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Die Erfindung betrifft eine Abschreckvorrichtung zur chargenweisen Abschreckkühlung von Metallbauteilen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Das Wärmebehandeln von Metallbauteilen bzw. Metallwerkstücken, wie bspw. das Lösungsglühen von Aluminiumgussbauteilen (z. B. im Zuge einer T6- oder T7-Wärmebehandlung), erfordert mitunter ein zügiges Abkühlen der Metallbauteile, was auch als Abschrecken bzw. Abschreckkühlung bezeichnet wird. Das Abschrecken kann mittels Kühlluft, Kühlgas oder dergleichen in einer sogenannten Abschreckkammer erfolgen. Für eine wirtschaftliche Wärmebehandlung können mehrere Metallbauteile (die eine Charge bilden) auf einem sogenannten Chargiergestell, auch als Werkstückträger bezeichnet, angeordnet und zusammen mit dem Gestell in einen Ofen bzw. in eine Aufheizkammer sowie anschließend in eine Abschreckkammer gebracht werden.
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Sind mehrere abzuschreckenden Metallbauteile in einem Chargiergestell aufgenommen, kann es beim Abschrecken in einer Abschreckkammer zur gegenseitigen Abschattung kommen, d. h. einige der abzuschreckenden Metallbauteile befinden sich quasi im Windschatten von anderen Metallbauteilen.
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Die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung des Patentanspruchs 1 ermöglicht eine gleichmäßigere bzw. homogenere Abschreckung aller Metallbauteile. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Abschreckvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
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Die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung zur chargenweisen Abschreckkühlung von Metallbauteilen umfasst eine Abschreckkammer, in der die abzuschreckenden Metallbauteile chargenweise, insbesondere auf einem Chargiergestell angeordnet, aufgenommen bzw. angeordnet werden können. Die Abschreckkammer verfügt über wenigstens eine seitliche Düsenwand (Abkühlwand), welche eine Vielzahl von Ausströmdüsen (für Kühlfluid, wie bspw. Kühlluft, Kühlgas oder dergleichen) zur Erzeugung einer (direkt) auf die Metallbauteile (aus)gerichteten Prallströmung aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Düsenwand wenigstens eine zusätzliche Öffnung zur Erzeugung einer ungerichteten Aufwärtsströmung (durch die Abschreckkammer), welche auch die von der Düsenwand weiter entfernten Metallbauteile erfasst, aufweist. Bevorzugt sind zwei solcher seitlichen Düsenwände vorgesehen, die gegenüberliegend angeordnet sind.
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Bevorzugt ist die von der Düsenwand erzeugte Prallströmung eine Horizontalströmung oder weist zumindest einen horizontalen Strömungsanteil auf. Von der Prallströmung werden insbesondere nur die wandseitigen, d. h. die in der Charge außen an der Düsenwand liegenden Metallbauteile direkt erfasst bzw. angeströmt, wohingegen die nicht wandseitigen, d. h. die innenliegenden bzw. von der Düsenwand weiter entfernten Metallbauteile abgeschattet sind. Durch die wenigstens eine zusätzliche Öffnung wird ein zusätzlicher Volumenstrom (aus Kühlfluid) erzeugt, welcher in der Abschreckkammer zu einer ungerichteten, d. h. nicht direkt auf die abzuschreckenden Metallbauteil gerichteten, Aufwärtsströmung durch die Abschreckkammer führt, von der auch die von der Düsenwand weiter entfernten bzw. innenliegenden Metallbauteile der Charge erfasst bzw. angeströmt werden.
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Die Überlagerung unterschiedlicher Strömungen in der Abschreckkammer führt auch bei größeren Bauteilchargen (> 10 Bauteile) und höheren Packungsdichten zu homogeneren Abkühlbedingungen, wobei über eine gesamte Bauteilcharge im Wesentlichen gleiche Abkühlgeschwindigkeiten bzw. -gradienten von bis zu 10 K/s und mehr erreichbar sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erzeugte Aufwärtsströmung im Vergleich zur erzeugten Prallströmung einen höheren, insbesondere vielfach höheren, Volumenstrom aufweist. Die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung kann ohne Umbaumaßnahmen zur Abschreckkühlung verschiedenster Metallbauteile verwendet werden und ist somit flexibel und wirtschaftlich einsetzbar.
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Bevorzugt ist die von der wenigstens einen zusätzlichen Öffnung erzeugte Aufwärtsströmung eine Vertikalströmung oder weist zumindest einen vertikalen Strömungsanteil auf. Die Aufwärtsströmung ist insbesondere eine sogenannte Kolbenströmung, bei der die Strömungsgeschwindigkeit fast überall im Strömungsquerschnitt zumindest näherungsweise gleich hoch ist. Die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung kann also Mittel aufweisen, nämlich in Gestalt wenigstens einer zusätzlichen Öffnung in der Düsenwand, um eine der Prallströmung überlagerte Kolbenströmung zu erzeugen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ausströmdüsen ein Düsenfeld bilden und insbesondere in einem bestimmten Raster angeordnet sind. Bei den Ausströmdüsen handelt es sich bevorzugt um Runddüsen mit einem vergleichsweise kleinen runden Öffnungsquerschnitt. Bevorzugt ist die zusätzliche Öffnung als Schlitz oder Schlitzdüse, insbesondere mit einem vergleichsweise großen rechteckigen Öffnungsquerschnitt, ausgebildet, der sich über die gesamte Länge des Düsenfelds erstreckt und insbesondere waagrecht bzw. horizontal verläuft. Bevorzugt richtet sich die Länge des Düsenfelds und damit auch die Länge des Schlitzes bzw. der Schlitzdüse nach der Länge des verwendeten Chargiergestells (s. u.).
