一種快速循環(huán)氣冷真空爐的制作方法
【專利摘要】本實用新型是一種快速循環(huán)氣冷真空爐，包括快速循環(huán)氣冷真空爐及其快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)，本快速循環(huán)氣冷真空爐應用于材料、機械領域。本實用新型通過將羅茨泵、變頻電機和水冷系統(tǒng)與真空爐串聯(lián)成循環(huán)氣路，利用羅茨泵在低壓下的高壓縮比，使得稀薄氣體可以在任意尺寸、形狀的真空爐中連續(xù)、均勻地循環(huán)。加上兩側(cè)的水冷裝置，可以快速冷卻真空爐中的物料。這種快速循環(huán)氣冷真空爐將大大增加真空爐的使用范圍和使用效率，提高真空爐溫度、壓力的控制范圍與精度，并改善多工件的溫度均勻性。
【專利說明】一種快速循環(huán)氣冷真空爐
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種快速循環(huán)氣冷真空爐，尤其是涉及真空爐的快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]真空爐(Vacuum furnace)是一種利用真空系統(tǒng)使其工作時爐腔壓力小于一個標準大氣壓從而達到一定真空度的工業(yè)爐。由于爐腔內(nèi)可具有真空環(huán)境，真空爐被賦予了無雜質(zhì)、無污染、低能耗以及便于控制溫度等優(yōu)點，從而也被廣泛應用于熱處理、粉末燒結(jié)以及真空釬焊等領域，一些高技術(shù)功能材料的制備也依賴真空爐的真空潔凈環(huán)境。
[0003]但是高的真空度和保溫效果同時也給真空爐帶來了缺點。一般真空爐具有多層反射屏，有良好的隔熱保溫作用，這樣有利于節(jié)省加熱能量。但好的保溫作用卻造成了降溫過程的困難，在爐腔內(nèi)空氣稀薄的情況下，一般爐體溫度從500攝氏度降至100攝氏度以下需要5小時，對于一些小型器件的退火來說效率很低。工件完成熱加工或熱處理后降溫的緩慢這一情況大大增加了真空爐再次工作前的間隔時間，因此嚴重降低了真空爐的使用效率。另外，在爐腔內(nèi)不同位置被放入了多個工件的情況下，各個工件間的溫度難以均勻，這一定程度上影響了真空爐加工和處理工件的質(zhì)量。
[0004]對于真空爐的缺點，不少學者和工程人員不斷對真空爐進行研究和改進，提出了很多制冷或者控制溫度的方法。目前冷卻和控制爐腔溫度的方法主要有氣冷和水冷。歐洲專利EP2525179A2在爐腔一側(cè)添加了一個可開閉的冷卻倉，物料在完成加熱處理后可被輸送到與爐腔具有相同腔室壓力的冷卻倉中。在冷卻倉中物料獨立地進行氣淬、水淬或油淬等過程，而爐腔的主要部分則可同時進行下一次加熱處理。這一設計提高了真空爐的工作效率，也提供了靈活的淬火與降溫方式。但物料的尺寸受到限制，而冷卻倉的開閉過程會一定程度上影響爐腔內(nèi)物料的加工質(zhì)量。另外，在對不能水淬和油淬的物料使用氣淬時溫度和腔壓并不能準確控制。中國專利CN201110125236.4也設計了類似的冷卻方案，并在腔室壁和屏蔽門中都加入了循環(huán)水冷，但是同樣的，在氣冷時也存在腔壓不可控等缺點。
[0005]國內(nèi)外有很多針對氣冷問題的改進設計。中國專利CN201110254841.1使用大功率風機向爐腔內(nèi)鼓風從而達到了氣冷效果。但是，進風量嚴重依賴風機、進風口與回風口三者的口徑以及相互配合。通常要達到制冷效果，進風口的口徑往往需要占據(jù)整個爐腔口徑的一半以上。同時，要保持氣體的對流和持續(xù)冷卻，爐腔內(nèi)必須保持較高的壓力。然而較高的壓力不僅容易影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時也造成了惰性氣體的大量浪費。歐洲專利EP0289435A1、EP2116802A1以及美國專利US4171126都對氣冷的方式和氣路進行了改進，分別通過特制的風機葉片、氣體流向調(diào)節(jié)器以及進氣通道和排氣口的特殊設計在一定程度上減少了風機的尺寸和送風量，降低了氣冷時的腔室壓力。而德國專利DE-PS3736502爐腔內(nèi)加入了一個同軸轉(zhuǎn)動的內(nèi)筒，可攪動氣體使氣體輕微的循環(huán)起來，也在一定程度上提高了氣冷的效率。
