DE202006018044U1 - Einrichtung zum Beheizen eines Gasstroms und Vorrichtung zum Herstellen von Gießkernen oder Gießformteilen - Google Patents

Einrichtung zum Beheizen eines Gasstroms und Vorrichtung zum Herstellen von Gießkernen oder Gießformteilen Download PDF

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Abstract

Einrichtung zum Beheizen eines Gasstroms (LSZU), insbesondere eines Luftstroms, mit einem aus einem hoch wärmeleitfähigen Material bestehenden massiven Erwärmungskörper (1) und mit einer Heizung zum Beheizen des Erwärmungskörpers (1), wobei in den Erwärmungskörper (1) viele Durchgangsöffnungen (13, 14) eingeformt sind, durch die im Betrieb jeweils ein Teilstrom (T) des zu erwärmenden Gasstroms (LSZU) strömt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beheizen eines Gasstroms, insbesondere eines Luftstroms, sowie eine mit einer solchen Einrichtung ausgestattete Vorrichtung zum Herstellen von aus einem Formstoff hergestellten Gießkernen oder Gießformteilen.
  • Bei der konventionellen Herstellung von für das Vergießen von Leichtmetall-Schmelzen bestimmten Gießkernen wird ein in der Regel kunstharzgebundener Formstoff in den die Endform des zu erzeugenden Gießkerns bzw. Gießformteils bestimmenden Hohlraum eines Formwerkzeugs gefüllt. Um anschließend die erforderliche Endfestigkeit des zu erzeugenden Formteils herzustellen, besteht einerseits die Möglichkeit, durch Zugabe geeigneter Mittel eine chemische Reaktion in dem Formstoff hervorzurufen. Bei diesem so genannten "Cold-Box-Verfahren" wird ein infolge der chemischen Reaktion ausgehärtetes Formteil erhalten.
  • Alternativ kann die Aushärtung bei Verwendung geeigneter Binder durch Wärmezufuhr eingeleitet werden. Zur Durchführung dieses so genannten "Hot-Box-Verfahrens" sind bekannte Formschießmaschinen zum Herstellen von Formkernen mit Heizungen zum Erwärmen des Formwerkzeugs ausgestattet. Die Aushärtung des Formstoffs wird in diesem Fall durch die Wärmezufuhr im Formwerkzeug bewirkt.
  • Da die Verwendung von organischen Bindern zu erheblichen Arbeitsplatz- und Umweltbelastungen führen kann, ist man bestrebt, die bisher für die Herstellung von Gießkernen verwendeten, organische Binder enthaltenden Formstoffe durch solche Formstoffe zu ersetzen, die durch anorganische Binder, wie z. B. wasserglasbasierte Binder, gebunden werden. Ein Verfahren, welches die Verwendung derart zusammengesetzter Formstoffe zur Herstellung von Kernformlingen ermöglicht, ist aus der EP 0 917 499 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird der den anorganischen Binder enthaltende Formstoff in dem Formwerkzeug für eine ausreichende Zeit bei einer bestimmten Temperatur gehalten, um an dem herzustellenden Gießkern bzw. Formteil eine formstabile und tragfähige Randschale auszubilden. Unmittelbar anschließend wird der Kernformling in einem Mikrowellenofen vollständig getrocknet.
  • Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass es bei der Herstellung insbesondere solcher Gießkerne und -formteile, die einen stark schwankenden Dickenverlauf aufweisen, unter Berücksichtigung der in der Großserienproduktion geforderten minimierten Taktzeiten häufig schwierig ist, eine ordnungsgemäße Aushärtung der Gießformteile und -kerne zu gewährleisten. Zur Lösung dieses Problems ist in der deutschen Patentschrift DE 101 44 391 C1 ein Verfahren zum Herstellen von Gießkernen für Gießformen zum Vergießen von Metallschmelze vorgeschlagen worden, bei dem der in das jeweilige Formwerkzeug gefüllte Formstoff im Verlauf der Aushärtzeit mindestens zeitweise von einem heißen Gas durchströmt wird, das trocken zugeführt und mit Feuchtigkeit beladen abgezogen wird. Auf diese Weise werden einerseits die im Zuge des Aushärtens entstehenden Gase aus dem Formwerkzeug getrieben. Andererseits wird zusätzliche Wärme in das Formteil eingebracht. Dabei dringt diese Wärme nicht langsam über die Randschale des Formteils in dessen Inneres vor, sondern wird aktiv von dem Gasstrom in das Kerninnere des Formteils transportiert. Im Ergebnis wird so eine schnelle und gleichmäßige Kernaushärtung erreicht. Der Einfluss auch stark schwankender Dickenverläufe auf das Aushärteverhalten ist dabei minimiert.
