EP1785679A1 - Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung - Google Patents

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EP1785679A1
EP1785679A1 EP06000207A EP06000207A EP1785679A1 EP 1785679 A1 EP1785679 A1 EP 1785679A1 EP 06000207 A EP06000207 A EP 06000207A EP 06000207 A EP06000207 A EP 06000207A EP 1785679 A1 EP1785679 A1 EP 1785679A1
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EP
European Patent Office
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pressure vessel
gas
heating
pressure
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06000207A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Heinrich
Heinrich Kreye
Tobias Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Priority to US12/091,942 priority patent/US8249439B2/en
Priority to JP2008539342A priority patent/JP5039049B2/ja
Priority to EP06828986A priority patent/EP1946012A1/de
Publication of EP1785679A1 publication Critical patent/EP1785679A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0052—Details for air heaters
    • F24H9/0057—Guiding means
    • F24H9/0063—Guiding means in air channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/1606—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air
    • B05B7/1613—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air comprising means for heating the atomising fluid before mixing with the material to be sprayed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/02—Air heaters with forced circulation
    • F24H3/04—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element
    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/02—Casings; Cover lids; Ornamental panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1481—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material
    • B05B7/1486—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material for spraying particulate material in dry state

Definitions

  • the invention relates to a device for high pressure gas heating, wherein the gas is heated in a pressurized container.
  • the invention relates to a device for high-pressure gas heating for a coating device for substrate materials with a gas-flowed pressure vessel, a heating element arranged in the pressure vessel and an insulation.
  • powder particles from 1 .mu.m to 100 .mu.m are accelerated in a gas stream to speeds of 200 m / s to 1600 m / s, without melting or fusing, and sprayed onto the surface to be coated, the substrate.
  • Only upon impact with the substrate does the temperature increase at the colliding interfaces due to plastic deformation under very high strain rates and leads to welding of the powder material to the substrate as well as to each other. For this, however, a minimum impact speed must be exceeded, the so-called critical speed.
  • the mechanism and quality of welding is comparable to explosive welding.
  • the particle temperature increases upon impact with the process gas temperature. This leads to a thermal softening and ductilization of the spray material, which lowers the critical velocity of the impacting particles.
  • raising the process gas temperature increases both particle velocity and particle temperature upon impact. Both have a positive effect on the order efficiency and coating quality.
  • the process gas temperature always remains below the melting temperature of the spray material used. In the cold gas spraying method, therefore, a "colder" gas is used in comparison to other spraying methods in which the powder particles are melted by the gas. As with fuel injection methods, in which filler metals are melted by hot gas, the gas also has to be heated during cold gas spraying.
  • gas at high pressure is necessary.
  • the gas can be passed through a pressure vessel in which a heating element takes place.
  • the pressure vessel is thus subjected to high temperatures and pressures from the inside. If the temperature can directly affect the pressure vessel, expensive or difficult-to-process high-temperature materials have to be used, or the pressure vessel becomes relatively heavy due to its size and the required wall thicknesses.
  • a heater with such a pressure vessel is difficult to handle because of the high weight and has a high thermal inertia. The heat dissipation via the pressure vessel leads to losses in the heat output.
  • the device for coating substrate materials comprises a device for heating the gas, which in one embodiment comprises an electrical resistance heater.
  • the device for heating the gas is arranged after a gas buffer container.
  • a disadvantage of this prior art is that the device for heating the gas requires a pressure vessel, which is relatively heavy because of its temperature resistance and, when it is attached to a spray gun, prevents the operation of the spray gun. Due to the necessary large material thicknesses of the pressure vessel, this is also thermally inert.
  • a device for high-pressure gas heating which comprises a gas-flowed pressure vessel, a heating element arranged in the pressure vessel and an insulation, wherein the insulation is arranged on the inner wall of the pressure vessel and means for heat dissipation of the pressure vessel are present, so that Pressure vessel has a lower temperature than the heated gas.
