DE3511927A1

DE3511927A1 - Gasmischer

Info

Publication number: DE3511927A1
Application number: DE19853511927
Authority: DE
Inventors: Michael 6200 Wiesbaden Kostecki
Original assignee: Perkin Elmer Metco 6234 Hattersheim GmbH; Perkin Elmer Metco GmbH
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1986-10-09
Anticipated expiration: 2005-04-02
Also published as: GB2174918A; GB8604564D0; JPH0687958B2; JPS61234915A; CH673234A5; US4793712A; DE3511927C2; GB2174918B

Description

Gasmischer

Beschreibung 10

Die Erfindung betrifft einen Gasmischer zur Mischung von wenigstens zwei strömenden Gasen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Gasmischer, der bei einem Plasmaspritzverfahren Anwendung finden kann.

Beim Plasmaspritzen wird in einer Düse zwischen zwei Elektroden durch Hochfrequenz ein nicht übertragener Gleichstromlichtbogen erzeugt, der durch die Form der gekühlten Anode eingeschnürt wird. Dieser eingeschnürte Lichtbogen hoher Leistungsdichte erhitzt einen Gasstrom, der durch die Düse strömt, rasch auf sehr hohe Temperaturen, so daß die Gasmischung teilweise ionisiert wird, in den Plasmazustand übergeht und mit großer Geschwindigkeit aus der Düse herausexpandiert.

Der Plasmastrahl stellt somit ein hochwirksames Werkzeug zum Anoder Aufschmelzen von Metallen, Metallegierungen, Hartstoffen wie Karbiden und Oxiden sowie einigen Kunststoffen dar, wenn sie in Pulverform innerhalb oder außerhalb der Düse in den Plasmastrahl hineingeblasen werden. Die an- oder aufgeschmolzenen Pulverteilchen bilden nach Aufprall auf einem Werkstück eine Spritzschicht.

Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas werden i.a. Gasmischungen verwendet, die in Abhängigkeit von der vorliegenden Problemstellung ein Optimum zwischen verschiedenen z.T. gegenläufigen Forderungen, wie leichter Zündung, hoher Temperatur, großem Wärmeinhalt, guter Wärmeübertragung zum Pulver, erwünschter bzw. zu vermeidender Reaktionen mit den Pulverteilchen, niedriger Preis ermöglichen, was sehr oft mit nur einem Gas nicht erreicht werden kann.

Eine reproduzierbare und gute Schichtqualität setzt jedoch einen Plasmastrahl zeitlich und örtlich möglichst gleicher Zusammensetzung voraus. Daher ist eine gute Durchmischung der verwendeten Gase bereits vor dem Eintritt in den Lichtbogen von besonderer Bedeutung.

Das bekannteste Prinzip zum Mischen von strömenden Gasen ist das bei einem Bunsenbrenner angewandte Prinzip etwa entsprechend der US-Patentschrift 3,816,062, bei dem ein erstes Gas mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit aus einer Gasleitung in eine Düse eintritt, auf deren Seiten öffnungen vorgesehen sind, durch die aufgrund des durch das erste strömende Gas erzeugten Unterdrucks ein zweites Gas angesaugt und durch den Gasstrahl des ersten Gases mitgerissen und mit diesem vermischt wird. Dies führt aber meistens lediglich dazu, daß der erste Gasstrom von einem Mantel des zweiten Gases umgeben wird. Eine innige Vermischung wird nicht erreicht.

