Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fördern und Verteilen von Pulvern in einem Gasstrom.

Derartige Verfahren und Förderer kommen zur Zuführung dosierter Mengen von feinkörnigen Pulvern, insbesondere für Beschichtungen, zum Einsatz. Pulverablagerungen und Agglomerationen des Pulvers in dem Förderer sowie den Pulverströmungswegen müssen vermieden werden.

Die Förderung extrem feiner Pulver mit Korngrößen von weniger als 10 µm ist mit bekannten Fördervorrichtungen praktisch nicht möglich. Unterhalb dieser Korngröße nehmen die Adhäsionskräfte zwischen den Pulverpartikeln erheblich zu. Die Oberfläche der Partikel vergrößert sich im Verhältnis zum Volumen erheblich. Ein Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm weist eine Oberfläche von 0,006 m² auf. Das gleiche Volumen mit Partikeln von fünf Nanometern Kantenlänge aufgefüllt, weist indes eine Oberfläche von 2.400 m² auf. Die starke Zunahme der Oberflächenkräfte behindert die Förderung derart kleiner Partikel. Nur durch permanente Energieeinkopplung, insbesondere hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die mit einem hohen Gas- bzw. Luftverbrauch einhergehen, kann ein Agglomerieren des Pulver-/Gasgemisches vermieden werden. Hohe Gasvolumenströme sind jedoch in verschiedenen nachgeschalteten Arbeitsprozessen, wie beispielsweise bei Plasma-Beschichtungsprozessen oder Laser- Beschichtungsprozessen, nachteilig. Darüber hinaus bedingen hohe Gasvolumenströme einen höheren Energieeinsatz für die Förderung. Außerdem gibt es nachgeschaltete Prozesse, bei denen das Pulver-/Gasgemisch die Verwendung von Inertgasen erfordert. Aufgrund der hohen Kosten von Inertgasen ist auch aus diesem Grund eine Reduktion des Gasverbrauchs wünschenswert.

Die DE 44 23 197 offenbart eine Pulverpumpe für Pulver zum Sprühbeschichten von Gegenständen in einer stabartig länglichen Form. An einer Stirnseite weist die Pulverpumpe eine Pulveransaugöffnung auf, über die Pulver aus einem nach oben offenen Pulverbehälter angesaugt und durch ein inneres Rohr der Pulverpumpe zu einem Verbraucher befördert wird. Die Förderung selbst erfolgt durch Erzeugung eines Vakuums in der Pulverpumpe. Das Vakuum wird mit einer Injektordüse erzeugt, die sich in der Nähe der Pulveransaugöffnung befindet.

Die DE 10 2006 002 582 A1 offenbart einen Pulverförderer mit einer Fluidisiereinheit. Die Fluidisiereinheit ist am Ende eines Pulveransaugrohrs des Pulverförderers angeordnet und bläst im Ansaugbereich des Pulveransaugrohrs Fluidisierluft in den Pulvervorrat, so dass das Pulver fluidisiert und dadurch einfacher angesaugt und transportiert werden kann. Die Fluidisiereinheit ist oberhalb und konzentrisch zur Pulveransaugöffnung angeordnet. Hierdurch bildet sich ein schirmförmiger fluidisierter Pulverbereich um die Ansaugöffnung herum aus. Die Förderung erfolgt mittels eines mit Druckluft arbeitenden Injektors, der an dem der Fluidisiereinheit gegenüberliegenden Ende des Pulveransaugrohres angeschlossen ist. Eine Fluidisierung direkt unterhalb der Pulveransaugöffnung erfolgt konstruktionsbedingt nicht. Obwohl die ringförmige Fluidisierung das Ansaugen des Pulvers verbessert, ist die Konstanz der Pulvermenge beim Ansaugen nicht optimal. Des Weiteren werden Agglomerate des Pulvers nur unzureichend aufgelöst und größtenteils unmittelbar durch die Pulveransaugöffnung abgesaugt. Dies führt insbesondere bei nachgeschalteten Beschichtungsprozessen, die eine gleich bleibende Schichtdicke erfordern, zu Problemen.

