WO2019201622A1 - Temperiervorrichtung zur partiellen kühlung eines bauteils - Google Patents

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WO2019201622A1
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fluid
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Frank WILDEN
Jörg Winkel
Andreas Reinartz
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Schwartz Gmbh
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    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material

Definitions

  • Temperature control device for partial cooling of a component
  • the invention relates to a temperature control device for partial cooling of a component, wherein the temperature control device has at least one nozzle, which has for discharging a fluid flow for cooling at least a portion of the component.
  • the nozzle in this case comprises a connecting tube for supplying the fluid from a reservoir and a plurality of nozzle tubes.
  • the nozzle according to the invention can be used in particular in a press hardening line in which a press hardening tool is arranged downstream of a continuous furnace, the continuous furnace in particular
  • Roller hearth furnace can be.
  • Such a sheet steel part may for example be a body part of a motor vehicle.
  • a heat treatment method called press hardening may be used. In this method, the steel sheet is heated in an oven and then formed in a press and cooled and thereby cured.
  • the middle region of a B-pillar of a motor vehicle should have a high strength in order to protect the vehicle occupants as well as possible in the event of a side impact. So there is the possibility by means of press hardening, body parts of motor vehicles, such as A or B columns and side impact protection in doors or
  • Some areas of such a component should have a lower strength, in order to accommodate deformation energy on the one hand in the event of impact can. On the other hand, such areas have more favorable properties in terms of connectability to other body parts.
  • the different strength ranges of such a component can be effected inter alia by targeted cooling. Those areas which are to have a lower strength with higher ductility can be cooled in a targeted manner, while other areas which have a higher strength with lower ductility are kept warm. Such targeted cooling of a portion of a component can by
  • Blowing the area can be achieved by means of a fluid, wherein the fluid has a lower temperature than the starting temperature of the component.
  • the target temperature of such a range depends on the one hand on the original temperature of the component, the temperature of the fluid and the duration of the blowing and the fluid pressure, the known laws of thermodynamics apply.
  • This process for producing various hardness ranges in a component by deliberately cooling at least one region is also known as "thermal molding".
  • the areas of different hardness of a component should also be geometrically limited as exactly as possible. Accordingly, it is necessary to adjust the cooling of the areas geometrically corresponding exactly. Accordingly, a fluid jet may only blow that portion of a component which is to be cooled. Adjacent areas of the component should not be cooled by the fluid flow.
  • tempering are known, but have the disadvantage that they are expensive due to the high thermal and mechanical stress and have a fairly short life or allow only a fuzzy transition between the area to be cooled and an adjacent area.
  • correspondingly expensive nozzles were used in conventional tempering devices, or the nozzles used provided only a fuzzy separation between the area to be inflated and an adjacent area. In the latter case separation or bulkhead walls were often used, which should prevent overflow of the cooling fluid to adjacent areas.
  • a disadvantage of such bulkheads is that they should come as close as possible to the surface of the component, on the one hand to achieve good foreclosure of the area to be cooled, on the other hand, the bulkhead, the component should not touch.
  • the object is to provide a suitable for the exact blowing of a component area nozzle, or a corresponding temperature control device, which should also be inexpensive to manufacture.
  • 1 is a schematic side view of a tempering with a strip nozzle
  • FIG. 2 is a schematic front view of a first embodiment of a strip nozzle
  • FIG. 3 is a schematic front view of a second embodiment of a strip nozzle
  • Fig. 4 is a schematic thermographic image of a cooled by means of a strip nozzle
  • FIG. 1 shows a strip nozzle 2 of a temperature control device 1, which blows a heated component 3 in at least one partial area with a fluid flow in order to cool the component in the blown area.
  • the component 3 may be in the form of a sheet, in particular as a steel sheet or another sheet, which has been heated before cooling.
  • the component can be an oven, for example so-called continuous furnace, in particular a
  • roller hearth furnace or a chamber furnace, in particular a multi-chamber furnace, or the like have gone through.
  • the component In the oven, the component is typically heated so that it has a substantially identical temperature in all areas.
  • the heated component is then fed to the temperature control device 1, which blows the component 3 at least in a partial region with a cold fluid, so that the blown-on region of the component is cooled by the impinging fluid flow.
  • the feeding of the component can comprise a further transport of the heated component 3 from the furnace into a temperature control station, which has the tempering device, ie, in one embodiment, the heated component can be guided from the furnace into the temperature control device, for example via a roller belt.
  • the temperature control device integral
  • the tempering device may be arranged in a region of a furnace, so that first all areas of the component 3 are first heated in the oven and
  • the component is cooled by means of the temperature control device 1 and in particular by means of a strip nozzle.
  • each nozzle pipe 2b has one end, its inlet end, on which
  • connection pipe 2a defined and connected thereto so that fluid from the connecting pipe 2a can flow into the nozzle tube 2b.
  • the connecting tube 2a is disposed horizontally, and the nozzle tubes are directed vertically and with their outlet end facing down to partially cool an underlying hot component 3.
  • the nozzle tubes 2b are arranged so that their Ausblasöffhungen 2c are closely juxtaposed and arranged in a line. The arrangement of the Ausblasöffhung closely adjacent to each other, that from the
  • Nozzle tubes are thus designed and aligned in their discharge direction so that the plurality of Kemprall vom the fluid flows results in a strip whose width the diameter of the Ausblasöffhung a nozzle tube and the length thereof is determined essentially by the number and width of the juxtaposed nozzle tubes 2b, see description of Figure 4.
