DE19924696C2 - Ofen mit hoher Abkühlrate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ofen mit Keramikmuffel, Heizelementen, Isoliermaterial und mit außen an der Muffel anliegenden Kühlelementen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf Kühlelemente zur Verwendung in einem solchen Ofen.

Öfen, speziell Rohröfen, die zum schnellen Durchfahren vom Temperaturprogrammen oder Temperaturzyklen geeignet sind, finden unter anderem Anwendung in Prüfmaschinen zur temperaturabhängigen Materialprüfung. Ein Rohrofen zur Temperaturbehandlung von Glasscheiben wird beispielsweise in der US-Patentschrift 5,597,395 erwähnt. Die japanische Offenlegungsschrift JP 8-301628 A beschreibt einen flachen Ofen zum Erhitzen flacher Gegenstände.

Die GB 2 037 368 A befaßt sich mit einem Vergasungsapparat zur Umwandlung von Kohle in kohlenstoffhaltige Gase durch Verbrennung und speziell mit der Innenwand des Abzugsrohres, an der sich Schlacke als Schutzschicht ablagern soll. Damit sich Schlacke ablagern kann, muß unter anderem die Innenwand hinreichend gekühlt werden. Dazu wird das Abzugsrohr in seinem gesamten Umfang mit Kühlmittel umspült.

Für den Fall, daß es auf die Homogenität der im Ofen herrschenden Temperaturverteilung ankommt, sind diese Öfen im allgemeinen als Umluftofen und/oder Muffelöfen mit einer hochwärmeleitfähigen Muffel ausgelegt. Die Förderung des konvektiven Wärmetransports durch das Verquirlen der Luft im Umluftofen bzw. die hohe Wärmeleitfähigkeit der Muffel im Muffelofen dienen dabei dem verbesserten Wärmeaustausch im Ofen. Darüber hinaus läßt sich die Temperaturhomogenität dadurch erhöhen, daß die Ofenkammer nach außen gut isoliert ist. Andernfalls würden permanent große Wärmeströme von den Heizelementen zur Umgebungsluft fließen und im Ofeninneren große Temperaturgradienten verursachen.

Eine gute Wärmeisolierung ist einem möglicherweise erwünschten schnellen Aufheizen förderlich, da die Heizleistung zum größten Teil zur Temperaturerhöhung der Ofenkammer bzw. des eventuell darin befindlichen Glühgutes verwandt wird und nur zum geringen Teil nach außen abgegeben wird. Einem möglicherweise ebenso erwünschten schnellen Abkühlen ist sie aber abträglich, da sie bestimmungsgemäß den Wärmetransport vom Ofeninneren nach außen behindert. Wird eine Möglichkeit zum schnellen Abkühlen gewünscht, ist es daher sinnvoll, zusätzliche Einrichtungen zum Kühlen vorzusehen. Diese können im Fall eines Umluftofens in der Möglichkeit der Frischluftzufuhr von außen bestehen. Im Fall eines Muffelofens ohne Umluft ist dies problematisch, da die nicht erfolgende Verwirbelung der Frischluft in der Ofenkammer wieder Anlaß zu großen Temperaturgradienten geben kann, was sich negativ auf die Temperaturhomogenität auswirkt. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Ofenkammer indirekt abzukühlen, indem man die Muffel kühlt.

Daß die Einrichtung einer Umluft nicht in jedem Fall gewünscht wird, hat mehrere Gründe. Zum einen beinhaltet dies einen technischen Aufwand, z. B. einen heißbereichsgeeigneten Ventilator. Zum anderen bewirkt die Verwirbelung der Luft unter Umständen die Verschleppung von Schmutzpartikeln.

Eine Kühlung der Muffel kann auf mehrere Arten erfolgen. Besteht die Muffel aus einem geeigneten Material, wie z. B. Metall, kann man sie mit parallel zur Innenfläche verlaufenden Bohrungen versehen, durch die ein kaltes Gas bzw. Gasgemisch geleitet wird. Im Falle einer rohrförmigen Muffel ergibt sich im Querschnitt dann ein "revolverartiges" Bild von Längsbohrungen parallel zum Ofeninnenraum. Ein Beispiel für einen solchen Ofen ist der in dem Prüfgerät "Explexor"® eingebaute Ofen der Firma Gabo, Ahlden, dessen hochwärmeleitende Messingmuffel mit Bohrungen versehen ist, die zum einem zur Aufnahme des Kühlmittels und zum anderen zur Aufnahme von Heizelementen bestimmt sind.

