DE212020000801U1

DE212020000801U1 - Gaseinlass-Struktur für Vorrichtungen zur schichtweisen Herstellung dreidimensionaler Objekte

Info

Publication number: DE212020000801U1
Application number: DE212020000801.9U
Authority: DE
Original assignee: Stratasys Powder Production Ltd
Current assignee: Stratasys Powder Production Ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: GB2590714B; WO2021136930A1; GB201919422D0; US20230036660A1; GB2590714A

Abstract

Struktur zum Zuführen eines Gasstroms über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung innerhalb einer Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch schichtweises Konsolidieren von Partikelmaterial, wobei die Struktur umfasst: einen Hohlkörper umfassend:
eine obere Öffnung zum Anbringen in Übereinstimmung mit dem Fenster/der Öffnung der Einrichtung,
eine untere Öffnung; und
einen Gaseinlassbereich unterhalb der oberen Öffnung, der im Querschnitt betrachtet entlang einer von der oberen Öffnung zu der unteren Öffnung verlaufenden Längsachse, auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers vorgesehen ist, und einen oder mehrere Kanäle umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie im Gebrauch einen Einlassgasstrom ermöglichen, der von den gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers mit einer, in einer Ebene überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung liegenden, Stromkomponente in den Hohlkörper eintritt und innerhalb des Hohlkörpers zusammenfließt; wobei der Gaseinlassbereich zumindest entlang eines Teils einer Umfangslinie des Hohlkörpers angeordnet ist und mindestens einer des einen oder der mehreren Kanäle des Gaseinlassbereichs als ein längliches Durchgangsloch konfiguriert ist, das sich in Längsrichtung entlang der Umfangslinie erstreckt und eine oder mehrere Leitschaufeln umfasst, die in einem spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse angeordnet sind, so dass die Stromkomponente in einem spitzen Winkel zu einer Senkrechten zur Längsachse in den Hohlkörper eintritt, um so einen zirkulierenden Gasstrom in den Hohlkörper hinein zu erzeugen;
wobei der Hohlkörper symmetrisch um die Längsachse herum geformt ist, um den zusammenfliessenden Gaseinlassstrom umzulenken und einen überwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse und einen Gasrückstrom nahe der Innenwand des Hohlkörpers zu bilden, wobei die Geschwindigkeit des Rückstroms im Vergleich zu der Geschwindigkeit des Einlassstrom relativ niedrig ist, so dass die obere Öffnung durch den Einlassstrom vom Rückstrom überwiegend abgeschirmt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur zum Einlass eines Gasstroms über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung innerhalb einer Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen (3D) Objekten durch schichtweises Konsolidieren von Partikelmaterial. Weiterhin beschrieben ist eine Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung von 3D-Objekten umfassend einer solchen Struktur. Die Struktur kann besonders bei Pulverbettanwendungen, die Infrarotstrahlung erfordern, geeignet sein.
HINTERGRUND
Anwendungen wie Lasersintern oder sogenannte „print and sinter“-Techniken wie „high speed sintering“ zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Partikelmaterial stoßen auf zunehmendes Interesse, da sie zunehmend kürzere Durchlaufzeiten bereitstellen und industriell realisierbar werden. Bei diesen 3D- Herstellungsprozessen wird das Objekt Schicht für Schicht aus Partikelmaterial, das in aufeinanderfolgenden Schichten über eine Baufläche verteilt wird, gebildet. Jede Partikelmaterialschicht wird über definierte Bereiche verschmolzen oder gesintert, um einen Querschnitt des dreidimensionalen Objekts zu bilden.
Diese Anwendungen verwenden Infrarotlampen, um die Schicht vorzuwärmen und/oder die definierten Bereiche zu sintern. Zum Beispiel verwenden „print and sinter“-Verfahren eine Hochleistungs-Infrarotlampe, um Bereiche aus Partikelmaterial, wie Polymerpulver, zu sintern, welche mit strahlungsabsorbierendem Material (RAM) bedruckt wurden. Der 3D-Herstellungsprozess erzeugt eine heiße, staubige Umgebung innerhalb der Vorrichtung, die das zuverlässige Messen von Eigenschaften des Prozesses, wie z. B. die Oberflächentemperatur des Baubetts, beeinträchtigen kann. Dies kann zur Ablagerung von Verunreinigungen wie Staub und Abgasen auf empfindlichen, der Umgebung innerhalb der Vorrichtung ausgesetzten, Komponenten von Mess- oder Bildgebungseinrichtungen führen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungen der Erfindung sind in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die folgende Erfindung beschreibt in einer ersten Ausführung eine Struktur zum Zuführen eines Gasstroms über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung innerhalb einer Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch schichtweises Konsolidieren von Partikelmaterial, wobei die Struktur umfasst: einen Hohlkörper umfassend einer oberen Öffnung zum Anbringen übereinstimmend mit dem Fenster/der Öffnung der Einrichtung, einen Gaseinlassbereich unterhalb der oberen Öffnung, und eine untere Öffnung; wobei der Gaseinlassbereich, im Querschnitt betrachtet entlang einer von der oberen Öffnung zur unteren Öffnung verlaufenden Längsachse, auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers vorgesehen ist und einen oder mehrere Kanäle umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie im Gebrauch einen Einlassgasstrom ermöglichen, der von den gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers mit einer in einer Ebene überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung liegenden Stromkomponente in den Hohlkörper eintritt und innerhalb des Hohlkörpers zusammenfließt; wobei der Hohlkörper symmetrisch um die Längsachse herum geformt ist, um den zusammenfließenden Gaseinlassstrom umzulenken und einen überwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse und einen Gasrückstrom nahe der Innenwand des Hohlkörpers zu bilden, wobei die obere Öffnung überwiegend durch den Einlassstrom vom Rückstrom abgeschirmt ist, und wobei die Geschwindigkeit des Rückstroms im Vergleich zu der Geschwindigkeit des Einlassstroms relativ niedrig ist.
Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch schichtweises Konsolidieren von Partikelmaterial beschrieben, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Baubett, in dem die Objekte im Gebrauch geformt werden; eine Bildgebungs- oder Messeinrichtung, die auf die Oberfläche des Baubetts gerichtet ist, wobei die Einrichtung ein Fenster oder eine Öffnung aufweist; und die Struktur gemäß der ersten Ausführung, die übereinstimmend mit dem Fenster/der Öffnung der Einrichtung montiert ist, um einen Gasstrom über das Fenster/die Öffnung der Einrichtung zu liefern.
Gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung wird ein Verfahren zum Zuführen eines Gasstroms über das Fenster/die Öffnung der Bildgebungs- oder Messeinrichtung der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführung beschrieben, wobei das Verfahren umfasst: Zuführen eines Primär-Gaseinlassstroms durch einen Primär-Gaseinlassbereich der Struktur von gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers und von dort in den Hohlkörper der Struktur, wobei der Primär-Gaseinlassstrom eine Hauptstromkomponente aufweist, die überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung der Struktur ist und innerhalb des Hohlkörpers zusammenfließt; und Umlenken des zusammenfließenden Primär-Gaseinlassstroms, um einen vorwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse des Hohlkörpers und einen Gasrückstrom nahe der Innenwand des Hohlkörpers zu bilden, wobei die obere Öffnung durch den Einlassstrom überwiegend von dem Rückstrom abgeschirmt ist, und wobei die Geschwindigkeit des Rückstroms im Vergleich zur Geschwindigkeit des Einlassstroms relativ niedrig ist.
Figurenliste
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei:

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Objekten, die eine Gaseinlassstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, um einen Gasstrom über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung zu liefern;
2A ist ein schematischer Querschnitt entlang der Längsachse einer Gaseinlassstruktur gemäß einer Ausführungsform die einen Hohlkörper umfasst;
2B ist eine Draufsicht eines Schnitts entlang Linie A-A' der Gaseinlassstruktur von 2A;
2C zeigt Gasströmungswege im Gebrauch der Gaseinlassstruktur von 2A;
3A ist ein schematischer Querschnitt entlang der Längsachse der Gaseinlassstruktur von
2A, die weiterhin eine Gaszufuhrkammer vorweist;
3B ist eine Draufsicht eines Schnitts entlang Linie A-A' von 3A;
3C zeigt Gasströmungswege im Gebrauch der Gaseinlassstruktur von 3B;
4A ist ein schematischer Querschnitt entlang der Längsachse einer Gaseinlassstruktur gemäß einer Variante mit Durchgangslöchern der in 2A gezeigten Konfiguration;
4B ist eine Draufsicht eines Schnitts entlang Linie A-A' der Gaseinlassstruktur von 4A;
5A ist ein schematischer Querschnitt entlang der Längsachse einer Gaseinlassstruktur gemäß einer alternativen Ausführungsform mit nach unten gerichteten Durchgangslöchern;
5B ist eine Draufsicht eines Schnitts entlang Linie A-A' der Gaseinlassstruktur von 5A;
6 ist eine schematische Darstellung von Stromkomponenten gemäß den Gaseinlassstrukturen der 2A bis 4B;
7 ist eine schematische Darstellung von Stromkomponenten gemäß der Gaseinlassstruktur von 5;
8A bis 8C sind schematische Darstellungen von Varianten der Draufsicht von 2B, die Strömungswege von einem schlitzförmigen Einlassbereich mit in unterschiedlichen Winkeln zur radialen Richtung ausgerichteten Leitschaufeln aufzeigen,
9A und 9B sind schematische Darstellungen von Strömungswegen von einer Gaseinlassstruktur die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, mit einem Einlassbereich in Form von tangentialen Löchern;
10A ist ein schematischer Querschnitt entlang der Längsachse einer Gaseinlassstruktur gemäß einer Variante von 2A, umfassend einer Reihe an sekundären Einlässen;
10B und 10C sind Draufsichten von 10A entlang der Linien A-A' und B-B'; und
11A und 11B sind Draufsichten einer Variante von 10A entlang der Linien A-A' und B-B'.

In den Figuren sind gleiche Elemente durchgehend mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Vorrichtung 1 für die schichtweise Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch Konsolidieren von Partikelmaterial durch „high speed sintering“. Übereinstimmend mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat die Vorrichtung 1 eine Gaseinlassstruktur 80 zum Einlassen eines Gasstroms über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung innerhalb der Vorrichtung 1. Die Gaseinlassstruktur 80 umfasst einen Hohlkörper 82 mit einer oberen Öffnung 84, in die Gas von einem Gaseinlassbereich 86 (nicht in 1 gezeigt) angrenzend der oberen Öffnung 84 eintreten kann. Das Gas wird dem Einlassbereich 86 von einer Zufuhrkammer 200 zugeführt, die den Einlassbereich 86 umgibt und einen Einlass 202 hat, der von einer externen Gasversorgung versorgt wird, wie durch den abwärts weisenden Pfeil angezeigt ist. Weitere Details der Gaseinlassstruktur 80 werden unter Bezugnahme auf 2A bis 8C und 10A bis 11B beschrieben.
Begriffe wie „Gas“ und „Gasstrom“ und dergleichen wie hierin verwendet sind breit zu interpretieren und umfassen atmosphärische Luft sowie speziell bereitgestelltes Gas oder Gemische von Gasen (z. B. von einer speziell gewidmeten Gasversorgung).
Im Allgemeinen hat die dargestellte Vorrichtung 1 einen Arbeitsraum 4, der von unten durch eine Arbeitsfläche 13 und von oben durch eine Decke 60 begrenzt ist. Die Arbeitsfläche 13 umfasst eine Baubettfläche 12, über der aufeinanderfolgende Schichten aus Partikelmaterial, wie z.B. Puder, verteilt und verarbeitet werden, um Querschnitte eines Objekts 2 zu bilden. Oberhalb der Baubettoberfläche 12, und zentral innerhalb des Bereichs der in der Decke angebrachten Heizanordnung 2, ist eine Kamera 70 innerhalb eines Gehäuses 74 vorgesehen, das an der oberen Öffnung 84 der Gaseinlassstruktur 80 angebracht ist.
