CH673234A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Gasmischer zur Mischung von wenigstens zwei strömenden Gasen sowie die Verwendung dieses Gasmischers.

Beim Plasmaspritzen wird in einer Düse zwischen zwei Elektroden durch Hochfrequenz ein nicht übertragener Gleichstromlichtbogen erzeugt, der durch die Form der gekühlten Anode eingeschnürt wird. Dieser eingeschnürte Lichtbogen hoher Leistungsdichte erhitzt einen Gasstrom, der durch die Düse strömt, rasch auf sehr hohe Temperaturen, so dass die Gasmischung teilweise ionisiert wird, in den Plasmazustand übergeht und mit grosser Geschwindigkeit aus der Düse herausexpandiert.

Der Plasmastrahl stellt somit ein hochwirksames Werkzeug zum An- oder Aufschmelzen von Metallen, Metallegierungen, Hartstoffen wie Karbiden und Oxiden sowie einigen Kunststoffen dar, wenn sie in Pulverform innerhalb oder ausserhalb der Düse in den Plasmastrahl hineingeblasen werden. Die an- oder aufgeschmolzenen Pulverteilchen bilden nach Aufprall auf einem Werkstück eine Spritzschicht.

Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas werden i. a. Gasmischungen verwendet, die in Abhängigkeit von der vorliegenden Problemstellung ein Optimum zwischen verschiedenen, z. T. gegenläufigen Forderungen, wie leichter Zündung, hoher Temperatur, grossem Wärmeinhalt, guter Wärmeübertragung zum Pulver, erwünschten bzw. zu vermeidenden Reaktionen mit den Pulverteilchen, niedrigem Preis, ermöglichen, was sehr oft mit nur einem Gas nicht erreicht werden kann.

Eine reproduzierbare und gute Schichtqualität setzt jedoch einen Plasmastrahl zeitlich und örtlich möglichst gleicher Zusammensetzung voraus. Daher ist eine gute Durchmischung der verwendeten Gase bereits vor dem Eintritt in den Lichtbogen von besonderer Bedeutung.

Das bekannteste Prinzip zum Mischen von strömenden Gasen ist das bei einem Bunsenbrenner angewandte Prinzip etwa entsprechend der US-Patentschrift 3,816,062, bei dem ein erstes Gas mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit aus einer Gasleitung in eine Düse eintritt, auf deren Seiten Öffnungen vorgesehen sind, durch die aufgrund des durch das erste strömende Gas erzeugten Unterdrucks ein zweites Gas angesaugt und durch den Gasstrahl des ersten Gases mitgerissen und mit diesem vermischt wird. Dies führt aber meistens lediglich dazu, dass der erste Gasstrom von einem Mantel des zweiten Gases umgeben wird. Eine innige Vermischung wird nicht erreicht.

Aus der DE-AS 25 49 617 war auch bereits ein Gasmischventil bekannt. Bei diesem Gasmischventil sind zwei nebeneinander liegende Gaskammern vorgesehen, in die unterschiedliche Gase zugeführt werden können. Eine Seite der beiden durch eine schmale Trennwand getrennten Gaskammern wird durch einen Schieber verschlossen, der in senkrechter Richtung zu seiner Verschiebungsrichtung eng nebeneinander liegende Gasdurchgangsleitungen aufweist.

Durch Verschiebung des Schiebers kann die Zahl der Durchgangsleitungen des Schiebers, die jeweils mit einer Kammer in Verbindung stehen, verändert werden. Auf diese Weise kann das Verhältnis der Mengen an Gasen aus der ersten und der zweiten Gaskammer durch Verschiebung des Schiebers verändert werden. Das Gasmischventil ermöglicht jedoch keine besonders innige Mischung der beiden Gase.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasmischer anzugeben, mit dem eine möglichst gute Mischung wenigstens zweier strömender Gase erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen ersten Filter, durch den ein erstes Gas von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des Filters durchleitbar ist und über dessen zweite Oberfläche ein zweites Gas leitbar ist, und durch einen zweiten Filter, durch den die Gasmischung aus dem über die zweite Oberfläche des ersten Filters hinweggeströmten und dem durch den ersten Filter hindurchgetretenen Gas hindurchleitbar ist.

Die Mischung der Gase kann vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der zu mischenden Gase noch dadurch verbessert werden, dass die durch den zweiten Filter hindurchtretenden Gase durch einen dritten und ggf. weitere Filter leitbar sind.

Eine vorzugsweise Ausführungsform ist in Anspruch 3 umschrieben.