3" 6

Aus der DE-AS 25 49 617 war auch bereits ein Gasmischventil

bekannt. Bei diesem Gasmischventil sind zwei nebeneinander liegende Gaskammern vorgesehen, in die unterschiedliche Gase zugeführt werden können. Eine Seite der beiden durch eine schmale 5

Trennwand getrennten Gaskammern wird durch einen Schieber verschlossen, der in senkrechter Richtung zu seiner Verschiebungsrichtung eng nebeneinander liegende Gasdurchgangsleitungen aufweist. Durch Verschiebung des Schiebers kann die Zahl der Durchgangsleitungen des Schiebers, die jeweils mit einer Kammer in IO

Verbindung stehen, verändert werden. Auf diese Weise kann das Verhältnis der Mengen an Gasen aus der ersten und der zweiten Gaskammer durch Verschiebung des Schiebers verändert werden. Das Gasmischventil ermöglicht jedoch keine besonders innige Mischung

der beiden Gase.
15

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasmischer anzugeben, mit dem eine möglichst gute Mischung wenigstens zweier strömender Gase erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen ersten Filter, durch den ein erstes Gas von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des Filters durchleitbar ist und über dessen zweite Oberfläche ein zweites Gas leitbar ist, und durch ein zweites Filter, durch das die Gasmischung aus dem über die zweite Oberfläche des ersten Filters hinweggeströmien und dem durch das erste Filter hindurchgetretenen Gas hindurchleitbar ist.

Die Mischung der Gase kann vorteilhafterweise in Abhängigkeit

von der Strömungsgeschwindigkeit der zu mischenden Gase noch dadurch verbessert werden, daß die durch den zweiten Filter hindurchtretenden Gase durch einen dritten und ggf. weitere Filter leitbar sind.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform zeichnet sich der erfindungsgemäße Gasmischer aus durch einen einen Innenraum umgrenzenden ersten Filterkörper, mit dem eine Zuführung für ein erstes Gas in Verbindung steht, durch ein zwischen sich und der Außenseite des ersten Filterkörpers einen Zwischenraum bildendes Gehäuse, durch eine Zuführung für ein zweites Gas in den Zwischenraum, durch eine mit dem Zwischenraum in Verbindung stehende Gasleitung, die in den Innenraum eines diesen Innenraum umgrenzenden zweiten Filterkörpers mündet und durch ein den zweiten Filterkörper umgebendes Gehäuse, das mit einer Gasabführleitung verbunden ist.

Die Filter oder Filterkörper können jeweils aus herkömmlichem bekanntem Filtermaterial bestehen. Als besonders zweckmäßig hat sich jedoch die Verwendung von Filtermaterial erwiesen, das aus einem Sintermetall oder einer Sinterlegierung besteht. Bevorzugt wurden in diesen Fällen Filter aus einer Sinterbronze verwandt.

Die Filter aus einem Sintermaterial haben vorzugsweise eine mittlere Porengröße zwischen 70 und 10 um.

Werden mehrere Filter hintereinander verwandt, so hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die mittlere Porengröße der Filter jeweils so zu wählen, daß sie in Richtung des Gasstromes abnimmt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wurde ein erster Filterkörper mit einer mittleren Porengröße von 60 pm, ein zweiter Filterkörper mit einer mittleren Porengröße von 45 um, und ein dritter Filterkörper mit einer mittleren Porengröße von 20 um verwandt.

Der erfindungsgemäße Gasmischer kann überall dort eingesetzt werden, wo eine innige Mischung von mehreren strömenden Gasen erzielt werden muß. Eine bevorzugte Anwendung findet der erfindungsgemäße Gasmischer bei Plasmaflammspritzvorrichtungen.

Dementsprechend wurden besonders günstige Ergebnisse beim Mischen von Wasserstoff- und/oder Heliumgas als erstes Gas mit Argon und/oder Stickstoffgas als zweites Gas erzielt.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand eines in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispiels erläutert werden.

In der Zeichnung zeigen:
IO

Fig. 1 eine Längsschnittansicht entlang der Linie I-I in Fig. 2 durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasmischers,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Gasmischer allgemein mit 1 bezeichnet. Dieser besteht aus einem Basisteil 2, das im wesentlichen aus einer runden Scheibe besteht, die von einer zentralen Längsbohrung 3 durchsetztest, die auf ihrer Innenseite mit einem Innengewinde 4 versehen ist. Vom Umfang 5 des Basisteils ist radial eine Querbohrung 6 ausgebildet, die bis zu der Längsbohrung 3 reicht und mit dieser verbunden ist. Im Abstand zu der Längsbohrung 3 und parallel hierzu sind mehrere Durchgangsleitungen 7 ausgebildet.