  • the connecting pipe 2a is connected to a tank in which the fluid used for cooling is intermediately stored.
  • the fluid thus flows out of the tank, not shown in the figure, through the connecting pipe 2a into the plurality of nozzle pipes 2b and flows out of the outlet openings of the nozzle pipes onto the surface of the component 3.
  • the fluid flow from the tank into the connecting pipe 2a of the strip nozzle 2 is shown schematically in the figure with the arrow 4.
  • the tank can typically be a pressurized volume, for example a reservoir or pressure tank, from which fluid is removed via the connecting tube 2 a during the blowing of the component 3.
  • the reservoir or the pressure tank can be cooled and adjusted to a certain temperature, so that the fluid removed has a desired temperature, which is suitable for cooling the component.
  • connection pipe 2a The fluid flows out of the connection pipe 2a into each nozzle pipe 2b and leaves the respective nozzle pipe through the exhaust opening 2c thereof, so that one of the number of times
  • Nozzle tubes corresponding plurality of individual streams leaves the strip nozzle 2.
  • the multiplicity of fluid individual flows is shown schematically in the figure by arrows 5.
  • the flow cross-section of the connecting tube 2a is preferably a multiple of the sum of the flow cross-sections with the nozzle tube fluidly connected to this connecting tube.
  • the nozzle tube fluidly connected to this connecting tube.
  • Flow cross-section of the connecting pipe at least twice the sum of the flow cross-sections nozzle pipes 2b, and in particular at least three times the sum of the flow cross sections of the nozzle pipes 2b.
  • the length of the nozzle tubes is chosen so that they are substantially equal in length, so that the exiting volume flow of fluid is substantially the same size, wherein the catches of a nozzle tube is at least 10 times, more preferably at least 20 times and more preferably about 40 times the inner diameter of a nozzle tube, or even more than 40 times.
  • the distance between the nozzle tubes to one another and the outflow direction of the fluid individual streams is selected so that the blown surface of the component 3 takes the form of a
  • the nozzle tubes are at least in their last section, which defines the outflow direction of a fluid flow, arranged parallel to each other, so that the fluid individual streams 5 are aligned parallel to each other.
  • the nozzle tubes may also be aligned non-parallel, but so that the fluid streams 5 impinge on the surface of the component seamlessly adjacent to each other and thus the desired strip or surface shape of the cooled surface is achieved.
  • the distance between two adjacent nozzle tubes 2b from each other is selected so that the blown fluid streams on the component surface of the desired strip or surface shape and the extent of the entire blown area a
  • the nozzle tubes do not have to be as close to each other, in particular not adjacent to each other in order to obtain a nearly constant over the catches of the blown area temperature profile.
  • the center distance of the outlet openings of adjacent nozzle tubes 2b is twice to 20 times that of Inner diameter of a nozzle tube 2b, more preferably 3- to lO-fold and especially 4-5 times the inner diameter of a nozzle tube 2b, wherein it is assumed that the wall thickness of a nozzle tube is less than a quarter of the inner diameter of a nozzle tube 2b.
  • the outlet ports of the nozzle tubes may in one embodiment be circular, in particular if the respective nozzle tube itself has a circular cross-sectional shape.
  • an outlet opening can have an oval shape, wherein the oval outlet opening can be formed on an otherwise circular nozzle tube and the long axis of the oval outlet openings can be arranged in the direction of the desired strip shape of the embossed area. In this way, the design of the outlet opening can be used for shaping the blown area.
  • Auslassöffhung have an oval, angular, in particular a quadrangular shape, and more preferably a rectangle with uneven sides be, the long sides can be arranged in the direction of the desired cooling strip.
  • the outlet openings may have other shapes, for example triangular or different shapes of the outlet openings may also be combined to achieve a desired shape of the blown area. For example, at the end of a series of nozzle tubes the
  • Outlet opening of the last nozzle tube having a different shape than the nozzle tubes, which are arranged between the last nozzle tubes, so that the shape of the last outlet opening a desired shape of the end of the blown area is achieved.
  • the distance of the exhaust openings 2c from the surface of the component 3 is selected so that the impinging on the surface of the component 3 fluid flow is sharply contoured.
  • the distance of the exhaust openings 2c from the surface of the component 3 is a few millimeters, preferably 5 mm to 100 mm, preferably 10 mm to 80 mm.
  • Figure 2 shows a section through a strip nozzle along the Finie A-A in Fig. 1, ie through the connecting pipe 2a and a nozzle tube 2b.
  • the nozzle tube closes at his
  • the nozzle tube 2b may have one of the above-mentioned cross-sectional areas; also, the connecting pipe 2a a round
  • Cross-sectional area or alternatively have an oval or polygonal cross-sectional area.
  • Figure 3 shows a section through a strip nozzle with a nozzle tube 2b, which is not formed in a straight line as in Fig. 2a, but which is fixed next to the fluid-conducting connection at least at a second point 7 of the nozzle tube.
