CH714521A2 - Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Spritzen von Fluiden, insbesondere zum Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen. - Google Patents

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Spritzen von Fluiden, insbesondere zum Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen (HVSFS) angegeben, mit einem Brenner, in dem eine Brennkammer (32) vorgesehen ist, an der ein Expansionsrohr zum Austritt eines Spritzstrahls mündet, mit einer Zufuhr von Brennstoffgemisch in die Brennkammer (32), und mit einem Injektor (40) zur Zuführung eines zu spritzenden Fluids in die Brennkammer (32) über eine Düse (50), die auswechselbar am Injektor (40) gehalten ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen (HVSFS). HVSFS ist ein neuartiges Verfahren, um nanostrukturierte Beschichtungen mit Hilfe von thermischem Spritzen durch Überschallspritzen zu erzeugen. Dabei können sehr dünne, dichte und gut haftende Schichten erzeugt werden, welche insbesondere keramisch sind, wie etwa Schichten, die aus Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zirkonoxid bestehen (vgl. A. Killinger, M. Kuhn, R. Gadow, «High-Velocity Suspension Flame Spraying (HVSFS), a new approach for spraying nanoparticles with hypersonic speed», Surface and Coatings Technology, Voi. 201, Issue 5, 25 October 2006, Pages 1922-1929).

[0002] Aus der DE 10 2005 038 453 A1 sind das HVSFS-Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Danach können eine oder mehrere Suspensionen über eine oder mehrere Düsen in eine Brennkammer zugeführt und dort mittels eines Brennstoffgemischs über ein Expansionsrohr beschleunigt werden.

[0003] HVSFS erfordert eine Verarbeitung von Pulvern mit sehr kleiner Partikelgrösse im nanoskaligen Bereich. Beim HVSFS wird im Stand der Technik keine aktive Zerstäubung eingesetzt. Der Zerfall des Flüssigkeitsstrahls erfolgt dabei unkontrolliert durch Turbulenzen in der Brennkammer.

[0004] Aus M. Rukosuyev, S.A. Baqar, M.B.G. Jun, «Development and Evaluation of Flame-Assisted Dual Velocity Nonoparticle Coating System, Journal of Micro- and Nano-Manufacturing December2017, Voi. 5, p. 044 501-1-044 501-5 ist ein Verfahren zum Flammspritzen bekannt, bei dem eine externe Zerstäubung mittels Ultraschall erfolgt.

[0005] Eine externe Zerstäubung kann allerdings bereits zu einer Entmischung vor der Zuführung in den Brenner führen. Auch durch ein solches Verfahren können die Probleme, welche im Stand der Technik bestehen, nicht behoben werden, nämlich insbesondere ein unkontrollierter Tropfenzerfall, schlecht kontrollierbare Prozesse und Spritzergebnisse, sowie unerwünschte Ablagerungen im Düsenkopf mit der Folge von Verstopfungen, unerwünschte Ablagerungen im Bereich der Brennkammerwände, die sich im Verlauf des Beschichtungsprozesses ablösen können und in die Beschichtung eingebaut werden können, was die Schichtqualität beeinträchtigt.

[0006] Insbesondere besteht das Problem, dass die Düse häufig verstopft, was zur Unterbrechung des Prozesses führt. Der Brenner muss dann in aufwändiger Weise zerlegt und gereinigt werden.

[0007] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum thermischen Spritzen zu schaffen, das insbesondere zum HVSFS geeignet ist und womit die im Stand der Technik bestehenden Probleme zumindest teilweise vermieden werden.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Fluiden, insbesondere zum Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen (HVSFS), gelöst, mit einem Brenner, in dem eine Brennkammer vorgesehen ist, an der ein Expansionsrohr zum Austritt eines Spritzstrahls mündet, mit einer Zufuhr von Brennstoffgemisch in die Brennkammer, und mit zumindest einem Injektor zur Zuführung eines zu spritzenden Fluids in die Brennkammer über eine Düse, die auswechselbar am Injektor gehalten ist.

