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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum flächigen Beheizen bzw. Kühlen, welche insbesondere aus einer Vielzahl von plattenförmigen Heiz- bzw. Kühleelementen besteht.
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Stand der Technik
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Heiz- bzw. Kühlplatten werden für vielfältige industrielle Anwendungen eingesetzt, so zum Beispiel zum Erhitzen von Substraten, die in Vakuumkammern handelsüblicher Laminatoren oder allgemein in Pressen bearbeitet werden. Da bei derartigen Anwendungen meist große Flächen für die Beheizung bzw. Kühlung benötigt werden, kommen aneinandergereihte Heiz- bzw. Kühlplatten zum Einsatz. Derzeit werden solche Heiz- oder Kühlplatten mittels Schrauben an den Stoß- oder Stirnseiten verschraubt. Aufgrund thermischer und/oder mechanischer Belastungen können derartige Verschraubungen allerdings keine konstante, d. h. dauerhaft gleichbleibende Verbindung bereitstellen, da die Platten mit der Zeit auseinanderdriften. Selbst gut dimensionierte Verschraubungen und Stöße lassen, dauerhaft gesehen, ein Verrutschen zu und müssen daher oft gewartet, nachjustiert bzw. nachgezogen werden, wenn der Stoß, d. h. die Nahtstelle zwischen benachbarten Platten, spaltfrei bleiben soll. Außerdem sind die Stöße aufgrund fehlender Heiz- bzw. Kühlmöglichkeiten an dieser Stelle in der Regel kälter bzw. wärmer als die Innenbereiche der Heiz- bzw. Kühlplatten, so dass sich an den Stößen ein ungleichmäßiges Temperaturprofil ergibt und die eigentlich geforderten Temperaturhomogenitäten oftmals nur bedingt erreicht werden können. Eine Auskühlung des Stoßes, d. h. der Verbindung zwischen den Stoß- oder Stirnseiten der Platten, bedingt durch eine aufzuheizende Kapazität der Heizplatte, kann nicht wirklich zufriedenstellend nachgeheizt werden, und allenfalls eine gewisse Homogenität kann nur über einen längeren Zeitraum erreicht werden.
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Weiterhin gibt es auch Anwendungsfälle, bei denen die Heiz- bzw. Kühlplatten als Kammerwände beispielsweise in einem Laminator eingesetzt werden, so dass hier die Stöße, d. h. die Verbindungen der aneinandergereihten Heiz- bzw. Kühlplatten, auch vakuumdicht gestaltet werden müssen. Im bisher bekannten Stand der Technik bedeutete das Auseinanderdriften der Platten mit der Zeit eine sich reduzierende Klemmkraft für die Dichtung, so dass diese immer wieder erneuert bzw. der Stoß gewartet werden musste.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum flächigen Beheizen bzw. Kühlen bereitzustellen, welche eine homogenere Temperaturverteilung an den Stößen bereitstellt und ein Auseinanderdriften benachbarter Heiz- bzw. Kühlplatten zuverlässig verhindert.
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Darstellung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Anordnung zum flächigen Beheizen bzw. Kühlen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zum flächigen Beheizen bzw. Kühlen umfasst eine Vielzahl von Heiz- bzw. Kühlplatten, die an ihren Stirn- oder Stoßseiten aneinandergereiht sind, um eine zusammenhängende Heiz- bzw. Kühlfläche zu bilden, wobei die aneinandergereihten Platten mithilfe von mindestens einem Spannglied von den Außenrändern der Plattenanordnung ausgehend in Stoßrichtung verspannt sind. Bevorzugt verläuft dabei das mindestens eine Spannglied durch die Platten oder an den Platten entlang.
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Die Stoßrichtung ist hierbei jene Richtung, in welcher die einzelnen Heiz- bzw. Kühlplatten aneinandergeschoben bzw. -gereiht sind, und die Stirn- bzw. Stoßseiten sind die Schmalseiten der Platten in Stoßrichtung. Es ist zu verstehen, dass selbstverständlich die Heiz- bzw. Kühlplatten nicht nur in einer Richtung aneinandergereiht sein können, sondern auch zweidimensional in zwei Richtungen aneinandergelegt werden können, wobei in einem derartigen Fall Spannglieder für die jeweilige Stoßrichtung vorgesehen sind.
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Dadurch dass das mindestens eine Spannglied die Verspannung ausgehend von den Außenrändern der Plattenanordnung erzeugt, das heißt außerhalb der Heiz- bzw. Kühlanordnung, wo sowohl die thermischen als auch die mechanischen Belastungen gering sind, treten keine wesentlichen Veränderungen der Vorspannung mit der Zeit auf. Somit erfolgt auch kein Auseinanderdriften der Platten mit der Zeit, und die Wartungsintervalle können somit stark vergrößert werden oder sich in dieser Hinsicht gar erübrigen. Zudem wird durch die konstante Verspannung der Stoß spaltfrei gehalten, was eine wesentlich verbesserte Temperaturhomogenität über den Spalt hinweg sicherstellt. Auch die vakuumdichte Ausgestaltung der Anordnung bei in den Stoß eingesetzten Dichtungen bleibt über lange Zeiträume erhalten, so dass kostenintensive Erneuerungen der Dichtungen vermindert werden können.