  • the high-pressure gas-heating apparatus releases gas with gas outlet temperatures of 100 to 1100 ° C, preferably 700 to 900 ° C.
  • gas outlet temperatures 100 to 1100 ° C, preferably 700 to 900 ° C.
  • only selected steels can be used for a limited time or special high-temperature materials, since otherwise softening of the material and deformation due to creep occurs and only a very low creep rupture strength of most materials is given.
  • the device for high-pressure gas heating gas heated from a pressure of 15 to 100 bar, in particular in the range of 25 to 60 bar a large amount of energy is transferred from the high-tension gas to the wall of the pressure vessel.
  • the inventive design of a device for high-pressure gas heating the energy transfer is reduced to the wall of the pressure vessel by the internally arranged insulation.
  • the temperature of the pressure vessel is reduced compared to the hot gas to 60% of the hot gas temperature, preferably to less than 40% and with appropriate design less than 20% of the temperature of the hot gas, measured in ° C.
  • the pressure vessel can therefore be designed with a significantly lower wall thickness and is lighter, so that the device for high-pressure gas heating can also be integrated into a spray gun. Due to the reduced heat transfer to the pressure vessel, the device for high-pressure gas heating is not thermally inert and reacts quickly when the temperature of the gas is to be changed. Next heat losses are avoided in continuous operation by the insulation on the inside of the pressure vessel.
  • On the outer surfaces of cooling fins may be formed.
  • the pressure vessel temperature is less than 600 ° C.
  • the pressure vessel may for example consist of steel and / or titanium or a titanium alloy.
  • pressure vessel temperature is reduced to less than 600 ° C by insulation and external heat dissipation, a pressure vessel with significantly lower wall thickness can be used when using a high-temperature material.
  • pressure vessels made of steel, titanium or titanium alloy can be used. Lowering the tank temperature further below 400 ° C results in a significant reduction in weight.
  • the pressure vessel temperature is less than 200 ° C.
  • the pressure vessel may be made of aluminum or aluminum alloys.
  • Aluminum is a not only lightweight, but also inexpensive construction possible.
  • a flow distribution element is arranged in an inflow region of the pressure vessel, which distributes the inflowing gas over the entire width of the heating element.
  • the flow distribution element may consist of a double cone or perforated disks, a grid, guide plates or a diverging inlet section.
  • Highly compressed gas has a high density and at the same flow cross section and same mass flow compared to non-compressed gas, a significantly lower flow velocity. Therefore, when using compressed gas under otherwise identical conditions, the flow resistance is significantly lower and the driving force for a uniform distribution of the gas over the entire flow cross section is missing. In order to ensure a uniform flow of the heating element, therefore, the gas flow through the flow distribution element is distributed evenly over the cross section of the pressure vessel.
  • the heating element consists of electrical heating wires.
  • Such a heating element in the form of a so-called filament heater is electrically heated and advantageously produces no combustion residues.
  • the heating wires on power supplies which are resistant to heat and have heat-resistant passages through the wall of the pressure vessel.
  • the device forms a replaceable unit with easily detachable connections for the gas supply and gas discharge.
  • the pressure vessel can be designed for pressures of 25 to 60 bar and the heating element can heat the gas to 700 ° C to 900 ° C.
  • the device for high-pressure gas heating then works in favorable for cold gas spraying temperature and pressure ranges.
  • Higher gas temperatures increase the speed of sound of the gas and thus the flow rate in a nozzle e.g. a coating device. Particles are accelerated more and bounce at a higher speed on a substrate to be coated. Also, the particle temperature at impact is higher.
  • the particle material is thermally softened and ductilised. Higher gas pressures lead to a higher gas density in the gas flow, and thus promote the acceleration of the particles, in particular the acceleration of coarser particles.
  • Coarser particles (25 to 100 ⁇ m in diameter) are very important for producing high-quality coatings.
  • the object is also achieved by a coating device for substrate materials in which at least one device for high-pressure gas heating is present.
