Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum homogenen, kontaktlo- sen Temperieren von zu temperierenden, primär nicht endlosen Oberflächen sowie eine Vorrichtung hierfür.

Im technischen Bereich werden Temperierungen in vielen Bereichen benötigt, beispielsweise wenn ebene Platten gekühlt oder erhitzt werden müssen, aber auch wenn z. B. Glasflächen bei der Glasherstellung oder Prozessoreinheiten o. ä. gekühlt oder erhitzt werden müssen. Bisherige Kühlsysteme sind entweder sehr aufwändig, oder recht einfach gehalten, z. B. durch das Anblasen von Luft oder mit anderen Fluiden, insbesondere Wasser oder Öl, wobei hierbei von Nachteil ist, dass sich an der Oberfläche immer ungünsti ^¬ ge, unkontrollierte Strömungsbedingungen ausbilden, die dann zum Problem werden, wenn eine besondere definierte Temperie ^¬ rung erforderlich ist.

Insgesamt ist im Stand der Technik davon auszugehen, dass ungünstige Strömungsbedingungen auf der zu temperierenden flä- chigen Oberfläche, sogenannter Crossflow, bestehen und diese heterogene Oberflächentemperaturen erzeugen. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn im Bereich der Oberfläche zur Erzielung homogener Materialeigenschaften auch homogene Temperaturen notwendig sind. Insbesondere können inhomogene Ober- flächentemperaturen auch zu Verzug führen.

Darüber hinaus ist mit herkömmlichen Kühlmethoden ein kontrol- liertes Erreichen einer vorgegebenen Zieltemperatur ebenso we- nig möglich, wie die systematische Einstellung von nahezu be- liebigen Temperierraten bis zu einer maximal erreichbaren Temperierrate .

Besondere Schwierigkeiten bestehen dann, wenn unterschiedliche Materialdicken auf einer Temperierfläche vorhanden sind, wel ^¬ che auf homogene Temperaturverhältnisse abgekühlt werden sol ^¬ len .

Auch das Erhitzen ist im Stand der Technik in gleicher Weise mit Problemen behaftet.

Insbesondere beim Erhitzen von Platten und insbesondere beim Erhitzen von Metallplatten z. B. zum Zwecke des Härtens oder Umformens wird auf diese Platten entweder mit Brennern einge- wirkt, mit elektrischen Widerstandsheizungen oder mit einer direkten Plattenerwärmung.

Bei all diesen Erhitzungsarten ist von Nachteil, dass diese sehr aufwendig sind oder insbesondere bei unterschiedlichen Dicken zu unterschiedlichen Erwärmungsergebnissen führen. Eine kleine, bereichsweise Steuerung der Erwärmung ist hierdurch nicht möglich.

Darüber hinaus ist es im Stand der Technik bekannt, ebene Me- tallplatten, insbesondere Stahlplatinen mit unterschiedlichs ^¬ ten Methoden zunächst vorzuwärmen und eine vollständige oder teilbereichsweise Erwärmung auf eine Temperatur, die eine Här ^¬ tung erlaubt erst anschließend durchzuführen. Auch bei Erhitzungsmethoden können insbesondere inhomogene Oberflächentemperaturen zu Verzug führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, reproduzierbare, systematische, homogene kontaktfreie Temperierungen von primär nicht endlos heißen Oberflächen auf eine definierte Oberflächentemperatur innerhalb von wenigen Sekunden zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist eine weitere Aufgabe ein Verfahren zum reproduzierba ^¬ ren, systematischen, homogenen kontaktfreien Temperieren von primär nicht endlos heißen Oberflächen auf eine definierte Oberflächentemperatur innerhalb von wenigen Sekunden zu schaffen .

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß soll es möglich sein bei Temperaturen von 20 bis 900°C eine Temperierung, d. h. Abkühlung oder Aufheizung zu gewährleisten, die maximal 30 °C Temperaturabweichung innerhalb eines Quadratmeters ermöglicht. Die verwendeten Kühl ^¬ medien sind Luftgase, Mischgase aber auch Wasser oder andere Fluide. Die verwendeten Erhitzungsmedien vorzugsweise heiße Gase .