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Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung als Spannglied ein Seil, welches durch geeignete Befestigung an den Außenrändern der Platten, die dem Fachmann ohne Weiteres geläufig ist, die Vorspannung generiert und die Heiz- bzw. Kühlplatten spaltfrei und dauerhaft aneinanderreiht. Alternativ oder zusätzlich können Zugstangen mit Tellerfederpaketen und/oder Gewindestangen mit Muttern als Spannglieder eingesetzt werden. Auch sind Bandeisenspannsysteme denkbar.
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Die Platten werden mithilfe der erfindungsgemäßen Spannglieder auf „Anschlag” montiert, so dass im Dichtstoß immer die gleiche Vorspannung vorhanden ist. Dabei wird der Stoß allerdings noch nicht aktiv geheizt bzw. gekühlt. Die Vorspannung der Spannglieder, beispielsweise der Seile, sichert die Klemmkraft an den Platten auch bei hohen Temperaturen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Elastizität der Spannglieder entsprechend den Abmessungen, der Anzahl und/oder der Einsatztemperatur der zu verspannenden Platten gewählt. Da die Platten abhängig von der Temperatur unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen unterliegen und somit unterschiedlich große Spalte erzeugen würden, vor allem an den Rändern des Stoßes, bzw. bei einer größeren Anzahl von Platten mehr Stöße vorhanden sind, deren zu erwartenden temperaturbedingten Spalte sich summieren, ist es notwendig, diesem Umstand durch eine entsprechend angepasste Elastizität der Spannglieder Rechnung zu tragen, um eine konstante und effektive Verspannung an jedem Stoß der Plattenanordnung zu erzielen.
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Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung Distanzstücke, die zwischen benachbarten Platten an quer zur Stoßrichtung befindlichen Außenbereichen der Stoßseiten positioniert sind. Dabei werden die Distanzstücke bevorzugt im Bereich der an oder in den Platten verlaufenden Spannglieder angeordnet. Da sich die Platten insbesondere bei hohen Einsatztemperaturen (200°C und mehr) in der Mitte der Stoßseite thermisch stärker ausdehnen als in den Außenbereichen, die Platten bei hohen Temperaturen also eine Balligkeit zeigen, die zu einem Anliegen der Stoßseiten in der Mitte, aber zu Spalten an den Außenbereichen führt, kann durch die Distanzstücke, deren Dicke mit den Abmessungen, der Anzahl bzw. der Zieltemperatur der Platten zunehmend gewählt wird, die Vorspannung entlang des gesamten Spalts gleich gehalten werden, und somit den unterschiedlichen Ausdehnungen entgegengewirkt werden.
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Alternativ ist es vorgesehen, die Stoßseiten der Platten bei Raumtemperatur konkav zu gestalten, um die bei hohen Temperaturen auftretende Balligkeit zu kompensieren. Die bei Raumtemperatur konkav gestalteten Stoßseiten dehnen sich nämlich dann bei hohen Temperaturen so aus, dass die resultierenden Stoßseiten gerade sind und dadurch eine konstante Spannkraft ohne Spaltbildung entlang des gesamten Stoßes wirkt.
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Bevorzugt sind die Stoß- bzw. Stirnseiten benachbarter Heiz- bzw. Kühlplatten als Feder- und Nutverbindung ausgeführt. Das heißt, dass die Stirnseite einer Platte beispielsweise eine nutartige Vertiefung aufweist, während die Stirnseite der an sie anzulegenden benachbarten Platte einen als Feder ausgestalteten Vorsprung aufweist, der in die gegenüberliegende Nut hineinpasst. Die Passung ist dabei bevorzugt sowohl vakuumdicht als auch thermisch leitend.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Feder hierbei mindestens ein Heiz- bzw. Kühlelement. Auf diese Weise kann besonders wirkungsvoll der Stoß zwischen benachbarten Platten beheizt bzw. gekühlt werden, so dass keinerlei Temperaturinhomogenitäten mehr an den Stößen auftreten. Das Heiz- bzw. Kühlelement kann in Form eines Kanals eines Rohrleitungssystems oder anderer Heiz- bzw. Kühlsysteme ausgestaltet sein, wie zum Beispiel als Heizwiderstand und dergleichen. Des Weiteren erlaubt die Feder- und Nutverbindung auch eine vertikale Führung des Stoßes, d. h., dass Verschiebungen zwischen benachbarten Platten in vertikaler Richtung ausgeschlossen sind.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Laminationsvorrichtung mit einer Presskammer, wobei mindestens eine der Kammerwände eine Anordnung zum flächigen Beheizen bzw. Kühlen wie oben beschrieben umfasst. Die Presskammer kann dabei bevorzugt Vakuum beaufschlagbar sein, und die Plattenanordnung kann sowohl als separates Bauteil an der mindestens einen Kammerwand angebracht sein, oder aber in die mindestens eine Kammerwand integriert sein und diese bilden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plattenanordnung in Draufsicht auf ihre Nutzseite (1a) und in Schnittansicht (1b);
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plattenanordnung in Draufsicht auf ihre Nutzseite (2a) und in Schnittansicht (2b);
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3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Stoßes in der Ansicht der 1b); und
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4 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Stoßes in der Ansicht der 2b).
