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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken mit geregelt zugeführten Kühlmedien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 9.
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Ein Verfahren der vorbeschriebenen Art ist aus der
DE 103 52 622 A1 bekannt. Gemäß diesem Dokument ist ein Aluminiumwerkstück im Anschluss an eine Wärmebehandlung gleichzeitig an seiner Ober- und Unterseite mit einem gasförmigen Kühlmedium zu beaufschlagen, wobei durch geregelte Zuführung des Mediums, insbesondere von Raumluft, ein oder mehrere Werkstücke gleichmäßig abgekühlt und in kurzer Zeit abgeschreckt werden.
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Die Wärmebehandlung dient zur thermischen Aushärtung der Werkstücke. Durch Lösungsglühen bei erhöhter Temperatur werden unregelmäßige Metall- sowie Legierungsbestandteile im Metallgefüge aufgelöst und die bei der Lösungsglühtemperatur eingestellte, gleichmäßige Gefügestruktur wird durch rasches Abkühlen bewahrt. So offenbart z. B. die
DE 5377746 zur Herstellung einer hochfesten Aluminium-Kupferlegierung eine Temperatur zwischen 500 und 600 Grad Celsius zur Wärmebehandlung.
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Die Abschreckung muss hierbei in ihrer Geschwindigkeit auf Material, Form und Zusammensetzung eines Werkstückes mit einander widersprechenden Zielen eingestellt werden. Zum Einen ist durch eine möglichst rasche Temperaturverringerung die bei der Wärmebehandlung erreichte Gefügestruktur zu bewahren, zum Anderen gilt es, ein Verziehen des Werkstückes auf Grund der raschen Temperaturverringerung zu vermeiden. So beschreibt z. B. die
DE 1 917 621 eine vorteilhafte Temperaturverringerung bei der Abschreckung von Aluminiumbändern von mindestens 480–550 Grad C pro Sekunde, welche mit Hilfe eines Kühlmittelvorhangs mit einem flüssigen Kühlmedium bereitgestellt werden kann. Problematisch ist hierbei, dass im Rahmen der rapiden Abschreckung innerhalb des Metallgefüges des Aluminiumwerkstückes Zug- und Druckspannungen aufgebaut werden, die die Stabilität des Werkstückes deutlich beeinträchtigen. Zur Lösung dieses Problems werden z. B. in der
DE 34 23 233 während der Abkühlung zusätzliche, kompensierende Zugspannungen auf das bandförmige Aluminiumprodukt aufgebracht.
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Problematisch, da schwer bis nicht möglich, ist die Überlagerung von Zugspannungen oder Druckspannungen bei Werkstücken, deren Raumform Bereiche mit unterschiedlichem Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis aufweist.
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Bei Spritzwasserkühlung, wie sie z. B in der
DE 1 917 621 beschrieben ist, wird auf der Oberfläche eines Aluminiumwerkstücks durch Aufspritzen von Wasser entlang einer Querschnitts-Linienkontur ein Wasserfilm ausgebildet. Nachteilig daran ist es, dass eine Abkühlung nur lokal entlang der Linienkontur am Werkstück erfolgt.
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Die
DE 10 2007 042 506 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem das abzuschreckende Werkstück mit einem mit Wasser gesättigten, gasförmigen Kühlmedium beaufschlagt wird. Nachteilig daran ist zum Einen die gegenüber herkömmlicher Luftkühlung kaum gesteigerte Kühleffizienz und zum Anderen der bauliche Aufwand zur Sättigung des gasförmigen Kühlmediums mit Wasser.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken mit geregelt zugeführten Kühlmedien vorzuschlagen, um die o.g. Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, Eigenspannungen im Werkstück zu beeinflussen, die Werkstücke effizienter zu kühlen und die Kühlung flexibler zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken mit geregelt zugeführten Kühlmedien nach den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken mit geregelt zugeführten Kühlmedien, wobei das Werkstück nach einer Wärmebehandlung abgeschreckt wird, wird bei der Abschreckung ein fluides Kühlmedium in Form einzelner Tropfen in ein gasförmiges Kühlmedium eingebracht, und das Werkstück wird mit diesem kombinierten Kühlmedium beaufschlagt, sodass die Tropfen des fluiden Kühlmediums vermittels des gasförmigen Kühlmediums bis zum Werkstück transportiert werden, um am Werkstück zur Anlage zu gelangen.
