DE4112890A1 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen von oberflaechen, insbesondere von empfindlichen oberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Oberflächen, insbesondere von empfindlichen Oberflächen, die durch Umwelteinflüsse kontaminiert sind. Das hier beschriebene Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des Reinigungsverfahrens für Oberflächen nach dem Europäischen Patent Nr. 01 71 448 dar.

In der genannten Patentschrift werden mehrere als Strahlgut geeignete Substanzen erwähnt, nämlich insbesondere scharfkantiges Strahlgut wie Sand (eine Siliciumverbindung), Quarz, Korund oder Flugasche. Diese Strahlgüter werden in Form eines Strahlgut/Luft-Strahls in einem Misch­ kopf mit einem Luft/Wasser-Strahl zu einem in Eigenrotation befindlichen Gesamtstrahl vereinigt. Der aus dem Mischkopf austretende zerstäubte Gesamtstrahl, der einem um seine Mittelachse rotierenden und sich in Strahlausbreitungsrichtung aufspreizenden Kegel gleicht, wird auf die zu reinigende Oberfläche gelenkt.

Da insbesondere bei hochempfindlichen Oberflächen die oben genannten scharfkantigen Strahlgüter zum Abtragen von Oberflächenschichten und damit zu Beschädigungen der Oberflächen führen können, wird in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 88 121 432.4 vorgeschlagen, Strahlgut­ materialien mit geringer Härte, d. h. mit einer Härte, die in der Regel kleiner ist als die Härte der zu reinigenden Materialien, einzusetzen, so daß die Schmutzschichten zwar einwandfrei abgetragen werden, die zu reinigende Materialoberfläche jedoch nicht zerstört werden kann. Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren werden mineralische Strahlgutmaterialien mit einer Härte (Mohshärte) von maximal 4 verwen­ det, wie sie das als bevorzugt genannte gesteinsbildende Mineral Dolomit hat. Dieses Verfahren macht jedoch in vielen Fällen noch ein nachträg­ liches Abwaschen der gereinigten Oberflächen erforderlich und birgt außerdem das Problem in sich, daß das mineralische Strahlgut, beispiels­ weise Dolomitstaub, ins Abwasser gelangen und dort erhebliche Probleme hervorrufen kann.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Oberflächen, insbesondere von empfindlichen Oberflä­ chen zu schaffen, die die angegebenen Nachteile des Standes der Technik vermeiden; insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung vor­ geschlagen werden, die eine gründliche und dabei schonende, gleichzeitig umweltverträgliche Reinigung empfindlicher Oberflächen ermöglichen und mit möglichst geringem apparativen Aufwand zu verwirklichen sind.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Verfahrensanspruchs 1 bzw. durch den Gegenstand des Vorrichtungsanspruchs 10 gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteran­ sprüche definiert.

Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß auf den Einsatz mine­ ralischer Strahlgutmaterialien verzichtet werden kann, indem ein flüssiges Reinigungsmittel, meist ist dies Wasser, durch Abkühlung zu kleinen, feinverteilten Partikeln kristallisiert und als Strahlgut benutzt wird. Erste Vorversuche haben sehr gute Reinigungsergebnisse gezeigt. Gleich­ zeitig kann dadurch der Eintrag an umweltbelastenden Stoffen vor allem in das Abwasser auf ein Mindestmaß reduziert werden. Wird, wie dies in der Mehrzahl der Anwendungen der Fall ist, Wasser als Reinigungsmittel eingesetzt, so ist die Umweltbelastung minimal. Es wird auch kein nach­ träglicher Arbeitsgang mehr zum Abwaschen der Strahlgutpartikel von einer gereinigten Oberfläche benötigt, da die Kristalle schmelzen und die Schmelzflüssigkeit abließt.

Nach der Erfindung wird die Abtragung von Schmutzschichten auf zu rei­ nigenden Oberflächen durch einen Reinigungsstrahl bewirkt, der im we­ sentlichen feinverteilte Eiskristalle enthält. Grundsätzlich kann jedoch jedes, für den Reinigungszweck geeignete, kristallisationsfähige Reini­ gungsmittel oder Gemisch aus Reinigungsmittel und Wasser verwendet werden.

