FR2701096A1

FR2701096A1 - High speed vacuum heat treatment furnace of the cooling gas stream.

Info

Publication number: FR2701096A1
Application number: FR9301438A
Authority: FR
Inventors: Jomain Bernard
Original assignee: BMI FOURS IND
Current assignee: BMI FOURS IND
Priority date: 1993-02-04
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1994-08-05
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: FR2701096B1; DE4403275A1

Abstract

L'arbre (4a) du moteur électrique (4) porte deux turbines (10) montées en parallèle, c'est-à-dire que leurs aspirations axiales sont opposées tandis que leurs refoulements périphériques sont parallèles (F1, F2).The shaft (4a) of the electric motor (4) carries two turbines (10) mounted in parallel, that is to say that their axial aspirations are opposed while their peripheral discharges are parallel (F1, F2).

Description

La présente invention a trait à des perfectionnements apportés aux foursThe present invention relates to improvements made to ovens

de traitement thermique sous vide à refroidissement par courant de gaz. On sait que L'efficacité des traitements thermiques sous courant de gaz dans un four à vide est fonction de sa capacité à refroidir une charge de pièces à traiter dans un temps minimal La qualité essentielle d'un tel four réside dans sa capacité de refroidissement en degrés par vacuum heat treatment with gas stream cooling. It is known that the efficiency of heat treatments under a gas current in a vacuum furnace is a function of its capacity to cool a load of parts to be treated in a minimum time. The essential quality of such an oven lies in its cooling capacity in degrees by

minute pour une charge donnée.minute for a given charge.

Les fours à vide du genre en question comportent de manière généra- Vacuum furnaces of the kind in question generally include

le une circulation en circuit fermé d'un gaz neutre (en général de l'azote ou de l'argon) Cette circulation est assurée par un ventilateur centrifuge qui fait circuler le gaz alternativement sur la charge à refroidir et sur un échangeur de chaleur à circulation d'eau, afin de the circulation in a closed circuit of a neutral gas (generally nitrogen or argon) This circulation is ensured by a centrifugal fan which circulates the gas alternately on the load to be cooled and on a heat exchanger to water circulation, in order to

refroidir le gaz.cool the gas.

La pression du gaz dans le four est en général supérieure à la The gas pressure in the oven is generally higher than the

pression atmosphérique pour améliorer la vitesse de refroidissement. atmospheric pressure to improve the cooling rate.

Les échanges de chaleur entre la charge et le gaz et entre le gaz Heat exchanges between the load and the gas and between the gas

et l'échangeur sont des transferts convectifs par convection forcée. and the exchanger are convective transfers by forced convection.

Le calcul du coefficient de convection est réalisé au moyen de la formule de Grimison: soit:()/q t (i) (C X)/3 dans laquelle c R. D/À est le nombre de Nusselt D est le nombre de Reynolds cp.7/est le nombre de Prandt avec d(W/m 2 C) coefficient de transmission rapporté à la surface extérieure G (Kg/m 2 s) vitesse massique dans la section minimale L) (m) diamètre extérieur de la section d'échange viscosité du fluide (PI) Cp (J/kg C) chaleur massique du fluide t (W/m C) conductivité du fluide p (kg/m 3) masse volumique du fluide M (kg/S) débit-masse b et q sont des constantes qui varient avec la géométrie de la charge ou de l'échangeur et avec la nature de l'écoulement Dans le cas o les pièces sont en quinconce, on prend b = 0,5 The convection coefficient is calculated using the Grimison formula: either: () / qt (i) (CX) / 3 in which c R. D / À is the Nusselt number D is the Reynolds number cp .7 / is the Prandt number with d (W / m 2 C) transmission coefficient related to the external surface G (Kg / m 2 s) mass speed in the minimum section L) (m) external diameter of the section d exchange fluid viscosity (PI) Cp (J / kg C) mass heat of the fluid t (W / m C) conductivity of the fluid p (kg / m 3) density of the fluid M (kg / S) flow-mass b and q are constants which vary with the geometry of the charge or the exchanger and with the nature of the flow In the case where the parts are staggered, we take b = 0.5

\ C p sont les paramètres physiques du gaz de refroidis- \ C p are the physical parameters of the cooling gas

sement D, b, q sont des constantes du four et de la charge La vitesse de refroidissement étant proportionnelle au coefficient de transmission c>, il suffit d'augmenter cette valeur pour améliorer les performances d'un four Dans la formule de Grimison, seul le nombre de Reynolds comprend un terme indépendant du gaz et de la géométrie du D, b, q are constants of the furnace and the load The cooling rate being proportional to the transmission coefficient c>, it is enough to increase this value to improve the performances of an furnace In Grimison's formula, only the Reynolds number includes a term independent of the gas and the geometry of the

four: c'est la valeur G (vitesse massique du fluide). oven: this is the value G (mass speed of the fluid).

On sait que Cvarie en fonction de G O '5 Il existe deux solutions pour faire varier cette valeur G. We know that Cvarie as a function of G O '5 There are two solutions to vary this value G.

On peut tout d'abord appliquer un facteur 2 sur le débit de gaz. We can first apply a factor of 2 to the gas flow rate.

