DE102019005459A1 - Device for aerosol generation for aerosol-based cold separation (aerosol deposition method, ADM) - Google Patents

Device for aerosol generation for aerosol-based cold separation (aerosol deposition method, ADM) Download PDF

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Philipp Glosse
Dominik Hanft
Jaroslaw Kita
Nico Leupold
Tobias Nazarenus
Philipp Nieke
Michael Schubert
Michaela Schubert
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aerosolerzeugung für die aerosolbasierte Kaltabscheidung von Pulvern, bestehend aus einer mechanisch angeregten Fördereinheit, einem Vorratsbehälter für Pulver oder Granulate und einer Dispergiereinheit. Dadurch kann in einem kontinuierlichen Prozess auch Pulver gefördert werden, das zur Bildung von Agglomeraten neigt. Durch Veränderung der Schwingungsfrequenz, -amplitude und/oder der Geometrie des Vorratsbehälters und Förderweges kann zudem das Pulver dem Gasstrom exakt zudosiert werden. Durch eine Kapselung des Systems ist der für den Prozess notwendige Gasstrom steuerbar.The invention relates to a device for aerosol generation for the aerosol-based cold separation of powders, consisting of a mechanically excited conveying unit, a storage container for powder or granulates and a dispersing unit. In this way, powder that tends to form agglomerates can also be conveyed in a continuous process. By changing the oscillation frequency, amplitude and / or the geometry of the storage container and conveying path, the powder can also be precisely metered into the gas flow. The gas flow required for the process can be controlled by encapsulating the system.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols für die aerosolbasierte Kaltabscheidung von Pulvern, bestehend aus einer mechanisch angeregten Fördereinheit, einem Vorratsbehälter für Pulver oder Granulat und einer Dispergiereinheit.The invention relates to a device for generating an aerosol for the aerosol-based cold separation of powders, consisting of a mechanically excited conveying unit, a storage container for powder or granulate and a dispersion unit.

Technischer HintergrundTechnical background

Gewöhnlich ist für die Herstellung von keramischen Schichten oder Körpern eine Sintertemperatur oberhalb von 1000 °C notwendig. In Folge dessen ist eine Integration bzw. Kombination von Keramiken mit niedrigschmelzenden Kunststoffen, Gläsern oder Metallen kaum oder gar nicht möglich [1]. Eine weitere Schwierigkeit stellen zudem Keramiken mit einem hohen kovalenten Bindungsanteil dar. Hierbei tritt eine Zersetzung der Keramik vor einer Verdichtung auf, wodurch eine Herstellung dichter Bauteile bzw. Schichten nicht oder nur unter erheblichem Aufwand möglich ist [2].A sintering temperature above 1000 ° C is usually necessary for the production of ceramic layers or bodies. As a result, an integration or combination of ceramics with low-melting plastics, glasses or metals is hardly or not at all possible [1]. Ceramics with a high proportion of covalent bonding also present a further difficulty. In this case, the ceramic decomposes before compaction, which means that the production of dense components or layers is not possible or only possible with considerable effort [2].

Eine neuartige Herangehensweise bildet ein bereits bekanntes Verfahren einer aerosol- und vakuumbasierten Schichtdeposition [3]. Das Verfahren wird in jüngster Zeit im Deutschen auch als „aerosolbasierte Kaltabscheidung“ bezeichnet. Hierbei können bei Raumtemperatur dichte Schichten direkt aus den Ausgangspulvern auf verschiedenste Substratmaterialien abgeschieden werden. Diese Beschichtungen zeichnen sich sowohl durch eine feste Anhaftung auf dem Substrat, eine hohe Dichtheit als auch zum eingesetzten Ausgangspulvern ähnliche Materialeigenschaften aus.An already known method of aerosol- and vacuum-based layer deposition is a new approach [3]. The process has recently been referred to in German as "aerosol-based cold separation". Here, dense layers can be deposited directly from the starting powders onto a wide variety of substrate materials at room temperature. These coatings are notable for their firm adhesion to the substrate, high impermeability and material properties similar to those of the starting powder used.

Die Grundlage des Verfahrens besteht darin, dass mit Hilfe entsprechender Vorrichtungen (Beschreibung im nachfolgenden Punkt) Partikel in ein Aerosol 5 überführt, anschließend beschleunigt und schließlich auf ein zu beschichtendes Substrat 7 gelenkt werden. Die hohe kinetische Energie der Partikel im Aerosol 5 führt beim Aufprall auf das Substrat 7 mutmaßlich [1] sowohl zu einem lokalen Druck- und Temperaturanstieg als auch zu einer plastischen Deformation und zum Aufbrechen der Partikel. Dies sorgt wiederum für eine entsprechende Haftung sowohl zwischen den Partikeln als auch zwischen Partikel und Substrat 7 und damit zur Ausformung einer Schicht 6.The basis of the method is that with the help of appropriate devices (description in the following point) particles are transferred into an aerosol 5, then accelerated and finally directed onto a substrate 7 to be coated. The high kinetic energy of the particles in the aerosol 5 presumably [1] leads to a local pressure and temperature increase as well as to a plastic deformation and to the breaking up of the particles upon impact on the substrate 7. This in turn ensures a corresponding adhesion both between the particles and between the particles and the substrate 7 and thus for forming a layer 6.

