EP3282023A1 - Kühlvorrichtung und verfahren zum kühlen durchlaufender elemente - Google Patents

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EP3282023A1
EP3282023A1 EP16001787.7A EP16001787A EP3282023A1 EP 3282023 A1 EP3282023 A1 EP 3282023A1 EP 16001787 A EP16001787 A EP 16001787A EP 3282023 A1 EP3282023 A1 EP 3282023A1
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EP
European Patent Office
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cooling
metal plate
cooling device
cryogenic gas
metal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16001787.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Waning
Sebastian Berger
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Priority to EP17748401.1A priority patent/EP3497250B1/de
Priority to BR112019002421-2A priority patent/BR112019002421B1/pt
Priority to PCT/EP2017/025224 priority patent/WO2018028835A1/de
Priority to TW106127112A priority patent/TWI668309B/zh
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    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0056—Regulation involving cooling

Definitions

  • the invention relates to a cooling device and a method for cooling at least one continuous element, for example a belt or wire, and a hardening device for hardening at least one continuous element with such a cooling device.
  • steel For the production of razor blades and the like, hard steels are required which allow good cutting ability over a long period of time.
  • steel can be hardened. In the course of such a hardening process, the steel is first heated to Austenitmaschinestemperatur, then quenched, then further cooled and finally tempered.
  • the steel In order to harden steel for such blades as quickly and efficiently as possible, the steel is used, for example, in the form of a strip which can pass through the various process stages.
  • further cooling which serves in particular the adjustment of retained austenite
  • cooling devices are very energy-intensive, since the more energy has to be expended, the lower the temperatures to be reached should be.
  • the coolant is environmentally or climate-damaging and the cooling devices are maintenance-intensive due to the compressors used.
  • a cooling device serves to cool at least one continuous element.
  • a strip in particular a metal strip, in particular as a blade strip and / or steel strip, comes into consideration as element.
  • wires in particular metal wires.
  • the cooling device has a metal plate with a first side and a second side and a cooling channel for cryogenic gas.
  • the at least one element can be guided on the side of the first side of the metal plate. It is expedient in this case if the at least one element bears directly against the first side of the metal plate and is guided along it.
  • a coating or a Unterlegematerial is applied, on or on which the element can then be performed.
  • the cooling channel is now at least partially in heat-conducting connection with the second side of the metal plate.
  • the second side may in particular be a side opposite the first side.
  • the cooling channel may be a pipeline or else a cooling channel introduced into the metal plate or into a further metal plate thermally conductive with the metal plate.
  • the cooling channel can be milled in, for example, whereby the open upper side is sealed with another metal plate (eg by soldering on).
  • the cooling channel, in particular the pipe can be made of a material that includes in particular copper or aluminum. These are metals that are particularly good conductors of heat and in that the cold of the cryogenic gas, in particular of the nitrogen, is very well transmitted to the metal plate.
  • the heat-conducting connection can be such that the cooling channel is attached directly to the second side of the metal plate, for example soldered. It is conceivable, however, that the cooling channel on an intermediate plate, which is made in particular of the same material as the cooling channel, mounted, for example, soldered or welded, is. This allows greater flexibility in the construction of the cooling device can be achieved.
  • the cooling line can be better heat-conductively attached, since two identical materials are joined together. It is understood that then this intermediate plate should be thermally conductively connected to the metal plate. For this purpose, it is conceivable to design the two plate plan and superimpose. However, it may also be expedient to use a thermal compound or the like.
  • the metal plate preferably comprises hard metal, copper or brass. This is on the one hand as low as possible wear of the metal plate achieved in over-running band, on the other hand, the best possible cooling of the metal plate and thus the tape.
  • the cooling channel has a connection for a passage of cryogenic gas at a first end and a connection for a discharge of cryogenic gas at a second end.
  • a connection for a passage of cryogenic gas at a first end and a connection for a discharge of cryogenic gas at a second end.
  • cryogenic gas in particular nitrogen comes into question, which is then introduced, for example, in liquid form in the cooling channel. The nitrogen can then be taken in particular in gaseous form.
  • the invention makes use of the fact that a very effective cooling can be achieved by the kroygene gas, in particular the evaporation of liquid nitrogen.
  • the liquid nitrogen in the cooling channel changes to the gaseous state, thereby cooling the cooling channel and thus the metal plate in heat-conducting contact with the cooling channel. In this way, the at least one element which is guided along the metal plate, directly or indirectly, can be cooled very effectively.
  • the proposed solution is thus an indirect cooling with liquid nitrogen or other cryogenic gases.
  • indirect cooling offers some advantages. It is possible to reuse the gas used for cooling without contamination by other gases.
  • the gas emerging from the cooling channel can be collected or otherwise forwarded. Some preferred options for this will be explained in more detail below.
  • the gas does not enter the environment, such as a factory building.
  • the liquid nitrogen for example, evaporates during cooling and passes directly into the environment. A catch, especially while maintaining the original purity is difficult here possible.
  • the proposed solution offers advantages over the aforementioned possibility to use a conventional refrigerant compressor for cooling the at least one element. While there are many moving parts in a refrigerant compressor which make the refrigerant compressor maintenance intensive, in the proposed solution, only lines for the cryogenic gas are provided, which hardly require maintenance. In addition, no use of climate-damaging coolant is necessary and the cost of operating the cooling device are significantly lower, since for example, the liquid nitrogen can be easily removed from a reservoir and warmed to the required temperature. Conventional cooling by means of a compressor, on the other hand, requires more energy the colder the temperature reached should be.
  • the temperatures to be achieved can be, for example, in a range between 140 K and 220 K (outlet and inlet of the element) in order to achieve the best possible cooling and in the present case a desired setting of retained austenite in a metal strip , while the temperature of the liquid nitrogen depending on the pressure at eg 77K lies.
  • Conventionaldekompressonren usually reach only temperatures of a minimum of about 190 K.
  • the cooling device comprises a cryogenic gas conduit which branches off from the cooling passage at an exit end and is adapted to direct cryogenic gas to an area above the first side of the metal plate.
  • the gas line can be guided to corresponding locations in the cooling device.
  • the proposed solution for cooling allows the reuse of the gas.
  • gaseous nitrogen which is obtained anyway in the context of cooling, is directed to the at least one element or the metal plate, icing on the element is prevented because the corresponding area is rendered inert.
  • Particularly useful as relevant areas are over the first side of the metal plate an inlet region of the at least one element in the cooling device and / or an outlet region of the at least one element of the cooling device, since the risk of icing is particularly high.
  • the cooling device further comprises at least one metal cover plate, which can be arranged above the metal plate such that a, in particular narrow, channel for the at least one element between the metal plate and the metal cover plate can be formed.
  • the metal cover plate (or more distributed over the direction of the element) may be provided for this purpose at the lateral edges with webs, so that the metal cover plate rests on the side of the metal plate and thereby forms a gap for the at least one element.
  • a better and more uniform cooling of the at least one element can be achieved, since the metal cover plate is also cooled via the cooling channel and the metal plate.
  • the cooling channel extends at least in sections, in particular with the formation of turns, from an outlet side of the at least one element to an inlet side of the at least one element.
  • the metal plate and the element can thus be cooled as evenly as possible.
  • the cooling channel can be provided in the form of turns, for example, meandering, so that the most uniform possible cooling of the metal plate is achieved.
