CN106061621A - 用于喷嘴的冷却设备和具有用于热力喷射的冷却设备的喷嘴装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于喷嘴(12)、尤其用于冷气喷射的冷却设备以及一种喷嘴装置，该喷嘴装置装配有这种冷却设备。喷嘴(12)被构成冷却设备的外置(13)围绕，其中，按照本发明规定，冷却管路(19)在外罩的内部设计有封闭的系统，该封闭的系统可以通过进口(20)和出口(21)供给冷却介质。冷却介质因此有利地不与喷嘴(12)接触，所述喷嘴(12)借助间隙配合(17)接合在外罩的容纳孔内。有利的是，外罩也可以锥形尖形地延伸至喷嘴(12)的开口(18)，从而借助喷嘴装置(11)也可以在较难到达的构件上实施覆层。

Description

用于喷嘴的冷却设备和具有用于热力喷射的冷却设备的喷嘴 装置

本发明涉及一种用于喷嘴的冷却设备，所述喷嘴适用于热力喷射(以下还简称喷嘴)。此外本发明涉及一种具有这种冷却设备的喷嘴装置，喷嘴安置在冷却设备内。所述冷却设备被设计为外罩，其中，在外罩的内腔中能够安置所述喷嘴。所述冷却设备还具有用于冷却流体的进口和出口，借此可以运行冷却设备。这种冷却流体可以是液态的(例如水)或气态的(例如空气)。

这种类型的冷却设备或喷嘴装置是已知的。例如，Sulzer Metco公司提供了一种在使用受保护的商业产品“Kinetic 4000Cold Spray Gun”的情况下用于冷气喷射的喷嘴装置，其中，喷嘴被管材围绕。在喷嘴和管材之间产生环形间隙，冷却空气可以导引穿过该间隙，冷却空气从喷嘴的收缩部分的进口流动到喷嘴开口处的出口。在此，冷却空气直接流到喷嘴的外侧，其中，气态的冷却介质的对于由喷嘴导出的热量的吸纳能力相对是受限的。

本发明所要解决的技术问题是，提供用于热力喷射的喷嘴的冷却设备以及具有这种冷却设备的喷嘴装置，借此可以实现对喷嘴的有效的冷却，而不必限制冷喷嘴的运行的安全性和多变性。

所述技术问题按照本发明通过一种冷却设备解决，其中规定，外罩的内腔设计有配合面，所述配合面至少在外罩的纵向延伸段的主要部分上延伸，其中，当在内腔中安装喷嘴时在喷嘴和外罩之间形成配合。该措施有利的效果是，喷嘴可以装入外罩内并且在喷嘴的材料和外罩的材料之间可以实现直接的热传递。在此可以有利地为外罩选择材料，从而一方面保证较好的散热并且另一方面具有较高的热容量。这尤其适合金属材料，其中，铜是优选的材料。这种材料集合了上述的要求，其具有有利的购置成本又具有较好的可加工性。通过将喷嘴装入外罩内，获得按照本发明的喷嘴装置。这些和以下所述的改进方案和优点同等地适用于按照本发明的冷却设备和喷嘴装置，因为冷却设备构成了喷嘴装置的组成部分。

至少通过外罩的纵向延伸段的主要部分保证外罩的配合面的延伸段，使得足够的面用于从安装的喷嘴至外罩的热传递。在本发明的意义下，主要部分应理解为，大于三分之二的长度比例。优选应具有外罩的长度的90％至100％的长度比例。此外还有利的是，外罩的长度与装入的喷嘴的长度相比同样有利于较好的热传递。外罩覆盖喷嘴的主要部分，即至少三分之二的长度，优选甚至长度的90％至100％。

因为喷嘴的材料的冷却按照本发明通过外罩的材料内的热传递实现，有利的是，冷却流体可以用于喷嘴的间接的冷却。按照本发明由此实现，即在外罩内设有冷却管路，所述冷却管路具有封闭的截面并且使进口与出口相连。以这种方式，有利地实现封闭的系统，该系统有利地在进口和出口通过常用的器件可靠地被密封。因为冷却管路在外罩的内部被封闭，也就是通过喷嘴的表面不会构成冷却管路的壁段，所以在外罩和喷嘴之间的过渡位置上没有泄漏。因此，例如可在不损害过程安全性的情况下使用液态的冷却流体，从而实现大为提高的冷却效率。还可行的是，使用气态的流体，其处于更高的压力下。由此也可以有利地提高冷却效率。

