DE10003231C1 - Konvektionsmodul mit pneumatischem Antrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konvektionsmodul zur Herstellung eines optimalen Wärmeübergangs zwischen einem Wärmeträgergas und einem Werkstück bei gegebenem Abstand und maximaler Anströmgeschwindigkeit, mit einer Antriebseinrichtung für eine auf das Werkstück gerichtete Strömung des Wärmeträgergases und mit einem Wärmetau­ scher, wobei das Konvektionsmodul zwischen Antriebseinrichtung und Werkstück ange­ ordnet ist.

Solche Konvektionsmodule sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel werden üblicherweise Lochrasterplatten verwendet. Solche Lochrasterplatten sind flächig ausgebildet und weisen über ihre Oberfläche Durchgangslöcher auf. Auf einer Rückseite einer solchen Lochrasterplatte wird durch einen Lüfter ein leichter Überdruck erzeugt, so daß ein erhitztes oder gekühltes Gas isobar durch die Löcher ausströmt und als Prallstrahl auf das Heizgut auftrifft. Bei gegebener maximaler Anströmgeschwindigkeit wird der optimale Wärmeübergangskoeffizient eines Gasstrahls dann erreicht, wenn der aus den Löchern austretende Kernstrahl das Werkstück gerade erreicht.

Bei größeren Werkstücken sind statt des ideal betrachteten Einzelstrahls eine Vielzahl von Strahlen mit dem Werkstück in Berührung. Da die eingeblasene Luft auch abströmen muß, ändern sich zwangsläufig die Strömungsverhältnisse und damit auch die Wärmeübergangs­ koeffizienten über die Oberfläche des Werkstücks (Schräganströmung).

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Lüfter als elektrische Strömungsantriebe insbe­ sondere bei Prozessen mit heißen Gasen aufwendige, abgedichtete Wellendurchführungen erforderlich machen.

Auch eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit ist bei den gängigen Lüftern nur mit unbefriedigendem Ergebnis durch Veränderung der Klemmenspannung oder aber unter großem Aufwand mit Hilfe eines Frequenzumrichters möglich.

Ferner ist aus dem Stand der Technik ein sogenanntes Konvektionsmodul "WSP" bekannt. Dieses Modul saugt das Gas nach einmaliger, kurzer Überströmung des Werkstücks wieder ab, um es über einen Wärmetauscher konditioniert dem Prozeß wieder zuzuführen und vermeidet damit die strömungstechnischen Nachteile des vorgenannten Standes der Tech­ nik. Die Nachteile eines solchen bekannten Konvektionsmoduls "WSP" liegen in der sehr aufwendigen Fertigungstechnik und darin, daß wie bereits im vorgenannten Stand der Technik, als Antrieb üblicherweise ein Lüfter verwendet wird. Aufgrund der Tatsache, daß relativ große Gasmengen zu bewegen sind, fällt das Konvektionsmodul aufgrund der erfor­ derlichen Strömungsquerschnitte recht groß aus.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Konvektionsmodul zur Herstellung eines optimalen Wärmeüberganges zwischen einem Wärmeträgergas und einem Werkstück bei gegebenem Abstand und maximaler Anströmgeschwindigkeit zu schaffen, das ferti­ gungstechnisch einfach herzustellen ist, konstruktiv einfacher ausgebildet ist und weniger störanfällig arbeitet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Konvektionsmodul ein mit einem Druckfluid betriebener Injektor ist, der wenigstens eine Düse mit einem sehr geringen Ausblasquerschnitt aufweist.

Mit dem erfindungsgemäßen Konvektionsmodul können aufwendig abgedichtete Wellen­ durchführungen in dem Modul entfallen. Insbesondere entfallen jegliche bewegte Dichtflä­ chen und bewegten Teile in dem Modul. Auch die Anströmgeschwindigkeit kann einfach durch Verändern des Antriebsdruckes eingestellt werden. Auch das Bauvolumen fällt we­ sentlich kleiner aus als bei den konventionellen Lösungen, da die platzraubenden Lüfter entfallen. Es ist somit möglich, das erfindungsgemäße Konvektionsmodul auch für kleinere Ofenabmessungen zu verwenden. Zudem ist es einfacher zu isolieren.

Da der Massenstrom des Antriebsfluids klein ist im Verhältnis zur tatsächlich umgewälzten Gas- bzw. Fluidmenge und sich außerdem innig mit dem umgebenden Prozeßgas ver­ mischt, bevor er das Wärmgut erreicht, muß er nicht unbedingt auf Prozeßtemperatur ge­ bracht werden, wenn er der Prozeßkammer zugeführt wird. Beim herkömmlichen Stand der Technik würden dabei überall dort kalte Zonen entstehen, wo der Kernstrahl die Oberflä­ che des Wärmgutes erreicht.

Aufgrund der Tatsache, daß die Bauhöhe sehr viel geringer ausfällt als im Stand der Tech­ nik, etwa 150 mm statt 500 mm, kann das Konvektionsmodul problemlos auch beidseitig eingesetzt werden. Ferner ist das erfindungsgemäße Konvektionsmodul wesentlich leichter als ein herkömmliches und kann daher leichter gehandhabt werden. Auch hat es eine schnellere Ansprechzeit.