  • the nozzle tube 2b may be circumferentially guided around the connecting tube 2a in an arc and at the second point 7 directly to the connecting tube 2a, for example by a positive or cohesive connection, such as a welding point, be set.
  • the height can be reduced compared to the design shown in Figure 1 or Figure 2. Only the free end of a nozzle tube 2b, ie the section from the second fixing point 7 to the outlet end, is then preferably designed as a straight tube.
  • the length of the free end of the nozzle tube 2b ie the length of
  • Tube length the nozzle tube is less susceptible to vibrations or other influences that may be caused by the fluid flows in the temperature control.
  • Fixing point also be determined indirectly on the connecting pipe 2a or another element of the temperature control.
  • a plurality of nozzle tubes can be guided by an auxiliary plate (not shown in the figure) and secured thereto, so that the nozzle tubes are fixed directly to the auxiliary plate.
  • the auxiliary sheet in turn can be fixed directly to the connecting pipe 2a or to another element of the temperature control.
  • all the nozzle tubes on the same side, as shown in Ligur 3, for example, on the left side may be fluidly connected to the connecting tube 2a.
  • the nozzle tubes can alternately
  • the nozzle tubes can also be connected at the top or bottom of the connecting tube and then guided around the connecting tube in an arc of approximately 180 ° or 360 °.
  • FIG. 4 shows a thermography of a component which, when measured by means of a strip nozzle, was blown with cold, gaseous fluid, here with cold air.
  • the nozzle tubes of the strip nozzle were designed as rectilinear tubes which were fixed in a fluid-conducting manner to the underside of a connecting tube and had a uniform length of about 20 cm and a uniform inner diameter of about 4 mm with a circular outlet opening, so that the core jet of the fluid has a diameter of 4mm.
  • the outlet openings were placed at a distance of about 30mm below the outlet openings of the nozzle tubes. Subsequently, the steel sheet heated to about 850 ° C with the cold, gaseous Lluid was blown for a few seconds, wherein the Lluid was pressed with a pressure of about 3.5 bar in the connecting pipe.
  • thermography shows the heat distribution shown schematically in FIG.
  • Temperature of the component 3 was reduced in a strip-shaped surface 8 of about 20mm by about 200 ° C, which geometrically follows the nozzle profile. Along the strip-shaped, blown area, a transitional area 9 could be measured, in which the temperature in the direction of the non-blown area increases sharply.
  • a streak nozzle comprising a plurality of nozzle tubes having an inner diameter of uniformly 4 mm with a wall thickness of 1 mm and a nozzle tube length of 100 mm.
  • the outlet openings of the nozzle tubes was placed about 100 mm above the surface of the component 3 to be inflated.
  • the determined thermography showed the desired sharp contouring of the blown area.
  • volume flow of fluid sufficient to cause the same cooling effect, so that by means of the strip nozzle, a more efficient use of the volume flow is achieved. Furthermore, this also causes a lower noise emission.
  • a plurality of strip nozzles 2 can be arranged next to and / or behind one another for cooling a component 3.
  • the cooling air nozzles can be designed differently, in particular, they can be set up and configured so that different fluid flow volumes are provided with different geometric dimensions, so that a component in different, possibly adjacent areas, can be cooled differently. In this way, different areas of a component can simultaneously but

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Abstract

Es wird eine Temperiervorrichtung zur partiellen Kühlung eines Bauteils beschrieben, wobei das Bauteil mittels einer Düse mit einem Fluid in dem zu kühlenden Bereich angeblasen wird. Die Düse umfasst ein Verbindungsrohr, welches fluidleitend mit einem Fluidreservoir verbunden ist, und welches mit einer Vielzahl von Düsenrohren fluidleitend verbunden ist.

Description

Temperiervorrichtung zur partiellen Kühlung eines Bauteils
Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zur partiellen Kühlung eines Bauteils, wobei die Temperiervorrichtung mindestens eine Düse aufweist, welche zum Austragen eines Fluidstroms zum Kühlen mindestens eines Teilbereichs des Bauteils aufweist. Die Düse umfasst dabei ein Verbindungsrohr zur Zuführung des Fluids aus einem Reservoir und eine Vielzahl von Düsenrohren. Die erfindungsgemäße Düse kann insbesondere in einer Presshärtelinie zur Anwendung kommen, in der ein Presshärtewerkzeug einem Durchlaufofen nachgeordnet ist, wobei der Durchlaufofen insbesondere ein
Rollenherdofen sein kann.
Bei der Herstellung von Stahlblechteilen ist es häufig notwendig, das Stahlblech während oder nach einem Umformvorgang zu härten. Ein solches Stahlblechteil kann beispielsweise ein Karosserieteil eines Kraftfahrzeugs sein. Für die Herstellung derartiger Stahlblechteile kann ein Wärmebehandlungsverfahren verwendet werden, welches als Presshärten bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird das Stahlblech in einem Ofen erhitzt und anschließend in einer Presse umgeformt und abgekühlt und dadurch gehärtet.
Für verschiedene Anwendungen ist es wünschenswert Bauteile herzustellen, die in verschiedenen Bereichen verschiedene Festigkeiten aufweisen. So soll beispielsweise der mittlere Bereich einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs eine hohe Festigkeit aufweisen, um die Fahrzeuginsassen im Falle eines seitlichen Aufpralls möglichst gut zu schützen. So besteht mittels des Presshärtens die Möglichkeit, Karosseriebauteile von Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise A- oder B-Säulen sowie Seitenaufprallschutzträger in Türen oder
Rahmenteilen bereitzustellen, die entsprechend ausgebildet sind.
