DE19950016B4 - CO2-Partikel-Düse - Google Patents

Abstract

CO₂-Partikel-Düse mit einer Zuleitung für fluides CO₂ und einer Expansionsdüse zur Bildung eines Gemisches aus gasförmigem und festem CO₂ sowie mit einer mit der Expansionsdüse verbundenen Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (3) mindestens eine Prallfläche (7) zum Verdichten des festen CO₂ vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine CO₂-Partikel-Düse mit einer Zuleitung für fluides CO₂ und einer Expansionsdüse zur Bildung eines Gemisches aus gasförmigem und festem CO₂ sowie mit einer mit der Expansionsdüse verbundenen Kammer. Ferner bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer derartigen Düse.
• Beim Strahlreinigen mit Trockeneis, d.h. festem Kohlendioxid, werden komprimierte CO₂-Partikel, sogenannte Pellets, als Strahlmittel eingesetzt. Die Trockeneispellets werden üblicherweise in einem Pelletierer hergestellt. Dabei wird flüssiges Kohlendioxid durch Entspannung in CO₂-Schnee umgewandelt, komprimiert und durch eine Matrize gepreßt. Zum Reinigen eines Werkstückes werden die Pellets in einer Strahlanlage beschleunigt und auf das zu reinigende Werkstück gestrahlt.
• Das Gesamtverfahren verläuft in zwei Stufen: der Herstellung von Pellets und dem eigentlichen Strahlreinigen. Die Pellets müssen daher bis zum Einsatz in geeigneten isolierten Behältern gelagert und gegebenenfalls zum Einsatzort transportiert werden.
• Aus der EP 288 263 B1 ist ein einstufiges CO₂-Strahlreinigungsverfahren bekannt, bei dem CO₂-Teilchen in einer Strahlvorrichtung erzeugt und unmittelbar anschließend auf das Werkstück gestrahlt werden. Hierzu wird unter Druck stehendes, flüssiges CO₂ über eine erste Düse in eine Kammer entspannt, um ein Gemisch aus gasförmigem CO₂ und feinen CO₂-Tröpfchen zu erhalten, welche sich anschließend in der Kammer aneinanderlagern und größere CO₂-Tropfen bilden. Dieses Gemisch wird über eine zweite Düse entspannt, wodurch ein Gemisch aus gasförmigem und festem CO₂ entsteht.
• Die mit dieser Strahlvorrichtung erzeugten CO₂-Teilchen besitzen jedoch eine deutlich geringere Härte als die in einem Pelletierer hergestellten CO₂-Partikel. Der Energie- und Impulsübertrag auf das zu reinigende Werkstück und damit der aus dem Impulsübertrag resultierende Reinigungseffekt sind daher bei diesem Verfahren relativ gering.
• Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, eine CO₂-Partikel-Düse zu entwickeln, mit der feste CO₂-Eispartikel erzeugt werden können.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine CO₂-Partikel-Düse der eingangs genannten Art gelöst, bei der in der Kammer mindestens eine Prallfläche zum Verdichten des festen CO₂ vorgesehen ist.
• Die erfindungsgemäße CO₂-Partikel-Düse besitzt eine Zuleitung, über die fluides CO₂, d.h. flüssiges CO₂ oder ein Gemisch aus gasförmigem und flüssigem CO₂, einer Expansionsdüse zugeführt werden kann. Mittels der Expansionsdüse wird das fluide CO₂ in eine Kammer entspannt. Die dabei auftretende Druckminderung verursacht eine teilweise Umwandlung des fluiden CO₂ in CO₂-Schnee. Der CO₂-Schnee wird von dem über die Zuleitung zugeführten beziehungsweise von dem bei der Entspannung entstehenden gasförmigen CO₂ mitgerissen, in der Kammer mit geeigneten Mitteln verdichtet und mit dem gasförmigen CO₂ abgestrahlt. Auf diese Weise wird ein CO₂-Partikelstrom, bestehend aus CO₂-Kaltgas und CO₂-Trockeneispartikeln, erzeugt, der zur Reinigung und/oder Kühlung von Werkstücken mit Vorteil eingesetzt werden kann.