[0006]但是總的來說，雖然將爐腔分離成加熱腔和冷卻腔兩者輪流工作的方式能一定程度上提高真空爐的使用效率，但是多腔室和水冷設計具有應用范圍有限、不節(jié)能和影響加工質(zhì)量等缺點；而氣冷設計多對爐腔尺寸和工藝有很大限制，不僅浪費大量惰性氣體同時也容易影響工件質(zhì)量的穩(wěn)定性。不過，上述一些氣冷設計的方案具有很大的啟發(fā)意義，也為更加完善的真空爐冷卻方案提供了重要參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型目的是設計一種快速循環(huán)氣冷真空爐，進一步提高氣冷真空爐的氣冷效率和質(zhì)量。
[0008]為了實現(xiàn)本實用新型的目的，提出以下技術(shù)方案:
[0009]一種快速循環(huán)氣冷真空爐，，所述氣冷真空爐包括真空爐1、快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)和抽氣閥8，其中，所述快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)包括:
[0010]截止閥2 ；
[0011]水冷管道3，設置在真空爐I的兩側(cè)回路中；
[0012]壓力傳感器4，設置在水冷管道3上；
[0013]充氣閥門7，所述充氣閥門7與壓力傳感器4的配合控制循環(huán)氣體的用量和所述真空爐I的腔室內(nèi)壓力；
[0014]羅茨泵5，所述羅茨泵5與所述抽氣閥8構(gòu)成抽真空部分，用于所述真空爐I的腔室的快速抽真空；所述截止閥2與抽氣閥8配合切換所述羅茨泵5的工作模式，使其分別處于抽真空模式和循環(huán)氣冷兩種模式。
[0015]所述真空爐I的爐腔內(nèi)壓力在100?20000Pa范圍內(nèi)變動。
[0016]所述真空爐I的兩側(cè)開口與羅茨泵5的進氣口和出氣口串聯(lián)成回路，在真空爐I的兩側(cè)回路中還設置了熱交換裝置。
[0017]所述快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)還包括變頻電機6，所述變頻電機6驅(qū)動所述羅茨泵5并且控制羅茨泵5的轉(zhuǎn)速，使得所述羅茨泵5在獲得足夠的壓縮比的同時能夠維持在合理的轉(zhuǎn)速。
[0018]本實用新型的有益效果
[0019]1、使用條件寬泛，氣體循環(huán)效果好，制冷充分，尤其是在小型真空爐領域；
[0020]2、氣冷效果均勻、連續(xù)，有利于多個工件的同時加工；
[0021]3、通過閥門切換可控制羅茨泵可以同時為真空爐腔室快速抽真空；
[0022]4、采用羅茨泵做為傳輸泵可適應低氣壓下的氣體傳輸(絕對壓力100Pa-20000Pa)，從而大大節(jié)省了(5-1000倍)冷卻氣體的用量；
[0023]5、將羅茨泵配置變頻電機，通過調(diào)節(jié)電機工作頻率可調(diào)節(jié)羅茨泵的轉(zhuǎn)子運行速度，從而實現(xiàn)對冷卻氣體的循環(huán)速度的控制和調(diào)節(jié)，這樣具有很寬的退火工藝范圍，保證退火工件快速冷卻的同時不會產(chǎn)生過速冷卻應力而失效的現(xiàn)象；
[0024]6、由于羅茨泵具有對氣體壓縮排放的功能(壓縮比可達10倍)使排放的氣體具有較高的風壓、流速可保證在小通導的管道內(nèi)順暢流通，可適應各種體積的退火爐設備；
[0025]7、采用循環(huán)氣冷方式，對真空退火爐內(nèi)通入100Pa_20000Pa的氣體即可保證冷卻效果，通過羅茨泵的傳輸對充入爐內(nèi)的氣體造成快速循環(huán)流動的氣流，氣流經(jīng)過爐體時會吸收爐體中的熱量在流經(jīng)羅茨泵兩端的水冷管道時將被致冷，而水冷管道中的水通過致冷循環(huán)水機組可循環(huán)冷卻，這樣充入爐體中的氣體將在反復循環(huán)流動的過程中重復吸熱、冷卻過程而達到快速冷卻的效果；
