Die Erfindung betrifft einen Ofen zum Trocknen von
lackierten Proben, insbesondere zur Simulation der Prozeßbedingungen
in einem Durchlaufofen einer Bandmaterial-Lackieranlage.
Der Begriff COIL-COATING (CC) umfaßt das großtechnische
Beschichten (Lackieren) von Bandmaterial, also Blechen
in verschiedenen Breiten und Materialien. Dabei wird
das Blech lackiert, in einem nachgeschalteten Durchlaufofen
getrocknet und wieder aufgewickelt (COIL), um
später beim Verarbeiter, z.B. Hersteller von Küchengeräten,
Fassaden-Blechen usw., weiterverarbeitet (gestanzt,
gekantet oder tiefgezogen) zu werden. Es gibt
aber auch Entwicklungen, die auf den Einsatz des CC's
in der Automobilindustrie zielen.
Die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen wird maßgeblich
von der Durchlaufgeschwindigkeit beim Trocknen bestimmt,
dazu kommen Faktoren, die von den Ofenparametern
Temperaturverteilung, Luftführung und Luftgeschwindigkeit
abhängig sind. Die Lackrezepte sind unmittelbar
von den Eigenschaften dieser COIL-COATING-Anlagen
abhängig und werden auf diese in der Praxis
exakt abgestimmt.
Um die Großanlagen den jeweiligen Bedürfnissen bzw. den
Veränderungen der verwendeten Materialien (zu lackierendes
Bandmaterial, Lacke sowie deren Zusammensetzungen)
entsprechend einstellen zu können, benötigt man im
Labor ein geeignetes Meßmittel, in welchem man die Bedingungen
in den Großtrocknern reproduzierbar simulieren
kann. Man bedient sich bisher spezieller Drehöfen,
in denen eine lackierte Probe in einem Warmluftstrom
gedreht wird. Ferner existieren Laboröfen, bei denen es
sich um sozusagen Durchlauföfen im "Miniformat" handelt.
Die bisherigen Ansätze zur Reproduktion der Bedingunen
in den Großanlagen sind recht kostenintensiv
und nicht zufriedenstellend.
Die im Markt angebotenen (Labor-)Geräte arbeiten insofern
nicht optimal, als die Prozeßbedingungen in den
Durchlauföfen der großtechnischen Anlagen unter Berücksichtigung
sehr kurzer Trocknungszeiten nicht zufriedenstellend
genau simuliert werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
(Labor-)Ofen zu schaffen, in dem sich die in einem
Durchlaufofen einer großtechnischen automatischen Bandmaterial-Lackieranlage
herrschenden Bedingungen zuverlässig
genau simulieren lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein
Ofen vorgeschlagen, der versehen ist mit
- einem Gehäuse,
- einer in dem Gehäuse angeordneten Aufnahmevorrichtung
zum Halten einer von mindestens der Unterseite
und/oder der Oberseite her mit Warmluft anströmbaren
Probe,
- einer Luftstrom-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen
mindestens eines auf die Unter- oder Oberseite der
Probe gerichteten Luftstroms,
- einer Temperiervorrichtung zum Temperieren der
Luft des Luftstroms und
- einer im Luftstrom in unmittelbarer Nähe der Aufnahmevorrichtung
angeordneten Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung,
die mindestens eine Einheit
aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden zick-zack-förmigen
Lochplatten aufweist, von denen jede
mehrere zueinander parallele Erhebungen und Vertiefungen
aufweist, wobei die Lochplatten sich in
zur Strömungsrichtung parallelen Ebenen erstrecken
und ihre Erhebungen und Vertiefungen unter einem
spitzen Winkel zur Strömungsrichtung verlaufen.
Der erfindungsgemäße Ofen ist mit einem Gehäuse versehen,
in dem sich eine Aufnahmevorrichtung zum Halten
einer lackierten Probe befindet, die einem Warmluftstrom
aussetzbar ist, welcher auf die Unterseite und/oder
die Oberseite der Probe auftrifft. Dieser Luftstrom
bzw. diese beiden Luftströme werden von einer
Luftstrom-Erzeugungsvorrichtung erzeugt, bei der es
sich um ein oder mehrere Ventilatoren handelt, die insbesondere
einen zirkulierenden Luftstrom erzeugen. In
jedem Luftstrom befindet sich eine Temperiervorrichtung
zum Erwärmen der zirkulierenden Luft. Die Aufnahmevorrichtung
befindet sich an einer Seite eines Luftströmungskanals,
der in unmittelbarer Nähe der Probe endet.
