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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung und ein Verfahren zum Zusammenführung von ionisierbaren Gasen und von Substanzen bzw. Grundmaterial in einem Vorgangsbereich bzw. Interaktionsbereich. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Erzeugen von chemischen und/oder physikalischen Vorgängen wie zum Erzeugen oder Recyceln eines Pulvers aus einer Substanz.
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Hintergrund der Erfindung
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Komplexe Bauteile, insbesondere in der Kleinteilefertigung und in der Prototypenfertigung, werden mehr und mehr mittels additiver Fertigungsverfahren hergestellt. Mittels additiver Fertigungsverfahren wird beispielsweise ein Material Schicht für Schicht aufgetragen und so werden dreidimensionale komplexe Bauteile erzeugt. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen, insbesondere pulverförmigen, Werkstoffen. Beim Aufbau finden physikalische und chemische Vorgänge für den Umschmelz- und Aushärteprozess statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Inzwischen sind auch Carbon- und Graphitmaterialien für additive Herstellverfahren entwickelt worden.
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Für additive Herstellverfahren ist es notwendig, Pulver als Grundmaterial bereitzustellen, wobei die Partikel des Pulvers homogen sein sollen. Insbesondere ist es ein Anliegen, die Partikel des Pulvers klein zu gestalten, um filigrane Bauteile mit glatten Oberflächen mittels additiver Fertigung herzustellen.
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Um feine Pulver aus einer Substanz bzw. Grundmaterial herzustellen, ist es bekannt plasmabasierende Prozesse einzusetzen. Bei einem Plasmazerstäubungsprozess wird das Grundmaterial mittels eines ionisierten Plasmastrahls geschmolzen und zerstäubt. Die mit dem Plasmazerstäubungsprozess hergestellten einzelnen Pulverpartikel sind äußerst homogen und sphärolithisch ausgebildet.
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Die so hergestellten sphärolithischen Pulverpartikel können im Anschluss beispielsweise für die additive Fertigung genutzt werden oder zur weiteren Verwendung als Reaktionspartner mit anderen Materialien verwendet werden.
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US 5,707,419 A offenbart eine Kühlkammer, in welcher drei Plasmabrenner angekoppelt sind, um entsprechende Plasmastrahlen in einem Scheitelpunkt im Inneren der Kühlkammer zu kreuzen. In diesem Scheitelpunkt wird ein Draht von einer Drahtwende eingebracht werden, damit dieser in dem Scheitelpunkt geschmolzen wird.
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WO 2015/135075 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Pulverteilchen durch Zerstäuben eines Drahtes. Der Draht wird in einen Plasmabrenner eingebracht. Ein vorderer Teil des Drahts wird von dem Plasmabrenner in eine Zerstäubungsdüse des Plasmabrenners bewegt. Ein vorderes Ende des Drahts wird durch Einwirken eines oder mehrerer in der Zerstäubungsdüse gebildeter Plasmastrahlen auf der Oberfläche geschmolzen.
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DE 10 2006 044 906 A1 offenbart einen Plasmabrenner zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen und/oder zur Herstellung von Nano-Pulvern. Der Plasmabrenner weist eine Mehrzahl von symmetrisch um eine Längsmittelachse des Brenners angeordneten Kathoden und umgebenden Plasmazuführungen auf. Zentrisch zur Mittelachse stromabwärts ist eine Sammelanode angeordnet zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von Lichtbögen zwischen den Kathoden und der Sammelanode. Mit einer zentrischen Werkstoffzuführung wird eine Pulvereindüsung zwischen Kathodenansatz und Anodenfußpunkt der Lichtbögen ermöglicht.
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DE 10 2007 041 329 A1 offenbart einen Plasmabrenner mit axialer Pulvereindüsung und mit mindestens zwei getrennten Kathoden und einer konzentrisch um den Pulvereindüsungskanal angeordneten Ringanode. Zur zeitweisen Aufteilung eines Lichtbogens in zwei Teillichtbögen pro Kathode wird der zentrischen Ringanode eine weitere, diese auf Abstand umgebende Ringanode zugeordnet.
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US 2013/157040 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Herstellung von thermischen Spritzbeschichtungen auf einem Substrat aus einer flüssigen Suspension offenbart. Das System umfasst einen thermischen Sprühbrenner zum Erzeugen eines Plasmas und ein Sub-System zur Abgabe einer Flüssigkeitssuspension zum Abgeben der Flüssigkeitssuspension mit Partikeln an das Plasma, um einen Plasmaausfluss zu erzeugen. Eine Düse kann eine Hülle aus inertem oder reaktivem Gas erzeugen, die den Plasmaabfluss vollständig umgibt.
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Neben der Herstellung von entsprechenden Pulvermaterialien kann mittels Plasmastrahlen ebenfalls allgemein ein chemischer und/oder physikalischer Vorgang zwischen Substanzen herbeigeführt werden.
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Um die Plasmastrahlen und die Substanz bzw. das Grundmaterial in einem Scheitelpunkt zusammen zu führen, werden derzeit komplexe und mehrteilige Vorrichtungen vorgesehen.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Interaktion einer oder mehreren Substanzen bzw. Grundmaterialien mit einem oder mehreren ionisierbaren Gasen bereitzustellen, welches eine geringe Komplexität und einen geringen Einbauraum aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Düsenvorrichtung zum Zusammenführen von ionisierbaren Gasen und eines Grundmaterials (bzw. einer Substanz), einem System zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln eines Grundmaterials des Produktes, wie zum Beispiel eines Pulvers aus einem Grundmaterial, sowie einem Verfahren zum Zusammenführen eines ionisierten Gases und eines Grundmaterials gemäß den unabhängigen Ansprüchen, geschaffen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Düsenvorrichtung zum Zusammenführen eines ionisierbaren Gases und eines Grundmaterials in einem Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich bereitgestellt. Die Düsenvorrichtung weist zunächst einen Grundkörper auf, welcher einen Transportkanal aufweist zum Führen einer Substanz bzw. eines Grundmaterials entlang einer Transportrichtung zu einem Endbereich des Grundkörpers. Der Grundkörper weist ferner einen ersten Plasmakanal zum Führen eines ersten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung und einen zweiten Plasmakanal (welcher von dem ersten Plasmakanal beabstandet ist) zum Führen eines zweiten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung auf. In dem Endbereich des Grundkörpers weist der erste Plasmakanal einen ersten Gasauslass und der zweite Plasmakanal einen zweiten Gasauslass auf.
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Der Grundkörper weist ferner einen Koppelbereich für eine Elektrodenvorrichtung derart auf, dass das erste ionisierbare Gas in dem ersten Plasmakanal und das zweite ionisierbaren Gas in dem zweiten Plasmakanal ionisierbar sind.
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Ferner weist die Düsenvorrichtung ein Düsenelement auf, welches an dem Endbereich des Grundkörpers mit diesem gekoppelt ist. Das Düsenelement weist einen weiteren Transportkanal auf, welcher mit dem Transportkanal derart gekoppelt ist, dass das Grundmaterial von dem Grundkörper in einen Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich außerhalb des Düsenelements entlang der Transportrichtung überführbar ist. Ferner weist das Düsenelement einen ersten Düsenauslass, welcher mit dem ersten Plasmakanal gekoppelt ist und einen zweiten Düsenauslass auf, welcher mit dem zweiten Plasmakanal gekoppelt ist.
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Der erste Düsenauslass zum Führen des ersten ionisierbaren Gases und der zweite Düsenauslass zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases sind derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas und das zweite ionisierbare Gas in den Reaktionsbereich zur Reaktion mit dem Grundmaterial einströmbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Zusammenführen eines ionisierten Gases und einer Substanz bzw. Grundmaterials in einem Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich mit der oben beschriebenen Düsenvorrichtung aufgezeigt. Das Verfahren weist zunächst den Schritt des Führens des Grundmaterials in dem Transportkanal entlang einer Transportrichtung zu einem Endbereich des Grundkörpers, des Führens des ersten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung in dem ersten Plasmakanal und des Führens des zweiten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung in dem zweiten Plasmakanal auf. Ferner weist das Verfahren den Schritt des Ionisierens des ersten ionisierbaren Gases in dem ersten Plasmakanal und des zweiten ionisierbaren Gases in dem zweiten Plasmakanal mittels einer Elektrodenvorrichtung auf. Das Grundmaterial wird in dem weiteren Transportkanal des Düsenelements von dem Transportkanal in den Interaktionsbereich außerhalb des Düsenelements entlang der Transportrichtung überführt. Das erste ionisierte Gas wird mittels des ersten Düsenauslasses und das zweite ionisierte Gas wird mittels des zweiten Düsenauslasses in den Interaktionsbereich zur Reaktion mit dem Grundmaterial eingeströmt.
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Die Substanz bzw. das Grundmaterial ist beispielsweise ein Feststoff, wie beispielsweise ein Draht, beispielsweise ein Kupferdraht, Aluminiumdraht, Nickeldraht, Titandraht oder ein Wolframdraht. Alternativ kann das Grundmaterial ebenfalls ein flüssiges Material oder ein gasförmiges Material sein. Das Grundmaterial ist dafür vorgesehen, mit dem ionisierbaren Gas zu reagieren oder aufgrund der hohen Temperatur des ionisierbaren Gases aufgeschmolzen oder verdampft zu werden.
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Als ionisierbares Gas, welches in einem geladenen Zustand als Plasmagas auf das Grundmaterial im Interaktionsbereich trifft, kann beispielsweise ein Inertgas bzw. Argon (Ar) verwendet werden.
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Der Grundkörper besteht aus einem Vollmaterial mit einer hohen Temperaturbeständigkeit. Der Grundkörper kann beispielsweise aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, SiAlON bestehen.