  • Voraussetzung für die großtechnische Nutzung der mit dem Durchleiten eines erwärmten Gasstroms durch den in das Formwerkzeug einer Kernfertigungsmaschine gefüllten Formstoff verbundenen Vorteile ist, dass über einen genügend langen Zeitraum ein Volumenstrom an erwärmtem Gas zur Verfügung gestellt wird. Dabei muss der erwärmte Gasstrom so bemessen sein, dass mit ihm innerhalb der im Serienfertigungsprozess zur Verfügung stehenden kurzen Taktzeiten die im Formstoff enthaltene Feuchtigkeit im erforderlichen Maße abgezogen bzw. eine ausreichende Wärmemenge in den Formstoff eingebracht wird, um die dort stattfindenden physikalischen Abläufe und chemischen Reaktionen zu beschleunigen. Mit den in der Praxis zur Verfügung stehenden Erwärmungseinrichtungen lassen sich diese Anforderungen nicht mit der notwendigen Sicherheit erfüllen.
  • Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der sich bei genauer Temperatursteuerung ein Gasvolumenstrom schnell erwärmen lässt, der für den jeweils erforderlichen Abtransport von Feuchtigkeit bzw. Eintrag von Wärme in eine einem Formwerkzeug enthaltenen Formstoffmenge sicher ausreicht. Darüber hinaus sollte eine entsprechend geeignete Vorrichtung zum Begasen eines Formwerkzeugs zum Herstellen von aus einem Formstoff hergestellten Gießkernen oder Gießformteilen für eine Gießform angegeben werden.
  • In Bezug auf die Einrichtung zum Beheizen eines Gasstroms, insbesondere eines Luftstroms, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Gegenstandes sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
  • In Bezug auf die Begasungsvorrichtung ist die voranstehend genannte Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 12 gelöst worden.
  • Eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Beheizen eines Gasstroms, insbesondere eines Luftstroms, weist einen aus einem hoch wärmeleitfähigen Material bestehenden massiven Erwärmungskörper und eine Heizung zum Beheizen dieses Erwärmungskörpers auf. In den Erwärmungskörper sind dabei viele Durchgangsöffnungen eingeformt, durch die im Betrieb jeweils ein Teilstrom des zu erwärmenden Gasstroms strömt.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der zu erwärmende Gasstrom somit, wie bei bekannten Wärmetauschern ebenfalls üblich, in eine Vielzahl von Teilströmen aufgeteilt. Diese Teilströme strömen durch jeweils eine Durchgangsöffnung. Da die Durchgangsöffnungen dabei in einen massiven Erwärmungskörper aus gut wärmeleitendem Material eingeformt sind, ist sichergestellt, dass über den Querschnitt des Erwärmungskörpers eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung vorliegt. Dementsprechend weisen die mit dem zu erwärmenden Gas in Kontakt kommenden Innenflächen der Durchgangsöffnungen im Wesentlichen gleiche Temperaturen auf. Die durch die einzelnen Durchgangsöffnungen strömenden Gasteilströme werden auf diese Weise alle auf dieselbe Temperatur erwärmt. Der Gasvolumenstrom, der durch die Vereinigung der erwärmten Teilströme nach dem Durchlauf der erfindungsgemäßen Einrichtung gebildet wird, weist daher die Temperatur auf, die durch die Beheizung der erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtung eingestellt worden ist.
  • Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. mit einer mit einer solchen Einrichtung erfindungsgemäß ausgestatteten Vorrichtung ist es daher problemlos möglich, einen großen Gasvolumenstrom auf eine exakt vorausbestimmbare Temperatur zu erwärmen. Die Erwärmung erfolgt dabei so konzentriert, dass innerhalb kurzer Zeit ein großer Volumenstrom auf eine Solltemperatur erwärmt und bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten über eine beliebig lange Zeit mit dieser Temperatur zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Praktische Versuche haben gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere zum Beheizen eines Luftstroms geeignet ist.
  • Als Material für den Erwärmungskörper einer erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtung hat sich Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, bewährt, da diese Metalle in der Regel eine besonders gute Temperaturleitfähigkeit mit guter Bearbeitbarkeit und günstigem Preis kombinieren.