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Das Material der abzuschreckenden Werkstücke ist grundsätzlich beliebig. Im Folgenden wird lediglich beispielhaft Bezug genommen auf die Abschreckung von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
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Nachdem das Werkstück wie oben beschrieben mit Wärme behandelt wurde und dabei erhitzt wurde, wird es gemäß erfindungsgemäßem Verfahren einer Abschreckung unterzogen. Dabei werden Kühlmedien derart geregelt zugeführt, dass die Geschwindigkeit der Abkühlung auf die jeweiligen Bedürfnisse angepasst wird und die Abkühlung schneller oder langsamer durchgeführt wird. Dadurch kann auf im Werkstück entstehende Spannungen Einfluss genommen werden.
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Bei der Abschreckung wird ein fluides Kühlmedium in Form einzelner Tropfen in ein gasförmiges Kühlmedium eingebracht und das Werkstück mit diesem kombinierten Kühlmedium beaufschlagt. Das gasförmige Kühlmedium strömt mit einer Geschwindigkeit auf das Werkstück zu und um dieses herum und beinhaltet bzw. trägt die Tropfen des fluiden Kühlmediums dort hin. Die Tropfen des fluiden Kühlmediums werden also vermittels des gasförmigen Kühlmediums zum Werkstück transportiert und gelangen dort zur Anlage.
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Mit anderen Worten wird das Werkstück einerseits durch das gasförmige Kühlmedium abgekühlt, wobei diese Abkühlung wie oben beschrieben relativ ineffizient ist. Auch haben gasförmige Kühlmedien zumeist schlechtere Wärmeleitfähigkeiten als fluide Kühlmedien. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen werden in das gasförmige Kühlmedium Tropfen eines fluiden Kühlmediums eingebracht. Wie weiter unten beschrieben wird, lässt sich die Geschwindigkeit der Abkühlung mit den Tropfen des fluiden Kühlmediums auch einfacher beeinflussen.
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Im Gegensatz zur Spritzwasserkühlung, wo Wasser nur gegen das Werkstück gespritzt wird und an diesem dann herunter läuft, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das tropfenförmige fluide Kühlmedium durch fortdauernden Strom des gasförmigen Kühlmediums kontinuierlich gegen das Werkstück gepresst. Die Tropfen bleiben selbst an einer senkrechten Fläche an der Position, an der sie das Werkstück erreichten.
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Des Weiteren bewirkt der fortdauernde Anspressdruck des gasförmigen auf die Tropfen des fluiden Kühlmediums die Verhinderung des Leidenfrost-Effektes. Demgemäß würde ein Tropfen auf der heißen Werkstückoberfläche sieden und auf seinem Dampffilm berührungslos darüber schweben. Die Wärmeleitfähigkeit wäre empfindlich gestört.
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Erfindungsgemäß werden jedoch die Tropfen des fluiden Kühlmediums durch das gasförmige Kühlmedium derart gegen das Werkstück gepresst, dass sie in ihrer fluiden Phase kontinuierlichen flächigen Berührungskontakt zur Werkstückoberfläche halten und aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit des Fluids dem Werkstück stärker die Wärme entziehen können als nur in gasförmiger Phase.
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Die Tropfen des fluiden Kühlmediums verdampfen unter kontinuierlichem flächigem Berührungskontakt zur Werkstückoberfläche in ihrer fluiden Phase allmählich und entziehen dem Werkstück dabei Wärme. Die verdampften Tropfen werden sodann durch den Strom des gasförmigen Kühlmediums abtransportiert.