In der beispielhaften Vorrichtung 1 kann die Bildgebungs- oder Messeinrichtung 70 eine Wärmebildkamera zum Überwachen der Temperatur der Baubettoberfläche 12 sein, jedoch können in alternativen Implementierungen andere Bildgebungs- oder Messeinrichtungen bereitgestellt werden.
Ein oder mehrere (in diesem Fall zwei) Schlitten 30 sind über der Arbeitsfläche 13, die die Baubettoberfläche 12 umfasst, verfahrbar angeordnet. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner ein Pulverbehältersystem 10, das ein Baubett 16 umfasst welches das geformte 3D-Objekt 2 trägt die Baubettoberfläche 12 aufweist, aus der das Objekt 2 schichtweise gebildet wird. Ein Pulverdosiermodul 40 ist angeordnet, um frisches Pulver auf die Arbeitsfläche 13 zu dosieren. Der erste und zweite Schlitten 30_1, 30 2 tragen jeweils eine Verteilungseinrichtung 36 und ein Druckmodul 38, das einen oder mehrere Tröpfchenabscheidungsköpfe und ein Lampenmodul 37 umfasst. Die Schlitten sind auf mindestens einer Schiene 34 über der Baubettoberfläche 12 hin und her verfahrbar.
In einem beispielhaften Prozessablauf senkt der Boden 18 des Pulverbehältersystems 10, der die Bodenfläche des Baubetts 16 begrenzt, das Baubett 16 um eine Schichtdicke ab. Während der erste Schlitten 30_1 mit die Verteilungseinrichtung 36 auf der in Bezug auf die Baubettoberfläche 12 anderen Seite des Dosiermoduls 40 angeordnet ist, und sich der zweite Schlitten 30_2 auf der in Bezug auf den ersten Schlitten 30_1 gegenüberliegenden Seite der Baubettoberfläche 12 befindet, dosiert das Dosiermodul 40 eine Pulvermenge angrenzend der Baubettoberfläche 12 auf die Arbeitsfläche 13. Der erste Schlitten wird über die Baubettoberfläche 12 verfahren, so dass die Verteilungseinrichtung 38 das dosierte Pulver verteilt, um eine dünne Schicht über die Baubettoberfläche 12 zu verteilen. Als nächstes wird der erste Schlitten 30_1 gefolgt von dem zweiten Schlitten 30_2 zurück in seine Ausgangsposition verfahren. Ausgehend von der Seite des Dosiermoduls wird der zweite Schlitten 30_2 über die Baubettoberfläche 12 zur gegenüberliegenden Seite verfahren, der eine oder die mehreren Tröpfchenabscheidungsköpfe des Druckmoduls 38 scheiden RAMenthaltendes Fluid über dem Querschnitt des zu formenden Objekts 2 entsprechenden Bereichen der Baubettoberfläche 12 ab, und die Infrarotlampe 110 wird betrieben, um das bedruckte Pulver zu sintern. Der Prozess kann dann erneut beginnen, um Schicht für Schicht fortzufahren, bis das Objekt 2 vollständig hergestellt ist.
Während des Bauvorgangs des Objekts 2 kann die Infrarotkamera 70 verwendet werden, um kontinuierlich oder zeitweise die Temperatur der Baubettoberfläche 12 zu überwachen, indem sie so angeordnet ist, um von der Baubettoberfläche 12 emittierte Infrarotstrahlung zu erfassen. Die Kamera 70 muss daher so angeordnet sein, dass ihr Sichtfeld die Baubettoberfläche 12 umfasst. Praktischerweise kann sie zentral über der Baubettoberfläche 12 an der Decke des Arbeitsraums 4 oder der Decke 60 angrenzend angeordnet sein. Da der Bauprozess eine mit heißen Tintendämpfen und Pulverpartikel gefüllte Umgebung erzeugt, ist es wünschenswert, die Optik der Kamera 70 vor der Ablagerung von Verunreinigunden zu schützen, um während des gesamten Bauprozesses zuverlässige Messungen bereitzustellen.
Zu diesem Zweck wurde die vorliegende Gaseinlassstruktur 80 entwickelt, die einen speziell geformten Gasstrom über den empfindlichen Bereich der Bildgebungs- oder Messeinrichtung 70 (wie etwa die Kameraoptik) liefern kann, um den empfindlichen Bereich überwiegend oder vollständig von der Arbeitsumgebung zu isolieren und die Bereitstellung zuverlässiger Messungen zu verbessern.
Dementsprechend, und unter Bezugnahme auf 2A und 3A, wird eine Gaseinlassstruktur 80 bereitgestellt, um einen Gasstrom über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung 70 innerhalb einer Vorrichtung 1 zur Herstellung von 3D-Objekten durch schichtweises Konsolidieren von Partikelmaterial zuzuführen. Die Gaseinlassstruktur 80 umfasst einen Hohlkörper 82 mit einer oberen Öffnung 84 zum Anbringen entsprechend dem Fenster/der Öffnung der Einrichtung 70, einen Gaseinlassbereich 86 unterhalb der oberen Öffnung, und eine untere Öffnung 88. Der Gaseinlassbereich 86 ist, betrachtet im Querschnitt entlang einer Längsachse 83, die sich von der oberen Öffnung 84 zu der unteren Öffnung 88 des Hohlkörpers erstreckt, auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers 82 vorgesehen. Der Gaseinlassbereich 86 umfasst einen oder mehr Kanäle 92, die konfiguriert sind, um im Gebrauch zu ermöglichen, dass ein Einlassgasstrom 100 von den gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers 82 mit einer Stromkomponente 102, die überwiegend parallel zu der Ebene der oberen Öffnung ist, in den Hohlkörper 82 eintritt, und innerhalb des hohlen Körpers 82 zusammenfließt. Ferner ist der Hohlkörper 82 symmetrisch um die Längsachse 83 herum geformt, um den zusammenfließenden Strom des Einlassgases 100 so umzulenken, dass sich ein überwiegend axialer Gasstrom 104 entlang der Längsachse 83 bildet, und ferner ein Gasrückstrom 104 in Nähe der Innenwand 90 des Hohlkörpers. Die Einlassstrom wird so bereitgestellt, dass die Geschwindigkeit des Rückstroms 104 im Vergleich zur Geschwindigkeit des Einlassstroms 100 relativ niedrig ist, so dass die obere Öffnung 84 durch die zusammenströmende Strömung des Einlassgases 100 überwiegend von dem Rückstrom 102 abgeschirmt wird. Mit „zusammenfließend“ ist dabei gemeint, dass der Einlassstrom mehrere Einlass-Stromkomponenten aufweist, die von unterschiedlichen Stellen des Einlassbereichs aufeinander zuströmen. Das heißt, dass die Einlass-Stromkomponenten den Einlassbereich verlassen und Geschwindigkeitskomponenten haben, die in Bezug auf die Längsachse radial nach innen gerichtet sind, so dass, wenn die radialen Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Längsachse zusammenfließen, sie schließlich umgelenkt werden, um die nach unten gerichtete axiale Strömung 104 zu bilden. Mit „gegenüberliegenden Seiten“ ist gemeint, dass die unterschiedlichen Einlassstrom-Komponenten von unterschiedlichen Stellen des Einlassbereichs stammen. Die anfängliche Eintrittsrichtung der Stromkomponenten kann einen spitzen Winkel zu einer radialen Linie zur Längsachse bilden, die in einer Ebene parallel zur Ebene der Öffnung liegt. Der spitze Winkel kann 45 Grad oder weniger betragen, d. h. die Strömung kann direkt auf eine Seite der Längsachse gerichtet sein oder eine überwiegend radiale Komponente aufweisen. Auf diese Weise wird angrenzend der Öffnung eine zirkulierende Strömung erzeugt, die zusammenfließt und den zusammenfließenden Abwärtsstrom entlang der Längsachse bildet.
Ausführungsformen der Struktur 80 und deren Funktionalität werden nun ausführlich und mit Bezug auf 2A bis 8C und 10A bis 11B beschrieben.
In 2A ist eine Ausführungsform der Struktur 80 im schematischen Querschnitt entlang der Längsachse 83 eines der Struktur 80 umfassenden Hohlkörpers 82 gezeigt. Der Hohlkörper 82 hat eine obere Öffnung 84 und eine untere Öffnung 88. Die obere Öffnung 84 dient zum Anbringen einer Mess- oder Bildgebungseinrichtung (wie in 3A bis 3C erläutert wird) übereinstimmend mit der oberen Öffnung 84.
Unterhalb der oberen Öffnung 84 weist der Hohlkörper 82 Kanäle 92 auf, die eine Öffnung durch den Hohlkörper 82 von der Außenwand 91 zur Innenwand 90 des Hohlkörpers 82 bereitstellen, so dass Gas von außerhalb in das Innere des Hohlkörpers 82 eintreten kann. Der Hohlkörper 82 ist symmetrisch um die Längsachse 83 herum geformt und ist in der gezeigten Ausführungsform glockenförmig, mit einem sich so nach außen erweiternden Hohlkörper 82, dass die untere Öffnung 88 größer als die obere Öffnung 84 ist. 2B ist eine schematische Draufsicht auf die Struktur 80 entlang einer in 2A angezeigten Schnittlinie A-A', die zeigt, dass die obere Öffnung 84 und die untere Öffnung 88 kreisförmige Querschnitte haben. Der Hohlkörper 82 ist um die Längsachse 83 symmetrisch geformt.
Somit kann der Hohlkörper 82 außerdem durch eine Reihe kreisförmiger Querschnitte beschrieben werden, deren Durchmesser sich von der oberen Öffnung 84 zur unteren Öffnung 88 allmählich ändern, um einen sich nach außen erweiternden Körper zu bilden. Anders gesagt erweitert sich der Hohlkörper 82 von der oberen Öffnung 84 in Richtung der unteren Öffnung 88 nach außen. Beispielsweise kann der Hohlkörper 82 kegel- oder glockenförmig sein, welches die Bildung eines vorteilhaften Gasströmungsmusters innerhalb des Hohlkörpers 82 fördern kann, dass die obere Öffnung 84 vor Abgasen und Staub schützt.
Die durch die Kanäle 92 bereitgestellten Gaseinlassbereiche 86 sind in 2B in Form eines Umfangsschlitzes entlang der Schnittlinie A-A' durch den Hohlkörper 82 (in 2A angegeben) veranschaulichend dargestellt. Eine Vielzahl an Leitschaufeln teilt den Schlitz in Abschnitte oder Kanäle 92 auf, wobei jeder Kanal 92 einen Teilbereich, der zum gesamten Gaseinlassbereich 86 beiträgt, darstellt. Weitere Anordnungen des Gaseinlassbereichs 86 können geeignet sein, von denen nun einige unter Bezugnahme auf 4A bis 5B dargestellt und beschrieben werden.
Die obere Öffnung 84 ist entsprechend der Öffnung oder des Fensters der daran zu montierenden Mess- oder Bildgebungseinrichtung 70 bemessen und nimmt somit nicht unbedingt die gesamte Fläche der oberen Decke des Hohlkörpers ein. Stattdessen kann ein Querabschnitt in der allgemeinen Form eines Rings und mit einer Oberfläche senkrecht zur Längsachse 83 die obere Öffnung 84 umfassen, wie es beispielhaft in 2A angezeigt ist.
Der Gaseinlassbereich 86 ist in Nähe der oberen Öffnung 84 vorgesehen. Der Zweck des Gaseinlassbereichs 86 und die Anordnung des Hohlkörpers 82 werden nun unter Bezugnahme auf 2C erläutert, die in dem Hohlkörper eingerichtete Gasströmungswege zeigt, wenn Gas über die Kanäle 92 eingeführt wird.
