-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen mindestens eines metallischen Gussbauteils, beispielsweise eines Kurbelgehäuses, Zylindergehäuses, Strukturbauteils u. ä., im Anschluss an den Gussprozess oder einen Nachfolgeprozess zur Herstellung und/oder Vergütung und/oder Veredelung des Gussbauteils.
-
Nach dem Gießen von metallischen Bauteilen für beispielsweise Motoren und Antriebsstränge von Kraftfahrzeugen müssen die Bauteile möglichst rasch gekühlt werden, da bei einer unforcierten Abkühlung, beispielsweise in Umgebungsluft, der Kühlprozess viele Stunden dauern würde. Eine solche Zeitspanne ist bei modernen Herstellungsverfahren unrentabel und würde zudem einen erheblichen Förder- und Lageraufwand erfordern. Allerdings besteht bei einem schnellen Abkühlen, beispielsweise in Kühlwasser, die Gefahr, dass sich Lunker, Risse, Oxidationskeime und andere Fehlstellen bilden.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches ein verhältnismäßig schnelles Abkühlen des Gussbauteils ohne wesentliche Qualitätsverluste ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass das mindestens eine Kühlfluid nicht selbst, zumindest zum großen Teil nicht und vorzugsweise überhaupt nicht, mit dem mindestens einen Bauteil selbst in Berührung kommt, sondern mit der das mindestens eine Bauteil zumindest teilweise umgebenden, flexiblen oder starren Umhüllung. Somit kann das Kühlfluid nicht unmittelbar auf das Bauteil einwirken, so dass das Bauteil nicht schockartig gekühlt wird und daher keine Lunker oder andere Schwachstellen im Bauteil entstehen können. Der Wärmeaustausch zwischen Bauteil und Kühlfluid erfolgt gemäß der Erfindung über die Umhüllung und über das ggf. vorhandene Medium zwischen der Innenseite der Umhüllung und dem Bauteil, wobei die Wärmeübertragung in Form von insbesondere Wärmeleitung und Wärmeströmung zwischen den beteiligten Elementen (d. h. dem mindestens einen Kühlfluid, der Umhüllung, ggf. Medium zwischen Umhüllung und Bauteil, dem Bauteil selbst) stattfindet. Die Verhinderung des direkten Einwirkens des Kühlmediums auf das Bauteil verlangsamt den Kühlungsprozess erwünschtermaßen und schont dabei das Bauteil derart, dass keine Risse, Lunker, etc. entstehen. Mit anderen Worten kann eine optimale Balance zwischen Abkühlgeschwindigkeit und Bauteilqualität realisiert werden. Die Größe und Form der Umhüllung sowie die Größe der Anlagefläche an dem Bauteil kann dabei derart festgelegt werden, dass die gewünschte Abkühlrate realisiert wird. Beispielsweise kann bei einer flexiblen Umhüllung die Spannung auf die Umhüllung variiert werden; wird keine Spannung, z. B. durch Ziehen an der Umhüllung von oben, ausgeübt, liegt die flexible Umhüllung ggf. nur an einigen wenigen Stellen direkt am Bauteil an, so dass nur sehr wenige Wärmebrücken vorhanden sind. Wird die Umhüllung jedoch gestrafft, kann die Zahl der Kontaktstellen zwischen der Innenseite der Umhüllung und dem Bauteil erhöht und ein besserer Wärmefluss realisiert werden.
-
Die Umhüllung kann flexibel oder starr ausgebildet sein, wobei hierunter auch Mischformen mit starren und flexiblen Abschnitten zu verstehen sind. Auch sei klargestellt, dass wenn vorliegend nicht immer explizit von „mindestens einem Bauteil” die Rede ist, generell auch mehrere Bauteile in einer einzigen Umhüllung eingebracht sein und gleichzeitig abgekühlt werden können.
-
Besonders bevorzugt kommt das mindestens eine Kühlfluid während des Abkühlprozesses an keiner Stelle mit dem Bauteil in Kontakt. Die Wärmeübertragung zwischen Kühlmedium und Bauteil erfolgt dann vollständig über die Umhüllung.