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Die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung kann wenigstens ein in der Abschreckkammer aufnehmbares Chargiergestell zur Aufnahme einer Charge abzuschreckender Metallbauteile, wobei die Metallbauteile neben- und/oder hintereinander sowie in mehreren Ebenen bzw. Lagen übereinander angeordnet werden, umfassen. Bevorzugt ist dann vorgesehen, dass die Düsenwand mehrere zusätzliche Öffnungen, vorzugsweise gleich viel Öffnungen wie Ebenen, aufweist, die insbesondere als Schlitze oder auch Schlitzdüsen ausgebildet sind (s. o.), wobei diese Öffnungen in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sind, insbesondere derart, dass sich eine Öffnung unterhalb der untersten Ebene befindet und sich die andere bzw. anderen Öffnungen quasi zwischen den Ebenen befindet bzw. befinden. Dadurch strömt das über diese zusätzlichen Öffnungen ausgebrachte Kühlfluid zunächst an den wandseitigen, d. h. außen an der Düsenwand liegenden Metallbauteilen vorbei und gelangt in den inneren bzw. mittleren Bereich der Charge, wo sich eine Aufwärtsströmung bildet. Wie sich aus Versuchen und Simulationen ergeben hat, ist insbesondere die unterste Öffnung bzw. der unterste Schlitz (unterhalb der untersten Chargierebene) wichtig für die Ausbildung einer Kolbenströmung (s. o.), die zu homogenen Abkühlbedingungen führt. Durch die übereinander angeordneten bzw. positionierten Öffnungen bzw. Schlitze wird ferner eine lagen- bzw. ebenenweise Abschattung umgangen und Aufheizungseffekte von unten nach oben minimiert. Zudem wird verhindert, dass der von den wandseitigen Metallbauteilen zurückgeworfene Anteil der Prallströmung ungenutzt an der Düsenwand aufsteigen kann.
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Die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung kann eine Absaugeinrichtung, die insbesondere wenigstens einen Ventilator oder dergleichen aufweist, umfassen, welche über eine obenliegende Ausmündungsöffnung (Abzug) mit der Abschreckkammer verbunden ist. Die Absaugung unterstützt den Kamineffekt und führt zu einer erhöhten Abluftströmung, wodurch eine Aufwärtsströmung und insbesondere eine Kolbenströmung in der Abschreckkammer begünstigt bzw. unterstützt wird.
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Die Abschreckkammer der erfindungsgemäßen Abschreckvorrichtung kann einen offenen Boden aufweisen. Damit ist insbesondere gemeint, dass der Kammerboden und/oder die an den Kammerboden angrenzenden Wandbereiche eines Kammergehäuses die Abschreckkammer nicht hermetisch verschließen, sondern bspw. mit Öffnungen ausgebildet sind, die passiv (d. h. ohne zusätzliche Druckbeaufschlagung mittels Gebläse oder dergleichen) den Kamineffekt sowie eine Aufwärtsströmung und insbesondere eine Kolbenströmung in der Abschreckkammer begünstigen bzw. unterstützen. Der Kammer- bzw. Gehäuseboden kann bspw. aus einem Gitter oder Lochblech gebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung kann (wenigstens) eine Zuführeinrichtung zur Versorgung der Düsenwand mit einem Kühlfluid (bspw. Kühlluft, Kühlgas oder dergleichen) aufweisen. Die Zuführeinrichtung kann einen mit der Düsenwand verbunden Strömungskanal, in dem ein Gebläse oder dergleichen angeordnet ist, aufweisen. Der von der Zuführeinrichtung bereitgestellte Kühlfluidvolumenstrom kann mit geeigneten Maßnahmen in gewünschter Weise auf die Ausströmdüsen und die wenigstens eine zusätzliche Öffnung aufgeteilt werden. Alternativ können (wenigstens) zwei Zuführeinrichtungen zur getrennten Versorgung der Ausströmdüsen und der wenigstens einen zusätzlichen Öffnung einer Düsenwand mit einem Kühlfluid vorgesehen sein. D. h., die Ausströmdüsen und die zusätzliche Öffnung/Öffnungen werden separat mit Kühlfluid versorgt, womit diverse Vorteile einhergehen. Bspw. ist eine getrennte Regelung der Volumenströme (ohne wechselseitige Beeinflussung) möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung beim Abschreckkühlen einer Bauteilcharge.
