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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
drehbare Kühlrolle einer Maschine zur Herstellung eines
Films oder einer Bahn aus Cellophan, Polyethylen,
Aluminiumfolie oder dergleichen oder von
Harzbeschichtungsmaschinen, Harzlaminiermaschinen und
Extrusionslaminiermaschinen zum Verbinden oder Laminieren von
zwei oder mehr Materialfilmen oder -bahnen oder zum
Verbinden oder Laminieren von Unterschiedlichen Arten
von Filmen oder Bahnen, um Eigenschaften wie höhere
Festigkeit, Wärmebeständigkeit, Wasserbeständigkeit
hinzuzufügen.
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Beim Stand der Technik benutst die konventionelle
Kühlmaschine, denn beispielsweise Papier und
synthetische Harzfilme miteinander zur Bildung eines festen
Papiers verbunden werden, eine Kühlrolle 20 der in
Fig. 5 gezeigten Art. Bei der Kühlrolle 20 nach Fig. 5
ist ein Wasserkanal 23 zwischen konzentrischen inneren
und äußeren Zylindern 21 und 22 gebildet. Zwischen den
Zylindern ist ein Raum vorgesehen, der den Wasserkanal
bildet, und eine spiralförmige Fuhrung 24 ist im
Wasserkanal angebracht. Drehbare Verbindungen 25 werden
an den Enden der Rotationswelle benutzt und sind mit
Wasserdurchgängen versehen, damit Wasser aus einem
Kühlwassereinlaß 26 in einer Spiralbahn durch den
Kanal sind als einem Kühlwasserauslaß 27 heraus fließen
kann.
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Bei einem typischen Verfahren strömt thermisch
geschmolzenes Harz nach unten auf Rohmaterial-Papier,
und Filme von Harz und Rohmaterial-Papier werden durch
den Klemm- oder Druckbeaufschlagungsteil zwischen
besagter Kühlrolle 20 und einer Druckrolle (nicht
gezeigt nahe zur besagten Kühlrolle gepreßt und
miteinander verbunden. Während der Bewegung über die
Oberfläche der Kühlrolle 20 wird das synthetische Harz
gekühlt, so daß es aushärtet und einen gewissen Grad an
Flexibilität behält. Dann wird das Produkt von einer
Aufnahmerolle (ebenfalls nicht gezeigt) aufgenommen.
Beim oben erwähnten Kühlverfahren kann ein Problem
dadurch entstehen, daß das synthetische Harz nicht
gieichmäßig gekühlt wird, da die Klebefestigkeit
ungleichmäßig verteilt sein kann oder die
Oberflächenbedingungen fehlerhaft sein können. Somit müssen die
Kühlrollen die Funktion der gleichmäßigen und
wirksamen Kühlung der gesamten Peripherie entlang der
gesamten Länge der Rolle erfüllen.
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Bei der Kühlrolle mit dein oben erwähnten Aufbau hat
jedoch der Temperaturunterschied zwischen dem Einlaß-
Kühlwasser und dem Auslaß-Kühlwasser einen direkten
Einfluß auf die Oberflächentemperatur der Rolle, und
es ist schwierig, eine gleichmäßige Kühlung über ihre
Breite zu erreichen. Es ist dann notwendig, den
Unterschied der Kühlwassertemperatur innerhalb eines engen
Bereichs zu regeln. Dies bedeutet, daß eine große
Menge Kühlwasser zum Strömen durch die Rolle benötigt
wird. Dennoch muß, wenn der Temperaturunterschied
zwischen dem Einlaß-Kühlwasser und dem Auslaß-Kühlwasser
klein gehalten wird, die Hitzeübertragung zwischen
Kühlwasser und Rollenoberfläche notwendigerweise
begrenzt werden, und daher kann der
Temperaturunterschied der Rollenoberfläche über ihrer Breite nicht
nennenswert reduziert werden. Es ist daher
wünschenswert, eine Rolle zu schaffen, die eine gleichmäßigere
Kühltemperaturverteilung sicherstellt.
