OFEN MIT FLÄCHENSTRAHLER UND VERFAHREN ZUM BEHEIZEN EINES WERKSTÜCKES MIT SOLCH EINEM OFEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ofen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Aus der DE 10 2008 059 811 A1 ist ein gattungsgemäßer Ofen bekannt. Die Möglichkeit, gepulverte oder nasslackierte Werkstücke durch die Kombination von Strahlungs- und Konvektionsbeheizung einbrennlackieren zu können und dabei unterschiedliche Strahlungsbeheizungen mit einer unterschiedlichen Welligkeit der Heizstrahlen zu nutzen, führt in der Praxis zu hervorragenden Lackierergebnissen. Zur Erzeugung der Infrarotstrahlung wird Heißluft durch Rohrleitungen geführt, wobei die Rohrleitungen dann nach außen die Strahlung abgeben.

[0003] Abgesehen von der Anwendung eines gattungsgemäßen Ofens zum Einbrennen einer Pulverlackierung kann der Ofen auch zum Trocknen der Oberfläche eines Werkstücks genutzt werden, auf welcher sich Haftwasser befindet, oder zum Trocknen von Werkstücken, deren Oberfläche mittels einer kathodischen Tauchbadlackierung (KTL) beschichtet ist. Rein beispielhaft und ohne den beschriebenen Ofen auf diesen Verwendungszweck einzugrenzen, wird nachfolgend der Ofen beschrieben als ein Einbrennofen für gepulverte Werkstücke, der im Rahmen einer Pulverlackierung eingesetzt wird, um das auf das Werkstück aufgebrachte Pulver aufzuschmelzen und eine so genannte Einbrennlackierung zu schaffen.

[0004] Der gattungsgemäße Ofen gemäß der DE 10 2008 059 811 A1 weist serpentinenförmig verlaufende Rohrleitungen auf, die an den beiden Seiten sowie am Boden innerhalb der Brennkammer vorgesehen sind. Die von Heißgas durchströmten Rohrleitungen geben Ihre Wärmestrahlung in Art von Linienstrahlern ab. Linienstrahler bewirken eine unterschiedlich intensive Erwärmung des Werkstücks: ein dem Linienstrahler nächster, ebenfalls linienförmiger Flächenabschnitt des Werkstücks wird am intensivsten erwärmt, während die Flächenabschnitte, die in zunehmender Entfernung von dieser Linie liegen, zunehmen schwächer erwärmt werden.

[0005] Bei zwei benachbarten Linienstrahlern ergeben sich vergleichsweise komplizierte Wärme-Einwirkungen auf die Oberfläche des Werkstücks, weil nicht nur jeder Linienstrahler die erwähnte ungleichmäßige Erwärmung der verschiedenen Flächenabschnitt des Werkstücks bewirkt, sondern sich diese ungleichmäßigen Wärme-Einwirkungen der beiden Linienstrahler auch noch überlagern.

[0006] Aus der DE 692 17 170T2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Backen von Emaille auf Metalloberflächen bekannt. Metallische Gegenstände sind mit dem zur Emaillierung dienenden mineralischen Material beschichtet. Wärmestrahler sind oberhalb der Platten angeordnet und erwärmen von oben dieses mineralische Material, welches als Emailbiskuit vorliegt, mittels Infrarotstrahlung, ohne dabei die metallische Platte, insbesondere aus Aluminium, wesentlich zu erwärmen. Aufgrund der Beheizung mittels Strahlung steht die Luft innerhalb des Ofens praktisch still.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ofen dahingehend zu verbessern, dass die Wärmeeinwirkung auf die Oberfläche des Werkstücks möglichst gleichmäßig erfolgt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches unter Verwendung eines solchen Ofens eine schnelle, wirtschaftliche und materialschonende Aufheizung auch eines Werkstücks ermöglicht, welches eine sensiblen Beschichtung aufweist.

[0008] Diese Aufgabe wird durch einen Ofen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.

[0009] Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, das Heißgas nicht durch einzelne Rohre zu führen, die jeweils als Linienstrahler bezeichnet werden können, sondern mit dem Heißgas vielmehr eine größere Fläche zu erwärmen, so dass der Strahler einen Flächenstrahler bildet. Der Flächenstrahler ist dabei derart ausgestaltet, dass er drei Begrenzungsplatten bildet, welche den nutzbaren, für die Positionierung des Werkstückes zugänglichen Innenraum der Nutzkammer begrenzen. Diese Begrenzungsplatten umgeben das Werkstück auf wenigstens drei Seiten, beispielsweise in Form von zwei gegenüberliegenden Wandflächen sowie einer die beiden Wandflächen verbindende Boden- oder Deckenfläche.

[0010] Vorteilhaft können die Begrenzungsplatten doppelwandig ausgestaltet sein, so dass das Heißgas innerhalb dieser doppelwandigen Begrenzungsplatten geführt werden kann. Dies ermöglicht eine großflächige und direkte Wärmeübertragung vom Heißgas auf die Plattenoberfläche. Verglichen mit z. B. der Möglichkeit, das Heißgas in Rohren zu führen und diese thermisch an eine Begrenzungsplatte anzukoppeln, ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad und die Möglichkeit einer schnelleren, präziseren Temperatursteuerung.

