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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aerosolbehandlungsvorrichtung, ein Aerosolbehandlungsverfahren, insbesondere Aerosolbeschichtungsverfahren und/oder Aerosolreinigungsverfahren und/oder Aerosolzertrümmerungsverfahren, und ein aerosolbeschichtetes Gasleitungselement für eine Hochtemperaturanwendung.
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Stand der Technik
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So genannte SOFC-Stacks (SOFC: Englisch: Solid Oxide Fuel Cell, auch als Hochtemperaturbrennstoffzelle oder Festoxidbrennstoffzelle bezeichnet), befinden sich im Betrieb in einer sogenannten Hotbox. Diese Hotbox befindet sich in wiederum einem sogenannten SOFC-System. Dabei wird die Kathode des SOFC-Stacks mit vorgewärmter Luft, welche eine hohe Temperatur beispielsweise von > 620 °C aufweisen kann, versorgt. Die Luftversorgung wird meistens durch chromhaltige Stahlrohrleitungen und chromhaltige Wärmetauscher realisiert. Auf dem Wege durch die Rohrleitungen und Wärmetauscher kann die Luft jedoch in Abhängigkeit von Temperatur und Luftfeuchte Chrom-Verbindungen aufnehmen. Mit der Luft können diese Chrom-Verbindungen dann zur Kathode des SOFC-Stacks gelangen. Dabei kann das Kathodenmaterial, bei dem es sich beispielsweise um Lanthanstrontiummanganoxid (LSM), Lanthanstrontiumcobaltferrit (LSCF), etc. handeln kann, jedoch durch die Chrom-Verbindungen mehr oder weniger stark vergiftet werden. Die Chromvergiftung der Kathode kann dabei zur Degradation des SOFC-Stacks und somit zu einer Leistungseinbuße führen.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 031 863 A1 beschreibt eine Vorrichtung für die Medienversorgung einer Brennstoffzellenanordnung in einem Brennstoffzellensystem, die zumindest teilweise aus einer chromhaltigen Metalllegierung besteht. Dabei ist vorgesehen, eine mit Versorgungsmedien in Kontakt tretende Oberfläche der Vorrichtung zumindest teilweise mit einer chromoxidhaltigen Metalloxidkeramik zu beschichten.
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Die
US 2010/0015473 A1 beschreibt eine mehrlagige Beschichtung zum Schutz von Metallen und Metalllegierungen bei hohen Temperaturen, welche bei Hochtemperaturbrennstoffzellen eingesetzt werden kann.
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Die Technologie der Aerosolbeschichtung ermöglicht die Beschichtung eines Substrates mit keramischen Materialien. Herkömmliche Aerosolbeschichtungsvorrichtungen sind jedoch apparativ sehr komplex und erfordern einen großen Bauraum. Dies liegt darin begründet, dass herkömmliche Aerosolbeschichtungsvorrichtungen eine Aerosolkammer aufweisen, aus der eine Verbindungsleitung mit Düse (Lanze) in eine unter Vakuum betriebenen Beschichtungskammer ragt. In der Aerosolkammer wird ein keramisches Pulver mit Hilfe eines Trägergases quasi fluidisiert und auf Grund des Druckgefälles zur Beschichtungskammer hin beschleunigt, bis es nach Passieren der Düse auf das zu beschichtende Substrat aufschlägt. Zur Bildung einer keramischen Schicht wird dabei ein Vakuum von ca. 10 mbar benötigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Aerosolbehandlungsvorrichtung, welche eine Aerosolkammer zur Aufnahme eines Aerosolbasismaterials umfasst, wobei die Aerosolkammer teilweise durch ein bewegliches Wandelement begrenzt ist und wobei das bewegliche Wandelement durch eine Aktorik bewegbar ist.
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Unter einem Aerosol kann insbesondere ein Gemisch, beispielsweise eine Dispersion, aus einem Gas und festen und/oder flüssigen Schwebeteilchen verstanden werden. Das Aerosolbasismaterial kann zum Beispiel feste Partikel beziehungsweise ein Pulver und/oder eine Flüssigkeit umfassen oder sein.
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Durch eine Bewegung des beweglichen Wandelements kann vorteilhafterweise durch das bewegliche Wandelement ein Impuls auf ein in der Aerosolkammer aufgenommenes Aerosolbasismaterial übertragbaren werden. Insbesondere kann das Aerosolbasismaterial ein Pulver, zum Beispiel aus keramischen, metallischen, glasartigen und/oder polymeren Partikeln, insbesondere keramischen Partikel, sein. Die Aerosolkammer kann daher auch als Pulvercontainer bezeichnet werden.
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Durch den Impuls kann das Aerosolbasismaterial, beispielsweise Pulverpartikel (Aerosolpartikel), über einen kurzen Weg auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Dabei kann das Aerosolbasismaterial, beispielsweise die Pulverpartikel, direkt durch das durch die Aktorik bewegte, bewegliche Wandelement oder über das Prinzip der Erzeugung und Druckwellenausbreitung und Reflektion an der Phasengrenze – akustischer Impedanzsprung – (Aerosolmaterial/Pulver zu Luft) auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Um Dämpfungseffekte innerhalb des Aerosolmaterials, beispielsweise aufgrund des Weges der Druckwelle in dem Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, zu minimieren, kann die Aerosolbehandlungsvorrichtung, insbesondere die Aerosolkammer, und/oder das später erläuterte Verfahren insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das in der Aerosolkammer aufzunehmende beziehungsweise aufgenommene Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, das bewegliche Wandelement mit einer geringen Schichtdicke, insbesondere von ≤ 10 mm, bedeckt.
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Unter einer Aerosolbehandlungsvorrichtung kann insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, mit der eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise eines Materials oder Substrats/Körpers/Werkstücks, durch Einwirkung eines Aerosols durchgeführt werden kann. Insbesondere kann eine Aerosolbehandlungsvorrichtung ein Aerosol erzeugen mit dem die Oberfläche eines Materials beziehungsweise Substrats beziehungsweise Körpers beziehungsweise Werkstücks behandelt werden kann.
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In Abhängigkeit von dem Energieeintrag in das Aerosol beziehungsweise darin befindliche Schwebeteilchen beziehungsweise -partikel, beispielsweise Pulverpartikel, und/oder in Abhängigkeit von der Teilchen- beziehungsweise Partikelgröße können dabei unterschiedliche Behandlungen, wie Beschichten (Disposition), Reinigen und/oder Zertrümmern, durch die Aerosolbehandlung erzielt werden. Die Aerosolbehandlungsvorrichtung kann daher eine Aerosolbeschichtungsvorrichtung und/oder eine Aerosolreinigungsvorrichtung und/oder eine Aerosolzertrümmerungsvorrichtung sein. Insbesondere kann die Aerosolbehandlungsvorrichtung eine Aerosolbeschichtungsvorrichtung sein.
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Da die Aktorik nicht direkt auf das Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, sondern über eine Impulsübertragung durch das bewegliche Wandelement wirkt, können mit der Aerosolbehandlungsvorrichtung vorteilhafterweise Materialien, insbesondere Pulver-Materialien, unabhängig davon, ob diese elektrisch leitend sind oder nicht, beschleunigt werden. Die Aerosolbehandlungsvorrichtung eignet sich beispielsweise für metallische, keramische, glasartige und/oder polymere Werkstoffe beziehungsweise Aerosolbasismaterialien. Zudem kann die Aerosolbehandlungsvorrichtung vorteilhafterweise auch unabhängig davon eingesetzt werden, ob das zu behandelnde Substrat elektrisch leitend ist oder nicht. Die Aerosolbehandlungsvorrichtung eignet sich beispielsweise für metallische, keramische, glasartige und/oder polymere Substrate.
