DE102004032085A1

DE102004032085A1 - Verbundbauelement aus Metall, mit mindestens einem Temperierkanal

Info

Publication number: DE102004032085A1
Application number: DE200410032085
Authority: DE
Inventors: Anja Dr.-Ing. Techel; Thomas Dipl.-Ing. Himmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauelement aus Metall, mit mindestens einem Temperierkanal, durch den ein Temperierfluid zum Kühlen oder Wärmen des Verbundbauelementes geführt werden kann. Dabei soll bevorzugt eine lokal differenzierte Temperierung möglich sein. Gemäß der gestellten Aufgabe sollen die aus mehreren miteinander verbundenen und parallel zueinander ausgerichteten plattenförmigen Elementen gebildeten Verbundbauelemente einen unerwünschten Austritt eines Temperierfluids verhindern und gleichzeitig die plattenförmigen Elemente lösbar miteinander verbunden sein. Die das Verbundbauelement bildenden plattenförmigen Elemente sind dabei kraftschlüssig und lösbar in Form eines Stapels miteinander verbunden. In den plattenförmigen Elementen sind Durchbrechungen ausgebildet. Durchbrechungen in benachbart zueinander angeordneten plattenförmigen Elementen kommunizieren dabei miteinander und bilden so einen Temperierkanal, der mit wechselnden Richtungen durch das Verbundbauelement geführt sein kann. Zwischen sämtlichen benachbarten plattenförmigen Elementen mit den Durchbrechungen sind im Verbundbauelement Dichtplatten, Dichtfolien angeordnet, in denen entsprechend zum Temperierkanal Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, solche plattenförmigen Elemente mit einem Dichtungswerkstoff zumindest an einer Oberfläche zu beschichten. Die plattenförmigen Elemente und die Dichtelemente sind dann kraftschlüssig zusammengepresst.

Description

Die Erfindung betrifft Verbundbauelemente aus Metall, mit mindestens einem Temperierkanal, durch den ein Temperierfluid zum Kühlen oder Erwärmen des Verbundbauelementes, bevorzugt in lokal differenzierter Form geführt werden kann. So können ganz bestimmte ausgewählte kritische Bereiche eines Verbundbauelementes, die während seines Einsatzes besonders temperiert werden müssen, gesondert mehr oder weniger erwärmt oder gekühlt werden.
Eine solche Temperierung kann insbesondere vorteilhaft an unterschiedlichen Formwerkzeugen zum Ur- oder Umformen, auch für Kernformen infolge einer für Kernherstellung günstigen Temperierbarkeit eingesetzt werden, wobei dann die Formwerkzeuge als erfindungsgemäße Verbundbauelemente ausgebildet sein können.

Es ist bekannt, dass solche Verbundbauelemente aus metallischen, parallel zueinander ausgerichteten plattenförmigen Elementen gebildet werden können, die üblicherweise stoffschlüssig miteinander verbunden sind und im Verbund dann die plattenförmigen Elemente einen Stapel bilden können. Solche plattenförmigen Elemente können auch als Lamellen bezeichnet werden. Durch verschiedene Trennverfahren können die einzelnen plattenförmigen Elemente mit bestimmten vorgebbaren Außenkonturen ausgebildet werden, so dass ein Stapel solcher plattenförmigen Elemente, die miteinander verbunden sind, unterschiedlichst gestaltete dreidimensionale Verbundbauelemente bilden kann. In solchen Verbundbauelementen können dann auch funktionelle Hohlräume in ihrem Inneren und auch Hinterschneidungen an diesen ausgebildet sein.

Mit Hilfe von an bestimmten Positionen an den plattenförmigen Elementen ausgebildeten Durchbrechungen können dann in einem metallischen Verbundbauelement ein aber mehrere Temperierkanal/-kanäle ausgebildet werden, wobei hierzu die jeweiligen an jeweils benachbart zueinander angeordneten plattenförmigen Elementen ausgebildeten Durchbrechungen miteinander kommunizieren. Solche Temperierkanäle können innerhalb eines Verbundbauelementes in unterschiedlichsten Richtungen dementsprechend zu unterschiedlichen Bereichen eines solchen Verbundbauelementes geführt werden.

Bei den bekannten aus plattenförmigen Elementen gebildeten Verbundbauelementen können die einzelnen plattenförmigen Elemente stoffschlüssig mit unterschiedlichen Fügeverfahren verbunden werden, wie dies beispielsweise das Kleben, das Löten und auch unterschiedliche Schweißverfahren sind.

