DE8604333U1

DE8604333U1 - Device for different cooling or temperature control of inner and outer walls or wall areas of a component, in particular a turbo machine part

Info

Publication number: DE8604333U1
Application number: DE19868604333
Authority: DE
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1986-02-18
Filing date: 1986-02-18
Publication date: 1986-08-07

Description

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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBHMTU ENGINE AND TURBINE UNION
MUNICH GMBH

München, den 18.2.1986 |Munich, February 18, 1986 |

Vorrichtung zum unterschiedlichen Abkühlen bzw. Temperieren von Innen- und Außenwänden oder Wandbereichen eines Bauteils, insbesondere eines Turbo-Device for different cooling or tempering of inner and outer walls or wall areas of a component, especially a turbo

maschinenteils |machine part |

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff _ des Anspruchs 1. Sie ist anwendbar im allgemeinen Maschinenbau^ insbesondere für den Turbomaschinenbau, wo die Teile eine zentrale Bohrung wie Nabenbohrung aufweisen.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1. It can be used in general mechanical engineering especially for turbo machine construction, where the parts have a central bore such as a hub bore.

Bei derartigen Maschinenteilen ist gewöhnlich von einerWith such machine parts is usually from one

hohen Beanspruchung sowohl durch mechanische Kräfte wie lahigh stress due to mechanical forces such as la

Zentrifugalkraft^ als auch zugleich durch thermische Beanspruchungen auszugehen. Insbesondere ergeben sich instationäre Temperatur- und Spannungsfelder hervorgerufen* durch Fluideinflüsse^ insbesondere ein Arbeitsfluid wie Gas _on in einer Gasturbine oder Dampf in einer Dampfturbine oder Luft bei einem Verdichter oder Abgas in einem Turbolader. Die dabei auftretenden Wärmeübergänge^ wie Wärmeleitungen, sind nur sehr schwer berechenbar. Siehe hierzu Fortschrittsbarichte der VDI-Zeitschriften Reihe 6 Nr. 39 mit dem Titel /- "Aufheiz- und Abkühlvorgänge in Platten" .Centrifugal force ^ and at the same time due to thermal loads. In particular, there are unsteady temperature and tension fields caused * by fluid influences ^ in particular a working fluid such as gas _on in a gas turbine or steam in a steam turbine or air in a compressor or exhaust gas in a turbocharger. The resulting heat transfers, such as heat conduction, are very difficult to calculate. See progress report of the VDI journals series 6 no. 39 with the title / - "Heating and cooling processes in plates".

Somit ist die Thermospannung durch den Werkstoff, die Abmessungen des Bauteils und die Intensität der Abkühlung bzw. Aufheizung der Plattenoberfläche bzw. des Platteninnern, d.h. durch den Temperaturgradienten in der Platte, bestimmt.Thus, the thermal voltage is through the material, the dimensions of the component and the intensity of the cooling or heating of the plate surface or the inside of the plate, i.e. due to the temperature gradient in the plate, certainly.

Solche Temperaturgradienten werden jedoch auch bewußt erzeugt, um Eigenspannungen wie Druckeigenspannungen als sogenannte Vorspannungen zu erzeugen. Siehe das Buch: ^IIE^Anspannungen,Entstehung-Messung-Bewertung,"herausgegeben ,von E. Macherauch und V. Hauk von der Deutschen Gesellschaft für Metallkunde e. V. 1983.However, such temperature gradients are also deliberately created in order to generate internal stresses such as internal compressive stresses as so-called prestresses. See the book: ^IIE ^ Tensions, emergence-measurement-evaluation, "published by E. Macherauch and V. Hauk from the German Society for Metallurgy e.V. 1983.

