EP3102335B1

EP3102335B1 - Kühlvorrichtung für eine spritzdüse bzw. spritzdüsenanordnung mit einer kühlvorrichtung für das thermische spritzen

Info

Publication number: EP3102335B1
Application number: EP15707933.6A
Authority: EP
Inventors: Oliver Stier; Axel Arndt; Uwe Pyritz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: WO2015139948A1; CA2943226A1; DE102014205343A1; DK3102335T3; CN106061621B; CA2943226C; US20170100732A1; CN106061621A; EP3102335A1; US10166558B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine für das thermische Spritzen geeignete Spritzdüse (im Folgenden auch kurz Düse genannt). Außerdem betrifft die Erfindung eine Spritzdüsenanordnung mit einer solchen Kühlvorrichtung, in die eine Spritzdüse eingebaut ist. Die Kühlvorrichtung ist als Ummantelung ausgeführt, wobei die Spritzdüse in deren Innenraum angeordnet werden kann. Die Kühlvorrichtung weist außerdem einen Einlass und einen Auslass für ein Kühlfluid auf, mit dem die Kühlvorrichtung betrieben werden kann. Dieses Kühlfluid kann flüssig (beispielsweise Wasser) oder gasförmig (beispielsweise Luft) sein.
Eine Kühlvorrichtung bzw. Spritzdüsenanordnung der eingangs angegebenen Art ist bekannt. Beispielsweise bietet die Firma Sulzer Metco für das Kaltgasspritzen unter dem geschützten Handelsnamen "Kinetics 4000 Cold Spray Gun" eine Spritzdüsenanordnung an, bei der die Spritzdüse mit einem Rohr umgeben ist. Zwischen der Spritzdüse und dem Rohr entsteht ein Ringspalt, durch den Kühlluft geleitet werden kann, welche von einem Einlass am konvergenten Teil der Düse zu einem Auslass an der Düsenmündung strömt. Die Kühlluft überstreicht dabei direkt die Außenseite der Spritzdüse, wobei die Aufnahmekapazität des gasförmigen Kühlmediums für die aus der Spritzdüse abgeleiteten Wärme vergleichsweise begrenzt ist.
Gemäß der GB 2 218 013 A und der DE 39 03 887 A1 ist eine Vorrichtung zum Flammspritzen beschrieben. Diese weist eine Brennerdüse auf, welche in einer Düsenerweiterung gehalten ist. Die Düsenerweiterung bildet eine Brennkammer zum Verbrennen des Brennstoffs und Aufschmelzen der Beschichtungspartikel, die in einem anschließenden Beschleunigungsteil des Erweiterungsteils auf die zum Beschichten notwendige Geschwindigkeit beschleunigt werden. Der Erweiterungsteil ist doppelwandig ausgeführt, so dass zwischen der zur Düse gehörenden Wand und der Außenwand ein Kühlraum für ein Kühlfluid entsteht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kühlvorrichtung für eine Spritzdüse zum thermischen Spritzen bzw. eine Spritzdüsenanordnung mit einer solchen Kühlvorrichtung anzugeben, mit der eine effektive Kühlung der Spritzdüse möglich ist, ohne dass Einschränkungen für die Sicherheit oder Vielseitigkeit des Betriebs der Kaltspritzdüse hingenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Kühlvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Innenraum der Ummantelung als Passfläche ausgeführt ist, welche sich zumindest über einen wesentlichen Teil der Längsausdehnung der Ummantelung erstreckt, wobei sich bei der Montage der Spritzdüse im Innenraum eine Passung zwischen der Spritzdüse und der Ummantelung ausbildet. Diese Maßnahme bewirkt vorteilhaft, dass die Spritzdüse in die Ummantelung eingepasst werden kann und ein direkter Wärmeübergang zwischen dem Material der Spritzdüse und dem Material der Ummantelung erfolgen kann. Hierbei kann vorteilhaft für die Ummantelung ein Material ausgewählt werden, das einerseits eine gute Wärmeableitung gewährleistet und andererseits eine hohe Wärmekapazität aufweist. Es eignen sich insbesondere metallische Werkstoffe, wobei Kupfer das bevorzugte Material darstellt. Dieses vereinigt die oben angegebenen Anforderungen mit einem günstigen Anschaffungspreis und einer guten Verarbeitbarkeit. Durch Einlegen der Spritzdüse in die Ummantelung erhält man die erfindungsgemäße Spritzdüsenanordnung. Die im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen und Vorteile gelten für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung und Spritzdüsenanordnung gleichermaßen, da die die Kühlvorrichtung einen Bestandteil der Spritzdüsenanordnung bildet.
