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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Produktion
eines Eispartikelstroms.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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In
den letzten Jahren hat das Interesse an der Verwendung von Verfahren
zum Schleuderstrahlen mit Eis zur Oberflächenbehandlung zugenommen.
Für bestimmte
Anwendungen liefert Schleuderstrahlen mit Eis beträchtliche
Vorteile gegenüber chemischer
Oberflächenbehandlung,
Strahlen mit Sand oder anderen abrasiven Materialien, Nassstrahlen
und Strahlen mit Dampf oder Trockeneis. Das Verfahren kann zur Entfernung
von losen Materialien, Zacken und Grat von Produktionsmetallkomponenten,
wie zum Beispiel Übertragungskanalplatten,
nach der maschinellen Bearbeitung, und sogar weicheren Materialien,
wie zum Beispiel organischer Polymermaterialien, einschließlich Kunststoff-
und Kautschukkomponenten, verwendet werden. Da Wasser sowohl in
gefrorener als auch in flüssiger Form
für die
Umwelt unbedenklich und auch kostengünstig ist, stellt Schleuderstrahlen
mit Eis hinsichtlich der Abfallentsorgung kein Problem da. Des Weiteren
kann das Verfahren zur Reinigung von Oberflächen, Entfernung von Farbe
oder Strippen von Verunreinigungen von einer Oberfläche ohne
Verwendung von Chemikalien, abrasiven Materialien, hohen Temperaturen
oder Dampf verwendet werden.
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Aufgrund
dieser offensichtlichen Vorteile hat Schleuderstrahlen mit Eis ein
großes
kommerzielles Interesse erweckt, das zur Entwicklung der verschiedensten
Technologien führt,
die zur Lieferung eines Eispartikel enthaltenden Hochdrucksprays
zur Durchführung
bestimmter Oberflächenbehandlungs- Prozeduren führen. Einige
dieser Technologien werden zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 2,699,403;
4,389,820; 4,617,084; 4,703,590; 4,744,181; 4,965,968; 5,203,794
und 5,367,838 gezeigt. Insbesondere Schrift Nr. -A-9 416 861 zeigt
ein Verfahren zur kontinuierlichen Produktion eines Eispartikelstroms,
wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- (a)
kontinuierliches Gefrieren von Wasser auf einer gekrümmten Oberfläche in eine
dünne,
gekrümmte
Eisschicht;
- (b) kontinuierliches Zerstückeln
der gekrümmten Eisschicht,
um Eispartikel zu bilden;
- (c) kontinuierliches Abtrennen zerstückelter Eispartikel von der
gekrümmten
Oberfläche,
indem die Eispartikel kontinuierlich veranlasst werden, während sie
gebildet werden, direkt in einen Luftstrom mit ausreichender Geschwindigkeit
einzufließen, um
die Partikel zu fluidisieren;
- (d) Aufrechterhalten der Eispartikel in einem fluidisierten
Zustand; und
- (e) kontinuierliches Ausstoßen
der fluidisierten Eispartikel unter kontrollierter Geschwindigkeit aus
einer Düse.
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Trotz
aller der Ausrüstung
für Schleuderstrahlen
mit Eis gewidmeten Anstrengung weist die derzeit verwendete Ausrüstung noch
immer große Nachteile
auf, die zu Jobunterbrechungen und Stillstandzeit für die Ausrüstungswartung
führen.
Dies ist besonders bei Verwendung von Schleuderstrahlen mit Eis
in einer kontinuierlichen automatisierten Produktionsstraße zur Oberflächenbehandlung
maschinell bearbeiteter Teile von Nachteil.
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Im
Allgemeinen werden bei der Ausrüstung nach
dem Stand der Technik die Eispartikel mechanisch dimensioniert,
ein Vorgang, der zu einem teilweisen Tauen von Eispartikeln führen kann,
so dass sie aneinander haften und so größere Partikel bilden. Infolgedessen
gibt es nicht nur die verschiedensten Größen von erzeugten Eispartikeln
und die verschiedensten Geschwindigkeiten, mit der diese Partikel aus
einer Düse
auf die zu behandelnde Oberfläche ausgestoßen werden,
sondern es kommt auch häufig zu
Blockierungen, die eine Ausrüstungsstillstandzeit zur
Säuberung
des blockierten Bereichs erfordern. Darüber hinaus werden die Eispartikel
in der zur Verfügung
stehenden Ausrüstung
in Lagerungstrichter aufbewahrt, wo sie sich physikalisch in Ruhe
befinden, während
sie miteinander in Kontakt sind. Dies führt dazu, dass die Eispartikel
aneinander haften und so größere Eisblöcke bilden,
die letztendlich aufgrund einer ungenügenden Zuführung von Eispartikeln zur
Strahldüse
zu Blockierungen mit daraus resultierendem Anhalten des Schleuderstrahlens
mit Eis führen.
Bei anderen Ausrüstungen
strömen
die Eispartikel entlang einem Weg mit sich abrupt ändernder
Strömungsquerschnittsfläche. Dies
verursacht häufig
die Ansammlung feiner Eispartikel in bestimmten Niederdruckbereichen.
Diese Ansammlung führt
letztendlich zu einer Blockierung in der Vorrichtung, wodurch verursacht
wird, dass das Schleuderstrahlen mit Eis zu einem nicht planmäßigen Stopp kommt.
