide zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 mit mindestens einem (nicht dargestellten) Ultraschallschwinger versehen ist, mittels welchem das Bad 111 des Behandlungsmittels 112 im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 und/oder das Werkstück mit Ultraschall beaufschlagbar ist.
Die Ultraschallfrequenz beträgt dabei vorzugsweise mindestens 20 kHz, besonders bevorzugt mindestens 25 kHz.
Ferner beträgt die Ultraschallfrequenz vorzugsweise höchstens 120 kHz, besonders bevorzugt höchstens 80 kHz.
Die mittels des Ultraschallschwingers oder mittels mehrerer Ultraschallschwinger in den Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 eingekoppelte Ultraschallleistung beträgt vorzugsweise mindestens 5 Watt pro Liter Behandlungsmittel in der Behandlungskammer 104, besonders bevorzugt mindestens 8 Watt pro Liter Behandlungsmittel in der Behandlungskammer 104.
Ferner beträgt die in die Behandlungskammer 104 eingekoppelte Ultraschallleistung vorzugsweise höchstens 20 Watt pro Liter Behandlungsmittel in der Behandlungskammer 104, besonders bevorzugt höchstens 15 Watt pro Liter Behandlungsmittel in der Behandlungskammer 104.
Durch eine Amplitudenmodulation der Ultraschallschwingungen und/oder durch eine Modulation der Ultraschallfrequenz (sogenannte „Sweep“-Funktion) kann die Wirkung der Beaufschlagung des Bads 111 aus Passiviermittel 114 und/oder des Werkstücks mit Ultraschall weiter verstärkt werden und die Wirkung der Ultraschallbeaufschlagung gleichmäßig auf alle Oberflächen des zu passivierenden Werkstücks verteilt werden.
Um alle Bereiche eines Werkstücks, welches an einer Werkstückaufnahme gehalten ist, oder alle Werkstücke einer Gruppe von Werkstücken, die gleichzeitig an der Werkstückaufnahme gehalten sind, gleichmäßig und vollständig zu passivieren, ist es günstig, wenn die Vorrichtung 100 eine Drehvorrichtung umfasst, mittels welcher die Werkstückaufnahme und somit das Werkstück oder die Werkstücke während der Passivierungsbehandlung um eine Drehachse drehbar sind.
Die Drehachse ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.
Durch diese Drehbewegung wird verhindert, dass Luftblasen sich im Werkstück oder in den Werkstücken ansammeln und eine Benetzung mit dem Passiviermittel 114 verhindern.
Weiterhin ist es mit Hilfe der Drehvorrichtung möglich, Hohlräume des Werkstücks bzw. der Werkstücke zu entleeren, wenn sich Mündungsöffnungen der Hohlräume oberhalb der Oberfläche des Passiviermittel-Bads 111 in der Behandlungskammer 104 befinden.
Alternativ oder ergänzend zu einer solchen Dreheinrichtung kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Vertikalbewegungsvorrichtung für das Werkstück oder für mehrere Werkstücke umfasst. Mittels einer solchen Vertikalbewegungsvorrichtung ist das Werkstück bzw. sind die Werkstücke längs der Schwerkraftrichtung relativ zu dem Bad 111 aus Passiviermittel 114 bewegbar. Die durch diese Relativbewegung erzeugte Strömung des Passiviermittels 114 begünstigt den Austausch des Passiviermittels an den Oberflächen des zu passivierenden Werkstücks.
Für viele Anwendungen dürfen die mittels der Vorrichtung 100 passivierten Werkstücke für die Weiterverarbeitung keine Rückstände des Passiviermittels an ihren Oberflächen aufweisen. Insbesondere dann, wenn ein passiviertes Werkstück eine Kavität aufweist, muss durch einen geeigneten Prozess sichergestellt werden, dass das Passiviermittel ausreichend aus einer solchen Kavität ausgespült wird.
An den vorstehend beschriebenen Passiviervorgang kann sich daher ein Spülvorgang anschließen.
Als Spülflüssigkeit wird beispielsweise VE-Wasser verwendet.