  • One or more of the high-pressure gas-heating devices can be arranged in or on a spray gun and further can be arranged in a stationary part of the coating device, which are then connected in series via a hot gas hose to the spray gun.
  • Fig. 1 shows schematically a device according to the invention as a rotationally symmetrical component in longitudinal section, which is used in the present example in a coating apparatus for cold gas spraying.
  • the pressure vessel 1 has on its inside an insulation 2.
  • a heating element 3 is arranged, here in the form of a filament heater, which consists of a plurality of electrical heating wires.
  • the gas to be heated is supplied to the pressure vessel 1 via a gas supply line 4.
  • the pressure vessel 1 is a rotationally symmetrical body, in which a double cone 5 lying in the gas stream indicated by the arrows ensures a uniform distribution of the gas over the cross section of the heating element 3.
  • the heated gas is led out of the pressure vessel 1 via a gas outlet 6.
  • the inventive device for high-pressure gas heating forms a standardized unit that is easily replaceable, z. B. in case of repair, or to arrange several consecutively.
  • the heating element 3 can be configured as easily replaceable heating cartridge. As a result, the heating element 3 can be easily replaced in case of repair.
  • the gas flows through the pressure vessel 1, wherein it is distributed uniformly over the cross section of the heating element 3 by the double cone 5, as shown by the arrows. Due to the internal insulation 2 is achieved that only a small amount of heat energy reaches the wall of the pressure vessel 1. At the same time heat of the pressure vessel 1 is discharged to the environment via the outer surface regions 7, so that the pressure vessel 1 is cooled and has a considerably lower temperature than the heated gas.
  • the pressure vessel 1 can therefore be relatively thin-walled and lightweight.
  • the design of the device for high pressure gas heating such as strength of the insulation, gas distribution, heating via heating wires allows for compact design and high power density reaching very high gas temperatures for a wide range of gas pressures.
  • FIGS. 2 to 6 schematically show further embodiments of the flow distribution element of the device according to the invention of FIG. 1 in longitudinal section.
  • Schematically illustrated is the front part of the pressure vessel 1 with the gas supply line
  • a perforated disc 10 is arranged so that it causes a uniform gas distribution, and in FIG Gas through a combination of double cone 5 and the perforated disc 10 distributed.
  • Fig. 6 shows an embodiment in which the pressure vessel 1 in the region which adjoins directly to the gas supply line 4, is designed as a divergent inlet section 11.
  • the high pressure gas heating apparatus of the present invention may also be used in other areas where high pressure gases must be heated, such as atomizing melts with hot gases.
  • the inventive device for high-pressure gas heating allows a compact design with length to diameter ratios between 1 and 5 and high power densities of 1 to 8 kW / kg at a high power volume of eg 5 to 25 kW / l.
  • the design of the device as a unit allows quick replacement of a defective high pressure gas heating device.
  • particularly favorable impact temperatures of the sprayed cold spray particles between 200 and 600 ° C can be achieved with high impact speed by gas temperatures of 600 to 1100 ° C, in particular from 800 to 1100 ° C can be very flexibly selected.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung weist einen von Gas durchströmten Druckbehälter (1), ein in dem Druckbehälter (1) angeordnetes Heizelement (3) und eine Isolierung (2) auf. Die Isolierung (2) ist auf der Innenwand des Druckbehälters (1) angeordnet und es sind Mittel zur Wärmeabfuhr des Druckbehälters (1) vorhanden, so dass der Druckbehälter (1) eine niedrigere Temperatur als das erhitzte Gas hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung, bei der Gas in einem unter Druck stehenden Behälter erhitzt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung für eine Beschichtungsvorrichtung für Substratwerkstoffe mit einem von Gas durchströmten Druckbehälter, einem in dem Druckbehälter angeordneten Heizelement und einer Isolierung.