Manche Bereiche eines solchen Bauteils sollen hingegen eine geringere Festigkeit aufweisen, um einerseits im Falle des Aufpralls Verformungsenergie aufnehmen zu können. Andererseits weisen derartige Bereiche günstigere Eigenschaften hinsichtlich der Verbindbarkeit mit anderen Karosserieteilen auf. Die verschiedenen Festigkeitsbereiche eines solchen Bauteils können u.a. durch gezielte Abkühlung bewirkt werden. Diejenigen Bereiche, welche eine geringere Festigkeit bei höherer Duktilität aufweisen sollen, können gezielt abgekühlt werden, während andere Bereiche, welche eine höhere Festigkeit bei geringerer Duktilität aufweisen, warmgehalten werden. Eine solche gezielte Abkühlung eines Bereichs eines Bauteils kann durch
Anblasen des Bereichs mittels eines Fluids erreicht werden, wobei das Fluid eine geringere Temperatur als die Ausgangstemperatur des Bauteils aufweist. Die Zieltemperatur eines solchen Bereichs hängt dabei zum einen von der ursprünglichen Temperatur des Bauteils, der Temperatur des Fluids sowie der Dauer des Anblasens und dem Fluiddruck ab, wobei die bekannten Gesetze der Thermodynamik gelten. Dieses Verfahren zur Herstellung verschiedener Härtebereiche in einem Bauteil durch gezieltes Abkühlen mindestens eines Bereichs ist auch als„Thermisches Printen“ bekannt.
Die Bereiche verschiedener Härte eines Bauteils sollen dabei auch geometrisch möglichst exakt begrenzt sein. Dementsprechend ist es notwendig, die Kühlung der Bereiche geometrisch entsprechend exakt einzustellen. Ein Fluidstrahl darf demzufolge lediglich denjenigen Bereich eines Bauteils- Anblasen, der gekühlt werden soll. Angrenzende Bereiche des Bauteils sollen von dem Fluidstrom nicht gekühlt werden.
Bekannte Düsen für das Anblasen von Bauteilen in entsprechenden
Temperiervorrichtungen sind zwar bekannt, weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese aufgrund der hohen thermischen und auch mechanischen Belastung teuer sind und eine recht kurze Lebensdauer aufweisen oder nur einen unscharfen Übergang zwischen dem zu kühlenden Bereich und einem angrenzenden Bereich ermöglichen. In konventionellen Temperiervorrichtungen wurden dementsprechend entsprechend teure Düsen verwendet oder die verwendeten Düsen lieferten nur eine unscharfe Trennung zwischen dem anzublasenden und einem angrenzenden Bereich. In letzterem Fall wurden häufig Trenn oder Schottwände eingesetzt, welche ein Überströmen des kühlenden Fluids auf angrenzende Bereiche verhindern sollten. Nachteilig an derartigen Schottwänden ist jedoch, dass diese möglichst nah an die Oberfläche des Bauteils heranreichen sollen, um einerseits eine gute Abschottung des zu kühlenden Bereichs zu erreichen, andererseits die Schottwand das Bauteil jedoch nicht berühren soll. Damit besteht die Aufgabe, eine für das exakte Anblasen eines Bauteilbereichs geeignete Düse, beziehungsweise eine entsprechende Temperiervorrichtung bereitzustellen, wobei diese gleichzeitig kostengünstig herzustellen sein soll.
Diese Aufgabe wird durch eine nachfolgend beschriebene Düse beziehungsweise eine damit entsprechend ausgerüstete Temperiervorrichung gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die im nachfolgenden beschriebenen Figuren sind weder maßstabsgetreu noch geben sie sämtliche Einzelheiten der beschriebenen Erfindung wieder. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Temperiervorrichtung mit einer Streifendüse,
Fig. 2 eine schematische Frontansicht einer ersten Ausführungsform einer Streifendüse,
Fig. 3 eine schematische Frontansicht einer zweiten Ausführungsform einer Streifendüse,
Fig. 4 ein schematisches Thermografiebild eines mittels einer Streifendüse gekühlten
Bereichs.
Beschreibung
Figur 1 zeigt eine Streifendüse 2 einer Temperiervorrichtung 1, die ein erhitztes Bauteil 3 in mindestens einem Teilbereich mit einem Fluidstrom anbläst, um das Bauteil in dem angeblasenen Bereich zu kühlen.