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Der Grundkörper ist insbesondere integral und einstückig ausgebildet und weist den Transportkanal, den ersten Plasmakanal und den zweiten Plasmakanal auf. Mit anderen Worten verlaufen mehrere Plasmakanäle und der zunächst eine Transportkanal in einem integralen einstückigen Grundkörper. Der Grundkörper kann einen oder eine Vielzahl von Transportkanälen für ein und dasselbe Grundmaterial oder unterschiedliche Grundmaterialien aufweisen. Der Grundkörper kann ferner ausschließlich den ersten und den zweiten Plasmakanal oder eine Vielzahl weiterer erste zweiter Plasmakanäle aufweisen, wobei in den Plasmakanälen ein und dasselbe ionisierbaren Gas oder eine Vielzahl unterschiedlicher ionisierbare Gase durchgeführt werden können.
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Die Transportrichtung definiert insbesondere den Vortrieb bzw. die Strömungsrichtung des Grundmaterials durch den Grundkörper und durch das Düsenelement in den Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich.
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Insbesondere weist der Grundköper einen Koppelbereich für eine Elektrodenvorrichtung auf. Die Elektrodenvorrichtung kann dabei derart an dem Grundkörper direkt oder indirekt, z.B. an ein Düsengehäuse, befestigt werden und einen Energieeintrag in den entsprechenden ersten und/oder zweiten Plasmakanal bereitstellen.
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Die Elektrodenvorrichtung weist beispielsweise einen Strahlungskopf auf, welcher hochfrequente Strahlung in die entsprechenden Plasmakanäle einbringt. Aufgrund des hohen Energieeintrags wird das Gas in den Plasmakanälen ionisiert und weiter entlang der Transportrichtung befördert oder unmittelbar nach dem Ionisationsvorgang in Richtung Grundmaterial gelenkt.
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Die Elektrodenvorrichtung wird zentrisch mit dem Düsenelement und dem Grundkörper gekoppelt. Beim beispielhaften Einsatz von hochfrequenter Strahlung und bestimmten Energieeintrag bestimmt die Geometrie und Ausrichtung der Plasmakanäle und die Position vom Düsenelement zur Elektrodenvorrichtung den gewünschten Zustand vom Plasma, wie zum Beispiel Temperatur oder Strömungszustand, beim Auftreffen auf die Substanz bzw. auf das Grundmaterial.
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Das Düsenelement besteht aus einem Vollmaterial mit einer hohen Temperaturbeständigkeit. Das Düsenelement kann beispielsweise aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, SiAlON bestehen. Das Düsenelement weist insbesondere einen weiteren Transportkanal, einen ersten Düsenauslass und einen zweiten Düsenauslass auf. Das Düsenelement wird an einem Endbereich des Grundkörpers befestigt. Insbesondere ist das Düsenelement derart mit dem Grundkörper gekoppelt, dass der Transportkanal und der weitere Transportkanal sowie der erste Düsenauslass mit dem ersten Plasmakanal und der zweite Düsenauslass mit dem zweiten Plasmakanal gekoppelt sind. Das Düsenelement kann beispielsweise integral und einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet sein oder lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubenverbindung, an den Grundkörper angeschraubt werden. Der erste und/oder der zweite Düsenauslass können ferner besondere verjüngende Kanäle aufweisen und entsprechend an dem Austritt in Richtung Interaktionsbereich den kleinsten Querschnitt aufweisen. Alternativ können die Düsenauslässe jeweils eine Lavaldüse bilden. Die Düsenauslässe sind derart ausgebildet, dass das entsprechend ionisierte Gas in den Interaktionsbereich eingeströmt wird. Der weitere Transportkanal ist entsprechend ausgebildet, dass das Grundmaterial durch den weiteren Transportkanal des Düsenelements hindurch geführt werden kann und in den Interaktionsbereich hineinragt. Der erste Düsenauslass und der zweite Düsenauslass sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas und das zweite ionisierbare Gas sich in einem Scheitelpunkt im Interaktionsbereich treffen. Der weitere Transportkanal ist ausgebildet, dass das Grundmaterial ebenfalls durch den Scheitelpunkt verläuft.
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Der Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich ist entsprechend in Transportrichtung außerhalb des Düsenelements ausgebildet. In dem Interaktionsbereich findet der physikalische und/oder chemische Vorgang wie eine Reaktion zwischen dem Grundmaterial und dem ionisierbaren bzw. ionisierten Gas statt. Aufgrund des Energieeintrags in das ionisierbare Gas, des Ausströmwinkels des ionisierbaren Gas aus dem entsprechenden Düsenauslass sowie aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden ionisierbaren Gases kann die Temperatur im Scheitelpunkt eingestellt werden. Die Temperatur im Scheitelpunkt kann beispielsweise aufgrund des ionisierten Gases und/oder aufgrund einer exothermen Reaktion des ionisierten Gases mit dem Grundmaterial eine Temperatur von über 1000 °C, insbesondere aufweisen.
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Aufgrund von Temperatur und anderer Parameter wie beispielsweise Gaszusammensetzung kann ein physikalischer und/oder ein chemischer Vorgang zwischen dem ionisierten Gas und dem Grundmaterial erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich wird das Grundmaterial aufgrund der Temperatur des ionisierten Gases automatisiert und in kleine, insbesondere kugelförmige Tropfen aufgeschmolzen. In einem nachfolgenden Abkühlprozess können die geschmolzenen Tröpfchen zu Partikeln verfestigt werden, sodass ein Pulver, welches beispielsweise für die additive Fertigung notwendig ist, bereitgestellt wird.
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Mit der vorliegenden Düsenvorrichtung zum Zusammenführen eines ionisierbaren Gases mit einem Grundmaterial kann ohne eine komplexe Ausrüstung ein gewünschter Vorgang bereitgestellt werden, da die notwendigen Versorgungsleitungen bzw. Kanäle integral im Grundkörper und dem Düsenelement vorliegen. Mit der Düsenvorrichtung wird sozusagen eine kombinierte Düse-Hohlleiter-Elektrode geschaffen. Es reichen somit der Anschluss vom Versorgungreservoir sowie die Kopplung einer Elektrodenvorrichtung aus, um einen gewünschten Vorgang herbeizuführen.
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Mit der erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung werden die ionisierbaren Gase und das Grundmaterial aufgrund ihrer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften in den gewünschten Zustand gebracht. Mittels der Düsenvorrichtung und dessen Geometrie wird entsprechend der Massendurchsatz, die Strömung der ionisierbaren Gase und des Grundmaterials beschleunigt und/oder verzögert, und/oder expandiert und/oder rotiert und/oder gleichgerichtet, und/oder gekühlt und/oder erhitzt.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind, wie oben beschrieben, der Grundkörper und das Düsenelement integral ausgebildet. Dabei kann das Düsenelement beispielsweise an den Grundkörper angeschweißt sein. Insbesondere kann das Düsenelement sowie der Grundkörper zusammen in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Alternativ kann das Düsenelement und der Grundkörper mit einem Gußverfahren hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Transportkanal als Bohrung im Inneren des Grundkörpers ausgebildet. Die Bohrung kann beispielsweise mittels Bohrens oder Fräsen eingebracht werden oder bei Herstellung des Grundkörpers im Gussverfahren oder in der additiven Fertigung vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Grundkörper rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei eine Mittelachse des Grundkörpers parallel zu der Transportrichtung ausgebildet ist. Beispielsweise weist der Grundkörper eine zylindrische Form mit einer runden, ovalen oder vieleckigen Grundfläche auf. Die Normale einer Grundfläche ist beispielsweise parallel zu der Transportrichtung ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform verläuft der Transportkanal entlang der Mittelachse (Rotationsachse) des Grundkörpers. Somit liegt der Transportkanal im Zentrum des Grundkörpers und erstreckt sich insbesondere translatorisch.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der erste Düsenauslass und/oder der zweite Düsenauslass derart ausgebildet, dass das entsprechende ionisierbare Gas eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse radialen (Richtungs-) Komponente aufweist.
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Als axiale Richtung wird die Richtung parallel der Transportrichtung definiert. Die radiale Richtung entspricht einer Richtung, welche orthogonal zur der axialen Richtung ausgebildet ist und durch die Mittelachse bzw. Rotationsachse des Grundkörpers verläuft. Die Umlaufrichtung ist orthogonal zur der axialen Richtung und der Radialrichtung.
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Mit der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform wird der erste oder zweite Düsenauslass dahingehend konkretisiert, dass das ionisierbare Gas mit einem bestimmten Winkel relativ zu der Transportrichtung in den Interaktionsbereich eingeströmt wird. Der Winkel ist beispielsweise zwischen der Strömungsrichtung aus den entsprechenden Düsenauslässen einerseits und der axialen Richtung andererseits definiert. Beispielsweise kann ein Winkel zwischen der axialen Richtung und der Strömungsrichtung 20° bis 80°, insbesondere 30°, aufweisen. Beispielsweise können die Düsenauslässe außerhalb des Zentrums, d. h. beabstandet von der Mittelachse Düsenelement, angeordnet werden. Aufgrund des gewinkelten Ausströmens des ionisierbaren bzw. ionisierten Gases durch die entsprechenden Düsenauslässe strömt das ionisierbare bzw. ionisierte Gas in Richtung eines Scheitelpunkts auf der Mittelachse des Düsenelements bzw. des Grundkörpers außerhalb der Düsenvorrichtung im Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich, um mit der Substanz bzw. dem Grundmaterial zu interagieren bzw. zu reagieren.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest der erste Düsenauslass oder der zweite Düsenauslass derart ausgebildet, dass das entsprechende ionisierbare Gas eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse umlaufenden (Richtungs-) Komponente aufweist. Somit erhält das ausströmende ionisierbare Gas eine rotierende Richtung um die Mittelachse. Dies kann eine verbesserte Reaktion mit dem Grundmaterial im Interaktionsbereich oder eine verbesserte Automatisierung des Grundmaterials im Interaktionsbereich erzeugen.