Bei Versorgung der Probe beidseitig mit Warmluft
existieren zwei derartige Luftströmungskanäle, deren
Auslaßenden einander gegenüberliegend und zu unterschiedlichen
Seiten der Probe angeordnet sind. In jedem
Luftströmungskanal befindet sich eine Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung,
die der Vergleichmäßigung
des Strömungsprofils des Luftstroms dient. Jede Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung
weist mindestens
eine Einheit aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden
Lochplatten auf, die zick-zack-förmig gewellt sind, so
daß pro Lochplatte mehrere zueinander parallele Vertiefungen
und Erhebungen entstehen. Unter "zick-zack-förmig"
soll im Rahmen dieser Erfindung sowohl eine mit
Knicklinien versehene als auch wellenförmig ausgebildete
Lochplatte verstanden werden. Auch Lochplatte mit
trapezförmigen Verformungen sind hiervon erfaßt. Die
Lochplatten selbst erstrecken sich in Strömungsrichtung,
so daß die Luftströmung also entlang den Oberflächen
der Lochplatten strömt. Die Vertiefungen und
Erhebungen der Lochplatten verlaufen dabei in einem
spitzen Winkel zur Strömungsrichtung, der insbesondere
zwischen 30° und 60°, vorzugsweise zwischen 40° und 50°
und insbesondere etwa bei 45° liegt. Die insbesondere
gleichmäßig mit Löchern versehenen Lochplatten sind
derart alternierend angeordnet, daß sich die Vertiefungen
und Erhebungen benachbarter aneinanderliegender
Lochplatten vorzugsweise kreuzen.
Durch den Einbau der Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung
in dem erfindungsgemäßen Ofen wird der Luftstrom
in einzelne Teilluftströme aufgeteilt, die sich
teilweise kreuzen, so daß es zu einer Vermischung der
Luft dieser Teilströme und damit zu einer Vergleichmäßigung
des Strömungsprofils kommt. Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, daß diese Vergleichmäßigung
der Strömung mittels gewellter Lochbleche mit
schrägverlaufenden Erhebungen und Vertiefungen besonders
einfach und effektiv realisiert werden kann. Durch
die erfindungsgemäß angeordneten und ausgestalteten
Lochplatten wird auf denkbar einfache Art und Weise
erreicht, daß die Luftströmung über ihren Querschnitt
betrachtet nahezu eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit
aufweist.
In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, daß jede Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung
mehrere in Strömungsrichtung
aufeinanderfolgend angeordnete Lochplatten-Einheiten
aufweist, wobei benachbarte Einheiten
bzw. Pakete von Lochplatten gegeneinander verdreht angeordnet
sind. Die Verdrehung benachbarter Lochplatten
beträgt insbesondere 90°.
So wie die Erhebungen und Vertiefungen jeder zweiten
Lochplatte innerhalb einer Lochplatten-Einheit parallel
zueinander ausgerichtet sind, sind bei Anordnung mehrerer,
d.h. mindestens dreier Einheiten, jede zweite Einheit
gleich ausgerichtet.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ofens besteht darin,
daß eine Nachstellung der Produktionsbedingungen in
einem relativ kleinen Maßstab möglich ist. Eine
lackierte Blechprobe in der Größe DIN A4 oder ähnlich
wird mit Hilfe einer sogenannten Probenschublade in den
Ofenraum eingebracht, wobei die gewünschten Konditionen,
nämlich die Luftgeschwindigkeit (Lüfterdrehzahl)
und die Ofentemperatur, eingestellt sind. Die Ofenluft
strömt senkrecht von unten und von oben gegen die Probe
und temperiert diese homogen über die gesamte Fläche.
Die Probe wird in der Praxis entweder nach einer bestimmten
Zeit oder nach Erreichen der eigentlichen Endtemperatur
des Bleches in der CC-Anlage, die in dem CC-Laborofen
mit Hilfe eines speziellen Thermoelementes an
der nicht lackierten Unterseite der Probe gemessen
wird, ausgefahren. Das Aus- und Einfahren kann von
Hand, nach Ertönen eines Signales, oder automatisch
(Pneumatik) erfolgen.
