EP3497250B1 - Kühlvorrichtung und verfahren zum kühlen durchlaufender elemente - Google Patents

Kühlvorrichtung und verfahren zum kühlen durchlaufender elemente Download PDF

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EP3497250B1
EP3497250B1 EP17748401.1A EP17748401A EP3497250B1 EP 3497250 B1 EP3497250 B1 EP 3497250B1 EP 17748401 A EP17748401 A EP 17748401A EP 3497250 B1 EP3497250 B1 EP 3497250B1
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EP
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cooling
metal plate
cooling device
cooling channel
metal
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Sebastian Berger
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Linde GmbH
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Publication date
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    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0056—Regulation involving cooling

Definitions

  • the steel is used, for example, in the form of a belt that can go through the various process stages.
  • further cooling which is used in particular to adjust retained austenite
  • cooling devices are very energy-intensive, since the lower the temperatures to be achieved, the more energy has to be expended.
  • the coolant is harmful to the environment and the climate and the cooling devices are maintenance-intensive due to the compressors used.
  • a cooling device is used to cool at least one continuous element.
  • a band in particular a metal band, in particular as a blade band and / or steel band, can be considered as the element here.
  • wires in particular metal wires, are also conceivable.
  • the cooling device has a metal plate with a first side and a second side as well as 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 useful here if the at least one element rests directly on the first side of the metal plate and is guided along it.
  • a coating or an underlay material is applied to the metal plate, on which or on which the element can then be guided. In any case, there is a thermally conductive contact between the metal plate and the continuous element.
  • the cooling channel is now at least partially connected to the metal plate, in particular to the second side of the metal plate, in a thermally conductive manner.
  • the second side can in particular be a side opposite the first side.
  • the cooling channel can be a pipeline or else a cooling channel introduced into the metal plate or into a further metal plate that is connected to the metal plate in a thermally conductive manner.
  • the cooling channel can, for example, be milled in with an exact contour, the open top being tightly closed with a further metal plate (for example by soldering).
  • the cooling channel in particular the pipeline, can be made of a material that contains, in particular, copper or aluminum. These are metals that are particularly good heat conductors and in this respect transfer the coldness of the cryogenic gas, in particular nitrogen, very well to the metal plate.
  • the thermally conductive connection can be such that the cooling channel is attached, for example soldered, directly to the second side of the metal plate. However, it is also conceivable that the cooling channel is attached, for example soldered or welded, to an intermediate plate which is made in particular from the same material as the cooling channel. In this way, greater flexibility can be achieved in the construction of the cooling device.
  • the cooling line can be attached so that it conducts better heat, since two identical materials are connected to one another.
  • this intermediate plate is then connected to the metal plate in a thermally conductive manner.
  • the metal plate preferably comprises hard metal, copper or brass. In this way, on the one hand, as little wear as possible on the metal plate is achieved when the belt is running over it, and on the other hand, the metal plate and thus the belt are cooled as well as possible.
  • the cooling channel has a connection for an inlet of cryogenic gas at a first end and a connection for an outlet for cryogenic gas at a second end.
  • a connection for an inlet of cryogenic gas at a first end and a connection for an outlet for cryogenic gas at a second end.
  • a particularly suitable cryogenic gas here is nitrogen, which is then introduced into the cooling channel, for example in liquid form. The nitrogen can then be withdrawn in particular in gaseous form.
  • the invention makes use of the fact that very effective cooling can be achieved by the kroygen gas, in particular the evaporation of liquid nitrogen. If liquid nitrogen is used, the liquid nitrogen in the cooling channel changes into the gaseous state and in the process cools the cooling channel and thus the metal plate which is connected to the cooling channel in a thermally conductive manner. In this way, the at least one element that is guided along the metal plate - directly or indirectly - can be cooled very effectively.
  • the proposed solution is therefore an indirect contact cooling with liquid nitrogen or other cryogenic gases.
