Schweisselektroden-Rollenanordnung mit Kühlung nach dem Austauschverfahren und Anwendung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch thermischer Energie, bei dem sich ein Hohl¬ körper zwischen verschiedenen Temperaturniveaus er¬ streckt, mit einem Transportmedium, wobei das Medium im Bereich höheren Temperaturniveaus verdampft und im Bereich des tieferen kondensiert, dabei der Dampf im Hohlkörper vom Bereich höheren Niveaus zum Bereich tie¬ feren Niveaus strömt, umgekehrt das kondensierte Medium sowie eine Schweisselektroden-Rollenanordnung mit Kühlung nach dem Austauschverfahren und eine Anwendung des Ver¬ fahrens an Trommeln, Walzen oder Scheiben von Maschinen.

Derartige Verfahren sind bekannt und werden als Heat- Pipe-Verfahren bzw. Systeme eingesetzt. Sie funktionieren auf der Basis, dass beim Verdampfen ein Wärmetranspόrt- medium von aussen Energie aufnimmt und beim Kondensie¬ ren abgibt, die DampfStrömung vornehmlich durch die Druckdifferenz des Dampfes zwischen Verdampfungsbereich auf höherem Temperaturniveau und Kondensierungsbereich auf tieferem erfolgt, wogegen die Strömung des konden¬ sierten Mediums vom Bereich tieferen Temperaturniveaus auf den Bereich höheren Temperaturniveaus durch Beizug externer Kräfte bewirkt werden muss. Im kondensierten Medium herrscht dabei zwischen den beiden Bereichen praktisch keine Temperaturdifferenz.

Ueblicherweise werden für den Transport des Mediums vom Bereich tieferen Temperaturniveaus zum Bereich höheren, also des kondensierten Mediums, Kapillar¬ kräfte ausgenützt. Dabei wird die Wand des Hohl- raumes, worin das Medium transportiert wird, mit einem porösen Material beschichtet, in welcher das Kondensat aufsteigt. In einem solchen System ist die Austauschleistung sehr beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. nun, bei einem Verfahren eingangs genannter Art den Transport des kondensierten Mediums effizient mit einfachsten Mitteln zu realisieren.

Dies wird dadurch erreicht, dass man die Strömung des kon¬ densierten Mediums durch Zentrifugalkräfte unterstützt und hierzu den Körper mit Drehzentrum im Bereich des tieferen Temperaturniveaus rotiert.

Ist der Körperbereich auf tieferem Temperaturniveau-Dreh¬ zentrum, so wird hier das Wärmetransportmedium kondensiert und strömt, getrieben durch die Zentrifugalkräfte, bei Rotation des Körpers, nach aussen auf das höhere Temperatur¬ niveau. Dort verdampft das Transportmedium und die Dampf- rückströmung erfolgt unbeeinflusst von Zentrif galkräften, getrieben durch den oben erwähnten Druckgradienten.

Dadurch, dass man im weiteren, um den Peripheriebereich zu kühlen, den Drehzentrumsbereich kühlt, oder um den Dreh- zentrumsbereich zu erwärmen, den Peripheriebereich erwärmt, wird es möglich, den Peripheriebereich oder den Drehzentrums¬ bereich des Hohlkörpers zu kühlen bzw. zu erwärmen.

Wird dem Drehzentrumsbereich des Körpers durch aktive Kühlung Energie entzogen, so kondensiert- das Transport-

medium in diesem Bereich, strömt an den Peripherie¬ bereich, welchem es durch Verdampfen Energie entzieht und diesen Bereich somit kühlt.

Wird anderseits dem Peripheriebereich extern und aktiv Wärme zugeführt, wodurch das Wärmetransportmedium dort verdampft, in den Drehzentrumsbereich als Dampf rück¬ strömt, dort kondensiert, so gibt das Medium bei der Kondensation an diesen Bereich Wärme ab, wodurch letzterer erwärmt wird. Dieses Verfahren eignet sich ausgezeichnet für den Einsatz an Trommeln, Walzen oder Scheiben von Maschinen, bei denen der Peripherie- oder Achsbereich gekühlt bzw. erwärmt werden soll.

Insbesondere ist es bei der Dosenherstellung üblich, zwei Schweissrollen für die Erzeugung der Dosenlängs- naht einzusetzen. Dabei fliesst ein Strom von einer Rolle zur andern, wobei sich zwischen den beiden Rollen das zu verschweissende Gut befindet. Am Berührungspunkt der beiden Rollen mit dem Schweissgut treten die höchsten Strombelastungen auf, damit die höchsten thermischen Beanspruchungen. Die Schweissrollen übernehmen dabei drei Aufgaben:

- Uebertragung des elektrischen Stromes,

Uebertragung der Schweisskraft bzw. des Schweissdruckes,

Uebertragung der Vorschubbewegung auf das Schweissgut.