-
Als Kühlfluid wird bevorzugt ein Mitglied der folgenden Gruppe gewählt: Wasser, wässrige Lösungen, Öl oder Öle, Emulsionen, insbesondere Öl-Wasser-Emulsionen, Gase oder Gemische aus den oben genannten Verbindungen. Das Kühlfluid kann demnach bei einer einfachen Ausführungsform Wasser, aber auch ein Gemisch von beispielsweise Wasser und Öl sein, also eine Öl-Wasser-Emulsion. Der Einsatz von geeigneten Additiven, welche beispielweise eine leichtere Reinigung des Kühlsystems ermöglichen, sind ohne Weiteres möglich.
-
Vorteilhafterweise wird das mindestens eine Kühlfluid, wenn in flüssiger Form vorliegend oder schwerer als Luft, in ein Tauchbecken gefüllt, in welches dann die Umhüllung mit dem eingebrachten Gussbauteils beispielsweise mittels eines Krans o. ä. abgesenkt wird. Hierbei kann die Umhüllung permanent am oberen Rand der Umhüllung oberhalb des Kühlfluidpegels gehalten werden, wobei dieser obere Rand eine Einbringöffnung für das Bauteil definiert und offen gelassen werden kann (aber nicht muss). Bei entsprechender Tiefe des Tauchbeckens kann die Umhüllung auf den Boden des Tauchbeckens abgestellt werden. Je nach Steifigkeit der Umhüllung kann dann der obere Rand der Umhüllung über den Kühlfluidpegel ragen oder permanent gehalten werden, so dass er nicht in die Kühlflüssigkeit sinkt und die Kühlflüssigkeit über den Rand der offenen Umhüllung zum Bauteil gelangt. Auch kann der Rand der Umhüllung schwimmend ausgebildet sein und so als Barriere gegen das Überschwappen der Kühlflüssigkeit dienen. Weiterhin kann das Tauchbecken eine derartige geometrische enge Form aufweisen, dass der obere Rand der Umhüllung nicht in das Kühlfluid absinken kann, sondern sich am inneren Rand des (dementsprechend nicht vollständig gefüllten) Tauchbeckens abstützt. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der obere Rand der Umhüllung an einem Gerüst o. ä. oberhalb des Tauchbeckens gehalten wird.
-
Nach Abkühlen des Bauteils auf die gewünschte Temperatur kann die Umhüllung samt dem Bauteil wieder aus dem Tauchbecken gehoben und – ggf. nach einer kurzen Abkühlung an der Umgebungsluft – der Weiterverarbeitung zugeführt werden. Hierbei ist Umgebungsluft, wenn alleinig eingesetzt, nicht als Kühlfluid gemäß der Erfindung anzusehen, vielmehr kann Umgebungsluft allenfalls zusammen mit einem Kühlfluid gemäß der Erfindung zusammenwirken.
-
Bevorzugt liegt das mindestens eine Kühlfluid in flüssiger Form vor. Wenn mehr als ein Kühlfluid verwendet wird, ist vorzugsweise mindestens eines ein flüssiges Kühlfluid. Aber auch ein Einbringen des Bauteils in eine Atmosphäre mit einem gasförmigen Kühlfluid kann bei bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft sein.
-
Die Größe und Form der Umhüllung ist vorzugsweise auf die Größe und Form des abzukühlenden Bauteils abgestimmt. Insbesondere kann die Innenkontur der Umhüllung auf die Außenkontur des abzukühlenden Bauteils abgestimmt werden, so dass definierte direkte Kontaktflächen zwischen der Umhüllung und des Bauteils geschaffen werden. Dies Kontaktflächen können insbesondere an einer oder mehreren Seitenwänden oder an der Oberseite des Bauteils realisiert werden. Kontaktflächen zwischen dem Boden des Bauteils und dem Boden der Umhüllung sind in den meisten Fällen sowieso vorhanden.