按照本发明的有利的设计方案规定，所述外罩由两个半壳构成，其中，这些半壳之间的分界面沿所述外罩的纵向延伸段的方向延伸。这意味着，外罩有利地分离，由此喷嘴以简单的方式可以装入外罩内。接下来外罩再次封闭。在此有利的是，制造公差例如通过在接合缝隙内使用填充材料被更好地补偿。因此也可以选择较大的间隙配合，用于配合面的结构设计，由此有利地降低了制造费用。在此还可考虑，所使用的喷嘴的直径可以根据制造条件变化，尤其当喷嘴由硬金属、如碳化钨-钴或陶瓷如碳化硅制成时。

特别有利的是，在半壳形式的外罩的结构设计中，所述半壳中的每一个均具有独立的冷却管路，其具有各自的进口和各自的出口。这具有的优点是，在两个半壳中可以设有具备进口和出口的冷却管路的封闭系统，而不必在一个半壳和另一个半壳之间进行冷却流体的传导。

按照本发明的另外有利的设计方案规定，所述外罩的内腔具有衬里，用于补偿所述喷嘴和外罩之间的热膨胀差异。由此冷却效率可以有利地提高，因为可以通过衬里确保喷嘴的材料和外罩的材料之间的机械接触。当由于喷嘴和外罩的热膨胀可能产生间隙的情况与上述方案相比，则上述方案改善了导热性。另一方面也可有利地通过衬里的热膨胀率至少部分避免，在外罩和喷嘴之间的结合处内产生应力，使得与由于外罩的热膨胀而导致配合面被扩展相比，喷嘴发生更强地膨胀，当衬里的导热率小于外罩的导热率时。

在外罩和可能的衬里的设计中，考虑实施的喷射工艺的过程参数。一方面，喷嘴根据加热实现一定程度的膨胀，但当外罩设计为金属时，在多种情况下在外罩热膨胀的情况下进行喷嘴的膨胀。但是也可考虑，喷嘴与外罩相比被更强地加热，由此热量还借助冷却流体被导出。是否该效果被补偿或者有利地通过选择适合的用于衬里的材料进行补偿，取决于在相应应用下出现的温度。

衬里可以设计为独立的构件，使得该衬里可以装入间隙内，在设有较大的间隙配合时在外罩和喷嘴之间构造有所述间隙。还可行的是，衬里设计为外罩的固定部件。衬里则固定地与外罩的内腔连接并且自身形成用于喷嘴的配合面。在这种情况下，例如可以选择一个配合，其仅仅允许在外罩(具有集成的衬里)和喷嘴之间的较小的缝隙。也可以选择过渡配合，其在充分利用配合的所有公差范围时甚至可以不设有缝隙。

本发明的特别的设计方案规定，所述衬里可以作为用于具有较小直径的喷嘴的适配件的功能。在此可设想，产生一种组合部件。确定的具有足够大的内径的外罩可以有利地批量制造，其中，内腔设计用于具有最大直径的喷嘴。如果使用具有较小直径的喷嘴时，则在这种情况下在外罩的配合面和喷嘴的外壁之间产生较大的间隙通过适合的衬里被桥接。

特别有利的是，进口与出口布置在外罩的与装入的喷嘴的开口相对置的端部上，也就是与装入的喷嘴的开口相远离。这所具有的优点是，喷嘴的开口通过使用外罩在其所需要的结构空间方面仅仅不明显地被增大。这首要的意义是，借助喷嘴需要被涂层的构件自身可具有较难到达的区域的复杂的几何形状。在这种情况下，较难到达的区域的可通达性直接取决于，喷嘴在构件上可伸入多深的距离。这通过喷嘴的开口的较小的直径可容易地实现。同时，外罩则可以被导引至喷嘴开口上，以便确保对其理想的冷却。

特别有利的是，外罩在处于装入的喷嘴的开口一侧的端部上设计为截锥形状。这意味着，外罩以其直径朝向喷嘴开口的方向缩窄，其中，喷嘴开口穿透假想的截锥到达截锥的缺少尖端的截锥面上。该截锥面可以如此选择，使得截锥面的面积仅仅稍稍大于喷嘴在喷嘴开口处的外径。由此，喷嘴装置的可操作性有利地通过被包绕的喷嘴仅仅不明显地被受限。通过喷嘴开口，使得喷嘴即使被包裹仍然可以靠近待涂覆的工件旁，即使喷嘴的对称轴线相对于待涂覆的表面的角度是大约90°。