Zur Durchführung des Spülvorgangs wird das Passiviermittel über die (nicht dargestellte) Entleerungsleitung in den Vorlagebehälter entleert.
Anschließend wird der Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 zumindest teilweise mit der Spülflüssigkeit befüllt, mittels einer (zeichnerisch nicht dargestellten) Spülflüssigkeitszufuhr.
Während des Spülvorgangs kann der Druck in der Behandlungskammer 104 ebenfalls zyklisch geändert werden, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit dem Passivierungsvorgang beschrieben worden ist.
Durch die zyklischen Druckwechsel wird die Spülflüssigkeit in die Engstellen und Kapillaren des passivierten Werkstücks eingespült, wodurch zugleich das Passiviermittel 114 ausgespült wird.
Die Spülwirkung und damit die Entfernung des Passiviermittels 114 von den Oberflächen des Werkstücks kann durch eine Beaufschlagung des Bads der Spülflüssigkeit und/oder des Werkstücks in der Behandlungskammer mit Ultraschall, beispielsweise durch einen Ultraschallschwinger, begünstigt werden, insbesondere durch die Erzeugung von oberflächennahen Mikroströmungen.
Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Evakuiervorrichtung 122 der Druckänderungsvorrichtung 120 mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei, Unterdruckspeicher 168 umfasst, welche strömungstechnisch zwischen der Behandlungskammer 104 und dem Vakuumerzeuger 126, beispielsweise in Form einer Vakuumpumpe 128, angeordnet sind.
Ein erster Unterdruckspeicher 168a ist über eine erste Zuführleitung 176a, in welcher ein erstes Ventil 132a angeordnet ist, mit der an die Behandlungskammer 104 angeschlossenen Evakuierungsleitung 134 verbunden.
Ferner ist der erste Unterdruckspeicher 168a über eine erste Abführleitung 178a, in welcher ein erstes Sperrventil 150a angeordnet ist, mit der zu dem saugseitigen Eingang 148 des Vakuumerzeugers 126 führenden Saugleitung 146 verbunden.
Ein zweiter Unterdruckspeicher 168b ist über eine zweite Zuführleitung 176b, in welcher ein zweites Ventil 132b angeordnet ist, mit der Evakuierungsleitung 134 verbunden.
Ferner ist der zweite Unterdruckspeicher 168b über eine zweite Abführleitung 178b, in welcher ein zweites Sperrventil 150b angeordnet ist, mit der Saugleitung 146 verbunden.
Jeder der Unterdruckspeicher 168 kann einen Zyklon 142 umfassen, um Tröpfchen des Behandlungsmittels 112, insbesondere eines Passiviermittels 114, aus dem in den jeweiligen Unterdruckspeicher 168 gelangenden Gasstrom abzuscheiden.
Die beiden Ventile 132a und 132b in den Zuführleitungen 176a und 176b bilden zusammen die Ventilanordnung 130 der Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken bei dieser Ausführungsform.
Die Sperrventile 150a und 150b bilden zusammen die Sperrventilanordnung 149 bei der Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken gemäß dieser Ausführungsform.
Ferner umfasst die Belüftungsvorrichtung 124 der Druckänderungsvorrichtung 120 bei dieser Ausführungsform einen Belüftungsbehälter 180, welcher stromaufwärts von dem Belüftungsventil 174 in der Belüftungsleitung 172 angeordnet ist.
Der Belüftungsbehälter 180 ist über eine Befüllleitung 182, in welcher ein Befüllventil 184 angeordnet ist, aus der die Vorrichtung 100 umgebenden Atmosphäre mit Luft unter Atmosphärendruck befüllbar, während das Belüftungsventil 174 geschlossen ist.