-
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das mindestens eine Kühlfluid zumindest während des Kühlprozesses aktiv bewegt, um die Wärmeströmung (Konvektion) zu beschleunigen, so dass ein schnellerer Temperaturaustausch bzw. eine schnellere Temperaturanpassung realisiert wird. Das Kühlwasser kann hierbei beispielsweise an der Umhüllung vorbeiströmen oder gerührt oder verwirbelt werden. Mischformen dieser Bewegungsformen sind ohne Weiteres möglich.
-
Alternativ wird das mindestens eine Kühlfluid zumindest während des Kühlprozesses im Wesentlichen statisch gehalten, wodurch sich der Anteil der Wärmeleitung an der Wärmeübertragung gegenüber der Wärmeströmung erhöht. Aufwändige Rührapparate, Düsen, o. ä. für das Kühlmedium werden zwar nicht benötigt, allerdings verlangsamt sich der Abkühlungsprozess gegenüber einem agitierten Kühlfluid.
-
Das Bauteil (oder auch mehrere Bauteile) kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vollständig in die Umhüllung eingebracht werden, um anschließend die Umhüllung im Wesentlichen dicht zu schließen, beispielsweise durch Verschweißen oder Klammerung der Umhüllung. Die Umhüllung kann dann mitsamt dem Bauteil teilweise oder vollständig in das Kühlfluid eingetaucht werden.
-
Alternativ oder auch zusätzlich zu einem Eintauchen der Umhüllung mitsamt dem Bauteil in ein Becken mit flüssigem Kühlmedium kann die Umhüllung von außen mit einem Kühlfluid besprüht werden.
-
Das Material der Umhüllung kann je nach Anwendungsfall (Größe des oder der Bauteile, Bauteilmaterial, Temperaturdifferenz zwischen Kühlfluid und Bauteil(en), gewünschte Abkühlzeit, Preis der Umhüllung, Säuberungsmöglichkeiten für die Umhüllung, etc.) gewählt werden. So kann die Umhüllung beispielsweise aus Metall, beispielsweise in Folienform und vorzugsweise aus Aluminium bestehen. Alternativen sind beispielsweise Umhüllungen aus Legierungen. Aber auch der Einsatz von Kunststoffen oder Verbundwerkstoffen kann in bestimmten Anwendungsfällen von Vorteil sein.
-
Die Umhüllung ist vorzugsweise als biegsame Folie, z. B. in Beutelform, oder als Kiste ausgebildet. Auch kann die Umhüllung doppelwandig oder mit noch mehr Wänden ausgestattet sein, wobei eine Mehrwandigkeit auch nur abschnittsweise vorliegen kann.
-
Wie oben schon angeklungen, kann die Umhüllung mit dem darin platzierten mindestens einen Bauteil mit mehreren unterschiedlichen Kühlfluiden nacheinander in Kontakt gebracht werden. Bei geeigneter Wahl kann hierbei eine zeitlich optimierte Abkühlung unter ggf. energetischen Optimierungsgesichtspunkten realisiert werden.
-
Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung wird ein Wärmetauscher verwendet, durch welchen das durch das Bauteil indirekt aufgewärmte Kühlfluid im Anschluss an den Kühlvorgang geleitet wird. Die erhaltene Wärmeenergie kann für verschiedenste Zwecke verwendet werden, beispielsweise zum Absenken der Temperatur des Kühlfluids vor dessen (ggf. erneuten) Kontaktierung mit der besagten Umhüllung.
-
Weitere Merkmale und mögliche Merkmalskombinationen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden für gleiche oder vergleichbare Merkmale verwendet. Es zeigen:
-
1 ein Tauchbecken mit einer abgesenkten flexiblen Umhüllung, in der ein Metallgussbauteil eingebracht ist;
-
2 eine verschlossene flexible Umhüllung mitsamt Bauteil in einem Tauchbecken;
-
3 eine offene Umhüllung mitsamt Bauteil in einem Tauchbecken;
-
4 eine randseitig eingespannte flexible Umhüllung mitsamt Bauteil in einem Tauchbecken;
-
5 eine starre Umhüllung mitsamt Bauteil in einem Tauchbecken;
-
6 eine geschlossene flexible Umhüllung mit mehreren Sprühköpfen, und
-
7 ein Tauchbecken mit im Kreis geführtem Kühlfluid und Wärmetauscher.
