DE68907072T2

DE68907072T2 - Vakuumofen für thermische Behandlungen.

Info

Publication number: DE68907072T2
Application number: DE1989607072
Authority: DE
Inventors: Hajime Ishimaru
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1988-02-15
Filing date: 1989-02-14
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2009-02-15
Also published as: JPH01208414A; EP0329378A3; JP2777798B2; EP0329378B1; EP0329378A2; DE68907072D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumofen für thermische Behandlungen, und insbesondere auf einen Vakuumofen für thermische Behandlungen, welcher sehr beständig gegen thermische Behandlungen ist, die auf Komponenten von Teilchenbeschleunigern angewandte Hitzeaushärtungsbehandlungen umfassen, und der in der Lage ist, diese thermische Behandlung mit hoher Effizienz auszuführen.
Herkömmliche Vakuumöfen für thermische Behandlungen, bei welchen eine Hitzeschildverkleidung und ein zum Erhitzen des Innenraums der Verkleidung ausgelegter Erhitzer in einer Vakuumkammer vorgesehen sind, sind bereits bekannt. Bei derartigen Vakuumöfen für thermische Behandlungen besteht die Vakuumkammer normalerweise aus Stahlmaterialien mit hohen Schmelzpunkten, umfassend gewöhnlichen Stahl und rostfreien Stahl.
Diese Stahlmaterialien weisen eine hohe Wärmeabstrahlungsrate und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, und daher ist zwischen der Vakuumkammer und der darin angeordneten Hitzeschildverkleidung ausreichend Raum vorgesehen, so daß diese Stahlmaterialen der von dem heißen Bereich für thermische Behandlungen übertragenen Wärme standhalten können. Ferner ist eine Kühlleitungseinrichtung zum Kühlen der Wand der Vakuumkammer vorgesehen.
Aus den vorhergenannten Gründen hat bei herkömmlichen Vakuumöfen für thermische Behandlungen die Vakuumkammer größere Abmessungen angenommen, und eine große Kühlwassermenge mußte in die Kühlleitungseinrichtung eingeleitet werden; sie wurden daher sehr teuer.
Gemäß einem Gesichtspunkt sieht die Erfindung einen Vakuumofen für thermische Behandlungen vor mit
- einer Hitzeschildverkleidung, welche einen inneren Bereich für thermische Behandlungen festlegt, welche durch ein isolierendes Trageelement getragen ist, und welche innerhalb einer Vakuumkammer mit einem Anschluß für ein Vakuumablaßsystem derart angeordnet ist, daß der innere Bereich für thermische Behandlungen von der Vakuumkammerwand beabstandet ist,
- einem elektrischen Erhitzer zum Erhitzen des Bereichs für thermische Behandlungen, und
- einer Elektrizitäts-Versorgungsverbindung zu dem Erhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, und daß die innere Wandoberfläche der Vakuumkammer eine glatte Oberflächenbeschaffenheit aufweist.
Wenigstens in bevorzugten Ausführungsformen kann die Erfindung einen Vakuumofen für thermische Behandlungen vorsehen, bei welchem die Fehler der herkömmlichen Einrichtungen bezüglich der Größe und der Kosten beseitigt sind, und bei welchem eine Verkleinerung der Vakuumkammer und ein Weglassen oder eine Vereinfachung des Kühlsystems durch eine Verbesserung des Materials der Vakuumkammer erreicht werden kann. Der Ofen ist hochbeständig gegen thermische Behandlungen, umfassend Hitzeaushärtungsbehandlungen, und kann die thermische Behandlung mit hoher Effizienz ausführen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Vertikalschnitts einer der Ausführungsformen eines Vakuumofens für thermische Behandlungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 und 3 teilweise geschnitten dargestellte Ansichten einer abgeänderten Ausführung des Kühlsystems des in Fig. 1 dargestellten Vakuumofens für thermische Behandlungen sind.