[0011] Dabei ist vorgesehen, keine freie Verteilung des Heißgases zwischen den beiden Oberflächen der doppelwandigen Begrenzungsplatte zuzulassen, sondern den Zwischenraum der doppelwandigen Begrenzungsplatte in mehrere Heizkanäle zu unterteilen, so dass das Heißgas innerhalb der Heizkanäle geführt wird. Auf diese Weise können strömungsberuhigte Bereiche innerhalb einer doppelwandigen Begrenzungsplatte vermieden werden, die aufgrund des dort verringerten Heißgasdurchsatzes zu einer vergleichsweise kühleren Zone und dementsprechend ungleicher Temperaturverteilung führen könnten. Die in Strömungsrichtung erste Begrenzungsplatte kann auch ohne derartige Heizkanäle ausgestaltet sein; insbesondere bei den dann nachfolgenden Begrenzungsplatten sind die Heizkanäle vorteilhaft.

[0012] Vorteilhaft kann eine der drei Begrenzungsplatten, die als erste Begrenzungsplatte bezeichnet wird, eine Einlassöffnung aufweisen, durch welche das Heißgas in diese erste Begrenzungsplatte einströmen kann. Die drei Begrenzungsplatten sind strömungstechnisch miteinander verbunden, stehen also in Strömungsverbindung miteinander und somit mit der Einlassöffnung, so dass das Heißgas durch sämtliche drei Begrenzungsplatten strömen kann. Eine zweite der drei Begrenzungsplatten weist eine Auslassöffnung auf, durch welche das mittlerweile kühler gewordene Heißgas aus dieser zweiten Begrenzungsplatte ausströmen kann. Einlass- und Auslassöffnungen sind dabei nicht in der Weise nah nebeneinander angeordnet, dass sich eine kurzschlussartige kurze Verbindung zwischen Ein- und Auslassöffnung ergeben würde, sondern die beiden Ein- und Auslassöffnungen sind, insbesondere in Verbindung mit den erwähnten Heizkanälen, derart angeordnet, dass eine möglichst großflächige Kontaktierung der zum Werkstück gerichteten Oberflächen mit dem Heißgas gewährleistet ist, so dass auch durch diese Weise eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Ofens gewährleistet ist.

[0013] In vorteilhafter Ausgestaltung können diese Heizkanäle durch Rippen begrenzt sein, die im Inneren der doppelwandigen Begrenzungsplatten angeordnet sind. Die beiden Wände einer doppelwandigen Begrenzungsplatte können beispielsweise zwei Abschnitte eines solchen Heizkanals bilden, und zwei benachbarte Rippen bilden zwei andere Abschnitte desselben Heizkanals, so dass insgesamt ein Heizkanal mit beispielsweise etwa rechteckigem Querschnitt geschaffen werden kann. Auch durch diese Maßnahme wird eine direkte Kontaktierung des Heißgases mit der Begrenzungsplatte ermöglicht, ohne dass es separater Rohrleitungen innerhalb der doppelwandigen Begrenzungsplatten bedarf. Die Rippen schließen dabei vorteilhaft an eine der beiden Wände einer doppelwandigen Wärme übertragend an. Selbst wenn sie an der gegenüberliegenden Wand der doppelwandigen Begrenzungsplatte nicht luftdicht anliegen, wird dennoch eine Kanalisation des Heißgases bewirkt und damit eine definierte Luftverteilung des Heißgases innerhalb der doppelflächigen Begrenzungsplatten mittels der Rippen ermöglicht, um die gewünschte, möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur der auf das Werkstück abstrahlenden Wand der Begrenzungsplatte zu erreichen. Vorteilhaft jedoch können die Rippen die beiden Wände der doppelwandigen Begrenzungsplatte miteinander verbinden.

[0014] Unabhängig davon, ob die Rippen mit nur einer oder mit beiden Wänden einer doppelwandigen Begrenzungsplatte in Kontakt stehen, kann jedenfalls vorgesehen sein, dass sie stets mit derjenigen Wand der doppelwandigen Begrenzungsplatte in Kontakt stehen, welche zum Werkstück gerichtet ist. Der Kontakt zwischen Rippe und Wand der Begrenzungsplatte ist dabei als Wärme leitender Kontakt ausgestaltet, so dass die Wärmeenergie des Heißgases über die Rippe auf die Wand der Begrenzungsplatte geleitet wird. Auf diese Weise wird ein hoher Wirkungsgrad bei der Beheizung der Begrenzungsplatten ermöglicht.

[0015] Durch die Wärmeabgabe vom Heißgas auf die Begrenzungsplatten kühlt sich das Heißgas im Verlauf seiner Strömung ab. Um eine möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur der drei Begrenzungsplatten sicherzustellen, kann daher vorteilhaft vorgesehen sein, von dem zunächst in die Begrenzungsplatten einströmenden Heißgas anfänglich prozentual weniger Wärmeenergie zu entnehmen, bei der anschließend durchströmten Begrenzungsplatte hingegen aus dem Heißgas prozentual mehr Wärmeenergie zu entnehmen und schließlich in der dritten vom Heißgas durchströmten Begrenzungsplatte prozentual noch mehr Wärmeenergie zu entnehmen, um auf diese Weise in den drei Begrenzungsplatten einen möglichst gleichen Energieeintrag und möglichst gleiche Oberflächentemperaturen zu erreichen. Zu diesem Zweck kann vorteilhaft die Anzahl der Rippen, die in den doppelwandigen Begrenzungsplatten vorgesehen sind, im Strömungsverlauf des Heißgases zunehmen. Auf diese Weise wird eine zunehmend größere Wärmeübertragungsfläche genutzt, um Wärmeenergie aus dem Heißgas in die zum Werkstück gerichtete Oberfläche der Begrenzungsplatte zu leiten.

