EP2618070A1

EP2618070A1 - Gasheizvorrichtung, Gasheizeinrichtung sowie Anordnung zum thermischen Spritzen mit zugehörigem Verfahren

Info

Publication number: EP2618070A1
Application number: EP20120002883
Authority: EP
Inventors: Kurt Binder; Frank Dr. Gärtner; Alexander List; Thomas Prof. Dr. Klassen; Norbert Németh; Heinrich Prof. Dr. Kreye; Peter Heinrich; Werner Krömmer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-07-24
Also published as: DE102012000817A1; US20130177712A1; US9365918B2

Abstract

Eine Heizvorrichtung (10) zur Erwärmung eines Gasstroms (G), insbesondere einer Kaltgasspritzeinrichtung (100), wird vorgeschlagen, die einen mit einem Heizstrom erwärmbaren und mit dem Gasstrom (G) durchströmbaren Graphitfilz (11) aufweist. Auch eine entsprechende Heizeinrichtung (20), eine Anordnung (100) zum thermischen Spritzen sowie ein Verfahren (1) sind Gegenstand der Erfindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasheizvorrichtung, eine Gasheizeinrichtung sowie eine Anordnung zum thermischen Spritzen und ein zugehöriges Verfahren gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Kaltgasspritzen ist bekannt. Beim Kaltgasspritzen werden metallische Spritzpartikel von 1 bis 250 µm in einem Gasstrom auf Geschwindigkeiten von 200 bis 1600 m/s beschleunigt und auf ein Substrat gespritzt. Hierzu wird in der Regel eine Lavaldüse verwendet. Die Spritzpartikel werden zuvor nicht aufgeschmolzen. Beim Aufprall auf das Substrat bildet sich durch plastische Verformung eine Beschichtung aus. Hierzu muss eine Mindestaufprallgeschwindigkeit, die sogenannte kritische Geschwindigkeit, welche unter anderem von der Beschaffenheit und der Temperatur der Spritzpartikel abhängt, überschritten werden.
Durch ein Aufheizen des Gasstroms können auch die Spritzpartikel erwärmt werden. Dies führt zu einer thermischen Erweichung und Duktilisierung, wodurch sich die kritische Geschwindigkeit verringert. Durch ein Aufheizen kann ferner die Schallgeschwindigkeit des Gases, und damit die Strömungsgeschwindigkeit in der Düse, und somit auch die Geschwindigkeit der Spritzpartikel beim Aufprall, gesteigert werden. Durch eine Erhöhung der Temperatur des Gasstroms wird damit also sowohl die Temperatur als auch die Geschwindigkeit der Spritzpartikel beim Aufprall erhöht. Beides wirkt sich positiv auf den Auftragswirkungsgrad und Schichtqualität aus. Wenngleich die Temperatur des Gasstroms beim Kaltgasspritzen unter der Schmelztemperatur der Spritzpartikel bleibt, also im Vergleich zu anderen Spritzverfahren ein "kalter" Gasstrom verwendet wird, wird daher auch beim Kaltgasspritzen der Gasstrom aufgeheizt.
Der Gasdruck, der zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Spritzpartikel ebenfalls gesteigert werden kann, ist anlagentechnisch üblicherweise auf 30 bis 50 bar begrenzt. Gase, wie der beim Kaltgasspritzen häufig verwendete Stickstoff, werden häufig mit einer Temperatur von einigen Hundert Grad Celsius in die Düse eingeleitet. Dabei kann es notwendig werden, die aus Stahl oder Hartmetall bestehenden Düsen zu kühlen.
Bei bekannten Gasheizvorrichtungen wird ein Gas z.B. dadurch erhitzt, dass es durch ein längliches, in Form einer Spule bzw. Spirale bereitgestelltes, resistiv erhitztes Rohr aus hitzebeständigem Material, z.B. einer Nickellegierung wie Inconel, geleitet wird.
