Способ охлаждения заготовки в вакуумной камере нагрева вакуумной печи и вакуумная печь Российский патент 2019 года по МПК C21D1/773 F27B5/05 F27B13/06 F27D9/00 F27D7/06 

Заявляемое техническое решение относится к вакуумным печам и способам охлаждения заготовок после нагревания в вакуумных печах и может быть использовано в различных технологических процессах для охлаждения заготовок изделий или материалов после их высокотемпературного нагревания в условиях вакуума, осуществляемого с целью, например, отжига, высокотемпературной пайки или сплавления составных частей заготовок изделий друг с другом.

Вакуумная печь представляет собой устройство для термообработки заготовок изделий или материалов в условиях вакуума. Основным узлом типовой вакуумной печи является вакуумная камера нагрева, представляющая собой нагреваемый герметичный сосуд с подсоединенной к нему системой вакуумирования, посредством которой внутри вакуумной камеры нагрева создается и поддерживается вакуум необходимой степени. Нагревание заготовок в условиях вакуума имеет ряд преимуществ, в том числе, таких, как сведение к минимуму изменения размеров обрабатываемых заготовок, а также, отсутствие окисления их поверхности, что обусловлено тем, что нагревание осуществляется в безокислительной и чистой среде. Вместе с тем, поскольку перенос тепловой энергии в вакууме происходит не за счет конвекции и теплопроводности, а лишь за счёт теплового излучения, то охлаждение заготовок после их нагревания в условиях вакуума происходит очень медленно. Это обстоятельство увеличивает время рабочего цикла вакуумной печи, что нежелательно, поскольку экономически не выгодно. Известно, что для устранения данного недостатка охлаждение заготовок в вакууме осуществляют в потоке циркулирующего охлаждающего газа при достаточно высоком, как правило, при атмосферном или избыточном, давлении. Такой способ увеличивает скорость охлаждения заготовок за счет теплоотдачи, которая обеспечивается конвекцией достаточно плотного и холодного потока охлаждающего газа внутри вакуумной камеры нагрева. Однако данный способ имеет тот недостаток, что для создания потока охлаждающего газа внутри вакуумной камеры нагрева, обеспечения его циркуляции и охлаждения требуется применение дополнительных устройств и материалов, - вентилятора с электроприводом, системы охлаждения циркулирующего газа с достаточным количеством охлаждающей жидкости и т.д. Это, соответственно, усложняет конструкцию вакуумной печи, требует дополнительного рабочего пространства для размещения упомянутых дополнительных устройств, увеличивает материально-энергетические затраты на изготовление и эксплуатацию оборудования и обеспечение технологического процесса охлаждения. Кроме этого, известный способ охлаждения заготовок в вакууме посредством циркулирующего газового потока не может быть применим в некоторых технологических процессах вакуумной термообработки, при осуществлении которых предъявляются достаточно строгие требования относительно влияния охлаждающей газовой среды на обрабатываемые заготовки, поскольку не выполнение этих требований может усложнить последующую обработку заготовок или оказать негативное влияние на технико-эксплуатационные характеристики готовой продукции. Одним из таких требований является отсутствие в заготовках тепловых напряжений, поскольку последние могут привести к деформации и изменению геометрии заготовок, нарушению сплошности и образованию трещин в их структуре, разрушению. В частности, это относится к заготовкам из хрупких и малопластичных материалов с низкой теплопроводностью (стекло, керамика и др.). Тепловые напряжения, как известно, возникают из-за термоудара, то есть чрезмерно резкого и неравномерного изменения температуры обрабатываемой заготовки, что, в свою очередь, может произойти вследствие большой разницы температур довольно горячей заготовки и контактирующего с ней довольно плотного и холодного потока охлаждающей среды, а также из-за неравномерного обтекания поверхности охлаждаемой заготовки потоком охлаждающей среды. Другим таким требованием является отсутствие окисления поверхности обрабатываемой заготовки, которое может возникать из-за присутствия кислорода и водяных паров в остаточной атмосфере внутри вакуумной камеры нагрева. Довольно большое количество технологических процессов с указанными требованиями осуществляется в области электронного приборостроения. Например, при изготовлении фотокатодов для фотоэлектронных приборов третьего поколения стеклянную пластину входного окна соединяют с гетероэпитаксиальной структурой методом термодиффузионной сварки в вакууме. Одним из важных требований, предъявляемых к упомянутому технологическому процессу, является исключение термоударов, поскольку они приводят к повреждению или разрушению стеклянной пластины и, как следствие, к негодности изготовленного фотокатода или, в случае скрытых дефектов стекла, к снижению качества работы фотокатода в составе фотоэлектронного прибора и/или снижению надежности последнего. При этом в случае одновременной сварки в вакуумной камере нагрева партии из нескольких заготовок фотокатодов очень важным условием является равномерное распределение температуры по всем охлаждаемым заготовкам партии. Выполнение данного условия позволяет максимально точно воспроизвести технологически заданный уровень напряжений в спаях «гетероэпитаксиальная структура-стекло» во всех заготовках партии, что, в свою очередь, очень важно при последующей термообработке заготовок фотокатодов для предотвращения появления в них дефектов, вызванных превышением порога пластической деформации гетероэпитаксиальной структуры. В данном технологическом процессе также требуется свести к минимуму содержание кислорода и водяных паров в остаточной атмосфере. Это необходимо для предотвращения окисления гетероэпитаксиальной структуры, которое нежелательно, поскольку усложняет последующую окончательную обработку гетероэпитаксиальной структуры для получения готового к использованию фотокатода. Таким образом, в ряде случаев вакуумной термообработки заготовок очень важно исключить негативное влияние на них охлаждающей газовой среды. Вместе с этим, как и для любого технологического процесса, для процесса вакуумной термообработки и, в частности, охлаждения заготовок в условиях вакуума немаловажное значение имеют такие показатели эффективности технологического процесса, как временные затраты (то есть, обусловленные продолжительностью рабочего цикла) и материально-энергетические затраты на его осуществление. Таким образом, существует проблема оптимизации технологического процесса охлаждения заготовки после её нагревания в условиях вакуума по такому технологическому критерию, как отсутствие негативного влияния охлаждающей среды на обрабатываемую заготовку и, одновременно, по таким технико-экономическим критериям, как материально-энергетические и временные затраты.