[0016] Alternativ kann man eine möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur erreichen, wenn man, statt die erwähnten Rippen vorzusehen, den durchströmbaren Querschnitt einer Begrenzungsplatte kleiner wählt als den Querschnitt der in Strömungsrichtung vorgeschalteten Begrenzungsplatte, so dass sich nach und nach, von einer zur nächstfolgenden Begrenzungsplatte, immer geringere freie Strömungsquerschnitte ergeben. Durch die Querschnittsverringerung im Vergleich zu der vorgeschalteten Begrenzungsplatte erreicht man eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases, was einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten und somit eine höhere Wärmeübertragung zur Folge hat. Im Vergleich zur Ausgestaltung der Begrenzungsplatten mit den erwähnten Rippen ergibt sich allerdings ein erhöhter Strömungswiderstand, so dass z. B. eine höhere Antriebsleistung eines Heißgasventilators erforderlich wird.

[0017] Während eine Begrenzungsplatte insgesamt, makroskopisch gesehen, als im Wesentlichen plane, in einer Ebene verlaufende Platte ausgestaltet sein kann, kann, im Detail betrachtet, die zum Werkstück gerichtete Oberfläche der Begrenzungsplatte vorteilhaft von einer vollständig ebenen Ausgestaltung abweichend und vielmehr uneben profiliert ausgestaltet sein. Auf diese Weise wird unterstützt, dass die von dieser Oberfläche ausgesandte Infrarotstrahlung in mehreren Richtungen ausgestrahlt wird, so dass auf diese Weise Hinterschneidungen, Vertiefungen u. dgl. des Werkstücks besser von der Strahlung erreicht werden, wodurch das Lackierergebnis verbessert wird.

[0018] Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Profilierungen in der zum Werkstück gerichteten Oberfläche der Begrenzungsplatte nicht nur in Art eines Höhenversatzes ausgestaltet ist, sondern dass die Oberfläche schräg verlaufende Flächenanteile aufweist und zwar schräg zu der Ebene, in welcher sich die Begrenzungsplatte erstreckt. Durch diese schrägen Flächenabschnitte wird eine schräg gerichtete Abstrahlung der Wärmeenergie unterstützt. Beispielsweise können die schrägen Oberflächenabschnitte dadurch geschaffen werden, dass die Oberfläche der Begrenzungsplatte einen geradlinig oder gerundet wellenförmigen Verlauf aufweist.

[0019] Abgesehen von der Strahlungsbeheizung ermöglicht der Ofen auch eine Konvektionsbeheizung des Werkstücks. Falls der Ofen zum Einbrennen einer Pulverlackierung in ein Werkstück genutzt wird, kann vorteilhaft eine kombinierte Heizwirkung genutzt werden: Nachdem die Bauteile zu Beginn des Aufheizprozesses ausschließlich über die Strahlungsenergie aufgeheizt worden sind, wird nach Erreichen der gewünschten Bauteiltemperatur auf die Konvektionsbeheizung umgeschaltet. Hierfür wird ein Umluftbetrieb des Ofens zugeschaltet. Dabei strömt aus Zuluftkanälen, welche sich über den seitlichen Begrenzungsplatten befinden, Luft nach unten. Diese Luft heizt sich auf, während sie an den seitlichen Begrenzungsplatten vorbei strömt, so dass die seitlichen Begrenzungsplatten ähnlich wie die Oberfläche eines Wärmetauschers wirken. Im unteren Bereich des Nutzraums stoßen die beiden Zuluftströme, die an den beiden gegenüberliegenden Seiten des Nutzraums nach unten geströmt sind, aufeinander und werden nach oben zu einem Abluftkanal gelenkt, wo die Luft angesaugt und von dort zu den Zuluftkanälen geführt wird. Beispielsweise kann sich der Abluftkanal mittig an der Decke des Nutzraums befinden. Im Umluftverfahren wird diese Luft dann über Ventilatoren wieder zu den beiden Zuluftkanälen geführt.

[0020] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der rein schematischen Darstellungen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1

einen vertikalen Schnitt in Längsrichtung durch einen Ofen, der zum Einbrennen einer Pulverlackierung in ein Werkstück dient,

Fig. 2

einen Längsschnitt in horizontaler Richtung durch den Ofen von Fig. 1,

Fig. 3

einen vertikalen Querschnitt durch den Ofen,

Fig. 4

eine Ansicht von hinten auf den Ofen, und

Fig. 5

einen vertikalen Querschnitt durch den Ofen, mit Strömungspfeilen für die Luftführung im Konvektionsbetrieb des Ofens.

[0021] In den Zeichnungen ist jeweils mit 1 insgesamt ein Ofen bezeichnet, der zum Einbrennen einer Pulverlackierung auf der Oberfläche eines Werkstücks dient. Der Ofen 1 weist eine Nutzkammer 3 auf, innerhalb der ein schraffiert angedeutetes Werkstück 2 stehen kann, wobei die Schraffur die größtmöglichen Abmessungen des Werkstücks 2 verdeutlicht und das Werkstück 2 in der Praxis erheblich unregelmäßiger geformt ist als die rechteckige, in Fig. 3 ersichtliche Kontur des Werkstücks 2. Beispielsweise kann es sich bei den zu behandelnden Werkstücken um Maschinenbauteile oder Maschinenbaugruppen handeln, und die Abmessungen, die das Werkstück 2 aufweisen kann, betragen üblicherweise in Länge, Breite und Höhe jeweils mehrere Meter. In den Fig. 1, 2 und 4 ist das Werkstück 2 nicht schraffiert dargestellt, sondern hier sind mit den jeweils mehreren in einer Figur dargestellten Bezugszeichen 2 jeweils die Außenlinien des rein schematisch quaderförmig dargestellten Werkstücks 2 gekennzeichnet.