Alternativ dazu können auch sogenannte Filamentheizer verwendet werden. In diesen sind zu Heizwendeln bzw. -spiralen geformte, dünne Drähte aus einer hitzebeständigen Metalllegierung, z.B. aus Kanthal (einer Fe-Cr-Al-Legierung), in einer größeren Anzahl parallel ausgerichteter Keramikrohre angeordnet. Die Drähte werden üblicherweise resistiv erhitzt. Das zu erhitzende Gas wird durch die Keramikrohre geleitet und strömt außen an den erhitzten Drähten entlang. Die DE 10 2005 053 731 A1 offenbart eine entsprechende Filamentheizung mit einer Hitzeisolierung.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Gasheizvorrichtung, eine Gasheizeinrichtung sowie eine Anordnung zum thermischen Spritzen und ein entsprechendes Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird eine Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Gasstroms, insbesondere einer Vorrichtung oder Einrichtung zum thermischen Spritzen und speziell einer Kaltgasspritzeinrichtung, vorgeschlagen, die einen mit einem elektrischen Heizstrom erwärmbaren und mit dem Gasstrom durchströmbaren Graphitfilz aufweist. Erfindungsgemäß wird damit ein neuartiger Gasheizer geschaffen, dessen Heizelement aus Graphit besteht. Graphit ist unter sauerstofffreien Bedingungen, wie sie in entsprechenden Spritzverfahren vorliegen, bei Temperaturen bis zu 2200 °C hitzebeständig.
Die Verwendung von Graphit als Heizelement in unterschiedlichen geometrischen Formen ist an sich bekannt. Hierbei wird Graphit jedoch stets als Massivmaterial verwendet. Daher ist die Kontaktfläche zwischen dem Graphit und dem zu erhitzenden Medium, beispielsweise einem Gas, einer Schmelze oder einem Festkörper, nur relativ gering. Gemäß dem Stand der Technik werden entsprechend lediglich Kontaktoberflächen von 0,1 bis 0,5 m² erzielt. Ein strömendes Gas, das nur sehr kurze Zeit in Kontakt mit der Oberfläche steht, würde sich hier nur geringfügig erwärmen.
Weil Graphit andererseits aber im Gegensatz zu den genannten Werkstoffen für metallische Heizleiter in Filamentheizern nicht verformbar ist, lassen sich hieraus keine Rohre oder dünne Drahtwendel herstellen, die anstelle von Metalllegierungen in den derzeit bekannten Hochdruckgaserhitzern eingesetzt werden könnten.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die bereits erwähnte Verwendung des Graphitfilzes gelöst. Hierdurch wird eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Gasstroms, insbesondere zur Hochdruckgaserhitzung, geschaffen, die mit hohen Drücken und bei hohen Temperaturen arbeiten kann. So werden Temperaturen, auf welche das Gas erhitzt wird, von über 1000 °C, ja von mehr als 1200 °C und sogar von mehr als 1500 °C möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, um beispielsweise beim Kaltgasspritzen Stickstoff auf Temperaturen von deutlich mehr als 1000 °C aufzuheizen. Die Obergrenze für die Erwärmung liegt materialbedingt bei circa 2000 °C. Als Gase werden mit besonderen Vorteilen Stickstoff und Helium sowie deren Gemisch eingesetzt.Es ist es aber auch möglich, andere Gase und Gasmischungen, wie beispielsweise Argon oder auch andere Gasgemische, die keinen Sauerstoff enthalten, zu verwenden.
Graphitfilze bestehen aus dünnen Fäden aus Graphit, die sich zusammengeknäuelt berühren. Wird bei geeigneter Kontaktierung eine elektrische Spannung an einen Graphitfilz angelegt, fließt trotz der Unterbrechung der Fäden ein Strom, weil dieser sich auch über die Kontaktstellen der Fäden ausbreiten kann. Ein Graphitfilz erwärmt sich daher in seiner Gesamtheit im Stromdurchgang und kann daher ein Gas erhitzen, das durch den Graphitfilz strömt. Weil die Graphitfasern im Graphitfilz sehr dünn sind, ist die Oberfläche, über die die Wärme auf das Gas übertragen wird, insgesamt sehr groß.
In einem Heizelement, wie es in einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zum Einsatz kommen kann, also einem Graphitfilz, beträgt die Oberfläche das mindestens 10-bis 100-fache der Heizfläche von momentan üblichen Heizern, z.B. an der Innenfläche eines widerstandsbeheizten Rohres oder an den Drahtwendeln eines Filamentheizers.
Besondere Vorteile können dadurch erzielt werden, dass eine Heizvorrichtung wenigstens zwei mit dem Gasstrom durchströmbare und mit dem durch einen Heizstrom erhitzbaren Graphitfilz gefüllte Kanäle aufweist. Hierdurch kann ein entsprechender Gasstrom gezielt mit dem Graphitfilz in Kontakt gebracht werden und der Heizstrom seine maximale Wirkung entfalten. Die gezielte Beaufschlagung der durchströmbaren Kanäle kann, wie auch unten näher erläutert, dadurch erzielt werden, dass in einem Einströmbereich einer entsprechenden Heizvorrichtung Gasverteilungseinrichtungen angeordnet werden. Diese können beispielsweise aus Doppelkegeln, aus Lochscheiben, Gittern, Führungsblechen oder divergierenden Einlaufstrecken bestehen. Wie ebenfalls unten näher erläutert, kann ein Strömungsverteilungselement gleichzeitig als Kontakteinrichtung und/oder Komprimierstruktur ausgebildet sein. Durch die Bereitstellung mehrerer Kanäle kann eine optimierte Gasströmung bewirkt werden.