So sind zwar Klebeverbindungen relativ kostengünstig herstellbar, die jeweils geeigneten organischen Bindemittel zum Kleben weisen jedoch einige Nachteile auf, die insbesondere den Einsatz bei sehr niedrigen und erhöhten Temperaturen zumindest behindern, wenn nicht gar unmöglich machen. Außerdem sind solche Binder alterungsanfällig, so dass die Verbindungsfestigkeit der entsprechend miteinander verbundenen metallischen plattenförmigen Elemente im Laufe der Zeit nachlassen und es sogar zum Lösen der stoffschlüssigen Verbindung kommen kann. So kann zumindest über längere Zeiträume nicht gesichert werden, dass eine solche Klebverbindung auch für die eingesetzten Temperierfluide dicht bleibt und dementsprechend ein Austritt von Temperierfluid auftreten kann.

Soll die stoffschlüssige Verbindung der einzelnen plattenförmigen Elemente durch Löten erfolgen und dabei die hierfür eingesetzten Lote auch noch bei erhöhten Temperaturen eine ausreichende Festigkeit aufweisen, sind insbesondere bei großvolumigen Verbundbauteilen die entsprechenden Kosten für die Herstellung einer solchen stoffschlüssigen Verbindung erheblich, da infolge der großen Fügeflächen eine sehr große Menge des erforderlichen Lotes erforderlich ist und die notwendige Energie zur ausreichenden Erwärmung ebenfalls einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.

Letztgenannter Sachverhalt trifft auch auf die Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen durch Diffusionsschweißen zu.

Die plattenförmigen Elemente von Verbundbauelementen können auch durch Schweißverfahren miteinander ver bunden werden, wobei punktuelle Schweißverbindungen ausgeschlossen werden können, da durch sie üblicherweise keine Fluiddichtheit für das jeweilige Temperierfluid, in der Regel Wasser, erreicht werden kann.

Auch eine äußere Verschweißung an den äußeren Rändern der plattenförmigen Elemente ist ungeeignet, da auch diese, wenn überhaupt nur sehr schwer fluiddicht herstellbar sind und außerdem der erforderliche relativ hohe Energieeintrag einen Verzug in den plattenförmigen Elementen eines solchen Verbundbauelementes nicht vermeiden kann und außerdem Festigkeitsverluste in Kauf genommen werden müssen.

Stoffschlüssige Verbindungen von plattenförmigen Elementen für die Herstellung von Verbundbauelementen haben aber generell auch einen weiteren Nachteil, da ein Lösen der Verbindung in der Regel nicht zerstörungsfrei erfolgen kann, so dass ein Austausch an einzelnen plattenförmigen Elementen, der infolge von lokal differenziert in Verbundbauelementen auftretenden Verschleiß, wie dies beispielsweise bei Umformwerkzeugen der Fall sein kann, nicht ohne weiteres möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Verbundbauelemente aus Metall, mit mindestens einem Temperierkanal, die aus miteinander verbundenen, parallel zueinander ausgerichteten plattenförmigen Elementen gebildet sind, für einen unerwünschten Austritt eines Temperierfluides sicher abdichten zu können und dabei gleichzeitig die Verbindung der plattenförmigen Elemente lösbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verbundbauelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 auf weist, gelöst. vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Bei den erfindungsgemäßen Verbundbauelementen aus Metall sind die metallischen, parallel zueinander ausgerichteten plattenförmigen Elemente kraftschlüssig und lösbar in Form eines Stapels miteinander verbunden. In plattenförmigen Elementen sind außerdem Durchbrechungen ausgebildet, die bei benachbart zueinander angeordneten plattenförmigen Elementen miteinander kommunizieren, so dass sie einen Temperierkanal bilden, durch den dann das jeweilige Temperierfluid, beispielsweise Kühlwasser hindurchgeführt werden kann.

Zwischen allen benachbarten plattenförmigen Elementen, in denen solche Durchbrechungen für den Temperierkanal ausgebildet sind, erfolgt die Abdichtung für das Temperierfluid mit zwischen diesen plattenförmigen Elementen eingesetzten Dichtplatten oder Dichtfolien. In diesen Dichtplatten oder auch Dichtfolien sind dann Durchtrittsöffnungen für das Temperierfluid ausgebildet, deren Anordnung die jeweilige Position der Durchbrechungen für den Temperierkanal berücksichtigt.

Die gewünschte Abdichtung kann aber auch durch eine Oberflächenbeschichtung an mindestens einer Oberfläche solcher plattenförmiger Elemente mit einem Dichtungswerkstoff erreicht werden.