Wenn dann in einer Belüftungsphase des Behandlungsvorgangs das Belüftungsventil 174 geöffnet wird, um den Druck im Innenraum der Behandlungskammer 104 ansteigen zu lassen, so steigt der Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 auch dann nicht bis auf den Atmosphärendruck an, wenn das Belüftungsventil 174 relativ lange geöffnet bleibt, weil das Befüllventil 184 geschlossen ist und deshalb nur ein beschränktes Gasvolumen zur Erhöhung des Drucks in der Behandlungskammer 104 zur Verfügung steht. Vorzugsweise beträgt das Innenvolumen des Belüftungsbehälters 180 höchstens das Vierfache, besonders bevorzugt höchstens das Doppelte, des Rest-Innenvolumens 170 der Behandlungskammer 104.
Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass in dem Unterdruckspeicher 168 der Evakuiervorrichtung 122 der Druckänderungsvorrichtung 120 eine Kondensationsvorrichtung 144 vorgesehen ist, welche einen Wärmetauscher 186 umfasst.
Der als Kondensator betriebene Wärmetauscher 186 weist vorzugsweise eine Oberflächentemperatur auf, welche kleiner ist als die Dampfdrucktemperatur des Behandlungsmittels 112 im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104. Hierdurch kondensiert der während des Behandlungsvorgangs im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 gebildete Dampf des Behandlungsmittels 112 an dem Wärmetauscher 186 und gelangt daher nicht mehr in den Vakuumerzeuger 126, insbesondere in die Vakuumpumpe 128.
Gleichzeitig erhöht sich durch die Kondensation des Dampfes des Behandlungsmittels 112 die Saugleistung der Evakuiervorrichtung 122 sehr stark, was eine stärkere Dampfbildung in der Behandlungskammer 104 zur Folge hat, was wiederum zu einer besseren Behandlungswirkung, insbesondere zu einer besseren Passivierungswirkung oder einer besseren Spülwirkung, führt.
Die Kondensation erfolgt bei dieser Ausführungsform in dem Unterdruckspeicher 168, welcher zwischen der Ventilanordnung 130 und der Sperrventilanordnung 149 angeordnet ist.
Die bei der Kondensation des Dampfes des Behandlungsmittels 112 an dem Wärmetauscher 186 frei werdende Wärme kann auf einen Strom eines den Wärmetauscher 186 durchströmenden Kühlmediums oder Wärmeabführmediums übertragen und weiter genutzt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher 186 einen Bestandteil einer Wärmepumpe bildet.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 4 ausschnittsweise dargestellte vierte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass alternativ oder ergänzend zu einer Kondensationsvorrichtung 144 in dem Unterdruckspeicher 168 eine Kondensationsvorrichtung 144' in der Wandung 108 der Behandlungskammer 104 vorgesehen ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kondensationsvorrichtung 144' einen im Deckel 116 der Behandlungskammer 104 angeordneten Wärmetauscher 186', beispielsweise in Form einer Kühlschlange, umfasst.
Auch dieser als Kondensator betriebene Wärmetauscher 186' weist vorzugsweise eine Oberflächentemperatur auf, welche kleiner ist als die Dampfdrucktemperatur der Behandlungsflüssigkeit 112 im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104. Hierdurch kondensiert der während des Behandlungsvorgangs in der Behandlungskammer 104 gebildete Dampf des Behandlungsmittels 112 bereits in der Behandlungskammer 104 und gelangt so nicht mehr in die Evakuiervorrichtung 122.
Die bei der Kondensation des Dampfes des Behandlungsmittels 112 an dem Deckel 116 der Behandlungskammer 104 freiwerdende Wärme kann auf einen Strom eines den Wärmetauscher 186' durchströmenden Kühlmediums oder Wärmeabführmediums übertragen werden und weiter genutzt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher 186' einen Bestandteil einer Wärmepumpe bildet.
Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass die in dem Unterdruckspeicher 168 der Evakuiervorrichtung 122 der Druckänderungsvorrichtung 120 angeordnete Kondensationsvorrichtung 144 eine Sprühkühlvorrichtung 188 umfasst.
Der Sprühkühlvorrichtung 188 ist ein durch eine Sprühdüse 190 der Sprühkühlvorrichtung 188 versprühbares Kühlmittel über eine Kühlmittelleitung 192 zuführbar, in welcher ein Kühlmittelventil 194 angeordnet ist.