[0022] Die Nutzkammer 3 ist auf drei Seiten von Begrenzungsplatten begrenzt: Eine erste Begrenzungsplatte 4 bildet eine Seitenwand der Nutzkammer 3, und auf der gegenüberliegende Seite bildet eine zweite Begrenzungsplatte 5 die gegenüberliegende Seitenwand. Den Boden der Nutzkammer 3 bildet eine mittlere Begrenzungsplatte 6. Vereinfachend ist jeweils von einer Begrenzungsplatte 4, 5 oder 6 die Rede, tatsächlich werden jedoch die Wand- und Bodenflächen der Nutzkammer 3 durch modulartig aneinander gereihte Segmente geschaffen, je nach Länge der Nutzkammer 3. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden jeweils fünf derartige Segmente eine der genannten Begrenzungsplatten 4, 5 oder 6, wobei abweichend von diesem Ausführungsbeispiel auch jeweils eine nicht segmentierte, eine durchgehende Begrenzungsplatte vorgesehen sein kann.

[0023] Die drei Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 sind strömungstechnisch miteinander verbunden. Hierzu sind Kurvenstücke 7 vorgesehen, die ebenso wie die Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 doppelwandig ausgestaltet sind. Die Kurvenstücke 7 bilden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen nicht unterteilten, durchgängigen Innenraum, während die demgegenüber nicht gebogenen, sondern im Wesentlichen ebenen Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 jeweils eine Vielzahl von Rippen 8 aufweisen, die sich zwischen den beiden Wänden der doppelwandigen Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 erstrecken. Auf diese Weise wird innerhalb der Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 jeweils eine Vielzahl von Heizkanälen 9 geschaffen.

[0024] Aus Fig. 2 ist dabei ersichtlich, dass die Anzahl von Rippen 8 in den einzelnen Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 unterschiedlich ist. Da die Zeichnungen rein schematisch sind, soll lediglich die Unterschiedlichkeit der Anzahl von Rippen 8 dargestellt werden, während die tatsächlichen Verhältnisse, also die Anordnungsdichte der Rippen 8, von den dargestellten Verhältnissen abweichen kann: In die erste Begrenzungsplatte 4 strömt Heißgas ein, welches dann zwischen den relativ weit voneinander beabstandeten Rippen 8 durch Heizkanäle 9 mit entsprechend großformatigem Querschnitt strömt. Aus der ersten Begrenzungsplatte 4 gelangt das Heißgas dann durch ein Kurvenstück 7 in die mittlere Begrenzungsplatte 6, die den Boden der Nutzkammer 3 bildet. Aufgrund der bis hierhin erfolgten Wärmeabgabe vom Heißgas an die erste Begrenzungsplatte 4 weist das Heißgas bereits eine etwas geringere Temperatur auf. Um annähernd die gleiche Heizleistung aus dem Heißgas zu entnehmen, weist die mittlere Begrenzungsplatte 6 eine höhere Anzahl von Rippen 8 auf, die in einem vergleichsweise geringeren Abstand zueinander angeordnet sind, so dass insgesamt die Wärme übertragende, im Kontakt zum Heißgas stehende Fläche der mittleren Begrenzungsplatte 6 größer ist als bei der ersten Begrenzungsplatte 4.

[0025] Durch ein weiteres Kurvenstück 7 gelangt dann das noch weiter abgekühlte Heißgas in den Zwischenraum der zweiten Begrenzungsplatte 5, welche die der ersten Begrenzungsplatte 4 gegenüberliegende Wandfläche der Nutzkammer 3 bildet. Innerhalb dieser zweiten Begrenzungsplatte 5 ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen 8 nochmals geringer und dementsprechend die Wärmeübertragungsfläche zwischen Heißgas und Begrenzungsplatte 5 nochmals größer, um auch angesichts dieses nochmals niedrigeren Temperaturniveaus des Heißgases eine ausreichende Beheizung der zweiten Begrenzungsplatte 5 zu gewährleisten, so dass um das Werkstück 2 herum die drei Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 eine möglichst gleichmäßige Heizleistung zum Einbrennen der Pulverlackierung bereitstellen bzw. bei anderen Verwendungen des Ofens eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Werkstücks sicherzustellen.

[0026] Wie insbesondere aus dem vergrößerten Ausschnitt von Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 jeweils doppelwandig ausgestaltet, mit einer äußeren, ebenen Oberfläche 10 und einer inneren, zum Werkstück 2 gerichteten Oberfläche 11. Diese innere Oberfläche 11, die zum Werkstück 2 gerichtet ist, weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich Flächenanteile auf, die zur Ebene der Begrenzungsplatte 5 schräg ausgerichtet sind, indem nämlich diese Oberfläche 11 im Zickzack verläuft, also einen Wellenverlauf aus ausschließlich geraden Linien aufweist. In der Zeichnung ist die Schrägstellung der Flächenanteile zu Veranschaulichungszwecken dargestellt, die tatsächliche Schrägstellung kann flacher gewählt sein. Durch den zickzackförmigen Wellenverlauf der Flächenanteile wird erstens die Wärmeübertragungsfläche der Begrenzungsplatte 5 auf deren zum Werkstück gerichteten Seite vergrößert im Vergleich zu einer planen Ausgestaltung dieser Oberfläche. Zweitens wird eine diffuse Strahlungsverteilung der Wärmestrahlung unterstützt, die auch das Erreichen von Hinterschneidungen, das Eindringen der Strahlung in Vertiefungen u. dgl. am Werkstück 2 unterstützt und somit das Einbrennergebnis verbessert.