Das Bauteil 3 kann dabei in Form eines Bleches, insbesondere als Stahlblech oder einem anderen Blech, vorliegen, welches vor dem Abkühlen erhitzt wurde. Dazu kann das Bauteil einen Ofen, beispielsweise sogenannten Durchlaufofen, insbesondere einen
Rollenherdofen oder einen Kammerofen, insbesondere einen Mehrkammerofen, oder ähnliches durchlaufen haben. In dem Ofen wird das Bauteil typischerweise so erhitzt, dass dieses in allen Bereichen eine im wesentlichen gleiche Temperatur aufweist. Das erhitzte Bauteil wird dann der Temperiervorrichtung 1 zugeführt, welche das Bauteil 3 wenigstens in einem Teilbereich mit einem kalten Fluid anbläst, sodass der angeblasene Bereich des Bauteils von dem auftreffenden Fluidstrom gekühlt wird. Das Zuführen des Bauteils kann dabei eine Weiterbeförderung des erhitzten Bauteils 3 von dem Ofen in eine Temperierstation umfassen, welche die Temperiervorrichtung aufweist, d.h. das erhitzte Bauteil kann in einer Ausführungsform von dem Ofen in die Temperiervorrichtung, beispielsweise über ein Rollenband geführt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Temperiervorrichtung integraler
Bestandteil einer weiteren Ver- oder Bearbeitungseinheit sein, beispielsweise eines Ofens. Dazu kann die Temperiervorrichtung in einem Bereich eines Ofens angeordnet sein, sodass zunächst alle Bereiche des Bauteils 3 in dem Ofen zunächst erhitzt werden und
anschließend wenigstens ein Teilbereich des Bauteils mittels der Temperiervorrichtung 1 und insbesondere mittels einer Streifendüse gekühlt wird.
Allen Ausführungsformen der Streifendüse ist gemein, dass diese ein Verbindungsrohr 2a aufweisen, welches fluidleitend mit einer Vielzahl von Düsenrohren 2b verbunden ist, das heißt ein jedes Düsenrohr 2b ist mit einem Ende, seinem Einlassende, an dem
Verbindungsrohr 2a festgelegt und dort mit diesem so verbunden, dass Fluid von dem Verbindungsrohr 2a in das Düsenrohr 2b strömen kann. Typischerweise aber nicht notwendigerweise ist das Verbindungsrohr 2a horizontal angeordnet und die Düsenrohre sind vertikal und mit ihrem Auslassende nach unten gerichtet, um ein darunterliegendes heißes Bauteil 3 partiell zu kühlen. Die Düsenrohre 2b sind dabei so angeordnet, dass deren Ausblasöffhungen 2c eng nebeneinander und in einer Linie angeordnet sind. Dabei bedeutet die Anordnung der Ausblasöffhung eng nebeneinander, dass die aus den
Ausblasöffhungen austretenden Fluidströme in unmittelbarer Nähe nebeneinander auf die Oberfläche des Bauteils 3 prallen, so dass die Aufprallflächen der Fluidströme zweier benachbarter Auslassrohre ineinander übergehen und damit an der Grenzlinie zu einem nicht-angeblasenen Oberflächenabschnitt des Bauteils nahezu dieselbe Kühlwirkung bewirkt wird wie in der Kemprallfläche des Fluidstroms eines Düsenrohrs 2b. Die
Düsenrohre sind damit so gestaltet und in ihrer Ausblasrichtung so ausgerichtet, dass die Vielzahl von Kemprallflächen der Fluidströme einen Streifen ergibt, dessen Breite durch den Durchmesser der Ausblasöffhung eines Düsenrohrs und dessen Länge im Wesentlichen durch die Anzahl und Breite der nebeneinander angeordneten Düsenrohre 2b bestimmt ist, siehe Beschreibung zu Figur 4.
Das Verbindungsrohr 2a ist mit einem Tank verbunden, in dem das zur Kühlung verwendete Fluid zwischengespeichert wird. Das Fluid strömt damit aus dem Tank, in der Figur nicht dargestellt, durch das Verbindungsrohr 2a in die Vielzahl der Düsenrohre 2b und strömt aus den Auslassöffhungen der Düsenrohre auf die Oberfläche des Bauteils 3. Der Fluidstrom aus dem Tank in das Verbindungsrohr 2a der Streifendüse 2 ist in der Figur mit dem Pfeil 4 schematisch dargestellt. Der Tank kann dabei typischerweise ein druckbeaufschlagtes Volumen, beispielsweise ein Vorratsbehälter oder Drucktank sein, aus welchem über das Verbindungsrohr 2a während des Anblasens des Bauteils 3 Fluid entnommen wird. In einer besonderen Ausführungsform kann der Vorratsbehälter bzw. der Drucktank gekühlt und auf eine bestimmte Temperatur eingestellt sein, sodass das entnommene Fluid eine gewünschte Temperatur aufweist, welche zur Kühlung des Bauteils geeignet ist.
Das Fluid strömt aus dem Verbindungsrohr 2a in jedes Düsenrohr 2b und verlässt das jeweilige Düsenrohr durch dessen Ausblasöffhung 2c, sodass eine der Anzahl der
Düsenrohre entsprechende Vielzahl an Einzelströmen die Streifendüse 2 verlässt. Die Vielzahl an Fluid-Einzelströmen ist in der Figur mit Pfeilen 5 schematisch dargestellt.
Der Strömungsquerschnitt des Verbindungsrohrs 2a ist vorzugsweise ein Vielfaches der Summe der Strömungsquerschnitte mit dem diesem Verbindungsrohr fluidleitend verbundenen Düsenrohre. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der
Strömungsquerschnitt des Verbindungsrohrs mindestens das Doppelte der Summe der Strömungsquerschnitte Düsenrohre 2b, und insbesondere mindestens das Dreifache der Summe der Strömungsquerschnitte der Düsenrohre 2b.
