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EP2260119B1 - Kaltgasspritzanlage - Google Patents

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Publication number
EP2260119B1
EP2260119B1 EP09729463A EP09729463A EP2260119B1 EP 2260119 B1 EP2260119 B1 EP 2260119B1 EP 09729463 A EP09729463 A EP 09729463A EP 09729463 A EP09729463 A EP 09729463A EP 2260119 B1 EP2260119 B1 EP 2260119B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
spraying system
cold gas
gas spraying
stagnation chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP09729463A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2260119A2 (de
Inventor
Oliver Stier
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2260119A2 publication Critical patent/EP2260119A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2260119B1 publication Critical patent/EP2260119B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • 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
    • 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
    • B05B7/162—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 and heat being transferred from the atomising fluid to the material to be sprayed
    • B05B7/1626—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 and heat being transferred from the atomising fluid to the material to be sprayed at the moment of mixing
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a cold gas spraying system having the features according to the preamble of claim 1.
  • Such a cold gas spraying system is sold, for example, by CGT Cold Gas Technology GmbH under the product name Kinetiks® 4000 Cold Spray System.
  • the previously known cold gas spraying system has a gas heater for heating a gas.
  • a stagnation chamber is connected to a Laval nozzle.
  • Laval nozzles are known to have a converging section, a nozzle neck adjoining the converging section and a widening section adjoining the nozzle neck.
  • the Laval nozzle emits a gas stream with particles in it at supersonic speed.
  • Cold spray systems of the type described can be used, for example, to produce a coating on a surface with the accelerated particles.
  • Kaltgasspiritzanlagen are in DE 10207519 and EP 1629899 disclosed.
  • the invention has for its object to provide a cold gas spraying system with which an even better layer quality when producing a coating can be achieved than before.
  • the invention provides that at least one - as seen in the gas flow direction - located behind the gas heater section of the cold gas spraying system in which he inside wall with a ceramic insulation material, the thermal conductivity (thermal conductivity) below 20 watts per Kelvin and meter (20 W. / Km), is covered or consists of such a material.
  • the thermal conductivity of an insulating material is usually given for a temperature range between 30 and 100 ° C, as listed in W / (K * m).
  • a significant advantage of the cold gas spray system according to the invention is the fact that can be achieved with this higher flow velocities of the gas stream and thus higher particle velocities than in prior art cold gas spraying. This is concretely attributable to the fact that, due to the thermal insulation provided according to the invention, of at least one section located behind the gas heating device in the gas flow direction, it is possible to achieve greater stagnation temperatures of the gas within the cold gas spraying installation than before. It has been recognized by the inventor that the achievable flow rates against atmospheric pressure, both those of the gas stream and those of the particles therein, depend primarily on the stagnation temperature of the gas and less on the stagnation pressure of the gas.
  • the invention begins by providing according to the invention to allow even higher stagnation temperatures than before; This is achieved by one or more located behind the gas heater sections are specifically thermally insulated or thermally protected to even higher temperatures in these sections without damaging plant parts to allow the cold gas spray system.
  • the core of the invention is therefore to achieve higher stagnation temperatures by means of additional thermal insulation, in order thereby to achieve higher flow velocities of the particles and thus, in turn, higher-quality coating qualities.
  • the insulating material is formed by or includes one or more of the following materials: porcelains, steatites, cordierite ceramics, alumina, in particular zirconia-reinforced, aluminum silicate, aluminum titanate, zirconium oxide, in particular stabilized variants, oxides of magnesium, beryllium or Titanium, silicon nitride, porous silicon carbide, in particular nitride bonded or recrystallized.
  • the panel is formed by an insert which consists wholly or partly of the insulating material and is inserted in the thermally protected portion of the cold gas spraying system that it separates the inner wall of the portion of the gas stream ,
  • this can be exchanged particularly easily and thus advantageously.
  • the cladding may be formed by a coating of the insulating material applied to the inner wall of the section and separating the inner wall of the section from the gas flow.
  • the thermally protected portion lies in the converging section of the Laval nozzle to a thermal stress and deformation of this relevant for the beam formation and acceleration of the gas section to avoid.