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Zum Beispiel können zum Beschichten eines metallischen Substrats Pulver aus keramischen und/oder glasartigen Partikeln eingesetzt werden. Bei metallischen Substraten für Hochtemperaturanwendungen haben sich keramische Pulver als besonders vorteilhaft erwiesen, da diese in der Regel einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, welcher dem von Metallen ähnlicher ist als der von Gläsern, was sich vorteilhaft auf die mechanische Stabilität der Beschichtung auswirkt. Bei metallischen Substraten, welche nicht für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden, kann jedoch auch eine Beschichtung mit Pulvern aus glasartigen Partikeln vorteilhaft sein.
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Keramische Substrate können – sowohl für Hochtemperaturanwendungen als auch für Nicht-Hochtemperaturanwendungen – zum Beispiel mit Pulvern aus keramischen und/oder glasartigen Partikeln beschichtet werden.
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Darüber hinaus kann die Aerosolbehandlungsvorrichtung vorteilhafterweise vakuumfrei und damit kostengünstig betrieben werden.
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Das bewegliche Wandelement kann direkt oder indirekt durch die Aktorik bewegbar sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist die Aktorik eine elektromagnetische Aktorik. Dabei kann das bewegliche Wandelement – direkt oder indirekt – durch die Aktorik insbesondere elektromagnetisch bewegbar sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Aktorik eine Wirbelstromaktorik. So kann vorteilhafterweise eine besonders kompakte, kostengünstige und vakuumfreie Apparatur zur Verfügung gestellt werden. Die kompakte Bauart ermöglicht es dabei vorteilhafterweise sogar ein tragbares Gerät zur Verfügung zu stellen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Aerosolkammer eine Aerosolaustrittsöffnung auf. Die Aerosolaustrittsöffnung kann insbesondere gegenüberliegend zu dem beweglichen Wandelement ausgebildet sein. Die Aerosolaustrittsöffnung kann insbesondere als Düse oder Lochblende ausgestaltet und/oder zum, insbesondere lösbaren, Befestigen einer Düse ausgelegt sein. Insbesondere kann die Düse austauschbar sein. Dies hat den Vorteil, dass die Ausführung der Düse an das zu behandelnde, beispielsweise zu beschichtende, Bauteil angepasst werden kann. So können vorteilhafterweise sowohl ebenen als auch rohr- oder hohlförmige Bauteile problemlos behandelt, insbesondere beschichtet, werden. Durch ein angepasstes Düsendesign beziehungsweise eine angepasste Düsengeometrie, können zudem besonders gleichmäßige Behandlungseffekte, insbesondere Beschichtungen, erzielt werden. Für rohförmige Körper kann zum Beispiel eine Düse mit umlaufenden Düsenlöchern eingesetzt werden, die ein pilzförmiges Spray entwickelt.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das bewegliche Wandelement eine Membran oder ein Kolben.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Aktorik eine Erregerspule und ein Stromleitungselement. Dabei kann das das Stromleitungselement beispielsweise in oder an dem beweglichen Wandelement, insbesondere der Membran oder dem Kolben, ausgebildet sein (direkte Aktuierung). Es jedoch ebenso möglich, dass das Stromleitungselement in oder an einem beweglichen Bauteil, insbesondere Kolben, ausgebildet ist, mittels welchem das bewegliche Wandelement, beispielsweise in Form einer Membran, insbesondere durch die Aktorik, bewegbar ist (indirekte Aktuierung). Das Stromleitungselement kann insbesondere auf einer der Aerosolkammer gegenüberliegenden Seite des beweglichen Wandelements und/oder Bauteils beziehungsweise auf einer der Erregerspule zugewandten Seite des beweglichen Wandelements und/oder Bauteils beziehungsweise zwischen dem bewegliche Wandelement und/oder Bauteil und der Erregerspule angeordnet sein. Die Erregerspule kann dabei insbesondere dem Stromleitungselement zugeordnet sein. Insbesondere kann die Erregerspule auf einer, der Aerosolkammer gegenüberliegenden Seite des beweglichen Wandelements und/oder Bauteils angeordnet sein.
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Das Stromleitungselement kann beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem metallischen Material oder einem elektrisch leitenden Kunststoff, ausgebildet sein und insbesondere eine Form mit einer hohen Längserstreckung aufweisen. Zum Beispiel kann das Stromleitungselement in Form einer oder mehrerer geschlossener, beispielsweise ringförmiger, und/oder spiralförmiger Leiterbahnen ausgebildet sein.
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Das Stromleitungselement kann beispielsweise in Form einer Beschichtung auf dem beweglichen Wandelement oder in Form eines mit dem beweglichen Wandelement verbundenen Bauteils, beispielsweise einer Platte, oder in Form einer in das bewegliche Wandelement integrierten Struktur ausgebildet sein.
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Insbesondere kann das bewegliche Wandelement die Aerosolkammer von einer Erregerkammer, in welcher die Erregerspule angeordnet ist, trennen. Dabei kann die Erregerkammer insbesondere eine Druckausgleichsöffnung aufweisen.
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Die Aerosolkammer und die Erregerkammer können dabei in ein Gehäuse oder unterschiedliche Gehäusebauteile integriert sein. Dabei können die Aerosolkammer und/oder die Erregerkammer teilweise durch Gehäusewandungen begrenzt sein.
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Insofern das bewegliche Wandelement eine Membran ist, kann die Membran insbesondere mit einem die Membran umgebenden Wandabschnitt der Aerosolkammer verbunden sein.
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Die Membran kann beispielsweise als Metallmembran ausgestaltet sein. Dabei kann die Membran sowohl aus einem Metall oder einer Metalllegierung als auch aus mehreren Metallen und/oder Metalllegierungen ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Membran aus einer Folie eines metallischen Materials, beispielsweise Stahl, gebildet sein, welches mit einer elektrisch leitenden Beschichtung aus einem anderen metallischen Material, beispielsweise Kupfer, oder einem sonstigen elektrisch leitenden Material, beispielsweise auf Basis elektrisch leitender Kohlenstoffmodifikationen, wie Leitruß, etc., versehen ist. Dabei kann beispielsweise die elektrisch leitende beziehungsweise metallische Beschichtung als Stromleitungselement dienen. Es ist jedoch ebenso möglich die Membran aus einer Folie eines metallischen Materials auszubilden und darin das Stromleitungselement durch eine Strukturierung, Oberflächenbehandlung und/oder Dotierung des metallischen Materials auszubilden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Membran einen, insbesondere elastomeren, Kunststoff umfassen. Dabei kann das Stromleitungselement ebenfalls durch eine metallische Beschichtung oder auch durch eine sonstige elektrisch leitende Beschichtung an der Membran realisiert werden. Das Stromleitungselement kann dabei jedoch auch durch eine, insbesondere strukturierte, Modifizierung des Kunststoffs, beispielsweise durch eine Additivierung mit einem elektrisch leitenden Additiv, durch eine Verwendung von intrinsisch leitfähigen Polymeren und/oder durch eine leitfähigkeitsinduzierende, chemische und/oder physikalische Behandlung in der Membran realisiert werden.
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Insofern das bewegliche Wandelement ein Kolben ist, kann der Kolben insbesondere aus einem Material mit einer geringen Dichte ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise das Gewicht und damit die Trägheit des Kolbens bei der Bewegung reduziert werden.
