DE3736701A1 - Verfahren und vorrichtung zum dosieren eines gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren eines Gases insbesondere für die Gasversorgung eines Va­ kuumofens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Vakuumöfen zur chemischen Behandlung von Metallen und anderen Stoffen werden mit kleinen Gasmengen in wiederhol­ baren Dosierungen von beispielsweise bis zu 0,2 dm³/s bei sich dynamisch ändernden Durchflußwerten versorgt. Dazu ist es bekannt, die Dosierung über die Steuerung vor­ gegebener Werte beispielsweise über eine indirekte Beein­ flussung des Gasdurchflusses über entsprechend reagierende thermische Widerstände zu bewirken, die über elektronische Einrichtungen angesteuert werden. Vorrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind beispielsweise von der Firma MKS in München erhältlich.

Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch mit einem hohen technischen Aufwand verbunden, arbeiten mit verhältnis­ mäßig großen Abweichungen zwischen den erwartenden und den ange­ nommen Durchflußwerten und weisen nur einen begrenzten Do­ sierungsbreite des Gasdurchflusses auf.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren eines Gases insbesondere für die Gasversorgung eines Vakuumofens zu schaffen, die den Anforderungen der chemischen Wärmebehandlung in Vakuumöfen genügen, d. h. eine hohe Meßgenauigkeit bei der Messung des Gasdurchflusses sowie eine dementsprechende hohe Genauigkeit der Steuerung des Gasdurchflusses und der Reproduzierbarkeit der Dosierung haben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei dem er­ findungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vor­ richtung durch die Ausbildung ausgelöst, die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 bzw. 4 angegeben ist.

Besonders bevorzugte Ausbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3 bzw. der Patentansprüche 5 bis 13.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einem schematischem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 schematisch die Aufteilung der Gas­ kanäle in Gruppen und Fig. 3 ein Beispiel der Ausbildung der Gaskanäle.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt ein Gehäuse 1, in dem eine Vorkammer 2 und eine Nachkammer 3 ausgebildet sind, die über eine Vielzahl von Gaskanälen 4 miteinander verbunden sind. Der Ausgang der Nachkammer 1 wird mit der zu versorgenden Einheit bei­ spielsweise einem Vakuumofen 5 verbunden. Dem Eingang der Vorkammer 2 ist ein Absperrventil 6 vorgeschaltet, daß mit einer nicht dargestellten Gasversorgungsquelle verbunden ist. In der Vorkammer und in der Nachkammer sind Druckfühler 8 angeordnet, deren Ausgangssignale an einem Differenzdruckreg­ ler 7 liegen, der das Absperrventil 6 ansteuert. Das Ab­ sperrventil öffnet und schließt vorzugsweise impulsförmig, wobei die Impulsfrequenz von einem nicht dargestellten Zeit­ geber vorgegeben ist. Der Differenzdruckregler 7 kann auf den Zeitgeber so einwirken, daß über eine Steuerung der Im­ pulsfrequenz zum Schalten des Absperrventils 6 die Druck­ differenz zwischen der Vor- und Nachkammer 2, 3 kostant gehalten wird.

Die Gaskanäle 4, die Vorkammer 2 und die Nachkammer 3 verbinden, sind so ausgebildet, daß die hindurchgehende Gasströmung bei allen in Frage kommenden Strömungsgeschwindigkeiten laminar ist. Das kann anhand der Reynold′schen Zahl, der Sutherland′­ schen Konstanten sowie der dynamischen Viskosität für verschiedene Ga­ se festgelegt werden. Da bei einer laminaren Strömung die Durchflußmen­ ge durch die Strömungskanäle bei sonst unveränderten Betriebsbe­ dingungen nur von der Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Kanäle abhängt, kann über eine ent­ sprechende Regelung dieser Druckdifferenz durch den Differenz­ druckregler 7 ein Grundwert der Gasdosierung eingestellt und konstant gehalten werden. Durch eine entsprechende Beeinflussung des Druckes in der Vorkammer über die An­ steuerung des Absperrventils 6 kann über eine gewisse Ver­ zögerung einer Anpassung an einen vorgegebenen Druckdifferenz­ wert erreicht werden.

Es können weitere nicht dargestellte Temperatur- und Druck­ überwachungseinrichtungen vorgesehen sein, die zusätzlich dazu dienen, den Gasdurchsatz d. h. den Grundwert der Dosierung konstant zu halten. Die den Gasdurchfluß über­ wachende Steuereinrichtung, die gleichfalls nicht darge­ stellt ist, kann automatisch über ein einschriebenes Pro­ gramm arbeiten oder mit einer zentralen den Prozeß in der Einrichtung 5 führenden Überwachungs- und Steueranlage ver­ bunden sein, die entsprechende Parameterwerte zur Steuerung des Gasdurchflusses liefert.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Höhe des Vakuums in der zu versorgenden Vakuumeinrichtung beispielsweise in dem Vakuumofen 2 hPa bis 10 hPa betragen kann.