  • At least part of the insert is formed by a cone-shaped, in particular frusto-conical, sleeve, which is inserted into the converging section of the Laval nozzle.
  • a particularly simple replacement of the insert in the event of material wear is possible.
  • the thermally protected portion lies in the stagnation chamber.
  • the thermally protected portion extends from the stagnation chamber into the converging part of the Laval nozzle.
  • the thermal insulation is achieved by an insert which is formed by a sectionally cylindrical and partially cone-shaped, in particular frusto-conical, sleeve whose cylindrical portion is inserted in the stagnation chamber and its conical portion in the converging section of the Laval nozzle.
  • the thermally protected portion may extend into and / or through the nozzle throat.
  • the stagnation chamber can be opened and the insert and the stagnation chamber are designed such that the insert can be exchanged from the stagnation chamber.
  • the Laval nozzle 20 comprises a converging section 30 and a widening section 40.
  • the converging section 30 and the widening section 40 are through a nozzle throat 50, in which the cross-section of the Laval nozzle 20 is minimal, separated from each other.
  • a stagnation chamber 60 is connected at the converging section 30 of the Laval nozzle 20, a stagnation chamber 60 is connected.
  • the cross-sectional area A of the stagnation chamber 60 is much larger than the cross-sectional area A 'in the region of the nozzle neck 50, so that it in the region of the nozzle neck 50 and in the adjoining, widening portion 40 to a significant acceleration of the Laval nozzle 20 passing gas stream P comes.
  • the relatively low gas flow velocity (0 ⁇ Mach number ⁇ 1) in the stagnation chamber 60 is designated by the reference symbol Vu and the high supersonic gas flow velocity (Mach number> 1) in the subsection 40 by the reference symbol Vo.
  • a particle feed device 80 which feeds particles T into the gas G in the stagnation chamber 60.
  • the particles T are fed laterally from the edge into the stagnation chamber 60;
  • the particles T may be centered or at different spatial angles than in the FIG. 1 shown fed into the stagnation chamber 60.
  • a gas heater 90 is arranged, which heats the gas G before it enters the stagnation chamber 60 and the Laval nozzle 20.
  • the cold gas spraying system 10 according to the FIG. 1 can be operated as follows:
  • the particles T are fed into the gas G located in the stagnation chamber 60. Due to the large cross section A in the stagnation chamber 60, the gas flow velocity Vu of the gas flow P from the stagnation chamber 60 into the Laval nozzle 20 is still relatively small (0 ⁇ Mach number ⁇ 1). Only in the area of the nozzle throat 50 does the gas flow P accelerate considerably, resulting in a gas flow velocity Vo of the gas flow P in the expanding section 40 in the supersonic range (Mach number> 1).
  • the highest possible gas temperature is set in the stagnation chamber 60.
  • a thermal insulation material 100 or coated In order to avoid that in the converging section 30 of the Laval nozzle 20 overheating and concomitantly a deformation or destruction of the Laval nozzle 20 may occur, this is covered with a thermal insulation material 100 or coated.
  • the thermal insulation material 100 has a thermal conductivity below 20W / Km.
  • the insulating material 100 can be formed, for example, by one or more of the following ceramic materials: porcelains, steatites, cordierite ceramics, aluminum oxide, in particular zirconium-reinforced aluminum silicate, aluminum titanate, zirconium oxide, in particular stabilized variants, oxides of magnesium, beryllium or titanium, silicon nitride, porous silicon carbide, in particular nitride bonded or recrystallized.
  • ceramic materials porcelains, steatites, cordierite ceramics, aluminum oxide, in particular zirconium-reinforced aluminum silicate, aluminum titanate, zirconium oxide, in particular stabilized variants, oxides of magnesium, beryllium or titanium, silicon nitride, porous silicon carbide, in particular nitride bonded or recrystallized.
  • the lining is formed by a cone-shaped, in particular frustoconical, insert 110, which consists wholly or partly of said thermal insulation material 100 and is inserted or inserted into the Laval nozzle 20.