Die US-Patentanmeldung US 2009/110529 A1 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von zerkleinertem Tonmaterial zur Verwendung in Bohrflüssigkeiten. Zur Bereitstellung des zerkleinerten Tonmaterials ist ein pneumatisches Überführungsgefäß vorgesehen. In das Überführungsgefäß kann über einen Lufteinlass Luft injiziert werden. Der Lufteinlass ist als in das Überführungsgefäß ragende Lanzeausgestaltet, deren Mündung von oben auf eine Oberfläche des zerkleinerten Tonmaterials im pneumatischen Übertragungsfass gerichtet ist. Das luftbeaufschlagte, zerkleinerte Tonmaterial wird über eine Leitung in einen Lagerbehälter transferiert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Fördern und Verteilen von Pulvern in einem Gasstrom zu schaffen, das die Förderung von extrem feinen Pulvern, insbesondere solchen mit einer Korngröße von weniger als 10 µm, mit geringen Gasmengen erlaubt, bei dem gleichwohl Agglomerationen des Pulvers vermieden oder aufgelöst werden und zugleich eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers im Gasstrom erreicht wird. Des Weiteren soll eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur agglomerationsfreien Förderung und gleichmäßigen Verteilung von insbesondere extrem feinen Pulvern (mit einer Korngröße von weniger als 10 µm) in einem Gasstrom mit geringen Gasmengen vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass der Füllstand des Pulvers in dem geschlossenen Behälter ständig oberhalb eines minimalen Füllstandes gehalten wird, und das Pulver unterhalb des minimalen Füllstandes über den mindestens einen mit dem Pulver in Kontakt stehenden Gaseinlass unmittelbar mit Gas beaufschlagt wird.

Die periodische Beaufschlagung des Pulvers mit dem unter Überdruck stehenden Gas führt dazu, dass das Pulver in den Freiraum oberhalb des Pulvers aufgewirbelt und dort verteilt wird. Gleichzeitig lösen die Druckimpulse etwaige Agglomerate des Pulvers auf. Der sich im Inneren des geschlossenen Behälters aufgrund der Gaseinleitung einstellende Überdruck oberhalb des Umgebungsdrucks bewirkt, dass das derart aufgewirbelte Pulver-/Gasgemisch in Richtung jedes oberhalb des maximalen Füllstandes des Behälters angeordneten Auslasses ausströmt.

Eine optimale Verteilung des Pulvers in dem Gasraum oberhalb des Pulverfüllstandes wird durch eine niederfrequente Beaufschlagung des Pulvers in einem Bereich von 1 Hz bis 100 Hz erreicht. Der Überdruck des in den geschlossenen Behälter (Druckbehälter) eingeleiteten Gases liegt vorzugsweise im Bereich von 100 mbar bis 5 bar.

Eine höhere Förderleistung wird dadurch erreicht, dass das Pulver über mehrere, insbesondere vier Gaseinlässe mit dem unter Überdruck stehenden Gas beaufschlagt wird.

Die Verteilung des Pulvers in dem Gas und die Auflösung vorhandener Agglomerate kann dadurch verbessert werden, dass das Pulver über mehrere zeitlich aufeinander folgend angesteuerte Gaseinlässe mit dem Gas beaufschlagt wird. Vorzugsweise wirken die Gasdruck-Impulse ohne zeitliche Unterbrechungen zwischen zwei aufeinander folgenden Gasdruck-Impulsen auf das Pulver ein. Wenn die Gaseinlässe gleichmäßig über den Umfang des Behälters, vorzugsweise in einer Behälterebene, angeordnet sind, erfolgt die Beaufschlagung umlaufend um den Behälter herum.

Eine weitere Verbesserung der Verwirbelung und Verteilung des Pulvers in dem Freiraum oberhalb des Pulvers in dem Behälter wird erreicht, wenn die Beaufschlagung mit einem oder mehreren Gasstrahlen unter einem Anstellwinkel von maximal 45 Grad zur Oberfläche des Pulvers erfolgt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Oberfläche der Pulverschüttung im Wesentlichen eben ist.