Der Vorgang der Schichtabscheidung beginnt nach derzeitigem Wissensstand [1,4] mit der Ausbildung einer Verankerungsschicht auf dem Substrat 7 und setzt sich mit einem kontinuierlichen Aufbau und der Verdichtung der Schicht fort. In der Literatur wird der Vorgang dieser Schichtbildung auch häufig mit dem Begriff „Room Temperature Impact Consolidation“ (RTIC) bezeichnet [1,4].According to the current state of knowledge [1,4], the process of layer deposition begins with the formation of an anchoring layer on the substrate 7 and continues with a continuous build-up and compaction of the layer. In the literature, the process of this layer formation is often referred to by the term “Room Temperature Impact Consolidation” (RTIC) [1,4].

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Figuren beschrieben.

  • 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abscheidung von Schichten nach dem Verfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern.
  • 2a stellt den Stand der Technik der Aerosolerzeugung für das Verfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern dar.
  • 2b und 2c stellen Vorrichtungen zur Aerosolerzeugung nach dem Stand der Technik dar.
  • 3 verdeutlicht den Grundgedanken der Erfindung.
  • 4 mit den Teilfiguren 4a, 4b und 4c skizzieren weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen.
  • 5 mit den Teilfiguren 5a, 5b und 5c skizzieren weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen.
In the following, the prior art and the invention are described with reference to figures.
  • 1 shows a device for the deposition of layers according to the process of aerosol-based cold deposition of powders.
  • 2a represents the state of the art in aerosol generation for the process of aerosol-based cold separation of powders.
  • 2 B and 2c represent devices for aerosol generation according to the state of the art.
  • 3 illustrates the basic idea of the invention.
  • 4th with the partial figures 4a , 4b and 4c sketch further embodiments according to the invention.
  • 5 with the partial figures 5a , 5b and 5c sketch further embodiments according to the invention.

Die Hauptkomponenten einer Vorrichtung zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern sind, wie in 1 dargestellt, eine Vakuumkammer 1, eine Evakuierungsvorrichtung 2, eine aerosolerzeugende Vorrichtung 3 und eine Düsenapparatur 4, bestehend aus einer Verbindungsleitung 4.1 und einer Düse 4.2. Veröffentlichungen bzgl. des Vorrichtungsaufbaus, die den Stand der Technik hierzu darstellen, finden sich z.B. in der US 7,553,376 B2 .The main components of a device for the aerosol-based cold separation of powders are, as in 1 shown, a vacuum chamber 1 , an evacuation device 2 , an aerosol generating device 3 and a nozzle apparatus 4th , consisting of a connecting cable 4.1 and a nozzle 4.2 . Publications regarding the device structure, which represent the state of the art for this, can be found, for example, in US 7,553,376 B2 .

Das Prinzip einer Vorrichtung zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern basiert darauf, dass über eine Evakuierungsvorrichtung 2 innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Vakuum erzeugt wird [5]. Wie für eine aerosolerzeugende Einheit 3 in 2a dargestellt, wird ein Gasstrom 12, welcher aus einer einzelnen Gasart wie Sauerstoff, Stickstoff, Helium oder dergleichen sowie aus Mischungen mehrerer Gase bestehen kann, mit dem Pulver 11 in einem aerosolerzeugenden Behälter 9 vermischt und so ein Pulveraerosol, im Folgenden nur noch Aerosol 5 genannt, d.h. ein Gemisch aus den Partikeln der Pulverschüttung 11 und des Trägergasvolumenstrom 12, erzeugt [6]. Als Folge des auftretenden Druckabfalls zwischen der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 und der Vakuumkammer 1 wird das Aerosol 5 von der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 über eine Verbindungsleitung 4.1 in die Vakuumkammer 1 transportiert. Die Verbindungsleitung 4.1 mündet in einer Düse 4.2, in der durch Querschnittsänderung das verwendete Trägergas und damit die Partikel im Aerosol 5 weiter beschleunigt werden. In der Vakuumkammer 1 treffen die Partikel auf ein bewegtes Substrat 7 und bilden dort eine dichte kratzfeste Beschichtung 6 [1].The principle of a device for the aerosol-based cold separation of powders is based on an evacuation device 2 inside the vacuum chamber 1 a vacuum is created [5]. As for an aerosol generating unit 3 in 2a a gas flow is shown 12 , which can consist of a single type of gas such as oxygen, nitrogen, helium or the like, as well as mixtures of several gases, with the powder 11 in an aerosol generating container 9 mixed and thus a powder aerosol, in the following only aerosol 5 called, ie a mixture of the particles of the powder bulk 11 and the carrier gas volume flow 12 , generated [6]. As a result of the pressure drop occurring between the aerosol generating device 3 and the vacuum chamber 1 becomes the aerosol 5 from the aerosol generating device 3 via a connecting line 4.1 into the vacuum chamber 1 transported. The connecting line 4.1 opens into a nozzle 4.2 , in which the change in cross-section changes the carrier gas used and thus the particles in the aerosol 5 further accelerated. In the vacuum chamber 1 the particles hit a moving substrate 7th and form a dense, scratch-resistant coating there 6th [1].