Auf der in Fig. 1 rechten Seite des Basisteils 2 ist ein ringförmiger Ansatz 8 ausgebildet, der über die Ebene 9 des Basisteils nach rechts hin vorspringt. Der ringförmige Ansatz 8 ist auf seinem äußeren Umfang mit einem Gewinde 10 versehen, auf das das an seinem unteren Ende mit einem Innengewinde 11 versehene zylindrische Gehäuse 12 geschraubt werden kann. Das Gehäuse 12 besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Kappe, die an ihrer dem Innengewinde 11 abgewandten Stirnseite 13 eine Gas-

zuführöffnung 14 aufweist. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem Metall wie etwa Aluminium hergestellt.

Auf der dem Gehäuse 12 abgewandten Seite des Basisteils 2 ist ein Bolzen 15 vorgesehen, der einen größeren Durchmesser als der Durchmesser der Längsbohrung 3 aufweist. Der Bolzen 15 besitzt an seinem in Fig. 1 nach rechts vorstehenden Ende einen Ansatz 16, der auf seiner Außenseite ein Außengewinde aufweist, mit dem der Ansatz 16 in das Innengewinde der Längsbohrung 3 einschraubbar ist, bis die Schulter des Bolzens 15 zur Anlage an dem Basisteil 2 kommt.

Der Bolzen 15 weist auf seiner dem Ansatz 16 abgewandten Seite einen zweiten koaxialen Ansatz 17 auf, der auf seinem äußeren

Umfang mit einem Außengewinde 18 versehen ist.

Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein erster Filterkörper 20 angeordnet, der im wesentlichen die Form eines einseitig geschlossenen Zylinders hat. Der erste Filterkörper hat einen äußeren

Durchmessser, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des ringförmigen Ansatzes 8 an dem Basisteil 2 ist. In das Basisteil 2 ist in eine ringförmige Ausnehmung 21 ein O-Ring oder ein anderes entsprechendes Dichtungsmaterial, etwa ein Teflonring 22, eingelegt. Gegen diesen Dichtring 22 liegt der freie Rand

des Filterkörpers 20 dichtend an.

Der Filterkörper selbst wird durch einen Schraubbolzen 23 in seiner Lage gehalten, der durch eine öffnung 24 in der Stirnwand des ersten Filterkörpers hindurch vorsteht und dessen mit einem

Gewinde versehene Ende 25 in eine mit einem Innengewinde versehene Sackbohrung 26 des Bolzens 15 hineinragt und mit diesem verschraubt ist. Der Schraubbolzen 23 hat einen geringeren Durchmesser als die Längsbohrung 3, so daß zwischen der Innenwand der Längsbohrung 3 und der Außenwand des Schraubbolzens 23 ein Ringraum 27 verbleibt, der einerseits mit der Querbohrung 6 und

* ΛΟ

andererseits mit dem Innenraum 28 des ersten Filterkörpers 20 in Verbindung steht.

Auf der dem Gehäuse 12 abgewandten Seite des Basisteils 2 ist in 5

die Oberfläche 29 des Basisteils in eine Aussparung ein Dichtungsring 30 eingelegt. Gegen diesen Dichtungsring 30 liegen die ringförmigen Stirnkanten eines zweiten Filterkörpers 31 sowie eines dritten Filterkörpers 32 an. Der zweite Filterkörper ist becherförmig mit einer leicht konisch verlaufenden Wand ausgebildet. IO