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Die Strömungsrichtung mit einer umlaufenden Komponente (d. h. einer Komponente in Umfangsrichtung) kann beispielsweise mittels einer entsprechenden Ausgestaltung der Düsenauslässe erzeugt werden. Zudem können Fluidleitelemente vorgesehen werden, welche nach dem Austreten des entsprechenden ionisierbaren Gases angeordnet sind und dieses in eine gewünschte Rotationsrichtung ablenken.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest der zweite Plasmakanal als Bohrung im Inneren des Grundkörpers ausgebildet. Die Bohrung kann beispielsweise mittels Bohrens oder Fräsen eingebracht werden oder bei Herstellung des Grundkörpers im Gussverfahren oder in der additiven Fertigung vorgesehen werden.
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Der erste Plasmakanal und der zweite Plasmakanal können jeweils beabstandet von der Mittelachse des Grundkörpers ausgebildet sein. Der erste Plasmakanal und der zweite Plasmakanal können denselben Abstand zu der Mittelachse des Grundkörpers aufweisen. Alternativ können der erste Plasmakanal und der zweite Plasmakanal unterschiedliche Abstände zu der Mittelachse aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest der erste Plasmakanal als offene Nut entlang einer Oberfläche des Grundkörpers ausgebildet. Die offene Nut kann beispielsweise mittels Fräsens in den Grundkörper eingebracht werden. Das ionisierbare Gas strömt aufgrund eines gerichteten Einströmwinkels in die Nut entlang derselben Nut. Durch die offene Nut ist das ionisierbare Gas von außen gut zugänglich, insbesondere für einen Energieeintrag der Elektrodenvorrichtung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die offene Nut zumindest teilweise mit einer Hülse, welche über den Grundkörper steckbar ist, geschlossen. Die Hülse kann sozusagen über den Grundkörper gesteckt beziehungsweise geschoben werden, sodass die Hülse auf der Oberfläche des Grundkörpers aufliegt. Damit können die offenen Nuten der entsprechenden Plasmakanäle geschlossen werden. Im Koppelbereich mit der Elektrodenvorrichtung kann die offene Nut frei von der Hülse bleiben und von dieser entsprechend nicht bedeckt werden. Alternativ kann die Hülse entsprechende Öffnungen im Koppelbereich aufweisen, sodass das in der Nut entlangströmende ionisierbare Gas durch die Öffnung von der Elektrodenvorrichtung bzw. für den Energieeintrag gut erreichbar ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Grundkörper einen weiteren ersten Plasmakanal zum Führen eines weiteren ersten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung und/oder einen weiteren zweiten Plasmakanal, welcher von dem weiteren ersten Plasmakanal beabstandet ist, zum Führen eines weiteren zweiten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung auf. In dem Endbereich des Grundkörpers weist der weitere erste Plasmakanal einen weiteren ersten Gasauslass und der weitere zweite Plasmakanal einen weiteren zweiten Gasauslass auf, wobei der weitere erste Plasmakanal und der weitere zweite Plasmakanal in dem Grundkörper zwischen dem ersten Plasmakanal und dem zweiten Plasmakanal einerseits und dem Transportkanal andererseits ausgebildet sind.
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Entsprechend können eine Vielzahl von weiteren ersten und zweiten Plasmakanal in dem Grundkörper und entsprechende weitere Düsenauslässe des Düsenelements vorliegen. Insbesondere weist der erste oder zweite Plasmakanal im Vergleich zu dem weiteren ersten und weiteren zweiten Plasmakanal einen größeren Abstand zu der Mittelachse des Grundkörpers auf. Mit anderen Worten liegen der weitere erste und weitere zweite Plasmakanal der Mittelachse und entsprechend dem entlang dieser verlaufenden Transportkanal und den weiter außen liegenden ersten und zweiten Plasmakanälen.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Düsenelement relativ zu dem Grundkörper rotierbar. Das Düsenelement kann beispielsweise mittels eines Gleitlagers oder eines Kugellagers an den Grundkörper rotierend gelagert werden. Der entsprechende erste Düsenauslass und der zweite Düsenauslass können beispielsweise als Ringspalt in dem Düsenelement ausgebildet werden. Die entsprechenden Auslässe der Plasmakanäle lassen das darin fließende ionisierbare Gas in die Ringspalte einströmen. In den Ringspalten können ferner Fluidleitelemente vorgesehen werden, sodass die Rotation des Gaselements zusätzlich einen Spin bzw. eine Rotation des in den Interaktionsbereich einströmenden ionisierbaren Gases erzeugt.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Düsenvorrichtung ferner ein, insbesondere scheibenförmiges, Fluidleitelement auf, welches mit dem Düsenelement gekoppelt ist. Zwischen dem Fluidleitelement und dem Düsenelement ist ein ringförmiger Steuerkanal ausgebildet, welcher um das Düsenelement verläuft. Der Steuerkanal ist derart ausgebildet, dass das Steuerfluid in oder um den Interaktionsbereich strömbar ist.
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Das Steuerfluid ist beispielsweise Luft, Stickstoff oder ein Inertgas. Das Steuerfluid strömt um den Interaktionsbereich oder in diesen hinein. Der Steuerkanal ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Steuerfluid das in den Interaktionsbereich einströmende ionisierbaren Gas und das Grundmaterial umhüllt. Der Fluiddruck des Steuerfluids kann gezielt eingestellt werden. Die Höhe des Drucks und/oder die Geschwindigkeit bzw. der Massendurchsatz der Steuerfluide steuert die örtliche Ausbildung des Interaktionsbereichs bzw. den Abstand des Interaktionsbereichs von einem Ende der Düsenvorrichtung entlang der Transportrichtung. Je höher die Fluidgeschwindigkeit des Steuerfluids bzw. je höher der Fluiddruck des Steuerfluids, desto weiter entfernt wird der Interaktionsbereich, in welchen sich der Scheitelpunkt des ionisierten Gases mit dem Grundmaterial vorliegt, ausgebildet.
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Das Fluidleitelement kann beispielsweise mittels einer Schweißverbindung an dem Düsenelement oder den Grundkörper befestigt werden. Ferner kann das Fluidleitelement integral mit dem Grundkörper oder dem Düsenelement ausgebildet werden. Das Fluidleitelement erstreckt sich senkrecht zur Transportrichtung bzw. zur Mittellinie, wobei es eine geringe Dicke aufweist. Das Fluidleitelement ist entsprechend scheibenförmig ausgebildet. Das Fluidleitelement kann beispielsweise additiv gefertigt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Fluidleitelement mittels Verbindungsstegen an dem Düsenelement befestigt. Zwischen den Verbindungstegen bildet sich ein entsprechender Spalt aus, durch welchen das Steuerfluid in den Interaktionsbereich einströmen kann.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Fluidleitelement wie oben beschrieben scheibenförmig ausgebildet, wobei der Mittelpunkt des scheibenförmigen Fluidleitelements auf der Mittelachse des Düsenelements liegt. Eine Ausdehnung des Fluidleitelements senkrecht zur Mittelachse größer ist als die Ausdehnung entlang der Mittelachse. Insbesondere bildet das Fluidleitelement einen rotationssymmetrischen Körper mit der Mittelachse des Grundkörpers und/oder des Düsenelement.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Fluidleitelement Fluidleitstege auf zum Leiten des Steuerfluids in Richtung Steuerkanal. Die Fluidleitstege bilden Erhebungen entlang der Oberfläche des Fluidleitelement auf. Dabei können die Fluidstege parallel entlang der Transportrichtung verlaufen. Ferner können die Fluidleitstege eine Richtungskomponente entlang der Umfangsrichtung aufweisen, sodass ein Spin bzw. eine Rotation des Steuerfluids um die Mittellinie erzeugt wird.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Düsenvorrichtung ein Düsengehäuse mit einer Auslassöffnung auf, wobei der Grundkörper und das Düsenelement in dem Düsengehäuse derart angeordnet sind, dass ein Ende des weiteren Transportkanals, der erste Düsenauslass und der zweite Düsenauslass in der Auslassöffnung vorliegen und der Interaktionsbereich außerhalb des Düsengehäuses vorliegt. Durch die Auslassöffnung wird mit anderen Worten das ionisierbare Gas sowie das Grundmaterial entlang der Transportrichtung hindurchgeführt sodass der Interaktionsbereich und entsprechend der Scheitelpunkt außerhalb des Gehäuses vorliegt.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Düsengehäuse einen Kopplungsanschluss für die Elektrodenvorrichtung auf, wobei der Kopplungsanschluss einen Zugang zu dem ersten Plasmakanal und/oder dem zweiten Plasmakanal bereitstellt. Beispielsweise kann die Elektrodenvorrichtung an dem Kopplungsanschluss mittels einer Schraubenverbindung oder einer Klemmverbindung befestigt werden. Ferner stellt der Kopplungsanschluss eine Öffnung im Gehäuse bereit, sodass ein direkter Zugang zu dem entsprechenden ersten oder zweiten Plasmakanal möglich ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Düsengehäuse einen Plasmagaseingang zur Kopplung an ein erstes Gasreservoir auf, wobei der Plasmagaseingang mit zumindest dem ersten Plasmakanal gekoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Düsengehäuse einen weiteren Plasmagaseingang zur Kopplung an ein zweites Gasreservoir auf, wobei der weitere Plasmagaseingang mit dem zweiten Plasmakanal gekoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Düsengehäuse einen weiteren Eingang zur Kopplung an ein weiteres Fluidreservoir auf, wobei der weitere Eingang ein Einströmen des Steuerfluids ermöglicht, sodass dieses entlang der Transportrichtung in Richtung Fluidleitelement strömt
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein System bereitgestellt zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln eines Grundmaterials, z.B. zum Erzeugen von chemischen und/oder physikalischen Vorgängen an dem Grundmaterial, wie z.B. zum Erzeugen oder Recyceln eines Pulvers aus einer Substanz bzw. eines Grundmaterials. Das System weist die oben beschriebene Düsenvorrichtung und ein Gehäuse zur Aufnahme der Düsenvorrichtung auf. Die Düsenvorrichtung ist an das Gehäuse derart gekoppelt, dass der Interaktionsbereich in dem Gehäuse vorliegt.