Bei einer Vorrichtung zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern nach dem Stand der Technik werden verschiedene Arten aerosolerzeugender Vorrichtungen angewandt. Die einfachste Art ist ein Behälter 9 mit einer Pulverschüttung 11, in welche Gas 12 eingeleitet wird, wodurch sich eine Wirbelschicht 5 gebildet. Durch Rütteln des Behälters wird die Wirbelschicht 5 in Bewegung gehalten.In a device for the aerosol-based cold separation of powders according to the prior art, various types of aerosol-generating devices are used. The simplest type is a container 9 with a bulk of powder 11 in what gas 12 is initiated, creating a fluidized bed 5 educated. The fluidized bed is created by shaking the container 5 kept moving.

Aerosolerzeugende Vorrichtungen 3 für die Herstellung von Aerosolen aus Pulvern sind üblicherweise für einen diskontinuierlichen Betrieb ausgelegt. Das Einleiten des Prozessgases 12 unter die gesamte Pulverschüttung 11 in der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 führt dazu, dass die Pulverkonzentration im Gasstrom nicht gesteuert werden kann. Es existieren bereits technische Lösungen für die kontinuierliche Erzeugung eines Aerosols, wie z.B. bei der Förderung eines Pulvers 11 aus einem Vorratsbehälter 13 mittels eines Förderbandes 14 (siehe 2b) oder bei der Dosierung eines Pulvers 11 aus einem Vorratsbehälter 13 mittels eines rotierenden Ringes 15 (siehe 2c). Da es sich hierbei um zur Umgebungsatmosphäre hin offene Systeme handelt, können jedoch keine Pulver verwendet werden, die zur Agglomeration neigen. Ebenfalls kann der für den Prozess notwendige Gasstrom nicht gesteuert werden, da dieser unkontrolliert aus der Umgebung zugeführt wird.Aerosol generating devices 3 for the production of aerosols from powders are usually designed for discontinuous operation. Introducing the process gas 12 under the entire powder bulk 11 in the aerosol generating device 3 leads to the fact that the powder concentration in the gas stream cannot be controlled. Technical solutions already exist for the continuous generation of an aerosol, for example when conveying a powder 11 from a storage container 13 by means of a conveyor belt 14th (please refer 2 B) or when dosing a powder 11 from a storage container 13 by means of a rotating ring 15th (please refer 2c ). Since these are systems that are open to the ambient atmosphere, no powders can be used that tend to agglomerate. The gas flow required for the process cannot be controlled either, since it is supplied in an uncontrolled manner from the environment.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Pulver 11 mit Partikelgrößen von wenigen Mikrometern, welche bei der aerosolbasierten Kaltabscheidung Verwendung finden, neigen stark zur Agglomeration der Partikel zu größeren Verbünden. Dies kann sich negativ auf die Qualität der Schicht auswirken. Die beschriebene Art der Aerosolerzeugung ist aufgrund der geringen Dispergierwirkung, also der Fähigkeit die Partikel aus der Schüttung 11 im Trägergasvolumenstrom 12 zu vereinzeln, nur bedingt in der Lage, gute Schichten zu erzeugen. Aerosolerzeugende Vorrichtungen nach dem Stand der Technik besitzen eine verbesserte Dispergierwirkung, sind jedoch nicht auf die Vakuumbedingungen in der Verbindungsleitung 4.1 ausgelegt und können so nicht ohne weiteres für die aerosolbasierte Kaltabscheidung verwendet werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass mit zunehmender Beschichtungszeit Pulver aus der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 ausgetragen wird und sich somit die für den Prozess zur Verfügung stehende Pulvermenge ändert. Der Prozess kann somit nicht kontinuierlich betrieben werden. Weiterhin ist eine exakte Dosierung des Pulvers 11 in den Gasstrom 12 nicht möglich, da es keine Möglichkeit gibt die Pulvermenge im Aerosol 5 zu steuern.powder 11 with particle sizes of a few micrometers, which are used in aerosol-based cold separation, there is a strong tendency for the particles to agglomerate to form larger composites. This can have a negative effect on the quality of the layer. The type of aerosol generation described is due to the low dispersing effect, i.e. the ability to remove the particles from the bed 11 in the carrier gas volume flow 12 to separate, only partially able to produce good layers. Aerosol generating devices according to the prior art have an improved dispersing effect, but are not dependent on the vacuum conditions in the connection line 4.1 designed and so cannot easily be used for aerosol-based cold separation. Another disadvantage is that, as the coating time increases, powder from the aerosol-generating device 3 is discharged and thus the amount of powder available for the process changes. The process can therefore not be operated continuously. Furthermore, an exact dosage of the powder is required 11 into the gas stream 12 not possible because there is no way to determine the amount of powder in the aerosol 5 to control.