Die Dichtwirkung wird dann durch das Zusammenpressen der plattenförmigen Elemente, den Dichtplatten, Dichtfolien oder der für die Abdichtung aufgebrachten Beschichtung erreicht.

Die eingesetzten Dichtplatten oder Dichtfolien sowie entsprechende Beschichtungen mit einem Dichtungswerkstoff sollten eine maximale Dicke von 2 mm, bevorzugt 1 mm und besonders bevorzugt unterhalb von 0,5 mm, möglichst im Ausgangszustand, also nicht nach dem Zusammenpressen aufweisen.

Die für die Abdichtung eingesetzten Werkstoffe sollten für den jeweiligen Temperaturbereich, bei dem die erfindungsgemäßen Verbundbauelemente eingesetzt werden, wie gegenüber den Einflüssen des jeweiligen Temperierfluides beständig sein.

So können beispielsweise Dichtplatten oder Dichtfolien im Wesentlichen aus Fasern, bevorzugt anorganischen Fasern, die mittels eines Binders gebunden sind, hergestellt worden sein. Bei erhöhten Temperaturen und chemisch aggressiven Temperierfluiden können solche Dichtplatten oder Dichtfolien mit Aramidfasern hergestellt worden sein.

Geeignete Binder sind beispielsweise Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Fluor-Kautschuk oder auch Fluor-Carbon-Kautschuk. Fluor-Kautschuk oder Fluor-Carbon-Kautschuk können aber auch vorteilhaft für die Oberflächenbeschichtung von plattenförmigen Elementen, als Dichtungswerkstoff eingesetzt werden.

Für viele Einsatzfälle können aber auch sehr dünne Dichtfolien aus Graphit eingesetzt werden, die beispielsweise unter der Handelsbezeichnung „Sigraflex" von der Firma DT Dichtungs-Technik GmbH, Bremen kommerziell erhältlich sind.

Dichtplatten aus Glimmer können vorteilhaft bei erhöhten Temperaturen zwischen plattenförmigen Elementen für die Abdichtung eingesetzt werden.

Für den Fall, dass die Abdichtung mit Dichtplatten oder Dichtfolien erfolgen soll, sollten diese möglichst vollflächig an den jeweiligen plattenförmigen Elementen anliegen und außerdem eine an die jeweiligen plattenförmigen Elemente angepasste Außenkontur aufweisen, um ein Überstehen über die Oberfläche des Verbundbauelementes oder auch das Auftreten von Vertiefungen an der Oberfläche in diesen Dichtspaltbereichen zu vermeiden. Dabei sollte auch die ansonsten vorteilhafte plastische und/oder elastische Verformbarkeit berücksichtigt werden können, um eine Nachbearbeitung der jeweiligen Oberfläche zu vermeiden, bzw. den hierfür erforderlichen Aufwand zumindest zu reduzieren.

Die plattenförmigen Elemente können auch Oberflächen mit zusätzlichen Beschichtungen aufweisen, die z.B. einen Korrosionsschutz bilden können.

Die kraftschlüssige Verbindung der plattenförmigen Elemente eines erfindungsgemäßen Verbundbauelementes kann vorteilhaft durch an außen angeordneten plattenförmigen Elementen angreifenden Druck- und/oder Zugkräften erreicht werden.

Vorteilhafte Möglichkeiten, für die Herstellung einer solchen kraftschlüssigen Verbindung sollen nachfolgend für auf Druckkräfte und auf Zugkräfte basierende mögliche Lösungen erläutert werden.

