EP1946012A1 - Vorrichtung zur hochdruckgaserhitzung - Google Patents

Vorrichtung zur hochdruckgaserhitzung

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Publication number
EP1946012A1
EP1946012A1 EP06828986A EP06828986A EP1946012A1 EP 1946012 A1 EP1946012 A1 EP 1946012A1 EP 06828986 A EP06828986 A EP 06828986A EP 06828986 A EP06828986 A EP 06828986A EP 1946012 A1 EP1946012 A1 EP 1946012A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
pressure vessel
heating
pressure
heating element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06828986A
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
Priority to EP06828986A priority Critical patent/EP1946012A1/de
Publication of EP1946012A1 publication Critical patent/EP1946012A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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 with a pressure vessel (1) through which gas flows, a heating element (3) arranged in the pressure vessel (1) and an insulation (2) arranged on the inner wall of the pressure vessel (1).
  • the invention relates to a coating apparatus for substrate materials with a pressure vessel through which a gas flows, a heating element arranged in the pressure vessel and an insulation.
  • gas with 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 have a direct impact on the pressure vessel, expensive or difficult-to-process high-temperature materials need to be used, or
  • Pressure vessel is relatively heavy due to its size and the necessary 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.
  • a device for coating substrate materials by thermal spraying can be sprayed with the powder particles.
  • 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. It is also known from the document to isolate hot gas leading lines.
  • 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.
  • FR 2568672 includes a method of gas heating in which the gas is heated in a container having internal insulation.
  • No. 5,963,709 discloses a hot-type heater which has an inner insulation and in which a porous foam ceramic is installed before and after the heating element, which ensures that the gas remains in the region of the heating element for a sufficiently long time.
  • a device for high-pressure gas heating comprising a pressure vessel through which a gas flows, a heating element arranged in the pressure vessel and an insulation which is arranged on the inner wall of the pressure vessel, the pressure vessel being designed for pressures of 15 to 100 bar is and in an inflow region of the pressure vessel, at least one flow distribution element is arranged, which distributes the inflowing gas over the entire width of the heating element.
  • the apparatus for high-pressure gas heating gives gas with gas outlet temperatures of 100 to 1100 0 C, preferably from 700 to 900 0 C. Especially in the upper
  • Temperature range of said values only selected steels for a limited time or special high temperature materials can be used, otherwise there is a softening of the material and a deformation due to creep and only a very low creep strength of most materials is given. Since 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. By carrying out a device for high-pressure gas heating, the energy transfer to the wall of the pressure vessel is reduced by the internally arranged insulation.
  • the temperature of the pressure vessel to the hot gas to 60% of the hot gas temperature, preferably less than 40% and with appropriate design less than 20% of the temperature of the hot gas reduced, measured in 0 C.
  • temperatures of the pressure vessel of below 22O 0 C, at For example, steel does not show any significant reduction in its strength.
  • 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.
  • the insulating material used has a thermal conductivity of less than 4 W / (m * K), preferably less than 2 W / (m * K) and if the insulation is designed such that less than 300 W. / (m 2 * K), preferably less than 150 W / (m 2 * K), more preferably less than 75 W / (m 2 * K) are delivered to the pressure vessel.
  • a flow distribution element is arranged in the inflow region of the pressure vessel, which distributes the inflowing gas over the entire width of the heating element.
  • 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.
  • At least one element for flow distribution is provided in addition to the inner insulation, which is advantageous so that a compact design and low weight is achieved, at least one element for flow distribution.
  • the flow distribution element is used for gas distribution, which must be made active at the high pressures in the pressure vessel, so that an effective gas heating is possible.
  • the flow element must be designed so that virtually no or at least only a slight pressure drop occurs on it.
  • a pressure drop is in the preferred use in a coating device because of disadvantage, since in the spray gun in front of the nozzle as high a pressure as possible, so as to the highest possible in the expansion in the nozzle Gas speeds can be achieved.
  • the flow distribution element is advantageously designed so that the pressure drop is less than a hundredth, preferably less than a two-hundredths of the applied gas pressure.
  • the gas must be distributed very uniformly over the entire inlet region of the gas heater with the flow distribution element, since only with a careful gas distribution, a uniform flow through the heater is achieved. This in turn is necessary so that an effective heat transfer from the heater to the gas can take place and the desired high temperatures are achieved.
  • the device according to the invention is very handy and lightweight, so that they can be easily mounted, for example, in a spray gun and thus perform the movements performed during thermal spraying with.
  • power densities of 0.5 to 8 kW / kg, preferably 1 to 3 kW / kg based on the total high-pressure gas heater and power volume of 3 to 30 kW / l, preferably from 10 to 25 kW / l based on the internal volume of the pressure vessel reached.