2C zeigt somit drei durch Strömungswege angegeben Strömungsregime. Unmittelbar nach dem Eintritt des Einlassstroms 100 angrenzend der oberen Öffnung 84 in den Hohlkörper 82, kann im Betrieb ein erstes Strömungsregime erzeugt werden mit einer Stromkomponente 102, die überwiegend parallel zur Decke der oberen Öffnung 84 verläuft. Das zweite Strömungsregime ist aufgrund des Zusammenflusses der Stromkomponenten 102 ein entlang der Längsachse 83 nach unten gerichteter axialer Gasstrom 106. Das dritte Strömungsregime ist ein Gasrückstrom 104 nahe der Innenwand 90 des Hohlkörpers.
Wenn die obere Öffnung 84 ein Fenster, wie zum Beispiel ein Germaniumfenster zum Übertragen von Infrarotstrahlung zu einer Infrarotkamera, umfasst, bietet die obere Öffnung 84 ein Hindernis und trägt an der Umlenkung der zusammenfließenden Strömung des Einlassstroms bei. In diesem Fall können die Stromkomponenten 102 überwiegend parallel zur Oberfläche des Germaniumfensters sein. Mit „im Wesentlichen parallel“ oder „überwiegend parallel“ ist gemeint, dass die Strömung eine Hauptkomponente (> 50 % des Einlassstroms) aufweist, die parallel zur Oberfläche des Fensters fließt. Wie in den folgenden Ausführungsformen veranschaulicht wird, muss dabei nicht der gesamte Einlassstrom 100 eine überwiegend parallele zusammenfließende Stromkomponente haben.
Die Gasströmung kann durch Geschwindigkeitskomponenten beschrieben werden. Dies ist in 6 dargestellt, die, als Einlassstrom 100, eine Stromlinie nach dem Eintritt in den Hohlkörper 82 zeigt. Der Einlassstrom hat eine Geschwindigkeit v₁₀₀(t₀) zu einem Zeitpunkt t=to. An einem weiteren Zeitpunkt t hat die Geschwindigkeit v₁₀₀(t) die Geschwindigkeitskomponenten v_p(t), v_v(t), welche jeweils parallel zur Ebene der oberen Öffnung und parallel zur Längsachse 83 sind (wobei v_p eine Resultierende der tangentialen und radialen Stromkomponenten ist). Es ist zu beachten, dass der Winkel Φ zwischen v₁₀₀ und v_p die axiale Komponente des Einlassstroms zum Zeitpunkt t = to definiert. In dem Beispiel von 6 wird der Einlassstrom aufwärts in Richtung der oberen Öffnung 84 geleitet, beispielsweise durch einen Aufwärtswinkel der Unterkante eines Umfangsschlitzes, und bevor er beispielsweise durch das Vorhandensein eines Fensters umgeleitet wird, um einen überwiegend abwärts gerichteten axialen Gasstrom entlang der Längsachse 83 innerhalb des Hohlkörpers zu bilden (axiale Stromkomponente 106). Es ist aus den Geschwindigkeitsvektoren in 6 ersichtlich, dass zum Zeitpunkt t = to die parallele Geschwindigkeitskomponente größer als die vertikale Komponente ist, v_p(t₀) > v_v(t₀), und somit die Stromkomponente 102 zu diesem Zeitpunkt überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung 84 ist.
Wie aus den in 2C dargestellten Strömungswegen ersichtlich ist, verlässt der Einlassstrom 100 den Gaseinlassbereich 86 und fließt radial nach innen, um innerhalb des Hohlkörpers 82 an oder nahe der Längsachse 83 zusammenzuströmen. Zum Beispiel konvergieren die parallelen und zusammenfließenden Stromkomponenten, die durch den Einlassstrom 100 von den Einlassbereichen 86 erzeugt werden, an oder nahe der Längsachse 83 in Nähe der Ebene der oberen Öffnungs-/Fensteroberfläche. Anders gesagt wird in Nähe der oberen Öffnung 84 durch jeden Kanal 92 eine parallele zusammenfließende Stromkomponente 102 erzeugt. Nach dem Zusammenfluss werden diese Stromkomponenten umgelenkt, um einen überwiegend axialen, abwärts gerichteten Gasstrom 106 zu bilden, wobei „überwiegend axial“ bedeuten soll, dass ein dominanter Anteil der zusammenfließenden Stromkomponenten über eine nennenswerte (d. h. eine um als solche erkannt zu werdende) Strecke entlang der Längsachse umgeleitet wird. Unterdessen ist der Hohlkörper so geformt, dass ein Gasrückfluss 104 durch den überwiegend axialen, abwärts gerichteten, Gasstrom 106 erzeugt wird. Der Gasrückfluss 104 fließt angrenzend und/oder entlang der Innenwand 90 aufwärts in den Hohlkörper 82, was einen durch die Innenwand 90, den Einlassgasstrom 100 und die axiale Strömung 104 einen begrenzten Bereich von Rückstromgas 104 bildet. Die Geschwindigkeiten der Strömungen sind so vorgegeben, dass die Rückstromgeschwindigkeit im Vergleich zur Einlassstromgeschwindigkeit relativ gering ist, und daher die Geschwindigkeiten des zusammenströmenden Einlassgasstroms 100 und des überwiegend axialen Gasstroms 104 entlang der Längsachse im Vergleich zu der Rückstromgeschwindigkeit relativ hoch sind. Dies führt dazu, dass die obere Öffnung 84 durch den relativ schnelleren zusammenströmenden Einlassgasstrom 100 von dem langsameren Rückstrom 104 überwiegend abgeschirmt wird und somit von im Rückstrom 104 mitgerissenen Partikelmaterial geschützt wird. Dies reduziert oder beseitigt die Menge an Partikelmaterial, das die obere Öffnung 84 erreicht.
Die Umlenkung der parallel zusammenfließenden Stromkomponenten 102 des Einlassstroms 100 kann durch ein oder mehrere Merkmale des Hohlkörpers 82 erreicht oder verbessert werden: der Winkel, unter dem der Einlassstrom in den Hohlkörper eintritt; die wahlweise Bereitstellung eines Fensters, das ein Hindernis für eine aufwärts gerichtete Stromkomponente darstellt; eine geeignete Einlassstromgeschwindigkeit, usw.
Die Kanäle können so angeordnet werden, dass die Stromgeschwindigkeit des Einlassgases zunimmt, wenn das Gas sie durchströmt. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des einen oder der mehreren Kanäle des Gaseinlassbereichs sich von der Außenseite zur Innenseite des Hohlkörpers verringern (beispielsweise durch Verringerung ihrer Durchmesser oder ihrer Höhe und/oder Breite). Um eine ausreichende Strömung in den Hohlkörper 82 bereitzustellen, kann die insgesamte Querschnittsfläche des Einlasses in den Hohlkörper 82 so groß wie möglich gemacht werden. Beispielsweise kann der Gaseinlassbereich entlang eines Umfangs des Hohlkörpers 82 angeordnet sein.
Schlitzförmige Kanäle
Vorzugsweise kann der eine oder die mehreren Kanäle des Gaseinlassbereichs einen oder mehrere Schlitze umfassen. Wahlweise kann sich der eine oder die mehreren Schlitze überwiegend senkrecht zur Längsachse des Hohlkörpers erstrecken. Die Schlitze können einen nahezu kontinuierlichen Umfangsbereich durch den Hohlkörper darstellen; beispielsweise in Form eines einzigen ringförmigen Schlitzes, wobei der obere Teil des Hohlkörpers durch äußere Klammern mit dem unteren Teil des Hohlkörpers verbunden ist. Alternativ kann der obere Teil mit dem unteren Teil des Hohlkörpers durch eine Reihe schmaler Streben verbunden sein, die sich zwischen dem unteren Rand 99 und dem oberen Rand 98 des Schlitzes erstrecken.
Zusätzlich oder alternativ kann sich daher der eine oder die mehreren Schlitze über einen Großteil, oder kontinuierlich über eine Umfangslinie, um die Achse des Hohlkörpers erstrecken. Dies trägt dazu bei, einen kontinuierlichen Vorhang aus zusammenfließender Strömung über die Querschnittsfläche des Hohlkörpers 82 in und angrenzend an die Ebene des Gaseinlassbereichs 86 zu erzeugen. Der kontinuierliche Vorhang, der in eine axial abwärts gerichtete Strömung entlang der Längsachse umgelenkt wird, ist mit einer Stromgeschwindigkeit vorgegeben die größer ist als die Stromgeschwindigkeit des Gasrückstroms 104. Somit kann der Vorhang eine wirksame Barriere für den Gasrückstrom 104 bereitstellen, so dass eine das Fenster oder die Öffnung 84 erreichende Rückstrommenge reduziert oder eliminiert wird. Auf diese Weise kann eine Kontamination aufgrund Absetzungen auf dem an oder hinter der Öffnung angebrachten Fenster, oder auf einer empfindlichen Komponente der Mess-/Bildgebungseinrichtung 70, zumindest reduziert werden, so dass Wartungsintervalle länger oder verhindert werden können. Somit kann beispielsweise das Auftreten fälschlicher Messwerte der Mess- oder Bildgebungseinrichtung 70 reduziert oder verhindert werden.
Ein kontinuierlicher Gasvorhang kann durch eine oder mehrere der Bedingungen der gesamten Einlassbereiche gebildet werden: zum Beispiel deren Ausmaß umlaufend des Einlassbereichs (definiert durch Abstand zwischen Kanälen und ihrer Querschnittsflächen); Nähe zur oberen Öffnung des Einlasses der Kanäle in den Hohlkörper; Strömungswinkel in Bezug auf die Fensterfläche/ Fläche der oberen Öffnung; und Stromvolumen.
Der eine oder die mehreren Kanäle 92 können so geformt sein, dass der Einlassgasstrom entlang einer Ebene senkrecht zur Längsachse in den Hohlkörper eintritt, so dass ein Großteil des zusammenfließenden Einlassstroms parallel zur Oberfläche des Fensters, das sich beispielsweise in der oberen Öffnung 84 befindet, ist. Alternativ kann der Einlassstrom in einem spitzen Winkel zu einer zur Längsachse senkrechten Ebene in den Hohlkörper 82 eintreten.
Daher kann der Einlassbereich so geformt sein, dass der Gasstrom von den Kanälen 92 weg von der Senkrechten zu der Innenwandfläche des Hohlkörpers in den Hohlkörper 82 abgewinkelt wird, so dass im Gebrauch eine Gasstromkomponente über die obere Öffnung entsteht. Anders gesagt kann der Gaseinlassbereich 86 so angeordnet sein, dass er den Gaseinlassstrom in den Hohlkörper 82 entlang einer Richtung parallel zu oder in Richtung der Ebene der oberen Öffnung 84 leitet. Wenn die Kanäle beispielsweise die Form eines oder mehrerer Umfangsschlitze haben, können die oberen und unteren Kanten des einen oder der mehreren Schlitze von der zur Längsachse 83 senkrechten Ebene, oder von der Ebene der oberen Öffnung 84 des Hohlkörpers, abgewinkelt sein, so dass im Gebrauch ein Gasstrom über die obere Öffnung erzeugt wird. Die oberen und/oder unteren Kanten können zum Beispiel aufwärts in Richtung der oberen Öffnung abgewinkelt sein, wie zum Beispiel in 2A bis 2C beschrieben ist. In 2A bildet die Fläche der Unterkante 99 beispielsweise einen spitzen Winkel Φ_L < 90° mit der Ebene der oberen Öffnung 84. Unterdessen kann die Oberfläche der oberen Kante 98 parallel zu der Ebene der oberen Öffnung 84 sein, d. h. Φ_U =0 (in 2A nicht angegeben). Insgesamt wird die axiale Komponente durch den Winkel Φ definiert, der zwischen dem in den Hohlkörper eintretenden Gaseinlassstrom 102 und der Ebene der Öffnung 84 gebildet wird, und der das Resultat der Anordnung des Gaseinlassbereichs in Bezug auf die Ebene der Öffnung ist. Diese axiale Komponente wird hierin als „Axialkomponente“ des Gaseinlassstroms, der in Bezug auf die Längsachse des Hohlkörpers gebildet wird, bezeichnet und ist definiert durch Φ.
