Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines C0 ₂ -Schnee-Strahls , mit einem sich in einer

Strömungsrichtung erstreckenden Expansionskanal zum

Erzeugen eines CCh-Gas/CCh-Schnee Gemisches ausgehend von flüssigem CO2, wobei der Expansionskanal eine

Eintrittsöffnung zum Zuführen von flüssigem CO2 und eine Austrittsöffnung zum Ausgeben des CCh-Gas/CCh-Schnee

Gemisches aufweist, und mit einer Düse zum Erzeugen eines Mantelstrahls, welcher das aus der Austrittsöffnung des Expansionskanals ausgegebene CC^-Gas/CCb-Schnee Gemisch umgibt und dieses beschleunigt.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise bekannt aus WO 00/74897 Al.

Solche Vorrichtungen haben sich in der Praxis zur

schonenden Reinigung von Oberflächen, bspw. von

Werkstückoberflächen, vor Lackier- oder

Beschichtungsprozessen oder von Funktionsoberflächen in der Halbleiterindustrie und in der Medizintechnik bewährt.

Insbesondere ermöglicht eine Oberflächenreinigung mittels eines C0 ₂ -Schnee-Strahls (sog. "C0 ₂ -Schneestrahlen" ) eine trockene (wasserfreie) , lösemittelfreie und rückstandsfreie Entfernung filmischer und/oder partikulärer

Verunreinigungen (bspw. Staub, Ablationsrückstände, Reste von Schneidemulsionen, Fingerabdrücke, etc.) .

Zum Erzeugen eines C0 ₂ -Schnee-Strahls wird flüssiges CO2 (Kohlendioxid) bei einem Ausgangsdruck von üblicherweise in etwa 60 bar oder, bei Versorgung aus Niederdrucktanks, in etwa 20 bar über die Eintrittsöffnung dem Expansionskanal zugeführt. Über eine Länge des Expansionskanals fällt der Druck vom Ausgangsdruck an der Eintrittsöffnung bis auf Umgebungsdruck (üblicherweise 1 bar) an der

Austrittsöffnung ab. Mit fallendem Druck findet eine schrittweise Phasenumwandlung von flüssigem CO2 in

gasförmiges CO2 bei gleichzeitiger Abkühlung des Gemisches statt. Bei Unterschreitung des Drucks am Tripelpunkt von CO2 (5,185 bar) wandelt sich die verbleibende flüssige Phase zumindest teilweise in festes CO2 in Form von

Schneekristallen, sog. CC^-Schnee, um. Bei C0 ₂ -"Schnee" handelt es sich also um CO2 in einem festen Aggregatzustand und insbesondere nicht um "Schnee" im Sinne von gefrorenem Wasser. Die entstehenden CCh-Schneekristalle werden durch das in Folge der Entspannung beschleunigte CC^-Gas

mitgerissen, beschleunigt und gemeinsam mit dem CC^-Gas als C0 ₂ -Gas/C0 ₂ -Schnee Gemisch aus der Austrittsöffnung

ausgegeben. Das CC^-Gas/CCb-Schnee Gemisch wird dann von dem durch die Düse gebildeten Mantelstrahl gebündelt und weiter zu einem CC^-Schnee-Strahl beschleunigt.

Die Reinigungswirkung eines CC^-Schnee-Strahls beim

Auftreffen auf eine Oberfläche beruht im Wesentlichen auf vier Wirkmechanismen: 1. Verspröden von Verunreinigungen durch schnelles Abkühlen (Sublimationspunkt von C0 ₂ -Schnee bei Atmosphärendruck: -78,5 °C) ; 2. Abrasion durch

Impulsübertrag (beschleunigte C0 ₂ -Schneekristalle

übertragen Druck- und Scherkräfte beim Auftreffen auf die Oberfläche); 3. Chemische Lösung von Verunreinigungen, bspw. von Adsorptionsverbindungen (im Zuge des Aufpralls von C0 ₂ -Schneekristallen auf eine Oberfläche kann CO2 in einen überkritischen Zustand überführt werden; in diesem Zustand ist CO2 ein gutes chemisches Lösemittel); 4.

Wegschleudern von Verunreinigungen durch (ca. 500-fache) Volumenzunahme bei der Sublimation von CO2 aus der festen Phase in die Gasphase.

Aus WO 02/075799 Al und auch aus US 7,762,869 B2 sind nicht gattungsgemäße Vorrichtungen zum Erzeugen eines C02-Schnee- Strahls bekannt, bei denen die Phasenumwandlung von

flüssigem C02 in C02-Schnee erst in einer Mischkammer erfolgt, in welche flüssiges C02 in ein ebenfalls

zugeführtes Trägergas expandiert wird. Dieses C02- Schnee/Trägergasgemisch wird durch aufeinanderfolgende Venturidüsen weiter gefördert und physikalisch behandelt, wodurch der Schneeanteil in dem Gemisch ansteigt. Auch DE 10 2016 123 816 Al zeigt eine derartige Vorrichtung.