-
In den sehr schematischen 1–7 ist jeweils ein Gussbauteil 1 vereinfacht als Rechteck dargestellt. Es kann sich bei dem Bauteil 1 beispielsweise um ein Kurbelgehäuse oder ein Zylindergehäuse handeln, das kurz zuvor gegossen wurde und nun abgekühlt werden soll. Erfindungsgemäß ist das Bauteil 1 hierzu in eine vereinfacht dargestellte Umhüllung 2 eingebracht, das in den 1–4, 6 und 7 aus einem flexiblen Material beispielsweise in Form einer dickwandigen Aluminiumfolie oder einem dickwandigen Aluminiumbeutel hergestellt ist.
-
Die Größe des Bauteils 1 ist hierbei an die Größe der Umhüllung 2 derart angepasst, dass die Umhüllung 2 das Bauteil 1 im Wesentlichen umgibt. Der obere Rand 3 der ansonsten geschlossenen Umhüllung 2 ist von Greifern 12 gehalten, die mit Seilen 11 o. ä. von beispielsweise einem Kran (nicht dargestellt) gehalten werden. Der Kran ist insbesondere für den Transport der Umhüllung 2 mit dem eingebrachten Bauteil 1 zum nachfolgend beschriebenen Kühlsystem zuständig.
-
Zum kontrollierten Abkühlen des Bauteils 1 im unmittelbaren Anschluss an das Gießen ist vorliegend ein Tauchbecken 7 vorgesehen, in das ein flüssiges Kühlfluid 8 eingefüllt ist. Das Kühlfluid ist vorliegend z. B. Wasser oder eine Wässer-Öl-Emulsion. In das Tauchbecken 7 führt ein Zufluss 21 hinein und aus dem Tauchbecken 7 ein Abfluss 22 heraus. Zudem ist mindestens ein Propeller 20 vorgesehen, der das Kühlfluid 8 in Bewegung hält, um einen schnelleren Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid 8 und der Umhüllung 2 zu realisieren.
-
Die randseitig gehaltene Umhüllung 2 ragt über den Kühlfluidpegel 9 hinaus, so dass kein Kühlfluid 8 in die Umhüllung 2 hineinlaufen und direkt mit dem Bauteil 1 in Berührung kommen kann. Stattdessen gibt das Bauteil 1 Wärme direkt durch Wärmeleitung an die Innenwand der Umhüllung 2 oder über die zwischen Bauteil 1 und Umhüllung 2 befindliche Luft indirekt an die Umhüllung 2 ab, von wo das Kühlfluid diese Wärme aufnimmt. Insgesamt resultiert die erwünschte, nicht zu schnelle Abkühlung des Bauteils 1, die jedoch wesentlich schneller von statten geht als eine Abkühlung lediglich an der Umgebungsluft. Durch das kontrollierte Abkühlen können Lunker, Risse, Oxidationskeime und andere Fehlstellen vermieden werden.
-
In der 2 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Abkühlung dargestellt, bei der die Umhüllung 2 mit einem Verschluss 5 geschlossen ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Klammer oder einen Kabelbinder handeln. Am verschlossenen Rand 3 kann die Umhüllung 2 von einem Greifer o. ä. ergriffen und in und aus dem Tauchbad 8 gehoben werden.
-
Die Umhüllung 2 gemäß der 3 weist einen wulstartigen Rand 3 auf, der auf dem Kühlfluid zu schwimmen vermag. In dem Rand 3 ist hierbei beispielsweise ein Material eingebracht, das leichter als das Kühlfluid 8 ist, z. B. ein Schaumstoff. Auf diese Weise sinkt der Rand 3 nicht in das Kühlfluid 8 ab, so dass kein Kühlfluid 8 in die Umhüllung 2 gelangen kann.
-
In der 4 ist der Rand 3 der Umhüllung 2 mittels Haltebacken 14 gehalten, die an einem Gestell 13 oberhalb des Kühlfluidpegels 9 angeordnet sind.