Wenn bei geöffnetem Kühlmittelventil 194 ein Sprühnebel aus Tröpfchen des Kühlmittels in dem Unterdruckspeicher 168 versprüht wird, kondensiert der Dampf des Behandlungsmittels 112 aus dem Gasstrom, der in den Innenraum 140 des Unterdruckspeichers 168 gelangt, direkt durch Kontakt mit den kälteren Flüssigkeitströpfchen des Kühlmittels aus.
Hierdurch kondensiert der während des Behandlungsvorgangs im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 gebildete Dampf des Behandlungsmittels 112 in dem Unterdruckspeicher 168 aus und gelangt so nicht mehr zu dem Vakuumerzeuger 126, beispielsweise in Form einer Vakuumpumpe 128. Gleichzeitig erhöht sich durch die Kondensation des Dampfes des Behandlungsmittels 112 in dem Unterdruckspeicher 168 die Saugleistung der Evakuiervorrichtung 122 sehr stark, was wiederum eine stärkere Dampfbildung in der Behandlungskammer 104 zur Folge hat und hierdurch zu einer besseren Behandlungswirkung, insbesondere zu einer besseren Passivierungswirkung oder einer besseren Reinigungswirkung, führt.
Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 6 ausschnittsweise dargestellte sechste Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Belüftungsleitung 172 der Belüftungsvorrichtung 124 und die Evakuierungsleitung 134 der Evakuiervorrichtung 122 nicht getrennt voneinander in den Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 einmünden, sondern beide an einem Umschaltventil 196 enden, welches über eine Druckänderungsleitung 198 mit dem Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 verbunden ist.
Das Umschaltventil 196 ist vorzugsweise als ein 3/2-Wege-Ventil ausgebildet, welches zwischen einem Belüftungszustand und einem Evakuierzustand umschaltbar ist.
In dem in 6 dargestellten Belüftungszustand des Umschaltventils 196 besteht eine Fluidverbindung zwischen einem ersten Eingang 200 des Umschaltventils 196, an welchen die Belüftungsleitung 172 angeschlossen ist, und einem Ausgang 202 des Umschaltventils 196, an welchen die Druckänderungsleitung 198 angeschlossen ist.
In dem Evakuierzustand des Umschaltventils 196 besteht eine Fluidverbindung zwischen einem zweiten Eingang 204 des Umschaltventils 196, an welchen die Evakuierungsleitung 134 angeschlossen ist, und dem Ausgang 202, an welchen die Druckänderungsleitung 198 angeschlossen ist.
Die Umschaltung zwischen dem Belüftungszustand und dem Evakuierzustand des Umschaltventils 196 kann beispielsweise mechanisch, elektromechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch erfolgen.
Durch die Verwendung eines 3/2-Wege-Ventils als Umschaltventil 196 kann zwischen den Betriebsphasen „Evakuieren der Behandlungskammer 104“ einerseits und „Belüften der Behandlungskammer 104“ andererseits sehr schnell umgeschaltet werden.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte sechste Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 7 ausschnittsweise dargestellte siebte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Behandlungskammer 104 eine Vielzahl von relativ kleinen Absaugöffnungen 206 aufweist.
Vorzugsweise sind die Absaugöffnungen 206 gleichmäßig über eine horizontale Querschnittsfläche der Behandlungskammer 104 verteilt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Absaugöffnungen 206 an einem Lochblech 208 ausgebildet sind.
Das Lochblech 208 kann an dem Deckel 116 der Behandlungskammer 104 gehalten sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Deckel 116 mit einem Anschluss 210 zum Anschließen der Evakuierungsleitung 134 der Evakuiervorrichtung 122 versehen ist.
Ein solcher Anschluss 210 ist vorzugsweise oberhalb des Lochblechs 208 an einer im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Umfangswand 212 des Deckels 116 angeordnet.