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Grundsätzlich ist es möglich den Kolben aus einem Metall oder einer Metalllegierung auszubilden. Um das Gewicht des Kolbens gering zu halten können dabei beispielsweise Leichtmetalle beziehungsweise Leichtmetalllegierungen, beispielsweise Aluminium, Magnesium und/oder Titan, verwendet werden.
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Der Kolben kann jedoch auch aus Kunststoff ausgebildet sein. Analog zu der Membran, kann der Kolben durch eine metallische oder sonstige elektrisch leitende Beschichtung oder durch eine, insbesondere strukturierte, Modifizierung des Kunststoffs mit dem Stromleitungselement ausgestattet werden.
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Insofern das bewegliche Wandelement ein Kolben ist, kann die Vorrichtung weiterhin noch eine, insbesondere flexible beziehungsweise dynamische, Kolbendichtung aufweisen. Dabei kann die Kolbendichtung insbesondere dazu ausgelegt sein, eine dynamische Abdichtung zwischen der Aerosolkammer und dem Kolben, insbesondere während der Bewegung des Kolbens, zu gewährleisten. Die Kolbendichtung kann insbesondere zwischen dem Kolben und einem den Kolben umgebenden Wandabschnitt der Aerosolkammer angeordnet sein. Die Kolbendichtung kann beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, zum Beispiel Kupfer, ausgebildet sein.
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Anstatt einer Kolbendichtung kann auch eine Membran vorgesehen werden, um eine dynamische Abdichtung der Aerosolkammer beim Einsatz eines Kolbens zu realisieren. Die Membran kann dabei beispielsweise mit einem die Membran umgebenden Wandabschnitt der Aerosolkammer verbunden sein und das bewegliche Wandelement darstellen. Der Kolben kann dabei gegen die Membran bewegbar sein und das bewegliche Bauteil einer indirekten Aktuierung darstellen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Aktorik, insbesondere die Erregerspule als zumindest ein Bestandteil eines zweiten beweglichen Bauteils, beweglich angeordnet. Vorzugsweise ist die Erregerspule auf einer dem beweglichen Wandelement und/oder beweglichen Bauteil, insbesondere dem Kolben, zugewandten Seite angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein drittes bewegliches Bauteil, insbesondere ein Druckelement, zur Ausübung von Druck angeordnet sein. Beispielsweise kann das dritte bewegliche Bauteil eine Kraft auf die Aktorik ausüben, welche wiederum einen Druck auf die Aerosolkammer ausüben kann.
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Vorzugsweise umfasst das dritte bewegliche Bauteil, insbesondere das Druckelement, eine Platte und einen Stößel. Vorteilhafterweise sind die Platte und der Stößel beweglich angeordnet, wobei der Stößel von außen in die Erregerkammer führt und mit der Platte verbunden ist. So kann der Druck je nach Betrieb der erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung, beispielsweise für ein Aerosolbeschichtungsverfahren, angepasst werden.
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In vorteilhafter Weise kann mindestens ein mit der Aktorik wirkendes, insbesondere mit dem beweglichen Wandelement und/oder mit dem beweglichen Bauteil und/oder mit dem dritten beweglichen Bauteil verbundenes, Rückstellelement angeordnet sein.
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Unter einer Wirkung kann in erster Linie das Ergebnis einer Ursache verstanden werden. Insbesondere kann unter einem mit der Aktorik wirkenden Rückstellelement eine Feder verstanden werden, welche beispielsweise eine Kraft auf die Aktorik überträgt.
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Vorteilhafterweise kann ein Rückstellelement eine Feder sein, welche beispielsweise mit dem zweiten und dritten beweglichen Bauteil verbunden ist. So kann durch die adäquate Auswahl der Federkonstante ein statischer Druck, insbesondere auf die Aerosolkammer, ausgeübt werden.
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Vorteilhafterweise kann ein Rückstellelement auch eine Feder sein, welche beispielsweise mit dem beweglichen Wandelement und dem beweglichen Bauteil verbunden ist. So kann eine Druckentlastung ermöglicht werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Aerosolkammer austauschbar ausgebildet und/oder weist mindestens ein austauschbares Behältnis, insbesondere eine Kartusche, auf. Dadurch wird die Verwendung verschiedener Materialien auf einfache Weise ermöglicht.
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Das austauschbare Behältnis kann auch als zumindest ein Bestandteil der Aerosolkammer aufgefasst werden.
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Vorzugsweise handelt es sich bei einem austauschbaren Behältnis um eine Kartusche.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das austauschbare Behältnis ein bewegliches Wandelement aufweist. Insbesondere kann das bewegliche Wandelement auf einer der Aktorik zugewandten Seite ausgebildet sein.
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Durch eine Bewegung des beweglichen Wandelements kann vorteilhafterweise ein Impuls auf ein in dem austauschbaren Behältnis aufgenommenes Aerosolbasismaterial übertragbar werden.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das austauschbare Behältnis flexible Seitenwandungen aufweist, welche eine Volumenänderung des Innenraums erlauben. So wird eine Entleerung des austauschbaren Behältnisses, insbesondere für ein Aerosolbeschichtungsverfahren, ermöglicht. Insbesondere kann dies ermöglicht werden, indem die Aktorik einen Druck auf das austauschbare Behältnis ausüben kann.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, dass das austauschbare Behältnis selbst eine Aerosolaustrittsöffnung aufweisen kann. Die Aerosolaustrittsöffnung des austauschbaren Behältnisses kann insbesondere gegenüberliegend zu dem beweglichen Wandelement ausgebildet sein. Die Aerosolaustrittsöffnung des Austauschbaren Behältnisses kann insbesondere als Düse oder Lochblende ausgestaltet und/oder zum, insbesondere lösbaren, Befestigen einer Düse ausgelegt sein. Insbesondere kann die Düse austauschbar sein. Darüber Hinaus kann die Aerosolaustrittsöffnung des austauschbaren Behältnisses an die Aerosolaustrittsöffnung der Aerosolkammer, insbesondere formschlüssig, angepasst sein.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Austauschvorrichtung, zum Austauschen der Aerosolkammer und/oder des austauschbaren Behältnisses, insbesondere der Kartusche, angeordnet. Dadurch besteht die Möglichkeit, die verwendbaren Materialien in vorteilhafter Weise während eines Betriebes der erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung flexibel auszutauschen.
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Insbesondere kann die Austauschvorrichtung so angeordnet sein, dass die Aerosolkammer und/oder ein austauschbares Behältnis durch eine Austauschbewegung aus der Aerosolbehandlungsvorrichtung, insbesondere der Aerosolkammer, hinausgeführt und eine weitere Aerosolkammer und/oder ein weiteres austauschbares Behältnis hineingeführt werden kann.
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Insbesondere kann es sich bei einer Austauschbewegung um eine Dreh- und/oder Linearbewegung handeln.
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In vorteilhafter Weise kann die Austauschvorrichtung so ausgeführt sein, dass die Austauschbewegung, insbesondere revolverartig, durch eine Drehbewegung bewerkstelligt werden kann. Eine Drehbewegung kann beispielsweise um eine Achse stattfinden, welche außerhalb der Aerosolkammer verläuft.
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Ferner kann die Austauschvorrichtung mindestens eine Kammer für mindestens ein austauschbares Behältnis aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weise, können auch mindestens zwei austauschbare Behältnisse in Reihe, insbesondere kettenartig, angeordnet sein.