Die Erstreckung der Passfläche der Ummantelung zumindest über einen wesentlichen Teil der Längenausdehnung der Ummantelung gewährleistet, dass eine genügende Fläche für einen Wärmeübergang von der eingebauten Spritzdüse zur Ummantelung zur Verfügung steht. Als wesentlicher Teil im Sinne der Erfindung wird ein Längenanteil von mehr als zwei Dritteln verstanden. Bevorzugt sollte der Längenanteil 90 bis 100 % der Länge der Ummantelung haben. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn auch die Länge der Ummantelung im Verhältnis zur Länge der auch einzubettenden Spritzdüse ebenfalls einen guten Wärmeübergang begünstigt. Dies ist der Fall, wenn die Ummantelung einen wesentlichen Teil der Spritzdüse abdeckt, also mindestens zwei Drittel der Länge, bevorzugt sogar 90 bis 100 % der Länge.
Da eine Kühlung des Materials der Spritzdüse erfindungsgemäß durch einen Wärmeübergang in das Material der Ummantelung erfolgt, ist es vorteilhaft möglich, ein Kühlfluid nun zur indirekten Kühlung der Spritzdüse einzusetzen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass in der Ummantelung eine Kühlleitung vorgesehen ist, die einen geschlossenen Querschnitt aufweist und den Einlass mit dem Auslass verbindet. Auf diese Weise entsteht vorteilhaft ein abgeschlossenes System, welches sich am Einlass und am Auslass vorteilhaft mit gebräuchlichen Mitteln zuverlässig abdichten lässt. Da die Kühlleitung innerhalb der Ummantelung geschlossen ist, also keine Wandanteile der Kühlleitung durch die Oberfläche der Spritzdüse gebildet werden, kann es an der Übergangsstelle zwischen Ummantelung und Spritzdüse nicht zu Leckagen kommen. Deswegen ist es möglich, beispielsweise flüssige Kühlfluide ohne Zugeständnisse an die Prozesssicherheit zu verwenden, mit denen sich eine wesentlich höhere Kühlleistung erbringen lässt. Auch ist es möglich, ein gasförmiges Fluid zu verwenden, welches unter einem höheren Druck steht. Auch hierdurch lässt sich die Kühlleistung vorteilhaft erhöhen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ummantelung aus zwei Halbschalen aufgebaut ist, wobei eine Trennfuge zwischen den Halbschalen in Richtung der Längsausdehnung der Ummantelung verläuft. Dies bedeutet, dass sich die Ummantelung vorteilhaft auseinandernehmen lässt, wodurch die Spritzdüse auf einfache Weise in die Ummantelung eingelegt werden kann. Anschließend wird die Ummantelung wieder verschlossen. Vorteilhaft hierbei ist, dass sich Fertigungstoleranzen beispielsweise durch Verwendung eines Füllmaterials im Fügespalt besser ausgleichen lassen. Es lassen sich daher auch großzügige Spielpassungen für die Gestaltung der Passfläche wählen, wodurch der Fertigungsaufwand vorteilhaft sinkt. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass der Durchmesser der verwendeten Spritzdüsen herstellungsbedingt variieren kann, insbesondere wenn die Spritzdüsen aus einem Hartmetall, wie Wolframcarbid-Kobalt, oder einer Keramik, wie Siliziumcarbid, hergestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer Gestaltung der Ummantelung in Halbschalen jede der Halbschalen eine unabhängige Kühlleitung mit einem eigenen Einlass und einem eigenen Auslass aufweist. Dies hat den Vorteil, dass in beiden Halbschalen ein geschlossenes System der Kühlleitung vom Einlass zum Auslass vorgesehen werden kann, ohne dass es zu einer Überleitung des Kühlfluids zwischen der einen Halbschale und der anderen Halbschale kommen muss.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass der Innenraum der Ummantelung eine Auskleidung zum Ausgleich von Wärmedehnungsunterschieden zwischen Spritzdüse und Ummantelung aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft die Effizienz der Kühlung gesteigert werden, da ein mechanischer Kontakt zwischen dem Material der Spritzdüse und dem Material der Ummantelung über die Auskleidung sichergestellt werden kann. Hierbei wird die Wärmeleitung verbessert, wenn man dies mit einer Variante vergleicht, wo in Abhängigkeit der Wärmedehnungen von Spritzdüse und Ummantelung ein Luftspalt entstehen kann. Andererseits kann über den Wärmedehnungskoeffizienten der Auskleidung vorteilhaft auch zumindest teilweise verhindert werden, dass in dem Verband zwischen Ummantelung und Spritzdüse dadurch Spannungen entstehen, dass sich die Spritzdüse stärker ausdehnt als sich die Passfläche aufgrund der Wärmedehnung der Ummantelung aufweitet, wenn der Wärmekoeffizient der Auskleidung geringer ist, als derjenige der Ummantelung.