Durch diese Ausbildung der Absaugöffnung 206 und des Deckels 116 ist es möglich, dass sich die Absaugöffnungen 206 zum Absaugen von Gas aus dem Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 sehr nahe unter einer oberen Begrenzungswand 214 der Behandlungskammer 104 befinden. Dadurch kann das Rest-Innenvolumen der Behandlungskammer 104, welches im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 verbleibt, wenn die Behandlungskammer 104 bis zu dem Höchststand 118 mit dem Bad 111 aus dem Behandlungsmittel 112 befüllt ist, möglichst klein gehalten werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Rest-Innenvolumen weniger als 25 %, besonders bevorzugt weniger als 10 %, des gesamten Innenvolumens der Behandlungskammer 104 beträgt.
Die Absaugöffnungen 206 können im Wesentlichen kreisrund oder polygonal, beispielsweise rechteckig oder quadratisch, ausgebildet sein.
Bei einer besonderen Ausgestaltung sind die Absaugöffnungen 206 als längliche Spalte ausgebildet.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte siebte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 ausschnittsweise dargestellte achte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Behandlungskammer 104 einen Absaugkanal 216 aufweist, welcher in einem oberen Randabschnitt des Tanks 110 der Behandlungskammer 104, nahe des Deckels 116 der Behandlungskammer 104, oder an dem Deckel 116 der Behandlungskammer 104 selbst angeordnet ist.
Der Absaugkanal 216 steht in Fluidverbindung mit der Evakuierungsleitung 134 der Evakuiervorrichtung 122, durch welche Gas aus einem Innenraum 218 des Absaugkanals 216 zu der Ventilanordnung 130, welche das Ventil 132 umfasst, gelangt.
Der Absaugkanal 216 kann beispielsweise einen rechteckigen, vorzugsweise einen im Wesentlichen quadratischen, Querschnitt aufweisen.
Der Innenraum 218 des Absaugkanals 216 ist mit dem Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 über eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen 220 verbunden.
Diese Durchtrittsöffnungen 220 können beispielsweise als jeweils ein sich in einer Längsrichtung erstreckender Spalt ausgebildet sein.
Hierdurch wird erreicht, dass die Durchtrittsöffnungen 220 sich sehr nahe unter dem Deckel 116 der Behandlungskammer 104 befinden oder in den Deckel 116 der Behandlungskammer 104 integriert sind.
Dadurch kann das über dem Höchststand 118 des Bads 111 des Behandlungsmittels 112 im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 verbleibende Rest-Innenvolumen 170 besonders klein gehalten werden.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte achte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine ausschnittsweise in 9 dargestellte neunte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass der Wärmetauscher 186 der Kondensationsvorrichtung 144 einen Bestandteil einer Wärmepumpe 222 bildet.
Die Wärmepumpe 222 umfasst einen Wärmeübertragungsmediumkreislauf 224, welcher den Wärmetauscher 186 der Kondensationsvorrichtung 144, einen Verdichter 226, einen weiteren Wärmetauscher 228 und ein Entspannungsventil 230 umfasst.
In dem Wärmeübertragungsmediumkreislauf 224 zirkuliert ein Wärmeübertragungsmedium, welches in dem Wärmetauscher 186 der Kondensationsvorrichtung 144 Wärme aus dem von der Behandlungskammer 104 kommenden Gasstrom aufnimmt und verdampft, in dem Verdichter 226 verdichtet wird, in dem weiteren Wärmetauscher 228 Wärme an ein Wärmeabführmedium abgibt und dabei kondensiert und beim Durchgang durch das Entspannungsventil 230 entspannt wird und abkühlt. Das Wärmeabführmedium wird dem weiteren Wärmetauscher 228 durch eine Wärmeabführleitung 232 zugeführt.
Das Wärmeabführmedium kann ein bei einem Behandlungsvorgang in der Behandlungskammer 104 verwendetes Medium sein, beispielsweise ein Behandlungsmittel 112, insbesondere ein Passiviermittel 114.