Cette solution n'entraîne pas de modification de la consommation de gaz, pas de modification de la résistance mécanique de l'enceinte, pas de variation du temps de remplissage de l'enceinte avec des ballons de stockage du gaz standard, d'o l'obtention d'un maximum d'efficacité de la trempe dès la première minute Ce facteur 2 sur le débit entraîne le doublement de la valeur de G. Par contre, cette augmentation du débit conduit à installer un moto-ventilateur huit fois plus puissant que pour le débit de base, car This solution does not change the gas consumption, does not change the mechanical resistance of the enclosure, does not change the filling time of the enclosure with standard gas storage tanks, hence obtaining maximum quenching efficiency from the first minute This factor 2 on the flow rate doubles the value of G. On the other hand, this increase in flow rate results in installing a motor-fan eight times more powerful than for base flow because

les pertes de charge sont affectées d'un facteur 4 De plus, l'augmen- pressure drops are affected by a factor of 4 In addition, the increase

tation du diamètre de la turbine ou de sa vitesse est limitée par sa The diameter of the turbine or its speed is limited by its

résistance mécanique.mechanical resistance.

On peut, suivant la seconde solution, appliquer un facteur 2 sur la We can, according to the second solution, apply a factor 2 on the

pression du gaz, ce qui conduit à doubler la puissance du moteur du ven- gas pressure, which leads to double the power of the engine of the

tilateur sans modification du débit volumique de la turbine, donc en tilator without modifying the volume flow of the turbine, therefore

utilisant la même turbine quelle que soit la pression dans le four. using the same turbine regardless of the pressure in the oven.

Cette solution présente de graves inconvénients, c'est-à-dire de doubler This solution has serious drawbacks, i.e. to double

la consommation de gaz, de fabriquer des enceintes à résistance mécani- gas consumption, to manufacture mechanical resistance enclosures

que élevée et d'utiliser des ballons de stockage du gaz à pression im- than high and use gas storage tanks at high pressure

portante Cette augmentation de pression conduit aussi à augmenter les bearing This increase in pressure also leads to increasing the

temps de remplissage de l'enceinte, donc à diminuer la vitesse de re- filling time of the enclosure, therefore reducing the speed of

froidissement dans la première minute du traitement thermique, moment cooling in the first minute of heat treatment, moment

décisif pour celui-ci.decisive for this one.

Les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention The improvements which are the subject of the present invention

visent à permettre l'adoption d'une solution assurant au four des vites- aim to allow the adoption of a solution ensuring fast oven

ses de refroidissement élevées, donc comportant les avantages des deux its high cooling, therefore carrying the advantages of both

solutions ci-dessus, mais en éliminant leurs inconvénients. solutions above, but eliminating their drawbacks.

A cet effet, la solution retenue consiste à augmenter la vitesse du To this end, the solution chosen consists in increasing the speed of the

gaz de refroidissement, donc le débit volumique de l'ensemble de venti- cooling gas, so the volume flow of the fan assembly

lation, tout en permettant l'utilisation de ventilateurs standards et en while allowing the use of standard fans and

limitant la puissance du moteur d'entraînement du ventilateur. limiting the power of the fan drive motor.

A cet effet, le four de traitement thermique suivant l'invention To this end, the heat treatment oven according to the invention

est pourvu de deux ventilateurs montés en parallèle. has two fans mounted in parallel.

Ceci permet le doublement du débit de ventilation, l'utilisation de turbines standards dans une gamme de vitesses usuelles ( 1500 ou 3000 This allows the ventilation rate to be doubled, the use of standard turbines in a range of usual speeds (1500 or 3000

tours/minute) sans augmentation de la vitesse périphérique des ventila- rpm) without increasing the peripheral speed of the ventilators

teurs De cette manière, on double la section de refoulement et d'aspi- In this way, we double the delivery and vacuum section.

ration, de sorte qu'on ne modifie pas les pertes de pression dans les conduits proches des ventilateurs Le montage des deux ventilateurs en ration, so that the pressure losses in the ducts close to the fans are not changed The mounting of the two fans in

parallèLe permet de doubler facilement la section frontale de l'échan- parallel allows the front section of the sample to be easily doubled

geur pour ne pas modifier les pertes de pression au travers de celui-ci geur so as not to modify the pressure losses through it

tout en acceptant un doublement de sa surface efficace. while accepting a doubling of its effective surface.

Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: The appended drawing, given by way of example, will allow a better understanding of the invention, the characteristics which it presents and the advantages which it is capable of providing:

La figure unique est une coupe longitudinale d'un four compor- The single figure is a longitudinal section through an oven comprising

tant application des perfectionnements suivant l'invention. both application of the improvements according to the invention.