Vorteilhafterweise können die genannten Kanäle wenigstens teilweise koaxial angeordnet und/oder als Keramikrohre ausgebildet sein. Durch eine entsprechende Ausgestaltung lassen sich auch austauschbare Heizkanäle herstellen, die, beispielsweise in Form einer Heizpatrone, in eine Druckkammer einer Heizeinrichtung eingesetzt werden können. Entsprechende Heizeinrichtungen lassen sich besonders gut warten, wobei bei Abnutzung und/oder Kontamination des Graphitfilzes ein Austausch vorgenommen werden kann.
Eine entsprechende Heizvorrichtung weist vorteilhafterweise Kontakteinrichtungen zum selektiven Kontaktieren der Kanäle mit dem Heizstrom auf. Die Kontakteinrichtungen können beispielsweise als massive Graphitplatten mit entsprechenden Kanälen bzw. Lochanordnungen, die damit gleichzeitig Strömungsverteilungselemente darstellen, ausgebildet sein. Gleichzeitig können entsprechende Kontakteinrichtungen einen Graphitfilz in den mit dem Gasstrom durchströmbaren Kanälen halten und/oder zusammendrücken.
Eine entsprechende Heizvorrichtung besitzt ferner vorteilhafterweise Mittel zur Bereitstellung eines Gleich-, Dreh- oder Wechselstroms als Heizstrom. Hierbei kann es sich im einfachsten Fall um einen geeigneten Dreh- oder Wechselstromanschluss handeln. Auch eine Wechselstrom- oder Hochfrequenzheizung kann in bestimmten Einsatzgebieten vorteilhaft sein.
Eine entsprechende Heizvorrichtung weist zur Verbesserung ihrer Effizienz vorteilhafterweise wenigstens eine Komprimierstruktur auf, die bei einer Beaufschlagung durch den Gasstrom eine Komprimierung des Graphitfilzes bewirken kann. Im einfachsten Fall kann es sich hierbei um eine Lochplatte handeln, die stromaufwärtig des Graphitfilzes in einer zylinderförmigen Heizeinrichtung angeordnet ist. Diese ist mit Löchern versehen, die derart dimensioniert sind, dass die Lochplatte dem Gasstrom einen gewissen Widerstand entgegensetzt. Wird eine derartige Lochplatte durchströmt, drückt sie auf den Graphitfilz und komprimiert diesen. Dies ermöglicht einen besseren elektrischen Kontakt zwischen den Fäden des Graphitfilzes sowie zwischen dem Graphitfilz und den Kontakteinrichtungen. Andererseits kann hierdurch der Strömungswiderstand, der durch den Graphitfilz auf den Gasstrom ausgeübt wird, erhöht werden, was eine längere Verweildauer des Gasstroms im Graphitfilz und damit eine effektivere Wärmeübertragung zur Folge hat.
Alternativ dazu kann die Heizvorrichtung auch ein im Wesentlichen starres Gerüst ausweisen, in welches der Graphitfilz eingebracht ist. Bei Beaufschlagung mit dem Gasstrom sorgt dieses starre Gerüst dann dafür, dass die Kompremierung des Graphitfilzes unterbunden oder zumindest stark vermindert wird, da das starre Gerüst dem Graphitfilz Halt und Struktur gibt. Als starres Gerüst ist insbesondere ein keramisches Gerüst geeignet.
Die Heizvorrichtung ist vorteilhafterweise als Teil einer Heizeinrichtung zu Erwärmung eines entsprechenden Gasstroms ausgebildet, die einen von dem Gasstrom durchströmbaren Druckbehälter aufweist. In dem Druckbehälter ist die Heizvorrichtung angeordnet und wird von dem Gasstrom durchströmt. Die Heizvorrichtung kann dem Druckbehälter auch entnommen und/oder entsprechend ausgetauscht werden. Der Druckbehälter weist vorteilhafterweise an seiner Innenseite eine Isolierung auf.Jedoch kann die Isolierung auch an der Heizvorrichtung angebracht sein. Eine entsprechende Gasverteilungseinrichtung, insbesondere mit den genannten Strömungsverteilungselementen, kann als Teil der Heizanordnung ausgebildet sein. Hierdurch kann bewerkstelligt werden, dass eine entsprechende Heizvorrichtung besonders homogen von dem Gasstrom durchströmt wird. Dies gewährleistet eine besonders gleichmäßige und effektive Gaserhitzung.