  • a flow direction for the cryogenic gas is provided in the cooling channel from the outlet side to the inlet side, since in this way on the inlet side of the band, for example, the nitrogen is already gaseous and thus achieves a lower cooling than on the outlet side of the element at which the nitrogen is still liquid.
  • This arrangement corresponds in particular to the Principle of the countercurrent heat exchanger.
  • the element can thus be cooled further and further from the inlet side to the outlet side.
  • the cooling device further comprises an outer housing, in which the metal plate and the cooling channel are arranged, wherein the metal plate, the cooling channel and the at least one element in the circumferential direction of the at least one element of an insulating housing made of heat-insulating material, in particular glass fiber reinforced plastic (GRP), is surrounded.
  • the metal plate with the cooling channel, so the heat exchanger element thus has no direct contact with the outer housing.
  • losses due to heat conduction can be reduced, since a thermal separation of the cooled components to the outer housing is present.
  • the insulation housing is connected only at discrete locations with the outer housing.
  • the gas line for inerting can then be expediently passed through the insulation housing to the corresponding area.
  • the outer housing and the insulating housing each have a bottom part and a lid.
  • the bottom parts of the outer housing and insulation housing can then be connected to each other, as well as the cover of the outer housing and insulation housing can be connected together. This can be very easily inserted the at least one element in the cooling device, since when opening the outer housing and the insulation housing is opened with.
  • a hardening device serves for hardening at least one continuous element and has a cooling device according to the invention as well as an oven and a control valve.
  • the furnace is arranged in the running direction of the at least one element in front of the cooling device and can thus be used for the initial heating and thus curing of the element.
  • a gas line for cryogenic gas provided by means of which from the cooling channel of the cooling device escaping gas in the oven can be conducted.
  • the gas can then, if appropriate, with the admixture of, for example, hydrogen (H 2 ), are used to form a protective gas atmosphere.
  • the control valve is disposed after discharge of cryogenic gas from the cooling passage and usable to flow of cryogenic gas through the cooling channel and / or at least one temperature in the cooling device.
  • the control itself can be done, for example, by a suitable computing unit and a motor driven by it, with which the control valve can be adjusted.
  • the size of the flow opening in the control valve thus serves as a control variable for the control.
  • part of the cryogenic gas can be reused after cooling, specifically to form a protective gas atmosphere in the furnace, for which, for example, nitrogen is needed anyway.
  • the use of the cooling device is even more efficient. It is particularly expedient in this case if the entire gas used for cooling is reused, namely for the protective gas atmosphere in the furnace and the inerting in the cooling device.
  • the regulation of the flow of the cryogenic gas or the temperature on the outlet side control valve allows a particularly simple control, since a gas flow at room temperature is easier to set than a flow of liquid nitrogen, for example, which is usually present as a two-phase flow.
  • temperatures to be controlled here the already mentioned temperatures at the inlet and outlet of the belt in or out of the cooling device come into question.
  • the temperature of the element itself can be used as a control variable.
  • a method according to the invention serves to cool at least one continuous element, wherein in particular a cooling device or hardening device according to the invention is used.
  • the at least one element is guided on the side of a first side of a metal plate, wherein the metal plate is cooled by cryogenic gas is passed through a cooling channel, which is thermally conductively connected to a second side of the metal plate.
  • FIG. 1 schematically, a cooling device 100 according to the invention is shown in a preferred embodiment, here in a cross-sectional view, with which a method according to the invention can be carried out.
  • the cooling device 100 here has a housing 101, in which a metal plate 115, for example made of brass, is arranged.
  • a metal plate 115 for example made of brass
  • two metal bands 150, 151 can be guided along a first, here the upper side, of the metal plate 115 (perpendicular to the plane of the drawing) on the metal plate.
  • an intermediate plate 110 for example made of copper, is shown, with which a cooling channel 130 is connected in a heat-conducting manner.
  • the cooling channel is present here in the form of a pipeline or cooling line.
  • the cooling line 130 which for example also consists of copper, has a connection 131 for the entry of liquid nitrogen or other cryogenic gases. The connection for the exit of gaseous nitrogen is not visible in this view. Incidentally, for a connection of the cooling device or the cooling line to a nitrogen circuit FIG. 5 directed.
  • the intermediate plate 110 is further thermally conductively connected to the metal plate 115.
  • the cooling line 130 is thermally conductively connected to a second, here the lower side of the metal plate 115. This is achieved in that by the cooling line 130th flowing and thereby evaporating liquid nitrogen or other cryogenic gases via the intermediate plate 110, the metal plate 115 and thus the guided along it metal bands 150, 151 are cooled. Overall, this is an indirect cooling with liquid nitrogen or other cryogenic gases.
  • cooling channel 130 could also be milled and covered in the intermediate plate 110 or the metal plate 115.
  • a metal cover plate 120 which for example may likewise be made of brass, is shown, which can be arranged above the metal plate 115 such that a channel for the metal strips 150, 151 is formed between the metal plate 115 and the metal cover plate 120.
  • a gas line 135 for example gaseous nitrogen is shown here, which branches off from an exit-side end of the cooling line 130 and over an area over the first side of the metal plate 115, ie on the bands 150, 151, directed.
  • the gaseous nitrogen can be at least partially reused after the cooling, namely for an inerting of the area above the metal plate 115 or the metal bands 150, 151 in order to prevent icing due to condensation, which arises during cooling.
  • insulating material may be provided to isolate the cooled components against the ambient heat and thus to enable more efficient cooling.
  • FIG. 2 is the intermediate plate 110 made FIG. 1 from below (in relation to the illustration in FIG. 1 ).
  • the cooling line 130 can be seen in more detail, which has some exemplary, in particular meandering, windings.
  • the cooling duct may be soldered or welded to the intermediate plate 110 and / or secured thereto by means of clamps or the like.
  • the port 131 for the entry of liquid nitrogen or other cryogenic gases into the cooling line 130 and the port 132 for the exit of gaseous nitrogen from the cooling line 130 can be seen.
  • gas line 135 can be seen, by means of which outlet side of the cooling line 130 gaseous nitrogen taken or branched off and - as in relation to FIG. 1 already explained - can be used for inerting. It is understood that at the branch or in the gas line 135, a valve, such as a throttle valve, may be provided to adjust the desired amount of gas.
  • a valve such as a throttle valve
  • FIG. 3 is the metal plate 115 made FIG. 1 from above (in relation to the illustration in FIG. 1 ).
  • the metal bands 150 and 151 are shown in more detail, which are guided on the metal plate 115 along.
  • the passage direction of the metal bands is indicated by an arrow.
  • the metal plate 115 may be, for example, about 1 m long (in the direction of passage).
  • liquid nitrogen or other cryogenic gas inlet port 131 is disposed on the outlet side of the metal bands and the gaseous nitrogen outlet 132 is disposed on the upstream side of the metal straps. In this way it is achieved that the outlet side is cooled more than the inlet side, so that overall an efficient cooling of the continuous metal bands is achieved.
  • gas line 135 can be seen, by means of which gaseous nitrogen can be brought to inertization on the upper side of the metal plate 115 and on the metal bands 150, 151. It is understood that a plurality of gas outlet openings may be provided on the gas line 135, which are distributed over the extension of the metal plate 115 in the direction of passage.
  • FIG. 4 schematically a cooling device 100 'according to the invention is shown in a further preferred embodiment.