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*! In diesem Buch sind verschiedene Untersuchungen durchgeh*! Various studies are carried out in this book

führ* worden, an legierten Stählen, z.B. um die Eigen-Spannungsentwicklung im Oberflächen- und Kernbeifeich eineslead * on alloyed steels, e.g. about the inherent stress development one in the surface and core beech

Stahlzylinders zu untersuchen. Man kommt zu dem Schluß, daß eine Korrelation zwischen Härtbarkeits- und Eigenspannungsausbildung grundsätzlich möglich ist.To examine the steel cylinder. It is concluded that there is a correlation between hardenability and residual stress development is basically possible.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, für metallische Werkstoffe insbesondere Metallegierungen einschließlichThe object of the present invention is, for metallic materials, in particular including metal alloys

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pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoffe einen günstigen Weg aufzuzeigen, um durch gezielte Behandlungen gewünschte Eigenspannungen in einem Bauteil zu erzeugen. Somit gelingt es bei Bauteilen insbesondere Rotationskörpern mit einer Bohrung im Zentralbereich wie insbesondere Turbomaschinenteilen mit einer Nabenbohrung, ja selbst für beschaufelte Turbinenscheiben die Behandlungsparameter in geeigneter Weise zu steuern.Powder metallurgically produced materials show a favorable way to achieve the desired through targeted treatments Generate residual stresses in a component. Thus, in the case of components, it is possible in particular to use bodies of revolution a hole in the central area such as in particular turbo machine parts with a hub hole, even for bladed ones Turbine disks to control the treatment parameters in a suitable manner.

Die Lösung der Erfindung ist im Patentanspruch 1 enthalten.The solution of the invention is contained in claim 1.

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^u Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben. Vorteile sind der Beschreibung an Hand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels erläutert. ^u Refinements of the invention are described in the subclaims. Advantages are explained in the description with reference to the drawing of an exemplary embodiment.

Der wesentlichste Vorteil, der mit der Erfindung erreicht ^v wird, ist der, daß es gelingt, in gewünschter Weise in dem hochbeanspruchten Bauteil Eigenspannungen zu erzeugen dadurch, daß man gezielt die örtliche und/oder zeitliche Intensität der Abkühlung so steuert, daß gewünschte Temperaturgradienten zur Bohrung, d.h. bei Turbomaschinenbauteilen zur Nabe erreichbar sind. Die Kühlung der Nabe kann dadurch gegenüber den größeren Oberflächen beschleunigt werden. Die .Kühlung kann auch so erfolgen, daß die Abkühlung' nicht zu schnell voranschreitet, um Spannungsrisse zu vermeiden. Bevorzugt erfolgt die Steuerung ° stufenlos. In der einfachsten Ausführung wird die Innen-The most essential advantage achieved with the invention is ^v, is that it is possible the to produce in a desired manner in the highly stressed component residual stresses by reacting targeted local and / or temporal intensity of cooling so controls that desired temperature gradient to Bore, ie can be reached in the case of turbo machine components to the hub. The cooling of the hub can thus be accelerated compared to the larger surfaces. The "cooling" can also take place in such a way that the cooling process does not proceed too quickly, in order to avoid stress cracks. The control is preferably carried out continuously. In the simplest version, the interior

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kühlung im Nabenbereich eingeschaltet vor der KühlungCooling in the hub area switched on before cooling

des Bauteils von außen. Weitere Ausführungsbeispiele sind nachstehend erläutert.of the component from the outside. Further exemplary embodiments are explained below.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Werkstoffe, bestimmte Bauteile (Abmessungen und Gestalt) bzw. Abkühloder Temperiermittel beschränkt. Zur Erfindung gehören ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen _in der beschriebenen dargestellten beanspruchten Merkmale, sowohl untereinander als auch mit an sich bekannten Merkmalen. Wie oben ausgeführt, bezieht sich die Erfindung nicht nur auf Abkühlvorgänge, sondern sie kann genauso gut für ein Erwärmen insbesondere ein langsames ,_ Erwärmen mittels eines Mediums wie auch für das Abkühlen verwendet werden. Ferner kann das Medium dazu dieThe invention is not limited to certain materials, certain components (dimensions and shape) or cooling or temperature control means. The invention expressly includes all combinations and sub-combinations _in the described, illustrated, claimed features, both with one another and with features known per se. As stated above, the invention relates not only to cooling processes, but it can just as well be used for heating, in particular slow heating by means of a medium, as well as for cooling. Furthermore, the medium can also use the