[0009] Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

[0010] Da die Düse erfindungsgemäss leicht ausgewechselt werden kann, kann diese im Falle einer Verstopfung schnell gewechselt werden, sodass ein Beschichtungsprozess nur für kurze Zeit unterbrochen werden muss. Ferner können verschiedene Düsen verwendet werden, die an unterschiedliche zu spritzende Materialien angepasst sind, sodass z.B. die Injektionsöffnung, aus der das zu spritzende Material in die Brennkammer des Brenners austritt, in geeigneterweise angepasst werden kann.

[0011] Da beim HVSFS je nach Art des zu spritzenden Materials das zu spritzende Material sowohl in einer Form einer Lösung als auch in Form einer Suspension vorliegen kann, werden im Rahmen dieser Anmeldung beide Ausführungsformen unter dem Oberbegriff «zu spritzendes Fluid» zusammengefasst.

[0012] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Düse mittels eines Gewindes am Injektor befestigt, vorzugsweise axial verstellbar.

[0013] Auf diese Weise ist ein schnelles Auswechseln ermöglicht. Gleichzeitig kann der axiale Abstand der Injektionsöffnung der Düse zur Brennkammerwand auf diese Weise verstellt werden.

[0014] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Düse an einem äusseren Ende eines Rohrs vorgesehen und gemeinsam ist mit diesem auswechselbar.

[0015] Auch mit einer solchen Ausführung ist ein einfaches Auswechseln der Düse ermöglicht.

[0016] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Injektor eine separate Zuführung für ein zu spritzendes Fluid und für ein Zerstäubergas bis zur Düse auf.

[0017] Auf diese Weise kann eine möglichst kontrollierte Zerstäubung des zu spritzenden Fluids gewährleistet werden.

[0018] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Düse eine Düsenkammer auf, die über eine Injektionsöffnung in den Brennraum mündet.

CH 714 521 A2 [0019] In der Düsenkammer findet die eigentliche Zerstäubung des zu spritzenden Fluids statt. Von der Düsenkammer gelangt dann das zerstäubte Fluid über die Injektionsöffnung in den Brennraum.

[0020] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Injektor mindestens zwei zueinander koaxiale Rohre zur Zuführung von Zerstäubergas und zu spritzendem Fluid zur Düse auf.

[0021] Auf diese Weise ergibt sich eine sehr kontrollierte Zuführung von Zerstäubergas und zu spritzendem Fluid zur Düse.

[0022] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist ein innenliegendes Rohr eine Aussenoberfläche mit einer Struktur auf, die eine Zerstäubung des Fluids unterstützt. Vorzugsweise gelangt hierbei das zu spritzende Fluid durch das innenliegende Rohr in die Düsenkammer. Durch das in diesem Falle aussen umströmende Zerstäubergas werden auf diese Weise kontrolliert Turbulenzen erzeugt, sodass sich eine gleichmässige Zerstäubung ergibt. Dabei kann das zu spritzende Fluid durch das innenliegende Rohr strömen und in dem umgebenden Hohlraum das Zerstäubergas strömen. Gleichfalls ist eine umgekehrte Anordnung mit aussen strömendem zu spritzendem Fluid und mit innen strömendem Zerstäubergas denkbar.

[0023] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Aussenoberfläche des innenliegenden Rohrs Stabilisierungselemente auf, die vorzugsweise spiralartig angeordnet sind.

[0024] Auf diese Weise wird das aussen umströmende Medium mit einem Drall versehen, sodass eine besonders gleichmässige und kontrollierte Zerstäubung stattfinden kann.

[0025] Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das innenliegende Rohr an seinem äusseren Ende selbst mit einer vorzugsweise konischen Düsenöffnung versehen.

[0026] Auch hierdurch eine verbesserte Vermischung bzw. verbesserte Zerstäubung eines hierdurch geführten Mediums gewährleistet.

[0027] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Injektor Kanäle für eine separate Zufuhr eines ersten Fluids, eines zweiten Fluids und eines Zerstäubergases auf.