  • Beim Kaltgasspritzen oder dem kinetischen Spritzen werden Pulverpartikel von 1 µm bis 100 µm in einem Gasstrom auf Geschwindigkeiten von 200 m/s bis 1600 m/s beschleunigt, ohne dabei an- oder aufzuschmelzen, und auf die zu beschichtende Fläche, das Substrat, gespritzt. Erst beim Aufprall auf das Substrat steigt durch plastische Verformung unter sehr hohen Dehnraten die Temperatur an den kollidierenden Grenzflächen und führt zu einer Verschweißungen des Pulverwerkstoffs mit dem Substrat sowie untereinander. Dazu muss jedoch eine Mindestaufprallgeschwindigkeit überschritten werden, die so genannte kritische Geschwindigkeit. Der Mechanismus und die Qualität der Verschweißung ist mit dem Explosivschweißen vergleichbar. Durch Aufheizen des Prozessgases wird die Schallgeschwindigkeit des Gases, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Düse und somit auch die Partikelgeschwindigkeit beim Aufprall gesteigert. Zudem erhöht sich die Partikeltemperatur beim Aufprall mit der Prozessgastemperatur. Dies führt zu einer thermischen Erweichung und Duktilisierung des Spritzwerkstoffes, welches die kritische Geschwindigkeit der aufprallenden Partikel absenkt. Somit erhöht sich durch Anheben der Prozessgastemperatur sowohl die Partikelgeschwindigkeit als auch die Partikeltemperatur beim Aufprall. Beides wirkt sich positiv auf den Auftragswirkungsgrad und Schichtqualität aus. Die Prozessgastemperatur bleibt dabei immer unter der Schmelztemperatur des verwendeten Spritzwerkstoffes. Beim Kaltgasspritzverfahren wird also ein im Vergleich zu anderen Spritzverfahren, bei denen die Pulverpartikel durch das Gas geschmolzen werden, "kälteres" Gas benutzt. Ebenso wie bei Spritverfahren, bei denen Zusatzwerkstoffe durch heißes Gas aufgeschmolzen wird, muss auch beim Kaltgasspritzen folglich das Gas erhitzt werden.
  • Um Pulverpartikel, insbesondere gröbere Partikel zwischen 25 und 100 µm stark beschleunigen zu können, ist Gas mit hohem Druck nötig. Zum Erhitzen, kann das Gas durch einen Druckbehälter geleitet werden, in dem ein Heizelement Platz findet. Der Druckbehälter wird somit von innen mit hohen Temperaturen und Drücken beaufschlagt. Wenn sich die Temperatur direkt auf den Druckbehälter auswirken kann, führt dies dazu, dass teure und schwer zu verarbeitende Hochtemperaturwerkstoffe Verwendung finden müssen oder der Druckbehälter durch seine Größe und die nötigen Wandstärken relativ schwer wird. Eine Heizvorrichtung mit einem solchen Druckbehälter ist wegen des hohen Gewichts schwer zu handhaben und besitzt eine hohe thermische Trägheit. Die Wärmeabfuhr über den Druckbehälter führt zu Verlusten bei der Heizleistung.
  • Aus der DE 197 56 594 A1 ist eine Vorrichtung zum Beschichten von Substratswerkstoffen durch thermisches Spritzen bekannt, mit der Pulverpartikel gespritzt werden können. Die Vorrichtung zum Beschichten von Substratswerkstoffen umfasst eine Vorrichtung zum Erhitzten des Gases, die in einer Ausführungsform eine elektrische Widerstandsheizung umfasst. Die Vorrichtung zum Erhitzen des Gases ist dabei nach einem Gaspufferbehälter angeordnet.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass die Vorrichtung zum Erhitzen des Gases einen Druckbehälter benötigt, der wegen seiner Temperaturbeständigkeit relativ schwer ist und, wenn er an einer Spritzpistole angebracht ist, beim Bedienen der Spritzpistole hindert. Durch die nötigen großen Materialstärken des Druckbehälters ist dieser auch thermisch träge.
