DE10301735A1

DE10301735A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dosierung mikroskaliger Partikel

Info

Publication number: DE10301735A1
Application number: DE2003101735
Authority: DE
Inventors: Florian Arztmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2003-01-18
Filing date: 2003-01-18
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-19
Also published as: DE10301735B4

Abstract

Zur Dosierung mikroskaliger Partikel (11) wird eine Oberfläche (5) aus einem Vorrat (Bereich 8) in einer definierten Flächenbeladungsdichte mit den Partikeln (11) beladen. Die mit den Partikeln (11) beladene Oberfläche (5) wird von dem Vorrat (Bereich 8) entfernt, und die Partikel (11) werden mit einer Fluidströmung (14) von der Oberfläche (5) abgenommen. Die Oberfläche (5) wird vor ihrer Beladung elektrostatisch aufgeladen und vor der Abnahme der Partikel (11) wieder entladen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung mikroskaliger Partikel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 7.

Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 7 sind aus der DE 38 18 643 A1 bekannt. Hier ist der bewegliche Dosierkörper eine um ihre Hauptachse drehantreibbare kreisrunde Scheibe, deren Oberfläche Vertiefungen aufweist. Bei der Rotation der Scheiben durchläuft die Oberfläche den Bereich eines Vorratsbehälters, der durch die Scheibe nach unten verschlossen wird. So gelangen mikroskalige Partikel aus dem Vorratsbehälter auf die Scheibe und in die Vertiefungen deren Oberfläche. Beim Verdrehen der Scheibe wird ihre so beladene Oberfläche von dem Vorratsbehälter entfernt, wobei die mikroskaligen Partikel, soweit sie sich nicht in den Vertiefungen der Oberfläche befinden, in dem Vorratsbehälter zurückgehalten werden. Die mikroskaligen Partikel in den Vertiefungen der Oberfläche gelangen in den Bereich einer schnellen Gasströmung, die die mikroskaligen Partikel aus den Vertiefungen aufnimmt. Die schnelle Gasströmung bläst die Vertiefungen der Oberfläche aus und die dabei auftretenden Verwirbelungen verteilen die mikroskaligen Partikel in der Gasströmung. Die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren sind insbesondere zum Impfen von Gasströmungen mit mikroskaligen Partikeln zur Durchführung von PIV-Verfahren vorgesehen.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren der bekannten Vorrichtung ist, dass die Gasströmung, die die mikroskaligen Partikel übernimmt, durch den Übernahmevorgang stark verwirbelt wird, was keinesfalls erwünscht ist, wenn eine geradlinige Gasströmung benötigt wird. Darüber hinaus ist die Dosiergenauigkeit begrenzt, insbesondere wenn die Dosierung unter unterschiedlichen statischen Drücken erfolgt. So sind das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung beispielsweise nicht geeignet, um mikroskalige Partikel für einen kontinuierlichen und reproduzierbaren Pulverstrom bereitzustellen, wie er zur Durchführung thermischer Spritzverfahren benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, die sich durch eine reproduzierbare kontinuierliche Förderrate und durch Druckresistenz auszeichnen.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 bzw. 8 bis 12 beschrieben.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung nutzt zur Dosierung der mikroskaligen Partikel deren Anhaftung an der zuvor elektrostatisch aufgeladenen Oberfläche aus. Durch die Höhe der elektrostatischen Aufladung und die aufgeladene Fläche der Oberfläche sind neben der Bewegungsgeschwindigkeit der Oberfläche zusätzliche Dosierungsparameter verfügbar. Die von der Oberfläche aufgenommenen Partikel werden durch Entladung der Oberfläche, d.h. durch Abbau der elektrostatischen Aufladung der Oberfläche freigegeben und können so an die Fluidströmung übergeben werden, ohne dass die Fluidströmung gegen die Oberfläche angestellt werden muss. Dabei ist das Einwirken eines Fluidnebenstroms auf die an der elektrostatisch aufgeladenen Oberfläche anhaftenden mikroskaligen Partikel relativ unkritisch, weil die mikroskaligen Partikel durch die elektrostatisch aufgeladene Oberfläche festgehalten werden. Es ein solcher Fluidnebenstrom kann sogar gezielt genutzt werden, um nicht direkt an der Oberfläche anhaftende Partikel zwecks Erhöhung der Dosiergenauigkeit abzunehmen und in den Vorrat zurückzuführen, falls sie nicht an anderer Stelle von einem noch nicht mit Partikeln bedeckten Bereich der elektrostatisch aufgeladenen Oberfläche aufgenommen und festgehalten werden. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung sind damit nicht nur druckresistent, sie sind auch in der Lage, bei einem Druckunterschied zwischen dem Bereich der Fluidströmung und dem Vorrat für die mikroskaligen Partikel störungsfrei zu arbeiten.