[0028] Auf diese Weise können ein erstes zu spritzendes Fluid und ein zweites zu spritzendes Fluid erst in der Düse gemischt werden. Dies ist insbesondere für solche Fluide von Vorteil, die sich nur schwer mischen lassen oder die miteinander reagieren oder sich in sonstiger Weise nachteilig beeinflussen.

[0029] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Injektor lösbar am Brenner gehalten, insbesondere mittels eines Gewindes oder eines Schnellverschlusses.

[0030] Auf diese Weise kann der Injektor, der ausschliesslich der Zuführung, der Zerstäubung und der Injektion des zu spritzenden Fluids in die Brennkammer dient, leicht gelöst und aus dem Brenner nach hinten herausgezogen werden. So kann der Injektor leicht getauscht werden oder die Düse ausgewechselt werden.

[0031] Die Düse besteht vorzugsweise aus Messing oder Edelstahl. Die Rohre und die zugehörigen Teile, durch die Zerstäubergas und das zu spritzende Fluid bzw. die zu spritzenden Fluide geführt werden, bestehen vorzugsweise aus Edelstahl. Der Gasmischblock besteht vorzugsweise aus Kupfer.

[0032] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht zumindest ein Kanal zur Zuführung von Fluid aus Kunststoff, insbesondere PTFE, oder aus Keramik oder ist mit Kunststoff oder Keramik zumindest an seiner Innenoberfläche beschichtet.

[0033] Auf diese Weise können Fluide, die gegenüber metallischen Leitungen empfindlich sind, die damit reagieren oder in anderer Weise nachteilig beeinträchtigt werden, ohne Probleme bis zur Düse geführt werden, in der die Zerstäubung und Injektion in die Brennkammer erfolgt.

[0034] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der innenliegende Kanal zur Zuführung von zu spritzendem Fluid rotierend antreibbar.

[0035] Auf diese Weise kann eine noch bessere und gleichmässigere Zerstäubung des zu spritzenden Fluids gewährleistet werden.

[0036] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Düse und der Brennkammer ein Hitzeschild vorgesehen.

[0037] Dies hat den Vorteil, dass die Erwärmung der Düse reduziert wird, was einer Entstehung von Ablagerungen in der Düse entgegenwirkt.

[0038] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Brenner einen mittels eines Kühlmediums, insbesondere Wasser oder Druckluft, gekühlten Gasmischblock auf.

[0039] Auf diese Weise kann vorgemischter Brennstoff in die Brennkammer zugeführt werden und gleichzeitig die thermische Belastung des Brenners reduziert werden.

CH 714 521 A2 [0040] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Hitzeschild eine ringförmige Abschirmung aus Keramik im Bereich des brennkammerseitigen Endes der Düse auf, welche über eine wärmeleitfähige ringförmige Struktur, vorzugsweise in Form eines eingepressten Kupferrings, mit dem gekühlten Gasmischblock des Brenners verbunden ist. [0041] Auf diese Weise ergibt sich eine einfache Montage des Hitzeschildes bei gleichzeitig sehr hoher Wirksamkeit.

[0042] Obwohl in der Regel nur ein Injektor vorgesehen ist, über den das thermisch zu spritzende Material in die Brennkammer injiziert wird, können grundsätzlich für Sonderzwecke auch mehrere Injektoren vorgesehen sein, z.B. können zwei oder mehr Injektoren in zugeordneten Bohrungen eines gemeinsamen Aussenrohrs auswechselbar aufgenommen sein.

[0043] Die Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum thermischen Spritzen, insbesondere mittels Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen (HVSFS), gelöst, bei dem ein zu spritzendes Fluid und ein Zerstäubergas separat in eine Düse eines Injektors zugeführt, dort vermischt und in eine Brennkammer ausgestossen werden, in der das zu spritzende Material mittels eines brennenden Brennstoffgemisches durch ein Expansionsrohr beschleunigt wird, um ein Objekt zu beschichten.

[0044] Mit einem derartigen Verfahren lässt sich eine kontrollierte Zuführung und Zerstäubung eines zu spritzenden Fluids und damit ein kontrollierter Prozess beim thermischen Spritzen gewährleisten.