nen, eine bestimmte voreinstellbare, d.h. also steuerbare Temperatur mit Hilfe eines Mediums zumindest in ·- einem örtlichen Bereich für eine gewisse Zeitdauer aufrecht zu erhalten.a certain presettable, i.e. controllable temperature with the help of a medium at least in - a local area for a certain period of time.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat sich in der Praxis gut bewährt. Es zeigte sich, daß es deutliche Hinweise gibt darauf, daß nach der Wärmebehandlung bzw. Abküh-The device according to the invention has proven itself well in practice. It turned out that there were clear indications insists that after the heat treatment or cooling

': /· _ lung Druckeigenspannungen in einem Bauteil vorliegen. % Bei der bevorzugten Anwendung ergab sich in der Nabe': / · _ There are compressive residual stresses in a component. % In the preferred application, resulted in the hub

\ des Turbomaschinenteils eine Verringerung des Bohrungs- \ of the turbo machine part a reduction in the bore

" durchmessers nach der Abkühlung, die bereits nach milder Kühlung in der Nabe meßbar war. Die Kontüranderung . in der Nabe stellt also ein quantitatives und zerstörungsfrei zu ermittelndes Maß für die Druckeigenspannungen dar,welche mit der gezielt gesteuerten Behandlung wie Härtung im gewünschten Bereich bzw. Ausmaß erreicht wurde."diameter after cooling that already after milder Cooling in the hub was measurable. The contour change . in the hub thus represents a quantitative and non-destructive measure for the residual compressive stresses represents which with the specifically controlled treatment such as hardening in the desired range or extent was achieved.

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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Brief description of the drawings:

Fig. 1 Abkühlvorrichtung für Innen- oder Außenkühlung eines Bauteils in der Vorrichtung zentral und stationär festgehalten.Fig. 1 cooling device for internal or external cooling of a component in the device central and held stationary.

Fig. 2 mit stationär gehaltertem Bauteil und beweglichen Düsenanordnungen bzw. StrahlarmenFig. 2 with a stationary component and movable nozzle arrangements or jet arms

.Q Fig. 3 mit relativ zueinander beweglichen Düsenanordnungen bzw. Strahlarmen..Q Fig. 3 with nozzle arrangements movable relative to one another or jet arms.

Fig. 4 zeigt die Vorrichtung mit rotierendem Bauteil und wenigstens teilweise stillstehenden Düsenanordnungen bzw. Strahlarmen.Fig. 4 shows the device with a rotating component and at least partially stationary nozzle arrangements or jet arms.

Fig. 5 zeigt die Vorrichtung mit stationär oder kontrarotierendem Bauteil zum rotierenden BottichFig. 5 shows the device with a stationary or contra-rotating component for the rotating tub

Fig. 6 zeigt ein Transportschema für den Durchlauf desFig. 6 shows a transport scheme for the passage of the

Bauteils vom Ofen zur Kühlstation und ggf. weiterer Behandlungsstationen.Component from the furnace to the cooling station and, if necessary, further treatment stations.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen belegt. In all figures, the same parts have been given the same reference numerals.

In Fig. 1 ist dargestellt die Vorrichtung zur steuerbaren Erzeugung unterschiedlicher Temperaturen an einem Bauteil insbesondere innen und außen.1 shows the device for the controllable generation of different temperatures on a component especially inside and outside.