Из описания к патенту CN203534207 (U) «Rapid cycling air cooling vacuum furnace» (опубликовано 09.04.2014) известно техническое решение способа циклического воздушного охлаждения заготовки в вакуумной печи, которое принято в качестве ближайшего аналога заявленного способа охлаждения заготовки в вакуумной камере нагрева вакуумной печи. Согласно известному способу циклического воздушного охлаждения заготовки в вакуумной печи, ближайшему аналогу, после завершения термической обработки заготовки её нагреванием в вакуумной печи, в вакуумную камеру нагрева подают поток охлаждающего газа под давлением в пределах от 100 Па до 20000 Па. При этом обеспечивают принудительную циркуляцию охлаждающего газа через вакуумную камеру нагрева за счет создания на её входе и выходе большой разности давлений, а также, обеспечивают водяное охлаждение циркулирующего потока охлаждающего газа. Известный способ циклического воздушного охлаждения заготовки в вакуумной печи позволяет уменьшить время охлаждения заготовки по сравнению с продолжительностью её охлаждения исключительно за счет теплового излучения. Однако известный способ циклического воздушного охлаждения заготовки в вакуумной печи имеет недостаток, связанный с тем, что нагретая до высокой температуры заготовка подвергается воздействию довольно плотного, однонаправленного и, вместе с этим, относительно холодного газового потока, поскольку водяное охлаждение последнего создает дополнительную разницу температур заготовки и охлаждающего газа. В результате этого высока вероятность того, что заготовка будет охлаждаться настолько быстро и неравномерно, что будет подвергнута термоудару, и это может привести к её повреждению или разрушению. Вместе с этим, для возможности осуществления известного способа, ближайшего аналога, требуется использование достаточно большого количества охлаждающего газа и охлаждающей воды, а также дополнительное оборудование. Так, из описания к патенту CN203534207 (U) следует, что для осуществления упомянутого известного способа охлаждения заготовки вакуумная печь, помимо вакуумной камеры нагрева вместе с системой, обеспечивающей режим её вакуумирования, дополнительно содержит контурный газовый трубопровод, дополнительную систему насосного оборудования для создания на входе и выходе вакуумной камеры нагрева большой разности давлений и обеспечения за счет этого циркуляции охлаждающего газа через вакуумную камеру нагрева, а также систему водяного охлаждения для охлаждения циркулирующего газа. Кроме этого, из описания к патенту CN203534207 (U) следует, что для того, чтобы в вакуумной камере нагрева создать максимально возможное низкое давление циркулирующего охлаждающего газа в пределах от 100 Па до 20000 Па, требуется использование дополнительного технического обеспечения для предотвращения повреждения ротора насоса. Таким образом, реализация известного способа циклического воздушного охлаждения заготовки в вакуумной печи, ближайшего аналога, требует существенных затрат материальных и энергетических ресурсов, в том числе, на изготовление и эксплуатацию вакуумной печи.