[0045] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens werden mehrere zu vermischende Fluide separat in die Düse zugeführt und dort mittels Zerstäubergas zerstäubt.

[0046] Auf diese Weise können verschiedene Fluide, die miteinander schlecht mischbar sind, oder die miteinander reagieren oder sich in sonstiger Weise nachteilig beeinflussen, gemeinsam verarbeitet und thermisch gespritzt werden.

[0047] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein Fluid, insbesondere ein gegenüber metallischen Oberflächen empfindliches oder instabiles Fluid, über einen Kunststoffkanal oder Keramikkanal oder einen mit Kunststoff oder Keramik beschichteten Kanal in die Düse zugeführt.

[0048] Auf diese Weise können Fluide, die gegenüber metallischen Kanälen empfindlich oder instabil oder reaktiv sind, verarbeitet werden.

[0049] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden zwei oder mehrere Fluide, die miteinander instabil oder reaktionsfähig sind, in separaten Kanälen in die Düse zugeführt und mittels Zerstäubergas zerstäubt.

[0050] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zerstäubung des mindestens einen Fluides durch Drall erzeugende Strukturen an der Aussenoberfläche eines Kanals, über den das zu spritzende Fluid zugeführt wird, und/oder durch einen rotierenden Antrieb des Kanals unterstützt.

[0051] Auf diese Weise wird eine besonders gute und homogene Zerstäubung des zu spritzenden Fluids selbst bei sehr schwer zerstäubbaren Fluiden gewährleistet.

[0052] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

[0053] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum thermischen Spritzen in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine Längsansicht des Brenners gemäss Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrösserten Schnitt durch den Brenner gemäss Fig. 2 längs der Linie lll-lll;

Fig. 4 eine vergrösserte Darstellung des Details IV gemäss Fig. 3;

Fig. 5 eine vergrösserte Darstellung des Details V gemäss Fig. 3;

Fig. 6 eine Längsansicht des Injektors gemäss Fig. 3;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch den Injektor gemäss Fig. 6;

Fig. 8 eine vergrösserte Darstellung des Details VIII im Bereich der Spitze des Injektors;

Fig. 9 eine alternative Ausführung der Düse mit drei zueinander axialen Kanälen für die Zuführung von Zerstäubergas und zwei zu spritzenden Fluiden;

Fig. 10 einen Teilschnitt des vorderen Bereiches der Düse und der umgebenden Gasmischkammer mit der zusätzlichen Anordnung eines Hitzeschildes;

Fig. 11 eine perspektivische Aussenansicht der Düse in vergrösserter Darstellung;

CH 714 521 A2

Fig. 12 eine angeschnittene perspektivische Darstellung der Düse mit zusätzlicher Andeutung des innenliegenden Rohrs mit Drall erzeugenden Strukturen am äusseren Ende und mit einer Düsenöffnung am innenliegenden Rohr;

Fig. 13 ein Foto des Rohrs gemäss Fig. 12;

Fig. 14 ein Foto eines Rohrs mit einer abgewandelten, äusseren Drall erzeugenden Struktur;

Fig. 15 eine schematische Darstellung der Düse im Bereich ihres brennkammerseitigen Endes mit einer ersten Konfiguration, in welcher das zu zerstäubende Fluid innen geführt wird und das Zerstäubergas im äusseren Kanal;

Fig. 16 eine Darstellung gemäss Fig. 15 mit umgekehrter Führung von Fluid und Zerstäubergas;

Fig. 17 eine abgewandelte Ausführung des Brenners gemäss Fig. 3 und

Fig. 18 eine vergrösserte Darstellung des Details XVIII gemäss Fig. 17.