对于制造特别有利的实施方式是，外罩由两个嵌套布置的壳体构成。在此设有内壳，所述内壳在其外罩面上设有构成冷却管路的容积的通道。这例如可以通过在内壳的表面内的磨削实现。也可设想的是，使用铸造体。此外还设有外壳，所述外壳布置在所述内壳的外罩面上并且从外侧封闭所述通道的截面。这种套筒例如可以简单地通过管型的半成品制造。在制造由两个半壳构成的外罩时，相应地使用纵向分割的管壳体作为外壳。通过按照本发明的改进的结构可以成本低廉地实现构成冷却管路的通道的复杂的导引，其中，在通道导引时可以实现具有冷却通道的外罩的尽可能的遮盖。

例如可行的是，冷却管路至少逐段地具有恒定的截面并且在外罩内回形地延伸。在此理想的情况是，在冷却管路的回形延伸的部分之间的间隙是固定的，从而可以确保在外罩的整个圆周上具有均匀的冷却效果。当冷却管路具有回形的走向时，至少可以容易地制造具有恒定截面的直线形的区段。有利的是，平行于外罩的对称轴线延伸的区段可以设计为具有恒定的截面。在冷却管路沿外罩的周向转向的位置上，可以在考虑到制造简单的情况下实施截面突变。具有尽可能恒定截面的冷却管路所具有的优点是，冷却流体以均匀的速度流动穿过冷却管路并且不会形成冷却流体的阻滞的区域。在这种阻滞的区域内则会降低外罩的冷却效率。

所述技术问题按照本发明还通过一种喷嘴装置解决，其中，喷嘴被前述类型的冷却设备围绕。所使用的冷却设备的相关的优点在前面已经进行了描述。

根据喷嘴装置的有利的设计方案规定，喷嘴装置具有收缩-扩散截面走向，所述喷嘴装置尤其是冷喷嘴。冷喷嘴、尤其在喷嘴喉部的升温在冷喷射工艺的应用中一个技术问题，其通过按照本发明的外罩可以被有效地解决。同时在此还具有的技术问题是，如前所述，冷喷射设备没有广泛的可应用性，而尤其当外罩在喷嘴开口的区域内仅稍大于喷嘴的直径并且冷却设备的(用于冷却流体的)进口和出口在冷却设备的背离喷嘴开口的端部上安置时，解决了上述技术问题。

根据本发明的其它设计方案规定，喷嘴装置由硬金属或陶瓷制成。这种材料与多种金属材料(如铜)相比是低导热性的，使得喷嘴内部的升温不会快速地被导出。但是因为这种材料由于喷嘴的磨损特性而被有利地使用，所以当喷嘴装配有按照本发明的外罩时，喷嘴以特别的方式从改进的冷却设备中受益。

本发明的另外细节以下结合附图进行阐述。相同的或者相应的附图元件分别设有相同附图标记并且仅详细阐述在各个附图中间的不同点。在附图中：

图1和2示出按照本发明的喷嘴装置的实施例的纵向截面图和剖面图，该喷嘴装置具有按照本发明的冷却设备的实施例，

图3示出按照本发明的喷嘴装置的其它的实施例以半壳结构形式的在打开状态下的视图，该喷嘴装置具有按照本发明的冷却设备的实施例，和

图4至6示出示出按照本发明的喷嘴装置的另外的实施例的纵向截面图、剖面图和外罩展开的视图，用于示出冷却管路走向，该喷嘴装置具有按照本发明的冷却设备的实施例。

喷嘴装置11具有喷嘴12，所述喷嘴被外罩13围绕。所述喷嘴12是一种冷却喷嘴，其具有收缩段14和扩散段15，其中，这种喷嘴适合对待处理的颗粒施加适合强度的作用，由此颗粒凭借其动能附着在待覆层的(未示出的)基板上。喷嘴12可以借助法兰16连接在未详细示出的冷却喷射设备上。

