CH705094B1

CH705094B1 - Wirbelvorrichtung.

Info

Publication number: CH705094B1
Application number: CH00986/11A
Authority: CH
Inventors: Alexander Class
Original assignee: Vortexpower Ag
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2015-02-27
Also published as: WO2012168093A1; CH705094A2

Abstract

Eine Wirbelvorrichtung zur Verwirbelung eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums weist eine oder mehrere Wirbelkammern (1) auf. Eine Wirbelkammer umfasst wenigstens einen Einspritzkanal (11) und wenigstens einen Auslasskanal (12) und wird im Inneren von einer Begrenzungsfläche begrenzt. Die Begrenzungsfläche umfasst wenigstens eine rotationssymmetrisch gekrümmte Wandung (9), deren Krümmung mathematisch zumindest annähernd einer Bessel-Funktion folgt. Die Wirbelvorrichtung kann mit einer Druckbeaufschlagung, einer Einspritzung durch einen Sog mittels einer Vakuumeinrichtung oder mit einem angetriebenen propellerartigen Rührwerk oder Kombinationen daraus betrieben werden.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wirbelvorrichtung mit wenigstens einer Wirbelkammer zum Zerstäuben von Fluiden, zum Dispergieren flüssiger oder gasförmiger Medien, zum Trennen unterschiedlicher Phasen eines flüssigen oder gasförmigen Gemisches sowie zur Modifikation der Clusterstruktur von Wasser oder wässrigen Lösungen.

[0002] Wirbelkammern sind u.a. unter der Bezeichnung Flüssigkeitszerstäubervorrichtung in ihrer einfachsten Form bekannt aus der WO 95/16 521 A1 sowie in deren weiterentwickelten Formen aus der DE 10 2008 019 930 A1.

[0003] Die bekannte Flüssigkeitszerstäubervorrichtung WO 95/16 521 A1 besitzt eine zylinderförmige Wirbelkammerwandung, die durch einen Zylindermantel und zwei diesen endseitig verschliessende ebene Platten gebildet wird. Die Flüssigkeitszerstäubervorrichtungen nach DE 10 2008 019 930 A1 weisen eine oder mehrere Wirbelkammern auf, deren Seitenwandungen sowie Wirbelkammerdeckel- und/oder -böden entweder konkav oder konvex ausgeformt sind. Beide Erfindungen weisen jeweils an der Wirbelkammerwandung eine oder mehrere gegeneinander versetzte tangentiale Einlauföffnungen auf. Im Boden der Wirbelkammer ist jeweils eine zentrische Auslassöffnung vorgesehen.

[0004] Bei den bekannten Flüssigkeitszerstäubervorrichtungen tritt die Flüssigkeit über die Einlauföffnungen tangential in die annähernd rotationssymmetrische Wirbelkammer ein und wird in Rotation versetzt. Dadurch entstehen in der Wirbelkammer zwei ineinanderliegende, gegenläufige Wirbel, ein aussen aufsteigender sowie ein innen absteigender Wirbel. Unter Beibehaltung dieser Rotation tritt die Flüssigkeit wieder aus der unteren Auslassöffnung aus. Bei geeigneter Auslegung der Wirbelkammer entsteht im Inneren des absteigenden Wirbels ein Unterdruck, der das Umgebungsfluid (Luft) in die Wirbelkammer einsaugt und mit der Flüssigkeit vermischt. Die Zerstäubervorrichtung dient zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts in Wasser.

[0005] Bei diesen Flüssigkeitszerstäubervorrichtungen besteht eine begrenzte Verweildauer in der Kammer, die die Sauerstoffanreicherung beeinträchtigt. Auf Grund der Geometrie der Wirbelkammern sind die Flüssigkeitszerstäubervorrichtungen wenig zum Trennen von Komponenten, zum Reinigen von Flüssigkeiten oder zum Vermischen verschiedener Medien geeignet. Die DE 10 2008 019 930 A1 zeigt eine Wirbelkammerwandung mit einer nur allgemein konkaven, also maximal Richtung Ellipsoid oder Eiform gehenden oder konvexen, bis hin zu einem einschaligen Rotationshyperboloid gehenden Ausgestaltung. Bei den Boden- oder Deckelflächen ist ebenfalls nur die allgemein konkav gestaltete, maximal bis zur Eiform gehende oder konvexe, nach Art eines zweischaligen Rotationshyperboloids geformte Ausgestaltung offenbart. Die hierbei zugrundeliegenden mathematischen Kurven sind jeweils einfach gekrümmte Kurven. Übergangsradien, Krümmungswechsel oder irgendeine besondere Art der Ausgestaltung im Übergangsbereich zwischen Wandung und Deckel bzw. Boden der Wirbelkammer sind in der DE 10 2008 019 930 A1 nicht definiert. Bei den bekannten Zerstäubungsvorrichtungen WO 95/16 521 A1 und DE 10 2008 019 930 A1 erfolgt die Einspritzung des Fluids mit Druck durch tangentiale Bohrungen, um den nötigen Drall zu erzeugen und das Fluid intensiv zu zerstäuben.

[0006] Weiter ist z.B. aus der DE 3 325 952 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Feststoff-Flüssigkeits-Gemischen mit einer Wirbelkammer bekannt, bei der ein Medium in Spiralwirbeln durch die Kammer strömt. Die Kammer besteht aus einem Innenbehälter und einem Aussenbehälter, die jeweils eine hyperbelförmigen Mantellinie in vertikaler Richtung aufweisen. Das Medium kann mehrfach durch die Wirbelkammer geleitet werden, bis ein Kolloid oder ein Koagulat als Endprodukt erreicht ist. Eine solche Vorrichtung weist eine lange Bauform auf und ist nicht zur Kombination mit weiteren Einrichtungen geeignet.

[0007] Zudem ist aus der DE 3 738 223 eine Vorrichtung zur Energieanreicherung von Wasser oder anderen Fluiden bekannt, bei der ein Fluid mittels eines Accelerators spiralförmig durch eine Kammer strömt. Durch Richtungsänderungen der Strömung wird erreicht, dass eine turbulenzfreie Strömung entsteht und über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Zur Herstellung der Strömung und zur Erhöhung der Verweildauer ist bei dieser Vorrichtung ein aktiver Antrieb erforderlich.

[0008] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wirbelvorrichtung zu schaffen, welche u.a. die Herstellung feiner Dispersionen, die Mischung von Flüssigkeiten und anderen Medien, die Zerstäubung von Flüssigkeiten ermöglicht und die Herstellung von Medien mit homogener und exakt definierter Teilchengrösse ermöglicht, welche die Sauerstoffanreicherung von Wasser verbessert und die Lockerung von Wassermolekül-Clustern unterstützt, die eine verbesserte Formgebung zur Unterstützung der Fluiddynamik bei der Verwirbelung aufweist und die Verweildauer eines Mediums in der Wirbelvorrichtung und die dabei zurückgelegte Wegstrecke erhöht.

[0009] Diese Aufgabe wird durch eine Wirbelvorrichtung zur Verwirbelung eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums mit einer oder mehreren Wirbelkammern nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und unterschiedliche Varianten gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

[0010] Bei einer Wirbelvorrichtung zur Verwirbelung eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums mit einer oder mehreren Wirbelkammern nach der vorliegenden Erfindung weist eine Wirbelkammer wenigstens einen Einspritzkanal und wenigstens einen Auslasskanal auf. Die Wirbelkammer ist im Inneren von einer Begrenzungsfläche begrenzt. Nach der Erfindung umfasst die Begrenzungsfläche wenigstens eine rotationssymmetrisch gekrümmte Wandung, deren Krümmung mathematisch zumindest annähernd einer Bessel-Funktion folgt.

[0011] Als Einspritzkanal sollen grundsätzlich alle Zugänge in das Innere der Wirbelkammer verstanden werden, die der Zuleitung eines Mediums dienen können. Bei bestimmten Anwendungen der Wirbelkammer kann zwischen Zuleitungen für eine Hauptphase, nachfolgend primär als Einspritzkanal bezeichnet, und Zuleitungen für Dispergierphasen, nachfolgend als Zulaufkanal bezeichnet, unterschieden werden.

[0012] Nach einer Ausführungsform umfasst die Wirbelkammer eine Umfangswand, einen Deckel und einen Boden, die gemeinsam die Begrenzungsfläche im Innenraum der Kammer bilden. Dabei können die Umfangswand, der Deckel und/oder der Boden mit der gekrümmten Wandung ausgebildet sein. Die Krümmung der Wandung an Deckel und/oder Boden kann zumindest annähernd einer Sombrero-Funktion folgen. Vereinfacht kann diese durch konzentrisch um eine Mittelachse verlaufende Wellen beschrieben werden, deren Krümmungen, bzw. deren Abfolge von Maxima und Minima, einer Bessel-Funktion folgen. Die Umfangswand ist im Wesentlichen um die Mittelachse der Wirbelkammer rotationssymmetrisch vorgesehen. Die Krümmung der Wandung der Wirbelkammer an der Umfangswand kann eine einfach oder mehrfach taillierte Form aufweisen, die zumindest annähernd einer Bessel-Funktion folgt. Weiter können auch die Einspritzkanäle und/oder die Auslasskanäle zumindest annähernd gemäss einer Bessel-Funktion, insbesondere gemäss einer modifizierten Besselschen Differentialgleichung zweiter Art, gekrümmt sein.

[0013] Die Krümmung einer Wandung der Begrenzungsfläche der Wirbelkammer kann durch eine einfache Besselsche Differentialgleichung erster Art oder durch eine modifizierte Besselsche Differentialgleichung zweiter Art gebildet werden. Dabei können die Wandungen von Umfangswand, Boden und Deckel unterschiedlichen Bessel-Funktionen folgen. Auch die Einspritz- und Auslasskanäle können nach unterschiedlichen Bessel-Funktionen gekrümmt sein.

[0014] In den Übergangsbereichen zwischen Umfangswand und Deckel oder zwischen Umfangswand und Boden können rundlich gekrümmte Kavernen ausgebildet sein. Diese können beispielsweise als konzentrisch um die Mittelachse umlaufende Auswölbungen vorgesehen sein, deren Wölbung sich wiederum nach einer Bessel-Funktion richtet. Die Übergangsbereiche sollen möglichst ohne Grate ausgebildet sein. Die Kavernen dienen dazu die Ausbildung von spiralförmig um die Mittelachse umlaufenden Ringwirbeln zu ermögliche, die sich zusätzlich zu den um die Mittelachse ausbildenden Hauptwirbeln aufbauen. Zur Ausbildung der Kavernen weist ein Übergangsbereich zwischen Umfangswand und Deckel oder zwischen Umfangswand und Boden einen Übergangsradius von um etwa 10% bis 40% einer Höhe der halben Wirbelkammer auf, vorzugsweise von 14% bis 33%.

[0015] Bei der Wirbelkammer der Wirbelvorrichtung können Boden und Deckel durch eine formschlüssige Verbindung an der Umfangswand befestigt werden. Dies kann z.B. durch einen Passsitz, etwa eine Rastverbindung, oder eine Gewindeverbindung erfolgen. Auch eine reibschlüssige Verbindung ist denkbar, sofern die Verbindung dem Druck innerhalb der Kammer standhält.

[0016] Grundsätzlich kann die Wirbelkammer aber auch derart gestaltet sein, dass der Deckel oder der Boden in der Umfangswand integriert sind, beispielsweise als einstückiges Teil ausgebildet sind.

[0017] Die Wirbelvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann ein Gehäuse mit wenigstens einem Zuführ- und Abführkanal aufweisen. Das kann dient dazu eine oder mehrere Wirbelkammern aufzunehmen. Dabei ist zwischen Gehäuse und Wirbelkammer ein Zulauf für ein Medium zur Wirbelkammer ausgebildet, der das Medium den Einspritzkanälen zuleitet. Das Wirbelkammergehäuse kann innen rund sein und ausreichend dimensioniert, um die Wirbelkammer oder -kammern unterzubringen, oder zumindest so ausgeformt, dass ein möglichst freier Einstrom des zu dispergierenden Mediums in die Wirbelkammerzuläufe gewährleistet ist. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn ein Abstand zwischen Wirbelkammeraussenwand und Gehäuseinnenwand mindestens etwa dem zweifachen maximalen Durchmesser eines Einspritzkanals der Wirbelkammer entspricht.

[0018] Die Wirbelkammer kann z.B. eine Höhe, bzw. einen Durchmesser, von 3 mm bis 10 cm, und ein Einspritzkanal kann beispielsweise einen Durchmesser von etwa 1 mm bis 1 cm aufweisen. Andere Abmessungen sind je nach Verwendung der Wirbelvorrichtung denkbar. Grundsätzlich können eine Wirbelvorrichtung auch für Wasserrohre im Meter-Bereich ausgelegt werden.

[0019] Ein Einspritzkanal, respektive ein Zulaufkanal, kann einfach als Bohrung durch die Umfangswand der Wirbelkammer vorgesehen sein. Meist wird ein Kanal tangential an die Begrenzungsfläche anschliessend vorgesehen. Er kann aber auch als Rohrstutzen ausgebildet sein, der innerhalb einer Bohrung in der Umfangswand angeordnet ist. Für bestimmte Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn der Rohrstutzen frei in den Innenraum der Wirbelkammer steht. Vorzugsweise ist die Eintauchtiefe eines derart frei in den Innenraum stehenden Einspritzkanals variabel einstellbar. Hierfür kann zwischen Bohrung und Rohrstutzen beispielsweise ein Gewinde vorgesehen sein.