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Deshalb
besteht Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Schleuderstrahlen
mit Eis, das unter minimaler Gefahr nicht planmäßiger Stopps aufgrund von in
der Vorrichtung entstehenden Eisblockierungen kontinuierlich durchgeführt werden
kann. Solch eine Vorrichtung und solch ein Verfahren zu ihrem Betrieb
gestattet effizienteres Schleuderstrahlen mit Eis, wodurch durch
unplanmäßige Stillstände entstehende
Arbeitskosten und durch das Säubern
der Ausrüstung
von Blockierungen entstehende Arbeitskosten reduziert werden und eine
leichtere Integration des Schleuderstrahlens mit Eis in eine automatisierte
Produktionsstraße
gestattet wird.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur kontinuierlichen Produktion eines
Eispartikelstroms bereit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- (a) kontinuierliches Gefrieren von Wasser auf
einer gekrümmten
Oberfläche
in eine dünne,
gekrümmte
Eisschicht, wobei eine Krümmung
der gekrümmten
Schicht und ein Temperaturgradient durch die gekrümmte Schicht
Spannungsrisse hervorrufen, wodurch die gekrümmte Schicht prädisponiert
ist, in Partikel zerstückelt
zu werden;
- (b) kontinuierliches Zerstückeln
der gekrümmten Eisschicht,
um Eispartikel zu bilden;
- (c) kontinuierliches Abtrennen zerstückelter Eispartikel von der
gekrümmten
Oberfläche,
indem die Eispartikel kontinuierlich veranlasst werden, während sie
gebildet werden, direkt in einen Luftstrom mit ausreichender Geschwindigkeit
einzufließen, um
die Partikel zu fluidisieren;
- (d) Aufrechterhalten der Eispartikel in einem fluidisierten
Zustand; und
- (e) kontinuierliches Ausstoßen
der fluidisierten Eispartikel unter kontrollierter Geschwindigkeit aus
einer Düse.
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Im
Allgemeinen kann die Erfindung unter Verwendung einer Eiserzeugungsvorrichtung
durchgeführt
werden, die eine gekrümmte,
gekühlte
Oberfläche
aufweist, auf der eine dünne
Eisschicht gebildet wird, die dann zu Eispartikeln zerstückelt wird, welche
fluidisiert und in einer Luftströmungsleitung befördert werden,
um auf die zu behandelnde Oberfläche
aufzutreffen. Die Leitung ist vorzugsweise glatt und weist eine
im Wesentlichen gleichmäßige Strömungsquerschnittsfläche auf,
um eine Agglomeration von Eisteilchen und eine sich draus ergebende Verstopfung
der Vorrichtung auf ein Minimum zu reduzieren.
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Die
Vorrichtung enthält
eine gekühlte
Einrichtung mit einer gekrümmten
Oberfläche,
wie zum Beispiel eine zylindrische Trommel, die vorzugsweise drehbar
angebracht ist, wobei die Außenflächen zur Bildung
einer dünnen
Eisschicht ausgeführt
sind. Bei einer Ausführungsform
ist die Trommel horizontal in einem Wasserbecken montiert. Da sich
die auf eine Oberflächentemperatur
von mindestens 0°C
gekühlte
Trommel in dem Becken dreht, bildet sich auf den zylindrischen Außenflächen der
Trommel eine dünne,
gekrümmte
Eisschicht. Ein Eisbrechwerkzeug, wie zum Beispiel ein Schabermesser,
ist in der Nähe der
mit Eis beschichteten Fläche
der Trommel angebracht und erstreckt sich entlang der Länge der Trommel.
Das Messer ist zum Abfangen einer Vorderkante der Eisschicht und
ihrer Zerstückelung
zu Eispartikeln beim Drehen der Trommel ausgerichtet. Ein Eisaufnahmerohr
befindet sich neben der Länge des
Schabermessers und erstreckt daran entlang und ist so ausgerichtet,
dass ein Längsschlitz
im Rohr die gebildeten Eispartikel aufnehmen kann. Ein Ende des
Rohrs ist mit einem Kaltluftversorgungsschlauch und das andere Ende
mit einem Eiszufuhrschlauch verbunden, der den Innenraum des Rohrs mit
Saugwirkung beaufschlagt. Der Zufuhrschlauch endet in einer Eisschleuderstrahldüse. Wenn
Eispartikel in das Eisaufnahmerohr eintreten, werden die Partikel
durch einen kontinuierlichen Kaltluftstrom in den Zufuhrschlauch
und somit in die Eisschleuderstrahldüse befördert. Die Strömungsleitung
der Eispartikel (Rohr und Schläuche)
weist eine im Wesentlichen glatte Innenfläche (das heißt, die
keine Hindernisse und Oberflächenunregelmäßigkeiten
aufweist) und eine im Wesentlichen gleiche Strömungsquerschnittsfläche auf,
wodurch Niedergeschwindigkeitsstellen, an denen sich Eispartikel
absetzen und ansammeln und Blockierungen verursachen können, vermieden
werden.
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Die
gekühlte
Trommel wird mit Wasser besprüht,
um die dünne
Eisschicht zu bilden. Die Trommel kann, wie bevorzugt, horizontal
angeordnet sein, um eine gleichmäßige Eisschicht
zu bilden, oder sie kann in einem Winkel geneigt sein. Bei einer
solchen Ausführungsform
der Erfindung ist die gekühlte Trommel
vertikal ausgerichtet, und Wasser wird auf die Trommel gesprüht, um eine
dünne,
gekrümmte Eisschicht
zu bilden. Wie oben erläutert,
erstreckt sich ein Schabermesser entlang der Länge der Trommel, um Eispartikel
von der Schicht in ein benachbartes sich dran entlang erstreckendes
Aufnahmerohr zu zerstückeln.