[0026]8、根據(jù)真空退火爐爐體體積大小可選擇匹配不同冷量的致冷循環(huán)水設備，該設備可同時向退火爐爐體及本裝置提供致冷循環(huán)水。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本實用新型快速循環(huán)氣冷真空爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本實用新型的真空爐的工作流程。
[0029]I真空爐 5羅茨泵
[0030]2截止閥 6變頻電機[0031 ]3水冷管道 7充氣閥門
[0032]4壓力傳感器8抽氣閥
【具體實施方式】
[0033]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本實用新型進一步詳細說明。
[0034]圖1是本實用新型快速循環(huán)氣冷真空爐的結(jié)構(gòu)示意圖；其結(jié)構(gòu)包括真空爐1、快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)和抽氣閥8。
[0035]其中，快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)包括截止閥2、水冷管道3、壓力傳感器4、羅茨泵5、變頻電機6和充氣閥門7，構(gòu)成循環(huán)氣路部分。充氣閥門7與壓力傳感器4的配合可以控制循環(huán)氣體的用量和真空爐I的腔室內(nèi)壓力。另外，羅茨泵5與抽氣閥8構(gòu)成抽真空部分，用于真空爐I的腔室的快速抽真空。通過截止閥2與抽氣閥8可以切換羅茨泵5在設備中的工作模式，使其分別處于抽真空模式和循環(huán)氣冷兩種模式。
[0036]該真空爐的工作流程如圖2所示。首先裝料，然后打開抽氣閥8，對真空爐I抽真空，之后進入工件熱處理階段，當熱處理結(jié)束后關(guān)閉抽氣閥8并打開截止閥2來開啟快速循環(huán)氣冷模式，對物料按照其需求的氣體種類、壓強和降溫速率進行氣冷。羅茨泵5和變頻電機6的創(chuàng)新性使用是使得這種快速循環(huán)氣冷模式成為可能的關(guān)鍵。由于羅茨泵5具有很高的壓縮比，而且其允許達到的壓縮比隨著入口處壓力的降低而不斷升高。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在入口壓力為大氣壓力時，羅茨泵5允許的最大壓縮比近似為2.15 ;而在IOTorr時，允許的最大壓縮比上升至3.3 ;當入口壓力為0.STorr時，允許的最大壓縮比可達10。羅茨泵5這樣的性能使得它能將很稀薄的氣體連續(xù)均勻地從轉(zhuǎn)子一側(cè)抽泵到另一側(cè)，利用這一點可將羅茨泵轉(zhuǎn)子兩側(cè)的進氣口和出氣口與真空爐I兩側(cè)的開口串聯(lián)起來，形成一個連續(xù)均勻的循環(huán)氣路，再輔以兩側(cè)的水冷管道3，即可利用循環(huán)氣路迅速帶走爐腔內(nèi)熱量。由于此循環(huán)氣路的動力是羅茨泵轉(zhuǎn)子兩側(cè)巨大的壓差而不是風機鼓風時的風量，因此它可以在任意口徑的管道和真空爐腔室中形成氣體循環(huán)而不受腔室和管道條件的制約，同時對通氣量和絕對壓力也沒有特別要求。當然，正對設計中的缺點，就是稀薄的氣體往往令轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速過大，使得轉(zhuǎn)子容易損壞，因而通過加入變頻電機6可以更加合理地控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，使得羅茨泵5在獲得足夠的壓縮比的同時能夠維持在合理的轉(zhuǎn)速。