[0020] Grundsätzlich kann eine Wirbelkammer mehrere Einspritzkanäle oder Zulaufkanäle aufweisen, die unterschiedlich ausgebildet sind und somit unterschiedliche Funktionen übernehmen.

[0021] Die Einspritz- und Zulaufkanäle können an unterschiedlichen Orten der Wirbelkammer verteilt angeordnet sein. Vorzugsweise mündet ein Kanal an einem Scheitelpunkt der Bessel-Kurve in die Wirbelkammer. Dies kann an einem Maximum oder einem Minimum der gekrümmten Wandung erfolgen. Insbesondere können die Kanäle in die Kavernen der Wirbelkammer münden.

[0022] Bei einer Ausführungsform der Wirbelvorrichtung können mehrere Einspritz-, bzw. Zulaufkanäle wendelartig um die Umfangswand der Wirbelkammer verteilt sein, so dass sie an unterschiedlichen Höhen und unterschiedlichen Winkelpositionen angeordnet sind.

[0023] Bei einer Ausführungsform einer Wirbelvorrichtung ist ein Zulaufkanal z.B. zum Einbringen einer Dispergierphase in die Wirbelkammer vorgesehen, der bis zu einer Eintauchtiefe von 14%–90% der maximalen Wirbelkammerhöhe durch einen Auslasskanal im Boden in die Wirbelkammer hineinragt. Dadurch kann die Vermischung der Dispergierphase mit der Hauptphase vorteilhaft unterstützt werden.

[0024] Die Krümmung der Begrenzungsfläche der Wirbelkammer der Wirbelvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung folgt vorzugsweise einer Bessel-Funktion erster oder zweiter Art wie oben beschrieben. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Krümmung entsprechend einer solchen mathematischen Bessel-Funktion näherungsweise durch Kreise und/oder Ellipsen realisiert wird. Die Wahl der Rundungen und der Übergänge zwischen positiver und negativer Krümmung bei den Kreisen und Ellipsen sollten dabei im Wesentlichen den Vorgaben der Bessel-Funktion entsprechen.

[0025] Nach der Erfindung kann eine Wirbelvorrichtung wie vorher beschrieben als Zerstäubungs-, Misch-, Trenn- oder Wasseraufbereitungsvorrichtung verwendet werden. Je nach Anwendungsgebiet können die Abmessungen der Wirbelkammer, die Ausgestaltung von Einspritzkanälen und Auslasskanälen, die Anzahl von Wirbelkammern im Gehäuse, etc. angepasst werden, um eine gewünschte Wirbelentwicklung innerhalb der Kammer zu erzeugen. Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsformen für unterschiedliche Anwendungsgebiete erläutert.

[0026] Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Weiterentwicklung der Wirbelkammern über den Bereich der Zerstäubung hinaus dar, die nun dank optimierter Formgebung der Wirbelkammer und zusätzlicher Applikationen zur intensiven Mischung von Flüssigkeiten und anderen Medien wie beispielsweise Suspensionen verwendet werden können, mit dem Ziel der Herstellung besonders feiner Dispersionen. Auch die Möglichkeit, Wasser oder wässrige Lösungen z.B. Trink-, Brauch- oder Abwasser mit Sauerstoff oder anderen Gasen anzureichern sowie insbesondere durch Lockerung bzw. Verkleinerung der Struktur der Cluster aus H2O-Molekülen im Wasser dessen Fliess- und Lösungsfähigkeit (Kapillargängigkeit) zu steigern, ist Teil dieser Erfindung. Ausserdem werden Informierungsmöglichkeiten von Wasser und wässrigen Lösungen, wie sie in der DE 10 2008 019 930 A1 erwähnt sind, mittels harmonisch abgestimmter Abmessungen sämtlicher relevanter Bauteile zur positiven Beeinflussung des Stoffwechsels von Menschen, Tieren und Pflanzen erweitert.

[0027] Sofern die Wirbelkammer nicht in einem Gehäuse untergebracht ist, kann sie auch freistehend vorgesehen werden und mit entsprechenden Zuführschläuchen versehen sein und über mindestens einen Einspritzkanal mit mindestens einem druckbeaufschlagten Fluid gespeist werden.

[0028] Eine weitere Fortentwicklung stellt die von einem Rührwerk betriebene Wirbelkammervariante mit Innenkontur dar, bei der eine konstante oder durchlaufende Fluidmenge behandelt wird.

[0029] Der zum Betrieb der Wirbelkammern benötigte Druck und die dabei zu erreichende Durchflussmenge variiert stark. Grosse Unterschiede bestehen naturgemäss ohnehin zwischen gasförmigen und flüssigen Medien. Bei wässrigen Medien nicht übermässiger Viskosität werden in Wirbelkammern mit Höhen bzw. Durchmessern um 3 mm bis 10 mm bei Einspritzbohrungen von etwa 2x1 mm bis 3x3 mm und bei Wasserdrücken zwischen 2 und 5 bar Durchflussmengen von 3 bis 10 Litern pro Minute erreicht.

[0030] Der Grösse der Wirbelkammern sind prinzipiell weder nach oben noch nach unten hin Grenzen gesetzt. Miniaturwirbelkammern von unter etwa 3 Millimetern lassen sich allerdings nicht mehr mittels gewöhnlicher CNC-Maschinen hinreichend exakt fertigen. Grössen von über 10 cm Höhe bzw. Durchmesser sind denkbar.

[0031] Für eine optimale Ausgestaltung der Wirbelkammern hinsichtlich Strömungsmechanik und Dispersionsqualität einerseits sowie Bioverträglichkeit andererseits spielen die zu verwendenden Abmessungen eine entscheidende Rolle. Bei den Wirbelkammerformen nach der Erfindung haben sich für die verschiedenen Durchmesser und Bauhöhen stets die folgenden Zahlenverhältnisse als günstig herausgestellt: Dmin: Dmax= 1 : 1,27 (=4/pi) sowie 1 : 1,62 (=(v5)/2 ± 0,5 = Goldener Schnitt) Hmin: Hmax= 1 : 1,27 (=4/pi) Dunten: Dmitte: Doben= 1 : 1,62 : 2,62 = (=Goldener Schnitt)

[0032] Abkürzungen: Doben= Durchmesser im oberen Bereich am Scheitelpunkt Dmitte= Durchmesser im mittleren Bereich am Scheitelpunkt Dunten= Durchmesser im unteren Bereich am Scheitelpunkt Dmax= maximaler Durchmesser Dmin= minimaler Durchmesser Hmin= minimale Höhe Hmax= maximale Höhe

[0033] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen dargestellt, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. Aus den Zeichnungen offenbar werdende Merkmale der Erfindung sollen einzeln und in jeder Kombination im Rahmen des Anspruchs 1 als zur Offenbarung der Erfindung gehörend betrachtet werden. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 : schematische Darstellung einer Trennwirbelkammer, Fig. 2 : schematische Darstellung einer Trennwirbelkammer mit Rückführung, Fig. 3a : Graph einer einfachen Besselschen Differentialgleichung erster Art (Gattung), Fig. 3b : Graph einer modifizierten Besselschen Differentialgleichung zweiter Art (Gattung), Fig. 4a : Darstellung von Krümmungswechseln des Graphen einer einfachen Besselschen Differentialgleichung erster Art (Gattung), Fig. 4b : Darstellung von Krümmungswechseln eines Graphen einer modifizierten Besselschen Differentialgleichung zweiter Art (Gattung), Fig. 4c : Schnitt durch eine Variante einer Wirbelkammer nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 5 : schematische Darstellung von Strömungen durch eine Variante einer Wirbelkammernach der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt, Fig. 6 : schematische Darstellung von Strömungen durch die Variante einer Wirbelkammer nach Fig. 5 im Querschnitt, Fig. 7a + 7b : schematische Darstellung von Ringwirbeln in Kavernen einer Wirbelkammer nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 8a + 8b : allgemeine schematische Darstellung einer Wirbelkammer einer Wirbelvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung als Längs- und als Querschnitt, Fig. 9 : schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 10 : schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 11 : schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 12 : schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 13 : schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 14a : schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 14b : schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Wirbelkammer nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 15 : schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Deckels einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 16 : schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Deckels einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 17 : schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Deckels einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 18 : schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Bodens mit Auslasskanal einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 19 : schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Bodens mit Auslasskanal einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 20 : schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Bodens mit Auslasskanal einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 21 : schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Bodens mit Auslasskanal einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 22 : schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Auslasskanals einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 23 : schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Auslasskanals einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 24 : schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Auslasskanals einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 25a + 25b : schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform von Auslasskanälen einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 26a + 26b : schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform von Auslasskanälen einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 27a – e : schematische Darstellung verschiedener Ausführungsformen von Einspritzkanälen in einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 28 : schematischer Längsschnitt einer ersten Ausführungsform von Einspritzkanälen in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 29 : schematischer Querschnitt dreier verschiedener Ausführungsformen von Einspritzkanälen in der Wirbelkammer nach Fig. 28 , Fig. 30 : schematischer Längsschnitt einer Ausführungsform von Einspritzkanälen in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 31a + 31b : schematischer Längs- und Querschnitt einer dritten Ausführungsform von Einspritzkanälen in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 32 : schematische Darstellung einer Wirbelkammer mit sieben Einspritzkanälen, Fig. 33 : schematische Darstellung zweier Ausführungsformen von Zulaufkanälen in einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 34 : schematische Darstellung einer zweier weiterer Ausführungsformen von Zulaufkanälen in einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 35 : schematische Darstellung noch zweier weiterer Ausführungsformen von Zulaufkanälen in einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 36 : schematische Darstellung einer vierten Ausführungsformen von Zulaufkanälen in einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 37 : schematische Darstellung einer fünften Ausführungsformen von Zulaufkanälen in einer Umfangswand einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 38 : schematische Darstellung einer ersten Variante von Eintrittsorten von Einspritz- bzw. Zulaufkanälen in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 39a : schematische Darstellung einer zweiten Variante von Eintrittsorten von Einspritz- bzw. Zulaufkanälen mit einer Dispergierphase in eine erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 39b : schematische Darstellung einer dritten Variante von Eintrittsorten von Einspritz- bzw. Zulaufkanälen in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 40a : schematische Darstellung einer vierten Variante von Eintrittsorten von Einspritz- bzw. Zulaufkanälen mit einer Dispergierphase in eine erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 40b : schematische Darstellung einer fünften Variante von Eintrittsorten eines Einspritzkanals in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 41a + 41b : schematische Darstellung als Vertikal- und Horizontalschnitt einer sechsten Variante von Eintrittsorten von Einspritz-, bzw. Zulaufkanälen mit einer Dispergierphase in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 42a : schematische Darstellung einer siebten Variante von Eintrittsorten von Einspritz- bzw. Zulaufkanälen mit einer Dispergierphase in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 42b : schematische Darstellung einer achten Variante von Eintrittsorten von Einspritz- bzw. Zulaufkanälen in einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 43a - 43c: schematische Darstellungen von Varianten von Zulaufkanälen durch einen Deckel einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 44a + 44b : schematische Darstellungen von Varianten von Zulaufkanälen durch einen Boden einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 45a + 45b : schematische Darstellungen von Varianten koaxial zu Einspritzkanälen angeordneter Zulaufkanäle einer erfindungsgemässen Wirbelkammer, Fig. 46 : schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wirbelkammer mit einer Innenkontur, Fig. 47 : schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wirbelkammer mit einer Innenkontur, Fig. 48 : schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Wirbelvorrichtung mit einer Vakuumeinrichtung, Fig. 49 : schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Wirbelvorrichtung mit einem Rührwerk, Fig. 50 : schematische Detailansicht einer Wirbelvorrichtung mit einem einzelnen Rührwerk, Fig. 51 : schematische Detailansicht einer Wirbelvorrichtung mit zwei gegenläufigen Rührwerken, Fig. 52 : schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Wirbelvorrichtung mit zwei Rührwerken und zwei Antriebsquellen, und Fig. 53 : schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Wirbelvorrichtung mit zwei Rührwerken und zwei Antriebsquellen.

[0034] In den Figuren werden zahlreiche Ausführungsformen verschiedener Merkmale einer Wirbelvorrichtung nach der Erfindung beschrieben. Zur Vereinfachung sollen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet werden. Natürlich können auch in verschiedenen Figuren gezeigte Merkmale mit in einer Wirbelvorrichtung miteinander kombiniert werden.

[0035] In Fig. 1 wir dargestellt, dass Wirbelkammern mittels verschiedener Abscheidemechanismen auch zum Trennen von Komponenten von Gemischen unterschiedlicher Beschaffenheit verwendet werden können. Hierbei ist die Trennung der Komponenten nach deren spezifischen Gewicht wie auch nach deren Teilchengrösse zum Beispiel bei dispergierten bzw. suspendierten Partikeln in einer Flüssigkeit oder in einem Gas (Aerosole) möglich.

[0036] In Fig. 1 ist eine Wirbelkammer 1 als Trennwirbelkammer als schematischer Querschnitt gezeigt. Die Wirbelkammer dient zum Sortieren eines inhomogenen Gemisches unterschiedlich grosser suspendierter Teilchen. Sie weist zwei Zuführungen 2 für ein inhomogenes Gemisch, zwei äussere Abführungen 3 für feine Partikel und eine mittige Abführung 4 für grobe Partikel auf. Um eine Mittelachse der Kammer ist ein spiralförmiger Strom 5 des Gemisches gezeigt. Bei flüssigen oder gasförmigen suspendierten Partikeln kann die Wirbelkammer zusätzlich die Partikelgrösse verkleinern.