So kann beispielsweise bei der Montage eines erfindungsgemäßen Verbundbauelementes so vorgegangen wer den, dass plattenförmige Elemente nebeneinander angeordnet werden und in einem Stapel die plattenförmigen Elemente hochkant in einen Rahmen eingesetzt werden, der diesen Stapel umgreift. Dabei sind die plattenförmigen Elemente, in denen Durchbrechungen für einen Temperierkanal ausgebildet sind, mit Dichtungswerkstoff beschichtet oder zwischen solchen plattenförmigen Elementen sind Dichtplatten oder Dichtfolien angeordnet. Zwischen mindestens einem an einem Stapel außen angeordneten plattenförmigen Element und einer Wand des Rahmens kann dann mindestens ein Element eingesetzt werden, das sich an der inneren Wandung des Rahmens abstützt und mit dem eine Druckkraftwirkung, die zum Zusammentreffen des Stapels führt, ausgeübt wird, so dass ein kraftschlüssiger Verbund durch die wirkenden Druckkräfte erreicht werden kann.
Selbstverständlich können auch mehr als ein solches Spannelement eingesetzt werden und es besteht außerdem die Möglichkeit, solche Spannelemente innerhalb des Rahmens an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des aus den plattenförmigen Elementen und gegebenenfalls Dichtplatten bzw. Dichtfolien gebildeten Stapels Druckkräfte ausüben zu lassen.
Eine Zugkraftbeaufschlagung kann mit einem so genannten Zuganker, der ebenfalls durch einen Kanal, der mittels in plattenförmigen Elementen ausgebildeten Durchbrechungen hergestellt ist, hindurchgeführt und mit Hilfe von Klemmelementen, die sich an außen angeordneten plattenförmigen Elementen abstützen können, mit einer Zugkraft beaufschlagt werden können.
Ein solcher Kanal, durch den ein Zuganker geführt werden kann, kann vorteilhaft nicht geradlinig durch das Verbundbauelement geführt sein, so dass kritische Bereiche an bzw. in einem Verbundbauelement quasi umgangen werden können. So können an einem solchen Kanal, durch den ein Zuganker geführt wird, Bögen oder auch Abwinkelungen vorhanden sein, mit denen Richtungsänderungen des Kanals erreichbar sind.
In diesen Fällen sollte der eingesetzte Zuganker zumindest bereichsweise flexibel sein, so dass er als Zugkräfte übertragendes Element an die wechselnden Richtungen des Kanals anpassbar ist. So kann ein solcher Zuganker beispielsweise ganz oder teilweise in Form eines Zugseiles ausgebildet sein.
An mindestens einem Ende eines solchen Zugankers sollte dann ein Klemmelement so befestigt sein, dass die wirksame Länge zu jeweils einem anderen am anderen Ende des Zugankers befestigten Klemmelementes veränderbar ist, was beispielsweise über eine Gewindeverbindung erreichbar ist.
An Verbundbauelementen die Druck- und/oder Zugkraft beaufschlagt die jeweiligen plattenförmigen Elemente zusammengepresst gehalten sind, kann dann bei Bedarf leicht die Verbindung wieder gelöst werden, so dass alle oder lediglich einige plattenförmige Elemente sowie gegebenenfalls auch Dichtplatten und Dichtfolien dann ausgetauscht werden können.
So ist auch eine Optimierung der Temperierung an Verbundbauteilen möglich.
Mit der Erfindung kann auch der Korrosion in Temperiersystemen bzw. den plattenförmigen Elementen eines Verbundelementes entgegengewirkt werden.

Claims

Verbundbauelement aus Metall, mit mindestens einem Temperierkanal, durch den ein Temperierfluid geführt werden kann, dabei das Verbundbauelement aus metallischen, parallel zueinander ausgerichteten plattenförmigen Elementen gebildet ist, die kraftschlüssig und lösbar in Form eines Stapels miteinander verbunden sind; wobei in plattenförmigen Elementen Durchbrechungen ausgebildet sind, die bei benachbart zueinander angeordneten plattenförmigen Elementen miteinander kommunizieren und den Temperierkanal bilden und zwischen sämtlichen benachbarten plattenförmigen Elementen, in denen Durchbrechungen für den Temperierkanal ausgebildet sind, Dichtplatten, Dichtfolien, in denen in Bezug zu den den Temperierkanal bildenden Durchbrechungen positionierten Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind, angeordnet sind oder mindestens eine Oberfläche eines solchen plattenförmigen Elementes mit einem Dichtungswerkstoff beschichtet ist und so die Abdichtung des Temperierkanals durch zusammen Pressen der plattenförmigen Elemente erreichbar ist.
Verbundbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtplatten, Dichtfolien oder Beschichtungen jeweils eine maximale Dicke von 2 mm aufweisen.
Verbundbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtplatten oder Dichtfolien aus mit einem Binder gebundenen anorganischen Fasern gebildet sind.
Verbundbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit/aus Aramidfasern gebildet sind.
Verbundbauelement nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ein Nitril-Butadien-Kautschuk, Fluor-Kautschuk oder Fluor-Carbon-Kautschuk ist.
Verbundbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtplatten, Dichtfolien oder Beschichtungen plastisch und/oder elastisch verformbar sind.
Verbundbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtfolien aus Graphit gebildet sind.
Verbundbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtplatten aus Glimmer gebildet sind.
Verbundbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtplatten oder Dichtfolien vollflächig an jeweiligen plattenförmigen Elementen anliegen und eine an diese angepasste Außenkontur aufweisen.
Verbundbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Elemente durch Druck- und/oder Zugkräfte, die an außen angeordneten plattenförmigen Elementen angreifen miteinander kraftschlüssig verbunden sind.