  • indirect contact cooling offers several advantages. This is because it is possible to reuse the gas used for cooling without being contaminated by other gases.
  • the gas emerging from the cooling channel can be captured or otherwise passed on. Some preferred options for this will be explained in more detail below.
  • the gas does not get into the environment, for example a factory hall.
  • direct cooling on the other hand, the liquid nitrogen, for example, evaporates during cooling and is immediately released into the environment. Catching, in particular while maintaining the original purity, is only possible with difficulty here.
  • the at least one continuous element is cooled by contact cooling with the metal plate.
  • the continuous element is in thermally conductive contact with the metal plate and the cooling of the continuous element takes place through thermal conduction and not through convection or thermal radiation.
  • slight proportions of convective or radiative heat transfer can also be present.
  • heat conduction makes the main contribution to heat transfer or cooling.
  • heat conduction contributes more than 50%, more than 75%, more than 90% or substantially 100% for cooling the element or elements.
  • the element and the metal plate are in thermally conductive contact.
  • the proposed solution offers advantages over the possibility mentioned at the beginning of using a conventional cooling compressor for cooling the at least one element.
  • 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 is, for example, 77 K, depending on the pressure.
  • Conventional cooling compressors usually only reach temperatures of a minimum of approx. 190 K.
  • the cooling device has a gas line for cryogenic gas, which branches off from the cooling channel at an outlet end and is set up to conduct cryogenic gas into an area above the first side of the metal plate.
  • the gas line can be routed to appropriate points in the cooling device.
  • the solution according to the invention enables the gas to be reused.
  • gaseous nitrogen which occurs in any case during cooling, is passed onto the at least one element or the metal plate, icing on the element is prevented, since the corresponding area is rendered inert.
  • Particularly useful as relevant areas are an entry area of the at least one element into the cooling device and / or an exit area of the at least one element from the cooling device above the first side of the metal plate, since the risk of icing is particularly high here.
  • the cooling device advantageously furthermore has at least one metal cover plate which can be arranged over the metal plate in such a way that a, in particular narrowly defined, channel can be formed for the at least one element between the metal plate and the metal cover plate.
  • the metal cover plate (or several distributed over the direction of travel of the element) can be provided with webs on the side edges so that the metal cover plate rests laterally on the metal plate and forms a space for the at least one element.
  • Better and more uniform cooling of the at least one element can thus be achieved, since the metal cover plate is also cooled via the cooling channel and the metal plate.
  • channels can be formed between the metal plate and the metal cover plate for the individual elements.
  • the cooling channel extends at least in sections, in particular with the formation of windings, 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 in a meandering manner, so that the metal plate is cooled as uniformly as possible. It is particularly useful if there is a flow direction for the cryogenic gas in the cooling channel from the outlet side to the inlet side, since in this way the nitrogen, for example, is already gaseous on the inlet side of the strip and thus achieves less 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 counterflow heat exchanger. The element can thus be cooled further and further from the inlet side to the outlet side.
  • the cooling device furthermore has an outer housing in which the metal plate and the cooling channel are arranged, the metal plate, the cooling channel and the at least one element in the circumferential direction of the at least one element from an insulating housing made of heat-insulating material, in particular glass fiber reinforced plastic (GRP), is surrounded.
  • the metal plate with the cooling channel, i.e. the heat exchanger element therefore has no direct contact with the outer housing. Losses due to heat conduction can thus be reduced, since there is a thermal separation between the cooled components and the outer housing.
  • the insulation housing is only connected to the outer housing at discrete points. In this way, the contact required for stable mounting can be achieved and, moreover, the losses due to heat conduction can be further reduced.
  • the gas line for inerting can then expediently be laid through the insulation housing to the corresponding area.
  • the outer housing and the insulating housing advantageously each have a base part and a cover.
  • the base parts of the outer housing and the insulating housing can then be connected to one another, and the covers of the outer housing and the insulating housing can also be connected to one another.
