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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen einer Brennkammer mit
einem Zündkanal
zur thermischen Behandlung von Werkstücken, insbesondere zum thermischen
Entgraten von Werkstücken,
mit einem ein Brenngas und ein Oxidationsmittelgas umfassenden Gasgemisch.
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Bei
thermischen Entgratungsanlagen werden die zu entgratenden Werkstücke in den
Brennraum einer Bearbeitungskammer eingebracht. Nach Verschließen der
Kammer wird in den Brennraum eine zündfähige Mischung aus Brenngas,
beispielsweise Methangas, und Oxidationsmittelgas, beispielsweise
Sauerstoffgas, eingeleitet. Die Vermischung der Gaskomponenten erfolgt
in einem an die Bearbeitungskammer angeflanschten Mischblock. Zur
Einleitung des Gasgemischs dient ein Gaszuführkanal, der bei den bekannten
Anlagen unmittelbar in den Brennraum mündet. Das Gasgemisch wird durch
eine im Mischblock befindliche Zündkerze
gezündet.
Die Flammfront schreitet von der Zündstelle im Zündkanal
des Mischblocks über
den Gaszuführkanal
in den Brennraum fort und entzündet
das in ihm befindliche Gasgemisch. Der Vorgang läuft innerhalb weniger Millisekunden
ab. Durch die freiwerdende Wärme
treten im Brennraum Temperaturen von ca. 3.500°C auf. Kurz nach dem Zünden des
Gasgemischs entstehen im Brennraum auf Grund der Explosion Drücke in der
Größenordnung
von 1.000 bar. Durch den resultierenden Hitzeschock, dem die Werkstücke ausgesetzt
sind, werden bevorzugt deren Ecken und Kanten abgetragen, da diese
Stellen bei großer
Oberfläche
und kleinem Volumen besonders viel Wärme aufnehmen und somit oxidiert
bzw. verbrannt werden.
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In
den vorstehend aufgeführten
Druckschriften wird unter anderem auch das Befüllen der Brennkammer mit dem
Gemisch aus Brenngas und Oxidationsmittelgas beschrieben. Dabei
wird jedoch auf das Problem einer Selbstentzündung des Gasgemischs allenfalls
am Rande eingegangen. Bei der thermischen Behandlung von Werkstücken, insbesondere
dem thermischen Entgraten von Werkstücken, entstehen, wie vorstehend
beschrieben, Verbrennungsprodukte, insbesondere Oxide, die sich nicht
nur in der Brennkammer, sondern auch im Zündkanal niederschlagen. Darüber hinaus
werden die Wandungen von Brennkammer und Zündkanal durch die thermische
Behandlung sehr stark aufgeheizt. Nach einem vorangegangenen thermischen Behandlungszyklus
kann es daher bei der erneuten Befüllung der Brennkammer mit dem
Gasgemisch zu dessen ungewollter Selbstzündung (Frühzündung) kommen.
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Zur
Vermeidung derartiger Selbstzündungen wurden
der Zündkanal
und die Brennkammer während
der Öffnung
der Kammer zum Werkstückwechsel
mit Druckluft ausgeblasen, um die heißen Wandungen zu kühlen und
die Verbrennungsprodukte zu kühlen
bzw. aus der Kammer auszutragen. In den vorstehend angegebenen Druckschriften
sind die hierfür
erforderlichen Druckluft-Leitungen nebst zugehöriger Steuerventile weder beschrieben
noch dargestellt, da sich diese Druckschriften jeweils mit einer anderen
speziellen Problematik befassen.