In einer Ausführungsform kann die Oberfläche der Oberkante 98 einen spitzen Winkel mit der Ebene der oberen Öffnung 84, Φ_U < 90° bilden , beispielsweise derart, dass der zwischen der Ebene der Öffnung und der Unterkante gebildete Winkel größer ist als der Winkel zwischen der Ebene der Öffnung und der Oberkante (Φ_L > Φ_U). Dies reduziert oder verhindert die Bildung eines stagnierenden Bereichs von Niederdruckgas in Nähe der Fensteroberfläche, zwischen der Öffnung und dem Zusammenfluss der überwiegend parallelen Stromkomponente 102 des Einlassgases.
Zusätzlich oder alternativ kann der gleiche Effekt erzielt oder verstärkt werden, indem die Kanäle so nahe wie möglich an der oberen Öffnung angeordnet werden, so dass der Einlassstrom in unmittelbarer Nähe der oberen Öffnung in den Hohlkörper 82 eintritt.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Einlassstrom in einem leichten Abwärtswinkel eintreten, was einen stagnierenden Bereich von Niederdruckgas in Nähe des Fensters der Oberfläche erzeugen könnte, der für die Messgenauigkeit toleriert werden kann. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform ist in 5A und 5B gezeigt.
Bei jeder dieser Anordnungen besteht der Zweck darin, eine zusammenfließende Strömung an oder nahe der Längsachse 83 des Hohlkörpers zu erzeugen, die in eine axiale, abwärts gerichtete Strömung entlang der Längsachse umgelenkt wird, und wobei die zusammenfließende Stromkomponente 102 einen kontinuierliches Gasvorhang mit einer Stromgeschwindigkeit, die größer ist als die Stromgeschwindigkeit des Gasrückstroms 104, erzeugt.
Leitschaufeln, zirkulierende Strömung
Um eine kontinuierliche Barriere aus schnell strömendem Gas aus der parallel zusammenfließenden Stromkomponente der Einlassstrom zu erzeugen, können die Kanäle 92 so konfiguriert sein, dass sie im Gebrauch eine Stromkomponente erzeugen, die in einem spitzen Winkel zu einer Senkrechten zur Längsachse 10 in den Hohlkörper eintreten, um so einen zirkulierenden Gasstrom in den Hohlkörper hinein zu erzeugen.
Beispielsweise kann der eine oder die mehreren Schlitze jeweils einen oder mehrere Leitschaufeln umfassen, die in Bezug auf die Innenfläche des Gaseinlassbereichs abgewinkelt sind, um einen zirkulierenden Gasstrom in den Hohlkörper hinein zu erzeugen. Der oder die Winkel bilden einen spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse, um so den spitzen Winkel der Stromkomponente zu einer Senkrechten zur Längsachse zu erzeugen. Die Leitschaufeln können sich von der Unterkante zur Oberkante des einen oder der mehreren Schlitze erstrecken. Die Leitschaufeln sind vorzugsweise abgewinkelt, zum Beispiel zu oder ungefähr zu 45° zur radialen Richtung zur Längsachse, um einen zirkulierende Gasstrom mit einer parallelen Stromkomponente zu erzeugen, die zusätzlich überwiegend parallel zu einem inneren Umfangsbereich der Innenwand des Hohlkörpers 82 ist, so dass die Geschwindigkeitsvektoren radiale und tangentiale Komponenten in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 83 haben. Es wird angenommen, dass dies zwei Effekte hat - das Einlassgas überstreicht eine größere Fläche, die parallel zur Ebene der oberen Öffnung ist, bevor sie abwärts gelenkt wird um den axialen Gasstrom 106 innerhalb des Hohlkörpers 82 zu bilden, wodurch die Kontinuität des Gasvorhangs verbessert wird, der durch die parallele Komponente des Einlassgases erzeugt wird; und um den abwärts gerichteten axialen Gasstrom 106 zu verbessern, so dass er eine räumlich definierte Strömung mit einem langsamen (langzeitigen) wirbelnden (spiralförmigen) Element ist. Es wurde festgestellt, dass durch ein radiales Anwinkeln der Leitschaufeln, beispielsweise um 0° zur radialen Richtung der Längsachse, der axiale Gasstrom 106 weniger definiert ist und eine weniger wirksame Barriere zwischen dem Rückstrom und der oberen Öffnung / dem Fenster darstellen kann.
Kanäle in Form von Durchgangslöchern
Alternativ zu dem mindestens einen oder der mehreren, entlang eines Umfangs des Hohlkörpers angeordneten, Schlitz, kann der eine oder die mehreren Kanäle des Gaseinlassbereichs mehrere Durchgangslöcher umfassen. Ausführungsformen davon sind in 4 und 5 dargestellt.
4A zeigt eine Variante der Struktur von 2A. Während sie in der Querschnittsansicht entlang der Längsachse 83 ähnlich sind, haben die Kanäle 92 die Form von Durchgangslöchern, wie in der Darstellung in 4B des Querschnitts entlang der Linie A-A' zu sehen ist. Die Durchgangslöcher sind aufwärts abgewinkelt, so dass das aus den Kanälen in den Hohlkörper eintretende Gas zur Öffnung 84 geleitet wird, die ein Fenster sein kann, wie etwa ein Germaniumfenster für das Gehäuse einer Wärmebildkamera. Zusätzlich sind die Durchgangslöcher beispielsweise zu einem Winkel zur radialen Richtung des Umfangs, über dem die Durchgangslöcher vorgegeben sind, angeordnet, so dass ein ähnlicher Effekt wie bei den Leitschaufeln 96 in den Schlitzen 92 erreicht werden kann. Das Gas würde somit mit einer parallelen Stromkomponente 102 in den Hohlkörper 82 eintreten, die, zumindest angrenzend dem Eintrittspunkt in den Hohlkörper 82, zusätzlich auch eine zu einem Umfangsbereich der Innenwand parallele Komponente hat (z. B. eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente, senkrecht zu der radialen Richtung). Dies kann im Betrieb die Kontinuität des durch die parallel zusammenfließende Stromkomponente erzeugten Gasvorhangs verbessern. Zusätzlich ist im Betrieb, wie zuvor, die Geschwindigkeit der parallel zusammenfließenden Stromkomponente 102 und des durch den Zusammenfluss erzeugten und abwärts gerichteten axialen Gasstroms 106 so vorgegeben, dass sie höher ist als die Geschwindigkeit des entlang der Innenwand 90 aufwärts fließenden Gasrückflusses 104. Dies sorgt für einen Gasvorhang, der eine wirksame Barriere gegen Staub und Ablagerungen für das Fenster an der Öffnung 84 darstellen kann, da der Rückstrom nicht durch ihn hindurchbrechen kann.
Die Kanäle 92 können ferner einen Querschnitt aufweisen, der von der Außenwand zur Innenwand 90 abnimmt, so dass durch den Kanal strömendes Gas von der Außenwand zur Innenwand an Geschwindigkeit gewinnt. Dies kann eine bevorzugte Anordnung sein, wenn ein schnellerer Gasstrom erforderlich ist, um für eine geeignete Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der parallel zusammenströmenden Stromkomponente und dem durch das Einlassgas erzeugten Rückstrom zu sorgen.
In einigen Ausführungsformen des Hohlkörpers kann der Gaseinlassbereich so angeordnet sein, dass er den Gaseinlassstrom in den Hohlkörper entlang einer Richtung parallel zu oder in Richtung der Ebene der oberen Öffnung leitet.
Beispielsweise können die Durchgangslöcher aufwärts gerichtet sein, um den Gaseinlassstrom aufwärts zum Fenster zu lenken. Dies reduziert oder verhindert stagnierende Bereiche von Niederdruckgas direkt unterhalb des Fensters, was letztendlich zu einer Verschmutzung des Fensters führen könnte. Alternativ können die Durchgangslöcher direkt auf die Längsachse zeigen, so dass der Einlassstrom parallel zur Fensteroberfläche ist, d. h. sie hat eine überwiegend, oder sogar vollständig, parallele zusammenfließende Stromkomponente.
Alternativ können die Durchgangslöcher eine kleine abwärts-weisende Komponente haben. Ein gewisser Vorteil des Vorsehens einer so erzeugten Barriere zwischen Gasrückstrom und Fenster/oberer Öffnung einer solchen Anordnung kann erreicht werden, solange beispielsweise die Stromgeschwindigkeit und Kontinuität des erzeugten Vorhangs hoch genug ist, um zu verhindern, dass der Gasrückstrom den Vorhang durchbricht. Dies ist in 5A und 5B gezeigt. Die Kanäle 92 haben die Form von abwärts abgewinkelten Durchgangslöchern; anders gesagt kann der Gaseinlassbereich so angeordnet sein, dass im Gebrauch der Gaseinlass abwärts in den Hohlkörper 82, mit einem Einlasswinkel von mehr als null Grad in Bezug auf die Ebene der oberen Öffnung, gerichtet ist.
Im Gebrauch bewirkt ein kleiner Abwärtswinkel, zum Beispiel gleich oder weniger als 25 Grad in Bezug auf die Ebene der oberen Öffnung, eine Strömung von Einlassgas 100 die von gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers mit einer Stromkomponente 102, die überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung ist, in den Hohlkörper 82 eintritt, und innerhalb des Hohlkörpers zusammenfließt. Der zusammenfließende Einlassgasstrom 100 wird umgelenkt, um einen überwiegend axialen Gasstrom 104 entlang der Längsachse und einen Gasrückstrom 104 nahe der Innenwand 90 des Hohlkörpers zu bilden. Solange die Geschwindigkeit des Rückstroms 104 im Vergleich zu der des Einlassstroms 100 relativ niedrig ist, ist die obere Öffnung 84 überwiegend vom Rückstrom 102 durch die zusammenfließende Strömung des Einlassgases 100 abgeschirmt. Die überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung verlaufende Stromkomponente 102 ist in 7 dargestellt. Ähnlich wie 6 zeigt 7 einen Strömungsweg einer Einlass-Stromkomponente v₁₀₀ des Einlassstroms 100 mit inkrementellen parallelen und vertikalen Stromkomponenten v_p, v_v nach Eintritt in den Hohlkörper. In diesem Beispiel wird der Einlassstrom 100 von der oberen Öffnung 84 weg abwärts gerichtet, bevor sie aufgrund des Zusammenströmens umgeleitet wird, um den überwiegend abwärts gerichteten, axialen Gasstrom 106 entlang der Längsachse zu bilden. Es ist ersichtlich, dass die parallele Geschwindigkeitskomponente der parallelen Stromkomponente 102 größer ist als die vertikale Geschwindigkeitskomponente: v_p > v_v. Somit ist die Stromkomponente 102 überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung.
Weiterhin nehmen die Kanäle 92 in Form von Durchgangslöchern mit Abstand von der Außenwand 91 zur Innenwand 90 des Hohlkörpers 82 in ihrer Querschnittsfläche ab. Somit können die Kanäle 92 so angeordnet werden, dass, wenn das Einlassgas 100 im Gebrauch durch den Kanal strömt, die Geschwindigkeit des Gasstroms zunimmt.
Zusätzlich zur abnehmenden Abmessung entlang der Längsachsenrichtung kann der Querschnitt auch entlang der radialen Richtung zur Längsachse hin abnehmen, wie in 5C für Durchgangslöcher 92 dargestellt ist. Dies erhöht die Geschwindigkeit des Einlassstroms und kann den Zusammenfluss des Einlassstroms und der parallelen Komponente des Einlassstroms verbessern. Der Abwärtswinkel kann zum Beispiel ungefähr 20 Grad betragen, für eine Anzahl von acht Löchern, gleichmäßig entlang einer Umfangslinie in Nähe des Fensters innerhalb der oberen Öffnung 84 angeordnet, mit einem Einlass von 4 mm Durchmesser in den Hohlkörper hinein.