Bei Temperaturen über 500°C oder 600°C allerdings verzundern hochwärmeleitende Metalle oder sie sind nur mit aufwendigen Schutzschichten zu betreiben oder aber sehr teuer, wie z. B. Platin. Temperaturbeständige Metalle haben im allgemeinen nicht so hohe Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Als Materialien mit hohem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bieten sich für den Einsatz bei hohen Temperaturen Siliciumcarbid oder siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid als Muffelmaterial an (siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid hat bei 500°C eine Wärmeleitfähigkeit von über 60 W/Km). Dieses Muffelmaterial ist allerdings aufgrund seiner Härte und Sprödheit nur schwer mit Bohrungen zu versehen.

Benutzt man ein hartes und sprödes Muffelmaterial, wie beispielsweise Siliciumcarbid, und will man die Bohrungen vermeiden, muß man die Heiz- und Kühlelemente außen um die Muffel gruppieren. Dies erlaubt immer noch ein schnelles Heizen; ein schnelles Kühlen stößt jedoch auf Schwierigkeiten. Der Grund für die nach wie vor vorhandene Möglichkeit zum schnellen Heizen ist, daß der Wärmetransport von den Heizelementen auf die Muffel im wesentlichen durch die Temperatur der Heizelemente bestimmt wird, die je nach Erfordernis im Rahmen der Belastbarkeit der Heizleitermaterials nach oben gesetzt werden kann, um einen möglichst großen Wärmefluß von den Heizelementen zur Muffel zu erreichen. Dabei ist keine gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Heizelementen und der Muffel erforderlich, da man sich den Wärmetransport durch Strahlung zunutze machen kann. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist die Strahlungsleistung eines heißen Körpers proportional zur vierten Potenz des Temperatur, so daß durch eine entsprechende Temperatur der Heizelemente ein großer Wärmestrom bewirkt werden kann.

Dies ist im Falle der Kühlung anders, insbesondere im Temperaturbereich um Raumtemperatur, da dort wegen der niedrigen Temperatur des Kühlmittels quasi kein Wärmetransport durch Strahlung erfolgt. Eine aus locker an die Muffel angelegten Kühlrohren bestehende Kühlvorrichtung, durch die Preßluft bzw. flüssiger Stickstoff geleitet werden kann, erweist sich im allgemeinen als nicht ausreichend, um den Ofen mit ähnlichen Geschwindigkeiten abzukühlen, wie er aufgewärmt wurde.

Die DE 26 18 434 B2 betrifft eine Kühleinrichtung für einen intermittierend betriebenen Ofen, d. h. einen Ofen, mit dem nicht nur geheizt, sondern auch aktiv gekühlt wird. Um einen Ofeninnenraum ist eine herkömmliche Kühlschlange gewickelt. Die Kühlschlange ist Bestandteil einer besonderen Kühleinrichtung, die über Kondensationsbehälter und nicht volumetrisch fördernde Pumpen mit einem Minimum an Regelungsaufwand gewährleistet, daß die zulässige Abkühlungsgeschwindigkeit des Ofens nicht überschritten wird. Dem Ausführungsbeispiel ist zu entnehmen, daß die Kühlschlange, abgesehen von ihrer tangentialen Berührungslinie mit der Außenfläche der Ofeninnenraumwand, von Luft umgeben ist. Die Kühlung des Ofeninnenraums findet zu einem überwiegenden Teil indirekt über Wärmeleitungen vom Ofeninnenraum zur Luft und von der Luft zu den Kühlschlangenwindungen statt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Ofen bereitzustellen bzw. geeignete Kühlelemente bereitzustellen, damit bei möglichst hoher Temperaturhomogenität Abkühlraten erreicht werden, die den Aufheizraten vergleichbar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ofen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Kühlelement gemäß Anspruch 13.

Die Kühlelemente im erfindungsgemäßen Ofen bzw. die erfindungsgemäßen Kühlelemente werden durch die Bohrung mit einem Kühlmittel, beispielsweise Gas oder flüssigem Stickstoff, beschickt und erlauben durch die zur Außenfläche der Muffel komplementären Kontaktflächen, d. h. Kontaktflächen, die formschlüssig mit dem zu kühlenden Gegenstand in Eingriff stehen, einen guten Wärmeaustausch, der durch die besondere Form des Querschnittes des Profilrohres noch verbessert wird. Die Kontaktfläche wird zusätzlich vergrößert, indem seitlich an der Kontaktfläche der Kühlelemente und parallel zur mindestens einen Bohrung ein oder zwei Kühlflansche ausgebildet sind. Deren dem zu kühlenden Gegenstand oder der Muffel zugewandten Fläche ist komplementär zur Außenwand des zu kühlenden Gegenstandes bzw. der Muffel und setzt die Kontaktfläche fort. Dadurch wird gewährleistet, daß mehr Wärme in das Kühlelement hineinfließen kann und die Abkühlrate sich erhöht. Die Fokussierung der Wärmestromdichte geschieht dadurch, daß das Material des Profilrohres so verteilt ist, daß sich möglichst viel Material an der Kontaktfläche zur Muffel befindet und sozusagen die Wärme einsammelt und zur mit Kühlmittel durchflossenen Bohrung hin das Material sich unmittelbar um die Bohrung herum befindet. Dadurch wird insgesamt die Abkühlrate erhöht.

