DE102008064083A1 - Device for cooling during the thermal treatment of substrate surface, comprises a cooling nozzle connected to a coolant supply for outputting a coolant beam from an orifice of the cooling nozzle, and a protective gas arrangement - Google Patents

Device for cooling during the thermal treatment of substrate surface, comprises a cooling nozzle connected to a coolant supply for outputting a coolant beam from an orifice of the cooling nozzle, and a protective gas arrangement Download PDF

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Abstract

The cooling device comprises a cooling nozzle (2) connected to a coolant supply (9) for outputting a coolant beam from an orifice (7) of the cooling nozzle, and a protective gas arrangement for covering the orifice with protective gas. The protective gas arrangement is equipped with a radial protective gas nozzle (15) directed on the coolant beam arranged to the orifice. The protective gas nozzle comprises a ring column (12) tapering itself in the direction of the coolant beam. The ring column is arranged between a protective gas sleeve and the front section of the cooling nozzle. The cooling device comprises a cooling nozzle (2) connected to a coolant supply (9) for outputting a coolant beam from an orifice (7) of the cooling nozzle, and a protective gas arrangement for covering the orifice with protective gas. The protective gas arrangement is equipped with a radial protective gas nozzle (15) directed on the coolant beam arranged to the orifice. The protective gas nozzle comprises a ring column (12) tapering itself in the direction of the coolant beam. The ring column is arranged between a protective gas sleeve distanced from the front section of the cooling nozzle, and the front section of the cooling nozzle. The interior surface of the protective gas sleeve and/or the external surface of the front section of the cooling nozzle taper itself in the direction to the orifice of the cooling nozzle. The tapering of the protective gas sleeve and/or the cooling nozzle is conically formed. The orifice of the cooling nozzle and the discharge opening of the protective gas sleeve are arranged in a plain. The protective gas sleeve is detachably connected with the cooling nozzle. The front section of the cooling nozzle is detachably connected with a carrier section connected with the coolant supply. An independent claim is included for a method for cooling substrate surfaces.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere zum Einsatz bei der thermischen Behandlung von Substratoberflächen, mit einer an einer Kühlmediumszuführung angeschlossenen Kühldüse zum Ausbringen eines Kühlmediumsstrahls aus einer Mündungsöffnung der Kühldüse und einer Schutzgaseinrichtung zum Umhüllen der Mündungsöffnung der Kühldüse mit einem Schutzgas. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Kühlen von Substratoberflächen.The The invention relates to a device for cooling, in particular for use in the thermal treatment of substrate surfaces, with a connected to a cooling medium supply Cooling nozzle for discharging a cooling medium jet from a mouth of the cooling nozzle and a protective gas device for wrapping the mouth opening the cooling nozzle with a protective gas. The invention further relates to a method for cooling substrate surfaces.

Thermische Behandlungen von Substratoberflächen, wie beispielsweise Oberflächenbeschichtung, Nitrierung, Beflämmung, Schneid- und Schweißverfahren und thermische Spritzverfahren, finden in der Technik breite Anwendung. Bei allen diesen Verfahren erweist es sich fallweise als Vorteil, die behandelte Substratoberfläche vor, während oder nach der Behandlung zu kühlen.thermal Treating substrate surfaces, such as Surface coating, nitriding, flaming, Cutting and welding process and thermal spraying, find in the art wide application. For all these methods proves it is occasionally an advantage, the treated substrate surface to cool before, during or after the treatment.

Von besonderer Bedeutung sind dabei thermische Spritzverfahren, die zur Herstellung von Beschichtungen auf einer Vielzahl von Substratmaterialien eingesetzt werden, beispielsweise Verbundstoffe, Keramik- oder Metallteile, die mit einer dünnen Keramik- oder Metallschicht zu überziehen sind. Insbesondere finden thermische Spritzverfahren Anwendung im Bereich der Luftfahrt-, Fahrzeug oder Energietechnik. Im Folgenden werden unter den Begriff „thermisches Spritzen” alle Arten von Spritzverfahren subsumiert. Zu den thermischen Spritzverfahren in diesem Sinne gehören insbesondere Flammspritzen mit Stab, Draht oder Pulver, Kunststoff-Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) oder Detonationsspritzen. All diese Verfahren sind bekannt und werden beispielsweise in der Internet-Information der Gemeinschaft Thermisches Spritzen e. V. ( www.gts-ev.de/ts-info.htm ) beschrieben. Zu Herstellung einer Beschichtung auf einem Substratmaterial richtet man beispielsweise einen Spritzstrahl aus heißem Transportgas und geschmolzenem oder erweichten Beschichtungsmaterial auf die Oberfläche des Substratmaterials. Dabei wird das zu Substratmaterial beträchtlich erhitzt, und zwar sowohl durch das im allgemeinen heiße Transportgas, mit dem die Beschichtungsteilchen ausgetragen werden, als auch durch die Beschichtungsteilchen selbst, die bei der Berührung mit der zu beschichtenden Substratoberfläche dieser innerhalb kürzester Zeit große Wärmemengen zuführen. Um diese Wärme zumindest teilweise abzuführen, wird die Substratoberfläche mit einem kalten Medium gekühlt, dass unmittelbar vor, während oder nach der Spritzbehandlung auf die Substratoberfläche aufgetragen wird.Of particular importance are thermal spray processes which are used to produce coatings on a variety of substrate materials, such as composites, ceramic or metal parts to be coated with a thin ceramic or metal layer. In particular, thermal spray methods are used in the field of aviation, vehicle or energy technology. In the following, the term "thermal spraying" all types of spraying are subsumed. The thermal spraying processes in this sense include, in particular, flame spraying with rod, wire or powder, plastic flame spraying, high-velocity flame spraying (HVOF) or detonation spraying. All of these methods are known and are described, for example, in the Internet Information of the Community Thermal Spraying e. V. ( www.gts-ev.de/ts-info.htm ). For example, to produce a coating on a substrate material, a jet of hot transport gas and molten or softened coating material are directed onto the surface of the substrate material. In the process, the substrate material is considerably heated, both by the generally hot transport gas with which the coating particles are discharged, and by the coating particles themselves, which, on contact with the substrate surface to be coated, supply large amounts of heat within a very short time. In order to remove this heat at least partially, the substrate surface is cooled with a cold medium, which is applied to the substrate surface immediately before, during or after the spray treatment.