[0027] Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die erste Begrenzungsplatte 4 mit einer Einlassöffnung 12 in Verbindung steht und am gegenüberliegenden Ende der Begrenzungsplattenanordnung die zweite Begrenzungsplatte 5 mit einer Auslassöffnung 14 in Verbindung steht. Die Einlassöffnung 12 und die Auslassöffnung 14 sind jeweils als Luftkanäle ausgestaltet, die sich über die gesamte Länge der Nutzkammer 3 erstrecken, so dass das Heißgas durch die gesamten Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 möglichst großflächig verteilt geführt wird und eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf den inneren, zum Werkstück 2 gerichteten Oberflächen 11 der Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 erreicht wird. Innerhalb der jeweils im Wesentlichen ebenen Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 wird das Heißgas in den Heizkanälen 9 geführt. In den Kurvenstücken 7 hingegen, die nicht durch Rippen in verschiedene Strömungsabschnitte unterteilt sind, kann sich das Heißgas verteilen. Die Kurvenstücke 7 können dadurch auch einfacher und wirtschaftlicher hergestellt werden.

[0028] Werkstücke, die Bereiche mit verschiedenen Dicken aufweisen, heizen sich bei einer Beheizung mit Infrarotstrahlung bereichsweise unterschiedlich schnell auf. Daher wird nach einer zuvor berechneten Zeit, oder anhand einer Temperaturmessung des dünnsten Teiles, in dem Einbrennofen 1 eine Umluft zur Konvektionsbeheizung des Werkstücks 2 zugeschaltet. Gleichzeitig mit dem Zuschalten der Umluft wird die Strahlwandtemperatur, also die an den Begrenzungsplatten 4, 5 und / oder 6 gemessene Temperatur, soweit verringert, bis die Umluft eine vorher eingestellte Temperatur von z. B. 200°C konstant hält. Die Umluft dient dazu, dass sich dünnwandige Teile, welche bereits die Temperatur der Umluft erreicht haben, durch die Infrarotstrahlung nicht weiter erwärmen, sondern ihre überschüssige eingestrahlte Energie an die Umluft abgeben. Dickwandige Teile, die die Umlufttemperatur noch nicht erreicht haben, erfahren durch die zugeschaltete Umluft sogar einen steileren Temperaturanstiegsgradienten, weil auf diese Teile nun nicht nur die Wärmestrahlung, sondern zusätzlich noch eine Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion einwirkt.

[0029] Zur Erzeugung der Umluft sind drei insbesondere aus Fig. 4 ersichtliche Heißluftgebläse 15 im hinteren Bereich des Ofens 1 vorgesehen, wobei druckseitig an die Heißluftgebläse 15 zwei Ausströmkanäle 16 anschließen, während saugseitig die Heißluftgebläse 15 mit einem Ansaugkanal 17 in Strömungsverbindung stehen, so dass eine möglichst vollständige Umströmung des Werkstücks 2 mit der Heißluft im Konvektionsbetrieb des Ofens 1 ermöglicht ist. Nachdem die Bauteile zu Beginn des Aufheizprozesses ausschließlich über die Strahlungsenergie aufgeheizt worden sind, wird nach Erreichen der gewünschten Bauteiltemperatur auf die Konvektionsbeheizung umgeschaltet.

[0030] Hierfür wird ein Umluftbetrieb des Ofens zugeschaltet, wobei Fig. 5 die Luftführung durch Strömungspfeile veranschaulicht:
In den Ausströmkanälen 16 ist über die gesamte Länge jeweils ein schmaler Ausblasschlitz 18 angeordnet, der insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist. Aus den Ausströmkanälen 16, welche sich über den seitlichen Begrenzungsplatten 4 und 5 befinden, strömt Umluft mit einer sehr hohen Ausblasgeschwindigkeit von beispielsweise 30 m/s nach unten. Dass in den Ausströmkanälen 16 ein Überdruck herrscht, ist durch die eingezeichneten und in Klammern gesetzten "+"-Zeichen angedeutet. Diese nach unten ausströmende Luft legt sich als ebener Freistrahl an die Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 an und heizt sich auf, während sie an den Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 vorbei strömt. Dadurch fungieren die Begrenzungsplatten 4, 5 und 6 nicht nur als Infrarotstrahler, sondern auch als Wärmetauscher, indem sie Wärmeenergie aufgrund erzwungener Konvektion an die Umluft abgeben. Hierdurch kann auf einen separaten Wärmetauscher für die Beheizung der Umluft verzichtet werden. Im unteren Bereich der Nutzkammer 3 stoßen die beiden Zuluftströme, die an den beiden gegenüberliegenden Seiten der Nutzkammer 3 nach unten geströmt sind, aufeinander und werden nach oben zu dem Ansaugkanal 17 gelenkt, wo die Luft angesaugt und von dort im Umluftverfahren wieder zu den Ausströmkanälen 16 geführt wird. Dass in dem Ansaugkanal 17 ein Unterdruck herrscht, ist durch das eingezeichnete "-"-Zeichen angedeutet.

[0031] Wegen der hohen Luftaustrittsgeschwindigkeit aus den Ausblasschlitzen 18 wird zusätzlich etwa die 6-fache Luftmenge des Freistrahls aus dem Nutzraum 3 induziert. Wie Fig. 5 verdeutlicht, prallen die an den linken und rechten Begrenzungsplatten 4 und 5 anliegenden ebenen Freistrahlen in der Mitte des Bodens aufeinander und werden nach oben abgelenkt, sodass man im Nutzraum 3 eine turbulente Vertikalströmung erhält. Hierdurch kann etwa die doppelte Luftsteiggeschwindigkeit als in normalen Umluftöfen erreicht werden, wobei die elektrische Antriebsleistung der Ventilatoren nur 50% der Antriebsleistung der Ventilatoren eines herkömmlichen Umluftofens beträgt.