Herkömmliche Laboröfen sind aufgrund ihrer Bauweise
nicht in der Lage große Energiemengen in den für die
Simulation geforderten kurzen Zeiträumen zu übertragen.
Außerdem kommt es durch die erforderlichen Türöffnungen
zu Einflüssen durch Temperaturabsenkungen, die ein reproduzierbares
Prüfen unmöglich machen. Eine sofortige
Entnahme der Probe, ohne einen nennenswerten weiteren
Temperaturanstieg nach Erreichen der gewünschten Temperatur,
ist unmöglich. Grundsätzlich scheidet ein herkömmlicher
Laborofen für das CC wegen der unzureichenden
Temperaturverteilung aus, die sich bei extrem kurzen
Trockenzeiten einstellt.
Jeder herkömmliche Umluftofen ist gekennzeichnet durch
sein laminares Strömungsbild, das im instationären Bereich,
also vor Erreichen der Ofentemperatur, eine
gleichmäßige Temperaturverteilung auf dem Probenblech
unmöglich zuläßt.
Die Erfindung beruht auf der Zerlegung des laminaren
Strömungsprofiles in einem Umluftofen zu einem Luftstrom
von kleinsten Teilströmen gleicher Geschwindigkeit
über und unter der Probe. Gleiche Geschwindigkeit
ist gleichbedeutend mit gleichem Wärmeübergang, da dieser
proportional zur Geschwindigkeit ist. Mit gleichem
Wärmeübergang geht einher, daß auch die Temperaturverteilung
in gleichem Maße verbessert wird. Zum Homogenisieren
des Luftstromes wird ein System von entsprechend
geformten, strukturierten Lochblechen eingesetzt, die
den ankommenden Luftstrom zerlegen und über den gesamten
Kanalquerschnitt gleichmäßig verteilen, indem die
Vielzahl von Einzelteilströmen X-förmig ausgerichtet
werden. Der einzelne Teilstrom zeigt zwar wiederum ein
laminares Strömungsbild, wegen der exakten Mengenverteilung
über den Strömungsquerschnitt ergibt sich
jedoch ein homogenes Temperaturprofil über die gesamte
Probenfläche.
Das gesamte Mischsystem kann als Luft-Gleichrichter
verstanden werden und besteht jeweils aus mehreren
Misch- bzw. Homogenisierungs-Einheiten. Nach jeder Einheit
wird die Haupt-Luftrichtung geändert und dabei
jeder einzelne Teilstrom wieder zerlegt. Nach drei
Elementen ist der Luftstrom bereits so weit homogenisiert,
daß mit dem nun vorhandenen Gesamt-Geschwindigkeitsprofil
Genauigkeiten von +/- 2,5 K erzielt werden,
was für den Anwender ausreichend genau ist.
Werden die Anforderungen höher, können ein oder mehrere
zusätzliche Mischelemente eingesetzt werden. Die Mischleistung
ist unabhängig von der umgewälzten Luftmenge,
darum ist es mit diesem Ofensystem möglich, jede
praxisnahe Bedingung zu simulieren. CC-Anlagen laufen
heute in der Praxis mit Durchlaufgeschwindigkeiten, die
einer Trocknungszeit von ca. 30 s entsprechen. Die
Homogenisierung des Luftstroms hinsichtlich seiner Geschwindigkeit
ist der Hauptaspekt der Erfindung.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen
zeigen:
- Fig. 1
- einen Vertikalschnitt durch einen Laborofen
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
- Fig. 2
- eine Draufsicht auf den Laborofen entsprechend
dem Pfeil II der Fig. 1,
- Fig. 3
- eine perspektivische Darstellung einer der beiden
Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtungen
des Laborofens und
- Fign. 4 bis 7
- Explosions-Ausschnittsdarstellungen jeweils
zweier benachbarter zick-zack-förmiger Lochbleche
in den beiden Lochblech-Paketen bzw.
-Einheiten der Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung
nach Fig. 3 zur Verdeutlichung der
alternierenden Anordnung der Lochbleche pro
Paket/Einheit und der Pakete/Einheiten pro
Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung.