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Die
gekühlte
zylindrische Fläche
ist die Innenfläche
eines Rings. Mindestens eine Sprühdüse ist zum
Leiten von Wasser auf die zylindrischen Wände des Rings zwecks Bildung
einer dünnen
Eisschicht angebracht. Wie zuvor, wird ein sich entlang der Länge der
zylindrischen Wand erstreckendes Schabermesser dazu verwendet, Eispartikel
mit einer engen Größenverteilung
von der Eisschicht in einen Schlitz in einem Eisaufnahmerohr zu
zerstückeln,
das sich neben dem Messer und daran entlang erstreckt.
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Die
gesamte Vorrichtung zur Erzeugung von Eispartikeln ist in einem
Druckbehälter
eingeschlossen. Der Behälter
kann auf einem Druck in einem Bereich von ca. 20 bis ca. 150 psig
gehalten werden. Darüber
hinaus wird bei dieser Ausführungsform
der Vorrichtung druckbeaufschlagte Luft oder ein anderes druckbeaufschlagtes
Gas zugeführt,
die bzw. das die Eispartikel zu einer oder mehreren Düsen zum Schleuderstrahlen
auf eine Oberfläche
zuführt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
Eispartikel durch Gefrieren von Wasser zu einer dünnen, gekrümmten Eisschicht
hergestellt. Diese dünne,
gekrümmte
Eisschicht, die aufgrund der Krümmung
bereits Spannungen ausgesetzt ist, lässt sich relativ leicht zu
Eispartikel zerstückeln,
deren Größe von der
Dicke der Eisschicht und dem Krümmungsradius
abhängt.
Diese Eispartikel werden durch Saugdruck in einen Strom kalter,
trockener Luft gesaugt, die die Partikel fluidisiert und sie in
eine glatte Flächen
aufweisende Strömungsleitung
mitreißt, die
eine im Wesentlichen konstante Strömungsquerschnittsfläche aufweist.
Am Abschlussende der Strömungsleitung
werden die Eispartikel durch eine Düse mit hoher Geschwindigkeit
auf eine Oberfläche
eines Substrats ausgestoßen,
um je nach Geschwindigkeit der Eispartikel und des Luftstroms Entgraten,
Reinigen oder andere Vorgänge
durchzuführen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorhergehenden Aspekte und viele der zugehörigen Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden bei Verständnis
der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher;
es zeigen darin:
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1 eine Darstellung eines
Arbeiters, der eine Oberfläche
mit Eispartikeln aus einer Einrichtung zum Schleuderstrahlen mit
Eis strahlt;
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2 eine vereinfachte schematische
Darstellung der Eispartikelerzeugungsausrüstung;
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3 eine schematische perspektivische Ansicht
einer Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Schleuderstrahlen mit Eis;
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4A eine Endansicht einer
Ausführungsform,
die Details des Eisentfernungswerkzeugs und des Eisaufnahmerohrs
zeigt;
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4B eine Endansicht einer
Ausführungsform,
die Wassersprühdüsen zur
Bildung einer Eisschicht auf einer zylindrischen Fläche einer
sich drehenden gekühlten
Trommel enthält;
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4C eine schematische perspektivische Ansicht
einer Ausführungsform
des mit einem optionalen Fenster versehenen Eisaufnahmerohrs;
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5 ein Schema, das eine andere
Ausführungsform
der Eispartikelerzeugungsvorrichtung zeigt, wobei die sich drehende
gekühlte
Trommel vertikal ausgerichtet ist und einen Wasserstrahl zur Bildung
einer Eisschicht auf den Außenflächen der Trommel
empfängt;
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6 noch eine andere bevorzugte
Ausführungsform
der Eispartikelerzeugungsvorrichtung, bei der die sich drehende
Trommel eine zylindrische Innenfläche aufweist, auf der eine
dünne Eisschicht
gebildet und in ein Eisaufnahmerohr zerstückelt wird;
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7 eine schematische Querschnittsdarstellung
eines Eispartikelaufnahmerohrs, das in zwei Abschnitte zur Lieferung
zweier Ströme
aus fluidisierten Eispartikeln unterteilt ist;
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8 eine schematische Darstellung
einer Ausführungsform
der in einem Druckbehälter
eingeschlossenen und mit Druckluft versorgten Vorrichtung.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von
Eispartikeln und zum kontinuierlichen Zuführen dieser Eispartikel mit
einer kontrollierten hohen Geschwindigkeit auf ein Substrat dar.
Die Eispartikel werden durch Zerstückeln einer „dünnen, gekrümmten Schicht" aus Eis gebildet. In
der Beschreibung und in den Ansprüchen bedeutet dies eine Schicht
mit einer solchen Krümmung
und Dicke, dass die Schicht infolgedessen Restspannungen und einen
Temperaturgradienten aufweist, so dass sie zur leichten Zerstückelung
prädisponiert
ist. Ein Beispiel für
eine solche zylindrische Schicht ist eine Schicht mit einer Dicke
von 1,5 mm und einem Krümmungsradius
von ca. 100 mm. Vorzugsweise weist diese Schicht eine Dicke von
ca. 1,0 bis ca. 2,0 mm und einen Krümmungsradius von ca. 50 mm
bis ca. 150 mm auf. Natürlich
können
auch größere oder kleinere
Vorrichtungen verwendet werden.