  • Weiter ist aus der Druckschrift bekannt, heißes Gas führende Leitungen zu isolieren.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung zur Verfügung zustellen, die mit hohen Drücken und hohen Temperaturen arbeiten kann und dabei dennoch leicht ist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung für eine Beschichtungsvorrichtung für Substratwerkstoffe zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung für eine Beschichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie eine Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtungen werden durch die Unteransprüche angegeben.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung gelöst, die einen von Gas durchströmten Druckbehälter, ein in dem Druckbehälter angeordnetes Heizelement und eine Isolierung aufweist, wobei die Isolierung auf der Innenwand des Druckbehälters angeordnet ist und Mittel zur Wärmeabfuhr des Druckbehälters vorhanden sind, so dass der Druckbehälter eine niedrigere Temperatur als das erhitzte Gas hat.
  • Die Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung gibt Gas mit Gasaustrittstemperaturen von 100 bis 1100 °C, bevorzugt von 700 bis 900°C ab. Insbesondere im oberen Temperaturbereich der genannten Werte können nur noch ausgewählte Stähle für begrenzte Zeit oder spezielle Hochtemperaturwerkstoffe eingesetzt werden, da es ansonsten zu einer Erweichung des Werkstoffes und zu einer Verformung durch Kriechen kommt und nur noch eine sehr geringe Zeitstandfestigkeit der meisten Werkstoffe gegeben ist. Da die Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung Gas von einem Druck von 15 bis 100 bar, insbesondere im Bereich von 25 bis 60 bar erhitzt, wird von dem hochgespannten Gas eine große Energiemenge auf die Wand des Druckbehälters übertragen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung wird durch die innen angeordnete Isolierung die Energieübertragung auf die Wand des Druckbehälters vermindert. Durch die Mittel zur Wärmeabfuhr wird die Temperatur des Druckbehälters gegenüber dem heißen Gas auf 60% der Heißgastemperatur, bevorzugt auf weniger als 40% und bei entsprechender Auslegung weniger als 20% der Temperatur des heißen Gases herabgesetzt, gemessen in °C. Im letzteren Fall ergeben sich Temperaturen des Druckbehälters von unter 220°C, bei denen z.B. Stahl noch keine wesentliche Verminderung seiner Festigkeit zeigt. Der Druckbehälter kann daher mit einer erheblich geringeren Wandstärke ausgeführt werden und ist leichter, so dass die Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung auch in eine Spritzpistole integriert werden kann. Durch die verminderte Wärmeabgabe an den Druckbehälter ist die Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung nicht thermisch träge und reagiert schnell, wenn die Temperatur des Gases geändert werden soll. Weiter werden durch die Isolierung auf der Innenseite des Druckbehälters Wärmeverluste im Dauerbetrieb vermieden.
  • Vorteilhaft sind die Mittel zur Wärmeabfuhr mit der Umgebungsluft direkt in Kontakt stehende Außenflächenbereiche des Druckbehälters. An den Außenflächen können Kühlrippen angeformt sein.
  • Durch die Isolierung von innen werden trotz der hohen Energieübertragung durch unter hohem Druck stehendes Gas die Verluste durch Wärmeabfuhr gering gehalten und bereits durch freie Flächenbereiche der Außenseite des Druckbehälters, die mit der Umgebungsluft in direktem Kontakt sind, eine niedrige Temperatur des Druckbehälters sichergestellt. Sollte dennoch sich eine noch zu hohe Druckbehältertemperatur einstellen, können auch Kühlrippen, Gas- oder Flüssigkeitsströmungen oder auch beides in Verbindung zur Kühlung des Druckbehälters eingesetzt werden.
  • Vorteilhaft beträgt die Druckbehältertemperatur weniger als 600°C. Der Druckbehälter kann beispielsweise aus Stahl und/oder Titan bzw. einer Titanlegierung bestehen.
  • Wird die Druckbehältertemperatur durch Isolation und äußere Wärmeabfuhr auf unter 600°C reduziert, kann bei Verwendung eines Hochtemperaturwerkstoffes ein Druckbehälter mit deutlich geringerer Wandstärke verwendet werden. Auch können Druckbehälter aus Stahl, Titan oder Titanlegierung verwendet werden. Wird die Druckbehältertemperatur weiter auf unter 400°C gesenkt, ergibt dich eine deutliche Reduzierung des Gewichts.