Wie es insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist sind die Gasdurchlaßkanäle 4 zwischen der Vorkammer 2 und der Nachkammer 3 in Gruppen 4.1 . . . 4 i jeweils zusammenge­ faßt, die mit nicht dargestellten Sammelleitungen ver­ bunden sind, die in der Nachkammer 3 münden und in denen beispielsweise Magnetventile angeordnet sind, die wahl­ weise geöffnet oder geschlossen werden können. Die An­ zahl der Gaskanäle in jeder Gruppe kann dabei so gewählt sein, daß sie einem Wert eines Zahlensystems entspricht. Beim dualen System können beispielsweise 1024 Gaskanäle vorgesehen sein, die jeweils in Gruppen von 1, 2, 4, 8, 16....256, 512 mit einer Sammelleitung verbunden sind, wie es schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Durch diese Ausbildung ist eine digitale Dosierung möglich, da durch entsprechende Kombinationen geöffneter und geschlossener Ventile der Sammelleitungen alle Werte zwischen 0 und 1024 erreicht werden können und somit eine Dosierung in Schritten von Promill möglich ist.

Es können zusätzliche Drucküberwachungs- und Tempe­ raturregeleinrichtungen für die Plattenblöcke vorgesehen sein, mit denen der Druck über dem laminaren Strömungsweg zusätzlich beeinflußt werden kann. Über die Temperaturre­ geleinrichtungen kann insbesondere ein die Kanäle liefern­ de Plattenblock beispielsweise auf eine Temperatur von bis zu 2000°C aufgeheizt werden, so daß zur Erzeugung des Gases, dessen Durchsatz zu dosieren ist, von pulverförmigen Fest­ stoffen ausgegangen werden kann, die aufgrund der hohen Tem­ peratur zunächst vergast werden, woraufhin die Dosierung der gebildeten Gase in der gewünschten Weise erfolgt.

Wenn insbesondere mehrere Plattenblöcke in Strömungs­ richtung hintereinander mit dazwischen ausgebildeten Zwi­ schenräumen vorgesehen sind, ist es möglich, durch eine entsprechende Temperaturverteilung an den einzelnen Blöcken zunächst eine Vergasung der pulverförmigen Feststoffe zu bewirken und anschließend über die nachgeschalteten Blöcke die gewünschte Dosierung zu erreichen.

Bei mehreren kaskadenartig hintereinander geschalteten Plattenblöcken mit Gaskanälen ist die Ausbildung derart, daß sich ein Druckabfallsystem ergibt, dessen Gesamtdruck­ abfall annähernd gleich der Summe der Druckabfälle der ein­ zelnen Plattenblöcke ist.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, können die Gaska­ näle 4 dadurch gebildet sein, daß Platten mit halbkreis­ förmigen Kanälen 9 paßgenau zusammengelegt werden, wobei die Kanalgruppen 4.1...4i durch eine entsprechende Zusammen­ fassung der Platten zu Blöcken gebildet werden können. Die Platten bestehen vorzugsweise aus einem Metall, einem Keramikmaterial oder Glas.

Die Gaskanäle können in der oben beschriebenen Weise einfach und mit geringen Kosten ausgebildet werden, so daß sich eine kostengünstige Fertigung bei hoher Dosierungs­ genauigkeit ergibt. Die Platten können weiterhin bei Ver­ unreinigung ausgewechselt und gereinigt werden.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Vorrrichtung arbeitet in der folgenden Weise. Ein Grundwert der Gasdosierung wird durch eine entsprechende Regelung des Differenzdruckes zwischen der Vorkammer 2 und der Nachkammer 3 über den Differenzdruck­ regler 7 eingestellt. Dieser Grundwert ist variabel und hängt nur von dem genannten Druckunterschied ab, der seinerseits über eine Steuerung des Druckes in der Vor­ kammer 2 mittels des in seiner Frequenz steuerbaren Ab­ sperrventils 6 einstellbar ist. Der Druck in der Vorkammer 2 ist höher als der Druck in der Nachkammer 3.

Da die Gasströmung in den Gaskanälen laminar ist und der Gasdurchsatz nur von der Druckdifferenz zwischen dem Eingang der Gaskanäle 4 in der Vorkammer 2 und dem Ausgang der Gaskanäle 4 in der Nachkammer 3 abhängt, ergibt sich somit eine Gasströmung mit konstant dosiertem Gas­ durchsatz nach Maßgabe des genannten Grundwertes. Dieser Gasstrom wird der zu versorgenden Einrichtung,beispiels­ weise dem Vakuumofen 5 zugeführt.

Geichzeitig wird die Temperatur der gesamten Anlage überwacht und gesteuert.