CC>2-Schneestrahlen ist von dem regelmäßig stärker abrasiv wirkenden CCh-Trockeneisstrahlen zu unterscheiden, bei dem Trockeneispellets (Pellets aus festem CO2 _, also insbesondere keine C02-Schneekristalle ) in einer Strahlanlage

beschleunigt und auf ein zu reinigendes Werkstück gestrahlt werden. Während Trockeneispellets üblicherweise in einem separat von der Strahlanlage bereitgestellten Pelletierer hergestellt werden und dann batchweise der Strahlanlage zugeführt werden, ermöglicht CCh-Schneestrahlen einen kontinuierlichen Betrieb und eignet sich daher insbesondere zur Automatisierung. US 2010/0170965 Al und WO 2015/109101 Al betrifft und offenbart Pelletstrahlvorrichtungen, bei denen in einem Strahl geführte Trockeneispellets durch eine gitterartige Blende weiter zerkleinert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine höhere Reinigungswirkung beim C0 ₂ -Schneestrahlen erzielt wird. Die Vorrichtung soll dabei auf wirtschaftliche Weise betrieben werden können. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Expansionskanal mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Kanalabschnitte aufweist, wobei sich der in einer Ebene orthogonal zu der Strömungsrichtung liegende Querschnitt des Expansionskanals in einem jeweiligen

Übergang oder Übergangsbereich zwischen den

Kanalabschnitten lokal ändert und dass der Querschnitt des Expansionskanals an dem stromaufwärts gelegenen Ende eines jeweiligen Kanalabschnitts größer ist als der Querschnitt des Expansionskanals an dem stromaufwärts gelegenen Ende des in Strömungsrichtung vor dem jeweiligen Kanalabschnitt angeordneten Kanalabschnitts.

Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es, den Impuls des C0 ₂ -Schnee-Strahls , insbesondere der C0 ₂ -Schneepartikel , zu erhöhen und auf diese Weise die Abrasivität beim Auftreffen des C0 ₂ -Schnee-Strahls auf eine zu reinigende Oberfläche zu steigern. Hierdurch können auch stark haftende

Verunreinigungen auf der Oberfläche zuverlässig entfernt werden. Insbesondere ermöglicht es eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung, den Impuls der CO2- Schneepartikel bereits im Expansionskanal zu erhöhen, was eine wirtschaftliche Betriebsweise der Vorrichtung

begünstigt .

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass im Zuge der im

Expansionskanal stattfindenden Phasenumwandlung von

flüssigem CO2 in gasförmiges CO2 eine Zweiphasenströmung entsteht, wobei die Flüssigphase ringförmig am Rand des Expansionskanals strömt (Fluidströmung) und die Gasphase in einem mittigen Bereich des Expansionskanals strömt

(Gasströmung) . Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Gasströmung eine in etwa 10-fach bis 100-fach höhere

Strömungsgeschwindigkeit als die Fluidströmung aufweist.

Die Gasphase kann nicht zur C02-Schneeerzeugung verwendet werden, sie ist verloren.

Es versteht sich, dass zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung flüssiges CO2 bei verschiedenen Ausgangsdrücken dem Expansionskanal zugeführt werden kann, insbesondere bei einem Ausgangsdruck in einem Bereich von etwa 5 bis 70 bar.

Dadurch, dass sich der Querschnitt des Expansionskanals bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem jeweiligen Übergang oder Übergangsbereich zwischen den

Kanalabschnitten ändert, entsteht an diesen Übergängen bzw. Übergangsbereichen jeweils ein Drucksprung, welcher eine Verwirbelung der Fluid- und Gasströmung und somit eine Durchmischung von Gas- und Flüssigphase mit sich bringt. Im Zuge der Durchmischung von Gas- und Flüssigphase wird die Flüssigphase von der schneller strömenden Gasphase

beschleunigt. Schneepartikel, welche bei weiterer

Entspannung aus der beschleunigten Flüssigphase entstehen, treten somit mit erhöhter Geschwindigkeit aus der

Austrittsöffnung des Expansionskanals aus. Die mit der Geschwindigkeitserhöhung einhergehende Impulserhöhung der Schneepartikel führt zu einer höheren Abrasivität beim Auftreffen der Schneepartikel auf eine Oberfläche und folglich zu einer verbesserten Reinigungswirkung. Dadurch, dass die Schneepartikel bereits eine

vergleichsweise hohe Geschwindigkeit beim Austritt aus dem Expansionskanal aufweisen, ist ferner im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen eine geringere Beschleunigung der Schneepartikel durch den

Mantelstrahl erforderlich, um eine vorgegebene Soll- Geschwindigkeit zu erreichen. Hierdurch kann der zur

Erzeugung des Mantelstrahls erforderliche Gasdurchfluss durch die Düse reduziert werden, wodurch die Betriebskosten der Vorrichtung reduziert werden können.