  • the insert 110 Through the insert 110, the gas flow P is separated from the inner wall 120 of the Laval nozzle 20, so that the inner wall 120 is thermally protected in the region of the insert 110.
  • the stagnation chamber 60 at its in the FIG. 1 left or right side can be opened to pull out the insert 110 in the event of wear from the Laval nozzle 20 and replace.
  • FIG. 2 a second embodiment of a cold gas spraying system 10 is shown.
  • the stagnation chamber 60 is thermally protected.
  • the inner wall 130 of the stagnation chamber 60 is lined or coated with the thermal insulation material 100.
  • the cladding is formed by an insert 140, which consists of or comprises the thermal insulation material 100 and rests against the inner wall 130 from the inside.
  • the insert 140 may for example be formed at least in sections by a cylindrical insertion sleeve.
  • the insertion sleeve in the event of wear of the in the FIG. 2 left or right side of the stagnation chamber 60 are exchanged.
  • the inner wall portion 200 adjacent to the Laval nozzle 20 is the stagnation chamber 60 and the inner wall portion 210 of the converging section 30 of the Laval nozzle 20 thermally protected.
  • the two inner wall sections 200 and 210 are lined with an insert 220 in the form of a sleeve or insertion sleeve, which has been inserted from the stagnation chamber 60 in this and in the Laval nozzle 20.
  • the insertion sleeve 220 is replaceable, so that it can be replaced in case of wear.
  • the plug-in sleeve 220 is partially cylindrical and partially conical, wherein the cylindrical portion in the stagnation chamber 60 and the cone-shaped portion in the converging section 40 of the Laval nozzle 20 is inserted or inserted.
  • FIG. 4 1 shows an exemplary embodiment of a cold gas spraying system 10, in which the stagnation chamber 60, the converging section 30 of the Laval nozzle 20, the nozzle neck 50 and a lower section 310 of the widening section 40 of the Laval nozzle 20 are thermally insulated.
  • a coating of a thermal insulation material is applied to the said sections, which has a thermal conductivity below 20 W / Km.
  • the stagnation chamber 60, the subsection 30, the nozzle throat 50, and the subsection 310 may also be made solid from a thermal insulation material having a conductivity below 20 W / Km.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltgasspritzanlage (10) mit einer Gasheizeinrichtung (90) und einer an die Gasheizeinrichtung (90) angeschlossenen Stagnationskammer (60). An die Stagnationskammer ist eine Lavaldüse (20) angeschlossen, die ausgangsseitig einen Gasstrom mit darin befindlichen Partikeln (T) mit Überschallgeschwindigkeit abgibt. Kaltgasspritzanlagen dieser Art können beispielsweise dazu verwendet werden, um mit den beschleunigten Partikeln eine Beschichtung auf einer Oberfläche zu erzeugen. Um eine noch bessere Schichtqualität beim Herstellen einer Beschichtung zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein - in Gasströmungsrichtung gesehen - hinter der Gasheizeinrichtung befindlicher Abschnitt der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist, indem er innenwandseitig mit einem keramischen Isolationsmaterial, das eine thermische Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist, verkleidet ist oder aus einem solchen besteht. Die Verkleidung kann beispielsweise durch einen auswechselbaren Einsatz (110, 140) gebildet sein, der die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt. Ein solcher Einsatz kann beispielsweise eine abschnittsweise zylindrische und abschnittsweise konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse aufweisen, deren zylindrischer Abschnitt in der Stagnationskammer und deren konusf örmiger Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltgasspritzanlage mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Kaltgasspritzanlage wird beispielsweise von der Firma CGT Cold Gas Technology GmbH unter dem Produktnamen Kinetiks® 4000 Cold Spray System vertrieben. Die vorbekannte Kaltgasspritzanlage weist eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases auf. An die Gasheizeinrichtung ist eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit einer Lavaldüse verbunden ist. Lavaldüsen weisen bekanntermaßen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt, einen sich an den zusammenlaufenden Teilabschnitt anschließenden Düsenhals sowie einen sich an den Düsenhals anschließenden aufweitenden Teilabschnitt auf. Die Lavaldüse gibt ausgangsseitig einen Gasstrom mit darin befindlichen Partikeln in Überschallgeschwindigkeit ab. Kaltgasspritzanlagen der beschriebenen Art können beispielsweise dazu verwendet werden, um mit den beschleunigten Partikeln eine Beschichtung auf einer Oberfläche zu erzeugen. Kaltgasspiritzanlagen sind in DE 10207519 und EP 1629899 offenbart.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kaltgasspritzanlage anzugeben, mit der sich eine noch bessere Schichtqualität beim Herstellen einer Beschichtung als bisher erreichen lässt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kaltgasspritzanlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzanlage sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein - in Gasströmungsrichtung gesehen - hinter der Gasheizeinrichtung befindlicher Abschnitt der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist, in dem er innenwandseitig mit einem keramischen Isolationsmaterial, das eine thermische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) unter 20 Watt pro Kelvin und Meter (20 W/Km) aufweist, verkleidet ist oder aus einem solchen Material besteht.