Grundgedanke der ErfindungBasic idea of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aerosolerzeugung für die aerosolbasierte Kaltabscheidung, bei dem Pulver oder granuliertes Pulver aus einem Vorratsbehälter über einen Förderweg mittels mechanischer Anregung gefördert wird und am Ende des Förderweges über eine Dispergiereinheit einem Gasstrom zugeführt wird. Die Vorrichtung kann komplett gekapselt ausgeführt werden, um die für die aerosolbasierte Kaltabscheidung notwendigen Druckverhältnisse einstellen zu können.The invention relates to a device for aerosol generation for aerosol-based cold separation, in which powder or granulated powder is conveyed from a storage container via a conveying path by means of mechanical excitation and at the end of the conveying path is fed to a gas stream via a dispersing unit. The device can be completely encapsulated in order to be able to set the pressure ratios necessary for the aerosol-based cold separation.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Förderung des Pulvers, bzw. des granulierten Pulvers (im Folgenden werden beide Varianten nur als Pulver bezeichnet), mittels mechanischer Schwingung auch solche Pulver gefördert werden können, die sonst eine starke Agglomerationsneigung zeigen und mit dem Stand der Technik nicht in ein Aerosol überführbar sind. Die Pulver können aus metallischen, polymeren und/oder keramischen Materialien, aber auch Mischungen aus diesen Materialien bestehen. Des Weiteren kann durch die Entkoppelung von Dosierung, Förderung und Dispergierung die gewünschte Pulverkonzentration im Aerosol exakt gesteuert werden. Die Dosierung kann über die Schwingungsfrequenz und -amplitude der Vorrichtung gesteuert und zusätzlich über geometrische Variationen von Vorratsbehälter und Förderweg eingestellt werden. Die Fördergeschwindigkeit lässt sich ebenfalls über die Schwingungsfrequenz und -amplitude und die Geometrie des Förderweges sowie seiner Neigung einstellen. Die Dispergierung am Ende des Förderweges erfolgt unabhängig von Dosierung und Förderung und kann unterschiedliche Ausführungsformen besitzen, wodurch das System an das verwendete Pulver angepasst werden kann. Des Weiteren kann durch eine Kapselung des Systems der Gasstrom durch die Vorrichtung vorgegeben werden und an den anschließenden Abscheidungsprozess angepasst werden. Da die Gasatmosphäre in der Vorrichtung kontrollierbar eingestellt werden kann, ist auch die Verarbeitung feuchteempfindlicher oder reaktiver Pulverwerkstoffe möglich. Weiter ist durch das geschlossene System sichergestellt, dass keine Exposition von Mensch und Umwelt gegenüber sehr kleinen Partikeln aus unter Umständen toxischen, kanzerogenen und/oder mutagenem Material auftritt. Zudem kann durch Auffüllen des Vorratsbehälters während des Prozesses eine kontinuierliche Abscheidung über einen langen Zeitraum erreicht werden. Durch geometrische Veränderung des Förderweges und des Vorratsbehälters kann der Prozess mit einfachen Mitteln für sehr geringe, aber auch für hohe Pulverkonzentrationen skaliert werden.The invention offers the advantage that by conveying the powder or the granulated powder (in the following both variants are only referred to as powder), also such powders can be conveyed by means of mechanical vibration that otherwise show a strong tendency to agglomerate and with the state technology cannot be converted into an aerosol. The powders can consist of metallic, polymeric and / or ceramic materials, but also mixtures of these materials. Furthermore, by decoupling dosing, conveying and dispersing, the desired powder concentration in the aerosol can be precisely controlled. The dosage can be controlled via the oscillation frequency and amplitude of the device and can also be adjusted via geometric variations of the storage container and conveying path. The conveying speed can also be adjusted via the oscillation frequency and amplitude and the geometry of the conveying path and its inclination. The dispersion at the end of the conveying path takes place independently of metering and conveying and can have different embodiments, whereby the system can be adapted to the powder used. Furthermore, by encapsulating the system, the gas flow through the device can be specified and adapted to the subsequent deposition process. Since the gas atmosphere in the device can be set in a controllable manner, the processing of moisture-sensitive or reactive powder materials is also possible. The closed system also ensures that people and the environment are not exposed to very small particles from potentially toxic, carcinogenic and / or mutagenic material. In addition, by filling up the storage container during the process, continuous deposition over a long period of time can be achieved. By changing the geometry of the conveying path and the storage container, the process can be scaled with simple means for very low as well as for high powder concentrations.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Eine Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung für die Vorrichtung zur Aerosolerzeugung für die aerosolbasierte Kaltabscheidung ist in 3 gezeigt. Pfeile mit durchgezogenen Linien in dieser Figur und den folgenden Figuren zeigen Gasflüsse an, während Pfeile mit gestrichelten Linien die Bewegung von Vorrichtungen andeuten. Die Vorrichtung zur Aerosolerzeugung besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Vorratsbehälter 13 für eine Pulverschüttung 11, einer Förderrinne 16 und einer aerosolerzeugenden Dispergiereinheit 23. In den Vorratsbehälter 13 wird eine Pulverschüttung 11 gegeben, die über eine mechanische Anregung 17 des gesamten Systems über die Förderrinne 16 zur aerosolerzeugenden Dispergiereinheit 23 gefördert wird. Zur Einbringung der mechanischen Schwingungen 17 sind der Vorratsbehälter 13, die Förderrinne 16 und die aerosolerzeugende Dispergiereinheit 23 auf einer Grundplatte 18 montiert, die wiederum über bewegliche Halterungen 19 auf einem Gestell 20 montiert sind und somit angeregt werden können. Durch Variation der Anregungsfrequenz und -amplitude kann die Fördergeschwindigkeit in der Förderrinne gesteuert werden. Durch Einstellen des Neigungswinkels 21 zwischen der beweglichen Grundplatte 18 und der Förderrinne 16, sowie des Öffnungsquerschnitts 22 des Vorratsbehälters 13 zur Förderrinne 16 kann die dosierte Menge des Pulvers 11 aus dem Vorratsbehälter 13 eingestellt werden. Die Form der Förderrinne 16 kann z.B. v-förmig oder auch rund (mit einem Rinnenradius größer als zehnmal der mittlere Durchmesser der Pulverpartikel) ausgeführt sein. Am Ende des Förderweges wird das Pulver 11 über eine aerosolerzeugende Dispergiereinheit 23 mit dem Trägergasstrom 12 vermischt und ein Aerosol 5 gebildet, welches über das Verbindungsrohr 4.1 zur Beschichtungskammer 1 hin transportiert wird.An embodiment of the invention described here for the device for aerosol generation for aerosol-based cold separation is shown in FIG 3 shown. Solid line arrows in this figure and the following figures indicate gas flows, while broken line arrows indicate movement of devices. The aerosol generation device consists of three main components: A storage container 13 for a bulk of powder 11 , a conveyor trough 16 and an aerosol generating dispersion unit 23 . In the storage container 13 becomes a bulk of powder 11 given that via a mechanical excitation 17th of the entire system via the conveyor trough 16 to the aerosol-generating dispersion unit 23 is promoted. To introduce the mechanical vibrations 17th are the storage container 13 , the conveyor trough 16 and the aerosol generating dispersion unit 23 on a base plate 18th mounted, which in turn via movable brackets 19th on a rack 20th are mounted and can therefore be stimulated. The conveying speed in the conveyor trough can be controlled by varying the excitation frequency and amplitude. By adjusting the angle of inclination 21st between the movable base plate 18th and the conveyor trough 16 , as well as the opening cross-section 22nd of the storage container 13 to the conveyor trough 16 can be the dosed amount of powder 11 from the storage container 13 can be set. The shape of the conveyor trough 16 can for example be V-shaped or round (with a channel radius greater than ten times the mean diameter of the powder particles). The powder is at the end of the conveying path 11 via an aerosol-generating dispersion unit 23 with the carrier gas flow 12 mixed and an aerosol 5 formed, which via the connecting pipe 4.1 to the coating chamber 1 is transported there.