- 2 zeigt in einer Vorder- bzw. Seitenansicht eine der beiden Düsenwände aus der Abschreckvorrichtung der 1.
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Die in 1 gezeigte Abschreckvorrichtung 100 weist eine Abschreckkammer 110 auf, in der chargenweise Metallbauteile 200, die hierzu in mehreren Ebenen auf einem Chargiergestell 160 angeordnet sind, abschreckgekühlt werden. Bei den Metallbauteilen 200 handelt es sich bspw. um dünnwandige Aluminiumdruckguss-Karosseriebauteile. Die Abschreckkammer 110 ist von einem Kammergehäuse 120 umgeben, das mit wenigstens einer Klappe oder dergleichen zum Ein- und Ausbringen des Chargiergestells 160 ausgebildet ist. Die Abschreckkammer 110 weist zwei seitliche Düsenwände 130 auf, die einander gegenüberliegen und vertikal ausgerichtet sind. Das Chargiergestell 160 mit den abzuschreckenden Metallbauteilen 200 wird zwischen diesen Düsenwänden 130 positioniert, wie in 1 gezeigt.
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Wie aus der Darstellung der 2 ersichtlich, weisen die Düsenwände 130 jeweils eine Vielzahl von Ausströmdüsen 131 auf, die als Runddüsen mit vergleichweise kleinen Öffnungsquerschnitten ausgebildet sind und ein Düsenfeld bilden, sowie mehrere zusätzliche Öffnungen 132, die als Schlitze oder Schlitzdüsen mit vergleichsweise großen rechteckigen Öffnungsquerschnitten ausgebildet sind und sich waagrecht bzw. horizontal über die gesamte Länge des Düsenfelds erstrecken. Beide Düsenwände 130 sind im Wesentlichen identisch bzw. spiegelsymmetrisch ausgebildet, können sich aber auch in Anzahl und Anordnung der Ausströmdüsen 131 und zusätzlichen Öffnungen 132 unterscheiden. Eine genaue Anordnung und Dimensionierung der Ausströmdüsen 131 sowie der zusätzlichen Öffnungen 132 kann mithilfe von Versuchen und Simulationen ermittelt werden.
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Wie in 1 veranschaulicht, wird mit den Ausströmdüsen 131 eine mehr oder weniger direkt auf die abzuschreckenden Metallbauteile 200 gerichtete Prallströmung P erzeugt (erste Anströmart), d. h., jede Düse 131 erzeugt einen im Wesentlichen horizontalen Prallstrahl. Mit den zusätzlichen schlitzartigen Öffnungen 132 wird im mittleren Bereich der Charge bzw. im Zentrum der Abschreckkammer 110 eine im Wesentlichen vertikale Aufwärtsströmung S, die zumindest näherungsweise eine Kolbenströmung ist, erzeugt, welche auch die von den Düsenwänden 130 weiter entfernten Metallbauteile 200 erfasst (zweite Anströmart). In der Abschreckkammer 110 kommt es zu einer Überlagerung der beiden Anströmarten, d. h. von Prallströmung P und Kolbenströmung S, wodurch eine nahezu gleichmäßige bzw. homogene Abschreckung aller Metallbauteile 200 erreicht wird. Sowohl die Prallströmung P als auch die Kolbenströmung S werden nur über die seitlichen Düsenwände 130 erzeugt, die hierzu mit unterschiedlichen Wandöffnungen 131, 132 ausgebildet sind.
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Wie in 1 anhand von Strömungspfeilen veranschaulicht, strömt das über die zusätzlichen schlitzartigen Öffnungen 132 ausgebrachte Kühlfluid zunächst an den düsenwandseitigen Metallbauteilen 200 vorbei und gelangt in den inneren bzw. mittleren Bereich der Charge, wo sich eine ungerichtete (d. h. nicht auf einzelne Metallbauteile 200 ausgerichtete) Aufwärtsströmung S bildet. Hierzu sind die schlitzartigen Öffnungen 132 unterhalb der untersten Chargierebene und zwischen den Chargierebenen angeordnet, wie oben beschrieben.
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Die Abschreckvorrichtung 100 weist zudem zwei Zuführeinrichtungen 140 auf, jeweils zur Versorgung einer der Düsenwände 130 mit einem Kühlfluid. Die Abschreckvorrichtung 100 weist auch eine Absaugeinrichtung 150 auf, die über eine obenliegende Ausmündungsöffnung 115 mit der Abschreckkammer 110 verbunden ist. Die Absaugeinrichtung 150 kann über einen Strömungskreislauf mit den Zuführeinrichtungen 140 verbunden sein. Ferner weist die Abschreckkammer 110 einen offenen Kammer- bzw. Gehäuseboden 125 auf, was als passive Maßnahme die Aufwärtsströmung S begünstigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4208485 C1 [0003]
- DE 10117987 A1 [0003]
- DE 10352622 A1 [0003]
- DE 102009000201 A1 [0003]
- DE 102014008767 A1 [0003]