Mittels der Wärmepumpe 222 wird in dem aus der Behandlungskammer 104 entnommenen Gasstrom enthaltene Energie für die Aufheizung eines solchen Behandlungsmittels 112 genutzt.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Wärmeabführmedium nicht direkt in der Behandlungskammer 104 verwendet wird, sondern ein in der Behandlungskammer 104 verwendetes Behandlungsmedium mittels eines weiteren (nicht dargestellten) Wärmetauschers aufheizt.
Außerdem ist es möglich, die auf das Wärmeabführmedium übertragene Wärme zu einem von der Behandlung in der Behandlungskammer 104 völlig unabhängigen Zweck zu nutzen, beispielsweise für die Wärmezufuhr zu einem anderen Prozess oder zur Heizung eines Gebäudes.
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte neunte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 10 dargestellte zehnte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Druckänderungsvorrichtung 120 der Vorrichtung 100 zusätzlich zu der Belüftungsvorrichtung 124 und der Evakuiervorrichtung 122 eine Volumenänderungsvorrichtung 234 umfasst, mittels welcher das Volumen des Innenraums 106 der Behandlungskammer 104 veränderbar ist.
Eine solche Volumenänderungsvorrichtung 234 kann beispielsweise einen in einem Zylinder 236 verschieblich geführten Kolben 238 umfassen, wobei ein von dem Kolben 238 begrenzter Teil des Innenraums des Zylinders 236 in Fluidverbindung mit dem Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 steht und dadurch das Innenvolumen der Behandlungskammer 104 vergrößert.
Die Volumenänderungsvorrichtung 234 umfasst ferner eine Antriebsvorrichtung 240, welche in Wirkverbindung mit dem Kolben 238 steht, um eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 238 anzutreiben.
Eine solche Antriebsvorrichtung 240 kann beispielsweise einen elektrischen Antriebsmotor umfassen und ein Getriebe, mittels welchem eine Drehbewegung einer Antriebswelle des Motors in eine Hin- und Herbewegung umgewandelt wird.
Wenn sich der Kolben 238 in 10 in der Richtung des Pfeiles 242 bewegt, also von der Einmündung des Zylinders 236 in die Behandlungskammer 104 weg, so wird durch diese Bewegung das Innenvolumen der Behandlungskammer 104 vergrößert und der Druck verringert. In dieser Bewegungsphase bewirkt die Volumenänderungsvorrichtung 234 somit eine Druckabsenkung im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104.
Bewegt sich der Kolben 238 hingegen in 10 längs der Richtung des Pfeiles 244, also auf die Einmündung des Zylinders 236 in die Behandlungskammer 104 zu, so wird das Innenvolumen der Behandlungskammer 104 verringert und damit der Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 erhöht. In dieser Bewegungsphase bewirkt die Volumenänderungsvorrichtung 234 somit eine Druckerhöhung im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104.
Unter Verwendung der Volumenänderungsvorrichtung 234 kann das Verfahren zur Behandlung von Werkstücken in der Behandlungskammer 104 wie folgt durchgeführt werden:

Mittels der Evakuiervorrichtung 122, die beispielsweise eine Verdrängervakuumpumpe umfasst, wird der Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 evakuiert, bis der Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 in der Nähe des Dampfdrucks des im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 enthaltenen Behandlungsmittels 112 liegt.

Dann wird der Vakuumerzeuger 126 durch Schließen der Ventilanordnung 130 vom Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 getrennt.
Eine weitere Absenkung des Drucks im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 wird dadurch erreicht, dass mittels der Volumenänderungsvorrichtung 234 das Innenvolumen des Innenraums 106 der Behandlungskammer 104 vergrößert wird. Dadurch kommt es zum Verdampfen des Behandlungsmittels 112, wobei jedoch der Dampf des Behandlungsmittels 112 nicht zu dem Vakuumerzeuger 126 gelangen und diesen somit auch nicht schädigen kann.
Eine Erhöhung des Drucks im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 wird dadurch erreicht, dass mittels der Volumenänderungsvorrichtung 234 das Gesamtvolumen des Innenraums 106 der Behandlungskammer 104 verringert wird. Hierdurch steigt der Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 über den Dampfdruck des Behandlungsmittels 112 an, so dass es zu einem Kondensieren des Behandlungsmittels 112 im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 kommt.