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Durch die Festlegung der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums und durch die Größe der Tropfen des fluiden Kühlmediums kann die Geschwindigkeit der Abschreckung beeinflusst werden und damit auf die im Werkstück entstehenden Spannungen Einfluss genommen werden. Bei schnellerer Abschreckung werden Spannungen eher erzeugt und bei langsamerer Abschreckung eher vermieden.
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Größere Tropfen können mehr Wärme aufnehmen, wodurch die Abschreckung beschleunigt wird. Schneller strömendes gasförmiges Kühlmedium transportiert in gleicher Zeit mehr Tropfen zum Werkstück, wodurch ebenfalls die Abschreckung beschleunigt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält das gasförmige Kühlmedium eines oder mehrere der folgenden Gase: Raumluft, synthetische Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid.
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Diese Gase sind kostengünstig verfügbar und einfach handhabbar. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kommt als fluides Kühlmedium Wasser zum Einsatz.
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Wasser ist ebenfalls kostengünstig und nahezu überall verfügbar. Des Weiteren siedet Wasser aufgrund der Siedetemperatur von 100 Grad Celsius gut auf Werkstücken, die zuvor auf um die 500 Grad Celsius erhitzt wurden. Diese Temperaturen kommen wie oben beschrieben bei der Abschreckung von Aluminium und Aluminiumlegierungen zum Einsatz.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums auf 20 bis 50 m/s eingestellt.
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In Versuchen haben sich diese Werte als vorteilhaft herausgestellt, um einerseits die Tropfen des fluiden Kühlmediums an ihrer Position am Werkstück festzuhalten und andererseits um einen zur Verhinderung des Leidenfrost-Effektes ausreichenden Anpressdruck zu erzeugen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums variabel einstellbar.
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Mit der Möglichkeit der variablen Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums während des Verfahrensablaufes kann die Abschreck-Geschwindigkeit während der Abschreckung beschleunigt und verlangsamt werden. Beispielsweise kann zu Beginn der Abschreckung in noch höheren Temperaturbereichen schneller abgeschreckt werden und in niedrigeren Temperaturbereichen langsamer oder umgekehrt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Tropfendurchmesser des fluiden Kühlmediums auf einen Bereich von 50 bis 100 Mikrometer, bevorzugt auf einen Bereich 60 bis 90 Mikrometer, besonders bevorzugt auf 75 +– 10 Mikrometer eingestellt.
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In Versuchen haben sich diese Werte als vorteilhaft herausgestellt, um einerseits die Tropfen des fluiden Kühlmediums aufgrund ihres Eigengewichtes an ihrer Position am Werkstück festzuhalten und andererseits um die Aufnahme der Wärmeenergie zu optimieren.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Tropfendurchmesser des fluiden Kühlmediums variabel einstellbar.
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Mit der Möglichkeit der variablen Einstellung des Tropfendurchmessers des fluiden Kühlmediums während des Verfahrensablaufes kann die Abschreck-Geschwindigkeit während der Abschreckung beschleunigt und verlangsamt werden. Beispielsweise kann zu Beginn der Abschreckung in noch höheren Temperaturbereichen schneller abgeschreckt werden und in niedrigeren Temperaturbereichen langsamer oder umgekehrt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Werkstück bereichsweise mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums und/oder bereichsweise mit unterschiedlichem Tropfendurchmesser des fluiden Kühlmediums beaufschlagt. Dadurch lassen sich wie weiter unten beschrieben wird, sogar die entstehenden Spannungen partiell bereichsweise innerhalb des Werkstückes beeinflussen.
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Mit anderen Worten erfährt dadurch ein Bereich des Werkstückes eine stärkere Abschreckung und ein anderer Bereich des Werkstückes erfährt eine schwächere Abschreckung. Durch diese Differenz lassen sich gezielt Spannungen innerhalb des Werkstückes erzeugen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst zumindest eine Gasdüse zur Leitung des gasförmigen Kühlmediums an das Werkstück und eine Mehrzahl von Fluiddüsen zur Leitung des fluiden Kühlmediums an das Werkstück, wobei die Auslässe der Fluiddüsen innerhalb des Auslasses der zumindest einen Gasdüse derart angeordnet sind, dass die Auslässe der Fluiddüsen von dem aus dem Auslass der zumindest einen Gasdüse ausstömenden Gas umströmt werden.