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Beim oben erwähnten Aufbau wird die Hitzeübertragung
durch erzwungene Konvektion bewirkt, und der
Hitzeübertragungskoeffizient ist klein. Weiterhin wird der
Wirkungsgrad der Hitzeübertragung noch mehr
beeinträchtigt, da die Hitzeübertragungsoberfläche leicht
verschmutzt werden kann. Um den Kühlwirkungsgrad zu
erhöhen war es üblich, eine großflächige Kühlrolle
einzusetzen, was jedoch in einer größeren Bauform der
Maschine resultierte. Das Problem ist jedoch nicht
hierauf beschränkt. Direkt oberhalb der Kühlrolle sind
Kanäle angebracht, aus denen das geschmolzene Harz in
Filmform nach unten fließt. Da die Größe dieser Kanäle
begrenzt ist, wird der Abstand zwischen den Kanälen
und der Kühlrolle größer, wodurch die Eigenschaften
des Endprodukts beeinträchtigt werden.
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Da die Größe des Endprodukts von Produkt zu Produkt
variiert, muß die Kühlrolle zum Erfüllen diverser
Standards ausgetauscht werden. Der Austausch einer
langen und breiten Kühlrolle ist recht aufwendig.
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Weiterhin ist im Stand der Technik durch das
japanische Gebrauchsmuster Nr 58-49439 eine Wärmerohr-Rolle
offenbart. Bei diesem Aufbau ist ein innerer, eine
Heizvorrichtung aufweisender Zylinder mit einem Medium
mit Dochtwirkung versehen. Die Rolle wird als
Fixierrolle in einer elektrophotographischen Maschine
verwendet und dient ausschließlich zum Erwärmen; sie kann
zum Kühlen, welches die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist, nicht eingesetzt werden.
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In der FR-A-2125204 ist eine Kühlmaschine offenbart,
bei der der untere Teil eines drehenden Kühlzylinders
In ein flüssiges, kalt zu haltendes Medium eintaucht.
Im Zylinder ist ein Wärmetauschersystem aus axialen
Rohren oder Durchgängen aufgenommen, und eine
Kühlflüssigkeit wird an einem axialen Ende des Zylinders
in dieses Rohrsystem eingebracht, verdampft in den
Rohren und tritt als Gas am entgegengesetzten axialen
Ende des Zylinders aus. In einer Ausführungsform
enthält der abgedichtete Innenraum des Zylinders um die
Rohre herum eine Menge einer Flüssigkeit, die so
ausjewählt ist, daß sie siedet und mit ihrer Dampfphase
den Rest des Zylinders ausfüllt, wodurch die
Wärmetauscherrohre kontaktiert werden und eine Rekondensation
mit Tropfen zum Boden des Zylinders stattfindet. Es
wird bei dieser Lehre keinerlei Erwähnung von
Kühlrollen zum Kühlen sich heiß bewegender Bahnen gemacht.
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In "Machine Design", Bd. 42, Nr. 19 vom 6. August
1970, Seiten 86 - 91, findet sich ein Artikel über
Kühlen mit Wärmerohren. Ein Wärmerohr ist im
wesentlichen eine Vorrichtung, bei der Wärme entlang dem Rohr
von einem heißen Ende zu einem kalten Ende strömt. Das
Rohr ist an seinen Enden geschlossen und enthält eine
Menge einer niedrig-siedenden Flüssigkeit unter
Teilvakuum. Am heißen Ende verdampft die Wärmezufuhr die
Flüssigkeit, und der Dampf strömt entlang dem Rohr zum
kalten Ende, wo die Wärme abgegeben wird und der Dampf
rekondensiert, wonach dann die kondensierte
Flüssigkeit durch Kapillarwirkung durch ein in einer Schicht
um die innere Umfangsoberfläche des Rohrs angebrachtes
Medium mit Dochtwirkung zum heißen Ende zurückkehrt.
Im allgemeinen rotieren diese Wärmerohre nicht; außer
daß eine Konstruktion vorgeschlagen wurde, bei der
keine Schicht eines Mediums mit Dochtwirkung
vorgesehen ist, sondern stattdessen die Flüssigkeit durch
Zentrifugalkraft aufgrund der Rotation des Rohrs vom
kalten Ende zum heißen Ende "gepumpt" wird. Derartige
Wärmerohr-Anordnungen können wegen des hohen
Wärmegradienten vom heißen zum kühlen Ende als Kühlrollen
nicht eingesetzt werden.