In der Stirnwand 33 ist eine Öffnung 34 vorgesehen, durch die der zweite Ansatz des Bolzens 15 hindurchragt. Auf diesen Ansatz ist eine Mutter 35 aufgeschraubt, durch die der zweite Filterkörper mit seinem freien Rand dichtend gegen den Dichtungsring 30 angepreßt wird. Der dritte Filterkörper 32 ist in Form eines ein-

seitig geschlossenen Zylinders ausgebildet, in dessen Stirnwand 36 eine Öffnung 37 ausgebildet ist. Durch diese Öffnung 37 ragt ebenfalls der zweite Ansatz 17 des Bolzens 15. Gegen die Stirnwand 36 des dritten Filterkörpers 32 liegt eine Beilagscheibe 38 an, über die der dritte Filterkörper mit Hilfe einer weiteren

auf den zweiten Ansatz 17 aufgeschraubten Mutter 39 mit seinem freien Rand gleichfalls gegen den Dichtungsring 30 gepreßt wird.

An einer ringförmigen Abstufung 40 des Basisteils 2 ist ein Außengewinde ausgebildet. Auf dieses Außengewinde ist ein zweites

zylinderförmiges Gehäuse aufschraubbar, das auf der Innenseite seines zylindrischen Mantels in der Nähe der freien Stirnseite ein Innengewinde aufweist. In der abgeschlossenen Stirnwand 43 des zweiten Gehäuses ist eine Gasauslaßöffnung 44 vorgesehen,

durch die das gemischte Gas abführbar ist. 30

Die Filterkörper bestehen vorzugsweise aus einer Sinterbronze. Derartige Sinterbronzen sind an sich bekannt. Sie bestehen aus Kupfer-Zinn-Legierungen, jedoch können dem Kupfer auch andere Metalle zulegiert sein. Sinterverfahren zur Herstellung von porösen Sinterwerkstoffen sind allgemein bekannt. Die Sinterteile

-ff 44

werden allgemein pulvermetallurgisch hergestellt. Die Porösität eines Sinterwerkstoffes hängt sowohl von der Ausgangskorngröße des verwandten Pulvermaterial wie auch von der angewandten Wärmebehandlung ab.

Die Dichtungsringe 22 und 30 bestehen bevorzugt aus einem dauerelastischen Material, so daß eine über lange Zeit dauernde Dichtwirkung mit den Rändern der Filterkörper erreicht werden kann. Als besonders günstig hat sich hierbei ein Teflonmaterial erwiesen.

Der Mischvorgang erfolgt folgendermaßen: In Pfeilrichtung 45 wird ein erstes Gas über die Querbohrung 6 und den Ringraum 27 in den Innenraum 28 des ersten Filterkörpers 20 eingeführt. Das Gas tritt durch die porösen Wände des Filterkörpers und gelangt auf der Außenseite des Filterkörpers in den Ringraum 46 zwischen dem ersten Filterkörper 20 und dem Gehäuse 12. Ein zweites Gas wird in Richtung des Pfeiles 47 über die öffnung 14 in den Ringraum 46 eingeführt und vermischt sich beim Darüberstreichen über die Oberfläche des Filterkörpers 20 mit dem aus dessen Oberfläche austretenden ersten Gas und nimmt dieses mit. Die Gasmischung wird sodann weiter über die Durchgangsleitungen 7 in den Basisteil 2 in den Innenraum des zweiten Filterkörpers 31 geleitet. Die Gasmischung strömt sodann weiter durch die Wandung des zweiten Filterkörpers 31 und gelangt in den Zwischenraum 49 zwischen der Innenseite des dritten Filterkörpers und der Außenseite des zweiten Filterkörpers 31. Das Gas strömt sodann weiter durch die Wandung des dritten Filterkörpers und gelangt in den Raum zwischen der Innenseite des zweiten Gehäuses 43 und der Außenseite des dritten Filtergehäuses 32. Die Gasmischung verläßt schließlich diesen Raum über die Auslaßöffnung 44 in dem Gehäuse 43.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wurde als erstes Gas Wasserstoff oder Helium oder eine Mischung aus diesen Gasen und

als zweites Gas Argon oder Stickstoff oder eine Mischung aus diesen Gasen verwandt. Die Filterkörper hatten die folgenden Wandstärken und mittleren Porengrößen.