Из описания к патенту CN203534207 (U) «Rapid cycling air cooling vacuum furnace» (опубликовано 09.04.2014) также известно техническое решение вакуумной печи с быстрым циклическим воздушным охлаждением, которое принято в качестве ближайшего аналога заявленного технического решения вакуумной печи. Вакуумная печь с быстрым циклическим воздушным охлаждением, ближайший аналог, содержит, собственно, вакуумную камеру нагрева с системой, обеспечивающей режим её вакуумирования (системой вакуумирования) и систему воздушного охлаждения. При этом система воздушного охлаждения содержит контурный трубопровод с системой водяного охлаждения и двухроторный вакуумный насос (насос Рутса) с двигателем переменной частоты. Вакуумная камера нагрева и компоненты системы воздушного охлаждения соединены в контур циркулирующего охлаждающего газа в последовательном режиме, а циркулирующий охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева под давлением в пределах от 100 Па до 20000 Па. Система газового охлаждения также содержит запорно-регулирующую арматуру, расположенную на трубопроводе для возможности регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева. Вакуумная печь с быстрым циклическим воздушным охлаждением, ближайший аналог, позволяет уменьшить время охлаждения заготовки в сравнении с продолжительностью её охлаждения исключительно за счет теплового излучения. Однако известная вакуумная печь с быстрым циклическим воздушным охлаждением имеет недостаток, связанный с тем, что при работе упомянутой вакуумной печи в режиме охлаждения нагретая до высокой температуры заготовка подвергается воздействию довольно плотного, однонаправленного и, вместе с этим, довольно холодного, относительно заготовки, газового потока, поскольку водяное охлаждение охлаждающего газа создает дополнительную разницу температур последнего и заготовки. В результате этого высока вероятность того, что заготовка будет охлаждаться настолько быстро и неравномерно, что будет подвергнута термоудару, и это может привести к её повреждению или разрушению. Так, например, при охлаждении заготовки фотокатода, изготавливаемого на стеклянной пластине, в указанных условиях принудительной циркуляции охлажденного газа термоудар возможен даже при плотности охлаждающего газового потока, соответствующей его давлению 100 Па. Вместе с этим, работа упомянутой известной вакуумной печи в режиме охлаждения заготовки требует использования дополнительного хладагента – воды, а расход охлаждающего газа и охлаждающей воды должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить их циркуляцию в соответствующих системах, причем, с достаточно высокой плотностью потоков. Вместе с этим также, для обеспечения работы в режиме охлаждения заготовки после нагревания в конструкции упомянутой известной вакуумной печи предусмотрено использование дополнительного оборудования. Так, система охлаждения известной вакуумной печи содержит контурный трубопровод, дополнительную систему насосного оборудования для создания на входе и выходе вакуумной камеры нагрева большой разности давлений и обеспечения за счет этого циркуляции охлаждающего газа через вакуумную камеру нагрева, а также систему водяного охлаждения для охлаждения циркулирующего газа. Кроме этого, из описания к патенту CN203534207 (U) следует, что для того, чтобы в вакуумной камере нагрева создать максимально возможное низкое давление циркулирующего охлаждающего газа в пределах от 100 Па до 20000 Па, требуется использование дополнительного технического обеспечения для предотвращения повреждения ротора насоса. Таким образом, конструкция известной вакуумной печи с быстрым циклическим воздушным охлаждением, ближайшего аналога, довольно сложна и требует существенных затрат материальных и энергетических ресурсов для её изготовления, эксплуатации и осуществления в ней процесса охлаждения заготовки после нагревания.