Die Filter oder Filterkörper können jeweils aus herkömmlichem bekanntem Filtermaterial bestehen. Als besonders zweckmässig hat sich jedoch die Verwendung von Filtermaterial erwiesen, das aus einem Sintermetall oder einer Sinterlegierung besteht. Bevorzugt wurden in diesen Fällen Filter aus einer Sinterbronze verwandt.

Die Filter aus einem Sintermaterial haben vorzugsweise eine mittlere Porengrösse zwischen 70 und 10 (im.

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Werden mehrere Filter hintereinander verwandt, so hat es sich als zweckmässig erwiesen, die mittlere Porengrösse der Filter jeweils so zu wählen, dass sie in Richtung des Gasstromes abnimmt.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wurde ein erster Filterkörper mit einer mittleren Porengrösse von 60 (im, ein zweiter Filterkörper mit einer mittleren Porengrösse von 45 (im, und ein dritter Filterkörper mit einer mittleren Porengrösse von 20 jxm verwandt.

Der erfindungsgemässe Gasmischer kann überall dort eingesetzt werden, wo eine innige Mischung von mehreren strömenden Gasen erzielt werden muss. Eine bevorzugte Verwendung findet der erfindungsgemässe Gasmischer bei Plasma-Flammspritzvorrichtungen.

Dementsprechend wurden besonders günstige Ergebnisse beim Mischen von Wasserstoff- und/oder Heliumgas als erstem Gas mit Argon und/oder Stickstoffgas als zweitem Gas erzielt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht entlang der Linie I-I in Fig. 2 durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gasmischers,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Gasmischer allgemein mit 1 bezeichnet. Dieser besteht aus einem Basisteil 2, das im wesentlichen aus einer runden Scheibe besteht, die von einer zentralen Längsbohrung 3 durchsetzt ist, die auf ihrer Innenseite mit einem Innengewinde 4 versehen ist. Vom Umfang 5 des Basisteils ist radial eine Querbohrung 6 ausgebildet, die bis zu der Längsbohrung 3 reicht und mit dieser verbunden ist. Im Abstand zu der Längsbohrung 3 und parallel hierzu sind mehrere Durchgangsleitungen 7 ausgebildet.

Auf der in Fig. 1 rechten Seite des Basisteils 2 ist ein ringförmiger Ansatz 8 ausgebildet, der über die'Ebene 9 des Basisteils nach rechts hin vorspringt. Der ringförmige Ansatz 8 ist auf seinem äusseren Umfang mit einem Gewinde 10 versehen, auf das das an seinem unteren Ende mit einem Innengewinde 11 versehene zylindrische Gehäuse 12 geschraubt werden kann. Das Gehäuse 12 besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Kappe, die an ihrer dem Innengewinde 11 abgewandten Stirnseite 13 eine Gaszuführöffnung 14 aufweist. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem Metall wie etwa Aluminium hergestellt.

Auf der dem Gehäuse 12 abgewandten Seite des Basisteils 2 ist ein Bolzen 15 vorgesehen, der einen grösseren Durchmesser als der Durchmesser der Längsbohrung 3 aufweist. Der Bolzen 15 besitzt an seinem in Fig. 1 nach rechts vorstehenden Ende einen Ansatz 16, der auf seiner Aussenseite ein Aussengewinde aufweist, mit dem der Ansatz 16 in das Innengewinde der Längsbohrung 3 einschraubbar ist, bis die Schulter des Bolzens 15 zur Anlage an dem Basisteil 2 kommt.

Der Bolzen 15 weist auf seiner dem Ansatz 16 abgewandten Seite einen zweiten koaxialen Ansatz 17 auf, der auf seinem äusseren Umfang mit einem Aussengewinde 18 versehen ist.

Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein erster als Filter wirkender Filterkörper 20 angeordnet, der im wesentlichen die Form eines einseitig geschlossenen Zylinders hat. Der erste Filterkörper hat einen äusseren Durchmesser, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des ringförmigen Ansatzes 8 an dem Basisteil 2 ist. In das Basisteil 2 ist in eine ringförmige Ausnehmung 21 ein O-Ring oder ein anderes entsprechendes Dichtungsmaterial, etwa ein Teflonring 22, eingelegt. Gegen diesen Dichtring 22 liegt der freie Rand des Filterkörpers 20 dichtend an.