[0032] Aufgrund der Überlagerung der Infrarotstrahlung mit der Konvektion erreicht man sehr kurze Werkstück-Aufheizzeiten ohne Gefahr zu laufen, das Werkstück zu überbrennen.

[0033] Die Regelung des Prozesses erfolgt in der Art, dass zu Beginn des Einbrenn- bzw. Aufheizprozesses der Regelparameter die Oberflächentemperatur einer Begrenzungsplatte 4, 5 bzw. 6 ist. In einer Brennkammer wird im Umluftbetrieb dem Heißgas folglich die benötigte Wärmemenge zugeführt, um die gewünschte Temperatur der Begrenzungsplatte 4, 5 bzw. 6 konstant zu halten.

[0034] Nach einer gewissen Zeit, wenn die maximal zulässige Temperatur der dünnsten Wandstärke des Bauteils erreicht ist, wird als Regelparameter nicht mehr die Oberflächentemperatur einer Begrenzungsplatte 4, 5 bzw. 6 verwendet, sondern die maximal zulässige Temperatur der Ofenumluft. Die maximal zulässige Temperatur der Ofenumluft entspricht üblicherweise der gewünschten Endtemperatur des Werkstücks oder liegt geringfügig darüber. Die Temperatur der dünnsten Wandstärke des Bauteils kann entweder mittels Temperaturmessung ermittelt, oder die Zeit zum Erreichen dieser Temperatur kann vorher theoretisch berechnet werden. Üblicherweise sind hierfür Datenbanken mit Zeiten für verschiedene Kombinationen von dünnster und dickster Bauteilewandstärken in der Steuerung hinterlegt.

[0035] Die Ofenumluft kann bereits zu Beginn des Aufheizprozesses zugeschaltet sein, was die schnellste Art der Aufheizung des Bauteiles darstellt, weil in diesem Fall von Beginn an die beiden Wärmeübertragungsarten Strahlung und erzwungene Konvektion überlagert vorliegen.

[0036] Bei sensiblen Beschichtungen hingegen kann bewusst vorgesehen sein, die Umluft erst später zuzuschalten. Bei einer Pulverbeschichtung kann beispielsweise die Gefahr bestehen, dass noch nicht geliertes Pulver durch die Umluft vom Bauteil geblasen wird. Daher kann in diesem Fall vorgesehen sein, die Umluft erst nach Erreichen einer so genannten Angeliertemperatur zuzuschalten, wenn nämlich das Pulver geliert ist und insbesondere auch am Bauteil angeliert ist.

Ansprüche

1. Ofen (1) für oberflächenbehandelte Werkstücke (2),
mit einer Nutzkammer (3), welche das Werkstück (2) aufnimmt,
einer Konvektionsheizeinrichtung, welche ein Heizaggregat, ein Gebläse sowie die aufgeheizte und vom Gebläse bewegte Luft durch die Nutzkammer (3) und am Werkstück (2) entlangströmend führende Luftführungskanäle aufweist, wobei die Nutzkammer (3) eine Strahlungsheizung aufweist, deren Strahler als Infrarotstrahler wahlweise eine mittelwellige Infrarot-Strahlung und als so genannter Dunkelstrahler eine langwellige Infrarot-Strahlung aussendet, und derart ausgerichtet ist, dass seine Strahlung in das Innere der Nutzkammer (3) einstrahlt,
und in einer dreidimensionalen Anordnung, das Werkstück (2) umgebend, in der Nutzkammer (3) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Strahler als Flächenstrahler ausgestaltet ist, derart, dass er drei das Werkstück (2) umgebende Begrenzungsplatten (4, 5, 6) als Wand-, Boden- oder Deckenflächen der Nutzkammer (3) bildet, welche das Werkstück (2) auf wenigstens drei Seiten umgeben.

2. Ofen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Begrenzungsplatten (4, 5, 6) als doppelwandige Wand-, Boden- oder Deckenflächen der Nutzkammer (3) ausgestaltet sind,
wobei innerhalb der doppelwandigen Wand-, Boden- oder Deckenflächen Heißgas führende Heizkanäle (9) verlaufen.

3. Ofen nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine erste Begrenzungsplatte (4) eine Einlassöffnung (12) für das Heißgas aufweist,
und die drei Begrenzungsplatten (4, 5, 6) in Strömungsverbindung mit der Einlassöffnung (12) stehen,
und dass eine zweite Begrenzungsplatte (5) eine Auslassöffnung (14) für das Heißgas aufweist,
wobei die Einlassöffnung (12), die Heizkanäle (9) und die Auslassöffnung (14) derart angeordnet sind, dass das Heißgas großflächig in Kontakt mit den zum Werkstück (2) gerichteten Oberflächen (11) der Begrenzungsplatten (4, 5, 6) geführt ist.

4. Ofen nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Heizkanäle (9) durch Rippen (8) begrenzt sind, die im Inneren der doppelwandigen Begrenzungsplatten (4, 5, 6) angeordnet sind.

5. Ofen nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rippen (8) Wärme leitend an die zum Werkstück (2) gerichteten Oberflächen (11) der Begrenzungsplatten (4, 5, 6) anschließen.