__. Die Steuerung erfolgt zeitlich oder örtlich versetzt, d.h. 35__. The control is staggered in time or place, i.e. 35

im einfachsten Fall ist eine Zeitsteuerung vorgesehen insbesondere eine elektronische Steuerschaltung^ mit Mitteln, wie RC-Gliedern, die¹ es gestatten, die Innenküh-ESP-84B
18.2.1986In the simplest case, a time control is provided, in particular an electronic control circuit ^ with agents such as RC elements which permit ^1, the Innenküh ESP 84B
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lung einzuschalten, bevor die Außenkühlung eingeschaltet wird. Das Anfang und das Ende einer jeglichen Zufuhr von Kühlmedium zu einer Düse oder einem Strahlrohr wird von diesem Zeitwerk oder diesen Zeitwerken (RC-Gliedern) in gewünschter voreinsteilbarer Weise gesteuert.to be switched on before the external cooling is switched on. The beginning and the end of any supply of Cooling medium to a nozzle or a jet pipe is supplied by this timer or these timer (RC elements) in Desired presettable manner controlled.

Die örtlich versetzte Steuerung für Innen- und Außenkühlung ist gut erkennbar am Beispiel der Fig. 1, wo in einemThe locally offset control for internal and external cooling can be clearly seen in the example of FIG. 1, where in one

IQ Bottich 1 oder Gehäuse der Vorrichtung ein Bauteil 2 wie Rotorscheibe einer Turbomaschine mit äußeren Oberflächen 3 und innerer Oberfläche 4, hier eine Nabenbohrung, um die Zentralachse 5 herum angeordnet ist. Die Zentralachse ist zugleich die Mittelachse aller Düsenanordnungen oderIQ tub 1 or housing of the device a component 2 such as Rotor disk of a turbo machine with outer surfaces 3 and inner surface 4, here a hub bore, around the Central axis 5 is arranged around. The central axis is also the central axis of all nozzle arrangements or

2= Strahlarme, seien sie beweglich oder unbeweglich angeordnet. 2 = jet arms, be they movable or immovable.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind die Strahlarme 6 befestigt an dem Bottich 1 der Abkühlvorrichtung und in mehreren Reihen übereinander auf dem Umfang des Bottichs verteilt,As Fig. 1 shows, the jet arms 6 are attached to the tub 1 of the cooling device and in several Rows on top of each other on the circumference of the vat,

on wobei die Umfangsverteilung möglichst gleichmäßig ist und die Strahlarme 6^in der oberen und unteren Ecke jeweils des Bottichs einen Winkel zur Achse 5 einnehmen. Während die Strahlarme oder Düsen in etwa halber Höhe des Bottichs horizontal befestigt sind an der Innenwand des Bottichs Die Halterung des Bauteils 2 ist stationär und trägt das Bezugszeichen 7. Die Halterung ist so getroffen, daß sie eine die Besprühung aus den Düsen und/oder Strahlrohren nicht störende Struktur aufweist. Durch die Düsen oder Strahlrohrefc^ kann im einfachsten Falle Preßluft einge- on where the circumferential distribution is as even as possible and the jet arms 6 ^ in the upper and lower corners of the tub each take an angle to the axis 5. While the jet arms or nozzles are fastened horizontally at about half the height of the tub on the inner wall of the tub, the holder of the component 2 is stationary and bears the reference number 7. The holder is made so that it allows the spray from the nozzles and / or jet pipes does not have a disruptive structure. In the simplest case, compressed air can be drawn in through the nozzles or jet pipes.

gQ führt werden, die von einem Gebläse erzeugt wird und zwar j in nach Druck und Strömungsmenge pro Zeiteinheit steuerbarer Weise. Ebenso kann durch die Strahlrohre oder Düsen von 6i)Kühlwasser zugeführt werden oder ein anderes Medium mit einer im voraus bestimmten und ggf. konstant zu haltenden Temperatur, mittels in solcher Weise steuerbarer PumpengQ leads, which is generated by a fan, namely j controllable according to pressure and flow rate per unit of time. Likewise, through the jet pipes or nozzles of 6i) cooling water or another medium are supplied with a temperature determined in advance and possibly to be kept constant, by means of pumps that can be controlled in this way

wie das Druckluftgebläse.like the compressed air blower.

