DE10015920A1 - Strömungskörper, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung desselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strömungskörper mit einer Wandung und einem Strömungskanal im Innern der Wandung für ein Fluid, wobei der Strömungskanal im Eintrittsbereich des Fluids in den Strömungskörper in Strömungsrichtung entlang einer zentralen Achse einen ersten Bereich mit konvergentem Querschnittsverlauf und daran anschließend einen zweiten Bereich mit divergentem Querschnittsverlauf aufweist, wobei der Strömungskörper entlang seiner Achse aus mindestens einem ersten Segment und einem zweiten Segment zusammengesetzt ist, wobei das erste Segment einen konvergenten Querschnittsverlauf und das zweite Segment einen divergenten Querschnittsverlauf aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungskörper, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strömungskörpers sowie die Verwendung eines Strömungskörpers gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Die Herstellung von konvergent-divergenten Düsen wie sogen. Laval- oder Venturidüsen erfolgt üblicherweise durch Bearbeiten eines Rohlings. Unabhängig vom verwendeten Material wie Metall, Keramik, Kunststoff ist die Bearbeitung des konvergent­ divergenten Strömungsquerschnitts sehr aufwendig. Düsen aus Metall werden meist spanend durch Drehen oder Erodieren hergestellt. Düsen aus Keramik können durch Pulverspritzgießen oder Sintern, Düsen aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt werden. Dabei ist besonders für Keramik- und Kunststoffdüsen ein aufwendiges Formwerkzeug notwendig, um die Hinterschneidung durch die konvergent-divergente Bohrung herzustellen.

Lavaldüsen und laval-ähnliche Düsen bestehen aus einem axial symmetrischen Körper mit einem konvex zusammenlaufenden düsenförmigen Teil und einer daran anschließenden konkaven oder kegelförmigen Erweiterung. Derartige Strömungskörper liefern einen konstanten Fluidmassenstrom, solange das Verhältnis des Drucks im engsten Teil der Düse zu dem Druck stromauf der Düse den Wert von 0,5283 (bei zweiatomigen Gasen) nicht überschreitet. Durch den Druckgewinn im erweiterten Teil der Düse ist es möglich, die Fluidmenge bei konstantem Vordruck solange konstant zu halten, wie das Verhältnis des am Ende der Erweiterung herrschenden Drucks zum Vordruck einen Wert von ca. 0,85 bis 0,9 nicht überschreitet. Der Fluidmassenstrom kann also z. B. einfach über den Vordruck der Düse manipuliert werden oder über die Dichte des Fluids oder über eine Veränderung der Fläche des engsten Querschnitts.

In der DE 196 43 054 A1 ist ein Ventil mit einer Lavaldüse beschrieben, welches sich besonders zur Zudosierung eines Prozeßgases bei einem Reaktionsprozeß in einem mit Brennstoffzellensystem eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen konvergent­ divergenten Strömungskörper bereitzustellen, dessen Herstellung vereinfacht ist, sowie dessen Verwendung.

Diese Aufgabe wird bei einem Strömungskörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einem Herstellverfahren für einen Strömungskörper mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und bei einer Verwendung gemäß Anspruch 8 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird ein Strömungskörper entlang seiner Achse aus mindestens zwei Segmenten zusammengesetzt, wobei das erste Segment einen konvergenten Querschnittsverlauf und das zweite Segment einen divergenten Querschnittsverlauf aufweist.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei der Herstellung der sehr komplexen Düsenform keine Werkzeuge mehr notwendig sind, um Hinterschneidungen im Düsenkörper herzustellen. Die Fertigung solcher Düsen ist damit erheblich vereinfacht und verbilligt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Strömungskörpers und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der von Segmenten eines bevorzugten Strömungskörpers.

Die Erfindung ist besonders zur Herstellung von Lavaldüsen oder venturi-ähnlichen Düsen geeignet. Besonders bevorzugt werden solche Düsen in Brennstoffzellensystemen eingesetzt.