6. Ofen nach den Ansprüchen 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Begrenzungsplatte (4), welche die Auslassöffnung (12) für das Heißgas aufweist, eine erste Anzahl von Rippen (8) pro Flächeneinheit aufweist,
die zweite Begrenzungsplatte (5), welche die Auslassöffnung (14) für das Heißgas aufweist, eine zweite Anzahl von Rippen (8) pro Flächeneinheit aufweist,
und die dritte Begrenzungsplatte (6), welche zwischen der ersten Begrenzungsplatte (4) und der zweiten Begrenzungsplatte (5) angeordnet ist, eine dritte Anzahl von Rippen (8) pro Flächeneinheit aufweist,
wobei die erste Anzahl kleiner ist als die dritte Anzahl, und
die dritte Anzahl kleiner ist als die zweite Anzahl von Rippen (8) pro Flächeneinheit der jeweiligen Begrenzungsplatte (4, 5, 6).

7. Ofen nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Begrenzungsplatten (5, 6) jeweils einen geringeren freien, vom Heißgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt aufweisen als die in Strömungsrichtung des Heißgases jeweils vorgeschaltete Begrenzungsplatte (4, 6), derart, dass sich von einer zur nächstfolgenden Begrenzungsplatte (4, 5, 6) jeweils ein geringer werdender freier Strömungsquerschnitt ergibt.

8. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zum Werkstück (2) gerichtete Oberfläche (11) einer Begrenzungsplatte (4, 5, 6) uneben profiliert ausgestaltet ist.

9. Ofen nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die profilierte Oberfläche (11) überwiegend Flächenanteile aufweist, die schräg zu der Ebene ausgerichtet sind, in welcher sich die Begrenzungsplatte (4, 5, 6) erstreckt.

10. Verfahren zum Beheizen eines Werkstücks (2) mittels eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestalteten Ofens (1),
wobei das Werkstück (2) über Strahlungsenergie aufgeheizt wird,
indem die Begrenzungsplatten (4, 5, 6) beheizt werden und als Infrarot-Flächenstrahler einer Strahlungsheizung genutzt werden, deren Wärmestrahlung auf das Werkstück (2) einwirkt,
und wobei eine Konvektionsbeheizung des Werkstücks (2) mittels aufgeheizter Luft erfolgt,
wobei zwei Zuluftströme von oben nach unten an den seitlichen Begrenzungsplatten (4, 5) vorbei strömen, derart, dass die seitlichen Begrenzungsplatten ähnlich wie die Oberfläche eines Wärmetauschers (4, 5) wirken,
und die beiden Zuluftströme im unteren Bereich des Nutzraums (3) aufeinander stoßen und anschließend nach oben geführt werden.

Claims

1. Oven (1) for heating surface-treated workpieces (2),
having a heating chamber (3) to receive the workpiece (2)
and a convector heating system that incorporates a heating unit, a fan and air guidance ducts that guide the heated air blown by the fan through the heating chamber (3) so that it flows over the workpiece (2),
wherein the heating chamber (3) incorporates a radiant heating system the radiating element of which, as an infrared radiating element, optionally emits medium-wave infrared radiation and, as a so-called dark radiator, emits long-wave infrared radiation and is oriented so that its radiation radiates into the interior of the heating chamber (3) and which is disposed so as to surround the workpiece (2) in a three-dimensional arrangement inside the heating chamber (3),
characterised in that the radiator is designed as a panel radiator
such that it forms three limit plates (4, 5, 6) functioning as wall, floor or ceiling surfaces of the heating chamber (3) that surround the workpiece (2) on at least three sides.

2. Oven in accordance with claim 1, characterised in that the limit plates (4, 5, 6) are configured as double-walled wall, floor or ceiling surfaces for the heating chamber (3), where hot-gas-guiding heating ducts (9) extend inside the double-walled wall, floor or ceiling surfaces.

3. Oven in accordance with claim 2, characterised in that a first limit plate (4) incorporates an inlet hole (12) for the hot gas and the three limit plates (4, 5, 6) are linked with the flow from the inlet hole (12) and in that a second limit plate (5) incorporates an outlet hole (14) for the hot gas,
where the inlet hole (12), the heat ducts (9) and the outlet hole (14) are disposed such that that hot gas is guided over the whole of the surfaces (11) of the limit plates (4, 5, 6) that are oriented towards the workpiece (2).

4. Oven in accordance with claim 2 or 3, characterised in that the heat ducts (9) are limited by ribs (8) that are disposed in the interior of the double-walled limit plates (4, 5, 6).

5. Oven in accordance with claim 4, characterised in that the ribs (8) are heat-guidingly connected to those surfaces (11) of the limit plates (4, 5, 6) that are oriented towards the workpiece (2).

6. Oven in accordance with claims 3 and 4, characterised in that the first limit plate (4) that incorporates the outlet hole (12) for the hot gas incorporates a first plurality of ribs (8) per surface unit,
the second limit plate (5) that incorporates the outlet hole (14) for the hot gas incorporates a second plurality of ribs (8) per surface unit
and the third limit plate (6) that is disposed between the first limit plate (4) and the second limit plate (5) incorporates a third plurality of ribs (8) per surface unit,
where the first plurality is smaller than the third plurality and the third plurality is smaller than the second plurality of ribs (8) per surface unit of whichever of the limit plates (4, 5, 6) it is connected to.

7. Oven in accordance with claim 2, characterised in that each of the limit plates (5, 6) has a smaller free flow cross-section that the hot gas can flow through than whichever of the limit plates (4, 6) that is positioned ahead of it in the direction of flow of the hot gas has, such that a free flow cross-section results that diminishes from one limit plate to the next following limit plate (4, 5, 6).

8. Oven in accordance with any one of the foregoing claims, characterised in that that surface (11) of a limit plate (4, 5, 6) that is oriented towards the workpiece (2) is profiled unevenly.