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Die
Eispartikel werden gemäß der Erfindung in
konstanter Bewegung gehalten (und „fluidisiert"), so dass sie nicht
bezüglich
irgend eines Teils der Vorrichtung zum Stillstand kommen und nicht
miteinander in stationären
Kontakt kommen, um nicht aneinander zu haften und große Eispartikelblöcke zu bilden,
die Blockierungen in der Vorrichtung verursachen können. Des
Weiteren ist der Strömungsweg, entlang
dem die Eispartikel durch ein Fluidisiergas, wie zum Beispiel Kaltluft,
befördert
werden, glatt und weist keine abrupten Strömungsquerschnittsänderungen
auf, die zur Ablagerung und anschließenden Akkumulation von Eispartikeln
zur Bildung von Blockierungen führen
können.
Vorzugsweise weist die Strömungsleitung
einen Durchmesser von ca. 25 bis ca. 50 mm auf. Zur Minimierung
jeglichen Schmelzens von Eispartikeln, das zum anschließenden Aneinanderhaften
oder Ankleben und zu Blockierungen führen kann, werden Komponenten
der Vorrichtung, die mit Eispartikeln in Kontakt kommen, vorzugsweise
aus Materialien hergestellt, die glatt sind und eine geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Es werden Kunststoffe bevorzugt, insbesondere Antihaftkunststoffe,
wie zum Beispiel TEFLON, die als eine Innenbeschichtung verwendet
werden können.
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Die
Vorrichtung wird durch Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die bevorzugte
Ausführungsformen
der Vorrichtung zur Erzeugung von Eispartikeln und zu ihrer Zuführung durch
eine Düse auf
die Fläche
eines Substrats schematisch darstellen, besser verständlich.
Durch Bezugnahme auf die Ausführungsformen
der Figuren wird eine Erläuterung
der Aspekte der Erfindung vereinfacht.
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1 zeigt schematisch den
Vorgang des Schleuderstrahlens mit Eis. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung führt
ein einziger Eiserzeuger 10, der Eispartikel mit kontrollierten
Abmessungen erzeugt, wie später
beschrieben, fluidisierte Eispartikel in einen Eis- und Luftmediumzuführschlauch 52,
mit dem eine an einen Hochdruckschlauch 56, der Druckluft
aus der Vorrichtung 58, entweder einem Kompressor oder
einem Druckluftzylinder, empfängt,
befestigte Düse 54 verbunden
ist. Die Hochdruckluft wird der Düse 54 durch den Schlauch 56 zugeführt und
erzeugt hinter ihrem Eintrittspunkt in die Düse eine Saugwirkung, die Eispartikel
in den Zuführschlauch 52 saugt,
wie später
erläutert,
und die Bewegungsgeschwindigkeit der Eispartikel erhöht, so dass
sie unter der Steuerung eines Bedieners (oder unter automatischer
Steuerung) aus der Düse 54 auf
eine durch Schleuderstrahlen mit Eis zu behandelnde Oberfläche 80 ausgestoßen werden können. Wie
später
noch ersichtlich wird, wird der einzige Eiserzeuger 10 nicht
unbedingt selbst mit Druck beaufschlagt (obgleich dies bei einigen
Ausführungsformen
der Fall sein kann), sondern bei der dargestellten Ausführungsform
wird Luft durch einen Schlauch 50 dort hinein gesaugt,
und es wird ein Luft-Eis-Teilchengemisch
aus ihm durch den Zuführschlauch 52 der
Düse 54 zugeführt. Es
ist wichtig, zwischen dem Lufteinlass 30a des Rohrs 30 und
dem Luftauslass 30b einen ausreichenden Druckabfall aufrechtzuerhalten,
um einen ausreichenden Luftstrom zur Fluidisierung der gebildeten
Eispartikel und Beschleunigung der Partikel zu verursachen (siehe 2).
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Auf
die Ausführungsform
nach den 2, 3, 4A und 4B Bezug
nehmend, enthält
ein Eiserzeuger 10 ein Gehäuse 12, das teilweise
mit Wasser 13 gefüllt
ist. Eine zylindrische Trommel 14 mit einer Axialwelle 16 ist
drehbar so angebracht, dass ein Teil ihrer zylindrischen Außenfläche 15 mit
Wasser bedeckt ist, wenn das Gehäuse
eine Wasserarbeitsmenge enthält.
Die Trommel wird in der Regel durch mehrere Kanäle im Inneren der zylindrischen
Trommel gekühlt,
die ein Kühlmittel
befördern
(nicht gezeigt). Wie dargestellt, dreht sich die Trommel 14 entgegen
dem Uhrzeigersinn um ihre mit einem elektrischen Antriebsmotor 18 verbundene
Axialwelle 16 mit einer Geschwindigkeit, die die Bildung
einer ausreichend dicken Eislage auf ihrer Oberfläche gestattet.