Aufgrund der Zylinderförmigkeit der Dosenzargen muss eine Rolle ausserhalb und die andere innerhalb der Zar¬ gen eingesetzt werden. Dabei werden die höchsten Anfor¬ derungen an die sich im Doseninnern befindende Rolle gestellt, da sie relativ klein dimensioniert werden muss, womit ihre Wärmekapazität klein bleibt. Obwohl vor allem der momentane Wärmeübergangsbereich in der Umgebung des momentanen Schweisspunktes an der Peripherie der Rolle thermisch hoch beansprucht wird, wird die ganze schweiss- aktive Peripherie der Rolle beansprucht, aufgrund ihres kontinuierlichen Umlaufes. Die Wärme muss von der Kupfer¬ rolle auf ein Kühlmedium übertragen werden. Dabei sind die örtlich extremen Verhältnisse zu berücksichtigen. Die eingesetzte Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, darf auch lokal nirgends zum Sieden kommen, denn sobald Sieden einsetzt, entsteht ein Dampffilm zwischen der zu kühlenden Rollenpartieoberfläche und dem Kühlmedium. Diese Dampfschicht wirkt isolierend und lässt die Tempe¬ ratur der Rolle ansteigen, so dass sich der Dampffilm ausbreitet, was zu einer Ueberhitzung der Rolle und schliesslich zu deren Durchbrennen führen kann.

Bekannt ist eine Schweissrollenkonstruktion, die auf diesem Kühlprinzip arbeitet und die auf einer fest- stehenden Achse umläuft. Diese Achse weist einen schei¬ benförmigen Aufsatz auf, ebenfalls feststehend, über welchem mit ihrem Hohlraum die Schweissrolle umläuft. Durch die feststehende Achse wird Wasser durch ein Lei¬ tungssystem in der feststehenden Scheibe durchgetrieben, und zwar derart, dass es vom Achszentrum in den Schei- benperipheriebereich geleitet und von dort wieder zurück¬ geführt wird.

Zwischen der feststehenden Scheibe und der sich darüber drehenden Rolle befindet sich ein Quecksilberbad. Die Wärme wird nun von der Schweissrolle durch deren Kupfer¬ mantel in das Quecksilber geleitet, von dort auf die feststehende Scheibe, durch deren Wandung und schliess- lich auf das Wasser. Bekanntlich hat dabei Quecksilber eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit von 8W/m K gegenüber beispielsweise 372W/m K bei Kupfer. Das Quecksilber hat im weiteren die Aufgabe, den Strom zwischen Schweiss- rolle und Achse zu leiten. Die für den Wärmeübergang zur Verfügung stehende Kontaktfläche zwischen Umlaufen, Schweissrolle und Quecksilber einserseits, Quecksilber und feststehender Scheibe anderseits, ist primär durch die Schweissrollendimension gegen oben beschränkt. Dabei wäre für die elektrische Leitfähigkeit bzw. die Minimali- sierung des elektrischen Uebergangswiderstandes eine möglichst grosse Fläche erwünscht. Im weiteren bewirken die ohm- schen Verluste am am Quecksilber im gleichen Bereich der Schweissrolle, die ohnehin thermisch hoch bean- sprucht wird, durch den Stromübergang durch das Schweiss¬ gut zusätzliche thermische Belastungen. Im weiteren ist ein Problem an einer derartigen Anordnung in der Amalgamierung des Quecksilbers mit dem Kupfer zu sehen, wodurch das flüssige Quecksilber verbraucht wird.

Diese Probleme werden durch eine Schweisselektroden-Rollen- anordnung mit Kühlung nach dem obgenannten Verfahren gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass eine Elektrodenscheibe vorgesehen ist, mit Elektrodenperipherie, und dass die Scheibe als Hohlscheibe ausgebildet ist, worin das Trans¬ portmedium enthalten ist, und dass weiter im Achsbereich der Scheibe Kühlorgane auf letztere einwirken.

Dadurch wird erreicht, dass die Kühlung der Elektroden¬ scheibe durch das erwähnte Verfahren erzielt wird, mit dem wesentlichen Vorteil, dass keine zusätzliche Wärme¬ übergänge notwendig sind, wie dies bei der Wärmeabfuhr von der bewegten Elektrodenscheibe über ein Zwischentrans- portmedium, das Quecksilber, auf eine feststehende Anord¬ nung der Fall ist.

