NO319260B1 - Fremgangsmate og anordning for kjoling av en gjenstand, og anvendelse av anordningen. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for kjøling av en gjenstand ved påføring av et flytende kjølemiddel på overflaten av gjenstanden, i form av kontinuerlige kjølemiddelstråler. Innen rammen av oppfinnelsen ligger også en anordning for utførelse av fremgangsmåten og en anvendelse av anordningen.

Ved kjøling av ekstruderte profiler og varmvalsede bånd av en aluminiumlegering fra ekstruderings- henholdsvis varmvalsetemperaturen må metallet kjøles fra omtrent 450 - 480°C på kortest mulig tid til lavere enn omtrent 300°C, i mange tilfeller til omtrent 100°C.

Fra EP-A-0343103 er det kjent en fremgangsmåte for kjøling av ekstruderte profiler og valsede bånd, ved hvilken det dannes vanndamp ved hjelp av sprøytedyser. Denne fremgangsmåten er imidlertid ikke egnet for hurtig kjøling av varmvalsede bånd i linjen ("inline"), på grunn av den lille varmeovergangen. Denne kjente kjøleprosessen ved hjelp av sprøytedyser er i EP-A-0429394 beskrevet for kjøling av støpte metallstaver.

I EP-A-0578607 er beskrevet en fremgangsmåte for linjekjøling av profiler som kommer ut av en stangpresse, idet de sprøytedyser som er kjent fra EP-A-0343103 er montert som moduler.

Fra EP-A-0695590 er det kjent en fremgangsmåte og en anordning for kjøling av varmvalsede plater og bånd av en aluminiumlegering, idet tilkappede plater eller bånd kontinuerlig gjennomløper en kjølestasjon og i denne påføres vann direkte med flatstråledyser. Umiddelbart etter utløpet fra flatstråledysen avbøyes vannstrålen dessuten ved hjelp av luft- eller vannstråler periodisk, slik at vannstrålen som treffer plate- eller båndoverflaten utfører en sveipebevegelse. Ved bruk av flatstråledyser oppstår når vannstrålen treffer plate- eller båndoverflaten en smal anslagsflate med høy varmeovergang. Denne lokalt høye varmeovergangen medfører sammen med sveipebevegelsen en ensartet varmebortførsel. Også ved denne fremgangsmåten er imidlertid varmebortførselen for liten til for eksempel å kjøle varmvalsede bånd av en aluminiumlegering til en temperatur lavere enn 300°C i løpet av en kort strekning, det vil si på meget kort tid, etter den siste valsingen før opprullingen.

DE 955042 beskriver en fremgangsmåte og en anordning for kjøling av valsegods. Et rør med mange hull er plassert over hele lengden av et bånd som valses, og et tilsvarende rør er plassert under båndet, for sprøyting av vann gjennom hullene mot overflaten av

båndet, slik at dette kjøles.

Et formål som ligger til grunn for oppfinnelsen er å komme frem til en fremgangsmåte og en anordning av den innledningsvis angitte typen, med hvilke kjøleytelsen kan økes i forhold til kjente fremgangsmåter og anordninger.

Når det gjelder fremgangsmåten løses denne oppgaven med de trekk som fremgår av patentkrav 1.

Den fullstendige fordampningen hindrer dannelsen av en vannfilm som hemmer varmebortføringen. Det oppstår ingen lokal ansamling av kjølemiddel som kan føre til en ukontrollert avkjøling og dermed uensartede mekaniske egenskaper nær overflaten av gjenstanden. Slike forskjeller i de mekaniske egenskaper kan for eksempel ved en etterfølgende formeoperasjon virke skadelig på overflatekvaliteten på grunn av lokalt forskjellige formeegenskaper.

På grunn av den fullstendige fordampningen av kjølemiddelet er fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen også særlig egnet for alle anvendelsesområder der en eksplosjonsaktig fordampning av kjølemiddel kan ha en negativ eller farlig virkning.

Med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan kjølemiddelmengden styres optimalt, hvilket muliggjør at det kan oppnås nøyaktige og reproduserbare kjølebetingelser.

For at en størst mulig vannmengde skal kunne bringes til fordampning uten at det dannes en vannfilm på overflaten av gjenstanden tilføres kjølemiddelet, for oppnåelse av en optimal kjølevirkning, via flere kjølemiddelstråler med liten diameter fordelt over overflaten som skal kjøles.