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Ausgehend von der FR-A-2125204 (obwohl dieser Stand
der Technik Kühlmaschinen betrifft und keine
Kühlrollen für sich heiß bewegende Bahnen) liefert die
vorliegende Erfindung eine Kühlrolle für Kühlmaschinen
zum kontinuierlichen schnellen Kühlen einer sich heiß
bewegenden Bahn, wobei die besagte Kühlrolle eine
Rotationswelle, eine zylindrische äußere Wand und
Endwände, die an besagter Welle angebracht sind, um mit
dieser zu rotieren und eine Umhüllung zu bilden, ein
Rohrbündel, das sich axial innerhalb der besagten
Umhüllung erstreckt und einen Einlaß und einen Auslaß
für ein Kühlmedium aufweist, wobei die Rohre in dem
Bündel benachbart zur inneren Peripherie der besagten
zylindrischen äußeren Wand liegen, dort aber eine
Lücke lassen und der Hitzeübertragungsbereich des
besagten Rohrbündels größ er ausgestaltet ist als der
innere Bereich der besagten äußeren Wand, und eine
Hitzeübertragungsflüssigkeit umfaßt, die während des
Gebrauchs einem wiederholten Verdampfungs- und
Kondensationszyklus
ausgesetzt ist und die innerhalb der
besagten Umhüllung eingeschlossen ist und teilweise das
Volumen in der besagten Umhüllung außerhalb der
besagten Rohre bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die
innere Oberfläche der besagten äußeren Wand mit einer
Schicht eines Mediums mit Dochtwirkung beschichtet
ist.
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Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden
eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen noch besser verständlich. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Diagramm eines Laminierverfahrens mit
einer Kühlrolle gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 eine teilweise geschnittene Darstellung der
Kühlrolle;
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Fig. 3 einen Querschnitt entlang Linie 3 - 3 von
Fig. 2;
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Fig. 4 einen Längsschnitt entlang Linie 4 - 4 von
Fig. 2; und
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Fig. 5 eine teilweise längsgeschnittene Ansicht
einer konventionellen, bekannten Kühlrolle.
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In Fig. 1 sind eine Druckrolle 1 und eine Kühlrolle 2
gemäß der vorliegenden Erfindung über eine Druck
aufbringende Klemmstelle 3 miteinander in Eingriff. Die
Rollen sind so ausgebildet, daß sie in
entgegengesetzten Richtungen rotieren, wie durch die Pfeile 28
angezeigt. Eine Führungsplatte (nicht gezeigt) ist
vorgesehen, um eine Bahn von Rohmaterial-Papier 5 von einer
Zuführrolle 4, auf der Rohmaterial-Papier 5
aufgewikkelt ist, bis zur Druckrolle 1 zu führen. Ein
Harzbehälter oder eine Harzzuführung 6 zum Aufnehmen von
geschmolzenem Harz 7 ist vorzugsweise wärmeisoliert an
der Außenseite angebracht und befindet sich oberhalb
der Klemmstelle 3. Der Harzbehälter 6 ist unten mit
Harzkanälen 9 versehen, und eine Heizvorrichtung 8
befindet sich direkt oberhalb der Kanäle 9. Die Kanäle 9
befinden sich direkt oberhalb der den Druck
aufbringenden Klemmstelle 3. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet
ein laminiertes Papier-Harz-Endprodukt, das das
geschmolzene Harz 7 und das Rohmaterial-Papier 5
enthält, welche zusammengepreßt und dann zum Verbinden
gekühlt wurden. Die gestrichelte Linie stellt das
Papier und die volle Linie das Harz dar. Eine
Aufnahmerolle 11 rollt das laminierte Endprodukt 10 auf. Eine
Führungsplatte (nicht gezeigt) ist vorzugsweise
vorgesehen, um das laminierte Endprodukt 10 von der
Kühlrolle 2 zur Aufnahmerolle 11 zu führen.