Die aerosolerzeugende Dispergiereinheit 23 kann z.B. aus einer der drei folgenden Ausführungsformen bestehen. 4a zeigt eine Möglichkeit zur Absaugung des Pulvers 11 von der Förderrinne 16. Dazu befindet sich am Ende der Förderrinne 16 eine Verengung des Rinnenquerschnitts bis hinunter zum Querschnitt des Verbindungsstückes 4.1, in dem die Absaugung und Aerosolerzeugung 26 stattfindet. Dieser Effekt beruht darauf, dass der Druck innerhalb des Verbindungsstückes 4.1 geringer ist als in der Förderrinne, wodurch es zu einem Gasfluss 24 in die Absaugung 26 und damit zu einem Aerosoltransport 25 zum Verbindungsstück 4.1 kommt. Somit kommt es am Eingang der Absaugung 26 zu einem Saugeffekt, der das Pulver 11 in den Gasvolumenstrom 24 dispergiert. Die Effizienz der Dispergierung kann durch Herabfallen des Pulvers vom Ende der Förderrinne 16 in die Absaugung 26 hinein zusätzlich verbessert werden.The aerosol-generating dispersion unit 23 can for example consist of one of the three following embodiments. 4a shows a way of extracting the powder 11 from the conveyor trough 16 . This is located at the end of the conveyor trough 16 a narrowing of the channel cross section down to the cross section of the connecting piece 4.1 , in which the suction and aerosol generation 26th takes place. This effect is based on the fact that the pressure inside the connector 4.1 is less than in the conveyor trough, causing a gas flow 24 into the suction 26th and thus to an aerosol transport 25th to the connector 4.1 comes. So it comes at the entrance of the suction 26th to a suction effect that the powder 11 in the gas volume flow 24 dispersed. The efficiency of the dispersion can be increased by the powder falling from the end of the conveyor chute 16 into the suction 26th are additionally improved inside.

Eine weitere mögliche Ausführungsform der aerosolerzeugenden Einheit 3 ist in 4b gezeigt. Dort wird am Ende des Förderweges 16 ein System verwendet, das sich das Venturiprinzip zu Nutze macht. Dabei wird ein Gasvolumenstrom 30, der wie oben beim Trägergas beschrieben zusammengesetzt sein kann, aber auch eine andere Zusammensetzung ausweisen kann, durch ein Rohr mit Querschnittsveränderung 27 geleitet. Durch eine weitere Rohröffnung 28 an der Stelle mit dem geringsten Rohrquerschnitt wird ein zweiter Trägergasvolumenstrom 24 zusammen mit Pulver 11 angesaugt und in der Aerosolerzeugung 28 vermischt. Aufgrund der starken Scherwirkung in diesem Bereich kommt es dabei zu einem Aufbrechen möglicher Agglomerate. Das dabei entstehende Aerosol 5 aus den Gasvolumenströmen 24 und 30 und Pulver 11 kann nach einer Aerosolexpansion 29 über eine Verbindungsleitung 4.1 aus der aerosolerzeugenden Vorrichtung transportiert werden. Der Trägergasvolumenstrom 24 kann dabei z.B. wie in 4a dargestellt von außen direkt über die Förderrinne 16 angesaugt werden.Another possible embodiment of the aerosol generating unit 3 is in 4b shown. There is at the end of the conveyor path 16 uses a system that makes use of the Venturi principle. A gas volume flow is thereby used 30th , which can be composed as described above for the carrier gas, but can also have a different composition, through a tube with a change in cross section 27 directed. Through another pipe opening 28 at the point with the smallest pipe cross-section there is a second carrier gas volume flow 24 along with powder 11 sucked in and in aerosol generation 28 mixed. Due to the strong shear effect in this area, possible agglomerates break up. The resulting aerosol 5 from the gas volume flows 24 and 30th and powder 11 can after an aerosol expansion 29 via a connecting line 4.1 be transported out of the aerosol generating device. The carrier gas volume flow 24 can, for example, as in 4a shown from the outside directly over the conveyor trough 16 be sucked in.