Die notwendigen Kristallpartikel werden erfindungsgemäß durch Abkühlung von Wasser bzw. eines anderen geeigneten flüssigen Reinigungsmittels erzeugt. Wenn im folgenden der Einfachheit wegen nur noch von Wasser bzw. von Eispartikeln die Rede ist, so sollen dadurch andere geeignete flüssige Reinigungsmittel sowie deren Kristallpartikel umfaßt sein. Die Bezeichnung Gemischstrahl wird auch im Falle eines einfachen Wasser­ strahl beibehalten, um anzudeuten, daß der Strahl durch mehrere ver­ schiedene Strahlgutmaterialien gebildet sein kann.

Nach der Erfindung kann die Abkühlung und daraufhin erfolgende Kri­ stallisation des Wassers zu Eiskristallen sowohl vor dem Mischkopf, als auch im Mischkopf oder in besonders vorteilhafter Weise hinter dem Mischkopf, nämlich innerhalb des aus dem Düsenbereich des Mischkopfes austretenden und bereits zerstäubten Gemischstrahls erfolgen.

Werden die Eiskristalle bereits vor der Zerstäubung erzeugt, dem Misch­ kopf also bereits Eiskristalle zugeführt oder aber dort direkt erzeugt, etwa durch Zuführung eines als Kältemittel dienenden Druckgases anstatt Druckluft zum Mischbereich des Mischkopfes, so besteht, wie Vorversuche gezeigt haben, die Gefahr, daß sich im Düsenbereich des Mischkopfes Eis bildet, das den Durchtritt des Gemischstrahls behindert. Eine wirkungs­ volle Abhilfe besteht darin, diesen Düsenbereich lokal zu erwärmen.

Damit solche Schwierigkeiten jedoch von vornherein gar nicht erst auftreten können, wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung vorgeschlagen, erst den bereits zerstäubten Gemisch­ strahl zu kühlen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch direktes Einleiten gasförmiger Kältemittelstrahlen in den Gemischstrahl. Der durch den di­ rekten Kontakt bewirkte innige Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Wassertröpfchen gewährleistet eine sofortige Eiskristallbildung der fein­ zerstäubten Wasserpartikel.

Als gasförmige Kältemittel haben sich für diesen Zweck, insbesondere bei Wasser als Reinigungsmittel, beispielsweise Kohlendioxid und Freone be­ währt.

Um die Ausbreitung des kegelförmigen Gemischstrahls möglichst nicht zu behindern, wird der Strahl vorzugsweise von außen mit dem gasförmigen Kältemittel beaufschlagt, da in diesem Fall ein Aufbrechen des Strahls durch die Kältemittelzuleitung vermieden werden kann. Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, das Kältemittel aus ringförmig um den Gemischstrahl angeordneten Düsen so austreten zu lassen, daß die Kälte­ mittelstrahlen unter einem Winkel von 30 bis 60°, vorzugsweise jedoch unter einem Winkel von etwa 45°, zur Mittelachse des kegelförmigen Ge­ mischstrahles auftreffen.

Der Durchmesser des Ringes, auf dem die Kältemittelauslaßdüsen ange­ ordnet sind, sollte im Bereich von 5 bis 10 mm, vorzugsweise bei etwa 7 mm, liegen. Wenn dann der Abstand zwischen Ring und Düsenöffnung des Mischkopfes im Bereich von 3 bis 7 cm, bevorzugt zu etwa 5 cm, gewählt wird, ergibt sich eine Geometrie von Gemischstrahl und Kältemittelstrah­ len, durch die eine intensive Mischung der Strahlen zur Erzeugung einer ausreichenden Menge von Eiskristallen erzielt und gleichzeitig eine stö­ rende Beeinflussung der Rotationsbewegung dieser Partikel auf ein Min­ destmaß reduziert wird.