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Mit dem System kann beispielsweise das Grundmaterial mit dem ionisierten Plasmagas in dem Interaktionsbereich zusammengebracht werden, sodass dort chemische Reaktionen oder physikalische Wechselwirkungen unter hoher Temperatur und Druck erzeugt werden. Ferner können die ionisierten Plasmagase das Grundmaterial, wie beispielsweise einem festen Körper, z.B. Draht, abtragen, um feinstaubiges Pulver aus Grundmaterial zu generieren.
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Das Gehäuse weist ein inneres Volumen auf, in welchem der Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich vorliegt. Der Interaktionsbereich ist somit geschützt vor äußeren Einflüssen. Ferner kann das Gehäuse mit Inertgas gefüllt sein, um eine Verschmutzung der Reaktionskomponenten im Reaktionsraum zu beeinflussen. Im Falle des Einsatzes als Pulvererzeugungssystem kann das Gehäuse ebenfalls als Auffangbecken und/oder als Separator für das erzeugte Pulver dienen.
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Das Gehäuse kann beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine Mittelachse des Gehäuses kann dabei parallel zu der Transportrichtung ausgebildet sein. Beispielsweise weist das Gehäuse eine hohlzylindrische Form mit einer runden, ovalen oder vieleckigen Grundfläche auf. Die Normale einer Grundfläche ist beispielsweise parallel zu der Transportrichtung ausgebildet. Insbesondere ist das Gehäuse derart ausgebildet, dass die Mittellinie des Gehäuses koaxial mit der Mittellinie des Düsenelements bzw. des Grundkörpers ist.
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Das Gehäuse kann beispielsweise einen Flansch aufweisen, an welchen die Düsenvorrichtung befestigt werden kann. Dabei kann beispielsweise das Düsengehäuse oder das Fluidleitelement als Befestigungselement mit dem Gehäuse dienen. Alternativ kann das Gehäuse und die Düsenvorrichtung integral und einstückig, beispielsweise mittels additiver Fertigung, hergestellt werden.
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Das Gehäuse dient als Strömungskörper und beinhaltet eine Strömungskammer. An einem der Transportrichtung entgegengesetzten Ende wird das Düsenelement befestigt, welches entsprechend die Öffnungen des weiteren Transportkanals und der Düsenauslässe beinhaltet. Die Düsenvorrichtung bildet somit einen Düsenboden des Strömungskörpers. Der Düsenboden kann ein, zwei, oder mehrere Düsenvorrichtungen aufweisen.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Gehäuse einen Fluidkanal auf, welcher sich von der Düsenvorrichtung fort entlang der Transportrichtung erstreckt. Der Fluidkanal kann beispielsweise als hohlzylindrisches Rohr im Inneren des Gehäuses gebildet werden. In dem Fluidkanal wird der Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich ausgebildet. Der Fluidkanal kann beispielsweise mit einem Kühlmedium wie Kühlluft umgeben werden, um diesen zu kühlen. Der Fluidkanal kann beispielsweise als Kühlkanal genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Kühlkanal eine Mantelfläche (des hohlzylindrischen Rohres) mit Kühlöffnungen auf, welche derart ausgebildet sind, dass ein Kühlmedium von der Umgebung der Mantelfläche in den Kühlraum bzw. Kühlkanal einströmbar ist. Die Kühlöffnungen können beispielsweise mittels Bohrungen gebildet werden. Die Kühlöffnungen bilden ferner jeweils beabstandete Schlitze, welche in Umfangsrichtung beabstandet voneinander in der Mantelfläche ausgebildet sind.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest eine der Kühlöffnungen derart ausgebildet, dass das Kühlmedium mit einer Komponente in Richtung der Transportrichtung einströmbar ist. Mit anderen Worten strömt das Kühlmedium nicht rein radial Richtung Mittellinie sondern auch mit einer axialen Komponente in Richtung der Transportrichtung. Somit wird nach dem Interaktionsbereich das Reaktionsprodukt (beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums entlang der Transportrichtung a btra nsportiert.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest eine der Kühlöffnungen derart ausgebildet, dass das Kühlmedium mit einer Komponente in Umfangsrichtung einströmbar ist. Mit anderen Worten strömt das Kühlmedium nicht rein radial Richtung Mittellinie sondern auch mit einer Umfangskomponente um die Transportrichtung. Somit wird nach dem Interaktionsbereich das Reaktionsprodukt (beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums in Rotation um die Mittelachse bzw. der Transportrichtung gelenkt. Durch diese umwälzende Strömung wirkt beispielsweise eine Zentrifugalkraft auf die Partikel in dem Reaktionsprodukt, wodurch größere Partikel mit einer höheren Masse sich schneller radial nach außen absetzen als kleinere Partikel mit einer kleineren Masse. Somit kann beispielsweise eine Trennung zwischen groben und feineren Partikeln des Reaktionsprodukts durchgeführt werden. Der Kühlkanal mit der komplexen Kühlkanalgeometrie kann insbesondere mittels additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Kühlkanal einen Befestigungsbereich mit dem Düsenelement auf, wobei in dem Befestigungsbereich der Interaktionsbereich vorliegt. Der Kühlkanal weist in dem Befestigungsbereich entlang der Transportrichtung einen anwachsenden Innendurchmesser auf. Mit anderen Worten weist der Kühlkanal von der Schnittstelle mit der Düsenvorrichtung in Transportrichtung eine Trichterform auf. Am Ende des Befestigungsbereichs geht der Kühlkanal beispielsweise in eine hohlzylindrische Form über. Aufgrund der Trichterform wird das Reaktionsprodukt, welches von dem Kühlmedium entlang der Transportrichtung befördert wird, entspannt, sodass gewünschte fluidmechanische Aspekte erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Kühlkanal beabstandet zu einer Außenwand des Gehäuses derart angeordnet, dass ein Versorgungskanal für das Kühlmedium bereitstellbar ist. Mit anderen Worten wird in einem Zwischenbereich zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkanal der Versorgungskanal gebildet. Das Kühlmedium kühlt somit vor Eintritt in den Kühlkanal die Mantelfläche des Kühlkanals.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist in dem Versorgungskanal ein Strömungsgleichrichter angeordnet, welcher eingerichtet ist, ein Kühlmedium laminar in den Versorgungskanal einzuströmen. Der Strömungsgleichrichter weist beispielsweise eine Vielzahl von denen Strömungskanälen auf, welche eine Erstreckungsrichtung parallel zu der Transportrichtung bzw. Mittelachse aufweisen. Der Strömungsgleichrichter besteht beispielsweise aus einem Hohlzylinder, wobei in einer inneren Öffnung der Kühlkanal hindurchgeführt wird. In seiner Mantelfläche weist der Hohlzylinder die Vielzahl von Strömungskanälen auf. Das Kühlmediums strömt somit durch die Strömungskanäle wird somit laminar parallel zu der Mittelachse ausgerichtet. Entsprechend können Turbulenzen des Kühlmediums in der Umgebung um den inneren Kühlkanal reduziert werden. Insbesondere weisen die Strömungskanäle eine mindestens 10fache längere Kanallänge auf als deren Durchmesser. Dadurch wird sichergestellt, dass das Kühlmedium laminar gerichtet wird.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Gehäuse und/oder das Düsenelement ein Umlenkelement für das Kühlmedium auf, wobei das Umlenkelement in dem Versorgungskanal ausgebildet ist bzw. in diesen hineinragt. Das Umlenkelement ist derart ausgebildet, dass das Kühlmedium im Versorgungskanal von einer Strömungsrichtung mit einer Komponente entgegen der Transportrichtung in eine Strömungsrichtung mit einer Komponente entlang der Transportrichtung umlenkbar ist.
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Das Umlenkelement ist beispielsweise ein flächiges, scheibenartiges Element, wobei die in Transportrichtung gerichtete Oberfläche gekrümmt bzw. gebogen ausgebildet ist, um somit eine Umlenkung des Kühlmediums, welches entgegen der Transportrichtung strömt um ca. 100° bis 180° umzulenken. Nach der Umlenkung weist das Kühlmedium eine Strömungsrichtung in Transportrichtung, insbesondere mit einer radialen Richtungskomponente, auf. Nach der Umlenkung des Kühlmediums kann dieses beispielsweise durch die Öffnungen in den Kühlkanal einströmen.
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Das Umlenkelement kann beispielsweise an einem Ende des Gehäuses befestigt werden, an welchem Ende die Düsenvorrichtung befestigt ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Umlenkelement zumindest einen Kühlmediumleitsteg (d.h. Fluidleitsteg) auf, welcher entlang einer Radialrichtung verläuft. Somit wird das Kühlmedium in Radialrichtung geführt und umgeleitet. Der Kühlmediumleitsteg erstreckt sich insbesondere von dem scheibenförmigen Umlenkelement in Transportrichtung hervor, um somit entsprechende Führungskanäle zu bilden. Ferner kann der Kühlmediumleitsteg insbesondere eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung aufweisen.