Der Filterkörper selbst wird durch einen Schraubbolzen 23 in seiner Lage gehalten, der durch eine Öffnung 24 in der Stirnwand des ersten Filterkörpers hindurch vorsteht und dessen mit einem Gewinde versehenes Ende 25 in eine mit einem Innengewinde versehene Sackbohrung 26 des Bolzens 15 hineinragt und mit diesem verschraubt ist. Der Schraubbolzen 23 hat einen geringeren Durchmesser als die Längsbohrung 3, so dass zwischen der Innenwand der

Längsbohrung 3 und der Aussenwand des Schraubbolzens 23 ein Ringraum 27 verbleibt, der einerseits mit der Querbohrung 6 und andererseits mit dem Innenraum 28 des ersten Filterkörpers 20 in Verbindung steht.

s Auf der dem Gehäuse 12 abgewandten Seite des Basisteils 2 ist in die Oberfläche 29 des Basisteils in eine Aussparung ein Dichtungsring 30 eingelegt. Gegen diesen Dichtungsring 30 liegen die ringförmigen Stirnkanten eines zweiten als Filter wirkenden Filterkörpers 31 sowie eines dritten als Filter wirkenden Filterkörpers 32 an. Der io zweite Filterkörper ist becherförmig mit einer leicht konisch verlaufenden Wand ausgebildet. In der Stirnwand 33 ist eine Öffnung 34 vorgesehen, durch die der zweite Ansatz des Bolzens 15 hindurchragt. Auf diesen Ansatz ist eine Mutter 35 aufgeschraubt, durch die der zweite Filterkörper mit seinem freien Rand dichtend gegen 15 den Dichtungsring 30 angepresst wird. Der dritte Filterkörper 32 ist in Form eines einseitig geschlossenen Zylinders ausgebildet, in dessen Stirnwand 36 eine Öffnung 37. ausgebildet ist. Durch diese Öffnung 37 ragt ebenfalls der zweite Ansatz 17 des Bolzens 15.

Gegen die Stirnwand 36 des dritten Filterkörpers 32 liegt eine Bei-20 lagscheibe 38 an, über die der dritte Filterkörper mit Hilfe einer weiteren, auf den zweiten Ansatz 17 aufgeschraubten Mutter 39 mit seinem freien Rand gleichfalls gegen den Dichtungsring 30 gepresst wird.

An einer ringförmigen Abstufung 40 des Basisteils 2 ist ein Aus-25 sengewinde ausgebildet. Auf dieses Aussengewinde ist ein zweites zylinderförmiges Gehäuse aufschraubbar, das auf der Innenseite seines zylindrischen Mantels in der Nähe der freien Stirnseite ein Innengewinde aufweist. In der abgeschlossenen Stirnwand 43 des zweiten Gehäuses ist eine Gasauslassöffnung 44 vorgesehen, durch die das 30 gemischte Gas abführbar ist.

Die Filterkörper bestehen vorzugsweise aus einer Sinterbronze. Derartige Sinterbronzen sind an sich bekannt. Sie bestehen aus Kupfer/Zinn-Legierungen, jedoch können dem Kupfer auch andere Metalle zulegiert sein. Sinterverfahren zur Herstellung von porösen 35 Sinterwerkstoffen sind allgemein bekannt. Die Sinterteile werden allgemein pulvermetallurgisch hergestellt. Die Porosität eines Sinterwerkstoffes hängt sowohl von der Ausgangskorngrösse des verwandten Pulvermaterials wie auch von der angewandten Wärmebehandlung ab.

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Die Dichtungsringe 22 und 30 bestehen bevorzugt aus einem dauerelastischen Material, so dass eine über lange Zeit dauernde Dichtwirkung mit den Rändern der Filterkörper erreicht werden kann. Als besonders günstig hat sich hierbei ein Teflonmaterial erwiesen.

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Der Mischvorgang erfolgt folgendermassen: In Pfeilrichtung 45 wird ein erstes Gas über die Querbohrung 6 und den Ringraum 27 in den Innenraum 28 des ersten Filterkörpers 20 eingeführt. Das Gas tritt durch die porösen Wände des Filterkörpers und gelangt auf der 50 Aussenseite des Filterkörpers in den Ringraum 46 zwischen dem ersten Filterkörper 20 und dem Gehäuse 12. Ein zweites Gas wird in Richtung des Pfeiles 47 über die Öffnung 14 in den Ringraum 46 eingeführt und vermischt sich beim Darüberstreichen über die Oberfläche des Filterkörpers 20 mit dem aus dessen Oberfläche austreten-55 den ersten Gas und nimmt dieses mit. Die Gasmischung wird sodann weiter über die Durchgangsleitungen 7 in den Basisteil 2 in den Innenraum des zweiten Filterkörpers 31 geleitet. Die Gasmischung strömt sodann weiter durch die Wandung des zweiten Filterkörpers 31 und gelangt in den Zwischenraum 49 zwischen der Innen-60 seite des dritten Filterkörpers und der Aussenseite des zweiten Filterkörpers 31. Das Gas strömt sodann weiter durch die Wandung des dritten Filterkörpers und gelangt in den Raum zwischen der Innenseite des zweiten Gehäuses 43 und der Aussenseite des dritten Filtergehäuses 32. Die Gasmischung verlässt schliesslich diesen 55 Raum über die Auslassöffnung 44 in dem Gehäuse 43.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wurde als erstes Gas Wasserstoff oder Helium oder eine Mischung aus diesen Gasen und als zweites Gas Argon oder Stickstoff oder eine Mischung aus