Das im Vorhergehenden beschriebene Verfahren ist jedoch nicht auf die ausschließliche Verwendung von Eiskristallen bzw. von Kristallpartikeln eines anderen geeigneten Reinigungsmittels beschränkt, sondern erlaubt in einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung auch die Verwendung eines Gemisches von Kristallpartikeln und mineralischen Strahlgutmaterialien, wie beispielsweise Dolomitstaub oder gemahlenen Walnußkernen. Durch die Beimischung kann die Korngrößenverteilung des Strahlguts gezielt beeinflußt werden, etwa indem die Beimischung gerade solche Korngrößen enthält, die im Zuge der Abkühlung und Kristallisation von Wasser bzw. eines anderen Reinigungsmittels nicht hergestellt werden können. Es ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Effekt, daß die Verwendung von Körnern unterschiedlicher Größe zu einer besseren Rei­ nigungswirkung als die von Körnern gleicher Größe führt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungs­ form unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei werden weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung offen­ bart. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung im Schnitt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einleitung gasförmigen Kältemittels in den Gemisch­ strahl; und

Fig. 3 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 2.

Die aus der Fig. 1 ersichtliche Vorrichtung, die allgemein als Mischkopf 10 bezeichnet wird und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, hat an der Zuführseite zwei Rohrstutzen mit Mittelachsen 12 und 14, durch welche die Strahlbestandteile in den Mischkopf 10 einge­ leitet werden. Entlang der Achse 12 wird einem Mischbereich 16 des Mischkopfes 10 ein unter Druck stehendes Gemisch aus zerstäubtem Was­ ser und Luft und entlang der Achse 14 Druckluft zugeführt. Die Druck­ verhältnisse in den beiden Rohrstutzen und im Mischbereich 16 werden dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt. Beide Rohrstutzen können durch jeweils eigene oder aber durch eine gemeinsame Druckluftquelle mit Druckluft versorgt werden.

Im Mischbereich 16 vermischen sich die beiden Teilstrahlen zu einem Ge­ samtstrahl, der, wie in der EP-PS 01 71 448 beschrieben wird, durch die Art der Strahlzusammenführung und die Geometrie des Mischbereichs 16 in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Dieser Gesamtstrahl breitet sich anschließend beim Austritt aus einem Düsenbereich 18 des Mischkopfes 10 kegelförmig entlang einer Kegelmittelachse 20 aus und trifft auf die Oberfläche 22 eines zu reinigenden Objektes auf.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Ausführungsform dieser Vorrichtung dargestellt, bei der auf dem Düsenbereich 18 des Mischkopfes 10 ein Aufsatz 30 angeordnet ist, über den gasförmiges Kältemittel 36 in den sich kegelförmig ausbreitenden rotierenden Gemischstrahl 19 eingeblasen wird.

Aus einem Kältemittelreservoir 44 wird über ein Regulierventil 42 und eine Zuführleitung 40 gasförmiges Kältemittel zu einem ringförmigen Rohr 32 geführt und über gleichmäßig, nämlich in gleichen Winkelabständen entlang des Ringes 32 verteilten Auslaßdüsen 34 von außen in den sich kegelförmig ausbreitenden Gemischstrahl 19 eingeblasen.

Das ringförmige Rohr 32 weist radial nach innen aus dem Ring 32 ragende Speichen 38 auf, deren dem Ring 32 gegenüberliegende Enden wiederum mittels eines Befestigungsrings 46 verbunden sind. Dieser Befestigungs­ ring 46 wird durch Schrauben 48 mit spitzen Enden auf die Außenseite des Düsenbereichs 16 des Mischkopfes 10 aufgeschraubt. In der darge­ stellten Ausführungsform besteht die Außenseite des Mischkopfes 10 aus Kunststoff, so daß sich durch diesen einfachen Kraftschluß eine sehr gute Verbindung ergibt.