Zur Verbesserung des Fokussiereffektes hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einstückig ausgebildete Kühlelemente zu verwenden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die die Kühlelemente bildenden Profilrohre einen Querschnitt auf, der im wesentlichen dreieckig ist. Die mindestens eine Bohrung ist dabei in der der Kontaktfläche abgewandten Spitze angeordnet, so daß der Wärmestrom durch die Materialverteilung entlang des Temperaturgradienten auf die Bohrung zugeführt wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, wenn der oder die Kühlflansche einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Dabei ist vorzugsweise die Höhe des Dreiecks geringer als die Gesamthöhe des Kühlelementes. Das Profilrohr hat dann sozusagen Trichterfunktion und zwar dadurch, daß über die durch die Kühlflansche vergrößerte Kontaktfläche eine große Wärmemenge eingesammelt wird und zur Bohrung oder den Bohrungen hin auf eine Fläche fokussiert wird, die dem Längsschnitt durch die Bohrung oder Bohrungen entspricht.

Innerhalb des erfindungsgemäßen Ofens sind die Rohrprofile parallel zur Längsachse angeordnet, um eine möglichst hohe Temperaturhomogenität zu erreichen. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Profilrohre senkrecht zur Längsachse anzuordnen oder auch als Kühlschlange um die Muffel herum zu winden.

Vorzugsweise sind die Kühlelemente im Ofen bis auf die Kontaktfläche von Isoliermaterial umgeben. Durch den großen Unterschied im Wärmeleitungskoeffizienten zwischen einem Wärmeisolationsmaterial und einem Wärmeleiter, wirken die Grenzflächen zwischen Kühlelement und Isolation auf den Wärmestrom wie eine undurchdringbare Wand, so daß die ganze Wärme aus der Muffel und nur die Wärme aus der Muffel auf die Bohrung zugeführt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ofen als Rohrofen mit rohrförmigen Muffel ausgebildet. In diesem Fall ist die Kontaktfläche der Kühlelemente zylindrisch konkav ausgebildet, wobei der Krümmungsradius dem Außenradius der Muffel entspricht. Eine andere Ausführungsform ist beispielsweise ein flacher Ofen. Im übrigen muß es sich bei dem Ofen nicht zwingend um einen reinen Muffelofen handeln, er kann auch einen Umluftventilator aufweisen.

Bevorzugt werden Muffeln aus Siliciumcarbid oder Silicium-infiltriertem Siliciumcarbid und Kühlelemente aus Metall, insbesondere Hochtemperaturstahl, beispielsweise NCT3, das eine gute Wärmeleitfähigkeit (19 W/Km bei 500°C) für einen Hochtemperaturstahl besitzt. Dadurch kann der Ofen problemlos bei Temperaturen über 500° bis 600°C eingesetzt werden.

Herstellen lassen sich mehrere, einstückige Kühlelemente mit Kontaktflächen, wie sie hier beschrieben wurden, folgendermaßen: Es wird ein Halbzeug gewählt, das eine Fläche aufweist, die an die Außenfläche des zu kühlenden Gegenstandes angepaßt ist. In dieses Halbzeug werden parallele Bohrungen eingebracht, die auch zu besagter Außenfläche, die die Kontaktfläche des Kühlelementes bilden wird, parallel verlaufen. Pro Kühlelement wird dabei mindestens eine Bohrung eingebracht.

Zwischen zwei benachbarten Bohrungen, die zu zwei unterschiedlichen Kühlelementen gehören, wird Material entfernt, wobei die einzelnen Kühlelemente nach wie vor über die Kontaktflächen zusammenhängen. Bei Kühlelementen mit mehr als zwei Bohrungen hängt es vom Abstand zwischen den einzelnen Bohrungen ab, ob dort auch Material abgetragen wird oder nicht. Vorzugsweise geschieht das Materialentfernen durch Fräsen.