  • Bicone a perforated disc, a grid, guide plates and / or formed by a diverging inlet section.
  • These flow distribution elements may be arranged individually or in combination of two or more elements in the inflow region.
  • On the outer surfaces of cooling fins may be formed.
  • the pressure vessel temperature is less than 600 0 C.
  • the pressure vessel may for example consist of steel and / or titanium or a titanium alloy.
  • pressure vessel temperature is reduced to below 600 ° C. by insulation and external heat dissipation, a pressure vessel with a significantly smaller wall thickness can be used when using a high-temperature material.
  • pressure vessels made of steel, titanium or titanium alloy can be used. At these temperatures, these materials show no significant change in strength. If the pressure vessel temperature further reduced to below 400 0 C, there is a further significant reduction in weight.
  • the pressure vessel temperature is less than 200 ° C.
  • the pressure vessel may consist of aluminum or aluminum alloys.
  • Aluminum is a not only lightweight, but also inexpensive construction possible.
  • the heating element consists of electrical heating wires.
  • a Filticianrhitzer is used.
  • 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 are arranged in individual channels, wherein the gas to be heated flows through these channels. Many channels together eventually make the filament heater.
  • the heating wires on power supplies which are resistant to heat and have heat-resistant passages through the wall of the pressure vessel.
  • already heated gas can be supplied to the device for high-pressure gas heating, since the power supply lines do not have to be in a cold gas flow.
  • 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, the gas to 700 0 C to 900 0 C heat.
  • 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 and up to 250 ⁇ m in diameter) are of great importance in order to produce high-quality coatings and to achieve high application rates.
  • 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.
  • the stationary part of the Coating device can be used instead of the inventive device for high-pressure gas heating, another method for gas heating, as play in the stationary part of weight and manageability only a minor role.
  • Fig. 1 shows schematically a device according to the invention as rotationally symmetrical
  • 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 in the indicated by the arrows gas flow bicone 5 that
  • 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. About the
  • the pressure vessel 1 can therefore be relatively thin-walled and lightweight.
  • the device according to the invention reacts quickly and without delays.
  • the mass of the pressure vessel can not delay because of the internally mounted insulation.
  • 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 FIG.
  • Fig. 2 Longitudinal section. Schematically illustrated is the front part of the pressure vessel 1 with the gas supply line 4.
  • the flow distribution element in Fig. 2 consists of multiple lattices 8, in Fig. 3 of guide plates 9.
  • a perforated disc 10 is arranged so that they causes a uniform gas distribution and in Fig. 5, the gas by a combination of double cone 5 and the
  • 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 double cone When using a double cone and another element, in particular a perforated diaphragm for flow distribution, the double cone causes a delay and a coarse distribution of the gas and the further element causes a fine distribution of the gas in the heating element.
  • 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. Also, for preheating filler material or base material during welding or soldering with arc, flame or laser device of the invention for high-pressure gas heating can be used with advantage. It is also possible to solder the gas stream which leaves the device according to the invention.
  • 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 0 C can be achieved with high impact speed by gas temperatures of 600 to 1100 0 C, in particular from 800 to 1100 0 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. Der Druckbehälter (1) ist für Drucke von 15 bis 100 bar ausgelegt und in einem Einströmbereich des Druckbehälters (1) ist mindestens ein Strömungsverteilungselement (5) angeordnet ist, welche das einströmende Gas über die gesamte Breite des Heizelements (3) verteilt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Hochdruckqaserhitzunq
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung mit einem von Gas durchströmten Druckbehälter (1), einem in dem Druckbehälter (1) angeordneten Heizelement (3) und einer Isolierung (2), welche auf der Innenwand des Druckbehälters (1) angeordnet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung 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 jüngster Zeit auch Partikel bis hin zu einer Größe von 250 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 Spritzverfahren, 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 und größer bis hin zu 250 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. Weiter ist aus der Druckschrift bekannt, heißes Gas führende Leitungen zu isolieren. 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.
Die FR 2568672 beinhaltet ein Verfahren zur Gaserwärmung, bei welchem das Gas in einem Behälter erhitzt wird, welcher eine Innenisolierung aufweist. Die US 5963709 offenbart einen Winderhitzer, welcher eine Innenisolierung aufweist und in welchem vor und nach dem Heizelement eine poröse Schaumkeramik eingebaut ist, die dafür sorgt, dass das Gas ausreichend lange im Bereich des Heizelements verweilt.
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 und damit gut handhabbar ist. Insbesondere soll eine wirkungsvolle Gaserhitzung auch bei hohem Druck möglich sein. Ferner 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 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtungen werden durch die Unteransprüche angegeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung gelöst, die einen mit einem von Gas durchströmten Druckbehälter, ein in dem Druckbehälter angeordneten Heizelement und eine Isolierung, welche auf der Innenwand des Druckbehälters angeordnet ist aufweist, wobei der Druckbehälter für Drücke von 15 bis 100 bar ausgelegt ist und in einem Einströmbereich des Druckbehälters mindestens ein Strömungsverteilungselement angeordnet ist, welche das einströmende Gas über die gesamte Breite des Heizelements verteilt.