Die durch die Querschnittsänderung in dem jeweiligen

Übergang bzw. Übergangsbereich bewirkte Durchmischung der Flüssigphase und der Gasphase begünstigt ferner die

Umwandlung von flüssigem CO2 in C0 ₂ -Schnee. Auf diese Weise kann der Anteil an C0 ₂ -Schnee in dem C0 ₂ -Schnee-Strahl erhöht werden, was die Abrasivität beim Auftreffen des CO2- Schnee-Strahls auf eine zu reinigende Oberfläche weiter erhöht .

Darüber hinaus können der Drucksprung und die damit einhergehende Verwirbelung der Strömungen an dem jeweiligen Übergang bzw. Übergangsbereich die Bildung von größeren Flüssigkeitstropfen und in Folge die Bildung von größeren Schneekristallen begünstigen, wodurch ein Impulsübertrag beim Auftreffen auf eine zu bearbeitende Oberfläche erhöht wird. Hierdurch kann die Reinigungswirkung beim CO2- Schneestrahlen weiter verbessert werden. Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine

Querschnittsänderung in dem jeweiligen Übergang sprunghaft erfolgen, der Übergang also insbesondere keine Erstreckung in Strömungsrichtung aufweisen. Die Durchmischung der

Gasphase und der Flüssigphase ist dann besonders effektiv, da durch die sprunghaften Querschnittsänderungen besonders starke Drucksprünge und Verwirbelungen in der

Zweiphasenströmung bewirkt werden.

Weiter erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der

Querschnitt des Expansionskanals an dem stromaufwärts gelegenen Ende, also an dem in Strömungsrichtung hinteren Ende, eines jeweiligen Kanalabschnitts größer ist als der Querschnitt des Expansionskanals an dem stromaufwärts gelegenen Ende des in Strömungsrichtung vor dem jeweiligen Kanalabschnitt angeordneten Kanalabschnitts. Der

Querschnitt des Expansionskanals an dem stromaufwärts gelegenen Ende eines jeweiligen Kanalabschnitts wirdalso in Strömungsrichtung gesehen von Kanalabschnitt zu

Kanalabschnitt größer. Insofern weitet sich der

Expansionskanal über seine gesamte Erstreckung in

Strömungsrichtung gesehen auf. Vorzugsweise ist der

Querschnitt des Expansionskanals an seiner Austrittsöffnung größer als der Querschnitt des Expansionskanals an seiner Eintrittsöffnung. Auf diese Weise kann das Risiko eines Verstopfens des Expansionskanals durch entstehende CO2- Schneekristalle, insbesondere durch größere C0 ₂ -Schnee- Agglomerate, verringert werden. Hierdurch wird eine

zuverlässige Funktion der Vorrichtung begünstigt. Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der

jeweilige Übergang eine Erstreckung in Strömungsrichtung aufweisen. Der jeweilige Übergang ist dann als

Übergangsbereich ausgebildet, welcher die jeweiligen

Kanalabschnitte miteinander verbindet. In diesem Fall kann sich der Querschnitt des Expansionskanals entlang der

Erstreckung des jeweiligen Übergangsbereichs in

Strömungsrichtung, insbesondere stetig, ändern.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass sich der

Expansionskanal in dem jeweiligen Übergangsbereich konisch verjüngt oder aufweitet.

Zum Erzeugen eines stabilen Mantelstrahls und einer

effektiven Beschleunigung des C0 ₂ -Gas/C0 ₂ -Schnee Gemisches erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn die Düse zur Erzeugung des Mantelstrahls als Ringdüse ausgebildet ist, insbesondere welche den Expansionskanal konzentrisch umschließt. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Düse als Überschalldüse (Laval-Düse) ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der Schneepartikel und somit ein auf eine Oberfläche übertragbarer Impuls weiter erhöht werden. Als Trägergas für den Mantelstrahl erweisen sich insbesondere trockene Gase, beispielsweise Luft oder Stickstoff, insbesondere Reinstluft oder

Reinststickstoff, als vorteilhaft.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform kann sich der Querschnitt des Expansionskanals zumindest bei einigen Übergängen oder Übergangsbereichen, vorzugsweise bei jedem Übergang oder Übergangsbereich, in Strömungsrichtung verringern (Anspruch 2) . Es erweist sich als vorteilhaft, wenn sich der Querschnitt in einem jeweiligen Übergang bzw. Übergangsbereich um 25 % bis 75 %, weiter vorzugsweise um 40 % bis 60 %, verringert. Insofern kann eine minimale in einer Ebene orthogonal zu der Strömungsrichtung liegende Querschnittsfläche eines jeweiligen Übergangs bzw.