In den Zeichnungen sind die Aufführungsformen der Erfindung dargestellt, und die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
Fig. 1 ist eine Ansicht eines Vertikalschnitts einer der Ausführungsformen des Vakuumofens für thermische Behandlungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
In diesem Beispiel ist eine von einem aus Keramik oder einem anderen Material bestehenden Trageelement 3 getragene Hitzeschildverkleidung 4 in einer Vakuumkammer 2 mit einem Verbindungsabschnitt 1 zu einem Vakuumablaßystem vorgesehen. Die äußere Oberfläche dieser Hitzeschildverkleidung 4 ist von der inneren Wandoberfläche 2a der Vakuumkammer 2 durch einen Raum 5 isoliert.
Innerhalb der Hitzeschildverkleidung 4 ist ein Bereich 6 für thermische Behandlungen vorgesehen, und ein aus einem Wolframdraht, einem Chromnickeldraht oder dgl. bestehender und zum Erhitzen des Bereichs 6 für thermische Behandlungen ausgelegter elektrischer Erhitzer 7 ist in die Wand der Hitzeschildverkleidung 4 eingebettet. Der Erhitzer 7 ist mit einem Elektrizitätsversorgungssystem 8 verbunden.
In dem Vakuumofen für thermische Behandlungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Vakuumkammer aus Aluminiummaterial (Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, deren Hauptbestandteil Aluminium ist), und die innere Wandoberfläche der Vakuumkammer 2 weist eine glatte Oberflächenbeschaffenheit auf. Es ist bevorzugt, die innere Wandoberfläche der Vakuumkammer 2 mit einer spiegelnden Oberflächenbeschaffenheit zu versehen.
Was das oben beschriebene Aluminiummetall-Material betrifft, so liegt dessen Schmelzpunkt bei etwa 600 ºC, und somit niederer als der des bei herkömmlichen Vakuumöfen für thermische Behandlungen verwendeten Stahlmaterials mit etwa 1200 ºC. Jedoch liegt die Abstrahlungsrate an der Oberfläche des Aluminiummetall-Materials im Bereich von 0.04, und das Aluminiummetall-Material bietet eine deutlich geringere Wärmeabsorption als die herkömmlichen Materialen für Vakuumkammern, wie z.B. Weichstahl (Abstrahlungsrate von 0.5) und rostfreier Stahl (Abstrahlungsrate von 0.4). Während die Wärmeleitfähigkeit bei dem herkömmlichen Weichstahl 167 kJ/mhºC (40kcal/mhºC) und bei rostfreiem Stahl 63 kJ/mhºC (15 kcal/mhºC) ist, ist sie bei dem Aluminiummaterial gemäß der bevorzugten Ausführungsform 711 kJ/mhºC (170 kcal/mhºC), was zeigt, daß das letztere Material eine verbesserte Abgabe der absorbierten Wärme bietet.
In der aus derartigem Aluminiummetall-Material hergestellten Vakummkammer hilft die glatte Oberflächenbeschaffenheit der inneren Wandoberfläche, die durch den Erhitzer 7 erzeugte und von der Hitzeschildverkleidung 4 durch den Raum 5 zu der Vakuumkammer 2 übertragene Wärmemenge zu verringern. Die auf die innere Wandoberfläche 2a der Vakuumkammer 2 übertragene Wärme fließt aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Aluminiummetall-Materials schnell in Richtung der Dicke der Wand der Vakuumkammer 2 ab, und kann von der äußeren Oberfläche der Vakuumkammer 2 abgegeben werden.
Der niedrigere Schmelzpunkt des Aluminiummetall-Materials beeinflußt die thermische Widerstandsfähigkeit der Vakuumkammer 2 nicht nachteilhaft. Dementsprechend kann die Flußrate des in dem eine Kühlwasserleitung 9 umfassenden Kühlsystem verwendeten Kühlwassers verringert werden, und die Kapazität der Kühlwasserpumpe (nicht dargestellt) kann ebenso geringer ausgelegt werden, was eine Vereinfachen des Kühlsystems ermöglicht.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist es möglich, da die Kühlwasserleitung 9 kleiner gemacht werden kann, die Kühlwasserleitung 9 in die Wand der Vakuumkammer 2 einzubetten.