Die Länge der Düsenrohre ist so gewählt, dass diese im Wesentlichen gleich lang sind, so dass der austretende Volumenstrom an Fluid im Wesentlichen also gleich groß ist, wobei die Fänge eines Düsenrohrs mindestens das lO-fache, besonders bevorzugt mindestens das 20-fache und insbesondere bevorzugt circa das 40-fache des Innendurchmessers eines Düsenrohrs oder sogar mehr als das 40-fache beträgt.
Die im Verhältnis zum Durchmesser große Länge der Düsenrohre bewirkt einen großen Strömungswiderstand in jedem Düsenrohr. Dies wirkt zurück auf den Fluiddruck in dem Verbindungsrohr und bewirkt dort den Aufbau eines statischen und über die Länge des Verbindungsrohrs konstanten Drucks. Daraus ergibt sich eine sehr gleichmäßige
Verteilung des Volumenstroms über alle Düsenrohre 2b und damit gleichmäßige Kühlung über die gesamte Länge der angeblasenen Fläche.
Der Abstand der Düsenrohre zueinander und die Abströmrichtung der Fluid-Einzelströme ist so gewählt, dass die angeblasene Fläche des Bauteils 3 die Form eines
ununterbrochenen Streifens aufweist.
In einer Ausführungsform sind die Düsenrohre jedenfalls in ihrem letzten Abschnitt, welcher die Abströmrichtung eines Fluid-Stroms festlegt, parallel zueinander angeordnet, sodass auch die Fluid-Einzelströme 5 parallel zueinander ausgerichtet sind. In alternativen Ausführungsformen können die Düsenrohre auch nicht-parallel ausgerichtet sein, jedoch so, dass die Fluidströme 5 beim Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils nahtlos nebeneinander auftreffen und damit die gewünschte Streifen- oder Flächenform der gekühlten Fläche erreicht wird.
Der Abstand zweier benachbarter Düsenrohre 2b voneinander ist so gewählt, dass die ausgeblasenen Fluid-Einzelströme auf der Bauteiloberfläche die gewünschte Streifen- oder Flächenform und über die Ausdehnung der gesamten angeblasenen Fläche eine
gleichmäßige Kühlung bewirken. Dabei könnte in Versuchen bestätigt werden, dass die Düsenrohre nicht möglichst nah beieinander, insbesondere nicht aneinander angrenzend angeordnet sein müssen, um einen über die Fänge der angeblasenen Fläche nahezu konstanten Temperaturverlauf zu erhalten. Typischerweise beträgt der Mittenabstand der Auslassöffnungen benachbarter Düsenrohre 2b das doppelte bis 20-fache des Innendurchmessers eines Düsenrohrs 2b, besonders bevorzugt das 3- bis lO-fache und insbesondere das 4- bis 5-fache des Innendurchmessers eines Düsenrohrs 2b, wobei davon ausgegangen wird, dass die Wandstärke eines Düsenrohrs weniger als ein Viertel des Innendurchmessers eines Düsenrohrs 2b beträgt.
Die Auslassöffhungen der Düsenrohre können in einer Ausführungsform kreisförmig ausgebildet sein, insbesondere wenn das jeweilige Düsenrohr selbst eine kreisförmige Querschnittsform aufweist. In alternativen Aus führungs formen kann eine Auslassöffnung eine ovale Form aufweisen, wobei die ovale Auslassöffnung an ein ansonsten kreisrundes Düsenrohr angeformt und die lange Achse der ovalen Auslassöffhungen dabei in Richtung der gewünschten Streifenform der angeblasenen Fläche angeordnet sein kann. Auf diese Weise kann die Gestaltung der Auslassöffnung zur Formgebung der angeblasenen Fläche herangezogen werden. In weiteren alternativen Ausführungsformen kann eine
Auslassöffhung eine ovale, eckige, insbesondere eine viereckige Form aufweisen, und besonders bevorzugt ein Rechteck mit ungleichlangen Seiten sein, wobei die langen Seiten in Richtung des gewünschten Kühlstreifens angeordnet sein können. In weiteren alternativen Ausgestaltungen können die Auslassöffhungen andere Formen aufweisen, beispielsweise dreieckige oder verschiedene Formen der Auslassöffnungen können dabei auch kombiniert werden, um eine gewünschte Formgebung der angeblasenen Fläche zu erreichen. So kann beispielsweise am Ende einer Reihe von Düsenrohren die
Auslassöffnung des letzten Düsenrohres eine andere Form aufweisen als die Düsenrohre, welche zwischen den letzten Düsenrohren angeordnet sind, sodass mit der Form der letzten Auslassöffnung eine gewünschte Form des Endes der angeblasenen Fläche erreicht wird.
