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Die
Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter zur Aufnahme eines Pulvers
mit mindestens einer Entnahmeöffnung
zum kontinuierlichen Austrag des Pulvers.
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Ein
Silo ist ein Vorratsbehälter
zur Aufnahme von Schüttgut
und Pulvern. Silos werden grundsätzlich von
oben befüllt,
während
die Entnahme des Schüttguts
bzw. Pulvers von unten erfolgt. Zur Entnahme des Füllmaterials
an der Entnahmeöffnung
dient regelmäßig ein
Schieber. Falls die Schwerkraft des Füllmaterials nicht ausreicht,
um das fließfähige Füllmaterial
zum Fließen
zu bringen, kann eine Fördereinrichtung,
wie beispielsweise eine Förderschnecke,
vorgesehen werden.
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Die
Förderung
und Bevorratung extrem feiner Pulver mit Korngrößen von weniger als 10 μm ist mit herkömmlichen
Vorratsbehältern
und deren Fördervorrichtungen
und/oder Verschlusselementen praktisch nicht möglich. Unterhalb dieser Korngröße nehmen
die Adhäsionskräfte zwischen
den Pulverpartikeln zu. Die Oberfläche der Partikel vergrößert sich
im Verhältnis
zum Volumen erheblich. Ein Würfel
mit einer Kantenlänge von
1 cm weist eine Oberfläche
von 0,006 m2 auf. Das gleiche Volumen mit
Partikeln von fünf
Nanometern Kantenlänge
aufgefüllt,
weist indes eine Oberfläche
von 2.400 m2 auf. Die starke Zunahme der
Oberflächenkräfte verhindert
die Förderung
derart kleiner Partikel und deren Austrag aus einem Vorratsbehälter.
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Insbesondere
im Zusammenhang mit der Erzeugung so genannter kalter Plasmen müssen extrem
feine Pulver in ein Gasgemisch eingebracht werden. Das Feinpulver
wird in einem Vorratsbehälter
gelagert. Der Austrag des Feinpulvers aus der Entnahmeöffnung in
einem gleich bleibenden, insbesondere in seinem Durchsatz einstellbaren
Massestrom, stellt aufgrund der hohen Oberflächenkräfte der feinen Pulver sowie
der daraus resultierenden Neigung zur Agglomeration ein erhebliches
Problem dar.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zu Grunde, einen Vorratsbehälter
der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, bei dem ein Austrag auch extrem feiner Pulver möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Vorratsbehälter der eingangs erwähnten Art
dadurch gelöst,
dass ein Schwingungserzeuger einen Schwingungsüberträger zu mechanischen Schwingungen
anregt und der Schwingungsüberträger Schwingungen
in eine Wand des Vorratsbehälters
durch Impulsübertragung
auf eine Außenfläche der
Wand des Vorratsbehälters überträgt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung basiert
auf dem Prinzip, dass der Impuls des beweglichen Schwingungsüberträgers, insbesondere
eines Stößels, durch
Stoß insbesondere
unmittelbar auf die Wand des Vorratsbehälters übertragen wird, die ihrerseits
hierdurch zu Schwingungen angeregt wird. Die Impulsübertragung verhindert
die bei herkömmlichen
Vorratsbehältern
auftretende Ring- und Brückenbildung
des feinen Pulvers, insbesondere im Bereich der Entnahmeöffnung,
die zu Verstopfungen und Betriebsunterbrechungen beim Austrag des
Pulvers führt.
Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, dass der Schwingungserzeugers an den Vorratsbehälter beispielsweise über einen
Halterahmen angebunden ist und die Impulse über den Halterrahmen auf die
Wand des Vorratsbehälters übertragen
werden. Diese Ausführung
ist konstruktiv einfach und im Dauerbetrieb stabil Ein bevorzugter
Schwingungserzeuger umfasst eine in einem stationären Magnetfeld
beweglich gelagerte Spule, die auf einem mit dem Schwingungsüberträger verbundenen
Spulenträger
angeordnet ist. Die in dem stationären Magnetfeld gelagerte Spule
wird bei Stromfluss durch die so genannte Lorentzkraft ausgelenkt.
Durch Umkehrung der Stromrichtung wechselt die Richtung der Kraft.
Insoweit eignet sich die beweglich gelagerte Spule zum Umwandeln
von Wechselspannung in eine mechanische Schwingung.
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Das
stationäre
Magnetfeld wird durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten
erzeugt, der mit Gleichstrom gespeist wird, um ein konstantes Magnetfeld
aufzubauen. Besonders bevorzugt wird das stationäre Magnetfeld durch einen Topfmagneten
erzeugt, der aufgrund des geringen Luftspaltes zwischen der Spule
und dem Topfmagneten bei gleicher Magnetfeldstärke eine größere magnetische Flussdichte im
Spalt erzeugt und so bei gleichem Spulenstrom größere Stoßkräfte des Schwingungsüberträgers hervorruft.