Ferner kann, wie in Fig. 3 gezeigt, ein ausreichender Kühleffekt erreicht werden, indem einfach Strahlungsrippen 10 an der äußeren Wandoberfläche der Vakuumkammer 2 vorgesehen werden.
Zusätzlich kann eine Kühlungsleitung zum Kühlen des Hochtemperaturbereichs, umfassend den Bereich für thermische Behandlungen und die Hitzeschildverkleidung, vorgesehen werden. Ferner kann eine Absorptions-Kühlungseinrichtung in der Vakuumkammer vorgesehen werden, um in dem Hochtemperaturbereich erzeugte Verschmutzungsmaterialien zu absorbieren, welche die thermische Effizienz des Vakuumofens für thermische Behandlungen verringern.
Der Vakuumofen für thermische Behandlungen gemäß der vorliegenden Erfindung wurde durch das Verwenden von Aluminiummetall-Material für die Vakuumkammer erreicht, welches eine geringe Wärmeabstrahlung und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, obwohl das Material aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunkts als Material für einen Vakuumofen für thermische Behandlungen gewöhnlicherweise als ungeeignet betrachtet worden ist.
Bei dem Vakuumofen gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann eine Kombination der thermischen Eigenschaften des Aluminiummetall-Materials, dessen Abstrahlung um eine Größenordnung (Stufe) kleiner ist als die von herkömmlichen Stahlmaterialien, und dessen Wärmeleitfähigkeit deutlich höher ist, und der glatten Beschaffenheit der inneren Wandoberfläche der Vakuumkammer die Hitzebeständigkeit der Vakuumkammer verbessern und zu einer Verringerung des Raums zwischen der Vakuumkammer und der Hitzeschildverkleidung in der Vakuumkammer gegenüber herkömmlichen Typen führen. Dies kann die Größe und das Gewicht der Vakuumkammer verringern, oder den Bereich für thermische Behandlungen innerhalb der Hitzeschildverkleidungswand erweitern. Da die von der Hitzeschildverkleidung zu der Vakuumkammer übertragene Wärmemenge kleiner wird, ist möglich, das zum Kühlen der Vakuumkammer verwendete Kühlsystem wesentlich zu vereinfachen oder ganz wegzulassen. Ferner kann die verbesserte thermische Effizienz des Vakuumofens für thermische Behandlungen helfen, die in einem elektrischen Erhitzer verwendete Energie zu sparen.

Claims

1. Vakuumofen für thermische Behandlungen mit

- einer Hitzeschildverkleidung, welche einen inneren Bereich für thermische Behandlungen festlegt, welche durch ein isolierendes Trageelement getragen ist, und welche innerhalb einer Vakuumkammer mit einem Anschluß für ein Vakuumablaßsystem derart angeordnet ist, daß der innere Bereich für thermische Behandlungen von der Vakuumkammerwand beabstandet ist,

- einem elektrischen Erhitzer zum Erhitzen des Bereichs für thermische Behandlungen, und

- einer Elektrizitäts-Versorgungsverbindung zu dem Erhitzer,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Vakuumkammer aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung besteht, und

daß die innere Wandoberfläche der Vakuumkammer eine glatte Oberflächenbeschaffenheit aufweist.

2. Vakuumofen für thermische Behandlungen nach Anspruch 1, worin der Vakuumkammer Kühlungseinrichtungen in Form von Kühlflüssigkeitsleitungen oder Rippen zugeordnet sind.

3. Vakuumofen für thermische Behandlungen nach Anspruch 2, worin die Kühlflüssigkeitsleitungen in die Wand der Kammer eingebettet sind.