Die Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung gibt Gas mit Gasaustrittstemperaturen von 100 bis 1100 0C, bevorzugt von 700 bis 9000C 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 Ausführung einer Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung wird durch die innen angeordnete Isolierung die Energieübertragung auf die Wand des Druckbehälters vermindert. Durch den Kontakt der Außenfläche des Druckbehälters mit der Umgebung und insbesondere durch 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 0C. Im letzteren Fall ergeben sich Temperaturen des Druckbehälters von unter 22O0C, 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. Dazu ist es von Vorteil, wenn der verwendete Isolationswerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 4 W/(m*K), bevorzugt von weniger als 2 W/(m*K) aufweist und wenn die Isolierung derartig ausgelegt ist, dass weniger als 300 W/(m2*K), bevorzugt weniger als 150 W/(m2*K), besonders bevorzugt weniger als 75 W/(m2*K) an den Druckbehälter abgegeben werden.
Erfindungsgemäß ist im Einströmbereich des Druckbehälters ein Strömungsverteilungselement angeordnet, welches das einströmende Gas über die gesamte Breite des Heizelements verteilt. 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.
Um also eine wirksame Erwärmung von komprimiertem Gas zu erreichen ist neben der Innenisolierung, die von Vorteil ist, damit eine kompakte Bauweise und ein geringes Gewicht erreicht wird, mindestens ein Element zur Strömungsverteilung vorgesehen. Das Strömungsverteilungselement dient zur Gasverteilung, welche bei den hohen Drücken in dem Druckbehälter aktiv vorgenommen werden muss, damit eine wirksame Gaserhitzung möglich wird. Das Strömungselement muss dazu so ausgelegt sein, dass an ihm nahezu kein oder zumindest nur ein geringer Druckabfall auftritt. Ein Druckabfall ist bei der bevorzugten Verwendung in einer Beschichtungsvorrichtung deswegen von Nachteil, da in der Spritzpistole vor der Düse ein möglichst hoher Druck vorliegen soll, damit bei der Entspannung in der Düse möglichst hohe Gasgeschwindigkeiten erreicht werden. So ist das Strömungsverteilungselement vorteilhafter so ausgelegt, dass der Druckabfall weniger als ein hundertstel, vorzugsweise weniger als ein zweihundertstel des anliegenden Gasdrucks beträgt. Ferner muss mit dem Strömungsverteilungselement das Gas sehr gleichmäßig über den gesamten Eintrittsbereich des Gaserhitzer verteilt werden, da nur bei einer sorgfältigen Gasverteilung eine gleichmäßige Durchströmung des Heizers erreicht wird. Diese wiederum ist notwendig, damit ein wirkungsvoller Wärmeübergang vom Heizer auf das Gas erfolgen kann und die gewünschten hohen Temperaturen erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung wird es also möglich, große Mengen Gas bei hohem Druck von 15 bis 100 bar wirksam auf hohe Temperaturen von bis zu 900 °C und mehr zu erwärmen. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr handlich und von geringem Gewicht, so dass sie problemlos beispielsweise in einer Spritzpistole angebracht werden und so die beim thermischen Spritzen durchgeführten Bewegungen mit vollziehen kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Leistungsdichten von 0,5 bis 8 kW/kg, bevorzugt 1 bis 3 kW/kg bezogen auf den gesamten Hochdruckgaserhitzer und Leistungsvolumen von 3 bis 30 kW/l, bevorzugt von 10 bis 25 kW/l bezogen auf das Innenvolumen des Druckbehälters erreicht.
Mit besonderen Vorteilen wird das Strömungsverteilungselement durch einen
Doppelkegel, eine Lochscheibe, ein Gitter, Führungsblechen und/oder durch eine divergierende Einlaufstrecke gebildet. Diese Strömungsverteilungselemente können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehr Elementen im Einströmbereich angeordnet sein.
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 6000C. Der Druckbehälter kann beispielsweise aus Stahl und/oder Titan bzw. einer Titanlegierung bestehen.
Wird die Druckbehältertemperatur durch Isolation und äußere Wärmeabfuhr auf unter 6000C reduziert, kann bei Verwendung eines Hochtemperaturwerkstoffes ein Druckbehälter mit deutlich geringerer Wandstärke verwendet werden. Auch können Druckbehälter aus Stahl, Titan oder Titanlegierung verwendet werden. Bei diesen Temperaturen zeigen diese Werkstoffe keine wesentliche Änderung hinsichtlich Festigkeit. Wird die Druckbehältertemperatur weiter auf unter 4000C gesenkt, ergibt sich eine weitere deutliche Reduzierung des Gewichts.