冷气喷射是一种已知的工艺，其中，为了涂层而设有的颗粒借助收缩-扩散喷嘴12优选被加速到超音速，使得颗粒凭借其巨大的动能而附着保持在覆层的表面上。在此，利用微粒的动能，该动能导致微粒自身发生塑性变形，其中，覆层颗粒在撞击时仅仅在其表面被熔化。所以，该工艺与其它的热力喷射工艺相比被称为冷气喷射，因为其在相对较低的温度下实施，其中覆层颗粒基本上保持不变。优选地使用冷气喷射设备用于冷气喷射、也称为动能喷射，该冷气设备具有用于加热气体的气体加热装置。在气体加热装置上连接有滞留室，滞留室在出口侧与收缩-扩散喷嘴、尤其与拉伐尔喷嘴相连。收缩-扩散喷嘴具有收敛的部段(收缩段14)和扩展部段(扩散段15)，它们通过喷嘴颈相互连接。收缩-扩散喷嘴在出口侧产生气流形式的粉末射束，其内含有高速、优选超音速的颗粒。

根据图1的外罩13被设计为一体的，其中，外罩的内腔17设计为圆柱形的。因为喷嘴12在外侧也是圆柱形的，所以外罩13可以简单地通过喷嘴12的开口18移动。内腔17与喷嘴12构成间隙配合，该间隙配合确保了外罩13的可滑动性。

外罩13由铜制成，从而凭借铜的很好的导热性确保了从喷嘴12到作为冷却体作用外罩13的热传导。外罩具有冷却管路19，由此可以使热量从外罩13有效地散发。冷却管路可以通过进口20供给作为冷却流体的冷却水。在冷却水流过冷却管路19之后，冷却水通过出口21被再次导出。

冷却管路19的截面在图2的喷嘴装置11的截面图中示出。在图1中可以看到剖切面II-II。在图2中由I-I示出根据图1的纵向截面的剖切面。

可以看到，从进口20开始的冷却通道19占据了外罩13的环形截面的整个上半部。在该截面的下半部，冷却管路通入到出口21。以这种方式确保，在冷却管路的上部的冷却流体被导引至外罩13的尖部，也就是位于喷嘴12的开口18的端部，并且在外罩13的整个长度上进行冷却。为了，在冷却管路19的上部和其下部之间在外罩内设有间隔壁22，但是间隔壁没有延伸至外罩的尖部，也就是在图2的绘图面的之前终止，使得冷却流体在环形截面的内部可以从冷却管路19的上部流入到下部。

为了稳定冷却管路，在其横截面中还设有各个支承柱，其中在图2中看到四个位于绘图面后面的支承柱。图1和2中所示的外罩例如借助可选择的激光熔融工艺制造。

图3中示出外罩13的其它结构形式。该外罩具有两个半壳，其中，图3中可看到半壳24，同时另一个外壳被从喷嘴12移除。所以，喷嘴12在图3的视图中可看到。此外还可准确地看到外壳24的接合面，其在另一个半壳组装之后形成分界面25(还参见图6)。还可以看到用于冷却流体的进口20和出口21。

喷嘴12也可从外面看到收缩段14和扩散段15，因为该喷嘴由恒定的壁厚制成。这具有的优点是，在喷嘴咽喉部的区域内在收缩段14和扩散段15之间没有比喷嘴进口和开口18处更大的喷嘴的壁厚，在喷嘴12的整个长度上则保持恒定的壁厚。因为喷嘴12的材料是导热性较差的，所以热量可以更好地从喷嘴导出，因为在喷嘴咽喉部的区域内也同样可以快速地进行散热，如在喷嘴进口和喷嘴开口18处一样。因为喷嘴具有具备束腰26的外侧，所以外罩13必须构造为外壳，其沿喷嘴延伸的纵向被分割。因此，外罩不需要在喷嘴上移动，而是可以沿径向套装在喷嘴上。

根据图4，外罩13同样具有两个半壳24a、24b，其中，分界面垂直于绘图面延伸(参见根据图4和5的剖切面VI-VI也在图6中的视图)。在由半壳24a、24b组合成外罩13后，借助卡环27对其进行合拢固持。由于在喷嘴12和外罩的内腔17之间设有间隙配合而产生空间，在该空间内设有衬里28。该衬里例如可以由铝箔构成。该衬里改进了从喷嘴12至外罩13的材料内的热传导。

在半壳24a、24b内分别设有独立的冷却管路19。在剖切面IV-IV内(参见图6)，冷却通道被多次地切割，其中，图5中可看到冷却管路19的准确地走向。图5示出展开的外罩13。人们可以如此设想，即具有圆柱形罩面的外罩在一个平面上被翻开。在该平面内，则两个分界面25以点划线示出。根据图5的分界面25的折线是由于外罩在开口18上的锥形的走向，实现外罩的外径的变小。