Übergangsbereichs zwischen 75 % und 25 %, vorzugsweise zwischen 60 % und 40 %, der Querschnittsfläche an dem stromabwärts gelegenen Ende, also an dem in

Strömungsrichtung vorderen Ende, des in Strömungsrichtung vor dem jeweiligen Übergang bzw. Übergangsbereich

angeordneten Kanalabschnitts betragen. Eine betragsmäßig größere Querschnittsänderung führt zu einem größeren

Drucksprung, was für eine effektive Durchmischung der Gas- und der Flüssigphase vorteilhaft ist. Eine geringere

Querschnittsänderung ist hingegen für einen höheren

Durchfluss des C0 ₂ -Gas/C0 ₂ -Schnee Gemisches vorteilhaft.

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn sich der Expansionskanal in dem jeweiligen Übergang oder

Übergangsbereich nach radial innen verjüngt (Anspruch 3) . Dies ermöglicht es, die insbesondere ringförmig am Rand des Expansionskanals strömende Flüssigphase auf besonders effektive Weise in Richtung der Gasströmung zu leiten, was die Durchmischung von Gas- und Flüssigphase begünstigt.

Ferner erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn der jeweilige Übergang oder Übergangsbereich eine

kreisringförmige Blende bildet, der Expansionskanal sich also gleichmäßig über einen Umfang des Expansionskanals nach radial innen verjüngt (Anspruch 4) . Die Durchmischung der ringförmig strömenden Flüssigphase mit der Gasphase ist dann besonders effektiv. Eine Blendenfläche einer

jeweiligen Blende kann dabei als Kollisionsfläche für bereits gebildete Schneepartikel dienen. Beim Auftreffen auf eine Blendenfläche können die Schneepartikel verdichtet werden und zu größeren Schnee-Agglomeraten zusammenwachsen, wodurch die Abrasivität beim Auftreffen der verdichteten Schneepartikel bzw. der Schnee-Agglomerate auf eine

Oberfläche erhöht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die

Blendenfläche orthogonal zu der Strömungsrichtung

orientiert sein. Dann verjüngt sich der Expansionskanal sprunghaft. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die Blendenfläche zu der Strömungsrichtung geneigt

orientiert sein. Dann kann der jeweilige Übergang als

Übergangsbereich mit einer Erstreckung in Strömungsrichtung ausgebildet sein. Vorzugsweise kann sich der

Expansionskanal in dem jeweiligen Übergangsbereich konisch verj üngen .

Im Rahmen einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung kann sich der Querschnitt des Expansionskanals zumindest bei einigen Übergängen oder Übergangsbereichen, vorzugsweise bei jedem Übergang oder Übergangsbereich, in

Strömungsrichtung vergrößern (Anspruch 5) . Durch die

Querschnittsvergrößerung kommt es zu Verwirbelungen in der Zweiphasenströmung, welche eine besonders effektive

Durchmischung der Flüssigphase und der Gasphase bewirken. Ferner kann sich durch ein lokales Aufweiten des Expansionskanals das flüssige CO2 weiter entspannen, was eine Umwandlung des flüssigen CO2S in CC^-Schnee

begünstigt .

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn ein

jeweiliger Übergangsbereich als an sich beliebig gestaltete Ausbuchung, insbesondere oval, oder blasen- oder

kugelabschnittsförmig, ausgebildet ist (Anspruch 6) . Auf diese Weise wird eine besonders starke Verwirbelung in der Strömung und somit eine gute Durchmischung von Flüssig- und Gasphase bewirkt.

Es erweist sich weiter als vorteilhaft, wenn sich der jeweilige Übergang oder Übergangsbereich in

Strömungsrichtung über eine Länge von 0 bis 5, 0 mm, weiter vorzugsweise über eine Länge von 0 bis 4,0 mm, weiter vorzugsweise über eine Länge von 0 bis 3,0 mm, weiter vorzugsweise über eine Länge von 0 bis 2,0 mm, insbesondere über eine Länge von 1,0 bis 2,0 mm erstreckt (Anspruch 7) .

Insbesondere ermöglicht es eine solche Ausgestaltung, den Expansionskanal verhältnismäßig lang auszubilden, sodass ein verhältnismäßig großer Anteil des flüssigen CO2S in CC>2-Schnee umgewandelt werden kann und die entstehenden C0 ₂ -Schneekristalle zu größeren Kristallen anwachsen können - ohne dass ein Durchfluss durch den Expansionskanal blockiert wird. Auf diese Weise kann der Anteil an CO2- Schnee in dem CCh-Schnee-Strahl , insbesondere der Anteil an größeren Schnee-Agglomeraten erhöht werden, was den Impuls des C0 ₂ -Schnee-Strahls erhöht und damit die

Reinigungswirkung verbessert.