Als Kühlmedium kommt dabei üblicherweise ein Kühlgas zum Einsatz, beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff oder ein Edelgas. Das Kühlgas wird dabei mittels einer vom Bearbeitungswerkzeug der thermischen Behandlung, beispielsweise der thermischen Spritzdüse, getrennten Kühldüse in Richtung auf die behandelte Substratoberfläche ausgetragen. Eine derartige Kühldüse wird beispielsweise in der DE 199 47 823 A1 beschrieben. Beim Gegenstand dieser Druckschrift wird Kohlendioxid unter Druck im flüssigen Zustand herangeführt und im Bereich der Austrittsöffnung der Kühldüse unter Bildung eines Gemisches aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidschnee expandiert, wobei es sich stark abkühlt. Problematisch bei derartigen Systemen mit separaten Kühldüsen ist, dass sich im Bereich der Mündungsöffnung der Kühldüse Schneebärte aus Wassereis bilden. Das Wassereis stammt aus der Luftfeuchtigkeit und kondensiert an der kalten Mündungsöffnung der Kühldüse. Im Verlauf des Kühlprozesses wachsen diese Schneebärte und fallen schließlich ab. Durch das Anwachsen und Abfallen der Schneebärte wird der Kühlstrahl jeweils unterschiedlich aufgeweitet und/oder abgelenkt. Durch den unkontrollierten Kühlstrahl ist eine Steuerung der Kühlung nur schwer zu bewerkstelligen. Zugleich können die auf die Substratoberfläche fallenden Schneebärte Störungen im Schichtaufbau hervorrufen.The cooling medium is usually a cooling gas is used, for example, carbon dioxide, nitrogen or a noble gas. The cooling gas is discharged by means of a processing tool of the thermal treatment, for example, the thermal spray nozzle, separate cooling nozzle in the direction of the treated substrate surface. Such a cooling nozzle is used for example in the DE 199 47 823 A1 described. In the subject of this document carbon dioxide is introduced under pressure in the liquid state and expanded in the region of the outlet opening of the cooling nozzle to form a mixture of carbon dioxide gas and carbon dioxide snow, wherein it cools strongly. The problem with such systems with separate cooling nozzles is that form in the region of the mouth opening of the cooling nozzle snow beards of water ice. The water ice comes from the humidity and condenses at the cold mouth of the cooling nozzle. During the cooling process, these snowbears grow and eventually fall off. As a result of the growth and fall of the snow beards, the cooling jet is widened and / or deflected differently. Due to the uncontrolled cooling jet control of the cooling is difficult to accomplish. At the same time, the snow beards falling on the substrate surface can cause disturbances in the layer structure.

Um die mit den Schneebärten einhergehenden Probleme zu lösen wird in der DE 698 00 158 T2 ( EP 0 872 563 B1 ) vorgeschlagen, den Bereich um die Austrittsöffnung der Kühldüse herum mit einer Schutzgasatmosphäre vor Luftfeuchtigkeit zu schützen. Dazu ist der Vorderabschnitt einer Kühldüse mit einer Schutzgashülse umgeben, die über die Austrittsöffnung hinausragt und auf diese Weise einen nach vorne offenen, jedoch im Übrigen von der Umgebungsatmosphäre abgetrennten Bereich schafft. Über seitliche Zuleitungskanäle wird ein trockenes Schutzgas, beispielsweise trockene Luft, Stickstoff oder Argon mit leichtern Überdruck in das Innere der Schutzgashülse eingeleitet. Das Schutzgas strömt am vorderen Ende der Schutzgashülse aus und sammelt sich vor der Mündungsöffnung unter Ausbildung eines Schutzgaspolsters an. Dadurch wird verhindert, dass Umgebungsatmosphäre bis zur Austrittsöffnung der Kühldüse vordringen kann. Auf die Geometrie des Kühlmediumsstrahls hat das austretende Schutzgaspolster keinen Einfluss.In order to solve the problems associated with the snow beards is in the DE 698 00 158 T2 ( EP 0 872 563 B1 ) proposed to protect the area around the outlet opening of the cooling nozzle with a protective gas atmosphere from atmospheric moisture. For this purpose, the front portion of a cooling nozzle is surrounded by a protective gas sleeve, which projects beyond the outlet opening and thus creates a forwardly open, but otherwise separated from the ambient atmosphere area. Via lateral feed channels, a dry protective gas, for example dry air, nitrogen or argon with lighter overpressure is introduced into the interior of the protective gas sleeve. The protective gas flows out at the front end of the protective gas sleeve and accumulates in front of the mouth opening to form a protective gas cushion. This prevents that ambient atmosphere can penetrate to the outlet opening of the cooling nozzle. The escaping protective gas cushion has no influence on the geometry of the cooling medium jet.