Obwohl die Figuren fünf oder acht entlang einer Umfangslinie des Hohlkörpers angeordnete Durchgangslöcher zeigen, dient dies nur der Veranschaulichung; eine beliebige Anzahl von Kanälen in Form von Schlitzen oder Durchgangslöchern kann vorgesehen sein.
Die Durchgangslöcher können vorzugsweise so nah wie möglich an der unteren Oberfläche des Fensters oder der Öffnung angeordnet sein. Die Querschnittsfläche der Löcher kann von der Außenwand zur Innenwand 90 des Hohlkörpers abnehmen, so dass das Einlassgas beschleunigt wird, wenn es durch den Durchgangslochkanal 92 strömt. Die Durchgangslöcher können ferner oder alternativ in Bezug auf die radiale Richtung der Umfangslinie, über der die Durchgangslöcher angeordnet sind, abgewinkelt sein. Mit anderen Worten können sie von der Richtung der Ebene der oberen Öffnung weg abgewinkelt sein. In weiteren Ausführungsformen können die Durchgangslöcher zur Ebene der oberen Öffnung abgewinkelt sein. Zusätzlich oder stattdessen können die Durchgangslöcher in einem spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse angeordnet sein, um den zirkulierende Gasstrom in den Hohlkörper hinein zu erzeugen.
In weiteren Ausführungsformen können die Durchgangslöcher über einen Großteil einer Umfangslinie um die Achse des Hohlkörpers herum angeordnet sein. Das bedeutet, dass mindestens 50 % der Umfangslinie, über der die Durchgangslöcher angeordnet sind, mit Durchgangslöchern vorgesehen sind.
Experimentelle Ergebnisse von bestimmten Prototypen
In einer Vorrichtung 1 wurde ein versuchsweiser Hohlkörper mit einem Einlassbereich 86 in Form eines umlaufenden Schlitzes mit Leitschaufeln getestet, mit den Abmessungen:

Innendurchmesser der unteren Öffnung: 90,8 mm
Innendurchmesser der oberen Öffnung: 25,5 mm
Sichtfeld der Innenwand: Raumwinkel von 42°
Vertikaler Abstand des Schlitzes unter der Öffnungsebene: 1 mm
Abstand entlang der Längsachse von unterer Öffnung zur Ebene der oberen Öffnung: 70 mm Schlitzhöhe (Spalt des Einlassbereichs entlang der Längsachse): 2,2 mm
Schlitztiefe: 7,7 mm
Leitschaufeln: 8, in regelmäßigen Abständen angeordnet entlang einer 1 mm unter der Ebene des Fensters vorgegebenen Umfangslinie des Hohlkörpers, und um θ = 45 in Bezug auf die radiale Richtung abgewinkelt. Ober- und Unterkante parallel zur Fensterebene (Φ = 0).

Der Einlassbereich wurde von einer Gaszufuhrkammer 200 versorgt, wobei der durch ein Gebläse innerhalb der Gaszufuhrkammer erzeugte Druck 300 Pa betrug.
Die innerhalb des Hohlkörpers erzeugte Strömungsbahn war geeignet, ein in der oberen Öffnung 84 montiertes Germaniumfenster 72 ausreichend zu schützen, und somit die Zuverlässigkeit von Temperaturprofilmessungen der Baubettoberfläche 12 von einer über dem Fenster montierten Wärmebildkamera 70 deutlich zu verbessern (zu verlängern).
CFD Simulationen
Solidworks Flow Simulation 2019 for Computational Fluid Dynamics (CFD)-Analyse wurde verwendet, um die Stromgeschwindigkeit (Trajektorie und Geschwindigkeit) innerhalb des Hohlkörpers 82, basierend auf einer auferlegten Druckdifferenz von einem Druck von etwa 300 Pa in der Zufuhrkammer 200 auf atmosphärischen Druck unterhalb des Inneren des Hohlkörpers zu simulieren, also an der Schnittstelle zum Arbeitsraum 4.
In einer ersten Simulation eines Hohlkörpers mit den im experimentellen Abschnitt oben beschriebenen Abmessungen und mit ähnlichen Druckbeschränkungen wurde ein schnell fließender Einlassgasstrom so eingestellt, dass er mit einer zur Ebene der oberen Öffnung (ausgestattet mit einem Fenster) überwiegend parallelen Stromkomponente in den Hohlkörper eintrat. Es war zu sehen, dass die Strömung innerhalb des Hohlkörpers und unterhalb des Fensters zusammenfloss und umgelenkt wurde, um einen überwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse zu bilden, der zumindest entlang des Inneren des Hohlkörpers über bestand. Zudem wurde nahe der Innenwand 90 des Hohlkörpers im Vergleich zum Einlassstrom (und zur axialen Strömung) ein weit langsamerer Gasrückstrom erzeugt. Die Simulation legt daher nahe, dass die obere (durch das Fenster abgeschlossene) Öffnung überwiegend von dem Rückstrom durch den Einlassstrom abgeschirmt war. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der axiale Gasstrom eine spiralförmige Komponente mit langer Periode aufweist. Die Simulation wurde mit Schlitzhöhen im Bereich von 0,5 mm bis 3,5 mm wiederholt. Während das allgemeine Strömungsmuster wie in diesem Absatz beschrieben blieb, wurde beobachtet, dass sich die axiale Strömung mit zunehmender Schlitzhöhe ausweiterte.
In einer zweiten Simulation wurde ein Hohlkörper mit ähnlichen Abmessungen wie im obigen Versuchsabschnitt und mit einem in Form von acht Durchgangslöchern geformten Einlassbereich getestet, wobei die Durchgangslöcher in regelmäßigen Abständen entlang einer Umfangslinie des Hohlkörpers ca. 9 mm unter der Fensterebene angeordnet waren. Die Durchgangslöcher hatten einen konstanten Durchmesser von 4 mm und waren von der Ebene des Fensters um Φ = -20° (abwärts, ähnlich wie in 5A) abgewinkelt, und zudem um einen Winkel θ = 45° um dem Einlassstrom eine tangentiale Komponente aufzuerlegen. Durch die vertikale Neigung der Durchgangslöcher trat der Einlassgasstrom etwa 9 mm unterhalb der Fensterebene in den Hohlkörper ein. Unter den gleichen Druckbedingungen wie zuvor wurde festgestellt, dass das Strömungsmuster innerhalb dieser Ausführungsform einen schnell fließenden „Pfropfen“ an Gas unter dem Fenster erzeugt, mit einem kleinen stagnierenden Bereich aus Niedergeschwindigkeitsgas zwischen dem Fenster und dem Pfropfen. Es war zu sehen, dass innerhalb des Hohlkörpers die Strömung unterhalb des Fensters zusammenfloss und umgelenkt wurde, um einen überwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse des Innenraums des Hohlkörpers zu bilden, der für einen ausreichenden Teil anhielt, um als solcher erkannt zu werden (in diesem Fall über mehr als 30 % des vertikalen Abstands zwischen dem Fenster und der unteren Öffnung). Zudem wurde nahe der Innenwand 90 des Hohlkörpers im Vergleich zur Einlassstrom (und zur axialen Strömung) ein weit langsamerer Gasrückstrom erzeugt. Diese Simulation legt daher nahe, dass die obere Öffnung (durch das Fenster verschlossen) durch den Einlassstrom überwiegend vom Rückstrom abgeschirmt war.
In einer dritten Simulation wurde ein Hohlkörper mit ähnlichen Abmessungen wie im oberen Versuchsteil mit einem in Form von vier Durchgangslöchern geformten Einlassbereich getestet, wobei die Durchgangslöcher in regelmäßigen Abständen entlang einer Umfangslinie des Hohlkörpers ca. 12 mm unter der Fensterebene angeordnet waren. Diese in 9A und 9B dargestellte Struktur 80' ist keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, jedoch gelten die Bezugszeichen gleichermaßen. Die Durchgangslöcher 92 hatten einen konstanten Durchmesser von 3 mm und waren, wie in 9A dargestellt, von der Fensterebene weg um Φ = -15° abgewinkelt (abwärts, ähnlich wie in 5A), und weiterhin wie in 9B tangential um einen Winkel θ = 90°, um dem Einlassstrom eine überwiegend tangentiale Komponente (überwiegend ohne radiale Komponente) aufzuprägen.
Unter Auferlegen der gleichen Druckbedingungen wie zuvor wurde festgestellt, dass das Strömungsmuster innerhalb dieses Hohlkörpers 82' einen schnell fließenden Gaseinlassstrom 102 entlang der Innenwand des Hohlkörpers mit einer spiralförmigen Komponente und einen sich langsam bewegenden Rückfluss 104 aufwärts entlang der axialen Richtung erzeugte. Die Simulation legt daher nahe, dass bei dieser Struktur ein Abkommen der radialen Komponente des Einlassstroms bewirkt, dass ein sich an der Öffnung 84 befindendes Fenster nicht von dem Gasrückstrom 104 durch den Einlassstrom 102 abgeschirmt wird.
Die Ergebnisse der dritten Simulation wurden durch Experimente ähnlich den obigen experimentellen Bedingungen bestätigt, indem festgestellt wurde, dass der Hohlkörper 82' mit vier tangential und abwärts gewinkelten Löchern einen schlechten Schutz vor Ablagerungen von Abgasen und Staub für das Germaniumfenster einer Wärmebildkamera in der Umgebung unterhalb des Hohlkörpers bietet. Bei einer bestimmten Geometrie des Hohlkörpers kann die Tangentialkomponente geeignet gewählt werden, um sicherzustellen, dass der Einlassgasstrom nicht der Innenwand des Hohlkörpers anliegt, sondern sich von dieser lösen und innerhalb des Hohlkörpers zusammenfließen kann.
Generell zutreffende anwendbare Varianten
Um die Wirkung der Struktur auf den Einlassstrom zu verbessern oder zu fördern, kann der Hohlkörper 82 gemäß der obigen Ausführung und ihren Ausführungsformen bei Verwendung mit geeigneten Strömungsraten so angeordnet sein, dass der Einlassstrom 100 einen kontinuierlichen Vorhang von mit hoher Geschwindigkeit parallel zu und unter der oberen Öffnung 84 strömendem Gas, oder von der Ebene der oberen Öffnung 84 nach unten abgewinkelt strömendem Gas, erzeugt. Die Geschwindigkeit des parallel zu und unterhalb der Öffnung 84 fließenden Gases ist geeignet hoch um zu verhindern, dass der in Nähe der Innenwand 90 des Hohlkörpers 82 aufwärts fließende Rückstrom nicht durch den kontinuierlichen Vorhang bricht. Dies kann durch einfache Routineversuche bestimmt werden.
Vorzugsweise kann der Einlassstrom 100 im Gebrauch angrenzend der Ebene der oberen Öffnung 84 in den Hohlkörper 82 eintreten. Dies sorgt für eine verbesserte Barriere, die durch die parallel zusammenfließende Stromkomponente 102 erzeugt wird, und reduziert oder vermeidet einen stagnierenden Bereich direkt unter der Öffnung/ dem Fenster.
Es kann ferner oder alternativ vorteilhaft sein, dass der Hohlkörper allgemein glockenförmig oder kegelförmig ist, um die oben beschriebenen vorteilhaften Strömungsprofile zu fördern.