[0054] In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 weist einen Brenner 30 auf, der über ein Umschaltventil 26 mit einer zu spritzenden Suspension oder einer zu spritzenden Lösung (insgesamt als zu spritzendes Fluid bezeichnet) versorgt wird. Der Brenner 30 weist ferner eine Brenngasleitung 16 zur Zuführung von Brenngas (im vorliegenden Fall Ethen) und von einem Oxidationsmittel 18 (im vorliegenden Fall Sauerstoff) auf. Der Brenner 30 ist ferner mit einer Wasserkühlung versehen und weist hierzu einen Kühlwasserzulauf 12 und einen Kühlwasserablauf 14 auf. Die zu spritzende Suspension befindet sich in einem Behälter 20. In einem Behälter 22 befindet sich ein Spülmedium. Mittels der Förderpumpe 24 wird die zu spritzende Suspension über das Ventil 26 zum Brenner 30 zugeführt. Der Brenner 30 und die Zuführung von Suspension (zu spritzendem Fluid) werden über eine zentrale Steuerung 28, vorzugsweise eine SPS-Steuerung, gesteuert. Üblicherweise ist hierbei der Brenner 30 an einem Roboterarm (nicht dargestellt) aufgenommen, der mittels der zentralen Steuerung 28 gesteuert ist. [0055] Fig. 2 zeigt den Brenner 30 in einer Längsansicht.

[0056] Aus dem vergrösserten Längsschnitt gemäss Fig. 3 sind weitere Details des Brenners 30 erkennbar.

[0057] Der Brenner 30 weist eine Brennkammer 32 auf, an die sich ein Expansionsrohr 34 anschliesst. In die Brennkammer 32 wird über einen Gasmischblock 38 vorgemischtes Brennstoffgemisch zugeführt. Die Zuführung des zu spritzenden Fluids erfolgt über einen Injektor 40, der an der Rückseite des Gehäuses 36 des Brenners 30 lösbar befestigt ist. Der Injektor 40 reicht mit einer Düse an seinem vorderen Ende bis an die Brennkammer 32 heran.

[0058] Am rückwärtigen, der Brennkammer 32 abgewandten Ende des Gehäuses 36 sind in Fig. 3 ferner noch die Anschlüsse 44 und 46 für das Brenngas und den Sauerstoff erkennbar. Der Injektor 40 weist an seinem rückwärtigen Ende ferner Anschlüsse 12, 14 für die Kühlwasserzufuhr und den Kühlwasserablauf auf. Zu spritzendes Fluid wird über eine Ende 56 in den zentralen Kanal des Injektors 40 zugeführt, wie über den Pfeil 43 angedeutet. Ferner ist noch ein Anschluss 42 für die Zufuhr von Zerstäubergas in Fig. 3 erkennbar.

[0059] Bei dem hier dargestellten HVSFS wird das zu spritzende Fluid, wie nachfolgend noch im Detail erläutert, über den Injektor 40 zugeführt, in der Düse mit Zerstäubergas vermischt und kontrolliert in die Brennkammer 32 eingespritzt. Das in die Brennkammer 32 über den Gasmischblock 38 vorgemischte Brennstoffgemisch entzündet sich, schmilzt das in die Brennkammer injizierte, zerstäubte Fluid auf und führt zum Austritt eines erhitzten Strahls durch das Expansionsrohr 34 mit Überschallgeschwindigkeit.

[0060] Aus dem Detail gemäss Fig. 4 ist das brennkammerseitige Ende des Injektors 40 mit der Düse 50 erkennbar. Aus der Düse 50 tritt das zerstäubte zu spritzende Fluid über die Injektionsöffnung 52 in die Brennkammer 32 aus. Mit 48 sind die Auslässe für das Brennstoffgemisch, das in dem Gasmischblock 38 vorgemischt wird, bezeichnet. Die Auslässe für das Brenngasgemisch 48 sind ringförmig verteilt um die Injektionsöffnung 52 herum angeordnet.

[0061] Fig. 5 zeigt eine vergrösserte Darstellung im Bereich des rückwärtigen Endes des Gehäuses 36. Am rückwärtigen Ende des Gehäuses 36 ist ein Schnellverschluss 54 vorgesehen, mit Hilfe dessen der Injektor 40 mittels zweier nach aussen hervorstehender Federbolzen mit einem Handgriff festgelegt oder gelöst werden kann. Ist der Injektor 40 gelöst, so kann dieser vollständig aus dem Brenner 40 nach hinten herausgezogen werden.