  • In vorteilhafter Ausführung beträgt die Druckbehältertemperatur weniger als 200°C. Der Druckbehälter kann aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehen.
  • Dies ermöglicht eine Konstruktion aus Leichbauwerkstoffen, insbesondere Aluminium und Aluminiumlegierungen. Durch Aluminium ist eine nicht nur leichte, sondern auch preisgünstige Konstruktion möglich.
  • In günstiger Ausführung ist in einem Einströmbereich des Druckbehälters ein Strömungsverteilungselement angeordnet, welches das einströmende Gas über die gesamte Breite des Heizelements verteilt. Das Strömungsverteilungselement kann aus einem Doppelkegel oder aus Lochscheiben, einem Gitter, Führungsblechen oder einer divergierenden Einlaufstrecke bestehen.
  • Stark komprimiertes Gas hat eine hohe Dichte und bei gleichem Strömungsquerschnitt und gleichem Massenfluss im Vergleich zu nicht komprimiertem Gas eine deutlich geringere Strömungsgeschwindigkeit. Daher ist bei der Verwendung komprimierten Gases unter sonst gleichen Bedingungen der Strömungswiderstand deutlich geringer und die treibende Kraft für eine gleichmäßige Verteilung des Gases über dem gesamten Strömungsquerschnitt fehlt. Um eine gleichmäßige Anströmung des Heizelements sicherzustellen, wird daher der Gasstrom durch das Strömungsverteilungselement gezielt über den Querschnitt des Druckbehälters gleichmäßig verteilt.
  • In günstiger Ausführungsform besteht das Heizelement aus elektrischen Heizdrähten.
  • Ein solches Heizelement in Form eines so genannten Filamentheizers wird elektrisch beheizt und erzeugt vorteilhaft keine Verbrennungsrückstände.
  • In günstiger Ausführungsform weisen die Heizdrähte Stromzuführungen auf, die hitzebeständig sind und hitzebeständige Durchführungen durch die Wand des Druckbehälters haben.
  • Dadurch kann bereits erhitztes Gas der Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung zugeführt werden, da die Stromzuführungen nicht in einem kalten Gasstrom liegen müssen.
  • In günstiger Ausführungsform bildet die Vorrichtung eine auswechselbare Einheit mit leicht lösbaren Anschlüssen für die Gaszuleitung und Gasableitung.
  • Dadurch ist es möglich, mehrere Vorrichtungen hintereinander zu schalten, insbesondere, wenn der Gaszuleitungsanschluss an den Gasableitungsanschluss passt. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung an die geforderte Leistung und das Erreichen sehr hoher Gastemperaturen. Schließlich wird ein leichtes Auswechseln im Reparaturfall ermöglicht.
  • Der Druckbehälter kann für Drücke von 25 bis 60 bar ausgelegt sein und das Heizelement das Gas auf 700°C bis 900°C aufheizen.
  • Vorteilhaft arbeitet die Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung dann in für das Kaltgasspritzen günstigen Temperatur- und Druckbereichen. Höhere Gastemperaturen erhöhen die Schallgeschwindigkeit des Gases und damit die Strömungsgeschwindigkeit in einer Düse z.B. einer Beschichtungsvorrichtung. Partikel werden stärker beschleunigt und prallen mit höherer Geschwindigkeit auf ein zu beschichtendes Substrat. Auch die Partikeltemperatur beim Aufprall wird höher. Der Partikelwerkstoff wird thermisch erweicht und duktilisiert. Höhere Gasdrücke führen zu einer höheren Gasdichte in der Gasströmung, und begünstigen damit die Beschleunigung der Partikel, insbesondere die Beschleunigung gröberer Partikel. Gröbere Partikel (Durchmesser von 25 bis 100 µm) haben eine hohe Bedeutung, um qualitativ hochwertige Schichten herstellen zu können.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Beschichtungsvorrichtung für Substratwerkstoffe, bei der zumindest eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung vorhanden ist. Eine oder auch mehrere der Vorrichtungen zur Hochdruckgaserhitzung können in oder an einer Spritzpistole und weitere können in einem stationären Teil der Beschichtungsvorrichtung angeordnet sein, die dann über einem Heißgasschlauch mit der Spritzpistole in Reihe verbunden sind.