Zudem ist das erfindungsgemäße Konvektionsmodul einfach zu demontieren und zu reini­ gen, was insbesondere bei Kühlzonen wegen der dort häufig zu beobachtenden Verschmut­ zung durch Kondensatniederschläge von Bedeutung ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Merkmal des Anspruchs 2. Dieser liegt darin, daß die über die Oberfläche abzuströmende Luftmenge aufgrund der nur geringen Kernströ­ mung auch geringer ausfällt.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Un­ teransprüche 3 bis 9.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen Moduldeckel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht von Fig. 1.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist schematisch ein Moduldeckel 1 dargestellt, dessen Oberfläche Dü­ sen 1.1 und Rippen 1.2 aufweist. Mit der dargestellten Oberfläche ist der Moduldeckel 1 einem Werkstück (nicht dargestellt) entgegen gerichtet. Auf der Rückseite (nicht darge­ stellt) befindet sich ein pneumatischer Antrieb, der mit Druckluft bzw. Druckgas betrieben wird. Die Düsen 1.1 haben ein sehr geringen Ausblasquerschnitt, von wenigen Zehntel mm. Der Moduldeckel 1 mit dem pneumatischen Antrieb und wenigstens einer Düse 1.1 bildet einen Injektor.

Der aus der Düse 1.1 austretende Kernstrahl ist durch Verändern des Antriebdrucks des pneumatischen Antriebs einstellbar. Die Länge des Kernstrahls, die regelmäßig das 5 bis 8- fache des Düsenaustrittsdurchmessers beträgt, ist so kurz, daß dieser ein in Abstand zu dem Moduldeckel liegendes Werkstück nicht erreicht. Vielmehr dient der Kernstrahl lediglich dazu, die sich in dem Abstand zwischen dem Moduldeckel 1 und dem entsprechenden Werkstück befindliche Umgebungsluft bzw. das dort befindliche Umgebungsgas umzuwäl­ zen und zu einem Wärmeträgergas zu machen. Der Kernstrahl entwickelt sich über den Abstand zu einem Fluidstrahl, der beim Auftreffen auf das Werkstück zu etwa 80 bis 95% aus dem Umgebungsgas besteht.

Der Moduldeckel 1 ist in der vorliegenden Ausführungsform temperaturgeregelt und be­ steht aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, z. B. Aluminium. In Verbindung mit den Rippen 1.2 übernimmt der Moduldeckel 1 somit auch die Funktion eines Wärmetauschers, so daß kein separater Wärmetauscher vorgesehen sein muß.

Das Konvektionsmodul der vorliegenden Erfindung kann entweder aus einem entsprechen­ den Strangpreßprofil oder auch als Aluminium-Gußteil (Kokillenguß oder Feinguß) herge­ stellt sein.

Die erforderliche Antriebsenergie kann bei Schutzgasprozessen zum Teil dem Schutzgas selbst entnommen werden, da dieses regelmäßig mit einem Überdruck von einigen Bar zugeführt wird. Für die darüber hinaus erforderliche Antriebsenergie und für das Löten unter Luft bietet sich der Einsatz eines kleinen Verdichters an, der der Prozeßkammer ei­ nen Teil Gas entnimmt, dieses reinigt und unter Druck wieder zuführt. Dadurch werden gleichzeitig Dämpfe, die sich im Prozeßgas anreichern, entfernt und an einer geeigneten Stelle nieder geschlagen.

Claims (9)

1. Konvektionsmodul zur Herstellung eines optimalen Wärmeüberganges zwischen einem Wärmeträgergas und einem Werkstück bei gegebenem Abstand und maximaler Anström­ geschwindigkeit, mit einer Antriebseinrichtung für eine auf das Werkstück gerichtete Strömung des Wärmeträgergases und mit einem Wärmetauscher, wobei das Konvekti­ onsmodul zwischen Antriebseinrichtung und Werkstück angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Konvektionsmodul ein mit einem Druckfluid betriebener Injektor (1, 1.1) ist, der wenigstens eine Düse (1.1) mit einem sehr geringen Ausblasquerschnitt aufweist.

2. Konvektionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (1, 1.1) eine schwache Kernströmung erzeugt, derart, daß diese ein in dem gegebenen Abstand befindliches Umgebungsfluid als Wärmeträger antreibt und ein auf­ grund dieses Antriebs auf das Werkstück auftreffender Fluidstrahl im wesentlichen aus dem Umgebungsgas besteht.

3. Konvektionsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (1, 1.1) flächig ausgebildet ist und einen Moduldeckel (1) aufweist.

4. Konvektionsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Moduldeckel (1) als der Wärmetauscher ausgebildet ist.

5. Konvektionsmodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Moduldeckel (1) temperaturgeregelt ist und aus einem wärmeleitenden Werkstoff besteht.

6. Konvektionsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Moduldeckel (1) verrippt ist.

7. Konvektionsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Umgebungsfluids in dem auf das Werkstück auftreffenden Fluidstrahl etwa 80 bis 95% beträgt.

8. Konvektionsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Moduldeckel (1) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

9. Konvektionsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Moduldeckel (1) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.