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Darüber hinaus
offenbart die
DE 197
43 076 C1 ein Verfahren, bei dem die Brennkammer mit zumindest
einer Komponente des Prozessgases gespült wird, um in der Brennkammer
befindliche Luft zu entfernen. Hierzu ist die Brennkammer mit einem Luftauslass
versehen, der geöffnet
ist, wenn die Beaufschlagung der Brennkammer mit Spülgas beginnt und
solange offen bleibt, bis die Luft verdrängt ist. Nach Beendigung des
Spülgangs
wird das Auslassventil geschlossen. Danach wird die andere Prozessgaskomponente
eingeleitet, wobei sich in der Entgratungskammer ein Überdruck
ergibt. Damit ist klar, dass die gesamte Brennkammer geflutet wird,
wobei ein Teil des Prozessgases durch das Auslassventil austritt.
Erst nach dem Spülen
wird das Auslassventil geschlossen, so dass sich eine Druckerhöhung durch
das Prozessgas erst jetzt einstellt.
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Die
DE 37 44 097 C2 offenbart
eine speicherprogrammierbare Steuerung zum Betrieb einer thermischen
Entgratungsanlage. Dort wird insbesondere darauf hingewiesen, dass
das zur Zündung
erforderliche Gasgemisch mittels eines speziellen Dosierzylinders
einer Mischkammer zugeführt
wird.
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Schließlich sei
noch die
DE 37 26 475
C1 genannt, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen
der Menge eines in eine Bearbeitungskammer für Materialien einzubringenden
explosiven Gasgemischs betrifft. Dabei wird vorgeschlagen, dass
in die mit Material bestückte
geschlossene Kammer zunächst
eine vorgegebene geringe Menge eines Gases oder Gasgemisches eingelassen
wird, und dass aus der Differenz zwischen Anfangsdruck und Fülldruck
ein Signal über
das Volumen des in der Kammer befindlichen Materials gewonnen wird,
an Hand dessen die Menge des nachfolgend einzubringenden explosiven
Gasgemisches bestimmt wird. Das hat den Vorteil, dass das jeweilige
Volumen des in die Bearbeitungskammer eingebrachten, zu bearbeitenden
Materials selbsttätig
bestimmt und gegebenenfalls die einzubringende Gasgemischmenge entsprechend
angepasst wird.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten
Art anzugeben, mit dessen Hilfe die Gefahr einer Selbstentzündung des
der Brennkammer zugeführten
Gasgemischs reduziert, wenn nicht gar vollständig ausgeräumt wird, ohne dass hierzu
ein Spülen
mit Druckluft erforderlich wäre.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren zum Befüllen
einer Brennkammer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen beschrieben.
Demnach wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Verfahren
gelöst,
bei dem nach dem Schließen der
Brennkammer der Zündkanal
und die Brennkammer zur Kühlung
derer Wandungen zunächst
nur mit Oxidationsmittelgas befüllt
und das Brenngas erst ab einem späteren Zeitpunkt zugeführt wird.
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Das
Oxidationsmittelgas kühlt
dabei die Wandungen von Zündkanal
und Brennkammer sowie nach dem Schließen der Brennkammer etwaig
verbliebene Oxide ab. Die Abkühlung
erfolgt dabei zum einen auf Grund der niedrigen Temperatur (üblicherweise
Raumtemperatur) des Oxidationsmittelgases sowie ggf. zusätzlich durch
adiabatische Abkühlung des
Oxidationsmittelgases, beispielsweise auf Grund einer Entspannung
nach dem Durchtritt durch eine Drosselstelle (Ventil). Ab dem späteren Zeitpunkt strömt dann
auch das Brenngas zusammen mit dem restlichen Oxidationsmittel zur
Brennkammer. Dabei trägt
die hohe Strömungsgeschwindigkeit
des Brenngases dazu bei, dass sich dieses während der für den Füllvorgang noch verbleibenden
Zeit ausreichend mit dem vorausgeeilten Oxidationsmittelgas vermischt. Nach
Abschluss des Füllvorgangs
kann das Gasgemisch ganz normal, d.h. beispielsweise mittels einer Zündkerze,
gezündet
und somit die thermische Behandlung des Werkstücks eingeleitet werden.