Der Abstand der Ausblasöffnungen 2c von der Oberfläche des Bauteils 3 ist so gewählt, dass der auf der Oberfläche des Bauteils 3 auftreffende Fluidstrom scharf konturiert ist. Typischerweise beträgt der Abstand der Ausblasöffnungen 2c von der Oberfläche des Bauteils 3 einige Millimeter, bevorzugt 5mm bis lOOmm, bevorzugt lOmm bis 80mm.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Streifendüse entlang der Finie A-A in Fig. 1, also durch das Verbindungsrohr 2a und ein Düsenrohr 2b. Das Düsenrohr schließt an seinem
Einlassende fluidleitend an das Verbindungsrohr 2a an und führt das Fluid in gerader Finie zu dem Bauteil 3. Das Düsenrohr 2b kann dabei eine der oben erwähnten Querschnitts flächen aufweisen; ebenso kann das Verbindungsrohr 2a eine runde
Querschnittsfläche oder alternativ eine ovale oder eckige Querschnittsfläche aufweisen.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine Streifendüse mit einem Düsenrohr 2b, welches nicht in gerader Linie wie in Fig. 2a ausgebildet ist, sondern das neben dem fluidleitenden Anschluss wenigstens an einem zweiten Punkt 7 des Düsenrohrs festgelegt ist. Wie in der Figur dargestellt, kann das Düsenrohr 2b dazu in einem Bogen umfangsmäßig um das Verbindungsrohr 2a herumgeführt sein und an dem zweiten Punkt 7 unmittelbar mit dem Verbindungsrohr 2a beispielsweise durch eine form- oder stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise einen Schweißpunkt, festgelegt sein. Durch das Herumführen des
Düsenrohrs 2b um das Verbindungsrohr um wenigstens 180°, hier in der Figur um ca.
270°, kann die Bauhöhe gegenüber der in Figur 1 oder Figur 2 gezeigten Gestaltung verringert werden. Lediglich das freie Ende eines Düsenrohrs 2b, also der Abschnitt von dem zweiten Festlegungspunkt 7 bis zum Auslassende, ist dann vorzugsweise als gerades Rohr ausgeführt.
Weiterhin ist die Länge des freien Endes des Düsenrohrs 2b, also die Länge vom
Auslassende bis zu dem nächstgelegenen Festlegungspunkt des Düsenrohrs kleiner als in der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigten Gestaltung, sodass aufgrund der kürzeren freien
Rohrlänge das Düsenrohr weniger anfällig für Schwingungen oder andere Beeinflussungen ist, die durch die Fluidströmungen in der Temperiervorrichtung entstehen können.
In einer alternativen Ausgestaltung können die Düsenrohre 2b mit dem zweiten
Festlegungspunkt auch mittelbar an dem Verbindungsrohr 2a oder einem anderen Element der Temperiervorrichtung festgelegt sein. So können beispielsweise mehrere Düsenrohre durch ein -in der Figur nicht dargestelltes- Hilfsblech geführt und an diesem festgelegt sein, sodass die Düsenrohre unmittelbar an dem Hilfsblech festgelegt sind. Das Hilfsblech wiederum kann unmittelbar an dem Verbindungsrohr 2a oder an einem anderen Element der Temperiervorrichtung festgelegt sein. In einer Ausführungsform können alle Düsenrohre auf derselben Seite, wie in Ligur 3 dargestellt beispielsweise auf der linken Seite, mit dem Verbindungsrohr 2a fluidleitend verbunden sein. Alternativ dazu können die Düsenrohre wechselweise an
gegenüberliegenden Seiten mit diesem fluidleitend verbunden und festgelegt sein, wobei die Düsenrohre dann so ausgerichtet sind, dass die ausgeblasenen Lluidströme 5 auf der anzublasenden Oberfläche die gewünschte Streifenform ergeben.
In weiteren alternativen Ausführungsformen können die Düsenrohre auch oben oder unten an das Verbindungsrohr angeschlossen und anschließend in einem Bogen von ca. 180° bzw. 360° um das Verbindungsrohr herumgeführt sein.
Figur 4 zeigt eine Thermografie eines Bauteils, welches bei einer Messung mittels einer Streifendüse mit kaltem, gasförmigen Fluid, hier mit kalter Luft, angeblasen wurde. Die Düsenrohre der Streifendüse waren dabei als geradlinige Rohre ausgebildet, welche fluidleitend an der Unterseite eines Verbindungsrohrs festgelegt waren, und die eine einheitliche Länge von ca. 20cm und einen einheitlichen Innendurchmesser von ca. 4 mm mit einer kreisrunden Auslassöffnung aufweisen, sodass der Kemstrahl des Lluids einen Durchmesser von 4mm aufweist. Die Auslassöffnungen wurden in einem Abstand von ca. 30mm unter den Auslassöffnungen der Düsenrohre platziert. Anschließend wurde das auf ca. 850°C erhitzte Stahlblech mit dem kalten, gasförmigen Lluid für einige Sekunden angeblasen, wobei das Lluid mit einem Druck von ca. 3,5 bar in das Verbindungsrohr gedrückt wurde.
Die Thermografie zeigt die in Figur 4 schematisch gezeigte Wärmeverteilung. Die
Temperatur des Bauteils 3 wurde in einer streifenförmigen Fläche 8 von ca. 20mm um ca. 200°C verringert, wobei dieser geometrisch dem Düsenverlauf folgt. Entlang des streifenförmigen, angeblasenen Bereichs konnte ein Übergangsbereich 9 gemessen werden, in welchem die Temperatur in Richtung der nicht angeblasenen Fläche stark zunimmt.