Um die elektrostatisch aufladbare und wieder entladbare Oberfläche bereitzustellen, kann die Oberfläche aus einen lichtsensitiven Halbleiter auf einem elektrisch leitfähigen Substrat ausgebildet werden, wobei die Oberfläche im Dunkeln mit einer Aufladeelektrode aufgeladen wird, wobei die Oberfläche im Dunkeln beladen wird und wobei die Oberfläche vor oder bei dem Übergeben der Partikel an die Fluidströmung durch Beleuchtung wieder entladen wird. Ein dafür geeigneter Halbleiter ist beispielsweise Selen.

Die Oberfläche kann scheibenförmig sein und um ihre Scheibenachse rotiert werden. Bevorzugt ist es aber, wenn die Oberfläche zylindermantelförmig ist und um ihre Zylinderachse rotiert wird. Der Aufbau zur Durchführung des neuen Verfahrens und die neue Vorrichtung entsprechend dann Teilen eines Aufbaus bzw. einer Vorrichtung zur Durchführung des sogenannten Xerographischen Verfahrens, welches in Fotokopierern und Laserdruckern zur Anwendung kommt und bei dem eine Walze mit einer Oberfläche aus Selen, die bereichsweise elektrostatisch aufgeladen wird, zur Übertragung von Toner auf das zu bedruckende Papier verwendet wird.

Die Fluidströmung, die die mikroskaligen Partikel von der wieder entladenen Oberfläche abnimmt, ist im Regelfall eine Gasströmung. Diese verläuft vorzugsweise parallel zu der Oberfläche, um bei der Übernahme der Partikel von der Oberfläche möglichst wenig gestört zu werden.

An der Oberfläche kann beim Abnehmen der Partikel mit der Gasströmung problemlos ein statischer Überdruck eingestellt werden, wie er in einer Gasströmung für ein thermisches Spritzverfahren in der Regel vorliegen wird.

Die elektrostatische Aufladung der Oberfläche erfolgt mit einer Aufladeelektrode, die insbesondere zum ganzflächigen elektrostatischen Aufladen der Oberfläche geeignet ist. Um einzelne Bereiche der Oberflächen noch vor der Beladung mit den mikroskaligen Partikeln wieder zu entladen, um die Beladung der Oberfläche mit mikroskaligen Partikeln auf bestimmte Bereiche zu begrenzen, ist noch zwischen der Aufladeelektrode und dem Vorrat für die mikroskaligen Partikel eine Entladevorrichtung vorzusehen, die bei der Ausbildung der Oberfläche aus einem lichtempfindlichen Halbleiter eine Lichtquelle aufweisen wird.

Zur Freigabe der auf der elektrostatisch aufgeladenen Oberfläche anhaftenden Partikel ist diese insgesamt zu entladen. Bei einer Ausbildung der Oberfläche aus einem lichtempfindlichen Halbleiter kann sie hierzu insgesamt beleuchtet werden. Hierzu ist eine Lichtquelle auf dem Weg der Oberfläche vor dem Bereich der Fluidpassage vorzusehen. Die Lichtquelle kann beispielsweise in Form von Leuchtdioden ausgebildet sein.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der neuen Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt nur die wesentlichen Bestandteile der neuen Vorrichtung zur Dosierung mikroskaliger Partikel, wie sie für das Verständnis dieser Vorrichtung und des neuen Verfahrens erforderlich sind. Zentrales Bauteil der Vorrichtung 1 ist ein zylinderabschnittförmiger Dosierkörper 2, der um eine Zylinderachse 3 in Richtung eines Drehpfeils 4 durch einen hier nicht dargestellten Antrieb drehantreibbar gelagert ist. Während die Oberfläche 5 des Dosierkörpers 2 aus Selen, d.h. einem lichtempfindlichen Halbleiter besteht, besteht der Kern 6 des Dosierkörpers 2 aus elektrisch leitfähigem Aluminium. Der Dosierkörper 3 wird von einem Gehäuse 7 im Bereich der Oberfläche 5 bis auf zwei Bereiche 8 und 9 eingefasst. In dem Bereich 8 bildet eine Öffnung 10 in dem Gehäuse 7 den unteren Austrittspunkt eines Vorratsbehälters für mikroskalige Partikel 11 aus. Durch die Öffnung 10 gelangen die mikroskaligen Partikel 11 aus dem hier nicht weiter dargestellten Vorratsbehälter auf die Oberfläche 5 des Dosierkörpers 2. Sie haften auf der Oberfläche 5 aus Selen an, weil diese zuvor, d.h. in Drehrichtung des Drehpfeils 4 vor der Öffnung 10 mit einer Aufladeelektrode 12 elektrostatisch aufgeladen wurde. Durch diese elektrostatische Aufladung wird eine definierte Menge an mikroskaligen Partikeln an der Oberfläche 5 festgehalten und von dem rotierenden Dosierkörper 2 aus dem Bereich des Vorratsbehälters mitgenommen. Damit die elektrostatische Aufladung auf dem Weg der Oberfläche im Anschluss an die Aufladeelektrode 12 erhalten bleibt, muss die Oberfläche 5 aus Selen auf diesem Weg abgedunkelt werden, d.h. auch im Bereich der Öffnung 10. Kurz bevor die Oberfläche 5 in den Bereich 9 gelangt, oder auch nur in dem Bereich 9 selbst, wird die Oberfläche 5 aus Selen belichtet. Hierfür ist eine Lichtquelle 13 beispielsweise in Form einer oder mehrerer Leuchtdioden vorgesehen. Durch die Beleuchtung des Selens an der Oberfläche 5 wird dieses leitfähig und seine elektrostatische Aufladung wird über den elektrisch leitfähigen Kern 6 aus Aluminium abgebaut. Hierdurch werden die mikroskaligen Partikel 11 von der Oberfläche 5 freigegeben. Die mikroskaligen Partikel 11 werden in dem Bereich 9 von einer Fluidströmung übernommen, für die in der Vorrichtung 1 eine durch den Bereich 9 führende Fluidpassage 15 vorgesehen ist. Bei der Fluidströmung 14 handelt es sich hier um eine Gasströmung, speziell um eine Druckluftströmung. Die Fluidströmung 14 verläuft in dem Bereich 9 im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche 5. Das heißt, die Fluidströmung 14 wird durch den Übernahmevorgang der Partikel 11 nicht gestört, insbesondere nicht durch die Oberfläche 5 abgelenkt. Die Fluidströmung 14 kann im Bereich der Fluidpassage 15 unter einem statischen Überdruck stehen. Dann ist es sinnvoll, wenn der statische Überdruck zumindest im Wesentlichen auch im Bereich des Vorratsbehälters, d.h. der Öffnung 10 herrscht. Ein gewisser Druckunterschied zwischen den Bereichen 9 und 8 kann aber auch dazu genutzt werden, einen Fluidnebenstrom von dem Bereich 9 in den Bereich 8 hervorzurufen, der dazu führt, dass nur solche Partikel mit der Oberfläche 5 aus dem Bereich 8 in den Bereich 9 gelangen, die aufgrund deren statischen Aufladung fest an der Oberfläche 5 anhaften.