  • Die thermische Leitfähigkeit eines Isolationsmaterials wird üblicherweise für einen Temperaturbereich zwischen 30 und 100°C angegeben, und zwar, wie aufgeführt, in W/(K*m).
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzanlage ist darin zu sehen, dass sich mit dieser höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Gasstromes und damit höhere Partikelgeschwindigkeiten erreichen lassen als bei vorbekannten Kaltgasspritzanlagen. Dies ist konkret darauf zurückzuführen, dass sich aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen thermischen Isolation zumindest eines in Gasströmungsrichtung gesehen hinter der Gasheizeinrichtung befindlichen Abschnitts größere Stagnationstemperaturen des Gases innerhalb der Kaltgasspritzanlage erreichen lassen als bisher. Erfinderseitig wurde erkannt, dass die erreichbaren Strömungsgeschwindigkeiten gegen Atmosphärendruck, und zwar sowohl die des Gasstromes als auch die der darin befindlichen Partikel, vorrangig von der Stagnationstemperatur des Gases und weniger von dem Stagnationsdruck des Gases abhängen. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem erfindungsgemäß vorgesehen wird, noch höhere Stagnationstemperaturen als bisher zu ermöglichen; dies wird erreicht, indem ein oder mehrere hinter der Gasheizeinrichtung befindliche Abschnitte gezielt thermisch isoliert bzw. thermisch geschützt werden, um in diesen Abschnitten noch höhere Temperaturen ohne eine Beschädigung von Anlagenteilen der Kaltgasspritzanlage zu ermöglichen. Mit anderen Worten besteht der Kern der Erfindung also darin, durch eine zusätzliche thermische Isolation höhere Stagnationstemperaturen zu erzielen, um dadurch höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Partikel und damit wiederum höherwertige Beschichtungsqualitäten zu erreichen.
  • Vorzugsweise ist das Isolationsmaterial durch eines oder mehrere der folgenden Materialien gebildet oder enthält eines oder mehrere dieser zumindest auch: Porzellane, Steatite, Cordieritkeramiken, Aluminiumoxid, insbesondere Zirkonia-verstärktes, Aluminiumsilikat, Aluminiumtitanat, Zirkoniumoxid, insbesondere stabilisierte Varianten, Oxide von Magnesium, Beryllium oder Titan, Siliziumnitrid, poröses Siliziumkarbid, insbesondere nitridgebundenes oder rekristallisiertes.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verkleidung durch einen Einsatz gebildet ist, der ganz oder zum Teil aus dem Isolationsmaterial besteht und derart in dem thermisch zu schützenden Abschnitt der Kaltgasspritzanlage eingelegt ist, dass er die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt. Bei dieser Ausgestaltung wird erreicht, dass im Falle eines Verschleißes des thermischen Isolationsmaterials dieses besonders einfach und damit vorteilhaft ausgetauscht werden kann.
  • Alternativ kann die Verkleidung durch eine Beschichtung aus dem Isolationsmaterial gebildet sein, die auf der Innenwand des Abschnitts aufgebracht ist und die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt.