Im Hinblick auf eine einfache Fertigung erweist es sich ungeachtet einer etwaigen Aufweitung des Expansionskanals entlang seiner Erstreckung in Strömungsrichtung als vorteilhaft, wenn zumindest einige Kanalabschnitte, insbesondere alle Kanalabschnitte, über ihre jeweilige Erstreckung in Strömungsrichtung einen konstanten

Querschnitt aufweisen (Anspruch 8) .

Nach einer anderen Ausführungsform kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn sich zumindest einige

Kanalabschnitte, insbesondere alle Kanalabschnitte, gegebenenfalls mit Ausnahme eines etwa vorgesehenen

Zuführabschnitts, über ihre jeweilige Erstreckung in

Strömungsrichtung aufweiten, also der Querschnitt an dem stromabwärts gelegenen Ende eines jeweiligen

Kanalabschnitts größer ist als der Querschnitt am

stromaufwärts gelegenen Ende dieses Kanalabschnitts

(Anspruch 9) . Es wird vermutet, dass eine derartige

Aufweitung der Kanalabschnitte eine weitere Beschleunigung der Strömung nach dem Prinzip der Laval-Düse bewirkt, wodurch die Geschwindigkeit und damit der Impuls der

Schneekristalle weiter erhöht werden kann. Ferner wird durch die Aufweitung der Kanalabschnitte das Risiko eines Verstopfens des Expansionskanals durch entstehenden CO2- Schnee weiter verringert. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die jeweiligen Kanalabschnitte stetig, insbesondere konisch, aufweiten. Für eine effiziente Umwandlung von flüssigem CO2 in CO2- Schnee erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn der Expansionskanal in einer Ebene orthogonal zu der

Strömungsrichtung eine maximale Querschnittsfläche von weniger als 5,0 mm ² , vorzugsweise weniger als 3,0 mm ² , weiter vorzugsweise weniger als 1,0 mm ² , weiter

vorzugsweise weniger als 0,5 mm ² aufweist (Anspruch 10) .

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der

Expansionskanal durch mindestens einen Hohlraum eines

Werkstücks, insbesondere eines zylindrischen Rohrkörpers, gebildet ist (Anspruch 11) . Es ist möglich, dass das den Expansionskanal umgrenzende Werkstück monolithisch

ausgebildet ist. Beispielsweise ist es möglich, dass ein Werkstück mit Hohlraum mittels eines additiven

Fertigungsverfahrens (z.B. 3D-Druck) hergestellt ist. Es ist auch möglich, dass das Werkstück aus zwei oder mehreren Werkstückhälften zusammengesetzt ist, welche im

zusammengesetzten Zustand einen Hohlraum umgrenzen.

Beispielsweise ist es möglich, dass die Werkstückhälften mittels eines Vakuum-Gießverfahrens hergestellt sind und im Anschluss miteinander gefügt werden. Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Werkstück aus einem Kunststoff gefertigt ist.

Gegenstand der Erfindung ist aber auch eine Vorrichtung (2) zum Erzeugen eines C0 ₂ -Schnee-Strahls (4), mit einem sich in einer Strömungsrichtung (14) erstreckenden

Expansionskanal (6) zum Erzeugen eines C0 ₂ -Gas/C0 ₂ -Schnee Gemisches (8) ausgehend von flüssigem CO2, wobei der

Expansionskanal (6) eine Eintrittsöffnung (18) zum Zuführen von flüssigem CO2 und eine Austrittsöffnung (22) zum

Ausgeben des CCt-Gas/CCt-Schnee Gemisches (8) aufweist, und mit einer Düse (26) zum Erzeugen eines Mantelstrahls (28), welcher das aus der Austrittsöffnung (22) des

Expansionskanals (6) ausgegebene CCh-Gas/CCh-Schnee Gemisch (8) umgibt und dieses beschleunigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionskanal (6) mehrere in Strömungsrichtung (14) hintereinander angeordnete Kanalabschnitte (36a, 36b,

36c, 36d, 36e, 36f, 36g) aufweist, wobei sich der in einer Ebene orthogonal zu der Strömungsrichtung (14) liegende Querschnitt (40) des Expansionskanals (6) in einem

jeweiligen Übergang oder Übergangsbereich (38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f) zwischen den Kanalabschnitten (36a, 36b,

36c, 36d, 36e, 36f, 36g) lokal ändert. Bevorzugte

Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der anliegenden abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung .

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer

Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen eines C0 ₂ -Schnee-Strahls in einer teilweise geschnittenen Ansicht;

Figur 2a eine Seitenansicht einer Rohrkörperhälfte eines einen Expansionskanal umgrenzenden Rohrkörpers der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einer ersten Ausgestaltung;

Figur 2b ein in Figur 2a mit Ilb bezeichneter Ausschnitt in vergrößerter Darstellung;

Figur 2c eine Schnittansicht des Ausschnitts gemäß Figur

2b entlang der in Figur 2b eingezeichneten

Schnittlinie IIc - IIc;

Figur 2d eine perspektivische Ansicht der Rohrkörperhälfte des Rohrkörpers gemäß Figur 2a;

Figur 3a eine Seitenansicht einer Rohrkörperhälfte eines einen Expansionskanal umgrenzenden Rohrkörpers der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einer weiteren Ausgestaltung;

Figur 3b ein in Figur 3a mit Illb bezeichneter Ausschnitt in vergrößerter Darstellung;

Figur 3c eine perspektivische Ansicht der Rohrkörperhälfte des Rohrkörpers gemäß Figur 3a; Figur 4a eine Seitenansicht einer Rohrkörperhälfte eines einen Expansionskanal umgrenzenden Rohrkörpers der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einer weiteren Ausgestaltung;

Figur 4b ein in Figur 4a mit IVb bezeichneter Ausschnitt in vergrößerter Darstellung;

Figur 4c eine perspektivische Ansicht der Rohrkörperhälfte des Rohrkörpers gemäß Figur 4a.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer

Ausführungsform einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneten teilweise dargestellten Vorrichtung zum

Erzeugen eines CCh-Schnee-Strahls 4.

Die Vorrichtung 2 weist einen Expansionskanal 6 auf, welcher zum Erzeugen eines CCh-Gas/CCh-Schnee Gemisches 8 ausgehend von flüssigem CO2 dient. Der Expansionskanal 6 ist im beispielhaft dargestellten Fall durch einen Hohlraum eines zylindrischen Rohrkörpers 10 gebildet. Der Rohrkörper 10 und der Expansionskanal 6 erstrecken sich entlang einer zentralen Achse 12 in einer Strömungsrichtung 14.

Der Expansionskanal 6 weist an seinem stromaufwärts gelegenen Ende 16, also an seinem in Strömungsrichtung 14 hinteren Ende, eine Eintrittsöffnung 18 zum Zuführen von flüssigem CO2 auf. Der Expansionskanal 6 weist ferner an seinem stromabwärts gelegenen Ende 20, also an seinem in Strömungsrichtung 14 vorderen Ende, eine Austrittsöffnung 22 zum Ausgeben des in dem Expansionskanal 6 gebildeten CCt-Gas/CCt-Schnee Gemischs 8 auf.

Zum Erzeugen des CC^-Gas/CCb-Schnee Gemisches 8 wird flüssiges CO2, beispielhaft und bevorzugt bei einem

Ausgangsdruck von ca. 60 bar oder, bei Versorgung aus Niederdrucktanks, von ca. 20 bar durch nicht dargestellte Vorrichtungskomponenten über die Eintrittsöffnung 18 dem Expansionskanal 6 in Strömungsrichtung 14 zugeführt. Über die Erstreckung des Expansionskanals 6 in Strömungsrichtung 14 fällt der Druck vom Ausgangsdruck an der

Eintrittsöffnung 18 bis auf Umgebungsdruck (ca. 1 bar) an der Austrittsöffnung 22 ab. Mit fallendem Druck findet eine schrittweise Phasenumwandlung von flüssigem CO2 in

gasförmiges CO2 bei gleichzeitiger Abkühlung des Gemisches statt. Im Zuge der Phasenumwandlung bildet sich eine

Zweiphasenströmung aus, wobei die Flüssigphase ringförmig am Rand des Expansionskanals 6 strömt und die Gasphase in einem mittigen Bereich des Expansionskanals 6 strömt. Bei Unterschreitung des Drucks am Tripelpunkt von CO2 (5,185 bar) wandelt sich die verbleibende Flüssigphase

schrittweise in festes CO2 in Form von CCh-Schneekristallen 22, sog. CC>2-Schnee, um. Es sind dann drei Phasen

vorhanden. Die entstehenden CCh-Schneekristalle 24 werden durch die Gasströmung mitgerissen, beschleunigt und

gemeinsam mit dem CC^-Gas als CC^-Gas/CCb-Schnee Gemisch 8 aus der Austrittsöffnung 22 ausgegeben. Wie eingangs erläutert, werden durch die Querschnittsveränderungen und die dadurch hervorgerufenen Drucksprünge größere Schneekristalle, insbesondere ein größerer Schneeanteil, gebildet .

Die Vorrichtung 2 weist ferner eine Düse 26 zum Erzeugen eines Mantelstrahls 28 aus einem Trägergas, beispielhaft und bevorzugt aus Reinstluft oder Reinststickstoff, auf.