9. Oven in accordance with claim 8, characterised in that the profiled surface (11) incorporates mainly surface sections that are set at an angle to the plane in which the limit plate (4, 5, 6) extends.

10. Method of heating a workpiece (2) by means of an oven (1) designed in accordance with any one of the foregoing claims,
where the workpiece (2) is heated up by radiant energy in that the limit plates (4, 5, 6) are heated and used as infrared radiating panel elements of a radiator heating system the radiant heat of which acts on the workpiece (2),
and where convector heating of the workpiece (2) is done by means of heated up air,
where two air inflows flow past the side limit plates (4, 5) from top to bottom,
such that the side limit plates act like the surface of a heat exchanger (4, 5) and the two air inflows meet in the lower part of the heating chamber (3) and are then guided upwards.

Revendications

1. Four (1) pour pièces ayant reçu un traitement de surface (2),
comprenant une chambre utile (3) qui reçoit la pièce (2),
un dispositif de chauffage par convection composé d'un groupe de chauffage, d'une soufflerie ainsi que de canalisations qui guident l'air, échauffé et déplacé par la soufflerie, pendant sa traversée de la chambre utile (3) et son passage le long de la pièce (2),
sachant que la chambre utile (3) présente un chauffage radiant dont l'émetteur d'infrarouges émet au choix un rayonnement IR de longueur d'onde moyenne et, en tant qu'émetteur dit sombre, un rayonnement IR de longueur d'onde longue, et qu'il est orienté de sorte que son rayonnement parte vers l'intérieur de la chambre utile (3) et qu'il est disposé selon un agencement tridimensionnel, c'est-à-dire entourant la pièce (2), dans la chambre utile (3), caractérisé en ce que l'émetteur de rayonnement est configuré en émetteur de rayonnement plat,
de sorte à présenter trois plaques limitatrices (4, 5, 6) entourant la pièce (2) et officiant de surfaces pariétales, de sole ou de voûte de la chambre utile (3) qui entourent la pièce (2) sur au moins trois côtés.

2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques limitatrices (4, 5, 6) sont configurées en surfaces pariétales, de sole ou de voûte à double paroi de la chambre utile (3), sachant que dans les surfaces pariétales, de sole ou de voûte à double paroi sont disposées des canalisations de chauffage (9) dans lesquelles circule du gaz caloporteur.

3. Four selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une première plaque limitatrice (4) présente un orifice d'admission (12) pour le gaz caloporteur et que les trois plaques limitatrices (4, 5, 6) sont reliées avec l'orifice d'admission (12) pour permettre sa circulation, et en ce qu'une deuxième plaque limitatrice (5) présente un orifice de sortie (14) du gaz caloporteur,
sachant que l'orifice d'admission (12), les canalisations de chauffage (9) et l'orifice de sortie (14) sont disposés de telle sorte que le gaz caloporteur est guidé sur une grande surface en contact avec les surfaces (11), regardant la pièce (2), des plaques limitatrices (4, 5, 6).

4. Four selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les canalisations de chauffage (9) sont délimitées par des ailettes (8) disposées à l'intérieur des plaques limitatrices (4, 5, 6) à double paroi.

5. Four selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ailettes (8) se raccordent avec conduction thermique aux surfaces (11), regardant la pièce (2), des plaques limitatrices (4, 5, 6).

6. Four selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la première plaque limitatrice (4) présentant l'orifice de sortie (12) du gaz caloporteur présente un premier nombre d'ailettes (8) par unité de surface,
en ce que la deuxième plaque limitatrice (5) présentant l'orifice de sortie (14) du gaz caloporteur présente un deuxième nombre d'ailettes (8) par unité de surface,
et en ce que la troisième plaque limitatrice (6) qui est disposée entre la première plaque limitatrice (4) et la deuxième plaque limitatrice (5) présente un troisième nombre d'ailettes (8) par unité de surface,
sachant que le premier nombre est inférieur au troisième nombre, et que le troisième nombre est inférieur au deuxième nombre d'ailettes (8) par unité de surface de la plaque limitatrice respective (4, 5, 6).

7. Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques limitatrices (5, 6) présentent chacune une section de circulation libre, franchissable par le gaz caloporteur, inférieure à la section de la plaque limitatrice (4, 6) respectivement en amont observée dans le sens de circulation du gaz caloporteur,
d'où il en résulte que la section de circulation libre va en diminuant lorsqu'on passe d'une plaque limitatrice (4, 5, 6) à celle la suivant immédiatement.

8. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface (11), regardant la pièce (2), d'une plaque limitatrice (4, 5, 6) est configurée profilée non plate.

9. Four selon la revendication 8, caractérisé en ce que la surface profilée (11) présente principalement des parts surfaciques orientées en biais par rapport au plan sur lequel s'étend la plaque limitatrice (4, 5, 6).

10. Procédé de chauffage d'une pièce (2) au moyen d'un four (1) configuré selon l'une des revendications précédentes,
sachant que la pièce (2) est chauffée au moyen d'énergie rayonnée consistant à chauffer des plaques limitatrices (4, 5, 6) et à utiliser un chauffage rayonnant sous forme d'émetteur de rayonnement plat dont la chaleur rayonnée agit sur la pièce (2),
et sachant que le chauffage par convection de la pièce (2) a lieu au moyen d'air échauffé, sachant que deux flux d'air entrant s'écoulent de haut en bas le long des plaques limitatrices latérales (4, 5),
de sorte que les plaques limitatrices latérales ont un effet similaire à celui de la surface d'un échangeur thermique (4, 5), et que les deux flux d'air entrant se heurtent dans la zone inférieure de la chambre utile (3) et sont ensuite guidés vers le haut.

Zeichnung