Eine entsprechende Heizanordnung weist also ferner vorteilhafterweise wenigstens eine Isolierung auf, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2005 053 731 A1 bekannt ist. Durch eine derartige Isolierung lässt sich eine Temperatur des Druckbehälters an seiner Außenfläche gegenüber dem heißen Gas auf beispielsweise 60% der Gastemperatur, bevorzugt auf weniger als 40% und bei entsprechender Auslegung weniger als 20% der Gastemperatur reduzieren, so dass sich eine verbesserte Handhabbarkeit entsprechender Einrichtungen ergibt. Zudem werden Abwärmeverluste vermindert.
Eine Anordnung zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Kaltgasspritzen, profitiert in gleicher Weise von den Vorteilen der erläuterten Heizvorrichtung und/oder der Heizanordnung. Eine derartige Anordnung zum thermischen Spritzen umfasst eine Spritzvorrichtung, eine Partikelzuführung und eine Gaszuführung, wobei die Gaszuführung wenigstens eine Heizvorrichtung und/oder wenigstens eine Heizanordnung, wie sie zuvor erläutert wurde, umfasst. Eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen, in welcher die erfindungsgemäße Heizvorrrichtung und Heizanordnung eingesetzt werden kann, beinhaltet beispielsweise die WO 2007/110134 .
Ein entsprechendes Verfahren zum thermischen Spritzen zeichnet sich durch die Verwendung einer entsprechenden Kaltgasspritzeinrichtung, wenigstens einer der erläuterten Heizvorrichtungen und/oder wenigstens einer der erläuterten Anordnungen auf.
In einem entsprechenden Verfahren kann ein Gasstrom auf eine Temperatur von mindestens 700 bis 2000 °C, insbesondere auf 800 bis 1500 °C erwärmt werden. Die Erwärmung kann bei einem Druck bis zu 100 bar, insbesondere bei 30 bis 60 bar erfolgen. Der Gasstrom kann in einem Volumenstrom von 50 bis 400 m³/h, insbesondere von 60 bis 200 m³/h bereitgestellt werden. In dem Verfahren werden Gasgeschwindigkeiten von bis zu 2500 m/s erreicht.
Der Einfluss der Gastemperatur und des Gasdrucks auf die Geschwindigkeit und die Temperatur von Partikeln beim Kaltgasspritzen, und auch bei anderen thermischen Spritzverfahren ist, wie bereits erwähnt, grundsätzlich bekannt. Werden beispielsweise 25 Mikrometer große Kupferpartikel mit Stickstoff als Prozessgas unter Verwendung bekannter Düsen (z.B. einer deLaval-Düse Typ 24) gespritzt, lässt sich deren Aufprallgeschwindigkeit bei einem konstant gehaltenen Druck von 50 bar noch nahezu linear von ca. 400 m/s auf über 700 m/s erhöhen, wenn die Temperatur des verwendeten Gasstroms von Umgebungstemperatur auf 1000 °C erhöht wird. Bei einem geringeren Druck von nur 5 bar erhöht sich die Partikelgeschwindigkeit in dem genannten Temperaturbereich noch von 350 auf beinahe 550 m/s. Die erzielbaren Auftrefftemperaturen der Partikel erhöhen sich dabei auf bis zu 400 °C. Weitere Details hierzu sind in der Veröffentlichung von H. Assadi et al., "Partikelbeschleunigung, Aufprall und Schichtbildung beim Kaltgasspritzen / Particle acceleration, impact and coating formation in cold spraying", 8. Koll. Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, 2009, Erding, Seite 27ff. angegeben.
Je höher die Gastemperatur beim thermischen Spritzen, insbesondere beim Kaltgasspritzen, ist, desto höher sind die Geschwindigkeit und die Temperatur der Partikel beim Aufprall. Bei einer Verwendung von Gastemperaturen insbesondere von über 1100 °C kann das Spektrum an Materialien signifikant erweitert werden, die sich durch Kaltgasspritzen zu hochwertigen Schichten und Strukturen verarbeiten lassen.