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Um
eine definierte Stoßlinie
des vorzugsweise als Stößel ausgebildeten
Schwingungsüberträgers in Richtung
von dessen Längsachse
sicher zu stellen, sind der Spulenträger und der daran angeordnete
Schwingungsüberträger mit
nur einem Translationsfreiheitsgrad geführt. Aufgrund der definierten
Stoßlinie
lässt sich der
Berührpunkt
zwischen der Außenfläche des
Vorratsbehälters
und dem Schwingungsüberträger exakt
bestimmen.
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Wenn
der Schwingungserzeuger niederfrequente Schwingungen in einem Frequenzbereich
von 10 bis 500 Hz erzeugt, lassen sich insbesondere Biegeschwingungen
der Wand des Vorratsbehälters
anregen. Diese Schwingungen der Wand durch niederfrequente Klopfanregung
verhindern eine ungewollte Unterbrechung des Pulverflusses und lösen Agglomerate
des Pulvers auf. Bei typischer geometrischer Ausbildung des Vorratsbehälters zur
Aufnahme von feinen Pulvern für
nachgeordnete Plasmaprozesse erzeugt der Schwingungserzeuger im
vorgenannten Frequenzbereich vorzugsweise Schwingungen mit einem
Hub in einem Bereich von 0,1 bis 10 mm, insbesondere von 0,5 bis
4 mm.
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Alternativ
kann der Schwingungserzeuger, beispielsweise eine Sonotrode, Schwingungen
im Ultraschallbereich erzeugen, insbesondere in einem Frequenzbereich
von 20 kHz bis 40 kHz. Dabei erzeugt der Schwingungserzeuger Schwingungen
mit einem Hub in einem Bereich von 1 μm bis 100 μm, die Schwingungen in einer
Wand des Vorratsbehälters
durch Impulsübertragung
anregen. Dabei werden die Ultraschallschwingungen vorzugsweise derart
in die Wand des Vorratsbehälters
eingekoppelt, dass die Entnahmeöffnung mit
einer Axial-Amplitude
in vertikaler Richtung und die Behälterwand in radialer Richtung
schwingen. Die Verwendung von Ultraschall reduziert insbesondere
Reibung an den Grenzflächen
des Pulvers zu den Innenflächen
des Vorratsbehälters
sowie die Reibung zwischen unterschiedlichen Schichten des Pulvers
innerhalb des Vorratsbehälters.
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Um
Anhaftungen des feinen Pulvers an den Innenflächen der Wände des Vorratsbehälters weitgehend zu
vermeiden, weist der Vorratsbehälter
vorzugsweise einen längeren
zylindrischen Abschnitt mit senkrechtem Verlauf der Behälterwand
und einem darunter angeordneten konischen Abschnitt auf, der sich
zur Entnahmeöffnung
hin verjüngt.
Alternativ ist der Vorratsbehälter
als Spitztrichter ausgebildet, der sich kontinuierlich von der Einlassöffnung für das Pulver
zur Entnahmeöffnung
konisch verjüngt.
Die Wände
des Trichters bzw. des konischen Abschnitts sind vorzugsweise maximal
20 Grad gegenüber
der senkrechten Längsachse
des Vorratsbehälters
geneigt.
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Um
eine einwandfreie Einkopplung der Schwingung des Schwingungsüberträgers in
die Wand des Vorratsbehälters
zu gewährleisten,
ist die Berührungsfläche des
nicht ausgelenkten Schwingungsüberträgers in
einem Abstand von weniger als der Hälfte von dessen Hub von dem
Berührungspunkt
an der Außenfläche der
Behälterwand
angeordnet. Hierdurch wird die intermittierende Stoßbeanspruchung
der Behälterwand durch
den Schwingungsüberträger sichergestellt.
Der Abstand des nicht ausgelenkten Schwingungsüberträgers zu dem Berührpunkt
ist vorzugsweise einstellbar. Hierzu ist der Schwingungserzeuger
beispielsweise auf einem in axialer Richtung verstellbaren Schiebesitz
angeordnet, der durch mindestens ein lösbares Fixiermittel, z. B.
eine Klemmschraube, fixierbar ist.
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Eine
insbesondere bei niederfrequenten Schwingungen des Schwingungserzeugers
bestmögliche
Anregung der Wand des Vorratsbehälters
wird erreicht, wenn der Berührpunkt
der Berührungsfläche des
Schwingungsüberträgers auf
der Außenfläche der
Wand des Behälters
in einem Bereich mit der maximalen radialen Schwingungsamplitude
der Wand liegt.
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Insbesondere
wenn der Schwingungserzeuger Schwingungen im Ultraschallbereich
erzeugt, liegt der Berührpunkt
der Berührungsfläche vorzugsweise
benachbart zur Entnahmeöffnung.