Eine weitere Messung wurde mit einer Streifendüse durchgeführt, welche eine Vielzahl von Düsenrohren mit einem Innendurchmesser von einheitlich 4 mm bei einer Wandstärke von 1 mm und einer Düsenrohrlänge von lOOmm aufwies. Die Auslassöffnungen der Düsenrohre wurde ca. lOOmm über der Oberfläche des zu anzublasenden Bauteils 3 angeordnet. Die ermittelte Thermografie zeigte die gewünschte scharfe Konturierung der angeblasenen Fläche.
In weiteren Messreihen konnte gezeigt werden, dass kürzere Düsenrohre mit diesem Innendurchmesser eine ähnlich scharfe Konturierung bewirken, jedoch zu erheblich höheren Geräuschemissionen führen. Für erheblich längere Düsenrohre konnte keine Verbesserung hinsichtlich der Genauigkeit der angeblasenen Fläche festgestellt werden. Vielmehr neigen Düsenrohre, die im Verhältnis zum Innendurchmesser sehr lang sind, zu unerwünschten Instabilitäten und Schwingungen.
Im Vergleich mit einer Anblasung mit herkömmlichen Düsen hat sich dabei zum einen gezeigt, dass die mit der Streifendüse erzielbare angeblasene Fläche 8 scharf konturiert ist und in Richtung der langen Seite des Streifens eine gleichmäßige Temperaturverteilung erzielt werden kann, obwohl die Düsenöffhungen separate und räumlich beabstandete Fluidstrahlen aufweisen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass bei Verwendung der Streifendüse ein im Vergleich mit herkömmlichen Düsen insgesamt geringerer
Volumenstrom an Fluid ausreicht, um denselben Kühleffekt zu bewirken, sodass mittels der Streifendüse eine effizientere Nutzung des Volumenstroms erreicht wird. Weiterhin bewirkt dies auch eine geringere Geräuschemission.
In einer Ausgestaltung einer Temperiervorrichtung können mehrere Streifendüsen 2 neben und/oder hintereinander zur Kühlung eines Bauteils 3 angeordnet sein. Die Kühlluftdüsen können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein, insbesondere können diese so eingerichtet und ausgestaltet sein, dass unterschiedliche Fluidstromvolumina mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen bereitgestellt werden, sodass ein Bauteil in verschiedenen, möglicherweise aneinander angrenzenden Bereichen, unterschiedlich gekühlt werden kann. Auf diese Weise können verschiedene Bereiche eines Bauteils gleichzeitig aber
unterschiedlich gekühlt, d.h. thermisch„geprintet“ werden. Bezugszeichenliste
1 T emperiervorrichtung
2 Streifendüse
2a V erbindungsrohr
2b Düsenrohre
2c Ausblasöffhung, Aus lassende
3 Bauteil
4 Pfeil (Fluidstrom)
5 (Einzel-)Fluidstrom
6 Fluidleitender Anschluss/F estlegung
7 zweiter Festlegungspunkt
8 streifenförmige angeblasene Fläche
9 Übergangsbereich
10 nicht angeblasener Bereich

Claims

Ansprüche
1. Temperiervorrichtung (1) zur partiellen Kühlung eines Bauteils (3), wobei diese eine Düse aufweist, welche zum Austragen eines Fluidstroms zum Kühlen mindestens eines Teilbereichs des Bauteils (3) aufweist, und wobei die Düse ein Verbindungsrohr (2a) zur Zuführung des Fluids aus einem Reservoir und eine Vielzahl von Düsenrohren (2b) zum Austragen des Fluids aufweist, wobei die Düsenrohre (2b) an ihrem Einlassende mit dem Verbindungsrohr fluidleitend verbunden sind und die Querschnittsfläche des Verbindungsrohrs mindestens doppelt so groß wie die Summe der Querschnittsflächen der Düsenrohre ist, und wobei die jeweilige Länge eines Düsenrohrs mindestens das lO-fache des jeweiligen Innendurchmessers ist, und
wobei der Mittenabstand der Auslassöffhungen (2c) benachbarter Düsenrohre (2b) das l,5-fache bis 20-fache des Innendurchmessers eines Düsenrohrs beträgt.
2. Temperiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düsenrohre jeweils mit einem weiteren, vom Einlassende beabstandeten Festlegungspunkt (7) festgelegt sind.
3. Temperiervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Düsenrohre jeweils wenigstens teilweise umfangsmäßig um das Verbindungsrohr herumgeführt und mit dem weiteren, vom Einlassende beabstandeten Festlegungspunkt an dem
Verbindungsrohr (2a) festgelegt sind.
4. Temperiervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Düsenrohre (2b) umfangsmäßig jeweils um wenigstens 180° um das Verbindungsrohr (2a) herumgeführt sind.
5. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Düsenrohre (2b) in dem jeweiligen Abschnitt zwischen dem zweiten Festlegungspunkt (7) und dem Auslassende (2c) gerade sind.
6. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Auslassende (2c) wenigstens eines Düsenrohrs (2b) eine nicht kreisrunde Querschnittsform aufweist.
7. Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Düsenrohre (2b) parallel angeordnet sind.
8. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Düsenrohre (2b) wechselweise auf gegenüberliegenden Seiten des Verbindungsrohrs (2a) angeordnet sind.
9. Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Düsenrohre (2b) dieselbe Länge aufweisen.
10. Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auslassöffhungen (2c) der Düsenrohre einen runden Querschnitt aufweisen.
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