  • the at least one element can very easily be inserted into the cooling device, since the insulating housing is also opened when the outer housing is opened.
  • a hardening device serves to harden 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 front of the cooling device in the running direction of the at least one element and can thus be used for the initial heating and thus hardening of the element.
  • a gas line for krygone gas is now provided, by means of which gas emerging from the cooling channel of the cooling device can be conducted into the furnace. The gas can then be used in the furnace, optionally with the admixture of, for example, hydrogen (H 2 ), to form a protective gas atmosphere.
  • the control valve is arranged after cryogenic gas has emerged from the cooling channel and can be used to regulate a flow of cryogenic gas through the cooling channel and / or at least one temperature in the cooling device.
  • the regulation itself can take place, for example, by a suitable arithmetic unit and a motor controlled by it, with which the control valve can be adjusted.
  • the size of the flow opening in the control valve is used as a control variable for the control. In this respect, a control valve designed as a proportional valve is useful.
  • the cryogenic gas can thus be used again after cooling, specifically for example to form a protective gas atmosphere in the furnace, for which nitrogen is required anyway, for example.
  • the use of the cooling device becomes even more efficient.
  • all of the gas used for cooling is reused, specifically for the protective gas atmosphere in the furnace and / or the inertization in the cooling device.
  • the regulation of the flow of the cryogenic gas or the temperature via the outlet-side control valve enables particularly simple regulation, since a gas flow at room temperature is easier to set than a flow of, for example, liquid nitrogen, which is usually present as a two-phase flow.
  • the temperatures already mentioned at the inlet and outlet of the strip into and out of the cooling device are particularly suitable here as the temperatures to be regulated.
  • the temperature of the element itself can also be used as a control variable.
  • a method according to the invention is used for contact cooling of at least one continuous element, in particular a cooling device or hardening device according to the invention being used.
  • the at least one element is guided in a thermally conductive manner along a first side of a metal plate, the metal plate being cooled by conducting cryogenic gas through a cooling channel which is in thermal communication with the metal plate.
  • FIG. 1 a cooling device 100 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, here in a cross-sectional view, with which a method according to the invention can also be carried out.
  • the cooling device 100 in the present case has a housing 101 in which a metal plate 115, for example made of brass, is arranged. On the metal plate, for example, two metal strips 150, 151 can be guided along a first, here the upper side of the metal plate 115 (perpendicular to the plane of the drawing).
  • an intermediate plate 110 for example made of copper, is shown, to which a cooling channel 130 is connected in a thermally conductive manner.
  • the cooling channel is 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 cannot be seen in this view. Incidentally, it is necessary to connect the cooling device or the cooling line to a nitrogen circuit Figure 5 referenced.
  • the intermediate plate 110 is furthermore connected to the metal plate 115 in a thermally conductive manner.
  • the cooling line 130 is thus connected in a thermally conductive manner to a second, here the lower side of the metal plate 115. This ensures that when liquid nitrogen or other cryogenic gases flowing through the cooling line 130 and evaporate in the process, the metal plate 115 and thus the metal strips 150, 151 guided along it are cooled via the intermediate plate 110. Overall, it is an indirect contact cooling with liquid nitrogen or other cryogenic gases.
  • cooling channel 130 could also be milled into the intermediate plate 110 or the metal plate 115 and covered.
  • a metal cover plate 120 which can also be made of brass, for example, is shown, which can be arranged over the metal plate 115 in such a way that a channel for the Metal bands 150, 151 is formed.
  • the metal cover plate 120 has webs on the side ends facing the metal plate 115, here the lower side, with which it can be placed on the metal plate 115.
  • a gas line 135 is shown for gaseous nitrogen by way of example, which branches off from an outlet-side end of the cooling line 130 and is directed over an area above the first side of the metal plate 115, that is to the belts 150, 151.