In vorteilhafter Ausführung beträgt die Druckbehältertemperatur weniger als 2000C. 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 Ausführungsform besteht das Heizelement aus elektrischen Heizdrähten. Insbesondere wird ein Filamenterhitzer eingesetzt.
Ein solches Heizelement in Form eines so genannten Filamentheizers wird elektrisch beheizt und erzeugt vorteilhaft keine Verbrennungsrückstände. In einem Filamenterhitzer sind die Heizdrähte in einzelnen Kanälen angeordnet, wobei das zu erhitzende Gas durch diese Kanäle strömt. Viele Kanäle zusammen ergeben schließlich den Filamenterhitzer.
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 7000C bis 9000C 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 Strömungs- geschwindigkeit 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 und bis hin zu 250 μm) haben eine hohe Bedeutung, um qualitativ hochwertige Schichten herstellen zu können und um hohe Auftragsraten zu erreichen.
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. Im stationären Teil der Beschichtungsvorrichtung kann anstelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung auch ein anderes Verfahren zur Gaserwärmung eingesetzt werden, da im stationären Teil Gewicht und Handlichkeit nur eine untergeordnete Rolle spielen.
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 das
Strömungsverteilungselement darstellt, welches 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. Bei Verwendung einer Lochscheibe zusammen mit einem Filamenterhitzer ist es besonders vorteilhaft, wenn die Löcher derartig angeordnet sind, dass die Löcher die Zugänge zu den einzelnen Kanälen des Filamenterhitzers verengen, wobei ein Loch den Zugang in einen Kanal verengt. 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.
Bei einem Einsatz von einem Doppelkegel und einem weiteren Element, insbesondere einer Lochblende zur Strömungsverteilung bewirkt der Doppelkegel eine Verzögerung und eine Grobverteilung des Gases und das weitere Element bewirkt eine Feinverteilung des Gases in das Heizelement.
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. Auch zum Vorwärmen von Zusatzwerkstoff oder Grundwerkstoff beim Schweißen oder Löten mit Lichtbogen, Flamme oder Laser kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung mit Vorteil eingesetzt werden. Auch ist es möglich, mit dem Gasstrom, welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung verlässt, selbst zu Löten.
Weiterhin ist ein Einsatz beim Trocknen von wasserstoffempfindlichen Werkstoffen, wie beispielsweise Feinkornbaustähle oder Aluminium und Aluminiumlegierungen, möglich.
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/l. 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 6000C bei gleichzeitig hoher Aufprallgeschwindigkeit erreicht werden, indem Gastemperaturen von 600 bis 11000C, insbesondere von 800 bis 11000C 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

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung mit einem von Gas durchströmten
Druckbehälter (1), einem in dem Druckbehälter (1) angeordneten Heizelement (3) und einer Isolierung (2), welche auf der Innenwand des Druckbehälters (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) für Drücke von 15 bis 100 bar ausgelegt ist und in einem Einströmbereich des Druckbehälters (1) mindestens ein Strömungsverteilungselement (5) angeordnet ist, welche das einströmende Gas über die gesamte Breite des Heizelements (3) verteilt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsverteilungselement durch einen Doppelkegel (5), eine Lochscheibe
(10), ein Gitter (8), Führungsblechen (9) und/oder durch eine divergierende Einlaufstrecke (11) gebildet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Wärmeabfuhr des Druckbehälters (1) vorhanden sind, wobei die Mittel zur
Wärmeabfuhr mit der Umgebungsluft direkt in Kontakt stehende Außenflächenbereiche (7) des Druckbehälters (1) sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Außenflächenbereichen Kühlrippen angeformt sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) das Gas auf 1000C bis 11000C, bevorzugt auf 700 °C bis 900 0C aufheizt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehältertemperatur weniger als 6000C beträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter aus Stahl und/oder Titan und/oder einer Titanlegierung besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehältertemperatur weniger als 200°C beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Druckbehälter aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung besteht.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) aus elektrischen Heizdrähten besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte Stromzuführungen aufweisen, die hitzebeständig sind und hitzebeständige Durchführungen durch die Wand des Druckbehälters haben.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine auswechselbare Einheit mit leicht lösbaren Anschlüssen für die Gaszuleitung und Gasableitung bildet.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) für Drücke von 25 bis 60 bar ausgelegt ist.
14. Beschichtungsvorrichtung für Substratwerkstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung nach mindestem einem der vorhergehenden Ansprüche vorhanden ist.
15. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Spritzpistole angeordnet ist.
16. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 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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