Somit kann aber auch die Stromzuführung an die umlaufende Scheibe, entfernt von der durch den Schweissvorgang ther¬ misch hochbeanspruchten Scheibenperipherie vorgenommen werden, so dass die beim Uebergang des Stromes von einem feststehenden System auf das umlaufende Scheibensystem notwendigerweise auftretenden Uebergangswiderstände und die entsprechende thermische Beanspruchung durch ohmsche Verluste nicht an den durch den Schweissvorgang an sich bereits hoch beanspruchten Scheibenpartien erfolgen muss.

Bevorzugterweise ist die Scheibe weiter auf einer Seite fest mit einer Lagerachse verbunden, die im Bereich des Scheibenansatzes einen koaxialen Hohlraum aufweist, der mit dem Scheibenhohlraum kommuniziert und es wirken Kühl¬ organe auf den hohlausgebildeten Bereich der Lagerachse ein.

Vorzugsweise wird dabei im Bereich des Achshohlraumes die Lagerachse mit einem Kühlmedium, wie Wasser, umspült.

Dies wird auf einfache Art und Weise dadurch erreicht, dass der hohle Achsbereich von einer diesbezüglich auf Abstand gehaltenen koaxialen Büchse umgeben ist, durch welche das Kühlmedium, wie Wasser, getrieben wird.

Dadurch, dass weiter bevorzugterweise der koaxiale Hohl¬ raum in der Lagerachse sich konisch gegen die Scheibe hin vergrössert, wird erreicht, dass die Zentrifugal¬ kräfte mit radial ausgerichteter Wirkungslinie, das sich in diesem Hohlraum kondensierende Transportmedium gegen den Scheibenhohlraum treiben können, die Zentrifu¬ galkräfte wirken wirken mit einer Komponente in den Man¬ tellinien der konisch verlaufenden Hohlraumwandung.

Zur Vergrösserung der für den Wärmeübergang massgebenden Fläche am koaxialen Hohlraum in der Lagerachse, wird weiter vorgeschlagen, dass letzterer mit Rippen entlang Hohlraummantellinien versehen ist, oder mit mindestens einer Schraubenzugrille.

Wie bereits oben erwähnt, wird weiter bevorzugterweise vorgeschlagen, dass die Stromzuführung an die Scheibe, achsial erfolgt, womit der Stromübergang auf die umlau¬ fende Scheibe von der thermisch am meisten beanspruchten Peripherie entfernt, beispielsweise an deren Lagerachse, erfolgen kann. Der Stromübergang kann wiederum über ein Quecksilberbad, oder in bekannter Art und Weise, wie aus dem Motoren- und Generatorenbau bekannt, über Schleif- rinne etc. erfolgen.

Vorzugsweise wird die Stromzuführung jedoch wiederum über ein Quecksilberbad vorgenommen, um Funkbenbildung bei den hohen Strömen zu verhindern, wobei jetzt ohne weiteres eine QuecksilberZirkulation im Bad installiert werden kann, so dass sich eine nur unmassgebliche Er¬ wärmung am Stromübergang zwischen feststehendem und drehen¬ dem System einstellt.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens an einem ro¬ tierenden Körper,

Fig. 2 einen Achsialschnitt durch eine erfindungsgemässe Schweisselektroden-Rollenanordnung.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines um eine Achse A rotierenden Hohlkörpers 1 gegeben. Der Hohl¬ körper 1 rotiert, wie mit dem Pfeil 10 angedeutet, um die Achse A. Im Hohlraum 3 des Körpers 1 befindet sich ein Wärmetransportmedium 5, beispielsweise Wasser.

In Fig. 1 ist weiter die TemperaturVerteilung der Umge¬ bung, in welcher der Körper 1 umläuft, schematisch dar¬ gestellt, und zwar über der Radiusachse r des durch den Körper bei Umlauf festgelegten räumlichen Rotations- körpers. Daraus ist ersichtlich, dass der Drehzentrums¬ bereich, d.h. der Bereich um die Rotationsachse A auf

tieferem Temperaturniveau rB~ als der Peripheriebereich des erwähnten Rotationskörpers, welcher auf dem höheren