[0037]本實用新型中這種基于羅茨泵的快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)，通過羅茨泵型號和轉(zhuǎn)速的調(diào)整可以適應任何尺寸和形狀的真空爐，也可提供更寬的氣體壓力和流速的變化范圍以及更精確靈活的控制。同時，由于其大的壓縮比可以大大降低制冷時系統(tǒng)中的通氣量和絕對壓力，因此與一般氣冷真空爐相比大大節(jié)省了惰性氣體的用量，也可在同等投入下使用更加昂貴但具有更高比熱容和熱導率的氦氣、和氫氣等。根據(jù)不同物料和工藝要求，惰性氣體的種類和充入量可以調(diào)節(jié)，爐腔內(nèi)壓力也可在100?20000Pa范圍內(nèi)靈活變動。更加均勻連續(xù)和經(jīng)過水冷后的氣體，也可使得真空爐腔室中的多個工件的溫度更加均勻，經(jīng)實測在快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)工作時真空爐中的任意工件的溫差在±5°C以內(nèi)。
[0038]實施例1:
[0039]CVD金剛石在快速循環(huán)氣冷真空爐中由1100°C退火至500°C后，關(guān)閉旁路，通入氫氬混合氣至腔室壓力為3.0KPa。開啟快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)，并開啟水冷裝置。調(diào)節(jié)變頻電機和水冷裝置使系統(tǒng)在15分鐘內(nèi)將CVD金剛石的溫度由500°C降至100°C以下。
[0040]實施例2:
[0041]硬質(zhì)合金粉末壓坯在快速循環(huán)氣冷真空爐中于1400°C燒結(jié)后，關(guān)閉旁路，通入氫氣至腔室壓力為0.5KPa。開啟快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)，并開啟水冷裝置。調(diào)節(jié)變頻電機和水冷裝置使系統(tǒng)在2小時內(nèi)將硬質(zhì)合金坯的溫度由1400°C降至700°C。繼續(xù)通入氫氣至腔室壓力為2KPa，調(diào)節(jié)變頻電機和水冷裝置，是系統(tǒng)在30分鐘內(nèi)將硬質(zhì)合金坯的溫度由由700°C降至100°C以下。
[0042]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種快速循環(huán)氣冷真空爐，其特征在于，所述氣冷真空爐包括真空爐(I)、快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)和抽氣閥(8)，其中，所述快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)包括: 截止閥(2); 水冷管道(3)，設置在真空爐(I)的兩側(cè)回路中； 壓力傳感器(4)，設置在水冷管道(3)上； 充氣閥門(7)，所述充氣閥門(7)與壓力傳感器(4)的配合控制循環(huán)氣體的用量和所述真空爐(I)的腔室內(nèi)壓力； 羅茨泵(5)，所述羅茨泵(5)與所述抽氣閥(8)構(gòu)成抽真空部分，用于所述真空爐(I)的腔室的快速抽真空；所述截止閥(2)與抽氣閥(8)配合切換所述羅茨泵(5)的工作模式，使其分別處于抽真空模式和循環(huán)氣冷兩種模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣冷真空爐，其特征在于，所述真空爐(I)的爐腔內(nèi)壓力在10(T20000Pa范圍內(nèi)變動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述氣冷真空爐，其特征在于，所述真空爐(I)的兩側(cè)開口與羅茨泵(5)的進氣口和出氣口串聯(lián)成回路，在真空爐(I)的兩側(cè)回路中還設置了熱交換裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述氣冷真空爐，其特征在于，所述快速循環(huán)氣冷系統(tǒng)還包括變頻電機(6)，所述變頻電機(6)驅(qū)動所述羅茨泵(5)并且控制羅茨泵(5)的轉(zhuǎn)速，使得所述羅茨泵(5 )在獲得足夠的壓縮比的同時能夠維持在合理的轉(zhuǎn)速。
【文檔編號】F27D9/00GK203534207SQ201320669634
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】施戈, 彭建, 陳良賢 申請人:北京泰科諾科技有限公司