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Gemäß Vorstehendem
wird somit die zur Vermeidung einer Selbstzündung erforderliche Kühlung der
Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken einzig
und allein mittels der zur thermischen Behandlung ohnehin erforderlichen Gase
bewerkstelligt. Daher kann auf eine gesonderte Zufuhr von Druckluft
verzichtet werden. Dies bringt nicht nur Einsparungen bei den Herstellungs-
und Wartungskosten der Anlage, sondern reduziert auch den Raumbedarf
der so ausgestatteten Anlage zur thermischen Behandlung von Werkstücken. Schließlich werden
durch das erfindungsgemäße Verfahren auch
die Prozesskosten gesenkt, da nicht ein zusätzliches Gas, nämlich Luft,
komprimiert werden muss, um die Vorrichtung mit Druckluft spülen zu können, sondern
weil die ohnehin erforderliche Zufuhr von Oxidationsmittelgas gleichzeitig
zum Spülen
der Vorrichtung genutzt wird.
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Um
das erfindungsgemäße Verfahren
steuerungstechnisch möglichst
einfach in die Praxis umsetzen zu können, wird in Weiterbildung
der Erfindung vorgeschlagen, dass das Oxidationsmittelgas zunächst durch
Entspannen eines vorgegebenen und unter einem vorbestimmten Druck
stehenden Volumens an Oxidationsmittelgas und gewünschtenfalls
anschließend
durch Verkleinern des vorgegebenen Volumens zugeführt wird.
Hierdurch wird es möglich,
zur Zuführung
des Brenngases und des Oxidationsmittelgases weiterhin Zylinder-Kolben-Aggregatemitgekoppelten
Kolbenstangen einzusetzen. Die Vorspülung der Vorrichtung zur thermischen
Behandlung von Werkstücken
mit Oxidationsmittelgas kann dabei dadurch erreicht werden, dass
man ein das Arbeitsvolumen des dem Oxidationsmittelgas zugeordneten
Zylinder-Kolben-Aggregats absperrendes Ventil früher öffnet als ein entsprechendes
das Arbeitsvolumen für
Brenngas absperrendes Ventil. Zu dem späteren Zeitpunkt kann dann auch
dieses Ventil geöffnet
und das Brenngas und die Restmenge an Oxidationsmittelgas durch
Verlagerung der gekoppelten Kolben in die Brennkammer ausgeschoben
werden.
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Die
Zufuhr des Brenngases kann entweder durch eine zeitabhängige oder
eine druckabhängige Steuerung
zu dem vorstehend angesprochenen späteren Zeitpunkt eingeleitet
werden, d.h. mit der Zufuhr des Brenngases wird entweder begonnen,
nachdem seit dem Beginn der Zufuhr von Oxidationsmittelgas eine
vorbestimmte Zeitdauer vergangen ist, oder begonnen, wenn der Druck
in einer Zufuhrleitung für
das Oxidationsmittelgas auf einen vorbestimmten Druck abgefallen
ist.
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Eine
ausreichende Kühlung
der Wandungen von Zündkanal
und Brennkammer kann bereits erreicht werden, wenn zwischen dem
Beginn der Zufuhr des Oxidationsmittelgases und dem Beginn der Zufuhr
des Brenngases höchstens
etwa 5 Sekunden, vorzugsweise zwischen etwa 1 Sekunde und etwa 2 Sekunden,
vergangen sind.
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Das
Oxidationsmittelgas kann vorzugsweise Sauerstoffgas sein, während das
Brenngas beispielsweise Methangas oder/und Erdgas oder/und Wasserstoffgas
umfassen kann.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist eine Vorrichtung geeignet, welche eine Steuereinheit umfasst,
welche dazu ausgelegt ist, dass der Brennkammer nach deren Schließen zunächst nur
das Oxidationsmittelgas und das Brenngas erst ab einem späteren Zeitpunkt
zugeführt
wird. Hinsichtlich der Weiterbildungsmöglichkeiten dieser Vorrichtung,
insbesondere deren Steuereinheit, und der damit erzielbaren Vorteile
sei auf die vorstehende Diskussion des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwiesen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel an Hand der
beigefügten
Zeichnung näher
erläutert
werden. Es stellt dar:
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1 eine
grobschematische Darstellung einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung
von Werkstücken.