[0037] In Fig. 2 ist als schematischer Querschnitt eine Wirbelkammer gezeigt, die als Zerkleinerungs- und Trennwirbelkammer dient, wobei links im Bild eine erste Variante gezeigt ist, bei der grosse Teilchen in einem Rückführkanal 7 zurückgeführt und erneut vom entstehenden Sog mit eingesaugt werden, und rechts im Bild ist eine zweite Variante gezeigt, bei der grosse Teilchen zurückgeführt und mit einer Pumpe 5 erneut in die Kammer eingespritzt werden. Bei dieser Wirbelkammer wird ein inhomogenes Gemisch mit grossen Teilchen durch zwei Zuführungen 2 zugeführt und feine Teilchen, z.B. Nanopartikel, werden mittig durch eine Abführung 4 abgeführt. Der zentral in der Wirbelkammer entstehende Hauptwirbelstrom 5 zerkleinert und sortiert die Teilchen.

[0038] Damit ist eine Kombination des Mischens von Medien und des Trennens von Partikeln in einer oder mehreren Wirbelkammern möglich. So kann beispielsweise eine Phase zunächst in der Wirbelkammer dispergiert werden und am Ende von einer Trennvorrichtung – gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer weiteren Wirbelkammer – nach der Partikelgrösse sortiert werden. Die noch nicht genügend fein dispergierten Partikel können wiederum in die erste Kammer zurückgeführt werden, um sie nochmals zu verwirbeln und zu dispergieren. Auf diese Weise lassen sich Gemische mit besonders homogener, exakt definierter Teilchengrösse herstellen.

[0039] Anwendungsbereiche dieser Technologie liegen im Bereich extrem feiner Zerstäubung von Flüssigkeiten, z.B. für Luftbefeuchtung oder zum Farbauftrag, bis hin zur Kraftstoffeinspritzung in Motoren, weiter im Bereich intensiver Gemischbildung durch eine Dispersionsgüte der Tropfen bis in den Nanometerbereich zur Herstellung homogener Gemische verschiedener Komponenten, z.B. Suspensionen und Emulsionen – hier unter anderem die Herstellung eines Hybridtreibstoffes (Diesel-Wasser-Gemisch) –, aber auch zur Aerosolbildung oder zur Luftbläschenflotation. Ein weiterer Bereich ist die Trennung verschiedener Medien nach deren Partikelgrösse oder spezifischem Gewicht z.B. bei Suspensionen von Partikeln in einem Lösungsmittel oder von Aerosolpartikeln, aber auch im Besonderen die Reinigung von Flüssigkeiten und Gasen von unerwünschten Partikeln, z.B. zur Luft- oder Wasserreinigung. Durch die Modifikation der Wasserstruktur kann auch eine Qualitätsverbesserung von Zement und anderen mineralischen Werkstoffen mit diesen Wirbelkammern ermöglicht werden.

[0040] Die in den Fig. 1 und 2 erläuterten Mechanismen können durch eine Ausgestaltung der Wirbelkammer nach der vorliegenden Erfindung weiterentwickelt und optimiert werden. Die vorliegende Erfindung sieht grundsätzlich Wirbelkammern vor, die gänzlich weiche, rundliche, also organisch geformte, allseits harmonisch gekrümmte Begrenzungsflächen aufweisen. Ebene oder parallele Flächen, rechte Winkel und andere unnatürliche Formen sollen konsequent vermieden werden.

[0041] Sofern z.B. aus Gründen der Zeit- und Kostenersparnis da, wo es nicht auf extreme Leistung ankommt, zylindrisch gestaltete Wirbelkammern zum Einsatz kommen, können auch diese mit Merkmalen der vorliegenden Erfindung weiterentwickelt werden, wie nachfolgend ausgeführt wird.

[0042] Durch die Ausgestaltung der Wirbelkammer nach der vorliegenden Erfindung wird zum einen der Flüssigkeits- oder Gasstrom besonders harmonisch – Turbulenzen und Kavitation können völlig vermieden werden. Dies äussert sich unter anderem in einer höheren Strömungsgeschwindigkeit, grösseren Durchflussmenge und erheblich grösseren Laufruhe bei ansonsten gleichen Bedingungen. Zum anderen werden die stets auftretenden Hohlresonanzen im Inneren der Wirbelkammer, die gerade das Wasser in ungünstiger Weise informieren und so für den Stoffwechsel von Pflanzen, Tieren und Menschen negative Wirkungen zeitigen können, deutlich reduziert und bezüglich ihrer Obertonreihen ganz natürlich gestimmt.

[0043] Egal, ob einfache Pflanzenkeimversuche oder die Messung der physiologischen Reaktion von menschlichen Probanden – gemessen mit Bioresonanzgeräten – sämtliche Versuche ergaben bei den organisch geformten Wirbelkammern ausschliesslich positive Reaktionen – zumindest bei Herstellung der Wirbelkammern aus neutralem Material, wie etwa Keramik oder nickelfreier Edelstahl.

[0044] Die vorliegende Erfindung erreicht durch ihre optimierte Formgebung der Wirbelkammern eine erhebliche Intensivierung des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wirbelprozesses und stellt so bereits eine Fortentwicklung der bestehenden Zerstäubungskammern dar. Dies wird erreicht durch nach den mathematischen Kurven der Besselschen Differentialgleichung geformte, mehrfach gekrümmte Umfangswand der Wirbelkammer sowie Wirbelkammerdeckel und -bodenflächen und ausserdem durch vergleichsweise grosse Übergangsradien zwischen Umfangswand und Deckel bzw. Boden.

[0045] In Fig. 3a ist eine erste Besselsche Differentialgleichung als mathematische Kurve dargestellt. Es werden Graphen einer einfachen Besselschen Differentialgleichung erster Art (Gattung) für reelle n gezeigt, gemäss der Formel:

[0046] Der Graph stellt als mathematische Kurve die Krümmung einer Begrenzungsfläche der Wirbelkammer dar.

[0047] In Fig. 3b ist eine zweite Besselsche Differentialgleichung als mathematische Kurve dargestellt. Es werden Graphen einer modifizierten Besselschen Differentialgleichung zweiter Art (Gattung) für imaginäre n gezeigt, gemäss der Formel:

[0048] Der Graph stellt als mathematische Kurve die Krümmung einer Begrenzungsfläche der Wirbelkammer, insbesondere aber auch die Krümmung von Einspritz- und Auslasskanälen dar.

[0049] Es werden jeweils verschiedene Graphen für verschiedene Parameter gezeigt.

[0050] In Fig. 4a ist eine Besselsche Differentialgleichung erster Art gezeigt, aus der verschiedene Krümmungswechsel K ersichtlich sind, wie sie bei der Krümmung einer Begrenzungsfläche der erfindungsgemässen Wirbelkammer ausgebildet sein können. Die Kurve ist mit einer periodischen Schwingung, z.B. einer Sinus-Schwingung, vergleichbar, die einer Dämpfung, z.B. einer Logarithmusfunktion, unterworfen ist. In Fig. 4b ist die Besselsche Differentialgleichung als 3-dimensionaler Graph gezeigt.

[0051] Damit ergibt sich, wie in den Fig. 4a und 4b dargestellt, in der einfachsten Form für Boden- und Deckelbegrenzungsflächen der Wirbelkammer die Form einer sogenannten «Sombrero-Funktion», sowie für die Begrenzungsfläche an einer Umfangswand ein einfach bis mehrfach taillierter Rotationskörper.

[0052] In Fig. 4c ist eine Wirbelkammer 1 einer erfindungsgemässen Wirbelvorrichtung gezeigt, die eine Umfangswand 8, einen Deckel 9 und einen Boden 10 umfasst. Die Umfangswand 8, der Deckel 9 und der Boden 10 bilden jeweils einen Teil einer Wandung der Begrenzungsfläche im Inneren der Wirbelkammer. Die Umfangswand 8 weist eine um eine Mittelachse rotationssymmetrische entlang der Längsrichtung der Achse gekrümmte Umfangsfläche auf. Die Umfangsfläche ist in dieser Variante zweifach tailliert, wobei die Krümmung einer Besselschen Differentialgleichung erster Art entspricht. Der Deckel 9 und der Boden 10 sind ebenfalls rotationssymmetrisch gekrümmt und weisen um die Mittelachse ringförmig verlaufende Krümmungsmaxima und -minima auf, analog der Fig. 4b . In den Übergangsbereichen von Umfangswand 8 und Deckel 9 sowie von Umfangswand 8 und Boden 10 sind schematisch die vergleichsweise grossen Übergangsradien dargestellt. An dieser Position könnten auch Einspritzkanäle 11 vorgesehen werden. Im Boden 10 ist zentral angeordnet ein Auslasskanal 12 vorgesehen.

[0053] Eine Gegenkrümmung der Bessel-Funktion Übergangsbereich von Wandung sowie Deckel und Boden der Wirbelkammer läuft stets in vergleichsweise grosse Übergangsradien aus – wie in Fig. 4c eingezeichnet ist. Dadurch bekommen die Wirbelkammern stets organisch gekrümmte Innenformen, die die extreme Fluiddynamik beim Betrieb nicht mehr stören, sondern optimal unterstützen.

[0054] In Fig. 5 ist die komplexe Strömung in einer Wirbelkammer nach der Erfindung dargestellt. Es wird ein Vertikalschnitt durch eine einfache Form einer Wirbelkammer 1 mit zwei versetzten Einspritzkanälen 11 (tangentiale Bohrungen) gezeigt. Durch die beiden Einspritzkanäle 11 strömt Medium in die Kammer ein. Dies kann als Einstrom einer Hauptphase 14, ggf. aktiv mit Druck, erfolgen (schwarze Pfeile). Ausserdem besteht ein Zustrom durch den Auslasskanal 12. Dieser kann durch eine Dispersionsphase 14 gegeben sein und passiv-saugend ausgebildet sein (weisser Pfeil). Innerhalb der Wirbelkammer erfolgt eine äussere aufsteigende spiralförmige Strömung, die in eine innere absteigende spiralförmige Strömung übergeht und zumindest teilweise durch den Auslasskanal 12 austritt.

[0055] In Fig. 6 ist ein Horizontalschnitt als Aufsicht auf Höhe der Einspritzkanäle in Fig. 5 gezeigt. Dort sind wiederum der äussere aufsteigende Wirbelstrom und der inneren absteigende Wirbelstrom ersichtlich. Mittig innerhalb des absteigenden Wirbels erfolgt der Zustrom der Dispergierphase 15 z.B. aus feinsten Tröpfchen oder Bläschen. Durch die Einspritzkanäle 11 erfolgt die Zufuhr der Hauptphase 14.

[0056] Durch die alternierende Form der Bessel-Kurve ergeben sich in den Übergangsbereichen der Wirbelkammer mehrere Kavernen 13, die als umlaufende Ausbuchtungen ausgebildet sind, in welchen umlaufende toroidale Ringwirbel entstehen. Neben den zwei ineinanderliegenden, gegenläufigen Hauptwirbeln bilden sich also mindestens zwei weitere toroidale Ringwirbelströmungen parallel zum Deckel bzw. Boden der Wirbelkammer aus, deren Rotationsachse identisch mit der Rotationsachse der Wirbelkammergeometrie ist.

[0057] Die in den Kavernen 13 der Wirbelkammer umlaufenden toroidalen Ringwirbel sind keine gewöhnlichen Toroidalwirbel (siehe Fig. 7a ), wie man sie beispielsweise von einem mit dem Mund geformten Rauchring oder beim Eintreten eines Flüssigkeitsstromes in eine stehende Flüssigkeit kennt. Sie stellen vielmehr eine überlagerte Bewegungsform dar, die durch den herkömmlichen Ringwirbel und Drehung des Ringwirbels um die Mittelachse zustande kommt. Es ergibt sich also eine ringförmige Spiralbewegung, da sich auch der gesamte Ring um seine eigene Achse dreht.

[0058] Die toroidalen Ringwirbel bestehen daher jeweils aus einem Bewegungsanteil, der kreisenden Bewegung des Fluids entlang eines grossen, waagrechten Kreises, sowie aus einem zweiten Bewegungsanteil, einer Bewegung entlang eines kleinen senkrechten Kreises, des Querschnittes durch den Kreisring. Dadurch ergibt sich eine überlagerte Bewegung in Form einer räumlichen Spirale, die sich um diesen Kreisring herumwindet. Ebenso wie bei den senkrechten Hauptwirbeln wird auch bei diesen toroidalen Wirbeln ständig ein Teil des umlaufenden Fluids durch neu nachströmendes Fluid bzw. aus der Wirbelkammer austretendes Fluid ausgewechselt.

[0059] Durch diese zwei oder mehr zusätzlichen Toroidalwirbel wird die mittlere Verweildauer der Fluidpartikel in der Wirbelkammer sowie deren dabei zurückgelegte Wegstrecke bei ansonsten gleichen Bedingungen erheblich gesteigert. Dadurch wird sowohl die Grösse der dispergierten Partikel drastisch reduziert, als auch die Menge an angesaugter Dispergierphase deutlich gegenüber dem Stand der Technik erhöht.