Während
sich die Kühltrommel
dreht, gefriert mit ihrer zylindrischen Außenfläche in Kontakt stehendes Wasser
zur Bildung einer dünnen
Eisschicht 20. Diese Eisschicht wird zu einer anderen Seite
der Trommel um diese herum befördert,
wo sie als Eispartikel 20a entfernt werden kann. Dann dreht
sich die von Eis gesäuberte
Trommeloberfläche
weiter und tritt wieder in das Wasser ein, um eine Eisschicht zu
bilden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die dünne, gekrümmte Eisschicht infolge ihrer
Form und eines durch ihre Dicke verlaufenden Temperaturgradienten Spannungen
ausgesetzt ist, so dass sie prädisponiert
ist, in Eispartikel zerstückelt
zu werden. Die Größenverteilung
dieser Eispartikel hängt
von der Dicke, der Temperatur und dem Krümmungsradius der Eisschicht
ab, die wiederum von der Drehgeschwindigkeit und der Temperatur
der Trommel und dem Radius der Trommel 14 abhängen.
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Die
Komponenten der Vorrichtung, die die Eisschicht zerstückeln, werden
in den 4A und 4B näher gezeigt. Ein Eisentfernungswerkzeug
oder Schabermesser 22 ist an einem Träger 24 so angebracht,
dass sich die Spitze des Werkzeugs in einem Winkel von ca. 45° erstreckt,
um eine Vorderkante der Eisschicht 20 abzufangen. Das Schabermesser 22 und
sein Träger 24 erstrecken
sich im Wesentlichen entlang der ganzen Länge der zylindrischen Trommel 14,
wie in den 2 und 3 gezeigt. Wenn die Vorderkante
der Eisschicht auf die Spitze des Schabermessers 22 trifft,
wird somit die unter Spannung stehende Eisschicht in Eispartikel 20a erstückelt. Dann
gelangen die Eispartikel 20a in ein Rohr mit im Wesentlichen
gleichmäßiger Innenströmungsquerschnittsfläche, wobei
die Innenfläche
glatt ist, wie in den 4A und 4C gezeigt. Innerhalb dieser Zwänge kann
das Rohr eine beliebige vieler möglicher
Ausführungen
aufweisen, die für
einen Fachmann, der die Offenbarung gelesen hat, auf der Hand liegen.
Bei der dargestellten Ausführungsform
treten diese Eispartikel in einen Schlitz 28 eines Eisaufnahmerohrs 30 ein,
der im Wesentlichen über
die ganze Länge
der Trommel 14 verläuft.
Das in 4C gezeigte Rohr 30 mit
der glatten Innenfläche
ist so angebracht, dass ein Längsrand 26 des
Längsschlitzes durch
mechanischen Druck mit einem oberen Ende des Schabermessers 22 in
Kontakt steht und dagegen abgedichtet ist. Der andere Längsrand 27 des Schlitzes 28 krümmt sich über die
Eisschicht und nach hinten zur Vorderkante der Eisschicht, während er
sich nach unten in eine mit der Eisschicht 20 in berührender
Beziehung stehende Position erstreckt. Deshalb wird der Rand 27 gegen
die Oberfläche
der Eisschicht abgedichtet. Somit werden die Eispartikel 20a in
dem Schlitz aufgenommen und treten in das Eisaufnahmerohr 30 ein,
wo sie sofort fluidisiert und wegbefördert werden, wie später erläutert wird.
Um eine Inspektion des Inneren des Eisaufnahmerohrs 30 zu
gestatten, ist das Rohr wahlweise mit einem in einem Rahmen 35 festgehaltenen Längsglasfenster 34 versehen.
Das optionale Glasfenster 34 erstreckt sich entlang einer
wesentlichen Länge
der Oberseite des Eisaufnahmerohrs 30, wo ein entsprechender Abschnitt
des Rohrs entfernt worden ist. Das Eisaufnahmerohr ist an einem
Halter 40 befestigt, der sich entlang seiner oberen Außenseite
erstreckt. Der Halter 40 ist am Gehäuse 12 angebracht
und mit einem unten beschriebenen optionalen Warnsystem verbunden.
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Die
Vorrichtung weist vorzugsweise ein Warnsystem auf, das erfassen
soll, wenn das Eisaufnahmerohr überladen
worden ist oder blockiert wird. Unter diesen Umständen bewirkt
die kontinuierliche Drehung der Trommel, die zusätzliche Partikel in ein bereits
volles Rohr drückt,
dass das Rohr 30 von der Trommel 14 abgehoben
wird, wodurch der Halter 40 nach oben gedrängt wird.
Dieser Halter wird durch eine Reihe von Paaren von Druckhalteschrauben 42 bündig mit
der Oberseite des Gehäuses 12 festgehalten.
Jede dieser Schrauben weist eine sie umgebende Schraubenfeder 44 auf,
die sie zwischen einer Oberseite des Halters 40 und einer
Unterlegscheibe in der Nähe
des oberen Endes der Halteschraube 42 unter Druck hält. Wenn
der Halter nach oben gedrückt
wird, werden die Federn somit komprimiert. Diese Komprimierung wird
durch einen Sensor 45 erfasst und löst automatisch einen Alarm
aus. Dank dieses Systems kann eine potentielle oder tatsächliche
Blockierung frühzeitig
erfasst werden, so dass eine erforderliche Instandhaltung durchgeführt werden
kann. Wie erläutert,
sollte es jedoch nur äußerst selten
zu einer solchen Blockierung kommen, da die gebildeten Eispartikel
in einem fluidisierten Zustand und in konstanter Bewegung gehalten
werden und sich nicht absetzen und aneinander haften können, so
dass sich in der Regel keine Blockierungen bilden können. Blockierungen
können
jedoch durch nicht ausreichende Versorgung mit fluidisierter Luft
oder ein fehlausgerichtetes Schabermesser entstehen, was zu einem
nicht ausrechenden Zerstückeln
der Eisschicht führt.