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Die Kühlrolle 2 umfaßt eine Rotationswelle 19, die die
Rolle 2 drehbar an der Maschine abstützt. Die
Bezugsziffer 18 bezeichnet einen Wassereinlaß und die
Bezugsziffer 18' einen Wasserauslaß (siehe Fig. 4),
vorgesehen an den entgegengesetzten Enden der Welle 19
der Kühlrolle 2.
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Wie in Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, weist die Kühlrolle 2
eine zylindrische äußere Wand 29 auf, und
Wasserkammern 12 sind an beiden Enden zwischen Endplatten 30
der Rolle und inneren Querwänden 31 vorgesehen. Ein
Bündel von gekühlten Rohren 14 erstreckt sich zwischen
den Querwänden 31 und befindet sich nahe zur inneren
Oberfläche 13 der zylindrischen Wand 29. Eine Lücke 15
ist zwischen der inneren Oberfläche 13 und dem
wassergekühlten Rohrbündel 14 vorhanden, und ein
zylindrisches Medium 16 mit Dochtwirkung ist an der inneren
Oberfläche 13 angebracht. Die Rolle ist mit einer
Hitzeübertragungsflüssigkeit 17 befüllt und befindet
sich unter Vakuum. Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist
das Rohrbündel 14 aus einer Vielzahl von getrennten
Rohren gebildet, welche in einer einzigen
kreisförmigen Reihe angeordnet sind, die sich radial innerhalb
des Mediums 16 mit Dochtwirkung befindet. Die Enden
der Rohre 14 sind zu den beiden Wasserkammern 12 hin
offen, so daß Kühlwasser durch die Rohre fließen kann.
Die Rohre können in diversen Konfigurationen
angeordnet sein, wie beispielsweise in einer oder mehr
koaxialen Reihen, und diverse Anzahlen von Rohren können
vorgesehen sein, je nach der gewünschten
Kühlkapazität.
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Das vorstehende spezielle Beispiel der vorliegenden
Erfindung arbeitet wie folgt:
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Wie In Fig. 1 gezeigt, ist beispielsweise Polyethylen-
Harz im Harzbehälter 6 enthalten und wird durch ein
Heizmittel (nicht gezeigt) auf etwa 300ºC erhitzt, so
daß geschmolzenes Harz 7 entsteht.
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Das geschmolzene Harz 7 wird durch die Heizvorrichtung
8 weiter erhitzt und kann in Filmform nach unten durch
die Kanäle 9 fließen und in die den Druck aufbringende
Klemmstelle 3 fallen. Zur gleichen Zeit wird
Rohmaterial-Papier von der Rolle 4 für Rohmaterial-Papier
entnommen und zur Druckrolle 1 geführt. Wenn die
Rollen drehen, werden das geschmolzene Harz 7 und das
Rohmaterial-Papier 5 an der den Druck aufbringenden
Klemmstelle 3 zusammengepreßt, und die resultierende
Laminierung wird durch die latente Verdampfungswärme
der in der Kuhlrolle 2 eingeschlossenen
Hitzeübertragungsflüssigkeit 17 gleichmäßig über die volle Breite
der Kühlrolle 2 gekühlt, um so das laminierte
Endprodukt 10 zu bilden. Das Endprodukt wird dann zur
Aufnahmerolle 11 geführt und dort aufgenommen. Die
Hitzeübertragungsflüssigkeit 17 innerhalb der Kühlrolle 2
wird durch die Wärme aus dem geschmolzenen Harz 7
verdampft, welche über die äußere Umfangswand 29 der
Kühlrolle 2 strömt, und der Dampf kontaktiert die
Rohre und wird durch das wassergekühlte Rohrbündel 14
kondensiert, wodurch Wärme freigegeben wird. Die
Hitzeübertragungsflüssigkeit wird dann durch
Zentrifugalkraft oder Schwerkraft an dem auf der inneren
Oberfläche 13 der Kühlrolle 2 angebrachten Medium 16 mit
Dochtwirkung gesammelt. Somit wiederholt die
Hitzeübertragungsflüssigkeit 17 den Verdampfungs- und
Kondensationszyklus und ist semi-permanent in
wiederholter Weise nutzbar.