Temperaturniveau •Xr liegt. Im Peripheriebereich nimmt,

H wie mit den Pfeilen +E dargestellt, das Transportmedium 5 aus der Umgebung Energie auf und verdampft in die Dampf¬ phase D. Im Drehzentrumsbereich um die Achse A, gibt das Wärmetransportmedium 5 an die Umgebung, wie mit den Pfeilen -E angedeutet, Energie ab und kondensiert von der Dampfphase D in die kondensierte Phase K. Wegen des höheren Druckes im Peripheriebereich als im Dreh¬ zentrumsbereich strömt die Dampfphase in der angegebenen Richtung vom Peripheriebereich zum Drehzentrumsbereich, während die kondensierte Phase K durch die Zentrifugal¬ kräfte getrieben, vom Drehzentrumsbereich zum Peripherie- bereich strömt. Durch aktives Kühlen des Drehzentrums¬ bereiches durch das beispielsweise eingetragene Temperatur¬ niveau ⁽ i wird dort der Dampfphase D Energie entzogen, was zur Kondensation führt, während dann die in den Peri¬ pheriebereich geströmte kondensierte Phase K der Umgebung auf dem dort vorherrschenden höheren Temperaturniveau Vg durch Verdaπpfung Energie entzieht und somit die Umgebung abkühlt. Wird umgekehrt aktiv der Peripheriebereich, durch Zuführung von Energie +E an die kondensierte Phase K erwärmt, so gibt die dort entstehende Dampfphase D im Dreh- Zentrumsbereich bei ihrer Wiederkondensation, Energie -E an die Umgebung ab und erwärmt sie.

In Fig. 2 ist ein Achsialschnitt durch eine schematisch dargestellte, erfindungsgemässe Schweisselektroden-Rollen- anordnung dargestellt. Die Schweisselektroden-Rollenan-

Ordnung 7 weist eine Elektrodenscheibe 9 auf, mit einer Peripheriefläche 11, aus welcher, beispielsweise über einen bekannten Elektrodendraht 13, der Schweiss- strom I über das nicht dargestellte Werkstück der vor- gesehenen Gegenelektrodenscheibe geführt wird.

Die Scheibe 9 ist als Hohlscheibe mit einem Hohlraum 15 ausgebildet. Beidseits der Scheibe 9 sind an ihr Achsstumtnel 17 vorgesehen, die beide hohl ausgebildet sind und koaxiale ^' Hohlräume 19 aufweisen. Mindestens die Hohlräume 19 sind gegen die Symmetrieebene E der Scheibe 9 hin konisch erweitert. Wie dargestellt in einer bevorzugten Ausführungsform nimmt auch der Scheibenhohl¬ raum 15 konisch gegen besagte Symmetrieebene E beidseitig zu. Die Achsstummel 17 sind an Lagern 21 gelagert und je von einer Büchse 23 umgeben. In den zwischen den Büch¬ sen 23 und den Achsstummeln 17 gebildeten Hohlräumen 25 läuft, wie mit dem Pfeil KM angedeutet, ein Kühlmedium um, wie beispielsweise Wasser. In den Hohlräumen 15 und 19 ist ein Wärmetransportmedium, beispielsweise Wasser, enthalten. Im Bereich der Achsstummel 17 kondensiert es zur kondensierten Phase K, wegen der externen Kühlung über das Kühlmedium 25, läuft in den Achsstummel, ge¬ trieben durch Komponenten der Zentrifugalkräfte in Rich- tung der Mantellinien der koaxialen konischen Hohlräume 19 in den Scheibenhohlraum 15 ein, von dort, getrieben durch die immer grösser werdenden Zentrifugalkräfte an den Peripheriebereich des Hohlraums 15, wo die konden¬ sierte Phase aufgrund des abzusenkenden hohen Umgebungs- temperaturniveaus ^~ verdampft. Der Dampf D strömt nun, getrieben durch die oben beschriebene Druckdifferenz,

wieder zurück in den Hohlraum 19 der Achsstummel 17. Zur Vergrösserung der kühlwirksamen Oberfläche zwischen der Innenwandung der Achsstummelhohlräume 19 und dem dort kondensierenden Transportmedium können, wie im Hohl- räum 19 gestrichelt angedeutet, entlang der Hohlraum¬ mantellinien, Rippen 27 vorgesehen sein, oder aber (nicht dargestellt) schraubenförmige Rillenzüge.

In dieser Figur ist weiter die Stromzuführung an die .Scheibe 9 dargestellt. Sie umfasst ein Quecksilberbad 29, welches mit einer oder beiden der Strinflachen 31 der Achsstummel 17 in Kontakt steht, wobei das Queck¬ silberbad 29 in einem Gehäuse 33, vorzugsweise aus iso¬ lierendem Material, aufgenommen ist. Bevorzugterweise wird das Quecksilber im Bad 29 mittels einer Zu- und Abführleitung 35 bzw. 37 in Umlauf gehalten, um seine Erwärmung möglichst tief zu halten. Kühlorgane, durch welche das Quecksilber in seinem Umlauf läuft, und die zwischen den Leitungen 35 und 37 einwirken, sind nicht dargestellt. Der Strom, dem Quecksilberbad über eine schematisch dargestellte Kugelelektrode 39 zugeführt, tritt an den Achsstummelstirnflächen 31 auf die Achs¬ stummel über und wird über die Achstummelwände und die Wände der Scheibe 9 zur zweitwirksamen Peripheriefläche 11 geleitet.