4c zeigt eine weitere Ausführungsform der aerosolerzeugenden Einheit. Bei dieser wird das Pulver 11 von einer rotierenden Bürste 35 von der Förderrinne 16 aufgenommen. Das in der Bürste befindliche Pulver 31 wird über die Rotation der Bürste zum aerosolerzeugenden Bereich 32 des Aufbaus gefördert. Dort wird über einen Dispergiervolumenstrom 33 das Pulver aus der Bürste in ein Aerosol 5 überführt, welches über einen aerosoltransportierenden Bereich 34 in das Verbindungsstück 4.1 transportiert wird. 4c Figure 3 shows another embodiment of the aerosol generating unit. This is where the powder becomes 11 from a rotating brush 35 from the conveyor trough 16 recorded. The powder in the brush 31 becomes an aerosol-generating area through the rotation of the brush 32 of the construction promoted. There is a dispersing volume flow 33 the powder from the brush into an aerosol 5 transferred, which via an aerosol-transporting area 34 into the connector 4.1 is transported.

Eine mögliche Ausführungsform zur Begrenzung und/oder Steuerung des Gasvolumenstromes und damit des Differenzdruckes zwischen der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 und der Beschichtungskammer 1 bei Verwendung einer Transportrinne 16 mit einer zur Umgebung offenen Wand 38 ist in 5a gezeigt. Dort wird die Vorrichtung zur Aerosolerzeugung in einen gasdichten Behälter 36 integriert, dem ein bestimmter Volumenstrom 37 zugeführt wird, über den der Druck in diesem Behälter und somit auch der Aerosolvolumenstrom 12 begrenzt wird. Eine weitere Ausführungsform ist in 5b gezeigt, bei der die Förderrinne 16 zur Aerosolerzeugung zur Umgebung hin mit einer zur Umgebung offen Wand 38 gestaltet ist. Die Begrenzung des Aerosolvolumenstromes erfolgt hier über eine geometrische Anpassung des Querschnittes der Aerosoldüse 4.2. Eine dritte mögliche Ausführungsform ist eine in sich gekapselte Vorrichtung zur Aerosolerzeugung, wie sie in 5c gezeigt ist. Dort sind die Förderrinne 16 sowie alle weiteren pulverführenden Komponenten mit einer gasdichten Wand 41 zur Umgebung hin abgeschlossen. Die Zufuhr des Gasvolumenstromes erfolgt hier über eine Zuführung 39 an der gasdichten Wand 41 und bei Bedarf über eine zusätzliche Zuführung 40 an der aerosolgenerierenden Einheit.A possible embodiment for limiting and / or controlling the gas volume flow and thus the differential pressure between the aerosol-generating device 3 and the coating chamber 1 when using a transport channel 16 with a wall open to the environment 38 is in 5a shown. There the device for aerosol generation is placed in a gas-tight container 36 integrated, to which a certain volume flow 37 is supplied, via which the pressure in this container and thus also the aerosol volume flow 12 is limited. Another embodiment is in 5b shown where the conveyor trough 16 for aerosol generation to the environment with a wall open to the environment 38 is designed. The aerosol volume flow is limited here by geometrically adapting the cross section of the aerosol nozzle 4.2 . A third possible embodiment is an encapsulated device for aerosol generation, as shown in FIG 5c is shown. There are the conveyor trough 16 as well as all other powder-carrying components with a gas-tight wall 41 closed to the environment. The gas volume flow is supplied here via a feed 39 at the gastight wall 41 and if necessary via an additional feed 40 on the aerosol generating unit.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
VakuumkammerVacuum chamber
22
EvakuierungsvorrichtungEvacuation device
33
Aerosolerzeugende VorrichtungAerosol generating device
44th
DüsenapparaturNozzle apparatus
4.14.1
VerbindungsleitungConnecting line
4.24.2
Düsejet
55
AerosolAerosol
66
Abgeschiedene SchichtSeparated layer
77th
SubstratSubstrate
88th
SubstratträgerSubstrate carrier
99
Kammer für AerosolerzeugungChamber for aerosol generation
1010
Zu- bzw. AbfuhrleitungSupply and discharge line
1111
Pulverpowder
1212th
TrägergasvolumenstromCarrier gas volume flow
1313
VorratsbehälterStorage container
1414th
FörderbandConveyor belt
1515th
FörderringConveyor ring
1616
PulverförderrinnePowder feed trough
1717th
Mechanische AnregungMechanical stimulation
1818th
Bewegliche GrundplatteMovable base plate
1919th
Bewegliche Halterung für Grundplatte Movable bracket for base plate
2020th
Gestell VibrationsplatteFrame vibrating plate
2121st
Verstellbarer NeigungswinkelAdjustable angle of inclination
2222nd
ÖffnungsquerschnittOpening cross-section
2323
Aerosolerzeugende DispergiereinheitAerosol-generating dispersion unit
2424
Luftstrom aus UmgebungAir flow from surroundings
2525th
AerosoltransportAerosol transport
2626th
Absaugung und AerosolerzeugungSuction and aerosol generation
2727
GaskompressionGas compression
2828
AerosolerzeugungAerosol generation
2929
AerosolexpansionAerosol expansion
3030th
GasvolumenstromGas volume flow
3131
Pulver auf BürstePowder on brush
3232
Aerosolerzeugung an BürsteAerosol generation on the brush
3333
Gasfluss ScherströmungGas flow shear flow
3434
AerosoltransportAerosol transport
3535
Rotierende BürsteRotating brush
3636
Kammer für AerosolerzeugungChamber for aerosol generation
3737
TrägergaszuführungCarrier gas supply
3838
Offene Wand der RinneOpen wall of the gutter
3939
TrägergaszuführungCarrier gas supply
4040
TrägergaszuführungCarrier gas supply
4141
Verschlossene Wand der RinneLocked wall of the gutter