  • Erforderlichfalls kann der Erwärmungskörper anstelle von Al und seinen Legierungen selbstverständlich auch aus anderen, noch besser wärmeleitfähigen Materialien, wie beispielsweise Kupfer gefertigt sein.
  • Die Montage einer erfindungsgemäßen Einrichtung gestaltet sich dann besonders einfach, wenn der Erwärmungskörper quaderförmig ist und sich die Durchgangsöffnungen in Längsrichtung des Erwärmungskörpers erstrecken.
  • Die Gleichmäßigkeit der Erwärmung der durch den Erwärmungskörper strömenden Teilströme des zu erwärmenden Gasvolumenstroms kann dadurch noch unterstützt werden, dass die Durchgangsöffnungen über den Querschnitt des Erwärmungskörpers gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Diese Anordnung wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die Beheizung des Körpers über im Bereich seiner außenliegenden Umfangsabschnitte wirkende Heizungen erfolgt.
  • Eine besonders genaue Einstellung der Temperatur des Erwärmungskörpers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist möglich, wenn für die Beheizung des Körpers eine elektrische Heizung vorgesehen ist.
  • Wenn die Heizung eine Vielzahl von Heizpatronen umfasst, die in dem Erwärmungskörper sitzen, so kann die Beheizung über den Querschnitt des Erwärmungskörpers besonders gleichmäßig verteilt erfolgen. So können die Heizpatronen jeweils an Orten angeordnet werden, an denen die von ihnen in den Erwärmungskörper eingetragene Wärme sich besonders gleichmäßig ausbreitet oder an der es durch Überlagerungen der von den einzelnen Heizpatronen jeweils eingebrachten Wärme zu einer besonders intensiven, schnellen und gleichmäßigen Aufheizung der den Erwärmungskörper durchströmenden Teilvolumenströme kommt. Zu diesem Zweck hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Durchgangsöffnungen in einen zentralen inneren Bereich des Erwärmungskörpers eingeformt sind und die Heizpatronen in regelmäßigen Abständen um die Durchgangsöffnungen herum angeordnet sind.
  • Einem Temperaturabfall über die Länge der Durchgangsöffnungen bzw. des Erwärmungskörpers kann dabei dadurch entgegengewirkt werden, dass die Heizpatronen sich mindestens über eine Teillänge des Erwärmungskörpers erstrecken. Zu diesem Zweck können die Heizpatronen stabförmig ausgebildet und in entsprechend geformte, sich achsparallel zu den Durchgangsöffnungen erstreckende Aufnahmeöffnungen eingeschoben sein.
  • Die Aufteilung des zu erwärmenden Gasvolumenstroms kann dadurch besonders leicht bewerkstelligt werden, dass in die eine Stirnseite des Erwärmungskörpers, dem die Eintrittsöffnungen der Durchgangsöffnungen zugeordnet sind, eine Einströmkammer eingeformt ist, von der aus der Gasstrom in die Durchgangsöffnungen eintritt.
  • In entsprechender Weise können die aus dem Erwärmungskörper einer erfindungsgemäßen Einrichtung ausströmenden Teilströme dadurch auf besonders einfache Weise wieder zu einem Gesamtvolumenstrom zusammengeführt werden, dass in die andere Stirnseite des Erwärmungskörpers, dem die Abströmöffnungen der Durchgangsöffnungen zugeordnet sind, eine Abströmkammer eingeformt ist, in die das die Durchgangsöffnungen durchströmende Gas gelangt, bevor es aus der Einrichtung abströmt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
  • 1 eine Erwärmungseinrichtung in frontaler Ansicht;
  • 2 die Erwärmungseinrichtung im Längsschnitt.
  • Die Erwärmungseinrichtung E weist einen aus einem massiven Aluminiumblock gefertigten Erwärmungskörper 1 auf. Der Erwärmungskörper 1 ist dabei im Wesentlichen quaderförmig mit quadratischem Querschnitt ausgebildet und weist eine Länge L auf, die deutlich größer ist als seine Höhe H und Breite B.
  • In einen umlaufenden Randabschnitt 2 des Erwärmungskörpers 1 sind in regelmäßigen Abständen über seine Höhe H und Breite B verteilt Aufnahmeöffnungen 3 eingeformt, die sich über die gesamte Länge L des Erwärmungskörpers 1 erstrecken. Jeweils drei der Aufnahmeöffnungen 3 sind der oberen, unteren rechten und linken Längsseite 4, 5, 6, 7 des Erwärmungskörpers 1 zugeordnet. Die Aufnahmeöffnungen 3 sind dabei in nur geringem Abstand zu den Außenflächen der Längsseiten 47 angeordnet, so dass sie zwischen sich einen im Querschnitt im Wesentlichen quadratischen Innenabschnitt 8 des Erwärmungskörpers 1 umgrenzen.