Le four suivant l'invention comprend à la manière usuelle une enveloppe extérieure cylindrique 1 dont l'arrière est fermé par un fond plat 2, tandis que l'avant comporte une porte 3 L'enveloppe 1 est montée sur des pieds la au moyen desquels le four repose sur le sol Le The oven according to the invention comprises, in the usual manner, a cylindrical outer casing 1, the rear of which is closed by a flat bottom 2, while the front comprises a door 3 The casing 1 is mounted on feet la by means of which the oven rests on the floor The

fond 2 supporte un moteur à bride 4 dont l'arbre 4 a s'étend à l'inté- base 2 supports a flange motor 4 whose shaft 4a extends inside

rieur de l'enveloppe 1 Bien entendu, le fond 2 est monté de manière laughing envelope 1 Of course, the bottom 2 is mounted so

étanche par rapport à l'enveloppe 1. waterproof with respect to the casing 1.

A l'intérieur de l'enveloppe 1 se trouve une enceinte 5 dans la- Inside the envelope 1 is an enclosure 5 in the-

quelle on place une charge à traiter 6 constituée généralement par une which one places a load to be treated 6 generally constituted by a

multiplicité de pièces séparées empilées sur une plateforme non repré- multiplicity of separate pieces stacked on a platform not shown

sentée. Entre le fond 2 et l'enceinte 5 se trouve à la manière connue une volute tournante 7, montée à rotation par rapport à l'enceinte 5 au smelled. Between the bottom 2 and the enclosure 5 is in the known manner a rotating scroll 7, mounted for rotation relative to the enclosure 5 at

moyen de guidages circulaires 8 La volute est associée à une roue den- circular guide means 8 The volute is associated with a toothed wheel

tée qui engrène avec un pignon monté à l'extrémité de l'arbre d'un tee that meshes with a pinion mounted at the end of the shaft of a

moteur électrique, le tout n'étant pas représenté car une telle disposi- electric motor, the whole not being shown because such a device

tion est bien connue par exemple par le brevet européen O 289 435 de la présente Demanderesse Autour de la volute, on observe la présence d'un tion is well known for example by European patent O 289 435 of the present Applicant Around the scroll, we observe the presence of a

échangeur tubulaire de chaleur 9.tubular heat exchanger 9.

Conformément à l'invention, l'arbre 4 a du moteur électrique 4 porte deux turbines 10 identiques, mais montées tête-bêche de manière que leurs aspirations se trouvent opposée Sl'une par rapport à l'autre, tandis que les flux engendrés par les deux turbines soient parallèles et In accordance with the invention, the shaft 4 a of the electric motor 4 carries two identical turbines 10, but mounted head to tail so that their aspirations are opposite Sl ′ with respect to each other, while the flows generated by the two turbines are parallel and

orientés dans le sens des flèches F 1 et F 2. oriented in the direction of the arrows F 1 and F 2.

Bien entendu, la volute tournante 7 est prévue double afin que les Of course, the rotating scroll 7 is provided double so that the

aspirations des deux turbines s'effectuent de manière opposée par rap- the two turbines are aspirated in opposite directions

port au plan de symétrie des deux turbines, c'est-à-dire suivant les flèches F 3 et F 4 Grâce à cette solution, on peut limiter la puissance du moteur 4 à celle nécessaire lorsqu'on adopte la solution habituelle port to the plane of symmetry of the two turbines, that is to say according to the arrows F 3 and F 4 With this solution, it is possible to limit the power of the motor 4 to that necessary when adopting the usual solution

de multiplier la pression par 2 On ne modifie pas la vitesse de l'en- multiply the pressure by 2 We do not change the speed of the

semble de ventilation grâce à l'utilisation de turbines standards La seems to ventilation through the use of standard turbines La

consommation de gaz ne subit, en utilisant la solution suivant l'inven- no gas consumption undergoes, using the solution according to the invention

tion, qu'une faible modification, de l'ordre de 20 % par rapport à la consommation de gaz nécessaire, correspondant à une augmentation de la tion, only a small change, of the order of 20% compared to the gas consumption required, corresponding to an increase in the

vitesse de refroidissement en augmentant la pression. cooling rate by increasing the pressure.

On notera que la pression réglable du courant de gaz est préféra- Note that the adjustable pressure of the gas stream is preferred.

blement comprise entre 0,5 M Pa et IM Pa et que ce gaz peut être de l'azote, de l'argon, de l'hélium ou des mélanges de ces gaz ou de leurs dérivés. between 0.5 M Pa and IM Pa and that this gas can be nitrogen, argon, helium or mixtures of these gases or their derivatives.

Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a It should also be understood that the above description has not

été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domai- given as an example and does not limit the area

ne de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails ne of the invention which we would not leave by replacing the details

d'exécution décrits par tous autres équivalents. of execution described by all other equivalents.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

1 vacuum heat treatment furnace comprising a heating enclosure (5) in which a stream of cooled gas is circulated in a heat exchanger (9), the cooled gas being sent into a rotating scroll (7), characterized in that two centrifugal turbines (10) are mounted in parallel in the envelope (1) of the oven to make

circulate the cooled gas in the direction of the load to be treated.

2 Oven according to claim 1, characterized in that the two centrifugal turbines (10) are set side by side on the same drive shaft.

3 Oven according to any one of claims 1 and 2, charac-

terized in that the cooling gas used is nitrogen,

argon, helium or mixtures of these gases.

4 Oven according to claim 3, characterized in that the

gas pressure is between 0.5 M Pa and 1 M Pa.