Die Düse 26 ist im beispielhaft dargestellten Fall als Ringdüse ausgebildet, welche den Rohrkörper 10 vorzugsweise konzentrisch umgibt. Beispielhaft und bevorzugt kann die Düse 26 in an sich bekannter Weise als Laval-Düse

ausgebildet sein. Der Mantelstrahl 28 umgibt das aus der Austrittsöffnung 22 des Expansionskanals 6 ausgegebenen CCh-Gas/CCh-Schnee Gemisch 8 und beschleunigt dieses zu einem CCh-Schnee-Strahl 4.

Der CC>2-Schnee-Strahl 4 kann wie vorstehend erläutert und in an sich bekannter Weise zum Entfernen von filmischen und/oder partikulären Verunreinigungen 30 von einer

Werkstückoberfläche 32 verwendet werden.

In den Figuren 2a bis 4c sind verschiedene Ausgestaltungen des Expansionskanals 6 im Detail dargestellt. Bei jeder der dargestellten Ausgestaltungen ist der den Expansionskanal 6 umgrenzende Rohrkörper 10 beispielhaft und bevorzugt aus, vorzugsweise zwei, vorzugsweise identischen,

Rohrkörperhälften 34 gebildet. Die Figuren 2a bis 5b zeigen jeweils eine solche Rohrkörperhälfte 34 in verschiedenen Ansichten. Die Rohrkörperhälften 34 sind beispielhaft und bevorzugt aus Kunststoff, beispielsweise in einem Vakuum- Gussverfahren, hergestellt. Die Rohrkörperhälften 54 können beispielsweise mittels Ultraschallschweißen,

Laserschweißen, Kleben, Crimpen oder durch Einpressen der Rohrkörperhälften 54 in ein Mantelrohr miteinander gefügt sein .

Bei jeder der dargestellten Ausgestaltungen weist der

Expansionskanal 6 mehrere in Strömungsrichtung 14

hintereinander angeordnete Kanalabschnitte 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36g auf. Der Expansionskanal 6 weist ferner zwischen den jeweiligen Kanalabschnitten 36a, 36b, 36c,

36d, 36e, 36f, 36g angeordnete Übergänge bzw.

Übergangsbereiche 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f auf. In den Übergängen bzw. Übergangsbereichen 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f ändert sich der in einer Ebene orthogonal zu der

Strömungsrichtung 14 liegende Querschnitt 40 des

Expansionskanals 6 lokal. Die Querschnittsänderung in dem jeweiligen Übergang bzw. Übergangsbereich 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f führt jeweils zu einem Drucksprung, wodurch Verwirbelungen in der Strömung innerhalb des

Expansionskanals 6 erzeugt werden, welche ein Durchmischen der im Expansionskanal 6 vorliegenden Phasen, insbesondere der C0 ₂ -Flüssigphase und der C0 ₂ -Gasphase, bewirken.

Zunächst wird ein jeweiliger Kanalanschnitt betrachtet:

Bei der Ausgestaltung gemäß den Figuren 2a bis 2d weiten sich die Kanalabschnitte 36a, 36b, 36c, 36d, 36e über ihre jeweilige Erstreckung in Strömungsrichtung 14 konisch auf. Vor diesen Kanalabschnitten 36a, 36b, 36c, 36d, 36e ist beispielhaft ein Zuführabschnitt mit konstantem Querschnitt vorgesehen. Beispielhaft und bevorzugt sind die Kanalabschnitte 36a, 36b, 36c, 36d, 36e als

kegelstumpfförmige, also sich konisch aufweitende,

Hohlräume innerhalb des Rohrkörpers 10 ausgebildet. Wie in Figur 2b beispielhaft für den Kanalabschnitt 36c

dargestellt, ist der Querschnitt 42c des Expansionskanals 6 an dem stromabwärts gelegenen Ende 44c eines jeweiligen Kanalabschnitts 36c also größer als der Querschnitt 46c am stromaufwärts gelegenen Ende 48c dieses Kanalabschnitts 36c .

Wie in Figur 2b beispielhaft für die Kanalabschnitte 36c und 36d dargestellt, ist bei der vorliegenden Ausgestaltung der Querschnitt 46d des Expansionskanals 6 am stromaufwärts gelegenen Ende 48d eines jeweiligen Kanalabschnitts 36d größer als der Querschnitt 46c des Expansionskanals 6 am stromaufwärts gelegenen Ende 48c des in Strömungsrichtung 14 vor dem jeweiligen Kanalabschnitt 36d angeordneten

Kanalabschnitts 36c. Der Querschnitt 46c, d des

Expansionskanals 6 am stromaufwärts gelegenen Ende 48c, d eines jeweiligen Kanalabschnitts 36c, 36d wird also in Strömungsrichtung 14 gesehen von Kanalabschnitt 36c zu Kanalabschnitt 36d größer.