In Fig. 1 ist ein bevorzugter Strömungskörper dargestellt. Ein Strömungskörper 1 weist eine Wandung 2, 3, 4 und einen Strömungskanal 5, 6, 7 im Innern der Wandung 2, 3, 4 für ein Fluid auf. Im Eintrittsbereich 8 des Fluids in den Strömungskörper 1 in Strömungsrichtung R entlang einer zentralen Achse 9 weist der Strömungskanal 5, 6, 7 einen ersten Bereich 10 mit konvergentem Querschnittsverlauf auf, d. h. der Querschnitt verkleinert sich in Strömungsrichtung stetig. Daran anschließend befindet sich ein zweiter Bereich 11 mit divergentem Querschnittsverlauf, d. h. der Querschnitt erweitert sich in Strömungsrichtung R.

Der Strömungskörper 1 ist entlang seiner Achse 9 aus mindestens einem ersten Segment 12 und einem zweiten Segment 13 zusammengesetzt, wobei der Querschnitt des ersten Segments 12 konvergent verläuft und der Querschnitt des zweiten Segments 13 divergent verläuft. Der Übergang vom konvergenten Bereich zum divergenten Bereich des Strömungskanals liegt genau an der Kontaktstelle, wo das erste Segment 12 an das zweite Segment 13 stößt.

An das zweite Segment kann sich ein drittes Segment 14 anschließen, dessen Querschnittsverlauf wie beim zweiten Segment 13 divergent ist.

In Fig. 2 sind Segmente eines bevorzugten Strömungskörpers dargestellt. Der Strömungskörper 1 ist aus drei Segmenten 12, 13, 14 zusammengesetzt. Das erste Segment 12 weist einen konvergenten Querschnittsverlauf im Strömungskanalabschnitt 5 auf, das zweite Segment 13 und ein drittes Segment 14 kann in Strömungsrichtung zusammengesetzt werden, wobei die beiden Segmente 13, 14 den zweiten Bereich 11 des Strömungskörpers 1 mit divergentem Querschnittsverlauf bilden.

Ein erfindungsgemäßer Strömungskörper 1 mit einer Wandung 2, 3, 4 und einem Strömungskanal 5, 6, 7 im Innern der Wandung 2, 3, 4 für ein Fluid wird hergestellt, indem zuerst einzelne Segmente 12, 13, 14 gefertigt werden. Die Segmente können als einfache Drehteile, Spritzgußteile oder dergleichen hergestellt werden.

Das erste Segment 12 wird mit konvergentem Querschnittsverlauf im Strömungskanalabschnitt 5 hergestellt. Ein zweites Segment 13 und oder weitere Segmente 14 werden mit einem Strömungskanalabschnitt 6 mit divergentem Querschnittsverlauf hergestellt. Anschließend werden die Segmente mit ihren Paßflächen in Anschlag gebracht und fest miteinander verbunden. Jeweils zwei Segmente 12, 13 oder 13, 14, welche verbunden werden sollen, werden dazu mit Paßflächen versehen, die so ausgebildet werden, daß sie bei Kontakt ineinandergreifen. Damit können die Segmente einfach zentriert werden.

Das erste Segment 12 wird an seiner der Eintrittsöffnung 8 entgegengesetzten Oberfläche mit einer ersten Paßfläche 16, 17 versehen. Bei einem Drehteil kann dies sehr einfach erfolgen, indem etwa an dieser Oberfläche ein Bund 16 abgedreht wird und in der Mitte eine Erhöhung 17 stehenbleibt. Das zweite Segment 13 erhält eine zweite Paßfläche 18, 19, die entsprechend mit der ersten Paßfläche 16, 17 zusammenwirkt. Für die Erhöhung 17 ist eine Vertiefung 19 und für den Bund 16 ist eine Rand 18 auf der Oberfläche des zweiten Segments 13 vorgesehen. Die beiden Segmente 12, 13 werden dann mit ihren Paßflächen 16, 17, 18, 19 in Anschlag gebracht und fest verbunden, vorzugsweise verschweißt und/oder verpresst und/oder verklebt. Dabei geht der konvergente Querschnittsverlauf im Bereich der Paßflächen 16, 17, 18, 19 günstigerweise an der Kontaktstelle in den divergenten Querschnittsverlauf über.

Die Paßflächen 16, 17, 18, 19 können auch spiegelbildlich zu den in der Fig. 2 dargestellten Paßflächen ausgebildet werden. Es ist günstig, den Bereich 11 mit divergentem Querschnittsverlauf aus mindestens zwei Segmenten 13, 14 zu bilden, wobei das zweite Segment 13 mit einer dritten Paßfläche 20, 21 mit einer vierten Paßfläche 22, 23 des dritten Segments 14 in Anschlag gebracht und fest verbunden wird.