Bei der Auslegung von der Ummantelung und evtl. der Auskleidung sind die Prozessparameter des ablaufenden Spritzverfahrens zu berücksichtigen. Einerseits erfährt die Spritzdüse aufgrund der Erwärmung eine gewisse Ausdehnung, die jedoch in vielen Fällen unterhalb der Wärmedehnung der Ummantelung liegt, wenn diese metallisch ausgeführt ist. Allerdings ist auch zu berücksichtigen, dass sich die Spritzdüse stärker erwärmt als die Ummantelung, aus der die Wärme überdies mittels des Kühlfluids abgeleitet wird. Ob sich diese Effekte ausgleichen oder vorteilhaft durch Wahl eines geeigneten Materials für die Auskleidung kompensiert werden können, hängt von den auftretenden Temperaturen im entsprechenden Einsatzfall ab.
Die Auskleidung kann als eigenes Bauteil ausgebildet sein, so dass dieses in einen Zwischenraum eingelegt werden kann, welcher sich bei dem Vorsehen einer groben Spielpassung zwischen der Ummantelung und der Spritzdüse ausbildet. Es ist auch möglich, die Auskleidung als festen Bestandteil der Ummantelung auszubilden. Diese ist dann fest mit dem Innenraum der Ummantelung verbunden und bildet selbst die Passfläche für die Spritzdüse. In diesem Fall könnte beispielsweise eine Passung gewählt werden, welche nur wenig Spiel zwischen der Ummantelung (mit integrierter Auskleidung) und der Spritzdüse zulässt. Auch könnte eine Übergangspassung gewählt werden, die bei Ausnutzung des gesamten Toleranzbereichs der Passung sogar ohne Spiel ausgeführt sein könnte.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn die Auskleidung auch die Funktion eines Adapters für Spritzdüsen mit geringeren Durchmessern Verwendung finden kann. Hierbei ist die Entstehung eines Baukastens denkbar. Eine bestimmte Ummantelung mit einem genügend großen Innendurchmesser kann vorteilhaft in großer Stückzahl gefertigt werden, wobei der Innenraum auf die Düse mit dem größten Durchmesser ausgelegt wird. Werden Spritzdüsen mit kleinerem Durchmesser verwendet, so wird der in diesem Fall entstehende zu große Zwischenraum zwischen der Passfläche der Ummantelung und der Außenwand der Düse mit einer geeigneten Auskleidung überbrückt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Einlass und der Auslass an demjenigen Ende der Ummantelung angeordnet sind, welches der Mündung der eingebauten Spritzdüse gegenüberliegt, also dieser abgewandt ist. Dies hat den großen Vorteil, dass die Mündung der Spritzdüse durch Verwendung der Ummantelung hinsichtlich ihres benötigten Bauraums nur unwesentlich größer wird. Dies ist vorrangig dann von Bedeutung, wenn die Bauteile, die mit der Spritzdüse beschichtet werden sollen, selbst eine komplizierte Geometrie mit schwer zugänglichen Zonen aufweist. In diesen Fällen hängt die Erreichbarkeit der schwer erreichbaren Regionen direkt davon ab, wie weit die Spritzdüse an das Bauteil herangeführt werden kann. Dies ist mit einer Mündung der Spritzdüse mit kleinerem Durchmesser einfacher möglich. Gleichzeitig kann die Ummantelung dennoch bis an die Düsenmündung herangeführt werden, um eine optimale Kühlung derselben zu gewährleisten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ummantelung an demjenigen Ende, das auf der Seite der Mündung der eingebauten Spritzdüse liegt, kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Ummantelung in ihrem Durchmesser zur Düsenmündung hin abnimmt, wobei die Düsenmündung den gedachten Kegelstumpf auf seiner an der fehlenden Spitze liegenden Kegelstumpffläche durchdringt. Diese Kegelstumpffläche kann so gewählt werden, dass ihr Flächeninhalt nur unwesentlich größer ist, als der Außendurchmesser der Spritzdüse an der Düsenmündung. Vorteilhaft wird hierdurch die Handhabbarkeit der Spritzdüsenanordnung mit der ummantelten Düse nur unwesentlich eingeschränkt. Mit der Düsenmündung lässt sich die Spritzdüse trotz der Ummantelung nah an das zu beschichtende Werkstück annähern, auch wenn der Winkel der Symmetrieachse der Düse zur zu beschichtenden Oberfläche ungleich 90° ist.