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, wie sie beispielsweise in einer Presskammer einer Laminationsvorrichtung eingesetzt wird. Hierbei besteht, wie aus 1b) ersichtlich ist, die Plattenanordnung des vorliegenden Beispiels aus vier entlang ihrer kurzen Schmalseiten aneinandergereihten Heizplatten 11 bis 14, welche eine geschlossene Heizfläche bilden, wie sie beispielsweise in Laminatoren als beheizbare Kammerwand eingesetzt wird. Die beiden nebeneinander befindlichen Heizplatten 12 und 13 liegen, wie erwähnt, an ihren kurzen Stoßseiten aneinander an und bilden dabei den Stoß 15. Gleiches gilt analog für die Plattenpaare 11, 12 und 13, 14, deren Stoß der einfacheren Darstellung halber in 1 nicht gezeigt ist.
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Wie aus der Längsschnittsansicht der 1a) ersichtlich ist, wird der Stoß 15 zusätzlich durch eine Verbindungsleiste 17 gebildet, welche auf der Ebene der Heizkanäle 19 zwischen die benachbarten Platten 12, 13 eingelegt ist. Es ist dabei vorgesehen, die Verbindungsleiste 17 beheizt auszuführen, um eine homogene Temperaturverteilung über den Stoß 15 zu erreichen. Der genaue Aufbau des Stoßes ist detaillierter in 3 gezeigt, die eine vergrößerte Ansicht des Stoßes 15 darstellt. Die Heizplatten 12, 13 weisen außen auf ihrer Wärme abstrahlenden Nutzseite (in 3 oben) Deckbleche 22, 23 (beispielsweise aus Aluminium) auf, welche im Stoß aneinander anliegen, wobei im Bereich der oberen Heizebene der Stoß durch Einlegen einer T-Dichtung 18 vakuumdicht ausgestaltet wird. An der der Nutzseite abgewandten Seite (in der Figur unten) sind hingegen Bodenbleche 24, 25 angebracht, die ohne Dichtung aneinander anliegen und den unteren Teil des Stoßes bilden.
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An den Innenseiten der Deckbleche 22, 23 und Bodenbleche 24, 25 sind Heizebenen 32, 33 und 34, 35 vorgesehen, die zum Beispiel Widerstandsheizdrähte (nicht gezeigt) als Heizelemente enthalten. Die Heizebenen 32, 33 wie auch die Heizebenen 34, 35 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel nicht bis zum Rand der Deck- bzw. Bodenbleche 22, 23 und 24, 25, sondern nur bis zur Verbindungsleiste 17, die mit den beiden Heizplatten 12, 13 verschraubt ist.
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Von den oberen und unteren Heizebenen nach innen befinden sich, wie angedeutet, Kanäle 19 für die Zirkulation eines Heiz- bzw. Kühlfluids, wie zum Beispiel Öl, durch die jeweiligen Heizplatten. Das Fluid kann dabei entweder direkt der Beheizung dienen, oder als Wärmeaustauschfluid die Temperatur in den zum Beispiel von den Heizdrähten beheizten Heizplatten homogenisieren. Auch ist denkbar, die Platten abwechselnd in unterschiedlichen Betriebsmodi zu betreiben, zum Beispiel einem Heizzyklus gefolgt von einem Kühlzyklus, wobei dann das Fluid als Wärme aufnehmendes Kühlfluid dient.