  • the heat exchanger unit which here comprises the metal plate 110, the intermediate plate 115, the metal cover plate 120 and the cooling channel 130 (here without connections) is arranged by means of supports on a bottom part 170 of an insulating housing.
  • a cover 171 of the insulating housing is arranged on the bottom part and the heat exchanger unit surrounding.
  • the gas line 135 for inerting may then be conveniently laid through the insulation housing to the corresponding area, so that, for example, nitrogen is passed to the bands.
  • the introduced gas flows to the outlet-side ends and indeed also along the cold heat exchanger element and cools off again, in particular at the cold spots of the heat exchanger element.
  • the gas flows and would thus increase the heat transfer to the entire outer housing, whereby the insulation performance is reduced.
  • the insulation housing can therefore also prevent the contact of the gas for the inerting to the outer housing.
  • the insulation housing can be made for example of glass fiber reinforced plastic (GRP), which acts as a heat-insulating.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the insulating housing is now arranged in an outer housing, comprising a bottom part 160 and a cover 161, the cooling device 100 '. While the bottom part 170 of the insulating housing is arranged here directly on the bottom part 160 of the outer housing, the cover 171 of the insulating housing is only connected to the lid 161 of the outer housing at individual, discrete locations, one of which is denoted by 175, so that a gap between the covers remains and as little as possible losses caused by heat conduction.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • lid 161 which is connected via a hinge 180 to the bottom part 160 of the outer housing, is opened, so the lid 171 of the insulating housing is opened.
  • the outer housing is then sealed by the seals 181 between bottom part 160 and cover 161.
  • cover 171 and bottom part 170 of the insulating housing should be matched to one another so that the heat exchanger unit is surrounded as completely as possible. It is understood that openings for the at least one element at the inlet and outlet must be provided.
  • the outer housing can be made particularly cost-effective in this way, since less attention must be paid to insulation than without the use of the insulating housing.
  • the outer housing can also be welded, so that no moisture can penetrate.
  • FIG. 5 schematically a hardening device 200 according to the invention is shown in a preferred embodiment in the form of a flow chart, with which also a method according to the invention can be carried out.
  • the hardening device comprises a furnace 201, which is separated from the metal strip 150 (in comparison to FIGS Figuren1 and 3 Here, for the sake of clarity, only one metal band is shown) is passed through first according to the passage direction (indicated by an arrow).
  • the cooling device 100 is the one with respect to FIGS. 1 to 3 already detailed cooling device. In this respect, reference is also made to the statements there. However, it could also be the cooling device 100 'according to FIG. 4 be used.
  • a tank 204 for liquid nitrogen is shown, from which liquid Sticktoff removed and via a shut-off and / or throttle valve 250 of the cooling device 100 is supplied.
  • a suitable line suitably isolated, can be used, which then to the in the FIGS. 1 to 3 shown terminal 131 and thus can be connected to the cooling line 130.
  • Gaseous nitrogen can now leave the cooling device 110 via a heat exchanger 255.
  • the gas line 135, via which a portion of the gaseous nitrogen can be removed, is indicated here for the sake of clarity outside the cooling device 100.
  • heat exchanger 255 can now be heated after the branch still remaining, gaseous nitrogen.
  • an electrical heating device can also be provided.
  • the gaseous nitrogen is passed through a throttle valve 260 and a control valve 273.
  • a bypass via the shut-off and / or throttle valve 263 is provided.
  • the control valve 273 comprises a motor-driven actuator which, in turn, can be actuated via a computing unit 280, for example.
  • the computing unit 280 is further configured to detect a temperature in the cooling device 100, for example by means of a temperature sensor 180 at the outlet for the metal strip 150 in the cooling device 100.
  • a control for this temperature can be provided, in the context of which a flow opening of the control valve 273 is used as a manipulated variable.
  • the temperature in the cooling device can be controlled by adjusting the flow of gaseous nitrogen from the cooling line, which also affects the flow of liquid nitrogen. It is understood that in this way the temperature at the outlet of the metal strip can be controlled.
  • Desirable temperatures for example, about 140 K to 150 K at the outlet of the metal strip. In this way, on the one hand the best possible Restaustenitumwanldung done in the metal strip and on the other hand too much icing can be avoided.
  • the gaseous nitrogen can be supplied via the valves 271 and 261 further consumers and via the gas line 210 in particular the furnace 201.
  • a safety or overpressure valve 270 which opens, for example, from a pressure of 13.5 bar, can be provided.
  • the supply for the further consumers or the furnace via an evaporator 274 and a valve 274 may be connected to a supply line from the tank 204. In this way, on the one hand a possible shortage of gaseous nitrogen for the other consumers or the furnace 201 can be tracked from the tank 204.
  • valves 261, 274 and 271 can release the reflux only from pressures of 12 bar, 12.5 bar and 13 bar (in this order). It is understood that other pressures in ascending order are possible.
  • the gaseous nitrogen can now be used to form a protective gas atmosphere.
  • this allows a very energy-efficient and environmentally friendly process to cool metal strips.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (100) zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes (150, 151), mit einer Metallplatte (115) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite und mit einem Kühlkanal (130) für kryogenes Gas, wobei das wenigstens eine Element (150, 151) auf Seiten der ersten Seite der Metallplatte (115) führbar ist, wobei der Kühlkanal (130) wenigstens abschnittsweise mit der zweiten Seite der Metallplatte (115) wärmeleitend in Verbindung steht, und wobei der Kühlkanal (130) an einem ersten Ende einen Anschluss (131) für einen Einritt von kryogenem Gas und an einem zweiten Ende einen Anschluss für einen Austritt von kryogenem Gas aufweist, sowie eine Härtevorrichtung mit einer solchen Kühlvorrichtung (100) und ein Verfahren zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes (150, 151).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes, beispielswiese eines Bandes oder Drahtes, sowie eine Härtevorrichtung zum Härten wenigstens eines durchlaufenden Elementes mit einer solchen Kühlvorrichtung.
    • Stand der Technik
  • Für die Herstellung von Rasierklingen und dergleichen werden harte Stähle benötigt, die eine gute Schneidfähigkeit über einen langen Zeitraum hinweg ermöglichen. Hierzu kann Stahl gehärtet werden. Im Rahmen eines solchen Härtevorgangs wird der Stahl zunächst auf Austenitisierungstemperatur erhitzt, anschließend abgeschreckt, , anschließend weiter abgekühlt und schließlich angelassen.
  • Um möglichst schnell und effizient Stahl für solchen Klingen härten zu können, wird der Stahl beispielsweise in Form eines Bandes verwendet, das die verschiedenen Prozessstufen durchlaufen kann. Bei der erwähnten weiteren Abkühlung, die insbesondere der Einstellung von Restaustenit dient, ist es üblich, Kühlvorrichtungen zu verwenden, die mit einem Kühlkompressor und entsprechendem Kühlmittel arbeiten. Solche Kühlvorrichtungen sind jedoch sehr energieintensiv, da umso mehr Energie aufgewendet werden muss, je tiefer die zu erreichenden Temperaturen sein sollen. Zudem ist das Kühlmittel umwelt- bzw. klimaschädlich und die Kühlvorrichtungen sind aufgrund der verwendeten Kompressoren wartungsintensiv.