In den obigen Ausführungsformen kann der Gaseinlassbereich der Struktur 80 mit einem Einlassstrom 100 durch eine Gaszufuhrkammer versorgt werden. Dies ist in den 5A, 5B und 5C dargestellt. Anwendbar auf alle Ausführungsformen kann die Struktur 80 eine Gaszufuhrkammer 200 angrenzend an die Außenwand 91 der Struktur umfassen, die den Gaseinlassbereich 86 mit dem Einlassgasstrom 100 versorgt. Die Gaszufuhrkammer 200 umgibt den Umfangsbereich umfassend der Kanäle 92 und ist abdichtend mit der Außenwand des Hohlkörpers 82 vorgegeben. An einer Seite des Hohlkörpers ist ein Gaseinlass 202 angeordnet. Vorzugsweise ist der Gaseinlass so angeordnet, dass er Gas in die Kammer in einer nicht-parallelen Richtung zu der Querschnittsebene, die die Kanäle 92 umfasst, zuführt. Beispielsweise kann der Einlass 202 Gas in einer zur Längsachse 83 des Hohlkörpers überwiegend parallelen Richtung zuführen. In der Ausführungsform von 3A, die einen Querschnitt entlang der Längsachse des Hohlkörpers und einer Seitenansicht der Gaszufuhrkammer zeigt, führt der Einlass 202 Gas vom Boden der Kammer 200 zu, so dass es gegen das Dach der Kammer gerichtet ist und Turbulenzen entstehen. Daher kann die Gaszufuhrkammer 200 vorzugsweise einen Gaseinlass 202 aufweisen, der so angeordnet ist, dass er Gas in die Kammer in einer Richtung überwiegend parallel zur Längsachse 83 des Hohlkörpers 82 leitet, um so eine turbulente Strömung des Gases zu bewirken, wenn es durch die Gaszufuhrkammer fließt und in den Gaseinlassbereich 86 des Hohlkörpers eintritt. Vorzugsweise ist der Einlass nahe genug an dem Gaseinlassbereich angeordnet, so dass die Turbulenzen bestehen bleiben, bevor sie auf die Kanäle treffen, um zu vermeiden, dass eine stark gerichtete Strömung die Kanäle von einer Seite trifft. Andere Anordnungen zum Zuführen von Gas in die Kammer können in Betracht gezogen werden; beispielsweise kann das Gas von verschiedenen, den Gaseinlassbereich umgebenden, Einlässen eingeführt werden.
8A bis 8C sind Ausführungsformen der Draufsicht von 2B eines Hohlkörpers 82, der einen Umfangsschlitz mit Leitschaufeln umfasst, und veranschaulichen die Auswirkung des Winkels des Einlassgases in Bezug auf die radiale Richtung der Achse des Hohlkörpers, und wie er angenommenerweise die Kontinuität des Gasvorhangs des innerhalb des Hohlkörpers zusammenströmenden Einlassgases beeinflusst.
8A zeigt Strömungswege des Einlassgases für Leitschaufeln, die in Bezug auf die Längsachse 83 radial angeordnet sind. In Bezug auf ein Polarkoordinatensystem haben die Strömungswege eine rein radiale Komponente und eine tangentiale Komponente und v_t = 0 oder θ = 0 gemäß der in 2B angegebenen Konvention, wobei θ der Winkel der Leitschaufel in Bezug auf die radiale Richtung ist. Bei diesen Leitschaufeln besitzt in einem idealen System die abwärts gerichtete axiale Strömung, die nach dem Zusammenfluss der radialen Strömungen gebildet wird, keine zirkulierende Komponente oder Verwirbelung. Aus Versuchsergebnissen ähnlicher Anordnungen ohne tangentiale Komponente des Einlassstroms geht hervor, dass die axiale Strömung nur schlecht definiert, d. h. innerhalb des Hohlkörpers breiter verteilt, ist. Es wird auch angenommen, dass der durch die radiale Strömung gebildete Vorhang nur mäßige oder schlechte Kontinuität aufweist.
Eine Verbesserung ist in 8B gezeigt, in der 90° > θ > 0°, d.h. die Leitschaufeln sind mit mehr als 0° zur radialen Richtung angeordnet, aber beispielsweise mit weniger als 45°. Eine kleine Drehkomponente wird dem Einlassstrom auferlegt, und es ist ersichtlich, dass die Strömungswege (nur zu Veranschaulichungszwecken gezeigt) länger sind im Vergleich zu den radialen Strömungswegen in 8A. Der Einlassstrom in 8B überstreicht somit einen größeren Bereich unter dem Fenster und es kann daher erwartet werden, dass er für eine bessere Kontinuität in dem durch den Einlassstrom erzeugten Gasvorhang sorgt als ein rein radialer Einlassstrom.
8C zeigt Leitschaufeln, die um 90° > θ >> 45° angeordnet sind. Die Figur verdeutlicht ohne Bezugnahme auf bestimmte Winkel, wie sich die Strömungswege zumindest anfänglich beim Eintritt in den Hohlkörper über einen Umfangsabschnitt an die Innenwand des Hohlkörpers schmiegen. Es wird angenommen, dass je höher die tangentiale Komponente für Winkel θ >> 45°, desto größer ist der Abstand, mit dem der Einlassgasstrom die Innenwand überströmt, was zu einer zunehmend schlecht definierten, abwärts gerichteten, axialen Strömung führt. Wie die dritte Simulation und der entsprechende Test oben andeuten, führt ein tangentialer Einlasswinkel von θ = 90° gemäß einer Struktur 80' in 9A und 9B nicht zu einem Zusammenfluss des Einlassgasstroms kann ein Fenster an der Öffnung 84 nicht vor der Umgebung in der Vorrichtung schützen.
Um einen entlang der Innenwand fließenden Einlassgasstrom zu vermeiden und den Zusammenfluss innerhalb des Hohlkörpers zu fördern, kann die Tangentialkomponente θ, mit der der Einlassgasstrom in den Hohlkörper eintritt, vorzugsweise weniger als 80° sein. Optional kann θ in einem Bereich von 80° > θ ≥ 45° liegen, jedoch können kleinere Winkel, zum Beispiel 80° > θ ≥ 15°, auch geeignet sein. Es versteht sich, dass innerhalb des Hohlkörpers ein ähnlicher, drehrichtungsentgegengesetzter Einlassstrom mit tangentialen Komponenten -80° < θ ≤ -15° erzeugt werden kann. Aus experimentalen Ergebnissen und Simulationen kann θ vorzugsweise bei oder nahe an 45° liegen. Zusätzlich oder alternativ kann der Einlassbereich so angeordnet sein, dass er eine axiale Komponente des Einlassstroms erzeugt, die vorzugsweise durch eine abwärts gerichtete Komponente von nicht mehr als Φ = |20°| definiert ist, vorzugsweise im Bereich von -20° ≤ Φ ≤ 20° (Aufwärts- oder Abwärtskomponente).
Alternativ kann die Versorgungskammer ringförmig sein, so dass sie den Umfangsbereich der Wand, die den Gaseinlassbereich umfasst, umgibt. Gas kann von einer Mehrzahl von Einlässen zugeführt werden, die radial entlang der ringförmigen Kammer angeordnet sind.
Die Gaszufuhrkammer bildet einen Strömungsweg, beispielsweise einen ringförmigen Strömungsweg, der den oberen Abschnitt des Hohlkörpers umgibt, so dass die Kanäle 92 von einem gemeinsamen ringförmigen Strömungsweg versorgt werden. Der gemeinsame Strömungspfad kann eine Querschnittsfläche haben, die vorzugsweise deutlich größer ist als die Querschnittsfläche der Kanäle. Mit anderen Worten ist der Stromwiderstand des gemeinsamen Kanals im Vergleich zum Gesamtstromwiderstand aller Kanäle sehr gering. Auf diese Weise kann von Kanal zu Kanal ein relativ gleichmäßiger Einlassstrom 100 vorgegeben werden. Das Strömungsmuster ist in 3C beispielhaft unter Verwendung der Anordnung des schlitzförmigen Einlassbereichs von 2B dargestellt, reproduziert in Bezug auf die Versorgungskammer in 5B. Die Einlassbereiche 86 haben die Form einer Reihe von Umfangsschlitzen, die durch Leitschaufeln 96 getrennt sind. Die Leitschaufeln sind in Bezug auf die radiale Richtung der Längsachse 83 abgewinkelt, um einen Zirkulationsstrom von Einlassgas in den Hohlkörper 82 hinein zu erzeugen. Dies ist in Bezug auf die parallel zusammenfließende Strömungskomponente 102 gezeigt, die aus jedem Kanal 92 mit einer anfänglich überwiegend parallelen Komponente zu der Innenwand 90 des Hohlkörpers austritt, wodurch ein Wirbelstrommuster erzeugt wird, das an oder nahe der Längsachse und angrenzend der oberen Öffnung zusammenfließt.
Die Richtung des Gases nach dem Eintritt vom Einlass in die Versorgungskammer und nach Umlenkung durch das Kammerdach ist als Strömungsweg 108 angegeben. Aufgrund der Turbulenz hat die Gesamtstromfront, die zum Umfangsbereich der Schlitze fließt, verringerte Ausrichtung, welches andernfalls den relativen Strom durch die verschiedenen Schlitze stark beeinflussen könnte. Anders gesagt kann Turbulenz den Unterschied des Gasstroms zwischen Schlitzen, die an gegenüberliegenden Seiten der Längsachse angeordnet sind, verringern.
Sekundär-Einlassgasstrom: Fig.10A bis 10C und Fig. 11A bis 11B
Bei einigen Anwendungen kann der Hohlkörper aus einem Kunststoffmaterial oder einem durch Wärme verformbaren Material gebildet sein. Alternativ kann er in engem thermischen Kontakt mit Komponenten stehen, die gegen übermäßiger Hitze empfindlich sind. Einige Prozessbedingungen können dazu führen, dass die Umgebung in der Nähe des Hohlkörpers so heiß ist, dass der Hohlkörper seine Form verlieren oder Wärme an ein angrenzendes Bauteil abgeben kann. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, einen sekundären Einlassbereich bereitzustellen, der beispielsweise durch einen Satz von sekundären Kanälen dargestellt wird, die näher der unteren Öffnung des Hohlkörpers angeordnet sind als der Gaseinlassbereich. Beispielsweise kann ein Satz sekundärer Kanäle näher an der unteren Öffnung 88 als die primären Einlasskanäle 92 so angeordnet sein, dass kühlendes Gas entlang der Oberfläche der Innenwand 90 des Hohlkörpers strömt und einen Bereich nahe der Innenwand bildet, dessen Temperatur niedrig genug ist, um den Hohlkörper vor thermischer Verformung zu schützen.
Jede Anordnung sekundärer Kanäle oder Schlitze wie sie für den Gaseinlassbereich 86 beschrieben sind kann geeignet sein, wobei ferner eine Strömung entlang der Innenwand 90, vorzugsweise leicht abwärts gewinkelt in Richtung der unteren Öffnung des Hohlkörpers, so wie eine abwärts zirkulierende Strömung entlang der Innenwandoberfläche bereitstellt wird.
Eine mögliche Ausführungsform ist in 10A gezeigt, die eine Variante der Ausführungsform von 2A ist, obwohl der Sekundär-Einlassbereich leicht in jeder der hierin beschriebenen Ausführungsformen und deren Varianten angewendet werden kann.
10A ist ein schematischer Querschnitt entlang der Längsachse einer Gaseinlassstruktur gemäß einer Variante von 2A, und die Beschreibung bezüglich gleicher Elemente in 2A gilt gleichermaßen für 10A. Somit sind in Bezug auf 10A die durch die Kanäle 92 bereitgestellten Gaseinlassbereiche 86 veranschaulichend in 10B, die einen Schnitt eines Umfangsschlitzes entlang des Abschnitts A-A' (in 10A angegeben) durch den Hohlkörper 82 veranschaulicht, dargestellt. Die Einlassbereiche 86 haben die Form einer Reihe von Umfangsschlitzen, die durch Leitschaufeln 96 getrennt sind. Dies ist in Bezug auf die parallel zusammenfließende Stromkomponente 102 gezeigt, die aus jedem Kanal 92 mit einer anfänglich zu der Innenwand 90 des Hohlkörpers überwiegend parallelen Komponente austritt und ein Wirbelstrommuster erzeugt, das an oder nahe der Längsachse und angrenzend der oberen Öffnung zusammenfließt.
