DE3511927C2 - Mischvorrichtung zur Mischung von wenigstens zwei strömenden Fluidstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zur Mischung von wenig­ stens zwei strömenden Fluidstoffen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 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 er­ zeugt, 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 An- oder 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. Gas­ mischungen verwendet, die in Abhängigkeit von der vorliegenden Problemstellung ein Optimum zwischen verschiedenen z. T. gegenläufi­ gen 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 Unter­ drucks 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 Ver­ mischung wird nicht erreicht.

Aus der DE-AS 25 49 617 war auch bereits ein Gasmischventil be­ kannt. Bei diesem Gasmischventil sind zwei nebeneinander liegende Gaskammern vorgesehen, in die unterschiedliche Gase zugeführt werden können. Eine Seite der beiden durch eine schmale Trennwand getrennten Gaskammern wird durch einen Schieber verschlossen, der in senkrechter Richtung zu seiner Verschiebungsrichtung eng nebeneinander liegende Gasdurchgangs­ leitungen aufweist. Durch Verschiebung des Schiebers kann die Zahl der Durchgangsleitungen des Schiebers, die jeweils mit einer Kammer in 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 ver­ ändert werden. Das Gasmischventil ermöglicht jedoch keine be­ sonders innige Mischung der beiden Gase.

Eine aus der US-PS 2 747 844 bekannte Vorrichtung zum Mischen zweier Flüssigkeiten besteht im wesentlichen aus einem äußeren Rohr, in dem ein inneres Rohr einen zwischen den beiden Rohren gebildeten ringförmigen Raum an der Eingangsstirnfläche dich­ tend abschließend angeordnet ist. Eingangsseitig weist das innere Rohr einen axialen Einlaß für eine erste Flüssigkeit in einen ersten Hohlraumbereich des inneren Rohrs auf, der etwa in Rohrmitte von einer Abtrennung dichtend abgeschlossen wird. Das äußere Rohr weist in der Nähe des Eingangsendes einen radialen Anschluß für eine zweite Flüssigkeit auf, die zunächst in einen ringförmigen Raum zwischen dem äußeren und inneren Rohr ein­ strömt. Im inneren Rohr ist eine Vielzahl von Löchern ausge­ bildet, durch die die strömende erste Flüssigkeit in den ring­ förmigen Raumbereich gelangt. Die an der Außenwand des inneren Rohrs entlangströmende zweite Flüssigkeit und die durch die Löcher austretende erste Flüssigkeit werden vermischt und treten durch einen zweiten Satz von Löchern in einen zweiten, auf den ersten Raumbereich folgenden Raumbereich des inneren Rohrs ein. Der ringförmige Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr ist in der Nähe der Ausgangsseite der Mischvor­ richtung dichtend abgeschlossen. Schließlich treten die strömende erste und zweite Flüssigkeit am Ende des inneren Rohrs durch Löcher in der Rohrwand des inneren Rohrs in einen Endbereich des äußeren Rohrs ein. Am Ende des äußeren Rohrs befindet sich eine Auslaßöffnung, aus der die mittlerweile ver­ mischte erste und zweite Flüssigkeit austreten. Die Vermischung der beiden Flüssigkeiten geschieht durch Verwirbelung beim Durchtritt der Flüssigkeiten durch die im inneren Rohr ange­ ordneten radialen Öffnungen, die offensichtlich makroskopische Dimensionen aufweisen.

Aus der DE-PS 5 83 849 ist eine Vorrichtung zum Einführen von Gasen in strömende Flüssigkeiten bekannt, bei der einer in einem Rohr aus porösem Material fließenden Flüssigkeit ein durch das poröse Material hindurchdiffundierendes Gas zugesetzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung anzugeben, mit der eine möglichst gute Mischung wenigstens zweier strömender Fluidstoffe erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Mischvor­ richtung der eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

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 körper hindurchtretenden Gase durch einen dritten und ggf. weitere Filterkörper leitbar sind.

Bevorzugt werden Filterkörper aus einer Sinterbronze verwandt.

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

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wurde ein erster Fil­ terkörper mit einer mittleren Porengröße von 60 µm, ein zweiter Filterkörper mit einer mittleren Porengröße von 45 µm, und ein dritter Filterkörper mit einer mittleren Porengröße von 20 µm verwandt.

Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung kann überall dort einge­ setzt werden, wo eine innige Mischung von mehreren strömenden Gasen erzielt werden muß. Eine bevorzugte Anwendung findet der erfindungsgemäße Gasmischer bei Plasmaflammspritzvorrich­ tungen.

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 Zeich­ nung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispiels erläutert werden.