Ausgehende von diesem Grundwert der Dosierung ist es dann über eine entsprechende Öffnung und Schließung einer Kombination von Ventilen der Sammelleitungen d. h. über die Öffnung einer entsprechenden Anzahl von Gaskanälen möglich, eine Feindosierung in kleinen Schritten auszu­ führen, die bei einer entsprechenden Ausbildung, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, eine digitale Dosierung sein kann, deren Genauigkeit und Annährung an eine stufenlose Dosierung durch die Anzahl der Gaskanäle gegeben ist. Dabei ergibt sich eine hohe Reproduzierbarkeit der Gasdosierung.

Die Vorrichtung enthält mindestens ein für ein bestimmtes Gas oder Gasgemisch ausgelegtes Durchflußsystem, so daß das Material der Platten, in denen die Gaskanäle ausgebil­ det sind, ein für die jeweilige Gasart und Arbeitstemperatur neutrales Verhalten zeigen muß. Bei einer Verschmutzung der Gas­ kanalblöcke können diese ausgewechselt, auseinandergenommen und gesäubert werden.

Die Gaskanalblöcke können somit in Form einer aus­ wechselbaren Einlage ausgebildet sein, die ggf. beispiels­ weise bei einer Verschmutzung oder auch bei einem Übergang zu einer anderen Gasart ausgewechselt werden können.

Claims (13)

1. Verfahren zum Dosieren eines Gases inbesondere für die Gasversorgung eines Vakuumofens, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Grundwert der Gasdosierung da­ durch eingestellt wird, daß die Druckdifferenz über einer Störmungswegstrecke wenigstens eines laminaren Gasströmungs­ weges im Gasleitungssystem von einer Gasversorgungsquelle zum Gasauslaß auf einem entsprechenden Wert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine schrittweise Feindosierung dadurch erfolgt, daß eine entsprechende Anzahl von Gas­ strömungswegen geöffnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einstellung des Grundwertes der Gasdosierung dadurch erfolgt, daß der Druck auf der Seite der Gasversorgungsquelle so geregelt wird, daß sich die gewünschte Druckdifferenz über der Strömungswegstrecke ergibt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (1) eine Vorkammer (2) mit einem Gasein­ laß und einer Nachkammer (3) mit einem Gasauslaß ausge­ bildet sind, die über wenigstens einen Gaskanal (4) mit­ einander verbunden sind, wobei in der Vor- und Nachkammer (2, 3) jeweils ein Druckfühler (8) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal an einem Differenzdruckregler (7) liegt, der die Druckdifferenz über dem Gaskanal (4) konstant hält, und der Gaskanal so ausgebildet ist, daß die durchgehende Gasströmung bei den in Frage kommenden Strömungsgeschwin­ digkeiten laminar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeich­ net durch ein Absperrventil (6), daß dem Gaseinlaß in der Vorkammer (2) vorgeschaltet ist und pulsierend von einem Zeitglied gesteuert öffnet und schließt, wo­ bei der Differenzdruckregler (7) die Druckdifferenz über dem Gaskanal (4) durch eine entsprechende Steuerung des Zeitgliedes und damit der Impulsfrequenz des Absperrventiles (6) konstant hält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekenn­ zeichnet durch Temperatur- und Drucküberwachungs­ und -regeleinrichtungen für die gesamte Vorrichtung zur zu­ sätzlichen Beeinflußung der Druckdifferenz über dem Gaska­ nal (4).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas­ kanäle (4) gruppenweise mit Sammelleitungen jeweils ver­ bunden sind, die in der Nachkammer (3) münden und in denen Ventile liegen, die wahlweise geöffnet oder ge­ schlossen werden können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventile in den Sammelleitungen Magnetventile sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zahl der Gaskanäle (4) in den Gruppen(4i)jeweils gleich den in einem Zahlensystem benutzten Zahlenwerten ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, ge­ kennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die über ein eingeschriebenes Programm oder in Abhängigkeit von gemessenen Parameterwerten, die von einer den Prozeß in der mit Gas zu versorgenden Einrichtung steuernden Über­ wachungs- und Steuereinheit kommen, die Gasdosierung steuert und mit dem Differenzdruckregler (7) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas­ kanäle (4) dadurch gebildet sind, daß Platten mit halbkreisförmigen Kanälen in den Außenflächen paßgenau zusammengefügt sind, wobei die Platten aus einem Metall, einem Keramikmaterial oder Glas bestehen und zu Kanalblöcken (4 i) zur Verbindung mit den Sammelleitungen zusammenge­ faßt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in den Platten ausge­ bildeten Gaskanäle (4) kurze laminare Durchlaufkanäle sind und Plattenblöcke in Durchflußrichtung mit dazwischen vor­ gesehenen Zwischenräumen kaskadenartig angeordnet sind, derart, daß sich ein Druckabfallsystem ergibt, dessen Ge­ samtdruckabfall annähernd gleich der Summe der Druckabfälle der einzelnen Plattenblöcke ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gaskanal (4) in einer auswechselbaren Einlage ausgebildet ist.