Eine besonders günstige Ausführung für die Fertigung erhält man, wenn die Ummantelung aus zwei ineinanderliegenden Schalen aufgebaut ist. Dabei ist eine Innenschale vorgesehen, in deren äußere Mantelfläche das Volumen der Kühlleitung bildende Kanäle eingebracht sind. Dies kann beispielsweise durch Fräsen in die Oberfläche der Innenschale erfolgen. Auch ist es denkbar, dass ein Gusskörper zur Anwendung kommt. Außerdem ist eine Außenschale vorgesehen, die auf der äußeren Mantelfläche der Innenschale aufliegt und den Querschnitt der Kanäle nach außen schließt. Diese Hülse kann beispielsweise einfach durch ein rohrförmiges Halbzeug hergestellt werden. Bei einem Aufbau der Ummantelung, bestehend aus zwei Halbschalen, kommen dementsprechend längs geteilte Rohrschalen für die Außenschale zum Einsatz. Mit dem erfindungsgemäß weiter gebildeten Aufbau können kostengünstig komplexe Führungen des die Kühlleitung bildenden Kanals verwirklicht werden, wobei bei der Führung des Kanals eine weitgehende Abdeckung der Ummantelung mit der Kühlleitung realisiert werden kann.
Zum Beispiel ist es möglich, dass die Kühlleitung zumindest abschnittsweise einen konstanten Querschnitt aufweist und in der Ummantelung meanderförmig verläuft. Dabei sind idealerweise die Zwischenräume zwischen den meanderförmig verlaufenden Teilen der Kühlleitung konstant, so dass ein gleichmäßiges Kühlprofil über den Umfang der Ummantelung gewährleistet werden kann. Wenn die Kühlleitung einen meanderförmigen Verlauf aufweist, sind zumindest die geradlinigen Abschnitte mit einem konstanten Querschnitt ohne Weiteres herstellbar. Bevorzugt die Abschnitte, die parallel zur Symmetrieachse der Ummantelung laufen, können mit einem konstanten Querschnitt ausgebildet sein. An den Stellen, wo ein Richtungswechsel der Kühlleitung in Umfangsrichtung der Ummantelung erfolgt, können Querschnittssprünge in Anbetracht einer einfacheren Fertigung hingenommen werden. Eine Kühlleitung mit einem weitgehend konstanten Querschnitt hat den Vorteil, dass das Kühlfluid mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit durch die Kühlleitung transportiert wird und sich keine Bereiche der Stagnation des Kühlfluids ausbilden können. In solchen Bereichen einer Stagnation wäre die Kühlleistung der Ummantelung ansonsten vermindert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch mit einer Spritzdüsenanordnung gelöst, wobei bei dieser eine Spritzdüse mit einer Kühlvorrichtung der beschriebenen Weise umgeben ist. Die mit der verwendeten Kühlvorrichtung verbundenen Vorteile sind bereits ausführlich erläutert worden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Spritzdüsenanordnung ist vorgesehen, dass diese einen konvergent-divergenten Querschnittsverlauf aufweist, insbesondere eine Kaltspritzdüse ist. Die Erwärmung von Kaltspritzdüsen, insbesondere im Bereich der Düsenkehle, stellt ein Problem bei der Anwendung des Kaltspritzverfahrens dar, welches mit der erfindungsgemäßen Ummantelung wirksam gelöst werden kann. Gleichzeitig leidet hierbei, wie bereits erläutert, nicht die vielseitige Anwendbarkeit der Kaltspritzvorrichtung, insbesondere, wenn die Ummantelung im Bereich der Düsenmündung den Durchmesser der Düse nur wenig vergrößert und Zuflüsse und Abflüsse der Kühlvorrichtung (für das Kühlfluid) an dem der Düsenmündung abgewandten Ende der Kühlvorrichtung angebracht sind.