Zitierte NichtpatentliteraturNon-patent literature cited

  1. [01] J. Akedo: Room Temperature Impact Consolidation (RTIC) of Fine Ceramic Powder by Aerosol Deposition Method and Applications to Microdevices, J. Therm. Spray Technol., 17, 181-198 (2008) , doi: 10.1007/s11666-008-9163-7J. Akedo: Room Temperature Impact Consolidation (RTIC) of Fine Ceramic Powder by Aerosol Deposition Method and Applications to Microdevices, J. Therm. Spray Technol., 17, 181-198 (2008) , doi: 10.1007 / s11666-008-9163-7
  2. [02] H. Salmang, H. Scholze: Keramik, 7, Springer, Berlin (2007) [02] H. Salmang, H. Scholze: Keramik, 7, Springer, Berlin (2007)
  3. [03] J. Akedo, M. Lebedev: Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb(Zr52/Ti48)O3) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 5397-5401 (1999) , doi: 10.1143/JJAP.38.5397[03] J. Akedo, M. Lebedev: Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb (Zr52 / Ti48) O3) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 5397-5401 (1999) , doi: 10.1143 / JJAP.38.5397
  4. [04] D. Hanft, J. Exner, M. Schubert, T. Stöcker, P. Fuierer, R. Moos: An Overview of the Aerosol Deposition Method: Process Fundamentals and New Trends in Materials Applications, J. Ceram. Sci. Technol., 6, 147-182 (2015) , doi: 10.4416/JCST2015-00018[04] D. Hanft, J. Exner, M. Schubert, T. Stöcker, P. Fuierer, R. Moos: An Overview of the Aerosol Deposition Method: Process Fundamentals and New Trends in Materials Applications, J. Ceram. Sci. Technol., 6, 147-182 (2015) , doi: 10.4416 / JCST2015-00018
  5. [05] M. Schubert, J. Exner, R. Moos: Influence of Carrier Gas Composition on the Stress of Al2O3 Coatings Prepared by the Aerosol Deposition Method, Materials, 7, 5633-5642 (2014) , doi: 10.3390/ma7085633[05] M. Schubert, J. Exner, R. Moos: Influence of Carrier Gas Composition on the Stress of Al2O3 Coatings Prepared by the Aerosol Deposition Method, Materials, 7, 5633-5642 (2014) , doi: 10.3390 / ma7085633
  6. [06] K. Sahner, M. Kaspar, R. Moos: Assessment of the novel aerosol deposition method for room temperature preparation of metal oxide gas sensor films, Sens. Actuators, B, 139, 394-399 (2009) , doi: 10.1016/j.snb.2009.03.011[06] K. Sahner, M. Kaspar, R. Moos: Assessment of the novel aerosol deposition method for room temperature preparation of metal oxide gas sensor films, Sens. Actuators, B, 139, 394-399 (2009) , doi: 10.1016 / j.snb.2009.03.011

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 7553376 B2 [0007]US 7553376 B2 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • Powder by Aerosol Deposition Method and Applications to Microdevices, J. Therm. Spray Technol., 17, 181-198 (2008) [0018]Powder by Aerosol Deposition Method and Applications to Microdevices, J. Therm. Spray Technol., 17, 181-198 (2008) [0018]
  • H. Salmang, H. Scholze: Keramik, 7, Springer, Berlin (2007) [0018]H. Salmang, H. Scholze: Keramik, 7, Springer, Berlin (2007) [0018]
  • J. Akedo, M. Lebedev: Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb(Zr52/Ti48)O3) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 5397-5401 (1999) [0018]J. Akedo, M. Lebedev: Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb (Zr 52 / Ti 48 ) O 3 ) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 5397-5401 (1999) [0018]
  • D. Hanft, J. Exner, M. Schubert, T. Stöcker, P. Fuierer, R. Moos: An Overview of the Aerosol Deposition Method: Process Fundamentals and New Trends in Materials Applications, J. Ceram. Sci. Technol., 6, 147-182 (2015) [0018]D. Hanft, J. Exner, M. Schubert, T. Stöcker, P. Fuierer, R. Moos: An Overview of the Aerosol Deposition Method: Process Fundamentals and New Trends in Materials Applications, J. Ceram. Sci. Technol., 6, 147-182 (2015) [0018]
  • M. Schubert, J. Exner, R. Moos: Influence of Carrier Gas Composition on the Stress of Al2O3 Coatings Prepared by the Aerosol Deposition Method, Materials, 7, 5633-5642 (2014) [0018]M. Schubert, J. Exner, R. Moos: Influence of Carrier Gas Composition on the Stress of Al 2 O 3 Coatings Prepared by the Aerosol Deposition Method, Materials, 7, 5633-5642 (2014) [0018]
  • K. Sahner, M. Kaspar, R. Moos: Assessment of the novel aerosol deposition method for room temperature preparation of metal oxide gas sensor films, Sens. Actuators, B, 139, 394-399 (2009) [0018]K. Sahner, M. Kaspar, R. Moos: Assessment of the novel aerosol deposition method for room temperature preparation of metal oxide gas sensor films, Sens. Actuators, B, 139, 394-399 (2009) [0018]