Es hat sich jedoch als wünschenswert erwiesen, den Kühlmediumsstrahl bei der Behandlung den jeweiligen Erfordernissen und Behandlungsmethoden anpassen zu können, um eine bessere und effizientere Kühlwirkung zu erzielen.It However, it has proved desirable to cool the cooling medium in the treatment of the respective requirements and treatment methods to be able to adapt to a better and more efficient cooling effect to achieve.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zum Kühlen von Substratoberflächen mittels einer Kühldüse anzugeben, bei der die Effizienz des Kühlmediumseinsatzes beim Betrieb verbessert und zugleich die Ausbildung von Schneebärten an der Austrittsöffnung der Kühldüse verhindert wird.The invention is therefore based on the object to provide a way to cool substrate surfaces by means of a cooling nozzle, in which the efficiency of the cooling medium use during operation improves and at the same time the formation of Snow beards at the outlet opening of the cooling nozzle is prevented.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch, dass die Schutzgaseinrichtung mit einer radial um die die Mündungsöffnung angeordneten, auf den Kühlmittelstrahl gerichteten Schutzgasdüse ausgerüstet ist.Solved this object is in a device of the type mentioned and purpose by the fact that the protective gas device with a arranged radially around the mouth opening, directed to the coolant jet shield gas nozzle equipped.

Durch das aus der erfindungsgemäß angeordneten Schutzgasdüse austretende Schutzgas wird der Kühlmediumsstrahl im Bereich der Mündungsöffnung umhüllt, zugleich kann die Geometrie und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediumsstrahls gezielt beeinflusst werden. Durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Schutzgases tritt dieses als ein den Kühlmediumsstrahl zumindest abschnittsweise umhüllender Hüllstrahl aus und reduziert so vor der Mündungsöffnung die Entstehung turbulenter Wechselwirkungen mit der Umgebungsatmosphäre, aufgrund derer der Kühlmediumsstrahl aufgeweitet und in seiner Effizienz gemindert wird. Das Kühlmedium kann auf diese Weise sehr viel fokussierter und konzentrierter auf die Substratoberfläche aufgetragen werden, als dies bei Kühldüsen nach dem Stande der Technik der Fall ist. Dadurch wird die Effizienz der Kühlung verbessert und der Verbrauch an Kühlmittel optimiert. Zugleich kann durch eine Variation des Drucks des Schutzgases zugleich auch die Geometrie des Kühlmediumsstrahls gezielt beeinflusst und so der jeweiligen Kühlaufgabe angepasst werden.By from the shield gas nozzle arranged according to the invention escaping inert gas is the cooling medium jet in the area the mouth opening enveloped, at the same time can change the geometry and thereby the flow velocity the cooling medium beam can be influenced. By the high exit velocity of the protective gas occurs as this a cooling medium beam at least partially enveloping Sheathing beam and thus reduces in front of the mouth opening the formation of turbulent interactions with the ambient atmosphere, due to which the cooling medium jet expanded and in its efficiency is reduced. The cooling medium can open this way much more focused and focused on the substrate surface be applied, as with cooling nozzles after the state of the art is the case. This will increase the efficiency the cooling improves and the consumption of coolant optimized. At the same time, by a variation of the pressure of the protective gas at the same time the geometry of the cooling medium jet targeted influenced and adapted to the respective cooling task become.

Bevorzugt umfasst die Schutzgasdüse einen sich in Richtung auf den Kühlmittelstrahl verjüngenden Ringspalt, durch den das Schutzgas in laminarem Strom geführt und zugleich in Richtung auf den Kühlmediumsstrahl umgelenkt wird.Prefers the protective gas nozzle extends towards the Coolant jet tapered annular gap, through the protective gas in laminar flow and at the same time is deflected in the direction of the cooling medium beam.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ringspalt zwischen einer von einen Vorderabschnitt der Kühldüse radial beabstandet angeordneten Schutzgashülse und dem Vorderabschnitt der Kühldüse angeordnet ist, wobei die Innenoberfläche der Schutzgashülse und/oder die Außenoberfläche des Vorderabschnitts der Kühldüse sich in Richtung zur Mündungsöffnung der Kühldüse verjüngen.A advantageous development of the invention provides that the annular gap between one of a front portion of the cooling nozzle radially spaced arranged protective gas sleeve and the Front portion of the cooling nozzle is arranged, wherein the inner surface of the protective gas sleeve and / or the outer surface of the front portion of the cooling nozzle itself taper towards the mouth of the cooling nozzle.

Zweckmäßigerweise die Verjüngung der Schutzgashülse und/oder der Kühldüse konisch zugeformt, um die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erleichtern.Conveniently, the taper of the protective gas sleeve and / or the Cooling nozzle conically shaped to the production to facilitate the device according to the invention.