Im letzten Schritt werden die Kühlelemente vereinzelt. Dies hat den Vorteil, daß sich durch das Bohren an dem massiven Halbzeug bedeutend weniger Materialverzug ergibt als es beim Bohren am Einzelprofil der Fall wäre.

Vorteilhaft ist es, die Kühlelemente in ihren Bohrungen mit Innengewinden zu versehen, da sie dann mit Rohren verbunden werden können, die aus dem Ofen herausführen und an deren anderem Ende sich die Anschlüsse für die Zu- bzw. Ableitung des Kühlmittels befinden.

Handelt es sich bei dem zu kühlenden Gegenstand um einen zylindrischen Gegenstand, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, als Halbzeug ein Rohr zu verwenden, dessen Innendurchmesser den Außendurchmesser des zu kühlenden Gegenstandes entspricht. Die Bohrungen werden parallel zur Rohrachse eingebracht, auch das Entfernen des Materials zwischen Bohrungen kann durch geradliniges Fräsen bewerkstelligt werden, was die Herstellung insgesamt vereinfacht.

Als Material für die Kühlelemente eignet sich vor allem Metall sehr gut, da es sich leicht verarbeiten läßt. Besonders bewährt haben sich Hochtemperaturstähle, wie z. B. sogenannter NCT3-Stahl, der einen für Hochtemperaturstähle und Wärmeleitungskoeffizienten aufweist.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren weiter erläutert werden, wobei

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Muffelofen und

Fig. 2 aus einem Rohr hergestellte Kühlelemente darstellt.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen zylindrischen Rohrofen 1 senkrecht zur Zylinderachse. Bei dem Rohrofen 1 handelt es sich um einen aus zwei Längshälften bestehenden, aufklappbaren Rohrofen 1 mit an den Stirnseiten (hier nicht dargestellt) eingebrachten Bohrungen zur Aufnahme einer unteren und einer oberen Probehalterung. Die Muffel 2 besteht aus zwei Halbschalen 2a, b aus siliciuminfiltrierten Siliciumcarbid, die zusammen ein Rohr bilden. Jede Siliciumcarbid-Halbschale 2a, b ist von je einer weiteren Halbschale 5a, b aus Calciumsilicat umfaßt, in der sich längslaufende Nuten zur Aufnahme von Heizelementen 4 und Kühlelementen 3 befinden. Die Calciumsilicathalbschalen 5a, b dienen dabei als Isoliermaterial.

Die Heizelemente 4 bestehen aus Heizleiterwicklungen, die aus Gründen der elektrischen Isolierung von Röhrchen aus Silimantit, einem Aluminiumsilicat, umgeben sind. Da die Heizelemente 4 und die Muffel 2 sich nur tangential berühren, findet der Wärmetransport von dem Heizelement 4 zur Muffel 2 über Strahlung statt. Bei den Kühlelementen 3 hingegen ist die Kontaktfläche zwischen Kühlelement 3 und Muffel 2 wegen der seitlich an den Kühlelementen 3 ausgebildeten Kühlflansche 33 erheblich größer und der Wärmetransport findet über Wärmefluß statt. Auf die Kühlelemente 3 wird in Fig. 2 weiter eingegangen werden.

Um die Calciumsilicat-Halbschalen 5a, b herum befindet sich eine Isolierschicht 6 aus keramischen Fasern. Diese Isolierschicht 6 steht unter einem gewissen Druck, der die Calciumsilicat-Halbschalen 5a, b und damit auch die Kühlelemente 3 an die Muffel 2 preßt. Zusammengehalten wird der Rohrofen 1 durch ein außenliegendes Metallgehäuse 7, in dem die Muffeln 2 mittels metallischer Zuganker (nicht dargestellt) befestigt sind. Insgesamt verfügt jede Muffelhälfte über sechs Heizelemente (H) 4 und drei Kühlelemente (K) 3, die über den Umfang nach dem Schema H-K-H-H-K-H-H-K-H verteilt sind.

Mit dem hier dargestellten Ofen läßt sich bei Zuführung von Preßluft mit 3 bar im Temperaturbereich bis hinunter zu 250°C eine Kühlrate von 5 K/min erreichen. Ein herkömmlicher Ofen, in dem anstelle der erfindungsgemäßen Kühlelemente einfache Kühlrohre verwendet wurden, erreichte unter gleichen Voraussetzungen nur eine Kühlrate von 1,5 K/min.