[0060] In den Fig. 8 bis 14 werden verschiedene Ausführungsformen von Umfangswänden 8 einer erfindungsgemässen Wirbelkammer gezeigt. Die dargelegten Wirbelkammerwandungen ermöglichen in Verbindung mit den im Anschluss daran niedergelegten Wirbelkammerdeckeln (Fig. 15 bis 17 ) und Wirbelkammerbodenformen (Fig. 18 bis 21 ) die Herstellung gänzlich organisch geformter – nach den mathematischen Kurven der Besselschen Differentialgleichung – mehrfach gekrümmter Wirbelkammern.

[0061] Erfindungsgemäss läuft die Gegenkrümmung der Bessel-Funktion von Wandung sowie Deckel und Boden der Wirbelkammer stets in vergleichsweise grosse Übergangsradien aus – sie liegen im Bereich von etwa 14–33% des maximalen Wirbelkammerhalbmessers bzw. der halben Wirbelkammerhöhe.

[0062] In den Fig. 8a und 8b ist eine einfache Ausführungsform einer Wirbelkammer 1 dargestellt. Diese Ausführungsform kann als Standardausführungsform zur Wasseraufbereitung betrachtet werden. In Fig. 8a ist ein Vertikalschnitt durch die rotationssymmetrische Wirbelkammer 1 gezeigt. Alle Wandungen von Umfangswand 8, Deckel 9 und Boden 10 weisen einen Krümmungswechsel gemäss einer Bessel-Funktion erster Art auf. Die Taillierung der Umfangswand 8 weist einen maximalen Durchmesser und einen minimalen Durchmesser auf, die zu einander im Verhältnis 0,7: 1 stehen. Die Wölbung des Deckels 9 und des Bodens 10 weist eine minimale Höhe und eine maximale Höhe auf, die zu einander im Verhältnis 0,7 : 1 stehen. Die Kavernen 13 weisen einen Übergangsbereich mit grossem Radius auf, wie vorher beschrieben. Der Boden 10 ist an der Umfangswand 8 angeformt und weist einen zylindrischen Auslasskanal 12 auf.

[0063] In Fig. 8b ist ein Horizontalschnitt als Aufsicht auf Höhe der tangentialen Einspritzkanäle 11 entlang der Schnittlinie A–B–C–D gezeigt. Darin ist ersichtlich, dass drei Einspritzkanäle 11 vorgesehen sind. Die Einspritzkanäle sind im radial äusseren Bereich mit einer Krümmung gemäss einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art ausgebildet und gehen über in eine zylindrische Bohrung, die sich tangential an die Umfangswand 8 anschliesst.

[0064] Die gezeigte Ausführungsform stellt lediglich die allgemeine Form der im Inneren der Wirbelkammer liegenden Begrenzungsfläche dar. Zum Betrieb ist es selbstverständlich nötig, dass die Wirbelkammerwandung von Einspritzbohrungen oder -kanälen sowie Auslauföffnungen durchdrungen wird, so dass das Fluid in die Wirbelkammer ein- und wieder ausströmen kann. Eine solche Öffnung für einen Einspritzkanal ist in Fig. 8a auf der linken Seite – schematisch, nicht exakt – dargestellt. Ferner sind mögliche Eintrittspunkte für weitere Einspritzkanäle in den nachfolgenden Figuren als Kreis dargestellt. Sie sollen eine orthogonale Aufsicht auf die innen sichtbare Durchtrittsöffnung einer Einspritzbohrung an der gegenüberliegenden Wandung darstellen – analog der Schnittlinien bzw. Blickrichtung von Fig. 8b .

[0065] Für das Verständnis der folgenden Ausführungen ist es sinnvoll, sich den Graph der in Fig. 3a bzw. 4a dargestellten Bessel-Funktion jeweils um 90 Grad gedreht vorzustellen, so dass die y-Achse in der Horizontalen liegt, die positive x-Achse senkrecht steht. Dann bildet die – gestreckte – Kurve der Bessel-Funktion jeweils entweder die rechte oder die linke Begrenzungslinie der Wirbelkammer in der Schnittzeichnung. Näherungsweise sind die beschriebenen Ausführungsformen mit Kreisen und Ellipsen realisierbar.

[0066] In Fig. 9 ist eine erste Ausführungsform einer Umfangswand 8 einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wirbelkammer gezeigt. Die Umfangswand 8 weist eine oben-unten-symmetrische, taillierte Form auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph jeweils nach dem ersten Krümmungswechsel am zweiten, äusseren Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt. Durch Kreise sind die Orte für Einspritz- und Zulaufkanäle angedeutet. Ferner ist eine Bohrung für einen Einspritzkanal 11 durch die Umfangswand gezeigt. Am oberen Ende weist die Umfangswand 8 eine Aussparung 16 für einen Deckel und am unteren Ende eine Aussparung 17 für einen Boden auf.

[0067] In Fig. 10 ist eine zweite Ausführungsform einer Umfangswand einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wirbelkammer gezeigt. Die Umfangswand 8 weist eine oben-unten-symmetrische, in der Mitte ausgebauchte Form auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph jeweils nach dem zweiten Krümmungswechsel am dritten, äusseren Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt.

[0068] In Fig. 11 ist eine dritte Ausführungsform einer Umfangswand 8 einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wirbelkammer gezeigt. Die Umfangswand weist eine oben-unten-symmetrische, in der Mitte taillierte Form auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph jeweils nach dem dritten Krümmungswechsel am vierten, äusseren Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt. Sowohl am Taillenpunkt als auch an den anderen Maxima und Minima der Krümmungen sind Einspritz- bzw. Zulaufkanäle 11 angedeutet.

[0069] In Fig. 12 ist eine vierte Ausführungsform einer Umfangswand 8 einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wirbelkammer gezeigt. Die Umfangswand weist eine oben-unten-asymmetrische, im unteren Teil enge und im oberen Teil weite Form auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph im oberen Teil nach dem ersten Krümmungswechsel am zweiten, äusseren Scheitelpunkt, im unteren Teil bereits an einem beliebigen früheren Punkt in einen Radius übergeht. Die beiden Übergangsradien oben und unten liegen zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers.

[0070] In Fig. 13 ist eine fünfte Ausführungsform einer Umfangswand 8 einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wirbelkammer gezeigt. Die Umfangswand weist eine oben-unten-asymmetrische, im unteren Teil enge und im oberen Teil weite Form auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve der x>0-Teilast einer einfachen Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph im oberen Teil nach dem ersten Krümmungswechsel am zweiten, äusseren Scheitelpunkt, im unteren Teil am x=0-Punkt in einen Radius übergeht. Die beiden Übergangsradien oben und unten liegen zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers.

[0071] In Fig. 14a ist eine Ausführungsform einer Umfangswand 8 einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wirbelkammer gezeigt. Die Umfangswand weist im Querschnitt die Gestalt einer Sinuskurve auf, deren Graph oben und unten jeweils an einem äusseren Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt. In Fig. 14b ist die Umfangswand 8 gemäss einer verkürzten Zykloide gekrümmt. Ferner ist sie mit einem Deckel 9 und einem Boden 10 verschlossen.

[0072] Grundsätzlich kann die Umfangswand vereinfacht auch nur aus der Mantelfläche eines Zylinders bestehen. Die übrigen Wandungen von Deckel und Boden oder die Einspritz- und Zulaufkanäle können dabei gemäss einer Besselschen Funktion gekrümmt sein.

[0073] In den Fig. 15 bis 17 sind Ausführungsformen von Deckeln der Wirbelkammer, jeweils mit grossem Übergangsradius zur Wandung, gezeigt. Die Umfangswand der Wirbelkammer wird an ihrem oberen Ende durch den Wirbelkammerdeckel verschlossen. Idealerweise werden beide Teile so hergestellt, dass der Deckel formgenau entweder in eine Presspassung eingeschoben oder durch ein Gewinde in die Umgangswandung eingeschraubt werden kann. Ein möglichst nahtloser und gratfreier Übergang zwischen den einzelnen Teilen ist unabdingbar für leistungsfähige Wirbelkammern.

[0074] In Figur 15 ist eine erste Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wirbelkammerdeckels 9 gezeigt, dessen Querschnitt eine mittige Ausbuchtung 18 nach innen in die Kammer aufweist, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph jeweils nach dem ersten Krümmungswechsel am zweiten, oberen Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt. Ferner sind durch Kreise Einspritzkanäle 11 angedeutet

[0075] In Fig. 16 ist eine zweite Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wirbelkammerdeckels 9 gezeigt, dessen Querschnitt eine mittige Einbuchtung 19 nach oben aufweist, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph jeweils nach dem zweiten Krümmungswechsel am dritten, oberen Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt.

[0076] In Fig. 17 ist eine dritte Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wirbelkammerdeckels 9 gezeigt, dessen Querschnitt einen mittigen, mit einem Radius abgerundeten Zapfen 20 nach unten aufweist, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve im Wesentlichen eine modifizierte Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung) ist, deren Graph im Randbereich in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt.

[0077] Grundsätzlich kann der Deckel der Wirbelkammer vereinfacht auch nur aus einer Planfläche oder nur aus grossen Übergangsradien bestehen, wobei die übrigen Wandungen Krümmungen gemäss einer Besselschen Funktion aufweisen können.

[0078] Die Umfangswand der Wirbelkammer wird an ihrem unteren Ende durch den Wirbelkammerboden verschlossen. Idealerweise werden beide Teile so hergestellt, dass der Boden formgenau entweder in eine Presspassung eingeschoben oder durch ein Gewinde in die Umfangswand eingeschraubt wird. Ein möglichst nahtloser und gratfreier Übergang zwischen den einzelnen Teilen ist unabdingbar für leistungsfähige Wirbelkammern.

[0079] In Fig. 18 ist eine erste Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wirbelkammerbodens 10 gezeigt, durchbrochen von einer oder mehreren Auslasskanälen oder Auslauföffnungen 12. Der Querschnitt des Bodens weist eine mittige Ausbuchtung 21 nach innen in die Kammer auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph jeweils nach dem ersten Krümmungswechsel am zweiten, unteren Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt.

[0080] In Fig. 19 ist eine zweite Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wirbelkammerbodens 10 gezeigt, durchbrochen von einer oder mehreren Auslasskanälen oder Auslauföffnungen 12. Der Querschnitt des Bodens weist eine mittige Einbuchtung 22 nach unten auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung) ist, deren Graph jeweils nach dem zweiten Krümmungswechsel am dritten, unteren Scheitelpunkt in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt.

[0081] In Fig. 20 ist eine dritte Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wirbelkammerbodens 10 gezeigt, durchbrochen von einer oder mehreren Auslasskanälen oder Auslauföffnungen 12. Der Querschnitt des Bodens weist eine mittige, gegebenenfalls am Rand des Kanals mit einem Radius abgerundete Erhebung 23 nach innen auf, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve im Wesentlichen eine modifizierte Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung) ist, deren Graph im Randbereich in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt.

[0082] In Fig. 21 ist eine vierte Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wirbelkammerbodens 10 gezeigt, dessen Querschnitt in etwa der Form eines natürlichen entstehenden Wirbeltrichters 24 entspricht, wobei die zugrunde liegende mathematische Kurve im Wesentlichen entweder eine modifizierte Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung), eine Exponentialfunktion oder Hyperbelfunktion ist, deren Graph im Randbereich in einen Radius übergeht, der zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers beträgt.

[0083] Grundsätzlich kann der Boden der Wirbelkammer vereinfacht auch nur aus einer Planfläche mit Übergangsradien oder ausschliesslich aus den zwischen 14% und 33% der halben grössten Höhe der Wirbelkammer oder des grössten Wirbelkammerhalbmessers betragenden Übergangsradien bestehen.

[0084] Durch den Auslasskanal tritt das Fluid wieder aus der Wirbelkammer aus. Ausser bei reinen Zerstäubungsdüsen oder einigen speziellen Anwendungen, wo eine freie Abstrahlung erwünscht ist, geht das Fluid danach entweder in eine weitere Wirbelkammer bzw. in eine speziell gestaltete Nachwirbelkammer über oder es wird in einer Brems-, Bündel- und Auffangeinrichtung der Wirbelvorrichtung gesammelt. Die Form des Auslasskanals bestimmt das Strahlverhalten des mit hoher Geschwindigkeit und erheblichem Drall aus der Wirbelkammer austretenden Fluides. Je nach der weiteren Verwendung sind fünf verschiedene Ausführungsformen möglich.

[0085] In Fig. 22 ist eine Wirbelkammer 1 mit einem Auslasskanal 12 in Form einer koaxialen zylindrischen Bohrung gezeigt, die den Boden 10 der Wirbelkammer durchdringt. Gegebenenfalls mit Verrundungsradien oder Fasen versehen.

[0086] In Fig. 23 ist eine Wirbelkammer 1 mit einem rotationssymmetrischen Auslasskanal 12 mit einer sich nach einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung) nach aussen verjüngenden Bohrung gezeigt, die den Boden 10 der Wirbelkammer durchdringt.

[0087] In Fig. 24 ist eine Wirbelkammer 1 mit einem rotationssymmetrischen Auslasskanal 12 mit sich nach einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung) erweiternden Bohrung gezeigt, die den Boden 10 der Wirbelkammer 1 durchdringt.