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Darüber hinaus kann die Austauschvorrichtung als ein Bestandteil der Aerosolbehandlungsvorrichtung und/oder als ein austauschbarer Teil der Aerosolbehandlungsvorrichtung angeordnet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Aerosolkammer zumindest teilweise drehbar ausgebildet. Dabei ist es sowohl möglich die komplette Aerosolkammer als auch nur einen Teil der Aerosolkammer drehbar auszugestalten. Beispielsweise kann die Aerosolkammer einen drehbaren Teil und einen stehenden Teil aufweisen. Insbesondere kann dabei die Aerosolkammer beziehungsweise der drehbare Teil der Aerosolkammer um eine Achse drehbar sein, entlang welcher das Aerosolbasismaterial beschleunigt wird und/oder die Bewegung des beweglichen Wandelements im Wesentlich erfolgt und/oder welche sich zwischen dem beweglichen Wandelement und der Aerosolaustrittsöffnung erstreckt. Insbesondere kann zumindest ein zu dem beweglichen Wandelement benachbarter Teil beziehungsweise ein das bewegliche Wandelement umgebender Teil der Aerosolkammer drehbar ausgestaltet sein.
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Durch eine Drehung der Aerosolkammer kann vorteilhafterweise eine Rotation des darin aufzunehmenden beziehungsweise aufgenommenen Aerosolbasismaterials, insbesondere Pulvers, bewirkt werden. Aufgrund der Trägheit kann dadurch die Phasengrenze zwischen dem Aerosolmaterial (Pulver) und Luft, beispielsweise parabelförmig, verformt werden. Diese Krümmung der Phasengrenze kann vorteilhafterweise zu einer Verstärkung des Aerosol- beziehungsweise Pulverausstoßes (Linseneffekt) und somit zu höheren Austrittsgeschwindigkeiten führen.
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Darüber hinaus kann durch das Drehen beziehungsweise die Drehzahl der Aerosolkammer die Schichtdicke, mit der das Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, das bewegliche Wandelement bedeckt, zum Beispiel auf eine Schichtdicke, insbesondere von ≤ 10 mm, eingestellt und so Dämpfungseffekte verringert werden.
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Durch eine Drehung der Aerosolkammer können zudem besonders gleichmäßige Behandlungseffekte, insbesondere Beschichtungen, erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann dies jedoch auch durch Einspannen des zu behandelnden Bauteils in eine Drehvorrichtung für rotationssymmetrische Bauteile und Drehen des zu behandelnden Bauteils erzielt werden. Dies ist jedoch apparativ aufwändiger als eine Drehung der Aerosolkammer.
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Des Weiteren ermöglicht eine drehbare Aerosolkammer auch den Einsatz von Düsen mit einem lateral angebrachten Spritzschlitz, insbesondere welche ein Sprayband erzeugen. Durch Drehen eines drehbaren Teils der Aerosolkammer und einer derartigen damit verbundenen Düse kann so ein gleichmäßiger Schichtauftrag erfolgen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann dies jedoch auch durch Einspannen des zu behandelnden Bauteils in eine Drehvorrichtung für rotationssymmetrische Bauteile und Drehen des zu behandelnden Bauteils erzielt werden. Dies ist jedoch apparativ aufwändiger als eine Drehung der Aerosolkammer.
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Die Drehung der Aerosolkammer kann beispielsweise durch einen Elektromotor bewirkt werden.
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Die drehbare Lagerung der Aerosolkammer kann beispielsweise durch Wälzlager, insbesondere Kugellager, erfolgen. Zum Beispiel können am Außendurchmesser der Aerosolkammer, insbesondere am Außendurchmesser des drehbaren Teils der Aerosolkammer, Wälzlager, insbesondere Kugellager, vorgesehen werden, welche eine drehbare Lagerung der Aerosolkammer beispielsweise bezüglich eines Gehäuses und/oder der Erregerspule und/oder Erregerkammer gewährleisten. Die Erregerspule kann dabei, insbesondere bezüglich der Drehung der Aerosolkammer, stehend angeordnet sein. Die Austrittsöffnung kann in einem drehbaren Teil der Aerosolkammer oder in einem stehenden Teil der Aerosolkammer ausgebildet sein.
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Insofern das bewegliche Wandelement eine Membran ist, kann die Membran mit der Aerosolkammer, insbesondere mit einem drehbaren Teil der Aerosolkammer, drehbar sein.
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Insofern das bewegliche Wandelement ein Kolben ist, kann der Kolben bezüglich der Drehung der Aerosolkammer stehend oder mit der Aerosolkammer, insbesondere mit einem drehbaren Teil der Aerosolkammer, drehbar oder lose zwischen der drehbaren Aerosolkammer, insbesondere einem drehbaren Teil der Aerosolkammer, und der stehenden Erregerspule angeordnet sein. Je nach Ausgestaltung kann dabei der Kolben beziehungsweise das mit dem Kolben verbundene Stromleitungselement über eine Federung direkt oder indirekt mit einem drehbaren Teil der Lagerung, beispielsweise dem Innenring und/oder der Aerosolkammerwandung, oder mit einem stehenden Teil der Lagerung, beispielsweise dem Außenring und/oder dem Gehäuse, verbunden sein oder lose zwischen einem drehbaren Teil der Lagerung und einem stehenden Teil der Lagerung angeordnet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin ein Aerosolbasismaterialreservoir, insbesondere Pulverreservoir. Das Aerosolbasismaterialreservoir kann beispielsweise über eine in die Aerosolkammer mündende Zufuhrleitung mit der Aerosolkammer verbunden oder verbindbar sein. Auf diese Weise kann Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, in die Aerosolkammer nachgeführt werden. Durch, insbesondere gezieltes, Nachführen des Aerosolbasismaterials aus dem Aerosolbasismaterialreservoir in die Aerosolbasiskammer kann vorteilhafterweise ebenfalls eine geringe Schichtdicke, mit der das Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, das bewegliche Wandelement bedeckt, zum Beispiel von ≤ 10 mm, bewirkt werden und so Dämpfungseffekte verringert werden. Insofern die Aerosolkammer drehbar ausgebildet ist, kann das Aerosolbasismaterialreservoir mit einem stehenden Teil der Aerosolkammer verbunden sein oder ebenfalls drehbar ausgebildet sein.
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Weiterhin kann die Vorrichtung – insbesondere bei einer Auslegung für Aerosole mit flüssigen Schwebeteilchen – ein, beispielsweise konusförmiges oder exponentiell geformtes, Stoßwellenverstärkungselement umfassen. Dabei kann beispielsweise die Spitze des Stoßwellenverstärkungselements auf die Mitte des beweglichen Elements gerichtet sein. Das Stoßwellenverstärkungselement kann zum Beispiel rotationssymmetrisch, insbesondere zur Achse, entlang welcher das Aerosolbasismaterial beschleunigt wird und/oder die Bewegung des beweglichen Wandelements im Wesentlich erfolgt und/oder welche sich zwischen dem beweglichen Wandelement und der Aerosolaustrittsöffnung erstreckt, ausgebildet sein. Zwischen dem Stoßwellenverstärkungselement und der Aerosolaustrittsöffnung kann dabei beispielsweise eine ringförmige Querschnittsfläche freibleiben. Gegebenenfalls können auch zu dem Stoßwellenverstärkungselement benachbarte Aerosolkammerwandungen derart ausgebildet sein, dass zwischen diesen und dem Stoßwellenverstärkungselement eine ringförmige Querschnittsfläche freibleibt. Dabei kann sich die ringförmige Querschnittsfläche von dem beweglichen Wandelement zur Aerosolaustrittsöffnung hin vergrößern. Zwischen der Spitze des Stoßwellenverstärkungselements und dem beweglichen Element kann die Querschnittsfläche kreisförmig ausgestaltet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung in Form eines tragbaren Geräts, insbesondere einer Behandlungspistole, beispielsweise einer Beschichtungspistole, ausgebildet. Dabei kann die Vorrichtung beziehungsweise Pistole insbesondere derart ausgeführt sein, dass sie tief in einen Hohlkörper einführbar ist. Insbesondere kann dafür die Aerosolkammer mit einem geringen Außenumfang beziehungsweise Außendurchmesser ausgebildet werden.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsverfahren und dem erfindungsgemäßen Gasleitungselement sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Aerosolbehandlungsverfahren, insbesondere Aerosolbeschichtungsverfahren und/oder Aerosolreinigungsverfahren und/oder Aerosolzertrümmerungsverfahren, wobei das Aerosol mittels Stoßwellen, insbesondere einer Stoßwellenaktorik und/oder Wirbelstromaktorik, erzeugt wird. Das Verfahren kann dabei insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung, beispielsweise Aerosolbeschichtungsvorrichtung und/oder Aerosolreinigungsvorrichtung und/oder Aerosolzertrümmerungsvorrichtung, durchgeführt werden.