Die Mündungsöffnung der Kühldüse und die Austrittsöffnung der Schutzgashülse sind radial voneinander beabstandet, können jedoch auch in axialer Hinsicht voneinander beabstandet sein. Bevorzugt sind jedoch die Mündungsöffnung der Kühldüse und die Austrittsöffnung der Schutzgashülse in einer Ebene angeordnet.The Mouth opening of the cooling nozzle and the outlet opening of the protective gas sleeve are Radially spaced apart, but also in the axial direction be spaced apart. However, preferred are the mouth opening the cooling nozzle and the outlet opening the protective gas sleeve arranged in a plane.

Weiter bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Schutzgashülse lösbar mit der Kühldüse und/oder der Vorderbschnitt der Kühldüse lösbar mit einem mit der Kühlmittelzuführung verbundenen Trägerabschnitt verbunden ist. Die Hülse bzw. der Vorderabschnitt der Kühldüse kann somit ausgetauscht werden. Hierdurch wird nicht nur die Wartung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erleichtert, sondern es ist in denkbar einfacher Weise möglich, durch die Wahl einer geeigneten Schutzgashülse bzw. eines geeigneten Kühldüsenvorderabschnitts die Verhältnisse der jeweiligen Kühlaufgabe anzupassen.Further preferred embodiments of the invention provide that the protective gas sleeve detachable with the cooling nozzle and / or the front portion of the cooling nozzle detachable with a connected to the coolant supply Carrier section is connected. The sleeve or the front portion of the cooling nozzle can thus be replaced become. This not only the maintenance of the invention Device facilitates, but it is in the simplest possible way possible by choosing a suitable protective gas sleeve or a suitable Kühldüsenvorderabschnitts to adapt the conditions of the respective cooling task.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Kühlen, insbesondere zum Einsatz bei der thermischen Behandlung von Substratoberflächen gelöst, bei dem ein Kühlmediumsstrahl aus einer Kühldüse in Richtung auf eine zu kühlende Substratoberfläche ausgebracht wird, wobei die Mündungsöffnung der Kühldüse mit einem Schutzgas umhüllt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Schutzgas als ein den Kühlmediumsstrahl umhüllender Hüllstahl in Richtung auf die Substratoberfläche ausgetragen wird. Der Kühlmediumsstrahl ist somit über zumindest einen Teil seines Weges von einem in gleicher Richtung strömenden Hüllstrahl eingefasst, wodurch der Kontakt des Kühlmediumsstrahls mit der Umgebungsatmosphäre verringert wird. Somit die Entstehung turbulenter und den Kühlmediumsstrahl aufweitender Strömungen unterdrückt im Randbereich des Kühlmediumsstrahl unterdrückt. Die Einhüllung des Kühlmediumsstrahl mit einem Schutzgasstrahl führt also zu einer genaueren Fokussierung des Kühlmediumsstrahls.The The object of the invention is also achieved by a method for cooling, in particular for use in the thermal treatment of substrate surfaces dissolved, in which a cooling medium beam from a Cooling nozzle in the direction of a substrate surface to be cooled is applied, the mouth opening of the Cooling nozzle wrapped with a protective gas is, and is characterized in that the inert gas as an enveloping steel surrounding the cooling medium jet is discharged in the direction of the substrate surface. The cooling medium jet is thus over at least a part of its way from one flowing in the same direction Sheathed beam, whereby the contact of the cooling medium jet is reduced with the ambient atmosphere. Thus the Emergence of turbulent and the cooling medium beam widening Flows suppressed in the edge region of the cooling medium jet suppressed. The wrapping of the cooling medium jet with a protective gas jet thus leads to a more precise focus of the cooling medium jet.

Bevorzugt wird das Schutzgas als ein laminarer, auf den Kühlmediumsstrahl gerichteter und dessen Geometrie verändernder Strahl ausgetragen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren strömt der Schutzgasstrahl also ohne turbulente Störungen verursachende Hindernisse aus der Austrittsöffnung in Richtung auf den Kühlmediumsstrahl aus und kann so sehr effizient dessen Geometrie und/oder dessen Strömungsgeschwindigkeit gezielt beeinflussen. So führt ein starker Schutzgasstrom zu einer Einschnürung des Kühlmediumsstrahls und damit zugleich zu einer Beschleunigung des Kühlmediumsstromes. Das Kühlmedium trifft in diesem Fall in einem „harten” konzentrierten und fokussierten Strahl auf die zu kühlende Substratoberfläche auf. Bei Abschwächung des Schutzgasstrahles verbreitert sich der Kühlmediumsstrahl und die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Es entsteht ein „weicher” breiterer Kühlmediumsstrahl.Prefers the shielding gas is considered a laminar, on the cooling medium jet directed and whose geometry changing beam discharged. To the process of the invention flows the protective gas jet thus without turbulent disturbances causing Obstacles from the exit opening towards the Cooling medium beam and can so very efficient Geometry and / or its flow velocity targeted influence. Thus, a strong inert gas flow leads to a Constriction of the cooling medium jet and thus at the same time to an acceleration of the cooling medium flow. The Coolant meets in this case in a "hard" concentrated and focused beam on the substrate surface to be cooled on. Widened at weakening of the protective gas jet the cooling medium jet and the flow velocity sinks. The result is a "soft" wider cooling medium beam.