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Erneut
auf die 2, 3 und 4 Bezug nehmend, ist ein Luftschlauch 50 mit
einem Lufteinlassende 30a des Eisaufnahmerohrs 30 verbunden,
und ein Medienzuführschlauch 52 (für Eis und
Luft) ist mit dem anderen Ende 30b des Rohrs verbunden.
Somit fluidisiert im Schlauch 50 zugeführte kalte Druckluft die Eispartikel 20a,
die in das Rohr 30 zerstückelt werden, und befördert diese
Partikel in den Medienzuführschlauch 52.
Wie unten erläutert,
ist das Eisaufnahmerohr 30 zwischen seiner Innenseite und
der Umgebung keinem hohen Druckdifferential ausgesetzt, befindet
sich aber bei einigen Ausführungsformen
nahe Atmosphärendruck.
Bei anderen Ausführungsformen
kann die ganze Vorrichtung, wie unten erläutert, in einem Druckbehälter eingeschlossen sein.
Von größerer Bedeutung
ist der Druckunterschied zwischen Lufteinlass des Rohrs und dem
Luftauslass.
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Vorzugsweise
besteht ein stufenloser Übergang
vom Rohr 30 zum Zuführschlauch 52,
so dass dem Eisstrom keine inneren Hindernisse im Wege sind, die
verursachen könnten,
dass Eispartikel sich absetzen, anhaften und ankleben und Blockierungen bilden.
Der Zuführschlauch,
der vorzugsweise eine glatte Innenauskleidung aufweist, endet in
einer Eisschleuderstrahldüse 54,
die von einem Bediener manuell gesteuert oder automatisch betrieben
werden kann. Wenn die Düse
abgestellt ist, leitet ein Umleitventil 62 das Medium durch
den Schlauch 64 zur Abfallentsorgung. Somit kann die Eiserzeugungsvorrichtung
kontinuierlich arbeiten, ohne dass sich Partikel 20a ansammeln,
wenn die Schleuderstrahlvorgänge
vorübergehend
unterbrochen sind. Dies vermeidet das Erfordernis eines Neustartens
der Vorrichtung und den mit dem Anfahren verbundenen instabilen
Betrieb und erleichtert den Neubeginn von Schleuderstrahlvorgängen.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist ein Hochdruckluftschlauch 56 mit dem hinteren Teil
der Düse 54 verbunden,
um durch Saugwirkung Eis in die Düse anzusaugen und die Partikel
mit einer kontrollierten Geschwindigkeit durch die Düse 54 auszutreiben.
Die Verbindung mit dem hinteren Teil der Düse mit zur Düsenspitze
gerichteter Luft erzeugt hinter der Düse eine Saugwirkung, so dass
Eispartikel von dem Eisaufnahmerohr 30 angezogen und zur Düse 54 ausgetrieben
werden. Somit wird das Rohr 30 durch durch den Schlauch 50 eintretende
Luft nicht mit Druck beaufschlagt, sondern Luft wird durch den Luftschlauch 50 angesaugt,
und diese Luft hält die
Eispartikel in konstanter Bewegung in einem fluidisierten Zustand.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform,
die in 4B dargestellt
wird, dreht sich die Trommel 14 nicht in einem Wasserbehälter. Stattdessen
ist die Trommel 14 zusammen mit mindestens einer Sprühdüse, die
zum Sprühen
von Wasser auf zylindrische Flächen
der Trommel ausgerichtet ist, in einem Behälter angebracht und bildet
dadurch eine Eisschicht auf der gekühlten Oberfläche. Wie
in 4B gezeigt, erstrecken
sich Wasserverteiler 72 in Längsrichtung entlang der Länge der
horizontal ausgerichteten Trommel 14 und sprühen Wasser
von der Düse 70 auf
die Außenfläche der
Trommel. Jegliches überschüssige Wasser
sammelt sich im Boden des Behälters
und kann abgelassen und zu den Düsen 70 zurückgeführt werden.
Obgleich eine horizontale Ausrichtung der Trommel 14 bevorzugt
wird, sind zur Bildung einer dünnen
Eisschicht natürlich
auch andere Ausrichtungen möglich.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Eiserzeugungsvorrichtung wird in 5 gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform
ist die Trommel 14 vertikal ausgerichtet und dreht sich
um eine mittlere Welle 16. Mindestens eine in der Nähe der zylindrischen
Trommel angebrachte Sprühdüse 70 leitet
einen Wasserstrahl auf die kalten zylindrischen Außenflächen 15 (von
mindestens 0°C)
der Trommel. Dieser Wasserstrahl gefriert bei Kontakt mit den Oberflächen zu
einer Eisschicht. Die gekrümmte
Eisschicht wird wieder in Eispartikel zerbrochen, wenn eine Vorderkante
der Schicht an eine Vorderkante eines Schabermessers stößt. Das
Messer ist an einem Träger
angebracht (nicht gezeigt) und erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen
entlang der Länge
der zylindrischen Fläche
parallel zur Axialwelle der Trommel. Ein Eisaufnahmerohr 30 erstreckt
sich entlang der Länge des
Schabermessers, und ein Längsschlitz
des Rohrs fängt
Eispartikel auf und leitet diese in den Raum im Rohr 30,
wie oben erläutert.