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass diese aus einem Hartmetall oder einer Keramik gefertigt ist. Diese Materialien sind im Vergleich vielen metallischen Materialien wie zum Beispiel Kupfer schlecht wärmeleitend, so dass die Erwärmung im Inneren der Düse nicht so schnell abgeleitet werden kann. Da diese Materialien aber aus Gründen des Verschleißverhaltens der Düsen bevorzugt verwendet werden, profitieren Düsen, die mit einer erfindungsgemäßen Ummantelung ausgestattet werden, in besonderer Weise von der verbesserten Kühlvorrichtung.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:

Figur 1 und 2: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spritzdüsenanordnung mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung im Längsschnitt und im Querschnitt,
Figur 3: ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spritzdüsenanordnung mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in Halbschalen-Bauweise als Aufsicht im geöffneten Zustand und
Figur 4 bis 6: ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spritzdüsenanordnung mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung im Längsschnitt, im Querschnitt und in der Darstellung einer Abwicklung der Ummantelung zur Darstellung des Verlaufs der Kühlleitung.

Eine Spritzdüsenanordnung 11 weist eine Spritzdüse 12 auf, die von einer Ummantelung 13 umgeben ist. Bei der Spritzdüse 12 handelt es sich um eine Kaltspritzdüse mit einem konvergenten Abschnitt 14 und einem divergenten Abschnitt 15, wobei eine solche Düse geeignet ist, die zu verarbeitenden Partikel genügend stark zu beschleunigen, damit diese aufgrund ihrer kinetischen Energie auf dem zu beschichtenden Substrat (nicht dargestellt) haften bleiben. Die Spritzdüse 12 kann mit Hilfe eines Flansches 16 an eine nicht näher dargestellte Kaltspritzanlage angeschlossen werden.
Das Kaltgasspritzen ist ein an sich bekanntes Verfahren, bei dem für die Beschichtung vorgesehene Partikel mittels der konvergent-divergenten Spritzdüse 12 vorzugsweise auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, damit diese aufgrund ihrer eingeprägten kinetischen Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben. Hierbei wird die kinetische Energie der Teilchen genutzt, welche zu einer plastischen Verformung derselben führt, wobei die Beschichtungspartikel beim Auftreffen lediglich an ihrer Oberfläche aufgeschmolzen werden. Deshalb wird dieses Verfahren im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren als Kaltgasspritzen bezeichnet, weil es bei vergleichsweise tiefen Temperaturen durchgeführt wird, bei denen die Beschichtungspartikel im Wesentlichen festbleiben. Vorzugsweise wird zum Kaltgasspritzen, welches auch als kinetisches Spritzen bezeichnet wird, eine Kaltgasspritzanlage verwendet, die eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases aufweist. An die Gasheizeinrichtung wird eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit der konvergent-divergenten Düse, vorzugsweise einer Lavaldüse verbunden wird. Konvergent-divergente Düsen weisen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt (konvergenter Abschnitt 14) sowie einen sich aufweitenden Teilabschnitt (divergenter Abschnitt 15) auf, die durch einen Düsenhals verbunden sind. Die konvergent-divergente Düse erzeugt ausgangsseitig einen Pulverstrahl in Form eines Gasstroms mit darin befindlichen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit.