• Von Vorteil wird das bei der Expansion entstehende feste CO₂ mittels einer Prallfläche verdichtet. Der CO₂-Schnee wird von dem in der Expansionsdüse beschleunigten CO₂-Gasstrahl auf die Prallfläche geschleudert und dabei verdichtet. Die Verdichtung des CO₂-Schnees ist besonders wirksam, wenn mehrere, bevorzugt 5 bis 10, besonders bevorzugt 6 bis 8 Prallflächen vorgesehen sind.
• Bei Verwendung einer oder mehrerer Prallflächen zum Verdichten des CO₂-Schnees ist es von wesentlicher Bedeutung, daß in Strahlrichtung das Verhältnis zwischen der freien Querschnittsfläche und der durch Prallflächen abgedeckten Querschnittsfläche geeignet gewählt wird. Die Prallflächen bremsen einen Teil des aus der Expansionsdüse in die Kammer eintretenden Strahles ab, um so die gewünschte Verdichtung des CO₂-Schnees zu bewirken. Es muß hierbei sichergestellt werden, daß der an den Prallflächen vorbeiströmende Reststrahl noch ausreichend stark ist, um die durch die Verdichtung des Schnees erzeugten Trockeneispartikel wieder von den Prallflächen abzulösen und mitzureißen.
• Werden die Prallflächen zu groß gewählt, wird zwar ein Großteil des entspannten CO₂ verdichtet, löst sich jedoch nicht mehr von den Prallflächen ab. Der die Kammer verlassende Strahl weist somit nur einen geringen Eispartikelanteil auf. Zudem besteht die Gefahr, daß die Kammer durch den sich ansammelnden CO₂-Schnee verstopft. Andererseits wird bei zu kleinen Prallflächen keine ausreichende Menge an CO₂-Schnee verdichtet, so daß ebenfalls ein CO₂-Strahl mit nur wenigen Trockeneispartikeln erzeugt wird.
• Die Prallflächen werden daher bevorzugt so ausgeführt, daß in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung, d.h. senkrecht zur Austrittsrichtung des CO₂ aus der Expansionsdüse, die Querschnittsfläche der Prallfläche zwischen 25 und 75 %, bevorzugt zwischen 40 und 60 %, der Querschnittsfläche der Kammer beträgt. In umfangreichen Tests hat sich herausgestellt, daß sich unter diesen Voraussetzungen ein CO₂-Kaltgasstrahl mit besonders hohem Eispartikelanteil ausbildet.
• Vorzugsweise erfolgt die Verdichtung des CO₂-Schnees durch mehrere hintereinander angeordnete Prallflächen. Auf diese Weise steht insgesamt eine große Gesamtprallfläche zur Verfügung, ohne daß der freie Querschnitt für den CO₂-Kaltgasstrahl zu stark eingeschränkt wird.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsgform werden die hintereinander angeordneten Prallflächen versetzt zueinander angeordnet, d.h. von der Expansionsdüse aus in Strahlrichtung blickend wird der in der Ebene einer Prallfläche verbleibende freie Querschnitt zumindest teilweise durch eine dahinter liegende Prallfläche abgedeckt. Dadurch kann die wirksame Prallfläche relativ groß gewählt werden, ohne den Gasstrom zu sehr zu behindern. Da die Prallflächen hintereinander angeordnet sind, bleibt genügend freier Querschnitt, daß ein ausreichend starker CO₂-Gasstrahl an den Prallflächen vorbeiströmen und die entstandenen Eispartikel ablösen und mitreißen kann.