Erfindungsgemäß soll ein geringer Investitionsaufwand mit ge ^¬ ringen Betriebskosten, einer hohen Systemverfügbarkeit, hoher Flexibilität und der einfachen Integration in bestehende Pro ^¬ duktionsprozesse ermöglicht werden. Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, dass die zu temperieren ^¬ de Oberfläche mittels Roboter oder Linearantrieben in der X-, Y- oder Z-Ebene bewegt werden kann, wobei eine beliebige Vor ^¬ gabe der Bewegungstra ektorien und Geschwindigkeiten der zu kühlenden Oberflächen möglich ist. Bevorzugt ist hierbei die Oszillation um eine Ruhelage in der X- und Y-Ebene. Die weite ^¬ re Oszillation in der Z-Ebene (also der Höhe) ist optional möglich . Ebenso ist eine ein- oder beidseitige Kühlung ohne weiteres möglich .

Die erfindungsgemäßen Temperiereinheiten bestehen aus Düsen, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Die Geometrie der Düsen, das heißt der Austrittsöffnung, recht von einfachen zylindrischen Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen. Die Temperiereinheit ist dabei so ausgeführt, dass das von der heißen Platte abströmen ^¬ de Medium ausreichend Raum vorfindet und somit kein Crossflow auf der zu kühlenden Oberfläche entsteht. Die Zwischenräume zwischen den Düsen bzw. Düsenreihen können mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um die Temperierrate zu erhöhen und damit das Temperiermedium, das von der heißen Platte abströmt, quasi abzusaugen. Diese Querströmung sollte jedoch nicht das anströmende Temperiermedium von der Düse zur Platte also den Freistrahl beeinträchtigten.

Erfindungsgemäß folgt das zu bevorzugende Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche einer wabenähnlichen Struktur.

Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise mit zumindest einem Kühlschwert, wobei das Kühlschwert ein plattenähnliches oder zylindrisches Element ist, welches sich zusätzlich von einer Basis zu einer Ausströmleiste hin verjüngen kann, wobei in der Ausströmleiste mindestens eine Düse eingebracht ist. Das

Schwert ist hierbei hohl ausgebildet, sodass die Düse aus dem hohlen Schwert heraus mit einem Temperiertluid versorgt werden kann. Die Düse(n) können voneinander mit keilartigen Elementen räumlich beabstandet sein, wobei die keilartigen Elemente auch den Raum für das strömende Fluid zur Düse hin verengen können.

Hierdurch kommt es insbesondere zu einer Verdrehung des aus ^¬ strömenden Fluidstrahls .

Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Schwertern nebeneinander angeordnet, wobei die Schwerter zueinander versetzt sind.

Durch die versetzte Anordnung erfolgt eine Temperierung eben- falls mit versetzten Punkten zueinander, wobei die Punkte ineinanderlaufend homogen kühlen und das ausgeströmte Fluid in den Bereich zwischen zwei Schwertern eingesaugt und abgeführt wird . Vorzugsweise wird das zu temperierende Element, z. B. eine zu temperierende Platte, hierbei bewegt, sodass die Bewegung der Platte einerseits und die versetzte Anordnung der Düsen ande ^¬ rerseits dafür sorgt, dass das Temperiertluid alle Bereiche der Platte überströmt, sodass eine homogene Temperierung er- zielt wird.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläu ^¬ tert. Es zeigen dabei Figur 1 eine Draufsicht auf eine Mehrzahl von parallel zuei ^¬ nander angeordneten Temperierschwertern;

Figur 2 die Anordnung der Temperierschwerter gemäß des

Schnittes A-A in Figur 1 ; Figur 3 einen Längsschnitt durch ein Temperierschwert ent ^¬ sprechend der Schnittlinie C-C in Figur 2 ; Figur 4 die Detailvergrößerung D aus Figur 3 zeigend die Düsen;

Figur 5 die Anordnung der Temperierschwerter in einer schematischen perspektivischen Ansicht;