Ferner ist in 10A ein sekundärer Einlassbereich dargestellt, der in Form von Durchgangslöchern, die einen Satz von sekundären Kanälen 112 bilden, vorgegeben ist. Die Durchgangslöcher sind durch den Hohlkörper in einem nach innen gerichteten Winkel ausgebildet, der ein spitzer Winkel zur Tangente an den Umfang, an dem sich der sekundäre Gaseinlassbereich befindet, ist. Zudem können die sekundären Kanäle 112 eine abwärts gerichtete Komponente aufweisen, um das Gas entlang der Innenwand 90 abwärts in Richtung der unteren Öffnung 88 zu leiten. Dies kann den Effekt haben, dass ein überwiegender Bereich, vorzugsweise ein sich von der unteren Öffnung 88 bis zu den sekundären Kanälen 112 erstreckender Bereich, der Oberfläche der Innenwand 90 gekühlt wird.
Das Einlassgas kann dem sekundären Einlassbereich durch eine separate Gasversorgung zugeführt werden, oder es kann durch eine gemeinsame Versorgung zugeführt werden, die wie in 10A gezeigt auch den primären Einlassbereich 86 versorgt. Abhängig von den Anforderungen kann eine gemeinsame Versorgung weniger Komplexität und Kosten verursachen, während eine getrennte Versorgung eine einfachere Steuerung der beiden Gasströme ermöglichen kann.
10A zeigt den sekundären Gaseinlassbereich, der dicht unterhalb des primären Gaseinlassbereichs angeordnet ist. Die spezifische Anordnung hängt zum Beispiel von den Prozessbedingungen im Arbeitsraum 4, dem Volumenstrom und der Temperatur des Einlassgases sowie der Gestaltung des Sekundärsatzes von Kanälen 112 ab. In einigen Varianten kann der Sekundärgaseinlassbereich auf halber Distanz entlang der Längsachse 83 des Hohlkörpers 82 angeordnet sein.
Die Form des sekundären Satzes von Kanälen 112 der Variante von 10A ist weiter in 10C veranschaulicht, die einen Umfangsschnitt durch den Hohlkörper 82 der Struktur 80 entlang der in 10A angegebenen Schnittlinie B-B' darstellt. Der Schnitt zeigt die Form der sekundären Kanäle 112 durch den Hohlkörper 82 und den resultierenden Gasstrom, durch Pfeile 122 angezeigt, die entlang der Innenwand 90 zirkulieren. Der Gasstrom kann eine abwärts gerichtete Komponente bei abwärts abgewinkelten Kanäle 112 haben.
In der Variante von 10A bis 10C sind die sekundären Kanäle 112 so angeordnet, dass der durch den sekundären Einlassbereich eingeführte zirkulierende Gasstrom im gleichen Drehsinn zirkuliert wie der von den Leitschaufeln erzeugte primäre Gasstrom. Die Leitschaufeln 96 des Primäreinlassbereichs und die Kanäle 112 des Sekundäreinlassbereichs 116 sind also im gleichen Drehsinn abgewinkelt.
Die Erfinder haben erkannt, dass dies jedoch nicht notwendig ist. Stattdessen können die sekundären Kanäle 112 so angeordnet sein, dass der durch den sekundären Einlassbereich 116 eingeführte zirkulierende Gasstrom in entgegengesetzter Drehrichtung zu dem durch die Leitschaufeln 96 erzeugten primären Gasstrom rotiert. Die Kanäle 112 des Sekundäreinlassbereichs sind also im entgegengesetzten Drehsinn zu den Leitschaufeln 96 des Primäreinlassbereichs 86 abgewinkelt. Dies ist in 11A und 11B dargestellt, die die Anordnung der Leitschaufeln 96 entlang eines Schnitts A-A' und die Anordnung der Sekundärkanäle 112 entlang eines Schnitts B-B', ähnlich derer in 10A, zeigen. Es wurde erkannt, dass eine gegenläufige Strömung die Auswirkung der zusammenfließenden Strömung auf die Baubettoberfläche 12 reduziert.
Die Gaszufuhr kann in Form einer Gaskammer ähnlich der in Bezug auf 3A bis 3C beschriebenen angeordnet sein, um einen Strömungsweg zu bilden, zum Beispiel einen ringförmigen Strömungsweg, der den oberen Abschnitt des Hohlkörpers umgibt, so dass die primären Kanäle 92 und die sekundären Kanäle 112 von einem gemeinsamen ringförmigen Strömungspfad versorgt werden.
Somit kann die in Bezug auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschriebene Struktur in Varianten ferner einen Sekundär-Gaseinlassbereich 116 umfassen, wobei der Sekundär-Gaseinlassbereich 116 bei Querbetrachtung auf gegenüberliegenden Seiten der Längsachse 83 des Hohlkörpers 82 vorgesehen ist und einen oder mehrere sekundäre Kanäle 112 umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie im Gebrauch einen sekundären Einlassgasstrom in den Hohlkörper 82 mit einer sekundären Stromkomponente, die überwiegend parallel zur Innenwand des Hohlkörpers 82 verläuft, ermöglichen.
Der eine oder die mehreren Sekundärkanäle 112 des Sekundärgasstromeinlassbereichs 116 kann mehrere Sekundärdurchgangslöcher umfassen, die in einem spitzen Winkel zu einer Senkrechten zur Längsachse 83 angeordnet sind, um die zu der Innenwand des Hohlkörpers überwiegend parallel verlaufende Sekundärstromkomponente zu erzeugen.
In Varianten kann jeder des einen oder der mehreren sekundären Kanäle 112 des sekundären Gaseinlassbereichs 116 als ein längliches sekundäres Durchgangsloch konfiguriert sein, das sich in einer Längsrichtung entlang der Umfangslinie des Hohlkörpers 82 erstreckt (oder entlang einer kreisförmigen Umfangslinie eines glockenförmigen oder zylindrischen Hohlkörpers).
Optional kann das oder jedes längliche sekundäre Durchgangsloch 112 durch zwei Seitenwände begrenzt sein, wobei zumindest eine der zwei Seitenwände in einem spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse 83 angeordnet ist.
Optional kann sich das oder jedes längliche sekundäre Durchgangsloch 112 überwiegend senkrecht zur Längsachse und durch die Wand des Hohlkörpers 82 erstrecken.
Die Kanten des oder jedes länglichen sekundären Durchgangslochs 112 können von der Senkrechten zur Innenwandfläche des Hohlkörpers weg abgewinkelt sein, so dass im Gebrauch die sekundäre Stromkomponente ferner eine in Richtung der unteren Öffnung des Hohlraums abwärts gerichtete Komponente umfasst.
Das oder jedes längliche sekundäre Durchgangsloch kann sich über einen Großteil der Umfangslinie erstrecken.
Das oder jedes längliche sekundäre Durchgangsloch 112 kann eine oder mehrere sekundäre Leitschaufeln (nicht dargestellt, aber diese können im Prinzip ähnlich wie die Leitschaufeln 96 des primären Einlassbereichs angeordnet sein) umfassen, die in einem spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse angeordnet sind, um die Sekundärstrom-Komponente überwiegend parallel zur Innenwand des Hohlkörpers zu leiten.
Generell können die sekundären Kanäle 112 so angeordnet sein, dass im Gebrauch der sekundäre Gasstrom in einem dem primären Gasstrom entgegengesetzten Drehsinn strömt.
Die Zufuhrkammer 200, wie sie hierin unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C dargestellt ist, kann ferner so konfiguriert sein, dass sie den sekundären Gaseinlassbereich 116 mit dem sekundären Einlassgasstrom versorgt.
Die Zufuhrkammer 200 kann ferner dazu konfiguriert sein, den Sekundär-Gaseinlassbereich 116 mit dem Sekundärstrom von Einlassgas an einem dem Primär-Gaseinlassbereich 86 und dem Sekundärstrom-Einlassbereich 116 gemeinsamen Einlass zu versorgen.
Der primäre Gasstrom muss kein zirkulierender Gasstrom sein. Stattdessen kann der Sekundär-Einlassbereich auch für Varianten vorgesehen sein, bei denen der Primär-Gaseinlassbereich keinen zirkulierenden Strom im Hohlkörper erzeugt.
Es wird vermerkt, dass Bezugnahmen auf „Schlitze“ hierin allgemein längliche Durchgangslöcher bedeuten sollen, die sich in einer Längsrichtung entlang der Umfangslinie erstrecken. Diese länglichen Durchgangslöcher müssen keine rechteckige Form haben. Ein solches langgestrecktes Durchgangsloch kann von zwei Seitenwänden begrenzt sein, wobei zumindest eine der beiden Seitenwände in einem spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse angeordnet ist, um eine zirkulierende Strömung bzw. zirkulierendes Einlassgas zu erzeugen.
Vorrichtung und Verfahren
3A zeigt ferner, wie eine Messeinrichtung, wie beispielsweise eine Wärmebildkamera 70, vor der Umgebung des Arbeitsraums der Vorrichtung 1 geschützt werden kann. Die Wärmebildkamera 70 ist in diesem Beispiel in einem Kameragehäuse 74 angeordnet, das an dem Hohlkörper angebracht ist. Im Bereich der oberen Öffnung befindet sich ein Fenster 72, das das Gehäuse gegen den Innenraum des Hohlkörpers abdichtet. Im Fall einer Wärmebildkamera kann dies ein für Infrarotstrahlung transparentes Germaniumfenster sein. Das Germaniumfenster 72 stellt ein Hindernis für den Gaseinlassstrom 100 bereit und trägt dazu bei, die überwiegend parallelen, zusammenfließenden Stromkomponenten 102 umzulenken, so dass sie den axiale Gasstrom 106 entlang der Längsachse des Hohlkörpers bilden. Weiterhin werden die Stromkomponenten 102 die überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung vorgegeben sind innerhalb des Hohlkörpers 82 zusammenfließen, indem eine geeignete Stromrate durch die Kanäle der Einlassbereiche bereitgestellt wird. Es wird ein Gasrückstrom 104 erzeugt, der in der Nähe der Innenwand 90 des Hohlkörpers aufwärts strömt. Wenn die Geschwindigkeit des Rückstroms im Vergleich zu der des Einlassstroms 100 relativ niedrig ist, wird das an der oberen Öffnung 84 angeordnete Fenster durch den Einlassstrom überwiegend vor dem Rückstrom abgeschirmt. Vorzugsweise sind die Kanäle und die Stromgeschwindigkeiten so vorgegeben, dass der zusammenfließende Einlassgasstrom 102 einen kontinuierlichen Vorhang aus schnell strömendem Gas bildet, der eine Barriere darstellt, die der Rückstrom nicht durchbrechen kann. Dadurch wird das Fenster vor Abgasen und Staub geschützt und die Zuverlässigkeit der Messung verbessert.
In den obigen Ausführungsformen und ihren verschiedenen Varianten wurde die Bezugnahme auf die tangentialen und radialen Komponenten und insbesondere die axialen und tangentialen Komponenten des Einlassstroms, wie sie durch die Winkel θ und Φ definiert sind, unter Bezugnahme auf eine überwiegend lineare Form des Einlassbereichs beschrieben, in denen der Einlassbereich durch lineare Kanäle, wie etwa durch Durchgangslöcher, dargestellt ist. Es ist jedoch zu beachten, dass der Zusammenfluss des Einlassstroms, die Bildung der axialen Strömung und der daraus resultierende Gasrückstrom durch die tangentiale und radiale Komponente, sowie durch den Winkel, der dem Einlassstroms beim Eintritt in den Hohlkörper in Bezug auf die Ebene der Öffnung aufgeprägt ist, definiert ist. Mit anderen Worten bestimmt die Anordnung und Form des Einlassbereichs an oder nahe der Eintrittsstelle des Gasstroms in den Hohlkörper die tangentiale und radiale Stromkomponente.