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Dabei kann insbesondere ein Aerosol erzeugt werden, welches Partikel enthält. Als Partikel können dabei keramische, metallische, glasartige und/oder polymere Partikel, insbesondere keramische Partikel, eingesetzt werden. Die Partikel können beispielsweise eine durchschnittliche Partikelgröße in einem Bereich von ≥ 0,05 μm bis ≤ 2 μm aufweisen.
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In dem Verfahren kann zum Beispiel eine Körper beziehungsweise eine Oberfläche behandelt werden. Der Körper kann dabei vorteilhafterweise auch ein Hohlkörper sein. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren nämlich auch eine problemlose Behandlung einer Innenseite beziehungsweise Innenwandung eines rohr- oder hohlförmigen Bauteils.
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In dem Verfahren kann beispielsweise ein Körper, zum Beispiel ein Hohlkörper, beziehungsweise eine Oberfläche, insbesondere mit dem Aerosol, (aerosol)beschichtet und/oder gereinigt und/oder zertrümmert werden. Insbesondere kann in dem Verfahren ein Körper, zum Beispiel ein Hohlkörper, beziehungsweise eine Oberfläche (aerosol-)beschichtet werden.
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Der Körper kann grundsätzlich aus vielen unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. Zum Beispiel kann der Körper aus einem keramischen, metallischen, glasartigen und/oder polymeren Material ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft kann das Verfahren jedoch zum Beschichten von keramischen und/oder glasartigen und/oder metallischen Körpern eingesetzt werden. Insbesondere kann in dem Verfahren ein keramischer und/oder glasartiger und/oder metallischer, insbesondere chromhaltiger, Körper beschichtet und/oder gereinigt und/oder zertrümmert, insbesondere aerosolbeschichtet, werden. Insbesondere kann durch das Verfahren ein Gasleitungselement für eine Hochtemperaturbrennstoffzelle hergestellt werden.
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Während der Aerosolbehandlung wird vorzugsweise die Aerosolaustrittsöffnung beziehungsweise die Düse oder Lochblende der Aerosolbehandlungsvorrichtung in eine kurze Distanz zu dem Körper beziehungsweise der Oberfläche gebracht. So kann vorteilhafterweise eine Abbremsung durch den Luftwiderstand verringert werden und gewährleistet werden, dass das Aerosolbasismaterial, insbesondere die Partikel, mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit auf die zu reinigende, zu beschichtende beziehungsweise zu zerstörende Oberfläche auftreffen.
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Die Aerosolkammer kann während der Aerosolbehandlung insbesondere zumindest teilweise gedreht werden. Durch Einstellen, insbesondere Erhöhen, der Drehzahl kann dabei vorteilhafterweise die Schichtdicke, mit der das Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, das bewegliche Wandelement bedeckt, beispielsweise auf ≤ 10 mm, eingestellt werden. So können vorteilhafterweise Dämpfungseffekte innerhalb des Aerosolmaterials verringert werden.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsverfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Gasleitungselement sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Gasleitungselement für eine Hochtemperaturanwendung, beispielsweise Hochtemperaturzellenanwendung, zum Beispiel eine Hochtemperaturbrennstoffzelle. Zum Beispiel kann das Gasleitungselement ein Hochtemperaturzellen(system)-Gasleitungselement, beispielsweise ein Hochtemperaturbrennstoffzellen(system)-Gasleitungselement, sein.
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Unter einer Hochtemperaturzelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle verstanden werden, welche bei einer hohen Temperatur, zum Beispiel von ≥ 600 °C, insbesondere unter der Verwendung und/oder Erzeugung eines Gases, betrieben wird. Eine Hochtemperaturzelle kann beispielsweise eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) und/oder eine Hochtemperaturelektrolysezelle (SOEC: Englisch: Solid Oxide Electrolysis Cell) und/oder eine Hochtemperatur-Metall-Luft-Zelle sein.
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Zum Beispiel kann es sich bei dem Gasleitungselement um eine Rohrleitung, einen Wärmetauscher, eine Lanze, eine Platte, einen Behälter oder ein Gehäusebauteil handeln. Das Gasleitungselement kann dabei insbesondere einen metallischen Körper aufweisen, welcher zumindest teilweise mit einer Aerosolbeschichtung bedeckt ist. Insbesondere kann zumindest die Oberfläche der zur Gasleitung ausgelegten Abschnitte des Körpers mit der Aerosolbeschichtung versehen sein.
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Die Technologie des Aerosolbeschichtens ermöglicht vorteilhafterweise die Beschichtung eines Substrates mit keramischen Materialien, wobei sowohl die Materialklasse des Substrates als auch seine Oberflächengüte frei wählbar ist. Die Beschichtung erfolgt dabei vorteilhafterweise in einem sogenannten kalten Verfahren, wobei sich während des Beschichtungsprozesses ohne zusätzliche Prozesstemperatur eine dichte, beispielsweise keramische, Schicht ausbilden kann. Aerosolbeschichtungen können zudem vorteilhafterweise kostengünstig und schnell realisiert werden. Vorteilhafterweise können auch Innenwandungen von Hohlkörper mit Aerosolbeschichtungen versehen werden.
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Die Aerosolbeschichtung kann dabei insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung, insbesondere Aerosolbeschichtungsvorrichtung und/oder Aerosolreinigungsvorrichtung und/oder Aerosolzertrümmerungsvorrichtung, und/oder durch ein erfindungsgemäßes Aerosolbehandlungsverfahren, insbesondere Aerosolbeschichtungsverfahren und/oder Aerosolreinigungsverfahren und/oder Aerosolzertrümmerungsverfahren, hergestellt sein. So kann die Aerosolbeschichtung auf besonders einfache Weise hergestellt werden.
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Der Körper kann beispielsweise ein Hohlkörper sein. Beispielsweise kann eine Innenwandung und/oder eine Außenwandung des Körpers mit der Aerosolbeschichtung versehen sein. Beispielsweise kann die Aerosolbeschichtung eine Innenbeschichtung sein.
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Die Aerosolbeschichtung kann insbesondere gasdicht sein. So kann vorteilhafterweise eine Ausbildung einer Metalloxidschicht unter der keramischen Aerosolbeschichtung stark reduziert oder gegebenenfalls sogar verhindert werden. Die Aerosolbeschichtung kann insbesondere aus einem inerten Material ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise eine chemische Reaktion mit dem durch das Gasleitungselement zu führenden Gas vermieden werden.