In Fig. 2 sind Kühlelemente 3 dargestellt, wie sie im Rohrofen 1 aus Fig. 1 verwendet wurden. Sie wurden aus einem Rohr hergestellt, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Muffel 2 entspricht und sind so angeordnet, wie sie vor ihrer Vereinzelung angeordnet waren. Durch die gestrichelte Linie ist der Außenumfang des ursprünglichen Rohres angedeutet. Jedes Kühlelement 3 weist eine Bohrung 31 auf, eine Kontaktfläche 32, die im eingebauten Zustand der Muffel 2 zugewandt ist, sowie zwei rechts und links von der Bohrung 31 und in Fortsetzung der Kontaktfläche 32 angeordnete Kühlflansche 33 mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt, wobei die Dreieckshöhe h relativ zur Gesamthöhe H des Kühlelementes 3 sehr klein ist. Der Durchmesser D der Bohrung 31 ist derart dimensioniert, daß er ungefähr ein Drittel der Breite B der Kontaktfläche 32 des Kühlelementes 3 ausmacht. Dies sowie die Tatsache, daß das Kühlelement 3 derart ausgebildet ist, daß es quasi aus einer Kühlmittelleitung 31 sowie einer Kontaktfläche 32 besteht, die durch die Kühlflansche 33 noch vergrößert wird, führen dazu, daß nicht nur die Kontaktfläche 32 zur Muffel 2 sehr groß ist, sondern auch daß die Wärmestromdichte auf die Bohrung 31 fokussiert wird. Wegen seiner guten Verarbeitbarkeit sowie seiner bei hoher Temperaturbeständigkeit relativ hohen Wärmeleitfähigkeit sind die hier dargestellten Kühlelemente 3 aus sogenanntem NCT3-Stahl hergestellt.

Bezugszeichen

1

Rohrofen

2

Muffel
2a, b Halbschale aus Siliciumcarbid

3

Kühlelement

4

Heizelement

5

Erste Isolierschicht
5a, b Halbschale aus Calciumsilicat

6

Zweite Isolierschicht

7

Metallgehäuse

31

Bohrung

32

Muffel zugewandte Seite

33

Kühlflansch

Claims (13)

1. Ofen mit Keramikmuffel, Heizelementen, Isolationsmaterial und außen an der Muffel anliegenden Kühlelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (3) als Profilrohre mit mindestens einer Bohrung (31) und einer zur Außenfläche der Muffel (2) komplementären Kontaktfläche (32) ausgebildet sind und an den Kühlelementen (3) seitlich an der Kontaktfläche (32) und parallel zur mindestens einen Bohrung (31) ein oder zwei Kühlflansche (33) ausgebildet ist, deren der Muffel (2) zugewandte Fläche zur Außenwand der Muffel (2) komplementär ist und die Kontaktfläche (32) fortsetzt, so daß der Querschnitt der Profilrohre derart ausgebildet ist, daß der von der Muffel (2) ausgehende Wärmestrom direkt auf die Bohrung (31) fokussiert wird.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (3) einstückig ausgebildet sind.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kühlelemente (3) im wesentlichen Dreiecksgestalt hat, wobei die mindestens eine Bohrung (31) in der der Muffel (2) abgewandten Spitze angeordnet ist.

4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die beiden Kühlflansche (33) einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Höhe des Dreiecks geringer ist als die Gesamthöhe des Kühlelementes (3).

5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre parallel zur Längsachse der Muffel (2) angeordnet sind.

6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (3) bis auf die Kontaktfläche (32) von Isolationsmaterial (5a, b, 6) umgeben sind.

7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Kühlelement (3) zwischen zwei Heizelementen (4) angeordnet ist.

8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen als Rohrofen (1) mit rohrförmiger Muffel (2) ausgebildet ist.

9. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffel (2) aus Siliciumcarbid oder Silicium-infiltriertem Siliciumcarbid hergestellt ist.

10. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (3) aus Metall sind.

11. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (3) aus Hochtemperaturstahl sind.

12. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (3) aus NCT3-Stahl sind.

13. Kühlelement zur Verwendung in einem Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es als Profilrohr mit mindestens einer Bohrung (31) und mit einer an die Außenfläche der der Muffel (2) angepaßten Kontaktfläche (32) ausgebildet ist und seitlich an der Kontaktfläche (32) und parallel zur mindestens einen Bohrung (31) ein oder zwei Kühlflansche (33) ausgebildet sind, deren dem zu kühlenden Gegenstand zugewandte Fläche zur Außenwand des zu kühlenden Gegenstandes komplementär ist und die Kontaktfläche (32) fortsetzt, so daß der Querschnitt des Profilrohres derart ausgebildet ist, daß der von dem zu kühlenden Gegendstand ausgehende Wärmestrom direkt auf die mindestens eine Bohrung (31) fokussiert wird.