In Bezug auf 1 können die oben beschriebenen Gaseinlassstrukturen somit besonders in einer Vorrichtung 1 zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch schichtweises Konsolidieren von Partikelmaterial nützlich sein, die ein Baubett, in dem Objekte 2 ausgebildet sind, umfasst, und wobei im Gebrauch eine Bildgebungs- oder Messeinrichtung 70 auf die Baubettoberfläche 12 gerichtet ist. Die Einrichtung 70 weist ein Fenster 72 oder eine Öffnung auf, die entsprechend der oberen Öffnung 84 an dem Hohlkörper angebracht ist. Die oben beschriebenen Gaseinlassstrukturen können entsprechend dem Fenster/der Öffnung der Einrichtung 70 angebracht sein, um einen Gasstrom über das Fenster/die Öffnung der Einrichtung 70 zu liefern.
Das Fenster 72 kann ein Schutzfenster oder ein empfindliches Bauteil der Bildgebungs- oder Messeinrichtung 70 sein, beispielsweise das Objektiv einer Wärmebildkamera. Das Fenster kann somit allgemein eine optische Komponente der Bildgebungs- oder Messeinrichtung sein. Die Einrichtung 70 kann eine Wärmebildkamera zum Messen des Temperaturprofils von Infrarotstrahlung sein, die von der Baubettoberfläche 12 emittiert wird, und die obere Öffnung 84 kann ein Germaniumfenster 72 der Einrichtung 70 umfassen, das innerhalb der oberen Öffnung 84 gegen die Umgebung des Hohlkörpers 82 abdichtend angebracht ist.
Die Form des Hohlkörpers und insbesondere deren nach außen gerichteten Aufweitung kann durch das Sichtfeld bestimmt werden, das von der Mess- oder Bildgebungseinrichtung 70 benötigt wird, um die gesamte Baubettoberfläche 12 abzubilden oder zu messen. 3A zeigt weiter ein Kameragehäuse 74 das an der Oberseite der Gaszufuhrkammer 200 angebracht sein kann und eine Wärmebildkamera 70 (oder ein Pyrometer oder ähnliches) umfassen kann, die somit durch das Germanium Fenster 72 gegen die Umgebung des Hohlkörpers 82 geschützt ist. Eine solche Anordnung stellt ferner eine umschlossene Umgebung für die Einrichtung 70 bereit, die separat gehandhabt werden kann, beispielsweise kann sie durch einen separaten Gasstrom durch das Gehäuse 74 gekühlt werden.
Der Hohlkörper muss nicht unbedingt kreisförmige Querschnitte aufweisen. Der „Kreisumfang“ oder die „radialen Richtung“ kann auch bei anderen Formen des Hohlkörpers gelten, die durch Synonyme „Umfang“ bzw. „senkrecht zur Längserstreckung“ beschrieben werden können.
Bei einem Verfahren zum Zuführen eines (primären) Gasstroms durch das Fenster/die Öffnung der Bildgebungs- oder Messeinrichtung der Vorrichtung 1 umfasst das Verfahren die Schritte:

- Zuführen einer Primärstrom von Einlassgas 100 durch den Gasstromeinlassbereich 86 der Struktur 80 von gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers 82 und von dort in den Hohlkörper der Struktur, wobei der Primärstrom von Einlassgas 100 eine Primärstromkomponente 102 aufweist, die überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung der Struktur ist und innerhalb des Hohlkörpers zusammenströmt; und
- Umlenken des zusammenfließenden Primärstrom von Einlassgas, um einen überwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse des Hohlkörpers und einen Gasrückstrom nahe der Innenwand des Hohlkörpers zu bilden, wobei die obere Öffnung überwiegend durch den Einlassstrom vom Rückstrom abgeschirmt ist, und wobei die Geschwindigkeit des Rückstroms im Vergleich zur der des Einlassstroms relativ niedrig ist. Die axiale Strömung kann überwiegend konzentrisch zur Längsachse sein, was Variation zur Symmetrie ermöglicht.

Das Verfahren kann ferner umfassen, dass die Primärstrom-Komponente in einem spitzen Winkel zu einer Senkrechten zur Längsachse in den Hohlkörper eintritt, um so einen zirkulierenden Primärstrom in den Hohlkörper hinein zu erzeugen.
Zusätzlich oder stattdessen kann das Verfahren ferner das Zuführen eines Sekundärstroms von Einlassgas durch einen Sekundär-Gaseinlassbereich von gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers und von dort in den Hohlkörper der Struktur umfassen, wobei der Sekundärstrom von Einlassgas eine Sekundärstrom-Komponente aufweist, die überwiegend parallel zur Innenwand des Hohlkörpers ist, um einen zirkulierenden Sekundär-Gasstrom in den Hohlkörper hinein zu erzeugen, wobei der sekundäre Einlassbereich in Bezug auf den primären Gaseinlassbereich näher an der unteren Öffnung der Struktur angeordnet ist.
Wahlweise kann der zirkulierende Sekundärgasstrom einen entgegengesetzten Drehsinn zu dem zirkulierenden Primärgasstrom aufweisen.
Der Hohlkörper 82 kann besonders zur Herstellung mit einem „Druck- und Sinter“-Verfahren, beispielsweise durch Verwendung einer strahlungsabsorbierenden Tinte und Infrarotstrahlung, oder durch ein Lasersinterverfahren, geeignet sein. Somit können alle oder gewisse Teile der Gaseinlassstruktur 80 durch ein Druck- und Sinterverfahren, und vorzugsweise durch ein Sinterverfahren unter Verwendung einer strahlungsabsorbierenden Tinte und Infrarotstrahlung, hergestellt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Mess- oder Bildgebungseinrichtung 70 unterschiedliche Formen annehmen kann und nicht auf eine Wärmebildkamera beschränkt ist. Stattdessen ist die Gaseinlassstruktur 80 geeignet, zum Beispiel ein Pyrometer, eine optische Kamera oder eine andere Vorrichtung, die das Innere des Arbeitsraums erfassen soll, im Gebrauch vor den Abgasen und dem Staub des Arbeitsraums 4 zu schützen.
Während die Beispiele eine Vorrichtung 1 veranschaulichen, die Schlitten umfasst, die sich entlang der gleichen Richtung über die Länge des Baubetts (entlang der x-Richtung) hin und her bewegen, kann gleichermaßen eine Lampenanordnung an einem Schlitten vorgesehen sein, der sich quer entlang der Breite des Baubetts bewegt, oder auf irgendeine andere Weise, die geeignet ist, die Baubettoberfläche zu bestrahlen.

Claims

Struktur zum Zuführen eines Gasstroms über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung innerhalb einer Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch schichtweises Konsolidieren von Partikelmaterial, wobei die Struktur umfasst: einen Hohlkörper umfassend: eine obere Öffnung zum Anbringen in Übereinstimmung mit dem Fenster/der Öffnung der Einrichtung, eine untere Öffnung; und einen Gaseinlassbereich unterhalb der oberen Öffnung, der im Querschnitt betrachtet entlang einer von der oberen Öffnung zu der unteren Öffnung verlaufenden Längsachse, auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers vorgesehen ist, und einen oder mehrere Kanäle umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie im Gebrauch einen Einlassgasstrom ermöglichen, der von den gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers mit einer, in einer Ebene überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung liegenden, Stromkomponente in den Hohlkörper eintritt und innerhalb des Hohlkörpers zusammenfließt; wobei der Gaseinlassbereich zumindest entlang eines Teils einer Umfangslinie des Hohlkörpers angeordnet ist und mindestens einer des einen oder der mehreren Kanäle des Gaseinlassbereichs als ein längliches Durchgangsloch konfiguriert ist, das sich in Längsrichtung entlang der Umfangslinie erstreckt und eine oder mehrere Leitschaufeln umfasst, die in einem spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse angeordnet sind, so dass die Stromkomponente in einem spitzen Winkel zu einer Senkrechten zur Längsachse in den Hohlkörper eintritt, um so einen zirkulierenden Gasstrom in den Hohlkörper hinein zu erzeugen; wobei der Hohlkörper symmetrisch um die Längsachse herum geformt ist, um den zusammenfliessenden Gaseinlassstrom umzulenken und einen überwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse und einen Gasrückstrom nahe der Innenwand des Hohlkörpers zu bilden, wobei die Geschwindigkeit des Rückstroms im Vergleich zu der Geschwindigkeit des Einlassstrom relativ niedrig ist, so dass die obere Öffnung durch den Einlassstrom vom Rückstrom überwiegend abgeschirmt ist.
Struktur gemäß Anspruch 1, wobei sich das längliche Durchgangsloch über einen Großteil der Umfangslinie erstreckt.
Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei sich die oder jede Leitschaufel von der Unterkante zur Oberkante des länglichen Durchgangslochs erstreckt.
Struktur zum Zuführen eines Gasstroms über ein Fenster oder eine Öffnung einer Bildgebungs- oder Messeinrichtung innerhalb einer Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch Schicht-für-Schicht-Konsolidierung von Partikelmaterial, wobei die Struktur umfasst: einen Hohlkörper umfassend: eine obere Öffnung zum Anbringen in Übereinstimmung mit dem Fenster oder der Öffnung der Einrichtung, eine untere Öffnung; einen Gaseinlassbereich unterhalb der oberen Öffnung, der, betrachtet im Querschnitt entlang einer von der oberen Öffnung zu der unteren Öffnung verlaufenden Längsachse, auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers vorgesehen ist und einen oder mehrere Kanäle umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie im Gebrauch einen Einlassgasstrom ermöglichen, der von den gegenüberliegenden Seiten des Hohlkörpers mit einer, in einer Ebene überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung liegenden, Stromkomponente in den Hohlkörper eintritt und innerhalb des Hohlkörpers zusammenfließt; wobei der Gaseinlassbereich zumindest entlang eines Teils einer Umfangslinie des Hohlkörpers angeordnet ist und mindestens einer des einen oder der mehreren Kanäle als ein längliches Durchgangsloch konfiguriert ist, das sich in Längsrichtung entlang der Umfangslinie erstreckt und durch zwei Seitenwände begrenzt ist, wobei mindestens eine der zwei Seitenwände in einem spitzen Winkel zur Senkrechten zur Längsachse angeordnet ist, dass die Stromkomponente in einem spitzen Winkel zu einer Senkrechten zur Längsachse in den Hohlkörper eintritt, um so einen zirkulierenden Gasstrom darin zu erzeugen; wobei der Hohlkörper symmetrisch um die Längsachse herum geformt ist, um den zusammenfliessenden Gaseinlassstrom umzulenken und einen überwiegend axialen Gasstrom entlang der Längsachse und einen Gasrückstrom nahe der Innenwand des Hohlkörpers zu bilden, wobei die Geschwindigkeit des Rückstroms im Vergleich zu der Geschwindigkeit des Einlassstrom relativ niedrig ist, so dass die obere Öffnung durch den Einlassstrom vom Rückstrom überwiegend abgeschirmt ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich der eine oder die mehreren Kanäle des Gaseinlassbereichs in ihrer Querschnittsfläche von der Außenwand zu der Innenwand des Hohlkörpers verengen.
Struktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das längliche Durchgangsloch überwiegend senkrecht zur Längsachse des Hohlkörpers und durch die Wand des Hohlkörpers erstreckt.
Struktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere und untere Kante des länglichen Durchgangslochs von der Senkrechten zur Innenwandfläche des Hohlkörpers weg abgewinkelt ist, so dass im Gebrauch die in einer Ebene überwiegend parallel zur Ebene der oberen Öffnung liegende Stromkomponente entsteht.
Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gaseinlassbereich so angeordnet ist, dass er den Gaseinlassstrom in den Hohlkörper entlang einer Richtung parallel zu, oder in Richtung, der Ebene der oberen Öffnung leitet.
Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Gebrauch der Einlassstrom einen kontinuierlichen Vorhang aus zirkulierendem, im Vergleich zu der Geschwindigkeit des Rückstroms Hochgeschwindigkeitsgas unterhalb und parallel zu der oberen Öffnung, oder in einem von der Ebene der oberen Öffnung abwärts-geneigten Winkel, erzeugt.
Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Gebrauch der Einlassstrom der Ebene der oberen Öffnung angrenzend in den Hohlkörper eintritt.