Um eine gleichmäßige Beaufschlagung des Kühlmediumsstrahls zu erzielen und eine seitliche Ablenkung des Kühlmediumsstrahls zu vermeiden, ist es vorteilhaft, das Schutzgas aus einer ringförmig um die Mündungsöffnung der Kühldüse angeordneten Schutzgasdüse in Richtung auf den Kühlmediumsstrahl auszutragen.To a uniform admission of the To achieve a cooling medium jet and to avoid a lateral deflection of the cooling medium jet, it is advantageous to discharge the protective gas from a ring arranged around the mouth opening of the cooling nozzle protective gas nozzle in the direction of the cooling medium jet.

Bevorzugt wird als Schutzgas ein trockenes und/oder inertes Gas, beispielsweise trockene Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas eingesetzt. Mit diesen Schutzgasen wird die Ausbildung von Schneebärten zuverlässig vermieden. Im Prinzip eignet sich als Schutzgas jedes Medium, dessen Siedetemperatur unterhalb der Austrittstemperatur des Kühlmediums an der Mündungsöffnung der Kühldüse ist.Prefers is as a protective gas, a dry and / or inert gas, for example used dry air, nitrogen, carbon dioxide or a noble gas. With These protective gases are the formation of snow beards reliably avoided. In principle, it is suitable as a protective gas any medium whose boiling temperature is below the exit temperature the cooling medium at the mouth opening the cooling nozzle is.

Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen besteht in der Kühlung einer Substratoberfläche bei deren thermischer Behandlung, insbesondere bei thermischen Spitzverfahren.A preferred use of the device according to the invention or the invention consists in the cooling a substrate surface during its thermal treatment, especially in thermal pointed processes.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (Fig.) zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt.Based The drawing is an embodiment of the invention be explained in more detail. The only drawing (Fig.) Shows schematically the structure of an inventive Device in longitudinal section.

Bei der Vorrichtung 1 handelt es sich um eine Kühlvorrichtung, mittels der ein Kühlmedium auf eine Substratoberfläche aufgetragen wird. Eine solche Kühlvorrichtung findet insbesondere bei der Beschichtung eines Substratmaterials mittels thermischer Spritzverfahren Verwendung, bei denen ein Beschichtungsmedium mittels einer hier nicht gezeigten Spritzeinrichtung auf die zu behandelnde Substratoberfläche aufgetragen wird und die dabei aufgenommene Wärme innerhalb möglichst kurzer zumindest teilweise wieder entzogen werden soll. Die Vorrichtung 1 weist eine im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaute Kühldüse 2 auf, die aus zwei lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, miteinander verbundenen Teilen aufgebaut ist, nämlich einem hinteren Trägerabschnitt 3 und einem Vorderabschnitt 4. Im wesentlichen zentral durch den Trägerabschnitt 3 und den Vorderabschnitt 4 hindurch erstreckt sich ein Kühlmediumskanal 5, der sich an seinem distalen Ende 6 verengt, um die Strömungsgeschwindigkeit eines durch den Kühlmediumskanal 3 geführten Kühlmediums zu erhöhen. Das Kühlmedium tritt an einer Mündungsöffnung 7 aus dem Kühlmediumskanal 5 aus. An seinem von der Mündungsöffnung 7 strömungstechnisch entgegen gesetztem Ende besitzt der Kühlmediumskanal einen Anschluss 8 zum Anschließen einer mit einer Kühlmediumsquelle verbundenen Kühlmediumsleitung 9. Als Kühlmedium kommt ein kaltes, gasförmiges oder flüssiges Medium in Betracht, beispielsweise ein kaltes Edelgas oder Kohlendioxid, das unter Druck im flüssigen Zustand herangeführt wird und an der Mündungsöffnung 7 unter starker Abkühlung entspannt, wobei es in ein Gemisch aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidschnee übergeht.In the device 1 it is a cooling device by means of a cooling medium is applied to a substrate surface. Such a cooling device is used in particular in the coating of a substrate material by means of thermal spraying method in which a coating medium is applied by means of an injection device, not shown here on the substrate surface to be treated and the heat absorbed thereby within as short as possible to be at least partially withdrawn. The device 1 has a substantially rotationally symmetrical cooling nozzle 2 on, which is composed of two detachably, for example by means of a screw connection, interconnected parts, namely a rear support portion 3 and a front section 4 , Essentially centrally through the support section 3 and the front section 4 extends through a cooling medium channel 5 that is at its distal end 6 narrows to the flow rate of a through the cooling medium channel 3 to increase guided cooling medium. The cooling medium occurs at a mouth opening 7 from the cooling medium channel 5 out. At his from the mouth 7 fluidically opposite end of the cooling medium channel has a connection 8th for connecting a cooling medium line connected to a cooling medium source 9 , As a cooling medium is a cold, gaseous or liquid medium into consideration, for example, a cold inert gas or carbon dioxide, which is brought under pressure in the liquid state and at the mouth opening 7 under high cooling, whereby it passes into a mixture of carbon dioxide gas and carbon dioxide snow.