  • Für andere Materialien als Stahl können abweichende Prozessfolgen nötig sein, die jedoch auch einen Abkühlschritt beeinhalten. Allgemein ist deshalb im Rahmen dieser Anmeldung von der Kühlung eines durchlaufenden Elementes, wie das genannte Stahlband, ein Metallband oder -draht, die Rede.
  • Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, solche durchlaufenden Elemente möglichst energieeffizient und/oder umweltschonender zu kühlen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes sowie einer Härtevorrichtung mit den Merkmalen der unabhänigen Patentansprüche.
    • Vorteile der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dient zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes. Als Element kommt hier insbesondere ein Band, weiter insbesondere ein Metallband, insbesondere als Klingenband und/oder Stahlband, in Frage. Denkbar sind jedoch auch Drähte, insbesondere Metalldrähte. Hierzu weist die Kühlvorrichtung eine Metallplatte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite sowie einen Kühlkanalfür kryogenes Gas auf. Dabei ist das wenigstens eine Element auf Seiten der ersten Seite der Metallplatte führbar. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn das wenigstens eine Element direkt an der ersten Seite der Metallplatte anliegt und daran entlang geführt wird. Jedoch ist es ebenso denkbar, dass auf der Metallplatte eine Beschichtung oder ein Unterlegematerial aufgebracht ist, auf der bzw. auf dem das Element dann geführt werden kann.
  • Der Kühlkanal steht nun wenigstens abschnittsweise mit der zweiten Seite der Metallplatte wärmeleitend in Verbindung. Bei der zweiten Seite kann es sich dabei insbesondere um eine der ersten Seite gegenüberliegende Seite handeln. Bei dem Kühlkanal kann es sich um eine Rohrleitung oder aber auch um eine in die Metallplatte oder in eine mit der Metallplatte wärmeleitend in Verbindung stehende, weitere Metallplatte eingebrachten Kühlkanal handeln. Der Kühlkanal kann hierzu beispielsweise eingefräst sein, wobei die offene Oberseite mit einer weiteren Metallplatte dicht verschlossen (z.B. durch Auflöten) wird. Der Kühlkanal, insbesondere die Rohrleitung, kann dabei aus einem Werkstoff hergestellt sein, der insbesondere Kupfer oder Aluminium beinhaltet. Hierbei handelt es sich um Metalle, die besonders gute Wärmeleiter sind und insofern die Kälte des kryogenen Gases, isnbesondere desStickstoffs, auf die Metallplatte sehr gut übertragen. Die wärmeleitende Verbindung kann dabei derart sein, dass der Kühlkanal direkt an der zweiten Seite der Metallplatte angebracht, beispielsweise gelötet, ist. Denkbar ist jedoch genauso, dass der Kühlkanal auf einer Zwischenplatte, die insbesondere aus dem gleichen Werkstoff wie der Kühlkanal hergestellt ist, angebracht, beispielsweise gelötet oder geschweißt, ist. Damit kann eine größere Flexibilität beim Aufbau der Kühlvorrichtung erreicht werden.
  • Zudem lässt sich damit die Kühlleitung besser wärmeleitend anbringen, da zwei gleiche Werkstoffe miteinander verbunden werden. Es versteht sich, dass dann diese Zwischenplatte mit der Metallplatte wärmeleitend verbunden werden sollte. Hierzu ist es denkbar, die beiden Platte plan auszubilden und aufeinanderzulegen. Zweckmäßig kann jedoch auch die Verwendung einer Wärmeleitpaste oder Ähnlichem sein. Die Metallplatte umfasst dabei vorzugsweise Hartmetall, Kupfer oder Messing. Damit wird zum einen eine möglichst geringe Abnutzung der Metallplatte bei darüber laufendem Band erreicht, zum anderen aber auch eine möglichst gute Abkühlung der Metallplatte und damit des Bandes.
  • Zudem weist der Kühlkanal an einem ersten Ende einen Anschluss für einen Einritt von kryogenem Gas und an einem zweiten Ende einen Anschluss für einen Austritt von kryogenem Gas auf. Auf diese Weise kann eine Versorgung der Kühlvorrichtung mit kryogenem Gas sowie dessen Ableitung sichergestellt werden. Es sei angemerkt, dass es zweckmäßig ist, die beschriebenen Komponenten in ein hinsichtlich der Wärmeleitung isoliertes Gehäuse einzubringen, um Energieverluste zu minimieren, wie später noch erläutert wird. Als kryogenes Gas kommt hierbei insbesondere Stickstoff in Frage, welches dann beispielsweise in flüssiger Form in den Kühlkanal eingebracht wird. Entnommen werden kann der Stickstoff dann insbesondere in gasförmiger Form.
  • Es versteht sich, dass, je nach Ausgestaltung, nicht nur ein Element, sondern auch mehrere Elemente, beispielsweise zwei, drei, vier oder noch mehr mittels der Kühlvorrichtung gekühlt werden können. Denkbar ist auch eine Kombination aus Bändern und Drähten. Auch andere Elmente mit passendem Querschnitt kommen in Frage. Hierzu können die entsprechenden Bauteile, insbesondere die Metallplatte entsprechend dimensioniert werden. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung mehrerer Metallplatten nebeneinander.
  • Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass durch das kroygene Gas, insbsondere die Verdampfung flüssigen Stickstoffs, eine sehr effektive Kühlung erreicht werden kann. Bei Verwendung flüssigen Stickstoffs geht der flüssige Stickstoff in dem Kühlkanal in den gasförmigen Zustand über und kühlt dabei den Kühlkanal und damit die mit dem Kühlkanal wärmeleitend in Verbindung stehende Metallplatte. Auf diese Weise kann das wenigstens eine Element, das an der Metallplatte - unmittelbar oder mittelbar - entlang geführt wird, sehr effektiv gekühlt werden.
  • Es handelt sich bei der vorgeschlagenen Lösung somit um eine indirekte Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder anderen kryogenen Gasen. Im Vergleich zu einer direkten Kühlung, bei welcher flüssiger Stickstoff oder anderes kryogenes Gas direkt auf die kühlenden Teile aufgebracht wird, bietet die indirekte Kühlung einige Vorteile. Es ist nämlich möglich, das für die Kühlung verwendeten Gas ohne Verunreinigung durch andere Gase wieder zu verwenden. Hierzu kann das aus dem Kühlkanal austretende Gas aufgefangen bzw. anderweitig weitergeleitet werden. Einige bevorzugte Möglichkeiten hierfür sollen nachfolgend noch näher erläutert werden. Insbesondere gelangt das Gas nicht in die Umgebung, beispielsweise eine Werkshalle. Bei der direkten Kühlung hingegen verdampft beispielsweise der Flüssigstickstoff bei der Kühlung und gelangt unmittelbar in die Umgebung. Ein Auffangen, insbesondere unter Beibehaltung der ursprünglichen Reinheit ist hier nur schwierig möglich.