Die Ummantelung 13 gemäß Figur 1 ist einteilig ausgeführt, wobei ein Innenraum 17 der Ummantelung zylindrisch ausgebildet ist. Da auch die Düse 12 außen zylindrisch ist, kann die Ummantelung 13 einfach über die Mündung 18 der Spritzdüse 12 geschoben werden. Der Innenraum 17 bildet dabei mit der Düse 12 eine Spielpassung aus, die eine Verschiebbarkeit der Ummantelung 13 gewährleistet.
Die Ummantelung 13 ist aus Kupfer hergestellt, so dass eine Wärmeableitung aus der Spritzdüse 12 in die als Kühlkörper wirkende Ummantelung 13 aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer gewährleistet ist. Damit die Wärme aus der Ummantelung 13 wirksam abgeführt werden kann, weist die Ummantelung eine Kühlleitung 19 auf, die über einen Einlass 20 mit Kühlwasser als Kühlfluid versorgt werden kann. Nachdem das Kühlwasser die Kühlleitung 19 durchströmt hat, wird dieses über einen Auslass 21 wieder abgeführt.
Der Querschnitt der Kühlleitung 19 ist dem Querschnitt der Düsenanordnung 11 in Figur 2 zu entnehmen. Die Schnittebene II-II ist in Figur 1 zu erkennen. Die Schnittebene des Längsschnitts gemäß Figur 1 ist in Figur 2 mit I-I gekennzeichnet.
Zu erkennen ist, dass der Kühlkanal 19, der vom Einlass 20 kommt, die ganze obere Hälfte des ringförmigen Querschnitts der Ummantelung 13 einnimmt. In der unteren Hälfte dieses Querschnitts verläuft die Kühlleitung zum Auslass 21. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Kühlfluid im oberen Teil der Kühlleitung bis zur Spitze der Ummantelung 13, d. h. dem an der Mündung 18 der Spritzdüse 12 liegenden Ende, geführt wird und eine Kühlung auf der gesamten Länge der Ummantelung 13 gewährleistet ist. Hierzu ist zwischen dem oberen Teil der Kühlleitung 19 und deren unteren Teil in der Ummantelung eine Trennwand 22 vorgesehen, die allerdings nicht bis in die Spitze der Ummantelung reicht, also vor der Zeichenebene gemäß Figur 2 endet, so dass das Kühlfluid innerhalb des Ringquerschnitts vom oberen Teil der Kühlleitung 19 in den unteren Teil fließen kann.
Um die Kühlleitung zu stabilisieren, sind in deren Querschnitt weiterhin einzelne Stützsäulen 23 vorgesehen, von denen in Figur 2 vier hinter der Zeichenebene liegende zu erkennen sind. Eine Ummantelung, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, ließe sich beispielsweise mit Hilfe eines selektiven Laserschmelzverfahrens herstellen.
In Figur 3 ist eine andere Bauform der Ummantelung 13 dargestellt. Diese weist zwei Halbschalen auf, wobei die Halbschale 24 in Figur 3 zu erkennen ist, während die andere Halbschale von der Düse 12 entfernt ist. Deswegen ist die Düse 12 in der Aufsicht gemäß Figur 3 auch zu erkennen. Man blickt überdies genau auf die Stoßfläche der Halbschale 24, die nach Montage der anderen Halbschale eine Trennfuge 25 (vgl. auch Figur 6) ausbildet. Zu erkennen ist auch der Einlass 20 und der Auslass 21 für das Kühlfluid.
Der Düse 12 lässt sich der konvergente Abschnitt 14 und der divergente Abschnitt 15 auch von außen ansehen, da diese Düse mit einer konstanten Wandstärke hergestellt wurde. Dies hat den Vorteil, dass im Bereich der Düsenkehle zwischen konvergentem und divergentem Abschnitt 14, 15 keine größere Wandstärke der Düse vorliegt, als am Düseneintritt und an der Mündung 18, die Wandstärke über die Länge der Spritzdüse 12 also konstant bleibt. Da das Material der Spritzdüse 12 schlecht wärmeleitend ist, kann hierdurch die Ableitung der Wärme aus der Düse verbessert werden, da auch im Bereich der Düsenkehle die Wärmeableitung genauso schnell erfolgen kann wie am Düseneintritt und an der Düsenmündung 18. Da die Spritzdüse eine Außenseite mit einer Taille 26 aufweist, muss die Ummantelung 13 aus Halbschalen aufgebaut sein, die längs der Ausdehnung der Düse getrennt sind. Die Ummantelung braucht deswegen nicht auf die Düse aufgeschoben zu werden, sondern kann in radialer Richtung auf die Düse aufgesetzt werden.