  • Von seiner einen Stirnseite 9 aus ist in den Erwärmungskörper 1 eine Einströmkammer 10 eingeformt, die sich im Wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche des Innenabschnitts 8 erstreckt. Eine entsprechend ausgebildete Abströmkammer 11 ist von der anderen Stirnseite 12 aus in den Erwärmungskörper 1 eingeformt.
  • Zwischen der Einströmkammer 10 und der Abströmkammer 12 erstrecken sich Durchgangsöffnungen 13, 14. Die Durchgangsöffnungen 13, 14 sind in fünf in gleichmäßigen Abständen angeordneten Reihen 15 mit jeweils fünf Durchgangsöffnungen 13 und vier Reihen 16 mit jeweils vier Durchgangsöffnungen 14 aufgeteilt. Sowohl in Richtung der Breite B als auch in Richtung der Höhe H des Erwärmungskörpers jeweils mittig ausgerichtet zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Reihen 15 mit den jeweils fünf Durchgangsöffnungen 13 ist dabei eine Reihe 16 mit den jeweils vier Durchgangsöffnungen 14 angeordnet.
  • In den Aufnahmeöffnungen 3 sitzen jeweils Heizpatronen 17, die als elektrische Widerstandsheizungen ausgebildet sind und über eine nicht gezeigte regelbare Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Heizpatronen 17 und die Energieversorgung sind Teil einer ebenfalls nicht gezeigten Heizung, die zum Beheizen des Erwärmungskörpers 1 vorgesehen ist.
  • Die Erwärmungseinrichtung E ist Teil einer weiter nicht dargestellten Vorrichtung zum Erwärmen eines Luftstroms. Dieser erwärmte Luftstrom wird einem ebenfalls nicht gezeigten Werkzeug zum Herstellen von Gießkernen aus Formstoff zugeführt, um dem in den Formhohlraum des Werkzeugs eingefüllten Formstoff Feuchtigkeit zu entziehen und damit eine beschleunigte Aushärtung des jeweiligen Gießkerns herbeizuführen. Im Betrieb wird der Erwärmungskörper 1 mittels der Heizpatronen 17 auf die jeweilige Solltemperatur beheizt. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Al-Werkstoffs, aus dem der Erwärmungskörper 1 gefertigt ist, und der Tatsache, dass sich die Heizpatronen 17 im Wesentlichen über die gesamte Länge L des Erwärmungskörpers 1 erstrecken, stellt sich dabei über den Querschnitt des Erwärmungskörpers 1 schnell eine im Wesentlichen homogene, gleichmäßige Temperaturverteilung ein.
  • Anschließend wird der zu erwärmende Luftstrom LSZU über eine nicht gezeigte Versorgungsleitung in die Einströmkammer 10 geleitet. Von dort aus teilt er sich in eine der Anzahl der Durchgangsöffnungen 13, 14 entsprechende Zahl von Teilströmen T auf, die mit hoher Geschwindigkeit durch die im Querschnitt engen Durchgangsöffnungen 13, 14 strömen. Die Summe der Teilströme T entspricht dabei im Wesentlichen dem gesamten zugeführten Luftstrom LSZU. Auf ihrem Weg durch die relativ engen und langen Durchgangsöffnungen 13, 14 kommt der jeweilige Teilluftstrom T in intensiven Kontakt mit den auf die Solltemperatur erwärmten Innenflächen der Durchgangsöffnungen 13, 14, so dass er schnell dieselbe Temperatur annimmt wie der Erwärmungskörper 1.
  • Die in die Abströmkammer eintretenden Teilströme T weisen dementsprechend alle eine Temperatur auf, die für alle Teilströme T gleich ist. Die Temperatur des in der Abströmkammer 12 wieder zusammengeführten Gesamtluftstroms LSAB entspricht somit ebenfalls der Solltemperatur, auf die der Erwärmungskörper 1 erwärmt ist.