  • Weiterhin bietet die vorgeschlagene Lösung Vorteile gegenüber der eingangs erwähnten Möglichkeit, einen konventionellen Kühlkompressor zur Kühlung des wenigstens einen Elementes zu verwenden. Während bei einem Kühlkompressor viele bewegliche Teile vorhanden sind, die den Kühlkompressor wartungsintensiv machen, sind bei der vorgeschlagenen Lösung lediglich Leitungen für das kryogene Gas vorzusehen, die kaum einer Wartung bedürfen. Zudem ist keine Verwendung klimaschädlichen Kühlmittels nötig und die Kosten für den Betrieb der Kühlvorrichtung sind deutlich geringer, da beispielsweise der flüssige Stickstoff einfach aus einem Reservoir entnommen und auf die benötigte Temperatur aufgewärmt werden kann. Eine konventionelle Kühlung mittels Kompressor hingegen erfordert umso mehr Energie je kälter die erreichte Temperatur sein soll. An diese Stelle sei angemerkt, dass die zu erreichenden Temperaturen beispielsweise in einem Bereich zwischen 140 K und 220 K (Auslauf und Einlauf des Elementes) liegen können, um eine möglichst optimale Kühlung und im vorliegenden Fall eine gewünschte Einstellung von Restaustenit in einem Metallband zu erreichen, während die Temperatur des flüssigen Stickstoffs je nach Druck bei z.B. 77 K liegt. Konventionelle Kühlkompressonren dagegen erreichen in der Regel lediglich Temperaturen von minimal ca. 190 K.
  • Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung eine Gasleitung für kryogenes Gas auf, die an einem austrittseitigen Ende von dem Kühlkanal abzweigt und dazu eingerichtet ist, kryogenes Gas in einen Bereich über der ersten Seite der Metallplatte zu leiten. Hierzu kann die Gasleitung an entsprechende Stellen in der Kühlvorrichtung geführt sein. Wie bereits erwähnt, ermöglicht die vorgeschlagene Lösung zur Kühlung die Wiederverwendung des Gases. Indem nun beispielsweise gasförmiger Stickstoff, der ohnehin im Rahmen der Kühlung anfällt, auf das wenigstens eine Element bzw. die Metallplatte geleitet wird, wird eine Vereisung an dem Element verhindert, da der entsprechende Bereich inertisiert wird. Besonders zweckmäßig als relevante Bereiche sind dabei über der ersten Seite der Metallplatte ein Eintrittsbereich des wenigstens einen Elementes in die Kühlvorrichtung und/oder ein Austrittsbereich des wenigstens einen Elementes aus der Kühlvorrichtung, da hier die Gefahr von Vereisung besonders hoch ist.
  • Vorteilhafterweise weist die Kühlvorrichtung weiterhin wenigstens eine Metalldeckplatte auf, die über der Metallplatte derart anordenbar ist, dass ein, insbesondere eng begrenzter, Kanal für das wenigstens eine Element zwischen der Metallplatte und der Metalldeckplatte bildbar ist. Die Metalldeckplatte (oder mehrere über die Laufrichtung des Elementes verteilt) kann hierzu an den seitlichen Rändern mit Stegen versehen sein, sodass die Metalldeckplatte seitlich auf der Metallplatte aufliegt und dabei einen Zwischenraum für das wenigstens eine Element bildet. Damit kann eine bessere und gleichmäßigere Kühlung des wenigstens einen Elementes erreicht werden, da die Metalldeckplatte ebenfalls über den Kühlkanal und die Metallplatte gekühlt wird. Bei der Verwendung mehrere zu kühlender Elemente können auch separate Kanäle zwischen Metallplatte und Metalldeckplatte für die einzelnen Elemente gebildet werden.
  • Es ist von Vorteil, wenn sich der Kühlkanal wenigstens abschnittsweise, insbesondere unter Bildung von Windungen, von einer Auslaufseite des wenigstens einen Elementes zu einer Einlaufseite des wenigstens einen Elementes erstreckt. Die Metallplatte und das Element können damit möglichst gleichmäßig abgekühlt werden. Der Kühlkanal kann dabei in Form von Windungen, beispielsweise mäanderformig, vorgesehen sein, damit eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Metallplatte erreicht wird. Besonders zweckmäßig ist dabei, wenn eine Flussrichtung für das kryogene Gas in dem Kühlkanal von der Auslaufseite zur Einlaufseite vorgesehen ist, da auf diese Weise auf der Einlaufseite des Bandes beispielsweise der Stickstoff bereits gasförmig ist und damit eine geringere Kühlung erzielt als auf der Auslaufseite des Elementes, an welcher der Stickstoff noch flüssig ist. Diese Anordnung entspricht insbesondere dem Prinzip des Gegenstromwärmetauschers. Das Element kann damit von der Einlaufseite zur Auslaufseite hin immer weiter abgekühlt werden.
  • Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung weiterhin ein Außengehäuse auf, in dem die Metallplatte und der Kühlkanal angeordnet sind, wobei die Metallplatte, der Kühlkanal und das wenigstens eine Element in Umfangsrichtung des wenigstens einen Elements von einem Isolationsgehäuse aus wärmeisolierendem Material, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), umgeben ist. Die Metallplatte mit dem Kühlkanal, also das Wärmetauscherelement, hat damit keinen direkten Kontakt zum Außengehäuse. Damit können Verluste durch Wärmeleitung verringert werden, da eine thermische Trennung der gekühlten Komponenten zum Außengehäuse vorhanden ist. Zweckmäßig ist es dabei wenn das Isolationsgehäuse nur an diskreten Stellen mit dem Außengehäuse verbunden ist. Damit können der für die stabile Halterung nötige Kontakt erreicht und zudem die Verluste durch Wärmeleitung weiter verringert werden. Die Gasleitung zur Inertisierung kann dann zweckmäßigerweise durch das Isolationsgehäuse zu dem entsprechenden Bereich verlegt sein.
  • Vorteilhafterweise weisen das Außengehäuse und das Isolationsgehäuse jeweils ein Bodenteil und einen Deckel auf. Hierbei können dann die Bodenteile von Außengehäuse und Isolationsgehäuse miteinander verbunden sein, ebenso können die Deckel von Außengehäuse und Isolationsgehäuse miteinander verbunden sein. Damit kann sehr einfach das wenigstens eine Element in die Kühlvorrichtung eingelegt werden, da beim Öffnen des Außengehäuses auch das Isolationsgehäuse mit geöffnet wird.
  • Eine erfindungsgemäße Härtevorrichtung dient zum Härten wenigstens eines durchlaufenden Elementes und weist eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung sowie einen Ofen und ein Stellventil auf. Der Ofen ist dabei in Laufrichtung des wenigstens einen Elementes vor der Kühlvorrichtung angeordnet und kann damit zum anfänglichen Erhitzen und damit Härten des Elementes verwendet werden. Es ist nun eine Gasleitung für krygones Gas vorgesehen, mittels welcher aus dem Kühlkanal der Kühlvorrichtung austretendes Gas in den Ofen leitbar ist. In dem Ofen kann das Gasdann, ggf. unter Beimischung von beispielsweise Wasserstoff (H2), zur Bildung einer Schutzgasatmosphäre verwendet werden. Das Stellventil ist nach einem Austritt von kryogenem Gas aus dem Kühlkanal angeordnet und dazu verwendbar, einen Fluss von kryogenem Gas durch den Kühlkanal und/oder wenigstens eine Temperatur in der Kühlvorrichtung zu regeln. Die Regelung selbst kann beispielsweise durch eine geeignete Recheneinheit und einen davon angesteuerten Motor erfolgen, mit dem das Stellventil eingestellt werden kann. Die Größe der Durchflussöffnung im Stellventil dient damit als Stellgröße für die Regelung. Zweckmäßig ist insofern ein als Proportionalventil ausgebildetes Stellventil.
