Zielstellung und Vorgehen

Insbesondere für medizinische und industrielle Anwendungen wie für das Strahlen von Implantatoberflächen können alternativ stark unterkühlte Wassereispartikel eingesetzt werden. Die Härte der Partikel kann durch kryogene Kühlung deutlich erhöht werden, um abrasives Strahlen zu ermöglichen. Durch eine Luftkältemaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen entfällt dabei die Nutzung umweltschädlicher Kühlmittel.

Zur Herstellung des Strahlguts in geeigneter Geometrie und mit passender Temperatur ist ein gut angepasster, Tieftemperatur-Prozess erforderlich. Die Auslegung erfolgte mittels thermodynamischer Simulationen, welche als Grundlage zur Konstruktion und zum Aufbau des Eisspeichers innerhalb der Strahlanlage dienten.
Die wesentliche Idee zur Erzeugung der Eispartikel ist es, Tröpfchen in einem Zylinder mithilfe der Schwerkraft von oben nach unten zu bewegen und sie dabei in einem aufsteigenden Luftstrom abzukühlen, zu gefrieren und im festen Zustand weiter abzukühlen.
Die Partikel werden in einem Auffangbehälter gesammelt. Die Verwendung von Düsen zur Eiserzeugung hat den Vorteil, dass die Partikel beim freien Gefrieren die erforderliche Härte gewinnen, während bei der Zerkleinerung von Blockmaterial die Härte des Strahlguts sinkt.
Im Zuge der iterativen Verbesserung der Strömungsführung wurden unter anderem zusätzliche Bohrungen im Mantel des inneren Behälters des Eisspeichers modelliert. Diese führen zu einer deutlich homogeneren Strömung als in den zuvor betrachteten Varianten. Diese weist geringere Geschwindigkeiten auf als vorher erzielte Maxima, genügt jedoch zum Gefrieren und zur Unterkühlung der Eispartikel. Die Trajektorien zeigen eine erwünschte Verwirbelung unmittelbar vor Erreichen des Behälterbodens, was einerseits als unkritisch hinsichtlich sonst auftretender Agglomerationserscheinungen einzuschätzen ist und andererseits die gewünschte Unterkühlung absichert.

Aktueller Projektstand

Im Ergebnis der simulationsbasierten Auslegung konnte erreicht werden, dass der somit realisierte Eisspeicher über einen weiten Zeitraum eine nahezu homogene Temperatur (insgesamt ca. 10 K Differenz, je nach Sensorposition) aufweist. Dies unterstreicht die erfolgreiche Realisierung der gewollten Turbulenz im Speicher. Während der Entnahme des Strahlguts über einen Zeitraum von einigen Minuten steigen die Temperaturen kontinuierlich und positionsabhängig an. Bei einer Wahl der Arbeitsintervalle bis zu einer Zeitdauer von 2 Minuten kann die Temperatur im Speicher dauerhaft bei -100 bis -120 °C gehalten werden, erst bei längeren Zeiten der Wasserzufuhr ist ein Anstieg in den Bereich um -80 °C zu beobachten. Durch diese Realisierung einer tiefkalten Prozessführung ist die erforderliche Härte der Eispartikel gegeben.

Projektpartner in diesem Verbundprojekt sind das Fraunhofer-Institut IWU Dresden, die KF Strahltechnik Dresden GmbH und die A. Richter Kälte- und Klimatechnik Plauen.

(Ko-)Förderung EU / SAB / FKZ 100686436