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Dadurch dass die Auslässe der Fluiddüsen innerhalb des Auslasses der zumindest einen Gasdüse derart angeordnet sind, und dadurch dass die Auslässe der Fluiddüsen von dem aus dem Auslass der zumindest einen Gasdüse ausstömenden Gas umströmt werden, kann das fluide Kühlmedium einfach in das gasförmige Kühlmedium eingebracht werden.
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Mit anderen Worten reißt der Strom des gasförmigen Kühlmediums die aus den Fluiddüsen austretenden Fluidtropfen mit und die Tropfen des fluiden Kühlmediums sind gleich in das gasförmige Kühlmedium integriert.
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Eine Mehrzahl von Fluiddüsen ermöglicht es, das Werkstück ausgedehnt über seine Fläche mit dem fluiden tropfenförmigen Kühlmedium zu beaufschlagen. Dadurch wird ein gleichmäßiger und flächiger Wärmeentzug erreicht. Es entstehen nur geringe Eigenspannungen.
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Wenn die einzelnen Fluiddüsen separat voneinander ansteuerbar sind, ist sogar eine lokal unterschiedliche Beaufschlagung des Werkstückes mit dem fluiden tropfenförmigen Kühlmedium möglich. Dann kann beispielsweise in einem Bereich mit größeren und in einem anderen Bereich mit kleineren Tropfen des fluiden Kühlmediums beaufschlagt werden. Oder es wird ein bestimmter Bereich beispielsweise von der Beaufschlagung mit dem fluiden tropfenförmigen Kühlmedium ausgenommen.
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Mit anderen Worten erfährt dadurch ein Bereich des Werkstückes eine stärkere Abschreckung und ein anderer Bereich des Werkstückes erfährt eine schwächere Abschreckung. Durch diese Differenz lassen sich gezielt Spannungen innerhalb des Werkstückes erzeugen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Auslässe der Fluiddüsen matrixartig angeordnet.
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Eine matrixartige Anordnung ermöglicht einerseits einen flächigen 2-dimensionalen Wärmeentzug und ermöglicht andererseits einfach durch bereichsweises Blockieren/Freigeben der Fluiddüsen eine einfache Anpassung von differenzierter Bereichsabschreckung an die Geometrie des Werkstückes.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Gasdüsen auf und jeweils ein Auslass einer Fluiddüse ist innerhalb des Auslasses einer Gasdüse angeordnet.
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Bei einer derartigen Ausgestaltung der Vorrichtung lässt sich zusätzlich auch noch das gasförmige Kühlmedium bereichsweise unterschiedlich beaufschlagen. Beispielsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums bereichsweise unterschiedlich variiert werden, wodurch der Wärmeentzug wie oben beschrieben unterschiedlich stark ausgeprägt ist und wiederum die Spannungen innerhalb des Werkstückes beeinflusst werden können.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beispielshaft erläutert. Es zeigt:
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1 verschiedene Abschreckkurven gemäß unterschiedlicher Verfahren
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2 eine erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung in perspektivischer Ansicht
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3 Düsenelemente und eine Düseneinheit der Abschreckvorrichtung nach 2
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4 die Abschreckvorrichtung nach 2 im Einsatz mit Werkstück
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1 zeigt verschiedene Abschreckkurven gemäß unterschiedlicher Verfahren. Abschreckkurve 1 visualisiert eine Abschreckung mit Wasser (Stand der Technik), Abschreckkurve 2 visualisiert eine Abschreckung mit Luft (Stand der Technik) und Abschreckkurve 3 visualisiert die erfindungsgemäße Abschreckung mit einem Gemisch aus Luft (als gasförmiges Kühlmedium) und Wasser (als fluides Kühlmedium). Auf der y-Achse ist die Temperatur des Werkstückes in Grad Celsius aufgetragen und auf der x-Achse ist die Zeit in Minuten aufgetragen.