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In 1 ist
eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken ganz
allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfasst eine Brennkammer 12,
die mittels eines Tellers 14 verschließbar ist. Der Teller 14 kann
in Richtung des Doppelpfeils P gehoben und gesenkt werden. In der
abgesenkten Stellung des Tellers 14, d.h. im geöffneten
Zustand der Brennkammer 12 kann ein der thermischen Behandlung
zu unterziehendes Werkstück 16 auf
dem Teller angeordnet werden, woraufhin der Teller 14 zum
Schließen der Brennkammer 12 wieder
angehoben wird. Anschließend
wird die Brennkammer 12 mit einem Brenngas-Oxidationsmittelgas-Gemisch
gefüllt,
das dann zur Einleitung der thermischen Behandlung des Werkstücks 16 mittels
einer grobschematisch angedeuteten Zündkerze 18 gezündet wird.
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Das
Brenngas B, im vorliegenden Fall Methangas, und das Oxidationsmittelgas
O, im vorliegenden Fall Sauerstoffgas, werden in Vorratsbehältern 20, 22 bereitgestellt,
die über
Absperrventile 24, 26 geöffnet bzw. geschlossen werden
können. Über Zuführleitungen 28, 30 stehen
die Vorratsbehälter 20, 22 mit
Arbeitsräumen 32, 34 einer
als Zylinder-Kolben-Aggregat
ausgebildeten Dosiereinrichtung 36 in Verbindung. Die Arbeitsräume 32, 34 können mittels Absperrventilen 38, 40 geöffnet bzw.
geschlossen werden. Wie viel Brenngas bzw. Oxidationsmittelgas in
die Arbeitsräume 32, 34 eingeleitet
wird, kann mittels Druckregelventilen 42, 44 festgelegt
werden, die in den Leitungen 28, 30 angeordnet
sind. Ferner sind in den Zuleitungen 28, 30 noch
Filter 46, 48 vorgesehen.
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Die
Dosiereinrichtung 36 umfasst neben den Arbeitskammern 32, 34 ferner
eine Antriebskammer 50. In allen drei Kammern 32, 34, 50 sind
Kolben 32a, 34a, 50a aufgenommen, die über eine
Kolbenstange 52 betriebsmäßig fest miteinander verbunden
sind. Von der Dosiervorrichtung 36 führen Zuführleitungen 54, 56 zu
einer in 1 lediglich grobschematisch dargestellten
Mischkammer 58, welche mit der Brennkammer 12 über einen
Zündkanal 60 verbunden
ist. Die Zündkerze 18 ist
im Bereich dieses Zündkanals 60 angeordnet.
In den Leitungen 54, 56 sind ferner Absperrventile 62, 64 und
Rückschlagventile 66, 68 angeordnet.
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Die
Ventile 38, 40, 62, 64 können elektrisch geöffnet werden.
Die Rückstellung
dieser Ventile in ihre geschlossene Stellung kann durch Federkraft oder/und
elektrisch oder/und hydraulisch erfolgen.