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Wie
zuvor ist ein Luftschlauch 50 an einem oberen offenen Ende 30a des
Rohrs 30 befestigt, während
ein Medienzuführschlauch 52 mit
dem unteren offenen Ende 30b des Aufnahmerohrs 30 verbunden
ist. Somit fluidisiert durch den Schlauch 50 angezogene
Luft Eispartikel im Rohr 30 und befördert die fluidisierten Partikel
in den Zuführschlauch 52 und von
dort zu einer Zuführdüse 54,
wie oben erläutert.
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Bei
noch einer anderen Ausführungsform, die
in 6 gezeigt wird, wird
die Eisschicht auf einer zylindrischen Innenfläche eines gekühlten zylindrischen
Rings 17 gebildet. Bei dieser Ausführungsform weist der gekühlte Ring 17 einen
zylindrischen Innenraum 75 auf, der von zylindrischen Wänden umgeben ist.
Der Ring wird zwischen drei sich drehenden Wellen 80, die
in einer dreieckigen Anordnung angebracht sind, durch Reibung gegen
seine Außenflächen festgehalten,
so dass er sich mit einer kontrollierten Geschwindigkeit dreht,
wenn sich die Wellen drehen. Wasser, vorzugsweise von den Düsen an einem
Verteiler 76, der sich parallel zur mittleren Achse des
Rings 17 erstreckt, wird auf die umgebenden kalten zylindrischen
Innenwände
des Rings 17 gesprüht.
Dieses Wasser gefriert zu einer Eisschicht, die durch ein sich in
Längsrichtung
erstreckendes Schabermesserwerkzeug zerstückelt wird, das zum Abfangen
der Vorderkante der Eisschicht innerhalb des zylindrischen Innenraums
angebracht ist. Wie oben erläutert,
werden die Eispartikel durch einen sich in Längsrichtung und im Wesentlichen
entlang der gesamten Länge
der zylindrischen Umgebungsfläche
im Rohr erstreckenden Schlitz in einem Eisaufnahmerohr 30 aufgenommen.
Ein oberes Ende 30a des Rohrs 30 steht mit einem
Luftversorgungsschlauch 50 in Strömungsverbindung, während ein unteres
Ende 30b des Rohrs mit einem Medienzuführschlauch 56 in Strömungsverbindung
steht. Somit fluidisiert in das obere offene Ende des Rohrs gesaugte
Luft Eispartikel im Rohr und befördert
die fluidisierten Eispartikel in den Zuführschlauch 52 zu einer
Eisschleuderstrahldüse 54.
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Des
Weiteren enthält
die Vorrichtung wahlweise ein Umleitventil 62 zum Umleiten
von Eispartikeln in einen Schlauch 64, wenn die Düse 54 abgestellt
ist, so dass der Eiserzeugungsprozess kontinuierlich ist.
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Es
kann eine Reihe von Rohren verwendet werden, so dass jedes Rohr
einen kontinuierlichen Strom von Eispartikeln zum Schleuderstrahlen
mit Eis zuführen
kann, oder ein einziges Rohr kann in mindestens zwei oder möglicherweise
mehr Rohrabschnitte unterteilt sein, die jeweils relativ unabhängig betrieben
werden können.
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Wenn
zum Beispiel die Vorder- und die Rückseite eines Substrats durch
Schleuderstrahlen mit Eis behandelt werden muss, gestattet somit
diese Ausführungsform
der Erfindung das gleichzeitige Strahlen beider Seiten. Bei bestimmten
Ausführungsformen
können
Düsen auf
beiden Seiten des Substrats angebracht sein, um beide Flächen automatisch zu überqueren,
wodurch sowohl die Vorder- als
auch die Rückseite
des Substrats behandelt wird.
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Bei
der in 7 gezeigten Ausführungsform ist
ein Eispartikelaufnahmerohr 30 durch eine mittlere Trennwand 30c in
zwei Rohrabschnitte 31 bzw. 33 unterteilt. Somit
tritt ein Luftversorgungsschlauch 55a in der Nähe der Trennwand 30c in
den Einlass 31a des Rohrabschnitts 31 ein. Vorzugsweise
ist der Schlauch 55a mit einem Steuerventil 57a ausgestattet,
um die Steuerung des Luftstroms durch den Rohrabschnitt 31 zu
unterstützen.
Wie oben erläutert,
ist ein Eispartikelabführschlauch 52b mit
dem offenen Ende 31b des Rohrabschnitts 31 verbunden, so
dass kontinuierlich Eispartikel aus dem Rohrabschnitt 31 in
den Schlauch 52b gesaugt und durch die Düse ausgetrieben
werden. Ebenso weist der Rohrabschnitt 33 einen Lufteinlassschlauch 55b auf,
der an seinem Einlass 33a befestigt ist. Der Auslass des Rohrabschnitts 33b ist
mit einem Eispartikelzuführschlauch 52a verbunden,
der fluidisierte Eispartikel zum Schleuderstrahlen mit Eis zur Düse saugt.
Somit kann der Aufnahmeschlauch 30 natürlich in eine Reihe von Abschnitten
zur Versorgung einer Reihe von Düsen
mit Eispartikeln unterteilt werden. Da die Luftzufuhr zu jeder Düse individuell
gesteuert werden kann, lässt
sich des Weiteren die Geschwindigkeit der aus der mit einem Eisrohrabschnitt
verbundenen Düse
austretenden Eispartikel individuell steuern.
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Wie
oben angedeutet, können
die Düsen
mit mechanischen/elektronischen Systemen zum automatischen Überqueren
von Oberflächen
eines stationären
oder sich bewegenden Substrats angeschlossen werden. Somit sind
das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung nicht auf eine manuelle
Betätigung
einer Eisschleuderstrahldüse
zur Behandlung einer Oberfläche
beschränkt.