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Die Aerosolbeschichtung kann insbesondere eine keramische Aerosolbeschichtung sein. Keramische Materialien weisen – beispielsweise verglichen mit Kunststoff – eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf, weshalb keramische Beschichtungen für Hochtemperaturanwendungen besonders vorteilhaft eingesetzt werden können. Des Weiteren passen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Metall deutlich besser zueinander als die von Glas und Metall, was sich vorteilhaft auf die mechanische Stabilität auswirkt. Keramische Aerosolbeschichtungen weisen vorteilhafterweise gegenüber keramischen Beschichtungen, die durch die Verwendung von Metalloxidschicht bildenden Metallen, zum Beispiel Aluminiumoxidschicht bildenden Metallen, hergestellt sind, eine deutlich höhere mechanische Stabilität auf.
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Der Körper kann insbesondere ein metallischer, chromhaltiger Körper sein.
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Durch keramische Aerosolbeschichtungen können vorteilhafterweise hochtemperaturbelastete Metalle beziehungsweise Metalllegierungen, wie sie bei Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) eingesetzt werden, inertisiert und metallinduzierte Emissionen und/oder Vergiftungserscheinungen, beispielsweise Chromemission und/oder Chromvergiftung, zum Beispiel in Hochtemperaturbrennstoffzellenanwendungen, deutlich reduziert werden. Dadurch kann vorteilhafterweise nicht nur eine Vergiftung von Elektroden, beispielsweise Kathode und/oder Anode, oder sonstigen Bauteilen, sondern auch giftige Metallverbindungen, beispielsweise hochgiftige Chromverbindungen, im Abgas beziehungsweise Abgaskondensat vermieden werden, welche ansonsten bei Grenzwertüberschreitungen aufwendig nachbehandelt, beispielsweise gefiltert werden müssten, um nicht in die Umgebungsluft beziehungsweise das Abwasser zu gelangen. Das Gasleitungselement kann daher nicht nur ein Gaszufuhr-Gasleitungselement, sondern auch ein Gasabfuhr- beziehungsweise Abgas-Gasleitungselement sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst die Aerosolbeschichtung Zirkoniumoxid oder eine Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid-Mischung. Insbesondere kann die Aerosolbeschichtung aus Zirkoniumoxid oder einer Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid-Mischung ausgebildet sein. Zirkonoxid und/oder Zirkonoxid-Aluminiumoxidmischungen können besonders vorteilhaft eingesetzt werden, um eine gasdichte, keramische Beschichtung auf Metallen beziehungsweise Metalllegierungen aufzubringen. Bei herkömmlichen Beschichtungsverfahren sind in der Regel hohe Temperaturen von > 1000 °C und beispielsweise ein Sinterschritt bei einer derartigen Temperatur nötig, um eine Beschichtungen aus Zirkonoxid und/oder Zirkonoxid-Aluminiumoxidmischungen auszubilden. Die meisten Metalle und Metalllegierungen halten jedoch diese Temperaturen nicht aus. Durch ein Aerosolbeschichtungsverfahren ist es jedoch vorteilhafterweise möglich Beschichtungen aus Zirkoniumoxid oder einer Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid-Mischung auch bei geringen Temperaturen herzustellen.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Gasleitungselements wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsverfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung mit einem Kolben als bewegliches Wandelement;
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung mit einer Membran als bewegliches Wandelement;
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3 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung mit einer über einen Kolben indirekt aktuierten Membran als bewegliches Wandelement;
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4 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung mit einer austauschbaren Aerosolkammer und einer beweglich angeordneten Aktorik;
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5 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung mit einer drehbaren Aerosolkammer und mit einem Kolben als bewegliches Wandelement;
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6 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung mit einer drehbaren Aerosolkammer und mit einer Membran als bewegliches Wandelement, und
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7 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsverfahrens.
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1 zeigt eine Aerosolbehandlungsvorrichtung, insbesondere Aerosolbeschichtungsvorrichtung und/oder Aerosolreinigungsvorrichtung und/oder Aerosolzertrümmerungsvorrichtung, welche eine Aerosolkammer 10 zur Aufnahme eines Aerosolbasismaterials 11 aufweist, welche 10 teilweise durch ein bewegliches Wandelement 20 in Form eines Kolbens begrenzt ist. Der Kolben 20 ist dabei durch eine elektromagnetische Aktorik, insbesondere Wirbelstromaktorik, 30 elektromagnetisch bewegbar. Gegenüberliegend zu dem beweglichen Wandelement 20 ist eine Aerosolaustrittsöffnung 12 ausgebildet.
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Das Aerosolbasismaterial 11 kann grundsätzlich sowohl fest als auch flüssig sein. Insbesondere kann das Aerosolbasismaterial 11 jedoch ein Pulver sein.
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1 veranschaulicht, dass durch das bewegliche Wandelement 20 ein Impuls auf das Pulver 11 übertragbar ist durch welchen eine Druckwelle erzeugt wird. Das Aerosol 13 wird dabei aus den Partikeln 11 und der Umgebungsluft gebildet und verlässt als Partikelstrahl die Aerosolkammer 10 über die Aerosolaustrittsöffnung 12.
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Der Impuls wird dabei durch die Wirbelstromaktorik 30 erzeugt. 1 zeigt, dass die Aktorik 30 eine Erregerspule 31 und ein Stromleitungselement 32 umfasst. Das Stromleitungselement 32 ist dabei an dem beweglichen Wandelement 20, insbesondere dem Kolben, auf einer der Aerosolkammer 10 gegenüberliegenden Seite des beweglichen Wandelements 20 und auf einer der Erregerspule 31 zugewandten Seite des beweglichen Wandelements 20 befestigt. Die Erregerspule 31 ist dem Stromleitungselement 32 zugeordnet, wobei die Erregerspule 31 insbesondere auf einer, der Aerosolkammer 10 gegenüberliegenden Seite des beweglichen Wandelements 20 und das Stromleitungselement 32 zwischen dem beweglichen Wandelement 20 und der Erregerspule 31 angeordnet ist.
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Im Rahmen der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Stromleitungselement 32 eine stromleitende Platte beziehungsweise ein stromleitender Anker.
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Zum Betreib der Vorrichtung wird an die Erregerspule 31, beispielsweise durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines impulsartigen Primärstroms, ein Strom angelegt. Dadurch wird ein Wirbelstrom in dem Stromleitungselement 32 erzeugt. Die sich in der Erregerspule 31 und dem Stromleitungselement 32 aufbauenden Magnetkräfte stoßen sich, insbesondere über einen sehr kurzen Zeitraum, mit einer sehr hohen Kraft voneinander ab, so dass das mit dem Stromleitungselement 32 verbundene bewegliche Wandelement 20, insbesondere der Kolben, eine Druckwelle in dem Pulver 11 erzeugt, welche sich in Richtung der Aerosolaustrittsöffnung 12 ausbreitet. Die Aerosolaustrittsöffnung 12 kann dabei insbesondere als Düse oder Lochblende ausgestaltet oder zum, insbesondere lösbaren, Befestigen einer Düse ausgelegt sein.
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1 zeigt weiterhin, dass das bewegliche Wandelement 20 die Aerosolkammer 10 von einer Erregerkammer 33, in welcher die Erregerspule 31 angeordnet ist, trennt. Die Erregerkammer 33 weist dabei eine Druckausgleichsöffnung 34 auf.
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1 veranschaulicht zudem, dass die Aerosolkammer 10 und die Erregerkammer 33 in ein Gehäuse 40 integriert sind, wobei die Aerosolkammer 10 und die Erregerkammer 33 teilweise durch Gehäusewandungen begrenzt sind.