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Bei
der Befüllung
der Brennkammer 12 mit einem Gemisch aus Brenngas und Oxidationsmittelgas
wird unter dem Einfluss einer lediglich schematisch dargestellten
Steuereinheit 70 wie folgt vorgegangen: Zunächst werden
die Arbeitsräume 32, 34 über die
Leitungen 28, 30 von den Vorratsbehältern 20, 22 her
mit Brenngas bzw. Oxidationsmittelgas gefüllt, wobei die Kolben 32a, 34a erforderlichenfalls unterstützt durch
entsprechende Beschickung der Arbeitskammer 50 mit Hydraulik-
oder Pneumatikfluid in die in 1 dargestellte
linke Stellung bewegt werden. Die in den Arbeitskammern 32, 34 jeweils aufgenommene
Menge an Brenngas bzw. Oxidationsmittelgas wird zum einen durch
das Volumen der Arbeitsräume 32, 34 und
zum andern durch den in den Arbeitsräumen 32, 34 herrschenden
Gasdruck bestimmt, welcher über
die Drucksteuerventile 42, 44 beeinflusst werden
kann. Nach Erreichen des gewünschten
Füllzustands
der Arbeitsräume 32, 34 werden
diese mittels der Ventile 38, 40 geschlossen.
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Zum
Transfer der Gase in den Brennraum 12 wird nun zunächst das
Ventil 64 geöffnet,
um einen Transfer des Oxidationsmittelgases aus dem Arbeitsraum 34 über die
Zuführleitung 56,
die Mischkammer 58 und den Zündkanal 60 in den
Brennraum zu ermöglichen.
Durch das kühle
und sich zudem adiabatisch entspannende Oxidationsmittelgas werden
die heißen
Wandungen des Zündkanals 60 und
des Brennraums 12 gekühlt.
Das Ventil 62 ist hingegen zunächst noch geschlossen.
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Ist
seit dem Öffnen
des Ventils 64 eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise
eine oder zwei Sekunden vergangen, so wird von der Steuereinheit 70 das
Ventil 62 geöffnet,
so dass nunmehr auch das Brenngas in die Brennkammer 12 eingeleitet
wird. Darüber
hinaus wird der Kolben 50a der Dosiervorrichtung 36 und
mit diesem auch die Kolben 32a und 34a in 1 nach
rechts bewegt, so dass das in der Dosiervorrichtung 36 vorhandene
Brenngas und Oxidationsmittelgas nahezu vollständig in die Brennkammer 12 übergeführt wird.
Nicht zuletzt auf Grund dieser mechanischen/hydraulischen Unterstützung ist
die Strömungsgeschwindigkeit
des Brenngases so groß,
dass es sich trotz des "Vorsprunges" des Oxidationsmittelgases
ausreichend gut mit diesem vermischt, um eine ordnungsgemäße Zündung und ein
gleichmäßiges Abbrennen
des Brenngas-Oxidationsmittelgas-Gemischs zu gewährleisten. Schließlich kann
das Gasgemisch mittels der Zündkerze 18 gezündet werden,
um das Werkstück 16 in
der gewünschten
Weise mittels des brennenden Gasgemischs thermisch zu behandeln,
beispielsweise zu entgraten.
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Alternativ
zu der vorstehend beschriebenen zeitabhängigen Steuerung kann die Steuereinheit 70 die
Zufuhr des Brenngases B auch in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses
eines Drucksensors 72 einleiten. Der Drucksensor 72 erfasst
dabei den in der Zufuhrleitung 56 herrschenden Druck des
Oxidationsmittelgases 0. Mit der Zufuhr von Brenngas B wird
dabei erst dann begonnen, wenn nach dem Öffnen des Ventils 64 der
Oxidationsmittelgas-Druck einen vorbestimmten Druckwert unterschritten
hat.
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Nach
Abschluss der thermischen Behandlung wird der Teller 14 abgesenkt,
um das Werkstück 16 aus
dem Brennraum 12 entnehmen zu können.
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Soll
das Werkstück 16 mehrfach
thermisch behandelt werden, so braucht nach einem ersten Behandlungszyklus
der Brennraum 12 nur kurzzeitig geöffnet zu werden, um den Überdruck
der durch die Verbrennung entstandenen Gase entweichen zu lassen.
Anschließend
kann der vorstehend beschriebene Füll- und Brenn-Zyklus wiederholt
werden.