  • Dadurch wird eine hohe Gastemperatur erreicht und dennoch ein geringes Gewicht der Spritzpistole.
  • Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
    • Fig. 1
    schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung als rotationssymmetrisches Bauteil im Längsschnitt und
    Fig. 2
    bis Fig. 6 schematisch weitere Ausführungen des Strömungsverteilungselements der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fig. 1 im Längsschnitt.
  • Die Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung als rotationssymmetrisches Bauteil im Längsschnitt, die im vorliegenden Beispiel bei einer Beschichtungsvorrichtung für das Kaltgasspritzen benutzt wird. Der Druckbehälter 1 weist auf seiner Innenseite eine Isolierung 2 auf. Im Inneren des Druckbehälters 1 ist ein Heizelement 3 angeordnet, hier in Form eines Filamentheizers, der aus einer Vielzahl von elektrischen Heizdrähten besteht. Das aufzuheizende Gas wird dem Druckbehälter 1 über eine Gaszuleitung 4 zugeführt. In dem vorliegenden Beispiel ist der Druckbehälter 1 ein rotationssymmetrischer Körper, bei dem ein in dem durch die Pfeile angedeuteten Gasstrom liegender Doppelkegel 5 für eine gleichmäßige Verteilung des Gases über den Querschnitt des Heizelements 3 sorgt. Das erhitzte Gas wird über eine Gasableitung 6 aus dem Druckbehälter 1 herausgeleitet. Außenflächenbereiche 7 stehen mit der Umgebungsluft direkt in Kontakt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung bildet eine standardisierte Einheit, die leicht auswechselbar ist, z. B. im Reparaturfall, oder um mehrere hintereinander anzuordnen. Auch das Heizelement 3 kann als leicht auswechselbare Heizpatrone ausgestaltet sein. Dadurch lässt sich das Heizelement 3 in Reparaturfall leicht ersetzen.
  • Das Gas durchströmt den Druckbehälter 1, wobei es sich durch den Doppelkegel 5, wie durch die Pfeile dargestellt, gleichmäßig über den Querschnitt des Heizelements 3 verteilt. Durch die innen angebrachte Isolierung 2 wird erreicht, dass nur wenige Wärmeenergie die Wand des Druckbehälters 1 erreicht. Über die Außenflächenbereiche 7 wird gleichzeitig Wärme des Druckbehälters 1 an die Umgebung abgegeben, so dass der Druckbehälter 1 gekühlt wird und eine erheblich niedrigere Temperatur als das erhitzte Gas hat. Der Druckbehälter 1 kann daher relativ dünnwandig und leicht gebaut sein. Bei einer Änderung der Temperatur, auf die das Gas erhitzt werden soll, reagiert die erfindungsgemäße Vorrichtung rasch und ohne Verzögerungen. Die Masse des Druckbehälters kann sich wegen der innen angebrachten Isolierung nicht verzögernd auswirken.
  • Die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung, wie Stärke der Isolation, Gasverteilung, Heizung über Heizdrähte ermöglicht bei kompakter Bauweise und hoher Leistungsdichte das Erreichen sehr hoher Gastemperaturen für einer breiten Spanne an Gasdrücken.