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Die
Ablösung
des Pulvers an den Grenzschichten wird verbessert, wenn die Stoßlinie des
Schwingungsüberträgers senkrecht
zu der Oberfläche
der Behälterwand
im Berührpunkt
der Berührungsfläche des Schwingungsüberträgers verläuft.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Vorratsbehälter in
schematischer Seitenansicht
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2 eine
schematische Darstellung des Schwingungserzeugers eines Vorratesbehälters nach 1
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1 zeigt
einen als Spitztrichter ausgeführten
Vorratsbehälter
(1) zur Aufnahme eines feinen Pulvers (2), das
zur Agglomeratbildung neigt. Das Pulver (2) wird in den
Vorratsbehälter
(1) über
die an der Oberseite angeordnete Befüllöffnung (3) eingefüllt. Der
Vorratsbehälter
verjüngt
sich von der Befüllöffnung (3)
konisch bis zu der an der gegenüberliegenden
Stirnseite, im tiefsten Punkt angeordneten Entnahmeöffnung (4).
Die umlaufende Wand (5) des hohlzylindrischen Vorratsbehälters (1)
ist gegenüber
der senkrechten Längsachse (6)
weniger als 20 Grad geneigt.
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Die
senkrechte Ausrichtung und Halterung des Vorratsbehälters (1)
stellt eine den Vorratsbehälter
(1) etwa mittig umgreifende Schelle (7) sicher,
die an einem den Vorratsbehälter
(1) umgebenden, im Querschnitt rechteckigen Gehäuse (8)
verschraubt ist. Für
Wartungsarbeiten ist mindestens eine Seite des Gehäuses (8) lösbar befestigt.
An der oberen Stirnseite des Gehäuses
(8) ist ein Verschluss (9) für die Befüllöffnung (3) des Vorratsbehälters (1)
angeordnet.
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In
räumlicher
Nähe zur
Entnahmeöffnung
(4) ist ein Schwingungserzeuger (10) mittels einer
Flanschplatte (11) an dem Gehäuse (8) befestigt.
Der Schwingungserzeuger (10) regt einen Schwingungsüberträger (12)
in Form eines Stößels zu
mechanischen Schwingungen an. Der Stößel wird durch den Schwingungserzeuger
(10) mit nur einem Translationsfreiheitsgrad in Richtung
der Stoßlinie
(13) geführt,
so dass der Stößel stets
an demselben Berührpunkt
(14) auf der Außenfläche der
Wand (5) des Vorratsbehälters
(1) anschlägt. Die
stirnseitig an dem Stößel befindliche
Berührungsfläche des
nicht ausgelenkten Stößels ist
in einem Abstand von weniger als der Hälfte von dessen Hub von dem
Berührpunkt
(14) an der Außenfläche der
Wand (5) des Vorratsbehälters
(1) angeordnet.
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Der
Aufbau des Schwingungserzeugers (10) wird nachfolgend anhand
von 2 näher
erläutert.
In einem Ringspalt (15) eines Topfmagneten (16)
zur Erzeugung eines stationären
Magnetfeldes ist eine Spule (17) beweglich gelagert. Die
Spule (17) ist auf einem hohlzylindrischen Spulenträger (18)
gewickelt, der in Richtung des Pfeils (19) hin und her
beweglich ist. Die Führung
des Spulenträgers
(18) erfolgt in dem Ringspalt (15) des Topfmagneten
(16). Eine an die Spule (17) angelegte Wechselspannung
versetzt den Spulenträger (18)
in mechanische Schwingungen. An dem Spulenträger (18) ist an einer
Stirnseite der Stößel (12)
befestigt, der mit gleicher Frequenz wie der Spulenträger (18)
in Folge der angelegten Wechselspannung schwingt. Die Zentrierung
des in Richtung des Pfeils (19) schwingenden Spulenträgers erfolgt
mittels einer Zentrierhülse (20).
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Mit
dem dargestellten Vorratsbehälter
wurde bei einer Betriebsfrequenz von 115 Hz, einem Hub des Stößels (
12)
von etwa 0,5 mm und einer Masse des an dem Spulenträger (
18)
befestigten Stößels von
etwa 1 g ein kontinuierliche Austrag des Pulvers aus der Entnahmeöffnung (
4)
in einer Größenordnung
von 6 g/min erzielt. Bezugszeichenliste
| Nr. | Bezeichnung |
| 1 | Vorratsbehälter |
| 2 | Pulver |
| 3 | Befüllöffnung |
| 4 | Entnahmeöffnung |
| 5 | Wand |
| 6 | Längsachse |
| 7 | Schelle |
| 8 | Gehäuse |
| 9 | Verschluss |
| 10 | Schwingungserzeuger |
| 11 | Flanschplatte |
| 12 | Schwingungsüberträger/Stößel |
| 13 | Stoßlinie |
| 14 | Berührpunkt |
| 15 | Ringspalt |
| 16 | Topfmagnet |
| 17 | Spule |
| 18 | Spulenträger |
| 19 | Pfeil
(Schwingungsbewegung) |
| 20 | Zentrierhülse |