Zur Anhaftung der Partikel an das Substrat reicht es aus, wenn die Aufprallgeschwindigkeit die zum Haften erforderliche, materialspezifische kritische Geschwindigkeit erreicht. Hohe Auftragswirkungsgrade können erzielt werden, wenn diese Geschwindigkeit um 20 oder 30% oder mehr überschritten wird. Sind weitere vorteilhafte Eigenschaften erwünscht, wie beispielsweise eine Dichtigkeit gegenüber einem Eindringen von Gasen oder Flüssigkeiten (was eine Voraussetzung für hohe Korrosionsfestigkeit ist) oder eine hohe mechanische Festigkeit bei statischer und/oder dynamischer Beanspruchung, sollte die Auftreffgeschwindigkeit die kritische Geschwindigkeit sogar um 50% oder mehr überschreiten. Durch höhere Gastemperaturen kann also nicht nur das Spektrum der durch Kaltgasspritzen zu Schichten und Strukturen verarbeitbaren Werkstoffe erweitert sondern auch die Qualität entsprechender Schichten und Strukturen verbessert werden. Ein weiterer Vorteil höherer Temperaturen ist der, dass auch gröbere Partikel als bisher für das Spritzen verwendet werden können, was sich ebenfalls günstig auf die Eigenschaften der Schichten auswirkt und geringere Kosten verursacht. Materialien, die in besonderer Weise von den Maßnahmen der Erfindung profitieren, sind Metalle wie Titan, Nickel und Eisen und deren Legierungen sowie Komposite aus Hartstoffen und Metallmatrizes mit hohen Hartstoffanteilen von bis zu 60 Volumen-%, in Einzelfällen auch bis zu 80 %.
Beispiele für Spritzwerkstoffe, die theoretisch ein großes Anwendungspotential besitzen, deren kritische Geschwindigkeit aber so hoch ist, dass herkömmlicherweise keine hochwertigen Schichten mit hohem Auftragswirkungsgrad erzeugt werden konnten, sind Nickel, Nickellegierungen wie z.B. Inconel, hochlegierte Stähle oder Metalle mit hohem Schmelzpunkt und insbesondere Molybdän sowie Molybdänlegierungen. Derartige Materialien können nun durch Einsatz der erfindungsgemäßen Gasheizvorrichtung auch durch Kaltgasspritzen verarbeitet werden. Foglich können mit der Erfindung temperaturbeständige Werkstoffe, wozu auch warmfeste Legierungen zählen, verarbeitet werden. Insbesondere seien hier Molybdän, Niob und Nickellegierungen erwähnt. Mit der Erfindung können qualitativ hochwertige Schichten hergestellt werden, welche in ihren Eigenschaften vergleichbar sind mit schmelzmetalllurgisch oder durch Sintern hergestelltem Vollmaterial gleicher Zusammensetzung.
Eine erfindungsgemäße Anordnung, die eine entsprechende Graphitheizung aufweist, kann vorteilhafterweise auch mit einer Spritzdüse ausgestattet werden, die ein Graphitmaterial aufweist. Der Begriff "Graphitmaterial" umfasst dabei auch sämtliche Graphitmodifikationen, insbesondere sogenannten Glaskohlenstoff.
Ein Graphitmaterial bietet in dem genannten Einsatzgebiet eine Reihe von Vorteilen, die insbesondere in Kombination die erläuterten deutlich erhöhten Temperaturen zulassen. Zudem hat ein Graphitmaterial den Vorteil, dass es ein Anbacken entsprechend heißer Spritzpartikel an der Düseninnenwand unterbindet.
Ein Vollmaterial hat in dem bevorzugten Fall von Graphit den Vorteil, dass dessen Wärmeleiteigenschaften in besonderer Weise wirksam werden können. Eine entsprechende Düse kann daher Wärme besonders effektiv abführen.
Insbesondere kann für ein erfindungsgemäßes Verfahren eine Düse zum Einsatz kommen, die Glaskohlenstoff als Graphitmaterial aufweist. Glaskohlenstoff, auch als glasartiger Kohlenstoff bezeichnet, vereinigt dabei glasartige keramische Eigenschaften mit denen des Graphits und bietet damit besondere Vorteile. Auch metallische, teil- oder vollkeramische Spritzdüsen und/oder Spritzdüsen mit entsprechenden Einsätzen, z.B. Keramikdüsen mit Graphiteinsätzen oder Metalldüsen mit Keramikeinsätzen können vorteilhaft sein. Die jeweiligen Materialien können auch in Form von Beschichtungen aufgebracht werden, was gegenüber Vollmaterialien eine besonders kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Ein Einsatz bzw. eine Einlage aus einem entsprechenden Material, z.B. Keramik, Graphit oder Glaskohlenstoff, lässt sich beispielsweise bei Abnutzung sehr einfach ersetzen. Mit besonderem Vorteil können Graphitmaterialien auch in Form von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. Hierbei kann es sich um Materialien auf Grundlagen von Metallen und/oder Kunststoffen handeln.