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diesen Gasen verwandt. Die Filterkörper hatten die folgenden Wandstärken und mittleren Porengrössen.

Dicke der Wandung Porengrösse

1. Filterkörper 2 mm 60 um

2. Filterkörper 2 mm 45 (im

3. Filterkörper 2,5 mm 20 |xm

Material: jeweils Sinterbronze

Hervorragende Mischungen wurden erreicht, selbst wenn die Flussmengen des ersten Gases zwischen 0 und 1001/min und des zweiten Gases zwischen 10 und 2201/min variierten, wobei beliebige Kombinationen von Durchflussmengen innerhalb dieser Bereiche auftreten konnten.

Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt lediglich eine vor-s zugsweise Ausführungsform dar. Selbstverständlich können auch konstruktive Abwandlungen derart vorgenommen werden, dass ganz allgemein ein erstes Gas durch einen ersten Filter hindurchtritt, über dessen Aussenseite ein das erste Gas mitnehmendes zweites Gas strömt, wobei die so entstehende Mischung sodann weiter durch io einen weiteren Filter und ggf. durch zusätzlich weitere Filter geführt wird.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

673 234 PATENTANSPRÜCHE

1. Gasmischer zur Mischung von wenigstens zwei strömenden Gasen, gekennzeichnet durch einen ersten Filter (20), durch den ein erstes Gas von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des Filters durchleitbar ist und über dessen zweite Oberfläche ein zweites Gas leitbar ist, und durch einen zweiten Filter (31), durch den die Gasmischung aus dem über die zweite Oberfläche des ersten Filters hinweggeströmten und dem durch den ersten Filter hindurchgetretenen Gas hindurchleitbar ist.

2. Gasmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den zweiten Filter (31) hindurchtretende Gas durch einen dritten (32) und ggf. weitere Filter leitbar ist.

3. Gasmischer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Innenraum (28), der durch den ersten Filter (20) umgrenzt ist und mit dem eine Zuführung (6,27) für das erste Gas in Verbindung steht, durch ein zwischen sich und der Aussenseite des ersten Filters (20) einen Zwischenraum (46) bildendes Gehäuse (12), durch eine Zuführung (14) für das zweite Gas in den Zwischenraum (46), durch eine mit dem Zwischenraum (46) in Verbindung stehende Gasleitung (7), die in den Innenraum (48) des diesen Innenraum umgrenzenden zweiten Filters (31) mündet, und durch ein den zweiten Filter (31) umgebendes zweites Gehäuse (42), das mit einer Gasabführleitung (44) verbunden ist.

4. Gasmischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Filter (31) von einem einen Zwischenraum (49) zwischen sich und dem zweiten Filter (31) bildenden dritten Filter (32) umgeben ist, und dass das zweite Gehäuse (42) den dritten Filter (32) unter Bildung eines weiteren Zwischenraumes umschliesst.

5. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (20, 31, 32) jeweils aus einem porösen Sintermetall oder einer Sinterlegierung bestehen.

6. Gasmischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Filter aus einer Sinterbronze besteht.

7. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (20, 31, 32) eine mittlere Po-rengrösse zwischen 70 und 10 Jim haben.

8. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (20, 31, 32) von dem ersten zum letzten Filter hin abnehmende mittlere Porengrössen aufweisen.

9. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Filter (20) eine mittlere Po-rengrösse von 60 um aufweist.

10. Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Filter (31) eine mittlere Po-rengrösse von 45 um aufweist.

11. Gasmischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Filter (32) eine mittlere Porengrösse von 20 [im aufweist.

12. Plasma-Flammspritzvorrichtung enthaltend einen Gasmischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

13. Verwendung eines Gasmischers nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Mischung von Wasserstoff- und/oder Heliumgas als erstem Gas mit Argon und/oder Stickstoff als zweitem Gas.