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Dabei können die Fluidleitstege zunächst radial und im weiteren Verlauf parallel zur Transportrichtung verlaufen. Ferner können die Fluidleitstege eine Richtungskomponente entlang der Umfangsrichtung aufweisen, sodass ein Spin bzw. eine Rotation des Kühlmediums um die Mittellinie erzeugt wird. Ferner kann die Oberfläche des Fluidleitelements der Düsenvorrichtung, welche Oberfläche in Transportrichtung gerichtet ist und mit den Kühlkanal bildet, als Umlenkelement fungieren.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das System ein Separationsrohr auf, welches entlang der Mittelachse innerhalb des Kühlkanals angeordnet ist. Das Separationsrohr weist einen inneren Kanal auf, durch welchen erste Partikel entlang der Transportrichtung abführbar sind. Zwischen der Mantelfläche und dem Separationsrohr ist ein äußerer Kanal ausgebildet, durch welchen zweite Partikel entlang der Transportrichtung abführbar sind.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Separationsrohr einen Ringkanal für ein Transportfluid auf, welcher sich entlang der Transportrichtung erstreckt. Der Ringkanal weist zumindest eine innere Öffnung auf, durch welche das Transportfluid in Strömungsrichtung in den inneren Kanal einströmbar ist. Die innere Öffnung ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Transportfluid mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung einströmbar ist.
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Somit wird insbesondere eine Sogwirkung in das Innere des Separationsrohres erzeugt, sodass Partikel nach dem Interaktionsbereich in das Separationsrohr eingesaugt werden können. Die inneren Öffnungen können dabei beispielsweise eine Krümmung in Umfangsrichtung aufweisen oder insbesondere das Transportfluid in Tangentialrichtung im Inneren des Separationsrohres einströmen.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Ringkanal einen Anschluss zum Einströmen des Transportfluids entgegen der Transportrichtung auf. Somit kann beispielsweise an einem Ende des Gehäuses gegenüberliegend zu der Düsenvorrichtung ein Transportfluid in den Ringkanal eingebracht werden. Mit anderen Worten bildet der Ringkanal entgegen der Transportrichtung ein axiales Ende derart aus, dass das Transportfluid entgegen der Transportrichtung den Kühlkanal einströmbar ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Ringkanal zumindest eine äußere Öffnung auf, durch welche das Transportfluid in Strömungsrichtung in den äußeren Kanal einströmbar ist, wobei die äußere Öffnung insbesondere derart ausgebildet ist, dass das Transportfluid mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung einströmbar ist.
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Das Separationsrohr ragt somit entgegen der Transportrichtung in den Kühlkanal. Der Separationsrohr bzw. das Tauchrohr kann als Doppelmantel-Hohlkörper, beispielsweise zylindrischer Form (Doppelmantelrohr), ausgeführt sein, um den Ringkanal zu bilden. Im Raum zwischen den Mantelflächen vom Separationsrohr strömt das Transportfluid beispielweise entgegen der Transportrichtung ein. In den Mantelflächen kann zumindest ein Umlenkelement, welches aufgrund seiner winkeligen oder gekrümmten Fläche das Transportfluid umlenkt, mit zumindest einer Komponente Richtung radial nach innen oder radial nach außen verlaufenden Öffnung (Steueröffnung bzw. Steuerschlitz) ausgeführt sein. Mit anderen Worten strömt das Transportfluid nicht rein in Transportrichtung durch die Mantelfläche des Separationsrohrs in den Kühlkanal oder in den inneren Kanal des Separationsrohrs ein. Zusätzlich kann das Tauchrohr am entgegen der Transportrichtung liegenden Ende Trichterförmig zulaufend sein und/oder Steuerschlitze entgegen der Transportrichtung aufweisen. Verbindungselemente im Hohlkörper bzw. des Ringkanals, welche das Umlenkelement mit dem Hohlkörper verbinden, können als Separatormediumleitstege ausgebildet sein. Separatormediumleitstege können radial parallel zur Transportrichtung gerichtet sein. Alternativ können diese eine Richtungskomponente entlang der Umfangsrichtung aufweisen, sodass ein Spin bzw. eine Rotation des Separatorsteuerfluid um die Mittellinie eingeleitet werden kann. Über geometrische Verhältnisse wie beispielsweise, Separationsrohrposition, Separationsrohrlänge, Separationsrohrdurchmesser, Steuerschlitzgröße, Steuerschlitzwinkel, Steuerschlitzanzahl, und/oder der Parameterwahl von Separatorsteuerfluid wie beispielsweise Druck, Massendurchsatz, kann ein Separationseffekt des Reaktionsmaterials gesteuert werden. Mit anderen Worten kann bei einer beispielsweisen Anwendung zur Pulverherstellung das Pulver in zwei oder mehreren Fraktionen (Partikelgrößen) separiert werden. Das Separationsrohr wird beispielsweise aus einzelnen Elementen durch Verbinden mit beispielsweise Schrauben gefertigt, oder integral, in einem Stück, durch ein Gussverfahren oder insbesondere durch eine additive Fertigung hergestellt.
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Durch eine Haltevorrichtung, welche beispielsweise aus Stegen oder einem Flansch besteht, wird das Separationsrohr mit dem Gehäuse gekoppelt. Das Gehäuse und das Separationsrohr können integral in einem Stück wie beispielsweise durch ein Gussverfahren oder insbesondere durch eine additive Fertigung hergestellt werden.
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Bei integraler additiver Fertigung von Gehäuse und/oder Düsenvorrichtung und/oder Tauchrohr werden Leitstege als Stützstruktur genutzt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zum Erzeugen eines Pulvers aus einem Grundmaterial gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei insbesondere der Ausschnitt im Übergang zwischen der Düsenvorrichtung und dem Gehäuse dargestellt ist.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung des Systems aus 1.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung mit einem Düsengehäuse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 und 5 zeigen eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6 und 7 zeigen Draufsichten auf eine Düsenvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
- 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung mit Strömungswegen von zwei ionisierbaren Gasen und einem Grundmaterial gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
- 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung mit Strömungsrichtung von vier ionisierbaren Gasen und einem Grundmaterial gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
- 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlmediumsleitstegs eines Umlenkelements gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
- 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Separationsrohres in einem Kühlkanal gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
- 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Separationsrohres aus 11.
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Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
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Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch.
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1 und 2 zeigen ein System zum Erzeugen eines Pulvers aus einem Grundmaterial 101 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei in 1 insbesondere der Ausschnitt im Übergang zwischen der Düsenvorrichtung 100 und dem Gehäuse 130 dargestellt ist. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Systems aus 1.
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Das System weist die Düsenvorrichtung 100 und das Gehäuse 130 zur Aufnahme der Düsenvorrichtung 100 auf. Die Düsenvorrichtung 100 ist an das Gehäuse 130 derart gekoppelt, dass ein Interaktionsbereich 103 in dem Gehäuse 130 vorliegt.
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Die Düsenvorrichtung 100 dient zum Zusammenführen eines ionisierbaren Gases 102, 105 und eines Grundmaterials 101 in dem Interaktionsbereich 103. Die Düsenvorrichtung 100 weist zunächst einen Grundkörper 110 auf, welcher einen Transportkanal 111 aufweist zum Führen des Grundmaterials 101 entlang einer Transportrichtung 106 zu einem Endbereich 114 des Grundkörpers 110. Der Grundkörper 110 weist ferner einen ersten Plasmakanal 112 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 entlang der Transportrichtung 106 und einen zweiten Plasmakanal 113 (welcher von dem ersten Plasmakanal 112 beabstandet ist) zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases 105 entlang der Transportrichtung 106. In dem Endbereich 114 des Grundkörpers weist der erste Plasmakanal 112 einen ersten Gasauslass und der zweite Plasmakanal 113 einen zweiten Gasauslass auf.
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Der Grundkörper 110 weist ferner einen Koppelbereich 115 für eine Elektrodenvorrichtung 150 derart auf, dass das erste ionisierbare Gas 102 in dem ersten Plasmakanal 112 und das zweite ionisierbaren Gas 105 in dem zweiten Plasmakanal 105 ionisierbar sind.
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Ferner weist die Düsenvorrichtung 100 ein Düsenelement 120 auf, welches an dem Endbereich 114 des Grundkörpers 110 mit diesem gekoppelt ist. Das Düsenelement 120 weist einen weiteren Transportkanal 121 auf, welcher mit dem Transportkanal 111 derart gekoppelt ist, dass das Grundmaterial 101 von dem Grundkörper 110 in den Interaktionsbereich 103 außerhalb des Düsenelements 120 entlang der Transportrichtung 106 überführbar ist. Ferner weist das Düsenelement 120 einen ersten Düsenauslass 122, welcher mit dem ersten Plasmakanal 112 gekoppelt ist und einen zweiten Düsenauslass 123 auf, welcher mit dem zweiten Plasmakanal 113 gekoppelt ist.
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Der erste Düsenauslass 122 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 und der zweite Düsenauslass 123 zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases 105 sind derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas 102 und das zweite ionisierbare Gas 105 in den Interaktionsbereich 103 zur Reaktion mit dem Grundmaterial 101 einströmbar sind.
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Das Grundmaterial 101 ist beispielsweise ein Feststoff, wie beispielsweise ein Draht, beispielsweise ein Kupferdraht, Aluminiumdraht, Nickeldraht, Titandraht oder ein Wolframdraht. Als ionisierbares Gas 102, 105, welches in einem geladenen Zustand als Plasmagas auf das Grundmaterial 101 im Interaktionsbereich 103 trifft, kann beispielsweise ein Inertgas bzw. Argon (Ar) verwendet werden.
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Der Grundkörper 110 weist eine zylindrische Stiftform auf. Der Grundkörper 110 ist insbesondere integral und einstückig ausgebildet und weist den Transportkanal 111, den ersten Plasmakanal 112 und den zweiten Plasmakanal 113 auf. Mit anderen Worten verlaufen mehrere Plasmakanäle 112, 113 und der zumindest eine Transportkanal 111 in einem integralen einstückigen Grundkörper. In den Plasmakanälen 112, 113 kann ein und dasselbe ionisierbaren Gas oder eine Vielzahl unterschiedlicher ionisierbarer Gase durchgeführt werden können.