Vom Trägerabschnitt 3 erstreckt sich radial außenseitig zum Vorderabschnitt 4 der Kühldüse 2 eine Schutzgashülse 11, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut ist und lösbar, jedoch mit einer zumindest weitgehend gasdichten Verbindung, mit dem Trägerabschnitt 3 verbunden ist. Bei der Verbindung handelt es sich beispielsweise gleichfalls um eine Schraubverbindung. Die Schutzgashülse 11 ist radial beabstandet vom Vorderabschnitt 4 der Kühldüse 2 angeordnet, sodass zwischen Schutzgashülse 11 und Vorderabschnitt 4 ein Ringspalt 12 besteht, der an seinem vom Trägerabschnitt 3 entgegen gesetzten Ende 13 offen ist. Die Schutzgashülse 11 ist an ihrem Vorderabschnitt konisch verjüngt und bildet auf diese Weise eine auf die Achse 14 des Kühlmediumskanals 5 gerichtete Ringdüse 15. Zugleich ist im Ausführungsbeispiel auch der Außenumfang des Vorderabschnitts 4 der Kühldüse 2 an seinem der Mündungsöffnung 7 zugewandten Endabschnitt konisch verjüngt, sodass sich insgesamt auch eine konische Zuformung und eine Verkleinerung des lichten Querschnitts des Ringspaltes 12 im Bereich der Ringdüse 15 ergibt. Die Verjüngungen der Vorderabschnitte der Schutzgashülse bzw. der Kühldüse müssen im Übrigen nicht notwendigerweise streng konisch verlaufen, vielmehr genügt jede Art der stetigen Verkleinerung des Innenquerschnitts der Schutzgashülse 11, bzw. des Außenquerschnittes des Vorderabschnitts 4, sofern eine im wesentlichen laminare Strömung des Schutzgases durch den Ringspalt 12 gewährleistet ist. Strömungshindernisse, die zu turbulente Störungen des Schutzgasstroms führen können, wie beispielsweise im rechten Winkel von der Innenoberfläche der Schutzgashülse 11 oder der Außenoberfläche der Kühldüse 2 vorspringende Verengungen des Strömungsweges sind daher zu vermeiden.From the vehicle section 3 extends radially outward to the front portion 4 the cooling nozzle 2 a protective gas sleeve 11 , which is constructed substantially rotationally symmetrical and releasably, but with an at least substantially gas-tight connection, with the support portion 3 connected is. The connection is also, for example, a screw connection. The protective gas sleeve 11 is radially spaced from the front portion 4 the cooling nozzle 2 arranged so that between protective gas sleeve 11 and front section 4 an annular gap 12 that is at his from the vehicle section 3 opposite end 13 is open. The protective gas sleeve 11 is conically tapered at its front portion and forms in this way one on the axis 14 the cooling medium channel 5 directed annular nozzle 15 , At the same time in the embodiment, the outer circumference of the front portion 4 the cooling nozzle 2 at its mouth 7 facing conically tapered end, so that overall a conical shaping and a reduction of the clear cross-section of the annular gap 12 in the area of the ring nozzle 15 results. Incidentally, the tapers of the front sections of the protective gas sleeve or of the cooling nozzle do not necessarily have to be strictly conical; on the contrary, any type of continuous reduction of the internal cross section of the protective gas sleeve is sufficient 11 , or the outer cross section of the front section 4 , provided a substantially laminar flow of the protective gas through the annular gap 12 is guaranteed. Flow obstacles, which can lead to turbulent disturbances of the protective gas flow, such as at right angles from the inner surface of the protective gas sleeve 11 or the outer surface of the cooling nozzle 2 projecting constrictions of the flow path are therefore to be avoided.

Durch den Trägerabschnitt 3 der Kühldüse 2 erstreckt sich, parallel zum Kühlmediumskanal 4, ein Zuführungskanal 17 für ein Schutzgas, der in den Ringspalt 12 ausmündet. Der Zuführungskanal 17 weise einen Anschluss 18 auf, an dem der Zuführungskanal 17 mit einer Schutzgaszuleitung 19 verbunden ist. Als Schutzgas kommt beispielsweise trockene Luft, Stickstoff oder ein Edelgas, etwa Argon oder Helium in Betracht. Vorstellbar ist auch der Einsatz eines Aktivgases, das die Eigenschaften der auf die Substratoberfläche aufgetragenen Beschichtung positiv beeinflusst.Through the carrier section 3 the cooling nozzle 2 extends parallel to the cooling medium channel 4 , a feeder channel 17 for a protective gas in the annular gap 12 opens. The feed channel 17 have a connection 18 on, at which the supply channel 17 with a protective gas supply line 19 connected is. Suitable protective gas is, for example, dry air, nitrogen or a noble gas, for example argon or helium. It is also conceivable to use an active gas which positively influences the properties of the coating applied to the substrate surface.

Beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird ein Kühlmedium, beispielsweise Kohlendioxid, aus der Kühlmediumsleitung 9 in den Kühlmediumskanal 5 eingeleitet und aus der Mündungsöffnung 7 als ein Kühlmediumsstrahl längs der Achse 14 in Richtung auf eine zu kühlende Substratoberfläche ausgestoßen. Zugleich wird ein Schutzgas über die Schutzgaszuleitung 19 und den Zuführungskanal 17 für das Schutzgas in den Ringspalt 12 zwischen Schutzgashülse 11 und Vorderabschnitt 4 der Kühldüse 2 eingetragen. Das Schutzgas strömt im Innern des Ringspalts 12 in Richtung auf die Ringdüse 15, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgasstroms aufgrund der Verkleinerung des lichten Öffnungsdurchmessers im Bereich der konischen Zuformung des Ringspalts 12 noch vergrößert, und wird in Richtung auf die Achse 14 umgelenkt. Beim Austritt aus der Ringdüse 15 umgibt der Schutzgasstrom den aus der Mündungsöffnung 7 der Kühldüse 2 austretenden Kühlmediumsstrahl und bildet einen Hüllstrahl aus, der zumindest abschnittsweise weitgehend den direkten Kontakt des Kühlmediumsstrahls mit der Umgebungsatmosphäre verhindert und somit das Auftreten turbulenter, den Kühlmediumsstrahl aufweitenden Strömungen unterdrückt. Zudem wird der Schutzgasstrom aufgrund der Strömungsführung im Ringspalt 12 in Richtung auf den Kühlmediumsstrom umgelenkt. Durch den Druck des Schutzgasstroms wird der Kühlmediumsstrahl vor der Mündungsöffnung 7 eingeschnürt und beschleunigt. Dadurch wird die Kühlwirkung des Kühlmediumsstrahls auf der zu kühlenden Substratoberfläche weiter fokussiert und konzentriert. Über eine Variation des Drucks des über die Schutzgaszuleitung 19 zugeführten Schutzgases kann der Grad der Einschnürung und damit die Geschwindigkeit des Kühlmediumsstroms eingestellt werden. Die hierzu erforderlichen Armaturen sind in der Zeichnung nicht dargestellt und können entweder am Trägerabschnitt 3 oder im Bereich der Schutzgaszuleitung 19 angeordnet und manuell, über ein vorgegebenes Programm oder in Abhängigkeit von laufend gemessenen Parametern, beispielsweise der Temperatur auf der behandelten Substratoberfläche, eingestellt werden. Zugleich wird durch den ringförmig um die Mündungsöffnung 7 der Kühldüse 2 austretenden Schutzgasstrom zuverlässig vermieden, dass Luftfeuchtigkeit aus der Umgebungsatmosphäre in Kontakt mit dem Vorderabschnitt 4 der Kühldüse 2 kommt und dort zu Vereisungen, sogenannten Schneebärten, führt.When operating the device 1 is a cooling medium, such as carbon dioxide, from the cooling medium line 9 in the cooling medium channel 5 initiated and out of the mouth opening 7 as a cooling medium jet along the axis 14 ejected toward a substrate surface to be cooled. At the same time a protective gas on the inert gas supply line 19 and the supply channel 17 for the protective gas in the annular gap 12 between protective gas sleeve 11 and front section 4 the cooling nozzle 2 entered. The protective gas flows inside the annular gap 12 towards the ring nozzle 15 , wherein the flow velocity of the protective gas stream due to the reduction of the clear opening diameter in the region of the conical shaping of the annular gap 12 still enlarged, and is moving towards the axis 14 diverted. When exiting the ring nozzle 15 Surrounds the protective gas flow from the mouth opening 7 the cooling nozzle 2 emerging cooling medium jet and forms a sheath beam, which at least partially largely prevents the direct contact of the cooling medium jet with the ambient atmosphere and thus suppresses the occurrence of turbulent, the cooling medium jet expanding flows. In addition, the protective gas flow due to the flow guidance in the annular gap 12 deflected in the direction of the cooling medium flow. Due to the pressure of the protective gas flow, the cooling medium jet is in front of the orifice 7 constricted and accelerated. As a result, the cooling effect of the cooling medium jet is further focused and concentrated on the substrate surface to be cooled. About a variation of the pressure of the over the inert gas supply line 19 supplied inert gas, the degree of constriction and thus the speed of the cooling medium flow can be adjusted. The fittings required for this purpose are not shown in the drawing and can be either on the support section 3 or in the area of the protective gas supply 19 can be arranged and manually, via a predetermined program or in dependence on continuously measured parameters, such as the temperature on the treated substrate surface, set. At the same time, the ring around the mouth opening 7 the cooling nozzle 2 escaping inert gas reliably prevents moisture from the ambient atmosphere in contact with the front section 4 the cooling nozzle 2 comes and leads there to icing, so-called snow gardens.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf thermische Behandlungsverfahren beschränkt, sondern bei allen Anwendungen einsetzbar, bei denen ein Kühlmedium mit einer Temperatur deutlich unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser aus einer Düse austritt und dabei mit Luftfeuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt kommen kann.Of the Use of the device according to the invention is not limited to thermal treatment methods, but applicable in all applications where a cooling medium with a temperature well below the freezing point of water escapes a nozzle and thereby with humidity of the Ambient atmosphere can come into contact.

11
Vorrichtungcontraption
22
Kühldüsecooling nozzle
33
Trägerabschnittsupport section
44
Vorderabschnittfront section
55
KühlmediumskanalCoolant channel
66
distales Endedistal The End
77
Mündungsöffnungmouth
88th
Anschlussconnection
99
KühlmediumsleitungCoolant line
1010
1111
Hülseshell
1212
Ringspaltannular gap
1313
EndeThe End
1414
Achse (des Kühlmediumskanals)axis (the cooling medium channel)
1515
Ringdüsering nozzle
1616
1717
Zuführungskanalfeed channel
1818
Anschlussconnection
1919
SchutzgaszuleitungProtective gas supply

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - EP 0872563 B1 [0005] - EP 0872563 B1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - www.gts-ev.de/ts-info.htm [0003] - www.gts-ev.de/ts-info.htm [0003]