  • Besonders bevorzugt liegt der thermisch geschützte Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse, um eine thermische Belastung und Verformung dieses für die Strahlbildung und Beschleunigung des Gases relevanten Teilabschnitts zu vermeiden.
  • Vorzugsweise ist zumindest ein Teil des Einsatzes durch eine konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse gebildet, die in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist. Bei einer solchen Ausgestaltung ist ein besonders einfacher Austausch des Einsatzes im Falle eines Materialverschleißes möglich.
  • Alternativ kann vorgesehen sein, dass der thermisch geschützte Abschnitt in der Stagnationskammer liegt.
  • Vorzugsweise erstreckt sich der thermisch geschützte Abschnitt von der Stagnationskammer aus in den zusammenlaufenden Teil der Lavaldüse. Beispielsweise wird die thermische Isolation durch einen Einsatz erreicht, der durch eine abschnittsweise zylindrische und abschnittsweise konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse gebildet ist, deren zylindrischer Abschnitt in der Stagnationskammer und deren konusförmiger Abschnitt in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist. Auch kann sich der thermisch geschützte Abschnitt bis in den Düsenhals hinein und/oder durch diesen hindurch erstrecken.
  • Im Hinblick auf eine kostengünstige Wartung der Kaltgasspritzanlage wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Stagnationskammer geöffnet werden kann und der Einsatz und die Stagnationskammer derart ausgestaltet sind, dass der Einsatz von der Stagnationskammer aus ausgetauscht werden kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
    • Figur 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der der zusammenlaufende Teilabschnitt der Lavaldüse der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist,
    Figur 2
    ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der die Stagnationskammer thermisch geschützt ist,
    Figur 3
    ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der ein Abschnitt der Stagnationskammer der Kaltgasspritzanlage sowie der daran angrenzende zusammenlaufende Teilabschnitt der Lavaldüse thermisch geschützt ist, und
    Figur 4
    ein Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der sich der thermisch geschützte Abschnitt von der Stagnationskammer über den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse bis in den sich aufweitenden Teilabschnitt der Lavaldüse erstreckt.
  • In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • In der Figur 1 erkennt man eine Kaltgasspritzanlage 10, die mit einer Lavaldüse 20 ausgestattet ist. Die Lavaldüse 20 umfasst einen zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 und einen sich aufweitenden Teilabschnitt 40. Der zusammenlaufende Teilabschnitt 30 und der sich aufweitende Teilabschnitt 40 sind durch einen Düsenhals 50, bei dem der Querschnitt der Lavaldüse 20 minimal ist, voneinander getrennt.
  • An den zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20 ist eine Stagnationskammer 60 angeschlossen. Wie sich in der Figur 1 erkennen lässt, ist die Querschnittsfläche A der Stagnationskammer 60 sehr viel größer als die Querschnittsfläche A' im Bereich des Düsenhalses 50, so dass es im Bereich des Düsenhalses 50 sowie in dem sich daran anschließenden, sich aufweitenden Teilabschnitt 40 zu einer signifikanten Beschleunigung eines durch die Lavaldüse 20 hindurchtretenden Gasstromes P kommt. Die relativ geringe Gasstromgeschwindigkeit (0 ≈ Machzahl << 1) in der Stagnationskammer 60 ist mit dem Bezugszeichen Vu und die hohe Überschall-Gasstromgeschwindigkeit (Machzahl > 1) im Teilabschnitt 40 mit dem Bezugszeichen Vo gekennzeichnet.
  • In die Stagnationskammer 60 hinein erstreckt sich eine Partikeleinspeisungseinrichtung 80, die Partikel T in das in der Stagnationskammer 60 befindliche Gas G einspeist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 werden die Partikel T seitlich vom Rand in die Stagnationskammer 60 eingespeist; dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen: Die Partikel T können mittig oder unter anderen räumlichen Winkeln als in der Figur 1 dargestellt in die Stagnationskammer 60 eingespeist werden.
  • In Gasströmungsrichtung gesehen vor der Stagnationskammer 60 ist eine Gasheizeinrichtung 90 angeordnet, die das Gas G aufwärmt, bevor es in die Stagnationskammer 60 und in die Lavaldüse 20 gelangt.