Nun werden die Übergänge zwischen den Kanalabschnitten betrachtet :

In einem jeweiligen Übergang 38a, 38b, 38c, 38d zwischen den Kanalabschnitten 36a, 36b, 36c, 36d, 36e gemäß

Ausgestaltung Figuren 2a bis 2d verjüngt sich der

Expansionskanal 6 sprunghaft nach radial innen. Wie in Figur 2b beispielhaft für die Kanalabschnitte 36c und 36d dargestellt, ist der Querschnitt 46d des Expansionskanals 6 am stromaufwärts gelegenen Ende 48d eines jeweiligen

Kanalabschnitts 36d kleiner als der Querschnitt 42c des Expansionskanals 6 am stromabwärts gelegenen Ende 44c des in Strömungsrichtung 14 vor diesem Kanalabschnitt 36d angeordneten Kanalabschnitts 36c.

Beispielhaft und bevorzugt bildet der jeweilige Übergang 38a, 38b, 38c, 38d in dem vorliegenden Fall jeweils eine kreisringförmige Blende 50, wobei eine Blendenfläche 52 orthogonal zu der Strömungsrichtung 14 orientiert ist (vgl. Figuren 2b und 2c) .

Die Figuren 3a bis 3c zeigen eine weitere andere

Ausgestaltung des Expansionskanals 6, bei der die

Kanalabschnitte 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f und ein beispielhaft vorgesehener Zuführabschnitt über ihre

jeweilige Erstreckung in Strömungsrichtung 14 einen

konstanten Querschnitt orthogonal zu der Strömungsrichtung 14 aufweisen. Wie in Figur 3b beispielhaft für die

Kanalabschnitte 36c und 36d gezeigt, ist der Querschnitt 54d eines in Strömungsrichtung 14 nachfolgend angeordneten Kanalabschnitts 36d aber größer als der Querschnitt 54c des in Strömungsrichtung 14 vor diesem Kanalabschnitt 36d angeordneten Kanalabschnitts 36c. Die jeweiligen

Kanalabschnitte 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f sind

beispielhaft und bevorzugt als kreiszylindrische Hohlräume in dem Rohrkörper 10 ausgebildet. Bei der Ausgestaltung gemäß den Figuren 3a bis 3c sind die jeweiligen Übergänge 38a, 38b, 38c, 38d, 38e zwischen den Kanalabschnitten 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f als

Übergangsbereiche 38a, 38b, 38c, 38d, 38e ausgebildet, weisen also jeweils eine Erstreckung in Strömungsrichtung 14 auf. Beispielhaft und bevorzugt weist jeder

Übergangsbereich 38a, 38b, 38c, 38d, 38e einen ersten sich konisch nach radial innen verjüngenden Abschnitt 56 und einen zweiten sich in Strömungsrichtung 14 an den konischen Abschnitt 56 anschließenden zylindrischen Abschnitt 58 auf (in Figur 3b beispielhaft für den Übergangsbereich 38c dargestellt) . Die jeweiligen Übergangsbereiche 38a, 38b,

38c, 38d, 38e verbinden die Kanalabschnitte 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f strömungsmäßig miteinander.

Bei der Ausgestaltung gemäß den Figuren 3a bis 3c bildet der jeweilige Übergangsbereich 38a, 38b, 38c, 38d, 38e ebenfalls eine kreisringförmige Blende 50, wobei eine

Blendenfläche 52 zu der Strömungsrichtung 14 geneigt orientiert ist (vgl. Figur 3b) .

Die Figuren 4a bis 4c zeigen eine weitere andere

Ausgestaltung des Expansionskanals 6, bei dem sich der Querschnitt des Expansionskanals in dem jeweiligen

Übergangsbereich 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f zunächst in Strömungsrichtung 14 vergrößert. Beispielhaft und bevorzugt ist der jeweilige Übergangsbereich 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f als ovalähnliche Ausbuchtung ausgebildet (vgl. Figur 4b) . In Strömungsrichtung 14 gesehen verringert sich in dem beispielhaft dargestellten Fall eine jeweilige Erstreckung der Übergangsbereiche 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f in

Strömungsrichtung von Übergangsbereich zu Übergangsbereich (vgl . Figur 4a) . Die Kanalabschnitte 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36g weisen bei der in den Figuren 4a bis 4c gezeigten

Ausgestaltung über ihre jeweilige Erstreckung in

Strömungsrichtung 14 jeweils einen konstanten Querschnitt auf, wobei der Querschnitt 54d eines in Strömungsrichtung 14 nachfolgend angeordneten Kanalabschnitts 36d aber größer ist als der Querschnitt 54c des in Strömungsrichtung 14 vor diesem Kanalabschnitt 36d angeordneten Kanalabschnitts 36c (in Figur 4b beispielhaft für die Kanalabschnitte 36c und 36c dargestellt) .