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Ferner zeigt 1, dass die Vorrichtung weiterhin noch eine flexible Kolbendichtung 21 aufweist, welche zwischen dem Kolben 20 und einem den Kolben 20 umgebenden Wandabschnitt der Aerosolkammer 10 angeordnet ist und eine Abdichtung zwischen der Aerosolkammer 10 und dem Kolben 20 während der Bewegung des Kolbens 20 gewährleistet.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 1 gezeigten Ausführungsform, dass das bewegliche Wandelement 20 eine Membran ist und das Stromleitungselement 32 in Form einer Beschichtung auf der Membran 20 ausgebildet ist. Die Membran 20 ist dabei mit einem die Membran 20 umgebenden Wandabschnitt der Aerosolkammer 10 verbunden. Die gestrichelte Linie veranschaulicht, dass die Bewegung der Membran 20 während des Betriebs mit einer Verformung der Membran 20 einhergeht.
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Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen, dass das bewegliche Wandelement 20 indirekt durch die Aktorik 30 bewegbar ist. 3 zeigt, dass eine Membran 20 als bewegliches Wandelement vorgesehen ist, welche 20 mit einem die Membran 20 umgebenden Wandabschnitt der Aerosolkammer 10 verbunden ist und auf diese Weise auch zur Abdichtung der Aerosolkammer 10 dient. Weiterhin ist ein bewegliches Bauteil in Form eines Kolbens 22 vorgesehen, mittels welchem die als bewegliches Wandelement und Abdichtung dienende Membran 20 durch die Aktorik 30 indirekt bewegbar ist. 3 zeigt, dass dabei das Stromleitungselement 32 an dem Kolben 22 ausgebildet ist. Analog zu der in 1 gezeigten Ausführungsform kann der Kolben 22 so durch Anlegen eines Stroms an die Erregerspule 31 magnetisch beschleunigt und gegen die Membran 20 bewegt werden, wobei die Druckwelle durch Aufschlagen des Kolbens 22 auf die Membran 20 erzeugt wird. Auf eine zusätzliche Kolbendichtung kann dabei vorteilhafterweise verzichtet werden.
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Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von den in 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen, dass die Aktorik 30, insbesondere die Erregerspule 31 als zumindest ein Bestandteil eines zweiten beweglichen Bauteils 36, beweglich angeordnet ist. Das zweite bewegliche Bauteil 36 ist plattenartig ausgebildet, wobei die Erregerspule 31 auf einer dem Kolben 22 zugewandten Seite angeordnet ist.
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4 veranschaulicht zudem, dass ein drittes bewegliches Bauteil 38, insbesondere ein Druckelement 38, zur Ausübung von Druck angeordnet ist. Das dritte bewegliche Bauteil 38 ist zumindest teilweise in der Erregerkammer 33 angeordnet. Es umfasst eine Platte 42 und einen Stößel 44. Die Platte 42 ist in der Erregerkammer 33 angeordnet, wobei der Stößel 44 von außerhalb in die Erregerkammer 33 hineinführt. Die Platte 42 und der Stößel 44 sind miteinander verbunden. So kann der Druck, insbesondere auf die Aerosolkammer 10, je nach Betrieb der erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung, beispielsweise für ein Aerosolbeschichtungsverfahren, angepasst werden.
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4 zeigt weiterhin zwei mit der Aktorik 30 wirkende Rückstellelemente 46, 48. Bei den Rückstellelementen 46, 48 handelt es sich um Federn. Die Feder 48 ist mit dem Druckelement 38 und dem zweiten beweglichen Bauteil 36 verbunden. Dadurch kann eine Kraft über die Feder 48 von dem Druckelement 38 auf das zweite bewegliche Bauteil 36 übertragen werden. Somit wird eine Kraft auf die Aktorik 30 übertragen. Die Aktorik 30 wiederum kann mit Hilfe des Kolbens 22 einen Druck auf das bewegliche Wandelement 20 ausüben. Zudem kann durch die adäquate Auswahl der Federkonstante ein statischer Druck ausgeübt werden. Insbesondere ist die gezeigte Feder 46 mit dem Kolben 22 fest verbunden, so dass bei einer Entlastung der Feder 48 eine Trennung des Kolbens 22 von dem beweglichen Wandelement 20 möglich ist.
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Des Weiteren zeigt 4 eine Aerosolkammer 10 die austauschbar ausgebildet ist und eine Kartusche 18 aufweist. Ist bei einer Entlastung der Feder 48 der Kolben 22 von dem beweglichen Wandelement 20 getrennt, so kann der Kartuschenhalter 19 von dem Gehäuse 40 getrennt werden und somit die Aerosolkammer 10 ausgetauscht werden.
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Im Falle der in 4 gezeigten Ausführungsform ist das bewegliche Wandelement 20 die Wandung der Kartusche 18. Dabei ist das Wandelement 20 auf der Seite der Kartusche ausgebildet, welche dem Kolben 22 zugewandt ist. So kann durch den Kolben 22 Druck auf die Kartusche, ausgeübt werden. Darüber hinaus weist die Kartusche 18 flexible Seitenwandungen und eine Aerosolaustrittsöffnung 12 auf. Wird nun durch den Kolben 22 Druck auf die Kartusche 18 ausgeübt, so erlauben die flexiblen Seitenwandungen eine Volumenänderung des Innenraums der Kartusche 18. Somit kann Aerosol 13 durch die Aerosolaustrittsöffnung 12 entweichen.
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Die Aerosolaustrittsöffnung 12 ist durch einen Einstich in einem kegelförmigen Fortsatz 15 realisiert, der in unbelastetem Zustand geschlossen ist und sich öffnet, wenn der Druck in der Kartusche ansteigt.
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Zum Austauschen der Kartusche 18 ist gemäß 4 eine Austauschvorrichtung 52 schematisch angeordnet. So besteht die Möglichkeit, die verwendbaren Materialien während eines Betriebes der erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsvorrichtung flexibel auszutauschen. Die Austauschvorrichtung 52 ist dabei so ausgeführt, dass ein Austauschen der Kartusche 18, insbesondere revolverartig, durch eine Drehbewegung bewerkstelligt werden kann. Dabei wird die Drehbewegung um eine Achse A durchgeführt die außerhalb der gezeigten Aerosolbehandlungsvorrichtung verläuft.
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Die in 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 1 gezeigten Ausführungsform, dass die Aerosolkammer 10, welche auch als Pulvercontainer bezeichnet werden kann, zumindest teilweise drehbar gelagert ist. 4 veranschaulicht, dass dabei ein Teil 10a der Aerosolkammer 10 um die Achse drehbar ist, entlang welcher das Aerosolbasismaterial 11 beschleunigt wird, entlang welcher die Bewegung des beweglichen Wandelements 20 im Wesentlich erfolgt und welche sich zwischen dem beweglichen Wandelement 20 und der Aerosolaustrittsöffnung 12 erstreckt. 5 zeigt darüber hinaus, dass die Aerosolkammer 10 weiterhin einen stehenden Teil 10b aufweist. Im Rahmen der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der drehbare Teil 10a der Aerosolkammer 10, insbesondere im Wesentlichen, tonnenförmig ausgebildet, wohingegen der stehende Teil 10b der Aerosolkammer 10, insbesondere im Wesentlichen, plattenförmig beziehungsweise deckelförmig ausgestaltet ist und den drehbaren Teil 10a teilweise schließt.
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5 illustriert, dass die drehbare Lagerung der Aerosolkammer 10,10a durch Kugellager 14 erfolgen kann, welche am Außendurchmesser der Aerosolkammer 10, insbesondere am Außendurchmesser des drehbaren Teils 10a der Aerosolkammer 10, vorgesehen sind und eine drehbare Lagerung der Aerosolkammer 10 beziehungsweise von deren drehbaren Teil 10a bezüglich der Erregerspule 31 und gegebenenfalls auch einer Erregerkammer und/oder einem Gehäuse gewährleisten. Die Erregerspule 31 ist bezüglich der Drehung der Aerosolkammer 10 stehend angeordnet.