Hver kjølemiddelstråle oppviser en diameter fra 20 til 200 um, særlig 30 til 100 um. Avstanden mellom treffpunktene til nabokjølemiddelstråler på overflaten utgjør fortrinnsvis 2-10 mm, særlig omtrent 3-5 mm.

En maksimal kjølevirkning oppnås med en laminær strømning i kjølemiddelstrålene.

Dersom oppholdstiden for gjenstanden i kjølesonen er meget kort, må det påses at varmebortføringen fra overflaten av gjenstanden i overveiende grad skjer ved fordampning og bare i liten grad ved oppvarming av kjølemiddelet til fordampnings-temperaturen. Ved for lav temperatur i kjølemiddelet som treffer overflaten er det fare for at kjølemiddelet ikke fordamper fullstendig og dermed medfører en kjølemiddelfilm på overflaten som nedsetter kjøleytelsen. Fortrinnsvis ligger temperaturen til kjølemiddelet maksimalt 50°C, særlig maksimalt 10°C, lavere enn koketemperaturen til kjølemiddelet. Som kjølemiddel for aluminiumlegeringer benyttes fortrinnsvis vann.

Hensiktsmessig beveges gjenstanden som skal kjøles på tvers av stråleretningen til kjølemiddelet. Dette skjer ved kjøling av stillestående gjenstander fortrinnsvis ved oscillering, henholdsvis vibrasjon, og ved linjekjøling ved kontinuerlig forskyvning av gjenstanden som skal kjøles. Alternativt eller i tillegg til bevegelse av gjenstanden som skal kjøles kan også kjølemiddelstrålene, henholdsvis kjøleanordningen beveges ved oscillasjon, henholdsvis vibrasjon i forhold til gjenstanden.

En anordning som er egnet til utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen fremgår av patentkrav 7, og omfatter flere dyser for tilførsel av de enkeltvise kjølemiddelstråler til overflaten av gjenstanden. Hver dyse oppviser en diameter fra 20 til 200 pm, fortrinnsvis 30 til 100 pm.

Dysene er utformet som mikrokanaler i en bærer av grafitt, keramikk, glass, metall eller plast, og bæreren er dannet av en stabel sammensatt av plateformede elementer, idet overflatene av elementene som danner stableflater ligger fluidtett mot hverandre. I det minste i en av overflatene til naboelementene som ligger mot hverandre er det dannet riller for dannelse av mikrokanalene, slik at kjolevæske kan strømme inn i den ene enden av mikrokanalene dannet av rillene og strømme ut fra den andre enden av mikrokanalene.

Elementene er fortrinnsvis utformet som små plater med planparallelle overflater og oppviser i det minste en åpning for tilførsel av kjolevæsken til mikrokanalene. Rillene forbinder åpningen med den ytre kanten av de fortrinnsvis sirkelformede små platene.

I overensstemmelse med dimensjonene til kjølemiddelstrålene oppviser htlene en bredde og en dybde på 20 -200 pm, fortrinnsvis 30 -100 pm.

Tilsvarende den ønskede avstanden mellom treffpunktene til nabokjølemiddelstråler på overflaten oppviser de enkelte elementer en tykkelse fra 2-10 mm, fortrinnsvis 3 - 5 mm. Anordningen i henhold til oppfinnelsen kan på en ideell måte også benyttes for påføring av et tynt slippmiddelsjikt på den fremdeles varme overflaten av en støpeform. Slippmiddelet innblandes i kjølemiddelet. Ettersom kjølemiddelet fordamper fullstendig når det treffer den varme overflaten, skjer påføringen av slippmiddelet meget ensartet. Kjøledysene kan for påføring av slippmiddel på formoverflaten i en trykkstøpeform være montert på en bom, som etter uttak fra formen innføres mellom formhalvdelene til den åpnede støpeformen.

Andre fordeler, trekk og detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av foretrunke utførelseseksempler og av de skjematiske tegninger.

Figur 1 viser prinsippet ved kjøleprosessen med enkeltvise kjølemiddelstråler.

Figur 2 viser, sett fra siden, en første utførelsesform av en dysemodul.

Figur 3 viser et snitt gjennom modulen i figur 2 langs linjen I-l.

Figur 4 viser et snitt gjennom et element i modulen i figur, etter linjen ll-ll i figur 3.