Техническая проблема, на решение которой направлены заявляемое техническое решение способа охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, и заявляемое техническое решение вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, состоит в оптимизации процесса охлаждения заготовки после нагревания в упомянутой вакуумной печи по такому технологическому критерию, как отсутствие негативного влияния охлаждающей среды на заготовку и, одновременно, по таким технико-экономическим критериям, как материально-энергетические и временные затраты.

Указанная техническая проблема решается тем, что в способе охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, включающем регулируемую подачу охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева, согласно заявляемому техническому решению охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па. В отличие от технического решения ближайшего аналога при осуществлении заявляемого способа охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па, то есть, с очень высокой степенью разрежения, при этом газ подают без предварительного его охлаждения и создания циркулирующего потока. Такой способ подачи охлаждающего газа позволяет исключить использование насосного оборудования для создания разности давления на входе и выходе вакуумной камеры нагрева в режиме охлаждения, контурного трубопровода для прохождения в нем циркулирующего газового потока, а также системы водяного охлаждения охлаждающего газа с достаточным количеством воды в качестве хладагента. При этом для обеспечения давления в вакуумной камере нагрева от 1 Па до менее 100 Па требуется очень малый расход охлаждающего газа. Соответственно, в сравнении со способом, ближайшим аналогом, заявляемый способ охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, позволяет уменьшить затраты материально-энергетических ресурсов. Такой способ подачи охлаждающего газа позволяет также снизить температурный градиент в теле заготовки в процессе её охлаждения и, следовательно, снизить вероятность возникновения термоудара заготовки. Это обусловлено тем, что, в отличие от технического решения ближайшего аналога, заготовка охлаждается в условиях естественной, а не принудительной конвекции охлаждающего газа, с намного меньшей его плотностью и с меньшей разницей температур заготовки и охлаждающей среды. При этом при давлении от 1 Па до менее 100 Па в вакуумной камере нагрева практически исключается присутствие кислорода и водяных паров, что исключает окисляющее воздействие охлаждающей среды на охлаждаемую заготовку. Вместе с этим, при давлениях от 1 Па до менее 100 Па плотность охлаждающего газа такова, что его теплопроводность ещё не зависит от давления, поскольку обусловлена столкновением молекул между собой, а не со стенками вакуумной камеры нагрева. То есть, в указанном диапазоне давлений теплопроводность охлаждающего газа остается такой же, как при более высоких его давлениях и, соответственно, более высоких плотностях. Поэтому, так же, как и известный способ, ближайший аналог, заявляемый способ охлаждения заготовки после нагревания в упомянутой вакуумной печи обеспечивает существенное уменьшение времени охлаждения заготовки в сравнении с продолжительностью её охлаждения в вакуумной камере нагрева исключительно за счет теплового излучения. Так, заявляемый способ охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, позволяет уменьшить время охлаждения заготовки до пяти раз в сравнении с продолжительностью её охлаждения в упомянутой вакуумной печи исключительно за счет теплового излучения. Техническими результатами заявляемого способа охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, являются уменьшение расхода материально-энергетических ресурсов на осуществление и материально-техническое обеспечение заявляемого способа, снижение вероятности термоудара заготовки, исключение окисления заготовки под воздействием охлаждающей среды, при одновременном обеспечении уменьшения времени охлаждения заготовки в сравнении с продолжительностью её охлаждения исключительно за счет теплового излучения. Указанные технические результаты решают техническую проблему оптимизации процесса охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, по такому технологическому критерию, как отсутствие негативного влияния охлаждающей среды на заготовку и, одновременно, по таким технико-экономическим критериям, как материально-энергетические и временные затраты.