Figur 6 eine Detailvergrößerung des Randbereichs der Tempe ^¬ rierschwerter mit einem Versatz innerhalb der

Schwertanordnung; Figur 7 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen

Anordnung von Temperierschwertern, welche in einem Temperierblock zusammengefasst sind;

Figur 8 die Anordnung nach Figur 7 in einer perspektivischen

Ansicht auf die Rückseite;

Figur 9 eine Ansicht von erfindungsgemäßen Temperierschwertern in deren Innenraum; Figur 10 angedeutet die Temperierschwerter mit den Düsen, wobei eine zu temperierende Platte mit der Temperatur ^¬ verteilung und der Fluidtemperaturverteilung gezeigt ist ; Figur 11 die Anordnung nach Figur 10, zeigend die Geschwindig ^¬ keitsVerteilung;

Figur 12 schematisch die Anordnung zweier gegenüberliegender

Temperierkästen aus einer Mehrzahl von versetzt zuei- nander angeordneten erfindungsgemäßen Temperierschwertern und einem Bewegungsschlitten zum Hindurchbewegen eines zu kühlenden Ob ekts; Figur 13 eine Aufheizkurve erzielt mit einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung an einer ebenen Blechplatine zeigend die Blechtemperatur .

Eine mögliche Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren 1 besitzt zu ^¬ mindest ein Temperierschwert 2. Das Temperierschwert 2 ist lang gestreckt klappenartig ausgebildet und besitzt eine Tem ^¬ perierschwertbasis 3, zwei sich von der Temperierschwertbasis weg erstreckende Temperierschwertbreitseiten 4, zwei Temperierschwertschmalseiten 5, welche die Temperierschwertbreit ^¬ seiten verbinden, und eine freie Düsenkante 6.

Das Temperierschwert 2 ist hohl mit einem Temperier- schwerthohlraum 7 ausgebildet, wobei der Hohlraum von den Temperierschwertbreitseiten 4, den TemperierschwertSchmalseiten 5 und der Düsenkante 6 umschlossen wird, wobei das Temperier ^¬ schwert an der Basis 3 offen ist. Mit der Temperierschwertba- sis 3 ist das Temperierschwert in einen Temperierschwertrahmen 8 eingesetzt, wobei der Temperierschwertrahmen 8 auf einen hohlen Fluidzuführkasten aufsetzbar ist.

Im Bereich der Düsenkante 6 ist eine Mehrzahl von Düsen bzw. Öffnungen eigebracht, welche in den Hohlraum 7 reichen und so- mit das Ausströmen von Fluid aus dem Hohlraum nach außen durch die Düsen 10 hindurch ermöglicht.

Von den Düsen erstrecken sich Düsenkanäle 11 in den Hohlraum 7 hinein, welche die Düsen zumindest im Bereich der Düsenkante 6 räumlich voneinander trennen. Die Düsenkanäle sind dabei im Querschnitt vorzugsweise keilförmig ausgebildet, sodass die Düsenkanäle bzw. Düsen durch keilförmige Stege 12 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind die Düsenkanäle dabei so aus- gebildet, dass sie sich zum Hohlraum 7 hin erweitern, sodass ein einströmendes Fluid durch die Verengung der Düsenkanäle beschleunigt wird.

Die Temperierschwertbreitseiten 4 können von der Temperier- schwertbasis 3 zur Düsenkante 6 hin konvergierend ausgebildet sein, sodass der Hohlraum sich zur Düsenkante 6 hin verengt.

Zudem können die TemperierschwertSchmalseiten 5 konvergierend oder divergierend ausgebildet sein.

Vorzugsweise sind zumindest zwei Temperierschwerter 2 vorhan ^¬ den, welche bezüglich der Breitseiten parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Temperierschwerter 2 bezüglich des Abstandes der Düsen 10 um einen halben Düsenabstand zueinander versetzt sind.