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Es ist daher deutlich, daß bei der vorliegenden
Anordnung anstelle einer direkten Wasserkühlung wie beim
Stand der Technik ein Thermosiphon-Kühlsystem vom
Rotationstyp vorgesehen ist, wobei ein Arbeitsmedium
eine Hitzeübertragungsflüssigkeit bildet, welche eine
gleichmäßige Temperatur am Einlaß und Auslaß des
Zuführwassers ebenso wie an der Kühlrollenoberfläche
aufrechtzuerhalten in der Lage ist. Zusätzlich bildet
das wassergekühlte Rohrbündel, das innerhalb der Rolle
angebracht ist, eine größere Oberfläche als die der
Kühlrollenwand. Mit dieser Konfiguration verdampft die
von der Kühlrolle absorbierte Wärme das innen
eingeschlossene Arbeitsmedium, und der erzeugte Dampf
kontaktiert das wassergekühlte Rohrbündel und
kondensiert, wodurch Wärme freigegeben wird. Diese
Kondensationswärme wird auf das innerhalb des Rohrs des
wassergekühlten Rohrbündels strömende Kühlwasser
übertragen und wird dann durch das Wasser außerhalb der
Kühlrolle freigegeben. Die innere Oberfläche der Kühlrolle
ist mit einem Medium mit Dochtwirkung versehen
gezeigt, das durch ein Drahtgeflecht verstärkt werden
kann, um das Arbeitsmedium gleichmäßig in
Umfangsrichtung zu verteilen und den
Wärmeübertragungskoeffizienten zu verbessern. Stattdessen kann auch die innere
Oberfläche der Kühlrolle selbst so bearbeitet werden,
daß die gleichen Ziele erreicht werden. Somit ist das
Kühlwasser in der Lage, Wärme während einer
Hochgeschwindigkeits-Rotation oder in einem nahezu
stationären Zustand zu empfangen und zu übertragen.
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Zusammengefaßt umfaßt die Kühlrolle eine Metallrolle,
in der ein wassergekühltes Rohrbündel koaxial zusammen
mit der besagten Rolle rotiert. Das Rohrbündel ist
nahe der Umfangswand der Rolle vorgesehen, und eine
kleine Menge einer Hitzeübertragungsflüssigkeit (auch
als Arbeitsmedium bezeichnet) wird in besagter Rolle
unter reduziertem Druck oder Vakuum eingeschlossen.
Nach Evakuierung nicht-kondensierbarer Gase (nämlich
Luft) aus der Kühlrolle befüllt die
Hitzeübertragungsflüssigkeit die Kühlrolle teilweise. Das Arbeitsmedium
wird durch eine Filmbahn von hoher Temperatur, die
sich über die äußere Umfangswand der Rolle bewegt,
aufgewärmt, wodurch das Medium zum Verdampfen gebracht
wird. Der innerhalb der Rolle erzeugte Dampf wird dann
durch das im wassergekühlten Rohrbündel strömende
Wasser abgekühlt, wodurch das Arbeitsmedium zum
Kondensieren gebracht wird. Da das wassergekühlte Rohrbündel
nahe der inneren Wand der Kühlrolle angebracht ist,
kondensiert das verdampfte Arbeitsmedium sofort.
Weiterhin
wird eine schnelle Kühlung fast sofort bewirkt,
da der Hitzeübertragungsbereich des wassergekühlten
Rohrbündels groß ist. Der
Hitzeübertragungswirkungsgrad des Kühlens durch Verdampfen und Kondensieren ist
erheblich größer als bei der konventionellen,
einfachen Wasserkühlung.
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Die kondensierte Hitzeübertragungsflüssigkeit wird vom
wassergekühlten Rohrbündel durch die Zentrifugalkraft
aufgrund der Rotation der Kühlrolle getrennt und dann
fast gleichmäßig auf der inneren Wand der Kühlrolle
verteilt. Als Ergebnis wird der
Hitzeübertragungskoeffizient gegenüber dem beim stationären Zustand um
mehrere zehn Prozent verbessert.