[0088] In Fig. 25a ist eine Aufsicht von unten auf einen Boden 10 einer Wirbelkammer 1 mit mehreren Auslasskanälen 12 in Form von auf konzentrischen Kreisen angeordneten zylindrischen Bohrungen gezeigt, die den Boden der Wirbelkammer mit einem schrägen Winkel, z.B. 45°, von unten derart durchdringen, dass sie der Hauptströmungsrichtung des Fluides in der Wirbelkammer tangential entgegenstehen. Diese zylindrischen Bohrungen können auf konzentrischen Kreisen liegen und gehen in Rohrstutzen 25 oder andere Abführmechanismen über, die die jeweils auf einem der konzentrischen Kreise gelegenen Kanäle zusammenführen, diese jedoch von den auf einem anderen der konzentrischen Kreisen gelegenen Kanälen trennen. Der innere Kreis weist vier um 90° versetzte Bohrungen und der äussere Kreis zwei um 180° versetzte Bohrungen auf. In Fig. 25b ist eine Seitenansicht des Bodens aus Fig. 25a gezeigt, so dass die gekrümmte Form der inneren Wandung des Bodens ersichtlich ist und die schräg abstehenden Rohrstutzen zu sehen sind.

[0089] Diese Ausführungsform der Auslasskanäle nach Fig. 25a und 25b ist vor allem für den Einsatz in Trennwirbelkammern konzipiert und dient der Abführung der unterschiedlich fein dispergierten Partikel aus den verschiedenen Bereichen des Wirbels. Bei mit Druck betriebenen Wirbelkammern befinden sich die grösseren Partikel weiter innen, nahe der Rotationsachse, die kleineren Partikel dagegen eher in den Randbereichen der Wirbelkammer. Bei mit Unterdruck betriebenen Wirbelkammern ist es umgekehrt.

[0090] In Fig. 26a ist eine Aufsicht von unten auf eine weitere Ausführungsform eines Bodens 10 einer Wirbelkammer 1 mit mehreren Auslasskanälen 12 in Form von auf konzentrischen Kreisen angeordneten länglichen, kreisförmigen Schlitzen 26 gezeigt, die den Boden 10 der Wirbelkammer durchdringen. Diese Schlitze 26 können auch nur teilweise ausgeführt bzw. abschnittsweise unterbrochen sein. In Fig. 26b ist ein Längsschnitt entlang der Schnittlinie A–B–C–D gezeigt. Die Schlitze 26 gehen in entsprechende Abführmechanismen über, die die jeweils auf einem der konzentrischen Kreise gelegenen Kanäle zusammenführen, diese jedoch von den auf einem anderen der konzentrischen Kreisen gelegenen Kanälen trennen.

[0091] Auch diese Ausführungsform ist vor allem für den Einsatz in Trennwirbelkammern konzipiert und dient der Abführung der unterschiedlich fein dispergierten Partikel aus den verschiedenen Bereichen des Wirbels analog Ausführungsform nach Fig. 25a .

[0092] Sowohl der Ort der Einführung in die Wirbelkammer als auch die geometrische Ausgestaltung der Einspritzöffnung haben grossen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse und somit auf die Qualität des Ergebnisses etwa hinsichtlich der Grösse der dispergierten Partikel bei Mischkammern oder der Homogenität der abgeschiedenen Partikel bei Trennkammern.

[0093] Bei einer Wirbelvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die als Mischvorrichtung verwendet wird, dient die tangentiale Einspritzung des Lösungsmittels, der Hauptphase, mit Druck dazu, die Dispergierphase oder die Dispergierphasen in den in der Einführung dargelegten komplexen Wirbelströmungen so zu zermahlen, dass sie bis in den Nanometerbereich hinein dispergiert werden. Bei geeigneter Auslegung sämtlicher Bauteile werden hierbei die Dispergierphasen ausschliesslich eingesaugt, eine Druckbeaufschlagung kann in der Regel entfallen.

[0094] Im Falle der Verwendung der Wirbelvorrichtung als Trennvorrichtung dient die in der Wirbelkammer entstehende Wirbelströmung dem räumlichen Sortieren der dispergierten Teilchen nach deren Grösse oder deren spezifischem Gewicht, so dass sie durch die entsprechenden Abscheidemechanismen getrennt werden können.

[0095] Das mit Druck über die Einspritzkanäle in die Wirbelkammer eintretende Fluid erzeugt den bzw. die Hauptwirbelströmungen. Art und Weise des Übertrittes der Lösungsmittelphase aus dem Einspritzkanal in die Wirbelkammer beeinflusst das Strömungsbild erheblich. Daher kommt der geometrischen Form der Einspritzkanäle eine wichtige Rolle bei. Durch die Ausgestaltung der Einspritzkanäle können einzelne Parameter gezielt beeinflusst werden.

[0096] Generell lässt eine die Umfangswand durchdringende Bohrung das eintretende Fluid sich schneller in der Höhe verteilen und sorgt so dafür, dass es sich enger an die Wand anschmiegt. Dadurch wird der Hauptwirbelstrom weniger gestört und verläuft gleichmässiger. Das wirkt sich positiv auf die zu erreichende Endgrösse der dispergierten Partikel aus. Andererseits bietet ein frei in den Raum stehender Rohstutzen den Vorteil einer höheren Wirbelgeschwindigkeit und sorgt bei geeigneter Auslegung der Zulaufkanäle für einen höheren Eintrag an Dispergierphase.

[0097] Ausführungsformen mit einem in das Lumen der Wirbelkammer hineinragenden Rohrstutzen verstärken – je nach Eintrittsort in die Wirbelkammer – entweder die Geschwindigkeit der ineinanderliegenden Hauptwirbel und helfen so, die Fluiddynamik insgesamt erheblich zu steigern. Damit helfen sie, die Menge an einzutragender Dispergierphase zu steigern – dies gilt für den Fall der Einführung des Fluids an einem inneren Scheitelpunkt der Bessel-Kurve (an einer Taille der Wirbelkammerwandung) oder aber sie steigern die Geschwindigkeit des Toroidalwirbels in der betreffenden Kaverne und helfen so, die Grösse der dispergierten Partikel weiter in den Nanometerbereich hinunter zu drücken – dies gilt für den Fall des Eintrittes in die Kaverne selbst (am äusseren Scheitelpunkt der Bessel-Kurve).

[0098] Die Einspritzkanäle können z.B. gemäss fünf verschiedener Ausführungsformen nach den Fig. 27a – e ausgeformt sein. Für alle Formen gilt, dass der Kanal jeweils etwa bis zur Mitte der Wirbelkammer hindurchreicht, im Fall Fig. 27e auch etwas darüber hinaus.

[0099] In Fig. 27a ist ein sich nach einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung), einer Exponentialfunktion oder einer Hyperbelfunktion von aussen nach innen verjüngender rotationssymmetrischer Einspritzkanal 11 durch die Umfangswand 8 der Wirbelkammer gezeigt, der sich innen tangential an die Wirbelkammerwandung anschmiegt. Alternativ kann dieser Kanal in Form der sich verjüngenden Bohrung auch in ein zylindrisches Bohrungsstück übergehen. Diese Ausführung bedarf eines druckfesten Wirbelkammergehäuses.

[0100] Vorzugsweise weist der Einspritzkanal Durchmesser mit folgenden Verhältnissen auf: grösster Durchmesser zum kleinsten Durchmesser im Bereich von 1,62 : 1 oder 1,9 : 1 oder 2,73 : 1.

[0101] In Fig. 27b ist ein zylindrischer, die Wandung der Wirbelkammer durchdringender Einspritzkanal mit möglichst grossem Verrundungsradius gezeigt, der sich tangential an die Wirbelkammerwandung anschmiegt. Diese Ausführung bedarf eines druckfesten Wirbelkammergehäuses.

[0102] In Fig. 27c ist ein in die Umfangswand 8 der Wirbelkammer in eine Aufnahmeöffnung 27 eingepresster oder eingeschraubter Rohrstutzen 28 gezeigt, der nahtlos in eine zylindrische, die Wandung der Wirbelkammer durchdringende Bohrung mit identischem Innendurchmesser übergeht, die sich innen tangential an die Wirbelkammerwandung anschmiegt.

[0103] In Fig. 27d ist ein durch die Wirbelkammerwandung ungefähr bis auf Höhe der Rotationsachse hindurchreichender Rohrstutzen 28 gezeigt, der in eine entsprechende Aufnahmeöffnung eingepresst oder eingeschraubt ist, diese dicht verschliesst und der sich der inneren Wandung der Wirbelkammer weitestgehend tangential anschmiegt.

[0104] In Fig. 27e ist ein durch die Wirbelkammerwandung ungefähr bis auf Höhe der Rotationsachse hindurchreichender Rohrstutzen 28 gezeigt, der in eine entsprechende Aufnahmeöffnung eingepresst oder eingeschraubt ist und diese dicht verschliesst, der jedoch um einen Abstand von bis zu 33% des Wirbelkammerradius weiter ins Innere der Wirbelkammer versetzt ist und folglich ein Stück weit frei in den Raum hineinsteht.

[0105] In einer bevorzugten Ausführung nach den Fig. 27c bis e besteht der Einspritzkanal aus einem Rohrstutzen, der mittels eines Feingewindes oder einer anderen dichten Verbindung verstellbar in der Wandung der Wirbelkammer montiert werden kann, so dass die Eintauchtiefe des Einspritzkanals in die Wirbelkammer variabel eingestellt werden kann.

[0106] Zur Ausbildung der Einspritzkanäle in die Wirbelkammer verfügen diese nach dem Stand der Technik über mindestens eine sogenannte Wirbelkammerzulaufbohrung in der Umfangswand, bevorzugt jedoch zwei oder mehr, über den Umfang gleichmässig verteilte Wirbelkammerzuläufe, die entweder zylindrisch oder konisch gestaltet sind oder einen sich nach einer Hyperbelfunktion verengenden oder erweiternden Durchmesser haben. Ihre Lage ist in der Höhe ungefähr mittig oder ungefähr im Verhältnis 62% : 38% (Goldener Schnitt) ober- und/oder unterhalb der Mitte angeordnet.

[0107] Bei Trennkammern kann die Zuführung eines weiteren Fluids jedoch ganz entfallen, wenn das eine Fluid bereits alle – grob und inhomogen – dispergierten Partikel enthält.

[0108] Der Klarheit halber wird nachfolgend für die normalerweise aktiven, druckbeaufschlagten, in der Regel relativ grossen Einlauföffnungen der Hauptphase (des Lösungsmittels) die Bezeichnung Einspritzkanal verwendet. Für die in der Regel kleineren Zulaufkanäle der zu dispergierenden Phase, durch die im Idealfall das Fluid eingesaugt wird, oder alternativ ebenfalls mit Druck eingespritzt, wird hier stets die Bezeichnung Zulaufkanal benutzt.

[0109] Dennoch ist zu bedenken, dass die Grenzen hier nicht immer eindeutig sind. Wenn nicht der Eintrag einer geringen Menge Dispergierphase in eine verhältnismässig grosse Menge Lösungsmittel, sondern eine Dispersion mehrerer Bestandteile mit etwa gleichen Mengenanteilen, also ungefähr 50%: 50% oder 33%: 33%: 33% erwünscht ist, können auch alle Phasen durch druckbeaufschlagte Einspritzdüsen in die Wirbelkammer eingebracht werden.

[0110] Bei der Verwendung der erfindungsgemässen Wirbelvorrichtung in einem nur saugenden Betrieb der Wirbelkammern mittels einer Unterdruckpumpe verschwindet der Unterschied zwischen Einspritz- und Zulaufkanal ohnehin gänzlich.

[0111] Die Einspritzkanäle sollen sich in der Regel weitestgehend tangential an die innere Wandung der Wirbelkammer anschmiegen bzw. grat- und versatzfrei in diese übergehen, um die bereits in der Wirbelkammer rotierenden Flüssigkeitsmassen so wenig wie möglich zu stören. Nur in einzelnen Fällen kann ein Nach-innen-Versetzen der Einspritzkanäle um maximal etwa 33% des Radius sinnvoll sein (siehe z.B. Fig. 27e ).

[0112] Vorteilhafte Orte der Einspritzung sind grundsätzlich die umlaufenden Kavernen der Wirbelkammer, also die äusseren Scheitelpunkte der Bessel-Funktionen bzw. die Orte, wo Umfangswand und Deckel oder Umfangswand und Boden der Wirbelkammer in grossen Radien ineinander übergehen. Aber auch die jeweils inneren gelegenen Scheitelpunkte bieten bei bestimmten Anwendungen Vorteile.

[0113] Die Einspritzung der Hauptphase in eine Kaverne stört den Hauptwirbelstrom weniger und bewirkt damit, dass die vorhandenen Partikel feiner dispergiert werden. Die Einspritzung der Hauptphase an einem Grat (an einem inneren Scheitelpunkt) bringt dagegen den Vorteil einer höheren Wirbelgeschwindigkeit – bei geringfügig mehr Turbulenz – und sorgt – bei geeigneter Auslegung der Zulaufkanäle – dafür, eine grössere Menge an Dispergierphase einzutragen.