Durch die ringförmige Anordnung der Kältemittelauslaßdüsen 34 außerhalb des kegelförmigen Gemischstrahles 19 wird jegliche unerwünschte appara­ tive Beeinflussung des Gemischstrahles 19 vermieden. Um nun auch noch bei möglichst intensivem Wäremaustausch zwischen Strahl 19 und Kälte­ mittel die Beeinträchtigung der Gemischstrahlausbreitung so gering wie möglich halten zu können, werden die Kältemittelstrahlen 36 in einem Abstand von 5 bis 10 cm vom Düsenauslaß 50 des Mischkopfes 10 auf den Gemischstrahl 19 gelenkt. Dazu werden bei der dargestellten Ausfüh­ rungsform der Durchmesser des ringförmigen Rohres 32 zu etwa 7 mm, der Abstand des Rohres 32 vom Düsenauslaß 50 zu etwa 5 cm und der Winkel, unter dem die Kältemittelstrahlen 36 zur Mittelachse 20 des Gemisch­ strahles 19 auftreffen, zu etwa 45 gewählt. Ein zu stumpfer Winkel, etwa ein Winkel größer als 60 °, würde den Gemischstrahl zu stark ein­ schnüren und darüberhinaus die Rotationsbewegung seiner Partikel über­ mäßig stark beeinträchtigen, während ein zu spitzer Winkel, kleiner als 30°, die Intensität des Wärmeaustauschs vermindert.

Eine eventuelle Beimischung mineralischer Strahlgutmaterialien geschieht wie in der Europäischen Patentschrift Nr. 0 171 448 detailliert beschrie­ ben, indem über den Rohrstutzen 14 statt Druckluft ein Strahlgut­ /Luftgemisch zugeführt wird.

Claims (19)

1. Verfahren zum Reinigen von Oberflächen, insbesondere von durch Um­ welteinflüsse verunreinigten und angegriffenen, empfindlichen Oberflächen mittels eines Strahls aus feinkörnigem Strahlgut und Luft, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Strahlgutes, das Partikel zumindest eines durch Abkühlung kristallisierten Reinigungsmittels enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abküh­ lung der zu kristallisierenden Bestandteile des Strahlgutes durch direkten Kontakt mit einem gasförmigen Kältemittel erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlgut Eiskristalle verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß Kohlendioxid als Kältemittel verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Freone als Kältemittel verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt des Kältemittels mit den zu kristallisierenden Bestand­ teilen des Strahlgutes im Stahl erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kälte­ mittel von außen in den Gemisch-Strahl eingeblasen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Strahlgut ein Granulat, insbesondere ein minerali­ sches Granulat oder Walnußschalen, verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wasser bzw. das Reinigungsmittel vor dem Versprühen des Strahls zu Partikeln kristallisiert wird.

10. Vorrichtung zum Reinigen von Oberflächen, insbesondere von durch Umwelteinflüsse verunreinigten und angegriffenen empfindlichen Oberflä­ chen

• a) mit einem Mischkopf zum Vermischen von Luft und einem flüssigen Reinigungsmittel, und
• b) mit einem Düsenbereich zum Versprühen eines Reinigungs-Strahls aus Luft und einem Granulat, gekennzeichnet durch
• c) eine Anordnung (30) zur Kristallisation des flüssigen Reinigungs­ mittels, dessen Kristalle als Granulat dienen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen in Sprüh­ richtung gesehen hinter dem Düsenbereich (18) angeordneten Aufsatz (30) zum Einblasen eines gasförmigen Kältemittels in den Strahl (19) des aus dem Düsenauslaß (50) austretenden Gemisches.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsatz (30) durch ein ringförmiges Rohr (32) mit darauf verteilten Käl­ temittelauslaßdüsen (34) gebildet wird, dem gasförmiges Kältemittel durch ein Regulierventil (42) dosiert über eine Zuleitung (40) zugeführt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Rohr (32) außerhalb des kegelförmigen Reinigungs-Strahles (19) und konzentrisch zu seiner Mittelachse (20) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Rohr (32) mittels aus der Ringebene herausragenden Speichen (38) auf der Außenseite des Düsenbereichs (18) des Mischkopfes (10) be­ festigt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser des Rohres (32) im Bereich von etwa 5 bis 10 mm liegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rohres (32) etwa 7 mm beträgt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand zwischen dem Rohr (32) und dem Düsenauslaß (50) im Bereich von etwa 3 bis 7 cm liegt, insbesondere etwa 5 cm be­ trägt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kältemittel in einem Abstand von etwa 5 bis 10 cm hinter dem Düsenauslaß (50) auf den Reinigungs-Strahl (19) trifft.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel zwischen den Kältemittelstrahlen (36) und der Mittelachse (20) des Reinigungs-Strahles im Bereich zwischen 30 ° und 60° liegt, insbesondere etwa 45° beträgt.