[0062] Fig. 6 und 7 zeigen eine vergrösserte Darstellung des Injektors 40 in Längsansicht und im Längsschnitt.

[0063] Fig. 8 zeigt den näheren Aufbau des Injektors 40 im Bereich der Düse. Der Injektor 40 weist an seinem äusseren Ende die Düse 50 auf. Die Düse 50 ist über ein Gewinde 58 mit einem Aussenrohr 55 des Injektors 40 verschraubt. Das zu spritzende Fluid wird über ein zentrales Rohr 64 bis in eine Düsenkammer 62 der Düse 50 zugeführt. Über ein zum zentralen Rohr 64 koaxiales Rohr 66 wird Zerstäubergas zugeführt. Im Bereich der Mündung des zentralen Rohrs 64 erfolgt eine kontrollierte Zerstäubung des zu spritzenden Fluids. Die Düse 50 ist über einen O-Ring 60, der in einer zugeordneten Ringnut aufgenommen ist, gegenüber dem koaxialen Rohr 66 abgedichtet. Durch Verdrehen der Düse 50 kann diese in Axialrichtung zur Brennkammer 32 hin verstellt werden.

CH 714 521 A2 [0064] Gegenüber der Brennkammer 32 ist die vorzugsweise aus Messing bestehende Düse 50 durch einen Hitzeschild 70 abgeschirmt, wie in Fig. 10 schematisch dargestellt. Vor der brennkammerseitigen Stirnfläche der Düse 50 ist eine Wärmeabschirmung in Form eines Keramikrings 72, etwa aus Aluminiumoxid bestehend, angeordnet. Zur Festlegung dient ein in das äussere Ende des Gasmischblockes 38 eingepresster Kupferring 74. Während der Keramikring 72 zur Wärmeabschirmung dient, führt der Kupferring 74 zu einer Wärmeableitung in den wassergekühlten Gasmischblock 38. Alternativ könnte der Kupferring 74 auch einstückig mit einem aus Kupfer bestehenden Gasmischblock 38 ausgebildet sein.

[0065] Fig. 9 zeigt eine Abwandlung der Düse, die insgesamt mit 50a bezeichnet ist. Hierbei ist zusätzlich ein weiterer Kanal zur Zuführung eines zweiten zu spritzenden Fluids koaxial angeordnet. In die Düse 50a münden somit ein innenliegendes Rohr 64, in dem ein innerer Kanal 65 vorgesehen ist, ein dazu koaxiales mittleres Rohr 66 mit einem ringförmigen mittleren Kanal 67, sowie ein äusseres Rohr 68, wodurch ein äusserer ringförmiger Kanal 69 definiert ist. Der innenliegende Kanal 65 kann zur Zufuhr des ersten Fluids genutzt werden, der mittlere Kanal 67 zur Zufuhr des zweiten Fluids und der äussere Kanal 69 zur Zuführung von Zerstäubergas. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Anordnung denkbar, wie nachfolgend noch anhand der Fig. 15 und 16 näher beschrieben wird.

[0066] Es versteht sich, dass darüber hinaus auch weitere, vorzugsweise koaxiale Rohre für die Zuführung von weiteren zu spritzenden Fluiden vorgesehen sein können.

[0067] Fig. 11 zeigt eine vergrösserte perspektivische Aussenansicht der Düse 50. Am äusseren, brennkammerseitigen Ende der Düse 50 befinden sich zwei zueinander parallele Abflachungen 76, sodass die Düse 50 leicht mittels eines Schraubenschlüssels verstellt oder ausgebaut werden kann. In Fig. 11 sind ferner noch die Injektionsöffnung 52 am brennkammerseitigen Ende und das Gewinde 58 erkennbar.