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Wie schematisch in der Draufsicht der 1a) gezeigt ist, werden die vier aneinandergereihten Heizplatten 11 bis 14 mithilfe von Spannseilen 20, die jeweils entlang ihrer freien, senkrecht zur Stoßrichtung liegenden Seiten in Bohrungen (oder auch in flachen Nuten, rechteckigen Kanälen oder außerhalb der Platten) verlaufen, von den Außenrändern her in Richtung der Pfeile FV verspannt. Hierzu sind die Seile 20 an ihrem einen Ende an einem Außenrand der Plattenanordnung 11–14 fixiert, während an ihrem anderen Ende am anderen Außenrand 16 der Plattenanordnung, hier am Rand der Platte 14, beispielsweise Spannfedern vorgesehen sind, mithilfe derer die Seile 20 gespannt werden. Ebenso denkbar sind auch die Seile abschließende Gewindeaufsätze, die mithilfe von Muttern gegen den Außenrand 16 verspannt werden.
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Durch die in Richtung der Pfeile F wirkende Vorspannkraft werden die Heizplatten 11 bis 14 in Stoßrichtung derart gespannt, dass sich selbst bei temperatur- oder belastungsbedingten Beaufschlagungen kein Spalt zwischen benachbarten Platten bildet und somit die Wärmeübertragung über den Stoß 15 zwischen benachbarten Platten begünstigt wird und ein gleichmäßiges Temperaturprofil über den Stoß 15 sichergestellt wird.
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Dabei wird auch die zur Nutzseite hin im Stoß 15 angeordnete Dichtung 18 entlastet, welche bei der in einer Vakuum beaufschlagten Presskammer eingesetzten Anordnung zur Abdichtung notwendig ist. Die Dichtung 18 unterliegt aufgrund der gleichbleibenden Verspannung keinen Kompressionsschwankungen mehr und besitzt somit eine längere Lebensdauer und eine damit einhergehende bessere Dichtigkeit.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei welcher die Plattenanordnung 100 wiederum aus vier aneinandergereihten Heizplatten 111 bis 114 besteht. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst jedoch jede Heizplatte an einer Stoßseite eine Nut, die mit einer entsprechend bemessenen Feder auf der gegenüberliegenden Stoßseite der benachbarten Heizplatte zusammenpasst. Innerhalb der Nut befindet sich in dieser Ausführungsform ein zusätzlicher Kanal 119, der die Temperatur des Stoßes 115 homogenisiert.
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In 4 ist der Stoß 115 im Detail gezeigt. In der Variante der 4a) erstrecken sich die Heizebenen 133 und 135 der rechten Platte 113 bis zur Spitze (am Stoßende) der Feder 136, während sich die Heizebenen 132 und 134 der benachbarten linken Platte 112 bis zum Boden der Nut 137 erstrecken. Dies wird durch die überbreit gezeichnete Trennfuge 140 deutlich, entlang derer die benachbarten Platten in Wirklichkeit im Wesentlichen spaltfrei aneinander anliegen. Die durch diese Ausgestaltung durchgehend aneinander anschließenden Heizebenen 132 und 133 einerseits sowie 134 und 135 andererseits ermöglichen es, den Stoß 115 auf die gleiche Temperatur wie in der Mitte der zugehörigen Heizplatten 112, 113 zu bringen und somit einen absolut gleichförmigen Temperaturverlauf über den Stoß 115 zu erzielen.
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In der Variante der 4b) erstrecken sich hingegen die Heizplatten 232 und 234 bis Frontende der Nut, d. h. zum Stoßende der Deck- und Bodenplatten, wie durch die ebenfalls überbreit dargestellte Trennfuge 240 gezeigt ist. Auch hier schließen die Heizebenen 232 und 233 sowie 234 und 235 aneinander an, so dass der selbe Effekt wie in der Variante der 4a) erzielt wird.
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Die in 2 und 4 dargestellte Ausführungsform stellt ebenfalls eine Heizplattenanordnung dar, wie sie als Kammerwände für Vakuumkammern von Laminatoren verwendet wird. Hierzu ist wie in der ersten Ausführungsform eine T-Dichtung 18 in den Stoß 115 auf der der Kammer zugewandten Seite der Heizplatten eingesetzt. Da durch die erfindungsgemäße Verspannung mithilfe der Seile 20 entlang des Stoßes 115 keine Spalte zwischen den benachbarten Heizplatten 112, 113 entstehen, ergeben sich auch geringere mechanische Belastungen für die Dichtung 18, welche ihre Dichtfunktion somit über einen längeren Zeitraum beibehalten kann. Bei geeigneter Dimensionierung und Wahl der Vorspannkraft kann unter Umständen aber auch auf die Dichtung 18 verzichtet werden, da aufgrund der Nut-Federverbindung bereits ein effektiver Dichtmechanismus zwischen benachbarten Platten zur Verfügung steht. Aufgrund des in dieser Ausführungsform aktiv, d. h. mit Heizkanal, ausgestalteten Stoßes werden darüber hinaus dimensionelle Änderungen durch thermische Belastung praktisch ausgeschlossen und somit auch ein mögliches Auseinanderdriften der Platten mit einhergehender Undichtheit wirkungsvoll vermieden.