Eine derartige Anordnung kann neben der erläuterten Graphitheizung auch über weitere Heizeinrichtungen verfügen, z.B. zur Vorwärmung des Gasstroms. Ein verwendbarer Gasheizer ist z.B. in der EP 0 924 315 B1 offenbart. Das verwendete Gas oder Gasgemisch wird in einem Gasdruckbehälter vorgehalten und wird in einem Gaspufferbehälter zwischengespeichert. Nach der Entnahme aus dem Gaspufferbehälter wird das Gas oder Gasgemisch mittels einer elektrischen Widerstandsheizung, induktiv und/oder mittels eines Plasmabrenners erwärmt. Eine ausreichend starke Erwärmung kann auch durch die Verwendung von mehreren Heizern, insbesondere Vor- und Nachheizern wie in der DE 10 2005 004 117 offenbart, erzielt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Selbstverständlich lässt sich die erfindungsgemäße Heizvorrichtung und die erfindugsgemäße Heizanordnung auch für andere Anwendungen, bei welchen ein heißer Gasstrahl eingesetzt wird, verwenden, wie beispielsweise zum Vorwärmen beim Schweißen und Hartlöten (beipielsweise mittels Lichtbogen oder Flamme), zum Vorwärmen beim Richten oder ähnlichen Prozessen, zum Löten selbst (sofern ein Lot verwendet wird, das im heißen Gasstrahl schmilzt) oder zum Trocken von Wasserstoff empfindlichen Werkstoffen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figurenbeschreibung

Figur 1a: zeigt eine Heizvorrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt.
Figur 1b: zeigt eine Heizvorrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht.
Figur 1c: zeigt eine Heizvorrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht.
Figur 2: zeigt eine Heizeinrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt.
Figur 3: zeigt eine Anordnung zum Kaltgasspritzen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Gasstroms gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Ein Gasstrom ist mit fetten Pfeilen symbolisiert und mit G bezeichnet. Die Vorrichtung 10 weist einen Graphitfilz 11 auf, der von dem Gasstrom G durchströmbar ist. Hierzu ist der Graphitfilz 11 in entsprechenden Kanälen 12 und 13 angeordnet, beispielsweise in Keramikrohren in koaxialer Anordnung. Entsprechende Mittel 14 zur Bereitstellung eines Heizstroms sind vorgesehen und in Figur 1 als Gleichstromquelle veranschaulicht. Die Mittel 14 zur Bereitstellung des Heizstroms können den Graphitfilz 11 über Kontakteinrichtungen 15 bis 17 mit einem Heizstrom beaufschlagen.
Das erfindungsgemäße Konzept wurde unter Verwendung eines Graphitfilzes mit Fasern mit einem Durchmesser von ca. 15 µm realisiert. Das Dicken-/Längen-Verhältnis der Fasern betrug zumindest 100 : 1, eher 1000 : 1. Der Graphitfilz wies eine Dichte von nur 0,09 g/cm³ auf. Die gegenüber massivem Graphit um etwa den Faktor 1/15 geringere Dichte ist durch die großen Hohlräume des Filzes bedingt.
An einer ersten Seite der Heizvorrichtung 10, nachfolgend als "Oberseite" bezeichnet, sind die jeweils koaxial angeordneten Kanäle 12, 13 hierzu mit Kontakteinrichtungen 15, 16 in Form gelochter Scheiben bzw. Platten abgedeckt. Die Anordnung der gelochten Kontakteinrichtungen 15, 16 wird aus Figur 1b deutlich ersichtlich. Die Kontakteinrichtungen 15, 16 weisen entsprechende Lochanordnungen mit Löchern 18 auf. Die Kontakteinrichtungen 15, 16 sind leitend ausgebildet und beispielsweise in Form von Graphitplatten bereitgestellt. Die Kontakteinrichtungen 15 und 16 berühren einander in der Anordnung, wie sie in Figur 1 a dargestellt ist, nicht und sind durch die Wand des Kanals 13 voneinander elektrisch isoliert.
Beispielsweise die Kontakteinrichtung 15 kann auch als Komprimierstruktur ausgebildet sein. Wird sie von einem Gasstrom G durchströmt, kann sie einen Druck auf den darunterliegenden Graphitfilz ausüben und diesen damit komprimieren.