В способе охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, в качестве охлаждающего газа используют инертный газ или водород.

В способе охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, предпочтительно охлаждающий газ подавать в вакуумную камеру нагрева при температуре в последней не выше 300 °С. Это позволяет дополнительно уменьшить расход охлаждающего газа и снизить вероятность его негативного влияния на заготовку и, при этом, обеспечить достаточно высокую скорость охлаждения заготовки, поскольку при температурах выше указанного значения охлаждение заготовки ещё в достаточной степени обусловлено тепловым излучением за счет его высокой интенсивности.

В способе охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, вакуумную камеру нагрева дополнительно возможно охлаждать с её внешней стороны, для чего могут быть использованы газ или жидкость.

Указанная техническая проблема также решается тем, что в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, выполненную с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева, согласно заявляемому техническому решению система газового охлаждения выполнена с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па. В отличие от технического решения вакуумной печи с быстрым циклическим воздушным охлаждением, ближайшего аналога, в заявляемом техническом решении вакуумной печи система газового охлаждения выполнена с возможностью подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па, то есть, с высокой степенью разрежения. Это позволяет исключить использование насосного оборудования для создания разности давления на входе и выходе вакуумной камеры нагрева в режиме охлаждения, контурного трубопровода для прохождения в нем циркулирующего газового потока, а также системы водяного охлаждения охлаждающего газа и воды в качестве хладагента. При этом для обеспечения давления в вакуумной камере нагрева от 1 Па до менее 100 Па требуется очень малый расход охлаждающего газа. Соответственно, в сравнении с вакуумной печью с быстрым циклическим воздушным охлаждением, ближайшим аналогом, заявляемая вакуумная печь позволяет уменьшить затраты материально-энергетических ресурсов. Также заявляемая вакуумная печь позволяет уменьшить температурный градиент в теле заготовки в процессе её охлаждения после нагревания в вакуумной камере и, следовательно, снизить вероятность возникновения термоудара заготовки за счет того, что в заявляемой вакуумной печи охлаждение заготовки обеспечивается естественной, а не принудительной конвекцией охлаждающего газа, с существенно меньшей его плотностью и с меньшей разницей температур заготовки и охлаждающей среды. При этом при давлении от 1 Па до менее 100 Па в вакуумной камере нагрева практически исключается присутствие кислорода и водяных паров, что исключает окисляющее воздействие охлаждающей среды на охлаждаемую заготовку. Вместе с этим, при давлениях от 1 Па до менее 100 Па плотность охлаждающего газа такова, что его теплопроводность ещё не зависит от давления, поскольку обусловлена столкновением молекул между собой, а не со стенками вакуумной камеры нагрева. То есть, в указанном диапазоне давлений теплопроводность охлаждающего газа остается такой же, как при более высоких его давлениях и, соответственно, плотностях. Поэтому, так же, как и известная вакуумная печь, ближайший аналог, заявляемая вакуумная печь обеспечивает существенное уменьшение времени охлаждения заготовки в сравнении с продолжительностью её охлаждения в вакуумной камере нагрева исключительно за счет теплового излучения. Так, заявляемая вакуумная печь позволяет уменьшить время охлаждения заготовки до пяти раз в сравнении с её охлаждением в вакуумной камере нагрева исключительно за счет теплового излучения. Техническими результатами заявляемой вакуумной печи являются уменьшение расхода материально-энергетических ресурсов на её изготовление, эксплуатацию и осуществление процесса охлаждения заготовки в вакуумной камере нагрева после нагревания, снижение вероятности термоудара заготовки, исключение окисления заготовки под воздействием охлаждающей среды, при одновременном обеспечении уменьшения времени охлаждения заготовки в сравнении с продолжительностью её охлаждения исключительно за счет теплового излучения. Указанные технические результаты решают техническую проблему оптимизации процесса охлаждения заготовки в вакуумной камере нагрева вакуумной печи после нагревания по такому технологическому критерию, как отсутствие негативного влияния охлаждающей среды на заготовку и, одновременно, по таким технико-экономическим критериям, как материально-энергетические и временные затраты.