Gemäß Figur 4 weist die Umhüllung 13 ebenfalls zwei Halbschalen 24a, 24b auf, wobei die Trennfuge senkrecht zur Zeichenebene verläuft (vgl. auch Figur 6, wo der Schnitt VI-VI gemäß Figuren 4 und 5 dargestellt ist). Nach dem Zusammensetzen der Ummantelung 13 aus den Halbschalen 24a, 24b werden diese mit Hilfe von Klemmringen 27 zusammengehalten. In einem Zwischenraum, der aufgrund der vorgesehenen Spielpassung zwischen der Spritzdüse 12 und dem Innenraum 17 der Ummantelung entsteht, ist eine Auskleidung 28 vorgesehen. Diese kann beispielsweise aus einer Aluminiumfolie bestehen. Diese Auskleidung verbessert den Wärmeübergang von der Spritzdüse 12 in das Material der Ummantelung 13.
In den Halbschalen 24a, 24b ist jeweils eine unabhängige Kühlleitung 19 vorgesehen. In der Schnittebene IV-IV (vgl. Figur 6) wird die Kühlleitung mehrfach geschnitten, wobei sich der genaue Verlauf der Kühlleitung 19 der Figur 5 entnehmen lässt. Die Figur 5 stellt eine Abwicklung der Ummantelung 13 dar. Man kann sich das so vorstellen, als ob die Ummantelung mit der zylindrischen Mantelfläche in eine Ebene aufgebogen wird. In dieser Ebene sind dann die beiden Trennfugen 25 als strichpunktierte Linien zu erkennen. Der Knick in der einen Trennfuge 25 gemäß Figur 5 kommt dadurch zustande, dass sich aufgrund des konischen Zulaufens der Ummantelung an der Mündung 18 eine Verringerung des Außendurchmessers der Ummantelung ergibt.
Wie sich der Figur 5 entnehmen lässt, hat die Kühlleitung 19 einen meandernden Verlauf. Die Flussrichtung des Kühlfluids vom Einlass 20 zum Auslass 21 der jeweiligen Halbschale ist durch Pfeile angedeutet. Zu erkennen ist dabei, dass die Kühlleitungen gemäß Figur 4 Schnitte der in Umfangsrichtung der Ummantelung verlaufenden Anteile der Kühlleitung darstellen. Auf diese Weise werden die axial verlaufenden Anteile der Kühlleitung 19, die einen konstanten Querschnitt aufweisen, miteinander verbunden. Im Bereich des konischen Zulaufens der Ummantelung 13 hat es in der abgewickelten Darstellung den Anschein, als ob der Querschnitt der Kühlleitung 19 größer sei. Dies ist allerdings nicht der Fall, wie sich Figur 4 unschwer entnehmen lässt, da die Verringerung des Durchmessers im konischen Bereich dadurch ausgeglichen werden muss, dass die Kühlleitung in axialer Richtung breiter ist.
Der Figur 6 lässt sich entnehmen, dass die Kühlleitung 19 mit ihren Abschnitten im Querschnitt in der Ummantelung 13 alle gleich gewählt sind. Diese weisen einen rechteckigen Querschnitt auf, der durch Erzeugen von Fräsnuten in einer Innenschale 29 erzeugt werden. Da die Nuten nach radial außen offen sind, ist es erforderlich, dass die Innenschalen 30 der oberen Halbschale 24a und der unteren Halbschale 24b jeweils durch Außenschalen 30 verschlossen werden. Eine Verbindung der Stoßstellen kann durch Löten oder Kleben erfolgen. Erforderlich ist diese stoffflüssige Verbindung allerdings nur in den Bereichen der Stoßstellen, die nach außen abgedichtet werden müssen. Die Berührungsfläche der zwischen den Nuten befindlichen Stege 31 zu der Außenschale 30 müssen nicht stoffschlüssig verbunden werden, da eine geringfügige Leckage zwischen benachbarten Abschnitten der Leitung 19 hingenommen werden kann. Der Aufbau aus Innenschale 29 und Außenschale 30 lässt sich aus Figur 4 entnehmen.