[0068] Aus der Darstellung gemäss Fig. 12 ist die Zufuhr des zu spritzenden Fluids über den zentralen Kanal 64 bis in die Düsenkammer 62 erkennbar. Das zu spritzende Fluid wird über das zentrale Rohr 64 über eine eigene konisch zulaufende Düsenöffnung 79 bis in die Düsenkammer 62 geführt. Auf dem düsenseitigen Ende des zentralen Rohrs 64 ist eine Struktur 78 mittels SLM (Sélective Laser Melting) oder 3D-Metalldruck-Verfahren aufgebracht. Durch die Struktur 78 wird das umströmende Medium mit einem Drallimpuls versehen, sodass sich eine verbesserte Zerstäubung und ein besser kontrollierter Prozess ergeben.

[0069] Fig. 13 zeigt ein Foto einer solchen Struktur 78 am vorderen Ende des zentralen Rohrs 64.

[0070] Eine leicht abgewandelte Ausführung einer solchen Struktur ist in Fig. 14 dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 78a bezeichnet. Hier ist auch das düsenseitige Ende des Rohrs 64 mit seiner Austrittsöffnung erkennbar.

[0071] In den Fig. 15 und 16 ist schematisch dargestellt, dass in der Düse 50 das Zerstäubergas entweder durch den aussenliegenden Kanal 67 geführt sein kann, wie durch den gestrichelten Pfeil 80 angedeutet ist, und das zu spritzende Fluid durch den innenliegenden Kanal 65 geführt wird, wie durch den Pfeil 81 angedeutet.

[0072] Alternativ kann die Anordnung auch umgekehrt getroffen sein, indem das Zerstäubergas durch den inneren Kanal 65 geführt wird, wie durch den gestrichelten Pfeil 83 angedeutet ist und das zu spritzende Fluid durch den äusseren Kanal 67 geführt wird, wie durch den ausgezogenen Pfeil 82 angedeutet ist. In jedem Fall erfolgt im Bereich des Austrittsendes des inneren Kanals 65 in der Düsenkammer 62 eine Zerstäubung des Fluids, das anschliessend über die Injektionsöffnung 52 in die Brennkammer 32 austritt.

[0073] Sofern Materialien thermisch gespritzt werden sollen, die gegenüber Metallen empfindlich sind, damit reagieren oder in sonstigerWeise nachteilig beeinträchtigt werden, so können die betreffenden Leitungen auch aus Kunststoff (insbesondere PTFE) oder Keramik bestehen oder zumindest an ihrer Innenoberfläche mit Kunststoff oder Keramik beschichtet sein.

[0074] Auf diese Weise wird es möglich, nunmehr auch Stoffe, die aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Metallen bisher nicht thermisch gespritzt werden konnten, nunmehr zu verarbeiten.

[0075] Des Weiteren können Fluide, die instabil sind, in kontrollierter Weise zerstäubt werden, da eine separate Zufuhr des Fluides und des Zerstäubergases bis zur Düse erfolgt.

[0076] Eine noch weitere Verbesserung bei der Zerstäubung kann dadurch erzielt werden, dass das innenliegende Rohr 64 rotierend angetrieben wird. In diesem Fall wird das zu spritzende Fluid durch das innenliegende Rohr 64 geleitet.

[0077] Die Fig. 17 und 18 zeigen beispielhaft eine derartige Ausführung. Hierbei ist der Brenner 30a mit einem entsprechend geänderten Injektor 40a versehen. Gemäss dem in Fig. 18 dargestellten Detail ist ein Drehantrieb 80 im Bereich des äusseren Endes des innenliegenden Rohrs 64 vorgesehen, der über einen Motor 82 und ein Getriebe 84 das innenliegende Rohr 64 drehbar antreibt.

Claims (20)

1. Patentansprüche

   1. Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Fluiden, insbesondere zum Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen (HVSFS), mit einem Brenner (30, 30a), in dem eine Brennkammer (32) vorgesehen ist, an der ein Expansionsrohr (34) zum Austritt eines Spritzstrahls mündet, mit einer Zufuhr von Brennstoffgemisch in die Brennkammer