  • Die Kaltgasspritzanlage 10 gemäß der Figur 1 lässt sich wie folgt betreiben:
  • Mit der Partikeleinspeisungseinrichtung 80 werden die Partikel T in das in der Stagnationskammer 60 befindliche Gas G eingespeist. Aufgrund des großen Querschnitts A in der Stagnationskammer 60 ist die Gasstromgeschwindigkeit Vu des Gasstromes P von der Stagnationskammer 60 in die Lavaldüse 20 noch relativ klein (0 ≈ Machzahl << 1). Erst im Bereich des Düsenhalses 50 kommt es zu einer erheblichen Beschleunigung des Gasstromes P, wodurch sich im aufweitenden Teilabschnitt 40 eine Gasstromgeschwindigkeit Vo des Gasstromes P im Überschallbereich (Machzahl > 1) ergibt.
  • Um eine möglichst große Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes P im Teilabschnitt 40 zu erreichen, wird in der Stagnationskammer 60 eine möglichst hohe Gastemperatur eingestellt. Um dabei zu vermeiden, dass in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20 eine Überhitzung und damit einhergehend eine Deformation oder Zerstörung der Lavaldüse 20 auftreten kann, ist diese mit einem thermischen Isolationsmaterial 100 verkleidet oder beschichtet. Das thermische Isolationsmaterial 100 weist eine thermische Leitfähigkeit unter 20W/Km auf.
  • Das Isolationsmaterial 100 kann beispielsweise durch eines oder mehrere der folgenden Keramik-Materialien gebildet sein oder diese zumindest auch enthalten: Porzellane, Steatite, Cordieritkeramiken, Aluminiumoxid, insbesondere Zirkonia-verstärktes, Aluminiumsilikat, Aluminiumtitanat, Zirkoniumoxid, insbesondere stabilisierte Varianten, Oxide von Magnesium, Beryllium oder Titan, Siliziumnitrid, poröses Siliziumkarbid, insbesondere nitridgebundenes oder rekristallisiertes.
  • Beispielsweise ist in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20 die Verkleidung durch einen konusförmigen, insbesondere kegelstumpfförmigen, Einsatz 110 gebildet, der ganz oder zum Teil aus dem genannten thermischen Isolationsmaterial 100 besteht und in die Lavaldüse 20 eingelegt bzw. eingeschoben ist. Durch den Einsatz 110 wird der Gasstrom P von der Innenwand 120 der Lavaldüse 20 getrennt, so dass die Innenwand 120 im Bereich des Einsatzes 110 thermisch geschützt wird.
  • Vorzugsweise kann die Stagnationskammer 60 an ihrer in der Figur 1 linken oder rechten Seite geöffnet werden, um den Einsatz 110 im Falle eines Verschleißes aus der Lavaldüse 20 herausziehen und austauschen zu können.
  • In der Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage 10 gezeigt. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist die Stagnationskammer 60 thermisch geschützt. So erkennt man in der Figur 2, dass die Innenwand 130 der Stagnationskammer 60 mit dem thermischen Isolationsmaterial 100 verkleidet oder beschichtet ist. Beispielsweise wird die Verkleidung durch einen Einsatz 140 gebildet, der aus dem thermischen Isolationsmaterial 100 besteht oder dieses aufweist und von innen an der Innenwand 130 anliegt. Der Einsatz 140 kann beispielsweise zumindest abschnittsweise durch eine zylindrische Einschubhülse gebildet sein. Vorzugsweise kann die Einschubhülse im Falle eines Verschleißes von der in der Figur 2 linken oder rechten Seite der Stagnationskammer 60 aus ausgetauscht werden.