  • the gaseous nitrogen can at least partially be reused after cooling, namely to render the area above the metal plate 115 or the metal strips 150, 151 inert in order to prevent icing from condensation which occurs during cooling.
  • the gaseous nitrogen is not used to cool the metal strips 150, 151.
  • the metal strips are cooled almost completely or at least essentially through contact with the cooled metal plate 115.
  • insulation material can be provided in the housing 101 of the cooling device 110 in order to insulate the cooled components from the ambient heat and thus enable more efficient cooling.
  • gas line 135 can also be seen, by means of which gaseous nitrogen is withdrawn or branched off from the cooling line 130 on the outlet side and - as in relation to FIG Figure 1 already explained - can be used for inerting.
  • a valve for example a throttle valve, can also be provided at the branch or in the gas line 135 in order to set the desired amount of gas.
  • the metal plate 115 is made of Figure 1 from above (in relation to the representation in Figure 1 ) shown.
  • the metal strips 150 and 151 can be seen in greater detail, which are guided along the metal plate 115.
  • the direction of passage of the metal strips is indicated by means of an arrow.
  • the metal plate 115 can for example be about 1 m long (in the direction of passage).
  • gas line 135 can also be seen again, by means of which gaseous nitrogen can be brought to inertization on the upper side of the metal plate 115 or on the metal strips 150, 151. It goes without saying that several gas outlet openings can also be provided on the gas line 135, which are distributed over the extension of the metal plate 115 in the direction of flow.
  • a cooling device 100 ' according to the invention is shown schematically 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 base part 170 of an insulating housing.
  • a cover 171 of the insulating housing is arranged on the bottom part and surrounding the heat exchanger unit.
  • the insulation housing can for example be made of glass fiber reinforced plastic (GRP), which has a heat insulating effect.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the insulation housing is now arranged in an outer housing, comprising a base part 160 and a cover 161, of 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 cover 161 of the outer housing at individual, discrete points, one of which is exemplarily designated as 175, so that a gap remains between the lids and there are as few heat conduction losses as possible.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the cover 161 of the insulating housing is also opened. In the closed state, the outer housing is then sealed by the seals 181 between the base part 160 and cover 161.
  • the cover 171 and the bottom part 170 of the insulating housing should be matched to one another in such a way that the heat exchanger unit is surrounded as completely as possible. It goes without saying that openings for the at least one element must be provided at the inlet and outlet.
  • the outer housing can be manufactured particularly inexpensively in this way, since less attention has to be paid to insulation than without using the insulation housing.
  • the outer housing can also be welded so that no moisture can penetrate.
  • a hardening device 200 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment in the form of a flow chart, with which a method according to the invention can also be carried out.
  • the hardening device comprises a furnace 201, which is made of the metal belt 150 (compared to the Figures1 and 3 For the sake of clarity, only a metal strip is shown here) corresponding to the direction of passage (indicated by an arrow) is passed through first.
  • the metal strip 150 then passes through a quenching device 202 in which the metal strip 150 is shock-cooled, the cooling device 100 and finally a starting device 203.
  • the cooling device 100 is the one in relation to FIG Figures 1 to 3 already explained in more detail cooling device. In this respect, reference is also made to the statements made there. However, it could also use the cooling device 100 ′ according to FIG Figure 4 be used.
  • a tank 204 for liquid nitrogen is also shown, from which liquid nitrogen is removed and fed to the cooling device 100 via a shut-off and / or throttle valve 250.
  • a suitable line expediently insulated, can be used, which is then connected to the in the Figures 1 to 3 Connection 131 shown 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 part of the gaseous nitrogen can be withdrawn, is indicated here outside the cooling device 100 for the sake of clarity.
  • the gaseous nitrogen still remaining after the branching can now be heated in the heat exchanger 255.
  • an electrical heating device can also be provided.
  • the gaseous nitrogen is then passed through a throttle valve 260 and a control valve 273.