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Die Transportrichtung 106 definiert insbesondere den Vortrieb bzw. die Strömungsrichtung des Grundmaterials 101 durch den Grundkörper 110 und durch das Düsenelement 120 in den Interaktionsbereich 103.
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Insbesondere weist der Grundköper 110 den Koppelbereich 115 für die Elektrodenvorrichtung 150 auf. Die Elektrodenvorrichtung 150 kann dabei derart an dem Grundkörper 110 direkt oder indirekt, z.B. an ein Düsengehäuse 140, befestigt werden und einen Energieeintrag in den entsprechenden ersten und/oder zweiten Plasmakanal 112, 113 bereitstellen.
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Das Düsenelement 120 besteht aus einem Vollmaterial mit einer hohen Temperaturbeständigkeit. Das Düsenelement 120 ist an dem Endbereich 114 des Grundkörpers 110 befestigt. Der Transportkanal 111 ist mit dem weiteren Transportkanal 121, der erste Düsenauslass 122 ist mit dem ersten Plasmakanal 112 und der zweite Düsenauslass 123 mit dem zweiten Plasmakanal 113 gekoppelt sind. Der erste und/oder der zweite Düsenauslass 122, 123 weisen verjüngende Kanäle auf und entsprechend an dem Austritt in Richtung Interaktionsbereich 103 den kleinsten Querschnitt aufweisen. Die Düsenauslässe 122, 123 sind derart ausgebildet, dass das entsprechend ionisierte Gas 102, 103 in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt wird. Der weitere Transportkanal 121 ist entsprechend ausgebildet, dass das Grundmaterial 101 hindurch geführt wird und in den Interaktionsbereich 103 hineinragt. Der erste Düsenauslass 122 und der zweite Düsenauslass 123 sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas 102 und das zweite ionisierbare Gas 105 sich in einem Scheitelpunkt im Interaktionsbereich 103 treffen. Der weitere Transportkanal 121 ist ausgebildet, dass das Grundmaterial 101 ebenfalls durch den Scheitelpunkt verläuft.
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Der Interaktionsbereich 103 liegt in Transportrichtung 106 außerhalb des Düsenelements 120. In dem Interaktionsbereich findet die Reaktion zwischen dem Grundmaterial und dem ionisierbaren bzw. ionisierten Gas statt.
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Aufgrund der hohen Temperaturen in dem Scheitelpunkt aufgrund des ionisierten Gases 102, 105 kann insbesondere eine Reaktion zwischen dem ionisierten Gas 102, 105 und dem Grundmaterial 101 erzeugt werden. Erzeugten. Das Grundmaterial 101 kann aufgrund der hohen Temperatur des ionisierten Gases 102, 105 automatisiert und in kleine, insbesondere kugelförmige Tropfen, aufgeschmolzen werden. Die Tropfen weisen insbesondere eine Partikelgröße von weniger als 500 µm, insbesondere von weniger als 200 µm auf. In einem nachfolgenden Abkühlprozess im Kühlkanal 131 können die geschmolzenen Tröpfchen zu kleinen Partikeln verfestigt werden, sodass ein äußerst feinkörniges Pulver, welches beispielsweise für die additive Fertigung notwendig ist, bereitgestellt werden.
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Das Gehäuse 130 weist ein inneres Volumen auf, in welchem der Interaktionsbereich 103 vorliegt. Der Interaktionsbereich 103 ist somit geschützt vor äußeren Einflüssen.
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Das Gehäuse 130 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine Mittelachse 104 des Gehäuses 130 ist dabei parallel zu der Transportrichtung 106 ausgebildet. Das Gehäuse 130 weist eine hohlzylindrische Form auf. Die Mittellinie 104 des Gehäuses 130 ist koaxial mit der Mittellinie 104 des Düsenelements 120 bzw. des Grundkörpers 110.
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Das Gehäuse 130 weist einen Flansch auf, an welchen die Düsenvorrichtung 100 befestigt ist.
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Der Transportkanal 111 ist als Bohrung im Inneren des Grundkörpers 110 ausgebildet. Der Grundkörper ist rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei eine Mittelachse 104 des Grundkörpers 110 parallel zu der Transportrichtung 106 ausgebildet ist. Der Transportkanal 111 verläuft entlang der Mittelachse (Rotationsachse) 104 des Grundkörpers 110. Somit liegt der Transportkanal 111 im Zentrum des Grundkörpers 110 und erstreckt sich insbesondere tra nslatorisch.
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Der erste Düsenauslass 122 und der zweite Düsenauslass 123 sind derart ausgebildet, dass das entsprechende ionisierte Gas eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse 104 radialen (Richtungs-) Komponente aufweist.
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Als axiale Richtung wird die Richtung parallel der Transportrichtung 106 definiert. Die radiale Richtung 107 entspricht einer Richtung, welche orthogonal zur der axialen Richtung ausgebildet ist und durch die Mittellinie 104 bzw. Rotationsachse des Grundkörpers 110 verläuft. Die Umlaufrichtung 108 ist orthogonal zur der axialen Richtung und der Radialrichtung 107.
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Das ionisierte Gas (d.h. das Plasmagas) wird mit einem bestimmten Winkel α (siehe 8) relativ zu der Transportrichtung 106 in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt. Der Winkel α ist zwischen der Strömungsrichtung aus den entsprechenden Düsenauslässen 122, 123 einerseits und der axialen Richtung andererseits definiert. Aufgrund des gewinkelten Ausströmens des ionisierten Gases 102, 105 durch die entsprechenden Düsenauslässe 122, 123 strömt das ionisierte Gas 102, 105 in Richtung eines Scheitelpunkts 800 (siehe 8) auf der Mittelachse 104 im Interaktionsbereich 103, um mit dem Grundmaterial 101 zu reagieren.
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Der erste Düsenauslass 122 oder der zweite Düsenauslass 123 können ferner derart ausgebildet sein, dass das entsprechende ionisierte Gas 102, 105 eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse 104 umlaufenden (Richtungs-) Komponente, d.h. in Umfangsrichtung 108, aufweist. Somit erhält das ausströmende ionisierte Gas 102, 105 eine rotierende Richtung in Umfangsrichtung 108 um die Mittelachse 104.
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Der erste Plasmakanal 112 und der zweite Plasmakanal 113 sind jeweils beabstandet von der Mittelachse 104 des Grundkörpers 110 ausgebildet.
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Die Düsenvorrichtung 100 weist ferner ein, insbesondere scheibenförmiges, Fluidleitelement 124 auf, welches mit dem Düsenelement 120 gekoppelt ist. Zwischen dem Fluidleitelement 124 und dem Düsenelement 120 ist ein ringförmiger Steuerkanal 127 ausgebildet, welcher um das Düsenelement 120 verläuft. Der Steuerkanal 127 ist derart ausgebildet, dass Steuerfluid 125, z.B. kühlendes Inertgas oder Kühlluft, in oder um den Interaktionsbereich 103 ström bar ist.
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Der Steuerkanal 124 ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Steuerfluid 125 das in den Interaktionsbereich 103 einströmende ionisierte Gas 102, 105 und das Grundmaterial 101 umhüllt. Der Fluiddruck des Steuerfluids 125 ist einstellbar, z.B. mittels einer entsprechenden Pumpenvorrichtung. Die Höhe des Drucks und/oder der Geschwindigkeit der Steuerfluids 125 steuert die örtliche Ausbildung des Interaktionsbereichs 103 bzw. des Scheitelpunkts 800 entlang der Transportrichtung 106. Je höher die Fluidgeschwindigkeit des Steuerfluids 125 bzw. je höher der Fluiddruck des Steuerfluids 125, desto weiter entfernt wird der Interaktionsbereich 103, in welchen sich der Scheitelpunkt 800 des ionisierten Gases mit dem Grundmaterial 101 vorliegt, ausgebildet.
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Das Fluidleitelement 124 erstreckt sich senkrecht zur Transportrichtung 106 bzw. zur Mittellinie 104, wobei es eine geringe Dicke aufweist. Das Fluidleitelement 124 ist entsprechend scheibenförmig ausgebildet.
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Das Gehäuse 130 weist einen Kühlkanal 131 auf, welcher sich von der Düsenvorrichtung 100 fort entlang der Transportrichtung 106 erstreckt. Der Kühlkanal 131 ist beispielsweise als hohlzylindrisches Rohr im Inneren des Gehäuses 130 gebildet. In dem Kühlkanal 131 wird der Interaktionsbereich 103 ausgebildet. Der Kühlkanal 131 ist mit einer Kühlluft bzw. Kühlmedium 134 umgeben.
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Der Kühlkanal 131 weist eine Mantelfläche 132 (des hohlzylindrischen Rohres) mit Kühlöffnungen 133 auf, welche derart ausgebildet sind, dass das Kühlmedium 134 von der Umgebung der Mantelfläche 132 in den Kühlraum einströmbar ist. Die Kühlöffnungen 133 sind beabstandete Schlitze bzw. Öffnungen, welche in Umfangsrichtung 108 und in Axialrichtung 106 beabstandet voneinander in der Mantelfläche 132 ausgebildet sind.
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Die Kühlöffnungen 133 sind derart ausgebildet, dass das Kühlmedium 134 mit einer Komponente in Richtung der Transportrichtung 106 einströmbar ist. Somit wird nach dem Interaktionsbereich 103 das Reaktionsprodukt (beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums 134 entlang der Transportrichtung 106 abtransportiert.