  • In der Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage 10 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der an die Lavaldüse 20 angrenzende Innenwandabschnitt 200 der Stagnationskammer 60 sowie der Innenwandabschnitt 210 des zusammenlaufenden Teilabschnitts 30 der Lavaldüse 20 thermisch geschützt. Beispielsweise sind die beiden Innenwandabschnitte 200 und 210 mit einem Einsatz 220 in Form einer Hülse oder Einschubhülse verkleidet, die von der Stagnationskammer 60 aus in diese sowie in die Lavaldüse 20 eingesetzt worden ist. Vorzugsweise ist die Einschubhülse 220 auswechselbar, so dass sie im Falle eines Verschleißes ausgewechselt werden kann. Wie sich in der Figur 3 erkennen lässt, ist die Einschubhülse 220 abschnittsweise zylindrisch und abschnittsweise konusförmig, wobei der zylindrische Abschnitt in der Stagnationskammer 60 und der konusförmige Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt 40 der Lavaldüse 20 eingelegt bzw. eingeschoben ist.
  • In der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage 10 gezeigt, bei der die Stagnationskammer 60, der zusammenlaufende Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20, der Düsenhals 50 sowie ein Unterabschnitt 310 des sich aufweitenden Teilabschnitts 40 der Lavaldüse 20 thermisch isoliert sind. Beispielsweise ist auf die genannten Abschnitte eine Beschichtung aus einem thermischen Isolationsmaterial aufgebracht, das eine thermische Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist. Alternativ können die Stagnationskammer 60, der Teilabschnitt 30, der Düsenhals 50 und der Unterabschnitt 310 auch massiv aus einem thermischen Isolationsmaterial bestehen, das eine Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist.

Claims (11)

  1. Kaltgasspritzanlage (10) mit
    - einer Gasheizeinrichtung (90),
    - einer an die Gasheizeinrichtung (90) mittelbar oder unmittelbar angeschlossenen Stagnationskammer (60) und
    - einer Lavaldüse (20), die eingangsseitig an die Stagnationskammer (60) angeschlossen ist und ausgangsseitig einen Gasstrom (P) mit darin befindlichen Partikeln (T) mit Überschallgeschwindigkeit abgibt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zumindest ein - in Gasströmungsrichtung gesehen - hinter der Gasheizeinrichtung (90) befindlicher Abschnitt der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist,
    - indem er innenwandseitig mit einem keramischen Isolationsmaterial, das eine thermische Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist, verkleidet ist oder aus einem solchen besteht.
  2. Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial durch eines oder mehrere der folgenden Materialien gebildet ist oder eines oder mehrere dieser zumindest auch enthält: Porzellane; Steatite; Cordieritkeramiken; Aluminiumoxid, insbesondere Zirkonia-verstärktes; Aluminiumsilikat; Aluminiumtitanat; Zirkoniumoxid, insbesondere stabilisierte Varianten; Oxide von Magnesium, Beryllium oder Titan; Siliziumnitrid; poröses Siliziumkarbid, insbesondere nitridgebundenes oder rekristallisiertes.
  3. Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung durch einen Einsatz (110, 140) gebildet ist, der ganz oder zum Teil aus dem Isolationsmaterial besteht und derart in den thermisch geschützten Abschnitt der Kaltgasspritzanlage eingelegt ist, dass er die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt.
  4. Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung durch eine Beschichtung aus dem Isolationsmaterial gebildet ist, die auf der Innenwand des Abschnitts aufgebracht ist und die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt.
  5. Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch geschützte Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse liegt.
  6. Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Einsatzes durch eine konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse gebildet ist, die in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist.
  7. Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch geschützte Abschnitt in der Stagnationskammer liegt.
  8. Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der thermisch geschützte Abschnitt von der Stagnationskammer aus in den zusammenlaufenden Teil der Lavaldüse erstreckt.
  9. Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz eine abschnittsweise zylindrische und abschnittsweise konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse aufweist, deren zylindrischer Abschnitt in der Stagnationskammer und deren konusförmiger Abschnitt in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist.
  10. Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass dass sich der thermisch geschützte Abschnitt bis in den Düsenhals hinein und/oder durch diesen hindurch erstreckt.
  11. Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Stagnationskammer (60) geöffnet werden kann und
    - der Einsatz und die Stagnationskammer derart ausgestaltet sind, dass der Einsatz von der Stagnationskammer aus ausgetauscht werden kann.
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