Claims (10)

Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols für die aerosolbasierte Kaltabscheidung, dadurch gekennzeichnet, dass Pulver und/oder granuliertes Pulver in definierten Mengen aus einem Vorratsbehälter über einen Förderweg hin zu einem Gasstrom und/oder einer Absaugung und/oder einer Dispergiereinheit transportiert werden, in denen das geförderte Pulver und/oder das geförderte granulierte Pulver dispergiert werden, wobei die Förderung des Pulvers und/oder granulierten Pulvers durch mechanische Anregung des Vorratsbehälters und/oder des Förderweges in Form einer schwingendenden und/oder stoßenden Bewegung erfolgt und das in der aerosolerzeugenden Apparatur erzeugte Aerosol anschließend in die Vakuumkammer transportiert und dort nach dem Mechanismus der aerosolbasierten Kaltabscheidung abgeschieden wird.Device for generating an aerosol for aerosol-based cold separation, characterized in that powder and / or granulated powder are transported in defined quantities from a storage container via a conveying path to a gas stream and / or a suction and / or a dispersion unit in which the conveyed Powder and / or the conveyed granulated powder are dispersed, the powder and / or granulated powder being conveyed by mechanical excitation of the storage container and / or the conveying path in the form of an oscillating and / or jerking movement and the aerosol generated in the aerosol-generating apparatus then transported into the vacuum chamber and deposited there according to the mechanism of aerosol-based cold separation. Vorrichtung nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Absaugung auftretende Gasstrom durch eine Kapselung des Gesamtsystems und/oder der pulverführenden Komponenten der Apparatur, an welchen sich eine Gaszufuhr befindet, reguliert wird und/oder der Gasfluss durch die Geometrie der Düse in der Beschichtungskammer beschränkt wird.Device according to the preceding claim, characterized in that the gas flow occurring at the suction is regulated by encapsulating the overall system and / or the powder-carrying components of the apparatus on which there is a gas supply and / or the gas flow is regulated by the geometry of the nozzle in the Coating chamber is limited. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Pulver und/oder granulierte Pulver aus metallischen, polymeren und/oder keramischen Materialien und/oder Mischungen aus diesen Materialien besteht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the powder and / or granulated powder used consists of metallic, polymeric and / or ceramic materials and / or mixtures of these materials. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Anregung der Förderbewegung in Amplitude und/oder Anregungsfrequenz geregelt werden kann.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical excitation of the conveying movement can be regulated in amplitude and / or excitation frequency. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des pro Zeiteinheit geförderten Pulvers und/oder granulierten Pulvers aus dem Vorratsbehälter über die Neigung des Förderweges eingestellt werden kann.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the amount of powder and / or granulated powder conveyed per unit of time from the storage container can be adjusted via the inclination of the conveying path. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des pro Zeiteinheit geförderten Pulvers und/oder granulierten Pulvers aus dem Vorratsbehälter über einen definierten und/oder veränderbaren Querschnitt der Öffnung zwischen Vorratsbehälter und Förderweg eingestellt werden kann.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the amount of powder and / or granulated powder conveyed per unit of time from the storage container can be adjusted via a defined and / or variable cross section of the opening between the storage container and the conveying path. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung und Aerosolerzeugung des Pulvers und/oder des granulierten Pulvers kontinuierlich geschehen, indem der Vorratsbehälter während des Betriebs nachgefüllt wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the conveying and aerosol generation of the powder and / or the granulated powder take place continuously by refilling the storage container during operation. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des pro Zeiteinheit geförderten Pulvers und/oder granulierten Pulvers kontinuierlich gemessen wird und als Regelgröße dient, die durch Veränderung der Anregungsfrequenz und/oder -amplitude der mechanischen Schwingung und/oder des Öffnungsquerschnitts des Vorratsbehälters definiert eingestellt werden kann.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the amount of powder and / or granulated powder conveyed per unit of time is measured continuously and serves as a control variable which, by changing the excitation frequency and / or amplitude of the mechanical oscillation and / or the opening cross-section of the Reservoir can be set in a defined manner. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Förderweges eine Dispergierung des geförderten Pulvers und/oder granulierten Pulvers durch Herabfallen und/oder Absaugung in einen Gasstrom in eine Verbindung zur Beschichtungskammer erfolgt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that, at the end of the conveying path , the conveyed powder and / or granulated powder is dispersed by falling and / or suction in a gas stream in a connection to the coating chamber. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Förderweges eine Dispergierung des geförderten Pulvers und/oder granulierten Pulvers in einen Gasstrom über eine Düse nach dem Venturiprinzip und/oder über eine rotierende Bürste erfolgen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that at the end of the conveying path , the conveyed powder and / or granulated powder are dispersed in a gas stream via a nozzle according to the Venturi principle and / or via a rotating brush.
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