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Die Kühlöffnungen 133 sind derart ausgebildet, dass das Kühlmedium 134 mit einer Komponente in Umfangsrichtung 108 einströmbar ist. Mit anderen Worten strömt das Kühlmedium 134 nicht rein radial Richtung Mittellinie 104 sondern auch mit einer Umfangskomponente 108. Somit wird nach dem Interaktionsbereich 103 das Reaktionsprodukt (beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums 133 in Rotation um die Mittelachse 104 gelenkt (siehe spiralförmige Pfeile). Durch diese umwälzende Strömung wirkt beispielsweise eine Zentrifugalkraft auf die Partikel in dem Reaktionsprodukt, wodurch größere Partikel 143 mit einer höheren Masse sich schneller radial nach außen absetzen als kleinere Partikel 142 mit einer kleineren Masse. Somit kann beispielsweise eine Trennung zwischen groben und feineren Partikeln 142, 143 des Reaktionsprodukts durchgeführt werden.
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Um den Separationseffekt zu verstärken kann ein Separationsrohr 141 vorgesehen werden, welches entlang der Mittelachse 104 innerhalb des Kühlkanals 131 angeordnet ist. Die Feinpartikel 142 können im Inneren des Separationsrohrs 141 abgeführt werden, während die Grobpartikel 143 außerhalb des Separationsrohrs 141 abgeführt werden.
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Der Kühlkanal 131 weist einen Befestigungsbereich 135 mit dem Düsenelement 100 auf, wobei in dem Befestigungsbereich 135 der Interaktionsbereich 103 vorliegt. Der Kühlkanal 131 weist in dem Befestigungsbereich 135 entlang der Transportrichtung 106 einen anwachsenden Innendurchmesser entsprechend eine Trichterform auf. Am Ende des Befestigungsbereichs 135 geht der Kühlkanal 131 beispielsweise in eine hohlzylindrische Form über. Aufgrund der Trichterform wird das Reaktionsprodukt, welches von dem Kühlmedium 134 entlang der Transportrichtung 106 befördert wird, entspannt.
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Der Kühlkanal 131 ist beabstandet zu einer Außenwand 136 des Gehäuses 130 derart angeordnet, dass ein Versorgungskanal 137 für das Kühlmedium 134 bereitstellbar ist. Ferner weist das Gehäuse 130 und/oder das Düsenelement 120 bzw. das Fluidleitelement 124 ein Umlenkelement 138 für das Kühlmedium 134 auf, wobei das Umlenkelement 138 in dem Versorgungskanal 137 ausgebildet ist bzw. in diesen hineinragt. Das Umlenkelement 138 ist derart ausgebildet, dass das Kühlmedium 134 im Versorgungskanal 137 von einer Strömungsrichtung mit einer Komponente entgegen der Transportrichtung 106 in eine Strömungsrichtung mit einer Komponente entlang der Transportrichtung 106 umlenkbar ist.
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Das Umlenkelement 138 ist beispielsweise ein flächiges, scheibenartiges Element, wobei die in Transportrichtung 106 gerichtete Oberfläche gewölbt ist, um somit eine Umlenkung des Kühlmediums 134 durchzuführen. Nach der Umlenkung des Kühlmediums 134 kann dieses beispielsweise durch die Kühlöffnungen 133 in den Kühlkanal 131 einströmen. Das Umlenkelement 138 weist insbesondere ein Kühlmediumleitsteg 139 (d.h. Fluidleitsteg) auf, welcher das Kühlmedium 134 effektiver umlenkt.
Die Oberfläche des Fluidleitelements 124 der Düsenvorrichtung 100, welche Oberfläche in Transportrichtung 106 gerichtet ist und mit den Kühlkanal 131 bildet, fungiert in der beispielhaften Ausführungsform als Umlenkelement 138.
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In dem Versorgungskanal 137 ein Strömungsgleichrichter 201 angeordnet, welcher eingerichtet ist, das Kühlmedium 134 laminar in den Versorgungskanal 137 einzuströmen. Der Strömungsgleichrichter 201weist beispielsweise eine Vielzahl von denen Strömungskanälen auf, welche eine Erstreckungsrichtung parallel zu der Mittelachse 104 aufweisen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung 100 mit einem Düsengehäuse 300 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Düsenvorrichtung 100 ist innerhalb dem Düsengehäuse 300 angeordnet und beispielsweise über das Umlenkelement 138 mit diesem befestigt. Im Inneren des Düsengehäuses befindet sich parallel zur Mittelachse 104 ein Elektrodenmantel 307 der Düsenvorrichtung 100, in welchen die Düsenvorrichtung 100, insbesondere mit ihrem stiftartigen Grundkörper 110 einsteckbar ist. In dem Elektrodenmantel 307 befindet sich der Koppelbereich 115 für eine Elektrodenvorrichtung. Die Elektrodenvorrichtung leitet über den Kopplungsanschluss 302 hochfrequente Strahlung in Richtung Düsenvorrichtung 100.
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Das Düsengehäuse 300 weist ferner einen Plasmagaseingang 303 für das erste ionisierbare Gas 102 und optional einen Plasmagaseingang 304 für ein zweites ionisierbare Gas 103 auf. Ferner kann über einen Kopplungsbereich 306 für das Grundmaterial 101 dieses in den Transportkanal 111 eingeführt werden. Das ionisierbare Gas 102, 103 wird somit zwischen den Elektrodenmantel 307 und den Plasmakanälen 112, 113 geführt und mittels der Elektrodenvorrichtung ionisiert.
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Zudem kann über den Fluideingang 305 ein Steuerfluid 125 eingeströmt werden, welches an dem Fluidleitelement 124 in Richtung Interaktionsbereich 103 geleitet wird.
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4 und 5 zeigen eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt eine Ansicht der Düsenvorrichtung 100 stromabwärts der Transportrichtung 106 und 5 eine Ansicht der Düsenvorrichtung 100 stromaufwärts der Transportrichtung 106.
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In 4 wird der erste Plasmakanal 112 und der zweite Plasmakanal 113 als offene Nut 402 entlang einer Oberfläche des Grundkörpers 110 ausgebildet. Die offene Nut 402 kann beispielsweise mittels Fräsens in den Grundkörper 110 eingebracht werden. Das ionisierbare Gas 102, 105 strömt aufgrund eines gerichteten Einströmwinkels in die Nut 402 entlang derselben Nut 402. Durch die offene Nut 402 ist das ionisierbare Gas 102, 105 von außen gut zugänglich, insbesondere für einen Energieeintrag der Elektrodenvorrichtung 150. in der beispielhaften Ausführungsform in 4 weist der Grundkörper 110 drei Plasmakanäle 112, 113, 112' auf, welche in Umfangsrichtung konstant entlang der Oberfläche verteilt sind. Entsprechend können 3 Plasmastrahlen in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt werden.
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Die offene Nut 402 zumindest teilweise mit einer Hülse 403, welche über den Grundkörper 110 steckbar ist, geschlossen. Die Hülse 403 kann sozusagen über den Grundkörper gesteckt werden, sodass die Hülse 403 auf der Oberfläche des Grundkörpers 110 aufliegt. Damit können die offenen Nuten 402 der entsprechenden Plasmakanäle 112, 113, 112' geschlossen werden. Im Koppelbereich 115 mit der Elektrodenvorrichtung 150 kann die offene Nut 402 frei von der Hülse 403 bleiben.
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Das Fluidleitelement 124 ist scheibenförmig ausgebildet, wobei der Mittelpunkt des scheibenförmigen Fluidleitelements 124 auf der Mittelachse 104 des Düsenelements 120 liegt. Das Fluidleitelement 124 ist mittels Verbindungsstegen 401 an dem Düsenelement 120 befestigt. Zwischen den Verbindungstegen 401 bildet sich ein entsprechender Spalt als Steuerkanal 127 aus, durch welchen das Steuerfluid 125 in den Interaktionsbereich 103 einströmen kann.
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Das Fluidleitelement 124 weist ferner Fluidleitstege 126 auf zum Leiten des Steuerfluids 125 in Richtung Steuerkanal 127. Die Fluidleitstege 126 bilden Erhebungen entlang der Oberfläche des Fluidleitelements 124 aus. Dabei verlaufen die Fluidstege 126 mit Richtungskomponenten parallel und radial zur Transportrichtung 106.
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Das Fluidleitelement 124 weist auf der in Transportrichtung 106 abgewandten Seite bezüglich des Interaktionsbereichs 103 eine trichterförmige und konvex gewölbte Oberfläche auf, wobei die Bereiche im Zentrum des Fluidleitelements 124 weiter in Transportrichtung 106 liegen als Randbereiche des Fluidleitelements 124.
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Auf der in Transportrichtung 106 zugewandten Seite bezüglich des Interaktionsbereichs 103 weist das Fluidleitelement 124 eine konkave gewölbte Oberfläche auf. Diese gewölbte Oberfläche kann beispielsweise als Umlenkfläche bzw. Umlenkelement 138 für das Kühlmedium 134 wirken.
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6 und 7 zeigen Draufsichten auf eine Düsenvorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführung.
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In 6 sind die Düsenauslässe 122, 123 dargestellt, welche einen gemeinsamen Ringspalt ausbilden. Im Zentrum ist der weitere Transportkanal 101 dargestellt, durch welchen das Grundmaterial 101 hindurchführbar ist. Das Düsenelement 120 ist mit den Verbindungsstegen an das Fluidleitelement 124 gekoppelt.
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7 zeigt ferner ein rotierbare Element 701, welches drei in Umfangsrichtung verteilte Öffnungen aufweist, durch welche das ionisierbare Gas 102, 105 strömen kann. Das rotierbare Element 701 kann das Düsenelement 120 ausbilden. Das Düsenelement 120 kann relativ zu dem Grundkörper 110 rotierbar sein. Das Düsenelement 120 kann beispielsweise mittels eines Gleitlagers oder eines Kugellagers an den Grundkörper 110 rotierender gelagert werden. Der entsprechende erste Düsenauslass 122 und der zweite Düsenauslass 123 können beispielsweise als Ringspalt in dem Düsenelement 120 ausgebildet werden (siehe 6). In dem Ringspalt können ferner Fluidleitelemente vorgesehen werden, sodass die Rotation der ionisierbaren Gase 102, 105 zusätzlich einen Spin bzw. eine Rotation des in den Interaktionsbereich einströmenden ionisierbaren Gases 102, 105 erzeugt.