Claims

Kühlvorrichtung für eine für das thermische Spritzen geeignete Spritzdüse (12), wobei
- die Kühlvorrichtung als Ummantelung (13) ausgeführt ist, in deren Innenraum (17) die Spritzdüse (12) angeordnet werden kann,

- die Kühlvorrichtung einen Einlass (20) und einen Auslass (21) für ein Kühlfluid aufweist
dadurch gekennzeichnet,
dass
- der Innenraum (17) der Ummantelung als Passfläche ausgeführt ist, welche sich zumindest über einen wesentlichen Teil von mehr als zwei Dritteln der Längsausdehnung der Ummantelung (13) erstreckt, wobei bei Montage der Spritzdüse (12) im Innenraum (17) eine Passung zwischen der Spritzdüse (12) und der Ummantelung (13) ausbildbar ist, und

- in der Ummantelung (13) eine Kühlleitung (19) vorgesehen ist, die einen geschlossenen Querschnitt aufweist und den Einlass (20) mit dem Auslass (21) verbindet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ummantelung aus zwei Halbschalen (24a, 24b) aufgebaut ist, wobei eine Trennfuge (25) zwischen den Halbschalen in Richtung der Längenausdehnung der Ummantelung verläuft.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede der Halbschalen (24a, 24b) eine unabhängige Kühlleitung (19) mit einen eigenen Einlass (20) und einem eigenen Auslass (21) aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Innenraum (17) der Ummantelung (13) eine Auskleidung als Adapter für Spritzdüsen (12) mit geringeren Durchmessern aufweist, welche fest mit dem Innenraum der Ummantelung verbunden ist und die Passfläche bildet.
Kühlvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Einlass (20) und der Auslass (21) an demjenigen Ende der Ummantelung (17) angeordnet sind, das der Mündung der eingebauten Spritzdüse (12) gegenüber liegt.
Kühlvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ummantelung (17) an demjenigen Ende, das auf der Seite der Mündung der eingebauten Spritzdüse liegt, kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ummantelung aus zwei ineinander liegenden Schalen aufgebaut ist, einer Innenschale (29) in deren äußere Mantelfläche das Volumen der Kühlleitung (19) bildende Kanäle eingebracht sind und einer Außenschale (30), die auf der äußeren Mantelfläche der Innenschale aufliegt und den Querschnitt der Kanäle nach außen hin schließt.
Kühlvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlleitung zumindest abschnittsweise einen konstanten Querschnitt aufweist und in der Ummantelung mäanderförmig verläuft.
Spritzdüsenanordnung mit einer Kühlvorrichtung, wobei
- die Kühlvorrichtung als Ummantelung (13) ausgeführt ist, in deren Innenraum (17) eine für das thermische Spritzen geeignete Spritzdüse (12) angeordnet ist,

- die Kühlvorrichtung einen Einlass (20) und einen Auslass (21) für ein Kühlfluid aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass
- der Innenraum (17) der Ummantelung als Passfläche ausgeführt ist, welche sich zumindest über einen wesentlichen Teil von mehr als zwei Dritteln der Längsausdehnung der Ummantelung (13) erstreckt, wobei sich im Innenraum (17) eine Passung zwischen der Spritzdüse (12) und der Ummantelung (13) ausbildet und

- in der Ummantelung (13) eine Kühlleitung (19) vorgesehen ist, die einen innerhalb der Ummantelung geschlossenen Querschnitt aufweist und den Einlass (20) mit dem Auslass (21) verbindet.
Spritzdüsenanordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese einen konvergent-divergenten Querschnittsverlauf aufweist, insbesondere eine Kaltspritzdüse ist.
Spritzdüsenanordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese aus einem Hartmetall oder einer Keramik gefertigt ist.