Stattdessen eignet sich die Vorrichtung optimal zur automatischen
Reinigung einer durchgehenden Reihe von auf einer Fertigungsstraße hergestellten
Teilen, wie dies zum Beispiel in der Kraftfahrzeugindustrie üblich ist,
wo die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Schleuderstrahlen mit Eis zum Entgraten oder zur sonstigen Behandlung
von Oberflächen
von Teilen verwendet werden kann Die Erfindung bietet den wesentlichen
Vorteil eines kontinuierlichen Betriebs für längere Zeitdauern, wodurch ein
bei Verfahren nach dem Stand der Technik auftretendes großes Problem
gelöst wird.
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Wie
oben angedeutet, hängt
die Fluidisierung der Eispartikel von der Aufrechterhaltung des Druckverlustes
vom Lufteinlass zum Luftauslass des Rohrs 30 ab. Im Allgemeinen
gilt für
eine gegebene Rohrströmungsquerschnittsfläche: Je
größer der Druckabfall,
desto größer die
Zufuhr der fluidisierten Luft. Des Weiteren, je größer die
Menge an fluidisierter Luft pro Strömungsquerschnittsflächeneinheit, desto
höher der
Druck, bei dem die Eispartikel das Rohr 30 verlassen und
desto höher
der Druck an der Zufuhrdüse 54 (für eine gegebene
Länge Zuführschlauch 52).
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Gemäß der Ausführungsform
von 8 wird eine Vorrichtung
im Wesentlichen wie oben beschrieben in einem mit einem Druckmesser 74 ausgestatteten
Druckbehälter 72 offenbart.
In diesem Beispiel wird die Luft jedoch dem Rohr 30 durch
einen Schlauch 70 zugeführt,
der kaltes Druckfluid, wie zum Beispiel Luft, befördert. Während das
Rohr 30 mit Druck beaufschlagt ist, ist die Vorrichtung
in einem Druckbehälter 72 eingeschlossen,
so dass der Differenzdruck zwischen dem Inneren und dem Äußeren des
Rohrs 30 auf einer Höhe
gehalten wird, die das Rohr ohne Bruch tolerieren kann. Wenn die
kalte Druckluft in das Einlassende des Rohrs eingeleitet wird, fluidisiert
sie und befördert
die Eispartikel von dem Auslassende 30b des Rohrs, das
mit dem Zuführschlauch 52 und
somit mit der Düse 54 in
Strömungsverbindung
steht.
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Diese
besondere Ausführungsform
eignet sich insbesondere für
große
industrielle Anwendungen. In diesem Fall führt das Abführende eines Kompressors dem
Schlauch 70 Druckluft zu und kann auch mit einem Steuersystem
und einem Druckmesser 74 zur Regelung und Aufrechterhaltung
des Drucks des Druckbehälters 72 verwendet
werden.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zum Eisschleuderstrahlen von Oberflächen mit
Eispartikeln bereit. Gemäß dem Verfahren
wird Wasser vorzugsweise durch Gefrieren des Wassers auf einer zylindrischen
Fläche
zu einer dünnen,
gekrümmten
Eisschicht gefroren. Die Eisschicht weist eine solche Dicke auf,
dass Temperaturunterschiede zwischen ihren gegenüberliegenden gekrümmten Seiten
zu Spannungen führen,
die die Eisschicht prädisponieren,
zu Eispartikeln zerstückelt
zu werden. Diese Spannungsrisse aufweisende Eisschicht wird durch Aufschlagen
auf eine Vorderkante der Eisschicht durch eine Vorrichtung, wie
zum Beispiel ein Schabermesser, das sich entlang der Vorderkante
der Eisschicht erstreckt, zerstückelt.
Die Vorderkante der Eisschicht weist zum Erhalt von Eispartikeln
mit gleichmäßigerer
Größe vorzugsweise
entlang ihrer Länge
eine im Wesentlichen gleichförmige
Dicke auf. Die zerstückelten
Eispartikel werden durch Saugwirkung in ein Rohr gesaugt, wo die
Eispartikel in Kaltluft oder in einem anderen Gas, ohne zu schmelzen,
fluidisiert werden. Dann werden die fluidisierten Eispartikel in
einen Zuführschlauch
befördert,
von dem die Eispartikel durch eine Düse auf eine gerade mit Schleuderstrahlen
mit Eis behandelte Oberfläche ausgestoßen werden.
Um die in das Rohr eintretenden Eispartikel zu fluidisieren, zu
befördern
und zu beschleunigen, wird bei einer Ausführungsform Hochdruckluft in
die Düse
eingeleitet, wodurch hinter ihrem Eintrittspunkt in die Düse ein Niederdruckbereich
erzeugt wird. Der Niederdruckbereich steht mit dem Zufuhrschlauch
in Strömungsverbindung
und saugt Eispartikel aus dem Zerstückelungsschritt in das Rohr
und somit in den Zufuhrschlauch. Der höhere Druck in der Umgebung
der Düsenspitze
vor der Eintrittsstelle der Hochdruckluft beschleunigt die Eispartikel
für das
Schleuderstrahlen mit Eis. Bei einer anderen Ausführungsform
wird Druckluft/-gas zur Fluidisierung der Eispartikel im Rohr und
Beförderung
der Partikel zu einer Düsenspitze
verwendet.