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung 100 mit Strömungswegen von zwei ionisierbaren Gasen 102, 105 und einem Grundmaterial 101.
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Die Düsenvorrichtung 100 weist den Grundkörper 110 und das Düsenelement 120. Der Transportkanal 111 und der weitere Transportkanal 121 sind koaxial entlang der Mittellinie 104 ausgebildet. Der Grundkörper 110 weist ferner den ersten Plasmakanal 112 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 entlang der Transportrichtung 106 und einen zweiten Plasmakanal 113 (welcher von dem ersten Plasmakanal 112 beabstandet ist) zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases 105 entlang der Transportrichtung 106 auf.
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Der Grundkörper 110 weist ferner einen Koppelbereich 115 für eine Elektrodenvorrichtung 150 derart auf, dass das erste ionisierbare Gas 102 in dem ersten Plasmakanal 112 und das zweite ionisierbaren Gas 105 in dem zweiten Plasmakanal 105 ionisierbar sind.
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Das Düsenelement 120 weist einen ersten Düsenauslass 122, welcher mit dem ersten Plasmakanal 112 gekoppelt ist, und einen zweiten Düsenauslass 123 auf, welcher mit dem zweiten Plasmakanal 113 gekoppelt ist, auf.
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Der erste Düsenauslass 122 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 und der zweite Düsenauslass 123 zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases 105 sind derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas 102 und das zweite ionisierbare Gas 103 in den Interaktionsbereich 103 zur Reaktion mit dem Grundmaterial 101 einströmbar sind.
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Das ionisierte Gas 102,105 (d.h. das Plasmagas) wird mit einem bestimmten Winkel α relativ zu der Transportrichtung 106 in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt. Der Winkel α ist zwischen der Strömungsrichtung aus den entsprechenden Düsenauslässen 122, 123 einerseits und der axialen Richtung andererseits definiert. Aufgrund des gewinkelten Ausströmens des ionisierten Gases 102, 105 durch die entsprechenden Düsenauslässe 122, 123 strömt das ionisierte Gas 102, 105 in Richtung eines Scheitelpunkts 800 auf der Mittelachse 104 im Interaktionsbereich 103, um mit dem Grundmaterial 101 zu reagieren.
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung 100 mit Strömungsrichtung von vier ionisierbaren Gasen 102, 102', 105, 105' und einem Grundmaterial 101.
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Der Grundkörper weist im Vergleich zu der Ausführungsform aus 8 einen weiteren ersten Plasmakanal 901 zum Führen eines weiteren ersten ionisierbaren Gases 102' entlang der Transportrichtung 106 und einen weiteren zweiten Plasmakanal 902, welcher von dem weiteren ersten Plasmakanal 112 beabstandet ist, zum Führen eines weiteren zweiten ionisierbaren Gases 105' entlang der Transportrichtung 105 auf. In entsprechenden Düsenauslässen 122', 123' wird das ionisierbare Gas 102', 105' in Richtung Scheitelpunkt 800 ausgeströmt. Die Düsenauslässe 122', 123' weisen einen kleineren, flacheren Winkel α' auf als die Düsenauslässe 122, 123.
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10 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlmediumleitstegs 139 eines Umlenkelements 138 gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
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Das Umlenkelement 138 weist zumindest einen Kühlmediumleitsteg 139 (d.h. Fluidleitsteg) auf, welcher entlang einer Radialrichtung 107 in Richtung Zentrum verläuft. Somit wird das Kühlmedium 134 in Radialrichtung 107 geführt und umgeleitet. Der Kühlmediumleitsteg 139 erstreckt sich insbesondere von dem scheibenförmigen Umlenkelement 138 in Transportrichtung 106 hervor, um somit entsprechende Führungskanäle zu bilden. Ferner kann der Kühlmediumleitsteg 139 insbesondere eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung 108 aufweisen.
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Das Umlenkelement 138 kann ferner mit dem Gehäuse 130 durch die Kühlmediumleitstege 139 verbunden sein. Der Kühlmediumleitsteg 139 kann bis zum Ende der Kühlöffnungen 133, welcher der Beginn vom Kühlkanal 131 ist, verlaufen. Dabei verlaufen Kühlmediumleitstege 139 beispielhaft parallel und radial zur Transportrichtung 106.
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11 zeigt eine schematische Darstellung eines Separationsrohres 141 in einem Kühlkanal 131 gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung. 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Separationsrohres aus 11. Das Separationsrohr 141 weist einen inneren Kanal 1106 auf, durch welchen erste Partikel 142 entlang der Transportrichtung 106 abführbar sind. Zwischen der Mantelfläche 132 und dem Separationsrohr 141 ist ein äußerer Kanal 1107 ausgebildet, durch welchen zweite Partikel 143 entlang der Transportrichtung 106 abführbar sind.
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Das Separationsrohr 141 weist einen Ringkanal 1101 für ein Transportfluid 1104 auf, welcher sich entlang der Transportrichtung 106 erstreckt. Der Ringkanal 1101 weist zumindest eine innere Öffnung 1103 auf, durch welche das Transportfluid 1104 in Strömungsrichtung in den inneren Kanal 1106 einströmbar ist. Die innere Öffnung 1103 ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Transportfluid 1104 mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung 108 einströmbar ist.
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Somit wird insbesondere eine Sogwirkung in das Innere des Separationsrohres 141 erzeugt, sodass kleinere Partikel 142 nach dem Interaktionsbereich 103 in das Separationsrohr 141 eingesaugt werden können. Die inneren Öffnungen 1103 können dabei beispielsweise eine Krümmung in Umfangsrichtung 108 aufweisen oder insbesondere das Transportfluid 1104 in Tangentialrichtung im Inneren des Separationsrohres 141 einströmen.
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Der Ringkanal 1101 weist einen Anschluss zum Einströmen des Transportfluids 1104 entgegen der Transportrichtung 106 auf. Somit kann beispielsweise an einem Ende des Gehäuses 130 gegenüberliegend zu der Düsenvorrichtung 100 ein Transportfluid in den Ringkanal eingebracht werden.
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Der Ringkanal 1101 weist zumindest eine äußere Öffnung 1102 auf, durch welche das Transportfluid 1104 in Strömungsrichtung 106 in den äußeren Kanal 1107 einströmbar ist, wobei die äußere Öffnung 1102 insbesondere derart ausgebildet ist, dass das Transportfluid 1104 mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung 108 einströmbar ist.
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Das Separationsrohr 141 ragt somit entgegen der Transportrichtung 106 in den Kühlkanal 131. Das Separationsrohr 14 bzw. das Tauchrohr kann als Doppelmantel-Hohlkörper, beispielsweise eine zylindrischer Form (Doppelmantelrohr), ausgeführt sein, um den Ringkanal 1101 zu bilden. Im Raum zwischen den Mantelflächen vom Separationsrohr 141 strömt das Transportfluid 1104 beispielweise entgegen der Transportrichtung 106 ein. In dem Ringkanal 1101 kann zumindest ein Umlenkelement, welches aufgrund seiner winkeligen oder gekrümmten Fläche das Transportfluid 1104 umlenkt, mit zumindest einer Komponente Richtung radial nach innen oder radial nach außen verlaufenden Öffnung (Steueröffnung bzw. Steuerschlitz) ausgeführt sein.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Düsenvorrichtung
- 101
- Grundmaterial
- 102
- erstes ionisierbares Gas
- 103
- Interaktionsbereich
- 104
- Mittelachse
- 105
- zweites ionisierbares Gas
- 106
- Transportrichtung
- 107
- Radialrichtung
- 108
- Umfangsrichtung
- 110
- Grundkörper
- 111
- Transportkanal
- 112
- erster Plasmakanal
- 113
- zweiter Plasmakanal
- 114
- Endbereich
- 115
- Koppelbereich
- 120
- Düsenelement
- 121
- weiterer Transportkanal
- 122
- erster Düsenauslass
- 123
- zweiter Düsenauslass
- 124
- Fluidleitelement
- 125
- Steuerfluid
- 126
- Fluidleitsteg
- 127
- Steuerkanal
- 130
- Gehäuse
- 131
- Kühlkanal
- 132
- Mantelfläche
- 133
- Kühlöffnung
- 134
- Kühlmedium
- 135
- Befestigungsbereich
- 136
- Außenwand
- 137
- Versorgungskanal
- 138
- Umlenkelement
- 139
- Kühlmediumleitsteg
- 140
- Düsengehäuse
- 141
- Separationsrohr
- 142
- Feinpartikel
- 143
- Grobpartikel
- 150
- Elektrodenvorrichtung
- 201
- Strömungsgleichrichter
- 302
- Kopplungsanschluss für Elektrodenvorrichtung
- 303
- Plasmagaseingang für erstes ionisierbare Gas
- 304
- Plasmagaseingang für zweites ionisierbare Gas
- 305
- weiteren Eingang zur Kopplung an ein weiteres Fluidreservoir
- 306
- Kopplungsbereich für Grundmaterial
- 307
- Elektrodenmantel
- 401
- Verbindungssteg
- 402
- Nut
- 403
- Hülse
- 701
- rotierbares Element
- 800
- Scheitelpunkt
- 901
- weiterer erster Plasmakanal
- 902
- weiterer zweiter Plasmakanal
- 1101
- Ringkanal
- 1102
- äußere Öffnung
- 1103
- innere Öffnung
- 1104
- Transportfluid
- 1105
- axiales Ende
- 1106
- innerer Kanal
- 1107
- äußerer Kanal