Bei Pulvern, die zu starker Agglomeratbildung neigen, wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung der Füllstand des Pulvers in dem geschlossenen Behälter ständig oberhalb eines minimalen Füllstandes gehalten und das Pulver unterhalb des minimalen Füllstandes über mindestens einen mit dem Pulver in Kontakt stehenden Gaseinlass unmittelbar mit Gas beaufschlagt. Hierdurch werden die Druckimpulse besonders wirksam auf das Pulver übertragen und in Folge dessen die Agglomerate äußerst wirksam aufgelöst. Das unter Druck stehende Gas strömt durch das Pulver in den darüber liegenden Freiraum und fördert das durch die Druckimpulse aufgewirbelte Pulver-/Gasgemisch in Richtung jedes Auslasses.

Der Auslass kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung mit einem Schlauch verbunden sein, mit dem das Pulver-/Gasgemisch einem weiteren Prozess, insbesondere einem Beschichtungsprozess zugeführt wird.

Um eine kontinuierliche Pulverförderung sicher zu stellen, wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das Pulver aus einem Nachfüllbehälter über einen Einlass in den Behälter nachgefüllt. Der Nachfüllbehälter steht dabei unter dem gleichen Überdruck, wie der geschlossene Behälter, in den nachgefüllt wird. Vorzugsweise wird dabei der Füllstand des Pulvers in dem geschlossenen Behälter ständig oberhalb eines minimalen Füllstandes gehalten. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 8.

Eine besonders wirksame periodische Beaufschlagung des Pulvers mit unter Überdruck stehendem Gas erfolgt vorzugsweise mittels eines gerichteten Gasstrahls. Zur Erzeugung des gerichteten Gasstrahls befindet sich jeder Gaseinlass an einer insbesondere in das Innere des Behälters hineinragenden, zumindest jedoch im Inneren des Behälters mündenden Düse. Um die Beaufschlagung des Pulvers unter einem Anstellwinkel von maximal 45 Grad zur Oberfläche des Pulvers zu gewährleisten, weist die Düse einen entsprechenden Anstellwinkel auf.

Der geschlossene Behälter zur Aufnahme des Pulvers ist insbesondere kreiszylindrisch ausgestaltet. Die Gaseinlässe sind in einer Ebene des kreiszylindrischen Behälters vorzugsweise über dessen Umfang angeordnet, so dass der Mittelpunktswinkel zwischen sämtlichen Gaseinlässen übereinstimmt. Die einzelnen Einlässe werden mit Hilfe von Steuerungsmitteln, insbesondere einer Ventilsteuerung, periodisch mit Gas beaufschlagt. Die einzelnen Einlässe können zeitlich aufeinander folgend oder zeitlich teilweise oder vollständig überlappend mit Gas beaufschlagt werden. Im letzten Fall werden sämtliche Gaseinlässe gleichzeitig in periodischer Folge mit Gas beaufschlagt.

Weiter kann die umlaufende Beaufschlagung über mehrere Einlässe, je nach Beschaffenheit des zu fördernden Pulvers und dem erforderlichen Förderstrom, mit kurzen Unterbrechungen erfolgen, so dass zumindest zeitweilig über keinen der Einlässe Gas in den Behälter gelangt.

Um eine spiralförmige Strömung des Pulver-/Gasgemisches in dem Behälter in Richtung von dessen Auslass zu erzeugen, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung mindestens eine Düse parallel zu einer Sekante in Bezug auf den kreisförmigen Boden des Behälters angeordnet, wobei die Sekante im Abstand zu dessen Mittelpunkt verläuft.