В заявляемой вакуумной печи охлаждающий газ представляет собой инертный газ или водород.

В заявляемой вакуумной печи для возможности подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева система газового охлаждения содержит трубу с входом, выполненным с возможностью сообщения с источником охлаждающего газа, и с выходом, выполненным с возможностью сообщения с вакуумной камерой нагрева. При этом для возможности регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева система газового охлаждения содержит запорно-регулирующий клапан, расположенный на трубе.

В заявляемой вакуумной печи предпочтительно охлаждающий газ подавать в вакуумную камеру нагрева при температуре в последней не выше 300 °С. Это позволяет дополнительно уменьшить расход охлаждающего газа и снизить вероятность его негативного влияния на заготовку и, при этом, обеспечить достаточно высокую скорость охлаждения заготовки, поскольку при температурах выше указанного значения охлаждение заготовки ещё в достаточной степени обусловлено тепловым излучением за счет его высокой интенсивности.

Заявляемая вакуумная печь может быть выполнена с дополнительной возможностью охлаждения вакуумной камеры нагрева с её внешней стороны.

На фигуре изображена общая схема устройства вакуумной печи.

Вакуумная печь (фигура) содержит вакуумную камеру нагрева 1 и систему (на фиг. не показано) газового охлаждения. Система газового охлаждения содержит трубу 2 с входом (на фиг. не показано) и выходом (на фиг. не показано), а также запорно-регулирующий клапан 3, который расположен на трубе 2. Вход трубы 2 выполнен с возможностью сообщения с источником охлаждающего газа (на фиг. не показано), а выход трубы 2 выполнен с возможностью сообщения с вакуумной камерой нагрева 1. Система газового охлаждения выполнена с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева 1 до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па.

Заявляемые технические решения вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, и способа охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, осуществляются следующим образом.

Вакуумная печь содержит вакуумную камеру нагрева 1 и систему (на фиг. не показано) газового охлаждения. Вакуумная камера нагрева 1 может быть выполнена известными в технике способами в виде нагревательного герметичного сосуда с подсоединенной к нему системой вакуумирования для создания вакуума необходимой степени в вакуумной камере нагрева. Система газового охлаждения выполнена с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева 1 до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па и содержит трубу 2 с входом (на фиг. не показано) и выходом (на фиг. не показано), а также запорно-регулирующий клапан 3, расположенный на трубе 2. При этом вход трубы 2 выполнен с возможностью сообщения с источником охлаждающего газа (на фиг. не показано), а выход трубы 2 выполнен с возможностью сообщения с вакуумной камерой нагрева 1. Источник охлаждающего газа может быть выполнен, например, в виде газонаполненного баллона, а в качестве охлаждающего газа может быть использован водород или инертный газ, например, гелий. Перед началом работы вакуумной печи запорно-регулирующий клапан 3 на трубе 2 закрывают с тем, чтобы вакуумная камера нагрева 1 и источник охлаждающего газа не сообщались друг с другом. Для термической обработки заготовки (на фиг. не показано) в условиях вакуума её помещают в вакуумную камеру нагрева 1, последнюю герметично закрывают и откачивают из неё воздух до необходимой степени вакуума посредством системы вакуумирования. Заготовку нагревают до заданной температуры, и, при необходимости, выдерживают в течение заданного времени. После завершения высокотемпературной обработки заготовки нагревание прекращают и заготовку оставляют в вакуумной камере нагрева 1 для её охлаждения. Для ускорения охлаждения заготовки открывают запорно-регулирующий клапан 3 и подают охлаждающий газ в вакуумную камеру нагрева 1 до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па. Посредством запорно-регулирующего клапана 3 также регулируют количество подаваемого охлаждающего газа и, соответственно, величину его давления в вакуумной камере нагрева 1. При этом до подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева 1 в последней обеспечивают давление остаточного газа не более 10^-3 Па, что предпочтительно для исключения негативного влияния остаточного газа на процесс охлаждения. Охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева 1 при температуре в последней не выше 300 °С, а до момента понижения температуры в вакуумной камере нагрева 1 до указанного уровня заготовку охлаждают в последней за счет естественного теплового излучения. Такой режим охлаждения дополнительно уменьшает расход охлаждающего газа и снижает вероятность его негативного влияния на заготовку притом, что обеспечивается достаточно высокая скорость охлаждения заготовки.