Es ist nicht erforderlich, für die Druckerhöhung das Belüftungsventil 174 zu öffnen.
Ein zyklischer Druckwechsel im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 ist bei dieser Ausführungsform also ohne Mitwirkung der Evakuiervorrichtung 122 und/oder ohne Mitwirkung der Belüftungsvorrichtung 124 durchführbar.
Da bei dieser Ausführungsform kein Dampf des Behandlungsmittels 112 oder nur eine sehr geringe Menge von Dampf des Behandlungsmittels 112 in die Evakuiervorrichtung 122 zu dem Vakuumerzeuger 126 gelangt, kann bei dieser Aufführungsform auf eine Kondensationsvorrichtung 144 zwischen der Ventilanordnung 130 und dem Vakuumerzeuger 126 verzichtet werden.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte zehnte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Die Evakuiervorrichtung 122 kann als Vakuumerzeuger 126 statt einer Verdrängervakuumpumpe auch jede andere Art von Vakuumpumpen umfassen, beispielsweise eine Wasserstrahlpumpe oder eine Flüssigringvakuumpumpe.
Bei Verwendung einer Wasserstrahlpumpe oder einer Flüssigringvakuumpumpe in der Evakuiervorrichtung 122 besteht ein prinzipbedingter Pumpenschutz, da diese Pumpen ohnehin von flüssigem Medium, insbesondere Wasser, durchströmt werden und daher in der Regel nicht beschädigt werden, wenn sie mit Tröpfchen des Behandlungsmittels 112 oder mit einem Kondensat eines Dampfes aus dem Behandlungsmittel 112 beaufschlagt werden.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken ist es günstig, wenn der Druck im Innenraum 106 der Behandlungskammer 104 so weit abgesenkt wird, dass Behandlungsmittel 112, beispielsweise Passiviermittel 114, an der Oberfläche mindestens eines zu behandelnden Werkstücks verdampft.
Wenn eine Verdampfung von Behandlungsmittel 112 auch an anderen Stellen der Behandlungskammer, insbesondere an der Wandung 108 der Behandlungskammer 104, stattfindet, so verringert dies die Behandlungswirkung, insbesondere die Passivierwirkung oder die Reinigungswirkung, des Behandlungsmittels 112.
Damit es an der Wandung 108 der Behandlungskammer 104 möglichst nicht zu einer Verdampfung von Behandlungsmittel 112 kommt, ist es bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer Vorrichtung 100 zum Behandeln von Werkstücken günstig, wenn die Wandung 108 der Behandlungskammer 104 aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und/oder mit einer geringen Wärmekapazität gebildet ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Wandung 108 der Behandlungskammer 104 ganz oder teilweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, beispielsweise aus einem Polyethylenmaterial.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Wandung 108 der Behandlungskammer 104 ganz oder teilweise aus einem metallischen Material gebildet ist, welches an der Innenseite der Wandung 108 und/oder an der Außenseite der Wandung 108 mit einer Beschichtung aus einem Kunststoffmaterial versehen ist.
Eine solche Beschichtung kann beispielsweise aus einem Polytetrafluorethylen(PTFE)-Material gebildet sein.
Zur Vermeidung einer Verdampfung von Behandlungsmittel 112 an der Innenseite der Wandung 108 des Innenraums 106 der Behandlungskammer 104 ist es ferner günstig, wenn die Oberfläche der Wandung 108 an deren Innenseite sehr glatt ausgebildet ist, das heißt eine sehr geringe Rauigkeit aufweist, da Oberflächenrauigkeiten Keimzellen für die Verdampfung bereitstellen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Innenseite der Wandung 108 der Behandlungskammer 104 ganz oder teilweise elektropoliert ist.