Dicke der Wandung Porengröße

1. Filterkörper 2 mm 60 μπι

2. Filterkörper 2 mm 45 \im

3. Filterkörper 2,5 mm 20 um.

Material jeweils Sinterbronze.

Hervorragende Mischungen wurden erreicht, selbst wenn die Flußmengen des ersten Gases zwischen 0 und 100 I1r./min. und des zweiten Gases zwischen 10 und 200 Itr./min. varierten, wobei beliebige Kombinationen von Durchflußmengen innerhalb dieser Bereiche auftreten konnten.

Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt lediglich eine vorzugsweise Ausführungsform dar. Selbstverständlich können auch konstruktive Abwandlungen derart vorgenommen werden, daß ganz allgemein ein erstes Gas durch einen ersten Filter hindurchtritt, über dessen Außenseite ein das erste Gas mitnehmendes zweites Gas strömt, wobei die so entstehende Mischung sodann weiter durch ein weiteres Filter und ggf. durch zusätzlich weitere Filter geführt wird.

30 35

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Gasmischer zur Mischung von wenigstens zwei strömenden Gasen, gekennzeichnet durch einen ersten Filter (20), durch den ein erstes Gas von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des Filters durchleitbar ist und über dessen zweite Oberfläche ein zweites Gas leitbar ist und durch ein zweites Filter (31), durch das die Gasmischung aus dem über die zweite Oberfläche des ersten Filters hinweggeströmten und dem durch das erste Filter hindurchgetretenen Gas hindurchleitbar ist.

2. Gasmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den zweiten Filter (31) hindurchtretende Gas durch einen dritten (32) und ggf. weitere Filter leitbar ist.

3. Gasmischer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einen Innenraum (28) umgrenzenden ersten Filterkörper (20), mit dem eine Zuführung (6, 27) für ein erstes Gas in Verbindung steht, durch ein zwischen sich und der Außenseite des

ersten Filterkörpers (20) einen Zwischenraum (46) bildendes Gehäuse (12), durch eine Zuführung (14) für ein zweites Gas in den Zwischenraum (46), durch eine mit dem Zwischenraum (46) in Verbindung stehende Gasleitung (7), die in den Innenraum (48) eines diesen Innenraum umgrenzenden zweiten Filterkörpers (31) mündet und durch ein den zweiten Filterkörper (31) umgebendes zweites Gehäuse (42), das mit einer Gasabführleitung (44) verbunden ist.

4. Gasmischer nach Anspruch 3_: dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filterkörper (31) von einem einen Zwischenraum (49) zwischen sich und dem zweiten Filterkörper (31) bildenden dritten Filterkörper (32) umgeben ist, und daß das zweite Gehäuse (42) den dritten Filterkörper (32) unter Bildung eines Zwischenraumes umschließt.

5. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Filter oder Filterkörper (20, 31, 32) jeweils aus einem porösen Sintermetall oder einer Sinterlegierung bestehen.

6. Gasmischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eines der Filter oder Filterkörper aus einer

Sinterbronze besteht.
25

7. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (20, 31, 32) eine mittlere Porengröße zwischen 70 und 10 Mm haben.

8. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (20, 31, 32) von dem ersten zum dritten Filter hin abnehmende mittlere Porengrößen aufweisen.

9. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Filter (20) eine mittlere Porengröße von 60 μΐη aufweist.

10. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filter (31) eine mittlere Porengröße von 45 \sm aufweist.

11. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Filter (32) eine mittlere

Porengröße von 20 um aufweist.

12. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung mit einer Plasma-Flammspritzvorrichtung.

13. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung zur Mischung von Wasserstoff-und/oder Heliumgas als erstes Gas mit Argon und/oder Stickstoff als zweites Gas.