[0114] In Fig. 28 ist eine Wirbelkammer mit mindestens einem, etwa auf halber Höhe der Wirbelkammer gelegenen Einspritzkanal 11 gezeigt, bei mehreren Einspritzkanälen müssen diese nicht zwangsläufig paarweise oder in regelmässigen Winkelabständen gegenüberliegend angeordnet sein, sondern können in beliebigen Winkelstellungen zueinander stehen und mit Zulaufkanälen auf derselben Ebene, mit beliebigen Winkeln zueinander, kombiniert sein. Wie beschrieben, ist der Einspritzkanal mittig auf dem Scheitelpunkt der Bessel-Funktion angeordnet und schliesst sich tangential an die Scheitellinie an. Ein weiterer Einspritzkanal ist als Kreis schematisch dargestellt. Ein solcher seitlicher Einspritzkanal kann auch durch Bohrungen 29 von oben der Wirbelkammern her gespeist werden. Diese Variante ist in Fig. 30 dargestellt. In Fig. 29 ist ein Horizontalschnitt entlang der Schnittlinien A–B–C–D der Wirbelkammer der Fig. 28 gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass die Krümmung der Wandungen in Längsrichtung des Einspritzkanals 11 einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art folgt. Weiter sind zwei Zulaufkanäle gezeigt, die einen Rohrstutzen 28 umfassen.

[0115] Bei Flüssigkeiten von unterschiedlicher Viskosität und spezifischem Gewicht erfolgt die Kompensation der unterschiedlichen pro Zeit fliessenden Volumina durch Abstimmung des Einspritzdrucks und des Durchmessers der Einspritzkanäle auf den resultierenden dynamischen Fliessdruck.

[0116] In Fig. 31a ist eine Wirbelkammer mit mindestens einem, auf beliebiger Höhe der Wirbelkammer gelegenen Einspritzkanal gezeigt. Im Fall von mehreren Einspritzkanälen müssen diese nicht zwangsläufig paarweise oder in regelmässigen Winkelabständen einander gegenüberliegend, sondern können in beliebigen Winkelstellungen zueinander angeordnet sein und auch mit Zulaufkanälen auf derselben Ebene, mit beliebigen Winkeln zueinander, kombiniert sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann alternativ – analog zu Fig. 30 – der oder die Einspritzkanäle durch Bohrungen oder Schlitze von oben, am Deckel vorbei, erfolgen. In Fig. 31b ist ein Horizontalschnitt entlang der Schnittlinien A–B–C–D der Wirbelkammer der Fig. 31a gezeigt. Die Krümmung der Wandungen der Einspritzkanäle folgt in Längsrichtung einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art.

[0117] Eine bevorzugte Ausführung einer Wirbelkammer ist ausserdem die in Fig. 32 dargestellte, bei der alle, vorzugsweise sieben, jeweils gleich grosse Bohrungen für Einspritzkanäle bezüglich ihres Versatzwinkels auf der ganzen Rundung gleichmässig verteilt sowie bezüglich ihrer Versatzhöhe der Reihenfolge nach aufsteigend auf der Höhe ein Achtel, zwei Achtel, drei Achtel usw. der inneren Wirbelkammerhöhe angeordnet sind. Eine weiter bevorzugte Reihenfolge der Höhen ist eine statistische Verteilung der Höhen zueinander, analog der Zündreihenfolge von Verbrennungsmotoren: 1, 5, 2, 6, 3, 7, 4. Die Einspritzkanäle sind somit wendelartig entlang der Umfangswand der Wirbelkammer verteilt. Grundsätzlich können dabei auch verschiedene Versatzwinkel und Versatzhöhen vorgesehen werden.

[0118] Wie auch die Einspritzkanäle sollen die Zulaufkanäle die in der Wirbelkammer rotierenden Flüssigkeitsmassen so wenig wie möglich stören und sich daher weitestgehend tangential an die Wandung der Wirbelkammer anschmiegen. Dennoch sind hier – wie bereits bei den Einspritzkanälen auch – Varianten beschrieben, bei denen ein Rohrstutzen ein Stück weit frei in das Innere der Wirbelkammer ragt. Des Weiteren sind angeschrägte Rohrstutzen vorgesehen, die dank ihrer Anstellungswinkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung einen deutliche Strömungswiderstand darstellen und erhebliche Turbulenzen hinter sich erzeugen. Dies kann einen ausreichenden Sog im Zulaufkanal erzeugen. Dieses Prinzip ist von der sogenannten Lenzklappe bei Schiffen her bekannt. Die Turbulenzen durch die Zulaufkanäle halten sich jedoch – zumindest bei den organisch geformten Wirbelkammern – gegenüber dem bei weitem überwiegenden laminaren Hauptstrom in vertretbaren Grenzen. Dennoch zeigen vor allem die einfacheren und strömungsmechanisch ungünstigeren zylindrischen Wirbelkammern nach dem Stand der Technik bezüglich der einzutragenden Menge an Dispergierphase enge Grenzen. Die durch rein passive Einsaugung maximal einzutragende Menge an Dispergierphase reicht hier bis maximal etwa 20% bei annähernd gleicher Viskosität. Bei den Wirbelvorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung lässt sich diese Menge auf rund 40% steigern. Die Zufuhr mit Druck kann hilfreich sein, um die Dispersionsgüte weiter zu steigern.

[0119] Bestimmende Faktoren für die zu erreichenden Dispersionsgüten sind der Ort in der komplexen Flüssigkeitsströmung, an dem der Zulaufkanal endet, seine Eintauchtiefe und der Eintrittswinkel in den Flüssigkeitsstrom, der absolute Durchmesser des Rohres sowie das Verhältnis von Innen- zu Aussenquerschnitt, seine Grösse im Vergleich zur Wirbelkammergrösse, und sein Anstellwinkel gegenüber der Wandung bzw. dem Flüssigkeitsstrom, seine Anschrägung sowie die räumliche Stellung der Schräge gegenüber dem Flüssigkeitsstrom und natürlich die Druck- und Strömungsverhältnisse des Mediums in der Wirbelkammer sowie die Viskositäten und Partikelgrössen aller beteiligten Fluide.

[0120] Die erfindungsgemässen Ausgestaltungen der Zulaufkanäle ermöglichen in der Regel das aktive Einsaugen einer zu dispergierenden Phase an verschiedenen Orten der Wirbelkammer, ohne dass hierzu ein äusserer Überdruck nötig ist. Hierbei kann die Menge sowie der Dispersionsgrad des zu dispergierenden Mediums anhand der Ausgestaltung der eintretenden Rohrstutzen eingestellt werden. In der Praxis haben sich hier für Wirbelkammern unter etwa 20 mm Grösse medizinische Injektionsnadeln bestens bewährt.

[0121] In Fig. 33 ist eine Wirbelkammer mit einem Rohrstutzen 28 als Zulaufkanal gezeigt, der durch die Wirbelkammerwand 8 ungefähr bis auf Höhe der Rotationsachse hindurchreicht. Er ist in einer entsprechenden Aufnahmeöffnung eingepresst oder eingeschraubt und verschliesst diese dicht. Der obere Rohrstutzen 28 schmiegt sich der Aussenwandung der Wirbelkammer von innen weitestgehend tangential an. Der Rohrstutzen ist im Inneren der Kammer gerade abgeschnitten. Vorzugsweise ist der Rohrstutzen mittels eines Feingewindes oder einer anderen dichten Verbindung verstellbar in der Umfangswand der Wirbelkammer montiert, so dass die Eintauchtiefe des Zulaufkanals in die Wirbelkammer variabel eingestellt werden kann. Der untere Rohrstutzen 28 ist um einen Abstand von bis zu 33% des Wirbelkammerradius weiter ins Innere der Wirbelkammer versetzt und ragt folglich ein Stück weit frei in den Raum hinein.

[0122] In Fig. 34 ist eine Wirbelkammer mit einem Rohrstutzen 28 als Zulaufkanal gezeigt, der ungefähr bis auf Höhe der Rotationsachse durch die Umfangswand 8 hindurch reicht, im Inneren etwa in einem Winkel von 45° angeschrägt ist und in einer entsprechenden Aufnahmeöffnung eingepresst oder eingeschraubt ist. Der Rohrstutzen 28 schmiegt sich der Begrenzungsfläche der Umfangswand der Wirbelkammer von innen weitestgehend tangential an, wobei die angeschrägte Öffnung der Umfangswand zugeneigt ist. Vorzugsweise ist der Rohrstutzen mittels eines Feingewindes oder einer anderen dichten Verbindung verstellbar in der Umfangswand der Wirbelkammer montiert, so dass die Eintauchtiefe des Zulaufkanals in die Wirbelkammer variabel eingestellt werden kann. Der untere Rohrstutzen 28 ist wiederum weiter ins Innere der Wirbelkammer versetzt und ragt folglich ein Stück weit frei in den Raum hinein.

[0123] In Fig. 35 ist eine Wirbelkammer mit einem Rohrstutzen 28 als Zulaufkanal gezeigt, der durch die Umfangswand maximal etwa bis auf Höhe der Rotationsachse hindurchreicht, etwa in einem Winkel von 45° angeschrägt ist und in einer entsprechenden Aufnahmeöffnung eingepresst oder eingeschraubt ist, wobei er diese dicht verschliesst. Er schmiegt sich der Begrenzungsfläche der Wirbelkammer von innen weitestgehend tangential an, wobei die angeschrägte Öffnung von der Wirbelkammerwandung abgeneigt ist. Vorzugsweise ist der Rohrstutzen mittels eines Feingewindes oder einer anderen dichten Verbindung verstellbar in der Umfangswand der Wirbelkammer montiert, so dass die Eintauchtiefe des Zulaufkanals in die Wirbelkammer variabel eingestellt werden kann. Der untere Rohrstutzen 28 ist wiederum weiter ins Innere der Wirbelkammer versetzt und ragt folglich ein Stück weit frei in den Raum hinein. Dabei ist die angeschrägte Öffnung von der Begrenzungsfläche abgeneigt.

[0124] Für nicht von der Seite, sondern von oben oder unten eintretende Zulaufkanäle gilt analog dasselbe. Die einzelnen Ausführungsformen gemäss den Fig. 33 bis 35 sind in Fig. 36 und 37 nochmals graphisch dargestellt. Dabei wird zusätzlich deren Ausrichtung bezüglich eines in der Wirbelkammer bestehenden Wirbelstroms gezeigt, der durch schwarze Pfeile angedeutet ist. Demnach sind die Zulaufkanäle in Strömungsrichtung ausgerichtet, z.B. unter einem Winkel von ungefähr 45°, wobei auch andere Winkel möglich sind. In Fig. 36 ist von links nach rechts ein gerader Rohrstutzen, ein abgeschrägter Rohrstutzen mit einer in Stromrichtung weisenden Öffnung und ein abgeschrägter Rohrstutzen mit einer zur Umfangswand ebenen Öffnung gezeigt. In Fig. 37 sind von links nach rechts vergleichbare Rohrstutzen gezeigt, die jedoch frei in die Wirbelkammer hineinstehen.

[0125] Eine weitere Neuerung dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik betrifft die Eintrittsorte der Zulaufkanäle. In der DE 10 2008 019 930 A1 ist ein Zulaufkanal gezeigt, der bis maximal an die Auslassöffnung der Wirbelkammer heranreicht, aber nicht in die Umfangwand oder gar in die Wirbelkammer hineinreicht. Dieser Zulaufkanal hat den Nachteil, dass die zuzuführende Phase aufgespalten wird in zwei Teilströme: nur ein geringer Teil wird durch den in der Wirbelkammermitte entstehenden Sog bis tief in die Wirbelkammer eingesaugt und dort intensiv verwirbelt und effektiv dispergiert (Prozess 1). Ein grosser Teil des zu dispergierenden Mediums wird jedoch lediglich von dem aus der Wirbelkammer austretenden Medium nach aussen unten mitgerissen und so nicht intensiv verwirbelt und folglich auch nicht ausreichend fein dispergiert (Prozess 2).

[0126] Dies wird bei der vorliegenden Erfindung durch die Verlängerung des Zulaufkanals 30 für die Dispergierphase bis in die Wirbelkammer hinein verhindert, wie in Fig. 38 gezeigt. Die derartige Anordnung eines Zulaufkanals ist auch bei einfach geformten, aus dem Stand der Technik bekannten, Wirbelkammern, etwa mit zylindrischen Umfangswänden, vorteilhaft.

[0127] Nachfolgend sind eine Reihe weiterer Eintrittsorte für Zulaufkanäle in die Wirbelkammer aufgeführt. Bei den Varianten mit seitlicher Zuführung sind die umlaufenden Kavernen der Wirbelkammer vorteilhafte Orte der Zuführung, also die äusseren Scheitelpunkte der Bessel-Funktionen bzw. die Orte, wo Umfangswand und Deckel oder Umfangswand und Boden der Wirbelkammer in grossen Radien ineinander übergehen. Aber auch die jeweils inneren gelegenen Scheitelpunkte bieten für einzelne Anwendungen Vorteile. Generell kann gesagt werden, dass bei der Zuführung der Dispergierphase in eine Kaverne die eingesaugte Menge an Dispergierphase geringer ist, dafür aber die Dispersionsgüte steigt. Umgekehrt sorgt die Zuführung der Dispergierphase im freien Raum – bevorzugt an einem inneren Scheitelpunkt der Bessel-Kurve – für einen höheren Eintrag an Dispergierphase, bei geringerer zu erreichender Teilchengrösse.

[0128] In Fig. 38 ist eine Wirbelkammer 1 in einem Gehäuse 31 gezeigt. Mit schwarzen Pfeilen ist das aus dem Gehäuse 31 in die Wirbelkammer 1 eintretende Medium gezeigt, das im Inneren der Wirbelkammer verwirbelt wird. Im Boden 10 der Wirbelkammer ist ein Auslasskanal 11 gezeigt, der von einem Zulaufkanal 30 durchragt wird, der bis in die Wirbelkammer 1 hineinreicht. Zwischen Zulaufkanal 30 und der Öffnung des Auslasskanals 12 tritt das modifizierte Medium aus der Wirbelkammer in einen Auslass des Gehäuses aus, wie mit grauen Pfeilen angedeutet ist. Der Zulaufkanal 30 tritt von unten zentrisch durch den Auslasskanal 12 der Wirbelkammer 1 in Form eines im Querschnitt deutlich kleineren koaxialen Rohrstutzens ein. Die Eintauchtiefe des Zulaufkanals 30 in die Wirbelkammer beträgt 14%–90% der maximalen Wirbelkammerhöhe.