  • Aufgrund des intensiven Kontaktes, den die Teilströme T auf ihrem Weg durch die Durchgangsöffnungen 13, 14 mit dem Erwärmungskörper 1 haben, ist sichergestellt, dass auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine gleichmäßige Erwärmung auf die jeweilige Solltemperatur erfolgt. Dementsprechend erlaubt es die Erwärmungseinrichtung E, über eine für das Aushärten der Gießkerne im nicht dargestellten Formwerkzeug sicher ausreichende Zeit einen auf die jeweils optimale Temperatur erwärmten Luftgas-Strom zur Verfügung zu stellen.
  • 1
    Erwärmungskörper
    2
    Randabschnitt des Erwärmungskörpers 1
    3
    Aufnahmeöffnungen
    4
    obere Längsseite des Erwärmungskörpers 1
    5
    untere Längsseite des Erwärmungskörpers 1
    6
    rechte Längsseite des Erwärmungskörpers 1
    7
    linke Längsseite des Erwärmungskörpers 1
    8
    Innenabschnitt des Erwärmungskörpers 1
    9
    eine Stirnseite des Erwärmungskörpers 1
    10
    Einströmkammer
    11
    Abströmkammer
    12
    andere Stirnseite des Erwärmungskörpers 1
    13, 14
    Durchgangsöffnungen
    15
    Reihen mit jeweils fünf Durchgangsöffnungen 13
    16
    Reihen mit jeweils vier Durchgangsöffnungen 14
    17
    Heizpatronen
    E
    Erwärmungseinrichtung
    L
    Länge des Erwärmungskörpers E
    LSZU
    zu erwärmender zuströmender Luftstrom
    LSAB
    erwärmter abströmender Luftstrom
    T
    Teilstrom

Claims (12)

  1. Einrichtung zum Beheizen eines Gasstroms (LSZU), insbesondere eines Luftstroms, mit einem aus einem hoch wärmeleitfähigen Material bestehenden massiven Erwärmungskörper (1) und mit einer Heizung zum Beheizen des Erwärmungskörpers (1), wobei in den Erwärmungskörper (1) viele Durchgangsöffnungen (13, 14) eingeformt sind, durch die im Betrieb jeweils ein Teilstrom (T) des zu erwärmenden Gasstroms (LSZU) strömt.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungskörper (1) aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gefertigt ist.
  3. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungskörper (1) quaderförmig ist und dass sich die Durchgangsöffnungen (13, 14) in Längsrichtung (L) des Erwärmungskörpers (1) erstrecken.
  4. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (13, 14) über den Querschnitt des Erwärmungskörpers (1) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
  5. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung eine elektrische Heizung ist.
  6. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung eine Vielzahl von Heizpatronen (17) umfasst, die in dem Erwärmungskörper (1) sitzen.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (13, 14) in einen zentralen inneren Bereich des Erwärmungskörpers (1) eingeformt sind und dass die Heizpatronen (17) in regelmäßigen Abständen um die Durchgangsöffnungen (13, 14) herum angeordnet sind.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizpatronen (17) sich mindestens über eine Teillänge des Erwärmungskörpers (1) erstrecken.
  9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizpatronen (17) stabförmig ausgebildet und in entsprechend geformte, sich achsparallel zu den Durchgangsöffnungen (13, 14) erstreckende Aufnahmeöffnungen (3) eingeschoben sind.
  10. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die eine Stirnseite (9) des Erwärmungskörpers (1), dem die Eintrittsöffnungen der Durchgangsöffnungen (13, 14) zugeordnet sind, eine Einströmkammer (10) eingeformt ist, von der aus die aus dem Gasstrom (LSZU) gebildeten Teilströme (T) in die Durchgangsöffnungen (13, 14) eintreten.
  11. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die andere Stirnseite (11) des Erwärmungskörpers (1), dem die Abströmöffnungen der Durchgangsöffnungen (13, 14) zugeordnet sind, eine Abströmkammer (12) eingeformt ist, in die die die Durchgangsöffnungen (13, 14) durchströmenden Teilströme (T) gelangen, bevor sie aus der Einrichtung (E) abströmen.
  12. Vorrichtung zum Begasen eines Formwerkzeugs zum Herstellen von aus einem Formstoff hergestellten Gießkernen oder Gießformteilen für eine Gießform, mit einer Gasversorgung zum Einleiten eines Gasstroms in das Formwerkzeug und mit einer Einrichtung (E) zum Beheizen des von der Gasversorgung in das Formwerkzeug geförderten Gasstroms, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (E) zum Beheizen des von der Gasversorgung geförderten Gasstroms (LSZU) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
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