  • a bypass is provided via the shut-off and / or throttle valve 263.
  • the control valve 273 comprises a motorized control drive, which in turn can be controlled, for example, via a computing unit 280.
  • the computing unit 280 is also set up 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 regulation can now be provided for this temperature, within the framework of which a throughflow opening of the control valve 273 is used as a manipulated variable.
  • the temperature in the cooling device can be regulated by adjusting the flow of the gaseous nitrogen from the cooling line, which also influences the flow of liquid nitrogen. It goes without saying that the temperature at the outlet of the metal strip can also be regulated in this way.
  • Desirable temperatures are, for example, approx. 140 K to 150 K at the outlet of the metal strip. In this way, on the one hand, the best possible retained austenite conversion can take place in the metal strip and, on the other hand, excessive icing can be avoided.
  • gaseous nitrogen can now be fed to further consumers via the valves 271 and 261 and, in particular, to the furnace 201 via the gas line 210.
  • a safety or overpressure valve 270 which opens, for example, from a pressure of 13.5 bar, can also be provided.
  • the supply for the other consumers or the furnace can also be connected to a supply line from the tank 204 via an evaporator 274 and a valve 274. In this way, on the one hand, any shortfall in gaseous nitrogen for the other consumers or the furnace 201 can be made up from the tank 204.
  • valves 261, 274 and 271 can only release the return flow from pressures of 12 bar, 12.5 bar and 13 bar (in this order). It goes without saying that other pressure values in ascending order are also possible.
  • the gaseous nitrogen can now be used to form a protective gas atmosphere.
  • the gaseous nitrogen produced in the course of cooling the metal strip can be reused - in addition to being used for inerting. Overall, this enables a very energy-efficient and environmentally friendly process to cool metal strips.

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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 solche 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.
  • Im Patent CN103215432B wird eine Kühlvorrichtung offenbart, die ein obere Metallplatte und eine untere Metallplatte aufweist, zwischen denen die zu kühlende Elemente kontinuierlich eingeführt werden. In den Metallplattne befinden sich mehre Kühlkanale, in denen Kühlmedien eingebracht werden, um die durchlaufenden Elemente zwischen den wärmeleitenden Metallplatten zu kühlen.
  • 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 unabhängigen 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 Kühlkanal für 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. In jedem Fall besteht ein wärmeleitender Kontakt zwischen der Metallplatte und dem durchlaufenden Element.
  • Der Kühlkanal steht nun wenigstens abschnittsweise mit der Metallplatte, insbesondere 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 einen in die Metallplatte oder in eine mit der Metallplatte wärmeleitend in Verbindung stehende, weitere Metallplatte eingebrachten Kühlkanal handeln. Der Kühlkanal kann hierzu beispielsweise konturgenau 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, insbesondere des Stickstoffs, 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 wird. 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 Eintritt 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 Elemente mit passendem Querschnitt kommen in Frage. Hierzu können die entsprechenden Bauteile, insbesondere die Metallplatte entsprechend dimensioniert und konturiert werden, um eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der Metallplatte und dem oder den durchlaufenden Elementen herzustellen. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung mehrerer Metallplatten nebeneinander.
  • Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass durch das kroygene Gas, insbesondere 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 Kontaktkühlung 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 Kontaktkühlung einige Vorteile. Es ist nämlich möglich, das für die Kühlung verwendete 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.