Claims (12)

Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere zum Einsatz bei der thermischen Behandlung von Substratoberflächen, mit einer an einer Kühlmediumszuführung (9) angeschlossenen Kühldüse (2) zum Ausbringen eines Kühlmediumsstrahls aus einer Mündungsöffnung (7) der Kühldüse (2) und einer Schutzgaseinrichtung zum Umhüllen der Mündungsöffnung (7) der Kühldüse (2) mit einem Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgaseinrichtung mit einer radial um die die Mündungsöffnung (7) angeordneten, auf den Kühlmittelstrahl gerichteten Schutzgasdüse (15) ausgerüstet ist.Apparatus for cooling, in particular for use in the thermal treatment of substrate surfaces, with a cooling medium supply ( 9 ) connected cooling nozzle ( 2 ) for discharging a cooling medium jet from an orifice (US Pat. 7 ) of the cooling nozzle ( 2 ) and a protective gas device for enveloping the mouth opening ( 7 ) of the cooling nozzle ( 2 ) with a protective gas, characterized in that the protective gas device with a radially around the mouth opening ( 7 ), directed onto the coolant jet protective gas nozzle ( 15 ) is equipped. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasdüse (15) einen sich in Richtung auf den Kühlmittelstrahl verjüngenden Ringspalt (12) umfasst.Apparatus according to claim 1, characterized in that the protective gas nozzle ( 15 ) an annular gap tapering in the direction of the coolant jet ( 12 ). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (12) zwischen einer radial beabstandet von einen Vorderabschnitt (4) der Kühldüse (2) angeordneten Schutzgashülse (11) und dem Vorderabschnitt (4) der Kühldüse (2) angeordnet ist, wobei die Innenoberfläche der Schutzgashülse (11) und/oder die Außenoberfläche des Vorderabschnitts (4) der Kühldüse sich in Richtung zur Mündungsöffnung (7) der Kühldüse (2) verjüngen.Device according to claim 2, characterized in that the annular gap ( 12 ) between a radially spaced from a front portion ( 4 ) of the cooling nozzle ( 2 ) arranged protective gas sleeve ( 11 ) and the front section ( 4 ) of the cooling nozzle ( 2 ), wherein the inner surface of the protective gas sleeve ( 11 ) and / or the outer surface of the front section ( 4 ) of the cooling nozzle in the direction of the mouth opening ( 7 ) of the cooling nozzle ( 2 ) rejuvenate. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung der Schutzgashülse (11) und/oder der Kühldüse (2) konisch zugeformt ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that the taper of the protective gas sleeve ( 11 ) and / or the cooling nozzle ( 2 ) is conically formed. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsöffnung (7) der Kühldüse (2) und die Austrittsöffnung der Schutzgashülse (11) in einer Ebene angeordnet sind.Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the mouth opening ( 7 ) of the cooling nozzle ( 2 ) and the outlet opening of the protective gas sleeve ( 11 ) are arranged in a plane. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgashülse (11) lösbar mit der Kühldüse (2) verbunden ist.Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the protective gas sleeve ( 11 ) detachable with the cooling nozzle ( 2 ) connected is. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (4) der Kühldüse (2) lösbar mit einem mit der Kühlmittelzuführung (9) verbundenen Trägerabschnitt (3) verbunden ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the front section ( 4 ) of the cooling nozzle ( 2 ) detachable with a with the coolant supply ( 9 ) connected carrier section ( 3 ) connected is. Verfahren zum Kühlen von Substratoberflächen, bei dem ein Kühlmediumsstrahl aus einer Kühldüse (2) in Richtung auf eine zu kühlende Substratoberflache ausgebracht wird, wobei die Mündungsöffnung (7) der Kühldüse (2) mit einem Schutzgas umhüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas als ein den Kühlmediumsstrahl umhüllender Hüllstahl in Richtung auf die Substratoberfläche ausgetragen wird.Method for cooling substrate surfaces, in which a cooling medium jet from a cooling nozzle ( 2 ) is applied in the direction of a substrate surface to be cooled, wherein the mouth opening ( 7 ) of the cooling nozzle ( 2 ) is coated with a protective gas, characterized in that the protective gas is discharged as a coolant jet surrounding the cooling medium beam in the direction of the substrate surface. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas als ein laminarer, auf den Kühlmediumsstrahl gerichteter und dessen Geometrie verändernder Strahl ausgetragen.Method according to claim 8, characterized in that that the shielding gas as a laminar, on the cooling medium jet directed and whose geometry changing beam discharged. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas aus einer ringförmig um die Mündungsöffnung (7) der Kühldüse (2) angeordneten Schutzgasdüse (15) in Richtung auf den Kühlmediumsstrahl ausgetragen wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that the protective gas from a ring around the mouth opening ( 7 ) of the cooling nozzle ( 2 ) arranged protective gas nozzle ( 15 ) is discharged in the direction of the cooling medium jet. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas ein trockenes und/oder inertes Gas, beispielsweise trockene Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas zum Einsatz kommt.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that as a protective gas, a dry and / or inert gas, for example dry air, nitrogen, carbon dioxide or a noble gas is used. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 11 zur Kühlung bei der thermischen Behandlung einer Substratoberfläche.Use of a device according to one of the claims 1 to 7 and / or a method according to one of the claims 8 to 11 for cooling in the thermal treatment of a Substrate surface.
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