如图5所示，冷却管路19具有回形的走向。冷却流体在相应半壳的从进口20到出口21的流动方向由箭头示出。在此可看到，根据图4的冷却管路示出冷却管路沿外罩的周向延伸的部分的截面。以这种方式，冷却管路19的具有不变的横截面的轴向延伸的部分相互连接。在外罩13的锥形走向的区域内在展开视图中，好像冷却管路19的截面变大了。但是并不是这样，如在图4中简单地示出的，因为在锥形区域中的直径变小，所以必须通过冷却管路沿轴向的加宽来进行补偿。

图6示出，选择在外罩13内冷却管路19在横截面中所有相同的区段。冷却管路具有矩形的横截面，它们通过在内壳29内的铣槽产生。因为凹槽沿径向向外开放，所以需要上半壳24a和下半壳24b的内壳30分别通过外壳30被封闭。接合位置的连接可以通过钎焊或粘接实现。但这种材料接合的连接仅需要在接缝位置的区域内进行，该接合位置必须向外被密封。位于凹槽之间的接板31与外壳30的接触面不必材料接合地连接，因为在管路19的相邻的区段之间可以具有微小的渗漏。内壳29和外壳30的结构由图4示出。

Claims (12)

1.一种用于喷嘴(12)的冷却设备，所述喷嘴(12)适用于热力喷射，其中，

-所述冷却设备被设计为外罩(13)，在外罩的内腔(17)中能够安置所述喷嘴(12)，

-所述冷却设备具有用于冷却流体的进口(20)和出口(21)，

其特征在于，

-所述外罩的内腔(17)设计有配合面，所述配合面至少在所述外罩(13)的纵向延伸段的主要部分上延伸，其中，当在所述内腔(17)中安装所述喷嘴(12)时在所述喷嘴(12)和外罩(13)之间形成配合，并且

-在所述外罩(13)内设有冷却管路(19)，所述冷却管路(19)具有闭合的截面并且使所述进口(20)与所述出口(21)相连。

2.按照权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述外罩由两个半壳(24a、24b)构成，其中，这些半壳之间的分界面(25)沿所述外罩的纵向延伸段的方向延伸。

3.按照权利要求2所述的冷却设备，其特征在于，所述半壳(24a、24b)中的每一个均具有独立的冷却管路(19)，其具有各自的进口(20)和各自的出口(21)。

4.按照前述权利要求之一所述的冷却设备，其特征在于，所述外罩(13)的内腔(17)具有衬里(28)，用于补偿所述喷嘴(12)和外罩(13)之间的热膨胀差异。

5.按照前述权利要求之一所述的冷却设备，其特征在于，所述外罩(13)的内腔(17)具有衬里，作为用于具有较小直径的喷嘴(12)的适配件。

6.按照前述权利要求之一所述的冷却设备，其特征在于，所述进口(20)与所述出口(21)布置在所述外罩(17)的与装入的喷嘴(12)的开口相对置的端部上。

7.按照前述权利要求之一所述的冷却设备，其特征在于，所述外罩(17)在处于装入的喷嘴(12)的开口一侧的端部设计为截锥形状。

8.按照前述权利要求之一所述的冷却设备，其特征在于，所述外罩由两个嵌套布置的壳体构成，即内壳(19)和外壳(30)，所述内壳(19)在其外罩面上设有构成冷却管路(19)的容积的通道，并且所述外壳(30)布置在所述内壳的外罩面上并且从外侧封闭所述通道的截面。

9.按照前述权利要求之一所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却管路至少逐段地具有恒定的截面并且在所述外罩内回形地延伸。

10.一种具有冷却设备的喷嘴装置，其中，

-所述冷却设备被设计为外罩(13)，在外罩的内腔(17)中安置有喷嘴(12)，

-所述冷却设备具有用于冷却流体的进口(20)和出口(21)，

其特征在于，

-所述外罩的内腔(17)设计有配合面，所述配合面至少在所述外罩(13)的纵向延伸段的主要部分上延伸，其中，在所述内腔(17)中设计有所述喷嘴(12)和外罩(13)之间的配合，并且

-在所述外罩(13)内设有冷却管路(19)，所述冷却管路(19)具有在外罩内部的封闭的截面并且使所述进口(20)与所述出口(21)相连。

11.按照权利要求10所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴装置具有收缩-扩散截面走向，所述喷嘴装置尤其是冷喷嘴。

12.按照权利要求10或11所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴装置由硬金属或陶瓷制成。