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Im Rahmen der in 5 gezeigten Ausführungsform ist das bewegliche Wandelement 20 ein Kolben. Der Kolben ist dabei bezüglich der Drehung der Aerosolkammer 10 stehend angeordnet und über das damit verbundene, beispielsweise ankerförmige, Stromleitungselement 32 sowie eine Federung 35 mit einem stehenden Teil der Lagerung 14, insbesondere dem Außenring, verbunden sein.
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5 zeigt, dass die Vorrichtung weiterhin ein Aerosolbasismaterialreservoir, insbesondere Pulverreservoir, 15 umfasst, welches über eine in die Aerosolkammer 10 mündende Zufuhrleitung 16 mit der Aerosolkammer 10 verbunden ist, um Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, 11 in die Aerosolkammer 10 nachzuführen. 5 zeigt, dass dabei das Aerosolbasismaterialreservoir 15 über die Zufuhrleitung 16 mit dem stehenden Teil 10b der Aerosolkammer 10 verbunden ist.
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Ferner zeigt 5, dass in dieser Ausführungsform die Aerosolaustrittsöffnung 12 als Düse zur Dispersion des Aerosols 13 ausgebildet ist. 5 zeigt, dass dabei die Aerosolaustrittsöffnung 12 ebenfalls in dem stehenden Teil 10b der Aerosolkammer 10 ausgebildet ist.
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5 veranschaulicht zudem, das sich durch eine Rotation des Aerosolbasismaterials, insbesondere Pulvers, 11 in der Aerosolkammer 10 sich die Phasengrenze 17 zwischen dem Aerosolmaterial (Pulver) 11 und Luft durch Trägheitseffekte, insbesondere parabelförmig, verformt. Diese Krümmung der Phasengrenze 17 führt vorteilhafterweise zu einer Verstärkung des Aerosol- beziehungsweise Pulverausstoßes (Linseneffekt) und somit zu höheren Austrittsgeschwindigkeiten. Da die Wirbelstromaktorik nicht direkt auf das Aerosolbasismaterial, insbesondere Pulver, 11 sondern über einer Impulsübertragung durch das bewegliche Wandelement (Kolben / Membran) 20 wirkt, können mit dieser Technologie vorteilhafterweise alle Pulver-Materialien beschleunigt werden unabhängig davon, ob diese elektrisch leitend sind oder nicht.
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Die in 6 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 5 gezeigten Ausführungsform, dass das bewegliche Wandelement 20 – analog zu der in 2 gezeigten Ausführungsform – eine Membran 20 ist und das Stromleitungselement 32 in Form einer Beschichtung auf der Membran 20 ausgebildet ist. Die Membran 20 ist dabei mit einem die Membran 20 umgebenden Wandabschnitt der Aerosolkammer 10, insbesondere dem drehbaren Teil 10a der Aerosolkammer 10, verbunden. Auch hier veranschaulicht die gestrichelte Linie, dass die Bewegung der Membran 20 während des Betriebs mit einer Verformung der Membran 20 einhergeht. 6 zeigt, dass – da die Membran 20 zusammen mit der Aerosolkammer 10 drehbar ist – im Rahmen dieser Ausführungsform vorteilhafterweise auf eine Federung verzichtet werden kann.
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Die im Rahmen der 1 bis 6 gezeigten Aerosolbehandlungsvorrichtungen, insbesondere Aerosolbeschichtungsvorrichtung und/oder Aerosolreinigungsvorrichtung und/oder Aerosolzertrümmerungsvorrichtungen, können insbesondere in Form einer Behandlungspistole, beispielsweise einer Beschichtungspistole, ausgebildet sein.
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Darüber Hinaus können alle Ausführungsformen, die im Rahmen der 1 bis 6 gezeigt sind, eine austauschbare Aerosolkammer 10 und/oder mindestens eine austauschbare Kammer 18, insbesondere Kartusche, aufweisen.
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Des Weiteren können alle Ausführungsformen, die im Rahmen der 1 bis 6 gezeigt sind ein Austauschsystem 52 aufweisen.
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7 veranschaulicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aerosolbehandlungsverfahrens, insbesondere Aerosolbeschichtungsverfahrens. Dabei wird zunächst ein Aerosol 13 aus einem, insbesondere keramischen, Pulver 11 und einem Gas, beispielsweise Luft, 11a mittels Stoßwellen erzeugt. Die Stoßwellen können dabei insbesondere durch eine Stoßwellenaktorik, insbesondere Wirbelstromaktorik, einer im Rahmen der 1 bis 6 erläuterten Aerosolbehandlungsvorrichtung, insbesondere Aerosolbeschichtungsvorrichtung und/oder Aerosolreinigungsvorrichtung und/oder Aerosolzertrümmerungsvorrichtung, erzeugt werden.
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7 zeigt, dass das Aerosol 13 durch eine Düse 12a auf einen zu beschichtenden Körper 50 beschleunigt wird. Dabei bildet sich auf der Oberfläche des Körpers 50 eine, insbesondere keramische, Aerosolbeschichtung 51. Der Pfeil veranschaulicht, dass der Körper 50 während des Beschichtens bewegt, insbesondere gedreht, werden kann.
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Bei dem Körper 50 kann es sich beispielsweise um einen metallischen, insbesondere chromhaltigen, Körper handeln. Zum Beispiel kann der Körper ein Bestandteil eines Gasleitungselements für eine Hochtemperaturanwendung, beispielsweise eine Hochtemperaturzelle beziehungsweise ein Hochtemperaturzellensystem, zum Beispiel eine Hochtemperaturbrennstoffzelle und/oder eine Hochtemperaturelektrolysezelle und/oder eine Hochtemperatur-Metall-Luft-Zelle beziehungsweise ein damit ausgestattetes System, sein.
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Das Beschichten kann derart erfolgen, dass der Körper zumindest teilweise mit der Aerosolbeschichtung 51 bedeckt wird. Insofern der Körper 50 ein Bestandteil eines Gasleitungselements ist, kann zumindest die Oberfläche der zur Gasleitung ausgelegten Abschnitte des metallischen Körpers 50 mit der Beschichtung 51 versehen werden.
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Das Verfahren ist auch zum Beschichten von Hohlkörper geeignet. Insbesondere kann daher durch das Verfahren eine Innenwandung eines Hohlkörpers beschichtet werden.
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Der Körper 50 kann insbesondere ein metallischer Körper sein. Insofern der Körper 50 ein Bestandteil eines Gasleitungselements ist, kann der Körper 50 beispielsweise ein Metallrohre, ein Wärmetauscher oder ein Metallbehälter sein, dessen Material zum Beispiel Chrom enthalten kann. Die Aerosolbeschichtung 51 kann dabei insbesondere eine gasdichte und inerte, keramische Beschichtung sein. Durch die gasdichte und inerte, keramische Aerosolbeschichtung 51 kann dabei vorteilhafterweise bewirkt werden, dass bei hohen Temperaturen keine Bestandteile, beispielsweise Chromverbindungen, aus dem metallischen Körper 50 austreten können, welche ansonsten zu einer Vergiftung, beispielsweise der Kathode der Zelle, und/oder der Umwelt führen könnten. So kann, beispielsweise bei Hochtemperaturzellenanwendungen, zum Beispiel eine Chromemission vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006031863 A1 [0003]
- US 2010/0015473 A1 [0004]