Заявляемые вакуумная печь, содержащая вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, и способ охлаждения заготовки после нагревания в упомянутой вакуумной печи, позволяют уменьшить время охлаждения заготовки до пяти раз в сравнении с продолжительностью её охлаждения исключительно за счет теплового излучения. При этом в отличие от технических решений ближайших аналогов уменьшаются расходы материально-энергетических ресурсов на изготовление, эксплуатацию заявляемой вакуумной печи и осуществление в ней заявляемого способа охлаждения заготовки после нагревания. Заявляемый способ охлаждения заготовки после нагревания в упомянутой вакуумной печи может быть реализован в любых вакуумных печах без каких либо ограничений и практически без дополнительных капитальных затрат, что свидетельствует также о более высокой технологичности заявляемого способа охлаждения и более широкой области его применения в сравнении с ближайшим аналогом. Также заявляемые вакуумная печь и способ охлаждения заготовки после нагревания в упомянутой вакуумной печи позволяют снизить вероятность возникновения термоудара заготовки, исключают окисление поверхности заготовки под воздействием охлаждающей среды. Достигаемые технические результаты позволяют оптимизировать процесс охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи и вакуумную печь по такому технологическому критерию, как отсутствие негативного влияния охлаждающей среды на заготовку и, одновременно, по таким технико-экономическим критериям, как материально-энергетические и временные затраты.

Техническое решение относится к вакуумным печам и способам охлаждения в их вакуумных камерах нагрева заготовок после нагревания и может быть использовано в различных технологических процессах для охлаждения заготовок изделий или материалов после их высокотемпературного нагревания в условиях вакуума. Способ охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, включает регулируемую подачу охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева, при этом охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па. Печь содержит вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, выполненную с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева. Система газового охлаждения выполнена с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па. Технические результаты заключаются в уменьшении расхода материально-энергетических ресурсов на изготовление и эксплуатацию вакуумной печи и на осуществление способа охлаждения заготовки в вакуумной камере нагрева вакуумной печи после нагревания, в снижении вероятности термоудара заготовки, исключении окисления заготовки под воздействием охлаждающей среды при одновременном обеспечении уменьшения времени охлаждения заготовки в сравнении с продолжительностью её охлаждения исключительно за счет теплового излучения. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ охлаждения заготовки после нагревания в вакуумной печи, содержащей вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, включающий регулируемую подачу охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева, отличающийся тем, что охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающего газа используют инертный газ или водород.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева при температуре в последней не выше 300 °С.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно вакуумную камеру нагрева охлаждают с её внешней стороны.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что для дополнительного охлаждения вакуумной камеры нагрева с её внешней стороны используют газ или жидкость.

6. Вакуумная печь, содержащая вакуумную камеру нагрева и систему газового охлаждения, выполненную с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева, отличающаяся тем, что система газового охлаждения выполнена с возможностью регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева до давления в последней от 1 Па до менее 100 Па.

7. Вакуумная печь по п. 6, отличающаяся тем, что охлаждающий газ представляет собой инертный газ или водород.

8. Вакуумная печь по п. 6, отличающаяся тем, что для возможности подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева система газового охлаждения содержит трубу с входом, выполненным с возможностью сообщения с источником охлаждающего газа, и с выходом, выполненным с возможностью сообщения с вакуумной камерой нагрева.

9. Вакуумная печь по п. 8, отличающаяся тем, что для возможности регулируемой подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру нагрева система газового охлаждения содержит запорно-регулирующий клапан, расположенный на трубе.

10. Вакуумная печь по п. 6, отличающаяся тем, что охлаждающий газ подают в вакуумную камеру нагрева при температуре в последней не выше 300 °С.

11. Вакуумная печь по п. 6, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью охлаждения вакуумной камеры нагрева с её внешней стороны.