   CH 714 521 A2 (32), und mit zumindest einem Injektor (40, 40a) zur Zuführung eines zu spritzenden Fluids in die Brennkammer (32) über eine Düse (50, 50a), die auswechselbar am Injektor (40, 40a) gehalten ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Düse (50, 50a) mittels eines Gewindes (58) am Injektor (40, 40a) befestigt ist, vorzugsweise axial verstellbar.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Düse (50, 50a) an einem äusseren Ende eines Rohrs (55, 64, 66, 68) vorgesehen ist und gemeinsam mit diesem auswechselbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Injektor (40, 40a) eine separate Zuführung für ein zu spritzendes Fluid und für ein Zerstäubergas bis zur Düse (50, 50a) aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Düse (50, 50a) eine Düsenkammer (62) aufweist, die über eine Injektionsöffnung (52) in den Brennraum (32) mündet.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Injektor (40, 40a) mindestens zwei zueinander koaxiale Rohre (64, 66, 68) zur Zuführung von Zerstäubergas und zu spritzendem Fluid zur Düse (50, 50a) aufweist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher ein innenliegendes Rohr (64) eine Aussenoberfläche mit einer Struktur (78, 78a) aufweist, die eine Zerstäubung des zu spritzenden Fluids unterstützt.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Aussenoberfläche des innenliegenden Rohrs (64) eine Struktur (78, 78a) mit Stabilisierungselementen aufweist, die vorzugsweise spiralartig angeordnet sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei welcher der Injektor (40, 40a) Kanäle (65, 67, 69) für eine separate Zufuhr eines ersten Fluids, mindestens eines zweiten Fluids und eines Zerstäubergases aufweist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Injektor (40, 40a) lösbar am Brenner (30, 30a) gehalten ist, insbesondere mittels eines Gewindes oder eines Schnellverschlusses (44).
11. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher zumindest ein Kanal (65, 67, 69) zur Zuführung von Fluid aus Kunststoff, insbesondere PTFE, oder Keramik besteht oder mit Kunststoff oder Keramik zumindest an seiner Innenoberfläche beschichtet ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das innenliegende Rohr (64) zur Zuführung von zu spritzendem Fluid rotierend antreibbar ist.
13. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher zwischen der Düse (50, 50a) und der Brennkammer (32) ein Hitzeschild (70) vorgesehen ist.
14. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Brenner (30, 30a) einen mittels eines Kühlmediums gekühlten Gasmischblock (38) aufweist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher der Hitzeschild (70) eine ringförmige Abschirmung (72) aus Keramik im Bereich des brennkammerseitigen Endes der Düse (50, 50a) aufweist, welche über eine wärmeleitfähige, ringförmige Struktur (74), vorzugsweise in Form eines eingepressten Kupferrings, mit dem gekühlten Gasmischblock (38) des Brenners (30, 30a) verbunden ist.
16. 16. Verfahren zum thermischen Spritzen, insbesondere mittels Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen (HVSFS), insbesondere mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein zu spritzendes Fluid und ein Zerstäubergas separat in eine Düse (50, 50a) eines Injektors (40,40a) zugeführt, dort vermischt werden und in eine Brennkammer (32) ausgestossen werden, in der sie mittels eines brennenden Brennstoffgemisches durch ein Expansionsrohr (34) beschleunigt werden, um ein Objekt zu beschichten.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem mehrere zu vermischende Fluide separat in die Düse (50, 50a) zugeführt und dort mittels Zerstäubergas zerstäubt werden.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem mindestens ein Fluid, insbesondere ein gegenüber metallischen Oberflächen empfindliches oder instabiles Fluid, über einen Kanal (65, 67, 69) aus Kunststoff oder Keramik oder einen mit Kunststoff oder Keramik beschichteten Kanal (65, 67, 69) in die Düse (50, 50a) zugeführt wird.
19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem mehrere Fluide, die miteinander instabil oder reaktionsfähig sind, in separaten Kanälen (65, 67, 69) in die Düse (50, 50a) zugeführt und mittels Zerstäubergas zerstäubt werden.
20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem die Zerstäubung des mindestens einen Fluids durch Drall erzeugende Strukturen (78, 79) an der Aussenoberfläche eines Rohrs (64, 66), über den das Fluid zugeführt wird, und/oder durch einen rotierenden Antrieb des Kanals (64) unterstützt wird.