[0129] Eine vorteilhafte Ausführung sieht einen koaxialen Zulaufkanal von unten vor, der mittels eines Feingewindes oder einer anderen dichten Verbindung höhenverstellbar im Auffangbecken der Wirbelkammer montiert ist, so dass die Eintauchtiefe des Zulaufkanals 30 in die Wirbelkammer 1 variabel eingestellt werden kann. Dadurch lässt sich sowohl das Mischungsverhältnis als auch die Dispersionsgüte durch stufenloses Einschieben des Zuführrohres in die Wirbelkammer oftmals so fein regulieren, dass auf aufwendige Dosiermechanismen und Ähnliches verzichtet werden kann.

[0130] In Fig. 39a ist eine weitere Ausführungsform einer Wirbelkammer mit einem Zulaufkanal 30 gezeigt, der koaxial von oben durch den Deckel 9 der Wirbelkammer in Form eines Rohres hineinragt. Der Zulaufkanal ist passgenau in der Bohrung des Deckels 9 vorgesehen und verschliesst den Deckel. Die Eintauchtiefe des Zulaufkanals 30 in die Wirbelkammer beträgt 0%–50% der maximalen Wirbelkammerhöhe. Der Auslass ragt daher in das Zentrum des Hauptwirbels in der Kammer hinein, vorzugweise höchstens bis zu 20% der Höhe des Hauptwirbels. Eine vorteilhafte Ausführung sieht einen koaxialen Zulaufkanal von oben vor, der mittels eines Feingewindes oder einer anderen dichten Verbindung höhenverstellbar im Deckel 9 der Wirbelkammer montiert ist, so dass die Eintauchtiefe des Zulaufkanals 30 in die Wirbelkammer variabel eingestellt werden kann.

[0131] In Fig. 39b ist eine weitere Ausführungsform einer Wirbelkammer mit einem Zulaufkanal 30 gezeigt, bei der der Deckel 9 der Wirbelkammer z.B. wie in Fig. 17 mit einem Zapfen 20 ausgebildet ist. Der Zulaufkanal 30 geht nahtlos in eine zylindrische Bohrung im Zapfen 20 über, die den nach unten weisenden Zapfen so durchdringt, dass sich eine scharfkantige Rohrspitze als Auslass ergibt. Dabei ist eine aktive Einsaugung der Dispergierphase möglich.

[0132] In Fig. 40a ist eine alternative Ausführungsform zu Fig. 39a gezeigt, bei der der Zulaufkanal 30 stirnseitig unten verschlossen ist, jedoch eine oder mehrere Öffnungen 32 seitlich in seiner Wand aufweist, durch die die Dispergierphase in radialer Richtung nach aussen in die Wirbelkammer fliessen kann. In dieser Variante ragt der Zulaufkanal bis höchstens etwa 66% der Höhe der Wirbelkammer in diese hinab.

[0133] Analog ist in Fig. 40b eine Alternative zur Ausführung aus Fig. 39b gezeigt, bei der der Zulaufkanal 30 nahtlos in eine zylindrische Bohrung übergeht, die den nach unten weisenden Zapfen 20 des Wirbelkammerdeckels jedoch nicht durchdringt, sondern mit einer oder mehreren radialen Bohrungen versehen ist, durch die die Dispergierphase radial nach aussen in die Wirbelkammer fliessen kann. Auch hier ist eine aktive Einsaugung möglich.

[0134] In Fig. 41a ist eine Wirbelkammer mit einem oder mehreren Zulaufkanälen 30 auf derselben Höhe wie die Einspritzkanäle 11 gezeigt. Die Zulaufkanäle 30 reichen von der Seite durch die Umfangswand der Wirbelkammer und sitzen passgenau in der Bohrung der Wirbelkammerwand, so dass sie diese verschliessen. Die Zulaufkanäle können in der Höhe nicht nur etwa mittig, sondern in beliebiger Anordnung vorgesehen sein.

[0135] In Fig. 41b ist eine vorteilhafte Ausführungsform gezeigt, die zwei seitliche Zulaufkanäle 30 für zwei unterschiedliche Dispergierphasen und einen Einspritzkanal 11 vorsieht. Die einzelnen Volumina, die durch die Kanäle zugeführt werden, sollen pro Zeiteinheit in etwa gleich sein. Dabei kann eine Anpassung gemäss der Viskosität auch durch unterschiedliche Drücke erfolgen. Die Hauptphase wird durch den Einspritzkanal 11 eingebracht, dessen Innenwand gemäss einer Bessel-Funktion gekrümmt ist. Ein Zulaufkanal 30.1 mit grossem Durchmesser ist für eine erste Dispergierphase und ein Zulaufkanal 30.2 mit kleinem Durchmesser ist für eine zweite Dispergierphase vorgesehen.

[0136] Bei Wirbelkammern ohne Innenkontur ist insbesondere bei der Zuführung von höherviskosen Dispergierphasen oder bei grösseren Mengen an zu dispergierenden Fluiden die Anbringung der Zulaufkanäle im oberen Teil der Wirbelkammer zu bevorzugen, da der Hauptwirbel in diesem Teil stabiler ist. Im unteren Teil der Wirbelkammer könnten die Teile der zugeführten Dispergierphase vorzeitig von dem aus der Wirbelkammer austretenden Strom erfasst werden und den Hauptwirbelprozess nicht ganz durchlaufen und so nicht fein genug dispergiert werden.

[0137] In Fig. 42a ist eine Wirbelvorrichtung mit einem Gehäuse 31 gezeigt, bei der Zulaufkanäle 30 auf unterschiedlichen Höhen einmal über und einmal unter einem Einspritzkanal 11 angeordnet sind. Die Dispersion tritt durch einen Auslasskanal 12 aus. In Fig. 42b ist ein Vertikalschnitt durch eine Wirbelkammer mit gemäss einer Bessel-Funktion gekrümmten Wandungen gezeigt, wie zu den Fig. 9 , 15 und 18 beschrieben. Auf der einen Seite sind drei übereinanderliegende Einspritzkanäle 11 und gegenüberliegend drei übereinander angeordnete Zulaufkanäle 30 vorgesehen. Dabei sind zumindest der obere und unter Einspritzkanal in die Kavernen gerichtet.

[0138] In Fig. 43a ist eine Wirbelkammer mit einem Zulaufkanal 30 von oben schräg tangential durch den Deckel 9 der Wirbelkammer 1 gezeigt, der passgenau in der Bohrung des Deckels sitzt und diesen umseitig verschliesst. Es können auch mehrere solcher Zulaufkanäle vorgesehen sein, die beispielsweise zueinander versetzt gegenüberliegend angeordnet sind, wie in Fig. 43c als Aufsicht auf den Deckel gezeigt ist. Dabei ist eine aktive Einsaugung möglich. In Fig. 43b ist eine Variante mit einer Wirbelkammer mit erfindungsgemäss harmonisch gekrümmten Wandungen gezeigt, die ebenfalls von oben schräg tangential durch den Deckel 9 eingeführte Zulaufkanäle aufweist.

[0139] In Fig. 44a ist eine Wirbelkammer mit mehreren Zulaufkanälen 30 gezeigt, die von unten schräg tangential durch den Boden 10 der Wirbelkammer 1 eingeführt werden und passgenau in der Bohrung des Bodens sitzen und diesen umseitig verschliessen. Fig. 44b zeigt eine Ansicht von unten auf den Boden 10 der Wirbelkammer. Mittig ist ein Auslasskanal 12 vorgesehen, und am Rand sind die Zulaufkanäle einander gegenüberliegend ersichtlich.

[0140] In Fig. 45a ist eine Wirbelvorrichtung mit einem Gehäuse 31 gezeigt, bei der ein oder mehrere Zulaufkanäle 30 auf beliebiger Höhe der Wirbelkammer 1, z.B. mittig, von der Seite durch die Umfangswand 8 der Wirbelkammer 1 reichen, so dass sie jeweils genau koaxial in einem sich konisch nach innen verjüngenden Einspritzkanal 11 in die Wirbelkammer enden. Daraus ergibt sich der Effekt, dass die Dispergierphase aus dem Zulaufkanal 30 wie bei einer Wasserstrahlpumpe von der in die Wirbelkammer eintretenden Hauptphase mit in die Wirbelkammer gerissen wird.

[0141] In Fig. 45b ist eine vergleichbare Wirbelvorrichtung gezeigt, bei der sowohl die Aussenkontur des Zulaufkanals 30 als auch die Aussenkontur des Einspritzkanals nach einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung) nach einer Exponentialfunktion oder einer Hyperbelfunktion gestaltet ist, so dass die Aussenkontur des Zulaufkanals und die Innenkontur des Einspritzkanals eine analog verlaufende Form besitzen. Dadurch erfolgt zum einen der Eintritt der beiden Phasen in die Wirbelkammer besonders laminar und turbulenzfrei, zum anderen wird eine besonders grosse Menge an Dispergierphase mit in die Wirbelkammer gesaugt. Die schwarzen Pfeile deuten den Zustrom der Hauptphase und die weissen Pfeile den Zustrom der Dispergierphase an.

[0142] In weiteren Ausführungsformen können dünnwandige Einbauten innerhalb der Wirbelkammer vorgesehen sein. Die hier beschriebenen Einbauten dünnwandiger Innenkonturen in die Wirbelkammer erfüllen mehrere Funktionen. Sie dienen dazu, die Wirbelströmungen im Inneren der Wirbelkammer optimal zu führen sowie die von dem Fluid zurückzulegende Wirbelstrecke zu verlängern und somit die Leistung der Wirbelkammer zu erhöhen. Ausserdem können sie bei geeigneter Auslegung helfen, durch zunehmende Verringerung des Abstandes zur Umfangswand die Flüssigkeit zusätzlich laminar zu beschleunigen und bei geeigneter Anbringung eines Zulaufkanals an der engsten Stelle ähnlich wie bei einer Venturi-Düse die Menge an einzusaugender Dispergierphase zu steigern.

[0143] Die in der Praxis aus tiefgezogenen Blechen, durch Spritzgussverfahren oder durch CNC-Bearbeitung hergestellten Innenkonturen werden mit klein zu dimensionierenden und strömungsmechanisch zu optimierenden Halterungsstegen so an Umfangswand, Deckel oder Boden der Wirbelkammer befestigt, dass der Flüssigkeitsstrom in der Wirbelkammer möglichst wenig beeinflusst wird. Diese Halterungsstege sind in den Figuren nicht ersichtlich.

[0144] In Fig. 46 ist eine Wirbelkammer mit einer rotationssymmetrischen, die Wirbelkammer 1 annähernd ausfüllenden, dünnwandigen Innenkontur 33 gezeigt. Die Innenkontur weist im Längsschnitt eine oben-unten-asymmetrische, taillierte Form auf, deren Durchmesser im mittleren Teil am geringsten, im unteren Teil grösser und im oberen Teil am grössten ist. Die zugrunde liegende mathematische Kurve ist eine einfache Bessel-Funktion erster Art (Gattung), wie vorher erläutert. Die Innenkontur 33 bildet einen Trichter über dem Auslasskanal 12. Als Deckel 9 der Wirbelkammer wird ein Deckel gemäss Fig. 16 verwendet. Der Innenumfang des Auslasskanals 12 bildet eine Verlängerung der Innenkontur 33 und ist gemäss einer modifizierten Bessel-Funktion zweiter Art geformt.

[0145] In Fig. 47 ist eine Wirbelkammer mit einer weiteren Ausführungsform einer rotationssymmetrischen, die Wirbelkammer 1 annähernd ausfüllenden, dünnwandigen Innenkontur 33 gezeigt. Die Wandung der Innenkontur entspricht in etwa der Form eines natürlich entstehenden Wirbeltrichters, und ihr Durchmesser ist sich nach unten verjüngend und im oberen Teil wesentlich grösser ausgebildet. Die zugrunde liegende mathematische Kurve ist eine modifizierte Bessel-Funktion zweiter Art (Gattung), eine Exponentialfunktion oder eine Hyperbelfunktion.

[0146] Grundsätzlich sind alle Kombinationen der hier niedergelegten Ausführungsformen von Wandung, Deckel, Boden und Innenkontur möglich und mit beansprucht. In der Praxis bestehen jedoch Einschränkungen beim Einbau von Innenkonturen. Hier sind Umfangswände gemäss den Ausführungsformen nach den Fig. 9 , 10 , 12 und 13 als vorteilhaft anzusehen, da in ihnen die oben weitere und innen deutlich schmalere Innenkontur in etwa den Wirbelkammerbegrenzungen folgt.

[0147] Nachfolgend wird eine Wirbelvorrichtung mit einer Vakuumeinrichtung, einer Umwälzpumpe und/oder einem oder mehreren Rührwerken beschrieben. Eine solche Wirbelvorrichtung bildet unabhängig von einer Wirbelkammer mit einer Wandung, die nach einer Bessel-Funktion gekrümmt ist, eine erfinderische Weiterbildung der bekannten Wirbelvorrichtungen. Es bleibt daher vorbehalten, auf eine derartige Wirbelvorrichtung unabhängigen eigenen Schutz zu richten.