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Da die Kühlrolle nach der vorliegenden Anordnung
anstelle der konventionellen wassergekühlten Rolle mit
einer großen Temperaturdifferenz eine Thermosiphon-
Kühlrolle vom Rotationstyp zur Kühlung einer Filmbahn
von hoher Temperatur verwendet, wobei Verdampfung und
Kondensation wiederholt auftreten, ist die Kühlrolle
in der Lage, die Filmbahn von hoher Temperatur über
ihre gesamte Breite gleichmäßig zu kühlen, und bewirkt
keinerlei Qualitätsmängel des Endprodukts aufgrund
ungleichmäßiger Kühlung.
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Da der Hitzeübertragungskoeffizient der Kühlrolle gut
ist, kann die Größe der Kühlrolle reduziert werden,
wobei sie dennoch eine vergleichbare
Leistungsfähigkeit aufweist. Wenn die Größe der Kühlrolle identisch
zu der der konventionellen wassergekühlten Rolle ist;
kann die Produktion des Endprodukts, wie
beispielsweise eines Harz-Fertigprodukts, noch erhöht werden,
da die Rotationsgeschwindigkeit erhöht werden kann.
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Da die Rohre des wassergekühlten Rohrbündels sich nahe
der inneren Umfangsoberfläche der Kühlrolle befinden,
kann die Anzahl der Rohre größer sein als im Fall, daß
die Rohre sich im Zentrum der Rolle befinden, und
andererseits kann der Hitzeübertragungsbereich größer
sein. Da das wassergekühlte Rohrbündel sehr nahe der
Dampferzeugung der Hitzeübertragungsflüssigkeit
angeordnet ist, wird ihre Kondensation gefördert. Da die
innere Umfangsoberfläche der Kühlrolle mit einem
Verteilungsmittel beschichtet ist (das ein Drahtgeflecht
von Kupfer, rostfreiem Stahl oder Nickel, ein Medium
mit Dochtwirkung aus Filz, Formmetall, dünnen Faden
oder Sintermaterial sein kann), lagert sich die
kondensierte Hitzeübertragungsflüssigkeit bei Rotation
der Kühlrolle bei Hochgeschwindigkeits-Rotation durch
Zentrifugalkraft oder bei
Niedergeschwindigkeits-Rotation durch Schwerkraft auf dem Verteilungsmittel ab
und diffundiert dann aufgrund von Kapillarwirkung fast
gleichmäßig. Als Ergebnis wird die Hitzeübertragung
zuverlässig bewirkt und der Kühlwirkungsgrad wird
erhöht.
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Der Hitzeübertragungsbereich des wassergekühlten
Rohrbündels ist größer ausgestaltet als der innere
Umfangsbereich der Kühlrolle. Somit wird die
Hitzeübertragungsflüssigkeit, die durch Aussetzen in einer
hohen Temperatur direkt unterhalb der
Kühlrollenoberfläche verdampft wird, durch die große Fläche des
wassergekühlten Rohrbündels ausreichend gekühlt, so daß die
Temperatur der rekondensierten
Hitzeübertragungsflüssigkeit niedrig gehalten wird. Entsprechend kann,
obwohl der innere Umfangsbereich der Kühlrolle begrenzt
ist, die Hitzeübertragung durch die Umfangsoberfläche
der Kühlrolle auf einem hohen Wirkungsgrad gehalten
werden. Weiterhin kann die Größe der Rolle selbst
reduziert werden, da die Hitzeübertragung von der
inneren Oberfläche der Kühlrolle wirksam ist. Als Ergebnis
wird die Auswahl der Hitzeübertragungskapazität der
Kühlrolle gemäß dem speziellen Endprodukt erheblich
erleichtert.
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Das Hitzeübertragungs- oder Arbeitsmedium sollte beim
Vakuum in der Rolle eine niedrige Siedetemperatur
haben, und die Siedetemperatur sollte niedriger als die
Temperatur sein, auf die die Rolle während des
Gebrauchs erwärmt wird. Somit hängt die Auswahl des
Arbeitsmediums von der Temperatur der Wand während des
Gebrauchs und dem Druck innerhalb der Rolle ab.
Beispielsweise können Freon oder Alkohol verwendet
werden.