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Die Abschreckung mit Wasser (Kurve 1) führt zu einer sehr kurzen Abschreckzeit, wobei die Temperaturverringerung sehr schnell erfolgt. Dadurch entstehen eher Spannungen im Werkstück.
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Die Abschreckung mit Luft (Kurve 2) führt zu einer sehr langen Abschreckzeit, wobei die Temperaturverringerung sehr langsam erfolgt. Dadurch entstehen eher keine Spannungen im Werkstück.
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Sowohl die Abschreckung mit Wasser als auch mit Luft sind bzgl. der nötigen Abschreckzeit nur schwer beeinflussbar. Es sind nämlich nur Menge und Temperatur des Kühlmediums variabel.
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Die erfindungsgemäße Abschreckung mit einem Gemisch aus Luft und Wasser (Kurve 3) hingegen führt zu einer mittleren Abschreckzeit, wobei auch die Temperaturverringerung eher moderat erfolgt. Dadurch kann auf die Entstehung von Spannungen im Werkstück Einfluss genommen werden.
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Auf die Abschreckzeit kann beim erfindungsgemäßen Verfahren über eine Vielzahl von Parametern Einfluss genommen werden, wodurch die Steilheit der Abschreckkurve 3 in hohem Maße beeinflussbar wird. Beispielsweise kann sowohl die Menge, Temperatur und Geschwindigkeit der Luft variiert werden, als auch die Größe, die Menge und die Temperatur der Wassertropfen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung in perspektivischer Ansicht. Auf einer Basisplatte 11 sind mehrere Düsenelemente 12 angeordnet. Auf mehrere Düsenelemente 12 ist hier eine Düseneinheit 13 aufgesetzt, welche die Funktion hat, das Luft/Wasser-Gemisch zu leiten.
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3 zeigt Düsenelemente 12 und eine Düseneinheit 13 der Abschreckvorrichtung nach 2. Das Düsenelement 12 umfasst hier einen trichterförmigen Luftauslass 14, durch welchen die Luft als gasförmiges Kühlmedium austreten kann. Innerhalb des trichterförmigen Luftauslasses 14 ist ein als Düse ausgebildeter Wasserauslass 15 angeordnet, welcher die Wassertropfen als fluides Kühlmedium bereitstellt. Der Wasserauslass 15 ist vom Luftauslass 14 umgeben, sodass die bereitgestellten Wassertropfen von der Luft getragen mitgenommen werden können.
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Die Düseneinheit 13 kann auf mehrere Düsenelemente 12 aufgesetzt werden. Die Luftauslässe 14 der Düsenelemente 12 geben die Luft in das Innere der Düseneinheit 13 ab. Die Wandung der Düseneinheit 13 leitet die Luft entsprechend ihrer Formung weiter zum Auslass der Düseneinheit 13. Eine Düseneinheit hat die Abmessung von ungefähr 1 × 1 Meter.
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In diesem Auslass der Düseneinheit 13 sind matrixartig verteilt – ungefähr alle 2 cm – mehrere als Düse ausgebildete Wasserauslässe (mit den Wasserauslässen 15 der Düsenelemente 12 verbunden) angeordnet, die die Wassertropfen bereitstellen. Diese Auslässe werden von der ausströmenden Luft derart umströmt, dass die bereitgestellten Wassertropfen in die Luft eingebracht werden.
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4 zeigt die Abschreckvorrichtung nach 2 im Einsatz mit einem Werkstück 16. Das Werkstück 16 befindet sich mittig zwischen zwei Düseneinheiten 13 und über 3 Düsenelementen 12.
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Das heiße, abzukühlende Werkstück 16 lässt sich dadurch nahezu von allen Seiten vollflächig abschrecken. Durch die matrixartige Anordnung der Luftauslässe und Wasserauslässe kann bei separater Ansteuerung die Abschreckung bereichsweise partiell unterschiedlich gestaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10352622 A1 [0002]
- DE 5377746 [0003]
- DE 1917621 [0004, 0006]
- DE 3423233 [0004]
- DE 102007042506 A1 [0007]