Die dritte Paßfläche 20, 21 wirkt mit der vierten Paßfläche 22, 23 in gleicher Weise zusammen wie die Paßflächen 16, 17, 18, 19 des ersten Segments 12 und des zweiten Segments 13. Der Vorteil ist, daß die innere Fläche der Strömungskanalabschnitte 6, 7 einfacher zu fertigen sind.

Bei der Herstellung der einzelnen Segmente treten keine Hinterschneidungen auf. Damit vereinfacht und verbilligt sich die Fertigung solcher konvergent-divergenter Strömungskörper 1. Obwohl sich durch das Zusammenfügen entlang der inneren Oberfläche Absätze ausbilden können, die eine Strömung entlang der inneren Oberfläche beeinflussen können, stellt sich überraschenderweise heraus, daß die durch die Kontaktflächen der Düsensegmente sich bildenden Absätze der Düsenwirkungsgrad kaum gemindert wird.

Claims (8)

1. Strömungskörper mit einer Wandung (2, 3, 4) und einem Strömungskanal (5, 6, 7) im Innern der Wandung (2, 3, 4) für ein Fluid, wobei der Strömungskanal (5, 6, 7) im Eintrittsbereich (8) des Fluids in den Strömungskörper (1) in Strömungsrichtung (R) entlang einer zentralen Achse (9) einen ersten Bereich (10) mit konvergentem Querschnittsverlauf und daran anschließend einen zweiten Bereich (11) mit divergentem Querschnittsverlauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper entlang seiner Achse (9) aus mindestens einem ersten Segment (12) und einem zweiten Segment (13) zusammengesetzt ist, wobei das erste Segment (12) einen konvergenten Querschnittsverlauf und das zweite Segment (13) einen divergenten Querschnittsverlauf aufweist.

2. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Segment (12, 13) am Übergang (15) von konvergentem Querschnittsverlaufs zu divergentem Querschnittsverlauf aneinanderstoßen.

3. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Segment (13) mit einem dritten Segment (14) in Strömungsrichtung zusammengesetzt den zweiten Bereich (11) des Strömungskörpers (1) mit divergentem Querschnittsverlauf bildet.

4. Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers (1) mit einer Wandung (2, 3, 4) und einem Strömungskanal (5, 6, 7) im Innern der Wandung (2, 3, 4) für ein Fluid, wobei im Strömungskanal (5, 6, 7) im Eintrittsbereich (8) des Fluids in den Strömungskörper (1) in Strömungsrichtung (R) entlang einer zentralen Achse (9) eine konvergenter Querschnittsverlauf und daran anschließend ein divergenter Querschnittsverlauf ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst einzelne Segmente (12, 13) gefertigt werden, wobei ein erstes Segment (12) mit einem innerhalb einer Wandung (2) befindlichen ersten Strömungskanalabschnitt (5) mit konvergentem Querschnittsverlauf und ein zweites Segment (13) mit einem innerhalb der Wandung (3) befindlichen zweiten Strömungskanalabschnitt (6) mit divergentem Querschnittsverlauf hergestellt wird, daß das erste Segment (12) mit einer ersten Paßfläche (16, 17) mit einer zweiten Paßfläche (18, 19) des zweiten Segments (13) in Anschlag gebracht und fest verbunden werden, so daß der konvergente Querschnittsverlauf im Bereich der Paßflächen (16, 17, 18, 19) in den divergenten Querschnittsverlauf übergeht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Paßfläche (16, 17) und die zweite Paßfläche (18, 19) so ausgebildet sind, daß sie zumindest bereichsweise ineinandergreifen.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (11) mit divergentem Querschnittsverlauf aus mindestens zwei Segmenten (13, 14) gebildet wird, wobei das zweite Segment (13) mit einer dritten Paßfläche (20, 21) mit einer vierten Paßfläche (22, 23) eines dritten Segments (14) in Anschlag gebracht und fest verbunden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Paßfläche (20, 21) mit der vierten Paßfläche (22, 23) so ausgebildet sind, daß sie zumindest bereichsweise ineinandergreifen.

8. Verwendung des Strömungskörpers nach Anspruch 1 in einem Brennstoffzellensystem.