[0148] In einer Ausführungsform weist die Wirbelvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine externe Vakuumeinrichtung auf. Die Hauptphase wird dabei nicht durch Druck durch die Einspritzkanäle 11 in die Wirbelkammer 1 gepresst, sondern alle Phasen können durch Sog durch den oder die unteren Auslasskanäle 12 in die Wirbelkammer eingesaugt werden. Das hierzu nötige Vakuum kann durch die externe Vakuumpumpe erzeugt werden und dem Auslasskanal der Wirbelkammer über Kanäle zugeführt werden. Alternativ kann das Vakuum durch einen hand- oder motorbetriebenen Propeller in oder unterhalb der Auslasskanäle oder einer Auslauföffnung erzeugt werden.

[0149] In einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 48 weist die Wirbelvorrichtung eine Umwälzpumpe 34 ausserhalb der Wirbelkammer auf. Das durch eine oder mehrere Auslasskanäle abgesaugte Fluid kann mittels der externen Umwälzpumpe der Wirbelkammer über den oder die Einspritzkanäle 11 erneut zugeführt werden und so dieselbe Menge Fluid immer wieder von neuem verwirbelt. Wie in Fig. 48 gezeigt ist, ist die Umwälzpumpe 34 zwischen einen Auslasskanal 12 und einen Einspritzkanal 11 eingesetzt. Durch einen weiteren Auslasskanal 12 kann das Fluid abgelassen werden. Ferner ist ein weiterer Einspritzkanal vorgesehen, um weitere Fluide zuzuführen. Die Wirbelkammer 1 kann dabei nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein, d.h. eine Wandung mit einer Krümmung gemäss einer Bessel-Funktion aufweisen.

[0150] In noch einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 49 kann eine Wirbelvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ein Rührwerk innerhalb der Wirbelkammer aufweisen. Das Rührwerk dient dazu, dass das Fluid nicht oder nicht ausschliesslich passiv durch druckbeaufschlagte Einspritzung des Fluids oder der Fluide verwirbelt wird, sondern dass das Fluid oder die Fluide dabei zusätzlich oder ausschliesslich von einem oder mehreren propellerartigen Rührwerken in eine Wirbelbewegung gebracht werden. Dabei kann über Einspritz- und Auslasskanäle Fluid zu- und abgeführt werden. Alternativ kann der ständige Durchlauf über Einspritz- und Auslasskanäle dabei ganz unterbleiben und nur eine konstante Menge an Fluid anfangs eingefüllt, anschliessend das konstante Volumen verwirbelt und nach Beendigung das gesamte Volumen durch die Auslassöffnung wieder abgelassen werden. Einspritz- und Auslassöffnung sind dann jeweils mit einem Ventil verschliessbar und bleiben während des Wirbelvorgangs verschlossen.

[0151] In einer Variante der Wirbelvorrichtung kann sich über dem Rührwerk zentriert eine Innenkontur 33 anschliessen. Die Innenkontur kann in ihrem oberen, wesentlich grösseren Teil gemäss Fig. 47 und in ihrem unteren, wesentlich kleineren Teil, wie der sich vom Scheitelpunkt nach unten wieder erweiternde Teil gemäss Fig. 46 gestaltet sein. Am unteren Ende der Wirbelkammer 1 kann, ganz oder teilweise überstülpt von der Innenkontur 33, koaxial zur Wirbelkammer und Innenkontur das eine oder mehrere propellerartige Rührwerke 35 angebracht sein. Das Rührwerk kann von aussen über ein gas- und flüssigkeitsdichtes Wellenlager durch einen Motor 36 oder eine Handkurbel – gegebenenfalls mit Zahnrad- oder Riemenübersetzung – über eine senkrechte Achse angetrieben werden.

[0152] Ein alleinstehendes oder ein unteres von zwei propellerartigen Rührwerken am unteren Ende der Innenkontur kann das oder die Fluide so verdrängen, dass diese von unten an der Wandung der Wirbelkammer in spiralförmigen Bewegungen nach oben befördert werden und dank der gekrümmten Form von Umfangswand und Deckel im oberen Teil der Wirbelkammer wieder einen radial nach innen weisenden Bewegungsimpuls erhalten, so dass sie über den Rand der Innenkontur treten und in ebenfalls spiralförmigen Bahnen im Inneren der Innenkontur wieder nach unten laufen, wo sie erneut auf das eine oder beide propellerartige Rührwerke treffen.

[0153] Grundsätzlich kann nur ein Rührwerk die Fluide in der Wirbelkammer in Bewegung setzen, so dass dessen Drehbewegung den Drall, den das oder die Fluide durch die Einspritzkanäle erhalten, unterstützt, indem es in derselben Drehrichtung umläuft oder aber das Fluid zerstäubt, indem es entgegen dem Drall rotiert, der sich durch die tangentialen Einspritzkanäle ergibt, wie in Fig. 50 erläutert ist.

[0154] Es können aber auch zwei propellerartige Rührwerke am unteren Ende der Innenkontur in der Wirbelkammer koaxial übereinander angeordnet sein, wobei die beiden sich in gegenläufiger Richtung bewegen. Wie in Fig. 51 erläutert ist, läuft das obere Rührwerk 35.1 der beiden propellerartigen Rührwerke am unteren Ende der Innenkontur in einem solchen Drehsinn, dass es den am unteren Ende innen aus der Innenkontur austretenden Fluiden entgegenläuft und diese daher besonders intensiv zerstäubt, während das untere propellerartige Rührwerk 35.2 sich hierzu wieder entgegengesetzt dreht – und damit gleichsinnig zu dem sich im Inneren der Innenkontur umlaufenden Fluid – und dieses wieder nach oben in den Innentrichter befördert.

[0155] Die beiden propellerartigen Rührwerke können z.B. mit einem Planetengetriebe verbunden sein und somit mit einem konstanten gegenläufigen Umdrehungsverhältnis betrieben werden.

[0156] Wie in den Fig. 52 und 53 gezeigt ist, können die beiden propellerartigen Rührwerke von zwei verschiedenen Antriebsquellen 36.1 und 36.2, z.B. Elektromotoren, getrennt voneinander mit beliebigen Umdrehungszahlen, die sich auch jederzeit ändern können, angetrieben werden. Die beiden verschiedenen Motoren können koaxial zur Wirbelkammerrotationsachse montiert sein (Fig. 52 ), oder aber einer davon oder beide können unten, über oder neben der Wirbelkammer (Fig. 53 ) angeordnet sein. Die propellerartigen Rührwerke können z.B. über einen Riemen- oder Zahnradantrieb angetrieben werden.

[0157] Das obere der beiden zwei propellerartigen Rührwerke 36.1 kann von dem oberen Motor 35.1 mittels einer langen Achse angetrieben werden, die durch das innere der Wirbelkammer 1 bzw. der Innenkontur 33 hindurchreicht, wobei das obere Rührwerk zur Vermeidung einer Unwucht koaxial, aber frei drehbar mit der Achse des unteren Rührwerkes verbunden sein kann, wie in Fig. 52 dargestellt.

Bezugszeichenliste

[0158] 1 Wirbelkammer 2 Zuführung 3 Abführung 4 Abführung 5 Strom 6 Pumpe 7 Rückführkanal 8 Umfangswand 9 Deckel 10 Boden 11 Einspritzkanal 12 Auslasskanal 13 Kaverne 14 Hauptphase 15 Dispergierphase 16 Aussparung 17 Aussparung 18 Ausbuchtung 19 Einbuchtung 20 Zapfen 21 Ausbuchtung 22 Einbuchtung 23 Erhebung 24 Wirbeltrichter 25 Rohrstutzen 26 Schlitze 27 Aufnahmeöffnung 28 Rohrstutzen 29 Bohrung 30 Zulaufkanal 31 Gehäuse 32 Öffnungen 33 Innenkontur K Krümmungswechsel 34 Umwälzpumpe 35 Rührwerk 36 Motor

Claims

1. Wirbelvorrichtung zur Verwirbelung eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums mit einer oder mehreren Wirbelkammern (1), wobei die jeweilige Wirbelkammer wenigstens einen Einspritzkanal (11) und wenigstens einen Auslasskanal (12) aufweist und im Inneren von einer Begrenzungsfläche begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche wenigstens eine rotationssymmetrisch gekrümmte Wandung (8; 9; 10) umfasst, deren Krümmung mathematisch zumindest annähernd einer Bessel-Funktion folgt.

2. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Wirbelkammer (1) eine Umfangswand (8), einen Deckel (9) und einen Boden (10) umfasst, die gemeinsam die Begrenzungsfläche bilden, wobei die Umfangswand (8), der Deckel (9) und/oder der Boden (10) mit der gekrümmten Wandung ausgebildet sind.

3. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Wandung an Deckel (9) und/oder Boden (10) zumindest annähernd einer Sombrero-Funktion folgt.

4. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Wandung an der Umfangswand (8) eine einfach oder mehrfach taillierte Form aufweist, die zumindest annähernd einer Bessel-Funktion folgt.

5. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bessel-Funktion durch eine einfache Besselsche Differentialgleichung erster Art oder durch eine modifizierte Besselsche Differentialgleichung zweiter Art gegeben ist.

6. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des jeweiligen Einspritzkanals (11) und/oder des jeweiligen Auslasskanals (12) zumindest annähernd gemäss einer Bessel-Funktion, insbesondere gemäss einer modifizierten Besselschen Differentialgleichung zweiter Art, gekrümmt ist.

7. Wirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Übergangsbereichen zwischen Umfangswand (8) und Deckel (9) oder zwischen Umfangswand (8) und Boden (10) umlaufende Ausbuchtungen ausgebildet sind.

8. Wirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich zwischen Umfangswand (8) und Deckel (9) oder zwischen Umfangswand (8) und Boden (10) einen Übergangsradius von um 10 bis 40% einer Höhe der halben Wirbelkammer aufweist.

9. Wirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Boden (10) und Deckel (9) durch eine formschlüssige Verbindung an der Umfangswand (8) befestigbar sind.

10. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (31) mit wenigstens einem Zuführ- und Abführkanal vorgesehen ist, in welchem die wenigstens eine Wirbelkammer (1) aufgenommen ist, wobei das Gehäuse (31) so ausgeformt ist, dass ein möglichst freier Einstrom für ein Medium in die Wirbelkammer gewährleistet ist.

11. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen einer Aussenwandung der jeweiligen Wirbelkammer (1) und einer Innenwandung des Gehäuses (31) mindestens etwa dem zweifachen maximalen Durchmesser des jeweiligen Einspritzkanals (11) der Wirbelkammer (1) entspricht.

12. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung entsprechend der mathematischen Bessel-Funktion näherungsweise durch Kreise und/oder Ellipsen realisiert ist.

13. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer des wenigstens einen Einspritzkanals (11) einen frei in den Innenraum der jeweiligen Wirbelkammer (1) stehenden Rohrstutzen (25) aufweist.

14. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe des Rohrstutzen (25) variabel einstellbar ist.

15. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer des wenigstens einen Einspritzkanals (11) an einem Scheitelpunkt der Bessel-Kurve in die Wirbelkammer (1) mündet.

16. Wirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einspritzkanäle vorhanden sind, die wendelartig um die Umfangswand (8) der jeweiligen Wirbelkammer (1) verteilt sind.

17. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulaufkanal (30) in die jeweilige Wirbelkammer (1) vorgesehen ist, der bis zu einer Eintauchtiefe von 14%–90% der maximalen Wirbelkammerhöhe durch den wenigstens einen Auslasskanal (12) in die Wirbelkammer (1) hineinragt.

18. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der jeweiligen Wirbelkammer (1) eine Innenkontur (33) vorgesehen ist, deren Wandung nach Art einer Bessel-Funktion gekrümmt ist.

19. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine extern von der einen oder den mehreren Wirbelkammern angeordnete Vakuumeinrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks am Auslasskanal (12) vorgesehen ist.

20. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumeinrichtung als eine Vakuumpumpe oder ein hand- oder motorgetriebener Propeller ausgebildet ist.

21. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine extern von der einen oder den mehreren Wirbelkammern angeordnete Umwälzpumpe (34) zur Rückführung eines aus dem Auslasskanal abgeführten Mediums in wenigstens einen des wenigstens einen Einspritzkanals (11) vorgesehen ist.

22. Wirbelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührwerk (35) zur Erzeugung eines Wirbelstroms in der jeweiligen Wirbelkammer (1) vorgesehen ist.

23. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich über dem Rührwerk (35) zentriert eine Innenkontur (33) der Wirbelkammer anschliesst.

24. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührwerk (35) im Betrieb eine Rotationsrichtung aufweist, die einer spiralförmigen Drehbewegung eines Stroms (5) entgegengesetzt ist, der durch wenigstens einen tangential an die Begrenzungsfläche anschliessenden Einspritzkanal (11) erzeugbar ist.

25. Wirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rührwerke (35) vorgesehen sind, die koaxial übereinander angeordnet sind und im Betrieb in gegenläufiger Richtung rotieren.

26. Wirbelvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rührwerke (35) durch zwei voneinander getrennte Antriebsquellen (36.1; 362) antreibbar sind.

27. Verwendung einer Wirbelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26 als Zerstäubungs-, Misch-, Trenn- oder Wasseraufbereitungsvorrichtung.