• Stäbe, insbesondere Rundstäbe, aber auch Vier- und Mehrkantstäbe, sind als Prallflächen geeignet. Diese werden vorzugsweise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des CO₂-Strahles in der Kammer angebracht. Rundstäbe haben sich als besonders günstig erwiesen, da sich die verdichteten Trockeneispartikel aufgrund des runden Profils gut von den Stäben ablösen und von dem vorbeiströmenden Kaltgasstrahl mitgerissen werden.
• Die Kammer besitzt vorzugsweise auf der der Expansionsdüse gegenüberliegenden Seite eine Strahldüse. Das in der Kammer erzeugte Kaltgas-Eispartikel-Gemisch wird durch die Strahldüse beschleunigt und kann zielgerichtet und mit hohem Impuls auf das Werkstück gestrahlt werden.
• Die Kammer ist bevorzugt gegen die Umgebung thermisch isoliert. Die Isolation erfolgt vorzugsweise durch eine die Kammer umgebende zweite Kammer, die mit Luft gefüllt ist. Durch die Isolierung wird zum einen die Kammer auf tiefer Temperatur gehalten, wodurch die Schneebildung in der Kammer gefördert und der CO₂-Verbrauch gesenkt werden, zum anderen wird die Kondensation von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft an der Außenseite der Kammer verhindert. Eine noch bessere Isolation der Kammer wird dadurch erreicht, daß die zweite Kammer evakuiert oder mit einem Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt und abgedichtet wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kammer vorgesehen, die in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung eine Querschnittsfläche zwischen 10 und 100 mm² besitzt. Vorzugsweise ist die Kammer als zylindrisches Rohr, dessen Zylinderachse in der Strahlrichtung liegt, mit einem Durchmesser zwischen 4 und 10 mm ausgebildet.
• Die Kammer ist in der Regel länglich ausgebildet, d.h. ihre Ausdehnung in Strahlrichtung ist größer als ihre Ausdehnung in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung. Vorzugsweise beträgt die Längenausdehnung der Kammer das Fünf- bis Zehnfache, besonders bevorzugt das Sechs- bis Achtfache des Kammerdurchmessers.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Erzeugung eines CO₂-Strahles, der gasförmiges und festes CO₂ enthält. Hierzu wird fluides CO₂ entspannt, wobei gasförmiges und festes CO₂ entstehen. Erfindungsgemäß wird das feste CO₂ verdichtet und mit dem gasförmigen CO₂ abgestrahlt.
• Zunächst wird flüssiges CO₂ oder ein Gemisch aus gasfömigem und flüssigem CO₂ entspannt. Bei der Entspannung von flüssigem CO₂ entsteht anteilig CO₂-Schnee.
• Vorzugsweise wird zur Erzeugung des gasförmigen und festen CO₂ enthaltenden Strahles flüssiges CO₂ verwendet.
• Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Kühlung und/oder Reinigung, insbesondere Flächenreinigung, eines Werkstückes. Die erfindungsgemäße COz-Partikeldüse bietet eine einfache Möglichkeit, Trockeneispartikeln herzustellen und abzustrahlen, die in bezug auf das Reinigungsverfahren mit in einem Pelletierer erzeugten CO₂-Pellets vergleichbar sind. Die bei den üblichen Pelletierern notwendige thermisch isolierte Lagerung der Pellets und deren Transport vom Pelletierer zur Strahlanlage entfällt.
• Die Partikeldüse ist schnell und einfach an ein Flüssig-CO₂-Versorgungssystem anschließbar. Die Düse ist aufgrund ihrer kompakten und raumsparenden Konstrukton leicht handhabbar und kann auch in automatisierte Anlagen eingebaut werden.
• Die erfindungsgemäße Düse kann außer zur Reinigung und Kühlung von Werkstücken auch vorteilhaft im Feuerlöschbereich eingesetzt werden, da die Trockeneispartikel im Vergleich zu herkömmlichen Löschmitteln besser zum Brandherd vordringen.
• Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße CO₂-Partikeldüse.
• Die Partikeldüse besitzt eine Zuleitung 1, über die die Düse mit flüssigem CO₂ versorgt werden kann. Die Zuleitung 1 endet in einer Expansionsdüse 2, mittels der das flüssige CO₂ in eine Kammer 3 entspannt wird. Die zylindrische Kammer 3 besitzt einen Durchmesser von 9 mm und eine Länge von 80 mm. Die Kammer 3 ist von einem Hüllrohr 4 umgeben, welches im Bereich der beiden Enden 5a und 5b der Kammer 3 gegen die Umgebung abgeschlossen ist. Der zwischen der Kammer 3 und dem Hüllrohr 4 gebildete Ringspalt 6 ist mit Luft oder einem Schutzgas gefüllt und dient zur thermischen Isolation der Kammer 3.
• In der Kammer 3 sind sieben Rundstäbe 7 senkrecht zur Längsachse der Kammer 3 angeordnet. Die Rundstäbe 7 besitzen untereinander jeweils einen Abstand von 10 mm und sind jeweils um 90° um die Kammerlängsachse versetzt angeordnet. An den Kammerausgang ist eine Strahldüse 8 zur Bündelung des Strahles angeschlossen.
• Beim Betrieb der in der Figur dargestellten CO₂-Partikeldüse wird flüssiges CO₂ mit einem Druck von 50 bis 60 bar über die Zuleitung 1 zur Expansionsdüse 2 geleitet. Das flüssige CO₂ wird in der Düse 2 entspannt, wobei sich ein CO₂-Gas und CO₂-Schnee enthaltendes Gemisch bildet. Der CO₂-Schnee wird von dem gasförmigen CO₂-Strahl auf die Rundstäbe 7 geschleudert und lagert sich dort an. Durch den Aufprall sowie durch nachfolgend auftreffende Schneeteilchen wird der Schnee zu Trockeneispartikeln verdichtet. Die Eispartikel werden von dem an den Stäben 7 mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmenden Kaltgasstrahl mitgerissen und über die Strahldüse 8 auf das Werkstück gelenkt.

Claims (11)

1. CO₂-Partikel-Düse mit einer Zuleitung für fluides CO₂ und einer Expansionsdüse zur Bildung eines Gemisches aus gasförmigem und festem CO₂ sowie mit einer mit der Expansionsdüse verbundenen Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (3) mindestens eine Prallfläche (7) zum Verdichten des festen CO₂ vorgesehen ist.
2. CO₂-Partikel-Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 10 Prallflächen (7) vorgesehen sind.
3. CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene senkrecht zur Austrittsrichtung des CO₂ aus der Expansionsdüse (2) die Querschnittsfläche der Prallfläche (7) zwischen 25 und 75 % der Querschnittsfläche der Kammer (3) beträgt.
4. CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Austrittsrichtung des CO₂ aus der Expansionsdüse (2) mehrere Prallflächen (7) hintereinander angeordnet sind.
5. CO₂-Partikel-Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallflächen (7) versetzt zueinander angeordnet sind.
6. CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Stäbe als Prallflächen (7) vorgesehen sind.
7. CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3) auf der der Expansionsdüse (2) gegenüberliegenden Seite eine Strahldüse (8) aufweist.
8. CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3) thermisch isoliert ist.
9. CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3) in einer Ebene senkrecht zur Austrittsrichtung des CO₂ aus der Expansionsdüse (2) eine Querschnittsfläche zwischen 10 und 100 mm² besitzt.
10. CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Kammer (3) in Austrittsrichtung des CO₂ aus der Expansionsdüse (2) das Fünf- bis Zehnfache der Ausdehnung der Kammer (3) in einer Ebene senkrecht zur Austrittsrichtung des CO₂ aus der Expansionsdüse (2) beträgt.
11. Verwendung einer CO₂-Partikel-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Feuerlöschen.