Figur 5 viser, sett fra siden, en annen utførelsesform av en dysemodul.

Figur 6 viser et snitt gjennom modulen i figur 5 etter linjen lll-lll.

Figur 7 viser i perspektiv en anordning med dysemoduler for kjøling av et varmvalset

bånd.

Figur 8 viser det sideveise forløp av temperaturen ved kjøling av prøveelementer.

Som vist i figur 1 oppviser en dysemodul en rørformet bærer 10 med en midtre tilførselskanal 12 for tilførsel av et kjølemiddel til mikrokanaler, henholdsvis dyser 14. Mikrokanalene 14 forbinder den midtre tilførselskanalen 12 med overflaten av bæreren 10.

Kjølemiddelet strømmer gjennom mikrokanalene 14 i form av enkeltvise kjølemiddelstråler 16, og treffer hovedsakelig vinkelrett den varme overflaten 20 til en gjenstand 18, fortrinnsvis et varmvalset bånd av en aluminiumlegering. Dersom vann benyttes som kjølemiddel har dette en temperatur TK i tilførselskanalen som for eksempel er omtrent 90°C, det vil si at den ligger omtrent 10°C under koketemperaturen Tsfor vann.

Lengden I til mikrokanalene 14 utgjør for eksempel 10 mm, og diameteren c til kanalene er for eksempel omtrent 50 pm.

Kjølemiddelstrålene 16 med en diameter d på for eksempel 50 pm treffer overflaten 20 fra en avstand h på for eksempel 30 mm. Avstanden mellom treffpunktene til kjølemiddelstrålene 16 på overflaten 20 av gjenstanden 18 utgjør for eksempel 3 mm.

Dimensjonene til mikrokanalene 14, henholdsvis til kjølemiddelstrålene 16, velges slik at kjølemiddelstrålene 16 når de treffer overflaten 20 til den varme gjenstanden 18 går fullstendig over i kjølemiddeldamp 22.

Dysemodulen vist i figur 2 - 4 består av enkeltvise, sirkelformede små plater 32, for

eksempel av aluminiumoksidkeramikk med planparallelle, polerte overflater 34 med liten ruhetsgrad. I hver av overflatene 20 er det radialt fra den midtre åpningen 36 til den ytre kanten 38 av de små platene 32 anordnet riller 40. Rillene har en bredde b og en dybde t på for eksempel 50 pm. De enkelte små plater 32 med tykkelse e på for eksempel 3 mm er lagt mot hverandre som en stabel 30 festet mellom to endeplater 42. En av de to endeplatene 42 er utformet med en kjølemiddel-innløpsåpning 44, som munner ut i en kjølemiddelkanal 46 i stabelen 30, dannet av den midtre åpningen 36 i de enkelte små plater 32.

I dysemodulen vist i figur 5 og 6 er de enkelte små plater 32 rettvinklet og oppviser flere midtre åpninger 36, fra hvilke rillene 40 som er dannet i en av overflatene 34 forløper til kanten 38 av den lille platen 32. Selvsagt kan også en enkelt, langstrakt åpning være dannet i stedet for enkeltvise midtre åpninger 36.

I figur 7 er flere dysemoduler, henholdsvis stabler 30 anordnet parallelt med hverandre i en kjølemiddelstasjon for kjøling av et varmvalset bånd 50 av en aluminiumlegering. De enkelte dysemoduler eller stabler 30 er tilkoblet en kjølemiddel-tilførselsledning 48. Det må selvsagt påses at kjølemiddeldampen som dannes på den varme båndoverflaten ikke kondenserer over båndet og drypper fra båndet. Dette kan forhindres ved at de deler av kjøleinnretningen som er anordnet over båndet, slik som for eksempel en damputsugntngshette og kjølemiddelledninger, holdes på en temperatur som ligger over koketemperaturen til kjølemiddelet.