Auf einer zweiten Seite der Heizvorrichtung 10, nachfolgend als "Unterseite" bezeichnet, befindet sich eine zweite Kontakteinrichtung 17, die ebenfalls mit Lochanordnungen mit Löchern 18 versehen ist. Auch die Kontakteinrichtung 17 kann als Graphitplatte ausgebildet sein. Im Gegensatz zu den Kontakteinrichtungen 15, 16 kontaktiert die Kontakteinrichtung 17 den Graphitfilz 11 in beiden Kanälen 12, 13.
Wird an die Kontakteinrichtungen 15, 16 über die Pole der Mittel 14 zur Bereitstellung des Heizstroms eine Spannung angelegt, fließt ein Strom von der Kontakteinrichtung 15 durch den in dem Kanal 12 angeordneten Graphitfilz 11, über die Kontakteinrichtung 17 und durch den in dem Kanal 13 angeordneten Graphitfilz 11. Durch Widerstandseffekte heizt sich der Graphitfilz 11 in den Kanälen 12 und 13 entsprechend auf und erwärmt damit das durch die Kanäle 12 und 13 strömende Gas G.
Die Figur 1b zeigt die Anordnung 10 der Figur 1a in einer Draufsicht, d.h. von der zuvor erläuterten Oberseite aus. Wie deutlich ersichtlich, kontaktieren die Kontakteinrichtungen 15, 16 einander in der gezeigten Anordnung nicht sondern sind durch die Wand des Kanals 13 voneinander getrennt. Die Kanäle 12, 13 sind hierzu beispielsweise als nicht leitende Keramikrohre ausgebildet. Die in der Figur 1b dargestellte Anordnung umfasst die wesentlichen Komponenten der in Figur 1a dargestellten Anordnung, die Abbildung 1b ist jedoch teilweise vereinfacht.
In Figur 1c ist die Anordnung 10 in einer Seitenansicht dargestellt. Die Blickrichtung entspricht dabei jener der Figur 1 a. Auch hier sind der Figur 1 a entsprechende Elemente nicht erneut bezeichnet. In der Seitenansicht ist eine Wand des Kanals 12 und die Platte 17 erkennbar.
Figur 2 zeigt eine Heizanordnung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Längsschnittansicht. Die Heizanordnung ist insgesamt mit 20 bezeichnet und weist eine zuvor erläuterte Heizvorrichtung 10 auf, deren einzelne Elemente nicht erneut beschrieben werden. Die Heizvorrichtung 10 ist in einem Druckbehälter 21 der Heizvorrichtung 20 angeordnet. Der Gasstrom G durchströmt den Druckbehälter wie durch die fetten Pfeile veranschaulicht.
Der Gasstrom G durchläuft hierbei zunächst einen Einströmbereich 23. Der Einströmbereich 23 weist eine Gasverteilungseinrichtung 24 auf, die sicherstellt, dass das einströmende Gas sich gleichmäßig über die Oberseite der Heizvorrichtung 10 verteilt und mit homogener Geschwindigkeit einströmt. Die Druckkammer 21 ist beispielsweise als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet und weist auf ihrer Innenseite eine Isolierung 22 auf. Die erfindungsgemäße Einrichtung 20 bildet eine standardisierte Einheit, die leicht auswechselbar ist, z.B. im Reparaturfall, oder von denen mehrere hintereinander angeordnet werden können. Die Heizvorrichtung 10 kann, wie zuvor mehrfach erläutert, als leicht auswechselbare Heizpatrone ausgestaltet sein. Hierdurch lässt sich auch die Heizvorrichtung 10 alleine im Reparaturfall leicht ersetzen. Der Gasstrom G durchläuft, wie bereits erwähnt, den Druckbehälter 21, wobei sich durch die Gasverteilungseinrichtung 24, die beispielsweise in Form eines Doppelkegels ausgebildet sein kann, gleichmäßig über den Querschnitt der Heizvorrichtung 10 verteilt. Durch die innen angebrachte Isolierung 22 wird erreicht, dass nur wenig Wärmeenergie über die Wand des Druckbehälters 21 an die Umgebung abgegeben wird. Der Druckbehälter 21 kann daher relativ dünnwandig und leicht gebaut sein. Der Gasstrom G weist in einem Gasaustrittsbereich 25 die gewünschte Temperatur auf und verlässt den Druckbehälter 21.