Mit 9 ist eine Düse bezeichnet, die in der zentralen Achse 5 in der Zeichnung von oben her auf die Innenbohrung des Bauteils 2 gerichtet ist über ein Abstandsrohr 10, welches die Strahlen, die aus der Düse austreten führen, so daß sie in. der Wabenbohrung 4 auf deren Oberfläche möglichst gleichmäßig verteilt oder in anderer gewünschter Verteilung auftreffen. Die Düse 9 kann als Mischdüse insbesondere für zwei Stoffe wie Luft aus dem Rohr 11 und Wasser aus dem Rohr ausgebildet sein und eine nicht dargestellte, jedoch an sich bekannte Ventilsteuerung regelt das Mischungsverhältnis zwischen den beiden zu mischenden Stoffen stufenlos.With a nozzle 9 is referred to, which in the central axis 5 in the drawing from above onto the inner bore of the Component 2 is directed via a spacer tube 10, which guide the jets emerging from the nozzle, so that they in. The honeycomb bore 4 is distributed as uniformly as possible on its surface or impinge in another desired distribution. The nozzle 9 can be used as a mixing nozzle in particular for two substances such as air from the pipe 11 and water from the pipe be designed and a not shown, but known per se valve control regulates the mixing ratio steplessly between the two substances to be mixed.

Bewährt hat sich auch statt reinem Wasser eine Emulsion, wobei ?^iarunter eine solche mit gewünschten Eigenschaften zu verstehen ist z.B. die der Wasserlöslichkeit und guter Versprühbarke it m: ttels. kleiner Tröpfchen oder als Nebel. In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform zu Fig. 1 ersichtlich, wobei von unten ein Strahlrohr entlang der zentralen Achse 5 einführbar ist, welches rotiert und zv*ar bevorzugt mit Hilfe des Segner'sehen Wasserrades. Dreh- und Bewegungsrichtungen sind durch Pfeile angedeutet. Selbstverständlich kann auch die Düse 9 wie das Strahlrohr 13 ( 25 ausgebildet sein und gegenläufig zu erstgenanntem beweglich sein in steuerbarer Weise (siehe Fig. 3).Instead of pure water, an emulsion has also proven useful, including one with the desired properties This means, for example, that of water solubility and good sprayability with a medium. small droplets or as a mist. In Fig. 2 a modified embodiment of FIG. 1 can be seen, with a jet pipe from below along the central Axis 5 can be introduced, which rotates and zv * ar preferably with the help of the Segner's water wheel. Turning and Directions of movement are indicated by arrows. Of course, the nozzle 9, like the jet pipe 13 (25 be formed and be movable in a controllable manner in opposite directions to the former (see Fig. 3).

In Figur 4 ist dargestellt eine Abkühlvorrichtung mit einer drehbaren Lagerung des Bauteils 2 z.B. über eine Antriebsscheibe mit Zentrierkonus 14 und einem Keilriementrieb 15. Auch ein beliebiger anderer steuerbarer Antrieb für langsame Drehzahlen ist geeignet. Insbesondere ein drehzahlregelbarer Elektromotor oder ein Gehriebemotor.FIG. 4 shows a cooling device with a rotatable mounting of the component 2, e.g. via a drive pulley with centering cone 14 and a V-belt drive 15. Any other controllable drive for slow ones Speeds is suitable. In particular, a speed-adjustable electric motor or a miter motor.

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Ähnliches gilt für eine Ausführung, bei der der Bottich 1 der Abkühlvorrichtung rotiert und die Halterung des Bauteils stationär ist. Die Drehung erfolgt um die zentrale Achse 5 und kann entweder über Reibrollen 16, Zahnrad/ -ring oder ähnliches erfolgen.The same applies to an embodiment in which the tub 1 of the cooling device rotates and the holder of the component is stationary. The rotation takes place around the central axis 5 and can either be via friction rollers 16, gearwheel / -ring or the like.