Claims

Behandlungsvorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, umfassend eine Behandlungskammer (104) zur Aufnahme mindestens eines zu behandelnden Werkstücks und eines Bades (111) eines Behandlungsmittels (112) und eine Druckänderungsvorrichtung (120) zum zyklischen Ändern des Drucks in der Behandlungskammer (104), wobei die Druckänderungsvorrichtung (120) eine Evakuiervorrichtung (122) und eine Belüftungsvorrichtung (124) umfasst, wobei die Evakuiervorrichtung (122) einen Vakuumerzeuger (126) umfasst und wobei die Behandlungsvorrichtung (100) eine Ventilanordnung (130) umfasst, mittels welcher die Behandlungskammer (104) von der Evakuiervorrichtung (122) trennbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuiervorrichtung (122) einen Unterdruckspeicher (168) umfasst, welcher zwischen der Ventilanordnung (130) und dem Vakuumerzeuger (126) angeordnet ist.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenvolumen des Unterdruckspeichers (168) mindestens 25 % eines Rest-Innenvolumens (170) der Behandlungskammer (104) beträgt, wobei das Rest-Innenvolumen (170) die Differenz zwischen dem gesamten Innenvolumen der Behandlungskammer (104) und dem Volumen des in der Behandlungskammer (104) befindlichen Bads (111) des Behandlungsmittels (112) ist, wenn die Behandlungskammer (104) bis zu einem zulässigen Höchststand (118) mit dem Behandlungsmittel (112) befüllt ist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuiervorrichtung (122) eine Sperrventilanordnung (149) umfasst, mittels welcher der mindestens eine Unterdruckspeicher (168) von dem Vakuumerzeuger (126) trennbar ist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (132) der Ventilanordnung (130) schlagartig geöffnet werden kann.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (132) innerhalb eines Zeitraums von höchstens 2 Sekunden, vorzugsweise von höchstens 0,5 Sekunden, vollständig geöffnet werden kann.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) in der Behandlungskammer (104) auf einen Druck unterhalb des Dampfdrucks (p_D) des in der Behandlungskammer (104) angeordneten Behandlungsmittels (112) absenkbar ist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsvorrichtung (100) eine Kondensationsvorrichtung (144; 144') umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsvorrichtung (144; 144') einen Wärmetauscher (186; 186') umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsvorrichtung (144) einen Bestandteil einer Wärmepumpe (222) umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (104) einen kühlbaren Wandungsteil umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsvorrichtung (144) eine Sprühkühlvorrichtung (188) umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (104) zu mindestens 90 % ihres Innenvolumens mit dem Behandlungsmittel (112) befüllbar ist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (104) einen Deckel (116) zum Verschließen einer Beschickungsöffnung der Behandlungskammer (104) mit dem mindestens einen zu behandelnden Werkstücks umfasst und der Deckel (116) eine Austrittsöffnung aufweist, an welche die Evakuiervorrichtung (122) angeschlossen ist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuiervorrichtung (122) mindestens zwei Unterdruckspeicher (168) umfasst, welche abwechselnd mit der Behandlungskammer (104) und mit dem Vakuumerzeuger (126) in Fluidverbindung stehen.
Verfahren zum Behandeln eines Werkstücks, umfassend Folgendes: - Einbringen mindestens eines Werkstücks in eine Behandlungskammer (104); - Bereitstellen eines Behandlungsmittels (112) in der Behandlungskammer (104); - zyklisches Ändern des Drucks in der Behandlungskammer (104), während das Behandlungsmittel (112) sich in der Behandlungskammer (104) befindet, mittels einer Evakuiervorrichtung (122) und einer Belüftungsvorrichtung (124), wobei die Evakuiervorrichtung (122) einen Vakuumerzeuger (126) umfasst und wobei die Behandlungsvorrichtung (100) eine Ventilanordnung (130) umfasst, mittels welcher die Behandlungskammer (104) zeitweise von der Evakuiervorrichtung (122) abgetrennt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuiervorrichtung (122) mindestens einen Unterdruckspeicher (168), welcher zwischen der Ventilanordnung (130) und dem Vakuumerzeuger (126) angeordnet ist, umfasst.