Kjøleflaten på båndet 50 som dekkes av kjølemiddelstrålene 16 utgjør ved en båndbredde 2 m og en lengde av kjølestasjonen på 1 m omtrent 2 m2 Det samlede antall mikrokanaler 14 ligger for en slik anordning på omtrent 200 000. Alt etter ønsket kjøleytelse kan kjølemiddelet påføres på den ene eller begge overflatene av båndet 50. Kjøleytelsen for fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er bestemt med kjøleforsøk på prøveelementer. Endeflaten av et sylindrisk prøveelement av aluminium med 50 mm lengde og 4 mm diameter ble tilført en kjølemiddelstråle. Det sideveise forløpet av temperaturen til prøveelementet ved forskjellige strålebetingelser fremgår av figur 8. Som kjølemiddel ble benyttet vann med en temperatur på 18°C. Som driftsparametre for kjølemiddelstrålen ble valgt følgende verdier:

Kurven A og B viser tydelig den høye kjøleytelsen tii fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. De oppnådde kjølehastigheter lå på 50°C/sek. (kurve A), henholdsvis 200°C/sek. (kurve B). Til sammenligning ligger kjølehastighetene til de her benyttede prøveelementer ved konvensjonell kjøling mellom omtrent 5 og 15°C/sek.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for kjøling av en gjenstand ved tilførsel av et flytende kjølemiddel på overflaten (20) av gjenstanden (18), i form av kontinuerlige kjølemiddelstråler (16).karakterisert vedat kjølemiddelet tilføres gjennom flere kjølemiddelstråler (16) med diameter (d) fra 20 til 200 pm, fordelt over overflaten (20) som skal kjøles, og at mengden som tilføres i hver kjølemiddelstråle (16) reguleres slik at kjølemiddelet som treffer overflaten (20) fordamper fullstendig.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat hver kjølemiddelstråle (16) har en diameter (d) fra 30 til 100 pm.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert vedat avstanden (a) mellom treffpunktene til nabokjølemiddelstråler (16) på overflaten (20) utgjør 2-10 mm, fortrinnsvis 3-5 mm.

4. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 - 3, karakterisert vedat kjølemiddelstrålene (16) oppviser en laminær strømning.

5. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert vedat temperaturen (TK) til kjølemiddelet ligger maksimalt 50°C, fortrinnsvis maksimalt 10°C lavere enn koketemperaturen (Ts).

6. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 - 5, karakterisert vedat gjenstanden (18) som skal kjøles og kjølemiddelstrålene (16) beveges i forhold til hverandre på tvers av stråleretningen (x) til kjølemiddelet, fortrinnsvis ved oscillasjon av gjenstanden (18) som skal kjøles og/eller kjølemiddelstrålene (16) og /eller ved kontinuerlig forskyvning av gjenstanden (18) som skal kjøles.

7. Anordning for utførelse av fremgangsmåten som angitt i et av kravene 1 - 6, med flere dyser (14) for tilførsel av de enkelte kjølemiddelstråler (16) til overflaten (20) av gjenstanden (18), karakterisert vedat hver dyse (14) oppviser en diameter (c) fra 20 til 200 um, og er utformet som mikrokanaler (14) i en bærer (10) av grafitt, keramikk, glass, metall eller plast, og at bæreren (10) er dannet av en stabel (30) sammensatt av plateformede elementer (32), idet overflatene (34) av elementene som danner stableflater ligger fluidtett mot hverandre, og idet i det minste en av de mot hverandre vendende overflater (34) på naboelementer (32) har riller (40) for dannelse av mikrokanalene (14), anordnet slik at kjolevæske strømmer inn på den ene siden av mikrokanalene dannet av rillene (40) og kan strømme ut på den andre siden av mikrokanalene.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert vedat mikrokanalene har en diameter fra 30 til 100 pm.

9. Anordning som angitt i krav 7 eller 8, karakterisert vedat elementene er utformet som små plater (32) med planparallelle overflater (34).

10. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert vedat de små platene (32) oppviser i det minste en åpning (36) for tilførsel av kjølevæsken til mikrokanalene (14), og rillene (40) forbinder åpningen (36) med den ytre kanten (38) av den lille platen (32).

11. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert vedat de små platene (32) er sirkelformet.

12. Anordning som angitt i et av kravene 7-11, karakterisert vedat rillene (40) oppviser en bredde (b) og en dybde (t) fra 20 til 200 pm, fortrinnsvis 30 til 100 pm.

13. Anordning som angitt i et av kravene 7-12, karakterisert vedat de enkelte elementer (32) oppviser en tykkelse (e) fra 2 til 10 mm, fortrinnsvis 3 til 5 mm.

14. Anvendelse av anordningen som angitt i et av kravene 7-13, for ensartet påføring av et tynt sjikt av et formslippmiddel på overflaten av en støpeform ved innblanding av slippmiddelet i kjølemiddelet.