  • Erfindungsgemäß wird das wenigstens eine durchlaufende Element durch Kontaktkühlung mit der Metallplatte gekühlt. Das heißt, das durchlaufende Element steht in wärmeleitendem Kontakt mit der Metallplatte und die Kühlung des durchlaufenden Elements erfolgt durch Wärmeleitung und nicht durch Konvektion oder Wärmestrahlung. Je nach Ausführung der Kühlvorrichtung können zwar auch geringfügige Anteile an konvektiver oder radiativer Wärmeübertragung vorhanden sein. Die Wärmeleitung liefert jedoch den Hauptbeitrag zur Wärmeübertragung bzw. Kühlung. Beispielsweise trägt die Wärmeleitung zu mehr als 50%, mehr als 75%, mehr als 90% oder im Wesentlichen zu 100% zur Kühlung des oder der Elemente bei. In jedem Fall stehen das Element und die Metallplatte in wärmeleitendem Kontakt. Weiterhin bietet die vorgeschlagene Lösung Vorteile gegenüber der eingangs erwähnten Möglichkeit, einen konventionellen Kühlkompressor zur Kühlung des wenigstens einen Elements 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 Kühlkompressoren dagegen erreichen in der Regel lediglich Temperaturen von minimal ca. 190 K.
  • Erfindungsgemäß 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 erfindungsgemäße Lösung 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 mehrerer zu kühlender Elemente können auch separate, insbesondere konturierte, 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 das kryogene Gas nach der Kühlung wieder verwendet werden und zwar beispielsweise 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 wiederverwendet wird, und zwar für die Schutzgasatmosphäre im Ofen und/oder 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 Kontaktkühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes, wobei insbesondere eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung oder Härtevorrichtung verwendet wird. Dabei wird das wenigstens eine Element wärmeleitend entlang einer ersten Seite einer Metallplatte geführt, wobei die Metallplatte gekühlt wird, indem kryogenes Gas durch einen Kühlkanal, der mit 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) entlanggeführt 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 Kontaktkühlung 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 wiederverwendet 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. Der gasförmige Stickstoff dient nicht zur Kühlung der Metallbänder 150, 151. Die Kühlung der Metallbänder wird nahezu vollständig oder zumindest im Wesentlichen durch den Kontakt mit der gekühlten Metallplatte 115 erreicht.
  • 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 entlanggeführt 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.
  • 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. Insbesondere kann das Außengehäuse auch verschweißt werden, sodass keine Feuchtigkeit 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 - wiederverwendet werden. Insgesamt wird damit ein sehr energieeffizientes und umweltverträgliches Verfahren ermöglicht, um Metallbänder zu kühlen.

Claims (14)

  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 das wenigstens eine Element (150, 151) mit der ersten Seite der Metallplatte (115) in wärmeleitendem Kontakt steht,
    wobei der Kühlkanal (130) wenigstens abschnittsweise mit der Metallplatte (115), insbesondere 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 Eintritt des kryogenen Gases und an einem zweiten Ende einen Anschluss (132) für einen Austritt des kryogenen Gases aufweist,
    wobei die Kühlvorrichtung (100) 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.
  2. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Bereich über der ersten Seite der Metallplatte (115) einen Eintrittsbereich für das wenigstens eine Element (150, 151) in die Kühlvorrichtung (100) und/oder einen Austrittsbereich für das wenigstens eine Element (150, 151) aus der Kühlvorrichtung (100) umfasst.
  3. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden 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.
  4. 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 Elements (150, 151) erstreckt.
  5. 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 stehenden, weiteren Metallplatte eingebracht ist.
  6. 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.
  7. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kryogene Gas flüssigen und/oder gasförmigen Stickstoff umfasst.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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 Elements (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.
  11. Verfahren zur Kühlung wenigstens eines durchlaufenden Elementes (150) unter Verwendung einer Kühlvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einer Härtevorrichtung (200) nach Anspruch 10,
    wobei das wenigstens eine Element (150, 151) auf Seiten einer ersten Seite einer Metallplatte (115) geführt wird und mit der ersten Seite der Metallplatte (115) in wärmeleitendem Kontakt steht, und
    wobei die Metallplatte (115) gekühlt wird, indem kryogenes Gas durch einen Kühlkanal (130), der mit der Metallplatte (115) wärmeleitend in Verbindung steht, geleitet wird, um das durchlaufende Element (150) indirekt zu kühlen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, 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.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, 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.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, 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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