-
Gemäß der 5 ist das Bauteil 1 in eine als starrer Kasten ausgebildete Umhüllung 2 eingebracht. Der Kasten aus beispielsweise Aluminium weist eine z. B. obere Öffnung auf, deren Deckel 5a mit Verschlüssen 5 verschließbar ist. Vorzugsweise ist der Kasten im verschlossenen Zustand dicht gegenüber dem Kühlfluid 8 und kann daher, wie in 5 dargestellt, ganz in das Kühlfluid 8 abgesenkt werden. Alternativ wird der Kasten nur soweit in das Kühlfluid 8 getaucht, dass der Deckel 5a sich oberhalb des Kühlfluidpegels 9 befindet (nicht dargestellt). Die Größe und Form der als Kasten ausgebildeten Umhüllung 2 ist vorzugsweise auf die Größe und Form des abzukühlenden Bauteils 1 abgestimmt. Wenn eine große direkte Kontaktfläche zwischen dem Bauteil 1 und der Innenwand des Kastens erwünscht ist, kann die Innenkontur des Kastens entsprechend auf die Außenkontur des Bauteils 1 abgestimmt sein. Hierunter sind nicht nur die Kontaktflächen zwischen dem Boden des Bauteils 1 und der Umhüllung 2 zu verstehen, sondern auch die Kontaktflächen an den Seitenwänden und der Oberseite des Bauteils 1.
-
Auch ist es möglich, dass der Kasten innerhalb des Tauchbeckens 7 verbleibt und das Bauteil 1 in den stationären Kasten eingebracht wird. Der Kasten kann hierbei zu Reinigungs- und Wartungsarbeiten herausnehmbar angeordnet sein.
-
Generell ist es möglich, die Umhüllung 2 – sei sie nun starr oder flexibel ausgebildet – im Tauchbecken 7 zu belassen und lediglich das mindestens eine Bauteil 1 in die Umhüllung 2 einzubringen und nach der gewünschten Abkühlung wieder herauszuheben.
-
In der 6 ist schematisch dargestellt, wie ein in einer flexiblen Umhüllung 2 eingebrachtes Bauteil 1 von außen mit einem aus verschiedenen Sprühköpfen 16 auf die Umhüllung 2 gerichteten Kühlfluid 8 besprüht wird.
-
Die 7 zeigt einen Kreislauf für das Kühlfluid 8, wobei das Kühlfluid 8 das Tauchbecken 7 durch einen Ablauf 22 verlässt und zu einem Wärmetauscher 18 geleitet wird. Im Wärmetauscher 18 wird dem Kühlfluid 8 zumindest ein Teil der durch das Bauteil 1 bzw. die Umhüllung 2 übertragenen Wärme entzogen und für andere Prozesse eingesetzt. Im weiteren Verlauf des Kühlfluid-Kreislaufs kann ein Kühlaggregat 24 vorhanden sein, der das Kühlfluid 8 weiter herunterkühlt, bevor es durch den Zulauf 21 wieder in das Tauchbecken 7 geleitet wird.
-
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind Abwandlungen innerhalb der Ansprüche sowie Kombinationen der Merkmale der verschiedenen Ansprüche möglich. So kann die Umhüllung beispielsweise mit mehreren Kühlfluiden nacheinander in Berührung gebracht werden, die vorzugsweise auf eine optimale Kühlfolge abgestimmt sind. Auch kann das mindestens eine Bauteil nacheinander in verschiedene Umhüllungen eingebracht werden, die mit einem oder mehreren Kühlfluiden in Kontakt gebracht werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bauteil
- 2
- Umhüllung
- 3
- Rand der Umhüllung
- 4
- Öffnung
- 5
- Verschluss
- 5a
- Deckel
- 7
- Tauchbecken
- 8
- Kühlfluid
- 9
- Kühlfluidpegel
- 11
- Seile
- 12
- Greifer
- 13
- Gestell
- 14
- Haltebacken
- 16
- Sprühkopf
- 18
- Wärmetauscher
- 20
- Propeller
- 21
- Zulauf
- 22
- Ablauf
- 24
- Kühlaggregat