In Fig. 6 ist dargestellt der Transport des Bauteils vom Ofen zur Kühlstation und zwar entlang der Achse 5, wobei dann unterhalb des Bottichs noch ein weiteres Behandlung-becken sich so anschließen kann, daß die Achse 5 die Mittelachse des Beckens bleibt. Hierin kann enthalten sein entweder eine Atmosphäre eines Schutzgases oder ein Reaktionsgas oder ein Fluid wie eine Behandlungsflüssigkeit, um Nachbehandlungen oder Reaktionen zu fördern, zu verzögern, abklingen zu lassen oder die Abkühlung und Trocknung auf Raumtemperatur zu bewerkstelligen.In Fig. 6 is shown the transport of the component from Oven to the cooling station along the axis 5, with another treatment basin below the vat can connect so that the axis 5 remains the central axis of the basin. This may include either an atmosphere of a protective gas or a reaction gas or a fluid such as a treatment liquid, to encourage, delay, subside or cool down follow-up treatments or reactions To accomplish drying to room temperature.

Im Ofen können eine oder mehrere Heizungen angeordnet sein, z.B. IR-Strahler 17 und/oder eine induktive Heizspule 18.One or more heaters can be arranged in the furnace, e.g. IR radiators 17 and / or an inductive heating coil 18.

Auch ist ein Heizstab gewünschtenfalls zentral in di^ Tabe 4 einführbar.If desired, a heating rod is also centrally located in the di ^ Tab 4 insertable.

Als Transportmittel dient mit Vorteil ein fernsteuerbarer Manipulator 19 mit einem beweglichen Greifer 20; IsolationA remotely controllable manipulator 19 with a movable gripper 20 is advantageously used as the means of transport; isolation

21; Kugellagerring 22.
2521; Ball bearing ring 22.
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Claims

zw-wr MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH ^ Munich, the. 18.2.1986 J) c W uil'Z. Claims

1. Device for different cooling or tempering of inner and outer walls or wall areas of a component, in particular a turbo machine part,

* 5 marked by locally separated. And / or

Replaced controllable (6,9) nozzle arrangements for supply from selected medium.

2. Device according to claim 1, characterized in that ^: that a central nozzle and / or a jet pipe (13)

is provided for the temperature control, cooling of an inner wall or an inner wall area of a component.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that it reaches inward from its circumference

Jet pipes (6) and / or nozzle arrangements (9) for temperature control / cooling the outer walls of the component.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inside and outside temperature

irrigation devices such as jet pipes (6) and / or nozzle

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arrangements (9) different media can be supplied.

5. The device according spoke 1, characterized in that a jet pipe (13) in a central axis (5) of the device is rotatably arranged (Fig, 2).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that at least one jet pipe (10, 13) in a vertical one

IQ axis (5) is displaceable (Fig. 2).

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that at least one mixture nozzle (9) is arranged centrally, which allows a controllable mixture formation.

8. Apparatus according to claim 1, characterized in that

at least one jet pipe (13) around a central axis (5) the device is movable back and forth (Fig. 2).

9. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least two jet pipes (10, 13) and / or nozzle arrangements (δ, 8, 9) are movable relative to one another (Fig. 3).

10. Device according to 8 or 9, characterized in that the movable jet pipe (13) is additionally rotating, especially like a Segner's water wheel (Fig. 3).

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11. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the component (2) is rotatably mounted and the jet pipes (10, 13) or nozzle arrangements (6, 8, 9) are fixed (Fig. 4).

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12. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized / that between the jet pipe (10) and /

k or nozzle arrangements (6, 8, 9) and component (2) or Holder (7) an at least partial thermal insulation (21) is arranged. (Fig. 6).

13. Device according to one of the preceding claims, there-

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treatment station such as oven and a cooling and / or drying station is arranged (Fig. 6).

14. The device according to claim 13, characterized in that, _{c is} the component transport in the run along the central axis of the furnace, tempering and / or cooling station or treatment and / or drying station (Fig. 6).

15. Device according to one of the preceding claims,

characterized in that the tub (1) around the ZU

central axis (5) of the device rotates and the holder (7) is fixed (Fig. 5).

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