Darüber hinaus können auch mehr als zwei Temperierschwerter 2 vorhanden sein. Die Düsen 10 können, bezogen auf die Erstreckung der Düsenkante, ebenfalls länglich fluchtend zur Düsenkante ausgebildet sein, die Düsen können jedoch auch rund, oval fluchtend zur Düsenkante oder oval quer zur Düsenkante sechs-, acht- oder mehreckig ausgebildet sein.

Insbesondere wenn die Düsen, bezogen auf die Längserstreckung der Düsenkante, ebenfalls länglich ausgebildet sind, insbeson ^¬ dere länglich oval oder länglich vieleckig, ergibt sich eine Drehung eines austretenden Fluidstrahls (Figuren 10, 11), wo- bei sich durch eine versetzte Anordnung um einen halben Düsenabstand ein Temperiermuster auf einem plattenartigen Körper ergibt (Figur 10), welche entsprechend versetzt ist. Auch das entsprechende Geschwindigkeitsprofil ergibt eine ent ^¬ sprechende Verteilung (Figur 11).

Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass aus den Düsen 10 ausströmendes Fluid zwar auf die Oberfläche eines zu temperie- renden Körpers prallt (Figuren 10, 11), jedoch offensichtlich zwischen den zumindest zwei Schwertern der Temperiervorrichtung 1 eintauchend abfließt, sodass die Temperierströmung an der Oberfläche eines zu temperierenden Körpers nicht gestört wird .

Bevorzugt gelten die folgenden Bedingungen:

Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 x A / U Abstand Düse zu Körper = H

Abstand zwischen zweiTemperierschwerter/Kühlzylinder = S

Länge der Düse = L

L >= 6 x DH

H <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH

S <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH (staggered array)

Oszillation = halbe Teilung des Abstand zwischen zwei Temperierschwerter in X, Y (evtl. Z)

Eine Vorrichtung zum Temperieren (Figur 12) besitzt z. B. zwei Anordnungen von Temperierschwertern 2 in einem Temperierschwertrahmen 8, wobei die Temperierschwertrahmen 8 mit entsprechenden Fluidzuführungen 14 und insbesondere auf der den Temperierschwertern 2 abgewandten Seite mit einem Fluidkasten ausgebildet sind, in dem unter Druck stehendes Fluid vorhanden ist, insbesondere durch die Zuführung unter Druck stehendes Fluid.

Soll die Vorrichtung zum Temperieren einen Körper kühlen wird dementsprechend ein Kühlmedium verwendet, welches vorzugsweise einem Temperierschwert zugeführt, wobei bei einer Mehrzahl von Temperierschwertern vorzugsweise das Kühlmedium dem Fluidzu- führkasten zentral zugeführt und von dort auf die Temperier ^¬ schwerter verteilt wird.

Bei der Verwendung der Temperiervorrichtung zum Erhitzen einer entsprechenden Platte oder eines entsprechenden Gegenstandes bietet es sich an, dass die Erhitzung über gasförmige Medien erfolgt .

Diese gasförmigen Medien können außerhalb der Vorrichtung zum Temperieren entsprechend auf eine Zieltemperatur erhitzt werden. Eine solche Erhitzung ist beispielsweise mit herkömmli ^¬ chen Winderhitzern möglich.

Ferner ist es möglich, eine Erhitzung der entsprechenden Fluide in Fluidzuführkasten durchzuführen. Hierbei können die Fluide über eine direkte oder indirekte Beheizung erhitzt werden, insbesondere durch Brenner, Strahlrohre, elektrische Wider- Standsbeheizungen und dergleichen.

Darüber hinaus ist es auch möglich, die durch Brenner erzeugten heißen Abgase direkt zu verwenden. In diesen Fällen ist es zudem möglich, die entsprechenden Gase vorher oder anschließend entsprechend zu beschleunigen oder unter Druck zu setzen, um ein ausreichendes Ausströmen aus den Düsen zu gewährleisten. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Platine mittels rein konvektiver Erwärmung mit einem mit einem 1100°C heißem Gas und einem Wärmeübergangskoeffizienten von 200 W/m ^Ä 2/K temperiert .