Um einen kontinuierlichen Betrieb der Fördervorrichtung zu gewährleisten, ist der geschlossene Behälter über eine Rohrleitung mit einem Nachfüllbehälter für das Pulver verbunden, wobei aus dem vorzugsweise größeren Nachfüllbehälter Pulver automatisch in den geschlossenen Behälter für die Verteilung und Förderung des Pulvers nachläuft. Um ein Überschreiten des maximalen Füllstandes beim automatischen Nachfüllen auszuschließen, befindet sich die Mündung der sich in das Innere des Behälters erstreckenden Rohrleitung knapp unterhalb des maximalen Füllstandes des Behälters.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1a

eine schematische Aufsicht und

Figur 1b

eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fördern und Verteilen von Pulvern in einem Gasstrom;

Figur 2a

eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer im Wesentlichen tangentialen Gaszuführung;

Figur 2b

eine Aufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Gaseinlässen;

Figur 3

eine schematische Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit unter einem Anstellwinkel angeordneten Gaseinlässe aufweisenden Düsen;

Figur 4

eine Schaubild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fördern und Verteilen von Pulvern in einem Gasstrom unter Verwendung einer Vorrichtung gem. Figur 2b;

Figuren 5a, b

ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Nachfüllbehälter für einen kontinuierlichen Betrieb sowie

Figur 6

die Anbindung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einen nachgeordneten Plasmabeschichtungsprozess.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung zum Fördern und Verteilen von Pulvern 5 in einem Gasstrom, nachfolgend kurz als "Pulverförderer" 1 bezeichnet, besteht im Wesentlichen aus einem geschlossenen Behälter 2, der über einen Gaseinlass 3 mit nicht dargestellten Mitteln zur Gasversorgung verbunden ist. Der Behälter 2 ist bis zu einem maximalen Füllstand 4 mit einem feinen Pulver 5 befüllt, das einem nachfolgenden Prozess, insbesondere einem Beschichtungsprozess, zugeführt werden soll. Oberhalb des maximalen Füllstandes 4 des Behälters 2 ist ein Auslass 6 für ein Pulver-/Gasgemisch 7 angeordnet. Der Auslass 6 ist insbesondere mit einem Anschluss für eine Schlauchleitung 19 zur Weiterleitung des Pulver-/Gasgemisches 7 zu dem nachgeordneten Prozess ausgestattet.

Die mit dem Gaseinlass 3 verbundenen Mittel zur Gasversorgung umfassen als Steuerungsmittel zur periodischen Steuerung des Gases insbesondere eine Ventilsteuerung mit der ein unter Überdruck stehendes Gas in einer periodischen Folge über den Gaseinlass 3 in das Innere des Behälters 2 eingelassen wird. Die Ventilsteuerung arbeitet beispielsweise mit einer Frequenz von 10 Hz Die Höhe des Gasdrucks wird derart bestimmt, dass der Druck im Inneren des Behälters 2 höher als der Umgebungsdruck ist, wobei Druckverluste in einer ggf. an den Pulverauslass angeschlossenen Schlauchleitung bis zu deren Mündung zu berücksichtigen sind. Bei dem eingeleiteten Gas handelt es sich bevorzugt um ein Inertgas, um Staubexplosionen in dem Behälter 2 zu verhindern.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel mündet der Gaseinlass 3 unmittelbar in dem Pulver 5. Neben dieser bevorzugten unmittelbaren Einleitung des Gases in das Pulver 5 ist es auch möglich, die Gaseinlässe 3 oberhalb des maximalen Füllstandes 4 des Pulvers 5 anzuordnen, so dass das Gas auf die Oberfläche 9 des Pulvers 5 auftrifft.

Der Pulverförderer 1 nach Figur 2a unterscheidet sich von dem Pulverförderer nach Figur 1 dadurch, dass sich der Gaseinlass 3 an einer Düse 10 befindet, die parallel zu einer Sekante 11 in Bezug auf den kreisförmigen Boden 12 des Behälters 2 verläuft. Durch diese Art der Gaseinleitung in den Behälter 2 wird eine spiralförmige Strömung 13 des Pulver-/Gasgemisches 7 in dem Behälter 2 erzeugt. Der den Auslass 6 aufweisende Kanal 8 ist wie aus Figur 2a erkennbar, ebenfalls parallel zu einer Sekante in Bezug auf den kreisförmigen Boden 2 des Behälters 2 ausgerichtet.