In der Zeichnung zeigen:

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

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 durchsetzt ist, die auf ihrer Innenseite mit einem Innengewinde 4 versehen ist. Vom Umfang 5 des Basisteils ist radial eine Quer­ bohrung 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 ring­ förmiger 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 zylin­ drische 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 einschraub­ bar ist, bis die Schulter des Bolzens 15 zur Anlage an dem Basis­ teil 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 ange­ ordnet, der im wesentlichen die Form eines einseitig geschlosse­ nen Zylinders hat. Der erste Filterkörper hat einen äußeren Durchmesser, 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 verse­ hene 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 andererseits mit dem Innenraum 28 des ersten Filterkörpers 20 in Verbindung steht.

Auf der dem Gehäuse 12 abgewandten Seite des Basisteils 2 ist in die Oberfläche 29 des Basisteils in eine Aussparung ein Dichtungs­ ring 30 eingelegt. Gegen diesen Dichtungsring 30 liegen die ring­ förmigen Stirnkanten eines zweiten Filterkörpers 31 sowie eines dritten Filterkörpers 32 an. Der zweite Filterkörper ist becher­ förmig mit einer leicht konisch verlaufenden Wand ausgebildet. 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 Filterkör­ per 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 Stirn­ wand 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.

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

Die Dichtungsringe 22 und 30 bestehen bevorzugt aus einem dauer­ elastischen Material, so daß eine über lange Zeit dauernde Dicht­ wirkung mit den Rändern der Filterkörper erreicht werden kann. Als besonders günstig hat sich hierbei ein Teflonmaterial er­ wiesen.

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 Ring­ raum 46 eingeführt und vermischt sich beim Darüberstreichen über die Oberfläche des Filterkörpers 20 mit dem aus dessen Ober­ fläche austretenden ersten Gas und nimmt dieses mit. Die Gas­ mischung 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 Außen­ seite 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 ver­ läßt 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.

Hervorragende Mischungen wurden erreicht, selbst wenn die Fluß­ mengen des ersten Gases zwischen 0 und 100 ltr./min. und des zwei­ ten Gases zwischen 10 und 200 ltr./min. varierten, wobei belie­ bige Kombinationen von Durchflußmengen innerhalb dieser Bereiche auftreten konnten.

Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt lediglich eine vor­ zugsweise 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.

Claims (10)

1. Mischvorrichtung zur Mischung von wenigstens zwei strömenden Fluidstoffen mit einem ersten, einen Innenraum (28) umgrenzenden Filterkörper (20), mit dem eine Zuführung (6, 27) für den ersten Fluidstoff in Verbindung steht, wobei der erste Fluidstoff von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des Filterkörpers durchleitbar ist und über dessen zweite Oberfläche ein zweiter Fluidstoff leitbar ist, mit einem zwischen sich und der Außenseite des ersten Filterkörpers (20) einen Zwischenraum (46) bildenden Gehäuse (12), einer Zuführung (14) für den zweiten Fluidstoff in den Zwischenraum (46), einer mit dem Zwischenraum (46) in Verbindung stehenden Fluidleitung (7), die in einen Innenraum (48) wenigstens eines diesen Innenraum umgrenzenden zweiten Filterkörpers (31) mündet, wobei die Mischung der beiden Fluidstoffe aus dem über die zweite Oberfläche des ersten Filterkörpers hinweggeströmten und dem durch den ersten Filterkörper hindurchgetretenen Fluidstoff durch den zweiten Filterkörper hindurchleitbar ist, und mit einem den zweiten Filterkörper (31) umgebenden zweiten Gehäuse (42), das mit einer Fluidabführleitung (44) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Fluidstoff jeweils Gase sind, daß die Filterkörper aus einem porösen Sintermaterial oder einer porösen Sinterlegierung bestehen, und daß die Filterkörper von dem ersten Filterkörper zu dem oder den im Strömungsfluß nachfolgenden Filterkörpern abnehmende Porengrößen aufweisen.

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

3. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, 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 Zwischenraums umschließt.

4. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Filterkörper aus einer Sinterbronze besteht.

5. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkörper (20, 31, 32) eine mittlere Porengröße zwischen 70 µm und 10 µm haben.

6. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Filterkörper (2) eine mittlere Porengröße von 60 µm aufweist.

7. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filterkörper (31) eine mittlere Porengröße von 45 µm aufweist.

8. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Filterköprer (32) eine mittlere Porengröße von 20 µm aufweist.

9. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung mit einer Plasma-Flammspritzvorrichtung.

10. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung zur Mischung von Wasserstoff- und/oder Heliumgas als erster Fluidstoff mit Argon und/oder Stickstoff als zweiter Fluidstoff.