In Figur 3 ist eine Anordnung zum Kaltgasspritzen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
Die Anordnung 100 umfasst eine Spritzpistole 110, die in bekannter Art mit einer Lavaldüse ausgebildet sein kann. Die Düse kann ein Graphitmaterial aufweisen. Eine Partikelzufuhreinrichtung 120 kann vorgesehen sein, mittels derer entsprechende Spritzpartikel der Spritzpistole 110 zugeführt werden können. Ferner ist eine Gaszuführung 130 vorgesehen, die einen Gasspeicher 30 umfasst. Von dem Gasspeicher 30 wird ein Gasstrom in eine Heizanordnung 20 wie zuvor erläutert, die eine Heizvorrichtung 10 aufweist, geführt. Der Fachmann wird verstehen, dass auch mehrere Heizeinrichtungen 20 und/oder Heizvorrichtungen 10 bereitgestellt werden können, um die gewünschte Gastemperatur zu erzielen. Der entsprechend erwärmte Gasstrom wird ebenfalls der Spritzpistole 110 zugeführt.

Bezugszeichenliste

G: Gasstrom

10: Heizvorrichtung
11: Graphitfilz
12: Kanal
13: Kanal
14: Heizstrombereitstellungsmittel
15: Kontakteinrichtung
16: Kontakteinrichtung
17: Kontakteinrichtung
18: Loch

20: Heizanordnung
21: Druckbehälter
22: Isolierung
23: Einströmbereich
24: Gasverteilungseinrichtung
25: Gasaustrittsbereich

30: Gasspeicher

100: Kaltgasspritzanordnung
110: Spritzpistole
120: Partikelzufuhreinrichtung
130: Gaszuführung

Claims

Heizvorrichtung (10) zur Erwärmung eines Gasstroms (G), insbesondere einer Kaltgasspritzeinrichtung (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (10) einen mit einem elektrischen Heizstrom erwärmbaren und mit dem Gasstrom (G) durchströmbaren Graphitfilz (11) aufweist.
Heizvorrichtung (10) nach Anspruch 1, die wenigstens zwei mit dem Gasstrom (G) durchströmbare und mit dem durch den elektrischen Heizstrom erwärmbaren Graphitfilz (11) gefüllte Kanäle (12, 13) aufweist.
Heizvorrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der die Kanäle (12, 13) wenigstens teilweise koaxial angeordnet und/oder als Keramikrohre ausgebildet sind.
Heizvorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, die Kontakteinrichtungen (15 - 17) zum selektiven Kontaktieren des Graphitfilzes (11) in den Kanälen (12, 13) mit dem elektrischen Heizstrom aufweist.
Heizvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die wenigstens eine Komprimierstruktur (15) aufweist, die bei einer Beaufschlagung durch den Gasstrom (G) eine Komprimierung des Graphitfilzes (11) bewirken kann.
Heizvorrrichtung (10) nach mindestem einem der Ansprüche 1 bis 4, die ein starres Gerüst, insbesondere ein starres keramisches Gerüst aufweist, in welches der Graphitfilz eingebracht ist.
Heizanordnung (20) zur Erwärmung eines Gasstroms (G) mit einem von dem Gasstrom (G) durchströmbaren Druckbehälter (21), gekennzeichnet durch wenigstens eine in dem Druckbehälter (21) angeordnete Heizvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Heizanordnung (20) nach Anspruch 7, die wenigstens eine Gasverteilungseinrichtung (24) und/oder wenigstens eine Wärmeisolierung (22) aufweist.
Anordnung (100) zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Kaltgasspritzen, mit einer Spritzvorrichtung (110), einer Partikelzuführung (120) und einer Gaszuführung (130), dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung (130) wenigstens eine Heizvorrichtung (10) und/oder wenigstens eine Heizanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, die ferner eine weitere, insbesondere eine induktive, eine resistive und/oder eine mittels eines Plasmabrenners betriebene, Heizvorrichtung zur Erwärmung des Gasstroms (G) aufweist.
Anordnung (100) nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Spritzvorrichtung (110) eine Düse umfasst, die ein graphithaltiges Material aufweist oder wenigstens teilweise aus einem graphithaltigen Material besteht.
Verfahren zum thermischen Spritzen, gekennzeichnet durch die Verwendung wenigstens einer Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wenigstens einer Heizvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder wenigstens einer Heizanordnung (20) nach einem der Ansprüche 7 oder 8.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem ein Gasstrom (G) auf Temperaturen von 700 bis 2000 °C, insbesondere von 800 bis 1500 °C bei einem Druck von bis zu 100 bar, insbesondere von 30 bis 70 bar erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem als Gas oder Gasgemisch für den Gasstrom Stickstoff, Helium oder Gemische daraus verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, das als Spritzpartikel temperaturbeständige Werkstoffe, insbesondere Molybdän, Niob oder Nickellegierungen, verwendet werden.