  • Die Fig. 2 bis Fig. 6 zeigen schematisch weitere Ausführungen des Strömungsverteilungselements der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fig. 1 im Längsschnitt. Schematisch dargestellt ist der vordere Teil des Druckbehälters 1 mit der Gaszuleitung 4. Das Strömungsverteilungselement in Fig. 2 besteht aus mehrfach angeordneten Gittern 8, das in Fig. 3 aus Führungsblechen 9. In der Fig. 4 ist eine Lochscheibe 10 so angeordnet, dass sie eine gleichmäßige Gasverteilung bewirkt und in der Fig. 5 wird das Gas durch eine Kombination aus Doppelkegel 5 und der Lochscheibe 10 verteilt. Schließlich zeigt die Fig. 6 eine Ausführung, bei der der Druckbehälter 1 im Bereich, der sich unmittelbar an die Gaszuleitung 4 anschließt, als divergierenden Einlaufstrecke 11 ausgebildet ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung kann auch in anderen Bereichen, in denen unter hohem Druck stehende Gase erhitzt werden müssen, verwendet werden, wie etwa bei der Verdüsung von Schmelzen mit heißen Gasen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung ermöglicht eine kompakte Bauweise mit Länge zu Durchmesser Verhältnissen zwischen 1 und 5 und hohen Leistungsdichten von 1 bis 8 kW/kg bei einem hohen Leistungsvolumen von z.B. 5 bis 25 kW/I. Die Ausgestaltung der Vorrichtung als eine Einheit ermöglicht einen schnellen Austausch einer defekten Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können besonders günstige Aufpralltemperaturen der beim Kaltspritzen verspritzten Partikel zwischen 200 und 600°C bei gleichzeitig hoher Aufprallgeschwindigkeit erreicht werden, indem Gastemperaturen von 600 bis 1100°C, insbesondere von 800 bis 1100°C sehr flexibel ausgewählt werden können.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehälter
    2
    Isolierung
    3
    Heizelement
    4
    Gaszuleitung
    5
    Doppelkegel
    6
    Gasableitung
    7
    Außenflächenbereich
    8
    Gitter
    9
    Führungsblech
    10
    Lochscheibe

Claims (18)

  1. Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung mit einem von Gas durchströmten Druckbehälter (1), einem in dem Druckbehälter (1) angeordneten Heizelement (3) und einer Isolierung (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (2) auf der Innenwand des Druckbehälters (1)angeordnet ist und Mittel zur Wärmeabfuhr des Druckbehälters (1) vorhanden sind, so dass der Druckbehälter (1) eine niedrigere Temperatur als das erhitzte Gas hat.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Wärmeabfuhr mit der Umgebungsluft direkt in Kontakt stehende Außenflächenbereiche (7) des Druckbehälters (1) sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Außenflächenbereichen Kühlrippen angeformt sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) das Gas auf 100°C bis 1100°C, bevorzugt auf 700 °C bis 900 °C aufheizt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehältertemperatur weniger als 600°C beträgt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter aus Stahl und/oder Titan und/oder einer Titanlegierung besteht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehältertemperatur weniger als 200°C beträgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung besteht.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Einströmbereich des Druckbehälters (1) ein Strömungsverteilungselement angeordnet ist, das das einströmende Gas über die gesamte Breite des Heizelements (3) verteilt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsverteilungselement aus einem Doppelkegel (5) besteht.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsverteilungselement aus Lochscheiben (10), Gittern (8), Führungsblechen (9) und/oder einer divergierenden Einlaufstrecke (11) besteht.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) aus elektrischen Heizdrähten besteht.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte Stromzuführungen aufweisen, die hitzebeständig sind und hitzebeständige Durchführungen durch die Wand des Druckbehälters haben.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine auswechselbare Einheit mit leicht lösbaren Anschlüssen für die Gaszuleitung und Gasableitung bildet,
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) für Drücke von 15 bis 100 bar, bevorzugt von 25 bis 60 bar ausgelegt ist.
  16. Beschichtungsvorrichtung für Substratwerkstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorhanden ist.
  17. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einer Spritzpistole angeordnet ist.
  18. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem stationären Teil der Beschichtungsvorrichtung angeordnet ist und in einer Gaszufuhr mit der Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung in der Spritzpistole in Reihe angeordnet ist.
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