  • Bei der vorgeschlagenen Härtevorrichtung kann also ein Teil des kryogenen Gases nach der Kühlung wieder verwendet werden und zwar zur Bildung einer Schutzgasatmosphäre im Ofen, wozu beispielsweise ohnehin Stickstoff nötig ist. Auf diese Weise wird also die Verwendung der Kühlvorrichtung noch effizienter. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn der gesamte, zur Kühlung verwendete Gas wieder verwendet wird, und zwar für die Schutzgasatmosphäre im Ofen und die Inertisierung in der Kühlvorrichtung. Die Regelung des Flusses des kryogenen Gases bzw. der Temperatur über das austrittseitige Stellventil ermöglicht eine besonders einfache Regelung, da ein Gasfluss bei Raumtemperatur einfacher einzustellen ist als ein Fluss beispielsweise flüssigen Stickstoffs, der in der Regel als Zweiphasenströmung vorliegt. Als zu regelnde Temperaturen kommen hier insbesondere die bereits erwähnten Temperaturen am Einlauf und Auslauf des Bandes in die bzw. aus der Kühlvorrichtung in Frage. Ebenso kann die Temperatur des Elementes selbst als Regelgröße Verwendung finden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes, wobei insbesondere eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung oder Härtevorrichtung verwendet wird. Dabei wird das wenigstens eine Element auf Seiten einer ersten Seite einer Metallplatte geführt, wobei die Metallplatte gekühlt wird, indem kryogenes Gas durch einen Kühlkanal, der mit einer zweiten Seite der Metallplatte wärmeleitend in Verbindung steht, geleitetet wird.
  • Bezüglich weiterer, vorteilhafter Ausführungfomen sowie die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens sei an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf obigen Ausführungen zur erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und Härtevorrichtung verwiesen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figur 2
    zeigt schematisch einen Ausschnitt der Kühlvorrichtung aus Figur 1.
    Figur 3
    zeigt schematisch einen weiteren Ausschnitt der Kühlvorrichtung aus Figur 1.
    Figur 4
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
    Figur 5
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Härtevorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Ausführungsform der Erfindung
  • In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, hier in einer Querschnittsansicht, mit der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Kühlvorrichtung 100 weist vorliegend ein Gehäuse 101 auf, in dem eine Metallplatte 115, beispielsweise aus Messing, angeordnet ist. Auf der Metallplatte können beispielhaft zwei Metallbänder 150, 151 auf einer ersten, hier der oberen Seite der Metallplatte 115 (senkrecht zur Zeichenebene) entlang geführt werden.
  • Weiterhin ist eine Zwischenplatte 110, beispielsweise aus Kupfer, gezeigt, mit welcher ein Kühlkanal 130 wärmeleitend verbunden ist. Der Kühlkanal liegt hier in Form einer Rohrleitung bzw. Kühlleitung vor. Die Kühlleitung 130, die beispielsweise ebenfalls aus Kupfer besteht, weist einen Anschluss 131 für den Eintritt von flüssigem Stickstoff oder anderen kryogenen Gasen auf. Der Anschluss für den Austritt von gasförmigem Stickstoff ist in dieser Ansicht nicht zusehen. Im Übrigen sei für einen Anschluss der Kühlvorrichtung bzw. der Kühlleitung an einen Stickstoffkreis auf Figur 5 verwiesen.
  • Die Zwischenplatte 110 ist weiterhin mit der Metallplatte 115 wärmeleitend verbunden. Damit ist die Kühlleitung 130 wärmeleitend mit einer zweiten, hier der unteren Seite der Metallplatte 115 verbunden. Damit wird erreicht, dass bei durch die Kühlleitung 130 fließendem und dabei verdampfendem flüssigem Stickstoff oder anderen kryogenen Gasen über die Zwischenplatte 110 die Metallplatte 115 und damit die daran entlang geführten Metallbänder 150, 151 gekühlt werden. Insgesamt handelt es sich damit um eine indirekte Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder anderen kryogenen Gasen.
  • Es sei angemerkt, dass anstatt einer Kühlleitung 130 der Kühlkanal auch in die Zwischenplatte 110 oder die Metallplatte 115 eingefräst und abgedeckt werden könnte.
  • Weiterhin ist eine Metdalldeckplatte 120, die beispielsweise ebenfalls aus Messing gefertigt sein kann, gezeigt, die über der Metallplatte 115 derart anordnenbar ist, dass zwischen der Metallplatte 115 und der Metalldeckplatte 120 ein Kanal für die Metallbänder 150, 151 gebildet wird. Hierzu weist die Metalldeckplatte 120 an der der Metallplatte 115 zugewandten, hier der unteren Seite an ihren seitlichen Enden Stege auf, mit denen sie auf die Metallplatte 115 aufgelegt werden kann.
  • Weiterhin ist eine Gasleitung 135 für hier beispielhaft gasförmigen Stickstoff gezeigt, die von einem austrittsseitigen Ende der Kühlleitung 130 abzweigt und über einen Bereich über der ersten Seite der Metallplatte 115, also auf die Bänder 150, 151, gerichtet ist. Auf diese Weise kann der gasförmige Stickstoff nach der Kühlung zumindest zum Teil wieder verwendet werden, nämlich für eine Inertisierung des Bereichs über der Metallplatte 115 bzw. der Metallbänder 150, 151 um eine Vereisung durch Kondenswasser, welches bei einer Kühlung entsteht, zu verhindern.
  • Weiterhin sei erwähnt, dass in dem Gehäuse 101 der Kühlvorrichtung 110 Isolationsmaterial vorgesehen sein kann, um die gekühlten Komponenten gegen die Umgebungswärme zu isolieren und damit eine effizientere Kühlung zu ermöglichen.
  • In Figur 2 ist die Zwischenplatte 110 aus Figur 1 von unten (in Bezug auf die Darstellung in Figur 1) gezeigt. Hierbei ist die Kühlleitung 130 detaillierter zu sehen, die beispielhaft einige, insbesondere mäanderförmige, Windungen aufweist. Die Kühlleitung kann beispielsweise auf die Zwischenplatte 110 aufgelötet oder geschweißt und/oder mittels Schellen oder Ähnlichem daran befestigt sein. Zudem sind der Anschluss 131 für den Eintritt von flüssigem Stickstoff oder anderen kryogenen Gasen in die Kühlleitung 130 und der Anschluss 132 für den Austritt von gasförmigem Stickstoff aus der Kühlleitung 130 zu sehen.
  • Weiterhin ist auch die Gasleitung 135 zu sehen, mittels welcher austrittsseitig von der Kühlleitung 130 gasförmiger Stickstoff entnommen bzw. abgezweigt werden und - wie in Bezug auf Figur 1 bereits erläutert - zu Inertisierung verwendet werden kann. Es versteht sich, dass an der Abzweigung bzw. in der Gasleitung 135 auch ein Ventil, beispielsweise ein Drosselventil, vorgesehen sein kann, um die gewünschte Gasmenge einzustellen.
  • In Figur 3 ist die Metallplatte 115 aus Figur 1 von oben (in Bezug auf die Darstellung in Figur 1) gezeigt. Hierbei sind die Metallbänder 150 und 151 detaillierter zu sehen, die auf der Metallplatte 115 entlang geführt werden. Dazu ist die Durchlaufrichtung der Metallbänder mittels eines Pfeils angedeutet. Die Metallplatte 115 kann dabei beispielsweise (in Durchlaufrichtung) ca. 1 m lang lang sein.