In den Fign. 1 und 2 ist der grundsätzliche Aufbau des
Laborofens 10 gezeigt. Gemäß Fig. 1 weist der Ofen 10
ein wärmeisoliertes Gehäuse 12 auf, an dessen Vorderwand
14 eine Schublade 16 mit einer Aufnahmevorrichtung
18 zum Aufnehmen einer lackierten Metallplatte 20
(Probe) angeordnet ist. Die Aufnahmevorrichtung 18 befindet
sich bei eingeschobener Schublade 16 in einem
Luftströmungskanal 22 und teilt diesen in einen oberen
Abschnitt 24 und einen unteren Abschnitt 26 auf. Der
obere Abschnitt 24 des Luftströmungskanals 22 endet
unmittelbar oberhalb der Metallplatte 20, während der
untere Abschnitt 26 des Luftströmungskanals 22 unmittelbar
unterhalb der Aufnahmevorrichtung 18 endet.
Im Innenraum 28 des Ofens 10 befinden sich zwei Luftstrom-Erzeugungsvorrichtungen
in Form von motorgetriebenen
Ventilatoren 30. Diese Ventilatoren 30 saugen die
durch die beiden Abschnitte 24,26 des Luftströmungskanals
22 kommende Luft an und führen sie an den Innenwänden
des Ofens 10 entlang wieder in die Einlaßenden
32 der beiden Luftströmungskanalabschnitte 24,26 hinein,
deren Auslaßenden 34 in unmittelbarer Nähe oberhalb
und unterhalb der Aufnahmevorrichtung 18 bzw. der
Metallplatte 20 angeordnet sind. Zwischen den Ventilatoren
30 und den Einlässen 32 des Luftströmungskanals
22 befinden sich Heizstäbe 36 zum Erwärmen der an ihnen
entlangstreichenden Luft. Über eine Temperatursonde 38
ist die Temperatur der an der Ober- und der Unterseite
der Metallplatte 20 entlangstreichenden Ansaugluft meßbar;
ein Temperaturfühler 40 der Aufnahmevorrichtung 18
mißt unmittelbar die Temperatur der Metallplatte 20.
Frischluft wird dem System über eine Frischluftzufuhr
42 mit Filter 44 zugeführt, während Abluft über einen
Abluftschacht 46 aus dem Innenraum 28 des Ofens 10 gelangt.
Wie in Fig. 1 angedeutet, entstehen im Innern
des Ofens 10 zwei zirkulierende Luftströme, über die
die Metallplatte 20 von ihrer Oberseite und ihrer
Unterseite her mit Warmluft versorgt wird.
In den Luftströmungskanalabschnitten 24,26 befinden
sich Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtungen 48, die
aus zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten
Paketen bzw. Einheiten 50 von aneinanderliegenden
Lochblechen 52 bestehen. Wie in den Fign. 3 bis 7 gezeigt,
sind die Lochbleche 52 zick-zack-förmig gewellt
und weisen eine Vielzahl von insbesondere regelmäßig
angeordneten Löchern 54 auf. Die Lochbleche 52 jedes
Lochblechpakets 50 liegen dicht aneinander. Aufgrund
der Zick-Zack-Struktur weist jede Lochplatte 52 eine
Vielzahl von Erhebungen 56 und Vertiefungen 58 auf, die
pro Lochplatte 52 sämtlich parallel zueinander verlaufen.
Die Ausrichtung der Erhebungen 56 und Vertiefungen
58 ist winklig zur Strömungsrichtung 60, und
zwar insbesondere unter einem Winkel von 45°. Ferner
verlaufen die Erhebungen 56 und Vertiefungen 58 benachbarter
Lochplatten 52 kreuzweise zueinander. Die Anordnung
der Lochplatten 52 ist derart, daß sie sich in zur
Strömungsrichtung 60 parallelen Ebenen erstrecken. Die
Lochplatten 52 der in Strömungsrichtung 60 stromauf
angeordneten Einheit 50 sind ferner um 90° gegenüber
den Lochplatten 52 der stromab angeordneten Einheit 50
verdreht angeordnet. All diese Merkmale der Lochplatten
52 und deren Relativanordnungen sind in den Fign. 4 bis
7 zeichnerisch wiedergegeben, wobei die Fign. 4 und 5
zwei benachbarte Lochplatten 52 der stromauf angeordneten
Einheit 50 und die Fign. 6 und 7 zwei benachbarte
Lochplatten 52 der stromab angeordneten Einheit 50 der
Luftstrom-Vergleichmäßigungsvorrichtung 48 zeigen.