1: Vorrichtung
2: Dosierkörper
3: Zylinderachse
4: Drehpfeil
5: Oberfläche
6: Kern
7: Gehäuse
8: Bereich
9: Bereich
10: Öffnung
11: Partikel
12: Aufladeelektrode
13: Lichtquelle
14: Fluidströmung
15: Fluidpassage

Claims

Verfahren zur Dosierung mikroskaliger Partikel, wobei eine Oberfläche aus einem Vorrat in einer definierten Flächenbeladungsdichte mit den Partikeln beladen wird, wobei die mit den Partikeln beladenen Oberfläche von dem Vorrat entfernt wird und wobei die Partikel von einer Fluidströmung von der Oberfläche abgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche () vor ihrer Beladung elektrostatisch aufgeladen und vor der Abnahme der Partikel (11) wieder entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche () aus einem lichtsensitiven Halbleiter auf einem elektrisch leitfähigen Substrat ausgebildet wird, dass die Oberfläche (5) im Dunklen mit einer Aufladeelektrode () aufgeladen wird, dass die Oberfläche (5) im Dunklen beladen wird und dass die Oberfläche (5) durch Beleuchtung wieder entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) aus Selen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) scheiben- oder zylindermantelförmig ausgebildet wird und um ihre Scheiben- bzw. Zylinderachse (3) rotiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (11) mit einer parallel zu der Oberfläche (5) ausgerichteten Gasströmung von der Oberfläche (5) abgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche (5) zumindest beim Abnehmen der Partikel (11) mit der Gasströmung ein statischer Überdruck eingestellt wird.
Vorrichtung zur Dosierung mikroskaliger Partikel, mit einem Vorratsbehälter für die Partikel, mit einem beweglichen Dosierkörper, der eine in einer definierten Flächen beladungsdichte mit den Partikeln beladbare Oberfläche aufweist, und mit einer Fluidpassage, wobei der Dosierkörper so beweglich ist, dass seine beladene Oberfläche von dem Vorratsbehälter entfernt und in den Bereich der Fluidpassage überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) vorübergehend elektrostatisch aufladbar ist und dass eine dem Vorratsbehälter zugeordnete Aufladeeinrichtung und eine der Fluidpassage (15) zugeordnete Entladeeinrichtung für die Oberfläche (5) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) einen lichtsensitiven Halbleiter auf einem elektrisch leitfähigen Substrat aufweist, dass die Aufladeeinrichtung eine Aufladeelektrode (12) aufweist und dass die Entladeeinrichtung eine Lichtquelle (13) aufweist, wobei die der Bewegungsweg der Oberfläche (5) zwischen der Aufladeeinrichtung und der Entladeeinrichtung abgedunkelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) Selen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) scheiben- oder zylindermantelförmig ist und der Dosierkörper (2) um die Scheiben- bzw. Zylinderachse (3) drehantreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidpassage (15) eine Gaspassage für eine schnelle Gasströmung ist, die parallel zu der Oberfläche (5) an der Oberfläche (5) vorbeiführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidpassage (15) überdruckfest ist.