  • Weiterhin ist zu sehen, dass der Anschluss 131 für den Eintritt von flüssigem Stickstoff oder anderen kryogenen Gasen auf der Auslaufseite der Metallbänder und der Anschluss 132 für den Austritt von gasförmigem Stickstoff auf der Einlaufseite der Metallbänder angeordnet sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Auslaufseite stärker gekühlt wird als die Einlaufseite, sodass insgesamt eine effiziente Abkühlung der durchlaufenden Metallbänder erreicht wird.
  • Zudem ist auch erneut die Gasleitung 135 zu sehen, mittels welcher gasförmiger Stickstoff zu Inertisierung auf die obere Seite der Metallplatte 115 bzw. auf die Metallbänder 150, 151 gebracht werden kann. Es versteht sich, dass auch mehrere Gasauslassöffnungen an der Gasleitung 135 vorgesehen sein können, die über die Ausdehnung der Metallplatte 115 in Durchlaufrichtung verteilt sind.
  • In Figur 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 100' in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Wärmetauschereinheit, die hier die Metallplatte 110, die Zwischenplatte 115, die Metalldeckplatte 120 sowie den Kühlkanal 130 (hier ohne Anschlüsse) umfasst, ist mittels Stützen auf einem Bodenteil 170 eines Isolationsgehäuses angeordnet. Ein Deckel 171 des Isolationsgehäuses ist auf dem Bodenteil und die Wärmetauschereinheit umgebend angeordnet.
  • Die Gasleitung 135 zur Inertisierung, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, kann dann zweckmäßigerweise durch das Isolationsgehäuse zu dem entsprechenden Bereich verlegt sein, so dass beispielsweise Stickstoff auf die Bänder geleitet wird. Das eingebrachte Gas fließt zu den austrittseitigen Enden und zwar auch entlang des kalten Wärmetauscherelements und kühlt insbesondere an den kalten Stellen des Wärmetauscherelements wieder ab. Das Gas strömt und würde somit den Wärmeübergang zum gesamten Außengehäuse erhöhen, wodurch die Isolierleistung reduziert wird. Das Isolationsgehäuse kann damit also auch den Kontakt des Gases für die Inertisierung zum Außengehäus verhindern.
  • Das Isolationsgehäuse kann dabei beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), der wärmeisolierend wirkt, hergestellt sein. Das Isolationsgehäuse ist nunmehr in einem Außengehäuse, umfassend einen Bodenteil 160 und einen Deckel 161, der Kühlvorrichtung 100' angeordnet. Während der Bodenteil 170 des Isolationsgehäuses hier direkt auf dem Bodenteil 160 des Außengehäuses angeordnet ist, ist der Deckel 171 des Isolationsgehäuses nur an einzelnen, diskreten Stellen, von denen beispielhaft eine mit 175 bezeichnet ist, mit dem Deckel 161 des Außengehäueses verbunden, sodass ein Spalt zwischen den Deckeln bleibt und möglichst wenig Verluste durch Wärmeleitung entstehen.
  • Wenn nun der Deckel 161, der über ein Scharnier 180 mit dem Bodenteil 160 des Außengehäuses verbunden ist, geöffnet wird, so wird auch der Deckel 171 des Isolationsgehäuses geöffnet. In geschlossenem Zustand wird das Außengehäuse dann durch die Dichtungen 181 zwischen Bodenteil 160 und Deckel 161 abgedichtet. Zudem sollten Deckel 171 und Bodenteil 170 des Isolationsgehäuses so aufeinander abgestimmt sein, dass die Wärmetauschereinheit möglichst vollständig umgeben wird. Es versteht sich, dass Öffnungen für das wenigstens eine Element an Einlauf und Auslauf vorgesehen sein müssen.
  • Das Außengehäuse kann auf diese Weise besonders kostengünstig gefertigt werden, da weniger auf Isolation geachtet werden muss als ohne Verwendung des Isolationsgehäuses. Insbesonder kann das Außengehäuse auch verschweißt werden, sodass keine Feuchtigtkeit eindringen kann.
  • In Figur 5 ist schematisch eine erfindungsgemäße Härtevorrichtung 200 in einer bevorzugten Ausführungsform in Form eines Flussdiagramms dargestellt, mit der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Härtevorrichtung umfasst einen Ofen 201, welcher von dem Metallband 150 (im Vergleich zu den Figuren1 und 3 ist hier der Übersichtlichkeit halber nur ein Metallband gezeigt) entsprechend der Durchlaufrichtung (mittels eines Pfeils angedeutet) als erstes durchlaufen wird.
  • Anschließend durchläuft das Metallband 150 eine Abschreckeinrichtung 202, in welcher das Metallband 150 schockgekühlt wird, die Kühlvorrichtung 100 sowie schließlich eine Anlasseinrichtung 203. Bei der Kühlvorrichtung 100 handelt es sich um die in Bezug auf die Figuren 1 bis 3 bereits näher erläuerte Kühlvorrichtung. Insofern sei auch auf die dortigen Ausführungen verwiesen. Es könnte jedoch ebenso die Kühlvorrichtung 100' gemäß Figur 4 verwendet werden.
  • Weiterhin ist ein Tank 204 für flüssigen Stickstoff gezeigt, aus welchem flüssiger Sticktoff entnommen und über ein Absperr- und/oder Drosselventil 250 der Kühlvorrichtung 100 zugeführt wird. Hierzu kann eine geeignete Leitung, zweckmäßigerweise isoliert, verwendet werden, die dann an den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Anschluss 131 und damit an die Kühlleitung 130 angeschlossen werden kann.
  • Gasförmiger Stickstoff kann nun die Kühlvorrichtung 110 über einen Wärmetauscher 255 verlassen. Die Gasleitung 135, über welche ein Teil des gasförmigen Stickstoffs entnommen werden kann, ist hier der Übersichtlichkeit halber außerhalb der Kühlvorrichtung 100 angedeutet.
  • Im Wärmetauscher 255 kann nun der nach der Abzweigung noch verbleibende, gasförmige Stickstoff erwärmt werden. Alternativ zu dem Wärmetauscher kann auch eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen sein.
  • Anschließend wird der gasförmige Stickstoff durch ein Drosselventil 260 und ein Stellventil 273 geleitet. Dabei ist ein Bypass über das Absperr- und/oder Drosselventil 263 vorgesehen. Das Stellventil 273 umfasst vorliegend einen motorischen Stellantrieb, welcher wiederum beisielsweise über eine Recheneinheit 280 angesteuert werden kann.
  • Die Recheneinheit 280 ist ferner dazu eingerichtet, beispielsweise mittels eines Temperatursensors 180 am Auslauf für das Metallband 150 in der Kühlvorrichtung 100 eine Temperatur in der Kühlvorrichtung 100 zu erfassen. Nun kann eine Regelung für diese Temperatur vorgesehen sein, im Rahmen welcher eine Durchflussöffnung des Stellventils 273 als Stellgröße verwendet wird. Auf diese Weise kann die Temperatur in der Kühlvorrichtung durch Anpassung des Flusses des gasförmigen Stickstoffs aus der Kühlleitung, welcher auch den Fluss von flüssigem Stickstoff beeinflusst, geregelt werden. Es versteht sich, dass auf diese Weise auch die Temperatur am Auslauf des Metallbandes geregelt werden kann.