Die Aufheizkurve (Temperatur in °C über die Zeit in s) bei dieser rein konvektiver Erwärmung wird in Figur 13 dargestellt. Man erkennt sehr gut, dass sich rasch eine Erwärmung auf eine Temperatur von über Ac3, also der Austenit isierungs- temperatur, welche bei einem Mangan-Bor Stahl beispielsweise 900 °C beträgt einstellt und sich diese Methode daher bei ^¬ spielsweise auch gut für die Warmumformung eignet.

Selbstverständlich muss nicht eine ebene Platine hierfür verwendet werden sondern kann auch ein entsprechend vorgeformtes Bauteil erhitzt werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird nur ein Teilbereich der Platine temperiert, d.h. von Raumtemperatur (ca. 20 °C) auf über Ac3 (ca. 900°C) erhitzt.

Vorteilhafterweise werden durch die partielle Austenitisierung nur diese Bereiche gehärtet und andere Bereiche der Platine verbleiben nach einem Warmumformschritt (hier nicht näher beschrieben) weich. Die Einstellung dieser Zone kann - je nach Ausführung der Düsenschwerter - recht exakt eingestellt sein und in diesem Bei ^¬ spiel bereits Bereiche innerhalb der Platine von mindestens 60 mm x 60 mm auf wenige Millimeter exakt temperieren. Falls Randbereiche der Platine betroffen wären, können diese durch entsprechende Bewegung durch das Düsenfeld noch exakter tempe ^¬ riert werden wenn Teile der Platine das Düsenfeld eben nicht durchlaufen . In einem dritten Ausführungsbeispiel wird gezeigt, dass die Platine auch vorerwärmt sein kann - beispielsweise durch einen Rollenherdofen oder andere Speicheröfen. Danach erfolgt wiederum die voll- oder teilflächige Temperie ^¬ rung der Platine auf über Ac3 durch Gaserwärmung.

Einlasstemperatur Gas: 1800 °C.

Starttemperatur für Platine: 500 °C

Endtemperatur Platine: 1200 °C

Zeitdauer von 500°C auf 1200 °C: ca. 30 sec

Zeitdauer von 500°C auf 900 °C: ca. 16 sec

Anordnung: beidseitige Heizung

Zusätzlich ist eine Bewegungsvorrichtung 16 vorhanden, wobei die Bewegungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass sie einen zu temperierenden Körper zwischen den gegenüberliegenden Temperierschwertanordnungen so hindurch führen kann, dass auf den zu temperierenden Körper beidseitig kühlend eingewirkt werden kann .

Die Abstände der Düsenkanten 6 zum zu temperierenden Körper betragen dabei z. B. 5 bis 250 mm.

Durch eine Relativbewegung entweder der Vorrichtung zum Tempe- rieren zu einem zu temperierenden Körper oder umgekehrt bewegt sich das Temperiermuster gemäß Figur 10 über die Oberfläche des zu temperierenden Körpers, wobei das von dem heißen Körper abströmende Medium zwischen den Temperierschwertern 2 ausreichend Raum vorfindet um abzuströmen und somit kein Crossflow auf der zu temperierenden Oberfläche entsteht.

Erfindungsgemäß können die Zwischenräume mit entsprechenden Strömungsmitteln mit einer zusätzlichen Querströmung beauf- schlagt werden um das auf den zu temperierenden Körper strömende Medium zwischen den Schwertern abzusaugen.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine homogene Tempe- rierung von zu temperierenden Elementen möglich ist, welche kostengünstig ist und eine hohe Variabilität hinsichtlich der Zieltemperatur und möglicher Durchlaufzeiten besitzt.

Bezugs zeichen

1 Vorrichtung zum Temperieren

2 Temperierschwert

3 Temperierschwertbasis

4 Temperierschwertbreitseiten

5 TemperierschwertSchmalseiten

6 Düsenkante

7 Hohlraum

8 Temperierschwertrahmen

10 Düsen

11 Düsenkanäle

12 keilförmige Stege

14 Fluidzuführungen