Figur 2b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pulverförderers 1 mit vier jeweils um 90 Grad versetzt zueinander, jedoch in einer Ebene angeordneten, Gaseinlässen 3a - d und zwei Auslässen 6a - b für das Pulver-/Gasgemisch 7. Die periodische Beaufschlagung der Gaseinlässe 3a - d mit dem unter Überdruck stehenden Gas kann gleichzeitig erfolgen. Vorzugsweise werden die Gaseinlässe 3a - d jedoch zeitlich aufeinander folgend mit dem unter Überdruck stehenden Gas beaufschlagt, so dass die von der Gasversorgungseinheit ausgehenden Druckimpulse um den Behälter 2 umlaufen.

Figur 3 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung nach Figur 1. Der Pulverförderer 1 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass er zwei in das Innere des

Behälters 2 ragende Düsen 10 mit einem Anstellwinkel 14 von etwa 25 Grad zu dem Boden 12 des Behälters 2 aufweist, die die Gaseinlässe 3a - b aufweisen. Durch diesen Anstellwinkel wird die Auflösung von Agglomeraten in dem feinen Pulver 5 verbessert.

Nachfolgend wird anhand von Figur 4 das erfindungsgemäße Verfahren zum Fördern und Verteilen von Pulvern 5 in einem Gasstrom mit Hilfe der bevorzugten Vorrichtung nach Figur 2b näher erläutert.

Aus einem in Figur 4 b) nicht dargestellten Nachfüllbehälter 15 wird der Behälter 2 über eine Rohrleitung 16 bis zu dem maximalen Füllstand 4 mit Pulver 5 befüllt. Das Pulver 5wird über die vier Gaseinlässe 3a - d zeitlich aufeinander folgend beaufschlagt. In dem Diagramm nach Figur 4 c) ist erkennbar, wie die Gaseinlässe 3a - d ohne Unterbrechung nacheinander das unter Überdruck stehenden Gas in den Behälter 2 einleiten. Durch die Beaufschlagung mit Gas wird das Pulver 5 aufgewirbelt, wobei sich in dem Freiraum oberhalb der Oberfläche 9 des Pulvers 5 das Pulver-/Gasgemisch 7 ausbildet, das über die beiden diametral gegenüberliegenden Auslässe 6a, b aus dem Behälter 2 ausströmt. Die aufeinander folgende kontinuierliche Beaufschlagung des Pulvers 5 mit den Druckimpulsen aus den vier Gaseinlässen 3a - d verbessert die Förderleistung bei gleichzeitig geringem Gasverbrauch. Des Weiteren bewirkt die kontinuierliche, periodische Beaufschlagung des Pulvers 5 über mehrere Gaseinlässe 3a - d eine optimale Auflösung vorhandener Agglomerate.

Sobald durch den kontinuierlichen Abtransport des Pulver-/Gasgemisches 7 durch die beiden Auslässe 6a, b der Vorrat an Pulver 5 unter den maximalen Füllstand 4 auf einen minimalen Füllstand 17 absinkt, wird, wie dies in Figur 5 veranschaulicht ist, Pulver 5 aus dem oberhalb des Behälters 2 angeordneten Nachfüllbehälter 15 nachgefüllt. Die Rohrleitung 16 zum Nachfüllen des Pulvers 5 erstreckt sich in das Innere des Behälters 2, wobei sich deren Mündung, wie insbesondere aus Figur 5a erkennbar, knapp unterhalb des maximalen Füllstandes 4 des Behälters 2 befindet. Um das automatische Nachfüllen zu gewährleisten, befindet sich der Pulvervorrat 18 in dem Nachfüllbehälter 15 unter demselben Druck, der auch im Inneren des Behälters 2 herrscht.

Figur 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pulverförderers 1. Der Auslass 6 des Pulverförderers 1 ist über eine Schlauchleitung 19 mit einem Strahlgenerator 20 zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls 21 durch Lichtbogenentladung verbunden. In den Plasmastrahl 21 des Strahlgenerators 20 wird das Pulver-/Gasgemisch 7 im Bereich von dessen Auslass 22 eingebracht. Das fein verteilte Pulver 5 wird mit dem Plasmastrahl 21 auf der Oberfläche 23 eines Objektes 24 abgeschieden.