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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
Bezug auf die Begasungsvorrichtung ist die voranstehend genannte
Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 12 gelöst worden.
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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.
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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.
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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.
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Praktische
Versuche haben gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere zum
Beheizen eines Luftstroms geeignet ist.
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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.
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Erforderlichfalls
kann der Erwärmungskörper anstelle
von Al und seinen Legierungen selbstverständlich auch aus anderen, noch
besser wärmeleitfähigen Materialien,
wie beispielsweise Kupfer gefertigt sein.
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Die
Montage einer erfindungsgemäßen Einrichtung
gestaltet sich dann besonders einfach, wenn der Erwärmungskörper quaderförmig ist
und sich die Durchgangsöffnungen
in Längsrichtung
des Erwärmungskörpers erstrecken.
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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.
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Eine
besonders genaue Einstellung der Temperatur des Erwärmungskörpers einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist möglich,
wenn für
die Beheizung des Körpers
eine elektrische Heizung vorgesehen ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine
Erwärmungseinrichtung
in frontaler Ansicht;
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2 die
Erwärmungseinrichtung
im Längsschnitt.
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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.
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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 4–7 angeordnet,
so dass sie zwischen sich einen im Querschnitt im Wesentlichen quadratischen
Innenabschnitt 8 des Erwärmungskörpers 1 umgrenzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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