  • Wünschenswerte Temperaturen sind beispielsweise ca. ca. 140 K bis 150 K am Auslauf des Metallbandes. Auf diese Weise kann einerseits eine möglichst gute Restaustenitumwanldung im Metallband erfolgen und andererseits eine zu starke Vereisung vermieden werden.
  • Weiterhin kann nun der gasförmige Stickstoff über die Ventile 271 und 261 weiteren Verbrauchern und über die Gasleitung 210 insbesondere dem Ofen 201 zugeführt werden. Dabei kann noch ein Sicherheits- bzw. Überdruckventil 270, das beispielsweise ab einem Druck von 13,5 bar öffnet, vorgesehen sein.
  • Auch kann die Versorgung für die weiteren Verbraucher bzw. den Ofen über einen Verdampfer 274 und ein Ventil 274 mit einer Versorgungsleitung aus dem Tank 204 verbunden sein. Auf diese Weise kann einerseits eine etwaige Fehlmenge an gasförmigem Stickstoff für die weiteren Verbraucher bzw. den Ofen 201 aus dem Tank 204 nachgeführt werden.
  • Um einen sicheren Gasfluss zu gewährleisten, können die Ventile 261, 274 und 271 den Rückfluss erst ab Drücken von 12 bar, 12,5 bar und 13 bar (in dieser Reihenfolge) freigeben. Es versteht sich, dass auch andere Druckwerte in aufsteigender Folge möglich sind.
  • In dem Ofen 201 kann der gasförmige Stickstoff nunmehr zur Bildung einer Schutzgasatmosphäre verwendet werden. Auf diese Weise kann der im Rahmen der Kühlung des Metallbandes entstehende gasförmige Stickstoff - neben der Verwendung zur Inertisierung - wieder verwendet werden. Insgesamt wird damit ein sehr energieeffizientes und umweltverträgliches Verfahren ermöglicht, um Metallbänder zu kühlen.

Claims (15)

  1. Kühlvorrichtung (100) zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes (150, 151), mit einer Metallplatte (115) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite und mit einem Kühlkanal (130) für ein kryogenes Gas,
    wobei das wenigstens eine Element (150, 151) auf Seiten der ersten Seite der Metallplatte (115) führbar ist,
    wobei der Kühlkanal (130) wenigstens abschnittsweise mit der zweiten Seite der Metallplatte (115) wärmeleitend in Verbindung steht, und
    wobei der Kühlkanal (130) an einem ersten Ende einen Anschluss (131) für einen Einritt des kryogenen Gases und an einem zweiten Ende einen Anschluss (132) für einen Austritt des kryogenen Gases aufweist
  2. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Gasleitung (135) für das kryogene Gas, die an einem austrittseitigen Ende von dem Kühlkanal (130) abzweigt und dazu eingerichtet ist, kryogenes Gas in einen Bereich über der ersten Seite der Metallplatte (115) zu leiten.
  3. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei der Bereich über der ersten Seite der Metallplatte (115) einen Eintrittsbereich des wenigstens einen Bandes (150, 151) in die Kühlvorrichtung (100) und/oder einen Austrittsbereich des wenigstens einen Bandes (150, 151) aus der Kühlvorrichtung (100) umfasst.
  4. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorstehen Ansprüche, weiterhin mit wenigstens einer Metalldeckplatte (120), die über der Metallplatte (115) derart anordenbar ist, dass ein Kanal für das wenigstens eine Element (150, 151) zwischen der Metallplatte (115) und der Metalldeckplatte (120) bildbar ist.
  5. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich der Kühlkanal (130) wenigstens abschnittsweise, insbesondere unter Bildung von Windungen, von einer Auslaufseite des wenigstens einen Elementes (150, 151) zu einer Einlaufseite des wenigstens einen Bandes (150, 151) erstreckt.
  6. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanal (130) eine Rohrleitung umfasst und/oder in der Metallplatte (115) oder in einer mit der Metallplatte (115) wärmeleitend in Verbindung stehender, weiteren Metallplatte eingebracht ist.
  7. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Element (150, 151) ein Band, insbesondere ein Metallband, weitere insbesondere ein Klingenband, und/oder einen Draht, insbesondere einen Metalldraht, umfasst.
  8. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kryogene Gas flüssigen und/oder gasförmigen Stickstoff umfasst.
  9. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einem Außengehäuse (160, 161), in dem die Metallplatte (115) und der Kühlkanal (130) angeordnet sind, wobei die Metallplatte (115), der Kühlkanal (130) und das wenigstens eine Element (150, 151) in Umfangsrichtung des wenigstens einen Elements (150, 151) von einem Isolationsgehäuse (170, 171) aus wärmeisolierendem Material, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff, umgeben ist, und wobei insbesondere das Isolationsgehäuse (170, 171) nur an diskreten Stellen mit dem Außengehäuse (160, 161) verbunden ist.
  10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Außengehäuse (160, 161) und das Isolationsgehäuse (170, 171) jeweils ein Bodenteil (160, 170) und einen Deckel (161, 171) aufweisen, wobei die Bodenteile (160, 170) von Außengehäuse und Isolationsgehäuse miteinander verbunden sind, und wobei die Deckel (161, 171) von Gehäuse und Isolationsgehäuse miteinander verbunden sind.
  11. Härtevorrichtung (200) für wenigstens ein durchlaufendes Element (150), mit einer Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, einem Ofen (201) und einem Stellventil (273),
    wobei der Ofen (201) in Laufrichtung des wenigstens einen Elementes (150) vor der Kühlvorrichtung (100) angeordnet ist,
    wobei eine Gasleitung (210) für kryogenes Gas vorgesehen ist, mittels welcher aus dem Kühlkanal (130) der Kühlvorrichtung (100) austretendes kryogenes Gas in den Ofen (201) leitbar ist, und
    wobei das Stellventil (273) nach einem Austritt von kryogenem Gas aus dem Kühlkanal (130) angeordnet ist und dazu verwendbar ist, einen Fluss von kryogenem Gas durch den Kühlkanal (130) und/oder wenigstens eine Temperatur in der Kühlvorrichtung (100) zu regeln.
  12. Verfahren zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes (150), insbesondere unter Verwendung einer Kühlvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder einer Härtevorrichtung (200) nach Anspruch 14,
    wobei das wenigstens eine Element (150, 151) auf Seiten einer ersten Seite einer Metallplatte (115) geführt wird, und
    wobei die Metallplatte (115) gekühlt wird, indem kryogenes Gas durch einen Kühlkanal (130), der mit einer zweiten Seite der Metallplatte (115) wärmeleitend in Verbindung steht, geleitetet wird, um das durchlaufende Element (150) indirekt zu kühlen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei aus dem Kühlkanal (130) austretendes kryogenes Gas für wenigstens eine weitere Anwendung zur Verfügung gestellt wird, insbesondere in einen Ofen (201), den das wenigstens eine Element (150) vor der Kühlung durchläuft, geleitet wird, um in dem Ofen (150) eine Schutzgasatmosphäre auszubilden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei als das wenigstens eine Element (150, 151) ein Band, insbesondere Metallband, weiter insbesondere ein Klingenband, und/oder ein Draht, insbesondere ein Metalldraht, verwendet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei als kryogenes Gas Stickstoff verwendet wird, der insbesondere in flüssiger Form in den Kühlkanal (130) eingebracht wird und in gasförmiger Form aus dem Kühlkanal (130) entnommen wird.
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